«Сердечная ковка» роликов для резинотехнических изделий: полный анализ процесса центробежного литья 

В цехах резиноперерабатывающей промышленности вы всегда можете увидеть гигантские ролики, вращающиеся на высоких скоростях. Они являются «сердцем» резинового каландра и выполняют ключевые задачи по уплотнению, растяжению и формованию резины. Высококачественный резиновый ролик должен не только выдерживать постоянные высокие температуры до 120°C, но и выдерживать многократное трение волокон и наполнителей в резине. Небольшой износ или трещина могут привести к остановке всей производственной линии.

И основной процесс изготовления роликов, центробежное литье, поддерживает эту «высокую нагрузку и долгий срок службы». Сегодня мы разберем эту черную технологию, которая «делает сталь более прочной», и посмотрим, как она вливает «твердую душу» в резиновый ролик.

Ⅰ. Центробежное литье: придайте ролику прочное тело «изнутри наружу»

Центробежное литье, говоря простыми словами, представляет собой процесс литья, который использует центробежную силу, чтобы расплавленный металл «автоматически формировался» во вращающейся форме. В отличие от традиционного статического литья (форма неподвижна, а расплавленный металл заполняется естественным образом), он использует центробежную силу, создаваемую высокоскоростным вращением, чтобы расплавленный металл мог сформировать более плотную структуру в процессе затвердевания, что особенно подходит для изготовления полых вращающихся деталей (таких как ролики).

Для роликов для резиновых машин требования к сердечнику следующие: высокая твердость и износостойкость внешнего слоя, как прочность, так и ударная вязкость сердечника, а также высокая общая размерная точность. Центробежное литье может точно соответствовать этим требованиям. Далее мы разберем его процесс шаг за шагом.

1. Предварительная обработка формы: «Подготовьте почву» для жидкого металла

Роликовые формы обычно изготавливаются из литой стали или чугуна и должны быть тщательно очищены и предварительно нагреты перед использованием:

• Очистка: Удалите масляные пятна, оксидную окалину и остатки литейного песка с поверхности формы, чтобы обеспечить гладкую поверхность (шероховатость Ra ≤ 3,2 мкм) для предотвращения прилипания расплавленного металла;

• Предварительный нагрев: Используйте газовый или электрический нагрев для нагрева формы до 300–500 ℃ (конкретная температура зависит от материала ролика), чтобы предотвратить контакт расплавленного металла с холодной формой и внезапную конденсацию, что приведет к образованию пор или трещин;

• Покрытие: Нанесите слой термостойкого, легкоплавкого графитового покрытия (толщиной 0,2–0,5 мм), которое не только облегчает извлечение формы, но и регулирует скорость охлаждения формы.

2. Выплавка: создание «железной крови»

Обычными материалами для резиновых роликов являются высокохромистый чугун, ковкий чугун или легированная литая сталь (например, Cr-Mo сталь), а состав необходимо корректировать в соответствии с условиями работы:

• Высокохромистый чугун: содержание хрома 15%-30%, образует поверхностный слой высокой твердости (HV500-700) за счет карбидов типа M7C3, подходит для роликов с высокими требованиями к износостойкости;

• Ковкий чугун: повышает прочность за счет сферического графита, подходит для случаев, требующих ударопрочности (например, для роликов холодной прокатки);

• Легированная литая сталь: добавляет такие элементы, как Ni, Mo и V, для повышения прочности сердечника и закаливаемости, используется для больших и тяжелых роликов.

Температура должна строго контролироваться во время плавки (температура плавления высокохромистого чугуна составляет 1450–1500 ℃, а ковкого чугуна — 1400–1450 ℃), а состав должен определяться спектрометром, чтобы гарантировать, что отклонение содержания легирующих элементов составляет ≤0,5%; в то же время добавляются инокулянты (например, ферросилиций) или сфероидизаторы (например, редкоземельные магниевые сплавы) для измельчения зерен и предотвращения дефектов усадки.

3. Центробежная заливка: позвольте расплавленному металлу «сформироваться самому»

Это основное звено процесса, требующее точного контроля скорости вращения, скорости заливки и температуры:

• Закрытие формы и начало вращения: после закрытия формы начните с низкой скорости 50–200 об/мин, а затем постепенно ускоряйтесь до рабочей скорости после того, как расплавленный металл заполнит литьевую чашу (обычно 180–300 об/мин для высокохромистого чугуна и 120–200 об/мин для ковкого чугуна);

• «Магия» центробежной силы: центробежная сила, создаваемая вращением (F=mrω²), заставляет расплавленный металл прилипать к внутренней стенке формы, образуя направленное затвердевание снизу вверх — сначала затвердевает внешний слой, а сердцевина заполняется позже, что полностью устраняет такие распространенные дефекты, как «усадка» и «рыхлость» при традиционном литье;

• Послойная заливка: для больших роликов (диаметром>800 мм) применяется метод сегментированной заливки, и заливка останавливается на высоте 100–150 мм, а затем продолжается после затвердевания поверхности, чтобы обеспечить однородный состав внутренних и внешних слоев;

• Контроль температуры и изоляция: во время процесса заливки температура формы должна быть стабильной на уровне 200–400 ℃ (мониторинг в реальном времени с помощью инфракрасного измерения температуры), а после заливки поддерживать тепло в течение 1–3 часов, чтобы расплавленный металл полностью затвердел.

4. Затвердевание и охлаждение: формирование «твердого и мягкого» тела

После центробежной заливки ролик должен пройти двойное испытание принудительного охлаждения + естественного старения:

• Водяное распыление и охлаждение: используйте воду под высоким давлением (0,5–1 МПа) для распыления на внешнюю стенку формы в течение первых 30 минут, чтобы ускорить охлаждение поверхности (скорость охлаждения > 100 ℃/с), способствовать осаждению карбидов и сформировать износостойкий слой высокой твердости;

• Медленный переход к охлаждению: после затвердевания поверхности перейдите к естественному охлаждению (или охлаждению в печи при низкой температуре), чтобы избежать внутреннего растрескивания напряжения в сердечнике из-за резкого охлаждения;

• Отжиг для снятия напряжения: после охлаждения до комнатной температуры нагрейте ролик до 500–600 ℃ и держите в тепле в течение 4–6 часов, медленно охладите его, устраните литейное напряжение и предотвратите последующую деформацию обработки.

5. Прецизионная обработка: от заготовки до «промышленного произведения искусства»

Хотя центробежнолитая заготовка ролика имеет превосходную внутреннюю структуру, перед поставкой ее все равно необходимо подвергнуть нескольким процессам отделки:

• Черновая токарная обработка: удалите облой заготовки и оставьте припуск на обработку 5–10 мм;

• Закалка и отпуск (опционально): для роликов с высокими требованиями к прочности сердцевины выполняется закалка + высокотемпературный отпуск (550–600 ℃) для улучшения общих механических свойств;

• Тонкая шлифовка: используйте шлифовальный станок с ЧПУ для шлифования поверхности ролика с допуском ±0,05 мм, чтобы обеспечить точность соответствия с рамой каландра;

• Коррекция динамической балансировки: высокоскоростные вращающиеся ролики должны проходить испытания на динамическую балансировку (G2.5 или выше), чтобы избежать неравномерной толщины резины или повреждения оборудования из-за вибрации.