离心力场中液态合金自由表面的形态

铜合金铸件铸造技术课程离心铸造理论——离心力场中液态合金自由表面的形状引入1立式离心铸造液态合金自由表面形状分析2

.卧式离心铸造时液态合金自由表面的形状分析3离心力场中液态合金自由表面的形状金属液在水平铸型内的轴向运动14

在重力场中，向铸型中浇注金属液，其自由表面总呈水平状态，如果不考虑凝固收缩的因素，铸型中与空气接触的铸件上表面也应该是平面。离心铸造时，通常不用型芯铸出中空的回转体铸件，其内表面是在离心力的作用下所形成的，液态金属的自由表面形状决定了铸件内表面的形状，所以很有必要研究离心铸造时液态合金自由表面的形状。离心力场中液态合金自由表面的形状1.引入图3立式离心铸造时液态合金径向断面上的自由表面形状示意图1-旋转轴2-铸型3-液态合金2.立式离心铸造液态合金自由表面形状分析在旋转的铸型中，浇注到铸型中的液态合金经过一定时间后就获得了与铸型相同的角速度而处于相对静止状态。由于自由表面上的每一点都与大气接触，各点所受的压力都为一个大气压，因此自由表面为等压面。根据流体静力学原理，处于静止的液体中等压面上的液体质点，应满足下述条件：

Xdx+Ydy+Zdz=0式中X、Y、Z——表示自由表面上质点M在x、y、z轴向上所受力的投影；

dx、dy、dz——M质点在x，y、z轴上微小位移的投影。由图3可知，自由表面上质点M受一离心力X=mω2x和一重力Y=mg，因自由表面为回转面，故可以不考虑Z铀上的分力，所以此时的微分方程为：

积分后得

当坐标原点在曲线顶点时，C=0，因此得

结论：液态合金的自由表面形状为一旋转抛物面，所获得的铸件是上部壁薄，下部壁厚。当铸件高度愈小，内径愈大，转速愈高时，铸件上下部位壁厚差愈小；反之，壁厚差愈大。所以立式离心铸造多用来浇注高度不大于内孔直径的铸件。卧式离心铸造时，如图4所示为截取液态合金的横断面，在液态合金的自由表面上任取一质量为m的质点M，如果只考虑离心力场的作用，而不考虑重力场的影响，则该质点所受离心力在X轴方向上的分力为x=mω2r0cosα=mω2x，离心力在y轴方向上的分力y=mω2r0sinα=mω2y，离心力在旋转方向(即Z轴)上的分力为z=0。得mω2xdx+mω2ydy=0积分后得x2+y2=C当x=r0，y=0时，积分常数C=r02

，于是液态合金自由表面的曲线方程式为x2+y2=r02

3.卧式离心铸造时液态合金自由表面的形状分析分析结论（1）此式为一圆方程式，卧式离心铸适如果不考虑重力场的影响，液态合金的自由表面应以旋转轴为轴线的圆柱面。（2）卧式离心铸造时，由于重力场的影响，液态合金的自由表面必然会下移，从而出现了液态合金的圆柱形内表面向下偏移e距离的现象。但在铸件凝固过程中，四周的冷却条件相同，每旋转一周，铸型内靠近型壁的各点均需经过圆周上的所有位置，机会是相等的。这样，铸件外圆的凝固层厚度是均匀的。随着铸件凝固层的增长和液态合金粘度的增大，使偏心值e逐渐减小，直至完全消失，最终获得的仍是圆柱形表面内孔铸件。结论（3）在实际生产中另一影响铸件壁厚差的因素是铸型的跳动。如果铸型不能始终在一根轴线上旋转而有所跳动，则铸件，尤其是长的铸管壁厚会严重不均，在拔管后冷却过程中可使铸管产生弯曲，严重时可断裂。根据有关资料，对长的金属型，要求径向跳动应小于0.3～0.5mm。金属液进入铸型不仅会产生径向运动，而且也在浇注压头及旋轴倾角（浇注长管时为方便轴向运动）的作用下产生轴向运动。浇注压头越大、旋转轴倾角越大、金属液与铸型摩擦力越小以及铸型转速越抵、冷却能力越弱，金属液在铸型内的轴向流动就越大。4.金属液在水平铸型内的轴向运动图5为定点浇注时，金属液作轴向流动的模型示意图。图中数字1、2、3代表进入铸型的金属液次序，即第一股金属液进入铸型，由于铸型冷却，温度下降甚至开始凝固，金属液只能流到一定距离。温度较高的第二股金属液进入便在第一股上流动，并超过第一股流，以此类推，金属液以层状形式作轴向运动。浇注套筒形铸件以及管子，都采用水平离心铸造方法，这时根据铸型种类，特别是根据铸型长度可采用短流槽（定点）浇注与长流槽（不定点、移动式）浇注。4.金属液在水平铸型内的轴向运动分析在短流槽浇注时，铸型在浇注时不转，有助于金属液按层状形式进行轴向流动，流到铸型的另一端，但此时金属型温度会严重不均匀，引起金属型变形，同时在浇完后再启动旋转，因转动惯量不同使铸型产生严重径向圆跳动而不能正常生产，甚至铸型损坏。使用短流槽浇注，铸型在较低速度下浇入(转速低，不能全部带起金属)，此时金属液在铸型内流动状态如图6所示：金属液在少许离心力作用下在铸型内分布面较宽，散热面大温降快，但很小的离心力不会使原先金属液具有的初速度减少很多，仍可在足够高的温度下流到铸型末端，此时铸型在旋转，受热均匀。当金属液进到另一瑞时，铸型可迅速提速达到额定转速完成整个铸造过程。分析分析采用此种工艺在刚提速时，因浇入处金属液较多，会有一些雨淋现象，在额定转速下，后续金属液会在高的浇注压力差及离心力的双重作用下按螺旋方式继续向前流动，此时铸件并未完全凝固，仍能获得较为均匀的壁厚。短流槽不宜用于长管生