/ 109 1 (74), 2014 УДК 621 .74 Поступила 10.02.2014 А. П. МельнИКов, М. А. САДохА, Д. М. голУБ, в. л. АКУлИч, н. А. ЯЦевИч, оАо «БелнИИлИТ» совреМенные подходы К изготовлениЮ литейной технологичесКой оснастКи Рассматриваются пути поиска новых подходов к изготовлению литейной технологической оснастки при подготов- ке производства отливок. Ways of search of new approaches to manufacture of foundry industrial equipment at preparation of the castings production are considered. Известно, что в общем процессе технологиче- ского обеспечения производства отливок большую роль играет технологическая оснастка . Именно она во многом определяет экономические и техни- ческие параметры производства отливок, в том числе стоимостные и, в конечном итоге, конкурен- тоспособность литья и изделий машиностроения на рынке . Среди основных параметров литейной техно- логической оснастки следует отметить следую- щие: стоимость изготовления; срок изготовления; срок службы; ремонтопригодность и простота вы- полнения ремонта; точность . В разных случаях значимость этих факторов различна . Так, традиционно при подготовке произ- водства новых изделий машиностроения возника- ет необходимость изготовления опытных партий отливок с целью апробирования всех технологиче- ских приемов их производства . В этом случае наи- более важными являются сроки изготовления ос- настки, ее ремонтопригодность (велика вероят- ность необходимости доработки) и стоимость из- готовления . При освоении серийного производ- ства наряду со стоимостью изготовления оснастки становятся очень важными такие параметры, как срок ее службы и ремонтопригодность . Классические варианты изготовления литей- ной технологической оснастки из металлических материалов и дерева уже практически полностью оптимизированы и не имеют существенного ре- сурса по улучшению приведенных выше параме- тров . В последние годы в технологиях литейного производства произошли существенные измене- ния: стали широко применяться процессы «холод- ного» отверждения форм и стержней, новые мето- ды формообразования и т . п . Вместе с тем, на рын- ке материалов появилось много новых видов ис- кусственных синтетических продуктов с уникаль- ным сочетанием свойств, в том числе модельных пластиков с повышенными прочностными и изно- состойкими характеристиками, возможностями их ускоренной обработки . Современные модельные пластики имеют низкую адгезию многим связую- щим материалам, что обеспечивает получение ра- бочих поверхностей форм и песчаных стержней высокого качества . Плотность данных материалов (от 0,1 до 1,8 г/см2) существенно ниже плотности традиционно используемых для изготовления ли- тейной технологической оснастки металлических материалов . Производство оснастки из них, ее ре- монт и эксплуатация требуют существенно мень- ших энергетических затрат, чем в случае примене- ния металлов . Эти процессы и определили пути поиска но- вых подходов к изготовлению литейной техноло- гической оснастки при подготовке производства отливок . Среди изучаемых процессов – технологии «ус ко- ренного» изготовления оснастки – моделей и стерж- невых ящиков, в том числе высокой сложности и точности из полимерных материалов . Для широ- кого применения в промышленности важно иметь рынок заготовок стабильного качества . Поэтому на первой стадии в литейных лабораториях ОАО «БЕЛНИИЛИТ» работы проводили с применением пластиковых материалов «prolab 65» и «lab 850 new», которые выпускаются серийно и имеют хорошие эксплуатационные свойства, в том числе стабильную размерную точность . Твердость по Шору плит – 1 (74), 2014 110 / от 63 до 80 D, плотность – от 0,65 до 1,18 г/см2 . На- личие специальных паст и клеев для них суще- ственно упрощает решение ряда вопросов, в том числе и связанных с габаритами оснастки, ее ре- монтом и корректировкой при литье опытных от- ливок . Известно, что при подготовке опытного и мел- косерийного производства сложнопрофильных от- ливок одной из основных является технология из- готовления литейной оснастки методом обработки резанием из монолитных заготовок с использова- нием оборудования с ЧПУ . В лабораторных условиях ОАО «БЕЛНИИ- ЛИТ» для отработки технологических параметров обработки различных материалов, анализа воз- можностей различного программного обеспечения при решении поставленных задач использовалась установка мод . П1896, на которой производится изготовление моделей железнодорожной отливки «башмак» (рис . 1, а) и отливки «водило» для до- рожной техники (рис . 1, б) . Технические характе- ристики установки мод . П1896 приведены в табл . 1 . Таблица 1 Характеристика Значение Размер зоны обработки, мм: длина 1200 ширина 1200 высота 100 Мощность шпинделя, кВт 2,2 Система управления ЧПУ Современные компьютерные технологии по- зволяют значительно ускорить создание оснастки путем применения сквозного процесса от проекти- рования детали до изготовления литейной оснаст- ки без разработки промежуточной технической документации на бумаге . Для проведения работ в условиях ОАО «БЕЛ- НИИЛИТ» были опробованы следующие програм- мные продукты: Camworks, NX, SolidCam, Artcam, Mastercam, MACH3, визуализатора G кодов – Сimco Edit и др . Примеры возможностей программы Cam- works показаны на рис . 2, 3 . Проведенные работы подтвердили, что для производства сложной литейной технологической оснастки целесообразно применять программные пакеты, позволяющие выполнять комплекс задач: разрабатывать трехмерные модели, создавать управ- ляющие программы, производить визуализацию траекторий обработки, корректировать модели с автоматическим изменением траекторий инстру- мента в созданной управляющей программе при изменении любого размера . Именно интегриро- ванные приложения к графическим пакетам обе- а б Рис . 1 Установка мод . П1896 Рис . 2 . Визуализация траекторий чистовой обработки моде- ли «рукав» (программа Camworks) Рис . 3 . Моделирование обработки модели «водило» (про- грамма Camworks) 1 (74), 2014 / 111 спечивают возможность создания полнофункцио- нальной CAD/CAM-системы . В ходе выполнения экспериментальных и ис- следовательских работ была спроектирована и из- готовлена литейная оснастка для производства от- ливок для новых моделей двигателей внутреннего сгорания ОАО «ММЗ», новых узлов погрузчиков и дорожной техники ОАО «Амкодор», новых ста- нин электродвигателей ОАО «Полесьэлектромаш» и других сложнопрофильных отливок . Примеры литейной оснастки, рабочие моменты изготовле- ния оснастки и сборки форм приведены на рис . 4 . Рис . 4 . Примеры литейной оснастки, рабочие моменты изготовления оснастки и сборки форм 1 (74), 2014 112 / Полученные в процессе экспериментов данные позволили оценить возможности различного про- граммного обеспечения с точки зрения изготовле- ния литейной оснастки, установить оптимальные параметры обработки материалов и разработать техническое задание на создание эксперименталь- ной установки для изготовления формообразую- щих элементов литейной оснастки . При этом было определено, что основные требования, которым должна соответствовать экспериментальная уста- новка, следующие: • повышение производительности изготовле- ния оснастки в 1,5–2,5 раза по сравнению с произ- водительностью аналогичного оборудования, при- меняемого для обработки металла; • снижение затрат труда квалифицированных рабочих-станочников за счет углубленной техно- логической подготовки производства как состав- ной части сквозного процесса проектирование-из- готовление; • сокращение сроков подготовки производства отливок и новых деталей путем возможности при- менения современных программ и других средств информационных технологий; • снижение продолжительности цикла подго- товки производства отливок в несколько раз . Технические требования, которым должна со- ответствовать экспериментальная установка, при- ведены в табл . 2 . Таблица 2 Характеристика Значение Размер зоны обработки, мм: длина 1600 ширина 1050 высота 500 Скорость холостых ходов, м/мин 20 Скорость резания, м/мин до 15 Скорость вращения шпинделя, об/мин до 18 000 Диаметр фрез, мм от 1 до 20 Другие Автоматическая смена инструмента Общая структурная схема экспериментальной установки и ее 3D-модель (рис . 5) были выполне- ны в рамках задания подпрограммы «Металлургия 2 .2 .06» «Создание теоретических и технологиче- ских основ производства конкурентоспособных отливок ответственного назначения, создание экс- периментальных технологий, опытных образцов оборудования и базовых отливок для станкострое- ния и тракторостроения» . На основании разработанной модели с помо- щью программы Nastran NX (инструмент для про- ведения компьютерного инженерного анализа про- ектируемых изделий методом конечных элементов от компании Siemens PLM Software) были прове- дены расчеты на жесткость конструкции установ- ки и ее основных узлов . Произведены следующие расчеты: жесткость конструкции; воздействие сил гравитации; воздей- ствие сил, вызванных сопротивлением резания; воздействие сил гравитации и сопротивления при изменении взаимного расположения осей X, Y и Z относительно друг друга и другие показатели . В процессе проведения расчетов конструкция и схема экспериментальной установки многократ- но изменялись для достижения требуемых показа- телей жесткости (было установлено требование ее максимального отклонения не более чем на 0,1 мм) (рис . 6) . В результате проведенных работ создана окон- чательная полная 3D-модель экспериментальной установки (рис . 7) . Ведется подготовка изготовле- ния опытного образца установки, который будет проходить апробацию в лабораторных условиях ОАО «БЕЛНИИЛИТ» . Накопленный опыт в ОАО «БЕЛНИИЛИТ» в во- просах подготовки литейного производства, в том числе использование освоенного метода ускорен- ного изготовления оснастки, позволит обеспечить следующее: • Изготовление оснастки широкого диапазона размеров – от небольших до крупных деталей (с максимальным габаритным размером – до не- скольких метров) . • Минимальный срок проектирования и изго- товления оснастки – от нескольких дней (в зависи- мости от сложности) . • Сквозной полный цикл изготовления изде- лий – от чертежа детали-отливки, проектирования и изготовления оснастки до получения экспери- ментальной партии отливок с возможностью со- Рис . 5 . Общая структурная схема и 3D-модель эксперимен- тальной установки 1 (74), 2014 / 113 провождения внедрения технологии изготовления отливок у Заказчика . • Возможность отработки технологии изготов- ления форм, стержней и отливок в лабораторных условиях ОАО «БЕЛНИИЛИТ» позволяет сокра- тить время на освоение промышленного произ- водства отливок у Заказчика . • Снижение стоимости изготовления оснастки от 20% до нескольких раз за счет применения ин- новационных технологий и материалов . • Возможность обработки широкой гаммы ма- териалов (алюминиевые сплавы, латуни, модель- ные пластики, дерево, МДФ и др .) . • Возможность комплексной поставки литей- ного оборудования «под ключ», оснащенного не- обходимой оснасткой с отработкой технологии и обучением персонала Заказчика . Рис 6 . Моделирование нагрузки на экспериментальную установку и определение жесткости ее конструкции Рис . 7 . Общий вид экспериментальной установки для обра- ботки формообразующих элементов литейной оснастки