Лиття по виплавлюваних моделях: технологія, переваги і недоліки

Використання виплавлюваних моделей – досить популярний спосіб ливарного виробництва. Метод відрізняється складністю технологічного процесу і високими трудовитратами на підготовчі процеси. Тому він використовується там, де необхідно точно дотримати розміри і забезпечити високу якість поверхні деталей. Так відливають турбінні лопатки і високопродуктивний інструмент, зубні протези і прикраси, а також скульптури складної конфігурації. Сутність лиття за виплавлюваними моделями полягає в тому, що форма для відливання є нероз’ємної, модель з легкоплавких матеріалів у ході формування не витягується, а виплавляється. Це забезпечує ретельність дотримання розмірів і рельєфу. У що залишилася від моделі порожнину заливається метал. По завершенні остигання форма руйнується і виріб вилучається. При виливку великих серій собівартість виробу знижується.

Переваги методу

Головний плюс лиття по виплавлюваних моделях — ретельність передачі форми та низька шорсткість поверхні. Крім того, в наявності інші переваги:

  • Доступно виробництво деталей зі сплавів, слабо піддаються механічній обробці.
  • Знижується необхідність в подальшій механічній обробці.
  • Відливаються вироби, які іншими методами довелося б виготовляти частинами і збирати воєдино.
  • При великих серіях досягається зниження питомої трудомісткості (у розрахунку на один виріб) і його собівартості.
  • Можливість механізації і часткової автоматизації підготовчих операцій самого лиття.

Ці переваги висувають метод в число найбільш популярних і застосовуваних у сьогоднішній металургії, особливо в поєднанні з сучасними прогресивними методами заливки.

Загрузка...

Недоліки лиття по виплавлюваних моделей

Безсумнівні переваги способу, здавалося б, повинні були забезпечити його домінування серед інших способів. Однак, незважаючи на популярність методу лиття по виплавлюваних моделях, недоліки стримують його широке поширення. Основний недолік полягає в складності багатоетапного технологічного процесу. Він вимагає досить складного і дорогого технологічного обладнання для підготовчих етапів. Для нескладних виробів, що випускаються невеликими серіями, даний метод має більш високу собівартість.

Для економічно ефективного застосування лиття по виплавлюваних моделях переваги і недоліки методу зіставляються, рішення про його виборі приймається на основі оцінки співвідношення ціна/якість. Тому і застосовується він в основному для найбільш відповідальних і дорогих виробів, які важко отримати іншим способом, наприклад турбінних лопаток, скульптур, високошвидкісних інструментів і т. п. Ще одна область застосування — крупносерийные виливки, на яких ефект масштабу дозволяє домогтися значного зниження собівартості.

Технологія

Технологія лиття по виплавлюваних моделях — це багатоетапний виробничий процес, який відрізняється порівняно високою трудомісткістю. На першому етапі виконують майстер-модель, вона стане еталоном для виготовлення робочих моделей і після проходження всіх етапів кінцевого виробу. Для виробництва майстер-моделі використовують як спеціальні модельні склади, так і традиційні — гіпс або дерево. Матеріал майстер-моделі повинен поєднувати в собі міцність і легкість обробки.

Далі технологія лиття по виплавлюваних моделях передбачає створення прес-форми, в яку і будуть відливатися всі робочі моделі. Прес-форми виготовляють з гіпсу, гуми, силікону, рідше з металу. Конструктивно вона повинна обов’язково бути роз’ємною і розрахована на багаторазове використання. Прес-форму заповнюють модельним складом, після його затвердіння її розбирають і витягують чергову робочу модель.

При виробництві унікальних деталей або невеликих тиражів етапи створення майстер-макету та прес-форми пропускають, а макет (або кілька) роблять, формуючи матеріал вручну.

Наступний етап процесу лиття по виплавлюваних моделях — виготовлення навколо макета (або блоку макетів) отливочной форми. Ці матриці конструктивно вже нерозбірні й одноразові, що дозволяє домогтися старанності дотримання розмірів і шорсткості вироби. В сучасній промисловості застосовуються два види форм — традиційні піщано-глиняні для лиття в землю і оболонкові форми — для виробництва точних і дорогих деталей.

Після завершення форми макет з неї виплавляють шляхом нагрівання або продування перегрітою парою. Оболонкові форми додатково зміцнюють шляхом прогріву до 1000 С.

У фінальний етап процесу входить власне заливка виробу, його охолодження в природних умовах або за спеціальною методикою в термостаті, руйнування форми і очищення вироби. Спосіб дозволяє отримувати високоякісні виливки вагою від декількох грамів до десятків кілограмів.

Модельні склади

Матеріал для виробництва макету повинен володіти певними властивостями. Він повинен мати такі властивості, як:

  • Пластичність у твердій фазі. Необхідна для точного повторення форми майбутнього виробу і корекції його при необхідності.
  • Міцність. Модель повинна витримувати без деформацій процес формування форми навколо неї.
  • Легкоплавкість. Витоплювання моделі не повинно вимагати великих затрат часу та енергії.
  • Плинність у розплавленому стані. Склад повинен легко проникати у всі поглиблення і деталі рельєфу, точно повторюючи контури майбутньої деталі.
  • Економічність. Особливо важлива для виробництва великих серій.

Для модельних складів зазвичай використовують суміш стеарину і парафіну. Ці матеріали вдало доповнюють параметри один одного, компенсуючи недостатню температуру плавлення парафіну і надмірну в’язкість стеарину.

Не менш популярними в промисловості є сполуки на основі воску буровугільного. Головні його властивості — це вологостійкість, міцність і можливість утворювати дуже гладкі покриття, що особливо цінно для моделювання виробів.

Використовуються також і склади, що складаються із суміші буровугільного воску, парафіну і стеарину.

Загрузка...

Виготовлення прес-форм

Для виробництва унікальних виробів макет готують, вирізаючи з шматка модельного матеріалу вручну або за шаблонами. Моделі, які мають форму тіл обертання, виготовляють також на токарних верстатах. Останнім часом отримує все більш широке поширення метод 3D-друку моделей. Він підходить як для одиночних макетів, так і для невеликих серій.

Вартість сучасного промислового 3D-принтера все ще висока, однак завдяки легкості перенастроювання з одного виробу на інший він може стати ефективним інструментом виготовлення моделей у разі великої кількості різнорідних замовлень малих серій.

Для того щоб виготовити велику кількість однакових макетів, матрицю виготовляють з гіпсу, гуми, силікону або металу. Робочі макети виробляють, в свою чергу, шляхом виливки в матрицю. По конструкції прес-форма повинна бути обов’язково розбірний, щоб забезпечити можливість виготовлення заданої кількості моделей. Обраний матеріал повинен забезпечувати таку можливість, тому до нього пред’являються такі вимоги, як міцність, щільність, низька шорсткість, хімічна інертність по відношенню до макету. Речовина прес-форми повинен також володіти мінімальною адгезією до макету для забезпечення легкості отримання готових макетів та додержання розмірів. Важлива властивість прес-форми — її міцність і зносостійкість, особливо при великих серіях.

Виготовлення моделей і блоків

Широко поширений спосіб виготовлення виплавлюваних моделей — відливка їх під малим тиском в прес-форми. Нагнітання рідкої суміші здійснюється як вручну, з допомогою поршневих шприців, так і механічними, гідравлічними або пневматичними нагнітачами. У разі застосування воску буровугільного потрібно підігрівати трубопроводи подачі складу через його високої в’язкості. Макети з спіненого полістиролу виготовляють методом екструзії на автоматизованих формувальних агрегатах.

Для підвищення економічної ефективності та зниження трудомісткості у разі серійного виробництва невеликих виливків їх макети об’єднують в блоки. Над блоками формують ливникові системи, приєднуючи окремі макети до литникам допомогою ручного паяльника. У разі одиничних виливків або малих серій моделі виготовляють вручну.

При формуванні ливникових систем необхідно забезпечити не турбулентний плин розплаву, рівномірне заповнення всіх елементів матриці. При набиванні форми з ПГС потрібно також стежити за рівномірним заповненням усіх отворів між литниками і недопущенням їх пошкодження.

Виготовлення форми

У розглянутому способі лиття по виплавлюваних моделях зустрічається два основних види форм:

  • Піщано-глиняні суміші (ПГС).
  • Оболонкові.

Форми для лиття по виплавлюваних моделях з ПГС застосовують здебільшого при виробництві невеликих серій виробів, що не вимагають високої точності. Процес їх виготовлення досить трудомісткий і вимагає високої, а часто — унікальної кваліфікації модельщиков і формувальників. Часткової механізації піддаються лише окремі операції, такі як приготування і засипка формувальної суміші, її ущільнення.

Оболонкові форми, навпаки, застосовуються для випуску деталей, що вимагають особливої точності виготовлення. Процес їх виготовлення більш складний і тривалий, але краще піддається механізації.

Лиття в землю

Це найбільш ранній освоєний людством спосіб обробки металів. Він освоєний нашими предками одночасно з початком застосування металевих виробів в якості зброї, інструментів або начиння, тобто близько 5 тисяч років тому. Відливають розплавлений метал у підготовлену матрицю з суміші піску і глини. Найперші місця обробки металів як раз виникали там, де поруч розміщувалися поклади металів у вигляді самородків і розсипів. Характерний приклад — всесвітньо відомий своїм чавунним мереживним литтям Каслинский завод на Уралі.

Спосіб лиття по виплавлюваних моделях застосовується для виготовлення металевих виробів — як чорних, так і кольорових. І тільки для металів, що проявляють підвищену схильність до реакції у рідкій фазі (таких як титан), доводиться робити матриці з інших складів.

Виробничий процес лиття в ПГС складається з наступних фаз:

  • виготовлення моделі;
  • підготовка опоки;
  • засипка та ущільнення суміші в опоці;
  • відливання металу;
  • витяг і очистка виливки.

Форма з ПГС — одноразового застосування. Щоб дістати готовий виріб, її доведеться розбити. У той же час велика частина суміші доступна для вторинного застосування.

В якості матеріалів для ПГС застосовують склади з переважно кварцових пісків різної зернистості і пластичних глин, вміст яких коливається від 3 до 45 відсотків. Так, наприклад, художні виливки виробляють з використанням суміші з 10-20 % вмістом глини, для особливо великих виливків вміст глини доводять до 25 %.

Застосовують два підвиди:

  • Облицювальні суміші. Знаходяться на внутрішній поверхні форми і взаємодіють з розплавленим металом. Повинні бути жаростійкими, здатними не руйнуватися від різниці температур та виникаючих внаслідок цього напруг. У таких сумішей дрібне зерно, щоб ретельно передати деталі поверхні. Досить значима і здатність суміші до газопропусканию.
  • Наповнювальні суміші. Застосовуються для засипки між лицювальним шаром і стінками опоки. Повинні протистояти вазі залитого металу, зберігати форму виробу і сприяти своєчасному та повного відведення газів. Виробляються з більш дешевих сортів піску, підлягають повторному використанню.

Якщо ж ливарні гази виходять не через маси формувальної суміші, а через ливникову систему, в литві виникають дефекти, які ведуть до шлюбу.

Традиційна технологія лиття в землю детально проілюстрована в стрічці А. Тарковського «Андрій Рубльов». У новелі «Дзвін» юнак Бориска, син померлого майстра, за сюжетом очолює ливарну артіль і відливає церковний дзвін.

Лиття в оболонкові форми

Спосіб лиття в оболонкових формах по виплавлюваних моделях характеризується найкращою передачею розмірів виробу і низькою шорсткістю поверхні. Модель робиться з легкоплавких сполук, наприклад воску буровугільного. На ливарних підприємствах також широко застосовують складу парафін-стеарин в рівних частках. У разі великих розмірів виливків в модельний матеріал включають солі, оберігають макет від деформацій. Способом занурення в розчин модель покривають у 6-10 шарів високотемпературної суспензією.

Сполучною виступають гидролизованные силікати, як жаростійкої обсипання беруть кристалики електрокорунду або кварцу. Матеріали для виробництва оболонкових форм відрізняються високою міцністю, низькою гігроскопічністю і відмінною газопроникність.

Макет сушать в атмосфері газоподібного аміаку. На наступному етапі форму прогрівають до 120 С, щоб видалити парафінову модель. Залишки суміші видаляють перегрітою парою під великим тиском. Далі форму прожарюють при температурі до 1000 С, що веде до її остаточного закріплення і видалення речовин, які можуть виділитися у вигляді газів у процесі відливання.

Оболонку поміщають в подобу опоки, яку засипають сталевим дробом. Це допомагає зберегти конфігурацію при заповненні форми розплавом і одночасно поліпшує умови охолодження виливки. Заливання розплаву відбувається в розігріті до 1000 З форми. Після охолодження виробу за спеціальною програмою в термостаті форму руйнують, виймають і очищають виливок.

Головне достоїнство цього методу лиття — висока точність передачі розмірів виробу і низька шорсткість поверхні.

Додаткові плюси методу:

  • Відливання деталей зі сплавів, що погано піддаються механічній обробці.
  • Виливок виробів, які інакше доведеться відливати по частинах і далі збирати воєдино.

Недоліки цього способу лиття по виплавлюваних моделях – малий коефіцієнт використання металу і підвищена трудомісткість.

Точне лиття

Точне лиття по виплавлюваних моделях — так називають і технологію, і саму кінцеву продукцію. Висока точність лиття забезпечується тим, що в процесі підготовки форми немає необхідності отримувати з неї макет виробу. При використанні традиційного методу виробництво матриці для відливання – складний і досить складний багатоетапний процес. Особливо це актуально у випадку виливки деталей складної конфігурації, з виїмками, западинами і внутрішніми порожнинами.

Наприклад, при виливку чавунної або мідної вази, що має змінну кривизну поверхні, доводиться застосовувати чимало хитрощів. Так, спочатку набивають нижню половину опоки, потім модель витягують, перевертають і трамбують верхню половину. Модель доводиться робити складовою, ручки вази виконують з двох елементів, їх витягують через модельну порожнину в два прийоми — спочатку нижній елемент, потім верхній. Всі ці численні перевертання і протягування не можуть позитивно впливати на цілісність поверхні форми і в кінцевому рахунку на точність дотримання розмірів виливки і якості її поверхні. Крім того, залишається проблема точного поєднання частин опок та надійного кріплення їх один до одного.

Виготовлення лиття по виплавлюваних моделях позбавлене цих недоліків, воно не вимагає настільки високої кваліфікації модельщиков і істотно скорочує трудомісткість підготовчих до лиття операцій. Особливо яскраво це проявляється при великих тиражах виливків.

Метод дозволяє досягати 2-5-го класу точності за ГОСТ 26645-85. Це дозволяє відливати такі високоточні вироби, як турбінні лопатки, ріжучий інструмент, включаючи високопродуктивні фрези і свердла, відповідальні високонавантажених кронштейни, невеликі високонавантажених деталі транспортних засобів, верстатів і інших складних механізмів.

Висока точність дотримання розмірів і високий клас поверхні зводять до мінімуму потребу в подальшій механічній обробці виливки, що дозволяє економити метал і знижувати собівартість продукції.

Обладнання

Обладнання для лиття за виплавлюваними моделями потрібно різноманітне й складне. Підприємства об’єднують їх в єдиний і злагоджено працюючий комплекс, організований в якості ділянки, цеху або окремого виробництва.

Склад комплексу залежить від масштабів виробництва, розмірів, конфігурації і тиражу виливків.

Так, у виробництві зубних протезів та ювелірних прикрас до складу обладнання увійдуть:

  • модельний стіл;
  • муфельна піч з термостатом;
  • набір скальпелів і шпателів для корекції форми моделі;
  • формувальна дошка;
  • опока;
  • ємності для зберігання і приготування формувальної суміші;
  • набір інструментів для трамбування формувальної суміші;
  • тигель для плавлення металу;
  • щипці;
  • молоток для розбивання форми.

Цей виробничий комплекс легко вміститься на одному столі і в одній шафі. Якщо ж планується серійне виробництво, наприклад, алюмінієвих виливків — деталей якого-небудь приладу, то буде потрібно устаткування для:

  • формування та заливки керамічних форм;
  • сушіння форм;
  • виплавлення модельного матеріалу і нанесення вогнетривкого шару;
  • очищення виливків від формувального матеріалу.

Ну і нарешті власне обладнання ливарного комплексу, призначене для отримання розплаву і заливання його в форму. Це може бути обладнання для лиття:

  • під низьким тиском;
  • відцентрового;
  • звичайним гравітаційним способом.

Установки для лиття під тиском і відцентрового лиття являють собою окремий високомеханізований і автоматизований виробничий комплекс, ізольована від атмосфери цеху. У них зведено до мінімуму ручну працю і знаходження людини у шкідливих умовах. Герметичні камери, в яких розміщені комплекси, що забезпечують повно уловлювання і очищення відхідних газів, що значно підвищує екологічність підприємства.

Лиття по виплавлюваних моделях має досить високий потенціал для розвитку, особливо в поєднанні з прогресивними способами виготовлення форм і методами заливки.

Загрузка...