1、轧机油膜轴承巴氏合金 离心浇铸过程的模拟分析,主要内容,课题综述离心铸造工艺特点及数学模型离心铸造过程模拟的理论基础及工具ProCAST软件模拟浇铸过程结论与展望,1,2,3,4,5,1、课题综述,1.1 油膜轴承结构形式,特点：承载能力大 使用寿命长 结构尺寸小 摩擦系数低 抗冲击能力强 抗污染能力强 润滑系统复杂,图1 轧机油膜轴承的结构组成,课题综述,1.2 离心浇铸的概念和特点 离心铸造：是一种被广泛采用的特种铸造工艺。将液态金属浇入旋转的铸型中，使之在离心力的作用下，完成充填和凝固成形的一种铸造方法.常用于生产铸管、铜套、缸套、轴承套等。特点 ： 1. 应用范围广 2. 浇铸灵活 3
2、. 铸件质量高,课题综述,1.3 离心浇铸数值模拟的必要性 存在的问题：液态金属成型过程不平稳和充填顺序不合理以及充型时间过长易于造成裹气、冷隔和浇不足等缺陷。铸造模拟的优势： 一方面是通过模拟分析充型过程中液态金属流动形态，预测上述缺陷，为浇注方式的修改提供依据； 另一方面为后续的凝固模拟分析提供必要的初始温度场。,课题综述,1.4 巴氏合金的特点巴氏合金是具有减摩特性的锡基和铅基轴承合金。由美国人巴比特发明而得名，因其呈白色，又称白合金。主要合金成分是锡、铅、锑、铜。,表1 锡基巴氏合金化学成分,课题综述,表2 锡基巴氏合金机械性能,表3 锡基巴氏合金物理性能,2、离心铸造工艺特点及数学模
3、型,2.1 离心铸造的分类 立式离心铸造：中间带有型芯的铸型绕竖直轴旋转，依靠合适的浇道来获得铸件的顺序凝固，如图2所示。卧式离心铸造：铸型绕其水平轴旋转，中间不采用型芯，形成的铸件内表面为自由表面，如图3所示。,图2 立式离心铸造 图3 卧式离心铸造,离心铸造工艺特点及数学模型,2.2 铸型转速的选择方法 铸型转速的选择主要应考虑如下二方面的问题: 保证液体金属进入铸型后，能迅速充满成型;保证获得良好的铸件内部质量，避免出现缩孔、缩松、火杂和气孔等;防止产生偏析、裂纹等缺陷。2.2.1 立式离心铸造自由表面形状及转速选择依据,图4 立式离心铸造时，液体金属轴向断面上自由表面的形状,离心铸造工
4、艺特点及数学模型,由欧拉公式可知，当液体质点受力的作用，在等压面上作微小位移时，应满足下述条件:,式中X、Y、Z分别为质点在x, y, z轴方向上所受的力。如图4可知：m为该质点的质量，g为重力加速度，转角速度矢量。将X及Y值代入位移公式，移项积分后得到：,离心铸造工艺特点及数学模型,在自由表面上取 和 两点，满足上述方程式的条件，可得：,h为铸件的高度，K为壁厚差。,将 和 代入上式，得到转速n为：,可根据铸件的高度h和允许的铸件壁厚差K，及铸件上部的内孔半径 和下部的内孔半径 ，来估算所需的铸型转速n。,离心铸造工艺特点及数学模型,2.2.2 卧式离心铸造自由表面形状及转速选择依据 在实际
5、生产中，为了获得组织致密的铸件，可根据液体金属自由表面(相应为铸件的内表面)上的有效重度值 或重力系数G值来确定铸型合适转速。 因为铸件内表面上的 及G值为最小，若已能满足质量要求，则在其他部位的质量也能得到保证。,图5 卧式离心铸造时，液体金属轴向断面上自由表面的形状,离心铸造工艺特点及数学模型,主要计算公式为,苏联康斯坦丁诺夫经过试验后提出: 不论液体金属的种类如何，只要在液体金属自由表面上的有效重度 ,就能保证获得组织致密的铸件。据此可推导出铸型转速的计算公式:,上式适用薄壁铸件，即铸件的外径R与内径 之比应小于1.15。,3 离心铸造过程模拟的理论基础及工具,3.1 充型过程液体力学基
6、础3.1.1 流体的性质 流体是一种在微小剪切应力作用下会发生变形的物质，不能承受拉力，但可承受压力和切应力。 通过分析可知，铸造充型过程是一个伴随热交换及凝固的非恒温的流动过程，金属液的流动遵循质量守恒，动量守恒和能量守恒定律。3.1.2 粘性流体的基本方程 A、连续性方程,其中 为密度， 为流体速度， 为矢量微分算子。,离心铸造过程模拟的理论基础及工具,B、动量守恒方程,其中 为偏微分算子， 为应力张量。,C、能量方程,其中 为流体的内能， 为耗函数。,上述三个控制方程构成了铸造充型过程的基本数学模型。,离心铸造过程模拟的理论基础及工具,3.1.3 初始条件和边界条件在求解流体力学问题时，
7、除了需要以上的控制方程外，还需要给出初始条件和边界条件以便能够得到唯一解。 初始条件严格按照材料属性与工艺流程对计算参数进行选取 边界条件 边界条件是指在铸造模拟过程中在运动的边界上应特殊设置的一些运动参数。,离心铸造过程模拟的理论基础及工具,铸造充型过程模拟研究的对象是金属液，它属于粘性液体，并在自由表面处存在液气界面的边界需要设置。其动力学边界条件为：如果气体介质具有常值压力P0，则应力向量的法向和切向分量为：Pnn=-P0，Pnt=0。3.1.4 自由表面的确定充型过程通常都在一个很短时间内完成，而且自由表面可能出现折叠相交，合并等现象，所以自由表面的情况不容易确定，大量的实践表明，“体
8、积追踪法”，在处理实际问题时逻辑上更简单、计算速度更快，因而得到了广泛应用。采用“体积追踪法”的算法主要有： “示踪粒子”法和VOF(Volume of Fluid)方法两种。,离心铸造过程模拟的理论基础及工具,3.2 铸造软件ProCAST的简要介绍适用范围：砂型铸造、消失模铸造; 高压、低压铸造; 重力铸造、倾斜浇铸、离心铸造; 触变铸造、触变成型、流变铸造。模拟分析能力：可分析缩孔、裂纹、裹气、冲砂 、冷隔、浇不足 、应力、变形 、模具寿命 、工艺开发及可重复性。,4、ProCAST软件模拟浇铸过程,4.1 三维实体模型的建立及简化,图6 油膜轴承几何简化模型 图7 油膜轴承浇铸简化模型
9、,ProCAST软件模拟浇铸过程,图8 加横浇道的简化模型 图9 网格划分后的模型,ProCAST软件模拟浇铸过程,4.2 主要计算参数的设定,图10 定义材料间界面属性 图11 定义重力方向及大小,图12 定义钢体旋转的转轴及转速 图13 定义初始条件,ProCAST软件模拟浇铸过程,4.3 模拟分析计算过程及结果,1,2,3,4,图14 充型过程中的温度场变化,充 型 过 程,ProCAST软件模拟浇铸过程,图15 充型过程中的的热流方向及大小,充 型 过 程,1,2,ProCAST软件模拟浇铸过程,1,2,3,4,图16 凝固过程中的温度场变化,凝 固 过 程,ProCAST软件模拟浇铸过程,1,2,3,4,图17 凝固过程中的固相分数变化,凝 固 过 程,ProCAST软件模拟浇铸过程,图18 缩孔缩松倾向的预测结果,凝 固 过 程,5、结论与展望,5.1 结论 对离心铸造的相关数学模型进行理论分析，列出主要的计算公式。 以实际生产工艺为依据，建立油膜轴承巴氏合金的离心浇铸三维模型，确定各浇铸参数。 通过模拟分析得到充型过程及凝固过程的温度场、热流方向和固相分数，并且对缩孔缩松现象进行合理预测。5.2 展望 完善巴氏合金的材料数据库，达到更为准确的模拟结果。 改进虚拟浇道的结构形式，更好地体现离心浇铸的特征。 对不同的工艺方法进行深度研究。,Thank you！,
