18.2.2013

1

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 LITÍTECHNOLOGIE PŘESNÉHO LITÍ

METODA VYTAVITELNÉHO MODELUMETODA VYTAVITELNÉHO MODELU

18.2.2013

2

Parametry metodyrozměry: 100 – 200 mm (světové max. 1000 mm)hmotnost odlitu: 0,1 – 8 kg (48 kg –SPL Zlín, světové max. 200 kg )tvar: témeř bez omezenítlouš ťka st ěny : 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 p řesnosti

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

LetectvíAutomobilový průmyslZbrojní průmyslRaketová technikaLékařské nástrojeImplantátyOrtopedické produktyJaderná energieHydraul. a pneu. komponenty

EnergetikaPotravinářstvíPetrochemické zařízeníArmaturyPříslušenství lodíČásti jízdních kolHudební nástrojeGolfové holeZemědělská technika

Odběratelé odlitk ů přesného lití

Průmyslové plynové turbíny

25 %

Sportovní zboží7 %

Automobilový průmysl

3%

Všeobecné strojírenství

18%

Letecký průmysl

47%

18.2.2013

3

Přehled sv ětové výroby odlitk ů metodou vytavitelného modelu

Západní Evropa

25%

Asie17%

ostatní6%

Severní Amerika

52%

Pozice českého přesného lití ve světě

statistika k roku 2006

Evropa VelkáBritánie

Francie Německo Českárepublika

Severní Amerika

Obrat v mil. USD

1250 550 325 212 20 2600

Procento zeSvětovéProdukce

25% 10% 6% 4% 0,20% 50%

Nejvýznamnější slévárny přesného lití v ČR

PBS Velká Bíteš, a.s 230mil/2006

Kdynium Kdyně, a.s 640mil/2006

Prague Casting Services, a.s 84mil/2006

Rok Celkový počet

sléváren

Počet zaměstnanců

Kapacita [tun] / využití [%] Celkový obrat [mil.]

oceli superslitiny Neželezné kovy

1994 15 1100 3650 35% 90 10% 60 70% 230

2000 13 994 3500 80% 90 15% 60 100% 864

2006 12 950 3600 85% 150 30% 60 100% 1250

18.2.2013

4

TECHNOLOGIE VÝROBYmetoda

INVESTMENT CASTING

Pracovní postup Pracovní postup –– výrobní operacevýrobní operace

1.Výroba forem na modely

2.Výroby voskových modelů

3.Sestava stromečku

Pracovní postup Pracovní postup –– výrobní operacevýrobní operace

4.Výroba skořepin –keramické obaly

5.Výroba skořepin –žáruvzdorný posyp

6.Vytavení v autoklávu

*

18.2.2013

5

Pracovní postup Pracovní postup –– výrobní operacevýrobní operace

7.Vypalování skořepin

8.Tavení odlévání

9.Odstranění keramiky

Pracovní postup Pracovní postup –– výrobní operacevýrobní 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:- obráb ěním- odléváním- galvanopalsticky

18.2.2013

6

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 modelForma na voskový model

POSUVNÉ DÍLCE

PŘIDRŽOVACÍ DESKA

VSTUPNÍ OTVOR

Hliníková mříž pro zpevnění formy

Výroba voskových modelů – požadavky na vlastnosti vosku

Dostatečná pevnost, tvrdost a dostatečná stabilitaDostatečná pružnost pro manipulaciMalé smrštění během tuhnutíNízké procento popelaVhodná viskozitaOdolnost oxidaciNesmí se lepit na stěny kovové formyNesmí reagovat s obalovými hmotamiPřesná reprodukce formyMusí ztuhnout ve formě během krátké doby po vstříknutí

18.2.2013

7

Výroba voskových modelů – voskové směsy

na modely - čisté - plněné - emulgované

na vtokové soustavy

rekultivované voskyspeciální vosky - adhezní

- opravný- vosky na jádra- namáčecí

- rozpustné

Výroba voskových modelů – způsob výroby

Gravita ční lití model ůJe používáno už jen velice zřídka a to většinou při výroběpomocných modelů jako jsou např. vtokové kanály apod.

Vstřikování do formyVýroba voskových modelů vstřikováním vosku do formy jehlavní metodou výroby voskových modelů. Výroba seuskutečňuje na speciálních vstřikovacích lisech, které vstřikujíroztavený vosk pod tlakem. Teplota vosků při vstřikování jev rozmezí 55 – 90°C. Po ztuhnutí je model vyjmutz formy.Vstřikovací lisy jsou klasifikovány dle stavu vosku,který je stroj schopný vstřikovat.

Výroba voskových modelů – vstřikovací strojeStroje 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)

18.2.2013

8

Kalibrační přípravek

TVAROVÁ ZÁKLADOVÁ DESKA

VOSKOVÝ MODEL

Sestava vtokové soustavy

Podle počtu modelů v jedné licí soustavě se rozlišují:

Sestavování jednotlivých model ů

Používá se v případě rozměrnějších odlitků. Jsou to převážněodlitky u nichž velké nároky na kvalitu nebo rozměrovou přesnostvylučují použití jiné technologie. Vtoková soustava s různými druhynálitků se vyrábí ve zvláštních formách a na model se připojípájením nebo lepením.

Sestavování model ů do strome čkuStromeček se skládá z většího počtu modelů, spojených jednotlivými vtoky s vtokovou soustavou.

Sestava vtokové soustavy

Sestavování jednotlivých model ů Sestavování model ů do strome čků

18.2.2013

9

Výroba keramických foremObalování

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.

18.2.2013

10

Výroba keramických foremPři 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 roztažnostVysoká teplota taveníChemická nete čnost v ůči odlévaným kov ům

materiály Al2O3 – oxid hlinitýZrO2 – 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 prost ředí 20 až 24°C Vlhkost prost ředí 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

18.2.2013

11

Výrobní linka na keramické skořepiny

Vytavení voskové hmoty z formyVytavování voskových model ů se provádí:

V autoklávu 0,3 – 1,6 MPa, při T = 120 – 185 °CZa 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 oh řevem 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

18.2.2013

12

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 p řed 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

18.2.2013

13

Dokon čovací operace

Typické po řadí dokon čovacích 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 rozpušt ěnou 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 láze ň – 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 rozm ěrovou kontroluDůsledné dodržování rozměrů je nevyhnutelným požadavkem na kvalitu přesných odlitků, dodávaných jako výrobky typu near-net-shape.

Metody pro zjiš ťování kvality povrchuMetody zkoumající povrchovou kvalitu odlitků.

Metody pro zjiš ťování vnit řních vad Zkoumání vnitřní struktury odlitku. Kontrola výskytu převážně ředin a staženin.

18.2.2013

14

Kontrola odlitků - rozměrová

Metody pro rozm ěrovou kontroluExistuje 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 zjiš ťování kvality povrchuTrhliny 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

18.2.2013

15

Tavení slitin neželezných kov ů –mechanizace a automatizace

Al slitiny

Vsázka : Housky slitinHousky slitin – výrobky hutí – nejdražší surovina, ale nejkvalitn ější – existují

primární slitiny – slitiny prvního tavení – výroba hutnickým zp ůsobem –

a sekundární slitiny – výroba p řetavením Al šrotu (obsahují více nečistot a p řísadových prvk ů

Vratný materiálVratný materiál – vtoky, nálitky, zmetky

Nejpoužívan ější 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 induk ční – nízkofrekven ční – již velmi omezeně – špatná možnost automatizace

18.2.2013

16

Šachtové pece a jejich princip

System ETAmax®

1. Automatische

Beschickung

2. Kontinuierliche

Metallentnahme,

konstante Temperatur

und hohe Qualität

• Posuvné dve ře zavážecího otvoru

• Horní kryt šachty

• Předehřívaná vsázka

• Tavící ho řáky

• Hořák udržovací komory

• Čistící dví řka tavící komorymožnost odstran ění

ocelových zálitk ů

• Odpichový ventil

MPL II

47

Příklad vizualizace šachtové pece, přehled termo článků

Příklad vizualizace na Touch-screenobrazovce – obecná kontrola stavu pece

Zjednodušený výkres vyzdívky Šachtové pece

Schéma tavení v šachtové peci

Odpadní spaliny 300°C

Tavící ho řák - plamen se nedotýká housek

Čistící otvor tavícího mostu

Přechod taveniny z tavící do udržovací komory

Předehřívaná vsázkaDosažení nejnižšího propalu:

=> krátká doba setrvání vsázky v přímém kontaktu s plamenem

=>� maximální p ředehřev vsázky

� ihned po natavení „sklouzává“ materiál do udržovací komory

� plamen se nedotýká vsázkyTavící most

18.2.2013

17

Pece s malým výkonem - nesklopnéTavící komora je nad udržovací komorou

Typ pece MH – díky této konstrukci zabírá mén ě místa

Detail odpichového ventilu

Pece s tavícím výkonem nad 1 tunu Al /htavící komora je vedle komory udržovací

Díky „banánu“ je možné tavit i b ěhem skláp ění pece

Vylévací žlab

Tavící komora je „nalepena“ na komo ře udržovací

� Nižší hodnota DI a minimální vznik oxid ů – natavený materiál stéká do udržovací komory

� Snazší čišt ění pece – lepší přístup k tavícímu mostu

MPL II

51

• Laserový sníma č zaplnění šachty

• Otvor komínové šacht ě pro laserové paprsky

• Rám pro uložení 2 nosných blok ů a hydraulického válce

• Uložení 4 vážících buněk

Sklopné pece Laserové snímání šachty, vážící bu ňky, zavážení

18.2.2013

18

MPL II

52

� spot řeba energie pro tavení a oh řev na vylévací teplotu < 600 kWh / t Al(u kelímkových plynových pecí je uvád ěno 1300 – 1350 kWh / t Al)

� ztráty kovu = (propal + st ěry) při 50% vratu a 50% housek < 1,5 %

finan ční úspora na 1% ztráty kovu:1000kg/h * 20h/den * 340 dn ů / rok * 50 K č/kg Al * 0,01 = 3.400.000 Kč /

rok

� vysoké využití tepla – teplota odpadních spalin < 300 °C

� kontinuální odb ěr materiálu – ustálená tavenina je stále k dispozici v nastavené teplot ě,která kolísá v rozmezí ± 6°C

� snížení rizika exploze housek

� vyšší kvalita kovu – nedochází k vycezování tvrdých vm ěstků pono řením housek do taveniny

Proč jsou šachtové pece tolik rozší řené 1

� snadné čišt ění, možnost odstran ění železných zálitk ů bez rizika zvýšení procenta železa v tavenin ě

� Snadná obsluha celého za řízení

�Snadná údržba

� Žádné problémy s ekologií a množstvím NO x ve spalinách

�Archivace a zp ětná kontrola všech procesních dat

� množství nataveného a odebraného materiálu

� skute čná spot řeba plynu

� aktuální ztráty kovu (sledování zaváženého množství kov u, množství stěrů a nečistot p ři čišt ění pece

Animace pece

Proč jsou šachtové pece tolik rozší řené 2

Transport kovu• Transportní pánve – rozvoz pomocí vysokozdvižných

vozíků• Transportní žlab – kontinuální rozvod kovu

PEC

INGOTY

LICÍ STROJE

ŽLAB

18.2.2013

19

Automatizace v gravitační lití do kovových forem

Gravitační lití do kokil

� Licí stůl – s možností hydraulicky ovládaných jader

� Licí stroj (manipulátor, robot)� Apretace

Příklad pln ě automatizovaného pracovišt ě gravita čního lití

18.2.2013

20

Možnosti uspořádání - lineární

Možnosti uspořádání - rotační

18.2.2013

21

Možné varianty licích stol ů

Možné varianty licích stroj ů

18.2.2013

22

Možná manipulace s odlitky

Karuselové uspo řádání pracovišt ě

Karuselové uspo řádané vým ěnné udržovací pece

18.2.2013

23

Automatizace apretace

Video Laempe

Sklopné gravitační lití do kokil (Tilt casting)� Licí stůl – s možností hydraulicky

ovládaných jader

� Licí stroj (manipulátor, robot)� Apretace

18.2.2013

24

Příklad zapojení sklopných licích stroj ů

Automatizace v nízkotlakém lití

18.2.2013

25

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

18.2.2013

26

Licí stroj pro trvalé formy

Licí stroj pro trvalé formy – možné dopln ění

Licí linky

18.2.2013

27

Výměnné pece

Další operace shodné s kokilovým litím, dopln ěné o různé typy manipula čních za řízení.

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� Zajišťuje manipulaci s paletovanými odlitky

v přepravních boxech

� Skluzy� zajištění snadného odsunu odlitků z nebezpečného prostoru� možnost zajištění třídění dobrých/vadných kusů

� Válečkové tratě atd…

18.2.2013

28

Skluz

Otočný zakladač

Skluz s tříděním

18.2.2013

29

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

18.2.2013

30

Děkuji za pozornost

☺☺☺☺

Dotazy??