Цифровые технологи при получении отливок в разовые песчаные формы

Развитие трехмерных CAD/CAE/CAM — технологий привело к существенной модернизации современного литейного и, в первую очередь, опытного производства. Цель этой модернизации в создании условий для полноценной реализации принципа «безбумажных» технологий в течение всего процесса построения нового изделия — от проектирования и разработки CAD-модели до конечного продукта. Для этого литейные цеха и участки оснащают новым оборудованием, дающим широкие возможности, но требующим освоения новых компетенций [1].

Развитие и адаптация в литейном производстве интегрированных систем автоматизированного проектирования (CAD), инженерных расчетов (CAE), подготовки производственно-технологических процессов (CAM) и управления проектом (PDM) предоставляет новые возможности для изготовления литых изделий и разработки литейных технологий в кратчайшие сроки [1]. При этом необходимо учитывать большое количество материалов и технологий, применяемых в литейном производстве.

Целью работы было изготовление детали утратившей свои эксплуатационные характеристики. Деталь является телом вращения, представляет собой крышку габаритами 110 × 50 мм с центральным отверстием диаметром 10 мм. Приведенная толщина стенки 5 мм. Необходимое количество деталей 2 шт. Чертежи на деталь отсутствуют. Материал крышки — алюминиевый сплав. В связи с этим, было принято решение изготавливать отливку из сплава АК9ч (ГОСТ 1583–93) литьем в разовые песчаные формы.

Этапы выполнения работ по изготовлению отливки «Крышка»:

1. Получение 3D модели отливки на основании детали заказчика;

2. Проектирование литниково-питающей системы (ЛПС). Построение 3D модели ЛПС.

3. Моделирование литейных процессов в программе LVM-Flow. Анализ дефектов.

4. Проектирование оснастки;

5. Изготовление модели отливки и ЛПС c использованием аддитивных технологий. Подготовка модели к формовке;

6. Изготовление разовой литейной формы;

7. Плавка, заливка форм;

8. Контроль качества отливки.

Для создания 3D модели использовали программный продукт SolidWorks, который является самым распространенным инструментом, используемым для автоматизированного проектирования и 3D моделирования [2].

Компьютерное моделирование и оптимизация литейных технологий, является важным направлением развития программных продуктов компьютерного инженерного анализа — САЕ [3]. Использование САЕ- программ позволяет выявлять дефекты в отливке на стадии проектирования и в случае их выявления внести корректировки в технологический процесс или литниково-питающую систему. Для моделирования литейных процессов использовали программу LVMFlow. Моделирование в программе позволило подтвердить правильность выбора технологических режимов литья и расчетов ЛПС.

Модели получали в Центре литейных технологий СамГТУ, который оснащен высокотехнологичным оборудованием. В Центре литейных технологий можно изготовить сложные единичные изделия из алюминиевых, медных, цинковых сплавов для опытно-экспериментальных работ при проведении НИОКР, единичные изделия перед внедрением их в производство или для проведения ремонтных работ [4].

Так как модель используется в единичном производстве ее целесообразно изготавливать по 3 классу прочности модельных комплектов. Модель изготавливали по FDM технологии на 3D принтере Picasso XL из PLA пластика фирмы FDplast.

Важное преимущество FDM технологии заключается в значительной экономии времени на изготовление модельной оснастки. Сокращение срока производственного цикла изготовления модели, возможность в кратчайшие сроки вносить изменения в конструкцию модели. Дешевизна расходных материалов.

Подготовка напечатанной модели к формовке заключается  в механической обработке модели (зачистка мест поддержек, удаление слоистости) и покрытии поверхности лаком. Для повышения прочности модели внутренний объем можно залить эпоксидной смолой. Прочность такой модели будет сопоставима с деревянной моделью.

Для проведения эксперимента использовали формовочную смесь на смоляном связующем (Novanol 165). Отверждение смеси проводили продувкой формы углекислым газом (CO₂). Для предотвращения образования пригара и попадания частей формы в отливку поверхность формы покрывали огнеупорной краской «СТАВРОЛАН 100 Марка-С».

Плавку металла производили в печи сопротивления,  в качестве шихты использовали готовый чушковый сплав АК9ч (ГОСТ 1583–93). Температура заливки составляла 690–710 ºС.

Контроль качества отливки проводили по изломам отливок в поперечном сечении. Было установлено, что отливка не имеет дефектов усадочного характера. Излом светло-серый, однородный, без шлаковых включений.

Выводы:

1. Разработан технологический процесс изготовления отливки из алюминиевого сплава литьем в песчаные формы и использованием цифровых технологий.
2. Использование САЕ программ для моделирования литейных процессов и дефектов позволяет исключить вероятность доработки оснастки после получения опытной отливки.
3. При использовании цифровых технологий при литье в песчаные формы в 3–4 раза сокращается время от момента получения чертежа до получения годной отливки. На данный момент время является главным ресурсом, которым необходимо управлять.