Технология производства отливок «Рама боковая». Вакуумно-пленочная формовка.

Существующие подходы разработок литейных технологий для производства отливок «Рама боковая» (Рис.1,2), используемых на основных литейных производствах, являются однотипными, построенными на одних и тех же принципах:

- модели, повернуты разными сторонами друг к другу,

- подвод горячего металла осуществляется с наружной стороны по разъему формы,

- расплав заливается в форму, расположенную горизонтально, Просмотр

- используется сборный комплект стержней,

- прибыли устанавливаются на основных узловых местах отливки.

Рис.1,2 Стандартная компоновка отливок с литниковой системой.

К сожалению, поэтапный анализ условий заполнения таких форм расплавом и кристаллизации металла, показывает не возможность создания стабильного, контролируемого процесса внутри формы. Заливка горизонтально расположенных форм, приводит к образованию хаотических потоков расплава внутри каждой из них, что создает разные условия кристаллизации металла (неравномерность температурных полей в отливке), создает предпосылки образования дефектов в разных местах отливки, приводит к появлению отливок с различными механическими свойствами и напрямую влияет на качество этих литых деталей.

Производство отливок «Рама боковая», имеющих сложную разветвленную конструкцию с элементами плоских горизонтальных частей поверхности, удлиненную форму и множественность термических узлов, при разработке литейной технологии, требует выполнения целого ряда важных технологических приемов, влияющих на весь процесс формирования отливок, а это:

1. Плавное заполнение формы гарячим расплавом снизу вверх.
2. Предотвращение растекания металла внутри формы по плоским поверхностям.
3. Не допущение приостановки движения металла, образующегося в процессе заполнения нижележащих выступающих элементов отливки.
4. Подача гарячего расплава постоянно в верхний его слой по мере заполнения формы.
5. Эффективное удаление газов из формы и стержней.

В связи с этим, для бездефектного формирования отливок «Рама боковая» целесообразно:

- заливку производить в самую нижнюю часть полости формы с созданием наклона формы в сторону питателей (создаст направленный, стабильный фронт расплава без хаотического его растекания по плоским поверхностям полости формы и предотвратит снижение напора жидкого металла, связанное с «падением» расплава в самые нижние части полости формы – «кронштейн подвески триангеля» и низ «опорной поверхности для рессорного комплекта»),

- максимально сократить длину литниковой системы (снизит потери температуры в литниковых каналах и сократит вероятность захвата частиц материала формы потоком металла),

- создать систему каналов для постоянного перераспределения поступающего гарячего расплава в форме в верхний его слой (создаст благоприятные условия для образования направленной кристаллизации металла, снизит влияние гарячего металла на формирование усадочных раковин в термических узлах отливки),

- обеспечить отвод газов из стержней (исключит воздействие выделяющихся газов на поверхность отливки и снизит возможность образования газовых раковин),

Рассмотрим существующий принцип разработки литейной технологии на «Раму боковую» и новый принцип, основанный на технологии ВПФ.

Рис.3,4 Распложение комплекта стержней в литейной форме

Для сборки формы на одну отливку используется комплект из, не менее, 11 стержней (Рис.3,4). При производительности существующих автоматических линий 20 форм в час и расположении двух отливок в форме, время затраченное на установку одного стержня, занимает, в среднем, не более 8 секунд. Время расчитывалось без учета существующих потерь на периодическое перемещение форм по конвейеру, подачу стержней к месту установки, а так же выполнения работ по «притирке» каждого элемента стержня друг к другу (Рис.5), что, по факту, еще более сокращает этот технологический цикл. Такой режим производства форм приводит к вероятным неточностям и недоработкам при установки стержней («человеческий фактор»), связанных с жестким временным ограничением по выполнению этой операции. Кроме этого, удаление газов из стержней, плотно прижатых друг к другу, затруднено, что приводит к формированию некачественных мест поверхности отливки, контактирующих со стержнями, а выбивка материала стержней из внутренней полости отливки является длительной и трудоемкой операцией.                                     

Рис.5 Процесс установки стержней в форму.

Изготовление стержней с использованием метода вакуумно-пленочной формовки (ВПФ), позволяет сократить количество используемых стержней на отливку - до 2х штук (Рис.6), что полностью исключает необходимость их «притирки», создает условия полноценного удаления газов из них, формируя качественную внутреннюю поверхность отливки без дефектов. Дополнительным преимуществом использования таких стержней, является значительное сокращение времени сборки форм и их выбивки после заливки. Подключение разборного каркаса стержня к вакуумной системе формы предотвращает попадание газов во внутрь цеха, при этом, объем выделяемых газов из стержней, за счет использования сухого формовочного песка без химических связующих, многократно снижается.

 Рис.6 Комплект стержней изготовленный методом вакуумно-пленочной формовки.

Возможность изготовления стержней с использованием технологии ВПФ, позволяет осуществлять их производство непосредственно «под форму», без создания многонаменклатурного склада стержней. Использование одной и той же технологии вакуумно-пленочной формовки при производстве форм и стержней, позволяет организовать их совместное производство, используя общие расходные материалы и общие энергоносители.

К примеру, при производстве 3х отливок в форме, оптимальным технологическим решением производства стержней будет являться использование 4х позиционой карусели (Рис.7), позволяющей за один оборот изготовить полный комплект стержней на форму, что синхронизирует работу формовочного и стержневого участков. За счет распределения операций по изготовлению стержней и одновременному их выполнению на карусели, технологическое время производства стержней существенно сокрашается. Перечень операций по изготовлению стержней:

1. Облицовка двух половинок стержневого ящика.
2. Покраска и сушка антипригарного покрытия.
3. Установка вакуумируемого каркаса.
4. Сборка половинок стержневого ящика.
5. Загрузка формовочного песка.
6. Подключение вакуумпровода к каркасу.
7. Герметизация мест загрузки песка.
8. Обрезка и спайка облицовочной пленки по контуру стержня.
9. Раскрытие половинок стержневого ящика.
10. Съем готового стержня.

 Рис.7 Установка производства стержней по технологии ВПФ.

Формирование существующих поднутрений модели отливки, осуществляется с использованием съемных элементов формы и приставных одноразовых ее частей (вместо стержней), которые изготовливаются из пенополистирола, либо пустотелых пластиковых элементов (по технологии изготовления «одноразовой пластиковой посуды») (Рис.8). Себестоимость производства таких элементов формы («кронштейн подвески триангеля» и «ограничители пружин») вместо применения традиционных стержней – значительно ниже. Негативное влияние пенополистирола (либо тонкостенного пластика) используемого в таких минимальных объемах, на качество отливок, особенно, при расположении их в верхней полуформе, практически исключается (Рис.9).

  Рис.8 Приставные одноразовые части модели.

  Рис.9 Расположение приставных одноразовых частей в модели верха.

Специальная конструкция литниковой системы, распологаемая во внутренней части отливки («рессорный проем») (Рис.10), существенно сокращает длину литниковых каналов и создает условия для плавного перераспределения потока гарячего металла снизу вверх по мере заполнения формы. Такая конструкция литниковой системы позволяет подвести металл, в первоначальный момент заливки, сифоном в самую нижнюю часть отливки («опорная поверхность для рессорного комплекта»), что при наклоне формы предотвращает любое хаотическое растекание металла в полости формы и создает направленный фронт его движения. Расположение элементов отливки – «кронштейн подвески триангеля» в верхней части формы, не допускает приостановку движения фронта металла в период заполнения их полостей, что происходит при расположении полостей отливки в нижней части формы.

 Рис.10 Специальная конструкция литниковой системы (вид сверху).

Возможность размещения оптимального количества отливок в одной форме (Рис.11), определяемое в зависимости от конкретных условий литейного предприятия, позволяет максимально снизить трудоемкость изготовления форм. Кроме этого, одностороннее размещение моделей на модельной плите в совокупности с расположением литниковой системы во внутренней части отливки, позволяют производить заливку форм под наклоном, образуя направленное движение потока гарячего расплава.

Рис.11 Размещение нескольких моделей на модельной плите.

Использование специальных  конструкций опок с вакуумируемыми перегородками (Рис.12) вместо торцевых фильтров, позволяет; разрабатывать опоки на оптимальное  количество отливок в форме (определяется исходя из условий реального производства), беспрепятственно осуществлять процесс «перегрузки форм», сокращая общее количество комплектов дорогостоящих опок не менее чем в 3ри раза (при производстве отливок «Рама боковая»). Вакуумируемые перегородки являются съемными частями опоки, позволяющими (при необходимости) использовать их для производства других видов отливок. Изготовление формы, с размещением в ней сразу нескольких отливок, снижает трудоемкость их производства, за счет сокращения времени выполнения основных технологических операций (из расчета на одну отливку), таких как; облицовка форм, покраска, сушка, наложение пленки контрлада, загрузка песка, сборка и выбивка форм.

 Рис.12 Опока с вакуумируемыми перегородками.

Использование стержней, изготовленных по технологии вакуумно-пленочной формовки, опок с вакуумируемыми перегородками, а так же специальной литниковой системы позволит:

1. Сократить потери формовочного песка на обороте до 1.5-2% как для форм, так и для стержней (снижение объемов свежих добавок песка и отходов производства).
2. Значительно снизить стоимость расходных материалов.
3. Сократить время и трудоемкость изготовления форм (упрощение процессов изготовления формы, простановки стержней и ее выбивки).
4. Сократить количество опочной оснастки (используется способ перегрузки форм после заливки).
5. Значительно повысить качество литой продукции и сократить объемы окончательного брака (удаление выделяемых газов, использование чистого формовочного песка без примесей, использование специальной литниковой системы с перераспределением гарячего металла).
6. Многократно сократить объемы выделяемых газов (отсутствие химических составляющих в формовочном и стержневом материалах, отсос газов).
7. Увеличить производительность литейного участка за счет снижения вероятности сбоев в его работе (снижение количества составляющих формы и вероятности нарушения их качества).

             Внедрение комплекса технологических новаций позволит;

- снизить трудоемкость производства форм,

- повысить качество литой продукции,

- упростить вопросы, связанные с многонаменклатурным производством стержней,

- снизить себестоимость производства литья не менее чем на 15-20%.

Примечание: В практике производства других отливок с использованием технологии вакуумно-пленочной формовки нами были отработаны и внедрены, описанные в этой статье, технические и технологические новации:

1. Способ перегрузки форм.
2. Изготовление стержней с использованием технологии ВПФ.
3. Приставные одноразовые части модели.
4. Специальная конструкция литниковой системы.

Используемая литература:

1. Пономаренко Г.М., Глебов С.М., Пирайнен В.Ю. Новое в проектировании технологии изготовления отливки «Рама боковая». // ООО «Литейное производство». – 2009. - №4.
2. Феклин Н.Д., Применение стержней, изготавливаемых методом ВПФ. // ИТБ «Литье Украины», - 2012. - №3.
3. Феклин Н.Д., Вакуумно-пленочная формовка. Способ перегрузки форм. // ИТБ «Литье Украины». – 2015. - №3. – С. 39-40.
4. Феклин Н.Д., Вакуумно-пленочная формовка. Особенности разработки литейных технологий. // ИТБ «Литье Украины». – 2015. - №4. – С. 40-42.
5. Феклин Н.Д., Базовые основы разработки литейной технологии на отливку «боковая рама» // ИТБ «Литье Украины». – 2018. - №5.
6. Феклин Н.Д., Медведчук С.А. Особенности конструирования литниковых систем для вакуумно-пленочной формовки. // ИТБ «Литье Украины». – 2018. - №6.
7. Каторгин С. В., Воронин Ю. Ф. О влиянии технологических параметров на качество отливок «Рама боковая» // Молодой ученый. — 2011. — №11. Т.1. — С. 50-52.
8. Монастырский А.В., Бубнов В.М., и др., Литейщик России // Излом боковой рамы тележки грузового вагона. Анализ технологии производства, пути устранения дефектов. - №11. – 2012. – С. 9 – 13.
9. Феклин Н.Д., Медведчук С.А. Основы проектирования литейной технологии на отливку «Рама боковая» // ИТБ «Литье Украины». – 2018. - №9.
10. Феклин Н.Д., Медведчук С.А. Несущественные причины разрушения боковых рам тележек грузовых вагонов. // ИТБ «Литье Украины». – 2018. - №10.

Автор: Феклин Н.Д., Луганск                                 

Опубликовано: ИТБ "Литьё Украины", стр 5-10, №5 (225) 2019 г.