ЛИТЕЙНАЯ ФОРМА ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО КОЛЕСА

Полезная модель относится к области литейного производства и может использоваться в качестве песчаной формы для литья железнодорожных колес, изготовленной по любому из известных процессов, применяемых для их производства: вакуумно-пленочная формовка, песчано-глинистая, песчано-жидкостекольная, песчано-смоляная и др.
К литым железнодорожным колесам предъявляются требования обеспечения высокой плотности металла в объеме детали ввиду высоких нагрузок и повышенного износа, которым подвергаются железнодорожные колеса в процессе эксплуатации. Получить требуемое качество отливки можно с помощью выбора наиболее эффективного материала литейной формы, а также ее конструкции, позволяющей контролировать скорости затвердевания в разных частях отливки, сочетающей как тонкие, так и массивные элементы. Именно такой является отливка железнодорожного колеса, которое состоит из тонкого диска и более массивных ступицы и обода.
Известна графитовая форма для литья железнодорожных колес, содержащая нижнюю часть с установленным в ее центре цилиндрическим стержнем, верхнюю часть, устанавливаемую поверх нижней части и имеющую центральный открытый стояк, и разделяющий нижнюю и верхнюю части охлаждающий элемент для охлаждения расплавленного металла, соответствующего ободу колеса (см. патент US 3433293, МПК В22С 9/22, опубл. 18.03.1969).
Известная форма для литья имеет недостатки, присущие графитовым формам, а именно, высокую скорость теплопередачи графита, что приводит к ускоренному охлаждению всех частей отливки, склонности к возникновению тепловых узлов при пониженной эффективности их питания.
Известна вакуумно-пленочная форма для литья железнодорожных колес, содержащая верхнюю и нижнюю опоки, образующие при смыкании литейную полость, полость под прибыль на ступице колеса с установленным в ней фильтром и, по меньшей мере, один выпор, выполненные в верхней опоке, стержень для формирования отверстия в ступице колеса, установленный в нижней опоке, и, по меньшей пере, один кольцевой охлаждающий элемент для теплоотвода от обода колеса (см. патент РФ 145650, МПК В22С 9/28, опубл. 27.09.2014).
Данную известную песчаную литейную форму, принятую за наиболее близкий аналог, отличает от графитовых форм более низкая теплопроводящая способность ее материала, которым является несвязанный кварцевый песок, обеспечивающая необходимое регулирование условий питания для предотвращения образования пористости. Однако при изготовлении железнодорожных колес в литейной форме данной конструкции высока вероятность образования усадочных дефектов в тех местах отливки, которые соответствуют ободу отливаемого колеса в связи с его избыточной массивностью.
Задача предлагаемой полезной модели состоит в создании литейной формы, позволяющей получить необходимую для обеспечения годной отливки последовательность затвердевания во всем объеме отливки железнодорожного колеса, а именно, в первую очередь, диска, затем обода и ступицы колеса.
Техническим результатом, достигаемым при реализации полезной модели, является снижение усадочных дефектов и повышение плотности металла в объеме отливки, соответствующей ободу колеса, увеличение надежности готовых литых железнодорожных колес.
Указанный технический результат достигается тем, что в песчаной форме для литья железнодорожного колеса, содержащей верхнюю и нижнюю опоки с полостями, образующими при смыкании опок литейную полость, которая повторяет контур колеса, включая ступицу, диск и обод, причем в верхней опоке выполнены центральная полость под прибыль для питания ступицы колеса с установленным в центральной полости фильтром и один или несколько выпоров, в нижней опоке установлен стержень для формирования отверстия в ступице колеса и в форме размещен кольцевой охлаждающий элемент для теплоотвода от металла, соответствующего ободу колеса, согласно тому, что предлагает полезная модель, в верхней опоке выполнены, по меньшей мере, три полости под прибыли для питания отливки обода колеса. Кольцевой охлаждающий элемент может в литейной форме отсутствовать, либо может быть размещен в нижней опоке непосредственно под литейной полостью для отливки обода колеса. Охлаждающий элемент при его размещении в нижней опоке выполнен цельным, либо с разрывами, либо набранным из секторов.
Выполнение в верхней опоке нескольких полостей под прибыли для питания отливки обода колеса уменьшает скорость теплопередачи в этом массивном объеме отливки, что позволяет избежать усадочных дефектов в металле обода колеса. По мере остывания затвердевающая отливка обода колеса питается жидким металлом из трех или более прибылей, чем компенсируется усадка обода колеса, и уменьшается склонность к возникновению усадочной пористости. Тем самым повышается структурная целостность и плотность отливки, создаются условия обеспечения процесса направленного затвердевания во всем объеме обода колеса, к которому предъявляются требования обеспечения повышенного качества металла, поскольку именно обод находится в процессе эксплуатации железнодорожного колеса в наиболее сложных условиях нагружения.
Названному процессу способствует размещение охлаждающего элемента в нижней опоке непосредственно под литейной полостью для обода колеса. Это позволяет ускорить отвод тепла от обода, повысить надежность и эффективность работы прибылей, снизить их объем.
Предлагаемая полезная модель иллюстрируется чертежами, на которых представлен продольный разрез литейной формы в исполнении с прибылями (фиг. 1); с прибылями и охлаждающим элементом (фиг. 2).
Литейная песчаная форма для отливки железнодорожного колеса (фиг. 1) содержит верхнюю 1 и нижнюю 2 опоки с выполненными в них полостями, которые при смыкании верхней 1 и нижней 2 опок образуют литейную полость 3. Верхняя опока 1 имеет центральную полость 4 под прибыль, которая предназначена для заливки в форму металла и для питания отливки ступицы колеса жидким металлом. В центральной полости 4 размещен керамический фильтр 5, который при заливке жидкого металла способен всплывать на поверхность жидкого металла и подниматься вверх в полости 4 до уровня заливки расплава.
В верхней опоке 1 по окружности, соответствующей ободу колеса, равномерно выполнены, как минимум, три полости 6 под прибыли для питания отливки обода колеса. Выполнение полостей 6 под прибыли способствует более равномерному питанию жидким металлом затвердевающего обода колеса как наиболее массивного элемента отливки. Увеличение количества полостей 6 более трех существенно повышает качество отливки железнодорожного колеса. Прибыль для питания ступицы колеса и прибыли для питания отливки обода колеса могут быть заключены в термоизоляционные или экзотермические оболочки (не показаны). В верхней опоке 1 над центральной полостью 4 и над полостями 6 имеются выпоры 7, выполненные в виде цилиндрических каналов, проходящих до наружной поверхности верхней опоки 1. В нижней опоке 2 установлен песчаный стержень 8, предназначенный для формирования отверстия в ступице колеса и изготовленный цельным или пустотелым.
В нижней опоке 2 непосредственно под той частью литейной полости, которая предназначена для отливки обода колеса, может быть размещен кольцевой охлаждающий элемент 9 (фиг. 2). Охлаждающий элемент 9 выполняют в виде сплошного, наборного или с разрывами кольца из материалов, теплопроводность которых существенно превышает теплопроводность песчаной литейной формы, например, из стали, меди или графита. В охлаждающем элементе 9 могут быть выполнены каналы для водоохлаждения (не показаны).
Работает полезная модель следующим образом.
В изготовленную литейную форму через центральную полость 4 заливают жидкий металл. Фильтр 5 уменьшает силу удара падающей струи жидкого металла и рассредоточивает ее, исключая размыв литейной формы, а также фильтруя нежелательные включения и примеси заливаемого жидкого металла. По мере заполнения литейной полости 3 жидким металлом фильтр 5 всплывает и далее выполняет функции теплоизолятора, снижая теплоотдачу в центральной полости 4 с поверхности металла в окружающую среду. По мере наполнения литейной полости 3 заполняются металлом и полости 6 под прибыли.
Первым затвердевает диск железнодорожного колеса как наименее массивный, при этом диск железнодорожного колеса непрерывно питается жидким металлом из ступицы. Затем отверждаются обод и ступица.
В случае использования охлаждающего элемента 9, охлаждающий элемент 9 ускоряет теплоотвод от металла, заполняющего литейную полость, образующую обод железнодорожного колеса, повышая направленность затвердевания в ободе.
В процессе охлаждения и затвердения отливки железнодорожного колеса, металл из центральной прибыли и прибылей, расположенных по окружности обода, питает, соответственно, ступицу и обод железнодорожного колеса, предотвращая образование усадочных дефектов в этих массивных частях отливки.
После охлаждения металла до температуры выбивки отливку колеса извлекают из опок 1 и 2, а затем подвергают дальнейшей термической и механической обработке.