Основным требованием при производстве отливок запорной арматуры, используемой практически во всех отраслях промышленности, работающей в экстремальных условиях во взаимодействии с агрессивными средами под высоким давлением, является качество литой продукции при низкой себестоимости.
Существующая практика и опыт производства отливок запорной арматуры, к сожалению, показывают высокий уровень их дефектности и, соответственно, низкий уровень доходности. По некоторым позициям отливок, даже при крупносерийном производстве, брак достигает более 40 %. Использование же вакуумно-пленочной формовки (ВПФ) – одной из самых бездефектных и экономичных литейных технологий, с учетом уже сложившейся практики не приносит ощутимых результатов.
Как правило, основными проблемами таких производств являются:
• использование стандартных комплексов технологического оборудования (вместо специализированных), предназначенных для выпуска простых, не ответственных видов отливок;
• отсутствие привязки оборудования к конструктивным особенностям такого типа отливок;
• разработка литейных технологий на отливки без понимания специфики литья по ВПФ.
Правильное понимание существующих проблем производства позволит принять необходимые меры по их устранению и наладить выпуск качественного литья по низкой себестоимости. Для этого проведем сравнительный технико-экономический анализ производства отливок запорной арматуры, выпускающейся на одном из предприятий СНГ на стандартном комплексе оборудования ВПФ и на специализированном комплексе с использованием способа формовки по «спаренным моделям».
При производстве отливок запорной арматуры (рис. 1) заливку форм целесообразно осуществлять под наклоном с подводом жидкого расплава сифоном (снизу вверх) с последующим перераспределением потока горячего металла вверх по мере заполнения им полости формы.
Для такого типа расположения отливок в форме и такого способа подвода расплава больше всего подходят формы с вертикальным разъемом (рис. 2), где практически вся литниковая система формируется по линии разъема формы, а отливку (модель) можно располагать под любым необходимым наклоном.
Применение способа формовки по «спаренным моделям», разработанного на основе технологии вакуумно-пленочной формовки для опок с вертикальным разъемом, считается наиболее обоснованным при производстве отливок такого вида (как технически, так и экономически).
Главным отличием от существующего способа производства форм с вертикальным разъемом является, в частности, конструкция и способ подготовки модельных комплектов, представляющих собой две подмодельные плиты с моделями, скрепленными по плоскости соосно между собой, и использование вакуумируемых полуконтейнеров вместо опок (рис. 3).
Установка заранее подготовленных «спаренных» модельных комплектов между двумя полуконтейнерами позволяет одновременно с одной позиции производить загрузку и уплотнение в них формовочного песка без возможного последующего смещения отпечатков моделей при сборке формы (рис. 4).
Для технико-экономического анализа рассмотрим существующее производство отливок деталей запорной арматуры, использующее современный стандартный комплекс технологического оборудования (линии) вакуумно-пленочной формовки с горизонтальным разъемом форм (рис. 5).
Техническая характеристика линии ВПФ:
• Производство: мелкосерийное, серийное и крупносерийное.
• Размер опок в свету: 1500 × 1500 × 500/750.
• Режим работы: круглосуточный.
• Основная продукция: отливки деталей запорной арматуры.
Хотя расчетная производительность составляет 10 ф/час, на деле фактическая производительность – не более 5 ф/час. Основными причинами этого являются:
а) многономенклатурное литье, требующее переустановки модельных комплектов (технологическое время на переустановку не предусмотрено);
б) несовершенство выполнения некоторых операций, требующих контроля, а при нарушении процесса – повторного их выполнения;
в) при выполнении некоторых операций вручную тратится больше времени, чем заложено на каждую из операций;
г) сбои при работе линии.
По некоторым видам отливок процент бракованной продукции достигает 40 %. Основными причинами этого являются:
а) несовершенство литейной технологии на основные виды отливок;
б) технологическое несоответствие используемого оборудования и оснастки для выпуска такого типа отливок;
в) человеческий фактор.
В существующем стандартном комплексе ВПФ литниковая система практически полностью расположена в полуформе верха и требует выполнения операций по установке и удалению съемных частей (рис. 6), а также прорезки и спайки пленок над ними. Установка более эффективных закрытых прибылей, в связи со сложностью их последующего удаления, затруднена.
Расположение элементов литниковой системы в полуформе верха при заливке ее расплавом на практике в связи с выгоранием больших площадей облицовочной пленки приводит к резкому, не допустимому падению вакуума с 0,4-0,5 атм. до 0,1-0,2 атм. (рис. 7).
Падение вакуума в верхней полуформе до таких показателей снижает прочность этой полуформы и приводит к ее полному или частичному разрушению (а это и появление песчаных засоров в отливках, и вообще обрушение форм). Для сравнения: падение вакуума в полуформе низа при заливке расплава в форму не превышает 0,1 атм.
Построение литниковой системы с учетом существующих требований вакуумно-пленочной формовки, особенно для такого вида отливок, при горизонтальном расположении форм сложно, ведь это и сифонный подвод металла, и перераспределение потока расплава сверху вниз, и полноценное питание узлов отливки, и исключение образования турбулентных потоков внутри полости формы и пр.
Применение комплекса технологического оборудования с использованием способа формовки по «спаренным моделям» при ВПФ (рис. 8) позволяет технологически грамотно разместить практически все элементы литниковой системы по разъему формы, подвести питатели в любую заданную точку формы и произвести их облицовку совместно с моделью.
Карусель подготовки модельных комплектов – позиция, на которой выполняются операции по замене модельных комплектов, облицовке моделей пленкой, покраске и их сушке.
Формовочная карусель – позиция, на которой производятся операции по загрузке полуконтейнеров формовочным песком (и его уплотнение), герметизации загрузочных мест и съем готовых форм (полуформ).
Транспортно-заливочный конвейер предназначен для накопления и транспортировки форм под заливку, выбивку и формовку.
Такое технологическое решение исключает из производства некоторые операции, например, облицовку, установку и удаление съемных элементов формы. Вертикальный разъем форм позволяет использовать более эффективные закрытые прибыли (рис. 9).
Резкое падение вакуума в теле формы в процессе заливки ее горячим металлом за счет ее равномерного вакуумирования по высоте (посредством наличия сплошных торцевых фильтров) практически невозможно.
Для стандартного комплекса ВПФ используются опоки высотой 500 и 750 мм. Такая высота принята с учетом расположения в опоке низа торцевых фильтров (увеличение на 100 мм), предназначенных для равномерного распределения вакуума по всей плоскости полуформы (рис. 10) и дополнительного размещения литниковых ходов в полуформе верха (стояк, прибыль, выпор, торцевые фильтра – увеличение на 350 мм).
При использовании способа формовки по «спаренным моделям» при вертикальном разъеме форм вместо опок применяются полуконтейнеры, в которых вакуумирование каждой из полуформ производится посредством сплошного торцевого фильтра, позволяющего равномерно распределить вакуум по всему объему формы (рис. 11), а литниковые хода расположить по линии ее разъема. Такое расположение фильтра и литниковых ходов позволяет уменьшить высоту полуконтейнеров на ее технологические части (100 и 350 мм) без изменения габаритов формуемых изделий. Таким образом, высота (ширина) формы будет равна 800 мм (400 мм + 400 мм) вместо 1 250 мм (500 мм + 750 мм) у стандартного комплекса.
На существующем стандартном оборудовании подготовка модельных комплектов (съем и переустановка на другой типоразмер отливок, облицовка пленкой, покраска и сушка антипригарного покрытия) производится на формовочной карусели, где все эти операции циклически завязаны с работой всего комплекса оборудования линии. Таким образом, при остановке (задержке) выполнения любой из операций по переустановке модельных комплектов, не соответствующей облицовке моделей пленкой, а также покраске и сушке антипригарного покрытия, работа всей линии приостанавливается (рис. 12).
При цикле подготовки 3 мин/модель полноценное выполнение операций по покраске и сушке (рис. 13) выполнить крайне сложно, особенно для объемных конструкций моделей, что довольно часто становится причиной образования внутренних и внешних дефектов литья.
Подготовка «спаренных модельных комплектов» осуществляется на отдельной многопозиционной карусели, где предусмотрены следующие позиции: переустановка модельных комплектов, двухсторонняя покраска, двухсторонняя сушка и резервная позиция для устранения возможных нарушений процесса их подготовки (рис. 14). Такое технологическое и конструктивное решения позволяют исключить (доработать) любое нарушение цикла производства (производительности) по причине подготовки модельных комплектов.
При единичном либо мелкосерийном производстве на каждой из позиций карусели можно располагать модельные комплекты для разных видов отливок.
Формовочный песок
Для формы с горизонтальным разъемом (1,5 × 1,5 × 0,5 + 1,5×1,5×0,75) необходимо 2,8125 м3 формовочного песка.
Свежих добавок формовочного песка на обороте формы (2 %) необходимо 0,056 м3.
Для формы с вертикальным разъемом (1,5 × 1,5 × 0,4 × 2 шт.) необходимо 1,8 м3 формовочного песка. Свежих добавок формовочного песка на обороте формы (2 %) необходимо 0,036 м3.
Уменьшение объема используемого песка на форму составит 1,0125 м3 (на 36 %).
Уменьшение свежих добавок песка на обороте формы составит 0,02 м3 (на 36 %).
Синтетическая пленка
Для формы с горизонтальным разъемом (1,6 × 1,6 × 4 шт.) необходимо 10,24 м2 синтетической пленки.
Для формы с вертикальным разъемом (1,6 × 1,6 × 2 шт.+1,6 × 0,8) за счет использования сплошных торцевых фильтров вместо герметизирующей пленки необходимо 6,4 м2 синтетической пленки. Уменьшение объема используемой синтетической пленки составит 3,84 м2 (на 37,5 %).
Расход вакуума
Потребление вакуума напрямую зависит от периметра опок, к которому прилегает синтетическая пленка.
Для формы с горизонтальным разъемом (1,5×16 ст.) периметр опок составляет 24 пог. м.
Для формы с вертикальным разъемом (1,5×8 ст. + 0,4×4 ст.) – 13.6 пог. м.
Сокращение периметра опок на 10.4 пог. м приводит к снижению потребления вакуума на 43,3 %.
Транспортировка залитых форм на выбивку с учетом возрастающих потерь вакуума при обширном прожиге облицовочной пленки производится в:
• формы с горизонтальным разъемом – под вакуумом;
• формы с вертикальным разъемом, за счет конструкции полуконтейнеров – без вакуума.
Регенерация формовочного песка: cнижение объема используемого формовочного песка на 36 %, соответственно, сокращает затраты на его охлаждение, регенерацию и транспортировку.
Расчет производился на один календарный год, исходя из представленных ранее расчетных данных по линии ВПФ при 70 % ее загрузки (10 ф/час × 24 часа × 30 дней × 12 мес. × 70 %×).
Анализ работы комплексов оборудования (стандартного и по «спаренным моделям») при окончательном расчете затрат на готовую отливку выявил:
• увеличение производительности работы линии при тех же трудозатратах;
• снижение выпуска бракованных отливок и затрат на исправление отливок с дефектами;
• сокращение энергозатрат производства;
• сокращение количества используемых расходных материалов;
• снижение затрат на ввоз сокращаемых объемов формовочных материалов, а также утилизацию части отходов производства;
• сокращение количества технологических операций при формовке (трудозатрат);
• сокращение затрат по рекламациям на бракованную либо недопоставленную продукцию.
Все это в сравнении с фактическими результатами производства позволит снизить себестоимость готовых изделий (качественных отливок) в 1,5-2 раза!!!
1. Феклин, Н.Д. Вакуумно-пленочная формовка по «спаренным полумоделям» / Н.Д. Феклин, Ю.Ф. Воронин // Литье Украины. – 2016. – № 1 (185).
2. Феклин, Н.Д. Изготовление литых деталей запорной арматуры. Расширенный анализ работы автоматической линии вакуумно-пленочной формовки производства HWS-Sinto / Н.Д. Феклин // Вестник арматуростроителя. – 2018. – № 3 (45).
3. Феклин, Н.Д. Особенности разработки литейных технологий для корпусных отливок при V-процессе / Н.Д. Феклин // Вестник арматуростроителя. – 2018. – № 4 (46).
4. Феклин, Н.Д. Производство отливок запорной арматуры на оборудовании HWS-Sinto (Германия) / Н.Д. Феклин // Вестник арматуростроителя. – 2019. – 7 (49). Размещено в номере: «Вестник арматуростроителя», № 3 (52) 2019
