Точное литьё по гипсовым формам

Если говорить о точном литье по гипсовым формам, многие сразу представляют себе что-то вроде ювелирного дела, миниатюрное и чистое. На самом деле, в промышленных масштабах — это чаще всего грязные руки, постоянная борьба с пористостью и бесконечные эксперименты с составом смеси. Главное заблуждение — считать, что раз форма гипсовая, то и деталь будет ?хрупкой?. Нет, всё упирается в сплав и вакуум.

Суть процесса: не просто залить гипс

Здесь нельзя просто взять строительный гипс. Речь идёт о специальных композициях, часто с добавками, например, кремнезёма, для контроля расширения и повышения жаропрочности. Пропорции воды — отдельная наука. Слишком жидкая — форма не наберёт прочность, слишком густая — не успеешь её залить в опоку до схватывания, появятся внутренние дефекты. Я помню, как на одном из первых заказов мы полгода подбирали соотношение, чтобы стабильно получать тонкие стенки без трещин при прокалке.

Ключевой этап — вакуумирование. Без него о точности и чистоте поверхности можно забыть. Газ в расплаве — главный враг. Мы используем вакуумные печи, где форма и тигель находятся в одной камере. Заливка под вакуумом — это не маркетинг, а необходимость для ответственных тонкостенных деталей, особенно из алюминиевых сплавов типа А356. Без этого в теле отливки гарантированно получишь раковины.

А вот прокалка формы — момент, где многие ошибаются с температурным режимом. Недостаточно прокалил — остаточная влага даст паровые взрывы при заливке. Перекалил — гипсовая форма становится излишне хрупкой и может разрушиться ещё до заливки металла. Нужно чётко выдерживать график, часто по остаточной массе контролировать.

Практические сложности и где кроется брак

Самый частый брак — это, конечно, усадочная пористость. Особенно в тепловых узлах. С гипсовой формой, которая имеет низкую теплопроводность, затвердевание идёт иначе, чем в металлической форме. Нужно правильно рассчитать и расставить питатели и прибыли. Иногда приходится идти на хитрость — использовать локальные охлаждающие вставки из другого материала, чтобы направить затвердевание в нужную сторону.

Ещё одна головная боль — удаление формы после отливки. Гипс не сыпется как песок. Для сложных внутренних полостей иногда требуется гидроабразивная или ультразвуковая очистка. Были случаи, когда из-за сложного рельефа форму выбивали с риском повредить саму деталь. Приходилось пересматривать конструкцию литниковой системы, чтобы оставить технологические окна для последующего удаления керамического стержня или остатков гипса.

Контроль качества — это отдельная история. Рентген, УЗК — обязательно. Но часто дефект виден только после механической обработки. Поэтому мы всегда закладываем припуски и ведём статистику по партиям. Одна нестабильная партия связующего в гипсе может привести к повальному браку.

Кейс: от чертежа до серии

Хороший пример — это работа с корпусами приборов. Заказчик принёс чертёж тонкостенной детали с рёбрами жёсткости и требованиями по герметичности. Толщина стенки — 2.5 мм, материал — AlSi7Mg. Песчаная форма не давала бы такой чёткости геометрии и чистоты поверхности. Решили делать по гипсовым формам.

Сначала сделали мастер-модель на ЧПУ из модельного пластика. Потом — силиконовую оснастку для быстрого получения восковок. С гипсом работали с присадками, снижающими смачиваемость, чтобы минимизировать взаимодействие с расплавом. Вакуумную заливку проводили при остаточном давлении около 3 мбар.

Основная проблема встала на этапе проектирования литниковой системы. Из-за тонких рёбер металл быстро терял текучесть. Пришлось делать рассекающий коллектор и несколько точек впуска, чтобы обеспечить одновременное и быстрое заполнение. После нескольких пробных отливок и корректировок получили стабильный результат. Серийно такие детали теперь делает, например, ООО Чэнду Йехуа наука и техника сантай филиал предприятия, которая как раз специализируется на вакуумном литье алюминиевых сплавов в гипс. На их сайте cdyhkj.ru видно, что это их основной профиль — тонкостенные отливки, где важна точность размеров.

Оборудование и материалы: на чём нельзя экономить

Печь. Если вакуумная система печи не держит стабильное разрежение, весь процесс летит в тартарары. Часто экономят на этом, покупая б/у установки, а потом не могут понять причину пористости. Нам пришлось полностью перебрать вакуумный тракт на одной из первых печей, заменить уплотнения и поставить новые насосы.

Гипсовая смесь. Мы перепробовали несколько брендов, отечественные и импортные. Сейчас работаем на стабильной смеси от одного поставщика. Менять страшно — даже небольшая разница в гранулометрии меняет поведение суспензии. Закупка большой партией — это всегда риск, нужно тестировать каждую партию на пробных отливках.

Модельные материалы. Воск vs. полиуретан. Для сложных деталей с обратными уклонами иногда проще и дешевле делать разъёмные модели из полиуретана на 3D-печатных мастер-моделях. Хотя для серии выгоднее классический воск. Выбор зависит от геометрии и объёма.

Мысли вслух о будущем метода

Метод точного литья по гипсовым формам не стоит на месте. Появляются гипсовые смеси с направленным расширением, которые компенсируют усадку сплава. Активно внедряется 3D-печать самих форм — это прорыв для штучных прототипов, хотя о серии пока речи нет, слишком дорого и медленно.

Основная ниша метода, на мой взгляд, останется за сложными, мало- и среднесерийными деталями из цветных сплавов, где важна точность и качество поверхности. Конкурировать с литьём под давлением по скорости и цене для миллионов штук он не может. Но там, где нужна сложная внутренняя полость, тонкая стенка и материал, не убивающий пресс-форму, — гипс вне конкуренции.

Главное — не воспринимать его как простую или устаревшую технологию. Это высокотехнологичный процесс, где каждый параметр на счету. Как и в случае с ООО Чэнду Йехуа, успех приходит к тем, кто глубоко погружён в детали: от химии гипса до физики затвердевания сплава. Без этого — только брак и разочарование.