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