Литейная одноразовая модель

Полезная модель относится к литейному производству, в частности, к одноразовым моделям, по которым изготавливают металлические литые каркасно-ячеистые и сотовые изделия, которые можно применять в качестве деталей облегченных несущих, армирующих, изолирующих, ограждающих, демпфирующих удары конструкций; конструктивных элементов, способных находиться в жидкой или газообразной среде, полностью или частично пропуская через себя поток вещества или энергии, применимых для отделения отходов при очистке газов, жидкостей; деталей глушителей шума, взрыво- и пламегасителей, теплообменных, адсорбционных, акустических устройств, элементов источников тока, катализаторов, кристаллизаторов, электродов, а также армирующего каркаса композиционных материалов.
Известно изготовление металлических изделий из ячеистого материала - стальной пены с открытыми порами - литьем по выжигаемым моделям. При этом такие изделия на 50-90% легче монолитных за счет того, что пористость стальной пены составляет не менее 80% [1].
Его основными недостатками являются существенные ограничения на размеры ячеек (сот) получаемого металлического изделия по причине использования в качестве модели пенополиуретановой пены с размером пор не более 2,5 мм, низкая управляемость распределением ячеек по телу изделия и, как следствие, нестабильность его структуры и свойств.
Известна газифицируемая модель, которая собирается из нормализованных пенополистироловых элементов [2].
Тем не менее изготовление подобных моделей до сих пор не получило распространения в практике производства литых каркасно-ячеистых и сотовых изделий, поскольку требует использования дорогостоящей технологической оснастки и/или оборудования и характеризуется большим числом сборочных операций.
Наиболее близкой к предлагаемому решению является литейная одноразовая модель, газифицируемая металлическим расплавом в песчаной форме, представляющая собой пространственную конструкцию из повторяющихся ячеек в виде многогранников с полностью или частично открытыми сквозными полостями, образованными взаимосвязанной системой ребер [3].
Существенные недостатки данной модели – высокие риски нарушения геометрической точности и трудоемкость изготовления, а также недостаточная вариативность сборки, ведущая к ограничению возможностей управления эксплуатационными свойствами и характеристиками литого металлического изделия с учетом его функционального назначения.
Задача заявляемого решения – минимизация указанных недостатков прототипа.
Технический результат – большая высокая геометрическая точность и меньшая трудоемкость изготовления модели.
Технический результат достигается тем, что конструкция одноразовой газифицируемой модели из повторяющихся ячеек собрана из параллельно расположенных слоев со сквозными пропускными отверстиями, смещаемых относительно друг друга, величина угла отклонения осей симметрии пропускных отверстий от нормали к поверхности слоя находится в диапазоне от 0 до 60°, а количество и толщина слоев, вид и величина их относительного смещения и форма сечения пропускных отверстий варьируются в зависимости от функционального назначения литого металлического изделия.
Общая схема предлагаемой одноразовой газифицируемой модели представлена на рис.1.
Параллельное расположение слоев 1 обеспечивает снижение трудоемкости и повышение точности относительно прототипа за счет использования термосварки при сборке модели.
Смещение слоев относительно друг друга способствует увеличению длины пути через тело изделия и площади контакта рабочей поверхности изделия с окружающей средой, что повышает функциональность соответствующих изолирующих, тепло- и массообменных и адсорбционных устройств, а также демпферов и несущих металлических конструкций. При этом в качестве вариантов относительного смещения слоев возможны сдвиг (параллельный перенос) и поворот.
Отклонения осей симметрии пропускных отверстий 2 от нормали к поверхности слоя 3 варьируются в диапазоне от 0 до 60°. Как показала опытная проверка, превышение угла отклонения над указанным максимумом существенно осложняет изготовление модели из-за необходимости применения специальной оснастки.
В качестве вариантов формы сечения пропускных отверстий возможны: круг, квадрат, треугольник, многоугольник и др., достаточно просто выполняемые в теле модели с применением станка с ЧПУ лазерной резкой.
Варьирование количества, толщины и величины относительного смещения слоев, формы сечения пропускных отверстий и углов отклонения их осей симметрии от нормали к поверхности слоя обеспечивает увеличение числа вариантов сборки в сравнении с прототипом и изменение характеристик литого металлического изделия, соответствующее его функциональной нагрузке.
На рис.2 показаны примеры сборки некоторых вариантов предлагаемых 3D-моделей.
Для проверки эффективности предлагаемого решения проводили его опытно-промышленное опробование в условиях действующего производства. В качестве материала модели использовали пенополистирольный пенопласт марки ППС-10 ГОСТ 15588-2014. Пропускные отверстия выполняли на станке с ЧПУ марки Makeblock LaserBox Pro CO2-лазер 40 Вт лазерной резкой. По полученным газифицируемым моделям и технологии базового предприятия изготавливали партию из пяти отливок «Колосник» массой 10 кг с минимальной толщиной стенки 3,0 мм из чугуна марки СЧ20 ГОСТ 1412-85. Контролировались качество поверхности, геометрия отливок, а также наличие трещин и утяжин. В итоге на всех отливках опытной партии недопустимых дефектов выявлено не было.
Источники информации:
1. Моуала Х. и др. Стальная пена с открытыми порами – изготовление и свойства. Металлургия машиностроения, 2006, №6. С. 29-33.
2. Литье по газифицируемым моделям. Основы теории и технологии / Ю. А. Степанов, Д. С. Гришин, В. П. Кирпиченков; ред. Ю. А. Степанов. - Москва : Машиностроение, 1976. - 224 с.
3. Патент Украины 87782 МПК В22С 7/00. - Опубл. 2009, Бюл. № 15. Литейная одноразовая модель / Шинский О.И., Дорошенко В.С.