Высокие технологии литья металла, производство как технологическое использование науки

lyttya.jpg.pagespeed.ce.IRTzk0kV8zУкраина испокон веков славилась достижениями в области литья металлов. В советское время в 1985-90 гг. украинские литейщики были первыми в мире по литью металла в тоннах на душу населения. Делать свое дело лучше других с опережением роста общественной производительности труда над ростом потребления, в частности, восстановить достижения литья, что относится к традиционным украинским ремеслам и промышленных отраслей, – эту важную задачу стоит рассматривать как составляющую национальной идеи.

Сейчас интеграция отечественной экономики в мировое пространство, о чем свидетельствует вступление Украины в ВТО, стимулирует развитие в нашей стране конкурентоспособных технологий, в частности в машиностроении, где снижают металлоемкость и себестоимость продукции за счет производства высокоточных деталей. Доля литых деталей в среднем – это 50-70% массы (в станкостроении – до 90%) и 20% стоимости машин. Только методами литья можно получить сложные по конфигурации и геометрии заготовки из черных и цветных сплавов с высоким (75-98%) коэффициентом использования металла. Как правило, именно литые детали несут основную нагрузку в машинах и механизмах и определяют их эксплуатационную надежность, точность и долговечность. Статистика развития обрабатывающей промышленности в Украине свидетельствует о необходимости расширения металлозаготовочной базы на инновационно-инвестиционной основе. В этом обзоре приведена одна из технологий литья, которую еще называют машиностроительной металлургией. Кстати, сейчас «большая» металлургия Украины дает по стоимости около 40% экспорта, чего не скажешь о «малой».

Инвестиции тогда выгодны, когда их вкладывают в новую технологию. В литейном деле становится все более популярной такая технология, когда получить модель отливки означает уже наполовину получить саму отливку. Модель отливки из пенополистирола (пенопласта), такая как упаковка от телевизора, или одноразовая пищевая тарелка, которые штампуют миллионами на автоматах, а плитами пенополистирола утепляют наружные стены высотных домов.

По подобной технологии для серии отливок модели производят задуванием порошка (мелких гранул) пенополистирола в легкие алюминиевые пресс-формы (весьма простые в изготовлении) с последующим вспениванием гранул при их нагреве. Для производства разовых и крупных отливок (иногда весом до нескольких тонн) подходит метод вырезание моделей из плит пенополистирола нагретой нихромовой проволокой, например, по шаблонам. Также сегодня все чаще применяют широкую гамму обрабатывающих центров плоттерного или фрезерно-гравировального типа (точность позиции режущего инструмента – от ± 0,05 до ± 0,1 мм), что стали по цене доступными для предпринимателей, в том числе для изготовления моделей и рекламных макетов. Модель, а затем изготовленная по ней отливка имеют высокую точность и конкурентный товарный вид.

Свободно можно увидеть, «пощупать» отливку в целом изделии еще в модели до литья металла, промерить ее стенки, чего при обычной формовке для сложных отливок просто не сделать. Отсутствует смещение песчаных стержней и полуформ при уборке (так как отсутствуют сами стержни), что свойственно традиционному формированию в парных опоках. Модели красят быстросохнущей краской с огнеупорным порошком, собирают с литником, засыпают сухим песком в ящике (контейнере) и заливают металлом.

При заливке металл испаряет модель и собой ее замещает. В этой операции замены одного на другое – весь «фокус» или ноу-хау этой технологии, который определяет ее название – литье по газифицируемым моделям (способ ЛГМ, или известный как «Lost Foam Casting Process»), и делает ее уникальной. Во всех других способах формовки по модели присутствует предварительная операция ее удаления перед заливкой, а в таком отсутствии удаления модели из формы и кроется «секрет» точности получаемых отливок. Что сформовали, то и отлили в неподвижном окружающем песке. Снятие «копии» с модели происходит одновременно с «превращением» модели в отливку, что в шутку можно сравнить с выполнением «фотографии» путем «уничтожения» оригинала, или как в шахматной партии с жертвой пешки (модели) для выигрыша туры (отливки).

Чтобы модель не дымила в цех при заливке формы расплавленным металлом из контейнера отсасывают насосом газы – разрежение поддерживают примерно пол атмосферы (бытовой пылесос уменьшает давление на 0,3 атмосферы). Производственные участки – модельный, формовочный, плавильный, очистительный – имеют примерно одинаковые площади и оснащаются простым оборудованием. Все формирования состоит из засыпки сухого песка без массивных высокоточных машин прессования, встряхивания, устройств сбора форм. Акцент внимания перенесен на производство моделей – этих «легчайших игрушек» с плотностью материала 25 … 27 кг/куб. м, что преимущественно «доверяют» женским рукам, часто располагая на втором и выше этажах цехов.

Обратимое охлаждения песка ведут в пневмопотоке или с применением простейших конвейеров, эти металлоконструкции для экономии помещений часто монтируют с внешней стороны стены цеха, на воздухе сухой песок в силосе сохраняется «не боясь» мороза. Для черных и цветных сплавов используется одинаковое оборудование, которое, благодаря своей простоте, без осложнений изготавливают в Украине (для других видов формовки качественное оборудование надо импортировать). Таким образом получают отливки из чугуна и стали всех видов, бронзы, латуни и алюминия всех марок. В ящике «на кусте» можно сразу лить десятки отливок, как льют ювелирные изделия.

Цеха и участки с этой гибкой технологией множатся по всему миру – от Америки до Китая, на заводах General Motors, Ford Motors, Fiat. Мировая практика свидетельствует о постоянном росте производства отливок этим способом, которое превысило 1,5 млн. т/ год, в одном КНР работает более 1,5 тыс. таких цехов, прогнозы на ближайшее будущее дают этой технологии 10 … 20% объемов мирового литья.

Институт ФТИМС НАН Украины, г. Киев (отдел ФХПФ под руководством проф. Шинского А.И.), сохраняя в этом деле «фирменную» специализацию, как одну из граней своих научно-инженерных достижений, спроектировал и запустил ряд участков в России, поставил и внедрил такое оборудование в Польше и Вьетнаме, из последних объектов – цех на 400 т/месяц в Днепропетровске. В институте, который является лидером по способу ЛГМ, создано и поставляется заказчикам базовое технологическое оборудование литейных цехов для единичного, серийного и массового производства отливок из черных и цветных сплавов по этому способу мощностью 100-5000 т/год.

Потенциал технологии настолько значителен, что она позволяет лить не только металлы и сплавы, но и получать композиты и сотовые-ячеистые конструкции. Если в пеномодель помещать материалы или вставки, которые остаются в металлической отливке, то можно получить композитную или армированную конструкцию. Если в пенопластовую модель помещать вставки, которые высыпаются из отливки и дают полости, или выполняют модель в виде пространственной решетки или сот, то отливка будет иметь сотовую структуру. Примером последнего является литая металлическая пена с открытой пористостью, полученная немецкими литейщиками.

Низкие затраты на материалы (всего 4 вида, не применяются в форме связующие) экономят не менее 100 долл./т литья, а размещение отливок по всему объему контейнера дает выход годного до 80 … 85%, экономию по шихте металла на 250 … 300 кг, электроэнергии 100 … 150 кВт.ч., массы отливок на 10 … 20% по сравнению с традиционной опочной формовкой. Особенно большая экономия при литье сложных отливок из износостойких сталей (шнеки для машин по производству кирпича, била, молотки и детали дробилок), так как резко снижаются затраты на механообработку. Также льют без ограничений колеса, звездочки, корпуса, сантехнику, головки и блоки цилиндров бензиновых и дизельных двигателей, художественные, парковые и другие отливки.

По данным General Motors, при производстве блока цилиндров масса его уменьшилась на 15% и трудоемкость механической обработки на 50% по сравнению с традиционным литьем в стержнях. Освоение литья чугунных блоков автомобильных двигателей объемом 1,3 л для автомобиля Сенс технологи ФТИМС считают своим серьезным достижением, блок легче аналога на 5 кг. На стадии проектирования оснастки – изготовление серии отливок проходят в этом институте еще два вида блоков цилиндров двигателей из алюминия и чугуна.

Опыт запуска цехов до 50 … 150 т/месяц показал срок окупаемости 9 … 12 месяцев, набор оборудования для цехов 10 … 80 т/месяц отличается мало. Капитальные затраты на организацию производства сокращаются в 2 … 2,5 раза, как и сроки ввода цеха в эксплуатацию и его производственная площадь. Легко разместить такие участки при кузницах, термичных, ремонтных и других цехах. Если создавать или реконструировать литейную, то технология ЛГМ – тот бизнес, в котором металл своим оборудованием и рабочей силой переводится в высокотехнологичный наукоемкий товар, отличающийся высоким качеством.

В Киеве в опытном цехе института льют черные и цветные металлы, вес отливки – 0,1 … 2500 кг. Литейный цех служит полигоном для нового оборудования и производит отливки из чугуна, стали, алюминия, медных сплавов (латунь, бронза) до 50 т в месяц, выполняет заказы на серийные и разовые детали. Институт ФТИМС проектирует цеха и участки, разрабатывает технологию литья деталей, поставляет оборудование и оснащение. Выполняются пусконаладочные работы всего комплекса поставленного оборудования и внедрение технологии, обучается персонал. Институт является координатором заказов для цехов-партнеров по точному литью деталей с минимальной механообработкой без ограничений на геометрию отливки, формирует портфель экспортных заказов.

К сожалению, отечественные производители экспортируют львиную долю металла в чушках, слябах и массивных заготовках, а также лом, тогда как Германия в 2004 году экспортировала 31% отливок, полностью импортируя руду (преимущественно из Бразилии) и металл. ЛГМ можно отнести к наукоемким высоким технологиям литья, способным исправить указанную тенденцию, оно вопреки сложившемуся стереотипу еще на студенческой скамье в вузах, свидетельствуют, что высокие технологии – это не обязательно сложные малодоступные процессы. Ими все больше заинтересовывается отечественное машиностроение по мере укрепления тенденции перехода от неглубокой переработки и экспорта полуфабрикатов и сырья к выпуску наукоемкой продукции, особенно выгодной для Украины, которая относится к немногочисленным странам с замкнутым металлургическим циклом производства металлов из собственных руд и где распространяются уверенность, что чем быстрее мы станем до деталей и машин перерабатывать свой металл, тем раньше достигнем европейского уровня благосостояния.

Обзор составил В. Дорошенко