Технологический процесс изготовления отливок литьем по газифицируемым моделям
Литье по газифицируемым моделям (ЛГМ)
ЛГМ-процесс (Lost Foam) - современная технология производства высокоточных отливок, позволяющих значительно уменьшить расходы на передел и снизить себестоимость готовой продукции. Пенополистирол относится к так называемым твердым пенам или ячеисто-пленочным дисперсным системам, которая в физической химии определяются как дисперсия газа в твердом веществе.
Метод литья ЛГМ: модель из сополимера или полистирола (пенопласта), полученная в модельных автоматах или автоклавах, покрывают противопригарной краской, засыпают песком в вакуумной опоке и накрывают полиэтиленовой пленкой для создания разряжения. Вакуумная опока подключается к насосу вакуумной системы. Производится заливка жидкого металла в форму и замещение расплавом пенополистирольной модели, которая испаряется в газ. Получаемая отливка имеет чистоту поверхности Rz40 до 7-ого класса точности.
Материалы отливок:
- чугун практически всех марки от СЧ15 до ВЧ50;
- стали от низко- и среднеуглеродистых низколегированных (с содержанием углерода от 0.20%) до высоколегированных, жаропрочных марок сталей и спецсталей;
- цветные металлы: медь, алюминий, бронза, латунь.
Преимущества технологии ЛГМ:
- Главные достоинства - возможность производства отливок высокой точности и качества при значительном снижение трудозатрат и себестоимости изготовления.
- Практически безотходное производство - примерно 97% песка повторно используется в системе пескооборота. Потери песка составляет всего 3%, которые складываются на отсев мелкой фракции, обеспыливание и потери в виде просыпи.
- Простая технология формовки без связующих компонентов и формовочных смесей. В технологии ЛГМ для формовки используется только песок.
- Высокая точность литья позволяет минимизировать затраты на финишную мехобработку или даже отказаться от нее.
- Используется для изготовления сложных и точных отливок, которые другими способами получить затруднительно. Очень выгодно эта технологии нашла применение для изготовления шнеков, корпусов, звездочек, головок и блоков цилиндров двигателей, художественных и другие отливок.
Основоположником литья по газифицируемым моделям в 1956 г стал американский архитектор Г. Шроер, который впервые изготовил модель из пенополистирола для получения художественной отливки. В 1958 г он получил патент США на способ «Cavityls castings Mold and Method for Making Same». В том же году, архитектором А. Дука, в Массачусетском техническом университете, была получена первая художественная отливка из бронзы скульптуры «Пегас», массой 150 кг, модель для которой была изготовлена из пенополистирола. В 1961 г, его коллега из Англии, Кларк, тем же способом получил отливку чугунной мачты для колокола, весом 3,5 т.
В 1958 – 1970 гг. – происходит внедрение данной технологии для производства единичных отливок массой от нескольких килограмм до нескольких тонн (обычно не более 15). Первая промышленная отливка массой 12 т была получена в Германии в 1962 г. К концу 1964 г в 10 литейных цехах различных фирм США применялось литьё по газифицируемым моделям для производства единичных отливок. В 1967 г была создана Международная Ассоциация литья по газифицируемым моделям. Она объединила 150 фирм, занимающихся производством отливок с помощью ЛГМ – процесса, суммарная производительность которых, на то время, составляла 800 т в сутки.
Однако, технология ЛГМ не получила бы такого распространения, если бы не многочисленные научно-исследовательские работы, проводимые научными центрами различных фирм. Основная задача того времени состояла в том, чтобы сделать эту технологию не единичной, а серийной или массовой. В 1960-х Х. Неллин публикует патент о применении песка без связующего при изготовлении форм по полистироловым моделям. Изначально, пенополистироловую модель помещали в контейнер, который впоследствии засыпали сухим песком или другим огнеупорным материалом и уплотняли вибрацией, затем полученную форму заливали металлом. Суть предложенного им метода состоит в том, что при деструкции пенополистирола, образующиеся пары пропитывают прилегающий слой песка, связывая песчинки в тонкий, но прочный слой. От тепла отливки слой быстро теряет прочность и разрушается, но тем не менее, времени выгорания слоя оказывается достаточно для образования тонкой корки металла на поверхности затвердевающей отливки. Однако, применение данного способа при получении отливок со сложной конфигурацией и с протяжёнными стенками часто приводило к браку из-за обвала формы. Поэтому, дальнейшие научные изыскания были направлены на упрочнение формы из несвязанных сухих сыпучих огнеупоров. Прорывом в этих работах становится патент Гофмана на способ получения отливок по пенополистироловым моделям в магнитной форме. Опираясь на это изобретение, на 35 Всемирном Конгрессе литейщиков, профессор А. Витмозер сделал доклад о применении магнитной формовки. Сущность его идеи заключалась в том, что для формовки было предложено использовать ферромагнитный песок или дробь, размером 0,3 – 0,5 мм. Пенополистироловую модель помешали в опоку, засыпали этим песком (дробью) и уплотняли форму вибрацией. После уплотнения, е помещали в постоянное магнитное поле, которое обеспечивало магнитную связь межу частицами наполнителя, что придавало форме необходимую прочность, предотвращая е разрушение при заливке металла. Данный вид формовки получил широкое распространение в США, Японии, Западной Европе. На многих предприятиях были установлены полуавтоматические установки магнитной формовки для производства серийных отливок из различных сплавов. Однако дороговизна ферромагнитного песка (дроби) сводила на нет всю экономическую выгоду литья по пенополистироловым моделям. Поэтому, в 1968 г был опубликован патент о способе вакуумной формовки. Согласно этому способу, пенополистироловую модель засыпали кварцевым песком и с помощью вибрации уплотняли. Затем готовую форму накрывали плёнкой и вакуумировали для предотвращения е разрушения при заливке и затвердевании металла. Период с 1970 по 1980 гг являет собой время накопления опыта производства сложных отливок по газифицируемым моделям и наладки их серийного изготовления. Во многих крупных литейных фирмах создавались научные центры, занимающиеся именно разработкой технологии производства отливок по газифицируемым моделям. В 80–ые годы в развитых странах технология литья по газифицируемым моделям окончательно утверждается в серийном и массовом производстве отливок ответственного назначения, потеснив традиционные способы и, в первую очередь, технологию литья в песчано-глинистые формы по извлекаемым моделям. Технология ЛГМ полностью или практически полностью исключает применение стержней, что приводит к исключению из производства стержневого оборудования, кроме того, она не нуждается в формовке на формовочных машинах, поскольку для заполнения форм используют сухой кварцевый песок без связующего.
В СССР исследования касающиеся технологии литья по газифицируемым моделям были начаты в 1963 г. инженером А. Чудновским в научно-исследовательском институте специальных способов литья (г. Одесса), и в том же году ему было выдано авторское свидетельство на отечественный вариант ЛГМ. Промышленное применение данная технология получила уже в 1965 г. на Горьковском автомобильном заводе, где была получена первая партия отливок в количестве 227 наименований общей массой около 100 тонн. В первом полугодии 1966 г. на этом же заводе было произведено 600 отливок массой от 18 кг до 3500 кг, общая масса которых составляла более 420 тонн. В середине 60-ых годов активизируются работы по исследованию технологии ЛГМ в различных научно-исследовательских институтах и в ВУЗах. В первую очередь следует отметить следующие организации, в которых научно-исследовательские и опытно конструкторские работы получили приоритетное развитие: НИИСЛ (г. Одесса), МВТУ им. Баумана, ВНИИЛитмаш, Московский автомеханический институт (МАМИ), Московский авиационно-технологический институт (МАТИ), ЦНИИТМаш (г. Москва), ВПКТИСтройдормаш (г. Киев), Харьковский филиал ВНИИЛИТМаш. В 1965 г. был создан при Научно-техническом обществе машиностроительной промышленности Комитет литья по газифицируемым моделям под руководством д.т.н, профессора Г.Ф. Баландина, который существует и по настоящее время в составе Российской ассоциации литейщиков. Комитет в те годы сыграл значительную роль в координации научно-исследовательских работ и пропаганде нового способа производства отливок. В эти годы советскими учеными-литейщиками были разработаны теоретические основы технологии производства отливок в формах из песка без связующих компонентов, теория формирования отливок по газифицируемым моделям, разработан специальный литейный пенополистирол ПСВ-Л, созданы технологические основы проектирования оснастки ЛГМ. В настоящее время учёные разных стран мира проводят исследования, направленные на модернизацию процесса литья по газифицируемым моделям. Модернизации ведутся в отдельных областях этого процесса, например при изготовлении отливок из алюминиевых сплавов, чёрных сплавов, таких как чугун и сталь. Для повышения качества отдельно взятых отливок, например со сложной и развитой поверхностью, разрабатываются методы изготовление пенополистироловых моделей под давлением. Большой объём исследований ведётся в направлении получения качественных отливок по пенополистироловым моделям в вакуумируемые формы, при этом основное внимание уделяется непосредственно самому процессу формовки моделей. Процесс деструкции пенополистирола при заливке форм постоянно исследуется как в экологическом, так и в технологическом планах.