球面瓦开裂分析及解决方案

李明飞，刘旭，丛晓静，李颖

球面瓦开裂分析及解决方案

Analysis and Solution for Spherical Bush

李明飞，刘旭，丛晓静，李颖

球面瓦作为托轮轴承组中重要的组成部件之一，起着冷却衬瓦、承载回转窑整体和减震的作用。

通常球面瓦的失效表现为在使用过程中开裂，导致冷却循环水渗出，衬瓦的润滑油和水混合，引起衬瓦温度的迅速上升，致使衬瓦烧瓦。

球面瓦的失效形式大多为贯穿性裂纹，失效部位均在冷却水槽边缘的正上方，见图1。

解剖切割失效的球面瓦，发现冷却水道已发生明显的偏移，这说明在铸造成型时，砂芯的固定出现了问题，铁液在充型过程中，其冲力和浮力导致砂芯摆动偏离，见图2。

针对上述问题，首先采用AN⁃SYS软件对球面瓦水槽不同壁厚及其相对应的应力进行分析；其次，对优化后的球面瓦铸造工艺流程进行跟踪分析；最后，对球面瓦的结构进行优化，保证使用可靠性和使用寿命。

图1 球面瓦失效的宏观形貌

图2 球面瓦内部冷却水道的宏观形貌

图3 球面瓦壁厚为28mm时的应力分析

图4 球面瓦壁厚为40mm时的应力分析

图5 球面瓦壁厚为50mm时的应力分析

图6 球面瓦壁厚为50mm时的应力分析

1ANSYS应力分析

分析的球面瓦凹槽壁厚分别为：

（1）28mm，铸造砂芯偏离后的壁厚；

（2）40mm，目前的设计壁厚；

（3）50mm，优化后的壁厚；

（4）50mm，南京院的球面瓦凹槽壁厚。

在计算时，施加等压强的力，即随规格的变大受力增加，保证单位面积受力相同。计算结果如下：

1.128 mm壁厚的球面瓦

图7 球面瓦整体木模及造型后的型腔内壁

图8 定型及清砂用钢筋和缠绕在上面用的通气环形钢环

图9 冷却水道的造型

图10 冷却水道砂型的摆放和相关尺寸的测量

通过图3可以清晰地看出，应力最大值在17～20.4MPa之间，应力集中位置在冷却水道左右两侧及上方。1.240mm壁厚的球面瓦

通过图4可以清晰地看出，随着壁厚的增加，应力值也随之减少，应力最大值在11.9～14.9MPa之间，比壁厚为28mm的减少5MPa，应力集中位置没有发生变化，依旧在冷却水道周边。

1.3 优化后50mm壁厚的球面瓦

通过图5可以清晰地看出，随着壁厚的增加，应力值随之降低，应力最大值在7.7～10.2MPa之间，应力集中位置保持不变。

1.4 南京院50mm壁厚的球面瓦

通过分析（见图6），应力最大值在8.62～10.2MPa之间，应力集中除了在冷却水道周边外，还在球面直角处有明显的应力集中现象。

上述计算结果表明：

（1）随着凹槽壁厚的增加，应力最大值逐渐变小；

（2）应力集中位置基本保持不变，在冷却水道周边；（3）同壁厚的球面瓦（50mm），南京院的应力值略高于优化后的，但南京院球面瓦的应力集中位置除了在冷却水道周边，还有一处应力集中明显的位置，即球面直角处。

2 铸造工艺流程

以内径ϕ690mm、外球Sϕ 1060mm、宽770mm且水槽内壁优化为50mm规格的新球面瓦制作过程为例，详细解析整个铸造工艺的流程。

2.1 球面瓦整体的型腔

图11 凹槽面的造型与尺寸测量

图12 组装好后的形貌

该步骤（见图7）是将球面瓦整体的木模放入砂箱中，将球面瓦的整体轮廓呈现出来，脱完木模后，在内壁均匀涂刷耐火涂料。

刷完耐火涂料后，即可对球面的尺寸进行测量，该球面的最终直径为Sϕ1060mm，经测量该半径尺寸为545mm，能够保证球面50mm的厚度。

2.2 冷却水道造型（图8.9）

此步骤很关键，因为它涉及到三个问题：（1）砂型在接触铁液时的排气问题；（2）在浇注时，砂型如何保持固定；（3）浇注完毕后，如何清砂。

在这个问题上，铸造厂设计得很好，采用钢筋缠绕环状弹簧空心钢环埋在砂芯中，浇注时通气、定型及清砂问题都得以解决。

造型完毕，涂刷上涂料烘烤干后，放置在球面瓦整体内腔内，进行第一步组合。组合完毕后，对相关尺寸进行测量，测量冷却水道砂型的最上面到圆心为395mm左右，设计值为R395mm，即凹槽面壁厚的第一个半径尺寸是达到设计要求的。图10中第一排第二张照片中冒出来的“细绳”就是缠绕在钢筋上用于通气的环状弹簧空心钢环。

为了解决砂芯摆动问题，造型时在两端造出大方块状，平稳摆放在球面瓦整体砂型上，上面最后还有上型箱压着，左右均用单独造型的砂芯固定，非常牢靠。

2.3 球面瓦凹槽面造型（图11.12）

凹槽面造型完毕后，尺寸在ϕ 685mm，而设计尺寸为ϕ690mm，单边加工余量为2.5mm，由于存在线收缩率问题，在浇注完毕后，尺寸变成ϕ 675mm。

凹槽面的造型组装周边环绕放上火泥线，起到密封作用。

2.4 合箱和铁液浇注（图13）

3 球面瓦的热处理

当铸件形状复杂，厚薄不均时，由于浇注后冷却过程中各部位的冷却速度不同，往往会在铸件内部产生很大的应力。它不仅会削弱铸件的强度，而且在随后的切削加工之后，由于应力的重新分布而引起变形，甚至开裂。因此，对精度要求较高或大型、复杂的铸件（如机床床身、机架等）在切削加工之前，要进行一次消除内应力的退火，有时甚至在粗加工之后还要进行一次。

球面瓦在铸造完毕后、机加之前必须进行退火去除内应力这一核心步骤，热处理工艺如下：

（1）装炉温度≤200℃；（2）升温速度≤80℃/h；（3）保温温度：500～550℃，保温时间：4～5h；

（4）随炉冷却速度：30℃/h；

（5）出炉温度：≤200℃，根据生产周期，可适当提高出炉温度。

4 结语

通过理论模拟计算和铸造流程跟踪，解决球面瓦开裂的问题，归结如下：

（1）适当增加水槽内壁厚，有利于降低应力；

（2）球面瓦造型时，冷却水道的芯子摆放、固定是关键，并且冷却水道不可直角过渡，应采用不低于R20mm的倒角过渡，减少应力集中；

（3）球面瓦铸造完毕后，在开箱清砂后、机加之前，必须进行消除应力退火这一核心步骤，将铸造残余应力消除。■

TQ172.622.29

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：1001-6171（2014）06-0041-04

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2014-03-23；编辑：吕光