Одним из главных направлений научно-технического прогресса в индустриально развитых странах мира является быстрое обновление изделий народного потребления и средств производства, что обуславливает необходимость резкого сокращения сроков подготовки производства. Условия технического прогресса вынуждают к коренным переменам предприятия, которые вынуждены обновлять как оборудование, так и программное обеспечение [1-6], т.е. к автоматизации современного предприятия, а также, коренным образом, изменению мышления инженерно-технических специалистов, направляя круг их знаний на адаптацию новых технологий к традиционным, умению отходить от стереотипов традиционных технологических процессов и конструкций литейной оснастки, которые раньше создавались исходя из условий и оборудования имеющихся на конкретно взятом предприятии.

Однако, внедрение в производство новых технологий не мыслимо без использования неоценимо уникальной, накопленной в процессе отработки традиционных технологий, поэтому решение проблемы получения качественных отливок путем адаптации новых технологий к традиционным является актуальным не только на настоящее время.

Технология быстрого прототипирования – это послойное построение физической модели (прототипа) в соответствии с геометрией CAD-модели.

Основное отличие этой технологии от традиционных методов изготовления моделей в том, что модель создается не отделением «лишнего» материала от заготовки, а послойным наращиванием материа­ла, составляющего модель, включая входящие в нее внутренние и даже подвижные части [7, 8]. Технологии, предоставляющие такие уникальные возможности, были сразу востребованы и взяты на вооружение многими промышленными предприятиями Украины. Применение технологий быстрого прототипирования обеспечило предприятиям значительную экономию времени и денежных средств, затрачиваемых на подготовку производства для освоения новых изделий, позволив существенно сократить сроки и стоимость дизайнерских и конструкторских работ по изготовлению технологической оснастки, а также повысить качество выпускаемой продукции.

Качество литейной продукции существенно зависит от технологичности оснастки, которая используется при изготовлении песчаных и металлических форм. Вместе с тем известно, что существующие технологии получения такой оснастки предусматривают использование алюминиевых сплавов, легированных сталей, чугунов таких, например марок как: СЧ-15; СЧ- 20; ВЧ, а также сложной механической обработки, которая предусматривает долговременный цикл ее получения.

Известно, что выбор литейного сплава при конструировании литых деталей, предназначенных для работы в заданных условиях, определяется служебными (механическими, физическими, химическими и т. д.) и технологическими (литейными, обрабатываемостью) свойствами, а так же стоимостью. Для изготовления литых деталей применяют: чугун (серый, модифицированный, высокопрочный, ковкий, легированный), сталь (углеродистую, легированную), медные, алюминиевые, магниевые, цинковые, свинцовые, оловянные и никелевые сплавы. При конструировании литых деталей необходимо учитывать, что механиче­ские свойства металла могут быть неодинаковыми в различных по толщине сечениях отливки и даже по сечению (в центре и на периферии), а так же в верхних и нижних частях отливки. Это особенно характерно для чугуна, у которого механические свойства в зна­чительной степени определяются скоростью охлаж­дения отливки в форме, и поэтому детали с различной толщиной стенок характеризуются различными ме­ханическими свойствами. Поэтому нельзя применять одни и те же формулы для расчетов сечений отливок из различных металлов и сплавов. Также необходимо учитывать, что металл при затвердевании приобрета­ет различное кристаллическое строение (различную форму, величину и расположение зерен), зависящие от толщины сечения отливки, условий заливки и ох­лаждения. Кристаллическое строение определяет, в свою очередь, механические свойства литого изделия. Механические и иные свойства литой детали в зна­чительной степени могут быть изменены термической обработкой. При охлаждении отливки происходит ме­ханическое и термическое торможение усадки. Меха­ническое торможение возникает вследствие трения между отливкой и формой. Термическое торможение обусловлено различными скоростями охлаждения от­дельных частей отливки. Сложные по конфигурации отливки подвергаются совместному воздействию ме­ханического и термического торможения [9].

Это достаточно не полный перечень причин возникновения, как дефектов литейной оснастки так и от­ливок. Подбор материала для литейной оснастки был всегда вопросом поиска литейщиков, стремящихся достичь определенных как качеств отливаемых изде­лий, так и регулирования процессов их достижения. Поэтому постоянно ведутся исследовательские рабо­ты по поиску материалов, применяемых для литейной оснастки, а также создание технологических усло­вий и конструктивных решений по технологичности металлической оснастки. В настоящее время прихо­дится констатировать, что стойкость дорогостоящих кокилей, из-за трудоемкости изготовления, для литья чугуна и стали является еще низкой. Именно это сдер­живает более широкое применение прогрессивного кокильного литья в промышленности, поэтому во­прос по изысканию более термостойких материалов для кокилей, как впрочем, и для прессформ литья под давлением является актуальным как у нас в стране, так и за рубежом.

Поэтому внедрение новых технологий в литейное производство является постоянно актуальным вопро­сом.

Так, внедрение в литейное производство, а именно в процесс изготовления литейной оснастки с исполь­зованием технологий быстрого прототипирования и применяемых ими композитных материалов, позволяет со­кратить не только срок изготовления литейной оснаст­ки со сложными формообразующими поверхностями, но и получать качественные отливки.

Применение составной оснастки, а именно оснаст­ки, состоящей не только из разных частей, но частей изготовленных из разных материалов, дает основание утверждать о правильности выбора пути по поис­ку перспективных материалов. Поэтому приходим к выводу, что дальнейшее рассмотрение вопроса со­вместимости материалов в составной металлической оснастке, применительно к новым технологиям бы­строго прототипирования, необходимо вести как в на­правлении для литья цветных сплавов, так и подбора технологичного материала для металлической оснаст­ки, предназначенной для получения выплавляемых и выжигаемых моделей. Под технологичной металли­ческой оснасткой понимается подбор свойств исполь­зуемого материала, способствующих выполнению, рассмотренных выше, требований, предъявляемых к получаемым отливкам как по размерной точности, по плотности, по шероховатости поверхности, а также к устранению или созданию факторов, влияющих на конечный продукт.

Используя компьютерное моделирование запол­нения формы с разными материалами составляющих чугунного кокиля в программном пакете Solid Cast, представленное на рис.1 (а, б, в, г, д), можно наблюдать визуально качество получаемых отливок.

Заданное время заполнения форм t = 6мин.

Результаты компьютерного моделирования можно представить в виде графика сравнительных кривых кристаллизации алюминиевого сплава в составном чугунном кокиле со вставками из предлагаемого КМ различной теплопроводности и из чугуна, характе­ризующих температуропроводность исследуемых материалов формы и изображенных на рис. 2.

Существующие проблемы сроков изготовления литейной оснастки, имеющей сложную формообразующую поверхность, достаточно успешно решают технологии быстрого прототипирования.

Проектирование 3D-моделей литейной оснастки предварительно производится в программном паке­те какой-либо программы моделирования, например SolidWorks.

После прочитанных программой установки по­строения предоставленных данных производится «вы­ращивание» заданного изделия.

После построения изделия подвергаются слесар­ной обработке.

На рис.3, рис.4, рис.5 показана действующая ос­настка, изготовленная из полиамидного порошкового материала первые две и композитного материала, со­стоящего из 60% стального легированного порошка и 40% бронзы последняя.

Имеющаяся, желательно, на вооружении произ­водства мерительная цифровая установка, например «Имметрик», позволяет замерить и визуально наблюдать отклонения, полученные в результате изготовле­ния заданного изделия, что можно наблюдать на рис.6 (а, б).

Рис. 1. (а, б, в, г, д) Результаты компьютерного моделирования литейной оснастки со вставками из различных материа-
лов, соответственно: СЧ15-35; КМ 40% бронзы; КМ 30% бронзы; КМ 20% бронзы; КМ 10% бронзы

Рис. 6. (а, б) Замеры литейной оснастки, приведенной на рис. 5

Итак, можно констатировать, что для приближе­ния к решению задачи по существенному снижению трудоемкости изготовления литейной оснастки, ис- пользование возможностей и материалов технологий быстрого прототипирования, в настоящее время явля­ются одними из перспективных в области изготовле­ния высокотехнологичной литейной оснастки. Произ­водственные испытания показали высокую стойкость полученной оснастки.

Вышеприведенные проблемы металлической ос­настки и отливок решаются путем внедрения техно­логий быстрого прототипирования с адаптацией их к имеющимся традиционным технологическим про­цессам. Их применение обеспечит не только внедрение новых эффективных материалов, но и введение новых способов изготовления литейной оснастки, что явля­ется на сегодняшний день актуальным.

Автор: Т. Л . Тринева