KOMPUTEROWE PROJEKTOWANIE PROCESU WYKONANIA ODLEWÓW DLA MOTORYZACJI PRZY ZASTOSOWANIU NOWEJ GENERACJI CIEKŁYCH MAS CERAMICZNYCH

Transkrypt

1 MOTROL, 2006, 8, KOMPUTEROWE PROJEKTOWANIE PROCESU WYKONANIA ODLEWÓW DLA MOTORYZACJI PRZY ZASTOSOWANIU NOWEJ GENERACJI CIEKŁYCH MAS CERAMICZNYCH Zakład Technologii Instytutu Odlewnictwa w Krakowie Streszczenie. W artykule zaprezentowano proces wykonania aluminiowych odlewów szczęki hamulcowej oraz elementu chłodnicy. Do zaprojektowania i wykonania zestawów modelowych zastosowano wspomaganie komputerowe. Ceramiczne formy odlewnicze sporządzono zgodnie z technologią wytapianych modeli. Do ich wykonania zastosowano ciekłą masę ceramiczną o składzie zapewniającym odpowiednią wytrzymałość mechaniczną oraz przepuszczalność formy odlewniczej. Słowa kluczowe: szybkie prototypowanie, symulacje komputerowe, metoda wytapianych modeli, ciekła masa ceramiczna, forma ceramiczna WSTĘP Testowanie nowego rozwiązania konstrukcyjnego, w skład którego wchodzi odlew wymaga szybkiego wykonania prototypowych elementów. Odlewy muszą spełniać wymagania projektantów. Czas realizacji zamówienia jest liczony w dniach, natomiast liczba zamawianych odlewów jest niewielka, od kilku do kilkunastu sztuk. Konieczny jest natychmiastowy wybór rozwiązania technologicznego. Wykorzystanie nowych osiągnięć i rozwiązań jest niezbędnym warunkiem osiągnięcia sukcesu przedsięwzięcia. W przestawionym artykule opisano wariant technologii odlewania precyzyjnego przy zastosowaniu nowej generacji mas ceramicznych, modelu wykonanego technologią LOM. Przy opracowaniu i wykonaniu odlewów ze stopu aluminium dla przemysłu motoryzacyjnego wykorzystano wspomaganie komputerowe. WYKONANIE MODELI Instytut Odlewnictwa w Krakowie posiada stanowisko szybkiego prototypowania wyposaŝone w urządzenie LOM-2030E firmy HELISYS, USA, które zostało zaprojektowane do wykonywania bryłowych (w układzie 3D) modeli i form z materiału drewnopodobnego, wykorzystujące technikę komputerową i pliki CAD. Do budowy modelu

2 102 uŝywa się papieru laminowanego specjalnym klejem utwardzanym termicznie. Obiekty wykonane w technice LOM są łatwo obrabialne, moŝna je piaskować, wiercić, malować itp. jak z drewna. Narysowany model w systemie CAD jest przekazywany do urządzenia i w technice kolejnych warstw (rys. 1) wycinane są laserem kontury w papierze, które klejone jedna na drugą tworzą pakiet. Po skończeniu pracy pakiet jest rozbierany i czyszczony w celu uzyskania dobrej powierzchni odlewu. Dodatkowo jest on impregnowany Ŝywicą, aby uniknąć jego rozwarstwiania pod wpływem wilgoci. Tak przygotowany model słuŝy do wykonania ceramicznej formy odlewniczej zgodnie z metodą wytapianych modeli. Rys. 1. Schemat działania urządzenia LOM-2030E Fig. 1. Schematic representation of operation of a LOM-2030E system Wykorzystując tę technikę, wykonano modele odlewów szczęki hamulcowej (rys. 2) oraz model elementu chłodnicy (rys. 3). Rys. 2. Rysunek i model wykonany techniką LOM odlewu szczęk hamulcowych Fig. 2. Drawing and pattern of brake jaws made by LOM technique

3 KOMPUTEROWE PROJEKTOWANIE PROCESU WYKONANIA ODLEWÓW Rys. 3. Rysunek CAD oraz model papierowy wykonany techniką LOM Fig. 3. CAD drawing and paper pattern made by LOM technique Istota zastosowania tej techniki polega na bezpośrednim wykorzystaniu modelu do wykonania warstwowej formy ceramicznej, następnie wypaleniu jej i zalaniu wnęki metalem. Unika się czasochłonnego, tradycyjnego oprzyrządowania modelowego matrycy do modelu woskowego. WaŜne jest, aby ciekła masa ceramiczna dobrze pokrywała powierzchnię modelu w celu dokładnego odwzorowania kształtu. Ponadto podczas wypalania modelu papierowego forma ceramiczna musi wytrzymać napręŝenia cieplne i nie ulec uszkodzeniu. OPRACOWANIE TECHNOLOGII I WYKONANIE OPRZYRZĄDOWANIA Opracowanie technologii poprzedziła analiza numeryczna, która miała na celu wyznaczenie odpowiedniego układu wlewowo zasilającego. Głównym problemem w przypadku odlewu chłodnicy, który jest elementem cienkościennym było wypełnienie wnęki formy. Dlatego w symulacji skupiono się na opracowaniu prawidłowego systemu wlewowego oraz rozmieszczeniu odpowietrzeń. A B Rys. 4. Technologia odlewania: A w układzie pionowym, B w układzie poziomym Fig. 4. Casting technology: A in vertical system, B in horizontal system

4 104 Analizowano technologię odlewania odlewu w pozycji pionowej (rys. 4A) oraz w pozycji poziomej (rys. 4B). Technologia odlewania w pozycji pionowej z wprowadzanymi kaskadowo wlewami pozwala na wypełnienie wnęki formy spokojnie w kolejnych etapach. Jednak wynik symulacji pokazuje, iŝ w cienkich ściankach, pomimo stosowania przelewów, następuje spręŝanie powietrza, które nie zostało w porę usunięte z formy (rys. 4A, miejsca zaznaczone strzałkami). Stawarza to niebezpieczeństwo powstawania niedolewów. Technologia odlewania poziomo wydaje się korzystniejsza. Jak pokazano to na rys. 4B. Metal przepływa spokojniej przez wnękę, a powietrze jest ewakuowane przez liczne przelewy, które są rozmieszczone na odlewie. Dlatego do realizacji wytypowano to rozwiązanie. W przypadku odlewu szczęki hamulcowej rozpatrywano dwa warianty układów wlewowych: z boku i z dołu. Wyniki symulacji wykazały, Ŝe korzystniej jest doprowadzać metal od dołu. W przypadku wprowadzania metalu z boku uderza on o środkowy rdzeń, co powoduje, Ŝe struga metalu jest rozbijana i następuje gwałtowne jej wyhamowanie (rys. 5). Do wykonania odlewów wytypowano konstrukcję z układem wlewowym od dołu. Przygotowano rysunki technologii oraz model bryłowy płyty modelarskiej, którą wykonano metodami szybkiego prototypowania (rys. 6). Rys. 5. Przepływający metal we wnęce formy wraz z rozkładem prędkości z układem wlewowym z boku odlewu Fig. 5. Metal flowing in mould cavity with distribution of flowing rates and gating system on the casting side

5 KOMPUTEROWE PROJEKTOWANIE PROCESU WYKONANIA ODLEWÓW B A C Rys. 6. Kolejne etapy powstawania oprzyrządowania Fig. 6. The successive stages of the pattern tooling making process Model papierowy całego zestawu odlewniczego (rys. 6A) posłuŝył do wykonania ceramicznej formy warstwowej. Model papierowy wypalono i powstała ceramiczna forma odlewnicza, gotowa do zalania ciekłym metalem. Drugim sposobem wykorzystania metody szybkiego prototypowania do wykonania odlewu szczęk hamulcowych było wykonanie na bazie modelu matki (rys. 6B) Ŝywicznej płyty modelowej (rys. 6C). Płyta jako oprzyrządowanie słuŝyła do wykonywania form piaskowych zgodnie z klasyczną technologią. WYKONANIE WARSTWOWYCH FORM CERAMICZNYCH Metoda usuwania modelu wykonanego techniką RP LOM powoduje konieczność uzyskania formy ceramicznej odpornej na szoki termiczne. Przygotowanie formy do zalewania ciekłym metalem wymaga przynajmniej dwukrotnego wygrzewania w temperaturze 800 do 900 o C. Taki zabieg powoduje, Ŝe zbędne jest stosowanie kwarcu krystalicznego. W prezentowanych pracach naleŝało dodatkowo uwzględnić to, Ŝe odlewy wykonywane były ze stopu aluminium tworzywa o stosunkowo małej masie właściwej. Wymagane właściwości technologiczne spowodowały to, Ŝe dobór składu ciekłej masy ceramicznej prowadzono w ten sposób, aby otrzymać formę ceramiczną o wysokiej wytrzymałości mechanicznej na surowo i po wypaleniu, a jednocześnie posiadającą stosunkowo duŝą przepuszczalność. Podstawowe materiały stosowane do wykonania form ceramicznych w wariancie technologicznym, w którym model jest wykonany techniką LOM stanowiło wodne spoiwo nieorganiczne krzemianowe Ekosil o zawartości 24% SiO 2 oraz jako materiał

6 106 ceramiczny glinokrzemianowy molochit o trzech róŝnych składach granulometrycznych, a mianowicie: poniŝej 120 mesh jako składnik ciekłej masy ceramicznej, od 30 do 80 mesh jako materiał do obsypywania na pierwszą warstwę, od 16 do 30 mesh jako materiał do obsypywania na dalsze warstwy formy. Przeprowadzono próby poprawienia właściwości technologicznych formy poprzez dodatek ceramicznych włókien glinokrzemianowych (rysunek 7) do ciekłej masy ceramicznej. Rys. 7. Włókna glinokrzemianowe (powiększenie 100x) Fig. 7. Aluminiosilicate fibres (enlargement 100x) Ceramiczne glinokrzemianowe włókna ogniotrwałe produkowane są głównie z czystego Al 2 O 3, piasku kwarcowego, kaolinu,oraz dodatków stabilizujących np. Cr 2 O 3 czy ZrO 2 (średnica włókien 3 4 µm). Ciekłe masy ceramiczne przygotowano do badań w ten sposób, Ŝe mieszano molochite z róŝną ilością włókien ceramicznych, a następnie z mieszaniny materiałów ceramicznych i wodnego spoiwa EKOSIL sporządzano ciekłą masę ceramiczną o lepkości pozornej około 500 cp (pomiar kubkiem Forda). Przygotowano ciekłe masy ceramiczne zawierające 0, 3 i 6% wag. włókien ceramicznych w materiale ceramicznym. Dla wszystkich próbek ustalono początkową lepkość pozorną na poziomie 500 cp (pomiar przy pomocy kubka Forda φ = 4 mm). Dla tak przygotowanych próbek przeprowadzono pomiary: zwilŝalności powierzchni modelu przez ciekłą masę ceramiczną, wytrzymałości na rozrywanie cienkiej warstwy ceramicznej. Pomiary kąta zwilŝania w czasie rozpływu kropli ciekłej masy ceramicznej na niemodyfikowanej środkami powierzchniowo czynnymi powierzchni modelu przedstawia rysunek 8. Wzrost zawartości włókiem w ciekłej masie ceramicznej powoduje zmniejszenie kąta zwilŝania, czyli poprawia zwilŝalność powierzchni modelu woskowego.

7 KOMPUTEROWE PROJEKTOWANIE PROCESU WYKONANIA ODLEWÓW _24 3_24 6_24 0_48 3_48 6_48 50,0 45,0 47,5 42,5 kąt zwilŝania 45,0 42,5 40,0 kąt zwilŝania 40,0 37,5 37, czas rozpływu kropli, min 35, czas rozpływu kropli, min Rys. 8. Zmiany wielkości kąta zwilŝania powierzchni modelu woskowego: A po 24 godzinach, B po 48 godzinach Fig. 8. Changes in the size of wetting angle on the surface of wax pattern A after 24 hours, B after 48 hours Do pomiarów wytrzymałości na rozrywanie cienkich warstw ceramicznych przygotowano dwie serie próbek. Wyniki pomiarów przedstawiono w tabeli 1. Tabela 1. Zmiany wytrzymałości na rozrywanie w zaleŝności od zmian zawartości włókien w warstwie ceramicznej I Table 1. Changes in resistance to tearing depending on changes in fiber content in the ceramic layer Numer serii seria pomiarów II seria pomiarów Zawartość włókien ceramicznych w % wag. Wytrzymałość na rozrywanie próbki surowe w MPa próbki wypalone w temp C 2,5 2,43 3,46 5,0 2,97 3,76 7,5 3,56 3,28 0 2,84 2,33 3 3,45 2,70 6 3,53 2,45 W obydwu seriach pomiarów zaobserwowano wzrost wytrzymałości mechanicznej warstwy ceramicznej wraz ze wzrostem zawartości włókien ceramicznych w ciekłej masie ceramicznej. ZaleŜność taka występuje w przypadku surowych próbek, to znaczy utwardzonych, ale nie wypalonych. Zastosowanie dodatku włókien ceramicznych związane jest ze wzrostem wytrzymałości mechanicznej surowej warstwy ceramicznej. W przypadku wypalanych próbek zmiany wytrzymałości są niejednoznaczne, natomiast zauwaŝalna jest zmniejszona skłonność do mikropęknięć warstwy ceramicznej zanotowano zdecydowanie mniejszą liczbę próbek pękniętych w czasie wypalania.

8 108 Mniejszą skłonność do pękania a takŝe poprawę zwilŝalności moŝna tłumaczyć lepszą homogenizacją suspensji ceramicznej, co pozwala na usunięcie napręŝeń występujących w ciekłej masie ceramicznej. WYKONANIE ODLEWÓW Na podstawie przeprowadzonych badań określono przebieg procesu wykonania ceramicznych form warstwowych. Poszczególne warstwy (nakładane na model wykonany techniką RP-LOM) stanowiły ciekłą masę ceramiczną składającą się ze spoiwa Ekosil oraz mączki molochitowej z dodatkiem 5% wag. włókien glinokrzemianowych, którą osypywano molochitem o wymaganym uziarnieniu. Warstwy nakładano co 6 godzin. NałoŜono 6 warstw. Po 48 godzinach od nałoŝenia 6. warstwy formę załadowano do komory pieca do temperatury 300 o C i następnie grzano do temperatury 850 o C. Po ostudzeniu formy usunięto (poprzez otwory technologiczne) z niej przy pomocy spręŝonego powietrza resztki po spaleniu modelu. Następną operacją było zamknięcie otworów słuŝących do usunięcia resztek modeli masą ceramiczną i ponowne wypalenie formy w temperaturze 850 o C. Wypalaną formę, po ostudzeniu do wymaganej temperatury, zalano ciekłym metalem. Rysunki 9 i 10 przedstawiają wykonane formy ceramiczne oraz odlewy ze stopu Al. Rys. 9. Forma ceramiczna i odlew szczęki hamulcowej Fig. 9. Ceramic mould and casting of brake jaw Rys. 10. Forma ceramiczna i odlew elementu chłodnicy Fig. 10. Ceramic mould and casting of a cooler element

9 KOMPUTEROWE PROJEKTOWANIE PROCESU WYKONANIA ODLEWÓW UWAGI KOŃCOWE Zastosowanie dodatku włókien ceramicznych zapewnia wzrost wytrzymałości mechanicznej surowej formy ceramicznej. W przypadku form wypalanych mniejsza jest skłonność do mikropęknięć warstwy ceramicznej zanotowano zdecydowanie mniejszą liczbę próbek pękniętych w czasie wypalania. Prace prezentowane w referacie wykonano w ramach projektu badawczego nr 4 T08B LITERATURA Adamczyk Z., Karwiński A., Para G. 1999: Charakterystyka fizykochemiczna spoiw i ciekłych mas ceramicznych stosowanych w odlewnictwie precyzyjnym. Monografia, Instytut Odlewnictwa, Kraków. Karwiński A., Przybylski J., Tybulczuk J. 2001: Investigations of dimensional relations in casting manufactured directly from RPS LOM patterns X Międzynarodowy Kongres Odlewniczy CONAF, Sao Paulo, Brazylia, May Karwiński A., Fajkiel A., Pysz S. 2004: The application of investment casting process to cast of magnesium alloys. X Międzynarodowa Konferencja Spolupraca 2004, , Tatrzańska Łomnica, Słowacja. Karwiński A., Leśniewski W., Wieliczko P. 2004: Wpływ dodatku włókien ceramicznych na przebieg procesu powstawania warstwy ceramicznej w metodzie wytapianych modeli. VI Międzynarodowa Konferencja Zjawiska powierzchniowe w procesach odlewniczych, , Kołobrzeg. Krokosz J. i in. 1999: MoŜliwości wykorzystania technologii RPS LOM w odlewnictwie. Acta Metallurgica Slovaca, 5, Krokosz J., Przybylski J., Pączek Z. 2000: Niektóre aspekty wykorzystania metody szybkiego prototypowania(rps) technika LOM w odlewnictwie. Przeg. Odlewnictwa, 50, 5, 175. Linexe D. 2003: Simulation numerique et prototypage rapide. CTIF, Fonderie Foundeur d'aujourd, Nr 228. Pączek Z., Karwiński A. Pysz S., i in. 2003: Zastosowanie techniki LOM do wykonywania odlewów. MoŜliwości, szanse, problemy. Monografia. Instytut Odlewnictwa, Kraków. COMPUTER-AIDED DESIGNING OF THE PROCESS OF MAKING CASTINGS FOR AUTOMOTIVE INDUSTRY USING LIQUID CERAMIC SLURRIES OF NEW GENERATION Summary. The article describes studies aiming at the development of a process of making aluminum castings of brake jaws and of an element of the cooler. In designing and making of pattern tooling a computer-aided process was used. The ceramic casting moulds were prepared according to the investment casting technology, using liquid ceramic slurries of a composition ensuring the required mechanical strength and permeability of the mould. Key words: computer-aided design and computer-aided manufacture, liquid ceramic slurrries, automotive industry, Rapid Prototyping System Recenzent: prof. dr hab. Eugeniusz Krasowski