Отливка

Между делом были замоделены (отчикана голова у 3D модели лисы и проверчена дырочка) и отлиты вот такие лисобусины для паракорда. Затем по плану чернение, а пока прикинула на шнур, чтобы проверить попала ли в размер. Это была первая собранная и немного корявая восковая "ёлочка" для отливки, чтобы не чикаться с каждой по отдельности.

Размер 25х20х20мм, максимальный - между кончиками ушей в разлёте.

Литейное производство занимается изготовлением деталей машин, механизмов и приборов из различных сплавов. Качественная отливка не должна отличаться по своим механическим характеристикам от эталонных образцов. Более 30% расхождений возникает по причине попадания в расплав посторонних неметаллических частиц. Исправление таких отливок невозможно, в связи с этим необходимо убирать лишние включения заранее из расплавленного металла. Однако на сегодняшний день многие из существующих фильтров неэффективно очищают расплав – до 70% полученных отливок остаются непригодными. Ученые Пермского Политеха разработали керамические фильтры с уникальной сложной внутренней структурой каналов, которая обеспечивает повышенную и постоянную степень очищения металла.

Статья опубликована в сборнике «Химия. Экология. Урбанистика», 2024 год.

Процесс литья заключается в том, что расплавленный металл заливается в заранее приготовленную форму, полость которой соответствует виду и размерам будущей заготовки. После затвердевания она извлекается и отправляется на дальнейшие этапы обработки. На качество всей детали во многом влияют посторонние частицы, которые имеют различное происхождение и могут попасть в расплав в течение всего процесса плавки и разлива жидкого металла.

Неметаллические частицы вредны тем, что портят внешний вид поверхности отливок и нарушают внутреннюю структуру сплава, приводя к ухудшению его механических свойств. Избавиться от таких дефектов зачастую невозможно. Лучше всего посторонние частицы устраняются с помощью фильтрования. Для этого на пути движения расплава устанавливается соответствующий тип фильтра, который способен удалить из расплава различные включения.

На производстве применяют прессованные, экструдированные, сетчатые и пенокерамические фильтры. Каждый из них обладает своей схемой фильтрации расплава и особым набором свойств (гидромеханических и адсорбционных), которые позволяют задержать лишние частицы внутри фильтра и не дать им попасть в металл. Но большинство из них неэффективны против мелких включений, которые беспрепятственно проходят через простые каналы (поры) фильтра.

При этом пенокерамические фильтры наоборот обладают слишком сложной структурой из набора хаотично расположенных ячеек различных форм и размеров, из-за чего металл проходит по системе неравномерно и тонкие керамические стенки могут ломаться под его тяжестью, что ведет к их попаданию в расплав.

Ученые Пермского Политеха разработали керамические фильтры с регулярной сложной структурой каналов, которая предотвращает внутренние деформации и обеспечивает высокую степень фильтрации металлического расплава.

– Мы предлагаем новую технологию производства керамических фильтров с заданной структурой каналов. Это значит, что их сечение и направление можно менять по спроектированной схеме. Регулярная структура дает возможность прогнозировать степень фильтрации, а также проектировать нужную по величине площадь адсорбционной (поглощающей) поверхности. Такая технология позволяет задавать различные модели строения каналов фильтра, что и отличает ее от пенокерамических, где ячейки расположены хаотично, – объясняет студентка кафедры «Инновационные технологии машиностроения» ПНИПУ Василиса Уфимская.

Разработанный политехниками способ заключается в воплощении заданной структуры фильтра в модельном материале. То есть из этого материала, например, из воска, создается матрица (основа) каналов, которая полностью заливается керамической суспензией. После высыхания под воздействием температуры модельный материал удаляется и остается фильтр из керамики с пустыми каналами сложной формы внутри.

– Получаемые таким образом фильтры обладают повышенными фильтрационными свойствами, а также высокой прочностью. Фильтрация происходит за счет того, что наиболее крупные включения остаются на входе, а прочие улавливаются адсорбционной поверхностью. С использованием нашей технологии качество отливок повысится практически на 30%, – поделился начальник отдела Передовой инженерной школы «Высшая школа авиационного двигателестроения» Дмитрий Пустовалов.

Разработка ученых ПНИПУ обеспечивает изготовление надежных фильтров и высокую степень очищения расплава на литейном производстве. Это значительно повлияет на качество заготовок и деталей в машиностроительной отрасли.

Детали производственных машин отливаются из стали. Их создание требует высокой точности и качества. Один из ключевых этапов изготовления – затвердевание отливки после ее заливки в форму. Его моделирование и анализ с использованием компьютерных систем позволяет улучшить качество и эффективность производства. Это снижает затраты и ускоряет процесс, поскольку отработка конструкции и ее параметров ведется не на реальных дорогостоящих плавках, а в виртуальном пространстве. Ученые Пермского Политеха разработали и проанализировали модели затвердевания отливок деталей «качалка» и «корпус насоса», которые широко применяются в авиации, чтобы определить оптимальные условия их создания.

Исследование опубликовано в материалах I Международной научно-практической конференции молодых ученых, аспирантов и студентов «Передовые инженерные школы: материалы, технологии, конструкции».

Низкая стоимость и быстрота компьютерного эксперимента делают процесс моделирования неотъемлемой частью изготовления литых деталей. Отказ от него на этапе проектирования заготовки может повлечь дополнительные расходы на переоснащение производства. Особенно, если литейная технологическая оснастка была сделана только на основе предварительных аналитических расчетов и графического проектирования. Процесс моделирования позволяет заранее оценить возможные браки и выявить зоны образования дефектов в отливках, когда, например, образуются полости или появляются пузырьки.

В литейном производстве есть два понятия – прибыль и припуск. Прибыль – это часть литой заготовки, габариты которой выступают за пределы требуемых размеров. Она нужна, чтобы подпитывать отливку жидким металлическим расплавом в ходе затвердевания. Припуск – это толщина слоя металла, удаляемая с поверхности отливки при ее обработке, чтобы обеспечить нужный размер, форму и параметры шероховатости на поверхности детали. Эти понятия тесно связаны с качеством работы, поэтому требуют внимания. Вычислить их можно при помощи моделирования.

Для создания моделей политехники применяли систему компьютерного моделирования литейных процессов «СКМ ЛП Полигон», в которой задали основные параметры для деталей – температуру сплава, формы и окружающей среды. Свойства сплава и материала устанавливались из базы данных программы.

Ученые ПНИПУ разработали модели двух деталей и получили результаты с выявленными зонами образования усадочных дефектов в теле отливки. Они провели анализ затвердевания деталей «качалка» и  «корпус насоса». Первая из них представляет собой элемент управления элеронами – частями крыльев самолета, служащими для поворотов. Вторая – деталь насоса перекачки жидкостей (топливо, реагенты, охлаждающие жидкости), которая тоже применяется в авиации. Разработанные политехниками технологические схемы подходят для изготовления деталей с аналогичными свойствами.

– Первичное моделирование показало, что из-за недостаточности объемов прибылей в теле отливки образовались концентрированные усадочные раковины. Это полости, образующиеся в самых массивных частях, окруженных более тонкими элементами, которые неизбежно привели бы к браку отливки. В связи с этим мы приняли решение об увеличении размеров прибылей на 10% для детали «качалка» и 30% для детали «корпус насоса», что в итоге позволило без труда исключить образование дефектов усадочного характера, – объясняет начальник отдела «Учебный офис» Передовой инженерной школы «Высшая школа авиационного двигателестроения» ПНИПУ Дмитрий Пустовалов.

Ученые Пермского Политеха разработали модель процесса затвердевания отливок стальных деталей самолета. Она позволяет улучшить качество и скорость производства, а также сократить расходы на исправление брака.