Разработка концепции литейных конвейерных и роторно-конвейерных комплексов для литья по разовым моделям в вакуумируемых песчаных формах

Обладая солидным научно-техническим заделом и патентами десятков изобретений в области литья по газифицируемым моделям (ЛГМ), институт ФТИМС НАНУ (Киев) постоянно совершенствует эту технологию как одну из наиболее перспективных для получения точных отливок.

Цикл научно-технических работ, проводимых сегодня под руководством проф. Шинского О. И, включает перевод ЛГМ на конвейерные, роторно-конвейерные способы литья с оптимальным сочетанием повышения производительности литья и качества отливок с растущими требованиями совместимости с окружающей средой. Работы выполнены в рамках темы: «Научные и технологические основы создания высокопроизводительных литейных процессов получения литых конструкций из железоуглеродистых и цветных сплавов и разработка концепции литейных роторно-конвейерных комплексов».

Технология литья в вакуумируемые формы из несвязанного песка возникла благодаря двум изобретениям: в 1968 г. Е. Кржижановским был получен патент ФРГ №1301440 на литье по газифицируемым моделям (ЛГМ) в такие формы [1], а в 1971 г. в Японии фирмой Akita была изобретена вакуумно-пленочная формовка (ВПФ) [2]. В этом году ВПФ достигла своего 40-летия. Эти способы нарушили традиции технологии литейной формы из кварцевого песка со связующим и привнесли в литейные цеха на порядок более экологически безопасные и ресурсосберегающие, но в то же время наукоемкие процессы.

Несмотря на достаточно большое число публикаций и сотни патентов (в т. ч. более сотни патентов отечественной формовочной научно-технической школы), эти технологии продолжают опережать другие способы литья по потенциалу возможных нововведений и разновидностей, во многих случаях лидируя по динамике расширения объема, номенклатуры и географии производства литой продукции. При этом высокое качество отливок, полученных способом ЛГМ, по точности конкурирует с литьем под давлением, по качеству поверхности – литьем в кокиль. А установка, например, фирмой Дженерал Моторс в 1982 г. двух литейных конвейеров с вакуумируемыми формами в общем помещении под одной крышей с механическим цехом является примером успешного решении экологических проблем литейного производства [1].

Технологии точного литья - один из рациональных путей углубленной переработки металла, особенно выгодный для немногих стран, обладающих полным металлургическим циклом его получения из собственных руд. Сегодня килограмм черного металла (в рядовом прокате, чушках) стоит в среднем $0,5; килограмм металла в автомобиле или танке стоит уже $50…100, а в самолете — $1500…2000. Замена экспорта продукции металлургии на экспорт машин и механизмов, для производства которых процесс литья служит заготовительной основой, - это один из методов перевода сырьевой экономики на высокотехнологичную с усилением роли в глобальном разделении труда.

При этом в экономической конкуренции все в большей степени растет научно-техническая составляющая, а разработка и внедрение технологических инноваций - решающий фактор социального и экономического прогресса, залог экономической безопасности. Описанные в этой статье два конвейерных модуля являются инновационными разработками ФТИМС НАН Украины из цикла работ под руководством проф. Шинского О. И. по совершенствованию технологии литья в вакуумируемые формы по разовым моделям с учетом полученных ранее научно-технологических решений по ускорению литейных процессов, как приспособление их для роторно-конвейерных комплексов.

Высокая текучесть сухого песка при вибровоздействии на него во время формовки позволяет сравнивать его с псевдожидкостью. Причем камневидное состояние песка при вакуумировании формы с пенопластовой моделью необходимо лишь при заливке формы одновременно с газификацией модели и последующем затвердевании отливки до состояния, когда она сама способна держать свою форму в песчаной среде. В остальных случаях вакуумирование не требуется, что позволяет ограничивать его длительность 2 - 10 мин. в зависимости от металлоемкости формы.

На принципе минимизации продолжительности вакуумирования формы построен и опубликован ранее в отечественной и зарубежной прессе [3, 4] ряд конструкций линий ВПФ, при которых движущийся конвейер представляет собой не вереницу отдельных форм, а одну литейную форму, например, в виде желоба с песком на вертикально замкнутом конвейере. Причем при непрерывном литье такой желоб чаще называют подвижным кристаллизатором, облицованным песком [5-7].

При непрерывном движении этого желоба по ходу перемещения в него сначала насыпают слой сухого песка, а затем одновременно с герметизацией синтетической пленкой слоя песка отформовывают в нем литейные полости, подключая вакуум к конвейеру на том участке, где необходимо удерживать стенки полости в фиксированном состоянии.

Поскольку вакуум из-за затрудненной фильтрации в песчаной среде на расстоянии 0,35…0,40 м от источника вакуумирования – сетчатого фильтра снижается в 2,0…2,5 раза, то величинами разрежения на фильтре, степени уплотнения песка и расстояния до этого фильтра в стенке желоба регулируют прочность формы. Полученная движущаяся форма может рассматриваться как единая или в качестве нижней полуформы. Для второго случая разработаны способы формирования верхней полуформы (вакуумируемой или нет) и сборки ее с нижней при формообразовании в итоге непрерывно движущегося песчаного слоя как литейной формы с одной или многими рабочими полостями.

После заливки металлом и упрочнения отливки разупрочнение формы выполняют путем снижения и затем отключения вакуума, переводя песок из камневидного состояния в сыпучее и экономя затраты электроэнергии на работу вакуум-насосов. В изобретениях [6, 7] предложено не возить на конвейере охлаждающиеся отливки в сыпучей песчаной среде, а подавать их в закрытый наклонный желоб (как продолжение конвейера), по стенкам которого отливки в песке скользят под собственным весом и находятся в желобе до достижения температуры, при которой обычно выбивают песчаные формы. Также в этот желоб предложена подача газообразного или жидкого хладагента для регулирования режима охлаждения отливок.

Упомянутые способы непрерывного литья в кристаллизаторе, содержащем слой облицовки [3-7], имеют ограниченные технологические возможности по номенклатуре отливок. Литые металлические профили, получаемые при формовке валком с кольцевыми моделями, часто требуют порезки при выходе из кристаллизатора, что снижает производительность линии непрерывного литья и требует установки пилы вблизи нее.

С целью расширение технологических возможностей литья и устранения затрат на порезку отливок разработан способ непрерывного литья по газифицируемым моделям на движущемся кристаллизаторе с песчаным облицовочным слоем. При насыпании этого слоя в него помещают пенопластовую модель, составляемую из частей, газифицируемую в процессе заливки металла, причем модель наращивают до требуемой длины в процессе движения кристаллизатора. Модель могут наращивать как вдоль направления движения кристаллизатора, так и в других направлениях. Для удобства сборки составные части модели могут фиксировать выполненными на них знаками типа «штырь-паз», а также склеивать между собой.

Такое техническое решение обеспечивает расширение технологических возможностей литейного процесса, сочетая преимущества ЛГМ и непрерывного литья, так как позволяет формовать профили моделей практически любой конфигурации (с возможностью засыпки ее поверхности песком), составляя модели различной длины, что не требует порезки отливок, сходящих с конвейера. Способ ЛГМ в песчаную формовку привнес возможность лить ранее нетехнологичные, например, каркасно-ячеистые отливки, ряд изобретений конструкций которых запатентован во ФТИМС НАН Украины. А используемые сегодня способы непрерывного литья позволяют получать лишь изделия постоянного сечения с протяжного кристаллизатора. Предложенный способ, наряду с фасонными отливками позволяет получать, например, непрерывнолитые плоские или пространственные решетки.

Заливаемый металл газифицирует модель, заполняя и точно повторяя ее конфигурацию. Во избежание смещения или перекоса частей, составляющих модель, их фиксируют или центрируют знаками, выполненными на стыкующихся поверхностях частей модели, а во избежание попадания в стык частей моделей мелкой фракции песка части моделей склеивают между собой по стыку клеем или покрывают по периметру липкой лентой.

Указанным способом можно получать многометровой длины отливки, составляя модели из частей малой длины, например 0,3…1,0 м. Части моделей получают традиционными способами, присущими технологии ЛГМ. Продукты газификации материала модели отсасывают сквозь песок облицовки кристаллизатора и фильтры вакуумной системы, вмонтированные в кристаллизатор аналогично контейнерным опокам для ЛГМ.

На рис. 1 изображена концептуальная схема разработанной установки (линии); на рис. 2 - примеры формовки различных моделей, конструкции знаков-фиксаторов и сборки модели для непрерывного получения решетчатой отливки.

а	б	в

Конвейерная установка имеет непрерывную ленту 1, на которую слой песка 2 насыпают по трубчатому питателю 3. Механизм 4 служит для поддержания на конвейере отдельно устанавливаемой или составной модели 5, а второй трубчатый питатель 6 - для засыпки дополнительного слоя песка. Валком 7 наносят синтетическую пленку 8 из рулона 9. Заливку металла производят из ковша 10. В процессе литья получают отливку 11. Лента 1 движется по роликам 12. Аналогично изобретению [5] на валке 7 крепят модель воронки и при формовке в облицовке кристаллизатора получают впадину - отпечаток воронки 13. В ленту 1 вмонтированы фильтры 14 с клапанами 15 для подключения к вакуумной сети. При непрерывном литье воронка 13 может быть выполнена в виде желоба (коллектора) 16.

Модель 17, собранную из четырех частей и имеющую небольшую длину, заливают через литниковый канал 18, выполненный на одной из частей моделей, а для непрерывной отливки 19 литниковый канал 20 выполняют на каждой части модели (либо через одну часть модели). Для фиксирования (центрирования) частей модели применяют выпуклые знаки 21, вставляемые в знаки-углубления 22 соответствующего размера, также возможно склеивание частей при нанесении слоя 23 клея на одну из частей модели. Отливку 24 типа решетки собирают из частей 25, наращивая составную модель как в продольном, так и в поперечном направлениях.

Конвейерная установка работает следующим образом. На движущуюся бесконечную ленту 1 насыпают слой песка 2 из питателя 3. На эту созданную песчаную постель укладывают и поддерживают механизмом 4 модель 5, состоящую из частей. Поверх модели 5 засыпают песок из питателя 6, затем валком 7 настилают на поверхность песчаной облицовки (лад) кристаллизатора синтетическую пленку 8 из рулона 9. Песок уплотняют в зоне засыпания им модели с помощью валка 7 либо другими известными способами.

Заливку металла производят из ковша 10, а на выходе кристаллизатора получают готовый продукт - отливку 11. Лента 1 кристаллизатора движется по роликам 12. На модели 5 может быть выполнен вертикальный канал, совмещаемый с литниковой воронкой 13 и формуемой моделью, закрепленной в виде выступа на валке 7. Технологически заданный участок песчаной облицовки кристаллизатора (на операциях облицовки пленкой - заливки – затвердевания отливки) вакуумируют через фильтры 14 путем сообщения расположенных на этом участке фильтров с внешней вакуум-системой через клапаны 15 аналогично установке [5], либо другими известными системами подключения вакуума к движущемуся конвейеру.

Для удобства заливки воронка 13 может выполняться в виде непрерывного желоба 16 вдоль кристаллизатора, для этого модель воронки, закрепленной на валке 7, имеет кольцевую форму. Модели 17 небольшой длины могут заливать из желоба 16 через литниковый вертикальный ход 18, выполненный из полистирола на одной части составной модели 17 (из четырех частей по рис. 2 а). Удобно также заливать из желоба 16 непрерывные модели отливки 19, у которых литниковые щелевые ходы 20 выполняют на всех или большинстве частей модели (через одну - для экономии металла).

Если при получении толстостенных отливок в желобе 16 медленно затвердевает верхняя корка металла, то применяют известные средства для ускорения затвердевания поверхности металла в желобе 16, либо предупреждения его вытекания за пределы желоба. Для непрерывного литья отливки 24 типа решетки ее составляют (склеивают) из частей 25 либо более крупными блоками, наращивая по мере движения ленты 1 кристаллизатора не только в продольном направлении (как модель 19), но сочетая последнее с поперечным (перпендикулярным движению) направлением.

Специалисты ФТИМС НАН Украины обладают значительным опытом проектирования и изготовления литейных роторно-конвейерных линий, в которых совмещением транспортных и технологических операций достигается повышение производительности производства при сокращении его трудоемкости. Однако, для проектирования формовочно-заливочного модуля с контейнерными опоками 600×700 скорее подходит аналогичный роторному роторно-карусельный принцип перемещения в цепи последовательного выполнения операций на конвейерном комплексе.

При изготовлении мелких отливок способом ЛГМ модели собирают в кусты, типичный вид которых показан на рис. 3 а, в. Затем эти кусты формуют не по одному в контейнерной опоке, а часто по несколько, до десяти и более, чем экономят трудозатраты на формовке и транспортных операциях. Каждый куст заливают через отдельную воронку (рис. 3 в). При этом можно представить, что мысленно выстроив встык формы с длинным рядом воронок, мы получим нечто подобное конвейеру, показанному на рис. 1, в том случае, если такие кусты формовать вдоль его движения, что можно назвать непрерывной формовкой. Аналогичный принцип многоместности приемлем и для роторных устройств ЛГМ.

Однако на рис. 4, показан роторный модуль, каждую форму которого заливают по одному металлопроводу, подведенному снизу, поскольку в целях автоматизации процесса

а

б

в

этот модуль может быть оснащен, например, магнито-динамическим насосом (МДН) для заливки форм под давлением, создаваемым МДН, либо другим устройством воздействия на металл отливки. Роторный формовочно-заливочный модуль (рис. 4) устроен таким образом, что по настилу 1 движется роторная карусель 2, которая состоит из стойки 3, опирающейся на настил через шаровые пары. Стойка имеет шесть рычагов (спиц). Пошаговое перемещение на 60° роторной карусели с тележками 7, имеющими по четыре катка, по настилу осуществляют пневмоприводом 6, который имеет пневмоцилиндр с закрепленным на штоке упорно – возвратным механизмом.

а	б

Рисунок 4. Роторный формовочно-заливочный модуль.

Контейнерные формы 10 устанавливаются на тележки, имеющие центрирующие элементы. Загрузочное устройство 4 (для подачи песка в контейнер) закреплено на стойке и обладает подвижностью в вертикальном и горизонтальном направлениях. МДН 9 для стыковки снизу к заливочному отверстию формы (чащей жидкого металла) имеет в конце металлопровода привод 11, который стыкует его с нижним отверстием контейнерной формы. Вакуумное откидное устройство 8 модуля подключается к штуцерам вакуумирования (откачки) формы. Виброплощадка 5 имеет привод для подъема и стыковки с дном контейнера. Съем залитых контейнеров и установка пустых на тележки осуществляется консольным краном 12.

Данная конструкция модуля обеспечивает автоматизацию заливки металлом формы без контакта струи металла с открытым воздухом. При этом контейнерная форма 10 состоит из уплотненного и загерметизированного сверху синтетической пленкой формовочного песка с пенопластовой моделью и нижней литейной чашей. Заливку металлом формы 10 выполняют на поз. I. Форму снизу подсоединяют к металлопроводу МДН 9, а также одновременно - к вакуумной системе 8 модуля. Подачу жидкого металла в форму осуществляют с поста управления МДН. После окончания заливки подвижный элемент вакуумной системы отключают от контейнерной формы и перемещают вверх при помощи пневмоприводов. На поз. VI залитую форму снимают с тележки роторного модуля при помощи консольного крана 12 и передают ее на площадку вблизи роторной карусели для охлаждения и последующей выбивки.

Изготовление формы начинают с того, что пустой контейнер подают на тележку на поз. V. Контейнер с центровочными отверстиями опускают на центровочные штыри тележки. На поз. IV производят засыпку песчаной подушки на дно контейнера. Формовочный песок подают четырьмя питателями загрузочного устройства 4, которое перемещают при помощи пневмопривода по вертикали, а запыленный воздух отсасывают через центральный гофрированный трубопровод.

Четыре питателя загрузочного устройства позволяют подать песок не на верхнюю поверхность модели, а по четырем углам контейнера с затеканием песка к стенкам модели после отражения от стенок контейнера. Это уменьшает пылеобразование и трение песка о модель. На поз. III осуществляют установку модели (кустов моделей) на песчаную подушку и производят частичную засыпку песка. На поз. II производят досыпка, виброуплотнение и герметизация контейнера. Длительность цикла работы роторного модуля определяется по продолжительности технологических операций на поз. II, как наиболее трудоемких, и находится в пределах 4…7 минут.

Такой роторный модуль позволяет производить отливки способом ЛГМ с нижним подводом металла под давлением [8], а также литьем в оболочковые формы. Для получения формы со связанной оболочкой вокруг рабочей полости и несвязанным сыпучим наполнителем вокруг оболочки разработан способ получения таких форм по ледяным моделям с выполнением коллектора для нижнего подвода металла к форме [9].

Этот способ предназначен для изготовления моделей на конвейере с удалением расплава модели вниз, что удобно совместить с рассмотренным роторным модулем без кантования формы, выполняя на нем операции подсушки рабочей поверхности оболочки перед заливкой металла. Вентиляционный канал по способу [8], сообщающий литейную полость формы с датчиком давления газов в этой полости, позволяет также регулировать давление подаваемого металла в оптимальном режиме и дает все основания для конвейерного производства отливок (способами ЛГМ или по ледяным моделям) стабильно высокого качества.

Описанные конструкции конвейерных устройств служат примерами реализации ранее не раскрытых инновационных возможностей литья по разовым моделям, применения высокой текучести сухого песка для получения (в том числе в непрерывном режиме) длинномерных и ранее «нетехнологичных» ячеистых отливок, вакуумируемой формы с регулированием ее прочности для осуществления проекта непрерывной формовки.

Такие высокотехнологичные заготовительные конвейерные комплексы открывают выход к восстановлению и устойчивому развитию отечественного машиностроения, превращению страны из продавца полуфабрикатов в экспортера технологической продукции с большой добавленной стоимостью. Развитие литейного производства с известной в мире отечественной научной школой – это шаг к снижению зависимости национальной промышленности от импорта знаний, технологий и товаров в процессе реализации собственной программы инновационного развития, которая позволит нам стать равноправным участником глобальных инновационных процессов.

Литература:

1. Шуляк В. С. Литье по газифицируемым моделям. - СПб.: НПО «Профессионал». 2007. - 408 с.
2. Барский В.Т. Производство литых заготовок методом вакуумно-пленочной формовки. – М.: ЦНИИТЭсроймаш. 1985. С. 2.
3. Дорошенко B. C., Шейко Н. И. Примеры способов непрерывной вакуумной формовки // Литейное производство. - 1994. - №4. - С. 25-26.
4. Doroshenko V. S., Sheiko N. I. Nev V-Process Technology produces Bar, Strip and Shaped Casting on a Continuous Basis // Foundry International. - 1993. - March.- Р. 224-225, 232.
5. Установка для непрерывного литья: Пат. 2015794 Россия, МКИ В22С 9/02/ Дорошенко B. C., Шейко Н. И. - Опубл. 1994.07.15.
6. Установка для литья: Пат. 2070469 Россия, МКИ В22С 9/02/ Дорошенко B. C., Шейко Н. И. - Опубл. 1996.12.20.
7. Установка для литья: Пат. 2070470 Россия, МКИ В22С 9/02/ Дорошенко B. C., Шейко Н. И. - Опубл. 1996.12.20.
8. Дорошенко B. C. Кравченко В. П. Постепенное обновление парадигмы в теории литейных процессов по теме взаимодействия металла с песчаной формой // Металл и литье Украины. – 2009. - № 10 – С. 28-33.
9. Спосіб виготовлення піщаних форм за одноразовими моделями: Пат. 75888 Україна, МПК В22С 9/02 / Шинський О.Й., Дорошенко B. C. - Опубл. 25.12.2012, Бюл. 24.