Литье по газифицируемым моделям ( лгм - процесс ) - технология перспектив машиностроения

 Лучшие технологии конца 20-го века, совершенствуясь, прочно встают на промышленную основу, дают прибыль и привлекают инвестиции в новое производство, определяя его конкурентоспособность.Технология литья металла по пеномоделям рушит сложившиеся стереотипы литейщиков.


Свободно можно видеть, «пощупать» отливку еще в модели, промерять ее стенки, чего при обычной формовке «в опоках в землю» для сложных с несколькими стержнями отливок просто не сделать. Отсутствует смещение стержней и форм при сборке (так как отсутствуют сами стержни), что способствует повышению размерной точности отливок до уровня 7 – 9 класса ГОСТ 26645-85, а шероховатости их поверхности до 12, 5…25, 0 мкм. Модели красят быстросохнущей краской с огнеупорным противопригарным порошком (обычно получают покрытие толщиной 0, 4 - 0, 8 мм), собирают с литником, засыпают сухим песком в ящике (контейнере) и заливают металлом.

При заливке металл испаряет модель и собой ее замещает. В этой операции замены одного на другое - весь «фокус» или ноу-хау технологии литья по газифицируемым моделям (ЛГМ), который определяет ее название по принятой терминологии в литейном производстве и делает ее уникальной. Во всех других способах формовки по модели присутствует предварительная операция ее удаления перед заливкой, а в таком отсутствии удаления модели из формы кроется и «секрет» точности получаемых отливок. Что заформовали, то и отлили в неподвижном окружающем песке. Снятие «копии» с модели происходит одновременно с «превращением» модели в отливку, что шутя можно сравнить с выполнением «фотографии» путем «убиения» оригинала, или как в шахматной партии с жертвой пешки (модели) для выигрыша туры (отливки). Такой подход к литью часто малопонятен отечественным машиностроителям, наши литейщики к такому не привыкли, стереотипы, заученные еще в институтах, не дают увидеть новых возможностей литья, что тормозит распространение ЛГМ.

Чтобы модель не дымила в цехе при заливке, из контейнера обычно отсасывают насосом газы – разрежение поддерживают небольшое, примерно пол-атмосферы в течение до 15 мин. После отключения отсоса газов из формы производят охлаждение отливок в форме обычно еще в течении 10 - 30 мин., а затем отливки с песком высыпают их контейнера и подают для выполнения финишных операций. Можно также лить и без отсоса газов, например, для разовых отливок (крупногабаритных штампов для кузовов автомобильного производства и т. п.) при формовке в жидкостекольные смеси используют трубчатые газовыводные каналы с поджиганием выходящего их них газа от термодеструкции моделей, чем практически полностью переводят этот газ путем горения в двуокись углерода и пары воды без выделения дыма в цех.

Участки модельного производства обеспечиваются модернизированными автоклавным оборудованием с объемом камеры 100…400 л (рис. 1), аналогичные автоклавы чаще всего применяют в фармацевтической и медицинской промышленности. Разработанные усовершенствования по сравнению с серийно выпускаемыми моделями позволяют сократить время спекания моделей до 1, 5…2 мин. при температуре 115…1350 С и толщине стенки получаемой по моделям в последующем отливки 5..10 мм и выше. Таким оборудованием сейчас оснащено ряд цехов в Украине.

Для серийного производства отливок поставляются полуавтоматы, цикл производства пенопластовых моделей на которых составляет около 2…3 мин. и которые «взяты» из упаковочной отрасли, где их задействуют для производства фасонной упаковки, легкой тары, а также декоративных, шумо- и теплоизолирующих панелей, декоративных элементов фасада. Практика показывает, что указанное модельное оборудование в действующих литейных цехах нашей страны является наиболее загруженным и часто эксплуатируется в три смены.

Производственные участки: модельный, формовочный, плавильный, очистной имеют примерно одинаковые площади и оснащаются простым оборудованием (наиболее сложным является упомянутое модельное). Вся формовка состоит из засыпки сухого песка с вибрацией контейнера до одной минуты без массивных высокоточных машин прессования, встряхивания, устройств сборки форм, свойственных традиционным видам формовки. Акцент внимания перенесен на производство моделей – этих «легчайших игрушек» с плотностью материала 25…27 кг/куб. м, которое обычно «доверяют» женским рукам, часто располагая на втором и выше этажах зданий. Качество выполнения модели в основном определяет качество отливки.

Оборотное охлаждение сухого песка ведут в пневмопотоке, псевдокипящем слое или в более простых проходных охладителях с повторным использованием песка ~97%, а также применяют термическую регенерации песка путем нагревания его в пределах 300…4000 С, при котором происходит дожигание и испарение остатков деструкции пенопласта, осевших на поверхности песчинок. Потери оборота песка составляют просыпи и отсев мелкой фракции для предотвращения его избыточного запыления. Кроме того, применят осаждение в циклонах пыли при прохождении отсасываемых газов из формы и дожигание этих отходящих газов в термокаталитических установках со степенью обезвреживания 98% при выделении в атмосферу газовой смеси из 85% N2, 5% O2, 10% CO2, в которой следы углеводородной составляющей не превышают 0, 001%, что в 10 - 15 раз меньше предельно допустимых норм выбросов и, как следствие, существенно улучшает экологию производства.

Для черных и цветных сплавов используется одинаковое модельно-формовочное оборудование, которое, благодаря своей несложности, без затруднений производят в Украине (для других видов формовки качественное оборудование обычно импортируют). Таким способом можно получать отливки из чугуна и стали всех видов, бронзы, латуни и алюминия всех марок. В ящике на «елке» можно сразу лить десятки отливок, как в ювелирном производстве, что служит еще одним «козырем» для литья по пеномоделям.

Создание технологии литья по газифицируемой модели связано с научно-техническая революцией второй половины прошлого века наряду с такими процессами, как вакуумная формовка, непрерывное литье, литье под низким давлением, импульсная формовка и др. Все эти технологии на сейчас подъеме, а цеха и участки с гибкой технологией литья по пеномоделям (Lost Foam Casting – такое ее название на английском) сегодня множатся по всему миру - от Америки до Китая. На заводах General Motors, Ford Motors, Fiat и др. успешно эксплуатируются полуавтоматические и автоматические линии.

В начале истории создания этого способа литья у нас в стране лежит авторское свидетельство СССР №136014 на изобретение одного из вариантов этого способа, которое в 1961 г. получил наш соотечественник одессит А.Р.Чудновский. С тех пор более полусотни отечественных изобретений «защищают новизну» технологии. В наше время в мире по пенополистироловым моделям производят ~1, 4% от всего количества литья - свыше 1, 5 млн. т/год, прогнозы на ближайшее будущее дают этой технологии 10…20% мирового литья. Значительным резервом выглядит рынок стран СНГ, где выпуск литья этим способом не превышает 100 тис.т, а также рынок России, где в 2005 г. произведено этим способом всего 0, 1 % отливок.

Компания, совершенствуя эту технологию, как «фирменную» специализацию и одно из направлений научно-технических наработок , поставляет для литейных цехов типовые комплекты оборудования производительностью 500...20 000 т. отливок в год.

Расчеты показывают, что созданные литейные комплексы оборудования для литья по газифицируемым моделям только на заводах Министерства Промполитики Украины позволят при монтаже их на реконструируемых литейных предприятиях создать производственные мощности с суммарным выпуском литья свыше 150 тыс. тонн/год, в частности, отливок для авто – тракторной техники, техники для АПК, нефтегазовой промышленности, арматуро- насосостроения и военной техники.

Это оборудование показало стабильную производительность при эксплуатации в цехах Украины, России, поставлено и внедрено такое оборудование в Польше, Румынии и Вьетнаме, из последних объектов – цех на 5 000 т/год в Усть - каменогорске. Технология постоянно совершенствуется, сейчас проектируется оснастка для литья стальных надрессорных балок весом до тонны и габаритами до трех метров в цехе серийного литья деталей вагоностроения для железно-дорожного транспорта. Потенциал технологии настолько значителен, что она позволяет лить не только металлы и сплавы, но и композиты, которые обладают повышенными в несколько раз (по сравнению с простыми сплавами) служебными свойствами, например, триботехническими. Эти новые литые материалы и технологии дают существенное снижение металлоемкости и себестоимости продукции, на что ориентируется современное машиностроение.

Практика эксплуатации организованных институтом производств показывает, что низкие затраты на материалы (всего 4 вида, не применяется в форме связующие) экономят не менее 100 дол. на тонну литья, а размещение отливок по всему объему контейнера сокращает расход шихты металла на 150…250 кг, электроэнергии на 100…150 кВт.ч. Технология литья по пеномоделям имеет следующие технико-экономические показатели, отличающиеся в лучшую сторону от традиционного литья в песчаную опочную форму:

коэффициент использования металла
80-98%

выход годного
65-80%

повышение механических характеристик материала отливок на
10-15%

снижение массы отливок на
15-25%

снижение расхода шихтовых материалов и ферросплавов на
15-25%

снижение расхода формовочных и стержневых материалов на
80 -90%

снижение капитальных затрат, раз
2-2, 5

уменьшение производственных площадей, раз
3-4

уменьшение трудозатрат на
30-50%


Трудоемкость финишных операций сокращается на 10…20% при единичном и на 40…60% при серийном производстве. Особенно крупная экономия при литье сложных отливок из износостойких сталей (шнеки для машин производства кирпича, била, молотки и детали дробилок), т. к. резко снижаются затраты на их механообработку. Также льют без ограничений колеса, звездочки, корпуса, сантехнику, головки и блоки цилиндров бензиновых и дизельных двигателей, художественные, парковые и другие отливки.

По данным General Motors Corp. при производстве блока цилиндров масса его уменьшилась на 15% и трудоемкость механической обработки на 50% по сравнению с традиционным литьем в стержнях, количество головок и блоков цилиндров для автодвигателей, отлитых описываемым способом, достигло 8 миллионов штук. Промышленное освоение серийного литья чугунных блоков автомобильных двигателей стоит на повестке дня отечественного двигателестроения. Технологи компании сейчас отрабатывают технологию литья по спроектированной оснастке на два вида головок и блоков цилиндров двигателей из алюминиевых сплавов и чугунов ( 4 цилиндра ) .

Для проектирования и изготовления пресс-форм все шире применяют компьютеры, когда по чертежу литой детали с экрана компьютера, благодаря программному обеспечению, в котором заложены нормы и типовые решения проектирования, сразу вырезают из блока на обрабатывающим центре пенопластовую модель пресс-формы, продолжительность операции занимает буквально часы. Затем по этой модели отливают алюминиевую пресс-форму, часто не требующую механической обработки. То есть, таким же способом точного литья получают пресс-форму, каким затем по ней производят модели, и далее отливки.

В Киеве льют черные и цветные металлы развесом до 500 кг. Литейный цех опытного  производит отливки из чугуна, стали, алюминия, медных сплавов (латунь, бронза) до 150 тонн в месяц и выполняет заказы на серийные и разовые детали. Компания комплектует и поставляет оборудование и оснастку для литейных цехов и участков в технологические «цепочки» различной конфигурации, отрабатывает технологию у себя и передает в цех заказчика, где внедрил такое точное литье деталей массой 0, 1…2 500 кг. с минимальной механообработкой без ограничений на форму отливки. Выполняется пуско-наладка поставленного литейного оборудования и шеф-монтаж. Изготовление пресс-форм для моделей (особенно художественных) часто выполняют точным литьем.

Опыт запуска цехов до 50…2 500 тонн/месяц показал срок окупаемости 18...26 месяцев, притом, что набор оборудования для мелких цехов 50…70 т/месяц отличается мало. Легко разместить такие участки при кузнях, термических, ремонтных и других цехах. Для предпринимателей, желающих создавать или реконструировать литейный цех, подчеркнем, что технология ЛГМ может стать тем бизнесом, в котором металл своим оборудованием и рабочей силой переводится в высокотехнологичный наукоемкий товар. ЛГМ относится к высоким литейным технологииям, которые ломают стереотип, что высокие технологии - это обязательно сложные малодоступные производства, и которые позволяют опередить на шаг конкурентов в направлении укрепления собственного машиностроения.

К сожалению, крупные металлургические державы Россия и Украина продолжают продавать за рубеж много металла в чушках, слябах и массивных заготовках, а также лом. Тогда как Германия в 2004 г. экспортировала 31% отливок, полностью импортируя руду и металл. Однако статистика последних лет показывает опережающий рост (на уровне до 25% в год по Украине) обрабатывающей промышленности, что объективно стимулирует переход от продажи металла как сырья к углубленной его переработке, когда без высокоточных металлозаготовок не обойтись. Тем более это выгодно для немногочисленных стран с замкнутым металлургическим циклом, к которым относится Украина. Возрождение отечественного машиностроения базируется на понимании того, что, чем раньше мы станем в детали и машины переводить свой металл, тем быстрее достигнем европейского уровня благосостояния.

Руководитель проектов ЛГМ, к.т.н., Шинский Игорь Олегович, +38-068-251-20-23 ;
lgm-fc@ln.ua , //www.lgm.com.ua

Размещено компанией ЛГМ - групп [29.01.2010]