Современное производство металлических отливок по моделям из пенопласта, создание или реконструкция действующего цехаВ. Дорошенко dorosh@inbox.ru Физико-технологический институт металлов и сплавов НАН Украины, г. Киев
так производят модели из пенопласта
[size=200]Смотрите фото прямо из литейного цеха: [/size]
В России до 78% отливок металлических деталей - заготовок для машиностроения производят в песчаных формах. Для разовых песчаных форм в настоящее время все шире стали использовать разовые модели из пенопласта по технологии получения металлических отливок высокой точности и сложности, называемой литьем по газифицируемым моделям (ЛГМ). Англоязычное название ЛГМ - Lost Foam Casting Process дословно означает процесс литья при потере пены, подразумевая использование пенопластовой модели. Между тем, за более 50 лет со времени своего возникновения годовой объем производства отливок в мире этим способом превысил 1,5 млн. тонн.
Модели разового применения дают высокую точность отливки. Такие модели из пенопласта похожи на упаковку для телевизора, которые массово штампуют на автоматах. По такой же технологии изготавливают модели из пенопласта для отливок из металла. Для серии отливок 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 часто изготавливают точным литьем с «доводкой» 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 (3D-фрезерах). Затем модель из пенополистирола покрывают краской с порошком-огнеупором, склеивают с пенопластовым литником, помещают в контейнер, где засыпают ее сухим песком с вибрационным уплотнением, 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 формовке, «держит» стенки по конфигурации модели.
Образующиеся при заливке металла газы из контейнера отсасывают насосом – разрежение поддерживают примерно на уровне 0,5 атм (50 кПа), одновременно это разрежение уплотняет и удерживает в неподвижном состоянии песок в процессе замещения модели металлом. Затем газы через трубу вакуумной системы подают для утилизации и обезвреживания в систему термо-каталитического дожигания. Там они окисляются примерно на 98%, и в виде водяного пара и двуокиси углерода выбрасываются в атмосферу за пределами помещения цеха. Традиционные формы со связующим после заливки металлом дымят в помещении, как ни вентилируй рабочую зону цеха, а удаление газов из сухого песка насосом в 10-12 раз снижает показатели загрязнений воздуха рабочей зоны цеха по сравнению с литьем в традиционные песчаные формы согласно проведенным измерениям концентраций примесей в воздухе цеха.
Формовочный кварцевый песок после извлечения остывшей отливки из формы благодаря его высокой текучести обычно транспортируют по закрытой системе трубопроводов пневмотранспорта, исключающей пыление его в цехе. Примерно треть его за каждый оборот 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. При этоом потери оборотного песка не превышают нескольких процентов - это просыпи, унос с отсасываемыми газами и т.п.
Обычно практически все бункера, трубопроводы и оборудование комплекса по охлаждению и складированию оборотного песка 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.
Экологической безопасности ЛГМ-процесса способствует исключение из песка связующих веществ и большого объема формовочных и стержневых песчаных смесей, а также их транспортировки и выбивки отливок. В России для традиционных форм со связующим до 5 т отработанной смеси идет в отвал на 1 т литья. 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 не менее 0,03х3000=90 кг, что в 90/3,6=25 раз больше.
Полученная способом ЛГМ отливка имеет высокую точность и конкурентный товарный вид. Держа в руках легкую модель, можно измерить 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 жидкого чугуна в 7000/25=280 раз, возьмешь ее в руки – будто держишь пустоту, упакованную в пену полистирола, которая затем замещается металлом. Большинство литейщиков не привыкли к таким возможностям и такому качеству литья, стереотипы, заложенные еще в институтах, тормозят понимание потенциала этой технологии. В ней минимизированы выделения 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 за 2…3 минуты, то отпадает надобность в высокоточных формовочных машинах прессования или встряхивания 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 заимствованы 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». Способом ЛГМ получают отливки из чугуна и стали всех видов, бронзы, латуни и алюминия всех литейных марок. В контейнере на «елке или кусте» из мелких моделей могут сразу лить десятки отливок (нередко ~60 шт.), 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 формовкой. 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 относительно цехов с традиционной формовкой. Можно размещать такие участки при кузнях, термических и ремонтных цехах.
Сегодня килограмм черного металла (в рядовом прокате, чушке, ломе) стоит в среднем $0,5, килограмм изделий из металла в автомобиле, тракторе или танке стоит уже $50-100. Замена экспорта продукции металлургии на экспорт машин и механизмов - это один из шагов перевода сырьевой экономики на высокотехнологичную, в которой экономическая конкуренция все в большей степени определяется конкуренцией научно-технической. При этом использование технических инноваций служит решающим фактором экономического и социального развития, усиления роли в глобальном разделении труда и экономической безопасности.
Возрастающий поток патентной информации свидетельствует о серьезном интересе к этой технологии ведущих машиностроительных компаний. Технологические потоки и пространственное размещение моделей в объеме контейнерной формы удобно моделировать на компьютере, а при изготовлении модельной оснастки все чаще применяют 3D-графику для программирования станков с ЧПУ. Созданы, проектируются и запускаются в производство десятки видов конвейерных цехов ЛГМ, включая оснащение манипуляторами и линиями непрерывного действия. Они хорошо показали себя в автотракторном моторостроении, производстве заготовок для строительно-дорожного и коммунального машиностроения, при литье трубоарматуры и деталей насосов, корпусов электродвигателей, и др. Однако, чаще создаются небольшие литейные цеха, традиционно состоящие из модельного, формовочного, плавильного и очистного участков с несложным оборудованием, одинаковым для черных и цветных сплавов. По данным на сайте AFS способом ЛГМ (Full Mold Casting and Lost Foam Casting) в 2007 г. в КНР выпущено 0,648 млн. т отливок (86,5% - чугун, 13,0% сталь и 0,5% цветные металлы). Если общий тоннаж литья в КНР за 2007-2012 гг. вырос с 31,3 до 42,5 млн. т, то с учетом таких темпов очевидно, что в настоящее время выпуск отливок способом ЛГМ в КНР давно превысил 1 млн. т.
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 [1].
В Физико-технологическом институте металлов и сплавов (ФТИМС) НАН Украины (научная школа под рук. проф. Шинского О. И.) спроектировали оборудование и запустили ряд участков в Украине, Польше, Румынии, и Вьетнаме, сегодня реализуется крупный проект в Беларуси. 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 внедрением технологии в производство.
Производственный потенциал технологии ЛГМ далеко не исчерпан. Она также позволяет получать ранее нетехнологичные крупнопористые, ячеистые и каркасные отливки, лить не только металлы и сплавы, но и получать композиты и армированные конструкции При этом в модель предварительно вставляют различные детали или материалы, которые формируют композит или армируют конструкцию, а наложение газового давления на жидкий металл увеличивает стабильность пропитки таких изделий со вставками на длину до 1 м.
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 ниже, то сегодня наоборот. Развитие литейного производства на современной основе – это шаг к восстановлению и росту отечественного машиностроения, превращения страны из продавца полуфабрикатов в экспортера технологической продукции с большой добавленной стоимостью. ЛГМ относят к высокотехнологичным производствам, способствующим устойчивому развитию с выходом из технологического отставания, предотвращению роста сырьевой составляющей, доминирования продукция с низкой добавленной стоимостью и снижения конкурентоспособности отечественной экономики. Снижение зависимости национальной промышленности от импорта идей, технологий и товаров, реализация собственной программы инновационного развития позволит нам стать равноправным участником глобальных инновационных процессов.
(Литература: 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
7
8
11
15
18
20
22
23
24
25
27
29
30
31
32
33
34
35
37
38
39
40
41
44
46
, 56
, 58
61
62
63
64
65
67
68
69
70
73
72
73
74
75
76
Автор
Тема: Литейный цех для литья по пеномоделям (Прочитано 24513 раз)