ЛГМ или ВПФ? Сравнительный анализ.

Статьи от автора: Феклин Н.Д.

Главными требованиями, предъявляемыми к любым литым деталям, являются их качество и стоимость. Влияние множества организационных, конструктивных и технологических параметров, используемых при производстве различных типов отливок, приводит к созданию конечного продукта (изделия) определенного качества при существующих затратах.

К сожалению, низкий уровень осведомленности большинства литейщиков о реальных возможностях перспективных технологий, отсутствие практик обучения на передовых производствах, закрытость таких производств, поддержка давно используемых технологий «литейной элитой» при нежелании менять что-то в своем арсенале опыта и знаний, - все это формирует огромный поток не соответствующей информации, построенной на домыслах и негативных результатах «доморощенных» производств. «Поставщиками» такой информации, как правило, является среднее руководящее звено, занимающееся реальным производством и несущее ответственность за результаты своего труда.

Существующие сравнительные данные использования технологий ЛГМ и ВПФ, «блуждающие» по страницам интернета, своими невообразимыми фантазиями порой зашкаливают; …себестоимость производства отливок при ВПФ выше от ЛГМ в 2-3 раза,… на 10-20%,… чуть выше и т.п. А что стоят консультации литейщиков, имеющих свой опыт, построенный на исходных данных работы «доморощенных» производств?

Возможно ли вообще сравнение технологий ЛГМ (литье по газифицируемым моделям) и ВПФ (вакуумно-пленочная формовка), основанных на вакууме и сухом формовочном песке?

Необходимо принять как аксиому - «Не существует универсальной литейной технологии, предназначенной для выпуска всей номенклатуры отливок. Понимание (знание) возможностей каждой из литейных технологий позволяет наладить выпуск определенных видов отливок с требуемыми характеристиками, при самых низких затратах».

При всей видимой схожести технологий ЛГМ и ВПФ, они предназначены для выпуска различного типа отливок. Обладая своими достоинствами, недостатками и ограничениями, каждая из технологий имеет свою конкретную нишу производства.

ЛГМ (достоинства):

- видимая простота процесса формовки;

- возможность сохранения формы без вакуума, что позволяет осуществлять не ритмичную работу всего литейного производства;

- сравнительная дешевизна технологического оборудования и опочной оснастки;

- возможность производства конструктивно сложных отливок без стержней;

- высокая металлоёмкость формы (для мелкого литья);

- не большой объем механической обработки отливок;

- низкий расход вакуума.

ЛГМ (недостатки):

- низкое качество поверхности отливок;

- проблемы сплошности отливок;

- науглероживание поверхностного слоя отливок (для стали);

- необходимость дополнительной установки сжигания газов;

- трудоемкость производства моделей сложной формы;

- попадание вредных газов в цех;

- засорение песка продуктами сгорания модели;

- не возможность стабилизации процесса заливки форм расплавом;

- высокая дефектность отливок.

ВПФ (достоинства):

- высокое качество поверхности отливок;

- высокая плотность металла;

- стабильность химического состава получаемых отливок;

- самый низкий объем выбросов вредных газов;

- возможность стабилизации процесса заливки форм;

- низкий процент брака;

-сравнительно низкая стоимость изготовления моделей на единицу отливки (для серийного производства);

- возможность выпуска отливок с высокими требованиями к их качеству;

- возможность автоматизации процесса.

ВПФ (недостатки):

- повышенный расход вакуума;

- сравнительно высокие затраты на хранение готовых форм;

- использование стержней для сложных видов отливок;

- высокая стоимость опочной оснастки.

Описанные выше особенности технологий ЛГМ и ВПФ, являются базовыми для понимания экономической целесообразности организации таких производств. При этом специалистам важно иметь понятные оценочные критерии для анализа выпускаемого литья по основным аспектам технологий.

К примеру:

- Партии мелких чугунных и стальных не ответственных отливок сложной формы (Рис.1). Для этой группы отливок, в конечном счете, даже при повышенном проценте брака, себестоимость литья при ЛГМ будет ниже, чем при ВПФ. Это обусловлено (при ВПФ): необходимостью использования значительного количества мелких стержней; трудоемкостью изготовления форм; большим объемом механической обработки отливок; меньшей металлоемкостью формы; необходимостью размещения нескольких мелких моделей в одной форме, что требует массивной разветвленной литниковой системы с множеством выпоров, приводящих к ее недопустимой разгерметизации при заливке расплавом.

Рис.1 Мелкие чугунные отливки сложной формы.

- Серийный выпуск стальных ответственных отливок (Рис.2) – себестоимость такой группы отливок при ВПФ будет значительно ниже, чем при ЛГМ, не смотря на все необходимые затраты производства.

Рис.2 Стальные ответственные отливки.

Многочисленные попытки отработать литейные технологии по ЛГМ для массового литья, на целый ряд ответственных стальных отливок (Рис.2; Рис.3), ведущими специалистами в этой отрасли, не дали положительных результатов. Не смотря на существующие предложения по организации литейных производств, для выпуска аналогичных отливок с использованием технологии ЛГМ, реальных возможностей для их качественного изготовления, на сегодняшний день, нет.

Рис.3 Пенополистироловые модели на стальные отливки.

Понимание оптимального выбора одной из литейных технологий для изготовления определенных групп отливок (либо отливок под имеющуюся технологию), позволяет еще на стадии принятия заказа, производить отбор предложений для минимизации затрат планируемого (существующего) производства.

Рассматривая разнообразные виды отливок, не попадающие под выше описанные характеристики, либо частично отвечающие требованиям любой из технологий, необходимо понимать основные принципы формирования отливок в формах по ЛГМ и ВПФ, что позволит литейщикам принимать правильные решения.

Жидкотекучесть расплава: чем выше жидкотекучесть, тем лучше для ЛГМ, так как продукты разложения пенополистироловой модели (газы), попадая в жидкий металл при заливке форм, в последствии, легче выделяются из него, повышая сплошность тела отливки.

Толщина модели (масса пенополистирола в модели) - чем тоньше и меньше модель, тем ниже вероятность образования дефектов отливок. Это связано с более быстрым термическим разложением таких моделей, а так же необходимостью удаления меньших объемов выделяющихся газов и снижением вероятности «критического» смешивания расплава с продуктами разложения модели, приводящего к браку отливок.

Технологические требования к отливкам: химический состав, механические свойства, качество поверхности, точность отливки. Если точность отливки при ЛГМ, в большей степени, является неизменной величиной, то по остальным технологическим требованиям необходимо учитывать допускаемые отклонения, так как эти величины, как правило, могут меняться от отливки к отливке. Отсутствие стабильности процесса заполнения формы жидким металлом, в виду невозможности контроля однородности каждой из пенополистироловых моделей и хаотичности потока поступающего металла, образует в каждой форме свой неповторимый процесс взаимодействия модели с расплавом.

Сопоставляя технологические возможности вакуумно-пленочной формовки с литьем по газифицируемым моделям, приходим к выводу:

Влияние жидкотекучести расплава на форму при ВПФ играет значительно меньшую роль, в связи с отсутствием препятствия в виде модели внутри такой формы и наличия выпоров, позволяющих устранять в ней любое избыточное давление.
Толщина отливки при ВПФ влияет только на величину возможной усадки металла, не создавая дополнительных препятствий движению расплава в форме.
Многократное снижение химически активных составляющих форм при ВПФ, заполнение пустотелой формы расплавом при наличии в ее теле разряжения, позволяют существенно ограничить внедрение продуктов разложения пленки в жидкий металл. Заполнение и поддержание уровня расплава в стояке при заливке форм, без прерывания потока струи, при грамотно разработанной литниковой системе, позволяет стабилизировать процесс движения металла внутри форм, изготовленных по одним и тем же моделям. Все это приводит к возможности получения партий отливок с однородными химическими составами и одинаковыми механическими свойствами, что крайне важно при производстве ответственных отливок.

Анализируя приведенную ниже группу пенополистирольных моделей (Рис.4) для изготовления массивных отливок, на предмет экономичности и целесообразности их производства по технологии ЛГМ или ВПФ, можно сделать предварительное заключение:

Рис.4 Пенополистирольные модели для массивных отливок.

- Единичное и мелкосерийное производство таких отливок из чугуна, а так же сталей, при отсутствии высоких требований к отливкам, с учетом дешевизны изготовления разовых пенополистирольных моделей и не высокой трудоемкости изготовления форм, позволяет с уверенностью отдать предпочтение литью по газифицируемым моделям, не смотря на существенные затраты по возможной доработке отливок. Для таких форм, в геометрию разовых моделей закладывают большие припуска, позволяющие впоследствии, механическим путем устранять дефекты, связанные с короблением, пригарами, науглероживанием, обвалами форм, раковинами и т.п.

- Серийное производство тех же отливок предполагает использование точных моделей с минимальными припусками, что при ЛГМ, при таком объеме полистирола и не стабильности самого процесса заливки, приводит к колоссальным затратам по доработке и браку отливок. Возможности вакуумно-пленочной формовки, в своей базовой технологической основе, позволяют производить вышеперечисленную группу отливок высокого качества, без существенных дефектов и доработок, что будет гораздо дешевле, чем при ЛГМ.

В этой статье я не коснулся вопросов экологии. Боюсь, что при существующем местечковом отношении нашей научной и производственной элиты к популяризации новых перспективных технологий, через какое-то уже не далекое время, люди будут ходить по горелой земле и дышать растворенными газами…

Послесловие: На одном из отечественных литейных заводов периодически производят разовые отливки массой до 9 тонн. Для этого, на 3D станке изготавливают части пенополистирольных моделей, которые склеивают в полноценные габаритные модели и изготавливают формы. При заливке таких форм пламя, вырывающееся из них, порой подымается на несколько метров и, однажды, чуть не спалило мостовой кран, расположенный на высоте более 10 метров. Кстати, работы ведутся только ночью, что бы этого смрада никто из «городских» не видел, за то, после механической обработки и заделки всех многочисленных дефектов, прибыль от продажи уже готовых деталей составляет до 50%, - «отличная технология!»

Литература:

В.А. Болюх, И.О. Шинский. Повышение механических свойств крупных стальных оливок путем их армирования при ЛГМ. – Новые методы и прогрессивные технологии литья. – УДК 621.743.45:625.15

В.А. Морозов. - Векторная технология ЛГМ. – ЛИТЬЕ УКРАИНЫ №5(189) май 2016г.

Л.П. Вишнякова. – Литье по газифицируемым моделям (Lost Foam). – Агентство Литье ++. Апрель 03.2012г.

Итоговая научная конференция. 2016 год. Сборник докладов. – Набережночелнинский институт (филиал) ФГАОУ ВО «Казанский (Приволжский) федеральный университет». – Набережные Челны 2016 год.

Е.Н. Буданов. – Производство отливок из марганцовистой стали по технологии вакуумно-пленочной формовке (ВПФ). – СОЮЗ-ЛИТЬЕ. Информационный ресурс по литейному производству.

Литье Украины, №6, 2021, с.13-17