СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ЛИТЕЙНЫХ МОДЕЛЕЙ
METHOD OF PRODUCING CASTING PATTERNS

Изобретение относится к области литейного производства, а именно к способам изготовления литейных моделей, предназначенных для получения литейных форм для металлических отливок.
Известен способ изготовления литейных моделей, включающий формование материала модели путем изготовления отдельных элементов, склеивание их до получения заготовки и механическую обработку склеенной заготовки до заданных размеров литейной модели (Патент РФ №2090297, МКИ В22С 7/00, опубликован 1997.09.20), в качестве материала модели используют термопластный полимер на основе стирола или его производных или его смесь с порошкообразным наполнителем с содержанием последнего до 50 об., а отдельные элементы изготовляют в виде типовых элементов, одинаковых по форме и размерам, путем прессования, при этом пресс-форму предварительно нагревают, а материал модели в процессе прессования используют подогретым до температур, соответственно в 1,8-2,1 и 1,8-1,9 превышающих температуру размягчения по Вика используемого термопластичного полимера.
Процесс тиражирования моделей на основе стирола довольно длителен, так как в обязательном порядке требуется механообработка поверхностей. Недостатком также является то, что поверхность, полученная механообработкой, по качеству уступает литой поверхности.
Также известен способ изготовления литейных моделей из полимерного материала согласно (В.В.Васильев, Б.П.Машков и др. Прогрессивные способы производства моделей. Донецк: Донбасс, 973, с.18-29). Данный способ включает изготовление промодели из древесины или гипса, получение по промодели формы (преимущественно из гипса) для получения модели, заливку в полученную форму полимерного компаунда на основе эпоксидной смолы в сочетании с наполнителями, отверждение эпоксидного компаунда при комнатной температуре в течение 16-24 ч, извлечение отвержденной модели из формы, отделку поверхности модели и термическую обработку модели в течение примерно 60 ч.
Введение 20-25 мас.% продукта АГМ-9 перед вводом отвердителя обеспечивает уменьшение хрупкости и увеличение стойкости к изгибающим нагрузкам (Способ получения литейных моделей, патент РФ №2304034, МКИ В22С 7/00, опубликован 2007.08.10).
Модели, полученные из эпоксидных компаундов, обладают по сравнению с деревянными более высокой износостойкостью, имеют более высокую точность и не нуждаются в механической обработке. Они не подвержены короблению, разбуханию, гниению, сравнительно легко ремонтируются. Однако способ приготовления эпоксидных моделей длителен и многостадиен. Серьезным недостатком способа является то, что используемые эпоксидные смолы оказывают вредное воздействие на кожу и слизистые оболочки работающих с ними людей. Усложняет процесс также необходимость тщательной подготовки используемых компонентов эпоксидного компаунда, например удаление из всех компонентов влаги, просушка наполнителей (высокая влажность тормозит отверждение компаунда).
Наиболее близким к заявляемому способу по совокупности существенных признаков является способ изготовления литейных моделей, включающий изготовление промодели из древесины или гипса, изготовление по промодели формы (предпочтительно из гипса) для отливки модели и формирование модели из полимерного материала путем заливки в полученную форму акриловой самоотверждающейся пластмассы согласно (В.В.Балабин. Модельное производство. М: Машиностроение, 1970, с.146-154), отверждения акриловой пластмассы при 24°С в течение 2-3 ч, извлечение отвержденной модели из формы и отделку поверхности полученной модели, зачистку, исправление дефектов. Акриловые самотверждающиеся пластмассы, используемые как модельные составы, получают смешиванием жидких и порошкообразных компонентов, например стиракрила ТШ или акрилата АСТ-Т. Порошок стиракрила ТШ - смесь 99% сополимера метилмекрилата со стиролом и 1% перекиси бензоила; жидкость стиракрила ТШ - смесь 99% метилметакрилата и 1% диметиланилина. Порошок акриалата АСТ-Т - смесь 97% полиметилметакрилата, 1,5% окиси цинка и 1,5% перекиси бензоила; жидкость акрилата АСТ-Т - смесь 97% метилметакриала и 3% диметиланилина. Заливка модельного состава в форму должна осуществляться через 10-15 мин после смешения компонентов.
Процесс по описанному способу значительно сокращает время изготовления литейных моделей ввиду быстрого отверждения акриловых пластмасс и отсутствия длительной стадии термообработки модели. Кроме того, используемые акриловые самоотверждающиеся пластмассы значительно менее токсичны, чем эпоксидные смолы, что значительно улучшает условия труда по сравнению с процессом изготовления моделей из эпоксидных смол.
Однако способ получения литейных моделей по способу-прототипу является достаточно длительным. Ввиду жесткости формы возможны затруднения при выемке модели, нарушения точности вследствие шероховатости гипсовой формы.
Решаемая задача - сокращение продолжительности процесса.
Технический результат, достижение которого обеспечивает настоящее изобретение, заключается в повышении технологичности способа за счет возможности изготовления моделей высокой точности без литейного уклона и с поднутрениями, а также облегчения их извлечения.
Этот технический результат достигается тем, что в способе изготовления литейных моделей, включающем изготовление промодели, формы, заливку ее полимерным компаундом, выдержку в форме до затвердевания последнего, извлечение готовой модели, модель изготавливают из полиуретанового компаунда, а форму из эластичного материала, извлекают готовую модель из формы через 10-90 минут после заливки, форму изготавливают из кремнийорганического каучука.
Сочетание материала модели с эластичным материалом формы позволяет изготавливать модели без соблюдения равнотолщинности стенок, без формовочных уклонов, а также с поднутрениями и при этом легко извлекать их из формы. Поверхности модели получаются гладкими и не требуют дополнительной обработки. Характерна низкая прилипаемость формовочной смеси.
Полиуретаны - синтетические полимеры, содержащие повторяющиеся уретановые группы -NH-CO-O- в цепи макромолекулы, это жесткие или эластичные вещества, обладающие высокой износостойкостью, атмосферной и кислотной стойкостью. Физико-механические характеристики и температуры плавления различных полиуретанов изменяются в широких пределах в зависимости от их строения. Применяются для получения пенопластов, клеев, пленок, антикоррозионных покрытий, волокон и др. (Политехнический словарь под ред. Н.И.Артоболевского. М.: Советская энциклопедия, 1977 г., с.378).
Компаунды полимерные - композиции на основе полимеров (эпоксидных смол, ненасыщенных полиэфиров, жидких кремнийорганических каучуков и др.) или мономеров (исходных продуктов синтеза полиакрилатов, полиуретанов и др.), предназначенные для заливки или пропитки токопроводящих схем и деталей с целью изоляции их в электро- и радиоаппаратуре (Политехнический словарь под ред. Н.И.Артоболевского. М.: Советская энциклопедия, 1977 г., с.220).
Кремнийорганические каучуки (силоксановые, силиконовые) - кремнийорганические полимеры общей формулы:
где (R и R' - алкильные или арильные группы).
После вулканизации превращаются в резину
Процесс изготовления литейных моделей аналогичен процессу, изложенному в прототипе. Промодель изготавливают по одной из технологий быстрого прототипирования либо на станке с ЧПУ, так как эти методы наиболее технологичны и позволяют изготовить промодель в минимально сжатый срок. Форму изготавливают из кремнийорганического каучука.
Модель получают свободной либо инжекционной заливкой полиуретанового компаунда в эластичную форму. Полиуретановые компаунды холодного отвердевания получают смешиванием жидких компонентов строго в заданных производителем пропорциях. Заливка модельного состава в форму должна осуществляться сразу же после смешения компонентов, рабочее время для свободной заливки 3-15 мин. Проведение операций смешивания и заливки под вакуумом снижает газовую пористость модели. Время отвердевания модели с выдержкой в форме при комнатной температуре (23°С) 10-90 мин. Повышение температуры сокращает время отвердевания, но приводит к уменьшению точности размера из-за отличий в объемном сжатии при охлаждении между формой и моделью.
Если требуется получить модель с плоской поверхностью разъема, роль верхней полуфомы может играть металлическая пластина (либо пластина из другого материала, которая не вступает во взаимодействие с полиуретановым компаундом) с отверстиями для снижения газовой пористости.
Пример 1.
Изготовили промодель из дерева, а форму из кремнийорганического каучука (ТУ 2513-121-40245042-2006). Готовили компаунд для заливки формы смешиванием двух компонентов А и В (в соотношении по объему: 85 частей А к 100 частям В) жесткого полиуретанового компаунда марки НР-6505 с заявленной твердостью по Шор 80D (ГОСТ 24621-91 [ИСО 868-85]), из которого обычно изготавливают небольшие партии конечных изделий (как правило, это опытные образцы изделий, созданные для оценки внешнего вида и удобства эксплуатации). Изготовили модель «кронштейн 1» свободной заливкой полиуретанового компаунда. Операции смешивания и заливки проводились под вакуумом. Оптимальное время выдержки модели в форме составило 50 минут (для данного полиуретанового компаунда при комнатной температуре 23°С). Меньшее время выдержки приводило к короблению модели при выемке, большее время нецелесообразно.
Пример 2.
Изготовили промодель из дерева, а форму из кремнийорганического каучука (ТУ 2513-121-40245042-2006). В качестве материала модели выбрали жесткий полиуретановый компаунд марки НР-6510, состоящий из двух компонентов А и В (в соотношении по объему: 85 частей А к 100 частям В) с заявленной твердостью по Шор 81D (ГОСТ 24621-91[ИСО 868-85]). Осуществляли инжекционную заливку (впрыском при помощи специального оборудования). Оптимальное время выдержки модели «кронштейн 2» в форме составило 15 минут (для данного полиуретанового компаунда при комнатной температуре 23°С). Меньшее время выдержки приводило к короблению модели при выемке, большее время нецелесообразно.
Модели легко извлекались из формы. С использованием моделей «кронштейн 1» и «кронштейн 2» были получены отливки из алюминиевого сплава АМ4,5Кд (ВАЛ 10). Прилипания формовочной смеси к модели не наблюдалось.
Модели, полученные данным способом, относительно легко ремонтируются, не требуют специального хранения, устойчивы к воздействию влаги, обладают высокой теплостойкостью и морозостойкостью, высокой ударной прочностью, не токсичны.
Возможно использование наполнителя, армирование модели, а также комбинирование материалов модели предварительной простановкой в форму элементов из пластмасс, металла и др.
Описанный способ изготовления моделей рекомендуется использовать в крупносерийном и массовом производстве, так как обеспечивается быстрое получение (2-3 дня) требуемого количества моделей.