КАТЕГОРИИ:
АстрономияБиологияГеографияДругие языкиДругоеИнформатикаИсторияКультураЛитератураЛогикаМатематикаМедицинаМеханикаОбразованиеОхрана трудаПедагогикаПолитикаПравоПсихологияРиторикаСоциологияСпортСтроительствоТехнологияФизикаФилософияФинансыХимияЧерчениеЭкологияЭкономикаЭлектроника
|
Габаритные размеры (длина, ширина, высота), мм 1000X705X 1190 1 страницаМасса, кг...................................................................... 200
Глава 5 ИЗГОТОВЛЕНИЕ МОДЕЛЕй
Процесс изготовления моделей включает операции приготовле-ния модельных составов, получения моделей отливок и ЛПС, отделки и контроля моделей, сборки их в блоки и контроля последних,
5.1. КЛАССИФИКАЦИЯ И ХАРАКТЕРИСТИКА МОДЕЛЬНЫХ СОСТАВОВ За годы развития литья по выплавляемым моделям в промышленности были опробованы сотни модельных составов, многие из которых широко используются в производстве, а некоторые централизованно поставляются. Более 30 лет помимо выплавляемых исполь* зуют растворяемые и выжигаемые модельные материалы. В целях придания моделям необходимых свойств, их изготовляют обычно из составов, образованных несколькими компонентами, каждый из которых выполняет определенную роль (основы, упрочнителя, пластификатора, наполнителя и т. д.). Так как применяемые модельные составы не отвечают полностью все возрастающим требованиям производства, работа по изысканию новых составов и материалов для их приготовления продолжается. Модельные составы могут быть классифицированы по ряду признаков, например, в зависимости от природы и количественного соотношения образующих их компонентов, свойств, методов изготовления моделей, способа удаления последних из форм. Наиболее существенным является первый классификационный признак, так как природа и соотношение компонентов модельного состава определяют его физико-механические, химические н технологические свойства, следовательно и рациональные методы использования. По указанному признаку модельные составы разделены В. А. Озеровым на семь групп (табл. 5.1). Группа 1 - воскообразные составы, используемые для изготовления моделей как из расплавов, так и из паст, Эти составы наиболее универсальны и широко распространены как в СССР, так и за рубежом. Их главные компоненты - - парафины, натуральный и синтетический церезин, стеарин, буроугольный или горный (монтановый) и торфяной воски (битумы), сложные эфиры высших кислот, в отдельных случаях (в настоящее время редко, преимущественно в зарубежной практике) натуральные воски: пчелиный, кандилльскнй, карнаубский.
*В скобках указаны условные наименования(торговые марки), не несущие в себеб информацию о компонентах состава. Например, «ИПЛ» означает Институт проблем литья, где состав был создан.
В качестве добавок, улучшающих реологические свойства составов, повышающих их прочность и теплостойкость, снижающих хрупкость, используют такие продукты, как, например, кубовый остаток горячего крекинга парафина, касторовое масло, триэтанола-мин, пластичную смазку, сибирский воск, этил целлюлоз у, канифоль, а также полиэтилен. В начальной стадии промышленного применения процесса литья по выплавляемым моделям в СССР широко использовали парафино-стеариновые составы ПС 50-50, ПС 70-30, ПСКм: 65-32-3, ПСЭ 70-25-5* , обладаюющие хорошими реологическими свойствами в пастообразном состоянии и пригодные для изготовления моделей машинах, так и с помощью ручных [шприцев. Однако ввиду ряда существенных недостатков (малой прочности и теплостойкости; наличия дорогого, дефицитного стеарина, склонного к взаимодействию с растворителями этилсиликатных связующих и омылению в горячей воде) эти легкоплавкие составы были позже в большинстве цехов заменены более экономичными бесстеариновыми, применение которых обеспечивало получение более прочных и теплостойких (следовательно, более точных) моделей, не взаимодействующих со связующими суспензии и водой при выплавлении из оболочек форм. Наиболее распространенными из второго поколения воскообразных модельных составов являются ПЦБКо 70-12-13-5, ПБПсм 60-25-15, ПБТТэ 25-35-35-5 [41]. В последние годы созданы и получили промышленное применение воскообразные составы третьего поколения, особенность которых заключается в том, что в них помимо парафина и других перечисленных выше главных компонентов вводят синтетические полимеры, например, полиэтиленовые воски ПВ-200 и ПВ-300, улучшающие свойства составов, в основном их теплоустойчивость и прочность. К таким составам относятся МВС-ЗА, МВС-15, ППК-1. Свойства наиболее распространенных составов группы 1 приведены в табл. 5.2. Составы Р-3, ИПЛ-2, МВС-ЗА, ВИАМ-102, ПЦБ 62-25-13 выпускают централизованно [46, 54, 74]. Воскообразные составы из буроугольного воска (до 55 % по массе) и церезина (15—45 %) с добавкой 7—12 % канифоли широко используют в ГДР и ЧССР. Для улучшения технологических свойств в эти составы добавляют синтетические воски, неочищенный парафин, стеарин. Воскообразные составы различного назначения, централизованно выпускаемые в США и Англии, содержат канифоль, парафин, церезин, пчелиный и карнаубский воск, акравоск В и другие синтетические воски, полиэтилен, дигликольстеарат и другие продукты. Различные составы из этих компонентов имеют температуру капле-падения 65—95 °С, прочность при статическом изгибе 4,8—8 МПа, зольность 0,07—0,38 %, свободную линейную усадку 0,5—1,5 %.
Область рационального применения составов группы 1 весьма широка — от массового выпуска мелких стальных отливок для автомобилей, тракторов, сельскохозяйственных и дорожных машин до серийного производства сложных по конфигурации тонкостенных отливок из специальных сплавов, например жаропрочных, в том числе со сложными внутренними полостями, выполняемыми с помощью керамических или растворяемых солевых стержней. Группа 2 — составы на основе натуральных и синтетических смол, термопластов, например полиэтилена и полистирола, с добавками воскообразных материалов (например, синтетического церезина и парафина). Используются эти составы для изготовления выплавляемых, а в ряде случаев — выжигаемых моделей. Прочные и теплоустойчивые до 60 °С сплавы на основе канифоли и полистирола с добавками церезина или парафина (типа КПсЦ и КПсП) имеют следующие недостатки: высокую вязкость в расплавленном состоянии, вызывающую необходимость перегревать состав до 160—175 °С при запрессовке и применять давления прессования до 1 МПа и выше, плохую выплавляемость из форм, вследствие чего возврат модельных материалов для повторного использования обычно не превышает 60 %, а при изготовлении весьма тонкостенных отливок столь невелик, что модели используют, как выжигаемые. Ввиду высокой температуры начала плавления и плохих реологических свойств этих составов модели при выплавлении из форм длительное время расширяются, находясь в твердом или высоковязком состоянии. Вследствие этого оболочка испытывает постепенно нарастающее давление расширяющегося модельного состава и должна обладать высокой прочностью, чтобы противостоять этому давлению, не разрушаясь. Для повышения сопротивления оболочки разрушающему действию расширяющейся модели приходится применять дорогой и трудоемкий способ формовки с жидким твердеющим наполнителем. Вследствие необходимости применять значительные давления при запрессовке модельных составом КПсЦ и КПсП исключается использование гипсовых пресс-форм, экономичных в условиях мелкосерийного и опытного производства. Группа 3 — водорастворимые составы на основе карбамида, азотных и азотнокислых солей щелочных металлов (нитраты и нитриты калия и натрия), гидратированных сернокислых солей (алю-моаммонийных квасцов, сернокислого алюминия и магния), плавящихся при температуре не выше 350 °С, обладающих малой усадкой, хорошо растворимых в воде. Такие составы применяют в отечественном производстве точного литья более 30 лет. В эти составы вводят улучшающие добавки, например борную кислоту, поливиниловый спирт. Наиболее распространенные представители составов группы 3— КбБк 98-2, КбНк 80-20, НкНн 55-45, а также приведенные в табл.г5.3 КбНк 90-10 и КбПвсМс 95,5-2-2,5. Модельный состав на основе карбамида, недавно запатентованный в Швейцарии, используют при изготовлении крупных тонкостенных отливок (например, воздушных колес компрессора) массой до 35 кг. Как видно из табл. 5.3, составы группы 3 прочны, теплоустойчивы, имеют малую линейную усадку, в 2—5 раз меньшую, чем у воскообразных составов (см. табл. 5.2). Главные компоненты составов дешевы и недефицитны. Составы на основе карбамида обладают высокой текучестью в расплавленном состоянии, что в сочетании с малой усадкой позволяет получать модели, даже сложные и тонкостенные, методом свободной заливки расплава. Это послужило основанием для использования карбамидных составов при изготовлении тонкостенных отливок с глубокими узкими полостями, выполняемыми керамическими стержнями. При этом после установки керамического стержня в пресс-форму запрессовку модельного состава, часто вызывающую деформацию и поломку стержня, заменяют заливкой карбамидного расплава, ввиду чего стержень практически не испытывает силовых воздействий. Сохранность стержня обеспечивается и тем, что после изготовления оболочки формы модели на основе карбамида удаляют без нагрева растворением в воде, следовательно, они не оказывают давления на стержень, как выплавляемые, расширяющиеся при нагреве их до температуры начала плавления модельного состава. Использование модельных составов группы 3 ограничено из-за следующих специфических их недостатков: гигроскопичности, хрупкости, сравнительно высокой температуры плавления (выше 100 °С), большой объемной массы (до 2,1 г/см3), практической непригодности для повторного использования (после растворения), трудностей утилизации раствора. Кроме того, обладающие щелочными свойствами солевые расплавы и их водные растворы могут взаимодействовать с кислыми огнеупорами основы оболочки и пленками связующего, вызывая образование мелких поверхностных дефектов отливок (типа засоров). Защиту поверхности солевых моделей путем нанесения на них тонких пленок негигроскопичных и химически инертных по отношению к материалам суспензии веществ, пока в производстве не используют. Этот метод практически может быть применен, очевидно, только в условиях серийного производства крупных отливок. Специальной областью применения составов группы 3 является изготовление из них растворяемых в воде стержней для получения в выплавляемых моделях (преимущественно из составов группы 1) сложных каналов и полостей, невыполнимых в пресс-форме, с помощью металлических стержней (см. п. 5.6). Группа 4 — термопласты, из которых на практике применяют только компактный (монолитный) полистирол и находящийся в стадии производственного опробования, ограниченно используемый вспенивающийся полистирол. Так как полистирол при нагреве не плавится, а только размягчается (температура начала размягчения ~80 °С), переходя в вязко-пластичное состояние, технологические свойства его стремятся повысить специальными добавками, например, введением до 10 % жирных кислот для снижения вязкости, повышения текучести в нагретом состоянии (при прессовании моделей) и уменьшения хрупкости готовых моделей.
Суспензионный полистирол для вспенивания перспективен, как материал для получения выжигаемых моделей в условиях массового производства мелких отливок, взамен воскообразных выплавляемых составов, а также при серийном выпуске сравнительно крупных тонкостенных и переменного сечения отливок, например лопаток турбин протяженностью до 0,5 м [55 J. К преимуществам рассматриваемого материала относятся: теплоустойчивость моделей, что позволяет сушить слои оболочки формы ускоренно, при 70—80 °С, достаточная общая и поверхностная прочность при малой кажущейся плотности: 120—250 кг/м3 для мелких тонкостенных и даже 40— 80 кг/м3 для отдельных крупных моделей. Уменьшение объемной массы моделей сопровождается снижением их прочности, точности размеров и повышением шероховатости поверхности. Для исключения последнего недостатка О. К. Кошевым, В. М. Белецким и Н. Д. Шулаком предложен метод нанесения акрилатного покрытия на рабочую поверхность пресс-формы перед заполнением ее гранулами полистирола для вспенивания. По данным разработчиков процесса литья в многослойные оболочковые формы по выжигаемым пенополистироловым моделям, отлитым под давлением (ХФ ВНИИЛитмаш), точность получаемых деталей превосходит точность, достигаемую при литье по выплавляемым моделям из легкоплавких модельных составов [5]. Однако, как показали эксперименты [1], выполненные в условиях комплексно-механизированного производства стальных отливок по выжигаемым пенополистироловым моделям, повышенная по сравнению с литьем по выплавляемым воскообразным моделям точность деталей может быть обеспечена только при строгом соблюдении определенных условий их изготовления (температура впрыскиваемого модельного состава ~180 °С, пресс-формы 29—34 °С, кажущаяся плотность моделей р=200ч-220 кг/м3, оптимальное время выдержки моделей в пресс-форме и на воздухе после извлечения из последней), а также с учетом других факторов, в том числе конструкции модели у места подвода модельного состава. Стабилизация размеров пенополисти-роловых моделей благодаря обеспечению наиболее благоприятных условий их формирования позволяет получать отливки с точностью размеров выше квалитета 13 (СТ СЭВ 144—75), тогда как при традиционном процессе литья по выплавляемым моделям из составов типа Р-3 это обычно не достигается. Для изготовления литых пенополистироловых моделей Охтинским НПО «Пластполимер», совместно с ХВ ВНИИЛитмаш, разработана специальная марка вспенивающегося полистирола ПСВ-ЛД (выпускаемого ПО «Пластик» в г. Узловая (по ТУ 6-05-05-148—78). Основные технические характеристики ПСВ-ЛД: относительная вязкость 1,55—1,65; содержание порообразователя 4,5—5,5 %; содержание мономера стирола не более 0,035 %; влажность не более 1 %; зольность не более 0,02 %; показатель текучести расплава (ПТР) (15 ± 6) г/10 мин; содержание третичного додецил-меркаптана 0,025 %. К группе 4 следует отнести и разрабатываемые в Московском авиационном технологическом институте им. К. Э. Циолковского (МАТИ) составы из вспенивающихся в пресс-форме и отверждаю-щихся полиэфиров. Группа 5 — легкоплавкие металлы и сплавы. Из металлов промышленное применение в качестве модельного материала получила ртуть, свободно заливаемая в пресс-формы при комнатной температуре и замораживаемая в ацетоне, охлажденном до —60 °С. Процесс литья по ртутным моделям («меркаст-процесс»), подробно описанный в английской и американской специальной литературе, несмотря на высокое качество получаемых отливок, широкого распространения в мировой практике литья по выплавляемым моделям не получил и в СССР не применяется вследствие исключительной токсичности паров ртути, сложности метода, высокой стоимости модельного материала. В зарубежной литературе неоднократно сообщалось о возможности использования для изготовления моделей легкоплавких, преимущественно эвтектических сплавов металлов, например сплава Вуда (основа — висмут, /пл =68 °С). Однако сведений о промышленном применении таких модельных сплавов нет. Группа 6 — модельные составы, представляющие собой механические смеси или сплавы составов, например, водорастворимых (группа 3) и воскообразных (группа 1). По данным Н. С. Севостья-нова и В. В. Апиллинского, в таких составах удается значительно уменьшить недостатки образующих их составляющих: гигроскопичность, хрупкость и склонность к взаимодействию с формой карба-мидных составов, малую прочность и теплоустойчивость воскообразных легкоплавких материалов. Однако приготовление комбинированных составов усложняется ввиду плохой совместимости компонентов, а при запрессовке их необходимо применять давления (>0,5 МПа), существенно превышающие применяемые для воско-образных составов. Наличие же последних в смеси приводит к снижению прочности и теплоустойчивости, характерных для карба-мидной составляющей. При удалении моделей в горячей воде повторно может быть использована только воскообразная часть комбинированного состава и возникают трудности с утилизацией карбамидного раствора. Группа 7 — составы с твердыми наполнителями. Основа их — преимущественно составы группы 1, в которые вводятся порошки, например, синтетических смол или тугоплавких восков; плотность их близка к плотности расплава основы. Такие порошки образуют твердую взвесь в расплавах основы состава, снижая и стабилизируя усадку, следовательно, повышая точность моделей, а также увеличивая их прочность и формоустойчивость. Введение в расплав воскообразного модельного состава 10—15 % порошка синтетической смолы снижает свободную линейную усадку этого состава при затвердевании с 1,5—2 до 0,5 %, 5.2. СВОЙСТВА МОДЕЛЬНЫХ СОСТАВОВ К свойствам модельных составов предъявляют комплекс требований, которые могут иметь существенные различия в зависимости от конфигурации, размеров и назначения отливок, необходимой размерной точности их и качества поверхности, масштабов и характера производства, принятого технологического варианта процесса изготовления оболочек форм, требований к уровню механизации и экономическим показателям производства. Требования во многом определяются также природой и свойствами самого модельного состава. Так, ряд требований к составам группы 3 (например, полная растворяемость в воде) неприменим к составам других групп. Во всех случаях необходимо, чтобы свойства составов обеспечивали получение высококачественных моделей при одновременной технологичности составов (простоте их приготовления, удобстве использования, возможности утилизации). Ниже приведены наиболее универсальные требования к модельным составам. 1. Состав должен точно воспроизводить конфигурацию рабочей полости пресс-формы и ее поверхности, не прилипать к пресс-форме. Поверхность модели должна быть чистой, глянцевой. 2. После затвердевания в пресс-форме состав должен иметь твердость и прочность достаточные для того, чтобы модели не деформировались и не повреждались на всех технологических операциях. 3. Усадка состава при охлаждении и расширение его при нагреве должны быть минимальными и стабильными. 4. Состав должен быть несложным в приготовлении, иметь Минимальное число компонентов, желательно недорогих и недефи-цитных. 5. Температура плавления модельного состава должна быть Невысокой, в пределах 60—100 °С. В этом случае облегчается изго-товление моделей и удаление их из полости литейных форм. Одновременно температура начала размягчения состава должна быть не ниже 32—35 QC, т. е. на 10—15 °С превышать температуру поме-щений, в которых изготовляют, хранят модели, собирают в блоки и наносят на них суспензию. 6. Выплавляемый модельный состав должен обладать хорошей жидкотекучестью в расплавленном состоянии для облегчения изготовления моделей и выплавления их из форм. 7. Модельные составы, запрессовываемые в пастообразном (вяз-копластичном) состоянии, должны обладать в этом состоянии хорошей текучестью, позволяющей получать модели с четкой проработкой контуров полости пресс-формы и ее поверхности при малых давлениях прессования. 8. Продолжительность затвердевания модельного состава в пресс-форме должна быть минимальной. 9. Плотность состава должна быть невысокой. Желательно, чтобы она была менее 1000 кг/м3. Это облегчает работу с модельными блоками, уменьшает опасность поломки их и деформации под действием собственной массы моделей, а при выплавлении моделей в горячей воде способствует лучшему отделению модельного состава для повторного использования. 10. Химическое взаимодействие состава с материалом пресс-форм, а также со связующим раствором и огнеупорной основой суспензии недопустимо. 11. Модельный состав должен хорошо смачиваться суспензией. 12. Хорошее спаивание модельного состава весьма желательно, так как это облегчает сборку блоков припаиванием и соединение сложных моделей, изготовляемых по частям. 13. Зольность модельного состава должна быть минимальной. 14. Структура состава должна быть механически однородной. 15. Желательно, чтобы модельный состав был пригодным для многократного повторного использования, потери его в процессе применения были минимальными, а технологические свойства не ухудшались при работе и хранении. 16. Модельный состав в любом состоянии должен быть безвредным для здоровья работающих (в твердом, расплавленном, парообразном виде), также как и продукты его деструкции, образующиеся, например, при прокаливании форм. Отходы модельного состава не должны загрязнять окружающую среду.
Недостаточное соответствие свойств модельных составов оптимальным свойствам является одной из важнейших причин высокой трудоемкости изготовления моделей и сборки блоков в ряде отраслей промышленности, невысокой размерной точности отливок, значительного брака моделей и дефектов оболочек форм, связанных с недостатками модельных составов. Недостатки применяемых модельных составов — одна из причин значительных технологических потерь на основных операциях процесса литья по выплавляемым моделям. Наглядной характеристикой этих потерь служит коэффициент использования моделей (КИМо), который на ряде предприятий не превышает 0,5, что указывает не необходимость изготовления не менее двух моделей для получения одной годной отливки [107].
Отмеченные выше обстоятельства, а также возросшие требования к качеству отливок, изготовляемых методом литья по выплавляемым моделям, являются причиной непрекращающихся работ по совершенствованию применяемых и изысканию новых модельных составов.
5.3. МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ МОДЕЛЬНЫХ СОСТАВОВ В отечественной практике литья по выплавляемым моделям наиболее часто используют парафин, церезин, буроугольный воск, торфяной воск, канифоль, карбамид, азотные и азотнокислые соли щелочных металлов, стеарин. Имеется опыт использования в качестве добавок полиэтилена обычного и полиэтиленовых восков, этилцеллюлозы, триэтаноламина, дибутилфталата, поливинилового спирта. Осваивается в производственных условиях изготовление выжигаемых моделей из полистирола для вспенивания. Ниже при-ведены краткие сведения об этих материалах. Парафин — смесь твердых насыщенных (предельных) углеводородов метанового ряда СnН2п+2, получают главным образом при возгонке парафиновых и высокопарафиновых нефтей, а также сухой перегонкой бурого угля и горючих сланцев. Синтетический парафин изготовляют путем восстановления окиси углерода водородом. В процессе получения так называемого товарного парафина отделяют масла и низкоплавкие парафины. В соответствии с ГОСТ 23683—79 парафины нефтяные твердые по степени очистки разделяют на высокоочищенные, очищенные и неочищенные. В зависимости от применения стандартом предусмотрены следующие марки парафинов: П-1, П-2 и П-3 — высокоочищенные, предназначенные для пищевой промышленности; В1, В2, В3, В4, В5 — высокоочищенные, предназначенные для использования в различных отраслях народного хозяйства; Т и С — очищенные технического назначения (С — специально для производства синтетических жирных кислот в нефтехимической промышленности); Нс и Нв — неочищенные технического назначения, используемые обычно при изготовлении спичек и товаров бытовой химии (Hс), либо в производстве альфа-оле-финов (Нв). Чистый парафин представляет собой белую воскоподоб-ную массу кристаллического строениям. Температура плавления нефтяных парафинов в зависимости от степени их очистки изменяется в пределах 42—62 °С. Плотность парафинов при 15 °С изменяется от 881—905 (у неочищенных) до 907—915 кг/м3 (у очищенных). Некоторые свойства парафинов приведены в табл. 5.4.
Для модельных составов применяют обычно очищенный технический белый парафин, содержащий не более 2,3 % масла, поставляемый в виде плиток массой 8—12 кг. В целях повышения теплоустойчивости и прочности модельных составов предпочтительно использовать высокоплавкий глубокообезмасленный парафин. Однако для придания составу большей пластичности в ряде случаев применяют спичечный парафин, содержащий до 5 % масла. Парафин практически нерастворим в связующих растворах этилсиликата, слабо растворим в абсолютном спирте, хорошо растворим в эфире, бензоле, сероуглероде. Зольность парафина не превышает 0,1 % по массе. Парафин — один из наиболее дешевых и недефицитных компонентов выплавляемых модельных составов, однако он размяг-чается при температуре ~30 °С, хрупок, имеет низкую прочность, склонен к вспениванию в расплавленном состоянии и к образованию усадочных раковин при затвердевании, в том числе — поверхностных (утяжин), вследствие чего его используют при изготовлении моделей в смеси с другими материалами.
Церезин — смесь твердых углеводородов предельного (метанового) ряда, получают кислотно-контактной очисткой нефтяного неочищенного церезина, парафинистой пробки или их смеси. Церезин представляет собой однородную массу белого или желтого цвета, не имеющую запаха, без заметных механических примесей, по внешнему виду напоминающую воск. В отличие от крупнокристаллического парафина чистый церезин состоит из мельчайших кристаллов игольчатой формы. Товарный церезин выпускают по
|