Получение ледяной литейной модели в контакте с охлажденной оснасткой

УДК 621.74.043-045

Дорошенко В.С. (dorosh@inbox.ru), Кравченко В.П.
(Физико-технологический институт метало и сплавов НАНУ)

Основными тенденциями литейного производства являются максимальное приближение отливки-заготовки по конфигурации, размерам и массе к готовой детали, повышение экологической безопасности производства, а для песчаных форм - максимальная многоразовая оборотность формовочных материалов. Способ литья по газифицируемым моделям (ЛГМ) в вакуумируемую песчаную форму из песка без связующего наиболее приближается к указанным требованиям. В целях достижения экологической безвредности в этой концепции ЛГМ разрабатывается способ литья по ледяным моделям (ЛЛМ), отличающийся тем, что одноразовая модель не газифицируется заливаемым металлом как пенопластовая, а расплавляется и в виде водной композиции впитывается в песок перед заливкой металла.

При традиционном расходе формовочной смеси 3-5 т на 1 т чугунных отливок и при том, что ледяная модель в 7200/900=8 раз легче чугунной отливки, на это же количество (3-5 т) сухого формовочного песка таяние модели даст 125 кг воды, что увлажнит песок до 4,2–2,5 %. Эта влажность песка от впитывания продуктов ледяной модели в среднем ниже влажности смесей, применяемых для сырой формовки, что дает технологии ЛЛМ преимущества по сравнению с ними по газотворности песка. Но еще большее снижение влажности песка дает вакуумирование формы при таянии модели, которое стимулирует испарение впитываемой в песок влаги (до 50% влаги испаряется). В момент заливки металлом вакуумирование формы создает направленный отсос газов от поверхности полости формы, что также предотвращает появление газовых дефектов в отливке, а тепло отливки практически полностью высушивает песок, пригодный для многократного оборотного использования.

Большинство пенопластовых моделей получают в алюминиевых пресс-формах, подобных стержневым ящикам. В начале поисковых работ по разработке технологии изготовления ледяных моделей в таких пресс-формах столкнулись с той трудностью, что водная композиция протекала по стыкам деталей пресс-форм при заливке их полости, и эти стыки пришлось уплотнять водонепроницаемым материалом, что иногда нарушало точность сборки пресс-формы и вызывало дополнительные трудозатраты. Для предотвращения протекания был разработан технологический процесс получения ледяной модели замораживанием водной композиции путем теплопередачи от предварительно охлажденной до определенной температуры формирующей модель пресс-формы.

Проблему просачивания водной композиции по щелям конструкции пресс-формы решили путем создания на внутренней поверхности пресс-формы ледяной корки в этих щелях, которые благодаря охлаждению стенок пресс-формы ниже температуры замерзания воды неизбежно закупориваются (заклеиваются) образовавшимся льдом. Эта ледяная корка заменила ранее применявшийся герметик в пресс-форме, а также избавила пресс-форму от резиновых уплотнений. Однако значительное охлаждение пресс-формы часто приводит к излишним напряжениям в стенках моделей, особенно со сложными фигурными поверхностями, что вызывает их растрескивание и затрудняет извлечение из оснастки.

С целью оптимизации технологии получения ледяных моделей методом составления теплового баланса были выведены математические выражения для определения наиболее рациональных температур охлаждения оснастки, применяемой в процессе замораживания водной композиции путем отбора теплоты, в частности, от предварительно охлажденной пресс-формы или песчаного стержня. Для ускорения замораживания в предварительно охлажденную пресс-форму заливали водную композицию с температурой близкой к нулевой, для контроля температуры в композиции при этом могут плавать небольшие куски льда. При соприкосновении с внутренней поверхностью охлажденной пресс-формы происходит фазовый переход - кристаллизация воды в лед массы в виде корки с выделением такого количества теплоты:

(1)

где  - удельная теплота замерзания,  - масса льда.

При дальнейшем охлаждении ледяной корки до некоторой температуры t необходимо отобрать количество теплоты:

(2)

где  - теплоемкость льда,  - температура льда (ниже нуля).

В свою очередь при охлаждении поверхности пресс-формы (в общем случае назовем ее «оснастка») до некоторой температуры  должно быть отобрано такое количество теплоты

(3)

 - теплоемкость металла пресс-формы,  - масса оснастки.

Принимая во внимание соотношения (1) – (2) уравнение теплового баланса рассматриваемого процесса теплопередачи будет иметь следующий вид:

(4)

Понижение температуры на охлаждение водной композиции требует еще большего охлаждения температуры внутренней поверхности пресс-формы, а значит увеличения отрицательного влияния левой части соотношения (4). Тогда (4) можно записать в виде неравенства, из которого получим, что:

(5)

Для определения масс пресс-формы и ледяной кромки запишем соотношения:
               
   - теплоемкость льда;  - площадь ледяной корки льда;   - толщина ледяной корки; - теплоемкость материала пресс-формы; - площадь внутренней поверхности пресс-формы;   - толщина стенки пресс-формы.

Для упрощения расчета при малой толщине ледяной корки, учитывая, что отношение , усилим неравенство (5) и получим выражение:

(6)

Варьируя соотношения  можно оптимизировать процесс получения ледяной корки на внутренней поверхности пресс-формы. Процесс формирования ледяной модели путем намораживания водной композиции на охлаждаемую поверхность пресс-формы упростит и ускорит процесс производства моделей и соответствующих им отливок, а соотношение (6) дает простую возможность определять температуру охлаждения поверхности пресс-формы для различных материалов пресс-формы и для различных толщин ледяной корки и стенки пресс-формы.

Например,  при расчете толщины поверхностной корки при получении ледяной модели массой 1 кг в пресс-форме в виде алюминиевого параллелепипеда со сторонами  и охлаждения этой модели до температуры минус 100С подставили в выражение (6) следующие значения параметров:

Расчет показал, что для образования на поверхности пресс-формы ледяной корки толщиной 5мм, необходимо предварительно охладить поверхность пресс-формы до температуры  равной минус 77,40С.  Однако в большинстве случаев достаточной будет толщина ледяной корки толщиной 1мм, для чего поверхность пресс-формы следует охладить до температуры , что практически не представляет особых затруднений.

Рис. 1. Модель конической шестерни

Рис. 2. Оснастка и модель

Рис. 3. Модели шестерен

Рис. 4. Модельные блоки

Рис.5. Отливки и модель

а)

б)

в)

г)

Рис. 6. Модели, модельная оснастка и отливки.

В качестве примера реализации описанной технологии на рис. 1 показана ледяная модель конической шестерни диаметром 160 мм из льда, а на рис. 2 – алюминиевая пресс-форма и меньшая модель шестерни из льда, четыре такие модели показаны на рис. 3, но уже из льда с добавкой 10% крахмаллита (точное название - экструзионный крахмалореагент - ЭКР). Из всех моделей на рис. 3 собраны два блока, представленные на рис. 4. На рис. 5 показаны отливки шестерен из цветных сплавов с литниковой системой и без, а также модель черного цвета с добавками связующего материала – лигносульфонаты технические. На рис 6а показаны ледяные модели полумуфты и оснастка для их изготовления,  на рис 6б отливка чугунная этой же полумуфты и модель с припаянной литниковой системой. На рис. 6в показаны образцы ледяных моделей и блок из двух отливок полумуфты (на заднем плане).  На рис. 6г показаны ледяная модель детали сцепления автомобиля ГАЗ и оснастка для ее изготовления. Все модели на рис. 1-6 выполнены инж. Ивановым Ю. Н.

Для производства ледяных моделей намораживать лед удобно не только на поверхность полости пресс-форм, но и на предварительно охлажденный песчаный литейный стержень, в частности для получения ледяной модели с пустотой,  заполненной этим стержнем [1]. Для производства отливок трубопроводной арматуры: патрубков, колен, муфт, тройников, на жаргоне сантехников называемой «фасонина», используют превышающие массу модели песчаные стержни. В пресс-форму устанавливают предварительно охлажденный песчаный стержень и заполняют ее водной композицией с температурой около 00С. Композиция замерзает путем теплопередачи от охлажденного песчаного стержня. При этом вначале происходит фазовый переход воды в лед с выделением тепла:
        
 - удельная теплота замерзания,   - масса ледяной модели. Для дальнейшего охлаждения модели до температуры  от  00С  потребуется количество теплоты:
                  
 - удельная теплоемкость материала модели  (лед) ,  -  масса модели.

Тогда уравнение теплового баланса такого процесса теплопередачи запишется:

(7)

где  tс – температуры песчаного стержня ниже 00 С, сс– удельная теплоемкость стержня,  mс – масса стержня, контактирующего с моделью.

Очевидно, что «потеря холода» на охлаждение пресс-формы потребует еще большего понижения температуры песчаного стержня. Это приведет к увеличению отрицательного значения левой части выражения (7). Отсюда формулу для определения температуры охлаждения песчаного стержня можно записать в виде неравенства:

(8)

В качестве примера берем стержень массой  и водную композицию модели массой = 0,5 кг. Остальные значения теплофизических параметров следующие: .

Тогда из выражения (8) получаем, что если песчаный стержень охладить ниже - 300С, то после контакта с заливаемой модельной композицией только в результате теплообмена между ними можно получить ледяную модель с температурой . Такой вариант технологии применим для пресс-форм из материалов с низкой теплоемкостью, в частности, пластмассовых или гипсовых. Уточнение температур пресс-формы (оснастки)  и стержня  делают при отработке технологии получения конкретной модели, либо исходя из общего теплового баланса рассматриваемой системы.

Предложенные способы получения ледяных моделей при намораживании водной композиции на стенке охлажденных пресс-формы или стержня ускорят процесс производства моделей. В ряде случаев (с учетом необходимой скорости для каждой конкретной модели) «дозированного заряда холода» в оснастке будет достаточно для замораживания водной композиции без помещения оснастки с моделью в морозильную камеру, а с охлаждением только порожней оснастки. В этой связи перспективны способы получения легковесной ледяной пеномодели, когда в полость охлажденной оснастки подают вспененную водную композицию или процесс пенообразования выполняют реагентами в полости оснастки [2]. Описанные технические решения являются примерами последних изобретений украинской научно-технической школы литья по одноразовым моделям в вакуумируемых формах под руководством проф. О.И. Шинского, они ускорят внедрение в производство такого экологически безопасного процесса как ЛЛМ.

Литература

1. Шинський О. Й., Дорошенко В. С., Русаков П. В. Спосіб виготовлення заморожених моделей з порожниною. Патент UA 80073, В22С 7/00, В22С 9/22.- Опубл. 2007, Бюл. № 12.
2. Шинський О. Й., Дорошенко В. С. Спосіб виготовлення заморожених моделей. Патент UA 85234 В22С 7/02.- Опубл. 2009, Бюл. № 1.

Р Е Ф Е Р А Т

Предложены способы получения ледяных литейных моделей при намораживании водной композиции на стенках охлажденных пресс-формы или песчаного стержня, что ускоряет процесс производства этих моделей. Технология литья по одноразовым ледяным моделям в песчаные формы разрабатывается в ФТИМС НАНУ с использованием оснастки для литья по газифицируемым моделям. Новая технология предполагает повышение экологической безопасности литейного производства.