Литье по газифицируемым моделям реферат

Обновлено: 02.07.2024

ЛГМ-процесс: этапы зарождения, развития и становления

Эта особенность содержала в себе целый ряд возможностей увеличить точность получаемых отливок. Прежде всего отпала необходимость в выполнении литейных уклонов и тем самым появилась возможность значительно уменьшить припуски на механическую обработку. Отсутствие операции извлечения модели из формы, сделало литейную форму неразъемной, что также внесло свою лепту в повышение точности получаемых отливок за счет устранения возможных сдвигов и перекосов отдельных частей формы по отношению друг к другу.

ЛГМ-процесс позволяет также (за редким исключением) выполнить внутреннюю конфигурацию отливки полностью в модели, исключая использование стержней. Это также повышает точность отливок. Кроме того упрощает процесс формовки, исключает затраты на изготовление стержней, подготовку материалов для их изготовления, транспортировку, улучшает экологию за счет исключения из употребления вредных связующих и т.д. И в конце концов, значительно сокращает цикл производства литья и его себестоимость.

Неразъемная литейная форма позволяет также расположить модели наиболее рациональным способом по всему объему литейного контейнера или расположить в контейнере несколько модельный блоков, значительно повысив коэффициент выхода годного в некоторых случаях до 80-85%!

Использование в технологическом процессе литья по газифицируемым моделям всего 4-х материалов (пенополистирол — для изготовления моделей, кварцевый песок — как формовочный материал, противопригарное покрытие, плиэтиленовая пленка — для вакуумирования контейнеров) и недорогого оборудования и оснастки, сокращение и упрощение технологических операций, возможность комплексной механизации и автоматизации технологического процесса сделали привлекательной новую технологию для внедрения её на предприятиях различной мощности.

Начиная с 1962 г. В печати появляются сведения об изготовлении новым способом крупных единичных отливок из черных металлов массой до 12 т. И уже в 1965 г. в Соединенных Штатах Америки, ФРГ, Франции и Японии было произведено более 40 000 т отливок с исполльзованием газифицируемых моделей.

Наряду с расширением производства единичных отливок различные фирмы проводят исследования по применению ЛГМ-процесса для серийного производства отливок массой до 20 кг ответственного назначения, таких как: тормозные колодки железнодорожного транспорта, муфты, тройники, коленвалы, зубчатые колеса, коллекторы и т.д. из серого и высокопрочного чугуна.

Первые же опыты по получению отливок по полистирольным моделям показали необходимость изучения особенностей этого процесса, создания теории литья по газифицируемым моделям и на ее основе разработки технологических основ процесса.

Наличие пенополистироловой модели в форме во время заливки жидкого металла создает специфические условия в литейной форме, когда металл контактирует с продуктами газификации модели. Формирование поверхности отливки, геометрии и физико-математических свойств происходит в результате сложных процессов в системе металл — модель — форма.

Для успешного освоения нового процесса необходимо было исследовать свойства пенополистирола, как материала для изготовления моделей, а также кинетику его фазовых превращений при его деструкции и влияние продуктов термического разрушения пенополистирола на свойства металла при заливке, кристаллизации и охлаждении; гидравлику литейной формы, заполненной пенополистиролом; структурно-механические и теплофизические свойства сыпучих формовочных материалов; разработать новый класс газопроницаемых противопригарных покрытий; создать оборудование для промышленного освоения процесса и обеспечить экологическую безопасность ЛГМ-процесса.

Для решения этих процессов в Европе создаются региональные научно-производственные объединения и исследовательские центры в составе промышленных фирм. Которые работают над совершенствованием технологии процесса и оказанием помощи предприятиям по внедрению новой технологии для серийного производства отливок.

Огромный интерес, проявленный в различных странах к новому методу литья, стал причиной создания в конце 1967 г. Международной ассоциации литья по газифицируемым моделям, которая объединила 150 предприятий различных форм с суточным выпуском около 800 т отливок. В задачу Ассоциации входит накопление и обобщение опыта, а также оказание помощи в освоении нового метода литья заинтересованными фирмами.

В СССР впервые работы по применению моделей из пенополистирола были начаты А.Р. Чудновским в Черноморском ЦПКБ (г. Одесса), а в 1965 г. процесс литья по газифицируемым моделям внедрен на Горьковском автомобильном заводе для изготовления литых заготовок деталей штампо-инструментальной оснастки. Затем процесс был успешно освоен и внедрен на Волжском автомобильном заводе при производстве штампов.

Первые исследования теоретических вопросов литья по газифицируемым моделям проводились, начиная с 1964 г., в МВТУ им. Баумана под руководством Г. Ф. Баландина и Ю. А. Степанова (г. Москва).

В ходе многочисленных исследовательских работ были изучены процессы, происходящие в литейной форме, при изготовлении отливок из черных и цветных сплавов по газифицируемым моделям, особенности формирования физико-механических свойств отливок из различных сплавов по ЛГМ-процессу. Пенополистирол при объемной плотности 20-30 г/см 3 обладает низкими теплопроводностью (λ=1,35 кг/м 3 × град), теплоемкостью (с= 444,45 дж/град) и температуропроводностью (α = 5,7× 10 7 вт/м× град), поэтому процесс термодеструкции модели в полости формы под воздействием тепловой энергии расплавленного металла происходит в узкой зоне взаимодействия модели с металлом, величина и скорость перемещения которого определяется теплофизическими свойствами материала модели, свойствами формы, температурой и скоростью заполнения формы металлом.

Температура металла при заливке является главным фактором, определяющим характер термодеструкции пенополистирола – количество и состав образующихся при этом продуктов, а скорость его подъема в форме должна быть оптимальной для сохранения целостности формы и возможности удаления продуктов разложения модели из зоны их образования.

Как показали исследования, между скоростью продвижения фронта термодеструкции модели, скоростью подъема металла в литейной форме и скоростью удаления продуктов разложения модели должно существовать термодинамическое равновесие, обеспечивающее получение отливок без дефектов по вине модели и формы.

Многочисленными исследованиями установлено

Термическая деструкция пенополистирола сопровождается сложными фазовыми и химическими превращениями, в результате которых образуются жидкие, паро- и газообразные, а также твёрдые продукты. Количество и состав этих продуктов определяется, главным образом, температурой заливаемого металла. С повышением температуры увеличивается количество газообразных и твердых веществ и уменьшается количество жидких.

При производстве отливок, как правило, первичные газообразные продукты разложения модели удаляются из зоны их образования через зазор между моделью и фронтом продвижения металла с помощью вакуумирующей системы и при правильной организации технологического процесса не оказывает вредного влияния на качество отливки. Твердая составляющая продуктов деструкции – активный углерод, содержание которого в продуктах деструкции модели доходит до 70% вес. (при температуре заливки стали), контактирует с заливаемым металлом и потоком отходящих газов выносится из зоны образования и адсорбируется на зернах кварцевого песка в ближайших к отливке слоях песка. При этом повышается содержание углерода в металле, а вокруг отливки создается слой с повышенным содержанием активного углерода, приводящий к поверхностному науглероживанию отливки, особенно из низкоуглеродистых сталей.

Производство ЛГМ на международных рынках

Число цехов, работающих по новой технологии, стремительно увеличивается. Наибольшее число отливок, получаемых ЛГМ-процессом (как отмечалось на Конгрессе литейщиков в Дюссельдорфе в 1994 г.) потребляет автотранспортная промышленность – 34%, сантехническая – 18%, судостроение -12%, электро машиностроение — 10%., общее машиностроение – 6%, железнодорожный транспорт – 6%, прочие потребители – остальное.

Фирма General Motors освоила производство таких сложных отливок, как блоки и головки из алюминиевых сплавов и картеров и коленчатых валов из чугуна. Фирма Ford Motors использует ЛГМ-процесс для изготовления отливок из серого чугуна и высокопрочного чугуна, алюминиевых сплавов широкой номенклатуры деталей автомобиля (коленвалы, зубчатые колеса, шатуны, коллекторы, головки и блоки цилиндров).

Фирмы Fata и Fiat Teksit построили в Италии несколько цехов по производству коллекторов автомобильных двигателей.

Фирма Moricawa Saudino (Япония) в короткое время освоила и стала лидером в производстве отливок ЛГМ-процессом (втулки подшипников для двигателя Honda, гильзы цилиндров из фосфористого чугуна, коробки дифференциала из высокопрочного чугуна, впускные коллекторы из алюминиевых сплавов).

Серийное производство отливок по газифицируемым моделям налажено на фирмах: HARTMAN (Германия), Ferrie Fonderie di Dongo (Италия), заводе MEZ (Чехия), выпускающем чугунное литье; заводе Stenton PLC (Великобритания) – серый и высокопрочный чугун; завод Alexcon (Индия) – алюминий и чугун; завод Logink (Голландия) – чугун и др. Мощное производство отливок для автомобилестроения организовано на заводе компании BMW (Германия).

Различные варианты ЛГМ-процесса используются в цехах единичного крупного литья, мелкосерийного, серийного и массового производства отливок в США, Великобритании, Италии, Германии, Японии, Корее, Чехии Китае и других странах производительностью от 500 т до 10 000 т отливок в год. Используется оборудование с системой автоматического управления на базе микропроцессорной техники с использованием роботов, позволяющее создать рентабельные гибкие производства, благодаря единой опоке, в которой используется весь объем; единому формовочному материалу – песку; простоте формовки и выбивки форм при неограниченном сроке хранения моделей.

Технологические аспекты

Суть процесса литья по газифицируемым моделям

Расславленный металл заливают в специальный вакуумируемый литейный контейнер, в котором находится модель из пенополистирола, заформованная в сухом песке без связующих материалов. Во время заливки металл замещает полость, занятую моделью, в результате чего образуется отливка, точно повторяющая геометрию модели.

Опыт изготовления отливок по газифицируемым моделям показал преимущества этого процесса:

исключаются из производственного процесса стержневое и смесеприготовительные отделения;
возможность комплексной автоматизации всего процесса;
использование недорогой и сравнительно простой оснастки;
значительное улучшение условий труда;
снижение требований к квалификации рабочего персонала;
выход годного повышается до 70-80%;
масса отливок снижается на 10-20%;
объем финишных операций снижается на 40-60%;
в 2-3 раза сокращаются производственные площади;
в 2,0-2,5 раза снижаются капитальные затраты;
точность и чистота поверхности отливок приближается к литью по выплавляемым моделям.

Технологический процесс изготовления отливок включает следующие операции:

Подготовка полистирола (предварительное вспенивание) — обеспечивает получение модели заданной плотности.
Изготовление модели — в зависимости от величины, геометрии и серийности это может быть автоклавный способ, метод теплового удара или вырезка модели из блочного пенополистирола с помощью режущего инструмента (хорошая практика — использование для этих целей фрезерных станков с ЧПУ немецкой компании GEISS AG).
Сборка моделей (если модель состоит из нескольких частей) и модельных блоков — моделей, собранных с литниковой системой.
Приготовление, нанесение и сушка противопригарного покрытия, которое при ЛГМ-процессе наносится на поверхность модели.
Формовка модельных блоков путём засыпки их кварцевым песком с последующим виброуплотнением.
Подключение контейнеров к вакуумирующей системе и заливка жидкого металла (при этом продукты деструкции удаляются из формы, проходят через установку обезвреживания (степень очистки — 98%) и в атмосферу удаляются пары воды и СО₂.
Выбивка контейнеров (после отключения от вакуумирующей системы, песок высыпается из контейнера и подаётся на установку регенерации, где очищается от продуктов деструкции пенополистирола, а отливки подаются на финишные операции).

Технологический процесс изготовления отливок по газифицирумым моделям находится в развитии. Его возможности далеко не исчерпаны. Литейщики находят все новые решения технологических вопросов изготовления отливок, предлагают новые варианты этого процесса и области его применения, используют новые материалы для изготовления литейных форм и моделей, совершенствуют оборудование, используют новые решения в автоматизации процесса.

Для более глубокого ознакомления с процессом предлагаем просмотреть фильм:

Эту технологию можно отнести к группе способов получения отливок в неразъемных формах по разовой модели как литье по выплавляемым моделям (см. лекцию 2). Но в отличие от ранее рассмотренных сходных способов модель удаляется (газифицируется) не до заливки, а в процессе заливки формы металлом, который, замещая испаряющуюся модель, занимает освободившееся пространство в полости формы. Современные варианты технологического процесса заключаются в следующем.

Разовые пенополистирольные модели изготавливают либо засыпкой в специальные металлические пресс-формы (массовое и крупносерийное производство) суспензионного полистирола в виде подвспененных гранул, либо механической обработкой нормализованных пенополистирольных плит (мелкосерийное, единичное производство). Сложные модели делают по частям. Отдельные части и литниковую систему соединяют в единый блок склеиванием или сваркой. Собранную модель окрашивают слоем огнеупорной краски и сушат на воздухе. В итоге получается огнеупорная газопроницаемая оболочка, прочно связанная с пенополистирольной моделью (рисунок 7.1, а).

Готовую модель устанавливают в специальную опоку-контейнер, засыпают зернистым огнеупорным наполнителем без связующего, уплотняют его вибрацией, закрывают металлической крышкой с отверстиями, нагружают и устанавливают литниковую чашу (рисунок 7.1,б).

Рисунок 7.1 – Схема изготовления отливки по газифицируемой модели: а – пенополистирольная модель отливки; б – форма, подготовленная к заливке; в – заливка формы, газификация модели; г – отливка с элементами литниковой системы

При изготовлении сложных отливок контейнер после подачи опорного материала закрывают сверху полиэтиленовой пленкой, как при вакуумной формовке. Чтобы уменьшить вероятность разрушения формы в ней создают разрежение до 0,04 – 0,05 МПа. При изготовлении крупных массивных отливок используют обычные холоднотвердеющие жидкоподвижные или сыпучие формовочные смеси.

Приготовленную форму заливают жидким металлом (рисунок 7.1, в). Температура газификации пенополистирола близка к 560°С, поэтому под действием теплоты заливаемого расплава модель газифицируется. При этом полость формы постепенно освобождается и заполняется металлом.

После затвердевания и охлаждения отливки опоку-контейнер переворачивают, наполнитель отделяется от отливки и высыпается, после чего отливка направляется на финишные операции (рисунок 7.1, г). В случае использования обычных формовочных смесей форму выбивают на выбивных решетках.

Главная особенность способа (применение неразъемной формы) определяет основное его преимущество для качества готовых отливок – повышение точности отливок благодаря сокращению числа частей формы, стержней, а, следовательно, и возможных искажений конфигурации и размеров отливок, связанных с изготовлением и сборкой этих элементов формы. Точность отливок при литье по газифицируемым моделям в песчаные формы без связующего и с ним согласно ГОСТ 26645—85 (изм. № 1, 1989) соответствует точности отливок, полученных в кокиле или в облицованном кокиль со стержнями.

В настоящее время литье по газифицируемым моделям чаще всего используется со следующими целями:

Модельные материалы

Для изготовления отливок по газифицируемым моделям пенополистирол должен обладать следующими свойствами:

при плотности 20 – 30 кг/м 3 иметь достаточную технологическую прочность (0,1 – 0,2 МПа), чтобы сохранять размеры и конфигурацию моделей в процессе их изготовления, хранения, транспортирования и формовки;
на всех стадиях технологического процесса иметь минимальную и стабильную усадку (0,15 – 0,2%);
обладать достаточной скоростью газификации, чтобы заливаемый металл успевал заполнять полость формы до начала его затвердевания;
при газификации разлагаться с минимальным содержанием коксообразующих продуктов во избежание появления засоров в отливках.

Изготовление газифицируемых моделей

Процесс получения моделей в массовом и крупносерийном производстве состоит из двух стадий: предварительное вспенивание исходных гранул вспенивающегося полистирола в свободном состоянии и окончательное вспенивание гранул в замкнутой полости пресс-формы – получение модели.

Предварительная тепловая обработка вспенивающегося полистирола необходима для получения впоследствии газифицируемой модели с заданной объемной массой (плотностью), которая определяет прочность модели и качество поверхности. Вспенивающая способность гранул заданной дисперсности определяется температурой и временем тепловой обработки (рисунок 7.2).

Рисунок 7.2 – Увеличение объема гранул пенополистирола (V) в зависимости от температуры (цифры у кривых) и продолжительности подвспенивания (t): сплошные линии – начальный размер гранул 2,5 мм; пунктирные – 1,5 мм

С увеличением продолжительности тепловой обработки объем гранул увеличивается и, соответственно, уменьшается насыпная масса подвспененных гранул. Повышение температуры обработки приводит к сокращению времени, при котором гранулы достигают максимального объема. Но при температурах выше 95оС процесс становится нестабильным и передержка гранул приводит к потере их активности и усадке. Это связано с увеличением скорости деформации полистирольной оболочки гранул при повышении температуры, в результате чего стенки отдельных ячеек гранул разрушаются и происходит потеря порообразователя.

На предприятиях с небольшим объемом производства предварительное вспенивание целесообразно проводить в горячей воде. Для этого исходные гранулы полистирола помешают в воду при температуре 95 – 100 о С и выдерживают в течение 1 – 10 мин при постоянном помешивании, чтобы обеспечить равномерность тепловой обработки и исключить слипание гранул. После выдержки, необходимой для подвспенивания гранул до заданной насыпной массы, их извлекают и засыпают на стеллажи с сетчатым дном для просушивания и выдержки на воздухе.

Для нагрева гранул при предварительном вспенивании применяют также обработку паром и токами высокой частоты. В условиях крупносерийного и массового производства чаще всего используют перегретый пар.

После предварительного вспенивания гранулы выдерживают на воздухе от 6 ч до 2 суток. В этот период оболочка гранул, охлаждаясь, вновь переходит в стеклообразное твердое состояние, а пары изопентана конденсируются, что приводит к возникновению вакуума в гранулах. В процессе выдержки происходит диффузия воздуха внутрь гранул и давление выравнивается. Для сокращения времени выдерживания подвспененных гранул можно использовать выдержку их при повышенном до 0,2 – 0,3 МПа давлении.

Изготовление моделей в пресс-формах

Процесс заключается в повторном нагреве подвспененных и активированных гранул полистирола, помещенных в пресс-форму, в результате которого они окончательно вспениваются и спекаются между собой, образуя пенополистирольную модель отливки.

Подготовленные гранулы засыпают или задувают сжатым воздухом в смазанную специальной смазкой рабочую полость пресс-формы так, чтобы они полностью заполнили ее объем. Смазками служат: раствор синтетического термостойкого каучука, силиконовая жидкость, глицерин.

При небольших объемах производства чаще используют более простые, но менее производительные способы:

Изготовление моделей из пенополистирольных плит

В качестве материала используют готовые пенополистирольные плиты марки ПС-Б и ПС-БС с габаритами до 1000 * 700 * 100 мм. Плотность плит 20 – 25 кг/м 3 , напряжения на изгиб 0,09 – 0,23 МПа при 5%-ной деформации; остаток после испарения образца не более 2 мас. %; скорость плавления около 25 мм/с.

Пенополистирол легко обрабатывается на обычных деревообрабатывающих станках. Чистовую обработку ведут при больших скоростях резания и малых подачах, используя инструмент с мелкой насечкой, тонкие наждачные круги и шлифовальную шкурку.

Одним из способов обработки пенололистирола является обработка горячей электронагреваемой нихромовой проволокой. Температура нагрева режущей проволоки должна находиться в пределах 300 – 450 о С. Преимущество данного способа заключается в том, что гранулы пенополистирола не выкрашиваются, а оплавляются по поверхности разреза и закрывают поры.

Обычно сложные модели изготовляют из отдельных частей простой геометрической формы с последующим их склеиванием, термической сваркой или сваркой растворением пенополистирола.

Термическая сварка осуществляется с помощью струи воздуха, нагретого до 105 – 130 о С. В качестве присадочного материала используют прутки из пенополистирола. Наплывы в местах сварки устраняют заглаживанием нагретым инструментом.

Для сварки растворением пенополистирол растворяют в стироле, толуоле, дихлорэтане до достижения консистенции киселя. Полученный состав наносят тонким слоем на соединяемые поверхности, при этом материал модели несколько растворяется. После соединения поверхностей и выдержки в течение 8 – 10 мин под небольшим давлением образуется прочный однородный с материалом модели соединительный шов.

Пенополистирольные модели значительно дешевле деревянных, что особенно важно в единичном производстве. Время, затрачиваемое на их изготовление, в 2 – 3 раза меньше, при этом не расходуется древесина высокого качества.

Собранные модели и модельные блоки покрывают противопригарной краской или суспензией толщиной 0,2 – 2,0 мм. После сушки покрытие предохраняет отливку от пригара и повышает прочность модели.

К недостаткам литья по газифицируемым моделям можно отнести безвозвратные потери материала разовой модели и выделение токсичных продуктов ее термодеструкции, что требует проведения соответствующих защитных мероприятий. В варианте процесса с вакуумированием формы во время ее заливки продукты термодеструкции модели могут поступать непосредственно из формы в установку для каталитического их дожигания до диоксида углерода и паров воды.

Формы изготавливались на основе моделей (макетов) из дерева, гипса или воска. Этот метод сохраняет популярность и сегодня, так, например, в России больше половины отливок деталей для машиностроения выполняются по этому методу. Несмотря на дешевизну материала, способ страдает от большой трудоемкости работ по моделированию и формовке — модель необходимо извлечь из формы перед отливкой.

ЛГМ-процесс

Метод литья по газифицируемым моделям, или ЛГМ, лишен этих недостатков. Он был разработан и запатентован в середине 20 века и с тех пор завоевал популярность во всем мире.

Применение метода в России сдерживает инерция мышления наших металлургов и недостаток информации о методе.

Суть метода заключается в том, что форма для литья уплотняется вокруг газифицируемого макета из легкоплавкого пластика. Чаще всего для ее изготовления используются плотные сорта пенопласта. Газифицируемая модель, вокруг которой утрамбована в опоку форма, не извлекается из нее, а при заливке горячего расплава плавится, переходит в газообразное состояние и испаряется через массу формовочной смеси. Металл занимает освободившееся место, повторяя в мельчайших деталях ее форму и структуру поверхности.

Визуализация технологии литья по газифицируемым моделям

Пенопласт легче обрабатывается, чем дерево.
Пенопласт не намокает и не коробится, из него проще создавать газифицируемые макеты сложной формы.
Не требуется высшая квалификация сотрудников.
Газифицируемую модель не требуется извлекать, что приводит к упрощению процесса формовки и к многократному уменьшению его трудоемкости.
Снят риск повреждения формы при извлечении газифицируемого макета, не требуется ее доработка.

Метод пригоден для отливки стали, чугуна, бронз и латуней.

Литье в ЛГМ-приобретает все большую популярность на российских металлургических предприятиях и в мастерских художественного литья

Технология литья по газифицируемым моделям

Технологический процесс изготовления отливок модифицирован по сравнению с обычным способом.

Технология литья по газифицируемым моделям

Литье отливок по ЛГМ осуществляется в специальной изолированной от окружающего воздуха камере. В момент заливки жидкого металла пенопласт испаряется, и образовавшиеся газы отсасываются вакуумным насосом, создающим разрежение 0,3-0,7 атм. Эти газы через трубопровод попадают в установку дожига и канализации, в которой обезвреживаются содержащиеся в них ядовитые вещества. Это еще одно важное преимущество метода литья в ЛГМ перед традиционными методами, вызывающими большую загазованность цеховых помещений.

После остывания форма разбивается и отливка извлекается для очистки и, если это необходимо, дополнительной обработки. Песчано-глиняная смесь после измельчения и просеивания готова к повторному использованию.

В целом данный метод производства отливок характеризуется большей сложностью оборудования и меньшей трудоемкостью по сравнению с традиционными методами.

Модельные материалы и способы изготовления

В качестве материалов для газифицируемых моделей шире всего применяется плотный пенопласт (вспененный полистирол) мелких фракций.

Плотный пенопласт для ЛГМ

В зависимости от размеров детали применяются гранулы от 0,2 до 1,0 мм. Материал обладает такими ключевыми свойствами, как:

Низкая цена.
Высокая прочность.
Легкообрабатываемость.

Вторым важным материалом для газифицируемых моделей являются антипригарные покрытия, которыми смазывают поверхность модели перед формовкой. Современные покрытия делают на основе водных связующих, они обладают высокой экологичностью.

Антипригарные покрытия для ЛГМ

Газифицируемые модели для отливок по ЛГМ производятся двумя способами. Небольшие матрицы для массовых отливок делают методом экструзионного вдувания жидкого пенопласта в алюминиевые изложницы. Их изготовляют в свою очередь методом литья или механической обработки. Газифицируемые макеты для изготовления сложных отливок вырезают из твердого куска пенопласта раскаленной нихромовой проволокой, закрепленной в шаблоне или в станке с ЧПУ.

Газифицируемые модели для литья

С помощью склеивания можно создавать газифицируемые модели для литья деталей больших размеров и практически любой конфигурации. Не является больше сложностью любое количество и глубина выступов и впадин, внутренних полостей и переменных уклонов поверхностей. Не требуется высокое искусство проектировщика и модельщика и многие часы ручного труда. Теперь это — простая последовательность операций.

Особенность литья по разовым моделям заключается в однократном использовании модели, которая остается в форме и удаляется из нее путем выплавления, газофицирования, растворения, испарения или размораживания. Наиболее эффективными для применения в литейном производстве оказались выплавляемые и газофицируемые модели.

Модельные материалы

Для изготовления отливок по газифицируемым моделям пенополистирол должен обладать следующими свойствами:

при плотности 20 – 30 кг/м3 иметь достаточную технологическую прочность (0,1 – 0,2 МПа), чтобы сохранять размеры и конфигурацию моделей в процессе их изготовления, хранения, транспортирования и формовки;
на всех стадиях технологического процесса иметь минимальную и стабильную усадку (0,15 – 0,2%);
обладать достаточной скоростью газификации, чтобы заливаемый металл успевал заполнять полость формы до начала его затвердевания;
при газификации разлагаться с минимальным содержанием коксообразующих продуктов во избежание появления засоров в отливках.

Разновидности видов выплавляемых моделей

В основе модельного литья лежит удаление специального состава одним из следующих способов:

выплавление;
выжигание;
растворение.

Выплавляемые смеси для точного модельного литья представляют легкоплавкие материалы (парафин, воск и аналоги). Удаление состава идет с помощью нагрева горячим воздухом, паром, горячей водой, температура которых выше температуры плавления самого модельного состава.

Выжигаемые смеси выполняют из обычного или вспененного полистирола. В этом случае удаление первоначальной формы происходит на стадии прокаливания оболочки, так температура в этом случае значительно выше плавления полимеров.

Растворяемые составы для модельного литья имеют основу в виде синтезированной мочевины (карбамида), нитрата калия или натрия, ряда других материалов, которые хорошо растворяются в воде. Для удаления вещества используют обычную теплую воду.

Изготовление моделей

Модельный состав, состоящий из двух или более легкоплавких компонентов: парафина, стеарина, жирных кислот, церезина и др., в пастообразном состоянии запрессовывают в прессформы (рисунок 2.5, а). В качестве материала прессформ в зависимости от вида производства используют гипс, пластмассы, легкоплавкие металлы, сплавы, сталь или чугун. После затвердевания модельного состава прессформа раскрывается и модель (рисунок 2.5, б) выталкивается в ванну с холодной водой.

Рисунок 2.5 – Последовательность операций процесса литья по выплавляемым моделям:

1 – прессформа; 2 – модельный состав; 3 – модель; 4 – модельный блок;
5 – емкость с керамической суспензией; 6 – специальная установка для обсыпки; 7 – кварцевый песок; 8 – бак с водой; 9 – устройство для нагрева воды; 10 – электрическая печь; 11 – оболочки; 12 – жаростойкая опока;
13 – ковш с расплавленным металлом

Технология

Этот метод используется для производства изделий из разных сплавов. Обеспечивается показатель качества до ±0,005 мм на каждые 25 мм поверхности. Указанная точность позволяет изготавливать изделия, которые не требуют дополнительной обработки. Залог успешности технологического процесса в том, что модель производится из быстро плавящегося вещества. Используется парафин, воск, канифоль либо их смесь.

Технологический процесс состоит из действий:

Производство модели:

под модель берётся специальная форма из гипса, пластмассы, стали либо чугуна;
в нее заливается вещество образующее модель;
необходимо дождаться его полного застывания;
после этого специальная форма открывается, восковая модель вынимается и помещается в емкость под прохладную воду.

для производства качественного изделия модели собираются в простые и сложные блоки, в каждый из них может войти от 2 до 100 штук;
для увеличения прочности в блочную конструкцию устанавливают алюминиевые стойки;
их покрывают слоем модельного вещества до 25 мм;
блочные конструкции объединяются в литниковую систему.

блок собранный из нескольких моделей помещается в емкость, где находится суспензия из керамики (кварцевая пыль, мелкие фракции шамота) и связывающего компонента (этилово силикатного раствора);
на протяжении суток он сушится в естественной среде, это время можно сократить до 40 минут под воздействием аммиака;
таким образом, на указанный блок поочередно наносится 46 слоёв огнезащитной оболочки, с тщательной просушкой каждого из них;
завершенная модель в огнезащитной оболочке помещается в нагретую воду 90°С;
за несколько минут модельное вещество растает и всплывет на поверхность воды, где оно собирается для следующего применения.

пустая оболочка промывается в воде и сушится в шкафу на протяжении 2 часов при 200°С;
сухая оболочка выставляется вертикально в жаростойкую опоку и по краям уплотняется кварцевым песком, помещается в печь на 2 часа при 950°С;
в печи испаряется оставшаяся влага, остатки модельного состава выгорают, оболочка спекается с огнеупорным материалом, повышая прочность;
расплавленный металл заливается в прокаленную горячую форму.

после того, как отливка остыла — оболочка разрушается;
изделие очищается от ее остатков, для чего поддается химической очистке;
далее изделие промывается водой и подвергается окончательной сушке.

В итоге, оно подлежит для проведения термической обработки и снятия контрольных мерок. Таким образом изготавливаются отливки необходимого размера и конфигурации.

Требования к используемым модельным составам

Вне зависимости от типа и вида материала для получения модели к ним предъявляют следующие требования:

пониженная температура плавления (обычно в диапазоне 60-100 градусов);
хорошая текучесть в жидком состоянии для быстрого удаления из оболочки и полного заполнения полости пресс-формы;
минимальные изменения объема при повышении либо снижении температуры.;
быстрая кристаллизация по всему объему;
возможность многократного применения;
быстрая спаиваемость для соединения с литниковой системой;
отсутствие прилипания к стенкам пресс-формы;
высокая механическая прочность при температуре в цеху;
отсутствие негативного влияния на персонал;
низкая зольность для гарантии высокого качества поверхности;
доступная цена и широкое распространение;
хорошее смачивание;
низкая плотность.

Изготовление моделей из пенополистирольных плит

Преимущества

№ п.п.	Показатель	ПФ	ХТС	ВПФ	ЛВМ	ЛГМ
1	Точность (макс), класс по ГОСТ 26645-85	6…7	5…6	6…7	4…5	3…4
2	Шероховатость (min, Ra) по ГОСТ 26645-85	10…16	6,3…10,0	3,2…6,3	3,2…5,0	3,2…6,3
3	Расход формовочных материалов/энергоносителей	1/1	2…4	0,2…0,5	5…10	0,2…0,5
4	Трудоемкость	—	0,7…0,9	1,1…1,2	2,3…2,5	0,2…0,8
5	Стоимость модельной оснастки	—	2…5	2…5
6	Затраты на организацию производства	—	1,1…1,2	1,1…1,2	1,5…3,0	1,8…2,0

Затраты на организацию производства ЛГМ, включают в себя проектирование и изготовление пресс-форм. Технология ЛГМ позволяет получать отливки весом от 10 грамм до 2000 килограмм с чистотой поверхности Rz40, размерной и весовой точностью до 7 класса (ГОСТ Р 53464-2009).

практически все марки чугунов от СЧ15 до ВЧ50, износостойкие
стали, от простых углеродистых ст. 20-45 до высоколегированных, теплостойких и жаропрочных
практически все литейные марки бронз, латунь, алюминий

Технология ЛГМ продолжает активно развивается во всем мире, но многие российские компании продолжают использовать устаревшие методы литья — более дорогие, требующие больше усилий и времени. Внедрению современного способа литья по ЛГМ мешает недостаток информации и укоренившиеся стереотипы.

Покрытие моделей огнеупорной оболочкой

Модельный блок погружают в керамическую суспензию, налитую в емкость (рисунок 2.5, г), с последующей обсыпкой кварцевым песком в специальной установке (рисунок 2.5, д). Используемая керамическая суспензия состоит из огнеупорных материалов (пылевидный кварц, тонкоизмельченный шамот, электрокорунд и другие материалы) и связующего (гидролизованный раствор этилсиликата).

Затем модельные блоки сушат 22,5 ч на воздухе или 20 – 40 мин в среде аммиака. На модельный блок наносят 46 слоев огнеупорного покрытия с последующей сушкой каждого слоя.

Выплавление модельного состава из форм производят в горячей воде (80 – 90°С) (рисунок 2.5, е). При выдержке в горячей воде в течение нескольких минут модельный состав расплавляется, всплывает на поверхность ванны, откуда периодически удаляется для нового использования.

Классификация применяемых составов для точного литья

Материал можно сгруппировать по нескольким параметрам: основа, тип используемого наполнителя, температурный диапазон запрессовки в пресс-форму, размер линейной усадки.

По первому параметру смеси делят на следующие группы:

вещества на базе парафина и других углеводородов;
составы с базой из минвоска;
сплавы на основе ряда смол естественного происхождения;
материалы на основе искусственных смол и восков;
металлы с пониженной температурой плавления.

В зависимости от типа используемого наполнителя в пастообразном видемодельные составы делят на несколько групп:

без наполнителя;
газообразные (обычный воздух);
жидкий (обычная обессоленная вода);
твердые, нерастворимые (ограниченно растворимые или полностью растворимые) в жидком пластификаторе.

В зависимости от каждого из следующих типов определяется маркировка модельных составов. На практике применяют чаще всего парафиново-стеариновые модельные смеси, имеющие доступную стоимость и хорошие характеристики. Они могут многократно использоваться при условии регенерации после 5-6 циклов. Последняя выполняется серной кислотой, которую добавляют в нагретую до 70-90 градусов смесь с последующим перемешиванием и выдержкой при этой температуре в течение часа. За это время происходит выпадение осадка, который удаляется, а в оставшуюся часть добавляется жидкое стекло. Последнее удаляет остатки серной кислоты, которая выпадает в удаляемый осадок в течение 2-3 часов. Завершающей стадией регенерации модельного состава остается добавление 3-5% свежего стеарина, который частично теряется во время обработки серной кислотой.

Формовка

Во всей технологической цепочке литья по газифицируемым моделям формовка является одним из важнейших факторов для получения точных отливок высокого качества. Формовка — это заполнение опоки с полистирольными моделями песком. С этим связаны две сложности. Первая — заполнить песком все свободное пространство в опоке, все полости и каналы моделей. Если этого не сделать, то металл при заливке прорвется через стенку пригарного покрытия и уйдет в песок. Вторая сложность — формовка деталей с тонкими стенками. Слишком сильное или неравномерное воздействие песком может повредить деталь.

Упрощённый алгоритм формовки выглядит так:

засыпка песчаной подушки на дно опоки
уплотнение песчаной подушки
установка модели или куста
послойная засыпка и уплотнение

Подготовка литейных форм к заливке

После извлечения из ванны оболочки промывают водой и сушат в шкафах (1,52 ч при 200°С). Затем оболочки ставят вертикально в жаростойкой опоке, вокруг засыпают сухой кварцевый песок и уплотняют его, после чего форму направляют в электрическую печь (рисунок 2.5, ж), в которой ее прокаливают (не менее 2 ч при 900 – 950°С).

В печи частички связующего спекаются с частичками огнеупорного материала, влага испаряется и остатки модельного состава выгорают.

Заливка расплавленного металла из ковша производится сразу же после прокалки в горячую литейную форму (рисунок 2.5, з).

Плюсы и минусы процесса

Литьё по выплавляемым моделям имеет свои преимущества:

отсутствие разъема в форме приводит к повышению точности литья;
простота действий и дешевизна рабочего процесса;
возможность сделать огромное разнообразие форм для отливки;
широкий диапазон размеров и массы отливок;
дает возможность получить сложные конструкции из любых сплавов;
высокая точность изделия и чистота поверхностного слоя может исключить необходимость последующей механической обработки;
оболочка легко разрушается;
отливки хорошо очищаются от ее остатков.

Присутствуют и недостатки:

требует осторожности в ходе проведения технологического процесса литья;
длительность рабочего процесса подготовки формы;
данное производство является рентабельным только при его массовом применении;
необходимость проветривания в помещении;
следует строго придерживаться технике безопасности;
работа с расплавленным металлом требует особого внимания.

Как видим, литьё по выплавляемым моделям обладает достаточным количеством преимуществ, по этой причине оно широко применяется в различных отраслях машиностроения.

Цеха для литья по выплавляемым моделям находятся во многих самодостаточных заводах. Это позволяет делать качественные детали с большой точностью в короткие сроки, экономя денежные средства.

Основные этапы литья по выплавляемым моделям

Принципиально процесс не отличается от классического литья в песчаные смеси, подразумевая заливку в готовую форму расплавленного цветного сплава или стали. Непосредственно литье включает следующие этапы:

создание модели;
получение формы;
получение готовой литейной формы;
непосредственно литье.

На первом этапе происходит подготовка пресс-формы, ее заполнение модельным составом и ожидание затвердевания с последующим извлечением. Получение формы включает обсыпку и сушку твердой модели. В дальнейшем происходит удаление модельной массы горячим воздухом, водой или иным методом с дожигом оставшейся массы во время прокаливания. На финальном этапе происходит непосредственно литье с последующим отпуском, удалением форм и литниковой системой, первичной обработкой заготовок дробеструйным методом или сжатым воздухом.

Для получения качественного литья по модельным составам не допускается. На практике это означает, что разбивать форму можно через 5-6 часов. В условиях производства используют вибрационный стол, а затем удаляется литниковая система и при наличии облой. Последнее может использоваться повторно для изготовления деталей без каких-либо ограничений.

Кол-во блоков: 22 | Общее кол-во символов: 24748
Количество использованных доноров: 7
Информация по каждому донору:

Читайте также: