Сучасні технології в лиття під низьким тиском
Сутність лиття під низьким тиском (ЛНД) як різновиду лиття під регульованим тиском полягає в тому, що заповнення порожнини форми розплавом і затвердіння виливки відбувається під дією надлишкового тиску повітря або інертного газу. При цьому для підйому розплаву та заповнення форми необхідну надлишковий тиск менше 0.1 МПа, чим і пояснюється використання терміна «низький тиск»:
При ЛНД виливок виготовляють в кокілі, піщаної або комбінованій формі (кокіль і піщані стрижні), а також в керамічному або оболонкової формі.
Технологія ЛНД дозволяє провести заповнення форми для протяжних тонкостінних виливків, в широких межах регулювати швидкість заповнення форми розплавом, змінювати тривалість заповнення окремих ділянок форми виливків складної конфігурації зі змінною товщиною стінки з метою управління процесом теплообміну між розплавом і формою, домагаючись раціональної послідовності затвердіння окремих частин виливки .
Основними перевагами процесу ЛНД є: автоматизація трудомісткою операції заливки форми; можливість регулювання швидкості потоку розплаву в порожнині форми зміною тиску в камері установки; поліпшення харчування виливки; зниження витрати металу на литниковую систему.
Основні недоліки: невисока стійкість частини металлопровода, зануреної в розплав, що ускладнює використання способу лиття для сплавів з високою температурою плавлення; складність системи регулювання швидкості потоку розплаву в формі, викликана динамічними процесами, що відбуваються в установці при заповненні її камери повітрям, нестабільністю витоків повітря через ущільнення, зниженням рівня розплаву в установці в міру виготовлення відливок; можливість погіршення якості сплаву при тривалій витримці в тиглі установки; складність експлуатації та налагодження установок.
Переваги і недоліки способу визначають раціональну область його застосування і перспективи використання. Лиття під низьким тиском найбільш широко застосовують для виготовлення складних фасонних і особливо тонкостінних виливків з алюмінієвих і магнієвих сплавів в автомобілебудуванні, авіа- і космічної промисловості, простих виливків з мідних сплавів і сталей в серійному і масовому виробництві.
Одним з лідерів в області виробництва виливків методом ЛНД в нашій країні є підприємство ВАТ «ВМП« Авітек »м Кіров - найстаріше авіаційне підприємство Росії, яке випускає зенітні керовані ракети, унікальні катапультні крісла для бойових літаків, вантажопідйомні механізми і системи для авіації, а також великий спектр товарів народного споживання і цивільної продукції. Підприємство працює по замкнутому виробничим циклом, починаючи з ливарного і ковальсько-пресового виробництва і закінчуючи складанням готових виробів і їх випробуванням. Сьогодні гордістю підприємства є Ливарно-технологічний центр по виготовленню високоякісних виливків оборонного, авіаційного та цивільного призначення для підприємств, що входять до складу Концерну ППО «Алмаз-Антей» і сторонніх організацій. Ливарно-технологічний центр оснащений найсучаснішим програмним забезпеченням та обладнанням для виготовлення ливарних форм і заливки металу, причому весь процес розробки технології лиття і її реалізації «в металі» зав'язаний в єдиний ланцюжок наскрізного проектування:
Наскрізна ланцюжок проектування ливарної технології, впроваджена на підприємстві
У центрі цього ланцюжка стоїть система автоматизованого моделювання ливарних процесів (САМ ЛП) LVMFlow CV, призначена для проведення аналізу ливарної технології та її коригування в найкоротші терміни. САМ ЛП LVMFlow CV заснована на методі контрольованого обсягу (МКО) і дозволяє:
- простежити заповнення форми металом
- розрахувати температурні поля виливки і форми
- провести розрахунок поля рідкої фази
- розрахувати поле швидкостей
- розрахувати конвективні потоки
- розрахувати поле тисків
- оцінити можливі дефекти в литві
- розрахувати напруги та деформацію виливки
- оцінити роботу фільтрів
- врахувати багаторазове використання форми
- розробити технологію ЛПД
- розрахувати розміри прибутків і літніковойсистеми
- врахувати поведінку газу в порожнині форми при заповненні
- прогнозувати захоплення повітря в процесі заливки
- підібрати розміри з- і екзотермічних оболонок для прибутків
Складність і специфічність процесу ЛНД призводять до того, що вже на етапі розробки ливарної технології інженер-ливарник має з такими труднощами:
- вибір оптимальної литниково-живильної системи (ЛПС)
- вибір температури заливки
- вибір оптимальної швидкості течії розплаву
- запобігання коливання швидкостей потоку в процесі заливки
- підбір статичного тиску і часу витримки при ньому після закінчення заливки форми
- запобігання механічного пригару
- конструювання вентиляційної системи
При розробці ливарної технології класичним методом «проб і помилок» рішення технологічних труднощів, описаних вище, істотно сповільнює процес освоєння нового виробу і в силу специфічності способу ЛНД несе з собою великі матеріальні витрати. У зв'язку з цим на підприємстві була поставлена задача прискорення процесу розробки ливарної технології та обраний спосіб її вирішення - комп'ютерне моделювання. Підприємством протестовано кілька програм комп'ютерного моделювання ливарних процесів. Найзручнішим інструментом для вирішення цього завдання є САМ ЛП LVMFlow CV, в якій спеціально для цього була реалізована опція лиття під низьким тиском, що дозволяє прискорити розробку оптимальної ЛПС, вибрати швидкість заливки і статичний тиск, підібрати температуру заливки, сконструювати вентиляційну систему форми і ін.
Сутність впровадженої на виробництві ланцюжка проектування технології і виготовлення відливок, представленої на рис. 3, полягає в наступному.
При надходженні нового замовлення на лиття вихідним завданням є двовимірний креслення литої деталі. Розробка ливарної технології починається традиційним способом - виходячи з досвіду і знань в області ливарного виробництва, інженер-технолог розробляє ЛПС безпосередньо на кресленні виливка, підбирає рекомендовані технологічні параметри лиття і т.д. Потім, використовуючи систему твердотільного моделювання SolidWorks, відтворює розроблену ЛПС у вигляді 3D-моделі:
Маючи 3D-модель виливка з ЛПС і технологічні дані, необхідні для її виготовлення методом ЛНД, в САМ ЛП LVMFlow CV проводиться комп'ютерне моделювання заливки форми, затвердіння і охолодження виливки. При цьому LVMFlow CV враховує велику кількість технологічних особливостей ЛНД, таких як:
- конфігурація і ємність тигля
- розміри металлопровода
- параметри «розгону» (поведінка розплаву в металлопровода до початку заливки)
- конфігурація діаграми «тиск-час»
- статичний тиск і час витримки при ньому після закінчення заливки
По завершенні цього етапу за результатами комп'ютерного моделювання робиться висновок про ефективність розробленої технології: якщо в литві виявлені ливарні дефекти (раковини, пористість, тріщини і т.д.), то необхідно провести доопрацювання технології; якщо ж в тілі виливка дефекти відсутні, то інженер-конструктор-технолог переходить до наступного етапу: проектування ливарної форми.
Використовуючи опрацьовану в LVMFlow CV 3D-модель виливка з ЛПС, в конструкторській програмі SolidWorks відбувається розробка і конструювання ливарної форми. Результатом даного етапу є тривимірна модель форми, яка передається на 3D-принтер.
На 3D-принтері методом пошарового тривимірного друку відбувається виготовлення складових частин форми (стрижнів), які згодом збираються в стрижневі пакети.
Після цього зібрана форма подається на установку лиття під низьким тиском в піщані форми фірми KURTZ (виробництво Німеччина), де відбувається заливка форми.
У підсумку, відмова від методу «проб і помилок» і перехід до наскрізної ланцюжка проектування ливарної технології, акцентованою на математичному моделюванні ливарного процесу в LVMFlow CV, дозволив отримувати на виході бездефектні виливки з високою ймовірністю, що підвищило якість виробленого литва. При цьому досягається високий економічний ефект, тому що заливка пробних варіантів технології на етапі її розробки замінюється комп'ютерним моделюванням. Висока швидкість розрахунку в LVMFlow CV дозволила істотно скоротити терміни освоєння нових виробів.