NÁVRH TECHNOLOGIE TLAKOVÉHO LITÍ

Transkript

1 Katedra knstruvání strjů Fakulta strjní KA 01 - ODLITKY, VÝKOVKY NÁVRH TECHNOLOGIE TLAKOVÉHO LITÍ dc. Ing. Martin Hynek, PhD. a klektiv verze Tent prjekt je splufinancván Evrpským sciálním fndem a státním rzpčtem České republiky

2 Hledáte kvalitní studium? Nabízíme vám jej na Katedře knstruvání strjů Katedra knstruvání strjů je jednu ze šesti kateder Fakulty strjní na Západčeské univerzitě v Plzni a patří na fakultě k největším. Fakulta strjní je mderní tevřenu vzdělávací institucí uznávanu i v blasti vědy a výzkumu uplatňvanéh v praxi. Katedra knstruvání strjů dispnuje mderně vybavenými labratřemi s pčítačvu techniku, na které jsu např. studentům pr studijní účely nemezeně k dispzici nvé verze předních CAD (Pr/Engineer, Catia, NX ) a CAE (MSC Marc, Ansys) systémů. Labratře katedry jsu ve všední dny studentům plně k dispzici např. pr práci na semestrálních, bakalářských či diplmvých pracích, i na dalších prjektech v rámci univerzity apd. Kvalita výuky na katedře je úzce prpjena s celuniverzitním systémem hdncení kvality výuky, na kterém se průběžně, zejména p abslvvání jedntlivých semestrů, pdílejí všichni studenti. V sučasné dbě prbíhá na katedře knstruvání strjů významná kmplexní invace výuky, v rámci které mj. vznikají i nvé kvalitní učební materiály, které budu v nadcházejících letech využívány pr pdpru výuky. Jeden z výsledků tét snahy máte nyní ve svých ruku. V rámci výuky i mim ni mají studenti mžnst zapjit se na katedře také d splupráce s předními strjírenskými pdniky v plzeňském reginu i mim něj. Řada studentů rvněž vyjíždí na studijní stáže a praxe d zahraničí. Nabídka studia na katedře knstruvání strjů: Studijní prgram Zaměření Studijní prgram Zaměření Bakalářské studium (3rky, titul Bc.) B2301: strjní inženýrství ( zaměřený univerzitně ) Stavba výrbních strjů a zařízení Dpravní a manipulační technika Magisterské studium (2rky, titul Ing.) B2341: strjírenství (zaměřený prfesně ) Design průmyslvé techniky Diagnstika a servis silničních vzidel Servis zdravtnické techniky N2301: Strjní inženýrství Stavba výrbních strjů a zařízení Dpravní a manipulační technika Více infrmací naleznete na webech a Západčeská univerzita v Plzni, 2014 ISBN dc. Ing. Martin Hynek, Ph.D. Ing. Aleš Herman, Ph.D. Marek Česal Petr Zikmund

3 KA01-NÁVRH TECHNOLOGIE TLAKOVÉHO LITÍ NÁVRH NÁSOBNOSTI FORMY A DĚLÍCÍ PLOCHY Výchzí pžadavky zákazníka: Velikst výrbní dávky a jejich četnst Pžadavky na jakst dlitku Maximální cena za dlitek (bvyklé v blasti autmtive) Násbnst frmy je mezena: Pčtem jader v dlitku (v případě, že je nutné dutinu dlitku tvřit jádry ze 4 směrů může být puze jeden dlitek ve frmě, jádra ze 3 směrů 2 dlitky ve frmě, jádra ze dvu směrů více dlitků ve frmě) Tvarem dělící plchy dlitku P výpčtu veliksti strje je nutné kntrlvat upínací plchy pr zajištění připevnění frmy (zhdntit i plhu kmry) Trendy: U malých jednduchých dlitků dávat pkud mžn 6 12 dlitků d frmy, aby se zajistila rentabilita výrby NÁVRH VTOKU Krk 1 zjisti a definuj pžadvanu úrveň kvality dlitku; tím jsu dány nárky na vtkvu sustavu nelze navrhnut dbrý vtk bez znalsti pžadavků zákazníka na kvalitu dlitku vyplývá z pužití dlitku, pžadavků na mechanické vlastnsti, nárků na pvrch nárky na kvalitu pvrchu: vyská rychlst vstřiku krátký čas plnění hrší vnitřní kvalita nárky na vnitřní kvalitu: nižší rychlst vstřiku delší čas plnění hrší kvalita pvrchu start první rychlsti může být i pzději (10 15 % zaplnění dlitku) Pžadvaná kvalita pvrchu Čas plnění Mdel plnění Průměrná (přípustné drbné vady pvrchu) střední až delší přípustné víry a tkvé čáry Dbrá (např. bez viditelných zavalenin) Výbrná (pr kvalitní pvrchvé úpravy) střední c nejkratší minimum vírů, bez tkvých čar bez vírů, bez tkvých čar; ani v kritických blastech KA01 Stránka 3

4 Krk 2 Definuj limity prcesu k dsažení pžadvané kvality: čas plnění stěžejní kritérium pr správný návrh nástrje zejména pr dlitky s pžadvanu vysku kvalitu pvrchu určí se výpčtem např. dle NADCA t maximální čas plnění K empirická knstanta [s/mm] T tlušťka stěny [mm] T f minimální mžná teplta kvu T i teplta kvu v naříznutí T d teplta frmy (vnitřníh pvrchu) před plněním S prcent tuhé fáze v dlitku na knci plnění Z přepčtvá knstanta z prcent Ti T f + SZ t = K T T f T d Materiál frmy Slitina ORVAR wlfram Knstanta 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 T i [ C] T f [ C] T d [ C] Z [ C/%] Al ,8 Zn ,7 Mg ,5-3,2 Cu ,7 Pb ,1 Tlušťka stěny [mm] Al Zn Mg 0,25-0, ,76-1, , , lze navrhnut na základě nmgramu výrbce strjů či dalších firem lze určit na základě tlušťky stěny dlitku a zkušensti rzhduje veliksti naříznutí a rychlsti plnění KA01 Stránka 4

5 rychlst v naříznutí Pr tlakvé lití má dalek větší význam, než u jiných technlgií dlévání. Je důležitá pr zaběhnutí d tenkých stěn a suvisí s dvdem tepla z kvu frmu během plnění. Nízká rychlst způsbuje vady pvrchu Vyská rychlst nárky na řízení prcesu, mdel prudění; rizik erze frmy dtlak třetí fáze statický tlak pístu na zbytek kvu v kmře vyvzení celkvéh stavu napjatsti dlitku dsazení kvu d tepelných uzlů - eliminace staženin, prpadlin, trhlin má smysl puze d dby, než zatuhne naříznutí tepltní ple frmy teplta kvu (v naříznutí) velikst kmry a zaplnění Vlba veliksti kmry závisí na veliksti strje, na pžadvaném dtlaku, na míře zaplnění kmry dávku a bývá většinu %. uzavírací síla strje reakční síla k tevírací síle vyvzené pístem F zvětšená bezpečnstním keficientem, aby nedšl k prstřiku charakteristika strje velikst správně udávána v [kn] becně udávána v [t] K výpčtu uzavírací síly nutn znát předem: - kmra, plcha kmry - průmět dlitku (sady) d dělicí rviny (včetně přetků, vtkvé sustavy a tablety) - pžadvaný dtlak neb velikst strje - rezerva, bezpečnst KA01 Stránka 5

6 Výpčet ptřebné uzavírací síly: Základní výpčet ptřebné uzavírací síly strje, aby nedšl během lití a tuhnutí dlitku ve frmě (velký dynamický a psléze statický tlak) k tevření strje, prstříknutí kvu d dělicí rviny, znehdncení dlitku a případně k pničení nástrje. Základní pjmy: kmra, plcha kmry uzavírací síla, tevírací síla, lisvací síla průmět dlitku d dělicí rviny rezerva, bezpečnst Daný způsb výpčtu platí pr frmy bez bčních jader. S L 2 D = π plcha kmry [mm 2 ] 4 D průměr kmry [mm] F u F L = S k ptřebná uzavírací síla [kn] SL F L lisvací síla [kn] buď vypčteme z dtlaku, neb bereme sílu z tabulek strje, který si myslíme, že by mhl pr daný výrbek vyhvvat (máme vlnu kapacitu) k 0 rezerva (bezpečnst), vlte 1,25 [-] S průmět dlitku d dělicí rviny [mm 2 ] F FL = S tevírací síla [kn] nebli dtlak násbený plchu dlitku S L F = F us k s 1,25 skutečná rezerva [-] F us skutečná uzavírací síla zvlenéh strje [kn] Příklad výpčtu ptřebné uzavírací síly a vlba strje: Vypčítané a dané vstupní hdnty: D = 80 mm F L = 300 kn S = mm 2 k = 1,25 Výpčet: L 80 2 = π = S mm F u = ,25 = 3844 kn vlíme strj s uzavírací silu 4000 kn F k s = = = kn = 1,30 > 1,25... lze pužít KA01 Stránka 6

7 Krk 3 Výpčet tlaku p a průtku Q zejména s hledem na velikst a využití strje (v EU a ČR se nepužívá, hlavně se pužívá v USA jak silný nástrj pr hdncení efektivity tlakvých licích strjů) pq 2 diagramy alternativní způsb návrhu knstrukce frmy ve spjitsti s charakteristikami strje pskytuje infrmace mžnstech strje při určitých pdmínkách výrby určuje blast pracvních charakteristik frmy a strje pr maximální využití ptenciálu strje a kvalitu knstrukce frmy z hlediska času plnění, rychlsti plnění, rychlsti kvu v naříznutí, hydraulických ztrát atp. snaha předejít krekcím frmy p vzrkvání Terie diagramů pq 2 : Výchzí vzrce z hydrmechaniky: p d = ½ ρ v 2 [MPa] dynamický tlak při prudění Q = v S [m 3 s -1 ] bjemvý průtk Q 1 = Q 2 (pr ρ = knst.) rvnice kntinuity p 1 /p 2 = S 2 /S 1 (pr F = knst.) vztah statických tlaků pq 2 frmy: p = ρq 2 /2c 2 S n 2 [MPa] závislst tlaku v kmře na kvadratické hdntě bj. průtku naříznutím c ztrátvý sučinitel (id. c = 1) pr S n ;ρ = knst. platí: p = Q 2 /2c 2 Q 2 = 2pc 2 [(m 3 s -1 ) 2 ] pq 2 strje: dvě vymezující pdmínky: p st maximální hdnta statickéh tlaku (při nulvé rychlsti pístu) Q max maximální hdnta průtku při maximální rychlsti (běh naprázdn) p st = p a S K /S H [MPa] Q max = v 0 S K [m 3 s -1 ] p a tlak akumulátru (multiplikátru) Změna průtkvéh mnžství hydraulické kapaliny: mění se rychlst lisvacíh pístu změna bjemvéh průtku kvu regulační ventil = regulátr rychlsti zmenšení průtkvé rychlsti hydr. kapaliny: zvětšení strmsti přímky v pq 2 diagramu na p st nemá vliv snížení rychlsti lisvacíh pístu prdlužení času plnění Snížení tlaku v akumulátru: snížení p st při uknčení phybu pístu (dtlak) v pq 2 diagramu se charakteristika psune rvnběžně k nižším hdntám se zmenšením tlaku se zmenšuje průtk a prdlužuje čas plnění vhdné pr dstranění prstřikvání, ale zvyšuje rizik mikrprezity Změny průměru lisvacíh pístu (kmry): Zvětšení: snížení p st a zvýšení průtku Zmenšení: zvýšení p st a snížení průtku KA01 Stránka 7

8 Obr: pq 2 pr různé kmry: Pracvní bd strje je průsečík grafické charakteristiky strje a přímky vyjadřující dpr při daných pdmínkách lití. Pužívá se pr výpčet rychlsti plnění frmy, určuje vliv regulace parametrů strje a parametrů plnicíh systému, vliv akumulátrvéh tlaku, regulace ventilu rychlsti plnicíh pístu a jeh průměr. Plha bdu je vlivněna efektivnstí využití tlaku taveniny ve vstupu. Pracvní blast v diagramu: blast ptimálníh suladu charakteristik frmy a strje dána z rzmezí max. a min. rychlsti v naříznutí a z th spčítáme tlaku dle vzrců v terii dále vymezena pžadvaným bjemvým průtkem spčítáme z tabulkvých časů plnění prtíná ji přímka veducí z pčátku hdnta sučinitele tlakvých ztrát KA01 Stránka 8

9 Krk 4 - definuj mdel prudění - návrh umístění vtku - nasměrvání naříznutí - tvar prudu kvu za naříznutím zaústění vtku d míst: na která jsu kladeny kvalitativní nárky pvrch prezita míst s kvalitativními nárky bvykle c nejblíže vtku (neplatí vždy) ne přím prti stěně či jádru ztráta energie namáhání frmy neddržení kvality knstruktér musí zvlit místa, která se budu plnit jak pslední předpklad vad pvrchu i prezity nutn dvzdušnit vlba plhy distribuce kvu nevlit přímý úzký prfil (úzká naříznutí) výjimečně lze nasměrvat úzký prud k eliminaci prezity širší a tenčí naříznutí s vějířvitým prudem tangenciální prud zamezení víření namířit prud d míst s pžadavky na kvalitu kvalita pvrchu: přímé nasměrvání c nejblíže bez překážek bez drazů vhdně vlit plhu dělicí rviny atmizvaný prud KA01 Stránka 9

10 Krk 5 - definuj naříznutí - návrh rzměrů naříznutí rychlst v naříznutí čas plnění kvalita dlitku pvrchu vnitřní Typy naříznutí: Následuje výpčet naříznutí: = plcha naříznutí [cm 2 ] kde: G hmtnst jedinéh dlitku vč. přetků [g] ρ hustta taveniny [g/cm 3 ] Al: 2,4 g/cm 3 Zn: 6,57 g/cm 3 Mg: 1,64 g/cm 3 t čas plnění [s] v n vlená rychlst v naříznutí [m/s] prbrán v krku 2 slitiny Al: m/s slitiny Mg: m/s slitiny Zn: m/s Výpčet skutečné rychlsti v naříznutí: = skutečná rychlst v naříznutí [m/s] kde: G hmtnst jedinéh dlitku vč. přetků [g] ρ hustta taveniny [g/cm 3 ] t čas plnění [s] S n skutečná plcha naříznutí [cm 2 ] KA01 Stránka 10

11 Krk 6 - definuj vtkvu sustavu pr zvlený pčet a rzmístění dlitků efektivně vzhledem k: - plše frmy - rzvdu kvu c nejkratší cesta - dprům prudění - ptřebení frmy Vtkvá sustava musí zajistit: plnění všech dlitků ve stejný kamžik aby se rychlst kvu d pístu směrem k naříznutí plynule zvyšvala správné vyplnění dutiny frmy aby se předčasně neptřebila dutina frmy prudící taveninu (klmé rázy na stěnu frmy či jádra) mezení místníh vzrůstu teplty, který vede k nadměrnému ptřebení a zhršení pvrchvé čistty dlitku zamezení vzniku vírů, které způsbují uzavírání vzduchu a plynů dsažení pžadvanéh vzhledu dlitku Průřezy kanálů a jejich pměry: lichběžník rádiusy ve vlžce (v phyblivé) jedna stěna v dělicí rvině pměr stran: hlubka : šířka = 1:1 až 2:3 (pr slitiny Al) pměr průřezů: S n : S 1 = 1 :(1,1) 1,3 až 1,8 S 1 : S 2 = pdbně nutn ddržet rvnici kntinuity v n S n = v 1 S 1 v 1 S 1 = v 2 S 2 v 2 S 2 = v p S k * uvažván ρ=knst. Pměr rychlstí a průřezů pměr plchy kmry ku plše naříznutí S k : S n = 3 30, ideálně dpvídá pměru rychlstí vyjadřuje zrychlení kvu při stejném bjemvém průtku vyjadřuje nárky na strj vyjadřuje využití strje Okrajvé pdmínky pr výpčet vtkvé sustavy: rychlst v naříznutí vlená, přepčítaná rychlst pístu vlená, navržená z pq 2 diagramu průřezy vtkvé sustavy musí zajistit splnění těcht pdmínek při plynulém zrychlení kvu KA01 Stránka 11

12 Krk 7 - definuj dvzdušnění: dvd vzduchu a plynů z dutiny frmy a kmry z míst, která se plní jak pslední prevence uzavření vzduchu a plynů v kvu, studených spjů, rychle a efektivně Odvzdušnění, becně 3 způsby: dvzdušňvací kanály v dělicí rvině v kmbinaci s přetky vedu na rzhraní vlžky a rámu, i v rámu c nejkratší cestu vlnvec zabrzdění kvu ve vlnvci k němu kanál může být v kmbinaci s nrmálním dvzdušněním vakuvání labyrint kanálů k ventilu či vlnvci nesmí se kmbinvat s nrmálním dvzdušněním dlehlé přetky nedsávané Odvzdušňvací kanály v rvině vedu z přetku, většinu na jeh šířku tak, aby nezatekl kv za přetkem tlušťka v desetinách mm, pté v setinách lze i pačně (za přetkem brzda 0,1 a dále 0,4 mm) výrba brušením výpčet dle času plnění Vakuvání masivnější kanál labyrint musí zpmalit kv na knci labyrintu vlnvec či ventil, aby kv nevniknul d vakuvéh systému KA01 Stránka 12

13 dc. Ing. Martin Hynek, Ph.D., Ing. Aleš Herman, Ph.D. Marek Česal Petr Zikmund Tent prjekt je splufinancván Evrpským sciálním fndem a státním rzpčtem České republiky v rámci prjektu č. CZ.1.07/2.2.00/ Ukázkvé vývjvé prjekty z praxe pr psílení praktických znalstí buducích strjních inženýrů.