3.4. Изготовление моделей.

В практике художественного литья применяются воскоподобные материалы с температурой плавления ниже 100°С, Это позволяет удалять их горячей водой, паром или в термическом воздушном шкафу.

Такие воскоподобные составы используются для изготовления моделей в расплавленном, пластифицированном и пастообразном состояниях. Первые заливаются, а вторые запрессовываются как ручными приспособлениями (шприцами), так и пневматическими — инжекторами.

Главными компонентами легкоплавких смесей являются парафин, стеарин, буроугольный или торфяной воски (битумы), сложные эфиры высших кислот, синтетические, полиэтиленовые, реже натуральные воски.

В качестве добавок, улучшающих реалогические свойства составов, повышающих их прочность и теплопроводность, снижающих хрупкость, используются кубовой остаток термического крекинга парафина, касторовое масло, этилцеллюлоза, канифоль, полиэтилен и др.

Ранее модели изготовлялись методом свободной заливки жидкого модельного состава, методом запрессовки жидкого модельного состава и методом запрессовки пастообразного и пластифицированного состава или пасты (смесь модельного состава с 10—15 % воздуха) на ручных прессах. В настоящее время запрессовку состава производят механизированным способом с помощью инжекционной установки. (Рис.3.4.4).

Рис. 3.4.4. Схема инжекционной установки

Инжекционная установка состоит из двух резервуаров (п. 6 и 7), помещенных один в другой. Пространство между резервуарами заполнено маслом (п. 9), которое подогревается электронагревателем (п. 10). Регулирование температуры нагрева модельного воска (п. 8) осуществляется терморегулирующим устройством, а контроль— термометром. Заполнение резиновой пресс-формы воском происходит через инжекторное сопло (п. 1) под действием сжатого воздуха. Давление сжатого воздуха контролируется манометром (п. 3), устанавливаемым на верхней крышке установки и закрепляемым с помощью винта (п. 2), на крышке закреплены также штуцер (п. 5) для подвода сжатого воздуха и предохранительный клапан (п. 4).

Полые модели, получают выливанием. Их изготовляют следующим образом. После заполнения пресс-формы жидким модельным составом его выдерживают некоторое время, необходимое для образования требуемой толщины стенки, а затем незатвердевший модельный состав выливают.

Специальные способы изготовления моделей

Специальные способы изготовления моделей применяют для строгого сохранения их формы (что существенно для художественного литья), повышения точности размеров или упрощения изготовления. К ним относят применение холодильников и стержней, а также выпадающих вставок. Холодильники применяют для предупреждения образования искаженной поверхности (утяжин) на моделях либо с большой разностенностью, либо массивных целиковых. При этом способе под холодильником понимают модель-вставку из того же модельного состава, которую вставляют в пресс-форму для уменьшения толщины стенки модели, выполняемой последующей запрессовкой (или заливкой). Примером могут служить постаменты для художественных отливок каслинского литья.

Стержни применяют для уменьшения толщины стенок модели или отливки, что уменьшает и выравнивает их усадку, а также для сокращения расхода модельного материала и металла. Пример применения стержня для художественной отливки фигуры собаки приведен на рис. 3.4.5.

Рис. 3.4.5. Применение стержня при изготовлении художественной отливки — фигуры

собаки: 1 — стержень; 2 — знаки; 3 — выплавляемая модель.

Обычно такие стержни изготовляют из песчаных смесей со связующим жидким стеклом или по нагреваемым металлическим пресс-формам на пескодувной машине. В этом случае связующим материалом служит смола горячего отверждения пульвербакелит. (Рис.3.4.6.)

Рис. 3.4.6. Схема изготовления оболочкового стержня: а — в металлическом стержневом ящике:

1 и 4 — половинки стержневого ящика; 2 — слой модельного состава; 3 — оболочковый стержень; б — в стержневом ящике из модельного состава: 1 — стержневой ящик; 2 — оболочковый стержень; в — по модели стержня: 1 — модель стержня; 2 — знаки; 3 — знак-трубка из металла или фарфора для выплавления модели; 4 — оболочковый стержень.

В ряде случаев такие стержни оставляют внутри отливки (не удаляют). Установку стержней в пресс-форму осуществляют на специальных знаках из металла или матери­ала стержня. В первом случае, применяемом дня стержней, оставляемых в отливках, концы металлических знаков отрезают и расклепывают. Во втором случае в отливке в местах знаков остаются отверстия, через которые можно удалить стержень.

Для ускорения затвердевания модели, уменьшения расхода модельного состава и облегчения его выплавления из формы применяют выпадающие вставки (выпадающие твердые модели). Наибольшее распространение получили выпадающие вставки стояков с литейными воронками (рис.3.4.7).

Рис. 3.4.7. Применение выпадающих вставок для стояков и прибылей: 1 — модели отливок; 2 — слой модельного состава; 3 — выпадающая вставка;

4 — полость, полученная после выплавления модели.

Их изготовляют из металла, дерева и пр. и покрывают слоем модельного состава. Такие вставки при подплавлении модельного слоя выпадают, образуя в модели полость: они могут применяться много раз.

Сотрудниками ООО «Мастер Див» предложен новый способ получения пустотелых отливок по выплавляемым моделям без применения стержней, в результате чего полученная полость сохра­няется после заливки металлом.

Работа по изготовлению пустотелой отливки литьем по выплавляемым моделям осуществляется следующим образом. Сначала изготовля­ют половинки модели будущей отливки из легкоплавкой массы по оригиналу, выпол­ненному художником, обычным способом в отрытых гипсовых пресс-формах с примене­нием виксинта или без него. Затем вставляют металлические трубки диаметром 5—10 мм в половинки модели, как показано на рис. 3.4.8, после чего их спаивают горячим электролобзиком или электропаяльником. В дальнейшем изготовляют литниковую систему из легкоплавкой массы, например, из ПС 50 и производят сборку блока.

Рис. 3.4.8. Собранный модельный блок: 1 — трубки для заполнения формы огнеупорной массой; 2 — литниковая система; 3 — восковая модель (в разрезе).

Собранный блок устанавливают на резиновый поддон чашей вниз, накрывают опокой, на которую устанавливают резиновую манжету, поскольку при заливке и твердении формовочной массы последняя увеличивается в объеме. Далее опоку заливают приго­товленной предварительно дегазированной формовочной гипсо-динасовой или гипсо-кристобалитовой массой. (Перед заливкой блока моделей, помещенного в трубчатую опоку, формовочная смесь предварительно дегазируется в течение 2—3 мин при остаточном давлении ~ 10⁴ Па.). Затем залитый блок помещают в вибровакуумную установку и продолжают вибровакуумирование при остаточном давлении 10⁴ Па в течение 3—4 мин (рис. 3.4.9).

Рис.3.4.9. Вибровакуумирование формы.

Во время вибровакуумирования удаляются воздушные пузырьки, адсорбированные на поверхности блока, и формовочная смесь по трубкам заполняет полость восковки, где продолжается ее затвердевание. После затвердевания манжету удаляют, излишек смеси срезают, и после окончательного затвердевания форма помещается в термическую печь, где происходит вытапливание модельной массы и прокаливание. Прокаленную форму заливают металлом, охлаждают и выбивают из опоки. Затем механическим путем под струей воды удаляют формовочную смесь и отливки отрезают от литниковой системы. Формовочную массу, находящуюся внутри отливки, через трубки вымывают из тела отливки, а если оставшаяся масса в отливке не влияет на внешний вид изделия и замысел художника, ее оставляют в отливке. Затем отверстия зачеканиваются и отливка поступает на окончательную отделку.

В настоящее время появились водорастворимые литьевые воски ISM Hydrowax, которые поставляются в гранулах. Работа с ними заключается в следующем. Воск расплавляют при 100 – 120⁰С и выдерживают в расплавленном состоянии не менее 24 часов. Перед началом работы его вакуумируют и выдерживают под вакуумом не менее 8 часов. Затем воск охлаждают до 72-76⁰С и шприцем или инжектором производят заполнение холодной эластичной пресс-формы, в которой его выдерживают не менее 3х минут. Растворение проводят в воде при комнатной температуре в течение 5 минут.

С помощью растворимого воска можно значительно улучшить приведенный технологический процесс и получить более точную восковку, отливая её целиком (в приведенном процессе модель собиралась из двух половинок). Примером работы с растворимым воском может послужить процесс получения целиковой пустотелой модели шахматной фигурки. Схема процесса показана на рис.3.4.10.

Рис.3.4.10. Изготовление пустотелой восковой модели с помощью растворимого воска.

а – мастер-модель; б – ласиловая пресс-форма для мастер-модели; в – стержень,

полученный прототипированием 3d; г – ласиловая пресс-форма для стержня;

д - пресс-форма для стержня, заполненная растворимым воском; е – стержень из

растворимого воска в пресс-форме для мастер-модели; ж – заполнение пресс-формы

составом ПС50; з – получение пустотелой из ПС50 удалением в воде растворимого

воска; и – собранный блок восковок

Для получения восковой модели изготавливается мастер-модель (а), а по ней - ласиловая пресс-форма (б). Затем методом прототипирования в программе 3d гипсовая модель уменьшается на толщину будущей оболочки. Получается стержень. К полученному стержню (в) прикрепляются знаки. По полученному стержню изготавливается ласиловая пресс-форма (г), которая заполняется растворимым воском (д). Стержень из растворимого воска устанавливается в пресс-форму для мастер-модели (е) и заполняется парафин-стеариновым составом ПС50 (ж). Затем полученную модель из растворимого и обычного воска ПС50 помещают в воду, в которой растворимый воск удаляется (з). Полученные пустотелые модели собирают в модельные блоки (и) и заливают огнеупорной формовочной смесью, которая проходит обработку в вибровакуумной установке при давлении не более 10 мм рт.ст. в течение 2 – 3 мин для удаления воздуха. Далее технологический процесс литья по выплавляемым моделям продолжают по стандартной методике.

Приведенный технологический процесс получения пустотелой отливки особенно эффективен, если его применить при изготовлении ювелирных изделий из драгоценных металлов, поскольку толщину оболочки изделия можно получить толщиной от 0,1 мм, что сильно снижает стоимость ювелирных украшений. С помощью растворимых восков можно получать модели с полостями, которые нельзя выполнить другими способами из-за малых и сложных размеров поднутрений.

Получение отливок с равными тонкими стенками без применения стержней, выполненных из песка, пульвербакелита и пр., является новым процессом. При его использовании улучшается точность отливок (так как отливка заливается целиком), увеличивается производительность труда, исключаются операции по изготовлению и установке стержней. Отливки получаются плотными, лишенными пороков газоусадочного происхождения.

Растворимые солевые стержни.

Материалом стержня служит карбамид (техническая мочевина). Удаление карбамидного стержня из модели производят растворением в воде. Недостатком является тот факт, что пресс-форма для солевого стержня обязательно должна выполняться из металла, что является дорогим и трудоёмким процессом. Кроме того, невозможно изготовить сложный стержень из нескольких простых, поскольку все известные способы неразъёмных соединений для солевых моделей не подходят. Данный способ применяют в машиностроительном литье, при получении лопаток для турбин и роторов из жаропрочных никелевых сплавов. В художественном литье растворимые стержни практически не применяются.

Сборка моделей в комплекты

Модельным комплектом (блоком, елкой) называют одну или несколько моделей, соединенных с литниковой системой. Мелкие модели монтируют группами по нескольку штук в модельные комплекты для увеличения производительности на всех oперациях изготовления отливок. Это уменьшает расход модельных материалов и металла.

Более крупные модели, заливаемые по отдельности, собирают в комплект с моделями литниковой системы и прибылей.

В зависимости от конфигурации и конструкции отливок применяют модельные комплекты, различаемые по следующим признакам:

1) по количеству моделей отливок (с одной или несколькими моделями);

2) по способу подвода металла;

3) по положению главного литникового канала (вертикальное или горизонтальное).

При изготовлении большого количества мелких изделий целесообразно создавать модели звеньями с частью литниковой системы и собирать эти звенья на специальных металлических стояках. Конструкция модельных комплектов должна обеспечить получение отливок высокого качества при минимальном расходе материалов и рабочего времени.

Монтаж модельных комплектов производят в зависимости от их размеров и конструкции, способа изготовления моделей, применяемого модельного материала и объема производства — приплавлением или сборкой отдельных элементов комплекта (звеньев) на стояке или другом специальном приспособлении. При соединении приплавлением подплавляют поверхностные слои собираемых частей комплекта и соединяют их. Сборка модельного комплекта на металлических и обычных сплошных стояках (рис. 3.4.11) может производиться в вертикальном и горизонтальном положениях.

Рис.3.4.11. Металлический стояк для сборки модельных комплектов приплавлением: 1 — стальная ручка; 2 — стальная втулка; 3 — алюминиевый стояк

Формовка по восковой модели

Для изготовления литейной формы художественной отливки наиболее простой является формовка по восковой модели, так как модель вместе с литниковой системой и выпором (которые также изготовляются из воска) удаляются из формы путем выплавления или выжигания в процессе сушки (а не разборкой).

Способ формовки по восковой модели несложен, с его помощью можно получать чистую, без швов, поверхность отливки. В современном производстве художественных отливок формовку по восковой модели используют лишь при получении разовых отливок, необходимых для изготовления металлической модели и в ряде случаев для изготовления скульптур. Как было отмечено, описанным способом были получены монументальные скульптуры «Медный всадник», «Минин и Пожарский» и др.

Процесс изготовления литейных форм этих отливок в прошлом, описанный в трудах профессора Н. Н. Рубцова¹⁾, состоял в следующем.

1.Изготовление модели и стержня (Рис.3.4.12). Вокруг изготовленного скульптором и установленного на кирпичном постаменте гипсового оригинала отливки делали кусковую гипсовую форму. Оригинал смазывали жиром. (Рис.3.4.12. А).

Рис.3.4.12А

На куски, облегающие поверхность оригинала, наносили гипсовый слой — раковины, объединяющие несколько кусков гипсовой формы и позволяющие впоследствии точно собирать форму для модели. (Рис.3.4.12б)

Рис.3.4.12б

Затем раковины снимали с оригинала, легко убирали куски гипсовой формы, так как оригинал был заранее смазан жировым составом. На внутреннюю поверхность кусков, смазанную тонким слоем жира, кистью наносили слой воска, соответствующий толщине стенки будущей отливки.(Рис.3.4.12в)

Рис. 3.4.12 в

Далее гипсовый оригинал убирали и на его место на постамент устанавливали металлический каркас для стержня. Вокруг каркаса собирали гипсовую форму, полость которой через изготовленный канал заполняли жидкой стержневой массой, состоящей из кирпичной муки и гипса.(Рис.3.4.12г)

Рис.3.4.12г.

После затвердевания стержневой массы гипсовую форму разбирали так, чтобы ее восковой слой остался на поверхности стержня. Такой слой воска на стержне и представлял собой выплавляемую модель.(Рис.3.4.12 д)

Рис.3.4.12 д

Изготовленную модель перед формовкой исправлял скульптор, чеканил. Вокруг модели устраивали восковую литниковую систему (выпоры, представляющие собой вертикальные восковые стойки, ответвления от них, примыкающие к телу модели питатели). Модель была готова к формовке.

2. Изготовление литейной формы. Процесс формовки заключался в приготовлении на модели глиняной формы. До XIX в. при изготовлении знаменитых памятников Петру I, Минину и Пожарскому и других материалами для изготовления формы были хорошо размолотые и пропаренные конский навоз, глина, коровья шерсть, приготовленные в виде мастики, которую в несколько приемов кисточкой наносили на поверхность модели слоем 15—20 мм. В настоящее время материалами для изготовления мастики служат шамотный порошок, этилсиликат или жидкое стекло, опилки, некоторые полимеры и ряд других современных материалов. Кроме того, статуи отливают по частям, что позволяет уменьшить габаритные размеры формы.

В прежнее время после сушки на слой мастики наносили слой глины толщиной до 200 мм. Для прочности формы вокруг обмазанной модели клали кирпичную кладку (стенку), пространство между обмазкой и кладкой заполняли формовочной смесью и утрамбовывали.

С наружи кирпичную кладку обмазывали глиной и стягивали металлическими стяжками. В таком положении форму сушили на месте.(Рис.3.4.12 е.)

Рис.3.4.12 е

В процессе сушки из формы выплавлялись восковая литниковая система и модель.(Рис.3.4.12 ж)

Рис.3.4.12 ж

Воск стекал вниз по специально устроенным каналам; на месте выплавленной модели оставалась полость, которую заполняли металлом и получали отливку.(Рис.3.4.12 з)

Рис.3.4.12 з

Достоинством такого способа формовки по выплавляемой модели на стержне является получение отливки с чистой, без швов, поверхностью, не требующей специальной механической обработки.

К недостаткам описанного способа формовки относятся большая продолжительность изготовления модели и литейной формы, высокая стоимость отливки вследствие уничтожения в процессе отливки дорогостоящей разовой модели.

В настоящее время, по новой технологии, помимо изложенного ранее изменен способ крепления кусковой гипсовой формы при изготовлении стержня. Применен новый способ наращивания стенки формы на восковой модели (обливание модели). Сушку формы и выжигание модели производят не на месте, а в специальных камерных сушильных печах периодического действия, работающих на газе. Измененный способ формовки позволил сократить процесс изготовления литейной формы, уменьшить его трудоемкость и стоимость отливки.

____________________________________________________________________

1. Для наглядности технология, описанная профессором Н.Н.Рубцовым, иллюстрируется технологией получения шахматной фигуры «конь».(автор)