18.2.2013
AVP – slévárenství část 1 Ing. Aleš Herman, Ph.D.
Obsah přednášky Automatizace technologie přesného lití na vytavitelný model Mechanizace tavíren slitin neželezných kovů Mechanizace v oblasti gravitačního lití do kovových forem a nízkotlakého lití
TECHNOLOGIE PŘESNÉHO LITÍ METODA VYTAVITELNÉHO MODELU
1
18.2.2013
Parametry metody rozměry: 100 – 200 mm (světové max. 1000 mm) hmotnost odlitu: 0,1 – 8 kg (48 kg –SPL Zlín, světové max. 200 kg ) tvar: témeř bez omezení tloušťka stěny: ocel =1,2 mm, neželezné kovy = 0,6 mm hmotnost odlitu: 0,1 – 8 kg (48 kg –SPL Zlín, světové max. 200 kg ) Materiál: Ocel, slitiny Co, Ni, Cu, Al, Ti, Mg, legované litiny, Sériovost: kusová až velkosériová Srovnání jednotlivých technologií z hlediska přesnosti Lití do písku
± 1 - ± 2 mm
Kokilové lití
± 0,1 - ± 0,3 mm
Tlakové lití
± 0,5 - ± 0,2 mm
Vytavitelný model
± 0,03 - ± 0,1 mm
Využití odlitků přesného lití Letectví Automobilový průmysl Zbrojní průmysl Raketová technika Lékařské nástroje Implantáty Ortopedické produkty Jaderná energie Hydraul. a pneu. komponenty
Energetika Potravinářství Petrochemické zařízení Armatury Příslušenství lodí Části jízdních kol Hudební nástroje Golfové hole Zemědělská technika
Odběratelé odlitků přesného lití Sportovní zboží 7% Průmyslové plynové turbíny 25 %
Automobilový průmysl 3%
Všeobecné strojírenství 18%
Letecký průmysl 47%
2
18.2.2013
Přehled světové výroby odlitků metodou vytavitelného modelu Asie 17%
Západní Evropa 25%
ostatní 6%
Severní Amerika 52%
Pozice českého přesného lití ve světě statistika k roku 2006 Evropa
Velká Británie
Francie
Německo
Česká republika
Obrat v mil. USD
1250
550
325
212
20
2600
Procento ze Světové Produkce
25%
10%
6%
4%
0,20%
50%
Rok
Kapacita [tun] / využití [%]
Severní Amerika
Celkový počet sléváren
Počet zaměstnanců
1994
15
1100
3650 35%
90
10%
70%
230
2000
13
994
3500 80%
90
15% 60 100%
864
2006
12
950
3600 85%
150
30% 60 100%
1250
oceli
superslitiny
Neželezné kovy 60
Celkový obrat [mil.]
Nejvýznamnější slévárny přesného lití v ČR PBS Velká Bíteš, a.s Kdynium Kdyně, a.s Prague Casting Services, a.s
230mil/2006 640mil/2006 84mil/2006
3
18.2.2013
TECHNOLOGIE VÝROBY metoda
INVESTMENT CASTING
Pracovní postup – výrobní operace 1.Výroba forem na modely 2.Výroby voskových modelů
3.Sestava stromečku
Pracovní postup – výrobní operace 4.Výroba skořepin – keramické obaly *
5.Výroba skořepin – žáruvzdorný posyp
6.Vytavení v autoklávu
4
18.2.2013
Pracovní postup – výrobní operace 7.Vypalování skořepin
8.Tavení odlévání
9.Odstranění keramiky
Pracovní postup – výrobní operace 10.Oddělování vtokové soustavy – řezání 11.Oddělování vtoků z odlitků - broušení 12.Dokončovací operace tryskání, broušení, 13.Kontrola
Formy na voskové modely Materiál: - ocel - hliníkové slitiny - nízkotavitelné slitiny - zinkové slitiny - plastické hmoty - sádra - kaučuk
Způsob výroby: - obráběním - odléváním - galvanopalsticky
5
18.2.2013
Formy na voskové modely Stupeň mechanizace: - s ručním vyjímáním - s vyhazovači - s jádry a částmi forem ručně nebo mechanicky rozebíratelnými - celkově mechanizovaná
Forma na voskový model
Hliníková mříž pro zpevnění formy
POSUVNÉ DÍLCE
VSTUPNÍ OTVOR
PŘIDRŽOVACÍ DESKA
Výroba voskových modelů – požadavky na vlastnosti vosku Dostatečná pevnost, tvrdost a dostatečná stabilita Dostatečná pružnost pro manipulaci Malé smrštění během tuhnutí Nízké procento popela Vhodná viskozita Odolnost oxidaci Nesmí se lepit na stěny kovové formy Nesmí reagovat s obalovými hmotami Přesná reprodukce formy Musí ztuhnout ve formě během krátké doby po vstříknutí
6
18.2.2013
Výroba voskových modelů – voskové směsy na modely - čisté - plněné - emulgované na vtokové soustavy rekultivované vosky speciální vosky - adhezní - opravný - vosky na jádra - namáčecí - rozpustné
Výroba voskových modelů – způsob výroby Gravitační lití modelů Je používáno už jen velice zřídka a to většinou při výrobě pomocných modelů jako jsou např. vtokové kanály apod. Vstřikování do formy Výroba voskových modelů vstřikováním vosku do formy je hlavní metodou výroby voskových modelů. Výroba se uskutečňuje na speciálních vstřikovacích lisech, které vstřikují roztavený vosk pod tlakem. Teplota vosků při vstřikování je v rozmezí 55 – 90°C. Po ztuhnutí je model vyjmut z formy.Vstřikovací lisy jsou klasifikovány dle stavu vosku, který je stroj schopný vstřikovat.
Výroba voskových modelů – vstřikovací stroje Stroje pracující s tekutým voskem - lisovací teplota ( 50 - 90 oC) - lisovací tlak ( 5 – 25 MPa) - čas lisování ( 0,5 – 6 min ) - teplota formy (25 – 45 oC) - čas ve formě (0,5 – 1,5 min)
7
18.2.2013
Kalibrační přípravek
VOSKOVÝ MODEL
TVAROVÁ ZÁKLADOVÁ DESKA
Sestava vtokové soustavy Podle počtu modelů v jedné licí soustavě se rozlišují:
Sestavování jednotlivých modelů Používá se v případě rozměrnějších odlitků. Jsou to převážně odlitky u nichž velké nároky na kvalitu nebo rozměrovou přesnost vylučují použití jiné technologie. Vtoková soustava s různými druhy nálitků se vyrábí ve zvláštních formách a na model se připojí pájením nebo lepením.
Sestavování modelů do stromečku Stromeček se skládá z většího počtu modelů, spojených jednotlivými vtoky s vtokovou soustavou.
Sestava vtokové soustavy Sestavování jednotlivých modelů
Sestavování modelů do stromečků
8
18.2.2013
Výroba keramických forem Obalování spočívá v opakovaném namáčení modelových stromečků do obalové hmoty, posypávání žáruvzdorným materiálem o vhodné zrnitosti a sušení jednotlivých obalů. Tento cyklus se opakuje tolikrát, dokud nemá obal požadovanou tloušťku. Počet vrstev bývá obvykle mezi 5 až 15 obaly.
9
18.2.2013
Výroba keramických forem Při namáčení se čisté voskové stromečky pozvolna ponořují do obalové hmoty(břečky) při současném otáčení a naklánění tak, aby obalová hmota rovnoměrně pokryla stromeček, a aby se neutvořily v koutech, rozích nebo drážkách vzduchové polštáře, nebo aby tam neulpěly vzduchové bublinky. Posypávání žáruvzdorným materiálem se provádí fluidně, ponořením do vzduchem načeřeného posypového materiálu. Na první dva lícní obaly, které rozhodují o kvalitě povrchu odlitku se používá jemný zásypový materiál se zrnitostí většinou 0,1 až 0,25 mm, na další obaly pak 0,25 až 0,5 mm
Výroba keramických forem Formovací směsi pro výrobu keramických skořepin se obecně skládají ze dvou látek - plniva - pojiva (břečka) Základní vlastnosti keramických skořepin Minimální tepelná roztažnost Vysoká teplota tavení Chemická netečnost vůči odlévaným kovům materiály
Al2O3 – oxid hlinitý ZrO2 – oxid zirkoničitý. křemičitany mulitu, zirkonu, silimanitu a molochitu.
Výroba keramických forem Při operace sušení keramických skořepin musí každý obal schnout v klimatizovaném prostoru při konstantních podmínkách. Teplota prostředí 20 až 24°C Vlhkost prostředí 50 až 70% Při sušení musí být zajištěno dostatečné proudění vzduchu. Podstatného zkrácení doby sušení se dosáhne sušením v proudu vzduchu s rychlostí proudění alespoň 180 m/min. V mírně ohřátém vzduchu (25 až 27°C), proudícím rychlostí 250 m/min , lze zkrátit dobu sušení mezi jednotlivými obaly na 50 až 55s
10
18.2.2013
Výrobní linka na keramické skořepiny
Vytavení voskové hmoty z formy Vytavování voskových modelů se provádí: V autoklávu 0,3 – 1,6 MPa, při T = 120 – 185 °C Za vysoké teploty v peci za teploty 900 až 1000°C, takže se spojí vytavení vosku s vypálením skořepiny. Ztráty vosku jsou 10 až 15%; Za nízké teploty vytavování se provádí v roztavené a přehřáté hmotě stejného složení jako má hmota modelů Dielektrickým ohřevem skořepiny se zvlhčí vodou a pak se umístí v poli vysokofrekvenčních oscilací. Vlhká skořepina se rychle ohřeje, vosk se těsně u skořepiny odtaví a vytvoří se dilatační spára, jenž zabrání popraskání skořepiny rozpínajícím se voskovým modelem Horkým vzduchem proud horkého vzduchu se zavádí do středu vtoku. Ten s protaví dříve než se celý model ohřeje a k odtavování pak dochází z vnitřku.
Příprava keramické skořepiny Keramická skořepina je po vytavení tepelně izolována pomocí izolačního materiálu sibral. Tento materiál slouží jako izolace v místech, kde je potřeba prodloužit tuhnutí odlitku. Podle tvaru, váhy a rozměrů se určí zda bude skořepina odlita: - zasypaná ( lupek, ocelové broky) - samonosně
11
18.2.2013
Vypálení keramické skořepiny Vypálené formy jsou schopny odolávat velmi vysokým teplotám a při pečlivém výběru skladby keramické břečky a posypového materiálu mohou být používány pro velmi širokou oblast slitin. Důvody vypalování forem před odléváním: - Odstranění zbytků voskových materiálů a těkavých látek zbylých po vytavování. - Zhutnění struktury keramiky – dosažení potřebné pevnosti skořepiny. - Předehřátí formy před litím na stanovenou teplotu (850– 1150oC)
Vypálení keramické skořepiny průběžná pec
Automatické licí pracoviště
Video 1
Video 2
12
18.2.2013
Dokončovací operace Typické pořadí dokončovacích operací: Odstranění převážné části keramické skořepiny(mechanicky) Odstranění odlitků z vtokové soustavy. Odstranění zbylé keramiky (mechanicky / chemicky) Odstranění vtoků z odlitků. Tryskání a dokončování.
Odstranění zbylé keramiky Chemické metody – lze použít fluorovodíkové kyseliny, žíravé soli nebo soli v roztavené formě jako vodní roztok. Existují 2 chemické metody: Lázeň s rozpuštěnou solí – hydroxid sodný,pracovní teplota v rozmezí 475 – 600°C. Doba pono ření odlitků je okolo 20 minut. Po solné lázni jsou odlitky opláchnuty a vloženy do neutralizační kyseliny kde dojde k odstranění okují. Horká vodní žíravá lázeň – alkalické koncentráty, obvykle s hydroxidem draselným. Pracovní teplota je okolo 80°C a odlitky, doba ponoření několik hodin. Obě výše uvedené metody jsou schopny odstraňovat i přístupná keramická jádra. Pro obtížnější, nepřístupná jádra, se používá louhovacího autoklávu. Jako louhovací prostředek je úspěšně používána koncentrace vodné žíraviny nebo kyseliny fluorovodíkové
Kontrola odlitků Metody pro rozměrovou kontrolu Důsledné dodržování rozměrů je nevyhnutelným požadavkem na kvalitu přesných odlitků, dodávaných jako výrobky typu near-net-shape. Metody pro zjišťování kvality povrchu Metody zkoumající povrchovou kvalitu odlitků. Metody pro zjišťování vnitřních vad Zkoumání vnitřní struktury odlitku. Kontrola výskytu převážně ředin a staženin.
13
18.2.2013
Kontrola odlitků - rozměrová Metody pro rozměrovou kontrolu Existuje mnoho technik používaných ke kontrole rozměrové přesnosti odlitků. Kontrola se provádí pomocí mikrometrů, ručních či automatických měřidel, souřadnicových měřicích systémů a tří – rozměrných automatických měřicích systémů
Kontrola odlitků - povrchové vady Metody pro zjišťování kvality povrchu Trhliny a jiné povrchové vady mohou být zjišťovány pomocí velkého počtu metod: - visuální kontrola - chemické leptání - fluorescenční kapilární metoda - zkouška vířivými proudy - magnetická zkouška
Kontrola odlitků – vnitřní vady Nedestruktivní metody lze systematicky rozdělit na optické, akustické, elektromagnetické, tepelné, radiografické a vzájemně propojené. - Penetrační - Magnetické - Vířivé proudy - Ultrazvukové - Rentgenové
14
18.2.2013
Tavení slitin neželezných kovů – mechanizace a automatizace
Al slitiny Vsázka : Housky slitin – výrobky hutí – nejdražší surovina, ale nejkvalitnější – existují
primární slitiny – slitiny prvního tavení – výroba hutnickým způsobem – a sekundární slitiny – výroba přetavením Al šrotu (obsahují více nečistot a přísadových prvků Vratný materiál – vtoky, nálitky, zmetky
Nejpoužívanější rozsah je podíl 40 – 60 % vratného materiálu, zbytek housky slitin.
Typy pecí pro tavení Al slitin Elektrické odporové – kelímkové, komorové – špatná možnost automatizace
Plynové – kelímkové, šachtové Elektrické kelímkové indukční – nízkofrekvenční – již velmi omezeně – špatná možnost automatizace
15
18.2.2013
Šachtové pece a jejich princip • Posuvné dveře zavážecího otvoru
System ETAmax®
• Horní kryt šachty • Předehřívaná vsázka • Tavící hořáky
1. Automatische Beschickung
• Hořák udržovací komory • Čistící dvířka tavící komory možnost odstranění ocelových zálitků
2. Kontinuierliche Metallentnahme, konstante Temperatur und hohe Qualität
• Odpichový ventil
Příklad vizualizace šachtové pece, přehled termočlánků Příklad vizualizace na Touch-screen obrazovce – obecná kontrola stavu pece
MPL II
Zjednodušený výkres vyzdívky Šachtové pece
47
Schéma tavení v šachtové peci
Dosažení nejnižšího propalu:
Předehřívaná vsázka
=> krátká doba setrvání vsázky v přímém kontaktu s plamenem
Tavící hořák - plamen se nedotýká housek
Odpadní spaliny 300°C
=> Čistící otvor tavícího mostu maximální předehřev vsázky ihned po natavení „sklouzává“ materiál do udržovací komory plamen se nedotýká vsázky
Přechod taveniny z tavící do udržovací komory Tavící most
16
18.2.2013
Pece s malým výkonem - nesklopné Tavící komora je nad udržovací komorou
Typ pece MH – díky této konstrukci zabírá méně místa
Detail odpichového ventilu
Pece s tavícím výkonem nad 1 tunu Al /h tavící komora je vedle komory udržovací Díky „banánu“ je možné tavit i během sklápění pece Vylévací žlab Tavící komora je „nalepena“ na komoře udržovací
Nižší hodnota DI a minimální vznik oxidů – natavený materiál stéká do udržovací komory Snazší čištění pece – lepší přístup k tavícímu mostu
Sklopné pece Laserové snímání šachty, vážící buňky, zavážení
•
Laserový snímač zaplnění šachty
•
Otvor komínové šachtě pro laserové paprsky
•
Rám pro uložení 2 nosných bloků a hydraulického válce
•
Uložení 4 vážících buněk MPL II
51
17
18.2.2013
Proč jsou šachtové pece tolik rozšířené 1 spotřeba energie pro tavení a ohřev na vylévací teplotu < 600 kWh / t Al (u kelímkových plynových pecí je uváděno 1300 – 1350 kWh / t Al) ztráty kovu = (propal + stěry) při 50% vratu a 50% housek
< 1,5 %
finanční úspora na 1% ztráty kovu: 1000kg/h * 20h/den * 340 dnů / rok * 50 Kč/kg Al * 0,01 = 3.400.000 Kč / rok vysoké využití tepla – teplota odpadních spalin
< 300°C
kontinuální odběr materiálu – ustálená tavenina je stále k dispozici v nastavené teplotě, která kolísá v rozmezí ± 6°C snížení rizika exploze housek MPL II vyšší kvalita kovu – nedochází k vycezování tvrdých vměstků ponořením 52 housek do taveniny
Proč jsou šachtové pece tolik rozšířené 2
snadné čištění, možnost odstranění železných zálitků bez rizika zvýšení procenta železa v tavenině Snadná obsluha celého zařízení
Snadná údržba Žádné problémy s ekologií a množstvím NOx ve spalinách Archivace a zpětná kontrola všech procesních dat množství nataveného a odebraného materiálu skutečná spotřeba plynu aktuální ztráty kovu (sledování zaváženého množství kovu, množství stěrů a nečistot při čištění pece Animace pece
Transport kovu • •
Transportní pánve – rozvoz pomocí vysokozdvižných vozíků Transportní žlab – kontinuální rozvod kovu
PEC ŽLAB
INGOTY LICÍ STROJE
18
18.2.2013
Automatizace v gravitační lití do kovových forem
Gravitační lití do kokil Licí stůl – s možností hydraulicky ovládaných jader Licí stroj (manipulátor, robot) Apretace
Příklad plně automatizovaného pracoviště gravitačního lití
19
18.2.2013
Možnosti uspořádání - lineární
Možnosti uspořádání - rotační
20
18.2.2013
Možné varianty licích stolů
Možné varianty licích strojů
21
18.2.2013
Možná manipulace s odlitky
Karuselové uspořádání pracoviště
Karuselové uspořádané výměnné udržovací pece
22
18.2.2013
Automatizace apretace Video Laempe
Sklopné gravitační lití do kokil (Tilt casting) Licí stůl – s možností hydraulicky ovládaných jader Licí stroj (manipulátor, robot) Apretace
23
18.2.2013
Příklad zapojení sklopných licích strojů
Automatizace v nízkotlakém lití
24
18.2.2013
Princip technologie
Možnosti automatizace nízkotlakého lití Licí stroj s různým příslušenstvím Výměnné pece Vyjímání odlitků Manipulace s odlitky Ošetření formy Apretace Výrobní linky
Licí stroj pro netrvalé formy
25
18.2.2013
Licí stroj pro trvalé formy
Licí stroj pro trvalé formy – možné doplnění
Licí linky
26
18.2.2013
Výměnné pece
Další operace shodné s kokilovým litím, doplněné o různé typy manipulačních zařízení. Pro odložení a přesun odlitku od robotu/manipulátoru používáme tyto zařízení:
Krokový dopravník
Vytváří zásobník odlitků pro založení do přepravního boxu nebo ostřihovacího lisu
Otočný dopravník
Skluzy
Zajišťuje manipulaci s paletovanými odlitky v přepravních boxech zajištění snadného odsunu odlitků z nebezpečného prostoru možnost zajištění třídění dobrých/vadných kusů
Válečkové tratě atd…
27
18.2.2013
Skluz
Otočný zakladač
Skluz s tříděním
28
18.2.2013
Skluz s posuvem odlitku
Souhrn přednášky Automatizace technologie přesného lití na vytavitelný model Mechanizace tavíren slitin neželezných kovů Mechanizace v oblasti gravitačního lití do kovových forem (včetně sklopného lití) a nízkotlakého lití
29
18.2.2013
Děkuji za pozornost
☺ Dotazy??
30
