Вакуумно-пленочная формовка

2. Технологическая часть 
Разработка технологического процесса получения отливок из алюминиевого сплава по методу вакуумно-пленочной формовки 

2.1 Обоснование выбора способа литья 
Для изготовления отливок с плоской формой и невысоким рельефом, а также тонкими стенками может применяться вакуумно-пленочная формовка. Такой способ является более экологичным по сравнению с литьем в другие песчаные формы (песчано-глинистые, холоднотвердеющие), т.к. снижается количество отходов производства, а также обеспечивается сравнительно высокое качество поверхности отливок, что снижает затраты на механическую обработку. 

2.2 Технологический процесс изготовления кронштейна “Готика”  
Технологический процесс получения отливок состоит из следующих этапов: 
1. Разработка эскизов изделия 
2. Cоздание 3D-модели изделия в программе Rhinoceros 
3. Cоздание 3D-модели формовочной модели и подготовка управляющей 
программы 
4. Фрезерование заготовки до получения формовочной модели на ЧПУ-
фрезерном станке. 
5. Моделирование литниково-питающей системы, заливки и затвердевания. 
6. Подготовка установки ВПФ, просеивание песка, приготовление 
противопригарной краски, подготовка литниково-питающей системы. 
7. Формовка верхней и нижней опок 
8. Извлечение моделей и сборка полуформ 
9. Плавка и заливка металла 
10. Охлаждение отливки в форме и выбивка  
11. Очистка отливки от пригара 
12.  Механическая обработка отливок 

2.2.1 Разработка эскизов изделия
На стадии разработки эскиза рассматриваются варианты составных частей изделия, его конфигурация, внешний вид. Из нескольких нарисованных эскизов выбирается один наилучший (рис. 2.1), отрисовывается и является основой для создания 3D модели изделия.

Рисунок 2.1  Эскиз кронштейна “Готика”.

2.2.2 Cоздание 3D - модели изделия в программе Rhinoceros
3D-модель создается в программе Rhinoceros (рис. 2.2). Эта программа позволяет помимо декоративных элементов более точно позиционировать расположение ответственных частей будущего изделия (каркас и крепления) и их размер. Сначала строятся ответственные каркасные элементы по размерам из эскиза, простые по конфигурации. Затем сложные формы рельефа, такие как фигуры людей, выполняются с помощью команд Sweep2rail, а также построением криволинейных поверхностей и их обрезкой.

Рисунок 2.2  3D-модель отливки в программе Rhinoceros.

Для чертежа отливки (рис. 2.3) необходимо знать точностные параметры отливки, которые определяются в соответствии с ГОСТ Р 53464-2009 исходя из массы и габаритных размеров отливки, способа литья, производительности цеха и других технологических параметров.

Точность отливки 8-5-9-7т см. 0,8 мм РП3 ГОСТ Р 53464-2009 
Кро8 - класс размерной точности отливки; 
СК5 - степень коробления отливки; 
СП9 - степень точности поверхности отливки; 
КМ7т - класс точности массы отливки; 
Тсм. - допуск смещения элементов отливки по плоскости разъема; 
РП - ряд припуска для обрабатываемых поверхностей.

Рисунок 2.3  Чертеж отливки.

По чертежу отливки создается чертеж и 3д-модель формовочной модели, с учетом припуска на механическую обработку и припуска на усадку (приложение 2).

2.2.3 Cоздание 3D - модели формовочной модели и подготовка управляющей программы
По 3д-модели изделия строится 3д-модель формовочной модели. Назначаются припуск на дальнейшую механическую обработку, припуск на усадку. Уклоны в модели не предусматриваются. 
Подготавливается управляющая программа в RhinoCAM для черновой и финишной обработки соответственно (рис. 2.4). Для черновой обработки применяется сферическая и торцевая фрезы, а для чистовой – коническая.

Рисунок 2.4 Симуляция процесса фрезерования поверхностей в RhinoCAM.

2.2.4 Фрезерование заготовки до получения формовочной модели на ЧПУ-фрезерном станке

Рисунок 2.5  Черновое фрезерование заготовки.

В качестве материала заготовки используется модельный пластик NECURON 751 . В отличие от древесины, он обладает изотропными свойствами, более высоким качеством поверхности, а также снижается износ режущего инструмента.

2.2.5 Разработка 3д модели ЛПС. Моделирование заливки и затвердевания металла
Был проведен расчет литниково-питающей системы, построена её 3д модель. Правильность расчет была проверена моделированием заливки и затвердевания в программе NovaFlow.
 
Расчёт литниково-питающей системы 
Для сужающихся и расширяющихся литниково-питающих систем расчёт начинается с определения суммарной площади питателей по уравнению:

Определение времени заливки и массы металла в форме

Определение расчетного металлостатического напора

Таблица 2.1. Расчётные характеристики.

Суммарная площадь питателей

Для литья алюминиевых сплавов применяется расширяющаяся литниково-питающая система. Это означает, что площадь нижнего сечения стояка, сечение шлакоуловителя и суммарная площадь питателей соответственно представляют пропорцию - 1 : 1,15 : 1,3. 

Таблица 2.2. Площади сечений элементов литниково-питающей системы.

Исходя из суммарной площади производится расчёт параметров элементов литниково-питающей системы по формулам:

Где a, b, h – параметры питателей, шлакоуловителей (рис. 2.6).

Рисунок 2.6. Соотношение сторон питателей. 

Высота половины модели составляет 20мм, поэтому высота питателя не может превышать этой величины и также устанавливается равной 20мм (таблица 2.3). 

Таблица 2.3. Расчётные размеры питателей и шлакоуловителя.

Нижний диаметр стояка рассчитывается по формуле:

Верхний диаметр стояка:

Таблица 2.4. Габаритные размеры стояка.

Для вакуумно-пленочной формовки необходимо наличие выпора, чтобы во время заливки полость в форме была связана с атмосферой. Выпор выполняется на противоположной от стояка стороне отливки, в наиболее высокой его части. В данных условиях было решено выполнить боковой выпор, чтобы дефекты в нем не повлияли на отливку. По данным таблиц 2.3, 2.4 строится 3д-модель литниково-питающей системы и производится расчёт в программе NovaFlow для проведения моделирования заливки и затвердевания. Моделирование (рис.2.7) позволяет проанализировать возможные дефекты литья, например утяжины и газовые раковины в отливке (приложение 4).

Рисунок 2.7. Распределение температуры при заливке металлом в программе NovaFlow.

При моделировании заливки и затвердевания обычно допустимым считают результат, при котором объемная усадка не превышает 10%. В противном случае необходимо перестраивать конструкцию литниково-питающей системы. В данном случае питатели были подведены к наиболее объемным участкам отливки (по методу вписанных окружностей). Объемная усадка в разных сечениях отливки представлена на рисунке 2.8. Меняя положение плоскости разреза в программе, можно просматривать усадку в любом сечении по всем трем осям координат.

Рисунок 2.8. Объемная усадка. 

По результатам моделирования объемная усадка достигла значения 5.4%, что удовлетворяет требованиям (рис. 2.9). Следовательно, данную конструкцию ЛПС и параметры заливки можно использовать для реализации технологии литья.

Рисунок 2.9. Величина объемной усадки по сечению отливки.

Рисунок 2.10. Чертеж формы в сборе.

2.2.6 Подготовка установки ВПФ, просеивание песка, приготовление противопригарной краски, подготовка ЛПС 
Для вакуумно-пленочной формовки применяется сухой кварцевый песок, зернистостью 100 мкм. Песок просеивается для удаления больших зерен, остатков пленки, комков и других включений.
В качестве модели литниково-питающей системы могут быть использованы деревянные заготовки, а также модели из пенополистирола. Модели изготавливаются в соответствии с проведенным расчётом. 
Для покрытия полуформ при вакуумно-пленочной формовке применяется быстросохнущая антипригарная краска АПБ-1Т на основе талька или дистенсиллиманита. Тальк выполняет роль наполнителя, фенольная смола – связующее, а в качестве жидкой основы используется изопропиловый спирт, который быстро испаряется.  
Для оформления конфигурации модели применяется пленка EVA (этиленвинилацетат), пластичность которой повышается при нагреве (до 600% относительное удлиннение) 
На вибростоле размещается подмодельная плита с отверстиями. Запускается вакуумный насос, открывается заслонка ресивера, и производятся последующие операции.

2.2.7 Формовка верхней и нижней опок
Формовка нижней полуформы 
•‎ На подмодельную плиту с отверстиями устанавливается модель отливки и модели литниково-питающей системы (в нижней полуформе это питатели), а также окантовочную рамку. 
•‎ Пленка закрепляется на рамке и нагревается за счет инфракрасного излучателя. Относительное удлинение можно наблюдать по прогибу плёнки в центре. 
•‎ Пленку накладывают на модель при открытом вакуум-проводе к подмодельной плите (рис. 2.11). За счет разности давлений; атмосферного снаружи иразрежения, создаваемого под пленкой, происходит наложение пленки и огибание всех полостей и уступов модели.

Рисунок 2.11  Наложение пленки на модель.

•‎ Пленку покрывают антипригарной краской с помощью кисти. 
•‎ На окантовочную рамку устанавливают нижнюю опоку. Производится засыпка песка и его уплотнение посредством включения вибростола. 
•‎ Излишки песка снимают линейкой и накрывают слоем пленки при подключенном вакуум-проводе к патрубку нижней опоки. Таким образом, песок набирает прочность и изолируется от окружающей среды. Для предотвращения подсасывания воздуха, края пленки обматывают скотчем. Отключают вакуум от подмодельной плиты, полуформу с моделью поднимают и переворачивают.

Формовка верхней полуформы 
•‎ На нижнюю полуформу с нижней половиной модели устанавливают верхнюю половину модели, а также элементы ЛПС (в верхней полуформе располагаются шлакоуловитель, стояк и выпор). Модели ЛПС могут быть изготовлены из древесины или модельного пластика, однако в данном случае ЛПС была выполнена частично из пенополиуретана. По контуру выкладывается рамка, на которую впоследствии устанавливается верхняя опока (рис. 2.12).

Рисунок 2.12  Оформление элементов ЛПС перед формовкой верхней полуформы. 

•‎ Чтобы пленка облегала модели, необходимо сделать наколы в пленке нижней полуформы, тогда через нижнюю полуформу будет откачиваться воздух из верхней. 
•‎ Нагрев пленки и наложение на модели. 
•‎ Покрытие пленки антипригарной краской. Краска наносится кистью. 
•‎ Засыпка песком (рис. 2.13) и виброуплотнение с помощью вибростола.

Рисунок 2.13  Засыпка песка в верхнюю опоку.

•‎ Излишки песка снимают линейкой и кладут пленку на контрлад формы при подключенном вакуум-проводе к верхней опоке. 
•‎ Пропаивание паяльником отверстий для стояка и выпора и их извлечение из формы.

Рисунок 2.14  Полуформа с моделями.

2.2.8 Извлечение моделей и сборка полуформ
Формы разбирают, извлекают модели отливки и модели элементов литниково-питающей системы (рис. 2.15).

Рисунок 2.15  Разобранная полуформа с извлеченными моделями.
Затем полуформы обдувают сжатым воздухом для удаления возможного песка и пыли, и собирают (рис. 2.16). На формы устанавливают груз (рис. 2.17).

Рисунок 2.16  Подготовка форм.

Рисунок 2.17  Форма, подготовленная к заливке.

2.2.9 Плавка и заливка металла 
Для получения отливки выбран алюминиевый сплав марки: АК7ч. 
Он обладает отличными литейными характеристиками, стоек к возникновению коррозии, достаточно низкую хрупкость и широко применяется в автомобильной промышленности и других сферах, т.е. широко распространен в производстве. 
Объем отливки (по 3д модели): 372 см3 
Объем литниково-питающей системы: 252 см3 
Масса отливки составляет 1,07 кг. Масса литниково-питающей системы для лабораторных условий, где в опоку помещается одна отливка, составляет 40% от общей массы. Общая масса металла в форме составляет 1,7 кг. 

Для плавки металла используется индукционно-тигельная печь. Форма в процессе заливки всё также находится подключенной к системе вакуумирования. 
Плавка осуществляется с доведением температуры сплава до 700?C. Форма перед заливкой имеет комнатную температуру. 
После расплавления всей шихты и доведения ее до определенного химического состава расплав тщательно перемешивают и снимают шлак. 
Поступление металла в форму осуществляется свободной заливкой. 

Расчет шихты для плавки алюминиевого сплава АК7ч был проведен в программе «Шихта». Исходные данные представлены в таблице 2.5, 2.6. 

Марка сплава: АК7ч 
Плавильный агрегат: ИТП 
Футеровка: Кислая 

Таблица 2.5. Контролируемые элементы в шихте.

Таблица 2.6. Список компонентов шихты и ограничений по их содержанию.

 ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ ДЛЯ РАСЧЕТА

   Количество компонентов шихты   4 
   Количество ограничений типа " >= " 2
   Количество ограничений типа " = " 2
   Количество ограничений типа " <= " 2

 ОГРАНИЧЕНИЯ

1-е условие типа " >= " 7 * x1 + 0,25 * x2 + 53 * x3 + 0 * x4 >= 6; 
2-е условие типа " >= " 0,3 * x1 + 0,05 * x2 + 0 * x3 + 10 * x4 >= 0,25;

1-е условие типа " = " 1 * x1 + 1 * x2 + 1 * x3 + 1 * x4   = 1; 
2-е условие типа " = " 1 * x1 + 0 * x2 + 0 * x3 + 0 * x4   = 0,4;

1-е условие типа " <= " 7 * x1 + 0,25 * x2 + 53 * x3 + 0 * x4 <= 8; 
2-е условие типа " <= " 0,3 * x1 + 0,05 * x2 + 0 * x3 + 10 * x4 <= 0,45; 
         Ц= 0 * x1 + 120000 * x2 + 250000 * x3 + 200000 * x4

 РЕШЕНИЕ 
 Переменные           Содержание компонентов шихты 
                                      (в долях)                   (в %) 
     X1                             0,4                               40 
     X2                             0,53179                       53,179 
     X3                             0,057869                     5,7869 
     X4                             0,010341                     1,0341  
  Минимальное значение функции цели: 80350,24р. – стоимость 
компонентов шихты для плавки 1 тонны сплава АК7ч 

 ПРОВЕРКА 
  Проверка ограничений с вычисленными значениями X 
               6             >=        6
               0,25        >=        0,25
               1             =          1
               0,4          =          0,4
               6             <=        8
               0,25        <=        0,45

2.2.10. Охлаждение отливки в форме и выбивка 
Время охлаждения отливки с момента заливки до выбивки представлено в расчете:

Расчет времени охлаждения отливки до температуры выбивки

Расчет времени выбивки

2.2.11. Очистка отливки от пригара 
После выбивки отливка очищается металлической щеткой. Затем для очистки от оставшихся включений используют пескоструйную обработку.

2.2.12. Механическая обработка отливок 
С помощью ленточнопильного станка (или ножовки) отливка отделяется от элементов литниково-питающей системы. 
Механическая обработка отливок подразумевает обработку поверхностей, контактирующих со стеной и полкой. Также необходима шлифовка элементов, которые несут декоративную нагрузку.  
Торцы отливки обрабатываются на фрезерном станке (рис. 2.18). Это необходимо для соблюдения геометрии контактирующих поверхностей будущего изделия. Далее неровные участки обрабатываются бормашиной с грубой насадкой. Затем отливка обрабатывается на шлифовально-полировальном станке.

Рисунок 2.18. Фрезерование торцов отливки на фрезерном станке.

Рисунок 2.19. Обработанная отливка.  

Вывод по разделу
В этом разделе обоснован выбор технологии литья по методу вакуумно-пленочной формовки и разработан технологический процесс изготовления кронштейна “Готика”. Выполнены необходимые чертежи и технологические расчёты.