DOKŁADNOŚĆ WYMIAROWA ODLEWÓW PRECYZYJNYCH DLA PROCESU WYPALANYCH MODELI

Transkrypt

1 11/18 ARCHIWUM ODLEWNICTWA Rok 006, Rocznik 6, Nr 18 (/) ARCHIVES OF FOUNDRY Year 006, Volume 6, N o 18 (/) PAN Katowice PL ISSN DOKŁADNOŚĆ WYMIAROWA ODLEWÓW PRECYZYJNYCH DLA PROCESU WYPALANYCH MODELI R. HARATYM 1 Wyższa Szkoła Ekologii i Zarządzania Wawelska 14, Warszawa STRESZCZENIE Wykazano, że jednym z głównych celów w procesie odlewania precyzyjnego w formy ceramiczne z zastosowaniem modeli polistyrenowych jest optymalizacja odchyłek wymiarowych odlewów oraz wymiarów wnęki formy wtryskowej do modeli. Oceniono proces w aspekcie ekologii oraz w zastosowaniu do wykonywania dokładnych odlewów prototypowych. Key words: investment casting, dimensional accuracy, polystyrene pattern WPROWADZENIE Aktualnie w kraju wykonuje się trzy odlewy z modeli polistyrenowych (polistyren niskoudarowy o gęstości 1,04g/cm 3 ). Są to odlewy do maszyny do szycia (zębatek z H5 rys. i kabłąka z żeliwa sferoidalnego). Na modele polistyrenowe stosuje się zazwyczaj kształty trudne do wykonania z wosków twardych. Przy czym musi być zapewniona produkcja wieloseryjna. Modele polistyrenowe usuwa się z formy na drodze wypalania, przy czym istotnym problemem jest użycie odpowiednich materiałów na formy ceramiczne odporne na szok termiczny (rys.1) oraz ustalenie optymalnej temperatury usuwania modeli. Dokładność wymiarowa odlewów jest najczęściej określana przez sześciosigmową odchyłkę wykonania odlewu L 6δ. 1 dr inż., roman.haratym@polcom.net 31

2 Dla odlewów precyzyjnych wykonanych metodą tradycyjnych modeli wytapianych mamy: L 6δ = δ M + δ f + δ u (1) gdzie: s - odchyłki błędów systematycznych związanych z błędami pomiarowymi form ceramicznych i odlewów. Błędy s wliczono w δ M, δ f i δ u, δ M - błędy wykonania modeli, δ f - błędy wykonania formy ceramicznej, δ u - błędy związane ze skurczem ciekłego metalu podczas krzepnięcia i stygnięcia odlewów. DOKŁADNOŚĆ WYMIAROWA ODLEWÓW PRECYZYJNYCH DLA PROCESU WYPALANYCH (TRACONYCH) MODELI W ASPEKCIE EKOLOGII Szacunkowo dla odlewów wykonanych w samonośnych formach ceramicznych kolejne odchyłki wynoszą: δ s około 0,08 L; δ f ok. 4 L; δ M ok. 0,35 L; oraz δ u ok. 0,15 L, przy L wynoszącym średnio około 0,7% wymiaru nominalnego L nom. Jak widzimy błędy powstające podczas procesu wykonania formy ceramicznej, procesu jej obróbki cieplnej i przygotowania do zalania δ f są największe. Szczególnie odnosi się to do form w procesie traconych modeli polistyrenowych. przy czym: δ f = δ f1 + δ f + δ f3 () gdzie: δ f1 - błędy odkształcenia formy podczas jej utwardzenia, δ f - błędy sumarycznego odkształcenia formy podczas usuwania modelu polistyrenowego i jej obróbki cieplnej, δ f3 - błędy odkształceń formy podczas zalewania formy ciekłym metalem i jej stygnięcia. Szacunkowo: δ f1 wynosi około 0,17 do %, δ f średnio około 0,1% oraz δ f3 około 0,11%. W zależności od kształtu odlewu zmiany wartości δ fi mogą wynosić około 0,04%. 3

3 Drugim istotnym składnikiem błędu wykonania odlewu jest błąd wykonania wytapianego modelu. W metodzie z modelami polistyrenowymi skurcz modelu polistyrenowego po wtrysku do matrycy i podczas ochładzania wynosi ok. 0,3 do 0,4% i jest około trzech razy mniejszy od skurczu tradycyjnych mieszanek modelowych parafinowych i stearynowych, co ma podstawowy wpływ na wielkość błędu δ M, którego wartość w odniesieniu do L też jest bardzo duża. Sprawdzona w Zakładzie Odlewnictwa ITMat dokładność modeli polistyrenowych określona przez odchyłkę M p (oraz błąd δ M ) wynosi około 0,1 L. Od dobrze przeprowadzonego procesu wykonania formy ceramicznej w metodzie traconych modeli polistyrenowych zależy stabilność wymiarowa formy ceramicznej (stała wartość δ f ), a następnie dokładność odlewów precyzyjnych. W metodzie traconych modeli polistyrenowych największy problem stanowi faza usuwania modelu polistyrenowego z formy ceramicznej. Proces usuwania polistyrenu realizowany jest równocześnie z procesem obróbki cieplnej (wyżarzania) formy ceramicznej prowadzonym w temperaturze ok. 900 o C przez okres ok. 4 godzin. Rys. 1. Rozszerzalność cieplna materiałów używanych w procesach odlewania precyzyjnego z udziałem modeli polistyrenowych Fig. 1. Thermal expansion of material used in precision casting process with polystyrene pattern. 33

4 Rys.. Poziom z modelami Fig.. Level with patterns Proces podgrzewania formy ceramicznej wraz ze znajdującym się w środku polistyrenowym modelem powinien być prowadzony przy znacznym gradiencie temperatury. Przyrost temperatury wewnątrz formy (temperatury modelu) winien przekraczać 00 o C/min. Wiąże się to ze znaczną różnicą współczynników rozszerzalności liniowej modelu polistyrenowego α M i formy ceramicznej (rys. 1). Współczynnik α M jest kilkakrotnie większy od α c dla materiałów używanych na formy ceramiczne ( z wyłączeniem SiO, jako mało przydatnych). Aby nie zniszczyć formy podczas usuwania modelu, musi on jak najszybciej ulec spaleniu. Wtedy naprężenia cieplne oddziałujące na formę i związane z rozszerzalnością modelu będą podczas jego spalania minimalne i nie spowodują pęknięcia formy. Praktyczną realizację tego procesu prowadzimy przez wkładanie utwardzonych form ceramicznych (z modelami) do pieca z temperaturą wnętrza około 850 o C do 900 o C. Prowadzone w Zakładzie Odlewnictwa ITMat badania ustaliły, że dla określonych parametrów związanych z budową formy ceramicznej, temperaturę T w można obniżyć do około 80 o C. Tak duże uderzenie cieplne na formę wymaga wykonania form z materiałów ceramicznych o możliwie niskim współczynniku rozszerzalności cieplnej α c. Wartość α c powinna być niższa od ok. 1, / o C. Wymogu tego nie spełniają formy wykonane na bazie SiO (rys. 1), gdyż (okresowo) w zakresie temperatur o C wartość α c wynosi od 3 do / o C. Dla uzyskania α c < 1, / o C musimy zastosować materiały ceramiczne glikokrzemianowe będące związkiem msio nal O 3 ( m, n odpowiednia liczba cząstek). Najczęściej stosowane to molochite o zawartości 70% Al O 3 elektrokorund ok. 100% Al O 3, węglik krzemu SiC, mullit i inne. 34

5 Wymienione materiały są importowane i ich cena wielokrotnie przekracza koszt SiO. Przeprowadzone w Zakładzie Odlewnictwa badania wykazały, że istnieje możliwość zastosowania w procesie traconych modeli polistyrenowych form kombinowanych z użyciem nawet materiałów odpadowych np. granulowanego żużla żeliwiakowego o zawartości ok. 30% Al O 3, którego używamy najczęściej na warstwy 4 do 7 w połączeniu z mullitem lub molochitem. Współczynnik α c dla żużla wynosi około 1,8, / o C[4]. Współczynnik α c dla formy kombinowanej wynosi ok. 1,3 1, / o C i spełnia warunki pozwalające na użycie tych form w procesie modeli polistyrenowych. Rys. 3 Łańcuch wymiarowy dla oceny odchyłki wykonania odlewu zazębiacza Fig. 3. Dimensions chain for calculation of manufacturing deviation of the gear toothed rack casting PODSUMOWANIE Do badań wybrano kształt zębatki (rys. i 3) o dość prostym kształcie, co ułatwiało ustalenie w miarę stałych baz pomiarowych dla modeli i odlewów. Pozwoliło to na obniżenie niepewności pomiarów do minimum [1]. Stosując model polistyrenowy zębatki można otrzymać wyroby odlewane praktycznie na gotowo, wykorzystując później do maksimum właściwości warstwy wierzchniej odlewów. Pozwoli to na wydłużenie czasu pracy wyrobu i obniżenie jednostkowej energochłonności wyrobu. Obecnie energochłonność wyrobów w kraju jest większa ponad dwukrotnie od energochłonności w wysokouprzemysłowionych krajach Unii 35

6 europejskiej []. Obniżenie energochłonności wytwarzania wyrobu o 1 KWh pozwoli na zmniejszenie emisji do atmosfery: CO 700g, około 5g SO oraz około 4g NO x [3]. Jednocześnie bardzo skomplikowane modele z polistyrenu o różnej wielkości i masie kilku kg można składać z prostych kształtów łącząc je na drodze klejenia. W ten sposób można otrzymać odlewy prototypowe z różnych tworzyw (nawet nie znormalizowanych) o dużej sztywności i dokładne, znacznie przewyższając wymogi eksploatacyjne wyrobów otrzymywanych na drodze spawania lub inną technologia. Zgodnie z rys. 3. Znajomość błędów (zmian wymiarowych) w kolejnych fazach procesu (np. R f dotyczy sumarycznych zmian formy ceramicznej) pozwoli na wyznaczenie optymalnego wymiaru formy wtryskowej P nom ± 0,5 P WNIOSKI 1. Zastosowanie modelu polistyrenowego w procesie odlewania precyzyjnego w formy ceramiczne powoduje zwiększenie dokładności wykonanych odlewów przez zmniejszenie błędu wymiarowego δ M modelu polistyrenowego.. Zastosowanie modeli polistyrenowych oraz niektórych materiałów odpadowych przynosi pewne efekty ekologiczne. 3. Modele polistyrenowe można zastosować w procesie wytwarzania wyrobów prototypowych. LITERATURA [1] Arendarski J.: Niepewność pomiarów. Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Warszawa 003 [] Haratym R., Perzyk M.: Zmiana Materiału odlewu. Przyczyny zmniejszania zanieczyszczeń środowiska. Krzepnięcie metali i stopów, nr 41, Katowice [3] Lewandowski W. M.: Proekologiczne źródła energii odnawialnej, WNT Warszawa 00 [4] Perzyk M., Haratym R.: Die Herstellung vom Feingußtellen unter Vernendung von Kupolofenschlake Gießereitechnik, Heft 5/1986 DIMENSIONAL ACCURANCY OF INVESTMENT CASTINGS FOR THE BURNED PATTERN PROCESS SUMMARY Have been proofed that one of the major target in process of manufacturing precision casting in ceramic moulds with polystyrene pattern is optimization of casting dimensional deviation and dimensions of cave in injection mould for patterns. Process has been valuated by ecology aspect and application to manufacturing high precision prototype castings. Recenzował: Prof. Marcin Perzyk 36