Способ сборки блока удаляемых литейных моделей
METHOD FOR ASSEMBLING A BLOCK OF REMOVABLE CASTING PATTERNS

Изобретение относится к литейному производству, а именно к изготовлению литейных форм при производстве точных отливок из черных и цветных сплавов по удаляемым (выплавляемым или выжигаемым) моделям, в том числе полученным 3D-печатью по аддитивным технологиям (аддитивным моделям).
Известен способ сборки блока, применяемый в практике литья по выплавляемым моделям, в котором для соединения моделей отливок и элементов литниково-питающей системы в единое целое используется припаивание, когда нагретое лезвие ножа или электрического паяльника помещают между посадочными частями элементов блока, одновременно касаясь и оплавляя их, а затем быстро убирают, а соединяемые части слегка прижимают друг к другу [1].
Недостатками способа являются низкая надежность соединения элементов и высокая вероятность нарушения геометрии блока вплоть до разрушения как во время сборки блока, так и на последующих операциях изготовления литейной формы и отливки. Причиной этого является тот факт, что операции подготовки к сборке блока, в частности, выбор места спая, зачистку места спая, прижим сопрягающихся элементов блока и обеспечение плавности перехода в местах их сопряжения проводят вручную. При этом повышается вероятность смещения моделей, искажения размеров элементов блока из-за излишнего оплавления, а прочность соединения элементов блока нестабильна вследствие неполного пропаивания зазора между посадочными частями сопрягаемых моделей. Поэтому в некоторых случаях для предотвращения поломки блока вынуждены использовать специальные легкоплавкие монтажные сплавы (припои), а также металлические каркасы, что существенно усложняет и повышает трудоемкость операций сборки блока [2]. Кроме того, способ не всегла дает возможность собрать модели из плохо спаивающихся модельных составов, а его реализация применительно к моделям из термопластов с высокой температурой плавления, полученных 3D-печатью по аддитивным технологиям (аддитивные модели), требует высоких энергозатрат и применения специального инструмента.
Известен способ сборки блока, применяемый в практике литья по удаляемым моделям, при котором для повышения точности и надежности соединения моделей отливок и элементов литниково-питающей системы в единое целое используется сборка в кондукторе [1].
Основным недостатком в данном случае является высокая стоимость изготовления кондуктора. Помимо этого сохраняются проблемы, характерные для сборки припаиванием, обсуловленные плохой спаиваиваемостью и высокой температурой плавления материала элементов модельного блока.
Известен способ сборки блока, применяемый в практике литья по удаляемым моделям, в котором для соединения моделей отливок и элементов литниково-питающей системы в единое целое используется секционная сборка на металлический стояк-каркас с механическим зажимом, разработанная в НИИТАвтопроме [1].
Его недостаток – ограниченная область применения (цеха крупносерийного и массового производства отливок), обусловленная необходимостью использования для сборки специальных приспособлений.
Известен способ сборки блока, применяемый в практике литья по удаляемым моделям, в котором для соединения моделей отливок и элементов литниково-питающей системы в единое целое используется их склеивание [3].
Его недостаток связан с необходимостью выбора, подготовки и использования специального клея и, как следствие, увеличением числа производственных операций, а также повышением трудоемкости и длительности изготовления как блока, так и всего производственного цикла производства отливок. Кроме того, операция склеивания элементов блока по причине запаха, высокой летучести и пожароопасности компонентов клея снижает экологическую безопасность на рабочем месте и ухудшает условия труда персонала.
Известен способ сборки блока без клея, при котором размеры сопрягаемых частей блока назначаются с небольшим допуском для получения соединения с натягом [3].
Применение способа ограничено упругими свойствами материала элементов блока.
Известен модельный блок, содержащий модели или секции моделей, питатели с замковой частью, стояк с пазами по месту установки питателей, литниковую чашу, в котором с целью создания возможности автоматизированной сборки моделей в блок пазы выполнены с обратным уклоном 10-60˚, при этом в теле стояка выполнены каналы, диаметр каждого из которых относится к его длине в интервале 0,004-0,010, предназначенные для заполнения модельным составом [4].
Однако данное решение не свободно от недостатков. Область его применения ограничена литьем по выплавляемым моделям, изготовленных из модельных композиций с невысокой температурой плавления, которые при комнатной температуре легко сминаются. Решение характеризуется трудоемкостью реализации из-за сложности конструкции стояка с внутренними каналами, а также необходимости дополнительной операции запрессовки модельного состава в каналы стояка. Наличие взаимообразных уклонов пазов и выступов сопрягаемых элементов блока в полной мере не гарантирует устранения зазора между ними, поскольку при их относительном сдвиге в ходе сборки слой сминаемого материала движется в направлении от зазора, а не наоборот, и не заполняет его. Надежность соединения во многом зависит от полноты затвердевания модельного состава вокруг замковой части выступа питателя и существенно снижается в случае недостаточного уровня давления его запрессовки в каналы стояка по причине газового противодавления.
Наиболее близким к изобретению является способ сборки блока, применяемый в практике литья по удаляемым моделям, в котором для соединения моделей отливок и элементов литниково-питающей системы в единое целое используется механическое соединение «паз-шип» в виде ласточкиного хвоста или другой формы [1]. Данный способ выбран в качестве прототипа.
Недостаток способа – высокая вероятность искажения геометрии блока при сборке и нарушения неразъемности соединения его элементов по причине недостаточной надежности из-за возможного смещения выступа относительно паза, обусловленного наличием зазора между ними.
Этот недостаток устраняется предлагаемым решением.
Решается задача совершенствования способа-прототипа в части повышения надежности соединения элементов блока удаляемых моделей.
Технический результат – минимизация искажения геометрии модельного блока в целом и нарушения неразъемности соединения отдельных элементов блока при сборке.
Технический результат достигается тем, что согласно способу сборки блока удаляемых литейных моделей, предусматривающему использование механического соединения «паз-шип» в виде ласточкиного хвоста или другой формы, на посадочной поверхности шипа выполняют канавки, глубину паза выбирают не менее, чем на 25%, большей длины шипа, а посадочную поверхность паза перед сборкой нагревают до температуры на 10-15˚ выше уровня температуры размягчения материала моделей.
Выполнение канавок на посадочной поверхности шипа необходимо для формирования после его сопряжения с пазом (входа шипа в паз сопрягаемого элемента блока) емкости для приема размягченного материала модели и последующего по окончании затвердевания материала образования замка, препятствующего смещению шипа относительно паза.
Выбор глубины паза не менее, чем на 25%, большей длины шипа, дает возможность снизить газовое противодавление, неизбежно возникающее в ходе сборки при введении шипа в паз, если последний представляет собой глухое отверстие. Эмпирически установлено, что при глубине паза, меньшей 25% длины шипа, возникает необходимость увеличения усилия прижима сопрягаемых элементов блока и, как следствие, возрастает вероятность поломки его тонкостенных и ажурных частей.
Нагрев посадочной поверхности паза перед сборкой выполняется для временного увеличения площади сечения, принимающего шип, а также размягчения материала моделей до температуры, при которой резко возрастает его деформируемость и возникает текучесть.
Как показала экспериментальная проверка, проведенная на ряде материалов удаляемых моделей (парафино-стеариновая композиция, полипропилен, темплен, фторопласт, полиарилат, полиамид), превышение уровня температуры размягчения материала моделей на 10-15˚ обеспечивает стабильность эффекта текучести. Нагрев до температур меньшего уровня не гарантирует текучесть материала. Перегрев материала до более высоких температур экономически нецелесообразен и повышает вероятность нежелательной термодеструкции, способствующей возникновению дополнительного газового противодавления в емкости паза.
Способ реализуется следующим образом (фиг.1). На посадочной поверхности шипа предварительно выполняются канавки. Глубину паза выбирают не менее чем на 25%, большей длины шипа. Посадочную поверхность паза перед сборкой нагревают до температуры на 10-15° выше уровня температуры размягчения материала моделей. Затем модель (или секцию моделей) с шипом с небольшим усилием прижимают к сопрягаемому элементу блока с пазом так, чтобы шип полностью вошел в паз. При этом часть отверстия паза остается свободной и выполняет функцию сбора газа, вытесняемого шипом при сборке, а размягченный текучий материал моделей заполняет канавки шипа и после затвердевания в них «запирает» соединение, не давая возможности шипу смещаться относительно паза.
Для оценки эффективности предлагаемого способа по сравнению с прототипом проводилась проверка в условиях действующего производства. Собирались по пять блоков удаляемых литейных моделей согласно предлагаемому способу (опытная партия) и прототипу (контрольная партия). Модели отливок с питателями и стояка изготавливались 3D-печатью по аддитивной FDM-технологии из CAST-пластика – материала на основе полиметилметакрилата (PMMA) с добавлением специальных пластификаторов (термопластичный полимерный материал).   Каждый из блоков опытной и контрольной партий включал модель стояка с толщиной стенки 60 мм, а также одну модель отливки с четырьмя питателями (одинаковой геометрии для блоков опытной и контрольной партий). Минимальная толщина стенки модели отливки составляла 12 мм. На торцах питателей выполнялись шипы (выступы) диаметром и длиной по 10 мм. Посадочные поверхности шипов моделей отливок с питателями опытной партии имели по две канавки шириной 2 мм и глубиной 1,5 мм от поверхности. Посадочные поверхности шипов моделей отливок с питателями контрольной партии оставались гладкими и не имели канавок. Глубина пазов в элементах блока опытной партии составляла 15 мм, контрольной партии – 12 мм. Перед сборкой посадочная поверхность пазов газовой горелкой нагревалась до температуры 125°С (температура размягчения PMMA составляет 110°С). Контроль нагрева велся инфракрасным термометром (пирометр) марки DT-811. Модели с шипом с небольшим усилием прижимали к сопрягаемым элементам блоков с пазом так, чтобы шип полностью вошел в паз, после чего выдерживали в течение пяти минут. Затем проводили визуальный контроль качества соединения и манипуляторную проверку его прочности.
Собранные модельные блоки опытной и контрольной партий, успешно прошедшие контроль, использовали для изготовления отливок «Корпус» массой 18,5 кг из стали 40Л ГОСТ 977 методом литья в объемные керамические формы по выжигаемым моделям по технологии, действующей на предприятии. После выбивки до обрубки проводился контроль геометрии отливок с литниково-питающей системой.
Результаты сравнения опытной и контрольной партий приведены в таблице 1.
Испытания показали высокие эффективность предлагаемого способа, качество сборки модельных блоков и получаемых отливок.
Источники информации:
1. Литье по выплавляемым моделям / В.Н. Иванов, С.А. Казеннов, Б.С. Курчман [и др.]; под ред. Я.И. Шкленника, В.А. Озерова. – М.: Машиностроение, 1984. – 408с. – прототип.
2. Репях, С.И. Технологические основы литья по выплавляемым моделям / С.И. Репях. – Днепропетровск: Лира, 2006. - 1056с.
3. Шуляк, В.С. Литье по газифицируемым моделям / B.C. Шуляк. – Спб.: Профессионал, 2007. – 408 c.
4. Авторское свидетельство СССР №1419790, B22 C7/02, 1988.
Таблица 1
Общее число соединений «паз-шип»
Контроль после сборки блока(качество и прочность соединения)
Контроль после выбивки (геометрия отливок с литниково-питающей системой)
Число соединений, успешно прошедших проверку, количество / %
опытная партия (предлагаемое решение)
20
все блоки успешно прошли проверку
все блоки и отливки успешно прошли проверку
20 / 100
контрольная партия (прототип)
20
два блока (8 соединений) не прошли проверку по причине смещения шипа относительно пазаи не были допущены в дальнейшее производство
коробление зафиксировано у одной отливки(4 соединения)
8 / 40