Введение
Конкурентоспособность
отечественного
производства
связана
с
технологическим использованием науки, внедрением ресурсосберегающих
процессов и оборудования. В литейном производстве расширяется применение
литья по газифицируемым моделям (ЛГМ, Lost Foam Casting) как одного из
наиболее перспективных способов получения точных отливок. Компания
постоянно совершенствует эту технологию, в составе которой важное место
занимает процесс получения разовых моделей из пенополистирола (ППС), для
чего необходимы высокопроизводительные конструкции модельных установок,
способствующие переводу ЛГМ на конвейерные технологии, а также
облегчающие ручной труд при мелкосерийном производстве.
В настоящее время для получения разовых и мелкосерийных отливок по
ЛГМ-процессу применяют как способы вырезания моделей из блочного ППС
нагретой проволокой, либо на фрезеровальнных станках с ЧПУ, так и для
серийного и массового производства - спекание моделей в пресс-формах в
камерах автоклавов, либо на модельных полуавтоматах.
1. Оборудование для изготовления моделей из ППМ
Практически со времени создания ЛГМ-процесса основным способом
производства моделей является получение их в пресс-формах с использованием
камерных автоклавов, сконструированных прежде всего для применения в
медицине. В таких автоклавах также изготавливают декоративные накладки из
ППС для интерьеров помещений и др. фасонные изделия. Получение в
традиционных камерных автоклавах моделей различных размеров требует
наличия нескольких единиц этого оборудования с камерами объемом от 100 до
700 литров в зависимости от габаритов пресс-форм. Неравномерная загрузка
установленных в литейных цехах автоклавов нескольких типоразмеров в
зависимости от изменения рыночной конъюнктуры на отливки, а также
непроизводительная затрата теплоносителя при выпуске пара в окружающее
пространство цеха при открывании - закрывании двери камеры увеличивает
энергопотери и стоимость оборудования. Кроме несоответствия объема прессформы и камеры, к недостаткам серийных автоклавов относится необходимость
установки рядом с ними ванны охлаждения пресс-форм. Все это приводит к
удорожанию ППС модели.
Учитывая отмеченные недостатки ныне используемого оборудования,
специалистами компании разработана конструкция туннельного проходного
автоклава для изготовления в пресс-формах моделей для ЛГМ-процесса,
упаковочных элементов и др. изделий из ППС (рис. 2). С целью уменьшения
энергозатрат на нагрев теплоносителя - пара предложенная конструкция
автоклава позволяет изменять объем камеры спекания в зависимости от размеров
используемых пресс-форм, а также оставшийся несконденсированный пар как
теплоноситель эжектировать в камеру предварительного нагрева пресс-форм.
Конденсат и остатки пара из камеры откачиваются в приемник парогенератора.
Пресс-форма после спекания единой транспортной системой подается в
камеру охлаждения. Использованная вода попадает в систему водооборота.
Камеры I и III служат своеобразными шлюзами для центральной камеры II для
уменьшения выхода пара в атмосферу цеха. Между собой камеры разделены
шиберными заслонками с пневмоприводами, а подвижный свод (потолок)
камеры спекания имеет привод опускания – подъема винтового типа.
Перемещением свода камеры можно плавно уменьшить нагревательную камеру
II в 4 раза. Распылители камеры охлаждения расположены в потолочной,
боковых и нижних стенках для эффективного использования охладителя —
воды.
Транспортная система рольгангового типа позволяет устанавливать на поток
пресс-формы различных размеров и количества. Установка может быть
укомплектована собственным источником сжатого воздуха (компрессором) или
подключаться
к
цеховым
источникам
сжатого
воздуха.
Рисунок 1. Автоклав туннельный модельный.
Камеры автоклава: I - предварительного прогрева; II - спекания; III охлаждения. Элементы автоклава: 1 - привод транспортной системы; 2 –
рольганг; 3 – шибер;
4 – парогенератор; 5 – рекуператор; 6 - подвижной свод; 7 - привод свода; 8 –
охладители; 9 - система водооборота; 10 – каркас.
Ролики транспортной системы приводятся в движение (раздельно или
совместно) цепной передачей. Распылители, расположенные на 4-х стенках
камеры III, выполнены поворотными с целью управления потоками распыляемой
воды в различных направлениях с учетом конструкций используемых прессформ. Габаритные размеры установки (длина – ширина - высота)
4000×1500×2400 мм. Энергопотребление – до 40 кВт·ч. Максимальные размеры
используемых пресс-форм 1150×1150×650 мм.
Разработанная конструкция автоклава по производительности занимает
промежуточное положение между серийными камерными автоклавами и
модельными пресс-автоматами. Она легко встраивается в конвейерные линии
изготовления моделей, практически сможет заменить два камерных автоклава
различной емкости при снижении выбросов пара в атмосферу цеха
одновременно с экономией энергии. Она также позволяет снизить затраты
ручного труда автоматизацией процесса охлаждения пресс-форм и их
перемещения (последнее может быть усилено дополнительной комплектацией
рольгангом возврата опустошенных пресс-форм на позицию заполнения их
ППС). Сравнение технических характеристик модельного оборудования
представлено в таблице 1.
Парогенераторы электродные (электропарогенераторы ЭПГ) применяются
для производства водяного насыщенного пара (от 10 до 1500 кг в час)
избыточным давлением от 0,01 МПа до 0,8 МПа (0,1-8,0 кг/см²) и температурой
от 105 С° до 180 С° для технологических целей. Электропарогенератор ЭПГ
поставляется в виде единого моноблока максимальной заводской готовности,
выполнены все гидравлические и электрические подключения в границах блока.
Электропарогенератор ЭПГ полностью собирается и тестируется на заводе
изготовителя и требует только три подключения на месте установки: к
водопроводу,
паропроводу,
электросети.
Электропарогенератор
ЭПГ
предназначен для прямой подачи пара на обьект и при наличии у потребителя
системы центрального водоснабжения. Поставляется в комплекте с ресивером на
500 литров. Не подлежит регистрации в органах Гостехнадзора (объем котла
менее 25 литров).
Рисунок 2. Парогенератор.
Модельный автомат - предназначен для изготовления крупных и средних по
размеру пенополистирольных моделей методом вторичного вспенивания в
алюминиевой пресс-форме. Пресс-форма выглядит как короб с рубашкой. В этом
коробе происходит поочередная подача пара, воды охлаждения и сжатого
воздуха. Крепление пресс-формы осуществляется на плитах автомата, после чего
она готова к работе. Управление всеми узлами автомата осуществляет
программируемый логический контроллер (PLC). Интервалы времени вводятся в
память PLC через сенсорный дисплей. При подаче предвспененных гранул
полистирола в полость пресс-формы происходит автоматический запуск подачи
пара в рубашку формы. Тепло пара передается гранулам полистирола,
происходит вторичное вспенивание и формирование модели, заполняются
пустоты между гранулами, благодаря их частичному разбуханию. Благодаря
заданным параметрам нагрева, подача пара отключается и в рубашку подается
холодная вода охлаждения. Вода останавливает вторичное вспенивание,
охлаждает пресс-форму, предупреждая оплавление полистирольной модели.
Горячая вода уходит в канализацию или в систему охлаждения. По окончании
заданного времени подача воды отключается, модельный автомат раскрывает
пресс-форму и оператор убирает модель из рабочей области.
Рисунок 3. Модельный автомат.
2. Описание общего устройства полуавтомата ПМ-5М и ПМ-2К.
В серийном производстве моделей из ППС для ЛГМ используются машины
производства компаний ФРГ, Южной Кореи, КНР и полуавтомат ПМ-5М,
разработанный ранее во ФТИМС НАН Украины для пресс-форм с габаритными
размерами 600x400x120/1300 мм (длина x ширина x наименьшее / наименьшее
расстояние между плитами, здесь и для ПМ-2К). Модельный полуавтомат типа
ПМ–5М используют в производстве широкой гаммы изделий из суспензионного
вспенивающегося ППС методом «теплового удара». Некоторые модели
полуавтоматов имеют встроенные парогенераторы и вакуумные системы,
соответственно – повышенную стоимость. У незначительного количества
предприятий, использующих ЛГМ-процесс, имеются котельные, позволяющие
обеспечивать полуавтоматы паром с необходимыми параметрами, а вакуумных
станций почти нигде нет.
Установка в цехе ЛГМ полуавтоматов ПМ-5М, либо импортных, без
парогенератора и вакуумной системы требует дополнительного их
приобретения, что по затратам сравнимо со стоимостью полуавтоматов. Это
приводит к увеличению капитальных вложений, производственных площадей и
обслуживающего персонала. Парогенераторы отечественного производства
достаточно энергозатратны, их устанавливают рядом с полуавтоматом и
тщательно теплоизолируют паропроводы. При установке их далее 10 м
обеспечить сухим паром полуавтомат проблематично, что ведет к
нестабильному качеству ППС моделей. Практика эксплуатации таких
комплексов показала очевидную экономическую выгодность полуавтоматов со
встроенными парогенератором и вакуумной системой при оптимальном качестве
производимых моделей.
При разработке КД на полуавтомат ПМ-2К для пресс-форм с габаритными
размерами 800x500x380/1480 мм конструкторы учли опыт эксплуатации
полуавтомата ПМ-5М и автоклавов ГП-100, ГП-400, парогенераторов АВПЭ(Э)
завода "НПП Электротепломаш", г. Днепропетровск. Конструкция ПМ-2К
экономична из-за отсутствия внешнего парогенератора и теплоизолированного
паропровода. Встроенный вакуумный пластинчатый насос производительностью
1,0 м3/мин. с вакуумным аккумулятором объемом 0,7 м3 обеспечивает
полуавтомату 25-30 съемов моделей в час, а установка вибратора в бункере
подвспененного ППС - равномерную подачу гранул в пресс-формы. Управление
ПМ-2К - программируемым контроллером фирмы "Siemens", пневмоаппаратура
и датчики такие же, как и на ПМ-5М. Из-за расположения котла парогенератора
(мощностью Nуст.=32 кВт; Р=0,15 МПа) рядом с пресс-формой пар остается
сухим без излишних паропроводов. Максимальное давление пара достигает 0,2
МПа, температура - +130 °С, производительность - 50 кг пара в час,
энергопотребление - менее 50 квт.ч. Рекуператор пара не предусмотрен,
учитывая сложность и стоимость установки. Сравнение технических
характеристик модельного оборудования представлено в таблице.
Совершенствование оборудования для получения фасонных изделий из ППС,
включая модели для ЛГМ-процесса, гибко ориентируется на существующие
потребности с учетом серийности и возрастания размеров оснастки для
получения этих изделий (укрупнение оснастки позволяет делать ее
многоместной для мелких изделий). Предложенная новая конструкция
полуавтомата позволяет получать более крупные модели, автономна и
экономична по энергопотреблению, имеет повышенную производительность по
сравнению с отечественными аналогами. На рис. 2, показаны примеры моделей,
полученные специалистами научно-технической школы под рук. Проф.
Шинского О.И. с использованием полуавтоматов отечественного производства.
Рисунок 1. Полуавтомат модельный ПМ-2К
1-станина; 2 - блок управления полуавтоматом; 3 - пульт управления
парогенератором; 4 - пульт управления вакуумной системой; 5 - главный
цилиндр O 200; 6 - пульт воздушной системы (Р=1 МПа); 7 - парогенератор
(Р=0,15 МПа, Т >=130 °С); 8 - вакуумная машина с ресивером; 9 - блок
подвода сжатого воздуха, воды; 10 - система отвода воды и пара; 11 подвижная плита; 12 - неподвижная плита; 13 - задувочное устройство (2-6
шт.); 14 - бункер подвспененного полистирола; 15 - вибратор загрузки; 16 запорное устройство; 17 - поддон.
Таблица 1. Сравнительные характеристики модельного оборудования
Характеристики
1.
Производительнос
ть1, цикл/час
2.
Энергопотреблени
е2, кВт·ч
3. Соотношение
стоимости
оборудования
(базовая – ГК-100)
4.
Время
переналадки
на
пр-во
др.
типоразмеров
моделей, час.
5. Соотношение
стоимости прессформ3 (базовая ГК-100)
6.
Занимаемая
площадь4, м2
Автокл
ав ГК100
5,25
Автокл
ав ГК400
5,25
Полуавто
мат ПМ5М
15,25
Полуавто
мат ПМ2К
25-30
16
30
»110
<50
1
2,3,2,6
7,10
10,12
0
0
8,12
8,12
1
1,3
3,5
4,5
6
8
35,40
10
Полуавтомат обеспечивает выполнение технологических
следующем цикловом, полуавтоматическом режиме:
операций
в

сборка пресс-формы,

нагрев пресс-формы,

задув подвспененных гранул полистирола в пресс-форму,

вакууммирование пресс-формы,

спекание изделия,

охлаждение пресс-формы,

разборка пресс-формы,

выталкивание изделия из пресс-формы на транспортное устройство
полуавтомата,

продувка пресс-формы воздухом.
3. Расчет пневмоцилиндров.
При расчете определяют следующие параметры: диаметр цилиндра D,
диаметр штока Dш, величину хода s, количество воздуха, потребляемого за один
цикл работы, и время срабатывания.
При
выполнении расчета должны быть учтены следующие величины: Рр – полезная
нагрузка - 160 Н (кгс); рм – избыточное давление в сети 0,15МПа.
Эффективную площадь поршня Рэ, на которую должен действовать
сжатый воздух, определяют по формуле:
𝐹э =
𝑃𝑃
160 𝐻
=
= 0,001м2 .
𝐻
𝑝м 𝜂 150000
∗ 0,6
м2
где  – коэффициент, учитывающий трение, необходимый запас по нагрузке,
условия быстрого преодоления инерционных сил ( = 0,6…0,7). Диаметр
цилиндра рассчитывают по следующим формулам: при подаче сжатого воздуха в
нештоковую полость
4𝐹э
4 ∗ 0,001м2
𝐷=√
= √
= 0,3м = 300мм.
𝜋
3,14
𝐷
У нормализованных цилиндров отношение ш = 0.2 ÷ 0.25.
𝐷
По полученным значениям диаметра выбирают нормализованный
пневмоцилиндр. Если не окажется цилиндра с расчетным Пневмопривод 133
значением диаметра, то выбирают цилиндр с ближайшим большим диаметром.
При проектировании цилиндра оригинальной конструкции необходимо
выбирать диаметры цилиндра и штока в соответствии с нормалью МН 1250. –
60, которая устанавливает следующий ряд диаметров в м: 0,020; 0,025; 0,030;
0,040; 0,050; 0,060; 0,075; 0,100; 0,125; 0,150; 0,200; 0,250; 0,300; 0,400; 0,500;
0,600. Величину хода цилиндров находят по величине хода приводимого
механизма, а диаметр пропускного сечения подводящих труб dв из отношения:
𝑑в
= 0.005 ÷ 0.01.
𝐷
Объемный расход свободного воздуха определяют по формуле:
𝑝𝑚 + 𝑝𝑎
)(𝑉 + 𝑉в + 𝑉0 )
𝑝𝑎
где V и Vв – соответственно объем нештоковой и штоковой полостей в м 3 ;
V0 – объем вредного пространства обоих полостей, составляющий около
15% от (V+Vв), в м 3 ;
ра – атмосферное давление в Н/м2 .
𝑊=(
4. Указания по безопасной работе
При изготовлении отливок JIFM следует руководствоваться «Санитарными
правилами по устройству, оборудованию и эксплуатации цехов производства
литья по пенополистироловым моделям», утвержденными Минздравом СССР
10.05.1979 г.
В процессе освоения JITM следует выполнять следующие дополнительные
рекомендации:
• естественное и искусственное освещение рабочих мест при изготовлении
моделей, их сборке из отдельных элементов и с литниковой системой в
модельные блоки должно удовлетворять требованиям «Санитарных норм
проектирования промышленных предприятий» (СН-245-71);
• хранение пенополистирола должно осуществляется в изолированном
помещении и в закрытой таре при температуре не выше 20 0C на расстоянии не
менее 1,5 м от источников тепловыделения;
• при переработке пенополистирола необходимо предусмотреть ее
механизацию; в местах загрузки, транспортировки и выгрузки сырья и готового
продукта необходимо предусмотреть устройства, исключающие загрязнение
воздуха производственных помещений пылью;
• оборудование в цехе должно быть размещено с учетом обеспечения
направленных непересекающихся грузопотоков материалов и полуфабрикатов
(моделей, модельных блоков и др.) внутри цеха;
• при использовании оборудования, передающего вибрацию, должна
осуществляться виброизоляция, обеспечивающая на рабочем месте нормальные
условия и предельно допустимые величины вибрации;
• для уменьшения шума, производимого сжатым воздухом при изготовлении
моделей на автоматических установках, а также шума, возникающего при работе
привода пресс-форм, должна предусматриваться возможность выведения
выхлопов отработанного воздуха за пределы цеха;
• в помещениях, где установлено оборудование для просева гранул
полистирола, подвспенивания полистирола, изготовления моделей автоклавным
и машинным способами производства, приготовления противопригарного
покрытия, формовки модельных блоков в сухом кварцевом песке, должна быть
установлена местная вытяжная вентиляция (скорость удаляемого воздуха 0,7-1,2
м/с);
• для удаления конденсата продуктов термодеструкции модели, сажи и пыли
из кварцевого песка необходимо применять термическую регенерацию
отработанного песка при температуре 600-650 0C;
• для нейтрализации газообразных продуктов термической деструкции
модели, которые образуются при заливке формы металлом, необходимо в
условиях серийного производства отливок вакуумировать формы в процессе
заливки и охлаждения, а отсасываемые газы направлять в установку термической регенерации песка или применять установки каталитического дожигания
газов;
• в единичном производстве крупных отливок следует применять боковые
отсосы или зонты, при этом газы, выделяющиеся из формы во время ее заливки
металлом, следует поджигать.
При выполнении вышеуказанных правил техники безопасности, а также
соблюдении общепринятых норм санитарно-гигиенических условий труда в
литейных цехах обеспечивается высокая культура производства и экологическая
чистота технологического процесса ЛГМ.
Список литературы
1. Шуляк В. С. Литьё по газифицируемым моделям. - СПб.: НПО
«Профессионал», 2007.
2. http://uas.su/books/spesialmethodsforcasting/71/razdel71.phр.
3. Сиротинский П.С. Литьё в форму с газифицируемыми моделями //
Литейное производство. 1964. - № 3. - С. 17-18.
4. Шуляк B.C. Состояние литья по газифицируемым моделям за рубежом //
Литейное производство. 1991. - № 1. - С. 21-23.