李明飞　刘旭　丛晓静　李颖
（中材装备集团有限公司热工分公司）

　　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ANSYS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；Z后，对球面瓦的结构进行优化，保证使用可靠性和使用寿命。

　　1、ANSYS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：

　　1.1　28mm壁厚的球面瓦

　　通过图3可以清晰地看出，应力Z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。

　　1.2　40mm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Z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Z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Z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Z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690mm、外球S1060mm、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

　　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Z终直径为S1060mm，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Z上面到圆心为395mm左右，设计值为R395mm，即凹槽面壁厚的个半径尺寸是达到设计要求的。图10中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Z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685mm，而设计尺寸为690mm，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。