油膜軸承離心鑄造的幻燈片

1、軋機油膜軸承巴氏合金軋機油膜軸承巴氏合金 離心澆鑄過程的模擬分析離心澆鑄過程的模擬分析 主要內容主要內容 課題綜述課題綜述 離心鑄造工藝特點及數(shù)學模型離心鑄造工藝特點及數(shù)學模型 離心鑄造過程模擬的理論基礎及工具離心鑄造過程模擬的理論基礎及工具 procast軟件模擬澆鑄過程軟件模擬澆鑄過程 結論與展望結論與展望 1 2 3 4 5 1、課題綜述、課題綜述 1.1 油膜軸承結構形式油膜軸承結構形式 特點： 承載能力大 使用壽命長 結構尺寸小 摩擦系數(shù)低 抗沖擊能力強 抗污染能力強 潤滑系統(tǒng)復雜 圖1 軋機油膜軸承的結構組成 課題綜述課題綜述 1.2 離心澆鑄的概念和特點離心澆鑄的概念和特點 離心

2、鑄造：離心鑄造：是一種被廣泛采用的特種鑄造工藝。將是一種被廣泛采用的特種鑄造工藝。將 液態(tài)金屬澆入旋轉的鑄型中，使之在離心力的作用液態(tài)金屬澆入旋轉的鑄型中，使之在離心力的作用 下，完成充填和凝固成形的一種鑄造方法下，完成充填和凝固成形的一種鑄造方法. 常用于生產鑄管、銅套、缸套、軸承套等。常用于生產鑄管、銅套、缸套、軸承套等。 特點特點 ： 1. 應用范圍廣應用范圍廣 2. 澆鑄靈活澆鑄靈活 3. 鑄件質量高鑄件質量高 課題綜述課題綜述 1.3 離心澆鑄數(shù)值模擬的必要性離心澆鑄數(shù)值模擬的必要性 存在的問題：存在的問題： 液態(tài)金屬成型過程不平穩(wěn)和充填順序不合理以液態(tài)金屬成型過程不平穩(wěn)和充填順序不

3、合理以 及充型時間過長易于造成裹氣、冷隔和澆不足及充型時間過長易于造成裹氣、冷隔和澆不足 等缺陷。等缺陷。 鑄造模擬的優(yōu)勢：鑄造模擬的優(yōu)勢： 一方面是通過模擬分析充型過程中液態(tài)金一方面是通過模擬分析充型過程中液態(tài)金 屬流動形態(tài)，預測上述缺陷，為澆注方式的修屬流動形態(tài)，預測上述缺陷，為澆注方式的修 改提供依據；改提供依據； 另一方面為后續(xù)的凝固模擬分析提供必要另一方面為后續(xù)的凝固模擬分析提供必要 的初始溫度場。的初始溫度場。 課題綜述課題綜述 1.4 巴氏合金的特點巴氏合金的特點 巴氏合金是具有減摩特性的錫基和鉛基軸承合金。巴氏合金是具有減摩特性的錫基和鉛基軸承合金。 由美國人巴比特發(fā)明而得名，

4、因其呈白色，又稱由美國人巴比特發(fā)明而得名，因其呈白色，又稱 白合金。主要合金成分是錫、鉛、銻、銅。白合金。主要合金成分是錫、鉛、銻、銅。 表1 錫基巴氏合金化學成分 課題綜述課題綜述 表2 錫基巴氏合金機械性能 表3 錫基巴氏合金物理性能 2、離心鑄造工藝特點及數(shù)學模型、離心鑄造工藝特點及數(shù)學模型 2.1 離心鑄造的分類離心鑄造的分類 n立式離心鑄造：中間帶有型芯的鑄型繞豎直軸旋立式離心鑄造：中間帶有型芯的鑄型繞豎直軸旋 轉，依靠合適的澆道來獲得鑄件的順序凝固，如圖轉，依靠合適的澆道來獲得鑄件的順序凝固，如圖 2所示。所示。 n臥式離心鑄造：鑄型繞其水平軸旋轉，中間不采臥式離心鑄造：鑄型繞其水

5、平軸旋轉，中間不采 用型芯，形成的鑄件內表面為自由表面，如圖用型芯，形成的鑄件內表面為自由表面，如圖3所所 示。示。 圖2 立式離心鑄造 圖3 臥式離心鑄造 離心鑄造工藝特點及數(shù)學模型離心鑄造工藝特點及數(shù)學模型 2.2 鑄型轉速的選擇方法鑄型轉速的選擇方法 鑄型轉速的選擇主要應考慮如下二方面的問題鑄型轉速的選擇主要應考慮如下二方面的問題: 保證液體金屬進入鑄型后，能迅速充滿成型保證液體金屬進入鑄型后，能迅速充滿成型; 保證獲得良好的鑄件內部質量，避免出現(xiàn)縮孔、縮保證獲得良好的鑄件內部質量，避免出現(xiàn)縮孔、縮 松、火雜和氣孔等松、火雜和氣孔等;防止產生偏析、裂紋等缺陷。防止產生偏析、裂紋等缺陷。

6、2.2.1 立式離心鑄造自由表面形狀及轉速選擇依據立式離心鑄造自由表面形狀及轉速選擇依據 圖4 立式離心鑄造時，液體金屬軸向斷面上自由表面的形狀 離心鑄造工藝特點及數(shù)學模型離心鑄造工藝特點及數(shù)學模型 由歐拉公式可知，當液體質點受力的作用，在等壓面由歐拉公式可知，當液體質點受力的作用，在等壓面 上作微小位移時，應滿足下述條件上作微小位移時，應滿足下述條件: 0zdzydyxdx 式中x、y、z分別為質點在x, y, z軸方向上所受的力。 如圖如圖4可知：可知： m為該質點的質量，g為重力加速度，轉角速度矢量。 將將x及及y值代入位移公式，移項積分后得到：值代入位移公式，移項積分后得到： 2 xm

7、w x ymg 2 2 2 w yx g 離心鑄造工藝特點及數(shù)學模型離心鑄造工藝特點及數(shù)學模型 在自由表面上在自由表面上取取 和和 兩點，滿足上述方程兩點，滿足上述方程 式的條件，可得：式的條件，可得： 2 22 1212 () 2 w hyyxx g 2 1211 2 2gh kxxxx w h為鑄件的高度，k為壁厚差。 將將 和和 代入上式，得到轉速代入上式，得到轉速n為：為： 1/2 22 12 42.3 h n xx 可根據鑄件的可根據鑄件的高度高度h和允許的鑄件和允許的鑄件壁厚差壁厚差k，及鑄件，及鑄件上上 部的內孔半徑部的內孔半徑 和和下部的內孔半徑下部的內孔半徑 ，來估算所需的，

8、來估算所需的 鑄型轉速鑄型轉速n。 1 x 2 x 2 9.8/gm s/30wn 11 ,x y 22 ,xy 離心鑄造工藝特點及數(shù)學模型離心鑄造工藝特點及數(shù)學模型 2.2.2 臥式離心鑄造自由表面形狀及轉速選擇依據臥式離心鑄造自由表面形狀及轉速選擇依據 在實際生產中，為了獲得組織致密的鑄件，可根在實際生產中，為了獲得組織致密的鑄件，可根 據液體金屬自由表面據液體金屬自由表面(相應為鑄件的內表面相應為鑄件的內表面)上的上的有效有效 重度值重度值 或或重力系數(shù)重力系數(shù)g值來確定鑄型合適轉速。值來確定鑄型合適轉速。 因為鑄件內表面上的因為鑄件內表面上的 及及g值為最小，若已能滿值為最小，若已能滿

9、 足質量要求，則在其他部位的質量也能得到保證。足質量要求，則在其他部位的質量也能得到保證。 圖5 臥式離心鑄造時，液體金屬軸向斷面上自由表面的形狀 離心鑄造工藝特點及數(shù)學模型離心鑄造工藝特點及數(shù)學模型 主要計算公式為主要計算公式為 2 0 w r /g 0 29.9 g n r 蘇聯(lián)康斯坦丁諾夫經過試驗后提出蘇聯(lián)康斯坦丁諾夫經過試驗后提出: 不論液體金屬的種類如何，只要在液體金屬自由 表面上的有效重度 ,就能保證獲 得組織致密的鑄件。 據此可推導出鑄型轉速的計算公式據此可推導出鑄型轉速的計算公式: 00 29.954570 n rr 上式適用薄壁鑄件，即鑄件的外徑上式適用薄壁鑄件，即鑄件的外徑

10、r與內徑與內徑 之比之比 應小于應小于1.15。 0 r 63 3.3310 nm 3 離心鑄造過程模擬的理論基礎及工具離心鑄造過程模擬的理論基礎及工具 3.1 充型過程液體力學基礎充型過程液體力學基礎 3.1.1 流體的性質流體的性質 流體是一種在微小剪切應力作用下會發(fā)生變形的物流體是一種在微小剪切應力作用下會發(fā)生變形的物 質，不能承受拉力，但可承受壓力和切應力。質，不能承受拉力，但可承受壓力和切應力。 通過分析可知，鑄造充型過程是一個伴隨熱交換及通過分析可知，鑄造充型過程是一個伴隨熱交換及 凝固的非恒溫的流動過程，金屬液的流動遵循質量凝固的非恒溫的流動過程，金屬液的流動遵循質量 守恒，動量

11、守恒和能量守恒定律。守恒，動量守恒和能量守恒定律。 3.1.2 粘性流體的基本方程粘性流體的基本方程 a、連續(xù)性方程、連續(xù)性方程 0v t 其中 為密度， 為流體速度， 為矢量微分算子。 v 離心鑄造過程模擬的理論基礎及工具離心鑄造過程模擬的理論基礎及工具 b、動量守恒方程、動量守恒方程 dv pg dt 其中 為偏微分算子， 為應力張量。 d c、能量方程、能量方程 11ded pdivg dtdt 其中 為流體的內能， 為耗函數(shù)。e 上述三個控制方程構成了鑄造充型過程的基本數(shù)學模型。上述三個控制方程構成了鑄造充型過程的基本數(shù)學模型。 離心鑄造過程模擬的理論基礎及工具離心鑄造過程模擬的理論基

12、礎及工具 3.1.3 初始條件和邊界條件初始條件和邊界條件 在求解流體力學問題時，除了需要以上的控制方程外，在求解流體力學問題時，除了需要以上的控制方程外， 還需要給出初始條件和邊界條件以便能夠得到唯一解。還需要給出初始條件和邊界條件以便能夠得到唯一解。 n 初始條件初始條件 嚴格按照材料屬性與工藝流程對計算參數(shù)進行選取嚴格按照材料屬性與工藝流程對計算參數(shù)進行選取 n 邊界條件邊界條件 邊界條件是指在鑄造模擬過程中在運動的邊界上應特邊界條件是指在鑄造模擬過程中在運動的邊界上應特 殊設置的一些運動參數(shù)。殊設置的一些運動參數(shù)。 離心鑄造過程模擬的理論基礎及工具離心鑄造過程模擬的理論基礎及工具 鑄造

13、充型過程模擬研究的對象是金屬液，它屬于粘性液體，并鑄造充型過程模擬研究的對象是金屬液，它屬于粘性液體，并 在自由表面處存在液在自由表面處存在液氣界面的邊界需要設置。其動力學邊界氣界面的邊界需要設置。其動力學邊界 條件為：如果氣體介質具有常值壓力條件為：如果氣體介質具有常值壓力p0，則應力向量的法向和，則應力向量的法向和 切向分量為：切向分量為：pnn=-p0，pnt=0。 3.1.4 自由表面的確定自由表面的確定 充型過程通常都在一個很短時間內完成，而且自由表面可能出充型過程通常都在一個很短時間內完成，而且自由表面可能出 現(xiàn)折疊相交，合并等現(xiàn)象，所以自由表面的情況不容易確定，現(xiàn)折疊相交，合并等

14、現(xiàn)象，所以自由表面的情況不容易確定， 大量的實踐表明，大量的實踐表明，“體積追蹤法體積追蹤法”，在處理實際問題時邏輯上，在處理實際問題時邏輯上 更簡單、計算速度更快，因而得到了廣泛應用。采用更簡單、計算速度更快，因而得到了廣泛應用。采用“體積追體積追 蹤法蹤法”的算法主要有：的算法主要有： “示蹤粒子示蹤粒子”法和法和vof(volume of fluid) 方法兩種。方法兩種。 離心鑄造過程模擬的理論基礎及工具離心鑄造過程模擬的理論基礎及工具 3.2 鑄造軟件鑄造軟件procast的簡要介紹的簡要介紹 適用范圍：適用范圍： 砂型鑄造、消失模鑄造砂型鑄造、消失模鑄造; 高壓、低壓鑄造高壓、低壓

15、鑄造; 重力鑄造、傾斜澆鑄、離心鑄造重力鑄造、傾斜澆鑄、離心鑄造; 觸變鑄造、觸變成型、流變鑄造。觸變鑄造、觸變成型、流變鑄造。 模擬分析能力：模擬分析能力： 可分析縮孔、裂紋、裹氣、沖砂可分析縮孔、裂紋、裹氣、沖砂 、冷隔、澆不足、冷隔、澆不足 、 應力、變形應力、變形 、模具壽命、模具壽命 、工藝開發(fā)及可重復性。、工藝開發(fā)及可重復性。 4、procast軟件模擬澆鑄過程軟件模擬澆鑄過程 4.1 三維實體模型的建立及簡化三維實體模型的建立及簡化 圖6 油膜軸承幾何簡化模型 圖7 油膜軸承澆鑄簡化模型 procast軟件模擬澆鑄過程軟件模擬澆鑄過程 圖8 加橫澆道的簡化模型 圖9 網格劃分后的

16、模型 procast軟件模擬澆鑄過程軟件模擬澆鑄過程 4.2 主要計算參數(shù)的設定主要計算參數(shù)的設定 圖10 定義材料間界面屬性 圖11 定義重力方向及大小 圖12 定義鋼體旋轉的轉軸及轉速 圖13 定義初始條件 procast軟件模擬澆鑄過程軟件模擬澆鑄過程 4.3 模擬分析計算過程及結果模擬分析計算過程及結果 12 34 圖14 充型過程中的溫度場變化 充充 型型 過過 程程 procast軟件模擬澆鑄過程軟件模擬澆鑄過程 圖15 充型過程中的的熱流方向及大小 充充 型型 過過 程程 1 2 procast軟件模擬澆鑄過程軟件模擬澆鑄過程 12 34 圖16 凝固過程中的溫度場變化 凝凝 固固 過過 程程 procast軟件模擬澆鑄過程軟件模擬澆鑄過程 12 34 圖17 凝固過程中的固相分數(shù)變化 凝凝 固固 過過 程程 procast軟件模擬澆鑄過程軟件模擬澆鑄過程 圖18 縮孔縮松傾向的預測結果 凝凝 固固 過過 程程 5、結論與展望、結論與展望 5.1 結論結論 對離心鑄造的相關數(shù)學模型進行理論分析，列出對離心鑄造的相關數(shù)學模型進行理論分析，列出 主要的計算公式。主要的計算公式。 以實際生產工藝為依據，建立油膜軸承巴氏合金以實際生產工藝為依據，建立油膜軸承巴氏合金 的離心澆鑄三維模型，確定各