КМЦ

Технология литья по пенопластовым моделям выводит литейное производство на новый уровень

Лучшие технологии конца 20-го века, совершенствуясь, прочно становятся на промышленную основу, определяют конкурентоспособность производства, дают прибыль и привлекают инвестиции в новое производство. Одна из этих технологий — литье по пеномоделям

Среди созданных в последние десятилетия технологий в литейном деле набирает популярность удобная технология, когда получить модель отливки означает уже наполовину получить саму отливку. Модель отливки производят из пенополистирола (пенопласта). Пенополистирол относится к твердым пенам (в физической химии точнее определяется как ячеисто-пленочная дисперсная система).

Модели для серии отливок производят задуванием гранул полистирола в легкие алюминиевые пресс-формы (весьма простые в изготовлении и часто многоместные) с последующим вспениванием и склеиванием гранул при нагреве пресс-форм до 120 ºС. Для разовых и крупных отливок, иногда весом до нескольких тонн, подходит вырезание моделей из плит пенопласта нагретой нихромовой проволокой, которая, например, по шаблонам из картона «как по маслу» режет блочный пенопласт. Модель, а затем и полученная по ней отливка, имеют высокую точность (соответственно, низкую металлоемкость) и конкурентный товарный вид.

Свободно можно видеть, «пощупать» отливку еще в модели, промерять ее стенки, чего при обычной формовке «в опоках в землю» для сложных с несколькими стержнями отливок просто не сделать. Отсутствует смещение стержней и форм при сборке (так как отсутствуют сами стержни), что способствует повышению размерной точности отливок до уровня 7—9 класса ГОСТ 26645-85, а шероховатости их поверхности до 12,5—25,0 мкм. Модели красят быстросохнущей краской с огнеупорным противопригарным порошком (обычно получают покрытие толщиной 0,4—0,8 мм), собирают с литником, засыпают сухим песком в ящике (контейнере) и заливают металлом.

При заливке металл испаряет модель и замещает ее собой. Эта операция замены одного на другое и есть ноу-хау технологии литья по газифицируемым моделям (ЛГМ). Во всех других способах формовки по модели, присутствует операция ее удаления перед заливкой, и в этом кроется «секрет» точности получаемых отливок. Что заформовали, то и отлили в неподвижном окружающем песке. Снятие «копии» с модели происходит одновременно с «превращением» модели в отливку, что шутя можно сравнить с жертвой пешки (модели) для выигрыша туры (отливки) в шахматной партии. Такой подход к литью часто малопонятен отечественным машиностроителям, наши литейщики к такому не привыкли, стереотипы, заученные еще в институтах, не дают увидеть новых возможностей литья, что тормозит распространение ЛГМ.

Чтобы модель не дымила в цехе при заливке, из контейнера обычно отсасывают насосом газы — разрежение поддерживают небольшое, примерно пол-атмосферы в течение до 15 мин. После отключения отсоса газов, охлаждение отливок в форме продолжается еще в течении 10—30 мин., а затем отливки с песком высыпают их контейнера и подают для выполнения финишных операций. Можно также лить и без отсоса газов, например, для разовых отливок (крупногабаритных штампов для кузовов автомобильного производства и т. п.) при формовке в жидкостекольные смеси используют трубчатые газовыводные каналы с поджиганием выходящего газа. В процессе горения газ от термодиструкции моделей практически полностью переводится в двуокись углерода и пары воды без выделения дыма в цех.

Участки модельного производства обеспечиваются модернизированными автоклавным оборудованием с объемом камеры 100—400 л (аналогичные автоклавы чаще всего применяют в фармацевтической и медицинской промышленности). Разработанные усовершенствования по сравнению с серийно выпускаемыми моделями позволяют сократить время спекания моделей до 1,5—2 мин. при температуре 115—135 ºС и толщине стенки получаемой отливки 5—10 мм и выше. Таким оборудованием сейчас оснащено ряд цехов в Украине.

Для серийного производства отливок поставляются полуавтоматы, цикл производства пенопластовых моделей на которых составляет около 2—3 мин. Практика показывает, что указанное модельное оборудование в действующих литейных цехах нашей страны является наиболее загруженным и часто эксплуатируется в три смены.

Производственные участки (модельный, формовочный, плавильный, очистной) имеют примерно одинаковые площади и оснащаются простым оборудованием (наиболее сложным является упомянутое модельное). Вся формовка состоит из засыпки сухого песка с вибрацией контейнера без массивных высокоточных машин прессования, встряхивания, устройств сборки форм, свойственных традиционным видам формовки. В данном случае, акцент делается на производство моделей, поскольку качество выполнения модели в основном определяет качество отливки.

Оборотное охлаждение сухого песка ведут в пневмопотоке, псевдокипящем слое или в более простых проходных охладителях с повторным использованием песка ~97%, а также применяют термическую регенерации песка путем нагревания его в пределах 300—400 ºС, при котором происходит дожигание и испарение остатков деструкции пенопласта, осевших на поверхности песчинок. Потери оборота песка составляют просыпи и отсев мелкой фракции для предотвращения его избыточного запыления. Кроме того, применяют осаждение пыли в циклонах при прохождении отсасываемых газов из формы и дожигание отходящих газов в термокаталитических установках со степенью обезвреживания 98%. При сжигании в атмосферу выделяется газовая смесь из 85% N₂, 5% O₂, 10% CO₂, следы углеводородной составляющей не превышают 0,001%, что в 10—15 раз меньше предельно допустимых норм выбросов и, как следствие, существенно улучшается экология производства.

Для черных и цветных сплавов используется одинаковое модельно-формовочное оборудование, которое, благодаря своей несложности, без затруднений производят в Украине (для других видов формовки качественное оборудование обычно импортируют). Таким способом можно получать отливки из чугуна и стали всех видов, бронзы, латуни и алюминия всех марок. В ящике на «елке» можно сразу лить десятки отливок, как в ювелирном производстве, что служит еще одним «козырем» для литья по пеномоделям.

В начале истории создания этого способа литья у нас в стране лежит авторское свидетельство СССР №136014 на изобретение одного из вариантов этого способа, которое в 1961 г. получил наш соотечественник одессит А. Р. Чудновский. С тех пор более полусотни отечественных изобретений «защищают новизну» технологии. В наше время в мире по пенополистирольным моделям производят ~1,4% от всего количества литья (свыше 1,5 млн. т/год), прогнозы на ближайшее будущее дают этой технологии 10—20% мирового литья. Значительным резервом выглядит рынок стран СНГ, где выпуск литья этим способом не превышает 100 тис. т., а также рынок России, где в 2005 г. произведено этим способом всего 0,1% отливок.

Институт ФТИМС НАН Украины (г. Киев), под руководством проф. О. И. Шинского десятки лет совершенствует эту технологию, как «фирменную» специализацию и одно из направлений научно-технических наработок института. Институт комплектует и поставляет оборудование и оснастку для литейных цехов и участков в технологические «цепочки» различной конфигурации, отрабатывает технологию у себя и передает в цех заказчика. Выполняется пуско-наладка поставленного литейного оборудования и шеф-монтаж.

Поставленные для литейных цехов комплекты оборудования производительностью 150—5000 т отливок в год. Это оборудование показало стабильную производительность при эксплуатации в цехах Украины, России, поставлено и внедрено такое оборудование в Польше, Румынии и Вьетнаме, из последних объектов — цех на 5000 т/год в Днепропетровске.

Опыт запуска цехов до 50—150 т/месяц показал срок окупаемости 9—12 месяцев, притом, что набор оборудования для мелких цехов 10—80 т/месяц отличается мало.

Потенциал технологии настолько значителен, что она позволяет лить не только металлы и сплавы, но и композиты, которые обладают повышенными в несколько раз (по сравнению с простыми сплавами) служебными свойствами, например, триботехническими. Эти новые литые материалы и технологии дают существенное снижение металлоемкости и себестоимости продукции. Практика эксплуатации организованных институтом производств показывает, что снижение затрат на материалы (расход на 1 тонну годного литья состоит из четырех модельно-формовочных материалов: кварцевый песок — 6 кг, противопригарные покрытия — 25 кг, пенополистирол — 6 кг и пленка полиэтиленовая — 10 кв. м., связующее для песка не применяется) позволяет экономить не менее $100 на тонне литья, а размещение отливок по всему объему контейнера сокращает расход шихты металла на 150—250 кг, электроэнергии на 100—150 кВт. ч.

Технология литья по пеномоделям имеет следующие технико-экономические показатели

Трудоемкость финишных операций сокращается на 10—20% при единичном и на 40—60% при серийном производстве. Особенно крупная экономия получается при литье сложных отливок из износостойких сталей (шнеки для машин производства кирпича, била, молотки и детали дробилок), т. к. резко снижаются затраты на их механообработку. Также льют без ограничений колеса, звездочки, корпуса, сантехнику, головки и блоки цилиндров бензиновых и дизельных двигателей, художественные, парковые и другие отливки.

По данным General Motors, при производстве блока цилиндров по этой технологии его масса уменьшилась на 15% и трудоемкость механической обработки на 50% по сравнению с традиционным литьем в стержнях. Количество головок и блоков цилиндров для автодвигателей, отлитых описываемым способом, достигло 8 миллионов штук. Промышленное освоение серийного литья чугунных блоков автомобильных двигателей стоит на повестке дня отечественного двигателестроения. И технологи ФТИМС сейчас отрабатывают технологию литья по спроектированной оснастке на два вида головок и блоков цилиндров двигателей из алюминиевых сплавов и чугунов.

Для проектирования и изготовления пресс-форм все шире применяют компьютеры, когда по чертежу литой детали, благодаря программному обеспечению, сразу вырезают пенопластовую модель пресс-формы. Продолжительность операции занимает буквально часы. Затем по этой модели отливают алюминиевую пресс-форму, часто не требующую механической обработки. То есть, таким же способом точного литья получают пресс-форму, затем по ней производят модели, и далее отливки.

Для предпринимателей, желающих создавать или реконструировать литейный цех, подчеркнем, что ЛГМ относится к высоким литейным технологииям, которые ломают стереотип о том, что высокие технологии — обязательно сложные малодоступные производства. Участки ЛГМ, например, легко разместить при кузнях, термических, ремонтных и других цехах.

К сожалению, крупные металлургические державы Россия и Украина продолжают продавать за рубеж много металла в чушках, слябах и массивных заготовках, а также лом. Тогда как Германия в 2004 г. экспортировала 31% отливок, полностью импортируя руду и металл. Однако статистика последних лет показывает опережающий рост (на уровне до 25% в год по Украине) обрабатывающей промышленности, что объективно стимулирует переход от продажи металла как сырья к углубленной его переработке. И в этом случае без высокоточных металлозаготовок не обойтись. Тем более это выгодно для немногочисленных стран с замкнутым металлургическим циклом, к которым относятся Россия и Украина. Возрождение отечественного машиностроения базируется на понимании того, что, чем раньше мы станем в детали и машины переводить свой металл, тем быстрее достигнем европейского уровня благосостояния.