（机械工程专业论文）25t卧式离心轧辊铸造机设计研究.pdf

大连理工大学专业学位硕士学位论文 摘要 2 0 0 7 年鞍钢重机公司轧辊厂提出自行研制开发2 5 吨卧式离心轧辊铸造机，本人承 担该项目的设计工作。在研制的过程中对离心轧辊铸造机的关键技术作了较深入地研 究，通过理论和实践研究解决了离心设备精度、振苏躁声和轴承游隙等方面的实际问 题，是我国自行研制开发的第一台2 5 t 卧式离心轧辊铸造机。目前我国生产离心铸造机 的厂家还很少，许多离心铸造设备依赖于进口。鞍钢重机轧辊厂2 5 t 卧式离, b s l 辊铸造 机的研制成功，为我国在离心铸造机的设计和生产领域提供有益的尝试。 本设计以鞍钢重机公司轧辊厂在线运行的离心铸造机资料作为参考依据：分析和研 究原有离心设备的优缺点。通过查阅大量相关铸造及离心机资料，突破了传统思维，克 服了原有离心机生产运行时振动量大、轴承发热等缺点。采用关键技术水冷式轴承 座来降低运行时轴承温度、改变大底板设计来减小离心铸造机的振动量、合理的选择轴 承游隙来提高设备的稳定性，精确计算改善以往离心铸造机的机械结构，从而满足生产 离心轧辊的各项设备指标。该机工作原理是由一台直流电动机，通过弹性联轴器带动联 接轴，进而带动托轮轴，靠托辊与铸型之间的摩擦力带动铸型旋转完成浇注过程。该机 主要由本体、动力系统和浇注设备组成。本体主要由托轮( 轴) 、轴承座和底板组成； 动力系统由电动机及控制系统组成；浇注设备由浇注小车及升降机构组成。 实际生产证明此设备自投产以来，运行状态良好，振动量、噪音等各项指标均达到 设计标准。此设备从设计、安装到投入使用，历经5 个月时间，共计投资1 4 0 万元，节 省资金1 6 0 万元。 关键词：卧式离心机；轴承游隙；水冷式轴承座 2 5 t 卧式离心轧辊铸造机设计研究 t h e d e s i g na n dr e s e a r c ho f 2 5 t h o r i z o n t a l 、c e n t r i f u g a lc a s t i n g m a c h i n e a b s t r a c t f o rd e v e l o p i n ga2 5 th o r i z o n t a lc e n t r i f u g a l r o l rc a s t i n g m a c h i n ei n d e p e n d e n t l yf o r a n g a n gh e a v ym a c h i n e r yg r o u pc o ，l t d r o l lf a c t o r y , 1w o r kf o rt h i sp r o j e c t i o n i r r2 0 0 7 w e 。 d i dt h em o r ei n d e p t hr e s e a r c ht o t h e ，h o r i z o n t a l r c e n t r i f u g a l r o l l ? c a s t i n gm a c h i n e 。：k e y t e c h n o l o g i e sd u r i n gt h ep r o c e s s to ft h ed e v e l o p m e n t ，a n ds o l v e d , t h ea g t u a lp r o b l e mo ft h e p r e c i s i o no ft h ec e n t r i f u g a ld e v i c e ，v i b r a t i o n ，, n o i s e ，a n d b e a r i n gc l e a r a n c ea n ds o ：o w t h r o u g h 二 t h et h e o r ya n dt h ep r a c t i c er e s e a r c h i ti st h ef i r s t2 5 th o r i z o n t a l ：e e n t r i f u g a l ：；a o l l - c a s t i n g m a c h i n ed e v e l o p m e n ti n d e p e n d e n t l yi n 、o u rc o u n t r y a tp r e s e n t , t h ea n a n u f a c t u r e r so f c e n t r i f u g a l ：c a s t i n gm a c h i n ea r es t i l l l i m i t e di no u rc o t m t r y , a n dm u c hc e n t r i f u g a lc a s t i n g e q u i p m e n tr e l i e d ：o nt h ei m p o r t t h e s u c c e s so f2 5 th o r i z o n t a i c e n t r i f u g a l , r o l lc a s t i n g m a c h i n ep r o v i d e sau s e f u la t t e m p tf o r 。0 1 1 1 c o u n t r yi nt h er e a l mo f 】也ec e n t r i f u g a lc a s t i n g m a c h i n e sd e s i g na n dp r o d u c t i o n m a k i n gr e f e r e n c et oc e n t r i f u g a l 、c a s t i n gm a c h i n em a t e r i a lo ft h er o l lf a c t o r y , w ea n a l y s i s a n dr e s e a r c ht h ea d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so ft h ee x i s t i n gc e n t r i f u g a l e q u i p m e n t c o n s u l t i n gm a s s i v er e l a t i v er e f e r e n c e s ，b r o l 【i n gt h et r a d i t i o n a lt h o u g h t ，w eo v e r c o m et h e o r i g i n a ls h o r t c o m i n g so fv i b r a t i o na n db e a r i n go v e r h e a t i n ga n ds oo n t om e e tt h ee a c hi t e m o fe q u i p m e n tt a r g e t , w eu s et h ek e y | t e c h n o l o g i e s w a t e r - c o o l e dp i l l o wb l o c k st or e d u c e m o v e m e n tb e a r i n gt e m p e r a t u r e ，c h a n g e so fb a s ea r ed e s i g n e dt or e d u c ev i b r a t i o no ft h e c e n t r i f u g a lc a s t i n gm a c h i n e ，t h er e a s o n a b l ec h o i c eb e a r i n gc l e a r a n c et oi m p r o v et h es t a b i l i t y o ft h em a c h i n e ，a n dc a l c u l a t ea c c u r a t e l yt oi m p r o v et h em e c h a n i c a ls t r u c t u r e t h em a c h i n e w o r k sb yad cm o t o rc o n n e c t e db yaf l e x i b l ec o u p l i n ga n das h a f t ，i td r i v es p i n n e rw h e e l s h a f t r e l y i n go nt h ef r i c t i o nb e t w e e nt h em o l da n ds p i n n e rw h e e l ，i tc o m p l e t et h ec a s t i n g p r o c e s s t h i sm a c h i n ei n c l u d e st h eb o d y , p o w e rs y s t e m s ，a n dp o u r i n gf a c i l i t i e s b o d yi sm a d e o ft h es p i n n e rw h e e l s ( a x e s ) ，p i l l o wb l o c k s ，a n db a s e ；p o w e rs y s t e mc o n s i s t so fm o t o ra n d c o n t r o ls y s t e m ；p o u r i n gf a c i l i t yi sm a d eo f p o u rc a l a n dv e r t i c a la d j u s t m e n ta s s e m b l y s i n c et h ee q m p m e n th a sb e e np u ti n t ou s e d ，i th a sb e e ni ng o o dc o n d i t i o n s v i b r a t i o n , n o i s ea n do t h e ri n d i c a t o r sa r ee x p e c t e dt om e e to re x c e e ds t a n d a r d s f r o mt h ed e s i g n , i n s t a l l a t i o nt op u ti n t ou s e ，w eu s et h et i m eo f5m o n t h s ，f o rat o t a li n v e s t m e n t1 4m i l l i o n y u a na n d1 6 0m i l l i o ns a v i n g s k e yw o r d s ：h o r i z o n t a lc e n t r i f u g a lm a c h i n e ；b e a r i n gc l e a r a n c e ；w a t e r - c o o l e dp i l l o wb l o c k s - u - 大连理工大学学位论文独创性声明 作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究 工作所取得的成果。尽我所知，：除文中已经注明引用内容和致谢的地方外， 本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请 学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献 均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文题目：2 ! 趾式离! 坠塾塑签造扭逡让硒究 作者签名：垫晶日期：型! 年：至月二日 大连理工大学专业学位硕士学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解学校有关学位论文知识产权的规定，在校攻读学位期间 论文工作的知识产权属于大连理工大学，允许论文被查阅和借阅。学校有 权保留论文并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，可以将 本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印、或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 学位论文题目：丝! 里捣! 竖垫堡邈些丝堕堑茎 作者签名：望盘 日期： 竺兰年竺月二l 日 导师签名：毽n 隰号- 年生月日 大连理工大学专业学位硕士学位论文 引言 随着现代科学技术的不断发展，离心铸造应运而生。离心铸造轧辊是2 0 世纪6 0 年 代开发的一项新技术。离心铸造轧辊的主要优点是合金组织致密、工作层组织均匀、力 学性能好，产品使用寿命长，而离心铸造产品的好环，与离心铸造机有直接的关系。 本文通过了解铸造及其工艺方法，重点来研究离心轧辊铸造机。离心轧辊铸造机从 其衍生到发展的半个世纪以来，发生了很大的变化。以鞍钢重机公司轧辊厂为例，1 9 7 9 年设计经过两年时间投产的第一台离心机，当时还是很先进的，后来发现它有很多缺点， 如带负载丢转，工作时振动幅度大等，但为我们日后研究离心铸造机提供了真实的数据 及成形的经验。 由于离心铸造方法是近代发展起来的新工艺，因此离心铸造设备的种类虽然很多， 但定型产品还很少。许多离心铸造设备都是铸造厂自行设计的，所以有关的文献资料不 多，而且国内没有完全符合鞍钢重机轧辊厂生产实际的离心铸造设备，但其它厂生产的 离心铸造机理论和成形经验对本次设计中还是可以起到很好的参考借鉴作用。 这次设计2 5 t 卧式离心轧辊铸造机以严谨的计算作为理论支持，以鞍钢重机轧辊厂 近3 0 年的离心生产为实践依据，通过理论计算与实际经验相结合，摒弃了前几台离心机 运行中的不足，精心设计了这台设备。主要解决了以往离心机中的振动过大及轴承过热 等问题，投入使用后，效果良好。 2 5 t 卧式离心轧辊铸造机设计研究 1铸造及铸造技术 1 1铸造 1 1 1 铸造的特点 在一般机械设备中，铸件约占整个机械设备重量的4 0 , - - - 9 0 0 , 6 。一辆汽车的铸件重量 约占4 0 - - - 6 0 ，一台拖拉机的铸件重量约占7 0 ，一台金属切削机床的铸件重量约占7 0 , - - - 8 0 ，重型机械、矿山机械、水力发电设备的铸件重量约占8 5 以上。在国民经济其他各 部门中，也广泛采用各种各样的铸件【l l 。 铸件的应用范围如此广泛，这是因为，铸造与其他金属加工方法相比较，具有以下 一些特点【1 。7 1 ： 1 能够生产形状复杂的铸件，特别是内腔复杂的铸件。 2 适应性广。可以制造各种金属的铸件，特别适宜制造因塑性差不宜锻压、因材料 特性不宜焊接的合金件，如铸铁、青铜、碳钢、铜及铝合金、钛合金等各种合金； 铸件尺寸、质量的范围大。尺寸可小至几毫米，大至十几米：壁厚可从0 3 m m 至 1 m 左右；重量可小至几克，大至上百吨；铸件的生产批量不限，既适于单件小批 生产，又适于大量生产。 3 铸件成本低廉。铸造所用的原材料大部分来源广泛，价格低廉，还可直接使用废 料和废零配件。铸件与机器零件的形状、尺寸很接近，因而节省了金属材料和加 工工时：精密铸件可以省去机械加工，直接用于装配。 4 铸造生产不需要重大、精密的设备，从基建到投产，生产准备周期短，原材料来 源方便，而且可以回用。 5 铸件的力学性能差，质量不够稳定。 1 1 2 铸造设备分类 铸造设备的类别，对砂型铸造是按工艺过程划分的，对特种铸造是按工艺特点划分 的。 目前，我国将铸造设备分为十二大类1 1 1 ，即： 1 砂处理设备； 2 造型及制芯设备； 3 落砂设备； 4 清理设备； 5 金属型铸造设备( 包括压铸机、离心铸造机和金属型铸造机等) 大连理工大学专业学位硕士学位论文 6 壳型铸造设备； 7 熔模铸造设备； 8 材料准备设备； 9 熔化及浇注设备； 1 0 干燥及热处理设备； 1 1 起重运输设备； 1 2 其他附属设备。 1 1 3 铸造设备型号表示方法 我国铸造设备有统一的型号表示方法。铸造设备产品型号是表示铸造设备名称、型 式和基本参数的代号，由汉语拼音和阿拉伯数字组成。一个完整的产品型号及其各部分 所代表的意义如图1 1 所示【 图1 1 铸造设备产品型号表示法 f i g 1 1c a s t i n ge q u i p m e n tm o d e lr e p r e s e n t a t i o n 修改次数( 字母) 基本参数( 字母) 组别( 数字) 列别( 数字) 设备特性( 字母) 类别( 字母) 工位数( 数字) 对于卧式离心铸造机而言，查得类别是金属型铸造设备，代号是金j ；特性名称是重 型，汉字代号是重，汉语拼音字母代号是c ；列别是5 ；组别是2 ；基本参数是铸件的最 大直径( m i l l ) ，表示方法用基本参数的1 1 0 0 表示。 1 1 4 铸造工艺分类 随着生产的不断发展和技术的不断进步，铸造工艺也不断演变、发展。按照铸型的 特点，一般将铸造工艺分为两大类：砂型铸造；特种铸造。每一大类又可分为若干种工 艺方法，如图1 2 所示。 2 5 t 卧式离心轧辊铸造机设计研究 铸造工艺 砂型铸造特种铸造 熔压金低离连真壳磁实 模力属压 心 续 空 型型型 铸铸型铸铸铸吸铸铸铸 造造铸造 造造 铸造造造 造 图i 2 铸造工艺分类 f i g 1 2c a s t i n gt e c h n i q u ec l a s s i f i c a t i o n 在铸造生产中，砂型铸造是应用最广泛的一种方法。用砂型铸造生产的铸件约占铸 件总产量的8 0 以上。砂型铸造的主要缺点是所获得的铸件尺寸精度和表面光洁度都不 高。另外，砂型铸造不便于制造壁很薄和很复杂的铸件，而且生产效率低，劳动条件较 差。 特种铸造的各种工艺方法，一般都有一定的适用范围，特种铸造与砂型铸造相比较， 一般具有以下优点【l 刁j ： 1 铸件尺寸精度和表面光洁度高，可以减少或完全省去机械加工； 2 能提高铸件的内部质量和机械性能； 3 可以节省金属液的消耗量，铸件成品率高； 4 铸造过程中不用砂或用砂量很少，简化了车间结构和所需设备，减少了车间内外 的运输量； 5 劳动条件好；便于组织机械化、自动化生产，劳动生产率高。 由于特种铸造具有上述这些优点，因此国内外都普遍重视并加以推广发展。目前用 特种铸造生产的铸件，比例日益增大，品种日益增多。特种铸造在少切削、无切削加工 工艺领域内已占有重要的地位。 应该指出，随着铸造新工艺、新技术的发展和应用，新型铸造设备不断出现，有些 尚未包括在上述分类中。 一一一一料砂型铸造 大连理工大学专业学位硕士学位论文 1 2 特种铸造 研究表明，最早的铸造方法是特种铸造方法，当时铸型是用滑石或其他石头凿成的 石型( 古称石范) ；用陶土烧制，雕刻成的陶范；用石膏制成的石膏范；或是在一定形 状的牛油模、蜡模上，铺上细土、水等的混合物，待风干后，熔去牛油模、蜡模制成熔 模型。而砂型是在它们以后出现的2 1 。各种特种铸造方法都有一定的适用范围，现分别 对其作以简介1 胡。 1 2 1熔模铸造 熔模铸造又称失蜡铸造，是利用蜡料制成蜡模，在蜡模表面上涂敷耐火材料制成型 壳，然后，加热熔去蜡模，形成空心的耐火型壳( 即铸型) ，最后向型壳内浇注金属液 而获得铸件。主要生产如汽轮机叶片、导风叶轮等。 熔模铸造的优点是：铸件尺寸精度和表面光洁度很高，可以铸造形状极为复杂的铸 件，可以铸造各种合金铸件。 熔模铸法的缺点是：由于蜡模和型壳的强度、刚度的限制只适于铸造小件，重量不 能超过几十公斤。 1 2 2 压力铸造 压力铸造( 简称压铸) 是将合金熔液在高压下以高速注入金属铸型内，并在压力作用 下凝固成形。主要生产精密的小模数齿轮、仪表零件、带有螺纹的精密零件和复杂的内 燃机汽缸体等。 压铸法的优点是：压铸件尺寸精度、表面光洁度和致密度高，可以压铸形状复杂、 壁薄的铸件，生产率高，特别适宜大批量生产。 压铸法的缺点是：厚壁铸件不宜压铸。由于压射速度极高，型腔内空气难于完全排 除，压铸件一般具有微小气孔。制造周期长、成本高，单件不宜采用。 1 2 3 金属型铸造 把金属液浇入金属铸型中制造铸件的方法称为金属型铸造，也叫硬模铸造。一般金 属型铸造用于铸造形状不复杂、壁厚均匀的中、小铸件。 金属型铸造的优点是：铸件尺寸精度、表面光洁度和机械性能高；生产效率高，生 产过程易于实现机械化、自动化。 金属型铸造的缺点是：不宜生产薄壁、复杂的铸件。制造周期长、成本高，不适于 小批生产。 1 2 4 低压铸造 低压铸造是介于普通铸造和压力铸造之间的一种铸造方法。是把低压气体( 通常是 2 5 t 卧式离心轧辊铸造机设计研究 0 2 0 8k g cm 2 ) 以一定的流量，通入密封的坩埚中，在气压的作用下，坩埚内的液 态合金沿着浇注管上升，充入铸型内，待铸型中的铸件凝固后，放掉坩埚内的气体，让未 凝固的合金沿浇注管流回坩埚内，即获得铸件。采用此法生产汽车、动力机、仪器、仪 表、飞机和船舶等的铝、镁合金铸件。 低压铸造的优点是：铸件浇注系统消耗金属少，金属利用率可达9 0 以上；铸件致 密度高，可获得不含气孔和夹杂物的优质铸件。设备简单，投资省，且便于实现自动化 生产。 低压铸造的缺点是：不能生产大型铸件。 1 2 5 离心铸造 将金属液浇入旋转的铸型内，使金属液在离心力的作用下充满型腔并凝固成铸件， 这种生产铸件的方法称为离心铸造。采用这种方法可生产如轴套、缸套、铸铁管和圆柱 形铸坯等。 离心铸造的优点是：广泛用于铸造旋转体形状的铸件。 离心铸造的缺点是：制造异型铸件很困难或无法生产。 1 2 6 连续铸造 自水冷金属型( 在此专称“结晶器 ) 的一端连续浇入金属液，而自另一端连续铸 出铸件的方法称为连续铸造法。主要用于铸造铸铁管和铸铁板等断面形状相同的铸件和 各种金属铸锭。 连续铸造的优点是：可以铸造很长的铸锭、铸管和铸板；冷却速度高，补缩好，铸 件致密，强度高；无浇注系统，金属利用率高；生产过程易于实现机械化、自动化，生 产效率高。 连续铸造的缺点是：适用范围小，初投资较高。 1 2 7 真空吸铸 利用真空的作用，将金属液吸入水冷金属型( 结晶器) 内凝固获得铸件的方法称为 真空吸铸。用于铸造铜、铝合金的棒类和套筒类铸件。 真空吸铸的优点是：设备简单、生产率高和铸件质量好。 真空吸铸的缺点是：仅适用于单重小的铸件。 1 2 8 壳型铸造 采用以石英砂和热固性树脂为主的造型材料( 称树脂砂) ，制成薄壳型( 壳厚6 l o m m ) ，并在此薄壳型内浇注铸件的方法称为壳型铸造法。 壳型铸造的优点是：获得的铸件尺寸精度、表面光洁度高；用砂量少( 仅为砂型铸 造的5 - - - - 1 0 ) ；壳型可贮存，运输较方便；生产过程容易实现机械化、自动化。 6 大连理工大学专业学位硕士学位论文 壳型铸造的缺点是：只适用小规模企业。 1 2 9 陶瓷型铸造 陶瓷型是用陶瓷质耐火材料制成的铸型，用这种铸型浇注铸件的方法称为陶瓷型铸 造。适合于铸造各种模具，如冲模、锻模、压铸模以及橡胶、塑料、玻璃和玩具等各行 业用的模具。 陶瓷型铸造的优点是：铸造尺寸精度高，表面光洁度高，适于大型、厚臂精密铸件。 陶瓷型铸造的缺点是：不易生产重、大型铸件。 1 2 1 0 实型铸造 实型铸造也称气化模铸造，特点是采用聚苯乙烯泡沫塑料制成的整体模型，代替砂 型铸造的木模或金属模，进行造型。造型后，聚苯乙烯泡沫塑料整体模不被取出，即进 行浇注。浇注时，该整体模遇高温金属液后即气化，金属液取代整体模位置而凝固成与 整体模尺寸、形状相同的铸件。 实型铸造的优点是：铸件尺寸较精确，工艺过程简单，可以铸造大、中型铸件。 实型铸造的缺点是：铸件表面易产生气孔。 1 2 1 1 磁型铸造 以聚苯乙烯泡沫塑料模作模型，以铁磁性铁丸为造型材料，将模型埋入铁丸内，在 磁场磁力作用下紧实铁丸，构成铸型称为磁型铸造法。磁型铸造实际上也是实型铸造的 一种。 磁型铸造的优点是：不用石英砂，造型过程迅速、简便、无噪音，铁丸可以处理、 回用，便于实现机械化、自动化操作。 磁型铸造的缺点是：比砂型铸造要难于控制。 1 3 先进铸造技术 现在世界以保护环境为主题，因此工业发达的国家铸造技术也在不断的改进，体现 为以下四个特点： l 、保护环境，铸业污染很小； 2 、铸件质量和可靠性提高，生产优质近净形铸件已成为趋势； 3 、生产铸件成本越来越低； 4 、生产周期短，交货周期短。 为满足上述特点，通过对传统的铸造工艺方法进行改进和革新，已经或正在研制的 许多新的工艺技术和管理方法，有力地推动了铸造技术和生产不断向前发展。出现了如 消失模铸造、半固态铸造、快速原型技术和计算机技术的应用、现代数理统计技术等先 进铸造技术【8 1 。 7 2 5 t 卧式离心轧辊铸造机设计研究 1 3 1 消失模铸造 消失模铸造技术是将与铸件尺寸形状相似的发泡塑料模型黏结组合成模型簇，刷涂 耐火涂层并烘干后，埋在于石英砂中振动造型，在一定条件下浇注液体金属，使模型气 化并占据模型位置，凝固冷却后形成所需铸件的方法。可用于生产有色及黑色金属动力 系统的零件，包括汽缸体、汽缸盖、曲轴、变速箱、进气管、排气管及刹车毂等铸件。 与传统的铸造技术相比，消失模铸造技术具有无与伦比的优势地位，因此被国内外 铸造界誉为“二十一世纪的铸造技术 和“铸造工业的绿色革命 。消失模铸造工艺优 势主要表现在技术、经济、环境保护三个方面。 技术方面优势：设计的自由度大，在模型上可自由的增加一些附加功能。可获得 形状结构复杂的铸件，在模型接合面不产生飞边，可以减少加工余量，对某些零件甚至 可以不加工。 经济方面优势：可整体生产复杂铸件，对比原先多个铸件组合装配部件而言，可获 益1 1 0 倍，减少车间人员，铸造工艺灵活。 环境保护方面优势：使用材料聚苯乙烯和p m i v l a 在燃烧时产生一氧化碳、二氧化 碳、水及其他碳氢化合物气体，其含量均低于欧洲允许的标准。干砂使用天然硅砂，1 0 0 反复循环使用。模型的涂料是在水中添加黏结剂等辅料组成，不产生污染。 我国消失模铸造技术起步于2 0 世纪7 0 年代末，9 0 年代开始进入工业化应用，总地 来说，我国消失模铸造的生产应用水平与发达国家仍然有很大的差距。 1 3 2 快速成型技术 快速成型( r a p i dp r o t o t y p i n g ，简称r p ) 技术是国际上新开发的一项高科技成果，简 称成型技术。它的核心技术是计算机技术和材料技术。快速成型技术摒弃了传统了机械 加工方法，根据c a d 生成的零件几何信息，控制三维数控成型系统，通过激光束工其 他方法将材料堆积而形成零件。用这种方法成型，无需进行费时、耗资的模具或专用工 具的设计和机械加工，极大地提高了生产效率和制造柔性。 快速成型技术最早产生于2 0 世纪7 0 年代末到8 0 年代初，美国、日本在不同的地 点各自独立地提出了r p 的概念。目前，国际上快速成型技术在铸造中的应用主要有三个 方面。一是直接浇注铸件模样；二是用原型翻制母型后再浇注铸件；三是利用原型模 样制造模具。这个方面的应用最广泛，可用于铸件的大量生产。 1 3 3 非占位涂料( 转移涂料) 技术 非占位涂料又称转移涂料，其工作原理是将涂料直接喷涂到芯盒或模样表面，然后 填砂、紧实，涂料层和型( 芯) 砂在芯盒的约束下同时固化，起模时涂料能从芯盒或模 样表面转移到砂型( 芯) 表面，从而制得带有涂料的精密砂型( 芯) 。由于这种工艺方 法所形成的涂层不占据型腔的有效位置，故称为非占位涂料法，亦称转移涂料法。 8 大连理工大学专业学位硕士学位论文 非占位涂料技术最早出现在2 0 世纪7 0 年代，是日本小松制作提出的。我国是从2 0 世纪9 0 年代初开始研究非占位涂料技术的。此项技术有五个特点：一是由涂料占据了 型腔的有效空间位置，突破了传统铸造先制芯后涂料的模式；二是自硬转移涂料法不需 专用设备；三是芯盒制作成本低、工艺简单；四是非占位涂料技术与覆膜砂技术的结合 体现两个技术的共同特点：五是非占位涂料技术与壳型技术的结合对提高我国汽车、拖 拉机等的缸体、缸盖的精度有很好的效果。 1 3 4 半固态金属铸造工艺 自1 9 7 1 年美国出现了一种搅动铸造( s t i rc a s t ) 新工艺以来，半固态金属( s s m ) 铸造工 艺技术经历了几十年的研究与发展。目前已研制生产出从6 0 0 2 0 0 0 t 的半固态铸造用压 铸机，成型件重量可达7 k g 以上。当前，在美国和欧洲，该项工艺技术的应用较为广泛。 其被认为是2 1 世纪最具发展前途的近净成型和新材料制备技术之一。 产品优势： l 、铸件质量高。因为晶粒细化、组织分布均匀、力学性能大幅度提高； 2 、凝固收缩小，故成型体尺寸精度高，加工余量小，近净成型； 3 、成型合金范围广。可用于非铁合金、铁基合金； 4 、可制造金属基复合材料。 1 3 5 计算机技术在铸造技术中的应用 计算机技术在铸造技术中的应用包括：铸件凝固过程数值模拟；铸造工艺计算机辅 助设计技术；铸造企业管理信息系统；铸造专家系统等。 ( 1 ) 铸件凝固过程数值模拟 铸造凝固过程数值模拟开始于2 0 世纪6 0 年代，丹麦、美国的尝试获得成功。计算 数值模拟技术研究铸件的凝固过程具有巨大的潜力和广阔的前景。于是世界上许多国家 都相继开展了铸件凝固过程数据模拟以及与之相关的研究工作。 ( 2 ) 铸造工艺计算机辅助设计技术 2 0 世纪6 0 年代以来，特别是进入8 0 年代后，随着电子计算机技术的迅猛发展，计 算机辅助设计技术在工业中得到愈来愈广泛的应用，也为铸造工艺设计的科学化、精确 化提供了良好的工具，成为铸造技术开发和生产发展的重要内容之一。 ( 3 ) 铸造企业管理信息系统 管理信息系统m i s 一词最早是由基莱荷( j o g a l l a g h e r ) 在e d p s 的基础上于1 9 6 1 年提出的。m i s 系统是一个利用计算机软硬件、手工作业、分析计划、控制和决策模型 以及数据库的人机系统，它能提供信息，支持企业或组织的运行、管理与决定功能。 ( 4 ) 铸造专家系统 专家系统又称基于知识的系统，是人工智能科学走向实用化研究中最引人注目的成 9 2 5 t 卧式离心轧辊铸造机设计研究 就之一。专家系统产生于2 0 世纪6 0 年代中期，经过四十余年的科学研究，理论和技术 日臻完善，应用领域也越来越宽阔，并取得了巨大的经济效益。 1 3 6 数理统计方法在铸件质量控制中的应用 数理统计方法是t q c 中数据采集、整理、分析的基础工具。针对要解决的质量问 题先搜集数据；将收集到数据进行整理归纳，形成数、表、图形或计算出特征值，如平 均值、中位数、百分比等；然后对这些数、表、图形进行观察分析，找出其中的数理统 计规律，从这些规律可以得知生产或工作是否合乎要求，是否需要采取技术措施；最后 经过进一步的判断找出主因，利用专业技术手段和组织协调措施达到提高质量的目的。 在t q c 中常用的数理统计工具有所谓的“七种数理统计工具和“新七种工具”。 七种数理统计工具包括：因果图；排列图；直方图；管理图；散布图；检查表；分 层法。 新七种工具包括：系统图法；矩阵图法；矩阵数据分析法；关联图法；k j 法；过 程决策程序图法；箭条图法。 大连理工大学专业学位硕士学位论文 2 轧辊离心铸造及离心铸造机 2 1离心铸造 离心铸造是一种既传统、又现代的铸造方法。我国铸件的年产量在1 5 0 0 万吨左右， 而其中约有2 2 0 万吨是用离心铸造方法生产的，占1 5 。其中球墨铸铁管1 2 5 万吨，灰铸 铁管5 0 万吨，内燃机缸套3 5 万吨，各种轧辊5 万吨【3 1 。随着人民生活水平的提高，国家 在城镇化建设、西气东输等项目上我大力投资，以及汽车作为支柱产业的兴起，预计到 2 0 1 0 年，用离心铸造生产的铸件，每年可达到3 2 0 万吨以上。不言而喻，在生产铸件的 各种方法中离心铸造方法将仅次于砂型的铸造方法，具有举足轻重的地位。 2 1 1 基本原理及分类 离心铸造属于特种铸造。其特点就在于金属液浇入旋转的铸型中，在离心力的作用 下成形、凝固而获得铸件。 根据离心铸造的不同形式可对其进行分类【3 1 ，见表2 1 。 表2 1 离心铸造分类 t a b 2 1 c e n t r i f u g a lc a s t i n gc l a s s i f i c a t i o n 分类原则类别名称 按离心力应用情况 按旋转轴位置 按铸型材料 按铸型温度 1 、真正离心铸造 2 、半真离心铸造 3 、非真离心铸造 1 、水平离心铸造 2 、立式离心铸造 1 、金属型离心铸造 2 、衬耐火料金属型离心铸造 3 、砂型离心铸造 4 、其他材料铸型离心铸造 1 、冷模离心铸造 2 、热模离心铸造 不用砂芯，纯粹用旋转产生的离心力使金属液紧贴型壁而形成空腔铸件的方法称为 真正的离心铸造，其特点是铸件轴线与旋转轴线重合。半真正离心铸造，其铸型形状仍 2 5 t 卧式离心轧辊铸造机设计研究 是轴对称的，铸型旋转速度较低，离心力有助于充型与凝固，但不起成形的作用。非真 离心铸造其零件形状可随意，仅利用离心力增加金属液凝固时的压力，铸型旋转速度也 更低，铸件中心线也不和旋转轴线重合。 按旋转轴位置分类分为水平( 或卧式) 离心铸造和立式离心铸造。为获得更好的铸 件，在有的水平离心铸造中，水平旋转轴有很小的倾角，在倾角较大时也称为倾斜离心 铸造。 离心铸造用铸型可用不同材料制成，按其分类有：金属型、带耐火层( 例如衬砂或 喷涂料) 的金属型、砂型以及像石膏、石墨等其他材料制作的铸型等均可在离心铸造工 艺中应用。前两种铸型都用于真正离心铸造法，尤其是水平离心铸造中，因浇注铸件批 量大、尺寸大、故要求使用寿命长的金属型。后两种铸型多用在立式离心铸造中，浇注 一些小尺寸的铸件。 在离心铸造中，金属型可在不同的温度下工作。为提高生产率，加快铸件凝固，往 往把金属型密闭在水套中，通入冷却水进行冷却，使金属型本体在工作中处于较低的温 度，故称为水冷金属型或冷模离心铸造。如铸型在连续工作时，使用空气( 静止或流动 的) ，或使用少量喷水方法冷却，金属型处在较高的温度下工作就称为热模法离心铸造。 实际上冷模、热模也是相对的：冷模法时，金属型本体温度在4 0 - - 2 5 0 之间波动，内 壁温度在浇注时也达到6 5 0 - - 7 0 0 ，只是由于快速连续冷却而能迅速降至本体预定的温 度；热模法时，铸型温度在3 5 0 4 5 0 之间波动，但由于内壁衬有砂层或涂料，其内外 壁的温差较冷模法为小。 不同的离心铸造方法有不同的使用范围，当今产量、批量最大的还是真正离心铸造 的水平离心铸造法。 2 1 2 离心铸造的优点和局限性 ( 一) 离心铸造的优点 和其他铸造工艺方法相比，利用旋转产生离心力的离心铸造有其独特的优点，即： 1 、不用砂芯即可铸出中空筒形和环形铸件及不同直径和长度的铸管，生产效率高、 生产成本低。 2 、某些件不需任何浇冒口，提高了金属液的利用率。 3 、金属液在离心力下凝固，组织细密。 4 、可浇注不同金属的双金属铸件。 ( 二) 离心铸造的局限性 1 、真正离心铸造工艺仅适用于中空的轴对称铸件，而这类铸件的品种并不很多。 2 、离心铸造要使用复杂的离心铸造机，一般其价格十分昂贵，故离心铸造车间的 投资要比其他铸造方法要多。 大连理工大学专业学位硕士学位论文 3 、由于离心力的作用，容易使某些金属液在凝固过程中产生密度偏析。 4 、不适于制造易产生偏析的合金( 如铅青铜) 铸件。靠离心力形成的内表面比较 粗糙，往往不能直接应用。 从上述优点及局限性可看出，离心铸造适用于特定的、大批量生产的铸件。 2 1 3 离心铸造工艺的应用范围 真正离心铸造适用于大批量生产，其应用范围见表2 2 1 3 j 表2 2 真正离心铸造生产的代表性产品 t a b 2 2 r e p r e s e n t a t i v ep r o d u c t so ft m ec e n t r i f u g a lc a s t i n gp r o d u c t i o n 产品名称材料及规格 管子 气缸套 活塞环 阀门密封环 滑动轴承 减摩轴承 轧辊及辊子 双金属铸件 压力管：长4 5 8 m ，直径手7 5 手2 6 0 0 m m ；球墨铸铁 排水管：长3 m ，直径手5 0 步3 0 0 m m ；灰铸铁 各种规格水冷缸套，铝发动机用缸套毛坯；灰铸铁、球墨铸铁 灰铸铁、球墨铸铁铸成筒形件( 最长可至2m ) 后再加工 直径爹3 8 m m ，长2 m ；灰铸铁、球墨铸铁 有色合金 黄铜 钢、灰铸铁、球墨铸铁、有色金属，各种规模的直径与长度 轧辊等；各类白口铸铁或冷硬铸铁、球墨铸铁或灰铸铁 2 2 离心铸造轧辊 2 2 1离心铸造轧辊简介 冶金、食品加工、橡胶加工、造纸工业以及塑料加工等行业都要使用轧辊。我国轧 辊的年产量在2 0 万吨左右，离心铸造轧辊的产量已超过4 万吨，占总产量的2 0 以上。 制造轧辊的方法有锻造和铸造两种，而离心铸造轧辊是2 0 世纪6 0 年代开发的一项 新技术【3 】。离心铸造方法用于生产实心轧辊的研究工作1 9 3 2 年始于德国，但直到1 9 6 1 年方由日本的久保田铁厂生产世界上第一支离心铸造的线材轧机工作辊。以后，这一方 法又应用于制造热带钢连轧机精轧机的工作辊并取得了成功。1 9 6 8 年第3 5 届国际铸造 工会议上，久保田铁厂发表了“轧钢用复合轧辊的离心铸造”一文，宣告离心铸造轧辊 成功。他们是采用卧式离心生产出轧辊的。几乎同时西德、瑞典等国用立式离心方法生 产轧辊也获得成功，并在六十年代后期先后投入了生产。 2 5 t 卧式离心轧辊铸造机设计研究 进入七十年代以后欧洲各国、日本、美国、苏联等的一些主要轧辊制造厂都相继采 用了这一新的生产工艺，由于这一方法，具有成本低，质量好，便于掌握等优点在一些 轧辊厂的某些品种上已完全取代了以前生产复合轧辊的冲冼法。西德的刚科曼派泼尔 厂( g o n t e r m a r n p e i p e r s ) 当时生产离心辊年超二万吨，日本的日立苯松厂年产离心辊 超一万五千吨，离心铸造轧辊已经成为成熟的技术并后用于更多品种的生产。 2 2 2 离心铸造轧辊的优点 和传统的静态冲洗法相比，离心铸造的优点在于【卜7 】： 1 、由于在离心力场下凝固，合金组织致密：外层组织是在7 0 - 1 5 0 倍重力的离心力 作用下结晶，所以组织致密，工作层的密度与相同条件下重力浇注的相比可提高2 以上， 使用寿命可提高2 5 1 0 0 。 2 、工作层组织均匀：外层结晶组织不管是轴向还是周向都很均匀，整个工作层硬 度变化很小，从外向内硬度降落不超过5 h s ，在使用厚度之内，甚至到报废直径也很少 有组织变化，这就保证了轧制性能稳定。 3 、工作层厚度均匀：无论在径向和轴向的厚度都非常均匀，有利于提高轧辊的使 用寿命；而且外层厚度可以控制，在采用卧式铸造时外层厚度的不均匀可以控制在5 - 6 r a m 之间，而冲洗方法造成的厚度不均是离心法的2 - 3 倍。 4 、轧辊的力学性能好：由于离心铸造时外层金属内外同时冷却，很快凝固，因而 硬度降落小，合金轧辊工作层的硬度可达7 0 , - 9 0 h s ，冲击韧度可达4 7 j c 肝。 5 、机械性能提高，与冲洗法比无论是外层或心部强度都提高。 2 2 3 离心铸造轧辊方法 目前，离心铸造轧辊方法依离心机转轴的方向可分为卧式、立式、倾斜式三种。相 应的设备为卧式、立式、倾斜式离心轧辊铸造机。 2 2 3 1卧式离心铸造轧辊 铸型的的旋转轴线处于水面状态或与水平线交角很小( 4 。) 时离心铸造称为卧式 离心铸造，所用设备是卧式离心铸造机。卧式离心铸造机由于其设备简单，故是最早使 用，也是一般企业常用的方法。 按结构不同，这类离心铸造机又分为悬臂式和托辊式的两种。前者用于铸造较小的 铸件，后者用于铸造较大的铸件。悬臂卧式离心铸造机的特点是铸型悬臂装在主轴的一 端或两端。托辊卧式离心铸造机的特点是铸型装于前后两对托辊上，其中一对托辊为主 动托辊，另一对为从动托辊。 卧式离心铸造时只有辊身铸型部分在离心机上，四个托轮支承住铸型，并由主动托 轮带动铸型转动。在高速旋转的情况下浇入外层高合金铁水，铁水的重量按工作层的厚 大连理工大学专业学位硕士学位论文 度计算。待外层铁水凝固之后，将铸型垂直吊起并在浇铸坑内与上、下辊径和冒口砂箱 迅速装配在一起，然后将心部空腔用低合金铁水充满，在浇铸坑内缓冷至1 0 0 c 开箱。 2 2 3 2 立式离心铸造轧辊 铸型的旋转轴线处于垂直状态时的离心铸造称为立式离心铸造，所用设备是立式离 心铸造机。目前，在欧美用得最多的是立式离心铸造轧辊，也是我国不少企业目前正在 从国外引进的工艺方法。 立式离心机铸造轧辊时，将辊身冷型、上、下辊径及冒口砂箱预先装配在一起并置 于离心机的托盘上，然后在高速转动的情况下由冒口浇入外层铁水。一定时间后，减速 或停转浇入心部铁水直至充满冒口。浇铸完毕将轧辊连同冷型、砂箱一起吊入缓冷坑中 冷却。 2 2 3 3 倾斜式离心铸造轧辊 铸型旋转轴与水面线和垂直线都有较大角度的离心铸造称为倾斜轴离心铸造，所用 设备是倾斜式离心铸造机。关于倾角大小，考虑到轧辊上、下端白口均匀性、冒口的充 满程度以及安全因素，以1 5 2 0 。为好，现在倾角一般采用1 8o 【5 1 ，铸型由托辊支承并 带动旋转。倾斜式离心铸造首先由美国申请专利，但在美国很少用，而是日本用得比较 普遍，国内也有研究与应用。用此种离心机铸造轧辊时，将辊身冷型、上、下辊径及冒 口砂箱装配好之后放在转轴与水平成一定角度的离心机的托轮上，在高速转动的情况下 浇入外层铁水，经一定的时间之后浇入心部铁水至辊径处，再经一定时间之后，用吊车 将铸型吊入注坑中，将冒口浇满，并在坑中缓冷至开箱。倾斜式离心铸造铸铁轧辊浇注 内层铁液时