SI24287A - Bat za hladno-komorno tlačno litje - Google Patents

Abstract

Predstavljen je bat za tlačno litje, ki je sestavljen iz telesa in glave in je zasnovan za učinkovitejše hlajenje. Bat je tehnično izpopolnjena stroškovno ugodna alternativa za standardne bate iz bakrove zlitine, ki se običajno uporabljajo v livarski industriji.

Description

BAT ZA HLADNO-KOMORNE TLAČNO-LIVNE SISTEME

Izumitelji:

Boštjan Taljat, Matjaž Meglič, Gregor Mali, Aleš Brili

Predmet izuma je livarski bat pomemben zaradi enostavnosti konstrukcijske izvedbe, ki omogoča zmanjšanje celotnih stroškov bata v primerjavi s standardnimi bati, ohranja oziroma izboljšuje možnosti obnove in zagotavlja polno fleksibilnost za izbiro želene učinkovitosti hlajenja, tudi bistveno višje v primerjavi s standardnimi bati.

OPIS IZUMA

Stanje tehnike In opis izuma

Predstavljeni bat za tlačno litje je uporaben pri hladno komornem tlačnem litju aluminijevih in magnezijevih zlitin, kakor tudi pri drugih industrijskih aplikacijah. Bat, ki je predmet tega izuma je uporaben za številne aplikacije, vendar ta predstavitev obravnava predvsem uporabo v procesu hladno komornega tlačnega litja.

Pri hladno komornem litju se komora napolni z raztaljeno kovino, ki jo bat, nameščen na batnici, potisne v orodje. Talina se v orodju strdi in oblikuje ulitek z zahtevano geometrijo. V tem primeru gre predvsem za raztaljeni aluminij in magnezij, ki se predelujeta pri razmeroma visokih temperaturah. V tem delu ni podajanih podrobnejših opisov procesa tlačnega litja ali specifičnih tehničnih značilnosti komponent livarskega sistema, ki jih je mogoče najti drugje.

Komponente livarskega sistema, ki so v neposrednem stiku z raztaljeno kovino, so izpostavljene velikim toplotnim obremenitvam. Bat mora talino potisniti v orodje in vzpostaviti dovolj visok tlak, da talina napolni orodje in se strdi brez poroznosti. Bat, še posebno njegova sprednja površina, je izpostavljen velikim toplotnim in mehanskim obremenitvam. Toplotne obremenitve nastanejo zaradi neposrednega stika bata z raztaljeno kovino, mehanske obremenitve pa so posledica velikega tlaka na sprednji površini bata v končnih fazah cikla litja. Optimalno hlajenje bata je zato ključnega pomena za zagotavljanje najboljše kakovosti ulitkov in izboljševanje učinkovitosti proizvodnje.

Za optimalno hlajenje bata je treba določiti intenzivnost hlajenja posameznih delov bata v odvisnosti od časa cikla, s ciljem doseganja maksimalne kakovosti ulitka in najkrajšega možnega časa proizvodnega cikla. Moč hlajenja je odvisna od vrste neodvisnih spremenljivk, ki jih je mogoče upravljati. Določi se enostavno kot zmnožek specifične toplote, masnega pretoka in razlike temperatur hladilne tekočine (HT) na dovodu in odvodu. Specifična toplota je odvisna od izbora HT, medtem ko masni pretok in dovodno temperaturo določa nastavitev enote za pripravo HT. Na odvodno temperaturo HT neposredno vpliva učinkovitost hlajenja bata, ki je parameter zasnove in materiala bata. Hladilna moč bata je torej odvisna od učinkovitosti hlajenja bata, specifične toplote in masnega pretoka HT ter dovodne temperature HT. Ta hladilna moč je enaka toplotni energiji, ki se v časovni enoti prenese iz taline (TA) na HT.

Učinkovitost hlajenja bata je torej njegova sposobnost, da prenaša toplotno energijo iz TA na HT, in je neposredno odvisna od konstrukcije bata in uporabljenih materialov. Izraziti jo je mogoče kot razmerje med dejanskim in največjim možnim prenosom toplote iz TA na HT pri dani dovodni temperaturi HT in pretoku.

Prenos toplote iz TA na HT je v splošnem določen s: (i) temperaturno razliko med čelno površino bata in TA, površino čela bata in pripadajočim koeficientom prenosa toplote, (ii) temperaturno razliko med čelno površino bata in notranjo površino bata, pripadajočo razdaljo in koeficientom toplotne prevodnosti (KTP) materiala bata, • · · ter (iii) temperaturno razliko med notranjo površino bata in HT, notranjo površino bata in pripadajočim koeficientom prenosa toplote (KPT).

Učinkovitost hlajenja bata je mogoče izboljšati z iskanjem nove konstrukcije bata, ki jo opredeljujejo naslednji neodvisni parametri: (i) notranja površina bata, (ii) debelina glave bata, (iii) KTP in (iv) KPT. KTP je neposredno odvisen od izbire materiala glave bata, KPT pa je določen s kakovostjo notranje površine bata. Notranja površina bata in debelina glave bata izhajata iz konstrukcije bata. Učinkovitost hlajenja bata lahko torej izboljšamo tako, da izberemo največjo možno notranjo površino in najmanjšo možno debelino glave bata, ki jo izdelamo iz materiala z visoko toplotno prevodnostjo.

Intenzivno hlajenje batov je ugodno za doseganje krajših proizvodnih ciklov in izboljšanje produktivnosti, povzroči pa lahko tudi prezgodnje strjevanje taline še pred vstopom v orodje in negativno vpliva na zmogljivost litja in kakovost ulitkov. Hlajenje bata je zato potrebno optimirati preko celotnega cikla litja.

Livarska industrija uporablja pretežno standardne enodelne bate iz bakrovih zlitin z notranjim hlajenjem (Slika 2b). Bakrove zlitine se uporabljajo zaradi visoke toplotne prevodnosti, ki omogoča dober prenos toplote iz taline na hladilno tekočino, dobrih drsnih lastnosti in zadovoljivega tesnjenja med batom in steno komore tudi brez dodatnih tesnilnih obročkov. Takšni bati pa so zaradi visoke cene bakrovih zlitin razmeroma dragi. Za znižanje stroškov se običajno uporablja enostavna in cenena obnova batov. Ko se obrabi površina bata, ki je v stiku s komoro, se bat bodisi postruži na manjši premer ali pa se obnovi z navarjanjem in struženjem na začetni premer. Bate je odvisno od konstrukcije mogoče obnoviti tudi večkrat. Standardni bati se uporabljajo pri maloserijski proizvodnji, pri manjših premerih batov in na splošno za manj zahtevne livarske aplikacije.

Za izboljšanje batov za litje se uporabljajo različne tehnične rešitve, ki so usmerjene v izboljšanje hlajenja oziroma toplotne regulacije batov, tesnjenja ter podaljšanje življenjske dobe z uporabo obrabnih delov, ki jih je mogoče zamenjati. Takšni bati so kompleksne več delne izvedbe, ki se uporabljajo za večje premere batov, za zahtevnejše livarske aplikacije v velikoserijski proizvodnji.

Standardni bati pa bodo kljub temu obdržali svoje mesto v enostavnejši in maloserijski proizvodnji. Predstavljeni izum zadeva izboljšanje učinkovitosti hlajenja standardnih batov in njihove stroškovne učinkovitosti z:

uveljavitvijo inovativnih tehničnih rešitev, ki bistveno izboljšajo učinkovitost hlajenja glave bata, optimizacijo konstrukcije bata, ki omogoča uporabo cenejših materialov, hkrati pa izboljšuje učinkovitost hlajenja in možnost obnavljanja v primerjavi s standardnimi bati.

Rešitev, ki je opisana v nadaljevanju besedila, izpolnjuje vse prej omenjene zahteve. Slike 1 do 4 prikazujejo konstrukcijsko rešitev novega bata in pojasnijo izum.

Opis slik

Slika 1: Risba novega bata za tlačno litje z izboljšano učinkovitostjo hlajenja in stroškovno učinkovitostjo.

Slika 2: Primerjava med (a) novim batom, ki je predmet tega izuma, in (b) standardnim batom.

Slika 3: T-t diagram prikazuje izboljšano učinkovitost hlajenja novega bata: (a) standardni jekleni bat, (b) standardni bat iz bakrove zlitine, (c) novi bat za tlačno litje z razmerjem Ac/A_f enakim standardnemu batu (v obeh primerih Ac/A_f = 0,3), (d) novi bat za tlačno litje z razmerjem Ac/A_f = 1,4.

Slika 4: Dimenzije bata pomembne za obnovo.

Podroben opis izuma

Na Sliki 1 je prikazan nov sestav bata in batnice s posebej označenim telesom bata (1), glavo bata (2) ter dodatnim vodilnim oz. tesnilnim obročem (3). Površina glave bata, ki je v stiku s talino, je označena z A_f, površina notranje stene glave bata v stiku s hladilno tekočino pa je označena z A_c. Telo in glava bata sta lahko sestavljena tako, da je možno razstavljanje in menjava glave bata, lahko tudi z navojno zvezo (4), ali pa sta v nerazstavljivi zvezi. Izum ne omejuje izvedbe zveze med telesom in glavo bata. Sestav telesa in glave bata

2>

mora biti opremljen s primernimi varnostnimi elementi, stik med telesom in glavo bata (5) pa mora biti absolutno tesen. V livarski industriji je razširjen sestav bata in batnice (6), ki je prikazan na Sliki 1.

Batnica (7) ima notranji prehod ali središčno odprtino (8), skozi katero se bat oskrbuje s HT. Dovod HT je lahko izveden na različne načine. V središčno odprtino batnice je mogoče namestiti dve ločeni cevi, eno za dovod HT do bata in drugo za odvod HT. Na Sliki 1 je razviden uveljavljen sistem z eno cevjo (9), ki je vgrajena v središčno odprtino. Cev je manjšega premera od središčne odprtine in se uporablja za dovod hladilne tekočine (10), vračanje pa poteka po prostoru med notranjo steno batnice in srednjo cevjo (11). HT vstopa v bat skozi dovodno cev, se pretaka po notranji površini čela bata in odteka skozi središčno odprtino.

Primerjava izuma in standardnega bata pokaže, da ima novi bat izboljšano stroškovno učinkovitost in učinkovitost hlajenja, hkrati pa ohranja možnosti obnavljanja. Slika 2 prikazuje primerjavo novega bata za litje (Slika 2a) in standardnega bata (Slika 2b). Glava bata (2) se izdela posebej in nato pritrdi na telo (1), pri čemer je zveza lahko nerazstavljiva ali razstavljiva. Površina A„ ki je ključna za prenos toplotne energije med TA, oziroma batom, in HT, je lahko bistveno večja kot pri standardnem batu, Δ?, kar izboljšuje učinkovitost hlajenja bata. Glava bata ima v tem primeru dve funkciji: (i) skrbi za drsenje in tesnjenje med batom in komoro kot pri standardnem batu, in (ii) prenaša toploto med TA in HT.

Predlagana izvedba ima naslednje prednosti:

Učinkovitost hlajenja bata se v primerjavi s standardnim batom občutno izboljša, saj se poveča površina bata, ki je v stiku s HT (A_c > A_c ^s) in jo je mogoče enostavno izdelati z ustrezno geometrijo notranje strani glave bata. Glava bata se mehansko obdela še pred sestavitvijo s telesom.

Možnost izbire različnih materialov za telo in glavo bata. Glava je lahko narejena iz bakrove zlitine kot pri standardnih batih, telo pa iz nizko legiranega jekla. Pri izdelavi batov so tako omogočeni prihranki, zlasti pri batih večjega premera.

Bat je mogoče obnoviti z zamenjavo glave, ali pa obnoviti po enakem postopku kot pri standardnih batih, torej s struženjem na manjši premer ali z navarjanjem in struženjem na začetni premer.

Učinkovitost hlajenja bata je odvisna od uporabljenih materialov ter od notranje površine bata, A_c, ki je v stiku s hladilno tekočino. Večja površina A_c pri batu, ki je predmet izuma, je dosežena s posebno geometrijo na notranji strani glave bata. Slika 2(a) prikazuje rebra v obliki koncentričnih krogov. Rebra so lahko poljubnih oblik in geometrij prereza. Višina rebra h_r je največja pri h_{r max} = l_x - hi in glava bata je v tem primeru izdelana iz diska s premera D in debeline Ij. Rebra zagotavljajo glavi bata tudi mehansko trdnost, saj so v stiku s hladilno tekočino in so zato hladnejša od ostanka glave bata (njihova temperatura je približno enaka temperaturi HT). Zato je mogoče bodisi: (i) zmanjšati h! _min ob nespremenjenem d_c, ali pa (ii) povečati d_c ob nespremenjenem h₂ min·

Pri izbranem materialu glave bata je učinkovitost hlajenja mogoče izraziti tudi kot funkcijo Ac/A_f. Koeficient je uporaben za neposredno primerjavo učinkovitosti hlajenja batov različnih konstrukcijskih rešitev in dimenzij. To razmerje je pri malih in velikih batih 0,2 oz. 0,4. Pri batu, ki je predmet tega izuma, se razmerje poveča kar za petkrat, Ac/A_f torej doseže vrednost do 1,0 pri batih manjšega premera in do 1,5 pri batih večjega premera.

Slika 3 prikazuje temperaturo T_MM na srednjici pod čelno površino bata, normalizirano s temperaturo TA, kot funkcijo časa t v enem ciklu litja t_c za: (a) standarden jekleni bat, (b) standarden bat iz bakrove litine, (c) novi bat za tlačno litje z razmerjem Ac/Af, enakim kot pri standardnem batu (Ac/A_f = 0,3), in (d) novi bat za tlačno litje z razmerjem A_c/A_f = 1,4. Novi bat je bil za namene te študije izdelan iz nizko legiranega jekla (telo) in bakrove zlitine (glava). Rezultati kažejo, da je standardni jekleni bat najmanj učinkovit pri prenosu toplote iz TA na HT (krivulja a). Temperatura pod čelno površino takšnega bata je med celotnim ciklom višja kot pri drugih batih. Standardni bat iz bakrove zlitine ima nižjo temperaturo kot novi bat z enako geometrijo (glej krivulji b in c). Razlog je v tem, da je prenos toplote iz površine A_f na cilindrični del telesa bata in iz telesa na HT boljši pri standardnem batu iz bakrove zlitine kot pri novem batu z jeklenim telesom. Slednje velja zaradi dejstva, da notranjo površino bata A_c, kjer se toplota prenaša na HT sestavljata notranja površina čela bata in del notranje površine cilindrične stranske stene bata, skupaj A_c ^s. Konstrukcija novega bata omogoča izdelavo bistveno večje površine A_c kot je skupna površina bata v kontaktu s HT pri standardnem batu (a/), tako da v tem primeru postane opisani prenos toplote na HT preko notranje cilindrične stene zanemarljiv. Bat je torej mogoče zasnovati za bistveno boljšo učinkovitost hlajenja in skrajšanje cikla litja v primerjavi s standardnim batom (krivulja d). V območju med krivuljama c in d na Sliki 3 je učinkovitost hlajenja novega bata mogoče poljubno izbirati praktično brez dodatnih izdelovalnih stroškov.

Na Sliki 4 so prikazane dimenzije bata, ki so pomembne za obnovo. Ta bat je mogoče obnoviti na tri različne načine: (i) z zamenjavo glave bata kot kritičnega dela, ki je podvržen obrabi, eroziji, termičnemu utrujanju in drugim lomnim mehanizmom, (ii) s postruženjem bata na manjši premer, in (iii) s postruženjem in navarjanjem bata na začetni premer. Debelina sprednje stene bata hi_min je določena z odpornostjo materiala proti toplotnim in mehanskim obremenitvam v tlačni fazi cikla litja. Sprednja stena bata je lahko debelejša, hi, da se omogoči več obnov bata, vendar pa se tako zmanjša učinkovitost hlajenja. Če se bati postružijo na manjši premer, se debelina vodilnega obroča in razdalja od površine bata do zveze med glavo in telesom bata h_2max izbere na osnovi načrtovanega zmanjšanja premera bata. Premer bata se lahko v tem primeru zmanjša z začetnega premera D na najmanjši možni premer D_min.

Omeniti moramo, da zmanjšanje premera bata ob obnovi vpliva tako na spremembo parametrov livarskega stroja kot tudi na učinkovitost hlajenja bata, saj se ob obnovi spremeni razmerje Α,/Af. Prednostni način obnove je zato z postruženjem in navarjanjem na začetni premer.

Glava bata, ki je s steno komore v stiku na dolžini l₁₍ zagotavlja drsenje in tesnjenje. Za pravilno premočrtno gibanje bata v komori je na razdalji l₂ od glave bata nameščen vodilni obroč (3), ali je nameščenih več vodilnih obročev. Ta obroč zmanjšuje obrabo in podaljšuje dobo uporabnosti glave bata. Širina vodilnega obroča l₃ mora biti dovolj velika za dobro vodenje bata. Obroč iz bakrove zlitine se lahko privari v utor na telesu bata. Izum ne omejuje tehnologije izdelave vodilnih obročev niti uporabljenih materialov.

Predstavljeni livarski bat je pomemben zaradi enostavnosti konstrukcijske izvedbe, ki omogoča zmanjšanje celotnih stroškov bata v primerjavi s standardnimi bati, ohranja oziroma izboljšuje možnosti obnove in zagotavlja polno fleksibilnost za izbiro želene učinkovitosti hlajenja, tudi bistveno višje v primerjavi s standardnimi bati.

Claims (10)

1. PATENTNI ZAHTEVKI (1) Bat, ki s premočrtnim gibanjem po centralni izvrtini livarske komore tlačno-livnega stroja potiska talino iz livarske komore v orodje ali kokilo in vključuje:

   zunanjo cilindrično površino obrnjeno proti notranji površini livarske komore, s čelno površino (A_f) v kontaktu z kovinsko talino (TA), in odprtino ali drugo geometrijsko obliko na zadnjem delu bata za njegovo pritrditev;

   in je značilen po tem:

   da je bat sestavljen iz telesa bata, glave bata in vodilnega obroča, da je telo bata (1) z zunanjo cilindrično površino v kontaktu z livno komoro, cilindrično centralno izvrtino s površino v kontaktu s hladilno tekočino in z batnico, mehanizmoma za pritrditev telesa bata na batnico in za pritrditev glave bata na telo bata, ki sta lahko navoj, vendar nista izključno omejena na navoj;

   da je glava bata (2) z zunanjo cilindrično površino v kontaktu po svoji višini (IJ z livarsko komoro, čelno površino (A_f) v kontaktu s kovinsko talino, zadnjo površino (5) v kontaktu s telesom bata, notranjo površino (A_c) v kontaktu s hladilno tekočino, in mehanizmom za pritrditev glave bata na telo bata, ki vključuje, vendar ni izključno omejen na navoj;

   da je notranja površina glave bata (A_c) ravnina z dodanimi posebnimi geometrijskimi elementi, ki vsebujejo, vendar niso izključno omejeni na rebra pravokotnega prereza v obliki enega ali več koncentričnih krogov ali v obliki spiral;

   da je vodilni obroč (3) z zunanjo cilindrično površino v kontaktu z livarsko komoro in pozicioniran na nasprotni strani telesa bata glede na položaj glave bata;

   da je vodilni obroč (3) cilindrični element pritrjen na zunanjo cilindrično površino telesa bata, ali je izdelan s postopkom, ki lahko vključuje tehnologijo varjenja, vendar ni izključno omejen na tehnologijo varjenja;
2. (2) Bat po zahtevku 1 značilen po tem, da je notranja površina glave bata:

   ravnina omejena s krogom premera d_c, ki je manjši, enak, ali večji od premera na katerem je izdelan mehanizem za pritrditev telesa bata na batnico;

   poljubna tri-dimenzijska površina omejena z višino glave bata l_x, in konstruirana nad ravnino omejeno s krogom premera d_c;

   poljubna tri-dimenzijska površina brez omejitve višine, in konstruirana nad ravnino omejeno s krogom premera d_c.
3. (3) Bat po zahtevku 2 značilen po tem, da je premer ravnine (d_c) in/ali oblika tri-dimenzijske površine določena z zahtevano hladilno učinkovitostjo bata, ki zavisi od razmerja notranje površine glave bata (A_c) proti površini čela bata (A_f).
4. (4) Bat po katerem koli predhodnem zahtevku značilen po tem: da je pritrjen na batnico;

   da pride hladilna tekočina, ki priteče iz dovodne cevi ali prehoda v batnici v neposredni kontakt z notranjo površino glave bata (A_e);

   da je pri določanju oblike notranje površine glave bata, ki določa zahtevano hladilno učinkovitost bata, upoštevan tudi vpliv oblike in usmerjenosti masnega pretoka hladilne tekočine;

   da hladilna tekočina, po tem ko je bila v kontaktu z notranjo površino glave bata, odteče nazaj v odtočno cev ali prehod v batnici.
5. (5) Bat po katerem koli predhodnem zahtevku značilen po tem, da je glava bata pritrjena na telo bata z mehanizmom, ki je po mehanskih karakteristikah primeren za to aplikacijo, omogoča tesnenje med glavo v · bata in telesom bata, omogoča demontažo glave bata od telesa bata, in vključuje navojno zvezo ali bajonetno zvezo, vendar ni izključno omejen na navedena tipa zveze.
6. (6) Bat po zahtevku 1 do 4 značilen po tem, da je glava bata trajno, brez možnosti demontaže, pritrjena na telo bata.
7. (7) Bat po zahtevku 5 in 6 značilen po tem, da je mehanizem za pritrditev glave bata na telo bata izdelan tako, da zmanjšanje premera bata (D) na manjši premer (D_min) ne vpliva na integriteto mehanizma ali zmanjša njegovo sposobnost tesnenja.
8. (8) Bat po katerem koli predhodnem zahtevku značilen po tem, da sta glava bata in/ali vodilni obroč izdelana iz različnega materiala od telesa bata.
9. (9) Bat po katerem koli predhodnem zahtevku značilen po tem, da je na telo bata pritrjen več kot en vodilni obroč.
10. (10) Bat po zahtevku 1 in 8 značilen po tem, da bat nima vodilnega obroča.