球面瓦開裂分析及解決方案

李明飛，劉旭，叢曉靜，李穎

球面瓦開裂分析及解決方案

Analysis and Solution for Spherical Bush

李明飛，劉旭，叢曉靜，李穎

球面瓦作為托輪軸承組中重要的組成部件之一，起著冷卻襯瓦、承載回轉窯整體和減震的作用。

通常球面瓦的失效表現為在使用過程中開裂，導致冷卻循環水滲出，襯瓦的潤滑油和水混合，引起襯瓦溫度的迅速上升，致使襯瓦燒瓦。

球面瓦的失效形式大多為貫穿性裂紋，失效部位均在冷卻水槽邊緣的正上方，見圖1。

解剖切割失效的球面瓦，發現冷卻水道已發生明顯的偏移，這說明在鑄造成型時，砂芯的固定出現了問題，鐵液在充型過程中，其沖力和浮力導致砂芯擺動偏離，見圖2。

針對上述問題，首先采用AN?SYS軟件對球面瓦水槽不同壁厚及其相對應的應力進行分析；其次，對優化后的球面瓦鑄造工藝流程進行跟蹤分析；最后，對球面瓦的結構進行優化，保證使用可靠性和使用壽命。

圖1 球面瓦失效的宏觀形貌

圖2 球面瓦內部冷卻水道的宏觀形貌

圖3 球面瓦壁厚為28mm時的應力分析

圖4 球面瓦壁厚為40mm時的應力分析

圖5 球面瓦壁厚為50mm時的應力分析

圖6 球面瓦壁厚為50mm時的應力分析

1ANSYS應力分析

分析的球面瓦凹槽壁厚分別為：

（1）28mm，鑄造砂芯偏離后的壁厚；

（2）40mm，目前的設計壁厚；

（3）50mm，優化后的壁厚；

（4）50mm，南京院的球面瓦凹槽壁厚。

在計算時，施加等壓強的力，即隨規格的變大受力增加，保證單位面積受力相同。計算結果如下：

1.128 mm壁厚的球面瓦

圖7 球面瓦整體木模及造型后的型腔內壁

圖8 定型及清砂用鋼筋和纏繞在上面用的通氣環形鋼環

圖9 冷卻水道的造型

圖10 冷卻水道砂型的擺放和相關尺寸的測量

通過圖3可以清晰地看出，應力最大值在17～20.4MPa之間，應力集中位置在冷卻水道左右兩側及上方。1.240mm壁厚的球面瓦

通過圖4可以清晰地看出，隨著壁厚的增加，應力值也隨之減少，應力最大值在11.9～14.9MPa之間，比壁厚為28mm的減少5MPa，應力集中位置沒有發生變化，依舊在冷卻水道周邊。

1.3 優化后50mm壁厚的球面瓦

通過圖5可以清晰地看出，隨著壁厚的增加，應力值隨之降低，應力最大值在7.7～10.2MPa之間，應力集中位置保持不變。

1.4 南京院50mm壁厚的球面瓦

通過分析（見圖6），應力最大值在8.62～10.2MPa之間，應力集中除了在冷卻水道周邊外，還在球面直角處有明顯的應力集中現象。

上述計算結果表明：

（1）隨著凹槽壁厚的增加，應力最大值逐漸變小；

（2）應力集中位置基本保持不變，在冷卻水道周邊；（3）同壁厚的球面瓦（50mm），南京院的應力值略高于優化后的，但南京院球面瓦的應力集中位置除了在冷卻水道周邊，還有一處應力集中明顯的位置，即球面直角處。

2 鑄造工藝流程

以內徑?690mm、外球S? 1060mm、寬770mm且水槽內壁優化為50mm規格的新球面瓦制作過程為例，詳細解析整個鑄造工藝的流程。

2.1 球面瓦整體的型腔

圖11 凹槽面的造型與尺寸測量

圖12 組裝好后的形貌

該步驟（見圖7）是將球面瓦整體的木模放入砂箱中，將球面瓦的整體輪廓呈現出來，脫完木模后，在內壁均勻涂刷耐火涂料。

刷完耐火涂料后，即可對球面的尺寸進行測量，該球面的最終直徑為S?1060mm，經測量該半徑尺寸為545mm，能夠保證球面50mm的厚度。

2.2 冷卻水道造型（圖8.9）

此步驟很關鍵，因為它涉及到三個問題：（1）砂型在接觸鐵液時的排氣問題；（2）在澆注時，砂型如何保持固定；（3）澆注完畢后，如何清砂。

在這個問題上，鑄造廠設計得很好，采用鋼筋纏繞環狀彈簧空心鋼環埋在砂芯中，澆注時通氣、定型及清砂問題都得以解決。

造型完畢，涂刷上涂料烘烤干后，放置在球面瓦整體內腔內，進行第一步組合。組合完畢后，對相關尺寸進行測量，測量冷卻水道砂型的最上面到圓心為395mm左右，設計值為R395mm，即凹槽面壁厚的第一個半徑尺寸是達到設計要求的。圖10中第一排第二張照片中冒出來的“細繩”就是纏繞在鋼筋上用于通氣的環狀彈簧空心鋼環。

為了解決砂芯擺動問題，造型時在兩端造出大方塊狀，平穩擺放在球面瓦整體砂型上，上面最后還有上型箱壓著，左右均用單獨造型的砂芯固定，非常牢靠。

2.3 球面瓦凹槽面造型（圖11.12）

凹槽面造型完畢后，尺寸在? 685mm，而設計尺寸為?690mm，單邊加工余量為2.5mm，由于存在線收縮率問題，在澆注完畢后，尺寸變成? 675mm。

凹槽面的造型組裝周邊環繞放上火泥線，起到密封作用。

2.4 合箱和鐵液澆注（圖13）

3 球面瓦的熱處理

當鑄件形狀復雜，厚薄不均時，由于澆注后冷卻過程中各部位的冷卻速度不同，往往會在鑄件內部產生很大的應力。它不僅會削弱鑄件的強度，而且在隨后的切削加工之后，由于應力的重新分布而引起變形，甚至開裂。因此，對精度要求較高或大型、復雜的鑄件（如機床床身、機架等）在切削加工之前，要進行一次消除內應力的退火，有時甚至在粗加工之后還要進行一次。

球面瓦在鑄造完畢后、機加之前必須進行退火去除內應力這一核心步驟，熱處理工藝如下：

（1）裝爐溫度≤200℃；（2）升溫速度≤80℃/h；（3）保溫溫度：500～550℃，保溫時間：4～5h；

（4）隨爐冷卻速度：30℃/h；

（5）出爐溫度：≤200℃，根據生產周期，可適當提高出爐溫度。

4 結語

通過理論模擬計算和鑄造流程跟蹤，解決球面瓦開裂的問題，歸結如下：

（1）適當增加水槽內壁厚，有利于降低應力；

（2）球面瓦造型時，冷卻水道的芯子擺放、固定是關鍵，并且冷卻水道不可直角過渡，應采用不低于R20mm的倒角過渡，減少應力集中；

（3）球面瓦鑄造完畢后，在開箱清砂后、機加之前，必須進行消除應力退火這一核心步驟，將鑄造殘余應力消除。■

TQ172.622.29

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：1001-6171（2014）06-0041-04

中材裝備集團有限公司熱工分公司，天津300400；

2014-03-23；編輯：呂光