Производство модельно-стержневой оснастки для получения сложных отливок формовкой в ХТС

Серийное изготовление сложных по конфигурации тонкостенных отливок из черных сплавов связано с некоторыми трудностями:

·         При литье по газифицируемым моделям – сложность и дороговизна пресс-форм для получения моделей; модели, как правило, состоят из частей, которые необходимо склеивать, что может привести к нарушению геометрии; если отливка имеет сложные внутренние полости, возможен брак из-за недостаточного уплотнения песка внутри их.

·         Литье в песчано-глинистые формы – высокий процент брака из-за сложности формовки (перекос стержней, недостаточная их плотность в том случае, если они изготовлены по традиционной технологии); недостаточная размерная точность отливок.

Альтернатива вышеперечисленным методам литья – холоднотвердеющие смеси (ХТС). Технологические процессы, основанные на ХТС, за последние 20 лет стали одними из основных в изготовлении стержней и форм при единичном и серийном производстве отливок практически любой конфигурации из черных и цветных сплавов. Они могут быть адаптированы к различным требованиям по производительности, качеству, возможностям инвестиций, экологическим и климатическим условиям, квалификации персонала.

По технологии получения стержней и форм ХТС делятся на самотвердеющие и отверждаемые газовым отвердителем. В Украине для производства форм и стержней наиболее распространены самотвердеющие ХТС кислотного отверждения (на основе фурановых смол) и щелочного – Alfa-set процесс. Также для производства сложных стержней иногда применяют смеси, отверждаемые газом, например, Resol-CO₂ процесс.

Требования к модельно-стержневой оснастке различны для самотвердеющих ХТС и отверждаемых газом.

В первом случае можно применять алюминиевую, пластиковую или деревянную модельную оснастку из водостойкой фанеры или массива бука. Выбор материала зависит от требований к качеству поверхности отливки и стойкости оснастки. Для сложных тонкостенных стержней изготавливают алюминиевые стержневые ящики, часто стержни имеют каркас для придания им манипуляционной прочности. Набивку стержневых ящиков можно производить вручную с вибрацией на вибростоле.

Во втором случае модельно-стержневая оснастка должна оснащаться вентами для свободного доступа газа-отвердителя во все части формы или стержней. Целесообразно использовать в качестве материала для моделей и стержневых ящиков модельный пластик или алюминий.

Рассмотрим как пример процесс проектирования модельно-стержневой оснастки для без опочной формовки (самотвердеющая ХТС на основе фурановой смолы, линия OMEGA) отливки «Крышка цилиндра судового двигателя ЧН 18/22», материал - СЧ 25.

ЧН 18/22 – распространенный тип судовых дизельных двигателей, выпускавшихся с 1950-х годов до 2006 года. Двигатель представляет собой четырехтактный, однорядный вертикальный, нереверсивный дизельный двигатель, на каждый цилиндр шпильками крепится индивидуальная чугунная крышка, в которой размещены впускной, выпускной, пусковой клапаны и индикаторный кран. Габариты детали – 406х266х178 мм, вес – 52,3 кг. Деталь «Крышка цилиндра» с некоторыми навесными элементами и метизами изображена на рис. 1.

Рисунок 1 – Крышка цилиндра с деталями.

Исходными данными для проектирования оснастки послужил чертеж детали на трех листах с 17 видами и с указанными припусками на обрабатываемые поверхности. Деталь имеет сложную внутреннюю конфигурацию – полости, которые оформляют всасывающий и выхлопной патрубки, контур водяного охлаждения, места для клапанов и датчиков. Толщина стенки отливки не превышает 16 мм, габариты – 416х266х188 мм, вес отливки – 62 кг. Трехмерная модель отливки показана на рис. 2.

Рисунок 2 – 3D модель отливки.

Перед проектированием литейной технологии для трехмерной модели был учтен усадочный коэффициент 1%. Исходя из размера кома 550х680 мм, размер подмодельной плиты был выбран 750х900 мм, в роли центрирующих и направляющих элементов служат 4 болвана диаметром 60 и высотой 55 мм в верхней полуформе. Литниковая система сифонного типа, сечение питателя – 6 см², в верхней полуформе установлено 5 выпоров для отвода газов. Внутренние полости отливки оформляются 10 стержнями (рис. 3), для которых было изготовлено 6 стержневых ящиков (некоторые стержни одинаковые). Одиннадцатый стержень (черного цвета) служит элементом литниковой системы. Для стержней, которые оформляют контур водоохлаждения детали (№1 и №4), были изготовлены сложные алюминиевые стержневые ящики, т.к. эти стержни тонкостенные и имеют множество сложных поверхностей, для которых необходимы отъемные части в конструкции стержневого ящика (рис. 4). Формовочные уклоны и стержневые знаки проектировались согласно ГОСТ 3212-92 – «Комплекты модельные. Уклоны формовочные, стержневые знаки, допуски размеров».

Рисунок 3 – Технология формовки отливки «Крышка»

Рисунок 4 – Конструкция стержней №1 и №4

Вся модельно-стержневая оснастка изготавливалась по трехмерным моделям на трех-осевых фрезерно-гравировальных станках с ЧПУ (рис. 5). Материал подмодельных плит – влагостойкая фанера толщиной 40 мм, моделей – фанера и бук; все стержневые ящики, кроме названных выше алюминиевых, изготовлены из бука. После вырезки всех элементов оснастки они были зашкурены, прошпаклеваны, покрашены и отправлены на предприятие, где проводилась формовка и заливка опытной партии отливок.

Рисунок 5 – Вырезка модели низа на подмодельной плите

    Опытная формовка не показала существенных ошибок в изготовлении модельно-стержневой оснастки, все стержни надежно фиксировались в форме знаками, формовочные уклоны достаточны для протяжки модели, поверхность модели обеспечивает качественный отпечаток в полуформе, сложные стержни №1 и №4 обладали достаточной манипуляционной прочностью.

            Плавка чугуна СЧ25 производилась в индукционной печи емкостью 250 кг, к заливке были готовы три кома. Заливка формы осуществлялась при температуре 1320 ^оС, время заливки формы (1 отливка) составило 25 с. После выбивки отливки были очищены от пригара и осмотрены на наличие дефектов, одна отливка была распилена по осям боковых отверстий для осмотра качества литья внутренних поверхностей (рис. 6). Все три полученные отливки признаны годными, оснастка принята в работу.

Рисунок 6 – Внутренняя поверхность отливки

Современное проектирование и изготовление оснастки для литья по газифицируемым моделям

Литье по газифицируемым моделям (далее – ЛГМ) относиться к точным видам литья, его суть состоит в заливке сплава непосредственно в куст моделей из пенополистирола, которые газифицируются под действием тепловой энергии металла. Технология ЛГМ позволяет получать точные отливки (качество поверхности ок. 12,5 Rz) при сравнительно небольших затратах.

Еще одно преимущество ЛГМ – возможность в кратчайшие сроки получить первую партию отливок, ниже перечислены основные этапы работ от получения чертежа до годной отливки:

1.      Получение технического задания от заказчика.

2. Построение трехмерной модели отливки в специализированной программе компьютерного моделирования и согласование ее с заказчиком.

3. Построение трехмерной модели пресс-формы для получения моделей из пенополистирола.

4.  Разбивка модели пресс-формы на части для изготовления ее из алюминиевого проката.

5.      Составление программы управления для фрезерного станка с ЧПУ для каждой части пресс-формы.

6.      Фрезерование заготовок на фрезерных станках с ЧПУ.

7.      При наличии в пресс-форме частей в форме тел вращения – токарные работы.

8. Финишная обработка заготовок пресс-формы, полирование формообразующих поверхностей.

9.      Сборка пресс-формы.

10.  Получение автоклавным методом пробных моделей для проверки геометрии.

11. Изготовление необходимого количества моделей из пенополистирола заданной плотности.

12.  Покраска моделей противопригарным покрытием, сборка в блоки (кусты).

13.  Формовка кустов моделей в вакуумируемых контейнерах с сухим кварцевым песком.

14.  Заливка сплавом, охлаждение и выбивка контейнеров.

15.  Проверка качества отливок, измерение их геометрии.

16.  При удовлетворительных результатах – запуск серийного производства отливок.

Иногда бывает так, что заказчику необходима партия отливок (срок – неделя), а у него нет ни чертежа, ни трехмерной модели детали, в наличии только деталь и чаще всего уже механически обработанная. В таком случае самая ответственная часть – это точное снятие геометрических размеров детали, назначение припусков на механическую обработку и построение трехмерной модели отливки.

Рассмотрим такой вариант проектирования оснастки на примере деталей «Звездочка №1» и «Звездочка №2» (Рис. 1). Данные детали предназначены для импортной сельскохозяйственной техники, они подлежат периодической замене из-за износа рабочих поверхностей зубьев, техническая документация на данные изделия отсутствует по понятным причинам.

Рис. 1 – Звездочка №1 (слева) и Звездочка №2

Профиль зуба, количество зубьев, высота и внешний диаметр у звездочек №1 и №2 идентичны, единственное отличие – это диаметр внутреннего отверстия (№1 – 35 мм, №2 – 30 мм). Материал звездочек – чугун марки СЧ25, припуски на все обрабатываемые поверхности – 2,5 мм на сторону, шпоночный паз глушится.

Замеры геометрических размеров звездочек производились с помощью штангенциркуля с ценой деления 0,1 мм, профиль зуба строился согласно ГОСТ 591-69 -  «Звездочки к приводным роликовым и втулочным цепям. Методы расчета и построения профиля зуба и инструмента. Допуски». Для расчетов были приняты следующие данные:

·         шаг цепи по результатам измерений был выбран равным 44,45 мм согласно ГОСТ 13568-97;

·         количество зубьев – 8;

·         диаметр ролика цепи – 12,7 мм согласно ГОСТ 13568-97;

·         ширина цепи – 25,4 мм согласно ГОСТ 13568-97;

·         профиль зуба – со смещением центров дуг впадин.

По результатам расчетов профиля зуба, делительного диаметра, диаметра впадин и вершин зубьев звездочки в специализированной программе твердотельного моделирования были построены трехмерные модели отливок звездочек (Рис. 2). Из трехмерной модели был создан чертеж отливки, который был направлен на согласование с заказчиком.

Рис. 2 – Трехмерная модель звездочки (отливка)

Для проектирования пресс-формы необходимы трехмерные модели моделей звездочек, которые получаются применением операции масштабирования с коэффициентом 1,01 для моделей отливок (усадочный коэффициент был принят 1% для чугуна СЧ 25). В одной пресс-форме будет изготавливаться сразу две модели звездочек (№1 и №2), т.е. пресс-форма двухместная. Линия разъема пресс-формы выбрана согласно рис. 3, на вертикальных стенках высотой более 20 мм был дан уклон 0,5⁰. Материал пресс-формы - дюралюминий Д16 (листовой прокат), толщина стенок пресс-формы – 8 мм, центральное отверстие в моделях выполняется отдельным стержнем, изготовленным точением из заготовки.

Рис. 3 – Линия разъема пресс-формы

Спроектированная пресс-форма представляет собой две половинки габаритными размерами 270х150х40 мм каждая и два стержня, выполняющих внутреннее отверстие в модели (Рис. 4). При сборке половинки пресс-формы центрируются с помощью замка – бурт высотой 2,5 мм по периметру нижней части и соответственно углубление в верхней части. Соединение частей пресс-формы выполняется с помощью стержней, на одном конце которых нарезана резьба под гайку.

Рис. 4 – Трехмерная модель пресс-формы (верхняя часть и стержни прозрачны)

После окончательной проверки модели пресс-формы для каждой ее половинки была написана управляющая программа для фрезерного станка с ЧПУ и подобрана соответствующая заготовка. Каждая деталь обрабатывалась на фрезерном станке около четырех часов, стержни были изготовлены в течение часа точением. Финишная обработка деталей заняла смену, готовая пресс-форма показана на рис. 5. Для свободного прохождения воздуха при задувке вспененным полистиролом в пресс-форме установлены венты.

Рис.5 – Готовая пресс-форма

      Пробная партия моделей была изготовлена автоклавным способом из пенополистирола плотностью 24 кг/м³ (Рис. 6). После проверки всех геометрических размеров пресс-форма была отправлена в белый цех на предприятие, которое изготавливает отливки.

Рис. 6 – Готовые модели из пенополистирола

      Время, затраченное на разработку и изготовление пресс-формы, составило три рабочих дня – день на проектирование отливки, ее согласование и проектирование пресс-формы; два дня – на ее изготовление, финишную доводку и проверку моделей. В тот же день, как пресс-форма попала на предприятие-изготовитель отливок, была изготовлена, окрашена противопригарным покрытием и склеена в блоки партия моделей, которые были залиты сплавом в ночную плавку.

      Итого общее время от получения образца детали до производства опытной партии отливок составило пять рабочих дней, что подтверждает эффективность применения метода литья по газифицируемым моделям.

Технология вакуум-пленочной формовки

Технология вакуум-пленочной формовки (V-Process) на Воткинском заводе термического оборудования (г. Воткинск, РФ, http://vzto.ru)

Фасонное литье методом вакуум-пленочной формовки (V - Process, разработан в Японии в 1974 г.) — формовка в опоках сухим песком без связующего, который спрессовывается и удерживается в опоке с помощью синтетических полимерных пленок и вакуума. При заливке металла пленка газифицируется; газ проникает в форму, где конденсируется на холодных зернах песка, выполняя роль связующего. Этот способ применяется для получения отливок корпусов насосов и редукторов, работающих в условиях повышенного давления и агрессивных сред, судовых и промышленных уплотнений.

Проектирование и изготовление модельной оснастки для АФЛ ВПФ

 Про вакуум-пленочную формовку (V-Process) слышал, читал или видел на специализированных выставках, наверное, каждый металлург. И это неудивительно, так как этот относительно молодой вид формовки обладает рядом неоспоримых преимуществ перед давно существующими методами. Я не буду перечислять все плюсы и минусы ВПФ, эту информацию можно найти на страницах специализированных изданий или в сети, отмечу лишь, что уменьшение себестоимости отливок заинтересовало многих производителей литья в мире, и в частности, в Украине. Особенно привлекательно использование АФЛ ВПФ для производства литых деталей для железно-дорожной промышленности – спрос на эту продукцию есть всегда, качество отливок повышается, цена снижается. Наверное, поэтому в этом году в Украине появились две автоматические формовочные линии вакуум-пленочной формовки (далее - АФЛ ВПФ) украинского производства – в Луганской области и АР Крым.

Рис. 1 – АФЛ ВПФ, участок формовки

Рис. 2 - АФЛ ВПФ, заливочная карусель

Обе линии проектировались украинскими инженерами и собирались на Украине, обе предназначены для производства литья для подвижных составов и обе до сих пор не работают на полную мощность, и вот почему:

• ошибки на стадии конструирования, в основном это посадочные размеры, допуски/посадки;

• ошибки расчета вакуум провода (из-за такой ошибки вышел из строя совсем не дешевый вакуумный насос);

• недостаточная квалификация персонала на стадии сборки узлов и до монтажа готовой линии;

• экономия на материалах (с этим у нас сложно бороться, видимо, менталитет…);

• неправильный расчет литниково-питающей системы;

• неправильное изготовление модельной оснастки;

• незнание процесса формовки.

• лучший материал для моделей – модельный пластик или дерево (бук);

• при заполнении полости формы сплавом в ней должно сохраняться атмосферное давление – необходимо устанавливать выпоры в верхней точке полости формы;

• литниковая система должна иметь как можно меньше поворотов и острых углов;

• сплав необходимо подводить в самую нижнюю точку полости формы;

• вне зависимости от заливаемого сплава сечение элементов литниковой системы должно быть одинаковым;

• для отливок, которые имеют термические узлы, желательно использовать внешние холодильники и/или закрытые экзотермические прибыли;

• лучший вариант исполнения стояка – керамическая трубка, выпоров – картонные трубки. В случае дефицита керамики следует использовать извлекаемую модель стояка, которая предварительно обертывается слоем пленки;

• для плотного прилегания пленки между модельной плитой и моделью между ними устанавливается картонный или пластиковый лист толщиной 0,8 мм (так называемая «вакуумная маска») с нарезанными каналами для  вакуумирования;

• на модельной плите следует устанавливать венты с прорезью шириной 0,8 мм из расчета 1 вента на 1 дм² площади плиты;

• литейные уклоны при высоте модели до 20 мм не выполняются, при большей высоте стенок они выполняются в пределах 1⁰.

О последних трех пунктах я хочу рассказать подробнее, так как сам столкнулся с задачей проектирования и изготовления оснастки для получения годной партии отливок  «Башмак тормозной неповоротный» (Рис. 1) на АФЛ ВПФ.

Рис. 3 - Башмак тормозной неповоротный для грузовых вагонов железных дорог колеи 1520 мм

Основная проблема при проектировании и изготовлении модельной оснастки для ВПФ – это полное отсутствие информации. Очень много статей про успешный запуск линий ВПФ немецкого производства, про производство чугунных ванн этим методом, про успех в литье «рам» и «балок», но действительно полезной информации для конструктора модельной оснастки в них нет.

Давайте разберемся, какие ключевые особенности следует учитывать при проектировании модельной оснастки для ВПФ:

Принимая в расчет все вышеуказанное, был произведен расчет литниковой системы и была изготовлена модельно-стержневая оснастка для АФЛ ВПФ на примере отливки «Башмак тормозной неповоротный».

1.      Исходные данные:

·         размер модельной плиты 1130х930 мм;

·         количество отливок в форме – 8 шт.;

·         масса отливки – 6,7 кг;

·         на одну отливку необходимо 2 стержня из ХТС.

2.      В специализированной программе твердотельного компьютерного моделирования была создана трехмерная модель детали согласно чертежу. Усадка для модели была задана 2%, литейные уклоны на вертикальных стенках – 0,5⁰. Также был смоделирован стержневой ящик (сразу на 2 стержня) для изготовления на фрезерно-гравировальном станке с ЧПУ.

3.      Используя специализированные программы компьютерного моделирования литейных процессов, было произведено моделирование заливки одной отливки с питателями сечением от 1 до 3 см² с подводом сплава в ребро отливки. Наилучший результат показал горизонтальный щелевой питатель высотой 4 мм и шириной 60 мм, расположенный на модельной плите низа (рис. 2).

Рис. 4 - Размещение моделей низа на модельной плите

К каждой отливке подводим один питатель сечением 2,4 см², суммарное сечение питателей равно 19,2 см². Для более плавного течения расплава питатели выполняются расширяющимися от шлакоуловителя к отливке, но с сохранением постоянного сечения 2,4 см².

4.      Шлакоуловитель выполняем длиной 900 мм и шириной 40 мм, при этом в месте соединения со стояком его высота будет 25 мм, а на концах – 10. Это обеспечит более плавный поток расплава в форме при соблюдении необходимого его сечения для питания отливок (рис. 3).

Рис. 5 - Размещение моделей верха на модельной плите

5.  Стояк выполняется керамической трубкой с внутренним диаметром 50 мм и высотой до верхнего уровня опоки. Трубка устанавливается на модель после обтяжки пленкой и герметизируется с пленкой липкой лентой, для предотвращения попадания песка в трубку она закрывается съемной пробкой. Для уменьшения кинетической энергии расплава под стояком устанавливается зумпф диаметром 55 мм (рис. 2). При заливке расплавом на стояк обязательно устанавливается литейная чаша.

6.  Для обеспечения в процессе заполнения расплавом атмосферного давления в полости формы на каждой модели башмака после обтяжки пленкой устанавливается выпор – картонная трубка с внутренним диаметром до 12 мм, которая герметизируется с пленкой липкой лентой (рис. 3). Высота выпоров – до верхнего уровня опоки.

7.     Для создания вакуума на модельных плитах просверлены отверстия диаметром 16 мм для установки вент собственного производства с пазами шириной 0,8 мм.

8. Для качественного прилегания пленки к моделям необходимо создать вакуумирование по периметру прилегания моделей к модельной плите. Это достигается путем сверления под каждой моделью двух отверстий диаметром 16 мм и подкладыванием под каждую модель так называемую «вакуумную маску» - картон толщиной 0,8 мм с вырезанными каналами от отверстий до края модели. Ширина каналов до 2 мм, шаг – 15…25 мм.

9.      Модельные плиты изготовлены из многослойной фанеры толщиной 40 мм, сами модели и литниковая система – из бука. Модели изготавливались на фрезерно-гравировальных станках с ЧПУ, затем модели доводились вручную, шпаклевались и покрывались слоем краски с помощью пульверизатора.

Модельно-стержневая оснастка для изготовления детали «Башмак тормозной неповоротный» была успешно опробована на АФЛ ВПФ украинского производства производительностью до 10 форм/час, была получена опытная партия отливок, которые отправлены на испытания.

Современные производители литья в Украине должны стремиться к увеличению качества и уменьшения себестоимости своей продукции путем освоения современных видов литья, таких как ВПФ. Следует отказываться от экологически вредного производства (ХТС на основе фурановых смол, крупное литье по казифицируемым моделям), как это сделали развитые страны. Только тогда украинские производители смогут конкурировать на рынке литья.