桶類零件數(shù)控加工工藝設計.doc

西京學院機電工程系數(shù)控技術專業(yè)畢業(yè)設計：桶類零件數(shù)控加工工藝設計高耐磨銅合金桶類零件離心澆鑄機設計摘 要錫青銅是在工業(yè)中最常用的一種青銅，機械性能中的強度、塑性很好，尤其是其塑性可與鋼相媲美，優(yōu)良的化學穩(wěn)定性、高致密性以及高耐濕摩擦性，因而被廣泛用來生產(chǎn)耐腐蝕、耐高壓和耐濕摩擦的各種零件。本文著重敘述銅合金離心鑄造。包括高耐磨銅合金套類零件澆鑄工藝分析，模具設計，離心澆鑄機原理設計，機構與結構設計。通過本次的畢業(yè)設計，使我掌握了設計一套機械設備的工藝流程，并且讓我對大學里學的科目，無論是專業(yè)課還是基礎課，都從頭到尾的溫習鞏固了一遍，對各類手冊的用法是從新熟悉了。畢業(yè)設計也就相當于設計一種產(chǎn)品，是我們這些畢業(yè)生步入社會的過度過程，對以后適應工作有著重要的意義。離心鑄造是一項非常先進的技術。雖然現(xiàn)在鑄造領域所占的比重很小，但是隨著社會的發(fā)展，我相信離心鑄造將會在很多方面取代一些原始的鑄造方法。當然離心鑄造還有許多要完善的地方。就需要我們未來的研究中去完善它。關鍵詞：銅合金；耐磨；軸承；鑄造；工藝；模具目 錄目 錄II插表清單VI引 言1第1章緒論31.1 銅工業(yè)簡介31.2 銅合金分類7第2章澆鑄工藝設計92.1前言92.2生產(chǎn)條件的確定92.2.1 熔煉設備的選擇92.3 澆注工藝方案的確定10第3章模具設計183.1 模具結構183.2 模具的設計參數(shù)183.3 離心鑄造轉速的計算21第4章缺陷分析與解決方法224.1 離心鑄型轉速技術參數(shù)選擇的認識224.2 離心鑄件常見的缺陷及成因分析224.3 裂紋、縮孔與縮松缺陷的防止措施24第5章機構與結構設計265.1 聯(lián)軸器的選擇265.2 離合器的選擇285.3 電動機的選擇與電路分析305.4 軸承的選擇31第6章軸的設計326.1 軸的設計326.2 軸的校核336.3 鍵的校核35結論與展望37致謝40參考文獻4243引 言銅是人類應用最早的金屬，銅的發(fā)現(xiàn)和使用是中國古代文明的重要組成部分。早在6600年以前，在中國黃河流域的原始文化中就出現(xiàn)了零星的銅器和冶鑄器件，其后出現(xiàn)了中國歷史上一個獨立的時代一青銅器時代。隨著科學技術和工業(yè)的進步，對銅加工材料提出了更高的要求，銅加工業(yè)則不斷地提高產(chǎn)品的物理性能、機械性能、化學性能、表面品質和加工精度，不斷地出現(xiàn)適應各種特殊要求的高、精、尖新產(chǎn)品。目前各個行業(yè)對銅的消費日益增加，1998年全世界年產(chǎn)銅約1360萬噸，各主要生產(chǎn)國的產(chǎn)量分別為：美國245萬噸、智利233萬噸、日本128萬噸、中國100萬噸、德國69.5萬噸、俄羅斯64萬噸、加拿大56萬噸。世界銅的消費主要集中在發(fā)達工業(yè)國，根據(jù)1997年的統(tǒng)計，美國是世界上最大的銅消費國，一年消費277萬噸，約占世界消費總量的1/5，其次是日本144萬噸、德國105萬噸、韓國62萬噸、法國58萬噸、意大利53萬噸、英國41萬噸。我國銅資源非常匾乏，但目前又是銅材產(chǎn)量處于世界第一的國家，在國民經(jīng)濟持續(xù)和高速發(fā)展的推動下，2003年我國銅加工工業(yè)，克服了原輔材料價格上漲、電力供應緊張等一系列困難，繼續(xù)保持著強勁勢頭。2003年我國銅材產(chǎn)量為329.67萬噸，進口量為105.6萬噸，出口量為23.3噸，消費量為411.97萬噸，分別比2002年增長31.23%、15%、35.46%和26.45%，在世界銅加工行業(yè)中占有舉足輕重的地位。然而我國雖然在產(chǎn)量上在世界的銅加工行業(yè)里占有很高的地位，但在一些高耐磨、高強高導的行業(yè)里，與世界先進水平還是由很大的差距的。本文就是在高耐磨銅合金的加工領域，給讀者詳細的介紹已中文最有代表性的加工方法。第1章 緒論1.1 銅工業(yè)簡介最近幾年我國國民經(jīng)濟持續(xù)保持高速發(fā)展，為我國銅加工材提供了廣闊的市場空間，創(chuàng)造了我國銅加工迅速發(fā)展的外部條件。特別是電子、通訊、鋼鐵、交通、建筑、家電等行業(yè)的迅速發(fā)展，為銅加工工業(yè)的市場提供了千載難逢的好機遇，火電、核電、艦船、海水淡化采用大長度冷凝管、電機制造用空芯導線、整流器用異型銅材、輸配器用導線、變壓器銅帶、導電用銅排、連續(xù)鑄鋼用銅結晶器管和板、高爐銅冷卻壁用厚板、汽車水箱帶、汽車同步器齒環(huán)管、線纜、接插元件、高速列車用特長異型合金線、汽車鍍鋅鋼板焊接用銅合金焊絲、高強高導電板銅合金、特種粉末、電子元器件用的高精銅帶、引線框架銅帶、接插元器用錫磷青銅帶、通訊工程用電纜帶、電真空用無氧銅、印刷電路用高質量和高性能電解銅箔；建筑工業(yè)用水道管和燃汽管、銅管件、環(huán)品已成為銅加工材的亮點；還有就在高耐磨領域銅合金占的比重越來越大。我國銅加工業(yè)技術和裝備水平再上一個新的臺階，使我國銅加工業(yè)整體實力和國內(nèi)外市場競爭能力大大加強，這是新形勢下賦予我國銅加工業(yè)的新的重大發(fā)展機遇。誰能抓住這一機遇發(fā)展自己，成功將屬于誰。2005年我國十種有色金屬總產(chǎn)量為1631.8萬噸，是2000年的2.08倍，年均遞增率為8%，連續(xù)4年位列世界第一。其中銅產(chǎn)量為258.3萬噸，是2000年的1.88倍，年均遞增率為13.5%?！笆濉逼陂g我國的銅產(chǎn)量見表1.1表1-1 20002005年銅產(chǎn)量(單位：萬噸)2000年2001年2002年2003年2004年2005年銅產(chǎn)量137.1153.2163.3183.6219.9258.3“十五”期間生產(chǎn)銅材總產(chǎn)量是1695萬噸，是“九五”期間銅材產(chǎn)量650萬噸的2.61倍，大約相當于建國至2000年銅材產(chǎn)量的總和。其中2005年銅材產(chǎn)量為466.8萬噸，是2000年的2.92倍，平均遞增率為23.9%?！笆濉逼陂g有色金屬行業(yè)實現(xiàn)利稅為2044億元，是建國至2000年累計利稅的1.6倍，實現(xiàn)利潤約1182億元，是建國至2000累計利潤的2.1倍(見表1.2)。表1.2 20002005年規(guī)模以上有色金屬有色金屬企業(yè)銷售收入、稅收和利潤收入表2000年2001年2002年2003年2004年2005年銷售收入2183.02356.62689.03706.15578.38090.5利稅總額169.7177.3187.1301.9530.2847.8利潤總額66.371.480.5162.1323.8543.9“十五”期間我國的有色金屬外貿(mào)進出口總額持續(xù)攀升，起進出口總額達到1369億美元，是“九五”，期間的3倍(見表1.3)。我國十種有色金屬總產(chǎn)量連續(xù)4年位列世界第一，2005年我國銅(銅冶煉)產(chǎn)量約占世界產(chǎn)量的7%，僅次于智利，連續(xù)5年位列世界第二(見表1.41.5)。表1.3 20002005年有色金屬外貿(mào)進出口總額2000年2001年2002年2003年2004年2005年進出口總額143.11138.20167.84232.88362.00168.37進口額99.8898.38109.33152.16230.47303.48出口額43.2339.8258.5180.72131.53164.89外貿(mào)逆差56.6558.5650.8271.4498.94138.59表1.4 2004年世界精煉銅排名前5個生產(chǎn)國序號精煉銅國家產(chǎn)量（萬噸）1智利289.02中國219.93日本138.04美國131.0俄羅斯88.5總的來看，2005年以來銅加工行業(yè)經(jīng)濟運行情況良好并具有以下主要特點：1） 依然保持穩(wěn)步增長。2） 市場開發(fā)力度增大。3） 產(chǎn)品結構調(diào)整任務繁重。銅加工材品種高精度板帶材依然是全行業(yè)關注的重點。2005年，我國銅板帶出口5.0萬噸，而進口高達27.3萬噸，主要是高精品種。銅管品種繼續(xù)保持穩(wěn)定發(fā)展勢頭，精密銅管生產(chǎn)技術和產(chǎn)品質量仍處世界前列。4） 技術創(chuàng)新成果顯著。2005年共有11項成果獲得行業(yè)科技進步獎。5） 在銅價持續(xù)走高的形勢下，有色金屬加工行業(yè)總體效益水平一般。全國著名銅加工企業(yè)按產(chǎn)量和利稅排名前四位的是寧波金田銅業(yè)(集團)有限責任公司、海亮集團有限公司、新張銅股份有限公司、金龍精密銅管集團股份有限公司。6） 產(chǎn)業(yè)集中度明顯。中國銅加工工業(yè)發(fā)達地區(qū)主要分布在東南沿海一帶，主要生產(chǎn)省份有浙江、江蘇、廣東等長江三角洲和珠江三角洲地區(qū)。機遇與挑戰(zhàn)并存。2003年我國工業(yè)發(fā)展所需的原材料與能源供應已成為突出矛盾，原材料價格上漲、電力供應短缺已成為制約我國銅加工業(yè)發(fā)展的重要外部條件，這一點在2004年以及更長遠的時間內(nèi)都不可能根本緩解，2006年，世界經(jīng)濟正處于新一輪恢復和增長期，國際制造結構調(diào)整和轉移，總體上對我國有利。我國以具備保持經(jīng)濟平穩(wěn)較快發(fā)展和社會和諧進步的有利條件。城鄉(xiāng)居民消費結構升級，將帶動產(chǎn)業(yè)結構調(diào)整和城鎮(zhèn)化加發(fā)展，這些都為有色金屬工業(yè)發(fā)展提供了巨大的市場需求。但是不利因數(shù)仍然存在：（1） 銅價繼續(xù)在高位震蕩，為銅加工發(fā)展帶來許多變數(shù)。（2） 銅加工材出口稅率改變，在短期內(nèi)會加劇企業(yè)經(jīng)營困難和國內(nèi)市場競爭，從而導致銅材生產(chǎn)企業(yè)重新洗牌。為了適應新形勢，銅加工企業(yè)將加強企業(yè)管理，不斷降低成本，不斷推進自主技術創(chuàng)新等措施以求持續(xù)發(fā)展。銅加工技術創(chuàng)新重點是生產(chǎn)技術和裝備向生產(chǎn)連續(xù)化、自動化、高效、節(jié)能、無公害方向發(fā)展，重要項目有：u 板帶材生產(chǎn)連鑄和連軋，解決帶坯連鑄技術，包括保護氣體熔煉、寬帶坯立式或水平連鑄技術、大宗產(chǎn)品連軋技術(包括紫銅、黃銅、青銅)、質量控制技術和測試技術。u 管、棒、型、線材的連續(xù)四川大學碩士學位論文化生產(chǎn)技術，大力壓縮熱加工工序，解決合金管材連鑄和盤式生產(chǎn)方法的技術關鍵。u 實現(xiàn)所有銅材料生產(chǎn)無公害化。u 銅材料生產(chǎn)周期進一步縮短，由目前21天壓縮至7天。1.2 銅合金分類銅在元素周期表中位于第四周期，第m族銅原子的電子層排布為：ls22s22p63s23p63dl04sl，除最外層一個電子易成鍵外，3d上有l(wèi)-2個電子也能參加成鍵，故銅氧化態(tài)有+l價、+2價和+3價，但+1價和十2價較常見。純銅為紫紅色金屬，質地堅韌、有延展性；熱導率和電導率都很高；熔點1083.4，沸點2567；密度8.92g/；在20時，銅的熱導率是397W/mk電阻率是1.673010-6。其電導率是銀的94%，有順磁性。銅的機械性能與物理狀態(tài)有關，也受溫度和晶粒大小的影響。熱軋銅抗拉強度為220.5N/mm2，屈服強度為69N/mm2，伸長率是45%，冷軋銅的斷面減縮70%后抗拉強度增加到約393N/mm2，伸長率降至4%。銅可以與其他元素組成合金，常見的銅合金主要有三類：黃銅：黃銅是銅鋅合金，因色黃而得名，黃銅的耐磨性能和機械性能都很好，可用于制造精密儀器，船舶的零件。當黃銅的鋅含量在32%以下時，塑性良好，適于冷、熱加工，且韌性強，但切削加工性能較差。為了改善黃銅的某些性能，往往加入少量其他元素，如鋁、錳、錫、硅、鉛等，這種黃銅稱為特殊黃銅。白銅：白銅是指銅鎳合金，稱鎳白銅。當把鎳熔入紅銅里，含量超過16%以上時，色澤變得潔白如銀。青銅：除黃銅和白銅外，其余銅合金為青銅，因色青而得名。習慣上也有把青銅分成錫青銅和無錫青銅兩大類。錫青銅主要用于制造耐腐耐磨的零部件，如軸套、推力軸承瓦塊等。由于錫的資源較少，近來工業(yè)上廣泛采用一些其他合金元素來代替錫，較常見的有鋁青銅、鉛青銅和被青銅等。鋁青銅比錫青銅具有更好的耐腐蝕性，常用于制造耐腐蝕、耐磨損的零件，如齒輪、蝸輪、軸套等。被青銅主要用作重要彈簧及彈性零件，以及電接觸器、電焊機電極、四川大學碩士學位論文鐘表及鐘表零件等。青銅還有一個反常的特性“熱縮冷脹”，用來鑄造塑像，冷卻后膨脹，使得細節(jié)更清楚。第2章 澆鑄工藝設計2.1前言對鑄造銅合金而言，套類、齒圈類、蝸輪類、軸瓦等鑄件，采用砂型鑄造，不僅工藝出品率很低，費工、費料，更主要的是質量難以保證。因此，一般采用離心鑄造來提高ZCuSn6Zn6Pb3的質量。但是離心鑄造受材料成分的制約，凝固方式的不同，往往出現(xiàn)意想不到的質量問題無法解決。如果鑄造一些昂貴金屬，采用其他的鑄造方法，不僅精度低，而且材料利用率也低，這樣是非常浪費資源的，因此必須采用離心鑄造，而且一定要選擇金屬模具。所以下面就對采用離心機鑄造方法，對鑄件質量控制的幾個方面提出了以下幾點工藝措施。2.2生產(chǎn)條件的確定銅合金的成型技術隨著現(xiàn)代科學技術的發(fā)展有了很大的提高，并逐步的走向完善。包括有砂型鑄造和特種鑄造。在特種鑄造里主要有熔模鑄造、陶瓷型鑄造、石膏型鑄造、金屬型鑄造、壓力鑄造、離心鑄造和擠壓鑄造等。它們各有各的優(yōu)點和缺點。本文重點敘述金屬模離心鑄造法。離心鑄造全套設備包括熔煉設備、傳動設備還有模具。2.2.1 熔煉設備的選擇表2.1 熔煉設備一覽序號名稱功率（KW）最大容量（T）形式1電弧爐1000.5臥式2中頻爐2500.25立式3焦炭坩堝爐2.20.3立式根據(jù)模具的尺寸，選擇序號“1”電弧爐。2.2.2 離心機的選擇表2.2 離心機選擇表序號最大規(guī)格（mm）功率（KW）最大車速（轉/分）形式141150臥式三級210900臥式二級320800立式二級440700立式二級52.21300臥式三級根據(jù)零件的尺寸選擇“1”臥式三級離心機。2.3 澆注工藝方案的確定工藝方案就是生產(chǎn)綱領，是指導性文件，合理的工藝方案，不但節(jié)省資源，還能提高生產(chǎn)效率，下面就向大家詳細的介紹一下這次設計的工藝方案。2.3.1 銅合金熔煉工藝2.3.1.1爐前準備 爐料 凡是要加入到爐中去的各種原材料都必須除銹、去油、徹底烘干。投爐前應盡可能的把爐料預熱到400左右；各種輔料包括覆蓋劑，清渣劑，除氣劑都必須在投爐前烘烤，對一些氯化物，還必須高溫脫水處理后方能使用，嚴禁冷料使用。熔煉工具 凡是與金屬液直接接觸的各類工具，包括澆包、澆口槽、鐘罩、攪攔棒、耙子等都必須刷好涂料徹底烘干后待用。石墨坩堝應預熱到200-300時再放入爐膛，防止坩堝爆炸和掉層。2.3.1.2 熔煉工藝銅合金鑄件質量與熔煉密切相關，因為在熔化過程中特別容易吸氣造渣，極難排除，因此銅合金在熔煉時要采用保護手段，用干燥的木炭、碎玻璃、硼砂等材料覆蓋金屬液，覆蓋劑在加料時應放在爐子底部，加入量以能覆蓋住金屬液面為準。對于焦碳坩堝爐采用覆蓋熔煉更為重要。熔煉結束前要進行脫氧、除氣、清渣處理。如：ZCuSn5Zn5Pb5 (ZCuSn6Zn6Pb3)、 ZCuSn10P1、 T-105，硅青銅等用0.10.2%的磷氧脫氧，用0.10.3%的氯化鈣精煉清渣。ZCuA10Fe3 用0.10.3%的氯化鈉或者假如0.5%左右的鋅清渣。ZCuZn38Pb2bMn2、 ZCuZn25A16Fe3Mn3、 T-115等合金可用0.1-0.2%的氯化鈉清渣，銅液出爐后用草木灰蓋住液面防止銅液氧化。2.3.1.3 爐前檢查檢查銅液質量好壞、能否離心鑄造，檢查的方法是在耐火磚上鑿一個直徑5050mm的凹坑，把熔煉好的金屬液注入，待凝固后看其表面。表面凹陷為合格，若是表面平整或者凸起，證明銅液中含有氣體或者氣體含量嚴重，此時必須進行第二次排氣和精煉處理，之后再檢查一次，要是第二次檢查還不合格，這爐銅液就不能離心鑄造。2.3.2 離心機轉速的確定離心機轉速直接影響鑄件質量，轉速過低使鑄件內(nèi)圓產(chǎn)生金屬堆積，合金液中的氧化夾雜物不易離出，鑄件產(chǎn)生類渣；轉速過高鑄件容易產(chǎn)生偏析，尤其是鑄件壁厚較大，結晶溫度范圍較寬的合金和合金中成分比重相差較大的元素。如錫、鉛等。通常我們用 如下經(jīng)驗方法來確定。見表3。鑄件的直徑小，需要的離心力大，速度靠上限取，反之表2.3 離心機轉速確定表形式直徑（mm）轉矩（轉/分）臥式5010080013001002009501100200400750950400600600750立式6008006007008001100500600取較小的轉速。此處鑄件的直徑是指內(nèi)孔而不是外圓。見表2.3零件的的內(nèi)孔直徑在50100之間，所選轉速8001300轉/分之間。2.3.3 金屬模溫度的確定2.3.3.1預熱溫度 金屬模在使用前用鋼刷除銹，然后刷上涂料烘烤，使金屬模上的水氣充分干燥，預熱溫度一般控制在100200之間，烘烤1.52.5小時為宜。2.3.3.2工作溫度 金屬模工作溫度通過生產(chǎn)實踐來確定，因為不同牌號的合金有不一樣的金屬模工作溫度，結晶溫度范圍較寬，流動性和補縮能力差，容易產(chǎn)生技晶偏析和分散性微觀縮松量糊狀凝固特性的合金如：ZCuSn5Zn5Pb5 、ZCuSn6Zn6Pb3、ZcuSn10Pl、 T-105和硅青銅等，金屬模的工作溫度都不能太高，并且必須均勻。金屬模的工作溫度都不能太高，并且必須均勻。過高的金屬模工作溫度給液態(tài)金屬增加了一層保溫層，使鑄件表面結殼的時間加長，內(nèi)外部溫度梯度變小，趨于同時凝固，這時在高溫熱作用下產(chǎn)生吸氣現(xiàn)象，在鑄件的外圓形成深淺、大小不一致的凹坑，嚴重時呈連片麻坑狀，尤其是鑄件壁厚大表2.4金屬模工作溫度表序號合金牌號金屬模工作溫度（）澆注溫度（）鑄件壁厚（mm）1080115040401ZCuSn6Zn6Pb3ZCuAl10Fe3T-10560100801202ZCuSn10P150808010098010503ZCuAl10Fe3150250200300110012004ZCuZn25Al6FeMn2ZCuZn38Pb2Mn2T-11512018018025011001150的零件。但是對于流動性好、收縮大、不容易形成技晶偏析，結晶溫度范圍窄呈逐層凝固特性的合金如：ZCuAl10Fe3、ZCuAl10Fe3Mn1.5、ZCuZn38Pb2Mn2、ZCuZn25Al6Fe3Mn2等，要求金屬模的工作溫度較高。如果金屬模工作溫度過低，高溫合金液在高溫旋轉的離心機金屬模內(nèi)產(chǎn)生較大的溫度梯度，并且受金屬模激冷作用立刻凝固，這樣就加快了后續(xù)金屬液的凝固速度，容易使鑄件產(chǎn)生分層和冷融缺陷。根據(jù)生產(chǎn)實踐離心機金屬模工作溫度，保持在表2.4范圍內(nèi)效果較佳。2.3.4 澆注溫度澆注溫度是保證合格鑄件的主要參數(shù)之一。澆注溫度過高鑄件外圓容易產(chǎn)生氣孔，澆口部位將產(chǎn)生縮孔，尤其錫青銅、鉛青銅等容易產(chǎn)生偏析。澆注溫度過低鑄件外圓產(chǎn)生冷隔、皺皮，鑄件內(nèi)部產(chǎn)生夾層、壁厚不均、內(nèi)圓堆積金屬等缺陷。對于ZCuSn5Zn5Pb5 (ZCuSn6Zn6Pb3)、 ZCuSn10P1、 T-105合金采用較低的澆注溫度。見表2.4，對于ZCuAl10Fe3、ZCuZn38Pb2Mn2、ZCuZn25Al6Fe3Mn2、T-115等合金采用較高的澆注溫度見表2.4。因此，本次設計采用較低的澆注溫度：108011502.3.5 澆注速度的確定離心機因采用金屬型模具，冷卻速度較快，采用快速澆注能獲得優(yōu)質鑄件。在實際生活中，由于合金的凝固特性有所不同，澆注的速度就有所差異，ZCuSn5Zn5Pb5、 ZCuSn6Zn6Pb3、ZcuSn10Pl、T-105等合金的補縮能力差，金屬由液態(tài)到固態(tài)的凝固時間趨于一致。因此合金的澆注壓頭不需要太高，只要保證大流股快速度澆注既可。而ZCuAl10Fe3、ZCuZn25A16Fe3Mn2、ZCuZn38Pb-Mn2、T-115等合金補縮性能好，容易使鑄件在澆口部位產(chǎn)生縮孔缺陷。因此采用先快后慢、先大后小、先低后高的十二字澆注方法，即當離心機工作時用大流股、低壓頭合金液快速充滿鐵模后立刻放慢速度，適當減小金液流股，提高澆注壓頭不能斷流的緩慢澆注至最后。由于采用ZCuSn6Zn6Pb3為澆注液，所以采用慢速澆注。見表2.5表2.5 澆注速度表鑄件重量（Kg）ZCuSn6Zn6Pb3ZCuAl10Fe3T-105ZCuZn25Al6FeMn2ZCuZn38Pb2Mn2T-115澆注速度（S）澆注速度（S）25503558501005881010015081010151502501014151825035014181820350500182020252.3.6 澆口位置的確定離心鑄造的澆口沒有手工鑄造的要求嚴格，但澆口位置不當也會使鑄件產(chǎn)生缺陷，突出的缺陷有，縱向壁厚不均，澆口近的地方過厚，遠離澆口的地方很薄，鑄件兩頭產(chǎn)生氧化夾雜物，特別是臥式離心機。因此對直徑小而長的鑄件，盡量將澆口伸進金屬模處較為理想；直徑大而短的鑄件，澆口伸進金屬模的深度約處即可。澆口的深度確定之后，還必須調(diào)整澆口方向，澆口方向不能朝上順著離心機的旋轉方向，也不能直頂著離心機的旋轉方向。合適的澆口方向始終與離心機的旋轉方向形成一個15左右的夾角，最大不得超過30，能有效地保證鑄件質量。這里選擇伸進金屬模處。2.3.7 轉動時間當金屬液注入金屬模后，要有足夠的時間使液態(tài)金屬轉變?yōu)楣虘B(tài)金屬，整個轉變過程是在離心機旋轉過程中進行的，否則不可以停機。若是過早停機，鑄件產(chǎn)生凸瘤和不圓現(xiàn)象。最簡單的辦法是觀察鑄件顏色，呈暗紅色時停機、取件。一般取十秒。2.3.8 金屬模涂料涂料的成分由很多種，鑄件材料不同，選擇的涂料也不一樣。見表2.6涂料不但能起到提高鑄件表面粗糙度防止鑄件產(chǎn)生缺陷之外，還能使鑄件與金屬模很好的分離，保護金屬模表面，尤其是新制造的模具。離心鑄造涂料的綜合性能越好，涂料涂層對離心鑄件成型和質量就越有保障。因在金屬液注入型內(nèi)的初始至鋪展到整個鑄型階段，涂料涂層承受了金屬液的點沖擊和金屬液流體的浸潤與摩壓；在注滿金屬液體階段，涂料涂層承受著金屬液的整體離心擠壓，此時的涂料涂層可以起到吸附一定離心壓力對凝固薄層過高壓力的作用；在初始凝固薄層之后的成型階段，涂層除發(fā)揮傳熱的媒介作用外，還可抵消部分鑄件因徑向收縮后產(chǎn)生間隙所引起相對的機械振動作用。對ZG35CrMnSi材質的套筒，在生產(chǎn)卷取機套筒的始初采用高鋁粉離心鑄造涂料(此涂料用在生產(chǎn)小托輥離心鑄件是相當成功的)，失敗后選用GCM-3型涂料，達到很好效果。刷涂料應在金屬模預熱之前，否則涂料不易涂掛在金屬模內(nèi)壁上。刷完涂料之后，一定要徹底烘干。連續(xù)澆注時因模具溫度很高，絕對不能直接向模具刷涂料，可采用吹風機使模具冷卻至工作溫度時再刷涂料，烘烤后再次澆注。表2.6 金屬模涂料選擇表合金種類配比（%）備注黑鉛粉滑石粉膨潤土松香水錫青銅9092810余適量肥皂水錫青銅9094610余黃銅929468余可不刷第3章 模具設計軸承行業(yè)普遍采用離心鑄造的工藝方法生產(chǎn)青銅保持架的管坯。正確設計離心鑄造模具對產(chǎn)品質量的提高十分重要。3.1 模具結構模具的必須要以零件的大小作為標準。零件圖如下圖3.1 零件尺寸圖因為鑄件的外徑小于200毫米，所以采用如下圖設計 1、殼體 2、后蓋 3、襯套 4、擋蓋 5、壓緊螺母圖3.2 模具組裝圖3.2 模具的設計參數(shù)3.2.1 襯套設計襯套的作用就是為了方便零件脫模，由于零件上由法蘭，如果沒有襯套的話，很難取出零件。并且在襯套表面，涂由一層隔熱物資，作用是使零件不與襯套粘結在一起，并且防止襯套受熱變形。由于零件在從液體凝固成液體過程中，會發(fā)生收縮。故在設計襯套的過程要充分考慮到零件的收縮率。見表3.1 表3.1 收縮率選擇表鑄件外徑（mm）收縮量（mm）備注1003或實驗后確定150420052005圖3.3 襯套立體圖 圖3.4 襯套尺寸圖具體尺寸計算如下：模具殼體深度模具法蘭處直徑+收縮率零件法蘭高度+收縮率零件外徑+收縮率3.2.2 擋板設計擋板的作用就是防止襯套在高速轉動過程中由于離心力的作用脫離模具。圖3.5 擋板立體圖 圖3.6 擋板尺寸圖具體計算尺寸如下 鑄件內(nèi)徑（35）mm=47mm3.2.3 后蓋設計 圖3.7 后蓋立體圖 圖3.8 后蓋尺寸圖具體計算尺寸如下3.2.4 殼體厚度的確定 殼體的厚度是=襯套厚度3.3 離心鑄造轉速的計算離心鑄造轉速按下列經(jīng)驗公式計算： (1)式中 轉速，r/min 合金密度，g/cm 鑄件內(nèi)徑半徑，cm查手冊的 計算得 第4章 缺陷分析與解決方法4.1 離心鑄型轉速技術參數(shù)選擇的認識一般認為離心鑄型轉速技術參數(shù)是離心鑄造成型的關鍵，在選取離心鑄型轉速時寧高勿低。這種偏頗的做法對生產(chǎn)類似于卷取機套筒產(chǎn)品是極其不利的。因此，要充分弄清楚影響離心鑄機轉速的因素及其相互的關系。離心鑄型轉速的計算公式一般采用： （1）式(1)中，G為重力系數(shù)，為鑄件的內(nèi)表面半徑(m)。在生產(chǎn)的離心鑄件確定后，離心鑄型轉速選擇的重點應放在重力系數(shù)上。G是液體金屬的有效重度與液體金屬重度的比值。對于厚壁、長管達幾t重的鑄件，在考慮值時，選(R+r)/2的值為宜。4.2 離心鑄件常見的缺陷及成因分析離心鑄件較重力鑄造件的夾雜、氣孔缺陷要少得多，但由于離心力作用的誘發(fā)，離心鑄件的裂紋、縮松、縮孔及成分偏析缺陷顯得十分突出。4.2.1 離心鑄件的裂紋4.2.1.1 裂紋的種類及形貌離心鑄件的裂紋按裂紋的走向來分，一般分為縱裂紋和橫裂紋兩種。橫裂紋是沿徑向產(chǎn)生的裂紋。該缺陷常發(fā)生在托輪支撐區(qū)域，尤其在靠近澆注端居多。裂紋一般呈斷續(xù)或連續(xù)式的蛇形狀?？v裂紋是沿軸向產(chǎn)生的裂紋。該缺陷常產(chǎn)生于兩托輪支撐之間的區(qū)域，般呈連續(xù)或斷續(xù)的螺旋形狀。4.2.1.2 產(chǎn)生裂紋的動力學分析在離心鑄造條件下，當合金液注入管模后便形成了一個液態(tài)筒體，且由于合金液順序凝固的特性及筒體外層溫度梯度大的條件，使外表面凝固成一個薄的固態(tài)殼層。在離心力場作用下，此殼層受到的離心壓力如下式：P =2(R2-r2)/(2g) =2(R+r)B/(2g)（2）式(2)中，P為離心壓力Pa；為合金液重度；為旋轉角速度，=n/30，其中n為鑄型轉速850r/min；g為重力加速度，9.81 ；R為鑄管外徑m；r為鑄管內(nèi)徑m；B為鑄管壁厚m。從式(2)中可以看出：1） 當初始順序凝固層強度不足以承受離心壓力時，外表面必然要開裂，形成縱、橫向裂紋源；2） 筒壁越厚，口徑越大，卷筒開裂的傾向越大。在這種情形下所產(chǎn)生的裂紋，是G值選取過大，裂紋擴展是因萌發(fā)裂紋源后，在離心鑄造系統(tǒng)長時間工作環(huán)境下，鑄件不能自由凝固收縮所至。4.2.2 離心鑄件的縮松、縮孔4.2.2.1 離心鑄件的縮松、縮孔特點縮孔位于套筒最后凝固的表層，大多數(shù)在內(nèi)表面中，也有的顯露于內(nèi)表面并與浮在上表面的熔渣共生。生產(chǎn)中發(fā)現(xiàn)縮孔多位于鑄管澆注端及中段內(nèi)表層；尤其是鑄管壁厚和口徑較大、材質中含增大凝固點體收縮的元素時，縮孔更易產(chǎn)生，并且深度與體積也愈大。4.2.2.2縮孔、縮松的成因在離心鑄造條件下，除“金屬液/鑄型”這一傳熱系統(tǒng)外，還有在金屬液自由表面(內(nèi)表面)與空氣的對流傳熱和向周圍空間的輻射傳熱。在高速旋轉條件下，鑄型內(nèi)強烈的對流“旋風”更加劇了這一傳熱過程，使金屬液自由表面的溫度低于內(nèi)部溫度，當?shù)竭_最后凝固階段時，內(nèi)表面溫度降到液相線以下。由于金屬液的逐層凝固特性，內(nèi)表面凝固結殼后其內(nèi)層鄰域尚有合金液未完全凝固，這部分金屬液在離心力場下凝固收縮時又得不到必須的補充，于是在最后凝固部位便產(chǎn)生了縮孔、縮松缺陷。4.3 裂紋、縮孔與縮松缺陷的防止措施4.3.1 防止裂紋的措施1) 要對運行系統(tǒng)進行嚴格的檢測，盡量減少形位影響因素的存在，使模管的中心線與工作平臺的水平線一致。2) 選取合理的離心鑄造涂料(如GCM-3型涂料)和采取正確的噴涂方法。涂層厚度一般控制在35 mm為宜。3) 管模在250350的溫度澆注。該措施可縮小管模及管模涂層與金屬液的溫差；可減少因涂層遇激熱開裂或翹起剝脫，造成離心鑄件外表面結疤而產(chǎn)生復合型裂紋；還可延長管模的使用壽命。4) 澆注時采取“快-中-慢”的澆注工藝。快速澆注的金屬液一般約為總量的1/5；慢速澆注的金屬液約為總量的1/5；澆注時間約占總運轉時間的1/5。對于質量1 000 kg的離心鑄件則采用“快-慢”澆注工藝即可。5) 采取合理的轉速工藝。對于生產(chǎn)卷取機套筒件這樣的產(chǎn)品，若采用第一轉速工藝，在鑄件凝固的中、后期其整個設備系統(tǒng)就會產(chǎn)生強烈的震動和噪聲，這種震動是產(chǎn)生裂紋的催化劑。4.3.2 縮孔、縮松的防止措施1） 確定合理的最高轉速，嚴格控制第二轉速的工作時間。2） 控制金屬液的澆注溫度。一般來說，離心鑄造溫度比砂型鑄造的澆注溫度要低2030。因為溫度過高，除了會因增加用于補縮的液態(tài)金屬與延長同一轉速的工作時間外，還會影響整個合理工藝的結果。3） 采用熔點適宜的型內(nèi)處理劑。在澆注完畢后按鑄件質量的0.5%比例投入。型內(nèi)處理劑作用除吸氣、集渣、保溫外，其主要的作用還是減少“旋風”帶走的熱量損失。第5章 機構與結構設計5.1 聯(lián)軸器的選擇對于已標準化和系列化的聯(lián)軸器，選頂合適類型后，可按轉矩、軸直徑和轉速等確定聯(lián)軸器的型號和結構尺寸。1).確定聯(lián)軸器的計算轉矩Tca由于機器啟動使及運轉過程中，可能出現(xiàn)動載荷及過載荷等現(xiàn)象，所以，應取軸上的最大的最大轉速作為計算轉矩。如最大轉矩不能精確求得時，可按下式計算 (1)式中 T-聯(lián)軸器所需傳遞的名義轉矩，N.m Tca-聯(lián)軸器所需傳遞的計算轉矩，N.m KA-工作情況系數(shù)，由于是小型機械故選=1.32).確定聯(lián)軸器的型號和結構尺寸根據(jù)計算轉矩、軸直徑和轉速等，由下面的條件，可從由關手冊中選取聯(lián)軸器的型號和結構尺寸。 (2) (3)式中 -所選聯(lián)軸器型號的許用轉矩，N.m; -被聯(lián)軸器的轉速，r/min; -所選聯(lián)軸器允許的最高轉速，r/min.多數(shù)情況下，每一型號聯(lián)軸器適用的軸的直徑均由 一個范圍。標準中已給出軸直徑的最大與最小值，或者給出適用轉矩范圍。因為軸的轉速較高，啟動頻繁，載荷有變化，宜選用緩沖性較好，同時具有可移的彈性圓柱銷聯(lián)軸器。計算轉矩名義轉矩 (4)所以 查手冊選用彈性圓柱銷聯(lián)軸器： GB12458-90附：LZ彈性圓柱銷聯(lián)軸器的技術參數(shù)。許用扭矩：160N.m許用轉速：=7100r/min（聯(lián)軸器材料為鋼）軸孔直徑：=48mm，=75mm圖5.1 半聯(lián)軸器 圖5.2 半聯(lián)軸器5.2 離合器的選擇離合器在機器運轉中可將傳動系統(tǒng)隨時分離或結合。對離合器的要求由：接合平穩(wěn)，分離迅速而徹底，調(diào)節(jié)和處理方便，外廓尺寸大小，質量小，耐磨性好和有足夠的散熱能力，操作方便省力。按操作的方式，離合器可分為外力操縱式離合器和自動離合器。外力操縱式離合器和自動離合器。外力操縱式離合器有機械操縱式、電磁操縱式、液壓操縱式和氣動操縱式等；自動離合器能夠自動進行接合或分離，不需忍來操縱。例如，離心離合器，當轉速達到一定值時，兩軸能自動接合或分離；安全離合器，當轉矩超過允許值時，兩軸即自動分離；定向離合器，只允許單項傳動，反轉時即自動分離等等。大多數(shù)離合器已標準化或規(guī)格化，設計時，只需參考有關手冊對其進行類比設計或選擇即可。選擇離合器時，首先根據(jù)機器的工作特點和使用條件，結合各種離合器的性能特點，確定離合器的類型；類型確定后 ，可根據(jù)被聯(lián)接的 兩軸的直徑、計算轉矩和轉速，從有關手冊中查出適當?shù)男吞枺槐匾獣r，可對其薄弱環(huán)節(jié)進行承載能力校核。本裝置采用的是螺紋連接，因此絕對不允許模具反轉，所以選擇定向離合器。已知軸的轉速：其名義轉矩可按下式計算： (6)式中 p-電動機功率，kW； n-計算轉速，r/min； -由電動機至離合器的軸的傳動效率。 則=對小型機械，工作情況系數(shù)可取為，可算得計算轉矩=根據(jù)計算轉矩、軸徑和轉速，可從設計手冊中選出離合器的具體型號，其特征參數(shù)為：額定轉矩：；軸徑：；牙數(shù)：牙寬度：；牙高度：；牙在中徑處高度：；半離合器長度：操作環(huán)槽寬度：；操作環(huán)外徑：；離合器外徑：。 圖5.3 半離合器 圖5.4 半離合器5.3 電動機的選擇與電路分析選擇電動機的基本原則由兩點：1） 電動機的主要性能（起動、過載及調(diào)速等）、額定功率大小、額定轉速及結構型式等方面要滿足生產(chǎn)機械的要求。2） 在以上前提下優(yōu)先選用結構簡單、運行可靠、維護方便又價格合理的電動機。由于離心鑄造機屬于小型機械，所以選擇的功率不需要很大，因此選擇4KW的電動機，由于離心鑄造需要很高的轉速。因此選擇異步電機，異步電動機具有結構簡單、維修方便、工作效率較高、重量較輕、成本較低、負載特性較硬等特點，能滿足大多數(shù)工業(yè)生產(chǎn)機械的電氣傳動需要，因此在國名經(jīng)濟的各部門特別是工業(yè)電氣部門得到廣泛應用，作為各種機床、各種水泵液壓、鼓風機、膠帶運輸機械、吊車、起重運輸機械、冶金、軋鋼、輕工業(yè)和農(nóng)副加工業(yè)等設備及其他通用設備的動力源。它是各類電動機中應用最廣、需要最多的一類電動機。 通過比較選擇，最終選定 此類電動機是封閉式籠型三相異步電動機，電路控制采用“正-停-反”，該電路同時具備接觸器和按鈕的雙重互鎖，進一步保證電路的安全、可靠。圖5.5 電動機電路圖5.4 軸承的選擇滾動軸承是現(xiàn)代機械中廣泛應用的不見之一，它是依靠主要原件間的滾動接觸來轉動零件。常用的滾動軸承絕大多數(shù)已經(jīng)標準化，并由專業(yè)工廠大量制造及供應各種常用的規(guī)格的軸承。選擇深溝球軸承，軸承代號為：61908 （GB/T276-1994）每種軸承都有配套的軸承座，與軸承61908配合的軸承座是：SN206第6章 軸的設計6.1 軸的設計軸的材料主要是碳鋼和合金鋼。鋼軸的毛坯多數(shù)用軋制圓鋼和鍛件，由的則直接用圓鋼。由于碳鋼比合金鋼價廉，對應力集中的敏感性較低，同時也可以用熱處理的方法提高其耐磨性和抗疲勞強度，故采用碳鋼制造軸尤為廣泛，其中最常見的是 45鋼。本次選擇軸的材料也是45鋼。6.1.1 軸的結構設計軸的結構設計包括定出軸的合理外形和全部結構尺寸。6.1.1.1 擬定軸上零件的裝配方案擬定軸上零件的裝配方案是進行軸的結構設計前提，它決定這軸的基本形式。所謂裝配方案，就是預定出軸上主要零件的裝配方向、順序和祥和關系。本此離心機設計的裝配方案是：半聯(lián)軸器、軸承、半離合器依次從軸的右端想左安裝。6.1.1.2 各軸段直徑和長度的確定零件在軸上的定位和裝配方案確定后，軸的形狀便大體確定。各軸段說需的直徑在軸上的載荷大小有關。先確定軸的最小直徑 (1)輸出軸的最小直徑顯然是安裝聯(lián)軸器處軸的直徑。為了使所選的軸直徑與聯(lián)軸器的孔徑相適應，選擇輸出軸的直徑為28mm.軸承的代號是：61908 （GB/T276-1994）所以軸承處的直徑為：40mm半離合器處的在直徑為：28mm軸的各段長度主要是根據(jù)各零件與軸配合部分的軸向尺寸和相鄰零件間隙來確定。為了保證軸向定位可靠。半聯(lián)軸器與軸配合的轂孔長度，為了保證軸端擋圈只壓在半聯(lián)軸器上而不壓在軸的端面上，故圖6.1 軸尺寸圖根據(jù)軸承的型號，其尺寸，故軸承端蓋的總寬度為20mm，。根據(jù)軸承端蓋的裝拆及便于對軸承添加潤滑脂的要求，取端蓋的外端面與半聯(lián)軸器右端面間的距離，故取。半聯(lián)軸器與軸配合的轂孔長度，為了保證軸端擋圈只壓在半離合器上而不壓在軸的端面上，故.6.2 軸的校核對于一般用途的軸，按當量彎矩計算軸的強度或直徑已足夠精確。但由于上述計算中沒有考慮應力集中、軸徑尺寸和表面品質等因素對軸的疲勞強度的影響，因此對于重要的軸，還需要進行軸危險截面處的疲勞安全系數(shù)的精確計算，評定軸的安全裕度。本次設計軸的材料為45鋼。即建立軸的危險截面的安全系數(shù)的約束條件。安全系數(shù)約束條件為 (2) (3) (4) 對一般轉軸，彎曲應力按對稱循環(huán)變化，故當軸不轉動或載荷隨軸一起轉動時，考慮到載荷波動的實際情況，彎曲應力可作為脈動循環(huán)變化考慮，即。但多數(shù)情況下，轉矩變化的規(guī)律往往難于確定。一般而言，對單方向轉動的轉軸，常規(guī)之為按脈動循環(huán)變化，即；若軸經(jīng)常正反轉，則應按對稱循環(huán)處理，即。對于應力循環(huán)嚴重不對稱或短時過載嚴重的軸，在尖峰載荷作用下，可能產(chǎn)生塑性變形，為了防止在疲勞破壞前發(fā)生大的塑性變形，還應按尖峰載荷校核的靜強度安全系數(shù)。其強度條件為 (5) (6) (7)式中 -靜強度計算安全系數(shù)； 、-只考慮彎矩和扭矩時的靜強度安全系數(shù)； -靜強度許用安全系數(shù)； 、-材料抗彎、抗扭屈服極限； 、-尖峰載荷所產(chǎn)生的彎曲、扭轉應力。由上面的公式可得： (8) (9) (10) (11)1.51.3 (12)所以該軸的強度符合要求6.3 鍵的校核鍵聯(lián)接就是用鍵把軸和軸上的零件聯(lián)接起來的一種結構形式。由于這種聯(lián)接具有結構簡單、工作可靠、裝拆方便等優(yōu)點，因此獲得了廣泛的應用。鍵是標準件，分為平鍵、半圓鍵、斜鍵等設計時應根據(jù)各類鍵的結構和應用特點進行選擇。由于在離心機的設計過程中，所用的鍵都是靜聯(lián)接，要傳遞的轉矩也不是很大，故選擇普通平鍵。平鍵聯(lián)接可能的失效形式有：1） 在靜聯(lián)接的情況下，較弱零件的工作面可能被壓潰；2） 在動聯(lián)接的情況下，出現(xiàn)過度磨損；3） 鍵被剪斷：實際上，平鍵聯(lián)接最易發(fā)生的失效形式通常是壓潰和磨損，一般不會發(fā)生鍵被剪斷的現(xiàn)象。因此，平鍵聯(lián)接的強度一般只需進行擠壓強度或耐磨性計算，但對重要的場合，也要驗算鍵的強度。在該裝置中有四處鍵聯(lián)接分別是：電動機與聯(lián)軸器聯(lián)接，鍵的截面尺寸是，鍵的長度；聯(lián)軸器與軸的聯(lián)接，鍵的截面尺寸是，鍵的長度；軸與離合器的聯(lián)接，鍵的截面尺寸是，鍵的長度，離合器與模具的聯(lián)接，鍵的截面尺寸是，鍵的長度。鍵的工作長度，由手冊查得軸和聯(lián)軸器的材料，選取根據(jù)公式 (13) (14)故滿足擠壓強度要求。到此設計完畢附離心機整體圖圖6.2 離心機整體圖結論與展望銅合金的成型方法隨著科學技術的進步也在不段的走向成熟，但銅合金在鑄造過程中還是會出現(xiàn)各種各樣的人們想象不到的問題，導致產(chǎn)品報廢，即浪費了資源又浪費大量的人力和物力。而導致產(chǎn)品報廢的主要因素，是在鑄造過程中出現(xiàn)的各種各樣的鑄造缺陷。本文通過對離心鑄造技術從工藝分析再到模具設計，最后到缺陷分析的整個設計過程，可以看出，離心鑄造成型與其他成型法有著很大的差別。其中最主要的區(qū)別就是，離心鑄造是一種非接觸式的成型方法，它不像壓鑄那樣需要外力擠壓。這樣的成型方法對操作人員來說是最安全的。同時這樣的成型方法可以避免零件成型后的應力集中。當然離心鑄造也有它缺點，最主要的缺點就是在零件成型的過程中，避免不了重力的影響，無論是立式離心鑄造機，還是臥式離心鑄造機，鑄造出的零件，都會出現(xiàn)壁厚不均的現(xiàn)象。還有就是液態(tài)銅合金中的空氣不易排出，從而也會影響零件的質量。離心模具結構簡單，制造方便，也容易控制因此有很好的發(fā)展前景。衡量一項技術的好與壞主要看它生產(chǎn)出來的產(chǎn)品質量的好壞和它的效率如