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