DOKŁADNOŚĆ WYMIAROWA ODLEWÓW WYKONANYCH W PROCESIE REPLICAST CS

Transkrypt

1 24/9 Archives of Foundry, Year 2003, Volume 3, 9 Archiwum Odlewnictwa, Rok 2003, Rocznik 3, Nr 9 PAN Katowice PL ISSN DOKŁADNOŚĆ WYMIAROWA ODLEWÓW WYKONANYCH W PROCESIE REPLICAST CS R. HARATYM 1 Instytut Technologii Materiałowych, Politechnika Warszawska Warszawa, ul. Narbutta 85 STRESZCZENIE: W pracy przedstawiono ocenę dokładności odlewów z AlSi w procesie Replicast CS w aspekcie właściwości form ceramicznych. Ponadto zaproponowano metodę analityczną uzyskania wartości dokładności w oparciu o wcześniejsze badania błędów powstających w kolejnych fazach procesu technologicznego Replicast CS. Porównano dokła dność odlewów otrzymanych metodą Replicast CS z jakością odlewów otrzymanych tradycyjnym procesem wytwarzania odlewów precyzyjnych metodą wytapianych modeli. Key words: dimensional accuracy, Replicast CS, investment castings 1. WSTĘP Proces Replicast CS jest unowocześnieniem metody wytapianych modeli. Zamiast modeli wytapianych stosujemy modele z polistyrenu spienionego o gęstości 0,03 do 0,06 Mg/m 3, zabezpieczające otrzymanie modeli stabilnych wymiarowo i dające odpowiednią mikrogeometrię powierzchni odlewów. Proces Replicast CS (R-CS) pozwala na uzyskanie odlewów wysokiej jakości porównywalnych z MWM. Użycie modeli polistyrenowych pozwala znacznie zwiększyć masę otrzymanych odlewów (w porównaniu do MWM) nawet kilkakrotnie. W Polsce praktycznie proces Replicast CS nie jest stosowany na skalę przemysłową. Natomiast na świecie R-CS rozwija się bardzo dynamicznie i może być stosowany praktycznie do wszystkich stopów odlewniczych [1]. 1 dr inż.

2 184 Jednocześnie forma ceramiczna (FC) wykonywana jest podobnie jak w MWM przy znacznie zmniejszonej ilości warstw co pozwala na obniżenie energochłonności wytwarzanych odlewów. Badania przedstawione w pracy przybliżają znacznie proces wdrożenia R-CS do odlewni precyzyjnych, z uwagi na ich wysoką jakość i aspekt ekologiczny. Proces wykonania odlewów w metodzie R-CS jest złożony i na dokładność wymiarową wpływa wiele czynników. Na rys. 1, przedstawiono ważniejsze błędy wymiarowe powstające w kolejnych fazach procesu technologicznego i składające się na odchyłkę wymiarową odlewu (sześciosigmową) ΔL 6δ. Rys. 1. Klasyfikacja odchyłek wymiarowych powstałych w procesie Replicast CS Fig. 1. Classification of dimensional deviations occured in Raplicast CS process Rys. 2 i 3. Kształt odlewu 1 i 2 użyty w badaniach Fig. 2. Shape of pattern of casting 1 used in research Fig. 3. Shape of pattern of casting 2 used in research 2. BADANIE NAD DOKŁADNOŚCIĄ WYMIAROWĄ ODLEWÓW ZE STOPU AK 9 W PROCESIE REPLICAST CS 2.1 Metodyka badań Badania prowadzono przede wszystkim w fazie wykonania FC i w czasie krzepnięcia w niej odlewu. Całkowita odchyłka wymiarowa formy ceramicznej ΔF 2 c = (Σ δ fi ) 2 i stanowi od 50% do 60% odchyłki sześciosigmowej dla odlewu ΔL 6δ, więc ma decydujący wpływ na dokładność wykonywanego odlewu. Ogólnie (1) n L6 s p fi 0, f i 1 gdzie: Σs suma błędów systematycznie popełnionych w procesie wytwarzania odlewów, δ - błędy przypadkowe,

3 185 δ op błędy popełnione w fazie wytwarzania modeli polistyrenowych, (Σδ fi ) 2 =δ f1 2 + δ f2 2 + δ f3 2, gdzie δ f1 błąd popełniony podczas utwardzania na modelu warstw FC, δ f2 błąd popełniony podczas obróbki cieplnej FC (proces spiekania spoiwa), δ f3 błąd popełniony podczas wypełniania FC ciekłym metalem, δ 0,f błędy skurczowe i oddziaływanie FC na krzepnący odlew. Wykonano badania w fazie nakładania warstw FC na modele, usuwania z niej modeli δ f1 oraz podczas obróbki cieplnej (próby dialatometryczne). Błędy δ 0,f określono metodą analityczną wykorzystując różnicę między wymiarem modeli i odlewu oraz wartości δ f1, δ f2, δ f Materiały stosowane w procesie Na modele zastosowano polistyren spieniony o gęstości 0,025 0,030 Mg/m 3. Warstwy FC nakładane na model były zbudowane z czterech warstw, wykorzystując spoiwa: Ekosil, krzemian etylu (KE) na zmianę z zolem kwasu krzemowego oraz Sikop. Mączki zastosowane do wykonania ciekłej mieszanki ceramicznej (CMC) były czterech rodzai, krzemian cyrkonu, SiO 2, molochite i kwarc topiony (KT). Podobne materiały zastosowano na obsypkę. Rodzaje FC przedstawiono w tabelach 1, 2, 3 i 4. Tabela 1. Skurcz swobodny E u dla różnych rodzajów form ceramicznych Table 1. Free contraction during hardening Ε u of ceramic molds Lp. Rodzaj FC Utwardzanie FC - Ε utw Ē [%] ΔĒ [%] δ f1 1 A 0,403 0,14 2 B 0,486 0,21 3 C 0,457 0,14 4 D 0,399 0,19 5 F 0,306 0,12 A Ekosil 22,5 24% SiO 2 z Molochite (CMC i obsypka); B Ekosil 22,5 24% SiO 2 z SiO 2, C Ekosil z kwarcem topionym (KT); D Ekosil, CMC na krzemianie cyrkonu, obsypka SiO 2, F KE na zmianę z zolem kwasu krzemowego (ZKK) z SiO 2 Tabela 2. Skurcz na modelach rzeczywistych - rys. 2 i 3 Table 2. Contraction Ε u determined on real patterns Fig. 2 and 3 Lp. Rodzaj FC Utwardzanie FC -Ε utw Ē [%] ΔĒ [%] - δ f1 1 J 0,136 0,076 2 B o,146 0,083 3 F 0,120 0,08 4 K 0,158 0,085 5 C 0,126 0,072 6 A 0,140 0,07 J Sikop z SiO 2 (CMC i obsypka); K KE na zmianę z ZKK oraz Molochite (CMC i obsypka)

4 Sposób prowadzenia badań Określono wartości błędów δ op, δ f1, δ f2, δ o,f. Błędy wykonania modelu polistyrenowego z zależności δ op =ΔM, gdzie ΔM jest odchyłką sześciosigmową dla partii badanych modeli. Przy czym pomiary modeli wykonano wykorzystując współrzędnościową maszynę pomiarową ZEISS UMC 550 z głowicą HSS. Tabela 3. Odkształcenie FC powstałe w wyniku spiekania spoiwa Table 3. Deformation of ceramic molds due to baking of binder arised Lp. Rodzaj FC SpiekanieFC Ē sp śr [%] ΔĒ sp [%] - δ f2 1 B 0,205 0,09 2 A 0,17 0,082 3 C 0,15 0,051 4 D 0,176 0,075 5 L 0,16 0,07 L Ekosil (CMC na krzemianie cyrkon) obsypka KT. Obciążenie próbek podczas badań ( G/cm 3 ) Tabela 4. Odkształcenie FC powstałe w czasie wypełniania form ciekłym stopem Al Table 4. Deformation of ceramic molds occurred during filling with liquid Al alloy Lp. Rodzaj FC Rozszerzenie FC R (zakres temperatury < 600 o C) α [%/100 o C] R śr [%] ΔR [%] - δ f3 1 B 0,044 0,22 0,075 2 A 0,233 0,70 0,24 3 C 0,0095 0,05 0,017 4 D 0,22 0,67 0,223 5 L 0,0295 0,07 0,024 Pozwoliło to na zmniejszenie do minimum błędów pomiarowych, które szacunkowo określono jako około 0,02 mm. Pomiary modeli wykonano na kształtach rys. 2 i rys. 3, wymiary A, B i Ø 1. Modele miały stałą grubość 15 mm. Błędy FC powstałe podczas utwardzania FC i usuwania z nich modeli δ f1 określono na próbie płytkowej (płytki z polistyrenu) nanosząc na nie warstwy FC oraz bazy w postaci czarnych ziaren korundu (Ø około 1,0 mm), odległość między ziarnami mierzono na mikroskopie warsztatowym sprzężonym z komputerem Próba płytkowa pozwoliła na wyznaczenie skurczu swobodnego δ f1. Wartość δ f1 dla skurczu hamowanego (wymiar zewnętrzny modelu) i mieszanego (otwór w modelu) wyznaczono przy wykonaniu FC na modelach rzeczywistych w postaci tulei lub prostopadłościanu (rys. 2 i 3). Podczas obróbki cieplnej (temperatura wyżarzania FC od 950 do 1000 o C) w czasie do 2h, następuje częściowe spiekanie spoiwa i jego skurcz (błędy FC - δ f2 ). Badania dialektometryczne ziaren wymiarowych FC w funkcji temperatury prowadzono z użyciem aparatury firmy Rigaku Denki, Leitza oraz własnej wykonanej w Zakładzie

5 187 Odlewnictwa Politechniki Warszawskiej pod obciążeniem od około 100 do 400 G/cm 2. Jest to obciążenie odpowiadające ciśnieniu ciekłego metalu na najniżej położone elementy formy ceramicznej oraz oddziaływanie częściowe krzepnącego odlewu na FC. Wartość δ o,f związanego ze skurczem metalu (odlewu) i odkształceniem FC wskutek działania na nią ciekłego AK 9 zostaje wyliczona z równania (L-M) 2 = δ 2 f1 + δ 2 f2 + δ 2 2 f3 + δ o,f (2) 2.4. Wyniki z badań Wyniki z badań δ fi przedstawiono w tabelach 1 do 4. Ponadto wyznaczono dla wymiarów A i B (rys. 2 i 3) uśrednione wartości L-M - 0,0107 M nom (± 0,06 %) forma z KT, 0,0119 M nom (± 0,11 %) forma z SiO 2, - 0,0112 M nom (± 0,08 %) forma na bazie glinokrzemianów (Molochite), Zgodnie z wzorem (2) wykorzystując dane z badań obliczono δ o,,f, które wynosi: 1) dla skurczu mieszanego z wykorzystaniem FC na KT 1,2261 %, form na SiO 2 1,715 % oraz form na Molochite (M) 1,2402 %, 2) dla skurczu hamowanego FC na KT 0,91 %, SiO 2 1,15 %, M 0,96 %. 3. ANALIZA WYNIKÓW BADAŃ Szacunkowo dla badań z udziałem stopu AK 9, skurcz liniowy odlewów [2] powinien wynieść od 0,9 % (skurcz hamowany) do 1,2 % (skurcz swobodny). Rys. 4. Zestaw odlewów w MWM Fig. 4. Investment castings assembly Rys. 5. Łańcuch wymiarowy powstały w kolejnych fazach procesu Replicast CS Fig. 5. Dimensional chain developed in consecutive phases of Replicast CS process

6 188 Z uwagi na skomplikowany układ pojedynczych odlewów w zestawie rys. 4, które tworzą sieć nie na możliwości wyznaczenia bezpośredniego odkształceń FC w czasie krzepnięcia odlewu [3]. Zgodnie z otrzymanymi wynikami badań widać, że odkształcenia FC w fazie krzepnięcia odlewów są stosunkowo niewielkie i osiągają wartości dziesiątych procenta w odniesieniu do wymiaru nominalnego wnęki formy ceramicznej. Forma wtryskowa do wytwarzania modeli polistyrenowych jest droga, z tego względu istnieje konieczność precyzyjnego określenia wymiarów wnęki formy P nom wraz z odchyłką wykonania ΔP. Z łańcucha wymiarowego przedstawionego na rys. 5 możemy wyznaczyć łatwo wymiar prawdopodobny P nom, znając wartości skurczu modelu U M, form ceramicznych E, rozszerzenia formy ceramicznej R oraz skurczu odlewu z odkształceniem FC-U o,fc, oraz L nom ustalony przez konstruktora. Dokładność odlewów ΔL 6δ określona w procesie Replicast CS jest zbliżona do ΔL 6δ w MWM. 4. WNIOSKI 1. Uzyskane w badaniach wartości odchyłek wymiarowych (rys. 5), pozwalają na określenie prawdopodobnych odchyłek wymiarów odlewu ΔL 6δ, ΔL i oprzyrządowania ΔP oraz wymiar nominalny formy wtryskowej P nom. 2. Metoda analityczna pozwala z wzoru (2) (L-M) 2 = δ 2 f1 + δ f2 + δ f3 + δ o,f wyznaczyć parametr skurczu odlewu z jednoczesnym odkształceniem FC. LITERATURA [1] Grote R.E.: Replicast Ceramic Shell Molding The Process and Its Capabilities. Trans of AFS, [2] Praca zbiorowa: Poradnik Aluminium WNT, Warszawa 1967 [3] Piwonka T.S., Wiest I.M.: Factors Affecting Investment Casting Pattern Die Dimensions Incast June SUMMARY DIMENS IONAL ACCURACY OF CASTINGS MADE BY REPLICAST CS METHOD Evaluation of dimensional accuracy of AlSi castings in the aspect of ceramic molds properties is presenter. An analytical method for obtaining dimensional values, based on earlier investigations of errors arising in consecutive phases of Replicast CS manufacturing process is proposed. Accuracy of castings made by Replicast CS method i compared with quality of conventional investment castings. Recenzował Prof. Marian Perzyk