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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(diǎn) 1 1.2.2離心鑄造機(jī)的分類與應(yīng)用 1 1.3離心鑄造機(jī)的國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀 3 第二章 總體方案設(shè)計(jì)與工藝參數(shù)選擇 4 2.1設(shè)計(jì)要求 4 2.2方案設(shè)計(jì) 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(shè)計(jì) 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(jī)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(dòng)時(shí)間 6 2.4原理分析 6 第三章 動(dòng)力與傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 9 3.1電動(dòng)機(jī)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(jì)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(dòng)齒輪的設(shè)計(jì) 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(qiáng)度設(shè)計(jì) 11 3.4.3按齒根彎曲強(qiáng)度設(shè)計(jì) 13 3.4.4幾何尺寸計(jì)算 14 3.5軸的設(shè)計(jì) 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(shè)計(jì) 20 4.1離心鑄造常用鑄型 20 4.2金屬型的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 20 4.3金屬型參數(shù)的計(jì)算 21 4.3.1襯套設(shè)計(jì) 21 4.3.2后蓋的設(shè)計(jì) 21 4.3.3擋板的設(shè)計(jì) 21 4.4金屬型轉(zhuǎn)速的計(jì)算 21 總 結(jié) 24 參考文獻(xiàn) 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(jī)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(shè)、西氣東輸?shù)软?xiàng)目上我大力投資，以及汽車作為支柱產(chǎn)業(yè)的興起，預(yù)計(jì)到2020年，用離心鑄造生產(chǎn)的鑄件，每年可達(dá)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(dòng)機(jī)缸套、雙金屬鋼背銅套、造紙機(jī)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(shè)計(jì)出性能更優(yōu)良的離心鑄造機(jī)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(diǎn) 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(jī)器稱為離心鑄造機(jī)。 根據(jù)力學(xué)中的慣性，處于旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下的金屬液質(zhì)點(diǎn)相應(yīng)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(diǎn)。 ?由于離心鑄造時(shí)，液體金屬是在旋轉(zhuǎn)情況下充填鑄型并進(jìn)行凝固的，因而離心鑄造便具有下述的一些特點(diǎn)： （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(shí)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(dòng)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(bǔ)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(jī)的分類與應(yīng)用 近年來，離心鑄造機(jī)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(jī)分為： （1）立式離心鑄造機(jī) 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(jī)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(jī)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(dòng)機(jī) （2）臥式離心鑄造機(jī) 臥式離心鑄造機(jī)的鑄型是繞水平軸旋轉(zhuǎn)的，如圖1-2所示，在這種機(jī)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(jī)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(jī)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(gè)專利是1809年由英國人Erchardt提出的，直到上世紀(jì)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。現(xiàn)在離心鑄造已經(jīng)是一種應(yīng)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(jī)械化，自動(dòng)化的離心鑄造機(jī)，有年產(chǎn)量達(dá)數(shù)十萬噸的機(jī)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(dá)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(gè)專利。 1849年，英國人安德魯?遜克制作出第一臺離心鑄管機(jī)，而后生產(chǎn)了長達(dá)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(jī)。 1910年德國人奧托?勃里代發(fā)明用移動(dòng)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(yīng)用于生產(chǎn)汽缸套、炮身、鼓輪等鑄件。 在20世紀(jì)40年代出現(xiàn)了用離心鑄造法生產(chǎn)雙金屬復(fù)合冶金軋輥的工藝。 第二章 總體方案設(shè)計(jì)與工藝參數(shù)選擇 2.1設(shè)計(jì)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(jī)是離心鑄造的主要設(shè)備之一，本次設(shè)計(jì)要求設(shè)計(jì)臥式離心鑄造機(jī)，并且滿足如下功能，其結(jié)構(gòu)簡圖如圖2-1 （1）離心機(jī)內(nèi)缸要求能夠改變大小；（2）離心機(jī)軸承裝置要求有三種變速。 圖2-1 臥式離心鑄造機(jī)結(jié)構(gòu)簡圖 2.2方案設(shè)計(jì) 2.2.1總體方案 總體結(jié)構(gòu)方案按照設(shè)計(jì)要求，結(jié)構(gòu)方案簡圖如圖2-1，該臥式離心鑄造機(jī)包含電動(dòng)機(jī)、聯(lián)軸器、傳動(dòng)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(shè)計(jì)要求（1）離心機(jī)內(nèi)缸要求能夠改變大小，采用六個(gè)活動(dòng)卡盤固定金屬型，活動(dòng)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(dòng)活動(dòng)卡盤調(diào)節(jié)離心機(jī)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(shè)計(jì) 根據(jù)設(shè)計(jì)要求（2）離心機(jī)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(jī)與之匹配，并且在速度切換時(shí)需要更換電機(jī)和變速軸承；本次設(shè)計(jì)為了實(shí)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(shè)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(yīng)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(jī)轉(zhuǎn)速的確定 離心機(jī)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(yàn)方法來確定，見表2-2所示。 表2-2離心機(jī)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(shè)計(jì)的離心機(jī)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(shè)計(jì)為管狀零件，金屬液充型時(shí)遇到阻力較小，又有離心壓力或離心力加強(qiáng)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(jī)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(shí)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(dòng)時(shí)間 當(dāng)金屬液注入金屬模后，要有足夠的時(shí)間使液態(tài)金屬轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)金屬，整個(gè)轉(zhuǎn)變過程是在離心機(jī)旋轉(zhuǎn)過程中進(jìn)行的，不可以停機(jī)。若是過早停機(jī)，鑄件將會(huì)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(shí)停機(jī)、取件。一般轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)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(diǎn)的旋轉(zhuǎn)速度（r/min） r—液體金屬任意點(diǎn)的旋轉(zhuǎn)半徑（cm） g—重力加速度 m—金屬液質(zhì)點(diǎn)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(diǎn)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(yuǎn)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(shí)，液體金屬內(nèi)部的重力場與鑄件壁上的重力場一樣，也會(huì)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(diǎn)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(jì)，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(shí)，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(shí)，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(dòng)力與傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 3.1電動(dòng)機(jī)的選擇 帶動(dòng)鑄型旋轉(zhuǎn)的電動(dòng)機(jī)以在啟動(dòng)鑄型，克服鑄型慣性達(dá)一定轉(zhuǎn)速時(shí)所需的功率為最大，所以離心鑄造機(jī)上電動(dòng)機(jī)應(yīng)按啟動(dòng)時(shí)所需功率進(jìn)行選擇： N= 式中： ----機(jī)器上各傳動(dòng)件啟動(dòng)時(shí)所需功率總和， -------某一傳動(dòng)件質(zhì)量（kg） ------某一轉(zhuǎn)動(dòng)件的最大旋轉(zhuǎn)直徑。（m） ------某一轉(zhuǎn)動(dòng)件在啟動(dòng)后的最大轉(zhuǎn)速 k ------安全系數(shù)。1.1—1.3 ------傳動(dòng)效率安全系數(shù)，一般取0.7—0.8 t------啟動(dòng)時(shí)間.秒,一般取4—8秒. 計(jì)算如下: 選擇電動(dòng)機(jī)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(jī)構(gòu)中的兩根軸（主動(dòng)軸和從動(dòng)軸）使之共同旋轉(zhuǎn)以傳遞扭矩的機(jī)械零件。在高速重載的動(dòng)力傳動(dòng)中，有些聯(lián)軸器還有緩沖、減振和提高軸系動(dòng)態(tài)性能的作用。聯(lián)軸器由兩半部分組成，分別與主動(dòng)軸和從動(dòng)軸聯(lián)接。一般動(dòng)力機(jī)大都借助于聯(lián)軸器與工作機(jī)相聯(lián)接。 對于已標(biāo)準(zhǔn)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(jì)算轉(zhuǎn)矩 運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，可能出現(xiàn)動(dòng)載荷及過載荷等現(xiàn)象，所以，應(yīng)取軸上的最大的最大轉(zhuǎn)速作為計(jì)算轉(zhuǎn)矩。如最大轉(zhuǎn)矩不能精確求得時(shí)，可按下式計(jì)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(jì)算轉(zhuǎn)矩，N.m Ka-工作情況系數(shù)，小型機(jī)械故選=1.3 3.2.2確定聯(lián)軸器的型號及尺寸 根據(jù)計(jì)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(gè)范圍。標(biāo)準(zhǔn)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(jì)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(diǎn)特點(diǎn)：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(shí)或圓周速度大于30米/秒時(shí)應(yīng)用鑄鋼或鍛鋼。在本次設(shè)計(jì)中聯(lián)軸器材料選取碳鋼Q235。 3.3軸承的選擇 滾動(dòng)軸承是將運(yùn)轉(zhuǎn)的軸與軸座之間的滑動(dòng)摩擦變?yōu)闈L動(dòng)摩擦，從而減少摩擦損失的一種精密的機(jī)械元件。滾動(dòng)軸承一般由內(nèi)圈、外圈、滾動(dòng)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(dòng)體是借助于保持架均勻的將滾動(dòng)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(dòng)軸承的使用性能和壽命；保持架能使?jié)L動(dòng)體均勻分布，防止?jié)L動(dòng)體脫落，引導(dǎo)滾動(dòng)體旋轉(zhuǎn)起潤滑作用。 滾動(dòng)軸承的作用，支承轉(zhuǎn)動(dòng)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(dòng)軸承使用維護(hù)方便，工作可靠，起動(dòng)性能好，在中等速度下承載能力較高。與滑動(dòng)軸承比較，滾動(dòng)軸承的徑向尺寸較大，減振能力較差，高速時(shí)壽命低，聲響較大。 圓柱滾子軸承[13]是滾動(dòng)軸承中最為普通的一種類型?；拘偷膱A柱滾子軸承由一個(gè)外圈，一個(gè)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(yīng)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(shí)承受徑向載荷和軸向載荷。當(dāng)其僅承受徑向載荷時(shí)，接觸角為零。當(dāng)圓柱滾子軸承具有較大的徑向游隙時(shí)，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(shè)計(jì)選擇單列圓柱滾子軸承，代號是61807，規(guī)格為。 3.4傳動(dòng)齒輪的設(shè)計(jì) 本臥式離心機(jī)采用三級變速，前述選定變速范圍為500~1000r/min，電機(jī)轉(zhuǎn)速為1500r/min。 因此選定三級變速的傳動(dòng)比為： 傳動(dòng)比越大轉(zhuǎn)速越低，轉(zhuǎn)矩越大，第三級齒輪傳動(dòng)比最大，本次計(jì)算以第三級齒輪為例進(jìn)行計(jì)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(qiáng)度設(shè)計(jì) 由設(shè)計(jì)計(jì)算公式進(jìn)行試算，即 1） 確定公式各計(jì)算數(shù)值 （1）試選載荷系數(shù) （2）計(jì)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(qiáng)度極限 大齒輪的接觸疲勞強(qiáng)度極限 （6）由式6.11計(jì)算應(yīng)力循環(huán)次數(shù) （7）由圖6.16查得接觸疲勞強(qiáng)度壽命系數(shù) （8）計(jì)算接觸疲勞強(qiáng)度許用應(yīng)力 取失效概率為1％，安全系數(shù)為S=1，由式10-12得 （9）計(jì)算 試算小齒輪分度圓直徑，代入中的較小值 計(jì)算圓周速度v 計(jì)算齒寬b 計(jì)算齒寬與齒高之比b/h 模數(shù) 齒高 計(jì)算載荷系數(shù)K 根據(jù)，7級精度，查得動(dòng)載荷系數(shù) 假設(shè)，由表查得 由于載荷中等振動(dòng)，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(shí)際的載荷系數(shù)校正所算得的分度圓直徑，由式可得 （11）計(jì)算模數(shù)ｍ 3.4.3按齒根彎曲強(qiáng)度設(shè)計(jì) 彎曲強(qiáng)度的設(shè)計(jì)公式為 （1）確定公式內(nèi)的計(jì)算數(shù)值 由圖6.15查得 小齒輪的彎曲疲勞強(qiáng)度極限 大齒輪的彎曲疲勞強(qiáng)度極限 由圖6.16查得彎曲疲勞壽命系數(shù) 　 計(jì)算彎曲疲勞許用應(yīng)力 取失效概率為1％，安全系數(shù)為S=1.3，由式１０－１２得 計(jì)算載荷系數(shù) （2）查取齒形系數(shù) 由表6.4查得　 （3）查取應(yīng)力校正系數(shù) 由表6.4查得 　 （4）計(jì)算大小齒輪的，并比較 大齒輪的數(shù)據(jù)大 （5）設(shè)計(jì)計(jì)算 對比計(jì)算結(jié)果，由齒面接觸疲勞強(qiáng)度計(jì)算的模數(shù)m大于由齒根彎曲疲勞強(qiáng)度計(jì)算的模數(shù)，可取有彎曲強(qiáng)度算得的模數(shù)4.64mm，圓整取標(biāo)準(zhǔn)值m＝5.0mm 并按接觸強(qiáng)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(jì)算 （1）計(jì)算分度圓直徑 （2）計(jì)算中心距 （3）計(jì)算齒寬寬度取 序號 名稱 符號 計(jì)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(shè)計(jì) 軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是要確定軸的合理外形，包括各段軸長、直徑及其他細(xì)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(gè)確定形式，而是隨著工作條件與要求的不同而不同。設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮以下三點(diǎn)： （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(jìn)行軸的設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)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(qiáng)度。軸一般在變應(yīng)力下工作，多數(shù)因疲勞而失效。因此應(yīng)設(shè)法提高軸的疲勞強(qiáng)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(jià)廉，對應(yīng)力集中的敏感性較低，同時(shí)也可以用熱處理的方法提高其耐磨性和抗疲勞強(qiáng)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(jìn)行軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)前提，它決定這軸的基本形式。所謂裝配方案，就是預(yù)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(jī)設(shè)計(jì)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(jī)功率，為4KW； n是鑄型轉(zhuǎn)速，為950r/min； C是計(jì)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(yīng)，選擇輸出軸的直徑為25mm，半聯(lián)軸器與從動(dòng)軸直徑28mm，此處設(shè)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(dāng)量彎矩計(jì)算軸的強(qiáng)度或直徑已足夠精確。但由于上述計(jì)算中沒有考慮應(yīng)力集中、軸徑尺寸和表面品質(zhì)等因素對軸的疲勞強(qiáng)度的影響，因此對于重要的軸，還需要進(jìn)行軸危險(xiǎn)截面處的疲勞安全系數(shù)的精確計(jì)算，評定軸的安全裕度。本次設(shè)計(jì)軸的材料為45鋼。即建立軸的危險(xiǎn)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(yīng)力按對稱循環(huán)變化，故當(dāng)軸不轉(zhuǎn)動(dòng)或載荷隨軸一起轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，考慮到載荷波動(dòng)的實(shí)際情況，彎曲應(yīng)力可作為脈動(dòng)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(dòng)的轉(zhuǎn)軸，常規(guī)之為按脈動(dòng)循環(huán)變化，即；若軸經(jīng)常正反轉(zhuǎn)，則應(yīng)按對稱循環(huán)處理，即。 對于應(yīng)力循環(huán)嚴(yán)重不對稱或短時(shí)過載嚴(yán)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(yīng)按尖峰載荷校核的靜強(qiáng)度安全系數(shù)，其強(qiáng)度條件，如式。 式中-靜強(qiáng)度計(jì)算安全系數(shù)； 、-只考慮彎矩和扭矩時(shí)的靜強(qiáng)度安全系數(shù)； 靜強(qiáng)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(yīng)力。如式。 MPa MPa （1），分別為材料在彎曲和扭轉(zhuǎn)時(shí)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(yīng)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(qiáng)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(diǎn)，因此獲得了廣泛的應(yīng)用。 鍵是標(biāo)準(zhǔn)件，分為平鍵、半圓鍵、斜鍵等設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)根據(jù)各類鍵的結(jié)構(gòu)和應(yīng)用特點(diǎn)進(jìn)行選擇。 由于在離心機(jī)的設(shè)計(jì)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(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)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(dòng)聯(lián)接的情況下，出現(xiàn)過度磨損； 3）鍵被剪斷。 實(shí)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(huì)發(fā)生鍵被剪斷的現(xiàn)象。因此，平鍵聯(lián)接的強(qiáng)度一般只需進(jìn)行擠壓強(qiáng)度或耐磨性計(jì)算，但對重要的場合，也要驗(yàn)算鍵的強(qiáng)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(shè)計(jì) 4.1離心鑄造常用鑄型 離心鑄造時(shí)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(shí)具有一系列的優(yōu)點(diǎn)，所以在離心鑄造時(shí)廣泛地采用金屬型。 臥式懸臂離心鑄造機(jī)上的金屬型按其主體的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)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(diǎn)。 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(shè)計(jì) 金屬型必須以零件的大小作為標(biāo)準(zhǔn)，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(jì)算 4.3.1襯套設(shè)計(jì) 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(huì)發(fā)生收縮。故在設(shè)計(jì)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?yàn)后確定 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(shè)計(jì) 后蓋直徑d1、=d1=164mm 厚度n=20mm。 4.3.3擋板的設(shè)計(jì) 擋板的作用就是防止襯套在高速轉(zhuǎn)動(dòng)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(jì)算 實(shí)際生產(chǎn)中，常用一些經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算鑄型的轉(zhuǎn)速，并根據(jù)實(shí)踐情況進(jìn)行適當(dāng)修正，一般鑄型轉(zhuǎn)速在<15%的偏差時(shí)，不會(huì)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(jì)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(shí)的離心鑄造。 （2） 凱門公式計(jì)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(shí)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(shí)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(shí)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(shí)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(jì)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(shè)計(jì)中R=150mm，=130mm，，由上述4個(gè)公式得知，選取第3個(gè)，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(jìn)步，鑄造工業(yè)取得了長足的進(jìn)步，鑄造機(jī)器日益向快速，自動(dòng)，精確的方向發(fā)展，離心鑄造機(jī)作為特種鑄造的主要機(jī)種之一，有著非常好的前景。 畢業(yè)設(shè)計(jì)是大學(xué)學(xué)習(xí)階段一次非常難得的理論與實(shí)際相結(jié)合的學(xué)習(xí)機(jī)會(huì)，通過這次理論知識和實(shí)際設(shè)計(jì)的相結(jié)合，鍛煉了我的綜合運(yùn)用所學(xué)專業(yè)知識，解決實(shí)際工程問題的能力，同時(shí)也提高了我查閱文獻(xiàn)資料、設(shè)計(jì)手冊、設(shè)計(jì)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(xì)節(jié)的斟酌處理，都使我的能力得到了鍛煉，經(jīng)驗(yàn)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(xué)期的畢業(yè)設(shè)計(jì)，使我對離心鑄造有了進(jìn)一步的了解，在設(shè)計(jì)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(jī)械設(shè)計(jì)過程有了較全面的認(rèn)識，為今后的工作打下了基礎(chǔ)。 畢業(yè)設(shè)計(jì)由于時(shí)間的短暫，專業(yè)知識的欠缺，以及參考資料的不足，錯(cuò)誤之處在所難免，懇請各位老師和同學(xué)批評改正。 參考文獻(xiàn) [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(xué)，1963 [2] 姜不居.鑄造手冊（第六卷）特種鑄造.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2011.2 [3] 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 [4] 魏華勝.鑄造工程基礎(chǔ)[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社 2009. 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