Новости
ФИЛЬТРАЦИОННАЯ ФОРМОВКА ПО ЛЕДЯНЫМ МОДЕЛЯМ ПРИ ПРОИЗВОДСТВЕ ТОЧНЫХ МЕТАЛЛООТЛИВОК / 14.11.2012
к. т. н. Дорошенко В.С., dorosh@inbox.ru, ФТИМС НАН Украины
За последние десятилетия объем производства металлоотливок в странах СНГ уменьшился в 4-5 раз по сравнению с рекордными показателями 1985 года (Украина тогда была лидером в мире по выпуску отливок на душу населения). Основной причиной этого послужило многолетнее отставание в технологическом применении науки в литейных процессах на фоне отсутствия эффективной политики в области бизнеса, в частности, маркетинговых, логистических и инвестиционных процессов по организации производства, сбыта и экспорта отливок. При этом стабильно рос объем мирового производства отливок, в котором постепенно доля Китая превысила 43%. Очевидно, снижение объема продукции литейного производства стран СНГ и ряда других стран в основном компенсировано Китаем.
Одно из приоритетных научно-технических направлений в институте ФТИМС НАН Украины - инновационные крио-вакуумные технологии формовки посвящено решению задач экологизации, снижения ресурсоемкости процессов высокоточного литья в сочетании с компьютерным мониторингом и 3D-технологиями. Это направление касается междисциплинарных исследований с учетом интерпретации для литейных технологий понимания основополагающей роли продуктивности и скорости реальных процессов как одного из основных показателей их эффективности. Разрабатываемый процесс литья по ледяным моделям (ЛЛМ) в вакуумируемые песчаные формы включает операцию удаления разовой модели путем впитывания ее расплава в песок формы с сохранением на месте модели полости формы для последующей ее заливки расплавом металла. Присущая этому процессу операция фильтрации жидкости в песок позволяет отнести этот процесс к разновидности фильтрационной формовки.
В публикациях [1, 2] процесс получения песчаной формы с наличием фильтрации жидкости (компонента связующей композиции) в сухой песчаной смеси назван термином «фильтрационное формообразование». Однако, в ряде работ по литейному производству (например, [3]) и других термин «формообразование» означает также и обретение некоей геометрической или визуальной формы (в частности, элементом структуры металла). Чтобы его не спутать с процессом в виде перечня операций по изготовлению литейной формы как сосуда для литья, последний, по нашему мнению, точнее называть фильтрационной формовкой или формованием.
В публикации [2] описано, что в случае фильтрационной формовки в оснастку засыпают только сухой наполнитель, представляющий собой огнеупорный зернистый материал, плакированный гелеобразователем. Активированное электромагнитными импульсами жидкое связующее (для его «разжижения») вводят в наполнитель методом фильтрации через специальные отверстия в оснастке. Продвигаясь в межзерновом пространстве плакированного зернистого материала, пропитывающее жидкое связующее контактирует с гелеобразователем, химически отверждается, придавая прочность формовочной смеси. Фильтрацию усиливает вакуумирование наполнителя с остаточным давлением воздуха 10…80 кПа, при давлении порядка 50 кПа глубина перемещения фильтрующейся жидкости в сухом наполнителе без плакирования достигала 400 мм за 25 с без активирования и 450 мм за 17 с с активированием, а также порядка 200 мм в наполнителе с плакированием.
В нашем случае фильтрация при формовке по ледяным моделям решает задачу совмещения операций удаления (выплавления) модели из песчаной формы с пропиткой талой жидкостью от модели и последующим отвердением слоя сухого сыпучего наполнителя - образованием оболочковой формы, в которой талый материал модели служит носителем одного из компонентов пары «связующее – отвердитель», или инициирует другой механизм отвердения оболочки. При этом способы стабильного удержания песчаного слоя вокруг тающей модели подобны используемым в процессах вакуумно-пленочной формовки (ВПФ), литья по газифицируемым моделям (ЛГМ) в вакуумируемые песчаные формы, а также бурения скважин с промывочной жидкостью и другие. Эти способы включают принципы герметизации поверхностного слоя у полости формы, в частности, за счет его кольматации (закупоривания пор) добавками из материала модели, когда этот слой одновременно теряет проницаемость (подобно применению пленки при ВПФ) и заполняется нефильтратом из частиц, участвующих в отверждении оболочки, а также часто способствующих повышению ее противопригарных свойств.
В способах ЛЛМ обычно нет необходимости понижения вязкости фильтруемой жидкости (такие варианты были опробованы с добавлением ПАВ в материал ледяной модели), ведь падение текучести этой жидкости, уменьшает ее расход. Оболочковая форма в идеале, по мнению авторов, может состоять из герметизирующей пленки на упрочненном вакуумом песке как при ВПФ (как минимум), либо по толщине приближаться к яичной скорлупе и толще с достаточной прочностью для формовки с опорной засыпкой (вариант без извлечения из формы, где выполнена фильтрация), либо иметь достаточную прочность для заливания металлом без такой засыпки. А ледяная модель теоретически может приближаться по конструкции к пустотелой стеклянной елочной игрушке и по размерам быть в диапазоне от снежинки до ледяных блоков размером 0,25x0,5x1,0 м и весом до 150 кг, которые обычно производят для ледяных скульптур и которые несложно монтировать склеиванием водой в сборные конструкции. Наблюдаемые в продуктовых супермаркетах многометровые ряды холодильных столов с лотками, содержащими замороженные продукты размерами от горошины до мясной туши, дают основание полагать, что подобные ряды могут стоять в цехе ЛЛМ с моделями таких же размеров и замороженных до такой же температуры.
Перечень основных преимуществ процесса ЛЛМ.
1) Экологическая безопасность по сравнению с литьем по разовым моделям из органических материалов, при котором потери (в основном горение в помещении цеха) модельного материала за цикл обычно составляют 10…100%.
2) Дешевизна получения медяных изделий при современном уровне развития холодильных техники и технологии. Обычно расход электроэнергии составляет до 100 кВтч на производство 1 т льда. На замораживание ледяных моделей на 1 т отливок массой 1 кг из железоуглеродистых сплавов требуется до 50 кВтч электроэнергии при пятикратном снижении суммарных затрат на материалы и электроэнергию для получения форм под заливку при переходе от ЛГМ к ЛЛМ благодаря низкой стоимости модельных материалов, состоящих из воды не менее чем на 90% [4].
3) Сокращение продолжительности и трудоемкости изготовления оболочковой формы из одного слоя толщиной 3…10 мм по сравнению с такими же показателями при получении многослойных оболочек при традиционном литье по выплавляемым моделям. Отработка процесса формовки ведется со следующей последовательностью основных операций: засыпка и уплотнение сухой песчаной смеси в форме с моделью, герметизация пленкой и подключение к вакуум-насосу - за 3…6 мин., таяние модели в форме с фильтрацией ее жидкости, отверждением оболочки и удалением избытка жидкости из полости – за 10…20 мин. Затем форму направляют на заливку при вакуумировании формы, либо на подсушку и заливку, либо на извлечение оболочки из сыпучего песка и ее подсушку. Возможно применение теплоносителей, которые позволяют совмещать плавление модели с сушкой оболочки.
4) Благодаря низкой вязкости водной композиции по сравнению с воскообразными составами ледяная модель получает четкий отпечаток от пресс-формы, чему способствует расширение воды при замораживании, практически отсутствует традиционная усадка разовой модели. Высокая прочность льда по сравнению с традиционными органическими материалами.
5) Точность, стабильность размеров и трещиноустойчивость оболочек твердеющих в объеме уплотненного вибрацией и вакуумом песка вокруг модели, что повышает качество поверхности отливки [2], в отличие от традиционных оболочек, твердеющих послойно, что вызывает напряжения.
6) Наличие методов послойного 3D-намораживания ледяной модели (Rapid Freeze Prototyping), а также 3D-деформирования заготовки из порошкового льда по данным CAD файлов позволяет практически полностью автоматизировать ее получение.
Список литературы:
|
2. Знаменский Л. Г., Ивочкина О. В., Ердаков И. Н. Электроимпульсно-фильтрационные технологии изготовления литейных стержней и форм // Вестник ЮУрГУ. – 2007. - № 13. - С. 39 - 42.
|
|
3. Гаврилюк В. П., Найдек В. Л., Неижко И. Г. Формообразование графита в чугунах. - К.: Охрана труда, 2010. - 132 с.
|
|
4. Дорошенко В. С., Бердыев К. Х. |
Сравнительный расчет экономических затрат на изготовление песчаных форм по газифицируемым и ледяным моделям в литейном производстве // Экологический вестник России. - М. - 2011. - №10. - С. 42 - 47. |
Производство металлических отливок по моделям из пенопласта / 13.01.2011
Производство металлических отливок по моделям из пенопласта
Владимир Дорошенко dorosh@inbox.ru Физико-технологический институт металлов и сплавов НАН Украины, г. Киев
|
В литейном деле наиболее точные отливки получают по моделям разового применения. Если при литье в песчаные формы применяют одноразовые формы, то теперь пришло время одноразовых моделей из пенопласта. Они похожи на упаковку для телевизора, которые массово штампуют на автоматах. По примерно такой же технологии изготавливают модели из пенопласта для отливок из металла. Для серии отливок такие модели изготавливают вдуванием гранул пенополистирола в алюминиевые пресс-формы (многоместные для мелких моделей) с последующим вспениванием и спеканием гранул путем нагрева пресс-форм в течение нескольких минут до ~130°С. Алюминиевые пресс-формы можно изготавливать точным литьем, но чаще это делается путем механообработки. По пресс-формам можно изготовить тысячи и более пенопластовых моделей. |
|
Для разовых и крупных отливок весом до нескольких тонн модели вырезают из плит пенопласта нагретой нихромовой проволокой по шаблонам или на гравировально-фрезерных станках с ЧПУ. Затем полистироловую модель покрывают быстросохнущей краской с порошком-огнеупором, склеивают с пенопластовым литником, помещают в контейнер, где засыпают ее сухим песком, и заливают расплавленным металлом через этот литник. При заливке полистирол испаряется («теряется пена»), и модель замещается металлом. При этом металл затвердевает в виде отливки в неподвижном песке, который, облегая модель при засыпке песка (формовке), принял форму зеркального отображения этой отливки.
|
Формовочный кварцевый песок после извлечения остывшей отливки из формы благодаря его высокой текучести обычно транспортируют по закрытой системе трубопроводов пневмотранспорта, исключающей распыление его в цехе. Примерно треть его поступает в установку терморегенерации, где он освобождается от остатков конденсированных продуктов деструкции пенополистирола, а затем, смешиваясь с остальной частью, после охлаждения в проходных закрытых охладителях подается опять на формовку. В результате потери оборотного песка не превышают нескольких процентов - это просыпи, унос с отсасываемыми газами и т.п. |
Значительную часть бункеров, трубопроводов и оборудования комплекса по охлаждению и складированию оборотного песка обычно монтируют за пределами помещения цеха у внешней его стены, при этом сухой песок, который не боится мороза, быстрее охлаждается на открытом воздухе. Изолирование в закрытых трубопроводах потока песка, отсасывание из формы и последующее дожигание газов в сочетании с чистым модельным производством дает возможность создать экологически чистые цеха высокой культуры производства.
|
|
Экологическая безопасность технологического процесса обеспечивается также исключением из него токсичных связующих веществ и большого объема формовочных и стержневых песчаных смесей (обычно от 2 до 4 т отработанной смеси со связующим веществом идет в отвал на 1 т литья), а также их транспортировки и выбивки отливок. Например, 1 куб. м пенополистирола модели весит 25 кг. Если он замещается 7 т жидкого чугуна, то при этом на 1 т литья расходуется 25/7=3,6 кг полимера. А в формах из смоляных холодно-твердеющих смесей при потреблении 3% связующего вещества на 3 т смеси, которая требуется для 1 т литья, расход связующего полимера составляет 0,03х3000=90 кг, что в 90/3,6=25 раз больше.
|
|
Полученная отливка, имеет высокую точность и конкурентный товарный вид. Держа в руках легкую модель, можно увидеть и промерить по всей конфигурации будущую отливку и скорректировать ее возможные огрехи, что при обычной формовке для сложных с несколькими стержнями отливок не сделать. Модель из пенопласта легче отливки из чугуна в 7000/25=280 раз, возьмешь ее в руки – будто держишь пустоту, которая затем превращается в металл.
|
|
Наши литейщики не привыкли к таким технологическим возможностям и такому качеству литья, так как стереотипы, заложенные еще в институтах, тормозят понимание потенциала этой технологии. В ней отсутствует вонь от горелых связующих полимеров, нет заливов по разъему формы (разъемов не имеется) и смещения стержней и форм при сборке, т. к. отсутствуют сами стержни со всеми проблемами их производства и выбивки. Производственные участки - модельный, формовочный, плавильный, очистной имеют примерно одинаковые площади и оснащаются простым оборудованием.
|
|
Так как модели помещают в сухом песке в контейнере, стоящем на вибростоле, где песок уплотняют около 1-1,5 минут, то отпадает надобность в высокоточных формовочных машинах прессования и устройствах сборки форм. Акцент перенесен на изготовление легчайших моделей с плотностью материала 25-26 кг/куб. м, которое обычно доверяют женским рукам.
|
|
Для серийного производства отливок используются полуавтоматы, цикл производства пенопластовых моделей на которых составляет около трех минут. Они позаимствованы из упаковочной отрасли, где их используют для производства фасонной упаковки, легкой тары, а также декоративных панелей и элементов фасада зданий. Условия труда, подобные условиям упаковочного производства, вытесняют образ старой задымленной «литейки». Таким способом получают отливки из чугуна и стали всех видов, бронзы, латуни и алюминия всех литейных марок. В ящике на «елке или кусте» могут сразу лить десятки отливок, как в ювелирном производстве, с почти ювелирной точностью. До 90% отливок можно применять без последующей механической обработки.
|
|
Описанная технология весьма экономична в сравнении с традиционной. На 1 т литья расходуют 50 кг кварцевого песка, 25 кг противопригарных покрытий, 6 кг пенополистирола и 10 кв. м полиэтиленовой пленки. Низкие затраты на модельно-формовочные материалы позволяют экономить не менее $100 на 1 т литья, размещение отливок по всему объему контейнера позволяет получать 70-80% годного литья, экономия шихты металла составляет 250-300 кг, электроэнергии - 100-150 кВт.ч, масса отливок снижается на 10-20% по сравнению с традиционной опочной формовкой.
|
|
Крупная экономия получается при литье сложных отливок из износостойких сталей (траки и детали гусениц, бронефутеровок, корпусные детали) так как резко снижаются затраты на их механообработку. Льют без ограничений на конструкции и конфигурации колеса, звездочки, головки и блоки цилиндров, патрубки бензиновых и дизельных двигателей, коленвалы, и др. Капитальные затраты на организацию и ввод в эксплуатацию производства сокращаются в 2-2,5 раза. Опыт запуска участков производительностью до 50-150 т/месяц показал, что срок их окупаемости не превышал 1,5 года.
|
Можно размещать такие участки при кузнях, термических и ремонтных цехах. Если создавать или реконструировать «литейку», то литье в моделях из полистирола – тот бизнес, где металл своим оборудованием и рабочей силой переводится в конкурентный товар. Страны, где металл производят из собственных руд путем углубленной его переработки, обретают шанс опередить конкурентов. Сегодня килограмм черного металла (в рядовом прокате, чушках, ломе) стоит в среднем $0,5, килограмм металла в автомобиле или танке стоит уже $50…100, а в самолете — $1500…2000. Замена экспорта продукции металлургии на экспорт машин и механизмов - это один из шагов перевода сырьевой экономики на высокотехнологичную и усиление роли в глобальном разделении труда, когда экономическая конкуренция все в большей степени определяется конкуренцией научно-технической, а разработка и внедрение технологических инноваций - решающий фактор социального и экономического развития, залог экономической безопасности.
|
Большинство крупнейших автопроизводителей Европы, Азии и Америки ежегодно используют в производимых автомобилях несколько сотен тысяч тонн точных отливок, полученных описанным способом. General Motors, Ford Motors, BMW, Fiat, VW, Renualt и ряд других фирм полностью перешли в 1980-90 годах на изготовление этим способом отливок блоков цилиндров, головок блока, впускных и выпускных коллекторов, коленвалов для наиболее массовых типов двигателей.
|
|
В Физико-технологическом институте металлов и сплавов (ФТИМС) НАН Украины (отдел формообразования под руководством профессора Шинского О. И.) спроектировали оборудование и запустили ряд участков в России и Украине, внедрили такое оборудование в Польше и Вьетнаме. На опытном производстве ФТИМС в Киеве льют черные и цветные металлы развесом 0,1-1500 кг до 50 т/месяц, отрабатывают технологию и оснастку для новых цехов, проектируют оборудование и линии под программу литья и площади цеха заказчика, которые затем поставляют литейным предприятиям с пуско-наладкой всего комплекса оборудования и внедрением технологии в производство.
|
|
Производственный потенциал технологии ЛГМ далеко не исчерпан. Она также позволяет получать ранее нетехнологичные литые крупнопористые, ячеистые и каркасные отливки, лить не только металлы и сплавы, но и получать композиты и армированные конструкции, которые обладают улучшенными характеристиками. При этом в модель предварительно вставляют различные детали или материалы, которые формируют композит или армированную конструкцию, а наложение газового давления на жидкий металл увеличивает стабильность пропитки таких изделий со вставками на длину до 1 м.
|
ЛГМ относят к высокотехнологичным производствам, которые дают выход к устойчивому развитию из технологического отставания, когда в отечественной экономике нарастает сырьевая составляющая, доминирует продукция с низкой добавленной стоимостью и снижается конкурентоспособность производства. Если в 80-е годы в структуре отечественной промышленности и товарного экспорта вес машиностроения составлял порядка 30…40%, а черной металлургии был в два-три раза меньше, то сегодня наоборот. Именно развитие литейного производства – это шаг к восстановлению и росту отечественного машиностроения, превращения страны из продавца полуфабрикатов в экспортера технологической продукции с большой добавленной стоимостью. Снижение зависимости национальной промышленности от импорта идей, технологий и товаров, реализация собственной программы инновационного развития позволит нам стать равноправным участником глобальных инновационных процессов.
(Свежие статьи др. авторов: 1)Рыбаков С. А. Инновационные возможности литья по газифицируемым моделям, состояние и перспективы этого метода в России // Литейщик России. №4, 2009, с. 44-45. 2)Рожнов С. П., Андерсон В.А. О новой концепции мелкосерийного литейного производства // Литейное производство. №9, 2010, с. 27-30).
http://www.biznet.ru/topic31376.html?hl=doroshЛИТЬЕ ПО ЛЕДЯНЫМ МОДЕЛЯМ / 06.04.2010
В. С. Дорошенко
Физико-технологический институт металлов и сплавов НАН Украины, Киев
ЛИТЬЕ ПО ЛЕДЯНЫМ МОДЕЛЯМ КАК ПРИМЕР ИСПОЛЬЗОВАНИЯ КРИОТЕХНОЛОГИИ В ЛИТЕЙНОМ ПРОИЗВОДСТВЕ
|
В ходе создания научных основ криотехнологии модельного и формовочного производства проводятся исследования тепло- и массообменных процессов при изготовлении одноразовых ледяных моделей, а также их таяния при получении песчаной литейной формы. Физико-аналитическое моделирование тепловых процессов, возникающих при замораживании моделей, позволило получить математическое выражение для определения температуры охлаждения пресс-формы в зависимости от требуемой толщины твердой поверхностной корки модели, и создать технологию изготовления модели заливки водной композиции в пресс-форму без ее специальной герметизации. Рассмотрены закономерности роста кристаллов льда при замерзании литейной модели и роста дендритных структур с точки зрения теории фракталов, что дало возможность практического подхода к измерению площади фронта кристаллизации ледяной литейной модели.
|
В результате исследования деструкции ледяной модели методом гравиметрии литейной формы определена зависимость изменения массы образца ледяной моделей от времени ее таянии. Построены графики потери массы вакуумированной песчаной формы в течение времени таяния и впитывания в песок ледяной модели с подсушкой формы около 1 мин., показывающие уменьшение массы продуктов модели в форме на 45% за счет испарении влаги и эвакуации ее из формы по системе вакуумирования формы. На основании исследований гидродинамики проникновения жидкого продукта деструкции одноразовой ледяной модели в толщу песка вакуумированной формы под действием градиентов газового давления и концентрации модельного материала разработан способ изготовления оболочковых форм путем пропитки связующим, в котором модель служит носителем этого связующего. В целом в форму из модельного расплава вводится около 0,3% связующего от массы песка, что значительно меньше, чем при введении его в холоднотвердеющие песчаные смеси.
Разработка составов водных композиций показала неплохую технологичность для ледяных моделей составов с водорастворимыми связующими и ПАВ, в частности, композиций с добавлением 10% полимерного реагента таких видов: крахмалита (ЭКР по ТУ 18-8-14-80); КМЦ; дисперсии ПВА; раствора жидкого стекла плотностью 1,08-1,09 г/см3. Эти гелеобразователи путем пропитки создают зону пониженной газопроницаемости поверхностных слоев песчаной формы, герметизируют и приближает ее свойства до вакуумно-пленочной формы, а в варианте затвердевания связующего – создают оболочковую форму.
Исследование способов нанесения на ледяные литейные модели пленки или коркообразующих покрытий с герметизирующими и противопригарными свойствами позволило достичь условий стабильной устойчивости песчаной поверхности формы из несвязанного песка и начать отработку технологии литья по этим моделям, а в результате исследования пропитки песка расплавом ледяной модели разработаны способы создания прочной песчаной оболочки. Для этого задействовали химические реагенты самотвердеющих формовочных смесей с коротким циклом отверждения, быстро создающих оболочковую форму вокруг ледяной модели. Такое применение криотехнологии для литья по одноразовым моделям минимизирует расход связующего и позволяет отнести эти работки к тематике работ по сохранению окружающей среды.