2.2.3 Компенсационный метод расчета прибылей

Один из путей снижения себестоимости средних и крупных отливок, изготовляемых методом литья по выплавляемым моделям, - увеличение выхода годного, в частности, за счет минимизации объема прибылей.

Из числа известных методов расчета прибылей отливок, производимых методом ЛВМ, это обстоятельство учитывается только в компенсационном методе.

Если рассматривать наиболее часто встречаемую в ЛВМ (для средних и крупных отливок) схему питания отливок (отливка → прибыль → литниковый ход → стояк → литниковая воронка), то, в соответствии с компенсационным методом, минимально-допустимый объем прибыли можно рассчитать по формуле:

V_{п min} = , (9)

А = 1/(1-3·β), (10)

, (11)

, (12)

где V₀ – объем отливки, питаемый от данной прибыли, см³;

β – коэффициент объемной усадки сплава отливки при затвердевании;

, , - модуль охлаждения литникового хода, отливки и ее термического узла, соответственно, см.

Вычислив минимально допустимый объем прибыли по формулe (9), размеры прибыли можно рассчитать по формулам, приведенным ниже:

1. для прибыли в виде обратного усеченного конуса рисунок 11):

α = 5º…10º,

D_н = (1,15…1,25) · D_ш, (13)

r₁ = (0,1…0,2) · D_ш, (14)

D_в = , (15)

h = ; (16)

Рисунок 11 – Схема прибыли в виде обратного усеченного конуса

2. для прибыли в виде полусферического обратного усеченного конуса (рисунок 12):

α = 5º…10º,

D_н = (1,15…1,25) · D_ш, (17)

r₁ = (0,1…0,2) · D_ш, (18)

D_в =0,5· , (19)

h = ; (20)

Рисунок 12 – Схема прибыли в виде полусферического обратного усеченного конуса

3. для полусферической цилиндрической прибыли (рисунок 13):

D_в = , (17)

h = r_п. (18)

Рисунок 13 – Схема полусферической цилиндрической прибыли

При конструировании ЛПС исходят не только из соображений о необходимости обеспечения ЛПС требуемых условий заполнения формы расплавом, достаточного питания затвердевающей отливки расплавом и удобства отделения элементов ЛПС от отливки, но и с учетом технологичности монтажа модельного блока, его прочности и так далее. При этом, в частности, во избежание повреждения отливки в процессе ее обрубки в конструкции прибыли выполняют специальный технологический элемент – шейку, высоту которой h_ш принимают равной 5…12 мм. [3]

3 ВЫБОР МОДЕЛЬНЫХ СОСТАВОВ

3.1 Требования, предъявляемые к модельным составам

Для получения моделей отливок и литниково-питающих систем используют различные модельные составы, свойства которых должны обеспечивать высокое качество моделей и, следовательно, отливок.

При выборе модельного состава руководствуются следующими требованиями:

- модельный состав должен быть механически однородным;

- модельный состав должен обладать хорошей жидкотекучестью в расплавленном состоянии для облегчения изготовления моделей и выплавления их из форм;

- усадка состава при охлаждении, так же как и расширение его при нагревании должны быть минимальными и стабильными (температура размягчения должна быть выше 40 ℃);

- модельный состав должен точно воспроизводить конфигурацию рабочей полости пресс-формы и ее поверхность, не взаимодействовать с материалом пресс-формы и суспензий, хорошо смачиваться суспензией. Модель должна иметь чистую глянцевую поверхность;

- после затвердевания в пресс-форме модельный состав должен обладать твердостью и прочностью, чтобы модели не деформировались на всех технологических операциях;

- обладать свойствами, обеспечивающими возможность применения наиболее простых и экономических режимов изготовления и эксплуатации моделей, то есть иметь температуру плавления 50…90С˚, высокие теплопроводность и жидкотекучесть, как в расплавленном так и пастообразном состоянии, минимальное время затвердевания в пресс-форме, не должны прилипать к её поверхности, хорошо спаиваться при сборке моделей в блоки;

- модельный состав должен хорошо смачиваться суспензией;

- зольность состава должна быть минимальной (менее 0,02 %);

- составы должны быть безвредными, а компоненты, из которых они состоят - дешевыми недефицитными.

3.2 Исходные материалы для модельных составов

Наиболее распространенными исходными материалами для модельных составов являются следующие:

1. парафин – белая масса с кристаллической структурой, придающая моделям пластичность, устойчивость к образованию трещин. Наиболее дешевый и недефицитный материал. Хорошо сплавляется со стеарином при 600…700 ℃ и с буроугольным воском при 100…110 ℃. Основной недостаток – невысокая прочность;

2. стеарин – смесь жирных кислот, аморфная бело-желтая масса, повышающая теплостойкость и прочность модели. Взаимодействует с этилсиликатом. В 8 раз дороже парафина. Главный недостаток – омыливается;

3. буроугольный воск – смесь воска, смолы, асфальтоподобных веществ (продукт переработки битумного бурого угля), однородная масса темно-бурого цвета. Является заменителем стеарина. Модели, изготовленные из модельных составов на основе буроугольного воска, имеют блестящую поверхность. Обладает высокой прочностью и твердостью. Недостатки: хрупкость, высокая коксуемость в процессе вытопки модельной массы при недостатке кислорода, необходимо продумать прокалку;

4. церезин – смесь твердых высокомолекулярных углеводородов, аморфная светло-желтая масса. Материал недефицитный. Обладает большей пластичностью и теплостойкостью по сравнению с парафином и стеарином. Недостатки: значительная линейная усадка, малая прочность и твердость;

5. этилцеллюлоза – разновидность простых эфиров целлюлозы, порошок белого или желтого цвета. Применяется в качестве пластификатора и упрочнителя парафино-стеаринового состава (добавляется не более 5%). Хорошо смешивается с жидким стеарином, но не сплавляется с парафином;

6. полиэтилен – высокомолекулярное соединение, полимер этилена, вязкий в расплавленном состоянии. Увеличивает термостойкость и прочность парафина в 1,5…2 раза, снижает усадку до 3%. Хорошо сплавляется с канифолью и стеарином. Снижает жидкотекучесть состава;

7. канифоль – хрупкая стекловидная масса (смола) желтого цвета. Придает модельному составу прочность и термостойкость;

8. карбамид (СО(NH₂)₂) – кристаллический материал. При нагреве не проходит стадии размягчения. Состав водорастворимый. Обладает малой усадкой, высокой прочностью. Недостаток – гигроскопичность.

3.3 Свойства материалов, входящих в модельные составы

От свойств модельного состава во многом за­висит качество, как самих выплавляемых моделей, так и производимых отливок. В свою очередь, качество моде­лей зависит от ряда факторов, в числе которых термовременные параметры производства моделей отливок.

Для теплотехнических расчетов затвердевания и охлаждения выплавляемых моделей в форме (пресс-форме), выплавления модельного состава из керамической оболочковой формы, разработки новых модельных составов и т. п. необходимо знать теплофизические свойства, как используемых модельных составов, так и входящих в них материалов.

Теплофизические свойства мате­риалов при 25...32 ℃, а также температура и теплота их плавления приведены в таблице 5, в таблице 6 приведены температура и теплота плавления восков.

Таблица 5 - Теплофизические свойства материалов, входящих в модельные составы

Материал	ρ, кг/м3	с, Дж/ (кг·трад)	λ, Вт/ (м·град)	а·107, м2/с	b, (Вт·с0'5)/ (м2·град)	tпл (tпп), °С	Qпл, кДж/ кг
Парафин (ПарК/2-1)	910 10	2270 37	0,25 0,01	1,210	719 24	55... 63	147 7
Стеарин (А)	939 5	3890 49	0,28 0,04	0,766	1011 78	68... 70	200 2
Церезин (M80)	910 10	2362±30	0,30 0,04	1,396	803 62	70... 71	128 2
Воск буроугольный (Romonta N)	996 4	2520 43	0,74 0,03	2,948	1363 42	78... 79	136 4
Воск полиэтиленовый (ПВ-200)	885 5	2510 18	0,30 0,02	1,350	816 33	98...100	135 4
Канифоль сосновая (сорт высший)	1072 4	2261 9	0,12 0,01	0,495	539 24	65...70
Полиэтилен высокого давления (15303 - 003, сорт высший)	919 2	2005±15	0,33 0,01	1,791	780 15	114...117	74 2
Эфир канифоли глицериновый (сорт высший)	1080±7	2340±10	0,14 0,02	0,554	595 44	72...74
Смола нефтеполимерная (Пиропласт-2к)	1064 2	1290 15	0,13 0,005	0,947	422 11	101... 103
Этиленвинилацетат (СЭВИЛЕН 11808-340)	950 5	1860 10	0,34 0,01	1,924	775 +16	115...120	107 5
Полипропилен	910±4	1922 12	0,20 0,005	1,143	591 11	167... 170
Полистирол	1055 5	1360 14	0,12±0,005	0,836	415 12	145... 148
Примечание - ρ - плотность, с - удельная теплоемкость; λ – коэффициент теплопроводности, а - коэффициент температуропроводнос­ти (рассчитан для средних показателей с, λ, ρ), b – коэффициент теплоаккумулирующей способности (b = (ρ с·λ)0,5), tпл - температура плавления (кристаллизации), tпп – температура перехода из твердого в вязко-текучее состояние, Qпл - удельная теплота плавления (кристаллизации).

Таблица 6 - Температура и теплота плавления восков

Материал	tпл , °С	Qпл, кДж/кг
Воск:
- карнаубский	62,9…72,0	115,3
- канделлильский	60,0…68,0	175,2
- буроугольный (Семеновский перекристаллизованный)	76,1…87,6	167,3
- буроугольный (Romonta)	73,9…89,0	138,8
- торфяной	46,0…69,0	54,0
- торфяной (модифицированный)	66,0…77,0	59,6
- торфяной (обессмоленный)	77,0…82,0	75,7
- полиэтиленовый	103,8…109,5	161,0
- пчелиный очищенный (вощина)	46,0…54,0	100,4
Озокерит	56,5…76,0	140,6

При 25...32 ℃ плотность материалов, наиболее часто используемых для производства модельных составов, составляет 885...1055 кг/м³, теплопроводность - 0,09...0,77 Вт/(м·град), удельная теплоемкость - 1289...3939 Дж/(кг·град). Теплота плавления исследованных компо­нентов модельных составов - 54000... 202000 Дж/кг.

Стабильность свойств материа­лов, приведенных в таблице 5, оценивается по относительному отклонению Δ коэффициента b от среднего зна­чения по возрастанию величин (таблица 7).

Таблица 7 - Ранжирование материалов в зависимости от относительного отклонения Δ коэффициента b от среднего зна­чения

Материал	Δ, %
Полипропилен	1,861
Полиэтилен высокого давления (15303-003, сорт высший)	1,923
Этиленвинилацетат (СЭВИЛЕН 11808-340)	2,064
Смола нефтеполимерная (Пиропласт-2к)	2,607
Полистирол	2,891
Воск буроугольный (Romonta N)	3,081
Парафин (ПарК/2-1)	3,338
Воск полиэтиленовый (ПВ-200)	4,044
Канифоль сосновая (сорт высший)	4,453
Эфир канифоли глицериновый (сорт высший)	7,395
Стеарин (А)	7,518
Церезин (M80)	7,721

Наиболее стабильным уровнем теплофизических свойств обладают: полипропилен, полиэтилен высокого давления (15303-003, сорт высший) и этиленвинилацетат (СЭВИЛЕН 11808-340). К числу материалов с наиболее нестабильными теплофизическими свойствами относятся: церезин (M80), стеарин (А) и эфир канифоли глицериновый (сорт высший).

Если в качестве критерия, косвенно характеризующего стабильность химического состава материала, принять абсолютный интервал изменения температуры его плавления от партии к партии Δ_t, то все материалы, перечисленные выше, можно ранжировать согласно таблице 8.

Таблица 8 - Ранжирование материалов в зависимости от абсолютного интервала изменения температуры его плавления Δ_t от партии к партии

Материал	Δt, %
Церезин	1
Смола нефтеполимерная, эфир канифоли глицериновый, стеарин	2
Полипропилен, полистирол, полиэтилен высокого давления	3
Канифоль сосновая, этиленвинилацетат, воск торфяной (обессмоленный)	5
Воск полиэтиленовый	5,7
Парафин, вощина (воск пчелиный очищенный), воск канделлильский	8
Воск:
- карнаубский	9,1
- торфяной (модифицированный)	11
- буроугольный (Семеновский перекристаллизованный)	11,5
- буроугольный (Romonta)	15,1
Озокерит	19,5
Воск торфяной	23

Из числа представленных материалов наиболее стабильную температуру плавления (и, следовательно, химический состав) имеет церезин (М80), наименее - воски природного происхождения. [4]

Для достижения высокой точности формы отливок особо ответственного назначения, изготовляемых методом ЛВМ, следует использовать выплавляемые модели отливок с соответствующим уровнем точности формы, в частности, без коробления. Один из путей повышения точности формы модели отливок - охлаждение в форме (пресс-форме) до комнатной температуры.

В настоящее время, как правило, этот технологический прием в цехах ЛВМ не используют, во-первых, из-за резкого снижения оборачиваемости форм (пресс-форм), во-вторых, из-за растрескивания изготовляемых моделей отливок. Данные проблемы могут быть устранены следующим образом:

1. резкое снижение оборачиваемости пресс-форм устраняется за счет применения принудительного охлаждения залитой формы (запрессованной пресс-формы);

2. растрескивание моделей отливок устраняется за счет повышения трещиноустойчивости применяемого в производстве модельного состава, используя, в частности, критерии склонности материала модели отливок к короблению и образованию трещин в литых изделиях.

В таблице 9 представлены основные свойства материалов, входящих в модельные составы.

Таблица 9 - Свойства материалов, входящих в модельные составы

Материал	αаз	kаз, град-1	tкр, °С	tт, °С	tпу, °С
Парафин марки (ПарК/2-1)	0,0017	0,000230	55	26...27	27,4
Воск горный марки (Romonta Y-S80)	0,0052	0,000133	79	54...56	59,1*
Канифоль сосновая	0,0014	0,000076	78**	35...37	38,4
Эфир канифоли глицериновый	0,0014	0,000075	94**	38...39	38,7
Смола нефтеполимерная	0,0013	0,000047	99**	45...46	47,7
Воск полиэтиленовый марки ПВ-200	0,0133	0,000167	99	96...98	99,6*
Церезин марки 100 (синтетический)	0,0327	0,000680	73	69...71	68,1*
Церезин марки 90 (нефтяной)	0,0062	0,000235	87	46...47	46,4
Свинец	0,0022	0,000030	327,4		93,3
Сплав ПБВпэ70/20/10***	0,0054	0,000247	55	41 ...42	41,9*
Примечания: * В условиях абсолютно затрудненной усадки отливки из данного материала имеют трещины. ** Температура перехода материала из вязкотекучего в вязкопластичное состояние. *** Сплав содержит 70% парафина, 20% воска буроугольного Romonta N, 10% воска полиэтиленового ПВ-200. αаз – абсолютно затрудненная линейная усадка отливки, kаз - среднее значение КТР материала при tпу...tос в отливке, полученной в условиях ее абсолютно затруд­ненной линейной усадки, tос – температура воздуха окружающей среды, tт – теплоустойчивость, tпу - температура перехода материала отливки из пластического состояния в упругое.

Температура теплоустойчивости материала отливки - это температура его перехода из пластичес­кого в упругое состояние в процессе охлаждения отливки. При этом, чем ближе t_пу к температуре кристаллизации материала отливки, тем выше вероятность образования в отливке трещин в процессе ее за­твердевания и охлаждения в форме в условиях абсолютно затрудненной линейной усадки.

В таблице 10 представлен критерий оценки склоннос­ти материала к короблению и образованию трещин в литых изделиях K_s. Критерий K_s - обратная величина коэффициента торможения усадки, по которому можно оценить затрудненную (технологическую) усадку отливок (коэффициент торможения усадки - отношение свободной усадки к технологической, полученной при определенной жесткости элемента литейной формы, препятствующего усадке отливки).

Таблица 10 - Критерий оценки склоннос­ти материала к короблению и образованию трещин в литых изделиях K_s

Материал	Ks	Δк,мм
Парафин	0,093	0,00
Эфир канифоли глицериновый	0,198	0,00
Свинец	0,226	0,00
Смола нефтеполимерная	0,311	0,00
Церезин нефтяной марки 90	0,493	0,10 0,05
Сплав ПБВПЭ 70:20:10	0,563	0,40 0,10*
Воск буроугольный Romonta Y-S80	0,631	0,80 0,10*
Церезин синтетический марки 100	0,756	1,27 0,10*
Воск полиэтиленовый ПВ-200	1,000	1,75 0,15*
Примечания: * - в условиях абсолютно затрудненной усадки отливки из данного материала имеют трещины, Δк – коробление отливки.

Для предупреждения образования трещин в той или иной отливке, имея экспериментальные данные о свободной линейной усадки и среднем значении коэффициента термического расширения (КТР), следует подобрать такие условия производства отливки (податливость и начальную температуру формы, температуру выбивки отливки из формы и т.п.), при которых K_s не будет 0,5. При этом следует учитывать, что с увеличением податливости формы и температуры отливки при ее удалении из формы возрастает и вероятность образования, и величина коробления отливки.

Материалы с K_s 0,4 (парафин, эфир канифоли глицериновый, свинец, смола нефтеполимерная) не склоны к короблению. Не склонны к образованию трещин в отливках, охлажденных в неподатливой форме до температуры воздуха окружающей среды материалы с K_s 0,5 (парафин, эфир канифоли глицериновый, свинец, смола нефтеполимерная, церезин нефтяной марки 90). [5]