Основы проектирования литейной технологии на отливку «Рама боковая». Вакуумно-пленочная формовка
Статьи от автора: Феклин Н.Д.В статье описываются закономерности проектирования литейной технологии для отливок «Рама боковая». Определены условия их бездефектного формирования в вакуумируемых формах, а также требования к их установке на тележки грузового вагона.
Ключевые слова: Вакуумно-пленочная формовка, отливка «Рама боковая», специальные подмодельные плиты, воздействие нагрузок на разные стороны рамы.
Массовое производство отливок, как правило, должно производиться на специализированном оборудовании (автоматические формовочные линии (АФЛ), разработанном с учетом требований оптимальной технологии их изготовления. Любое несоответствие технологического оборудования, а также необходимой оснастки, основам построения оптимальной литейной технологии, приводит к невозможности организации выпуска качественной продукции по заявленной, поставщиком оборудования, производительности.
Оборудование (АФЛ), не учитывающее требования оптимальной литейной технологии на отливки, пользующиеся массовым спросом, является универсальным, и не отвечает в полной мере условиям выпуска литейной продукции, особенно при наличии высоких требований к ее качеству. Использование таких АФЛ приводит к постоянным затратам на доработку и совершенствование литейной технологии, к поиску путей устранения дефектов литья, решению разноплановых, не понятных проблем, периодически возникающих на таком производстве. Суммарные затраты на разработку (доработку) литейных технологий, порой, значительно превышают стоимость всего комплекса оборудования, при этом решая одни проблемы, появляются другие. А все потому, что в «сковородке борщ не готовят», разве что от безысходности.
На примере отливки «Рама боковая» (Рис.1) попробуем определить основы проектирования литейной технологии на нее и обозначить необходимые требования к технологическому оборудованию и оснастке для ее массового производства на базе вакуумно-пленочной формовки.
Рисунок.1 Рама боковая.
Отливка «Рама боковая» имеет достаточно сложную конструкцию, с полыми поясами, с большими плоскими поверхностями, с наличием термических узлов и поэтому при проработке, как оборудования с оснасткой, так и литейной технологии, в обязательном порядке, необходимо использовать основополагающие методы проектирования. Любое отклонение от них будет провоцировать не стабильность результата, что бы ни предпринимали. Кроме этого, часть поверхности отливки формируется в стержнях (Рис.2) и, поэтому, необходимо учитывать особенности влияния стержней на вакуумную форму при заливке ее металлом.
Рисунок 2. Нижняя форма «Рамы боковой» со стержнями.
В уже используемых разработках литейных технологий для «Рамы боковой», проработаны разнообразные схемы питания термических узлов (Рис. 3), обеспечивающие, не всегда стабильную, подпитку узлов металлом, при существующем, в настоящее время, не соответствии оборудования, технологии и конструкции рамы.
Рисунок 3. Вариант расположения прибылей для отливки «Рама боковая».
Для упрощения понимания основ проектирования литейных технологий при вакуумно-пленочной формовке, не будем изначально принимать во внимание влияние стержней и питающих прибылей на отливку.
Возможности технологического оборудования для обеспечения требуемых условий внедрения оптимальной литейной технологии, разработанной с учетом всех необходимых условий производства, есть основа стабильной и качественной работы предприятия.
При разработке литейной технологии на отливки, имеющие объемную, вытянутую форму с разветвленными плоскими поверхностями, изобилующие сложными переходами с большим количеством термических узлов, необходимо в обязательном порядке, выдержать нижеперечисленные условия:
- Не допускать любое попадание жидкого металла на поверхность облицованную пленкой.
- Организовать плавное заполнение полости формы металлом, а в идеальном случае перетекание металла из одной ее части в другую (принцип сообщающихся сосудов) .
- Создать условия само перераспределения потока жидкого металла снизу вверх, по мере заполнения им формы.
- Не допускать плоский контакт зеркала жидкого металла с поверхностями формы и стержней.
- Предусмотреть возможность принудительного удаления газов из стержней.
- Производить очистку поступающего металла от включений, не зависимо от хим. состава металла и способа его заливки.
- Максимально снизить гидравлическое (статическое) давление жидкого металла до поступления его в полость формы.
Для выдержки этих условий необходимо:
- Чтобы форма, либо полость формы, при заливке ее металлом, должны обязательно находиться под наклоном (3÷5®), создавая единый фронт движения металла без разрывов и растеканий .
Практически во всех АФЛ, работающих на постсоветском пространстве и используемых при производстве ответственного железнодорожного литья («Рама боковая» и «Балка надрессорная»), не предусмотрен наклон форм, при этом конструкция оборудования не предусматривает возможность работы с моделями под наклоном. Для существующих автоматических формовочных линий требуется замена формовочных установок на специализированное оборудование, позволяющее производить формовку с размещением моделей под наклоном (Рис.4; Рис.5), при этом требуются специальные подмодельные плиты, состоящие из нескольких подвижных частей и основы для их установки.
Рисунок 4-5. Принцип протяжки моделей верха и низа под наклоном.
Использовать комбинированную литейную технологию, позволяющую создать идеальные условия подготовки и заполнения формы металлом (Рис.6 и Рис.7). Комбинированная литейная технология состоит из двух ее основных частей; верхней замкнутой и нижней не замкнутой. Замкнутая часть литниковой системы предназначена для стабилизации потока металла внутри формы и его очистки от включений, а не замкнутая часть – для плавной подачи металла внутрь формы и перераспределения потока металла в процессе заполнения формы снизу вверх. Главной особенностью этой технологии является то, что отводные питатели верха и низа, по своему сечению позволяют пропустить весь поток поступающего металла в форму и без сопротивления перетекать из одного канала в другой. Более полное описание принципа построения и расчет комбинированной литейной технологии освещены в статье «Особенности конструирования литниковых систем для вакуумно-пленочной формовки» (6).
Рисунок 6. Расположение литниковых элементов комбинированной системы.
Жидкий расплав, из плоского зумпфа 2 попадает в распределительную камеру 3 и самотеком поступает в отводной канал 4 и, заполняя полость, формирующую кронштейн подвески триангеля рамы боковой, поступает через него снизу (сифоном) в верхний пояс отливки. Благодаря наклону модели, металл концентрируется вдоль верхнего пояса отливки и, в дальнейшем, двигаясь «единым фронтом», продвигается в сторону нижнего пояса отливки, одновременно заполняя челюсти буксового проема.
При таком заполнении формы:
При последующем повышении уровня металла в форме до уровня распределительной камеры 3, металл начинает заполнять боковые отводные каналы 5 и через них поступать в полость формы, расположенную по линии ее разъема. До полного заполнения отводных каналов 5, жидкий металл будет одновременно поступать в полость формы как снизу 4, так и по линии ее разъема 5, а затем будет двигаться только в каналах с наименьшим гидравлическим сопротивлением. При этом, отводные каналы 5 разнесены в горизонтальной плоскости от отводных каналов верха и низа, что позволяет создать смещенные потоки металла, поступавшие снизу и по разъему, что приводит к дополнительному торможению турбулентных составляющих металла внутри формы.
Кроме этого, из кронштейна подвески триангеля по технологическому ребру 8, металл будет поступать в выступающую вниз часть полки крепления фрикционной планки, тем самым предотвращая возможные попадания металла на эту облицованную поверхность.
При последующем подъеме уровня металла до верха верхнего пояса отливки, поступление металла в форме начнет плавно перераспределяться с линии разъема вверх.
Плавное перераспределение горячего металла снизу вверх, по мере заполнения полости формы металлом, создает необходимые условия для его направленной кристаллизации, улучшает условия питания термических узлов.
Рисунок 7. Вариант конструкции комбинированной литниковой системы.
Для определения мест максимальных нагрузок на раму боковую, давайте рассмотрим схему усилий, действующих на нее от веса грузового вагона:
Рисунок 8. Воздействие балки надрессорной на раму боковую.
Статическая нагрузка на раму боковую от веса груженого вагона ориентировочно составляет 24 тн. Динамические же нагрузки, возникающие в процессе движения вагона, существенно превышают статические.
На каждую из балок надрессорных действует только статическая нагрузка около 48 тн, а еще и при динамических нагрузках дополнительно, происходит ее микро изгибы (упругая деформация) (Рис.8). Принято не учитывать такие не значительные деформации балки, хотя, уже только половина градуса изгиба при таких нагрузках, приводит к смещению усилий воздействия балки на раму боковую и появление в ней изгибающего момента.
Разница высоты давлений балки надрессорной на пружины рессорного проема при изгибе 0.5⁰ будет равна;
A1 – межосевое расстояние пружин рессорного проема = 354мм.
B1 – величина изгиба края балки при 0.5⁰.
В1 = А1 × = 354 × 0.00873 = 3.1 мм.
Что изменит нагрузку на пружины:
Р5 > Р4, тогда; (Р5 – Р4) × Н3 = Р6 – изгибающий момент на опорную поверхность рессорного комплекта рамы боковой.
На каждый колесный центр со стороны двух буксовых шеек действует статическая, либо динамическая нагрузка не менее 24тн., что приводит к микро изгибу оси и смещению мест контакта рамы боковой с опорной площадкой буксового проема (Рис.9).
Р1 × Н1 × 2 = Изгибающий момент, действующий на ось колесной пары.
Рисунок 9. Деформация оси колесной пары от существующих нагрузок.
Даже незначительный изгиб оси колесной пары, переводит плоскость контакта рамы с буксой на линейный контакт, при этом практически вся нагрузка переноситься на одну из сторон рамы боковой.
Изгибающий момент, действующий на раму со стороны буксы, составляет:
Р1 × Н2 = Р7.
Действующие изгибающие усилия Р6 и Р7 на раму боковую (Рис.10 и Рис.11), показывают неравномерность нагрузок на ее боковые стороны, то есть, внутренняя поверхность рамы несет более высокие нагрузки, в сравнении с наружной ее поверхностью и значит, быстрее может разрушиться, при равных показателях качества внутренней и наружной ее поверхностей.
Рисунок 10. Изгибающие усилия на раму боковую.
Рисунок 11. Места максимальных концентраций напряжений.
Литейщикам известны основные вероятные места разрушения рамы боковой (Рис.12) и основные причины этих разрушений:
- Наличие поверхностных дефектов отливки.
- Наличие внутренних дефектов отливки в термических узлах.
А также, влияние осевого смещения нагрузок на раму, вызывающих, не предусмотренную существующими условиями эксплуатации, деформацию.
Как видно, из описанных схем расположения дефектных мест рамы, большая их часть образуется на ее боковой поверхности, что позволяет судить об их более вероятном образовании на одной из поверхностей рамы, испытывающей повышенные изгибающие нагрузки.
Рисунок 12. Основные места разрушения рамы боковой при ее эксплуатации.
При ознакомлении с причинами крушения ж/д составов в связи с разрушением рам боковых, в отчетах, чаще всего, пишется, что обходчики не смогли увидеть образование трещин в виду их расположения с обратной (внутренней) стороны тележки грузового вагона.
А проводилась ли статистика образования такого рода дефектов на разных поверхностях рамы - внутренней и наружной?
Как правило, верхняя часть формы, за счет улучшенного питания термических узлов и отсутствия прямого контакта металла с облицовочной пленкой (для ВПФ), получается с меньшим количеством дефектов, что обуславливает ее более высокую стойкость к существующим нагрузкам. Поэтому, при установке рам боковых на тележки грузовых вагонов, имеет значение ее правильность установки – наружу или внутрь.
Существующее расположение термических узлов в раме боковой (Рис.13), не позволяет в полной мере пропитать их жидким металлом, особенно те узлы, которые расположены в нижней части формы.
Рисунок 13. Расположение термических узлов отливки «рама боковая».
Неравномерное воздействие нагрузок на разные стороны рамы, позволяет использовать эту особенность для создания условий направленной кристаллизации металла в термических узлах, путем уменьшения толщины стенок рамы в узловых местах низа формы и соразмерного увеличения толщины стенок, узловых мест верхней части формы. Тем самым, создается направленный уклон стенок, в сторону усадки металла. Главным условием эксплуатации таких рам, будет являться их правильная установка на тележку грузового вагона; усиленной частью формы - внутрь (в сторону колесных пар), что упрочнит более нагруженную часть рамы. При этом такое конструктивное решение, за счет улучшения питания нижней части отливки, даже при снижении толщины ее узловых стенок, не снизит существующую прочность проблемной стороны отливки.
Мы получим:
- Условия направленной усадки термических узлов и повышение плотности металла.
- Общее повышение прочности рамы.
При этом масса отливки останется прежней.
Предлагаемые в этой статье решения по усовершенствованию литейной технологии, а также доработки технологического литейного оборудования, позволят;
- наладить выпуск изделий "рама боковая" и "балка надрессорная" без существующих скрытых дефектов, снижающих ее прочность;
- разработать оптимальные литейные технологии, применительно для вашего существующего производства;
- значительно снизить вероятность крушения составов по причине не качественных комплектующих.
Литература:
- Воронин Ю.Ф., Шевченко С.П., Воронин С.Ю., Бадешко С.К. Литейные дефекты отливок «рама боковая» для вагонов РЖД. // Заготовительные производства в машиностроении. - 2011. - №4.
- Балакин В.В., Бубнов В.М., Котенко С.П., Монастырский А.В. Излом боковой рамы тележки грузового вагона. Анализ технологии производства, пути устранения дефектов. // CADmaster «Машиностроение». – 2012. - №5 (66).
- Рузметов Я.О., Якушев А.В., Комиченко С.О. Методика расчета прочности литых боковых рам тележек грузовых вагонов с учетом внутренних литейных дефектов. // Интернет-журнал «Науковедение». – 2014. - №3.
- Каторгин С.В., Воронин Ю.Ф. О влиянии технологических параметров на качество отливок «Рама боковая». // Молодой ученый. – 2012. - №11 (34).
- Феклин Н.Д. Базовые основы разработки литейной технологии на отливку «боковая рама». Вакуумно-пленочная формовка. // ИТБ «Литье Украины». – 2018. - №5 (213).
- Феклин Н.Д., Медведчук С.А. Особенности конструирования литниковых систем для вакуумно-пленочной формовки. // ИТБ «Литье Украины». – 2018. №6.
ИТБ "Литье Украины", №9 (217) 2018 г.