Das Schwungrad ist ein wichtiges Energiespeicher- und Übertragungselement in Backenbrechern. Es ist auf der Exzenterwelle montiert, um Lastschwankungen auszugleichen, Energie zu speichern und durch seine Rotationsträgheit einen stabilen Betrieb zu gewährleisten. Es ist typischerweise scheibenförmig mit einer Wellenbohrung (passend zur Exzenterwelle) und Riemenscheibennuten und besteht je nach Lastanforderungen aus Grauguss (HT250/HT300) oder Sphäroguss (QT450-10/QT500-7).
Die Herstellung umfasst Gießen (Sandguss mit Formvorbereitung, Schmelzen/Gießen bei 1380–1450 °C, Wärmebehandlung zum Spannungsabbau), maschinelle Bearbeitung (Grob-/Vorschlichten der Außenkreise, Innenlöcher und Riemenscheibennuten, gefolgt von Präzisionsschleifen, um eine Toleranz von H7 und eine Oberflächenrauheit von Ra ≤ 1,6 μm zu erreichen) und dynamisches Auswuchten (Güteklasse G6.3, um eine Restunwucht von ≤ 10 g·cm sicherzustellen).
Die Qualitätskontrolle umfasst die Prüfung des Materials (chemische Zusammensetzung und mechanische Eigenschaften), die Erkennung von Gussfehlern (MT/UT auf Risse/Porosität), die Prüfung der Bearbeitungspräzision (Maß-/Geometrietoleranzen) und die abschließende Überprüfung der dynamischen Unwucht. Diese Maßnahmen gewährleisten die Zuverlässigkeit des Schwungrads bei hohen Drehzahlen mit einer Lebensdauer von 8–10 Jahren, die für die Stabilität des Brechers entscheidend ist.
Detaillierte Einführung in die Schwungradkomponente von Backenbrechern
Das Schwungrad ist ein wichtiges Getriebe- und Energiespeicherbauteil von Backenbrechern und wird typischerweise an beiden Enden der Exzenterwelle montiert. Es treibt die Maschine in Verbindung mit der Motorriemenscheibe an. Seine Hauptfunktion besteht darin, Energie mithilfe seiner großen Rotationsträgheit zu speichern, periodische Lastschwankungen der Exzenterwelle während der Rotation auszugleichen, die Belastung des Motors zu reduzieren und einen stabilen Betrieb des Brechers sicherzustellen (insbesondere durch Pufferung der Energie zwischen dem Arbeitshub, wenn die bewegliche Backe Materialien zerkleinert, und dem Rücklaufhub). Darüber hinaus überträgt das Schwungrad Kraft und überträgt das Motordrehmoment über einen Riemenantrieb auf die Exzenterwelle, um die Hin- und Herbewegung der beweglichen Backe zu ermöglichen.
Schwungräder sind in der Regel scheibenförmig und haben Riemenscheibennuten am äußeren Rand (einige Modelle integrieren Schwungrad und Riemenscheibe). In der Mitte befindet sich eine Wellenbohrung, die zur Exzenterwelle passt. Auf beiden Seiten können gewichtsreduzierende Bohrungen oder Verstärkungsrippen angebracht sein (um Leichtigkeit und Steifigkeit auszugleichen). Ihr Gewicht variiert je nach Brechergröße: 50–200 kg für kleine Maschinen und 500–2000 kg für große. Das Material muss eine hohe Festigkeit und Zähigkeit aufweisen, um häufigen Drehmoment- und Zentrifugalkräften standzuhalten.
I. Gussprozess des Schwungrads
Schwungräder für Backenbrecher werden meist im Gussverfahren aus Grauguss (HT250, HT300) oder Sphäroguss (QT450-10, QT500-7) hergestellt. Grauguss ist kostengünstig, stoßdämpfend und leicht zu bearbeiten und eignet sich daher für kleine bis mittelgroße Schwungräder. Sphäroguss mit höherer Festigkeit (Zugfestigkeit ≥ 450 MPa) und ausgezeichneter Zähigkeit wird für große oder hochbelastete Schwungräder verwendet. Das Gussverfahren läuft wie folgt ab:
Formvorbereitung
Es wird Sandguss (Harzsand oder Natriumsilikatsand) verwendet. Holz- oder Metallmodelle (einschließlich Details wie Wellenlöcher, Riemenscheibennuten und Gewichtsreduzierungslöcher) werden auf Grundlage von Schwungradzeichnungen hergestellt, wobei eine Bearbeitungszugabe von 3–5 mm (unter Berücksichtigung der Schrumpfrate von ca. 1 % bei Grauguss) berücksichtigt wird.
Die Sandform wird auf eine Dichte von ≥85 % verdichtet, um eine glatte Hohlraumoberfläche zu gewährleisten und Sandlöcher im Gussteil zu vermeiden. Entlüftungsnuten an der Trennfläche verhindern Gaseinschlüsse und Porosität beim Gießen.
Schmelzen und Gießen
Graugussschmelzen: Roheisen, Stahlschrott und Altschrott werden dosiert und in einem Kupolofen oder Mittelfrequenzofen bei 1400–1450 °C geschmolzen. Die chemische Zusammensetzung wird kontrolliert (C: 3,2–3,6 %, Si: 1,8–2,2 %, Mn: 0,6–0,9 %, S ≤ 0,12 %, P ≤ 0,15 %), um ein Gleichgewicht zwischen Fließfähigkeit und Festigkeit zu erreichen.
Sphäroguss erfordert die Zugabe von Sphäroidisierungsmitteln (z. B. Magnesiumlegierungen, Cerlegierungen) und Impfmitteln (Ferrosilizium) vor dem Abstich. Das Gießen erfolgt schnell nach der Sphäroidisierung (um einen Zerfall der Sphäroidisierung zu vermeiden) bei 1380–1420 °C.
Ein Bodengießsystem gewährleistet einen gleichmäßigen Metallfluss und verhindert das Mitreißen von Schlacke. Steigrohre werden bei großen Schwungrädern verwendet, um dicke Abschnitte (z. B. Felgen) zuzuführen und so Lunker und Porosität zu vermeiden.
Ausschütteln und Reinigen
Nach dem Abkühlen auf unter 200 °C wird das Gussstück ausgeschlagen. Steiger werden entfernt (Brennschneiden bei großen Schwungrädern, manuelles Klopfen bei kleinen) und Angussstellen werden glatt geschliffen.
Oberflächensand und Grate werden entfernt. Eine Sichtprüfung auf Risse oder Kaltverschweißungen wird durchgeführt. Gewichtsreduzierungslöcher und Wellenlöcher werden vorgereinigt.
Wärmebehandlung
Schwungräder aus Grauguss: Spannungsarmglühen (Erhitzen auf 550–600 °C, 2–4 Stunden halten, im Ofen auf 200 °C abkühlen) beseitigt Gussspannungen und verhindert so Verformungen während der Bearbeitung.
Schwungräder aus duktilem Gusseisen: Durch Normalisieren (850–900 °C für 1–2 Stunden, luftgekühlt) werden die Körner verfeinert, wodurch ein Perlitgehalt von ≥ 80 % und eine Härte von 180–230 HBW sichergestellt werden.
II. Herstellungsprozess des Schwungrads
Die Bearbeitungspräzision wirkt sich direkt auf die dynamische Balance des Schwungrads und die Getriebestabilität aus. Mehrere Bearbeitungsschritte gewährleisten kritische Abmessungen und geometrische Toleranzen:
Schruppbearbeitung
Unter Verwendung des Außenkreises und der Stirnfläche des Gussteils als Referenzen werden auf einer Drehbank (oder CNC-Drehbank) der Außenkreis der Felge, das Innenloch (passend zur Exzenterwelle) und beide Stirnflächen grob gedreht, wobei eine Endbearbeitungstoleranz von 2–3 mm verbleibt.
Gewichtsreduzierungslöcher (sofern vorgesehen) werden mit einem Radialbohrer gebohrt, mit einer Lochdurchmessertoleranz von ±0,5 mm und einer Oberflächenrauheit Ra ≤12,5 μm.
Vorschlichten
Präzisionsdrehen der Innenbohrung: Mit dem vorgedrehten Außenkreis als Referenz wird das Schwungrad in einem Dreibackenfutter gehalten. Die Innenbohrung wird auf nahezu die Konstruktionsgröße gedreht (0,5–1 mm Toleranz), wobei eine Rundheit ≤0,1 mm und ein Passungsspiel mit der Exzenterwelle gemäß Toleranz H7/js6 sichergestellt werden.
Drehen der Riemenscheibenrille: Bei integrierten Schwungrad-Riemenscheiben-Konstruktionen werden V-Rillen mit einer Tiefen-/Breitentoleranz von ±0,2 mm, einer Oberflächenrauheit Ra ≤6,3 μm und einer Rillenwinkelabweichung von ≤1° in die Felge eingearbeitet.
Fertigstellung
Abschließende Innenlochbearbeitung: Durch Reiben oder Schleifen (Innenschleifen bei großen Schwungrädern) wird eine Toleranz von H7, eine Oberflächenrauheit Ra ≤1,6 μm und eine Achsengeradheit ≤0,05 mm/m erreicht.
Präzisionsdrehen der Stirnfläche: Mithilfe der Innenbohrung als Referenz richtet eine Messuhr das Schwungrad aus. Beide Stirnflächen werden fertiggedreht, um eine Rechtwinkligkeit zur Innenbohrungsachse von ≤0,05 mm/100 mm und eine Ebenheit von ≤0,1 mm/m zu gewährleisten.
Vorläufiges dynamisches Auswuchten: Ein Auswuchtprüfstand prüft die Unwucht. Schwere Bereiche werden markiert, und das Grobauswuchten erfolgt durch Fräsen der Felgenseite (wobei geringe Metallmengen entfernt werden), wodurch die Restunwucht auf ≤50 g·cm begrenzt wird.
Oberflächenbehandlung
Grate werden entfernt. Die innere Bohrungsoberfläche wird phosphatiert (verbessert die Passungsstabilität mit der Exzenterwelle). Die Außenfläche wird mit einer 60–80 μm dicken Schicht (Grundierung + Decklack) lackiert, wodurch die Haftung der Klasse 1 gemäß GB/T 9286 erreicht wird (kein Ablösen im Gitterschnitttest).
III. Qualitätskontrollprozess des Schwungrads
Da es sich um eine schnell rotierende Komponente handelt, umfasst die Qualitätskontrolle Material, Bearbeitungspräzision und dynamisches Gleichgewicht:
Qualitätskontrolle von Rohmaterialien und Gussteilen
Prüfung der chemischen Zusammensetzung: Ein Spektrometer überprüft den C-, Si- und Mn-Gehalt. An den Proben werden Zugversuche durchgeführt (Sphäroguss: Zugfestigkeit ≥ 450 MPa, Dehnung ≥ 10 %).
Defekterkennung: 100 % Magnetpulverprüfung (MT) an kritischen Bereichen (Felge, Innenloch) prüft auf Risse oder Porosität. Ultraschallprüfung (UT) stellt sicher, dass keine inneren Defekte ≥φ3 mm vorhanden sind.
Präzisionsprüfung bei der Bearbeitung
Maßtoleranz: Messschieber und Mikrometer prüfen den Innenlochdurchmesser, den Außenkreis der Felge und die Abmessungen der Riemenscheibennut. Eine Messuhr misst die Rundheit/Zylindrizität des Innenlochs (Fehler ≤ 0,03 mm).
Geometrische Toleranz: Ein Winkel und eine Fühlerlehre prüfen die Rechtwinkligkeit der Stirnflächen. Ein Laserinterferometer überprüft die Geradheit der Achsen.
Dynamische Auswuchtprüfung
Eine Auswuchtmaschine mit harter Lagerung führt das Präzisionswuchten bei 50–100 % der Betriebsdrehzahl (300–600 U/min) durch und erfordert dafür die Auswuchtgüteklasse G6.3 (Restunwucht ≤ 10 g·cm basierend auf dem Gewicht).
Nach dem Auswuchten werden an den schweren Stellen Löcher gebohrt (oder Ausgleichsgewichte hinzugefügt), mit Ausgleichsmarkierungen zur Ausrichtung mit der Exzenterwelle bei der Montage.
Endkontrolle vor der Montage
Sichtprüfung: Keine Kratzer, gleichmäßige Lackierung und sauberes Innenloch (kein Öl oder Schmutz). Die Ausrichtung mit der Motorriemenscheibe wird per Schnur geprüft, mit einem Fehler von ≤ 0,5 mm.
Probemontage: Durch Kaltmontage mit der Exzenterwelle wird eine Kontaktfläche von ≥80 % sichergestellt. Das Schwungrad sollte sich frei drehen können, ohne zu klemmen.
Diese Prozesse stellen sicher, dass das Schwungrad die Stabilitätsanforderungen im Hochgeschwindigkeitsbetrieb erfüllt und eine Lebensdauer von 8–10 Jahren (entsprechend dem Brecher) aufweist. Verschleiß oder Unwucht erfordern einen rechtzeitigen Austausch oder eine Neuauswuchtung, um übermäßige Vibrationen oder eine Überhitzung der Lager zu vermeiden.
