Новая концепция модернизации литейных цехов мелкосерийного производства на базе современных технологий, обеспечивающих высокое качество отливок и быструю окупаемость капитальных затрат.

Рожнов С.П., к.т.н.
Генеральный директор
ООО «Спецлиттех», г. Москва, Российская Федерация

Андерсон В.А., к.т.н.
Зав. отделом технологий литья
ОАО «КАМЕТ», г. Киев
Украина

Известно, что наилучшие показатели универсальности, обеспечивающие высокое качество отливок, имеют автоматические формовочные линии (АФЛ), которые являются «сердцем» литейного цеха.
На сегодняшний день современные АФЛ в большинстве случаев работают по «Сейатцу-процессу» (Seiatsu Process), в котором уплотнение песчано-глинистой смеси осуществляется воздушным потоком (импульсом) с дальнейшим гидравлическим прессованием многоплунжерной головкой.


Ранее существовало мнение, что АФЛ малоэффективны для мелкосерийного производства. Однако сегодня это мнение явно устарело и современные АФЛ выпускают отливки любых серий – одновременно единицы одних, сотни и тысячи других отливок самых различных конфигураций и размеров.


В современных литейных цехах АФЛ одновременно работают с количеством комплектов оснастки от двух до десяти тысяч. При этом микропроцессорная система управления АФЛ хранит в своей памяти все технологические режимы для каждого типа отливок, что делает «Сейатцу-процесс» современным стандартом высокого качества уплотнения песчано-глинистых форм. Данные АФЛ требуют обязательного применения современных смесеприготовительных систем на базе бегунов «Спидмюллер» (Speedmuller), которые обеспечивают автоматическое приготовление и корректировку формовочных смесей с оптимальными технологическими свойствами.


В то же время при выборе АФЛ для модернизации литейных цехов мелкосерийного производства остро встает вопрос значительной их стоимости. Даже минимальный комплект АФЛ в виде отдельной импульсной установки для «Сейатцу-процесса» с ручной кантовкой и сборкой полуформ и смесителем «Спидмюллер» стоит не менее 1,5-2,0 млн. евро.


Такие капитальные затраты часто отпугивают инвесторов, особенно, в случае реконструкции литейных цехов небольшой производительности – от 1,5 до 3,0 тыс. тонн отливок в год.
В этой связи возникает проблема поиска путей резкого снижения капитальных затрат на реконструкцию литейных цехов для повышения качества производимых отливок до уровня современных АФЛ.
Исходя из вышеизложенного, мы предлагаем новую концепцию модернизации литейных цехов мелкосерийного производства на базе современных технологий, обеспечивающих высокое качество отливок.
В последние годы в литейном производстве успешно освоены новые процессы, которые не имеют такой универсальности и высокой производительности, как АФЛ, но обеспечивают хорошее качество литья, успешно конкурирующее на внешнем рынке.


К таким новым технологиям относятся:
- литье методом вакуумно-пленочной формовки (ВПФ);
- литье в холоднотвердеющих смесях (ХТС);
- литье по газифицируемым моделям (ЛГМ).

Процесс ВПФ находит все большее распространение и позволяет снизить массу отливок на 10-12% и брак литья – до 1-2%. Особые преимущества метод ВПФ показал в России при изготовлении крупногабаритных стальных отливок для железнодорожного транспорта (Чебоксарский завод «Промлит»), крупной чугунной запорной арматуры (Благовещенский арматурный завод), а также при производстве ванн (Калужский завод «Универсал»).
Метод ХТС получил широкое распространение благодаря своей простоте и возможности производить самые разнообразные типы отливок. Но, как показал мировой опыт, ХТС-процесс наиболее дорогой и самый экологически вредный из трех вышеперечисленных.
При использовании технологии ХТС крайне важно учитывать следующее:

  1. ХТС в большей степени применим для производства особо крупных отливок и только при отсутствии альтернативы.
  2. Необходимо вводить в ХТС минимальное количество связующей смолы и отвердителя (не более 0,6% массы). При этом приемлемое качество форм в настоящее время могут обеспечить только дорогостоящие продукты таких известных фирм, как, например, Ashland, Hüttenes Albertus.
  3. В процессе ХТС необходимо применение сложных систем регенерации песка с целью минимизации объема вредных отходов.
  4. Процесс требует установки дорогостоящих автоматических смесителей, обеспечивающих постоянный минимальный расход связующих.

Отдельную область применения имеет технологический процесс ЛГМ, который постепенно завоевывает рынки сбыта литья.
Основные преимущества ЛГМ:
-  возможность производить сложные корпусные отливки без стержней;
-  возможность применения безразъемных моделей отливок;
-  возможность изменять конструкцию отливки для значительного снижения ее массы и стоимости;
-  возможность получения в одном контейнере большого количества отливок за счет компоновки их в литейном кусте («кластере»).
Все вышеперечисленные три процесса объединяет начальное применение сухого кварцевого песка.

Кроме того, два процесса – ВПФ и ЛГМ объединяют следующие факторы:
- формообразование ВПФ и ЛГМ происходит с использованием виброуплотнения сухого песка;
- заливка форм ВПФ и ЛГМ осуществляется под вакуумом;
- система регенерации оборотного песка сводится лишь к его охлаждению, просеиванию и обеспыливанию.


Проведенный нами анализ показал, что благодаря вышеперечисленным объединяющим факторам процессы ВПФ и ЛГМ легко объединить в общую систему, что позволит резко снизить затраты на оборудование и, вместе с тем, значительно расширить номенклатуру отливок, которые можно изготавливать из различных сплавов по двум передовым технологиям.
Особо следует отметить, что благодаря применению вакуума при заливке форм ВПФ и ЛГМ, можно использовать высокоэффективную установку каталитического дожигания отходящих газов после заливки литейных форм, что практически делает такие процессы экологически чистыми, улучшая условия труда в литейном цехе.
Для обеспечения вакуумных форм (процесс ВПФ) стержнями мы предлагаем использовать оборудование процесса ХТС. При этом смеситель ХТС будет запитан от общей системы оборота песка.
Общими для ВПФ и ЛГМ будут также выбивка, которая сведется к высыпке оборотного песка после снятия вакуума, а также система регенерации оборотного песка. Это также позволяет значительно сократить затраты на оборудование.


Такое сочетание в одном цехе трех прогрессивных процессов формообразования делает его универсальным, позволяющим изготавливать отливки различной сложности и из различных сплавов.
К примеру, методом ВПФ можно изготавливать специальные отливки из нержавеющих низкоуглеродистых сталей.


Процесс ЛГМ трансформируется в двух направлениях:

  1. Изготовление серийных отливок, пенополистирольные модели которых будут производить в автоклавах по пресс-формам, а при массовом производстве – на автоматах.
  2. Разовые отливки различной сложности, модели которых будут изготавливаться из пенополистирольных плит на станках с ЧПУ.

Также следует отметить возможность компьютеризации и автоматизации изготовления оснастки. После создания электронной модели в трехмерном (3D) формате и чертежа отливки выполняется автоматическая трансляция этой модели в программу для станка с ЧПУ.
На таком станке можно изготавливать как одиночные модели из пенополистирола, так и пресс-формы, деревянные или пластмассовые модели для ВПФ, а также стержневые ящики.
Новые технологии позволяют в ряде случаев изменять конструкцию отливок с целью резкого снижения их материалоемкости и затрат на последующую механическую обработку.
Благодаря наличию в цехе указанных современных технологий и оборудования, производитель может быстро и оперативно выполнять различные заказы в кратчайшие сроки, что является обязательным в условиях жесткой конкуренции.
Предложенный новый подход позволяет представить схему расположения оборудования в цеху, указанную в Приложении 1


(Нажмите на картинку чтобы скачать полную схему) .


В цеху необходимо расположить два участка формообразования – для ВПФ и ЛГМ, а также участок ХТС для производства стержней.
Формообразование ВПФ производится на установке раздельно – для опок «верха» и «низа» с передачей вакуумированных форм (с установленными при необходимости стержнями) на карусель, где происходит сборка и последующая заливка вакуумных форм.
Благодаря такой карусели можно легко обеспечить подачу вакуума в формы при их перемещении. После заливки указанные формы переносят консольным краном (не снимая вакуум) на выбивную решетку. После снятия вакуума песок из форм высыпается, а отливки при помощи той же консоли переносятся в транспортный контейнер.


Вблизи участка ВПФ располагается механизированный участок ЛГМ, где контейнеры передвигаются на рольгангах под заливку.
Следует отметить применение единых вибростолов для уплотнения форм ВПФ и ЛГМ.
Различие в процессах виброуплотнения для ВПФ и ЛГМ состоит лишь в том, что в процессе ЛГМ виброуплотнение производится послойно с последовательным изменением частоты вибрации, а в процессе ВПФ – при неизменной виброчастоте. Изменение частоты вибрации в процессе ЛГМ обусловливается необходимостью качественного уплотнения песка в сложных внутренних полостях пеномоделей.
Выбивка залитых контейнеров ЛГМ выполняется на общей выбивной решетке путем открывания клапана в нижней части контейнера и свободной высыпки песка.


Предварительно из контейнера консольным краном извлекают залитый «кластер» – куст с отливками ЛГМ.
Высыпавшийся из форм ВПФ и контейнеров ЛГМ горячий песок поступает в общий приемный бункер, а затем с помощью цепного элеватора подается в охладитель, в котором пневморазжиженный слой песка движется за счет наклона охладителя. Охлаждение песка происходит за счет теплоотвода через воздух и холодную воду, циркулирующую по трубам, расположенным внутри охладителя.
При этом охладитель кроме охлаждения песка удаляет из него пылевидную фракцию, уносимую вентилятором и осаждаемую в циклонах.
После охлаждения песок по трубчатому конвейеру подается вверх, в приемные бункеры для засыпки форм ВПФ и ЛГМ, а также в бункер над смесителем ХТС.
Объединение трех систем – выбивки, регенерации и вакуумирования в единую позволяет значительно сократить затраты на оборудование.


Производительность линий ВПФ и ЛГМ находится в пределах от 10 до 20 форм в час.
Размеры опок ВПФ – 1000х800х300 мм, контейнера ЛГМ – 960х712х720 мм.
Указанная производительность каждой из двух линий ВПФ и ЛГМ вполне сможет обеспечить годовой выпуск литья от 1,5 до 3 тысяч тонн в зависимости от развеса отливок.
Проведенный нами анализ капитальных затрат на создание единого литейного отделения ВПФ-ЛГМ в сравнении с затратами на АФЛ по «Сейатцу-процессу» показал снижение инвестиционных затрат в 5-10 раз в зависимости от требуемых объемов производства.
Мы готовы тесно сотрудничать с нашими будущими партнерами, обеспечив поставку оборудования, внедрение технологий и обучение Ваших специалистов.
С уважением и надеждой на сотрудничество.
Авторы.
Авторы выражают признательность господину Е. Буданову за помощь в написании данной статьи.


©Спецлиттех 2015
Яндекс.Метрика