【正文】 0r。39。因?yàn)殍T件內(nèi)表面上1?的 及 G 值為最小，若已能滿足質(zhì)量要求，則在其他部位的質(zhì)量也能得到保證。此外，液體金屬的粘度越小，澆注速度越快及鑄件壁厚越大，保證成型的轉(zhuǎn)速也越大。必須指出，液體金屬進(jìn)入鑄型后，由于慣性的影響，其轉(zhuǎn)速(或角速度)實(shí)際上比鑄型小。因此，可以推論，臥式離心鑄造時(shí)，如果不考慮重力場(chǎng)的影響，則液體金屬的自由表面為一個(gè)以旋轉(zhuǎn)軸為軸線的圓柱面。同上節(jié)分析一樣，將 X, Y、Z第二章 離心鑄造工藝特點(diǎn)及數(shù)學(xué)模型21代入式(21)，得 (211) 220mxdy???將式(211)移項(xiàng)積分后，得如下方程式: (212)2200r此為圓的方程式，其半徑為液體金屬的內(nèi)半徑 。 圖 23 立式離心鑄造時(shí)，液體金屬 圖 24 臥式離心鑄造時(shí)，液體金屬 軸向斷面上自由表面的形狀 軸向斷面上自由表面的形狀 臥式離心鑄造自由表面形狀及轉(zhuǎn)速選擇依據(jù)圖 24 所示為臥式離心鑄造時(shí)，截取液體金屬橫斷面的圖形。在自由表面上(x )和(x )兩點(diǎn)，應(yīng)滿足方程式的條件，即 (24)211yxg?? (25)2將式(24)減去(25)，得 (26)2211()hyxg???軋機(jī)油膜軸承巴氏合金離心澆鑄過(guò)程的模擬分析20經(jīng)運(yùn)算后得壁厚差為: (27) 2121ghKxx????如將 及 代入式中，???30n?? (28)????????式中 n——鑄型的轉(zhuǎn)速( )；h 一一鑄件的高度(m)1inr??由式(28)可見(jiàn)，當(dāng)鑄型轉(zhuǎn)速不變時(shí)，鑄件越高，壁厚差越大，當(dāng)鑄件高度一定時(shí)，提高鑄型的轉(zhuǎn)速，可減少壁厚差。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(gè)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(shí)，應(yīng)滿足下述條件: (21)0XdxYyZz??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)生偏第二章 離心鑄造工藝特點(diǎn)及數(shù)學(xué)模型19析、裂紋等缺陷。鑄型轉(zhuǎn)速的選擇主要應(yīng)考慮如下二方面的問(wèn)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(huì)使機(jī)器出現(xiàn)大的振動(dòng)、磨損加劇、功率消耗過(guò)大。過(guò)低的鑄型轉(zhuǎn)速會(huì)使立式離心鑄造時(shí)金屬液充型不良，臥式離心鑄造時(shí)出現(xiàn)金屬液雨琳現(xiàn)象，也會(huì)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(shí)需考慮的重要工藝因素。金屬液的運(yùn)動(dòng)也有助于樹(shù)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(dòng)。立式離心鑄造和臥式離心鑄造實(shí)際上就是將離心力場(chǎng)引入金屬液的充型凝固過(guò)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。軋機(jī)油膜軸承巴氏合金離心澆鑄過(guò)程的模擬分析18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(guò)程模擬的相關(guān)理論基礎(chǔ)以及模擬離心鑄造過(guò)程所用到的工具第一章 引 言17或軟件。本論文具體研究?jī)?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(guò)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(duì)模型進(jìn)行離心澆注的前處理設(shè)置并對(duì)其充型凝固過(guò)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(jiǎn)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(duì)機(jī)器的軸承性能要求也越來(lái)越高。表 12 巴氏合金成分表合金牌號(hào) Sb Sn Cu Fe Zn Bi As Al Pb雜質(zhì)總和ZChSnSb116 ～ 其余 ～ ≤ ≤ ≤ ≤ ≤ ≤ ≤ZChSnSb84 ～ 其余 ～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(dòng)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(rùn)滑油及載荷等)的匹配都非常理想的滑動(dòng)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，還常加入第一章 引 言15少量的砷。巴氏合金除制造滑動(dòng)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(guó)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(chǎng)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(guò)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(lái)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(guò)程粒度分布狀態(tài)。離心鑄造過(guò)程數(shù)值模擬開(kāi)展較晚。因此，進(jìn)行充型模擬一方面是通過(guò)模擬分析充型過(guò)程中液態(tài)金屬流動(dòng)形態(tài)，預(yù)測(cè)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(chǎng)。充型是鑄造過(guò)程中重要的階段，液態(tài)金屬充型過(guò)程不平穩(wěn)和充填順序不合理以及充型時(shí)間過(guò)長(zhǎng)會(huì)造成裹軋機(jī)油膜軸承巴氏合金離心澆鑄過(guò)程的模擬分析14氣、冷隔和澆不足等缺陷。從 80 年代開(kāi)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(jì)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(duì)雙輥薄帶連續(xù)鑄造的流動(dòng)和傳熱進(jìn)行了分析計(jì)算，取得了較好的成果。1987 年沈陽(yáng)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(guò)程數(shù)值模擬的研究，并用上述三種方法進(jìn)行計(jì)算，進(jìn)行了 I 型三通管、灰鑄鐵件充型過(guò)程的數(shù)值模擬，并對(duì)幾種求解帶自由表面數(shù)值計(jì)算方法進(jìn)行了比較。所有這些都標(biāo)志著充型過(guò)程計(jì)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(duì)這些問(wèn)題，J. L. Yen 在流場(chǎng)計(jì)算中引入了不規(guī)則網(wǎng)格，結(jié)果使計(jì)算速度、計(jì)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(shí)到層流、湍流、非牛頓流體的流動(dòng)差異，另一方面對(duì)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(guò)程數(shù)值模擬基本上僅限于二維問(wèn)題。. Stoehr 和 C. Wang 將充型過(guò)程和凝固過(guò)程作為一個(gè)整體進(jìn)行模擬計(jì)算，模擬結(jié)果不僅可以預(yù)見(jiàn)流場(chǎng)、溫度場(chǎng)分布，還可預(yù)見(jiàn)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(jì)算時(shí)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(duì)流動(dòng)方式的影響極大。同年，. Stoehr 和 C. Wang 也開(kāi)發(fā)出一套考慮了傳熱的充型過(guò)程流體流動(dòng)的計(jì)算模型，這是一個(gè)考慮問(wèn)題比較全面的二維模擬。1988 年，H. L. Lin 和黃文星在流體計(jì)算中引入了能量守恒方程，進(jìn)行了流場(chǎng)、溫度場(chǎng)耦合模擬。盡管如此，上述先驅(qū)者們的工作開(kāi)拓了充型過(guò)程研究的新領(lǐng)域，奠定了充型過(guò)程計(jì)算機(jī)模擬的基礎(chǔ)。1987 年之前是充型過(guò)程計(jì)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(guò)程液態(tài)金屬處于層流流動(dòng)。他們認(rèn)為，MAC、SMAC 法是充型過(guò)程數(shù)值模擬的有效方法。充型過(guò)程的數(shù)值模擬始于 80 年代初，臺(tái)灣學(xué)者黃文星在美國(guó)匹茲堡大學(xué)與 R. 教授一起首先將流體力學(xué)計(jì)算的研究成果用于解決鑄造充型問(wèn)題，開(kāi)辟了充型過(guò)程研究的新領(lǐng)域。因此，進(jìn)行充型模擬一方面是通過(guò)模擬分析充型過(guò)程中液態(tài)金屬流動(dòng)形態(tài)，預(yù)測(cè)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(chǎng)。充型是鑄造過(guò)程中重要的階段，液態(tài)金屬充型過(guò)程不平穩(wěn)和充填順序不合理以及充型時(shí)間過(guò)長(zhǎng)會(huì)造成裹氣、冷隔和澆不足等缺陷。從 80 年代開(kāi)始，在此領(lǐng)域進(jìn)行了大量的研究，在數(shù)值模型的建立、算法軋機(jī)油膜軸承巴氏合金離心澆鑄過(guò)程的模擬分析12的實(shí)現(xiàn)、計(jì)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(duì)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(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。而鑄造數(shù)值模擬技術(shù)對(duì)鑄件充型過(guò)程的流動(dòng)場(chǎng)，凝固過(guò)程的溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)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(duì)鑄件充型過(guò)程中金屬液體的流動(dòng)形態(tài)、凝固過(guò)程的溫度場(chǎng)分布、應(yīng)力場(chǎng)的形成和分布，結(jié)晶晶粒的形成、生長(zhǎng)、尺寸及形貌等信息有清楚的了解。鑄件充型凝固過(guò)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?gòu)U品率上體現(xiàn)了其特有的優(yōu)勢(shì)。因此，如何適應(yīng)市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需要，迎接全球化競(jìng)爭(zhēng)的挑戰(zhàn)，成了擺在我國(guó)鑄造行業(yè)面前的重要課題。人類社會(huì)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(wú)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(gè)離心鑄造的生產(chǎn)過(guò)程。第一章 引 言11計(jì)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(chǎng)提供了強(qiáng)有力的幫助。1983年邢臺(tái)鋼鐵廠首先在我國(guó)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(lái)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(kāi)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(guò)渡。它要比德國(guó)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(guò)程中，工程技術(shù)人員憑借經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)的離心鑄造工藝方案要經(jīng)過(guò)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(cái)力，而且直接導(dǎo)致了整個(gè)產(chǎn)品的生產(chǎn)周期大大延緩，使生產(chǎn)廠家在激烈競(jìng)爭(zhēng)的市場(chǎng)上處于很不利的地位。鑄型中的液體金屬能形成中空?qǐng)A柱形的自由表面，不用型芯就可形成套筒和管類鑄件，以及雙金軋機(jī)油膜軸承巴氏合金離心澆鑄過(guò)程的模擬分析10屬中空?qǐng)A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(dòng)性較差的合金和壁厚較薄的鑄件，可簡(jiǎn)化這類鑄件的生產(chǎn)工藝過(guò)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(dòng)化的離心鑄造機(jī)，出現(xiàn)了年產(chǎn)量達(dá)數(shù)十萬(wàn)噸的機(jī)械化離心鑄管廠。現(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(guò)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(guò)濾器的壓差報(bào)警 ,油溫、油壓、液面的控制與報(bào)警,以及油的檢測(cè)