CZ20013827A3 - Zařízení pro tlakové lití s teplou komorou a způsob jeho pouľívání - Google Patents

Description

Vynález se týká způsobu používání stroje pro tlakové lití s teplou komorou při tavení kovů, kdy se roztavený kov z licího zásobníku svislým kanálkem, nátrubkem a spojkou tlačí do formy. Vynález se týká dále strojů pro tlakové lití s teplou komorou, jehož pomocí se tento způsob může realizovat.

Dosavadní stav

Při způsobu s teplou komorou se tekutý kov dopravuje přes licí zásobník a licí píst do formy. Licí zásobník a licí píst jsou přitom stále umístěny v lázni kovu. V závislosti na taviči teplotě kovu dochází při pohybu pístu i při ukončení tohoto pohybu ke ztrátám tlaku mezi pístními kroužky a otvorem licího zásobníku. Při způsobu s teplou komorou může být proto při odlévání zinku, jehož teplota tavení je asi 420 °C, vyvinut tlak kovu ke konci odlévání asi 300 bar. Při tlakovém odlévání hořčíku s teplotou kovové lázně cca 650 °C může tlak kovu na konci odlévání dosáhnout hodnoty asi 250 bar.

Používá se i postup se studenou komorou (DE 29 22 914 C2), při němž mají jednotlivé fáze plnění formy obdobný průběh jako u postupu s teplou komorou. U postupu se studenou komorou, kde licí zásobník a licí píst nejsou umístěny v tekutém kovu, je možné docílit vyšších koncových tlaků v rozsahu 400 až 700 bar. To znamená, že díky vysokému tlaku • · • · 4 • 9 při postupu se studenou komorou lze vyrábět díly s vyšší hustotou. Důsledkem toho je zase nižší pórovitost odlitků, vyšší pevnost a roztažnost a vyšší povrchová hustota.

Při postupu tlakového lití s teplou komorou trvá plnění formy asi 7 ms až 20 ms. Na konci fáze plnění se vytvoří, jak již bylo zmíněno, nejvyšší licí tlak. Tento licí tlak působí přes spojení na kov, který se již nalézá v dutině formy. Protože tloušťka spojení závisí na síle stěny a povrchové kvalitě dílů a na opracování, a nejužší síla stěny spoje je tloušťkou vtočku, zatuhne tavenina kovu nejdříve v tomto místě. Tím se uzavře napojení na dutinu formy a tlak, který je licím pístem vyvíjen, nemůže působit vůbec nebo je omezen. K vysvětlení je třeba poukázat na to, že nejtenčí síla stěny vtočku činí na příklad u zinkového dílu 0,3 mm až 0,6 mm a u hořčíkového dílu 0,4 mm až 0,8 mm. Ochlazením, které nastane v této oblasti, zatuhne materiál v tomto místě relativně rychle.

Podstata vynálezu

Úkolem předloženého vynálezu je, aby bylo možno postupem uvedeným v úvodu získávat takové tlakové odlitky, které vykazují stejné vlastnosti, jaké mají odlitky získávané postupem se studenou komorou, a to přes to, že při tlakovém lití s teplou komorou mohou být dosahovány nižší hodnoty koncových tlaků.

K řešení tohoto úkolu bude u postupu uvedeného v úvodu navrženo, aby byl na konci plnicí fáze vyvinut alespoň v místě nej užšího průřezu tlakový kmit, který roztavenému kovu zabrání v rychlém zatuhnutí. Pomocí změn tlaku dojde v roztaveném kovu k pohybu, což povede k tomu, že dříve ♦ · «« • · · • · · · · • « · · 4 • 9 · · • · • · · • 4 · · · zmíněný průřez náběhu se slabou silou stěny tak rychle nezatuhne, tedy „nezamrzne“ Tímto způsobem může tlak do formy působit déle a tím ovlivňovat smršťování roztaveného kovu, které je podmíněno objemem.

V další části vynálezu může být v nějakém časovém úseku tlak po určitém čase zvýšen, přičemž pulsace zůstane zachována, takže poté, co roztavený kov dosáhl takzvané semisolidní fáze, dojde k nej vyššímu stlačení. V této fázi se na vnějším obrysu tlakového odlitku už nevytváří žádné výronky. Působením kmitů, které mohou být zaváděny a působit s poměrně vysokou frekvencí, se tlak plně přenáší na kov ve formě. Tímto způsobem vzniká jakýsi druh vibrací působících na naplněnou formu, což vede ke konečnému zhutnění materiálu.

V další části vynálezu může být při postupu, u kterého je k dispozici pohyblivý licí píst poháněný elektromotorem, docíleno pulzujícího tlaku pomocí přičtení kmitání k pohonu. Toto kmitání může podle další části vynálezu dosahovat přibližně 300 Hz. Může být zavedeno při zadaném zpoždění rychlosti licího pístu. Rychlost licího pístu se dá známým způsobem zjistit, takže není problémem nalézt okamžik, ve kterém je pulzující tlak nutno přivést.

V další části vynálezu může být tlak vůči maximálnímu licímu tlaku pulzně snížen nebo zvýšen, přičemž, jak bylo již dříve zmíněno, tlak může být v konečné fázi v průběhu prvního okamžiku snížen a během dalšího okamžiku zvýšen, dříve než dojde k úplnému ztuhnutí taveniny.

Vynález se také týká stroje na tlakové lití s teplou komorou, se kterým se nový postup bude provádět. Tento stroj pro tlakové lití s teplou komorou má pohon licího pístu a ovládací zařízení, přičemž pohon licího pístu je opatřen vibračním zařízením, které lze v koncové fázi plnicího procesu zapnout, a jehož kmity působí na pohonnou osu licího pístu. Pokud je licí píst poháněn elektromotorem, může uvedené vibrační zařízení sestávat z elektrického servopohonu a řídicího zařízení k jeho ovládání, přičemž toto řídicí zařízení může být realizováno elektronickým počítačem vybaveným odpovídajícím softwarem. Servopohon sám je tvořen bezkomutátorovým elektromotorem s nízkým momentem setrvačnosti. Takový pohon dále zamezuje působení setrvačných sil na licí píst, které ale mohou být sníženy známým způsobem zařazením pružného prvku mezi pohonný motor a píst anebo pomocí řízeného omezení servopohonu.

Vynález je schématicky zobrazen pomocí příkladu na obrázku a bude dále vysvětlen.

Vysvětlivky:

Obr. 1 - schématické zobrazení pohonu licího pístu s elektromotorem a řídicím zařízením pro vytváření vibrací.

Obr. 2 - schématické blokové zobrazení části řídicího agregátu, a

Obr. 3 - zobrazení tlaku a objemu v průběhu lisovací fáze podle předmětu vynálezu.

Obr. 1 ukazuje lisovací jednotku stroje na tlakové lití s teplou komorou na zpracování roztavených kovů, který je známým způsobem opatřen licím zásobníkem umístěným v kovové lázni, licím pístem pohybujícím se v ní nad lisovací ·· ·· • φ · • φφφφ φ φ φ φ φ φ φ φ

jednotkou a stoupacím otvorem, na jehož koncích je umístěn nátrubek.

U lisovací jednotky podle obrázku 1 je elektromotor 1, například asynchronní motor, nebo u jiné varianty servomotor, opatřen pohonem, který zde není blíže zobrazen, a spojovacím dílem 2, který pohání otočné vodicí vřeteno 3. Vodicí vřeteno 3 je vedeno v utěsněném ochranném krytu 5. Na něj je upevněna (našroubována) matka 4 spolupracující se závitem vřetene 3, která svou vodicí vačkou 6 zasahuje do výřezu 7 uvnitř ochranného krytu 5, a v důsledku toho se v ochranném krytu 5 nemůže otáčet. Matka 4 je napojena na prodlouženou část 8, která přesahuje volný konec vřetene 3 opatřený posuvnou tyčkou 9, která vyčnívá z krytu 5 utěsněným otvorem a je opatřena nástavcem 10 malého průměru. Na tomto nástavci 10 je pohyblivě připojen první kroužek 11, který přiléhá na čidlo tlaku 12, které může být provedeno jako piezoelektrický prvek. Toto čidlo tlaku 12 je pomocí signalizačního vedení 13 spojeno s víceparametrovým regulátorem 20, pomocí kterého jsou řízeny otáčky motoru 1.

Na nástavci 10 je kromě toho posuvně osazena objímka 14 s koncovým kroužkem 15, přičemž mezi koncovým kroužkem 15 a kroužkem 11, přiléhajícím k čidlu tlaku 12, je umístěn pružný prvek ve tvaru plastového kroužku 16, kterým nástavec 10 také prochází. Objímka 14 je na konci protilehlém vůči koncovému kroužku 15 opatřena spojovacím koncovým prvkem 17, který slouží k napojení na licí píst, který zde není vyobrazen, přičemž volný konec nástavce 10 je rozšířen na jakousi patku 18 většího průměru, o jejíž ozub se opírá objímka na nástavci 10, která může zároveň sloužit pro zajištění *· ·· ř · · » ♦ « · · » · · 4 > a · « a a aaa aaaaaaa a· a a « určitého předpětí plastového kroužku 16. Tato patka 18 je umístěna v určité vzdálenosti od vnitřní plochy 19 konce objímky 14. Tato lisovací jednotka je zapojena do provozu v okamžiku, když má být roztavený kov známým způsobem natlačen ze zásobníku stroje na tlakové lití s teplou komorou do formy. Elektrický pohon 1 je pomocí víceparametrového regulátoru 20 vybuzen k otáčení vodícího vřetene 3, což vede ktomu, že matka 4 se ze zobrazené pozice na vřetení 3 pohybuje podél vřetene směrem dolů a tlačí dolů zároveň posuvnou tyčku 9, a to rychlostí potřebnou k provedení plnicí fáze.

Když je forma naplněna, musí být pohon otáček vřetene 3 přepojen z regulace rychlosti na regulaci kroutívého momentu. Aby se zamezilo tomu, že licí píst by v tomto případě vlivem momentu setrvačnosti pohonu, který je závislý na hmotnosti, tlačil dále na nestlačitelný roztavený kov ve formě, a tím se do mechanismu pohonu dostávaly tlakové rázy, které by mohly vést k poškození zařízení, je zde umístěn pružný prvek 16, který se stlačí a přenese tím na sebe dráhu, kterou by jinak musel urazit licí píst.

Uspořádání je při tom provedeno tak, aby délka dráhy způsobená pohonem, kterou je nutno přenést, byla kratší než rozměr a. Pružný prvek 16 se stlačí o něco méně, než činí rozměr a, přičemž na něj působí tlak. Přitom může být uspořádání prvků takové, aby reakční síla vyvinutá pružným prvkem 16 působící na objímku 14 a na licí píst byla dostatečně veliká na to, aby v roztaveném kovu způsobila dodatečný tlak o velikosti 7 až 8 tun (70 až 80 kN).

0 ·· 00 • · · • · · · ·

Obrázek 2 ukazuje, že k regulaci počtu otáček a velikosti kroutivého momentu elektromotoru 1 regulátorem 20 je pro licí píst určena nastavená poloha 21, která se porovnává s okamžitou polohou 22, která se odečítá na výstupu pohonu. K regulátoru 20 je kromě toho přiváděna hodnota požadovaného počtu otáček a požadovaná velikost kroutivého momentu. Z toho plynoucí požadovaný počet otáček 24 je, pomocí zde blíže nespecifikovaného digitálního nebo analogového regulátoru počtu otáček a velikosti kroutivého momentu, přiváděn k motoru 1, a okamžitý počet otáček 25 a okamžitá velikost kroutivého momentu vede známým způsobem k přísunu roztaveného kovu (plnicí proces), například ve třech známých plnicích fázích. Při dosažení okamžité pozice (22), při které dochází k plnění formy, dojde způsobem shora uvedeným k přepojení na regulaci kroutivého momentu, a to jenom do toho okamžiku, ve kterém je dosažena zadaná hodnota zpoždění, kdy se ke kroutivému momentu připojí kmity.

Obrázek 3 ukazuje průběh lisovacího procesu v jednotlivých etapách. V obrázku 3 je na vodorovné ose vynesena doba trvání plnicího procesu a na svislé ose jednak rychlost pístu v a dále tlak p v roztaveném kovu vyvinutý pístem pohybujícím se vpřed. Na obrázku 3 probíhá v prvním časovém úseku ohraničeném přímkou 26 plnicí fáze nejdříve ve třech nebo i více rozdílných rychlostech, přičemž poté nastává v časovém rozmezí vyznačeném přímkami 26 a 27 výrazné stoupání rychlosti pístu a rychlosti plnění. Od okamžiku na přímce 27 a dále probíhá plnicí proces vysokou rychlostí, přičemž nutně stoupá odpovídajícím způsobem také tlak p, aby krátce před koncovým nárůstem při naplněné formě, kdy se rychlost pístu v opět snižuje k nule, vzrostla na koncovou hodnotu.

Obr. 3 ukazuje, že při dosažení určité předeni dané hodnoty zpoždění V_z = 0,1 m/s rychlosti pístu a plnicí rychlosti (která klesá z rychlosti asi 1,2 m/s) bude tlaku vyvozovanému lisovací jednotkou (obr. 1) během prvního okamžiku ti nadloženo kmitání takovým způsobem, že vznikne tlak pulzující o hodnotu Δρ, jehož maximální hodnota se rovná původně dosaženému koncovému tlaku. Naproti tomu ve druhém časovém okamžiku t₂ se tlak zvýší o hodnotu Δρ proti původně dosaženému koncovému tlaku a na této hodnotě zůstane, ale přitom pokračuje kmitání.

Toto opatření vede k tomu, jak již bylo uvedeno na počátku, že při naplněné formě dochází v napojení mezi dutinou formy a nátrubkem stroje pro tlakové lití s teplou komorou, ale i v celém prostoru vyplněném roztaveném kovu, v průběhu časových okamžiků ti a t₂, k tlakovému kmitání. To vede k tomu, že i v nejužším průřezu napojení, který je ve vtočku, dochází v tomto okamžiku k tlakovým vibracím, které zabraňují tomu, aby zde roztavený kov předčasně ztuhl, čímž by uzavřela přístup do dutiny formy. Zvýšení tlaku, k němuž dojde v průběhu okamžiku t₂, může proto ještě působit na celou dutinu formy a na roztavený kov uvnitř. V této době je roztavený kov v tzv. semisolidním stavu, a díky předmětu vynálezu je možné zde dosáhnout nej vyššího zhutnění. V této fázi se již na vnějších obrysech odlitků ve formě nevytváří výronky. Díky kmitání tlaku o hodnotu Δρ působí tlak vyvíjený pístem na roztavený kov způsobem podobným bucharu, což se

00 • · 0 ·0 · • 0 · 0 0 ·

0 0 0 0

0 0 0 0 0 0

přenáší i na kov ve formě, který se tak může zhutnit více než při obvyklém postupu tlakového lití s teplou komorou. Ukázalo se, že novým způsobem lze docílit tlakově litých dílů, jejichž hustota, pevnost a pórovitost odpovídá součástem, které byly doposud vyrobitelné jen tlakovým litím se studenou komorou.

Postup podle předmětu vynálezu je vysvětlen prostřednictvím příkladu realizace, kde lisovací jednotka je ovládána elektrickým servomotorem. U podobných strojů se servopohonem lze na konci plnicího procesu zadat bod zabrzdění. Lze tak zabránit vzniku tlakových špiček, ke kterým může docházet, jak již bylo zmíněno na začátku, na konci nebrzděného plnicího procesu. Rychlost plnění se tedy před koncem plnění formy sníží, takže díky tomuto opatření lze vyrábět díly bez výronků. Tento bod zabrzdění, jemuž odpovídá i zadané zpoždění, lze považovat za počáteční bod tlakových kmitů.

Lze si ovšem docela dobře představit, že u strojů pro tlakové lití s teplou komorou se vstřikováním hydraulicky poháněným pístem se hydraulika po dokončení plnění formy uvede do odpovídajícího kmitání, takže i u takovýchto lisovacích jednotek lze předmět vynálezu uplatnit. Konečně je možné si také představit, že zvláštními zařízeními se cíleně vyvolají kmity v napojení a v oblasti vtočku v rozhodující fázi po naplnění formy, aby se zabránilo tzv. „zamrznutí“ roztaveného kovu v napojení. Pulzující tlakové vstřikování pomocí vstřikovacího pístu by pak nebylo nutné.

Představená realizace nového postupu lití pomocí lisovací jednotky se vstřikovacím pístem poháněným elektromotorem je velmi snadno realizovatelná, protože stačí

•	• * •	•	tt	• ·· • · · ·	•	« · •	• ·
•	•	•	• ·	• ·	♦	•
•
•	•	•	•	• ·	•	♦
	• ·		• ·	• · · · ♦ · ·		• ·	• ♦

použít vhodný software pro řízení pomocí elektronického počítače, který se pak při přepnutí na řízení kroutívého momentu použije v okamžiku vysvětleném v obr. 3 k zavedení kmitání.

₄ A partneři ¹²⁰ 00 Praha ₂, Hálkova 2 Česká republika

Claims (10)

1. PATENTOVÉNÁROKY

   1. Způsob provozování zařízení pro tlakové lití s teplou komorou, přičemž roztavený kov z licího zásobníku se přes svislý kanálek, nátrubek a vtoček vtlačuje do formy, vyznačený tím, že na konci plnění formy se alespoň vnejužším průřezu vtočku vytvoří tlakové kmity, které zabrání roztavenému kovu v rychlém ztuhnutí.
2. 2. Způsob podle nároku 1, při kterém se licí píst pohybuje v průběhu lisování ve vhodných fázích plnění formy a na konci průběhu plnění vyvozuje maximální vstřikovací tlak, vyznačený tím, že licí píst na konci průběhu lisování vstřikuje s pulzujícím tlakem (Δρ).
3. 3. Způsob podle nároku 2 s licím pístem poháněným pomocí elektromotoru (1), vyznačený tím, že pulzující tlak se získá sečtením kmitů s náhonem.
4. 4. Způsob podle nároku 3 vyznačený tím, že kmity mají kmitočet asi 300 Hz a zadané zpoždění (V_z) rychlosti licího pístu.
5. 5. Způsob podle nároku 2 vyznačený tím, že tlak (p) se oproti maximálnímu licímu tlaku (p_max) pulzně zvýší nebo sníží.
6. 6. Způsob podle nároku 5 vyznačený tím, že tlak (p) se v závěrečné fázi se v průběhu prvního krátkého okamžiku (tj) sníží a v průběhu druhého krátkého okamžiku (t₂) zvýší, a to dříve, než dojde k plnému ztuhnutí roztaveného kovu.
7. 7. Zařízení pro tlakové lití s teplou komorou pro provádění způsobu podle některého z nároků 1 až 6 s náhonem licího pístu a zařízením pro jeho řízení vyznačené tím, že náhon licího pístu (1) je vybaven pulzačním zařízením • A ·· · ·· ·· • A · A·· A A AA

   AA··· A · A · ···· A A ·· • A ·· ··· ···· ·· A připojitelným v závěrečné fázi průběhu plnění (t_F), jehož kmity působí na hřídel (10) náhonu licího pístu.
8. 8. Zařízení pro tlakové lití s teplou komorou podle nároku 7 s licím pístem poháněným elektromotorem vyznačené tím, že pulzační zařízení se skládá z elektrického servopohonu (1) a řídicího zařízení pro jeho ovládání (20).
9. 9. Zařízení pro tlakové lití s teplou komorou podle nároku 8 vyznačené tím, že řídicí zařízení (20) je elektronický počítač ve formě víceparametrického regulátoru (20) vybavený vhodně dimenzovaným softwarem.
10. 10. Zařízení pro tlakové lití s teplou komorou podle nároku 8 vyznačené tím, že servopohon (1) je realizován bezkomutátorovým elektromotorem s nízkým momentem setrvačnosti.