At støbe kokillegods Støbning af kvalitetsgods begynder med gode
Transcription
At støbe kokillegods Støbning af kvalitetsgods begynder med gode
At støbe kokillegods Støbning af kvalitetsgods begynder med gode indløbsforhold i kokillen Oversat af Knud Bryndum fra Modern Casting, Juni-udgave 2010 Forfatter: Shannon Wetzel, Senior Editor Roger Reamer, den tidligere vice president for firmaet Progress Casting Group, Plymouth, Minnesota har brugt en stor del af sin karriere på at løse indløbsproblemer for kokillestøberier. Men prøv at spørge ham, om han har en skridt for skridt metode til at dimensionere indløbet til en form, så vil han kun nødtvunget svare ”Jeg stiller mig altid tøvende med at starte en samtale om dette emne, fordi det at fremstille godt gods afhænger af temperatur, type kokillesværte, køletid og støbefrekvens samt andre parametre.” udtaler Reamer. Ikke desto mindre giver gode dimensioneringsprincipper om indløbsforhold mulighed for på økonomisk vis at kunne støbe kvalitetsgods. Hvordan principperne anvendes i praksis kan variere fra kokille til kokille, men hvert indløbssystem skal i følge AFS’ ( American Foundry Society ) ”Aluminum Permanent Mould Handbook” opfylde tre grundlæggende forhold. 1.Rolig fyldning af formen. Herved minimeres dannelsen af oxydfilm under fyldningsforløbet. 2.Ensartede flow-forløb og formfyldning som muliggør en konstant støbefrekvens. 3.Ensrettet og kontrolleret størkningsforløb, ved hjælp af korrekt brug af stigtappe og efterfødning. STØBERIET nr. 6, 2010 Alle tre forhold må være opfyldt for at indløb og stigtappe vil virke optimalt. Udover disse grundlæggende krav er følgende to forhold også ønskelige: - Et optimalt indløbsdesign, som giver maksimalt udbytte og minimale omkostninger til efterbearbejdning. - Et enkelt system, som giver mulighed for hurtigt at kunne designe indløb, så gentagne praktiske afprøvninger minimeres. For at støbe kvalitetsgods må der sigtes på at opfylde fem mål. Mål nr. 1. Rolig fyldning af formen. Et roligt formfyldningsforløb ind træffer, når formen fyldes til- strækkeligt langsomt til at undgå turbulens. Turbulens danner inklusioner af sammenfiltrede oxydfilm. Ifølge ” Aluminum Permanent Mold Handbook” skal strømningshastigheden holdes under 500 mm pr. sekund. For en statisk/faststående kokille har det idelle indløbssystem en kort vej fra soen til bunden af kokille – altså en kort støbetap. Reamer bemærkede, at når man anvendte Alcoas fødesystemer på kokiller med små højdeforskelle fik man næsten altid oxydfrit gods. Alcoa anbefaler et indløbssystem med 1 tomme høje og 1,8 tomme brede skummerender til fyldning af stigtappe og formhulrum. Alcoasystemet bremser metalstrømmen og nedsætter herved turbulensen. Jeg har aldrig oplevet et bedre indløbssystem til støbning af fladere gods udtaler Reamer. Bob Pischel, udviklingschef hos Foseco i Cleveland, anbefaler ligeledes at indløbssystemer har skummerender, der er bredere end de er høje. Hvis dimensionerne er omvendte, altså høje og smalle, vil metallet i starten af fyldningsforløbet løbe i bunden af skummerenden med det resultat, at der på et tidspunkt vil flyde metal i modsat retning i toppen af skummerenden. En sådan modstrømning vil frembringe turbulens med oxyddannelse til følge ( Fig. 1). Metalstrømmen vil ikke blive stabil før fem til seks sekunder efter start af 5 påfyldningen. Hvis man har korte og brede skummerender hindrer man metallet i samtidigt at flyde i modsatte retninger, udtaler Bob Pischel. Brugen af kip-kokille giver mulighed for et roligere fyldningsforløb, end det man har ved fyldningen af den stationære kokille, men, tilråder Pischel, indløbssystemet skal stadig gennemregnes omhyggeligt. I mange tilfælde er indløbssystemerne ”arvet” fra en anden proces, som for eksempel sandstøbning, hvilket kan være katastrofalt for funktionen af et indløbssystem til en kokille, især hvis der er tale om en kip-kokille, tilføjer Pischel. Visse procesparametre kan også have indflydelse på den rolighed, hvormed metallet fyldes i en kipkokille. For eksempel skal metalmængden i støbekoppen være den samme som den, der skal bruges i formen. Randy Oehrline fra Car- #1: Høj og smal skummerende (nederst) kan give anledning til tilbagestrømning af metal med turbulens og oxider til følge. Korte og brede skummerender (øverst) er at foretrække. 6 ley Foundry, Minnesota forklarer, at man kan forestille sig, at man skal hælde vandet fra et helt fuldt glas over i et tomt, så vil vandet straks løbe over i det tomme glas, så snart det fulde glas hældes. Forestiller man sig, at glasset kun er halvt fuldt, så skal glasset hældes meget mere før der kommer vand med over. Jo mere det er nødvendigt at hælde glasset jo større hastighed vil vandet få og jo mere plasker det, når det rammer bunden. Altså støbekoppen skal være fyldt og indeholde præcist den mængde metal, der er nødvendig for at fylde formen. Mål nr. 2. Metalstrømningen og formfyldningen skal være ens fra gang til gang. Formfyldningstiden skal hele tiden være konstant. De opnåede temperaturligevægte i kokillens forskellige dele ændrer sig langsomt med tiden, og det er vigtigt STØBERIET nr. 6, 2010 #2: For at spare renseomkostninger blev godset støbt med kun et indløb anbragt på en flange, der skal bearbejdes under alle omstændigheder. at minimere variationer såsom formtemperatur, metaltemperatur, metallets standtid i formen, den tid formen er åben o.s.v. Gode indløbssystemer er en forudsætning for at processen forløber gnidningsløst. Den enkelte støber må ikke efter forgodtbefindende rette fejl på værktøjet eller støbemetoden, i så fald risikere man at ende med, at kun en bestemt person kan støbe godset problemløst – og det er et svaghedstegn ved processen. Cyklustiden, metaltemperaturen, formtemperaturen og spray-sværten har stor indflydelse på den endelige kvalitet. Har man en gang fået kokillen varm, så skal det være en ensartet cyklustid, der holder den varm. Det smeltede metal tilfører varme til formen, og stråling og konvektion fjerner varme fra formoverfladen. Hvis formen står åben for længe mellem fyldningerne, kan den afkøles så meget, at de følgende støbninger ender som vraggods. Til trods for at et optimalt indløbssystem leverer en ikke-turbulent metalstrøm, er brugen af filtre et almindeligt og effektivt hjælpemiddel til at forbedre virkningen af et indløbssystem. Brugen af filSTØBERIET nr. 6, 2010 tre kan imidlertid påvirke andre parametre i processen. Man ønsker filtret placeret så tæt på godset som muligt i indløbssystemet, og således at det kan sættes på plads i formen i løbet af sekunder, det må heller ikke lække, det skal være let at fjerne fra godset, når det trykkes ud af formen og let at fjerne fra metallet fra indløbet. Procesparametre skal tydeliggøres, og de skal følges strengt, for at man kan være sikker på et ensartet kvalitetsgods. Hvis ikke hele procesforløbet udføres korrekt får man vrag som resultat. Reamer genkalder sig et særligt vanskeligt hus til en turbolader, som lavtryksstøbtes med en sandkerne. ”Vi udarbejde en checkliste for opstillingen” fortæller han. Maskinen blev checket, så vi var sikre på at alle dele arbejdede korrekt, før vi startede. Efter dette producerede støberen 103 stykker gods, af hvilke kun et blev skrottet og det kun på grund af en fejl ved fjernelsen af indløb. Men næste gang formen blev sat i makinen, var det en anden støber, som ikke fulgte instruktionerne og resultatet blev kun vrag. Alt skal være 100% korrekt. Indløbssystemet er vigtigt, men et godt indløbssystem alene er ikke patentløsningen – det er hele den samlede proces, der er kritisk.” udtaler Reamer. Mål nr. 3. Kontrolleret og retningsbestemt størkning. I et veldesignet indløbssystem skal indløb fylde formen fra bund til top og stigtappene skal fremme et godt størkningforløb. Stigtappene i indløbssystemet tjener som reservoir for smeltet metal, der skal efterføde de dele i formen, som ikke efterfyldes direkte fra indløbet. I stedet for at anvende en efterføder, som ikke har forbindelse til formoverfladen, til efterfødning forslår Reamer, at stigtappene fødes med metal via en skummerende. Stigtappene skal være forsynet med varmt metal, hvis de er for kolde, vil de ikke give den tilstrækkelige efterfødning med mangelfuld formfyldning eller indre sugninger til følge. I et veldesignet system størkner stigtappene som det sidste. Der er andre hjælpemidler til at kontrollere en retningsbestemt størkning. Det kan være: ● Kokillesværte – mindre eller hel fjernelse af sværte på udvalgte steder i formen kan fremme køling. ● Kølekanaler – kølekanaler med luft eller vand i selve formen køler denne. ● Isolering – Tykkere lag af formsværte eller varmeelementer kan bruges til at holde bestemte formdele varmere i længere tid. Mål nr. 4. En økonomisk proces med stort volumen og lave bearbejdningsomkostninger. For at minimere omkostningerne skal man undgå for store indløb og stigtappe for herved at spare på metallet og sørge for at overgangen mellem gods og indløb eller stigtappe udformes, så de er lette at fjerne. Det er en hyppig fejl i støberiindustrien, at der bruges for #3: Automatisk metaludstøbning hjælper til at udstøbningsparametrene er konstante. 7 #4: Ophæng til chassi til en snowmobile; kokille med fire formhulrum og otte kernetræk. meget metal til indløbssystemer og stigtappe, fordi de ansvarlige for produktionen ofte bedømmes på godskvaliteten alene og ikke på både kvalitet og produktionsvolumenet. Jo mere overskudsmetal der er i kredsløb, jo langsommere går produktionen, og jo mere metal skal der smeltes, og jo større ovnkapacitet er nødvendig. For gods med meget høje kvalitetskrav giver de overdimensionerede indløbssystemer yderligere implikationer på procesomkostninger og procestid. Hvis kunden forlanger 5 emner pr. charge røntgengennemlyst, så er det klart, at jo færre emner pr. charge jo flere røntgenbilleder skal der tages i løbet af ordreafviklingen. Randy Oehrlein mente, at den 8 bedste måde at få det mest økonomiske indløbssystem på var at begynde med et simpelt system og så udbygge det succesivt, indtil man opnåede en tilfredstillende støbning. Denne såkaldte iterationfremgangsmåde indebærer øgede bearbejdningsomkostninger og tidsforbrug på kokillen i opstarten af et projekt. Udviklingsingeniørerne imødegår ofte indvendinger mod fremgangsmåden med at sige ”betal nu eller betal for altid!”. Også graden af besvær med fjernelsen af indløb og tappe bidrager til procesomkostningerne. Det er indlysende, at man skal undgå konstruktioner, hvor en sav ikke kan anvendes eller hvor der kræves specialopspænding eller -værktøj til at fjerne indløb. For- bruget af klinger og værktøj samt genereringen af spåner er også omkostninger i den samlede proces. Nogle gange er et uforholdsmæssig stort indløbssystem nødvendigt. I sådanne tilfælde er det nødvendigt at medtage metallet i indløbssystemet på lige fod med godset i omkostningsberegningerne. Som eksempel nævner Reamer, at de engang måtte støbe 10 kg metal i en form for at få 1 kg gods. Det drejede sig om et metalgitter med 2-3 mm godstykkelse og der blev anvendt syv sandkerner. Den store mængde metal var nødvendig for at holde formen varm – gitteret skulle støbes på denne besværlige måde eller slet ikke. Mål nr. 5. En enkel og hurtig metode til udformning af indløbssystemer, der over flødiggør ”trial and error”. Når et indløbssystem skal udskiftes, ville det være bekvemt at have muligheder for hurtigt at afprøve forbedringer. Begynder man med ”trial and error” vil det tage tid, men ofte er man konfronteret med korte dead lines. Derfor er computermodelering et uvurderligt hjælpemiddel til hurtigt at komme frem til optimale indløbssystemer uden at skulle over en ”trial and error”-proces. STØBERIET nr. 6, 2010