Металлические ячеисто-каркасные отливки по аналогам из живой и неживой природы, получаемые по газифицируемым моделям.

08.03.2010 10:15:03

Каркасные и ячеистые металлические конструкциии материалы предложено отливать по газифицируемым пенопластовым моделям,выполняя их по аналогам из живой и неживой природы. Такие изделия относят кматериалам будущего, они расширят существующий спектр свойств металлопродукции,поскольку на 50-90% легче компактных материалов, имеют потенциал применения вконструкциях, взаимодействующих с объемом или потоком вещества или энергии, летательныхи космических аппаратов, а такжекак костяк для армированных и композиционныхматериалов.

Современное литейное производство как древнейший видобработки металлов ориентируется на существенное снижение металлоемкости изделий.В свете этой тенденции наблюдается динамичное распространение в мировойпрактике способа литья по газифицируемым моделям (ЛГМ-процесс), когдапенопластовая модель в форме из сухого песка замещается расплавленным металломи образует высокоточную отливку. При ЛГМ исключается применение связующих дляпеска, а прочность формы достигается за счет вакуумирования - перепадатмосферного давления и внутриформенного разрежения прессует форму, отводя газыиз формы без выделения дыма в атмосферу цеха.

Институт ФТИМС НАН Украины (отдел формообразования под рук.проф. Шинского О. И.) в течение последних десятилетий совершенствует технологиюЛГМ в ее различных разновидностях, а также поставляет комплекс базовоготехнологического оборудования для организации литейных цеховпроизводительностью 100 – 5000 т/год [1]. Институт ФТИМС спроектировал изапустил ряд цехов в России, поставил и внедрил такое оборудование в Польше иВьетнаме, из последних объектов - цех на 400 т/месяц в г. Днепропетровске.

Производственныйпотенциал технологии ЛГМ относительно создания новых материалов и конструкцийдалеко не исчерпан, сотни патентов компаний, чаще всего мировых лидеровмашиностроения, ежегодно пополняют Интернет сайты с патентной документацией. Исключительнаялегкость обработки пенопластов, особенно с совершенствованием и удешевлением 3-D фрезеров (вплоть донастольных), которые с экрана компьютера (аналогично принтеру, только дляобъемного «изображения») вырезают из плиты пенопласта все, что изображено наэкране монитора. Это позволяет не только быстро получить модель отливки, но сразуи модель пресс-формы с автоматическим учетом припусков и размеров несколькихтехнологических переделов. Другими словами, нарисовал на экране компьютераметаллическое изделие (деталь) – получил модель пресс-формы, по этой модели -отлил пресс-форму, по ней получай тысячи моделей и лей из металла тысячидеталей. Если отливку пресс-формы из алюминия поставить на 3-D фрезер, он проверит ее размеры и механообработкой доведет дотребуемой точности и чистоты поверхности.

С другой стороны машиностроение для упаковочнойпромышленности создало большую гамму высокопроизводительных пластавтоматов дляполучения по указанным пресс-формам любых серий пенопластовых моделей. В то жевремя быстрое изготовление модели сочетается с высокой текучестью сухого песка,который при формовке во время уплотнения вокруг модели вибрацией илипневмопотоком подобно псевдожидкости заполняет мельчайшие фигурные ее каналы иповерхности. Причем такое уплотнение во время изготовления песчаной литейнойформы обычно занимает 1-2 минуты.

В последние годы ЛГМ открывает такой спектр своихвозможностей (и это является основной темой этой статьи), которые расширяютвозможности литейного производства.Таким примером может быть проведенные в Германии работы по изготовлению стальной пены литьем по выжигаемыммоделям в формах со связующим [2], о чем также указано в ежегодном отчете института(Fraunhofer Institute forManufacturing Technology and Applied Materials Research (IFAM), Dresden) за 2005 г.на сайте www.ifam-dd.fraunhofer.de/fhg/Images/jb2005_en_tcm280-110994.pdf.На этом сайте показаны фотографии пенополиуретановой пены с открытыми порамиразмерами до 2,5 мм(рис. 1а), которая служит выжигаемой моделью для литья стальной пены, а также образцылитой пены из нержавеющей стали 316L с размером ячейки 20, 45 и 60 ppi (рис.1б.) и трубчатые теплообменники со стальной пеной (стальс 316L) с ячейкойразмером 20 ppi (рис. 1в.).

Рис. 1а

рис. 1б рис.1в

В этих работах отмечается, что ячеистые материалы расширяютсуществующий спектр свойств, так как они на ~50-90% легче компактныхматериалов, а стальная пена имеет минимальную пористость ~80% и высокую дляданного уровня пористости конструкционную прочность и жесткость. Однако, промышленное использованиеполиуретановой пены, как указано в работе [2], в качестве модели с размером порне выше 2,5 мм,по нашему мнению, ограничивает размеры получаемой металлической пены какячеистого материала, кроме того, на ней трудно стабильно получать одинаковыефункциональные свойства (проницаемость двух одинаковых образцов различна).

Оценив техническиевозможности изготовления такой пены и сотовых конструкций в отечественныхусловиях, разработали ряд новых конструкций моделей для ЛГМ, посколькуописанный в указанной работе [2] процесс ее получения имеет длительныеэнергоемкие операции (выжигание модели, прокаливание формы), подобные литью повыплавляемым моделям. Получение полиуретановой пены со стабильными размерамиячеек, толщиной перегородок затруднительно, так же, как пролить тонкиеперегородки пены без спекания металла с формировочной смесью со связующим, чтоможет нарушить однородность структуры металлической пены. Во ФТИМС ранееполучали образцы медной пены методом нанесения меди на гранулы полистирола споследующим их выжиганием, но производство металлической пены и сотовыхматериалов литьем предпочтительнее с точки зрения промышленного внедрения.

Такие материалы имеютпотенциал для применения как несущие, армирующие, изолирующие, ограждающие,демпфирующие удары конструкции, способные взаимодействовать с объемом или потоком вещества или энергии. Ониприменимы для очистки газов, жидкостей, глушителей шума, датчиков системдавлений, взрыво- и пламяпреградителей,адсорбционных, акустических, отопительных, теплообменных устройств, элементовисточников тока, катализаторов, электродов, для сверхлегких конструкций, в том числе длялетательных и космических аппаратов, и как костяк для композиционныхматериалов.

В отличие отуказанной технологии [2] во ФТИМС в настоящее время созданы и патентуютсяварианты литья металлов с открытой пористостью в вакуумируемые формы из сухогопеска без связующего по пенопластовым моделям. Модели выполнены в видепространственных решеток, в частности, напоминающих изображение кристаллическихрешеток в кристаллографии (рис. 2). При этом участки между узлами ячееклитейной модели заполнили перемычками (перегородками), а сами узлы сталислужить соединениями или скрещиваниями перемычек.

Для кристаллическихрешеток по канонам кристаллографии характерна трехмерная периодичность, определивструктуру одной элементарной ячейки, можно построить всю решетку, например,используя простую геометрическую операцию параллельного переноса.

Модель участкадвумерной «сетки» таких решеток с одним рядом вертикальных перемычек удобновыполнить в пресс-форме с плоским разъемом. При этом получаются элементы однойконструкции, из которых путем склеивания в стопке (повторением в решетке)набирают пространственную решетчатую конструкцию. Выполнение модели поуказанному методу гарантирует получения сквозных одинаковых пор или полостей,минимальные размеры которых ограничены лишь возможностью их заполнения сухимпеском на участках ЛГМ. Размеры пор-отверстий получаемого литого материаламогут быть до десятков и больше миллиметров, тогда как размеры ячеек решетоккристаллов, используемых как прообразы для пенопластовых моделей, составляютпорядка десятых нанометра.

Для литогоячеистого материала, составленного из указанных плоских решеток, полученных впресс-формах, целесообразно применить все требования литейной технологии,например, выполнить на модели литейные радиусы, что позволит плавно залитьметаллом форму и увеличит жесткость конструкции, а лучшая заполняемостьрасплавом достигается по перемычкам цилиндрической формы, где минимизированаплощадь теплоотдачи. Если размерыячеек позволяют, то можно ввести в пространство между перегородками пористыенепроницаемые для песка трубопроводы. Подключение этих трубопроводов квакуумному насосу улучшает заполнение формы металлом, стимулируя эффектвакуумного всасывания расплава, который предотвратит недоливы формы и позволитзначительно увеличить размер литой конструкции, даже тонкостенной.

Пример такой модели(рис. 2) показан в виде пространственной решетки, где есть одинаковыеэлементарные три детали - перемычки 1, 2 и 3, которые обозначаются буквами а,в, с. Они составляют элементарную ячейку как трехмерное образование, углы междуними обозначаются . Путем продолжения одного из рядов перемычек выполненвыпор 4. На определенном расстоянии от перемычек при последующей засыпке пескомможет быть установлен пористый трубопровод 5, ряд утолщенных перемычек можетслужить шлакоуловителем 6 при запертой литниковой системе, а другой рядутолщенных перемычек - стояком 7 (место установки литейной воронки показанопунктиром).

Обращаясь к темеконструирования указанного ячеистого материала, отметим, что изображатьвнутреннюю структуру кристалла в виде пространственной сетки, узлы которойсовпадают с центрами частиц в кристалле (то есть решетками), начал с 1848-гогода О.Браве. Он предложил 14 решеток Браве, которые легли в основу кристаллографии и отличаются один отдругого набором элементов симметрии, или сингонией, и типом центрирования. Втаблице указанны параметры, которые в совокупности с элементами симметрии,определяют элементарную ячейку для каждой кристаллографической системы. Эти 14типов структур являются основными, но не исчерпывают всего многообразияпространственных решеток,описанных в кристаллографии. В примитивных кубических решетках атомы занимаютпозиции по вершинах куба. Элементарная ячейка кубической сингонии описываетсяпараметром а (а = в = с, все углы между перемычками равны 900).

Таблица. Параметры решеток Браве.

Система решетки

Параметры элементарной ячейки

кубическая


тетрагональная

а=вс, 90о

ромбическая

авс, 90о

гексагональная

а=вс, 90о, 120о

тригональная

1) а=вс, 90о, 120о

2) а=в=с, 90о

моноклинная

авс, 90о, 90о

триклинная

авс, 90о

Рис. 2.

При изготовлениимодели решетки, подобной изображению на рис. 2, повторяющиеся элементы изпенополистирола получают спеканием в пресс-форме, или вырезанием из блока (вединичном производстве). Такое выполнение модели гарантирует получение сквозныхпор или полостей, которые заполняют сухим песком при формовке. Для изготовленияв заданном месте пористой модели монолитного участка или стенки этот участокили несколько перемычек обматывают синтетической пленкой, предотвращая доступпеска в эту зону модели, заполняемую впоследствии металлом.

Каждаяиз пор литого материала, полученного по таким моделям, имеет точные стабильныеразмеры, форму, пространственную ориентацию в материале, периодичностьповторения, толщины стенок и перемычек (в отличие от полиуретановой пены),поскольку модель выполняется по чертежам и изготовляется в чаще всего в точнойметаллической пресс-форме предпочтительно на пластавтоматах. Расширениюслужебных свойств материала будет способствовать, например, введение в его порыпри сборке модели вставок из другого материала, которые остаются в литойконструкции. Полости и перемычки литого материала могут выполняться различныхразмеров и форм, с разным их чередованием. Прочностные характеристики материалабудут иметь некоторую корреляцию спараметрами кристалла, кристаллическая решетка которого копируются, а металллитых тонких (3…8 мм) перемычек, как правило, в 1,2…1,4 раза прочнее, чемтолстостенных (15…40 мм), из-за образования в тонких телах преимущественномелкозернистой структуры.

В отдельныхслучаях, во избежание образования трещин от напряжений, вызванных усадкойметалла, некоторые или все перемычки литого материала могут выполнятькриволинейными, например S-образными, а стенки неплоскими. Такое «улучшениеструктуры» копируемых природных конструкций при создании наших материаловповышает служебные свойства последних, когда важно достичь большой удельнойплощади поверхности при применении их для электродов, теплообменников,катализаторов, и т. п. Для сборки нескольких литых каркасных деталей в однуконструкцию на свободных концах перемычек этих деталей могут быть выполненылитьем средства монтажа либо предусмотрена возможность сваривания, в том числе,с изделиями из проката. А литейную модель фасонного изделия из ячеистыхматериалов можно формировать при ее сборке из элементов, либо вырезать изсобранного ячеистого пенопластового блока, например, нихромовойпроволокой.

Оптимизацияпространственных литых конструкций и размещения одноразовых моделей в объемепеска – один из резервов новых возможностей, свойственных «объемной» формовкепри ЛГМ, в отличие от формовки с плоскостью разъема, присущей традиционнымвидам литья в парных опоках. Это преимущество ЛГМ прежде всего используют длямелких отливок при сборке одноразовых моделей из элементов в стопки или «кусты»с одновременным формированием коллектора литника как несущей конструкции, чем в1,5…2 раза увеличивают металлоемкость формы.

С целью повышениякачества и служебных возможностей пространственных отливок, а также отливок,заливаемых в виде блоков или «кустов», предложено модельные конструкциисобирать по принципу ботанического явления филлотаксиса (буквально -листорасположения) [3]. Это явление изучает раздел морфологии растений,согласно данному признаку листья размещаются на стебле в строго заданнойпоследовательности. Наиболее распространен спиральный филлотаксис с однимлистком на узле, когда одинаковый угол между соседними листками, близкий кзначению 137,5о, создает структуру, когда ни один листок не затеняетдругих. При этом природные, созданные из повторяемых элементов симметричныеструктуры, в которых четко прослеживаются числовые закономерности [4],подтверждают слова В.И. Вернадского о неевклидовой геометрии живой природы [5].

На рис. 3 показанпример модели в виде отдельных элементов 1 (или моделей отдельных деталей),закрепленных на стояке 2 (коллекторе литника). Стояк 2 и элементы 1 выполняютсяиз пенопласта. Модель на рис. 2 может представлять конструкцию, которую в литомвиде используют целой, например, как армирующую, или быть блоком из отдельныхзакрепленных на стояке деталей, которые после отливания из металла отделяют отстояка. Воронка стояка показана пунктиром.

Подобно образованиюв пространстве листовой мозаики, призванной улавливать растением как можно большесвета, наиболее рациональное размещение модельных

Рис. 3.

элементов 1 (рис. 3), как в целостнойпространственной конструкции, так и деталей на коллекторе, позволит равномернорасположить элементы модели в вакуумированном песке формы. Равномерностьвакуумирования повысит качество отливок при улучшении режима эвакуации из формыпродуктов газификации моделей, оптимизирует газовое давление как в песке, так инад зеркалом металла во время его заполнения формы, уменьшит вероятностьобразования дефектов при скоплении углеродсодержащих продуктов на полученнойотливке. Охлаждение равномерно размещенных в объеме песка отливок или их частейтакже способствует повышению стабильности их свойств.

Возвращаясь к теме литья сотовых металлических пространственныхструктур в виде крупноячеистой пены, включая изготовлениеподобных пене материалов с регулируемой структурой и свойствами, рассмотримконструкцию модели для них из повторяемых элементов, разработанную во ФТИМС. В этой конструкции использованы геометрические правила,описанные бельгийским ученым Ж.Плато и определяющие структуру пены каксамопроизвольно образуемой природной структуры [6].

На рис. 4 показан пример участка литейной одноразовой (пенополистироловой)модели подобной типичной ячейке монодисперсной пены в виде многогранникапентагонального додекаэдра с открытыми сквозными полостями 1,расположенными в каркасе из ребер 2 этих ячеек. Эта ячейка модели аналогичнамелкоячеистой модели из пенополиуретана (рис. 1а). Ребра представляют собой взаимосвязаннуюсистему, в которой в одной точке 3 сходятся по четыре ребра. Если в каждом ребре многогранника–ячейки пены сходятся трипленки, углы между которыми равны и составляют 120°, то при построении модели в базовомварианте на гранях многогранника пленку не выполняют, оставив одни ребраи получив из них каркас.

Рис. 4. Рис.5.

Согласно правилам Плато ребра представляют собой взаимосвязанную систему, пронизывают веськаркас пены и при схождении четырех ребер в одной точке образуют по всей пенеодинаковые углы 109о 28’.Площадь поперечного сечения треугольного ребра (канала Плато) определяется как S = r2(31/2 – /2), где r – средний радиус пузырька газа (в нашихрасчетах - шара, вписанного в многогранник-ячейкумодели).

На рис. 5 показан пример повторяющегосяэлемента для сборки каркаса из треугольных ребер с использованием соединения«шип-паз», шип 1 и паз 2. Этот элемент, как и другие части модели может бытьвыполнен из пенополистирола, других пористых пенопластов, льда, парафина идругих материалов для удаляемых одноразовых литейных моделей. Для засыпкиформовочного песка по крайней мере одно отверстие пятиугольного сечения вкаждом или в некоторых из ячеек выполняют открытым, а остальные или по крайнеймере одно при сборке модели могут закрывать пластинами 3 или пленками,расположенными между угловыми ребрами треугольных в сечении ребер.

На рис. 5 рядом с элементом-ребром показана плоская пластина3, которая крепится к ребрам и закрывает пятиугольное отверстие (грань ячейки)или может быть выполнена для использования в качестве шаблона, вокруг которогосмыкаются в пятиугольник ребра. В торце пластина 3 может иметь по периметруклинообразную борозду, по которой удобно ориентировать ребра или крепить ее кребрам, а также может иметь отверстие 4 круглой или дугой формы и в заданномколичестве. Аналогично пластине может использоваться пленка для закупориванияпятигранного отверстия.

Таким выборочным закрыванием граней при сборке модели можнорегулировать проницаемость конструкции. Если требуется продувать, например,воздухом ячеистую конструкцию в одном прямолинейном направлении (а в другихнаправлениях проход не желателен), то по две (противоположные) грани в каждойячейке, имеющие в этом направления наибольшее проходное сечение, должны бытьоткрытыми, а все остальные закрытыми. Полным или частичным закрываниемотдельных граней можно создавать различную траекторию движения вещества в порахячеистого материала. Причем закрываться грани ячеек могут пластинками изметалла, частично вставленными в тела ребер модели. После заливки и замещенияметаллом модели или полости от модели металл ребер охватывает металл пластинокили сплавляется с ним.

Завершая тему о пенообразных конструкциях, процитируем информациюиз Википедии (http://ru.wikipedia.org): «Результаты наблюдений в августе 2006года во время нанесения на карты областей распределения темной материи вскоплении галактик Cl 0024+17 (ZwC10024+1652) свидетельствуют о том,что Вселенная представляет собой набор бесконечно повторяющихся додекаэдров»[7]. Если галактики обладают пеноподобной структурой, о чем также писал в журнале «Nature» Джеффри Викс, то и нам не грех «взять на вооружение» подобныеконструкции, которые удобно получать литьем из металлов и сплавов.

Предложенные новые модельные конструкции из элементовдопустимых размеров от нескольких до сотен миллиметров и более с возможностьюполучения их деталей на пластавтоматах упростят конструирование ячеистыхматериалов, которые обычно называют материалами будущего и в описанном случаеподобны пенным конструкциям, в том числе твердой пене с регулируемойструктурой. На фотографии (рис. 6) в качестве примера применения пористыхотливок показана модель кольцеобразной детали диаметром около 600 мм, которая имеетсквозные отверстия конусной формы по всему своему телу, тем самым представляясобой относительно простой вариант пористой конструкции. Диаметры одинаковыхконусных отверстий имеют размеры: максимальный 5 мм, минимальный 2 мм. Эта деталь служитколосником промышленной печи для сжигания сухой соломы и камыша какальтернативных источников энергии. Выливание таких деталей другими способами,кроме ЛГМ, со сравнимой экономичностью, практически невозможно.

Рис.6. Рис.7.

На рис. 7 показана слева решетчатая конструкция отливки,которую удобно собирать в пространственную решетку из моделей, 4 модели изпенополистирола показаны справа. Такую отливку из легированного чугуна получаютв виде единой стопки решеток из десятка штук, стопка имеет высокую жесткость идает при литье стабильные размера отдельных плоских решеток, а также оптимальнозаполняет литейную форму по объему до максимального числа отливок в ней. Затем стопкуразрезают на отдельные плоские решетки, которые служат решетками ливнеприемникови канализационных систем.

Пространственные решетчатые конструкции имеют «магнетическуюспособность» притягивать внимание многих конструкторов и архитекторов. Можетбыть, для того и рисовали еще Леонардо да Винчи (рис. 8), а также голландскийхудожник-график Мауриц

Рис.8. Рис.9.

Эшер (рис. 9) свои «завораживающие» воображение пространственныерешетки, чтобы мы могли разработать технологию их изготовления, причем наиболеепригодным из многих способов создания конструкций является литье, обладающеевозможностью «объемной» формовки.

Ячеистыепространственные материалы, полученные методом ЛГМ, расширят существующийспектр свойств по сравнению с компактными материалами. А литые решетчатыематериалы, в частности, аналоги которых взяты из макро- и микромира живой инеживой природы, из сборных модельных элементов упростят конструирование и позволятналадить выпуск ячеистых материалов и каркасных легковесных изделий, которыечасто называют «материалам будущего». Также и ЛГМ по его потенциалу можноотнести к технологиям будущего, особенно полезных для немногочисленных стран сзамкнутым металлургическим циклом, среди которых находится Украина, получающихметалл из собственных руд и способных перевести его в высокотехнологичныйнаукоемкий товар в виде машин и механизмов. Развитие подобных технологийоткрывает пути заимствования известных нам конструкционныхзакономерностей природных материалов не только для их копирования, но и дляполучения новых материалов иконструкций, в природе не существующих.

1. Дорошенко В. С. Способыполучения каркасных и ячеистых литых материалов и деталей по газифицируемыммоделям. - Литейное производство. - 2008. - №9. – С. 28-32

2. Моуала Х. и др. Стальная пена с открытыми порами –изготовление и свойства. Металлургия машиностроения, 2006, №6. С. 29-33.

3. Патент Украины83447 МПК В22С7/00, В22С 9/00.- Опубл. 2008, Бюл. № 13. Литейная одноразовая модель /Шинский О.И., Дорошенко В.С.

4. Боднар О. Я.Геометрія філотаксиса. – Доповіді АН України. – 1992. – № 9. С. 9-14.

5. Вернадский В.И. Размышления натуралиста. Пространство и время в неживой и живойприроде. – М. : Наука, 1975. – 220 с.

6. Тихомиров В.К. Пены. Теория и практика их получения иразрушения. – М.: Химия, 1983. С. 6, 7.

7. http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%94%D0%BE%D0%B4%D0%B5%D0%BA%D0%B0%D1%8D%D0%B4%D1%80

Подрисуночныенадписи

Рис. 1а. Пенополиуретановаяпена со сквозными порами (увеличено), размер ячейки до 2,5 мм.

Рис. 1б. Образцы литой пены из нержавеющей стали 316L с раз меромячейки 20, 45 и 60 ppi.

Рис. 1в. Трубчатые теплообменники со стальной пеной (сталь 316L, ячейкашириной 20 ppi).

Рис.2. Модельпространственной решетки.

1, 2 и 3 -перемычки а, в, с, 4 – выпор, 5 -пористый трубопровод, 6 – шлакоуловитель, 7- стояк.

Рис. 3. Модель. 1 -элемент (модель детали), 2 - стояк(коллектор литника)

Рис. 4.Модель в виде пентагонального додекаэдра.1 -открытыесквозные полости,

2 – ребро, 3 - точка соединения четырех ребер.

Рис. 5. Повторяющийсяэлемент модели для сборки каркаса ребер. 1 – шип, 2 - паз.

Рис. 6.Модель детали колосника печи.

Рис. 7.Решетки ливнеприемников и канализационных систем, которые льют в стопках.

Рис. 8.Рисунок Леонардо да Винчи.

Рис. 9.Рисунок художника Эшера.


    Была ли полезна информация?
  • 6613
Автор: @