25 апреля

Литье металла по пеномоделям - конкурентоспособная технология машиностроения

Инвестиции в новое производство дают прибыль, когда оно основано нановых технологиях, новаторских конструкторских и маркетинговыхрешениях. Металлургическая переработка металлов и литейное производствона постсоветском пространстве имеют давнюю традицию и солидныйинженерный опыт.

Россия и Украина в конце второго тысячелетия занималилидирующие позиции в производстве металла и отливок на душу населения.Сейчас выпуск литья уменьшился в несколько раз. Однако оставшиесянаучно-технические центры, в частности, в НАН Украины, гдеподдерживалось финансирование, сохранили инженерные наработки и опытвнедрения конкурентоспособных технологий. Они смогли организовать циклот проектирования литейного цеха и оборудования до поставки этогооборудования отечественного производства заказчику "под ключ" свыполнением пуско-наладки, обучения персонала и отработки технологии впроизводственных условиях.

Среди созданных в последние десятилетиятехнологий в литейном деле набирает популярность удобная технология,когда получить модель отливки означает уже наполовину получить самуотливку. Модель отливки - пенополистироловая, такая, как упаковка оттелевизора, или разовая пищевая тарелка, которых штампуют миллионами наавтоматах, а плитами полистирола утепляют наружные стены высотныхдомов. Пенополистирол относится к твердым пенам (как хлеб, например),которые в физической химии определяются как дисперсия газа в твердомвеществе, или точнее, ячеисто-пленочная дисперсная система. В нашемслучае матрицей служит полистирол, а диспергируется ("дробится" и"рассеивается") газ.По схожей технологии (как при производстве упаковки) для серии отливокмодели производят задуванием порошка полистирола в легкие алюминиевыепресс-формы (весьма простые в изготовлении и часто многоместные) споследующим вспениванием гранул при нагреве пресс-форм.

Для разовых икрупных отливок (иногда весом до нескольких тонн) подходит вырезаниемоделей из плит пенополистирола нагретой нихромовой проволокой,которая, например, по шаблонам "как по маслу" режет блочныйпенополистирол. Модель, затем полученная по ней отливка, имеют высокуюточность (соответственно, низкую металлоемкость) и конкурентныйтоварный вид. Свободно можно видеть, "пощупать" отливку в модели,промерять ее стенки, чего при обычной формовке для сложных снесколькими стержнями отливок просто не сделать. Отсутствует смещениестержней и форм при сборке (так как отсутствуют сами стержни). Моделикрасят быстросохнущей краской с огнеупорным порошком, собирают слитником, засыпают сухим песком в ящике (контейнере) и заливаютметаллом. При заливке металл испаряет модель и собой ее замещает. Вэтой операции замены одного на другое - весь "фокус" или ноу-хаутехнологии литья по газифицируемым моделям, который определяет ееназвание по принятой терминологии в литейном производстве и делает ееуникальной. Во всех других способах формовки по модели присутствуетпредварительная операция ее удаления перед заливкой, а в такомотсутствии удаления модели из формы кроется и "секрет" точностиполучаемых отливок.

 Что заформовали, то и отлили в неподвижномокружающем песке. Снятие "копии" с модели происходит одновременно с"превращением" модели в отливку, что шутя можно сравнить с выполнением"фотографии" путем "убиения" оригинала, или как в шахматной партии сжертвой пешки (модели) для выигрыша туры (отливки).Чтобы модель не дымила в цех при заливке, из контейнера обычноотсасывают насосом газы - разрежение поддерживают примернопол-атмосферы. Для уникальных отливок (крупногабаритных штампов длякузовов автомобильного производства и т. п.) используют трубчатыегазовыводные каналы с поджиганием выходящего их них газа оттермодеструкции моделей, чем практически полностью переводят этот газпутем горения в двуокись углерода и пары воды. Участки модельногопроизводства обеспечиваются модернизированными автоклавнымоборудованием с объемом камеры 100…400 л. Разработанныеусовершенствования по сравнению с серийно выпускаемыми моделямипозволяют сократить время спекания моделей до 1,5…2 мин. притемпературе 115…1350 С и толщинестенки получаемой по моделям в последующем отливки 5..10 мм и выше.Таким оборудованием сейчас оснащается модельный участок Свесскогонасосного завода, Сумская обл. Для серийного производства поставляютсяполуавтоматы, цикл производства моделей на которых составляет около 2…3мин. и которые пригодны также для производства фасонной упаковки,легкой тары, декоративных, шумо- и теплоизолирующих панелей с торцевымзамком. Практика показывает, что указанное модельное оборудование вдействующих литейных цехах нашей страны является наиболее загруженным ичасто эксплуатируется в три смены. Производственные участки: модельный,формовочный, плавильный, очистной имеют примерно одинаковые площади иоснащаются простым оборудованием (наиболее сложным является упомянутоемодельное). Вся формовка состоит из засыпки сухого песка с вибрациейконтейнера до одной минуты без массивных высокоточных машинпрессования, встряхивания, устройств сборки форм, свойственныхтрадиционным видам формовки. Акцент внимания перенесен на производствомоделей - этих "легчайших игрушек" с плотностью материала 25…27 кг/куб.м, которое обычно "доверяют" женским рукам, часто располагая на второми выше этажах зданий. Качество выполнения модели в основном определяеткачество отливки.Оборотное охлаждение песка ведут в пневмопотоке с повторнымиспользованием песка ~97%, потери этого оборота составляют просыпи иотсев мелкой фракции, который выполняют во избежание его запыления.Кроме того, применят осаждение в циклонах пыли при прохожденииотсасываемых газов из формы. Для черных и цветных сплавов используетсяодинаковое оборудование, которое, благодаря своей несложности, беззатруднений производят в Украине (для других видов формовкикачественное оборудование надо везти с Запада). Таким способом можнополучать отливки из чугуна и стали всех видов, бронзы, латуни иалюминия всех марок. В ящике на "елке" можно сразу лить десяткиотливок, как в ювелирном производстве, что служит еще одним "козырем"для литья по пеномоделям. Создание технологии литья по газифицируемоймодели связано с научно-техническая революцией второй половины прошлоговека наряду с такими процессами, как вакуумная формовка, непрерывноелитье, литье под низким давлением, импульсная формовка и др. Все этитехнологии на подъеме. А цеха и участки с гибкой технологией литья попеномоделям сегодня множатся по всему миру - от Америки до Китая, назаводах General Motors, Ford Motors, Fiat. Успешно эксплуатируютсяполуавтоматические и автоматические линии. В наше время в мире попенополистироловым моделям производят ~1,4% от всего количества литья -свыше 1 млн. т/год, прогнозы на ближайшее будущее дают этой технологии10…20% мирового литья. В России в 2005 г. произведено этим способом 0,1% литья.Институт ФТИМС, г. Киев, десятки лет совершенствуя в этом деле"фирменную" специализацию, как одну из граней своего инженерногобренда, спроектировал и запустил ряд участков в России, поставил ивнедрил такое оборудование в Польше и Вьетнаме, из последних объектов -цех на 400 т/месяц на ДЗТЛ в Днепропетровске.

Потенциал технологиитаков, что она позволяет лить не только металлы и сплавы, но икомпозиты, которые обладают повышенными в несколько раз, например,триботехническими свойствами по сравнению с простыми сплавами. Низкиезатраты на материалы (всего 4 вида, не применяется в форме связующие)экономит не менее 100 дол./т литья, а размещение отливок по всемуобъему контейнера дает выход годного 70…85%, экономию по шихте металлана 250…300 кг, электроэнергии 100…150 кВт.ч., массы отливок на 10…20%по сравнению с традиционной опочной формовкой. Трудоемкость финишныхопераций сокращается на 10…20% при единичном и на 40…60% при серийномпроизводстве. Особенно крупная экономия при литье сложных отливок изизносостойких сталей (шнеки для машин производства кирпича, била,молотки и детали дробилок), т. к. резко снижаются затраты на ихмеханообработку. Также льют без ограничений колеса, звездочки, корпуса,сантехнику, головки и блоки цилиндров бензиновых и дизельныхдвигателей, художественные, парковые и другие отливки.

По даннымGeneral Motors при производстве блока цилиндров масса его уменьшиласьна 15% и трудоемкость механической обработки на 50% по сравнению страдиционным литьем в стержнях. Освоение серийного литья чугунныхблоков автомобильных двигателей объемом 1,2 и 1,3 л для компании"ДЭУ-Украина" технологи ФТИМС считают своим серьезным достижением, блоклегче аналога на 5 кг. Сейчас на стадии проектирования оснастки в этоминституте находятся еще два вида блоков цилиндров двигателей. В Киевельют черные и цветные металлы развесом до 500 кг. Литейный цех опытногопроизводства производит отливки из чугуна, стали, алюминия, медныхсплавов (латунь, бронза) до 40 т в месяц и выполняет заказы на серийныеи разовые детали. Институт ФТИМС проектирует цеха и участки,разрабатывает технологию, поставляет оборудование и оснастку. Передаетзаказы цеху-партнеру на 400 т в месяц - точное литье деталей массы(0,2…2000 кг) с минимальной механообработкой без ограничений на формуотливки. Выполняется пуско-наладка всего комплекса поставленногооборудования и внедрение технологии, обучается персонал.Капитальные затраты на организацию производства сокращаются в 2…2,5раза, также как и сроки ввода производства в эксплуатацию. Опыт запускацехов до 50…150 т/месяц показал срок окупаемости 9…12 месяцев, притом,что набор оборудования для цехов 10…80 т/месяц отличается мало.

 Легкоразместить такие участки при кузнях, термичках, ремонтных и другихцехах. Если создавать или реконструировать литейную, то технологиялитья по газифицируемым моделям - тот бизнес, в котором металл своимоборудованием и рабочей силой переводится в высокотехнологичныйнаукоемкий товар. К сожалению, крупные металлургические державы Россияи Украина продают за рубеж металл преимущественно в чушках, слябах имассивных заготовках, а также лом. Тогда как Германия в отдельные годыэкспортирует 27% отливок, импортируя руду и металл. Не вечно же намметаллолом и чушки продавать за рубеж, имея здесь только сборку иторговлю, не только Китай может поднимать свое машиностроение. Чембыстрее мы станем до деталей и машин перерабатывать свой металл, темраньше достигнем европейского уровня благосостояния.