Проектирование литейных форм

Когда слышишь 'проектирование литейных форм', многие представляют аккуратные 3D-модели в софте. На деле же — это вечная борьба с усадкой чугуна и газовыми раковинами. Помню, как на одном из первых проектов для ООО Шэньян Я ТЭ Производство Тяжелого Оборудования мы трижды переделывали систему питания для отливки ротора турбины. Казалось, всё просчитано по ГОСТам, а металл всё равно шёл 'вихрем' и давал пустоты у нижнего опорного кольца.

Где кроются главные ошибки в проектировании

Самый частый промах — копирование старых моделей без адаптации к современным сплавам. В 2018-м мы для syytsb.ru делали форму для станины прокатного стана. Взяли за основу советские наработки, но применили модифицированный чугун ЧХ32. В итоге — трещины в рёбрах жёсткости. Пришлось вносить коррективы в радиусы сопряжений, уменьшать перепад сечений.

Ещё одна проблема — игнорирование поведения стержневых смесей. Как-то раз при проектировании литейных форм для крыльчатки насоса мы не учли гигроскопичность новых смол. Стержни после сушки 'вели' на 0,3 мм, что привело к смещению полостей. Брак составил 22% от партии.

Сейчас мы всегда закладываем тестовые отливки для проверки усадки. Особенно для ответственных узлов типа штампов для горячей объёмной штамповки. Технологи Шэньян Я ТЭ даже разработали внутренний стандарт по припускам для высокохромистых сталей — с ним количество доводок сократилось вдвое.

Практические тонкости работы с крупногабаритными формами

При проектировании литейных форм весом под 10 тонн главное — не допустить 'завала' знаков. Для корпусов мельниц мы всегда делаем усиленные направляющие со скошенными фасками. Но тут есть нюанс: слишком жёсткая фиксация мешает компенсировать температурное расширение.

Охлаждение массивных частей — отдельная головная боль. В прошлом году для отливки опорного диска экскаватора пришлось проектировать трёхуровневую систему холодильников. Первый вариант с прямыми каналами дал локальный пережог в зоне рёбер. Добавили зигзагообразные вставки из жаропрочной стали — ушли от проблемы.

Материал оснастки — тема для споров. Для серийного производства коленвалов мы в ООО Шэньян Я ТЭ Производство Тяжелого Оборудования перешли на чугун СЧ35 с поверхностной азотацией. Срок службы вырос до 15 000 циклов, но первоначальные затраты выше на 40%. Для мелких серий всё ещё используем СЧ20 — экономичнее.

Как цифровизация меняет подход к проектированию

Внедрение Siemens NX для проектирования литейных форм сначала казалось избыточным. Мол, старые карандашные эскизы и так работают. Но когда начали моделировать тепловые поля в отливке станины пресса — увидели зоны перегрева, которые раньше упускали.

Симуляция процесса заливки — палка о двух концах. Программы хорошо показывают макропроцессы, но мелкие дефекты вроде шлаковых включений часто пропускают. Мы комбинируем софт с практическими тестами: делаем уменьшенные модели из легкоплавких сплавов.

База данных патентов Шэньян Я ТЭ (а их более 30) сильно помогает в работе. Например, при разработке формы для корпуса редуктора использовали запатентованную схему вентиляции с лабиринтными каналами. Это позволило отказаться от дополнительных выпоров.

Специфика работы с центробежным литьём

Здесь проектирование литейных форм требует учёта центробежных сил. Для барабанов сушильных установок мы рассчитываем толщину стенок с запасом на 15% — иначе при оборотах 300 об/мин возможна деформация.

Крепление формы в машине — часто недооцениваемый момент. Как-то при запуске новой линии для колец подшипников использовали стандартные зажимы. В процессе работы возникла вибрация, которая привела к разнотолщинности отливки. Пришлось проектировать индивидуальные захваты с демпфирующими прокладками.

Термообработка оснастки для центробежного литья — особая история. Для валков прокатных станов мы применяем ступенчатый отжиг с выдержкой при 550°C. Если спешить — появляются остаточные напряжения, которые сокращают ресурс в 2-3 раза.

Экономика проектных решений

Стоимость проектирования литейных форм часто пытаются сократить за счёт упрощения конструкции. Но потом переделки обходятся дороже. В 2022-м для матрицы пресса-автомата мы предложили фрезеровать карманы под нагреватели вместо сверления каналов. Затраты на изготовление выросли на 12%, но обслуживание упростилось — замена ТЭНов теперь занимает 15 минут вместо 2 часов.

Расчёт срока окупаемости — обязательный этап. Для производителя тяжелого оборудования важно, чтобы оснастка отрабатывала не менее 5 лет. Поэтому для серий свыше 10 000 штук мы всегда рекомендуем сталь 40ХНМ вместо чугуна, хоть это и увеличивает первоначальные вложения на 60%.

Локализация производства — наш принцип. Благодаря собственному цеху в Шэньяне площадью 33 500 м2 мы можем оперативно вносить изменения в проект. Как было с конусной дробилкой: заказчик попросил изменить угол захвата — сделали новые чертежи за 3 дня вместо двух недель ожидания от европейских подрядчиков.

Перспективы и тупиковые направления

Сейчас много говорят про 3D-печать песчаных форм. Мы в ООО Шэньян Я ТЭ Производство Тяжелого Оборудования пробовали для мелких деталей весом до 50 кг. Технология перспективна для прототипирования, но для серии — дороговата. Плюс прочность форм всё ещё уступает традиционным.

Автоматизация проектирования — другое дело. Наработки наших инженеров (те самые 30+ патентов) позволяют генерировать до 70% элементов формы полуавтоматически. Но финальные решения всегда принимает человек — слишком много нюансов, которые не заложишь в алгоритм.

Будущее вижу в гибридных подходах. Где стандартные узлы проектируются программой, а сложные элементы — опытным технологом. Как с той самой станиной для прокатного стана: систему питания рассчитал софт, а вот расположение холодильников пришлось подбирать экспериментально — три итерации потребовалось.