Самая древняя технология

Литьё в песчаные формы начали применять, по свидетельству археологов, более 5000 лет назад. Не удивительно, что со временем люди достигли значительных успехов в этом процессе металлообработки. К примеру, еще в VIII веке н.э. в Японии этим способом была получена отливка статуи Будды массой свыше 250 тонн для храма Тодайдзи.

До 75-80% по массе получаемых в мире отливок производят с использованием этого вида литья. Прежде всего изготовляется литейная модель, копирующая будущую деталь. Раньше ее делали из дерева или металла, сейчас все чаще используются пластиковые модели, получаемые различными способами, в том числе набирающим популярность методом быстрого прототипирования. Модель засыпается песком или формовочной смесью из песка и связующего, заполняющей пространство между нею и двумя открытыми ящиками-опоками. Отверстия в детали образуют с помощью размещённых в форме литейных песчаных стержней, копирующих форму будущего отверстия. Насыпанная в опоки смесь уплотняется встряхиванием, прессованием или же затвердевает химическим твердением при введении в эту смесь материалов связующего и отвердителя. Образовавшиеся полости формы заливаются расплавом металла через литники. После остывания форму разбивают и извлекают отливку. После чего отделяют литниковую систему и подвергают отливку механической обработке.

Еще один довольно старый, но нестареющий способ – литье в кокиль. Это более качественный способ. Изготавливается разборная форма, чаще всего металлическая, получившая название кокиль, в которую производится литьё. После отверждения кокиль раскрывается, и из него извлекается изделие, причем кокиль можно использовать для отливки такой же детали многократно. Как и при литье в песчаные формы, при литье в кокиль заполнение формы жидким сплавом и его затвердевание происходят только под действием силы тяжести. Основные операции этого способа литья – очистка кокиля от остатков разделительного слоя, прогрев его до 200—300°С, покрытие рабочей полости новым слоем, установка стержней, сборка частей кокиля, заливка металла, охлаждение и удаление полученной отливки. Процесс кристаллизации сплава при литье в кокиль происходит быстрее, что способствует получению качественных отливок с более плотным и мелкозернистым строением, имеющих высокие физико-механические свойства. Правда, например, отливки из чугуна из-за образующихся на поверхности карбидов требуют последующего отжига. При многократном использовании форма или кокиль теряет изначальные геометрические размеры, коробится, и полученные отливки становятся менее точными и поэтому требующими последующей механической доработки.

Две приведенных выше технологии литья являются самыми популярными, тем не менее они имеют серьезный недостаток –это трудоемкость подготовки литейных форм и недостаток точности получаемых отливок.

Современные альтернативы традиционным технологиям литья в машиностроении

Литье под давлением занимает одно из ведущих мест в литейном производстве цветных металлов, достаточно сказать, что производство отливок из алюминиевых сплавов в различных странах составляет по массе 30—50% общего выпуска продукции литейного производства. Кроме того, литье под давлением применяют для отливки из цинковых и магниевых сплавов. Этим способом изготавливают литые заготовки самой различной конфигурации массой от нескольких граммов до нескольких десятков килограммов.

Можно отметить следующие положительные стороны процесса литья:

• Высокая производительность и автоматизация производства, наряду с низкой трудоёмкостью на изготовление одной отливки, делает процесс ЛПД наиболее оптимальным в условиях массового и крупносерийного производств.
• Минимальные припуски на мехобработку или не требующие оной, минимальная шероховатость необрабатываемых поверхностей и точность размеров, позволяющая добиваться допусков до ±0,075 мм на сторону.
• Чёткость получаемого рельефа, позволяющая получать отливки с минимальной толщиной стенки до 0,6 мм, а также литые резьбовые профили.
• Чистота поверхности на необрабатываемых поверхностях позволяет придать отливке товарный эстетический вид.

Тем не менее современная промышленность требует новых способов получения металлических заготовок, которые бы сочетали в себе универсальность, точность и простоту, невысокую капиталоемкость литейного цеха и гибкость технологии как для разового, так и серийного литья. Литье по газифицируемым моделям, как вариант древнего, появившегося еще в 3 тысячелетии до нашей эры на Кавказе литья по выплавляемым моделям, является технологией, быстро набирающей популярность в машиностроении вследствие получаемого качества фасонных отливок, экономичности, экологичности и высокой культуры производства. Об этом свидетельствует мировая практика – в 2007 году производство превысило 1,5 млн т/год.

На вопросы редактора журнала «Оборудование Разработки Технологии» о современных способах производства металлических деталей согласился ответить старший научный сотрудник Физико-технологического института металлов и сплавов НАН Украины, кандидат технических наук Владимир Степанович Дорошенко (doro55v@gmail.com).

Александр Горбунов, главный редактор журнала «Оборудование Разработки Технологии» (А.Г.): Владимир Степанович, с чем связан интерес к технологии литья по газифицируемым моделям (лГМ)?

Владимир Дорошенко (В.Д.): Низкие затраты на материалы (всего 4 вида, не применяются связующие для песка), экономит на тонне литья не менее 100 долл. США, а размещение отли- вок по всему объему контейнера дает выход годного до 70…85% и экономию по шихте металла до 250 кг, по электроэнергии 100…150 кВт.ч, по массе литья на 10…15% по сравнению с традиционной опочной формовкой. Особенно существенная экономия при литье сложных отливок из износостойких сталей (шнеки для машин производства кирпича, била, молотки и детали дробилок), т. к. резко снижаются затраты на механообработку. А также льют без ограничений колеса, звездочки, корпуса, радиаторы, сантехнику, головки и блоки цилиндров. Например, с помощью этой технологии отливают блоки автомобильных двигателей объемом 1,2 и 1,3 л, получаемый блок легче аналога, произведенного традиционным способом, на 5 кг. Большинство крупнейших авто- производителей Европы, Азии и Америки ежегодно используют в про- изводимых автомобилях несколько сотен тысяч тонн точных отливок, получае- мых в песчаных формах по разовым моделям из пенопласта по технологии, называемой литьем по газифицируемым моделям (ЛГМ). General Motors, Ford Motors, BMW, Fiat, VW, Renualt и ряд других фирм, по данным Рыбакова С. А., полностью перешли в 1980-90-х годах на изготовление способом ЛГМ отливок блоков цилиндров, головок блока, впускных и выпускных коллекторов, коленвалов для наиболее массовых типов двигателей.

А.Г.: По мнению экспертов, технология литья по газифицируемым моделям является более «чистой» для окружающей среды, по сравнению с традиционными технологиями. Насколько это соответствует реальности?

Владимир Дорошенко (В.Д.): Экологической безопасности ЛГМ- процесса способствует исключение из песка связующих веществ и большого объема формовочных и стержневых песчаных смесей, а также их транспортировки и выбивки отливок. В России для традиционных форм со связующим до 5 т отработанной смеси идет в отвал на 1 т литья. Например, 1 куб. м пенопо- листирола модели весит 25 кг. Если он замещается 7 т жидкого чугуна, то при этом на 1 т литья расходуется 25/7=3,6 кг полимера. А в формах из смоляных холодно-твердеющих смесей при потреблении 3% связующего вещества на 3 т смеси, которая (минимум) требуется для 1 т литья, расход связующего полимера составляет не менее 0,03х3000=90 кг, что в 90/3,6=25 раз больше. При ЛГМ песчаные формы вакуумируют с остаточным давлением пол-атмосферы (50 кПа), своего рода местная вентиляция, заведенная в песчаную среду формы. Львиная доля получаемых при заливке газов уходит через систему очистки за пределы цеха, однако после отключения вакуума над остывающими формами, как при любом литье в песчаные формы, следует устанавливать местную вентиляцию. Сухой песок для форм используют многократно с обновлением свежим песком до 5% на оборот, линии охлаждения-очистки песка выносят за пределы цеха (сухой песок зимой не смерзается), где чаще всего в системе пневмотранспорта песок охлаждают, частично обеспыливают и самотеком из бункеров подают в цех на формовку.

А.Г.: Бурное развитие высоких технологий предлагает неожиданные решения для казалось бы классических, незаменимых промышленных способов производства из- делий. Несколько лет назад показалось фантастическим само предположение, например, о возможности «напечатать изделие из металла». В прошлом году стало известно, что инженеры из техасской компании впервые в мире «напечатали» настоящий работоспособный металлический пистолет. Они сделали это для демонстрации возможностей современной промышленной технологии 3D-печати и хотя, по их словам, не ставят цель сделать технологию доступной в каждом доме, считают, что рано или поздно это неизбежно произойдёт. Владимир Степанович, что вы можете сказать об этом направлении?

Владимир Дорошенко (В.Д.): Для литья в песчаные формы сегодня ближе «фантастика» оптимизации отливок с помощью компьютерных программ для изготовления их способом ЛГМ или «печатания из металла». На рис. 1 показаны примеры компьютерной оптимизации конструкции отливок, взятые из открытых источников Интернета. На рис. 1а в верхней части фото – серийные отливки, ниже – варианты конструкций отливок, «предложенные» компьютером, большинство из них «работают» в подвижных конструкциях. На рис. 1б показаны варианты конструкции отливки и элементы технологии ее «печатания» как послойного наращивания. На рис. 1в – в каждой паре изображений слева – серийная отливка, рядом – конструкция отливки, оптимизированная компьютером, исходя из требований к ее использованию. Видно, как традиционные монолитные конструкции компьютером «превращаются» в изящные каркасно-ячеистые как наглядные примеры металлосбережения. Такие выставочные образцы ажурных конструкций сегодня и в ближайшие десятилетия будет дорого «печатать из металла», но несложно выполнить способом ЛГМ, применяя 3D-фрезеры, широко распространенные сегодня.

А.Г.: Изделия, изготовленные с помощью порошковой металлургии, используются в автомобильной и аэрокосмической промышленности, эта технология применяется в производстве электроинструментов и бытовой техники. В промышленных 3D-принтерах для выращивания изделий из порошков для послойного лазерного спекания металлического порошка используется твердотельный или CO2-лазер. Владимир Степанович, какие преимущества и недостатки, по вашему мнению, отличают подобные технологии от литейных способов производства металлических изделий? Насколько они конкурентоспособны?

(В.Д.): Сегодня металлоизделия, полученные на 3D-принтерах, не менее чем на 2 порядка дороже традиционных отливок. Убедительнее увидеть, чем описывать такие изделия, показанные ниже уникальные экземпляры международных выставок, доступные в Интернете. Однако получать показанные на рис. 2 металлоизделия значительно дешевле (по традиционной цене отливок) способом ЛГМ, применяя не 3D-принтеры, а 3D-фрезеры для вырезания моделей из пенополистирола. На рис. 3 показаны такие модели из пенополистирола, полученные как в нашем институте, так и за рубежом. Пример крупногабаритных пенополистироловых моделей для художественного литья показан на рис. 4а, на заднем плане видны детали 3D-фрезера. По таким моделям отлит из алюминия коллаж «граффити» (рис. 4б) как многометровое архитектурное украшение многоквартирного дома в элитном квартале Нью-Йорка (проект Herzog & de Meuron, 2006). Сборный коллаж вдоль лицевой стороны дома состоит из десятков отливок (включая несколько ворот), спроектированных с помощью компьютерных технологий с выполнением толщин стенок, оптимальных для процесса литья.

А.Г.: Какое влияние, по вашему мнению, оказывают современные разработки в области высоких технологий, например нанотехнологии, на развитие серийного производства металлических изделий, в том числе и на технологии литья?

(В.Д.): Такими нанотехнологиями кристаллизации отливок, частично или полностью состоящих из аморфной структуры со свойствами, «скачкообразно» превышающими традиционные кристаллические сплавы, занимается одна из научных школ в нашем институте. Однако эти технологии касаются сплавов с добавками циркония и пока относятся к специальным производствам металлических изделий преимущественно из цветных металлов. Запатентована в России также наша технология получения сверхтонкостенной ленты, фольги или оболочковых отливок с изменениями структуры на наноразмерном уровне, в ряде отечественных и зарубежных журналов эта технология названа «литье вакуумным присасыванием» на вакуумируемых валках с песчаной облицовкой или литейной форме. Например, по этой технологии металл с химическим составом чугуна можно получать близким по свойствам низкоуглеродистых сталей и сворачивать из него ленту в рулон.

А.Г.: Владимир Степанович, как вы оцениваете перспективы развития литейных процессов в машиностроении с учетом постоянно растущих промышленных требований относительно снижения энергопотребления при производстве продукции?

(В.Д.): Ресурсосбережение и конкуренция технологий в поставленных на рынок продукции и услугах – главный показатель соревнования экономик стран и предприятий. Философы говорят о начале эпохи конструктивизма, не сама наука, а сколько ее в твоей продукции, не то, о чем мечтаешь и знаешь, а мечты, воплощенные в конструкциях (в металле), дают потребительскую ценность производителю. Глобальное соревнование в конструировании и воплощении в жизнь новой продукции, услуг, миропонимания и миропреобразования. Если сегодня килограмм черного металла (в толстостенном прокате, чушке, ломе) стоит порядка $0,5, то килограмм изделий из металла в автомобиле, тракторе или танке стоит уже $50- 100, а в самолете — $1500…2000. Замена экспорта продукции металлургии на экспорт машин и механизмов - это один из шагов перевода сырьевой экономики в высокотехнологичную, в которой экономическая конкуренция все в большей степени определяется конкуренцией научно-технической. При этом использование технических инноваций служит решающим фактором экономического и социального развития, усиления роли в глобальном разделении труда и экономической безопасности.

А.Г.: Какими вы видите перспективы развития в области процессов литья?

(В.Д.): Современное литейное производство, прежде всего, ориентируется на снижение металлоемкости и повышение точности изделий по принципу «продавать минимум сырья – максимум добавленной стоимости». В частности, опережающими темпами развивается растущий сектор процессов литья по разовым моделям, среди которых литье по газифицируемым моделям (ЛГМ) относится к наиболее перспективным технологиям с моделями из пенополистирола как недорогого легкообрабатываемого материала. Экологическое направление в на- шем институте связано с совершенствованием литья в вакуумируемые песчаные формы и литьем по моделям изо льда как материала, саморазру- шающегося после выполнения своих функций. Ледяная модель «переносит» геометрию отливки – формирует полость песчаной формы, затем тает и фильтрующимися в песок продуктами таяния упрочняет песчаную форму. Идеальными будут модель как стеклянная елочная игрушка, а оболочковая литейная форма – как из яичной скорлупы. Известны запатентованные в США в 2000 г. 3D-принтеры для намораживания ледяных моделей.

3D-технологии и компьютеризация процессов находят все большее применение. Когда я смотрю фильмы или рисунки с фантастическими трансформерами, роботами, космическими кораблями, дронами, оружием, сразу с восхищением тонкостенными элегантными конструкциями возникает мысль «а сколько ж на них литья!». Непочатый край работы литейщику! Например, в нашем институте запатентованы 3D-деформирование изделий из сыпучих материалов и 3D-способ послойной песчаной формовки.

Кроме того, быстро развиваются непрерывное литье, непрерывное циклирование и регенерация формовочных материалов, имеем патент России на непрерывную песчаную вакуумную формовку. Перспективно литье металлоизделий по аналогам конструкций живой и неживой природы, наследуя структуры от микромира до строения галактик. Отобранные эволюцией конструкции живого, строение вещества на уровне атомов и молекул часто связано с математическим их описанием, что сегодня подвластно современному компьютеру для перевода в чертежи отливок.