Введение

Известно, что магниевые сплавы – наиболее легкие конструкционные материалы на металлической основе. Поэтому к ним проявляется повышенный интерес как в России, так и в других странах, таких как Германия, Япония, США, Англия, проводится много конференций и существует большое количество патентов. Объясняется это тем, что магний был и остается практически единственным конкурентом конструкционных пластмасс, а также алюминиевых среднепрочных сплавов, обладая перед ними определенными преимуществами (высокие удельные прочность и жесткость, хорошая долговечность, стабильность механических свойств и размеров при длительном хранении вследствие отсутствия склонности к естественному старению) [1–4].

В ВИАМ за последние годы разработаны два литейных магниевых сплава: высокопрочный коррозионностойкий литейный магниевый сплав ВМЛ18 и высокопрочный литейный магниевый сплав ВМЛ20.

Так как прогресс не стоит на месте, вместе с разработкой магниевых сплавов должны развиваться и методы их литья. В данной статье рассмотрены методы литья магниевых сплавов в разовые формы из песчано-глинистых (ПГС), холодно-твердеющих смесей (ХТС) и формы, полученные трехмерной печатью [5–7].

Большинство деталей изготавливают литьем в ПГС, что экономически выгодно с точки зрения литейщиков, но требует практически 100% механической обработки.

Литье в формы из ХТС позволяет повысить чистоту поверхности отливок, увеличить выход годного, сократить продолжительность производства.

Современное развитие науки и техники позволяет получать детали новыми методами с помощью цифровых технологий (3D-печать форм) для изготовления отливок оптимальной конструкции с высокой точностью размеров и минимальными затратами на последующую механическую обработку, а также со значительным сокращением продолжительности их производства.

Цель работы – сравнение методов литья магниевых сплавов в разовые формы из ПГС, ХТС и формы, полученные  трехмерной печатью.

Материалы и методы

Проведены исследования – вычислительный эксперимент, выполненный с использованием математических моделей конструкций, отражающих их физические свойства и построенных на основе конечно-элементных моделей с помощью программных комплексов Catia P3.V5R19 и MSC Patran.

Разработаны 3D-модели деталей системы рулевого управления пассажирского самолета, изготавливаемых литьем в формы из ХТС и в формы, выполненные с помощью цифровых технологий (3D-печать) [8].

Результаты

За годы кризиса авиапрома участки литья из магниевых сплавов на самолетостроительных заводах были закрыты, а детали стали изготавливать либо из сплава АК7п.ч., либо из поковок других алюминиевых сплавов.

При замене магниевых сплавов на алюминиевые масса конструкции увеличилась, что неприемлемо для такого рода техники. На рис. 1 показан пульт управления самолета Ту-204СМ. Желтым цветом выделены детали, которые должны быть изготовлены из магниевых сплавов. Переход на сплав АК7п.ч. привел к увеличению массы конструкции на 11 кг [9, 10].

Рисунок 1. Пульт управления самолета Ту-204СМ

Метод литья магниевых сплавов в ПГС является одним из первых и из вышеперечисленных наиболее распространен. Особенностью данного способа литья является то, что для каждой отливаемой детали готовится форма, которая после заливки и охлаждения металла разбирается. Литье в песчаные формы позволяет получать отливки любой формы, практически неограниченных массы и размеров с наименьшими экономическими и трудовыми затратами. Однако у этого метода есть недостатки: уменьшается точность получаемых размеров, ухудшаются показатели качества отливки и чистота поверхности, что в связи с высокими требованиями к отливкам является недопустимым [11, 12].

Поскольку магний и его сплавы склонны к окислению и возгоранию в форме, то в процессе литья деталей в ПГС добавляют противопригарные присадочные материалы (ППМ). Без них невозможно получать сложные уникальные отливки с высокой чистотой поверхности [13–16].

Сотрудниками ВИАМ разработаны ППМ (ВМ-У, ВМ-У2, ВМ-У3) пониженной гигроскопичности, обеспечивающие:

– предотвращение возгорания отливок;

– повышение чистоты поверхности отливок;

– выход годного до 85% [17–19].

Появление в России новых технологий изготовления оснастки для литья в землю позволяет повысить точность исполнения деталей, улучшить внешний вид, снизить объем механической обработки, уменьшить массу конструкции. На рис. 2 показаны детали, изготовленные по новой и традиционной технологиям.

   Рисунок 2. Детали, изготовленные в песчаных формах по традиционной (а) и новой (б) технологиям

Метод ХТС в последнее время становится более распространенным. Если относительно недавно использование холоднотвердеющих смесей носило ограниченный характер из-за ряда ограничений (это, в первую очередь, было связано с закупкой технологий и оборудования за рубежом), то сейчас этот метод начинает занимать более прочное место в отечественном литейном производстве.

Холоднотвердеющие смеси являются универсальными, так как позволяют изготавливать отливки не только простой, но и сложной формы, которые с помощью ПГС отлить невозможно. Процесс изготовления отливок в формах из ХТС основывается на свойстве смолы (в смеси с песком) отверждаться в присутствии кислого катализатора. Преимущества этого метода:

– повышение качества отливок;

– возможность автоматического приготовления смесей;

– снижение расходов на производство;

– возможность организации единичного производства отливок;

– совместимость смесей для изготовления стержней и форм.

Основным наиболее существенным недостатком этого метода является токсичность используемых связующих.

Холоднотвердеющие смеси возможно получать на основе органических (синтетические смолы) и неорганических материалов (жидкое стекло).

Применение ХТС на основе фенолформальдегидного связующего показало, что высококачественные сложные отливки с высокими требованиями к геометрическим размерам, чистоте поверхности невозможно получить при применении форм из ПГС, так как они не обеспечивают низкой влажности, высокой газопроницаемости, постоянства геометрических размеров.

За рубежом широко применяется метод Cold box amin. Стержни, изготовленные этим методом, обладают достаточно высокой начальной прочностью, высокими технологическими свойствами и точностью геометрических размеров [20].

Метод 3D-печати – самый новый из вышеперечисленных. Оптимизация конструкции деталей из литейных магниевых сплавов включает в себя:

– создание 3D-моделей деталей и сборок;

– анализ прочности существующей конструкции в специализированных прочностных комплексах;

– перепроектирование деталей с учетом новых технологий, позволяющих усложнять конструкцию.

Применение новых магниевых сплавов в сочетании с перечисленным комплексом работ позволяет добиться максимального снижения массы изделий.

В настоящее время ведется разработка 3D-моделей и чертежей деталей системы управления пассажирского самолета, изготавливаемых литьем в формы из холоднотвердеющих смесей и в формы, выполненные с помощью цифровых технологий
(3D-печать). На рис. 3 представлены 3D-модели миништурвала, качалки и кронштейна, по которым будут изготовлены отливки в заводских условиях.

Деталь типа «миништурвал» предназначена для управления рулями самолета в ручном режиме. Конструкция детали полая – для размещения кнопок, переключателя и электрожгута. Деталь будет изготовлена из высокопрочного коррозионностойкого литейного магниевого сплава ВМЛ18 системы Mg–Al–Zn.

Детали типа «качалка» и «кронштейн» предназначены для передачи управляющего сигнала на рулевые агрегаты в механическом контуре управления рулями. Для изготовления этих деталей будет использован высокопрочный литейный магниевый сплав ВМЛ20 системы Mg–Zn–Zr [21, 22].

На рис. 4 представлены новые технологии изготовления песчаных форм.

Рисунок  3. 3D-модели деталей системы управления пассажирского самолета:

а – миништурвал (сплав ВМЛ18); б – качалка и кронштейн (сплав ВМЛ20); в – сборка кронштейна с качалкой для системы управления рулем высоты

Рисунок 4. Новая технология изготовления песчаных форм:

а – установка S15 для изготовления песчаных форм; б – песчаная форма, полученная трехмерной печатью; в – 3D-модели детали и отливки; г – готовая отливка

Обсуждение и заключения

Применение 3D-технологий при проектировании авиационных конструкций и литейной оснастки в сочетании с использованием новых высокопрочных магниевых сплавов ВМЛ18 и ВМЛ20 (взамен применяемых в настоящее время серийных сплавов МЛ5п.ч., АК7п.ч., АК4) позволит:

– сократить сроки подготовки производства с нескольких месяцев до нескольких недель;

– снизить массу отливок более чем в 2 раза благодаря повышению точности литья (снижению шероховатости поверхности, уменьшению толщины стенки отливки вследствие повышения прочности формы);

– сократить объем механической обработки деталей в 1,5–2 раза.

Для отливок деталей системы рулевого управления из сплавов ВМЛ18 и ВМЛ20 более точный сравнительный анализ прочности и технологичности можно будет провести после получения опытных отливок в заводских условиях и проведения прочностных испытаний.

Все три метода, описанные в данной статье, продолжают развиваться. Метод литья в ПГС занимает лидирующие позиции, однако и метод литья в ХТС прочно обосновался на российском рынке. Метод 3D-печати – самый «молодой» и перспективный. Благодаря высокой точности изготовления детали методом трехмерной печати уровень механической обработки снизится до 30% относительно серийной технологии изготовления детали.

Авторы выражают благодарность начальнику бригады УФКБ ОАО «Туполев» И.П. Алябьеву за расчет и проектирование 3D-моделей деталей системы рулевого управления для пассажирского самолета из литейных магниевых сплавов ВМЛ18 и ВМЛ20.