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
Studijní program
Magisterské studium (2roky, titul Ing.) N2301: Strojní inženýrství
Zaměření
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 Česal Petr 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… K… T… Tf … Ti … Td … S… Z…
T − T f + SZ T t = K i T −T f d
maximální čas plnění empirická konstanta [s/mm] tloušťka stěny [mm] minimální možná teplota kovu teplota kovu v naříznutí teplota formy (vnitřního povrchu) před plněním procento tuhé fáze v odlitku na konci plnění přepočtová konstanta z procent
Materiál formy Slitina
ORVAR
19 552
wolfram
Konstanta K Al
0,0346
0,0124
0,0346
0,0124
Mg
0,0346
0,0124
Cu
0,0346
0,0124
0,0173
0,0124
Zn
0,0312
Pb
0,0156
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
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.
SL =
π ⋅ D2 4
… plocha komory [mm2]
D … průměr komory [mm]
Fu =
FL ⋅ S ⋅ ko … potřebná uzavírací síla [kN] SL
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]
Fo =
FL ⋅ S … otevírací síla [kN] – neboli dotlak násobený plochou odlitku SL
k os =
Fus ≥ 1,25 … skutečná rezerva [-] Fo
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:
SL =
π ⋅ 80 2 4
= 5 024 mm2
Fu =
300 ⋅ 51 500 ⋅ 1,25 = 3 844 kN … volíme stroj s uzavírací silou 4 000 kN 5 024
Fo =
300 ⋅ 51500 = 3 075 kN 5 024
k os =
4 000 = 1,30 > 1,25 ... lze použít 3 075 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 = ρQ2/2c2Sn2 [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
o
•
•
na která jsou kladeny kvalitativní nároky •
povrch
•
porezita
•
místo s kvalitativními nároky obvykle co nejblíže vtoku (neplatí vždy)
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 naříznutí ↔ čas plnění → kvalita odlitku • povrchu • vnitřní Typy naříznutí:
Následuje výpočet naříznutí: =
∙ ∙ … plocha naříznutí [cm2]
kde: G… ρ…
t… vn…
hmotnost jediného odlitku vč. přetoků [g] hustota taveniny [g/cm3] Al: 2,4 g/cm3 Zn: 6,57 g/cm3 Mg: 1,64 g/cm3 čas plnění [s] 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… ρ… t… Sn…
hmotnost jediného odlitku vč. přetoků [g] hustota taveniny [g/cm3] čas plnění [s] 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
doc. Ing. Martin Hynek, Ph.D., Ing. Aleš Herman, Ph.D. Marek Česal Petr Zikmund
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“.
