В.С. Дорошенко, Киев

Сегодня именно в науке усматривают путь спасения национальной экономики от последствий глобального кризиса. Президент Украины В. Ющенко на международном инвестиционном саммите в октябре 2008 в Донецке заявил, что государство намерено переориентировать отечественные экспортно-ориентированные отрасли на внутренний рынок, поставив задачу формирования еффективного спроса на внутреннем рынке на продукцию металлургии. Строительство и машиностроение как потребители металла – это сейчас те две отрасли, которые определяют развитие страны и которые остро нуждаются во внедрении наукоемких, металлоемких, энергосберегающих технологий. На саммите наибольшую популярность имели именно такие проекты в области инновационных технологий.
Отечественные металлообработка и машиностроение в условиях системной интеграции в мировую экономику нашей страны, как полноправного члена ВТО, с появлением избытка недорогого металла получают дополнительный стимул перехода от неглубокой переработки и экспорта изделий металлургии к выпуску наукоемкой продукции (машин, механизмов, станков, приборов и инструмента). Это позволит реализовать то преимущество, что Украина относится к немногочисленным странам с замкнутым металлургическим циклом производства металлов из собственных руд. Отечественные ученые, в частности в области литейного производства, обладают технологиями, относящимися к наукоемким высоким технологиям, которые вопреки сложившемуся стереотипу свидетельствуют, что высокие технологии - это не обязательно сложные малодоступные процессы. Одна из таких технологий описана в этой статье.
В современном машиностроении Украины при появлении за годы независимости на месте крупных производств множества некрупных самостоятельных предприятий при характерных для них малосерийностью и многономенклатурностью продукции гибкость технологии литейного производства в сочетании с невысокими капитальными затратами на внедрение и высокой точностью выпускаемых заготовок является решающим фактором. Этим параметрам наиболее соответствует технология литья по газифицируемым моделям (ЛГМ) из пенополистирола. Мировая практика свидетельствует о постоянном росте производства отливок этим способом, которое достигло 1,5 млн. т/год, в одном КНР работает до 1,5 тыс. таких участков.
В институте ФТИМС НАНУ под руководством проф. Шинского О.И. на базе разработанных научных основ производится совершенствование технологии ЛГМ, новизна технических решений в содержании которой подтверждена более 50 патентами, что говорит о лидирующих позициях института по этой позиции. ФТИМС поставляет заказчикам технологическое оборудование литейных цехов для единичного, серийного и массового производства отливок из черных и цветных сплавов способом ЛГМ мощностью 100 - 5000 т/год.
На действующем опытно-промышленном литейном цехе института, базирующемся на ЛГМ-процессе и служащим демонстрационной базой, где это оборудование проходит отладку и модернизацию до уровня лучших зарубежных аналогов, выпускается до 50 т в месяц отливок из черных и цветных металлов. При проектировании литейных участков и цехов конструкторы института на планировке помещений и в соответствии инвестиционными возможностями завода-заказчика выполняют расстановку оборудование и компоновку его в разных производственных вариантах: от единичного и ремонтного - до серийного производства отливок. Часто модельное производство (поскольку модели очень легковесные с плотностью 25 кг/м3) выносится на второй этаж помещения цеха, а система оборотного транспортирования, подготовки и складирования сухого песка выносится на открытый воздух с внешней стороны литейного цеха и состоит преимущественно из проходного оборудования и системы бункеров-трубопроводов, изготовленных из листового металла. Такое вынесение оборудования пескооборота экономит площадь цеха, а в сочетании с отсосом газов из форм, подключаемых к вакуумному насосу на период заливки-затвердевания отливки, улучшает санитарно-гигиенические условия труда и в целом способствует повышению культуры производства.
Технологическая целесообразность применения ЛГМ, взамен устаревших технологических процессов, бесспорна и описана исчерпывающе [1,2]. Коротко остановимся лишь на некоторых характерных показателях. Стабильность размеров модели, отсутствие разъема формы и постоянство технологических параметров позволяют поднять точность отливок до уровня, равного точности отливок по выплавляемым моделям (ЛВМ). В полость формы, заполненную пенополистиролом, не могут попасть инородные включения, что обеспечивает уменьшение количества засоров. По шероховатости поверхности, определяемой во многом шероховатостью поверхности формы, отливки соответствуют отливкам по ЛВМ. Объясняется это тем, что в обоих случаях противопригарную краску или покрытие наносят на модель, а не на поверхность формы, исключается применение стержней и сборки формы. Развес полученных отливок по ЛГМ-процессу говорит сам за себя: от 0,1 кг до отливок весом в несколько тонн практически без ограничений по маркам сплавов и геометрии отливок.
В ЛГМ-процессе получить модель отливки означает уже наполовину получить отливку, остановимся на этом подробнее с учетом современных тенденций. Сегодня производства высокоточных пространственных (трехмерных) изделий, моделей, форм, мастер-моделей из алюминия, дерева, МДФ, макетных пластиков и пр. связаны со стремительным развитием компьютерной техники, программного обеспечения, цифровой передачи данных, а также усовершенствованием систем приводов обрабатывающих станков (применение серводвигателей с обратной связью). Это сделало доступным для производственников автоматизированное оборудование с числовым программным управлением. Системы ЧПУ вытесняют любые другие системы управления, как на крупных автоматизированных производствах, так и на совсем небольших, очень гибких универсальных производствах (макетно-модельное, инструментальное, сувенирно-рекламное, ремонтное). Таким оборудованием все чаще пользуются как частные предприниматели, так и обслуживающие широкой круг заказчиков специализированные участки. Для оперативного просчета и изготовления форм, матриц, моделей необходимо лишь прислать им на электронный адрес трехмерное изображение изделия.
Значительное снижение стоимости компьютеризированных систем и систем с ЧПУ послужило толчком для использования их в более простом недорогом классе станков. Появился целый класс сравнительно общедоступного оборудования, позволяющего с чертежа детали на компьютере получить с фрезерного станка с ЧПУ готовую пресс-форму в металле или ее модель из пенополистирола, когда программа такого изготовления «сама учитывает» литейную усадку, а также припуски литейные и на механообработку. При этом применяют программы, которые помогают максимально использовать потенциал этих станков с поддержкой 3D-моделей и токарной обработки.
Производственный цикл изготовления детали в институте ФТИМС от разработки конструкторской документации до готовой детали состоит в следующем. После получения технического задания конструктор разрабатывает документацию (КД), обычно используя следующие программы: AutoCAD, CADMECH, Inventor. Готовая КД сдается в электронный конструкторский архив, который находится на общем сервере организации. При получении задания на изготовление той или иной детали в производственный отдел технолог-программист берет чертеж и 3D-модель, разрабатывает техпроцесс, программу управления и помещает ее на сервер. Затем после установки заготовки на стол станка оператор станков с ЧПУ вызывает эту программу с сервера и после ее проверки и наладки станка приступает к обработке заготовки, получая литейную модель детали или ее пресс-формы.
Из пенополистироловой модели пресс-формы по ЛГМ-процессу обычно отливают алюминиевую пресс-форму, а затем, если необходимо, доводят ее до требуемой чистоты поверхности на том же станке с ЧПУ. Это упрощает всю технологию перевода изделия с чертежа до пеномодели и отливки, ускоряет получение пресс-форм (до нескольких часов) для производства моделей от стадии проектирования до их изготовления, в то же время требуя компьютерной грамотности занятого этим трудом персонала.
По принципу действия система ЧПУ с серводвигателем является системой с обратной связью, сигнал позиции подается от оптического датчика (инкодера), который закреплен на двигателе и снабжает контролер информацией о реальном повороте вала двигателя. Эта информация используется для постоянной коррекции отклонений между величиной заданного и реального перемещения режущего инструмента. Для получения объемной копии с детали без чертежа в этих станках используется сканирование с цифровой записью информации. Управление станком осуществляется через USB порт с обычного персонального компьютера в среде Windows, с помощью модема возможна функция удаленного доступа к ЧПУ, включающая диагностику и модернизация программного обеспечения.
На рынке Украины широко представлены станки с ЧПУ фирмы Obrusn (Польша) десяти моделей для объемной обработи цветных металлов и сплавов, полимеров, дерева с точностью позиционирования от ±0.05 до ±0.1 мм, разрешающей способностью ЧПУ ±0.01 мм и весом станка от 60 до 1450 кг, более крупные станки фирмы Bermaq (Испания) с точностью позиционирования ±0.03 мм, повторяемостью позиции ±0.015 мм и весом 1,5 – 3 т, а также немецких фирм.
Описанная отечественная литейная технология, накопленный опыт ее использования, а также ряд инновационных технологий по углубленной переработке металла, в том числе, представленных на вышеуказанном международном инвестиционном саммите, служат примерами наличия значительного научно-технического потенциала украинской технической науки. Растущее понимание этого и очевидную согласованность позиций верховной власти и крупного капитала следует приветствовать как первый шаг в направлении перехода на инновационно-инвестиционную модель экономического роста.
С учетом современных кризисных явлений, которые воочию демонстрирует системное несовершенство глобальной экономической конструкции, становится все более спорной идеология так называемой «доганяльной» модернизации, которая на протяжении всех лет нашей независимости служила одним из определяющих неоспоримых ориентиров нашего трансформационного процесса. Имеет ли смысл продолжать имплементацию того, что демонстрирует свою недееспособность, дублировать и далее шаг за шагом путь, пройденный западным обществом к современным реалиям? Не стоит ли прежде всего задействовать инновационный потенциал отечественной науки, особенно в тех отраслях, где она имеет лидирующие, защищенные патентами бесспорные приоритеты, в частности, в науке о металле?

Контакт для вопросов и предложений: dorosh@inbox.ru , Дорошенко В., 38-066-1457832

Додано (08/Лют/2011, 20:48)
---------------------------------------------
В. С. Дорошенко, dorosh@inbox.ru
Физико-технологический институт металлов и сплавов НАН Украины, Киев

ОТ ЛИТЬЯ МЕТАЛЛОВ ПО ПЕНОПЛАСТОВЫМ МОДЕЛЯМ К ЛИТЬЮ ПО ЛЕДЯНЫМ МОДЕЛЯМ

Литейное производство металлических заготовок является основной заготовительной базой машиностроиениятельного комплекса, и от его развития зависят темпы развития машиностроения в целом. Привлечение криотехнологии в литейное производство прежде всего связано с заменой органических материалов для изготовления одноразовых литейных моделей или с заменой связующих для песчаных литейных форм на лед в целях ресурсосбережения и экологизации производства. Если в песчаной форме присутствует сухой песок и модель изо льда, то исключаются горение связующих песчаной смеси заливаемой металлом формы с традиционными газовыделениями в цех, а также вывоз в отвал спеченных песчаных отходов (обычно до 4 т смеси на 1 т полученных отливок для традициооных технологий литья в песчаную форму).
Параллельно с совершенствованием технологии литья по газифицируемым моделям (ЛГМ, Lost Foam Casting Process) из пенополистирола во ФТИМС НАНУ (г. Киев, Украина) под руководством проф. Шинского О. И. разрабатывается концептуально связанный с ЛГМ (использующий ту же модельную и формовочную оснастку) способ получения металлотливок по одноразовым моделям изо льда как конструктивного или матричного материала с незначительными добавками или примесями. На сегодня технологии изготовления ледяных моделей, песчаных форм и отливок по таким моделям институтом ФТИМС защищены десятками изобретений.
Кстати, как в мировой практике ледяные модели делают роботы-принтеры, см. здесь: http://www.membrana.ru/particle/1966
В институте научно обоснованы криотехнология модельного производства, а также технологический процесс пропитки жидкостью растаявшей модели песка формы как способ сохранения очертаний литейной полости на месте растаявшей модели. Проводятся исследования тепло-, массообменных и физико-химических процессов для доведения криотезнологии до промышленного уровня. На основании изучения гидродинамики проникновения жидкого продукта от деструкции ледяной модели в толщу сухого песка вакуумированной формы на заданную глубину под действием трех факторов (перепадов газового или гидростатического давления и концентрации модельного материала) предложены три способа изготовления оболочковых форм с использованием холодно- или химическитвердеющих связующих композиций. В первом - модель служит носителем связующего, а облицовочная или единая песчаная смесь содержит отвердитель. Во втором - модель служит носителем отвердителя, а облицовочный слой песка - связующего. В третьем - модель замораживается из чистой воды (наиболее экологически благоприятный вариант), которая (расплав модели) не вступает в реакции, приводящие к отверждению формовочной смеси с добавками реагентов отвердителя и связующего (в виде порошка), но без воды эти реакции не идут. При засыпке песка в контейнер с моделью, виброуплотнении и последующим получении такими способами оболочковых форм толщиной корки 3…8 мм в состав оболочки достаточно вводить 0,3...0,4% связующего от массы песка в контейнере, что примерно на порядок меньше, чем имеется в традиционных формах из холоднотвердеющих песчаных смесей (ХТС) со связующим.
Разработка составов замораживаемых в виде модели водных связывающих песок композиций, один компонент которых находится в модели, а другой в окружающей ее песчаной смеси, показала достаточно хорошую технологичность получения оболочковых форм. В одном из таких примеров использовали ледяные модели из водного раствора жидкого стекла плотностью 1,08 г/см3 при содержании в песчаной смеси быстротвердеющего цемента. Продолжительность твердения оболочки от начала таяния модели массой 0,2…0,5 кг составляла от 6 мин. и более, после полного расплавления модели остаток модельной композиции выливали из затвердевшей оболочкой, а оболочковую форму направляли на подсушку или заливку металлом в вакуумируемой форме.
Также разработаны оригинальные способы нанесения на ледяные литейные модели синтетической пленки с последующим использованием технологии вакуумно-пленочной формовки. Способы получения коркообразных покрытий как оболочковых форм с герметизирующими и противопригарными свойствами позволили отработать технологию образования стабильно устойчивой песчаной поверхности рабочей полости формы. Эта технология основана на многократном обороте сыпучих материалах: несвязанного песка или песчаной смеси, которые пропитываются талой жидкой композицией модели. Избыток этой композиции выливается или откачивается из полости формы (с возможностью повторного использования), и получаются достаточной прочности формы для заливки металлом. В такие оболочковые формы получены из черных и цветных металлов отливки шестерен и полумуфт как при формовке одной ледяной модели со стояком, так и блока из двух и более моделей.
Описанное применение криотехнологии для литья по одноразовым ледяным моделям деталей из металлов для машиностроения исключает или минимизирует использование полимеров или связующего для песка в литейной форме, заменяет органические (пенопластовые или парафин-стеариновые выплавляемые) модели на ледяные, а такой процесс производства отливок полностью соответствует экологически чистым безотходным технологиям.

Подробнее смотри: http://www.holodilshchik.ru/Icy_models_for_litho_of_the_metal.pdf, http://www.eco-time.com.ua/publications-24.html, http://www.eco-time.com.ua/publications-31.html, http://dorosh.steelsite.ru/news.php
Резюме.
Криотехнологии машиностроения - литье из черных и цветных металлов по ледяным моделям, получение отливок из чугуна, стали, алюминия, медных и др. сплавов. Институтом ФТИМС (г. Киев) эта криотехнология защищена десятками патентов на изобретения.
Ищем научных и инженерных партнеров для совместных исследований и внедрения такого вида литья в производство как решение проблем экологии и ресурсосбережения. dorosh@inbox.ru, т.38(066)1457832