Литье по выплавляемым моделям: технология, преимущества и недостатки

Использование выплавляемых моделей – достаточно популярный способ литейного производства. Метод отличается сложностью технологического процесса и высокими трудозатратами на подготовительные процессы. Поэтому он используется там, где необходимо точно соблюсти размеры и обеспечить высокое качество поверхности деталей. Так отливают турбинные лопатки и высокопроизводительный инструмент, зубные протезы и украшения, а также скульптуры сложной конфигурации. Сущность литья по выплавляемым моделям состоит в том, что форма для отливки является неразъемной, модель из легкоплавких материалов в ходе формовки не извлекается, а выплавляется. Это обеспечивает тщательность соблюдения размеров и рельефа. В оставшуюся от модели полость и заливается металл. По завершении остывания форма разрушается и изделие извлекается. При отливке больших серий себестоимость изделия снижается.

Преимущества метода

Главный плюс литья по выплавляемым моделям — тщательность передачи формы и низкая шероховатость поверхности. Кроме того, в наличии другие достоинства:

Доступно производство деталей из сплавов, слабо подверженных механической обработке.
Снижается необходимость в дальнейшей механической обработке.
Отливаются изделия, которые иными методами пришлось бы изготавливать частями и собирать воедино.
При крупных сериях достигается снижение удельной трудоемкости (в расчете на одно изделие) и его себестоимости.
Возможность механизации и частичной автоматизации подготовительных операций самого литья.

Эти достоинства выдвигают метод в число наиболее популярных и применяемых в сегодняшней металлургии, особенно в сочетании с современными прогрессивными методами заливки.

Конструирование деревянных моделей

Чем же отличаются модельный комплект и отливка? Всё очень просто. Модель имеет стержневые знаки-выступающие части. Чтобы при извлечении модели форма не разрушалась, вертикальные стенки модели делают с уклонами (1-3 градуса). Модель также имеет галтели и закругления. Галтели — скругление внутренних углов. Закругления- скругления наружных углов. Вычисляются по формуле:

где, a,b-толщины двух стенок.

Модель отливки должна быть больше отливки на величину усадки.

Усадка — уменьшение объёма металла при затвердевании. Также как и на отливки, на модели должен присутствовать припуск на механическую обработку.

Припуск — это слой металла, который удаляется при механической обработке. Наибольший припуск назначают на верхнюю часть отливки, т.к. она наиболее загрязнена. При ручной формовке припуск всегда больше чем при машинной. Чертёж модели получается из чертежа детали путём добавления вышеизложенных параметров (припуски, галтели, плоскость разъёма, поверхность разъёма, контуры стержневых знаков).

Рис. 1 — чертёж детали

Рис. 2 — чертёж отливки

Любые модельные комплекты проходят операцию окрашивания. Она проходит в несколько этапов: грунтовка, шпаклевка, лакировка и шлифовка. Для чего же нужно окрашивание модели ? Это необходимо для предохранения от влаги, повышения поверхностной прочности,уменьшение шероховатости поверхности, а также для уменьшения прилипаемости к формовочной и стержневой смеси.

Недостатки литья по выплавляемым моделям

Несомненные преимущества способа, казалось бы, должны были обеспечить его доминирование среди других способов. Однако, несмотря на популярность метода литья по выплавляемым моделям, недостатки сдерживают его широкое распространение. Основной недостаток заключается в сложности многоэтапного технологического процесса. Он требует достаточно сложного и дорогостоящего технологического оборудования для подготовительных этапов. Для несложных изделий, выпускаемых небольшими сериями, данный метод имеет более высокую себестоимость.

Для экономически эффективного применения литья по выплавляемым моделям преимущества и недостатки метода сопоставляются, решение о его выборе принимается на основе оценки соотношения цена/качество. Поэтому и применяется он в основном для самых ответственных и дорогостоящих изделий, которые затруднительно получить другим способом, например турбинных лопаток, скульптур, высокоскоростных инструментов и т. п. Еще одна область применения — крупносерийные отливки, на которых эффект масштаба позволяет добиться значительного снижения себестоимости.

Пластмассовые модели

Пластмассовые модели нашли широко применение в литейном производстве. Это обусловлено высокой коррозионной стойкостью, меньшей массой, большей прочностью чем деревянные. К подобным моделям меньше прилипает формовочная и стержневая смесь. Пластмассовые модели легче и дешевле изготовить чем какие-либо другие. Для изготовления моделей применяют различные пластмассы на основе фенолформальдегидных, полиэфирных, эпоксидных смол.

Тонкостенные модели упрочняют рёбрами жёсткости. В местах соединения рёбер жесткости и стенок выполняют галтели. Крупные тонкостенные модели армируют деревянными или металлическими элементами.

Технология

Технология литья по выплавляемым моделям — это многоэтапный производственный процесс, который отличается сравнительно высокой трудоемкостью. На первом этапе выполняют мастер-модель, она станет эталоном для изготовления рабочих моделей и после прохождения всех этапов конечного изделия. Для производства мастер-модели используют как специальные модельные составы, так и традиционные — гипс или дерево. Материал мастер-модели должен сочетать в себе прочность и легкость обработки.

Далее технология литья по выплавляемым моделям предусматривает создание пресс-формы, в которую и будут отливаться все рабочие модели. Пресс-формы изготавливают из гипса, резины, силикона, реже из металла. Конструктивно она должна обязательно быть разъемной и рассчитанной на многократное использование. Пресс-форму заполняют модельным составом, после его отвердения ее разбирают и извлекают очередную рабочую модель.

При производстве уникальных деталей или небольших тиражей этапы создания мастер-макета и пресс-формы пропускают, а макет (или несколько) делают, формуя материал вручную.

Следующий этап процесса литья по выплавляемым моделям — изготовление вокруг макета (или блока макетов) отливочной формы. Эти матрицы конструктивно уже неразборные и одноразовые, что позволяет добиться тщательности соблюдения размеров и шероховатости изделия. В современной промышленности применяются два вида форм — традиционные песчано-глиняные для литья в землю и оболочковые формы — для производства точных и дорогостоящих деталей.

После завершения формы макет из нее выплавляют путем нагрева или продувки перегретым паром. Оболочковые формы дополнительно укрепляют путем прогрева до 1000 ˚С.

В финальный этап процесса входит собственно заливка изделия, его охлаждение в естественных условиях либо по специальной методике в термостате, разрушение формы и очистка изделия. Способ позволяет получать высококачественные отливки весом от нескольких грамм до десятков килограмм.

Способ изготовления литейных моделей

Использование области литейного производства, а именно, в способах изготовления литейных моделей, предназначенных для получения литейных форм для металлических отливок. Сущность: способ изготовления литейных моделей включает формирование материала модели путем изготовления отдельных элементов, склеивания отдельных элементов до получения заготовки и механическую обработку склеенной заготовки до заданных размеров литейной модели. В качестве материала модели используют термопластичный полимер на основе стирола или его производных или его смесь с порошкообразным наполнителем с содержанием последнего до 50% об., а отдельные элементы изготовляют в виде типовых элементов, одинаковых по форме и размерам, путем прессования, при этом прессформу предварительно нагревают, а материал модели в процессе прессования используют подогретым до температур, соответственно в 1,8 — 2 и 1,8 — 1,9 превышающих температуру размягчения по Вика используемого термопластичного полимера.

Изобретение относится к области литейного производства, а именно к способам изготовления литейных моделей, предназначенных для получения литейных форм для металлических отливок. Металлические отливки (литые заготовки) по размерам и конфигурации в наибольшей мере приближаются к готовым деталям машин и агрегатов, что позволяет быстро и с небольшими затратами получать детали различных размеров, геометрических форм и развесов с высокими механическими и эксплуатационными свойствами. Качество литых заготовок точность и чистота поверхности, а также технико -экономические показатели их производства во многом зависят от качества литейной модели, материала и способа ее изготовления.

Известен способ изготовления литейных моделей из полимерного материала согласно (В.В. Васильев, Б.П. Машков и др. Прогрессивные способы производства моделей, Донецк: изд. Донбасс, 973, с. 18-2). Указанный способ включает изготовление мастер-модели из древесины или гипса, получение по мастер -модели формы для отливки модели (предпочтительно форму изготавливают из гипса), заливку в полученную форму полимерного материала модельного компаунда на основе эпоксидной смолы в сочетании с наполнителями, отверждение эпоксидного компаунда при комнатной температуре в течение 16-24 ч, извлечение отверждаемой модели из формы, отделку поверхности модели (зачистка, исправление дефектов) и термическую обработку модели в течение примерно 60 ч (в том числе выдержку при 50oC в течение 24 ч).Модели, полученные из эпоксидных компаундов согласно описанному способу, обладают по сравнению с деревянными моделями более высокой износостойкостью, имеют более высокую точность и не нуждаются в механической обработке. Они не подвержены короблению, разбуханию, гниению, сравнительно легко ремонтируются. Число съемов полуформ с эпоксидных моделей составляет порядка 2000 при ручной формовке.Однако способ изготовления приготовления эпоксидных моделей длителен и многостадиен, что снижает технико-экономические показатели процесса и удорожает сами модели. Отработанная модель в литейном производстве, как правило, не утилизируется. Кроме того, серьезным недостатком способа является, то что используемые эпоксидные смолы оказывают вредное воздействие на кожу и слизистые оболочки работающих с ними людей. Усложняет процесс также необходимость тщательной подготовки используемых компонентов эпоксидного компаунда, так, например, из всех компонентов должна быть тщательно удалена влага, наполнители должны быть просушены до влажности не более 7% Это связано с тем, что высокая влажность тормозит отверждение компаунда.Известен также способ изготовления литейных моделей, включающий изготовление мастер-модели из древесины или гипса, изготовление по мастер-модели формы для отливки модели (предпочтительно форму получают из гипса) и формирование модели из полимерного материала путем заливки в полученную форму акриловой самоотвердеющей пластмассы, отверждения акриловой пластмассы при 24oC в течение 2-3 ч, извлечение отвержденной модели из формы и отделку поверхности полученной модели зачистка, исправление дефектов (В.В.Балабин. Модельное производство. М: Машиностроение, 1970, с. 146-154). Акриловые самотверждеющие пластмассы, используемые как модельные составы, получают смешиванием жидких и порошкообразных компонентов, например стиракрила TШ или акрилата ACT-T. Порошок стиракрила TШ смесь 99% сополимера метилмекрилата со стиролом и 1% перекиси бензоила; жидкость стиракрила TШ -смесь 99% метилметакрилата и 1% диметиланилина. Порошок акриалата АСТ-Т-смесь 97% полиметилметакрилата, 1,5% окиси цинка и 1,5% перекиси бензоила; жидкость акрилата ACT-T смесь 97% метилметакриала и 3% диметиланилина. заливка модельного состава в форме должна осуществляться через 10-15 мин после смешения компонентов.Процесс по описанному способу значительно сокращает время изготовления литейных моделей ввиду быстрого отверждения акриловых пластмасс и отсутствия длительной стадии термообработки модели. Кроме того, используемые акриловые самоотверждающиеся пластмассы значительно менее токсичны, чем эпоксидные смолы, что значительно улучшает условия труда, по сравнению с процессом изготовления моделей из эпоксидных смол. Количество съемов полуформ с модели из акриловых пластмасс составляет около 800 (при ручной формовке).Однако этот способ получения литейных моделей остается достаточно длительным, он многостадиен и трудоемок, и, кроме того, модели из акриловых отверждаемых пластмасс после выработки ресурса использования практически не утилизируются из-за отсутствия технологии переработки отвержденных акриловых пластмасс.Наиболее близким к заявляемому способу по совокупности существенных признаков является способ изготовления литейных моделей из древесины, включающий сушку древесины, формирование материала модели (древесины) путем раскроя пиломатериалов на заготовки, строжки и выпиливания (изготовления) отдельных элементов из заготовок, склеивание отдельных элементов до получения заготовки модели и механическую (фрезерную или токарную) обработку склеенной заготовки до заданных размеров литейной модели с последующей отделкой и окраской полученной модели (В.А.Васильев, Б.П.Машков и др. Прогрессивные способы производства моделей. Донецк: изд. Донбасс, 1973, с. 15-18). Отдельные элементы зготовляют максимально приближенными по размерам к литейной модели; они практически воспроизводят фрагменты модели (ее поверхности) в отдельных последовательно расположенных точках объема модели; при изготовлении крупногабаритных моделей требуется соединение отдельных элементов механически гвоздями, шурупами, скобами и др.Получаемые по способу-прототипу деревянные модели используются при индивидуальном, мелкосерийном и серийном производстве металлических отливок. Древесина достаточно легко поддается обработке и стоимость ее невелика.Однако способ получения литейных моделей по способу-прототипу является длительным, сложным и трудоемким, поскольку включает в себя продолжительную стадию сушки древесины, дополнительные стадии раскроя пиломатериалов, отделку и окраску полученной модели, а изготовление отдельных элементов точных размеров является сложной и трудоемкой операцией, особенно при изготовлении моделей сложного профиля или с тонкими ребрами; в последнем случае многие операции не поддаются механизации и осуществляются вручную, что обусловлено анизотропией свойств древесины. Кроме того, получаемые литейные модели из дерева быстро изнашиваются, деформируются (они склонны к короблению и разбуханию) и не обеспечивают высокой точности размеров отливок. При нашим данным число съемов полуформ по деревянным моделям составляет не более 50-70, после чего модели становятся непригодными к эксплуатации и подлежат уничтожению, так как утилизировать их по экономическим соображениям нецелесообразно. В период эксплуатации необходимо поддерживать определенный режим хранения модели, поскольку дерево гигроскопично и подвержено воздействию биологических факторов (гниет, плесневеет).Технический результат, достижение которого обеспечивает настоящее изобретение, заключается в сокращении продолжительности процесса, упрощении, снижении трудоемкости, увеличении срока службы получаемых литейных моделей и обеспечении возможности утилизации отработанных моделей.Указанный технический результат достигается тем, что в способе изготовления литейных моделей, выключающем формование материала модели путем изготовления отдельных элементов, склеивание отдельных элементов до получения заготовки и механическую обработку склеенной заготовки до заданных размеров литейной модели, в качестве материала модели используют термопластичный полимер на основе стирола или его производных или его смесь с порошкообразным наполнителем с содержанием последнего до 50% об. а отдельные элементы изготовляют в виде элементов, одинаковых по форме и размерам, путем прессования, при этом прессформу предварительно нагревают, а материал модели в процессе прессования используют подогретым до температур, соответственно в 1,8 -2,1 и 1,8 1,9 превышающих температуру размягчения по Вика используемого термопластичного полимера.По заявляемому способу в качестве термопластичного полимера на основе стирола или его производных могут использоваться полистирол общего назначения, ударопрочный полистирол, сополимеры стирола с акрилонитрилом (CAH), стирола с акрилонитрилом и метилметакрилатом (MCH), стирола с метилметакрилатом (MC), акрилонитрилбутадиенстирольные сополимеры (ABC-сополимеры), сополимеры стирола с полибутадиеном и метилметакрилатом (МБС-сополимеры) и полимеры на основе производных стирола, например винилтолуола, такие как поливинилтолуол, ударопрочный поливинилтолуол и др. При этом могут использоваться как кондиционные полимеры, так и отходы этих полимеров, образующиеся при их синтезе и переработке.В качестве порошкообразных наполнителей используются обычно применяемые в композициях с термопластичными полимерами минеральные и органические наполнители, такие как тальк, кварцевая мука, гипс, древесная мука и др. При этом размер частиц наполнителя не должен превышать 200 мкм.Содержание наполнителя в смеси с термопластичным полимером составляет не более 50% объемных, так как большее его содержание приводит к разрушению модели при механической обработке.Типовые элементы для литейных моделей одного вида изготавливают одних и тех же размеров и формы. Наиболее предпочтительны типовые элементы в виде параллелепипеда. При изготовлении моделей, близких по форме к телам вращения, возможно изготовление типовых элементов в виде цилиндра. Склеенная из таких одинаковых типовых элементов заготовка приблизительно повторяет заданную форму литейной модели. Путем механической обработки склеенной заготовке придают строго фиксированную геометрическую форму поверхности, соответствующую заданной поверхности литейной модели.При изготовлении типовых элементов заготовки загрузка термопластичного полимера или его смеси с наполнителем производится в предварительно нагретую пресс-форму путем заполнения пресс-формы расплавом термопластичного полимера из шнек-машины, или путем послойной загрузки термопластичного полимера или его смеси с наполнителем в нагретую пресс-форму с расплавлением каждого слоя. Введение наполнителя в термопластичный полимер может осуществляться при загрузке пресс-формы опудриванием каждого слоя полимера, помещенного в пресс-форму. При послойной загрузке пресс-форма выдерживается в течение 30-40 мин при температуре, равной температуре прессования, для каждого загруженного слоя.В соответствии с настоящим изобретение загрузка термопластичного полимера или его смеси с наполнителем производится в пресс-форму, предварительно нагретую до температуры в 1,8-2,1 раза выше температуры размягчения (по Вика) термопластичного полимера, а затем осуществляется прессование расплава термопластичного полимера или его смеси, имеющих температуру в 1,8-1,9 раза выше температуры размягчения (по Вика) термопластичного полимера. Подпрессованную массу оставляют остывать под действующей нагрузкой в течение 4-24 ч. Удельное давление прессования должно составлять 180-200 кгс/см2 (18-20 МПА). Если загрузка в пресс-форму и/или прессование производится при температурах ниже или выше указанного температурного интервала, то при извлечении отпрессованного типового элемента заготовки на его поверхности наблюдаются каверны, трещины, возникающие вследствие термических напряжений (при пониженных температурах) или крупные и мелкие поры, образующиеся в результате повышенного газообразования в массе полимера (при повышенных температурах). Склеивание отпрессованных типовых элементов заготовок осуществляют с помощью растворителей, хорошо растворяющих полимер, из которого изготовлены типовые элементы, или с помощью клеев, обычно используемых для склеивания полимеров на основе стирола.Механическую обработку склеенной заготовки резание, фрезерование, расточку и др. целесообразно осуществлять на станках с ЧПУ. После механической обработки полученная модель не требует шлифования или какой-либо иной дополнительной обработки поверхности и может сразу использоваться для получения литейных форм. Это связано с тем, что при скоростной механической обработке поверхность модели оплавляется и становится гладкой.Отработанные литейные модели из термопластичного полимера на основе стирола или его смеси с наполнителем можно легко утилизировать путем их измельчения с помощью дробилки. Полученные дробленые отходы можно снова использовать при изготовлении новых типовых элементов заготовки модели. Таким же образом могут утилизироваться отходы, полученные при механической обработке склеенной заготовки. Отработанная линейная модель (исчерпавшая свой ресурс, поврежденная или не предназначенная для дальнейшего использования) может быть принята за основу при изготовлении литейной модели. С этой целью от отработанной модели с помощью нагретой до 200-240oC стальной или нихромовой струны диаметром 0,2-0,5 мм отрезают лишние и геометрически нестыкующиеся элементы, а оставшаяся часть модели дополняется путем склеивания с новыми типовыми элементами.Изобретение иллюстрируется нижеследующими примерами.Пример 1.В муфельную печь, нагретую до 170oC, помещают две одинаковые металлические пресс-формы, имеющие внутренние размеры 210х110х200 мм, и столько же пуансонов к ним. Пресс-формы и пуансоны выдерживают при 170oC в течение 1 ч. После этого пресс-формы по очереди извлекают из печи и заполняют первым слоем гранул ударопрочного полистирола марки УПС-0803Э (по ГОСТ 28250-89) с температурой размягчения по Вика (Тразм.) 91oC, после чего их снова ставят в печь. После выдержки в печи при температуре 170oC в течение 35 мин пресс-формы снова вынимают из печи и заполняют следующим слоем гранул ударопрочного полистирола, повторная операция заполнения пресс-формы очередным слоем гранул и нагрева до 170oC (температура пресс-формы равна 1,87 Тразм.) до тех пор, пока уровень полимера в пресс-форме не достигнет высоты на 1,5 см ниже края пресс-формы. Через 35 мин после последней выдержки в печи в каждую пресс -форму устанавливают нагретой до 170oC пуансон и пресс-формы транспортируют под пресс. Расплав ударопрочного полистирола имеет температуру 170oC (1,87 Тразм). Удельное давление прессования составляет 18,0 МПа. Пресс -формы оставляют остывать под действующим давлением в течение 20 ч. Холодные пресс -формы извлекают из-под пресса и разбивают. Полученные типовые элементы заготовки модели имеют размеры 210х110х170 мм; типовые элементы склеивают, обрабатывая склеиваемые поверхности кистью, смоченной в толуоле, прикладывая их друг к другу и прижимая с усилием 20 кг. Выдержка «под гнетом» составляет 24 ч.Склеенную заготовку обрабатывают на стенке с ЧПУ до заданных размеров и получают литейную модель «планка пробная». Литейная модель имеет гладкую поверхность и не требует дополнительной обработки.Полученная модель из ударопрочного полистирола использовалась для изготовления литейных форм по известной традиционной технологии. Количество съемов полуформ с модели составляет 1200.Пример 2.Процесс изготовления модели осуществляют как в примере 1, но в качестве термопластичного полимера используют АБС-сополимер марки АБС-Б1501 (ТУ 6= 05-2037-87) с Тразм.=97oC. Пресс-форму нагревают до температуры 184oC (1,9 Тразм.); температура расплава полимера перед прессованием 184oC (1,9 Тразм.).Количество съемов полуформ с полученной литейной модели из АБС-сополимера составляет 1500.Пример 3.Пресс изготовления модели осуществляют как в примере 1, но в качестве полимерного материала используют смеси УПС-0803Э с 10% об.кварцевого песка.Tразм. смеси составляет 91oC.Пресс-форму нагревают до температуры 164oC (1,8 Tразм.).Температура расплава полимера перед прессованием 165oC (1,8 Tразм.).Количество съемов полуформ с полученной литейной модели из указанной смеси составляет 1200.Пример 4.Процесс изготовления модели осуществляют как в пример 1, но в качестве полимерного материала используют смесь УПС-0803Э с 50% об. талька.Tразм. смеси составляет 89oC.Пресс-формы нагревают до температуры 169oC (1,9 Tразм.).Температура расплава полимера перед прессованием 169oC (1,69 Tразм.).Количество съемов полуформ с полученной литейной модели составляет 1150.Пример 5.В муфельную печь, нагретую до 210oC, помещают металлические пресс-формы и пуансоны к ним, как описано в примере 1, и выдерживают при этой температуре 40 мин. Параллельно в экструзионный агрегат, снабженный плоскощелевой головкой, загружают гранулы АБС-сополимера марки АБС-2020 (ТУ 6-05-1587-84), имеющего Tразм., и нагревают его в соответствии со следующим температурным режимом: температура I зоны 160oC температура II зоны 180oC температура III зоны 200oC температура на головке 190oC Нагретую до 210oC (2,1 Tразм.) пресс-форму вынимают из печи, устанавливают на подвижную платформу, совершающую плавное возвратно-поступательное движение, и заполняют расплавом АБС-сополимера, свободно поступающим из плоскощелевой головки экструдеров в плоскости, перпендикулярной направлению движения платформы с пресс-формой. Во время заполнения пресс-формы расплавом в экструзионном агрегате поддерживается указанный выше температурный режим. Температура расплава АБС-сополимера составляет 190oC(1,9 Tразм.). После заполнения пресс-формы в нее устанавливается вынутый из печи пуансон с температурой 210oC и пресс-форма транспортируется под пресс. Удельное давлением прессования 20 МПа. На платформу устанавливается очередная пресс-форма и производится ее заполнение. Все дальнейшие операции процесса изготовления литейной модели осуществляются как в примере 1. Количество съемов полуформ с полученной модели из АБС-сополимер составляет 1500.Пример 6.Процессор осуществляют аналогично примеру 5, но в качестве полимерного материала используют МБС-сополимер марки МСП-513 (ТУ 6-05-1966-84) с ToC.Пресс-формы нагревают до температуры 180oC (2,0 Tразм.).Температура расплава МБС -сополимера, поступающего из плоско -щелевой головки экструдера составляет 170oC (1,9 Tразм.).Количество съемов полуформ с полученной модели из МСБ-сополимера составляет 1500.Пример 7.Для изготовления литейной модели используют отработанную модель из ударопрочного полистирола, полученную по пр.1, и отходы полимера при механической обработке склеенной заготовки этой модели. Отработанную модель и отходы измельчают на ножевой или молоточной дробилке до размера частиц 2-5 мм. Дробленный полимер смешивают с 20% вес. нового кондиционного ударопрочного полистирола и используют полученную смесь для изготовления литейной модели. Процесс осуществляют аналогично примеру 1. Полученная литейная модель обеспечивает 1100 съемов полуформ.Как видно из представленных данных, заявляемый способ позволяет значительно упростить и сократить длительность процесса изготовления литейных моделей по сравнению со способом прототипа за счет исключения длительных стадий сушки древесины, раскроя пиломатериалов, отделки и окраски полученной модели, а также за счет изготовления типовых элементов модели одной и той же простой формы и одних и тех же размеров, а не отдельных элементов, максимально приближенных по размерам к литейной модели, так как это имеет место при изготовлении модели из древесины. Процесс является менее трудоемким, так как практически не содержит ручных операций. Длительность процесса изготовления литейных моделей по заявляемому способу по сравнению со способом-прототипом сокращается в 2-5 раз. Литейные модели, полученные по заявляемому способу из термопластичных полимеров на основе стирола или их смесей с наполнителями, имеют срок службы в 15-20 раз больший, чем срок службы моделей из дерева, они не требуют специальных режимов хранения, не гигроскопичны, не подвержены воздействию биологических факторов (гниению, плесневению и т.п.).При появлении выработок, трещин, вмятин и других дефектов модели из термопластичных полимеров легко и многократно ремонтируются в отличие от моделей из дерева, которые пригодны к ремонту ограниченное количество раз (5-10), после чего необратимо разрушаются.Термопластичные полимеры на основе стирола нетоксичны. Легко перерабатываются методами прессования и экструзии. Отработанные модели из термопластичных полимеров на основе стирола или их смесей с наполнителями, полученные по заявляемому способу, и отходы полимерных материалов при механической обработке, легко утилизируются, так как после дробления они легко расплавляются при такой же температуре, что и исходный полимер, использовавшийся для их изготовления, и могут непосредственно использоваться для получения новых моделей. В то же время, известные модели из древесины практически не утилизируются, так как это экономически не выгодно.

Формула изобретения
Способ изготовления литейных моделей, включающий формование материала модели путем изготовления отдельных элементов, склеивание отдельных элементов до получения заготовки и механическую обработку склеенной заготовки до заданных размеров литейной модели, отличающийся тем, что в качестве материала модели используют термопластный полимер на основе стирола или его производных или его смесь с порошкообразным наполнителем с содержанием последнего до 50 об. а отдельные элементы изготовляют в виде типовых элементов, одинаковых по форме и размерам, путем прессования, при этом пресс-форму предварительно нагревают, а материал модели в процессе прессования используют подогретым до температур, соответственно в 1,8 2,1 и 1,8 1,9 превышающих температуру размягчения по Вика используемого термопластичного полимера.

Модельные составы

Материал для производства макета должен обладать определенными свойствами. Он должен иметь такие свойства, как:

Пластичность в твердой фазе. Необходима для точного повторения формы будущего изделия и коррекции его при необходимости.
Прочность. Модель должна выдерживать без деформаций процесс формирования формы вокруг нее.
Легкоплавкость. Вытапливание модели не должно требовать больших затрат времени и энергии.
Текучесть в расплавленном состоянии. Состав должен легко проникать во все углубления и детали рельефа, точно повторяя очертания будущей детали.
Экономичность. Особо важна для производства крупных серий.

Для модельных составов используют обычно смесь стеарина и парафина. Эти материалы удачно дополняют параметры друг друга, компенсируя недостаточную температуру плавления парафина и излишнюю вязкость стеарина.

Не менее популярными в промышленности являются составы на основе буроугольного воска. Главные его свойства — это влагостойкость, прочность и возможность образовывать очень гладкие покрытия, что особенно ценно для моделирования изделий.

Используются также и составы, состоящие из смеси буроугольного воска, парафина и стеарина.

Изготовление пресс-форм

Для производства уникальных изделий макет готовят, вырезая из куска модельного материала вручную или по шаблонам. Модели, имеющие форму тел вращения, изготавливают также на токарных станках. В последнее время получает все более широкое распространение метод 3D-печати моделей. Он подходит как для одиночных макетов, так и для небольших серий.

Стоимость современного промышленного 3D-принтера все еще высока, однако благодаря легкости перенастройки с одного изделия на другое он может стать эффективным инструментом изготовления моделей в случае большого количества разнородных заказов малых серий.

Для того чтобы изготовить большое количество одинаковых макетов, изготавливают матрицу из гипса, резины, силикона или металла. Рабочие макеты производят, в свою очередь, путем отливки в матрицу. По конструкции пресс-форма должна быть обязательно разборной, чтобы обеспечить возможность изготовления заданного количества моделей. Выбранный материал также должен обеспечивать такую возможность, поэтому к нему предъявляются такие требования, как прочность, плотность, низкая шероховатость, химическая инертность по отношению к макету. Вещество пресс-формы должно также обладать минимальной адгезией к макету для обеспечения легкости извлечения готовых макетов и соблюдения размеров. Важное свойство пресс-формы — ее прочность и износоустойчивость, особенно при крупных сериях.

Преимущества чугунного литья

Чугунное литье отличается от отливок из других материалов рядом преимуществ, таких, как:

дешевизной
высокой прочностью и износостойкостью
высоким качеством поверхности, сводящим к минимуму последующую механическую обработку

Характеристики и применение чугуна

Важно отметить, что при использовании современных методов литья дешевле получается не только сама отливка, но и конечная продукция. Многие производства, в конце 20 века заменившие чугунные детали своих изделий на стальные, вернулись или планируют вернуться к проверенному временем материалу на новом этапе его развития.

Изготовление моделей и блоков

Широко распространенный способ изготовления выплавляемых моделей — отливка их под малым давлением в пресс-формы. Нагнетание жидкой смеси производится как вручную, с помощью поршневых шприцев, так и механическими, гидравлическими или пневматическими нагнетателями. В случае применения буроугольного воска требуется подогревать трубопроводы подачи состава ввиду его высокой вязкости. Макеты из вспененного полистирола изготавливают методом экструзии на автоматизированных формовочных агрегатах.

Для повышения экономической эффективности и снижения трудоемкости в случае серийного производства небольших отливок их макеты объединяют в блоки. Над блоками формируют литниковые системы, присоединяя отдельные макеты к литникам посредством ручного паяльника. В случае единичных отливок или малых серий модели изготовляют вручную.

При формировании литниковых систем необходимо обеспечить не турбулентное течение расплава, равномерное заполнение всех элементов матрицы. При набивке формы из ПГС нужно также следить за равномерным заполнением всех проемов между литниками и недопущением их повреждения.

Сборка модельных блоков

Для этого модели собирают в модельные блоки (рисунок 2.5, в) с общей литниковой системой. В один блок объединяют от 2 до 100 моделей. Соединяют модели в кондукторе, механически скрепляя или склеивая их. Одновременно ведется отливка литниковой системы.

Для сборки моделей в блоки в кондукторе выставляют металлические стояки из алюминия, наращивают на них слой модельного состава толщиной 25 мм и крепят к нему модели. Этот прием ведет к повышению прочности блока, сокращению расхода состава, обеспечению удобства транспортирования, хранения и просушивания блоков при нанесении обмазки.

Изготовление формы

В рассматриваемом способе литья по выплавляемым моделям встречается два основных вида форм:

Песчано-глиняные смеси (ПГС).
Оболочковые.

Формы для литья по выплавляемым моделям из ПГС применяют большей частью при производстве небольших серий изделий, не требующих очень высокой точности. Процесс их изготовления достаточно трудоемкий и требует высокой, а зачастую — уникальной квалификации модельщиков и формовщиков. Частичной механизации поддаются лишь отдельные операции, такие как приготовление и засыпка формовочной смеси, ее трамбовка.

Оболочковые формы, напротив, применяются для выпуска деталей, требующих особой точности изготовления. Процесс их изготовления более сложный и продолжительный, но лучше поддается механизации.

Деревянные модели

Древесина имеет малую плотность, хорошо поддается обработке, удерживают лак и краски, способны к склеиванию, имеют низкую стоимость. Но древесина имеет неоднородное строение, способно поглощать и испарять влагу. Некоторые из этих недостатков возможно устранить при помощи сушки и обработки.

Какие породы дерева применяют ? Липа, ольха, сосна, береза, клён, дуб. Для обработки дерева применяют: круглопильные, ленточнопильные, токарные, фуговальные, рейсмусовые, фрезерные, шлифовальные, шипорезные станки. По точности изготовления модели делят на 3 класса: I,II,III. Точность обуславливается величиной отклонения размера.

Литье в землю

Это самый ранний освоенный человечеством способ обработки металлов. Он освоен нашими предками одновременно с началом применения металлических изделий в качестве оружия, инструментов или утвари, то есть около 5 тысяч лет назад. Отливают расплавленный металл в подготовленную матрицу из смеси песка и глины. Самые ранние места обработки металлов как раз возникали там, где рядом размещались залежи металлов в виде самородков и россыпей. Характерный пример — всемирно известный своим чугунным кружевным литьем Каслинский завод на Урале.

Способ литья по выплавляемым моделям применяется для изготовления металлических изделий — как черных, так и цветных. И только для металлов, проявляющих повышенную склонность к реакции в жидкой фазе (таких как титан), приходится делать матрицы из других составов.

Производственный процесс литья в ПГС состоит из следующих фаз:

изготовление модели;
подготовка опоки;
засыпка и уплотнение смеси в опоке;
отливка металла;
извлечение и очистка отливки.

Форма из ПГС — однократного применения. Чтобы достать готовое изделие, ее придется разбить. В то же время большая часть смеси доступна для вторичного применения.

В качестве материалов для ПГС применяют составы из преимущественно кварцевых песков различной зернистости и пластичных глин, содержание которых колеблется от 3 до 45 процентов. Так, например, художественные отливки производят с использованием смеси с 10-20 % содержанием глины, для особо крупных отливок содержание глины доводят до 25 %.

Применяют два подвида:

Облицовочные смеси. Находятся на внутренней поверхности формы и взаимодействуют с расплавленным металлом. Должны быть жаростойкими, способными не разрушаться от разницы температур и возникающих вследствие этого напряжений. У таких смесей мелкое зерно, чтобы тщательно передать детали поверхности. Весьма значима и способность смеси к газопропусканию.
Наполнительные смеси. Применяются для засыпки между облицовочным слоем и стенками опоки. Должны противостоять весу залитого металла, сохранять форму изделия и способствовать своевременному и полному отводу газов. Производятся из более дешевых сортов песка, подлежат повторному использованию.

Если же литьевые газы выходят не через массы формовочной смеси, а через литниковую систему, в отливке возникают дефекты, ведущие к браку.

Традиционная технология литья в землю детально проиллюстрирована в ленте А. Тарковского «Андрей Рублев». В новелле «Колокол» юноша Бориска, сын умершего мастера, по сюжету возглавляет литейную артель и отливает церковный колокол.

Подготовка литейных форм к заливке

После извлечения из ванны оболочки промывают водой и сушат в шкафах (1,52 ч при 200°С). Затем оболочки ставят вертикально в жаростойкой опоке, вокруг засыпают сухой кварцевый песок и уплотняют его, после чего форму направляют в электрическую печь (рисунок 2.5, ж), в которой ее прокаливают (не менее 2 ч при 900 – 950°С).

В печи частички связующего спекаются с частичками огнеупорного материала, влага испаряется и остатки модельного состава выгорают.

Заливка расплавленного металла из ковша производится сразу же после прокалки в горячую литейную форму (рисунок 2.5, з).

Литье в оболочковые формы

Способ литья в оболочковых формах по выплавляемым моделям характеризуется наилучшей передачей размеров изделия и низкой шероховатостью поверхности. Модель делается из легкоплавких составов, например буроугольного воска. На литейных предприятиях также широко применяют состав парафин-стеарин в равных долях. В случае отливок больших размеров в модельный материал включают соли, предохраняющие макет от деформаций. Способом погружения в раствор модель покрывают в 6-10 слоев высокотемпературной суспензией.

Связующим выступают гидролизованные силикаты, в качестве жаростойкой обсыпки берут кристаллики электрокорунда или кварца. Материалы для производства оболочковых форм отличаются высокой прочностью, низкой гигроскопичностью и отличной газопроницаемостью.

Макет сушат в атмосфере газообразного аммиака. На следующем этапе форму прогревают до 120 ˚С, чтобы удалить парафиновую модель. Остатки смеси удаляют перегретым паром под большим давлением. Далее форму прокаливают при температуре до 1000 ˚С, что ведет к ее окончательному закреплению и удалению веществ, могущих выделиться в виде газов в процессе отливки.

Оболочку помещают в подобие опоки, которую засыпают стальной дробью. Это помогает сохранить конфигурацию при заполнении формы расплавом и одновременно улучшает условия охлаждения отливки. Заливка расплава происходит в разогретые до 1000 ˚С формы. После охлаждения изделия по специальной программе в термостате форму разрушают, извлекают и очищают отливку.

Главное достоинство этого метода литья — высокая точность передачи размеров изделия и низкая шероховатость поверхности.

Дополнительные плюсы метода:

Отливка деталей из сплавов, плохо поддающихся механической обработке.
Отливка изделий, которые иначе придется отливать по частям и далее собирать воедино.

Недостатки данного способа литья по выплавляемым моделям – малый коэффициент использования металла и повышенная трудоемкость.

Покрытие моделей огнеупорной оболочкой

Модельный блок погружают в керамическую суспензию, налитую в емкость (рисунок 2.5, г), с последующей обсыпкой кварцевым песком в специальной установке (рисунок 2.5, д). Используемая керамическая суспензия состоит из огнеупорных материалов (пылевидный кварц, тонкоизмельченный шамот, электрокорунд и другие материалы) и связующего (гидролизованный раствор этилсиликата).

Затем модельные блоки сушат 22,5 ч на воздухе или 20 – 40 мин в среде аммиака. На модельный блок наносят 46 слоев огнеупорного покрытия с последующей сушкой каждого слоя.

Выплавление модельного состава из форм производят в горячей воде (80 – 90°С) (рисунок 2.5, е). При выдержке в горячей воде в течение нескольких минут модельный состав расплавляется, всплывает на поверхность ванны, откуда периодически удаляется для нового использования.

Точное литье

Точное литье по выплавляемым моделям — так называют и технологию, и саму конечную продукцию. Высокая точность литья обеспечивается тем, что в процессе подготовки формы нет необходимости извлекать из нее макет изделия. При использовании традиционного метода производство матрицы для отливки – сложный и весьма трудоемкий многоэтапный процесс. Особенно это актуально в случае отливки деталей сложной конфигурации, с выемками, впадинами и внутренними полостями.

Например, при отливке чугунной или медной вазы, имеющей переменную кривизну поверхности, приходится применять немало ухищрений. Так, сначала набивают нижнюю половину опоки, потом модель извлекают, переворачивают и трамбуют верхнюю половину. Модель приходится делать составной, ручки вазы выполняют из двух элементов, их вытаскивают через модельную полость в два приема — сначала нижний элемент, потом верхний. Все эти многочисленные переворачивания и протаскивания не могут положительно влиять на целостность поверхности формы и в конечном счете на точность соблюдения размеров отливки и качества ее поверхности. Кроме того, остается проблема точного совмещения частей опок и надежного крепления их друг к другу.

Изготовление литья по выплавляемым моделям лишено этих недостатков, оно не требует столь высокой квалификации модельщиков и существенно сокращает трудоемкость подготовительных к литью операций. Особенно ярко это проявляется при больших тиражах отливок.

Метод позволяет достигать 2-5-го класса точности по ГОСТ 26645-85. Это позволяет отливать такие высокоточные изделия, как турбинные лопатки, режущий инструмент, включая высокопроизводительные фрезы и сверла, ответственные высоконагруженные кронштейны, небольшие высоконагруженные детали транспортных средств, станков и других сложных механизмов.

Высокая точность соблюдения размеров и высокий класс поверхности сводят к минимуму потребность в дальнейшей механической обработке отливки, что позволяет экономить металл и снижать себестоимость продукции.

Процесс литья из чугуна

Чугун производится в доменных печах — огромных сооружениях, высотой с десятиэтажный дом. После расплавления руды и удаления примесей происходит отливка чугуна в стальные формы — изложницы. Получающиеся слитки (чушки) – содержат чугун определенной марки и готовы к дальнейшему переделу. На литейных заводах из них отливают различные готовые изделия.

Процесс литья из чугуна

Основные этапы процесса литья из чугуна:

Подготовка модели готового изделия
Изготовление формы для отливки
Расплавление чугунных чушек
Отливка расплава в формы
Извлечение отливок и их окончательная обработка

Существует несколько методов изготовления моделей и подготовка форм