birmaga.ru
добавить свой файл

1


УДК 621.744.072.2: 678.746.22-404.8

Пространственные каркасно–ячеистые конструкции для литья по газифицируемым моделям.

В.С. Дорошенко*, кандидат технических наук, Физико-технологический институт металлов и сплавов НАН Украины, Киев

Технология литья по газифицируемым моделям (ЛГМ), хоть и достигла своего 50-летнего «возраста» с даты публикации первого изобретения (1958, Г. Шроер), остается весьма наукоемким процессом и по эффективности производства, а также по инновационному потенциалу относится к высоким технологиям литейного производства, сохраняя значительные возможности своего развития и расширяя сложившиеся представления о возможностях литья.

Проектирование конструкции отливки при получении ее в песчаной литейной форме для большинства видов форм, назовем их традиционными, предполагает размещение отливки в плоскости (поверхности) разъема формы. Наличие разъема формы в технологии литья создало стойкий стереотип, формирующий представление о том, как должна выглядеть отливка. Эта тема, находящаяся на стыке сфер деятельности литейщика-технолога и конструктора-механика, в традиционной ее трактовке постоянно присутствует или подразумевается практически на всех занятиях в вузах по технологии формы, включая курсовые проекты. В результате в общем случае формируется мнение, что отливка – это то, что войдет в разъем формы, в свою очередь со стержнями, которые предполагают разъем стержневого ящика.

Технология литья по газифицируемым моделям, часто пренебрегая этим стереотипом, позволяет разместить отливку или блок отливок в пространстве песка неразъемной (контейнерной, одноопочной) формы, предполагая и выявляя проблему оптимизации объемного размещения и конструирования отливок, что практически «не по плечу» другим конкурирующим технологиям. Вместо «как разместить в плоскости» для ЛГМ актуально «как разместить в объеме» сыпучего сухого песка, по своим свойствам во время виброуплотнения напоминающего по выражению проф. В.С. Шуляка «псевдожидкость».


Такие нетрадиционные возможности ЛГМ по объемному проектированию отливок значительно расширяют спектр их возможных конфигураций и открывают новое направление литья сотовых, объемно-ячеистых, скелетно-решетчатых конструкций, материалов и блоков отливок [1], расширяя известные свойства традиционно применяемых не только литых металлоизделий. Эти материалы имеют потенциал для применения как облегченные несущие, армирующие, изолирующие, ограждающие, демпфирующие удары конструкции, способные находиться в среде, пропуская (полностью или частично) через себя поток вещества или энергии. Они применимы для отделения отходов при очистке газов, жидкостей, а также для глушителей шума, взрыво- и пламяпреградителей, адсорбционных, акустических, теплообменных устройств, элементов источников тока, катализаторов, кристаллизаторов, электродов и как костяк для композиционных материалов.

Разработка конструкций ячеисто-каркасного литья и возникшие проблемы оптимизации конфигураций таких отливок привели на начальном этапе к решению выполнить их путем копирования по аналогам из живой и неживой природы, включая структуры микромира. Для этого, как описано в работе [1], использовали принципы строения: 1) кристаллических решеток как их изображают в кристаллографии; 2) спиралевидного расположения листьев (филлотаксис) из ботаники; 3) пены со сквозными порами и ячейками преимущественно в виде пентагонального додекаэдра, описанной в области физико-химии. В институте ФТИМС НАН Украины получены первые патенты и подано ряд заявок на регистрацию изобретений по этой теме. В ее развитие ниже описаны еще три типа каркасных отливок, для которых довольно несложно изготовить сборные одноразовые модели, например, пенопластовые для ЛГМ.

При создании объемных структур, по аналогии с биологическими распространяющимися в пространстве, естественно обратить внимание на конструкции веток деревьев, которые развиваются от толстых к тонким разветвлениям, такое изменение сечения предпочтительнее для течения металла, чем равностенные конструкции.


*Работа выполнена под руководством проф. Шинского О.И.

На рис. 1 показан пример литой древовидной конструкции, состоящей из ствола 1 и веток 2. При использовании ее в качестве внутреннего холодильника для литья слитков ветви 2 преимущественно расположены перпендикулярно поверхностям 3 стенок изложницы (показаны контуры изложницы), то есть параллельно осям, вдоль которых наиболее вероятен рост кристаллов (не показаны), которые растут перпендикулярно стенке изложницы или кристаллизатора, где затвердевает слиток вокруг древовидного холодильника после заливки металлического расплава в изложницу. Предварительно изготовить древовидную конструкцию можно при заливке расплава через воронку, остаток 4, которой сохранился на стволе.

Для отливания древовидной конструкции среди известных способов наиболее экономичен способ ЛГМ. Если при этом модель выполняют из пенопласта, то изготовление ее элементов состоит в засыпании гранул этого материала и их спекании в пресс-форме, или вырезании элементов из блочного материала, например из широко используемого пенополистирола. Элементы модели ветки и трубчатые участки ствола можно собирать (и склеивать) на направляющем штыре (пунктиром показаны линии стыка).

Древовидные литые конструкции целесообразно выполнять с соблюдением некоторых общих закономерностях строения деревьев, прослеживаемых в живой природе. Важнейшее требование ко всем такому строению – прочность, в этом плане конструкция дерева безупречна, так как отшлифована эволюционным отбором. Как указано в монографии Бенуа Мандельброта [2], Леонардо да Винчи эмпирическим путем пришел к выводу о таком соотношении толщин ствола и всех ветвей дерева на любой высоте, что диаметры ствола и ветвей d до ветвления и диаметры d1, d2 после разветвления удовлетворяют соотношению: dΔ = d1Δ + d2Δ, где диаметрический показатель Δ = 2. Это подтверждено на практике. В этой же книге указано, что показатель «дерева» кровеносных артерий млекопитающих близок к Δ = 2,7, а для «дерева» бронхов Δ = 3. С точки зрения гидродинамики система каналов при Δ = 3 имеет минимальное сопротивление, это значение представляется наилучшим из всех значений, каких можно достичь как целенаправленным конструированием, так и селективной эволюцией. Таким образом, если важны прочностные свойства конструкции, то показатель Δ принимают близким к 2, если важно условие заполнения формы при заливке металлом для тонкостенной конструкции, то показатель Δ принимают близким к 3, что также полезно учесть в литейной гидравлике при конструировании разветвленных литниковых систем.


Согласно той же монографии, установлено опытным путем, что вес ветви пропорционален ее диаметру, возведенному в степень М = 2,5, а также по мнению автора, может зависеть от значения Δ в виде М = 2 + Δ/3. Значения величин М = 2,5 и М, полученного по последнему выражению при подстановке Δ = 2 будут отличаться меньше, чем на 6,7%, что приемлемо для технических расчетов, и можно пользоваться обоими значениями для оценки веса ветви из модельного материала или металла (с поправками на их плотность по отношению к плотности дерева), а при 2 < Δ ≤ 3 следует подставлять конкретное значение Δ в выражение для М.

Изготовление литой конструкции так, что ветви отходят от ствола перпендикулярно его оси, удобно тем при литье по разовой модели, что для изготовления пенопластовой модели можно применить простую пресс-форму с отверстием в модели, ось которого перпендикулярна ветви. Такую модель нетрудно получать на пластавтоматах, а затем собирать, подобно нанизыванию бумажных снежинок на нитку.

Если литая дендроидная конструкция используется в качестве внутреннего холодильника (из одинакового или разного металла с заливаемым в форму) для литья массивных отливок или слитков, то ее ветви рекомендуется располагать параллельно осям растущих дендритов от стенок изложницы или кристаллизатора, в которых затвердевает слиток. Это ведет к тому, что растущие дендриты от стенки изложницы при затвердевании входят в промежутки между ветвями и конкурируют с дендритами, растущими навстречу им от ветвей, которые сами напоминают по форме большой дендритный куст или елку. Тем самым, измельчение зерна слитка происходит наиболее равномерно по всему объему.

Литая древовидная конструкция, применяемая как армирующая для сопротивления направленной нагрузке перпендикулярно оси ствола, рекомендуется для выполнения такой, чтобы ствол был выполнен в форме эллипса при отношении диаметров эллипса по направлению нагрузки и поперек нее как 1,26 к 1,0. Это соответствует измерениям стволов деревьев, на которые преобладающий ветер дул перпендикулярно в однородной лесной полосе [3].


Описанные пространственные литые конструкции, аналоги которых взяты из ботаники, не сложны для конструирования и технологичны для литья, а их литье методом ЛГМ, в частности, по сборным модельным элементам, получаемым на пластавтоматах, упростит их производство. Пространственные древовидные отливки приближаются по виду к ячеистыми или сотовыми, например, к литым пенам, которые все чаще называют «материалами будущего».

Если в статье [1] использованы структуры напоминающие строение кристаллов, то в описанных ниже следующем типе ячеистых конструкций моделей использована аналогия с микроструктурой таких конденсированных сред, для которых характерно неупорядоченное расположение атомов в пространстве, в частности, аморфных металлических сплавов (АМС). Они имеют более или менее четко определяемый на расстоянии двух-трех соседних атомов так называемый ближний порядок. Если в кристаллических материалах структура решетки образуется в результате многократного повторения в трех направлениях единичной элементарной ячейки с расположением атомов, подобным бесконечным рядам, называемым дальним порядком, то в аморфных структурах элементарная ячейка сохраняется, но при стыковке элементарных ячеек в пространстве порядок их нарушается, и стройность рядов, характерная для дальнего порядка, отсутствует.

Несмотря на то, что плотность АМС на 1-2 % ниже плотности кристаллических аналогов, прочность их выше в 5-10 раз с характерной изотропией многих свойств. Это связано в основном с отсутствием в структуре АМС дислокаций и границ зерен, свойственных кристаллическому состоянию. Трехмерные связи в структуре АМС представляют в виде многогранников [4], в частности из 5 типов правильных полиэдров Бернала: тетраэдр, октаэдр, тригональная призма, архимедова антипризма, тетрагональный додекаэдр, показанных слева направо на рис.2. Кроме того, атомные конфигурации описывают в виде полиэдров Вороного (в отдельных источниках их называют «Дирихле-Вороного»), чаще всего с пятиугольными гранями в виде икосаэдров, 3 примера таких полиэдров слева направо представлены на рис. 3: икосаэдр, полиэдр о.ц.к. структуры, полиэдр г.ц.к. структуры. По данным кристаллографии многогранники Бернала и Вороного заполняют оптимально пространство структуры без пропусков. В общем случае аморфная структура представляет собой непрерывный ряд, мозаичный узор, составленный из чередующихся многогранников, характерных для кристаллических и некристаллических структур, что и взято за основу принципа построения одноразовой литейной модели, по которой получают отливку.


На рис. 4 показан пример простейшего повторяющегося элемента модели в виде тетраэдра, выполненного из материала, подвергаемого деструкции в песчаной форме, например, из пенопласта. Все или отдельные грани этого многогранника выполняют с отверстиями, которые образуют открытую сквозную полость. Подобные модельные элементы, можно получать на пластавтоматах.

На рис. 5 показан пример изготовления фасонной модели 1 в формообразующей емкости 2, в частности, в виде песчаной формы, полость которой покрывают синтетической пленкой 3 в виде мешка. Модель 1 из повторяющихся элементов нагружена грузом 4, а полость мешка зажимом 5 герметично сообщена через патрубок 6 с вакуумным насосом.

Один из вариантов получения модели из элементов в многоразовой форме состоит в следующем. Предварительно изготовленные многогранники, подобные показанным на рис. 2, 3, размерами от нескольких до десятков, сотен миллиметров и более с открытыми сквозными полостями как на рис. 4 засыпают или укладывают вручную в формообразующую емкость 2 (рис. 5). Предварительно туда помещают не пропускающий воздуха мешок из синтетической пленки 3, после засыпки этих повторяющихся элементов вакумируют полость мешка с герметизацией ее зажимом 5, тем самым фиксируя многогранники в единой модели путем прижимания их друг к другу перепадом давления воздуха снаружи и внутри мешка.

В таком виде собранную модель, облицованную пленкой мешка, можно извлечь из формы, по ней изготовить форму из самотвердеющей наливной или насыпной смеси путем подачи и отверждения смеси сначала снаружи мешка, а затем подачи и отверждения смеси внутри мешка. Из такой формы пенопластовую модели следует выжечь при температуре выше 400-500 0С по методу литья по выжигаемым моделей, т.к. пленка мешка ухудшит газопроницаемость формы для ЛГМ.

Существуют варианты без вакуумирования мешка, когда после загрузки многогранников внутрь мешка в форме 2 туда же подают самотвердеющую формовочную смесь, которая удерживает их в сборе, а пленка мешка служит разделительным покрытием. После извлечения из многоразовой формы 2 собранную модель в коме затвердевшей песчаной смеси извлекают из мешка и формуют обычными способами методом ЛГМ, что приемлемо для многогранников с толщиной перегородок свыше 6-10 мм.


Еще проще выполнить сборную модель в одноразовой песчаной форме 2 без извлечения и без применения мешка 3. Эту форму выполняют из смеси со связующим по деревянной модели, в полученную полость засыпают модельные многогранники, их уплотнение во всех случаях возможно путем применения съемного груза 4 и/или вибрации, что способствует их оптимальному размещению, плотному прижиму ребер граней с частичным врезанием кромок ребер и вершин в рядом расположенные многогранники. После уплотнения модели в сквозные отверстия многогранников подают формовочную смесь и завершают изготовление формы известными способами формовки, сочетая модель с литниковой системой и выполняя в форме слой формовочной смеси выше модели.

Как вариант, каркас из модельных многогранников можно сочетать со сплошной газифицируемой моделью, либо с отдельными многогранниками, покрытыми синтетической пленкой без доступа в их поры песчаной смеси (такая упаковка пленкой части каркаса возможна и для других видов каркасных отливок), и получать каркасную отливку с монолитными частями или вставками в заданном месте. Аналогия каркасных конструкций с микроструктурой аморфных металлов, атомная конфигурация которых выглядит в виде указанных многогранников как наиболее плотной упаковки по данным кристаллографии, дает возможность перенести некоторые свойства, например, изотопию, на литые металлические ячеистые конструкции.

Рассмотрим еще один вариант каркасного литья. В последнее время ряд перспективных направлений в материаловедении, нанотехнологии связывают с фуллеренами и обнаруженными в 1991 г. длинными, цилиндрическими углеродными образованиями, получившими название нанотрубок. Эти и другие похожие структуры называют термином «углеродные каркасные структуры» [5]. Несмотря на кажущуюся хрупкость и даже ажурность, нанотрубки оказались на редкость прочным материалом каркасной ячеистой конструкции, получать аналогии которых можно и в макромире, в частности, способом ЛГМ, изготавливая модели методом сворачивания из плоских элементов.


Для получения трубчатых и криволинейных моделей использовали ту особенность многих пенопластов, спеченных (склеенных) из гранул, в частности пенополистирола, что изделия из них в тонких сечениях толщиной 0,1-4 мм могут при изгибании не ломаться, а имеют при этом ограниченную способность к деформации без разрушения. В более толстых сечениях при изгибе возникает трещина по стыку гранул, указанная предельная толщина зависит от величины спеченных гранул, качества спекания и материала гранул. Если плоский элемент получают в пресс-форме с клинообразными выборками, то толщина 0,1 мм заполняется мелкими гранулами пенополистирола, а толщина до 4 мм быстро пропекается и прочно склеивается, позволяя изгибать элемент, смещая от плоскости на небольшой острый угол. Превышение этого размера ведет к появлению трещин, которые могут появиться при складировании, транспортировке или монтировании свернутого элемента с другими деталями модели. Прочность на изгиб элемента возрастает в 2,5-3 раза при оклеивании сеткой или пленкой, например при помощи клея ПВА, со стороны, которая становится выпуклой при сворачивании элемента, что позволяет увеличить указанную толщину до 5-6 мм.

На рис. 6 показан при виде сбоку пример изгибания плоского элемента с правой стороны. Этот элемент в виде пластины с сегментами 1 и надрезами 2 при сворачивании закрепляют замком 3, например, по системе «шип-паз». Если сумма углов клинообразных выборок равна 360°, то при сворачивании в замкнутую систему стороны всех клиновых выборок смыкаются так, что в сборе образуют сплошное тело на толщину сегмента 1, и уменьшение толщины плоского элемента за счет выборок не уменьшает толщину стенки элемента в свернутом виде.

Плоский элемент газифицируемой модели могут изготавливать непрерывно, например, для способа [6] (скорее кажущимся фантастичным) путем составления из частей и наращивания его в процессе формовки в облицовочный слой движущегося кристаллизатора в виде песчаной вакуумируемой формы, следует лишь перед формовкой его сворачивать в непрерывную трубчатую конструкцию, которую также можно скреплять вышеуказанным замком вдоль оси, вокруг которой выполняют сворачивание.


Копируя структуру углеродных нанотрубок, на рис. 7 показан элемент конструкции модели, изготовленный по аналогии с ними (ближняя изогнутая стенка сетчатой трубки показана двойными линиями, а дальняя – одной линией). Нанотрубка при увеличении выглядит как свернутый в трубку плоский слой атомов графита, называемый графеном, который является слоем атомов углерода, соединённых посредством sp-2 связей в гексагональную двумерную кристаллическую решётку. Модель сетчатой пенопластовой трубки состоит из повторяющихся перегородок 1 (взамен отрезков прямой линии, изображающих связей между атомами) в виде свернутой решетки с ячейками из правильных шестиугольников. Толщина этих перегородок определяется возможностью их замещения расплавленным металлом и способом питания, обычно она составляет 5 мм и выше. Справа на рис. 7 показана сетчатая перегородка 2 изогнутой формы, напоминающая по виду окончание нанотрубки, а сама сетчатая трубка выполнена в форме близкой к цилиндру.

Если сворачивание подобных графену плоских элементов производят так, что две перегородки каждой шестиугольной ячейки гексагональных двумерных решеток располагают перпендикулярно оси, вокруг которой производят сворачивание, как показано на рис. 7 (эта ось проходит вдоль трубки горизонтально), то такая конструкция сетчатой трубки будет в 1,5 раза прочнее на разрыв вдоль этой оси, чем в случае, если две перегородки каждой ячейки расположат параллельно этой оси [5].

Помещением внутрь трубчатой конструкции перегородки могут распирать или стягивать перегородкой изнутри трубчатую конструкцию, изменяя ее внешний размер, при этом деформируют и изгибают части стенок, в месте изгиба на них выполняя клинообразные выборки со стороны образования вогнутой поверхности. Таким образом изменяют форму и размер поперечного сечения трубчатой конструкции. В отличие от нанотрубок из микромира плоские модельные элементы можно сворачивать в более сложные формы, в частности, так, что в поперечном разрезе при S-образном изгибе можно получить конструкцию из двух стыкующихся труб в поперечном разрезе в виде цифры 8.


Пространственные решетчатые конструкции (в том числе из сеток с различной формой ячеек) в зависимости от вариантов сворачивания плоских элементов с использованием облегчающих сворачивание клиновых выборок могут выполняться не только трубчатыми близкими к форме цилиндра, но и других геометрических форм, например, в форме многогранника, или подобной к конфигурации фуллерена, близкой к эллипсоидо - или шарообразной.

Утолщение на модели, выполненное в виде замка 3 (рис. 6) в сборе и размещенное вдоль всей модели, целесообразно использовать в пенопластовой модели, подлежащей газифицированию, в качестве стояка или коллектора литниковой системы и с этой целью выполнять его по расчетным размерам литниковой системы. Это утолщение может выполняться в виде близком к форме цилиндра, а при формовке трубчатой модели вертикально к нему можно еще добавить участок стояка, который сверху завершить заливочной чашей или воронкой.

Рассматриваемый способ сворачивания плоских элементов в трубки уместно использовать для выполнения моделей стояков, без которых не обходится производство большинства видов отливок. Стенки трубчатой конструкции из свернутых элементов выполняют непроницаемыми для формовочной смеси, а торцы трубчатой конструкции закрывают крышками также непроницаемыми для формовочной смеси или стенки и торцы обматывают синтетической пленкой, не допускающей попадания формовочной смеси внутрь трубчатой конструкции. Таким образом формируют близкую по форме к цилиндру модель стояка или коллектора литниковой системы, по которой заливают металл, а также к модели которой крепят мелкие модели отливок при сборке их в блоки или кусты.

Способ сворачивания плоских модельных элементов при предварительном получении их в пресс-формах с плоским разъемом, или из плоских блоков пенопласта позволяет получать трубчатые и другие фасонные, каркасные и пространственные ячеистые модели, что упрощает конструкции модельной оснастки для их получения по сравнению с оснасткой, в которой формировались бы эти модели без сворачивания. Описанный способ расширяет возможности изготовления литьем ячеистых конструкций, в частности по аналогам в виде углеродных каркасных структур из физики микромира. Для монолитных модельных конструкций он давно применяется во ФТИМС, чему служит примером выполненная с использованием этого способа и показанная на рис. 8 модель для получения методом ЛГМ отливки корпуса насоса (для перекачивания горнорудной пульпы) из износостойкой стали.


Предполагаемое проектирование компьютерными программами литых ячеистых материалов в зависимости от прогнозируемых их свойств, а также армируемых ними композитов, расширит количество разновидностей их строения и спектр функционального применения. В частности, ряд указанных решений предложен к реализации при разработке способов литья двухслойных армированных и биметаллических контейнеров для транспортировки и захоронения радиоактивных отходов, включая выполнение их стенок из композитов с оксидами различных металлов, в т.ч. тяжелых бетонов из шлаков, как наполнителей.
1. Дорошенко В.С. Способы получения каркасных и ячеистых литых материалов и деталей по газифицируемым моделям. //Литейное производство. - 2008. - № 9. – С. 28-32

2. Мандельброт Б.Б. Фрактальная геометрия природы. - М.: Институт компьютерных исследований, 2002. - С. 224.

3. Ковалев Ю. Архитектура деревьев // Наука и жизнь.-1988. - № 12. - С. 147-150.

4. Судзуки К. и др. Аморфные металлы. - М.: Металлургия, 1989. - С. 81.

5. Иванов И. П. Современная физика в задачах. http://rc.nsu.ru/text/metodics/ivanov5.html

6. Пат. 2029653 России, В22С 9/02. Способ непрерывного литья. / Дорошенко В.С. Шейко Н.И., опубл. 1995, Бюл. №6.
Подрисуночные надписи.

Рис. 1. Литая металлическая древовидная конструкция,

1 - ствол, 2 - ветви, 3 - контуры стенок изложницы, 4 – остаток воронки.

Рис. 2. 5 типов правильных полиэдров Бернала (слева направо): тетраэдр, октаэдр, тригональная призма, архимедова антипризма, тетрагональный додекаэдр.

Рис. 3. Полиэдры Вороного (слева направо): икосаэдр, полиэдр о.ц.к. структуры, полиэдр г.ц.к. структуры.


Рис. 4. Модель тетраэдра.

Рис. 5. Схема получения фасонной модели,

1 - модель из повторяющихся элементов, 2 - формообразующая емкость, 3 - синтетическая пленка в виде мешка, 4 - груз, 5 – зажим, 6 - патрубок.

Рис. 6. Плоский элемент при виде сбоку при изгибании с правой стороны, 1 - сегмент пластины, 2 - клиновые выборки (надрезы), 3 – замок.

Рис. 7. Часть конструкции модели, изготовленный по аналогии со структурой углеродных нанотрубок, 1 - перегородка ячеек - правильных шестиугольников, 2 - сетчатая перегородка (окончание) трубки .

Рис. 8. Пенополистироловая модель отливки корпуса насоса (для перекачивания горнорудной пульпы) из износостойкой стали.
Пространственные каркасно–ячеистые конструкции для литья по газифицируемым моделям.

Резюме

Каркасные и ячеистые металлические конструкции предложено отливать по газифицируемым моделям. Описан ряд примеров таких отливок, выполненных по аналогам из живой и неживой природы. Эти изделия относят к материалам будущего, они расширят существующий спектр свойств металлопродукции и имеют потенциал применения в конструкциях, взаимодействующих с объемом или потоком вещества или энергии, а также как костяк для армированных, композиционных материалов и внутренних холодильников для слитков и фасонных отливок .