Среди актуальных задач при создании новых материалов и технологий для машиностроения и транспорта снижение материалоемкости литых металлоконструкций, которые по массе и количеству часто занимают до 50% от общей потребности в металлопродукции этих отраслей, где такие детали нередко отвечают за конкурентоспособность новой техники.
При разработке в ФТИМС НАН Украины новых высокоэффективных литых материалов их преимущества следует реализовать в металлоконструкциях, что выливается в таких песчаных формах, которые позволят существенно повысить их размерную точность, создать заданные условия для твердения и структурообразования металла при сокращении материало-, энергозатрат и вреда. К таким методам относятся разновидности литья по газифицируемым моделям (ЛГМ), а также новые перспективные процессы литья в замороженные формы и по ледяным моделям, научные и технологические основы которых длительно совершенствуются в отделе физико-химии литейных процессов [1, 2]. информации. Компьютерные программы, используемые отечественными литейщиками для моделирования процессов, разработаны на основе эмпирических уравнений, описывающих процессы формообразования, созданные еще в прошлом веке и часто не позволяют реализовать сложные литые конструкции с высокой размерной точностью для таких новых технологий.
В этой статье рассмотрен метод физического моделирования отливок оболочечных конструкций корпусных деталей трубопроводной арматуры для жидкостных и газовых сред среднего и высокого давления, получаемых по ЛГМ-процессу. Актуальность таких исследований основывается на необходимости восстановления транспортной логистики Украины, в том числе для успешной интеграции в европейскую транспортную систему, где трубопроводный транспорт играет существенную роль [3]. В общей сложности литые конструкции в Украине нередко превышают расчетные по металлоемкости в 1,5–2 раза, а в Западной Европе — в 1,3–1,5 раза, что приводит к перерасходу энергоносителей, шихтовых материалов и трудоемкости их производства в 1,5–2,0 раза [1, 2].
Совместная оптимизация металлоконструкций и технологии их литья для повышения степени использования металла предложена на примере оболочечных конструкций трубопроводной арматуры, типовые образцы и пенополистироловые модели которых (из опыта их литья в цехе ФТИМС НАНУ) показаны на рис. 1. В частности, для оптимизации таких оболочечных конструкций предложено применять моделирование методом переворачивания цепной линии для поиска идеальной конфигурации для арок и куполов по аналогии, известной в строительстве. Однородная арка в форме перевернутой цепной линии подвергается только деформациям сжатия, но не изгибу. Метод физического моделирования опорной поверхности безмоментной сводчатой оболочки сложной криволинейной поверхности можно реализовать путем переворачивания висячих сетей (сеток) [2]. Такую свисавшую с потолка паутину часто использовал архитектор А. Гауди (1852–1926). Суть его моделирования – в уравнивании сил сжатия силам растяжения; купол имитируют в перевернутом виде. Веревки с грузами заменяют представление части купола, колонны, стены. Если стена была толщиной в полкирпича, то на веревке через каждые 5 см крепили свинцовые тяжелые по 10 г, если в целый кирпич — по 20 г. Выходила цепь из грузов. Если купол должен быть установлен на 6 разветвленных колонн, то к потолку подвешивали 6 таких масштабированных цепей и к их концам крепили веревки с грузами, пропорционально весу купола. В итоге получали "цепной" прогиб. Оставалось очертить форму, зафиксировать пропорции линейкой и перевернуть картинку.
Однако с помощью висячих сеток из их плоского положения часто сложно сформировать действием силы тяжести оболочку необходимой выпуклости при закреплении ее над отверстием произвольной формы. Поэтому для оболочечных конструкций по аналогии с моделированием методом переворачивания висячих сеток предложено моделирование методом переворачивания нагретой провисающей термопластической синтетической пленки [2]. Для испытаний использовали полиэтиленовую пленку или севилен марки 11304-075, которая часто применяется при вакуумно-пленочной формовке для облицовки модельных комплектов при ее удлинении до 6 раз. Толщина пленки - в пределах 75-100 микрон. Пленка при нагревании до пластического состояния в литейном цехе провисала под собственным весом. Испытали моделирование формы отливки крышки люка полиэтиленовой пленкой, закрепив ее в проеме и нагревая ее решеткой из трубчатых электронагревателей (ТЭН). Когда пленка провисла на требуемое расстояние, ее фотографировали сбоку для обработки изображения на компьютере. Величину провисания регулировали изменением температуры ТЭНов или степени их приближения к пленке. Пленка легко закрепляется по краю проема любой конфигурации, а подобная технология нагревания хорошо отработана для процесса вакуумного песчаного формования. Это упрощало моделирование без применения сеток особой конструкции.
Предложено физическое моделирование таким же методом деталей литого контейнера для захоронения радиоактивных отходов, описанное в работах [2, 4]. Кроме того, болонковый корпус контейнера предложено армировать вставками из каменного материала при сохранении служебных свойств такого корпуса [2].
Интеграция усовершенствования оболочковых металлоконструкций и технологии их литья является важным условием конструирования конкурентоспособных литых деталей. Применение вакуумированной песчаной формы, типичной для ЛГМ-процесса (особенно с применением направленного вывода газов в процессе заливки металла), способствует повышению жидкотекучести металла почти на 20% по сравнению с формами из смесей со связующими компонентами, и позволяет лить тонкостенные оболочковые металлоконструкции. Использование разовых моделей (без характерных уклонов и припусков) также повышает точность отливок. Оба таких фактора способствуют сохранению металла, как и описанный метод проектирования оболочечных конструкций с возможностью снижения веса отливок при сохранении их необходимой прочности. Снижение материалоемкости продукции и связанное с ним энергосбережение, а также перспективы применения льда для модельной оснастки и как связующего компонента замороженных форм в потенциально экологически опасном литейно-металлургическом комплексе закономерно ведет к сокращению загрязнения окружающей среды.
Литература:
1. Шинський О. І. Зниження металоємності ливарної продукції – основа розвитку галузі // Обладнання та інструмент для професіоналів. – 2011. – № 1. – С. 78 – 79.
2. Дорошенко В. С. Моделирование отливок как оболочковых конструкций с целью металлосбережения // Металл и литье Украины. – 2015. – № 6. – С. 30–34.
3. Дорошенко В. С., Шалевська І. А., Янченко О. Б. Відновлення та модернізація транспортної інфраструктури України: роль інноваційних ливарних технологій // Вісник машинобудування та транспорту. – 2025. – Том. 21, № 1. – С. 50–60.
4. Дорошенко В. С. Армированные конструкции для защиты от радиации, перевозки и захоронения радиоактивных отходов // Співробітництво для вирішення проблеми відходів: Матер. VI Міжнар. конф. (8–9.04.2009, Харків). Х.: ЕкоІнформ. – 2009. – С. 51 – 52.