桶类零件数控加工工艺设计.doc

西京学院机电工程系数控技术专业毕业设计：桶类零件数控加工工艺设计高耐磨铜合金桶类零件离心浇铸机设计摘 要锡青铜是在工业中最常用的一种青铜，机械性能中的强度、塑性很好，尤其是其塑性可与钢相媲美，优良的化学稳定性、高致密性以及高耐湿摩擦性，因而被广泛用来生产耐腐蚀、耐高压和耐湿摩擦的各种零件。本文着重叙述铜合金离心铸造。包括高耐磨铜合金套类零件浇铸工艺分析，模具设计，离心浇铸机原理设计，机构与结构设计。通过本次的毕业设计，使我掌握了设计一套机械设备的工艺流程，并且让我对大学里学的科目，无论是专业课还是基础课，都从头到尾的温习巩固了一遍，对各类手册的用法是从新熟悉了。毕业设计也就相当于设计一种产品，是我们这些毕业生步入社会的过度过程，对以后适应工作有着重要的意义。离心铸造是一项非常先进的技术。虽然现在铸造领域所占的比重很小，但是随着社会的发展，我相信离心铸造将会在很多方面取代一些原始的铸造方法。当然离心铸造还有许多要完善的地方。就需要我们未来的研究中去完善它。关键词：铜合金；耐磨；轴承；铸造；工艺；模具目 录目 录II插表清单VI引 言1第1章绪论31.1 铜工业简介31.2 铜合金分类7第2章浇铸工艺设计92.1前言92.2生产条件的确定92.2.1 熔炼设备的选择92.3 浇注工艺方案的确定10第3章模具设计183.1 模具结构183.2 模具的设计参数183.3 离心铸造转速的计算21第4章缺陷分析与解决方法224.1 离心铸型转速技术参数选择的认识224.2 离心铸件常见的缺陷及成因分析224.3 裂纹、缩孔与缩松缺陷的防止措施24第5章机构与结构设计265.1 联轴器的选择265.2 离合器的选择285.3 电动机的选择与电路分析305.4 轴承的选择31第6章轴的设计326.1 轴的设计326.2 轴的校核336.3 键的校核35结论与展望37致谢40参考文献4243引 言铜是人类应用最早的金属，铜的发现和使用是中国古代文明的重要组成部分。早在6600年以前，在中国黄河流域的原始文化中就出现了零星的铜器和冶铸器件，其后出现了中国历史上一个独立的时代一青铜器时代。随着科学技术和工业的进步，对铜加工材料提出了更高的要求，铜加工业则不断地提高产品的物理性能、机械性能、化学性能、表面品质和加工精度，不断地出现适应各种特殊要求的高、精、尖新产品。目前各个行业对铜的消费日益增加，1998年全世界年产铜约1360万吨，各主要生产国的产量分别为：美国245万吨、智利233万吨、日本128万吨、中国100万吨、德国69.5万吨、俄罗斯64万吨、加拿大56万吨。世界铜的消费主要集中在发达工业国，根据1997年的统计，美国是世界上最大的铜消费国，一年消费277万吨，约占世界消费总量的1/5，其次是日本144万吨、德国105万吨、韩国62万吨、法国58万吨、意大利53万吨、英国41万吨。我国铜资源非常匾乏，但目前又是铜材产量处于世界第一的国家，在国民经济持续和高速发展的推动下，2003年我国铜加工工业，克服了原辅材料价格上涨、电力供应紧张等一系列困难，继续保持着强劲势头。2003年我国铜材产量为329.67万吨，进口量为105.6万吨，出口量为23.3吨，消费量为411.97万吨，分别比2002年增长31.23%、15%、35.46%和26.45%，在世界铜加工行业中占有举足轻重的地位。然而我国虽然在产量上在世界的铜加工行业里占有很高的地位，但在一些高耐磨、高强高导的行业里，与世界先进水平还是由很大的差距的。本文就是在高耐磨铜合金的加工领域，给读者详细的介绍已中文最有代表性的加工方法。第1章 绪论1.1 铜工业简介最近几年我国国民经济持续保持高速发展，为我国铜加工材提供了广阔的市场空间，创造了我国铜加工迅速发展的外部条件。特别是电子、通讯、钢铁、交通、建筑、家电等行业的迅速发展，为铜加工工业的市场提供了千载难逢的好机遇，火电、核电、舰船、海水淡化采用大长度冷凝管、电机制造用空芯导线、整流器用异型铜材、输配器用导线、变压器铜带、导电用铜排、连续铸钢用铜结晶器管和板、高炉铜冷却壁用厚板、汽车水箱带、汽车同步器齿环管、线缆、接插元件、高速列车用特长异型合金线、汽车镀锌钢板焊接用铜合金焊丝、高强高导电板铜合金、特种粉末、电子元器件用的高精铜带、引线框架铜带、接插元器用锡磷青铜带、通讯工程用电缆带、电真空用无氧铜、印刷电路用高质量和高性能电解铜箔；建筑工业用水道管和燃汽管、铜管件、环品已成为铜加工材的亮点；还有就在高耐磨领域铜合金占的比重越来越大。我国铜加工业技术和装备水平再上一个新的台阶，使我国铜加工业整体实力和国内外市场竞争能力大大加强，这是新形势下赋予我国铜加工业的新的重大发展机遇。谁能抓住这一机遇发展自己，成功将属于谁。2005年我国十种有色金属总产量为1631.8万吨，是2000年的2.08倍，年均递增率为8%，连续4年位列世界第一。其中铜产量为258.3万吨，是2000年的1.88倍，年均递增率为13.5%。“十五”期间我国的铜产量见表1.1表1-1 20002005年铜产量(单位：万吨)2000年2001年2002年2003年2004年2005年铜产量137.1153.2163.3183.6219.9258.3“十五”期间生产铜材总产量是1695万吨，是“九五”期间铜材产量650万吨的2.61倍，大约相当于建国至2000年铜材产量的总和。其中2005年铜材产量为466.8万吨，是2000年的2.92倍，平均递增率为23.9%。“十五”期间有色金属行业实现利税为2044亿元，是建国至2000年累计利税的1.6倍，实现利润约1182亿元，是建国至2000累计利润的2.1倍(见表1.2)。表1.2 20002005年规模以上有色金属有色金属企业销售收入、税收和利润收入表2000年2001年2002年2003年2004年2005年销售收入2183.02356.62689.03706.15578.38090.5利税总额169.7177.3187.1301.9530.2847.8利润总额66.371.480.5162.1323.8543.9“十五”期间我国的有色金属外贸进出口总额持续攀升，起进出口总额达到1369亿美元，是“九五”，期间的3倍(见表1.3)。我国十种有色金属总产量连续4年位列世界第一，2005年我国铜(铜冶炼)产量约占世界产量的7%，仅次于智利，连续5年位列世界第二(见表1.41.5)。表1.3 20002005年有色金属外贸进出口总额2000年2001年2002年2003年2004年2005年进出口总额143.11138.20167.84232.88362.00168.37进口额99.8898.38109.33152.16230.47303.48出口额43.2339.8258.5180.72131.53164.89外贸逆差56.6558.5650.8271.4498.94138.59表1.4 2004年世界精炼铜排名前5个生产国序号精炼铜国家产量（万吨）1智利289.02中国219.93日本138.04美国131.0俄罗斯88.5总的来看，2005年以来铜加工行业经济运行情况良好并具有以下主要特点：1） 依然保持稳步增长。2） 市场开发力度增大。3） 产品结构调整任务繁重。铜加工材品种高精度板带材依然是全行业关注的重点。2005年，我国铜板带出口5.0万吨，而进口高达27.3万吨，主要是高精品种。铜管品种继续保持稳定发展势头，精密铜管生产技术和产品质量仍处世界前列。4） 技术创新成果显著。2005年共有11项成果获得行业科技进步奖。5） 在铜价持续走高的形势下，有色金属加工行业总体效益水平一般。全国著名铜加工企业按产量和利税排名前四位的是宁波金田铜业(集团)有限责任公司、海亮集团有限公司、新张铜股份有限公司、金龙精密铜管集团股份有限公司。6） 产业集中度明显。中国铜加工工业发达地区主要分布在东南沿海一带，主要生产省份有浙江、江苏、广东等长江三角洲和珠江三角洲地区。机遇与挑战并存。2003年我国工业发展所需的原材料与能源供应已成为突出矛盾，原材料价格上涨、电力供应短缺已成为制约我国铜加工业发展的重要外部条件，这一点在2004年以及更长远的时间内都不可能根本缓解，2006年，世界经济正处于新一轮恢复和增长期，国际制造结构调整和转移，总体上对我国有利。我国以具备保持经济平稳较快发展和社会和谐进步的有利条件。城乡居民消费结构升级，将带动产业结构调整和城镇化加发展，这些都为有色金属工业发展提供了巨大的市场需求。但是不利因数仍然存在：（1） 铜价继续在高位震荡，为铜加工发展带来许多变数。（2） 铜加工材出口税率改变，在短期内会加剧企业经营困难和国内市场竞争，从而导致铜材生产企业重新洗牌。为了适应新形势，铜加工企业将加强企业管理，不断降低成本，不断推进自主技术创新等措施以求持续发展。铜加工技术创新重点是生产技术和装备向生产连续化、自动化、高效、节能、无公害方向发展，重要项目有：u 板带材生产连铸和连轧，解决带坯连铸技术，包括保护气体熔炼、宽带坯立式或水平连铸技术、大宗产品连轧技术(包括紫铜、黄铜、青铜)、质量控制技术和测试技术。u 管、棒、型、线材的连续四川大学硕士学位论文化生产技术，大力压缩热加工工序，解决合金管材连铸和盘式生产方法的技术关键。u 实现所有铜材料生产无公害化。u 铜材料生产周期进一步缩短，由目前21天压缩至7天。1.2 铜合金分类铜在元素周期表中位于第四周期，第m族铜原子的电子层排布为：ls22s22p63s23p63dl04sl，除最外层一个电子易成键外，3d上有l-2个电子也能参加成键，故铜氧化态有+l价、+2价和+3价，但+1价和十2价较常见。纯铜为紫红色金属，质地坚韧、有延展性；热导率和电导率都很高；熔点1083.4，沸点2567；密度8.92g/；在20时，铜的热导率是397W/mk电阻率是1.673010-6。其电导率是银的94%，有顺磁性。铜的机械性能与物理状态有关，也受温度和晶粒大小的影响。热轧铜抗拉强度为220.5N/mm2，屈服强度为69N/mm2，伸长率是45%，冷轧铜的断面减缩70%后抗拉强度增加到约393N/mm2，伸长率降至4%。铜可以与其他元素组成合金，常见的铜合金主要有三类：黄铜：黄铜是铜锌合金，因色黄而得名，黄铜的耐磨性能和机械性能都很好，可用于制造精密仪器，船舶的零件。当黄铜的锌含量在32%以下时，塑性良好，适于冷、热加工，且韧性强，但切削加工性能较差。为了改善黄铜的某些性能，往往加入少量其他元素，如铝、锰、锡、硅、铅等，这种黄铜称为特殊黄铜。白铜：白铜是指铜镍合金，称镍白铜。当把镍熔入红铜里，含量超过16%以上时，色泽变得洁白如银。青铜：除黄铜和白铜外，其余铜合金为青铜，因色青而得名。习惯上也有把青铜分成锡青铜和无锡青铜两大类。锡青铜主要用于制造耐腐耐磨的零部件，如轴套、推力轴承瓦块等。由于锡的资源较少，近来工业上广泛采用一些其他合金元素来代替锡，较常见的有铝青铜、铅青铜和被青铜等。铝青铜比锡青铜具有更好的耐腐蚀性，常用于制造耐腐蚀、耐磨损的零件，如齿轮、蜗轮、轴套等。被青铜主要用作重要弹簧及弹性零件，以及电接触器、电焊机电极、四川大学硕士学位论文钟表及钟表零件等。青铜还有一个反常的特性“热缩冷胀”，用来铸造塑像，冷却后膨胀，使得细节更清楚。第2章 浇铸工艺设计2.1前言对铸造铜合金而言，套类、齿圈类、蜗轮类、轴瓦等铸件，采用砂型铸造，不仅工艺出品率很低，费工、费料，更主要的是质量难以保证。因此，一般采用离心铸造来提高ZCuSn6Zn6Pb3的质量。但是离心铸造受材料成分的制约，凝固方式的不同，往往出现意想不到的质量问题无法解决。如果铸造一些昂贵金属，采用其他的铸造方法，不仅精度低，而且材料利用率也低，这样是非常浪费资源的，因此必须采用离心铸造，而且一定要选择金属模具。所以下面就对采用离心机铸造方法，对铸件质量控制的几个方面提出了以下几点工艺措施。2.2生产条件的确定铜合金的成型技术随着现代科学技术的发展有了很大的提高，并逐步的走向完善。包括有砂型铸造和特种铸造。在特种铸造里主要有熔模铸造、陶瓷型铸造、石膏型铸造、金属型铸造、压力铸造、离心铸造和挤压铸造等。它们各有各的优点和缺点。本文重点叙述金属模离心铸造法。离心铸造全套设备包括熔炼设备、传动设备还有模具。2.2.1 熔炼设备的选择表2.1 熔炼设备一览序号名称功率（KW）最大容量（T）形式1电弧炉1000.5卧式2中频炉2500.25立式3焦炭坩埚炉2.20.3立式根据模具的尺寸，选择序号“1”电弧炉。2.2.2 离心机的选择表2.2 离心机选择表序号最大规格（mm）功率（KW）最大车速（转/分）形式141150卧式三级210900卧式二级320800立式二级440700立式二级52.21300卧式三级根据零件的尺寸选择“1”卧式三级离心机。2.3 浇注工艺方案的确定工艺方案就是生产纲领，是指导性文件，合理的工艺方案，不但节省资源，还能提高生产效率，下面就向大家详细的介绍一下这次设计的工艺方案。2.3.1 铜合金熔炼工艺2.3.1.1炉前准备 炉料 凡是要加入到炉中去的各种原材料都必须除锈、去油、彻底烘干。投炉前应尽可能的把炉料预热到400左右；各种辅料包括覆盖剂，清渣剂，除气剂都必须在投炉前烘烤，对一些氯化物，还必须高温脱水处理后方能使用，严禁冷料使用。熔炼工具 凡是与金属液直接接触的各类工具，包括浇包、浇口槽、钟罩、搅拦棒、耙子等都必须刷好涂料彻底烘干后待用。石墨坩埚应预热到200-300时再放入炉膛，防止坩埚爆炸和掉层。2.3.1.2 熔炼工艺铜合金铸件质量与熔炼密切相关，因为在熔化过程中特别容易吸气造渣，极难排除，因此铜合金在熔炼时要采用保护手段，用干燥的木炭、碎玻璃、硼砂等材料覆盖金属液，覆盖剂在加料时应放在炉子底部，加入量以能覆盖住金属液面为准。对于焦碳坩埚炉采用覆盖熔炼更为重要。熔炼结束前要进行脱氧、除气、清渣处理。如：ZCuSn5Zn5Pb5 (ZCuSn6Zn6Pb3)、 ZCuSn10P1、 T-105，硅青铜等用0.10.2%的磷氧脱氧，用0.10.3%的氯化钙精炼清渣。ZCuA10Fe3 用0.10.3%的氯化钠或者假如0.5%左右的锌清渣。ZCuZn38Pb2bMn2、 ZCuZn25A16Fe3Mn3、 T-115等合金可用0.1-0.2%的氯化钠清渣，铜液出炉后用草木灰盖住液面防止铜液氧化。2.3.1.3 炉前检查检查铜液质量好坏、能否离心铸造，检查的方法是在耐火砖上凿一个直径5050mm的凹坑，把熔炼好的金属液注入，待凝固后看其表面。表面凹陷为合格，若是表面平整或者凸起，证明铜液中含有气体或者气体含量严重，此时必须进行第二次排气和精炼处理，之后再检查一次，要是第二次检查还不合格，这炉铜液就不能离心铸造。2.3.2 离心机转速的确定离心机转速直接影响铸件质量，转速过低使铸件内圆产生金属堆积，合金液中的氧化夹杂物不易离出，铸件产生类渣；转速过高铸件容易产生偏析，尤其是铸件壁厚较大，结晶温度范围较宽的合金和合金中成分比重相差较大的元素。如锡、铅等。通常我们用 如下经验方法来确定。见表3。铸件的直径小，需要的离心力大，速度靠上限取，反之表2.3 离心机转速确定表形式直径（mm）转矩（转/分）卧式5010080013001002009501100200400750950400600600750立式6008006007008001100500600取较小的转速。此处铸件的直径是指内孔而不是外圆。见表2.3零件的的内孔直径在50100之间，所选转速8001300转/分之间。2.3.3 金属模温度的确定2.3.3.1预热温度 金属模在使用前用钢刷除锈，然后刷上涂料烘烤，使金属模上的水气充分干燥，预热温度一般控制在100200之间，烘烤1.52.5小时为宜。2.3.3.2工作温度 金属模工作温度通过生产实践来确定，因为不同牌号的合金有不一样的金属模工作温度，结晶温度范围较宽，流动性和补缩能力差，容易产生技晶偏析和分散性微观缩松量糊状凝固特性的合金如：ZCuSn5Zn5Pb5 、ZCuSn6Zn6Pb3、ZcuSn10Pl、 T-105和硅青铜等，金属模的工作温度都不能太高，并且必须均匀。金属模的工作温度都不能太高，并且必须均匀。过高的金属模工作温度给液态金属增加了一层保温层，使铸件表面结壳的时间加长，内外部温度梯度变小，趋于同时凝固，这时在高温热作用下产生吸气现象，在铸件的外圆形成深浅、大小不一致的凹坑，严重时呈连片麻坑状，尤其是铸件壁厚大表2.4金属模工作温度表序号合金牌号金属模工作温度（）浇注温度（）铸件壁厚（mm）1080115040401ZCuSn6Zn6Pb3ZCuAl10Fe3T-10560100801202ZCuSn10P150808010098010503ZCuAl10Fe3150250200300110012004ZCuZn25Al6FeMn2ZCuZn38Pb2Mn2T-11512018018025011001150的零件。但是对于流动性好、收缩大、不容易形成技晶偏析，结晶温度范围窄呈逐层凝固特性的合金如：ZCuAl10Fe3、ZCuAl10Fe3Mn1.5、ZCuZn38Pb2Mn2、ZCuZn25Al6Fe3Mn2等，要求金属模的工作温度较高。如果金属模工作温度过低，高温合金液在高温旋转的离心机金属模内产生较大的温度梯度，并且受金属模激冷作用立刻凝固，这样就加快了后续金属液的凝固速度，容易使铸件产生分层和冷融缺陷。根据生产实践离心机金属模工作温度，保持在表2.4范围内效果较佳。2.3.4 浇注温度浇注温度是保证合格铸件的主要参数之一。浇注温度过高铸件外圆容易产生气孔，浇口部位将产生缩孔，尤其锡青铜、铅青铜等容易产生偏析。浇注温度过低铸件外圆产生冷隔、皱皮，铸件内部产生夹层、壁厚不均、内圆堆积金属等缺陷。对于ZCuSn5Zn5Pb5 (ZCuSn6Zn6Pb3)、 ZCuSn10P1、 T-105合金采用较低的浇注温度。见表2.4，对于ZCuAl10Fe3、ZCuZn38Pb2Mn2、ZCuZn25Al6Fe3Mn2、T-115等合金采用较高的浇注温度见表2.4。因此，本次设计采用较低的浇注温度：108011502.3.5 浇注速度的确定离心机因采用金属型模具，冷却速度较快，采用快速浇注能获得优质铸件。在实际生活中，由于合金的凝固特性有所不同，浇注的速度就有所差异，ZCuSn5Zn5Pb5、 ZCuSn6Zn6Pb3、ZcuSn10Pl、T-105等合金的补缩能力差，金属由液态到固态的凝固时间趋于一致。因此合金的浇注压头不需要太高，只要保证大流股快速度浇注既可。而ZCuAl10Fe3、ZCuZn25A16Fe3Mn2、ZCuZn38Pb-Mn2、T-115等合金补缩性能好，容易使铸件在浇口部位产生缩孔缺陷。因此采用先快后慢、先大后小、先低后高的十二字浇注方法，即当离心机工作时用大流股、低压头合金液快速充满铁模后立刻放慢速度，适当减小金液流股，提高浇注压头不能断流的缓慢浇注至最后。由于采用ZCuSn6Zn6Pb3为浇注液，所以采用慢速浇注。见表2.5表2.5 浇注速度表铸件重量（Kg）ZCuSn6Zn6Pb3ZCuAl10Fe3T-105ZCuZn25Al6FeMn2ZCuZn38Pb2Mn2T-115浇注速度（S）浇注速度（S）25503558501005881010015081010151502501014151825035014181820350500182020252.3.6 浇口位置的确定离心铸造的浇口没有手工铸造的要求严格，但浇口位置不当也会使铸件产生缺陷，突出的缺陷有，纵向壁厚不均，浇口近的地方过厚，远离浇口的地方很薄，铸件两头产生氧化夹杂物，特别是卧式离心机。因此对直径小而长的铸件，尽量将浇口伸进金属模处较为理想；直径大而短的铸件，浇口伸进金属模的深度约处即可。浇口的深度确定之后，还必须调整浇口方向，浇口方向不能朝上顺着离心机的旋转方向，也不能直顶着离心机的旋转方向。合适的浇口方向始终与离心机的旋转方向形成一个15左右的夹角，最大不得超过30，能有效地保证铸件质量。这里选择伸进金属模处。2.3.7 转动时间当金属液注入金属模后，要有足够的时间使液态金属转变为固态金属，整个转变过程是在离心机旋转过程中进行的，否则不可以停机。若是过早停机，铸件产生凸瘤和不圆现象。最简单的办法是观察铸件颜色，呈暗红色时停机、取件。一般取十秒。2.3.8 金属模涂料涂料的成分由很多种，铸件材料不同，选择的涂料也不一样。见表2.6涂料不但能起到提高铸件表面粗糙度防止铸件产生缺陷之外，还能使铸件与金属模很好的分离，保护金属模表面，尤其是新制造的模具。离心铸造涂料的综合性能越好，涂料涂层对离心铸件成型和质量就越有保障。因在金属液注入型内的初始至铺展到整个铸型阶段，涂料涂层承受了金属液的点冲击和金属液流体的浸润与摩压；在注满金属液体阶段，涂料涂层承受着金属液的整体离心挤压，此时的涂料涂层可以起到吸附一定离心压力对凝固薄层过高压力的作用；在初始凝固薄层之后的成型阶段，涂层除发挥传热的媒介作用外，还可抵消部分铸件因径向收缩后产生间隙所引起相对的机械振动作用。对ZG35CrMnSi材质的套筒，在生产卷取机套筒的始初采用高铝粉离心铸造涂料(此涂料用在生产小托辊离心铸件是相当成功的)，失败后选用GCM-3型涂料，达到很好效果。刷涂料应在金属模预热之前，否则涂料不易涂挂在金属模内壁上。刷完涂料之后，一定要彻底烘干。连续浇注时因模具温度很高，绝对不能直接向模具刷涂料，可采用吹风机使模具冷却至工作温度时再刷涂料，烘烤后再次浇注。表2.6 金属模涂料选择表合金种类配比（%）备注黑铅粉滑石粉膨润土松香水锡青铜9092810余适量肥皂水锡青铜9094610余黄铜929468余可不刷第3章 模具设计轴承行业普遍采用离心铸造的工艺方法生产青铜保持架的管坯。正确设计离心铸造模具对产品质量的提高十分重要。3.1 模具结构模具的必须要以零件的大小作为标准。零件图如下图3.1 零件尺寸图因为铸件的外径小于200毫米，所以采用如下图设计 1、壳体 2、后盖 3、衬套 4、挡盖 5、压紧螺母图3.2 模具组装图3.2 模具的设计参数3.2.1 衬套设计衬套的作用就是为了方便零件脱模，由于零件上由法兰，如果没有衬套的话，很难取出零件。并且在衬套表面，涂由一层隔热物资，作用是使零件不与衬套粘结在一起，并且防止衬套受热变形。由于零件在从液体凝固成液体过程中，会发生收缩。故在设计衬套的过程要充分考虑到零件的收缩率。见表3.1 表3.1 收缩率选择表铸件外径（mm）收缩量（mm）备注1003或实验后确定150420052005图3.3 衬套立体图 图3.4 衬套尺寸图具体尺寸计算如下：模具壳体深度模具法兰处直径+收缩率零件法兰高度+收缩率零件外径+收缩率3.2.2 挡板设计挡板的作用就是防止衬套在高速转动过程中由于离心力的作用脱离模具。图3.5 挡板立体图 图3.6 挡板尺寸图具体计算尺寸如下 铸件内径（35）mm=47mm3.2.3 后盖设计 图3.7 后盖立体图 图3.8 后盖尺寸图具体计算尺寸如下3.2.4 壳体厚度的确定 壳体的厚度是=衬套厚度3.3 离心铸造转速的计算离心铸造转速按下列经验公式计算： (1)式中 转速，r/min 合金密度，g/cm 铸件内径半径，cm查手册的 计算得 第4章 缺陷分析与解决方法4.1 离心铸型转速技术参数选择的认识一般认为离心铸型转速技术参数是离心铸造成型的关键，在选取离心铸型转速时宁高勿低。这种偏颇的做法对生产类似于卷取机套筒产品是极其不利的。因此，要充分弄清楚影响离心铸机转速的因素及其相互的关系。离心铸型转速的计算公式一般采用： （1）式(1)中，G为重力系数，为铸件的内表面半径(m)。在生产的离心铸件确定后，离心铸型转速选择的重点应放在重力系数上。G是液体金属的有效重度与液体金属重度的比值。对于厚壁、长管达几t重的铸件，在考虑值时，选(R+r)/2的值为宜。4.2 离心铸件常见的缺陷及成因分析离心铸件较重力铸造件的夹杂、气孔缺陷要少得多，但由于离心力作用的诱发，离心铸件的裂纹、缩松、缩孔及成分偏析缺陷显得十分突出。4.2.1 离心铸件的裂纹4.2.1.1 裂纹的种类及形貌离心铸件的裂纹按裂纹的走向来分，一般分为纵裂纹和横裂纹两种。横裂纹是沿径向产生的裂纹。该缺陷常发生在托轮支撑区域，尤其在靠近浇注端居多。裂纹一般呈断续或连续式的蛇形状。纵裂纹是沿轴向产生的裂纹。该缺陷常产生于两托轮支撑之间的区域，般呈连续或断续的螺旋形状。4.2.1.2 产生裂纹的动力学分析在离心铸造条件下，当合金液注入管模后便形成了一个液态筒体，且由于合金液顺序凝固的特性及筒体外层温度梯度大的条件，使外表面凝固成一个薄的固态壳层。在离心力场作用下，此壳层受到的离心压力如下式：P =2(R2-r2)/(2g) =2(R+r)B/(2g)（2）式(2)中，P为离心压力Pa；为合金液重度；为旋转角速度，=n/30，其中n为铸型转速850r/min；g为重力加速度，9.81 ；R为铸管外径m；r为铸管内径m；B为铸管壁厚m。从式(2)中可以看出：1） 当初始顺序凝固层强度不足以承受离心压力时，外表面必然要开裂，形成纵、横向裂纹源；2） 筒壁越厚，口径越大，卷筒开裂的倾向越大。在这种情形下所产生的裂纹，是G值选取过大，裂纹扩展是因萌发裂纹源后，在离心铸造系统长时间工作环境下，铸件不能自由凝固收缩所至。4.2.2 离心铸件的缩松、缩孔4.2.2.1 离心铸件的缩松、缩孔特点缩孔位于套筒最后凝固的表层，大多数在内表面中，也有的显露于内表面并与浮在上表面的熔渣共生。生产中发现缩孔多位于铸管浇注端及中段内表层；尤其是铸管壁厚和口径较大、材质中含增大凝固点体收缩的元素时，缩孔更易产生，并且深度与体积也愈大。4.2.2.2缩孔、缩松的成因在离心铸造条件下，除“金属液/铸型”这一传热系统外，还有在金属液自由表面(内表面)与空气的对流传热和向周围空间的辐射传热。在高速旋转条件下，铸型内强烈的对流“旋风”更加剧了这一传热过程，使金属液自由表面的温度低于内部温度，当到达最后凝固阶段时，内表面温度降到液相线以下。由于金属液的逐层凝固特性，内表面凝固结壳后其内层邻域尚有合金液未完全凝固，这部分金属液在离心力场下凝固收缩时又得不到必须的补充，于是在最后凝固部位便产生了缩孔、缩松缺陷。4.3 裂纹、缩孔与缩松缺陷的防止措施4.3.1 防止裂纹的措施1) 要对运行系统进行严格的检测，尽量减少形位影响因素的存在，使模管的中心线与工作平台的水平线一致。2) 选取合理的离心铸造涂料(如GCM-3型涂料)和采取正确的喷涂方法。涂层厚度一般控制在35 mm为宜。3) 管模在250350的温度浇注。该措施可缩小管模及管模涂层与金属液的温差；可减少因涂层遇激热开裂或翘起剥脱，造成离心铸件外表面结疤而产生复合型裂纹；还可延长管模的使用寿命。4) 浇注时采取“快-中-慢”的浇注工艺。快速浇注的金属液一般约为总量的1/5；慢速浇注的金属液约为总量的1/5；浇注时间约占总运转时间的1/5。对于质量1 000 kg的离心铸件则采用“快-慢”浇注工艺即可。5) 采取合理的转速工艺。对于生产卷取机套筒件这样的产品，若采用第一转速工艺，在铸件凝固的中、后期其整个设备系统就会产生强烈的震动和噪声，这种震动是产生裂纹的催化剂。4.3.2 缩孔、缩松的防止措施1） 确定合理的最高转速，严格控制第二转速的工作时间。2） 控制金属液的浇注温度。一般来说，离心铸造温度比砂型铸造的浇注温度要低2030。因为温度过高，除了会因增加用于补缩的液态金属与延长同一转速的工作时间外，还会影响整个合理工艺的结果。3） 采用熔点适宜的型内处理剂。在浇注完毕后按铸件质量的0.5%比例投入。型内处理剂作用除吸气、集渣、保温外，其主要的作用还是减少“旋风”带走的热量损失。第5章 机构与结构设计5.1 联轴器的选择对于已标准化和系列化的联轴器，选顶合适类型后，可按转矩、轴直径和转速等确定联轴器的型号和结构尺寸。1).确定联轴器的计算转矩Tca由于机器启动使及运转过程中，可能出现动载荷及过载荷等现象，所以，应取轴上的最大的最大转速作为计算转矩。如最大转矩不能精确求得时，可按下式计算 (1)式中 T-联轴器所需传递的名义转矩，N.m Tca-联轴器所需传递的计算转矩，N.m KA-工作情况系数，由于是小型机械故选=1.32).确定联轴器的型号和结构尺寸根据计算转矩、轴直径和转速等，由下面的条件，可从由关手册中选取联轴器的型号和结构尺寸。 (2) (3)式中 -所选联轴器型号的许用转矩，N.m; -被联轴器的转速，r/min; -所选联轴器允许的最高转速，r/min.多数情况下，每一型号联轴器适用的轴的直径均由 一个范围。标准中已给出轴直径的最大与最小值，或者给出适用转矩范围。因为轴的转速较高，启动频繁，载荷有变化，宜选用缓冲性较好，同时具有可移的弹性圆柱销联轴器。计算转矩名义转矩 (4)所以 查手册选用弹性圆柱销联轴器： GB12458-90附：LZ弹性圆柱销联轴器的技术参数。许用扭矩：160N.m许用转速：=7100r/min（联轴器材料为钢）轴孔直径：=48mm，=75mm图5.1 半联轴器 图5.2 半联轴器5.2 离合器的选择离合器在机器运转中可将传动系统随时分离或结合。对离合器的要求由：接合平稳，分离迅速而彻底，调节和处理方便，外廓尺寸大小，质量小，耐磨性好和有足够的散热能力，操作方便省力。按操作的方式，离合器可分为外力操纵式离合器和自动离合器。外力操纵式离合器和自动离合器。外力操纵式离合器有机械操纵式、电磁操纵式、液压操纵式和气动操纵式等；自动离合器能够自动进行接合或分离，不需忍来操纵。例如，离心离合器，当转速达到一定值时，两轴能自动接合或分离；安全离合器，当转矩超过允许值时，两轴即自动分离；定向离合器，只允许单项传动，反转时即自动分离等等。大多数离合器已标准化或规格化，设计时，只需参考有关手册对其进行类比设计或选择即可。选择离合器时，首先根据机器的工作特点和使用条件，结合各种离合器的性能特点，确定离合器的类型；类型确定后 ，可根据被联接的 两轴的直径、计算转矩和转速，从有关手册中查出适当的型号；必要时，可对其薄弱环节进行承载能力校核。本装置采用的是螺纹连接，因此绝对不允许模具反转，所以选择定向离合器。已知轴的转速：其名义转矩可按下式计算： (6)式中 p-电动机功率，kW； n-计算转速，r/min； -由电动机至离合器的轴的传动效率。 则=对小型机械，工作情况系数可取为，可算得计算转矩=根据计算转矩、轴径和转速，可从设计手册中选出离合器的具体型号，其特征参数为：额定转矩：；轴径：；牙数：牙宽度：；牙高度：；牙在中径处高度：；半离合器长度：操作环槽宽度：；操作环外径：；离合器外径：。 图5.3 半离合器 图5.4 半离合器5.3 电动机的选择与电路分析选择电动机的基本原则由两点：1） 电动机的主要性能（起动、过载及调速等）、额定功率大小、额定转速及结构型式等方面要满足生产机械的要求。2） 在以上前提下优先选用结构简单、运行可靠、维护方便又价格合理的电动机。由于离心铸造机属于小型机械，所以选择的功率不需要很大，因此选择4KW的电动机，由于离心铸造需要很高的转速。因此选择异步电机，异步电动机具有结构简单、维修方便、工作效率较高、重量较轻、成本较低、负载特性较硬等特点，能满足大多数工业生产机械的电气传动需要，因此在国名经济的各部门特别是工业电气部门得到广泛应用，作为各种机床、各种水泵液压、鼓风机、胶带运输机械、吊车、起重运输机械、冶金、轧钢、轻工业和农副加工业等设备及其他通用设备的动力源。它是各类电动机中应用最广、需要最多的一类电动机。 通过比较选择，最终选定 此类电动机是封闭式笼型三相异步电动机，电路控制采用“正-停-反”，该电路同时具备接触器和按钮的双重互锁，进一步保证电路的安全、可靠。图5.5 电动机电路图5.4 轴承的选择滚动轴承是现代机械中广泛应用的不见之一，它是依靠主要原件间的滚动接触来转动零件。常用的滚动轴承绝大多数已经标准化，并由专业工厂大量制造及供应各种常用的规格的轴承。选择深沟球轴承，轴承代号为：61908 （GB/T276-1994）每种轴承都有配套的轴承座，与轴承61908配合的轴承座是：SN206第6章 轴的设计6.1 轴的设计轴的材料主要是碳钢和合金钢。钢轴的毛坯多数用轧制圆钢和锻件，由的则直接用圆钢。由于碳钢比合金钢价廉，对应力集中的敏感性较低，同时也可以用热处理的方法提高其耐磨性和抗疲劳强度，故采用碳钢制造轴尤为广泛，其中最常见的是 45钢。本次选择轴的材料也是45钢。6.1.1 轴的结构设计轴的结构设计包括定出轴的合理外形和全部结构尺寸。6.1.1.1 拟定轴上零件的装配方案拟定轴上零件的装配方案是进行轴的结构设计前提，它决定这轴的基本形式。所谓装配方案，就是预定出轴上主要零件的装配方向、顺序和祥和关系。本此离心机设计的装配方案是：半联轴器、轴承、半离合器依次从轴的右端想左安装。6.1.1.2 各轴段直径和长度的确定零件在轴上的定位和装配方案确定后，轴的形状便大体确定。各轴段说需的直径在轴上的载荷大小有关。先确定轴的最小直径 (1)输出轴的最小直径显然是安装联轴器处轴的直径。为了使所选的轴直径与联轴器的孔径相适应，选择输出轴的直径为28mm.轴承的代号是：61908 （GB/T276-1994）所以轴承处的直径为：40mm半离合器处的在直径为：28mm轴的各段长度主要是根据各零件与轴配合部分的轴向尺寸和相邻零件间隙来确定。为了保证轴向定位可靠。半联轴器与轴配合的毂孔长度，为了保证轴端挡圈只压在半联轴器上而不压在轴的端面上，故图6.1 轴尺寸图根据轴承的型号，其尺寸，故轴承端盖的总宽度为20mm，。根据轴承端盖的装拆及便于对轴承添加润滑脂的要求，取端盖的外端面与半联轴器右端面间的距离，故取。半联轴器与轴配合的毂孔长度，为了保证轴端挡圈只压在半离合器上而不压在轴的端面上，故.6.2 轴的校核对于一般用途的轴，按当量弯矩计算轴的强度或直径已足够精确。但由于上述计算中没有考虑应力集中、轴径尺寸和表面品质等因素对轴的疲劳强度的影响，因此对于重要的轴，还需要进行轴危险截面处的疲劳安全系数的精确计算，评定轴的安全裕度。本次设计轴的材料为45钢。即建立轴的危险截面的安全系数的约束条件。安全系数约束条件为 (2) (3) (4) 对一般转轴，弯曲应力按对称循环变化，故当轴不转动或载荷随轴一起转动时，考虑到载荷波动的实际情况，弯曲应力可作为脉动循环变化考虑，即。但多数情况下，转矩变化的规律往往难于确定。一般而言，对单方向转动的转轴，常规之为按脉动循环变化，即；若轴经常正反转，则应按对称循环处理，即。对于应力循环严重不对称或短时过载严重的轴，在尖峰载荷作用下，可能产生塑性变形，为了防止在疲劳破坏前发生大的塑性变形，还应按尖峰载荷校核的静强度安全系数。其强度条件为 (5) (6) (7)式中 -静强度计算安全系数； 、-只考虑弯矩和扭矩时的静强度安全系数； -静强度许用安全系数； 、-材料抗弯、抗扭屈服极限； 、-尖峰载荷所产生的弯曲、扭转应力。由上面的公式可得： (8) (9) (10) (11)1.51.3 (12)所以该轴的强度符合要求6.3 键的校核键联接就是用键把轴和轴上的零件联接起来的一种结构形式。由于这种联接具有结构简单、工作可靠、装拆方便等优点，因此获得了广泛的应用。键是标准件，分为平键、半圆键、斜键等设计时应根据各类键的结构和应用特点进行选择。由于在离心机的设计过程中，所用的键都是静联接，要传递的转矩也不是很大，故选择普通平键。平键联接可能的失效形式有：1） 在静联接的情况下，较弱零件的工作面可能被压溃；2） 在动联接的情况下，出现过度磨损；3） 键被剪断：实际上，平键联接最易发生的失效形式通常是压溃和磨损，一般不会发生键被剪断的现象。因此，平键联接的强度一般只需进行挤压强度或耐磨性计算，但对重要的场合，也要验算键的强度。在该装置中有四处键联接分别是：电动机与联轴器联接，键的截面尺寸是，键的长度；联轴器与轴的联接，键的截面尺寸是，键的长度；轴与离合器的联接，键的截面尺寸是，键的长度，离合器与模具的联接，键的截面尺寸是，键的长度。键的工作长度，由手册查得轴和联轴器的材料，选取根据公式 (13) (14)故满足挤压强度要求。到此设计完毕附离心机整体图图6.2 离心机整体图结论与展望铜合金的成型方法随着科学技术的进步也在不段的走向成熟，但铜合金在铸造过程中还是会出现各种各样的人们想象不到的问题，导致产品报废，即浪费了资源又浪费大量的人力和物力。而导致产品报废的主要因素，是在铸造过程中出现的各种各样的铸造缺陷。本文通过对离心铸造技术从工艺分析再到模具设计，最后到缺陷分析的整个设计过程，可以看出，离心铸造成型与其他成型法有着很大的差别。其中最主要的区别就是，离心铸造是一种非接触式的成型方法，它不像压铸那样需要外力挤压。这样的成型方法对操作人员来说是最安全的。同时这样的成型方法可以避免零件成型后的应力集中。当然离心铸造也有它缺点，最主要的缺点就是在零件成型的过程中，避免不了重力的影响，无论是立式离心铸造机，还是卧式离心铸造机，铸造出的零件，都会出现壁厚不均的现象。还有就是液态铜合金中的空气不易排出，从而也会影响零件的质量。离心模具结构简单，制造方便，也容易控制因此有很好的发展前景。衡量一项技术的好与坏主要看它生产出来的产品质量的好坏和它的效率如