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

Отливка по выплавляемым моделям

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.

Преимущества метода:

• 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.

Виды формовки

Определяются разновидностью модели и выбранного метода литья.

По простой модели

Модель размещают на доске лицевой стороной вверх. Центруют ее относительно опоки. Покрывают облицовочной смесью, позже послойно добавляют наполнительную, тщательно уплотняя каждый слой. В опоку добавляют землю до заполнения. Сняв верхнюю опоку, вынимают макет и создают литниковую систему. Собирают опоки вместе, закрепляют и сушат.

По разъемной модели

Способ существенно упрощает технологию и повышает точность изготовления формы для литья. На доску помещают часть макета без шипов, устанавливают нижнюю опоку и формуют землю. По окончании конструкцию переворачивают, присоединяют к макету вторую часть, присоединяют верхнюю опоку и проводят ее набивку.

С фальшопокой

При особо сложной геометрии изделия применяю фальшопоку. Она не контактирует с расплавом, а играет роль фигурной подмодельной доски.

Способы формовки

Кусковая

Применяется при художественном литье, особенно скульптурных композиций. Модель обставляют несколькими независимыми опоками, соприкасающимися своими краями. Иногда отливку делят на относительно простые по конфигурации сегменты, макетируют и льют их независимо, после чего соединяют готовые отливки.

Шаблонная

Производится при литье в землю изделий определенной формы. Различают

• Тела вращения (цилиндрические, конические и эллиптические)
• Прямоугольные или призматические.

Формовка земли осуществляется шаблоном соответствующей конфигурации, приводимым в действие мощным шпинделем для тел вращения или двигающимся по специальным направляющим для призматических форм.

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.).

Под давлением

Литье под давлением — это производственный процесс, адаптированный под изготовление деталей в больших объёмах. Форма для отливки включает литниковый канал, по которому расплавленный материал выходит из сопла машины для литья под давлением. В форме имеется система каналов, которые соединяются с литником, (обычно внутри или как часть пресс-формы) и направляют расплавленный материал в полость пресс-формы. Часть канала после бегунка, называемая затвором, ведёт непосредственно в полость инструмента. После цикла литьевой формы (обычно длится всего несколько секунд) весь расплав охлаждается, оставляя затвердевшую отливку в литнике, направляющих и в полости пресс-формы.

Основным преимуществом метода литья под давлением является возможность массового производства отливок. Первоначальные затраты на внедрение и освоение производства достаточно велики, зато впоследствии стоимость единицы продукции становится чрезвычайно низкой.

Другие преимущества процесса:

• низкий процент брака (в сравнении с традиционными производственными процессами, включая обработку на станках с ЧПУ);
• снижение отходов производства вследствие малых потерь металла в литники, направляющие, и места расположения отверстий под выход расплава;
• возможность получения деталей из термореактивных пластмасс.

Литье под давлением может быть воспроизведено в любом объёме, поскольку стойкость пресс-форм весьма высока. Это обеспечивает однообразие качества отливок и стабильность их характеристик при крупносерийном производстве.

Технология литья под давлением практически исключает любую доработку формы готовых изделий.

Металлообработка деталей

Фрезерные работы и токарные работы. Занимают в среднем 2 недели.

Стоимость плит из алюминия выше чем из стали

Под регулируемым давлением

Разновидность литья под давлением, которая обеспечивает лучшую управляемость процессом. Существует множество факторов, которые могут повлиять на качество конечного продукта. Нижеприведенные переменные играют важную роль в процессе литья под регулируемым давлением:

• Скорость, с которой расплавленный металл вводится в полость пресс-формы,. Важно, чтобы расплавленный металл полностью заполнил полость до того, как он начнет затвердевать. Если скорость потока металла не идеальна, это отрицательно сказывается на прочности конечного продукта.
• Давление впрыска, напрямую влияющее на скорость поступления расплавленного металла в полость пресс-формы. При литье под регулируемым давлением увеличивают давление впрыска, чтобы повысить герметичность. Для обеспечения структурной стабильности отливки используется сочетание высокого давления впрыска и увеличенных размеров литника. Это, в свою очередь, улучшает общие механические свойства отливки, в частности, прочность на растяжение.
• Время, необходимое для того, чтобы расплавленный металл заполнил полость, зависит от скорости металла на затворе и площади затвора. Если затвор большой, скорость впрыска может быть низкой, но если затвор маленький, скорость впрыска должна быть высокой для того, чтобы полностью заполнить полость.

Для литья под давлением используют сплавы металлов и сплавов, которые характеризуются повышенными литейными свойствами (жидкотекучестью).

Важным фактором, влияющим на литейную способность сплава, является интервал затвердевания. Если разница между точкой твердого и жидкого состояния сплава велика, литье под регулируемым давлением не применяют.

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.

Свойства формовочных смесей

Формовочную смесь характеризуют основные свойства:

• Прочность определяет способность формы сохранять свою конфигурацию
• Пластичность — важна для способности формы повторять подробности контура и деталей поверхности модели.
• Газопроницаемость. Крупнозернистые составы легче пропускают газы.
• Огнеупорность. Материал не должен плавиться или спекаться, ухудшая однородность поверхности отливки
• Податливость
• Гомогенность. Однородность смеси гарантирует постоянство ее свойств в пространстве.
• Теплопроводность. Качественный материал имеет низкую теплопроводность. Это не дает примыкающему к форме слою отливки слишком быстро остывать, ухудшая свои свойства
• Долговечность особенно важна для многоразовых форм. Для одноразовых форм долговечность означает число циклов повторного использования земли после измельчения и просеивания.

Свойства формовочных смесей

Для смесей разных назначений на первый план выходят разные свойства. Так, для облицовочных важны пластичность, огнеупорность и теплопроводность, а для наполнительных важнее прочность и газопроницаемость.

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.

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.

Используемые материалы

«Семёркой древних» называют перечень из железа, меди, олова, свинца, серебра, золота и ртути — с ними человечество знакомо не одну тысячу лет. Драгоценные металлы использовались для изготовления ювелирных изделий, а основным материалом для художественного литья в прошлом были сплавы на основе меди. В новое время к ним добавились чугун и алюминий.

Художники на протяжении всей истории не ограничивали себя ассортиментом материалов для плавки. Например, в XIX веке в Европе и России были популярны изделия из цинка и свинца, а современные скульпторы нередко обращаются к нержавеющей стали. Но классическими материалами для художественного литья даже на сегодняшний день являются бронза и чугун.

https://youtube.com/watch?v=GHBak_el3CU

Бронзовые сплавы

Сплавы меди с некоторыми цветными металлами (свинцом, оловом, алюминием, бериллием) без присутствия цинка и никеля называют бронзой. Медь с большими примесями цинка — это латунь. Последнюю применяют в основном для изготовления кабинетной скульптуры и дорогой мебельной и интерьерной фурнитуры. Главным материалом для художественного литья больших и малых форм оставалась несменной на протяжении веков оловянная бронза. Её преимущества:

• ничтожная усадка;
• высокая текучесть;
• не подверженность пористости при остывании;
• высокая теплопроводность;
• прочность;
• коррозионная стойкость;
• упругость;
• свариваемость.

Литьё из бронзы — одно из старейших искусств. Применение её в разных частях древнего мира было повсеместным: люди готовили в бронзовой посуде, носили бронзовые украшения, пользовались бронзовыми инструментами, застёгивали одежду на бронзовые пуговицы. Эта эпоха известна по удивительно высокому качеству исполнения и небывалой художественной силы скульптурам, сохранившимся до наших дней. С тех времён берёт начало литейная бронзовая традиция, надолго пережившая свой век с одноимённым названием. Безусловно, сплавы совершенствовались на всём протяжении истории, но большая часть технологических процессов художественного литья оставались неизменными.

Серый чугун

Бронза и железо, пожалуй, самые важные материалы в истории человечества. Недаром они дали названия двум эпохам технологической эволюции — бронзовому и железному векам. Поскольку для железного литья требовались более высокие температуры и сложные печи, плавку железа человечество освоило несколько позже бронзы. По некоторым сведениям, чугун лили в Китае ещё 2 тыс. лет назад. Первыми массовыми изделиями из него в Европе и России были стволы пушек и ядра к ним в XV веке.

Эволюция печей и энергоёмкого топлива для них быстро сделала высокие температуры доступными не только для военной промышленности. Художественное применение литейного железа началось приблизительно в 1500 г. с производства плитки для печей, памятников и фонтанов. Мощным толчком для популяризации чугуна в искусстве было бурное развитие металлургических технологий во второй половине девятнадцатого века и последующая за этими событиями индустриализация.

Для приготовления скульптуры используют серый чугун с высоким содержанием фосфора как самый недорогой и приспособленный для литья сплав железа с углеродом. Фосфор улучшает текучесть — это помогает металлу полностью заполнять форму. Свойство фосфора повышать хрупкость железа для художественного литья значения не имеет, как и присущая серому чугуну пористость. Материал обладает ещё одним важным свойством — привлекательностью внешнего вида готового изделия.

По газифицируемым моделям

Представляет собой технологию получения отливок высокого качества с применением исходной модели (заготовки), полученной из материала, который при заливке расплавленного металла в форму насыщается выделяющимися газами.

В результате действия высоких температур, которое проявляется в процессе заливки расплава в форму, модель сначала разрушается, а затем расплавляется. Продукты разрушения в капелеподобном состоянии выдуваются непрерывным газовым потоком. При этом в зоне обработки, в зависимости от конструктивной схемы установки, создается либо отрицательное давление, либо вакуум. Под влиянием разницы давлений внутри и вне контейнера освободившееся место занимается металлическим расплавом, который детально воссоздаёт конфигурацию и размеры отливки.

Электрошлаковое литьё

Существуют ли какие-то способы литья металлов, которые с полным на то правом можно называть современными? Электрошлаковое литьё. При этом жидкий металл сперва получают, воздействуя на предварительно подготовленное сырье мощными электродуговыми разрядами. Может использоваться и бездуговой метод, когда железо плавится от тепла, аккумулируемого шлаком. А вот на последний-то и действуют мощные разряды.

После этого жидкий металл, который на протяжении всего процесса ни разу не соприкасался с воздухом, поступает в кристаллизационную камеру, которая «по совместительству» является еще и литейной формой. Используется этот метод для сравнительно простых и массовых отливок, для изготовления которых не нужно соблюдать множество условий.

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.

Некоторые недостатки метода

Недостатком данного способа литья является то обстоятельство, что для него подходят только те виды металлов, которые отличаются повышенной текучестью в расплавленном виде. Например, для стали годится только отливка под давлением (о ней ниже), так как материал этот хорошей текучестью не обладает вообще. Под действием сжатого воздуха даже самые «тягучие» сорта стали намного лучше принимают требуемую форму. Плохо то, что обычный кокиль таких экстремальных условий производства попросту не выдержит и развалится. А потому приходится использовать особый метод производства, о котором мы расскажем чуть ниже.

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.

Немного истории

Важнейшую особенность железа принимать, застывая, «предложенную» ему форму, человек заметил еще в древнейшие времена. Сегодня практически все ученые предполагают, что первоначальное знакомство человека с металлом состоялось благодаря метеоритам. Метеоритное железо было плавким, его было легко обрабатывать, так что основы литья некоторые зарождающиеся цивилизации изучали еще очень давно.

В нашей стране литье металла испокон веков было делом уважаемым и почетным, к этому ремеслу люди всегда относились с большим уважением. Широко известны «Царь-пушка» и «Царь-колокол», являющиеся шедеврами литейного мастерства русских мастеров, пусть даже один из них никогда не звонил, а второй – не стрелял. Уральские же литейщики в царствование Петра Первого приобрели особую известность в качестве поставщиков надежного оружия для армии. Впрочем, этот титул они вполне по праву носят и сейчас. Прежде чем мы рассмотрим основные виды литья металлов, необходимо сказать несколько слов о требуемых характеристиках сырья.