SI8410444A8 - Combined kernel for casting cylinders of grey cast iron for air cooled internal combustion motors - Google Patents

Description

PODROČJE TEHNIKE, V KATERO SPADA IZUM

Področje tehnike, v katero spada Izum so kombinirana jedra s hladilno pušo, ki so namenjena za ulivanje valjev iz sive litine za zračno hlajene motorje z notranjim zgorevanjem. Predvidena uvrstitev predmeta Izuma po MKP je B 22C 9/10, B 22C 9/28. Izum se nanaša na kombinirano jedro za ulivanje valjev iz sive litine za zračno hlajene motorje z notranjim zgorevanjem, ki obsega z zunanjo prevleko Iz poroznega proti ognju odpornega materiala opremljenega kovinskega hladilnega telesa z radialnimi kanali za odvod plinov.

TEHNIČNI PROBLEM

Glede na pomanjkljivosti do sedaj znanih kovinskih jeder za ulivanje motornih valjev - ki so v tem, da hladilna masa jedra izpolnjuje v bistvu celotni volumen izvrtlne ulitka, kar onemogoča pravilno dozirani odvzem toplote na notranji strani valja, da velika teža hladilnega jedra vpliva na deformacijo ulitka, da je zunanji porozni sloj na kovinskem Jedru izredno občutljiv na poškodbe, ker je slabo sprijet s kovinsko površino jedra, da so odvodni kanali za pline Izvedeni z malim premerom In se hitro zamašijo, kar povzroča nastajanje lunkerjev v ulitku motornem valju - In da prt poškodbi tankega, zunanjega plašča porozne prevleke hladilnega valja lahko pride do vdora taline v odvodne kanale za pline, kar ne povzroči samo zamašitev kanalov za odvod plinov temveč tudi vdor taline v notranji prostor hladilnega jedra In končno je pomanjkljivost teh znanih masivnih kovinskih hladilnih Jeder tudi v tem, da niso primerni za sodobno hitro in velikoserijsko proizvodnjo, pri nadaljnjih do sedaj znanih rešitvah kovinskega hladilnega Jedra Izoblikovanega kot spodaj zaprta cev, ki Ima znotraj prevleko Iz livarskega peska, pri čemer se notranjost ogreva s talino litega železa, Je pomanjkljivost v tem,d a ne obstoji možnost kompenzacije pri krčenju ulitega motornega valja In da ni možnosti odvoda plinov, prav tako pa tudi ta znana Izvedba ne omogoča serijsko izdelavo teh hladilnih jeder v strojih za izdelavo jeder, razen tega je pri vseh do sedaj znanih rešitvah težko ali celo nemogoče izvlečenje Jeder brez njihovega poškodovanja - se pred Izumitelja postavlja tehnični problem s kakšnimi konstrukcijskimi ukrepi ustvariti kombinirano jedro s hladilnikom kovinskim telesom, ki bo sposobno za hitro Izdelavo na strojih za izdelavo Jeder in ki bo lahko večkrat uporabljeno (tudi do 1000-krat).

STANJE TEHNIKE

Znano je tovrstno kombinirano jedro Iz nemške patentne prijave DE-PS 550 955, ki obsega jedro iz masivnega kovinskega dela s središčno skoznjo Izvrtlno in Iz te izvrtlne izhajajočimi stranskimi kanali za odvod plinov, pri čemer je jedro za zunanji strani opremljeno z žlebovi in prevlečeno s slojem iz proti ognju odpornega poroznega materiala. Pri tej znani rešitvi Je očitno, da zaradi praktično masivnega hladilnega jedra to ne bo moglo odvzet! točno določeno dozirano količino toplote, kajti znano je, da Je pri ohlajevanju odlitka (motornega valja) na notranji površini motornega valja potrebno doseči drugačne razmere ohlajevanja kot v njegovih zunanjih hladilnih rebrih. Glede na dejstvo, da hladilna masa jedra zapolnjuje v bistvu v celoti volumen izvrtlne motornega valja predhodno obrazloženega kontroliranega odvzematoplote iz ulitka (motornega valja) ni mogoče doseči. Nadaljnja pomanjkljivost te znane rešitve je velika teža hladilnega Jedra, kar privede do deformacije kalupa in prevelikih notranjih napetosti v ulitku. Zunanji porozni sloj Jedra se zelo lahko poškoduje, ker je njegova sprljemnost na zunanji površini jedra slaba. To hladilno jedro tudi ni primerno za večkratno uporabo. Glede na dejstvo, da se že pri enkratni uporabi takega jedra kanali za odvod plinov zamašijo pri ponovni uporabi Jedra, zaradi preprečenja odvajanja plinov, nastanejo lunkerjl v odlitku (ulitem motornem valju). Pri poškodovanju tanke zunanje prevleke Jedra lahko pride do vdora taline v kanale za odvod plinov, ki se pri tem ne samo zamašijo temveč dopustijo, da talina vdre v notranji prostor hladilnega jedra in ga popolnoma preplavi. Razen tega znana izvedba hladilnega jedra ni primerna za hitro serijsko proizvodnjo v strojih za izdelavo jeder.

Kot je znano se kalupi za livanje motornih valjev izdelujo po postopku Croning, dočim so se jedra namenjena za oblikovanje izvrtlne valja do sedaj Izdelovala po tako Imenovanem CronlngCO₂ (hot box) oold box-postupku ali Iz oljnih mešanic.

Znano ja tudi, da so hladilna jedra izdelovali z uporabo jeklenih kroglic, pri čemer je tako izvedbo hladilnih jeder mogoče Izdelati le ročno. Pomanjkljivost teh znanih hladilnih Jeder Je tudi v tem, da je Izredno težko doseči enakomerno porazdelitev hladilnih Jeklenih kroglic v samem jedru.

Nadalje je znana hladilna puša po nemškem patentu DE-PS 444-490. Pri tej znani rešitvi je uporabljena na spodnjem koncu zaprta kovinska cev kot neposredno hlajenje za ulitek motornega valja. Znotraj je na spodnjem koncu zaprta cev obdana s prevleko iz livarskega peska kajti hladilno kovinsko cev je pri tem načinu ulivanja motornih valjev potrebno segreti z ulitjem taline sive litine v votlino hladilnega jedra. Pomanjkljivost te znane rešitve je v tem, da ne daje možnosti kompenzacije skrčenja ulitka na kovinskem jedru In odvajanja plinov. Nadaljnja pomanjkljivost te znane hladilne puše, uporabljene v hladilnih jedrih za ulivanje cilindrov motorjev z notranjim zgorevanjem, je tudi v tem, da je pri serijskem ulivanju zelo zahtevno ulivanje taline v jedro za ogrevanje jedra in da to ni ekonomično.

OPIS REŠITVE TEHNIČNEGA PROBLEMA S PRIMERI IZVEDBE TER SEZNAMOM SLIK

Glede na predhodno obravnavani tehnični problem Je njegova rešitev dosežena s kombiniranim Jedrom za ulivanje valjev Iz sive litine, za zračno hlajene motorje z notranjim zgorevanjem v smislu Izuma.

Kombinirano jedro v smislu Izuma obsega hladilno telo

43348 izoblikovano kot kovinska hladilna puša, ki je zunaj In znotraj preoblečeno z zunanjim in notranjim slojem Iz livarskega peska in veziva, pri čemer so odvodni kanali v hladilni puši zapolnjeni z livarskim peskom, ki izoblikuje peSčene vezne čepe, ki medsebojno povezujejo zunanji sloj livarskega peska z notranjim slojem livarskega peska.

Na ta način je kovinska hladilna puša v smislu izuma do sedaj prvič omogočila praktično poljubno večkratno uporabo (do 1000 kratno ponovno uporabo) hladilne puše. To je doseženo s tem, da je hladilna puša znotraj obdana z livarskim peskom tako, da imamo opravka praktično iz livarskega peska In veziva obstoječega peščenega jedra, pri čemer Je v njem položena kovinska hladilna puša. Peščeni vezni čepi med zunanjim In notranjim pečenim slojem kombiniranega jedra pri tem pripomorejo, da je tako notranji kakor tudi zunanji peščeni sloj trdno sprijet s kovinsko hladilno pušo.

Kombinirano jedro za ulivanje valjev iz sive litine za zračno hlajene motorje z notranjim zgorevanjem je primerno tudi za večje premere.

Pri uporabi kombiniranega jedra po izumu je zagotovljena prilagoditev na določena trdote (s hitrim toda ne prehitrim ohlajevanjem notranjega sloja motornega valja, pri čemer se ustvari struktura ulitka brez por in s popolnoma drugačno strukturo na področju hladilnih reber motornega valja. Sicer pojavljajoče se notranje napetosti se v kar največji meri odpravijo. Konstrukcija je lažja kot vse doslej znane tovrstne konstrukcije hladilnih jeder. Hladilni učinek kombiniranega jedra po Izumu je mogoče uravnavati z različno izbiro debeline stene hladilne puše, zagotovljena pa je tudi kar najhitrejša strojna izdelava takega kombiniranega jedra.

Na tem področju obstoječa zahteva, da mora biti ploskev izvrtlne valja izvedena kot drsna ploskev za bat, ki mora biti po eni strani brez por po drugi strani pa mora izkazovat! tako strukturo, ki poleg potrebnega mazanja z oljem, tudi s kvaliteto svoje strukture zagotavlja čim nižje koeficiente trenja med batom in valjem. Pri poteku strjevanja ulitka (valja motorja) Iz sive litine z močnim odvajanjem toplote se doseže zaželena perlitna struktura brez poroznosti. Pri ulivanju valjev motorja s pomočjo kombiniranega jedra po izumu se ne doseže samo intenzivno odvajanje toplote temveč tudi odlično odzračevanje pri ulivanju pri enakomernem hladilnem učinku preko celotne višine jedra. Razen tega kombiniramo jedro po Izumu omogoča strojno izdelavo jedra. Hladilna kovinska puša kombiniranega jedra po Izumu je lahko izdelana Iz sive litine ali iz jeklene litine in je opremljena z izvrtinami za odvod plinov pri ulivanju odlitka (valja motorja). Enakomeren hladilni učinek se doseže z zunanjo in notranjo preobleko hladilne kovinske puše s pomočjo livarskega peska. Strditev peščene preobleke kovinske hladilne puše kombiniranega jedra se izvrši s segrevanjem kombiniranega jedra ali s kemičnim postopkom.

Izum bomo podrobneje obrazložili na osnovi izvedbenih prierov in pripadajočih načrtov v katerih kaže

Sl, 1 livarski kalup z vstavljenim kombiniranim jedrom po Izumu z intenzivnimi hladilnimi lastnostmi, prikazan v vertikalnem prerezu,

Sl. 2 prečni presek kombiniranega jedra po izumu z intenzivnimi hladilnimi lastnostmi po črti H Iz sl. 3,

Sl. 3 vertikalni prerez kombiniranega jedra po izumu z intenzivnimi hladilnimi lastnostmi,

Sl. 4 kovinska hladilna puša kombiniranega jedra po izumu z Intenzivnimi hladilnimi lastnostmi,

Sl. 5 prerez po črti ll-ll iz sl. 4,

Sl. 6 vertikalni prerez Iz sive litine Izdelanega valja za zračno hlajene motorje z notranjim zgorevanjem po čvrtl V-V iz sl. 8,

Sl. 7 vertikalni prerez valja po črti VI-VI Iz sl. 8,

Sl. 8 tloris valja po sl. 6 In

Sl. 9 prerez po črti VI-IV Iz sl. 6.

Kot Je razvidno iz sl. 1 livarski kalup obsega masko 7, ki je nameščena v okviru kalupa, ploččata obodna jedra, ki pri ulivanju oblikujejo rebra valja in kombinirano jedro 2 po Izumu, ki obstoji iz hladilnega telesa H v vidu kovinske hladilne puše 2, z radialnimi kanali K, ki je znotraj In zunaj preoblečena s peščeno prevleko 6 iz livarskega peska, pri čemer je maska 7 položena in pozicionirana na točno določeno mesto. Jedro 2 oblikuje izvrtino valja 1 in poskrbi da se med strjevanjem ulitega valja 1 spričo kompaktne kovinske puše 2' na notranji steni valja opravi intenzivno odvajanje toplote, k! zagotovi nastajanje perlitne strukture valjeve stene v splošnem, zlasti pa v notranjem delu valjeve stene.

C sl. 2 in 3 je prikazano kombinirano jedro 2 po Izumu v prečnem in vertikalnem prerezu. Kombinirano jedro 2 obsega hladilno telo H izoblikovano kot kovinska hladilna puša 2', opremljena (sl. 4, 5) iz sive litine ali iz jeklene litine s skoznjimi radialno potekajočimi odvodnimi kanali 2 za plin. Ti odvodni kanali 2” za plin so razporejeni po celi kovinski hladilni puši 2’ po vzdolžni meri in po obodu hladilne puše 2' z enakomerni medsebojnimi razmaki. Kovinska hladilna puša 2' Je znotraj in zunaj preoblečena z notranjim peščenim slojem 6” in zunanjim peščenim slojem 6' s peščeno preobleko 6 iz livarskega peska in veziva, pri čemer peščena preobleka 6 zapolni tudi skoznje odvodne kanale 2 v steni hladilne puše 2’. V odvodnih kanalih 2 za plin nahajajoči se livarski pesek oblikuje neke vrste peščene čepe, ki tudi skozi odvodne kanale 2 za plin medsebojno povezujejo zunanji in notranji peščeni sloj 6' in 6

43348 peščene preobleke 6 (z livarskega peska In s tem povečajo sprijemnost peščene preobleke 6 na kovinski hladilni puši 2'. Za povečanje sprijemnosti in za zagotovitev obstojnosti jedrove peščene preobleke 6 se livarskemu pesku za peščeno preobleko 6 doda odgovarjajoča vezna sredstva, ki omogočajo strditev peščene preobleke 6 bodisi s segrevanjem ali na kemični način.

V si. 4 in 5 je prikazana kovinska hladiina puša 2' kombiniranega jedra 2 v vertikalnem In prečnem prerezu, pri čemer so posebno dobro razvidne skozi steno puše 2’ potekajoči odvodni kanali 2. Ti kanali 2” so namreč vzdolž dolžine hladilne kovinske puše 2’ In po njenem obodu razporejeni z enakomernimi medsebojnimi razmaki kar omogoča dobro odvajanje plinov med potekom ulivanja.

Hladiina kovinska puša 2' s tem zagotavlja poleg Intenzivnega hlajenja tudi z odvajanjem plinov Iz še ne strjene taline stenske mase valja 1 (glej sl. 1) dobro kvaliteto, homogenost In gostoto stene valja 1 motorja.

Pri izdelavi kombiniranih jeder 2, prikazanih v sl. 2 in 3, po izumu, vložimo hladilno kovinsko pušo 2' v pripravo, (ki ni predmet pričujoče patentne prijave), kjer se centrira, nakar se v pripravo vpiha livarski pesek, ki vsebuje vezivo. Na ta način v pripravi za izdelovanje jeder na kovinski hladilni puši 2’ nastane pečena preobleka 6 z notranjim peščenim slojem 6 in zunanjim peščenim slojem 6', ki sta skozi skoznje odvodne kanale 2” za pline povezani s peskom, ki izpolni te kanale 2 in ustvari neke vrste peščene čepe, ki povezujejo notranji In zunanji peščeni sloj 6 in 6' obenem pa so prepustni za pline, ki nastajajo pri livanju. Kombinirano Jedro 2 po izumu se nato podvrže toplotni obdelavi ali kemični obdelavi, ki na njem utrdi peščeno prevleko 6.

Sl. 6 in 7 prikazujejo valje za zračno hlajene motorje v vertikalnem prerezu In v tlorisu oz. v prečnem prerezu. Iz navedenih slik so jasno razvidna posamezna področja valjev (stena valja oz. hladilna rebra), kjer je zahtevana različna struktura sive litine.

V sl. 8 In 9 je prikazan tloris oz. prečni prerez valja zračno hlajenega motorja po črti IV-IV iz sl. 8.

PRIMER

Pri livanju valjev Iz sive litine z lameilranlm profilom za zračno hlajene motorje Je v splošnem težko doseči zahtevane mehanske lastnosti, strukturo in plinotesnost valjev. Osnovni predpisi za sestavo sive litine so naslednji:

C> 3%

P-0,3% DO 0,45%

Cr 0,3 %

Vsebina ostalih kemičnih eiementov ni predpisana.

Trdota na čelni ploskvi na strani telesa valja naj bo 200 - 400 HB (HB 5/570) na steni valja pa mora biti dosežena minimalna trdota 190 HB (HB 5/570).

o

Minimalna natezna trdnost naj znaša 200 N/mm , pri nekaterih 2 valjih pa 250 N/mm .

Struktura valjeve stene na področju gibanja bata je naslednja: grafit 50 -100 % oblika A, velikost 4 - 6 0 - 50 % oblika B, velikost grafit D In E nista dopustna.

Osnovna struktura naj oblikuje lamelami perlit, ki naj ne vsebuje nobenega prostega cementita.

Prosti ferit je dovoljen do 3%, vendar pa mora biti enakomerno porazdeljen. Fosfidni eutektik naj se pojavlja porazdeljen v mreži.

Hladilna rebra naj se strdijo-,. jiva„ osnovna struktura sme v zunanji tretjini reber vsebovati prosti cementit. Prisotnost prostega ferita je dopustna.

Osnovni problem pri litju valja je, kako doseči predpisano strukturo in preprečiti poroznost. V splošnem so strukture in mehanske lastnosti ulitka iz sive litine odvisne od kemične sestave sive litine, debeline stene, modlfikacljskega sferolitskega učinka in hitrosti ohlajevanja ulitka. Pri ulivanju valjev je posebno težko doseči odgovarjajočo sturkturo hladilnih reber In strukturo notranje stene, ker so razlike debelin med navedenimi deli zelo velike in ker morajo imeti hladilna rebra valja „sivo„ strdilno strukturo (minimalno 2/3 dolžine reber), dočim naj ima stena valja perlitično strukturo In trdoto od 240 HB. Nadalje je sorazmerno težko doseči ulitek brez por, ker glede na obliko valja ni mogoče namestiti ustreznih napajalnikov.

Za vsak tip valja se v odvisnosti njegove oblike debeline stene in maso valja izbere odgovarjajoča sestava sive litine. Za valje z debelino stene od 10 do 30 mm in maso 3-30 kg ima siva litina naslednjo sestavo:

C = 3 - 3,5 %

Si = 1,6-2,2%

Mn =0,6-1,2%

P - 0,2-0,4%

S = 0,1%

Cr = 0,3 %

Za taljenje sive litine za ulivanje valjev se uporablja nizkofrekvenčna indukcijska talilna peč. Za ta namen so primerne tudi kupolke v kombinaciji z receptorji ali indukcijskimi pečmi.

Vložek je sestavljen iz surovega železa Jeklenih odpadkov, povratne sive litine, terozlltln za korekturo sestave litine in Iz

43348 dodatkov za ogljlčenje. Pri taljenju v indukcijskih pečeh se lahko uporabi vložek brez surovega železa. Talino segrejemo na 450°C nato se doda cepivo, k vsebuje Fe, Si, Ca, Zr in Mn, nakar se talina pri temperaturi 1330 do 1380°C ulije v kalupe po sl. 1. Ulita talina se na notranji steni izvrtine valja 1 s pomočjo kombiniranega jedra 2 po izumu z intenzivnim odvajanjem toplote močno ohladi, tako da se pri odgovarjajoči kemični sestavi sive litine doseže želena struktura z želenimi mehanskimi lastnostmi In z nepropustnostjo za pline.

Na intenzivnosti hlajenja s kombiniranim jedrom 2 se lahko vpliva z izbiro debeline peščene prevleke 6 na zunanjem obodu hladilne puše 2', t.j. z debelino peščenega sloja 6', k) se nahaja med talino in kovinsko hladilno pušo 2' - kakor tudi z izbiro velikosti mase kovinske hladilne puše 2'.

S temi ukrepi v smislu izuma se doseže, da stena valja v globini 8 do 10 mm nima nobene poroznosti In da ima stena valja zaželene mehanske lastnosti, hladilna rebra pa imajo na 2/3 svoje dolžine »sivo. strukturo.

Trdota, merjena na preseku valja v razmaku od 3 mm od, notranjega roba izvrtine valja je znašala 200 do 240 HB.

Natezna trdnost preizkusa na raztrganje iz valja je znašala 250 do 300 N/mm².

Struktura stene valja 3 mm od notranjega roba izvrtine:

- osnova perlit z manj kot 3 % ferita

- grafit 50 do 100 % oblike A, velikost 5-5 do 50% oblike B, velikost 5-6.

Uporaba kombiniranih jeder 2 s kovinskimi hladilnimi pušami 2' za izvrtine valjev 1 omogoča poleg doseganja tesnosti, zahtevanih mehanskih lastnosti in strukture valjev tudi prihranek pri količini peska za kalupe valjev 1 in zmanjšanje povratnega materiala ter strojno od človeškega faktorja neodvisno proizvodnjo Jeder 2.

Pri uporabi kombiniranega hladilnega jedra 2 za ulivanje valjev iz sive litine premerov 30 mm, 80 mm, 100 mm in 300 mm, so debeline stene hladilne puše 2' 6 mm, 12 mm, 15 mm in 18 mm za odzračevanje in povezovanje notranjega In zunanjega sloja 6” oz. 6' peska služeči kanali 2 pa imajo za zgoraj navedene dimenzije valjev premer^7mm, 10 mm, 10 mm in 15 mm, debelina zunanjega peščenega sloja 6' znaša 2,5 +, 0,5 mm, 3 _+ 1 mm, 3i 1 mm in 5 i 1 mm, debelina notranjega peščenega sloja 6 pa znaša za zgoraj navedene premere valjev 3_+ 1 mm, 5_j_ 1 mm, 5_+_ 1 mm In 8 +. 1 mm.

Kombinirano hladilno jedro 2 se uporablja za oblikovanje in dodatno pospešeno ohlajevanje lukenj valjev (posebej pri valjih z rebri). V isti namen se uporablja tudi pri drugih tovrstnih ulitkih.

Dimenzije kombiniranega hladilnega jedra 2 in hladilne puše 2' se določajo v odvisnosti od oblike in stene ulitka, da se zagotovijo zahtevana struktura materiala, mehanske lastnosti In testnostl ulitka.

Ta tehnologija se zelo uspešno uporablja v praksi pri ulivanju rebrastih valjev za zračno hlajene motorje in ulivanju zavornih valjev.

Claims (1)

1. Kombinirano jedro za ulivanje valjev iz sive litine za zračno hlajene motorje z notranjim zgorevanjem, obsegajoče z zunanjo prevleko 6 iz poroznih nezgorljivih snovi preoblečeno votlo hladilno telo H z radialnimi kanali K za odvod plinov, o z n a č e no s t e m, da hladilno telo (H) obsega kovinsko hladilno pušo (2’), ki je znotraj in zunaj prevlečena s preobleko (6) Iz livarskega peska in veziva, pri čemer so odvodni kanali (2) za plin izoblikovani kot peščeni vezni čepi, ki povezujejo zunanji peščeni sloj (6') z notranjim peščenim slojem (6).

   Pri realizaciji kombiniranega jedra za ulivanje valjev iz se litine za zračno hlajene motorje z notranjim zgorevanjem in realizaciji priprave za njegovo izdelavo je potrebno upoštevati naslednje izkušnje.

   Kombinirano jedro 2 je izdelano kot ulitek v obliki hladilne puše 2’ z radialno po obodu enakomerno razporejenimi kanali 2 za odvod plinov, kot material za izdelavo hladilne puše 2' se lahko uporabi siva litina ali jeklena litina. Hladilna' puša 2’ je zunaj in znotraj obdana s preobleko 6 iz livarskega peska, z notranjim peščenim slojem 6 in zunanjim peščenim slojem 6.