【正文】 在自由表面上 ()和 ()兩點(diǎn)，應(yīng)滿足方程式的條件，即 2 2112yxg?? (24) 2 2222yxg?? (25) 將式 (24)減去 (25)，得 2 221 2 1 2()2h y y x xg?? ? ? ? (26) 第二章 離心鑄造工藝特點(diǎn)及數(shù)學(xué)模型 19 經(jīng)運(yùn)算后得壁厚差為 : 21 2 1 1 22ghK x x x x ?? ? ? ? ? (27) 如將 m s???及 30n??? 代入式中，則得 211 2100hK x xn? ? ? ?????? (28) 式中 n—— 鑄型的轉(zhuǎn)速 ( 1minr ?? )； h 一一鑄件的高度 (m) 由式 (28)可見，當(dāng)鑄型轉(zhuǎn) 速不變時，鑄件越高。而在下部 y=y2， ， 壁厚較厚。因此，可以推論，在立式離心鑄造的旋轉(zhuǎn)鑄型中，液體金屬的自由表面是一個繞垂直旋轉(zhuǎn)軸 Y的回轉(zhuǎn)拋物面。由于自由表面是一回轉(zhuǎn)面，故可不考慮 z 方向的作用力。 由水力學(xué)中的歐拉公式可知，當(dāng)液體質(zhì)點(diǎn)受力的作用，在等壓面上作微小位移時，應(yīng)滿足下述條件 : 0Xdx Ydy Zdz? ? ? (21) 式中 X、 Y、 Z分別為質(zhì)點(diǎn)在 x, y, z 軸方向上所受的 力 ； dx、 dy、 dz分別為質(zhì)點(diǎn)在x, y, z 軸方向上微小位移的投影。立式離心鑄造主要依靠離心的作用，將澆道中的金屬液從旋轉(zhuǎn)中心甩向鑄件外緣進(jìn)行補(bǔ)縮。防止產(chǎn)生偏析、裂紋等軋機(jī)油膜軸承巴氏合金離心澆鑄過程的模擬 分析 18 缺陷。鑄型轉(zhuǎn)速的選擇主要應(yīng)考慮如下二方面的問題 :保證液體金屬進(jìn)入鑄型后，能迅速充滿成型 。太高的鑄型轉(zhuǎn)速也會使機(jī)器出現(xiàn)大的振動、磨損加劇、功率消耗過大。過低的鑄型轉(zhuǎn)速會使立式離心鑄造時金屬液充型 不良，臥式離心鑄造時出現(xiàn)金屬液雨琳現(xiàn)象，也會使鑄件內(nèi)出現(xiàn)縮松、火渣、鑄件內(nèi)表面凹凸不平等缺陷 。 鑄型轉(zhuǎn)速的選擇方法 鑄型轉(zhuǎn)速是離心鑄造時需考慮的重要工藝因素。金屬液的運(yùn)動也有助于樹枝狀晶的破碎和細(xì)化。但是，由于離心力的作用加劇了鑄型內(nèi)金屬的運(yùn)動。 立式離心鑄造和臥式離心鑄造實(shí)際上就是將離心 力場引入金屬液的充型凝固過程中。40 年代后，有人曾將離心鑄造一些方法進(jìn)行分類和定義為以下 2 種形式 : 圖 21臥式離心鑄造 圖 22立式離心鑄造 (1)臥式離心鑄造：鑄型繞其水平軸旋轉(zhuǎn)，中間不采用型芯，形成的鑄件內(nèi)表面為自由表面，如圖 21 所示。 第二章 離心鑄造工藝特點(diǎn)及數(shù)學(xué)模型 17 第二章 離心鑄造工藝特點(diǎn)及數(shù)學(xué)模型 19 世紀(jì)中后期，隨著世界工業(yè)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，離心鑄造技術(shù)逐步得到推廣和應(yīng)用。 （ 3）介紹離心鑄造過程模擬的相關(guān)理論基礎(chǔ)以及模擬離心鑄造過程所用到的工具或軟件。 本論文具體研究內(nèi)容如下： （ 1）首先分析了軋機(jī)油膜軸承的發(fā)展現(xiàn)狀，應(yīng)用巴氏合金作為襯套材料，并采用離心鑄造獲得油膜軸承。通過學(xué)習(xí) Pro/E軟件，建立軋機(jī)油膜軸承的模型并導(dǎo)入 ProCAST軟件，對模型進(jìn)行離心澆注的前處理設(shè)置并對其充型凝固過程進(jìn)行模擬。離心澆注法速度快， 質(zhì)量好。在軸瓦上澆注合金層，通常以手工澆注或離心澆注的方法進(jìn)行。軸瓦掛錫后內(nèi)表面要均勻，厚薄為 表面光潔呈銀色，不許漏掛。另外再用硫酸、鹽酸、氯化銨、氯化鋅鍍劑，鍍劑的作用是去除表面氧化物及油脂，便于使錫貼合牢固。接著鍍 錫，錫與軸瓦的粘合力比巴氏合金為好，鍍錫后可使巴氏合金掛得牢些。堿洗后，禁止用手觸摸軸軋機(jī)油膜軸承巴氏合金離心澆鑄過程的模擬 分析 16 瓦內(nèi)表面。軸瓦經(jīng)酸洗后，再置于 7090℃ 的含 10℅苛性鈉溶液內(nèi)煮 510 分鐘。再將軸瓦放在 1015℅的鹽酸溶液內(nèi)約 510 分鐘，進(jìn)行酸洗、除去銹蝕。其具體內(nèi)容是首先是去污，用噴燈，氧氣乙炔火焰或?qū)ｉT的加熱爐從軸瓦背部進(jìn)行加熱，除去舊的巴氏合金。重力澆注法所用工具設(shè)備簡單，工藝技術(shù)容易掌握，澆注成本低，但澆注質(zhì)量較難控制，通常適用于單件小批量大型軸瓦的修復(fù)，是機(jī)修廠常用的澆注方法 。巴氏合金的澆注方法通常有離心鑄造法和重力鑄造法。尤其在軋制機(jī)械、球磨機(jī)等上應(yīng)用較為廣泛。當(dāng)今機(jī)器發(fā)展朝著大功率、重負(fù)荷，高速化發(fā)展，對機(jī)器的軸承性能要求也越來越高。 表 12巴氏合金成分表 合金牌號 Sb Sn Cu Fe Zn Bi As Al Pb 雜質(zhì)總和 ZChSnSb116 ～ 其余 ～ ≤ ≤ ≤ ≤ ≤ ≤ ≤ ZChSnSb84 ～ 其余 ～ 第一章 引 言 15 表 13巴氏合金機(jī)械性能表 表 14巴氏合金物理性能表 油膜軸承是滑動軸承的一種，是一種主要零件的加 工精度、表面粗糙度以及各種關(guān)參數(shù) (包括潤滑油及載荷等 )的匹配都非常理想的滑動軸承。其成分及性能如表 12，表 13，表 14，為防止成分偏析和細(xì)化晶粒，還常加入少量的 砷 。巴氏合金除制造 滑動軸承 外，因其質(zhì)地軟、強(qiáng)度低，常將其絲或粉噴涂在鋼等基體上制成 軸瓦 使用。銻、銅，用以提高合金 強(qiáng)度和 硬度 。因其呈白色，又稱白合金。 巴氏合金的特點(diǎn)及合金澆注工藝 巴氏合金是具有減摩特性的 錫 基和 鉛 基 軸承 合金 。在國內(nèi)，目前關(guān)于離心鑄造充型、凝固方面的研究很少，較多的研究集中在重力場下的充型研究方面。本文根據(jù)離心鑄造生產(chǎn)的特點(diǎn)，利用數(shù)值模擬技術(shù)，成功地研制出了一套面向?qū)嶋H生產(chǎn)的離心鑄造生產(chǎn)過程 ProCast 軟件系統(tǒng)，并在實(shí)際生產(chǎn)中得以應(yīng)用。 離心鑄造作為一種高效的特種材料成形方法，在鑄造行業(yè)中占據(jù)著越來越重要的地位。 芬蘭 Helsinki 理工大學(xué)的 Baosheng 在 1992－ 1994 年利用有限元格式模擬了鋁合金凝固過程粒度分布狀態(tài)。 離心鑄造過程數(shù)值模擬開展較晚。因此，進(jìn)行充型模擬一方面是通過模擬分析充型過程中液態(tài)金屬流動形態(tài)，預(yù)測上述缺陷，為澆注方式的修改提供依據(jù)；另一方面為后續(xù)的凝固模擬分析提供必要的初始溫度場。充型是鑄造過程中重要的階段，液態(tài)金屬充型過程不平穩(wěn)和充填順序不合理以及充型時間過長會造成裹氣、冷隔和澆不足等缺陷。從 80 年代開始，在此領(lǐng)域進(jìn)行了大量的研究，在數(shù)值模型的建立、算法的實(shí)現(xiàn) 、計算效率的提高以及工程實(shí)用化階段均取得了很大的進(jìn)步。 1995 年，東南大學(xué)的泰永健利用 SIMPLE 算法對雙輥薄帶連續(xù)鑄造的流動和傳熱進(jìn)行了分析計算，取得了較好的成果。 1987 年沈陽鑄造研究所的王君卿，在丹麥大學(xué)讀博士學(xué)位期間，從事了充型過程數(shù)值 模擬的研究，并用上述三種方法進(jìn)行計算，進(jìn)行了 I 型三通管、灰鑄鐵件充型過程的數(shù)值模擬，并對幾種求解帶自由表面數(shù)值計算方法進(jìn)行了比較。所有這些都標(biāo)志著充型過程計算機(jī)模擬技術(shù)日趨成熟，為其在生產(chǎn)中的廣泛應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。針對這些問題， J. L. Yen 在流場計算中引入了不規(guī)則網(wǎng)格，結(jié)果使計算速度、計算精度得到明顯的提高。他的研究成果，一方面使人們認(rèn)識到層流、湍流、非牛頓流體的流動差異，另一方面對流變鑄造、復(fù)合材料鑄造也有指導(dǎo)意義。在此之前，充型過程數(shù)值模擬基本上僅限于二維問題。 . Stoehr 和 C. Wang 將充型過程和凝固過程作為一個整體進(jìn)行模擬計算，模擬結(jié)果不僅可以預(yù)見流場、溫度場分布，還可預(yù)見澆不足、冷隔、縮孔等缺陷出現(xiàn)的可能性及產(chǎn)生位置。以前在模擬計算時都是把金屬液看作是不可壓縮的，即密度不隨溫度、壓力而變化。實(shí)際上，湍流的粘性系數(shù)比層流至少大數(shù)百倍，它對流動方式的影響極大。 同年， . Stoehr 和 C. Wang 也開發(fā)出一套考慮了傳熱的充型過程流體流動的計算模型，這是一個考慮問題比較全面的二維模擬。1988 年， H. L. Lin 和黃文星在流體計算中引入了能量守恒方程，進(jìn)行了 流場、溫度場耦合模擬。盡管如此，上述先驅(qū)者們的工作開拓了充型過程研究的新領(lǐng)域，奠定了充型過程計算機(jī)模擬的基礎(chǔ)。 1987 年之前是充型過程計算機(jī)模擬的初始發(fā)展階段，模擬基本上限于二維板類鑄件，并假設(shè)充型過程液態(tài)金屬處于層流流動。他們認(rèn)為， MAC、 SMAC 法是充 型過程數(shù)值模擬的有效方法。 充型過程的數(shù)值模擬始于 80 年代初，臺灣學(xué)者黃文星在美國匹茲堡大學(xué)與 R. 教授一起首先將流體力學(xué)計算的研究成果用于解決鑄造充型問題，開辟了充型過程研究的新領(lǐng)域。因此，進(jìn)行充型模擬一方面是通過模擬分析充型過程中液態(tài)金屬流動形態(tài)，預(yù)測上述缺陷，為澆注方式的修改提供依據(jù)；另一方面為后續(xù)的凝固模擬分軋機(jī)油膜軸承巴氏合金離心澆鑄過程的模擬 分析 12 析提供必要的初始溫度場。 充型是鑄造過程中重要的階段，液態(tài)金屬充型過程不平穩(wěn)和充填順序不合理以及充型時間過長會造成裹氣、冷隔和澆不足等缺陷。從 80 年代開始，在此領(lǐng)域進(jìn)行了大量的研究，在數(shù)值模型的建立、算法的實(shí)現(xiàn)、計算效率的提高 以及工程實(shí)用化階段均取得了很大的進(jìn)步。 油膜軸承離心澆鑄屬于油膜軸承加工的初始階段，工件經(jīng)卷筒成型、內(nèi)壁攻絲等工序后進(jìn)入澆鑄工序 液態(tài)合金在離心力的作用下，使得合金緊緊貼在被澆工件表面，內(nèi)部組織非常致密均勻，所選擇的合金材 料具有非常好的柔韌性和耐磨特性。這樣，可以保證鑄件質(zhì)量，提高工藝出品率，減少對經(jīng)驗(yàn)的依賴，增進(jìn)科學(xué)決策，縮短試制周期，節(jié)省試制費(fèi)用，最終增強(qiáng)市場競爭優(yōu)勢。而鑄造數(shù)值模擬技術(shù)對鑄件充型過程的流 動場，凝固過程的溫度場、應(yīng)力場及微觀組織形貌進(jìn)行模擬，可以打破 “睜眼造、閉眼澆 ”的傳統(tǒng)模式；使工程技術(shù)人員對鑄件充型過程中金屬液體的流動形態(tài)、凝固過程的溫度場分布、應(yīng)力場的形成和分布，結(jié)晶晶粒的形成、生長、尺寸及形貌等信息有清楚的了解。 鑄件充型凝固過程數(shù)值模擬技術(shù)在縮短新產(chǎn)品得試制周期、降低試制費(fèi)用、優(yōu)化現(xiàn)有產(chǎn)品的工藝、減少廢品率上體現(xiàn)了其特有的優(yōu)勢。因此，如何適應(yīng)市場經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需要，迎接 全球化競爭的挑戰(zhàn)，成了擺在我國鑄造行業(yè)面前的重要課題。人類社會的發(fā)展，要求鑄件的生產(chǎn)向輕型化、精確化、強(qiáng)韌化、復(fù)合化及無環(huán)境污染方向發(fā)展。而數(shù)值模擬技術(shù)正是離心鑄造 CAE 的核心部分，利用該技術(shù)能夠分析整個離心鑄造的生產(chǎn)過程。 計算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，為離心鑄造行業(yè)發(fā)展生產(chǎn)、贏得市場提供了強(qiáng)有力的幫助 。 1983年邢臺鋼鐵廠首先在我國引進(jìn)了熱模離心鑄管工藝。 1951年球墨鑄鐵發(fā)明后的第三年，就在歐洲首先被采用到鑄管上。其優(yōu)點(diǎn)是鑄管外表質(zhì)量好，不易產(chǎn)生白口，不用隨后的退火處理，降低模具的損耗。目前世界上絕大部分管子都用此法生產(chǎn)，故為紀(jì)念這位發(fā)明人稱此法為代一拉沃德法。 1914年巴西代一拉沃德和其同事阿來恩斯發(fā)明了水冷金屬型離心澆注機(jī)。但真正使離心鑄造發(fā)展成第二大類的鑄造工藝方法，還要?dú)w功于巴西人代一拉沃德的水冷金屬型離心鑄造機(jī)的發(fā)明與 20世紀(jì)中球墨鑄鐵在鑄管上的應(yīng)用，從而開始了用離心鑄造工藝替代連續(xù)鑄造工藝、用球墨鑄鐵替代灰鑄鐵在生產(chǎn)壓力鑄管方面的過渡。它要比德國人貝士麥（ Bessemer）提出的連續(xù)鑄管的方法早 48年（ 1857年）。 在傳統(tǒng)的生產(chǎn)過程中，工程技術(shù)人員憑借經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計的離心鑄造工藝方案要經(jīng)過反復(fù)的試驗(yàn)、修改，才能完成生產(chǎn)工藝的最終優(yōu)化和定案，這不僅消耗了大量的人力、財力，而且直接導(dǎo)致了整個產(chǎn)品的生產(chǎn)周期大大延緩，使生產(chǎn)廠家在激烈競爭的市場上處于很不利的地位。鑄型中的液體金屬能形成中空圓柱形的自由表面，不用型芯就可形成套筒和管類鑄件，以及雙金屬中空圓柱形鑄件：如軸承套、鑄管等，離心鑄造方式還可用于澆注流動性較差的合金和壁厚較薄的鑄件，可簡化這類鑄件的生產(chǎn)工藝過程；鑄型的旋轉(zhuǎn)作用顯著提高了液體金屬的充填能力，改善了充型條件。隨著技術(shù)的進(jìn)步，目前已有高度機(jī)械化、自動化的離心鑄造機(jī)，出現(xiàn)了年產(chǎn)量達(dá)數(shù)十萬噸的機(jī)械化離心鑄管廠?，F(xiàn)在離心鑄造已是一種應(yīng)用廣泛的鑄造方法，常用于生產(chǎn)鑄管、銅套、缸套、雙金屬鋼背銅套等。但直到上世紀(jì)初才逐步推廣用于工業(yè)生產(chǎn)。 離心鑄造既是傳統(tǒng)，又是一種現(xiàn)代的鑄造方法。 離心澆鑄 的發(fā)展過程及其數(shù)值模擬研究概況 離心鑄造是一種被廣泛采用的特種鑄造工藝。此外 ,還要有過濾器的壓差報警 ,油溫、油壓、液面的控制與報警 ,以及油的檢測與分離等等 ,所以潤滑系統(tǒng)是龐大而復(fù)雜的。油膜軸承是以循環(huán)油潤滑、冷卻的 ,所以要求潤滑油流量很大 。 潤滑系統(tǒng)復(fù)雜 :油膜軸承的潤滑系統(tǒng) ,要比滾動軸承的潤滑系統(tǒng)龐大、復(fù)雜得 多。一般的軸承在這樣的環(huán)境下工作是很容易受到污染的 ,而軸承一旦遭到污染 ,混入異物 ,必將導(dǎo)致軸承過早的失效。 抗污染能力強(qiáng) :從當(dāng)前的實(shí)際情況看 ,鋼鐵廠的環(huán)境仍然不如機(jī)械加工廠。此力可以平 衡突加第一章 引 言 9 的載荷 ,使軸承免于受損。為什么油膜軸承的抗沖擊能力比滾動軸承強(qiáng)呢 ?主要是在軸承襯套與錐套之間的一層油膜墊起到了緩沖的作用。一般地說 ,軋件是在被軋輥咬入后進(jìn)行軋制的 ,即載荷是突然建立起來的。