BADANIE DOKŁADNOŚCI WYMIAROWEJ W METODZIE ZGAZOWYWANYCH MODELI

Transkrypt

1 118/18 ARCHIWUM ODLEWNICTWA Rok 2006, Rocznik 6, Nr 18 (2/2) ARCHIVES OF FOUNDRY Year 2006, Volume 6, N o 18 (2/2) PAN Katowice PL ISSN BADANIE DOKŁADNOŚCI WYMIAROWEJ W METODZIE ZGAZOWYWANYCH MODELI A. KARWIŃSKI 1, R. HARATYM 2 1 Instytut Odlewnictwa w Krakowie, Zakład Prototypowania Odlewów i Projektowania Zaawansowanych Technologii 2 Politechnika Warszawska Wydział Inżynierii Produkcji STRESZCZENIE W artykule przedstawiono badania jakościowe odlewów otrzymanych metodą zgazowywanych modeli. Oszacowano wartość odchyłki wymiarowej odlewów, wielkość rozepchnięcia R z odlewniczej formy wykonanej według metody pełnej formy (Lost Foam). Dane z badań pozwolą na optymalny dobór wymiarów wnęki metalowej matrycy do wykonywania modeli z polistyrenu spienionego. Keywords: dimensional accuracy, lost foam technology, full mould process 1. UWAGI WSTĘPNE Podstawowym celem stosowania precyzyjnych metod odlewania (np. metody zgazowywanych modeli) jest uzyskanie skomplikowanych odlewów o dużej dokładności odtworzenia kształtu i powierzchni oraz zacieśnionych tolerancjach wymiarowych. Takie właściwości odlewów pozwalają do minimum ograniczyć pracochłonność i energochłonność procesu wytwarzania części. 2. OCENA ZMIAN WYMIAROWYCH ODLEWU W METODZIE ZGAZO- WYWANYCH MODELI Dokładność wymiarowa odlewów najczęściej określana jest przez sześciosigmową odchyłkę wykonania odlewu L 6σ. Dla odlewów precyzyjnych wykonanych metodą pełnej formy mamy: 1 dr inż.: akarw@iod.krakow.pl 2 dr inż.: itmat@wip.pw.edu.pl 213

2 2 2 2 L6δ = δ s + δ M + δ f + δ u gdzie: δ s suma odchyłek błędów systematycznych związanych z błędami wykonania matrycy do wytwarzania modeli i błędami pomiarów odlewów lub form ceramicznych, δ M błędy wykonania modeli, δ f błędy wykonania formy będą sumą błędów powstałych podczas zalewania formy ciekłym metalem (rozszerzenie formy oraz jej rozepchnięcie przez ciekły metal), δ u błędy związane ze skurczem ciekłego metalu podczas krzepnięcia i stygnięcia odlewów (hamowanym często przez oddziaływanie formy). Na postawie badań przeprowadzonych w Zakładzie Odlewnictwa Politechniki Warszawskiej szacunkowo określono wartości odchyłek w kolejnych fazach procesu technologicznego. Wartość odchyłek w przypadku odlewów staliwnych wykonanych metodą zgazowywanych modeli (metoda pełnej formy ) przedstawiają się następująco: δ s około 0,08 L, δ M około 0,25 L do 0,30 L, δ f wartość odchyłki formy około 0,40 L (wraz z błędami związanymi z rozszerzeniem formy po zalaniu), δ u od 0,2 L do 0,25 L; gdzie δ u zależy od błędów związanych ze skurczem staliwa i odkształceniem formy podczas krzepnięcia odlewów (rozepchnięcie formy) Zjawiska powodujące rozepchnięcie formy, wykonanej zgodnie z metodą pełnej formy, przez ciekły metal przebiegają podczas zalewania i następnie krzepnięcia metalu. Nie ma możliwości ustalenia osobno wartości skurczu i wartości rozepchnięcia. Skurcz swobodny dla określonego gatunku staliwa jest mniej więcej stały i wynosi 2,0 do 2,2%. Zatem rozepchnięcie formy R z można określić wzorem: R z = L (M U) gdzie: L wymiar odlewu, [mm], M wymiar modelu, [mm], U skurcz metalu, [mm]. Wartość rozepchnięcia R z najczęściej zależy od następujących czynników: stopnia zagęszczenia złoża piasku kwarcowego, składu złoża, masy formierskiej i rodzaju formy, ciśnienia statycznego i dynamicznego ciekłego metalu, grubości ścian odlewu (moduł krzepnięcia odlewu). 3. OCENA DOKŁADNOŚCI MODELU I ODLEWU Do badań i analizy wymiarowej wytypowano modele wykonane z polistyrenu spienionego oraz odlewy koronki o masie 5,5 kg wykonane metodą modeli zgazowywanych. Tworzywo odlewu - staliwo o oznaczeniu 42CrMo4 (zgodnie z normą DIN). 214

3 Zestawy odlewnicze były umieszczane w złożu piasku kwarcowego zagęszczanym podciśnieniem o wartości około 0,05 MPa. Gęstość stosowanego modelu wynosiła około 25 kg/m 3. temperatura zalewania ciekłego metalu wynosiła 1625±15 0 C. Szkic koronki z głównymi wymiarami przedstawia rysunek 1. Rys. 1. Obraz badanego odlewu Fig. 1. The picture of the tested cast Dokonano pomiarów modelu i odlewu kierując się następującymi zasadami: a) bazy pomiarowe powinny być usytuowane na powierzchniach płaskich bez wad, gdyż pochylenia powodują znaczne odchyłki pomiarowe, b) narzędzia pomiarowe (suwmiarka dokładność odczytu 0,02mm) powinna zapewnić niepewność pomiaru poniżej 20% tolerancji wykonania wyrobu. Wybór wymiarów do analizy dokonano zgodnie zgodnie klasyfikacją przedstawioną w tablicy 1 dzieląc wymiary na trzy grupy: S wymiary skurczu swobodnym; M wymiary o skurczu mieszanym - swobodnym i hamowanym; H wymiary o skurczu hamowanym. Przy czym zakłada się, że maksymalny skurcz należy oszacować na poziomie 2,1%, a minimalny na poziomie 1,7%. 215

4 Tablica 1. Klasyfikacja wymiarów modeli i odlewów wykonanych metodą pełnej formy zastosowana do analizy wymiarowej Table 1. The classification of the dimensions of patterns and castings made by the lost foam technology Charakterystyka wymiaru model odlew Wymiary zewnętrzne prostopadłe i równoległe do kierunku wyjmowania modelu z matrycy M z1 M z3 M z2 L z1 L z3 L z2 Wymiary wewnętrzne prostopadłe i równoległe do kierunku wyjmowania modelu z matrycy Wymiary mieszane określające głębokość nieprzelotowych otworów i wysokość występów do kierunku wyjmowania modelu oraz przypadki wymiarów do kierunku wyjmowania modeli M w Wymiary grubości równoległe do kierunku wyjmowania modeli z matrycy M G1, M G2 M G1 = M z1 M M2 Wymiary głębokości prostopadłe do kierunku wyjmowania modelu z matrycy M G3 = 1/2 (M Z2 -M W1 ) ± x Wymiary zewnętrzne odtworzone w dwóch częściach matrycy prostopadłe do kierunku wyjmowania modelu z matrycy M Z = M Z1 + y M z4 M w1 M w2 M w3 M M1 M M2 M M3 M G1 M G2 M G3 M Z L z4 L w1 L w2 L w3 L M1 L M2 L M3 L G1 L G2 L Z W tablicy 2 przedstawiono wyniki pomiarów wymiarów modeli i odlewów. W tablicy 2 wymiary o oznaczeniu S odpowiadają oznaczeniu M Z w tablicy 1 i dalej M odpowiada M M oraz H wymiarom M W a wymiary grubości wymiarom M M. W praktyce tolerancje wykonania wymiarów H powinny być najmniejsze, zaś S największe. Potwierdzają to wyniki w tablicy 2. Różnice M L dla wymiarów S są największe, natomiast M L dla wymiarów H są najmniejsze, co później rzutuje na wartość L. 216

5 Tablica 2. Wyniki pomiarów modeli i odlewów koronki wykonanych zgodnie z metodą zgazowywanych modeli (patrz rysunek 1) Table 2. The measurement results of patterna and castings of drill bit made by the lost foam technology (see fig. 1) Odlew wykonany metodą Model Rodzaj wymiaru pełnej formy** [mm] Lp. polistyrenowy* (tablica 1) Pokrycie Pokrycie Ashlanda [mm] cyrkonowe z glinką S 1 (wymiar swobodny) S 2 (wymiar swobodny) H 1 (wymiar hamowany) M 1 (wymiar mieszany) M 2 (wymiar mieszany) G 1 M (grubość) G 2 M (grubość) 150,30 147,89 148,03 200,30 197,16 197,08 74,62 73,86 73,66 185,02 182,48 183,07 96,12 95,10 95,06 12,89 12,83 12,62 12,22 12,68 12,64 Należy podkreślić, że znając cząstkowe błędy wymiarowe dla kolejnych faz procesu technologicznego, możemy wyznaczyć potrzebne wymiary oprzyrządowania do wykonywania modeli zgodnie z łańcuchem wymiarowym podobnym jak dla metody wytapianych modeli. Na podstawie pomiarów (tablica 2) ustalono, że podstawowy parametr (dotyczący sumarycznych zmian wymiarowych M-L) jako różnica wymiarów modelu i odlewu, wyniósł w metodzie pełnej formy: - dla wymiarów swobodnych, wartość średnia dla S 1 i S 2 około 1,55%; - dla wymiaru hamowanego H 1 około 1,16%; - dla wymiarów mieszanych (średnio wszystkich wymiarów M) około 1,28%. 217

6 Są to wyniki będące pewną prognozą z uwagi na brak stałych baz wymiarowych (niezgodność baz modelu z odlewem). Wartości M-L dla pełnej formy są większe o około 0,15 do 0,3% od metody wytapianych modeli, co jest związane głównie z rozepchnięciem formy ciekłym metalem i co zwiększa tolerancję wykonania odlewów. 4. PODSUMOWANIE 1) Wyniki z pomiarów dokładności wymiarowej (w oparciu o wcześniejsze badania prowadzone w Zakładzie Odlewnictwa Politechniki Warszawskiej) sugerują, że dokładność reprezentowana przez odchyłkę wymiarową sześciosigmową odlewów wykonanych metodą modeli zgazowywanych - L 6σ szacunkowo będzie wynosić około 1% wymiaru nominalnego odlewu. 2) Zastosowanie do obliczeń danych z badań pozwala na otrzymanie optymalnego wymiaru metalowej matrycy do wykonywania modeli odlewniczych z polistyrenu spienionego, co w konsekwencji pozwala na obniżenie kosztu wykonywania odlewów. LITERATURA [1] Arendarski J.: Niepewność pomiarów. Oficyna Wydawnicza PW, Warszawa 2003, [2] Karwiński A., Haratym R.: Wpływ właściwości ciekłego metalu i formy ceramicznej na jakość odlewów w metodzie wytapianych modeli. Materials Engineering, Vol.10, 2003, No.3, Żilina, Słowacja, [3] Karwiński A., Żółkiewicz Z., Król S.: The Use of Lost Foam Casting Process for the Machine Elements Production. - VI Międzynarodowa konferencja pt.: Poprawa Jakości w Odlewnictwie 2004 Szklarska Poręba [4] Perzyk M., Błaszkowski K., Haratam R., Iwaszkiewicz S.: Materiały do projektowania procesów odlewniczych, PWN, Warszawa 1990 SUMMARY CHECKING THE DIMENSIONAL ACCURACY IN LOST FOAM TECHNOLOGY The article describes the quality inspection of castings made by the lost foam technology. The values of dimensional deviations of castings and of the swell of mould cavity were estimated. The results should enable an optimum choice of the die cavity dimensions in which the foamed polystyrene patterns are made. Recenzował: Doc. Jerzy Stachańczyk 218