Témata
Reklama

Vysoce přesné odlitky pro energetiku

V dnešní době je kladen důraz na dodávky přesných odlitků vyráběných metodou vytavitelného modelu, u kterých nebude nutné provádět již další operace obrábění. Za posledních pět až sedm let se požadavky na relativní přesnost odlitků zvedly několikanásobně.

Pro energetiku se jedná zejména o speciální odlitky pro plynové turbíny – tj. lopatky, segmenty a tepelné štíty. Tyto odlitky se vyrábějí obvykle ze žáropevných slitin na bázi Ni a Co.

Reklama
Reklama
Reklama
Tetragonální 3D mesh lopatky se zálitkem

V rámci dlouhodobé spolupráce mezi Prague Casting Services (dále PCS) a Ústavem strojírenské technologie FS ČVUT v Praze se posledních deset let snažíme řešit problematiku deformací voskových modelů a odlitků litých metodou vytavitelného modelu. V rámci společně řešeného projektu TA01011425 Výzkum zvyšování rozměrové přesnosti voskových modelů pro technologii odlévání metodou vytavitelného modelu, vypsaného Technologickou agenturou ČR v rámci programu ALFA, který v letech 2011–2013 řešil problematiku zpřesňování výroby voskových modelů a odlitků, byla vyvinuta metodika, která řeší postup, jak postupně snížit a dodržet toto úzké rozmezí tolerancí.

Větší odlitky, nižší tolerance

Z tohoto pohledu je nutné podívat se na porovnání geometrické přesnosti odlitků v minulosti a dnes. V rámci tohoto porovnání lze použít příklad odlitku lopatky, kdy např. na lopatce dlouhé 100 mm byly v roce 2009 povolené tolerance ±0,3 mm. Nyní se setkáváme s poptávkami na podstatně větší odlitky (až do délky 600 mm), kde se povolené tolerance pohybují v řádu ±0,1 mm. V těchto tolerancích jsme schopni dané odlitky dodat pouze za předpokladu, že budeme umět zvýšit přesnost rozměrů na již odlisovaném voskovém modelu.

Mesh lopatka – zálitek – fixační přípravek

Etapy projektu

V rámci projektu byla naměřena termofyzikální a napjatostní data pro voskové směsi, byla naplněna databáze simulačního softwaru ProCAST a provedeno odladění chování voskových modelů na simulacích a ve skutečnosti. Po získání deformovaného voskového modelu byla deformovaná geometrie přenesena na skořepinu a odsimulována deformace odlitku. Na závěr se simulace vyhodnotila a vytvořila se metodika k předdeformování voskového modelu tak, aby výsledné tolerance vyhovovaly požadavkům.

Závěry z procesu lisování voskových modelů

Bylo zjištěno, že změnou teploty vstřikovací trysky nedochází k téměř žádným rozdílným změnám na velikosti tvarové deformace. Naopak zvýšením vstřikovacího tlaku bylo zjištěno nepříznivé zvětšení velikosti odchylek tvarové deformace.

Pro zhodnocení parametru doby vstřikovacího cyklu byla oproti standardnímu nastavení zkoumána kratší i delší doba vstřikovacího cyklu. Výsledkem byla konvexní křivka s nejnižším součtem aritmetických odchylek v okolí devadesáti sekund standardního nastavení. Porovnávaná doba výrobního cyklu, po kterou je model ve formě, je však stále příliš krátká, neboť vyjmuté modely mají vlivem špatné tepelné vodivosti vosku velice podobnou teplotu. K tvarovým změnám proto dochází důsledkem probíhajících vnějších pnutí a vnitřních tepelných pnutí, jejichž vliv se nejvíce projevuje ihned po vyjmutí modelu z matečné formy. Snížením těchto změn může dojít k mnohem většímu prodloužení doby, po kterou je model ještě ve formě. Aby bylo snížení teploty modelu efektivní, musela by mít matečná forma chladicí kanálky. Příliš dlouhá doba by však výrazně prodlužovala výrobní cyklus. Druhým řešením je navržení vhodného fixačního přípravku. Přemístění modelu by muselo být velmi rychlé, aby se co nejvíce zamezilo projevu tvarové deformace. Zároveň k dostatečnému snížení teploty a fixace by bylo nezbytné zajištění, pokud možno, co nejdelší doby pro ustálení modelu. Tím vzniká potřeba většího počtu těchto fixačních přípravků.

Odlitek lopatky turbíny leteckého motoru a lopatky plynové pozemní turbíny. Oba odlitky mají kritické rozměry s tvarovou tolerancí ±0,2 mm

Dále bylo zjištěno, že standardní postup ochlazování voskového modelu bez použití chladicího média vykazuje celkově větší projevy tvarových deformací než při ochlazování voskového modelu ve vodní lázni studené vody. Bylo také prokázáno dosažení lepších hodnot u doby ochlazování 3 minuty než u ochlazování po dobu 5 minut. Příčinou tohoto rozdílu může být příznivý vliv působením vnitřních tepelných pnutí, neboť při dřívějším vyjmutí voskového modelu dochází k jeho zpětnému ohřívání vlivem úplného neochlazení teploty v tepelných uzlech. Pro dosažení lepších výsledků platí již zmíněné zrychlení manipulace s voskovým modelem, v tomto případě mezi matečnou formou a chladicí vanou. Jelikož vosk plave, je voskový model umístěn do přípravku, který ho drží pod vodou. Tento krok jednak prodlužuje dobu manipulace a jednak dobu výrobního cyklu, neboť by model musel být co nejrychleji přemístěn. Zároveň by bylo možné vstřikovat nový model až po uplynutí přibližně 2 minut ochlazování. To platí pro chlazení po dobu 3 minut, neboť model, který by byl právě chlazen, musí být uvolněn dříve, než bude vyjmut další model z formy. To by mělo za následek další prodloužení výrobního cyklu. Pokud nedojde nadále k navržení fixačního přípravku, lze do chladicí vany umístit klec, která by pod hladinou zároveň zadržovala více voskových modelů.

Z výzkumu profit společnosti

Firemní know-how bylo díky společnému výzkumu rozšířeno o znalostní bázi chování různých voskových směsí, keramických hmot i jednotlivých závislostí mezi chováním používaných materiálů k zajištění vyšší rozměrové přesnosti finálních odlitků.

Odlitek tepelného štítu s vtokovou soustavou

V rámci úspěšného uplatňování průběžných výsledků výzkumného projektu do výrobního procesu došlo k získání nového portfolia zákazníků a navýšení objemu tržeb. Celkový objem tržeb dosažený v roce 2013 představoval 58% nárůst tržeb oproti roku 2010. Tímto navýšením byl dvakrát překročen plán, jehož bylo zamýšleno pomocí projektu dosáhnout.

Od roku 2012 došlo k postupnému nárůstu tvarové složitosti a zpřísnění relativních tolerancí odlitků. Původní majoritní část produkce představovala výrobu turbínových lopatek pro letecký průmysl. Zde např. generátorová lopatka a lopatka volné turbíny pro motory Walter a GE o rozměrech 70 mm a hmotnosti 0,02 kg byla postupně z velké části nahrazena výrobou lopatek, tepelných štítů a segmentů pro pozemní plynové turbíny o rozměrech až 600 mm a hmotnostech od 1,2 do 56 kg.

Řešení tohoto společného úkolu společně s ČVUT v Praze přineslo velké množství informací a poznatků. Díky vyššímu objemu zakázek narostl i počet zaměstnanců z 59 (rok 2010) na 72 (rok 2013). Objem produkce nových výrobků představuje od roku 2012 více než 100 mil. Kč.

V rámci projektu a díky pochopení chování se výrazně snížila zmetkovitost a výrazně klesly náklady na přípravu výroby odlitků. Tyto úspory byly vyčísleny na částku 6 mil. Kč za období 18 měsíců po skončení projektu.

Ing. Aleš Herman, Ph.D., Ing. Petr Kocián

Ústav strojírenské technologie
Skupina slévání

Ales.Herman@fs.cvut.cz

Reklama
Vydání #6
Kód článku: 150649
Datum: 03. 06. 2015
Rubrika: Odborná příloha / Slévárenství
Autor:
Firmy
Související články
Z manažera vlastníkem

V době recese koupila Olga Kupec od německého majitele slévárenský provoz a už více než 10 let jede její firma na plné obrátky. Tato přemýšlivá a empatická dáma dokázala svým přístupem ke klientům a kolegům vybudovat v českoněmeckém pohraničí prosperující firmu, která nemá nouzi, ani o zakázky, ani o zaměstnance.

Budoucnost nástrojových materiálů bez kritických kovů

V současné době jsou nejrozšířenějšími nástrojovými materiály slinuté karbidy a nástrojové oceli. Slinuté karbidy, tedy cermety tvořené vysokým podílem karbidů, převážně karbidu wolframu, a dále TiC, TaC a NbC, a kobaltem jako pojivem jsou využívány především pro výrobu výměnných břitových destiček pro strojní obrábění, případně vrtáků do zdiva a betonu. Díky výborné otěruvzdornosti a velmi dobré lomové houževnatosti jsou v poslední době tyto materiály využívány pro různé aplikace, jako je obrábění ocelí, litin i neželezných kovů.

Fórum strategického manažera v deseti zastaveních, Luboš Malý, Brück AM

V novém seriálu chceme oslovovat naše top manažery a hledat u nich tajemství jejich úspěchu, jež by mohlo být inspirací pro ostatní, kteří se na podobnou dráhu vydávají či již po ní jdou. Strategie prvního kroku často bývá přelomová – iniciuje další, následující kroky, rozhoduje a ovlivňuje činy budoucí a v žádném případě ji nelze podcenit.

Související články
Inovativní firma roku 2014: VÚHŽ

Soutěž Česká inovace vyhlásila nejlepší tuzemské inovace roku 2014. Jednou ze tří společností oceněných v kategorii Inovativní firma je VÚHŽ, a. s., (původně Výzkumný ústav hutnictví železa) za digitální hladinoměr určený pro hutní provozy (kontilití), kde je pro výrobu kvalitních ocelí potřeba zajistit ustálenou výšku hladiny tekuté oceli v krystalizátoru.

Reklama
Reklama
Reklama
Reklama
Související články
Návrhy systému ostřiku okují

V minulém vydání jsme vám představili princip využívání inovačních voucherů, které nabízí Jihomoravské inovační centrum (JIC) na podporu spolupráce podnikatelů a vědců. Nyní vám představujeme další úspěšné využití voucherů olomouckou firmou Hydrosystém, která s pomocí Energetického ústavu FAST VUT v Brně pracovala na stanovení časových konstant při vysokotlakém odstraňování okují.

Keramická jádra v technologii lití hliníkových slitin na vytavitelný model

Používání keramických jader pro odlitky lité na vytavitelný model je běžná praxe u odlitků ze superslitin a ocelí, zvláště pak u odlitků pro náročné aplikace v leteckém a energetickém průmyslu. Tato jádra jsou vyráběna technologií vstřikolisování směsi keramických komponent a vosků do kovových forem. Jádra se následně pálí v zásypu v keramických pouzdrech. Během výpalu dochází k vyhořívání vosku a ke vzniku keramické vazby.

Technologie pro zpracování druhotného odpadu

Tváří v tvář současným náročným ekonomickým podmínkám závody na zpracování hliníku napříč celou Evropou hledají lepší a efektivnější způsoby, jak zpracovat druhotný kovový odpad. Z finančního hlediska je to logické, ale přináší to kromě zajímavých možností také komplikace.

Slévárna navýší kapacitu výroby

Uplynulý rok 2015 byl ve slévárně Kovosvitu MAS obdobím řady důležitých změn a rozhodnutí.

Odlitek nebo výkovek - vždy perfektně tryskaný

Rozmanitost slévárenských a kovárenských technologií vyrábějících díly nezná mezí. U výkovků a odlitků jsou nepostradatelnými pracovními procesy odstranění okují, písku a jader a tryskání pro sjednocení povrchu. Zvláště pro tyto průmyslové účely byly vyvinuty různé koncepty tryskacích zařízení na míru – včetně automatizace.

Slévárna, která exportuje také na západní trhy

Díky téměř stomilionové investici a včasné diverzifikaci výroby jsou nyní pro slévárnu Kovosvitu MAS hlavními exportními partnery Německo, Švýcarsko a Anglie.

Optimalizace výroby těžkých kovářských ingotů

Těžké kovářské ingoty jsou využívány zejména v těžkém strojírenství, např. pro výrobu zalomených klikových hřídelí pro lodní motory či speciálních dílů pro energetiku – jak pro klasickou, tak i jadernou (turbíny, výměníky, parogenerátory). Výroba těžkých kovářských ingotů je doprovázena výskytem segregací jednotlivých prvků ve struktuře oceli, které způsobují anizotropii mechanických vlastností. Ovšem v případě těchto strojírenských komponent musejí být tyto součásti prakticky bez vad, aby splnily nejnáročnější požadavky.

Dispečink na telefonu v dlani jedné ruky

Až čtyřicet pět procent z celkových nákladů na provoz slévárny tvoří spotřebovaná energie. Řešení, které umožňuje efektivně nastavovat využití energie v reálném čase podle potřeby jednotlivých zakázek, tak uspoří deset až patnáct procent její celkové spotřeby.

Unikátní technologie 3D tisku písku

3D tisk písku neboli sandprint je technologie, která byla vyvinuta primárně pro výrobu pískových forem pro odlévání kovů.

Přesně lité odlitky ze superslitin na bázi niklu a kobaltu

Článek se ve stručnosti zabývá historií slévárny v První brněnské strojírně ve Velké Bíteši, výrobním programem a užívanými materiály. Rovněž je uveden přehled výrobního zařízení pořízeného v rámci čtyř inovačních programů. Je zde i zmínka o úzké spolupráci s výzkumnými ústavy a vysokými školami.

Reklama
Předplatné MM

Dostáváte vydání MM Průmyslového spektra občasně zdarma na základě vaší registrace? Nejste ještě členem naší velké strojařské rodiny? Změňte to a staňte se naším stálým čtenářem. 

Proč jsme nejlepší?

  • Autoři článků jsou špičkoví praktici a akademici 
  • Vysoký podíl redakčního obsahu
  • Úzká provázanost printového a on-line obsahu ve špičkové platformě

a mnoho dalších benefitů.

... již 25 let zkušeností s odbornou novinařinou

      Předplatit