PL199828B1 - Sposób eksploatacji gorącokomorowej ciśnieniowej maszyny odlewniczej i gorącokomorowa ciśnieniowa maszyna odlewnicza - Google Patents

Abstract

Przedmiotem wynalazku jest sposób pracy gor acokomorowej maszyny ci snieniowej, w którym po nape lnieniu formy przynajmniej w najw ezszym przekroju przylaczenia mi edzy otworem ci snienio- wym oraz ko ncówk a i form a wytwarza si e drgania ci snienia, które utrudniaj a szybkie zastygni ecie p lynnego metalu. W ten sposób jest mo zliwe zwi ekszenie nacisku na p lynny metal w formie. PL PL PL PL

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest sposób eksploatacji gorącokomorowej ciśnieniowej maszyny odlewniczej i gorącokomorowa ciśnieniowa maszyna odlewnicza.

W sposobie gorącokomorowego odlewania ciekły metal tłoczy się do formy za pomocą zbiornika odlewniczego i tłoka ciśnieniowego. Zbiornik odlewniczy i tłok ciśnieniowy znajdują się nieprzerwanie w kąpieli metalowej. Podczas ruchu tłoka, a także na końcu ruchu tłoka, zależnie od temperatury ciekłego metalu powstają straty między pierścieniami tłoka i otworem zbiornika odlewniczego. Dlatego w sposobie gorącokomorowym przy rozlewaniu cynku, który posiada temperaturę kąpieli metalowej około 420°C, na końcu procesu napełniania może być wytwarzane ciśnienie metalu wynoszące około 300 x 10⁵ Pa. Przy odlewaniu ciśnieniowym magnezu o temperaturze kąpieli metalowej wynoszącej około 650°C, również na końcu procesu napełniania może być osiągane ciśnienie metalu tylko około 250 x 10⁵ Pa. Są także znane sposoby zimnokomorowego odlewania ciśnieniowego (niemiecki dokument patentowy nr DE 29 22 914 C2), w których fazy napełniania formy przebiegają w podobny sposób, jak w sposobie gorącokomorowego odlewania ciśnieniowego. W sposobie odlewania zimnokomorowego, w którym zbiornik odlewniczy i tłok ciśnieniowy nie znajdują się w ciekłym metalu, jest możliwe powstawanie wyższych ciśnień końcowych rzędu wielkości od 400 x 10⁵ Pa do 700 x 10⁵ Pa. Oznacza to, że w sposobie zimnokomorowego odlewania, z powodu wysokiego ciśnienia metalu jest możliwe wytwarzanie części o większej gęstości. To z kolei oznacza mniejszą porowatość odlewu ciśnieniowego, wyższe wartości wytrzymałości i wydłużenia oraz większe gęstości powierzchniowe.

W sposobie gorącokomorowego odlewania ciśnieniowego proces napełniania formy trwa około 7 ms do 20 ms. Na końcu procesu napełniania, jak już wspomniano, wytwarza się największe ciśnienie wtrysku. To ciśnienie wtrysku poprzez przyłączenie oddziałuje na metal znajdujący się już we wnęce formy. Ponieważ szerokość przyłączenia jest zależna od grubości ścianki i jakości powierzchni części oraz obróbki końcowej i najmniejsza grubość ścianki przyłączenia jest grubością wlewu doprowadzającego, ciekły metal krzepnie najpierw w tym miejscu. Wskutek tego przyłączenie jest odgrodzone od wnęki formy i nacisk wytwarzany przez tłok ciśnieniowy nie może już działać lub nie działa już w pełni. Dla wyjaśnienia należy zwrócić uwagę na to, że najmniejsza grubość ścianki wlewu doprowadzającego, na przykład dla części odlewanych z cynku wynosi 0,3 mm do 0,6 mm i dla części odlewanych z magnezu od 0,4 mm do 0,8 mm. Dzięki chłodzeniu występującemu w tym obszarze, materiał krzepnie w tym miejscu stosunkowo szybko.

W opisie US 5560419 opisana jest zimnokomorowa ciś nieniowa maszyna odlewnicza i zwią zany z nią sposób eksploatacji, według którego, obydwie połówki formy, również przy zamkniętej formie są osiowo ruchome względem siebie, podczas gdy jedna połówka formy przeprowadzana jest przez otwór do innej połówki formy. Ciekły metal dostarczany jest do zamkniętej formy poprzez u góry leżący otwór, przez przelotowy środkowy otwór jednej połówki formy. Po dostarczeniu ciekłego metalu, hydrauliczny tłok ciśnieniowy mocowany jest na jednej z dwóch połówek formy i przestawiany na oscylacyjny ruch osiowy, aby wywierać na ciekły metal ciśnienie z wahaniem się jego wartości.

Przedmiotem wynalazku jest sposób eksploatacji gorącokomorowej ciśnieniowej maszyny odlewniczej, w którym ciekły metal ze zbiornika odlewniczego przez otwór ciśnieniowy, końcówkę i przyłączenie tłoczy się do formy.

Istota wynalazku polega na tym, że na końcu procesu napełniania formy, przynajmniej w najwęższym przekroju przyłączenia, wytwarza się drgania ciśnienia, które utrudniają szybkie krzepnięcie ciekłego metalu.

Korzystnie, ciśnienie może być zwiększone po określonym przedziale czasu za pomocą członu czasowego, przy czym pulsowanie zostaje utrzymane, także wtedy, gdy ciekły metal osiągnął tak zwaną fazę semisolidusu, w której występuje największe zagęszczenie. W tej fazie na zewnętrznych konturach odlewu ciśnieniowego nie tworzy się zalewka.

W sposobie, w którym wystę puje tłok ciśnieniowy poruszany za pomocą napędu elektrycznego, pulsujące ciśnienie może być wytworzone w wyniku nakładania się napędu z drganiami. Drgania te, korzystnie mogą mieć częstotliwość około 300 Hz i mogą być wprowadzone przy założonym wstępnie opóźnieniu prędkości tłoka ciśnieniowego. Prędkość tłoka ciśnieniowego można wyznaczyć zależnie od drogi tak, że nie sprawia żadnych problemów wyznaczenie momentu, w którym jest wymagane pulsujące ciśnienie.

PL 199 828 B1

W rozwiązaniu według wynalazku ciśnienie może być pulsacyjnie obniżone lub podwyższone w stosunku do największego ciśnienia wtrysku, przy czym jak już poprzednio zaznaczono, w fazie końcowej podczas pierwszego, krótkiego przedziału czasu ciśnienie obniża się i podczas drugiego przedziału czasu podwyższa się, zanim wystąpi całkowite zakrzepnięcie ciekłego metalu.

Przedmiotem wynalazku jest również gorącokomorowa odlewnicza maszyna ciśnieniowa, za pomocą której może być zastosowany nowy sposób. Ta gorącokomorowa maszyna ciśnieniowa posiada napęd tłoka ciśnieniowego i urządzenie sterujące do niego, i charakteryzuje się tym, że napęd tłoka ciśnieniowego jest przyporządkowany załączanemu w fazie końcowej procesu napełniania urządzeniu pulsacyjnemu, którego drgania oddziałują na oś napędu tłoka ciśnieniowego. Gdy napęd tłoka ciśnieniowego jest zaopatrzony w tłok ciśnieniowy napędzany silnikiem elektrycznym, urządzenie pulsacyjne może składać się z siłownika elektrycznego i z oddziałującego na niego urządzenia sterującego, przy czym to urządzenie sterujące może być komputerem zarządzanym przez odpowiednio przystosowane oprogramowanie. Sam siłownik może być bezszczotkowym silnikiem elektrycznym o niewielkim momencie zamachowym.

W wyniku zastosowania sposobu według wynalazku, mimo niższych ciśnień końcowych w procesie gorącokomorowego odlewania ciśnieniowego, można uzyskać odlewy ciśnieniowe, które posiadają takie same właściwości, jak te, które zostały wytworzone w procesie zimnokomorowym.

Dzięki wahaniu ciśnienia uzyskuje się ruch ciekłego metalu, co powoduje, że wcześniej wspomniany przekrój wlewu doprowadzającego o małej grubości ścianki nie krzepnie zbyt szybko. W ten sposób ciśnienie może dłużej oddziaływać na metal znajdujący się w formie i tym samym również przeciwdziałać zależnemu od objętości, kurczeniu się ciekłego metalu.

Dzięki drganiom, które mogą być wywołane ze stosunkowo dużą częstotliwością, ciśnienie jest w pełni przenoszone na metal znajdujący się w formie. W ten sposób realizowane jest pewnego rodzaju jakby uderzanie młotkiem w napełnioną formę, które wywołuje końcowe zagęszczenie materiału.

Konstrukcja napędu tłoka maszyny według wynalazku zapobiega w dużej mierze następstwom oddziaływania sił bezwładności na tłok ciśnieniowy, które mogą być zmniejszone w znany sposób również dzięki pośredniemu włączeniu elementu sprężystego między silnik napędowy i tłok ciśnieniowy albo za pomocą sterowanego oddzielenia siłownika.

Przedmiot wynalazku w przykładzie wykonania jest uwidoczniony na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia schemat napędu tłoka ciśnieniowego z silnikiem elektrycznym i urządzeniem sterującym służącym do wytwarzania drgań, fig. 2 - schemat blokowy części agregatów sterujących i fig. 3 - wykres przebiegu zmian ciśnienia i objętości w procesie wtłaczania zgodnie ze sposobem według wynalazku.

Na fig. 1 przedstawiono agregat wtłaczający gorącokomorowej ciśnieniowej maszyny odlewniczej, służącej do przetwarzania ciekłych metali, która poza tym w znany sposób jest zaopatrzona w zbiornik odlewniczy umieszczony w ką pieli ciekł ego metalu, tł ok ciś nieniowy poruszany w nim za pomocą agregatu wtłaczającego i w otwór ciśnieniowy i w umieszczoną na jego końcach końcówkę. Podczas samego procesu odlewania ciekły metal również w znany sposób doprowadza się przez końcówkę do formy za pomocą przyłączenia.

W agregacie wtłaczają cym według fig. 1 jest przewidziany silnik elektryczny, na przykład silnik asynchroniczny albo także inna odmiana siłownika z nie przedstawioną bliżej przekładnią i częścią sprzęgającą 2, który wprawia w ruch obrotowy gwintowany trzpień 3. Gwintowany trzpień 3 jest prowadzony w uszczelnionej obudowie ochronnej 5. Na nim jest prowadzona nakrętka 4 współdziałająca z gwintem trzpienia 3, która za pomocą krzywki prowadzącej 6 wchodzi w rowek 7 wewnątrz obudowy 5 i dzię ki temu jest prowadzona w obudowie 5 w sposób uniemoż liwiają cy jej przekrę canie. Nakrę tka 4 za pomocą przedłużenia 8 obejmującego swobodny koniec trzpienia 3 jest połączona z drążkiem przesuwnym 9, który z kolei jest uszczelniony w obudowie 5 i wystaje z niej na zewnątrz, a poza tym zaopatrzony jest w przedłużacz 10 o mniejszej średnicy. Na przedłużaczu 10 jest prowadzona pierwsza tarcza 11, która przylega do czujnika ciśnienia 12, który może być zrealizowany, na przykład w postaci elementu piezoelektrycznego. Ten czujnik ciś nienia 12 jest połączony za pomoc ą przewodu obwodu sygnalizacyjnego 13 z regulatorem wieloparametrowym 20, za pomocą którego jest regulowana prędkość obrotowa silnika.

Na przedłużaczu 10 jest ponadto przesuwnie ułożyskowana tuleja 14 z tarczą końcową 15, przy czym między tarczą końcową 15 i tarczą 11 przylegającą do czujnika ciśnienia 12 jest umieszczony element sprężysty w formie pierścienia z tworzywa sztucznego 16, przez który również jest przeprowadzony przedłużacz 10. Przy drugim zakończeniu, tuleja 14 jest zaopatrzona w końcówkę łączącą 17, służącą do połączenia z nie pokazanym tłokiem ciśnieniowym, przy czym swobodny koniec przedłu4

PL 199 828 B1 żacza 10 jest zaopatrzony w odsądzenie o większej średnicy, które podtrzymuje tuleję na przedłużaczu 10 i może służyć również do pewnego naprężenia wstępnego pierścienia z tworzywa sztucznego 16. To odsądzenie 18 jest oddalone od wewnętrznej powierzchni końcowej 19 tulei o odcinek a. Agregat wtłaczający jest wprawiany w ruch, gdy ciekły metal w znany sposób z tygla gorącokomorowej maszyny ciśnieniowej ma być wciskany do formy. Napęd elektryczny 1 trzpienia 3 jest uruchamiany za pomocą regulatora wieloparametrowego 20, co powoduje, że nakrętka 4 z pokazanego położenia porusza się po powierzchni trzpienia 3, w kierunku do dołu i przy tym naciska w dół również na drążek przesuwny 9, z prędkością niezbędną dla procesu napełnienia formy odlewniczej.

Gdy forma jest napełniona, wtedy napęd obrotowy trzpienia 3 musi zostać przełączony z regulacji prędkości na regulację momentu obrotowego. Aby zapobiec temu, że tłok ciśnieniowy, w tym przypadku uwarunkowany przez zależny od masy moment bezwładności napędu, nadal naciska na nieściśliwy ciekły metal znajdujący się w formie i wskutek tego w mechanizmie napędowym występują niepożądane wartości szczytowe ciśnienia, które mogą prowadzić do uszkodzenia, jest przewidziany element sprężysty 16, który ulega ściśnięciu i kompensuje przesunięcie, które w przeciwnym razie musiałby dodatkowo pokonać tłok ciśnieniowy.

Układ jest dobrany w ten sposób, że droga pokonywana nadal przez napęd jest mniejsza niż wymiar a. Element sprężysty 16 ulega ściśnięciu o wymiar nieznacznie mniejszy niż wymiar a i jest naprężony. Układ może być wybrany w ten sposób, że siła reakcji wywierana wtedy przez element sprężysty 16 na tuleję 14 i na tłok ciśnieniowy jest dostatecznie duża, aby w wyniku działania siły, na przykład rzędu wielkości od 70 do 80 kN wywołać wymagany nacisk w ciekłym metalu.

Na fig. 2 pokazano, że do regulacji prędkości obrotowej i momentu obrotowego silnika elektrycznego 1 dla tłoka ciśnieniowego jest zadawana do regulatora 20 pozycja żądana 21, która jest porównywana z pozycją rzeczywistą, odbieraną na wyjściu napędu. Do regulatora 20 jest wprowadzona ponadto wartość wymaganej prędkości i wymaganego momentu obrotowego. Wynikająca z tego wartość wymaganej prędkości obrotowej 24 jest wprowadzona do nie przedstawionego dokładniej układu cyfrowej albo analogowej regulacji prędkości obrotowej i regulacji momentu obrotowego silnika 1 a zastosowanie rzeczywistej prędkości obrotowej 25 i rzeczywistego momentu obrotowego prowadzi następnie w znany sposób do doprowadzenia ciekłego materiału (proces napełniania), na przykład w trzech znanych fazach napeł niania formy. Przy osią gnię ciu pozycji rzeczywistej 22, w której forma jest napełniana, następuje w objaśniony wcześniej sposób przełączenie na regulację momentu obrotowego i teraz od tego momentu do momentu, w którym prędkość tłoka ciśnieniowego osiągnie założoną wartość opóźnienia, na moment obrotowy nakładane są drgania.

Na fig. 3 pokazano, jak odbywa się ten proces wtłaczania. Na fig. 3 na odciętej układu współrzędnych jest naniesiony czas napełniania formy i na rzędnej układu współrzędnych z fig. 3 pokazano nie tylko prędkość tłoka v, lecz również ciśnienie wytworzone w ciekłym metalu przez poruszany do przodu tłok ciśnieniowy, tak że w pierwszym okresie, aż do okresu oznaczonego za pomocą linii 26, faza napełniania następuje początkowo z trzema lub kilkoma różnymi prędkościami, przy czym między chwilą zaznaczoną za pomocą linii 26, a z chwilą zaznaczoną za pomocą linii 27 ma miejsce znaczne zwiększenie prędkości tłoka i prędkości napełniania. Od chwili odpowiadającej linii 27 następuje proces napełniania formy o czasie trwania tF. Ten proces napełniania następuje z dużą prędkością, co wymusza że odpowiednio wzrasta również ciśnienie p, aby krótko przed wzrostem końcowym przy napełnionej formie, gdy prędkość tłoka v zmniejsza się do zera, jeszcze raz wzrosnąć do ciś nienia koń cowego.

Na fig. 3 pokazano teraz, że po osiągnięciu wynoszącej 0,1 m na sekundę (opadającej od wartości około 1,2 m na sekundę) określonej założonej wartości opóźnienia Vz prędkości tłoka i prędkości napełniania, ciśnienie wywierane przez agregat wtłaczający podczas pierwszego przedziału czasu t1 nakłada się na drgania, tak że jest ustawione ciśnienie pulsujące o wartość Dp, którego maksymalna wartość odpowiada osiągniętemu początkowo ciśnieniu końcowemu. Natomiast w drugim przedziale czasu t2 ciśnienie zwiększa się o wartość Dp w stosunku do pierwotnego ciśnienia końcowego i zostaje poddane wyzwolonym drganiom.

Jak już wspomniano na wstępie ten zabieg powoduje, że przy napełnionej formie, w przyłączeniu między wnęką formy i końcówką gorącokomorowej ciśnieniowej maszyny odlewniczej, ale również w całej przestrzeni zajętej przez ciekły metal podczas okresów t1 i t2 występują wahania ciśnienia. Prowadzi to do tego, że również w najwęższym przekroju przyłączenia, który występuje we wlewie doprowadzającym do tego momentu występuje pulsujące ciśnienie, które zapobiega przedwczesnemu zakrzepnięciu ciekłego metalu a zatem zamknięciu połączenia z wnęką formy. Podwyższenie ciśnienia powstające podczas okresu t2 może wpływać nadal na całą wnękę formy i na znajdujący się tam ciekły

PL 199 828 B1 metal. Do tego momentu ciekły metal znajduje się w tak zwanej fazie semisolidusu i dzięki wynalazkowi jest możliwe uzyskanie największego zagęszczenia. W ten sposób w tej fazie na zewnętrznych konturach odlewu ciśnieniowego nie tworzy się zalewka. Dzięki drganiom o wartość Dp ciśnienie wywierane przez tłok ciśnieniowy na ciekły metal jest przenoszone jako działanie młotkowe na znajdujący się w formie metal, który dzięki temu może być jeszcze bardziej zagęszczony niż przy zwykłym procesie gorącokomorowego odlewania ciśnieniowego. Okazało się, że za pomocą nowego sposobu można uzyskać odlewy ciśnieniowe, których gęstość, wytrzymałość i porowatość odpowiadają tym, które wcześniej można było wytwarzać tylko w zimnokomorowym procesie odlewania ciśnieniowego.

Sposób według wynalazku został objaśniony za pomocą jednego przykładu wykonania, w którym agregat wtłaczający jest napędzany przez elektryczny siłownik. W takich maszynach sterowanych za pomocą siłownika jest możliwe ustalenie z góry momentu hamowania na końcu procesu napełniania. Dzięki temu można zapobiec występowaniu szczytowych wartości ciśnienia, które - jak już również wspomniano na wstępie - mogłyby powstać na końcu nie hamowanego procesu napełniania. Prędkość napełniania zmniejsza się więc przed zakończeniem napełniania formy w ten sposób, że przy użyciu tego środka części mogą być produkowane bez zalewki. Ten moment hamowania, w którym występuje założone opóźnienie, może być przewidziany jako moment startu dla drgań ciśnienia.

Ale jest również zupełnie możliwe, że w gorącokomorowych ciśnieniowych maszynach odlewniczych z tłokiem ciśnieniowym napędzanym hydraulicznie, układ hydrauliczny jest poddawany wahaniom ciśnienia, co powoduje, że wynalazek jest realizowany także za pomocą takich agregatów wtłaczających. Wreszcie jest także możliwe, że w przyłączeniu i we wlewie doprowadzającym, w decydującej fazie po napełnieniu formy, za pomocą osobnych urządzeń celowo są wzbudzane drgania, aby także w tym przypadku nie dopuścić w przyłączeniu do tak zwanego „zamarzania”, czyli krzepnięcia ciekłego metalu. Napędzanie tłoka ciśnieniowego pulsującym ciśnieniem nie byłoby wtedy konieczne.

Przedstawione zastosowanie nowego sposobu odlewania w agregacie wtłaczającym z tłokiem ciśnieniowym napędzanym silnikiem elektrycznym jest rzeczywiście bardzo łatwe do realizacji, ponieważ wystarczy dysponować odpowiednim oprogramowaniem do sterowania za pomocą komputera, który w momencie objaśnionym za pomocą fig. 3, przy przełączeniu na sterowanie momentem obrotowym wywoła pożądane drgania.

Claims (10)

1. Sposób eksploatacji gorącokomorowej ciśnieniowej maszyny odlewniczej, w którym ciekły metal ze zbiornika odlewniczego przez otwór ciśnieniowy, końcówkę i przyłączenie tłoczy się do formy, znamienny tym, że na końcu procesu napełniania formy przynajmniej w najwęższym przekroju przyłączenia wytwarza się drgania ciśnienia, które utrudniają szybkie zakrzepnięcie ciekłego metalu.

2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że gdy tłok ciśnieniowy podczas procesu wtłaczania w odpowiednich fazach napełniania formy i na końcu procesu napełniania zasila się największym ciśnieniem wtrysku, tłok ciśnieniowy na końcu procesu napełniania zasila się pulsującym ciśnieniem (Dp).

3. Sposób według zastrz. 2, znamienny tym, że w przypadku maszyny z tłokiem ciśnieniowym napędzanym napędem elektrycznym (1), pulsujące ciśnienie wytwarza się dzięki nakładaniu się napędu na drgania.

4. Sposób według zastrz. 3, znamienny tym, że drgania następują z częstotliwością około 300 Hz i wprowadza się założone wstępnie opóźnienie (Vz) prę dkoś ci tłoka ciśnieniowego.

5. Sposób według zastrz. 2, znamienny tym, że ciśnienie (p) obniża się albo podwyższa pulsując w stosunku do największego ciśnienia wtrysku (pmax).

6. Sposób według zastrz. 5, znamienny tym, że ciśnienie (p) w fazie końcowej podczas pierwszego krótkiego przedziału czasu (t1) obniża się, a podwyższa się podczas drugiego przedziału czasu (t2), zanim wystąpi zupełne zakrzepnięcie ciekłego metalu.

7. Gorącokomorowa ciśnieniowa maszyna odlewnicza, posiadająca zbiornik odlewniczy, wyposażony w otwór ciśnieniowy, końcówkę i przyłączenie, z napędem tłoka ciśnieniowego i urządzeniem sterującym, znamienna tym, że napędowi tłoka ciśnieniowego (1) jest przyporządkowane urządzenie pulsacyjne załączane w fazie końcowej procesu napełniania (tF), którego drgania oddziałują na oś napędu (10) tłoka ciśnieniowego.

PL 199 828 B1

8. Maszyna odlewnicza według zastrz. 7, znamienna tym, ż e w przypadku gdy zawiera tłok ciśnieniowy napędzany silnikiem elektrycznym, urządzenie pulsacyjne składa się z napędu w postaci elektrycznego siłownika (1) i z oddziałującego na niego urządzenia sterującego (20).

9. Maszyna odlewnicza wedł ug zastrz. 8, znamienna tym, ż e urzą dzenie sterujące (20) jest komputerem w formie regulatora wieloparametrowego (20) zarządzanym przez odpowiednio przystosowane oprogramowanie.

10. Maszyna odlewnicza według zastrz. 8, znamienna tym, że siłownik (1) jest bezszczotkowym silnikiem elektrycznym o niewielkim momencie zamachowym.