Jerzy Z. Sobolewski (red.), Janusz Sobieszczański, Stefan Kapiński. Techniki wytwarzania. Technologie bezwiórowe

Jerzy Z. Sobolewski (red.), Janusz Sobieszczański, Stefan Kapiński Techniki wytwarzania. Technologie bezwiórowe Warszawa 2012

Politechnika Warszawska Wydział Samochodów i Maszyn Roboczych Kierunek studiów "Edukacja techniczno informatyczna" 02-524 Warszawa, ul. Narbutta 84, tel. (22) 849 43 07, (22) 234 83 48 ipbmvr.simr.pw.edu.pl/spin/, e-mail: sto@simr.pw.edu.pl Opiniodawca: prof. dr hab. inż. Sławomir BIAŁAS Projekt okładki: Norbert SKUMIAŁ, Stefan TOMASZEK Projekt układu graficznego tekstu: Grzegorz LINKIEWICZ Skład tekstu: Janusz BONAROWSKI Publikacja bezpłatna, przeznaczona dla studentów kierunku studiów "Edukacja techniczno informatyczna" Copyright 2011 Politechnika Warszawska Utwór w całości ani we fragmentach nie może być powielany ani rozpowszechniany za pomocą urządzeń elektronicznych, mechanicznych, kopiujących, nagrywających i innych bez pisemnej zgody posiadacza praw autorskich. ISBN 83-89703-71-8 Druk i oprawa: STUDIO MULTIGRAF SP. Z O.O. ul. Ołowiana 10, 85-461 Bydgoszcz

Spis treści Wstęp... 5 1. Odlewnictwo... 7 1.1. Tworzywa odlewnicze...8 1.2. Odlewanie w formach piaskowych...14 1.3. Specjalne metody wytwarzania odlewów...31 1.4. Literatura do rozdziału 1...44 2. Obróbka plastyczna... 47 2.1. Wiadomości ogólne...48 2.2. Kucie...49 2.3. Walcowanie, ciągnienie, wyciskanie, przepychanie...57 2.4. Tłoczenie...62 2.5. Literatura do rozdziału 2...69 3. Spawalnictwo... 71 3.1. Wprowadzenie do procesów spawania i zgrzewania...72 3.2. Przygotowanie powierzchni do spawania i budowa spoiny...75 3.3. Naprężenia i odkształcenia spawalnicze...81 3.4. Pękanie połączeń spawanych...86 3.5. Spawalność...90 3.6. Podstawowy podział metod spawania...91 3.7. Spawanie gazowe. Spawanie termitowe...92 3.8. Spawanie elektryczne lukowe...94 3.9. Spawanie plazmowe...102 3.10. Spawanie elektrożużlowe...103 3.11. Spawanie elektronowe...104 3.12. Spawanie laserowe...107 3.13. Podstawowe informacje o konstrukcji połączeń spawanych..109 3.14. Zgrzewanie...114 3.15. Spawanie i zgrzewanie tworzyw sztucznych...126 3.16. Procesy pokrewne spawaniu...129 3.17. Literatura do rozdziału 3...130

Wstęp Niniejsze materiały zostały opracowane w ramach realizacji Programu Rozwojowego Politechniki Warszawskiej współfinansowanego przez Unię Europejską w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego - PROGRAM OPERACYJNY KAPITAŁ LUDZKI. Przeznaczone są dla studentów kierunku EDUKACJA TECHNICZNO INFORMACYJNA na Wydziale Samochodów i Maszyn Roboczych Politechniki Warszawskiej. Niniejsze opracowanie przygotowano dla przedmiotu pt. Techniki wytwarzania - technologie bezwiórowe. Jego zawartość merytoryczna w pełni odpowiada zakresowi opisanemu w programie opracowanym dla tego przedmiotu. Całość opracowanych materiałów dydaktycznych dla ww. przedmiotu zawarta została w 3 rozdziałach. Rozdział 1 został poświęcony odlewnictwu. Omówiono w nim tworzywa odlewnicze, odlewanie w formach piaskowych i specjalne metody odlewania. W rozdziale 2 przedstawiono podstawy obróbki plastycznej. Omówiono w nim podstawowe rodzaje obróbki plastycznej jak: kucie, walcowanie, ciągnienie, przepychanie, wyciskanie i tłoczenie. W rozdziale 3 przedstawiono zarys procesów spawania i zgrzewania. Przedstawiono istotę procesów spajania, omówiono naprężenia i odkształcenia spawalnicze, podstawowe metody spawania i zgrzewania. Materiały uzupełniające i aktualizujące do przedmiotu będą udostępniane studentom za pośrednictwem systemu e-learning.

1 Odlewnictwo W tym rozdziale: o Tworzywa odlewnicze o Odlewanie w formach piaskowych o Specjalne metody odlewania o Literatura do rozdziału 1

ROZDZIAŁ 1 1.1. Tworzywa odlewnicze Wstęp Odlewnictwo jest jedną z podstawowych metod wytwarzania części maszyn. Udzial wagowy odlewów w światowym przemyśle samochodowym, lotniczym, okrętowym, gospodarstwa domowego itp. dochodzi do 80% i ma tendencję wzrostową dzięki stosowaniu nowych technik wytwarzania. Systematyczny wzrost produkcji można również zauważyć w Polsce, w 2007r. produkcja odlewów osiągnęła prawie 850 tys. ton, a w roku 2008 produkcja przekroczyła 920 tys. ton. Zapotrzebowanie na elementy maszyn wykonywane metodą odlewania związane jest m.in. z faktem, że w Polsce wielkość produkcji w stosunku do pozostałych krajów UE jest niekorzystna. W odlewnictwie żeliwa na 1 zatrudnionego przypada w Polsce ok. 30 t rocznie a w najwyżej rozwiniętych krajach wydajność ta sięga 100 t. W podręczniku omówiono tylko odlewnictwo tworzyw odlewniczych metalowych (krócej zwanych metalami), których znaczenie i zastosowanie - mimo wzrastającej konkurencji tworzyw sztucznych jest największe. Podział tworzyw Tworzywa odlewnicze dzieli się na: stopy żelaza (żeliwa i staliwa) i stopy metali nieżelaznych. Żeliwo jest to stop żelaza z węglem zawierający zwykle od 2,2% do 3,8% C. Staliwo jest to stal zawierająca od 0,1 do 0,6% C odlewana w formach odlewniczych. Około 90% odlewów wykonuje się ze stopów żelaza, w tym na odlewy z żeliwa szarego przypada około 85% produkcji, na odlewy ze staliwa około 10%, a na odlewy z żeliwa ciągliwego 5% produkcji. Żeliwa szare Strona 8 Najbardziej rozpowszechnionym odlewniczym stopem żelaza jest żeliwo szare, w którym cały węgiel (ponad 2%) lub znaczna jego część występuje w postaci wolnej w formie płatków grafitu. Powszechność stosowania odlewów z żeliwa szarego wypływa z jego dobrych właściwości użytkowych przy stosunkowo małych kosztach produkcji (małe koszty topienia, bardzo dobre właściwości odlewnicze, mały, około 1%, skurcz

ODLEWNICTWO odlewniczy, zdolność tłumienia drgań, dobra skrawalność). Żeliwo szare dzieli się, zgodnie z PN-EN 1561:2000, na sześć gatunków, które oznaczamy znakiem EN-GJL- i liczbami 100, 150, 200, 250, 300, 350. Liczby te podają minimalną wytrzymałość na rozciąganie Rm MPa. Materiał może być też oznaczony odpowiednimi numerami np EN-JL1010 (dla żeliwa EN-GJL-100), EN-JL1060 (dla żeliwa EN-GJL350). Żeliwa EN- GJL-100, 150 (ferrytyczne) stosuje się na odlewy handlowe, rury kanalizacyjne, żeliwa EN-GJL-200,300 (ferrytyczno perlityczne) na cylindry, tłoki, łoża obrabiarek a EN-GJL-350 (perlityczne) stosuje się na silnie obciążone elementy maszyn, korpusy silników, turbin. UWAGA! Wytrzymałość i twardość żeliwa szarego jest silnie zależna od grubości ścianek odlewu, np. odlew o grubości ścianki 5 10 mm ma R m =205 MPa przy twardości 225 HB (Brinella), a odlew o grubości ścianki 20 40 mm ma R m =155 MPa przy twardości 155 HB. Żeliwa sferoidalne Żeliwo sferoidalne stosuje się w przypadkach, w których wymagana jest duża wytrzymałość i wysoka granica plastyczności (kadłuby, korpusy, korbowody), duża wytrzymałość zmęczeniowa w granicach 157-196 MPa (wały korbowe i rozrządu) oraz duża odporność na ścieranie (tuleje, koła zębate). Wytrzymałość żeliwa sferoidalnego, w porównaniu do żeliwa szarego jest przeciętnie dwukrotnie wyższa. Daje to możliwość konstrukcji odlewów o istotnie obniżonym ciężarze w stosunku do odlewów z żeliwa szarego. Żeliwo to otrzymuje się przez dodanie do żeliwa szarego modyfikatorów (magnezu lub stopów magnezu) w wyniku czego część węgla wydziela się w czasie krzepnięcia w postaci kulek grafitu, a nie jak w żeliwie szarym w postaci płatków grafitu. Żeliwo sferoidalne dzieli się, zgodnie z PN-EN 1563:2000, na trzynaście gatunków Podstawą klasyfikacji jest wytrzymałość na rozciąganie R m. Oznaczenia materiału dokonuje się za pomocą znaku lub numeru. Przykład oznaczenia: żeliwo o znaku EN-GJS-350-22 (nr EN-JS1010) oznacza R m =350 MPa, umowną granicę plastyczności R po,2 =220 MPa i wydłużenie A 5 =22% min. Żeliwa ciągliwe Otrzymuje się je z żeliwa białego (pominięto jego omówienie) przez wyżarzanie w temperaturze 900-1000 o C przez długi czas (około 1000 godzin). Podczas tego zabiegu bardzo twardy i kruchy składnik żeliwa - cementyt (węglik żelaza) przemienia się w tzw. węgiel żarzenia, dzięki Strona 9

ROZDZIAŁ 1 czemu materiał staje się plastyczny, osiągając wydłużenie do 12% oraz całkowicie obrabiany skrawaniem przy wytrzymałości na rozciąganie 290 700 MPa. Stosowane jest do wytwarzania drobnych odlewów części maszyn rolniczych, motoryzacyjnych (np. przeguby Cardana), armatury itp. Zgodnie z PN-EN 1562:2000, dzieli się je na dwa rodzaje oznaczone znakiem lub numerem. Cyfry w znakach podają kolejno minimalną wytrzymałość na rozciąganie i wydłużenie A 3,4 (min). Przykłady oznaczeń: żeliwo ciągliwe białe np. EN-GJMW-350-4 posiada R m = 350 MPa i A 3,4 = 4%, żeliwo ciągliwe czarne np. EN-GJMB-300-6 posiada R m=300 MPa i A 3,4 =6%. Żeliwa austenityczne Żeliwa austenityczne, zwane dawniej żeliwami stopowymi, są to materiały wysokostopowe o osnowie austenitycznej, zawierającej nikiel (12 36%) i mangan (0,5 7) oraz niekiedy miedź i chrom. PN-EN 13835:2005 określa gatunki żeliwa austenitycznego konstrukcyjnego oraz żeliwa specjalnego przeznaczenia. Oznacza się je symbolami EN- GJLA-XNi, dalej następują symbole chemiczne pierwiastków stopowych i liczby określające ich średnią procentową zawartość. Żeliwa te są odporne na działanie wysokiej temperatury i korozję lecz stosowane są głównie ze względu ich własności magnetyczne lub bardzo małą rozszerzalność cieplną. Przykład oznaczenia: żeliwo konstrukcyjne o znaku EN-GJLA- XNiCuCr15-6-2 (nr EN-JL3011) posiada R m =170 210 MPa, moduł sprężystości E =85 105 10 3 MPa i wydłużenie A 5 =2%. Staliwa węglowe Staliwo węglowe wg PN - ISO 3755:1994 obejmuje 8 gatunków staliw w zależności od wartości wytrzymałości na rozciąganie i wartości wyraźnej granicy plastyczności oraz w zależności od tego czy dobór składu chemicznego pozostawia się producentowi, czy też jest on określony w normie (litera W przy oznaczeniu gatunku staliwa). Gatunki oznaczone literą W zawierają 0,25 % C, 1,0-1,5 % Mn, 0,6 % Si oraz inne pierwiastki, których suma nie powinna przekraczać 1 % (przeznaczone są do spawania). Staliwa zawierające do 0,25 % C są dobrze spawalne, do 0,35 % C spawalne. Oznaczenie gatunku staliwa składa się z liczb Strona 10

ODLEWNICTWO określających granicę plastyczności i wytrzymałość na rozciąganie, rozdzielonych myślnikiem. Przykład oznaczenia: staliwo węglowe 340-550W posiada R e =340 MPa i R m =550 MPa. Staliwa stopowe konstrukcyjne Wg PN-EN 10340:2007 oznaczenie gatunku składa się z: litery L, liczby określającej średnią zawartość węgla w setnych częściach procenta, liter oznaczających pierwiastki stopowe: F - wanad, G - mangan, S - krzem, H - chrom, N - nikiel, M molibden, np. gatunek L35HGS zawiera 0,30 040% C, 0,60 0,80% Si, 1,10 1,50% Mn, 0,60 090% Cr. Przykład oznaczenia: staliwo stopowe L35HGS zawiera 0,30 0,40% C, 0,60 0,80% Si, 1,10 1,50% Mn, 0,60 0,90% Cr R e =340 MPa R m =550 MPa. Obróbka cieplna odlewów ze stopów żelaza Obróbka cieplna odlewów ma na celu poprawę właściwości mechanicznych odlewu. Zależnie od potrzeby przeprowadza się obróbkę cieplną w celu zmniejszenia twardości przed obróbką skrawaniem, usunięcia naprężeń własnych odlewu, utwardzania odlewu. Podstawową obróbką cieplną stosowaną do ważniejszych odlewów jest wyżarzanie odprężające. Do odlewów żeliwnych najczęściej stosuje się wyżarzanie odprężające w temperaturze około 500 C, usuwające naprężenia powstałe podczas krzepnięcia odlewu. Często stosuje się wyżarzanie zmiękczające (760-820 C) powodujące częściową grafityzację cementytu. Odlewy staliwa poddaje się zawsze normalizowaniu, a ponadto można je poddawać różnym rodzajom obróbki cieplno-chemicznej, jak nawęglaniu, azotowaniu, hartowaniu z odpuszczaniem itp. co znacznie poprawia właściwości mechaniczne odlewu. Do najczęściej stosowanych operacji obróbki cieplno chemicznej stopów odlewniczych należą: nawęglanie staliwa (głębokość warstwy 0,4 1,4 mm), azotowanie ( głębokość warstwy 0,02 0,06 mm) i cynkowanie staliwa i żeliwa, aluminiowanie żeliwa (głębokość warstwy 0,2 0,5 mm), Strona 11

ROZDZIAŁ 1 nachromowywanie (głębokość warstwy 0,05 0,15 mm), nakrzemowywanie (głębokość warstwy 0,2 0,9 mm). Stopy metali nieżelaznych W krajach wysoko uprzemysłowionych stale wzrasta udział odlewów ze stopów metali nieżelaznych, głównie aluminium, miedzi, cynku, ołowiu magnezu i tytanu. W przemyśle lotniczym szerokie zastosowanie znajdują stopy magnezu i tytanu. Sposób oznaczeń opiera się na systemie oznaczeń numerycznych i na podstawie symboli chemicznych. Cyfry po symbolach chemicznych oznaczają średnią zawartość procentową głównych składników stopowych. Stopy aluminium Stopy aluminium charakteryzują się małą gęstością przy dobrej wytrzymałości i znalazły szerokie zastosowanie w budowie maszyn. Podział stopów zawarto w PN-EN 1706:2011. Zarówno oznaczenie numeryczne jak i oznaczenie symbolami chemicznymi zaczyna się od liter EN AB-. Oznacza się również typ stopu, np. stopy typu AlCu składają się z 2 składników (w nawiasach oznaczenie symbolami chemicznymi): 1. EN AB-21000 (EN AB-AlCu4MgTi); 2. EN AB-21100 (EN AB- AlCu4Ti). Często stosowany na skomplikowane odlewy jest silumin (oznaczany dawniej AK9): EN AB-43200 czyli EN AB-AlSi10Mg(Cu) Ze względu na dobre własności mechaniczne (R m < 300 MPa, A 5 < 27%) szerokie zastosowanie znajduje stop PA6. Odlewy te można poddawać hartowaniu i odpuszczaniu. Odlewy ze stopów aluminium z miedzią, magnezem oraz niektóre stopy magnezu poddaje się przesyceniu i starzeniu. Stopy miedzi Miedź odznacza się doskonalą przewodnością cieplną i elektryczną. Wykaz stopów miedzi i ich własności mechaniczne podaje norma PN-EN 1982:2008. Materiał oznacza się znakiem wg ISO 1190-1 lub numerem wg EN-1412. Jej stopy dzieli się na brązy (stopy z cyną) i mosiądze (stopy z cynkiem). Przykładowo, stop miedzi z cyną i ołowiem CuSn5Zn%Pb5-C ma numer CC49491K i zawiera około 85% Cu i po 5% Sn, Zn i Pb. Stopy miedzi odznaczają się dobrą lejnością a odlewy dobrą skrawalnością oraz odpornością na ścieranie i korozję. Można je poddawać obróbce cieplnej jak: wyżarzanie odprężające i ujednorodniające, hartowanie, odpuszczanie, przesycanie (brązy berylowe) i starzenie. Strona 12

ODLEWNICTWO Stopy cynku Stopy cynku wg PN-EN 12844:2001 nadają się na odlewy o dużej dokładności wymiarowej. Stopy cynku z aluminium, zwane znalami, stosowane przede wszystkim na odlewy ciśnieniowe np. ZnA14 (Z40), na stopy łożyskowe np. ZnAl30Cu1, wyroby prasowane, armaturę. Przeważnie mają one niedostateczną odporność na korozję i pełzanie. Stopy magnezu Magnez jest najlżejszym metalicznym materiałem o gęstości 1,8g/cm 3. W praktyce stosowane są przede wszystkim stopy magnezu z aluminium, cynkiem i manganem. W porównaniu ze stopami aluminium mają lepszą obrabialność skrawaniem i mniejszą granicę plastyczności. W celu podwyższenia właściwości mechanicznych stopy magnezu z aluminium można poddawać obróbce cieplnej (przesycanie i starzenie). Największe zastosowanie stopy magnezu znajdują w budowie przyrządów precyzyjnych, samochodów (np. korpusy przekładni samochodowych), sprzętu biurowego i w przemyśle lotniczym. Wyroby ze stopów magnezu wytwarzane są z dosyć dużą dokładnością jako stopy ciśnieniowe, np. stop MgAl16Mn jest stosowany do odlewania pod ciśnieniem obręczy kół samochodowych. Wymagania odlewów są określone w normie PN- EN 1753:2001 i PN-EN 12421:2001. Stopy tytanu Tytan jest lekki, ma dobrą sztywność, wytrzymałość (moduł Younga E=110 GPa dla czystego Ti) oraz odporność na temperaturę. Posiada wyjątkowo korzystne własności takie jak: duży stosunek wytrzymałości do masy (do 20:1), dużą odporność na kruche pękanie, korozję i utlenianie. Z uwagi na lepszą współpracę z materiałami kompozytowymi niż aluminium jest stosowany coraz częściej w konstrukcji nowych samolotów (np. w nowym samolocie Boeinga 787 Dreamliner [1]). Jest stosowany w produkcji elementów silników, turbin i sprężarek jak i elementów nośnych w przemyśle lotniczym. Najczęściej stosowany jest stop Ti6Al4V [4], jednak z uwagi na wysoką wytrzymałość zmęczeniową coraz częściej jest stosowany stop tytanu Ti-5Al-5V-5Mo-3CrZ. Normy PN-EN regulują postanowienia dotyczące poziomu jakości i terminologie dotyczące dostaw odlewów na rynku europejskim. Wykaz tych norm podano w tabeli 1 Strona 13

ROZDZIAŁ 1 Tabela 1.1. Postanowienia dotyczące poziomu jakości i terminologie dotyczące dostaw odlewów Nr normy PN-EN 1559-1: 2001 PN-EN 1559-2:2002 PN-EN 1559-3:2001 PN-EN 1559-4:2002 PN-EN 1559-5:2001 PN-EN 1559-6:2002 PN-EN 1982: 2010 Nazwa Odlewnictwo Warunki Techniczne dostawy Cz. 1: Postanowienia ogólne Odlewnictwo Warunki Techniczne dostawy Cz. 2: Wymagania dodatkowe dla odlewów staliwnych Odlewnictwo Warunki Techniczne dostawy Cz. 3: Wymagania dodatkowe dla odlewów żeliwnych Odlewnictwo Warunki Techniczne dostawy Cz. 4: Wymagania dodatkowe dla stopów aluminium Odlewnictwo Warunki Techniczne dostawy Cz. 5: Wymagania dodatkowe dla odlewów ze stopów magnezu Odlewnictwo Warunki Techniczne dostawy Cz. 6: Wymagania dodatkowe dla odlewów ze stopów cynku Odlewnicze stopy miedzi, wymagania 1.2. Odlewanie w formach piaskowych Pojęcia podstawowe Strona 14 W odlewnictwie jednym z najważniejszych pojęć jest forma odlewnicza. Jest to zespół elementów, które po złożeniu tworzą wnękę formy odlewniczej o kształtach odpowiadających kształtom odlewu. Odlewanie przedmiotu polega na wypełnianiu odpowiednio przygotowanych form odlewniczych ciekłym metalem. Istnieje wiele metod przygotowania form odlewniczych, zostaną one omówione dalej. Podstawowe pojęcia w odlewnictwie zostaną wytłumaczone na przykładzie odlewania ręcznego w formach piaskowych. W formach tych wytwarza się około 80-90% odlewów ze stopów żelaza i 10-20% odlewów z metali nieżelaznych W porównaniu z odlewami piaskowymi, odlewy wykonane innymi metodami charakteryzują się większą dokładnością wymiarową i mniejszą chropowatością powierzchni. Do wykonania formy piaskowej stosuje się masę formierską, tj. mieszaninę materiałów ceramicznych (np. piasku) ze spoiwem. W celu przygotowania formy należy użyć modelu odlewniczego (rysunek 1.1), który

ODLEWNICTWO odtwarza zewnętrzny kształt przedmiotu odlewanego z uwzględnieniem technologicznych warunków procesu odlewania. Kształty wewnętrzne przedmiotu (otwory, kanały, zagłębienia itp.) odtwarzane są za pomocą rdzeni. Rdzenie są wykonane w skrzynkach rdzeniowych zwanych rdzennicami. Stosowanie rdzeni powoduje konieczność umieszczenia na modelu dodatkowych części, tzw. znaków rdzeniowych, które odtworzone następnie w formie służą do umieszczenia w nich rdzeni. Aby umieścić rdzeń w formie (rysunek 1.1), należy zaopatrzyć go w dodatkowe części, tzw. rdzenniki, służące do utrzymania rdzenia w ściśle określonym miejscu formy. Modele odlewnicze wykonuje się najczęściej jako dzielone, gdyż ułatwia to wykonanie formy. Od wyboru powierzchni podziału modelu zależy jego budowa, przebieg formowania oraz dokładność wymiarów odlewu. Podział modelu może być dokonany w jednej albo kilku płaszczyznach. W niektórych modelach stosuje się podział według powierzchni krzywej. UWAGA! Główną przyczyną stosowania podziału modelu jest uzyskanie możliwości wyjęcia go z formy. Zazwyczaj płaszczyzna podziału przechodzi przez największy przekrój odlewu. Taki podział ułatwia składanie formy, dokładne ustawienie rdzeni, zagęszczanie masy itd. Wymiary zaprojektowanego modelu powinny uwzględniać skurcz metalu podczas krzepnięcia i stygnięcia (rysunek 1.6). Z tego powodu przy projektowaniu modelu dodaje się do wymiarów przedmiotu pewne naddatki na kurczenie się odlewu. Naddatki na skurcz są zależne od rodzaju metalu. Liczbowe wartości skurczu liniowego najczęściej używanych w odlewnictwie stopów są następujące: żeliwo szare 1%, staliwo 2%, stopy aluminium i magnezu 1-1,5%, stopy cynku i miedzi 0,5%. Formę wypełnia się ciekłym metalem przez system kanałów i zbiorników wykonanych w formie odlewniczej zwanych układem wlewowym, który jest wykonywany za pomocą modeli układu. Podstawą do opracowania kompletu modelowego (modelu części odlewanej, modeli układu wlewowego oraz rdzeni) jest rysunek części przeznaczonej do odlewania. Na tej podstawie można opracować rysunek surowego odlewu, wykonać model i rdzeń (lub rdzenie) oraz zaprojektować model układu Strona 15

ROZDZIAŁ 1 wlewowego. Na rysunku 1.1 przestawiono uproszony rysunek surowego odlewu, model, rdzeń oraz formę gotową do zalania płynnym metalem dla części, której formowanie pokazano na rysunku 1.2. Sposób tworzenia rysunku odlewu będzie szczegółowo omówiony dalej. Dla ułatwienia wyjęcia modelu z formy i zapobieżeniu obrywaniu się krawędzi formy lub rdzenia pochyla się nieco powierzchnie pionowe w modelach i znakach rdzeniowych. Odchylenie o pewien kąt powierzchni modelu od pionu nazywa się pochyleniem odlewniczym lub zbieżnością. Można je wyrażać w stopniach lub procentach. Np. jeżeli na długości 100 mm odchylenie od pionu wynosi 1 mm, to pochylenie jest równe 1/100 x100% = 1%. W innych metodach, np. przy odlewaniu kokilowym, ciśnieniowym - pochylenia służą do wyjęcia gotowego odlewu z formy. Rysunek 1.1. Elementy tworzenia formy odlewniczej: a) rysunek surowego odlewu, b) model, c) rdzeń, d) forma gotowa do zalania; ZR znaki rdzeniowe, ZW zbiornik wlewowy, WG wlew główny, WR wlew rozprowadzający, WD wlewy doprowadzające, PR przelew, SG skrzynka górna, SD skrzynka dolna Formowanie ręczne Strona 16 Formę odlewniczą wykonuje się w skrzynkach formierskich ograniczających wymiary formy i zabezpieczających masę formierską przed rozsypaniem się. Po zagęszczeniu masy formierskiej i wyjęciu modelu (lub połówek modeli) formę wykańcza się, wkłada rdzeń i składa skrzynki za pomocą sworzni prowadzących. Przebieg procesu formowania i kolejność czynności formowania przedstawiono na przykładzie modelu niedzielonego na rysunku 1.2.

ODLEWNICTWO Kolejność formowania formy a. ustawienie modelu (bez górnego odejmowanego znaku rdzeniowego) oraz modeli wlewów doprowadzających na płycie podmodelowej, b. nałożenie dolnej skrzynki formierskiej i pokrycie pudrem, c. nasianie przez sito warstwy masy przymodelowej, d. napełnianie skrzynki masą wypełniającą, e. ubijanie masy w skrzynce, f. zgarnięcie nadmiaru zagęszczonej masy, g. wykonanie kanałów odpowietrzających za pomocą nakłuwania, h. odwrócenie wykonanej dolnej połowy formy o 180º, ustawienie górnego znaku rdzeniowego, ustawienie na modelach wlewów doprowadzających modelu belki wlewowej (wlew rozprowadzający) i modelu wlewu głównego, i. ustawienie wg sworzni ustalających górnej skrzynki formierskiej i pokrycie powierzchni pudrem, j. nasianie przez sito masy przymodelowej i powtórzenie dotychczasowych czynności, jak przy wykonywaniu dolnych części formy, wykonanie zbiornika wlewowego i wyjęcie modelu wlewu głównego, k. zdjęcie górnej połowy formy, obrócenie jej o 180º, wyjęcie modelu przedmiotu i modeli układu wlewowego oraz kontrola twardości formy, l. wstawienie rdzenia odtwarzającego otwór do dolnej części formy, m. montaż formy oraz jej obciążenie. Strona 17

ROZDZIAŁ 1 Rysunek 1.2. Przebieg ręcznego wykonania formy z modelu niedzielonego (ze znakami rdzeniowymi) w masie formierskiej (opis a) n) w tekście) [6]: ZW zbiornik wlewowy, WG wlew główny, WR wlew rozprowadzający, WD wlewy doprowadzające UWAGA! Na rysunku 1.2n pokazano gotowy odlew razem z układem wlewowym. Na rysunku tym brak nadlewu PR pokazanego na rysunku 1.1. Po obcięciu układu wlewowego i oczyszczeniu odlewu otrzymuje się przedmiot zgodny z rysunkiem odlewu (rysunek 1.1a). W metodzie odlewania w formie piaskowej można wyróżnić następujące etapy, będące podstawą do organizacji pracy w odlewni: 1. przygotowanie modelu przedmiotu przeznaczonego do odlania (w modelarni), 2. przygotowanie rdzeni, jeżeli są przewidziane (w rdzeniarni), 3. przygotowanie formy odlewniczej, 4. przygotowanie w piecach odlewniczych ciekłego metalu przeznaczonego do wypełnienia formy (dział metalurgiczny), 5. zalanie ciekłym metalem formy odlewniczej, Strona 18

ODLEWNICTWO 6. wybicie z formy, czyszczenie i wykończenie odlewu (dział obróbki mechanicznej) oraz ewentualna obróbka cieplna (dział obróbki cieplnej). Podział metod wytwarzania odlewów W praktyce odlewniczej są stosowane formy nietrwałe (jednorazowe), półtrwałe i trwałe (rysunek 1.3). Formy nietrwałe po zalaniu metalem ulegają całkowitemu zniszczeniu (np. formy piaskowe). W formach półtrwałych można wykonać kilka do kilkuset odlewów. Formy trwałe, najczęściej metalowe praktycznie nie ulegają zniszczeniu i można w nich wykonywać nawet do kilkudziesięciu tysięcy odlewów. Przy produkcji seryjnej formy piaskowe wykonuje się maszynowo w skrzynkach formierskich z zagęszczaniem masy formierskiej na wstrząsarkach, prasach lub narzucarkach lub bezskrzynkowo. Dokładne formy są wytwarzane najczęściej metodami: wytapianych modeli, Shawa, skorupowo i ciśnieniowo. Do form trwałych zalicza się formy metalowe (kokile) służące do odlewania grawitacyjnego, ciśnieniowego (odśrodkowe, próżniowo-ciśnieniowe) oraz odlewania ciągłego. Obecnie coraz szerzej stosuje się w odlewnictwie precyzyjnym do wytwarzania form jak również modeli i rdzeni metody szybkiego prototypowania (RT z ang. Rapid Technology lub RP z ang. Rapid Prototyping). Metody RP umożliwiają skrócenie czasu wykonywania modelu i formy z kilku tygodni do kilku godzin i znaczną redukcję (do 80%) kosztów narzędziowych [3]. Strona 19

ROZDZIAŁ 1 Rysunek 1.3 Podział metod wytwarzania odlewów [6] Strona 20

ODLEWNICTWO Dokładność wykonania odlewów Tabela 1.2. Tolerancje odlewów (według PN-ISO 8062:1997) Wymiar podstawowy surowego odlewu powyżej - 10 16 25 40 63 100 160 250 do włącznie 10 16 25 40 63 100 160 250 400 Tolerancja odlewu mm Klasa tolerancji odlewu CT (Casting tolerances) 7 8 9 10 11 12 13 0,74 1 1,5 2 2,8 4,2-0.78 1,1 1,6 2,2 3 4,4-0,82 1,2 1,7 2,4 3,2 4,6 6 0.9 1 1,1 1,2 1,4 1,6 1,3 1,4 1,6 1,8 2 2,2 1,8 2 2,2 2,5 2,8 3,2 2,6 2,8 3,2 3,6 4 4,4 3,6 4 4,4 5 5,6 6,2 5 5,6 6 7 8 9 7 8 9 10 11 12 Zgodnie z normą PN-ISO 8062:1997 istnieje 16 klas tolerancji odlewów, oznaczonych CT1 do CT16 (tabela 1.2).Tolerancje odlewu zależą od wymiarów podstawowych surowego odlewu i powinny być symetryczne. Wymiar podstawowy jest to wymiar surowego odlewu przed obróbką skrawaniem (rysunek 1.4), zawierający niezbędny naddatek na obróbkę skrawaniem (w przypadku powierzchni podlegającej tej obróbce). Dobór klasy zależy od metody odlewania. Norma podaje tylko tolerancje dla odlewów wykonanych do form piaskowych formowanych ręcznie i maszynowo oraz dla formowania skorupowego (tabela 1.3). Tabela 1.3. Klasy tolerancji dla wielkoseryjnej produkcji odlewów (według PN-ISO 8062:1997) Metoda Odlewanie do form piaskowych ręcznie formowanych Odlewanie do form piaskowych formowanie maszynowe i skorupowe Staliwo Klasa tolerancji CT Materiał odlewany Stopy metali Żeliwa lekkich 11 14 11 14 9 13 8 12 8 12 7 10 Strona 21

ROZDZIAŁ 1 Rysunek surowego odlewu Rysunek surowego odlewu jest podstawowym dokumentem do opracowania dokumentacji technologicznej, zwłaszcza do opracowania wymiarów modelu i rdzeni oraz do kontroli odbioru modelu i wykonanego odlewu. Jest on wykonany na podstawie rysunku części odlewanej (rysunek 1.4a). Rysunek odlewu należy przedstawić w położeniu zalewania formy. Najważniejsze informacje i oznaczenia podane na rysunku surowego odlewu (rysunek 1.4b) są następujące: a. dane rozpoznawcze, b. oznaczenie gatunku materiału odlewu, c. naddatki na obróbkę skrawaniem, tolerancje wymiarowe oraz odchyłki masy, d. oznaczenie powierzchni podziału modelu, e. oznaczenie powierzchni bazowych przy obróbce skrawaniem, f. naddatki technologiczne, g. pochylenia formierskie, h. chropowatość powierzchni, i. dane dotyczące specjalnych wymagań stawianych odlewom i rodzaj obróbki cieplej. Ad. a). Dane rozpoznawcze obejmują nazwę części odlewanej, numer rysunku części odlewanej i surowego odlewu Dane te podaje się w tabliczce na rysunku, dodatkowo podaje się w tabliczce masę surowego odlewu z układem wlewowym, nadlewkami i przelewami. Ad. b). Podane są informacje odlewnicze dotyczące dokładnego określenia tworzywa odlewu, wpisywane również w tabliczkę rysunku. Ad. c). Wartość tolerancji wymiarowych, naddatków na obróbkę skrawaniem oraz odchyłek masy zależy od klasy dokładności odlewu, materiału odlewanego i metody odlewania (tablice 1.2, 1.3, 1.4, 1.5). Strona 22

ODLEWNICTWO Rysunek 1.4. Przykład tworzenia rysunku surowego odlewu (b) wykonanego na podstawie rysunku części (a) UWAGA! Wymagany naddatek na obróbkę skrawaniem obowiązuje dla całego surowego odlewu, tj. tylko jedną wartość wyszczególnia się dla wszystkich obrabianych powierzchni. Należy dobrać ją z odpowiedniego szeregu wymiarowego w zależności od największego wymiaru odlewu po obróbce skrawaniem. Największy wymiar odlewu nie może przekraczać sumy wymiaru końcowego, naddatku na obróbkę skrawaniem i tolerancji odlewu (rysunek 1.5). Jeżeli trzeba zastosować pochylenia odlewnicze, należy je rozpatrywać dodatkowo. Strona 23

ROZDZIAŁ 1 Zgodnie z PN-ISO 8062:1997 [11] istnieje 10 stopni naddatków na obróbkę skrawaniem oznaczonych literami od A do K. W tablicy 1.4 podano stopnie naddatków na obróbkę skrawaniem RMA (ang. Required Machining Allowance) zalecane dla niektórych metali i stopów. Tablica 1.4. Typowe stopnie naddatków na obróbkę skrawaniem dla odlewów (według PN-ISO 8062:1997) Metoda odlewania Stopień naddatku na obróbkę skrawaniem Materiał odlewany Staliwo Żeliwo szare, sferoidalne, ciągliwe Stopy metali lekkich Odlewanie do form piaskowych, formowanie ręczne G K F H F H Odlewanie do form piaskowych, formowanie maszynowe i skorupowe F H E G E G Odlewanie do form metalowych (grawitacyjne i niskociśnieniowe) - D F D F Odlewanie ciśnieniowe - - B D Odlewanie metodą wytapianych modeli E E E Tolerancje powinny być podane sposobów: według jednego z następujących z ogólną informacją dotyczącą tolerancji: np. Tolerancje ogólne ISO 8062 CT12 dotyczy to tolerancji przy ogólnie przyjętych symetrycznych odchyłkach, jeżeli przy wymiarze podstawowym jest umieszczona tolerancja indywidualna: np. 95 +3, to należy ją podać bezpośrednio po tym wymiarze. Na rysunku 1.4b przyjęto tolerancje symetryczne dla wszystkich wymiarów i podano je dla każdego wymiaru dla zobrazowania sposobu ich doboru. Na rysunku surowego odlewu należy przedstawić powierzchnie które powinny być obrabiane, w uwadze podać wartość naddatków na obróbkę skrawaniem (na rysunku 1.4b RMA= 2) i w nawiasie stopień wymaganego naddatku. Dane te należy uwzględnić, wykonując modele i oprzyrządowanie odlewnicze. Kształt odlewu należy przedstawić w położeniu zalewania formy, przy czym w miarę możliwości zaleca się podziałkę 1:1. Obrys odlewu przed obróbką zaznacza się linią ciągłą. W ten obrys wrysowuje się linią -..-" Strona 24

ODLEWNICTWO obrys odlewu po obróbce skrawaniem. Odległość między tymi liniami, czyli wielkość naddatku na obróbkę można dla większej jasności podać na rysunku. W przypadku, gdy odlew jest pokazany w przekroju, a chce się wyraźnie podkreślić wielkość naddatku na obróbkę, odległość między tymi liniami zakreskowuje się podwójnie gęsto w porównaniu z pozostałą powierzchnią przekroju. Rysunek 1.5. Określenie wymiarów odlewu przy obróbce skrawaniem. a) zewnętrznych i wewnętrznych, b) powierzchni stopniowanych, c) jednej powierzchni bocznej [5]: R wymiar podstawowy surowego odlewu, F wymiar krańcowy po obróbce skrawaniem, RMA wymagany naddatek na obróbkę skrawaniem, CT tolerancja odlewu UWAGA! Naddatki na obróbkę skrawaniem są zależne nie tylko od klasy odlewu ale i od położenia odlewu w formie. Dopuszcza się zwiększenie naddatków na górnej powierzchni odlewu do 50% wartości podanych w tablicach. Strona 25

ROZDZIAŁ 1 Tablica 1.5. Naddatki na obróbkę skrawaniem RMA (Required machining allowance) - według PN-ISO 8062:1997 Największy wymiar mm Naddatki na obróbkę skrawaniem mm Pow. - 40 63 100 160 250 400 630 do włącz. 40 63 100 160 250 400 630 1000 Stopień naddatku na obróbkę skrawaniem B C D E F G H 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,7 0,8 0,9 0,2 0,3 0,4 0,5 0,7 0,9 1,1 1,2 0,3 0,3 0,5 0,8 1 1,3 1,5 1,8 0,4 0,4 0,7 1,1 1,4 1,8 2,2 2,5 0,5 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 0,5 0,7 1,4 2,2 2,8 3,5 4 5 0,7 1 2 3 4 5 6 7 Ad. d). Powierzchnia podziału formy odlewniczej (przy formowaniu w dwóch skrzynkach) dzieli umownie odlew na dwie części - górną, znajdującą się w czasie zalewania metalem w górnej części formy i dolną, położoną w dolnej części formy. Powierzchnia podziału formy decyduje o położeniu modelu przy zalewaniu, sposobie wykonania formy, rodzaju modelu itp., dlatego strzałki na powierzchni podziału formy wskazują kierunek wyjmowania modelu z formy. Ma ona być tak wybrana, ażeby wysokość modelu (odlewu) była jak najmniejsza, a podział powinien przechodzić przez największy przekrój modelu i odlewu. UWAGA! Powierzchnia podziału powinna zapewnić łatwe wyjęcie z formy: - modelu np. przy odlewaniu do form piaskowych, - odlewu np. przy odlewaniu kokilowym czy ciśnieniowym. Najbardziej istotne powierzchnie odlewu powinny znajdować się w dolnej części formy, ponieważ powierzchnie położone w górnej części formy są przeważnie zanieczyszczone żużlem, masą formierską, mogą w nich występować wady odlewnicze, takie jak: jamy skurczowe, pęcherze gazowe, rzadzizny itp. Zgodnie z tą zasadą, odlewy o kształcie ciał obrotowych z obrabianymi cylindrycznie powierzchnia- Strona 26

ODLEWNICTWO mi zewnętrznymi lub wewnętrznymi (tuleje cylindrów, bębny, wrzeciona) odlewa się w położeniu pionowym. Z kilku możliwych powierzchni podziału należy wybrać tę, przy której model nie będzie dzielony; wtedy odlew będzie znajdował się w jednej, dolnej skrzynce. Wprowadzenie dwóch lub więcej powierzchni podziału zmniejsza dokładność odlewu oraz utrudnia lub uniemożliwia formowanie maszynowe. Dobór powierzchni podziału oraz położenie modelu przy formowaniu powinno zapewnić jak najmniejszą liczbę rdzeni, przy tym należy przewidzieć możliwość pewnego ich ustawienia, najlepiej w dolnej części formy. Elementy odlewu o cienkich ściankach powinny znajdować się w jednej (najkorzystniej dolnej) części formy. UWAGA! Nie należy stosować zaokrąglonych krawędzi leżących w płaszczyźnie podziału formy - jest to niemożliwe - ponieważ model wyciąga się prostopadle do tej płaszczyzny. Ad. e). Jako bazy obróbkowe wybiera się takie powierzchnie odlewu, które pozostaną surowe w gotowym przedmiocie. W innych przypadkach powinna to być powierzchnia o możliwie małym naddatku na obróbkę, a więc najlepiej - dolna powierzchnia odlewu. Baza obróbkowa powinna się znajdować w tej samej części formy, co powierzchnia obrabiana. Punkty stanowiące bazę obróbkową nie powinny leżeć na zalewce powstałej po złożeniu formy lub rdzeni, albo na śladzie po obciętym wlewie, przelewie lub nadlewie. Surową powierzchnię stanowiącą bazę do wyjściowej operacji obróbkowej można oznaczyć na rysunku odlewu krzyżykami. Ad f). Do naddatków technologicznych należą: naddatki technologiczne przy odlewaniu otworów, rowków odsadzeń i wnęk, dodatkowe nadlewki służące do uchwycenia przedmiotu podczas obróbki, łączniki zabezpieczające odlew przed odkształceniami i pęknięciami przy stygnięciu, obróbce cieplnej i wykańczaniu. Strona 27

ROZDZIAŁ 1 UWAGA! Brak jest norm określających kiedy otwory obrabiane mogą być odlane, a kiedy wykonuje się je jako pełne i całkowicie obrabiane skrawaniem. Za największą średnicę obrabianego otworu (dla części odlewanych w formach piaskowych), który może nie być odlany, lecz wiercony w pełnym materiale, przyjmuje się; przy produkcji masowej 20 mm, seryjnej 30 mm, jednostkowej 50 mm. Ad. g). Jeżeli na rysunku przedmiotu nie przewidziano odpowiednich pochyleń i zbieżności ścian odlewu, wielkości te należy zaznaczyć na rysunku odlewu. Na rysunku należy ogólnie określić, czy pochylenie będzie dodane, ujemne czy uśrednione w stosunku do materiału odlewu (rysunek 1.4). UWAGA! Aby uzyskać wymiary końcowe w przypadku powierzchni poddanych obróbce skrawaniem, pochylenie + powinno się stosować niezależnie od zaleceń podanych na rysunku. Ad. h). Ponieważ ocena chropowatości powierzchni odlewów za pomocą typowych stosowanych przyrządów sprawia trudności, norma EN 1370: 1996 zaleca stosowanie różnych wzorców wzrokowo-dotykowych np. typu BNIF. Chropowatość powierzchni zależy od technologii wykonania i materiału odlewu i np. przy odlewaniu żeliwa do form piaskowych Ra=12,5 200, do form kokilowych Ra=6,3 25, natomiast przy odlewaniu ciśnieniowym stopów aluminium Ra=0,8 25. Oznaczenie chropowatości powierzchni surowych odlewów można wykonywać za pomocą znaku chropowatości wg. rysunku 1.4 pod którym należy podać wartość parametru Ra Ad. i). Specjalne wymagania, jak: rodzaj obróbki cieplnej, twardość, właściwości wytrzymałościowe itp. wpisuje się w rubryce "uwagi" w tabliczce znamionowej lub w prawym dolnym rogu rysunku. Tworzenie się odlewu w formie Strona 28 Przebieg tworzenia się odlewu w formie ma zasadniczy wpływ na prawidłowe powstawanie odlewu i zależy od wielu czynników. Sposób wypełnienia formy decydująco wpływa na jakość odlewów, szacuje się że aż 80-90% problemów odlewniczych jest związanych z niewłaściwym zalewaniem [7]. Do najważniejszych czynników wpływających na tworzenie się dobrego odlewu należą [6]:

ODLEWNICTWO temperatura zalewania i zakres temperatur krzepnięcia stopu odlewniczego, skurcz w stanie ciekłym, w czasie krzepnięcia i w stanie stałym, właściwości materiału formy, jak właściwości termofizyczne (przewodność cieplna, ciepło właściwe itp.) i techniczne (wytrzymałość przepuszczalność itp.), sposób krystalizacji decydujący o otrzymaniu odpowiedniej struktury odlewu. Podstawowym zjawiskiem przy krzepnięciu odlewu jest zjawisko skurczu odlewniczego (skurczu krzepnięcia) czyli zmniejszanie się objętości właściwej stopu (rysunek 1.6). Następstwem skurczu jest tworzenie się w odlewie jam i rzadzizn skurczowych które obniżają właściwości wytrzymałościowe odlewów i są powodem ich zabrukowania. Rysunek 1.6. Schematyczny przebieg krzepnięcia i powstawania jamy skurczowej [6]: a) wnęka formy wypełnionej ciekłym metalem w chwili zakończenia zalewania, b) krzepniecie zewnętrznych warstw odlewu, tworzących sztywną nieodkształcalną skorupę, c) zmniejszenie objętości ciekłego metalu wskutek skurczu w czasie krzepnięcia, d) ukształtowanie się jamy skurczowej po zakończeniu krzepnięcia, e) zmniejszenie się wymiarów odlewu po zakończeniu skurczu w stanie stałym Odpowiednie zaprojektowanie układu wlewowego i kształt odlewu pozwala na regulowanie rozkładu temperatur w odlewie w czasie krzepnięcia i przesunięcie jam i rzadzizn skurczowych poza obszar właściwego odlewu. Zależnie od gatunku materiału odlewu rozróżnia się dwie zasady stosowane przy odlewaniu: zasadę krzepnięcia jednoczesnego i zasadę krzepnięcia kierunkowego (rysunek 1.7). Dobór typu i wymiarów układu wlewowego oraz najodpowiedniejszego miejsca doprowadzenia metalu do formy zależy od przyjęcia jednej z dwu wymienionych zasad i ma istotne znaczenie dla jakości i kosztu wykonania odlewu. Strona 29

ROZDZIAŁ 1 Rysunek 1.7. Odlew pierścienia z uszami, dwa rozwiązania [10]: a) krzepnięcie jednokierunkowe (dla staliwa), b) jednoczesne (dla żeliwa), N - nadlew Zasadę krzepnięcia jednoczesnego stosuje się do stopów o małej skłonności do tworzenia się jam i rzadzizn skurczowych, np. żeliwa szarego o dużym stopniu grafityzacji (ferrytycznego) i małych cienkościennych odlewów z brązu. Ciekły metal doprowadza się wtedy do cienkich, najlepiej nie obrabianych miejsc odlewu. Do grubszych części odlewu dochodzi metal już nieco ochłodzony, tak że cały odlew krzepnie mniej więcej równomiernie. Należy przy tym dobrać właściwą grubość ścian odlewu g (rysunek 1.7b), gdyż w zbyt cienkich przekrojach może zachodzić pogorszenie właściwości wytrzymałościowych. Najmniejsza grubość ścian odlewów ze względu na niebezpieczeństwo niedolewów wynosi dla małych odlewów 3-4 mm (dla staliwa węglowego 5-7 mm). Aby uniknąć niebezpieczeństwa powstawania pęcherzy w odlewie należy unikać rozległych płaskich ścian poziomych, zastępując je ścianami pochylonymi. Jednoczesne krzepnięcie metalu w całej grubości ścian odlewu nie może być w pełni zrealizowane i w rzeczywistości krzepnięcie przebiega od powierzchni do wnętrza odlewu. Dlatego przy konstrukcji grubościennych odlewów żeliwnych (zwłaszcza o małej zawartości C i Si) oraz odlewów staliwnych stosuje się zasadę krzepnięcia jednokierunkowego. Krzepnięcie rozpoczyna się w określonych miejscach odlewu i przebiega w ściśle określonych kierunkach, kończąc się w miejscu zasilanym przez nadlew. Kształt odlewu i wymiary nadlewu można w praktyce określić metodą wykreślną kół o rosnącej średnicy (d 2 > d 1 > g) wpisanych w zarys, co zostało pokazane na rysunku 1.7a. Strona 30

ODLEWNICTWO Rysunek 1.8. Staliwna rolka [10]: a) konstrukcja błędna, b) konstrukcja poprawna, zgodna z zasadą krzepnięcia kierunkowego; N nadlew, 1 - jama skurczowa W nadlewie powinna się znaleźć jama skurczowa, która krzepnie na końcu po zakrzepnięciu całego odlewu, co pokazano umownie na rysunku 1.8b. 1.3. Specjalne metody wytwarzania odlewów Formowanie maszynowe Formowanie maszynowe ułatwia i przyśpiesza proces wykonywania form, a ponadto wpływa na poprawę dokładności wymiarów i jakości odlewów otrzymanych z form wykonanych tą metodą. Maszyny używane do produkcji form odlewniczych nazywa się formierkami. Ich zadanie polega głównie na mechanicznym zagęszczaniu masy i wyjmowaniu modelu z formy. Modele używane do formowania maszynowego są przymocowane na stałe do płyty podmodelowej i tworzą wraz z nią tzw. płytę modelową. Płyta modelowa jest zaopatrzona w sworznie ustalające, na których ustawia się podczas formowania skrzynki formierskie. Istnieje wiele odmian formierek różniących się sposobem działania. Do mniejszych form stosuje się formierki z obracaną kolumną (rysunek 1.9). Strona 31

ROZDZIAŁ 1 Rysunek 1.9. Schemat konstrukcji i działania formierki z obracaną kolumną [6]: a) zagęszczanie masy, b) wyjęcie modelu z formy: 1 płyta modelowa z modelem), 2 skrzynka formierska z formą Formierki stosowane do maszynowego wytwarzania form różnią się między sobą metodami zagęszczenia masy (stosuje się formy wilgotne) i sposobem wyjmowania modelu. Na rysunku 1.10 przedstawiono cykl pracy jednego z typów maszyny formierskiej: a. umieszczenie na płycie modelowej 1 skrzynki formierskiej 3, b. nasypanie masy formierskiej z urządzenia zasilającego, c. zagęszczanie masy przez wstrząsanie i prasowanie, d. obrócenie stołu z formą, e. podniesienie płyty i wyjęcie płyty modelowej (z modelem). Ewentualny montaż rdzeni w dolnych częściach formy, a następnie montaż form odbywa się poza stanowiskiem formowania. Strona 32

ODLEWNICTWO Rysunek 1.10. Przebieg formowania maszynowego [2]: 1 płyta modelowa, 2 model, 3 skrzynka formierska Formowanie zautomatyzowane Automatyzacja formowania ma na celu uzyskanie dużej wydajności oraz dobrej jakości odlewów. Zwiększenie wydajności osiąga się przez zastosowanie automatów o napędzie hydraulicznym, sterowanych mikroprocesorami. W celu wykonania formy automaty łączy się z podajnikami skrzynek formierskich, urządzeniami do szybkiej wymiany płyt formierskich, stanowiskami wkładania rdzeni itp. Zespół tych urządzeń nazywa się automatyczną linią formierską. W liniach są stosowane dokładnie wykonane sztywne skrzynki formierskie. Dla odlewów mniejszych stosuje się linie wyposażone w maszyny ze skrzynkami usuwalnymi lub maszyny bezskrzynkowe z poziomym podziałem formy. Przykład formowania bezskrzynkowego z zastosowaniem płyty modelowej dwustronnej pokazano na rysunku 1.11. Strona 33

ROZDZIAŁ 1 Rysunek 1.11. Zasada formowania bezskrzynkowego w automacie firmy Haflinger z poziomym podziałem formy [7]: a) zagęszczanie przez prasowanie, b) oddzielanie i wysuwanie płyty modelowej dwustronnej Odlewanie kokilowe Strona 34 Produkcja odlewów w formach piaskowych wymaga konieczności ponownego wykonywania oddzielnej formy dla każdego odlewu. Odlewanie do form metalowych, zwanych kokilami (rysunek 1.12), umożliwia wielokrotne wykorzystywania jednej formy. Wnętrza takich form zabezpiecza się przed działaniem metalu zawiesiną pyłu kwarcowego i talku w szkle wodnym. Odlewanie w formy metalowe daje, oprócz znacznego zwiększenia wydajności, następujące korzyści: powiększenie dokładności wymiarowej i gładkości odlewów, zależnej tylko od jakości powierzchni formy odlewniczej, zmniejszenie naddatków na obróbkę i możliwość wykonywania otworów o średnicach od 8 mm (dla stopów lekkich), poprawę własności mechanicznych, wynikającą z większej szybkości krzepnięcia, a więc bardziej drobnoziarnistej struktury. Dla stopów niskotopliwych stosuje się kokile dzielone pionowo, poziomo i w sposób mieszany oraz stosuje się rdzenie metalowe.

ODLEWNICTWO Na rysunku 1.12 przedstawiono kokilę od odlewania tłoków ze stopu aluminium. Kokilę przedstawiono w pozycji otwartej już po odlaniu tłoka 5. Korpus kokili składa się z trzech części 1, 2, 3 (podział kokili mieszany). Układ wlewowy 4 jest umieszczony w płaszczyźnie podziału. Rysunek 1.12. Kokila do odlewania tłoków aluminiowych [8]: 1- lewa połówka kokili, 2 prawa połówka kokili, 3 płyta dolna, 4 układ wlewowy, 5 część odlewana (tłok) Na rysunku 1.13a przedstawiono przykładowy odlew ze stopu aluminium, a na rysunku 1.13b formę metalową do wykonywania tego odlewu. Rysunek 1.13. Kokila dwugniazdowa [7]: a) odlew, b) konstrukcja kokili; 1 lewa połówka kokili, 2 prawa połówka kokili, 3 płyta dolna, 4 rdzenie metalowe, 5 wypychacze, 6 część wnęki odtwarzająca kształt odlewu, 7 cześć wnęki odtwarzającej nadlew, 8 część wnęki odtwarzającej układ wlewowy; strzałki oznaczają kierunki ruchu poszczególnych elementów formy, niezbędnych do usunięcia z niej zakrzepłego odlewu (na rysunku nie pokazano niezbędnych pochyleń odlewu umożliwiających jego usunięcie) Strona 35

ROZDZIAŁ 1 Po zalaniu kokili ciekłym stopem i jej ostudzeniu usunięcie odlewu odbywa się następująco: 1. wyciągniecie rdzenia metalowego od dołu, 2. odsunięcie lewej połówki kokili w lewo (odlew pozostaje zaciśnięty na występie prawej polówki odtwarzającej duży otwór), 3. wypchnięcie odlewu za pomocą wypychaczy z prawej połówki kokili. UWAGA! Ze względu na umożliwienie usuwania odlewu układ wlewowy umieszcza się w płaszczyźnie podziału kokili. Uwaga ta jest zasadna również dla innych metod np. odlewania skorupowego czy ciśnieniowego. Odlewanie kokilowe stosuje się powszechnie do stopów lekkich. Odlewanie w kokilach żeliwa i staliwa jest znacznie rzadziej stosowane (żeliwa przeciętnie 10%, a staliwa 1%) przy czym, ze względu na wysoką temperaturę zalewanego stopu i związane z tym niebezpieczeństwo odkształceń i pęknięć kokil, odlewanie wykonuje się zwykle w kokilach niedzielonych zaopatrzonych w rdzenie piaskowe. Najmniejsza liczba sztuk odlewów, przy której odlewanie w kokilach jest opłacalne, waha się w granicach 500 sztuk dla odlewów o kształtach prostych i 1000-2000 sztuk odlewów o kształtach skomplikowanych. Odlewanie pod ciśnieniem Strona 36 Odlewanie pod ciśnieniem polega na wtłaczaniu ciekłego metalu do formy metalowej pod wysokim ciśnieniem (10 200 MPa) i z dużą prędkością. Forma jest dzielona pionowo i składa się z części ruchomej i nieruchomej a ciśnienie jest wywierane przez tłok na ciekły metal w komorze tłokowej (rysunek 1.14). Maszyny odlewnicze można podzielić na maszyny z gorącą i zimną komorą tłokową. Maszyny z komorą gorącą są urządzeniami w których komora jest zanurzona w ciekłym, najczęściej dodatkowo podgrzewanym, metalu. Odlewa się na nich stopy o niskiej temperaturze topnienia (stopy cynku, ołowiu, czasem stopy magnezu). W urządzeniach z zimną komorą odlewa się stopy miedzi i aluminium. Odlewy wykonane pod ciśnieniem odznaczają się gładką i czystą powierzchnią (uzyskiwana chropowatość Ra 5 0,63) oraz dużą dokładnoś-

ODLEWNICTWO cią wymiarową (10 13 klasa wg ISO) nie wymagającą najczęściej dalszej obróbki skrawaniem (możliwość wykonywania na gotowo otworów o średnicy do 2,5 mm dla odlewów ze stopu miedzi i niektórych otworów gwintowanych). Metoda ta zapewnia możliwość otrzymywania odlewów o dość skomplikowanym kształcie i cienkich ściankach o grubości 0,7-1 mm. Rysunek 1.14. Schemat maszyny do odlewania pod ciśnieniem z zimną komorą ciśnienia i z bocznym odprowadzeniem metalu do formy [9]: a) położenie wyjściowe, b) wcisk metalu do formy, c) odsunięcie przesuwnej części formy, wyjecie odlewu i wyrzucenie pozostałości metalu: 1 komora tłokowa (cylinder), 2 tłok, 3 wyrzutnik, 4 przewód do formy (układ wlewowy), 5 stała cześć formy, 6 przesuwna cześć formy, 7 pozostałości metalu, 8 odlew (z układem wlewowym) Wydajność maszyn odlewniczych może dochodzić do kilkuset sztuk na godzinę. Odlewanie ciśnieniowe jest opłacalne tylko przy liczbie odlewów nie mniejszej niż 10000-20000 sztuk. Wielkość odlewów jest ograniczona i nie przekracza 6 kg. Odlewanie odśrodkowe Odlewanie odśrodkowe polega na wykorzystaniu do kształtowaniu odlewu siły odśrodkowej działającej na metal w wyniku wirowania formy. Rozróżnia się kilka metod odlewania odśrodkowego (rysunek 1.15). Pierwszą metodą jest właściwe odlewanie odśrodkowe właściwe (rysunek 1.15a i b), polegające na zalewaniu formy, której oś pokrywa się z osią wirowania. Otrzymany w ten sposób odlew ma kształt bryły obrotowej typu tulei z otworem wewnętrznym powstającym pod wpływem działania siły odśrodkowej w czasie wirowania formy. Taką metodą można produkować odlewy warstwowe z kilku rodzajów stopów. Zale- Strona 37

ROZDZIAŁ 1 wanie form wirujących dookoła osi poziomej (rysunek 1.15a) wymaga stosowania rynny, która podczas wprowadzania metalu do formy może się przesuwać wzdłuż osi odlewu od lewej do prawej. Wskutek tego ciekły metal jest równomiernie rozłożony na całej długości odlewu. Ścianki formy nadają odlewom tylko kształt zewnętrzny. Rysunek 1.15. Zasady odlewania odśrodkowego [7]: a), b) odlewanie odśrodkowe właściwe z poziomą osią i pionową osią obrotu, c) odlewanie półodśrodkowe, d) odlewanie pod ciśnieniem odśrodkowym Drugą metodą odlewania w formach wirujących stanowi tzw. odlewanie półodśrodkowe (rysunek 1.15c). Polega ono na zalewaniu form wirujących dookoła osi pionowej, będącej równocześnie osią przedmiotu. Ten typ odlewania umożliwia uzyskiwanie dowolnych kształtów wewnętrznych odlewu (możliwość stosowania rdzeni). Formy mogą być wykonane z metalu lub masy formierskiej i służą do odlewania przedmiotów o kształcie brył obrotowych np. kół pasowych lub zębatych. Trzecią metodą odlewania w formach wirujących jest tzw. odlewanie pod ciśnieniem odśrodkowym (rysunek 15e). Odlewane przedmioty rozmieszczone są w formach metalowych lub piaskowych promieniowo. Zalewanie odbywa się przez wlew główny, z którego następnie wlewami doprowadzającymi przedostaje się metal do form. Odlewy produkowane w formach wirujących uzyskują wskutek działania siły odśrodkowej ścisłą budowę wewnętrzną, dobre własności mechaniczne oraz przybierają dokładny kształt formy. Strona 38

ODLEWNICTWO Odlewanie ciągłe Odlewanie ciągłe polega na wlewaniu ciekłego metalu do trwałej formy metalowej zwanej krystalizatorem. Ciekły metal zamienia się w odlew i w sposób ciągły opuszcza formę (rysunek 1.16). Długość odlewu wielokrotnie przekracza długość formy, w ten sposób produkuje się wałki, rury, kształtowniki oraz płyty ze wszystkich tworzyw, a głównie ze stali oraz stopów miedzi i aluminium. Na początku odlewania krystalizator jest zamknięty zaczepem umieszczonym na końcu tzw. drąga startowego, którym po zakrzepnięciu metalu wyciąga się odlew. Za pomocą procesu odlewania ciągłego można otrzymywać odlewy o długości do 10 m i średnicy do 1000 mm. Odlewy otrzymane tą metodą charakteryzują się dobrą jakością i brakiem porowatości przy zapewnionej dużej wydajności produkcji (prędkości odlewania wynoszą 0,1 0,5 m/min). Rysunek 1.16. Schematy odlewania ciągłego (w układzie pionowym) [7]: a) wałków, b) rur, c) początkowa faza odlewania Odlewanie w formach skorupowych Forma skorupowa jest to forma odlewnicza o niewielkiej grubości ścianki (4-10 mm) wykonana ze specjalnej masy. Proces wykonania formy skorupowej polega na tym, że na podgrzaną do temp. 220-280 C metalową płytę modelową narzuca się mieszaninę piasku kwarcowego i żywicy syntetycznej (proces C), która w wyniku utwardzenia wiąże piasek, tworząc skorupę (rysunek 1.17). W celu przyśpieszenia procesu utwardzania skorupy, po narzuceniu masy, podgrzaną płytę modelową wsuwa się do pieca o temp. 300-350 C. Po zdjęciu skorupy z płyty otrzymuje się po- Strona 39

ROZDZIAŁ 1 łówkę formy, łączy ją z drugą połówką i przygotowuje do zalewania (rysunek 1.17f). W formach skorupowych można odlewać wszystkie stopy odlewnicze, od stopów aluminium do staliwa. Ze względu na dużą gładkość powierzchni formy oraz mały opór przepływu metalu, w formach skorupowych można otrzymywać odlewy o skomplikowanych kształtach i cienkich ściankach (np. żebrowane głowice itp.) o dużej gładkości powierzchni. Rysunek 1.17. Formowanie skorupowe [10]: kolejne zabiegi: a) ustawienie płyty modelowej na zbiorniku z masą, b) obrót, tworzenie skorupy, c) obrót, zdjęcie płyty wraz ze skorupą, d) utwardzenie skorupy w piecu, e) zdjęcie skorupy z płyty modelowej, f) zestawienie kompletu form do odlewania; 1 zbiornik z masą formierską, 2 - płyta modelowa, 3 skorupa, 4 piec do utwardzania skorupy Odlewanie precyzyjne Strona 40 Odlewanie precyzyjne ma zastosowanie w produkcji drobnych i dokładnych odlewów z żeliwa, staliwa oraz innych stopów o wysokiej temperaturze topnienia. Metody odlewania precyzyjnego umożliwiają uzyskanie odlewów o bardzo dokładnych kształtach i wymiarach (odchyłki wymiarowe na 100 mm odlewu rzędu 0,03-0,1mm), co pozwala na uniknięcie w wielu wypadkach kłopotliwej obróbki mechanicznej. Odlewanie precyzyjne stosuje się do łopatek turbin, części pomp odśrodkowych, tłoczników, kokil itp. Poza dokładnością wymiarową, zaletą procesu jest

ODLEWNICTWO wzrost własności mechanicznych odlewu oraz możliwość otrzymania odlewów o cienkich ściankach (do 0,5 mm). Odlewnictwo precyzyjne obejmuje odlewanie; w formach wykonanych metodą wytapianych modeli (traconego wosku), metodą Shawa, metodą wypalanych modeli, w formach gipsowych, szklanych i kauczukowych. Odlewanie metodą wytapianych modeli Odlewanie metodą wytapianych modeli polega na wykonaniu pod ciśnieniem w dokładnej stalowej matrycy jednorazowego modelu z łatwo topliwych materiałów (mieszaniny wosków, parafiny, żywic syntetycznych). Otrzymany w ten sposób model pokrywa się przez natryskiwanie lub zanurzenie cienką warstwą zawiesiny drobno mielonego piasku kwarcowego zmieszanego z kaolinem i grafitem w szkle wodnym. Po wyschnięciu montuje się model lub, najczęściej, kilka modeli do wspólnego układu wlewowego (zestaw modelowy) i umieszcza w skrzynce formierskiej wypełnionej masą suchą lub półpłynną. Podsuszoną formę umieszcza się następnie w piecu i w temperaturze 100 do 120 o C wytapia się model lub modele (forma w tym celu odwrócona jest zbiorczym układem wlewowym do dołu), po czym poddaje się formę wygrzewaniu w temperaturze około 800 o C dla nadania jej trwałości i zalewa płynnym metalem. Przebieg procesu przedstawiono w uproszczeniu na rysunku 1.18. Metoda ta znalazła zastosowanie głównie przy odlewaniu stopów trudno obrabialnych, ponieważ zapewnia ona zwiększenie gładkości powierzchni eliminujące obróbkę skrawaniem. Jednym z pierwszych zastosowań odlewania tą metodą była produkcja skomplikowanych narzędzi np. frezów ze stali szybkotnącej. Daje ona możliwość wykonywania odlewów cienkościennych o grubości do 0,5 mm, bardzo małych i skomplikowanych (stosuje się ją m. in. w jubilerstwie) o dokładności ± 0,05 mm na 25 mm wymiaru odlewu. Strona 41

ROZDZIAŁ 1 Rysunek. 1.18 Odlewanie metodą wytapianych modeli [8]: a) odlew, b) forma(matryca), c) wtłoczenie wosku do formy, d) model woskowy z układem wlewowym, e) zestaw modelowy (ze wspólnym modelem układu wlewowego), f) modele pokryte warstwą masy ceramicznej, g) forma zalana ciekłym metalem: 1 układ wlewowy pojedynczego modelu Metoda Shawa Metoda Shawa, opracowana w Anglii, może być stosowana przy wykonywaniu odlewów ze wszystkich tworzyw odlewniczych o wadze od kilku gramów do kilku ton. Jest więc rozszerzeniem metody wytapianych modeli. Do formowania stosuje się modele metalowe, z żywic, gipsu lub drewna. Forma jest dzielona jak zwykła forma piaskowa, co powoduje obniżenie dokładności wymiarowej. Jako materiału na formę używa się mieszaniny materiałów ogniotrwałych - mączki cyrkonowej, silmanitu, mulitu i innych. Spoiwem jest roztwór krzemianu etylu poddany uprzednio hydrolizie. Spoiwo miesza się z materiałem ceramicznym aż do uzyskania konsystencji szlamu, który jest wylewany na model ustawiony na płycie podmodelowej i chroniony ramką (skrzynką formierską). W wyniku hydrolizy powstaje żel krzemionki i alkohol metylowy, co powoduje związanie materiału. Po zakończeniu żelowania (w czasie 3-12 min), masa formierska ma konsystencję twardej gumy o dużej elastyczności i wytrzymałości wystarczającej do wyjęcia modelu z formy. Elastyczność ta pozwala na stosowanie niewielkich zbieżności modelu. Po oddzieleniu modelu, formę poddaje się wypalaniu przez zapalenie wydzielającego się alkoholu. W trakcie wypalania się alkoholu odparowuje również woda zawarta w masie i forma uzyskuje niezbędną twardość i wytrzymałość. Końcową operacją wykonania formy jest wyżarzenie w temp. ok. 1000 o C w celu usunięcia pozostałości wody i innych Strona 42

ODLEWNICTWO substancji lotnych. Przed zalaniem forma powinna być podgrzana. Ze względu na bardzo dużą dokładność powierzchni odlewów (odchyłki wymiarowe 0,03-0,1), ograniczającą zakres obróbki mechanicznej, metoda Shawa znalazła głównie zastosowanie do wykonywania różnego rodzaju oprzyrządowania o skomplikowanych kształtach (matryce, kokile itp.) Odlewanie metodą wypalanych modeli Istotą tej metody jest stosowanie modeli jednorazowego użycia, które są zaformowane w formie bez płaszczyzny podziału i nie wyjmowane przed zalewaniem. Wlewany do formy metal powoduje zgazowanie materiału, z którego wykonany jest model i zajmuje jego miejsce (rysunek 1.19b). Rysunek 1.19. Porównanie zabiegów przy formowaniu i odlewaniu kadłuba maszyny [10] przy użyciu: a) modelu z drewna, b) modelu wypalanego; 1- dolna część formy, 2 - górna część formy, 3 płyta podmodelowa modelu drewnianego, 4 znaki rdzeniowe modelu drewnianego, 5 rdzeń, 6 zalewanie formy wykonanej z modelu drewnianego, 7 model ze styropianu, 9 zalewanie formy z modelem wypalanym, 10 odlew otrzymany z modelu drewnianego, 11 - odlew otrzymany z modelu wypalanego Strona 43

ROZDZIAŁ 1 Jako materiału na wypalane modele stosuje się spieniony polistyren (styropian), który jest tworzywem bardzo lekkim, co ułatwia proces formowania nawet bardzo dużych odlewów. Jednorazowe modele mogą mieć dowolnie skomplikowane kształty, ponieważ mogą być montowane (klejone) z wielu niezależnych kawałków styropianu. Proces formowania przebiega podobnie jak przy użyciu modeli tradycyjnych. Ze względu na niską temperaturę trwałości styropianu i niemożliwości suszenia form, do formowania używa się mas utwardzanych na zimno. W celu porównania pokazano na rysunku 1.19 zabiegi przy zwykłym odlewaniu takiej samej części w formie piaskowej (rysunek 1.19a) oraz wg metody wypalanego modelu (rysunek 1.19b). UWAGA! Istotną różnicą w stosunku do tradycyjnych metod formowania metodą wypalanego modelu jest brak podziału formy, możliwość niemal całkowitego wyeliminowania rdzeni i brak zalewek powstających przy odlewaniu z podziałem formy. Brak podziału formy dotyczy również metody wytapianych modeli, jednak wytwarzanie modelu woskowego wymaga wykonania dzielonej matrycy. W obu metodach można jednak łączyć (sklejać) wykonane różne modele w dowolnie konfiguracje nie wymagające już dzielenia formy. Główną zaletą tej metody jest wysoka dokładność wymiarowa i zmniejszenie kosztów wykonania odlewów jednostkowych i małoseryjnych. Wzrost dokładności wykonania wynika z zastosowania niedzielonej formy, braku przestawiania rdzeni, możliwość uniknięcia zbieżności na modelach oraz stałości wymiarowej formy (brak rozbicia wnęki podczas wyjmowania modelu. Metoda ta znalazła zastosowanie przy odlewaniu skomplikowanych części maszyn, prototypów, dużych odlewów remontowych o masie do 25 t, odlewów artystycznych itp. 1.4. Literatura do rozdziału 1 Strona 44 1. Adamski W., Strategie rozwoju wytwarzania w przemyśle lotniczym. Inżynieria maszyn, R.14, z. 4, Wydawnictwo Wrocławskiej Rady FSNT NOT, Wrocław 2009. 2. Białas A., Sobieszczański J., Zarys technologii Maszyn, Wydawnictwa Szkolne i Pedagogiczne, Warszawa 1984.

ODLEWNICTWO 3. Chuchro M., Ruszaj A., Czekaj J., Procesy szybkiego prototypowania w zastosowaniach przemysłowych. Inżynieria maszyn, R.14, z. 1. Wydawnictwo Wrocławskiej Rady FSNT NOT, Wrocław 2009. 4. Grzesik W., Skrawalność nowych i trudnoobrabialnych materiałów konstrukcyjnych. Inżynieria maszyn, R.14, z. 4. Wydawnictwo Wrocławskiej Rady FSNT NOT, Wrocław 2009. 5. Kapiński S., Skawiński P., Sobieszczański J., Sobolewski J.Z., Projektowanie technologii Maszyn, Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Warszawa 2007. 6. Murza Mucha P., Techniki wytwarzania. Odlewnictwo, PWN, Warszawa 1978. 7. Perzyk M., Waszkiewicz S., Kaczorowski M., Jopkiewicz A., Odlewnictwo, WNT, Warszawa 2000. 8. Praca zbiorowa, tłumaczenie z j. rosyjskiego, Podstawowe techniki wytwarzania w przemyśle maszynowym, WNT, Warszawa 1973. 9. Poradnik warsztatowca mechanika, WNT, Warszawa 1981. 10. Skarbiński M., Zasady konstruowania odlewanych części maszyn, WNT, Warszawa 1968. Strona 45

ROZDZIAŁ 1 Strona 46

` 2 Obróbka plastyczna W tym rozdziale: o Wiadomości ogólne o Kucie o Walcowanie o Tłoczenie o Cięcie o Gięcie o Kształtowanie wytłoczek o powierzchni nierozwijalnej o Proces tłoczenia, przykład konstrukcji tłocznika o Literatura do rozdziału 2

ROZDZIAŁ 2 2.1 Wiadomości ogólne Wstęp Strona 48 Obróbką plastyczną nazywa się procesy wykonywania części i półfabrykatów przez ich plastyczne kształtowanie na gorąco lub na zimno. Metodami obróbki plastycznej przerabia się około 90% wytapianej stali, 55% metali nieżelaznych i ich stopów oraz tworzyw sztucznych. Uzyskanie żądanych kształtów odbywa się najczęściej przez wywołanie odpowiednich odkształceń plastycznych materiału bez naruszania jego spójności. Jeżeli rozpatrujemy metalową część jako monokryształ to mechanizm odkształceń plastycznych polega na odkształceniu plastycznym poszczególnych ziaren, ich przemieszczaniu jak i najczęściej na poślizgu czyli na wzajemnym przemieszczaniu się całych warstw atomów pod wpływem siły zewnętrznej działającej na ciało lub przez obrót jednej części kryształu względem drugiej (mechanizm bliźniakowania). W rezultacie działania siły powstaje struktura ukierunkowana, z ziarnami wydłużonymi. Zjawisko to nazywamy zgniotem, który możemy wyrazić następująco: Z = (2.1) gdzie: A 0 - powierzchnia przekroju elementu przed odkształceniem plastycznym, A 1 - powierzchnia przekroju elementu po odkształceniu. Zgniot jest miarą odkształcenia plastycznego. Można go także wyrazić przez odkształcenie względne lub logarytmiczne. UWAGA! Podczas odkształcenia plastycznego objętość materiału nie ulega zmianie, a więc suma składowych odkształceń względnych lub logarytmicznych wynosi zero. Ta właściwość jest istotna dla procesów obróbki plastycznej. Procesy obróbki plastycznej możemy podzielić na: kucie, prasowanie, walcowanie, ciągnienie, tłoczenie. Metal z dużym zgniotem jest silnie umocniony i mało podatny na dalszą obróbkę plastyczną. W celu częściowego przywrócenia mu pierwotnych struktury i zmniejszenia naprężeń wewnętrznych należy go ogrzać do

OBRÓBKA PLASTYCZNA odpowiedniej temperatury, następuje wówczas rekrystalizacja z likwidacją umocnienia i zgniotu i możliwość dalszej obróbki plastycznej. Dla stali temperatura rekrystalizacji wynosi 750-50 C, zależnie od gatunku stali i stopnia zgniotu. Uwzględniając proces rekrystalizacji odróżnia się dwa podstawowe sposoby obróbki plastycznej: obróbka na gorąco, powyżej temperatury rekrystalizacji, obróbka na zimno, poniżej temperatury rekrystalizacji. Obróbka na gorąco powoduje wielokrotne obniżenie oporów plastycznych materiału, jednak eliminuje umocnienie półfabrykatów. Najczęściej na gorąco obrabia się plastycznie stal różnych gatunków stosując metody takie jak: wydłużanie, spęczanie, wgłębianie, kształtowanie w matrycach, nagniatanie. Obróbkę na zimno stosuje się głównie do procesów kształtowania blach: ciecie, gięcie, kształtowanie wytłoczek. 2.2 Kucie Kucie jest obróbką na gorąco, która polega na plastycznym odkształcaniu metalu przez zgniatanie naciskiem przez uderzenie (kucie na młotach) lub statycznie (kucie na prasach lub walcach kuźniczych). W zależności od kształtu i rodzaju narzędzi stosowanych w procesie technologicznym kucia, odkuwki można podzielić na kute swobodnie i matrycowane. Kucie swobodne stosuje się dla materiałów o dużej plastyczności, jak stale węglowe o małej zawartości węgla oraz niektóre stopy miedzi i aluminium i może obejmować rożne zabiegi jak: spęczanie, wydłużanie, dziurkowanie, gięcie, skręcanie, cięcie itp. Przykład zabiegów kucia widełek (wykonywanych na młotach) przedstawiono na rysunku 2.1. Przy produkcji seryjnej i masowej, odkuwki wykonuje się wyłącznie za pomocą kucia matrycowego. Proces ten polega na stopniowym kształtowaniu odkuwki w wykrojach matrycy. Zależnie od rodzaju stosowanych maszyn proces kucia matrycowego można podzielić na: kucie na młotach, Strona 49

ROZDZIAŁ 2 kucie na prasach (śrubowych, korbowych, kolanowych i hydraulicznych) kucie na kuźniarkach, kucie na maszynach specjalnych, np. automatach kuźniczych, walcach kuźniczych, kowarkach itp. Rysunek 2.1. Kolejne zabiegi kucia swobodnego [5] Rysunek 2.2. Schematy maszyn kuźniczych: a) młot parowo powietrzny, b) prasa śrubowa Przy kuciu na młotach (rysunek 2.2a), które są maszynami udarowymi konieczna jest większa liczba uderzeń, kucie na prasie śrubowej (rysunek 2.2b) wymaga parę skoków prasy, a kucie na prasie korbowej lub Strona 50

OBRÓBKA PLASTYCZNA kolanowej (rysunek 2.3) odbywa się przy jednym ruchu suwaka (przy statycznym nacisku na obrabiany przedmiot). Do kucia stosowane są młoty parowo-powietrzne, przeciwbieżne i inne. Rysunek 2.3. Schematy działania pras a) korbowa typu Maxi, b) kolanowa Rysunek 2.4. Konstrukcja wykroju matrycy: a) matryca zamknięta, b) matryca otwarta [4] Kucie matrycowe w porównaniu z kuciem swobodnym wyróżnia się wysoką wydajnością, dokładnością wykonania i wysoką gładkością powierzchni. Zależnie od konstrukcji wykrojów matryce można podzielić na zamknięte i otwarte (rysunek 2.4). Matryce zamknięte (rysunek 2.4a) mają zamkniętą konstrukcję wykrojów, nie pozwalającą na swobodne wypływanie materiału na zewnątrz wykroju. W matrycach otwartych (rysunek 2.4b) boczne ściany wykroju są dzielone, a nadmiar materiału wypływa w czasie kucia na zewnątrz wykroju, tworząc tzw. wypływkę. Powstająca wypływka, stygnąc szybciej niż odkuwka, tamuje dalszy wypływ materiału i powoduje dokładne wypełnienie objętości wykroju. Zadaniem wypływki jest też odprowadzenie nadmiaru materiału oraz Strona 51