Модели в литейном деле: виды, назначение и допуски

Что такое модель и виды моделей

Модель — главное технологическое средство в литейном производстве. Это образец изделия, по которому в формовочной смеси создается формочный контур. После заливки расплава и его кристаллизации получается литье — копия модели. Производство моделей называется моделированием.

Выбор типа модели зависит от: сложности формовки, объема партии (единичного/серийного/массового), метода формовки, конструктивных особенностей литья.

Основные типы моделей

1. Цельная (однокомпонентная) модель — без стыков и подвижных частей. Не крепится на раму/пластину (свободная). Дешевле, но формовичку нужно самому вырезать литейную систему. Для единичного производства крупных простых литьев.
2. Разборная (двухкомпонентная) модель — состоит из двух половин (для копейки и нижней фляги), соединенных шплинтами. Для сложных литьев. Может быть трех- и многоразборной. Требует фляги с большим числом половин.
3. Модель на подкладной пластине (Match Plate) — половинки разборной модели закреплены на одной пластине (деревянной или алюминиевой) по разные стороны. Впуска/перепуска на нижней стороне. Обеспечивает точное совмещение половинок формы. Для массового мелкого литья на формовочных машинах. Дорогая, но окупается при серии.
4. Модель копейка-нижняя фляга (Cope and Drag) — для крупных литьев, где цельная форма слишком тяжела. Половинки модели на отдельных пластинах/рамках. Разделение труда: одна бригада формует копейку, другая — нижнюю флягу.
5. Модель с впусками (Gated Pattern) — к модели прикреплены формовки впусков и перепуск. Исключает ручное вырезание литейной системы. Для массового производства мелких литьев в многогнездовых формах. Из дерева или металла.
6. Модель с подвижными частями (Loose Piece) — когда модель нельзя извлечь целиком даже разборной. Основная часть извлекается первой, затем подвижные элементы поворачивают/сдвигают. Сложнее в обслуживании и формовке.
7. Шабельная модель (Sweep Pattern) — для осесимметричных форм/сердечников крупных размеров. Доска-шабель с профилем литья вращается вокруг оси, нанося форму в песке. Экономит материал модели.
8. Каркасная (скелетная) модель (Skeleton Pattern) — для очень крупных литьев. Ребристая конструкция с проемами, заполняемая песком/лепным песком. Излишки снимаются строгальной доской (stickle). Трубы, колена, корпуса клапанов, ящики.
9. Секторная (частичная) модель (Segmental Pattern) — для кольцевых деталей: ободов, шестерен, фланцев. Сектор модели последовательно формокует весь периметр фляги, вращаясь вокруг центральной шпиндели.
10. Оболочечная модель (Shell Pattern) — для трубопроводных фитингов, коротких колен. Полая металлическая конструкция: наружная форма — модель, внутренняя — сердечник. Часто отливают парно.
11. Ящичная (коробчатая) модель (Boxed-up Pattern) — доски/брусчики скреплены в ящик (клей, гвозди, винты). Экономит древесину, облегчает крупные модели правильной формы.
12. Сборная модель (Built-up Pattern) — из сегментов/слоев, склеенных/сшитых. Шкивы, фланцы. Удобно для сложных форм, трудно сделать из цельного бруска.
13. Лаггерная (бочковая) модель (Lagged-up Pattern) — для цилиндрических деталей (цилиндры, трубы, колонны). Продольные рееки (lags/staves) со скошенными краями, клееные/прибитые к торцевым головам (heads). Высокая прочность, мало оброба.
14. Левая и правая модели (Left- and Right-hand Pattern) — парные модели, не совпадающие при перевороте (разные положения фланцев, баз). Подвески, ножки станков, кронштейны. Требуют внимательного чтения чертежей.

Металлические модели

Для крупносерийного производства. Монтируются на пластины (односторонние или двусторонние). Маленькие модели группируют на одной пластине. Изготовление сложное, требует навыков обработки металлов. Часто отливают из деревянной мастер-модели (тогда учтуют двойной усадку).

• Чугун — прочный, гладкая поверхность формы, износостойкий. Но тяжелый, хрупкий, корродирует (сухое хранение).
• Латунь — для мелких моделей. Не ржавеет, лучше чистота поверхности, износостойкий. Тяжелее чугуна.
• Алюминий — лучший универсальный: низкая тпл. температура, мягкий в обработке, легкий, коррозионно-стойкий. Мягкий — боится грубой эксплуатации.
• Белые металлы (сплавы на основе Sb/Sn/Pb) — для тончайших и сложных моделей (прессовка под давлением). Низкая тпл. температура (~200 °C), малая усадка. Часто называют литейными сплавами для прессовки.

Допуски на модели

Модели делают не в точном размере литья — иначе литье получится недоразмерным. Вносят допуски:

1. Усадка (Shrinkage) — металл усаживается при остывании. Модель делают больше на величину усадки (мм/м). Используют усадочную линейку, длиннее обычной. Усадка чугуна ~10 мм/м, стали ~20 мм/м, латуни ~14 мм/м, алюминия ~13 мм/м. Мастер-модель для металлической модели получает двойную усадку.
2. Уклон на извлечение (Draft) — конусность вертикальных стенок (10–20 мм/м наружно, 40–60 мм/м внутрь) для свободного извлечения модели без повреждения формы. Зависит от высоты, сложности, метода формовки.
3. Механическая обработка (Machining Allowance) — запас металла на точильные/фрезерные поверхности. Зависит от металла, размера литья, метода формовки. Обозначается знаками ⌣ или F.
4. Искажение/кривизна (Distortion/Camber) — неравномерное остывание (разная толщина стенок, разная экспозиция) вызывает упругую деформацию. Модель делают предварительно искривленной в противоположную сторону. Для больших литьев до 20 мм.
5. Уклон на встряхивание (Rapping/Shake Allowance) — при встряхивании модели перед извлечением форма немного расширяется. Модель делают чуть меньше номинала.

Материалы моделей

Выбор зависит от: требований к партии/качеству/точности, типа производства/формовки, вероятности изменений конструкции, повторяемости заказов.

Хороший модельный материал: легко обрабатываем и склеиваем; легкий; прочный, твердый, износостойкий, стойкий к коррозии/химии; размерностабильный; доступный и дешевый; ремонтопригодный и многократного использования; дает хорошую чистоту поверхности.

Основные группы: древесина и ДСП/фанера; металлы и сплавы; гипсовые материалы; полимеры (пластики, резины); воска.

Древесина

Наиболее распространенная. Легко обрабатывается, доступна. Пиление, склеивание, гнетание, шлифовка. Консервируется шеллаком.

Пластики

Современный материал: не гигроскопичны, размерностабильны, износостойки, гладкие/глянцевые (легкое извлечение, не нужен разделочный порошок), низкая твердая усадка. Мастер-модель из дерева → форма (гипс, металл, резина) → литье полимера. Термореактивные (эпоксидные смолы — популярны) и термопластичные (полистироловый пено-пласт — легко режется/клеится).

Резины (силиконовые каучуки)

Для сложных форм прецизионной литья (инвестиционное литье). Двухкомпонентные (связующее + отвердитель), литые на мастер-модель.

Гипс (гипсовый цемент, пластик-парיס)

Высокая сдавливающая прочность (до 300 кгс/см²), обрабатывается деревянными инструментами. Следующие сорта: Ultracal, Hydrocal, Hydrostone. Литье раствором в форму от мастер-модели или шабельный метод.

Воск

Для инвестиционного литья. Смеси парафина, шеллака, пчелиного воска, церина, микрокристаллического воска с полимеризаторами/стабилизаторами. Требования: низкая зольность (≤0,05%), стойкость к первичному слою, высокая прочность на разрыв/твердость, сварочная прочность. Формовка впрыском жидкого воска в разборную матрицу (или прессовка твердого воска).