Спосіб формування

Реферат: UA 107138 U UA 107138 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до ливарного виробництва, зокрема до виготовлення ливарних форм за разовими моделями з пінополістиролу (ППС) або за моделями з деталями з ППС. Відомий спосіб використання термокомпактованих відходів ППС, а також процес термокомпактування цих відходів [1, 2]. Таке компактування спіненого матеріалу виконують для отримання дисперсного матеріалу зі щільністю, зручною для його використання як сполучного при змішуванні з наповнювачем мінерального походження в процесі одержання композиційного матеріалу. При цьому компактування служить для повторного використання відходів ППС, зокрема, від виробництва разових моделей, і воно не пов'язане з формуванням, що включає нанесення піщаного наповнювача на разову модель з ППС з утворенням ливарної форми. Процес термокомпактування ґрунтується на властивостях розширення-усадження об'єму ППС при нагріванні, які широко використовують при отриманні моделей з ППС шляхом нагрівання суспензійного ППС у вигляді гранул, якими заповнюють порожнину прес-форми [3]. Відомо, що при нагріванні, починаючи з 80 °C до 135 °C, максимальна величина деформації спіненого полістиролу в області пластичного стану досягає в інтервалі температур 120…135 °C 8-кратного збільшення, а потім в інтервалі температур 135…220 °C деформація знижується в кілька разів і вище 220 °C знову різко зростає. Однак, властивості усадження ППС при отриманні моделі, зазначені в монографії [3], в ливарних цехах враховують лише для того, щоб уникнути перегріву моделі і появи на ній усадочних дефектів, а використовувати зменшення відносної деформації ППС моделі навчилися лише для утилізації кускових відходів ППС способом термокомпактування. У монографії [3] викладено способи формування, що включають нанесення піщаного наповнювача на разову модель з ППС з утворенням ливарної форми, виготовлення порожнини в цій формі шляхом видалення моделі з застосуванням її нагрівання і газифікування в процесі заливання у форму металу. Серед цих способів є формування по моделі з від'ємними частинами з ППС. Однак при отриманні виливків з низько- або безвуглецевих сплавів заліза, нікелю та інших металів спостерігається навуглецьовування металу виливка. Це неприпустимо, особливо для виливків лопаток газотурбінних двигунів (ГТД) [4], в способах отримання яких метал заливають в порожнисту форму, попередньо видаливши разову модель. Останнє є тривалим дорогим процесом і традиційно проводиться із застосуванням виплавлюваних моделей. Однак, для великих турбін довжина таких лопаток досягає 1,0…1,5 м. І воскоподібні матеріали таких моделей, що здатні до деформування під власною вагою, прагнуть замінити відносно більш міцним ППС. Також в способі видалення моделі з ППС з порожнини форми застосовують її розчинення рідким розчинником, щоб продукти ППС не приводили до насичення вуглецем виливка при газифікації ППС металом [4, 5]. Однак, розчинення моделі також не гарантує повного видалення органічних речовин з порожнини форми. Пори в стінках форми насичуються розчином. Розчин і промивну рідину необхідно утилізувати, вартість матеріалів, операцій, небезпека деформування форм при кантуванні і не завжди повне запобігання можливості навуглецьовування металу ускладнюють застосування цього способу на виробництві. Крім того, спустошення порожнини форми випалюванням моделі з ППС в оболонковій формі при литті зазначених лопаток не застосовується через можливе розширення при цьому моделі з ППС і деформування досить тонкої і тендітної оболонкової форми [4]. Найбільш близьким за технічним рішенням є спосіб формування, що включає нанесення піщаного наповнювача на разову модель, зокрема виготовлену з ППС, з утворенням ливарної форми, виготовлення порожнини в цій формі шляхом видалення матеріалу моделі, включно з варіантом нагрівання дроту, вміщеного в модель [6]. При цьому виготовлення порожнини в моделі виконують шляхом механічної деструкції матеріалу моделі при витяганні з матеріалу моделі дроту або нитки, закладеної в модель у вигляді спіралі при виготовленні моделі. Матеріал моделі видаляють з утворенням порожнини принаймні одним скребком у вигляді потовщення, укріпленим на дроті або нитці. З метою зменшення зусиль для витягання дроту, в тому числі зі скребком, запропоновано нагрівання матеріалу дроту вище температури плавлення матеріалу моделі, яке розплавляє чи зменшує міцність прошарку матеріалу моделі, що контактує з дротом. Зазначений спосіб дозволяє лише частково видалити з ливарної форми модель з ППС шляхом виконання в ній порожнин шляхом механічної деструкції, як метода створення направленої пористості. У формі залишається ППС, і його термодеструкція (до газоподібного стану) у формі газифікацією при заливці металу не дозволить запобігти насиченню вуглецем металу виливка. Також і при розчиненні ППС рідкий розчин вуглеводнів може проникнути в пори піщаного наповнювача ливарної форми, прилипнути до її стінок або залишитися в нерозчиненому стані у вузьких частинах порожнини форми для отримання виливків складного 1 UA 107138 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 профілю, наприклад, описаних в роботі [4]. Розчинення моделі викликає значні виробничі витрати, пов'язані з роботою з хімічно активними і часто екологічно несприятливими рідкими органічними розчинниками, розчини яких необхідно утилізувати. Існує небезпека розмивання або деформування форм при кантуванні для виливання розчину ППС, що важко виконати для великих або тонкостінних форм і ускладнює застосування цього способу на виробництві. Нагрівання моделі при отриманні оболонкових (керамічних) форм за моделями з ППС, випалювання моделі перед заливкою металу може деформувати форму через розширення ППС суцільного масиву моделі при нагріванні. Термодеструкція моделі з ППС в ливарному цеху є екологічно шкідливою операцією через утворення при цьому газоподібних продуктів, які слід видалити з цеху, застосовуючи досить дороге обладнання для очищення відхідних газів. Крім того, матеріал моделі, що газифікується, повинен мати певну невисоку щільність [3], інакше збільшення кількості газів при її газифікації погіршить якість литва. Невисока щільність моделей пов'язана із зниженням розмірної точності і підвищенням шорсткості поверхні виливків. Таке обмеження підвищення щільності моделей, а також негативний вплив продуктів їх термодеструкції на якість і екологічність виробництва обмежує застосування разових моделей з пінопластів, в т.ч. із поліуретану та поліетилену. Задача корисної моделі - зниження виробничих витрат при видаленні моделі з форми без термодеструкції і розчинення матеріалу моделі та забезпечення при цьому стабільних розмірів ливарної форми. Поставлена задача вирішується тим, що в способі формування, який включає нанесення піщаного наповнювача на разову модель з пінополістиролу або на модель з від'ємними частинами з пінополістиролу з утворенням ливарної форми, виготовлення порожнини в цій формі шляхом видалення моделі з застосуванням її нагрівання, згідно з корисною моделлю, видалення моделі виконують після зменшення розмірів моделі з пінополістиролу або від'ємних частин з нього в результаті термокомпактування пінополістиролу при температурі 135…220 °C Крім того, в матеріал моделі можуть поміщати каркас із дроту, стрічки або трубки з кольорового металу з високою теплопровідністю або можливістю нагріватися при пропущенні через нього електричного струму, виводити кінці каркаса за межі ливарної форми і нагрівати модель з пінополістиролу або окремі частини з нього до вказаної температури шляхом поміщення ливарної форми в нагрівальну камеру, пропускання по трубчастому каркасу рідкого чи газоподібного теплоносія, або пропускання по каркасу електричного струму. Також наповнювач піщаної форми можуть зміцнювати до міцності, при якій порожнина форми зберігає свої розміри при нагріванні моделі, а при нанесенні його на модель і виготовленні порожнини форми сполучати цю порожнину з принаймні одним каналом випору, стояка та/або надливу, який виводять за межі форми і виконують з розміром, що дозволяє видалити всі частини моделі зменшених розмірів. Спосіб реалізують завдяки тому, що ППС при температурі 135…220 °C має властивість усаджуватись за об'ємом у кілька разів, що раніше перевірено при компактуванні кускових зразків [2] і нижче підтверджено прикладами усадки моделей. При зменшенні в розмірах частини моделі без зміни їх маси відходять від стінки форми і вільно лежать в порожнині форми. Потім їх витягують з цієї порожнини. Розміщення в матеріалі моделі каркаса і виведення його кінців за межі ливарної форми дозволяє видалити усаджену модель або її частини, взявши за ці кінці руками чи пінцетом. При встановленні ливарної форми в нагрівальну камеру каркас моделі із дроту, стрічки або трубки з кольорового металу з високою теплопровідністю служить теплопровідним елементом для постачання тепла від нагрітого повітря камери в центральну частину моделі. І від нього в першу чергу нагрівається, деформується і усаджується серединна частина моделі, коли її периферійні шари залишаються досить міцними, щоб утримувати можливе розширення ППС, протидіючи тиску на стінки форми. Далі нагріваються пристінкові частини моделі, коли їм вже створено місце для деформації, звільнене усадженими центральними частинами. Утворюється зазор для надходження гарячого повітря в стінки моделі уздовж каркаса. Таке ж реалізується нагріванням при пропущенні через каркас електричного струму при розміщенні каркаса в моделі, способом, подібним зазначеному в описі прототипу [6]. Однак, рекомендована ступінь нагрівання по прототипу може призвести до браку форми. Обов'язково слід нагрівати моделі або відокремлені її частини тільки до температури 135…220 °C (відмітна ознака способу), вище або нижче якої нагрівання дасть розширення ППС, а модель заклинить або розіпре порожнину форми. Зазначений температурний інтервал досить широкий. Його нескладно реалізувати в умовах ливарного цеху без небезпеки порушення, що належить до переваг способу. Як варіант, можливо пропускання по трубчастому каркасі рідкого (водного сольового розчину, гліцерину) або газоподібного теплоносія (пара, нагрітого феном повітря), яке 2 UA 107138 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 нескладно виконати в закритому циклі, багаторазово пропускаючи по трубках теплоносій через пристрій для його нагрівання. Також серед ознак способу є зміцнення наповнювача піщаної форми в опоці до міцності, при якій порожнина форми зберігає свої розміри без деформування при нагріванні моделі, що запобігає можливе ушкодження якості форми від деформації моделі. Таке зміцнення можливе багатьма відомими способами. Для виготовлення форми придатні піщані суміші з рідкоскляним сполучним при формуванні по СО2-процесу. Застосування оболонкових керамічних форм, традиційних для лиття лопаток ГТД, нескладно поєднати з вакуумованою формою. В останньому випадку оболонкову форму з моделлю засипають у контейнері наповнювачем піском, віброущільнюють його, герметизують верхній лад форми термостійкою плівкою, а в період нагрівання моделі або всієї форми з моделлю пісок форми вакуумують із залишковим тиском 20…60 кПа. Після термоусадки моделі, її виймають з форми при відключенні вакууму. Вакуумований пісок за відомою технологією вакуумного формування має достатню міцність для збереження розмірів порожнини форми при нагріванні моделі і можливого її розширення в короткий період перед значною усадкою. Таку форму можливо без втрати темпу нагрівання після вилучення компактних залишків моделі продовжити нагрівати до прожарювання для подальшого заливання металом, використовуючи, наприклад, ливарну форму [7], в якій після відключення вакуумування видаляється частина опорної оснастки із засобами вакуумування, а піщана форма продовжує нагріватися до температури прожарювання в жакетах. При формуванні заздалегідь передбачають такі конструкції моделі і форми, щоб при виготовленні порожнини форми сполучити цю порожнину з принаймні одним каналом випору, стояка та/або надливу, який виводять за межі форми і виконують з розміром, що дозволяє видалити компактні залишки (огарки) частин моделі. Як приклад виготовляли форми для лиття лопатки (лопаті). Модель її складається з моделі лійки, яка примикає до моделі надливу і далі триває власне самою моделлю деталі лопатки. При виготовленні всієї такої моделі в металеву прес-форму поміщали каркас аналогічно опису [6], розташовуючи його в центрі порожнини прес-форми і, зокрема, затискаючи кінці дроту або стрічки по роз'єму прес-форми. Після задування до прес-форми і спікання гранул пінополістиролу отримували модель, при цьому з поверхні торця моделі лійки визирали або один, або два кінці каркаса. В останньому випадку другий кінець виходив з моделі в нижній її частині, його відрізали. Дротяний каркас, наприклад, у вигляді однієї або двох прямих ліній (як би сторін прямокутника), спіралі або зигзагу розташовували в центральній частині моделі, відстань дроту до поверхні моделі - не менше 1/3 товщини стінки моделі. Можливо аналогічне розміщення стрічки або трубки з алюмінієвого або мідного сплавів, які мають теплопровідність вище, ніж залізовуглецеві сплави. Після виготовлення моделі в процесі відпрацювання варіантів розглянутого способу на модель наносили піщаний наповнювач по СO2-процесу, чи шляхом нанесення багатошарової керамічної форми. Можливе використання інших відомих способів з нескладною модифікацією операцій стосовно до кожного виду виливків. Після зміцнення форми отвержденням сполучного чи висушування шару оболонки або міцного протипригарного покриття у випадку, якщо була підозра на ушкодження форми від деформації моделі або передбачав конкретний процес формування, цю форму на моделі або модель з оболонковим шаром формували в контейнері з сухим піском. Цей пісок вакуумували відомим способом, описаним для ЛГМ [3] при литті в вакуумовані форми. Каркас нагрівали до температур 135…220 °C описаними вище способами, включаючи допустиме їх поєднання. Зокрема, для дротяного каркасу з пропусканням крізь нього електроструму нетривалий час при одно-або багаторазовому його підключенні застосовували дріт з ніхрому Х20Н80 (ГОСТ 10994-74). У результаті нагрівання модель усідалася в 2…4 рази. Завдання вилучення з форми залишків моделі вирішували таким чином, що заздалегідь передбачали наступні конструкції моделі та форми. Спосіб найбільш зручний для моделей, які охоплюються піщаним наповнювачем і їх нескладно витягти з порожнини форми після зменшенні розмірів термоусадкою. Якщо в моделі є отвори або стінка моделі охоплює піщану частину форми, то потрібні додаткові технічні рішення при конструюванні та виготовленні моделі, зокрема, модель може виконуватися складовою, що розпадається при усадці, або інші рішення, щоб уникнути деформування форми. Зокрема, при виготовленні порожнини форми лопатки при зменшенні моделі сполучали цю порожнину з принаймні одним каналом відкритого надливу, який проектували за методом викочування кіл. Канал виходив за межі форми і мав розміри, що дозволяли легко видалити зменшені залишки моделі з використанням каркаса як їх держателя. 3 UA 107138 U 5 10 15 20 25 В іншому прикладі для формування крупної моделі гвинта з трьома лопатями ці лопаті виконували з ППС, кріпили їх на ступиці або валу, виготовленому з дерева або блочного ППС. Як тіло обертання такий вал зручно виконати механічним або термічним різанням, формувати з вертикальним розташуванням його осі і розширеною частиною догори. При цьому модель гвинта складалася з розширеного догори конусного відкритого від'ємного надливу, що примикав до вала з трьома лопатями як від'ємними частинами з ППС. Модель вала і надливу виготовляли складовими відомими способами так, щоб після зміцнення форми можна було б витягти по черзі з форми модель конусного відкритого надливу, частини моделі вала і розкріпити між собою моделі лопатей. Формовку виконували по СО2-процесу. Після зміцнення форми видаляли з форми відокремлені або складові частини моделі відкритого надливу у вигляді зрізаного конуса і частини вала, залишивши моделі трьох лопатей у формі. Після нагрівання форми і усадки цих моделей лопатей їх зменшені залишки по черзі витягали через отвір, раніше відформованого моделлю видаленого надливу. Такі або аналогічно виконані отвори або канали для ряду ливарних форм можуть бути також використані для заливання металу у форму (як стояк або колектор) або служити каналом випору. Спосіб дозволяє зменшити виробничі витрати при видаленні разової моделі в порівнянні з застосуванням формувань по моделі, що виплавляється або розчиняється, забезпечити стабільні розміри порожнини ливарної форми, виключити термодеструкцію або розчинення моделі з ППС, які спричиняють навуглецьовування металу, зокрема нержавіючих сталей. Останнє дозволяє підвищити якість виливків і розширити область лиття по разових моделях з ППС. Термокомпактування моделі переводить її в компактні відходи з відомими способами їх використання [1, 2], має екологічні переваги і кращі умови праці порівняно з термодеструкцію або розчиненням моделей з ППС, що пов'язано із значними витратами по знешкодженню екологічно небезпечних газів або рідин. Крім того, заявлений спосіб розширює застосування ППС моделей, знімаючи обмеження по їх невисокій щільності, відоме для газифікованих моделей, що дозволить підвищити розмірну точність, знизити шорсткість поверхні виливків, а також розширить застосування пінопластів, в т.ч. із поліуретану та поліетилену, для разових ливарних моделей. 30 35 40 45 Джерела інформації: 1. Патент України на корисну модель № 82838, МПК CO8J 11/04, опубл. 12.08.2013, бюл. 15. 2. Исследование процессов термокомпактирования отходов пенополистирола / О.И. Шинский, О.А. Тихонова, А.А. Стрюченко, В.С. Дорошенко // Твердые бытовые отходы. - М.: 2011, № 4, С. 48-50. 3. Шуляк В.С. Литье по газифицируемым моделям. - СПб.: Профессионал, 2007. - 408 с. 4. Шинский О.И., Максюта И.И., Нейма А.В. Особенности применения растворимых пенополистироловых моделей для получения сложнопрофильных деталей ГТД // Металл и литье Украины. - 2013.- № 9. - С. 14-18. 5. Патент України на винахід № 86634, МПК В22С 9/02, 9/04, 7/00, опубл. 12.05.2009, бюл. № 9. 6. Патент України на корисну модель № 91224, МПК В22С 9/02, опубл. 25.06.2014, бюл. № 12. 7. Авторське свідоцтво СССР № 1629140, МПК В22С 21/00, 21/01, опубл. 23.02.1991, бюл. № 7. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 50 55 1. Спосіб формування, що включає нанесення піщаного наповнювача на разову модель з пінополістиролу або на модель з від'ємними частинами з пінополістиролу з утворенням ливарної форми, виготовлення порожнини в цій формі шляхом видалення моделі з застосуванням її нагрівання, який відрізняється тим, що видалення моделі виконують після зменшення розмірів моделі з пінополістиролу або від'ємних частин з нього в результаті термокомпактування пінополістиролу при температурі 135…220 °С. 2. Спосіб за п. 1, який відрізняється тим, що в матеріал моделі поміщають каркас із дроту, стрічки або трубки з кольорового металу з високою теплопровідністю або можливістю нагріватися при пропущенні через нього електричного струму, виводять кінці каркаса за межі ливарної форми і нагрівають модель з пінополістиролу або окремі частини з нього до вказаної температури шляхом поміщення ливарної форми в нагрівальну камеру, пропускання по 4 UA 107138 U 5 трубчастому каркасу рідкого чи газоподібного теплоносія, або пропускання по каркасу електричного струму. 3. Спосіб за п. 1, який відрізняється тим, що наповнювач піщаної форми зміцнюють до міцності, при якій порожнина форми зберігає свої розміри при нагріванні моделі, а при нанесенні його на модель і виготовленні порожнини форми сполучають цю порожнину з принаймні одним каналом випору, стояка та/або надливу, який виводять за межі форми і виконують з розміром, що дозволяє видалити всі частини моделі зменшених розмірів. Комп’ютерна верстка М. Мацело Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Василя Липківського, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 5