臥式離心鑄造機的設計【含開題報告】【6張CAD圖紙及說明書全套】【YC系列】

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連續(xù)鑄造是將鋼水凝固成板坯或坯料進行后續(xù)軋制的過程。在該過程中，將鋼水連續(xù)鑄造到水冷模具中，并且將凝固的鋼從模具的下側(cè)以長股線取出。通過操縱進入模具的流入來使模具中的鋼水位控制在其設定點周圍，以保持產(chǎn)品的質(zhì)量。當模具水平大幅波動時，模具鑄造粉末和漂浮在鋼水表面的其他雜質(zhì)被夾帶在凝固鋼中。這些現(xiàn)象對最終產(chǎn)品的質(zhì)量有不良影響。因此，如果模具水平波動大于可接受極限，則操作者必須逐漸降低鑄造速度，從而降低生產(chǎn)率。為了防止這些不合適的情況，近年來已經(jīng)進行了大量關(guān)于模具穩(wěn)定化的研究（Furtmueller等人，2006，Dussud等人，1998，Kitada等人，1998）。 一般來說，模具級別控制中的干擾被分類為周期性和非周期性（Furtmueller等，2008）。周期性擾動包括模具本身的凸起，駐波和振蕩。非周期性擾動包括在噴嘴中的沉積物的收集和排放 （Rackers等人，1995）以及鑄造速度和中間包重量的變化。在這些干擾中，許多研究已經(jīng)被推出（Asano等，1998，Jabri等，2008，Kim等，2011）。另一方面，幾乎沒有關(guān)于駐波的研究。 本文介紹了一種防止駐波不利影響的技術(shù)。如上所述，駐波是周期性擾動，但是與凸起相反，它們不應該通過操縱流入模具來控制，因為它們不是質(zhì)量流動干擾。所提出的技術(shù)可以通過從模具級信號中去除駐波分量來防止模具級別控制與駐波之間的相互作用。 2.連續(xù)鑄造工藝 首先，要討論模具水平穩(wěn)定方法，應該說明連續(xù)鑄造工藝。 圖1示出了模具級控制的技術(shù)圖。 大型船舶中的鋼鐵“鋼包”使用起重機運輸?shù)竭B鑄廠。 將鋼水從鋼包倒入中間包中，中間包是液態(tài)鋼的儲存器。 鋼水通過滑動閘門和管道（通常為浸入式噴嘴SEN）從中間包流入模具。 模具的壁由水冷卻。 液態(tài)鋼的凝固從模具內(nèi)部開始形成一個薄的外殼，它從模具中提取出來，通過放置在二級冷卻區(qū)域的夾送輥形成一條股線。 在第二冷卻區(qū)中，用輥支撐，通過水噴霧冷卻線以獲得完全凝固。最后，通過切割機將線材切成規(guī)定長度的板坯。 圖1還顯示了模具級別控制方案。 從中間包流入模具的鋼水由滑動閘門控制，鋼水位由液位傳感器測量。 基于對規(guī)定的電平設定值與測量電平之間的差的控制計算，滑動門位置由伺服驅(qū)動器操縱。 3.標準波對模具級控制的影響 3.1立式波動： 如圖所示。 2，駐波是具有始終位于相同位置的節(jié)點和波腹的波。 因此，平均鋼水表面是恒定的。 這些現(xiàn)象的原因之一被認為是來自具有分叉出口的SEN的不對稱的鋼水流。 駐波的頻率由以下理論方程式計算 其中f是駐波的頻率，m是模式，g是重力加速度，l是模具的寬度。圖3示出了實際連續(xù)鑄造設備中的時間序列數(shù)據(jù)的典型實例。在這種情況下，隨著鑄造速度的增加，模具水平變化較大，最終超過質(zhì)量波動的標準。一旦發(fā)生這種情況，操作員會降低鑄造速度。在這種情況下，模具1的寬度為2100mm，因此，駐波的頻率為（0.6）（m = 1），0.85Hz（m = 2），0.9Hz（m = 3） 1）。 圖4（a）和（b）分別示出了模具級別和滑動門位置的功率譜。在這兩個圖中，在0.6Hz可觀察到明顯的峰。一階駐波（0.6Hz）的頻率與峰值一致。因此，這些波動可以被判斷為駐波。該結(jié)果還表明，通過滑動噴嘴操縱增強駐波。 3.2駐波模式 為了驗證駐波對模具級控制的影響，引入了駐波模型。在這項研究中，我們假設有一種模式的駐波可以通過擺錘模型近似（Yano等，2001，Noda et al。，2004），如圖1所示。在圖5中。 5，L是模具的寬度，h是靜態(tài)鋼水的水平，sh是靜態(tài)鋼水的波動。 M表示鋼水的質(zhì)量，c表示鋼水的粘度，l表示擺錘的長度，x &&是導致一種模式駐波的加速度。 在圖5，以下關(guān)于θ的微分方程成立 在這種駐波模型（5）和（6）中，阻尼系數(shù)ζ取決于鋼水的粘度和壁與鋼水之間的摩擦力。然而，這個值難以測量，因此ζ是基于模具級仿真結(jié)果進行調(diào)整的。角度頻率nsω由（1）和（7）計算，以及模具的寬度。 3.3駐波觀察員 圖6示出了所提出的駐波觀測器的框圖。該觀察者可以使用基于觀察者的濾波技術(shù)從原始模具級信號中去除駐波分量。該系統(tǒng)由駐波模型和PD控制器組成。模具級傳感器的信號與駐波模型的輸出之間的差異被饋送到PD控制器。觀察者被設計成使得它只能被對應于駐波的信號激發(fā)，駐波的頻率被并入駐波模型中。該系統(tǒng)還能夠輸出估計的駐波。 圖7和8示出了駐波觀測器對真實工廠中的模具級信號的濾波效果。在這種情況下，由于一階駐波的頻率為0.6Hz，所以將阻尼因子ζ調(diào)整為0.4，將nf設定為0.6。很明顯，這種方法可以從原始模具級別信號中去除具有特定頻率的波形。 3.4仿真結(jié)果 通過使用結(jié)合在駐波模型和駐波觀測器中的模具級控制模擬器來檢查駐波的影響。 仿真器的框圖如圖9所示。 模具本身是一個簡單的儲存器，可以被建模為一個積分器如下 滑動噴嘴可以被建模為增益，一階滯后和延遲。 延遲結(jié)合了噴嘴中液態(tài)鋼的下落時間和伺服系統(tǒng)的其他延遲。 G是確定噴嘴特性的流量系數(shù)。 液位傳感器可以建模為簡單增益和一階滯后，如下所示： 應用以下PI控制器： 將具有與駐波相同頻率的周期性信號作為干擾加入。 具有一階駐波頻率的駐波模型與模具模型平行放置。 與前述相同的模型應用于駐波模型和駐波。 在駐波模型和駐波觀測器中的阻尼因子ζ設定為0.4。 nf根據(jù)干擾頻率設定為0.6（Hz）。 該模擬器具有可以選擇駐波觀察者的功能的“開/關(guān)”的開關(guān)。 圖10示出了沒有駐波觀測器的模擬結(jié)果。在這種情況下，隨著鑄造速度的增加，由于過度的滑動噴嘴操作，模具水平的變動變大，最終模具水平變得不穩(wěn)定。 圖11示出了駐波觀測器的模擬結(jié)果。即使當鑄造速度增加時，通過滑動噴嘴操作也不會增強駐波，并且模具水平保持恒定。結(jié)果表明，該技術(shù)可以消除模具水平信號中的駐波分量，并可以避免鋼水位波動與滑動噴嘴操作之間的相互作用。 4.實驗結(jié)果 4.1實際控制方案 所提出的控制方案已被納入實際的連續(xù)鑄造。圖12顯示了實際工廠的控制方案。如圖所示。如圖13所示，通過模具級信號的功率譜分析來確認第一，第二和第三階駐波。因此，控制器中安裝有三個駐波觀測器。圖14示出了這種情況下的駐波觀察者的框圖。觀察者串聯(lián)連接，該結(jié)構(gòu)可以從原始模具級信號中去除第一，第二和第三階駐波分量。 模具的寬度根據(jù)鑄坯的寬度而變化。駐波觀測器中的角頻率nω根據(jù)寬度設定。在所有觀察者中，阻尼因子ζ被調(diào)整為0.4。根據(jù)提出的功能的開/關(guān)，PI控制器增益自動切換，因為通過應用所提出的方法可以獲得更強的增益 4.2實驗結(jié)果 所提出的控制方案已經(jīng)應用于商業(yè)連續(xù)鑄造操作以與常規(guī)控制方案進行比較。 這些試驗是在相同的鋼種和相同的操作條件下進行的，除了PI增益的值。 圖15和圖16示出了不應用駐波觀察者的常規(guī)方法的測試結(jié)果的示例。 模具水平的幅度非常接近可接受的極限。圖16示出了發(fā)生第一，第二和第三階駐波，并且滑動噴嘴響應于測量的駐波而進行不必要的操縱。圖17和18示出了駐波觀測器的測試結(jié)果的示例。 可以通過從模具級信號中除去駐波分量來防止過度的滑動噴嘴動作，這允許使用比常規(guī)方法更高的PI增益。 結(jié)果，模具水平的幅度要小得多 作者： Ahmed Al-Khazraji a, Samir Ali Amin a, Saad Mahmood Ali 出處： Engineering Science and Technology, an International Journa（2016） 12 本科畢業(yè)設計開題報告 題 目： 臥式離心鑄造機的設計 二級學院： 機電工程學院 專 業(yè)： 機械設計制造及其自動化 姓 名： 學 號： 指導教師： 劉國忠 2015 年 12 月 01日 廣東技術(shù)師范學院天河學院 本科畢業(yè)論文（設計）開題報告 二級學院 機電工程學院 專業(yè) 機械設計制造及其自動化 班級 122 姓名 劉準 學號 2012020643222 聯(lián)系方式 13422182245 題目 臥式離心鑄造機的設計 開題申請：（包括選題的意義與目的、文獻綜述、研究現(xiàn)狀、創(chuàng)新思路、論文提綱、進度安排、參考文獻等。） 一.選題背景 離心鑄造是一種既傳統(tǒng)、又現(xiàn)代的鑄造方法。我國鑄件的年產(chǎn)量在1500萬噸左右，而其中約有220萬噸是用離心鑄造方法生產(chǎn)的，占15％。其中球墨鑄鐵管125萬噸，灰鑄鐵管50萬噸，內(nèi)燃機缸套35萬噸，各種軋輥5萬噸【31】。隨著人民生活水平的提高，國家在城鎮(zhèn)化建設、西氣東輸?shù)软椖可衔掖罅ν顿Y，以及汽車作為支柱產(chǎn)業(yè)的興起，預計到2010年，用離心鑄造生產(chǎn)的鑄件，每年可達到320萬噸以上。不言而喻，在生產(chǎn)鑄件的各種方法中離心鑄造方法將僅次于砂型的鑄造方法，具有舉足輕重的地位。 二.課題設計 2.1課題內(nèi)容 本文課題包括對臥式離心鑄造機研究及發(fā)展現(xiàn)狀調(diào)查、方案提出、主要零部件的設計與校核、裝配圖及零件圖繪制。(這里內(nèi)容要稍微詳細點，寫的東西太少) 2.2課題目的 隨著科學技術(shù)的不斷發(fā)展和生產(chǎn)水平的不斷提高以及人類社會生的需要，對鑄造生產(chǎn)提出了一系列新的，更高的要求，歸納起來，主要有如下三個方面： （1）要求大量生產(chǎn)同類型，高質(zhì)量而且穩(wěn)定性的鑄件，進一步提高鑄件的表面光潔程度，尺寸精度以及內(nèi)在質(zhì)量和機械性能； （2）進一步簡化生產(chǎn)工藝過程，縮短生產(chǎn)周期，便于實現(xiàn)生產(chǎn)工藝過程機構(gòu)化，自動化，提高勞動生產(chǎn)率，改善勞動條件； （3）減少生產(chǎn)原材料的消耗，降低生產(chǎn)成本 對臥式離心鑄造機的設計正是為了滿足發(fā)展要求，設計出性能更優(yōu)良的離心鑄造機，同時通過本次設計鍛煉設計能力，鞏固大學所學知識。 2.3課題的意義 離心鑄造主要用于大批生產(chǎn)鐵管、銅套、發(fā)動機缸套、雙金屬鋼背銅套、造紙機滾筒。生產(chǎn)效益顯著的有雙金屬鑄鐵軋輥，加熱爐底耐熱鋼輥道、無縫鋼管毛坯，剎車鼓、活塞環(huán)毛坯、銅合金渦輪毛坯等。 通過本次課題設計出性能更優(yōu)良的離心鑄造機滿足工業(yè)反正需求。 2.4文憲綜述 2.4.1離心鑄造的定義及原理[3] 離心鑄造是將金屬液澆入旋轉(zhuǎn)的鑄型里，在離心力的作用下充型并凝固成鑄件的一種鑄造方法。離心鑄造用的機器稱為離心鑄造機。 根據(jù)力學中的慣性，處于旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下的金屬液質(zhì)點相應的產(chǎn)生了離心力，所以金屬液在離心力的作用下凝固成形是離心鑄造的一大特點。 2.4.2離心鑄造的分類 近年來，離心鑄造機發(fā)展很快，類型日益增多，因而分類方法也很多。 根據(jù)鑄型旋轉(zhuǎn)軸在空間位置的不同，常用的離心機分為：立式離心鑄造機、臥式離心鑄造機。 立式離心鑄造的鑄型是繞垂直軸旋轉(zhuǎn)的，如圖1-1所示，在這種機器上的鑄造過程稱為立式離心鑄造。它主要用于生產(chǎn)高度小于直徑的圓環(huán)類鑄件。由于在這種機器上安裝及穩(wěn)固鑄型比較方便，因此，不僅可以采用金屬型，也可采用砂型，熔模型殼等非金屬型。 臥式離心鑄造機的鑄型是繞水平軸旋轉(zhuǎn)的，如圖1-2所示，在這種機器上的鑄造過程成為臥式離心鑄造。它主要用來生產(chǎn)長度大于直徑的套筒類或管類鑄件。 圖1-1 立式離心鑄造示意圖 1-澆包 2-鑄型 3-液體金屬 4-皮帶輪和皮帶 5-旋轉(zhuǎn)軸 6-鑄件 7-電動機 圖1-2 臥式離心鑄造示意圖 1-澆包 2-澆注槽 3-鑄型 4-液體金屬 5-端差 6-鑄件 其中，臥式離心鑄造又可以分為：1，懸臂臥式離心鑄造；2，在滾筒式離心鑄造機上的臥式離心鑄造；3，水冷金屬離心鑄管。 立式離心鑄造可分為：1，圓環(huán)形鑄件的立式離心鑄造；2，成形鑄件的立式離心鑄造。 2.4.3離心鑄造的特點 離心鑄造的特點是金屬液在離心力的作用下充型和凝固，金屬補縮效果好，鑄件外層組織致密，非金屬夾雜物少，機械性能好。離心鑄造不用造型、制芯，節(jié)省了相關(guān)材料及設備投入。鑄造空心鑄件不需澆冒口，金屬利用率可大大提高。因此對某些特定形狀的鑄件來說，離心鑄造是一種節(jié)省材料、節(jié)省能耗、高效益的工藝，但須特別注意采取有效的安全措施。 離心鑄造可以獲得無縮孔、氣孔、夾渣的鑄件，而且組織細密、機械性能好。當鑄造圓形中空零件時，可以省去型芯。此外，離心鑄造不需要澆注系統(tǒng)，減少了金屬的消耗。但離心鑄造鑄出的筒形零件內(nèi)孔自由表面粗糙、尺寸誤差大、質(zhì)量差，有較多氣孔、夾渣，因此需增加加工余量，而且不適宜澆注容易產(chǎn)生比重偏析的合金及鋁鎂等合金。 三.課題國內(nèi)外現(xiàn)狀 1809年，英國人埃爾恰爾特申請了有關(guān)臥式離心鑄造和立式離心鑄造的第一個專利。 1849年，英國人安德魯·遜克制作出第一臺離心鑄管機，而后生產(chǎn)了長達3.6m、直徑為75mm的離心鑄鐵管。 1857年德國人漢內(nèi)·貝士麥提出用立式離心鑄造生產(chǎn)輪圈。 1862年英國人惠爾利和鮑韋爾制作出了鑄造輪圈的立式離心鑄造機。 1910年德國人奧托·勃里代發(fā)明用移動澆注槽生產(chǎn)金屬型離心鑄管的方法。 1914年巴西人代拉夫得和阿倫斯研究水冷型離心鑄管法成功。1917年美國人莫爾創(chuàng)造了砂型離心鑄管法，1920年開始用于大量生產(chǎn)。 1950年在瑞典開始用涂料金屬型離心鑄造法生產(chǎn)主要用于下水道的小口徑鐵管。 50年代美國離心鑄管公司建立了樹脂砂型離心鑄管法。 30年代以后離心鑄造法逐步推廣應用于生產(chǎn)汽缸套、炮身、鼓輪等鑄件。 在20世紀40年代出現(xiàn)了用離心鑄造法生產(chǎn)雙金屬復合冶金軋輥的工藝。 四.課題設計方案 離心鑄造是將液體金屬澆入旋轉(zhuǎn)的鑄型中，使液體金屬在離心力作用下充填鑄型和凝固成型的一種鑄造方法。 設計要求： 1.離心機內(nèi)缸能夠改變大小， 2.離心機軸承裝置要求有三種變速 根據(jù)設計要求選定的方案如下： 五.預期結(jié)果 完成臥式離心鑄造機的設計的詳細設計，繪制結(jié)構(gòu)總裝配圖及主要零件的工程圖，為整個機器人的生產(chǎn)加工做好準備，以便更好的投入到工業(yè)生產(chǎn)當中去。 六.設計主要步驟 6.1方案總體設計（這個總體方案這里要有少量的圖，不需要詳細的，粗略的設計圖就可以了） 6.2方案中參數(shù)的選定與計算 6.3機構(gòu)設計 6.4傳動系統(tǒng)主要零件設計（這里也要有少量的圖） 七.進度計劃（學院統(tǒng)一安排） 本課題的實施計劃如下： （1）.2015年9月16日-2015年9月30日：確定課題，熟悉課題； （2）.2015年10月1日-2015年10月15日：查閱國內(nèi)外相關(guān)研究資料，獨立開展調(diào)研； （3）.2015年10月16日-2015年10月31日：外文文獻翻譯； （4）.2015年11月1日-2015年11月15日：撰寫文獻綜述； （5）.2015年11月16日-2015年11月30日：撰寫開題報告； （6）.2015年12月1日-2015年12月15日：確定整體設計方案； （7）.2015年12月16日-2016年1月15日：計算設計機械結(jié)構(gòu)，并根據(jù)使用要求選擇合適的材料； （8）.2016年1月16日-2016年2月15日：繪制總裝圖、主要零件工程圖； （9）.2016年2月16日-2016年3月15日：撰寫畢業(yè)設計說明書； （10）.2016年3月16日-2016年3月31日：資料修改、完善，定稿； （11）.2016年4月1日-2016年4月30日：準備答辯； （12）.2016年5月10日：答辯。 八.參考文獻（寫8種文獻以上） [1] 邊秀房，邢建東，李衛(wèi).鑄造，2000（2）：2~3 [2] 林伯年.離心鑄造發(fā)展概況.鑄造論文集（3）.哈爾濱工業(yè)大學，1963 [3] 張伯明.離心鑄造.北京:機械工業(yè)出版社，2004 [4] 簡光沂.中外鋼號便查手冊.中國電力出版社，2008.3 [5] 宋慶奎，吳國軍，楊春旭.大型離心鑄管機的設計.一重技術(shù)，1998.7（77）：19~20 [6] 王樹勛，蘇樹姍.模具實用技術(shù)設計綜合手冊.廣州：華南理工大學出版社，2003.6 [7] 姜不居.鑄造手冊（第六卷）特種鑄造.北京：機械工業(yè)出版社，2011.2 [8] 伶銘鐸.離心鑄造合金鋼管缺陷分析.特種鑄造及有色合金，1996（1）：42~43 [9] 黃毅宏，李明輝.模具制造工藝.北京：機械工業(yè)出版社，1999.6 [10] 范順成.機械設計基礎(chǔ).北京：機械工業(yè)出版社，2007.5 指導教師意見： 指導教師簽名： 年 月 日 二級學院或教研室審核意見： 院長（教研室）主任簽名： 年 月 日 備注：本開題報告須裝入學生的畢業(yè)論文（設計）檔案袋存檔。 - 7 - 廣師天河學院 本科畢業(yè)設計教師擬題審批表 系部：機電工程系 專業(yè)：機械設計制造及自動化 適用年級：2011級 題目名稱 臥式離心鑄造機的設計 題目類型 √工程設計 □軟件設計 □理論研究 □應用研究 □專題 □綜合 □藝術(shù) 題目來源 □教學科研 √生產(chǎn)實際 □社會實際 □自選 □其它 課題內(nèi)容 介紹 臥式離心鑄造機是離心鑄造的主要設備之一。 離心鑄造是將液體金屬澆入旋轉(zhuǎn)的鑄型中，使液體金屬在離心力作用下充填鑄型和凝固成型的一種鑄造方法。 設計 任務要求 （包括應具備的條件） (1)按上圖的原理與結(jié)構(gòu)設計立式離心鑄造機。 （2）編寫設計計算說明書一份（10000字以上） 課題預計 工作量大小 √□大 適中 □小 課題預計 難易程度 □難 √一般 □易 預計完成工作量所需學生數(shù) 1 指導教師姓名 劉國忠 職稱 高級工程師 所在教研室（學科組）意見： 負責人（簽名）： 年 月 日 系部審定意見： 負責人（簽名）： 年 月 日 注：1.本表由擬題教師填寫； 2.在畢業(yè)設計開始前（第七學期第15~16周）交教學單位（專業(yè)）供學生選題。 臥式離心鑄造機的設計 摘 要 離心鑄造主要用于大批生產(chǎn)鐵管、銅套、發(fā)動機缸套、雙金屬鋼背銅套、造紙機滾筒，在生產(chǎn)鑄件的各種方法中離心鑄造方法將僅次于砂型的鑄造方法，具有舉足輕重的地位。 本次設計首先，調(diào)查了離心鑄機的研究及發(fā)展現(xiàn)況并對工作原理進行分析；接著，在此分析基礎(chǔ)上提出了總體結(jié)構(gòu)方案及各功能構(gòu)件方案；然后，對各主要零件及金屬型進行設計；最后，繪制了本臥式離心鑄造機的裝配圖和主要零件圖。 通過本次設計，鞏固了大學所學專業(yè)知識，如：機械原理、機械設計、材料力學、公差與互換性理論、機械制圖等；掌握了普通機械產(chǎn)品的設計方法并能夠熟練使用AutoCAD、Pro/E軟件，對今后的工作與生活具有極大意義。 關(guān)鍵詞：臥式；離心；鑄造；設計 Abstract Centrifugal casting is mainly used for mass production pipe, copper sleeve, engine cylinder, double metal steel backing copper sets, paper machine drum, in the various methods of casting production of centrifugal casting method will be second only to sand casting method, has the pivotal status. This design first of all, the research and development of centrifugal casting machine and the work principle of the analysis; then, on the basis of the analysis of the overall structure of the program and the functional components of the program; then, the main parts and metal type design; finally, drawing the assembly drawings and the main parts of the centrifugal casting machine. Through this design, we have consolidated the professional knowledge of the University, such as: mechanical principle, mechanical design, material mechanics, tolerance and exchange theory, mechanical drawing, etc；Master the design method of common mechanical products and be able to skillfully use AutoCAD, Pro/E software, for the future work and life of great significance. Keywords: Horizontal; Centrifugal; Casting; Design 目 錄 摘 要 I Abstract II 第一章 緒論 1 1.1課題背景及意義 1 1.2離心鑄造概述 1 1.2.1離心鑄造的定義、原理及特點 1 1.2.2離心鑄造機的分類與應用 1 1.3離心鑄造機的國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀 3 第二章 總體方案設計與工藝參數(shù)選擇 4 2.1設計要求 4 2.2方案設計 4 2.2.1總體方案 4 2.2.2內(nèi)缸結(jié)構(gòu)方案 4 2.2.3變速裝置設計 5 2.3工藝參數(shù)選擇 5 2.3.1熔煉爐的選擇 5 2.3.2離心機轉(zhuǎn)速的確定 5 2.3.3澆注溫度 6 2.3.4澆注速度 6 2.3.5鑄型轉(zhuǎn)動時間 6 2.4原理分析 6 第三章 動力與傳動機構(gòu)設計 9 3.1電動機的選擇 9 3.2聯(lián)軸器的選擇 9 3.2.1確定聯(lián)軸器的計算轉(zhuǎn)矩 9 3.2.2確定聯(lián)軸器的型號及尺寸 10 3.3軸承的選擇 10 3.4傳動齒輪的設計 11 3.4.1選精度等級、材料和齒數(shù) 11 3.4.2按齒面接觸疲勞強度設計 11 3.4.3按齒根彎曲強度設計 13 3.4.4幾何尺寸計算 14 3.5軸的設計 15 3.5.1軸的尺寸確定 15 3.5.2軸的校核 16 3.6鍵的選取和校核 18 3.6.1鍵的選取 18 3.6.2鍵的校核 19 第四章 金屬型設計 20 4.1離心鑄造常用鑄型 20 4.2金屬型的結(jié)構(gòu)設計 20 4.3金屬型參數(shù)的計算 21 4.3.1襯套設計 21 4.3.2后蓋的設計 21 4.3.3擋板的設計 21 4.4金屬型轉(zhuǎn)速的計算 21 總 結(jié) 24 參考文獻 25 致 謝 26 27 第一章 緒論 1.1課題背景及意義 離心鑄造是一種既傳統(tǒng)、又現(xiàn)代的鑄造方法。我國鑄件的年產(chǎn)量在1500萬噸左右，而其中約有220萬噸是用離心鑄造方法生產(chǎn)的，占15％。其中球墨鑄鐵管125萬噸，灰鑄鐵管50萬噸，內(nèi)燃機缸套35萬噸，各種軋輥5萬噸。隨著人民生活水平的提高，國家在城鎮(zhèn)化建設、西氣東輸?shù)软椖可衔掖罅ν顿Y，以及汽車作為支柱產(chǎn)業(yè)的興起，預計到2020年，用離心鑄造生產(chǎn)的鑄件，每年可達到500萬噸以上。不言而喻，在生產(chǎn)鑄件的各種方法中離心鑄造方法將僅次于砂型的鑄造方法，具有舉足輕重的地位。 離心鑄造主要用于大批生產(chǎn)鐵管、銅套、發(fā)動機缸套、雙金屬鋼背銅套、造紙機滾筒。生產(chǎn)效益顯著的有雙金屬鑄鐵軋輥，加熱爐底耐熱鋼輥道、無縫鋼管毛坯，剎車鼓、活塞環(huán)毛坯、銅合金渦輪毛坯等。通過本次課題設計出性能更優(yōu)良的離心鑄造機滿足工業(yè)發(fā)展需求。 1.2離心鑄造概述 1.2.1離心鑄造的定義、原理及特點 離心鑄造是將金屬液澆入旋轉(zhuǎn)的鑄型里，在離心力的作用下充型并凝固成鑄件的一種鑄造方法。離心鑄造用的機器稱為離心鑄造機。 根據(jù)力學中的慣性，處于旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下的金屬液質(zhì)點相應的產(chǎn)生了離心力，所以金屬液在離心力的作用下凝固成形是離心鑄造的一大特點。 ?由于離心鑄造時，液體金屬是在旋轉(zhuǎn)情況下充填鑄型并進行凝固的，因而離心鑄造便具有下述的一些特點： （1）液體金屬能在鑄型中形成中空的圓柱形自由表面，這樣便可不用型芯就能鑄出中空的鑄件，大大簡化了套筒，管類鑄件的生產(chǎn)過程； （2）由于旋轉(zhuǎn)時液體金屬所產(chǎn)生的離心力作用，離心鑄造工藝可提高金屬充鎮(zhèn)鑄型的能力，因此一些流動性較差的合金和薄壁鑄件都可用離心鑄造法生產(chǎn)； （3）由于離心力的作用，改善了補縮條件，氣體和非金屬夾雜也易于自液體金屬中排出，因此離心鑄件的組織較致密，縮孔（縮松）、氣孔、夾雜等缺陷較少； （4）消除或大大節(jié)省澆注系統(tǒng)和冒口方面的金屬消耗； （5）鑄件易產(chǎn)生偏析，鑄件內(nèi)表面較粗糙。內(nèi)表面尺寸不易控制。 1.2.2離心鑄造機的分類與應用 近年來，離心鑄造機發(fā)展很快，類型日益增多，因而分類方法也很多。 根據(jù)鑄型旋轉(zhuǎn)軸在空間位置的不同，常用的離心機分為： （1）立式離心鑄造機 立式離心鑄造的鑄型是繞垂直軸旋轉(zhuǎn)的，如圖1-1所示，在這種機器上的鑄造過程稱為立式離心鑄造。它主要用于生產(chǎn)高度小于直徑的圓環(huán)類鑄件。由于在這種機器上安裝及穩(wěn)固鑄型比較方便，因此，不僅可以采用金屬型，也可采用砂型，熔模型殼等非金屬型。 圖1-1 立式離心鑄造示意圖 1-澆包 2-鑄型 3-液體金屬 4-皮帶輪和皮帶 5-旋轉(zhuǎn)軸 3-鑄件 7-電動機 （2）臥式離心鑄造機 臥式離心鑄造機的鑄型是繞水平軸旋轉(zhuǎn)的，如圖1-2所示，在這種機器上的鑄造過程成為臥式離心鑄造。它主要用來生產(chǎn)長度大于直徑的套筒類或管類鑄件。 圖1-2 臥式離心鑄造示意圖 1-澆包 2-澆注槽 3-鑄型 4-液體金屬 5-端差 3-鑄件 其中，臥式離心鑄造又可以分為：1，懸臂臥式離心鑄造；2，在滾筒式離心鑄造機上的臥式離心鑄造；3，水冷金屬離心鑄管。 立式離心鑄造可分為：1，圓環(huán)形鑄件的立式離心鑄造；2，成形鑄件的立式離心鑄造。 1.3離心鑄造機的國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀 離心鑄造發(fā)展至今已有幾十年的歷史，第一個專利是1809年由英國人Erchardt提出的，直到上世紀初才逐步推廣于工業(yè)生產(chǎn)。我國30年代開始采用于生產(chǎn)鑄鐵管?，F(xiàn)在離心鑄造已經(jīng)是一種應用廣泛的鑄造方法，常用于生產(chǎn)鑄管，銅套，缸套，雙金屬鋼背銅套等。對于像雙金屬軋錕，加熱爐滾道，造紙及干燥滾筒及異型鑄件（如葉輪）等，采用離心鑄造也十分有效。目前已有高度機械化，自動化的離心鑄造機，有年產(chǎn)量達數(shù)十萬噸的機械化離心鑄管廠。 在離心鑄造中，鑄造合金的種類幾乎不受限制。對于中空鑄件，其內(nèi)徑最小為8mm，最大為3000mm，鑄件長度最大為8000mm，重量最小為幾克（金屬牙），最大可達幾十噸。 1809年，英國人埃爾恰爾特申請了有關(guān)臥式離心鑄造和立式離心鑄造的第一個專利。 1849年，英國人安德魯?遜克制作出第一臺離心鑄管機，而后生產(chǎn)了長達3.6m、直徑為75mm的離心鑄鐵管。 1857年德國人漢內(nèi)?貝士麥提出用立式離心鑄造生產(chǎn)輪圈。 1862年英國人惠爾利和鮑韋爾制作出了鑄造輪圈的立式離心鑄造機。 1910年德國人奧托?勃里代發(fā)明用移動澆注槽生產(chǎn)金屬型離心鑄管的方法。 1914年巴西人代拉夫得和阿倫斯研究水冷型離心鑄管法成功。1917年美國人莫爾創(chuàng)造了砂型離心鑄管法，1920年開始用于大量生產(chǎn)。 1950年在瑞典開始用涂料金屬型離心鑄造法生產(chǎn)主要用于下水道的小口徑鐵管。 50年代美國離心鑄管公司建立了樹脂砂型離心鑄管法。 30年代以后離心鑄造法逐步推廣應用于生產(chǎn)汽缸套、炮身、鼓輪等鑄件。 在20世紀40年代出現(xiàn)了用離心鑄造法生產(chǎn)雙金屬復合冶金軋輥的工藝。 第二章 總體方案設計與工藝參數(shù)選擇 2.1設計要求 離心鑄造是將液體金屬澆入旋轉(zhuǎn)的鑄型中，使液體金屬在離心力作用下充填鑄型和凝固成型的一種鑄造方法，臥式離心鑄造機是離心鑄造的主要設備之一，本次設計要求設計臥式離心鑄造機，并且滿足如下功能，其結(jié)構(gòu)簡圖如圖2-1 （1）離心機內(nèi)缸要求能夠改變大??；（2）離心機軸承裝置要求有三種變速。 圖2-1 臥式離心鑄造機結(jié)構(gòu)簡圖 2.2方案設計 2.2.1總體方案 總體結(jié)構(gòu)方案按照設計要求，結(jié)構(gòu)方案簡圖如圖2-1，該臥式離心鑄造機包含電動機、聯(lián)軸器、傳動軸、變速裝置、金屬型安裝架、金屬型、澆注槽等。 2.2.2內(nèi)缸結(jié)構(gòu)方案 根據(jù)設計要求（1）離心機內(nèi)缸要求能夠改變大小，采用六個活動卡盤固定金屬型，活動卡盤與金屬型安裝架通過螺栓連接，結(jié)構(gòu)如下圖2-2所示，通過移動活動卡盤調(diào)節(jié)離心機內(nèi)缸直徑大小。 圖2-2 內(nèi)缸結(jié)構(gòu)簡圖 2.2.3變速裝置設計 根據(jù)設計要求（2）離心機軸承裝置要求有三種變速，如果采用三種不同的變速軸承，就需要三種不同轉(zhuǎn)速的電機與之匹配，并且在速度切換時需要更換電機和變速軸承；本次設計為了實現(xiàn)快速變速中間的變速軸承采用三級變速箱的結(jié)構(gòu)，如下圖2-3所示. 圖2-3 變速裝置結(jié)構(gòu)簡圖 2.3工藝參數(shù)選擇 2.3.1熔煉爐的選擇 熔煉爐的選擇如表2-1。 表2-1 熔煉設備一覽[6] 序號 名稱 功率（KW） 最大容量（T） 形式 1 2 3 電弧爐 中頻爐 焦炭坩堝爐 100 250 2.2 0.5 0.25 0.3 臥式 立式 立式 根據(jù)金屬型的尺寸選擇1號電弧爐。利用電弧熱效應熔煉金屬和其他物料的電爐叫電弧爐，電弧爐用于熔煉普通鋼、優(yōu)質(zhì)碳素鋼及各種合金鋼、不銹鋼。 2.3.2離心機轉(zhuǎn)速的確定 離心機轉(zhuǎn)速直接影響鑄件質(zhì)量，轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速過高鑄件容易產(chǎn)生偏析。通常我們用如下經(jīng)驗方法來確定，見表2-2所示。 表2-2離心機轉(zhuǎn)速表 形式 直徑（mm） 轉(zhuǎn)速（r/min） 臥式 50～100 100～200 200～400 400～600 800～1300 950～1100 750～950 600～750 立式 600～800 800～1100 600～700 500～600 本次設計的離心機有三種轉(zhuǎn)速，選取轉(zhuǎn)速范圍為500~1000r/min。 2.3.3澆注溫度 澆注溫度是保證合格鑄件的主要參數(shù)之一。本次設計為管狀零件，金屬液充型時遇到阻力較小，又有離心壓力或離心力加強金屬液的充型性，故離心鑄造是的澆注溫度可比重力澆注低5℃~10℃。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。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。45鋼的熔化溫度1460℃~1467℃，出鋼溫度1560℃~1580℃，澆注溫度1500℃~1550℃。 2.3.4澆注速度 離心機因采用金屬型金屬型，冷卻速度較快，采用快速澆注能獲得優(yōu)質(zhì)鑄件。由零件參數(shù)得質(zhì)量為kg。根據(jù)表2-3，選取包孔直徑30mm，澆注時間0.5s。 表2-3鋼液澆注重量速度平均值 包孔直徑 澆注重量速度 備注 30 35 40 45 50 10 20 27 42 55 包孔直徑:mm，澆注重量速度:kg/s 2.3.5鑄型轉(zhuǎn)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(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)金屬，整個轉(zhuǎn)變過程是在離心機旋轉(zhuǎn)過程中進行的，不可以停機。若是過早停機，鑄件將會產(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。一般轉(zhuǎn)動時間取10s。 2.4原理分析 （1）離心力 作用在旋轉(zhuǎn)體上的離心力與旋轉(zhuǎn)半徑成正比，與角速度的平方成正比： （2-1） 如旋轉(zhuǎn)速度以r/min為單位，則 （2-2） （2-3） n—為金屬液質(zhì)點的旋轉(zhuǎn)速度（r/min） r—液體金屬任意點的旋轉(zhuǎn)半徑（cm） g—重力加速度 m—金屬液質(zhì)點的質(zhì)量（kg） （2）離心力場 在旋轉(zhuǎn)液體所占空間中，每一質(zhì)點都受到離心力的作用，因此，可把這一空間稱為離心力場。其中為離心力加速度，方向遠離旋轉(zhuǎn)中心。 （3）有效重度 離心力場中單位體積液體金屬的質(zhì)量就是它的密度，這部分液體金屬產(chǎn)生的離心力成為有效重度 。 式中：—金屬的重度 該式表明旋轉(zhuǎn)金屬液的有效重度比在重力場中的重度大倍。 （4）離心壓力 離心鑄造時，液體金屬內(nèi)部的重力場與鑄件壁上的重力場一樣，也會受到液體金屬的壓力作用，這種壓力稱為離心壓力。離心壓力的大小及分布情況由其本身的特點決定，現(xiàn)介紹如下： 圖2-2所示為截取臥式離心鑄型中液體金屬的橫斷面，其外徑為，內(nèi)徑為,旋轉(zhuǎn)速度為，現(xiàn)在旋轉(zhuǎn)的液體金屬中取一微小單元，其旋轉(zhuǎn)半徑為,厚度為, 外邊邊長為，內(nèi)邊邊長為,故微小單元的平均寬度為，如該單元在軸向上的長度為，則該單元的質(zhì)量，質(zhì)量中心處于旋轉(zhuǎn)半徑為的圓弧上，因此，這一微小單元所受的離心力為，這一離心力作用在為小單元旋轉(zhuǎn)半徑處的液體金屬面處，該面的面積為，所以，有微小單元所受離心力引起的離心壓力為： 圖2-4 （2-12） 式 2-12中，故可把忽略不計，則式2-12變?yōu)椋? （2-13） 對于2-13中，取至處的定積分，得： （2-14） 對式2-14中、各為自由表面和r處的離心壓力。所以， （2-15） 式中 —液體金屬的重度 —重力加速度 由式2-15可知，臥式離心鑄造時，液體金屬中的等壓面是以旋轉(zhuǎn)軸為軸線的圓柱面，旋轉(zhuǎn)半徑不同時，離心壓力值也不同，從自由表面處起至外徑處，壓力變化成拋物線規(guī)律分布，在處為最大，即： （2-16） —就是旋轉(zhuǎn)中液體金屬對旋轉(zhuǎn)型壁作用的離心力 第三章 動力與傳動機構(gòu)設計 3.1電動機的選擇 帶動鑄型旋轉(zhuǎn)的電動機以在啟動鑄型，克服鑄型慣性達一定轉(zhuǎn)速時所需的功率為最大，所以離心鑄造機上電動機應按啟動時所需功率進行選擇： N= 式中： ----機器上各傳動件啟動時所需功率總和， -------某一傳動件質(zhì)量（kg） ------某一轉(zhuǎn)動件的最大旋轉(zhuǎn)直徑。（m） ------某一轉(zhuǎn)動件在啟動后的最大轉(zhuǎn)速 k ------安全系數(shù)。1.1—1.3 ------傳動效率安全系數(shù)，一般取0.7—0.8 t------啟動時間.秒,一般取4—8秒. 計算如下: 選擇電動機為180M,1500r/min,功率為22kw. 3.2聯(lián)軸器的選擇 聯(lián)軸器[10]是用來聯(lián)接不同機構(gòu)中的兩根軸（主動軸和從動軸）使之共同旋轉(zhuǎn)以傳遞扭矩的機械零件。在高速重載的動力傳動中，有些聯(lián)軸器還有緩沖、減振和提高軸系動態(tài)性能的作用。聯(lián)軸器由兩半部分組成，分別與主動軸和從動軸聯(lián)接。一般動力機大都借助于聯(lián)軸器與工作機相聯(lián)接。 對于已標準化和系列化的聯(lián)軸器，選擇合適類型后，可按轉(zhuǎn)矩、軸直徑和轉(zhuǎn)速等確定聯(lián)軸器的型號和結(jié)構(gòu)尺寸。 3.2.1確定聯(lián)軸器的計算轉(zhuǎn)矩 運轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速作為計算轉(zhuǎn)矩。如最大轉(zhuǎn)矩不能精確求得時，可按下式計算。 Tca=KaT 式中 T-聯(lián)軸器所需傳遞的名義轉(zhuǎn)矩，N.m Tca-聯(lián)軸器所需傳遞的計算轉(zhuǎn)矩，N.m Ka-工作情況系數(shù)，小型機械故選=1.3 3.2.2確定聯(lián)軸器的型號及尺寸 根據(jù)計算轉(zhuǎn)矩、軸直徑和轉(zhuǎn)速等，由下面的條件，從有關(guān)手冊中選取聯(lián)軸器的型號和結(jié)構(gòu)尺寸。 Tca≤[T] n≤nmax 式中 [T]-所選聯(lián)軸器型號的許用轉(zhuǎn)矩，N.m； n-為聯(lián)軸器的轉(zhuǎn)速，r/min； nmax-所選聯(lián)軸器允許的最高轉(zhuǎn)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(zhuǎn)矩范圍。 名義轉(zhuǎn)矩 T=9550=40.64N.m 計算轉(zhuǎn)矩 Tca=KAT=1.3×40.64=54.46N.m 選用固定式凸緣式聯(lián)軸器，。 許用扭矩 112N.m 許用轉(zhuǎn)速 9500 r/min 凸緣式聯(lián)軸器特點特點：構(gòu)造簡單，成本低，可傳遞較大轉(zhuǎn)矩。不允許兩軸有相對位移，無緩沖。凸緣聯(lián)軸器的材料可用灰鑄鐵或碳鋼，重載時或圓周速度大于30米/秒時應用鑄鋼或鍛鋼。在本次設計中聯(lián)軸器材料選取碳鋼Q235。 3.3軸承的選擇 滾動軸承是將運轉(zhuǎn)的軸與軸座之間的滑動摩擦變?yōu)闈L動摩擦，從而減少摩擦損失的一種精密的機械元件。滾動軸承一般由內(nèi)圈、外圈、滾動體和保持架四部分組成，內(nèi)圈的作用是與軸相配合并與軸一起旋轉(zhuǎn)；外圈作用是與軸承座相配合，起支撐作用；滾動體是借助于保持架均勻的將滾動體分布在內(nèi)圈和外圈之間，其形狀大小和數(shù)量直接影響著滾動軸承的使用性能和壽命；保持架能使?jié)L動體均勻分布，防止?jié)L動體脫落，引導滾動體旋轉(zhuǎn)起潤滑作用。 滾動軸承的作用，支承轉(zhuǎn)動的軸及軸上零件，并保持軸的正常工作位置和旋轉(zhuǎn)精度。滾動軸承使用維護方便，工作可靠，起動性能好，在中等速度下承載能力較高。與滑動軸承比較，滾動軸承的徑向尺寸較大，減振能力較差，高速時壽命低，聲響較大。 圓柱滾子軸承[13]是滾動軸承中最為普通的一種類型?；拘偷膱A柱滾子軸承由一個外圈，一個內(nèi)圈、一組鋼球和一組保持架構(gòu)成。 圓柱滾子軸承類型有單列和雙列兩種，單列圓柱滾子軸承類型代號為6，雙列圓柱滾子軸承代號為4。其結(jié)構(gòu)簡單，使用方便，是生產(chǎn)最普遍，應用最廣泛的一類軸承。 圓柱滾子軸承的工作原理，圓柱滾子軸承主要承受徑向載荷，也可同時承受徑向載荷和軸向載荷。當其僅承受徑向載荷時，接觸角為零。當圓柱滾子軸承具有較大的徑向游隙時，具有角接觸軸承的性能，可承受較大的軸向載荷 ，圓柱滾子軸承的摩擦系數(shù)很小，極限轉(zhuǎn)速也很高。 本次設計選擇單列圓柱滾子軸承，代號是61807，規(guī)格為。 3.4傳動齒輪的設計 本臥式離心機采用三級變速，前述選定變速范圍為500~1000r/min，電機轉(zhuǎn)速為1500r/min。 因此選定三級變速的傳動比為： 傳動比越大轉(zhuǎn)速越低，轉(zhuǎn)矩越大，第三級齒輪傳動比最大，本次計算以第三級齒輪為例進行計算。 3.4.1選精度等級、材料和齒數(shù) 采用7級精度由表6.1選擇小齒輪材料為40Cr（調(diào)質(zhì)），硬度為280HBS，大齒輪材料為45鋼（調(diào)質(zhì)），硬度為240HBS。 選小齒輪齒數(shù) 大齒輪齒數(shù)取 3.4.2按齒面接觸疲勞強度設計 由設計計算公式進行試算，即 1） 確定公式各計算數(shù)值 （1）試選載荷系數(shù) （2）計算小齒輪傳遞的轉(zhuǎn)矩 　　　 （3）小齒輪相對兩支承非對稱分布，選取齒寬系數(shù) （4）由表6.3查得材料的彈性影響系數(shù) （5）由圖6.14按齒面硬度查得 小齒輪的接觸疲勞強度極限 大齒輪的接觸疲勞強度極限 （6）由式6.11計算應力循環(huán)次數(shù) （7）由圖6.16查得接觸疲勞強度壽命系數(shù) （8）計算接觸疲勞強度許用應力 取失效概率為1％，安全系數(shù)為S=1，由式10-12得 （9）計算 試算小齒輪分度圓直徑，代入中的較小值 計算圓周速度v 計算齒寬b 計算齒寬與齒高之比b/h 模數(shù) 齒高 計算載荷系數(shù)K 根據(jù)，7級精度，查得動載荷系數(shù) 假設，由表查得 由于載荷中等振動，由表5.2查得使用系數(shù) 由表查得 查得 故載荷系數(shù) （10）按實際的載荷系數(shù)校正所算得的分度圓直徑，由式可得 （11）計算模數(shù)ｍ 3.4.3按齒根彎曲強度設計 彎曲強度的設計公式為 （1）確定公式內(nèi)的計算數(shù)值 由圖6.15查得 小齒輪的彎曲疲勞強度極限 大齒輪的彎曲疲勞強度極限 由圖6.16查得彎曲疲勞壽命系數(shù) 　 計算彎曲疲勞許用應力 取失效概率為1％，安全系數(shù)為S=1.3，由式１０－１２得 計算載荷系數(shù) （2）查取齒形系數(shù) 由表6.4查得　 （3）查取應力校正系數(shù) 由表6.4查得 　 （4）計算大小齒輪的，并比較 大齒輪的數(shù)據(jù)大 （5）設計計算 對比計算結(jié)果，由齒面接觸疲勞強度計算的模數(shù)m大于由齒根彎曲疲勞強度計算的模數(shù)，可取有彎曲強度算得的模數(shù)4.64mm，圓整取標準值m＝5.0mm 并按接觸強度算得的分度圓直徑 算出小齒輪齒數(shù)　取 大齒輪齒數(shù)　取 3.4.4幾何尺寸計算 （1）計算分度圓直徑 （2）計算中心距 （3）計算齒寬寬度取 序號 名稱 符號 計算公式及參數(shù)選擇 1 齒數(shù) Z 20，60 2 模數(shù) m 5mm 3 分度圓直徑 4 齒頂高 5 齒根高 6 全齒高 7 頂隙 8 齒頂圓直徑 9 齒根圓直徑 10 中心距 3.5軸的設計 軸的結(jié)構(gòu)設計是要確定軸的合理外形，包括各段軸長、直徑及其他細節(jié)尺寸在內(nèi)的全部結(jié)構(gòu)尺寸，軸的結(jié)構(gòu)受多方面因素的影響，沒有一個確定形式，而是隨著工作條件與要求的不同而不同。設計時應考慮以下三點： （1）滿足使用要求。軸上零件在軸上有可靠的軸向固定和周向固定。 （2）軸的結(jié)構(gòu)工藝性。進行軸的設計時，應盡可能使軸的形狀簡單，并且具有良好的可加工性和裝配工藝性能。 （3）提高軸的疲勞強度。軸一般在變應力下工作，多數(shù)因疲勞而失效。因此應設法提高軸的疲勞強度。 3.5.1軸的尺寸確定 軸的材料主要是碳鋼和合金鋼。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。 擬定軸上零件的裝配方案是進行軸的結(jié)構(gòu)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(guān)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向左安裝。 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(guān)。 先確定軸的最小直徑[10]，如式 mm，此軸段有鍵槽增大3%，=18.62mm 式中P是離心機功率，為4KW； n是鑄型轉(zhuǎn)速，為950r/min； C是計算常數(shù)，見表3-1，取112。 表3-1軸常用材料的C值 軸的材料 Q235、20 35 45 40Cr、35SiMn C 160 148 135 125 118 112 107 102 98 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25mm，半聯(lián)軸器與從動軸直徑28mm，此處設置一軸肩用來固定半聯(lián)軸器和便于軸承拆卸此段軸承，軸肩不能過高，取2.5mm，此段軸長15mm。軸承處直徑35mm，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離合器左端面間的距離為30mm，軸承蓋的寬度為20mm，所以此段軸長為50mm，離合器處直徑為28mm，軸尺寸如圖3-1所示。 圖3-1軸尺寸圖[14][15] 3.5.2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(zhì)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)的約束條件[12]，如式。 對一般轉(zhuǎn)軸，彎曲應力按對稱循環(huán)變化，故當軸不轉(zhuǎn)動或載荷隨軸一起轉(zhuǎn)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(zhuǎn)矩變化的規(guī)律往往難于確定。一般而言，對單方向轉(zhuǎn)動的轉(zhuǎn)軸，常規(guī)之為按脈動循環(huán)變化，即；若軸經(jīng)常正反轉(zhuǎn)，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，如式。 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(zhuǎn)應力。如式。 MPa MPa （1），分別為材料在彎曲和扭轉(zhuǎn)時的對稱循環(huán)疲勞極限，查手冊分別取275，140。 （2）許用安全系數(shù)，一般取1.5~2.5； （3）有效應力集中系數(shù)，查手冊取，； （4）絕對尺寸系數(shù)，按d=25，查手冊取，； （5）表面質(zhì)量系數(shù)，按車光，查手冊取。 安全系數(shù)得 故該軸的強度符合要求。 3.6鍵的選取和校核 3.6.1鍵的選取 鍵[10]聯(lián)接就是用鍵把軸和軸上的零件聯(lián)接起來的一種結(jié)構(gòu)形式。由于這種聯(lián)接具有結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(zhuǎn)矩也不是很大，故選擇普通平鍵。 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，聯(lián)軸器與軸的聯(lián)接，軸與離合器的聯(lián)接，離合器與模具的聯(lián)接。查手冊選取鍵。 1）電動機與聯(lián)軸器的聯(lián)接，此處軸直徑25mm，所以bh選擇87，L取32。 2）聯(lián)軸器與軸的聯(lián)接，此處軸直徑28mm，所以bh選擇87，L取20。 3）軸與離合器的聯(lián)接，此處軸直徑28mm，所以取bh選擇87，L取18。 4）離合器與模具的聯(lián)接，此處軸直徑28mm，所以取bh選擇87，L取28。 3.6.2鍵的校核 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。 軸與聯(lián)軸器的材料為45鋼，查手冊得σp=110Mpa 根據(jù)鍵的校核公式[11]，如式得： 故滿足擠壓要求。 第四章 金屬型設計 4.1離心鑄造常用鑄型 離心鑄造時使用的鑄型有兩大類，即金屬型和非金屬型。非金屬型可為砂型、殼型、熔模殼型等。由于金屬型在大量生產(chǎn)、成批生產(chǎn)時具有一系列的優(yōu)點，所以在離心鑄造時廣泛地采用金屬型。 臥式懸臂離心鑄造機上的金屬型按其主體的結(jié)構(gòu)特點可分為單層金屬型和雙層金屬型兩種。圖4-1和4-2所示為這兩種鑄型的結(jié)構(gòu)特點。 在單層金屬型中，型壁由一層組成，單層金屬型結(jié)構(gòu)簡單，操作方便，但它損壞后需要制作新的鑄型才能開始生產(chǎn)，在此鑄型中只能澆注單一外徑尺寸的鑄件。而在雙層金屬型中，型壁由兩層組成，鑄件在內(nèi)型表面成形。 圖4-1單金屬離心鑄型 圖4-2圖雙層金屬離心鑄型 1-端蓋 2-鑄型本體 3-端蓋夾緊裝置 1-外型 2-內(nèi)型 3-端蓋 4-銷子 4.2金屬型的結(jié)構(gòu)設計 金屬型必須以零件的大小作為標準，鑄件外徑小于200mm，金屬型組裝圖[9]如圖4-3所示。 圖4-3 金屬型組裝圖 4.3金屬型參數(shù)的計算 4.3.1襯套設計 襯套的作用就是為了方便零件脫模，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(jié)在一起，并且防止襯套受熱變形。零件材料是45鋼，金屬型工作溫度800~1000℃，金屬型材料為特種合金K3、K5、K17或者K19。 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，如表4-1。 表4-1 收縮率選擇表 鑄件外徑（mm） 收縮量（mm） 備注 ≤100 ≤150 ≤200 ＞200 3 4 5 ≥5 或?qū)嶒灪蟠_定 D為襯套外徑150+20+4=174mm 零件外徑150mm，收縮量取4mm d為外徑+收縮量=150+4=154mm d1=d+10mm=164mm d、=鑄件內(nèi)徑-收縮率 鑄件外徑R=150mm；壁厚10mm；內(nèi)徑R、=150-20=130mm；d、=130-4=126mm 殼體厚度=襯套厚度0.8=8mm 4.3.2后蓋的設計 后蓋直徑d1、=d1=164mm 厚度n=20mm。 4.3.3擋板的設計 擋板的作用就是防止襯套在高速轉(zhuǎn)動過程中由于離心力的作用脫離金屬型。 擋板外徑D、=d1=164mm 擋板內(nèi)徑d、=126mm b=20mm 4.4金屬型轉(zhuǎn)速的計算 實際生產(chǎn)中，常用一些經(jīng)驗公式計算鑄型的轉(zhuǎn)速，并根據(jù)實踐情況進行適當修正，一般鑄型轉(zhuǎn)速在<15%的偏差時，不會對澆注過程和鑄件質(zhì)量產(chǎn)生顯著的影響。 （1） 康斯坦丁諾夫公式計算鑄型轉(zhuǎn)速（我國廣泛采用）如式4-1。 (r/min) （4-1） 式中n——鑄型轉(zhuǎn)速（r/min）； g ——鑄件合金重度（N/m3）； r0 ——鑄件內(nèi)半徑（m）； b——康斯坦丁諾夫公式修正系數(shù)，b =0.8~1.5，具體取值可以參考表4-2選取。 表4-2康斯坦丁諾夫公式修正系數(shù)值 離心鑄造類型 銅合金臥式離心 銅合金立式離心 鑄鐵 鑄鋼 鋁合金 1.2~1.4 1.0~1.5 1.2~1.5 1.0~1.3 0.9~1.1 此式只試用于鑄件外半徑對鑄件內(nèi)半徑的比值時的離心鑄造。 （2） 凱門公式計算鑄型轉(zhuǎn)速（西方國家廣泛采用）如式4-2。 （r/min） （4-2） 式中c——系數(shù)，具體參考值見表4-3； r0 ——鑄件內(nèi)半徑（mm）。 表4-3各種鑄件離心鑄造時c值 鑄件合金 合金密度（g/cm3） 產(chǎn)品名稱 離心鑄造方式 c 鑄鐵 7.2 鋼管、漲圈 臥式 9000~12500 缸套 臥式 10750~13650 鑄鋼 7.85 臥式 10000~11000 黃銅 8.20 圓環(huán) 臥式 13500 鉛青銅 8.8 90~200軸承 臥式 9500 9.5~10.5 臥式 8500~9500 巴氏合金 7.3~7.5 軸瓦 臥式 7000~9000 鋁合金 2.65~3.10 臥式 13000~17500 青銅 8.4 立式 17000 此式也只適用于鑄件外半徑對鑄件內(nèi)半徑的比值時的離心鑄造。 （3）重力系數(shù)公式（西方國家廣泛采用）如式4-3。 （r/min） （4-3） 式中G——重力系數(shù)，具體數(shù)值參考表4-4； r0——鑄件內(nèi)半徑（m）。 表4-4不同合金離心鑄造時的G值[7] 合金 G 銅合金 鑄鐵 鑄鋼 鋁合金 40~110 45~110 40~75 90~155 （4）砂型離心鑄造公式，如式4-4。 為降低鑄件外表面粗糙度，防止砂型被合金液壓壞，有時需要控制金屬液作用在砂型表面上的離心壓力值，故提出了根據(jù)砂型可能承受的最大離心壓力值計算鑄型轉(zhuǎn)速的的公式 （r/min） （4-4） 式中P——砂型能承受的最大離心壓力（MPa），對于砂型，P≤0.003~0.004MPa；對于砂芯組合的離心砂型，P≤0.004~0.006MPa；對于陶瓷型，P≤0.006~0.008MPa； g ——液態(tài)金屬重度（N/m3）； R、r0 ——鑄件的外半徑和內(nèi)半徑（mm）。 在本次設計中R=150mm，=130mm，，由上述4個公式得知，選取第3個，重力系數(shù)公式。零件為鑄鋼件由表4.4得G值取65，內(nèi)半徑r0=65mm=0.065m，。 總 結(jié) 隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展和進步，鑄造工業(yè)取得了長足的進步，鑄造機器日益向快速，自動，精確的方向發(fā)展，離心鑄造機作為特種鑄造的主要機種之一，有著非常好的前景。 畢業(yè)設計是大學學習階段一次非常難得的理論與實際相結(jié)合的學習機會，通過這次理論知識和實際設計的相結(jié)合，鍛煉了我的綜合運用所學專業(yè)知識，解決實際工程問題的能力，同時也提高了我查閱文獻資料、設計手冊、設計規(guī)范能力以及其他專業(yè)知識水平，而且通過對整體的掌控，對局部的取舍，以及對細節(jié)的斟酌處理，都使我的能力得到了鍛煉，經(jīng)驗得到了豐富，并且意志品質(zhì)力，抗壓能力以及耐力也都得到了不同程度的提升。 通過一學期的畢業(yè)設計，使我對離心鑄造有了進一步的了解，在設計過程中閱讀了大量的書籍，并受到老師的熱心講解和幫助，使自己對機械設計過程有了較全面的認識，為今后的工作打下了基礎(chǔ)。 畢業(yè)設計由于時間的短暫，專業(yè)知識的欠缺，以及參考資料的不足，錯誤之處在所難免，懇請各位老師和同學批評改正。 參考文獻 [1] 林伯年.離心鑄造發(fā)展概況.鑄造論文集（3）.哈爾濱工業(yè)大學，1963 [2] 姜不居.鑄造手冊（第六卷）特種鑄造.北京：機械工業(yè)出版社，2011.2 [3] 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