страница на русском: Технология литья по пенопластовым моделям выводит литейное производство на новый уровень
Технологія лиття по пінопластовим моделям виводить ливарне виробництво на новий рівень
Кращі технології кінця 20-го століття, удосконалюючись, міцно стають на промислову основу, визначають конкурентоспроможність виробництва, дають прибуток і привертають інвестиції в нове виробництво. Одна з цих технологій — лиття по піномоделям
Серед створених в останні десятиліття технологій в ливарній справі набирає популярність зручна технологія, коли отримати модель відливання означає вже наполовину отримати саме відливання. Модель відливання проводять з пінополістиролу (пінопласту). Пінополістирол відноситься до твердої піни (у фізичній хімії точніше визначається як ячейно-плівкова дисперсна система).
Моделі для серії відливань проводять задуванням гранул полістиролу в легкі алюмінієві прес-форми (вельми прості у виготовленні і часто багатовмісні) з подальшим спінюванням і склеюванням гранул при нагріві прес-форм до 120 ºС. Для разових і крупних відливань, іноді вагою до декількох тонн, підходить вирізування моделей з плит пінопласту нагрітим ніхромовим дротом, який, наприклад, після шаблонів з картону «як по маслу» ріже блоковий пінопласт. Модель, а потім і отримане по ній відливання, мають високу точність (відповідно, низьку металоємність) і конкурентний товарний вигляд.
Вільно можна бачити, «помацати» відливання ще в моделі, проміряти її стінки, чого при звичайному формуванні «у опоках в землю» для складних з декількома стрижнями відливань просто не зробити. Відсутній зсув стрижнів і форм при збірці (оскільки відсутні самі стрижні), що сприяє підвищенню розмірної точності відливок до рівня 7—9 класу ГОСТ 26645-85, а шорсткості їх поверхні до 12,5—25,0 мкм. Моделі фарбують швидковисихаючою фарбою з вогнетривким протипригарним порошком (зазвичай отримують покриття товщиною 0,4—0,8 мм), збирають з літником, засипають сухим піском в ящику (контейнері) і заливають металом.
При заливці метал випаровує модель і заміщає її собою. Ця операція заміни одного на інше і є ноу-хау технології лиття по газифікованих моделях (ЛГМ). У всіх інших способах формування по моделі, присутня операція її видалення перед заливкою і в цьому криється «секрет» точність отримуваних відливань. Що заформували, те і відлили в нерухомому навколишньому піску. Зняття «копії» з моделі відбувається одночасно з «перетворенням» моделі у відливання, що жартома можна порівняти з жертвою пішки (моделі) для виграшу тури (відливання) у шаховій партії. Такий підхід до лиття часто малозрозумілий вітчизняним машинобудівникам, наші ливарники до такого не звикли, стереотипи, завчені ще в інститутах, не дають побачити нових можливостей лиття, що гальмує розповсюдження ЛГМ.
Щоб модель не диміла в цеху при заливці, з контейнера зазвичай відсисають насосом гази — розрідження підтримують невелике, приблизно пів-атмосфери в течію до 15 хв. Після відключення відсмоктування газів, охолоджування відливань у формі продовжується ще на протязі 10—30 хв., а потім відливання з піском висипають їх контейнера і подають для виконання фінішних операцій. Можна також лити і без відсмоктування газів, наприклад, для разових відливань (великогабаритних штампів для кузовів автомобільного виробництва і тому подібне) при формуванні в рідко скляної суміші використовують трубчасті газовивідні канали з підпалом газу, що виходить. В процесі горіння газ від термодиструкції моделей практично повністю переводиться в двоокис вуглецю і пари води без виділення диму в цех.
Ділянки модельного виробництва забезпечуються модернізованими автоклавним устаткуванням з об’ємом камери 100—400 л (аналогічні автоклави найчастіше застосовують у фармацевтичній і медичній промисловості). Розроблені удосконалення в порівнянні з моделями, що серійно випускаються, дозволяють прискороти час спікання моделей 1,5—2 хв. при температурі 115—135 ºС і товщині стінки отримуваного відливання 5—10 мм і вище. Таким устаткуванням зараз оснащено ряд цехів в Україні.
Для серійного виробництва відливань поставляються напівавтомати, на яких цикл виробництва моделей пінопластів складає біля 2—3 хв. Практика показує, що вказане модельне устаткування в ливарних цехах, що діють, нашої країни є найбільш завантаженим і часто експлуатується у три зміни.
Виробничі ділянки (модельний, формувальний, плавильний, очисний) мають приблизно однакові площі і оснащуються простим устаткуванням (найбільш складним є згадане модельне). Все формування складається із засипки сухого піску з вібрацією контейнера без масивних високоточних машин пресування, струшування, пристроїв збірки форм, властивих традиційним видам формування. В даному випадку, акцент робиться на виробництво моделей, оскільки якість виконання моделі в основному визначає якість відливання.
Оборотне охолоджування сухого піску ведуть в пневмопотоці, псевдокиплячому шарі або в простіших прохідних охолоджувачах з повторним використанням піску ~97%, а також застосовують термічній регенерації піску шляхом нагрівання його в межах 300—400 ºС, при якому відбувається допалювання і випаровування залишків деструкції пінопласту, піщинок, що осіли на поверхні. Втрати обороту піску складають просипи і відсів дрібної фракції для запобігання його надмірного запилення. Крім того, застосовують осадження пилу в циклонах при проходженні газів, що відсисаються з форми і допалювання газів, що відходять, в термокаталітичних установках із ступенем знешкодження 98%. При спалюванні в атмосферу виділяється газова суміш з 85% N2, 5% O2, 10% CO2, сліди вуглеводневої складової не перевищують 0,001%, що в 10—15 раз менше гранично допустимих норм викидів і, як наслідок, істотно поліпшується екологія виробництва.
Для чорних і кольорових сплавів використовується однакове модельно-формувальне устаткування, яке, завдяки своїй нескладності, без ускладнень виготовляють в Україні (для інших видів формування якісне устаткування зазвичай імпортують). У такий спосіб можна отримувати відливання з чавуну і сталі всіх видів, бронзи, латуні і алюмінію всіх марок. У ящику на «ялинці» можна відразу лити десятки відливань, як в ювелірному виробництві, що служить ще одним «козирем» для лиття по піномоделям.
На початку історії створення цього способу лиття у нас в країні лежить авторське свідоцтво СССР №136014 на винахід одиного з варіантів цього способу, яке в 1961 р. отримав наш співвітчизник одесит О. Р. Чудновський. З тих пір більш за півсотню вітчизняних винаходів «захищають новизну» технології. У наш час в світі по пынополістирольним моделях проводять ~1,4% від всієї кількості лиття (більш ніж 1,5 млн. т/рік), прогнози на найближче майбутнє дають цій технології 10—20% світового лиття. Значним резервом виглядає ринок країн СНД, де випуск лиття цим способом не перевищує 100 тис. т., а також ринок Росії, де в 2005 р. проведено цим способом всього 0,1% відливок.
Інститут ФТІМС НАН України (м. Київ), під керівництвом проф. О. И. Шинського десятки років удосконалює цю технологію, як «фірмову» спеціалізацію і один з напрямів науково-технічних напрацювань інституту. Інститут комплектує і поставляє устаткування і оснащення для ливарних цехів і ділянок в технологічні «ланцюжка» різної конфігурації, відпрацьовує технологію у себе і передає в цех замовника. Виконується пуско-наладка поставленого ливарного устаткування і шеф-монтаж.
Поставлені для ливарних цехів комплекти устаткування продуктивністю 150—5000 т відливок в рік. Це устаткування показало стабільну продуктивність при експлуатації в цехах України, Росії, поставлено і упроваджено таке устаткування в Польщі, Румунії і В’єтнамі, з останніх об’єктів — цех на 5000 т/рік у Дніпропетровську.
Досвід запуску цехів до 50—150 т/місяць що показав термін окупності 9—12 місяців, притому, що набір устаткування для дрібних цехів 10—80 т/місяць відрізняється мало.
Потенціал технології настільки значний, що він дозволяє лити не тільки метали і сплави, але і композити, які володіють підвищеними у декілька разів (в порівнянні з простими сплавами) службовими властивостями, наприклад, триботехничними. Ці нові литі матеріали і технології дають істотне зниження металоємності і собівартості продукції. Практика експлуатації організована інститутом виробництв показує, що зниження витрат на матеріали (витрата на 1 тонну придатного лиття складається з чотирьох модельно-формувальних матеріалів: кварцовий пісок — 6 кг, протипригарне покриття — 25 кг, пінополістирол — 6 кг і плівка поліетиленова — 10 кв. м., що пов’язує пісок не застосовується) дозволяє економити не менше $100 на тонні лиття, а розміщення відливань за всім обсягом контейнера скорочує витрату шихти металу на 150—250 кг, електроенергії на 100—150 кВт. год.
Технологія лиття по піномоделям має наступні техніко-економічні показники
коефіцієнт використання металу | 80—98% |
вихід придатного | 65—80% |
підвищення механічних характеристик матеріалу відливань на | 10—15% |
зниження маси відливань на | 15—25% |
зниження витрати шихтових матеріалів і фіросплавів на | 15—25% |
зниження витрати формувальних і стрижньових матеріалів на | 80—90% |
зниження капітальних витрат | 2—2,5 рази |
зменшення виробничих площ | 3—4 рази |
зменшення трудовитрат | 30—50% |
Трудомісткість фінішних операцій скорочується на 10—20% при одиничному і на 40—60% при серійному виробництві. Особливо крупна економія виходить при литті складних відливань із зносостійких сталей (шнеки для машин виробництва цеглини, била, молотки і деталі дробарок), оскільки різко знижуються витрати на їх механічну оброботку. Також ллють без обмежень колеса, зірочки, корпуси, сантехніку, головки і блоки циліндрів бензинових і дизельних двигунів, художні, паркові і інші відливання.
По даним General Motors, при виробництві блоку циліндрів за цією технологією його маса зменшилася на 15% і трудомісткість механічної обробки на 50% в порівнянні з традиційним литвом в стрижнях. Кількість головок і блоків циліндрів для автодвигунів, відлитих описуваним способом, досягла 8 мільйонів штук. Промислове освоєння серійного литва чавунних блоків автомобільних двигунів стоїть на порядку денному вітчизняного двигуновигототвлення. І технологи ФТІМС зараз відпрацьовують технологію лиття по спроектованому оснащенню на два види головок і блоків циліндрів двигунів з алюмінієвих сплавів і чавунів.
Для проектування і виготовлення прес-форм все ширше застосовують комп’ютери, коли по кресленню литої деталі, завдяки програмному забезпеченню, відразу вирізають модель пінопласту прес-форми. Тривалість операції займає буквально години. Потім по цій моделі відливають алюмінієву прес-форму, що часто не вимагає механічної обробки. Тобто, таким же способом точного литва отримують прес-форму, потім по ній проводять моделі, і далі відливання.
Для підприємців, охочих створювати або реконструювати ливарний цех, підкреслимо, що ЛГМ відноситься до високих ливарних технологій, які ламають стереотип про те, що високі технології — обов’язково складні малодоступні виробництва. Ділянки ЛГМ, наприклад, легко розмістити при кузнях, термічних, ремонтних і інших цехах.
На жаль, крупні металургійні держави Росія і Україна продовжують продавати за рубіж багато металу в чушках, слябах і масивних заготівках, а також лом. Тоді як Німеччина в 2004 р. експортувала 31% відливок, повністю імпортуючи руду і метал. Проте статистика останніх років показує випереджаюче зростання (на рівні до 25% у рік по Україні) оброблювальній промисловості, що об’єктивно стимулює перехід від продажу металу як сировини до поглибленої його переробки. І в цьому випадку без високоточних металозаготівок не обійтися. Тим більше це вигідно для нечисленних країн із замкнутим металургійним циклом, до яких відносяться Росія і Україна. Відродження вітчизняного машинобудування базується на розумінні того, що, чим раніше ми почнемо в деталі і машини переводити свій метал, тим швидше досягнемо європейського рівня добробуту.