Совершенствование оборудования для производства моделей из пенополистирола

Разработаны новые энергосберегающие конструкции туннельного автоклава для серийного получения моделей из пенополистирола для ЛГМ-процесса и стола модельщика для мелкосерийного производства моделей. Проведено их сравнение с действующим оборудованием.
Ключевые слова: литье по газифицируемым моделям, автоклав, модель, пенополистирол, ЛГМ, стол модельный.

Конкурентоспособность отечественного производства связана с технологическим использованием науки, внедрением ресурсосберегающих процессов и оборудования. В литейном производстве расширяется применение литья по газифицируемым моделям (ЛГМ, Lost Foam Casting) как одного из наиболее перспективных способов получения точных отливок. ФТИМС НАН Украины постоянно совершенствует эту технологию, в составе которой важное место занимает процесс получения разовых моделей из пенополистирола (ППС), для чего необходимы высокопроизводительные конструкции модельных установок, способствующие переводу ЛГМ на конвейерные технологии, а также облегчающие ручной труд при мелкосерийном производстве.

В настоящее время для получения разовых и мелкосерийных отливок по ЛГМ-процессу применяют как способы вырезания моделей из блочного ППС нагретой проволокой, либо на фрезеровальнных станках с ЧПУ, так и для серийного и массового производства - спекание моделей в пресс-формах в камерах автоклавов, либо на модельных полуавтоматах. Учитывая недостатки ныне используемого оборудования, специалистами ФТИМС разработана конструкция туннельного проходного автоклава для изготовления в пресс-формах моделей для ЛГМ-процесса, упаковочных элементов и др. изделий из ППС (рис. 1). С целью уменьшения энергозатрат на нагрев теплоносителя - пара предложенная конструкция автоклава позволяет изменять объем камеры спекания в зависимости от размеров используемых пресс-форм, а также оставшийся не сконденсированный пар как теплоноситель инжектировать в камеру предварительного нагрева пресс-форм. Конденсат и остатки пара из камеры откачиваются в приемник парогенератора.

Рисунок 1.

Пресс-форма после спекания единой транспортной системой подается в камеру охлаждения. Использованная вода попадает в систему водооборота. Камеры I и III служат своеобразными шлюзами для центральной камеры II для уменьшения выхода пара в атмосферу цеха. Между собой камеры разделены шиберными заслонками с пневмоприводами, а подвижный свод (потолок) камеры спекания имеет привод опускания – подъема винтового типа. Перемещением свода камеры можно плавно уменьшить нагревательную камеру II в 4 раза. Распылители камеры охлаждения расположены в потолочной, боковых и нижних стенках для эффективного использования охладителя — воды.

Транспортная система рольгангового типа позволяет устанавливать на поток пресс-формы различных размеров и количества. Установка может быть укомплектована собственным источником сжатого воздуха (компрессором) или подключаться к цеховым источникам сжатого воздуха. Ролики транспортной системы приводятся в движение (раздельно или совместно) цепной передачей. Распылители, расположенные на 4-х стенках камеры III, выполнены поворотными с целью управления потоками распыляемой воды в различных направлениях с учетом конструкций используемых пресс-форм. Габаритные размеры установки (длина – ширина - высота) 4000×1500×2400 мм. Энергопотребление – до 40 кВт·ч. Максимальные размеры используемых пресс-форм 1150×1150×650 мм.

Разработанная конструкция автоклава по производительности занимает промежуточное положение между серийными камерными автоклавами и модельными пресс-автоматами. Она легко встраивается в конвейерные линии изготовления моделей, практически сможет заменить два камерных автоклава различной емкости при снижении выбросов пара в атмосферу цеха одновременно с экономией энергии. Она также позволяет снизить затраты ручного труда автоматизацией процесса охлаждения пресс-форм и их перемещения (последнее может быть усилено дополнительной комплектацией рольгангом возврата опустошенных пресс-форм на позицию заполнения их ППС). Сравнение технических характеристик модельного оборудования представлено в таблице.

Табл. Сравнительные характеристики модельного оборудования

Таким образом, удешевление изготовления в туннельном автоклаве моделей происходит за счет:
1) изменения объема камеры спекания в зависимости от размеров помещаемых в автоклав пресс-форм при соответственном значительном снижении расхода теплоносителя;
2) передачи использованного пара в камеру предварительного нагрева при дополнительной экономии пара;
3) использования замкнутой системы водяного охлаждения пресс-форм;
4) накопления нескольких пресс-форм на транспортной системе одновременно, что устраняет жесткую связь по времени операций заполнения гранулами ППС пресс-форм с работой автоклава.
Получение для ЛГМ пенополистироловых моделей как для единичных, так и для серийных отливок различного развеса и материала, является наиболее трудоемким, влияющим на качество и стоимость отливки процессом. Изготовление модели резкой горячей нитью из блочного пенополистирола приемлемо для единичных отливок с невысокими требованиями к качеству поверхности и точности размеров. Этот метод трудоемок, требует наличия квалифицированного персонала, но относительно недорогой. Для изготовления серийных и крупносерийных отливок высокого качества применяют получение моделей методами спекания в автоклавах и пресс-автоматах. Изготовление моделей на программируемых станках с ЧПУ занимает промежуточное положение между вышеприведенными методами.

Рисунок 2.

В настоящее время на литейных предприятиях для ЛГМ-процесса применяют автоклавы емкостью 100, 400, 700 и 1000 л. При использовании автоклава емкостью 100 литров (ГП-100) для получения моделей отливок малого развеса, до 20 кг, или частей моделей крупного развеса, масса алюминиевых пресс-форм достигает 20…25 кг. Масса пресс-форм, используемых в автоклавах емкостью 400 и выше, иногда достигает 100 кг и более. Это приводит к необходимости приложения большой физической силы при их загрузке и выгрузке в камеру автоклава, опускания и вынимания из камер охлаждения. Учитывая эти трудности, нами разработано оборудование - стол модельщика (рис. 2), облегчающий труд модельщика и снижающий расход воды для охлаждения извлеченных из камеры автоклава пресс-форм после спекания моделей.
Этот стол модельщика включает: складывающуюся рампу 1 с катками, противовесом и системой фиксации, рабочую площадку 2 для сборки-разборки и задувки пресс-форм подвспененным полистиролом, емкость 3 для хранения и подачи на задувочный пистолет подвспененного пенополистирола, камеру охлаждения 4, бак 5 для охлаждающей воды с системой барботажа, насос 6 и систему распыления воды.
Пресс-форма со складывающейся рампы 1 на катках передается на рабочее место 2, имеющее катковую поверхность из вращающихся шариков, и в камеру охлаждения 4. Передняя и задняя стенки камеры охлаждения 4 открываются вверх и имеют противовесы, как и рампа 1, что уменьшает прилагаемые усилия для их поворота.

Специальные распылительные регулируемые устройства расположены в боковых стенках этой камеры 4, на потолке и открывающихся стенках. Регулируемые сопла по 5…8 шт. размещены на каждой трубке. Трубки имеют степень свободы для изменения угла по отношению к стенкам пресс-форм.
Операция задувки, спекания, охлаждения имеют переходы в таком порядке:
1) после разборки и съема модели с пресс-формы необходимо сдуть влагу задувным пистолетом;
2) собрать пресс-форму, задуть пистолетом подвспененный полистирол;
3) сложить рампу и открыть дверцу камеры автоклава;
4) поднять рампу и закатить пресс-форму;
5) сложить рампу и закрыть дверцу, спечь модель;
6) после спекания при сложенной рампе открыть дверцу автоклава и камеры охлаждения;
7) поднять рампу и закатить пресс-форму по вращающимся каткам и шарикам рампы в камеру охлаждения;
8) закрыть стенки камеры и включить насос;
9) охлажденную пресс-форму выкатить на рабочую площадку, разобрать и извлечь модель.
На боковых стенках камеры охлаждения имеются смотровые окна. Система барботирования в баке с охлаждающей водой служит для ее охлаждения. Потерю воды в баке периодически пополняют, как емкость подвспененным, высушенным, вылежанным пенополистиролом. Задувочный пистолет гибкой трубкой подключают к цеховой системе сжатого воздуха Ризб. ≥ 6 кг/см2. Рабочую поверхность стола после задувки пресс-формы регулярно очищают (сжатым воздухом из пистолета) от просыпей пенополистирола для предотвращения торможения шариковых опор.

Рисунок 3.

Рисунок 4.

На рис. 3, 4 показаны примеры моделей, полученные специалистами научно-технической школы под рук. проф Шинского О.И. с использованием автоклавов и полуавтоматов отечественного производства.
Совершенствование оборудования для литья по ЛГМ-процессу гибко ориентируется на существующие потребности с учетом серийности и размеров получаемых отливок. Предложенная конструкция автоклава проходного типа с тремя камерами легко встраивается в конвейерные линии изготовления моделей и др. изделий из ППС, экономит энергию путем уменьшения выбросов пара в атмосферу цеха, а также снижает затраты ручного труда автоматизацией процесса охлаждения пресс-форм и их перемещения, а новая конструкция полуавтомата позволяет получать более крупные модели, автономна и экономична по энергопотреблению, имеет повышенную производительность по сравнению с отечественными аналогами.