автореферат диссертации по металлургии, 05.16.04, диссертация на тему:Разработка технологического процесса литья в кокиль армированных тормозных барабанов и методов управления силовым взаимодействием отлтвки, арматуры, кокиля

.л-

V

/V

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ "МАМИ"

На правах рукописи

СИВОДЕДОВ Александр Владимирович

РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА ЛИТЬЯ В КОКИЛЬ АРМИРОВАННЫХ ТОРМОЗНЫХ БАРАБАНОВ И МЕТОДОВ УПРАВЛЕНИЯ СИЛОВЫМ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕМ ОТЛИВКИ, АРМАТУРЫ, КОКИЛЯ.

Специальность 05.16.04 - Литейное производство

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

МОСКВА 1997

Работа выполнена на кафедре " Машины н технология литейного производства " Московского государственного технического университета " МАМИ ".

Научный руководитель - кандидат технических наук, доцент А. И. Маляров .

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор B.C. Шуляк ;

кандидат технических наук, доцент Г.И. Бобряков

Ведущее предприятие - НИИТ " УГЛЕМАШ"

Защита состоится 25 декабря 1997 г. в 14 часов , на заседании диссертационного совета К 063.49.02. при Московском государственном техническом университете "МАМИ" в аудитории Б-310 ( 105839, ГСП, г. Москва Д Семеновская, 38 ).

С диссертаций можно ознакомиться в научно-технической библиотеке института

Ваши отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные гербовой печатью , просим направлять по вышеуказанному адресу.

Автореферат разослан "_" _ 1997 г.

Ученый секретарь диссертационного совета к.т.н., профессор

В.М Зуев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

В период перехода к рыночной экономике в России заметную роль стали играть малые предприятия , в том числе , и в производстве запасных частей к автомобилям . В подавляющем большинстве случаев малые предприятия располагали минимальной производственной базой н стартовым капиталом . В связи с этим малые производственные предприятия были особенно заинтересованы в технологических процессах, не требующих сложного , дорогого, энергоемкого оборудования . В частности большой экономический интерес для малых предприятий представляла разработка технологии литья армированных тормозных барабанов для легковых автомобилей , с использованием простейших кокильных станков взамен громоздких машин литья под давлением .

Решение этой задачи потребовало уточнения механизма силового взаимодействия отлнвки , арматуры и кокиля и методов управления этим взаимодействием для обеспечения требуемой прочности заделки арматуры и минимального усилия извлечения отлнвки из кокиля.

Цель работы . Разработать технологию изготовления армированных тормозных барабанов литьем в кокиль н методы управления силовым взаимодействием отливки , арматуры , кокиля.

Научная новизна полученных результатов .

1. Установлено влияние начальной температуры чугунной арматуры на прочность ее заделки в корпус отлнвки из алюминиевого сплава прн литье в кокиль .

Расчетно-экспериментальный метод показал, что для отливок , в которых чугунная арматура располагается внутри корпуса из алюминиевого сплава , и по массе сопоставима с массой отливки , снижение начальной температуры арматуры от 380° С до 100° С увеличивает прочность заделки на 20% . Увеличение относительной массы арматуры и скорости залнвкн увеличивает эффект повышения прочности заделки .

2. На основе математического моделирования теоретически обоснована и экспериментально подтверждена возможность уменьшения усилия извлечения стержня из отливки за счет конструктивных или технологических уклонов на торцевых поверхностях кокиля , прилегающих

к стержню .

Раскрыт механизм возникновения усилий , облегчающих съем отлнвки ори усадке образца с фаской . Показано , что при торможении усадки образца центральным стержнем силовое взаимодействие образца и кокиля по конической поверхности возникает только прн изгибе образца,вызываемом несимметричностью его горизонтального сечення .

Практическая ценность . Разработан технологический процесс изготовления армированных тормозных барабанов литьем в кокиль . Разработаны методы , обеспечивающие уменьшение усилий съема отливки с "болвана " путем применения конструктивных и технологических уклонов на его торце и рационального режима охлаждения . Определен интервал рабочих температур кокиля, обеспечивающий требуемую прочность заделки арматуры в корпус от-лнвкн.

Реализация результатов работы : По результатам работы разработаны кокильные стайки производительностью 7 отлнвок в час н технология изготовления тормозных барабанов , внедренные на МСП" МАМИ-МОТОР', МП "МОТОР-МИКРО", ЗАО "РОССИМАШ".

Апробация работы : Основные результаты работы доложены и обсуждены на конференции посвященной 100-летию Российского автомобиля (Москва 1996) , научных семинарах кафедры МнТЛП МГТУ "МАМИ".

Публикации : По теме диссертации опубликовано 5 работ .

Общий объем н структура : Диссертация состоит нз введения , четырех глав , списка литературы .включающего наименования и приложения .Основная часть содержит страниц текста, рисунков , таблицы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе приведен анализ литературы, показывающий принципиальную возможность создания кокильного станка для литья армированных тормозных барабанов в условиях малых предприятий с минимальной производственной базой .

Однако , в литературных источниках нет надежных данных о технологических режимах , обеспечивающих заполняемость кокиля для тонкостенных армированных отливок типа тормозной барабан . Нет достаточных для разработки технологической оснастки данных о величине линейной усадки алюминиевых сплавов при использовании арматуры, масса которой равна массе корпуса нз алюминиевого сплава.

Влияние начальной температуры арматуры на прочность ее заделки в отпилку а на теплопроводность стыка арматуры н отливки изучены совершенно недостаточно . Это не позволяет решить вопрос об отказе от алнтнроваяни при литье в кокиль тормозных барабанов.

Отсутствуют данные о силовом взаимодействии арматуры отливки с металлическим стержнем "болваном" , расположенным внутри арматуры в процессе охлаждения отливки в форме . Это не позволяет хотя бы ориентировочно оценить важнейший параметр кокильного станка- величину усилия, необходимого для снятия отливки со стержня, ( " болвана").

Нет достаточных оснований для отказа от использования разборного стержня , что позволило бы не только уменьшить трудоемкость литья в кокиль тормозного барабана, но и увеличить точность литой заготовки.

В связи с изложенным задачами исследования являются :

1. Экспериментальное определение совокупности технологических параметров , обеспечивающих надежную заполняемость формы для литья в кокиль армированных тормозных барабанов.

2. Определение величины линейной усадки армированной отливки , с целью получения заданных размеров литой заготовки .

3. Исследование эксплуатационных свойств армированных барабанов изготовленных литьем в кокиль.

4. Расчетно-экспериментальное исследование зависимости прочности заделки чугунной вставки в корпус барабана от ее начальной температуры .

5. Математическое моделирование процесса силового взаимодействия охлаждающейся отливки н кокиля.

6. Экспериментальное исследование процесса силового взаимодействия армированной отливки с "болваном" , расположенным внутри арматуры , в процессе охлаждения перед выбивкой.

7. Разработка конструкции кокиля и кокильного станка для литья тормозных барабанов.

8. Внедрение разработанного технологического процесса и станка в производстве на МСП "МАМИ-МОТОР" .

Во второй главе экспериментально исследована возможность литья в кокиль тормозных барабанов . Для этой цели был изготовлен экспериментальный кокиль , установленный на специально спроектированном кокильном станке ( рис 1 ). Чугунный кокиль имеет горизонтальный разъем по фланцу отливки и состоит из 2 частей нижней (6) и верхней (1) . Сама отливка формируется в нижней части , в верхней части выполнен выступающий "болван" , на который надевается чугунная вставка (2), центруемая по "болвану" и опирающаяся снизу на 8 конических штырьков , формирующих отверстия в дисковой части барабана

Для извлечения отливки ,в верхней части предусмотрены 3 толкателя (10). Подвод металла осуществляется через стояк , выполненный по центру верхней части кокиля . Кокиль установлен на кокильный станок , состоящей из сварной рамы (7) с опорами (5) для цапф (4) бандажа (3) нижней части кокиля , что обеспечивает возможность поворота на 180" низа ко-хнля при удалении из него отливки . Верхняя часть кокиля прикреплена с помощью серег (9) к поворотной раме (8), снабженной упором (IX).

а

Рис. 1 Экспериментальный

кокильный станок.

1-верхняя часть кокиля

2-чугунная вставка

3-бандаж

4-цапфа бандажа

5-опора для цапф

6-ннжняя часть кокиля

7-сварная рама

8-поворотная рама

9-серьга

10-толкагель

11-упор

Предварительные эксаеримевты подтвердили возможность получения тормозных барабанов литьем в кокиль и выявили важнейшие особенности технологического процесса.

1. Важнейшим фактором , определяющим заполняемость кокиля, является продолжительность заливки. Для надежной залолняемости она не должна превышать 8... 10 с.

2. Величина линейной усадки армированной отливки составляет 0,2% по горизонтали и равна нулю по вертикали .

3. Усилие вьшрессовкн неалитвроваиного кольца с лигой наружной поверхностью удовлетворяет техническим условиям на деталь . Однако , применение колец с точеной поверхностью обеспечивает минимальный запас по прочности заделки .

4. Съем отливкн с "болвана?' оказался неожиданно трудным из-за подлива металла между кольцом и "болваном?' . Для устранения подлива на торце кольца был выполнен уплотняющий бортик, что обеспечило легкий съем отлнвкн .

5. Было установлено , что усилие, необходимое для съема отливкн с "болвана?', существенно зависит от его температуры перед заливкой.

В третьей главе рассматриваются методы управления силовым взаимодействием отливки, арматуры, кокиля.

3.1. Расчетно-эксперименгальное исследование силового взаимодействия отлнвкн , арматуры , кокиля.

3.1.1. Физическая и математическая модели силового взаимодействия отливкн, арматуры, кокиля.

На основании результатов предварительных экспериментов по отливке тормозных барабанов в кокиль процесс формирования силового взаимодействия матрицы из алюминиевого сплава, кольца и "болвана" следует разбить натри периода.

Период подготовки кокиля к заливке. Характеризуется следующими параметрами : температура кольца № , температура "болвана" 1бол , наружный радиус "болвана" И бол , внутренний радиус кольца Лк . При всех возможных соотношениях температур кольца и "болвана" между ними сохраняется зазор , в первоначальный момент равный 0,6 мм.

Период заливки и охлаждения корпуса в пластичном состоянии. В этот период температура кольца и "болвана?' увеличивается , соответственно увеличиваются и их радиусы . Пластичный металл отливки не оказывает сколько-нибудь существенного сопротивления расширению кольца и "болвана"'.

Период охлаждения корпуса в упруго-пластнчном состоянии.Темперагура , при которой алюминиевый сплав АК12М2 проявляет упругие свойства , составляет по справочным данным 450°С. В этот период контактные напряжения возникают по двум поверхностям : - между корпусом отливки и цилиндрической поверхностью "болвана," выступающей за

пределы кольца

по поверхности контакта корпуса отливки и кольца Наличие зазора между кольцом и"болваном "исключает передачу сжимающих усилий от корпуса отливки через кольцо на "болван" . Величина этих контактных напряжений в каждый момент времени будет определяться не только разницей коэффициентов линейного эасшнрения чугуна и алюминиевого сплава , их механическими свойствами , но и их температурами.

Численные исследования контактных взаимодействий кольца с корпусом из алюминнево--о сплава проведены на основе применения осеснмметрнчных конечноэлементных моделей.

Этап 1 . Расчет нагрева отдельного кольца от комнатной температуры до максимальной еыперагуры нагрева кольца и запоминание новых размеров кольца.

Этап 2 . Расчет остывания конструкции "кольцо-алюмннневый корпус " . В результате расчета определяются перемещения всех узловых точек кольца и диска. Этап 3. Расчет усилий воздействия матрицы на наружную поверхность кольца.

Полученные усилия и являются усилиями контактного воздействия матрицы на кольцо ¡ри остывании .

1ри решении задач деформирования упругих конструкций устанавливается связь переме-(ений с деформациями( зависимость Коши ) и напряжений с деформациями ( закон Гука).

В цилиндрической системе координат для осесимметричной задачи зависимости Коши южно записать:

а

£х - Е^ ( zj - д^

и

Sq - EQ (t^Z) ~ ¿с £г = £z -

dw

dZ

IS - irAr,z) - |f - ST-

¡¡гв = ¿fez = 0

Закон Гукадля осеснмметрнчлой задачи

(е0-ео)+4-(ег+£о~2£о)]

Tzz ~ 27-7Tjy ¡fzz Zze = Тог - O

Здесь -начальная деформация, определяемая изменением температур

- модуль упругости материала у - коэффициент Пуассона Для построения конечно-элементной модели отливки применяются кольцевые конечные элементы с треугольным поперечным сечением с узлами : а, b , с , в виде окружностей .

Для выбранного кольцевого конечного элемента в каждом узле выбираются по два узловых перемещения U и W и , соответственного два узловых усилия Rr в Rz вдоль радиального и осевого направления (рис. 2 ).

Для выбранного кольцевого конечного элемента с треугольным поперечным сечением вектор узловых перемещений имеет вид:

{ qe }={ Ua , Wa, Ub, Wb, Uo, Wc }

вектор узловых усилий:

{ Qe } = { Rra, Rza, Rib, Rzb, Rrc, Rzc }

Функции перемещений в области элемента выбраны в линейной форме:

U (r,z) = ai + азг + asz ; W (r,z) = аг + а4г + a6Z

Температурные деформации определяются наличием в элементе приращения температур по элементу и предполагаются постоянными 0 (r,z) = 6 = const

Гв

Рнс.2 Конечно-элементная модель отлнвкн

а) кольцевой конечный элемент с треугольным поперечным сечением с узлами а,Ь,с .

б) узловые перемещения и и V/ , узловые усилия Кг и Кг .

Связь силовых и геометрических параметров в элементе удобно записать в матричной форме :

{ де}=[Ке]{ЧеЬ{Рер}-{Ре. }

Где : [ Ке ] - матрица жесткости выбранного кольцевого элемента

{ Рер } - узловые усилия, обусловленные распределен нагрузками ( например силой

веса)

{ Ре! } - узловые силы, обусловленные начальной деформацией (температурная деформация)

После вычисления [ Ке ] , { рер } , {ре( } на основе уравнений равновесия в узлах записывается связь между узловыми перемещениями и усилиями во всех узлах конструкции .

[ К ] {Я } = { <3 } ( 1 )

где : [ К ] - ( 2п х 2п) матрица жесткости всей конструкции

{ С^ } - вектор узловых перемещений во всех узлах конструкции { <3 } - вектор узловых усилий во всех узлах конструкции

п - количество узлов во всей конечно- элементной модели Для получения разрешающих уравнений необходимо модифицировать (1) для расчета на каждом этапе моделирования , контактного взаимодействия кольца с корпусом из алюминиевого сплава.

Результаты моделирования выводились на печать в виде сечений образца (рис.З)в начале

н в конце силового взаимодействия корпуса отлнвки с "болваном" и арматурой . Кроме того,

на печать выводились реакции во всех узлах , на поверхности взаимодействия , суммарное

усилие, а также координаты узлов поверхности корпуса при конечной температуре. I к КОПЬца наруэкн._

О в г\ коль цсг он утр.

\ 1 ! >

умАштжшмжт^ъ Ь

о - точка с максимальным смещением : пог = -1.176 мм , по г-- 0,0941 им

Суммарное усилие обжатия кольца = 1630 кН Рис. 3 . Деформированный образец .

С учетом того , что технические условия на деталь оговаривают усилия вьшрессовкн кольца из корпуса барабана при отрезанной дисковой части , усилие обжатия кольца рассчитывалось без учета воздействия дисковой части . Для этого в расчете высота диска Ь принималась равной нулю . Усилие обжатия кромки "болвана" дисковой частью корпуса вычислялось как разница общего усилия обжатия, и усилия обжат ия^оспрннимае го кольцом. Температуры начала н конца силового взаимодействия корпуса , кольца н "болвана" были определены экспериментально.

3.1.2. Экспериментальное исследование процесса теплообмена армированной отлнвки и кокиля.

Эксперименты проводились на установке , представляющей собой кокиль , размеры рабочей полости которого соответствуют тормозному барабану ВАЗ 2108 .

Три термопары, подключенные к КСП4, позволяли фиксировать изменение температуры "болвана" ,кольца и корпуса из алюминиевого сплава в процессе заливки н в процессе охла-

//

ждення отливки.

После охлаждения отливки до температуры выбивки , определялось усилие съема отливки с "болвана" и прочность заделки кольца. ------ . .. .

Полученные температурные кривые позволили определить температуру кольца и " болвана" в момент приобретения корпусом из алюминиевого сплава упругих свойств т.е. при температуре 450°С , а также температуру выбнвкн . На рисунке 4 приведены температурные кривые , полученные в ходе одного нз экспериментов .когда температура кольца и "болвана" перед заливкой равнялась 100°С . 700

« Т А1-сплава,град.Ц; ■ Т арматуры,град.Ц j а Т болвана,град.Ц j

Время от начала заливки , с Рис.4 Изменение температуры кольца, "болвана" и корпуса при Тнач= 100°С Полученные экспериментальные значения температур в характерные моменты охлаждения были использованы в расчетных исследованиях влияния температур на прочность заделки кольца и усилия съема отлнвки с "болван^'.

3.1.3. Влияние начальной температуры кольца на прочность его заделки в корпус отливки .

Предварительные эксперименты показали , что прочность заделки колец с литой наружной поверхностью превышала требования Т.У. не менее чем в 1,5 раза . Поэтому эксперименты проводились с использованием колец .наружная поверхность которых обрабатывалась проходным токарпым резцом с подачей 1 мм/об.

Результаты экспериментов,приведенные на рис 5, получены при начальных температурах кольца 100 ; 180; 225 ; 335 ; 380° С. Из графиков видно , что армирующее кольццравное по массе алюминиевому корпусу отлнвки,к моменту приобретения корпусом упругих свойств, успевает нагреться до 300...400° С в зависимости от начальной температуры Поэтому прочность заделки кольца, определяющаяся усилием его обжатия, зависит не только от разницы

коэффициентов линейного расширения, но н от начальной температуры кольца

Экспериментально прочность заделки кольца оценивалась усилием его выпрессовки . Сопоставление расчетно-экспернментальных и экспериментальных зависимостей показывает , что с увеличением начальной температуры прочность заделки уменьшается . Полиномиальные функции , описывающие расчетно-экспернментальные и экспериментальные кривые, близки по характеру.

На рис 6 приводится сравнение напряжений сдвига , полученных экспериментально при выпрессовки кольца н минимальных напряжений сдвига оговоренных в Т.У. для тормозных барабановВА32101 ВАЗ 2108 . Из графика видно , что требования Т.У. для тормозных барабанов ВА32101 выполняются во всем диапазоне начальных температур кокиля. Требования Т.У. для тормозных барабанов ВАЗ 2108 выполняются лишь при температурах меньших 350° С.

3.1.4. Зависимость усилий сьема отливки с "болвана" от его начальной температуры.

Из таблицы 1 видно, что к моменту начала силового взаимодействия отливки с кромкой "болвана" температура этой кромки увеличивается от 250до 450° С ,в зависимости от начальной . При этом температура выбивкн( съема) так же увеличивается до 260 ... 410° С.

Полученные экспериментально температуры начала и конца силового взаимодействия были использованы для вычисления усилий обжатия "болвана" . На рис 7 видно , что увеличение Тнач. "болвана" от 100 до 380°С приводит к снижению уснлнй обжатия от 34 кН до 6,5 кН . Однако , при этом , как отмечалось в предыдущем пункте уменьшается прочность заделки кольца . Поэтому рабочая температура кокиля не должна превышать 350°С, что обеспечивается заливкой охлаждающей воды в полость вокруг стояка . При этом для уменьшения усилий сьема следует охлаждать верхнюю часть формы после запивки ,перед съемом отливки . В работе показано , что нижняя полуформа ,в отличии от верхней , должна охлаждаться перед заливкой.

Таблица 1

Данные расчетно-эксперименталъного исследования зависимости усилия съема отливки с "болвана" от его начальной температуры.

Тнач. "болвана", град.Ц 100 180 225 335 380

Т "болвана", приТА1=450град.Ц 250 330 370 420 " 430

Твыбивки(съема),град.Ц 260 300 330 400 410

Робжатия "болвана" (расчетн.),кН 1115 739 557 222 162

Ртрения(расч.) при ^0,1 111,5 73,9 55,7 22,2 16,2

Рсъема с "болвана" ('эксп.),кН 34 23 17 6 6,5 ,

ВЛИЯНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ КОЛЬЦА НА ПРОЧНОСТЬ ЕГО ЗАДЕЛКИ

Ш

з; с; к

о >

=1 ч

га о.

1000 900 800 700 600 500 400 300 200 100 О

I-

- Робжатия.кН

-Ткольца при Т А1=450,град.Ц

- Робж.с учетом разогрева кольца,Град.Ц

УСИЛИЕ ВЫПРЕССОВКИ КОЛЬЦА (ЭКСПЕР),кН

-Полиномиальный ( УСИЛИЕ

100 200 300 400

Т.град . Ц

.. : Риг.5 .

ЗАВИОИМОСЛ Ь НАПРЯЖЕНИЙ СДВИГА ПРИ ВЫПРЕССОВКЕ КОЛЬЦА ОТ ЕГО ТЕМПЕРАТУРЫ

10

га с:

5

6 ^

со

сх о

ш ^

X

ш *

а: а.

с: <

х

5 +

2 4

100

200 Т.фад.Ц

Рис.6

300

400

-НАПРЯЖЕНИЕ СДВИГА ПРИ ВЫПРЕССОВКЕ,кН

-НАПРЯЖЕНИЕ СДВИГА ПО Т У. ДЛЯ ВАЗ 2108

-НАПРЯЖЕНИЕ СДВИГА ПО Т.У. ДЛЯ ВА32101

■Полиномиальный (НАПРЯЖЕНИЕ СДВИГА ПРИ ВЫПРЕССОВКЕ,кН)

9

8

7

! X ! *

ЗАВИСИМОСТЬ УСИЛИЯ СЪЕМА ОТЛИВКИ С "БОЛВАНА " ОТ ЕГО НАЧАЛЬНОЙ ТЕМПЕРАТУРЫ

у = 0.0002Х2 - 0,2206х + 54,035

120 100 80 60 40 20 0

R = 0,9924

100 200 300 Тнач.,град. Ц

♦ Ргрения(расч.) при f=0,1

■ FcbeMa с "болвана" ('эксп.).кН

— Полиномиальный (FcbeMa с "болвана" Гэксп.),кН) -Полиномиальный

_ (Ятпяния^пягч ) ПП1/1 f=Q 111

400 у = 0.0007Х2 - 0,6744х + 172,4^ _________R^f .0,9995

Рис.7

3.2. Исследование влияния торцевых уклонов на усилие извлечения стержня из отливки .

В ходе отладки технологического процесса литья в кокиль тормозных барабанов значительные трудности были связаны со съемом отливки с «болвана», при температурах кокиля ниже 300° С. Как отмечалось в предыдущей главе , усилие съема отливки с "болвана" резко возрастает при уменьшении начальной температуры кокиля . В условиях малого предприятия необходимость работы на холодном кокиле объясняется тем , что плавка и раздача металла производится нз одной печи типа САТ. При этом каждый раз , во время напла&ления металла кокиль охлаждается до температуры 200° С и ниже .

Было замечено , что съем тормозного барабана ВАЗ 2108 требовал значительно меньших усилий , чем съем барабана ВАЗ 2101. Легкость съема барабана ВАЗ 2108 нельзя было объяснить только меньшими его размерами , по сравнению с тормозными барабанами " классики" . Было выдвинуто предположение , что наличие конструктивного уклона на дисковой части тормозного барабана ВАЗ 2108 приводит к тому, что в процессе его усадки возникает сила Я направленная в сторону съема (рис. 8 )

Рис 8 Механизм возникновения сапы К при усадке тормозного барабана ВАЗ 2108.

Для проверки выдвинутого предположения были проведены расчетно-экспернментальные

исследования на образцах . Конфигурация образцов была выбрана с учетом возможности простой экспериментальной проверки результатов моделирования. ( см . рис 9 )

Рис. 9 . Кокиль-пробница для исследования влияния торцевых уклонов на усилие извлечения стержня

/?3

3.2.1. Физическая модель силового взаимодействия образца и кокиля. Физическая модель силового взаимодействия образца и кокиля предполагает следующие допущения :

- градиент температур по сечению образца и кокиля отсутствует

- части кокиля рассматриваются как абсолютно жесткие тела с коэффициентом линейного расширения равным нулю

- коэффициент трения между поверхностями образца и кокиля равен нулю усадочные напряжения , возникающие при температурах выше 450°С не учитываются .

Усадка образца на плоской поверхности днища кокиля с образующей СТ) происходит свободно , не вызывая реакции па поверхности кокиля . На конической поверхности с образующей ВС усадка образца приводит к надвиганию поверхности образца на поверхность кокиля при этом возникает усилие , нормальное к образующей конуса . Вертикальная составляющая этого усилия направлена в сторону съема образца со стержня , поэтому уменьшает усилие съема.

На поверхности АВ усадка образца не возможна в связи с высокой жесткостью стержня с образующей АВ. При малых углах а , не превышающих на практике 5-10" , самопроизвольного извлечения стержня из отливки не происходит , поэтому предполагается , что точки образца на поверхности АВ в процессе охлаждения не перемещаются по стержню . 3.2.2 Математическая модель процесса силового взаимодействия образца и кокиля .

Математическая модель основана на применении метода конечных элементов . При составлении конечно-элементной модели процесса усадки образца , были приняты допущения , описанные в 3.2.1.

Математическая модель предполагает в пограничных точках ( узлах ) образца н кокнля выбор одного из трех способов взаимодействия: 1. отсутствие контактного взаимодействия образца и кокиля

2. качение образца по поверхности

3. жесткое соединение образца с поверхностью кокиля ( защемление )

Выбор способа взаимодействия в каждом пограничном узле осуществляется независимо . МКЭ реализован в форме метода перемещений,описанном в 3.1.1. 3.2.3. Результаты моделирования процесса усадки .

Программа расчета позволяла выводить на монитор компьютера , и на печать , сечение горячего и охладившегося образца . Поскольку моделировалась усадка осеснмметрнчного образца на деформационных картинках показаяатолько правая половина сечения образца

На рис. 10 видно , что при охлаждении образца с размерами : Ю = 15 мм , Я2 = 40 мм , ИЗ = 60 мм ; а = 0° , р = 5° , Т нач= 450* ,С Ткон= 200* С, узлы которого защемлены на поверхности АВ , не только не происходит надвигание конической поверхности образца на кокиль , но , наоборот, образуется зазор между поверхностями кокиля и образца. Образование этого зазора связано с усадкой образца по высоте .

Однако , для образцов с меньшей высотой несимметричность сечения,образованная конической фаской ВС, вызывает тенденцию к изгибу образца в сторону фаски . На рис. 11 показан деформированный образец,усадка которого была затруднена только по поверхности АВ. Прогиб образца в сторону дншца кокиля при свободной усадке в этом направлении составил бы 0,0667 мм. Торможение усадки донной поверхностью кокиля приводит к возникновению усилия Рг , направленного в сторону съема образца со стержня. Величина этого усилия, для данного образца, определенная расчегно,равна 318 дН.

Нарисунке 12 показаназависимость усилия Рг от угла фаски прн неизменности прочих параметров образца. В результате моделирования был уточнен механнзн возникновения усилий Рг . В начале исследований предполагалось , что это усилие возникает при надвигании охлаждающегося образца на коническую поверхность кокиля, результаты же моделирования показывают , что первопричиной силового взаимодействия по поверхности фаски является изгиб образца,вызванный несимметричностью его сечения . Величина угла В , при котором изгиб образца приводит к образованию контакта на поверхности фаски ((5конт шш ) зависит

от соотношений размеров образца. Эта зависимость представлена на рис. 13 . 60

50 40 30 20 W О

Рис. 13 Зависимостьрконтmin Н - 0,28 от относительной

а-h/H «0.25

Rs/Ri

толщины образца иЯЗЛИ

1*1=15. Я2=40. (13=60, ВЕТТА=5,н=20

Рис. 10 Деформированный образец,усадка которого затруднена только на поверхности АВ (защемление всех узлов ) , высота образца 20 мм .

1*1=15, Я2=40, Р3=б0, ВЕТТА=7, Н=7

Рис. 11 Деформированный образец,усадка которого затруднена только на поверхности АВ (защемление всех узлов ), высота образца 7 мм .

ЗАВИСИМОСТЬ Рг ОТ УГЛА 0 ПРИ Я1=15. Я3»60 ,Н=8 И И» 4.3

3000

2500

I ^

! 4 2000

1500

1000

500

0

■Ра дн,

20 40 60 80 УГОЛ Б ЭТТА, ГРАД

Рис. 12

Анализ величины нормальных н тангенциальных усилий в узлах образца защемленных по поверхности АВ показал , что в действительности узлы образца могут перемещаться по этой поверхности , величина этих перемещений зависит от действительного коэффициента трення . Однако , разработка конечно-элементной модели , позволяющей назначать граничными условиями скольжение с заданным коэффициентом трения , представляет собой чрезмерно трудную задачу для начальной стадии изучения данного явления . Поэтому моделировались процессы силового взаимодействия для двух вариантов граничных условий на поверхностях стержня:

- защемление всех узлов без возможности их перемещения ( рис 14 , кривая 1 )

- защемление среднего по высоте узла при свободном , без трення , качения остальных узлов ( рис 14 , кривая 2 ) '

Можно предположить , что результаты моделирования с учетом сил трения по поверхности стержня будут описываться кривой^ располагающейся между кривыми., приведенными на графике рис. 14.

Для экспериментальной проверки результатов моделирования в двух кокилях одновременно отливались образцы, отличавшиеся друг от друга только наличием фаски . Выдавливание стержней из образцов производилось одновременно иа прессе , схема нагруження показана на рнс. 15. Регистрировались усилия , при которых последовательно выдавливался стержень из образца без фаски Ро и из образца с фаской Рв . Эксперименты проводились при разных размерах фаски . Результаты расчета н экспериментальные данные приведены иа ряс. 14.

При охлаждении тормозного барабана , усадки его дисковой части препятствует кромка болвана, выступающая за пределы кольца. В первом приближении процесс силового взаимодействия отливки с кокилем можно смоделировать усадкой диска защемленного по наружному радиусу .

Моделирование показало , что при наличии уклона на нижней поверхности диска образец стремиться прогнуться в сторону фаски рис.1б . Если кокиль препятствует изгибу образца, то возникает реакция Рг , направленная в сторону сьема отливки с болвана . На рис.17 показана зависимость уснлия Рг от угла ¡5 . Результаты моделирования позволяют объяснить причины того , что тормозной барабан ВАЗ 2108 снимается значительно легче,чен тормозной барабан ВАЗ 2101 , отмеченные на практике . Помимо того , что тормозной барабан ВАЗ 2108 имеет меньший диаметр и высоту,чем тормозной барабан ВАЗ 2101,его дисковая часть имеет конструктивный конус , в отличии от плоской дисковой части барабана " классики" . Этот конструктивный уклон аналогично уклону образца , защемленного по наружно-

ВЛИЯНИЕ УГЛА ФАСКИ НА УМЕНЬШЕНИЕ УСИЛИЯ СЪЕМА

50 60 УГОЛ ФАСКИ, ГРАД.

1-защемление всех узлов

2-защемление центрального узла

-3-результаты экспериментов

Рис. 14

Рис. 15 Схема нагруження для определения усилия извлечения стержня

1- траверса пресса

2- образец без фаски

3- образец с фаской

4- стол пресса

¿>и

ДЕФОРМИРОВАННЫЙ ОБРАЗЕЦ

Ш №8

""г— И2«4в зточки защемлены

о- ТОЧКА С МАКСИМАЛЬНЫМ СМЕЩЕНИЕМ: ПО №41.1144 ММ

¿•-1.0449 мм

Рис. 16

ЗАВИСИМОСТЬ Рг И Рг ОТ УГЛА Р ПРИ №15 И Я3=60

х Ч ш

8

120000 ЮОООО 80000 60000 40000 20000 0

Рг Рг

5 10

УГОЛ БЭТТА .ГРАД.

Рис.17

му диаметру создает тенденцию к изгибу , а следовательно н к возникновению усилия , направленного в сторону съема .

В четвертой главе приводятся : технология литья в кокиль тормозного барабана , конструкция кокиля и немехаиизированного кокильного станка , разработанные с использованием результатов проведенных исследований .

Приведены результаты сертификации тормозного барабана проведенные в лаборагорин ИЦАМ НАМИ.

Приведены акты о внедрении в производство технологического процесса литья в кокиль тормозного барабана с использованием немеханизированных кокильных станков на предприятиях МСП "МАМИ-МОТОР'. МП "МОТОР-МИКРО" , ЗАО " РОССИМАШ".

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ И ВЫВОДЫ.

1. Расчетно-эксперименгальным методом установлена зависимость прочности заделкя арматуры в корпусе отливки от начальной температуры арматуры . Установлено , что при соотношениях массы арматуры к массе отливки близкой к единице , прочность заделки существенно уменьшается при увеличении начальной температуры . При увеличении соотношения массы арматуры к массе отливки влияние начальной температуры на прочность заделки возрастает.

2. Предложена коническая форма наружной поверхности кольца н способ ее токарной обработки , обеспечивающий увеличение прочности заделки кольца в корпус из алюминиевого сплава.

3. Расчетно-эксперименгальным методом установлено , что наибольшее влияние на усилие извлечения отливки из формы н съем с "болвана" оказывает температура кокиля . Оптимальная начальная температура кокиля , обеспечивающая минимальное усилие съема отливки с "болвана" , при сохранении оговоренной техническими условиями прочности заделки арматуры, равна 300...330'С.

4. Установлено , что на переходных режимах работы кокиля усилия извлечения отливки и съема его с "болвана" зависят от способа охлаждения кокиля . Минимальные значения этих усилий получаются при охлаждении верхней части кокиля после заливки , н нижней перед заливкой .

5. Расчетно-эксперименгальным методом установлено влияние конструктивных или технологических уклонов ( фасок) на торцевой поверхности отливки , прилагающей к стержню, на усилие извлечения этого стержня.

6. Применение метода конечно-элементного моделирования позволило уточнить механизм возникновения наповерхностн уклонауснлия Рг , направленного в сторону съема отливки . В начале исследований предполагалось , что усилие возникает при надвигании охлаждающегося образца на коническую поверхность кокиля , результаты моделирования показали , что первопричиной силового взаимодействия по поверхности фаски является изгиб образца вызванный несимметричностью его горизонтального сечения .При определенных соотношениях размеров сечения образца возникает контакт образца с поверхностью фаски кокиля и только в этом случае происходит надвигание образца на эту поверхность.

7. Разработан технологический процесс литья в кокиль армированных тормозных барабанов для легковых автомобилей .

8. Разработан , изготовлен и-доведен до промышленного применения кокильный станок для литья тормозных барабанов .

9. Результаты работы внедрены на предприятиях : МП "МОТОР-МИКРО" , ЗАО "РОССИМАШ".

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

1. Маляров А.И., Бродский А.М. , Снводедов А.В. , Ершов М.Ю. Многопознцаонная кокильная машииа для литья тормозных барабанов.// Сборник МНПК "РТМ",- Москва 1993 ,- с . 26.

2. Маляров А.И., Бродский А.М, Сиводедов А.В., Ершов МЮ. Опыт проектирования , изготовления и отладки шестипознционного кокильного станка для лнтья тонкостенных алюминиевых отливок. // Сборник МНПК " РТМ" .- Москва 1994 с. 24.

3. Маляров А.И., Снводедов А.В., Ершов М.Ю., Бродский А.М. Исследование возможности литья тормозных барабанов под низким давлением . // Сборник МНПК " РТМ " .Москва 1994 ,-с. 35-36.

4. Маляров А.И, Снводедов АВ. Модернизация карусельного кокильного станка для литья тормозных барабанов . // Сборник МНПК "РТМ" .- Москва 1995 с.44-49.

5. Маляров А.И., Сиводедов А.В., Ершов МЮ. Новая технология литья тормозных дисков в кокиль. // Сборник МНПК "РТМ".- Москва 1996, - с . 21-24 .