Крупногабаритные тонкостенные детали планера панельного и корпусного (оболочкового) типа составляют до 70% от массы изделия и являются широко распространенными элементами многих конструкций планера современных летательных аппаратов (ЛА).

 Рябов В.В.  Филиал ДВФУ в г. Арсеньеве (ПАТ, АрТИ), Старший преподаватель

Калугин Ф.А. Студент, 3-го курса, ф-та Самолёто-Вертолётостроения, Филиал ДВФУ в г. Арсеньеве

Производство тонкостенных крупногабаритных монолитных конструкций типа панелей и оболочек летательных аппаратов способом литья выжиманием – опыт ААК «Прогресс»

Проблемы эффективности в промышленности.

Крупногабаритные тонкостенные детали планера панельного и корпусного (оболочкового) типа составляют до 70% от массы изделия и являются широко распространенными элементами многих конструкций планера современных летательных аппаратов (ЛА). Изготовление подобных деталей ранее производилось из дорогостоящих деформируемых металлов с применением трудоёмких процессов штамповки, вытяжки, гибки, клёпки, сварки и механической обработки (из листа, профилей, отливок и штамповок для силовых элементов) с последующей их сборкой. Цикл производства агрегата занимал до 15 дней и требовал дорогостоящего оборудования.

Коэффициент использования материала (КИМ) не превышал 0,1–0,4.

Все более широкое внимание начали уделять вопросам энергосбережения и снижению материалоёмкости изделий: экономии проката, снижению массы изделий, уменьшению объёмов механической обработки, сокращению вредных операций клёпки и сварки, а для транспортных средств снижению расхода горючего.

С этой целью постоянно совершенствуются технологические процессы получения деталей, расширяется применение литейных процессов. При этом увеличивается производство точного литья прогрессивными методами.

В отрасли доля выпуска отливок в металлические формы из алюминиевых сплавов достигла 88,5%, в формы из смесей холодного твердения (ХТС), что способствует повышению точности отливок.

Потребность и проблемы в производстве отливок ТКМК.

Исходя из создавшихся условий в промышленности, стала очевидной необходимость получения литьем крупногабаритных тонкостенных конструкций панельного и корпусного типа, в первую очередь, для специзделий. Эта задача была поставлена перед литейщиками авиационной промышленности ещё в 60-е годы прошлого столетия. Однако мировая литейная наука и практика тогда не знали ни метода литья, который бы позволил получать подобные детали из легких (алюминиевых, магниевых и других) сплавов, ни путей решения этой задачи.

Попытки получить имевшимися методами литья крупногабаритные тонкостенные детали у нас в стране и за рубежом заканчивались, как правило, неудачами. Причина этих неудач – невозможность преодоления существовавшими методами литья трудностей, обусловленных физическими, и в первую очередь тепловыми процессами, протекающими при литье крупногабаритных тонкостенных конструкций.

Для получения отливки, наряду с другими важными операциями (приготовлением расплава, изготовлением формы) надо выполнить следующее:

— заполнить полость формы расплавленным металлом;

— обеспечить необходимые температурные поля при заполнении полости формы и затвердевании отливки, создающие условия для питания отливки, и отсутствие значительных термических напряжений, приводящих к трещинам;

— обеспечить необходимые условия силового и теплового взаимодействия затвердевающей отливки и формы, исключающие образование трещин и значительные коробления отливки;

– создать форму необходимой точности и обеспечить такие тепловые и силовые условия ее работы, которые бы, в свою очередь, обеспечивали требуемую точность отливки.

В ряде известных способов литья, до разработки метода литья выжиманием, поскольку геометрические параметры формы оставались неизменными в процессе заполнения её расплавом, с уменьшением толщины отливки (поперечного сечения литейного канала) и с увеличением площади поверхности отливки, трудности создания необходимого режима затвердевания и питания отливки значительно возрастали.

Преимущества в освоении технологии литья выжиманием

С 60-х годов до середины 90-х годов ХХ-го века на ААК «Прогресс» происходило освоение и внедрение в серийное производство принципиально нового технологического процесса – метода литья выжиманием.

Перевод панелей и корпусов на метод литья выжиманием позволяет снизить в 2-3 раза трудоёмкость их изготовления, а себестоимость изготовления изделия на 30%, и обеспечить повышение КИМ по сравнению со сборно-клёпанным и сварным вариантами до 0,7-0,8.

Особенности и возможности способа литья выжиманием.

         Способ литья выжиманием обладает большими возможностями для серийного производства тонкостенных крупногабаритных монолитных конструкций (ТКМК) панельного и корпусного типа из легких сплавов, приоритет которого принадлежит нашему предприятию и авиастроительной отрасли. Его главная особенность заключается в том, что за счёт  изменяющейся геометрии литейного канала, заполнение формы происходит кристаллизующимся потоком расплава большого сечения, значительно превышающим толщину стенки отливки. Расплав выжимается подвижной частью формы вверх по заранее рассчитанному закону, исходя из чертежа отливки. Это позволяет, сохранить  теплосодержание расплава, замедлить его охлаждение в форме, снизить его температуру до интервала температур кристаллизации сплава, уменьшить гидравлические потери и заполнить форму с большой площадью поверхности при малых толщинах стенок, т.е. происходит регулирование гидродинамическими и тепловыми параметрами потока расплава за счет изменения площади поперечного сечения литейного канала.

Собственно сам процесс получения (формообразования) отливки ТКМК литьем выжиманием скоротечный, длится всего 5–10 с. и позволяет получать наиболее дешевые отливки из различных недорогих сплавов при той же прочности. Качество отливок определяется кинетикой процесса заполнения формы кристаллизующимся в потоке расплавом.

Давление в потоке расплава со стороны сближающейся формы приводит к неравновесным изменениям диаграммы состояния сплава. Изменяя закон движения формы во время кристаллизации расплава можно управлять структурой, механическими и физическими свойствами отливок. Давление в процессе формирования отливки является высокоэффективным средством повышения ее качества и механических свойств отливки.

Под действием давления повышается линия солидуса на диаграмме состояния сплава. Неравновесное состояние в расплаве резко увеличивает число центров кристаллизации, т.к. растущие от поверхности, менее нагретой формы, кристаллы ломаются мощным потоком и перемешиваются с жидкой фазой, уменьшается эффективный интервал температур кристаллизации, а за счет компенсации упругими системами кристаллов и жидкой фазой уменьшается линейная усадка.

Оборудование для литья выжиманием

        На ААК «Прогресс» применялись две схемы машин с угловым и плоскопараллельным сближением (Рис.3).  Литейно-выжимные машины

ВП-10 и ВП-20 для литья тонкостенных панелей (Рис. 1) и машины ЛПС-1М, ВК-8 для литья тонкостенных корпусов (Рис. 2).

Рис.1Рис.2Рис.3

Рис. 3. Схемы литья выжиманием конструкций с плоскопараллельным (а), угловым (б, в) сближением полуформ (боковые щёки не показаны).

1 – заливка сплава в нижнюю металлоприемную часть формы с технологическим избытком; 2 – разгон металла в полости формы; 3 – заполнение формообразующей части формы; 4 – смыкание полуформ с вытеснением избытка сплава в верхнюю металлоприемную часть формы.

        Литейно-выжимные машины ВП-10, ВП20 и ЛПС-1М, ВК-8 снабжены гидравлическим приводом и имеют широкий диапазон плавного регулирования скоростей сближения полуформ по заданной программе на жёстком носителе – копире (а в настоящее время с помощью микропроцессора, встроенного в машину). Управление литейно-выжимными машинами – дистанционное с пультов, на которых установлены приборы, контролирующие их работу и ход технологического процесса. Машины просты в управлении, удобны в обслуживании и не требуют особой подготовки к эксплуатации.

Основная конструктивная особенность существующих машин для литья панельных деталей методом выжимания состоит в сближении подвижных и неподвижной полуформ. На станине машины установлены неподвижная створа и подвижная створа с валом, который вращается в подшипниках скольжения. Подвижная створа поворачивается с валом на 30°, торцовые щеки обеспечивают перекрытие полости литейной формы по боковым поверхностям створ. На неподвижную и подвижную створы укрепляются полуформы, на неподвижную – песчаный или (металлический стержень, на подвижную – металлическая полуформа. В металлические полуформы и вал встроены электронагреватели для нагрева оснастки до заданной температуры.

Достигнутые результаты: панели и корпуса

С помощью способа литья выжиманием серийно изготовляемые на ААК «Прогресс» оребрённые монолитные панели оперения размерами  1600?560 мм  с переменной толщиной стенки 1,3–1,8 мм и панели крыла размером 2100?800 мм со стенкой переменной толщины 1,7-2,5 мм из алюминиевых сплавов (рис. 4) заменили сборно-клепаные конструкции из листовых и профильных материалов. Литые панели имеют высокую точность, прочность и не нуждаются в последующей механической обработке по сложной аэродинамической поверхности, за исключением стыковых мест по бобышкам и периметру панели. Перед сборкой производятся некоторых рихтовочных операций и зачистка поверхности.

На машинах ЛПС-1М и ВК-8 освоен процесс литья шести тонкостенных корпусов с разными формами тел вращения, например, одного из них диаметром 760±1,0 мм и высотой до 1000 мм с толщиной стенки 2,0-2,5 мм из сплава АЛ-2. Серийно отливаемые корпуса также отличаются высокой точностью и после термоопрессовки не нуждаются в последующей механической обработке по наружной и внутренней поверхности (рис. 5), а только подвергаются зачистке по поверхности  и механообработке зон стыковки и окантовок под люки.

Рис.4Рис.5

Рис. 4.  Литые панельные отливки                             Рис. 5.  Литые  корпусные отливки

Теоретические основы метода литья выжиманием

Анализ основных уравнений, характеризующих гидродинамические и теплофизические условия получения отливки, показывает, что для тонкостенных крупногабаритных отливок выполнить эти условия чрезвычайно сложно, а обычными литейными процессами практически невозможно.

Из существовавших методов литья высокую скорость заполнения формы обеспечивает способ литья под давлением. Однако, при литье под давлением локальный подвод расплава в форму в сочетании с высокими линейными скоростями движения расплава в форме приводит к бурному его перемешиванию в форме (эмульсионное заполнение) и, как следствие, к низким механическим свойствам отливки.

Теплоизолировать крупногабаритную форму таким образом, чтобы резко уменьшить  интенсивность охлаждения потока расплава, практически невозможно из-за отсутствия пригодных материалов для теплоизоляции формы. Поднять температуру небольшой формы до температуры кристаллизации металла несложно при литье алюминиевых и магниевых сплавов (например, при литье по выплавляемым моделям). Однако, выполнить это условие для крупногабаритных отливок (с площадью поверхности ?1 м2) практически невозможно из-за трудностей нагрева крупногабаритной формы и из-за ее коробления при высоком нагреве.

Создатели нового метода литья выжиманием пошли принципиально иным путем, приняв, казалось бы, парадоксальное решение: для получения тонкой стенки отливки надо увеличить площадь поперечного сечения полости формы и дать ей возможность постепенно уменьшаться до размеров толщины стенки отливки в процессе вытеснения кристаллизующегося расплава вверх, т.е. сделать часть формы подвижной, сближающейся до критического зазора литейного канала в форме, равного минимальной толщине отливки.

Разработанный НИАТом совместно ААК «Прогресс» процесс литья выжиманием прошел через стадии теоретических и экспериментальных исследований. Была отработана технология приготовления сплава АЛ2 применительно к методу литья выжиманием с вакуумированием сплава в печах ВРП, а также освоена обработка сплава различными флюсами и модификаторами. На базе этих исследований была разработана технология, обеспечивающая качественные показатели физико-механических свойств сплава АЛ2. В связи с тем, что процесс получения деталей литьем выжиманием является скоротечным, появилась необходимость разработки составов стержневых смесей с заданными физико-механическими свойствами: газопроницаемостью не менее 100 ед., минимальной газотворной способностью в начальный период заливки, максимальной податливостью, минимальной гигроскопичностью.

В стержневую смесь вводились различные добавки для улучшения ее физико-механических свойств. Качеству исходных формовочных материалов было уделено особое внимание. Формовочный песок мелкозернистый марки 1К016Б с глинистой составляющей до 0,3–0,4%. Поэтому в процессе отработки состава стержневой смеси необходимо было подобрать такой состав, который не был бы чувствительным к значительным изменениям глинистой составляющей в песке и обеспечивал бы необходимые технологические свойства. Были опробованы добавки: асбестовая крошка, хлористый аммоний, натрий хлористый, КБЖ, декстрин.

Проведены работы по внедрению в серийное производство стержней из холоднотвердеющих смесей (ХТС).

Стержни, изготовленные из смеси указанных составов, удовлетворяли требованиям технологии сборки и калибровки стержней, после заливки легко выбивались из отливки. Для разработки оптимального режима заполнения полости литейной формы было проведено осциллографирование процесса, рассчитаны и опробованы 8-мь копиров (8-мь режимов перемещения полуформ). Для ликвидации газовых дефектов в отливке проведены работы по исследованию влияния газового режима на качество получаемых литых корпусов.

В результате проведенных работ установлены размеры элементов газоотводных каналов, обеспечивающих удаление газов из полости литейной формы. Механические свойства и рентгеноконтроль показали хорошее качество литых корпусов.

Всесторонними исследованиями были охвачены все основные параметры литья: гидродинамика и теплофизика процесса заполнения полости формы, и затвердевания отливки; силовые условия взаимодействия отливки и формы; взаимодействии отливки с материалом формы; механические свойства отливок из разных легких сплавов и их связь с гидродинамическими, теплофизическими и силовыми параметрами литья; точностные характеристики отливки и их связи с технологическими параметрами литья, конструктивными характеристиками литейных машин и технологической оснасткой; кинематические, точностные и силовые характеристики литейно-выжимных машин; точностные характеристики технологической оснастки с учетом реальных тепловых и силовых условий ее работы; натурные испытания литых конструкций на прочность и жесткость по программе ОКБ.

Режимы заполнения формы.

Формы заливаются перегретым, а затем заполняются выдержанным до температуры кристаллизации расплавленным металлом, под действием сближающихся по определенному закону полуформ, широким потоком, превышающим в несколько раз толщину стенки отливки, что позволяет значительно снизить его температуру, сохранив теплосодержание расплава, необходимое для его жидкоподвижности, и уменьшить гидравлические сопротивления в потоке. Качество отливок определяется кинетикой процесса заполнения формы расплавом.

Как показывают результаты освоения процесса, минимальная скорость головной части потока расплавленного металла 0,15 м/с, максимальная 1,00 м/с (соответствует началу образования динамических разрывов в отливке). Рекомендуемые величины скорости находятся в интервале 0,35–0,60 м/с. Развить такие скорости головной части потока на существующих машинах можно после прохождения полуформами ~1/3 своего рабочего хода, что объясняется конструктивными особенностями их движения. Сечение литейного канала в начальный момент достаточно велико и, чтобы разогнать поток расплава в начале пути до рекомендуемой скорости в головной его части, необходимы большие импульсные энергии, сравнимые с взрывом. При сближении полуформ сечение литейного канала уменьшается, а скорость в головной части потока расплава резко возрастает (в геометрической прогрессии). Это требует от машины замедления в перемещении полуформ. Автором разработаны методики, которые позволяют по чертежу отливки любой конфигурации ТКМК рассчитать до микросекунд промежуточные положения каждой полуформы в зависимости от назначенных уровней заполнения формы.

В связи с тем, что все формулы в методике выведены для общего случая оболочки произвольного тела вращения для любого сплава, по предлагаемой методике были проведены расчеты копиров для шести наименований корпусных отливок, исходя из их чертежей. Это цилиндрические, конические и с криволинейной образующей теоретического контура отливки. Аналогичные расчёты были проведены для двух ТКМК панельного типа.

Из-за сложной картины температурных полей при заполнении формы и затвердевании отливки аналитические методы их расчета длительное время не находили достаточного применения в литейной практике.

Однако современный уровень развития вычислительной техники, информационных технологий и программного обеспечения позволяют моделировать эти сложные динамические процессы и решать задачи оптимального автоматизированного управления в реальном производстве.

Одной из важных принципиальных особенностей нового метода литья является то, что заполнение полости формы идет практически одновременным сплошным потоком (без струй и застойных зон), что обеспечивает температурное поле отливки близкое к одномерному.

Благодаря регулированию гидродинамических и тепловых параметров процесса за счет широкого потока расплава, заполнение полости формы при литье выжиманием ведется при низких температурах, практически в интервале температур кристаллизации сплава (в твердожидком состоянии), что обеспечивает к моменту окончания сближения полуформ восполнение усадки за счет жидкой фазы, движущейся вместе с твердой фазой. В момент окончательного сближения усадочные поры спрессовываются давлением матриц на кристаллизующийся расплав. Это ещё одна из принципиальных особенностей метода литья выжиманием.

Для расчёта режимов заполнения формы, ввиду недостаточной изученности влияния изменяющихся теплофизических параметров процесса заполнения формы на реологические свойства сплавов при литье выжиманием, в первом приближении допустимо закон изменения плотности расплава при возрастании уровня металла в форме принять прямолинейным в диапазоне известных величин при температурах Тлик и Тсол. Ввод этой поправки позволяет повысить точность расчетов на 5—10% в зависимости от ширины интервала температур кристаллизации сплава.

Анализ прочностных характеристик легких сплавов в интервале кристаллизации показывает, что спрессовывающее давление 0,2 МПа, уже играет значительную роль, а давление 0,6 МПа может полностью исключить усадочную пористость по толщине стенки. Затвердевание и питание приливов, бобышек, шпангоутов и т. п. при толщинах более 12 мм в большей мере проходит так же, как и при обычном гравитационном литье, поэтому нуждается в литниковой подпитке.

Сочетание формирования тонкой стенки отливки в твердожидком состоянии с допрессовкой в момент окончательного сближения полуформ – важная принципиальная особенность метода литья выжиманием. Заполнение полости формы при низкой температуре металла (в интервале кристаллизации) одномерным потоком в гидродинамическом и тепловом отношении, практическое завершение затвердевания отливки с допрессовкой в момент окончательного сближения полуформ обеспечивают при тонкой стенке (1–4 мм) и диаметре корпусов около 800 мм отсутствие трещин.

В результате этого, при литье выжиманием полотно отливки детали получается без последующей механической обработки, а при других методах литья получить отливку без припуска на обработку по толщине отливки не удается. Вышеизложенные основные особенности метода литья выжиманием позволят получать отливки, которые ранее получить было невозможно.

Результаты сравнения возможностей различных методов литья по критерию технологической трудности получения отливки представлены на Рис. 6.

 Рис.6

Рис 6. Возможности литейного производства после 1970 г.

Технология и оборудование для литья выжиманием ТКМК типа панелей и оболочек.

Технологический процесс литья выжиманием корпусных и панельных заготовок включает в себя следующие этапы: подготовку основных и вспомогательных материалов; литейно-выжимных машин; технологической оснастки, приспособлений; изготовление и сборку стержневого блока (для корпусных отливок); сборку литейных форм; приготовление расплава; заливку расплава в литейную форму на машинах; выжимание сплава и формирование отливки; технологическую выдержку отливок в форме для завершения процесса кристаллизации; извлечение отливок из машины, удаление стержней смеси (для корпусных отливок); обрезку литниково-питающей системы; термоопрессовку корпусных отливок; отжиг, правку панельных отливок; зачистку и контрольные операции на каждом этапе (Рис.7).

 Рис.7

Рис. 7. Классификация специализированной технологической оснастки

для литья выжиманием отливок панельного и оболочкового типа.

Литьё крупногабаритных тонкостенных деталей выжиманием производилось в специализированном цехе, включающем два участка:

– участок изготовления стержней из ХТС на автоматизированной линией

ЛП-О31 и сборки стержневых блоков из ХТС на стенде (рис. 8);

Рис.8

Рис. 8. Участок изготовления стержней из ХТС на автоматизированной линией ЛП-О31 и сборки стержневых блоков из ХТС на стенде

– участок машинного литья с установленными литейно-выжимными машинами ВП10, ВП20, ЛПС-1М, ВК-8 (рис. 9).

Рис.9

Рис. 9. Участок машинного литья с установкой литейно-выжимных машин

ВП-10, ВП-20, ЛПС-1М, ВК-8.

Для литья выжиманием корпусов литейная форма комбинированная.

Внешняя часть отливки формируется двумя чугунными полуформами, изготовленными в строгом соответствии с теоретическими обводами изделия, выходящими в аэродинамический поток, для соответствующей отливки корпуса изделия.

Положение контура рабочей поверхности каждой полуформы выверяется относительно базового штыря основания металлической формы. Центрирующий (базовый) штырь имеет возможность некоторого регулируемого наклона, что позволяет с высокой точностью совмещать его ось с осью расточки рабочей поверхности полуформ. Контроль точности выставки полуформ между собой и относительно центрирующего штыря, производимый периодически, обычно перед литьем крупной партии корпусов, осуществляется с помощью специальных контрольно-индикаторных устройств, устанавливаемых на опорных шейках центрирующего штыря.

Внутренняя часть отливки с рамами, балками, рёбрами жесткости, кронштейнами, окантовками под будущие люки формируется стержневым блоком, собранном из отдельных стержневых колец на основе песчаных смесей ХТС на жестком чугунном базовом каркасе. Последний устанавливается в литейно-выжимную машину  ЛПС-1М или ВК-8 на центрирующий штырь.

Рис.10

Рис. 10. Стержневой блок, подготовленный для установки в
литейно-выжимную машину ЛПС-1М (ВК-8)

Наличие базового каркаса, на котором собирается песчаный стержень литейной формы, и производится его межоперационная транспортировка,  также является одной из особенностей технологического оснащения процесса литья корпусных отливок, существенно повышающей точность их изготовления. Каркас выполняет роль знака стержня, не подвергаемого разрушениям и деформациям, обеспечивая максимальную, в пределах сотых долей миллиметра, точность осевого базирования стержня на центрирующем штыре основания металлической формы машины и в оснастки для сборки стержневого блока. Металлические полуформы предварительно нагревают до 150–200 °С и окрашивают теплоизоляционной краской.

Стержневой блок (рис. 10), формирующий внутреннюю поверхность корпусной отливки, изготовляют из песчаных холодно-твердеющих смесей (ХТС) или смесей на крепителе МФ-17, он должен сохранять точность размеров и иметь достаточную прочность, чтобы исключить деформацию при его транспортировке, надежно противостоять давлению выжимаемого металла. Однако чтобы не образовывались усадочные трещины в отливке, стержневая смесь должна быть податливой, а конструкция стержней должна обеспечивать свободную усадку сплава при кристаллизации (0,6 по диаметру и 0,7 по высоте).

Перед установкой в машину стержневой блок калибруется по заданному размеру на стенде, затем поверхность покрывается противопригарной краской, подсушивается при температуре 200 °С в течение 1,5 – 2 ч. Для транспортировки и точной установки стержней в форму применяется металлический каркас.

При сборке стержневого блока для литья тонкостенных корпусов на опорную плиту устанавливают стержень металлоприемника, который проверяется по высоте: на центральный штырь машины устанавливают стержневой блок, подводят матрицы в рабочее положение и закрывают уплотнительные щеки.

Основание формы для литья выжиманием корпусных отливок выполнено с развитой опорной поверхностью под полуформы (рис. 11), т.к. такая конструкция обеспечивает предохранение базовой поверхности станины машины от износа и позволяет продлить срок службы металлической формы за счет возможности многократных ремонтных доработок опорной поверхности формы.

Рис.11

Рис. 11. Основание металлической формы в раскрытом

состоянии с центрирующем штырём.

Для создания герметизации литейной формы со стороны торцовых поверхностей матриц по разъему полуформ установлены уплотнительные (боковые) щеки, закрепленные на ведущей полуформе: пневмоцилиндры поворота щек установленные на траверсе. Механизм поворота щек снабжен регулировкой, обеспечивающей плотное прилегание панелей щек к торцам полуформ и поддону. В средней части каждой щеки имеется технологическое окно для установки заливочной воронки. На станине закрепляется копир — механизм для регулировки дросселем гидросистемы скорости движения полуформ, а также конечные выключатели, определяющие положения траверс. Станина располагается в приямке, выверяется в горизонтальной плоскости и закрепляется фундаментными болтами.

Шихта составляется из возврата собственного производства (до 80%) и первичных материалов в виде чушек. Модифицирование сплава производится универсальным флюсом. Приготовленный сплав заливают в форму одновременно из двух тиглей через заливочные воронки, установленные в окна боковых щек. Для обеспечения плавности потока и предупреждения попадания в металлоприемник окислов и других загрязнений на торцах литниковых воронок устанавливают фильтрующие сетки из стеклоткани с ячейками от 1?1 до 1,3?1,3 мм.

Выжимание сплава производится в интервале температур 600–610 °С при скорости потока 0,2–0,3 м/с, обеспечивающей смыв твердой фазы с поверхности охлаждения и накапливание ее в потоке до заданного количества.

Сближение матриц происходит по программе в течение 5,0–7,8 с в зависимости от конфигурации и габаритных размеров отливки. После затвердевания отливки матрицы раскрываются и отливка вместе с песчаными стержнями извлекается из формы грузоподъемным механизмом. Далее проводятся выбивка стержней, обрезка технологических приливов и прибылей, зачистка заливов, заусенцев отливки.

Для литья выжиманием панелей литейная форма изготовлена полностью из чугуна (вначале освоения процесса применялись также песчаные стержни для формирования внутренней поверхности панели).

Расплав готовят в электрических печах сопротивления емкостью 250 кг из алюминиевого сплава, согласно инструкции ВИАМ.

Приготовленный расплав с некоторым избытком с помощью воронки заливают в нижнюю часть раскрытой формы — металлоприемник (подвижная створа отведена на величину угла рабочего хода, а разъём перекрыт боковыми щёкам). Расплавленный металл, выдерживают в форме до температуры ликвидуса сплава. Затем включается привод углового перемещения подвижной створы в сторону неподвижной, вследствие чего, находящийся в нижней части литейной формы, расплав выжимается вверх.

В расположенный наверху промывник выносится избыток сплава вместе с находящимися в головной части потока загрязнениями. К концу процесса выжимания в рабочей части формы остается только, то количество металла, которое необходимо для формирования тонкостенной панели.

По истечении времени кристаллизации отливки этим же приводом реверсивно проводится подрыв отливки и раскрытие створы машины.       Освобожденную отливку извлекают из машины, а машину подготавливают для получения следующей отливки.

Так как машины должны быть обеспечены механизированными дозированными заливочными устройствами, то в качестве заливочного устройства во время экспериментов проводились испытания магнитодинамического насоса МДН-8 и запорного дозирующее устройство ЗДУ-1.

После выжимания сплава производится определенная выдержка до полной кристаллизации отливки, затем полуформы открываются и устанавливаются в исходное положение. Отливка со стержнем извлекается из машины.

Полость литейной формы очищают от заливов и обдувают воздухом, далее производят подкраску поврежденных мест теплоизоляционной краской и подготавливают литейную форму к очередной заливке, после чего цикл получения отливки повторяется.

Серийное производство корпусов методом литья выжиманием поставило ряд технологических проблем. Для дальнейшего снижения трудоемкости процесса в условиях серийного производства литых заготовок ТКМК необходимо:

— механизировать заливку расплава в литейно-выжимную машину;

— освоить высокопроизводительную технологию изготовления стержней,

примером может служить внедрение изготовления и сборки стержневых блоков из ХТС на автоматизированной линии ЛП-О31;

— механизировать операции калибровки и окраски стержней;

— разработать технологию выбивки стержней из корпусных отливок, создать

средства для механической обрезки прибылей и литниковых систем.

Термоопрессовка отливок. При повышенных требованиях к точности обводов внешней поверхности литой заготовки оболочкового типа партия отливок после отделения о них технологического облоя и литниково-питающей системы, подвергается термомеханической обработке с использованием термоштампов (см. рис. 12) — термоопрессовке.

Термоштамп представляет собой толстостенный чугунный сосуд с рабочей, эталонной по геометрии, полостью, в которую помещается предварительно обработанная отливка.

При термоопрессовке отливка корпуса свободно опускается в термоштамп и они вместе помещаются в печь аэродинамического нагрева, где температуру доводят до 530 °С и выдерживают в течение 1,5–2 ч.

В процессе совместного нагрева за счет разницы в коэффициентах линейного расширения их материалов, отливка «догоняет» термоштамп и упираясь в его массивные стенки, происходит силовое взаимодействие между отливкой и термоштампом; в отливке возникают касательные и радиальные напряжения, вызывающие упругопластическую деформацию — сжатие отливки по диаметру, которая исправляет неточности в её геометрии, т.е. отливка калибрует свои внешние обводы. Никаких изменений в толщине стенки отливки при этом не происходит (Рис. 13).

Термоштамп с корпусной отливкой затем охлаждается до комнатной температуры, после чего корпус свободно извлекается из термоштампа и производится контроль диаметров по сечениям.

Точность геометрических размеров корпусов соответствует требованиям ЛТ4 (по ОСТ 1.4.1154-72).

Рис.12

Рис. 12. Корпусная отливка в термоштампе для проведения термоопрессовки

Рис.13

Рис. 13. Изменение диаметра отливки и термоштампа при

  одновременном нагреве и охлаждении:

1 – алюминиевая отливка корпуса при нагреве; 2 – термоштамп при нагреве; 3– диаметр корпуса по чертежу; 4 – диаметр корпуса после литья; 5 – диаметр термоштампа в холодном состоянии.

 

Заготовки панельного типа могут быть подвергнуты обычной размерной рихтовке или с использованием импульсных нагружений в специальном устройстве, которое представляет собой пакет стальных плит, верхняя из которых имеет формообразующую эталонную полость, обеспечивающую герметизацию по периметру помещаемой в нее заготовки. При взрыве заряда взрывчатого вещества (БВВ) в гидросреде над верхней плитой устройства, в которую предварительно помещен комплект панелей (левой и правой), происходит рихтовка литых заготовок.

Быстросменность формообразующих элементов металлической формы и простота переналадки остальной оснастки позволяют повысить коэффициент загрузки основного технологического оборудования и дополнительно обеспечить рентабельность производства заготовок при малосерийном выпуске.

Практика внедрения процесса на заводах отрасли показывает, что для значительного сокращения сроков запуска литейно-выжимных установок в эксплуатацию их целесообразно уже на заводах-изготовителях укомплектовывать всем комплексом крупногабаритных, универсальных в применении элементов металлической формы (кокиля). Целесообразно в отрасли выделить специальное предприятие для централизованного изготовления по заказам заинтересованных заводов других сборочных единиц комплекса технологической оснастки, в первую очередь, универсального применения.

Результаты проведенной на заводах отрасли работы по организации серийного производства заготовок крупногабаритных тонкостенных деталей ответственного назначения панельного и оболочкового типов литьем выжиманием показывают высокую рентабельность такого технологического процесса, высокое конструктивно-технологическое достоинство отливаемых деталей в изделиях, целесообразность дальнейшего развития процесса в отрасли, в первую очередь, на заводах с развитым литейным производством, имеющих достаточный уровень квалификации технического персонала.

Совершенствование производства ТКМК позволяет значительно повысить технико-экономические показатели изготовления тонкостенных крупногабаритных деталей, повысить КИМ и снизить трудоемкость изготовления изделий в целом по отрасли.

Технико-экономические показатели.

Переход с клепки и сварки на изготовление корпусов методами литья в конструировании тонкостенных крупногабаритных деталей корпусного типа, дал возможность заменить до сотни наименований входящих деталей одной монолитной. Применение литых корпусов позволило:

­      сократить трудоемкость изготовления корпусов в серийном производстве на 60 – 65% по сравнению с изготовлением их из деформированных материалов в виде сборных конструкций;

­      сократить число входящих в агрегат деталей в 10 – 40 раз;

­      улучшить технологичность производства корпусов, что позволило сократить число клепальщиков и станочников;

­      повысить надежность работы изделий;

­      сократить цикл изготовления корпусных деталей;

­      улучшить организацию производства за счет сокращения номенклатуры деталей и высвобождения рабочих смежных профессий;

­      решить важную социальную проблему значительно снизить количество профзаболеваний от виброболезни на предприятии.

Нашим предприятием накоплен положительный опыт применения метода литья выжиманием для серийного производства тонкостенных крупногабаритных монолитных конструкций панельного и корпусного типа из алюминиевых сплавов, номенклатура которых полностью составляют отливки изделия 4К-51.

Успехи предприятия были отмечены постановлением Правительства РФ от 29 февраля 2000 г. N 175 «О присуждении премий Правительства Российской Федерации 1999 г. в области науки и техники» –

Пункт 14 — за разработку высокоэффективных технологических процессов литья и новых алюминиевых сплавов для получения интегральных литых конструкций гарантированного качества.

Список литературы

  1. Ю.А. Степанов, Э.Ч. Гини, Е.А. Соколов, Ю.П. Матвейко.

Литье тонкостенных конструкций. М., «Машиностроение», 1966 г. – 256 с.

  1. Приложение к журналу «Авиационная промышленность», № 5 1984 г.

Сборник статей по способу литья выжиманием ТКМК. – 52 с.

  1. Московский авиационно-технологический институт. Труды института. Сборники статей. №№ 48-1960, 49-1961, 50-1961, 56-1963, 58-1963, 67-1966, 70-169, М., «Оборонгиз», «Машиностроение».

Поделись с друзьями:

Friend me:

Один комментарий на “Производство ТКМК типа панелей и оболочек летательных аппаратов способом литья выжиманием – опыт ААК «Прогресс»”

  • marsowoy:

    Как «всякий слесарь Полесов» — замахиваюсь сразу на многое: а именно — на создание дирижаблей с жёсткими металлическими оболочками из лёгких металлов (дальнейшее — тема отдельного разговора). Исхожу из следующего: всякий двигатель есть «привод движителя» с распределением энергии сгорания энергоносителя «в замкнутом объёме» (цилиндре, например), с выводом полученной механической энергии через систему дополнительных механизмов — ради импульсного перемещения среды (воздух, жидкость). Это создаёт «силу тяги» винта, турбины, — колеса. Так — во всех придуманных человеком — машинах. Однако — существуют Природой созданные «машины» (циклоны, антициклоны), которые также расходуют энергию атмосферных процессов, представляя людям весьма грандиозные явления: торнадо, смерчи и т.п.
    Почему бы не использовать Природой апробированные «механизмы» для создания средств транспорта, так необходимого нашей обширной бездорожной (не обустроенной) стране и НЕ СЪЭКОНОМИТЬ при этом на строительстве дорог — ? Полагаю, — весьма злободневно…

Оставить комментарий

This site is protected by WP-CopyRightPro