Леене с изгубен восък: технология, предимства и недостатъци

2024 Автор: Howard Calhoun | [email protected]. Последно модифициран: 2023-12-17 10:19

Използването на инвестиционни модели е доста популярен метод за леярно производство. Методът се отличава със сложността на технологичния процес и високите разходи за труд за подготвителни процеси. Поради това се използва там, където е необходимо точно да се спазват размерите и да се осигури високо качество на повърхността на частите. Така се отливат турбинни лопатки и високопроизводителни инструменти, протези и бижута, както и скулптури със сложна конфигурация. Същността на леенето с изгубен восък е, че матрицата за леене е от една част, моделът от нискотопими материали не се отстранява по време на формоването, а се стопява. Това гарантира внимателно спазване на размерите и релефа. Металът се излива в кухината, останала от модела. След завършване на охлаждането, матрицата се унищожава и продуктът се отстранява. При леене на големи серии цената на продукта се намалява.

Ползи от метода

Основното предимство на инвестиционното леене е точността на прехвърляне на матрицата и ниската грапавост на повърхността. Освен това са налични и други предимства:

• Производство на леко обработени части от сплав.
• Намалява необходимостта от допълнителна обработка.
• Продукти се отливат, които иначе би трябвало да бъдат направени на части и сглобени заедно.
• С големи серии се постига намаляване на специфичната интензивност на труда (за един продукт) и цената му.
• Възможност за механизация и частична автоматизация на подготвителните операции на самото леене.

Тези предимства правят метода един от най-популярните и използвани в днешната металургия, особено в комбинация със съвременните прогресивни методи за леене.

Недостатъци на инвестиционното кастинг

Несъмнените предимства на метода, изглежда, трябваше да гарантират неговото доминиране сред другите методи. Въпреки това, въпреки популярността на метода на инвестиционно леене, недостатъците попречиха на широкото му приемане. Основният недостатък е сложността на многоетапния процес. Изисква доста сложно и скъпо технологично оборудване за подготвителните етапи. За прости продукти, произведени в малки партиди, този метод има по-висока цена.

За рентабилното приложение на инвестиционното леене се сравняват предимствата и недостатъците на метода, решението заизборът му се прави въз основа на оценка на съотношението цена/качество. Поради това се използва главно за най-критичните и скъпи продукти, които трудно се получават по друг начин, като лопатки на турбини, скулптури, високоскоростни инструменти и др. Друга област на приложение са едромащабните отливки в което ефектът на мащаба прави възможно постигането на значително намаляване на разходите.

Технология

Технологията за инвестиционно леене е многоетапен производствен процес, който е сравнително трудоемък. На първия етап се изработва главен модел, който ще стане стандарт за производството на работещи модели след преминаване през всички етапи на крайния продукт. За производството на главен модел се използват както специални моделни композиции, така и традиционни - гипс или дърво. Материалът на главния модел трябва да съчетава здравина и лекота на обработка.

Освен това технологията за инвестиционно леене предвижда създаването на матрица, в която ще бъдат отлети всички работещи модели. Формите се изработват от гипс, гума, силикон, по-рядко метал. Конструктивно той задължително трябва да бъде разглобяем и предназначен за многократна употреба. Формата се запълва с моделна композиция, след като се втвърди се разглобява и се отстранява следващият работещ модел.

При производството на уникални части или малки тиражи етапите на създаване на основно оформление и матрица се пропускат и се прави оформление (или няколко) чрез ръчно формоване на материала.

Следващата стъпка в процеса на кастинг епроизводство около оформлението (или блок от оформления) на леярската форма. Тези матрици са конструктивно вече неразделими и за еднократна употреба, което позволява да се постигне внимателно спазване на размерите и грапавостта на продукта. В съвременната индустрия се използват два вида форми - традиционни пясъчно-глинени форми за леене в земята и форми за черупки - за производство на прецизни и скъпи части.

След като матрицата е завършена, моделът се топи от нея чрез нагряване или издухване със прегрята пара. Формите на черупките се укрепват допълнително чрез нагряване до 1000 ˚С.

Последният етап от процеса включва реално отливане на продукта, охлаждането му в естествени условия или по специален метод в термостат, разрушаване на матрицата и почистване на продукта. Методът позволява да се получат висококачествени отливки с тегло от няколко грама до десетки килограма.

Моделни състави

Материалът за изработка на оформлението трябва да има определени свойства. Трябва да има свойства като:

• Пластичност в твърдата фаза. Необходимо е точно да се повтори формата на бъдещия продукт и да се коригира, ако е необходимо.
• Сила. Моделът трябва да издържи без деформация на процеса на формиране на форма около него.
• Топлив. Изобразяването на модел не трябва да изисква много време и енергия.
• Разтопена течливост. Композицията трябва лесно да проникне във всички вдлъбнатини и детайли на релефа, точно повтаряйки очертанията на бъдещия детайл.
• Икономика. Особено важно за голямо серийно производство.

За моделни композиции обикновено се използва смес от стеарин и парафин. Тези материали успешно се допълват взаимно параметрите си, компенсирайки недостатъчната точка на топене на парафина и прекомерния вискозитет на стеарина.

Съставите на основата на лигнитния восък са не по-малко популярни в индустрията. Основните му свойства са устойчивост на влага, здравина и способност да образува много гладки покрития, което е особено ценно за моделиране на продукти.

Съединения, състоящи се от смес от восък от кафяви въглища, парафин и стеарин, също се използват.

Изработка на форми

За производството на уникални продукти се изготвя оформление чрез изрязване на парче моделен материал ръчно или по шаблони. На стругове се изработват и модели под формата на тела на революция. Напоследък методът за 3D печат на модели става все по-разпространен. Подходящ е както за единични оформления, така и за малки серии.

Цената на модерен индустриален 3D принтер все още е висока, но поради лекотата на преконфигуриране от един продукт към друг, той може да се превърне в ефективен инструмент за създаване на модели в случай на голям брой хетерогенни малки серии поръчки.

За да се направи голям брой идентични оформления, матрицата е направена от гипс, гума, силикон или метал. Работните оформления се произвеждат от своя страна чрез отливане в матрица. По проект матрицата трябва да бъде сгъваема, за да се гарантира възможността за производство на определен брой модели. Избраният материал също трябва да осигури такава възможност, следователно към него се налагат такива изисквания като здравина, плътност, ниска грапавост и химическа инертност по отношение на оформлението. Веществото на матрицата също трябва да има минимална адхезия към макета, за да се гарантира, че готовите макети могат лесно да бъдат отстранени и размерите да се спазват. Важно свойство на матрицата е нейната здравина и устойчивост на износване, особено за големи серии.

Изработване на модели и блокове

Широко използван метод за производство на инвестиционни модели е леенето им под ниско налягане във форми. Инжектирането на течната смес се извършва както ръчно, с помощта на бутални спринцовки, така и механични, хидравлични или пневматични компресори. В случай на използване на восък от кафяви въглища, е необходимо да се загреят тръбопроводите за подаване на състава поради неговия висок вискозитет. Моделите от експандиран полистирол се произвеждат чрез екструдиране на автоматизирани формовъчни машини.

За повишаване на икономическата ефективност и намаляване на интензивността на труда в случай на серийно производство на малки отливки, техните оформления се комбинират в блокове. Системите за затваряне се оформят над блоковете чрез закрепване на индивидуални оформления към струйниците с помощта на ръчен поялник. В случай на единични отливки или малки серии, моделите се изработват ръчно.

При оформяне на затворни системи е необходимо да се осигури нетурбулентен поток на стопилката, равномерно запълване на всички елементи на матрицата. Когато пълните формуляр от PGS, трябва да следите и равномерното попълване на всичкиотвори между каналите и предотвратяване на повреди.

Изработване на калъп

В разглеждания метод на инвестиционно леене има два основни типа форми:

• Смеси от пясък и глина (SGM).
• Shell.

Комплектите за леене на восък се използват главно при производството на малки серии от продукти, които не изискват много висока точност. Процесът на тяхното изработване е доста трудоемък и изисква високи и често уникални умения на моделисти и формовци. Частичната механизация се поддава само на определени операции, като подготовка и пълнене на формовъчния пясък, неговото уплътняване.

Формите за черупки, от друга страна, се използват за производство на части, които изискват специална производствена прецизност. Процесът на тяхното производство е по-сложен и продължителен, но се поддава по-добре на механизация.

Наземно леене

Това е най-ранният метод за обработка на метал, усвоен от човечеството. Той е овладян от нашите предци едновременно с началото на използването на метални изделия като оръжия, инструменти или прибори, тоест преди около 5 хиляди години. Разтопеният метал се излива в подготвена матрица от смес от пясък и глина. Най-ранните места за обработка на метали току-що възникват там, където наблизо се намират отлагания на метали под формата на самородни частици и росписи. Типичен пример е заводът Касли в Урал, световно известен със своето отливане на желязна дантела.

Методът на инвестиционно леене се използва за производството на метални изделия - както черни, така ицветни. И само за метали, които проявяват повишена склонност да реагират в течна фаза (като титан), е необходимо да се правят матрици от други състави.

Производственият процес на отливане в PGS се състои от следните фази:

• производство на модели;
• приготвяне на колбата;
• пълнене и уплътняване на сместа в колбата;
• метално отливане;
• премахване и почистване на отливката.

Формуляр от ASG - еднократна употреба. За да получите готовия продукт, той ще трябва да бъде счупен. В същото време по-голямата част от сместа е достъпна за повторна употреба.

Композиции от предимно кварцови пясъци с различна зърненост и пластични глини, чието съдържание варира от 3 до 45 процента, се използват като материали за ASG. Така например, художествените отливки се произвеждат с помощта на смес с 10-20% съдържание на глина, за особено големи отливки съдържанието на глина се регулира на 25%.

Използват се два подтипа:

• Облицовъчни смеси. Те са разположени върху вътрешната повърхност на матрицата и взаимодействат с разтопения метал. Те трябва да са топлоустойчиви, да не се разрушават от температурните разлики и произтичащите от това напрежения. Тези смеси имат фино зърно, за да предадат внимателно детайлите на повърхността. Способността на сместа да пропуска газ също е много важна.
• Смеси за пълнене. Използват се за запълване между облицовъчния слой и стените на колбата. Те трябва да издържат на теглото на излятия метал, да запазят формата на продукта и да допринесат за навременното и пълно отстраняване на газовете. Произведен от по-евтини сортове пясък,за многократна употреба.

Ако леярските газове не излизат през масите на пясъка за формоване, а през системата за затваряне, в отливката възникват дефекти, водещи до брак.

Традиционната технология на леене в земята е илюстрирана подробно във филма на А. Тарковски "Андрей Рубльов". В разказа „Камбаната” младежът Бориска, син на починал майстор, оглавява леярна артел и лее църковна камбана.

Леене на черупки

Методът на инвестиционно леене в черупкови форми се характеризира с най-добър трансфер на размерите на продукта и ниска грапавост на повърхността. Моделът е направен от топими съединения, като восък от кафяви въглища. Леярните също широко използват състава на парафин-стеарин в равни пропорции. В случай на отливки с големи размери, в материала на модела са включени соли, за да предпазят модела от деформация. Чрез потапяне в разтвора моделът се покрива на 6-10 слоя с високотемпературна суспензия.

Хидролизираните силикати действат като свързващо вещество, като топлоустойчиво пръскане се приемат електрокорундови или кварцови кристали. Черупките на матриците се характеризират с висока якост, ниска хигроскопичност и отлична газопропускливост.

Оформлението се суши в атмосфера на газообразен амоняк. На следващия етап матрицата се загрява до 120 ˚C, за да се отстрани парафиновият модел. Остатъците от сместа се отстраняват с прегрята пара под високо налягане. След това матрицата се калцинира при температури до 1000 ˚С, което води до окончателното й фиксиране и отстраняване на веществата,които могат да се отделят като газове по време на процеса на леене.

Черупката се поставя в своеобразна колба, която е покрита със стоманена сачма. Това спомага за поддържане на конфигурацията при пълнене на формата с стопилка и в същото време подобрява условията за охлаждане на отливката. Стопката се излива във форми, загрята до 1000 ˚С. След охлаждане на продукта по специална програма в термостат, матрицата се унищожава, отливката се отстранява и почиства.

Основното предимство на този метод на леене е висока точност на размерите и ниска грапавост на повърхността.

Допълнителни предимства на метода:

• Леене на части от сплави, които са трудни за обработка.
• Леене на предмети, които иначе биха трябвало да бъдат хвърлени на парче и след това да се сглобят обратно.

Недостатъците на този метод на инвестиционно леене са ниското използване на метал и повишената интензивност на труда.

Прецизно леене

Прецизно инвестиционно леене - това е името, дадено както на технологията, така и на самия краен продукт. Високата точност на леене се осигурява от факта, че по време на подготовката на матрицата не е необходимо да се извлича моделът на продукта от нея. Когато се използва традиционният метод, производството на леярска матрица е сложен и много отнемащ време многоетапен процес. Това е особено вярно в случай на леене на части със сложна конфигурация, с вдлъбнатини, вдлъбнатини и вътрешни кухини.

Например, когато леете чугунена или медна ваза с променлива повърхностна кривина, трябва да използвате много трикове. Да, първодолната половина на колбата се пълни, след което моделът се изважда, обръща се и горната половина се набива. Моделът трябва да е композитен, дръжките на вазата са от два елемента, те се изтеглят през кухината на модела на два етапа - първо долния елемент, след това горния. Всички тези многобройни завъртания и влачене не могат да имат положителен ефект върху целостта на повърхността на матрицата и в крайна сметка върху точността на поддържане на размерите на отливката и качеството на нейната повърхност. Освен това остава проблемът с точното съпоставяне на частите на колбите и сигурното им закрепване една към друга.

Производството на инвестиционно леене е лишено от тези недостатъци, не изисква толкова висококвалифицирани моделисти и значително намалява трудоемкостта на операциите по предварително леене. Това е особено изразено при големи серии отливки.

Методът позволява да се достигне 2-5-ти клас на точност съгласно GOST 26645-85. Това прави възможно отливането на продукти с висока точност като турбинни остриета, режещи инструменти, включително високопроизводителни фрези и бормашини, критични високо натоварени скоби, малки високо натоварени части на превозни средства, металорежещи машини и други сложни механизми.

Високата точност на размерите и висок клас на повърхността минимизират необходимостта от по-нататъшна механична обработка на отливката, което спестява метал и намалява производствените разходи.

Оборудване

Необходимото оборудване за инвестиционно леене е разнообразно и сложно. Предприятията ги обединяват в единен и добре координиран комплекс,организирано като обект, работилница или отделно производство.

Съставът на комплекса зависи от мащаба на производство, размера, конфигурацията и тиража на отливките.

По този начин при производството на протези и бижута оборудването ще включва:

• моделна маса;
• муфелна пещ с термостат;
• набор от скалпели и шпатули за коригиране на формата на модела;
• формираща дъска;
• колба;
• резервоари за съхранение и приготвяне на пясък за формоване;
• комплект инструменти за набиване на пясък;
• тигел за топене на метал;
• форцепс;
• чук за разбиване на матрицата.

Този производствен комплекс може лесно да се побере на една маса и в един шкаф. Ако се планира масово производство, например, алуминиеви отливки - части от устройство, тогава ще е необходимо оборудване за:

• оформяне и изливане на керамични форми;
• форми за сушене;
• разтопяване на материала на модела и нанасяне на топлоустойчив слой;
• почистване на отливки от формовъчен материал.

И накрая, действителното оборудване на леярския комплекс, предназначено да получи стопилка и да я излее в калъп. Може да бъде оборудване за леене:

• под ниско налягане;
• центробежен;
• по обичайния гравитачен начин.

Машините за леене под налягане и центробежно леене са отделни силно механизирани и автоматизиранипроизводствен комплекс, изолиран от атмосферата на цеха. Те минимизират ръчния труд и излагането на човека на вредни условия. Запечатаните камери, в които са разположени комплексите, осигуряват пълно улавяне и пречистване на отработените газове, което значително повишава екологичността на предприятието.

Леене с изгубен восък има доста висок потенциал за развитие, особено когато се комбинира с усъвършенствани техники за изработка на форми и изливане.