UNIVERZITA JANA EVANGELISTY PURKYNĚ V ÚSTÍ NAD LABEM Fakulta výrobních technologií a managementu Katedra technologií a materiálového inženýrství
CHARAKTERISTICKÉ SLÉVÁRENSKÉ VADY PŘI VÝROBĚ MOTOROVÝCH HLAV VÁLCŮ TECHNOLOGIÍ NÍZKOTLAKÉHO ODLÉVÁNÍ DO KOVOVÝCH FOREM
semestrální práce z předmětu STROJÍRENSKÁ TECHNOLOGIE
Autor: Vedoucí semestrální práce:
Miroslav Janega Ing. Jiří Machuta, Ph.D. Chomutov 2012
Obsah 1. Úvod...................................................................................................................................................... 1 2. Základní rozdělení výrobních procesů .................................................................................................. 2 3. Vady lití ................................................................................................................................................ 5 3.1. Staženina ......................................................................................................................................... 6 3.2. Plynová porezita .............................................................................................................................. 7 3.3. Velký písek v kokile ........................................................................................................................ 8 4. Ostatní vady .......................................................................................................................................... 9 5. Závěr ................................................................................................................................................... 11
1. Úvod Tato semestrální práce popisuje konkrétní slévárenský provoz a to výrobu motorových hlav válců technologií nízkotlakého odlévání do kovových forem. Jedná se o výrobu komponentů z hliníkové slitiny do automobilů. Hlavním cílem práce je seznámení čtenáře s charakteristickými vadami vyskytujícími se v procesu takové výroby. Popsány jsou vady vznikající při samotném procesu odlévání, ale stručně i vady vyskytující se v následujících procesech výroby, tedy při odjádření, tepelném zpracování a samotném obrábění odlitků. Popsány jsou možné příčiny vzniku těchto vad, jejich charakteristika, nepříznivé důsledky z hlediska konečného produktu a případné možnosti opravitelnosti. V úvodní části práce je také popsán celý výrobní proces uvedeného provozu pro lepší představu s uvedením použitých technologií a zařízení.
1
2. Základní rozdělení výrobních procesů Konečný produkt, tedy motorová hlava válců, je postupně vyráběn v následujících krocích:
-
výroba jader
-
příprava taveniny
-
odlévání
-
odjádření, hrubé obrábění
-
tepelné zpracování
-
finální obrábění
Samotnému odlévání předcházejí dva přípravné procesy – výroba jader a příprava taveniny. Jádra jsou v tomto případě písková, vyráběná metodou CB. Slévárenský písek je v daném poměru s pryskyřicí (pojivem) vstřelován do jaderníku kde za průchodu plynného aminu (aktivátoru) uzavřenou formou jaderníku dochází k aktivaci vytvrzení směsi – vytvoření konečné formy jádra. Pro výrobu daného odlitku je zapotřebí 6ks jader vyráběných na 3 zařízeních. Jednotlivé jaderníky se skládají vhodně z několika kavit z hlediska použitého druhu písku. Současně s výrobou jader je připravována tavenina – hliníková slitina AlSi10MgCu. Slitina je do licích zařízeních dodávána ze dvou zdrojů. Prvním z nich je již roztavená slitina, která je do provozu přepravována ve speciálních 5-ti tunových nádobách od externího dodavatele. Příprava taveniny ve společnosti se tak omezuje pouze na jakostní kontrolu odebraných vzorků, udržování teploty popř. výhřev taveniny na speciálních stanicích, odplynění a následný transport do pece licího zařízení. Druhým zdrojem taveniny je přetavování odstraněných vtokových soustav a nálitků z následných procesů v tavících pecích (plynové kelímkové). Samotná výroba odlitků je v podniku realizována na dvou licích linkách. První z nich nese podnikové označení K16 a pracuje na principu otočné platformy, na které je rovnoměrně umístěno 6 kokil. Kokily jsou otevřené – skládají se pouze ze spodní části a dvou bočnic, které na budoucí hlavě válců tvarují sání a výfuk. Tyto formy se postupně střídají na licí pozici, kde dochází k realizaci samotného odlévání. Zdrojem taveniny je licí pec postupně doplňovaná operátory linky tavení. Zjednodušeně lze rozdělit proceduru potřebnou k výrobě jednoho odlitku na tomto zařízení do následujících fází: -
založení jader do kokily pomocí manipulačního robota,
-
uzavření bočnic kokily, 2
-
uzamknutí horního jádra,
-
plnění kokily taveninou z pece – licí teplota taveniny je 715ºC ±10ºC
Po nalití kokila odjede z licí pozice do zásobníku odlitků. Během cesty je kokila uzavřená a dochází k tuhnutí odlitku. Po vychladnutí v zásobníku je (opět manipulačním robotem) umístěn na výstupní dopravník k vizuální kontrole operátorem. Před samotným litím je každá kokila ofoukána tlakem stlačeného vzduchu, zbavena nalepených zbytků Al z předchozího lití a případně přestříkána ochranným nástřikem. Součástí této přípravné pozice je i kontrola způsobilosti kokily k dalšímu lití. Všechny uvedené činnosti jsou prováděny obsluhou licí linky. Druhé licí zařízení je řešeno výhodněji z hlediska nezávislosti práce stanovišť při opravách. Jedná se o gravitační lití. Odlévá se střídavě pouze na 2 kokily umístěné vedle sebe. Tavenina je dopravována ke kokilám v keramické lžíci přenášené manipulačním robotem. Sama lžíce také do forem taveninu nalévá vlastním naklápěním. Zdrojem taveniny je postupně doplňovaná udržovací kelímková pec. Zakládání jader také zajišťuje manipulační robot. Hrubé odlitky jsou dále odjádřeny a je odříznuta vtoková a nálitková soustava. Tyto úkony provádí automatická linka s přenášením odlitků k jednotlivým operacím pomocí manipulačních robotů. Ještě před vložením odlitku do této linky je odstraněna podstatná část vtokové soustavy pneumatickým, ručně ovládaným, odlamovacím zařízením. Odjádření je již v rámci činnosti automatické linky uskutečňováno na dvou vibračních stolicích. Díl je v této fázi upevněn mezi dvěma pevnými kladivy a kmitavý pohyb odlitku způsobující vyklepání písku zajišťuje pneumatické kladivo působící na odlitek dynamickými rázy danou dobu. Poté je odlitek přesunut k odříznutí zbytku vtokové soustavy na kotoučové pile. Dalším krokem je odstranění nálitku s nečistotami. Ten je odřezáván na pásové pile v rámci stejné linky. Posledním procesem na popisované lince je hrubé ofrézování sací a výfukové strany odlitku pomocí dvou frézovacích jednotek umístěných odloučeně od předchozích procesů. Po vyjmenovaných operacích je odlitek ručně dočištěn od nežádoucích otřepů a vizuálně zkontrolován operátorem. Dalším procesním krokem je tepelné zpracování odlitků. Zařízením pro tepelné zpracování je dvoukomorová pec, ve které jsou odlitky zpracovány následujícími procesy chronologicky: -
rozpouštěcí žíhání (při 512ºC)
-
rychlé ochlazení (do vodní nádrže)
-
odstranění deformace odlitku po žíhání na rovnacím lisu
-
umělé stárnutí (při 210ºC)
Cílem realizovaných postupů tepelného zpracování je zvýšení tvrdosti odlitků. 3
Po tepelném zpracování jsou vzorky odlitků testovány na tvrdost. Využívá se metody měření tvrdosti podle Brinella na optickém briviskopu. Jedná se tedy o zkoušku statickou, kdy do zkoušeného materiálu vniká v našem případě ocelová kulička daného průměru. Kruhový otisk je ve zvětšeném měřítku promítnut na display briviskopu se stupnicí, kde se určí průměr vtisku a přepočte na hodnotu tvrdosti. V případě popisovaného produktu je tvrdost stanovena v rozmezí 80HB-110HB. Poslední výrobní fází v podniku je obrábění. Tato linka je označována jako linka dokončovací a obsahuje především několik CNC obráběcích strojů a zkušebních zařízení. Všechny jsou plně automatické, spojené válečkovými dopravníky. Jednotlivé stroje a zařízení zajišťují chronologicky: -
hydraulický lis – odstranění otřepů části olejové galerie
-
obráběcí víceúčelové zařízení o odříznutí části řetězové skříně o zajištění průchodnosti otvoru v řetězové skříni frézováním o vrtání (čištění) ventilových otvorů
-
tryskací zařízení – mechanické opracování povrchu odlitku
-
temperovací lázeň
-
hlavní CNC obráběcí linka o 15 obráběcích operací na 6-ti stanovištích o operace typu frézování, vrtání, vystružování o transport mezi stanovišti zajištěn dvouosým systémem svislých dopravníků o linka obsahuje i kontrolní prvky např. průchodnost otvorů po vyvrtání o řídící systém Siemens Sinumerik 840D
-
zařízení pro mytí odlitku o systém karuselu, 6 komor (6 odlitků) o proplachování odlitku, čištění parou, sušení odlitku odsáváním prostoru komory
-
chladící zařízení o snižuje teplotu odlitku po mytí
-
zařízení pro suchý test těsnosti
-
zařízení pro test těsnosti pod vodní hladinou
-
stanoviště vizuální inspekce
-
paletovací stroj o automaticky zakládá hotové výrobky do palet 4
Vzhledem k tomu, že výrobu jader a odlitků v rámci jednotlivých linek zajišťují výhradně automatické stroje, probíhá kontrola jakosti produktů vždy mezi jednotlivými operacemi – linkami na principu výstupní kontroly. Jedná se o kontrolu vizuální prováděnou zaměstnanci podniku. Dále je v podniku k dispozici několik laboratoří a kontrolních stanovišť či úkonů v rámci samotných linek potřebných ke kontrole výrobků. Jedná se o: -
chemickou laboratoř – spektrální analýza vzorků taveniny, test LOI
-
laboratoř CMM – ověřování rozměrů jader a odlitků na souřadnicovém měřícím stroji
-
3D skenování – ověřování rozměrů jader a odlitků na 3D scanneru
3. Vady lití Licí linky v podniku jsou zdrojem několika vad, většinou známých a charakteristických pro slévárenství respektive pro danou technologii lití. Mezi tyto vady patří: -
staženina
-
plynová porezita
-
vada nástřiku
-
nedolitý odlitek
-
studený odlitek
-
odlitek s nízkým nálitkem
-
velký písek v kokile
-
přesazení odlitku
Následující kapitola popisuje některé z uvedených vad z hlediska příčiny jejich vzniku a zavedená opatření podniku vedoucí k jejich procentuálnímu snížení či úplnému odstranění. Pro představu podílu jednotlivých vad na celkové zmetkovitosti vyráběného produktu uvádím tabulku s počty zmetků dle jednotlivých vad kumulativně za vybrané tři týdny výroby.
5
Tabulka 1: Podíl vad na celkové zmetkovitosti produktu (Zdroj: autor)
3.1. Staženina Staženina je dutina v odlitku, která vzniká úbytkem slitiny při tuhnutí. Je dána rozdílem objemu tekutého kovu před tuhnutím a objemem po jeho ztuhnutí. Staženiny jsou poté vyplňovány kovem z nálitku, který má při odlévání tuhnout nejpozději. Nejčastěji se staženiny vytvářejí v místech, kde se stýká několik stěn. Těmto místům se říká tepelné uzly. Jedná se o místa s větším průřezem než v okolních stěnách odlitku, ve kterých pak dochází k tuhnutí kovu pomaleji. K určení tepelných uzlů se používá tzv. Heuversova metoda vepsaných koulí. Principem metody je pak pravidlo, že každá vepsaná koule do stěny odlitku ve smyslu proudění tekutiny formou by měla být imaginárně vytažitelná do nálitku [1]. V případě popisovaného podniku je problém staženin v současnosti vázán na tři konkrétní místa odlitku. Ve všech případech se jedná o koncentrované shluky mikrostaženin, které jsou zviditelněny až na obrobených plochách. Jedná se o dvě místa v části řetězové skříně a jedno místo na obrobené ploše olejové galerie hlavy válců. Všechna místa se přitom zdají být právě tepelnými uzly odlitku, což odpovídá popsané teorii vzniku staženin. Na obrázku č.2 je přítomna staženina v řetězové části hlavy válců, přesněji kolem vrtání otvoru pro uchycení hlavy k bloku motoru.
6
Obrázek 1: Staženina na odlitku (Zdroj: autor)
Staženina na obrázku č.2 byla nedávno řešena technology podniku jako nová, dříve se až na výjimky nevyskytující vada. Bylo zjištěno, že staženina vznikala vlivem příliš vysoké teploty postižené oblasti. Docházelo zde tedy k nerovnoměrnému tuhnutí odlitku a tím k tvorbě staženiny. Příčinou byl jeden z chladících okruhů kokily, který byl v době výskytu této vady nefunkční. Problém byl velmi jednoduchý a byl rychle vyřešen. Informaci o této vadě však podnik získal až od zákazníka, který postiženou oblast odkrývá obráběním. Obecně se při výskytu staženin doporučuje zvažovat např. následující možnosti [1]: -
zajistit vyšší rychlost tuhnutí v oblastech tepelných uzlů (např. použití chladítek),
-
snížení licí teploty,
-
zvýšit licí rychlost,
-
nezakládat teplá jádra do studených forem a naopak.
3.2. Plynová porezita Hliníková slitina má vlastnost absorpce vodíku. Tato nežádoucí vlastnost způsobuje zamíchávání vzduchu do proudící taveniny např. při plnění formy. Dalším zdrojem vodíku je vlhkost v přepravních pánvích či pecní vlhkost. Takto uzavřený vzduch v kovu po jeho odlití vytváří malé dutiny s hladkým vnitřním povrchem. Míra naplynění taveniny záleží na rychlosti tuhnutí odlitku. Platí, že rychleji tuhnoucí odlitek je méně náchylný na plynovou porezitu než dlouho tuhnoucí kov. 7
Současně platí, že vodík se lépe rozpouští ve slitinách s vyšší teplotou. Příliš vysoká teplota kovu (licí teplota) je tedy nežádoucí. Plynová porózita zhoršuje vlastnosti slitiny jako např.: -
snížení pevnosti,
-
vznik únavových lomů v místech pórů,
-
kvalita obrobených povrchů.
V popisovaném podniku je plynová porózita nejčastěji spojována s netěsnými díly, kdy vzduchové bubliny na stěnách odlitků způsobují netěsnost tlakově namáhaných částí hlav válců. Prevencí před vznikem nežádoucího množství plynové porózity je odplynění taveniny před nalitím do pece licí linky. V podniku je proces odplynění taveniny prováděn z přepravní pánve na rotačním impeleru. Rotační impeler je zařízení, jehož hlavní částí je rotor, který se ponoří do pánve s taveninou. Poté se na předepsanou dobu roztočí a ze spodní části rotoru je vháněn do taveniny dusík, který na sebe průchodem pánví „nabaluje“. Tímto vzniklá struska na hladině pánve je odebrána operátorem tavírny pomocí ruční naběračky. Po odplynění je odebrán vzorek taveniny, který je kontrolován na hodnotu naplynění a v případě splnění předepsaného limitu je slitina použita pro odlévání.
3.3. Velký písek v kokile Tato vada tvoří dlouhodobě zásadní podíl na celkové zmetkovitosti slévárny. Obecně se jedná o přítomnost pískových zrn v kokile během odlévání, které v konečném odlitku vytvářejí díry různých velikostí. Písek v kokile z hlediska jeho velikosti je rozdělován na drobný a velký písek. Za drobný písek se považují zrna o velikosti přibližně 1mm. Pokud není tento drobný písek na vysoce tepelně namáhaných plochách spalovacích komor, může být zákazníkem do určité míry tolerován vzhledem k možnosti jeho odstranění obráběním. Za velký písek je považován zpevněný shluk pískových zrn o různých velikostech. Mohou se vyskytovat na všech místech odlitku. Vzhledem k jeho velikostem, které mohou být i 1cm, patří vada mezi neopravitelné zmetky. Velký písek se do kokily dostává při zakládání jader robotem nejčastěji kvůli porušení celistvosti hladkého povrchu jader. Při porušení povrchu jader se tak otevírá prostor pro vnitřní nezpevněné části pískové směsi, které při pohybu zakládacího robota z jádra odlétávají právě do formy.
8
Obrázek 2: Velký písek na hraně spalovací komory (Zdroj: autor)
Faktory ovlivňující přítomnost velkého písku v kokile jsou: -
nevhodná směs písku použitého při výrobě jader (křehké, porézní),
-
porušení celistvosti povrchu jader během dopravy a manipulace,
-
kolize jader s částmi kokily při zakládání.
Snaha o snižování procenta této vady je řešena na několika místech výrobního procesu. Na linkách výroby jader je pravidelně kontrolována směs na požadované parametry. Dále jsou řešeny procesy dopravy a manipulace vedoucí ke znemožnění poškození jader. Významnými pomocníky v boji proti přítomností písku v kokile je instalace ofuků na zakládacím stole jader licí linky a ofuku kokily, který ji očistí po založení jader těsně před samotným odlitím.
4. Ostatní vady Vady vznikající při lití tvoří velkou část celkové zmetkovitosti. Zanedbatelné však nejsou ani vady produkující ostatní procesy v podniku. Předcházející proces odlévání, výroba jader, je z hlediska zmetkovitosti omezen především na nedokonalé odstranění otřepů operátory jaderny. Odlitky z těchto jader obsahují nejrůznější díry,
9
které jsou většinou zdrojem netěsností. Křehká směs písku může kromě již popisované vady (písek v kokile) způsobit prasknutí jádra při zakládání a opět tak způsobit netěsnost odlitku. Při odjádření, odstranění vtokové soustavy a nálitku občas dochází k podříznutí odlitku při obrábění pásovou či kotoučovou pilou. V rámci jiného stroje stejné linky pak k přefrézování strany sacích a výfukových kanálů. Na finálním obrábění způsobuje nejvíce zmetků nestabilita obráběcího centra, která závisí především na: -
vhodném nastavení pozic jednotlivých os obrábění (programové korekce),
-
stavu obráběcích nástrojů a vůlích jejich uložení,
-
korektním uchycení dílů v jednotlivých přípravcích obráběcího centra,
-
parametry řezné emulze,
-
teplota okolního prostředí.
Při nesplnění alespoň minimálních požadavků na uvedené ovlivňující faktory dochází k obrábění ploch mimo tolerance předepsaných rozměrů. Je nutné si uvědomit, že požadavky na přesnost obrábění jsou na mnoha rozměrech v řádu tisícin milimetrů. Dalšími problémy v rámci finálního obrábění jsou drsnosti obrobených ploch, otlaky povrchů vlivem usazených třísek ve stroji a jiné charakteristické vady obrábění. V rámci tepelného zpracování odlitků se žádné vady nevyskytují. Je však zapotřebí zaručit, aby odlitky byly zpracovávány předepsanou dobu se správnými teplotami. Tím je požadovaný výsledek, předepsaná tvrdost odlitku, zajištěn.
10
5. Závěr Je potřeba si uvědomit, že účinný boj se snižováním zmetkovitosti je základním předpokladem pro dobré ekonomické výsledky každého podniku. V popisovaném podniku tomu není jinak. Tato společnost je relativně mladá a od jejího vzniku ji provází několik typických úkonů a problémů začínajících výrob. Patří sem základní optimalizace výrobních procesů doprovázena řadou testů, nezkušenost řešitelů technologických změn v souvislosti se zlepšováním kvality atp. Přesto si myslím, že se společnost v tomto ohledu vydala správným směrem s odkazem na současné výsledky zmetkovitosti, které jsou srovnatelné s jinými, již zaběhnutými slévárnami.
11
Použitá literatura [1] ELBEL, Tomáš. Základy slévárenské technologie. Učební text FMMI, VŠB – TU Ostrava 2006.
Seznam internetových odkazů [2] Vysoká škola chemicko-technologická v Praze: http://www.vscht.cz/met/stranky/vyuka/labcv/labor/fm_slevarenstvi/teorie.htm
12
