NÁVRH TECHNOLOGIE TLAKOVÉHO LITÍ...o vysoká rychlost vstřiku o krátký čas plnění ... o ⇒...
Transcript of NÁVRH TECHNOLOGIE TLAKOVÉHO LITÍ...o vysoká rychlost vstřiku o krátký čas plnění ... o ⇒...
Katedra konstruování strojů
Fakulta strojní
KA 01 - ODLITKY, VÝKOVKY
NÁVRH TECHNOLOGIE TLAKOVÉHO LITÍ
doc. Ing. Martin Hynek, PhD. a kolektiv
verze - 1.0
Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky
Hledáte kvalitní studium?
Nabízíme vám jej na Katedře konstruování strojů Katedra konstruování strojů je jednou ze šesti kateder Fakulty strojní na Západočeské univerzitě v
Plzni a patří na fakultě k největším. Fakulta strojní je moderní otevřenou vzdělávací institucí
uznávanou i v oblasti vědy a výzkumu uplatňovaného v praxi.
Katedra konstruování strojů disponuje moderně vybavenými laboratořemi s počítačovou technikou,
na které jsou např. studentům pro studijní účely neomezeně k dispozici nové verze předních CAD
(Pro/Engineer, Catia, NX ) a CAE (MSC Marc, Ansys) systémů. Laboratoře katedry jsou ve všední dny
studentům plně k dispozici např. pro práci na semestrálních, bakalářských či diplomových pracích, i
na dalších projektech v rámci univerzity apod.
Kvalita výuky na katedře je úzce propojena s celouniverzitním systémem hodnocení kvality výuky, na
kterém se průběžně, zejména po absolvování jednotlivých semestrů, podílejí všichni studenti.
V současné době probíhá na katedře konstruování strojů významná komplexní inovace výuky, v rámci
které mj. vznikají i nové kvalitní učební materiály, které budou v nadcházejících letech využívány pro
podporu výuky. Jeden z výsledků této snahy máte nyní ve svých rukou.
V rámci výuky i mimo ni mají studenti možnost zapojit se na katedře také do spolupráce s předními
strojírenskými podniky v plzeňském regionu i mimo něj. Řada studentů rovněž vyjíždí na studijní stáže
a praxe do zahraničí.
Nabídka studia na katedře konstruování strojů:
Bakalářské studium (3roky, titul Bc.)
Studijní program B2301: strojní inženýrství („zaměřený univerzitně“)
B2341: strojírenství (zaměřený „profesně“)
Zaměření Stavba výrobních strojů a zařízení Dopravní a manipulační technika
Design průmyslové techniky Diagnostika a servis silničních vozidel Servis zdravotnické techniky
Magisterské studium (2roky, titul Ing.)
Studijní program
Zaměření
N2301: Strojní inženýrství
Stavba výrobních strojů a zařízení Dopravní a manipulační technika
Více informací naleznete na webech www.kks.zcu.cz a www.fst.zcu.cz
Západočeská univerzita v Plzni, 2014
ISBN
© doc. Ing. Martin Hynek, Ph.D.
Ing. Aleš Herman, Ph.D.Marek ČesalPetr Zikmund
KA01-NÁVRH TECHNOLOGIE TLAKOVÉHO LITÍ
NÁVRH NÁSOBNOSTI FORMY A DĚLÍCÍ PLOCHY
Výchozí požadavky zákazníka: • Velikost výrobní dávky a jejich četnost
• Požadavky na jakost odlitku
• Maximální cena za odlitek (obvyklé v oblasti automotive)
Násobnost formy je omezena: • Počtem jader v odlitku (v případě, že je nutné dutinu odlitku tvořit jádry ze 4 směrů – může být pouze jeden
odlitek ve formě, jádra ze 3 směrů – 2 odlitky ve formě, jádra ze dvou směrů – více odlitků ve formě)
• Tvarem dělící plochy odlitku
• Po výpočtu velikosti stroje je nutné kontrolovat upínací plochy pro zajištění připevnění formy (zhodnotit i
polohu komory)
Trendy: U malých jednoduchých odlitků – dávat pokud možno 6 – 12 odlitků do formy, aby se zajistila rentabilita výroby
NÁVRH VTOKU – Krok 1
– zjisti a definuj požadovanou úroveň kvality odlitku; tím jsou dány nároky na vtokovou soustavu
• nelze navrhnout dobrý vtok bez znalosti požadavků zákazníka na kvalitu odlitku
• vyplývá z použití odlitku, požadavků na mechanické vlastnosti, nároků na povrch
• nároky na kvalitu povrchu: o vysoká rychlost vstřiku
o krátký čas plnění
o horší vnitřní kvalita
• nároky na vnitřní kvalitu: o nižší rychlost vstřiku
o delší čas plnění
o horší kvalita povrchu
o start první rychlosti může být i později
(10 – 15 % zaplnění odlitku)
Požadovaná kvalita povrchu Čas plnění Model plnění
Průměrná (přípustné drobné vady
povrchu) střední až delší přípustné víry a tokové čáry
Dobrá (např. bez viditelných
zavalenin) střední minimum vírů, bez tokových čar
Výborná (pro kvalitní povrchové
úpravy) co nejkratší
bez vírů, bez tokových čar; ani
v kritických oblastech
KA01 Stránka 3
Krok 2
– Definuj limity procesu k dosažení požadované kvality: • čas plnění
o stěžejní kritérium pro správný návrh nástroje zejména pro odlitky s požadovanou vysokou kvalitou
povrchu
o určí se výpočtem např. dle NADCA
t … maximální čas plnění K … empirická konstanta [s/mm] T … tloušťka stěny [mm] Tf … minimální možná teplota kovu Ti … teplota kovu v naříznutí Td … teplota formy (vnitřního povrchu) před plněním S … procento tuhé fáze v odlitku na konci plnění Z … přepočtová konstanta z procent
Slitina
Materiál formy
ORVAR 19 552 wolfram
Konstanta K
Al 0,0346 0,0124
Zn 0,0312 0,0346 0,0124
Mg 0,0346 0,0124
Cu 0,0346 0,0124
Pb 0,0156 0,0173 0,0124
Slitina Ti [°C] Tf [°C] Td [°C] Z [°C/%]
Al 650-720 570-595 340-355 4,8
Zn 405-565 382-445 230-260 3,7
Mg 650 510 340 2,5-3,2
Cu 955-1035 900-930 510-515 4,7
Pb 315 280 120 2,1
Tloušťka stěny
[mm] Al Zn Mg
0,25-0,76 5 5-15 10
0,76-1,27 5-25 10-20 5-15
1,27-2 15-35 15-30 10-25
2-3,2 20-50 20-35 20-35
o lze navrhnout na základě nomogramu výrobce strojů či dalších firem
o lze určit na základě tloušťky stěny odlitku a zkušenosti
o rozhoduje o velikosti naříznutí a rychlosti plnění
TTT
SZTTKt
df
fi
−+−
=
KA01 Stránka 4
• rychlost v naříznutí
Pro tlakové lití má daleko větší význam, než u jiných technologií odlévání. Je důležitá pro zaběhnutí do tenkých stěn a souvisí s odvodem tepla z kovu formou během plnění.
Nízká rychlost – způsobuje vady povrchu Vysoká rychlost – nároky na řízení procesu, model proudění; riziko eroze formy
• dotlak
o třetí fáze o statický tlak pístu na zbytek kovu v komoře o vyvození celkového stavu napjatosti odlitku o „dosazení“ kovu do tepelných uzlů - eliminace staženin, propadlin, trhlin o má smysl pouze do doby, než zatuhne naříznutí
• teplotní pole formy
• teplota kovu (v naříznutí)
• velikost komory a zaplnění
Volba velikosti komory závisí na velikosti stroje, na požadovaném dotlaku, na míře zaplnění komory dávkou a bývá většinou 30 – 70 %.
• uzavírací síla stroje
o reakční síla k otevírací síle vyvozené pístem Fo o zvětšená bezpečnostním koeficientem, aby nedošlo k prostřiku o charakteristika stroje – „velikost“ správně udávána v [kN] o obecně udávána v [t]
K výpočtu uzavírací síly nutno znát předem: - komora, plocha komory - průmět odlitku (sady) do dělicí roviny (včetně přetoků, vtokové soustavy a tablety) - požadovaný dotlak nebo velikost stroje - rezerva, bezpečnost
KA01 Stránka 5
Výpočet potřebné uzavírací síly: Základní výpočet potřebné uzavírací síly stroje, aby nedošlo během lití a tuhnutí odlitku ve formě (velký dynamický a posléze statický tlak) k otevření stroje, prostříknutí kovu do dělicí roviny, znehodnocení odlitku a případně k poničení nástroje. Základní pojmy:
• komora, plocha komory • uzavírací síla, otevírací síla, lisovací síla • průmět odlitku do dělicí roviny • rezerva, bezpečnost
Daný způsob výpočtu platí pro formy bez bočních jader.
4
2DSL
⋅= π … plocha komory [mm2]
D … průměr komory [mm]
oL
Lu kS
S
FF ⋅⋅= … potřebná uzavírací síla [kN]
FL … lisovací síla [kN] – buď vypočteme z dotlaku, nebo bereme sílu z tabulek stroje, který si myslíme, že by mohl pro
daný výrobek vyhovovat (máme volnou kapacitu)
k0 … rezerva (bezpečnost), volte 1,25 [-]
S … průmět odlitku do dělicí roviny [mm2]
SS
FF
L
Lo ⋅= … otevírací síla [kN] – neboli dotlak násobený plochou odlitku
25,1≥=o
usos F
Fk … skutečná rezerva [-]
Fus … skutečná uzavírací síla zvoleného stroje [kN] Příklad výpočtu potřebné uzavírací síly a volba stroje: Vypočítané a dané vstupní hodnoty:
D = 80 mm
FL = 300 kN
S = 51 500 mm2
ko = 1,25
Výpočet:
024 54
802
=⋅= πLS mm2
kN 844 325,1500 51024 5
300 =⋅⋅=uF … volíme stroj s uzavírací silou 4 000 kN
kN 075 3 50051024 5
300 =⋅=oF
30,1075 3
000 4 ==osk > 1,25 ... lze použít
KA01 Stránka 6
Krok 3
Výpočet tlaku p a průtoku Q – zejména s ohledem na velikost a využití stroje (v EU a ČR se nepoužívá, hlavně se používá v USA jako silný nástroj pro hodnocení efektivity tlakových licích strojů) pQ2 diagramy
• alternativní způsob návrhu konstrukce formy ve spojitosti s charakteristikami stroje • poskytuje informace o možnostech stroje při určitých podmínkách výroby • určuje oblast pracovních charakteristik formy a stroje pro maximální využití potenciálu stroje a kvalitu
konstrukce formy z hlediska času plnění, rychlosti plnění, rychlosti kovu v naříznutí, hydraulických ztrát atp. • snaha předejít korekcím formy po vzorkování
Teorie diagramů pQ2: Výchozí vzorce z hydromechaniky: pd = ½ ρ v2 [MPa] … dynamický tlak při proudění
Q = v S [m3s-1] … objemový průtok
Q1 = Q2 (pro ρ = konst.) … rovnice kontinuity
p1/p2 = S2/S1 (pro F = konst.) … vztah statických tlaků
pQ2 formy: p = ρQ2/2c2Sn
2 [MPa] … závislost tlaku v komoře na kvadratické hodnotě obj. průtoku naříznutím
c … ztrátový součinitel (id. c = 1)
pro Sn;ρ = konst. platí:
p = Q2/2c2 ⇒ Q2 = 2pc2 [(m3s-1)2] pQ2 stroje: dvě vymezující podmínky: pst … maximální hodnota statického tlaku (při nulové rychlosti pístu) Qmax … maximální hodnota průtoku při maximální rychlosti (běh naprázdno) pst = paSK/SH [MPa]
Qmax = v0SK [m3s-1]
pa … tlak akumulátoru (multiplikátoru) Změna průtokového množství hydraulické kapaliny:
• mění se rychlost lisovacího pístu o ⇒ změna objemového průtoku kovu o ⇒ regulační ventil = regulátor rychlosti
• zmenšení průtokové rychlosti hydr. kapaliny: ⇒ zvětšení strmosti přímky v pQ2 diagramu o ⇒ na pst nemá vliv o ⇒ snížení rychlosti lisovacího pístu o ⇒ prodloužení času plnění
Snížení tlaku v akumulátoru: • snížení pst při ukončení pohybu pístu (dotlak) • v pQ2 diagramu se charakteristika posune rovnoběžně k nižším hodnotám ⇒ se zmenšením tlaku se
zmenšuje průtok a prodlužuje čas plnění • vhodné pro odstranění prostřikování, ale zvyšuje riziko mikroporezity
Změny průměru lisovacího pístu (komory): Zvětšení: ⇒ snížení pst a zvýšení průtoku Zmenšení: ⇒ zvýšení pst a snížení průtoku
KA01 Stránka 7
Obr: pQ2 pro různé ∅ komory:
Pracovní bod stroje je průsečík grafické charakteristiky stroje a přímky vyjadřující odpor při daných podmínkách lití. Používá se pro výpočet rychlosti plnění formy, určuje vliv regulace parametrů stroje a parametrů plnicího systému, vliv akumulátorového tlaku, regulace ventilu rychlosti plnicího pístu a jeho průměr. Poloha bodu je ovlivněna efektivností využití tlaku taveniny ve vstupu. Pracovní oblast v diagramu:
• oblast optimálního souladu charakteristik formy a stroje • dána z rozmezí max. a min. rychlosti v naříznutí a z toho spočítáme tlaku dle vzorců v teorii • dále vymezena požadovaným objemovým průtokem spočítáme z tabulkových časů plnění • protíná ji přímka vedoucí z počátku – hodnota součinitele tlakových ztrát
KA01 Stránka 8
Krok 4
- definuj model proudění
- návrh umístění vtoku
- nasměrování naříznutí
- tvar proudu kovu za naříznutím
• zaústění vtoku do míst:
o na která jsou kladeny kvalitativní nároky
• povrch
• porezita
• místo s kvalitativními nároky obvykle co nejblíže vtoku (neplatí vždy)
o ne přímo proti stěně či jádru
• ztráta energie
• namáhání formy
• nedodržení kvality
• konstruktér musí zvolit místa, která se budou plnit jako poslední
o předpoklad vad povrchu i porezity
o nutno odvzdušnit – volba polohy
• distribuce kovu
o nevolit přímý úzký profil (úzká naříznutí)
o výjimečně lze nasměrovat úzký proud k eliminaci porezity
o širší a tenčí naříznutí s vějířovitým proudem
o tangenciální proud
o zamezení víření
o namířit proud do míst s požadavky na kvalitu
o kvalita povrchu:
o přímé nasměrování
o co nejblíže
o bez překážek
o bez odrazů
o vhodně volit polohu dělicí roviny
o atomizovaný proud
KA01 Stránka 9
Krok 5
- definuj naříznutí
- návrh rozměrů naříznutí
rychlost v na↔ říznutí ↔ čas plnění → kvalita odlitku
• povrchu • vnitřní
Typy naříznutí:
Následuje výpočet naříznutí:
�� =�
� ∙ ∙ �
… plocha naříznutí [cm2] kde: G… hmotnost jediného odlitku vč. přetoků [g] ρ… hustota taveniny [g/cm3]
Al: 2,4 g/cm3 Zn: 6,57 g/cm3 Mg: 1,64 g/cm3
t… čas plnění [s] vn… volená rychlost v naříznutí [m/s] probráno v kroku 2
slitiny Al: 20 – 60 m/s slitiny Mg: 40 – 100 m/s slitiny Zn: 30 – 80 m/s
Výpočet skutečné rychlosti v naříznutí:
� =�
� ∙ ∙ ��
… skutečná rychlost v naříznutí [m/s] kde: G… hmotnost jediného odlitku vč. přetoků [g] ρ… hustota taveniny [g/cm3] t… čas plnění [s] Sn… skutečná plocha naříznutí [cm2]
KA01 Stránka 10
Krok 6
- definuj vtokovou soustavu pro zvolený počet a rozmístění odlitků efektivně vzhledem k: - ploše formy - rozvodu kovu – co nejkratší cesta - odporům proudění - opotřebení formy
Vtoková soustava musí zajistit:
• plnění všech odlitků ve stejný okamžik • aby se rychlost kovu od pístu směrem k naříznutí plynule zvyšovala • správné vyplnění dutiny formy • aby se předčasně neopotřebila dutina formy proudící taveninou (kolmé rázy na stěnu formy či jádra) • omezení místního vzrůstu teploty, který vede k nadměrnému opotřebení a zhoršení povrchové čistoty odlitku • zamezení vzniku vírů, které způsobují uzavírání vzduchu a plynů • dosažení požadovaného vzhledu odlitku
Průřezy kanálů a jejich poměry:
• lichoběžník • rádiusy ve vložce (v pohyblivé) • jedna stěna v dělicí rovině • poměr stran:
o hloubka : šířka = 1:1 až 2:3 (pro slitiny Al) • poměr průřezů:
o Sn : S1 = 1 : (1,1) 1,3 až 1,8 o S1 : S2 = podobně
• nutno dodržet rovnici kontinuity vnSn = v1S1 v1S1 = v2S2 v2S2 = vpSk * uvažováno ρ=konst. Poměr rychlostí a průřezů
• poměr plochy komory ku ploše naříznutí Sk : Sn = 3 – 30, ideálně 10 - 20
• odpovídá poměru rychlostí • vyjadřuje zrychlení kovu při stejném objemovém průtoku • vyjadřuje nároky na stroj • vyjadřuje využití stroje
Okrajové podmínky pro výpočet vtokové soustavy:
• rychlost v naříznutí o volená, přepočítaná
• rychlost pístu o volená, navržená z pQ2 diagramu
• průřezy vtokové soustavy musí zajistit splnění těchto podmínek při plynulém zrychlení kovu
KA01 Stránka 11
Krok 7
- definuj odvzdušnění: • odvod vzduchu a plynů z dutiny formy a komory z míst, která se plní jako poslední • prevence uzavření vzduchu a plynů v kovu, studených spojů, … • rychle a efektivně
Odvzdušnění, obecně 3 způsoby:
• odvzdušňovací kanály v dělicí rovině o v kombinaci s přetoky o vedou na rozhraní vložky a rámu, i v rámu o co nejkratší cestou
• vlnovec
o zabrzdění kovu ve vlnovci o k němu kanál o může být v kombinaci s normálním odvzdušněním
• vakuování
o labyrint kanálů k ventilu či vlnovci o nesmí se kombinovat s normálním odvzdušněním o odlehlé přetoky neodsávané
Odvzdušňovací kanály v rovině
• vedou z přetoku, většinou na jeho šířku tak, aby nezatekl kov • za přetokem tloušťka v desetinách mm, poté v setinách • lze i opačně (za přetokem brzda 0,1 a dále 0,4 mm) • výroba broušením • výpočet dle času plnění
Vakuování
• masivnější kanál – labyrint • musí zpomalit kov • na konci labyrintu vlnovec či ventil, aby kov nevniknul do vakuového systému
KA01 Stránka 12
Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky v rámci projektu
č. CZ.1.07/2.2.00/28.0056 „Ukázkové vývojové projekty z praxe pro posílení praktických znalostí budoucích strojních inženýrů“.
doc. Ing. Martin Hynek, Ph.D.,
Ing. Aleš Herman, Ph.D.Marek ČesalPetr Zikmund