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(zhuǎn)窯整體和減震的作用。

通常球面瓦的失效表現(xiàn)為在使用過程中開裂，導(dǎo)致冷卻循環(huán)水滲出，襯瓦的潤(rùn)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(fā)現(xiàn)冷卻水道已發(fā)生明顯的偏移，這說明在鑄造成型時(shí)，砂芯的固定出現(xiàn)了問題，鐵液在充型過程中，其沖力和浮力導(dǎo)致砂芯擺動(dòng)偏離，見圖2。

針對(duì)上述問題，首先采用AN?SYS軟件對(duì)球面瓦水槽不同壁厚及其相對(duì)應(yīng)的應(yīng)力進(jìn)行分析；其次，對(duì)優(yōu)化后的球面瓦鑄造工藝流程進(jìn)行跟蹤分析；最后，對(duì)球面瓦的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)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(nèi)部冷卻水道的宏觀形貌

圖3 球面瓦壁厚為28mm時(shí)的應(yīng)力分析

圖4 球面瓦壁厚為40mm時(shí)的應(yīng)力分析

圖5 球面瓦壁厚為50mm時(shí)的應(yīng)力分析

圖6 球面瓦壁厚為50mm時(shí)的應(yīng)力分析

1ANSYS應(yīng)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(shè)計(jì)壁厚；

（3）50mm，優(yōu)化后的壁厚；

（4）50mm，南京院的球面瓦凹槽壁厚。

在計(jì)算時(shí)，施加等壓強(qiáng)的力，即隨規(guī)格的變大受力增加，保證單位面積受力相同。計(jì)算結(jié)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(nèi)壁

圖8 定型及清砂用鋼筋和纏繞在上面用的通氣環(huán)形鋼環(huán)

圖9 冷卻水道的造型

圖10 冷卻水道砂型的擺放和相關(guān)尺寸的測(cè)量

通過圖3可以清晰地看出，應(yīng)力最大值在17～20.4MPa之間，應(yīng)力集中位置在冷卻水道左右兩側(cè)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(yīng)力值也隨之減少，應(yīng)力最大值在11.9～14.9MPa之間，比壁厚為28mm的減少5MPa，應(yīng)力集中位置沒有發(fā)生變化，依舊在冷卻水道周邊。

1.3 優(yōu)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(yīng)力值隨之降低，應(yīng)力最大值在7.7～10.2MPa之間，應(yīng)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(yīng)力最大值在8.62～10.2MPa之間，應(yīng)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(yīng)力集中現(xiàn)象。

上述計(jì)算結(jié)果表明：

（1）隨著凹槽壁厚的增加，應(yīng)力最大值逐漸變?。?/p>

（2）應(yīng)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(yīng)力值略高于優(yōu)化后的，但南京院球面瓦的應(yīng)力集中位置除了在冷卻水道周邊，還有一處應(yīng)力集中明顯的位置，即球面直角處。

2 鑄造工藝流程

以內(nèi)徑?690mm、外球S? 1060mm、寬770mm且水槽內(nèi)壁優(yōu)化為50mm規(guī)格的新球面瓦制作過程為例，詳細(xì)解析整個(gè)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(cè)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(xiàn)出來，脫完木模后，在內(nèi)壁均勻涂刷耐火涂料。

刷完耐火涂料后，即可對(duì)球面的尺寸進(jìn)行測(cè)量，該球面的最終直徑為S?1060mm，經(jīng)測(cè)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(guān)鍵，因?yàn)樗婕暗饺齻€(gè)問題：（1）砂型在接觸鐵液時(shí)的排氣問題；（2）在澆注時(shí)，砂型如何保持固定；（3）澆注完畢后，如何清砂。

在這個(gè)問題上，鑄造廠設(shè)計(jì)得很好，采用鋼筋纏繞環(huán)狀彈簧空心鋼環(huán)埋在砂芯中，澆注時(shí)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(nèi)腔內(nèi)，進(jìn)行第一步組合。組合完畢后，對(duì)相關(guān)尺寸進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量冷卻水道砂型的最上面到圓心為395mm左右，設(shè)計(jì)值為R395mm，即凹槽面壁厚的第一個(gè)半徑尺寸是達(dá)到設(shè)計(jì)要求的。圖10中第一排第二張照片中冒出來的“細(xì)繩”就是纏繞在鋼筋上用于通氣的環(huán)狀彈簧空心鋼環(huán)。

為了解決砂芯擺動(dòng)問題，造型時(shí)在兩端造出大方塊狀，平穩(wěn)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(dú)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(shè)計(jì)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(huán)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(dāng)鑄件形狀復(fù)雜，厚薄不均時(shí)，由于澆注后冷卻過程中各部位的冷卻速度不同，往往會(huì)在鑄件內(nèi)部產(chǎn)生很大的應(yīng)力。它不僅會(huì)削弱鑄件的強(qiáng)度，而且在隨后的切削加工之后，由于應(yīng)力的重新分布而引起變形，甚至開裂。因此，對(duì)精度要求較高或大型、復(fù)雜的鑄件（如機(jī)床床身、機(jī)架等）在切削加工之前，要進(jìn)行一次消除內(nèi)應(yīng)力的退火，有時(shí)甚至在粗加工之后還要進(jìn)行一次。

球面瓦在鑄造完畢后、機(jī)加之前必須進(jìn)行退火去除內(nèi)應(yīng)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(shí)間：4～5h；

（4）隨爐冷卻速度：30℃/h；

（5）出爐溫度：≤200℃，根據(jù)生產(chǎn)周期，可適當(dāng)提高出爐溫度。

4 結(jié)語

通過理論模擬計(jì)算和鑄造流程跟蹤，解決球面瓦開裂的問題，歸結(jié)如下：

（1）適當(dāng)增加水槽內(nèi)壁厚，有利于降低應(yīng)力；

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

（3）球面瓦鑄造完畢后，在開箱清砂后、機(jī)加之前，必須進(jìn)行消除應(yīng)力退火這一核心步驟，將鑄造殘余應(yīng)力消除?！?/p>

TQ172.622.29

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：1001-6171（2014）06-0041-04

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2014-03-23；編輯：呂光