Моделирование технологии изготовления чугунного колпака скользуна

Аннотация

В данной работе разработана твердотельная модель колпака скользуна, изготавливаемая из чугуна чертеж ВАГР-113.00.00.006 Алтайского сталелитейного завода (АСЛЗ). Проведено моделирование конструкции отливки и технологических параметров позволяющих получать отливки без литейных дефектов.

Ключевые слова: технология, моделирование, чугунный колпак скользуна, твердотельная модель чугунного колпака скользуна.

В настоящее время среди существующих направлений модернизации тележки модели 18−100 в рамках ее модификации 18−9971, одним из перспективных вариантов рассматривается использование износостойких чугунов в качестве материала для колпака скользуна. Скользуны предназначены для гашения боковых колебаний кузова вагона, ограничения виляния тележки, повышения устойчивости движения вагона, улучшения работы и уменьшения износа подпятникового узла. Колпак скользуна является тяжелонагруженной сменяемой деталью, устанавливаемой на опору скользуна в надрессорной балке тележки грузового вагона. Его расположение в тележке модели 18−100 показано на Рисунке 1.

Рис. 1. — Место установки колпака скользуна на тележке

Износостойкие чугуны обладают улучшенным комплексом основных физико-механических и служебных свойств, меньшей склонностью к разрушению, а также более высоким уровнем сопротивления ударного и длительного циклического воздействия. Однако примеров применения износостойких чугунов для деталей тележки грузового вагона недостаточно. 1−2].

В результате выполнения комплекса исследований по выплавке и оценке основных характеристик была разработана новая композиция чугуна для отливки деталей тележки грузового вагона. При выпуске расплав дополнительно обрабатывается комплексным модификатором, содержащим цирконий, барий, кальций и алюминий.

Соотношение элементов установлено так, чтобы обеспечить требуемый уровень и стабильность структурных характеристик литого металла, во многом определяющих высокую работоспособность и эксплуатационную надежность детали. Результаты основных механических свойства разработанного чугуна представлены в таблице 1.

Таблица № 1. Основные механические свойства разработанного чугуна.

Входе испытаний подтверждено, что введение легирующих и модифицирующих добавок Ni, Мо, Zr, Вa, Ca, Al в установленных пропорциях с другими компонентами, положительно воздействует на форму, размер и дисперсность феррито-перлитной металлической матрицы, графитных и других структурных образований. Несоблюдение этих пропорций ухудшает весь комплекс основных физико-механических свойств металла. [3−5].

Анализ поверхности изломов образцов показал, что их металлическая основа перлит и феррит. Микроанализ образцов, показал, что циклическая вязкость, во многом отражающая качество литого металла и характеризующая его демпфирующую способность «поглощать» вибрацию, также существенно возрастает. 6−8].

Для изготовления чугунного колпака скользуна на основе чертежа ВАГР-113.00.00.006 Алтайского сталелитейного завода (АСЛЗ) была решена важнейшая задача по разработке твердотельной модели.

Твердотельная модель чугунного колпака скользуна.

Процесс твердотельного моделирования выполняется в инструментальной среде системы автоматизированного проектирования SolidWorks [3−4].

Концептуальная модель колпака представляет собой тело в форме перевернутого четырехгранного стакана (Рисунок 2).

Рис. 2. — Концептуальная модель колпака

С учетом концептуальной модели детали и ее чертежа первоначально создается базовый конструктив колпака, затем к нему добавляются или удаляются из него геометрические элементы конструкции. На следующем этапе выполняется окончательное доопределение полученной конструкции элементами, определяемыми условиями производства и эксплуатации. Это элементы типа фасок, скруглений, уклонов, крепежных отверстий и т. п.

Создание модели колпака начинаем с построения призмы. Первоначально модель содержит лишь Исходную точку трехмерного модельного пространства и три координатных плоскости: Спереди, Сверху и Справа.

Для начала построения выберем координатную плоскость: сверху (Рисунок 3).

Рис. 3. — Координатная плоскость сверху

В данной плоскости с помощью инструментальной панели динамического эскизера: Менеджера Элементов выполняем построение контура рабочей поверхности колпака скользуна, С помощью размеров и геометрических взаимосвязей сделаем эскиз полностью определенным (Рисунок 4).

Рис. 4. — Эскиз чугунного колпака скользуна

С помощью инструмента: вытянуть, вытягиваем эскиз на расстояние 76 мм. В результате получаем модель в виде (Рисунок 5).

Рис. 5. — Модель с вытягиванием на 76 мм.

Затем на нижней грани сроим эскиз контура, равноотстоящий о внешнего контура на толщину вертикальной стенки — 10 мм (Рисунок 6).

Рис. 6. — Эскиз контура

С помощью инструмента: Вырез — Вытянуть — Полость, создаем в модели вырез, не доходя до торцевой поверхности 15 мм. В результате получаем оболочку, сечение которой плоскостью: спереди, показанную на Рисунке 7.

скользун чугунный отливка дефект.

Рис. 7. — Оболочка сечения

Эскиз, построенный в плоскости: Спереди (Рисунок 8), используем для обрезки вертикальных стенок колпака скользуна в поперечном направлении (Рисунок 9).

Рис. 8. — Эскиз, построенный в плоскости

Рис. 9. — Обрезка вертикальных стенок колпака скользуна в поперечном направлении

Аналогичным образом, используя эскиз в плоскости: Справа (Рисунок 10), выполним обрезку вертикальных стенок колпака скользуна в продольном направлении (Рисунок 11).

Рис. 10. — Эскиз, построенный в плоскости

Рис. 11. — Обрезка вертикальных стенок колпака скользуна в продольном направлении

В плоскости внутренней торцевой поверхности модели создадим эскиз опорной бобышки колпака скользуна, показанный на рисунке 12.

Рис. 12. — Опорная бобышка колпака скользуна

С помощью инструмента: Бобышка — Вытянуть, вытягиваем эскиз на расстояние 6 мм. В результате получаем модель, сечение которой плоскостью: Спереди, показано на Рисунке 13.

Рис. 13. — Модель, сечения в плоскости

Для вертикальных стенок и опорной бобышки колпака скользуна с помощью инструмента: Уклон, создадим литейные уклоны величиной 3 градуса. Результат показан на Рисунке 14.

Рис. 14. — Литейные уклоны

С помощью инструмента: Скругление и Скругление переменного радиуса, построим скругления радиусом 3 мм и 10 мм для сопрягаемых элементов во внутренней полости модели, а также кромок вертикальных стенок радиусом 3 мм. Окончательный результат показан на Рисунке 15.

Рис. 15. — Скругление переменного радиуса

Анализ формообразования отливки.

Импортируем в программу «3D Импорт» технологический «куст» отливок, производим его ориентацию в расчетной области и фиксируем полученное положение. Сохраняем файл. При сохранении файла происходит его конвертация во внутренний документ программы для проведения дальнейших расчетов.

Вызываем программу «Начальные установки» (Рисунок 16).

Рис. 16. — Начальные установки

Задаем расчетные размеры бокса, минимальную толщину стенки литейной формы, число ячеек технологического «куст» отливок и элементов литниково-питающей системы для проведения дальнейших расчетов. Затем задаем материал отливки, температуру заливки, материал и температуру литейной формы (Рисунок 17).

Рис. 17. — Задаем материал отливки, температуру заливки, материал и температуру литейной формы

Задаем положение литниковой чаши технологического «куста» отливок (Рисунок 18).

Рис. 18. — Литниковая чаша технологического «куста» отливок

Сохраняем заданные параметры и вызываем файл «Полная задача».

Вызываем контекстное меню «Параметры заливки». Задаем условия «Гравитационное литье (струя)», диаметр струи, высоту расположения ковша относительно уровня литейной формы и сохраняем заданные условия (Рисунок 19).

Рис. 19 — «Гравитационное литье (струя)», диаметр струи, высота расположения ковша относительно уровня литейной формы

Вызываем контекстное меню «Параметры автозаписи» и задаем условия объема заполнения литейной формы, объем жидкой фазы с шагом расчета (Рисунок 20).

Рис. 20 — Объема заполнения литейной формы

Вызываем контекстное меню «Данные» и отмечаем параметры, относительно которых необходимо произвести расчеты.

Запускаем моделирование процессов и контролируем визуализацию заливки и кристаллизации (Рисунки 21 — 25).

Рис. 21.

Рис. 22.

Рис. 23.

Рис. 24.

Рис. 25.

Начинаем просмотр результатов расчетов, произведенных в процессе моделирования. Возможное наличие и характер расположения дефектов усадочного характера отражаются темно-красным цветом (Рисунок 26).

Рис. 26. — Дефекты усадочного характера

Проверяем возможное наличие и характер расположения мест отливки, в которых могут быть литейные дефекты в виде шлаковых и песчаных раковин, газовые пористости (Рисунок 27).

Рис. 27. — Литейные дефекты в виде шлаковых и песчаных раковин, газовые пористости

Просматриваем расчетное время остывания отливки до температуры выбивки (Рисунок 28).

Рис. 28. — Расчетное время остывания отливки до температуры выбивки

Просматриваем и устанавливаем расположение и глубину залегания 2D-Дефектов (Рисунок 29).

Рис. 29. — Расположение и глубина залегания 2D-Дефектов

По результатам расчетов и визуализации процессов при моделировании колпака скользуна можно констатировать следующее:

• 1. Конструкция отливки и технологические параметры (сечения элементов литниково-питающей системы, места подвода питания) позволяют получать отливки без литейных дефектов усадочного характера.
• 2. Заданные условия заливки и кристаллизации отливки также позволяют получать их без дефектов, а так же определить наиболее эффективную организацию технологического процесса.

На основе результатов моделирования и технологии изготовления чугунного колпака скользуна (на АСЛЗ), были изготовлены опытные отливки (Рисунок 30). Технический контроль показал, что чугунный колпак скользуна полностью соответствует чертежу и техническим требованиям.

Рис. 30 — Чугунный колпак скользуна

Однако для принятия решения о внедрении в серийное производство необходимо провести ряд стендовых и ходовых испытаний.

• 1. Марков. А. М., Габец Д. А., Габец А. В., Некрасов В. Н., Каргин В. В. Методика испытания материалов на износостойкость // Инновации в машиностроение — основа технологического развития России. 2014. № 4. — С. 253 — 258.
• 2. Шпади Д. В. Новым грузовым вагонам — инновационные узлы и детали // Журнал Техника железнодорожных дорог. 2012 № 1. — С.46.
• 3. Бойк М. В. Булгаревич С.Б., Коган В. А. Улучшение эксплуатационных свойств конструкционных сталей за счет модификации их поверхностных оксидных пленок на наноуровне // Инженерный Вестник Дона, 2009, № 3 URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n3y2009/146

4. Акуличев А. Г. Остаточные напряжения в нитроцементованной стали 20Х3МВФ-ш // Инженерный Вестник Дона, 2010, № 4 URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n4y2010/264.

5. Гольдштейн Я. Е., Мизин В. Г. Модифицирование и микролегирование чугунов и стали. — М.: «Металлургия», 1986. C. 45.

6. Габец А. В. Специальный чугун для отливки фрикционного клина тележки железнодорожного вагона // Ползуновский вестник. 2013. № 4/2. С.51−52.

7. Ланда А. Ф. Основы получения чугуна повышенного качества. — М., МАШГИЗ, 1960. C.80.

8. Шермана А. Д., Жукова А. А., Чугун (справочник). Металлургия, 1991. C. 70−85.

• 9. Jankowski G., Doyle R. SolidWorks For Dummies. 2 edition John Wiley & Sons, 2011. pp. 12−50
• 10. Alex Ruiz, Gabi Jack, Josh Mings. SolidWorks 2010: No Experience Required. 2 edition John Wiley & Sons, 2010. pp. 33−65