MENDELOVA UNIVERZITA V BRNĚ AGRONOMICKÁ FAKULTA
BAKALÁŘSKÁ PRÁCE
BRNO 2013
ONDŘEJ VLČEK
Mendelova univerzita v Brně Agronomická fakulta Ústav techniky a automobilové dopravy
Výroba odlitků z neželezných kovů Bakalářská práce
Vedoucí práce: Ing. Jiří Votava, Ph.D.
Vypracoval: Ondřej Vlček
Brno 2013
PROHLÁŠENÍ Prohlašuji, že jsem bakalářskou práci na téma „Výroba odlitků z neželezných kovů“ vypracoval samostatně a použil jen pramenů, které cituji a uvádím v přiloženém seznamu literatury. Bakalářská práce je školním dílem a může být použita ke komerčním účelům jen se souhlasem vedoucího bakalářské práce a děkana Agronomické fakulty Mendelovy univerzity v Brně. dne ………………………………………. podpis bakaláře ……………………….
PODĚKOVÁNÍ Rád bych poděkoval vedoucímu své bakalářské práce Ing. Jiřímu Votavovi Ph.D. za odborné vedení, důležité připomínky, rady a pomoc při zpracování této bakalářské práce. Také oceňuji jeho ochotu, snahu, trpělivost při konzultacích a jeho operativní přístup při řešení problémů i mimo domluvené konzultační hodiny.
ABSTRAKT Tato bakalářská práce se zabývá výrobou odlitků z neželezných kovů. Větší důraz klade na odlitky, kde se budou využívat jako hlavní materiály slitiny hliníku pro strojírenskou výrobu. Hlavním záměrem této práce bude přiblížení postupu a technologii výroby těchto produktů, které jsou dnes nejpoužívanější a kam směřuje budoucnost tohoto odvětví. V této práci je zahrnut pro porovnání i principiálně velmi podobný postup při výrobě určitých druhů plastů. Dále se práce zabývá výstupními parametry koncového výrobku pro současné potřeby použití v běžném životě.
Klíčová slova: slitiny hliníku, postup výroby odlitků, výstupní parametry a použití ABSTRACT This bachelor´s thesis deals with the production of castings made of non-ferrous metals. A greater emphasis is placed on castings, where aluminium alloys are used as main materials for engineering production. The main intention of this work is to describe a process and a technology of the production of castings, which are widely used today. The production of these castings also represents where the future of this industry aims for. What is more, just for a comparison, a very similar procedure used for certain types of plastics production is also included in this work. The output parameters of a final product and their use for current needs of an everyday life are also dealt with in this work.
Keywords : aluminum alloy, casting production process, output parameters and use
OBSAH 1
ÚVOD..................................................................................................................................9
2
CÍL PRÁCE......................................................................................................................10
3
PŘEHLED VÝZNAMNÝCH NEKOVOVÝCH MATERIÁLŮ.................................11 3.1 Zpracování plastů .......................................................................................................15 3.1.1
Vytlačování plastů ..............................................................................................16
3.1.2
Vstřikování plastů ..............................................................................................17
3.1.3
Odlévání plastů ...................................................................................................19
3.2 Další nejpoužívanější nekovové materiály ...............................................................20 4
NEŽELEZNÉ KOVY VE STROJÍRENSKÉ PRAXI ..................................................21 4.1 Hliník ...........................................................................................................................22 4.2 Hořčík ..........................................................................................................................22 4.3 Další významné materiály..........................................................................................22
5
HLAVNÍ NEŽELEZNÉ MATERIÁLY PRO LITÍ .....................................................23 5.1 Slitiny hliníku..............................................................................................................24 5.2 Slitiny hořčíku.............................................................................................................25 5.3 Ostatní používané neželezné materiály ....................................................................26
6
VÝROBA ODLITKŮ ZE SLITIN HLINÍKU...............................................................28 6.1 Tlakové lití...................................................................................................................28 6.2 Nízkotlaké lití ..............................................................................................................29 6.3 Kokilové lití .................................................................................................................30 6.4 Odstředivé lití..............................................................................................................31
7
LICÍ STROJE ..................................................................................................................31 7.1 Základní principy .......................................................................................................32 7.2 Ekonomika provozu ...................................................................................................32 7.3 Periferní zařízení ........................................................................................................33 7.4 Srovnání základních metod odlévání hliníku...........................................................34 7.5 Principiální srovnání s výrobou plastových výlisků................................................35
8
ROZDĚLENÍ LICÍCH STROJŮ ...................................................................................35 8.1 Teploty komor.............................................................................................................36 8.2 Uzavírací síly ...............................................................................................................37 8.3 Další hodnotící parametry .........................................................................................37
9
HODNOTÍCÍ PARAMETRY ODLITKŮ.....................................................................37
9.1 Výstupní parametry ...................................................................................................38 9.2 Úpravy a obrábění ......................................................................................................39 9.3 Finalizace.....................................................................................................................39 10
ZÁVĚR ........................................................................................................................40
11
SEZNAM POUŽITÉ LITERATURY ......................................................................41
12
SEZNAM OBRÁZKŮ................................................................................................42
13
SEZNAM TABULEK ................................................................................................42
14
PŘÍLOHA ...................................................................................................................43
1
ÚVOD Tato bakalářská práce se zabývá použitím neželezných materiálů ve strojírenské
výrobě, kde hlavním oborem na který se zaměřuje je výroba odlitků z neželezných kovů a částečně i výroba určitých druhů plastů. Téma bylo zvoleno s ohledem na skutečnost, možnosti absolvování praxe ve firmě, která se zabývá výrobou a opracováním odlitků ze slitin hliníku a patří mezi jednu z nejvýznamnějších českých firem v tomto oboru. Dalším důvodem při volbě tématu této bakalářské práce byl celoživotní zájem o dopravní techniku. Automobilový průmysl je zásadním odvětvím všech významných světových ekonomik a sdružuje v sobě nejlepší poznatky výzkumu, vývoje a užití progresivních technologií v běžném životě. K těm bezesporu patří velkosériová výroba odlitků z neželezných kovů, jako jedna z nejefektivnějších a nejprogresivnějších technologií při výrobě tvarově náročných komponentů a výrobků. Pod pojmem automobilový průmysl si drtivá většina lidí představuje svůj osobní automobil, bez kterého si svůj život dovede jen velmi těžko představit, ale tento obor představuje také výrobu nákladních automobilů, celé plejády zemědělských strojů jako traktorů a dalších zařízení zde používaných pro např. těžbu dřeva, získávání nerostných surovin a jiné. Extrémní nároky kladené na tyto zařízení, předurčují používání těch nejpokrokovějších metod výroby, které jsou vyvíjeny v sofistikovaných výzkumných a vývojových centrech s velmi rychlou aplikací do běžné sériové výroby. Jednotlivé koncové produkty jsou navázány na předcházející velmi složitý a náročný proces výroby. Tyto jednotlivé produkty jsou složeny z jednotlivých komponentů z mnoha často principiálně odlišných odvětví výroby. Technologie, kterými se zabývá tato bakalářská práce, se používají i v mnoha dalších oblastech a oborech. Příklady můžeme najít napříč veškerou výrobou. Toto široké spektrum užití dává předpoklady k dynamickému rozvoji těchto technologií a podporuje taktéž vývoj v oboru strojních zařízení, ve kterém se tyto výrobky produkují, jako jsou například licí stroje a licí pracoviště nebo CNC obráběcí stroje a centra.
9
2
CÍL PRÁCE Tato bakalářská práce má za cíl shrnout informace o současných metodách výroby
odlitků z neželezných kovů, popsat nejčastěji používané materiály při této výrobě. Pro porovnání s principiálně podobným postupem výroby byl zařazen do práce postup výroby určitého druhu plastů a materiál, ze kterého se vychází. Dále jsou v bakalářské práci popsány postupy a jednotlivé technologie lití slitin hliníku a základní rozdělení licích strojů a jejich parametrů. Na závěr se práce zabývá koncovými produkty této výroby, finalizací a jejich vlastnostmi. Závěrečné zhodnocení se týká hlavně dalšího vývoje a budoucnosti tohoto odvětví.
10
3
PŘEHLED VÝZNAMNÝCH NEKOVOVÝCH MATERIÁLŮ Kovové materiály mají většinou větší hustotu, menší odolnost proti korozi i jiným
chemickým účinkům, jsou špatnými izolátory elektřiny i tepla a špatně tlumí chvění. Zlepšení těchto vlastností kovů je obvykle provázeno zvýšením nákladů a tedy i cenou nebo zhoršením technologických vlastností. Proto se v mnohých případech uplatňují lépe materiály nekovové. Jedná se o: 1. Plasty a syntetické kaučuky 2. Dřevo 3. Pryž 4. Keramika a kamenina 5. Sklo a technický porcelán 6. Kůže a textilie Plasty a syntetické kaučuky Plasty jsou jednou z nejmladších skupin konstrukčních materiálů. Jsou to materiály se specifickými vlastnostmi. Jsou velmi lehké, nekorodují, izolují tepelně i elektricky a dají se snadno a levně zpracovávat tvářením. Modifikacemi a příměsemi můžeme měnit jejich vlastnosti v širších mezích. Plasty jsou makromolekulární organické sloučeniny, skládající se z obřích molekul, takzvaných makromolekul, které obsahují tisíce atomů, především uhlíku a vodíku, k nimž přistupují atomy dalších prvků, např. chlóru, fluóru, kyslíku, dusíku aj.
(Dryml L. 2008)
Výroba: V menší míře se vyrábějí plasty modifikací přírodních makromolekulárních látek, na něž se chemicky vážou nízkomolekulární sloučeniny. Například modifikací celulózy se vyrobí acetát nebo nitrát celulózy, modifikací přírodního kaučuku se získá chlórkaučuk. Převážně jsou však plasty vyráběny synteticky. Základní suroviny jsou hlavně ropa a uhlí a z nich získaný etylén, propylén, butylén, butadien, benzen, xylen, fenol. Dále dusík, vodní plyn, sůl kamenná (zdroj chloru) acetylen aj. Z těchto surovin se složitými procesy vyrábějí nízkomolekulární látky monomery, které jsou výchozími látkami pro výrobu makromolekulárních látek polymerů. Slučování monomerů na polymery se děje polyreakcemi. (Brandštetr J. a kol. 1999)
11
1)
POLYMERACE
-
polymer
vzniká
prostým
spojováním
základních
monomerních jednotek a má chemickou vazbu shodnou s monomery. 2)
POLYADICE - monomery jsou různého typu a výsledný polymer má
chemickou stavbu od nich odlišnou. 3)
POLYKONDENZACE - monomery jsou různého typu a při jejich slučování se
odštěpují nízkomolekulární reakční zplodiny jako je voda, čpavek, alkohol a jiné. Výsledný polymer má opět jinou stavbu než monomer. 4)
SMÍŠENÉ POLYREAKCE - Monomery se třemi nebo více skupinami
schopnými chemické reakce umožňují průběh několika druhů polyreakcí a vytvoření chemických vazeb mezi základními řetězci. Vznikají tak polymery. Měnit vlastnosti je možné i mechanickým míšením polymerů.
(www.ksp.tul.cz)
Tab. 1 Charakteristické vlastnosti plastů (Dryml L. 2008) Hustota
asi 900 až 2200 Kg/m3
výhodné pro dopravu podstatně lehčí než ocel
Pevnost v tahu
30 až 80 MPa
u nevyztužených hmot
100 až 200 MPa
u vyztužených hmot
60 až 90 °C
u běžných termoplastů
100 až 120 °C
u běžných reaktoplastů a elastomerů
Teplotní roztažnost
průměrně 10krát větší než u oceli
Méně přesné rozměry výrobků
Tepelná vodivost
asi 100 až 200krát menší než u oceli
tepelně dobře izolují, špatně odvádějí teplo vzniklé třením
Hořlavost
hořlavé nebo modifikované jako samozhášecí
nebezpečí požáru, škodlivé plyny
Elektroizolační vlastnosti
velmi dobré, pokud hmota nenavlhá
výborné izolátory
Chemická odolnost
nekorodují vodou, odolnost proti chemikáliím dle druhu plastu
dle specifikace vhodné pro skladování a přepravu
Zpracovatelnost
snadná a levná (zejména u termoplastů)
tvářením, tvarováním, svařováním
Tepelná odolnost
12
Vlastnosti plastů se dají měnit také příměsemi: Plniva - zvětšují tepelnou vodivost, snižují tepelnou roztažnost, zmenšují tření (grafit, sirník molybdeničitý). Vláknitá plniva vyztužují hmotu a zvyšují její pevnost stříhaná vlákna, rouno, textilie, tkanin bavlněné, skleněné. Změkčovadla - k tvrdým polymerům pro získání měkkosti a ohebnosti Barviva - žádaný barevný odstín. Stabilizátory - zlepšují odolnost polymerů proti zvýšeným teplotám, oxidaci, ultrafialovému záření a povětrnosti. Maziva - za účelem lepšího tečení roztavené hmoty při tváření. Nadouvadla - uvolňují při zpracování plyny a vytvářejí pěnovou strukturu. Lehčené hmoty. (www.ksp.tul.cz) Přehled nejdůležitějších druhů plastů a jejich hlavní použití Rozdělení plastů: • Termoplasty - teplem tvárné • Reaktoplasty - teplem vytvrditelné • Elastomery - vulkanizované
Termoplasty Polyvinylchlorid (PVC) je nejpoužívanější plast. a) Tvrdý PVC je pevný, dosti křehký, použitelný do teploty 60°C, vyniká odolností proti kyselinám a zásadám. Použití v chemickém průmyslu na potrubí, armatury, desky na vyložení nádrží. b) Měkčený PVC obsahuje změkčovadla, ohebný, pod 0°C však křehne. Použití na kabelky, podrážky, obuv, koženka, pokojové tapety, podlahoviny, hračky, těsnící profily, izolace vodičů. Směs PVC s chlorovaným polyetylénem. Je mírně křehký a lépe odolává povětrnostním vlivům. Je vhodný na okenní rámy, okapy. Kopolymer vinylchlorid - vinylacetát otiskuje velmi přesně povrch formy
13
Polyetylén (PE) odolává celkem dobře kyselinám, zásadám, rozpouštědlům a teplotám do 75°C. Je výborným vysokofrekvenčním izolátorem. Je lehčí než voda. Rozvětvený polyetylén je měkký, ohebný i za mrazu a je vhodný na nádoby, víčka, potrubí a hadice pro vodu. Fólie se používají na hygienické balení potravin, pytle, sáčky, ubrusy a podobné výrobky. Lineární polyetylén je pevnější, tuhý. Hodí se na velké nádoby, kbelíky, dřezy, kanistry, kalíšky, potrubí, armatury. Vysokomolekulární polyetylén odolává otěru a hlavně rázům. Vhodný je na pojezdová kola, lanové kotouče, ozubená kola a podobně. Polypropylen (PP) odolává až do teploty 90 °C. Je vhodný na potrubí a armatury pro horkou vodu, sterilizovatelné injekční stříkačky, nádoby na dopravu lahví. Zpracovává se též na vlákna pro tkané pytle, plovoucí vodní lana a jiné. Polystyrén (PS) je tvrdý, křehký, průhledný, dobře barvitelný, odolný do 75 °C. Výborný vysokofrekvenční izolátor. Dobře se rozpouští a lepí, snadno se zpracovává. Může být modifikován jako nehořlavý. Samostatnou skupinou jsou strukturní pěny sestávající z vypěněného jádra a kompaktního povrchu. Polytetrafluoretylen (PTFE) - teflon, je obchodně nejvýznamnějším fluoroplastem. Odolný vůči rozpouštědlům, nehořlavý a zdravotně nezávadný. Má dobrou tepelnou odolnost. Odolný vůči velkému mrazu a povětrnostním vlivům. Používá se například pro součásti potrubí, těsnění a antikorozní ochrany kovů. Polyamidy (PA) – je tvrdá světložlutá hmota s dobrými mechanickými vlastnostmi, nízkým koeficientem tření a výbornou otěruvzdorností včetně elektroizolačních vlastností. Používá se pro výrobu vláken i jako konstrukční materiál. Vhodné pro výrobu ozubených kol a ložisek, kde se uplatní nízký koeficient tření. Polymetylmetakrylát (PMMA) – ve výrobě se používá technologie blokové polymerace pro výrobu desek, trubek a tyčí. Výrobky se označují jako organické sklo, nebo-li plexisklo.
(Brandštetr J. a kol. 1999)
14
Reaktoplasty a elastomery: Fenoformaldehyd - tvrdý, křehký, odolný proti rozpouštědlům do 120 oC Čisté pryskyřice se používají například na elektrické izolátory, přípravky, modely, šablony. S plnivy vznikají následné modifikace: Dřevěná moučka - Bakelit Vrstvený papír - kartit, umakart Vrstvené bavlněné tkaniny - textit, textgumoid - ozubená kola, kluzná ložiska. Epoxidy - pevné, odolné proti povětrnosti a teplotám do 120 oC. Čistá pryskyřice se používá na izolační zalévání vodičů a obvodů v elektrotechnice, na slévárenské modely, šablony, přípravky, lisovací nástroje, jako lepidla pro kovy. Epoxidové skelné lamináty mají pevnost až 320 MPa a používají se na chemické nádrže, potrubí a jiné. Polyestery – nenasycené, jsou nejčastějším pojivem pro stříhaná skleněná vlákna nebo skelné tkaniny. Polyuretan - tuhá kaučukovitá hmota s velkou otěruvzdorností a tlumící schopností. Používá se na silentbloky, těsnění, manžety pro vodu a olej do 80 oC. Silikony – organické sloučeniny křemíku a kyslíku, odolné proti stárnutí a povětrnosti. Odpuzují vodu a odolávají teplotám až 200 oC. Používají se jako maziva v letectví, v potravinářství pro ložiska a armatury, jako hydraulické oleje, separační pasty v lisařské technice, ochranné nátěry v autokosmetice, impregnace textilu a jiné. Syntetické kaučuky - přírodní kaučuk vyniká pružností a otěruvzdorností, ale není použitelný pro vysoké teploty, neodolává benzinu, olejům a podléhá stárnutí. Syntetické kaučuky odstraňují jeho nevýhody. Polybutadien - má velmi dobrou otěruvzdornost, používá se na pneumatiky a technickou pryž.
3.1
(Dryml L. 2008)
Zpracování plastů
Plasty přicházejí ke zpracování z chemických podniků ve formě prášku, granulátu, tablet či kapaliny, obvykle již s obsahem žádaných příměsí (barviv, plniv, stabilizátorů, maziv aj.). Zpracovávají se různými způsoby tváření - vstřikování, lisování, odlévání, 15
natavování aj. na hotové výrobky nebo polotovary. Polotovary například bloky, fólie, trubky, profily, předlisky se mohou dále tvarovat, svařovat, lepit a obrábět. Termoplasty a termoplastické eleastomery se zpracovávají vytlačováním (polotovary) a vstřikováním do forem (hotové výrobky). Reaktoplasty a netermoplastické eleastomery se zpracovávají lisováním ve formách nebo vstřikováním do forem. Dělení dle použitého zpracování: 1) Zpracování plastů na výrobky Vstřikování, lisování, spékání, odlévání, rotační natavování, beztlakové laminování. 2) Zpracování plastů na polotovary Vytlačování, válcování, lisování, jiné způsoby zpracování. 3) Tvarování polotovarů na výrobky Obrábění, ohýbání, vakuové tvarování, vyfukování. 4) Spojování výrobků a polotovarů z plastů Svařováním, lepením, natavováním, mechanickými spoji.
(www.ksp.tul.cz)
3.1.1 Vytlačování plastů Kontinuální výroba tyčí, trubek, hadic, profilů, desek a fólií hlavně z termoplastů na vytlačovacích strojích. Granulovaný termoplast se taví v topném válci a ocelový šnek protlačuje taveninu tvarovou hubicí požadovaného profilu. Ihned za strojem se vytlačovaný polotovar kalibruje, chladí, a buď se navíjí, nebo se řeže na určité délky. Vytlačované desky a fólie se mohou ještě za tepla homogenizovat válcováním nebo se mohou naválcovat na nosný podklad například tkaninu.
(Dillinger J. a kol. 2007)
Obr. 1 Vytlačování plastů – řez vytlačovací jednotkou (Dryml L. 2008) 16
3.1.2 Vstřikování plastů - vstřikování termoplastů - vstřikování reaktoplastů a elastomerů - vstřikování strukturních pěn VSTŘIKOVÁNÍ TERMOPLASTŮ Principem je vstříknutí roztaveného termoplastu pod tlakem do uzavřené formy. Výstřiky mohou mít hmotnost 1g až několik kg. Forma je kovová, obvykle ocelová, chlazená protékající vodou, má samostatné vyhazovací zařízení. Může být jednonásobná nebo vícenásobná, až 40 výrobků na jeden vstřik. Pracovní cyklus trvá několik desítek sekund. Nejrozšířenější a nejlevnější technologie pro velkosériovou výrobu tvarových předmětů.
Obr. 2 Princip vstřikování termoplastů - pracovní cyklus (www.ksp.tul.cz) V první fázi se nasypou do pracovního válce granule polotovaru, uvnitř válce se otáčí šnek, který dopravuje granule válcem směrem k ústí. Válec je vyhříván topnými tělesy a v důsledku toho se granule taví a dostávají se do viskózového stavu plastifikace. Po vytvoření požadovaného množství viskózní hmoty se otáčivý pohyb šneku zastaví a šnek se posune směrem k ústí a funguje jako vstřikovací píst. Tím vstříkne plast do připravené formy. Po ztuhnutí termoplastu je polovina formy odtažena a forma se rozevře. Vyhazovač potom vyhodí hotový výrobek. Následně se forma uzavře a je připravena pro další cyklus.
(Dillinger J. a kol. 2007)
17
VSTŘIKOVÁNÍ REAKTOPLASTŮ A ELASTOMERŮ Podobné jako u termoplastů. Rozdíl je v tom, že forma je vytápěna na 120 - 180 oC, aby po vstřiku mohlo dojít k zesíťování polymerních řetězců, to je vytvrzení u reaktoplastů nebo vulkanizace u elastomerů. Tím se prodlouží pracovní cyklus na 2 až 10 minut.
(www.ksp.tul.cz)
Obr. 3 Řez vstřikovací jednotkou (www.ksp.tul.cz) VSTŘIKOVÁNÍ STRUKTURNÍCH PĚN Vhodné termoplasty PS, ABS, PE, PP a jiné se před vstřikováním smísí s nadouvadlem, které se teplotou rozloží na plyn. Vstřikem se forma naplní jen z části, plyn expanduje, zpění hmotu, která zvětší svůj objem, až vyplní celou tvarovou dutinu formy. Povrch výstřiku je tuhý, kompaktní, neboť hmota stykem s chladnou stěnou formy ztuhne tak rychle, že nezpění. Pod povrchem hmota plynule přechází v pěnovou strukturu. Střední hustota takových vstřiků bývá 500 - 800 kg.m-3. Ve hmotě nevzniká vnitřní pnutí, takže nemusí být stejnoměrná tloušťka stěny a výrobek není náchylný na deformaci. Výrobky: skříňky spotřebičů, televizorů, rozhlasových přijímačů a podobně. (Dillinger J. a kol. 2007) Zpěňování polystyrenu Odlišný je způsob vstřikování předpěněného PS do formy, do níž se současně drobnými otvory přivádí horká pára o tlaku 0,15 MPa. Působením páry se PS dopění a vyplní formu. Hustota výrobku bývá 20 - 100 Kg.m-3 a je v celém průřezu rovnoměrná, není to tedy strukturní pěna. Tloušťka stěn bývá k velmi malé pevnosti hmoty desítky až stovky milimetrů. Typické výrobky: obaly pro citlivé přístroje, sklo, porcelán, tepelně izolační desky pro stavebnictví.
(Dryml L. 2008) 18
Vícepolohový vstřikovací stroj má více stejných forem upnutých buď na vratně posuvném stole (dvoupolohový stroj) nebo na rotačním karuselu (4 až 16 poloh). Formy postupně přicházejí před vstřikovací jednotku, která je naplní taveninou. V dalších polohách probíhá v uzavřené formě buď chlazení (u termoplastů), nebo vytvrzování (u reaktoplastů), nebo vulkanizace (u elastomerů), potom otevření formy, vyhození výstřiků, vyfouknutí formy stlačeným vzduchem a opětné zavření formy. Tyto stroje mají velký pracovní výkon, vhodné pro velké série, např. v obuvnictví. (Dryml L. 2008)
Obr. 4 Více polohový vstřikovací stroj (www.ksp.tul.cz) Stroj se vstřikováním do dělící roviny je vhodný pro některé výrobky, hlavně se zastříknutými kovovými vložkami, například závitovými. Forma se otevírá obvykle vertikálně, aby se vložky mohly pohodlně vložit do její spodní části. Po zavření formy se vstříkne tavenina horizontální vstřikovací jednotkou.
(Dillinger J. a kol. 2007)
3.1.3 Odlévání plastů Alkalického polyamidu Kapalný monomer polyamidu se lije do otevřených forem z hliníku nebo oceli, kde působením alkalických katalizátorů při 130 - 150 °C zpolymeruje. Výrobkem bývají ozubená kola, kladky, řemenice.
19
Epoxidových pryskyřic Neplněné nebo s práškovými plnivy. Odlévá se do kovových forem s vytvrzením za tepla nebo za studena. Používá se na slévárenské modely, přípravky, izolátory a další. Polyuretanu (PUR) Lze získat výrobky s charakterem měkkého až tvrdého kaučuku. Odlévá se do forem. Za normální teploty dochází k zesíťování. Nejčastější použití na masivní silentbloky, vložky pružných spojek a těsnění. Pěnového PUR Výchozí suroviny s nadouvadlem se plní do uzavřených forem, kde při zvýšené teplotě zpění a zesíťují se. Tlak ve formě asi 0,1 MPa, výrobní čas 4 - 10 min. Výrobkem je pěnový PUR tvrdý používaný jako tepelná izolace v chladírenství a stavebnictví, až pružně měkký takzvaný molitan pro oděvnictví a čalounění. Poněkud odlišná je integrální polyuretanová pěna s kompaktním povrchem přecházejícím do pěnového jádra a to tvrdá - lopatky velkých ventilátorů, skořepinová samonosná křesla a stoly, jádra lyží. Nebo měkká - sedadla a opěradla v autobusech, nárazníky a bezpečnostní obložení automobilů.
3.2
(www.ksp.tul.cz)
Další nejpoužívanější nekovové materiály
DŘEVO Materiál rostlinného původu. Při jeho použití je třeba přihlížet k nestejnoměrnosti struktury způsobené podmínkami růstu a buněčnou stavbou. Vzhledem k jeho vlastnostem se používá jako konstrukční materiál nebo surovina. SKLO Taví se ze sklářského kmene, což je křemičitý písek, vápenec, soda a skleněné střepy spolu s přísadami. PORCELÁN Technický porcelán je keramická hmota bílé barvy s malou pórovitostí. Vyrábí se, ze směsi kaolinu, živce a křemene. Je velmi pevný v tlaku a má velmi dobré elektroizolační vlastnosti, pokud je glazovaný a nenavlhá.
20
(Dryml L. 2008)
4
NEŽELEZNÉ KOVY VE STROJÍRENSKÉ PRAXI Technické neželezné kovy jsou všechny kovy mimo železa. Neželezné kovy jsou
nejen důležitými konstrukčními materiály, ale i surovinami pro výrobu slitinových ocelí a pro povrchové úpravy. Neželezné kovy se získávají nejčastěji ze sirníkových rud, které se nejdříve vhodně upraví drcením a mletím, odstraněním hlušiny popř. odvodněním a sušením. Kov se získá z upravené rudy: Pyrometalurgií (žárovou cestou) - pražení - zbavování síry a vody, spékání a tavení. Musí se provést rafinace. Hydrometalurgií (mokrou cestou) - loužením v kyselinách nebo zásadách. Z výluhu chemicky nebo elektrolýzou. Elektrometalurgií - elektrolýzou taveniny
(Brandštetr J. a kol. 1999)
Tab. 2 Technicky důležité neželezné kovy (Brandštetr J., a kol. 1999) o hustota ρ (Kg.m-3) Teplota tavení C
Kov Měď
- Cu
8933
1083
Olovo
- Pb
11340
327
Cín
- Sn
7285
232
Zinek
- Zn
7140
422
Mangan - Mn
7340
1269
Wolfram - W
19263
3480
Hliník
2700
660
Hořčík - Mg
1737
650
Titan
4500
1665
- Al
- Ti
Čisté kovy Jsou technické čisté kovy s čistotou 99.9 až 99.99 %. Nečistoty zvyšují mez kluzu, pevnost v tahu, ale snižují plastičnost. Hodí se proto pouze v některých případech pro konstrukční účely. Mají vysokou tvárnost, dobrou elektrickou a tepelnou vodivost a odolnost proti korozi, ale nízkou mez pevnosti a kluzu v tahu. Používají se k výrobě nových slitin a k výrobě (Dryml L. 2008)
polovodičů.
21
4.1
Hliník
Jeho chemická značka Al. Je velmi lehký neželezný kov bělavě šedé barvy, velmi dobrý vodič elektrického proudu, široce používaný v elektrotechnice, ale hlavně ve formě slitin v leteckém, automobilovém průmyslu a mnoha dalších aplikacích. Vyskytuje se zejména v rudě zvané Bauxit. Je dobře svařitelný převážně všemi metodami sváření, kromě duralu, který se obtížně svařuje.
4.2
(Michna Š. a kol. 2005)
Hořčík
Chemická značka Mg. Je lehký, středně tvrdý stříbrolesklý neželezný kov. Využívá se při výrobě lehkých a pevných slitin, jako redukční činidlo v organické syntéze a při pyrotechnických aplikacích. Nejčastěji se setkáme slitinami hořčíku s hliníkem, mědí a manganem, které jsou známy pod názvem dural. Vyznačují se značnou mechanickou pevností a současně mimořádně nízkou hustotou. Zároveň jsou i značně odolné vůči korozi. Všechny tyto vlastnosti předurčují dural jako ideální materiál pro letecký a automobilový průmysl, ale užívá se i při výrobě výtahů, jízdních kol, lehkých žebříků. (Řasa J., Šverc J. 2007)
4.3
Další významné materiály
Měď (Cu) je ušlechtilý neželezný prvek načervenalé barvy, používaný člověkem již od starověku. Vyznačuje se velmi dobrou tepelnou a elektrickou vodivostí, dobře se mechanicky zpracovává a je odolný proti atmosférické korozi. Je základní součástí řady velmi důležitých slitin a mimořádně důležitý pro elektrotechniku. Olovo (Pb) je těžký toxický neželezný kov, který je znám lidstvu již od starověku. Má velmi nízký bod tání a je dobře kujný a odolný vůči korozi. Cín (Sn) patří mezi kovy, které jsou známy lidstvu již od starověku především jako součást slitiny zvané bronz. Má velmi nízký bod tání a je dobře kujný a odolný vůči korozi. Nachází využití při výrobě slitin jako bronz, pájky, ložiskový kov, v potravinářství při dlouhodobém uchovávání potravin k pocínování konzerv, cínových fólií a při výrobě uměleckých předmětů. Zinek (Zn) je měkký lehce tavitelný kov, používaný člověkem již od starověku. Slouží jako součást různých slitin, používá se při výrobě barviv a jeho přítomnost v potravě je nezbytná pro správný vývoj organismu.
22
Mangan (Mn) je světle šedý, paramagnetický, tvrdý kov. Používá se v metalurgii jako přísada do různých slitin, katalyzátorů a barevných pigmentů. Wolfram (W) je šedý až stříbřitě bílý, velmi těžký a mimořádně obtížně tavitelný kov. Jeho teplota tání je nejvyšší ze všech kovů a po uhlíku druhá nejvyšší z prvků. Hlavní uplatnění nalézá jako složka různých slitin, v čisté formě se s ním běžně setkáváme jako s materiálem pro výrobu žárovkových vláken. Titan (Ti) je šedý až stříbřitě bílý, lehký kov, poměrně hojně zastoupený v zemské kůře. Je poměrně tvrdý a mimořádně odolný proti korozi i ve slané vodě. Při teplotách pod 0,39 K se stává supravodičem I. typu. Jeho výrazně většímu technologickému uplatnění brání doposud vysoká cena výroby čistého kovu. Hlavní uplatnění nalézá jako složka různých slitin a protikorozních ochranných vrstev, ve formě chemických sloučenin slouží často jako složka barevných pigmentů. (Brandštetr J. a kol. 1999)
5
HLAVNÍ NEŽELEZNÉ MATERIÁLY PRO LITÍ Slitiny jsou materiály, složené z několika neželezných kovů i prvků nekovových,
které tvoří v tuhém stavu soudržný celek. Od chemických sloučenin se liší tím, že vznikají ve vzájemných poměrech nezávislých na atomových hmotnostech. Od směsí se liší tím, že jejich složky lze oddělit jen chemicky. Mají obvykle lepší vlastnosti než kovy, z nichž jsou vyrobeny, proto mají větší technický význam. Tyto vlastnosti lze měnit změnou složení slitin.
(Dillinger J. a kol. 2007)
Vlastnosti a použití slitin Hustota bývá vyšší než by odpovídala poměru hustot jednotlivých složek. Slévatelnost a obrobitelnost je lepší než u čistých kovů. Teplota tavení je obvykle nižší než u jednotlivých složek. Elektrická a tepelná vodivost je nižší než vodivost u jednotlivých složek použitých čistých kovů. Z chemických vlastností mají tyto kovy oproti ocelím mnohem vyšší odolnost proti korozi. Jsou to jednak vzácné kovy, nebo Pb, Ti, Al, Cu, Zn a jejich slitiny. Použití při stavbě chemických a potravinářských zařízení a ve spotřebním průmyslu. Mechanické vlastnosti jsou výrazně odlišné od slitin železa. Například pevnost při snížených teplotách nebo nízký součinitel tření při použití Cu, Pb, Sn.
23
Z technologického hlediska se řada neželezných kovů vyznačuje dobrou tvárností, slévatelností a obrobitelností. Obecně lze při obrábění použít vyšších řezných parametrů než u ocelí. Jejich vlastnosti lze upravovat tepelným zpracováním u slitin Al a u některých slitin Cu a Ti. Vytvrzováním, kalením a popouštěním u bronzů. (Dryml L. 2008) Výroba slitin Slitiny se připravují míšením v tekutém stavu tak, že se roztaví hlavní základní kov a do něj se přidá další prvek nebo jeho slitina či předslitina, která má mít přibližně stejnou teplotu tavení jako základní kov. K tavení se používají pece elektrické, odporové kelímkové, obloukové s obloukem nad lázní, plynové nebo indukční. (Dillinger J. a kol. 2007)
5.1
Slitiny hliníku
Slitiny hliníku se využívají proto, že čistý hliník má poměrně malou pevnost. Nejvýznamnějšími prvky, které se vyskytují ve slitinách s hliníkem, jsou měď, hořčík, mangan, křemík a zinek. Měď, která může být do 12 % obsahu, zvyšuje tvrdost i pevnost, nepříznivě ovlivňuje tvárnost a odolnost proti korozi. Hořčík, do maximálního obsahu 11 %, zajišťuje vytvrditelnost a zlepšuje odolnost proti korozi a pevnost. Mangan, obvykle do 2 % obsahu, zvyšuje tvárnost, pevnost, houževnatost a odolnost proti korozi. Křemík, až do 25 % obsahu (u slévárenských slitin) či 1 % (u tvárných), zvyšuje odolnost proti korozi a pevnost. Zinek (max. 6-8 %) zvyšuje pevnost za cenu nižší odolnosti proti korozi. Železo zvyšuje slévatelnost a pevnost, snižuje tvárnost a odolnost proti korozi a to až do 1,5 % obsahu. Nikl zvyšuje teplotní odolnost, pevnost, houževnatost i odolnost proti korozi, jeho koncentrace ve slitinách je 2 % obsahu. Slitiny s mědí a hořčíkem Tyto slitiny jsou známější pod obchodním názvem dural, duralminum či superdural. Slitina se dá vytvrzovat ohřevem na teplotu tání, následném ochlazení do vody a samovolném vytvrzení, stárnutí, při normální teplotě. Jedná se o nejpoužívanější slitiny ke tváření, využívané v automobilovém a leteckém průmyslu na součásti, které pracují za běžných teplot. Velmi lehká slitina s velkou pevností, ale malou odolností proti korozi. Ochrana proti korozi se zvyšuje povlakováním.
24
Slitiny s mědí a niklem Oproti duralu obsahují ještě přísady niklu, hořčíku, železa případně křemíku a titanu. Má vyšší odolnost proti teplotám a používá se u součástí s pracovní teplotou do 300 °C, například ve spalovacích motorech. Slitiny se zinkem a hořčíkem Tyto slitiny obsahují 5 - 8 % zinku a kolem 2 % hořčíku. Mohou obsahovat také měď, chrom či titan. Jedná se o nejpevnější slitiny hliníku s pevností v tahu až 600 MPa. Slitiny s hořčíkem Slitiny s hořčíkem mají zvýšenou odolnost proti korozi. Využívají se ke stavbě lodních konstrukcí a v chemickém a potravinářském průmyslu. Tyto slitiny používají obchodní označení hydronalium, pokud obsahují i křemík, používá se označení pantal. Slitiny s manganem Tyto slitiny obsahují jen málo manganu, do 1,5 %, nejsou vytvrditelné. Používají se tam, kde je potřeba vyšší pevnost a odolnost proti korozi, než má čistý hliník. Slitiny s křemíkem Tyto slitiny, nazývané také jako siluminy, se používají pouze ve slévárenství. Maximální rozpustnost křemíku v hliníku je 1,65 %. Mají velmi dobrou odolnost proti korozi. Pevnostní vlastnosti se zlepšují takzvaným očkováním. (Michna Š. a kol. 2005)
5.2
Slitiny hořčíku
Přednostmi jsou nízká měrná hmotnost (1,7 až 1,9.103 Kg.m-3), měrná pevnost srovnatelná se slitinami hliníku, velmi dobrá obrobitelnost, vysoký útlum vibrací. Nevýhodami jsou nízká tvárnost, sklon k elektrokorozi v kontaktu s většinou kovů a slitin, obtížnější svařitelnost než Al slitiny Hlavní složkou hořčíkových slitin je kromě samotného hořčíku hliník, malé množství manganu a zinku. Hořčík tvoří s hliníkem tuhý roztok, který obsahuje 10 až 12,7 % Al. Obsah hliníku a dalších prvků jako je zinek, mangan, křemík mají vliv na vlastnosti těchto slitin. 25
Mg-Al-Zn Nejvíce používané slitiny hořčíku, známé jako elektrony. Hlavní zpevňující účinek má Al, tloušťka stěny odlitku je minimálně 3 – 4 mm, maximální teplota pro dlouhodobější použití 150 °C.
Mg-Zn-Zr Vyšší mechanické vlastnosti jsou dosaženy vyšším obsahem zinku, ale mnohem více však přítomnost zinku má vliv na zvyšování tažnosti. Další slitiny, obsahující různé prvky jako je kadmium, cer, zirkonium, thorium a jiné kovy vzácných zemin, umožňují použití těchto slitin dlouhodobě při vyšších teplotách do 250 °C. Slitiny s thoriem až do 350 °C. Slitiny Mg - Li jsou velmi lehké, ovšem se vzrůstajícím obsahem lithia klesá pevnost.
5.3
(Dillinger J. a kol. 2007)
Ostatní používané neželezné materiály
Bronz Je kovový materiál, slitina mědi a dalšího barevného kovu kromě zinku. Takto vzniklý materiál se vyznačuje rozdílnými vlastnostmi a to dle druhu a množství přidaného kovu. Velmi rozšířená je bronz cínová, hliníková, manganová, niklová, beryliová a olověná. Cínová bronz nachází širokého užití například jako materiál pro výrobu kluzných ložisek. Mosaz Je kovový materiál, slitina mědi a zinku. Do mosazí pro odlitky řadíme ty, které mají obsah Cu 58 – 63 %. Vyznačují se především dobrou zabíhavostí. Za účelem zlepšení jejich kluzných vlastností a zejména obrobitelnosti, leguje se do nich olovo v množství 1 – 3 %. Využití nacházejí pouze v méně namáhaných litých součástích čerpadel, armatur plynovodů a vodovodů, ve stavebních a nábytkových kováních, ozubených kolech, šnecích, ventilech a ložiskových pouzdrech. Zvláštní legované mosazi Kromě zinku a mědi obsahují i přísady jiných prvků jako jsou Fe – železo, Al – hliník, Mn – mangan, Ni – nikl, Sn – cín, Si – křemík a podobně. Používají se 26
především tam, kde jsou jednoduché mosazi kvůli svým mechanickým vlastnostem nedostatečné. Jedná se o mosazi pro tváření a odlitky. V případě, že mají tavící teplotu vyšší než 500 °C, řadíme je k tvrdým pájkám a používají se pro spojování kovových dílců. Cín Základní nevýhodou čistého cínu je skutečnost, že je velmi měkký a nehodí se proto v této podobě k průmyslové výrobě. Z tohoto důvodu je sléván s jinými neželeznými kovy, především s mědí a se zinkem. Olovo Jeho slitiny s cínem, antimonem nebo stříbrem vykazují výborné vlastnosti při mechanickém spojování kovových předmětů pájením a jako pájky jsou doposud široce používány. Velmi významnou slitinou olova, cínu a antimonu, která je nazývána takzvané tvrdé olovo. Její použití slouží pro výrobu akumulátorů. Další využití má například ve výrobě střeliv, ložisek, nebo v jemné elektrotechnice. Zinek Zinek má velmi dobré vlastnosti pro výrobu odlitků – díky výborné zatékavosti vyplňuje roztavený zinek dokonale odlévací formu. Vyrábí se tak kovové součástky, které jsou dobře odolné vůči atmosférickým vlivům, v suchu nekorodují, ale ve vlhku výrazně. Nemusejí snášet výrazné mechanické namáhání, protože zinek je mechanicky velmi málo odolný. Příkladem mohou být některé části motorových karburátorů. Ze slitin zinku je nejvýznamnější slitina s mědí – bílá a červená mosaz. Titan Hlavní uplatnění nalézá jako složka různých slitin a protikorozních ochranných vrstev, ve formě chemických sloučenin slouží často jako složka barevných pigmentů. Praktické využití elementárního titanu vyplývá především z jeho mimořádné chemické odolnosti a malé hustoty. Použití v leteckém průmyslu, kosmonautice, automobilovém průmyslu a zdravotnictví. (Řasa J., Šverc J. 2007)
27
6
VÝROBA ODLITKŮ ZE SLITIN HLINÍKU U velkých sérií odlitků je potřeba využít, místo klasického postupu odlévání odlitků
do formovacích směsí, trvalých forem pro zefektivnění výroby. Samozřejmě se musí pohlížet na produkt, který bude vyráběn a z toho usoudit, jestli se hodí spíše klasická metoda, anebo bude výhodnější využít metody nejčastěji tlakového, nízkotlakého, kokilového, odstředivého lití, pro přesnější výrobu nebo zda je potřeba použít nějaký jiný speciální postup.
6.1
(Michna Š. a kol. 2005)
Tlakové lití
Tlakového lití se nejvíce blíží snaze přeměnit základní materiál ve formě tekutého kovu přímo na hotový výrobek bez dalšího opracování. Surové a polosurové odlitky dosahují přesnosti ± 0.05 až ± 0,2 mm a většinou není potřeba žádného obrábění, mimo funkčních ploch. Tato metoda umožňuje předlít velmi malé otvory o ∅ 2,5 mm, závity od ∅ 10 mm, přesné detaily jako písmo nebo znaky. Minimální tloušťka stěny odlitků se pohybuje od 0,8 mm do 1,0 mm. Tlakové licí stroje umožňují upevnění nepohyblivé části formy, pohyb pohyblivé poloviny kovové formy, dokonalé sevření obou částí a plnění dutiny formy taveninou při vysokém tlaku. (Valecký J. a kol. 1963) Podstata: Vyplňování formy po jejím uzavření roztaveným kovem při vysokém tlaku, který dosahuje hodnoty 10-100 MPa. Tlak je závislý na velikosti stroje a odlévaném materiálu. Podle uspořádání vstřikovacího ústrojí jsou stroje: a) Licí stroje s teplou tlakovou komorou - k odlévání nízkotavitelných slitin - tavící pec je součástí stroje, ze které je roztavený kov tlačen přímo do formy - pístem u starších konstrukcí - tlakem vzduchu i pístem u novějších konstrukcí
28
(Michna Š. a kol. 2005)
Obr. 5 Zařízené s teplou komorou (Dryml L. 2008) b) Licí stroje se studenou tlakovou komorou - pec postavena zvlášť, mimo stroj - roztavený kov se dopravuje do tlakové komory ručně slévačskou lžící nebo dávkovacím zařízením, které je umístěno mezi udržovací pecí a licím strojem. (Michna Š. a kol. 2005)
Obr. 6 Zařízení se studenou tlakovou komorou (Dryml L. 2008)
6.2
Nízkotlaké lití
Metoda nízkotlakého lití hliníkových odlitků je založena na přetlaku vzduchu nad taveninou udržovací pece a vytlačením této taveniny prostřednictvím takzvané stoupací trubice do dělené kovové formy. Kelímek udržovací pece je hermeticky uzavřen víkem. Přetlakem vzduchu nad hladinou hermeticky uzavřeného kelímku nebo celé pece je tavenina vytlačována do plnící trubice do vlastní dutiny kovové formy. Funkci vtokové soustavy i nálitků přebírá plnící trubice. Po uplynutí nastavené doby tuhnutí a chladnutí daného odlitku se přetlak v udržovací peci zruší, hladiny v peci a plnící trubici se vyrovnají. Tím je celý proces ukončen a odlitek může být uvolněn z formy. Zvláštnost 29
této metody spočívá v tom, že odlitek tuhne shora směrem dolů, tuhnutí musí být ukončeno v ústí plnící trubice, tloušťka stěn odlitků se ze shora směrem k plnící trubici zmenšuje. Dochází k usměrněnému tuhnutí zcela opačným směrem, než je tomu u tuhnutí při lití v gravitačním poli. Za účelem minimalizace ztrát je celá konstrukce kovové formy k výrobě odlitků přímo nad pecí.
(Michna Š. a kol. 2005)
Obr. 7 Zařízení nízkotlakového lití pro automobilové disky kol (www.evocorse.cz)
6.3
Kokilové lití
Produktivní slévárenská metoda. Řadí se k metodám přesného lití. Forma je kovová, (trvalá forma), pro vytvoření dutin se používá kovových, nebo pískových jader. Materiál forem bývá nejčastěji litina nebo ocel. Kovové formy i kovová jádra lze u této metody vyrábět z nízkolegované šedé litiny nebo z nízkolegované oceli. Líc kokily se galvanicky pokovuje nebo povlakuje, za účelem zamezení styku kokily s tekutým kovem a zvýšení životnosti. Životnost kokil: 200 - 200 000 odlitků (podle druhu odlévaného kovu), trvanlivost kokil se prodlužuje žáruvzdorným ochranným postřikem. Kvalita postřiku určuje jakost povrchu budoucího odlitku. Chrání formu a jádra před přímým stykem s taveninou. Umožňuje snadné vyjmutí odlitku z formy. Odvzdušnění formy: kanálky v dělící rovině jsou navrženy dostatečně veliké, aby se nezalily kovem, protože musí včas odvést vzduch z formy. Výhody: výroba tvarově i rozměrově přesných odlitků s jemnozrnnou strukturou Nevýhody: drahá forma, nutnost odlitky tepelně zpracovávat. Použití: výroba pístů, armatur, součástí elektrických strojů. 30
(Michna Š. a kol. 2005)
6.4
Odstředivé lití
Podstata: roztavený kov vléváme do rychle se otáčející formy. Odstředivou silou je kov přitlačován ke stěně formy, kde tuhne. Použití: odléváni trub, válců, kroužků, ložiskových klecí. - Výhody: úspora jádra, odpadá vtoková soustava a výfuk, odlitky hutné, bez bublin. - Nevýhody: nedají se odlévat odlitky s neválcovou dutinou. - Podle osy rotace je odstředivé lití svislé a vodorovné. L < D D = průměr odlitku
(Michna Š. a kol. 2005)
L > D L = délka odlitku
Obr. 8 Zařízení odstředivého lití (Dryml L. 2008)
7
LICÍ STROJE Licí stroje a v dnešní době používaná licí pracoviště jsou technologická zařízení,
jejichž prostřednictvím je tekutý kov dopraven do licí formy, ve které získává svůj konečný tvar. Vývoj licích strojů a licích pracovišť byl ovlivněn vývojem elektroniky a s ní spojených řídicích systémů, diagnostických metod a simulací zatékání kovu. Licí pracoviště jsou vybaveny roboty a dalšími periferními zařízeními, přičemž tvoří kompaktní produkční centrum. Mezi nejvýznamnější výrobce licích strojů a pracovišť patří firmy: Bühler (Švýcarsko), Colosio (Itálie), Dynacast (USA), Frech (Německo), Italpresse (Itálie), Müller-Weingarten (Německo), Techmire (Kanada), Toshiba (Japonsko), Ube (Japonsko)
(www.svazslevaren.cz)
31
7.1
Základní principy
Stroje a pracoviště pro lití kovu pod tlakem musí obecně svým konstrukčním uspořádáním zajistit tyto základní funkce: a)
bezpečné uzavření formy, která bývá obvykle dvoudílná
b)
vstříknutí kovu do formy nastavitelnou rychlostí a seřiditelným tlakem
c)
tuhnutí odlitku v nastaveném čase
d)
otevření formy
e)
vytažení jader
f)
vyjmutí nebo vyhození odlitku z formy
Tyto základní funkce jsou shodné u všech strojů pro lití pod tlakem. Odlišnosti jsou pouze v konstrukčním pojetí jednotlivých výrobců a stupně jejich požívané techniky. Uzavírací mechanismus je u většiny strojů proveden horizontálně, takže dělící rovina formy je svislá. Samotné vstřikovací ústrojí, může být dle konstrukčního řešení jednotlivých výrobců horizontální nebo vertikální. Pohon strojů bývá obvykle hydraulický, ovládaný ventily, šoupátkami a jinými systémy. Automatický chod stroje je zajišťován u moderních strojů CNC řídící jednotkou. Uzavření licí formy musí být dokonalé, aby bylo dosaženo rozměrových parametrů odlévaného odlitku a zabránění vystříknutí kovů z dělící roviny. Obě poloviny formy jsou k sobě přitlačeny silou – uzavírací síla. Poloviny formy jsou umístěny v rámu, který zachytí tuto uzavírací sílu. Používá se uzavřená rámová konstrukce složená z třemenů a spojovací sloupů. Uzávěry strojů mohou být mechanické nebo hydraulické. Hlavní funkcí ve stroji pro lití kovu pod tlakem má vstřikovací ústrojí. Musí dopravit značným tlakem a to v nejkratším čase dané množství kovu do pracovního prostoru licí formy. Rychlost pístu musí být regulovatelná v širokém rozpětí a u strojů s horizontální studenou komorou dosahují přibližně 5 m.s-1. Rychlost vstřikovacího pístu se reguluje hydraulickým škrtičem. (Valecký J. a kol. 1963)
7.2
Ekonomika provozu
Ekonomické přínosy výroby dílů metodou odlévání ve srovnání s tvarovým obráběním jsou největší při velkosériové výrobě. Pro efektivní výrobu je třeba volit nejvhodnější způsoby odlévání. Lití pod tlakem vyžaduje značné prvotní investice jak do samotného licího pracoviště, tak i složité a nákladné licí formy. Současná cena licích pracovišť se u středně silných strojů pohybuje v rozmezí 25 až 35 mil. Kč. Náklady na výrobu licí formy pro tlakové lití představují hodnotu výrobních nákladů v rozmezí 3 až
32
5 mil. Kč. Tyto náklady pak musí být rozpočteny do každého vyrobeného kusu odlitku, přičemž návratnost strojní investice je optimální v rozmezí 2,5 až 4 roků. Z toho vyplývá, že ekonomika výroby technologií odlévání je především ovlivněna velikostí vyráběných sérií a složitostí vyráběných odlitků. V dnešní době jsou využívány vícenásobné licí formy, kdy na jeden pracovní licí cyklus stroje je odlito více kusů současně. Metoda kokilového odlévání je na zřizovací výdaje ve srovnání s metodou tlakového odlévání méně náročná, jednotlivé odlitky jsou však dražší a možno říct, že není vhodná pro velkosériovou výrobu. Velkou roli pro ekonomický provoz metodou odlévání hraje vhodné použití strojních zařízení z hlediska velikosti stojů, uzavíracích sil a lisovacích tlaků. Velmi důležité je posouzení nasazení jednotlivých strojů s ohledem na kvalitativní a technické požadavky vyráběných odlitků. Z ekonomického hlediska nemá smysl vyrábět na nejmodernějších zařízeních výrobky, u kterých jsou volné toleranční a tvarové požadavky. Na tuto skutečnost reagují i výrobci licích zařízení, kde nabízejí stroje od malých pracovních hodnot, až po ty nejvýkonnější, ale také v různé kvalitě výbavy řídicího systému a technické úrovně vybavenosti periferních zařízení. Můžeme říct od ručních pracovišť přes poloautomatické zařízení až k plně automatizovaným a robotizovaným centrům. Praxe je však taková, že odběratelé automobilového průmyslu vyžadují výrobu pro tento náročný obor na zařízeních nejmodernějších a to především za účelem stability výrobního procesu. (Roučka J. 2004)
7.3
Periferní zařízení
Nezbytnou součástí licích zařízení jsou takzvané periferie neboli periferní zařízení. Jedná se o: -
udržovací pece tekutého kovu
-
dávkovací zařízení
-
zařízení pro ošetřování formy
-
manipulační zařízení pro vyjímání odlitků, případně pro vkládání zálitků
-
zařízení pro rozměrovou kontrolu a kontrolu celistvosti odlitku
-
zařízení pro zchlazení odlitku
-
ostřihovací lis nebo zařízení následných operací
33
(Michna Š. a kol. 2005)
7.4
Srovnání základních metod odlévání hliníku
Tlakové lití: Výhody: -
rychlá výroba z jediné formy, do které je umístěno i více odlitků
-
možnost výroby úzkých rozměrových tolerancí, dosažení konečného tvaru
-
kvalitnější jakost povrchu než u jiného způsobu lití
-
dosažení potřebných tvarových rozměru včetně otvorů
-
možnost výroby složitých tvarů včetně vložených zálitků
-
možnost výroby tenkostěnných odlitků
-
nízké mzdové náklady na jeden odlitek
-
nízký odpad materiálu
-
maximální využití tekutého kovu na jeden odlitek
Nevýhody: -
vysoké zřizovací náklady licích pracovišť a licích forem
-
určitá míra pórovitosti vyráběných odlitků
-
velikost odlévaných odlitků je omezena velikostí licího stroje
-
technická a technologická náročnost výroby
Kokilové lití: Výhody: -
nižší pořizovací náklady licího stroje
-
nižší pořizovací náklady kokily
-
menší pórovitost ve struktuře odlitku
Nevýhody: -
horší mechanické vlastnosti povrchových vrstev
-
omezená tvarová složitost odlitků
-
omezena velkosériovost
Nízkotlaké lití: Výhody: -
vysoké využití kovu 90 – 95 %
-
vysoká kvalita odlitků
-
odlévaný kov se během pracovního cyklu nedostane do styku s okolní atmosférou
34
-
proudění taveniny během plnění je klidné - dobrá kompaktnost odlitku bez vnitřních vad typu - vměstků a plynových bublin - vysoká těsnost
Nevýhody: -
hermeticky uzavřený kelímek tavící pece
-
složitější doplňování taveniny
-
delší čas tuhnutí odlitků
-
složitější chlazení
Při srovnání jednotlivých metod lití pro velkosériovou výrobu tvarově složitých odlitků do hmotnosti 25 Kg orientovaných na automobilový a elektrotechnický průmysl se jako nejprogresivnější a ekonomicky nejpřínosnější jeví metoda tlakového lití. Ostatní metody mají však své opodstatnění při výrobě specifických druhů odlitků z neželezných kovů nebo kusové a malosériové výrobě. Jako příklad můžeme uvést výrobu odlitků do pískových forem.
7.5
(Michna Š. a kol. 2005)
Principiální srovnání s výrobou plastových výlisků
Strojní výroba odlitků z neželezných kovů a její srovnání s výrobou tvarových plastových výlisků je z hlediska základních technologických kroků velmi shodná. V obou případech je nutno materiál pro výrobu tepelně připravit, vstříknout do tvarové formy, zajistit dokonalé zatečení, nechat zahládnout, vyjmout z tvarové formy a dokončit na následných výrobních operacích jako například odstranění vtokových soustav. Při porovnání obou metod bylo zjištěno, že při výrobě plastový výlisků je v zásadě používáno 9 druhů vstupních plastových materiálů, což odpovídá přibližně stejnému počtu hliníkových slitin při výrobě tlakových a kokilových odlitků.
8
ROZDĚLENÍ LICÍCH STROJŮ Pro rozdělení běžných licích strojů byly zvoleny nejdůležitější používané parametry,
jako jsou teploty komor, uzavírací síly a další specifika jednotlivých zařízení. Moderní licí stroje v současnosti vyráběné a dodávané výrobci jsou taktéž posuzovány, dle typu řídící jednotky s možností dynamického řízení lisování. Důležitým hlediskem je například rychlost vstřikovaného kovu spolu s průběhem tlaků a dotlaků v rámci jednoho licího cyklu.
35
8.1
Teploty komor
Stroje se studenou licí komorou
Tato komora není přímo spojena s udržovací pecí, může být uspořádána buď jako horizontální nebo vertikální. Plnění této studené komory bývá u starších nebo jednodušších strojů naběračkou ručně. U moderních licích strojů je toto plnění zajištěno automatickými dávkovacími systémy bez zásahu obsluhy. Tyto dávkovače zajistí velmi přesné množství tekutého kovu dopraveného do studené komory a dále je kontrolována taktéž teplota toho nalévaného kovu. V případě nedodržení tolerance nastavené teploty, dávkovací zařízení signalizuje nedodržení pracovních podmínek a samotný proces vstříknutí tekutého kovu není realizován. Roztavený kov je úderníkem, který je pevně spojený s hydraulicky ovládaným pístem, vtláčen do dutiny formy. Vstřikovací tlaky jsou v rozsahu 20 až 70 MPa. Výhody: -
Jdou odlévat slitiny hliníku, zinku i hořčíku.
-
Vyššími vstřikovacími tlaky a vyšší rychlostí pístu může být dosaženo lepší vnitřní struktury odlitku.
-
Nižší udržovací náklady.
Nevýhody: -
Pomalejší cyklus.
-
Horší kontrola nad teplotou kovu.
-
Kov se ochladí v komoře před vstřelením.
-
Roztavený kov oxiduje a může být znečištěn atmosférou v licí komoře nebo při nalévání do komory.
Stroje s teplou licí komorou
Licí komora u těchto strojů je přímo spojena s udržovací pecí, to znamená, že tavenina je přímo spojena s tlakovým mechanismem umístěným v udržovací tavící peci u stroje. Výhody: -
Píst ponořený do roztaveného kovu snižuje čas cyklu. To je způsobeno hlavně automatickým plněním komory.
-
Výborná kontrola nad teplotou roztaveného kovu, která dovoluje nižší lisovací tlaky. Lepší tekutost umožňuje plynulé plnění formy a mohou se odlévat odlitky s tenčími stěnami. 36
-
Nedochází k ochlazování kovu, které je způsobeno plněním komory u strojů se studenou licí komorou.
-
Téměř odpadá možnost znečištění taveniny oxidací nebo atmosférou v komoře pístu.
Nevýhody:
8.2
-
U nižších vstřelovacích tlaků bude struktura méně zhutněná.
-
Vyšší provozní náklady.
(Roučka J. 2004)
Uzavírací síly
Jednou z rozhodujících veličin tlakových licích stojů je velikost uzavírací síly. Ve slévárenské praxi jsou tyto síly rozděleny do odstupňovaných kategorií, které v zásadě vycházejí od sortimentu výrobců licích strojů. Bylo přijato následující rozdělení: - malé stroje od 0,6 až 4 MN - střední stroje od 6,3 až 11 MN - velké stroje od 14 až 43 MN a více
8.3
(www.svazslevaren.cz)
Další hodnotící parametry
Dále se pak může rozdělení zabývat polohou licí komory na vertikální a horizontální. Druhy uzavíracích mechanismů jsou plně hydraulický, hydraulicko - mechanický, hydraulický s mechanickým zarovnáním, kloubový hydraulický mechanismus se vzduchovým polštářem. Dalším parametrem je velikost vstřikovací síly Důležitý kritériem je ovládání a řízení licího stroje. Jedná se o ovládání manuální, poloautomatické a plně automatické - CNC systémy.
9
(Dillinger J. a kol. 2007)
HODNOTÍCÍ PARAMETRY ODLITKŮ Mezi základní vlastnosti při výrobě odlitků je skutečnost, že odlitek při výrobě je
spojen s vtokovou soustavou a v mnoha případech technologicky nutnými nálitky takzvanými ledvinkami a materiálovými přídavky. Vtoková soustava je dopravní cestou tekutého kovu do prostoru formy vlastního odlitku, nálitky a přídavky v odlévací formě nebo kokile je nutný prvek technologie pro dokonalé zatečení tekutého kovu. Proto je nutné odlitek od těchto částí mechanicky oddělit. Oddělená vtoková soustava a nálitky
37
jsou vráceny zpět do procesu tavení jako plnohodnotný vstupní materiál a tím napomáhají k přirozené recyklaci.
9.1
(Michna Š. a kol. 2005)
Výstupní parametry
Výstupní parametry výrobků vyráběných metodou odléváním jsou ovlivněny možností technického, technologického provedení a zpracování. Je-li proveditelnost výrobku vyhodnocena jako proveditelná, přichází splnění požadavků zákazníka. Tyto rozměrové a toleranční požadavky jsou definovány ve výkresové dokumentaci včetně jakostních a materiálových podmínek. Dle této výkresové dokumentace jsou nastaveny kontrolní parametry při samotné výrobě za účelem dosažení konečných požadovaných vlastností. Při samotné výrobě je kontrolována ještě na vstupu teplota a požadované chemické složení taveniny zkoušené na kontrolních odlitcích. Na technologické kartě konkrétního odlitku je uvedeno a popsáno vlastní nastavení licího stroje nebo pracoviště z hlediska teplot licí formy, tlaků, dotlaků při lisování, rychlostí vstřikování kovů a množství dávkovaného kovu do licí komory. Dodržením všech těchto parametrů jsou vytvořeny optimální podmínky licího procesu a zajištěna minimální zmetkovitost a požadavky výkresové dokumentace. Další postupy pro hodnocení spočívají v posouzení vnějších vad vizuální nebo optickou metodou, případně porovnáním s etalonem schváleným vzorkem. Tuto problematiku u odlitků řeší příslušné ČSN normy v odkazu na Evropské normy EN. Vnitřních vady jsou posuzovány pomocí rentgenových zkoušek, metalografických výbrusů a přirozené vady na porezitu, potom kontrolním obráběním. Rozměrové a tvarové požadavky jsou v součastné době kontrolovány na třísouřadnicových měřících zařízeních, přičemž vlastní měření jednotlivých odlitků je plně automatizováno s ohledem na množství měřených kontrolních bodů. U odlitků pro automobilový průmysl jako výrobků klasifikovaného pro aktivní bezpečnost se může počet kontrolních bodů pohybovat ve stovkách. Pro stanovení mechanických vlastností se používají předepsané kontrolní zkoušky a to jak statické, tak dynamické podle požadavků a budoucího použití v provozu. Pro jakosti povrchu a dosažení drsnostních parametrů jsou určující metody samotného odlévání a následné způsoby povrchových úprav.
(Michna Š. a kol. 2005)
38
9.2
Úpravy a obrábění
Ve většině případů následuje po odlévání přesun výrobku na ostřihovací stroje, kde je odlitek zbaven přebytečných částí v podobě licí soustavy, nálitků a ledvinek. Po této operaci může být opět zařazena rentgenová zkouška. Mezi hlavní skupinu úprav patří různé způsoby mechanického obrábění za pomocí moderních obráběcích center nebo běžně dostupných stojů v podobě soustruhů, frézek a podobně. Vždy bude záležet na tom, co budeme vyžadovat od koncového produktu a kde se mohou vyskytovat specifické části, jako například díry pro závity nebo důležité plochy s požadavkem na přesnější parametry drsnosti povrchu. Mezi další možné způsoby úprav budou patřit postupy povrchové úpravy typu omýlání nebo tryskání pro zlepšení jakostních parametrů povrchu a také tepelné zpracování pro zlepšení vnitřních struktur. (Dillinger J. a kol. 2007)
9.3
Finalizace
Do finální fáze výroby odlitků z neželezných kovů budou patřit ochranné úpravy spojené s vizuální a ochranou funkcí produktu. Je tím myšleno opatření ochrany povrchu proti korozivním prostředím ochranným nátěrem, který může sloužit i jako požadavek na vzhled nebo speciálními olejovými emulzemi čistě jen pro ochranu. Závěrečnou operací technologického postupu v běžné slévárenské produkci je výstupní kontrola kvality dle dosažených certifikátů. Po veškerých těchto úkonech jsou odlitky uloženy dle balících předpisů do přepravních obalů, podle požadavků odběratele, pokud není přímo montován v místě svého vzniku. Poté je expedován a dále pokračuje pomocí mobilních dopravních prostředků ke svému zákazníkovi.
39
(Michna Š. a kol. 2005)
10
ZÁVĚR Tato bakalářská práce se zabývá problematikou výroby odlitků z neželezných kovů
a nekovových materiálů vyráběných obdobnou technologií se zaměřením na sériovou a velkosériovou výrobu. Velmi podobná technologie výroby hliníkových odlitků a plastových výlisků a jejich možná zaměnitelnost umožňuje porovnání výroby, užitných vlastností a možnosti použití ve velkém počtu druhů výrobků. V práci jsou popsány nejčastěji používané materiály a jejich slitiny vhodné pro tuto technologii výroby včetně jednotlivých metod a postupů výroby. Práce popisuje strojní zařízení pro výrobu odlitků ze slitin hliníku a jejich základní principy. Dále jsou popsány základní parametry odlitků vyráběných popsanými metodami. Velká část informací uváděných v této bakalářské práci byla získána v moderní výrobní firmě, která se zabývá produkcí hliníkových odlitků a ve které byla absolvována moje studijní praxe ve druhé ročníku studia.
Tato práce přibližuje současný stav tohoto perspektivního oboru. Budoucímu rozvoji přispívají stále se rozvíjející technologie typu metod Squezee casting nebo Semi – solid – metal (SSM) a dalšími nejnovějšími technikami a jejich efektivnější využití. Dalším přínosným rozvojem je použití moderních licích pracovišť se stále sofistikovanějšími licími stroji, které jsou výkonnější, přesnější, ekonomičtější a šetrnější k životnímu prostředí. Velkým konkurentem hliníkových slitin a výrobků z nich jsou stále více používanější slitiny hořčíku. Tento obor v posledních letech nabyl na objemu produkce, kvůli zvyšující se ceně hliníku na trhu. Ale i hořčík má svá specifika určující výhody i nevýhody oproti hliníku. Velkým konkurentem těchto zaměření je však výrobní produkce plastů. V praxi se plastovými výrobky nahrazují stále více produkty dříve vyráběné striktně z železných a neželezných kovů. Použití plastů je však limitováno jejich především mechanickými a fyzikálními vlastnostmi. Proto bude i nadále tento obor v budoucnosti důležitým a nezbytným.
40
11
SEZNAM POUŽITÉ LITERATURY
•
BRANŠTETR, J., A KOLEKTIV, 1999, Chemie pro posluchače FSI. Nakladatelství Vitium, Brno, 183 stran. ISBN 80-214-1504-5
•
DRYML, L., 2008, Strojírenská technologie (nepublikované přednášky). SPŠ a VOŠT Sokolská 1, Brno.
•
DILLINGER, J., A KOLEKTIV, 2007, Moderní strojírenství pro školu i praxi. Nakladatelství Europa Sobotáles, Praha, 612 stran. ISBN 978-80-86706-19-1
•
MICHNA, Š., LUKÁČ, I., OTČENÁŠEK, V., KOŘENÝ, R., DRÁPALA, J., SCHNEIDER, H., MIŠKUFOVÁ, A., A KOLEKTIV, 2005, Encyklopedie hliníku. Nakladatelství Adin, Prešov, 700 stran. ISBN 80-89041-88-4
•
VALECKÝ, J., A KOLEKTIV, 1963, Lití kovu pod tlakem. Nakladatelství ČNTL, Praha, 450 stran.
•
ŘASA, J., ŠVERCL, J., 2007, Strojnické tabulky: pro školu a praxi. Materiály, polotovary, technologie, upínání, měření . 2. 1. vyd., Nakladatelství Scientia , Praha, 586 stran. ISBN 80-86960-20-3
•
ROUČKA, J., 2004, Metalurgie neželezných slitin. 1. vyd., Nakladatelství CERM , Brno, 148 stran. ISBN 80-214-2790-6
•
Technická univerzita Liberec – Fakulta strojní, 2012, online [cit. 2012-11-04]. Dostupné z:
•
Svaz sléváren České republiky, 2012, online [cit. 2012-11-04]. Dostupné z:
•
http://www.ksp.tul.cz/
http://www.svazslevaren.cz/
S.A.D.A.C. spol. s r.o., 2013, online [cit. 2013-11-02]. Dostupné z:
http://www.evocorse.cz/
Aktivní zdroj •
KOVOLIT, a.s., Nádražní 344, CZ - 664 42 Modřice, www.kovolit.cz, Ing. Vlček Michal – Vedoucí útvaru jakosti Ing. Doležel Emil – Vedoucí technického útvaru
41
12
SEZNAM OBRÁZKŮ
Obr. 1 Vytlačování plastů – řez vytlačovací jednotkou (Dryml L. 2008)....................... 16 Obr. 2 Princip vstřikování termoplastů - pracovní cyklus (www.ksp.tul.cz) .................. 17 Obr. 3 Řez vstřikovací jednotkou (www.ksp.tul.cz)........................................................ 18 Obr. 4 Více polohový vstřikovací stroj (www.ksp.tul.cz) ............................................... 19 Obr. 5 Zařízené s teplou komorou (Dryml L. 2008) ....................................................... 29 Obr. 6 Zařízení se studenou tlakovou komorou (Dryml L. 2008)................................... 29 Obr. 7 Zařízení nízkotlakového lití pro automobilové disky kol (www.evocorse.cz) .... 30 Obr. 8 Zařízení odstředivého lití (Dryml L. 2008).......................................................... 31
13
SEZNAM TABULEK
Tab. 1 Charakteristické vlastnosti plastů (Dryml L. 2008) ............................................. 12 Tab. 2 Technicky důležité neželezné kovy (Brandštetr J., a kol. 1999) ........................ 21
42
14
PŘÍLOHA Fotodokumentace základních operací při výrobě tlakového odlitku:
Tavení - Tavící plynová pec Striko
Udržování taveniny - Udržovací pec Striko
Regulace teploty formy - Regloplast
43
Tlakové lití - Licí pracoviště Bühler
Ošetření formy - Robot Kawasaki s ošetřovací hlavou Wollin
Vyjmutí odlitku - Robot Kawasaki
44
Ostřih odlitku - Ostřihovací lis Robopress
Doprava odlitku - Vynášecí zařízení a skluz
Obrábění - Obráběcí centrum Chiron
45
Kontrola - Kontrolní pracoviště po obrobení
Měření rozměrů - Třísouřadnicový měřicí přístroj Ziess
Odlitek – Dokončený tlakový odlitek po opracování a kontrole
46
