Racionalizace výroby těhlic formule CarTech teamu CTU z hořčíkové slitiny Jaroslav Halda Vedoucí práce: Ing. Aleš Herman, Ph.D. Abstrakt Prudký rozvoj používání hořčíkových slitin v automobilovém průmyslu se netýká jen velkých automobilových výrobců, ale i tak malých spolků automobilových nadšenců jako je CarTech team CTU, jenž se rozhodl do svého 2. prototypu studentské formule zakomponovat součást z hořčíkové slitiny. V mé práci se zabývám výrobou této součástky a to jak od rozboru technologičnosti konstrukce, přes výběr vhodné technologie výroby a až po vlastní výrobu součásti. Klíčová slova Automobilový průmysl, Hořčíkové slitiny, Technologičnost, Numerická simulace tuhnutí 1. Úvod Z důvodu celosvětového boje proti skleníkovým plynům vypouštěným miliony dopravních prostředků, jak už letadel či automobilů se konstruktéři v poslední době začali poohlížet po no nových konstrukčních materiálech, jenž by snížily hmotnost konstrukce a spolu sní i produkci škodlivých CO 2 plynů. Hojně využívaným materiálem v automobilovém průmyslu jsou hliníkové slitiny, jejichž hustota dosahuje hodnoty 2,70.10 3 kg/m 3 a snahou mnoha konstruktérů je nahrazení co největšího množství součástek z hliníkových slitin slitinami hořčíku. Důvod je prostý, téměř o 1/3 nižší hustota hořčíku, která činí 1,74. 10 3 kg/m 3 při srovnatelných mechanických vlastnostech. Ovšem tyto výhody byly konstruktérům známy už v minulém století, např. v meziválečné době hlavně německým konstruktérům, v roce 1938 bylo na celém světě vyrobeno 25 000 tun hořčíku z toho v Třetí říši 14 100 tun, hořčík se používal jak v leteckém průmyslu, kde ho na letounu Heinkel 111 bylo užito 100 kg, podstatně víc 500 kg bylo užito na typu Heinkel 177 a Focke-Wulf Fw 200, ovšem i automobilový průmysl nezůstal pozadu když na celosvětově známém modelu Volkswagen Brouk bylo použit více jak 20 kg Mg slitin, tento vůz se vyráběl mezi roky 1934-81 a celková spotřeba Mg slitin se odhaduje na 400 000t. V dnešní době mají v automobilech Mg slitiny zastoupení v podobě přístrojových desek, litých kol, rámů sedaček, volantů, hlav válců a dokonce i bloků motorů, tento plán se snaží uskutečnit aliance australských a německých konstruktérů, odhad výroby se pohybuje okolo 7000 t/rok. A z těchto důvodů ani studentský konstrukční tým CarTech CTU nechce zůstat pozadu a rozhodl se využít výhodných vlastností Mg slitin, zejména snížení hmotnosti, jelikož u závodních automobilů se počítá každý gram, který bude rozhodující v boji s konkurencí na závodním okruhu. První součástkou, která se vyrobí z Mg slitiny budou těhlice, sloužící k uchycení kol na přední i zadní nápravě, součástka náročná nejen na namáhaní, ale i bezpečnost. Užitím Mg slitiny zde nahradíme slitinu Al, která byla užita na prvním prototypu studentské formule. [1,2,3]
2.1 Výběr vhodného materiálu Jak už bylo uvedeno výše na prvním prototypu byla použita slitina hliníku a byla vyrobena technologií frézování z hliníkového polotovaru, z důvodu úspory materiálu a zejména vysoké úrovně specializace na technologie lití hořčíkových slitin na Ú12133 Ústavu strojírenské technologie, jsme se rozhodli vyrobit těhlice z Mg slitin slévárenskou technologií. Na prvním prototypu byla užita slitina 7075 T651, jedná se o tzv. letecký dural o velmi dobrých mechanických vlastnostech, kterých u žádné hořčíkové slitiny nedosáhneme, ovšem naší snahou je se jím co nejtěsněji přiblížit. Proto jsme se rozhodli použít slitinu hořčíku s označením AZ91B, která má dostatečně dobré vlastnosti a další velkou výhodou je dostatek zkušeností s touto slitinou na ústavu strojírenské technologie. Obr. 1. Starý model těhlice Obr. 2. Model nové těhlice Obr. 3. Ukázka uložení zadní nápravy formule CarTech teamu CTU
2.2 Technologičnost konstrukce Rozbor technologičnosti konstrukce jsem provedl s konstruktéry už ve fázi konstrukce odlitku, díky tomu jsme se vyvarovali častému problému v praxi, kdy ve fázi návrhu součásti konstruktér s technologem neprojedná technologičnost a ve fázi přípravy výroby často narazí na problém, kvůli němuž se musí upravit konstrukce a což má za následek zdržení a prodražení navrhnuté součásti. Proto jsem projednal s konstruktéry, vhodné umístění dělící roviny, doporučené tloušťky stěn, minimální úkosy, rádius apod. Během 2.3 Výběr slévárenské technologie V našem projektu budeme vyrábět celkem 12 odlitků, 2 a 2 těhlice na přední a zadní nápravu. Zbylé těhlice se použijí na testy, kde se budou zkoušet metalografické a pevnostní vlastnosti. Pro zajištění výroby se musí vyrobit 4 různé modely. Podle toho také musíme přihlížet k výběru technologie lití. Hořčíkové slitiny se dají odlévat celou řadou slévárenských technologií, v automobilovém průmyslu převažuje technologie vysokotlakového lití, ovšem to v našem případě nepřicházelo v úvahu, protože tato technologie velice náročná na přípravu, ať už co se týče složitosti nástrojů pro tlakové lití, ale hlavně jejich cena, tato metoda se používá ve velkosériové, lépe hromadné výrobě. Dále přichází možnost metody vytavitelného či spalitelného modelu,ovšem zde opět narážíme na finanční náročnost, která se vrací pouze s velkou sérií. CarTech teamu bylo nabídnuto od sponzorské firmy možnost výroby spalitelného modelu, ovšem z důvodu podstatně relativně nízké licí teploty spojené s nízkou hustotu Mg slitin a tím i hmotností kovu dopadajícího na model je tuto metodu nutno také vypustit z důvodu možného nedokonalého spálení modelu ve formě. Hořčíkové slitiny je také možno lít do ocelových nebo litinových kokil, tato metoda je, ale opět výhodná pouze při výrobě větších sérií. Pro výrobu našeho množství odlitků tedy použijeme metody gravitačního lití do pískové formy, je to zřejmé už výše uvedené série a navíc vybavenosti školní slévárny pro tuto technologii,zejména tavící pecí na Mg slitiny. 10 000 Tlakově Náklady na 1 kus 1 000 100 10 1 Na syrovo Do kokil 10 100 1 000 10 000 100 000 Celkový počet odlitků Obr.4. Srovnání slévárenských technologií dle sériovosti výroby [4] Vytavitelný model
Nevýhodou odlévání Mg slitin je, je jejich afinita ke kyslíku, jenž má za následky explozivní chování. Proto je nutno využívat tzv. inhibitorů hoření jak už při tavbě a odlévání, ale musí je obsahovat i forma do které budeme roztavený kov odlévat. Nejčastěji se jako inhibitor se používá síra, jenž se ve formě prášku nanese na formu, ale také ji používáme při odlévání, kdy ji rozprašujeme na tekutý kov. Při tavbě se v peci místo síry používá ochranná atmosféra fluoridu síry SF 6, při jeho užití se na tavenině utvoří ochranná struska (ochranný film). Chemický popis reakce, při které vzniká ochranný film: 3. Příprava výroby Mg + SF6 + vzduch MgO (ochranný film) [2] 3.1. Návrh technologie výroby formy Forma potřebná k výrobě obou těhlic musí být dvoudílná, rozdělená v dělící rovině. Z důvodu složitého tvaru těhlic musí být použita zakřivená dělicí rovina,což nám poněkud stěžuje výrobu formy, protože bude muset být navíc vyrobena formovací podložka,tato technologie se nazývá tzv. formování na šněrovačku. Postup výroby formy:i. Zasypaní horního dílu formy formovací směsí a.podložka b.model c.horní díl formy d.formovací směs e.spodní díl formy II. Otočení formy a následné zvednutí podložky III.Přidání spodního formovacího a jeho zasypání Formovací směsí IV. Odstranění modelu z formy Obr.5. Znázornění použité technologie formování
Formování provedeme ručně pomocí ručních pneumatických pěchů do formovacích rámu o rozměrech 600x400x100 mm Jako formovací směs se použije samo vytvrditelná furanová směs. 3.2. Návrh typu modelového zařízení K výrobě námi navržených odlitků budeme potřebovat 4 modely,které vyrobíme technologií rapid prototyping,dále je potřeba vyrobit formovací podložku,ta ovšem bude vyrobena technologií CNC frézování z bloku překližkového dřeva.z důvodu velké tloušťky podložky je potřeba pořídit materiál přesně nařezat a následně navrstvit a spojit pomocí lepidla. Obr. 6. Model odlitku a formovací podložka 3.3 Stanovení polohy odlitku ve formě Obr. 7. Znázornění polohy odlitku ve formě
3.4 Stanovení úkosů a přídavků na obrábění Úkosy jsem stanovil dle technologičnosti konstrukce v závislosti na poloze dělící roviny.úkosy voleny v rozmezí 1-2. Přídavky na obrábění funkčních ploch odlitky jsou jednotně voleny 3mm.Díry se nepředlévají z důvodu malé série a tím i neekonomičnosti výroby jader a konstrukce jaderníku. 3.5 Návrh nálitků a chladítek Z důvodu objemového úbytku kovu při tuhnutí musíme u našich odlitků tento úbytek kompenzovat přísunem taveniny z nálitku a tím i zajistit usměrněné tuhnutí od nejvzdálenější místa směrem k nálitku. Obr. 8. Rozměry navrhnutých nálitků Vložením vnějších litinových chladítek do tepelných uzlů, zabráníme vzniku staženin v ohrožených místech, díky jejich vetší tepelné pohltivosti než má samotná písková forma. Návrh správného rozměru a umístění chladítek se musí zkoušet experimentálně na numerických simulacích tuhnutí, po provedení několika simulací jsem dospěl ke konečnému počtu a rozměrů chladítek. Rozměry chladítek: Obr. 9. Rozměry použitých chladítek
3.6 Návrh vtokové soustavy Výpočet vtokové soustavy: Objem těhlice s nálitkem: 1,38 m 3 Hustota: 1700 kg/m 3 Surová hmotnost odlitku: m s =2,34 kg Optimální licí čas: t = s. 2. (1) L m s t L = s. 2. ms = 1,5 2.2,34 = 3, 24s Účinná výška vtokové soustavy: H 2 p = h (2) 2. c 2 2 p 30 H = h = 225 = 202, 5mm 2. c 40 Rychlost kovu v řídícím průřezu: v = µ 2 gh = 0,5 2 9,81.0,1775 = 0,997m / s Součet průřezů všech zářezů: S n. m 2.2,34 v = µ 2gH (3) S n. m S 4 2 2 z. n = = = 8,522.10 m 852mm t v ρt 3,24.0,997.1700 Použity 4 zářezy,plocha 1 zářezu S z =213 mm 2 S z. n = (4) t v ρt Pro dopočet velikosti pruřezů ostatních segmentů vtokové soustavy jsem použil normovaný poměr S z : S s : S K = 1 : 2 : 1,8 Součet průřezů všech struskováků : S s =2. S z =1700mm 2 Průřez vtokového kanálu : S K =1,8. S z =1530mm 2 Dle vypočtených průřezů jsem následně navrhl tvar a rozměry segmentů vtokové soustavy.z důvodu téměř stejného objemu přední i zadní těhlice jsem zvolil pro oba odlitky stejnou vtokovou soustavu.
4. Použití experimentální numerické simulace Moderní technologie numerických simulací jsou v dnešní době téměř nepostradatelným pomocníkem v rukou technologa. Pomocí simulací na zhotoveném numerickém modelu zjišťujeme průběhy ochlazování a tuhnutí taveniny a jejich vliv na vznik vnitřních vad odlitku, kterými jsou například staženiny,řediny apod. V první fázi experimentu se soustřeďujeme na simulaci pouze samotného odlitku. Tato simulace nám napoví, jakým způsobem odlitek tuhne, kde vznikají tepelné uzly a jaké části odlitku tuhnou jako poslední. Díky této prvotní simulaci je nám z výsledků následně zřejmé, kam bude potřeba umístit nálitky, vtokovou soustavu a v neposlední řadě také použití chladítek. [5] Experiment pro naší součást provádíme pomocí software NovaCast AB. 4.1 Experiment č.1 Simulace očesaného odlitku zadní těhlice. Obr. 10. Očesaný odlitek V první simulaci sledujeme průběh tuhnutí odlitku znázorněném na procentuálním podílu tekuté fáze. Z obrázku č.11 na němž je znázorněn řez odlitkem v rovině XZ vyplívá, že největší teplotní pole se tvoří uprostřed odlitku. Je to způsobeno tím, že je zde obsaženo nejvíce materiálu a toto soustředěné množství tepla má za následek velké stahování materiálu v tomto místě. Vše je znázorněno na níže uvedeném obrázku č.12, který zobrazuje vznik staženin. Z výstupu č.1 můžeme snadno vyvodit nutnost použití nálitku, umístěním nad postižené místo. Tento nálitek nám následně přesune největší teplotní pole mimo odlitek, odkud bude dodávat dostatek tepla k usměrněnému tuhnutí odlitku. Obr.11. Průběh tuhnutí odlitku
Obr. 12. Výskyt staženiny v odlitku 4.2 Experiment č.2 V experimentu č.2 provádíme simulaci už s použitím nálitku, tato část nám napoví kam umístit vtokovou soustavu a chladítka. Z výsledků je zřejmé, že nálitek dokonale splňuje svou funkci, při jeho návrhu byl raději naddimenzován a proto při dalším použití můžeme zmenšit jeho objem.v této fázi experimentu, nás už zajímá také další významná vada a to porózita materiálu. Jedná se o vytváření mikropórů v odlitku opět z důsledku neusměrněného tuhnutí. Tuto vadu lze snadno odstranit vhodným použitím chladítek.výskyt této vady nám znázorňuje obr.15., na němž se objevuje porózita v nejvzdálenějších místech od nálitku a právě tam jme nuceni použít chladítek. Dále se vyskytuje v závěsech brzdových třmenů na boku těhlice, zde díky příhodnému umístění můžeme uskutečnit vtokovou soustavu a tím vadu odstranit, protože by do závěsů měla dostatečné množství tepla dodávat právě vtoková soustava. Obr.13. Průběh tuhnutí odlitku s nálitkem
Obr. 14. Vytažení staženiny do nálitku Obr.15. Výskyt porózity v odlitku 4.3 Experiment č.3 V č. 3. experimentu konečně provádíme simulaci celé soustavy, jenž už se skládá z 2 odlitků v jedné formě s připojenými jak nálitky, chladítky, ale i s vtokovou soustavou.problém se staženinami byl vyřešen už předchozích experimentech, takže zde nepřipojuji obrazovou přílohu fáze tuhnutí ani vzniku staženin, ale pouze výskyt porózity. Jak je zřetelné z výsledku simulace, odstranili jsme porózitu ze zasažených míst použitím chladítek,ovšem tato se stále vyskytuje v úchytech brzdových třmenů a proto jsme nuceni lehce změnit jejich tvar přidáním materiálu směrem ke středu součásti,čímž se nám usměrní tuhnutí.
Obr. 16. Výskyt porózity v konečné sestavě 4.4 Experiment č.4. Zde už se jedná o poslední simulaci tuhnutí zadních těhlic, přidáním materiálu do těsné blízkosti postiženého místa se nám skutečně porózita odstranila, této úpravy by už nebylo nutno kdyby, se nejednalo o funkční část odlitku, která bude držet brzdové třmeny a bude se obrábět jak na povrchu tak i skrz ní. Obr. 17. Detail úchytů brzdových třmenů 4.5 Experiment č.5. V experimentu č.5. se zabývám simulací přední těhlice.při navrhování nálitku, chladítek a vtokové soustavy vycházím ze zkušeností z předchozích výsledků simulací zadní těhlice. Proto už v prvním experimentu simulujeme kompletní sestavu. Ovšem simulace nedopadla úplně dle našich představ, protože se objevila nejen značná porózita v úchytech třmenů, ale i značné
rozšíření staženin. Proto jsem se rozhodl změnit systém vtokové soustavy a umístit jej do míst kde je podstatně více materiálu a na postižená místa jsem navrhl umístit chladítka. Obr. 18. Výskyt staženin v odlitku Obr. 19. Rozšíření porózity v odlitku 4.6 Experiment č.6 V poslední simulaci se nám potvrdilo,že úsudek o změně umístění vtokové soustavy byl správný.všechny vady byli odstraněny a nám se dostal do rukou zdravý odlitek,jak vidíme z přiložených výsledků.
Obr. 20. Výskyt staženin v odlitcích předních těhlic 5. Závěr Z důvodu problémů s výrobou podložek,spojených se sháněním vhodného pracoviště kde by se dala jejich výroba uskutečnit,se nám projekt lehce opozdil a tak zde nemohu připojit celkové výsledky mé práce. Ovšem byli zde zcela vylíčeny problémy, které jsou spojeny s technologií výroby odlitků a jejich vyřešení. Nejpodstatnější částí mé dosavadní práce bylo použití numerické simulace tuhnutí odlitků, bez níž se moderní slévárna nemůže obejít, podstatnou výhodou těchto simulací je to,že kromě nákladů na pořízení software nás to nic nestojí.simulace nám často napoví jak řešit chyby, kterých se mohl technolog při návrhu výroby dopustit.dalším důležitým poznatkem v mé práci je nutnost spolupráce technologa s konstruktérem v prvních fázích návrhu konstrukce součásti.nyní se už budeme zabývat pouze výrobou odlitků a následně tím proč jsme toto vše vůbec absolvovali a to bojem mezi konkurencí ostatních týmů na závodním okruhu. Poděkování Tento příspěvek byl podpořen projektem MPO TIP FR-TI1/580 a spolkem CTU CarTECH. Seznam symbolů s součinitel závisející na tloušťce stěny [1] m s surová hmotnost odlitku [kg] h výška hladiny v jamce nad rovinou zářezů [mm] p výška odlitku nad osou zářezů [mm] c celková výška odlitku [mm] µ součinitel odporu vtokové soustavy [1] g gravitační zrychlení [m.s -2 ] n počet odlitků ve formě [1] ρ τ hustota taveniny [kg m -3 ]
Seznam použité literatury [1] ČÍŽEK, L., et al. STRUCTURE CHARACTERISTICS OF MAGNESIUM ALLOYS WITH ADMIXTURE. Acta Metallurgica Slovaca. 2007, 13, s. 531-538. [2] BOUCNÍK, P., ČECH, J., JUŘIČKA, I.: Použití hořčíkových slitin ve slévárenství. 5. Medzinárodna vedecká konferencia CO-MAT-TECH, Trnava, 14.10. - 15.10.1997. [3] GREGER, Miroslav, et al. Výkovky z hořčíkových slitin a jejich využití v automobilovém průmyslu. Hutnické listy. 2008, 2, s. 53-60. [4] BEDNÁŘ, Bohumír: Podklady pro předmět Projektování výroby polotovarů [5] KRUTIŠ, Vladimír; KUZMA, Zbyněk. Numerická simulace ve slévárenské technologii. Mmspektrum. 2009, 10, 42, s. 1-2. Dostupný také z WWW: <www.mmspektrum.com/091008>.