改良有轨车辆钩舌形成的表面下冷芯 |
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| 申请号 | CN201280004711.5 | 申请日 | 2012-12-17 | 公开(公告)号 | CN104105559B | 公开(公告)日 | 2017-08-11 |
| 申请人 | 贝德罗工业有限责任公司; | 发明人 | 杰里·R·斯梅雷茨基; 安德鲁·F·尼鲍尔; 诺兰·布鲁克斯; 尼克·萨拉马西克; | ||||
| 摘要 | 一种用于制造有轨车辆车钩钩舌的方法，所述方法包括：在 铸造 之前，在上模部和下模部的内部设置外部冷芯，所述冷芯偏离上模部和下模部的牵引面和内腕的内壁并与该内壁相邻，从而产生的铸件至少在其内腕、高应 力 部分的微收缩得以减少。当与以没有使用表面下冷芯工艺制造的等效表面相比时，表面下冷芯的使用使得改良表面几乎无杂质。所述外部冷芯可以是较大尺寸的锥形冷芯以改善表面上和表面下的冷却和 凝固 。所述外部冷芯还可以具有渐缩设计的圆柱形和/或椭圆形冷芯，所述渐缩设计可对应上模部和下模部的牵引面和内腕之间的内壁。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种用于制造有轨车辆车钩钩舌的方法，所述方法包括以下步骤： |
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| 说明书全文 | 改良有轨车辆钩舌形成的表面下冷芯[0002] 本申请要求于2011年12月21日提交的、13/333,035号美国专利申请的申请日权益，其公开的内容在此通过引用全部并入本文。本申请与2010年12月28日提交的、名称为“Knuckle Formed Through The Use of Improved External and Internal Sand Cores and Method of Manufacture”的12/979,967号美国专利申请（“‘967申请”）相关，在此通过引用全部并入本文。 技术领域背景技术[0004] 有轨车辆车钩设置在铁道车辆的各端部，以使这种铁道车辆的一端能够与另一铁道车辆的邻近设置的端部连接。这些车钩各自的可接合部分在铁道领域中称为钩舌。 [0005] 通常，钩舌通过模具（通常由砂子制成）和设置在模具内的若干个型芯进行制作。所述模具成形出铸件的外部。设置所述型芯以成形铸件的内部或外部。在不设置内部型芯的情况下，铸件由实心金属制成。外部型芯有助于成形铸件的外表面。内部型芯通常指的是钩舌前部的指形型芯、钩舌中部的轴销型芯、以及钩舌后部的肾形型芯，并且内部型芯在铸造后形成钩舌中的型腔。 [0006] 在铸造本身过程中，模具与内部型芯的相互关系在生产合格的有轨车辆车钩钩舌方面会产生差异。许多钩舌由于金属在贯穿钩舌厚度各处的内部和/或外部的不一致而不合格。如果在铸造过程中一个或多个型芯发生移动，那么一些钩舌壁会最终比其他的更薄，引起偏载，进而，导致在钩舌的使用中增加故障的风险。 [0007] 由于钩舌的初始验收和为了其在使用中的成功表现，车钩钩舌的外部特征应符合铁路工业标准。为了钩舌在使用中的成功表现，钩舌（图3中的7）的外部特征必须适当成形，所述外部特征包括牵引面轮廓（图3中的30）和内腕（图3中的42）。当货运车厢连接在一起时配对的车钩的牵引面彼此接触并传递牵引火车的力。这些牵引力可以是相当大的。力矩从牵引面聚集到内腕、钩舌的一部分，该部分常常由于力的大小以及内腕区域在表面和C-10销孔（图3中38）之间变薄而失效。由于这个原因，存在铁路行业标准，规定了牵引面轮廓的形状和形成车钩的操作规程建议。牵引面轮廓不一致或超出容差可导致车钩的连接性能较差/不能连接或损害牵引载荷的载荷路径。讨论牵引面适当性能的重要性的一项专利为美国专利US7,337,826，其名称为“Railway Car Coupler Knuckle Having Improved Bearing Surface”（‘826专利）。‘826专利记载了用于铸造具有增强支承面的钩舌连接器的技术。然而，‘826专利未解决铸造过程中会在钩舌表面之上或之下形成的缺陷。 [0008] 车钩钩舌通常由铸钢或合金制成。例如，当熔融金属在铸造过程被引入模具时，当它冷却和凝固时很容易发生收缩。这被称为“收缩”或“微收缩”，发生这个是因为大多数金属在液态下不如固态致密。收缩会发生在铸件的外部、铸件的内部或这两者。收缩可导致钩舌形成收缩缺陷和/或与固化相关的缺陷，和/或甚至在钩舌的某些部分形成空隙。这可导致车钩过早磨损，或引起过早疲劳和/或失效。 [0009] 用于克服微收缩的一种技术为在模具中包含冒口（图4中的255）。冒口用额外的铸造材料填充在铸件冷却时容易收缩的铸件的容积。然而，一旦钩舌完成铸造，则必须撤除冒口，通常采用表面研磨。这可能损害钩舌表面，并导致钩舌过早疲劳和/或失效。此外，冒口和/或大的进模口（图4中的256）（例如，连接冒口和铸件的材料），由于位置限制了它们提供铸件整体的均匀厚度和保持精确的部件轮廓方面的能力，并且，它们在距离冒口较远的区域丧失了效力。使用冒口系统的其他优点和缺陷在‘967申请中有讨论。 [0010] 另外，内部金属冷芯和外部金属冷芯已用来帮助去除位于冷芯位置的灌入金属的热量，以促进和引导固化，并且限制它们所处的小区域附近的收缩量。有时，冷芯可以使其不需要那么多冒口或者不需要让进模口彼此靠得那么近。然而，存在一些与冷芯使用有关的缺点，其中包括额外的成本。另外，冷芯通常必须由与铸件相同的材料制成，并且有时不能与铸件融合，或者后续必须从铸造的钩舌上移走冷芯。外部冷芯附着至钩舌表面，需要移除，接着是额外的抛光，该抛光步骤不仅增加了成本，而且会在钩舌铸件的表面留下疤痕或瑕疵。在找到具有（证明成本增加和/或在钩舌铸件的某些部分上有铸件缺陷是正当的）改进结果的方案之前，冷芯使用进行了大量试验并因此失败了。所以，需要的是改进冷芯及其部署以获得使用冷芯的优势并没有上述缺点。附图说明 [0011] 结合以下附图和说明可以更好地理解本发明的系统。附图中的部件不是必须按比例，而重点在于举例说明本发明的原理。而且，在各附图中，相类似的附图标记指代全部不同视图中的相应部件。 [0012] 图1为车钩钩舌制造组件的示意图，包括在所述组件的上模部和下模部中用于外部表面下冷芯（例如，锥形冷芯）的开口的使用； [0013] 图2为由图1所示的钩舌制造组件形成的示例钩舌的透视图； [0014] 图3为图2所示钩舌的俯视图； [0015] 图4为用于铸造多个钩舌的砂模的平面图，用于各个钩舌的砂模包括一个外部表面下冷芯； [0016] 图5A至图5C为图1所示锥形冷芯的和该锥形冷芯的相对尺寸的一种实施方式； [0017] 图6为用于产生图1所示的上模的模型，包括在模型板上靠近该车钩钩舌模型的牵引面部分和内腕部分安装锥形冷芯； [0018] 图7为用于产生图1所示的上模的模型，包括在模型板上安装椭圆形冷芯，所述椭圆形冷芯对应车钩钩舌模型的牵引面部分和内腕部分之间的表面； [0019] 图8为由计算机提供的模拟结果的四幅屏幕截图，所述计算机在使用不同冷芯的铸造过程中追踪金属冷却时的车钩钩舌的不同区域； [0020] 图9为用于形成包括用于铸造有轨车辆车钩钩舌的外部表面下冷芯的上模部和下模部的示例方法的流程图； [0021] 图10为使用外部表面下冷芯制造有轨车辆车钩钩舌的示例方法的流程图。 具体实施方式[0022] 在某些情形下，众所周知的结构、材料或操作未示出或未作详细说明。另外，所描述的特征、结构或特性可在一个或一个以上实施方式中以任何和的方式组合。还可以容易地理解，如本文概括描述和附图所图示的实施方式中的元件可以按许多种不同配置进行布置和设计。 [0023] 如上所述，用于解决微收缩问题的一种技术为添加冷芯。冷芯吸收和移走该冷芯所在位置的灌注金属中的热量，从而促进(或引导)固化和限制所述冷芯所在的小区域附近的收缩量。这种冷芯可以为沿着模具壁设置在预定位置的外部冷芯，或者可以为内部冷芯。将简要描述外部冷芯和内部冷芯，本文的其余部分将主要描述以前未用于钩舌制造的特定类型的外部冷芯。 [0024] 内部冷芯可以是策略地放置于模具型腔内并且最终成为铸件一部分的金属块。因为内部冷芯必须由与铸件相同或至少相容的材料制成，因此内部冷芯增加了成本。另外，内部冷芯可能不能与铸件完全融合，从而导致过早破坏或者需要铸件经受进一步的抛光和/或修复工序。 [0025] 附着至钩舌表面的外部冷芯，可能会在该表面上留下疤痕或其他缺陷，这要求铸造的钩舌经历额外的抛光操作，例如，研磨，所述操作可对钩舌的表面的光洁度造成不利影响并且由于所需要的额外劳动而增加成本。由于外部冷芯的手工操作，外部冷芯可导致铸造厂内的质量不一致或表面光洁度的容差或尺寸变化。有时，工作人员无意地遗漏了安装冷芯或者将冷芯放置在不正确的位置。另外，冷芯必须是清洁的并且不含有锈迹或其他杂质，以免影响固化过程。 [0026] 因此，本文公开了一种使用表面下不附着外部冷芯的工艺，因此无需从钩舌的表面将冷芯移走。通过广泛的研究和试验，就改善钩舌的牵引面的形成而言，一般形状和尺寸的表面下锥形冷芯被确定为在铸造过程中从熔融金属移除热量是最有效的。对于本领域技术人员来说显而易见的是，锥形冷芯变化将获得相同或相近的有益效果。例如，锥形冷芯可在顶部截平或在顶部削尖，尽管所截平特征有助于将冷芯垂直保持在砂模中合适的位置。另外，沿着钩舌的牵引面和远至锁面之间的壁的轮廓的椭圆形或圆柱形冷芯，可提供相类似的有益效果。在各种不同实施方式中，沿着钩舌铸件的所述表面区域还可使用一个以上冷芯。 [0027] 图1是车钩钩舌制造组件100的示意图，所述制造组件100包括在该组件的上模部和下模部使用外部表面下冷芯5。钩舌制造组件100包括上模部110、在制造过程中使用的组合（或分离）的轴销10、肾形型芯12和指形型芯14、以及下模部150。上模部110和下模部150分别包括模具型腔112和模具型腔152，向所述型腔注入熔融合金以铸造车钩钩舌（图2至图3）。模具型腔112和模具型腔152配置为与待通过上模部110和下模部150进行制造的车钩钩舌的期望的外表面对应。轴销10和肾形型芯12可放置于上模部和下模部的内部以与指形型芯14分开或连接。 [0028] 图2至图3示出了完成的钩舌7。指形型芯14形成钩舌的前面26、鼻部28、牵引面30、全开止挡32和下垂孔34的内表面。指形型芯14从中心向外延伸从而在鼻部28的顶部和底部上形成下垂孔34。轴销型芯10形成中央内表面，包括C-10销孔38、毂部40和内腕42。肾形型芯12形成钩舌7的尾部46的内表面。上模部和下模部还限定了钩舌7的外表面的周界，包括但不限于鼻部28、尾部46、锁架48、锁面50和内腕42。 [0029] 图4示出了在配设为同时铸造多个钩舌的上模部212内使用外部表面下冷芯5。将会更加详细的说明，冷芯5可偏离各靠近C-10销孔238的模具型腔的内壁但靠近所述内壁进行设置，从而影响各车钩钩舌7的通常位于牵引面230和锁面250之间的表面上和该表面之下的熔融金属的固化。将显而易见的是，当本文就改善钩舌的固化而言提到“表面”时，“表面下”是包括在“表面”的含义中的，因为固化在表面上和表面之下都会受到影响。表面下区域受冷芯影响的程度根据冷芯的尺寸、形状和布置而定（图8）。表面下冷芯5越大且越靠近表面，铸件越多的表面下区域被冷却和受到方向性固化，从而减少微收缩。方向性固化是指从铸件的最远端朝着浇口入口（金属在此流入模具）方向的路径发生的固化。表面下冷芯5可同样包括在车钩钩舌7的相应下模部（未示出）中。 [0030] 表面下冷芯5可以具有不同的尺寸和形状，一些冷芯起的作用比其他冷芯更好以在铸造车钩钩舌7时冷却车钩钩舌7的内腕42。根据动态试验结果和使用失效表面断裂分析对铸件截面进行的检查，可确定钩舌7的内腕42由于微收缩而特别易遭受差性能。由于内腕42受到高循环应力，微收缩明显地缩短了钩舌的寿命。通过在上模部110和下模部150中靠近钩舌的C-10销孔238的位置放置冷芯，发明人实现微收缩的显著减少并且残留的少量微收缩被逼入铸造的钩舌的不太重要区域。另外，与没有使用表面下冷芯工艺的等效表面相比，沿钩舌7的至少牵引面30和内腕42之间的表面，其表面杂质明显较少、具有改善的、更为平滑的光洁度。 [0031] 表面下冷芯5靠近铸件表面放置，但不接触铸件表面，其间留出小的砂间隔，从而没必要在铸造后从钩舌移除表面下冷芯。使用表面下金属的结果是铸件表面保护完好并且铸造的钩舌的尺寸精确。通过试验过程，设计团队确定：试验中比之前测试的大得多的表面下冷芯5，并且进行正确放置，使通常邻近铸件的C-10销孔238的表面区域（包括内腕42内的表面区域）的微收缩大幅减少。尽管微收缩不一定能完全去除，但微收缩得到充分减少而通过强烈的动态测试或微收缩已移至远离高应力区域（例如，内腕和牵引面表面）。下表1总结了使用各种表面和表面下冷芯的动态测试结果。 [0032] [0033] 表1 [0034] 最终经选择最有效的外部冷芯为用作表面下冷芯的大型截平的锥形冷芯。在一种实施方式中（图5A至图5C所示），大型锥形冷芯包括至少约2.7”的大直径（L1），该大直径L1还可作为安装面500，至少约2.0”的小直径（L2）和至少约2.5”的高（H1）。角α可以在大约75度至85度，例如，约81度。该锥形冷芯具有约28平方英寸的表面积，约11立方英寸的体积和约3.2磅的质量。在其它实施方式中，上述每个尺寸可以增加或减少的数目在约0.2”至0.7”之间。 因此，体积可大于约10立方英寸，而安装表面500的表面积可大于约4平方英寸。可放置冷芯偏离铸件表面最近点1/8”至3/16”之间，如图4所示的距离x。根据表面下冷芯的尺寸，可使用更大的距离，并取得不同程度的成功。这在表面下冷芯和铸件之间产生了一堵至少1/8”厚的砂壁。如果砂壁太薄，它会破裂并且形成孔，穿过该孔熔融金属可将冷芯5附着至铸件表面。如果冷芯距离铸件表面太远，可能无法实现冷芯的有益的热力学效应。 [0035] 表面下锥形冷芯5可由各种材料制成，包括但不限于各种市售级钢。然而，也可选择其他材料制作冷芯，例如铜铍，选择一般化学组成的铸钢是由于对于铸造厂而言获取廉价，可以有效地冷却并且使用时无需特殊的偏析。本文公布的表面下冷芯5还可以由灰铸铁或灰铸铁和石墨片的混合物制成，因为灰铸铁的导热率基本为石墨片的函数。 [0036] 外部冷芯或冷铁型芯还可由非金属材料制成，并取得不同程度的成功。例如，表面下冷芯5可以由碳化硅或石墨制成，或者冷芯5的至少一部分由高密度砂制成，例如锆石砂或铬铁矿砂或其各自的衍生物。石墨是可取的，因为由于其高水平的热导率而具有较高的冷却速率。使用非金属冷芯或大部分为非金属的冷芯也是有益的，如果砂壁破裂，因为它不会附着于钩舌铸件，并且可以避免或最小化表面研磨。 [0037] 图6和图7示出了连接于模型板602以用于形成图1所示上模部110的车钩钩舌模型600。每个模型600安装在模型板602上以在模盒内稳定模型，并且形成用于铸造钩舌7的上模部110或下模部150内的模具型腔112或152。图6的锥形冷芯5可安装在模型板602上，邻近并且偏离模型的靠近车钩钩舌模型600的C-10销孔638的表面。图7的椭圆形、大致圆柱形冷芯5可类似地安装在模型板602上。冷芯还可靠近模型600的牵引面630和内腕642区域放置，并且，如图7所示，可以成锥形和/或成形为对应这些区域的轮廓的形状。在作为选择的实施方式中，这些冷芯5可包括一个以上冷芯。 [0038] 通过使用沿着冷芯5的大直径的周界嵌入模型板的小型立销635将冷芯5横向保持在安装位置。所述立销可以相当小，直径约1/16”至1/8”，高度约1/4”至1”。锥形冷芯的大直径的圆周半径下的砂子可将锥形冷芯垂直固定。可以预见将冷芯5安装至模型板602的其他方式，例如使用木钉或杆（未示出）和用于收纳木钉或杆的相应通道（未示出）。砂子进入并且围绕上模盒110或下模盒150内的模型600填装，包括表面下冷芯5，从而形成用于钩舌7的上部120的模具型腔112。下模部150可类似地制备。随后，当从模具移走各个模型600时各表面下冷芯5与销635（或木钉或连杆）解开，将表面下冷芯5留在各对应模具处同时固化，在此之后，模具准备用于铸造。 [0039] 因为冷芯安装在模型板602上，当模型600移走时，冷芯暴露在表面上。因此，当上模部110闭合在下模部150上方时，各模部110和150的冷芯可彼此接触，产生两倍大小的有效冷芯，从而改善提供至铸造表面的冷却效果。此外，或作为选择，无论它们是否接触，冷芯可以彼此对齐并彼此相邻。 [0040] 图8包括由计算机程序提供的模拟结果的四幅屏幕截图，所述计算机程序在使用不同冷芯5的铸造过程中追踪金属冷却时车钩钩舌的不同区域。“基本”屏幕截图指没有使用冷芯的基准，用于与使用冷芯的那些例子进行比较。屏幕截图中越暗的区域越可能具有缺陷。与大型表面下锥形的实施例相比，布尔锥形实施例和小型表面下锥形实施例在靠近钩舌的牵引面的区域包括明显更多的暗区域，证实了通过使用大型锥形冷芯5的改进。 [0041] 利用Magmasoft 的Magma5模拟表面下锥形冷芯5的激冷效应。所述模拟不仅在界定内腕42和内腕表面周围的问题区域的分析中有帮助，软件还在研究冷芯合适的尺寸、放置位置和形状有益，而无需在铸造厂实施多个实际试验。采用各种不同尺寸和形状对冷芯进行多种仿真。上述尺寸和形状的表面下锥形冷芯5可选择为恰好大到足以将微收缩从表面移除，而又不会像更大的冷芯会导致的那样在铸件上赶走方向性固化。使用图7的椭圆形、圆柱形冷芯5的结果没有显示在图8中，但是至少与大型表面下冷芯的一样有益。可以看出，更大的表面下冷芯5改善了固化并且在车钩钩舌的牵引面和锁架48之间（包括位于其间的内腕42）上的缺陷明显减少。 [0042] 图9为用于形成用于铸造有轨车辆车钩的包括外部表面下冷芯的上模部和下模部的示例性方法的流程图。所述方法包括：在框900，对于各模部靠近该模型的牵引面和内腕之间的模型表面放置至少一个外部表面下冷芯，所述至少一个冷芯偏离靠近各模型的C-10销孔的表面并且邻近该表面。所述方法可进一步包括：在框910，将至少一个冷芯安装在各模型板上以基本防止移位。所述方法还包括：在框920，向上模盒和下模盒填充砂，所述模盒包括相应的模型和已安装的至少一个冷芯，其中所述至少一个冷芯的每个型芯被限制在相应的上模部和下模部中，其中所述至少一个冷芯与上模部和下模部的内壁之间的至少一层薄砂壁限定了牵引面和内腕之间的表面。所述方法还可进一步包括：在框930，砂子压入模盒中。所述方法还可进一步包括：在框940，使砂子固化。所述方法进一步包括：在框950，从各个模盒移走各个模型，而留下限制在上模部和下模部中的所述至少一个冷芯。 [0043] 图10为图9的延续，是采用外表面下冷芯制造有轨车辆车钩钩舌的示例性方法的流程图。所述方法包括：在框1000，提供上模部和下模部，上模部和下模部具有至少部分地界定车钩钩舌模型型腔的周界的内壁。所述方法进一步包括：在框1010，根据需要在上模部和/或下模部的型腔中放置肾形型芯、轴销型芯和/或钩舌型芯。所述方法进一步包括：在框1020，闭合上模部和下模部，型芯和冷芯位于其间，上模部和下模部中的冷芯越模具型腔的中心线任选地彼此接触，这可使有效冷芯的尺寸加倍并冷却效果加倍。所述方法进一步包括：在框1030，用熔融金属填充模具型腔，熔融金属在填充之后凝固形成铸件，所述铸件在钩舌的内腕和/或牵引面之间的表面（以及包括钩舌的内腕和/或牵引面）的表面上和表面下的微收缩减少。所述冷芯可以是大型锥形冷芯、椭圆形或圆柱形锥型冷芯或其他冷芯。也可以采用跨越上模部112和下模部152的一个较长的冷芯，代替两个分离的冷芯5。 [0044] 本申请使用的术语和描述仅作为举例说明提出，并不意味限制。本领域技术人员可以理解，在不脱离所公开的实施方式的基本原理的情形下，对上述实施方式中的各细节可进行各种变化。例如，除非指明，所述方法的各步骤不需要以某个特定的顺序执行，尽管它们是按照本申请公开的顺序提出的。因此，本发明的范围只由随附的权利要求（及其等同体）确定，在权利要求中，除非另有说明，所有的术语应按最宽泛合理的意思进行理解。 |
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