Stabilność wymiarowa i dokładność odlewów precyzyjnych

Jednym z głównych celów pracowników odlewnictwa precyzyjnego jest ciągła poprawa dokładności wymiarowej Odlewy inwestycyjne i zmniejszyć ilość odpadów powstających w wyniku aberracji wymiarowych.

1.Stabilność wymiarowa formy woskowej i czynniki na nią wpływające

Rysunek 1 przedstawia wyniki uzyskane przez profesora Roberta C. Voigta z Uniwersytetu Pensylwanii po śledzeniu i pomiarze 29 rodzajów odlewów precyzyjnych. Widać, że w większości przypadków, gdy wielkość formy woskowej ulega znacznym wahaniom, wahania wielkości odlewu są również duże, a wyjątki są nieliczne. Ogólnie rzecz biorąc, wahania wielkości formy woskowej odpowiadają za 10% do 70% wahań wielkości odlewu.

Rysunek 1 Porównanie wahań wielkości pomiędzy Odlewnictwo precyzyjne i formy woskowej

Uwaga: σ- odchylenie standardowe

Parametry procesu mają decydujący wpływ na stabilność wymiarową formy woskowej. Główne czynniki to:

1) Temperatura prasowania wosku

Wpływ temperatury prasowania wosku jest różny dla różnych form (patrz rysunek 2). Jak widać na rysunku 2, w przypadku formy z podstawą woskową, wpływ temperatury prasowania wosku na stabilność wymiarową formy woskowej jest bardzo wrażliwy, podczas gdy wpływ formy z podstawą żywiczną jest niewielki.

2) Ciśnienie wtrysku

Jak widać na rys. 3, skurcz formy woskowej znacząco maleje przy niskim ciśnieniu i jego wzroście. Jednakże, gdy ciśnienie wzrasta do pewnego poziomu (>1,6 MPa), nie ma ono praktycznie żadnego wpływu na rozmiar formy woskowej.

Temperatura prasowania wosku /℃

Rys. 2 Zależność między temperaturą prasowania wosku a skurczem formy woskowej

Ciśnienie wtrysku /MPa

Rys. 3 Zależność między ciśnieniem wtrysku a skurczem formy woskowej

3) Prędkość przepływu

Prędkość przepływu formy można zmienić na dwa sposoby, ale wpływ na rozmiar formy woskowej nie jest taki sam: Zmiana prędkości przepływu ustawienia prasy woskowej sprawia, że ​​ta metoda ma mniejszy wpływ na szybkość skurczu formy woskowej. Ma jednak istotny wpływ na wypełnienie i jakość powierzchni formy woskowej ze złożonymi elementami cienkościennymi lub z rdzeniem. Zmiana pola przekroju poprzecznego wlotu wtryskowego wosku ma większy wpływ, ponieważ zwiększenie pola przekroju poprzecznego wlotu wtryskowego wosku może nie tylko obniżyć temperaturę prasowania wosku, ale także wydłużyć czas krzepnięcia materiału formy w otworze wtryskowym wosku, zwiększając tym samym stopień zagęszczenia formy woskowej, zmniejszając szybkość skurczu i skurcz powierzchniowy.

4) Czas wtrysku

Tak zwany czas wtrysku ciśnieniowego obejmuje tutaj trzy okresy: napełniania, zagęszczania i retencji. Czas napełniania odnosi się do czasu, w którym forma jest wypełniana przez ściskanie.

Zagęszczanie odnosi się do czasu od pełnego nacisku do zamknięcia dyszy woskowej; Przytrzymanie odnosi się do czasu od zamknięcia dyszy do wyciągnięcia formy.

Czas wtrysku ma znaczący wpływ na stopień skurczu formy woskowej (rysunek 4), ponieważ wydłużenie czasu wtrysku może spowodować wciśnięcie większej ilości materiału do wnęki, a forma woskowa zostanie bardziej zagęszczona, co zmniejszy stopień skurczu. Można to wykazać wzrostem masy formy woskowej wraz z wydłużeniem czasu zagęszczania (patrz rysunek 5). Czas zagęszczania powinien być odpowiedni. Jeśli czas zagęszczania jest zbyt długi, materiał formy w otworze wtryskowym wosku zostanie całkowicie zestalony i zagęszczanie nie zadziała. Z rysunku 4 wynika również, że gdy czas wtrysku jest stosunkowo krótki (15–25 s), temperatura prasowania wosku wzrasta, a stopień skurczu wzrasta, ale gdy czas wtrysku zostanie wydłużony do 25–35 s (w rzeczywistości czas zagęszczania jest wydłużany przy założeniu, że czas napełniania pozostaje stały), wpływ temperatury prasowania wosku staje się mniejszy. Po zwiększeniu czasu wtrysku do ponad 35 s nastąpi sytuacja odwrotna, tj. wraz ze wzrostem temperatury prasowania wosku skurcz formy woskowej będzie mniejszy (patrz rysunek 5). Zjawisko to można wyjaśnić tym, że zwiększenie temperatury formy i wydłużenie czasu zagęszczania ma taki sam skutek, jak zwiększenie stopnia zagęszczenia formy woskowej.

5) Temperatura formowania i sprzęt do prasowania wosku

Forma woskowa stygnie powoli, a skurcz wzrasta wraz z wysoką temperaturą formowania. Dzieje się tak, ponieważ forma woskowa znajduje się jeszcze w prasie przed jej wytłoczeniem, a skurcz jest ograniczony, a po wytłoczeniu przechodzi w stan swobodnego skurczu. Dlatego też, jeśli temperatura formy jest wysoka, końcowy skurcz jest duży i odwrotnie, skurcz jest mały.

Podobnie, układ chłodzenia prasy woskowej może mieć wpływ na wielkość formy woskowej wynoszący około 0,3%.

Na koniec warto podkreślić, że w przypadku zastosowania wosku jako materiału formierskiego, pasta woskowa stanowi trójfazowy układ współistnienia fazy stałej, ciekłej i gazowej. Stosunek objętościowy tych trzech faz ma ogromny wpływ na rozmiar formy woskowej. Proporcji tych trzech faz nie da się kontrolować w trakcie produkcji, co jest również istotną przyczyną niskiej stabilności wymiarowej formy woskowej formowanej z wykorzystaniem formy woskowej.

Rys. 4. Kompleksowy wpływ czasu wtrysku i temperatury wosku na skurcz formy woskowej

Czas wtrysku /s

Rys. 5 Wpływ czasu prasowania na stopień zagęszczenia formy woskowej

2. Wpływ materiału powłoki i procesu jej wytwarzania na stabilność wymiarową odlewów

Wpływ powłoki na wielkość odlewów spowodowany jest głównie rozszerzalnością cieplną, odkształceniem cieplnym (pełzaniem w wysokiej temperaturze) i ograniczeniem (przeszkodą) powłoki na skurcz chłodzący odlewów.

1) Rozszerzalność cieplna powłoki

Zależy to głównie od materiału powłoki. Współczynnik rozszerzalności różnych materiałów ogniotrwałych jest różny. Spośród powszechnie stosowanych materiałów ogniotrwałych, najmniejszy współczynnik rozszerzalności ma kwarc topiony, następnie krzemian glinu, a największy i nierównomierny jest krzemionka. Po przeprowadzeniu testów w celu określenia współczynnika rozszerzalności powłoki z krzemianu glinu od temperatury pokojowej do 1000°C, powłoka może wykazywać około 0,25% rozszerzalności. Udział całkowitego skurczu w wielkości odlewu nie jest duży, więc jeśli zastosuje się takie materiały ogniotrwałe, powłoka ma dobrą stabilność wymiarową, co niewątpliwie poprawi efekt zastosowania kwarcu topionego. Jednakże, jeśli zastosuje się krzemionkę, rozmiar powłoki ulega znacznym wahaniom.

2) Odkształcenie termiczne

Na przykład stopień pełzania powłoki ze szkłem wodnym jako spoiwem jest znacznie większy niż w przypadku powłoki z zolu krzemionkowego i krzemianu etylu w wysokiej temperaturze powyżej 1000℃.

Mimo że stopiony korund sam w sobie ma wysoką ogniotrwałość, to ze względu na obecność zanieczyszczeń, takich jak tlenek sodu, temperatura prażenia skorupy powyżej 1000℃ może również powodować pełzanie, co skutkuje słabą stabilnością wymiarową.

3) Ograniczenia powłoki dotyczące kurczenia się odlewu - zdolność do kurczenia się i zapadania się powłoki zależą głównie od materiału powłoki.
Podsumowując, wpływ powłoki na wahania wymiarów odlewu, materiał ogniotrwały odgrywa główną rolę, ale nie można pominąć roli spoiwa. Natomiast wpływ procesu produkcji powłoki jest mniejszy.

3. Wpływ naprężeń na stabilność wymiarową wywołanych nierównomiernym chłodzeniem odlewów
Prędkość chłodzenia każdej części odlewu (w tym układu wlewowego) jest inna, a naprężenia cieplne powodują odkształcenia odlewu, co wpływa na stabilność wymiarową. Zjawisko to często występuje w rzeczywistej produkcji. Zmniejszenie szybkości chłodzenia odlewów i udoskonalenie układu wlewów to skuteczne środki zapobiegawcze.