CC BY
125
Моделирование технологии изготовления чугунного колпака
скользуна
А. М. Марков1, Д.А. Габец1, В. В. Каргин1, А. В. Габец2
1 Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова 2 ООО «Алтайский сталелитейный завод»
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.
Предел прочности при растяжении, кг/мм2 Предел прочности при изгибе, кгс/мм2 Предел выносливости, МПа Твердость по Бринеллю, ед. Сопротивлен ие ударному разрушению, кДж/м2
47,9 72,4 148,4 293,7 135,0
Входе испытаний подтверждено, что введение легирующих и модифицирующих добавок N1, Мо, 7г, Вa, Ca, А1 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 БОШ'^ЛБ [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).
/
ю 1 в \
1
+ -Щ _
о а!
И! 1 ш
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.
Рис. 7. - Оболочка сечения
1
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
1
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 3мм и 10 мм для сопрягаемых элементов во внутренней полости модели, а также кромок вертикальных стенок радиусом 3мм. Окончательный результат показан на Рисунке 15.
Рис. 15. - Скругление переменного радиуса
Анализ формообразования отливки
Импортируем в программу «3Б Импорт» технологический «куст» отливок, производим его ориентацию в расчетной области и фиксируем полученное положение. Сохраняем файл. При сохранение 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
Задаем положение литниковой чаши технологического «куста» отливок (Рисунок 18).
температуру литейной формы
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)
А "•-•-••••1
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).
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
1
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).
Л
Рис. 28. - Расчетное время остывания отливки до температуры выбивки Просматриваем и устанавливаем расположение и глубину залегания 2Б-Дефектов (Рисунок 29).
Рис. 29. - Расположение и глубина залегания 2Б-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.
1
Однако для принятия решения о внедрении в серийное производство необходимо провести ряд стендовых и ходовых испытаний.
Литература
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
Рис. 30 - Чугунный колпак скользуна
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
References
1. Markov. A. M., Gabets D. A., Gabets A. V., Nekrasov V. N., Kargin V. V. Innovacii v mashinostroenie - osnova tehnologicheskogo razvitija Rossii. 2014. №4. pp. 253 - 258.
2. Shpadi D. V.. Zhurnal Tehnika Zheleznodorozhnyh dorog. 2012, №1.
pp.46.
3. Bojk M.V. Bulgarevich S.B., Kogan V.A. Inzenernyj vestnik Dona (Rus), 2009, №3 URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n3y2009/146
4. Akulichev A.G. Inzenernyj vestnik Dona (Rus), 2010, №4 URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n4y2010/264
5. Gol'dshtejn Ja.E., Mizin V.G. Modificirovanie i mikrolegirovanie chugunov i stali. [Modification of microalloying and iron and steel.] M.: «Metallurgija», 1986. pp. 45
6. Gabets A.V. Polzunovskij vestnik. 2013. № 4/2. pp.51-52.
7. Landa A. F. Osnovy poluchenija chuguna povyshennogo kachestva. [Fundamentals of producing pig iron Premium] M., MAShGIZ, 1960. C.80
8. Shermana A. D., Zhukova A. A., Chugun (spravochnik). [Iron (reference)] Metallurgija, 1991. pp. 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
