Technologiczne Przygotowanie Produkcji
odlew jako półfabrykat

Odlew jako półfabrykat – projekt krok po kroku

Doświadczenie akademickie spowodowało powrót do tematu opracowywania projektu półfabrykatu jako odlewu. Dobór płaszczyzny podziału formy odlewniczej i orientacja odlewu, określenie stopnia naddatku i klasy dokładności oraz dobór pochyleń odlewnicznych to główne zadania w ramach opracowania projektu odlewu jak półfabrykatu. W dalszej części wykorzystałem ten sam przykład części klasy tuleja co we wcześniejszym zbliżonym artykule: Półfabrykat jako odlew w produkcji seryjnej – ilustracja 1 i 2. Według zlecenia liczba sztuk jakie należy wyprodukować to 5000 szt. Mamy zatem do czynienia z produkcją seryjną. W przypadku produkcji seryjnej (umowna, ekonomiczna granica od 1000 szt. w górę) stosuje się odlewanie do form piaskowych maszynowo i skorupowo formowanych. W produkcji jednostkowej i małoseryjnej od kilkunastu do kilkuset sztuk stosuje się odlewanie do form piaskowych ręcznie formowanych. W filmie pdo tym samym tytułem Odlew jako półfbrykat – projekt krok po kroku omówiłem przykład opracowania projektu odlewu.

odlew jako półfabrykat

Ilustracja 1. Rysunek konstrukcyjny przykładowej tulei.

odlew jako półfabrykat

Ilustracja 2. Model 3D tulei z ilustracji 1.

W uzasadnionych sytuacjach odlew wykonuje się również dla pojedynczych sztuk kiedy wynika to z wymagań konstrukcyjnych i technologicznych. Za przykład mogą posłużyć działania w ramach rekonstrukcji pojazdów i maszyn historycznych. Inny uzasadniony przypadek to potrzeba uzyskania komponentów o cechach użytkowych właściwych dla przedmiotów odlewanych.

Płaszczyzna podziału formy i odlewu

Wybór płaszczyzny podziału formy wpływa na rozkład pochyleń odlewniczych, co ma znaczenie przy ustalaniu i mocowaniu półfabrykatu w uchwycie obróbkowym. W zależności od orientacji odlewu w formie projektuje się układ wlewowy. Wyróżnia się 10 zasad doboru płaszczyzny podziału:

  • łatwość usunięcia odlewu z formy;
  • powinna być płaska, unikamy łamanej powierzchni;
  • wysokość usuwanego odlewu powinna być jak najmniejsza;
  • zaleca się wykorzystanie naturalnych pochyleń odlewu co ułatwia wyjęcie z formy;
  • odlew powinien być tak zorientowany w formie by jego powierzchnie cechujące się większą dokładnością wymiarów geometrycznych znajdowały się w całości w jednej części skrzynki formierskiej;
  • łatwość czyszczenia odlewu;
  • powierzchnie odlewu mające podlegać w dalszym procesie technologicznym obróbce skrawaniem powinny być zlokalizowane na górze lub  boku;
  • orientacja odlewu w formie powinna umożliwiać zasilanie krzepnącego odlewu metalem z nadlewów;
  • ułożenie odlewu w formie powinno zapewniać efektywne zapełnienie wnęki formy;
  • należy stosować minimalną liczbę rdzeni.

W rozpatrywanym projekcie przyjąłem orientację odlewu półfabrykatu z osią prostopadłą do płaszczyzny podziału (ilustracje 3.b) – wariant II. Ilustracje 3.a i 7 przedstawiają odmienną orientację odlewu, lecz wariant I nie spełnia tak dobrze powyższych wymagań.

odlew jako półfabrykat

Ilustracja 3. Odlew – warianty doboru płaszczyzny podziału i jego położenia w formie odlewniczej – a.) oś odlewu tulei równoległa do płaszczyzny podziału; b.) oś tulei prostopadła do płaszczyzny podziału.

Wariant II (ilustracja 3.b) płaszczyzny podziału (ilustracja 6) i orientacji odlewu w formie cechuje się następującymi właściwościami:

  1. Łatwe wyjęcie z formy.
  2. Powierzchnia podziały jest płaska.
  3. Wysokość odlewy jest mniejsza.
  4. Cały odlew jest w jednej, dolnej, części formy odlewniczej.
  5. Powierzchnie poddawanie obróbce skrawaniem są zlokalizowane na górze i po bokach.

Z powyższych powodów wybrałem wariant I (ilustracja 3.a i 6). Różnica technologiczna między ilustracją 3 i 6 jest taka, że w rozpatrywanym projekcie cały odlew znajduje się w jednej, dolnej części formy odlewniczej.

Dobór naddatku obróbkowego

Przed określeniem wartości naddatku obróbkowego dla danego projektu należy w pierwszym kroku określić stopień naddatków obróbkowych. Następujące czynniki decydują o stopniu naddatków obróbkowych:

  • rodzaj materiału odlewu;
  • metoda odlewania.

W tabeli 2. przedstawiono zakresy stopni naddatków dla wybranych materiałów oraz metod obróbkowych.

Tabela 1. Na podstawie normy technicznej PN-ISO 8062: luty 1997
Metoda/materiał: Żeliwo
szare
Żeliwo
sferoidalne
Żeliwo
ciągliwe
Stopy
metali
lekkich
Stopy
miedzi
Odlewanie do form piaskowych
formowanych ręcznie.
F÷H
Odlewanie do form piaskowych formowanych
maszynowo i skorupowo.
E÷G

 

W przypadku omawianego projektu odlewu półfabrykatu przy odlewaniu do form piaskowych formowanych maszynowo dla żeliwa szarego stopień naddatku zawiera się w przedziale E÷G. Arbitralnie wybrałem stopień F. W kolejnej 2. tabeli zamieszczono wartości naddatków obróbkowych dla wybranych stopni oraz zakresów wymiarowych. Wartość naddatku dobiera się jedną dla całego odlewu na podstawie największego wymiaru zewnętrznego części z rysunku konstrukcyjnego części, dla której ten projekt opracowujemy. W przypadku określania wymiaru naddatku na średnicy dobrana z tabeli jego wartość jest na tzw. stronę, a nie na średnicę. Czyli w przypadku średnicy zewnętrznej wymiar całkowity zwiększa się o podwójna wartość naddatku, a dla otworu średnica zmniejsza się również o podwoją wartość dobranego naddatku. Pamiętajmy, że wartości naddatków obróbkowych należy traktować jako wartości minimalne.

Tabela 2. Na podstawie normy technicznej PN-ISO 8062: luty 1997
największy
wymiar
[mm]
Naddatki obróbkowe dla obróbki
skrawaniem [mm]
Stopień naddatku obróbkowego
od do
włącznie
E F G H
40 63 0,4 0,5 0,7 1,0
63 100 0,7 1,0 1,4 2,0
100 160 1,1 1,5 2,2 3,0
160 250 1,4 2,0 2,8 4,0
250 400 1,8 2,5 3,5 5,0
400 630 2,2 3,0 4,0 6,0

 

Największy wymiar konstrukcyjny rozpatrywanej tulei to Ø174, a zatem dla wybranego stopnia naddatku F wartość naddatku obróbkowego wynosi 2 mm.

Dobór promieni odlewniczych

W tabeli 3 podano wybrany zakres wartości promieni odlewniczych na podstawie normy PN-H-54215:1999. Wartości promieni odlewniczych uzależnione są od sumy grubości stykających się ze sobą ścianek odlewu oraz temperatury zalewania. W naszym przypadku określiłem, że zalewanie odbywa się w temperaturze poniżej 1300 °C.

Tabela 3.
Suma grubości
stykających się
ścianek
Temperatura zalewania
<1300 °C >= 1300 °C
Kąt pomiędzy stykającymi się ściankami
<90° 90° >90° <90° 90° <90°
>5 =<10 1 2,0 3,0 1,5 2,5 3,5
>10 =<15 1,5 2,0 3,0 2,0 2,5 3,5
>15 =<20 1,5 2,0 3,5 2,0 2,5 4,0
>20 =<25 2,0 2,5 4,0 2,5 3,0 4,5
>25 =<30 2,5 3,0 5,0 3,0 3,5 5,5
>30 =<35 3,0 3,5 6,0 3,5 4,0 6,0
>35 =<40 3,5 4,0 7,0 4,0 6,0 7,0
>40 =<50 4,0 5,0 8,0 5,0 7,0 10,0
>50 =<65 5,0 6,0 10,0 6,0 8,0 12,0
>65 =<80 6,0 8,0 12,0 8,0 10,0 15,0
>80 =<100 8,0 10,0 25,0 10,0 15,0 20,0
>100 =<120 10,0 15,0 20,0 15,0 20,0 25,0
>120 =<155 15,0 20,0 25,0 20,0 25,0 30,0
>155 =<200 20,0 25,0 30,0 25,0 30,0 35,0

 

Suma ścianek (wraz z naddatkami i pochyleniami odlewniczymi) to ≈50 mm, kąt pomiędzy ściankami wynosi równe 90°, temperatura zalewania przyjęto jako <1300°C, a więc promień odlewniczy wynosi R5. W przypadku drugiego końca tulei gdzie nie ma przejścia między ściankami  pod określonym kątem uwzględnia się grubość jednej ścianki odlewu. W przypadku naszego projektu grubość tej ścianki wraz z naddatkiem obróbkowym i pochyleniem odlewniczym wynosi ≈23 mm, czyli zalecana minimalna wartość promienia wynosi R2,5. Uznałem, że jak na formę piaskową to niewielki promień i wybrałem ostatecznie promień R4.

Odlew – wybór klasy tolerancji CT

Określenie klasy tolerancji dla odlewu zależy od:

  • rodzaju produkcji (jednostkowa i małoseryjna, wielkoseryjna);
  • materiału, z którego wykonywany jest odlew;
  • metody odlewniczej.

W przypadku produkcji wielkoseryjnej wykorzystuje się odlewanie do form piaskowych formowanych maszynowo i skorupowo. W tabeli 4 przedstawiono zalecane zakresy klas dokładności CT dla różnych materiałów i metod odlewniczych. W przypadku produkcji jednostkowej i odlewania do do form piaskowych ręcznie formowanych ważny jest rodzaj spoiwa.

Tabela 4. Na podstawie normy technicznej PN-ISO 8062: luty 1997
Metoda/materiał: Rodzaj
spoiwa
Żeliwo
szare
Żeliwo
sferoidalne
Żeliwo
ciągliwe
Stopy
metali
lekkich
Stopy
miedzi
Produkcja jednostkowa i małoseryjna
Odlewanie do form piaskowych
formowanych ręcznie
gliniaste 13÷15 13÷15 13÷15 11÷13 13÷15
chemiczne 11÷13 11÷13 11÷13 10÷12 10÷12
Produkcja wielkoseryjna
Odlewanie do form piaskowych
maszynowo i skorupowo formowanych
nd. 8÷12 8÷12 8÷12 7÷9 8÷10
nd. – nie dotyczy;

 

W przypadku omawianego projektu odlewu półfabrykatu przy produkcji wielkoseryjnej, odlewaniu do form piaskowych formowanych maszynowo dla żeliwa szarego zakres klas dokładności to CT8÷12. Ostatecznie wybrałem CT9. W tabeli 5. przedstawiono wybrane wartości tolerancji wymiarów geometrycznych. Pole tolerancji wybieramy oddzielnie dla każdego wymiaru odlewu.

Tabela 5. Na podstawie normy technicznej PN-ISO 8062: luty 1997

Podstawowy wymiar
surowego odlewu:

Wartości pola tolerancji dla odlewu [mm]
Klasa tolerancji CT odlewu
od do
(włącznie)
8 9 10 11 12 13
10 16 1,1 1,6 2,2 3 4,4
16 25 1,2 1,7 2,4 3,2 4,6 6,0
25 40 1,3 1,8 2,6 3,6 5,0 7,0
40 63 1,4 2 2,8 4,0 5,6 8,0
63 100 1,6 2,2 3,2 4,4 6,0 9,0
100 160 1,8 2,5 3,6 5,0 7,0 10,0
160 250 2 2,8 4,0 5,6 8,0 11,0
250 400 2,2 3,2 4,4 6,2 9,0 12,0

 

Po określeniu naddatków i tolerancji warto jest dokonać weryfikacji określonego naddatku i przyjętych odchyłek w ramach tolerancji wymiarów geometrycznych odlewu, czy przypadkiem minimalny wymiar zewnętrzny nie osiąga stanu, w którym odchyłka “wchodzi” wgłąb materiału przedmiotu, który nie jest już naddatkiem obróbkowym.

Pochylenia odlewnicze
odlew jako półfabrykat

Ilustracja 4. Rodzaje pochyleń odlewniczych.

Pochylenia odlewnicze są niezbędne by możliwe było swobodne wyjęcie odlewu z formy. Zastosowałem zapisy normy branżowej BN-76/4042-19, w której wyróżniamy trzy rodzaje pochyleń odlewniczych (ilustracja 4). Najbezpieczniejsze wydaje się pochylenie typu I, które powiększa wymiary odlewu.

Jeżeli jednak mamy do czynienia z produkcję wielkoseryjną lub masową można rozważać zastosowanie pozostałych rodzajów pochyleń odlewniczych. Pochylenia typu II i III umożliwiają uzyskanie oszczędności na materiale potrzebnym do wytworzenia półfabrykatu. Typ II jednocześnie powiększa i pomniejsza wymiary odlewu, a typ III wyłącznie je zmniejsza.

Z punktu widzenia obróbki skrawaniem najlepszy jest typ I.

Podstawą do określenia wymiaru n (ilustracja 4) jest wysokość lub głębokość odlewu nad lub pod płaszczyzną podziału formy (wymiar H – ilustracja 5). W tabeli 6 zawarto wybrane wartości n do określenia pochylenia odlewniczego.

Ilustracja 5 przedstawia wybrany wycięcie rozpatrywanego projektu odlewu jako półfabrykatu. Wymiary H1 i H2 wskazują odpowiednio na n1=0,7 i n2=0,9. W przypadku wielkości n2 umiejscowiłem go na stopniu zmiany średnicy tulei. Celem było uzyskanie jednego pochylenia. Uznałem, że rzeczywista wielkość naddatku nie spowoduje istotnego zwiększenia kosztu wykonania odlewu. Przy większej różnicy średnicy należy stosować również stopniowanie w średnicach odlewu. Zwróćmy uwagę na to, że wymiar związany z pochyleniem odlewniczym dla jednoznacznego jego zrozumienia jest poprzedzony literą “p”.

Pomiar bezpośredni i pośredni

Wykorzystywanie starej normy branżowej nie jest obowiązkowe i można stosować różnego rodzaju udokumentowane zasady, w tym wewnętrzne normy zakładowe. Na wielu rysunkach odlewów pochylenia odlewnicze są zdefiniowane wymiarem kątowym w [°]. W przypadku takiego wymiarowania weryfikacja kąta pochylenia następuje poprzez pomiar kąta za pomocą np. kątomierza uniwersalnego. Taki pomiar jest pomiarem bezpośrednim. W sytuacji gdy zastosowano zasady z normy branżowej BN-76/4042-19 weryfikacja poprawności wykonania pochylenia odlewniczego jest pośrednia i wymaga dwóch pomiarów dla jednego pochylenia odlewniczego.

 

Tabela 6.
Wartość
wymiaru
H
(ilustracja 3)
Typ pochyleń odlewniczych
I II III
Rodzaj powierzchni odlewu
Wartość wymiaru n
> <= obrabiana surowa obrabiana surowa obrabiana surowa
25 0,7 0,7 0,7
25 40 1,0
40 60 1,0 1,6
60 100 0,9 1,8 2,6
100 150 1,3 2,6 3,9
150 250 2,1 3,0 4,4 4,4 6,6
odlew jako półfabrykat

Ilustracja 5. Dobór wielkości pochylenia odlewniczego.

Projekt odlewu jako półfabrykatu

Ostateczny projekt odlewu z racji pełnej symetryczności nie wymaga oprócz rzutu głównego żadnego dodatkowego rzutu. Na rysunku konstrukcyjnym odlewu podano wymiary dla pochyleń odlewniczych oraz naddatki obróbkowe. Projekt odlewu przedstawiony poniżej na ilustracji 6 jest projektem o charakterze edukacyjnym w kontekście opracowywania procesu technologicznego wykorzystującego ubytkowe techniki wytwarzania. Rzeczywisty projekt odlewu musi uwzględniać również układ wlewowy. Informacje o naddatkach nie są potrzebne.

odlew jako półfabrykat

Ilustracja 6. Projekt odlewu jako półfabrykatu dla rozpatrywanej tulei – ilustracja 1.

Na ilustracji 7 przedstawiono projekt odlewu półfabrykatu przy wariancie I wyboru płaszczyzny podziału (ilustracja 3.a). Wymiar Ø100±1,1 na ilustracji 7 zawiera naddatek na stronę >2 mm ze względu na zrównanie ze średnicą powierzchni nieobrabianej. Odlew jako półfabrykat podlega takim samym ekonomicznym zasadom wytwarzania jak proces technologiczny na końcu, którego uzyskujemy finalny wyrób. Zwiększenie naddatku jest bardzo małe i nie ma istotnego wpływu na zwiększenie jednostkowego kosztu wykonania odlewu.

odlew jako półfabrykat

Ilustracja 7. Projekt odlewu jako półfabrykatu dla rozpatrywanej tulei – ilustracja 1. Wariant I usytuowania płaszczyzny podziału.

Stan nieobrabianej powierzchni odlewu

Faktura powierzchni odlewu, jej chropowatość, falistość, a także błędy kształtu oraz wady powierzchniowe charakteryzują stan rzeczywisty. Powierzchnia formy kształtuje warstwę wierzchnią powierzchni odlewu. Jednym z najczęściej stosowanych materiałów odlewniczych jest żeliwo szare, które cechuje się dobrymi właściwościami odlewniczymi: mały skurcz odlewniczy  (1%) i dobra lejność. Do innych zalet tego materiału zalicza się niskie koszty wytwarzania, dobrą skrawalność. W zakresie eksploatacyjnym żeliwo szare cechuje się dobrą zdolnością do tłumienia drgań i dobrymi własnościami ślizgowymi.

W przypadku odlewania do form piaskowych formowanych maszynowo wymiary geometryczne odlewu odpowiadają zakresowi klas IT16÷I18, a chropowatość powierzchni >Ra 20.

Źródła:
  1. Feld M., Podstawy projektowania procesów technologicznych typowych części maszyn, WNT
  2. Kapiński S., Skawiński P., Sobieszczański, Sobolewski J.Z., Projektowanie technologii maszyn, OWPW 2002
  3. Norma PN-H-54215:1999
  4. Norma PN-ISO 8062:luty 1997
  5. Norma BN-76/4042-19
  6. Rudaś T., Horczyczak M., Morek R., Soroczyński A., Kochański A. – materiały dydaktyczne – ITW WIP PW
  7. Klasy tolerancji IT

About author

morek

Rocznik 1973. W 1993 skończyłem Technikum Elektryczne Nr 1. W 1998 roku Wydział Mechaniczny Technologiczny i Automatyzacji (obecnie WIP) PW. 1997-2000 konstruktor narzędzi skrawających w F.W.P. VIS S.A. 2004. Doktorat z technologii kół zębatych. Technologie wytwarzania i procesy technologiczne to moja pasja.

Related Articles

Leave a reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *

YouTube



Kategorie

Nadchodzące wydarzenia

  1. Studia podyplomowe CAD/CAM/CNC

    27 lutego 2021 @ 10:00 - 28 lutego 2021 @ 17:00

Statistics

  • 45 041
  • 5 894 655
  • 300 065
  • 173
%d bloggers like this: