Universitatea Tehnica din Cluj-Napoca

Facultatea Constructii de Masini

PROIECT Tehnologii NeconventionaleFabricarea unei carcase prin Turnare sub vid

Profesor: Nicolae BALCStudent: Mihai-Andrei MIREATema de proiect

Sa se proiecteze tehnologia moderna de fabricare a prototipurilor prin metoda Investment Casting pentru:

Piesa: Carcasa pentru placa compactoare

Material: aluminiu

Seria de fabricatie: 1 buc;

Proiectul va contine:

1. Prezentarea tehnologiei de fabricatie prin Investment casting.2. O prezentare succinta a tehnologiei clasice pentru fabricarea aceleiasi piese, utilizand metode existente in Romania.3. Estimati avantajele si dezavantajele tehnologiei neconventionale proiectate, comparand cu o tehnologie clasica.Cuprins

1Tema de proiect

2Cuprins

31. Prezentarea tehnologiei de fabricatie prin turnarea sub vid

41.1 Rapid prototiping

41.2 Realizarea modelului master

51.3 Fabricarea rapida prin turnarea sub vid

61.4 Turnarea sub vid in matrite de CS

61.5 Realizarea piesei

111.6 Principiul de lucru

152. Tehnologii clasice de prelucrare

152.1 Turnarea

162.2 Frezarea

162.3 Gaurirea

172.4 Principiul i avantajele obinerii pieselor metalice prin turnare

203. Avantajele si dezavantajele tehnologiei neconventionale comparativ cu tehnologia clasica

203.1 Turnarea sub vid

213.2 Turnarea clasica

22Bibliografie :

1. Prezentarea tehnologiei de fabricatie prin turnarea sub vidDupa cum bine stim alegerea tehnologiei de prototipizare se face in functie de cele 3 criterii:

complexitatea formei respective; tipul materialului din care e formata piesa; seria de fabricatie necesara omologarii produsului.

Fig. 1 Carcasa proiectata

Se realizeaza prima data modelul master prin RP pe LOM.

1.1 Rapid prototiping

O alt tehnologie care a gsit n fabricaia asistat un sprijin important l constituie "rapid prototiping-ul". Este vorba de sistemele de realizare rapid a unui prototip fizic - prin tehnologii ce presupun fie polimerizarea sub aciunea unui fascicul laser a unei rini sau pulberi fotosensibile, fie printr-o metod de depunere a unor materiale termoplastice prin o tehnologie asemntoare celei ink-jet, fie prin stratificarea unui pachet de hrtie decupat laser pe contur, destinat vizualizrii modului n care respectivul reper rspunde unor cerine. n acest caz, sistemul CAM trebuie s poat genera un fiier de tip stereolitografie (stl) ce presupune n fapt descrierea modelului printr-un mesh de suprafaa triunghiular definit cu o eroare cordal controlabil, fiier care poate fi preluat direct de controlerul mainii de rapid prototyping.

1.2 Realizarea modelului master

Fabricarea de piese stratificate (LOM) este o metoda de fabricatie in care modelul nostru 3D este construit prin adaugarea, lipirea si taierea sectiunilor, intr-un ciclu care se repeat incepand cu primul strat si terminanad cu ultimul strat din varful piesei.

Timpul de fabricatie depinde nu doar de gabaritul piesei ci si de complexitatea acestuia, caracterizata de numarul de fatete plane triangulare cu care ea poate fi aproximata.

Pentru aceasta se utilizeaza softul LOMslice, care este coplect integrat cu pachetul de prelucrare permitand preprocesarea, executia sectiunilor din piesa si controlul masinii intr-un singur program.

1.3 Fabricarea rapida prin turnarea sub vid

Este una dintre cele mai interesante si spectaculoase aplicatii de utilizare a modelelor RP la dezvoltarea de produse noi.

Procedeul de turnare cu modele usor fuzibile din ceara este unul din cele mai cunoscute procedee si este folosit in cea mai mare masura in cazul metodelor traditionale de turnare a statuilor de bronz.Arta chinezeasca de turnare a statuilor metalice folosind modele fuzibile este cunoscuta inca din anii 4000 i.e.n utilizandu-se la turnarea monumentelor din bronz.Comparativ cu alte tehnologii de turnare cunoscute si aplicate la scara larga , in prezent, tehnologia de turnare sub vid este lidera actual atat in domeniul fabricarii bijuteriilor prin turnare, cat si turnarii diferitelor piese prototip sau in serie de fabricatie mica.

Turnarea sub vid este o tehnica moderna care si-a dovedit oportunitatea si eficenta, tocmai in aceasta etapa de dezvoltare a produselor noi in care trebuie utilizate prototipurile pieselor complexe, pentru fabricarea seriei mici de (30-50 de piese) pentru testarea functionalitatii noului produs. Materialele utilizate la turnarea sub vid sunt de mai multe feluri: rasini, materiale plastice si cauciuc .Dupa finisarea si verificarea modelului RP utilizat ca master, tehnologia de formare sub vid se realizeaza in 2 etape:

formarea matritelor din cauciuc siliconic; turnarea pieselor in matritele din cauciuc siliconic.1.4 Turnarea sub vid in matrite de CSDupa formarea matritelor din CS , urmeaza turnarea sub vid a pieselor care vor fi copii fidele ale modelului master utilizat.Turnarea se desfasoara parcurgand niste etape:

legarea celor 2 semimatrite; masurarea precisa a cantitatiilor necesare ale celor 2 componenti A si B; introducerea in camera de vid a masinii; amestecarea celor 2 componenti si turnarea automata; amestecul format se toarna in matrite de CS; solidificarea piesei turnate prin polimerizare termala; se extrage piesa turnata.1.5 Realizarea pieseiPiesa aleasa se va executa pe utilajul de la InduthermIn functie de tipul masinii se poate topi o gama larga de material metalice: oteluri sla si mediu aliate, oteluri inoxidabile si refractare, superaliaje pe baza de nichel si cobalt, aliaje de aluminiu de inalta rezistenta, fonta inalt aliata.Principiul de functionare al masini de turnare sub vid este de a topi materialul prin inductie pana la punctual de curgere. Temperatura de curgere se regleaza manual, in functie de materialul si de parametric cu care se lucreaza.Incalzirea prin inductie se bazeaza pe patrunderea aenergiei electromagnetice intr-un conductor masiv, situate in campul magnetic variabil in timp al unei bobine.Avantajele incalziri prin inductie in comparative cu alte metode de incalzire sunt:

caldura se dezvolta in metalul ce urmeaza a fi incalzit , rezultand o viteza de incalzire mai ridicata in comparative cu cea obtinuta in cuptoarele cu incalzire indirect; constructia instalatiilor de incalzire este mai simpla , permitand utilizarea vidului sau atmosferelor de protective; automatizarea functionarii in conditiile productiei , conditiile de lucru fiind astfel imbunatatite.Vacuum Pressure Casting Machine Indutherm VC 3000

Date tehnice: 1.Volumul creuzetului1500

2.Recipientu de turnareDiametrul maxim 240 mm, inaltimea 500mm

3.Temperatura creuzetuluiMax 1500C, cu termocupla de tip S

4.Puterea de topire25 kW

5.Frecventa tensiunii de alimentare3x400 V/40A, 50-60 Hz

6.Presiunea de racire a apei5-6 bari la cel putin 300 l/h

7.Presiunea apei la reculFara presiune

8.Temperatura apei, la intrare15-30 C

9.Temperatura camerei10-35 C

10.Umiditatea atmosferica relativa20-80 %

11.Presiunea aerului comprimat7-8 bari

12.Gaz protector3 bari, Ar pur

13.Vidul 0-20 mbari la cel putin 40 m/h

14.Greutate Aprox. 240 kg

15.Dimensiuni (latime*inaltime*adamcime)700 mm x 1000 mm x 1450 mm

In cadrul procesului de turnare este necesar regajul parametriilor cu care se lucreaza: temperature, presiunea, vidul si gazul protector.1.6 Principiul de lucru

Modelul master utilizat la turnarea in modele usor fuzibile poate fi obtinut cu usurinta prin procedeele de fabricare rapida a prototipurilor .Matrita de cauciuc siliconic este realizata sub vid , pentru a evita formarea bulelor de aer si pentru a abtine suprafete identice cu suprafetele modelului master utilizat.Pentru fabricarea matritei de cauciuc siliconic este necesara curatarea in prealabil a modelului master.Pentru a preveni lipirea cauciucului siliconic de modelul master se aplica o substanta chimica pe suprafetele modelului master.Pentru fabricarea matritelor din cauciuc siliconic se parcurg urmatoarele etape:

verificarea modelului master; aplicarea unor substante chimice; stabilirea planului de separatie; colorarea conturului planului de separatie; fabricarea unei cutii; suspendarea modelului; turanarea CS; eliminarea bulelor de aer; se taie cu bisturiul planul de separatie; se inalatura modelul master, astfel rezulta cele 2 semimatrite.Etapa cea mai importanta este stabilirea planului de separatie a matritei astfel incat modelul master sa fie extras cu usurinta.Dupa ce modelul master a fost realizat, modelele usor fuzibile sunt realizate din ceara.Conditiile cerute materialelor utilizate sunt: temperature mica de topire (100-150C), solidificare, cost scazut, coefficient de contractie la solidificare cat mai mic.Realizarea modelelor din ceara se face prin turnarea cerii , topite in prealabil, in matrita de cauciuc siliconic, care reda configuratia modelului.Modelele de ceara astfel obtinute se asambleaza sub forma unui ciorchine cu scopul de a micsora timpul de formare , precum si de a micsora consumul de metal pentru reteaua de turnare.Realizarea formei ceramice se realizeaza asezand ciorchinele din ceara in flask-ul echipamentului de turnare si se toarna o pasta ceramica preparata in prealabil. Apoi se introduce in cuptor pentru uscare si totodata pentru topirea si indepartarea cerii. Astfel se formeaza cuiburile in care se toarna piesele metalice finite din fonta, aluminiu sau bronz.La turnarea metalului in forme este necesar un calcul initial al gramajului necesar de metal, la care se adauga o cantitate suplimentara , in functie de canalele de turnare si de numarul modelelor care alcatuiesc un ciorchine.Turnarea propriu-zisa a metalului se realizeaza numai dupa inchiderea etansa a capacului, peste camera de turnare. Metalul este topit sub protective de gaz pentru a evita oxidarea.Metalul se toarna in forma ceramica cand ajunge la temperature optima, in functie de tipul materialului (aluminiul 700C, aur 1050C, bronz 1000C, fonta 1250C, otel inox 1360C, titan 1800C).Inainte de turnarea metalului in forma ceramica, se realizeaza in interiorul camerei de turnare vid.Vidul se mentine pe toata perioada turnarii, fiind creat si mentinut cu ajutoarul unei pompe de vid si a unui echipament vacuumatic, care face parte din dotarea instalatiei de turnare.La finalizarea turnarii masina se deschide automat. Un motor pneumatic liniar realizeaza in mod automat revenirea in pozitia initiala a ansamblului. Se extrage recipientul cu forma ceramica si piesele proaspat turnate.Dupa un interval de racire ciorchinele proaspat turnat se extrage din forma ceramica se spala cu jet de apa sub presiune.Finisarea pieselor turnate se realizeaza cu ajutorul unui cleste bine ascutit, se debiteaza cu atentie separat fiecare piesa.

2. Tehnologii clasice de prelucrare

Tehnologiile clasice de prelucrare ale acestei piese sunt urmatoarele:

turnare

frezare

gaurire

2.1 Turnarea

Un rol important n realizarea tehnologiilor de turnare l are utilajul tehnologic utilizat n procesul de formare i turnare. Prin utilaj tehnologic n cazul tehnologiilor de turnare se ntelege complexul de dispozitive tehnologice i verificatoare (modele, cutii de miez, rame de formare, verificatoare) cu ajutorul crora se obin i se asambleaz formele n vederea turnrii.Proiectarea proceselor tehnologice de turnare cuprinde proiectarea ntregului set de dispozitive tehnologice necesare realizrii procesului tehnologic precum i stabilirea planului de operaii i a normelor de control pentru procesul tehnologic i pentru calitatea pieselor turnate.Tinand cont ca piesa noastra este din aluminiu are aib fluiditate mare, contracie relativ mic, susceptibilitate scazut de fisurare la cald i de formare a porilor, proprieti caracteristice aliajelor care contin eutectice.Temperatura de topire a aluminiului este de 700 C iar materialele din care se fac formele trebuie sa fie refractate, permeabile si suficient de rezistente.2.2 Frezarea

Prin diversitatea mainilor de frezat CNC (de la 2.5 la 5 axe, n construcie consol - cu ax orizontal sau vertical, sau cu portal) precum i prin aplicabilitatea pe care aceste maini i-au gsit-o att n industria fabricanilor de scule (matrie) ct i n societile unde uzinajul reprezint procedeul principal de fabricaie, frezarea a devenit beneficiarul cel mai important al tehnologiei CAM. n cazul realizrii prin frezare - pe maini de 2,5 axe, a unei serii mari de piese ce presupun operaii de gurire, filetare, pochetare, planeizri, sistemul CAM trebuie s permit descrierea corect a mainilor CNC de pe linia de fabricaie, a funciilor specifice acestora precum i a SDV-isticii aferente (scule, dispozitive de prindere i centrare ), s genereze acea modalitate de prelucrare care s minimizeze timpii de ciclu, s asigure calitatea corespunztoare a suprafeelor prelucrate, i s verifice toate posibilele coliziuni dintre main, scul, pies i dispozitive.

2.3 Gaurirea

Gurirea este operaia tehnologic de prelucrare prin achiere cu ajutorul unor scule numite burghie, executat cu scopul de a obine un alezaj ntr-un material compact.

n timpul prelucrrii gurii, n general, piesa care urmeaz s fie prelucrat este fix, iar burghiul execut o micare combinat (rotaie i translaie)

Sculele cele mai utilizate la gurire sunt burghiele elicoidale. Ele sunt prevzute cu dou canale elicoidale pentru evacuarea achiilor.

2.4 Principiul i avantajele obinerii pieselor metalice prin turnare

Obinerea pieselor metalice prin turnare cuprinde urmtoarele procese tehnologice:

realizarea unei forme refractare care s conin o cavitate avnd geometria piesei ce trebuie obinut (formare);

topirea i obinerea compoziiei chimice a aliajului din care se toarn piesa (topire sau elaborare);

umplerea formei cu aliaj lichid (turnare);

solidificarea, rcirea i extragerea piesei din form (dezbatere);

ajustarea i finisarea geometriei, a rugozitii i a structurii piesei turnate (curire).

Importana procesului tehnologic de turnare pentru industria constructoare de maini este pus n eviden prin faptul c, n ansamblul unei maini, piesele turnate reprezint 60-90% din masa produselor finite i circa 20-25% din valoarea acestora. Aceste procente pun n eviden pe de o parte ponderea mare a tehnologiilor de turnare n procesele de fabricaie, iar pe de alt parte costul redus al acestor tehnologii.

Obinerea pieselor metalice prin turnare prezint urmtoarele avantaje:

se pot obine piese cu orice configuratie;

se pot obine piese cu orice mas i orice dimensiuni (de la ordinul miligramelor pn la ordinul sutelor de tone);

cantitatea de pan rezultat la prelucrarea prin achiere a pieselor turnate este n general mai mic dect la prelucrarea pieselor obinute prin alte procedee;

se poate aplica n condiii economice la orice serie de fabricaie;

costul de fabricaie al pieselor turnate este mai sczut dect al pieselor obinute prin alte procedee de prelucrare.

Ca urmare a acestor avantaje n ultimile decenii s-a manifestat o tendin continu de extindere a realizrii semifabricatelor prin turnare la o gam ct mai mare de repere realizate din aliaje metalice i n general de cretere a produciei de piese turnate. De asemenea s-a urmrit continuu s se perfecioneze tehnologiile de turnare cu scopul mbunatatirii performanelor pieselor turnate sau a creterii productivitii. Exemplu elocvent n acest sens l constituie nlocuirea tehnologiei de matriare, cu turnarea la producia de arbori cotii sau arbori cu came pentru motoarele de autovehicule i de tractoare, ceea ce a condus la reducerea cu pn la de trei ori a cheltuielilor de producie la aceste repere.

Obinerea pieselor prin turnare implic i unele dezavantaje dintre care cele mai semnificative sunt urmtoarele:

rezistena mecanic a pieselor turnate este mai scazut comparativ cu aceea a pieselor obinute prin deformare plastic;

rugozitatea suprafeelor pieselor turnate este n general mai mare dect n cazul semifabricatelor obinute prin alte tehnologii;

precizia dimensional a pieselor turnate este n general mai scazut dect a pieselor obinute prin alte procedee;

tehnologiile de turnare sunt mai poluante i determin condiii de microclimat grele la locul de munc, avnd impact ecologic negativ asupra zonei de amplasare a turntoriilor.

n ultimile decenii s-au dezvoltat procedee speciale de turnare care reduc aceste dezavantaje.mbuntirea performanelor calitative s-a realizat n detrimentul costurilor de fabricaie. De aceea aceste procedee de turnare sunt aplicabile numai n cazuri speciale cnd costurile ridicate se justific.

Un rol important n realizarea tehnologiilor de turnare l are utilajul tehnologic utilizat n procesul de formare i turnare. Prin utilaj tehnologic n cazul tehnologiilor de turnare se ntelege complexul de dispozitive tehnologice i verificatoare (modele, cutii de miez, rame de formare, verificatoare) cu ajutorul crora se obin i se asambleaz formele n vederea turnrii.

Proiectarea proceselor tehnologice de turnare cuprinde proiectarea ntregului set de dispozitive tehnologice necesare realizrii procesului tehnologic precum i stabilirea planului de operaii i a normelor de control pentru procesul tehnologic i pentru calitatea pieselor turnate.3. Avantajele si dezavantajele tehnologiei neconventionale comparativ cu tehnologia clasica

3.1 Turnarea sub vid

Avantaje:

testarea functionalitatii noului produs; necesita un singur fisier stl; calitatea obtinuta este buna; costul nu este foarte ridicat.Dezavantaje:

costurile la tehnologia de prototipizarea rapida sunt mult mai mari decat la tehnolofia clasica; turnarea sub vid necesita un numar mare de pasi ceea ce duce un timp de fabricare mai mare; se pot fabrica numai 30-50 bucati; daca matritele nu sunt bine realizate calitatea piesei nu mai este aceeasi.3.2 Turnarea clasica

Avantaje:

se pot obine piese cu orice configuratie;

se pot obine piese cu orice mas i orice dimensiuni (de la ordinul miligramelor pn la ordinul sutelor de tone);

cantitatea de pan rezultat la prelucrarea prin achiere a pieselor turnate este n general mai mic dect la prelucrarea pieselor obinute prin alte procedee;

se poate aplica n condiii economice la orice serie de fabricaie;

costul de fabricaie al pieselor turnate este mai sczut dect al pieselor obinute prin alte procedee de prelucrare.

Dezavantaje:

rezistena mecanic a pieselor turnate este mai scazut comparativ cu aceea a pieselor obinute prin deformare plastic;

rugozitatea suprafeelor pieselor turnate este n general mai mare dect n cazul semifabricatelor obinute prin alte tehnologii;

precizia dimensional a pieselor turnate este n general mai scazut dect a pieselor obinute prin alte procedee;

tehnologiile de turnare sunt mai poluante i determin condiii de microclimat grele la locul de munc, avnd impact ecologic negativ asupra zonei de amplasare a turntoriilor.

Bibliografie :

1. Balc N., Csaba G., Berce P., Proiectare pentru fabricatia competitiva,Editura Alma Mater.Cluj-Napoca, 2006

2. Balc N., Berce P., Fabricarea rapida a prototipurilor, Editura Tehnica, Bucuresti. 2000

3. www.indutherm.de consultat la 10.04.20104. http://en.wikipedia.org/ consultat la 10.04.20100