SK101194A3 - Method for producing heat treated metall parts, particularly vehicle wheels - Google Patents

Description

Spôsob výroby tepelne spracovaných kovových súčiastok, hlavne kolies vozidiel.

Oblasť techniky

Vynález sa všeobecne týka výroby súčiastok z liateho hliníku a hlavne zlepšeného spôsobu výroby liatych hliníkových kolies vozidiel.

Doterajší stav techniky

Pri výrobe výrobkov odlievaných z hliníkovej zliatiny, ako sú kolesa vozidiel, je všeobecne nutné, po počiatočnej operácii liatia, podrobiť odliatok radu krokov úpravy kovu, aby sä vyrobil odliatok, ktorý má požadované vlastnosti pokial ide o pevnosť v ťahu, pevnosť v šmyku, ťažnosť a medzu únavy. Tieto stupne zahrňujú: (1) proces homogenizácie (SHT) a (2) proces starnutia (tj. vytvrdzovania vylučovaním). Pri procese SHT je najprv odliatok z hliníkovej zliatiny ohriaty na teplotu okolo 1000 °F (538 ’C) po vopred stanovenú dobu, tak aby určité rozpustné zložky obsiahnuté v zliatine (ako je vytvrdzovacia zložka silicid horčíku Mg₂Si) sa rozpustili do tuhého roztoku. Odliatok je potom okamžite a rýchle ochladený (napríklad rýchlym ochladením vo vodnom kúpeli), aby udržal zložky v tuhom roztoku. Tým sa bráni rýchlemu vylučovaniu pridružených zložiek, ktoré by sa inak vyskytlo, keby bol odliatok ochladzovaný pomaly počas určitého teplotného rozsahu. Ďalej, počas procesu starnutia sú vytvrdzovacie zložky vylučované z roztoku riadeným spôsobom, aby sa vyrobil odliatok, ktorý bude mať požadované mechanické vlastnosti. Strnutie sa uskutočňuje buď prirodzene pri izbovej teplote po dobu aspoň 10 až 12 hodín, alebo môže byť starnutie urýchlené ohrievaním odliatku na zvýšenú teplotu počas kratšej doby (napríklad 450 °F /232 °C / po dobu 30 minút). Obvyklý spôsob výroby hliníkových kolies gravitačným liatím zahrňuje počiatočné odlievanie vhodnej, roztavenej hliníkovej zliatiny, ako je hliník A356, do formy cez jej vtokový kanál, až roztavená zliatina tečie smerom hore cez jeden alebo viacero naliatkov formy. Potom, čo roztavená zliatina úplne stuhla, odliatok sa vyberie z formy, pričom môže byť súčasne oddelený od vtokového kanálu (tj. časť odliatku, ktorá stuhla vo vtokovom kanále sa odreže) a rýchle ochladený vo vode na izbovú teplotu. Odliatok je potom oddelený od naliatkov formy tj. časti naliatkov odliatku sú odstránené) a podrobený roentgenovej kontrole, aby sa zistili zrejmé vady odliatku.

Ďalej sa skupina kolies (bežne medzi asi 70 až 350) naloží na stojany a podrobí sa po dávkach procesu homogenizácie. Proces homogenizácie po dávkach sa uskutočňuje umiestnením stojanov do veíkej, plynom vykurovanej alebo elektrickej odporovej pece, s núteným prúdením vzduchu. V konvekčnej peci sú odliatky ohriate na požadovanú teplotu (približne na 1 000 “F/538 °C) a sú ponechané pri tejto teplote po dobu asi 2 až 8 hodín. Po ohrievaní je dávka kolies okamžite rýchle ochladená vo vode. Po ochladení sú kolesá obrábané a vybavené náterom a/alebo bezfarebným povlakom, pričom počas tejto doby prirodzene starnú pri izbovej teplote.

Jeden z problémov, ktorý je spojený s hore uvedeným spôsobom výroby kolies z liateho hliníku, sa týka množstva práce vloženej do procesu, v dôsledku dlhej doby spracovania. Je známe, že akonáhle je odliatok ohriaty na správnu homogenizačnú teplotu, dôjde k náležitej homogenizácii, čo nastane počas asi päť minút. Avšak, pretože je počas procesu homogenizácie ohrievaný súčasne veľký počet kolies, je obtiažne udržať rovnomerné a rovnaké teploty u všetkých kolies. Tak, aby sa zaistilo, že všetky kolesá budú podrobené náležitému tepelnému spracovaniu, čas homogenizácie kolies predstavuje obvykle najmenej 2 hodiny.

Podlá opatrného odhadu, hore opísaná séria krokov spracovania kovu - počnúc odliatím kolesa, cez homogenizáciu a proces starnutia - vyžaduje aspoň 12 hodín pre výrobu kolies, a ak budeme realistickejší, skôr 24 hodín. Takže akákolvek vada na kolesách, ktorá sa väčšinou zistí až počas obrábania, nie je okamžite zistiteľná, dokiaľ je v procese veľký počet kolies. V dôsledku toho môže nastať situácia, že je vyrobený než sa zistí vada odliatku. Okochladzované na izbovú teplotu homogenizácii, je treba dalšiu energiu (a čas) pre nové ohriatie kolies až na určitú teplotu, ktorá je nevyhnutná pre homogenizáciu.

veľký počet kolies pred tým, rom toho, pretože sú kolesá pred tým, než sú podrobené

Iným spôsobom výroby odliatkov z hliníkovej zliatiny, napr. piestov, je spôsob opísaný v patentovom spise GB 390.244. Podľa spôsobu opísaného v tomto patentovom spise sa materiál hliníkovej zliatiny naleje do formy a je z formy vyňatý pri teplote nad 662 °F (350 “C). Odliatok sa okamžite umiestni do pece, kde je udržovaný pri špecifickej zvýšenej teplote v rozsahu od 778 do 968 ’F (420 až 520 ’C), a zostáva v peci po dobu medzi 10 až 30 minútami. Po ohriatí je odliatok rýchle ochladený vo vode, a potom bud prirodzene alebo umelo starne.

Ďalšie spôsoby výroby odlievaných predmetov z materiálu zliatiny hliníku sú uvedené v patentových spisoch USA čís. 4, 420.345 a 4,419.143. Podľa spôsobov uvedených v týchto patentoch sa zliatina hliník - kremík - horčík alebo zliatina hliník - kremík - med - horčík, obsahujúca 0,03 až 1,0 váhových percent antimónu, odleje do formy. Potom, čo odliatok úplne stuhol, ale predtým než teplota poklesne pod 842 °F (450 ’C), je umiestnený do ohrievacej pece a tu udržovaný pri špecifickej zvýšenej teplote v rozsahu od 896 do 1022 °F (480 až 550 ’C), po časové obdobie, ktoré je kratšie než 2 hodiny. Po ohriati je odliatok rýchle ochladený vo vode a potom podrobený umelému procesu starnutia pri špecifickej zvý4 senej teplote po dobu menej než 12 hodín.

Spôsoby, uvedené vo všetkých hore uvedených patentoch skracujú dobu homogenizácie predmetov z liateho hliníku, avšak nedovoľujú, aby odliatok bol ochladený pod určitú teplotu predtým, než sa iniciuje tepelné spracovanie. Avšak všetky tieto spôsoby ešte využívajú pece s núteným prúdením vzduchu pre homogenizáciu a/alebo umelé starnutie odliatkov. Medzi niektoré nedostatky pecí s núteným prúdením vzduchu patrí dlhá doba ohrievania pred tým, než sa dosiahne teplota procesu, obtiažnost dosiahnutia rovnomerného rozdelenia teploty, a niekdy aj premenlivá kvalita výrobkov.

Nedávno vzbudili pozornosť elektrické infračervené (IR) ohrievacie systémy pri určitých priemyslových aplikáciách. V rámci infračerveného ohrievacieho systému je výrobok ohrievaný generovaním vín elektromagnetického žiarenia, pri určitej frekvencii a intenzite, a usmerňovaním týchto vín na výrobok. Je zvolená určitá frekvencia (tj. dĺžka vlny) a intenzita podía určitých požiadaviek na ohrievanie výrobku. Zatiaí čo infračervené ohrievacie systémy sa používajú v rozmanitých priemyslových aplikáciách, sú hlavne používané pre sušenie a/alebo vytvrdzovanie výrobkov s vrstvami alebo tenkými filmami na povrchu týchto výrobkov.

Podstata vynálezu

Tento vynález sa týka spôsobu výroby tepelne spracovaných kovových súčiastok a hlavne zlepšeného spôsobu výroby kolies vozidel z liateho hliníku, kde namiesto používania konvekčnej pece s núteným prúdením vzduchu pre tepelné spracovanie kolies sa používa infračervený ohrievací systém, bud pri procese homogenizácie, alebo pri umelom starnutí kolies, alebo k obom účelom. Po počiatočnej operácii liatia je koleso udržované vo forme pokiaí jeho teplota dostatočne neklesne, aby sa zabránilo stredovej ťahovej deformácii a potom je koleso vyňaté z formy (okolo 800 °F /427 ’C). Potom je teda koleso vyňaté z formy a výhodne je oddelené od vtokového kanálu, načo ešte pred tým, než teplota kolesa poklesla k bodu, keď dochádza k dôležitému vylučovaniu vytvrdzovacích zložiek z roztoku, je iniciovaná homogenizácia. Táto teplota leží výhodne nad asi 700 °F (371 ’C). Obecne je doba, medzi vyňatím z formy a zahájením procesu homogenizácie, kratšia než asi 2 minúty.

Prvý infračervený ohrievací systém sa používa k homogenizácii kolesa. Prvý infračervený ohrievací systém rýchle ohrieva koleso na teplotu homogenizácie v rozsahu od 980 do 1025 ’F (526 až 552 ’C) a táto teplota sa udržuje po dobu 2 až 10 minút, aby zmizli zložky vytvrdzovania starnutím. Je výhodné, keď počas pôsobenia infračerveného ohrievacieho systému je koleso pootáčané. Infračervený ohrievací systém má rad oddelených ohrievacích staníc pre individuálny ohrev každého kolesa

Každá infračervená ohrievacia stanice obsahuje prostriedky pre sledovanie skutočnej teploty kolesa a ohrievanie kolesa v každej stanici je regulované podía monitorovanej teploty. Jeden spôsob regulácie zahrňuje sledovanie teploty kolesa počas počiatočného rýchleho ohrevu. Množstvo tepelnej energie dodávané kolesu sa znižuje, ak teplota kolesa dosahuje vopred stanovenej teploty v rozsahu teplôt homogenizácie. Iný spôsob regulácie zahrňuje meranie počiatočnej teploty kolesa. V závislosti na počiatočnej teplote kolesa sa stanoví doba počiatočného rýchleho ohrevu. Keď doba počiatočného ohrevu končí, je množstvo tepelnej energie dodávané kolesu znížené. A pre budúce použitie môžu byť teploty a doby ohrievania pre každé koleso zaznamenávané.

Ihneď po operácii ohrievania je koleso rýchle ochladené vo vode, aby sa zaistilo, že v podstate všetky zložky vytvr6 dzovania starnutím zostali v tuhom roztoku. Po operácii rýchleho ochladenia sa použije infračervený ohrievací systém, aby došlo k urýchlenému umelému starnutiu kolesa. Druhý infračervený ohrievací systém ohrieva koleso na teplotu v rozsahu od 400 do 500 °F (204 až 260 ’C) po dobu 2 až 10 minút. Je výhodné, keď je druhý infračervený ohrievací systém integrovaný s prvým infračerveným ohrievacím systémom a keď obsahuje oddelené ohrievacie stanice pre individuálny ohrev každého kolesa, ihneď potom čo koleso bolo rýchle ochladené. Po starnutí je koleso oddelené od naliatkov formy, obrobené a opatrené ochranným povlakom.

Tento spôsob zlepšuje výrobnú účinnosť bežne vyrábaných liatych kolies a umožňuje, aby koleso aj s povrchovou úpravou bolo dokončené za približne 30 až 60 minút po počiatočnej operácii liatia. Tak je množstvo práce vloženej do procesu podstatne znížené.

Iné výhody tohoto vynálezu budú zrejmé odborníkom z nasledujúceho podrobného opisu výhodného prevedenia spolu s výkresmi, ktoré ho sprevádzajú.

Prehľad obrázkov na výkrese

Obr. 1 je nárys odliatku kolesa z hliníkovej zliatiny (pohľad z jeho vonkajšej strany smerom dole), ktoré bolo vyrobené spôsobom podľa vynálezu.

Obr. 2 je bloková schéma a sú na nej uvedené kroky spôsobu podľa tohoto vynálezu.

Obr. 3 je graf zobrazujúci parametre času a teploty, podľa výhodného prevedenia podľa spôsobu vynálezu.

Obr. 4 je pohľad zhora na infračervený ohrievací systém, ktorý sa používa pri výrobe liatych hliníkových kolies podlá spôsobu podía tohoto vynálezu.

Obr. 5 je čiastočný rez vedený pozdĺž čiary 5 - 5 z obr. 4, ktorý zobrazuje jednu z individuálnych infračervených ohrievacích staníc.

Obr. 6 je schématický pohlad na iné prevedenie infračerveného ohrievacieho systému, ktorý môže byť použitý pri výrobe liatych hliníkových kolies spôsobom podía vynálezu.

Obr. 7 je infračerveného schématický pohíad na ďalšie, ohrievacieho systému.

iné prevedenie

Obr. 8 je bloková schéma regulačnej sústavy s uzavrenou spätnou väzbou pre ohrievací systém používaný pri výrobe kolies z liateho hliníku spôsobom podía vynálezu.

Obr. 9 je graf teplota/čas pre spôsob regulácie .uvedený na obr. 8.

Obr. 10 je bloková schéma pre iné prevedenie spôsobu regulácie uvedeného na obr. 8.

Obr. 11 je bloková schéma pre iné prevedenie spôsobu regulácie uvedeného na obr. 8.

Obr. 12 je bloková schéma pre spôsob regulácie s otvorenou slučkou pre ohrievací systém používaný pri výrobe kolies z liateho hliníku spôsobom podía vynálezu.

Obr. 13 je graf teplota/čas pre spôsob regulácie uvedený na obr. 12.

Obr. 14 je graf zobrazujúci funkčný vzťah medzi dobou počiatočného ohrevu kolesa a teplotou kolesa pre spôsob regulá8 cie uvedený na obr. 12.

Obr. 15 je bloková schéma pre iné prevedenie spôsobu regulácie uvedeného na obr. 14.

Obr. 16 je graf zobrazujúci funkčný vzťah medzi dobou počiatočného ohrevu kolesa a teplotou kolesa a hmotnosťou, pre spôsob regulácie uvedený na obr. 12.

Príklady uskutočnenia vynálezu

Na obr. 1 je zobrazený nárys vzorového kolesa vozidla vyrobeného gravitačným liatím z hliníkovej zliatiny. Na obrázkoch je toto koleso, ktoré môže byť vyrobené spôsobom podlá tohoto vynálezu, označované obecne vzťahovou značkou 10.. Pri gravitačnom liatí je roztavený hliník nalievaný do pripojenej formy (nie je zobrazená) pomocou kanálu, ktorý tvorí vtok 12 a tak, ako je dutina formy vyplňovaná, roztavený hliník tečie smerom nahor do stredového naliatku 13 a ráfkového (alebo bočného) naliatku 14. Zatial čo je vynález zobrazený a opísaný v spojitosti s kolesom vytvoreným metódou gravitačného liatia, môže byť vynález použitý aj spolu s inými spôsobmi liatia, ako je napríklad nízkotlakové, lisovanie, bez pórov, polotuhé a liatie pod tlakom. Pomocou týchto iných spôsobov by koleso mohlo byť odlievané bez vtoku .12 alebo naliatkov 13 a!4.

Pretože výkresy a opis ukazujú výrobu odliatku jedného kusu kolesa 10, vynález môže byť využitý k vytvoreniu len súčasti odliatku kolesa z niekoľkých kusov, ako napríklad stredovej hviezdicovej časti (nie je zobrazená), ktorá sa potom pripojí ku zvlášť vytvorenému ráfiku (nie je zobrazený), známym spôsobom pre vytvorenie kolesa v konečnej podobe, alebo aj k výrobe iných kovových súčiastok. Súčasťou odliatku môže byť tiež celá čelná stena kolesa, ktorá sa následne upevní na vytvorenú časť ráfiku. V tomto opise a nasledujúcich nárokoch sa používaný termín koleso, pričom tento termín zahrňuje nielen odliatok kolesa z jedného kusu, ale tiež súčasť odliatku kolesa z niekoľkých kusov.

Koleso 10 môže byť odliatok z hliníkovej zliatiny vhodnej k odlievaniu, akou je napríklad hliník A356. Tento typ hliníku obecne obsahuje približne (uvedené sú váhové percentá) 6,0 až 7,5 % kremíku, 0,25 až 0,45 % horčíku, okolo 0,20 % železa, okolo 0,20 % titanu, 0,008 až 0,04 % stroncia a zvyšok hliník. Termín zvyšok hliníku znamená, že obsahuje tiež zvyškové množstvá iných prvkov, ktoré môžu byť prítomné v materiále zliatiny, ako je napríklad mangán, med, vápnik, antimón, zinok, bárium, uhlík, zirkonium a sodík. Stroncium sa používa ako modifikátor liatia pre skrátenie doby požadovanej pre ohrievanie roztoku. Inými vhodnými zliatinami k odlievaniu sú hliník A333 alebo hliník A357, alebo horčík.

Pomocou obrázkov 2 a 3 bude teraz opísaný príklad konkrétneho prevedenia spôsobu podía vynálezu. Na začiatku, pri kroku 20 , sa roztavená hliníková zliatina pri teplote T-^ (asi 1300 “F/704 ’C) naleje do formy gravitačného typu (nie je zobrazená) v čase t_Q, pre vytvorenie odliatku, ktorý má zhruba požadovaný konečný tvar kolesa 10. Koleso 10 zostáva vo forme dokiaí jeho teplota dostatočne neklesla, aby sa zabránilo stredovej - ťahovej deformácii kolesa. Potom je koleso 10 vyňaté z formy (uvedené na obr. 3 ako teplota T₂ pri čase t_x) a je potom okamžite podrobené procesu homogenizácie, predtým než jeho teplota poklesne k bodu, ked nastáva dôležité vylučovanie vytvrdzovacích zložiek (uvedené ako teplota T₃ v čase t₂). Stredová - ťahová deformácia nastane, keď teplota kolesa dostatočne nepoklesla tak, aby sa umožnilo vyňatie kolesa z formy bez toho, aby došlo k deformácii jeho tvaru. Zatiaí čo sa konkrétna teplota môže meniť v závislosti na určitej konštrukcii odliatku, bolo zistené, že vo väčšine prípadov teplota T₂ vzorového kolesa 10, vytvoreného z hliní10 ku A356, musí poklesnúť asi pod 800 °F/427 ’C, aby sa zabránilo stredovej - ťahovej deformácii. V kroku 22, keď je koleso 10 vyňaté z formy, zostávajú vtok 12 a naliatky 13 a 14, uvedené na obr. 1, častou odliatku.

Potom, čo bolo koleso 10 vyňaté z formy, je výhodné odstrániť vtok v kroku 24 a potom začať s procesom homogenizácie (SHT) v kroku 26, čo možno najskôr potom, pred dôležitým vylučovaním zložiek vytvrdzovania starnutím (napr. Mg₂Si) v horúcom odliatku. Avšak, ako bude ďalej uvedené, homogenizácia kolesa 10 môže byt zahájená s vtokom 12, ktorý zostáva na kolese 10 a môže byť odstránený neskôr. V závislosti na konkrétnom percentuálnom obsahu horčíka a kremíka v kolese 10 je výhodné, aby teplota T₃ v čase t₂ nebola nižšia než asi 700 °F (371 °C) pred tým, než bol iniciovaný proces homogenizácie. Avšak v niektorých prípadoch môže teplota T₃ klesnúť až asi na 400 °F/204 “C a ešte je možné dosiahnuť uspokojivé výsledky. Aby sa udržala požadovaná teplota odliatku, je doba medzi vyňatím z formy v kroku 22 (v čase tj) a medzi iniciovaním procesu homogenizácie v kroku 26 (v čase t₂) kratšia než asi 2 minúty.

Podlá jedného znaku tohoto vynálezu sa v kroku 26 používa infračervený ohrievací systém, aby sa uskutočnila individuálna homogenizácia kolesa 10. V kroku 26 infračervený ohrievací systém na začiatku rýchle ohreje koleso 10 až na požadovanú teplotu T₄ v časovom intervale t₂ až t₃. Obecne je teplota T₄ v rozsahu od 980 do 1 025 °F (527 až 552 °C) a časový interval t₂ až t₃ je približne 1 až 4 minúty, v závislosti na počiatočnej teplote kolesa a na rýchlosti infračerveného ohrevu. Akonáhle koleso 10 dosiahlo požadovanú teplotu T₄, udržuje infračervený ohrievací systém koleso 10 na teplote T₄ po dobu časového intervalu t₃ až t₄, ktorý je asi 2 až 10 minút. Výhodne je pre koleso vyrábané z hliníku A356, teplota T₄ približne 1 000 °F (538 ’C), čas t₂ až t₃ je asi 1 až 2 minúty a časový interval t₃ až t₄ je približne 3 až 4 minúty.

Celková doba t₂ až t₄ je asi 5 minút.

Po dokončení homogenizácie v kroku 26 je koleso 10 ihneď prenesené do vodného kúpela v kroku 28 v rámci časového intervalu t₄ až t₅. Výhodne je doba medzi dokončením homogenizácie v kroku 26 a zahájením rýchleho ochladzovania v kroku 28 kratšia než 10 sekúnd. V kroku 28 je koleso 10 rýchle ochladené vo vodnom kúpeli a potom je podrobené zrýchlenému procesu umelého starnutia v kroku 30, v rámci časového intervalu t₅ až tg. Výhodne je časový interval t₅ až tg asi 45 sekúnd, tak aby celkový časový interval t₄ až t₆, ktorý znamená dobu medzi ukončením homogenizácie a zahájením umelého starnutia, bol približne 1 minúta. Vodný kúpe! je výhodne udržovaný na teplote v rozsahu od 120 do 220 ’F (48 až 104 ’C).

Podlá ešte ďalšieho charakteristického znaku tohoto vynálezu, potom čo bolo koleso 10 rýchle ochladené vo vodnom kúpeli v kroku 28, použije sa v kroku 30 infračervený ohrievací systém pre proces zrýchleného umelého starnutia. · K tomu dochádza výhodne okamžite po rýchlom ochladení v kroku 28. V kroku 30 najskôr infračervený ohrievací systém ohreje koleso 10 až na požadovanú teplotu starnutia Tg v časovom intervale t₆ až t₇ a potom udržuje koleso 10 na teplote T₅ po dobu t₇ až tg. Teplota Tg je v rozsahu od 400 do 500 ’F (204 až 260 ’C), časový interval tg až t₇ je približne 1 až 4 minúty, a časový interval t₇ až tg je približne 2 až 10 minút. S výhodou je teplota Tg asi okolo 450 °F/232 ’C, časový interval tg až t₇ je asi 1 až 2 minúty a časový interval t₇ až t_g je asi 3 až 4 minúty tak, aby celkový časový interval tg až tg bol okolo 5 minút.

Okamžite po procese umelého starnutia v kroku 30 je koleso 10 v kroku 32 rýchle ochladené vo vodnom kúpeli, aby bolo možné s kolesom normálne manipulovať. Po rýchlom ochladení môže byt koleso podrobené kontrole presvecovaním roentgenovými paprskmi v kroku 34, aby sa zistilo, či koleso 10 nevyka12 žuje zrejmé vady odliatku. Po kontrole presvecovaním roentgenovými paprskmi, ak u kolesa 10 neboli odstránené vtoky v kroku 24 ešte pred tým, než bolo koleso podrobené tepelnému spracovaniu roztoku v kroku 26., sú tieto vtoky 12 odstránené z odliatku v kroku 36. V kroku 38 sú potom z kolesa odstránené naliatky 13 a 14. V kroku 38 je koleso 10 obrobené do konečného požadovaného tvaru. Nakoniec v kroku 42 je koleso opatrené bezfarebným povlakom (a/alebo náterom) a tak je vyrobené koleso z liateho hliníku aj s povrchovou úpravou.

Vo výhodnom prevedení môže byt čast procesu - počnúc vyňatím kolesa 10 z formy v kroku 22 v čase t^, cez proces zrýchleného umelého starnutia kolesa 10 a rýchleho ochladenia v kroku 32 v čase t₈ - dokončená za menej než 30 minút a s výhodou za menej než 15 minút. Pretože obecne doba medzi krokom 30 a obrábaním v kroku 40 je kratšia než asi 30 minút, môže byt dokončené koleso, pripravené pre povrchovou úpravu, vyrobené za menej než 45 minút. Použitie infračervených ohrievacích systémov pre zaistenie ako homogenizácie, tak umelého starnutia výrazne znižuje dobu trvania celého procesu v porovnaní so spôsobmi podlá doterajšieho stavu techniky. V dôsledku toho môžu byt všetky závady kolesa zistené ešte pred tým, než je vyrobené velké množstvo kolies. Ďalej použití infračervených ohrievacích systémov umožňuje vyrobiť viac kolies z rovnakými a konzistentnými mechanickými vlastnosťami .

Na obr. 4 je uvedený príklad integrovaného infračerveného ohrievacieho systému, označeného všeobecne vzťahovou značkou 44, ktorý môže byť použitý ako pre homogenizáciu, tak pre umelé starnutie kolesa 10 odliateho z hliníkovej zliatiny. Ako je na tomto obrázku znázornené, je infračervený ohrievací systém 44 usporiadaný ako otáčajúci sa karusel, ktorý obsahuje stanice č. 1 až č. 12 pre spracovanie kolesa ,10. Systém 44 obsahuje otočnú jednotku (nie je zobrazená) pre jednotlivé, systémom vopred stanovenou rýchlosťou postupujúce kolesá. Ako bude ďalej uvedené, sú stanice č.1 až č.6 určené pre zaistenie homogenizácie kolesa 10., zatiaíčo stanice č. 8 až č. 12 pre zaistenie procesu zrýchleného umelého starnutia kolesa 10.

Na začiatku je na otočnú jednotku na stanici č.1 vložené jednotlivé koleso 10. Otočná jednotka sa otáča okolo osy A a ponecháva jednotlivé koleso na každej stanici po dobu približne 55 až 60 sekúnd, s dobou pootočenia z jednej stanice do ďalšej stanice menšou než 3 sekundy. Celý čas požadovaný pre priechod kolesa cez integrovaný infračervený ohrievací systém 44, tak aby koleso podstúpilo ako homogenizáciu, tak aj umelé starnutie, je kratší než 13 minút.

Každá zo staníc č.1 až č.6 a č.8 až č.12 je vybavená oddelenými prostriedkami pre snímanie skutočnej teploty kolesa na príslušnej stanici - teplotnými snímačmi £6. Bolo zistené, že je výhodné použiť jeden alebo viac optických pyrometrov na každej stanici, ako prostriedkov pre detekovanie skutočnej teploty kolesa. Každý teplotný snímač 46 generuje signál zodpovedajúci teplote kolesa 10 na príslušnej stanici. Teplotné signály sú spojené s riadiacou jednotkou 48, ktorá ako bude ďalej uvedené, umožňuje oddelenú reguláciu ohrievania kolesa na každej ohrievacej stanici. Na obr. 4 sú ohrievacími stanicami stanice č.2 až č.6 a č.8 až č.12 a sú vybavené ohrievacími pecami vysokej intenzity podobnými, ako sú tie, ktoré sú uvedené na obr. 5.

Riadiaca jednotka 48 pracuje tak, že reguluje ohrievanie každej jednotlivej stanice generovaním riadených silových signálov po vedení 50, k niekoľkým infračerveným žiaričom 52 (uvedené na obr. 5). Ako bude ďalej opísané, sú silové signály po vedení 50 regulované v reakcii na sledovanú teplotu príslušného kolesa a podía požadovanej ohrievacej fázy procesu. Okrom toho, riadiaca jednotka 48 generuje signál do záznamového zariadenia (REC) 51. Záznamové zariadenie 51 sa používa k tomu, aby boli uchované jednotlivé záznamy o teplotách a dobách ohrievania každého kolesa, ako sa koleso otáča cez systém 44. Keď sa zistí, že koleso (ktoré je neskôr obrobené a označené identifikačným číslom) je vadné ako dôsledok procesu tepelného spracovania, záznamové zariadenie 51 je možné použiť pre identifikáciu špecifického profilu čas/teplota pre toto koleso a tým môžu byt identifikované aj ostatné kolesá, ktoré boli ohrievané s podobným profilom. V dôsledku toho môže záznamové zariadenie 51 rýchle identifikovať také kolesá, ktoré boli ohrievané za rovnakých teplôt ako vadné koleso a len tieto identifikované kolesá je treba skontrolovať či nevykazujú možné závady.

Ako už bolo uvedené skôr, proces homogenizácie začína čo najrýchlejšie po operácii liatia a je výhodné, keď je koleso 10 pootočené do stanice č.2 pred tým, než jeho teplota klesne pod 700 °F/371 °C. V tomto bode je uvedená do činnosti elektrická infračervená ohrievacia pec 54 vysokej intenzity, ktorá je najlepšie zobrazená na obr. 5. Ta začína ohrievať koleso 10 až na teplotu nutnú k prevedeniu homogenizácie.. Elektrická infračervená ohrievacia pec 54 vysokej intenzity obsahuje obecne pravouhlé tvarované puzdro 56, ktoré má hornú stenu 58, dolnú stenu 60 a dve bočné steny 62. Dolná stena 60 je vybavená otvorom 64.

Väčšina elektrických infračervených žiaričov 52 vysokej intenzity je umiestnená v puzdre 56 pre generovanie infračerveného žiarenia, aby sa koleso 10 ohrialo požadovaným spôsobom. Žiariče 52 sú umiestnené v blízkosti hornej steny 58, každej z bočných stien 62 a dolnej steny 60 pece 54., na opačných stranách než je otvor 64.. Vo výhodnom prevedení môžu byť elektrickými infračervenými žiaričmi 52 vysokej intenzity kremenné lampy s wolfrámovým vláknom, s hustotou energie 100 W na palec (6,45cm²). Ak to je nutné, môžu byť žiariče 52 zoskupené do množstva jednotlivých zón a ohrievanie každej zóny môže byť regulované oddelene.

Ako je znázornené obr. 5, je vnútorný priestor puzdra obložený izoláciou 66 . aby sa minimalizovali straty tepla a vzrástla účinnosť ohrievania každej pece 54. Každé puzdro 56 je vybavené priechodmi 68, cez ktoré sa pootáča koleso 10. Každé puzdro 56 je vybavené tiež príslušným kanálom 70. ktorým sa dodáva k žiaričom 52 chladiaci vzduch, aby sa zabránilo ich prehriatiu.

Otočná jednotka obsahuje množstvo vretenových skupín umiestnených v každej stanici, ktoré sú otočné okolo osy B a ktoré sa rozširujú smerom nahor cez otvor 64 v dolnej stene 60.. Vretenová skupina 72 obsahuje vertikálny hriadel 74, ktorý má konzolu 76 zaistenú s možnosťou uvoínenia, ako podporu kolesa 10. Konzola 76 je špeciálne skonštruovaná tak, aby podopierala usporiadanie určitého kolesa. Vretenová skupina 72 je spriahnutá so silovou otáčajúcou sa skupinou (na obrázku nie je uvedená) pre otáčanie kolesom 10 (s výhodou rýchlosťou asi 3 až 5 otáčok za minútu) okolo osy B vretenovej skupiny 72, keď je koleso vystavené infračervenému-žiareniu na príslušnej ohrievacej stanici.

Na stanici č.2 začínajú infračervené žiariče 52 rýchle ohrievať koleso 10 rýchlosťou asi 100 až 200 “F (43 až 93 °C) za minútu. Bežne, vzhladom k počiatočnej teplote kolesa, keď ohrievanie začína a pri otáčaní systému, koleso nedosiahne požadovanú teplotu roztoku na stanici č.2. Tak, keď je koleso 10 pootočené do stanice č.3, je ohrievané zhruba rovnakou rýchlosťou, pokial teplota kolesa 10 nedosiahne požadovanej teploty roztoku v rozsahu od 980 do 1 025 °F (527 až 552 °C). Potom je tepelná energia dodávaná infračervenými žiaričmi 52 znížená pre udržanie teploty kolesa na požadovanej teplote homogenizácie (cez stanice č.4 až č.6) až do konca cyklu homogenizácie.

Ďalej, potom čo sa koleso 10 pootočilo zo stanice č.6 do stanice č.7, je zdvihnuté zo svojej pridruženej vretenovej skupiny 72 a je okamžite rýchle ochladené vo vodnej nádrži 74. Ihneď potom sa koleso 10 vracia na svoju vretenovú skupinu 72 a je pootočené do stanice č.8, kde sa začína zrýchlený proces umelého starnutia. Inak koleso 10 môže byť ochladené na izbovú teplotu potom, čo bolo rýchle ochladené na stanici č. 7 a potom naložené na dopravník 76. pričom ďalej sa odstraňujú naliatky, koleso je obrobené, natrené a ponechané prirodzenému starnutiu bežným spôsobom.

Na stanici č. 8 generuje riadiaca jednotka 4_8, v reakcii na sledovanú teplotu kolesa, silové signály pripojeným žiaričom a začína sa s ohrievaním kolesa vopred stanovenou rýchlosťou (výhodne 100 až 200 °F/43 až 93 ’C za minútu) až do dosiahnutia požadovanej teploty starnutia, ktorá, ako už bolo uvedené, je výhodne v rozsahu od 400 do 500 °F (204 až 260 °C). Bežne, vzhladom k počiatočnej teplote kolesa, keď ohrievanie začína a dochádza k cyklu otáčania systému, koleso nedosiahne požadovanú teplotu starnutia na stanici č.8. Tak, akonáhle je koleso 10 pootočené do stanice č. 9, pokračuje sa v ohrievaní rovnakou rýchlosťou, až je dosiahnutá požadovaná teplota starnutia. Potom riadiaca jednotka 48 udržuje koleso na požadovanej teplote starnutia počas priechodu stanicami č.10 až č.12. až do ukončenia procesu starnutia.

Nakoniec sa koleso 10 pootočí zo stanice č.12 do stanice č.1 a tu je zdvihnuté zo stanice a je rýchle ochladené vo vodnej nádrži 78 tak, aby bolo možné s kolesom ďalej manipulovať. Koleso 10 je potom umiestené na dopravník 80, ktorý koleso prenesie na miesto, kde môžu byť vykonané ďalšie operácie krokov 34 až 42.

Na obr. 6 je schématický pohlad na ďalší príklad elektrického infračerveného ohrievacieho systému 90 vysokej intenzity, ktorý je podobný elektrickému ohrievaciemu systému 44 vysokej intenzity uvedenému na obr. 4 s výnimkou toho, že sa nejedná o integrovaný ohrievací systém. Ako je tu zobraze17 né, koleso 10 môže byt vložené do stanice č.1 a otáčané cez stanice č.2 až č.6 pre uskutočnenie ako procesu homogenizácie, tak procesu zrýchleného umelého starnutia kolesa 10.

Na obr. 7 je uvedený schematický pohlad na ešte ďalší príklad elektrického infračerveného ohrievacieho systému 92. vysokej intenzity, ktorý je podobný elektrickému infračervenému ohrievaciemu systému 44 vysokej intenzity uvedenému na obr. 5 s výnimkou toho, že nie je usporiadaný ako karusel. Ako je tu zobrazené, môže byt koleso 10 vložené do stanice č.1, a pohybuje sa cez ohrievacie stanice č.2 až č.6. ktoré sú usporiadané priamočiaro, pre prevedenie ako procesu homogenizácie, tak aj procesu urýchleného umelého starnutia kolesa 10.

Pre regulovanie množstva a riadenie rýchlosti aplikácie tepelnej energie na každé koleso počas hore opísaných procesov tepelného spracovania je k dispozícii niekolko spôsobov regulácie. Jeden taký spôsob regulácie sa skladá zo sledovania teploty kolesa T_w, keď je vopred stanovená úroveň tepelnej energie aplikovaná na koleso 10, aby sa rýchle zvýšila jeho teplota. Keď T_w dosiahne vopred stanovenú teplotu v rámci vopred stanoveného rozsahu teplôt, je množstvo tepelnej energie aplikované na koleso 10 znížené, aby sa koleso 10 udržovalo v rámci vopred stanoveného rozsahu teplôt. Pretože pre regulovanie úrovne tepelnej energie aplikovanej na koleso sa používa skutočná teplota kolesa, tvorí spôsob regulácie regulačnú sústavu s uzavrenou spätnou väzbou.

Hore opísaná regulačná sústava s uzavrenou spätnou väzbou je znázornená v blokovej schéme na obr. 8 a diagram teplota/čas je uvedený na obr. 9. Obr. 9 zodpovedá časti grafu homogenizácie znázorneného na obr. 3. Pre účely opisu je spôsob regulácie opísaný v nasledujúcom texte s odkazom na infračervený ohrievací systém 44 znázornený na obr.. 4. Avšak spôsob regulácie môže byf použitý aj s inými ohrievacími systémami.

Ako bolo opísané hore, je koleso 10 vložené do otáčajúceho sa karuselu v stanici č.1 a je pootočené do ohrievacej stanice č.2. Potom, ako je zobrazené vo funkčnom bloku 100 na obr. 8, riadiaca jednotka 48 zariadi, že ohrievací systém 44 poskytne kolesu 10 počiatočnú, vopred stanovenú úroveň energie a tým dôjde k rýchlemu vzrastu teploty kolesa. To je dosiahnuté aplikáciou napätia na infračervené žiariče 52 , ktoré obsahuje stanica č. 2, počnúc okamihom t_Q. Maximálne dovolené napätie je aplikované na žiariče 52, aby sa kolesu 10 poskytla maximálna úroveň energie.

K rýchlemu vzrastu teploty dochádza počas počiatočného obdobia ohrievania t_INT, ako znázorňuje časť 101 krivky ohrievania diagramu teplota/čas na obr. 9. Ked sa koleso 10 ohreje, je T_w sledovaná teplotnými snímačmi 46, ako je zobrazené vo funkčnom bloku 102 na obr. 8. Pri výhodnom prevedení spôsobu regulácie je sledovanie teploty priebežné, avšak spôsob regulácie môže tiež zahrňovať sledovanie snímaním T_w v mnohých okamihoch oddelených vopred stanovenými časovými intervalmi.

T_w ie privádzaná k riadiacej jednotke 48 a v rozhodovacom bloku 103 je porovnávaná s vopred stanovenou teplotou homogenizácie (SHT) T_SHT. Teplota T_gHT sa môže meniť a konkrétna hodnota je uložená do pamäti v riadiacej jednotke 48. Konkrétna hodnota, použitá pre T_gHT, je obsiahnutá vo vopred stanovenom teplotnom rozsahu homogenizácie. Rozsah teplôt homogenizácie je znázornený ako horizontálne šrafovaná plocha na obr. 9 a je ohraničený dolnou hodnotou teploty a hornou hodnotou teploty Ty. Rozsah teploty homogenizácie je charakteristicky úzky a závisí na konkrétnej hliníkovej zliatine, ktorá sa použije k liatiu kolesa 10. Ako bolo hore opísané, pre hliníkovú zliatinu A356 bol úspešne používaný rozsah teplôt od 980 °F (526 °C) do 1 025 ’F (552 ’C).

Kým je T_w nižšia než T_gHT, je koleso 10 nadalej ohrievané pri počiatočnej vopred stanovenej úrovni tepelnej energie, vydávanej infračervenými žiaričmi 52. V závislosti na určitom konkrétnom kolese je možné kolesom pootočiť o viac než jednu stanicu ohrievacieho systému predtým, než T_w dosiahne T_SHT.

Keď T_w dosiahla T_gHT, zariadi riadiaca jednotka 48, že napätie aplikované na infračervené žiariče 52 bude znížené. Tým sa zníži aj tepelná energia vydávaná žiaričmi 52 na nižšiu, vopred stanovenú úroveň, ako je uvedené vo funkčnom bloku 104 na obr. 8. V závislosti na toleranciách snímačov 46 a na riadiacej jednotke 48, môže trocha prekročiť hodnotu —SHT predtým, než je napätie žiariča znížené. Potom čo je napätie žiaričov znížené, je teplota T,_w charakteristicky prechodná, ako je uvedené vo funkčnom bloku 105 na obr. 9, pričom počas prechodu pokračuje krátko jej vzrast a potom pokles na teplotu v rámci rozsahu teplôt homogenizácie. Je nutné si uvedomiť, že T_w môže počas krátkeho obdobia pri prechode prekročiť Ty. Znížená úroveň tepelnej energie, poskytovaná žiaričmi 52., udržuje T_w na tejto hodnote, ako je uvedené v horizontálnej časti 106 diagramu teplota/čas na obr. 9.

Ako je znázornené na obr. 9, je T_w udržovaná v rámci vopred stanoveného rozsahu teplôt homogenizácie po vopred stanovenú dobu homogenizácie t_gHT, s rozšírením od konca t_INT až do času ukončenia spracovania tgjjy. Doba t_g^,p môže byť stanovená podía empirického vzorca alebo zo skúseností podía skutočného tepelného spracovania. Počas t_gHT koleso 10 pokračuje v otáčaní ohrievacím systémom 44. Ako je znázornené v rozhodovacom bloku 107 riadiaca jednotka 48 sleduje dobu, po ktorú je koleso 10 vystavené zníženej úrovni ohrievania. Akonáhie je dosiahnutý t_END, riadiaca jednotka ukončí cyklus homogenizácie znížením energie tepelných žiaričov 52, ktoré dodávajú teplo kolesu 10. Výroba kolesa 10 potom pokračuje ako bolo hore uvedené.

Druhé prevedenie hore opísanej regulačnej sústavy s uzavrenou spätnou väzbou je zobrazené na blokovej schéme uvedenej na obr. 10. Toto prevedenie zahrňuje porovnanie teploty kolesa T_w s vopred stanovenou maximálnou teplotou Τ^χ v okamihu, ktorý nastáva po znížení tepelnej energie. Porovnanie teploty umožňuje, aby sa vopred zamedzilo prehriatiu kolesa 10, ak sa ohrievací systém 44 pokazí. Hodnota bola zvolená tak, aby bola vyššia než Ty a je znázornená na obr. 9 hornou čiarkovanou horizontálnou čiarou. Je charakteristické, že T je o 5 až 10 °F/9 až 18 ’C vyššia než Ty.

Ako je znázornené vo funkčnom bloku 110 na obr. 10, je počiatočná teplota kolesa 10 meraná pri t_Q. Toto môže byť uskutočnené buď v stanici č.1 alebo č.2 ohrievacieho systému 44. Pretože počiatočná, vopred stanovená rýchlosť ohrievania —INT ^ohrievacieho systému 44 a Τ_ΜΑχ sú známe, môže byt odhadnuté časové obdobie t potrebné k tomu, aby koleso 10 dosiahlo —MAX' vypočítané takto:

^{ť = (T}MAX ^To⁾/^rINT

Okamžik kontroly teploty t_QK, pri ktorom je T_w porovnávaná s Ϊμαχ, sa potom vypočíta takto:

^t0K ^{= t}o ^{+ ť}

Doba kontroly teploty zodpovedá času, pri ktorom T_w dosiahne —MAX' riadiaca jednotka 48 nezníži napätie aplikované na infračervené žiariče 52. keď je to požadované. Táto možná porucha riadiacej jednotky 48 by mohla spôsobiť, že rýchle ohrievanie kolesa bude pokračovať, ako je znázornené na obr. 9 čiarkovaným rozšírením 108 krivky ohrievania 101 až k T^x·

Kroky zobrazené v blokoch 111 až 114 na obr. 10 sú rovnaké, ako sú stupne znázornené v blokoch 100 a 102 až 104 na obr. 8. Avšak vo funkčnom bloku 115 na obr. 10 je T^ meraná pri t _CK, ako T_w (t_CK). V rozhodovacom bloku 116 je T_w (t_CK) porovnávaná s Τ^χ. Ak je T_w (t_CK) rovná alebo väčšia než -MAX' riadiaca jednotka 48 oznamuje, že ohrievací systém 44 má poruchu. Postupnosť vykonávania inštrukcie sa rozvetvuje k funkčnému bloku 117. aby sa ďalej znížila tepelná energie dodávaná infračervenými žiaričmi 52 predtým, než sa koleso 10 roztaví. Inak môže byť ohrievací systém 44 úplne uzavrený vo funkčnom bloku 117. Potom sa vo funkčnom bloku 118 vydá signál poplachu, ako varovanie operátorom o vzniknutom probléme. Ak je T_w (t_CK) menšia než pracuje regulačná sústava ďalej, ako bolo hore uvedené, aby sa koleso 10 udržovalo vo vopred stanovenom rozsahu teplôt, pokiaľ nie je dosiahnutý —END^{- v} čase t_END spôsobí rozhodovací blok 119 rozvetvenie regulačnej sústavy do konca ohrievacieho cyklu.

Tretie prevedenie regulačnej sústavy s uzavrenou spätnou väzbou je znázornené v blokovej schéme znázornenej na obr. 11. Regulačná sústava je podobná tej, ktorá je uvedená na obr. 10, s výnimkou toho, že T_w je počas obdobia medzi t_CK až t_END sledovaná, aby sa zabezpečilo, že Τ^χ nebude prekročená. Na obr. 11 funkčný blok 115 indikuje, že T_w je sledovaná počnúc okamihom t_CK. V rozhodovacom bloku 116. ak T_w prekročí —MAX ^medzi —CK ^a —END' ^sa riadiaca jednotka rozvetvuje do funkčného bloku 117, aby sa ďalej znížila tepelná energia dodávaná kolesu 10. V rámci iného riešenia môže byt ohrievací systém 44 úplne uzavrený do funkčného bloku 117. To chráni koleso 10 pred prehriatím, ak riadiaca jednotka 48 dostatočne účinne nezníži napätie na žiaričoch 52, keď je to požadované. T_w môže byť sledovaná priebežne, v niekoľkých okamihoch, oddelených vopred stanovenými časovými intervalmi, alebo v jednom vopred stanovenom čase.

Iný spôsob regulácie ohrievania kolesa 10 spočíva na výpočte počiatočného časového obdobia pre rýchle ohrievanie kolesa 10. Toto počiatočné časové obdobie je funkciou počiatočnej teploty kolesa. Počiatočná, vopred stanovená úroveň te22 pelnej energie je aplikovaná na koleso 10 počas počiatočného časového obdobia ohrievania, po ktorom sa množstvo tepelnej energie zníži. Pretože skutočná teplota kolesa nie je počas počiatočného časového obdobia ohrievania sledovaná, neexistuje tu spätná väzba obsiahnutá v spôsobe regulácie. Preto bola vytvorená iná riadiaca metóda regulácie s otvorenou slučkou.

Hore uvedený spôsob regulácie s otvorenou slučkou je zobrazený v blokovej schéme uvedenej na obr. 12 a na diagramu teplota/čas znázornenom na obr. 13. Obr. 12 zodpovedá časti homogenizácie v grafe znázornenom na obr. 3. Spôsob regulácie je opisovaný opäť s odvolaním na ohrievací systém 44 uvedený na obr. 4. Avšak spôsob regulácie môže byť použitý aj s inými ohrievacími systémami.

Ako bolo hore uvedené, je koleso 10 vložené do otáčajúceho sa karuselu v stanici č.7. Ako je uvedené vo funkčnom bloku 120 na obr. 12, v čase t_Q je teplota Τθ kolesa meraná snímačom teploty 46 a dodávaná riadiacej jednotke 48. Počiatočné obdobie ohrievania kolesa tj_NT pre rýchle ohriatie kolesa 10 na vopred stanovenú teplotu Τ₅^_τ, je potom vypočítané riadiacou jednotkou 48. Doba t_INT je funkciou Τθ. Funkčný vzťah medzi t_INT a Τθ je uvedený na obr. 14, ako krivka čas/teplota, ktorá môže byt uložená do pamäti riadiacej jednotky 48. Ako bolo hore uvedené pri spôsobe regulácie s uzavrenou slučkou, leží T_SHT v rámci rozsahu teplôt homogenizácie (SHT). Rozsah teplôt homogenizácie je znázornený ako horizontálne šrafovaná plocha na obr. 13 a je ohraničený dolnou hodnotou teploty T_L a hornou hodnotou teploty Tu·

Akonáhle je t_INT vypočítaná, môže byť stanovený čas ukončenia t-j , pre ukončenie procesu počiatočného rýchleho ohrievania kolesa 10 (vo funkčnom bloku 120). V závislosti na požadovanej dobe homogenizácie t_gHT, môže byt tiež vypočítaný okamih ukončenia t₂, pre ukončenie homogenizácie roztoku. Obdobie t_SHT môže byť stanovené buď podľa empirického vzorca alebo na základe skúseností získaných zo skutočného tepelného spracovania. Počas t_SHT pokračuje koleso 10 v otáčaní ohrievacím systémom 44. Pri ukončení výpočtov indikovaných vo funkčnom bloku 120, je koleso 10 pootočené do stanice č.2.

Vo funkčnom bloku 121 zariadi riadiacéi jednotka 48, že ohrievací systém 44 poskytuje počiatočnú, vopred stanovenú úroveň tepelnej energie pre koleso 10, čo má za následok rýchly nárast teploty. Toho je dosiahnuté aplikáciou napätia na infračervené žiariče 52 v stanici č.2, počnúc časom t_Q. Je charakteristické, že na žiariče 52 je aplikované maximálne dovolené napätie, aby sa kolesu 10 poskytla maximálna úroveň tepelnej energie. To pokračuje, pokiai nie je dosiahnutý čas tj, ako určil rozhodovací blok 123. Rýchly nárast teploty je znázornený častou 122 ohrievacej krivky v diagrame čas/teplota, medzi časom t_Q a t^ na obr. 13.

Akonáhle je dosiahnutý tj, zaistí riadiaca jednotka 48, aby bolo napätie aplikované na infračervené žiariče 52 znížené. Tým sa zníži tepelná energia poskytovaná žiariču 52 na nižšiu, vopred stanovenú úroveň, ako je uvedené vo funkčnom bloku 124. Nižšia úroveň ohrievania udržuje teplotu T_w počas vopred stanoveného rozsahu teplôt homogenizácie, ako je znázornené obecne horizontálnou častou 125 diagramu čas/teplota na obr. 13. Je nutné si uvedomiť, že T_w môže prekročiť Ty po dobu krátkeho prechodného obdobia po znížení napätia.

Akonáhle bola úroveň ohrievania znížená, sleduje riadiaca jednotka 48 dobu, po ktorú je koleso 10 vystavené zníženej úrovni ohrievania, ako je znázornené v rozhodovacom bloku 126. Pri dosiahnutí času t₂ ukončenia tepelného spracovania, riadiaca jednotka 48 ukončí cyklus ohrievania zastavením dodávky energie infračerveným žiaričom 52., ktoré dodávajú teplo kolesu 10. Výroba kolesa 10 potom pokračuje, ako je hore uvedené .

Druhé prevedenie spôsobu regulácie s otvorenou slučkou je znázornené v blokovej schéme na obr. 15. Druhé prevedenie zahrňuje porovnanie teploty kolesa T_w s maximálnou teplotou —MAX P° období rýchleho ohrievania, aby sa zamedzilo prehriatiu kolesa 10. Ako už bolo hore uvédené, v prípade regulácie s uzavrenou spätnou väzbou je T_max zvolená tak, aby bola vyššia než Ty. je znázornená na obr. 13 ako horná čiarkovaná horizontálna čiara. Je charakteristické, že Tj^ je o 5 až 10 F/9 až 18 C vyššia než Ty.

Úvodná časť spôsobu regulácie, znázorneného v blokovej schéme blokmi 130 až 133 na obr. 15, je rovnaká ako je znázornené v blokoch 121, 123 a 124 na obr. 12. Akonáhle bolo dosiahnutý t₁ a úroveň ohrievania bola vo funkčnom bloku 133 znížená, je T_w sledovaná snímačmi teploty 46 vo funkčnom bloku 134 a je porovnávaná s maximálnou teplotou Τ^^χ ^v rozhodovacom bloku 135.

Ď^e T_w rovnaká alebo vyššia než T_MAX, riadiaca jednotka 48 oznámi, že systém ohrievania 44 má poruchu. Riadiaca sekvencia sa rozvetvuje k funkčnému bloku 136 pre d’alšé zníženie tepelnej energie dodávanej infračervenými žiaričmi 52, predtým, než sa koleso 10 roztaví. Podlá iného riešenia môže byť ohrievací systém 44 úplne uzavrený vo funkčnom bloku 136. Potom je vo funkčnom bloku 137 vydaný signál poplachu, ako varovanie operátorom o vzniknutom probléme.

Ak je T_w menšia než v rozhodovacom bloku 135, spôsob regulácie v rozhodovacom bloku pracuje ďalej, ako bolo hore uvedené, aby sa žiariče 52 udržali na zníženej energetickej úrovni, pokiaľ nie je dosiahnutý t₂- V tomto čase spôsobí rozhodovací blok rozvetvenie regulačnej sústavy až do konca ohrievacieho cyklu. T_w môže byť sledovaná priebežne v mnohých okamihoch oddelených vopred stanovenými časovými intervalmi alebo v jednom vopred stanovenom čase.

Tretie prevedenie spôsobu regulácie s otvorenou slučkou zahrňuje stanovenie t_INT ako funkcie, ako počiatočnej teploty kolesa, tak hmotnosti kolesa W_w. Prvá stupnica 140 pre váženie kolesa 10 je znázornená v stanici č.1 simultánne na obr.

4. Avšak stupnica môže byt umiestnená v stanici č.2 alebo môže byt od ohrievacieho systému 44 úplne oddelená.

Funkčný vzťah medzi t_INT a Τθ a W_w je uvedený na obr. 16 ako množina kriviek čas/hmotnost, ktoré môžu byt uložené v pamäti riadiacej jednotky 48. Každá krivka čas/hmotnost zodpovedá určitej Τθ, zobrazenej ako T₀₁, T_Q2 a T_Q3 a poskytuje t_INT ako funkciu W_w. Na obr. 16 je T_Q1 vyššia než Τθ₂ a T₀₂ je vyššia než T₀₃. Tri čiary čas/hmotnost znázornené na obr. 16 slúžia len ako ilustrácia. Čiary čas/hmotnost môžu byt s určitou nepresnosťou použité pre konkrétne aplikácie.

V tretom prevedení je koleso vážené a ako hmotnosť, tak aj počiatočná teplota sú dodávané riadiacej jednotke 48. Riadiaca jednotka 48 potom používa krivky z obr. 16 pre určenie -INT’ ^okrem toho by mohla byt samotná hmotnosť W_w použitá pre stanovenie počiatočného obdobia ohrievania.

Zatial čo hore uvedené spôsoby regulácie boli opísané v súvislosti s tepelným spracovaním roztoku kolesa, sú tiež použiteľné pre iné postupy tepelného spracovania, medzi ktoré patrí aj starnutie kolesa. Regulačné metódy s uzavrenou spätnou väzbou a s otvorenou slučkou sú priamo aplikovateľné na proces starnutia s použitím tepelných snímačov 46 v časti procesu starnutia ohrievacieho systému 44 pre meranie T_w. Druhá stupnica 140 je znázornená v stanici č.7 simultánne, aby sa umožnilo využitie tretieho prevedenia regulačnej metódy s otvorenou slučkou pre starnutie kolesa 10 nezávisle na spôsobe regulácie, ktorý sa používa pre homogenizáciu kolesa

10.

Je nutné poznamenať, že zatiaľčo výhodné prevedenie bolo zobrazené a opísané s použitím elektrického infračerveného ohrievania, v niektorých prípadoch by mohlo byť použité plynom vykurované infračervené ohrievanie, alebo indukčné ohrievanie, a to s podobnými vyhovujúcimi výsledkami. Zásady a spôsob prevádzky podía tohoto vynálezu boli opísané a zobrazené vo svojom výhodnom prevedení. Je však zrejmé, že vynález môže byť realizovaný aj ináč, než bolo výslovne uvedené a zobrazené, bez toho, aby však došlo k odchýleniu sa od jeho podstaty.

Claims (33)

1. PATENTOVÉ N Á R O K Y

   1. Spôsob výroby tepelne spracovaných kovových súčiastok, hlavne kolies vozidiel, vyznačujúci sa tým, že pozostáva z krokov:

   (a) vytvarovanie súčiastky zo zvoleného kovu, (b) dodávanie tepelnej energie do súčiastky pre rýchly ohrev súčiastky na teplotu ležiacu vo vopred určenom intervale teplôt pre tepelné spracovanie zvoleného kovu, (c) zníženie množstva tepelnej energie dodávanej do súčiastky na úroveň nižšiu než v kroku (b) a udržovanie súčiastky na teplote v teplotnom intervale pre tepelné spracovanie po dobu tepelného spracovania, ktorá zodpovedá zvolenému kovu.
2. 2. Spôsob podľa nároku 1, vyznačujúci sa tým, že po kroku (c) bezprostredne nasleduje rýchle ochladenie kovovej súčiastky .
3. 3. Spôsob podľa nároku 2, vyznačujúci sa tým, že po rýchlom ochladení nasleduje starnutie kovovej súčiastky.
4. 4. Spôsob podľa nároku 1, vyznačujúci sa tým, že v kroku (b) je použitých niekoľko ohrievačov s vysokou intenzitou pre rýchly ohrev kovovej súčiastky.
5. 5. Spôsob podľa nároku 4, vyznačujúci sa tým, že ohrievače s vysokou intenzitou zahrňujú infračervené žiariče.
6. 6. Spôsob podľa nároku 4, vyznačujúci sa tým, že ohrievače s vysokou intenzitou intenzitou zahrňujú plynové infračervené žiariče.
7. 7. Spôsob podľa nároku 4, vyznačujúci sa tým, že ohrievače s vysokou intenzitou zahrňujú indukčné ohrievače.
8. 8. Spôsob podľa niektorého z nárokov 1 až 7, vyznačujúci sa tým, že tepelná energia pre rýchly ohrev súčiastky v kroku (b) je dodávaná smerovaním tepelnej energie z prvej λ

   skupiny ohrievačov s vysokou intenzitou v prvom smere a smerovaním tepelnej energie z druhej skupiny ohrievačov s vysokou intenzitou v druhom smere, pričom druhý siner nie je paralelný k prvému smeru.
9. 9. Spôsob podľa nároku 8, vyznačujúci sa tým, že druhý smer je kolmý na prvý smer.
10. 10. Spôsob podľa niektorého z nárokov 1 až 9 , vyznačujúci sa tým, že tepelná energia pre udržovanie teploty súčiastok v kroku (c) je dodávaná smerovaním tepelnej energie z prvej skupiny ohrievačov s vysokou intenzitou v prvom smere a smerovaním tepelnej energie z druhej skupiny ohrievačov v druhom smere, pričom druhý smer nie je paralelný k prvému smeru.
11. 11. Spôsob podľa nároku 10, vyznačujúci sa tým, že druhý smer je kolmý na prvý smer.
12. 12. Spôsob pole niektorého z nárokov 1 až 11, vyznačujúci sa tým, že aspoň v kroku (b) alebo (c) súčiastky rotujú relatívne vzhľadom ku zdroju tepelnej energie.
13. 13. Spôsob podľa niektorého z nárokov 2 až 12, vyznačujúci sa tým, že tepelným spracovaním je homogenizácia a teplotným rozsahom tepelného spracovania je rozsah teplôt rozsahu homogenizácie pre zvolený kov.
14. 14. Spôsob podľa nároku 1, vyznačujúci sa tým, že krok (b) zahrňuje aplikáciu zariadenia pre tepelné spracovanie, pričom zariadenie obsahuje prvú časť, zahrňujúcu niekoľko žiaričov s vysokou intenzitou pre rýchly ohrev súčiastky na teplotu ležiacu v intervale teplôt pre tepelné spracovanie a druhú časť pre udržovanie teploty súčiastky v intervale teplôt pre tepelné spracovanie,, pričom krok (b) zahrňuje vloženie súčiastky do prvej časti zariadenia pred dodávaním tepelnej energie do súčiastky, ďalej nasleduje rýchly ohrev súčiastky a premiestnenie súčiastky z prvej časti zariadenia do druhej časti zariadenia.
15. 15. Spôsob podľa nároku 14, vyznačujúci sa tým, že prvá časť zariadenia pre tepelné spracovanie zahrňuje niekoľko ohrievacích staníc a v kroku (b) súčiastka sekvenčne prechádza týmito stanicami, pričom súčiastka zostáva v každej stanici po danú dobu.
16. 16. Spôsob podľa nároku 14, vyznačujúci sa tým, že druhá časť zariadenia pre tepelné spracovanie zahrňuje niekoľko ohrievacích staníc a v kroku (c) súčiastka sekvenčne prechádza týmito stanicami, pričom súčiastka zostáva v každej stanici po danú dobu.
17. 17. Spôsob podľa nároku 3, vyznačujúci sa tým, že starnutie zahrňuje dodávanie tepelnej energie do súčiastky pre rýchly ohrev súčiastky na teplotu ležiacu v intervale teplôt pre starnutie, ktorý zodpovedá zvolenému kovu a potom zníženie množstva dodávanej tepelnej energie na úroveň nižšiu než pre rýchly ohrev a udržovanie teploty súčiastky v intervaloch teplôt pre starnutie po dobu starnutia, ktorá zodpovedá zvolenému kovu.
18. 18. Spôsob podľa nároku 17, vyznačujúci sa tým, že tepelná energia pre rýchly ohrev je do súčiastky dodávaná infračervenou vykurovacou jednotkou.
19. 19. Spôsob podľa nároku 17, vyznačujúci sa tým, že tepelná energia pre udržovanie teploty je dodávaná infračervenou j ednotkou.
20. 20. Spôsob podľa nároku 1, vyznačujúci sa tým, že počas procesu tepelného spracovania v krokoch (b) a (c) je snímaná teplota súčiastky a ohrev súčiastky je riadený na základe snímanej teploty súčiastky.
21. 21. Spôsob podľa nároku 20, vyznačujúci sa tým, že krok (b) zahrňuje súčasné monitorovanie teploty súčiastky pri dodávaní tepelnej energie a krok (c) zahrňuje zníženie množstva tepelnej energie dodávanej súčiastky keď teplota súčiastky dosiahne vopred stanovenú teploty v intervale teplôt tepelného spracovania.
22. 22. Spôsob podľa nároku 21, vyznačujúci sa tým, že interval teplôt tepelného spracovania v krokoch (b) a (c) zahrňuje vopred určenú hornú hodnotu teploty a krok (b) zahrňuje meranie počiatočnej teploty súčiastky pred dodávaním tepelnej energie súčiastke a stanovenie doby kontroly teploty podlá počiatočnej teploty súčiastky., kontrola teploty sa uskutočňuje následne po znížení množstva tepelnej energie v kroku (c) a krok (c) zahrňuj e meranie teploty súčiastky v dobe kontroly teploty a ďalej zníženie množstva tepelnej energie dodávanej do súčiastky, keď teplota súčiastky je vyššia alebo rovná vopred určenej maximálnej teplote, ktorá je vyššia než horná hodnota teploty pre interval teplôt tepelného spracovania.
23. 23. Spôsob podľa nároku 22, vyznačujúci sa tým, že krok (c) zahrňuje monitorovanie teploty súčiastky začínajúce v dobe kontroly teploty a pokračujúce do konca vopred stano31 venej doby tepelného spracovania a ďalej zníženie množstva tepelnej energie dodávanej súčiastke keď je teplota súčiastky väčšia alebo rovná vopred stanovenej maximálnej teplote.
24. 24. Spôsob podľa nároku 1, vyznačujúci sa tým, že zahrňuje krok snímania teploty súčiastky pred krokom (b) a potom riadenie dodávky tepelnej energie v krokoch (b) a (c) v závislosti na teplote snímanej pred krokom (b).
25. 25. Spôsob podľa nároku 24, vyznačujúci sa tým, že krok (b) zahrňuje merenie teploty súčiastky pred dodávaním tepelnej energie súčiastke a stanovenie počiatočnej doby ohrevu na základe teploty súčiastky a ďalej krok (b) zahrňuje dodávanie vopred stanoveného množstva tepelnej energie po dobu počiatočného ohrevu pre rýchly nárast teploty súčiastky, a krok (c) zahrňuje zníženie množstva tepelnej energie dodávanej súčiastke po uplynutí doby počiatočného ohrevu súčiastky.
26. 26. Spôsob podľa nároku 25, vyznačujúci sa tým, že interval teplôt tepelného spracovania v krokoch (b) a (c) zahrňuje vopred určenú hornú hodnotu teploty a vopred určenú dolnú hodnotu teploty a krok (c) zahrňuje monitorovanie teploty súčiastky, začínajúce keď je znížené množstvo tepelnej energie dodávané súčiastke a pokračujúce: do konca vopred stanovenej doby tepelného spracovania, a ďalej zníženie množstva tepelnej energie dodávanej súčiastke keď teplota súčiastky je väčšia alebo rovná vopred stanovenej maximálnej teplote, ktorá je väčšia než dolná hodnota teploty intervalu teplôt tepelného spracovania.
27. 27. Spôsob podľa nároku 25, vyznačujúci sa tým, že zahrňuje váženie súčiastky pred krokom (b) a riadenie dodávky tepelnej energie súčiastky v krokoch (b) a (c) v závislosti na teplote súčiastky a hmotnosti súčiastky.
28. 28. Spôsob podlá nároku 1, vyznačujúci sa tým, že zahrňuje váženie súčiastky pred krokom (b) a riadenie dodávky tepelnej energie súčiastke v krokoch (b) a (c) v závislosti na hmotnosti súčiastky.
29. 29. Spôsob podľa niektorého z nárokov 20 až 27, vyznačujúci sa tým, že zahrňuje krok použitia najmenej jedného optického pyrometru pre snímanie teploty súčiastky.
30. 30. Spôsob podlá niektorého z nárokov 20 až 27, vyznačujúci sa tým, že zahrňuje krok zaznamenávania špecifického časového teplotného profilu súčiastky počas homogenizácie v k roku (c) .
31. 31. Spôsob podľa niektorého z nárokov 1 až 30, vyznačujúci sa tým, že súčiastkou je koleso vozidla.
32. 32. Spôsob podľa nároku 31, vyznačujúci sa tým, že koleso je zhotovené z hliníkovej zliatiny.
33. 33. Spôsob podľa nároku 31, vyznačujúci sa tým, že koleso je zhotovené odlievaním.