Точное литье по выплавляемым моделям. Литье по выплавляемым моделям: технология, преимущества и недостатки Технологическая схема литья по выплавляемым моделям

Литье по выплавляемым моделям (ЛВМ) - это процесс получения отливок в неразъемных разовых огнеупорных формах, изготавливаемых с помощью моделей из легкоплавящихся, выжигаемых или растворяемых составов. Используют как оболочковые (керамические), так и монолитные (гипсовые) формы. Таким образом, рабочая полость формы образуется выплавлением, растворением или выжиганием модели. Отливки, полученные методом ЛВМ, мало отличаются (по размерам и форме) от готовой детали. Этим способом можно получать сложные тонкостенные детали (например, охлаждаемые лопатки ГТД, художественные и ювелирные изделия). Литье по выплавляемым моделям осуществляют различными способами заливки: свободной, центробежной, под низким давлением, с использованием направленной кристаллизации.

Модельные составы, применяемые при литье по выплавляемым моделям, должны обладать минимальными значениями усадки и коэффициента термического расширения, иметь высокую жидкотекучесть в вязкопластичном состоянии, хорошо смачиваться керамической или гипсовой суспензией, наносимой на модель, но химически с ней не взаимодействовать, обладать температурой размягчения, превышающей 40 °С.

При использовании широко распространенных воскообразных составов модели изготавливаются из расплавов или паст. Наряду с основными компонентами эти составы содержат синтетические полимеры (например, полиэтиленовый воск), повышающие теплоустойчивость и прочность моделей. Составы на основе натуральных и синтетических смол по сравнению с составами первой группы обладают большей прочностью и теплоустойчивостью.

Водорастворимые составы на основе мочевины (карбамида), азотнокислых и других водорастворимых солей имеют малую усадку и плавятся в области температур 129 - 339 °С. Они широко используются для изготовления сложных по форме стержней.

Использование выжигаемых модельных составов упрощает и удешевляет формовку, повышая при этом точность литья, что обусловлено газифицированием (разложением) выжигаемого состава при заливке сплава. Суспензионный полистирол, используемый в выжигаемых составах, обеспечивает теплоустойчивость моделей в процессе ускоренной сушки слоев оболочковых форм при 70--80 °С.

Выплавляемые модельные составы с твердыми наполнителями (табл. 3) в сущности, представляют собой изотропный композиционный материал с пластичной матрицей и распределенными в ней частицами твердого порошка (наполнителя). В данном случае имеется возможность формирования необходимых свойств модельного материала за счет количественного и качественного изменения составов наполнителя и матрицы. Это позволяет использовать указанные модельные составы в производстве литых лопаток газотурбинных двигателей.

Эмульсионные модельные составы с твердыми наполнителями по ряду технологических (усадка, прочность, чистота поверхности) и коррозионных (взаимодействие с влагой воздуха и этилсиликатным связующим) свойств являются более приоритетными по сравнению с ранее рассмотренными выплавляемыми модельными составами (с твердыми наполнителями).

Технология литья по выплавляемым моделям. Изготовление моделей осуществляется посредством заливки или запрессовки модельного состава в пастообразном (подогретом) состоянии в специальные пресс-формы 1. В частности, литьевой способ получения пенополи-стироловых моделей на специальных термопластавтоматах включает в себя пластификацию нагревом (100 - 220 °С) гранул полистирола, впрыскивания его в пресс-форму с последующим вспениванием и охлаждением модели. Для производства пресс-форм используют как металлические (стали, алюминиевые и свинцово-сурьмянистые сплавы), так и неметаллические (гипс, эпоксидные смолы, формопласт, виксинт, резина, твердые породы дерева) материалы. Пресс-формы, используемые для получения моделей, должны обеспечить им высокие параметры точности размеров и качества поверхности, быть удобными в изготовлении и эксплуатации, а также иметь соответствующий уровню серийности ресурс работы.

Так, при единичном, мелкосерийном и серийном производствах используются, в основном, литые металлические, гипсовые, цементные, пластмассовые, деревянные, а также полученные методами металлизации пресс-формы. В крупносерийном и массовом производствах, как правило, применяются металлические (часто многогнездные) пресс-формы, изготавливаемые с помощью механической обработки.

При изготовлении гипсовых пресс-форм эталон модели (модель-эталон), выполненный из любого конструкционного материала, заливают водной суспензией высокопрочного гипса марок 350 и выше. Такие пресс-формы выдерживают изготовление до 50 штук моделей, но не обеспечивают последним высоких показателей точности размеров и качества поверхности.

Достаточно широкое распространение (с учетом технологичности конструкции и невысокой стоимости) получили литые металлические пресс-формы, изготавливаемые из легкоплавких сплавов (например, сплава Вуда, АЛ2, ЦАМ4-1). Использование литых пресс-форм позволяет вносить все конструктивные доработки непосредственно в модель-эталон, а не в саму готовую пресс-форму, что существенно снижает трудоемкость изготовления форм и уменьшает разброс размеров моделей.

Пластмассовые пресс-формы изготавливают из пластмасс холодного твердения на основе эпоксидных и других смол, часто с добавками металлических (железных, алюминиевых, медных) порошков для повышения теплопроводности форм. Такие пресс-формы обладают высокой механической прочностью, коррозионной стойкостью и обеспечивают хорошую точность моделей.

При литье художественных и ювелирных изделий, а также в зубопротезировании широко используют пресс-формы из эластичных материалов. В данном случае в качестве формообразующего материала применяют формопласт, резину, а также разновидности герметика - виксинта: жидкий (полупрозрачный) и пастообразный (белый).

Для изготовления пресс-форм применяются также методы гальванопластики, металлизации и напыления. Так, гальваническое покрытие наносят на модель-эталон, изготовленный из полированного сплава на основе алюминия или цинка. В то же время при формировании плазменных покрытий на основе металлических порошков в качестве материала модели-эталона применяют металлические сплавы, графит или гипс.

Запрессовка модельных составов осуществляется на прессах (пневматических, рычажных и др.) или вручную.

Монтаж модельных блоков. Объединение мелких моделей 2 в блоки 3 с единой литниковой системой повышает технологичность, производительность и экономичность процесса литья. Сборка моделей в модельные блоки (т. е. соединение моделей отливки с моделью стояка) осуществляется разными способами: а) припаиванием разогретым инструментом (паяльником, ножом) или жидким модельным составом; б) соединением моделей в кондукторе с одновременной отливкой модели литниковой системы; в) соединением моделей в блоки на металлическом стояке (каркасе) с помощью механического крепления (зажима); г) склеиванием моделей отливки и литниковой системы.

Формирование на модельных блоках керамической оболочки. Способ литья по выплавляемым моделям нашел широкое применение в промышленности (особенно в авиации) благодаря использованию неразъемных керамических оболочковых форм, обладающих комплексом необходимых эксплуатационных свойств (газопроницаемость, термостойкость, жесткость, гладкость поверхности, точность размеров, отсутствие газотворности, высокая рабочая температура и др.).

Обычно керамическая оболочка состоит из 3 - 8 последовательно наносимых слоев (в принципе, число слоев может достигать 20 и более), обеспечивающих в итоге общую толщину стенок формы от 2 до 5 мм. В ряде случаев допускаются и меньшие значения толщин стенок (0,5 - 1,5 мм) керамической оболочки. Слои суспензии 4 наносят погружением в нее модельного блока. После стекания с моделей излишков суспензии их обсыпают огнеупорным материалом (например, кварцевым песком, крошкой шамота, электрокорундом с размером зерен для разных слоев в пределах 0,1 - 1,5 мм) в псевдоожиженном слое 5 и сушат. При этом каждый слой оболочки просушивают до тех пор, пока содержание жидкой фазы в нем будет не более 20%. В состав суспензии входят связующее - гидроли-зованный раствор этилсиликата (ЭТС) - 70% и пылевидный кварц (либо силлиманит, электрокорунд, циркон и др.). ЭТС состоит из смеси эфиров кремниевых кислот и описывается общей формулой (C2H5O)2n+2SinOn+1(где n=1,2,3,...). Поскольку ЭТС и вода взаимно нерастворимы, то для активизации процесса гидролиза их перемешивают, используя растворители - спирт или ацетон, а также катализатор НО. В процессе гидролиза происходит частичное (а в завершающей стадии - полное) замещение этоксильных групп С2Н5О гидроксильными, обеспечивающими сшивание простых молекул в сложные, а также образование линейных и сетчатых структур. В результате гидролиза с использованием малого количества воды раствор этилсиликата приобретает свойства кремнийорганического полимера. Гидролиз приводит к возникновению молекул поликремниевых кислот nSiO2*(n+ 1)H2O, рост которых повышает вязкость раствора и способствует образованию силикозоли. При сушке и обжиге золь переходит в гель; гель теряет влагу, а содержащийся в нем оксид SiO2 соединяет зерна огнеупора; при этом суспензия твердеет. Каждый нанесенный этилсиликатный суспензионный слой сушат на воздухе в течение 2--6 ч и более. Для ускорения сушки необходимо провести химическое отверждение связующей пленки, воздействуя на нее влажным аммиаком (аммиак действует как катализатор гидролиза). Применение вакуумно-аммиачного способа твердения позволяет в несколько раз сократить продолжительность сушки.

Выправление моделей из керамических форм. Легкоплавкие составы удаляют в ваннах с горячей водой 7, а тугоплавкие выплавляют горячим воздухом, перегретым паром под высоким давлением при температуре до 120 °С и более (автоклавный метод), в расплаве модельной массы, а также высокочастотным нагревом. Использование эффективного метода выправления модельных составов - СВЧ-нагрева - позволяет исключить деформацию или разрушение керамической оболочки из-за напряжений в ней, вызванных расширением объема модельного состава при его плавлении. Эффект воздействия СВЧ обусловлен быстрым нагревом и оплавлением поверхностного слоя модели, контактирующего с керамической оболочкой, в результате чего между ней и нерасплавленной частью модели образуется зазор, исключающий их механическое взаимодействие и деформацию оболочки.

Модели на основе карбамида удаляют без нагрева путем растворения в воде.

Формовка оболочек заключается в их размещении в опорном наполнителе 9 с целью упрочнения, защиты от резких изменений температуры при прокаливании и заливке металлом. Опорный наполнитель может быть сухим сыпучим (песок без связующих), насыпным пластичным, увлажненным связующим (наполнитель отверждается в процессе сушки), наливным самотвердеющим (жидкие самотвердеющие смеси). Присутствие наполнителя обеспечивает длительное сохранение высокой температуры в полости формы после прокаливания и, как следствие, хорошую заполняемость формы металлом при литье тонкостенных деталей.

Прокаливание оболочковых форм проводится при их нагреве в печи 10 до 850 - 950 °С с целью удаления остатков модельных составов и газотворных веществ из материала оболочки, а также завершения процессов ее твердения.

Это способствует улучшению условий заливки металла. При прокаливании керамической формы в вакууме или псевдоожиженнном слое горячего песка ее температура нагрева может быть снижена в связи с активизацией процессов возгонки, деструкции или окисления удаляемых из формы продуктов распада модельного материала. Так, прокаливание в указанных выше условиях кварцевых оболочек, предназначенных для литья алюминиевых сплавов, может осуществляться уже при 500 - 550 °С, т. е. при температурах более низких, чем температура полиморфного превращения кварца, что исключает возможность растрескивания изготовленных из него оболочек.

Интенсификация удаления выжигаемых модельных составов достигается за счет подачи в рабочую зону прокалочного устройства активных газообразных реагентов (воздух, кислород или водяной пар), обеспечивающих полноту их сгорания.

Заливка, выбивка и очистка отливок. Способом литья по выплавляемым моделям получают отливки из многих материалов: конструкционных углеродистых и легированных сталей, сплавов на основе алюминия, магния, меди, никеля, кобальта, титана, ниобия, бериллия, золота, серебра, платины и ряда других. Заливка металла осуществляется в горячие формы, часто сразу после их прокаливания.

Температура формы зависит от состава литейного сплава: при заливке стали она составляет 800 - 900 °С, сплавов на основе никеля - 900 - 1100 °С, меди - 600 - 700 °С, алюминия и магния - 200 - 250 °С. Качество металла отливки и его свойства зависят от состава сплава, условий его плавки и заливки расплава в форму, а также от характера процесса кристаллизации отливки.

Так, повышение качества литейного сплава достигается его плавкой и заливкой в вакууме или в среде инертного газа (например, аргона). Это особенно важно для сплавов на основе легко окисляющихся элементов (Al, Ti) или содержащих эти элементы в качестве компонентов.

Например, перед заливкой алюминиевых сплавов применяют фильтрацию расплава, а заливку ведут под низким давлением или вакуумным всасыванием, а также другими, обеспечивающими чистоту металла, способами. Литье титановых сплавов часто осуществляют в вакуумно-дуговых плавильно-заливочных установках с остаточным давлением 0,133 - 0,666 Па.

Заполняемость форм расплавом достигается воздействием центробежных (при центробежном литье) и электромагнитных (МГД-насос постоянного тока) сил, давлением нейтрального газа, а также литьем под низким давлением и вакуумным всасыванием. Указанные методы одновременно обеспечивают повышение плотности и прочности металла отливок.

Достаточно широко используемая при литье по выплавляемым моделям (благодаря термостойкости и прочности высокоогнеупорных оболочковых форм) направленная кристаллизация отливок из различных сплавов, в том числе и из жаропрочных, обеспечивает формирование столбчатой и монокристаллической структуры с высоким уровнем физико-механических и других эксплуатационных свойств.

Охлажденные отливки выбивают из форм на вибрационных решетках. Опорный наполнитель просыпается через решетку.

Литниковые системы крупных отливок отделяют газопламенной и анодно-механической резкой, а также на металлорежущих станках и прессах.

В то же время выбивка удаляет лишь 90% материала керамической оболочки, а 10% сохраняются в отверстиях и карманах (поднутрениях) отливки. Поэтому операция очистки отливок является обязательной.

Механические способы очистки включают в себя очистку дробью, шариками из натриево-известкового стекла, металлическим песком, гидроабразивную и виброочистку (в том числе ультразвуковую).

Химическая (химико-термическая) очистка осуществляется в растворах и расплавах щелочей. Так, например, очистку алюминиевых отливок успешно осуществляют при 400 - 550 °С, поскольку в данных условиях практически не наблюдается взаимодействие алюминия с расплавом.

Наибольший технический и экономический эффект достигается при комбинированной ступенчатой очистке, состоящей из последовательно проводимых операций механической и химической очисток.

Преимуществами данного способа литья являются: возможность получения отливок сложной конфигурации; использование практически любых сплавов; высокое качество поверхности и точность размеров отливок; минимальные припуски на механическую обработку; обеспечение качественной равноосной, столбчатой и монокристаллической структуры с высоким уровнем эксплуатационных свойств.

К недостаткам способа литья можно отнести многооперационность, трудоемкость и длительность процесса, многообразие материалов, используемых для изготовления формы.

Способом литья по выплавляемым моделям изготавливают сложные отливки высокого качества, например, турбинные лопатки из жаропрочных сплавов, постоянные магниты с определенной кристаллографической ориентацией структуры, художественные изделия и др.

Технология литья по выплавляемой модели разработана с целью отливки целой массой крупных и мелких деталей, арматуры, режущего или хирургического инструмента, элементов электронных и оптических приборов. Метод часто применяется при изготовлении комплектующих элементов для промышленного и производственного оборудования, в художественном литье, в авиации, тяжелом машиностроении, космонавтике, нефтяной и газовой промышленности.

Достоинство литья по моделям

К положительным качествам технологического процесса относится высокая точность отлива детали до 4 класса точности с чистой поверхностью, не требующей дополнительной обработки. Важной особенностью метода также является возможность получить изделие сложной конфигурации, при обычном способе изготовления которого потребуется сборка из отдельных элементов. Изготовление отливки из твердых сплавов металла позволяет получить продукцию с шероховатостью поверхности до 6 класса от Rz=20 мкм до Ra=1,25 мкм в соответствии с требованиями ГОСТ 2789–59 .

Как осуществляется процесс

При серийном производстве мелких или крупных деталей разрабатывается эскиз и чертеж изделия, выполняется макет и пресс-форма, подбирается материал из металла, гипса, огнеупорной глины. Производственный процесс выполняется в следующей последовательности :

1. сборка разъемной литейной формы;
2. разогретая воскообразная масса легкоплавкого вещества (парафин, стеарин, воск) заливается в отверстие формы под давлением 2,5−3 атм;
3. после охлаждения заготовки соединяются в блоки методом пайки с литниковой системой.

Заключается в изготовлении материала на основе неразъемной формы, обеспечивающей высокую точность готового продукта. Выбранный способ литья помогает получить детали с толщиной стенок 0,5 мм из стали тугоплавкого сплава, не поддающегося механической обработке.

Готовый продукт подвергается облицовке суспензией, в состав которой входит кварц пылевой фракции и жидкое стекло или этилсиликат.

Облицовочная жидкость , для приготовления которой используется этилсиликат , содержащий в составе 32 или 40% SiO 2, наносится в несколько слоев. В процессе гидролиза суспензии принимает участие этиловый спирт. Каждый последующий слой облицовки обсыпается мелким промытым песком из кварца или порошком измельченного маршалита, высушивается, после чего цикл повторяется от 5 до 11 раз. Модельный состав вытапливается паром, горячей водой или прогревом.

Формирование формы занимает от 2 часов до 2 суток, в конечном результате получается твердая оболочка толщиной до 3 мм, после чего пресс-форма переходит на участок выплавки модели из формы методом разогревания в термическом шкафу при температуре +120 0 С…+150 0 С или в горячей воде 90 0 С. После удаления наполнителя форма помещается в опоку и засыпается сухим порошком из кварца, циркона, электрокорунда или магнезита.

На следующем производственном этапе подготовленная форма переносится в термическую печь для выжига остатков легкоплавкой массы и последующей закалки при температуре ~ 900 0 С в течение 4 часов. После завершения прогрева форма заполняется расплавленным металлом, оставляется до охлаждения, отливок удаляется из литниковой системы, подвергается термической обработке и финишной очистке. Хранят модели в термостате или в холодной проточной воде.

Особенностью огнеупорной суспензии является изменение физического состояния облицовочного раствора при изменении рецептуры. Если в подготовленную чистую суспензию ввести водный раствор щелочи, то запускается процесс затвердения, благодаря которому появляется возможность получения основы для изготовления разъемной керамической формы.

Плюсы отлитых деталей

Достоинством метода производства изделий по моделям является возможность использовать экономически выгодную неразрушающую технологию для изготовления номенклатуры единичной, серийной или массовой продукции с высокими требованиями по точности размеров и чистоте отделки. Выплавляемые легкоплавкие модели для деталей мелкой формы, сложной конфигурации и крупных изделий изготавливаются из органических материалов :

При выборе модельного состава учитывается комплекс физических свойств материала. Выплавляемые модели должны соответствовать следующим требованиям :

1. плавкостью при температуре от 60 0 С до 100 0 С;
2. минимальной усадкой и расширением;
3. хорошей текучестью;
4. механической прочностью;
5. минимальным показателем зольности и прилипания к предметам и рукам;
6. химической инертностью;
7. экологической безопасностью;
8. возможностью повторного использования;
9. хорошей адгезией с облицовочной жидкостью;
10. возможностью механизации и автоматизации процесса;
11. экономным расходом металла.

Технологический процесс по выплавляемым моделям позволяет изготавливать детали из легированной и углеродистой стали, цветного сплава или чугуна. Способом литья металла в оснастку изготавливается кокиль, штамп, пресс-форма, стержневая или формовочная оснастка, детали автомобилей и стрелкового оружия. Получение отливок в разъемной керамической форме (шликере) производится в несколько этапов :

1. заливка в опоку суспензии;
2. отвердение формы;
3. извлечение полученной модели из полусферы;
4. термическое прокаливание полуформы;
5. сборка и заливка полуформ расплавленным металлом.

Автоматизированное производство

Процесс литья по выплавляемым формам, технология которого адаптирована под автоматическую установку, одновременно позволяет изготавливать стояк и воронку для литниковой системы.

К отливкам из металла государственным стандартом предъявляются такие же требования, как и к продукции, полученной другим способом. Плавка рабочего материала осуществляется по заводской технологии.

Выбивка отливки производится после охлаждения пресс-формы на пневматической установке с поворотом опоки на 180 С для удаления сыпучего наполнителя. Отделение заготовки производится несколькими способами:

1. вибрацией на специальной платформе;
2. продавливанием через обрезную форму штампа;
3. отрезкой электроинструментами;
4. анодной и механической резкой.

Очистка заготовок от оболочки из шликера производится методом выщелачивания горячим раствором КОН. Остаточные фрагменты зачищаются инструментами со щеточной или наждачной насадкой.

Степень чистоты поверхности отливки зависит от состояния и конструкции пресс-формы, вида модельного состава, фракции кварцевого песка, способа выплавления состава и режима прокалки оболочек, химического состава отливки.

Плотность материала отливки формируется положением формы на рабочей платформе. Компенсацию усадки стали в процессе затвердения обеспечивает конструкция питающей системы. Точность исполнения металлической отливки проверяется оптическим компоратором. К недостаткам литья по модели относится сложность и длительность технологического процесса, высокая стоимость оснастки.

Литье по выплавляемым моделям - это процесс, в котором для получения отливок применяются разовые точные неразъемные керамические оболочковые формы, получаемые по разовым моделям с использованием жидких формовочных смесей. Перед выжиганием, выплавлением или испарением. Для удаления остатков модели и упрочнения формы ее нагревают до высоких температур. Прокалкой формы перед заливкой достигается практически полное исключение ее газотворности, улучшается заполняемость расплавом. литье пресс форма лазернойстереолитография

Основные операции технологического процесса можно проследить по рис. 1.1. модель или звено моделей 2 изготовляют в разъемной пресс-форме 1, рабочая полость которой имеет конфигурацию и размеры отливки с припусками на усадку (модельного состава и материала отливки) и обработку резанием (рис. 1.1 а). Модель изготовляют из материалов, либо имеющих невысокую температуру плавления, либо способных растворяться (карбамид) или сгорать без образования твердых остатков (полистирол). Готовые модели или звенья моделей собирают в блоки 3 (рис. 1.1 б), имеющие модели элементов литниковой системы из того же материала, что и модель отливки. Блок моделей состоит из звеньев, центральная часть которых образует модели питателя и стояка. Модели чаши и нижней части стояка изготовляют отдельно и устанавливают в блок при его сборке. Блок моделей погружают в емкость с жидкой формовочной смесью - суспензией для оболочковых форм, состоящей из пылевидного огнеупорного материала, например, пылевидного кварца или электрокорунда, и связующего (рис. 1.1 в). В результате поверхности модели образуется тонкий (менее 1 мм) слой 4 суспензии. Для упрочнения этого слоя и увеличения толщины на него наносят слои огнеупорного зернистого материала 5 (мелкий кварцевый песок, электрокорунд, зернистый шамот) (рис. 1.1 г). Операции нанесения суспензии и обсыпки повторяют до получения на модели оболочки требуемой толщины (3-10 слоев).

Каждый слой покрытия высушивают на воздухе или в парах аммиака 6, что зависит от связующего (рис 1.1 д). После сушки оболочковой формы модель удаляют из нее выплавлением, растворением, выжиганием или испарением. Например, в процессе удаления выплавляемой модели в горячей воде 7 получают многослойную оболочковую форму по выплавляемой модели (рис. 1.1 е). С целью упрочнения перед заливкой ее (форму) помещают в металлический контейнер и засыпают огнеупорным материалом 8 (кварцевым песком, мелким боем использованных оболочковых форм) (рис. 1.1 ж). Для удаления остатков моделей из формы и упрочнения связующего контейнер с оболочковой формой помещают в печь 9 для прокаливания (рис. 1.1 з). Прокалку формы ведут при температуре 900..1100°С, далее прокаленную форму 10 извлекают из печи и заливают расплавом (рис. 1.1 и). После затвердевания и охлаждения отливки очищают от остатков керамики и отрезают от них литники.

Малая шероховатость поверхности формы при достаточно высокой огнеупорности и химической инертности материала позволяет получать отливки с поверхностью высокого качества.

Отсутствия разъема формы, использование для изготовления моделей материалов формы, нагрев ее до высоких температур перед заливкой - все это способствует улучшению заполняемости, дает возможность получать отливки сложнейшей конфигурации, максимально приближенной или соответствующей конфигурации, максимально приближенной или соответствующей конфигурации готовой детали, практически из известных сплавов.

Эффективность производства и область применения. Исходя из производственного опыта можно выделить ряд преимуществ способа литья в оболочковые формы по выплавляемым моделям: 1) возможность изготовления практически из любых сплавов отливок разной конфигурации, тонкостенных, с малой шероховатостью поверхности, высоким коэффициентом точности по массе, минимальными припусками на обработку резанием, с резким сокращением отходов металла в стружку; 2) возможность создания сложных конструкций, объединяющих несколько деталей в один узел, что упрощает технологию изготовления машин и приборов; 3) возможность экономически выгодного осуществления процесса в единичном и серийном производствах, что важно при создании новых машин и приборов; 4) уменьшение условий труда и уменьшение вредного воздействия литейного процесса на окружающую среду.

Наряду с преимуществами данный способ обладает и следующими недостатками: 1) процесс изготовления формы многооперационный, трудоемкий и длительный; 2) большое число технологических факторов, влияющих на качество формы и отливки, и соответственно связанная с этим возможность управления качеством; 3) большая номенклатура материалов, используемых для получения формы (материалы для моделей, суспензии, обсыпки блоков, опорные материалы); 4) сложность манипуляторных операций изготовления моделей и форм, сложность автоматизации этих операций; 5) повышенный расход металла на литники и поэтому невысокий технологический выход годного (ТВГ).

Указанные преимущества и недостатки определяют эффективную область использования литья в оболочковые формы по выплавляемым моделям, а именно:

• 1) Изготовление отливок, максимально приближающихся по конфигурации к готовой детали, с целью снизить трудоемкость по конфигурации к готовой детали, с целью снизить трудоемкость обработки труднообрабатываемых металлов и сплавов резанием, сократить использование обработки давлением труднодеформируемых металлов и сплавов, заменить трудоемкие операции, надежности конструкций деталей и узлов;
• 2) Изготовление тонкостенных крупногабаритных отливок повышенной точности с целью уменьшить массу конструкции при повышении ее прочности, герметичности и других эксплуатационных свойств;
• 3) Изготовление отливок повышенной точности из сплавов с особыми свойствами и структурой.

Производство отливок по выплавляемым моделям находит широкое применение в разных отраслях машиностроения и в приборостроении. Использование литья в оболочковые формы для получения заготовок деталей машин взамен изготовления их из кованых заготовок или проката приводит к снижению в среднем на 34..90% отходов металла в стружку. При этом трудоемкость обработки резанием уменьшается на 25..85%, а себестоимость изготовления деталей - на 20..80%. однако следует учитывать, что экономическая эффективность существенно зависит от выбора номенклатуры отливок, изготовляемых этим способом. Только при правильном выборе номенклатуры деталей достигается высокая экономическая эффективность данного производства.

Ассортимент продукции, выпускаемой Воронежским механическим заводом, чрезвычайно широк: ракетная техника, жидкостные ракетные двигатели, поршневые двигатели для авиации, нефтегазовое оборудование, автозаправочные станции, оборудование для переработки сельскохозяйственной продукции, сложная медицинская техника, узлы и блоки для автомобильной и тракторной промышленности, бытовые электрические и газовые плиты… Этот список можно продолжать и продолжать.

Работу предприятия характеризуют «космические» требования, предъявляемые к производимой продукции, сложность и разнообразие используемого оборудования, наличие высококвалифицированного персонала. Однако для выпуска изделий высочайшего качества одних этих факторов было бы недостаточно. Современное производство мертво без передовых технологий.

И здесь наш завод не отстает от требований времени. Наряду с традиционными, на предприятии успешно внедряются новые уникальные технологии, являющиеся ноу-хау в металлургии. Используя метод вакуумного литья на основе нержавеющих особо прочных сталей, наши специалисты создали серию новых высокопрочных материалов, которые могут применяться в сероводородной среде при температуре от –253 до + 800 °C .

Литье в оболочковые керамические формы позволяет получить высокоточные литые детали сложного профиля, практически исключающие необходимость дополнительной обработки (чистота поверхности составляет 20-40 мкм), сократить металлоемкость изделий, не снижая при этом надежности.

Введение

В мировой практике для изготовления корпусов задвижек и угловых штуцеров высокого давления, применяемых в фонтанной арматуре нефтегазового оборудования, используют заготовки, полученные из стальных поковок и штамповок, или литые заготовки, выполненные обычным способом литья, так называемым литьем «в землю». Разработчики и изготовители корпусных заготовок традиционно отдают предпочтение кованым заготовкам. Литые заготовки используются реже, поскольку литые материалы обладают более низким комплексом механических характеристик и имеют значительно больше дефектов в виде различных примесей и включений. По плотности структуры литье также уступает кованому материалу, что особенно характерно для изделий с массивными стенками. Поэтому использование литых корпусных деталей в запорно-регулирующих устройствах (ЗРУ), как правило, ограничено невысокими давлениями (до 21 МПа).

На Воронежском механическом заводе (ВМЗ) решили изменить такое положение дел. Чтобы получить литые крупногабаритные заготовки для запорно-регулирующих устройств высокого давления, на ВМЗ впервые в мировой практике применили метод литья по вы­плавляемым моделям (ЛВМ). Последовательное и направленное затвердевание отливок в нагретой оболочковой форме ЛВМ создает условия, благоприятные для фильтрации жидкого расплава из прибыли в двухфазную область отливки и получения плотного металла.

Обычно методом ЛВМ изготавливают тонкостенные отливки сложной конфигурации повышенной плотности, масса которых не превышает нескольких килограммов, а толщина стенок составляет от 5 до 10 мм. Освоение производства массивных отливок ЗРУ потребовало новых технологических решений, позволяющих расширить возможности традиционного процесса ЛВМ.

При заливке оболочковых форм, заформованных в опорный наполнитель и нагретых до высокой температуры, резко замедляется отвод тепла от затвердевающих стальных отливок. Возрастание толщины и массы отливок при изготовлении литых корпусов ведет к увеличению продолжительности затвердевания отливки и, как следствие, к появлению дефектов усадочного характера.

Для изготовления ЗРУ высокого давления (до 105 МПа) требовались высококачественные корпусные заготовки размером до 700 мм и более, массой до 500 кг и с толщиной стенок и фланцев до 60 и 110 мм соответственно.

Постановка задачи

Одной из основных проблем, с которыми столкнулись специалисты Воронежского механического завода, было обеспечение питания отливки металлом, поскольку сложность изготовления керамической оболочки и длительность технологического процесса затрудняли поиск оптимальных условий кристаллизации.

Чтобы решить эту проблему, для анализа процессов кристаллизации отливки типа «Корпус» была использована система автоматизированного моделирования литейных процессов LVMFlow, имеющая ряд преимуществ по сравнению с аналогичными системами, представленными на мировом рынке. Работа LVMFlow основана на методе конечных разностей (МКР), позволяющем анализировать заполнение формы расплавом с учетом предварительного прогрева формы. При этом необходимость прорисовки керамической оболочки во внешней конструкторской программе отпадает, поскольку система позволяет создать оболочковую форму в течение нескольких секунд.

Конструкция детали может быть представлена в виде двух взаимопроникающих под углом 90° цилиндрических тел с протяженными тонкими стенками и массивными фланцами. Ее особенностью является выраженная разнотолщинность (соотношение толщин стенок и фланцев составляет 30:100 мм), а также наличие термических центров в местах переходов от тонких элементов к толстым.

Исходя из известных закономерностей формирования отливок, можно утверждать, что литье такой конструкции приведет к появлению дефектов усадочной природы. Чтобы избежать этого и обеспечить герметичность, необходимо добиться последовательного развития кристаллизации отливки с соблюдением принципа направленного затвердевания. Безусловно, достижение искомого результата во многом зависит от расположения отливки при заливке, поэтому были рассмотрены два основных варианта такого расположения: вертикальное (рис. 1 а ) и горизонтальное (рис. 1 б ).

В первом случае керамическую оболочку размещали таким образом, чтобы проходной канал отливки формировался в горизонтальном положении, а корпус шиберного канала — в вертикальном. На каждый массивный элемент в отливке (три фланца) устанавливали индивидуальные прибыли. Наиболее протяженные стенки во время заливки ориентировали в керамической оболочке вертикально. При таком расположении питание стенок в процессе затвердевания происходит последовательно через массивные фланцы по направлению к прибылям.

На центральном и двух боковых фланцах устанавливали местные прибыли (одну кольцевую и две прямоугольные), сообщающиеся между собой через литниковые ходы, что позволяло на завершающем этапе заливки подводить горячий металл в боковые прибыли. Расплав поступал в полость оболочки через металлоприемник и четыре распределительных канала.

Конструкция ЛПС приведена на рис. 2 .

В зоне массивного «глухого кармана», расположенного в нижней части отливки, для усиления направленности затвердевания металла был применен холодильник. Керамическую оболочку формовали в опоку шамотным наполнителем, а заливку расплава осуществляли в нагретые до 750 °С формы. Температура расплава составляла порядка 1590 °С.

Качество полученных отливок контролировалось с помощью рентгенографического просвечивания, а герметичность корпусов — посредством гидростатических испытаний.

Анализ полученных данных показал, что характерный дефект корпусных отливок при таких условиях формирования отливки — рыхлота и пористость. В наибольшей степени это проявляется в стенках горизонтально расположенного проходного канала. При этом наиболее сильно пораженными оказались места переходов от тонкостенных элементов канала к фланцам и массивная часть глухого канала. Несколько менее рыхлота присуща вертикально расположенным стенкам нижнего яруса корпуса и вертикально ориентированным боковым фланцам.

Поскольку полученное распределение дефектов не отвечало требованиям герметичности отливок, был применен второй способ — горизонтальное расположение.

Формирование отливки в керамической оболочке является очень сложным процессом, поэтому учесть все факторы, влияющие на процесс кристаллизации, практически невозможно. Экспериментально отрабатывать все варианты ЛПС не представляется возможным из-за сложности и длительности процесса получения отливки. Разработка варианта литниково-питающей системы до получения опытной отливки занимает несколько недель, поэтому для анализа процесса затвердевания отливки «Корпус» была использована система автоматизированного моделирования литейных процессов LVMFlow.

Горизонтальное расположение отливки предусматривало наличие пяти прибылей, одна из которых была установлена в центре отливки, три — на фланцах и еще одна — на конусной части отливки (в районе седловины). Как и при вертикальном расположении отливки, все прибыли были соединены между собой в единое целое, что на завершающем этапе заливки позволяло обеспечить подвод горячего металла в прибыли.

По исходным чертежам отливки специалисты «Consistent Software Воронеж» совместно с сотрудниками отдела главного металлурга Воронежского механического завода построили трехмерную модель отливки «Корпус» с ЛПС (рис. 3).

При построении исходной геометрической модели отливки (ГМ) были использованы внеш­ние конструкторские программы Autodesk Inventor Series и Unigraphics.

Компьютерное моделирование в САМ ЛП LVMFlow

Для моделирования была использована отливка корпуса задвижки с диаметром проходного горизонтального канала 3 1/16 дюйма, изготовленная из низколегированной стали 35ХМЛ, применяемой на ВМЗ для производства запорной арматуры. Температура заливки составляла 1590±10 °С, температура заформованной керамической оболочки перед заливкой изменялась в пределах 500-850 °С. Масса залитого блока составляла порядка 520 кг, время заливки — от 60 до 120 с.

Процесс создания керамической оболочки в программе LVMFlow упрощен до минимума: технологу требуется лишь указать (с учетом количества слоев) толщину будущей керамической оболочки (рис. 4).

Процесс заполнения формы расплавом и последующая кристаллизация отливки «Корпус» рассчитывались в течение 53 ч (процессор Pentium 4 2,8 ГГц, оперативная память — 1 Гбайт). Процесс компьютерного моделирования (без учета времени на предварительный прогрев формы), в зависимости от требуемой точности результатов, занимает от 30 до 60 мин. В итоге было рассчитано распределение температурно-фазовых полей процесса заполнения формы расплавом, а также полей скоростей, давления; выявлено расположение дефектов усадочной природы (усадочная пористость, микропористость).

Процесс заполнения формы расплавом представлен на рис. 5 . В зависимости от начальной температуры формы, при заливке происходит резкое падение температуры расплава. Большая высота формы и особенности литья по выплавляемым моделям налагают ограничения на конфигурацию ЛПС.

Распределение температуры в отливке и форме для некоторых этапов, начиная с момента начала заливки, приведено на рис. 6 .

Итоговое распределение дефектов представлено на рис. 7 . Массивные прибыли позволили почти полностью удалить из тела отливки дефекты усадочного характера. Однако анализ полученных данных показал наличие дефектов типа «усадочная пористость» в зоне «глухого кармана» и нижней части центрального фланца, что свидетельствует о недостаточности питания этих тепловых узлов жидким металлом.

Прогноз микропористости (рис. 8) показал наличие «опасных» участков в горизонтально расположенных стенках отливки. Расчет микропористости ведется на основе критерия Нийяма и требует адаптации результатов в соответствии с особенностями технологии производства. В целом картина распределения мест пониженной плотности металла соответствовала натурным испытаниям.

Выводы

Компьютерное моделирование процесса кристаллизации отливки «Корпус» с применением САМ ЛП позволило:

Выявить места появления и процесс формирования дефектов;

Отследить в реальном времени изменение температурно-фазовых полей процесса кристаллизации;

Получить распределение векторов скоростей, давлений;

Получить данные по распределению потока жидкого металла и движению шлаковых частиц в отливке.

Таким образом, была обеспечена возможность в кратчайшие сроки провести оптимизацию литниково-питающей системы без доработки модельной оснастки, создания керамической оболочки, заливки и механической обработки детали, а продолжительность процесса отработки технологии получения годных отливок была сокращена с 30 до 3-5 дней, то есть в 6-10 раз.

Полноценным обзором назвать этот пост, наверное, не совсем правильно, но тем не менее,

худо-бедно в эксперименте поучаствовало 2 отливки из ПЛА, 2 отливки из ПММА, одна

отливка из АБС и одна из неизвестного материала.

История эта началась с интернет-знакомства с Евгением Полюцким

(http://сайт/blogs/049f55549b/), который поинтересовался возможностью отливки

небольшой шестерни для Р/У машинки из бронзы. Историю про шестерню и её счастливое

Так как у меня не было своего принтера (и до сегодняшнего момента в процессе сборки

:)), местный центр 3D печати напечатал мне 4 копии требуемой шестерни из ПЛА.

Результат видно на фото, качество печати, как мне показалось, не очень, но деталь

маленькая, да и мне больше было интересно, что же из этого получится.

Ну, что напечатали, то и отлили:D

Потом эту историю продолжил некий Московский центр 3D печати, с предложением

отлить их распечатку из ПММА (кому интересно, может загуглить, что это за материал

и для чего применяется).

На ёлке:

Отлито:

Это изделие не очень функциональное, но прекрасно демонстрирует возможности

технологии: снять форму и получить копию практически невозможно, а распечатать и

отлить запросто!

Эта фигурка была получена в обмен на предыдущую отливку, тоже из ПММА:

Отлито (примерно 980 грамм, бронза):

Есть косяки, фигурка массивная, но со 2-3го раза можно подобрать режим отливки и

конторы, якобы занимающейся разработкой выжигаемого фотополимера, и нужна была

проверка по стандартным режимам прокалки и заливки. Сразу скажу, что не прокатило:)

Отливались вместе на одной ёлке с нашими серийными изделиями, с нашими всё в

порядке - с распечатками беда: дыры, артефакты, корявая поверхность.

Подозреваю, что для этого материала требуются специальные условия прокаливания, о

которых нам не сообщили.

Следом прискакал наш хороший товарищ, которому я обещал помочь с дипломом, темой

которого была именно 3D печать с последующей отливкой, достоинства и

сильные стороны этой технологии. В общем, нужны были демонстрационные материалы:

распечатки из ПЛА и их копии уже в бронзе. Как обычно, дотянули до последнего, кинул

клич в объявлениях здесь на портале…. Так я познакомился с Ильёй

(http://сайт/blogs/eta4ever/), Илья оперативно напечатал двух ацтеков и две турбинки,

за что ему огромное спасибо!

Диплом был сдан с триумфом, защиты по сути никакой не было:D

И завершает обзор АБС, качество отливки похуже, чем у ПЛА, но имеет право на жизнь.

Так как раньше до меня доходили слухи, что из АБС невозможно что-то отлить.

Этого, конечно, мало, чтобы делать какие-то выводы, но в целом, я думаю, эта технология

может занять свою нишу. Прямая печать металлами ещё очень дорога, а этим способом

можно получать неплохие детали там, где требуется единичные изделия или очень

маленькая серия и гораздо дешевле. Ну или в ситуации, когда переснять форму

невозможно или очень трудоёмко.

Если будут вопросы, предложения, пожелания - пишите в комментариях, в личку,

Вконтакте: https://vk.com/litejka62