innowacje w odlewnictwie ciśnieniowym

Transkrypt

1 innowacje w odlewnictwie ciśnieniowym VIII Międzynarodowa Konferencja Naukowa VIII International Scientific Conference Materiały konferencyjne Conference proceedings

2 Nowoczesna technologia produkcji form ciśnieniowych Wiesław Walczak, Aleksander Fajkiel, Piotr Dudek Silum sp. z o.o., Opojowice 51, Czarnożyły, Polska Instytut Odlewnictwa, ul. Zakopiańska 73, Kraków, Polska Wykonanie oprzyrządowania odlewniczego do produkcji odlewów ciśnieniowych jest najdłużej trwającym i najdroższym elementem w procesie przygotowania produkcji nowego wyrobu w odlewni ciśnieniowej. Forma ciśnieniowa jest najważniejszym składnikiem tego oprzyrządowania, a jej wytworzenie we współczesnej narzędziowni staje się skomplikowanym procesem logistyczno-produkcyjnym. Ze względu na specyfikę produkcji form ciśnieniowych narzędziownia, która je wykonuje powinna być wyposażona w specjalistyczne maszyny i urządzenia, które nie są aż tak niezbędne przy produkcji innych narzędzi. Ze względu na wysokie koszty maszyn i urządzeń produkcyjnych w produkcji form ciśnieniowych specjalizują się narzędziownie działające jako zaplecze odlewni ciśnieniowych, spełniające jednocześnie funkcje utrzymania ruchu i warsztatów naprawczych eksploatowanych w odlewni form lub specjalistyczne narzędziownie współpracujące z dużymi odlewniami ciśnieniowymi. Ze względów ekonomicznych i terminowych nie opłaca się w narzędziowni wykonywać wszystkich operacji technologicznych, a przede wszystkim tych, które można zlecić w ramach usług kooperacyjnych wyspecjalizowanym firmom. Dotyczy to w szczególności usług w zakresie: wykonania symulacji komputerowej odlewania wykonania dokumentacji konstrukcyjnej form zakupu części znormalizowanych zakupu materiałów na elementy formujące w postaci półwyrobów z minimalnymi naddatkami na obróbkę zakupu kompletnie obrobionych płyt obudów form, płyt wypychaczy, mostków i pozostałych elementów konstrukcyjnych formy wykonania obróbki cieplnej i cieplno-chemicznej. Na polskim i europejskim rynku usług narzędziowych funkcjonuje szereg firm, które świadczą usługi w zakresie produkcji i dostaw części znormalizowanych do form. Należą do nich między innymi działające w Polsce FCPK Bytów, Metalimpex Tychy, Hasco, Meusburger Austria. Są firmy, które prowadzą działalność w zakresie symulacji komputerowej odlewania i projektowania dokumentacji konstrukcyjnej KomOdlew, Econocap Polska. Jest też grupa firm zajmujących się produkcją, dystrybucją, obróbką mechaniczną i cieplną materiałów konstrukcyjnych do budowy form ciśnieniowych. W tej grupie należy wymienić firmy Böhler Uddeholm Polska sp. z o.o., Bogner Edelstahl, Akrostal Poznań dostawy stali do pracy na gorąco do produkcji elementów formujących form ciśnieniowych, firmy FCPK Bytów, Bogner Edelstahl, Meusburger Austria dostawy obudów i płyt do form oraz Bodycote i Böhler Uddeholm Polska firmy wykonujące obróbkę cieplną elementów konstrukcyjnych form, a w szczególności próżniową obróbkę cieplną elementów formujących form ciśnieniowych wykonywanych ze stali do pracy na gorąco. Należy tutaj nadmienić, że tzw. hartownie prowadzą proces obróbki cieplnej wg instrukcji producenta stali. Instrukcje takie producenci stali opracowują indywidualnie dla każdego gatunku. Detale po obróbce cieplnej są dostarczane do klienta wraz z atestem, który stanowi gwarancję trwałości eksploatacyjnej wkładki formującej lub innego elementu formy odtwarzającego odlew. Innowacje w odlewnictwie ciśnieniowym

3 Przedstawione powyżej operacje realizowane są poza narzędziownią, w ramach zewnętrznych usług kooperacyjnych, natomiast w narzędziowni wykonuje się pełny zakres obróbki mechanicznej i elektroerozyjnej elementów formujących oraz montaż formy. Należy tutaj jednak nadmienić, że są też takie narzędziownie, zależy to od ich wyposażenia i zatrudnionej kadry technicznej, które nie w pełnym zakresie korzystają z usług kooperacji zewnętrznej wykonując szereg operacji samodzielnie. Może to być np. wykonanie symulacji komputerowej i projektowanie dokumentacji konstrukcyjnej, przeprowadzenie obróbki cieplnej czy wykonanie obróbki obudów i płyt formy. Niezależnie od tego, gdzie i przez kogo będą wykonywane poszczególne operacje związane z budową formy, przed przystąpieniem do jej wykonania należy sporządzić harmonogram realizacji poszczególnych etapów. Przykładowy harmonogram przedstawiono na rysunku 1. Rys. 1. Przykładowy harmonogram realizacji wykonania formy ciśnieniowej W harmonogramie tym poszczególne prace i czas ich trwania zostały przedstawione na osi czasu w układzie tygodniowym. Jak wynika harmonogramu cykl produkcyjny wykonania formy ciśnieniowej składa się z następujących etapów: 1. Opracowanie modelu odlewu 3D. 2. Wykonanie dokumentacji konstrukcyjnej formy oraz symulacji komputerowej odlewania. 3. Zakup materiałów stali do pracy na gorąco na elementy formujące. 4. Frezowanie zgrubne części na elementy formujące. 5. Obróbka cieplna. 6. Frezowanie wykańczające. 7. Obróbka elektroerozyjna. 8. Zakup płyt obudowy, płyty wypychaczy, mostka i inne. 9. Zakup części znormalizowanych. 10. Polerowanie elementów formujących. 11. Montaż formy. 12. Wzorcowanie odlewów. 13. Wysłanie wzorów do Klienta i odbiór formy. Realizacja poszczególnych prac zgodnie z harmonogramem gwarantuje terminowe wykonanie formy i umożliwia ciągłą kontrolę klienta na każdym etapie jej budowy. Ad. 1. Opracowanie modelu odlewu 3D Opracowanie modelu odlewu 3D ma na celu odwzorowanie w formie trójwymiarowej jego kształtu zgodnie z rysunkiem w postaci dwuwymiarowej dokumentacji papierowej lub numerycznej. Podstawą prac jest wykorzystanie oprogramowania CAD 3D (Computer Aided Design). Rysunek odlewu w formie trójwymiarowej w przypadku podjęcia decyzji o jego produkcji, stwarza podstawę do dalszych prac związanych m.in. z narzuceniem naddatków

4 odlewniczych, uwzględniających skurcz stopu, pochyleń odlewniczych, promieni technologicznych, kierunku wypychania odlewu, sposobu podziału formy i rozmieszczenia w niej odlewu/ów, miejsc doprowadzenia metalu, umiejscowienia rdzeni stałych i ruchomych. Jednocześnie dokumentacja odlewu w 3D, pozwala na przeprowadzenie szeregu obliczeń numerycznych CAE (Computer Aided Engineering), m.in.: powstawania naprężeń cieplnych, właściwości wytrzymałościowych z uwzględnieniem również naprężeń wewnętrznych powstających w warunkach jego eksploatacji. Dokumentacja 3D ponadto umożliwia zaprojektowanie procesu obróbki mechanicznej, na obrabiarkach sterowanych numerycznie z wykorzystaniem oprogramowania typu CAM (Computer Aided Manufacturing), co w sposób znaczący skraca czas związany z przystosowaniem maszyn numerycznych do obróbki ubytkowej. Model 3D jest również elementem niezbędnym do przeprowadzenia numerycznej symulacji procesu wypełnienia wnęki formy i krzepnięcia odlewu. Na rysunku 2 przedstawiono przykładowy model 3D odlewu. Rys. 2. Model 3D odlewu Ad. 2. Wykonanie dokumentacji konstrukcyjnej formy oraz symulacji komputerowej odlewania Model 3D odlewu stanowi element wyjściowy do uzyskanie dokumentacji konstrukcyjnej formy oraz przeprowadzenia symulacji komputerowej. Prace projektowe można przeprowadzić w wirtualnej rzeczywistości z wykorzystaniem odpowiednich programów począwszy od fazy projektu całej formy poprzez analizę konstrukcyjną i technologiczną poszczególnych jej elementów. Całość zintegrowanego systemu projektowania obejmuje programy CAD, rozbudowane o systemy realistycznej wizualizacji, pozwalające na uzyskanie bardzo plastycznego obrazu projektowanego zespołu oraz programy umożliwiające powiązanie poszczególnych zespołów i ocenę ich wzajemnej zależności w czasie pracy. Każdy liczący się system zawiera moduł ułatwiający pracę nad projektowaniem form. Jednym z przykładów zaawansowanego modułu jest Tool Design Option (Floating) w systemie Pro/ENGINEER opcja wspomagająca zagadnienia związane z konstruowaniem oprzyrządowania technologicznego przez możliwość definicji podziału formy, kontroli geometrii odlewu pod kątem otwierania formy wraz z możliwością uwzględniania procesu skurczu materiałowego. Dalszym etapem projektowania jest ocena poprawności konstrukcji pod względem obciążeń mechanicznych i cieplnych w czasie pracy. Służą do tego programy typu MES, pozwalające na analizę stanu naprężeń w poszczególnych elementach. Po przeprowadzeniu tego typu prac projektowych, poszczególne elementy zespołu można wykonać, wykorzystując system szybkiego prototypowania oraz systemy CAM, czyli wykonanie oprzyrządowania na centrach obróbczych. Wstępna symulacja pracy narzędzia pozwala na dokładne wyznaczenie czasu wykonania oprzyrządowania. Z zestawu, który jest zapisany w bazie danych programu CAM wybiera się narzędzia potrzebne do wykonania poszczególnych operacji i na podstawie tego programuje się pracę maszyny. Innowacje w odlewnictwie ciśnieniowym

5 Rysunek 3 przedstawia przykładowy projekt formy ciśnieniowej i jej model 3D. Rys. 3. Przykładowy projekt formy ciśnieniowej i jej model 3D Zastosowanie symulacji procesu wypełniania pozwala na znalezienie rozwiązania w postaci prawidłowo ukształtowanego układu wlewowego oraz rozmieszczenia przelewów i odpowietrzeń w tych miejscach, gdzie następuje m.in. kumulacja powietrza. Symulacja umożliwia znalezienie odpowiedzi na istotne pytania: jakie miejsca są wypełniane w pierwszej kolejności i przez które metal przepływa podczas całego czasu wypełniania, a do których obszarów dociera najpóźniej, czy są obszary, które są zamknięte podczas przepływu metalu co powoduje wzrost ciśnienia powietrza i łatwe jego przedostanie się do metalu, a nawet niedolewy, czy zachowana jest ciągłość czoła strugi i nie ma rozbryzgiwania metalu w formie, co sprzyja szybkiemu jego krzepnięciu i w konsekwencji obniża jakość powierzchni odlewu. Dobre programy symulacyjne powinny dawać odpowiedź na następujące pytania: jaką maszynę należy stosować do wykonania danego odlewu, jakie powinny być parametry pracy maszyny podczas wykonywania odlewu, ilu wnękowa może być forma, jakie układy wlewowe powinny być stosowane, jaki system chłodzenia winien być zastosowany w danej formie, gdzie i jakie układy odpowietrzające powinny być umieszczone, gdzie istnieje niebezpieczeństwo powstawania porowatości, jaka jest optymalna temperatura pracy formy i jaką temperaturę powinien mieć wlewany metal. Na rysunku 4 pokazano różne fazy wypełniania wnęki formy przy pomocy symulacji komputerowej. Rys. 4. Fazy wypełniania wnęki formy przy pomocy symulacji komputerowej

6 Do najbardziej znanych i najczęściej stosowanych programów do symulacji procesu odlewania należą: MAGMAsoft, PROCAST, VULCAN, NOVAFOW. Ad. 3. Zakup materiałów stali do pracy na gorąco na elementy formujące Po zakończeniu prac projektowych związanych z konstrukcją formy ciśnieniowej technolog określa gabaryty materiałów wyjściowych z minimalnymi naddatkami na obróbkę i zamawia je. Standardowo zakłada się wielkość naddatków na obróbkę w granicach 2 3 mm, a w przypadku dużych gabarytowo elementów do 5 mm. Czas kompletacji materiałów wynosi od 1 do 3 tygodni. W tabeli 1 przedstawiono wykaz podstawowych materiałów stali do pracy na gorąco dostępnych na rynku polskim oraz ich producentów i dystrybutorów. Tabela 1. Wykaz podstawowych materiałów stali do pracy na gorąco Gat. materiału DIN DIN Orvar 2M Orvar SUPREME DIEVAR Dostawca Oberon Inowrocław Bogner Edelstahl Polska Akrostal Poznań Böhler Uddeholm Polska sp. z o. o. Ad. 4. Frezowanie zgrubne części na elementy frezujące Obróbka wiórowa elementów formujących wkładek, rdzeni i suwaków w nowoczesnej narzędziowni odbywa się przy użyciu maszyn sterowanych numerycznie. Są to centra obróbcze trzy- lub pięcioosiowe wyposażone w magazyn narzędzi skrawających. Programy obróbcze są przygotowywane przez technologów programistów i przekazywane bezpośrednio z komputera programisty do komputera maszyny przy pomocy sieci komputerowej. W wyniku obróbki zgrubnej uzyskuje się kompletnie obrobiony detal z naddatkiem max. do 0,2 mm na obróbkę wykańczającą. Na rysunku 6 przedstawiono przykładowe detale obrobione wstępnie, przygotowane do obróbki cieplnej. Rys. 6. Przykładowe detale obrobione zgrubnie, przygotowane do obróbki cieplnej Ad. 5. Obróbka cieplna Obróbka cieplna stali do pracy na gorąco jest skomplikowanym procesem technologicznym, który ma wpływ na całą późniejszą eksploatację i intensywność obrabianego elementu. Wymaga ona specjalistycznych urządzeń, takich jak piece próżniowe Innowacje w odlewnictwie ciśnieniowym

7 i wysoko kwalifikowanego personelu. Najlepiej więc jest zlecić wykonanie usługi obróbki cieplnej wyspecjalizowanej hartowni, która cały proces prowadzi zgodnie z zaleceniami i według instrukcji opracowanej przez producenta stali z uwzględnieniem specyfiki poszczególnych gatunków stali. Firmy usługowe w zakresie obróbki cieplnej dostarczają swoim klientom obrobione detale wraz z atestem i kartą informacyjną z przebiegu procesu. W wyniku procesu obróbki cieplnej elementy formujące uzyskują twardość HRC. W zależności od gatunku stali oraz wymaganej trwałości formy wkładki formujące poddawane są również obróbce cieplnej w trakcie eksploatacji formy, 2 3 krotnie po wykonaniu określonej ilości wtrysków, w całym okresie ich użytkowania. Jest to tzw. wyżarzanie międzyoperacyjne. Prawidłowa i fachowa obróbka cieplna jest gwarancją wysokiej trwałości formy ciśnieniowej, co ma olbrzymie znaczenie w przypadku skomplikowanych narzędzi do wielkoseryjnej produkcji odlewów, gdzie narzędziownia gwarantuje wykonanie z formy od 200 do 300 tysięcy wtrysków. Ad. 6. Frezowanie wykańczające Frezowanie wykańczające jest ostateczną obróbką wiórową elementów formujących mającą na celu nadanie powierzchniom odtwarzającym odlew ostatecznego kształtu. Polega ono na zdjęciu, w wyniku obróbki skrawaniem, pozostawionego podczas frezowania zgrubnego naddatku obróbczego. W celu uzyskania wysokiej klasy gładkości powierzchni obrabianych części z materiału o dużej twardości parametry obróbki, obroty, prędkość skrawania i narzędzia muszą być dobrane indywidualnie dla każdej części, uwzględniając kształt i specyfikę obrabianej powierzchni. Obróbkę wykańczającą wykonuje się z reguły na tych samych centrach obróbczych, na których była wykonana obróbka zgrubna. Części po frezowaniu wykańczającym mogą być przekazane do montażu formy lub w przypadku, gdy proces technologiczny tego wymaga, są poddawane dalszym procesom obróbczym, a w szczególności obróbce elektroerozyjnej, szlifowaniu i polerowaniu Ad. 7. Obróbka elektroerozyjna Wszelkie wąskie i głębokie szczeliny we wkładkach formujących odlew oraz skomplikowane kształty powierzchni odlewu wykonuje się z wykorzystaniem drążenia wgłębnego na elektrodrążarkach wgłębnych, natomiast otwory przelotowe wycinane są przy użyciu eletrodrążarek drutowych. Elektrody do drążenia wgłębnego wykonywane są z grafitu lub miedzi na specjalistycznych wysokoobrotowych (50 tys. obr/min.) frezarkach centrach obróbczych. Obróbka elektroerozyjna wgłębna prowadzona jest w kąpieli dielektryka, który stanowi czynnik płuczący i chłodzący. Czas trwania obróbki wynosi od kilku do kilkudziesięciu godzin w zależności od wielkości obrabianej powierzchni oraz rodzaju drążenia drążenie zgrubne i wykańczające. W wyniku obróbki elektroerozyjnej można uzyskać wysoką klasę gładkości powierzchni obrabianej rzędu 16 µm, która jest porównywalna z powierzchnią po polerowaniu. Otwory przelotowe w elementach formujących wykonywane są na elektrodrążarkach drutowych przy pomocy drutu mosiężnego o średnicy 0,1 0,25 mm, a czynnikiem płuczącym jest woda destylowana. Ta technologia służy głównie do wykonywania otworów o skomplikowanych kształtach do montażu rdzeni oraz do wykonywania otworów pod wypychacze. Pomimo dużej wygody i znacznej wydajności obróbkę elektroerozyjną, szczególnie wgłębną, należy ograniczać do niezbędnego minimum. Powoduje ona bowiem wyprowadzenie dodatkowych naprężeń w obrabianym elemencie, co ma ujemny wpływ na trwałość formy. Na rysunku 7 pokazano przykładową obróbkę na elektrodrążarce wgłębnej i drutowej oraz wykonanie elektrody grafitowej na specjalistycznej frezarce trzyosiowej.

8 c) Rys. 7. a) Wykonanie elektrody grafitowej; b) obróbka elektroerozyjna wgłębna; c) obróbka elektroerozyjna drutowa Ad. 8. Zakup płyt obudowy, płyty wypychaczy, mostka i inne W przypadku zakupu obrobionych, gotowych do montażu odbudów i płyt formy czas ich dostawy wynosi do 4 tygodni, jednak mając na uwadze terminową realizację zlecenia, płyty te należy zamawiać wcześniej, by ich dostawca zarezerwował sobie moce przerobowe na maszynach w celu ich obróbki. Na rysunku 8 pokazano przykładowy zestaw kompletnych płyt do budowy formy. Rys. 8. Przykładowy zestaw kompletnych płyt do budowy formy b) Innowacje w odlewnictwie ciśnieniowym a)

9 Ad. 9. Zakup części znormalizowanych Dostawa części znormalizowanych jest realizowana w ciągu 1 tygodnia. Są to części, które każdy dostawca posiada na magazynie, a czas realizacji zamówienia sprowadza się do ich kompletacji i dostawy do klienta. Części znormalizowane to przede wszystkim wypychacze, cofacze, kołki i tuleje prowadzące oraz wszelkiego rodzaju elementy złączne. Jest też grupa normaliów specjalnych takich jak siłowniki hydrauliczne, wyłączniki krańcowe itp., ale z nimi też nie ma problemu, gdyż są to artykuły rynkowe, których producenci i dostawcy w ciągu kilku dni są w stanie zrealizować ich dostawę. Na rysunku 9 pokazano komplet przykładowych części znormalizowanych do formy. Rys. 9. Komplet przykładowych części znormalizowanych do formy Ad. 10. Polerowanie elementów formujących Polerowanie jest obróbką wykańczającą i ostateczną elementów formujących. Jest to obróbka ręczna pracochłonna i czasochłonna wykonywana przez ślusarzy narzędziowych. Narzędziami używanymi w procesie polerowania są pilniki, osełki i drobnoziarnisty papier ścierny. Środkiem pomocniczym używanym w procesie jest pasta polerska. W wyniku tej obróbki uzyskuje się bardzo wysoką klasę gładkości obrabianej powierzchni. Polerowanie kończy cykl obróbczy w procesie produkcji formy. Ad. 11. Montaż formy Montaż formy jest ostatnim etapem budowy formy. Montaż formy wykonywany jest ręcznie przy użyciu różnego rodzaju urządzeń dźwigowych. Jest to proces trwający od 2 do 4 tygodni i obejmuje montaż poszczególnych podzespołów formy, pasowanie i docieranie poszczególnych elementów formy, montaż całkowity formy i jej ostateczne pasowanie i sprawdzenie prawidłowości zamykania i funkcjonowania poszczególnych części. Pasowanie i kontrolę prawidłowości funkcjonowania formy wykonuje się na prasie do tuszowania (rys. 10). Polega to na tym, że jedna strona formy pokrywana jest specjalnym tuszem, następnie zamyka się prasę i po otwarciu sprawdza odcisk tuszu na drugiej stronie formy. W przypadku uzyskania niepełnego odcisku tuszu wprowadza się korektę wymiarową na wybranych elementach i wykonuje kolejną próbę. Postępowanie to powtarza się aż do uzyskania pozytywnego rezultatu. Na rysunku 11 pokazano pomiar odlewu na maszynie pomiarowej 3D.

10 Rys. 10. Tuszowanie formy na prasie do tuszowania Ad. 12. Wzorcowanie odlewów Rys. 11. Pomiar odlewu na maszynie pomiarowej 3D Po zmontowaniu i spasowaniu forma przekazywana jest na odlewnię do producenta odlewów i poddawana próbie na maszynie produkcyjnej. Najpierw wykonuje się sprawdzenie formy pod względem ruchowym, a następnie wykonuje się kilkadziesiąt zalań w celu wykonania próbnych wzorcowych odlewów. Wszystkie uwagi z próby formy przekazywane są do narzędziowni w celu dokonania zmian i poprawek mających na celu niezawodną i długotrwałą eksploatację formy i produkcję dobrych jakościowo odlewów. W próbach formy biorą udział przedstawiciele służb technicznych i produkcji, narzędziowni i odlewni. Kontrola jakości odlewni wykonuje pomiary i przeprowadza badania jakościowe odlewów wzorcowych, zgodnie z wymaganiami klienta i ich wyniki wraz z odlewami przekazuje do odbiorcy odlewów w celu uzyskania zatwierdzenia odlewu do produkcji. Ad. 13. Wysłanie wzorców do klienta i odbiór formy Klient po otrzymaniu wzorcowych odlewów wraz z kartą pomiarową przeprowadza analizę wymiarową odlewów oraz własną ocenę ich jakości i przydatności do produkowanych przez siebie wyrobów. W przypadku konieczności wprowadzenia korekt wymiarowych lub technologicznych przekazuje swoje uwagi do odlewni i narzędziowni, która po ich Innowacje w odlewnictwie ciśnieniowym

11 wprowadzeniu w formie wykonuje ponownie próbne odlewy i dokonuje ich pomiarów w zakresie wprowadzonych korekt. Po uzyskaniu akceptacji wymiarowej i jakościowej wzorcowych odlewów od klienta narzędziownia przekazuje formę do odlewni wraz z protokołem odbioru. Rysunek 12 przedstawia kompletna formę gotową do produkcji. Rys. 12. Kompletna forma Z przedstawionego opisu wynika, że proces produkcyjny budowy formy ciśnieniowej jest bardzo pracochłonny i czasochłonny. W zależności od wielkości formy może on trwać od 3 do 8, a w szczególnych przypadkach do 10 miesięcy, dlatego też tak ważnym czynnikiem mającym wpływ na końcowy pozytywny efekt realizacji całego przedsięwzięcia jest prawidłowa logistyka od chwili otrzymania zlecenia do momentu sprzedaży formy oraz właściwy dobór kooperantów partnerów świadczących usługi w zakresie dostaw i podwykonawstwa.