Литье по газифицируемым моделям — технология, преимущества

«Технологический процесс получения отливок методом литья по газифицируемым моделям (Lost Foam) любезно согласилась представить Людмила Петровна Вишнякова — специалист высокого уровня в данном направлении. Придя аспиранткой в Институт проблем литья НАН Украины, влилась в коллектив, возглавляемый д.т.н. Валентином Савовичем Шуляком — основоположником технологии литья по газифицируемым моделям (ЛГМ) в СССР и в дальнейшем  всю свою трудовую деятельность посвятила изучению, совершенствованию и развитию данного метода литья. Обладая глубокими теоретическими знаниями, Людмила Петровна умеет своими руками выполнять любые технологические операции ЛГМ, разрабатывает технологические процессы и участвует во внедрении их в производство непосредственно в литейных цехах как на территории стран СНГ, так и в дальнем зарубежье» — Админ.

Преимущества

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).

Материалы отливок

• 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.

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 – 100оС 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.

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:

1. Подготовка полистирола (предварительное вспенивание) — обеспечивает получение модели заданной плотности.
2. 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).
3. Сборка моделей (если модель состоит из нескольких частей) и модельных блоков — моделей, собранных с литниковой системой.
4. Приготовление, нанесение и сушка противопригарного покрытия, которое при ЛГМ-процессе наносится на поверхность модели.
5. Формовка модельных блоков путём засыпки их кварцевым песком с последующим виброуплотнением.
6. 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.
7. 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:

Влияние на экологию

Применение технологий литья по газифицируемым моделям — важный шаг в области охраны окружающей среды. ЛГМ-технологии активно применяются во всем мире.

В традиционном литейном производстве основной источник токсичных веществ, выделяемых в атмосферу, — это связующие материалы и синтетические смолы, используемые при изготовлении стержней и форм. При заливке, вредные вещества выделяются в воздух производственного помещения, и его очистка представляется довольно сложным мероприятием. При ЛГМ-процессе модель для отливки создается из пенополистирола. В процессе выжигания полистирол полностью разлагается на газообразные составляющие. Опоки с моделями для заливки подключены к вакуумной системе, поэтому все вредные газы поступают сразу в систему очистки, практически не попадая в помещения.

Литьё по газифицируемым моделям относится к малоотходному производству. Формованный песок тщательно просевается, подается элеваторами в охладитель, после чего возвращается на формовку. При этом удаляются вредные газы и пыль. Антиприграрные покрытия на водных связующих практически не загрязняют песок и легко отделяются при просеивании и в системе охлаждения. Один-два раза в год песок очищают методом терморегенерации. Для удаления пыли на производствах используются аспирационные установки и циклоны с высокой степенью очистки. Многократное использование песка позволяет добиться минимальных потерь — всего 0,5-1 % (пыль кварцевого песка, остатки краски). На комплексах литья по газифицируемым моделям используется оборотное водоснабжение плавильных печей. Используемое тепло не утилизируется. Оно используется для обогрева производственных помещений, а также подается в помещения для сушки и хранения полистирольных моделей. Это позволяет значительно снизить внешнее водопотребление и слив отработанной воды в канализацию, а также минимизировать потребление электрической или тепловой энергии, требуемой для обогрева. Это скорее относится к косвенной защите окружающей среды. Водоснабжение не сильно влияет на экологичность производства, но снижение потребления энергии от внешних источников снижает вред, наносимый природе котельными или электростанциями.

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.

Нагрев гранул в крупносерийном и массовом производстве целесообразно проводить способом так называемого «теплового удара»: перегретый пар с температурой 125 – 135оС под давлением 0,2 – 0,35 МПа подают непосредственно в пресс-форму, заполненную гранулами полистирола. Проходя между гранулами, турбулентный поток пара интенсивно вытесняет воздух, находящийся в порах засыпки, и равномерно по всему объему нагревает полимерный материал, который окончательно вспенивается. Образующийся конденсат под действием расширяющихся гранул отжимается к стенкам пресс-формы и удаляется через специальные дренажные отверстия.

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

• ванный, когда пресс-форма с подвспененными гранулами помещается в ванну с водой, нагретой до кипения. По окончанию процесса пресс-форму охлаждают в проточной воде;
• автоклавный, когда перфорированная пресс-форма, заполненная гранулами, помещается в автоклав, куда подается «острый» пар под давлении 0,13 – 0,145 МПа при температуре 105 – 115оС. Перфорация пресс-формы в виде отверстий в стенках диаметром 0,35 – 1,5 мм, а лучше щелей шириной 0,25 – 0,5 мм служит для подачи пара внутрь пресс-формы, а также для удаления воздуха и конденсата во время расширения и спекания гранул.

Поделитесь в соц.сетях:

Оцените статью: (Пока оценок нет) Загрузка...

Читайте также:

Маркировка резины — принцип нанесения, р... Отличия бронзы от латуни по свойствам, с... Предел текучести стали — определение, ГО... Сталь 65Х13 для ножей — характеристики,...