Литьё по газифицируемым моделям

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

Литьё по газифицируемым моделям -- технология, позволяющая получить отливки по точности равные литью по выплавляемым моделям при уровне затрат сопоставимом с литьем в землю. Литьё по газифицируемым моделям как новый технологический процесс появился в середине 50-х годов. Его главным назначением было повысить точность литья при значительном уменьшении затрат на оборудование и материалы по сравнению с технологией литья по выплавляемым моделям.

Способ литья по газифицируемым моделям (ЛГМ) обладает рядом преимуществ:

· Резко уменьшить затраты на оборудование

· Сократить число технологических операций

· Благодаря использованию в качестве формовочного материала оборотного кварцевого песка и упрочнения формы вакуумом исключается использование стержней и оборудования для их изготовления

· Сократить операции финишной обработки отливок

· Снизить до минимума количество отходов производства

· Сократить трудозатраты в 2--4 раза

· Снизить потребление электроэнергии в 2--3 раза

· Сократить и оптимально использовать производственные площади

· Уменьшить затраты на вспомогательные материалы в 3--5 раз

Затраты на организацию производства ЛГМ, включают в себя проектирование и изготовление пресс-форм. Технология ЛГМ позволяет получать отливки весом от 10 грамм до 2000 килограмм с чистотой поверхности Rz40, размерной и весовой точностью до 7 класса (ГОСТ Р 53464-2009).

Материалы отливок

· практически все марки чугунов от СЧ15 до ВЧ50, износостойкие

· стали, от простых углеродистых ст. 20-45 до высоколегированных, теплостойких и жаропрочных

· практически все литейные марки бронз, латунь, алюминий

Технология ЛГМ продолжает активно развивается во всем мире, но многие российские компании продолжают использовать устаревшие методы литья -- более дорогие, требующие больше усилий и времени. Внедрению современного способа литья по ЛГМ мешает недостаток информации и укоренившиеся стереотипы.

литье газифицируемый отливка промышленный

Металлические отливки по моделям из пенопласта

До 80% отливок металлических деталей - заготовок для машиностроения производят в песчаных формах, которые при заливке в них металла выделяют газы, в основном состоящие из продуктов испарения и горения связующих материалов формовочного песка. Предприниматели мало знают об экологически чистой технологии получения металлических отливок высокой точности и сложности - литье по моделях из пенопласта, называемой литьем по газифицируемым моделям (ЛГМ), англоязычное название ЛГМ - LostFoamCastingProcess дословно означает процесс литья при потере пены, подразумевая использование пенопластовой модели. Между тем, за 50 лет со времени своего возникновения годовой объем производства отливок в мире этим способом достиг 1,5 млн. тонн.

В литейном деле наиболее точные отливки получают по моделям разового применения. Если при литье в песчаные формы применяют одноразовые формы, то теперь пришло время одноразовых моделей из пенопласта. Они похожи на упаковку для телевизора, которые массово штампуют на автоматах. По примерно такой же технологии изготавливают модели из пенопласта для отливок из металла. Для серии отливок такие 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 можно изготавливать точным литьем, но чаще это делается 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. Затем полистироловую модель покрывают быстросохнущей краской с порошком-огнеупором, склеивают с пенопластовым литником, помещают в контейнер, где засыпают ее сухим песком, 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 засыпке песка (формовке), принял форму зеркального отображения этой отливки.

Образующиеся при заливке металла газы из контейнера отсасывают насосом - разрежение поддерживают примерно на уровне 0,5 атм, 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 распыление его в цехе. Примерно треть его 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. В результате потери оборотного песка не превышают нескольких процентов - это просыпи, унос с отсасываемыми газами и т.п.

Значительную часть бункеров, трубопроводов и оборудования комплекса по охлаждению и складированию оборотного песка обычно 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.

Экологическая безопасность технологического процесса обеспечивается также исключением из него токсичных связующих веществ и большого объема формовочных и стержневых песчаных смесей (обычно от 2 до 4 т отработанной смеси со связующим веществом идет в отвал на 1 т литья), а также их транспортировки и выбивки отливок. 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 0,03х3000=90 кг, что в 90/3,6=25 раз больше.

Полученная отливка, имеет высокую точность и конкурентный товарный вид. Держа в руках легкую модель, можно увидеть и промерить 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 отливки из чугуна в 7000/25=280 раз, возьмешь ее в руки - будто держишь пустоту, которая затем превращается в металл.

Наши литейщики не привыкли к таким технологическим возможностям и такому качеству литья, так как стереотипы, заложенные еще в институтах, тормозят понимание потенциала этой технологии. В ней отсутствует вонь 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 около 1-1,5 минут, то отпадает надобность в высокоточных формовочных машинах прессования 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 позаимствованы 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». Таким способом получают отливки из чугуна и стали всех видов, бронзы, латуни и алюминия всех литейных марок. В ящике на «елке или кусте» могут сразу лить десятки отливок, 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. 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. Опыт запуска участков производительностью до 50-150 т/месяц показал, что срок их окупаемости не превышал 1,5 года.

Можно размещать такие участки при кузнях, термических и ремонтных цехах. Если создавать или реконструировать «литейку», то литье в моделях из полистирола - тот бизнес, где металл своим оборудованием и рабочей силой переводится в конкурентный товар. Страны, где металл производят из собственных руд путем углубленной его переработки, обретают шанс опередить конкурентов. Сегодня килограмм черного металла (в рядовом прокате, чушках, ломе) стоит в среднем $0,5, килограмм изделий из металла в автомобиле или танке стоит уже $50…100, а в самолете -- $1500…2000. Замена экспорта продукции металлургии на экспорт машин и механизмов - это один из шагов перевода сырьевой экономики на высокотехнологичную и усиление роли в глобальном разделении труда, когда экономическая конкуренция все в большей степени определяется конкуренцией научно-технической, а разработка и внедрение технологических инноваций - решающий фактор социального и экономического развития, залог экономической безопасности.

Возрастающий поток патентной информации свидетельствует о серьезном интересе к этой технологии всех ведущих машиностроительных компаний. Технологические потоки и пространственное размещение моделей в объеме контейнерной формы удобно предварительно имитировать на ЭВМ, а при изготовлении модельной оснастки все чаще применяют 3D-графику для программирования станков с ЧПУ. Созданы, проектируются и внедряются в производство десятки видов конвейерных цехов, оснащенных манипуляторами и линиями непрерывного действия. Они хорошо зарекомендовали себя в автотракторном моторостроении, при литье трубоарматуры и деталей насосов, корпусов электродвигателей, деталей коммунального машиностроения и др. Однако чаще создаются небольшие производственные цеха, состоящие из модельного, формовочного, плавильного и очистного участков, оснащенных 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 2007-2011 гг. вырос с 31,3 до 41,26 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.

В Физико-технологическом институте металлов и сплавов (ФТИМС) НАН Украины (отдел формообразования под руководством профессора Шинского О. И.) спроектировали оборудование и запустили ряд участков в России и Украине, внедрили такое оборудование в Польше и Вьетнаме. 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 пуско-наладкой всего комплекса оборудования и внедрением технологии в производство.

Производственный потенциал технологии ЛГМ далеко не исчерпан. Она также позволяет получать ранее нетехнологичные литые крупнопористые, ячеистые и каркасные отливки, лить не только металлы и сплавы, но и получать композиты и армированные конструкции, которые обладают улучшенными характеристиками. При этом в модель предварительно вставляют различные детали или материалы, которые формируют композит или армированную конструкцию, а наложение газового давления на жидкий металл увеличивает стабильность пропитки таких изделий со вставками на длину до 1 м.

ЛГМ относят к высокотехнологичным производствам, которые дают выход к устойчивому развитию из технологического отставания, когда в отечественной экономике нарастает сырьевая составляющая, доминирует продукция с низкой добавленной стоимостью и снижается конкурентоспособность производства. 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 меньше, то сегодня наоборот. Именно развитие литейного производства - это шаг к восстановлению и росту отечественного машиностроения, превращения страны из продавца полуфабрикатов в экспортера технологической продукции с большой добавленной стоимостью. Снижение зависимости национальной промышленности от импорта идей, технологий и товаров, реализация собственной программы инновационного развития позволит нам стать равноправным участником глобальных инновационных процессов.

Вывод

Среди последних промышленных способов получения отливок, созданных во второй половине прошлого века, литье по газифицируемым моделям (ЛГМ или по англ. термину - 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.

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.

Применение технологий литья по газифицируемым моделям -- важный шаг в области охраны окружающей среды. ЛГМ-технологии активно применяются во всем мире.

В традиционном литейном производстве основной источник токсичных веществ, выделяемых в атмосферу, -- это связующие материалы и синтетические смолы, используемые при изготовлении стержней и форм. При заливке, вредные вещества выделяются в воздух производственного помещения, и его очистка представляется довольно сложным мероприятием. При ЛГМ-процессе модель для отливки создается из пенополистирола. В процессе выжигания полистирол полностью разлагается на газообразные составляющие. Опоки с моделями для заливки подключены к вакуумной системе, поэтому все вредные газы поступают сразу в систему очистки, практически не попадая в помещения.

Литьё по газифицируемым моделям относится к малоотходному производству. Формованный песок тщательно просевается, подается элеваторами в охладитель, после чего возвращается на формовку. При этом удаляются вредные газы и пыль. Антиприграрные покрытия на водных связующих практически не загрязняют песок и легко отделяются при просеивании и в системе охлаждения. Один-два раза в год песок очищают методом терморегенерации. Для удаления пыли на производствах используются аспирационные установки и циклоны с высокой степенью очистки. Многократное использование песка позволяет добиться минимальных потерь -- всего 0,5-1 % (пыль кварцевого песка, остатки краски). На комплексах литья по газифицируемым моделям используется оборотное водоснабжение плавильных печей. Используемое тепло не утилизируется. Оно используется для обогрева производственных помещений, а также подается в помещения для сушки и хранения полистирольных моделей. Это позволяет значительно снизить внешнее водопотребление и слив отработанной воды в канализацию, а также минимизировать потребление электрической или тепловой энергии, требуемой для обогрева. Это скорее относится к косвенной защите окружающей среды. Водоснабжение не сильно влияет на экологичность производства, но снижение потребления энергии от внешних источников снижает вред, наносимый природе котельными или электростанциями.

Список используемой литературы

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. Шуляк В. С. Литьё по газифицируемым моделям. -- СПб.: НПО «Профессионал», 2007. -- 408 с.

3. http://www.steelmaker.ru/ru/node/1781

Размещено на Allbest.ru