2.6 Изготовление рабочей модели

Процесс изготовления моделей включает в себя операции приготовления модельных составов, изготовления моделей и литниковых систем, отделки и контроля моделей.

Модели, как правило, изготовляют из смесей, состоящих из двух компонентов и более. С начала промышленного применения метода литья по выплавляемым моделям было опробовано более двухсот различных модельных составов: выплавляемых, выжигаемых, растворяемых в воде или специальных растворителях. Работы по изысканию модельных материалов и составов с оптимальными технологическими свойствами продолжаются и в настоящее время.

В художественном литье применяют воскоподобные модельные составы с температурой плавления ниже 100°С, что позволяет удалять модели из форм как горячим воздухом, так и горячей водой или паром. Такие воскоподобные составы используются для изготовления моделей как в расплавленном, так и в пластифицированном и пастообразном состоянии. Их главные компоненты - парафины, натуральный и синтетический церезин, стеарин, буроугольный или горный (монтановый), а также торфяной воски (битумы), сложные эфиры высших кислот, синтетические полиэтиленовые, реже натуральные воски. В качестве добавок, улучшающих реологические свойства состава, повышающих их прочность и теплостойкость, снижающих хрупкость, используются такие продукты, как кубовый остаток термического крекинга парафина, касторовое масло, этилцеллюлоза, канифоль, полиэтилен и др.

2.6.1 Требования, предъявляемые к модельным составам. К модельным составам предъявляются следующие требования:

- точное воспроизведение полости пресс-форм и отсутствие слипания с ней;

- достаточная прочность после затвердевания модели, обеспечивающая отсутствие деформации на всех технологических операциях;

- простота приготовления и содержание недорогих и недефицитных компонентов;

- хорошая жидкотекучесть в расплавленном состоянии при изготовлении модели и выплавлении ее из формы;

- плотность должна быть меньше 1000 кг/м³;

- хорошая смачиваемость суспензией;

- зольность состава должна быть минимальной;

- пригодность для многократного использования;

- состав должен быть безвреден для работающих.

2.6.2 Материалы для модельного состава. Современные тенденции направлены на применение воскообразных модельных составов без церезина. Исходя из удовлетворительных свойств, относительно недорогих и доступных материалов для изготовления легкоплавких моделей. Для отливки художественной композиции «Золотая антилопа» выбираем модельный состав ПС 50-50: парафин – 50%, стеарин – 50%.

Состав и свойства применяемого воскоподобного модельного состава приведен в таблице 6.

Таблица 6 - Состав и свойства воскоподобного модельного

состава

Обозна-чение	Температура, С		Усадка, %	Предел прочности при изгибе, Мпа	Золь-ность, % не более
	Каплепа-дения	Теплоус-тойчивости
ПС 50-50	53	30	0,8-1,0	1,8-2,0	0,003-0,10

2.6.3 Исходные материалы. Парафин — смесь углеводородов предельного ряда, продукт возгонки нефти, бурого угля и горючих сланцев. Представляет собой белую массу с кристаллической структурой. Парафин придает моделям пластичность и устойчивость к образованию трещин. Он наиболее дешевый и недефицитный компонент модельного состава. К недостаткам парафина относятся: невысокая прочность, склонность к размягчению и деформациям при температурах превышающих 28 С, вспениваемость в расплавленном состоянии. Парафин хорошо сплавляется со стеарином при температуре 70 ÷ 80 С

Стеарин – смесь жирных кислот. Является продуктом переработки растительных и животных жиров. Представляет собой аморфную беловато-желтую массу. Стеарин повышает теплостойкость и прочность моделей. Недостатки – дефицитность и дороговизна (в 8 раз дороже парафина), взаимодействие с этилсиликатом и омыление в воде.

Основные свойства исходных материалов приведены в таблице 7.

Таблица 7 – Основные свойства исходных материалов

Материал	Плотность, г/см3	Температура плавления, С	Линейная усадка, %	в, МПа
Парафин технический	0,9 ÷ 0,95	50 ÷ 51	0,3 ÷ 1,0	0,4 ÷ 0,5
Стеарин дистиллиро-ванный	0,9 ÷ 0,97	50 ÷ 56	0,7 ÷ 1,5	0,4 ÷ 0,6

2.6.4 Подготовка модельного состава. Модельный состав приготовляют в специальных термостатах, которые представляют собой металлический сосуд с водяной рубашкой, нагреваемый от электроспиралей. Применение водяной необходимо для постепенного нагревания модельных материалов, предупреждения возможного перегрева и увеличения угара материалов, а также их воспламенения.

Для приготовления модельного состава применяем термостат ТМС-5.

Характеристика термостата ТМС-5:

- емкость бака 5 л;

- продолжительность расплавления модельного состава 30 мин;

- производительность 6 л/час;

- наибольшая температура нагрева 300 С.

Приготовление модельных составов в термостате производят в следующем порядке. Взвешивают необходимое количество исходных материалов (в том числе и возврата), предварительно очищенных от внешних загрязнений. Загружают эти материалы в бак и закрывают его крышкой. Затем включают электроподогрев, установив автоматический терморегулятор на необходимую температуру.

После расплавления всех материалов температуру полученного состава доводят до 100 ÷ 110 С, выдерживают в течение 5 мин, после чего состав выливают через выпускной кран. При необходимости ускорения фильтрации сжатым воздухом закрепляют крышку и, после открытия выпускного крана, в бак подают сжатый воздух под давлением 2 ÷ 3 ат. После выпуска модельного состава сжатый воздух выключают, открывают баки, при необходимости, очищают фильтры.

2.6.5 Изготовление моделей. Изготовление выплавляемых модели происходит в пресс – формах. Модельный состав вводится в полость пресс – формы в жидком состоянии путем свободной заливки.

Этот способ прост и не требует применения специального оборудования, дает возможность получать прочные модели, экономично расходовать модельный состав. Однако при использовании данного способа необходимо предусматривать свободный выход воздуха из глухих полостей пресс-формы, относительно большую усадку модельного состава, что может привести к разрушению изделия.

Последовательность изготовления восковой модели состоит из следующих операций.

1. Части пресс – форм очищают от пыли и остатков модельного состава струей сжатого воздуха. Внутреннюю полость эластичной оболочки очищают струей сжатого воздуха.

2.Смазывают внутреннюю поверхность гипсового кожуха ЦИАТИМом и укладывают в них эластичные оболочки.

3. Собирают половинки гипсового кожуха.

4. Заливают модельный состав в пресс-форму.

5. Модельный состав выдерживают в течении некоторого времени до образования корочки толщиной 5-7 мм. Оставшийся жидкий модельный состав сливают в заранее приготовленную емкость.

6. Модельной состав в форме выдерживают до полного охлаждения.

После извлечения из пресс-формы получается пустотелая восковая модель художественной отливки, которая представлена на рисунке 5, 6.

Рисунок 5 - Рабочая легкоплавкая пустотелая модель отливки художественной композиции «Золотая антилопа»

Рисунок 6 - Рабочая легкоплавкая пустотелая модель отливки художественной композиции «Золотая антилопа»

Полученную модель по необходимости дорабатывают, исправляют дефекты, впаивают литниковую систему, монтируют каркас.

2.6.6 Изготовление рабочих легкоплавких моделей элементов литниковых систем. Модели литниковых систем изготавливают из этого же модельного состава в специальных металлических формах способом свободной заливки.

В таких формах получаются литники полукруглого сечения радиусом 5 мм и длиной 40 см, которые при необходимости режут на мерные длины.

Модели литниковой системы припаивают к моделям отливок специальным паяльником (электрошпателем).

2.6.7 Изготовление каркасов. Для армирования болвана в форме применяем каркас. Каркас выполним гибкой стальной проволоки Ст 3сп  6 мм. Для вывода газов из болвана отливки обмотаем каркас по всей длине асбестовым шнуром диаметром 2 мм.

Полученная полая модель должна быть тщательно осмотрена, если есть необходимость - дефекты подправляют электрошпателем с применением приемов, которыми владеет мастер.

2.7 Выбор литниковой системы

Рассмотрим вопрос, каким образом расположить литнико-питающую систему: её выбирают из опыта с учётом индивидуальности отливки и обосновывают расчётами. ЛПС показана на рисунке 7.

ЛПС должна обеспечить спокойное заполнение полости литейной формы без разбрызгивания металла, исключения эрозии стенок формы; во избежание перегрева частей формы в местах подвода расплава его следует заливать через большое количество тонких питателей. Примем рассредоточенную расширяющуюся верхнюю ЛПС.

Рисунок 7 - ЛПС для отливки художественной композиции «Золотая антилопа»

2.8 Расчёт литниковой системы

Расчёт ЛПС в данном случае сводится к определению ∑F_пит (суммарной площади сечения питателей), а сечение стояка зависимости от сечения питателя и вида литейного сплава определяется из эмпирически установленного соотношения.

∑F_пит,см², определим по формуле:

, (2.1)

где Q - масса металла, прошедшего через наименьшее поперечное сечение литниковой системы, г;

 - коэффициент, учитывает сопротивление элементов литейной формы, характеризует потери напора при движении металла;

 - время заливки, c;

 - плотность заливаемого металлического расплава, г/см³;

g – ускорение свободного падения, м/с²;

H_p - средний расчетный напор металла, см.

Продолжительность заливки ,с, определяется по формуле

, (2.2)

где S₁ - коэффициент, характеризующий продолжительность заливки;

- средняя толщина стенок отливки, мм ( = 4 мм);

Q - масса отливки с прибылями и литниками на одну отливку, кг (Q = 4,2 кг).

Продолжительность заливки по формуле (2.2) будет равна:

Средний напор металла H_р, см, определяется по формуле

, (2.3)

где Н_о - расстояние от места подвода металла в полость формы до уровня его в литниковой воронке, см;

P – Расстояние от места подвода металла до верха отливки, см;

C – высота отливки, см;

Н_о = 30 см;

P = 8,5 см;

С = 17 см;

Значение величины расчетного напора по формуле (2.3) составит:

Подставляя полученные значения в формулу (2.1) получим, что площадь сечения питателя будет равна:

Проведя проверочный расчет по скорости подъёма металла в форме, корректируем суммарное сечение питателей до значения ΣF_пит = 5,5 см².

Принимаем три питателя круглого сечения со следующими параметрами:

F_пит1,2,3 = 1,8 см², высота h = 30 мм, диаметр 14 мм;

В данном случае мы используем верхнюю рассредоточенную расширяющуюся литниковую систему.

Находим площадь сечения стояка

F_ст= 5,5/2 = 2,75 cм².

Диаметр стояка 17 мм.

Площадь сечения коллектора равна площади стояка

F_колл = F_ст = 2,75 см².

Принимаем коллектор полукруглого сечения высотой 15 мм шириной 17 мм.

В литниковой системе для приёма жидкого металла из ковша применяем литниковую воронку. Размер литниковой воронки определяем в зависимости от верхнего диаметра стояка.

Диаметр воронки D, мм, находим по формуле

D=3D_ст, (2.4)

где D_ст – диаметр стояка, мм.

Проведем расчёт по формуле (2.4):

D=3∙17=51 мм.

Высоту воронки Н, мм, выбираем согласно выражению

Н=2D_ст, (2.5)

Высота воронки равна 34 мм.

Используем выпор полукруглого сечения, с площадью сечения 1,55 см², высотой 70 мм, радиусом 8,5 мм, шириной основания – 20 мм.