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南京工程學(xué)院
畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)外文資料翻譯
原 文 題 目： Casting of Brake Disc and Impeller from Aluminium Scrap Using Silica Sand
原 文 來 源： Leonardo Electronic Journal of Practices and Technologies Issue 10, January-June 2007
學(xué) 生 姓 名： 衛(wèi)佳華 學(xué) 號(hào)： X00231120332
所在院(系)部： 工業(yè)中心
專 業(yè) 名 稱： 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化
以廢鋁為材料的制動(dòng)盤和葉輪砂型鑄造
Matthew S. ABOLARIN Oluwafemi A. OLUGBOJI Oladeji A. OGUNWOLE
尼日利亞尼日爾州明那市聯(lián)邦技術(shù)大學(xué)機(jī)械工程系
摘要：葉輪葉片和制動(dòng)盤是利用砂型鑄造方法生產(chǎn)的。兩種木模以必要余量配合使用。借助環(huán)保技術(shù)和成形方法，并利用當(dāng)?shù)噩F(xiàn)有的材料來制造模具。鋁廢料也可以作為鑄造材料。利用熔爐熔化鋁廢料，最后將熔融的金屬澆注到砂模內(nèi)，便可以獲得葉輪和制動(dòng)盤。
在鑄件的清理工作完成之后，所得的兩個(gè)鑄件質(zhì)量良好。根據(jù)鑄件的產(chǎn)量統(tǒng)計(jì)，有73.59％的葉輪葉片和85.1％的制動(dòng)盤能夠符合要求，這表明這種鑄造方法是可行的。
關(guān)鍵詞：葉輪葉片 制動(dòng)盤 環(huán)保成型 熔爐
1 導(dǎo)言
制動(dòng)盤與葉輪
制動(dòng)盤是一種可以減慢車輪轉(zhuǎn)速或讓車輪停止轉(zhuǎn)動(dòng)的裝置。一個(gè)完整的制動(dòng)盤通常由鑄鐵或如碳、纖維或硅膠等復(fù)合材料制作成的，它的用途是連接車輪或軸。在制動(dòng)盤的工作過程中，是靠摩擦力來減慢車輪轉(zhuǎn)速或讓車輪停止轉(zhuǎn)動(dòng)。因此剎車皮（安裝在稱之為制動(dòng)鉗上的裝置）使用耐摩擦性能較好的材料制成。在液壓、氣動(dòng)或電磁的作用下受到機(jī)械力的作用，并與盤面產(chǎn)生較大的摩擦力。在摩擦力的作用下可以減慢車輪轉(zhuǎn)速或讓車輪停止轉(zhuǎn)動(dòng)。
葉輪一般安裝在管狀裝置內(nèi)，可以增加流體的壓力和提高流體的流量。
水泵葉輪
可旋轉(zhuǎn)的葉輪是離心泵的組成部分，通常是由鑄鐵，鋼，鋁或塑料等材料制成的。由馬達(dá)驅(qū)動(dòng)葉輪旋轉(zhuǎn)，將流體以中心向外以很高的加速度拋出。葉輪工作時(shí)的壓力能轉(zhuǎn)換為流體的動(dòng)能，但是只有在泵套管內(nèi)才存在較大的壓力，從而使流體獲得較大的速度。一般來說，葉輪由一個(gè)較短的通孔（稱為眼），流體從一側(cè)流入，從另一側(cè)流出。葉片在徑向方向上給流體施加力，并繞一個(gè)中心軸轉(zhuǎn)動(dòng)。
模具成型
模具成型是一種以與零件外形一致的模型模架為基礎(chǔ)對(duì)工件進(jìn)行生產(chǎn)的過程。模具有一個(gè)中空的型腔，在它的型腔內(nèi)可以充滿液體，如熔融的塑料、玻璃、金屬或陶瓷材料。液體流入模具內(nèi)并充滿型腔，得到零件的實(shí)際形狀。模具與鑄造的概念并不相同。
鑄造
鑄造是指將熔融的金屬液體注入到模具中，冷卻固化后得到理想形狀零件的成型方法。當(dāng)然，主要的鑄造方法包括：砂型鑄造，在砂型鑄造中將液體倒入一個(gè)由金剛砂料制造的具有一定形狀的模具中；模具鑄件，其中模腔是由經(jīng)過加工的金屬內(nèi)塊組成；也可用如離心鑄造等方法加工。型砂有一個(gè)相當(dāng)?shù)偷膶?dǎo)熱系數(shù)，可以使砂型中的液態(tài)金屬凝固緩慢，這是由型砂的晶粒粗細(xì)所決定的。當(dāng)然，使用金屬模具也許更合適，可以使零件獲得更細(xì)的晶體結(jié)構(gòu)。
金屬鑄件是現(xiàn)代化的機(jī)器和運(yùn)輸車輛的重要組成部分。以拖拉機(jī)為例，通過鑄造得到的金屬零件的比重超過百分之九十。在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)上，這一比例超過了百分之五十?？傊?，鑄造提供了一個(gè)改善零件或部件力學(xué)性能的好的方法。以鋁作為材料是因?yàn)殇X在鑄造生產(chǎn)有著良好的機(jī)械性能，比如有著良好的表面粗糙度，重量輕，不易被氧化，塑性較好，具有耐腐蝕性等其他優(yōu)點(diǎn)。本篇論文涉及利用環(huán)保砂模鑄造制動(dòng)盤和葉輪葉片，其成本并不是太昂貴，其尺寸精度也并不須太精確。由于熔融的鋁合金具有流動(dòng)性和良好的物理特性，因此被廣泛使用。
2 理論分析
砂型鑄造可以用于有色金屬和非有色金屬合金，但特別適用于大噸位的鑄件。有色合金的鑄造中包括鑄鐵和鑄鋼。一般非有色金屬合金鑄造使用的是鋁制的模架，或由銅鎂基合金的模架。合金的溫度范圍控制在450℃至680℃之間。
在熔煉和澆注的過程中，將金屬熔融的準(zhǔn)備工作是將材料在熔煉爐內(nèi)在適當(dāng)?shù)臏囟认逻M(jìn)行的，之后將熔融的金屬澆注到加工好的模具中。在整個(gè)過程中，熔化爐的動(dòng)作包括融爐的抬起與融化爐的傾斜。對(duì)于較特殊的鑄造合金，澆注時(shí)的溫度要高于其液體的溫度。超高溫度的選擇是根據(jù)對(duì)金屬的結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能的影響決定的，另外還有其他因素，如鑄件的厚度，鑄造金屬的壁厚等。影響模具材料物理性能有溫度和模具材料的初始溫度，及在模具中攪拌鐵水的力等其他因素。鋁合金的澆注溫度一般為680℃-700℃，對(duì)于銅和黃銅材料，溫度一般是在是1000℃-1200℃，鎂合金是在700-800℃，鋼是1520℃-1620℃，鑄鐵則是在1300-1450℃。
3 材料和方法
3.1 材料的使用
直徑為260mm，厚度為15mm的制動(dòng)盤和直徑為146mm，厚度為5mm的葉輪分別使用以下材料的鑄造：模型材料，模具材料，鋁廢料。
a) 模型材料
利用先進(jìn)的成型繪圖方法可以完成木制模型的虛擬設(shè)計(jì)。硬制木材（如桃花心木）可用于生產(chǎn)葉輪的模型。該葉輪模型從木材最初的尺寸200mm-150mm，考慮到間隔的空間，每個(gè)模型的具體深度可以在繪圖設(shè)計(jì)時(shí)根據(jù)實(shí)際情況修改。
對(duì)于葉輪片盤，用兩個(gè)32mm32mm見方，每個(gè)厚度在2mm的膠合板釘起來并粘和在一起。以膠合板邊為對(duì)角線，在其中間開一個(gè)半徑為140cm的一個(gè)圓孔。硬木的尺寸為16cm1cm，厚度為3cm，并將它們以膠合板為中心粘釘在一起，并在距離6.7cm處鉆一個(gè)圓孔。油灰可以被用來填補(bǔ)所有模型的缺陷之處，可修補(bǔ)粗糙的邊緣，在修補(bǔ)工作完成后，將木材刷上漆。
b) 模具材料
該模具為環(huán)保砂模，其中所使用的材料如下：石英砂，黏土和水。組成石英砂的化合物是二氧化硅，也稱為硅，是一種硅元素的氧化物，其化學(xué)公式是SiO2。人們自古以來就已經(jīng)知道它有著很高的硬度。硅最常見的存在形式是砂或石英，以及硅藻的細(xì)胞壁中。大多數(shù)的玻璃和如混凝土這樣的材料的主要組成元素就是硅。二氧化硅是地殼中最豐富的化學(xué)物質(zhì)之一。所使用的砂模工作場(chǎng)合要求是這樣的：在熔融的金屬液注入模具后，型砂仍然要保持潮濕。石英砂的篩選是要獲得晶體顆粒較細(xì)的沙子并去除其他夾雜在沙中的異物。將一定量的沙子與作為粘結(jié)劑的黏土混合。在已經(jīng)混合的混合物中加入水，然后用手徹底地將混合物混合在一起，為制模作好準(zhǔn)備。
鋁
鋁是一種銀白色和具有韌性的一種化學(xué)元素。鋁的符號(hào)是AL；其原子序數(shù)是13。在正常情況下鋁不溶于水。鋁是地球地殼中最豐富的金屬元素之一，排在第三，在它之前的分別是氧和硅。鋁在地殼中的含量大是地球固體表面重量的8％。鋁的化學(xué)性質(zhì)相對(duì)大自然中的其它金屬較為活躍。因此，目前以發(fā)現(xiàn)超過270種不同的礦物中含有鋁。鋁的主要來源是鋁土礦。
鋁顯著的化學(xué)性能是它的耐腐蝕性（這是由于鈍化現(xiàn)象所致）和它的低密度。鋁及其合金在航空航天工業(yè)和運(yùn)輸建設(shè)等其他領(lǐng)域發(fā)揮了極其重要的作用。鋁的化學(xué)性質(zhì)使它可作為催化劑或其它化學(xué)添加劑，可運(yùn)用在硝酸銨炸藥的制造上，以曾加硝酸銨炸藥的威力。
熔爐是用于熔化鋁廢料的熔爐又稱摩根爐，這是一種使用柴油進(jìn)行燃燒的爐具。
3.2 方法
鋁在熔爐中融化，熔爐是一個(gè)古老而又簡單的熔化設(shè)備。在金屬融化后倒入其中。在未進(jìn)行熔化處理之前是不能進(jìn)行澆注作業(yè)的。在澆注和凝料完成之后，這兩個(gè)模型將被拆除，清理和進(jìn)行缺陷檢查。
3.3 計(jì)算
葉輪：
葉輪實(shí)際直徑，使用的收縮率，加工余量為。
根據(jù)收縮率得到的模型直徑葉輪直徑（收縮率）（葉輪直徑）
因此，再加上加工余量，這個(gè)模型直徑為：
模型直徑加工余量根據(jù)收縮率得到的模型直徑
制動(dòng)盤：
實(shí)際葉輪片盤直徑，收縮率，加工余量。
根據(jù)收縮率得到的模型直徑圓盤直徑（收縮率）（制動(dòng)盤直徑）
再加上加工余量，則這個(gè)模型直徑為：
模型直徑＝加工余量＋根據(jù)收縮率得到的模型直徑
鑄件產(chǎn)量——鑄造可以通過鑄件產(chǎn)量來計(jì)算，以此確定鑄造中使用金屬的比例。
鑄件產(chǎn)量
其中：鑄件重量，澆注重量，冒口重量。
對(duì)于葉輪而言，鑄件重量，澆注和冒口重量。
鑄件產(chǎn)量
對(duì)于制動(dòng)盤來說，鑄件重量，澆注和冒口重量
鑄件產(chǎn)量
4 結(jié)果和討論
對(duì)模型進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)一些缺陷是可以避免的，當(dāng)然，模具應(yīng)當(dāng)充分的準(zhǔn)備并且在熔煉和澆注的過程中正確地操作。在這項(xiàng)工作中，由于錯(cuò)誤是不可避免的，因此在葉輪葉片和制動(dòng)盤的鑄件上會(huì)發(fā)現(xiàn)了一些缺陷。無論是在鑄件的外部還是內(nèi)部，其表面都相對(duì)比較粗糙。然而，對(duì)外部表面進(jìn)行加工，可以獲得更高的表面粗糙度，就內(nèi)部表面而言，這樣做以改善表面質(zhì)量幾乎是不可能的。在葉輪鑄件中，邊緣一般較粗糙?？梢允褂锰钛a(bǔ)邊緣的方法完善它。
5 結(jié)論
在這項(xiàng)工作中，利用當(dāng)?shù)氐匿X廢料來生產(chǎn)葉輪和制動(dòng)盤，并確保它們符合規(guī)范要求。利用砂模制造了兩個(gè)表面粗糙的鑄件，這也可能是由于沒有添加一些合理的成分，或制造成分比例使用不當(dāng)造成的。兩個(gè)鑄造上所發(fā)現(xiàn)的缺陷可能是由于混入空氣或模具表面光潔度不足，雖然缺陷較小。量葉輪和制動(dòng)盤的鑄件產(chǎn)量表明，已達(dá)到了良好鑄造效果。
參考文獻(xiàn)
[1] Mikhailow A.M.. 金屬鑄造第一版. 莫斯科：Mir出版社, 1989.
[2] Howard E.B.，Timothy L.G.. 金屬手冊(cè)Desk版. 美國：美國金屬學(xué)會(huì)，1992.