Публикации
Литьё по газифицируемым моделям – перспектива развития литейного производства в России
(по материалам 1-й Международной научно-практической конференции
«Литьё по газифицируемым моделям», 19-21 сентября, г. Санкт-Петербург)
к.т.н. с.н.с. Евсеев В.И. – вице-президент Союза литейщиков Санкт-Петербурга,
Лисовой А.А. – технический директор ООО «Завод арматуры контактной сети»,
д.т.н. профессор Шуляк В.С. – Московский государственный индустриальный университет
Первая тематическая конференция «Литьё по газифицируемым моделям» состоялась по инициативе профильного Комитета Российской ассоциации литейщиков (председатель д.т.н. профессор Шуляк В.С.) и ООО «Завод арматуры контактной сети» (генеральный директор Андреева А.В., технический директор Лисовой А.А.). Оргкомитет конференции поручил решение организационных вопросов Союзу литейщиков Санкт-Петербурга, на базе которого был проведён этот форум.
В работе конференции принял участие Президент Ассоциации литейщиков России (РАЛ) д.т.н. профессор Дибров И.А. На фото 1 представлен президиум конференции (слева направо): Лисовой А.А., Шуляк В.С., Дибров И.А. Конференцию открыл Президент Союза литейщиков Санкт-Петербурга д.т.н. Ткаченко С.С. (фото 2).
Конференция посвящена одному из важных направлений научного, технологического и технического обеспечения современного уровня литейного производства в России и других странах Европы. Развитие машиностроения в настоящее время и в перспективе настоятельно требует внедрения новейших достижений науки, технологий и оборудования на предприятиях и в цехах литейного производства, в том числе методом литья по газифицируемым моделям. Именно этим, в первую очередь, определяется актуальность темы проводимой конференции. Кроме того, её актуальность наглядно подтверждается составом участников: около 80 руководителей, учёных и специалистов из 51 предприятия и организации России, Украины, Казахстана, Германии, Чехии проявили интерес к данной теме и собрались на конференции для обсуждения насущных вопросов состояния и развития производства отливок методом литья по газифицируемым моделям.
На конференции были представлены наиболее важные, по мнению оргкомитета, доклады по обсуждаемой теме. Они отражают состояние и проблемы развития литья по газифицируемым моделям, пути и методы их решения с использованием научных разработок, а также представляют опыт освоения этого вида литейного производства на различных промышленных предприятиях.
В настоящей статье дан анализ сделанных докладов и представлены основные результаты работы конференции, которые, по мнению её организаторов, послужат делу совершенствования методов и средств решения проблем литейного производства, активизации процесса перевооружения существующих производственных мощностей с целью удовлетворения высоких требований со стороны машиностроительного комплекса России и других заинтересованных стран.
Интерес к конференции и активность её участников при обсуждении докладов позволили сформулировать ряд организационных мероприятий, которые должны сконцентрировать усилия и объединить возможности руководителей и специалистов в решении проблем литья по газифицируемым моделям.
*****************************Литьё по газифицируемым моделям (ЛГМ) как новый технологический процесс для производства отливок появился в середине 50-х годов. Использование нового способа литья решала одну из главных задач литейного производства – повышение точности отливок, сравнимой с точностью, которую обеспечивает литьё по выплавляемым моделям при значительном снижении затрат на оборудование и материалы. Кроме того, способ ЛГМ обладает рядом важных преимуществ:
- исключаются из производственного процесса стержневое, формовочное и смесеприготовительное оборудование;
- применяется сухой кварцевый песок, а форма упрочняется с помощью вакуума;
- сокращается количество технологических операций и оборудования для финишной обработки отливок;
- открывается возможность комплексной автоматизации всего технологического процесса;
- используется недорогая и сравнительно простая оснастка;
- снижаются требования к квалификации рабочих и обслуживающего персонала;
- создаются экологически чистые цеха и участки высокой культуры производства;
- улучшаются условия труда.
В мировой практике применения ЛГМ характерны расширение объёмов производства отливок, освоение крупносерийного производства сложных изделий с высокой точностью, появление крупных предприятий и их объединений, комплексно решающих вопросы внедрения новых технологий и оборудования на основе ЛГМ /1/.
В экономике России произошли структурные изменения, вызванные переходом на рыночные отношения. Неподготовленность нашей промышленности к подобным изменениям привела к резкому снижению производства, в частности, машиностроительной продукции и как следствие к падению объёма производства отливок. Это, в свою очередь, привело к существенным сдвигам в развитии литейного производства. Отпала потребность в массовом и крупносерийном производстве отливок, в связи с чем закрылись или существенно снизили объёмы производства многие литейные заводы и цеха. Прекратили свою деятельность многие отраслевые НИИ и КБ. В то же время существенно возрос спрос на мелкие и средние серии отливок с повышенными размерной и весовой точностями, а также с повышенными физико-механическими и эксплуатационными свойствами. В этих условиях, отметил в своём докладе профессор Шуляк В.С. (Фото 3), развитие литейного производства шло по пути создания самостоятельных мелких литейных производств или реконструкции существующих на основе применения гибких технологических процессов, компьютеризации технологических и конструкторских работ, разработки документации и программного обеспечения производства литейной оснастки на станках с ЧПУ. Подобное развитие позволило сократить технологическую и техническую подготовку производства и с минимальными издержками осваивать новые виды мелкосерийного производства отливок /2/.
В условиях повышенного спроса на единичное, мелкосерийное и серийное производство отливок повышенной точности и сложности метод литья по газифицируемым моделям находит всё большее применение взамен литья в песчано-глинистые формы, литья по выплавляемым моделям, в кокиль и других способов литья.
В настоящее время в различных районах России работают небольшие заводы и цеха мелкосерийного и серийного многономенклатурного производства отливок методом литья по газифицируемым моделям из цветных сплавов, серого и высокопрочного чугунов, углеродистых и высоколегированных сталей мощностью от 100 тонн до 5 тысяч тонн. Организация цехов и участков мощностью 100-2000 тонн в год для мелкосерийного и серийного производства отливок малых и средних размеров не требует применения дорогостоящего автоматизированного оборудования, которое предлагают зарубежные фирмы.
Целый ряд предприятий ведут в настоящее время работы по реконструкции имеющихся или строительству новых цехов для мелкосерийного и серийного производства отливок. Многие из действующих цехов применяют программное обеспечение для компьютерного проектирования технологического процесса, разработки технической документации и составления программы изготовления оснастки на станках с ЧПУ.
Следует отметить, что в связи с ликвидацией ряда отраслевых институтов и при отсутствии достаточного финансирования, организация участков и цехов ЛГМ осуществлялась до настоящего времени силами самих заводов, что в значительной степени упрощало техническую оснащённость участка, увеличивало уровень использования ручного труда, приводило к повышенному браку при изготовлении отливок. При этом конструкторские разработки НИИТАвтопрома и других институтов по оборудованию и материалам для ЛГМ-процесса остались невостребованными.
Тем не менее, сегодня можно утверждать, что в стране появилось предприятие, которое ведёт комплексные работы по организации участков и цехов, начиная с технологии, разработки технологического проекта, проектированию и поставке всего комплекса оборудования, включая линии формовки, заливки и выбивки форм, регенерации отработанного песка. Формовочные линии проектируются под заказчика, как с ручным, так и с полуавтоматическим управлением. Таким предприятием является ООО «Завод арматуры контактной сети», г. Санкт-Петербург, которое уже поставило комплекс оборудования для цеха мощностью 1500 тонн в год Байматскому литейно-механическому заводу, формовочную линию Катав-Ивановскому литейно-механическому заводу, ведутся работы по реконструкции Псковского завода «Точлит» и других предприятий. Финансирование данных проектов осуществляют коммерческие компании. Научно-исследовательские и технологические работы проводит кафедра литейного производства Московского государственного индустриального университета (МГИУ).
В условиях современного расширения производства отливок методом литья по газифицируемым моделям требуется решение ряда серьёзных проблем, что позволит значительно увеличить объёмы производства отливок и повысить их качество.
1. Прежде всего, это касается поставок качественного литейного полистирола, производство которого в России отсутствует.
В качестве материала, применяемого для изготовления газифицируемых моделей, используют пенополистирол. К моделям, применяемым в технологии ЛГМ, с целью получения годного литья, предъявляются определенные требования /3/:
- поверхность модели должна быть гладкая, без шероховатостей и внешних дефектов;
- плотность моделей не должна превышать 0,027 – 0,032 г/см3.
Исходя из этих требований, предъявляются определенные требования к полистиролу:
- гранулометрический состав материала должен быть равномерный;
- содержание вспенивающего агента (пентана) должно быть не менее 5,5%;
- материал должен равномерно спекаться в автоклаве, быть устойчивым к действию давления и температуры.
Литейный полистирол, выпускаемый ОАО «Пластик», (г. Узловая) поставляется двух марок с широким диапазоном по гранулометрическому составу. Их применение требует дополнительного разделения на нужные фракции, что связано с большими потерями полистирола. Кроме того, он обладает повышенным электростатическим зарядом, что затрудняет его переработку. Поставки полистирола нерегулярны. Зарубежные фирмы поставляют полистирол партиями по 500 кг и 1000 кг. С учётом его активности в течение трёх месяцев для малых предприятий приобретать его экономически не выгодно. Литейный пенополистирол, кроме того, не обеспечивает необходимого качества отливок определённой конфигурации из чёрных сплавов, особенно из углеродистой стали. Зарубежные фирмы готовы поставлять новые модельные материалы на основе сополимера полиметилметакрилата и полистирола, которые по данным рекламы значительно улучшают качество отливок из железоуглеродистых сплавов.
На кафедре литейного производства МГИУ были проведены комплексные исследования сополимера CL-600, состоящего из 70% полиметилметакрилата и 30% полистирола, который выпускается японской фирмой и поставляется фирмой JSP International. Сополимер содержит 7% пентана и имеет равномерный гранулометрический состав 0,4-0,5 мм. Были отработаны режимы вспенивания и изготовления моделей автоклавным способом плотностью 25 кг/м3, процесс его газификации, режимы заливки и формирования структуры и обеспечения качества отливок из стали на технологических пробах. Проведённые исследования не полностью подтвердили рекламные материалы, однако имеет место значительное снижение поверхностного и объёмного науглероживания отливок. Необходимо проведение дальнейших исследований и промышленной проверки данного материала. Несмотря на свою дороговизну, можно предположить, что данный материал найдёт своё применение при производстве отливок из низкоуглеродистых и специальных сталей. Представляется целесообразным использовать опыт НИИ «Пластполимер» в этом направлении.
Опыт использования ООО «Завод АКС» различных марок, таких как D 833B, B 320N, EPS-321, сополимер Cleapor CL 600A, говорит о том, что для технологии ЛГМ по автоклавному способу наиболее подходящим и технологичным материалом является полистирол марки D 833B. Этот материал даёт качественные модели (гладкая поверхность, отсутствие шероховатостей и внешних дефектов) с удовлетворительной плотностью от 0,027 до 0,032 г/см3, несмотря на минимальное содержание вспенивающего агента (5,7%). Работа по усовершенствованию технологии продолжается, как в направлении поисков новых материалов, так и в направлении разработки новых схем сборки.
Полистиролы EPS - 321 и B 320N дают модели с хорошей плотностью от 0,023 до 0,032 г/см3, но при этом материал не обеспечивает необходимого качества поверхности (на ней наблюдаются рытвины, канавки). Это затрудняет их применение в технологии ЛГМ, но они могут широко использоваться для производства строительных плит и изделий из полистирола, к которым не предъявляются требования к качеству поверхности.
Сополимер Cleapor CL 600 A показывает хорошие результаты при работе по технологии ЛГМ автоклавным способом, но производство моделей становится достаточно трудоёмким, так как затруднён подбор чётких параметров спекания моделей. Этот материал предназначен для работы по технологии ЛГМ на пресс-автомате при давлении пара 0,07 – 0,08 МПа, при этом время воздействия пара должно быть 10 – 20 с. При таких условиях работы материал даёт хорошие результаты и качественные модели.
На предприятии ООО «Южноуральский арматурно-изоляторный завод – Литейное производство» были предприняты попытки освоить полистирол, поставляемый зарубежными фирмами, для обеспечения потребностей завода в отливках литейной арматуры /4/. Осваивались следующие марки полистирола: LG E 525, D833A, D833B, LG EPSR 320, EPSR 321.
В результате опытных работ установлено, что для производства отливок линейной арматуры из ВЧ 50 – 7 предпочтительнее использовать полистирол D833B (Голландия) для отливок из серого чугуна с толщиной стенки до 15 мм вместо пенополистирола LG EPS R320, а для толщины стенки более 15 мм - пенополистирол EPS R321. Проведённые опытные работы установили возможность производства отливок из серого чугуна с применением смешанного пенополистирола марок LG E 525 и EPSR 321 в соотношении 1:3.
На Златоустовском литейном заводе «ЗЛЗ-Метапласт», (Челябинская область), постоянной и серьёзной проблемой является вопрос приобретения полистирола. В России промышленное производство качественного литейного полистирола на заявленную заводом потребность ~1тн ежемесячно для химического комбината невыгодно, а приобретение из-за рубежа невозможно по транзитной норме, а также и по цене. Из-за ограниченного гарантийного срока приобретение полистирола впрок нецелесообразно. Поэтому вынуждены применять предлагаемый в Москве так называемый самозатухающий полистирол из Кореи, предназначенный для упаковки и строительства, что приводит к увеличению дефектности отливок /5/.
В связи с изложенным, проблема производства и поставки отечественного полистирола для изготовления моделей по методу ЛГМ представляется весьма актуальной.
2. При автоклавном способе изготовления модели пресс-форма, заполненная гранулами пенополистирола, помещается в автоклав, в который подаётся острый пар при температуре 110-120 0С под давлением 0,130–0,145 МПа, а при использовании способа внутреннего теплового удара – пар подаётся под давлением 0,2–0,25 МПа через инжектор во внутреннюю полость пресс-формы, предварительно заполненную пенополистиролом. Автоклавный способ формирования модели позволяет получать качественные модели с толщиной стенок до 40 мм и более при объёмной плотности 18 – 25 кг/м3. Однако все вспомогательные операции при данном способе выполняются вручную, поэтому данная технология изготовления моделей применяется в мелкосерийном и серийном производствах отливок ЛГМ /1/.
Следует организовать производство с использованием автоклава специально для изготовления моделей. Медицинские автоклавы, которые, в основном, применяются для изготовления моделей, имеют парогенераторы с низкой производительностью по пару. Это приводит к увеличению времени изготовления моделей, снижению производительности автоклавного процесса. Применение парогенераторов с производительностью не ниже 1,0 кг пара в минуту позволит (при давлении пара в автоклаве 0,25 МПа) снизить время изготовления модели до 2-2,5 мин. и достичь производительности до 20-25 съёмов в час, то есть достигнуть уровня модельных автоматов, при значительном улучшении спекания полистирола в пресс-форме. Опыт работы отдельных предприятий подтверждает изложенные положения. Например, на предприятии ООО «Завод АКС» используются как автоклавный способ, так и способ получения моделей на модельном автомате, собственной конструкции и изготовления.
3. Песок перед повторным применением должен проходить магнитную сепарацию, обеспыливание и термическую регенерацию с помощью специального оборудования. Например, Челябинским конструкторско-технологическим институтом автоматизации и механизации в автомобилестроении разработан ряд линий термической регенерации отработанных песчано-глинистых и холоднотвердеющих смесей с различной производительностью /1/. Поскольку не все заводы имеют подобное оборудование или могут сделать его самостоятельно, как ООО «Завод арматуры контактной сети», вопросы регенерации отработанного песка и утилизации продуктов термодеструкции должны решаться применительно к реальным условиям процесса ЛГМ. Определённым образом эти условия связаны с состоянием технологического оборудования в цехе. Разброс параметров оборудования, используемых разными предприятиями, достаточно велик, при этом отсутствуют специализированные организации с лицензиями для разработки проектов по ЛГМ. Кроме того, не существуют нормативно-регламентирующие документы по данному способу литья. К примеру, по всем способам традиционных видов литья создано и успешно применяется программное обеспечение на разработку технологии и расчёты литниковых систем, конструкции оснастки и других элементов. В случае ЛГМ они или отсутствуют, или недоступны многим предприятиям, что заставляет технологов и конструкторов ''вариться в собственном соку'' практического опыта и экспериментов /5/.
Создание компактных, легко встраивающихся установок регенерации песка и утилизации продуктов термодеструкции полистирола является актуальной проблемой широкого освоения способа ЛГМ на литейных предприятиях.
4. Уплотнение песка при формовке модельного блока из пенополистирола является важнейшей операцией технологического процесса производства качественных отливок. Необходимо выбирать такие режимы вибрации формы, чтобы заполнить поднутрения и горизонтальные отверстия модели песком при максимальном его уплотнении. В настоящее время отсутствует единое мнение по выбору режимов вибрации форм для моделей сложной конфигурации. Сегодня можно твердо сказать, что максимальная плотность формы из песка получается при отношении ускорения вибрации к ускорению силы тяжести не менее 4 /2/. Установлено, что горизонтальная вибрация даёт более высокие значения плотности песка. Есть и другие наработки. Необходимо их обобщить и провести дополнительные исследования для подготовки практических рекомендаций по определению параметров вибрации при изготовлении форм из песка.
Начиная с 2005 года, перед сотрудниками «Завода АКС» остро встал вопрос понимания процессов вибрации, так как появились детали со сложными внутренними полостями, изогнутыми внутренними каналами /6/.
На начальном этапе изучения влияния вибрации на заполнение и уплотнение моделей, на заводе были проведены эксперименты по усадке песка в опоке в зависимости от направления вибрации и направления вращения вибраторов. В ходе экспериментов было выявлено, что максимальную усадку песка в опоке создаёт вертикально направленная вибрация. Вертикальное направление вибрации создаётся работой пары вибраторов, роторы которых, вращаются в противоположные стороны. Также было выявлено, что в деталях с горизонтальными изогнутыми каналами необходимо использовать горизонтальную вибрацию, которая обеспечивает затекание песка во внутренние полости. Алгоритмы работы вибраторов, полученные в результате экспериментов, помогли снизить процент формовочного брака, но вопрос выбора параметров вибрации, необходимых для оптимального заполнения и уплотнения моделей песком, оставался открытым.
Следующим этапом изучения вибрации, стала совместная работа специалистов «Завод АКС» и научных сотрудников Института проблем машиностроения РАН и Института «Механобр». Целью исследований являлось определение оптимальных параметров вибрации (амплитуда, частота, направление), необходимых для заполнения моделей песком и наибольшего уплотнения песка в опоке. Исследования проводились на универсальном вибрационном стенде 157 – УС, созданном в Институте «Механобр».
Эффективность вибрации оценивалась при различных ориентациях модели в пространстве. Как показали эксперименты, при сложных формах деталей (внутренние, куполообразные полости или длинные изогнутые каналы), применяемая амплитуда колебаний составляет 0,5 мм. Повышение амплитуды до 1-1,5 мм не приводило к полному устранению или приводило к образованию новых дефектов – воздушных полостей, то есть закипанию песка вблизи поверхности деталей. При амплитуде 0,5 мм перемещение песка начинается при достижении частоты 18-20 Гц. Максимальное уплотнение песка достигалось при частоте 22-25 Гц. Дальнейшее повышение частоты приводило к закипанию песка. Изменение направления вибрации с вертикальной на горизонтальную сохраняло сложившуюся ситуацию.
Таким образом, было выявлено, что наилучшие параметры колебаний, обеспечивающие устранение пустот вблизи поверхности модели отливки, соответствуют величине коэффициента перегрузки: А ??/g ~ 1 ( ? = 2Пf ), где А – амплитуда, f – частота.
Применение новых параметров вибрации совместно с выработанными алгоритмами включения вибраторов привело к снижению «формовочного» брака до 2-3 %. Таким образом, удалось решить и понять процесс виброуплотнения песка в опоках, но работа по изучению виброуплотнения продолжается, так как время вибрации опоки достаточно велико (4-8 мин.). Для этого специалистами ООО «Завод АКС» совместно с сотрудниками Института «Механобр» был спроектирован и изготовлен экспериментальный вибростол, который допускает регулирование «силы вибрации», то есть изменение амплитуды (валы с наборными грузами – дебалансами) и частоты (от 0 до 600 Гц). В настоящее время экспериментальный вибростол проходит испытания, целью которых является получение зависимости времени вибрирования от силы вибрации. Решение этих задач уже позволяет значительно увеличить производительность формовочной линии ООО «Завод АКС», а также уменьшить процесс «формовочного брака» /6/.
Естественно, приведённые данные не исчерпывают все проблемы на пути внедрения способа ЛГМ на предприятиях литейного производства. Требуют своего решения такие актуальные работы, как проведение научных исследований, конструкторских и технологических разработок, проектирования и создания современного отечественного оборудования для ЛГМ, обеспечения метрологии в процессе ЛГМ на всех его стадиях, разработки математического аппарата для моделирования и автоматизации ЛГМ и ряда других.
Кроме того, широкому внедрению технологии ЛГМ в России препятствуют общие проблемы материально-технического обеспечения производства, недостаток финансовых средств для технического оснащения предприятий современным оборудованием и средствами контроля качества используемых материалов и самого технологического процесса.
С учётом актуальности и масштабности предстоящих мероприятий по широкому внедрению ЛГМ как одного из самых перспективных способов высококачественного литья конференция приняла Решение, которым практически заново воссоздан Комитет Российской ассоциации литейщиков. Новый состав Комитета призван консолидировать и координировать усилия РАЛ, предприятий и организаций для решения всего комплекса проблем ЛГМ. В состав Комитета вошли ряд директоров предприятий, наиболее активно участвующих в освоении ЛГМ. Предложено учредить коммерческую организацию, которая должна взять на себя практическую реализацию этого способа литья и оперативного решения всего комплекса его проблем. Для обсуждения хода проведения работ, оценки состояния решаемых проблем принято решение проводить международные научно-практические конференции на тему «Литьё по газифицируемым моделям» не реже одного раза в два года.
Кроме того, представляется целесообразным рассмотреть возможность и целесообразность создания такого современного образования, как технопарк /7; 8/. Подобные образования в виде научно-технологических и технико-внедренческих центров создаются специально для решения комплекса проблем, полностью присущих ЛГМ, с целью активизации инновационной деятельности в промышленности, в частности, в машиностроении. В создании и функционировании технопарка ЛГМ может быть заинтересовано всё сообщество предприятий и организаций, входящих в состав Российской ассоциации литейщиков, или одного из промышленно развитых регионов России, например, Северо-Западного региона. В рамках Союза литейщиков Санкт-Петербурга с использованием возможностей ООО «Завод арматуры контактной сети» существуют все необходимые условия создания и обеспечения функционирования технопарка для решения проблем в технологии литья по газифицируемым моделям.
ЛИТЕРАТУРА- Шуляк В.С. . Литьё по газифицируемым моделям. – СПб.: НПО «Профессионал», 2007. - 408 с.
- Шуляк В.С.. О состоянии и развитии производства отливок литьём по газифицируемым моделям в России. Доклад в сб. трудов 1-й Международной научно-практической конференции «Литьё по газифицируемым моделям», - СПб.: 2007.- 58 с.
- Мацяс Ю.А.. Пенополистирол и его применение в технологии ЛГМ. Доклад в сб. трудов 1-й Международной научно-практической конференции «Литьё по газифицируемым моделям», - СПб.: 2007.- 58 с.
- Спиридонов С.М., Белоусов О.В.. Производство точных отливок из высокопрочного чугуна литьём по газифицируемым моделям в ООО «Южноуральский арматурно-изоляторный завод – Литейное производство». Дефекты литья. Способы предупреждения и мероприятия по устранению. Доклад в сб. трудов 1-й Международной научно-практической конференции «Литьё по газифицируемым моделям», - СПб.: 2007.- 58 с.
- Ефимова Н.П., Выдрин Б.И.. Проблемы производства отливок по газифицируемым моделям. Доклад в сб. трудов 1-й Международной научно-практической конференции «Литьё по газифицируемым моделям», - СПб.: 2007.- 58 с.
- Баринов В.И.. Роль вибрации в технологии ЛГМ. Доклад в сб. трудов 1-й Международной научно-практической конференции «Литьё по газифицируемым моделям», - СПб.: 2007.- 58 с.
- В.И.Евсеев, А.А.Ищенко, В.С.Кривицкий, С.С.Ткаченко.. Инновационная деятельность и технопарки. - «Литейщик России», М.: № 2, - 2006. – сс 4-8.
- В.И.Евсеев, А.А.Ищенко, В.С.Кривицкий, С.С.Ткаченко.. Технопарки в России, машиностроении и литейном производстве. – «Литейщик России», М.: №3, - 2006. – сс 44-49.
Статья опубликована в «Бюллетене Союза литейщиков Санкт-Петербурга», №3, 2007
