СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ПРЕСС-ФОРМ ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА ГАЗИФИЦИРУЕМЫХ МОДЕЛЕЙ
MANUFACTURING METHOD OF MOULDS FOR MANUFACTURING OF CONSUMABLE PATTERNS

Предлагаемое изобретение относится к области литейного производства и может быть использовано для сокращения времени наладки производства одноразовых газифицируемых моделей и существенного снижения себестоимости последних в условиях единичного и мелкосерийного производства отливок.
При изготовлении отливок методом литья по газифицируемым моделям используются одноразовые пенополистироловые модели, получаемые тепловой обработкой полистирола, помещенного в пресс-форму. По существующим технологиям, данные пресс-формы изготавливаются в основном из алюминия и стали методом механической обработки (см. Шуляк B.C., Рыбаков С.А., Григорян К.А. Производство отливок по газифицируемым моделям / Под ред. проф., д.т.н. B.C.Шуляка - М.: МГИУ, 2001, с.64.). Кроме того, известны способы изготовления пресс-форм механообработкой из пористой пластмассы, а также (при изготовлении моделей методом ТВЧ) из материалов - диэлектриков с низким значением тангенса угла диэлектрических потерь, но с теплостойкостью выше температуры вспенивания полистирола, рабочая поверхность которых покрывается медью или никелем способом гальванопластики (см. Шуляк B.C., Рыбаков С.А., Григорян К.А. Производство отливок по газифицируемым моделям / Под ред. проф., д.т.н. B.C.Шуляка - М.: МГИУ, 2001, с.65.). В качестве таких материалов применяются пластики на основе полипропилена, эпоксидных и полиэфирных смол. Однако данные способы изготовления пресс-форм достаточно дороги ввиду того, что механическая обработка, а тем более последующая доводка пресс-форм, подразумевает под собой труд высококвалифицированных, а соответственно и высокооплачиваемых рабочих. К тому же, процесс изготовления пресс-форм методом механической обработки достаточно длителен и практически невозможен при изготовлении художественного литья. В данных пресс-формах нет возможности изготавливать модели с небольшими обратными уклонами, кроме как методом изготовления отъемных частей (в пресс-форме, либо в модели с последующим склеиванием). Нанесение гальванопокрытий на пористую пластмассу, во-первых, чрезвычайно затруднено, а, во-вторых, нивелирует преимущества пористой пластмассы как газопроницаемого материала. Полипропилен отличается повышенной трудоемкостью механообработки, а материалы на основе эпоксидных и полиэфирных смол к тому же достаточно хрупки.
Известен способ изготовления модельной полимерной оснастки, включающий в себя изготовление мастер-модели, на основе которой получают негатив (матрицу пресс-формы), по которому изготавливают модели отливок, причем негатив изготавливают заливкой мастер-модели двухкомпонентным полимером, как правило, полиуретаном. С целью сокращения расхода дорогостоящих полимеров, при изготовлении негатива применяют обечайки, создающие каркас, приблизительно повторяющий контуры пресс-формы (Ровин С.Л., Нелюб И.А., Каменский В.В. Изготовление литейной оснастки из полимерных материалов // Литейное производство, 2004, №12, с.7-8).
Недостатком известного способа, как приведено выше, являются низкие теплофизические свойства материала оснастки - полимера: теплоемкость и теплопроводность, затрудняющие изготовление газифицируемых моделей требуемого качества, снижающие выход годных моделей.
Задача, решаемая изобретением, заключается в повышении качества моделей и увеличении выхода годного.
Для решения поставленной задачи при использовании способа изготовления пресс-форм для производства газифицируемых моделей, включающего получение мастер-модели, матрицы и обечайки с надувным и отводными каналами, матрицу получают из предварительно подготовленного композиционного материала на основе полимерного материала с добавками частиц одной или более фракций металлических или неметаллических материалов размером до 5,0 мм в объеме от 10 до 70% от объема исходного полимерного материала, залитого в обечайку с установленной в ней мастер-моделью, и выдерживают от 5 до 120 мин с последующим отверждением композита и дальнейшим извлечением модели.
Качество газифицируемых моделей во многом зависит от теплофизических свойств материала матрицы пресс-формы. Современные полимерные материалы позволяют существенно облегчить, ускорить и удешевить процесс изготовления матриц пресс-форм. Однако они характеризуются неудовлетворительными тепловыми и физическими свойствами, в частности теплоемкостью, теплопроводностью, проницаемостью высокочастотным излучением и т.д. Вместе с тем, эти свойства можно существенно повысить за счет ввода в полимерный материал специальных добавок.
В предлагаемом способе матрицы пресс-форм предлагается получать из предварительно подготовленного композиционного материала на основе полимерного материала с добавками металлических или неметаллических материалов.
В случае, если предполагается газифицируемые модели изготавливать методом теплового удара, автоклавным или ванным способом в полимерный материал вводят металлические частицы (порошки, гранулы, опилки, стружку) с высокими теплофизическими свойствами (медь, железо, алюминий и т.п.).
В этом случае количество вводимых добавок определяется необходимостью создания рабочего слоя на поверхности матриц пресс-формы, обеспечивающего получение требуемых теплофизических свойств.
Любые металлические частицы, используемые при изготовлении пресс-формы, имеют плотность, значительно превышающую плотность исходного полимера (в 1,7-12,0 раз) и, следовательно, седиментируют в донные слои жидкости к лицевой поверхности мастер-модели, накапливаются там, образуя осадочный металлизированный слой. Состав, плотность и теплофизические свойства данного слоя регулируют соответствующим подбором материалов, конфигурации и фракционного состава частиц.
При изготовлении газифицируемых моделей на установке ТВЧ материал матрицы пресс-формы должен быть максимально прозрачен для высокочастотного излучения. Это достигается за счет ввода в исходный полимер добавок из материалов с минимальным коэффициентом диэлектрической проницаемости, таких как древесные опилки, керамические порошки и т.д., причем количество этих добавок должно быть максимально возможным, а распределение в объеме материала матрицы пресс-формы наиболее равномерно. Характер распределения частиц в материале не имеет принципиального значения. Установлено, что при вводе в исходный полимер (на примере полиуретана) до 70% (по объему) мелких частиц сухих древесных опилок материал способен течь и давать качественный отпечаток мастер-модели, т.е. обеспечивать получение качественной матрицы пресс-формы. Увеличение содержания частиц более 70% (по объему) приводит к существенному ухудшению текучести материала и снижению качества отпечатка матрицы, что в итоге приводит к снижению качества газифицируемых моделей.
В случае ввода металлических частиц ситуация иная: важно создать в матрице только поверхностный рабочий слой с высокими теплофизическими свойствами. В связи с этим нецелесообразно вводить в полимер большое количество частиц, поскольку любое увеличение их процентного содержания неизбежно усложняет процесс приготовления материала (перемешивание и заливку формы) и повышает ее себестоимость. Установлено, что содержание металлических добавок менее 10% (по объему) не обеспечивает требуемых теплофизических свойств.
При изготовлении матриц пресс-форм из композиционного материала с металлическими добавками для обеспечения создания металлизированного поверхностного слоя после заливки материала на мастер-модель в обечайку осуществляют выдержку материала в жидком состоянии. Выдержка необходима для обеспечения процесса седиментации более тяжелых по отношению к полимеру металлических частиц и равномерному их распределению по поверхности мастер-модели. Время выдержки задают в диапазоне от 5 до 120 минут посредством варьирования процентного содержания одного или нескольких компонентов в полимере, главным образом катализатора.
Время выдержки перед отверждением менее пяти минут не обеспечивает требуемой плотности осаждения частиц и их равномерного распределения. Выдержка более 120 минут нецелесообразна ввиду полного осаждения максимально возможного объема вводимых частиц.
При вводе частиц с низким коэффициентом диэлектрической проницаемости выдержка для седиментации частиц не нужна. Мало того, желательно, чтобы композиционный материал в целом сохранял седиментационную устойчивость. Однако технологическая выдержка 5 минут и более все равно необходима для обеспечения равномерного распределения вязкой суспензии по поверхности модели и создания качественного отпечатка. С целью получения наиболее плотного и одновременно пластичного поверхностного слоя с наилучшими теплофизическими свойствами возможно использовать смесь из частиц различных фракций и различных материалов.
Размеры вводимых частиц имеют большое значение как с точки зрения получения качественного отпечатка модели, так и с точки зрения получения требуемых тепловых и физических свойств. Минимальный размер частиц не ограничивается и определяется только технологией их ввода. Максимальный размер не может превышать 5 мм, поскольку в этом случае существенно снижаются технологические свойства материала матрицы пресс-формы, и главное, ее срок службы.
В процессе образования рабочего слоя седиментирующие металлические частицы смещаются с наклонных и, тем более, вертикальных поверхностей мастер-модели в донные слои жидкого полимера. Данное обстоятельство вынуждает изготавливать наклонные или вертикальные элементы матрицы отдельно. Это несколько усложняет процесс, но не принижает преимущество предлагаемого способа. Однако при использовании ферромагнитных частиц этого нежелательного явления можно избежать путем создания специально ориентированного магнитного поля в одной или нескольких частях мастер-модели.
Способ осуществляют следующим образом. На подмодельную плиту устанавливают мастер-модель и обечайку будущей пресс-формы, после чего готовят полимерный композиционный материал. Для этого отмеряют определенное количество компонента А полимера, вводят в него катализатор и соответствующее количество компонента Б, тщательно перемешивают. После этого вводят заранее приготовленное количество добавок - металлических частиц одной или более фракций размером до 5 мм в количестве от 10 до 70% (по объему), вторично перемешивают и заливают в обечайку. Важным обстоятельством этого процесса является дозирование катализатора. Количество катализатора выбирают таким образом, чтобы после заливки композита в форму он затвердевал не сразу, а через некоторое время - от 5 до 120 минут. Это время - время выдержки в жидком состоянии необходимо для обеспечения процесса седиментации введенных металлических добавок и образования металлизированного рабочего слоя на внутренней поверхности пресс-формы.
Если на модели присутствуют вертикальные или наклонные поверхности значительной протяженности, то соответствующие им части пресс-формы необходимо изготавливать отдельно и затем монтировать в обечайке, поскольку седиментирующие частицы не могут накапливаться вдоль таких поверхностей. Однако, если вводимые частицы ферромагнитны, - модель или ее части к сердечнику электромагнита, установленному внутри подмодельной плиты. В этом случае заливку композиционного материала осуществляют в специально ориентированном магнитном поле.
Процесс ввода неметаллических частиц в принципе не отличается от ввода металлических, однако в этом случае изготавливаемый композиционный материал должен обладать седиментационной устойчивостью, а время живучести должно быть минимальным, достаточным для обеспечения условий спокойного приготовления и заливки материала в обечайку.
Пресс-форму для изготовления пенополистироловой модели художественной отливки «Голова льва» изготавливали из композиционного материала на основе двухкомпонентного полиуретанового компаунда с добавками чугунной дроби с диаметром дробин 0,7-1,2 мм. Обечайку, выполненную из листового материала, и мастер-модель отливки устанавливали на подмодельную плиту. Композиционный материал готовили следующим образом: в чистую сухую пластиковую тару отмеряли 300 г компонента А полиуретана, вводили катализатор в количестве 0,2 г из расчета обеспечения времени живучести компаунда 20-30 мин, которого достаточно для обеспечения процесса седиментации дробин. Требуемое количество катализатора ранее определяли опытным путем. После чего добавляли 75 г компонента Б, тщательно перемешивали. Предварительно отмытую в спиртовом растворе от масел чугунную дробь вводили в количестве 40% (по объему) при интенсивном перемешивании ручной мешалкой. После чего полученный композиционный материал заливали в обечайку на мастер-модель. После окончательного затвердевания материала модель извлекали, а готовую пресс-форму в обечайке устанавливали на рабочий стол для изготовления газифицируемых моделей. Аналогичные испытания были проведены с использованием алюминиевой крупки, медных и деревянных опилок, керамической крошки, свинцовой дроби. Количество и фракционный состав вводимых добавок, а также полученные в результате испытаний результаты представлены в табл.1.
Для получения сравнительных данных в этой же обечайке и по той же мастер-модели изготавливали пресс-форму по способу Ровина С.Л., Нелюба И.А. и Каменского В.В. (см. табл.2 и 3).
Таблица 1.Качество поверхности газифицируемых моделей, полученных в пресс-формах из модифицированного полимера
Модифицирующий материал
Качество поверхности моделей/эффективность усвоения добавок при количестве добавок, % (по объему)
0
5
10
20
40
60
70
80
Железный порошок
<img file="00000001.tif" he="10" wi="4" img-content="undefined" img-format="tif" />
<img file="00000002.tif" he="10" wi="4" img-content="undefined" img-format="tif" />
<img file="00000003.tif" he="10" wi="8" img-content="undefined" img-format="tif" />
<img file="00000003.tif" he="10" wi="8" img-content="undefined" img-format="tif" />
<img file="00000004.tif" he="10" wi="4" img-content="undefined" img-format="tif" />
<img file="00000005.tif" he="10" wi="8" img-content="undefined" img-format="tif" />
<img file="00000005.tif" he="10" wi="8" img-content="undefined" img-format="tif" />
<img file="00000006.tif" he="10" wi="4" img-content="undefined" img-format="tif" />
Алюминиевые опилки
<img file="00000001.tif" he="10" wi="4" img-content="undefined" img-format="tif" />
<img file="00000002.tif" he="10" wi="4" img-content="undefined" img-format="tif" />
<img file="00000002.tif" he="10" wi="4" img-content="undefined" img-format="tif" />
<img file="00000002.tif" he="10" wi="4" img-content="undefined" img-format="tif" />
<img file="00000003.tif" he="10" wi="8" img-content="undefined" img-format="tif" />
<img file="00000005.tif" he="10" wi="8" img-content="undefined" img-format="tif" />
<img file="00000005.tif" he="10" wi="8" img-content="undefined" img-format="tif" />
<img file="00000006.tif" he="10" wi="4" img-content="undefined" img-format="tif" />
Чугунная дробь
<img file="00000001.tif" he="10" wi="4" img-content="undefined" img-format="tif" />
<img file="00000002.tif" he="10" wi="4" img-content="undefined" img-format="tif" />
<img file="00000003.tif" he="10" wi="8" img-content="undefined" img-format="tif" />
<img file="00000003.tif" he="10" wi="8" img-content="undefined" img-format="tif" />
<img file="00000004.tif" he="10" wi="4" img-content="undefined" img-format="tif" />
<img file="00000004.tif" he="10" wi="4" img-content="undefined" img-format="tif" />
<img file="00000005.tif" he="10" wi="8" img-content="undefined" img-format="tif" />
<img file="00000006.tif" he="10" wi="4" img-content="undefined" img-format="tif" />
Свинцовая дробь
<img file="00000001.tif" he="10" wi="4" img-content="undefined" img-format="tif" />
<img file="00000002.tif" he="10" wi="4" img-content="undefined" img-format="tif" />
<img file="00000003.tif" he="10" wi="8" img-content="undefined" img-format="tif" />
<img file="00000003.tif" he="10" wi="8" img-content="undefined" img-format="tif" />
<img file="00000004.tif" he="10" wi="4" img-content="undefined" img-format="tif" />
<img file="00000004.tif" he="10" wi="4" img-content="undefined" img-format="tif" />
<img file="00000005.tif" he="10" wi="8" img-content="undefined" img-format="tif" />
<img file="00000006.tif" he="10" wi="4" img-content="undefined" img-format="tif" />
Древесные опилки
<img file="00000001.tif" he="10" wi="4" img-content="undefined" img-format="tif" />
<img file="00000002.tif" he="10" wi="4" img-content="undefined" img-format="tif" />
<img file="00000002.tif" he="10" wi="4" img-content="undefined" img-format="tif" />
<img file="00000002.tif" he="10" wi="4" img-content="undefined" img-format="tif" />
<img file="00000004.tif" he="10" wi="4" img-content="undefined" img-format="tif" />
<img file="00000005.tif" he="10" wi="8" img-content="undefined" img-format="tif" />
<img file="00000005.tif" he="10" wi="8" img-content="undefined" img-format="tif" />
<img file="00000006.tif" he="10" wi="4" img-content="undefined" img-format="tif" />
Примечание:
«+» - хорошее;
«+-» - удовлетворительное;
«-» - плохое;
«0» - нет оценки.
Таблица 2.Качество металлизированного слоя на поверхности матрицы пресс-формы в зависимости от времени полимеризации
Модифицирующий материал
Количество вносимых добавок, % (по объему)
Качество металлизированного слоя в зависимости от времени полимеризации
3
5
20
60
90
120
130
Порошок железаd=0,01-0,015 мм
10
-
-
+-
+
+
+
+
30
-
-
+-
+-
+
+
+
50
-
-
-
+-
+-
+
+
70
-
-
-
+-
+-
+
+
Алюминиевые опилкиd=1-1,5 мм
10
-
+-
+
+
+
+
+
30
-
+-
+-
+
+
+
+
50
-
-
+-
+
+
+
+
70
-
-
+-
+
+
+
+
Чугунная дробьd=0,5 мм
10
+
+
+
+
+
+
+
30
+-
+
+
+
+
+
+
50
+-
+-
+-
+
+
+
+
70
-
+-
+-
+
+
+
+
Примечание:
«+» - хорошее;
«+-» - удовлетворительное;
«-» - плохое.
Таблица 3.Количество съемов моделей с пресс-форм из полиуретана, модифицированного чугунной дробью в количестве 20% (по объему)
Размер (диаметр) частиц, мм
без добавок
0,5
2
3,5
5
5,5
Количество съемов моделей
более 600
380-540
300-450
140-250
120-180
40-60