1. No category

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