Модели литых деталей

Когда говорят про модели литых деталей, многие сразу представляют себе готовый чертёж или 3D-модель на экране. Но это только вершина айсберга. На деле, самая большая ошибка — считать, что модель и есть конечная цель. Нет, модель — это инструмент, и часто самый капризный. Особенно когда речь идёт о точном литье, где каждый градус уклона, каждый радиус закругления на модели определяет, выйдет деталь из формы целой или пойдёт в брак. У нас в цеху десятилетиями копились истории, когда красивая цифровая модель разбивалась о реальность формовочной смеси или усадки сплава.

Что на самом деле скрывается за ?моделью?

В теории всё просто: есть деталь, создаётся её позитивная модель, по ней формируется литейная форма. Но вот начинаешь работать с конкретным сплавом, например, с нержавеющей сталью, которая даёт значительную усадку, и все теоретические допущения летят в тартарары. Модель приходится делать не такой, как конечное изделие, а с поправками. Эти поправки — не из учебников, они из практики, часто методом проб и ошибок. Я помню, как для одного заказа крышки корпуса насосного оборудования пришлось переделывать деревянную модель три раза. Клиент смотрел на чертёж и не понимал, почему мы увеличиваем габариты на 2,3% по некоторым осям. Объяснить, что это не прихоть, а необходимость, чтобы после остывания отливка ?вошла? в его допуски — это отдельное искусство.

Материал модели — это отдельная тема. Для штучных или опытных образцов часто идёт дерево или пенопласт, для серии — алюминий или сталь. Но вот нюанс: алюминиевая модель для литья чугунных деталей — это одно, а для литья бронзовых втулок — уже другое. Коэффициент теплового расширения разный, и если не учесть, при прогреве формы модель может её ?распереть?, получится брак по геометрии. Мы на ООО Циндао Цзихэншунь Металлические Изделия как-то столкнулись с этим при переходе на новый тип жаропрочного сплава. Модель, идеально работавшая на сером чугуне, дала постоянный недолив в верхней части отливки. Пришлось вносить коррективы в систему питания, отталкиваясь уже от поведения модели в новой форме.

И ещё про цифровизацию. Сейчас все увлечены 3D-печатью моделей. Технология отличная, скорость не сравнить с фрезеровкой. Но напечатанная полимерная модель — это не панацея. Для песчано-глинистых форм она подходит, а для жидкого стекла или холодно-твердеющих смесей (ХТС) может возникнуть проблема с выгоранием и газотворением. Остатки золы от модели могут привести к раковинам в теле отливки. Поэтому выбор, какую модель делать и из чего, — это всегда компромисс между стоимостью, сроком и требуемым качеством поверхности детали.

Практические ловушки при переходе от модели к форме

Самое интересное начинается, когда модель попадает в формовочный цех. Допустим, модель сложная, с обратными уклонами, глубокими карманами. На бумаге всё решаемо — делаем разъёмную модель или применяем песчаные стержни. Но на практике стержни должны не только точно позиционироваться, но и выдерживать давление металла, не смещаться. Была история с корпусом задвижки, который мы делали для одного российского партнёра. Модель была спроектирована с расчётом на три стержня. А когда собрали форму, оказалось, что зазоры в местах стыка стержней из-за неточности их изготовления дают огромные наплывы на отливке. Пришлось в срочном порядке дорабатывать уже не модель, а оснастку для самих стержней. Это тот случай, когда модель хороша, а технология её использования — сырая.

Другой частый бич — поверхность модели. Кажется, отполировал до зеркала — и отливка будет гладкой. Не всегда. Для некоторых формовочных смесей слишком гладкая поверхность модели ухудшает сцепление песка, форма может осыпаться при извлечении модели. Нужна определённая шероховатость. Мы выработали своё правило: для стальных отливок ответственного назначения поверхность деревянной модели обрабатываем мелкой абразивной лентой с определённым зерном, не полируя. Это даёт предсказуемую и однородную поверхность на форме.

Разметка и знаки на модели — мелочь, на которую новички часто не обращают внимания. Но без чётких рисок для установки стержней, без маркировочных клейм с номером модели и датой формовщик может допустить ошибку. У нас на заводе был случай, когда из-за стёршейся маркировки на старой алюминиевой модели использовали не ту версию, в итоге партия отливок ушла в переплавку. С тех пор к маркировке относимся как к священному ритуалу.

Опыт, который не купишь: кейсы и неудачи

Расскажу про один из самых поучительных проектов. Заказ на крупную партию корпусов редуктора из высокопрочного чугуна. Модели литых деталей были сделаны из алюминия, всё просчитано, учтена усадка. Но не учли один фактор — сезонность. Работали зимой, в цеху было прохладно. Алюминиевая модель, пролежавшая ночь на стеллаже, приходила в цех холодной. Её ставили в формовочный ящик, засыпали подогретой песчано-смоляной смесью. Из-за перепада температур на модели конденсировалась влага. В итоге форма в непосредственном контакте с моделью получалась менее прочной, и при заливке происходило размывание стенок формы. Брак по пригару и неровной поверхности. Решение оказалось простым до безобразия — хранить модели в формовочном цеху, чтобы их температура была равна температуре цеха. Но до этого додумались только после анализа причин брака.

Ещё пример из сотрудничества. К нам обратились с сайта jmzz.ru по поводу литья износостойких накладок для горнодобывающей техники. Деталь плоская, но с внутренними каналами для охлаждения. Заказчик предоставил идеальную 3D-модель. Проблема была в том, как сформировать эти каналы. Делать стержни было дорого и долго. Мы предложили альтернативу — использовать модельные вставки из жаропрочного пенополистирола, которые после заливки выгорают, оставляя канал. Но для этого пришлось полностью перепроектировать исходную модель детали, превратив её в модель сборной формы с этими вставками. Это был риск, но он оправдался. Заказ был выполнен, и технология прижилась для подобных деталей. Это к вопросу о том, что модель для литья и модель детали — не одно и то же.

Неудачи — лучший учитель. Был заказ на декоративную решётку с тонким ажурным рисунком. Модель из дерева сделали филигранно. Но при формовке мелкие элементы постоянно обламывались, даже при самой аккуратной работе. Перешли на модель, отлитую из эпоксидной смолы по мастер-модели. Она оказалась и прочнее, и долговечнее. Теперь для подобных тонкостенных изделий с мелким рельефом мы сразу рассматриваем композитные материалы для модели, хотя они и дороже. Это экономит время и нервы в цеху.

Связь модели с последующими операциями

Часто проектировщик модели думает только о получении отливки. А ведь после неё идёт механическая обработка. И здесь кроется важный момент: на модели должны быть предусмотрены технологические припуски, базы для обработки, а иногда и усиления в тех местах, где будет сниматься стружка. Если этого не сделать, технолог-обработчик будет вынужден ?изгаляться?, чтобы закрепить деталь на станке, или припуска может не хватить. Мы всегда на этапе обсуждения модели запрашиваем у клиента или сами прорабатываем чертеж на механическую обработку. Это позволяет сразу заложить в литейную модель литейные уклоны, которые не помешают потом фрезеровщику, или сделать технологические бобышки для крепления.

Например, для фланцев с отверстиями под болты. Если отливать готовые отверстия, нужны стержни. Это удорожание. Чаще отливают глухие места под сверление, делая на модели небольшие цилиндрические выступы-метки. Но высота и диаметр этих выступов должны быть такими, чтобы их легко было срезать или просверлить, и чтобы они не мешали формовке. Опытный модельщик всегда смотрит на деталь глазами не только формовщика, но и слесаря-обработчика.

Контроль геометрии тоже отталкивается от модели. Если модель сделана с допусками, отличными от чертежа детали (а так и должно быть для компенсации усадки), то и контрольный шаблон или 3D-сканирование нужно вести, отталкиваясь от модели, а не от исходного цифрового файла детали. Иначе можно получить ложный брак. У нас в системе качества есть правило: контрольная оснастка делается именно по утверждённой литейной модели, и это прописано в технологической карте.

Эволюция подхода на примере нашего предприятия

Наше предприятие, ООО Циндао Цзихэншунь Металлические Изделия, начинало работу ещё в 1977 году. Тогда про цифровые модели литых деталей и речи не было. Всё держалось на мастерстве модельщиков, которые по чертежам ?на коленке? вырезали деревянные модели. Опыт передавался из рук в руки. Точность зависела от глазомера и чутья. Сейчас, с приходом CAD/CAM систем, процесс кардинально изменился. Но что важно — мы не отказались от старых наработок. База старых деревянных и металлических моделей — это наш архив, к которому иногда обращаемся, когда нужно понять поведение похожей детали в литье.

Сегодня процесс выглядит так: получаем 3D-модель, инженеры-технологи вносят в неё литейные поправки (усадку, уклоны, галтели), создаётся цифровая литейная модель. Потом она может уйти на 3D-принтер для быстрого прототипа или сразу на станок с ЧПУ для фрезеровки модели из алюминия. Но ключевое звено — это обсуждение. Технолог, модельщик, мастер формовочного участка и представитель ОТК садятся вместе и буквально ?проигрывают? виртуальный процесс формовки и заливки на экране. Это позволяет отловить многие проблемы до того, как будет потрачен материал.

Наш сайт jmzz.ru — это, по сути, витрина того, что мы можем сделать, отправная точка для диалога. Но настоящая работа начинается, когда клиент присылает чертёж, и мы начинаем обсуждать не стоимость тонны отливки, а именно то, как будет выглядеть модель, из чего её сделать, как обеспечить качество. Этот диалог, основанный на почти пятидесятилетнем опыте, и есть наша главная ценность. Потому что можно иметь лучшие станки, но без понимания физики процесса литья, без уважения к роли модели, всё это — просто железо.

В итоге, возвращаясь к началу. Модели литых деталей — это не просто промежуточный этап. Это философия всего литейного производства. Это мост между идеей инженера и материальным изделием. И прочность этого моста зависит от сотен мелких решений, принятых с учётом опыта, а часто и интуиции тех, кто этот мост строит. Гонка за скоростью и автоматизацией не должна вытеснять это понимание. Иначе мы будем быстро делать идеальные модели для бракованных отливок.