Литье по разовым моделям под регулируемым давлением

 Процессы получения песчаной формы с точки зрения экономики  производства часто занимают не менее половины затрат на получение отливок, а экологические загрязнения, связанные с материалами и технологией формы, могут достигать 80% от загрязнений литейного цеха. Формовочные технологии с песчаными смесями, твердеющими в контакте с оснасткой, в частности, с помощью газообразного реагента (Соld-bох), самотвердеющие смеси - ХТС (Nо Ваkе) и связующие на базе новейших достижений химии, как правило, связаны с применением дорогостоящих синтетических смол, качественных кварцевых песков, а также энерго- и капиталоемкими процессами по регенерации отработанных смесей. Ужесточение экологических норм без возможности снижения загрязнений по вине песчаной формы ставит под сомнение выгодность приобретения активно рекламируемого экспортерами оборудования для технологии ХТС. При этом производство своего формовочного оборудования в странах СНГ практически свернуто.

С другой стороны, способы литья в вакуумируемые формы из сухого песка без связующего (включая способы литья по разовым моделям), упрочняемого с помощью перепада газового давления, позволяют снизить на порядок вредные выбросы в атмосферу цеха. А улавливание и удаление газов с границы «металл-форма» вакуумным насосом с системой пылеосаждения и каталитического дожигания кардинально улучшает экологическую безопасность внутри литейных цехов и вокруг них. С ростом понимания основополагающей роли продуктивности и скорости реальных процессов как основных показателей их эффективности в технической информации отмечается преимущественное развитие специальных способов литья, в частности, непрерывного и литья под давлением (ЛПД) при низкой динамике патентования процессов сырой формовки, что указывает на исчерпании возможности ее совершенствования. В то же время песчаная формовка в отличие от литья в металлические формы дает гибкость литейным процессам.

Разработанный способ (рис. 1), сочетая ЛГМ и ЛПД, представляет  собой способ литья в песчаную форму по газифицируемым моделям под действием перепада давления. Принцип действия способа состоит в том, что на расплавленный металл 1 в тигле подается давление, и он по металлопроводу 2 подается в форму 3, где заформована в песке без связующего одноразовая пенопластовая модель 4. Модель имеет канал 5, выполненный сверлением или прожиганием модели нагретым прутом, для выхода газов вдоль движения металла при заполнении формы снизу - вверх. Верхняя точка модели (на небольшом выпоре) каналом сообщена с местом подвода к модели заливаемого снизу металла. Канал в этой точке через огнеупорный фильтр 6 (прокладку) связан трубкой с датчиком давления обратной связи 8. Для сообщения с атмосферой форма 3 имеет сетчатые участки 7 на стенках контейнерной опоки. Опоку после заполнения песком и его уплотнения могут накрывать сверху крышкой.

Качество отливки обеспечивается в том случае, когда песок, контактирующий с пенопластовой моделью, останется неподвижным в процессе замещения этой модели металлом. При заливке металла модель как опору песка сменяет удерживающий песок перепад газового давления (в полости формы давление газа выше, чем в песчаной среде формы), аналогичный тому, который действует при ВПФ. Роль пленки при этом выполняет покрытие (слой краски) модели вместе с продуктами деструкции модели, которые впитываются в поверхностный песчаный слой, там конденсируются и снижают его газопроницаемость, тем самым формируя его герметизирующие свойства.

Традиционно при ЛГМ в форме из сыпучего песка перепад газового давления создают давлением газов от газификации модели или в сочетании его с атмосферным давлением в случае выполнения вентиляционных каналов. Новизна состояла в том, что в полость формы на газифицируемую модель жидкий металл стали подавать под давлением свыше атмосферного и для упрочнения формы  использовать единое давление в бинарной среде жидкости металла и газов от газифицирования модели в полости формы, где модель замещается жидким металлом [1]. Это давление при поддержании в необходимых пределах позволяет создать необходимый перепад давления для получения качественной отливки без осыпания песка.

В первом варианте этого способа величиной перепада давления на металл обеспечивают прочность песка формы без применения вакуумирования, а также связанного с ним оборудованием и энергозатратами. Этот перепад следует поддерживать в интервале 10...80 кПа сверх атмосферного при отсутствии вакуумирования. Минимальное значение указанного интервала для песчаной формы со слоем песка толще (выше) 60 см выбрали из того соображения, что при атмосферном давлении 1000 г/см² = 98 кПа (10 м вод. столба) слой песка с удельным весом 1,7 г/см³ и высотой 60 см будет оказывать давление на горизонтальную площадку (60'1,7=102 г/см²) примерно равное 10 кПа. Если разница газового давления будет меньше, то форма со слоем песка толще (выше) 60 см может обвалиться. Формы меньших размеров обычно в технике не применяют.

Максимальное значение указанного интервала выбрано из практики применения традиционно отработанных противопригарных покрытий при литье в вакуумируемые песчаные формы, в которых разрежение создают водокольцевым насосом типа ВВН не более 80 кПа ниже атмосферного. Превышение значения 80 кПа создает условия для механического пригара на отливках, особенно на их вогнутых местах, которые выполняются песчаными выступами типа «болванов».

Во втором варианте способа [1] применяют только вакуумирование песка, которым  создают перепад газового давления на песок формы, и величины этой разницы достаточно для удержания нерушимого песка формы и вместе с тем создания перепада для расплавленного металла, заполняющего форму. Например, если в толще песка создать давление 20 кПа, а на уплотнение песка достаточно разницы давлений 20 кПа, и форму сообщить литником с поверхностью металла, на который действует атмосферное давление 98 кПа, то тем самым для перепада давления на металл останется 98-20-20=58 кПа. Для жидкого алюминия плотностью 2,38 т/м³ такой перепад давлений способен поднять столб металла по литнику на высоту (58'10)/(2,38'98)=2,49 (м). Этот расчет показывает, что одним вакумированием песка можно обеспечить одновременно достаточное уплотнение песка и создать перепад давления столбом алюминия высотой 2,49 м. При использовании установки литья под электромагнитным давлением такой перепад давления достигают в пределах 1 м столба жидкого алюминия от уровня его в тигле.

Отличительной особенностью способа является автоматическое регулирование давления по следующему принципу: первичный прибор (датчик давленияобратнойсвязи 8) получает импульс давления, превращает его в электрический сигнал, который подает на вход регулятора 9. Регулятор 9 сравнивает сигнал датчика с заданным и определяет знак и величину расхождения. Знак показывает, в какую сторону необходимо переместить регулирующий орган 10, а величина – длительность перемещения. С регулятора информация подается на преобразователь интерфейсов, из которого затем поступает на ЭВМ. Давление, которое обеспечивает емкость 11 (аккумулятор) с газом под давлением, после коррекции регуляторм 9 контролируют датчиком давления 12, который может быть связан с оборудовании для записи.

В качестве регулятора 9 использовали микропроцессорный регулятор МИК-21 производства ООО «Микрол», г. Iвано-Франковск. Этот тип регулятора непрерывного действия программируется через переднюю панель, или через гальванически разделенный интерфейс RS-485, формирует исходный импульсный сигнал управления исполнительным механизмом типа МЕО соответственно с заданным режимом работы. Благодаря наличию в своем составе последовательного интерфейса RS-485 информация от регулятора передается на ЭВМ. В качестве датчиков 8 и 12, которые превращают импульс газового давления или разрежения в электрический исходный сигнал, пригодны для использования приборы типа Сапфир 22М (ЗАО "Манометр", г. Москва) или преобразователь давления измерительный ПД–1, (ООО «ДП Укргазтех», г. Киев, ТУ У 30265715.002-99).

Таким образом, через вентиляционный канал 5 вдоль модели получаемой отливки на весь период от начала до конца контакта заливаемого металла с моделью в процессе ее замещения металлом обеспечивают требуемую разницу давления путем измерения датчиком 8 и автоматическим управлением регулятором 10 перепада давления на металл. Вместо регулирования газового давления перепад давления на металл также можно создать в указанном интервале использованием установки литья под электромагнитным давлением. Кроме того, этот способ позволяет путем надежного контроля разницы давления датчиком 8 в обоснованных выше пределах для легких сплавов обеспечить перепад давления на металл путем использования только вакуумирования песка формы. При этом вместо применения сетчатых участков 7 опоку выполняют сплошной и газонепроницаемой, а вакуумирование проводят через размещенный в песке формы вакуум-фильтр (например, металлорукав), подключенный к вакуум-насосу, без наличия потребности в источниках и схеме регулирования повышенного газового давления. 

Для получения серийных отливок достаточно в процессе проведения 3-5 заливок металла в качестве мониторинга определить разницу газового давления и записать микропроцессорным регулятором оптимальный перепад давления на металл, а для последующих заливок достаточно повторять режим по этим записям без необходимости определения разницы газового давления, регулятор лишь будет повторять записанный режим.

Литература:

1.Пат. 93723 UA, МПК В22D 18/06, 18/04, 18/08, 27/13, 27/15, В22С 9/04. Спосіб лиття металу за одноразовими моделями в піщану форму під дією перепаду тиску / Шинський О.Й. Дорошенко В.С. - Опубл. 10.03.2011, Бюл. № 5.