Технологический процесс получения моделей и блоков моделей состоит из приготовления модельных составов, изготовления мо­делей отливок и литниково-питающих систем, отделки и контроля моделей, сборки моделей в блоки.

Требования к модельным составам.

          Качество моделей зависит от свойств и технологии приготовле­ния модельного состава.

Для получения моделей используют различные модельные со­ставы: выплавляемые, растворяемые, выжигаемые. Любой модель­ный состав должен удовлетворять определенным требованиям.

В расплавленном состоянии модельный состав должен обла­дать хорошей жидкотекучестью для четкого воспроизведения кон­фигурации модели при заполнении полости пресс-формы и легкого и полного удаления из оболочковой формы. Температура плавле­ния его должна быть невысокой (60…140 ⁰С), что облегчает изготовление моделей и их удаление из оболочковой формы. Температура размягчения модельного состава должна быть 35…45 ⁰С, то есть превышать температуру помещений, где изго­товляют, хранят, собирают модели в блоки. Усадка состава при охлаждении и его расширении при нагреве должны быть минимальными и стабильными, чтобы точность моделей и соответ­ственно отливок была высокой. Модельный состав не должен прилипать к поверхности пресс-формы; химическое взаимодей­ствие его с материалом пресс-формы недопустимо. После затверде­вания в пресс-форме модельный состав должен обладать прочностью и твердостью, достаточными для того, чтобы модели не деформировались и не ломались на последующих операциях технологического процесса.

Модельный состав должен обеспечивать соединение частей моделей либо сборку в блоки пайкой или склеиванием. Модельный состав должен смачиваться суспензией, но не растворяться в составляющих суспензии для оболочковых форм, не вступать с ними в химическое взаимодействие, иначе будет ухудшаться качество поверхности отливок. Зольность (твердый остаток) соста­ва при нагреве оболочковых форм при прокаливании должна быть минимальной. Плотность состава также должна быть минималь­ной, что облегчит работу с моделями, блоками моделей, особенно при их больших размерах. Чтобы состав мог быть выплавлен в воде и без лишних трудозатрат возвращен в производство моделей, его плотность должна быть <1000 кг/м³. Свойства модельного соста­ва не должны изменяться перед повторным использованием, он должен быть пригодным для многократного использования.

Модельный состав должен быть безвредным для работающих и окружающей среды на всех этапах технологического процесса. Он не должен содержать дефицитных компонентов, а технология его приготовления и изготовления из него моделей должны быть просты.

В зависимости от требований к качеству отливок, характера производства (единичное, серийное, массовое) те или иные свой­ства модельного состава становятся наиболее важными, опреде­ляющими. Поэтому в соответствии с конкретными условиями производства применяют различные модельные составы.

Исходные материалы для модельных составов.

Для приготовления модельных составов наибольшее применение в производ­стве находят рассмотренные ниже исходные материалы.

Парафин - смесь углеводородов предельного ряда с общей формулой химического состава С_nН_(2n+2), получают его при возгонке нефти, бурого угля, сланцев. Это белая масса с кристаллической структурой. Он пластичен, недорог, недефицитен Температура размягчения ~30 ⁰С.

Стеарин - смесь жирных кислот; продукт переработки растительных и животных жиров. Это дорогой и дефицитный материал. Стеарин склонен к взаимодействию с формовочным материалом,

Церезин - смесь углеводородов метанового ряда; получают его пере­работкой озокерита из нефтяных церезиновых отложений на стыках нефте­проводов, а также путем реакции соединения СО и H₂ с последующей поликонден­сацией. Это аморфный материал светложелтого цвета. Церезин маркируется в соответствии с температурой каплепадения в ⁰С: натуральный -  марок 65 (температура каплепадения 65…70 ⁰С) , 70, 75, 80; синтетический - 90, 93, 100. Он обладает повышенной пластичностью и тепло­стойкостью, но имеет высокую линейную усадку (до 1,1%), невысокую прочность и твердость. Для изготовления модельных составов чаще применяют более тугоплавкий синтетический церизин.

Буроугольный воск - продукт переработки бурого угля, смесь воска, смолы, асфальтоподобных веществ. Это однородный материал темнобурого цвета. Температура каплепадения ~90 ⁰С. Он обладает высокой прочностью и твер­достью, но хрупкий, высоковязкий в жидком состоянии.

Канифоль - твердая составная часть смолы хвойных деревьев, смесь смоляных кислот. Это хрупкое стекловидное вещество желтого или коричневого цвета. Плотность канифоли 1000…1200 кг/м³, размягчается в интервале температур 52…70 ⁰С.

Полистирол блочный -  термопластичный материал, получаемый по­лимеризацией стирола (С₂Н₅  – СН - СН₂). Для изготовления модельных составов применяют блочный полистирол с низкой зольностью (~0,04%). Плотность поли­стирола 1050 кг/м³,теплостойкость 70…80 ⁰С, а усадка 0,2…0,8%. Полистирол - водостойкий материал, не растворяется в кислотах и щелочах, спиртах и бензине, растворим в эфирах и ароматических углеводоро­дах. Он обладает высокой прочностью.

Полистирол вспенивающийся представляет собой бесцветные гранулы, содержащие основу — полистирол и порообразователь - изопентановую фракцию с температурой кипения 30…40 ⁰С. При нагреве до температур 80…100 ⁰С полистирольная основа гранул размягчается, а порообразователь испаряется и пары его оказывают изнутри давление на стенки гранул, в результате чего гранулы увеличиваются в объеме, а их плотность уменьшается до 30 кг/м³ .  Этот материал используют для изготовления выжигаемых моделей.

Полиэтилен - термопластичный материал, получаемый полимеризацией этилена (Н₂С=СН₂). Высокомолекулярный полиэтилен (молекулярная масса М=35000) имеет температуру размягчения 108…115 ⁰С, он твердый, прочный, эластичный; теплостойкость его составляет 90 ⁰С; не взаимодействует с гидролизованным раствором этилсиликата.

Полиэтиленовый воск - низкомолекулярный полиэтилен (М=200…3000); это гранулированный материал белого цвета с температурой плавления  95…105 ⁰С. Он хорошо растворяется в парафине, придает модельным составам прочность.

Кубовый остаток термического крекинга парафина — смесь предель­ных и непредельных углеводородов с температурой размягчения 35 ⁰С. Он обла­дает высокой пластичностью и низкой прочностью.

Карбамид СО (NH₂)₂ - полный амид угольной кислоты (техническая мочевина) -  кристаллический, хорошо растворимый в воде материал. Он плавится при 129…134 ⁰С и обладает в расплавленном состоянии высокой жидкотекучестыо; хорошо заполняет пресс-формы. После затвердевания образует прочную и точную модель. Усадка его <0,1%. При нагреве карбамид не имеет стадии размягчения, а поэтому модели не деформируются вплоть до 100 ⁰С. Используют его для изготовления растворяемых моделей.

Этилцеллюлоза — продукт переработки древесины, белый порошок с температурой плавления 160…180 ⁰С, хорошо растворяется в стеарине и церезине. Прочность его до 0,140 МПа, линейная усадка до 1,2%.

Модельные составы и их свойства

Модельные составы классифицируют: по составу в зависимости от содержания основных компонентов; по свойствам в зависимости от прочности, температуры плавления и размягчения; по состоя­нию при введении в пресс-форму — жидкие, пастообразные, твер­дые; по способу удаления из оболочковых форм — выплавляемые, растворяемые, выжигаемые, испаряемые.

В зависимости от требований к качеству отливок, серий­ности производства используют различные модельные составы (табл. 1.1).

Парафино-стеариновые модельные составы (ПС) приготовля­ют на основе парафина и стеарина. Эти модельные составы относятся к легкоплавким. Составы ПС хорошо смачиваются су­спензией на связующих растворах этилсиликата. Они имеют не­высокую температуру плавления 50…60 ⁰С, низкую зольность, достаточную жидкотекучесть, однако имеют низкую температуру размягчения, невысокую прочность (1,6…2,0 МПа) и твердость, нестабильную и высокую усадку, пригодны для многократного использования (возврат после выплавления до 98%). Применяют состав ПС 50-50, реже ПС 70-30. Присут­ствие в модельном составе стеарина, омыляющегося при выплавлении в горячей воде, приводит к взаимодействию модели с гидролизованным раствором этилсиликата (связующего в суспен­зии), ухудшению качества форм.

Таблица 1.1. Некоторые употребляемые модельные составы. 

        Модельные составы ПС используют в жидком и пастообраз­ном состояниях. В жидком состоянии модельный состав заливают в пресс-форму. Шероховатость поверхности моделей при таком способе их изготовления получается хорошая, но модели имеют усадочные дефекты.
        Для устранения усадочных дефектов в модельный состав при его приготовлении замешивают 7..10% (по объему) и более воздуха. Такой состав используют в пастообразном состоянии.             Пасту под давлением запрессовывают в пресс-форму. После сня­тия давления воздух, содержащийся в пасте, стремится расшириться и компенсирует усадку модельного состава.         Парафино-стеариновые пастообразные модельные составы с добавлением воздуха обладают хорошими технологическими свойствами, поэтому их широко используют в условиях массового автоматизи­рованного производства, а также в серийном производстве.

Модельные составы на основе парафина и стеарина с до­бавками. Для повышения прочности и температуры размягчения в парафино-стеариновые составы вводят 2…3% этилцеллюлозы или до 20 маc. % буроугольного воска. Упрочняющие добавки - буроугольный и торфяной воски повышают хрупкость моделей. Поэтому для повышения пластичности в составы ПС вводят пластифицирующие добавки: 3…8 маc. % кубового остатка терми­ческого крекинга парафина или церезин. Последним можно заме­нить стеарин, что улучшает свойства модельных составов.

Модельные составы с добавками до 1,5 маc. % этилцеллюлозы (ПСЭ, ПЦЭ) имеют повышенную температуру размягчения, в 1,5…2 раза более высокую прочность по сравнению с составами ПС. Составы с этилцеллюлозой склонны к утяжинам в массивных местах моделей. При изготовлении моделей их используют в жид­ком и пастообразном состоянии.

Парафино-церезиновые модельные составы (ПЦ) с добавками буроугольного или торфяного восков обладают высокой прочно­стью и теплостойкостью. Эти модельные составы используют обыч­но в пастообразном состоянии. Наиболее широко применяют соста­вы Р-3, Р-ЗА, (ПЦБКу 60-22-12-6), имеющие прочность при изгибе 3…4 МПа, температуру каплепадения 81…84 ⁰С, запрессовки 54…55 ⁰С, усадку 0,8…1,1%. При изготовлении из них моделей вследствие увеличенной вязкости требуется повышенное давление прессования (0,2…0,4 МПа).

Модельные составы Р-3 и Р-ЗА также широко используют в массовом автоматизированном и серийном производстве отливок общего машиностроения.

Модельные составы на основе канифоли и полистирола также относятся к тугоплавким и высокопрочным. Их используют для изготовления особо точных сложных моделей лопаток газовых турбин. Эти составы обладают усадкой до 1%, прочностью, в 2…4 раза превышающей прочность составов парафино-стеаринвой группы (s_изг = 7…8 МПа), имеют достаточно высокую темпе­ратуру плавления. Составы КПсЦ (с церезином) и КПсП (с парафином) имеют низкую жидкотекучесть, поэтому возврат модель­ного состава при выплавлении составляет не более 60%, высокая вязкость их требует повышенного давления прессования (0,6…1,0 МПа). Иногда их используют как выжигаемые составы, особен­но часто при изготовлении тонкостенных отливок сложной про­странственной конфигурации. Для устранения хрупкости в модель­ные составы вводят пластификатор – 2 мас.% дибутилфталата.

Составы на основе карбамида имеют малую и стабильную усадку, поэтому их применяют для изготовления моделей тонко­стенных точных крупногабаритных отливок, а также растворимых в воде стержней, по которым выполняют полости сложной конфи­гурации в легкоплавких и тугоплавких моделях небольших размеров. Основным компонентом служит карбамид СО(NН₂)₂ - техническая мочевина. Карбамид плавится при температуре 129 ⁰С, хорошо растворяется в воде, имеет высокую жидкотекучесть, затвердевает и охлаждается практически без усадки. Плотность карбамида 1,3 г/см³. В качестве пластификатора в карбамид вводят борную кислоту в количестве 0,3…3 маc. %.

Распространенным растворимым модельным составом является КбБк 98-2 (см. табл. 1.1).

Выжигаемые модельные составы. Наибольшее распростране­ние получили полистирол ПСВ-ЛД и блочный полистирол с добав­ками. Полистирол ПСВ-ЛД - вспенивающаяся композиция, из которой изготовляют модели с использованием термопластавтоматов. Плотность моделей 0,24…0,3 г/см³, s_изг= 10…14 МПа, усадка этих составов 0,2…0,3%. Такие модельные составы используют для изготовления моделей мелких и средних отливок в мас­совом и крупносерийном производстве.

Приготовление модельных составов

          Легкоплавкие модельные составы приготовляют расплавлением составляющих в водяных или масляных банях с электрическим обогревом.

Исходные материалы перед загрузкой измельчают до кусков размером 30…50 мм для ускорения плавления. Материалы загру­жают в порядке возрастания их температур плавления или растворимости   Расплавленный модельный состав перемешивают и фильтруют  через металлическую сетку №02. Готовый модельный состав используют для изготовления моделей или разливают в изложницы для последующего употребления.

 Парафино-стеариновые составы с добавками, составы с буроугольным воском (Р-3) перемешивают особенно тщательно. Если составы содержат этилцеллюлозу, то сначала расплавляют мате­риалы в которых этилцеллюлоза хорошо растворяется (церезин, стеарин и др. доводят температуру состава до 120…140 ⁰С, при непрерывном перемешивании вводят этилцеллюлозу, просеянную через сито № 02. После растворения этилцеллюлозы вводят осталь­ные материалы. Модельный состав тщательно перемешивают и фильтруют.

Пастообразные модельные составы приготовляют охлаждением жидкого состава при непрерывном переме­шивании в специальных смесителях. Воздух замешивается в модельный состав в количестве 8…12% по объему. Для этого исполь­зуют лопастные, поршневые, шестеренные смесители. Наибольшее применение нашли шестеренные и поршневые смесители.

Поршневые смесители менее производительны, так как они пе­риодического действия и процесс замешивания воздуха протекает в них ~20 мин. Поэтому их используют в основном в серийном и мелкосерийном производстве.

Шестеренные смесители непрерывного действия (рис. 1.5): имеют два вала 1, на которых смонтированы шестерни 2. Каждая пара шестерен отделена от соседней перегородкой 3. В каждой паре одна из шестерен свободно насажена на вал, а вторая закреплена на валу на шпонке, в соседней паре — наоборот. Валы вращаются от общего привода 5 в одном направлении. Поэтому на одном валу четные, а на другом нечетные шестерни вращаются с валом, приводя свободно насаженные парные ше­стерни в движение. Смежные пары шестерен вращаются в разные стороны. Ширина каждой пары шестерен уменьшается в направле­нии движения модельного состава для создания напора и пере­мещения пасты. Жидкий модельный состав подается в горловину смесителя вместе с воздухом и после перемешивания первой парой шестерен выдавливается через отверстие 4 в перегородке 3 в соседнюю секцию, где перемешивается в обратном направлении и перемещается вверх, к отверстию 4 в следующей перегородке. В процессе перемешивания модельный состав интенсивно охлаж­дается, переходя в пастообразное состояние. Эти смесители имеют большую производительность и надежность, обеспечивая получение пасты высокого качества.

Тугоплавкие модельные составы приготовляют в тигельных поворотных электропечах с терморегуляторами; тигли изготовляют из коррозионно-стойких сталей, не взаимодействующих с модель­ным составом. Для приготовления модельных составов тина КПсЦ сначала растворяют церезин, затем вводят канифоль, нагревают состав до 140…157 ⁰С; фильтруют расплав, нагревают его до 220 ⁰С и постепенно засыпают полистирол, перемешивая расплав. Затем модельный состав выдерживают 30…40 мин, охлаждают до 180 ⁰С, снова выдерживают до полного выделения пузырей газа, и заливают в пресс-формы.

Растворимые модельные составы приготовляют сплавлением составляющих в тигельных электропечах. Перед расплавлением карбамид высушивают при температуре 100…110 ⁰С  для удаления влаги. Высушенную соль расплавляют совместно с пластифика­тором (борной кислотой) в металлических тиглях из коррозийно-стойкой стали при температуре 120…130 ⁰С.

    Рис. 1.5. Схема шестеренного смесителя для приготовления пастообразного модельного состава с воздухом: 1 – валы; 2 – шестерни; 3 – перегородки; 4 – выпускное отверстие; 5 – привод смесителя.

Расплав фильтруют и заливают в пресс-формы. Высокая по сравнению с легкоплав­кими составами теплопроводность модельного состава способ­ствует быстрому затвердеванию моделей в пресс-форме. Этот процесс менее длительный, малооперационный.

Карбамидные составы гигроскопичны, поэтому модели должны храниться в сухом воздухе.

Выжигаемые модельные составы приготовляют перемешива­нием гранул вспенивающегося полистирола ПСВ со смачивателем и пластификатором. В начале в гранулы вводят 10%-ный спирто­вой раствор бутилового эфира стеариновой кислоты (бутилстеарат) в количестве 0,03…0,05 мас.% полистирола, тщательно пере­мешивают и затем вводят 0,003…0,005% 1 % - ного раствора смачи­вателя НБ или 0,01…0,03% 10% - ного водного раствора полиэтиленоксида.

Качество моделей и соответственно отливок, надежность технологических процессов изготовления моделей и оболочковых форм зависят от свойств модель­ных составов. Поэтому в процессе производства систематически контролируют свойства модельных составов.

Важнейшими свойствами модельных составов являются: усадка, прочность, стойкость к деформациям при комнатной температуре, плавкость, твердость, зольность, термическое расширение, текучесть, содержание воздуха в пасте. Не­которые из перечисленных свойств определяют при разработке новых составов и исследованиях. В производстве чаще контролируют усадку, прочность па изгиб, содержание воздуха в пасте.

Усадку модельного состава определяют по изменению длины образца в определенном интервале температур и вычисляют по формуле:

у=(( h_о- h)/ h_о)100, %,

где h_о и h — длина образца соответственно в начале испытания и в конце.

Изменение длины образца обычно определяют по методике НИИТавтопрома с помощью специального измерительного стенда (рис. 1.6.).

    Рис. 1.6. Схема стенда для определения усадки модельного состава: 1 – датчик перемещения; 2 – захват; 3 – защелка; 4 – пресс-форма; 5 рабочая полость пресс-формы; 6 – отверстие для запрессовки модельного состава; 7 - термопара; 8 – преобразователь; 9 – многоканальный регистрирующий прибор.

Этот стенд состоит из охлаждаемой пресс-формы 4 для конического образца и регистрирующей аппаратуры. Захват 2 устанавливают в крайнее верх­нее положение и фиксируют защелкой 3. При этом шток датчика перемещения 1 поджимается пружиной к захвату. В полость 5 пресс-формы запрессовывают модельный состав через отверстие 6 и отжимают защелку 3. Температуру образца фиксируют термопарой 7. Сигнал от датчика 1 через преобразователь 8 и от термопары поступают на регистрирующий прибор 9. Запись сигналов продолжается до тех пор, пока показания прибора будут оставаться неизменными (~30 мин). Усадка двух образцов от одной и той же пробы должна иметь колебания не более 0,08 %, в про­тивном случае испытания повторяют.

Прочность на изгиб опреде­ляют на образцах квадратного сечения 6х6 мм и длиной 60 мм. Образцы изго­товляют в специальной пресс-форме. Об­разцы могут испытываться только через 24 ч после их изготовления. Испытания проводят при температуре 18…22 °С в течение не более 2 ч. Испытывают не ме­нее шести образцов без дефектов. Для испытания используют любую испытатель­ную машину с ценой деления не более 0,5 Н, оснащенную специальным приспо­соблением. При испытаниях фиксируют на­грузку, вызвавшую разрушение образца, ширину и толщину образца по месту изло­ма с точностью 0,01 мм и по известным за­висимостям определяют величину изгибаю­щих напряжений в образце.

Содержание воздуха в пасте определяют по разности объемов испы­туемого образца до и после расплавления, то есть после удаления из него возду­ха. Для этого в пресс-форме изготовляют цилиндрический образец. Погружением образца в мерный цилиндр с водой опре­деляют его объем. Затем образец вставляют обратно в пресс-форму и погружа­ют ее в кипящую воду. Образец расплавляется и воздух из него удаляется. После затвердевания вновь определяют объем образца. По разности объемов образца определяют содержание воздуха в пасте:

                                          а_в=(( v_о- v)/ v_о)100, %,

где v_о и v — объемы образца соответственно с воздухом и без воздуха.

Плавкость, твердость, зольность модельных составов определяют по мето­дикам, предусмотренным соответствующими нормативными документами.

        Воздухонаполненные составы.

         Исследования показали, что на величину и стабильность усадки влияет не только способ введения и количество воздуха, замешанного в модельный состав, но также характер распределения и размер газовых пузырей в объеме моделей. Резервы повышения точности моделей могут быть реализованы путем управления структурой модели.

         В МГТУ им. Н.Э. Баумана разработан один из способов изготовления выплавляемых моделей с повышенным (до 35% объема) содержанием воздуха, который находится в диспергированном состоянии и равномерно распределен в объеме модели (рис. 1.7).

    Рис. 1.7. Микроструктура выплавляемой модели (размер пузырей воздуха 30…50 мкм).

При запрессовке модельный состав транспортируется в полость пресс-формы под давлением. Это способствует тому, что воздушные включения расширяются и компенсируют усадку охлаждающейся модели. Распределение по модели и объем воздуха в ней определяют эффективность этой компенсации.

Необходимым условием для требуемой воздухонаполненности является поддержание модельного состава при определенной температуре во время его подготовки и запрессовки в полость пресс-формы. Это ограничение обусловлено вязкостью, при которой возможно интенсивное замешивание воздуха в модельный состав и его диспергирование, устойчивость состава после завершения перемешивания. Для легкоплавких модельных составов Р-3 и МВС-ЗА температура подготовки должна соответствовать 0,7…0,72 T_пл (T_пл – температура плавления модельного состава), т.к. время, затрачиваемое при этом на насыщение модельного состава воздухом и его диспергирование минимально. В зависимости от состава и температуры, массы модельного состава, конструкции и мощности смесителя это время составляет 5…10 мин.

Эффективная вязкость двухфазной системы воздух - модельный состав ниже вязкости компактного модельного состава при данной температуре, что позволяет заполнять узкие полости пресс-форм при пониженном давлении запрессовки 0,08…0,2 МПа.

Для реализации способа изготовления воздухонаполненных выплавляемых моделей может быть применена конструкция установки с использованием в качестве смесителя быстроходного конусного агрегата, вращающегося с числом оборотов до 1500 об/мин. (рис. 1.8). Модельный состав перемещается в рабочей камере смесителя как в окружном направлении, так и по сложной тороидальной поверхности в результате взаимодействия модельного состава с боковыми лопастями. Это обеспечивает режим перемешивания модельного состава близкий к объемному, высокую производительность замешивания воздуха и его диспергирования. Запрессовку подготовленного модельного состава осуществляется подачей сжатого воздуха в камеру смесителя или вручную.

    Рис. 1.8. Быстроходный конусный смеситель периодического действия: 1 – станина; 2 – привод механизма запрессовки; 3 – распределители; 4 – приводной шкив; 5 – опорный узел; 6 – смеситель; 7 – поршень-разделитель; 8 – поршень для запрессовки модельного состава; 9 – клапан.

Конструкция установки позволяет использовать дополнительные устройства, для механизированного выполнения других операций технологического процесса изготовления моделей.

Изготовление выплавляемых моделей осуществляется в условиях подобных процессу литья под давлением. Действительно, поток материала принудительно транспортируется через систему каналов в замкнутую технологическую емкость – пресс-форму, которой отдает избыточную теплоту, и которая формирует размер модели. Теория и практика этого процесса подсказывают (см. раздел 3), что для обеспечения качества выплавляемых моделей необходимо иметь представление о взаимосвязи  конструкции литниково-питающей и вентиляционной систем, режимов течения материала с наличием или отсутствием дефектов моделей. Главная задача - сохранение заранее подготовленной структуры состава в моделях.

Анализ структуры модельного состава, подготовленного в шестеренном смесителе, показал, что распределение пузырей воздуха достаточно равномерное. В то же время в готовых моделях (после транспортирования по пастопроводу к автомату мод. 653) могут иметь место грубые включения воздушных пузырей, расположенных в объеме модели совершенно произвольным способом. Это свидетельствует о неправильном назначении режимов подачи и запрессовки состава в пресс-форму, приводящих к высокой турбулентности потока (пасты) и появлению крупных воздушных включений в моделях.

Скоростная киносъемка (2000 кадров/с) процесса заполнения прозрачной пресс-формы подготовленным модельным составом показала (рис. 1.9, а), что при использованной конструкции литниковой и вентиляционной системы поток имеет высокую турбулентность. В модели образуются крупные воздушные пузыри даже в случае запрессовки модельного состава, в котором воздух находился на начальном этапе процесса в виде пузырей с размером 20…30 мкм при равномерном распределении по объему.

Снижение скорости запрессовки устраняет такие дефекты в модели. Съемка показала (рис. 1.9, б), что заполнение пресс-формы в данном случае происходит сплошным потоком при направленном вытеснении воздуха из полости пресс-формы.

    Рис 1.9. Кинограммы заполнения полости пресс-формы модельным составом: а – 2000 кадр/с; б – 24 кадр/с.

С целью определения размеров пузырей в модельном составе исследована микроструктура моделей. Образцы готовили с помощью микротома в виде тонких срезов толщиной 0,1 мм. Микроструктура одного из образцов была приведена на рис.1.7. По фотографиям микроструктуры определены размеры пузырей на различных участках модели.

Статистическая обработка результатов измерений показала, что средний размер пузырей составляет 25…30 мкм, однако размеры распределены по сечению образца неравномерно. На участке образца, прилегающем к пресс-форме, вероятно, вследствие намораживания модельного состава, средний размер пузырей менее 10 мкм, что свидетельствует о наличии в модели плотной корки, сообщающей поверхности модели более высокую твердость. Такой эффект наблюдается на моделях из пенополистирола, изготовляемых на термопластавтоматах и положительно действует на эксплуатационные характеристики моделей.

Измерения температуры теплоустойчивости моделей с повышенным  содержанием воздуха выполнены по методике НИИТАвтопрома, в качестве средства измерения прогиба образца применялся измерительный микроскоп с ценой деления 0,01 мм. Температура теплоустойчивости модельного состава МВС-ЗА с содержанием воздуха 35% объема составила 40,8 ⁰С, что соответствует техническим условиям на данный модельный состав.

Применение модельного состава МВС-ЗА с содержанием воздуха 35% объема было опробовано при изготовлении партии тонкостенных отливок из жаропрочных сплавов со средней толщиной стенки 1,5 мм и с закладными стержнями из электрокорунда. Модельный состав запрессовывали в пресс-форму с температурой меньше 15 ⁰С .  Готовые модели напаивали на стояки, дальнейшие операции выполняли по технологии МПО «Салют». Отливки признаны годными.

Очевидно это свяэано с тем, что усадка модельного состава МВС-ЗА, подготовленного по обычной технологии, составляет от 0,8 до 1,2 % (содержание воздуха минимальное). При содержании воздуха 35%  и давлении запрессовки 0,25 МПа усадка составляет 0,46±0,04%, а прочность при испытании по схеме трехточечного изгиба (образец 6 х 6 х 50 мм) 1,7 МПа.

Изготовление моделей

         Процесс изготовления моделей включает подготовку пресс-формы; заполнение пресс-формы модельным составом; выдержку для затвердевания и охлаждения модели; разборку пресс-формы и извлечение модели; выдержку модели до окончания усадки.

Подготовка пресс-формы. Рабочую полость и поверхность разъема пресс-формы очищают от остатков модельного состава, наносят на поверхность рабочей полости смазочный материал - трансформаторное масло - или распыляют сжатым воздухом эмульсию (касторовое масло+спирт в соотношении 1:1 по массе). Смазочный материал должен наноситься ровным слоем.

Получение качественных моделей зависит от температуры пресс-формы. При температуре, ниже оптимальной, модель имеет спаи, недоливы; при превышении оптимальной температуры увели­чивается длительность цикла изготовления модели, возрастает усадка модели. Каждому модельному составу соответствует интер­вал температур пресс-формы, при котором получают качественные модели. Для составов типа ПС этот интервал 22…27 ⁰С.

Заполнение пресс-форм модельным составом в производстве чаще всего осуществляют свободной заливкой и заливкой под давлением жидкого модельного состава, а также запрессовкой пастообразного модельного состава. Реже используют запрессовку твердого модельного состава в пресс-формы.

Свободной заливкой изготовляют модели из легко­плавких, тугоплавких, растворимых модельных составов.

Литниковые каналы пресс-формы должны быть короткими с большой площадью поперечного сечения. Для хорошего запол­нения пресс-формы температура легкоплавких модельных составов должна поддерживаться в пределах 80…90 ⁰С при изготовлении крупных моделей и моделей сложной конфигурации 70…75 ⁰С при изготовлении моделей средних размеров и сложности (температуры указаны для составов подготовленных по обычной технологии).

Способ свободной заливки моделей редко применяют для модельных составов с повышенной усадкой из-за образования усадочных дефектов в моделях, но широко используют для изго­товления моделей из растворимых карбамидных и солевых соста­вов, обладающих малой усадкой. Способ применяют в единичном и серийном производстве, так как он прост в исполнении.

    Рис 1.10. Схема устройства для запрессовки жидкого модельного состава: 1 – пресс; 2 – поршень; 3 – запрессовочное устройство; 4 – жидкий модельный состав.

        Модели из вспенивающегося полистирола изготовляют на термопластоавтоматах (рис. 1.11). В обогре­ваемый цилиндр 1 машины загружают предварительно подготов­ленный модельный состав в виде гранул 2. Гранулы расплавля­ются и образуют пену, состоящую из расплавленного полистирола и паров изопентана. Пена впрыскивается прессующим поршнем 3 под давлением 80…100 МПа в полость пресс-формы 4. При запол­нении пресс-формы расплавленный полистирол образует на ее стенках  тонкую (0,2…0,3 мм) плотную глянцевую корочку, а внут­ренняя часть модели заполняется пеной. При затвердевании пены плавление паров изопентана компенсирует усадку моделей. После затвердевания пресс-форму раскрывают и извлекают модели. Модели из вспенивающегося полистирола имеют плотность 0,24…0,3 г/см³, достаточную прочность, малую усадку. Основное преимущество этого спо­соба заключается в том, что при изго­товлении модели в одном компактном агрегате одновременно осуществляются процессы приготовления модельного состава и изготовления моделей. Это позволяет сократить число единиц обо­рудования для изготовления моделей, сэкономить производственные площади. Высокая термоустойчивость (80 ⁰С) мо­делей, небольшая плотность, малая усадка, дают возможность получить точные отливки. Этот способ является одним из перспективных для получения моделей средней сложности и неболь­ших размеров в массовом и крупносе­рийном производстве.

    Рис 1.11. Схема установки для изготовления пенополистироловых моделей под давлением: 1 – рабочий цилиндр; 2 – гранулы полистирола; 3 – прессующий поршень; 4 – пресс-форма.

Изготовление моделей запрессовкой из пастообразного состава под давле­нием поршня может осуществляться ручными и автоматическими шприцами.

В серийном производстве используют ручные шприцы (рис. 1.12), а в массовом — автоматические (рис. 1.13). Модельный состав по трубопроводу 1 заполняет полость 2. Поршень 7 пневмоцилиндром 9 отводится в крайнее левое положение. Крышка 8 отходит от поршня 7 при сжатии пружины 3, и модельный состав по каналам 6 поступает в левую часть полости 2. В это же время пружина 10 сжимается и цилиндр 11 перемещается влево; происходит отделение запрессованного устройства от пресс формы. При обратном ходе поршня 7 запрессовочное устройство под­жимается к пресс-форме пружиной 10, затем крышка 8 перекрывает каналы б и поршень 7 выдавливает модельный состав через отверстия 4 в пресс-форму. После заполнения пресс-формы излишки модельного состава пос­тупают в левую часть полости 2 через обратный клапан 5 и отверстие в штоке поршня. Автоматические шприцы обычно устанавливают на карусельных автоматах для изготовления моделей.

Этот способ широко используется для изготовления моделей средней сложности и размеров из легкоплавких модельных со­ставов в массовом и серийном производ­стве.

Охлаждение моделей. При охлаждении моделей, даже после их извлечения из пресс-формы, их размеры изменяются из-за продолжающейся усадки модельного состава. Если на такую мо­дель нанести суспензию, то вследствие усадки модели может произойти растрескивание оболочки и её отслаивание от модели. Поэтому для изготовления форм можно использовать только те модели, усадка которых закончилась полностью. Для ускорения процесса усадки мелкие, несложные модели охлаждают в проточ­ной воде или сжатым воздухом. Вода охлаждает модели и одно­временно транспортирует их к месту сборки в блоки. Крупные модели так охлаждать нельзя, так как из-за неравномерности температур в них могут возникнуть внутренние напряжения приводящие к короблению. Поэтому их охлаждают на воздухе не менее 3 ч.

    Рис. 1.12. Схема устройства ручного шприца для запрессовки пастообразных модельных составов: 1 – рукоятка; 2 – пружина; 3 – золотник; 4 – модельный состав; 5 – корпус; 6 – пресс-форма.

    Рис. 1.13. Схема устройства автоматического шприца для запрессовки пастообразных модельных составов: 1 – трубопровод; 2 – рабочая полость; 3 – пружина клапана; 4 – выпускное отверстие; 5 – обратный клапан; 6 – подводящие каналы; 7 – поршень; 8 – крышка; 9 – пневмоцилиндр; 10 – прижимная пружина; 11 – рабочий цилиндр.

Особые способы изготовления моделей. Для изготовления сложных моделей с полостями, отверстиями с криволинейной осью, выступающими тонкими частями часто используют разделение модели на части, получаемые по отдельным пресс-формам с последующей сборкой модели в единое целое; растворяемые карбамидные стержни; керамические стержни; гибкие резиновые пресс-формы.

Растворяемые карбамидные стержни изготовляют в металлических ящиках (рис. 1.14, а). После затвердевания и охлаждения стержень извлекают из ящика и по знакам устанавливают в пресс-форму для получения модели (рис. 1.14, б). Модель изготавляют из любого состава, нерастворяемого в воде и имеющего более низкую температуру плавления, чем состав КбБк. Модель со стержнем погружают в воду, стержень растворяется, а в модели образуется полость требуемой конфигурации.

    Рис. 1.14. Изготовление модели с растворяемым стержнем: а – заливка стержневого ящика 1; б – запрессовка модельного состава в пресс-форму 3; 2 - стержень; 4 – модель.

Сборка моделей в блоки. Блоком моделей называют модель отливки, соединенную в одно целое с моделью литниковой системы. Сборку осуществляют пайкой в кон­дукторах, механическим скреплени­ем, склеиванием.

Пайку применяют в единичном и серийном производстве. Для этого используют электрические паяльники с плоским широким жалом. Модели элементов литниковой системы изго­товляют в пресс-формах (для стоя­ков, прибылей и т. д.).

Сборка в кондукторах обеспечивает точное взаимное распо­ложение модели и литников. Модель и, например, стояк помещают в кон­дуктор, а место соединения заливают расплавленным модельным составом. Применение этого способа ограниче­но из-за высокой стоимости кондук­торов, обычно его применяют для сборки в блоки моделей из плохо припаивающихся составов, например КПсЦ. Сборку моделей меха­ническим     скреплением широко применяют в условиях крупносерийного и массового производства.

Звенья моделей изготовляют в многоместных (двух, трех, четырех и более) пресс-формах. Звено состоит из моделей отливок, питателей и центрального кольца (секции модели стояка). Перед сборкой (рис. 1.15) на стояк-каркас 5 нанизывают мо­дель 7 чаши и звенья моделей 6. Затем нажимают на каркас, при этом сжимается пружина 4 и стержень с поперечной шпиль кои 2 выходит из трубы. На стержень надевают колпачок 7, покрытый модельным составом. Колпачок поворачивают на 90°, шпилька 2 заходит в паз 3 колпачка. Затем снимают давление со стояка-каркаса, пружина разжимается и колпачок стягивает звенья моделей.

    Рис. 1.15. Сборка моделей в блок на стояке-каркасе: 1 – колпачок; 2 – шпилька;  3 – паз; 4 – пружина; 5 – стояк-каркас; 6 – звенья моделей; 7 – модель литниковой чаши.