Новации в производстве безопочных форм с горизонтальным разъемом

  Колдитц М.
Disa Industries A/S, Дуйсбург

В течение нескольких последних десятилетий машины для производства безопочных форм с горизонтальным разъемом получили широкое распространение, особенно в Сев. Америке. С конца 1990-х гг. эта технология продолжала развиваться на базе принципа DISAMATIC. В статье описываются процесс формовки, необходимое вспомогательное оборудование и транспортировка форм по линиям заливки и охлаждения. За основу взят опыт североамериканских литейных предприятий, поскольку они использовали подобное оборудование с начала XX в., а в качестве примеров приводится производство этими предприятиями модельных плит, песчаных форм и литых деталей.

Известно, что процессы безопочной формовки начали использовать вскоре после I Мировой войны. В США этот метод стали широко применять в ранний период, и на сегодня он имеет сильные позиции на рынке Сев. Америки. В Европе метод горизонтальной формовки получил распространение после изобретения безопочной формовки с вертикальным разъемом (метода DISAMATIC), приблизительно, в 1964 г. Несомненно, на его дальнейшее развитие положительно повлияло улучшение качества формовочного материала. Сегодня значимость безопочной формовки может быть подтверждена несколькими показателями. Известно, что в мире используется 1900…2100 машин для безопочной формовки, в 1600 из которых предусмотрен вертикальный разъем.

 

При безопочной формовке по-прежнему необходимо использовать формовочный жакет для изготовления формы, но он снимается после изготовления формы. Типичной формой была разъемная опока (рис. 1). После процесса формовки, закрытия форм и их размещения на песчаном слое или транспортной паллете опоки удаляли с форм, ослабляя зажимной механизм.

В случае использования выталкивающей опоки готовую форму после закрытия вытесняло из опоки специальное устройство. Поэтому опоки должны были иметь конусообразную конфигурацию. В работе всех современных автоматизированных машин используют принцип выталкивания. Конусность всей системы верхней и нижней полуформ (ПФ) машины, описываемых в настоящей статье, составляет 4 град.

Затем безопочные формы нагружались перед заливкой и, как правило, снабжались жакетами, которые в прошлом часто входили в состав песчаных брикетов.

Различие между безопочными формами и формами с неразъемными опоками

Различие двух процессов формовки заключается, как понятно из названий, в том, что в машинах для формовки с неразъемными опоками для каждой формы нужна опока, которая служит:

• каркасом, в котором содержится форма во время формовки;

• контейнером для транспортирования формы вовремя процесса формовки, заливки и охлаждения;

• опорой для формы во время заливки; а также содержит направляющие элементы, которые обеспечивают точное совпадение двух полуформ.

При безопочной формовке эти задачи достигаются использованием других подходящих приемов. Таким образом, отличия от форм с неразъемными опоками, преимущества и недостатки технологии безопочной формовки обусловлены тем, что функции опоки выполняют другие устройства.

Преимущества безопочной формовки:

• не требуются средства для транспортированияопок;

• меньше смещение;

• ниже потребление энергии;

• меньше расход формовочной смеси;

• исключение расходов на ремонт опок;

• проще разделение смеси и отливок.

Недостатки:

• больший расход смеси;

• в меньшей степени используется модельная плита (расстояние от кромки);

• простановка стержней может быть осложнена;

• наличие риска раскрытия формы.

Принципы работы машины для безопочной формовки с горизонтальным разъемом

Широкое использование машин для безопочной формовки с горизонтальным разъемом, которое началось на ранних этапах, с применением двусторонних плит или перекидного стола в США в середине 90-х гг., привело к высокой потребности в инвестициях на обновление устаревшей техники. Будучи ведущим поставщиком формовочных машин в Сев. Америку, компания DISA была вынуждена предложить машину для изготовления разъемных по горизонтали форм, которые были бы так же эффективны, как и безопочные машины с вертикальным разъемом и разрабатывались на их основе.

Большое количество запросов позволило DISA разработать тип машины, который в значительной степени расширил линейку продукции и без конкурирования с технологией вертикальной формовки, имеющей успех в силу других преимуществ. DISA MATCH предназначена для небольших и средних литейных предприятий, которые, в силу небольших объемов производства, обязаны часто заменять модельные плиты. Этот процесс можно успешно применять и в тех областях, в которых использование метода DISAMATIC нерационально, и в то же время позволяет литейному предприятию вложить средства в оборудование, которое может устанавливаться на плоском фундаменте с использованием небольших углублений.

Помимо того, что исключаются лишние затраты на подготовку фундамента, также снижаются затраты на опоки и существенно уменьшаются расходы на гидравлику в насосной установке.

Наибольшим спросом пользовались формовочные машины для форм размером 508x610 мм (20x24 дюйма). Этот диапазон размеров формы соответствовал машинам для изготовления форм с вертикальным разъемом, и поэтому разработка машины для производства форм с горизонтальным разъемом, на основе имеющегося опыта изготовления вертикальных форм, была рациональным шагом. Камеры для формовки в машинах DISAMATIC (рис. 2) послужили основой для новой DISA MATCH, что позволило получить бесступенчато регулируемую ширину формы в пределах, задаваемых техническими требованиями.

Первая установка DISA MATCH была отгружена американскому заказчику в 2001 г. В настоящее время 41 такая машина функционирует в производстве на четырех континентах, хотя большая их часть сосредоточена в США (рис. 3). Почти все машины используются для производства отливок из Al-сплавов и чугуна (GJL, GJS, а также ADI), а некоторые для литья латуни и бронзы. В 2008 г. была освоена новая концепция конструкции машины. И снова центром стал рынок Сев. Америки, поэтому параметры оборудования DISA MATCH – 24/28, 28/32 и 32/32 для размеров форм задаются в дюймах (1 дюйм = 2,54 см). В таблице – представленные в настоящее время на рынке формовочные безопочные машины с горизонтальной плоскостью разъема.

Машины всех четырех типов отличает высокая стабильность конструкции, благодаря жестким направляющим для выталкивателей на нижней и верхней ПФ.

Таким образом, смещение, связанное с погрешностью оборудования, может быть практически сведено к нулю для данного диапазона, и заказчику гарантируется, что смещение будет составлять <= 0,25 мм. Для разработки вращающихся цилиндров с узкими допусками использовали расчеты на базе модели конечных элементов, что позволяет избежать необходимости использования направляющих при соединении верхней и нижней ПФ. Эти машины проходят прогон во время цикла изготовления в DISA, с производством >= 2000 форм, и поставляются готовыми к эксплуатации.

Принцип работы DISA MATCH

На рис. 4 схематически показан принцип работы DISA MATCH. В начальном положении верхняя и нижняя ПФ открыты. Модельная плита (МП) располагается слева сзади в состоянии готовности. На этапе I МП, перемещаясь между верхней и нижней ПФ, движется вверх в направлении неподвижной верхней ПФ, за МП движется нижняя ПФ. Расположение вертикального литника вдоль поверхности формы может выбираться любым. Как уже было описано ранее, формы закрываются с помощью двух центрированных направляющих колонн. Затем интегрированная система впрыска камеры увлажняет поверхности двух закрытых камер формы, чтобы снизить износ и упростить последующее выталкивание модели.

После закрытия система поворачивается назад на 90 град. Щели для надува смеси в верхней и нижней ПФ примыкают непосредственно к двум отверстиям в бункере для формовочной смеси. Затем осуществляется впрыск и прессование формовочной смеси, в соответствии с заданным процессом DISAMATIC, во время которого прессование контролируется с использованием зарекомендовавшей себя системы измерения.

После прессования система поворачивается в начальное положение, в котором модель снимается с верхней ПФ. В ходе этого процесса МП и нижняя ПФ опускаются гидропрессом для разделения (с заранее заданными ускорением и скоростью и на заданное расстояние). После того, как МП достигнет своего начального положения, нижняя ПФ отделяется от нее – технологические параметры заданы для процесса извлечения. Жесткая конструкция формовочной машины и внутрикамерная система впрыска обеспечивают качественное отделение. Теперь МП возвращается в позицию готовности, после этого стержень может быть установлен в форму в открытой нижней ПФ, находящейся на оптимально эргономичной высоте от пола в 900 мм, как вручную, так и автоматическим простановщиком стержней (CSE). Как и в DISAMATIC, доступ контролируется с помощью защитной световой завесы.

Во время установки стержней простановщик перемещается в машине на позицию над нижней ПФ и останавливается. Нижняя ПФ двигается к простановщику для ввода стержня. Поддержание вакуума в простановщике прекращается для того, чтобы стержень мог быть размещен точно в форме. Затем нижняя ПФ возвращается в исходное положение, и простановщик выводится из машины. Теперь путь для нижней ПФ свободен, и она может перемещаться к неподвижной верхней ПФ с индивидуально задаваемой скоростью, и две опоки, включая две ПФ, соединяются. Полная форма выдавливается из системы нижней и верхней ПФ (по заданным параметрам), выводится из машины и транспортируется на ожи дающую паллету. Затем рабочий цикл повторяется. Для экономии времени некоторые фазы рабочего цикла могут проводиться параллельно (рис. 5).
Требуемое качество формовочной смеси
Процесс надува и прессования, который использует DISA MATCH, хорошо известен в технологии вертикального литья и подтверждает свою пригодность и для этого процесса. Необходимое качество формовочного материала не обязательно отличается от качества материала для машин с неразъемными опоками. Тем не менее, бессмысленно требовать от заказчика сообщить гранулометрический состав песка, не ознакомившись с его программой производства отливок. Детальный анализ необходим для того, чтобы, например, отрегулировать чистоту поверхности литых деталей без проникновения в места, через которые вентилируется форма. Степень проникания металла в материал формы по-разному зависит от металлостатического давления и среднего размера зерна для различных процессов формовки.

Характеристики качества формовочного материала не представляют серьезной проблемы, при условии его соответствия обычным европейским стандартам для поставщиков и соблюдения современного уровня технологии его подготовки. Несмотря на то, что основы процесса хорошо известны и имеются в открытом доступе, важно убедить заказчика в значимости всесторонней технологической поддержки, с обеспечением надлежащего сервиса новой машины, что также распространяется на такой немало важный фактор, как качество формовочного материала.

Специалисты, отвечающие за освоение в производстве новых машин, готовы отвечать на вопросы о требованиях к качеству как формовочного песка, так и отливок, относительно всех безопочных машин. К тому же, в большинстве случаев Руководства по эксплуатации, представляемыес каждой новой машиной, помогут пользователям в решении данной задачи. Система управления машиной также выполняет непрямой контроль качества формовочного материала. Например, пригодность формовочного материала в каждой изготовляемой форме измеряется и показывается в виде диаграммы, и эти максимальные и минимальные значения можно задавать как параметры и использовать для получения предупреждений. Отклонения параметров качества формовочного материала также может приводить к переменной толщине форм, и поэто-му необходимо использовать адаптивную систему ее контроля, чтобы жестко ограничить такие изменения.

 

Широкая гибкость настройки толщины формы в верхней и нижней ПФ обеспечивает возможность регулирования соотношения смеси и металла в форме. Во многих случаях это соотношение равно 5:1, но оно зависит и от других параметров и может варьироваться.

Вспомогательные устройства

Автоматический простановщик стержней (CSE). Конструкция этой простой машины, обеспечивающая экономию пространства, снижает вероятность того, что стержень будет располагаться непосредственно внутри машины. Если должна быть достигнута максимальная скорость формовки на машине DISA MATCH 32/32, равная 80 форм/ч, то на простановку стержня в каждую форму остается всего 9 с. Чтобы расширить это временное окно, можно выбрать опцию автоматического простановщика стержней (рис. 6), когда он работает по тому же принципу, как и в машине DISAMATIC. Стержень помещается в подготовленный держатель и удерживается там вакуумом.
Работа простановщика полностью сопряжена с последовательностью работы формовочной машины, что расширяет временное окно для про-становки стержней до 36 с в случае указанной скорости формовки. Если простановщик используют в более скоростной машине DISA MATCH 130, которая может производить до 120 форм/ч, при использовании функции простановщика, временное окно на простановку стержня рас-ширяется с 3 (без использования простановщика) до 20 с.
Гибкий вертикальный литник и литниковая чаша. На рис.7 показан стандартный вертикаль-ный литник. Выполненный из упрочненной стали, он может легко монтироваться на прессовую плиту в верхней ПФ по всему огороженному участку. Он все время находится рядом с формой, и во время прессования они просто сжимаются вместе.

 

Если требуется, можно устанавливать и другие вертикальные литники на прессовой плите верхней ПФ.
Данные о минимальных расстояниях между моделью и наружной кромкой формы, а также дальнейшая более подробная информация, приведенные в Руководстве по эксплуатации, которое входит в комплект поставки, формировались на основе десятилетий опыта разработки и производства безопочных машин.

Автоматическое транспортирование форм (AMH).

Формовочная машина и система транспортирования форм имеют модульную конструкцию, как и другие изделия DISAMATIC. Если машина представляла собой абсолютно новую разработку, то в области вспомогательных систем использовали проверенную и протестированную технологию. В паллетной системе транспортирования для отливок используют четырехколесные паллетные тележки, которые традиционно применяют с другими формовочными машинами, тележки приводятся в действие гидравлически и перемещаются по рельсовой системе. Транспортная система состоит из передней и задней погрузочной платформ, по концам которых передаются паллеты. Через восемь позиций после того, ка форма была извлечена из машин на паллеты, жакеты располагают над нижней ПФ и линией раздела. В последующей позиции устанавливают грузы. Жакеты и грузы снимаются передаточной станцией с формы с уже застывшим металлом на задней погрузочной платформе паллетной транспортной системы.

 

Последующие восемь позиций используют для заливки металла в форму. В эту зону входят и позиции охлаждения. Число позиций паллет рассчитывают таким образом, чтобы стандартное максимальное время охлаждения формы было 40 мин. В зависимости от ассортимента продукции литейного предприятия, отливка может опрокидываться или выталкиваться на дополнительную линию охлаждения, которая представляет собой пластинчатый или резиновый ленточный конвейер и обеспечивает увеличение времени охлаждения для литых деталей в форме до необходимого (рис. 8).

Опыт разработки и производства формовочных машин

В США и Канаде работают ~2200 литейных заводов. Как и в Германии, многие из них средних объемов производства. Однако, зачастую они входят в группы компаний. Так, производство отливок для автомобильной отрасли составляет ~35%, и для этого, в основном, задействуется несколько крупных литейных предприятий. Несомненно, большинство из них производят специальные отливки в малом и среднем объеме, когда большое значение придается стабильности характеристик качества.

При посещении США, естественно, возникают вопросы, связанные с различиями между Новым Светом и Европой. Поскольку компании с момента их основания развивались, используемые ими подходы сильно различаются. Говоря об различиях американских и немецких литейных предприятий, напрашивается вопрос: почему в США на производстве не применяют машины с неразъемными опоками? Ответ очевиден и прост:

• с точки зрения капиталовложений эти машины гораздо дороже;

• затраты на обслуживание несоизмеримо выше;

• стоимость энергии выше, что в США – важный аргумент.

Естественной реакцией на эти ответы будет более подробное их обсуждение и приведение таких аргументов, как большие расстояния до кромок формы и скорость работы безопочных машин. Но даже при этом, ответ остается неоднозначным, поскольку расстояние до кромки фор мы зависит от изготовляемых деталей и варьируется от 15 до 40 мм. 

Компании признают этот недостаток, но видят в этом проблему только для 5% производимой продукции. В частности, одним из преимуществ, связанных с безочными машинами, стала большая гибкость в настройке толщины сжатия формы. В США использование машин с неразъемными опоками рассматривают, только когда требуются большие размеры формы, чем обычно предлагают поставщики, использующие безопочную технологию.
Другой аргумент в пользу машин с двусторонними формовочными плитами – это меньшие затраты на МП, так как требуется всего одна пли-та. За исключением МП с отпечатком для получения песчаного болвана, перенастройка возможна с относительно низкими расходами. После накопления достаточного опыта использования в производстве можно добиться значительной экономии (рис. 9).
Американские литейные предприятия, такие, как заводы, производящие отливки из Al-сплавов – Littlestown Foundry и Buck Company, из латуни и бронзы – J. Walter Miller, из чугуна – Benton Foundry и Advanced Cast Products, видят не только преимущества применения технологии безопочной горизонтальной формовки, но также отмечают большие различия между поставщиками, использующими эту технологию. Поскольку DISA вышла на рынок этой технологии формовки относительно недавно, американские литейные предприятия имеют больше опыта работы с поставщиками из США и Японии. На многих литейных заводах эти машины работают бок о бок и, таким образом, на практике демонстрируют как свои достоинства, так и недостатки. Все предприятия, независимо друг от друга, утверждают, что машины DISA MATCH обеспечивают значительные преимущества, с точки зрения качества форм и гибкости. Они считают также, что МП, песчаные формы и отливки, показанные на последующих фотографиях, невозможно было изготовить ни на каком другом оборудовании, использующем этот процесс.

Просыпания смеси, по сравнению с машинами с неразъемными опоками, при тех же объемах производства не увеличилось. Конусность изготовляемых брикетов из песчано-глинистых смесей, необходимая для их выталкивания, по отзывам операторов, была на уровне 1,5 град. (рис. 10).

Выводы

Описанный здесь процесс известен уже несколько десятилетий.
С 2001 г. DISA поставляет своим зарубежным заказчикам формовочные машины, в которых используется новый принцип работы. Один из аспектов, который был мало освещен, но, тем не менее, немаловажен, это инвестиционные расходы.
Хотя сложно провести непосредственные сравнения с другими формовочными процессами, но следует отметить, что любая установка оборудования производится с учетом требования заказчиков. Затраты на формовочную машину DISA MATCH составляют <= 50% от затрат на машину DISAMATIC, если взять за основу приблизительно одинаковые размеры формовочной камеры. Что касается линии заливки и охлаждения, то здесь можно ожидать еще большей экономии, поскольку опоки не требуются, форма выталкивается на охлаждающий ленточный транспортер после затвердевания металла, и для обеспечения требуемой гидравлической мощности требуется конструкция гораздо меньших размеров.
Благодаря весьма низким затратам на машину и широкому спектру ее применений, описанная технология, которая уже почти была забыта в Германии, представляет собой достойную альтернативу другим процессам формовки.

Опубликовано: ИТБ "Литьё Украины", №10 (146) 2012 г.