Návrhy a výpočty Barbora Bryksí Stunová Ústav strojírenské technologie Fakulta strojní, ČVUT v Praze
7 kroků ke správnému návrhu vtoku zjisti a definuj požadovanou úroveň kvality odlitku krok 1 definuj limity procesu k dosažení požadované kvality krok 2 proveď výpočet PQ 2 krok 3 definuj model proudění krok 4 definuj naříznutí krok 5 definuj vtokovou soustavu krok 6 definuj odvzdušnění a přetoky krok 7 *definuj = zvol typ, navrhni, spočítej
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,
Krok 1 1. nároky na kvalitu povrchu: vysoká rychlost vstřiku krátký čas plnění horší vnitřní kvalita 2. nároky na vnitřní kvalitu: nižší rychlost vstřiku masivnější naříznu delší čas plnění horší kvalita povrchu start první rychlosti může být i později (10 15% zaplnění odlitku)
Krok 1
Krok 2 definuj limity procesu k dosažení požadované kvality: čas plnění rychlost v naříznutí dotlak teplotní pole formy teplota kovu (v naříznutí) velikost komory a zaplnění uzavírací síla stroje
Krok 2 Čas plnění: stěžejní kriterium pro správný návrh nástroje zejména pro odlitky s požadovanou vysokou kvalitou povrchu určí se výpočtem lze navrhnout na základě nomogramu lze určit na základě tloušťky stěny odlitku a zkušenosti rozhoduje o velikosti naříznutí a rychlosti plnění
Výpočet dle NADCA: Krok 2 T T + SZ t = K i f T T f T d t maximální čas plnění K empirická konstanta [s/mm] T tloušťka stěny [mm] T f minimální možná teplota kovu T i teplota kovu v naříznutí T d teplota formy (vnitřního povrchu) před plněním S Z procento tuhé fáze v odlitku na konci plnění přepočtová konstanta z procent
Krok 2 Tloušťka stěny odlitku T: myšleno průměrná nebo charakteristická definuje se třemi způsoby: nejtenčí stěna odlitku s nejvyššími nároky na kvalitu bez ohledu na polohu, či nejvzdálenější průměrná spočtená jako průměrná nejtenčí, prefer. nejvzdálenější
Krok 2 Minimální možná teplota kovu T f : dána tabulkami vyplývá z rovnovážného digramu uvažovaná hodnota mezi likvidem a solidem (eutektikálou) vyplývá z minimální možné teploty, kdy kov ještě teče teplota nulové tekutos
Krok 2 Teplota kovu v naříznutí T i : ve slévárně je známá teplota v udržovací peci teplota v naříznutí měřitelná experimentálně ze zkušenosti a experimentů lze uvažovat: pro slitiny Al pokles o14-39 C, běžně bráno 28 C pro slitiny Zn pokles o 17 C pro slitiny Mg pokles o 44 C
Krok 2 Teplota líce formy před plněním T d : závisí na: času cyklu způsobu ošetření formy chladicím systému obecně na přenosu tepla ve formě přesnější hodnoty získat od slévárny (např. měřením teplotního pole líce formy termokamerou u podobného odlitku) obecně: slitiny Al 180 280 C slitiny Zn a Mg 204 C
Krok 2 Procentotuhé fáze na konci plnění S: vyšší číslo znamená horší zatečení vyšší číslo ovšem znamená méně staženinové porezity= kov, který je již ztuhlý nepřispěje ke staženinám po plnění, protože v něm již stahování proběhlo vyšší hodnoty S delší čas plnění delší čas horší kvalita povrchu, ale lepší vnitřní kvalita pro slitiny Al běžně 20 50% pod 20 %: velmi tenkostěnné odlitky, dlouhé dráhy kovu
Krok 2 Hodnoty dosazované do vzorce: Hodnoty K:
Krok 2 Hodnoty dosazované do vzorce: Hodnoty T i,t f, T d, Z: * dle NADCA, v Evropě může být rozdílné T d viz dříve
Krok 2 Hodnoty dosazované do vzorce: Hodnoty S:
Krok 2 Čas plnění určený z nomogramu: výrobci strojů a další firmy dodávají nomogramy různé výstupy závisí na zvyklostech země, na zkušenostech a dalších aspektech vychází z tloušťky stěny dále lze navrhnout i ostatní parametry nástroje
Nomogram firmy FRECH: Krok 2
Krok 2 Čas plnění dle tloušťky stěny: Toshiba:
Krok 2 Rychlost v naříznutí: pro tlakové lití má daleko větší význam, než u jiných technologií odlévání důležitá pro zaběhnutí do tenkých stěn souvisí s odvodem tepla z kovu formou během plnění nízká rychlost vady povrchu vysoká rychlost nároky na řízení procesu, model proudění; riziko eroze formy
Krok 2 Rychlost v naříznutí: 3 typy proudu kovu za naříznutím: pevný proud hrubé kapky atomizovaný proud
Krok 2 Rychlost v naříznutí: kriterium atomizovaného proudu: kde: v n rychlost v naříznutí [m/s] c tloušťka naříznutí [mm] ρ hustota slitiny [kg/m 3 ]* J konstanta pro jednotlivé slitiny [-] pro slitiny Al (ale i Cu) J = 79 * hustotu slitiny nutno uvažovat v závislosti na teplotě pro slitiny Al při teplotě lití ρ = 2400 kg/m 3
Krok 2 Rychlost v naříznutí: lze zvolit dle tloušťky stěny odlitku lze stanovit z nomogramu obecné hodnoty: slitiny Al: 20 60 m/s slitiny Mg: 40 100 m/s slitiny Zn: 30 80 m/s
Rychlost v naříznutí dle tloušťky stěny: Toshiba: Krok 2
Krok 2 Minimální rychlost v naříznutí pro atomizovaný proud dle NADCA pro J = 79
Krok 2 Dotlak: tlak kovu (v některých zemích udáván jako tlak v HS) třetí fáze statický tlak pístu na zbytek kovu v komoře tableta vyvození celkového stavu napjatosti odlitku dosazení kovu do tepelných uzlů eliminace staženin, propadlin, trhlin má smysl pouze do doby, než zatuhne naříznutí
Krok 2 Dotlak: NADCA: * NADCA uvažuje statický tlak na konci plnění a pak intenzifikaci
Krok 2 Dotlak: Zvyklosti v ČR: Toshiba:
Krok 2 Velikost komory a zaplnění: volba velikosti komory závisí: na velikosti stroje na požadovaném dotlaku na míře zaplnění komory dávkou zaplnění komory: 30 70%
Krok 2 Velikost komory a zaplnění: Komoru nutno volit tak, aby její zaplnění po nalití kovu dosahovalo 30 70 %, ideálně 40 50 %! Po výpočtu vtokové soustavy je nutné spočítat celkový objem sady a zaplnění komory, v případě, že komora nevyhoví, je nutno znovu přepočítat uzavírací sílu pro nově zvolenou komoru!
Krok 2 Uzavírací síla stroje: reakční síla k otevírací síle vyvozené pístem F o zvětšená bezpečnostním koeficientem, aby nedošlo k prostřiku charakteristika stroje velikost správně udávána v [kn] obecně udávána v [t]
Krok 2 Výpočet 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
Výpočet uzavírací síly: Krok 2 otevírací síla [kn] (dotlak přepočtený na průmět odlitku do dělicí roviny) potřebná uzavírací síla [kn] F L lisovací síla [kn] vypočtená z požadovanéhodotlaku, nebo síla z tabulek stroje S k plocha (průřez) komory [mm 2 ] S průmět odlitku (sady) do dělicí roviny [mm 2 ] k 0 rezerva (bezpečnost), běžně 1,25 [-] Fus skutečná uzavírací síla zvoleného stroje [kn] skutečná rezerva [-]
Příklad výpočtu volby stroje
Krok 3 výpočet pq v rámci předmětu MPL neděláme
Krok 4 definuj model proudění návrh umístění vtoku nasměrování naříznutí tvar proudu kovu za naříznutím
Krok 4 Zaústění vtoku: zaústění vtoku do míst: 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
Krok 4 Místa plněná jako poslední: konstruktérmusí zvolit místa, která se budou plnit jako poslední předpoklad vad povrchu i porezity nutno odvzdušnit volba polohy
Krok 4 Dělení odlitku na segmenty: zejména u větších odlitků jsou-li naodlitku části s výrazně rozdílným charakterem abybyla jistota, že kritická místa budou zaplněna se správným modelem proudění volit minimální počet segmentů (obv. 2-4) každýsegment vlastní vtok, který plní pouze daný segment
Krok 4 Dělení odlitku na segmenty: z důvodů kvality (rozdílné požadavky v jednotlivých segmentech) kvůli přirozenému proudění kovu části mají jiné tloušťky stěn kvůli rozdílné vzdálenosti od vtoku (dráha proudění kovu, odrazy, lomy) pro těžko plnitelné části
Krok 4 Dělení odlitku na segmenty: segmenty budou rozdílné přístup jako k různým odlitkům ve formě každý segment vlastní vtok (či více) návrh vtoku pro daný segment jako pro odlitek nutno dodržet stejný čas plnění poměr ploch naříznu segmentů odpovídá poměru objemů segmentů
Krok 4
Krok 4 Volba proudu kovu: distribuovat kov nevolit přímý úzký profil (úzká naříznutí) výjimečně lze nasměrovat úzký proud k eliminaci porezity širší a tenčí naříznutí s vějířovitým proudem tangenciální proud zamezení víření
Krok 4
Krok 4 Nasměrování proudu kovu: namířit proud do míst s požadavky na kvalitu kvalita povrchu: přímé nasměrování co nejblíže bez překážek bez odrazů vhodně volit polohu dělicí roviny atomizovaný proud
Krok 4 Nasměrováníproudu kovu: namířit proud do míst s požadavky na kvalitu vnitřní kvalita - porezita: staženinová namířit přímo co nejblíže vtok úzký a tlustý (2 mm) poměr plochy kanálu před naříznutím a plochy naříznutí tepelný obsah 45 úhel kanálu k naříznutí, krátké naříznutí, tepelný obsah nezatuhne (opotřebení)
Krok 4 Nasměrováníproudu kovu: co nejkratší cestou: obecně vtokovat příčně pouze pokud jsou výrazné překážky podélně
Krok 4 Nasměrováníproudu kovu: k nasměrování kovu využít přirozený tvar odlitku: dovolit kovu proudit přirozeně respektovat setrvačnost kovu
Krok 4 Nasměrováníproudu kovu: pokud se musí proud z různých vtoků smísit, tak co nejblíže naříznutí nesměrovat proud na drážku těsnění odlitku (úzké tolerance, opotřebení)
Krok 4 Nasměrováníproudu kovu: místa za jádrem či tvarem problém styku dvou proudů horší povrch porezita(vzduch, plyny) nasměrování ze dvou naříznutí zejména u děr, které se budou obrábět
Krok 4
Krok 4
Krok 4
Krok 4 odlitek typu krabička rozvinutá plocha přímý vtok doplněný o tangenciáníboční vtoky
Krok 4 odlitek typu hluboký box rozvinutá plocha přímý vtok
Krok 4 odlitek typu hluboký box rozvinutá plocha tangenciální vtok
Krok 4 válcový odlitek rozvinutá plocha obvodový vtok doplňkový tangenciální vtok
Krok 4 odlitek typu rám vhodné volit středový vtok
Krok 5 Krok 5 definuj naříznutí návrh rozměrů naříznutí rychlost v naříznutí čas plnění kvalita odlitku povrchu vnitřní * a délka naříznutí, c tloušťka naříznutí
Typy naříznutí podélný řez: Krok 5
Krok 5 Typy naříznutí pohled do dělicí roviny:
Krok 5 Přímý vějířový vtok
Krok 5 Tangenciální vějířový vtok
Přímý vějířový vtok Krok 5
Přímý vějířový vtok Krok 5
Přímý vějířový vtok Krok 5
Vějířový vtok s rádiusem Krok 5
Vějířový vtok s rádiusem Krok 5
Vějířový vtok s rádiusem Krok 5
Vějířový vtok s rádiusem Krok 5
Krok 5 Přímý vějířový vtok s rampou
Krok 5
Přímý vějířový vtok s opačným rádiusem Krok 5
Tangenciální vtok Krok 5
Tangenciální vtok s retardérem Krok 5
Tangenciální vtok s retardérem Krok 5
Krok 5
Krok 5
Dělený tangenciální vtok s retardérem Krok 5
Dělený tangenciální vtok s retardérem Krok 5
Krok 5
Tangenciální vtok s dvěma retardéry Krok 5
Krok 5
Krok 5
Krok 5 Výpočet rozměrů naříznutí: plocha naříznutí [cm 2 ] kde: G hmotnost jediného odlitku vč. přetoků [g] ρ hustota taveniny [g/cm 3 ] t čas plnění [s] v n 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 Al: 2,4 g/cm 3 Zn: 6,57 g/cm 3 Mg: 1,64 g/cm 3
Krok 5 Výpočet rozměrů naříznutí: z vypočtené plochy stanovíme rozměry: c tloušťka naříznutí (volíme) b šířka naříznutí (dopočítáme) ev. a délka naříznutí zaokrouhlíme plochu naříznutí či jinak upravíme
Výpočet skutečné rychlosti v naříznutí: Krok 5 skutečná rychlost v naříznutí [m/s] kde: G hmotnost jediného odlitku vč. přetoků [g] ρ hustota taveniny [g/cm 3 ] t čas plnění [s] S n skutečná plocha naříznutí [cm 2 ]
Krok 5 Výpočet plochy naříznutí: další způsob: kde: V o objem odlitku [cm 3 ] plocha naříznutí [cm 2 ]
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
Krok 6 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
Krok 6 Průřezy kanálů a jejich poměry: lichoběžník rádiusy ve vložce (v pohyblivé) jedna stěna v dělicí rovině poměr stran: hloubka : šířka = 1:1 až 2:3 (pro slitiny Al) poměr průřezů: S n : S 1 = 1 : (1,1) 1,3 až 1,8 S 1 : S 2 = podobně nutno dodržet rovnici kontinuity v n S n = v 1 S 1 v 1 S 1 = v 2 S 2 v 2 S 2 = v p S k * uvažováno ρ=konst.
Krok 6 Poměr rychlostí a průřezů: poměr plochy komory ku ploše naříznutí S k : S n = 3 30, ideálně 10-20 odpovídá poměru rychlostí vyjadřuje zrychlení kovu při stejném objemovém průtoku vyjadřuje nároky na stroj vyjadřuje využití stroje
Krok 6 Okrajové podmínky pro výpočet VS: rychlost v naříznutí volená, přepočítaná rychlost pístu volená, navržená z pq 2 diagramu myšleno při fázi plnění průřezy vtokové soustavy musí zajistit splnění těchto podmínek při plynulém zrychlení kovu
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
Krok 7 Odvzdušnění: obecně 3 způsoby: odvzdušňovací kanály v dělicí rovině v kombinaci s přetoky vedou na rozhraní vložky a rámu, i v rámu co nejkratší cestou vlnovec zabrzdění kovu ve vlnovci k němu kanál může být v kombinaci s normálním odvzdušněním vakuování labyrint kanálů k ventilu či vlnovci nesmí se kombinovat s normálním odvzdušněním odlehlé přetoky neodsávané
Krok 7 Odvzdušňovací kanály v dělicí 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) broušením výpočet dle času plnění
Krok 7 Vlnovec: masivnější kanál poté zabrzdění kovu ve vlnovci (valcha) zužující se štěrbina mezi vlnami vlnovec ocelový, bronzový, chlazený, volba dle velikosti odlitku
Krok 7 Vakuování: masivnější kanál labyrint musí zpomalit kov na konci labyrintu vlnovec či ventil, aby kov nevniknul do vakuového systému
Další konkrétní příklady:
Pevná vložka Pohyblivá vložka
Použité zdroje: WALKINGTON, Bill. Seven Steps to Quality Gating Design. Rosemont, Il 60018-4733: NADCA, 2001. 76 s. HERMAN, E. A. Gating Die Casting Dies. Rosemont, Il 60018-4721: NADCA, 1996. 137 s. E-514. VINARCIK, Edvard. Highintegrity diecasting processes. New York : John Wiley& Sons, 2003. 232 s. ISBN 0-471-20131-6. Podklady firem TOSHIBA, FRECH, Kovolis Hedvikov, a.s.