Високітехнології лиття металу, виробництво як технологічне використання науки


Високітехнології лиття металу, виробництво як технологічне використання науки
Україна споконвіку славилася досягненнями в галузілиття металів.

Високітехнології лиття металу, виробництво як технологічне використання науки

Україна споконвіку славилася досягненнями в галузілиття металів. За радянських часів в 1985-90 рр. українські ливарники були першими у світі политтю металу на душу населення. Робити свою справу краще за інших, відновитидосягнення ливарництва, що належить до традиційних українських ремесел тапромислових галузей - це важливе завдання слід розглядати як складовунаціональної ідеї.

Нині інтеграція вітчизняної економіки у світовийпростір, про що свідчить недавній вступ України у СОТ, стимулює розвиток унашій країні конкурентоспроможних технологій, зокрема в машинобудуванні, дезнижують металоємність і собівартість продукції за рахунок виробництвависокоточних деталей. Частка литих деталей в середньому - це 50-70 маси (вверстатобудуванні - до 90%) і 20% вартості машин. Тільки методами лиття можнаотримати складні за конфігурацією і геометрією заготовки із чорних такольорових сплавів з високим (75-98%) коефіцієнтом використання металу. Якправило, саме литі деталі несуть основне навантаження в машинах та механізмах, і визначають їх експлуатаційну надійність,точність і довговічність. Статистика розвитку оброблювальної промисловості вУкраїні свідчить про необхідність розширення металозаготівельної бази наінноваційно-інвестиційній основі. Розглянемо одну із технологій ливарництва, якеще називають машинобудівельною металургією. До речі, нині «велика» металургіяУкраїни дає за вартістю близько 40% експорту, чого не скажеш про «малу».

Інвестиції тоді вигідні, коли їх вкладають у новутехнологію. У ливарній справі стає популярнішою технологія, коли отриматимодель виливка - означає наполовину отримати виливок. Модель виливка зпінополістиролу (пінопласту) така, як упаковка від телевізора або разовахарчова тарілка, яких штампують мільйонами на автоматах, а плитамипінополістиролу утеплюють зовнішні стіни висотних будинків.

За схожою технологією для серії зливків моделівиготовляють задуванням порошку (дрібних гранул) пінополістиролу в легкіалюмінієві прес-форми (нескладні у виготовленні) з подальшим спінюванням гранулпри їх нагріванні. Для виробництва одноразових і великих виливків (іноді вагоюдо декількох тонн) годиться метод вирізування моделей з плит пінополістиролунагрітим ніхромової дротом, наприклад, по шаблонах. Зараз дедалі частішезастосовують для цього оброблювальні центри плотерного абофрезерувально-гравірувального типу (точність позиції різального інструмента - ±0,05 мм), що стали за ціноюдоступними для підприємців. Модель, а потім виготовлений по ній виливок маютьвисоку точність і конкурентний товарний вигляд, особливо вражає якістьхудожнього литва.

Побачити чи «помацати» виливок в цілому виробіможна ще в моделі (наче тримаєш в руках саму порожнину ливарної форми), що призвичайних роз'ємнихпіщаних формах зі стержнями для складних виливків просто неможливо. Немає такожзсуву піщаних стержнів і напівформ при складанні (оскільки немає самих стержнів),що властиво традиційному формуванню в парних опоках. Моделі покривають фарбою,що швидко сохне, з вогнетривким порошком, складають з ливником, засипають сухимпіском в ящику (контейнері) і заливають металом.

При заливанні метал випаровує одноразову модель ісобою її заміщає. У цій операції заміни весь «фокус» або ноу-хау цієїтехнології, що визначає її назву - лиття замоделями, що газифікуються (спосіб ЛГМ), і робить її унікальною. В усіхінших способах формування по моделі використовують операцію її видалення передзаливанням, а в зазначеній новизні і криється «секрет» точності одержуванихвиливків. Що заформували, те і вилили в нерухомому навколишньому піску. Знімають«копію» з моделі одночасно з «перетворенням» моделі на виливок, що жартомаможна порівняти з виконанням «фотографії» шляхом «знищення» оригіналу, або як ушаховій партії - з жертвою пішака (моделі) для виграшу тури (виливка ).

Щоб модель не утворювала диму в цеху при заливанніформи розплавом металу, з контейнера відсмоктують насосом гази - розрідженняпідтримують приблизно піватмосфери (побутовий пилосос зменшує тиск на 0,3 атмосфери).Виробничі дільниці: модельна, формувальна, плавильна, очисна мають приблизнооднакові площі й оснащені простим устаткуванням. Усе формування складається ззасипання сухимо піском опок-контейнерів без масивних високоточних машинпресування, струшування, пристроїв складання форм. Акцент перенесено навиробництво одноразових моделей - цих «найлегших іграшок» із щільністюматеріалу 25...27 кг/м³, які часто розташовують на другому і вищихповерхах цехів і зазвичай «довіряють» жіночим рукам.

Оборотне (на 95 %) охолодження піску здійснюють упневмопотоці або із застосуванням найпростіших конвеєрів - ці металоконструкціїдля економії приміщень часто монтують із зовнішнього боку стіни цеху, бо наповітрі сухий пісок в силосі не боїться морозу. Для чорних і кольорових сплавіввикористовують однакове устаткування, котре виготовляють в Україні (для іншихвидів формування якісне устаткування треба імпортувати). Таким способом одержуютьвиливки з чавуну і сталі усіх видів, бронзи, латуні й алюмінію всіх марок. Уящику «на кущі» можна відразу лити десятки виливків, як виливають ювелірнівироби.

Цехи ідільниці з цією гнучкою технологією множаться по всьому світу - від Америки доКитаю, на заводах «General Motors», «Ford Motors», «Fіat». Світова практика свідчить про постійне зростаннявиробництва виливків цим способом, яке вже перевищило 1,5 млн т/рік. Наприклад,лише в КНР діє більше 1,5 тис. таких цехів, а прогнози на найближче майбутнє відводятьцій технології 10...20% обсягу світового лиття.

В інститутіФТІМС НАН України в Києві (відділ ФХПФ під керівництвом проф. Шинського О.І.) розвивають «фірмову» спеціалізацію на цій технології. Тут спроектовано ізапущено кілька дільниць у Росії, експортовано і впроваджено таке устаткуванняв Польщі й В'єтнамі, з останніх об'єктів - цех на 400 т/місяць уДніпропетровську. У інституті, що є лідером за способом ЛГМ, створено іпоставляється замовникам базове технологічне устаткування ливарних цехів дляодиничного, серійного і масового виробництва виливків з чорних і кольоровихсплавів потужністю 100-5000 т/рік.

Потенціал технології настільки значний, що за їїдопомогою можна отримувати й композити та комірчасті (по-російськи «ячеистые») конструкції. Якщо впіномодель поміщають (імплантують) матеріали чи вставки, що залишаються уметалевому виливку, то отримуємо композитну чи армовану конструкцію. Якщо вставкив пінопластову модель висипаються потім з виливка, то дають порожнини, так замоделлю, виконаною у вигляді просторової решітки чи з комірками, отримують виливоккоміркової чи крупнопористої структури. Її прикладом слугує лита металева піназ відкритою пористістю, котру отримали німецькі ливарники.

Низькі витрати на матеріали (на 1 тонну литва іде всього 4 вида модельно-формувальнихматеріалів: кварцового песка -50 кг, пінополістиролу - 6 кг, протипригарного покриття-25 кг,плівки поліетилен. - 10 кв.м, не застосовуються у формі в'яжучі)заощаджує до 100 дол./т литва, а розміщення виливків по всьому обсязіконтейнера дає вихід годного до 80...85%, економію по шихті металу на 250...300кг, електроенергії 100...150 квт./год., маси виливків на 10...20% порівняно зтрадиційної опоковою формовкою. Особливо велика економія при литті складнихвиливків зі зносостійких сталей (шнеки машин для виробництва цегли, била,молотки і деталі дробарок), коли різко знижуються витрати на механообробку.Також ллють без обмежень колеса, зірочки, корпуси, сантехніку, голівки і блокициліндрів бензинових і дизельних двигунів, художні, паркові й інші виливки.

За даними «GeneralMotors» при виробництві блока циліндрів маса його зменшилася на 15%, атрудомісткість механічної обробки - на 50% порівняно з традиційним литтям у стрижнях.Освоєння лиття чавунних блоків автомобільних двигунів об'ємом 1,3 л та блоків циліндрів зсилуміну для пускових двигунів технологи ФТІМС вважають своїм серйознимдосягненням - такі блоки легші від аналогів на 3...5 кг. З досвіду запускуцехів до 50-150 т/місяць виходить, що строк їх окупності - до 12 місяців, а комплексустаткування для цехів 10-80 т/місяць відрізняється мало. Капітальні витрати наорганізацію виробництва скорочуються в 2 рази, як і терміни введення цеху вексплуатацію та його виробнича площа. Легко розмістити такі дільниці прикузнях, термічних, ремонтних та інших цехах. Якщо створювати або реконструюватиливарню, то технологія ЛГМ - той бізнес, у якому вітчизняний метал своїмустаткуванням і робочою силою переводиться у високотехнологічний наукомісткийтовар, що відрізняється високою якістю.

У дослідному цеху ФТІМС виливають чорні ікольорові метали з вагою виливка 0,1-2500 кг. Ливарний цех слугує полігоном длянового обладнання і продукує виливки з чорних та кольорових сплавів до 50 т намісяць, виконує замовлення на серійні і разові деталі. Інститут проектує цехи іділянки, розробляє технологію лиття деталей, постачає устаткування й оснащення.Інститут є координатором замовлень для цехів-партнерів по точному литтю деталейз мінімальною механообробкою без обмежень геометрії виливка, формує портфельекспортних замовлень.

На жаль, вітчизняні виробники експортують великучастку металу в чушках, слябах і масивних заготівках, а також брухт, тоді якНімеччина в 2004 році експортувала 31% виливків, повністю імпортуючи руду(переважно з Бразилії) і метал. ЛГМ належить до наукоємних високих технологійливарництва, які свідчать, що високі технології - це не обов'язково складнімалодоступні процеси. У зв'язку з тенденцією до переходу від неглибокоїпереробки та експорту напівфабрикатів і сировини до випуску наукоємкоїпродукції це особливо вигідним є для України, котра належить до нечисленнихкраїн із повним металургійним циклом виробництва металів з власних руд. Стаєочевидним: щошвидше ми станемо до деталей і машин переробляти свій метал, тораніше досягнемо європейського рівня добробуту.

Дорошенко В., к. т. н., ст. наук.співробітник Фізико-технологічного інституту металів та сплавів НАН України, м.Київ