Способ изготовления литейных моделей

 

Использование области литейного производства, а именно, в способах изготовления литейных моделей, предназначенных для получения литейных форм для металлических отливок. Сущность: способ изготовления литейных моделей включает формирование материала модели путем изготовления отдельных элементов, склеивания отдельных элементов до получения заготовки и механическую обработку склеенной заготовки до заданных размеров литейной модели. В качестве материала модели используют термопластичный полимер на основе стирола или его производных или его смесь с порошкообразным наполнителем с содержанием последнего до 50% об., а отдельные элементы изготовляют в виде типовых элементов, одинаковых по форме и размерам, путем прессования, при этом прессформу предварительно нагревают, а материал модели в процессе прессования используют подогретым до температур, соответственно в 1,8 - 2 и 1,8 - 1,9 превышающих температуру размягчения по Вика используемого термопластичного полимера.

Изобретение относится к области литейного производства, а именно к способам изготовления литейных моделей, предназначенных для получения литейных форм для металлических отливок. Металлические отливки (литые заготовки) по размерам и конфигурации в наибольшей мере приближаются к готовым деталям машин и агрегатов, что позволяет быстро и с небольшими затратами получать детали различных размеров, геометрических форм и развесов с высокими механическими и эксплуатационными свойствами. Качество литых заготовок точность и чистота поверхности, а также технико -экономические показатели их производства во многом зависят от качества литейной модели, материала и способа ее изготовления.

Известен способ изготовления литейных моделей из полимерного материала согласно (В.В. Васильев, Б.П. Машков и др. Прогрессивные способы производства моделей, Донецк: изд. Донбасс, 973, с. 18-2). Указанный способ включает изготовление мастер-модели из древесины или гипса, получение по мастер -модели формы для отливки модели (предпочтительно форму изготавливают из гипса), заливку в полученную форму полимерного материала модельного компаунда на основе эпоксидной смолы в сочетании с наполнителями, отверждение эпоксидного компаунда при комнатной температуре в течение 16-24 ч, извлечение отверждаемой модели из формы, отделку поверхности модели (зачистка, исправление дефектов) и термическую обработку модели в течение примерно 60 ч (в том числе выдержку при 50^oC в течение 24 ч).

Модели, полученные из эпоксидных компаундов согласно описанному способу, обладают по сравнению с деревянными моделями более высокой износостойкостью, имеют более высокую точность и не нуждаются в механической обработке. Они не подвержены короблению, разбуханию, гниению, сравнительно легко ремонтируются. Число съемов полуформ с эпоксидных моделей составляет порядка 2000 при ручной формовке.

Однако способ изготовления приготовления эпоксидных моделей длителен и многостадиен, что снижает технико-экономические показатели процесса и удорожает сами модели. Отработанная модель в литейном производстве, как правило, не утилизируется. Кроме того, серьезным недостатком способа является, то что используемые эпоксидные смолы оказывают вредное воздействие на кожу и слизистые оболочки работающих с ними людей. Усложняет процесс также необходимость тщательной подготовки используемых компонентов эпоксидного компаунда, так, например, из всех компонентов должна быть тщательно удалена влага, наполнители должны быть просушены до влажности не более 7% Это связано с тем, что высокая влажность тормозит отверждение компаунда.

Известен также способ изготовления литейных моделей, включающий изготовление мастер-модели из древесины или гипса, изготовление по мастер-модели формы для отливки модели (предпочтительно форму получают из гипса) и формирование модели из полимерного материала путем заливки в полученную форму акриловой самоотвердеющей пластмассы, отверждения акриловой пластмассы при 24^oC в течение 2-3 ч, извлечение отвержденной модели из формы и отделку поверхности полученной модели зачистка, исправление дефектов (В.В.Балабин. Модельное производство. М: Машиностроение, 1970, с. 146-154). Акриловые самотверждеющие пластмассы, используемые как модельные составы, получают смешиванием жидких и порошкообразных компонентов, например стиракрила TШ или акрилата ACT-T. Порошок стиракрила TШ смесь 99% сополимера метилмекрилата со стиролом и 1% перекиси бензоила; жидкость стиракрила TШ -смесь 99% метилметакрилата и 1% диметиланилина. Порошок акриалата АСТ-Т-смесь 97% полиметилметакрилата, 1,5% окиси цинка и 1,5% перекиси бензоила; жидкость акрилата ACT-T смесь 97% метилметакриала и 3% диметиланилина. заливка модельного состава в форме должна осуществляться через 10-15 мин после смешения компонентов.

Процесс по описанному способу значительно сокращает время изготовления литейных моделей ввиду быстрого отверждения акриловых пластмасс и отсутствия длительной стадии термообработки модели. Кроме того, используемые акриловые самоотверждающиеся пластмассы значительно менее токсичны, чем эпоксидные смолы, что значительно улучшает условия труда, по сравнению с процессом изготовления моделей из эпоксидных смол. Количество съемов полуформ с модели из акриловых пластмасс составляет около 800 (при ручной формовке).

Однако этот способ получения литейных моделей остается достаточно длительным, он многостадиен и трудоемок, и, кроме того, модели из акриловых отверждаемых пластмасс после выработки ресурса использования практически не утилизируются из-за отсутствия технологии переработки отвержденных акриловых пластмасс.

Наиболее близким к заявляемому способу по совокупности существенных признаков является способ изготовления литейных моделей из древесины, включающий сушку древесины, формирование материала модели (древесины) путем раскроя пиломатериалов на заготовки, строжки и выпиливания (изготовления) отдельных элементов из заготовок, склеивание отдельных элементов до получения заготовки модели и механическую (фрезерную или токарную) обработку склеенной заготовки до заданных размеров литейной модели с последующей отделкой и окраской полученной модели (В.А.Васильев, Б.П.Машков и др. Прогрессивные способы производства моделей. Донецк: изд. Донбасс, 1973, с. 15-18). Отдельные элементы зготовляют максимально приближенными по размерам к литейной модели; они практически воспроизводят фрагменты модели (ее поверхности) в отдельных последовательно расположенных точках объема модели; при изготовлении крупногабаритных моделей требуется соединение отдельных элементов механически гвоздями, шурупами, скобами и др.

Получаемые по способу-прототипу деревянные модели используются при индивидуальном, мелкосерийном и серийном производстве металлических отливок. Древесина достаточно легко поддается обработке и стоимость ее невелика.

Однако способ получения литейных моделей по способу-прототипу является длительным, сложным и трудоемким, поскольку включает в себя продолжительную стадию сушки древесины, дополнительные стадии раскроя пиломатериалов, отделку и окраску полученной модели, а изготовление отдельных элементов точных размеров является сложной и трудоемкой операцией, особенно при изготовлении моделей сложного профиля или с тонкими ребрами; в последнем случае многие операции не поддаются механизации и осуществляются вручную, что обусловлено анизотропией свойств древесины. Кроме того, получаемые литейные модели из дерева быстро изнашиваются, деформируются (они склонны к короблению и разбуханию) и не обеспечивают высокой точности размеров отливок. При нашим данным число съемов полуформ по деревянным моделям составляет не более 50-70, после чего модели становятся непригодными к эксплуатации и подлежат уничтожению, так как утилизировать их по экономическим соображениям нецелесообразно. В период эксплуатации необходимо поддерживать определенный режим хранения модели, поскольку дерево гигроскопично и подвержено воздействию биологических факторов (гниет, плесневеет).

Технический результат, достижение которого обеспечивает настоящее изобретение, заключается в сокращении продолжительности процесса, упрощении, снижении трудоемкости, увеличении срока службы получаемых литейных моделей и обеспечении возможности утилизации отработанных моделей.

Указанный технический результат достигается тем, что в способе изготовления литейных моделей, выключающем формование материала модели путем изготовления отдельных элементов, склеивание отдельных элементов до получения заготовки и механическую обработку склеенной заготовки до заданных размеров литейной модели, в качестве материала модели используют термопластичный полимер на основе стирола или его производных или его смесь с порошкообразным наполнителем с содержанием последнего до 50% об. а отдельные элементы изготовляют в виде элементов, одинаковых по форме и размерам, путем прессования, при этом прессформу предварительно нагревают, а материал модели в процессе прессования используют подогретым до температур, соответственно в 1,8 -2,1 и 1,8 1,9 превышающих температуру размягчения по Вика используемого термопластичного полимера.

По заявляемому способу в качестве термопластичного полимера на основе стирола или его производных могут использоваться полистирол общего назначения, ударопрочный полистирол, сополимеры стирола с акрилонитрилом (CAH), стирола с акрилонитрилом и метилметакрилатом (MCH), стирола с метилметакрилатом (MC), акрилонитрилбутадиенстирольные сополимеры (ABC-сополимеры), сополимеры стирола с полибутадиеном и метилметакрилатом (МБС-сополимеры) и полимеры на основе производных стирола, например винилтолуола, такие как поливинилтолуол, ударопрочный поливинилтолуол и др. При этом могут использоваться как кондиционные полимеры, так и отходы этих полимеров, образующиеся при их синтезе и переработке.

В качестве порошкообразных наполнителей используются обычно применяемые в композициях с термопластичными полимерами минеральные и органические наполнители, такие как тальк, кварцевая мука, гипс, древесная мука и др. При этом размер частиц наполнителя не должен превышать 200 мкм.

Содержание наполнителя в смеси с термопластичным полимером составляет не более 50% объемных, так как большее его содержание приводит к разрушению модели при механической обработке.

Типовые элементы для литейных моделей одного вида изготавливают одних и тех же размеров и формы. Наиболее предпочтительны типовые элементы в виде параллелепипеда. При изготовлении моделей, близких по форме к телам вращения, возможно изготовление типовых элементов в виде цилиндра. Склеенная из таких одинаковых типовых элементов заготовка приблизительно повторяет заданную форму литейной модели. Путем механической обработки склеенной заготовке придают строго фиксированную геометрическую форму поверхности, соответствующую заданной поверхности литейной модели.

При изготовлении типовых элементов заготовки загрузка термопластичного полимера или его смеси с наполнителем производится в предварительно нагретую пресс-форму путем заполнения пресс-формы расплавом термопластичного полимера из шнек-машины, или путем послойной загрузки термопластичного полимера или его смеси с наполнителем в нагретую пресс-форму с расплавлением каждого слоя. Введение наполнителя в термопластичный полимер может осуществляться при загрузке пресс-формы опудриванием каждого слоя полимера, помещенного в пресс-форму. При послойной загрузке пресс-форма выдерживается в течение 30-40 мин при температуре, равной температуре прессования, для каждого загруженного слоя.

В соответствии с настоящим изобретение загрузка термопластичного полимера или его смеси с наполнителем производится в пресс-форму, предварительно нагретую до температуры в 1,8-2,1 раза выше температуры размягчения (по Вика) термопластичного полимера, а затем осуществляется прессование расплава термопластичного полимера или его смеси, имеющих температуру в 1,8-1,9 раза выше температуры размягчения (по Вика) термопластичного полимера. Подпрессованную массу оставляют остывать под действующей нагрузкой в течение 4-24 ч. Удельное давление прессования должно составлять 180-200 кгс/см₂ (18-20 МПА). Если загрузка в пресс-форму и/или прессование производится при температурах ниже или выше указанного температурного интервала, то при извлечении отпрессованного типового элемента заготовки на его поверхности наблюдаются каверны, трещины, возникающие вследствие термических напряжений (при пониженных температурах) или крупные и мелкие поры, образующиеся в результате повышенного газообразования в массе полимера (при повышенных температурах).

Склеивание отпрессованных типовых элементов заготовок осуществляют с помощью растворителей, хорошо растворяющих полимер, из которого изготовлены типовые элементы, или с помощью клеев, обычно используемых для склеивания полимеров на основе стирола.

Механическую обработку склеенной заготовки резание, фрезерование, расточку и др. целесообразно осуществлять на станках с ЧПУ. После механической обработки полученная модель не требует шлифования или какой-либо иной дополнительной обработки поверхности и может сразу использоваться для получения литейных форм. Это связано с тем, что при скоростной механической обработке поверхность модели оплавляется и становится гладкой.

Отработанные литейные модели из термопластичного полимера на основе стирола или его смеси с наполнителем можно легко утилизировать путем их измельчения с помощью дробилки. Полученные дробленые отходы можно снова использовать при изготовлении новых типовых элементов заготовки модели. Таким же образом могут утилизироваться отходы, полученные при механической обработке склеенной заготовки. Отработанная линейная модель (исчерпавшая свой ресурс, поврежденная или не предназначенная для дальнейшего использования) может быть принята за основу при изготовлении литейной модели. С этой целью от отработанной модели с помощью нагретой до 200-240^oC стальной или нихромовой струны диаметром 0,2-0,5 мм отрезают лишние и геометрически нестыкующиеся элементы, а оставшаяся часть модели дополняется путем склеивания с новыми типовыми элементами.

Изобретение иллюстрируется нижеследующими примерами.

Пример 1.

В муфельную печь, нагретую до 170^oC, помещают две одинаковые металлические пресс-формы, имеющие внутренние размеры 210х110х200 мм, и столько же пуансонов к ним. Пресс-формы и пуансоны выдерживают при 170^oC в течение 1 ч. После этого пресс-формы по очереди извлекают из печи и заполняют первым слоем гранул ударопрочного полистирола марки УПС-0803Э (по ГОСТ 28250-89) с температурой размягчения по Вика (Т_разм.) 91^oC, после чего их снова ставят в печь. После выдержки в печи при температуре 170^oC в течение 35 мин пресс-формы снова вынимают из печи и заполняют следующим слоем гранул ударопрочного полистирола, повторная операция заполнения пресс-формы очередным слоем гранул и нагрева до 170^oC (температура пресс-формы равна 1,87 Т_разм.) до тех пор, пока уровень полимера в пресс-форме не достигнет высоты на 1,5 см ниже края пресс-формы. Через 35 мин после последней выдержки в печи в каждую пресс -форму устанавливают нагретой до 170^oC пуансон и пресс-формы транспортируют под пресс. Расплав ударопрочного полистирола имеет температуру 170^oC (1,87 Т_разм). Удельное давление прессования составляет 18,0 МПа. Пресс -формы оставляют остывать под действующим давлением в течение 20 ч. Холодные пресс -формы извлекают из-под пресса и разбивают. Полученные типовые элементы заготовки модели имеют размеры 210х110х170 мм; типовые элементы склеивают, обрабатывая склеиваемые поверхности кистью, смоченной в толуоле, прикладывая их друг к другу и прижимая с усилием 20 кг. Выдержка "под гнетом" составляет 24 ч.

Склеенную заготовку обрабатывают на стенке с ЧПУ до заданных размеров и получают литейную модель "планка пробная". Литейная модель имеет гладкую поверхность и не требует дополнительной обработки.

Полученная модель из ударопрочного полистирола использовалась для изготовления литейных форм по известной традиционной технологии. Количество съемов полуформ с модели составляет 1200.

Пример 2.

Процесс изготовления модели осуществляют как в примере 1, но в качестве термопластичного полимера используют АБС-сополимер марки АБС-Б1501 (ТУ 6= 05-2037-87) с Т_разм.=97^oC. Пресс-форму нагревают до температуры 184^oC (1,9 Т_разм.); температура расплава полимера перед прессованием 184^oC (1,9 Т_разм.).

Количество съемов полуформ с полученной литейной модели из АБС-сополимера составляет 1500.

Пример 3.

Пресс изготовления модели осуществляют как в примере 1, но в качестве полимерного материала используют смеси УПС-0803Э с 10% об.кварцевого песка.

T_разм. смеси составляет 91^oC.

Пресс-форму нагревают до температуры 164^oC (1,8 T_разм.).

Температура расплава полимера перед прессованием 165^oC (1,8 T_разм.).

Количество съемов полуформ с полученной литейной модели из указанной смеси составляет 1200.

Пример 4.

Процесс изготовления модели осуществляют как в пример 1, но в качестве полимерного материала используют смесь УПС-0803Э с 50% об. талька.

T_разм. смеси составляет 89^oC.

Пресс-формы нагревают до температуры 169^oC (1,9 T_разм.).

Температура расплава полимера перед прессованием 169^oC (1,69 T_разм.).

Количество съемов полуформ с полученной литейной модели составляет 1150.

Пример 5.

В муфельную печь, нагретую до 210^oC, помещают металлические пресс-формы и пуансоны к ним, как описано в примере 1, и выдерживают при этой температуре 40 мин. Параллельно в экструзионный агрегат, снабженный плоскощелевой головкой, загружают гранулы АБС-сополимера марки АБС-2020 (ТУ 6-05-1587-84), имеющего T_разм., и нагревают его в соответствии со следующим температурным режимом: температура I зоны 160^oC температура II зоны 180^oC температура III зоны 200^oC температура на головке 190^oC Нагретую до 210^oC (2,1 T_разм.) пресс-форму вынимают из печи, устанавливают на подвижную платформу, совершающую плавное возвратно-поступательное движение, и заполняют расплавом АБС-сополимера, свободно поступающим из плоскощелевой головки экструдеров в плоскости, перпендикулярной направлению движения платформы с пресс-формой. Во время заполнения пресс-формы расплавом в экструзионном агрегате поддерживается указанный выше температурный режим. Температура расплава АБС-сополимера составляет 190^oC(1,9 T_разм.). После заполнения пресс-формы в нее устанавливается вынутый из печи пуансон с температурой 210^oC и пресс-форма транспортируется под пресс. Удельное давлением прессования 20 МПа. На платформу устанавливается очередная пресс-форма и производится ее заполнение. Все дальнейшие операции процесса изготовления литейной модели осуществляются как в примере 1. Количество съемов полуформ с полученной модели из АБС-сополимер составляет 1500.

Пример 6.

Процессор осуществляют аналогично примеру 5, но в качестве полимерного материала используют МБС-сополимер марки МСП-513 (ТУ 6-05-1966-84) с T^oC.

Пресс-формы нагревают до температуры 180^oC (2,0 T_разм.).

Температура расплава МБС -сополимера, поступающего из плоско -щелевой головки экструдера составляет 170^oC (1,9 T_разм.).

Количество съемов полуформ с полученной модели из МСБ-сополимера составляет 1500.

Пример 7.

Для изготовления литейной модели используют отработанную модель из ударопрочного полистирола, полученную по пр.1, и отходы полимера при механической обработке склеенной заготовки этой модели. Отработанную модель и отходы измельчают на ножевой или молоточной дробилке до размера частиц 2-5 мм. Дробленный полимер смешивают с 20% вес. нового кондиционного ударопрочного полистирола и используют полученную смесь для изготовления литейной модели. Процесс осуществляют аналогично примеру 1. Полученная литейная модель обеспечивает 1100 съемов полуформ.

Как видно из представленных данных, заявляемый способ позволяет значительно упростить и сократить длительность процесса изготовления литейных моделей по сравнению со способом прототипа за счет исключения длительных стадий сушки древесины, раскроя пиломатериалов, отделки и окраски полученной модели, а также за счет изготовления типовых элементов модели одной и той же простой формы и одних и тех же размеров, а не отдельных элементов, максимально приближенных по размерам к литейной модели, так как это имеет место при изготовлении модели из древесины. Процесс является менее трудоемким, так как практически не содержит ручных операций. Длительность процесса изготовления литейных моделей по заявляемому способу по сравнению со способом-прототипом сокращается в 2-5 раз. Литейные модели, полученные по заявляемому способу из термопластичных полимеров на основе стирола или их смесей с наполнителями, имеют срок службы в 15-20 раз больший, чем срок службы моделей из дерева, они не требуют специальных режимов хранения, не гигроскопичны, не подвержены воздействию биологических факторов (гниению, плесневению и т.п.).

При появлении выработок, трещин, вмятин и других дефектов модели из термопластичных полимеров легко и многократно ремонтируются в отличие от моделей из дерева, которые пригодны к ремонту ограниченное количество раз (5-10), после чего необратимо разрушаются.

Термопластичные полимеры на основе стирола нетоксичны. Легко перерабатываются методами прессования и экструзии. Отработанные модели из термопластичных полимеров на основе стирола или их смесей с наполнителями, полученные по заявляемому способу, и отходы полимерных материалов при механической обработке, легко утилизируются, так как после дробления они легко расплавляются при такой же температуре, что и исходный полимер, использовавшийся для их изготовления, и могут непосредственно использоваться для получения новых моделей. В то же время, известные модели из древесины практически не утилизируются, так как это экономически не выгодно.

Формула изобретения

Способ изготовления литейных моделей, включающий формование материала модели путем изготовления отдельных элементов, склеивание отдельных элементов до получения заготовки и механическую обработку склеенной заготовки до заданных размеров литейной модели, отличающийся тем, что в качестве материала модели используют термопластный полимер на основе стирола или его производных или его смесь с порошкообразным наполнителем с содержанием последнего до 50 об. а отдельные элементы изготовляют в виде типовых элементов, одинаковых по форме и размерам, путем прессования, при этом пресс-форму предварительно нагревают, а материал модели в процессе прессования используют подогретым до температур, соответственно в 1,8 2,1 и 1,8 1,9 превышающих температуру размягчения по Вика используемого термопластичного полимера.