离心铸造

2. 异相质点径向运动 异相质点与主体金属液密度不同，它们会象在重力场
中一样，出现沉、浮现象。
39
第一节 铸件在离心力场中的成形特点
（1）由重力场中，异相质点上浮、下沉速度VZ可由 斯托克斯公式表示：
VZ d 2 (1 2 )g /18 （11）
式中，d－异相质点直径 ρ1， ρ 2－异相质点与金属液主体的密度。 η—金属液动力粘度系数
（三）离心压力 1. 概念
（在重力场中，由于液体重力的作用，在静止液体 的不同高度上，液体质点便会经受（或表现出）一定的 压力。）
离心铸造时，旋转的液体在离心力的作用下，在 其内部各点上也会产生压力，此种压力称为离心压力。 （类似于重力场中，液体质点经受的压力）。
2.离心压力表达式
（1）结果： Pr 2 (r 2 r02 ) / 2
K (2x1 K )
即可根据允许的铸件壁厚差及铸件高度h及x1来估算所 需铸型转速n。 3 、立式离心铸造时铸件内表面的歪曲现象
a）一般情况：铸件内表面即为自由表面的形状，但由于凝固 时收缩的原因，使内表面抛物面形状受到破坏。
（金属液自上而下凝固，温度分布为下高上低）
20
（a）最后凝固部位得不 到补缩而形成的凹陷
2
图1(a) 立式离心铸造机
图1(b) 立式离心铸造机
图2 卧式离心铸造机
图3 叶轮半离心铸造示意图
概述
3、分类（二）：按成形时的条件分类 （1）真离心铸造
回转形铸件的轴线与铸型转轴重合源自文库铸件内表面借 离心力形成。如图1(b)和图2所示。 （2）半离心铸造
回转形铸件的轴线与铸型转轴重合，铸件各表面全由 铸型壁形成。如图3所示。 （3）加压离心铸造
铸型底最先凝固 （b）因转速低使底部发 生的歪曲
图6 立式离心铸件内表面的歪曲
第一节 铸件在离心力场中的成形特点
b）铸型转速不够，使回转抛物面顶点移至铸件高度内。 其缩孔是由于离心力不够，金属接近于重力条件下凝固， 因此在底部金属液推积的地方会形成较多的缩孔。
（二）卧式离心铸造时液体金属自由表面的形状
又 y1
y2
w2 x12 2g
w2 x22 2g
h(铸件高度）
x2 x12 2gh / w2
k x1 x12 (2gh / w2 ) （5）式
由g 9.81m / s2, w πn / 30, 代入5式
18
第一节 铸件在离心力场中的成形特点
k x1 x12 0.18h /(n /100)2
铸件形状不规则，成型时绕铸型轴线旋转，铸件轮廓 全由铸型壁形成。如图1(a)所示。
7
概述
4、离心铸造的特点 1）液体金属能在铸型中形成中空的圆柱形自由表面，这 样便可不用型芯就能铸出中空的铸件，大大简化了套筒、 管类铸件的生产过程；
2）由于旋转时液体金属所产生的离心力作用，离心铸造 工艺可提高金属充镇铸型的能力，因此一些流动性较差的 合金和薄壁铸件都可用离心铸造法生产；
在自由表面上为等压面，即dP＝0，得：
Xdx Ydy Zdz 0
质点Ｍ的单位质量 力为w2r0，
x轴分量 X 2r0 cos 2 x
y轴分量Y 2r0 sin 2 y
Z轴分量Z＝0
24
第一节 铸件在离心力场中的成形特点
则（ 2r0 cosdx 2r0 sin dy 0)
VZ
式（13）
由（13）可知，离心铸造时异相质点的沉、浮速度比在 重力铸造时大G倍。（几十至一百多倍）
3. 由异相质点径向运动引起的铸件成形的特点
（1）离心铸件内部的夹杂物、气孔等缺陷比重力铸件少得多。
42
（一）立式离心铸造时液体金属自由表面形状
1、立式离心铸造时金属液自由表面在径向断面上的曲线方程
设液体金属绕垂直轴y－y旋转，其角速度为w， 截取其径向端面，如图5所示。自由表面上任一液点 质点M（x，y）
13
图5 立式离心铸造时金属液径向断面上的自由表面
第一节 铸件在离心力场中的成形特点 由水力学中的欧拉方程：
dP (Xdx Ydy Zdz)
式中：dP—相对静止液体中距离为dl（其坐标轴上 的分量相应为dx，dy，dz）两点间的压力差。
X,Y,Z—作用在所视液体质点上的单位质量力，即 由质量为1的液体质量引起的力。
15
第一节 铸件在离心力场中的成形特点
其x方向单位质量力 X＝mw2x w2x
(1)式
X1最大值由铸型结构和浇注的金属液的量决定。 则，可提高转速n，减小壁厚差；铸件越高，壁厚 差也越大。 生产中要控制壁厚差，则要控制铸型转速。
由式h w2 x12 w2 x22 , 及w πn / 30, 2g 2g
19
第一节 铸件在离心力场中的成形特点
转速n
30 π
2gh 42.3
h
K (2x1 K )
26
第一节 铸件在离心力场中的成形特点 由①，②得 FA>FB FA－A断面金属液流动的有效面积
即，自由表面将下移动。 3.金属凝固和粘性阻力对自由表面的影响
（1） 结果：在凝固后的铸件上不会出现内表面的偏心。 （2） 原因分析：
27
第一节 铸件在离心力场中的成形特点
① 金属液由外壁向内表面等速凝固，则靠近内表 面处的液体金属厚度减薄（即FA接近FB），使 e减小。
2 xdx 2 ydy 0 移项后，积分得 x2 y2 r02
此圆方程即为自由表面在横断面上的曲线方程。
据此可推断，卧式离心铸造时，若不考虑重力场 影响，金属液自由表面是以旋转轴为轴线的圆柱面。
（考虑重力场，卧式离心铸造时金属液自由表面应 为近圆柱形表面，会引起偏心）。
25
第一节 铸件在离心力场中的成形特点
3）由于离心力的作用，改善了补缩条件，气体和非金属 夹杂也易于自液体金属中排出，因此离心铸件的组织较致 密，缩孔（缩松）、气孔、夹杂等缺陷较少；
8
概述
4）消除或大大节省浇注系统和冒口方面的金属消耗；
5）可利用金属液向外侧物体渗透的能力，在铸件外表 面上获得铸渗层，改善铸件表面性能。
6）铸件易产生偏析，铸件内表面较粗糙。内表面尺寸 不易控制。 7）适于离心铸造成形的铸件形状类型较少，但可生产 任何合金铸件，可采用多种铸型。
y w2x2 2g
（4）式
此方程为抛物线方程，顶点为坐标原点，据此可推 断立式离心铸造时，金属液自由表面为一绕垂直轴的回 转抛物面。
2.立式离心铸造时铸件上下端面的壁厚差及所需铸型转速
17
第一节 铸件在离心力场中的成形特点
壁厚差K＝x1 x2 (自由表面上的两点（ x1, y1), (x2 , y2 ))
1 2，上浮
1 2，下沉
40
第一节 铸件在离心力场中的成形特点
（2）离心力场中，内浮、外沉速度VL的斯托克斯公 式：
VL d 2 (1 2 ) 2 r /18 （12）
1
，向自由表面内浮
2
1
，向外表面外沉
2
由（11），（12），得：
41
第一节 铸件在离心力场中的成形特点
VL 2r / g G
总之，离心铸造主要用来生产大批套、管类铸件，如 铸铁管、铜套、钢套、双金属钢背铜套等。此外，还可以 用于轮盘类铸件，如泵轮、电机转子等铸件的制造 。
9
第一节 铸件在离心力场中的成形特点
一、离心力场 1、离心力场定义
离心铸造时，金属液作绕中心O的圆周运动，如 果把旋转着的金属液所占的体积看作一个空间，在这 一空间中，每一质点都产生如mw2r那样的离心力， 这一空间就称为离心力场。见图4。 2、有效重度的定义 (1)有效重度：单位体积的物质所产生的离心力ρw2r, 可类比重度：ρg。
特种铸造讲义
离心铸造
1
概述
1、实质 离心铸造是将液体金属浇入旋转的铸型中，使液体
金属在离心力的作用下充填铸型和凝固成形的一种铸造 方法。 2、分类（一）：铸型旋转轴在空间的位置分类
（1）立式离心铸造：旋转轴垂直，适用于生产高度小 于直径的圆环铸件。有时也生产异形铸件。见图1。
（2）卧式离心铸造：旋转轴水平，适用于生产长度大 于直径的筒、管类铸件。见图2。
10
第一节 铸件在离心力场中的成形特点 （2）重力系数
G= ρw2r/ ρg= w2r/ g 离心铸造时，金属的有效重度常比其重度大几十 倍至一百多倍。其自由表面的有效重度最小。
11
图4 离心力场示意图
第一节 铸件在离心力场中的成形特点
二、离心力场中液体金属自由表面的形状 （自由表面：与空气接触的等压面。）
y 2x2 / 2g
（式8）可由：
推导
pr
2
2
(r 2
r02 )
h y y 2 (r 2 r 2)
上
2 g 下
0上
0下
2gh 2 (r 2 r 2 ) （式9）
0上
0下
37
第一节 铸件在离心力场中的成形特点
又 P P 2 [( x2 r 2 ) (x2 r 2 )]
下
上
2
30
第一节 铸件在离心力场中的成形特点
（2）推导： 截取卧式离心铸造时金属液的横断面，如图9所示，
（取r处质点M），由欧拉方程式：
dP ( Xd x Ydy Zdz)
∵ 对r处质点M（x,y）
单位质量力为 2r
其X方向分量为 2x X
其y轴方向的分量为 2y＝Y
其z轴方向的分量为Z 0
1.金属液在垂直于轴线的横断面上的曲线方程 垂直于旋转轴截取金属液横断面，如图7。 在旋转角速度为w的金属液表面上，任取一质点M(x ,y ), 不考虑重力场的作用。
22
图7 卧式离心铸造时，金属液横断面上的自由表面
第一节 铸件在离心力场中的成形特点
则由欧拉方程：
dP (Xdx Ydy Zdz)
31
M（x,y）
图9 卧式离心铸造时旋转液体中的单位离心质量力
第一节 铸件在离心力场中的成形特点
则取r＝r0至r处的定积分。
Pr Pr0
r r0
(2xdx 2 ydy)
自由表面离心压力 pr0 0,则
Pr
2
2
r d(x2 y2)
r0
2
2
r dr 2
r0
2
2
(r 2
r02 )
下
0下
上
0上
（同一回转面x上＝x下）
2 (r2 r2 )
2
0上
0下
（式10）
将（式9）代入（式10），得
P P 2gh gh
下
上2
38
第一节 铸件在离心力场中的成形特点
（四）离心力场中金属液内异相质点的径向运动
1. 异相质点的概念 与金属液主体不能溶合的另一种组成的金属液滴，包括
气泡、夹杂物，不能互溶的合金组元，凝固析出的晶粒等， 称为异相质点。异相质点被金属液主体所包围。
（式6）
33
第一节 铸件在离心力场中的成形特点
此即为旋转金属液中旋转半径为r处的金属液中的 离心压力计算式。
在r＝R处（铸件外表面），
PR
2
2
(R2
r02 )（式7）
3.立式离心铸造时，离心压力计算式与（式6、7）相同。
Pr
2
2
(r 2
r02 )
34
第一节 铸件在离心力场中的成形特点
在立式离心铸造时，r0并非定值，而随铸件高度变化而 变化，在同一回转面上部，金属液离心压力较小（因r0值 较大），在下部，离心压力较大。上、下两点离心压力差
② 凝固时，温度下降导致粘度增大，从而使VA与 VB差别减小，也即FA与FB差别减小，使e减小。
4.卧式铸件内表面形状的歪曲（如图8所示） （1）结果：L为浇注区，易形成下凹曲面。 （2）原因：L处金属液最后凝固，得不到充分金属液 补缩。
28
a)
b)
图8 卧式铸件内表面形状的歪曲
第一节 铸件在离心力场中的成形特点
y方向单位质量力 Y＝w2 y g
(2)式
因自由表面为一回转面，故可不考虑Z
因自由表面上无压力差（为等压面），故:
dP＝0＝（Xdx Ydy） (3)式
将（1）、（2）代入（3）式，得：
w 2xdx gdy 0
16
第一节 铸件在离心力场中的成形特点
立式离心铸造金属液自由表面在径向断面上所表 现的曲线方程式：
2.重力对自由表面的影响
（1）结果：仅考虑重力场的影响，自由表面的轴线将向 下移动e的距离。 （2）原因分析：
① 最高点A处金属液，向最低点B处移动，在重 力场作用下，速度增加，即VA<VB；
② 另，由等流量连续流动方程（将金属液的运动 空间视为自由表面和铸型壁所组成的封闭环。）
VAFA VB FB
为：（即重力场引起的压力差）。（如图10）
P下 P上 gh
（式8）
式中，P上－同一回转面上上部某点处的离心压力
P下－同一回转面上下部某点处的离心压力 h－上、下两点的高度差。
35
●M上（x上，y上） ●M下（x下，y下）
图10 立式离心铸造，同一回转面， 上、下两点离心压力差
第一节 铸件在离心力场中的成形特点