Wstęp. Technologia formy i rdzenia.

Transkrypt

1 TECHNOLOGIE ODLEWNICZE XXI WIEKU Jerzy Tybulczuk Elżbieta Smoluchowska Irena Izdebska Szanda - INSTYTUT ODLEWNICTWA Kraków - INSTYTUT ODLEWNICTWA Kraków - INSTYTUT ODLEWNICTWA Kraków TECHNOLOGIE ODLEWNICZE XXI WIEKU Wstęp. Głównymi kierunkami rozwoju odlewnictwa w XXI wieku będzie wprowadzanie technologii gwarantujących wysoką jakość odlewów (quality engineering), maksymalne zmniejszenie energo- i materiałochłonności procesów produkcyjnych, wykorzystanie możliwości materiałów dla uzyskania maksymalnych własności odlewów, odzysk ciepła z odlewów i urządzeń, automatyczne sterowanie jakością odlewów przez system komputerowej kontroli produkcji, hermetyzacja procesów i utylizacja wszystkich odpadów w celu ochrony środowiska. Przewiduje się, że w XXI wieku nastąpi dalsza specjalizacja zakładów odlewniczych i stosowanych przez nie procesów technologicznych, które zostały wprowadzone w przemyśle odlewniczym w ostatnich latach XX wieku. Najbliższych kilkanaście lat nie przyniesie istotnych innowacji w przemyśle odlewniczym. Dopiero w latach nastąpi faza przyspieszonego rozwoju technologii, po czym nastąpi pewna stabilizacja i upowszechnianie nowych osiągnięć aż po rok [1] Temat technologie odlewnicze xxi wieku jest zagadnieniem bardzo obszernym, dlatego omówiono skrótowo stan aktualny i kierunki rozwoju wybranych dziedzin, takich jak technologia formy i rdzenia, regeneracja mas zużytych, technologię modeli zgazowanych oraz odlewnictwo precyzyjne i ciśnieniowe. Technologia formy i rdzenia. Wykonywanie oprzyrządowania. Udoskonalona została metoda wykonywania oprzyrządowania odlewniczego zwana od 1995 roku metodą LOM. Nowoopracowane metody Rapid Prototyping (szybkie prototypowanie) i Rapid Tooling (szybkie wykonywanie oprzyrządowania) poszerzają swoje zakresy zastosowania tak pod względem używanych tworzyw oraz wymiarów produkowanych części, jak i pod względem sposobów szybkiego uzyskiwania części. Dotyczy to nie tylko oprzyrządowania modelowego lecz także form, które dotychczas wykonywane były metodami bezpośredniego (i szybkiego) formowania przy użyciu piasku powleczonego (Direct Croning Prototyping). Nowa metoda Direktes Formstoff-Frasen (metoda żłobienia masy formierskiej) pozwala zaoszczędzić czas i zmniejszyć koszt wykonania. W formach tych można produkować wykonywane dotychczas w formach piaskowych odlewy ze stopów aluminium i magnezu oraz żeliwa szarego i staliwa [2]. Nowa Sól r. 81

2 Odlewnictwo XXI wieku technologie, maszyny i urządzenia odlewnicze Procesy produkcji form i rdzeni. W zakresie mas samoutwardzalnych na przełomie wieku daje się zauważyć dominację mas z żywicami furfurylowymi (furany), chociaż masy z żywicami fenolowymi, w tym utwardzane estrami (proces alphaset) również zaznaczają swoją pozycje na rynku. W produkcji rdzeni obserwuje się wzrost do 57% klasycznej metody zimnej rdzennicy (cold-box), w której utwardzaczem jest amina. Jest to spowodowane zaletami tej technologii (m.in. dużą dokładnością wymiarową, oszczędnością energii i sukcesywnemu zmniejszaniu ilości spoiwa i katalizatora w masie) oraz coraz lepszym opanowaniem systemu hermetyzacji procesu utwardzania i neutralizacji oparów i gazów odlotowych [3]. Nieznaczną tendencję wzrostową wykazują masy dotychczas mało rozpowszechnione; masy do epoksydowego procesu SO 2 i rezolowego procesu CO 2, przy czym zwiększenie zastosowania mas do rezolowego procesu CO 2 odbywa się kosztem mas używanych w procesie mrówczanowym i mas ze szkłem wodnym [4] zmniejsza się nadal zastosowanie mas szybkowiążących stosowanych w procesach gorącej rdzennicy (hot-cox) i formowania skorupowego (spadek z 35% do 25%) wiele zachodnich firm pracuje nad nowymi spoiwami i utwardzaczami lub udoskonalaniem już istniejących. [3]. Duże nadzieje budzi nowa, stosowana z powodzeniem, amerykańska technologia GM BOND, w której do sporządzania rdzeni do dużych i skomplikowanych odlewów aluminiowych stosuje się spoiwo proteinowe, nieszkodliwe, biologicznie odtwarzane i rozpuszczalne w wodzie [5]. W produkcji form nadal utrzymuje się dominująca rola mas ze spoiwem bentonitowym (około 70% odlewów), nad masami ze szkłem wodnym oraz masami z żywicą alkaliczną rezolową utwardzaną estrami. W zakresie pokryć ochronnych obserwuje się wzrost stosowania pokryć wodnych do około 63% (alkoholowe 35%). Producenci pokryć podejmują próby ich udoskonalenia poprzez rozwój i wprowadzanie nowych dodatków. Zmniejszaniu konieczności stosowania powłok ochronnych sprzyja stosowanie technologii wykorzystujących osnowy o małej zawartości kwarcu lub bezkwarcowe o mniejszej rozszerzalności cieplnej i wyższej temperaturze topienia. Prowadzone są badania nad opracowaniem powłok o większej przepuszczalności lub charakteryzujących się małą zawartością siarki, co wpływa na krystalizacje grafitu [6]. Do suszenia powłok zalecane są obok konwencjonalnych sposobów, suszenie za pomocą urządzeń mikrofalowych, albo kombinacja tych dwóch sposobów z użyciem ciepłego powietrza. [7]. Obserwuje się dalszy rozwój formowania skorupowego, opartego przede wszystkim na piasku powlekanym, które oprócz tradycyjnego zastosowania na odlewy średnie i małe ze stopów żelaza, w ostatnich latach zostało rozszerzone również na stopy aluminium. Dzięki ciągłej modernizacji technologii udało się uzyskać możliwość łatwego regulowania grubości skorup, gładką powierzchnię odlewu i wykonywanie odlewów o skomplikowanej wnęce. Nowymi wariantami procesu skorupowego są: proces Vacustract z zastosowaniem podciśnienia w skorupie, proces Hot Box Croning HBC i proces KY polegający na wykonywaniu plastycznej warstwy na płycie modelowej. Najnowsze rozwiązanie tego procesu to wytwarzanie skorup w złożu fluidalnym. Maszyny i urządzenia. Mieszarki Rodzaj urządzenia do przygotowania gotowej masy uzależniony jest od stosowanej technologii. Inne są wymagania stawiane urządzeniom do wykonywania mas bentonitowych, a inne przy masach samo- lub chemoutwardzalnych. 82 Nowa Sól r.

3 TECHNOLOGIE ODLEWNICZE XXI WIEKU Do sporządzania mas z bentonitem coraz częściej stosuje się szybkoobrotowe mieszarki krążnikowe zapewniające dużą sprawność i wydajność oraz wysokowydajne mieszarki turbinowe. Mieszarki krążnikowe wyposażone są w inżektorowe dozowanie składników wiążących i pyłu węglowego, co pozwala na zmniejszenie zużycia dodatków o 15 20% [8]. W mieszarkach turbinowych dzięki zastosowaniu szybkoobrotowej turbiny lub turbin uzyskuje się jej homogenizację i intensywne napowietrzanie. Mieszarki obu typów wyposażone są w coraz bardziej popularną aparaturę do automatycznego pomiaru wilgoci i w wagowe dozowanie składników masy. Niektóre z nich posiadają systemy kontroli zagęszczalności i wytrzymałości SMC. Do sporządzania mas samo- lub chemoutwardzalnych stosowane są aktualnie mieszarki ciągłego działania, przegubowe, które oprócz wysokiej intensywności działania, precyzyjnemu dozowaniu składników ciekłych, umożliwiają bezpośrednie nasypywanie masy w dowolnym miejscu formy. Istnieje wiele typów tego rodzaju mieszarek różniących się wydajnością wysokością wysypu, zasięgiem działania czy też możliwością przesuwania się. Producenci mieszarek w celu zapewnienia jak najlepszego i oszczędnego wymieszania składników masy stale unowocześniają swoje modele np. zmieniają konfigurację łopatek, lub materiał na łopatki itp. Formierki Na przełomie wieku obserwowany jest znaczny postęp w konstrukcji formierek, a szczególnie stopnia ich zautomatyzowania i wyciszenia. Spośród stosowanych metod zagęszczania form do najlepszych zaliczane są nadal: impulsowe (impulsowo-prasujace), strumieniowo-prasujące, podciśnieniowo-prasujące, i dynamiczno-prasujące. Za dobre uważa się: prasujące, wibracyjno-prasujące czy eksplozyjne. Wstrząsowo-prasujące zaliczane są do najgorszych. Polska odmiana formierki, w której połączono działanie impulsu powietrza i prasowanie jest formierka FT-65, która została opracowana przez firmę TECHNICAL Nowa Sól i INSTYTUT ODLEWNICTWA ( projekt celowy KBN). Bardzo popularne staje się ostatnio formowanie strumieniowo-prasujące znane pod nazwą SEIATSU (ciche formowanie), które polega na wstępnym zagęszczeniu masy dzięki oporom filtrowania przepływającego powietrza, wywołującym różnicę ciśnienia i nacisk na masę. Ostateczne zagęszczanie następuje przez prasowanie mechaniczne. Występuje tu mniejsza dynamika przepływu niż przy formowaniu impulsowym. Bardzo ważne znaczenie ma prawidłowe odpowietrzenie płyty modelowej. W produkcji seryjnej i masowej odlewów z ogółu stopów na przełomie wieku stosowane są linie odlewnicze (skrzynkowe i bezskrzynkowe oraz z poziomym lub pionowym podziałem formy) wyposażone w automaty formierskie. W aktualnie oferowanych liniach zastosowanie mikroelektroniki i sterowania komputerowego umożliwia rozszerzenie funkcji systemów sterowania (kontrolę prawidłowości działania, diagnostykę, usuwanie wad, wymianę oprzyrządowania, rejestrację danych produkcyjnych, kontrolę parametrów układu hydraulicznego i pneumatycznego, nadzór nad ruchami mechanizmów i działaniem wyłączników krańcowych, sygnalizację zacięć i instrukcję ich usuwania, program samokontroli sterowania). Linie bezskrzynkowe przewyższają linie skrzynkowe w zakresie funkcjonalności, wykorzystania powierzchni odlewu i zabudowy przy zachowaniu dobrych parametrów zagęszczania, niezawodności, stopnia automatyzacji i chłodzenia. Rozwój tego typu linii zmierza do większych gabarytów form, automatycznego zakładania rdzeni i lepszego zagęszczania masy, a zastosowanie w tych liniach formierek z zagęszczaniem impulsowym pozwala na zwiększenie wydajności i funkcjonalności. Nowa Sól r. 83

4 Odlewnictwo XXI wieku technologie, maszyny i urządzenia odlewnicze Rdzeniarki W zakresie maszyn do wytwarzania rdzeni producenci na przełomie wieku proponują szeroki wachlarz od pojedynczych maszyn do zintegrowanych, sterowanych komputerowo, bezzałogowych kombajnów. Obserwuje się dalszy rozwój maszyn i urządzeń do procesu cold-box, związany ze wzrastającym zastosowaniem tego procesu wraz z urządzeniami pomocniczymi (neutralizatory gazów, płuczki). Również wstrzeliwanie masy, wykańczanie rdzeni (oczyszczanie, pokrywanie powłoką i suszenie), składanie i składowanie w urządzeniach transportowych są realizowane w układzie w pełni zautomatyzowanym. Do procesu wykonywania rdzeni stosowane są też roboty, które spełniają różne czynności manipulacyjne, łącznie z wymianą urządzeń [7]. Wybijanie odlewów Aktualnie odlewy wybijane są czterema sposobami: wibracyjnie (kraty), pneumatycznie (strumień powietrza), próżniowo (dekompresja w komorze) i impulsowo (strumień sprężonego powietrza), a wybór metody zależy od producenta odlewów, chociaż zarysowuje się tendencja do coraz szerszego stosowania wybijania pneumatycznego jako krótkotrwałego, niskoenergetycznego, stosunkowo cichego z możliwością hermetyzacji procesu. Regeneracja. Coraz bardziej rygorystyczne przepisy ochrony środowiska są stymulatorem tendencji recyklingu. Dodatkowym efektem jest coraz szersze wykorzystywanie regeneratu, który ma zapewnić jakość masy taką jak ze świeżym piaskiem oraz nie powodować kumulacji składników szkodliwych (ekologicznie) w wielokrotnych cyklach przygotowania mas. Nadal obserwuje się postęp w ocenie regeneratu i w skuteczności oczyszczania ziarn osnowy piaskowej. Wśród podstawowych sposobów regenerowania osnowy mas najtańszym - w stosunku do piasku świeżego jest regenerat z prostej regeneracji mechanicznej, a najdroższym regenerat pochodzący z regeneracji termicznej czy mokrej. Nakłady inwestycyjne dla regeneracji termicznej są ok. 1,5, a mokrej są 6 6,5 - krotnie większe niż dla regeneracji mechanicznej, dlatego aktualnie istnieje tendencja do stosowania różnych kombinacji metod regeneracji suchej przy ograniczaniu metod termicznych i mokrej. W regeneracji suchej aktualnie stosowanymi urządzeniami wspomagającymi usuwanie spoiwa z powierzchni ziarn są głównie kruszarki wibracyjne, urządzenia ocierające w wielostopniowych regeneratorach odśrodkowych, talerzowych, wirnikowych oraz spełniające tę rolę złoża fluidyzacyjne. Oprócz w/w podstawowych metod regeneracji istnieje wiele sposobów wykorzystujących do oczyszczania ziarn piasku parę wodną, promieniowani podczerwone, gorący gaz, powietrze wzbogacone w tlen, plazmowe źródło ciepła itp. Ostatnio wiele się mówi o regeneracji kriogenicznej (chłodzenie masy poniżej temperatury zamarzania) jako skutecznej [9], ale mającej niewielkie perspektywy szerokiego zastosowania w najbliższej przyszłości ze względu na wysokie koszty (o ¼ wyższe niż regeneracji termicznej). Godne odnotowania są dwie rozwijające się tendencje z zakresu regeneracji: centralne stacje regeneracji i przewoźne systemy modułowe stosowane przy min. 100 t odpadów do regeneracji. 84 Nowa Sól r.

5 TECHNOLOGIE ODLEWNICZE XXI WIEKU Wybrane technologie odlewnicze. Odlewnictwo precyzyjne. Jedną z najbardziej rozwijających się na początku XXI wieku technologii odlewniczych jest odlewanie precyzyjne wg metody wytapianych modeli. W 2000 roku wg tej metody wyprodukowano odlewy o wartości 5,1 mld USD. Tworzywo metalowe odlewów to stopy żelaza, metali nieżelaznych, stopy specjalne niklu i kobaltu, stopy tytanu oraz metale szlachetne. Wg tej technologii wykonywane są odlewy o strukturze monokryształu lub powstające w wyniku krzepnięcia kierunkowego. Odlewy precyzyjne znajdują zastosowanie w przemyśle lotniczym, produkcji turbin gazowych, przemyśle samochodowym, produkcji sprzętu sportowego i medycznego (implanty). Główne kierunki rozwoju metody wytapianych modeli koncentrują się na wykonywaniu odlewów dużych i bardzo skomplikowanych, wykorzystaniu technik komputerowych do modelowania i projektowania procesów technologicznych, szybkim prototypowaniu (Rapid Prototyping) oprzyrządowania, wprowadzaniem nowych materiałów modelowych, formierskich, a przede wszystkim stopów odlewniczych oraz robotyzacji procesu technologicznego [10]. Technologia modeli zgazowanych. Technologia modeli zgazowanych osiągnęła popularność dzięki swojej prostocie, jak i prawie nieograniczonym możliwościom w zastosowaniu i dużym korzyściom, takim jak m.in.: możliwości wykonywania odlewów o dowolnie skomplikowanym kształcie bez stosowania rdzeni, możliwości wykonywania odlewów o grubości ścianek nawet do 3 mm, możliwości wytwarzania odlewów o zacieśnionych tolerancjach wymiarowych. W technologii tej nie stosuje się żadnych spoiw ani dodatków do piasku, dzięki czemu może on być wielokrotnie wykorzystywany. Istnieją różne wersje technologii modeli zgazowywanych, lecz sprowadzają się one zasadniczo do trzech podstawowych wariantów: Full Mould - przeznaczona do wykonywania odlewów o masie około 1000 kg i większych z żeliwa i stopów Al, przeważnie do produkcji małych serii lub jednostkowych odlewów; Lost Foam - przeznaczona do wykonywania odlewów o masie do około 500 kg z żeliwa i stopów Al, przeważnie do produkcji dużych serii; Replicast - technologia wypalanej formy - przeznaczona do wykonywania odlewów ze staliwa o masie do 250 kg. Analizując literaturę techniczną, zauważa się, że kraje wysoko rozwinięte przeżywają aktualnie pełny rozkwit tej technologii, przewiduje się, że takie tempo wzrostu będzie utrzymane przez najbliższe 10 lat i wg tej technologii wykonywanych będzie 29% całkowitej produkcji odlewów ze stopów Al, 15% całkowitej produkcji odlewów żeliwnych, 9% całkowitej produkcji odlewów staliwnych [11]. Również coraz większe zainteresowanie tą technologią zauważa się w Polsce. W niektórych odlewniach stosuje się już modele zgazowane do produkcji dużych jednostkowych odlewów. Podjęte są też prace w kierunku uruchomienia wydziału doświadczalno-produkcyjnego w Zakładzie Doświadczalnym Instytutu Odlewnictwa oraz produkcyjnego w Odlewniach Polskich S.A. Oddział Odlewnia Żeliwa w Starachowicach. Odlewanie ciśnieniowe. Nowa Sól r. 85

6 Odlewnictwo XXI wieku technologie, maszyny i urządzenia odlewnicze U progu nowego wieku szczególnie preferowane są stopy aluminium, dzięki bardzo wysokim własnościom mechanicznym (konstrukcje), a także łatwości recyklingu zaś stopy magnezu dzięki niskiemu ciężarowi właściwemu, dokładności i powtarzalności wymiarowej, coraz wyższym własnościom mechanicznym, również w podwyższonych temperaturach i odporności korozyjnej. Wprowadzanie ich na szerszą skalę do przemysłu ułatwiają nowe technologie topienia w oparciu o piece z gazową atmosferą ochronną. Ponadto stopy aluminium i magnezu stanowią bazę do wykonywania kompozytów- materiałów różniących się znacznie właściwościami od materiałów osnowy. Innymi elementami zwiększającymi zapotrzebowanie na te stopy są bardzo wydajne i precyzyjne technologie wykonywania odlewów. Aktualne i przyszłościowe technologie przetwarzania tych stopów to przede wszystkim odlewanie wysoko i niskociśnieniowe przy dalszej ich modyfikacji i optymalizacji, z dostosowaniem do technologii odlewania tiksotropowego, a także prasowanie w stanie ciekłym z wykorzystaniem maszyn nowej generacji oraz wysoko zautomatyzowany proces odlewania kokilowego i procesy odlewania połączone z kuciem (Cobapress Hero proces). Na uwagę zasługują nowe wysokowydajne technologie odlewania do form piaskowych i ceramicznych jak: BAXI-Disa (efektywne wypełnianie i zasilanie), HWS-LPSC (dolne wypełnianie niskociśnieniowe) i Cosworth MK2 (wypełnianie niskociśnieniowe przez nadlew i obracanie formy), a także przez zgazowywanie modeli czy odlewanie precyzyjne dużych zintegrowanych elementów (proces Sophia kontrolowanie i sterownie krzepnięciem). Literatura: 1. J. Piaskowski. Rreferat z okazji 50-lecia Instytutu Odlewnictwa. Konferencja naukowotechniczna J. L. Lewandowski. Przegląd Odlewnictwa nr 3/2001 s W. Tilch.. Giesserei t. 86, 1999 nr 10 s G. Weickert. Giesserei Erfahrungsaustausch 40, 1996, nr 11 s , GIFA 99 Forum techniczne CIATF. Przegląd Odlewnictwa t. 49, 1999 nr 10, s Dni Duisburga sprawozdanie z osiągnięć i praktyki, Giesserei Praxis 2000 nr 6 s J.L. Lewandowski. Przegląd Odlewnictwa nr1/2000 s I. Szanda, materiały, szkoleniowe, niepublikowane, Instytut Odlewnictwa, W.L. Tordoff. Referat nr 49. CIATF Technical Forum 99 s D.A.Ford; Foundry Trade Journal s Referat z Konferencji AFS. Birmingham, USA 1998 r. 86 Nowa Sól r.