油膜轴承离心铸造的幻灯片

1、轧机油膜轴承巴氏合金轧机油膜轴承巴氏合金 离心浇铸过程的模拟分析离心浇铸过程的模拟分析 主要内容主要内容 课题综述课题综述 离心铸造工艺特点及数学模型离心铸造工艺特点及数学模型 离心铸造过程模拟的理论基础及工具离心铸造过程模拟的理论基础及工具 procast软件模拟浇铸过程软件模拟浇铸过程 结论与展望结论与展望 1 2 3 4 5 1、课题综述、课题综述 1.1 油膜轴承结构形式油膜轴承结构形式 特点： 承载能力大 使用寿命长 结构尺寸小 摩擦系数低 抗冲击能力强 抗污染能力强 润滑系统复杂 图1 轧机油膜轴承的结构组成 课题综述课题综述 1.2 离心浇铸的概念和特点离心浇铸的概念和特点 离心

2、铸造：离心铸造：是一种被广泛采用的特种铸造工艺。将是一种被广泛采用的特种铸造工艺。将 液态金属浇入旋转的铸型中，使之在离心力的作用液态金属浇入旋转的铸型中，使之在离心力的作用 下，完成充填和凝固成形的一种铸造方法下，完成充填和凝固成形的一种铸造方法. 常用于生产铸管、铜套、缸套、轴承套等。常用于生产铸管、铜套、缸套、轴承套等。 特点特点 ： 1. 应用范围广应用范围广 2. 浇铸灵活浇铸灵活 3. 铸件质量高铸件质量高 课题综述课题综述 1.3 离心浇铸数值模拟的必要性离心浇铸数值模拟的必要性 存在的问题：存在的问题： 液态金属成型过程不平稳和充填顺序不合理以液态金属成型过程不平稳和充填顺序不

3、合理以 及充型时间过长易于造成裹气、冷隔和浇不足及充型时间过长易于造成裹气、冷隔和浇不足 等缺陷。等缺陷。 铸造模拟的优势：铸造模拟的优势： 一方面是通过模拟分析充型过程中液态金一方面是通过模拟分析充型过程中液态金 属流动形态，预测上述缺陷，为浇注方式的修属流动形态，预测上述缺陷，为浇注方式的修 改提供依据；改提供依据； 另一方面为后续的凝固模拟分析提供必要另一方面为后续的凝固模拟分析提供必要 的初始温度场。的初始温度场。 课题综述课题综述 1.4 巴氏合金的特点巴氏合金的特点 巴氏合金是具有减摩特性的锡基和铅基轴承合金。巴氏合金是具有减摩特性的锡基和铅基轴承合金。 由美国人巴比特发明而得名，

4、因其呈白色，又称由美国人巴比特发明而得名，因其呈白色，又称 白合金。主要合金成分是锡、铅、锑、铜。白合金。主要合金成分是锡、铅、锑、铜。 表1 锡基巴氏合金化学成分 课题综述课题综述 表2 锡基巴氏合金机械性能 表3 锡基巴氏合金物理性能 2、离心铸造工艺特点及数学模型、离心铸造工艺特点及数学模型 2.1 离心铸造的分类离心铸造的分类 n立式离心铸造：中间带有型芯的铸型绕竖直轴旋立式离心铸造：中间带有型芯的铸型绕竖直轴旋 转，依靠合适的浇道来获得铸件的顺序凝固，如图转，依靠合适的浇道来获得铸件的顺序凝固，如图 2所示。所示。 n卧式离心铸造：铸型绕其水平轴旋转，中间不采卧式离心铸造：铸型绕其水

5、平轴旋转，中间不采 用型芯，形成的铸件内表面为自由表面，如图用型芯，形成的铸件内表面为自由表面，如图3所所 示。示。 图2 立式离心铸造 图3 卧式离心铸造 离心铸造工艺特点及数学模型离心铸造工艺特点及数学模型 2.2 铸型转速的选择方法铸型转速的选择方法 铸型转速的选择主要应考虑如下二方面的问题铸型转速的选择主要应考虑如下二方面的问题: 保证液体金属进入铸型后，能迅速充满成型保证液体金属进入铸型后，能迅速充满成型; 保证获得良好的铸件内部质量，避免出现缩孔、缩保证获得良好的铸件内部质量，避免出现缩孔、缩 松、火杂和气孔等松、火杂和气孔等;防止产生偏析、裂纹等缺陷。防止产生偏析、裂纹等缺陷。

6、2.2.1 立式离心铸造自由表面形状及转速选择依据立式离心铸造自由表面形状及转速选择依据 图4 立式离心铸造时，液体金属轴向断面上自由表面的形状 离心铸造工艺特点及数学模型离心铸造工艺特点及数学模型 由欧拉公式可知，当液体质点受力的作用，在等压面由欧拉公式可知，当液体质点受力的作用，在等压面 上作微小位移时，应满足下述条件上作微小位移时，应满足下述条件: 0zdzydyxdx 式中x、y、z分别为质点在x, y, z轴方向上所受的力。 如图如图4可知：可知： m为该质点的质量，g为重力加速度，转角速度矢量。 将将x及及y值代入位移公式，移项积分后得到：值代入位移公式，移项积分后得到： 2 xm

7、w x ymg 2 2 2 w yx g 离心铸造工艺特点及数学模型离心铸造工艺特点及数学模型 在自由表面上在自由表面上取取 和和 两点，满足上述方程两点，满足上述方程 式的条件，可得：式的条件，可得： 2 22 1212 () 2 w hyyxx g 2 1211 2 2gh kxxxx w h为铸件的高度，k为壁厚差。 将将 和和 代入上式，得到转速代入上式，得到转速n为：为： 1/2 22 12 42.3 h n xx 可根据铸件的可根据铸件的高度高度h和允许的铸件和允许的铸件壁厚差壁厚差k，及铸件，及铸件上上 部的内孔半径部的内孔半径 和和下部的内孔半径下部的内孔半径 ，来估算所需的，

8、来估算所需的 铸型转速铸型转速n。 1 x 2 x 2 9.8/gm s/30wn 11 ,x y 22 ,xy 离心铸造工艺特点及数学模型离心铸造工艺特点及数学模型 2.2.2 卧式离心铸造自由表面形状及转速选择依据卧式离心铸造自由表面形状及转速选择依据 在实际生产中，为了获得组织致密的铸件，可根在实际生产中，为了获得组织致密的铸件，可根 据液体金属自由表面据液体金属自由表面(相应为铸件的内表面相应为铸件的内表面)上的上的有效有效 重度值重度值 或或重力系数重力系数g值来确定铸型合适转速。值来确定铸型合适转速。 因为铸件内表面上的因为铸件内表面上的 及及g值为最小，若已能满值为最小，若已能满

9、 足质量要求，则在其他部位的质量也能得到保证。足质量要求，则在其他部位的质量也能得到保证。 图5 卧式离心铸造时，液体金属轴向断面上自由表面的形状 离心铸造工艺特点及数学模型离心铸造工艺特点及数学模型 主要计算公式为主要计算公式为 2 0 w r /g 0 29.9 g n r 苏联康斯坦丁诺夫经过试验后提出苏联康斯坦丁诺夫经过试验后提出: 不论液体金属的种类如何，只要在液体金属自由 表面上的有效重度 ,就能保证获 得组织致密的铸件。 据此可推导出铸型转速的计算公式据此可推导出铸型转速的计算公式: 00 29.954570 n rr 上式适用薄壁铸件，即铸件的外径上式适用薄壁铸件，即铸件的外径

10、r与内径与内径 之比之比 应小于应小于1.15。 0 r 63 3.3310 nm 3 离心铸造过程模拟的理论基础及工具离心铸造过程模拟的理论基础及工具 3.1 充型过程液体力学基础充型过程液体力学基础 3.1.1 流体的性质流体的性质 流体是一种在微小剪切应力作用下会发生变形的物流体是一种在微小剪切应力作用下会发生变形的物 质，不能承受拉力，但可承受压力和切应力。质，不能承受拉力，但可承受压力和切应力。 通过分析可知，铸造充型过程是一个伴随热交换及通过分析可知，铸造充型过程是一个伴随热交换及 凝固的非恒温的流动过程，金属液的流动遵循质量凝固的非恒温的流动过程，金属液的流动遵循质量 守恒，动量

11、守恒和能量守恒定律。守恒，动量守恒和能量守恒定律。 3.1.2 粘性流体的基本方程粘性流体的基本方程 a、连续性方程、连续性方程 0v t 其中 为密度， 为流体速度， 为矢量微分算子。 v 离心铸造过程模拟的理论基础及工具离心铸造过程模拟的理论基础及工具 b、动量守恒方程、动量守恒方程 dv pg dt 其中 为偏微分算子， 为应力张量。 d c、能量方程、能量方程 11ded pdivg dtdt 其中 为流体的内能， 为耗函数。e 上述三个控制方程构成了铸造充型过程的基本数学模型。上述三个控制方程构成了铸造充型过程的基本数学模型。 离心铸造过程模拟的理论基础及工具离心铸造过程模拟的理论基

12、础及工具 3.1.3 初始条件和边界条件初始条件和边界条件 在求解流体力学问题时，除了需要以上的控制方程外，在求解流体力学问题时，除了需要以上的控制方程外， 还需要给出初始条件和边界条件以便能够得到唯一解。还需要给出初始条件和边界条件以便能够得到唯一解。 n 初始条件初始条件 严格按照材料属性与工艺流程对计算参数进行选取严格按照材料属性与工艺流程对计算参数进行选取 n 边界条件边界条件 边界条件是指在铸造模拟过程中在运动的边界上应特边界条件是指在铸造模拟过程中在运动的边界上应特 殊设置的一些运动参数。殊设置的一些运动参数。 离心铸造过程模拟的理论基础及工具离心铸造过程模拟的理论基础及工具 铸造

13、充型过程模拟研究的对象是金属液，它属于粘性液体，并铸造充型过程模拟研究的对象是金属液，它属于粘性液体，并 在自由表面处存在液在自由表面处存在液气界面的边界需要设置。其动力学边界气界面的边界需要设置。其动力学边界 条件为：如果气体介质具有常值压力条件为：如果气体介质具有常值压力p0，则应力向量的法向和，则应力向量的法向和 切向分量为：切向分量为：pnn=-p0，pnt=0。 3.1.4 自由表面的确定自由表面的确定 充型过程通常都在一个很短时间内完成，而且自由表面可能出充型过程通常都在一个很短时间内完成，而且自由表面可能出 现折叠相交，合并等现象，所以自由表面的情况不容易确定，现折叠相交，合并等

14、现象，所以自由表面的情况不容易确定， 大量的实践表明，大量的实践表明，“体积追踪法体积追踪法”，在处理实际问题时逻辑上，在处理实际问题时逻辑上 更简单、计算速度更快，因而得到了广泛应用。采用更简单、计算速度更快，因而得到了广泛应用。采用“体积追体积追 踪法踪法”的算法主要有：的算法主要有： “示踪粒子示踪粒子”法和法和vof(volume of fluid) 方法两种。方法两种。 离心铸造过程模拟的理论基础及工具离心铸造过程模拟的理论基础及工具 3.2 铸造软件铸造软件procast的简要介绍的简要介绍 适用范围：适用范围： 砂型铸造、消失模铸造砂型铸造、消失模铸造; 高压、低压铸造高压、低压

15、铸造; 重力铸造、倾斜浇铸、离心铸造重力铸造、倾斜浇铸、离心铸造; 触变铸造、触变成型、流变铸造。触变铸造、触变成型、流变铸造。 模拟分析能力：模拟分析能力： 可分析缩孔、裂纹、裹气、冲砂可分析缩孔、裂纹、裹气、冲砂 、冷隔、浇不足、冷隔、浇不足 、 应力、变形应力、变形 、模具寿命、模具寿命 、工艺开发及可重复性。、工艺开发及可重复性。 4、procast软件模拟浇铸过程软件模拟浇铸过程 4.1 三维实体模型的建立及简化三维实体模型的建立及简化 图6 油膜轴承几何简化模型 图7 油膜轴承浇铸简化模型 procast软件模拟浇铸过程软件模拟浇铸过程 图8 加横浇道的简化模型 图9 网格划分后的

16、模型 procast软件模拟浇铸过程软件模拟浇铸过程 4.2 主要计算参数的设定主要计算参数的设定 图10 定义材料间界面属性 图11 定义重力方向及大小 图12 定义钢体旋转的转轴及转速 图13 定义初始条件 procast软件模拟浇铸过程软件模拟浇铸过程 4.3 模拟分析计算过程及结果模拟分析计算过程及结果 12 34 图14 充型过程中的温度场变化 充充 型型 过过 程程 procast软件模拟浇铸过程软件模拟浇铸过程 图15 充型过程中的的热流方向及大小 充充 型型 过过 程程 1 2 procast软件模拟浇铸过程软件模拟浇铸过程 12 34 图16 凝固过程中的温度场变化 凝凝 固固 过过 程程 procast软件模拟浇铸过程软件模拟浇铸过程 12 34 图17 凝固过程中的固相分数变化 凝凝 固固 过过 程程 procast软件模拟浇铸过程软件模拟浇铸过程 图18 缩孔缩松倾向的预测结果 凝凝 固固 过过 程程 5、结论与展望、结论与展望 5.1 结论结论 对离心铸造的相关数学模型进行理论分析，列出对离心铸造的相关数学模型进行理论分析，列出 主要的计算公式。主要的计算公式。 以实际生产工艺为依据，建立油膜轴承巴氏合金以实际生产工艺为依据，建立油膜轴承巴氏合金 的离心浇铸三维模型，确定各