Лгм технология литья

Литье по газифицируемым моделям

Ведущие предприятия мировой промышленности используют несколько лучших методов литья. Среди них особым спросом пользуется технология так называемого «литья по газифицируемым моделям» (ЛГМ). Свыше 1/3 всей литейной продукции изготавливается именно таким способом.

Технология ЛГМ пошагово

Создание модели

Вначале создаётся модель предполагаемого вида продукции. Для этого применяется особый вид полистирола литейного типа. Этот синтетический материал после небольшого вспенивания располагается в заранее приготовленную пресс-форму. Далее масса подвергается воздействию водных паров — гранулы полимера запекаются, и смесь становиться больше в объёме, заполняя пресс-форму полностью. Таким образом, создаётся монолитная модель.

Далее заготовка направляется на склеивание, во время которого из неё производится кластер — некий «куст» из разных моделей, чаши, а также литниковой системы. Полученный полуфабрикат подвергается обработке антипригарным веществом, которое легко пропускает сквозь себя частицы газа. Подобное покрытие изготовлено из водного раствора и не даёт расплаву во время заливки соприкасаться с песком.

Формовка

После склеивания кластеры складываются в особые ёмкости (опоки), расположенные на вибростолах, и засыпаются очищенным кварцевым песком. Во время работы вибростолов маленькие песчинки «затекают» во все имеющиеся щели и пустоты уже созданной модели.

Процессу формовки нужно уделить особое внимание. Необходимо, чтобы все пустоты были наполнены. Иначе впоследствии горячий металл или сплав при заливке могут разрушить герметичное покрытие и попасть в песок. Далее производится вакуумирование, во время которого кварцевые песчинки приобретают свойства, нужные для заливки.

Заливка

Производится в чашу литника, где находится полистирол. Во время заливки горячий металл вступает в реакцию с полистиролом, превращая его в газ. Будучи уже газоподобным веществом, полистирол улетучивается через антипригарный слой, после чего его место занимает металл. Впоследствии этот газ сжигается в особой камере с получением в итоге углекислого газа.

После завершения заливки новая продукция определённое время остывает, а потом вынимается из опоки разом с кварцевым песком. Последний проходит процедуру очищения, после чего его можно будет применять для дальнейших операций. Получившиеся отливки отделяют друг от друга и, если есть необходимость, отправляют на механическую обработку.

Главные преимущества технологии ЛГМ

На сегодня технология литья ЛГМ признаётся специалистами самой перспективной. Этот метод не только обеспечивает высокую производительность, но и обладает рядом других достоинств:

Экологичность

Применения данной методики литья производится без использования ядовитых или опасных для человека веществ. Более того, применение технологии ЛГМ не связано с образованием отходов, опасных для внешней среды. Основное вещество, которое подвергается химической и термической обработке, это пенополистирол. По окончании всех операций он превращается в безопасный углекислый газ.

Кварцевый песок после завершения процесса обновляют, и его можно использовать в новом производственном цикле. Другие технологии — выплавляемые модели или коктильное литьё — основаны на использовании множества других веществ и материалов. Кроме этого, альтернативные методики приводят к возникновению различных токсичных веществ, которые вредоносны для человека и/или экологии.

Универсальность

Технология ЛГМ достаточно эффективна и обеспечивает качественное изготовление продукции из чёрных или цветных сплавов металлов.

Технологичность

Ещё одним преимуществом является высокая технологичность методики, с помощью которой можно производить качественные литейные изделия сложнейших форм.

Экономичность

Технология ЛГМ позволяет существенно снизить трудовые, а в конечном итоге и финансовые издержки на механическую обработку изделий. Основным преимуществом метода является возможность во время одного технологического процесса изготовить несколько разных изделий. Также существенно экономиться объём расплава, так как появляется на порядок меньше излишних технологических элементов, что понижает металлоёмкость.

А это ведёт к значительно меньшим затратам на рутинную механическую доработку и сопутствующих операций, с помощью которых изделие доводится до необходимых геометрических форм. При использовании технологии ЛГМ поверхностные погрешности готового изделия минимизируются настолько, что в большинстве случаев производить шлифовально-полировальные работы просто не нужно.

Малогабаритность технологического оборудования

Производственные линии, применяемые при ЛГМ, достаточно компактны и отличаются сравнительно небольшими размерами. Это значительное преимущество данной технологии по сравнению с другими способами литья.

Высококачественная продукция

Применявшийся ранее кокильный метод литья предусматривает непосредственное соприкосновение горячего металла с поверхностями формы. Это приводит не только к быстрому появлению дефектов на поверхностях этих форм, но и заметно уменьшает срок службы оборудования в целом. Технология ЛГМ даёт возможность применять заливочные формы значительно большее количество раз.

В то же время качество изготовленных изделий на порядок выше по сравнению с другими методами литья. Если в точности придерживаться сравнительно простых требований технологии, то вероятность получения продукции с дефектами практически исключена, а необходимые геометрические параметры новой продукции остаются неизменными на протяжении всего времени пользования.

ЛГМ – современная технология литья

По технологии ЛГМ модели изготавливают из пенополистирола (реже из других пенопластов) и помещают в формы из сухого песка без связующего. Для серийного производства моделей используются полуавтоматы из упаковочной отрасли, где их применяют для производства фасонной упаковки, легкой тары и декоративных панелей. Цикл производства пенопластовых моделей составляет около 2,5…3 мин. Также для серии отливок производят модели из порошка полистирола в легких алюминиевых пресс-формах, нагреваемых до 130 °С. Для разовых и крупных отливок массой до нескольких тонн подходит вырезание моделей из плит пенопласта, а также вырезание на гравировально-фрезерных станках с ЧПУ. Модель и полученная по ней отливка имеют высокую точность и конкурентный товарный вид.

При использовании технологии ЛГМ традиционная разъемная литейная форма не нужна, модель достаточно поместить в контейнер и засыпать сухим песком, затем песок уплотняется вибрацией в течение 1…1,5 мин, при этом отпадает потребность в высокоточных формовочных машинах прессования, встряхивания, устройствах сборки форм. При заливке металл испаряет модель и заполняет освобождающийся объем. Образующийся при этом дым откачивают из контейнера при разрежении примерно в 0,5 атм и подают для обезвреживания в систему термокаталитического дожигания, где окисляется не менее 98% вредных соединений. Продукты окисления в виде водяного пара и двуокиси углерода выбрасываются в атмосферу за пределами цеха. Такое удаление газов в 10. 12 раз снижает уровень загрязнения атмосферы цеха по сравнению с литьем в традиционные песчаные формы.

В условиях жесткой конкуренции в литейном бизнесе требуется быстро обновлять ассортимент продукции, выпускать мелкие и средние серии отливок с высокой точностью размеров и масс. Метод ЛГМ оказался наиболее подходящим для небольших цехов с гибкими технологиями получения отливок высокой точности и сложности. Способом ЛГМ получают отливки из чугуна и стали всех видов, бронзы, латуни и алюминия всех литейных марок. До 90% отливок можно применять без механической обработки. Создаются небольшие производственные цехи с простым оборудованием, одинаковым для черных и цветных сплавов.

Модель полностью соответствует будущей отливке, можно промерять ее стенки, чего при обычной формовке для сложных, с несколькими стержнями отливок сделать невозможно. Исключается смещение стержней и форм при сборке, так как отсутствуют сами стержни.

Технология безвредная, поскольку не применяются токсичные связующие, формовочные и стержневые песчаные смеси, не требуется транспортировать их и выбивать отливки. Например, 1 м3 пенополистирола модели весит 25 кг, он замещается 7 т жидкого чугуна, т. е. на 1 т литья расходуется 3,6 кг полимера. В формах из смоляных холоднотвердеющих смесей на 1 т литья расход составляет 90 кг полимерного связующего, или в 90:3,6=25 раз больше.

Формовочный песок после извлечения из формы отливок транспортируют по закрытой системе трубопроводов пневмотранспорта, исключающей пыление в воздухе. В установке терморегенерации песок освобождается от остатков конденсированных продуктов деструкции пенополистирола, а затем после охлаждения опять подается на формовку. Таким образом, повторно используется около 97% песка.

Значительную часть бункеров, трубопроводов и оборудования комплекса по охлаждению и складированию оборотного песка обычно монтируют за пределами цеха у внешней его стены, при этом сухой песок, который не боится мороза, быстрее охлаждается на открытом воздухе. Изолирование в закрытых трубопроводах потока песка, отсасывание из формы и последующее дожигание газов в сочетании с весьма чистым модельным производством дает возможность создать экологически чистые цехи высокой культуры производства.

Технологические потоки и пространственное размещение моделей в контейнере удобно компьютеризировать, а при изготовлении модельной оснастки все чаще применяют 3D-графику для программирования станков с ЧПУ.

Особенно большая экономия получается при литье сложных отливок из износостойких сталей (траки и детали гусениц, бронефутеровок, корпусные детали), так как резко снижаются затраты на их механообработку. Технология позволяет отливать без ограничений по конфигурации отливок колеса, звездочки, головки и блоки цилиндров бензиновых и дизельных двигателей, коленчатые валы и др. Капитальные затраты на организацию производства сокращаются в 2. 2,5 раза, также как и сроки ввода его в эксплуатацию. Для ремонтного литья легко разместить такие участки при кузнях, термических, ремонтных и других цехах.

Технология ЛГМ позволяет лить не только металлы и сплавы, но и получать композиты и армированные конструкции. Для этого в модель предварительно вводят различные детали или материалы, которые армируют конструкцию или формируют композит.

К этой технологии проявляют серьезный интерес практически все ведущие машиностроительные компании, о чем свидетельствует возрастающий поток патентной информации. Ряд российских предприятий также используют технологии ЛГМ. Цехи и участки с этой гибкой технологией стремительно множатся по всему миру, от Америки до Китая. General Motors, Ford Motors, BMW, FIAT, Volkswagen, Renault и ряд других фирм полностью перешли в 1980–1990 гг. на изготовление отливок блоков цилиндров, головок блока, впускных и выпускных коллекторов, коленчатых валов методом ЛГМ.

На этой технологии свыше тридцати лет специализируется Институт ФТИМС Академии Наук Украины (г. Киев), который поставляет оборудование и занимается организацией и реконструкцией литейных цехов.

Литье по газифицируемым моделям

Человечество освоило литье металлов примерно 4 тысячелетия назад. Литьем получали изделия из золота, серебра, меди, железа и их сплавов. Традиционно литье осуществлялось «в землю», или в формы из песчано-глиняных смесей.

Формы изготавливались на основе моделей (макетов) из дерева, гипса или воска. Этот метод сохраняет популярность и сегодня, так, например, в России больше половины отливок деталей для машиностроения выполняются по этому методу. Несмотря на дешевизну материала, способ страдает от большой трудоемкости работ по моделированию и формовке — модель необходимо извлечь из формы перед отливкой.

ЛГМ-процесс

Метод литья по газифицируемым моделям, или ЛГМ, лишен этих недостатков. Он был разработан и запатентован в середине 20 века и с тех пор завоевал популярность во всем мире.

Применение метода в России сдерживает инерция мышления наших металлургов и недостаток информации о методе.

Суть метода заключается в том, что форма для литья уплотняется вокруг газифицируемого макета из легкоплавкого пластика. Чаще всего для ее изготовления используются плотные сорта пенопласта. Газифицируемая модель, вокруг которой утрамбована в опоку форма, не извлекается из нее, а при заливке горячего расплава плавится, переходит в газообразное состояние и испаряется через массу формовочной смеси. Металл занимает освободившееся место, повторяя в мельчайших деталях ее форму и структуру поверхности.

Визуализация технологии литья по газифицируемым моделям

• Пенопласт легче обрабатывается, чем дерево.
• Пенопласт не намокает и не коробится, из него проще создавать газифицируемые макеты сложной формы.
• Не требуется высшая квалификация сотрудников.
• Газифицируемую модель не требуется извлекать, что приводит к упрощению процесса формовки и к многократному уменьшению его трудоемкости.
• Снят риск повреждения формы при извлечении газифицируемого макета, не требуется ее доработка.

Метод пригоден для отливки стали, чугуна, бронз и латуней.

Литье в ЛГМ-приобретает все большую популярность на российских металлургических предприятиях и в мастерских художественного литья

Технология литья по газифицируемым моделям

Технологический процесс изготовления отливок модифицирован по сравнению с обычным способом.

Технология литья по газифицируемым моделям

Литье отливок по ЛГМ осуществляется в специальной изолированной от окружающего воздуха камере. В момент заливки жидкого металла пенопласт испаряется, и образовавшиеся газы отсасываются вакуумным насосом, создающим разрежение 0,3-0,7 атм. Эти газы через трубопровод попадают в установку дожига и канализации, в которой обезвреживаются содержащиеся в них ядовитые вещества. Это еще одно важное преимущество метода литья в ЛГМ перед традиционными методами, вызывающими большую загазованность цеховых помещений.

После остывания форма разбивается и отливка извлекается для очистки и, если это необходимо, дополнительной обработки. Песчано-глиняная смесь после измельчения и просеивания готова к повторному использованию.

В целом данный метод производства отливок характеризуется большей сложностью оборудования и меньшей трудоемкостью по сравнению с традиционными методами.

Модельные материалы и способы изготовления

В качестве материалов для газифицируемых моделей шире всего применяется плотный пенопласт (вспененный полистирол) мелких фракций.

Плотный пенопласт для ЛГМ

В зависимости от размеров детали применяются гранулы от 0,2 до 1,0 мм. Материал обладает такими ключевыми свойствами, как:

• Низкая цена.
• Высокая прочность.
• Легкообрабатываемость.

Вторым важным материалом для газифицируемых моделей являются антипригарные покрытия, которыми смазывают поверхность модели перед формовкой. Современные покрытия делают на основе водных связующих, они обладают высокой экологичностью.

Антипригарные покрытия для ЛГМ

Газифицируемые модели для отливок по ЛГМ производятся двумя способами. Небольшие матрицы для массовых отливок делают методом экструзионного вдувания жидкого пенопласта в алюминиевые изложницы. Их изготовляют в свою очередь методом литья или механической обработки. Газифицируемые макеты для изготовления сложных отливок вырезают из твердого куска пенопласта раскаленной нихромовой проволокой, закрепленной в шаблоне или в станке с ЧПУ.

Газифицируемые модели для литья

С помощью склеивания можно создавать газифицируемые модели для литья деталей больших размеров и практически любой конфигурации. Не является больше сложностью любое количество и глубина выступов и впадин, внутренних полостей и переменных уклонов поверхностей. Не требуется высокое искусство проектировщика и модельщика и многие часы ручного труда. Теперь это — простая последовательность операций.

Модели для литья — точное литье повыплавляемым, газфицируемым

Особенность литья по разовым моделям заключается в однократном использовании модели, которая остается в форме и удаляется из нее путем выплавления, газофицирования, растворения, испарения или размораживания. Наиболее эффективными для применения в литейном производстве оказались выплавляемые и газофицируемые модели.

Модельные материалы

Материалом для изготовления газифицируемых моделей служит вспенивающийся полистирол, который представляет собой синтетический полимерный продукт суспензионной полимеризации стирола в присутствии эмульгатора, стабилизатора и порообразователя. В качестве порообразователя чаще всего используют изопентан. Применяемые для изготовления моделей гранулы вспенивающегося полистирола представляют собой полупрозрачные или белые непрозрачные шарики диаметром до 3,2 мм с внешней твердой полистирольной оболочкой, внутри которой находится жидкая фаза – изопентан. Чем тоньше стенки модели, тем мельче должны быть гранулы вспенивающегося полистирола. При нагреве до 27,9оС изопентан закипает и превращается в газ с увеличением объема, а при 80 – 90оС полистирольная оболочка размягчается и под действием давления газа деформируется. При этом объем гранул увеличивается в 10 – 40 раз. Этот процесс называется «вспениванием гранул полистирола». При вспенивании гранул в замкнутом объеме они спекаются в монолитную массу, точно воспроизводящую конфигурацию ограничивающей ее рост конструкции.

Для изготовления отливок по газифицируемым моделям пенополистирол должен обладать следующими свойствами:

• при плотности 20 – 30 кг/м3 иметь достаточную технологическую прочность (0,1 – 0,2 МПа), чтобы сохранять размеры и конфигурацию моделей в процессе их изготовления, хранения, транспортирования и формовки;
• на всех стадиях технологического процесса иметь минимальную и стабильную усадку (0,15 – 0,2%);
• обладать достаточной скоростью газификации, чтобы заливаемый металл успевал заполнять полость формы до начала его затвердевания;
• при газификации разлагаться с минимальным содержанием коксообразующих продуктов во избежание появления засоров в отливках.

Разновидности видов выплавляемых моделей

В основе модельного литья лежит удаление специального состава одним из следующих способов:

Выплавляемые смеси для точного модельного литья представляют легкоплавкие материалы (парафин, воск и аналоги). Удаление состава идет с помощью нагрева горячим воздухом, паром, горячей водой, температура которых выше температуры плавления самого модельного состава.

Выжигаемые смеси выполняют из обычного или вспененного полистирола. В этом случае удаление первоначальной формы происходит на стадии прокаливания оболочки, так температура в этом случае значительно выше плавления полимеров.

Растворяемые составы для модельного литья имеют основу в виде синтезированной мочевины (карбамида), нитрата калия или натрия, ряда других материалов, которые хорошо растворяются в воде. Для удаления вещества используют обычную теплую воду.

Изготовление моделей

Модельный состав, состоящий из двух или более легкоплавких компонентов: парафина, стеарина, жирных кислот, церезина и др., в пастообразном состоянии запрессовывают в прессформы (рисунок 2.5, а). В качестве материала прессформ в зависимости от вида производства используют гипс, пластмассы, легкоплавкие металлы, сплавы, сталь или чугун. После затвердевания модельного состава прессформа раскрывается и модель (рисунок 2.5, б) выталкивается в ванну с холодной водой.

Рисунок 2.5 – Последовательность операций процесса литья по выплавляемым моделям:

1 – прессформа; 2 – модельный состав; 3 – модель; 4 – модельный блок;
5 – емкость с керамической суспензией; 6 – специальная установка для обсыпки; 7 – кварцевый песок; 8 – бак с водой; 9 – устройство для нагрева воды; 10 – электрическая печь; 11 – оболочки; 12 – жаростойкая опока;
13 – ковш с расплавленным металлом

Технология

Этот метод используется для производства изделий из разных сплавов. Обеспечивается показатель качества до ±0,005 мм на каждые 25 мм поверхности. Указанная точность позволяет изготавливать изделия, которые не требуют дополнительной обработки. Залог успешности технологического процесса в том, что модель производится из быстро плавящегося вещества. Используется парафин, воск, канифоль либо их смесь.

Технологический процесс состоит из действий:

1. Производство модели:

• под модель берётся специальная форма из гипса, пластмассы, стали либо чугуна;
• в нее заливается вещество образующее модель;
• необходимо дождаться его полного застывания;
• после этого специальная форма открывается, восковая модель вынимается и помещается в емкость под прохладную воду.