Návrhy a výpočty

Barbora Bryksí Stunová

Ústav strojírenské technologie

Fakulta strojní, ČVUT v Praze

7 kroků ke správnému návrhu vtoku

krok 1• zjisti a definuj požadovanou úroveň kvality odlitku• zjisti a definuj požadovanou úroveň kvality odlitku

krok 2• definuj limity procesu k dosažení požadované kvality• definuj limity procesu k dosažení požadované kvality

krok 3• proveď výpočet PQ2• proveď výpočet PQ2

• definuj model proudění• definuj model prouděníkrok 4

• definuj model proudění• definuj model proudění

krok 5• definuj naříznutí• definuj naříznutí

krok 6• definuj vtokovou soustavu• definuj vtokovou soustavu

krok 7• definuj odvzdušnění a přetoky• definuj odvzdušnění a přetoky

*definuj = zvol typ, navrhni, spočítej

• zjisti a definuj požadovanou úroveň kvality odlitku

• tím jsou dány nároky na vtokovou soustavu

• nelze navrhnout dobrý vtok bez znalosti

Krok 1

• nelze navrhnout dobrý vtok bez znalosti požadavků zákazníka na kvalitu odlitku

• vyplývá z použití odlitku, požadavků na mechanické vlastnosti, nároků na povrch, …

1. nároky na kvalitu povrchu:– vysoká rychlost vstřiku

– krátký čas plnění

– horší vnitřní kvalita

2. nároky na vnitřní kvalitu:

Krok 1

2. nároky na vnitřní kvalitu:– nižší rychlost vstřiku

– delší čas plnění

– horší kvalita povrchu

– start první rychlosti může být i později (10 – 15 % zaplnění odlitku)

→ masivnější naříznuB

Krok 1

• definuj limity procesu k dosažení požadované kvality:

– čas plnění

– rychlost v naříznutí

Krok 2

– rychlost v naříznutí

– dotlak

– teplotní pole formy

– teplota kovu (v naříznutí)

– velikost komory a zaplnění

– uzavírací síla stroje

• stěžejní kriterium pro správný návrh nástroje zejména pro odlitky s požadovanou vysokou kvalitou povrchu

• určí se výpočtem

• lze navrhnout na základě nomogramu

Čas plnění:Krok 2

• lze navrhnout na základě nomogramu

• lze určit na základě tloušťky stěny odlitkua zkušenosti

• rozhoduje o velikosti naříznutí a rychlosti plnění

TTT

SZTTKt

df

fi

−+−

=

Výpočet dle NADCA:Krok 2

TT df −t … maximální čas plněníK … empirická konstanta [s/mm]T … tloušťka stěny [mm]Tf … minimální možná teplota kovuTi … teplota kovu v naříznutíTd … teplota formy (vnitřního povrchu) před plněnímS … procento tuhé fáze v odlitku na konci plněníZ … přepočtová konstanta z procent

Tloušťka stěny odlitku T:

• myšleno průměrná nebo charakteristická

• definuje se třemi způsoby:

– nejtenčí stěna odlitku s nejvyššími nároky na kvalitu bez ohledu na polohu, či nejvzdálenější

Krok 2

kvalitu bez ohledu na polohu, či nejvzdálenější

– průměrná – spočtená jako

– průměrná nejtenčí, prefer. nejvzdálenější

• dána tabulkami – vyplývá z rovnovážného digramu

• uvažovaná hodnota mezi likvidema solidem (eutektikálou)

Minimální možná teplota kovu Tf:

Krok 2

a solidem (eutektikálou)

• vyplývá z minimální možné teploty, kdy kov ještě teče → teplota nulové tekutosQ

• ve slévárně je známá teplota v udržovací peci

• teplota v naříznutí měřitelná experimentálně

• ze zkušenosti a experimentů lze uvažovat:

Teplota kovu v naříznutí Ti:

Krok 2

• ze zkušenosti a experimentů lze uvažovat:

– pro slitiny Al pokles o 14 -39 °C, běžně bráno 28 °C

– pro slitiny Zn pokles o 17 °C

– pro slitiny Mg pokles o 44 °C

• závisí na:– času cyklu

– způsobu ošetření formy

– chladicím systému

– obecně na přenosu tepla ve formě

Teplota líce formy před plněním Td:

Krok 2

– obecně na přenosu tepla ve formě

• přesnější hodnoty získat od slévárny (např. měřením teplotního pole líce formy termokamerou u podobného odlitku)

• obecně:– slitiny Al 180 – 280 °C

– slitiny Zn a Mg 204 °C

• vyšší číslo znamená horší zatečení• vyšší číslo ovšem znamená méně staženinové

porezity = kov, který je již ztuhlý nepřispěje ke staženinám po plnění, protože v něm již stahování proběhlo

Procento tuhé fáze na konci plnění S:

Krok 2

stahování proběhlo• vyšší hodnoty S → delší čas plnění

• delší čas → horší kvalita povrchu, ale lepší vnitřní kvalita

• pro slitiny Al – běžně 20 – 50 %– pod 20 %: velmi tenkostěnné odlitky, dlouhé dráhy kovu

Krok 2

Hodnoty dosazované do vzorce:

Hodnoty K:

Hodnoty dosazované do vzorce:

Krok 2

Hodnoty Ti, Tf, Td, Z:

* dle NADCA, v Evropě může být rozdílné Td viz dříve

Hodnoty dosazované do vzorce:

Krok 2

Hodnoty S:

Čas plnění určený z nomogramu:

• výrobci strojů a další firmy dodávají nomogramy

• různé výstupy – závisí na zvyklostech země, na zkušenostech a dalších aspektech

• vychází z tloušťky stěny

Krok 2

• vychází z tloušťky stěny

• dále lze navrhnout i ostatní parametry nástroje

Nomogram firmy FRECH:Krok 2

Čas plnění dle tloušťky stěny:

Toshiba:

Krok 2

• pro tlakové lití má daleko větší význam, než u jiných technologií odlévání

• důležitá pro zaběhnutí do tenkých stěn

• souvisí s odvodem tepla z kovu formou během plnění

Krok 2

Rychlost v naříznutí:

formou během plnění

• nízká rychlost – vady povrchu

• vysoká rychlost – nároky na řízení procesu, model proudění; riziko eroze formy

3 typy proudu kovu za naříznutím:

• pevný proud

• hrubé kapky

Rychlost v naříznutí:Krok 2

• hrubé kapky

• „atomizovaný“ proud

kriterium atomizovaného proudu:

kde:

v … rychlost v naříznutí [m/s]

Rychlost v naříznutí:Krok 2

vn… rychlost v naříznutí [m/s]

c… tloušťka naříznutí [mm]

ρ… hustota slitiny [kg/m3]*

J… konstanta pro jednotlivé slitiny [-]– pro slitiny Al (ale i Cu) J = 79

* hustotu slitiny nutno uvažovat v závislosti na teplotě – pro slitiny Al při teplotě lití ρ = 2400 kg/m3

Rychlost v naříznutí:

• lze zvolit dle tloušťky stěny odlitku

• lze stanovit z nomogramu

• obecné hodnoty:

Krok 2

– slitiny Al: 20 – 60 m/s

– slitiny Mg: 40 – 100 m/s

– slitiny Zn: 30 – 80 m/s

Rychlost v naříznutí dle tloušťky stěny:

Toshiba:

Krok 2

Minimální rychlost v naříznutí pro atomizovaný proud dle NADCApro J = 79

Krok 2

• tlak kovu (v některých zemích udáván jako tlak v HS)

• třetí fáze

• statický tlak pístu na zbytek kovu v komoře

→ tableta

Dotlak:Krok 2

→ tableta

• vyvození celkového stavu napjatosti odlitku

• „dosazení“ kovu do tepelných uzlů

→eliminace staženin, propadlin, trhlin

• má smysl pouze do doby, než zatuhne naříznutí

Dotlak:Krok 2

NADCA:

* NADCA uvažuje statický tlak na konci plnění a pak intenzifikaci

Dotlak:Krok 2

Zvyklosti v ČR:

Toshiba:

• volba velikosti komory závisí:

– na velikosti stroje

– na požadovaném dotlaku

– na míře zaplnění komory dávkou

Velikost komory a zaplnění:Krok 2

– na míře zaplnění komory dávkou

• zaplnění komory:

30 – 70 %

Velikost komory a zaplnění:Krok 2

• Komoru nutno volit tak, aby její zaplnění po nalití kovu dosahovalo 30 – 70 %, ideálně 40 – 50 %!

• Po výpočtu vtokové soustavy je nutné spočítat celkový objem sady a zaplnění komory, v případě, že komora nevyhoví, je nutno znovu přepočítat uzavírací sílu pro nově zvolenou komoru!

• reakční síla k otevírací síle vyvozené pístem Fo

• zvětšená bezpečnostním koeficientem, aby nedošlo k prostřiku

• charakteristika stroje – „velikost“

Uzavírací síla stroje:Krok 2

• charakteristika stroje – „velikost“

• správně udávána v [kN]

• obecně udávána v [t]

Nutno znát předem:

• komora, plocha komory

• průmět odlitku (sady) do dělicí roviny

Výpočet uzavírací síly:Krok 2

• průmět odlitku (sady) do dělicí roviny (včetně přetoků, vtokové soustavy a tablety)

• požadovaný dotlak nebo velikost stroje

• rezerva, bezpečnost

… otevírací síla [kN] (dotlak přepočtený na průmět odlitku do dělicí roviny)

… potřebná uzavírací síla [kN]

FL… lisovací síla [kN] – vypočtená z požadovaného dotlaku,

Výpočet uzavírací síly:Krok 2

– vypočtená z požadovaného dotlaku, nebo síla z tabulek stroje

Sk… plocha (průřez) komory [mm2]S … průmět odlitku (sady) do dělicí roviny [mm2]k0… rezerva (bezpečnost), běžně 1,25 [-]Fus… skutečná uzavírací síla zvoleného stroje [kN]

… skutečná rezerva [-]

Příklad výpočtu volby stroje

• výpočet pQ v rámci předmětu MPL neděláme

Krok 3

Krok 4

• definuj model proudění

• návrh umístění vtoku

• nasměrování naříznutí• nasměrování naříznutí

• tvar proudu kovu za naříznutím

Zaústění vtoku:• zaústění vtoku do míst:

• na která jsou kladeny kvalitativní nároky

• povrch

• porezita

• místo s kvalitativními nároky obvykle

Krok 4

• místo s kvalitativními nároky obvykle co nejblíže vtoku (neplatí vždy)

• ne přímo proti stěně či jádru

• ztráta energie

• namáhání formy

• nedodržení kvality

Místa plněná jako poslední:

• konstruktér musí zvolit místa, která se budou plnit jako poslední

Krok 4

• předpoklad vad povrchu i porezity

• nutno odvzdušnit – volba polohy

Dělení odlitku na segmenty:

• zejména u větších odlitků

• jsou-li na odlitku části s výrazně rozdílným charakterem

• aby byla jistota, že kritická místa budou zaplněna

Krok 4

• aby byla jistota, že kritická místa budou zaplněna se správným modelem proudění

• volit minimální počet segmentů (obv. 2-4)

• každý segment vlastní vtok, který plní pouze daný segment

Dělení odlitku na segmenty:

• z důvodů kvality (rozdílné požadavky v jednotlivých segmentech)

• kvůli přirozenému proudění kovu

• části mají jiné tloušťky stěn

Krok 4

• části mají jiné tloušťky stěn

• kvůli rozdílné vzdálenosti od vtoku (dráha proudění kovu, odrazy, lomy)

• pro těžko plnitelné části

Dělení odlitku na segmenty:

• segmenty budou rozdílné

→ přístup jako k různým odlitkům ve formě

→ každý segment vlastní vtok (či více)

→ návrh vtoku pro daný segment jako pro odlitek

Krok 4

→ návrh vtoku pro daný segment jako pro odlitek

→ nutno dodržet stejný čas plnění

→ poměr ploch naříznuB segmentů odpovídá

poměru objemů segmentů

Krok 4

Volba proudu kovu:Krok 4

• distribuovat kov

• nevolit přímý úzký profil (úzká naříznutí)

• výjimečně lze nasměrovat úzký proud k eliminaci porezityk eliminaci porezity

• širší a tenčí naříznutí s vějířovitým proudem

• tangenciální proud

• zamezení víření

Krok 4

Nasměrování proudu kovu:Krok 4

• namířit proud do míst s požadavky na kvalitu

• kvalita povrchu:

• přímé nasměrování

• co nejblíže

• bez překážek• bez překážek

• bez odrazů

• vhodně volit polohu dělicí roviny

• atomizovaný proud

Nasměrování proudu kovu:Krok 4

• namířit proud do míst s požadavky na kvalitu

• vnitřní kvalita - porezita:

• staženinová – namířit přímo

• co nejblíže

• vtok úzký a tlustý (2 mm)

• poměr plochy kanálu před naříznutím a plochy naříznutí – tepelný obsah

• 45° úhel kanálu k naříznutí, krátké naříznutí, tepelný obsah – nezatuhne (opotřebení)

Nasměrování proudu kovu:Krok 4

• co nejkratší cestou:

• obecně vtokovat příčně

• pouze pokud jsou výrazné překážky podélně

Nasměrování proudu kovu:Krok 4

• k nasměrování kovu využít přirozený tvar odlitku:

• dovolit kovu proudit přirozeně

• respektovat setrvačnost kovu

Nasměrování proudu kovu:Krok 4

• pokud se musí proud z různých vtoků smísit, tak co nejblíže naříznutí

• nesměrovat proud na drážku těsnění odlitku (úzké tolerance, opotřebení)

Nasměrování proudu kovu:Krok 4

• místa za jádrem či tvarem

• problém styku dvou proudů

• horší povrch

• porezita (vzduch, plyny)• porezita (vzduch, plyny)

• nasměrování ze dvou naříznutí

• zejména u děr, které se budou obrábět

Krok 4

Krok 4

Krok 4

• odlitek typu „krabička“ – rozvinutá plocha

• přímý vtok doplněný o tangenciání boční

Krok 4

o tangenciání boční vtoky

• odlitek typu „hluboký box“ –rozvinutá plocha

• přímý vtok

Krok 4

• odlitek typu „hluboký box“ – rozvinutá plocha

• tangenciální vtok

Krok 4

Krok 4

• válcový odlitek– rozvinutá plocha

• obvodový vtok

• doplňkový tangenciální vtok

Krok 4

• odlitek typu „rám“

• vhodné volit středový vtok

Krok 5

• definuj naříznutí

• návrh rozměrů naříznutí

↔ rychlost v naříznutí

Krok 5

↔ rychlost v naříznutí

↔ čas plnění

→ kvalita odlitku

• povrchu

• vnitřní* a´… „délka“ naříznutí, c´… tloušťka naříznutí

Typy naříznutí – podélný řez:Krok 5

Typy naříznutí – pohled do dělicí roviny:

Krok 5

Typy naříznutí – pohled do dělicí roviny:

Přímý vějířový vtok

Krok 5

Krok 5

Tangenciální vějířový vtok

Přímý vějířový vtok

Krok 5

Krok 5

Přímý vějířový vtok

Krok 5

Přímý vějířový vtok

Krok 5

Vějířový vtok s rádiusem

Krok 5

Vějířový vtok s rádiusem

Krok 5

Vějířový vtok s rádiusem

Krok 5

Vějířový vtok s rádiusem

Přímý vějířový vtoks „rampou“

Krok 5

Krok 5

Přímý vějířový vtok s opačným rádiusem

Krok 5

Tangenciální vtokKrok 5

Tangenciální vtok s retardérem

Krok 5

Tangenciální vtok s retardérem

Krok 5

Krok 5

Krok 5

Dělený tangenciální vtok s retardérem

Krok 5

Dělený tangenciální vtok s retardérem

Krok 5

Krok 5

Tangenciální vtok s dvěma retardéry

Krok 5

Krok 5

Krok 5

… plocha naříznutí [cm2]

kde:

G… hmotnost jediného odlitku vč. přetoků [g]

Výpočet rozměrů naříznutí:

Krok 5

G… hmotnost jediného odlitku vč. přetoků [g]

ρ… hustota taveniny [g/cm3]

t… čas plnění [s]

vn… volená rychlost v naříznutí [m/s] probráno v kroku 2

slitiny Al: 20 – 60 m/s

slitiny Mg: 40 – 100 m/s

slitiny Zn: 30 – 80 m/s

Al: 2,4 g/cm3

Zn: 6,57 g/cm3

Mg: 1,64 g/cm3

• z vypočtené plochy stanovíme rozměry:

– c´… tloušťka naříznutí (volíme)

– b… šířka naříznutí (dopočítáme)

– ev. a´… délka naříznutí

Výpočet rozměrů naříznutí:

Krok 5

– ev. a´… délka naříznutí

• zaokrouhlíme plochu naříznutí či jinak upravíme

… skutečná rychlost v naříznutí [m/s]

kde:

G… hmotnost jediného odlitku vč. přetoků [g]

Výpočet skutečné rychlosti v naříznutí:

Krok 5

G… hmotnost jediného odlitku vč. přetoků [g]

ρ… hustota taveniny [g/cm3]

t… čas plnění [s]

Sn… skutečná plocha naříznutí [cm2]

další způsob:

… plocha naříznutí [cm2]

kde:

Výpočet plochy naříznutí:

Krok 5

kde:

Vo … objem odlitku [cm3]

• definuj vtokovou soustavu

• pro zvolený počet a rozmístění odlitků

• efektivně vzhledem k:

Krok 6

• efektivně vzhledem k:

– ploše formy

– rozvodu kovu – co nejkratší cesta

– odporům proudění

– opotřebení formy

Vtoková soustava musí zajistit:• plnění všech odlitků ve stejný okamžik

• aby se rychlost kovu od pístu směrem k naříznutí plynule zvyšovala

• správné vyplnění dutiny formy

• aby se předčasně neopotřebila dutina formy proudící

Krok 6

• aby se předčasně neopotřebila dutina formy proudící taveninou (kolmé rázy na stěnu formy či jádra)

• omezení místního vzrůstu teploty, který vede k nadměrnému opotřebení a zhoršení povrchové čistoty odlitku

• zamezení vzniku vírů, které způsobují uzavírání vzduchu a plynů

• dosažení požadovaného vzhledu odlitku

• lichoběžník• rádiusy ve vložce (v pohyblivé)• jedna stěna v dělicí rovině• poměr stran:

– hloubka : šířka = 1:1 až 2:3 (pro slitiny Al)

Průřezy kanálů a jejich poměry:

Krok 6

– hloubka : šířka = 1:1 až 2:3 (pro slitiny Al)

• poměr průřezů:– Sn : S1 = 1 : (1,1) 1,3 až 1,8– S1 : S2 = podobně

• nutno dodržet rovnici kontinuityvnSn = v1S1 v1S1 = v2S2 v2S2 = vpSk

* uvažováno ρ=konst.

• poměr plochy komory ku ploše naříznutí

Sk : Sn = 3 – 30, ideálně 10 - 20

• odpovídá poměru rychlostí

• vyjadřuje zrychlení kovu

Poměr rychlostí a průřezů:

Krok 6

• vyjadřuje zrychlení kovu při stejném objemovém průtoku

• vyjadřuje nároky na stroj

• vyjadřuje využití stroje

• rychlost v naříznutí

– volená, přepočítaná

• rychlost pístu

– volená, navržená z pQ2 diagramu

Okrajové podmínky pro výpočet VS:

Krok 6

– volená, navržená z pQ2 diagramu

myšleno při fázi plnění

• průřezy vtokové soustavy musí zajistit splnění těchto podmínek při plynulém zrychlení kovu

• definuj odvzdušnění:

• odvod vzduchu a plynů z dutiny formy a komory

• z míst, která se plní jako poslední

Krok 7

• z míst, která se plní jako poslední

• prevence uzavření vzduchu a plynů v kovu, studených spojů, …

• rychle a efektivně

Odvzdušnění:

obecně 3 způsoby:– odvzdušňovací kanály v dělicí rovině

• v kombinaci s přetoky

• vedou na rozhraní vložky a rámu, i v rámu

• co nejkratší cestou

Krok 7

co nejkratší cestou

– vlnovec• zabrzdění kovu ve vlnovci

• k němu kanál

• může být v kombinaci s normálním odvzdušněním

– vakuování• labyrint kanálů k ventilu či vlnovci

• nesmí se kombinovat s normálním odvzdušněním

• odlehlé přetoky neodsávané

Odvzdušňovací kanály v dělicí rovině:

• vedou z přetoku, většinou na jeho šířku

• tak, aby nezatekl kov

Krok 7

• za přetokem tloušťka v desetinách mm

• poté v setinách

• lze i opačně (za přetokem brzda 0,1 a dále 0,4 mm)

• broušením

• výpočet dle času plnění

• masivnější kanál

• poté zabrzdění kovu ve vlnovci (valcha)

• zužující se štěrbina mezi vlnami

• vlnovec ocelový, bronzový, chlazený, …

Krok 7

Vlnovec:

• vlnovec ocelový, bronzový, chlazený, …

• volba dle velikosti odlitku

• masivnější kanál – labyrint

• musí zpomalit kov

• na konci labyrintu vlnovec či ventil,aby kov nevniknul do vakuového systému

Krok 7

Vakuování:

aby kov nevniknul do vakuového systému

Další konkrétní příklady:

Pevná vložka

Pohyblivá vložka

Použité zdroje:

• WALKINGTON, Bill. Seven Steps to Quality Gating

Design. Rosemont, Il 60018-4733 : NADCA, 2001. 76 s.

• HERMAN, E. A. Gating Die Casting Dies. Rosemont, Il60018-4721 : NADCA, 1996. 137 s. E-514.

• VINARCIK, Edvard. High integrity die casting • VINARCIK, Edvard. High integrity die casting

processes. New York : John Wiley & Sons, 2003. 232 s. ISBN 0-471-20131-6.

Podklady firem TOSHIBA, FRECH, Kovolis Hedvikov, a.s.