Среди последних промышленных способов получения отливок, созданных во второй половине прошлого века, литье по газифицируемым моделям (ЛГМ или по англ. терминологии - Lost Foam Casting Process) уверенно расширяет свои объемы и географию внедрения. Россия и Украина имеют до двух сотен патентов по разным вариантам этой технологии, а ФТИМС НАНУ (г. Киев) является лидером в СНГ по ЛГМ-процессу, выполняющим проектирование и поставку для литейных цехов полного комплекса отечественного оборудования производительностью 100…5000 т отливок в год.
То, что жидкий металл не заливается в пустую полость литейной формы, а замещает пенопластовую модель в форме, чтобы там затвердеть в качестве отливки, составляет ноу-хау способа ЛГМ и меняет технологическое видение процесса литья. Если в традиционных видах литья точность размеров и чистота поверхности отливки являются производными прежде всего процесса формовки, то при ЛГМ-процессе качество пенополистироловой (ППС) модели служит главным определяющим фактором, а понимание этого - ключом к организации производства качественных точных отливок с меньшими трудовыми и материальными затратами. Накопленный во ФТИМС НАНУ в течение ряда десятилетий опыт, полученный при выполнении НИР, НИОКР и практического применения ЛГМ-процесса под руководством проф. Шинского О. И. в нескольких странах, позволяет сегодня выполнить и предложить вниманию литейщиков некоторое обобщение опыта производства моделей из ППС, учитывая, что знание чужих ошибок при освоении этого вида литья лучше, чем их повторение. К тому же, при ЛГМ искусства формовщика обычно не требуется, так как в большинстве вариантов ЛГМ формовка состоит из засыпки контейнерной опоки сухим песком с виброуплотнением. При этом все другие операции на литейном участке ЛГМ (кроме касающихся изготовления моделей и указанной простой операции формовки) аналогичны таким практически для всех литейных цехов, включая шихтовку, плавку, заливку металла, очистку отливок, т. п., и обычно выполняются на стандартном общелитейном оборудовании. При реконструкции литейного цеха с переходом на ЛГМ-процесс планировка этих участков не изменяется.
Какие четыре основных способа?
Для производства ППС моделей имеется четыре основных способа, выбор каждого из них зависит, прежде всего, от серийности и размера отливок. Исключительно низкая твердость и легкость обработки ППС плотностью 20…30 кг/м3 как конструкционного материала литейных моделей в сочетании с кратко рассмотренными ниже указанными четырьмя способами объясняет высокую гибкость ЛГМ-процесса, пригодного как для ремонтного, так и для массового литья. Простой и легкодоступный способ изготовления модели на простейшем оборудовании – вырезание из блочного ППС нагретой проволокой. При получении единичной отливки, например, отливки детали для ремонта дорогостоящей или уникальной машины, этот способ является почти единственно приемлемым по экономическим и технологическим соображениям. Модель необходимой детали с учетом усадки металла весом от десятков грамм до нескольких тонн можно вырезать из ППС плит по шаблонам. Если деталь пространственно-объемная, то модель изготавливается из частей и собирается в целое.
Специалистами института разработано ряд приемов для точного изготовления модели по шаблону. Сборку частей осуществляют склеиванием или расплавлением стыка тепловым ножом, контур детали или его частей прорисовывают на плоскостях ППС плиты гелевой ручкой или фломастером. При необходимости изготовления нескольких моделей одной и той же детали с целью повторяемости размеров целесообразно изготовление шаблонов из плотного картона толщиной 1…1,5 мм, которые сверху и снизу ППС плиты закрепляют тонкими гвоздями или специальными кнопками. При изготовлении модели детали с элементами зубчатой передачи по картонным шаблонам необходимо их точное взаимное ориентирование в разных плоскостях. Для этого шаблоны могут иметь средства совмещения типа шип-паз и др.
Особенности получения отливки по моделям, изготовленным резанием проволокой: 1)невысокая точность размеров; 2) шероховатость поверхности ППС модели в точности переходит на поверхность отливки; 3) сложность получения тонкостенных ребер (тоньше 3 мм); 4) узкие пределы выбора ППС по плотности, которая может отличаться для отливок из разных сплавов, т.к. блочный ППС в основном выпускается для строительной отрасли и имеет небольшую плотность; 5)сложность совмещения в единую конструкцию элементов модели, изготавливаемых по частям, особенно крупногабаритных и пространственно искривленных; 6) возможность изготовления отливки с толстыми стенками и элементами (толщина свыше 40 мм), что часто трудно получить другими способами. На рис. 1 показаны примеры изготовления моделей вырезанием нагретой проволокой.
При изготовлении модели или ее частей
При изготовлении модели или ее частей, имеющих различные толщины, необходимо следить за скоростью резания и температурой проволоки, от которых зависит точность размеров и чистота поверхности реза. Для устранения залипания мест реза необходимо предварительно габариты ППС приблизить к контуру будущей отливки, особенно при изготовлении крупномерной модели. Оптимальный диаметр применяемой нихромовой проволоки 0,6…1,2 мм. Для изготовления тонкостенной модели плотность ППС плиты должна быть большей, чем для толстостенной. Использование плиты с мелкозернистой структурой, что дает экструзионный ППС, позволяет получить отливки с поверхностью низкой шероховатости. Также определенной сложностью является выполнение мелкоразмерных элементов поверхности модели (до 2 мм), таких как отверстия пазы, зубья, шлицы и др. Модельщики опытного производства института в таких случаях используют специальные инструменты.
Изготовленные из плиты ППС с использованием трех координатного фрезерного станка с ЧПУ (3-D фрезера) является самым современным и универсальным способом получения резанием моделей крупногабаритных, сложных и точных отливок, как при единичном, так и при мелкосерийном производстве. Модели, изготовленные фрезерованием, обеспечивают повторяемость размеров, повышенную чистоту поверхности модели, соответственно и отливки. На рис. 2 показаны примеры моделей, полученных на 3-D фрезере.
Этим способом легко выполнить объемные стыковочно-маркерные элементы при изготовлении составных моделей. Выполнение стыковочных элементов с возможностью центровки и замыкания частей модели различной конфигурации и размеров позволяет изготовить точные сплошные модели из составных частей, уменьшить использование клея и вероятность образования зазоров, что позволяет обеспечить качественную покраску и уменьшить затекание противопригарной краски в возможные зазоры по стыку под действием капиллярного эффекта.
Управляющие программы большинства 3-D станков адаптированы к различным конструкторским программ, работающим в среде Windows: "Компас", "Солид-веркс", "3–D", "Инвентор" и др. Оператор – конструктор при изготовлении крупногабаритных моделей определяет плоскости, разделяющие ее на части, и обеспечивает при этом возможность изготовления элементов, например, пазов, отверстий, ребер усиления, площадок и т. п., расположенных на различных стыковочных плоскостях и в теле модели. Еще одним преимуществом 3-D фрезеров является большая скорость резания, обеспечивающая гладкость поверхности резания, в том числе из-за расплавления тонкого слоя поверхности ППС.
При проектировании изготовления составных моделей для получения качественной отливки необходимо минимизировать количество и длину линий стыка, а также делать поверхности стыковки в одной плоскости без закругления кромки края, что исключает затекание защитной краски в стыки. Такой методики следует придерживаться, как для горизонтальных, так и вертикальных стыковочно-сборочных мест, последние желательно размещать в шахматном порядке для придания жесткости сборной модели. При изготовлении крупногабаритных отливок с толстыми стенками и элементами предпочтительно их делать составными (из половинок) и в местах утолщения модели делать пустоты, оставляя стенки толщиной не более 10-15 мм. Это дает уменьшение газотворности при газификации ППС. Меньший объем газов легче утилизировать (дожигать), при этом уменьшаются науглероживание поверхности и количество газовых дефектов в отливке, а также экономится время и энергия на откачку газов. Предпочтение при этом способе изготовления моделей отдают применению ППС плит с повышенной плотностью и мелкой зернистостью, отражаемой на поверхности модели малой шероховатостью. Защитная краска на модели, изготовленной из такого блочного ППС, легко наносится ровным слоем.
Изготовление ППС моделей автоклавным способом
Изготовление ППС моделей автоклавным способом или на полуавтоматах, технологически отличается от выше рассмотренных методов тем, что исходный гранулированный ППС необходимо подготовить к использованию, подвспенить или активировать гранулы для получения модели необходимой плотности и качества. Рекомендации к применению марки ППС в зависимости от вида материала отливки, составлены специалистами института по результатам многолетних исследовательских работ, исследования велись как с материалами отечественного производства, так и зарубежных производителей для получения отливок различного развеса из различных металлов. Проведенные работы позволили внедрить ЛГМ-процесс на различных предприятиях и получить положительные результаты, подтвердившие его преимущества перед традиционными видами литья, как по экономическим показателям, так и по качеству отливок. Скрупулезное соблюдение технологии гарантирует возможность получения до 97 % годных отливок при тщательном соблюдении технологических инструкций ФТИМС, начиная от выбора марок ППС, режимов подвспенивания, хранения, изготовления модели, сборки, окраски, и включая весь литейный цикл до выбивки.
Исходный полистирол рекомендуемой марки и размеров гранул можно подвспенивать (предвспенивать) на подвспенивателях конструкции ФТИМС или на автоматических подвспенивателях, выпускаемых в различных странах. Последние такие конструкции, разработанные конструкторами института, позволяют в полуавтоматическом режиме получать подвспененные гранулы полистирола заданной плотности от 15 до 50 кг/м3 и размеров диаметром от 0,5 до 3 мм. Некоторую сложность в зимнее время представляет пневмотранспортировка и задувка в пресс-формы из-за повышенной влажности, как гранул, так и окружающего воздуха. Доработка разработанных технологических единиц оборудования позволила преодолеть и эту проблему путем выдержки подвспененного до определенной плотности ППС в газопроницаемых бункерах. В зависимости от марки ППС и климатических условий время стабилизации составляет от 2 до 24 часов.
При автоклавном способе изготовления моделей подвспененный и выдержанный ППС задувают в пресс-формы и спекают паром с температурой 110…130° С и давлением 110…125 кПа. Модельный ряд стандартных автоклавов по объему камер составляет: на 100; 400; 700; 1000 дм3 (литров). Последние конструкции автоклавов имеют автоматику для контроля уровня воды в котле, температуры водяного пара, давления в камере, а также рекуператор пара. Среди новых технических решений по этой теме является разработка конструкции проходного автоклава, в котором по рольгангу пресс-формы проходят 3 камеры, 2 крайние из них служат своеобразными шлюзами для экономии пара как теплоносителя [2]. Следует отметить, что ППС модели с элементами толще 30 мм сложно стабильно пропечь по толщине, что требует выполнения таких мест с пустотами внутри тела модели. Например, конструкторами и технологами института для выполнения модели литого ствола пушки в виде толстенной трубной заготовки с толщиной более 70 мм были разработаны и изготовлены пресс-формы, в которых изготавливались составные пустотелые модели с толщиной сплошных стенок до 12-14 мм и длиной более 4 м.
Изготовление моделей отливки из низкоуглеродистых (до стали 20) или нержавеющих сплавов
При изготовлении моделей отливки из низкоуглеродистых (до стали 20) или нержавеющих сплавов желательно использование пенопластов сополимеров, например, на основе полиметилметакрилата (PMMA), в частности под торговой маркой Сlearpor, содержащего 70% PMMA и 30% полистирола, хотя сополимеры на порядок дороже ППС. PMMA обладает высокой скоростью газификации при минимальном коксовом остатке, который в 20 раз меньше, чем у ППС, что объясняется наличием в молекулярной структуре PMMA связанного кислорода и отсутствием тяжелых радикалов, эти два обстоятельства стимулируют быстрое протекание высокотемпературной окислительной термодеструкции с выделением главным образом газов при малом количестве свободного углерода. Чистый PMMA имеет невысокую прочность, добавление к нему 30% полистирола или этилена повышает прочность материала до уровня ППС. Модели для получения тонкостенных отливок обычно изготавливают из более плотного подвспененного ППС, а для обеспечения меньшей шероховатости поверхности отливки применяют мелкозернистый подвспененный полистирол.
Проектировании пресс-формы из алюминия
При проектировании пресс-формы из алюминия надо стремится, чтобы ее стенки были приблизительно одной толщины и не более 15 мм для равномерного спекания модели. Чем выше чистота формообразующих поверхностей оснастки, тем выше чистота модели и отливки, а также легкость извлечения модели из пресс-формы. Получить отливку ЛГМ процессом с наименьшей возможной шероховатостью, до 6 класса чистоты, можно, если поверхности пресс-формы и, соответственно, модели имеют шероховатость на класс выше. При конструировании пресс-формы учитывают усадку ППС и заливаемого металла.
Изготовленные модели перед окрашиванием и сборкой с элементами литниково-питающей системы (ЛПС) должны быть высушены. Сушильные шкафы конструкции ФТИМС обеспечивают качественную сушку без коробления и деформации. Высушенные модели после выхода порообразователя из ППС можно хранить долго (несколько месяцев) без потери технологических свойств и размеров. Для уменьшения прилипаемости и облегчения выемки модели из охлажденной пресс-формы поверхность ее предварительно перед задувкой ППС обрабатывают аэрозольной силиконовой смазкой. Но, в свою очередь, эта смазка, частично переходящая на поверхность испеченной модели, затрудняет нанесение противопригарной краски. Технологи отдела формообразования института после серии опытов разработали составы смазок из дешевых и доступных средств и технологию их применения, а также разработано несколько видов добавок, ПАВ, которые повышают адгезию краски к модели и регулируют ее газопроницаемость. Кроме этого, задействуют ряд добавок, которые повышают тепловые характеристики красок, а также способствуют целостности покрытия без растрескивания при сушке и складировании. При изготовлении пресс-форм также учитывают необходимость максимального их облегчения и выполнения в них задувочных и вентиляционных отверстий, от количества которых зависит быстрое и полное заполнение пресс-форм гранулами ППС, что, в конечном счете, обеспечивает получение качественных моделей или ее составных частей и облегчает труд модельщика.
Расстановка технологического оборудования
Расстановка технологического оборудования: автоклава, ванны охлаждения, рабочего стола, стелажей для хранения пресс-форм и моделей, пневматического задувочного устройства, тары с подвспененным ППС производится в соответствии с эргономическими и санитарными нормами. Установка вентиляционного зонта над автоклавом способствует сохранению гранул ППС сухими. На крупных модельных участках, где используют пневмотранспорт подачи подвспененного ППС из бункера вылеживания до расходной тары, на рабочем месте модельщика необходимо заземление или использование антистатического аэрозоля, иначе наэлектризованные гранулы не полностью заполняют пресс-форму. Сжатый воздух давлением 200…250 кПа, необходимый для задувного устройства, должен быть сухим и без масла. Желательно наличие влаго- и маслоотделителя на пневмотрубопроводе.
Самые недорогие и качественные ППС модели для крупносерийного производства получают методом "теплового удара" на полуавтоматах. Несколько вариантов полуавтоматов разработаны сотрудниками института, они соответствуют современным требованиям. Для их эксплуатации и обслуживания требуется квалифицированный персонал. К полуавтомату подводят магистрали сжатого воздуха давлением до 1000 кПа, сухого пара с температурой +135…150 °С и давлением 130…150 кПа, воды для охлаждения с температурой до 30 °С, вакуума с давлением 75…150 мм рт. ст., конденсатоотвода и пневмотранспорта подачи подвспененного ППС из бункера вылеживания до расходного бункера полуавтомата, электропитания 220/380 в, 50 гц.
Технология получения ППС модели методом "теплового удара" не схожа с изготовлением изделий из полиэтиленов, полиамидов и др. пластмасс на пластавтоматах, экструдерах и пресс машинах. Поэтому для разработки пресс-форм для ППС модели на полуавтомат требуется знание существующих отличий в технологии получения изделий из газонаполненных полимеров, игнорирование которых приводит к излишним финансовым и трудовым затратам, уменьшению производительности и ухудшению качества модели. На рис. 3 показаны типовые примеры отливок и моделей, которые получены в пресс-формах.
Пресс-формы для полуавтоматов
Пресс-формы для полуавтоматов бывают двух типов: ящичного и контурного. В контурном нет вент для подачи теплоносителя, охладителя, воздуха и создания вакуума в модельной полости. Разновидностью контурного типа пресс-формы является форма с трубчатыми каналами, которые обеспечивают максимальную производительность и экономичность изготовления модели. Самыми оптимальными по стоимости проектирования и изготовления являются контурные пресс-формы. При разработке пресс-формы тщательно согласовывают каналы подачи вышеперечисленных энергоносителей и их отвода, а также герметизации подвижных и неподвижных частей и элементов пресс-формы. Грамотно сконструированная и изготовленная пресс-форма обеспечивает получение качественных моделей с наименьшими затратами.
Если модель составная, то конфигурацией полости пресс-формы формируют стыковочные и ориентирующие элементы на частях модели, которые выполняют такими, чтобы нанесение клея при их соединении не представляло больших трудностей. Химический состав клея, используемого для сборки моделей, подобен химсоставу используемого пенопласта или специально рекомендован для этого, что обеспечивает равномерное газовыделение и получение отливки без дефектов. Кроме того, клей на стыкуемых поверхностях наносят равномерным слоем минимальной толщины. Для предотвращения затягивания клея в щели и получения отливок с гладкой поверхностью без отпечатка места стыка составных моделей нередко покрывают клеевые швы узкой бумажной малярной клейкой лентой или синтетической лентой типа "скотч". Бумажная лента предпочтительнее для водной краски, на ней краска держится лучше, а спиртовые краски дают ровный слой на пластиковой пленке. Сборка сложных составных моделей в стапеле с использованием различных приспособлений (кондукторов) для фиксации и прижимания позволяет повысить качество и жесткость склеенных швов.
При сборке ППС моделей отливок малых развеса и размеров на общий/один стояк их располагают таким образом, чтобы обеспечивалась равномерность откачки газов при литье, качественное окрашивание и доступность для инструмента при обрубке или отрезке отливок. Опытные модельщики располагают такие модели на разных уровнях с угловым смещением как в вертикальной плоскости, так и в горизонтальной. Места установки моделей, прибылей и выпоров из ППС определяет технолог с учетом их оптимального действия и последующей отрезки. Для получения отливок с залитыми элементами крепления из другого металла (например, защитные плиты дробильных машин из высокопрочного чугуна с резьбовыми шпильками из стали) такие элементы (металлические шпильки) устанавливают в требуемые места в тело ППС модели до их покраски. Аналогично изготавливают отливки из алюминиевых или медных сплавов с элементами крепления из другого металла или в случаях установления внутренних или наружных холодильников для направленной кристаллизации металла при заливке. Создано целое технологическое направление введения "имплантантов" в модель для получения биметаллических и армированных отливок.
Важная технологическая роль при получении качественной отливки ЛГМ- процессом со стороны нанесенного на модель и модельные кусты специального покрытия объясняется тем, что этот слой краски толщиной 0,6-1,0 мм после сушки одновременно служит своеобразным фильтром дозированной газопроницаемости для пропуска газов от деструкции ППС модели, а также защитой от попадания формовочного материала в металл и противопригарной защитой поверхности отливки. Марки готовых красок, рецептура композиций и технология их приготовления в зависимости от вида металла, сложности и серийности отливки приведены в технологических инструкциях института, реже в технической литературе. Чаще всего состав импортных красок не раскрывается, а патентный поиск показывает десятки конкурирующих вариантов без возможности их гарантированного применения, что подтверждает важное (порой определяющее) их значение для обеспечения качества отливок. В зависимости от марки краски выбирается режим сушки для получения ровного и прочного слоя. Модели, окрашенные краской на спиртовой основе, в летнее время не требуется сушить, в отличие от водных красок. Конструкции сушильных шкафов разработки ФТИМС обеспечивают качественное и быстрое осушение моделей без коробления и растрескивания краски в потоке теплого воздуха с температурой не более +(35-40) °С. Краски, в составе которых имеется декстрин, рекомендуется использовать в течение 72 часов после их приготовления.
Плотность краски перед применением должна быть в пределах 1,40…1,65 г/см3 и тщательно перемешанной. Как показали исследования, при плотности больше 1,8 г/см3, краска после высыхания склонна к растрескиванию и осыпанию. Краску на модель можно наносить вручную, кисточкой, пульверизатором или окунанием. При окрашивании окунанием желательно краске придать циркуляционное движение для равномерного покрытия, особенно на внутренних плоскостях модели. Подготовленные модели или модельные кусты с ЛПС подаются к месту формовки в специальной таре, обеспечивающей их сохранность как при транспортировании, так и при хранении.
Интересными и полезными для литейщиков могут быть разработанные в институте и подтвержденные практически весьма перспективные технологии модифицирования металла отливки (например, высокопрочного и специального чугуна) при ЛГМ-процессе, когда модель в своем объеме или на поверхности содержит модификатор, т. е. служит его носителем. Такой уникальной возможностью подачи на зеркало расплавленного металла модифицирующего материала по мере заполнения этим расплавом формы и газификации модели не обладает никакая другая технология литья. Модификаторы преимущественно в порошковом виде вносятся в объем ППС модели или добавляются в краску для легирования поверхности отливки.
Обнадеживающие результаты получены при подвспенивании исходного ППС в СВЧ установках и при обработке его ультрафиолетовым облучением. Эти технологии экологически чище действующих, основанных на энергоемком нагреве гранул в кипящей воде или паре со свойственными им потерями тепла в окружающую среду. Новые указанные технологии повышают производительность подвспенивания гранул, позволяют автоматизировать процесс и получать гранулы с размерами в строго заданных пределах. Ученые ФТИМС опытным путем определили оптимальный спектр ультрафиолетовых лучей и скорость перемещения гранул исходного полистирола в зоне облучения. Внедрение этих технологий в производство планируется после полного завершения исследовательских работ и разработки конструкторской и технологической документации, при наличии инвестирования возможно изготовление первых пилотных установок в течение полугода.
Таким образом, приведенные в статье примеры, описания навыков и приемов, разработанных научно-техническим специалистами ФТИМС НАНУ в течение ряда десятилетий при производстве моделей из ППС, послужат ценным опытом литейщикам для дальнейшего его использования на участках ЛГМ. В целом статья отражает технический уровень развития ЛГМ-процесса как весомый потенциал развития отечественного литейного производства, восстановления его роли в качестве стимулятора роста собственного машиностроения и поставщика отливок на экспорт.
Дорошенко В. С. (к. т. н., dorosh@inbox.ru), Бердыев К. Х.
Литература:
1.Буданов Е. Н. Семь основных мифов и заблуждений относительно литейного производства // Литейное производство. – 2009.-№8. – С. 3.
2.Бердыев К. Х., Дорошенко В. С. Проходной туннельный автоклав для получения пенопластовых литейных моделей // Металл и литье Украины. – 2009.- № 7-8. – С. 41-45.