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钩舌通用高精度外型工艺设计研究

所属栏目:工业设计论文 发布日期:2020-12-28 09:34 热度:

   车钩是连接铁路机车与车辆之间的关键部件,它直接关系到列车的运行安全和可靠性。随着我国铁路运输不断向高速和重载方向发展,列车的纵向冲击力急剧增加,车钩钩舌接触面摩擦磨损严重,钩舌的性能已越来越难以满足使用的要求,严重影响到铁路运输的安全和利益[1-3]。钩舌是车钩的关键部件,其内在质量直接关系到铁路货车运行安全及运用部门的经济效益[4]。我国先后设计制造了13和16号钩舌,有必要对钩舌生产工艺进行优化设计,以提高其生产效率及质量。本文以双牵引钩舌为研究对象,针对钩舌结构特点,运用Pro-E软件对钩舌进行三维建模,在此基础上对其他钩舌传统铸造工艺进行优化,新工艺采用通用外型设计,型芯内包工艺形成铸件本体,提高生产效率,保证铸件精度。

钩舌通用高精度外型工艺设计研究

  1 铸件的结构特点及工艺

  目前,国内外使用钩舌种类较多,但其结构具有相似性,铸件重40~50kg,轮廓尺寸相差不大。某钩舌产品结构如图1,钩舌表面大多以光滑圆角复杂结构形成,内腔有复杂的减轻结构,钩舌关键受力部位在S面部位,且S面的工艺要求为直面,铸造难度很大。国内钩舌材质为C级钢,国外采用AAR标准的E级钢,生产方式采用自动化水玻璃自硬砂造型线生产,冶炼采用20吨高功率偏心底碱性电弧炉和25吨LF钢包精炼炉双联工艺,采用氧化法进行冶炼。钩舌传统铸造工艺如图2所示。工艺为:一型8件,四件为一组,钩舌中间部位设计为分型面,每组中间放置一个Φ150mm×300mm的保温冒口,起补缩集渣作用;设计一个直浇口,一条横浇道,每四件分流一条横浇道,每件钩舌再设置一条内浇道;设计5个芯子形成内腔和S面结构,S面及上下牵引颈部放置铬铁矿砂20~30mm,内腔芯子用覆膜砂制芯。

  2 通用外型工艺设计

  新工艺设计为多种钩舌使用同一外型,以双牵引钩舌为基础,综合分析多种钩舌尺寸,设计外型工艺,设计通用外型。外型的轮廓尺寸要包含所有在制钩舌的轮廓尺寸,表1为对现有在制钩舌轮廓尺寸的统计。通过表中钩舌轮廓尺寸的对比,结合生产方式、工装尺寸及总体布局情况,将外型尺寸定为372mm×308mm×410mm。通用外型工艺如图3所示,外型设计为上下盒装结构,铸件本体采用型芯内包结构形成,形成钩舌外轮廓的型芯设计为No.1和No.4芯。形成不同钩舌的No.1和No.4芯轮廓尺寸相同,均为372mm×308mm×410mm,内部的工作面尺寸因不同钩舌设计即可。生产时,不同钩舌型芯下到通用外型中形成对应的钩舌,钩舌内腔由No.2和No.3芯形成。模型分型面和型芯分型面采用不同平面设计,分型面设计如图4所示,钩舌中心为型芯分型面,而模型分型面比型芯分型面高10mm,目的是当No.1和No.4芯对接时,用来固定上面的No.4芯,保证型芯的稳定性。另外,No.1和No.4芯之间增加砂型退让孔定位,加强型芯的定位,提高铸件精度,如图3b所示。

  3 三维建模及外型布置

  根据工艺设计进行三维建模,图5为新工艺模型立体图,图6为工艺平面布置图。为了保证设计的准确性和可靠性,对铸造工艺进行三维建模,结合现场生产工装对外型、浇道、冒口进行合理布置。由图可见,浇道设计与传统工艺相同,采用一型8件布置,每4件为一组,中间设置共用冒口定位,每个外型设计两个退手槽,方便生产时下芯,合理运用型板空间,实现生产资源的利用最大化。图7a、b为No.1和No.4芯盒的三维图,型芯与外型四周间隙为0.2mm,No.1和No.4芯4个顶点处纵向为圆角设计,而且比外型圆角大,减小下芯时的磨损,也可用作集砂槽。

  4 生产验证及通用外型的优点

  4.1 提高钩舌尺寸精度,降低成本

  图8为新旧工艺外型和型芯砂型。传统钩舌工艺设计由外型和型芯形成钩舌本体,旧工艺中除“S”面外,钩舌其余外轮廓本体均由外型形成,4个芯子形成内腔,所以各种钩舌有其对应的外型,存在型种类多、制作费用大的问题。另外,不同外型生产钩舌时,易受到造型、下芯、合箱等工序对钩舌尺寸精度的影响。新工艺设计为型芯内包形成铸件本体,消除了旧工艺模型生产时因砂型不稳定造成的产品精度问题,只需在制作时保证No.1芯和No.4芯结构尺寸的准确性,验收合格后即可保证钩舌尺寸精度,外型对钩舌的精度影响很小,可以有效避免传统工艺钩舌外轮廓受生产影响造成的精度问题。此工艺在钩舌产品上进行推广,可提高钩舌生产效率,降低生产成本。

  4.2 实现生产快速换型,提高生产效率

  新工艺生产过程如图9所示。通用外型的设计,可实现多种钩舌快速换产,采用通用外型同时生产多种钩舌时,不同钩舌不用换型,只需将对应的型芯放到通用砂型即可生产出对应的钩舌。图10为新旧工艺生产时各工序所需时间对比。新工艺无需换型,各工序操作统一,外型不用刷涂料,型芯改为线下刷涂料,线上只需很少的涂料补刷;旧工艺设计5个芯子,而新工艺共4个芯子,芯子总数比传统工艺少,下芯操作简单,提高了生产效率。而采用旧工艺时,存在型种类多,钩舌的多种类,小批量生产特点难以适应自动化生产线的节奏,生产不同钩舌时需要换型,导致生产时浪费大量换型时间,线上造型后砂型需要刷涂料,下芯复杂,芯子定位效果差,浪费生产时间。表2为采用新旧工艺生产不同钩舌时现场生产效率统计。表中以一天同时生产4种钩舌进行统计,每天生产8小时,可以看出不用换型时生产效率得到很大提高。

  4.3 生产准确定位

  从图4和图6可看出,通用外型设计了2种定位方式。(1)分型面定位:从图4可以看出,型分型面比型芯分型面高10mm,用来固定No.1芯和No.4芯。(2)芯子定位:型芯定位方式如图11所示,图11a中No.1芯和No.4芯之间制作砂型退让孔,合芯时直接固定型芯位置。另外,内腔芯也可直接通过No.1芯和No.4芯子上的定位孔固定,将内腔芯下芯头插入No.1芯定位中,如图11b所示。当No.1和No.4芯合芯时,将No.4芯上的定位孔固定在内腔芯上心头,如图11c所示。双重定位可以防止合箱不稳带来的芯偏问题,可以有效保证铸件尺寸精度。而旧工艺所有芯子只靠上下砂型合箱后定位,容易造成合箱不稳带来的芯偏问题。

  5 结论

  (1)钩舌新工艺设计,实现了多种钩舌外型通用,适合多种类型、大批量钩舌的生产,不同钩舌的生产转换实现零换型,统一了生产过程,可减少线上生产工序时间,提高生产效率,降低生产成本。(2)新工艺采用型芯内包形成铸件本体,采用分型面定位和型芯自身定位方法,消除了旧工艺模型生产时因砂型不稳定造成的产品精度问题,提高了钩舌精度。

  参考文献:

  [1]孙建伟,高建华.C级钢车钩、钩尾框、钩舌皮下气孔的原因分析[J].机车车辆工艺,2003(6):44-45.

  [2]杜云慧,张励忠,刑书明,等.钩舌常见失效形式与机理[J].金属热处理,2003,28(6):48-51.

  [3]朱海龙,杨军,陈美玲,等.13A型车钩钩舌铸件工艺设计及优化[J].铸造工程,2015(3):26-29.

  [4]刘涛,董中友,武永亮,等.铁路货车钩舌铸造工艺优化[J].铸造,2016,12(65):1234-1237.

  《钩舌通用高精度外型工艺设计研究》来源:《铸造》,作者:韩宝 李卫国 杜志强 李志杰 于海洋 张晓敏

文章标题:钩舌通用高精度外型工艺设计研究

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