3D-технологии при литье металлов

На протяжении существования литейного производства точное литье служило неким критерием уровня технологического развития всего литейного производства, и было флагманом на пути совершенствования различных способов получения отливок. Появление новых технологий в производстве точного литья, как правило, влекло за собой совершенствование других литейных процессов. Именно к получению отливки максимально приближенной по конфигурации к конечному изделию стремился и стремится каждый литейщик. В Украине при появлении за годы независимости на месте крупных производств множества некрупных самостоятельных предприятий при характерных для них мелкосерийностью и многономенклатурностью продукции гибкость технологии литейного производства в сочетании с невысокими капитальными затратами на внедрение и высокой точностью выпускаемых заготовок является решающим фактором. Этим параметрам вполне соответствует технология ЛГМ, что подтверждает мировая практика постоянного роста производства отливок этим способом, которое превысило 1,5 млн. т/год, в одной КНР работает сотни таких участков при активном использовании этой технологии в авто- и двигателестроении.

В институте ФТИМС НАНУ на базе разработанных научных основ под руководством проф. Шинского О.И. постоянно совершенствуется процесс ЛГМ, что свидетельствует о лидирующих позициях института по этой теме. ФТИМС поставляет заказчикам технологическое оборудование литейных цехов и участков для единичного, серийного и массового производства отливок из черных и цветных сплавов способом ЛГМ производительностью 100 - 5000 т отливок в год.

На действующем опытно-промышленном литейном цехе института, базирующемся на ЛГМ-процессе и служащим демонстрационной базой, где это оборудование проходит отладку и модернизацию до уровня лучших зарубежных аналогов, выпускается до 50 т в месяц отливок из черных и цветных металлов. При проектировании литейных участков и цехов конструкторы института на планировке помещений в соответствии инвестиционными возможностями завода-заказчика выполняют расстановку оборудования и компоновку его в разных производственных вариантах: от единичного и ремонтного литья до серийного производства отливок. Часто производство легковесных моделей с плотностью пенополистирола порядка 25 кг/м³ выносят на второй этаж помещения цеха.

Система оборотного транспортирования, подготовки и складирования сухого песка выносится на открытый воздух с внешней стороны литейного цеха (сухой песок «не боится» мороза). Она состоит из проходного оборудования и системы бункеров-трубопроводов, как это показано на рис. 1. Такое вынесение оборудования пескооборота экономит площадь цеха, а в сочетании с отсосом газов из форм, подключаемых к вакуумному насосу на период заливки-затвердевания отливки, улучшает условия труда, устраняя шум и пылевыделения).

В ЛГМ-процессе получить модель отливки означает уже наполовину получить отливку. Остановимся на этой теме подробнее с учетом современных тенденций. Сегодня производства высокоточных пространственных (трехмерных) изделий, моделей, форм, мастер-моделей из алюминия, дерева, МДФ, макетных пластиков и пр. связаны со стремительным развитием компьютерной техники, программного обеспечения, цифровой передачи данных, а также усовершенствованием систем приводов обрабатывающих станков (применение серводвигателей с обратной связью). Производственникам сегодня по ценам и широкому ассортименту стало доступно автоматизированное оборудование с числовым программным управлением. Системы ЧПУ начали вытеснять любые другие системы управления, как на крупных автоматизированных производствах, так и на совсем небольших, гибких универсальных производствах (макетно-модельное, инструментальное, сувенирно-рекламное, ремонтное). Таким оборудованием все чаще пользуются как частные предприниматели, так и обслуживающие широкой круг заказчиков специализированные участки. Для оперативного просчета и изготовления форм, матриц, моделей необходимо лишь прислать им на электронный адрес трехмерное изображение изделия.

Указанная доступность компьютеризированных систем и систем с ЧПУ послужила толчком для появления целого класса оборудования, позволяющего с чертежа детали на компьютере получить с фрезерного станка с ЧПУ готовую пресс-форму в металле или ее модель из пенополистирола, когда программа такого изготовления «сама учитывает» литейную усадку, а также припуски литейные и на механообработку. При этом применяют программы, которые помогают максимально использовать потенциал этих станков с поддержкой 3D-моделей и токарной обработки.

Появился ряд программных комплексов компьютерного моделирования литейных процессов, позволяющих при выборе параметров технологического процесса разработать конструкцию блока моделей [1]. Отработка конструкции литниково-питающей системы и температурно-временных параметров технологического процесса ведется не в цехе с металлом на реальных дорогостоящих плавках, а в виртуальном пространстве математической модели. Короткие сроки выполнения компьютерного эксперимента, а также большой объем и наглядность полученной информации о ходе технологического процесса и качестве будущей отливки делают компьютерное моделирование важнейшим инструментом опытного производства все большего числа заводов. По электронной модели литейного блока также изготавливают комплект модельной оснастки и для сборки модельных блоков.

На современном участке ЛГМ производственный цикл изготовления детали от разработки конструкторской документации до готовой детали состоит в следующем. После получения технического задания конструктор разрабатывает документацию (КД), обычно используя следующие программы: AutoCAD, CADMECH, Inventor и др. Готовая КД сдается в электронный конструкторский архив, который находится на общем сервере организации. При получении задания на изготовление той или иной детали в производственный отдел технолог-программист берет чертеж и 3D-модель, разрабатывает техпроцесс, программу управления и помещает ее на сервер. Затем после установки заготовки на стол станка оператор станков с ЧПУ вызывает эту программу с сервера и после ее проверки и наладки станка приступает к обработке заготовки, получая литейную модель детали или ее пресс-формы. На рис. 2 показана работа оператора, на столе станка с ЧПУ лежат вырезанные фрезой станка модели.

Из пенополистироловой модели пресс-формы по ЛГМ-процессу часто отливают алюминиевую пресс-форму, а затем, если необходимо, доводят ее до требуемой чистоты поверхности на том же станке с ЧПУ. Это упрощает всю технологию перевода изделия с чертежа до пеномодели и отливки, ускоряет получение пресс-форм (до нескольких часов) для производства моделей от стадии проектирования до их изготовления, в то же время требуя компьютерной грамотности занятого этим трудом персонала. На рис. 3 показаны одновременно модель пресс-формы и модель художественной отливки, полученные на станке с ЧПУ из блока пенопласта. На рис. 4 показана достаточно сложная в изготовления круглая модель, которую уже традиционно изготавливают на 3D-фрезере.

По принципу действия система ЧПУ с серводвигателем является системой с обратной связью, сигнал позиции подается от оптического датчика (инкодера), который закреплен на двигателе и снабжает контролер информацией о реальном повороте вала двигателя. Эта информация используется для постоянной коррекции отклонений между величиной заданного и реального перемещения режущего инструмента. Для получения объемной копии с детали без чертежа в этих станках используется сканирование с цифровой записью информации. Управление станком осуществляется через USB порт с обычного персонального компьютера в среде Windows, с помощью модема возможна функция удаленного доступа к ЧПУ, включающая диагностику и модернизация программного обеспечения.

На рынке Украины широко представлены станки с ЧПУ (3D-фрезеры), например, фирмы Obrusn (Польша) для объемной обработи цветных металлов и сплавов, полимеров, дерева с точностью позиционирования от ±0.05 до ±0.1 мм, разрешающей способностью ЧПУ ±0.01 мм и весом станка от 60 до 1450 кг. Имеются также более крупные станки фирмы Bermaq (Испания) с точностью позиционирования ±0.03 мм, повторяемостью позиции ±0.015 мм и весом 1,5 – 3 т, а также немецких и китайских фирм.

Описанная отечественная литейная технология, обогащенная накопленным опытом ее использования, служит примером наличия значительного научно-технического потенциала украинской технической науки. В отличие от «доганяльной» модернизации стоит прежде всего задействовать инновационные возможности отечественной науки, особенно в тех отраслях, где она имеет лидирующие, защищенные патентами бесспорные приоритеты, в частности, в науке о литье металлов.

Литература:

1. Монастырский В.П. и др. Разработка технологии литья крупногабаритных лопаток ГТД для энергетических установок с применением систем «Полигон» и ProCAST.- Литейное производство.- 2007.- № 9.- С. 29-34.