eng
Выпуск #1/2022
И. О. Леушин, О. С. Кошелев, Л. И. Леушина, А. В. Нищенков, П. М. Явтушенко
Способ сборки блока аддитивных термоудаляемых литейных моделей
Способ сборки блока аддитивных термоудаляемых литейных моделей
Просмотры: 973
DOI: 10.22184/2499-9407.2022.26.1.40.42
Предложен усовершенствованный вариант сборки модельного блока. Модели отливок с питателями и стояка изготавливались 3D-печатью по аддитивной FDM-технологии из CAST-пластика. Приведены результаты проверки эффективности сборки в условиях действующего производства.
Предложен усовершенствованный вариант сборки модельного блока. Модели отливок с питателями и стояка изготавливались 3D-печатью по аддитивной FDM-технологии из CAST-пластика. Приведены результаты проверки эффективности сборки в условиях действующего производства.
Теги: 3d-printing 3d-печать additive technology fixed joint groove injection moulding recommendation selection stud thermoplastic аддитивная технология выбор литье по термоудаляемым моделям неразъемное соединение паз рекомендация термопластик шип
Способ сборки блока аддитивных термоудаляемых литейных моделей
И. O. Леушин, О. C. Кошелев, Л. И. Леушина, А. В. Нищенков, П. М. Явтушенко
Предложен усовершенствованный вариант сборки модельного блока. Модели отливок с питателями и стояка изготавливались 3D-печатью по аддитивной FDM-технологии из CAST-пластика. Приведены результаты проверки эффективности сборки в условиях действующего производства.
Одним из ответственных этапов изготовления литейных форм при производстве точных отливок из черных металлов и сплавов цветных металлов по термоудаляемым (выплавляемым или выжигаемым) моделям, в том числе полученным методом 3D-печати (аддитивные технологии), является сборка блока удаляемых моделей.
Основными проблемами, которые приходится решать на производстве при реализации данного технологического процесса, являются недостаточная точность, высокая трудоемкость, а в некоторых случаях и энергозатратность отдельных операций сборки.
В настоящее время на практике применяется несколько вариантов способа неразъемного соединения удаляемых моделей отливок и элементов литниково-питающей системы в единое целое:
Каждый из перечисленных способов характеризуется своими недостатками.
Для первого – это низкая надежность соединения элементов и высокая вероятность нарушения геометрии блока вплоть до разрушения как во время сборки блока, так и на последующих операциях изготовления литейной формы и отливки. Причиной является то, что операции подготовки к сборке блока, в частности выбор места спая, зачистку места спая, прижим элементов блока и обеспечение плавности перехода в местах их сопряжения, проводят вручную. При этом повышается вероятность смещения моделей, искажения размеров элементов блока из-за излишнего оплавления, а прочность соединения элементов блока нестабильна вследствие неполного пропаивания зазора между посадочными частями сопрягаемых моделей. Поэтому в некоторых случаях для предотвращения поломки блока приходится использовать специальные легкоплавкие монтажные сплавы (припои), а также металлические каркасы, что существенно усложняет и повышает трудоемкость операций сборки блока [4]. Кроме того, способ не всегда дает возможность собрать модели из плохо спаивающихся модельных составов, а его реализация применительно к моделям из термопластов с высокой температурой плавления, полученных методом 3D-печати, требует высоких энергозатрат и применения специального инструмента.
При втором способе на первый план выходит высокая стоимость изготовления кондуктора. Помимо этого, сохраняются проблемы, характерные для сборки припаиванием, обусловленные плохой спаиваемостью и высокой температурой плавления материала элементов модельного блока, а также связанные с необходимостью высокой квалификации производственного персонала.
Третий способ имеет ограниченную область применения (цеха крупносерийного и массового производства отливок), обусловленную необходимостью использования для сборки специальных приспособлений.
Четвертый вариант сборки наиболее распространен. Его недостаток определяется необходимостью выбора, подготовки и использования специального клея и, как следствие, увеличением числа производственных операций, а также повышением как трудоемкости и длительности изготовления блока, так и всего производственного цикла производства отливок. Кроме того, по причине запаха, высокой летучести и пожароопасности компонентов клея, операция склеивания элементов блока снижает экологическую безопасность на рабочем месте и ухудшает условия труда персонала.
Техническое решение по пятому варианту также не свободно от недостатков. Область его применения ограничена литьем по выплавляемым моделям, изготовленным из модельных композиций с невысокой температурой плавления, которые при комнатной температуре легко сминаются. Решение характеризуется трудоемкостью реализации из-за сложности конструкции стояка с внутренними каналами и необходимости дополнительной операции запрессовки модельного состава в каналы стояка. Наличие взаимообразных уклонов пазов и выступов сопрягаемых элементов блока в полной мере не гарантирует устранения зазора между ними, поскольку при их относительном сдвиге в ходе сборки слой сминаемого материала движется в направлении от зазора, а не наоборот, и не заполняет его.
Надежность соединения во многом зависит от полноты затвердевания модельного состава вокруг замковой части выступа питателя и существенно снижается в случае недостаточного уровня давления его запрессовки в каналы стояка по причине газового противодавления.
Использование соединения сопрягаемых частей блока с натягом по шестому варианту ограничено упругими свойствами материала элементов блока.
Механическое соединение «паз – шип» в виде ласточкиного хвоста или другой формы (седьмой вариант) характеризуется высокой вероятностью искажения геометрии блока при сборке и нарушения неразъемности соединения его элементов по причине недостаточной надежности из-за возможного смещения выступа относительно паза, обусловленного наличием зазора между ними.
С целью повышения надежности соединения элементов блока удаляемых моделей путем минимизации искажения геометрии модельного блока в целом и сохранения неразъемности соединения отдельных элементов блока при сборке, был разработан усовершенствованный способ сборки модельного блока, для которого в качестве прототипа был выбран седьмой вариант решения проблемы.
Он предусматривает использование известного механического соединения сопрягаемых элементов модельного блока по типу «паз – шип» в виде ласточкиного хвоста или другой формы. При этом на посадочной поверхности шипа выполняют канавки, глубину паза выбирают из условия превышения длины шипа не менее чем на 25%, а посадочную поверхность паза перед сборкой нагревают до температуры на 10–15˚ выше уровня температуры размягчения материала моделей (рис. 1).
Выполнение канавок на посадочной поверхности шипа необходимо для формирования после его сопряжения с пазом (входа шипа в паз сопрягаемого элемента блока) емкости для приема размягченного материала модели и последующего по окончании затвердевания материала образования замка, препятствующего смещению шипа относительно паза.
Выбор глубины паза не менее чем на 25% большей длины шипа дает возможность снизить газовое противодавление, неизбежно возникающее в ходе сборки при введении шипа в паз, если последний представляет собой глухое отверстие. Эмпирически установлено, что при глубине паза, меньшей на 25% длины шипа, возникает необходимость увеличения усилия прижима сопрягаемых элементов блока и, как следствие, возрастает вероятность поломки его тонкостенных и ажурных частей.
Нагрев посадочной поверхности паза перед сборкой выполняется для временного увеличения площади сечения, принимающего шип, а также размягчения материала моделей до температуры, при которой резко возрастает его деформируемость и возникает текучесть.
Как показала экспериментальная проверка, проведенная на ряде материалов удаляемых моделей (парафино-стеариновая композиция, полипропилен, темплен, фторопласт, полиарилат, полиамид), превышение уровня температуры размягчения материала моделей на 10–15° обеспечивает стабильность эффекта текучести. Нагрев до температур меньшего уровня не гарантирует текучести материала. Перегрев материала до более высоких температур экономически нецелесообразен и повышает вероятность нежелательной термодеструкции, способствующей возникновению дополнительного газового противодавления в емкости паза.
Предлагаемый способ сборки модельного блока реализуется следующим образом. На посадочной поверхности шипа предварительно выполняются канавки. Глубину паза выбирают не менее, чем на 25% большей, чем длина шипа. Посадочную поверхность паза перед сборкой нагревают до температуры на 10–15° выше уровня температуры размягчения материала моделей. Затем модель (или секцию моделей) с шипом с небольшим усилием прижимают к сопрягаемому элементу блока с пазом так, чтобы шип полностью вошел в паз. При этом часть отверстия паза остается свободной и выполняет функцию сбора газа, вытесняемого шипом при сборке, а размягченный текучий материал моделей заполняет канавки шипа и после затвердевания в них «запирает» соединение, не давая возможности шипу смещаться относительно паза.
Для оценки эффективности предлагаемого способа по сравнению с прототипом проводилась проверка в условиях действующего производства. Собирались по пять блоков удаляемых литейных моделей согласно предлагаемому способу (опытная партия) и прототипу (контрольная партия). Модели отливок с питателями и стояка изготавливались 3D-печатью по аддитивной FDM-технологии из CAST-пластика – материала на основе полиметилметакрилата (PMMA) с добавлением специальных пластификаторов (термопластичный полимерный материал). Каждый из блоков опытной и контрольной партий включал модель стояка с толщиной стенки 60 мм, а также одну модель отливки с четырьмя питателями (одинаковой геометрии для блоков опытной и контрольной партий).
Минимальная толщина стенки модели отливки составляла 12 мм. На торцах питателей выполнялись шипы (выступы) диаметром и длиной по 10 мм. Посадочные поверхности шипов моделей отливок с питателями опытной партии имели по две канавки шириной 2 мм и глубиной 1,5 мм. Посадочные поверхности шипов моделей отливок с питателями контрольной партии оставались гладкими и не имели канавок. Глубина пазов в элементах блока опытной партии составляла 15 мм, контрольной партии – 12 мм. Перед сборкой посадочная поверхность пазов нагревалась газовой горелкой до температуры 125 °C (температура размягчения PMMA составляет 110 °C). Контроль нагрева проводился инфракрасным термометром (пирометр) марки DT‑811. Модели с шипом с небольшим усилием прижимали к сопрягаемым элементам блоков с пазом так, чтобы шип полностью вошел в паз, после чего выдерживали в течение пяти минут. Затем проводили визуальный контроль качества соединения и манипуляторную проверку его прочности.
Собранные модельные блоки опытной и контрольной партий, успешно прошедшие проверку, использовали для изготовления отливок из номенклатуры предприятия массой 18,5 кг из стали 40Л ГОСТ 977 методом литья в объемные керамические формы по выжигаемым моделям: по технологии, действующей на предприятии. После выбивки до обрубки проводился контроль геометрии отливок с литниково-питающей системой. Результаты сравнения опытной и контрольной партий приведены в табл. 1.
Испытания показали высокие эффективность усовершенствованной схемы, а также качество сборки модельных блоков и получаемых отливок.
Литература
Иванов В. Н., Казеннов С. А., Курчман Б. С. и др. Литье по выплавляемым моделям / Под ред. Я. И. Шкленника, В. А. Озерова. М.: Машиностроение, 1984. 408 с.
Шуляк В. С. Литье по газифицируемым моделям. СПб: Профессионал, 2007. 408 c.
Авторское свидетельство СССР № 1419790 «Модельный блок», B22 C7 / 02, 1988.
Репях С. И. Технологические основы литья по выплавляемым моделям. Днепропетровск: Лира, 2006. 1056 с.
Авторы
Леушин Игорь Олегович – доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВО Нижегородский государственный технический университет им. Р. Е. Алексеева; заведующий кафедрой «Металлургические технологии и оборудование»
Кошелев Олег Сергеевич – доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВО Нижегородский государственный технический университет им. Р. Е. Алексеева
Леушина Любовь Игоревна – кандидат технических наук, доцент, ФГБОУ ВО Нижегородский государственный технический университет им. Р. Е. Алексеева
Нищёнков Александр Владимирович – кандидат технических наук, доцент, ФГБОУ ВО Нижегородский государственный технический университет им. Р. Е. Алексеева
Явтушенко Павел Михайлович – начальник управления инновационного и технического развития ПАО «РУСПОЛИМЕТ»
И. O. Леушин, О. C. Кошелев, Л. И. Леушина, А. В. Нищенков, П. М. Явтушенко
Предложен усовершенствованный вариант сборки модельного блока. Модели отливок с питателями и стояка изготавливались 3D-печатью по аддитивной FDM-технологии из CAST-пластика. Приведены результаты проверки эффективности сборки в условиях действующего производства.
Одним из ответственных этапов изготовления литейных форм при производстве точных отливок из черных металлов и сплавов цветных металлов по термоудаляемым (выплавляемым или выжигаемым) моделям, в том числе полученным методом 3D-печати (аддитивные технологии), является сборка блока удаляемых моделей.
Основными проблемами, которые приходится решать на производстве при реализации данного технологического процесса, являются недостаточная точность, высокая трудоемкость, а в некоторых случаях и энергозатратность отдельных операций сборки.
В настоящее время на практике применяется несколько вариантов способа неразъемного соединения удаляемых моделей отливок и элементов литниково-питающей системы в единое целое:
- припаивание, когда нагретое лезвие ножа или электрического паяльника помещают между посадочными частями элементов блока, одновременно касаясь и оплавляя их, а затем быстро убирают, а соединяемые части слегка прижимают друг к другу [1];
- сборка в кондукторе [1];
- секционная сборка на металлический стояк-каркас с механическим зажимом, разработанная НИИТАвтопроме [1]
- склеивание [2];
- применение обратных уклонов у сопрягаемых деталей в сочетании с заливкой образуемого замкового пространства расплавленной модельной композицией [3];
- использование соединения сопрягаемых частей блока с натягом [2];
- механическое соединение «паз – шип» в виде ласточкиного хвоста или другой формы [1].
Каждый из перечисленных способов характеризуется своими недостатками.
Для первого – это низкая надежность соединения элементов и высокая вероятность нарушения геометрии блока вплоть до разрушения как во время сборки блока, так и на последующих операциях изготовления литейной формы и отливки. Причиной является то, что операции подготовки к сборке блока, в частности выбор места спая, зачистку места спая, прижим элементов блока и обеспечение плавности перехода в местах их сопряжения, проводят вручную. При этом повышается вероятность смещения моделей, искажения размеров элементов блока из-за излишнего оплавления, а прочность соединения элементов блока нестабильна вследствие неполного пропаивания зазора между посадочными частями сопрягаемых моделей. Поэтому в некоторых случаях для предотвращения поломки блока приходится использовать специальные легкоплавкие монтажные сплавы (припои), а также металлические каркасы, что существенно усложняет и повышает трудоемкость операций сборки блока [4]. Кроме того, способ не всегда дает возможность собрать модели из плохо спаивающихся модельных составов, а его реализация применительно к моделям из термопластов с высокой температурой плавления, полученных методом 3D-печати, требует высоких энергозатрат и применения специального инструмента.
При втором способе на первый план выходит высокая стоимость изготовления кондуктора. Помимо этого, сохраняются проблемы, характерные для сборки припаиванием, обусловленные плохой спаиваемостью и высокой температурой плавления материала элементов модельного блока, а также связанные с необходимостью высокой квалификации производственного персонала.
Третий способ имеет ограниченную область применения (цеха крупносерийного и массового производства отливок), обусловленную необходимостью использования для сборки специальных приспособлений.
Четвертый вариант сборки наиболее распространен. Его недостаток определяется необходимостью выбора, подготовки и использования специального клея и, как следствие, увеличением числа производственных операций, а также повышением как трудоемкости и длительности изготовления блока, так и всего производственного цикла производства отливок. Кроме того, по причине запаха, высокой летучести и пожароопасности компонентов клея, операция склеивания элементов блока снижает экологическую безопасность на рабочем месте и ухудшает условия труда персонала.
Техническое решение по пятому варианту также не свободно от недостатков. Область его применения ограничена литьем по выплавляемым моделям, изготовленным из модельных композиций с невысокой температурой плавления, которые при комнатной температуре легко сминаются. Решение характеризуется трудоемкостью реализации из-за сложности конструкции стояка с внутренними каналами и необходимости дополнительной операции запрессовки модельного состава в каналы стояка. Наличие взаимообразных уклонов пазов и выступов сопрягаемых элементов блока в полной мере не гарантирует устранения зазора между ними, поскольку при их относительном сдвиге в ходе сборки слой сминаемого материала движется в направлении от зазора, а не наоборот, и не заполняет его.
Надежность соединения во многом зависит от полноты затвердевания модельного состава вокруг замковой части выступа питателя и существенно снижается в случае недостаточного уровня давления его запрессовки в каналы стояка по причине газового противодавления.
Использование соединения сопрягаемых частей блока с натягом по шестому варианту ограничено упругими свойствами материала элементов блока.
Механическое соединение «паз – шип» в виде ласточкиного хвоста или другой формы (седьмой вариант) характеризуется высокой вероятностью искажения геометрии блока при сборке и нарушения неразъемности соединения его элементов по причине недостаточной надежности из-за возможного смещения выступа относительно паза, обусловленного наличием зазора между ними.
С целью повышения надежности соединения элементов блока удаляемых моделей путем минимизации искажения геометрии модельного блока в целом и сохранения неразъемности соединения отдельных элементов блока при сборке, был разработан усовершенствованный способ сборки модельного блока, для которого в качестве прототипа был выбран седьмой вариант решения проблемы.
Он предусматривает использование известного механического соединения сопрягаемых элементов модельного блока по типу «паз – шип» в виде ласточкиного хвоста или другой формы. При этом на посадочной поверхности шипа выполняют канавки, глубину паза выбирают из условия превышения длины шипа не менее чем на 25%, а посадочную поверхность паза перед сборкой нагревают до температуры на 10–15˚ выше уровня температуры размягчения материала моделей (рис. 1).
Выполнение канавок на посадочной поверхности шипа необходимо для формирования после его сопряжения с пазом (входа шипа в паз сопрягаемого элемента блока) емкости для приема размягченного материала модели и последующего по окончании затвердевания материала образования замка, препятствующего смещению шипа относительно паза.
Выбор глубины паза не менее чем на 25% большей длины шипа дает возможность снизить газовое противодавление, неизбежно возникающее в ходе сборки при введении шипа в паз, если последний представляет собой глухое отверстие. Эмпирически установлено, что при глубине паза, меньшей на 25% длины шипа, возникает необходимость увеличения усилия прижима сопрягаемых элементов блока и, как следствие, возрастает вероятность поломки его тонкостенных и ажурных частей.
Нагрев посадочной поверхности паза перед сборкой выполняется для временного увеличения площади сечения, принимающего шип, а также размягчения материала моделей до температуры, при которой резко возрастает его деформируемость и возникает текучесть.
Как показала экспериментальная проверка, проведенная на ряде материалов удаляемых моделей (парафино-стеариновая композиция, полипропилен, темплен, фторопласт, полиарилат, полиамид), превышение уровня температуры размягчения материала моделей на 10–15° обеспечивает стабильность эффекта текучести. Нагрев до температур меньшего уровня не гарантирует текучести материала. Перегрев материала до более высоких температур экономически нецелесообразен и повышает вероятность нежелательной термодеструкции, способствующей возникновению дополнительного газового противодавления в емкости паза.
Предлагаемый способ сборки модельного блока реализуется следующим образом. На посадочной поверхности шипа предварительно выполняются канавки. Глубину паза выбирают не менее, чем на 25% большей, чем длина шипа. Посадочную поверхность паза перед сборкой нагревают до температуры на 10–15° выше уровня температуры размягчения материала моделей. Затем модель (или секцию моделей) с шипом с небольшим усилием прижимают к сопрягаемому элементу блока с пазом так, чтобы шип полностью вошел в паз. При этом часть отверстия паза остается свободной и выполняет функцию сбора газа, вытесняемого шипом при сборке, а размягченный текучий материал моделей заполняет канавки шипа и после затвердевания в них «запирает» соединение, не давая возможности шипу смещаться относительно паза.
Для оценки эффективности предлагаемого способа по сравнению с прототипом проводилась проверка в условиях действующего производства. Собирались по пять блоков удаляемых литейных моделей согласно предлагаемому способу (опытная партия) и прототипу (контрольная партия). Модели отливок с питателями и стояка изготавливались 3D-печатью по аддитивной FDM-технологии из CAST-пластика – материала на основе полиметилметакрилата (PMMA) с добавлением специальных пластификаторов (термопластичный полимерный материал). Каждый из блоков опытной и контрольной партий включал модель стояка с толщиной стенки 60 мм, а также одну модель отливки с четырьмя питателями (одинаковой геометрии для блоков опытной и контрольной партий).
Минимальная толщина стенки модели отливки составляла 12 мм. На торцах питателей выполнялись шипы (выступы) диаметром и длиной по 10 мм. Посадочные поверхности шипов моделей отливок с питателями опытной партии имели по две канавки шириной 2 мм и глубиной 1,5 мм. Посадочные поверхности шипов моделей отливок с питателями контрольной партии оставались гладкими и не имели канавок. Глубина пазов в элементах блока опытной партии составляла 15 мм, контрольной партии – 12 мм. Перед сборкой посадочная поверхность пазов нагревалась газовой горелкой до температуры 125 °C (температура размягчения PMMA составляет 110 °C). Контроль нагрева проводился инфракрасным термометром (пирометр) марки DT‑811. Модели с шипом с небольшим усилием прижимали к сопрягаемым элементам блоков с пазом так, чтобы шип полностью вошел в паз, после чего выдерживали в течение пяти минут. Затем проводили визуальный контроль качества соединения и манипуляторную проверку его прочности.
Собранные модельные блоки опытной и контрольной партий, успешно прошедшие проверку, использовали для изготовления отливок из номенклатуры предприятия массой 18,5 кг из стали 40Л ГОСТ 977 методом литья в объемные керамические формы по выжигаемым моделям: по технологии, действующей на предприятии. После выбивки до обрубки проводился контроль геометрии отливок с литниково-питающей системой. Результаты сравнения опытной и контрольной партий приведены в табл. 1.
Испытания показали высокие эффективность усовершенствованной схемы, а также качество сборки модельных блоков и получаемых отливок.
Литература
Иванов В. Н., Казеннов С. А., Курчман Б. С. и др. Литье по выплавляемым моделям / Под ред. Я. И. Шкленника, В. А. Озерова. М.: Машиностроение, 1984. 408 с.
Шуляк В. С. Литье по газифицируемым моделям. СПб: Профессионал, 2007. 408 c.
Авторское свидетельство СССР № 1419790 «Модельный блок», B22 C7 / 02, 1988.
Репях С. И. Технологические основы литья по выплавляемым моделям. Днепропетровск: Лира, 2006. 1056 с.
Авторы
Леушин Игорь Олегович – доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВО Нижегородский государственный технический университет им. Р. Е. Алексеева; заведующий кафедрой «Металлургические технологии и оборудование»
Кошелев Олег Сергеевич – доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВО Нижегородский государственный технический университет им. Р. Е. Алексеева
Леушина Любовь Игоревна – кандидат технических наук, доцент, ФГБОУ ВО Нижегородский государственный технический университет им. Р. Е. Алексеева
Нищёнков Александр Владимирович – кандидат технических наук, доцент, ФГБОУ ВО Нижегородский государственный технический университет им. Р. Е. Алексеева
Явтушенко Павел Михайлович – начальник управления инновационного и технического развития ПАО «РУСПОЛИМЕТ»
Отзывы читателей
