RU2148465C1

RU2148465C1 - Method of producing cavityless castings made by consumable patterns formed with help of laser layer synthesis

Info

Publication number: RU2148465C1
Application number: RU98117770A
Authority: RU
Inventors: А.М. Забелин; А.Н. Сафонов; В.А. Васильев
Original assignee: Закрытое акционерное общество "ТехноЛазер"; Научно-исследовательский институт конструкционных материалов и технологических процессов МГТУ им. Баумана
Priority date: 1998-09-28
Filing date: 1998-09-28
Publication date: 2000-05-10

Abstract

FIELD: foundry. SUBSTANCE: method includes preparation of casting pattern with the help of laser synthesis; connection to pattern of gating system whose axis, i.e. steel flask riser, giving direction of flow melt and arranged parallel to pattern layers; formation of shell by application to pattern of heat-resistant material; removal of pattern material in furnace at heating by melting out and subsequent burning out. Removal of material and products of thermal destruction is facilitated due to parallel location of pattern layers to axis of gating system. Melt flowing into shell is also facilitated. After casting solidification, shell is destroyed. EFFECT: higher quality of castings. 3 dwg, 1 tbl, 1 ex

Description

Изобретение относится к области литейного производства, а точнее к способам получения отливок по выжигаемым моделям. The invention relates to the field of foundry, and more specifically to methods for producing castings for burnable models.

Известные способы получения отливок по выжигаемым моделям включают подсоединение к модели литниковой системы, нанесение на поверхность модели оболочки из термостойкого материала, нагрев для удаления находящегося внутри оболочки материала и образования литейной формы, а также заливку расплавленного металла в литейную форму [1]. При этом удаление находящегося внутри термостойкой оболочки материала происходит за счет выгорания, а при использовании моделей из полимеризующихся материалов, кроме того, за счет размягчения материала и его частичного вытекания при нагреве. Known methods for producing castings using burnable models include connecting a gating system to the model, applying a shell of a heat-resistant material to the model surface, heating to remove the material inside the shell and forming a mold, as well as pouring molten metal into a mold [1]. The removal of the material inside the heat-resistant shell occurs due to burnout, and when using models of polymerizable materials, in addition, due to the softening of the material and its partial leakage when heated.

Недостаток известных способов заключается в их большой трудоемкости при получении отливок сложной конфигурации. A disadvantage of the known methods lies in their great complexity in obtaining castings of complex configuration.

Известен также способ получения отливок по выжигаемым моделям, который включает все перечисленные выше операции и в котором используются модели из выжигаемого материала, полученные с помощью лазерного послойного синтеза [2, 3]. There is also a known method of producing castings for burnable models, which includes all of the above operations and in which models from burned material obtained using laser layer synthesis are used [2, 3].

Существуют несколько технологий изготовления моделей сложной формы с использованием лазерного излучения. Одна из них заключается в вырезке из тонких листов полимерного материала или из бумаги сложных фигур и последовательное склеивание этих фигур [2]. Кроме того, возможно получение модели при послойной полимеризации фотополимеризующейся жидкости под воздействием лазерного излучения, сканирующего по сложному контуру [3]. Использование лазерного послойного синтеза позволяет во много раз сократить время изготовления сложных моделей и тем самым снизить трудоемкость процесса получения отливок. There are several technologies for manufacturing complex models using laser radiation. One of them consists in cutting out thin sheets of polymer material or paper from complex shapes and sequential bonding of these shapes [2]. In addition, it is possible to obtain a model by layer-by-layer polymerization of a photopolymerizable liquid under the influence of laser radiation scanning along a complex contour [3]. The use of laser layer-by-layer synthesis allows many times to reduce the time of manufacturing complex models and thereby reduce the complexity of the process of producing castings.

Техническое решение [3] - способ получения отливок по выжигаемым моделям, изготовленным с помощью лазерного послойного синтеза, включающий подсоединение к модели литниковой системы, нанесение на поверхность модели оболочки из термостойкого материала, нагрев для удаления находящегося внутри оболочки материала и образования литейной формы, а также заливку расплавленного металла в литейную форму, является наиболее близким аналогом к заявленному объекту, т. е. является прототипом. Technical solution [3] is a method for producing castings according to burn-out models made using laser layer-by-layer synthesis, including connecting to the model of the gate system, applying a shell of a heat-resistant material to the model surface, heating to remove the material inside the shell and forming a mold, as well pouring molten metal into a mold is the closest analogue to the claimed object, i.e., it is a prototype.

Недостаток прототипа заключается в неудовлетворительном качестве отливок из-за слоистого строения моделей, полученных с помощью лазерного послойного синтеза. Вследствие послойного обхода лазерного луча по контуру при формировании пространственной модели на ее поверхности, а соответственно, и на поверхности литейной формы, существуют неровности ступенчатого типа, что затрудняет заполнение литейной формы металлическим расплавом, особенно в случае изготовления тонкостенных отливок. В результате возможно образование перепадов по толщине стенки отливки, горячих и холодных трещин, появление неметаллических включений вследствие эрозии материала литейной формы. The disadvantage of the prototype is the unsatisfactory quality of castings due to the layered structure of the models obtained using laser layer-by-layer synthesis. Due to the layered bypass of the laser beam along the contour during the formation of the spatial model on its surface, and, accordingly, on the surface of the mold, there are step-like irregularities, which makes it difficult to fill the mold with metal melt, especially in the case of manufacturing thin-walled castings. As a result, differences in the thickness of the casting wall, hot and cold cracks, and non-metallic inclusions due to erosion of the mold material can occur.

Техническая задача предлагаемого технического решения состоит в повышении качества получаемых отливок. The technical task of the proposed technical solution is to improve the quality of the obtained castings.

Указанная техническая задача в предложенном способе получения отливок по выжигаемым моделям реализуется за счет того, что ось литниковой системы и направление заливки располагают параллельно слоям в модели, формируемым при лазерном послойном синтезе. The specified technical problem in the proposed method for producing castings using burned-out models is realized due to the fact that the axis of the sprue system and the pouring direction are parallel to the layers in the model formed by laser layer-by-layer synthesis.

Расположение оси литниковой системы и направления заливки параллельно слоям в модели позволяет более полно провести удаление материала модели из термостойкой оболочки. Обычно при нагреве модель в термостойкой оболочке располагают литниковой чашей вниз и размягченный материал фотополимеризованной модели вытекает параллельно ступеням на поверхности модели и формы. При выжигании удаление модели также происходит более полно, так как продукты термодеструкции в меньшей степени осаждаются на ступеньках формы. В случае выжигания модели из склеенных полимерных, в частном случае бумажных, листов расположение литниковой системы параллельно слоям модели способствует ускорению удаления клея, особенно при продувке в процессе выжигания через литниковую систему окислительной газовой среды. The location of the axis of the gate system and the direction of pouring parallel to the layers in the model allows more complete removal of the model material from the heat-resistant shell. Typically, when heated, the model in a heat-resistant shell is placed with a sprue bowl down and the softened material of the photopolymerized model flows parallel to the steps on the surface of the model and form. When burning, the removal of the model also occurs more fully, since the thermal degradation products are less precipitated on the steps of the mold. In the case of burning a model from glued polymer, in particular paper, sheets, the location of the gating system parallel to the model layers helps to accelerate the removal of glue, especially when the oxidizing gas medium is blown through the gating system.

Кроме того, указанное расположение приводит к ускорению заполнения литейной формы металлическим расплавом, поскольку поток расплава движется вдоль ступенек и вдоль зазоров, оставленных на стенках литейной формы. В результате устраняется опасность возникновения перепадов по толщине стенки отливки, образование горячих и холодных трещин, уменьшается эрозия формы, что приводит к повышению качества отливок. In addition, this arrangement leads to an acceleration of filling the mold with metal melt, since the melt flow moves along the steps and along the gaps left on the walls of the mold. As a result, the risk of differences in the thickness of the casting wall, the formation of hot and cold cracks, and the erosion of the mold are reduced, which leads to an increase in the quality of castings.

Сущность предложенного способа получения отливок по выжигаемым моделям иллюстрируется чертежами. На фиг. 1 показан процесс нанесения термостойкого материала на модель. На фиг. 2 показан процесс выжигания (удаления) материала модели и получение литейной формы, на фиг. 3 - процесс заливки металлического расплава в литейную форму. Здесь 1 - модель, полученная с помощью лазерного послойного синтеза; 2 - литниковая система, присоединенная к модели; 3 - термостойкая оболочка; 4 - металлический расплав. The essence of the proposed method for producing castings for burnable models is illustrated by drawings. In FIG. 1 shows the process of applying heat-resistant material to a model. In FIG. 2 shows the process of burning out (removing) the material of a model and obtaining a mold; FIG. 3 - the process of pouring a metal melt into a mold. Here 1 is a model obtained using laser layer-by-layer synthesis; 2 - gating system attached to the model; 3 - heat-resistant shell; 4 - metal melt.

Способ выполняют так. К модели 1, полученной с помощью лазерного послойного синтеза, подсоединяют литниковую систему 2, представляющую собой стояк с литниками и литниковой чашей. При этом ось литниковой системы 2, задающая в последующем направление течения металлического расплава 4, располагают параллельно слоям в модели 1, формируемым при лазерном послойном синтезе. Закрепление литниковой системы 2 на модели 1 может осуществляться методом припаивания, наклеивания и т.д. Далее на модель 1 наносят слой термостойкого материала для образования термостойкой оболочки 3 (фиг. 1). В качестве такого термостойкого материала может использоваться раствор гидролизованного этилсиликата с молотым кварцем (маршалитом) или гипсодинасовая формовочная смесь. Нанесение термостойкого материала может осуществляться методом окунания, поливом или из краскопульта. При этом модель 1 может располагаться либо литниковой чашей вверх, либо литниковой чашей вниз (фиг. 1). Затем модель 1 вместе с оболочкой нагревают в печи для удаления (выплавления и последующего выжигания) материала модели, при этом чаще всего литейную форму располагают литейной чашей вниз для вытекания размягченного материала модели 1 из оболочки 2 и для выжигания оставшейся в порах термостойкой оболочки части материала модели (фиг. 2). Температура нагрева в печи обычно не превышает 800-950^oC, в противном случае может произойти растрескивание или термодеструкция материала термостойкой оболочки 3. Удаление материала модели 1 и продуктов термодеструкции облегчается из-за параллельного оси литниковой системы расположения слоев модели 1.The method is performed as follows. To the model 1, obtained using laser layer-by-layer synthesis, a sprue system 2 is connected, which is a riser with sprues and a sprue bowl. In this case, the axis of the gate system 2, which subsequently sets the direction of flow of the metal melt 4, is arranged parallel to the layers in model 1 formed by laser layer-by-layer synthesis. The gating system 2 can be fixed on model 1 by soldering, gluing, etc. Next, a layer of heat-resistant material is applied to model 1 to form a heat-resistant shell 3 (Fig. 1). As such a heat-resistant material, a solution of hydrolyzed ethyl silicate with ground quartz (marshalite) or a gypsum-sand molding mixture can be used. Application of heat-resistant material can be carried out by dipping, irrigation or from a spray gun. In this case, model 1 can be located either in the sprue bowl up or in the sprue bowl down (Fig. 1). Then, model 1, together with the shell, is heated in a furnace to remove (smelting and subsequent burning out) the model material, and most often the mold is placed downward to drain the softened material of model 1 from the shell 2 and to burn out part of the model material remaining in the pores of the heat-resistant shell (Fig. 2). The heating temperature in the furnace usually does not exceed 800-950 ^o C, otherwise, cracking or thermal degradation of the material of the heat-resistant shell 3 may occur. Removal of the material of model 1 and thermal degradation products is facilitated due to the parallel axis of the gate system of the layers of model 1.

На заключительном этапе производят заливку металлического расплава 4 внутрь оболочки 3, представляющей собой литейную форму, через литниковую систему 2 (фиг. 3). Направление заливки, задаваемое направлением оси литниковой системы 2, параллельно слоям на стенках оболочки 3, оставшимся от модели 1, что облегчает затекание металлического расплава. При обычной заливке ось литниковой чаши располагают вертикально, а при центробежном литье с вертикальной осью вращения - горизонтально. At the final stage, the metal melt 4 is poured into the shell 3, which is a mold, through the gating system 2 (Fig. 3). The pouring direction, given by the direction of the axis of the gate system 2, is parallel to the layers on the walls of the shell 3 remaining from model 1, which facilitates the flow of the metal melt. In conventional casting, the axis of the sprue bowl is positioned vertically, and in centrifugal casting with a vertical axis of rotation, horizontally.

После заполнения оболочки 4 металлическим расплавом 4 и его охлаждения полученные отливки отделяют от литниковой системы 2, а оболочку 3 разрушают. After filling the shell 4 with the metal melt 4 and cooling it, the obtained castings are separated from the gate system 2, and the shell 3 is destroyed.

Пример выполнения способа. An example of the method.

Методом литья по выжигаемым моделям изготавливали корпус теплообменника в виде втулки диаметром 35, длиной 30 и с толщиной стенки 3 мм. В качестве выжигаемой использовали модель с аналогичными размерами, изготовленную методом лазерного послойного синтеза из склеенных слоев полимерной пленки, расположенных перпендикулярно оси теплообменника. Отливки получали двумя методами:
1. С подсоединением литниковой системы к торцевой части теплообменника. При этом нижняя часть литниковой системы имела форму, совпадающую с формой теплообменника, ее ось расположена перпендикулярно слоям модели (известный способ);
2. С подсоединением литниковой системы к наружной цилиндрической поверхности модели. Литниковая система имела форму трубки с чашей, ее ось расположена параллельно слоям на модели (предлагаемый способ).The burner models were used to cast the heat exchanger body in the form of a sleeve with a diameter of 35, a length of 30, and a wall thickness of 3 mm. A model with similar dimensions manufactured by laser layer-by-layer synthesis from glued layers of a polymer film located perpendicular to the axis of the heat exchanger was used as a burnable one. Castings were obtained in two ways:
1. With connecting the gate system to the end of the heat exchanger. The lower part of the gate system had a shape that coincided with the shape of the heat exchanger, its axis is perpendicular to the layers of the model (known method);
2. With connecting the gate system to the outer cylindrical surface of the model. The sprue system was in the form of a tube with a bowl, its axis is parallel to the layers on the model (the proposed method).

Для получения литейной формы на поверхность модели с литниковой системой наносили слой гипсодинасовой смеси, выжигание модели проводили в электропечи сопротивления с нагревом до температуры 740^oC в течение 8 часов. Отливку изготавливали из бронзы Бр 05Ц5С5. Заливку приводили на литейной центробежной установке с вертикальной осью вращения. При этом подвод металла к отливке производили параллельно слоям (выступам и впадинам) на рабочей поверхности формы. После заливки, охлаждения сплава, выбивки и отделения отливки от литниковой системы, проводили замер геометрических размеров отливки, а также определяли количество пор на поверхности отливки.To obtain a mold, a layer of gypsum mixture was applied to the surface of the model with a gating system, the model was burned in an electric resistance furnace with heating to a temperature of 740 ^o C for 8 hours. The casting was made of Br 05Ts5S5 bronze. Pouring was carried out on a centrifugal foundry with a vertical axis of rotation. In this case, the metal was supplied to the casting parallel to the layers (protrusions and depressions) on the working surface of the mold. After pouring, cooling the alloy, knocking out and separating the casting from the gating system, we measured the geometric dimensions of the casting, and also determined the number of pores on the surface of the casting.

Данные измерений представлены в таблице. The measurement data are presented in the table.

Таким образом, предлагаемый способ позволяет в два раза уменьшить разброс значений толщины стенки ребер отливки, а также существенно уменьшить образование пор на поверхности отливок по сравнению с базовым вариантом (прототипом), т.е. повысить качество получаемых отливок. Thus, the proposed method allows to halve the spread in the wall thickness values of the ribs of the casting, as well as significantly reduce the formation of pores on the surface of the castings in comparison with the basic version (prototype), i.e. to improve the quality of the resulting castings.

Литература
1. Справочник. Ефимов В.А., Анисович Г.А., Бабич В.Н. и др. Специальные способы литья / Под общ. ред. В.А. Ефимова. - М.: Машиностроение, 1991 (с. 209 и далее).Literature
1. Reference. Efimov V.A., Anisovich G.A., Babich V.N. and other Special casting methods / Under the total. ed. V.A. Efimova. - M.: Mechanical Engineering, 1991 (p. 209 onwards).

2. Коваленко В.С. Лазерная технология. - Киев: Высшая школа, 1989, 289 с. 2. Kovalenko V.S. Laser technology. - Kiev: Higher School, 1989, 289 p.

3. ЕР 0649691 А1, кл. В 22 С 7/02, 26.04.1995. 3. EP 0649691 A1, cl. B 22 C 7/02, 04/26/1995.

Claims

A method of producing castings according to burn-out models made using laser layer-by-layer synthesis, including connecting to the model of the gate system, applying a shell of a heat-resistant material to the model surface, heating to remove the material inside the shell and forming a mold, as well as pouring molten metal into the mold characterized in that the axis of the sprue system and the pouring direction are parallel to the layers in the model formed by laser synthesis.