立式离心铸造的铅锡合金铸造机结构改进设计_付学敏

Vol.37No.02Feb. 2016

DOI:10.16410/j.issn1000-8365.2016.02.045

铸造技术

FOUNDRY TECHNOLOGY

·359·

立式离心铸造的铅锡合金铸造机结构改进设计

付学敏，罗

摘

纲，杜碧华，曹选平

(成都纺织高等专科学校机械工程学院，四川成都610023)

要：分析了中空结构低熔点合金制件在立式离心铸造成型过程中质点受力状态，据此指出离心成型过程出现

的壁厚不均现象的原因及解决方案，并提出在旋转过程中融入摆动运动以改善壁厚不均现象的方法，分析了该方法的可行性及相关工艺参数优化，且设计一种改进型摆动离心成型设备。通过实验验证了该设备对离心成型过程中壁厚不均现象具有改善作用。

关键词：立式离心铸造；铅锡合金；壁厚中图分类号：TG233.3

文献标识码：A

文章编号：1000-8365(2016)02-0359-03

Improved Design on Structure of Vertical Centrifugal Casting Machine

for Pb-Sn Alloy

FU Xuemin, LUO Gang, DU Bihua, CAO Xuanping

(College of Mechanical Engineering, Chengdu Textile College, Chengdu 610023, China )

Abstract ：the particle force state of low melting point alloy in hollow structure castings was analyzed in vertical centrifugal casting process, and the causes and solutions of the inequality phenomenon of wall thickness in centrifugal molding process were pointed out. An improved swing centrifugal molding equipment was designed. The experiments show that the equipment for centrifugal molding process has an improvement action in the inequality phenomenon of wall thickness. Key words ：vertical centrifugal casting; Pb-Sn alloy; wall thickness

立式离心成型在成型制件过程中，铸型绕垂直轴旋转，液态金属在离心力作用下在铸型中形成中空圆柱型自由表面，成型过程中不需要型芯便可成型中空制件。但是立式离心铸造成型方法在成型轴向尺寸较大的制件时，容易出现较大壁厚差，在对一批壁厚要求为2mm 的铅锡合金管制品的生产过程中，发现制件不同部位平均壁厚与制件高度变化呈现较大差值，各测量相同直径不同高度的制件10件，计算不同部位平均壁厚数据见表1。

表1铅锡合金铸管壁厚与高度表

造过程中，增加径向摆动运动，以改善其壁厚情况。

1壁厚差原因分析

立式离心成型方式工作原理见图1，将熔化的

金属液注入立式铸模中，在底部回转轴的作用下，金属液在离心力的作用下紧贴在模具表面，冷却后便形成制品[1-4]。在立式离心成型过程中，金属液在模具内受离心力、重力综合作用，从单一质点来看，其受力模型见图2。

Tab.1The wallthickness andheightofPb-Snalloycast tube

直径

高度

/mm100100100

/mm100150200

上部平均壁厚/mm中部平均壁厚/mm下部平均壁厚/mm

1.611.311.23

1.711.521.43

2.222.222.23

液态金属

铸模

由表中数据可见，相同直径制件高度尺寸越大，则壁厚差越大。对于一些要求精度高的中空制件，单纯的离心铸造工艺不能达到制造要求，考虑在铸

收稿日期:2015-01-09

基金项目:四川省教育厅纯锡制品成型技术研究（13ZB0097）作者简介:付学敏（1972-），四川成都人，工程硕士，讲师. 主要研究方

向：金属铸造技术、机械设计与制造、CAD/CAM技术. 电话：[1**********]，E-mail ：[email protected]

图1立式离心铸造原理图

Fig.1Schematic diagram of vertical centrifugal casting

根据质点在模具型腔中受力状态知[3，4]：

! ####" ####$

F x =m（x t （t ）w 2+2v xi （t ）w ）F y =m （y t （t ）w 2+2v yi （t ）w ）F z =mg

式中：y i 为旋转半径在y 轴上分量；v xi 为x 方向速度分量；v yi 为y 方向速度分量；w 为转速。

·360·

Z

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过摆动推动液态金属锡充填廓形复杂与局部细节结构。在摆动过程中主要作用力为模具表面与金属液

PX PZ PY

间的摩擦力。摩擦力的正压力来源在于离心力对模具的压力[7-9]。若使金属液向上运动的摩擦力等于重力，则可降低重力对壁厚的影响且便于成型制品细

Y

节结构。设液态金属质点质量为m ，该问题的目标化方程为：

X

图2立式离心成型过程中金属液受力图

min f （w ）=μmr 1w 1+μmr 2w 2-mg

式中：μ为金属液摩擦系数；w 1为主转速；w 2为摆动速度。

由重力系数公式

22

Fig.2Force diagram of molten metal in vertical centrifugal

casting process

可见，在立式离心设备成型过程中，液态金属在受离心力场作用的同时受重力场综合作用

该曲线方程为：

[5，6]

。其金

而n 1=30×w 1/π知：

n=29.9×（g /r 1）1/2

w 1=29.9×π（G /r 1）1/2/30w 2=29.9×π（G /r 2）1/2/30

为防止离心力造成模具变形，消去G 即：

属液自由表面形状为基于底部的抛物线型见图3。

z=r1w 1/2g

Z

R

2

22

h （w ）=900×w 1r 1/（29.92×π2）-900×w 2r 2/（29.92×π2）

r1

2

=0

该问题可以列出以下方程：

Y

e

h

min f （w ）=μmr 1w 1+μmr 2w 2-mg

式中：μ为金属液摩擦系数；w 1为主转速；w 2为摆动速度。

22

X

图3离心成型过程中金属液表面形状

Fig.3Surface shape of molten metal in vertical centrifugal

casting process

h （w ）=w 1r 1-w 2r 2

采用拉格朗日乘子法求解：

22

式中：w 1为离心转速；r 1为制品内壁半径。

可见，沿制件的高度方向，不可避免的会造成壁厚差，其值可由下式估算：

L （w, λ）=μmr 1w 1+μmr 2w 2-mg+λ（w 1r 1-w 2r 2）鄣L /鄣w 1=2μmr 1w 1-mg +2λw 1r 1=0鄣L /鄣w 2=2μmr 2w 2-mg-2λw 2r 2=0鄣L /鄣λ=w 1r 1-w 2r 2=0

求解联立方程知：

2

2

2222

e=r1-(r 1-2gh /w 1) 1/2

式中：h 为制品高度。

并由此可推出离心转速公式为：

22

w 1=(2gh /(r 1-(r 1-e ) 2)) 1/2=(2gh /(2r 1e-e 2)) 1/2

由上述方程可知：

（1）离心转速越高则壁厚差越小，但是单纯依靠转动提高离心力，壁厚差不能为零，而若要使壁厚差趋近为零，则转速需要达到很高，现有技术条件很难达到。

（2）制件径向尺寸越大即高度越高，则需要越高的离心转速以减小壁厚差。

（3）制件轴向尺寸越大，则需要的离心转速越低。

2

w 1=mg/（2μmr 1+2λr 1）w 2=mg/（2μmr 2+2λr 2）

λ=（（r 1/r 2）1/2μmr 2-μmr 1）/（r 1+r 2（r 1/r 2）1/2）

且w 1/w 2=（r 2/r 1）1/2

式中：r 1为中空件内径；r 2为摆动曲率内径。

由计算结果知，在立式离心铸造中，为减小重力场对制件壁厚的影响并便于细节结构的成型，可以通过增加沿制品高度方向的的摆动运动来部分实现，离心转速与摆动的速度之比为摆动半径与制件半径的平方根之比。

此外，在立式离心铸造过程中还应考虑铸型壁受到的离心压力，要求离心转速必须低于n max , 以保证铸型壁有足够的强度承受离心压力的影响[10]。

2摆动工艺改善壁厚分析

分析造成制件壁厚差的主要原因在于，在离心

成型过程中重力场对制件的作用，考虑在离心成型过程中增加摆动做功以减小重力场的影响，同时通

《铸造技术》02/2016付学敏，等:立式离心铸造的铅锡合金铸造机结构改进设计

2

·361·

n max =42.3×（（p max -γh ）/（γ（R 2-r 0））1/2

则

表2铅锡合金管高度与壁厚表

Tab.2The wall thicknessand heightofPb-Sn alloycasttube

直径

高度

w max =42.3×π（（p max -γh ）/（γ（R 2-r 0））1/2/30=

1.41×π（（p max -γh ）/（γ（R 2-r 0））1/2

式中：r 0、R 2、h 为制品的内径，外径及高度；γ为金属液重度；p max 为铸型能承受最大离心压力。

2

2

/mm100100100

/mm100150200

上部平均壁厚/mm中部平均壁厚/mm下部平均壁厚/mm

1.821.831.84

1.931.921.91

2.122.122.13

由表2中数据可见，通过增加摆动后，铅锡合金管制品壁厚差得到有效的改善，特别是管中部和上部壁厚差明显缩小，对于管下部壁厚差则无明显改变。

3铅锡合金离心铸造设备改进

铅锡合金性能稳定，熔点低，流动性好，收缩性小，

便于通过离心铸造成型形状复杂、薄壁的精密件[11]。但是由于铅锡合金冷却速度快，为防止热散失，考虑将金属的熔化过程与浇注过程置于同一工作台上，缩短浇注流程。并根据上述分析，增加摆动做功。由此设计了一款可通过空间凸轮机构实行铸模上下摆动的一体化成型设备见图4。其工作原理为，变速电机

5讨论

（1）为实现多种转速的匹配，空间凸轮可以设

计多重廓形，以便调节。

（2）对于变半径制品，在离心成型过程中，若需消除重力场的影响，则同时需要摆动过程也是变半径的过程。但是在计算中常常采用平均半径，结果产生较大误差。参考文献：

[1]

林雪冬，吕循佳，刘昌明．重力/离心铸造工艺制备

10安装在电机架9上，电机通过联轴器带动转轴旋

转，转轴上安装有转盘，空间凸轮安装在中间架上，当推杆沿着空间凸轮转动的同时，推杆推动模具转动。由于铅锡合金凝固速度很快，在成型过程中应保持模内温度200℃左右，并且为尽量减少在浇注过程中的热散失，在模具上方安装一高度可调熔炉，打开阀门3，金属液直接注入模具内。（该设备已取得专利）

[**************]

78123456

Al-9Ni-19Si 复合材料组织与性能的对比研究[J]．铸造技术，2014，35(2)：341-345．[2][3][4][5][6][7][8]

熊光耀，郑美珠，赵龙志．铸造法制备金属基复合材料的研究现状[J]．铸造技术，2011，32(4)：563-565．

张泽磊，杨刚，杨屹．离心铸造研究现状[J]．铸造技术，

2010，31(11)：1517-1521．

李锡年．立式离心铸造技术及其应用[J]. 铸造技术，1999，20

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李强，李殿中，钱百年．元胞自动机方法模拟枝晶生长[J]．物理学报，2004，53(10):3477-3481．

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3048-3058．

1-熔化炉；2-加热器；3-开关阀；4-铸型块；5-铸型转轴6-铸型支架；7-空间凸轮；8-离心转轴；9-电机架；10-变速电机

11-铸型转台；12-轴承；13-机座；14-高度调节手轮

15-支撑架；16-联轴器

[9]

ZHAIYan-bo ，LIUChang-ming ，WANGKai ，et al ．Characteristics of two Al based functionally gradient composites reinforced by primary Si particles and Si/insitu Mg_2Siparticles in centrifugal casting[J]．Transactions of Nonferrous Metals Society of China ，2010，03：361-370．[10]

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图4摆动离心成型机结构简图

Fig.4Structure diagram of swing-type centrifugal

casting equipment

4设备改进后效能分析

采用该设备生产同一种批铅锡合金管，熔化炉

温度为240℃，旋转转速为2680r/s，摆动速度为

200r/s，各测量相同直径不同高度的制件10件，计

算不同部位平均壁厚得出表2中数据。