3D-технологии для литейного производства: как создать форму для отливки за неделю

Основные сведения о литейном оборудовании

Литые детали в конструкциях многих машин составляют
от 30 до 80 % их массы. Например, масса отливок тягача достигает 55 %, экскаватора — 70 %, тяжелых станков — 80% [45]. Литье готовых деталей обладает преимуществами перед другими способами их производства, заключающимися не только в более низкой трудоемкости и стоимости процесса, отсутствии анизотропии свойств, в увеличении жесткости и точности размеров, но и в возможности изготовления деталей, которые нельзя получить другими способами. Такое литье позволяет повысить коэффициент использования металла до 65-95% вместо 15-30% при изготовлении деталей из поковок и штамповок, в 3-4 раза сократить расход металла в стружку, в 5-6 раз снизить трудоемкость и уменьшить себестоимость изделия.

Эти обстоятельства определяют важность грамотного
конструирования литых деталей. Конструкция детали зависит от следующих основных факторов: служебного назначения в изделии; достаточной прочности при минимальной массе; долговечности; возможности безремонтной эксплуатации в течение всего срока службы; материала; технологии получения заготовки, механической обработки детали, измерения ее размеров, сборки изделия и др.

Использование жидкого металла позволяет получать литые детали практически любой желаемой формы. Вместе с тем, это же обстоятельство приводит к особым трудностям, связанным с тем, что при переходе металла из жидкого в твердое состояние в нем развивается усадка, металл в различных сечениях отливки получает неоднородную структуру и соответственно разную прочность, возникают внутренние напряжения. Конструкцию литой детали необходимо проектировать так, чтобы можно было более полно использовать механические свойства металла, из которого она изготавливается.

Достичь этого можно разработкой такой конструкции, при которой форма детали и сопряжение ее элементов будут предупреждать развитие внутренних литейных пороков, и снижать концентрации напряжений. Для создания качественной конструкции литой детали, имеющей наименьшие затраты при ее производстве, конструктор должен иметь знания о литейном производстве и владеть основными правилами конструирования таких деталей.

Литейное производство — это производственный комплекс по изготовлению отливок методом заливки расплавленного сплава в литейные формы. Отливки могут быть законченными изделиями или заготовками. Заготовки в процессе изготовления деталей подвергают механической обработке. По форме и размерам отливки должны максимально приближаться к получаемым из них деталям; припуски на механическую обработку должны быть минимальными, материал по возможности дешевым и обладать необходимыми физико-механическими свойствами. В современном машиностроении этим требованиям отвечают многие сплавы, наиболее распространенными из черных сплавов являются чугуны и стали, из цветных — сплавы на основе алюминия, меди, магния и др.

Литейное производство в зависимости от количества выпускаемой продукции относят к индивидуальному (единичному), серийному и массовому.

При индивидуальном производстве выпуск продукции ограничивается небольшим количеством разнообразного литья с использованием универсального оборудования и приспособлений.

Для серийного производства характерен периодический выпуск литья широкой или ограниченной номенклатуры. В таком производстве используют более производительное, чем в индивидуальном производстве, оборудование, которое устанавливают в технологическую линию на основе принятой технологии получения отливок.

Для массового производства характерен непрерывный выпуск изделий ограниченной номенклатуры в больших объемах. В таком производстве используют технологии и оборудование, позволяющее обеспечивать высокий уровень механизации и автоматизации основных производственных процессов.

Технологические процессы для каждого способа литья значительно разнятся. Блок схема технологического процесса литья в песчаные литейные формы приведена на рисунке 1.1. В таблице 1.1 даны краткие характеристики основных способов литья и область их применения в литейном производстве.

Отливки получают следующим образом. Расплавленный до жидкого состояния металл заливают в специальную форму, где он затвердевает, принимает ее очертания и размеры.

В практике применяют более 20 способов литья металла [22]. В зависимости от серийности производства, материала отливки, ее конфигурации, размеров и требований, предъявляемых к качеству детали, используют различные виды литейных форм. Из большого разнообразия литейных форм наибольшее применение в производстве получили разовые формы, выполненные из формовочных материалов. Помимо разовых литейных форм для получения отливок используют многократно используемые формы. Такие формы (кокили) изготавливают стальными или чугунными. Кокильное литье и литье под давлением применяют преимущественно для изготовления отливок в серийном
и массовом производстве.

Области применения и характеристика различных способов литья [1]

Общие сведения о литейном производстве

Литейным производством называется отрасль машиностроения, занимающаяся изготовлением фасонных отливок путем заливки расплавленного металла в полость литейной формы, которая имеет конфигурацию отливки.

Технологический процесс получения отливки состоит из следующих основных операций: изготовления литейной формы; плавки металла; заливки металла в форму; затвердевания металла и охлаждения отливки; выбивки отливки из формы; обрубки и очи­стки отливки; термической обработки отливки; контроля качест­ва отливки и сдачи ее на механическую обработку. Каждая из пе­речисленных операций должна осуществляться таким образом, чтобы был обеспечен высо­кий уровень качества отливки по всем показателям, включая точ­ность размеров и чистоту поверхности, благоприятную структуру металла, а также отсутствие наружных и внутренних литейных и металлургических дефектов.

4.1.1 Элементы литейной формы. Литейная форма представляет собой устройство, предназначенное для заливки металла и образования отливки (рис. 4.1).

Она должна иметь рабочую полость 9, где не­посредственно формируется тело заготовки, а также литниковую систему, обеспечивающую подвод металла в рабочую полость и пи­тание отливки в процессе кристаллизации. Конфигурация и размеры рабочей полости должны соответствовать очертаниям и размерам изготовляемой отливки. При этом следует иметь в виду, что раз­меры полости должны превышать размеры отливки на величину ли­тейной усадки металла. В свою очередь, размеры отливки должны быть больше размеров детали на величину снимаемого при механи­ческой обработке технологического припуска. Таким образом, окончательные размеры рабочей полости литейной формы включают в себя соответствующие размеры детали, припуски на механиче­скую обработку и

4.1.2 Основные виды литья. Виды литья отличаются друг от друга по материалу литейной формы и по способу подачи в нее заливаемого металла. Однако более существенно они различаются по точности размеров и чистоте поверхности отливок, а также по производи­тельности и степени сложности технологического процесса. Сложились две группы видов литья: литье в песчано-глинистые формы и специальные виды литья.

Литье в песчано-глинистые формы – наи­более простой и распространенный способ получения литых загото­вок. Материалами для изготовления форм в данном случае служат формовочные смеси, состоящие из песка, а в ка­честве связующих материалов добавляются определенные количе­ства глины и воды. Кроме того, в смесь вводятся противопригарные добавки в виде молотого каменного угля, маршаллита (пылевид­ного кварца), мазута и другие вещества, способствующие улучше­нию качества отливки (древесные опилки, сульфитно-спиртовая бар­да).

Для изготовления стержней используются стержневые смеси, состоящие в основном из песка и связующего (льняное масло, сульфитная барда, декстрин, канифоль и т. д.). Литейная форма обычно состоит из порознь из­готовляемых ручным или машинным способом двух полуформ: ниж­ней и верхней. Каждая из полуформ изготовляется в специальных ящиках без дна и крышек, называемых опоками. При сборке литейной формы полуформы устанавливаются друг на друга и скреп­ляются

Рабочие полости для отливки в набитых формовочной смесью опоках получатся при помощи неразъемной или разъемной модели, фор­ма и размеры которой соответствуют форме и расчетным размерам рабочей полости. Сборка литейной формы из полуформ производится после извлечения модели или половинок моделей и установки стержней в нижней полуформе. Стержни изготовляются в стержневых ящиках и проходят обязательную сушку.

Собранная литейная форма заливается при помощи разливочного ковша или дозирующего устройства через литниковую систему. После охлаждения металла на специальной уста­новке производится выбивка отливки из формы. Затем производят­ся обрубка и очистка, во время которых от отливки отделяется литниковая система с прибылями, удаляются остатки формовоч­ной и стержневой смесей и осуществляется удаление с поверхности отливки различных дефектов. Проводимая после этого термиче­ская обработка имеет целью устранить крупнозернистую дендритную структуру металла, уменьшить литейные напряжения и подготовить металл отливки к механической обработке.

4.1.3 Специальные виды литья применяются для устранения недостатков литья в песчано-глинистые формы, т.е. низ­кой точности размеров и чистоты поверхности, приводящих к боль­шим припускам на механическую обработку и потерям металла в стружку. Недостатками являются также невысокая производитель­ность и плохие санитарно-гигиенические условия труда из-за боль­шой запыленности и шума на рабочих местах. Ниже описываются сущность и понятие о наиболее распространенных специальных видах литья.

Ллитье в металлические формы (кокили). Кокиль изго­товляется из чугуна или стали. Основными преимуществами являют­ся высокие точность размеров и чистота поверхности отливки, а также мелкое зерно металла отливки, что снижает металлоемкость изделий и повышает прочность металла.

Читать еще: Чем отличаются литейные латуни от деформируемых

Центробежное литье – заливка расплавленного металла в быстровращающиеся металличе­ские формы (рис. 4.2). Таким способом отливаются короткие (а) или длинные (б) тела вращения — трубы, втулки и другие анало­гичные им изделия. Преимущества те же, что при кокильном литье, однако качество внутренней поверхности вследствие усадочных яв­лений хуже наружной. Из-за ненадобности стержней экономятся ресурсозатраты на их изготовление.

Рис. 4.2. Центробежные машины: а – с вертикальной осью вращения, б – с горизонтальной осью вращения: 1 – электродвигатель; 2 – литейная форма; 3 – заливочное устройство; 4 – ковш; 5 заливаемый металл отливки; 6 – корпус центробежной машины; 7 – поддержавающие ролики; 8 – стержень; 9 – шпиндель.

При литье под давлением жидкий металл заливается в замкнутую металлическую пресс-форму под значительным давлением и кри­сталлизуется, оставаясь под давлением (рис. 4.3), что, устраняет пористость и рыхлость, улучшает металлургическое качество отливки.

Рис. 4.3. Схема литья под высоким давлением: 1 – подвижная плита прессформы; 2 – пуансон; 3 – заливочное окно; 4 – ковш; 5- поршень; 6 выталкиватель.

На рис. 4.3 соответственно показаны: подача металла в пред­камеру (I), нагнетание металла в рабочую полость (II) и выбивка отливки (III). Заметим, что в одной пресс-форме может располагать­ся несколько рабочих полостей, питаемых одновременно. Таким образом, литье под давлением является самым высококачественным, точным, чистым и производительным видом литья.

При литье в оболочковые формы литейная форма собирается из двух оболочек, изготовляемых на специальной установке (рис. 4.4) из смеси, состоящей из мелкого кварцевого песка и 7% синтетической термореактивной фенолформальдегидной смолы.

Формовочную смесь 3 засыпают в бункер 2 (рис. 4.4) и накрывают нагретой металлической модельной плитой 1 с укрепленными на ней металлическими моделями отливки. Бункер поворачивается на 180º и модельная плита оказывается внизу под формовочной смесью. Во время небольшой выдержки (30-40с) смола склеивает песчинки и образует оболочку 4, толщина которой достигает 8-15мм, после чего бункер возвращается в исходное положение и плита с моделями отливки оказывается вверху. Избыток песка и не оплавленной смолы осыпаются вниз бункера. Модельную плиту с моделями отливки и образовавшейся оболочкой снимают с бункера и помещают в электропечь для полного отверждения при температуре 300°С. После выдержки в течение 4-5 минут, плиту вынимают, устанавливают на стол съемочного механизма, отделяют оболочку от плиты и моделей отливки и далее оболочка отправляется на сборку, где склеивается со второй оболочкой. Полученную оболочковую форму заливают сплавом. Преимущества: высокая точность размеров и чистота поверхности.

Рис. 4.4. Последовательность изготовления оболочковой формы: 1 – металлическая модельная плита; 2 – бункер; 3 – формовочная смесь; 4 – оболочка.

Литье по выплавляемым моде­лям – один из самых точных ви­дов литья, который применяется для получения сложных по очертаниям изделий из обычных мате­риалов, а также инструмента и других изделий из твердых, труд­нообрабатываемых режущим инструментом материалов. Изготов­ленные данным способом изделия не требуют механической обра­ботки. Рассмотрим технологию данного вида литья. Вначале в спе­циальной пресс-форме (рис. 4.5, б) изготовляется от одной до не­скольких десятков моделей изготовляемой детали-отливки (рис. 3.5, д)из смеси парафина со стеарином (по 50 % каждого). В раз­мерах моделей учитываются только размеры деталей и литейная усадка материала отливки. Припуск на мехобработку не дается, поскольку она не производится.

Как правило, из моделей составляется блок с единой литниковой системой (рис. 4.5, е),позволяющей одновременно по­лучить несколько десятков отливок. Блок покрывается путем оку­нания в суспензию, состоящей из маршаллита и гидролизованного этилсиликата. Затем он посыпается квар­цевым песком и сушится. Для того чтобы вокруг модельного блока получился достаточно прочный слой, окунания в суспензию и по­сыпка песком с последующей сушкой повторяются 3-5 раз для образования оболочки (рис. 4.5, ж).

В дальнейшем из покрытого образовавшейся оболочки модельного блока одним из способов выплавляется (удаляется) модельный со­став. Получившаяся таким образом оболочка (рис. 4.5, 3)заформовывается песком или металлической дробью в контейнере и прокаливается при температуре 850—900°С. При этом оболочка упрочняется, стано­вится газопроницаемой, так как из нее выгорают остатки модель­ного состава.

Рис. 4.5. Последовательность изготовления отливок литьем по выплавляемым моделям: а – отливка; б – пресс-форма; в – электропечь для расплавления легкоплавкого модельного состава; г – пресс-форма, заполненная модельным составом; д – легкоплавкая модель отливки; е – легкоплавкие модели отливки с литниковой системой; ж – легкоплавкие модели, покрытые слоем огнеупорного материала; з – получение отливок.

После этого, не ожидая снижения температуры, в форму зали­вают подготовленный сплав. Закристаллизовавшийся и остывший блок выбивается из опоки и освобождается от керамической корки. Затем каждая отливка отделяется от литниковой системы.

Основное преимущество литья по выплавляемым моделям — са­мая высокая точность размеров и чистота поверхности отливок, а также высокая производительность.

Оборудование литейного цеха

Все литейные цеха имеют свои особенности. Здесь следует учитывать специфику работы.

Оборудование литейного цеха прошло ряд модернизаций и новшеств. Механизация данного выпуска техники вышла на путь скорого развития в годы Советской власти.

Для каждого предприятия первостепенной задачей является возрастание производительности труда и уменьшение трудоемкости во время изготовления деталей.

Виды оборудования для литейного цеха

Все оборудование литейного цеха делится по способу применения на:

• плавильное;
• формировочное;
• стержневое;
• смесеприготовительное;
• очистительное;
• оборудование для подготовки шихтовых смесей.

Все это изобилие машин и аппаратов обеспечивает качественную работу цеха на каждом этапе производства.

Как и на любом предприятии, при выборе оборудования нужно отталкиваться от заданных требований. Прежде всего, важным показателем является оббьем вырабатываемой продукции, а также ее качественные показатели и характеристики.

При выборе оборудования нужно учитывать уже существующую степень механизации и автоматизации литейного производства. Немаловажными показателями является степень безопасности и уровень надежности оснащения.

Плавильное оборудование литейного цеха имеет значительную задачу на производстве. К этому типу агрегатов относятся:

• муфельная печь;
• электрическая дуговая печь;
• индукционная плавильная печь;
• газовая плавильная печь.

Все плавильные печи изготовляются из стали с применением огнеупорных материалов и изоляторов тепла, что гарантирует их стойкость в процессе производства.

Формировочное оборудование литейного цеха, в большинстве случаев, на предприятиях представлено в виде встряхивающе-прессовых машин. Работа этого оснащения осуществляется посредством специальной технологии. Это дает возможность уплотнить заполняющиеся формы, что, безусловно, повышает качество отливок продукции.

Стержневое оборудование на литейном производстве имеет огромное значение. Оно служит для изготовления стержней из песчано-смоляных смесей.

К смесеприготовительному оснащению относятся все машины и механизмы, предназначенные для приготовления формировочных смесей на литьевом производстве.

Очистительное оборудование – это приспособления, применяющиеся для очистки уже готовой продукции. Такие аппараты эксплуатируются для обработки отливок, поковок проката и шов сварочных изделий. Обычно они сами отбирают дроби из бункера-накопителя, транспортируют их, образовывают смесь и подают ее на обрабатываемую поверхность.

Чтобы ускорить процесс плавки, а также избежать дефектов в литьевом производстве используют шихтовые машины. Данные агрегаты занимаются подготовкой смеси для плавильного оснащения.

Технологическое оборудование для литейного производства

Любое оборудование технологическое для литейного производства в обязательном порядке должно отвечать установленным требованиям и нормам, которые прописаны в ГОСТе 10580-2006.

Следует отметить, что данная норма касается оснащения, нужного для выпуска деталей как из черных, так и цветных металлов и сплавов.

На рисунке представлен традиционный литейный цех.

Литейные установки и агрегаты имеют свою классификацию. Они разделяются на определенные группы в соответствии с действующим стандартом.

Это непосредственно оснащение для:

• подготовки материалов и создания смесей;
• литья в специальные формы – оболочковые;
• выпуска форм и стержней, а также их последующей выбивки;
• центробежного литья;
• обрубки и зачистки отливок;
• литья по моделям, которые выплавляются или выжигаются;
• отлива заготовок из чугуна постоянного и полунепрерывного цикла;
• плавки и заливки;
• литья в кокиль.

Каждая из этих групп, в свою очередь, содержит определенные типы оснащения, которые определяются непосредственно в зависимости от поставленной цели. Так или иначе, ко всем группам предъявляются специальные требования.

Стандарты технологического оборудования для литейного производства

Оснащение, которое применяется в литейном цеху, на наружной поверхности не может иметь различных неровностей. Это:

При этом на деталях должны отсутствовать острые кромки, углы и шероховатости. Допускаются только те случаи, которые предусмотрены конструкторской документацией.

Что касается мест пересечения поверхностей, то в данном случае ситуация аналогична с предыдущей.

Градуированные покрытия, в свою очередь, должны быть обработаны с высокой точностью и защищены от образования коррозии.

К штрихам на шкалах предъявляется равномерность по толщине и длине, при этом отметки располагаются над соответствующими вертикальными линиями. Это необходимо для того, чтобы ось совпадала с серединой чисел.

Читать еще: Типы литейного производства

Так как маховики и рукоятки имеют обода, то они должны надежно фиксироваться. Это касается также и масло-, водо- и воздухопроводных труб.

Требования к конструктивному исполнению технологического оборудования для литейного цеха

В любом случае оборудование технологическое для литейного производства имеет составные части.

К ним также предъявляется ряд требований в соответствии с вышеуказанным ГОСТом.

Так, трубы всех систем в обязательном порядке должны следовать контурам корпусных деталей. Отступление от стандарта возможно только в том случае, если это прописано в чертежах.

Обязательным является наличие заходных фасок на концах деталей, кроме тех ситуаций, когда выполнение этого становится невозможным.

Для утопленных головок винтов специально предусмотрены зенкованные отверстия. Следует отметить, что последние не должны выступать над гайкой.

При этом к покрытию штоков различных составляющих (цилиндры, золотники, плунжеры) предъявляются следующие требования:

• отсутствие дефектов;
• отменная прочность;
• исключение утечки рабочей среды;
• износостойкость уплотнений.

Это гарантия бесперебойного функционирования всей линии в литейном цеху.

Примеры технологического оборудование литейных цехов

С целью налаживания успешного процесса на литейном производстве, есть необходимость в модернизации оснастки предприятия.

Только современное технологическое оборудование для литейных цехов может гарантировать результативность и экономичность выполнения этапов изготовления.

На предприятиях литейных цехов традиционно устанавливается оборудование 2 типов: общего назначения, а также узкопрофильные технологические агрегаты. Последние необходимы для реализации литейного процесса.

К узкопрофильному типу относятся такие установки:

• плавильные печи;
• литейные агрегаты;
• заливочные приборы, механизмы и манипуляторы, а также датчики, предназначенные для производства отливок;
• ковши;
• литейные автоматы, установки и комплексы.

Объемы выпуска отливок по странам приведены на графике ниже:

Современная оснастка на порядок превосходит образцы, применяемые в недалеком прошлом.

Сегодня преобладают устройства с программным обеспечением (ПО), приборы механизированного типа, а также автоматизированные системы, которые выполняют производственный процесс посредством внедрения высокоточных технологий.

Говоря об основных типах литейного оборудования, одно из главных мест занимают плавильные печи. Такие установки изготавливаются из стали с высоким показателем прочности, также используются теплоизоляторы и огнеупорные материалы с повышенным показателем выносливости.

Установки различаются по способу литья, бывают:

Устройства индукционного типа отличаются способностью к быстрому переходу от одного состава к иному. Удобство в обслуживании и эргономичность – основные преимущества. В такой печи могут регулироваться до нужного градуса показатели давления и атмосфера внутри.

Электрические дуговые печи вмещают от 500ц до 400т металла. В условиях плавки осуществляются технологические процессы покачивания и перемешивания материала. Такое оснащение применяется для получения жаростойкой, инструментальной, конструкционной стали углеродистого и легированного типа.

Современные тенденции в оснащении технологическим оборудованием литейных цехов

На схеме ниже приведен пример комплексно-автоматизированного цеха:

Применение актуальных методик автоматизации процесса литья дает возможность проектирования агрегатов для получения высокоточных и качественных сплавов.

Наклоняющиеся литейные аппараты – современное технологическое оборудование литейных цехов.

По средствам применения электрических сервоприводов на производстве осуществляется полный контроль за процессом дозирования, а также поведением расплава.

Сервопривод контролирует:

• наклон;
• непосредственно движение;
• процедуру литья качанием.

Сервопривод дополнительно исключает вероятность перекоса в условиях открытия формы.

На современном этапе в литейном производстве востребованы такие элементы автоматизации, как поворотные столы, роботы-манипуляторы, а также литейные роботы.

Совершенствование техники, повышение ее качества и уровня обосновывается процессом усложнения самой конструкции агрегатов, повышением технических параметров и требований к надежности применения установок в действии.

Современное технологическое оборудование литейных цехов выступает в роли подходящей оснастки для специализированных производств. Такие установки причисляют к разряду дорогостоящего оснащения, но по своим эксплуатационным характеристикам они существенно превосходят установки прошлых лет.

Посредством внедрения технологического оборудования на литейное производство осуществляется модернизация самого процесса.

Примеры возможностей устройств и оборудования литейных цехов

Вулканизационные прессованные детали двигателя автомобилей, жаропрочные сплавы, ювелирные элементы выпускаются вследствие производственного литья.

Оборудование литейных цехов состоит из следующих устройств:

• пресс-формы;
• машины литейные с горячей камерой;
• агрегаты с холодной камерой прессования;
• машины точного литья;
• блоки симуляции;
• кокильные, гипсовые, песчаные формы.

Изготовление отливок нуждается в существенных расходах финансов и времени. Помимо этого, ранее действующие прототипы не всегда соответствуют стандартам серийного производства по параметрам и качеству.

Технологии литья высокой точности создают систему беспрецедентных размеров.

Оборудование литейных цехов известного на рынке металлопроката германского производителя Schultheiss характеризируется полной автоматизацией технических операций и возможностями максимально быстрого отливания серийной продукции.

Пресс-формы изготавливаются в основном из стали. Пресс-формы оборудованы выталкивающими приспособлениями, подвижными металлическими стержнями, создающими отверстия деталей.

Автоматизированное оборудование литейных цехов представлено машинами горячего, холодного, сверхточного литья.

В камерах горячего прессования изготавливаются сплавы на цинковой основе. Здесь сжатый горячий воздух от испарения раскаленного сплава создает небольшое давление, под действием которого расплавленный металл двигается в форму.

Отливки, полученные холодным давлением, состоят из магниевого, алюминиевого, медного циркониевого сплавов.

Технологии высокоточного литья в черной и цветной металлургии реализуются на оборудовании фирмы Schultheiss серий RP 950, 1000 и 2000. Эти машины позволяют выливать функциональные единичные изделия и производственные полуфабрикаты с минимальными затратами времени.

Системы машин RP автоматизированы на 100%, что позволяет производственным процессам протекать без операторского вмешательства и регулирования.

Оборудование точного литья имеет плавильные камеры, где можно разогревать около 20 литров или 55 килограмм сплава. Температура задается индивидуальная и точная для каждого вида черного или цветного металла.

Расплавлять материал можно не только под воздействием давления, но и в условиях вакуума, где можно качественно наполнить пресс-форму в отсутствии газового сопротивления. Машины оснащены гипсовыми или керамическими формами, куда направляется готовый сплав.

При наличии в камере избыточного давления материал проходит дополнительное уплотнение, что позволяет избежать усадки, которая недопустима для деталей моторов холодильника, двигателя авто.

Машины точного литья Schultheiss дистрибьюторскими фирмами дополнительно оснащаются литейными модулями магния. Все модели оборудования имеют систему безопасности широкого формата, что осуществляет регулярный мониторинг на сенсорном уровне.

Система сенсора без промедлений может распознать и известить о случившемся сбое и недостатке операций установки. Если неисправность угрожает работе всего механизма, автоматически включается режим ограниченного функционирования и защиты.

Внедрение в производство прогрессивных технологий литья возможно при сотрудничестве с официальным дистрибьютором Schultheiss в Российской Федерации «Инженерной фирмой АБ Универсал», что предоставляет качественные модели оборудования для сверхточного литья в вакуумных условиях.

Оборудование для литейных цехов на выставке

На выставке «Металлообработка» будут представлены лучшие модели литьевого оборудования. Специалисты и эксперты в данной сфере расскажут о своих достижения и результатах работы.

Выставочное павильоны комплекса «Экспоцентр» радушно примут всех гостей и посетителей. В рамках экспозиции будут проведены тренинги, семинары и презентации, где демонстрируются последние инновации этой отрасли.

Организация литейного производства

Применение информационных технологий в организации конструкторского-технологической подготовки литейного производства авиастроительного предприятия.

Введение

Литейное производство (как заготовительное производство авиастроительного предприятия) отличается относительным разнообразием применяемых технологий и сложностью протекающих в нем процессов. Каждый из этих производственных процессов требует использования специального технологического оборудования, соответствующей оснастки, влияет на производственную структуру производства, профессиональный состав, организацию труда, оперативно календарное планирование и, в конечном счете, на эффективность функционирования производства [1, 2]. Повышения эффективности, технологичности и качества литейного производства авиастроительного предприятия можно достигнуть за счет применения современных информационных технологий на этапе конструкторско-технологической под- готовки производства [3–5].

1. Особенности организации конструкторско- технологической подготовки литейного производства

Литейное производство характеризуется большим разнообразием применяемых технологий [2] (отливка в разовые земляные формы, в кокиль, в машинах под давлением, в оболочковые формы, в металлические формы, центробежное литье, по выплавляемым моделям и др.).

Производственные процессы, протекающие в литейном производстве (приготовление формовочных и стержневых смесей, изготовление и подготовка форм и стержней, приготовление шихты и выплавка металла, заливка металла, выбивка и очистка-обрубка отливок), представляют собой различные технологические операции, взаимосвязанные и сочетающиеся при изготовлении отливок в одной и той же непрерывной технологической последовательности и не допускающие длительных перерывов между отдельными операциями.

Несмотря на высокую материало- и трудоемкость, непростые условия труда и неблагоприятные экологические последствия, литейное производство широко применяется в авиастроении. При анализе литейного производства авиастроительного предприятия были выявлены следующие особенности литых заготовок для изделий авиастроения:

1) изготовление большой номенклатуры деталей при относительно малой их серийности;

2) пространственная и контурная сложность деталей с обеспечением высоких требований к обеспечению точности изготовления и сборки;

3) получение деталей сложной конфигурации от поставщиков для обеспечения точной сборки;

4) конструктивная сложность литых металлических деталей, которые имеют большое число поднутрений для снижения их веса, что обусловливает сложность оснастки для изготовления моделей, форм и заготовок.

Читать еще: Прибыль в литейном производстве это

В силу отмеченной специфики литейного производства его конструкторско-технологическая подготовка является наиболее длительным процессом, значительно влияющим на конечную цену изделия. При этом наиболее трудоемкая и дорогостоящая часть подготовки – это разработка литейной технологии, проектирование и изготовление литейной оснастки, последующий выпуск первой партии изделий с целью отработки на технологичность применяемых методов получения литейных заготовок. В случае внедрения новых технологий особое значение приобретают также анализ, контроль и установление причин возникновения дефектов для определения оптимальных параметров технологического процесса. Таким образом, отработка на техно- логичность новых методов получения форм и литых заготовок определяют сроки изготовления и качество заготовок для цехов-потребителей предприятия, что в конечном итоге сказывается на эффективности производства [2, 3].

2. Современные информационные технологии, применяемые в литейном производстве

Повышения технико-экономической эффективности литейного производства можно достичь за счет применения на этапе конструкторско-технологической подготовки производства современных информационных технологий, таких как: системы автоматизированного проектирования технологических процессов литья, системы компьютерного анализа прочности деталей, компьютерные базы данных и справочные системы, методы изготовления литьевых форм и моделей отливок с применением новых информационных технологий. Их использование влияет на сокращение сроков и снижение трудоемкости конструкторско-технологической подготовки производства новой номенклатуры отливок, уменьшения материалоемкости отливок и затрат на их механическую обработку, позволяет прогнозировать и предупредить образование дефектов в отливках.

В настоящее время применение технологии быстрого прототипирова- ния является одним из вариантов повышения эффективности организации конструкторско-технологической подготовки литейного производства за счет изготовления отливок в меньшие сроки с высоким качеством поверхности и низкой доли брака [5]. Эта технология позволяет по моделям деталей из CAD-приложений создавать трехмерные физические модели-прототипы без инструментального их изготовления. Для литейного производства возможно применение этой технологии в двух направлениях:

1. Технология Investment Casting – изготовление выжигаемых моделей для литейного производства. На 3D-принтере «печатается» модель отливки, полученная с электронной трехмерной модели детали в любой системе компьютерного проектирования, которая далее, как и при обычной технологии литья по выплавляемым моделям, покрывается прочной коркой, тем самым образуется форма для литья. Напечатанная модель затем выплавляется или выжигается в печи. В этом случае нет необходимости изготавливать по чертежам модельные комплекты для получения самой выплавляемой модели – она изготавливается на основе тех конструкторских и технологических данных, которые уже есть на производстве.

2. Технология Direct Cast – печать литейных песчаных форм для прямого литья цветных металлов и ферронесодержащих сплавов. В этом случае материал, применяемый при печати на 3D-принтере, позволяет «распечатать» стойкую форму, которая может выдерживать температуры до 1000 °С и позволяет изготавливать отливки из цветных сплавов. В этом случае длительность этапа изготовления оснастки также сокращается.

Применение технологии быстрого прототипирования на этапе конструкторско-технологической подготовки производства вносит изменения в последовательность разработки технологического процесса изготовления отливки (рис. 1).

Рис. 1. Этапы разработки технологического процесса изготовления отливки

Проведенный анализ литейного производства предприятия авиастроительной отрасли показал, что технологию быстрого прототипирования целесообразно применять при производстве первой контрольной партии отливок, а также для отливок малой применяемости, при отработке на технологич- ность литейных форм, при поиске путей улучшения конструктивных особен- ностей отливок, сокращении количества металла. Снижение доли брака, улучшение качества тела отливок и поверхностей – все это позволит сокра- тить временные и финансовые затраты на их производство и, следовательно, повысит эффективность литейного производства.

3. Повышение эффективности организации конструкторско- технологической подготовки производства литейного производства за счет внедрения информационных технологий

С целью определения причин повышения эффективности на основе анализа нормативной документации и основных процессов литейного производства были разработаны две схемы конструкторско-технологической подготовки производства (КТПП). На рис. 2 приведена схема КТПП без применения современных информационных технологий. Процесс КТПП при внедрении в производство новой номенклатуры отливок представляет собой последовательность действий от начального этапа разработки требуемой техно- логической документации до конечного этапа производства годной отливки.

Этапы 2–15 выполняются сотрудниками производства на основании нормативных документов, личного опыта, расчетных схем и типовых техно- логических процессов. При этом этапы доработки оснастки и конструкторско-технологической документации 5–15 могут быть повторены несколько раз (до момента получения годной партии отливок) и представляют собой опытные испытания оснастки. Завершающим этапом является формирование конструкторско-технологической документации, обеспечивающей процесс получения годных отливок.

На рис. 3 представлена схема, основанная на применении нового под- хода к организации КТПП, а именно компьютерное моделирование формы 3а, компьютерный анализ процесса отверждения отливки для определения технологических параметров процесса литья 4а и изготовление формы посредством применения технологии быстрого прототипирования и печати форм 10а и моделей 11а. В этом случае КТПП осуществляется с использованием современных информационных технологий компьютерного моделирования, анализа процесса литья и применения технологии быстрого прототипиривания для получения оснастки – выплавляемой модели или формы для литья. При этом за счет компьютерного моделирования формы исключаются этапы 3, 5, 7, 9, 11, 12, 13 (рис. 2). Этапы 2, 3а, 4а, 6, 8 (рис. 3) выполняются с помощью современного компьютеризированного подхода к моделированию процесса литья, 10а – этап изготовления формы путем печати ее на 3D-принтере, этап 11а – печать выплавляемой модели. Этап доработки формы или модели осуществляется путем внесения изменений в разработанный технологический процесс на основе компьютерного моделирования и расчета процессов взаимодействия в системе отливка–форма.

Компьютерное моделирование процесса литья позволяет сократить количество испытаний формы, подобрать оптимальные параметры технологического процесса, что значительно снизит время на конструкторско-технологическую подготовку запуска в производство новой номенклатуры отливок. При этом технология быстрого прототипирования не требует изготовления оснастки и разработки технологического процесса для нее, обеспечивает сокращение времени изготовления формы для литья.

Рис. 2. Схема КТПП без применения новых информационных технологий

Рис. 3. Схема КТПП с применением новых информационных технологий

Сравнительный анализ эффективности двух схем КТПП предлагается проводить на основе определения и расчета ключевых показателей эффективности литейного производства с учетом такого технологического параметра, как качество поверхности получаемой отливки.

Качество поверхности отливки – показатель технологичности отливки, определяющий степень ее приближения к требуемой точности изготовления и, как следствие, трудоемкость операций чистовой обработки отливки.

Ключевые показатели эффективности, в свою очередь, определяют эффективность расходования ресурсов на каждом из этапов КТПП. Расчет производится по шести выбранным показателям:

1. Выход годного литья К1 – доля произведенных годных отливок, выраженная в процентах от количества металла, загруженного в плавильную печь; учитывает потери при плавке, заливке в формы, потери на литниковую систему, а также брак и производственные возвраты.

2. Производительность применяемого оборудования К2 – доля времени, затрачиваемого на производство годной продукции в процентах от общего производственного времени; учитывает затраты на простой производства при формовке, производственные задержки, а также задержки производства из-за бракованных или возвратных отливок.

3. Расход электроэнергии производством К3 – включает в себя расход энергии для плавки и общий расход энергии литейным производством.

4. Расход формовочных смесей при подготовке производства К4.

5. Расход воды производством К5.

6. Производительность труда персонала К6 – общее количество человеко-часов, затраченных на производство годной партии отливок за анализируемый период.

Более эффективной считается та схема, которая обеспечивает наилучшее достижение всех шести показателей эффективности при допустимом значении качества поверхности получаемой отливки.

Заключение

Таким образом, за счет применения современных информационных технологий к начальному и самому важному этапу освоения производства отливок с точки зрения эффективности литейного производства – разработке литейной технологии, проектированию и изготовлению литейной оснастки – возможно достижение высоких качественных показателей, снижение трудоемкости, увеличение производительности труда, сокращение сроков конструкторско-технологической подготовки производства.

Список литературы

1. Могилев, В. К. Справочник литейщика / В. К. Могилев, О. И. Лев. – М. : Ма- шиностроение, 1988. – 272 с.

2. Титов, Н. Д. Технология литейного производства / Н. Д. Титов, Ю. А. Степа- нов. – М. : Машиностроение, 1972. – 472 с.

3. Чумаченко, И. Г. Повышение эффективности производства : в 3-х т. / И. Г. Чумаченко. – М. : Высшая школа, 1989.

4. Буданов, Е. Н. Семь основных мифов и заблуждений относительно литейного производства / Е. Н. Буданов // Литейное производство. – 2009. – № 8. – С. 2–8.

5. Ткаченко, С. С. Совершенствование технологии и повышение эффективно- сти литейного производства / С. С. Ткаченко // Металлург. – 2008. – № 11. – С. 121–122.

3D-технологии для литейного производства: как создать форму для отливки за неделю

Современное литейное производство — сложный технологический метод, при нем заготовки металлических деталей получают с помощью заливания расплавленного металлического сплава в специально подготовленную литейную форму; внутри нее находится полость необходимой конфигурации. После затвердения полученную заготовку извлекают и обрабатывают до нужного состояния. Современная литейная промышленность ставит перед специалистами задачу, при которой получаются максимально соответствующие форме заготовки, требующие минимальных затрат для их доработки.

Далее приведено описание самых известных видов литья в современной промышленности.

Сущность и основы

На литейных предприятиях продукция получается в результате плавления исходного материала, последующей его заливки в форму, а затем затвердевания. Литейные цеха производят изделия широкого ассортимента: от компонентов двигателей до разнообразной тары пищевой промышленности. Литьём получают всю продукцию из чугуна, до половины алюминиевых деталей, до 20 % стальных изделий и т.д.

В основе всех литейных технологий лежит понятие жидкотекучести, когда материал, нагретый до температуры, превышающей температуру его плавления, превращается в высоковязкую жидкость. При этом должен соблюдаться эффект неразрывности её течения в необходимом направлении. Это даёт возможность формовать, в процессе затвердевания расплава, нужные заготовки.

Все литейные металлы обладают сложной структурой, поэтому на жидкотекучесть, оказывают влияние:

Читайте также: Чесночное масло. Рецепт приготовления. Польза для здоровья

1. Вязкость.
2. Поверхностное натяжение.
3. Характер поверхностной оксидной пленки.
4. Наличие, содержание и состав включений.
5. Способ затвердевания.
6. Химический состав основного материала.
7. Физико-механические характеристики, прежде всего, удельный вес и температура плавления.

Жидкотекучесть устанавливается по результатам химических анализов и технологических проб применительно к конкретному материалу отливки.

Если ранее процесс течения жидкого металла был плохо управляемым, что приводило к различным дефектам литья – неравномерности структуры конечной продукции и пористости, то теперь ситуация изменилась. Чтобы производить отливки с оптимальным качеством и минимизировать издержки производства, освоены процессы компьютерного моделирования, в результате которых можно прогнозировать скорость потока и наличие различных охлаждающих эффектов. Именно они становятся причиной пористости литого продукта.

3-D моделирование позволяет регулировать:

• Вязкость расплава;
• Интенсивность охлаждения;
• Степень пористости.

Разрабатываемая технологом с учётом перечисленных факторов пространственная модель отливки позволяет ещё на стадии проектирования технологии оптимизировать дизайн детали (обеспечивая её оптимальную конфигурацию), конструировать литейную оснастку, а также создавать наилучшую последовательность выполняемых операций.

Литье металла в ХТС

Ускорение процесса литья привело к разработке холоднотвердеющих смесей (ХТС), получивших широкое распространение. У них есть определенные недостатки. Например, некоторые самовысыхающие масла создают форму, которая требует длительных периодов сушки, особенно когда доступ воздуха к ней предотвращен. Синтетические смолы на основе мочевины, которые также разработаны для использования в качестве ХТС, обладают очень низкими температурами разрушения, что, в свою очередь, ограничивает универсальность получаемой формы. Песочные смеси, содержащие смолы кислотного отверждения на основе фурана (еще одно, но относительно новое связующее, отверждающееся на холоде), также обладают определенными ограничивающими характеристиками. Например, они имеют тенденцию вызывать прилипание формы к отливке, и выделение газов, которое обычно сопровождает заливку расплавленного металла в формы, становится очень выраженным и турбулентным.

Современные составы ХТС образуются с использованием связующих, содержащих по крайней мере одну этоксилиновую смолу дифенилметана или производных дифенола, к которой в качестве отвердителя добавляется хотя бы одно органическое соединение, содержащее множество реакционноспособных аминогрупп.

Очень хорошие результаты получаются, когда этоксилиновые смолы синтезируются из пара-замещенных производных дифенилметана, особенно из бисфенола. При этом их эпоксидный эквивалент превышает 170.

Среди органических соединений, которые могут быть использованы в качестве отвердителей, перспективны составы, имеющие множество реакционноспособных аминогрупп и особенно полимеры (линейные или кольцевые), которые включают от двух до пяти = NCH CH групп.

Технология литейного производства чёрных и цветных металлов

Литейные свойства материалов учитывают не только жидкотекучесть, но и уменьшение объёма, которое происходит в процессе охлаждения отливки. Такое явление называют усадкой; она составляет 1…3 % от первоначальных размеров. Поскольку все металлы анизотропны, то различают линейную и объёмную усадку, которые определяют итоговый баланс металла. Первый параметр важен для отливок с увеличенным соотношением длины к ширине, а второй – для отливок сложной формы.

В процессе охлаждения металла в его структуре наблюдается ликвация – неоднородность зёрен, что обуславливается различными свойствами составляющих. Формируются также примеси и неметаллические включения. Ликвация негативно влияет на свойства конечной продукции, поэтому неоднородность структуры стараются уменьшать всеми приемлемыми способами. В частности, действующий ГОСТ 26645-85 «Отливки из металлов и сплавов» ограничивает содержание фосфора, серы (а также их соединений – сульфидов и фосфидов), ряд газов – водород, кислород, а также количество шлаков, не выведенных из металла.

В зависимости от литейных свойств металлов принимается решение о выборе целесообразной технологии получения отливок. Различают свободное литьё в формы (песчаные или металлические), литьё под давлением, литьё выжиманием, центробежное литьё, а также комбинированные способы, например, жидкую штамповку.

Центробежное литье

Центробежное литье — это процесс, позволяющий получать высокопрочные отливки. Такую технологию выбирают для таких изделий, как корпуса компрессоров реактивных двигателей, гидравлических компенсационных колец, многих изделий оборонного назначения.

Этапы процесса центробежного литья начинаются с заливки расплавленного металла в предварительно нагретую головку. Пресс-форма может быть ориентирована либо по вертикальной, либо по горизонтальной оси в зависимости от конфигурации детали.

Читайте также: ТОП-5 лучших способа — как убрать позолоту с серебра в домашних условиях: срок службы и правила ухода, домашние и профессиональные способы снятия

При вращении формы во время заливки расплавленного металла центробежная сила распределяет расплавленный металл в форме под давлением, в 100 раз превышающим силу тяжести. Комбинация этого давления, контролируемого затвердевания и вторичного рафинирования позволяет получать изделия высочайшего качества.

Когда пресс-форма начинает заполняться, более плотный расплавленный металл прижимается к стенке. Направленное отверждение прочного металла происходит от периферии пресс-формы к каналу, в то время как менее плотный материал, включая примеси, перемещается к внутреннему диаметру.

После затвердевания отливки деталь удаляют из пресс-формы, а остаточные загрязнения, сохранившиеся на поверхности отливки, подвергаются механической обработке – зачистке.

Вариантом технологии является центробежное литье в вакууме. Оно используется, когда точность детали и контроль воздействия атмосферы имеют решающее значение, поскольку некоторые сплавы, в том числе никель-кобальтовые сплавы, реактивны по отношению к кислороду.

Важно: центробежное литьё в вакууме обеспечивает очень высокую надежность изделий, часто используемых в аэрокосмической и военной промышленности.

Литьё под давлением

Литье под давлением используется для производства отливок ответственного назначения. Процесс требует использования специального оборудования, где металл плавится, а затем поступает в форму, где охлаждается и затвердевает.

Литье под давлением используется для изготовления тонкостенных деталей с большим количеством рёбер и поднутрений. Такие отливки применяют в бытовой технике, электроинструментах, деталях автомобилей и пр. Формы для литья под давлением не ограничиваются по сечению.

1. Возможность получения деталей со сложными формами и небольших размеров.
2. Высокое качество поверхности.
3. Повышенная (в сравнении с обычными литейными технологиями) точность.
4. Стабильность характеристик металла отливки.
5. Высокая производительность.

1. Высокая стоимость оборудования и оснастки.
2. Сравнительно небольшая стойкость инструмента.
3. Повышенный уровень первоначальных финансовых затрат.

Литьё под давлением оправдывает себя при значительных программах выпуска продукции, либо при повышенных требованиях к качеству готовых отливок (в частности, для исключения последующей механической доработки).

Технологический цикл для литья под давлением очень короткий, обычно от 2 секунд до 2 минут, он состоит из следующих четырех этапов:

• Зажима частей пресс-формы, при этом одна половина закрепляется на оборудовании, а вторая получает возможность скольжения по направляющим;
• Подачи расплава в закрытый объём пресс-формы. Объём впрыска определяется объёмом металла (с учётом его усадки), давлением и мощностью подачи;
• Охлаждения расплава в процессе контакта металла со стенками пресс-формы. В некоторых случаях усадку учитывают поджатием подвижной половины пресс-формы к поверхности затвердевающей детали;
• Удаление сформированной отливки из оснастки, время которого рассчитывается, исходя из термодинамических свойств материала и максимальной толщины стенки детали.

После цикла литья под давлением обычно требуется некоторая пост-обработка. Так, при охлаждении часть материала, находящегося в каналах формы, затвердевает. Этот избыточный металл должен быть обрезан с помощью резаков. При необходимости его можно добавлять в расплав, используя для литья следующей партии продукции.

Непрерывное литье

Процесс, который позволяет позволяет металлам и сплавам растягиваться, формироваться и затвердевать без необходимости прерывания заливки. При этом сокращаются отходы, повышается выход готовой продукции, улучшается экономическая эффективность производства.

Методом непрерывного литья под давлением изготавливаются аккумуляторные решётки. Использование системы роликов и форм с водяным охлаждением снижает вероятность попадания примесей и обеспечивает лучшее соотношение толщины.

Читайте также: Как выбрать бытовую канализационную насосную станцию для дома

Литьё выжиманием

Технология используется в случае, когда требуется постоянная компенсация усадки материала, и применяется для литья крупных отливок с тонкими стенками. Для этого подвижная полуформа получает принудительное перемещение по направлению к поверхности расплава – вращением, винтовым или плоско-параллельным движением. Последовательность переходов такова. Металл заливают в нижнюю часть формы, далее перемещают подвижную её часть до контакта с расплавом, при этом излишек сливается в приёмный ковш установки. Поскольку между ним и основным металлом поддерживается постоянный тепловой контакт, то потери тепла минимальны, и физико-механические параметры материала равномерны во всех сечениях. Возрастает и коэффициент заполнения формы. После затвердевания подвижная полуформа перемещается в исходное положение, а готовая отливка выталкивается из полости.

1. Повышенная структурная однородность отливки.
2. Высокая равномерность физико-механических характеристик материала.
3. Высокая производительность процесса.

В основном литьё выжиманием используется для получения продукции из алюминиевых литейных сплавов.

Современные литейные технологии

Современное литейное производство — сложный технологический метод, при нем заготовки металлических деталей получают с помощью заливания расплавленного металлического сплава в специально подготовленную литейную форму; внутри нее находится полость необходимой конфигурации. После затвердения полученную заготовку извлекают и обрабатывают до нужного состояния. Современная литейная промышленность ставит перед специалистами задачу, при которой получаются максимально соответствующие форме заготовки, требующие минимальных затрат для их доработки.
Далее приведено описание самых известных видов литья в современной промышленности.

Литьё в песчаные формы

Это самый малозатратный, при этом весьма грубый метод литья. Благодаря своей дешевизне, способ является наиболее массовым.

Сначала изготавливается литейная модель. Ранее использовали для этих целей дерево, но сегодня гораздо проще выполнить модель с помощью современного 3D-принтера из недорогих полимерных материалов.

Изготовление песчаных форм

Подготовленная модель устанавливается на своеобразной подмодельной плите, сверху на модель надевается ящик без дна (опока). Промежуток между моделью и ближайшими стенками опоки забивается песком или заранее заготовленной смесью песка со специальным связующего.

Для сложных вещей используют две полуформы (2 опоки), плоскость их соприкосновения — это место разъема. Модель извлекают, полученные полуформы соединяют и затем производят отливку. Для заливки металла непосредственно в песко-формовочной смеси делают литники — специальные отверстия.

По окончании застывания заготовку извлекают, удаляют облой, литники и обрабатывают поверхность до стандартного качества.

В настоящее время литьё в разовые песчаные формы позволило применять вакуумируемые формы, приготовленные из сухого специального песка без применения связующего.

Технология непрерывного литья

При изготовлении отливок непрерывным литьем расплавленное сырье из металлоприемника через графитовый пустотелый полустержень поступает в кристаллизатор с обязательным водным охлаждением, при затвердевании вытягивается специальным устройством. Такие заготовки позднее обрезают по необходимым размерам.

Используют непрерывное литье с целью получения полуфабрикатовиз чугуна, цветных, драг. металлов. Заготовки не могут иметь посторонних включений, пористости, раковин благодаря созданию узконаправленного потока затвердевания металла. Эта особенность делает данный способ непревзойдённым для изготовления качественной проволоки.

Литье по газифицируемым выжигаемым моделям

При методе литья по газифицируемым моделям стала существовать возможность не удалять одноразовую модель из отливочной созданной формы перед заливкой. Либо такие исходники удаляются при помощи выжигания, растворения и др.

Благодаря дешевизне пенополистирола этот способ часто применяется для изготовления отливок разного художественного назначения.

Его хорошо использовать для единичных экземпляров элементарных отливок, например накладок с несложным орнаментом, фирменных досок и др.

При изготовлении модели гранулы пенополистирола обязательно подвспенивают для активного роста. Далее укладывают сырье в пеноформы и вторично нагревают.

При этом начинается реактивный процесс расширения и спекания помещенных гранул, в результате возникшего давления пенополистирол заполняет все пустоты внутри формы.

Соединение различных элементов производят простейшим склеиванием, применяя составы, не влияющие агрессивно на химические особенности исходника и полностью выгорающие при нагревании.

Формование газифицируемых моделей необходимо производить в песчано-глинистые, самотвердеющие, жидкостекольные смеси. Большим преимуществом этого прогрессивного метода становится возможность простого формования в песок при отсутствии связующего. При этом песок в формовке не может смешаться с заменяющим модель металлом.

Способ литья в оболочковые формы

Оболочковый способ литья — это технология получения металлических отливок в формах, выполненных по модельной горячей оснастке из специально смешанных песчано-смоляных составов. Такие формы обладают прочностью, податливостью, газопроницаемостью, негигроскопичностью.

Оболочковые формы обладают следующими свойствами: достаточной прочностью, газопроницаемостью, податливостью, негигроскопичностью.

Процесс оболочкового литья начинается с покрытия термореактивной смолой заранее подогретой площадки, на которой установлена обезжиренная металлическая модель. При нагревании первоначальный состав плавится, образуется полутвердая оболочка.

С целью удаления избыточной массы смолы форму с модельной плитой переворачивают, позже дополнительно нагревают. После отвердевания оболочку — полуформу удаляют с матрицы, соединяют методом склеивания или же скрепления с другой половиной.

Затем помещают готовую оболочковую форму в ранее изготовленную опоку и далее заполняют её плотно формовочной смесью. После заливки такая форма разрушается.

Литье под давлением

При изготовлении полуфабриката литьем под давлением пользуются только металлическими формами, но при этом заливку горячего расплава в подготовленную пресс-форму производят под давлением.

Читайте также: Как сделать маятниковую пилу по металлу своими руками?

Этот способ является довольно высокопроизводительным, обеспечивая при том высокое качество структуры поверхности. Данным методом обычно льют цветные металлы. Диапазон размеров отливок очень разный — от одного г. до нескольких, а порой и десятков кг. Применяют этот вид литья в основном для различного массового производства пустотелых изделий чаще всего простой конфигурации.

Центробежное литье

Центробежный способ предполагает формирование отливок под резким воздействием возникших сил внутри раскручивающейся формы, свободным методом залитой расплавом. Так производят полуфабрикат из черных и сплавов многих цветных металлов. Сейчас разработаны специализированные установки для бережного центробежного литья драгоценных металлов.

Главным и основным преимуществом представленного способа является непревзойденно высокая, при анализировании с другими видами, плотность получаемой кристаллической структуры используемого металла. Эта особенность придает прекрасные механические свойства требуемым заготовкам.

Данный вид литья возможно производить на машинах с различными осями вращения — вертикальной или же горизонтальной. Для него применяются песчаные, металлические, также оболочковые или формы (опоки) по восковым моделям.

Кокильное литье

Литьем в кокиль принято считать получение заготовки путем заливки расплава в многоразовый металлический кокиль. При этом происходит довольно скорый отвод тепла через высокотеплопроводный материал формы, поэтому поверхность отливки, ее механические особенности получаются значительно более высокого уровня, чем у абсолютного большинства других способов.

Интереснейшей особенностью представленного метода является уникальная возможность множественного использования изготовленной однократно металлической формы.

Ее значительная прочность может позволить очень точно копировать конфигурацию поверхности, получая одновременно высочайшее качество металла.

Благодаря большой теплопроводности кокиля изделие быстро затвердевает, соответственно увеличивается скорость изготовления полуфабриката.

Метод литья по выплавляемым моделям

Сегодня в художественной промышленности популярнейшим методом становится литьё по выплавляемым моделям.

Современная технология представляет собой предварительное изготовление высокоточного образца из любого легкоплавкого материала, зачастую воска. Такую модель заливают специальной смесью — формомассой.

После затвердевания из неё вытапливают восковые заготовки, получая литейную форму. В полученные полости необходимо залить расплав. Застывая, он образует заготовки будущих изделий.

Подробное описание литья по выплавляемым моделям наши читатели могут найти в разделе «Технологические процессы на ВЮЗ «Русское серебро». Мы применяем именно этот вид.

Сейчас техника литья смогла не только не потерять главенствующей роли в ювелирной промышленности, а напротив, открылись её новые удивительные возможности.

Эта тенденция стала необходимейшим связующим звеном между уникальным искусством художника-ювелира и современным ювелирным производством.

Оборудование и формы

В качестве плавильного оборудования в литейных производствах предусматриваются дуговые или индукционные электропечи. Вид оборудования определяется металлами, с которыми работает литейный цех/участок: электродуговые печи идеально подходят для работы со сталью или чугуном, в то время как литейный цех, специализирующийся на меди, с большей вероятностью использует индукционную печь. Печи могут варьироваться в размерах: от небольшого настольного оборудования до тех, что весят несколько тонн.

Современные литейные производства механизированы. Механизации подвергаются практически все операции цикла: от производства стержней до собственно литья. Формовочные машины применяют при серийном производстве отливок. Ручная формовка распространена лишь в малых ремонтных производствах.

В состав основного оборудования включают:

• Плавильные печи;
• Заливочные ковши;
• Загрузочно-транспортное оборудование — погрузчики, краны, конвейеры и пр.
• Средства управления и автоматики.

Электродуговая печь работает по принципу периодического плавления. Металл расплавляется путем подачи электрической энергии внутрь печи через графитовые электроды. Дополнительная химическая энергия подается кислородно-топливными горелками. Кислород вводят для удаления примесей и другого растворённого газа. Когда металл расплавляется, шлак образуется и плавает к верхней части расплава; шлак, который часто содержит нежелательные примеси, удаляется перед выводом.

Индукционная печь передает электрическую энергию методом индукции, когда высоковольтный электрический источник индуцирует низкое напряжение при большом токе во вторичной катушке. Индукционные печи способны работать при минимальной потере сырья, однако больше используются при производстве отливок из цветных металлов и сплавов.

Все литейное оборудование специально разрабатывается для надежной работы при повышенных температурах. Доминирующими тенденциями при производстве данной техники являются масштабность, автоматизация, оперативная отделка отливок, повышенные безопасность и эффективность.

Какие смазочные материалы применяются? Выбор зависит от марки материала и метода литья. Исходный концентрат в жидком виде должен быть водорастворимым, а в твёрдом виде используются термостойкие пасты.

В оболочковые формы

Литьё в оболочку применяют для получения головок цилиндров, шатунов и других деталей машин, где требуется повышенная точность. Для данного процесса необходима песчаная форма, причём используется особый тип покрытого смолой песка.

Процесс обеспечивает ряд преимуществ:

• возможность создавать сложные формы с высочайшей точностью;
• низкие трудозатраты;
• пригоден для большинства металлов и сплавов;
• используется при любых масштабах производства;

Вначале песок тщательно перемешивается со смолой, которая действует как связующее. Затем песок засыпается в нагретую форму, температура которой обычно достигает 750…13000С. Нагретая форма инициирует реакцию с песком, покрытым смолой. Когда песок вступает в контакт с горячей формой, на внутренней её поверхности образуется оболочка. Далее излишки песка удаляют из формы, а затем удаляется и сама оболочка, для чего используются выталкивающие штифты. Выталкиватель встроен в саму форму, что позволяет легко удалить вновь созданную оболочку, при этом не повредив её.

Основной инструмент в литейном производстве

Литейная оснастка – это модели (шаблоны), опоки и формы. Что такое опока? Это полость, куда заливается расплавленный металл. Шаблон представляет собой реплику объекта, подлежащего литью, и используется для формирования отливки. Модели могут быть изготовлены из древесины, металла или пластмассы. Основными этапами получения оснастки являются:

• Получение полости;
• Размерная обработка элементов;
• Разработка и установка механизмов зажима.

Формы разрабатывают с учётом усадки металла, для чего предусматривают компенсаторы. Стенки форм имеют конические участки для облегчения выталкивания из них готового изделия. Полые отливки создаются с использованием стержня — дополнительного объёма песка или металла, который образует внутренние отверстия и проходы в отливке. Каждый стержень помещают в форму до заливки. Для облегчения выемки застывшей отливки из формы используют противопригарные покрытия.

Существует два различных типа литейных форм: одно- и многоразовые.

Изготовление модельной оснастки многоразового применения обычно производится из металла, одноразового – из песка. Для облегчения складирования и применения всегда выполняется маркировка кокилей.

После того, как подготовка формовочных песков завершена, песок размещается вокруг модели. Затем образец удаляют, стержни устанавливают на место, после чего производят заливку расплава. Конструктивные особенности инструментов для литья оптимизируются для различных металлов и уровней сложности полости.

Стоимость некоторых видов литейного оборудования и оснастки представлена в таблице:

Наименование	Назначение	Ориентировочная цена, тыс. руб.
Кокили	Для литья чугунных отливок массой до 15000 кг	2
Линия непрерывного литья	Для получения отливок из цветных металлов и сплавов	7200
Индукционная печь	Универсального применения	800
Машина для литья под давлением	То же	4500
Индукционный плавильный комплекс	То же	1500
Вихревые смесители непрерывного действия	Для приготовления песчаных смесей	13
Машина для центробежного литья	Универсального применения	25
Изложница	Для литья чугуна	1,5
Выбивная решётка	Для удаления остатков песчаных форм	16

Кокильное литье

Все виды литья в кокиль — это группа методов, особенно подходящих для получения отливок из цветных сплавов — алюминия, магния и латуни. Перед отливкой функциональные поверхности форм обрабатываются специальным каолином или аналогичным покрытием, которое позволит эффективно разделить поверхности. Формы, которые не могут быть извлечены из изложницы, часто изготавливаются с применением, песчаных стержней. После литья стержни уничтожаются.

По сравнению с литьём в песчаные формы, затвердевание кристаллизатора происходит быстрее за счет лучшей теплопроводности. Образуется отливка с относительно мелкой и плотной структурой материала, которая, в то же время, имеет лучшие механические свойства по сравнению с отливкой из того же материала, но отлитой в песчаную форму.

Преимущества кокильного литья:

• вследствие более быстрого затвердевания кокильное литье обладает лучшими механическими свойствами и относительно мелкой и плотной структурой материала;
• небольшая пористость поверхности;
• высокая точность размеров и уменьшенные показатели шероховатости поверхности;
• уменьшение коэффициента потерь металла.

Литье в кокиль представляет собой хороший выбор для производства отливок среднего размера для серий от 1000 до 10000 штук при минимальной производственной партии в 100 штук.

Процесс применяется для изготовления отливок средних по размерам корпусов приборов, крышек приводов, стоек, вставок латунных или стальных уплотнителей (гайки, корпуса подшипников, штифты и т. д.).

Дефекты литейных сплавов

Перед тем, как производственный цикл выпуска отливок заканчивается, физические свойства и структурная целостность конечного продукта подлежат проверке. Методы испытаний могут быть разрушающими и неразрушающими. Выбор метода обнаружения дефектов зависит от технологического назначения детали. Для некоторых чисто эстетических продуктов требуется только краткий визуальный осмотр для определения точности размеров, наличия трещин и оценки качества отделки. Для литья, имеющего индустриальное применение, в ходе испытаний устанавливаются все физико-механические свойства металла (пластичность, прочность на растяжение, относительное удлинение, ударная вязкость, твердость и т.д.).

Наиболее распространёнными дефектами литья являются:

1. Усадочные дефекты. Когда металл затвердевает после заливки в формы или отливки, он должен сжиматься. Когда металла недостаточно, усадка из чугуна приведет к образованию отверстий или пустот в отливке. В зависимости от его причины существует много типов усадки. При осевой усадке материал по центру получает больше времени для затвердевания по сравнению с металлом по периферии, что приводит к образованию полости. Это может быть вызвано температурой, при которой заливается расплавленный металл, скоростью заливки, качеством исходного сырья.
2. Дисперсная усадка. Размерное изменение элементов сплава может привести к такому типу усадки, где полости образуются перпендикулярно литейной поверхности. К этому типу дефектов может привести высокое содержание азота или низкое содержание углерода.
3. Иногда все литейные изделия могут иметь одинаковый тип дефектов по размерам. Причина – разная скорость отвердевания различных частей отливки.
4. Швы или шрамы. Это металлургический дефект, который характеризуется наличием углублений на поверхности отливки. Дефект вероятен, когда в процессе плавки графит перемещается в усадочные полости.
5. Шлаковые включения. Они представляют собой мелкие пятна, обнаруженные на поверхности литейных изделий. Такие включения вызываются загрязнениями исходного металла карбидами, кальцитами, оксидами и сульфидами.
6. Незаполнение отдельных участков. Вызывается наличием газа в отдельных частях пресс-формы, пониженной текучестью материала. Потребуется увеличить температуру его нагрева и/или вести плавку в вакууме.

Отливка по выплавляемым моделям

Читайте также: Ремонт выпускного коллектора в Москве по низкой цене в Ramflow

Литьё по выплавляемым моделям позволяет производить точные компоненты, сводя к минимуму отходы материалов, уменьшая энергоёмкость производства и снижая затраты на последующую обработку готовых отливок, причём любой степени сложности.

В технологии литья по выплавляемым моделям используется оболочка из керамики, гипса или пластика, которая формируется вокруг восковой формы. Затем эта форма плавится и удаляется в печи, а металл заливается в оболочку для создания отливки.

Процесс литья по выплавляемым моделям происходит в несколько этапов:

• Создание исходного образца, в котором отражается конфигурация готовой детали, с поправкой на тепловую усадку заготовки;
• Изготовление восковых образцов и создание деревянной модели. Она собирается таким образом, чтобы обеспечить доставку расплава ко всем труднодоступным частям отливки;
• Создание оболочки пресс-формы, когда вся восковая модель окунается в керамическую суспензию, покрывается песчаной оболочкой и отправляется на сушку. Эти циклы повторяются до тех пор, пока не будет создана оболочка желаемой толщины, которая устанавливается по размерам и конфигурации готовой отливки. После высыхания керамической оболочки она становится достаточно прочной, чтобы удерживать расплавленный металл во время литья.
• Удаление воска, для чего вся сборка помещается в паровой автоклав, чтобы растопить практически весь воск (остатки, пропитанные керамическим составом, сжигаются в печи). Тогда же удаляются и литники;
• Расплавление и литьё. Форму предварительно нагревают до определенной температуры и заполняют расплавленным металлом, создавая металлическую отливку. С помощью процесса литья по выплавляемым моделям можно получить готовый продукт из любого сплава. В зависимости от его химического состава можно применить плавку на воздухе или в вакууме. Вакуумная плавка используется тогда, когда в сплаве присутствуют реактивные элементы.
• Заключительные операции. После того, как отливка окончательно остынет, оболочка кристаллизатора отделяется от отливки путем вытеснения. При этом отрезаются остатки каналов, литников, а, при необходимости, выполняется пескоструйная обработка, шлифовка и механическая доводка отливки до размерам, обусловленным чертежом изделия.

Технология включает стадию неразрушающего контроля, для чего используется флуоресцентный, магнитопорошковый, рентгенографический или другие методы проверки качества.

• Широкий диапазон массы получаемых отливок – от мелких до 300…350 кг.
• Универсальность и сложность формы, включая и такие, которые нельзя получить металлорежущей обработкой на станках.
• Минимизация последующей механической доводки.
• Высокая точность и низкая шероховатость готовой поверхности.

Литьё по выплавляемым моделям — хорошая альтернатива сварке, поскольку многие компоненты можно объединить в одну отливку сложной формы.

Поскольку инструмент довольно сложен в изготовлении, то данная технология полностью окупает себя в условиях серийного и массового производства.

Подбор специалистов

Эта профессия предполагает производство чугунных, стальных или цветных металлических деталей различными процессами литья, а также периодическое проведение испытаний материалов с целью обеспечения качества. Специалист современного литейного цеха – обрубщик, плавильщик, формовщик — должен знать различные типы пресс-форм и материалов, обработку литейных инструментов, химические процессы, происходящие во время литья.

Профессиональная подготовка включает в себя:

• Теоретическое профессиональное обучение;
• Практику в компании непосредственно на рабочих местах;
• Стажировку или прохождение курсов переподготовки.

Последний этап предназначается для специалистов литейного производства, желающих повысить свою квалификацию. Среди них могут быть операторы производства, инженеры, менеджеры, металлурги, персонал подразделений, обеспечивающих качество, специалисты по охране труда.

В обязательную программу подготовки или переподготовки входят:

1. Основы металлургических процессов (материалы, термодинамика).
2. Виды оборудования.
3. Вторичные металлургические процессы (заливка, перемешивание металла, охлаждение).
4. Пресс-формы, их проектирование и обслуживание.
5. Дефекты литья.
6. Моделирование литейных процессов.

Технология производства литейных форм методом послойной 3D-печати

24 Октября 2019

Денис Бычковский, к. ф.-м. н., генеральный директор ООО «Аддитивные технологии» Александр Неткачев, технический директор ООО «Аддитивные технологии»

Отечественное литейное производство является основной базой машиностроительного комплекса. Перспективы литейной отрасли определяются темпами развития машиностроения, потребностью в литых заготовках, динамикой их выпуска, уровнем развития литейных технологий и конкурентоспособностью отечественных предприятий

По данным последних лет, в России действует около 1250 предприятий, изготавливающих отливки, оборудование и сопутствующие материалы.

Однако уровень автоматизации литейного производства в нашей стране крайне низок — 78% отливок выпускаются на механизированных линиях и машинах, а также вручную.

В связи с этим разработка автоматизированных методов создания литейных форм становится одним из приоритетных направлений развития отрасли.

Проблема и решение

В транспортном машиностроении сегодня широко используются высокотехнологичные двигатели внутреннего сгорания. В их конструкцию входят сложные по форме и зачастую крупногабаритные блоки цилиндров и головки блоков цилиндров, которые изготавливаются российскими предприятиями по традиционным технологиям литья.

Первая из них — литье в одноразовые формы, сделанные вручную с помощью физических мастер-моделей. Для этого требуется длинная технологическая цепочка изготовления мастер-модели, подготовки смеси, формовка и сушка частей формы, места для хранения моделей и так далее.

Другая технология — литье в кокиль (металлическую форму) — очень затратна по времени (от 6 месяцев до 1–2 лет), трудоемка и экономически невыгодна, а кроме того, данный способ сопряжен с высоким риском брака при изготовлении кокиля. Оба подхода имеют технологические ограничения на сложность внутренней конфигурации отливки.

Применяя перечисленные технологии, невозможно или крайне затруднительно выполнить сложные каналы охлаждения, оптимизировать конструкцию и снизить припуск на последующую обработку.

Все это значительно ограничивает потенциал разработки новой продукции и осложняет выпуск новых моделей, увеличивает сроки выхода новинок на рынок и стоимость запуска в производство, что, в свою очередь, негативно сказывается на конкурентоспособности конечной продукции. Проблемы с невозможностью реализации наилучших расчетных конфигураций конструкции традиционными методами ведут к снижению эксплуатационных характеристик продукции.

В последнее время для преодоления технологических ограничений и ускорения сроков проектирования и производства мировые лидеры машиностроения активно внедряют аддитивные технологии.

Создание литейных форм методами послойного синтеза позволяет обойти технологические ограничения традиционных способов и сократить производственную цепочку, отказавшись от таких операций, как изготовление мастер-модели из металла или композитных материалов, изготовление литниковой системы и прибылей, формовка частей формы (установка мастер-модели и литниковой системы в опоку и засыпка смесью). Это приводит к сокращению времени производства и снижению на порядок стоимости формы.

Для примера рассмотрим изготовление литейного стержня для формирования внутренних каналов охлаждения двигателя различными методами (рис. 1). Как видно из приведенного примера, стоимость изготовления формы с использованием разрабатываемой технологии на три порядка меньше, чем по любой другой технологии.

Подобный экономический эффект достигается за счет того, что 3D-принтер создает литейную форму сразу по цифровой модели. Такая модель разбивается на слои и передается в 3D-принтер, в котором отвердитель наносится согласно цифровой модели литейной формы на предварительно подготовленный слой песчаной смеси.

В результате в зоне построения создается отвержденная часть песчаной смеси, точно повторяющая цифровую модель.

Изделие Объем стержня Материал Линейные размеры стержня

Литейный стержень для формирования внутренних каналов охлаждения двигателя

300 см3

удаляемый из отливки песок (гипс)

300×216×85 мм

Рис. 1. Сравнение методов изготовления литейного стержня

Технология SLA и SLS 3D-печать Станок с ЧПУ Песчано-полимерная 3D-печать

Стоимость, руб.	46560	21560	45
Время, дней	9	24	1

Рис. 2. Напечатанная форма для отливки блока головки цилиндров в сборе с литейными стержнями

Технологии печати, применяемые для производства литейных форм

Для производства литейных форм методом послойной печати предназначены технологии струйной печати и спекания плакированного песка.

Откуда идут поставки сырья и оборудования

В качестве основных химических компонентов применяются ферросплавы, соли щелочных металлов, борная кислота, бентонит и др. Основные поставщики и условия поставки представлены в таблице:

Поставщик	Наименование сырья	Ориентировочная цена
МПИ (Челябинск)	Ферросплавы	45…80 руб/кг
DOMINIK GEORG LUH TECHNOGRAFIT GMBH (Германия), Екатеринбург	Графитовые электроды	400…600 руб/т
BW KUNSTSTOFFE E.K. (Германия), Бийск, белгород	Литейные электропечи	По запросу
SMO Crl (Италия)	Пресс-формы	20000…30000
SBM InfiSPA (Италия)	Механическое и загрузочное оборудование	80000…120000

Используется отечественное сырьё, а также поставляемое из Китая, Швеции, Украины.

Источник https://milling-master.ru/litejnye/osnovnye-svedeniya-o-litejnom-oborudovanii.html

Источник https://metabo-promo.ru/metally-i-splavy/sovremennye-litejnye-tehnologii.html