10.4 Verktyg

Det är pressgjutverktyget som ger gjutgodset sin form. Då det ska hålla för långa produktionsserier ställs stora krav på att rätt material används i verktygstillverkningen och att det sedan bearbetas på rätt sätt och värmebehandlas.

Skriv ut
Innehållsförteckning

    10.4.1 Verktyg

    Den principiella uppbyggnaden av ett pressgjutverktyg framgår av figurerna nedan. Verktyget består av en fast och en rörlig verktygshalva, vilka tillsammans bildar den önskvärda formhåligheten. Det är vanligt att verktygshalvorna utförs med insatser av varierande antal, vilka omges av en ram eller ett så kallat moderverktyg.

    Figur 41. Den kompletta uppbyggnaden av ett pressgjutverktyg.
    Figur 42. Den kompletta uppbyggnaden av ett pressgjutverktyg.

    Den rörliga verktygshalvan är försedd med utstötare (utstötarpinnar), vilka löper genom verktyget och stöter ut gjutgodset ur den rörliga verktygshalvan när verktyget öppnas. Utstötarna är bakom den rörliga verktygshalvan förankrade i utstötarplattan i den så kallade utstötarlådan. Denna befinner sig mellan den rörliga verktygshalvan och maskinens rörliga maskinbord.

    Verktygshalvornas centrering till varandra görs med styrpinnar och styrbussningar. Vanligt är att verktygen är försedda med rörliga kärnor manövrerade med styrpinnar eller hydraulcylindrar. Moderverktygen är försedda med spår för att möjliggöra fastspänning vid maskinborden.

    Formverktyget konstrueras så att gjutgodset blir kvar i den rörliga halvan när formverktyget öppnas.

    Figur 43. Exempel på verktygshalva från TA Hydronics.

    10.4.2 Verktygsmaterial

    Vid pressgjutning av aluminiumlegeringar utgör verktygskostnaden cirka tio procent av den totala kostnaden för den färdiga detaljen. Det är därför viktigt att välja ett verktygsmaterial med hög kvalitet och därigenom lång livslängd.

    På materialet i formverktygen ställs höga krav. För några materialegenskaper gäller:

    • Bra värmeledningsförmåga minskar verktygets termiska gradienter och därmed de termiska spänningarna.
    • Hög duktilitet ökar verktygsmaterialets förmåga att ta upp plastisk töjning innan sprickor uppstår.
    • Hög seghet ökar verktygsmaterialets förmåga att ta upp dragspänningar utan att brista.
    • Hög anlöpningsbeständighet motverkar mjuknande vid hög temperatur.
    • Hög varmsträckgräns minskar den plastiska töjningen vid hög temperatur.
    • Hög kryphållfasthet minskar risken för brott vid hög temperatur och långvarig belastning.
    • Låg termisk utvidgningskoefficient innebär låga termiska spänningar.

    Av den totala verktygskostnaden utgör kostnaden för verktygsstålet 5 – 15 procent och kostnaden för värmebehandlingen 5 – 10 procent.

    Nedan finns en förteckning (på engelska) över vilka egenskaper som krävs beroende på material.

    Tabell 9. Verktygsmaterial.Notering 1: Endast för korta serier i zink. Notering 2: Nitrerat.

    Ett exempel på ett vanligt material i pressgjutverktyg är SS 14 22 42, som är ett legerat varmarbetsstål. Av svenska Uddeholm  marknadsförs materialet under namnet Orvar Supreme. Som legeringsämnen ingår bland annan krom, molybden och vanadin. Draghållfastheten Rm är cirka 1 400 MPa och hårdheten HRC 46 – 48. Detta stål används för verktygsinsatser, kärnor, slider, munstycken, spridarpinnar, utstötarpinnar, kolvar och fyllkammare. I den amerikanska standarden AISI benämns Orvar Supreme H13.

    En vidareutveckling av detta material är Dievar, som har bättre materialegenskaper. Det kan härdas upp till hårdheten HRC 50 med bibehållen seghet. Dock är det mer svårbearbetat än Orvar Supreme. Ett annat material är så kallat maråldringsstål. Detta stål ger mycket fina ytor på den gjutna detaljen men är ett förhållandevis dyrt material. För moderverktyg används enklare konstruktionsstål.

    En bra källa till mer information om verktygsstål finns hos ståltillverkaren Uddeholm som har tagit fram en teknisk skrift om stål för pressgjutverktyg.

    10.4.3 Framställning och bearbetning av verktyg

    Den vanligaste metoden för att få fram ett verktyg är att fräsa ut det ur stålet, men för att få fram det färdiga verktyget krävs även andra former av bearbetning. Ett exempel är gnistning.

    CNC-fräsning

    Med en CNC-maskin avses en fräs där styrningen sker datorkontrollerat, Computer Numerical Controlled. Moderna maskiner har ofta fem axlar som maskinen kan arbeta runt. Det betyder att fräsverktyget, förutom att arbeta med en XYZ-led, även vinklas och vrids runt två axlar, QC-led. I CNC-maskinen fästs arbetsstycket upp och maskinen programmeras efter CAD-filen via ett CAM-system i vilket fräsprogrammet skapas. Under CAM-beredningen finns det möjlighet att se hur arbetsprocessen kommer att se ut för den specifika ritningen.

    Figur 44. CNC-fräs i arbete på Richardssons verktygsservice.

    Gnistning

    En metod för avverkande bearbetning som istället för att omvandla energin till mekanisk rörelse direkt går åt till att smälta bort material från arbetsstycket.

    Vid trådgnistning sker avverkningen genom att en tunn metalltråd, till exempel en mässingstråd, elektriskt ”skär” bort material från arbetsstycket. Trådgninstning är en bra metod för att skapa hål och ytor som kräver fina toleranser. I metalltråden går det en växelström och när kontakt skapas med arbetsstycket skapas en gnista, vilken har väldigt hög temperatur som då smälter materialet. Denna process sker nedsänkt i avjoniserat vatten, för att hålla nere temperaturen i arbetsstycket samt kontrollera gnistan.

    Figur 45. Gnistning.

    Vid sänkgnistning är principen den samma som vid trådgnistning men istället för tråden används en elektrod, av till exempel grafit. Elektroden är formad efter den modell som ska tillverkas, men motsvarar det material som ska bearbetas bort. Både elektroden och arbetsstycket har en negativ laddning. Elektroden trycks mot arbetsstycket och det uppstår kortslutning mellan de båda, vari den skärande effekten uppnås. Vid sänkgnistning sker hela processen nedsänkt i en isolerande vätska, dielektrum.

    10.4.4 Värmebehandling av verktyg

    Värmebehandlingen av verktyget är mycket viktigt för dess hållbarhet och livslängd.

    När verktyget maskinbearbetats måste det värmebehandlas för att få optimal hållfasthet, anlöpningsbeständighet, seghet och duktilitet.

    Följande rader om värmebehandling är hämtade från Uddeholms tekniska skrift om stål för pressgjutning:

    Stålets egenskaper efter värmebehandling uppnås genom kontroll av austenitiseringstemperaturen, austenitiseringstiden, kylningshastigheten vid härdning och anlöpningstemperaturen.

    En hög austenitiseringstemperatur har en positiv inverkan på anlöpningsbeständigheten och beständigheten mot mjuknande, vilket i sin tur motverkar sprickbildningen genom termisk utmattning.

    Å andra sidan reduceras segheten och duktiliteten vid austenitisering vid höga temperaturer genom att man ökar kornstorleken och framkallar en större risk för utskiljning av korngränskarbider vid härdning. Förfarandet bör därför endast användas för mindre verktyg, insatser och kärnor.

    En högre hårdhet efter värmebehandling har på samma sätt en gynnsam inverkan på motståndet mot varmsprickbildningen. Den bör dock inte överstiga 50 HRC vid pressgjutning av aluminium och 46 HRC vid pressgjutning av mässing. Risken för sprickbildning och totalhaveri ökar med den högre hårdheten på grund av den reducerade segheten.

    Kylningshastigheten vid härdning har mycket stor betydelse för verktygslivslängden. En låg kylningshastighet ger den bästa dimensionsstabiliteten, men risken för ogynnsamma härdstrukturer ökar. På så vis kommer en alltför låg kylningshastighet vid härdning att minska stålets brottseghet.

    En högre kylningshastighet, till exempel vid användning av saltbad eller vakuum med övertryck vid kylningen, ger en bättre härdstruktur och därmed längre livslängd hos verktyget.

    Den rätta balansen måste finnas mellan den minskade justeringskostnaden (mindre bearbetning), som en lägre kylningshastighet medför, och den bättre livslängden hos verktyget, som främjas av en högre kylningshastighet (högre seghet).

    I de allra flesta fall är en högre kylningshastighet att föredra om man betraktar totalekonomin för verktyget.

    Avkolning och kraftig uppkolning kan orsaka för tidig varmsprickbildning.

    Verktyget bör anlöpas direkt då temperaturen vid härdning har sjunkit till 50–70ºC.

    En dubbel anlöpning är nödvändig för att erhålla en tillfreds- ställande mikrostruktur. Anlöpningstemperaturen väljs beroende på önskad hårdhet på verktyget.

    En tredje anlöpning vid något lägre temperatur görs i samband med oxideringen av verktyget, vilket normalt rekommenderas för pressgjutningsverktyg.

    10.4.5 Kärndragningsenhet

    Kärndragning, som sker i maskinens längdriktning, utförs automatiskt då formen öppnar. Detta gäller vid kärnor i den fasta verktygshalvan. Vid kärnor i den rörliga verktygshalvan sker kärndragningen vid utstötningen, även detta automatiskt.

    Den vanligaste metoden för kärndragning är att använda sig av snedpinnar och slider. Metoden passar bra för alla maskinstorlekar. Vid denna lösning låser snedpinnen fast slidern i sitt läge vid gjutningen. Efter gjutningen följer snedpinnen med den rörliga verktygshalvans rörelse och tvingar isär slidern eller backen. När verktygshalvorna går ihop för en ny gjutning tvingar snedpinnarna ihop slidern. Snedpinnens längd och vinkel styr hur långt kärnan skall röra sig.

    Kärndragning med stora kärnor i varierande riktningar eller kärnor som måste dras ut innan formverktyget öppnar sker med kärndragningscylindrar. Vid behov kan kärndragning ske i bestämda sekvenser då kärnorna går i ingrepp med varandra.

    Figuren nedan visar ett exempel på hur kärndragningen kan vara utformad då kärndragningscylinder används. Den visade lösningen är vanligt förekommande på maskiner med låskrafter över 8 MN. Den hydrauliska cylindern får sin kraft från maskinens hydraulsystem. Två gränslägesbrytare ger signaler till maskinens styrsystem om när kärnan är inne respektive ute. Gjutgodset får i det här exemplet inte stötas ut förrän kärnorna har gått tillbaka helt och hållet.

    Figur 46. Kärndragning med användning av kärndragningscylinder.

    10.4.6 Livslängd på pressgjutsverktyg

    Pressgjutverktyg utsätts för höga temperaturer och stora mekaniska påkänningar. Detta medför att livslängden hos pressgjutverktyg kan bli relativt begränsad men genom att optimera vissa parametrar ökar den potentiella livslängden.

    Faktorer, som begränsar verktygslivslängden är främst:

    • Varmsprickbildning (termisk utmattning)
    • Erosionsskador
    • Sprickbildning (totalhaveri)
    • Korrosion
    • Intryckningar (låg hållfasthet)

    Tabellen nedan ger en översikt över normala livslängder för form och kärna vid olika gjutmetaller. Av tabellen framgår även vilka faktorer som normalt begränsar livslängden vid respektive gjutmetall.

    Tabell 10. Normala verktygslivslängder

    Varmsprickbildning

    Vid pressgjutning utsätts verktygsstålet i formverktyget omväxlande för upphettning och avkylning. Detta innebär att stora spänningar utvecklas i ytskiktet hos materialet, vilket så småningom leder till termiska utmattningssprickor, så kallade varmsprickor. Höga temperaturtoppar och snabb kylning ökar risken.

    Figur 47. Exempel på varmsprickor i ett pressgjutverktyg.

    Varmsprickor härrör från en kombination av termiska dragspänningar, som orsakats av temperaturväxlingar, och plastisk töjning. Varmsprickbildning förhindras om någon av dessa faktorer saknas. Det är främst dragspänningar, som inverkar på uppkomsten och tillväxten av varmsprickor.

    Graden av varmsprickbildning påverkas främst av följande faktorer:

    • Verktygets temperaturcykel.
    • Verktygsmaterialets grundegenskaper.
    • Anvisningar i verktyget (hålkälar och ytbeskaffenhet).

    En faktor av betydelse då det gäller temperaturcykeln är den maximala temperaturen i formrummets ytskikt. Upp till 600ºC är påfrestningarna måttliga, men vid högre temperaturer ökar risken för varmsprickbildning kraftigt. Det är dessutom viktigt att temperaturskillnaden mellan ytan hos formrummet och smältan inte är för stor. Av denna anledning rekommenderas att alltid förvärma verktyget före produktionsstart.

    Erosionsskador

    Vid pressgjutningsprocessen pressas smältan in i formhåligheten med hög hastighet och högt tryck. Detta kan under vissa omständigheter medföra upplösning av stålet. Fenomenet kan betraktas som en kombination av erosion och korrosion. Flera faktorer har betydelse för uppkomsten av erosion i formverktyget. De viktigaste är smältans temperatur och sammansättning samt formverktygets utformning, värmebehandling och ytbehandling.

    Sprickbildning – totalhaveri

    Sprickbildning i ett formverktyg orsakas av tillfällig termisk överbelastning och utgör en vanlig orsak till kort livslängd hos verktyget. En faktor av betydelse då det gäller ett verktygs förmåga att motstå last utan sprickbildning är verktygsmaterialets seghet. Denna är beroende av både materialet och värmebehandlingen. Andra faktorer som påverkar risken för sprickbildning är verktygets underhåll och även själva gjutprocessen.

    Korrosion

    Faktorer som påverkar korrosionen i formverktyg är främst smältans temperatur och sammansättning, smältans strömningshastighet i formverktyget samt verktygets ytbehandling.

    Intryckningar

    Orsak till intryckningar i formrum eller delningsplan är i regel för låg varmhållfasthet hos verktygsmaterialet. Vid förhöjd temperatur minskar stålets hållfasthet och hårdhet. Detta innebär att risken för intryckningar på pressgjutverktyget ökar med arbetstemperaturen. Både låstrycket och insprutningstrycket är så höga att en viss varmhållfasthet krävs.

    10.4.7 3D-printade verktyg

    En metod under utveckling är att 3D-printa verktyg för pressgjutning. Att använda tekniken, som även kallas additiv tillverkning, kan korta ledtiderna för att ta fram teknik samtidigt som det gör det möjligt att gjuta komponenter med en mer komplex design.

    3D-printning eller additiv tillverkning har funnits under många år. Framför allt har tekniken använts inom prototyptillverkning och tillverkning av små serier. Det är först på senare år som 3D-tekniken har blivit anpassad för fullskalig serieproduktion.

    En 3D-fil i .stl-format skicks till din 3D-skrivare. 3D-skrivaren tar din CAD-modell och sektionerar upp modellen i små lager. Därefter smälter en laserstråle upp en pulverbädd av metallpulver. Efter att lasern har smält det översta lagret med metallpulver läggs ett nytt lager metallpulver ut och laserstrålen börjar smälta upp ytan igen. Laserstrålen följer hela tiden CAD-modellens lager. På detta sätt byggs en detalj upp av metall. Det behövs fortfarande efterbehandling i form av bearbetning och värmebehandling för 3D-prinatde insatser i verktyget men materialutbytet är betydligt högre än med dagens traditionell tillverkningsteknik.

    För pressgjutning tittar man på möjligheten att ta fram verktyg genom additiv tillverkning. Genom att skriva ut verktyg (eller delar av verktyg) med hjälp av en 3D-printer för metall kan sannolikt flera fördelar uppnås:

    • Kylkanalerna kan placeras optimalt, vilket gör att man kan minska smörjning och cykeltider och även gjuta mer tunnväggigt gods med komplex design.
    • Ledtiderna för att ta fram verktygen kan minska.
    • Miljöpåverkan blir mindre genom att bara det material som behövs används för att ta fram verktyget.

    Det finns 3D-printade verktyg i bruk inom pressgjutsindustrin och utvecklingen av nya maskiner för 3D-tekniken ökar kraftigt. Även utvekling av nya metallpulver för utskrivning sker relativt snabbt. Det finns fortfarande väldigt mycket som kommer utvecklas med 3D-tekniken som kommer gynna verktygsframställningen inom pressgjutning.

    10.4.8 Engångskärnor - "lost core"

    Med engångskärnor av salt ökas möjligheterna för lättviktskonstruktioner. Tekniken med lost core – förlorad kärna – innebär att den inre formgivningen av ett gjutstycke kan göras ännu mer komplex.

    Saltbaserade engångskärnor är en ny teknik framtagen för pressgjutning. Här nedan följer en text som Patrick Reichen från Bühler har skrivit och som publicerades i tidskriften Gjuteriet nr 4/2014:

    Genom saltbaserade engångskärnor möjliggörs en tidigare okänd komponentutformning och en större funktionsintegration.

    Vid användandet av tekniken som kallas för lost core – ”förlorad kärna” – formges vattenmanteln av en saltkärna, vilken spolas ur med vatten under högt tryck. Användningen av saltkärnor i en pressgjutmaskin är oproblematiskt eftersom salt i motsats till sand inte är abrasivt och därigenom inte orsakar någon förslitning. Med denna teknik kan även komponenter som tidigare gjutits i kokill eller sandform pressgjutas.

    Med lost core-tekniken kan komponeter pressgjutas med lägre kostnader. De får bättre måttnoggrannhet och kräver färre efterbearbetningssteg. En ytterligare fördel med tekniken är den utmärkta ytjämnheten som erhålls med saltkärnor, jämfört med ytjämnheten vid användning av stålkärnor. Därför lämpar sig lost core-tekniken speciellt för tillverkning av detaljer för strömmande medier som vatten och olja.

    Godshåligheter utformade med salt uppvisar ett mindre strömningsmotstånd.

    Vid tillverkning av saltkärnor avsedda för inre formgivning av komponenter spelar saltblandningen liksom processparametrarna en avgörande roll. Stabiliteten hos saltkärnan garanteras och möjliggör samtidigt urkärningen. Tillverkaren av pressgjutmaskinen blir härigenom en teknologipartner, som understödjer kunden i hela processkedjan från idé till produktionsmål – från detaljkonstruktion för användning av saltkärna till verktygs- och saltkärnapplikation vid pressgjutning.

    Figur 48. Saltkärna utställd vid Euroguss 2016.