PL189660B1

PL189660B1 - Sposób odlewania elementu ze stopu metali nieżelaznych, urządzenie do odlewania elementu ze stopu metali nieżelaznych i forma do odlewania elementu ze stopu metali nieżelaznych

Info

Publication number: PL189660B1
Application number: PL99331874A
Authority: PL
Inventors: Philippe Meyer
Original assignee: Montupet Sa
Priority date: 1998-03-10
Filing date: 1999-03-10
Publication date: 2005-09-30
Also published as: PL331874A1; DE69908212D1; EP0941789A1; DE69908212T2; ATE241441T1; US20010050156A1; HU221249B1; HU9900591D0; BR9904551A; EP0941789B1; FR2775917A1; HUP9900591A2; FR2775917B1; US6540007B2; CA2265231C; CA2265231A1; JPH11320071A; HUP9900591A3

Abstract

1 Sposób odlew ania elem entu ze stopu m etali niezela- znych, takiego ja k stop a lu m in iu m , w którym n ajpierw przygo- tow uje sie form e, po czym laczy sie form e z ru ra dostarczajaca pod cisnieniem ro zto p io n y stop m etalu, nastepnie napelnia sie form e stopem w brew sile g ra w ita c ji, po czym obraca sie form e, zapew niajac krzepniecie m etalu, z n a m ie n n y ty m , ze przygoto- w uje sie form e (10) m ajaca m etalow a skrzynke fo rm ierska (17a, 17b), w któ re j usytuow ana je s t czesc piaskowa 13. U rzadzenie do odlew ania elem entu ze stopu m etali niezelaznych takiego ja k stop a lu m in iu m zawierajace form e zam ocowana o brotow o w o k ó l poziom ej osi z m ozliw oscia obrócenia je j dnem do góry, rure dostarczajaca przystosowana do polaczenia z fo rm a i doprow adzania pod cisnieniem rozto- pionego stopu m etalu aby napelnic form e stopem w brew sile g raw ita cji, oraz urzadzenie m anipulacyjne do m anipulow ania form a, przystosowane do przem ieszczania fo rm y przez je j obrót w okó l poziom ej osi, dla zapew nienia krzepniecia m etalu znam ienne tym , ze form a (10) ma m etalowa skrzynke form ierska . 17 Form a do odlew ania elem entu ze stopu m etali nie- zelaznych, takiego ja k stop a lu m in iu m , wyposazona w kanal doprow adzajacy do doprow adzania pod cisnieniem roztopione- go stopu i zam ocowana o brotow o w o k ó l poziom ej osi tak, ze po napelnieniu moze byc obrócona dnem do góry, zn a m ie n n a tym , ze zawiera m etalow a skrzynke form ierska (17a, 17b). F I G . 3 a PL PL

Description

Przedmiotem wynalazku jest sposób odlewania elementu ze stopu metali nieżelaznych, urządzenie do odlewania elementu ze stopu metali nieżelaznych i forma do odlewania elementu ze stopu metali nieżelaznych.

W szczególności przedmiotem wynalazku jest sposób, instalacja i forma do odlewania w wielkich seriach elementu ze stopu aluminium.

Aktualny wzrost zużycia aluminium w dziedzinie motoryzacji czyni koniecznym wprowadzenie nowego sposobu, który przy minimalizacji kosztów produkcji, byłby dostosowany do wykonywania wielkich serii (typowo kilkaset tysięcy sztuk jednego wyrobu rocznie), a ponadto umożliwiałby wykonywanie elementów zoptymalizowanych jakościowo i o coraz bardziej skomplikowanej geometrii, zwłaszcza przy ograniczeniach wynikających z przepisów ochrony przed zanieczyszczeniami. Prowadzi to do poszukiwań systematycznego zmniejszenia, ciężaru, maksymalnej zwartości, optymalnych parametrów i zintegrowanych funkcji elementów.

Jakość wyrobów winna być zadawalająca zarówno w aspektach metalurgicznych (podwyższone właściwości mikrostruktury odlewu, możliwie najdokładniejsze i najczystsze w obszarach podlegających oddziaływaniu) jak również w aspektach wymiarowych (zwłaszcza maksymalna precyzja wymiarowa wszystkich kształtów elementu, krytycznych dla parametrów pojazdu).

Istnieje oczywiście pewna liczba sposobów pozwalających na wykonywanie elementów samochodowych.

Jednak żaden z tych sposobów nie przedstawia aktualnie zespołu cech w pełni satysfakcjonujących z punktu widzenia przedstawionych powyżej wymagań.

Sposoby odlewania w formach metalowych, takie jak sposób grawitacyjny i proces niskociśnieniowy są odpowiednie ekonomicznie i zapewniają wysoki poziom jakości metalurgicznej i wymiarowej. Nie można ich jednak dostosować do wykonywania elementów o złożonych kształtach.

Formy wewnętrzne są w tym przypadku wykonane z rdzeni piaskowych wiązanych chemicznie i w tych procesach nie jest możliwe szybkie wprowadzenie rdzeni, po otwarciu formy i wyjęciu poprzednich elementów. To narzuca stosunkowo prostą sekwencję ustawienia w formie, okazuje się więc ona nieodpowiednia dla niektórych kształtów, na przykład dla bloków silnika lub głowic cylindra, gdzie trzeba ustawić do dwunastu lub więcej rdzeni, po dosyć skomplikowanych torach, co sprawia, że trwa to zbyt długo.

Istnieją również sposoby nazywane „sand package” zwłaszcza sposób rozwinięty przez COSWORTH CASTINGS, który został wprowadzony dla uniknięcia wyżej wymienionych niedogodności. Jednakże te sposoby są bardzo drogie ponieważ wymagają one stosowania znacznych ilości piasku wiązanego chemicznie. Ponadto w przypadku sposobu COSWORTH należy stosować specjalny piasek cyrkonowy zamiast krzemionki zwykle stosowanej w odlewniach, co również powoduje bardzo wysokie koszty eksploatacyjne. Ponadto te sposoby nie pozwalają uzyskać jakości metalurgicznej, jaką można uzyskać przy stosowaniu form zawierających elementy metalowe pozwalające do maksimum zwiększyć prędkość krzepnięcia stopu aluminium w najbardziej krytycznych obszarach.

Istnieje również sposób nazywany „lost foam” dobrze dostosowany do wymagań spowodowanych złożonymi kształtami i produkcją wielkoseryjną. Jednakże uzyskany poziom jakości metalurgicznej jest znacznie niższy od aktualnych standardów odlewania w formach metalowych (grawitacyjnych lub niskociśnieniowych) dlatego ten sposób nie może być obecnie rozważany dla wykonywania elementów narażonych na duże obciążenia.

Znany jest sposób odlewania elementu ze stopu metali nieżelaznych, takiego jak stop aluminium, w którym najpierw przygotowuje się formę, po czym łączy się formę z rurą dostarczającą pod ciśnieniem roztopiony stop metalu, następnie napełnia się formę stopem wbrew sile grawitacji, po czym obraca się formę, zapewniając krzepnięcie metalu.

Znane jest też urządzenie do odlewania elementu ze stopu metali nieżelaznych takiego jak stop aluminium zawierające formę zamocowaną obrotowo wokół poziomej osi z możliwością obrócenia jej dnem do góry, rurę dostarczającą przystosowaną do połączenia z formą i doprowadzania pod ciśnieniem roztopionego stopu metalu, aby napełnić formę stopem wbrew sile grawitacji, oraz urządzenie manipulacyjne do manipulowania formą, przystosowa189 660 ne do przemieszczania formy przez jej obrót wokół poziomej osi, dla zapewnienia krzepnięcia metalu.

Znana jest również forma do odlewania elementu ze stopu metali nieżelaznych, takiego jak stop aluminium, wyposażona w kanał doprowadzający do doprowadzania pod ciśnieniem roztopionego stopu i zamocowana obrotowo wokół poziomej osi tak, że po napełnieniu może być obrócona dnem do góry.

W szczególności w opisie patentowym US 5163500 ujawniony jest sposób i układ, w którym do wyznaczenia komory formy wykorzystuje się zespół ogniotrwałych rdzeni. Wejście metalu do komory formy przechodzi przez ścianę boczną zespołu ogniotrwałego formy. Dysza (rura doprowadzająca) jest bezpośrednio połączona z wejściem metalu usytuowanym na ścianie bocznej. Formę napełnia się wbrew sile grawitacji roztopionym stopem pod ciśnieniem przez wspomnianą dyszę i wejście metalu. Po napełnieniu, formę obraca się, utrzymując jednocześnie podwyższone ciśnienie i połączenie dyszy z wejściem metalu. Dopiero później, komora formy zostaje odłączona od dyszy i metal krzepnie.

Sposób odlewania elementu ze stopu metali nieżelaznych, takiego jak stop aluminium, w którym najpierw przygotowuje się formę, po czym łączy się formę z rurą dostarczającą pod ciśnieniem roztopiony stop metalu, następnie napełnia się formę stopem wbrew sile grawitacji, po czym obraca się formę, zapewniając krzepnięcie metalu, według wynalazku charakteryzuje się tym, że przygotowuje się formę mającą metalową skrzynkę formierską w której usytuowana jest część piaskowa formy wykonana z piasku wiązanego fizycznie, przy czym skrzynka ta składa się z dwóch metalowych półskrzynek, z których każda zawiera połówkę części piaskowej formy, zaś wewnątrz części piaskowej formy usytuowany jest kanał doprowadzający, łączący wnękę formy z wyjściem na zewnątrz poprzez otwór w skrzynce, do napełnienia wnęki formy roztopionym stopem, oraz wyposażony w ruchomy człon zamykający do zamykania tego kanału doprowadzającego, następnie umieszcza się tę formę tak, by kanał doprowadzający był usytuowany w jej dolnej części, po czym łączy się kanał doprowadzający formy z rurą dostarczającą roztopiony stop metalu, po czym doprowadza się pod ciśnieniem stop metalu do rury dostarczającej i napełnia się wnękę formy tym stopem, a następnie, przed jakimkolwiek znaczącym skrzepnięciem elementu, przestawia się człon zamykający i zamyka się kanał doprowadzający, po czym obraca się formę o około 180°, zapewniając dalsze krzepnięcie.

Zamykanie kanału doprowadzającego kończy się po mniej niż dziesięciu sekundach po zakończeniu etapu napełniania.

Odwracanie kończy się najpóźniej po 25 sekundach po zakończeniu zamykania kanału doprowadzającego.

Odwracanie kończy się najpóźniej po 15 sekundach po zakończeniu zamykania kanału doprowadzającego.

Wykorzystuje się część piaskową formy z piasku krzemionkowego o granulometri zawartej pomiędzy około 40 i około 55 AFS.

Wykorzystuje się część piaskową formy z piasku krzemionkowego o granulometri co najmniej równej 80 AFS.

Wykorzystuje się formę z dwóch półskrzynek formierskich, a podczas przygotowania formy formuje się dwie połówki części piaskowej formy w dwóch półskrzynkach, ustawia się formierskie rdzenie w dwóch półskrzynkach umieszczonych swoimi połówkami części piaskowej formy na wierzchu i składa się dwie półskrzynki.

Dwie półskrzynki składa się tak, by uzyskać formę w położeniu poziomym, a ponadto przestawia się formę do pionowej pozycji napełniania.

Rdzenie wykonuje się z piasku wiązanego chemicznie.

Rdzenie wykonuje się z piasku krzemionkowego o granulometri, co najmniej równej 40 AFS.

Po skrzepnięciu elementu oddziela się element od formy i odzyskuje się oddzielnie piasek z części piaskowej formy i piasek z rdzeni.

Przed etapem napełniania formy, umieszcza się co najmniej jeden duży element chłodzący w obszarze formy odległym od obszaru zasilania formy, a po skrzepnięciu odzyskuje się elementy chłodzące.

Urządzenie do odlewania elementu ze stopu metali nieżelaznych takiego jak stop aluminium zawierające formę zamocowaną obrotowo wokół poziomej osi z możliwością obrócenia

189 660 jej dnem do góry, rurę dostarczającą przystosowaną do połączenia z formą i doprowadzania pod ciśnieniem roztopionego stopu metalu aby napełnić formę stopem wbrew sile grawitacji, oraz urządzenie manipulacyjne do manipulowania formą, przystosowane do przemieszczania formy przez jej obrót wokół poziomej osi, dla zapewnienia krzepnięcia metalu w sposób grawitacyjny, według wynalazku charakteryzuje się tym, że forma ma metalową skrzynkę formierską, w której usytuowana jest część piaskowa formy wykonana z piasku wiązanego fizycznie, przy czym skrzynka ta składa się z dwóch metalowych półskrzynek, z których każda zawiera połówkę części piaskowej formy, zaś wewnątrz części piaskowej formy usytuowany jest kanał doprowadzający, łączący wnękę formy z wyjściem na zewnątrz poprzez otwór w skrzynce, przystosowany do szczelnego połączenia z rurą dostarczającą do napełniania wnęki formy roztopionym stopem, i wyposażony w ruchomy człon zamykający do zamykania tego kanału doprowadzającego, natomiast urządzenie manipulacyjne zawiera elementy do uruchamiania ruchomego członu zamykającego, a ponadto urządzenie manipulacyjne ma elementy do obrócenia formy.

Urządzenie manipulujące ma elementy dla przesunięcia formy w kierunku rury dostarczającej roztopiony stop.

Urządzenie manipulujące ma elementy do przemieszczania formy przez obrót wokół osi poziomej, pomiędzy pozycją wyjściową na wyjściu stanowiska montażu formy i pozycją odlewania.

Urządzenie manipulujące ma elementy do przemieszczania formy przez obrót wokół osi pionowej, pomiędzy pozycją współpracy z przenośnikiem podającym formę, pozycją współpracy z piecem odlewniczym niskociśnieniowym wyposażonym w rurę dostarczającą i pozycją współpracy z przenośnikiem odbierającym formę.

Forma do odlewania elementu ze stopu metali nieżelaznych, takiego jak stop aluminium, wyposażona w kanał doprowadzający do doprowadzania pod ciśnieniem roztopionego stopu i zamocowana obrotowo wokół poziomej osi tak, że po napełnieniu może być obrócona dnem do góry, według wynalazku charakteryzuje się tym, że zawiera metalową skrzynkę formierską, w której usytuowana jest część piaskowa formy wykonana z piasku wiązanego fizycznie, przy czym skrzynka ta składa się z dwóch metalowych półskrzynek, z których każda zawiera połówkę części piaskowej formy, zaś wewnątrz części piaskowej formy usytuowany jest kanał doprowadzający łączący wnękę formy z wyjściem na zewnątrz do napełniania wnęki formy roztopionym stopem, oraz wyposażony w ruchomy człon zamykający do zamykania tego kanału doprowadzającego.

Ruchomy człon zamykający zawiera płytę umieszczoną w części piaskowej formy i kierowaną bezpośrednio przez tę część piaskową formy.

Forma zawiera ślepe wgłębienie zakończone na wprost tej metalowej płyty, dostosowane do wprowadzenia trzonu elementu napędzającego tę płytę.

Płyta ma co najmniej jedno przedłużenie prowadzące, które w pozycji wyjściowej tej płyty jest wsunięte w przeciwległą połówkę części piaskowej formy.

Sposób, urządzenie i forma do odlewania według wynalazku pozwalają osiągnąć wysokąjakość odlewów przy stosunkowo niewielkich kosztach.

Zastosowanie, co najmniej w istotnej części piasku stabilizowanego fizycznie lub masy do formowania na wilgotno, poza znaczącym obniżeniem kosztów produkcji, pozwala na ponowne wykorzystanie piasku eliminując problemy z ochroną środowiska, jakie stwarza piasek stabilizowany chemicznie.

W rozwiązaniu według niniejszego wynalazku zastosowano mechanizm zasilania, w pełni przystosowany do napełniania formy pod niewielkim ciśnieniem i późniejszego chłodzenia przy wykorzystaniu siły grawitacji, gdzie forma musi być obrócona po napełnieniu.

W szczególności, dzięki połączeniu rury dostarczającej z piaskiem wiązanym fizycznie poprzez otwór w skrzynce formierskiej można osiągnąć dobre uszczelnienie podczas napełniania, unikając jednocześnie niebezpieczeństwa uszkodzenia skrzynki formierskiej.

W przeciwieństwie do znanego ze stanu techniki rozwiązania, w którym rura dostarczająca jest połączona z metalową skrzynką formierską przez co zakrzepły metal stopniowo gromadzi się na skrzynce formierskiej, a zatem po pewnym czasie skrzynka formierska nie może być dłużej stosowana, staje się bezużyteczna, w rozwiązaniu według niniejszego wyna189 660 łazku rura dostarczająca jest połączona z piaskiem wiązanym fizycznie, a zatem nie istnieje problem gromadzenia się zakrzepłego metalu i skrzynki bez problemów odzyskuje się po zakończeniu procesu odlewania i wykorzystuje się je do wytwarzania nowych form.

W rozwiązaniu według wynalazku przedstawiono urządzenie mechaniczne (ruchomy człon zamykający) umieszczony wewnątrz części piaskowej formy do zamykania układu zasilania bezpośrednio po operacji napełniania i jeszcze przed obróceniem formy.

Czynność zamykania według niniejszego wynalazku wykonana jest, tak szybko jak to tylko jest możliwe, po zakończeniu napełniania, aby nie tracić czasu i nie narażać się na problemy związane z rozpoczynającym się krzepnięciem metalu w kanale doprowadzającym.

Mechaniczne zamknięcie przewodu zasilającego przed rozpoczęciem obracania formy ma liczne zalety, w szczególności pozwala na pozostanie całego dostarczonego metalu w formie, dzięki czemu cały dostarczony metal jest wykorzystany na odlew. Daje to zwiększenie objętości o metal z nadstawek wlewowych. Ponadto, natychmiast po zakończeniu napełniania można obniżyć ciśnienie, a metal nie zacznie płynąć w kierunku rury dostarczającej.

Przedmiot wynalazku jest uwidoczniony w przykładach wykonania na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia uproszczony widok perspektywiczny formy i jej rdzeni stosowanych w sposobie według wynalazku, w trakcie etapu montażu formy, fig. 2a przedstawia wyrwany widok z boku elementów formy przygotowanej do montażu, fig. 2b i 2c przedstawiają w uproszczeniu przekrój poprzeczny zmontowanej formy w trakcie dwóch faz operacji według sposobu, fig. 3a do 3e przedstawiają w uproszczeniu przekrój podłużny, pionowy pięciu kolejnych etapów sposobu odlewania według wynalazku, fig. 4a do 4d przedstawiają w uproszczeniu cztery kolejne etapy umieszczania w formie urządzenia zamykającego, fig. 5 przedstawia uproszczony widok perspektywiczny obszaru urządzenia zamykającego w sytuacji z fig. 4a, fig. 6a do 6c przedstawiają w uproszczeniu widok z przodu urządzenia do manipulowania formą stosowanego w sposobie według wynalazku w trakcie trzech kolejnych faz operacji, fig. 7a i 7b przedstawiają w uproszczeniu widok z boku urządzenia z fig. 6a do 6c w trakcie dwóch kolejnych faz operacji, fig. 8a do 8c przedstawiają w uproszczeniu widok z góry urządzenia z fig. 6a do 6c i la, 7b i związanego osprzętu w trakcie trzech kolejnych faz operacji.

Na figurze 1 przedstawiona jest forma 10, której część piaskowa jest wykonana z piasku wiązanego fizycznie, to znaczy bez użycia żywic utwardzanych termicznie lub chemicznie, a korzystnie z piasku do formowania na mokro.

Zwraca się uwagę, że koszt na jednostkę ciężaru piasku do formowania na mokro jest dziesięć razy niższy od piasku wiązanego chemicznie z utwardzaniem na zimno. Ponadto ten typ piasku nie wywołuje problemów z ponownym wykorzystaniem i ochroną środowiska, jakie stwarza piasek stabilizowany chemicznie.

Piasek jest wykorzystywany w skrzynce formierskiej, zasadniczym elemencie formy, wykonanej w postaci dwóch półform lOa i lOb składających się z dwóch półskrzynek metalowych 17a, l7b. Każda półskrzynka zawiera jedną połówkę części piaskowej 1la, 1lb formy wykonaną według typowej technologii produkcji form z piasku do formowania na mokro, przy zastosowaniu modelu.

Przed zamknięciem dwóch półskrzynek jednej na drugiej każda półskrzynka jest umieszczana na przenośniku C w pozycji otwartej, powierzchnią części piaskowej ku górze, aby ułatwić zabudowę formy to znaczy umieszczanie różnych rdzeni i wkładów (główny zespół rdzenia 13 i indywidualne dodatkowe rdzenie 12) przeznaczone do uzyskania kształtów wewnętrznych i pewnych kształtów zewnętrznych realizowanego elementu, w tym przykładzie, bloku silnika. Rdzenie mogą być rozmieszczane ręcznie, w przypadku małych rdzeni 12 nawet przez roboty operujące na kolejnych stanowiskach pracy (w przypadku zespołu głównego rdzenia 13). Te rdzenie są korzystnie wykonane z piasku wiązanego chemicznie (korzystnie przy utwardzaniu na zimno w procesie typu „Isocet”). Z powodu ceny korzystnie stosuje się piasek krzemionkowy (Si02) o granulometrii równej około 55-60 AFS lub więcej, najlepsze stany powierzchni uzyskuje się przy podwyższonych wartościach granulometrii AFS.

Na figurze 2a widać, że zespół głównego rdzenia 13 posiada inne różne rdzenie 131 z piasku utwardzanego chemicznie, tworzące pożądane kształty, wkładki metalowe 132 przeznaczone do tworzenia tulei cylindra jak również masywny blok metalowy stanowiący ele8

189 660 ment chłodzący 16 do chłodzenia, co będzie pokazane później. Ten blok chłodzący może być wprowadzony do zespołu rdzenia 13 podczas wykonywania rdzeni 131 w taki sposób, aby uzyskać sztywne połączenie między rdzeniami, a elementem chłodzącym 16.

Po umieszczeniu rdzeni na ich miejscach, składa się ze sobą dwie półskrzynki, przy czym górną półskrzynkę, która początkowo była umieszczona obok dolnej półskrzynki z wnęką zwróconą do góry, obraca się o 180° (patrz pozycja na fig. 2a) dla połączenia z elementami wyznaczającymi odpowiednie położenie na dolnej półskrzynce.

Na figurach 2b i 2c pokazano pozycję formy 10 w fazie napełniania, przy czym jest to ten sam przykład odlewania bloku silnika.

Napełnianie jest dokonywane przez nadstawki wlewowe 14 przy zasilaniu niskociśnieniowym, przy czym kanał doprowadzający 22 znajduje się w dolnej części formy 10. Kierunek podnoszenia się płynnego metalu jest zaznaczony strzałkami FI.

Napełnianie przez zwykłą grawitację jest tu wykluczone z powodu ryzyka turbulencji i tworzenia tlenków, które wówczas powstają. Rzeczywiście wszystkie tlenki powstałe w systemie zasilania będą w tym przypadku włączone do odlewanego elementu i będą nieodwracalnie z nim połączone. Natomiast proces napełniania przy niskim ciśnieniu pozwala doskonałe kontrolować napełnianie bez tworzenia turbulencji i utrzymując od początku właściwy gradient termiczny w elemencie i w formie, przy czym nadstawki wlewowe 14 stanowią obszar najcieplejszy do końca napełniania.

Praktyczna realizacja napełniania przy niskim ciśnieniu jest wykonywana przez połączenie formy 10 z piasku z rurą nurnika (nie pokazana na fig. 2a), połączoną z piecem szczelnym typu pieca niskociśnieniowego. Po tym połączeniu podnoszenie się metalu i sterowanie strumieniem jest realizowane przez utrzymywanie zwiększonego ciśnienia pieca. Można także stosować pompę elektromagnetyczną..

Ważną cechą sposobu według wynalazku jest uzyskanie mechanicznego zamknięcia systemu zasilania po zakończeniu napełniania, a przed obróceniem formy o 180°. Taki obrót ma na celu umieszczenie nadstawek wlewowych 14 w pozycji górnej i dokonanie krzepnięcia w warunkach identycznych jak przy zasilaniu grawitacyjnym.

Obrócenie powinno być wykonane tak szybko jak tylko możliwe po zamknięciu. Próby pozwoliły wykazać, że gdy czeka się zbyt długo po zamknięciu przed wykonaniem obrotu w elemencie pojawiają się wady w postaci fałd lub wgłębień, które czynią element niezdatny do wykorzystania. Powstawanie tych wad można wyjaśnić tym, że krzepnięcie rozpoczyna się w najzimniejszych obszarach formy przed obrotem.

Konkretnie, dla elementu takiego jak blok silnika lub głowica cylindra, odwracanie powinno być zakończone najpóźniej po 15 sekundach, korzystnie najpóźniej po 5 sekundach po zakończeniu zamykania.

Samo zamykanie jest wykonane tak szybko jak tylko możliwe po zakończeniu napełniania, tak aby nie tracić czasu, bo następują zakłócenia powodowane początkiem krzepnięcia w przewodzie doprowadzającym. Zamykanie wykonuje się najpóźniej po dziesięciu sekundach po zakończeniu napełniania, chociaż przekroczenie tej granicy nie stanowi ryzyka dla jakości elementu.

Mechaniczne zamykanie układu zasilania przed obróceniem formy daje liczne korzyści. Po pierwsze pozwala ono natychmiast zmniejszyć ciśnienie i obrócić formę, która nie jest już pod ciśnieniem płynnego metalu. Pozwala to uniknąć powstawania złożonych złącz obrotowych na formie piaskowej. Gwarantuje ono ponadto, w przypadku wszystkich kształtów, wyraźne i natychmiastowe przerwanie strumienia płynnego metalu.

Jeśli obniży się ciśnienie po zakończeniu obracania, metal będzie kontynuował płynięcie z nadstawek wlewowych do układu zasilania. Naturalne zatrzymanie tego strumienia jest długie, typowo rzędu 10 sekund do kilkudziesięciu sekund, co opóźnia rozłączenie formy i rury dostarczającej, oraz sprawia że konieczne jest postawienie pojemnika płynnego metalu pod formą lub pod jej torem w stronę następnego stanowiska. Ponadto metal, który wycieknie będzie stracony.

W sposobie według wynalazku urządzenie zamykające pozwala na pozostanie całego dostarczonego metalu w formie, dzięki czemu cały dostarczony metal jest wykorzystany na odlew (zwiększenie objętości o metal z nadstawek wlewowych).

189 660

Praktycznie zamykanie może być wykonane przez działanie klapy metalowej umieszczonej w formie piaskowej, jak zostanie to szczegółowo opisane później (system gilotynowy) lub przez zastosowanie innego rozwiązania mechanicznego realizującego tę funkcję.

Fig. 2c ilustruje położenie formy 10 po obróceniu o 180°, przy czym wykonywany blok silnika jest oznaczony jako BM. Strzałki F2 pokazują zasadniczy kierunek chłodzenia.

Chłodzenie rozpoczyna się od elementu chłodzącego 16, który teraz znajduje się w części dolnej.

W sposobie według wynalazku można wykorzystywać kilka elementów chłodzących umieszczonych naprzeciw systemu nadstawek wlewowych i ustawianych w formie podczas ustawiania zespołu zasadniczego rdzenia 13 wykonanego z piasku wiązanego chemicznie.

W przypadku elementu chłodzącego 16 na fig. 1, 2a,do 2c pozwala on zaznaczyć gradient termiczny, który przyspiesza krzepnięcie w kierunku nadstawek wlewowych.

Praktycznie, takie elementy chłodzące 16 są utworzone z mas żeliwnych lub z innego materiału mającego porównywalną pojemność cieplną. Te masy mogą, jak w danym przypadku, znajdować się w formie, to jest służyć do częściowego ukształtowania odlewanego elementu.

Elementy chłodzące 16 są korzystnie monoblokami. Mogą być umieszczone w skrzynkach rdzeniowych, służąc do wykonania rdzeni utwardzanych chemicznie i wprowadzane do nich w momencie ich wykonywania przez natryskiwanie i polimeryzację piasku pokrytego żywicą w skrzynce rdzeniowej.

Po skrzepnięciu elementu, w pozycji pionowej z elementem chłodzącym 16 na dole i nadstawkami wlewowymi na górze (fig. 2c) dwie półskrzynki są rozkładane na płasko w taki sposób, że ich płaszczyzny połączeń są poziome. Są one delikatnie oddzielane jedna od drugiej. Odlany element jest uchwycony za elementy chłodzące 16 i system rdzeniowy utwardzany chemicznie, na przykład przez robota, następnie poddawany czyszczeniu, na przykład przez szczotkowanie tak, aby maksymalnie usunąć grudki związanego piasku przylegające do odlanego elementu.

To rozdzielenie dwóch rodzajów piasku pozwala na zminimalizowanie kosztów powtórnego zużycia piasku.

Ponadto w tym etapie odzyskuje się elementy chłodzące 16, które mogą być ponownie wykorzystane.

Odlany element jest więc poddawany zwykłemu cyklowi obróbki, czyli wybijania rdzeni (usuwanie piasku) okrawania, obróbki termicznej, obrabiania skrawaniem i kontroli.

Fig. 3a do 3e ilustrują w uproszczeniu sposób według wynalazku, w którym w kanale doprowadzającym 22 płynny metal, przeznaczonym do połączenia z rurą dostarczającą 20, przewidziano człon zamykający ogólnie oznaczony jako 30 (przykład jego wykonania będzie opisany później).

Początkowo człon zamykający 30 jest otwarty, a rura dostarczająca 20 jest połączona z formą 10 przez ruch formy w kierunku zgodnym ze strzałkąF3 (fig. 3a). Dokładniej, dzięki otworowi 21 wykonanemu w skrzynce formierskiej formy, rura dostarczająca 20 styka się z utwardzanym fizycznie piaskiem formy. Jest wówczas wykonywane napełnianie przy niskim ciśnieniu (fig. 3b). Następnie są uruchamiane elementy zamykające dla odizolowania wnęki formy, która jest napełniona, od systemu zasilania (strzałka F4 na fig. 3c), następnie odłącza się rurę dostarczaj ącą 20 od formy 10 zgodnie ze strzałką F5 (fig. 3d). Na koniec jest wykonane odwrócenie formy przez obrót wokół osi poziomej A zgodnie ze strzałką F6 na fig. 3e.

Można również przewidzieć rozpoczęcie obrotu formy wokół osi obrotu A po zakończeniu zamykania i rozhermetyzowania pieca. Pozwala to ostatnim kroplom płynnego stopu skrzepnąć w rurze dostarczającej 20, podczas fazy obracania, nie wykonując jednak tego obracania pod ciśnieniem, co jest krytyczne dla szczelności styku między rurą dostarczającą 20 a mokrym piaskiem części piaskowej 1la, 1lb formy. Pozwala to również na pewne skrócenie rytmu procesu.

Zauważa się także, że wykonanie rozłączenia między systemem zasilania a formą najwcześniej jak to możliwe w trakcie procesu, może pozwolić na przyspieszenie rytmu produkcji i połączenie z następną formą na taśmie produkcyjnej może być wykonane wcześniej.

Figury 4a do 4d i fig. 5 przedstawiają przykład wykonania członu zamykającego 30. Zawiera on metalową płytę 31 na przykład z żeliwa lub stali o grubości rzędu 2 do 5 mm

189 660 wprowadzoną w jedną (tu ł lb) z dwóch części piaskowych formy podczas jej wykonywania w taki sposób, aby znalazła się obok rury doprowadzającego 20, którą dostarczony jest metal. Na swoim wolnym krańcu zwróconym w stronę kanału doprowadzającego 22 płyta 31 ma dwa boczne występy 3la przeznaczone do łatwego umieszczenia płyty 31 podczas wykonywania połówki części piaskowej 1 lb, aby ułatwić prowadzenie płyty 31, gdy przemieszcza się ona do pozycji zamknięcia. W tym celu przeciwległa połówka części piaskowej lla ma dwa wgłębienia w przybliżeniu komplementarne 33, w które te występy 3la mogą być wprowadzone podczas montażu dwóch półskrzynek.

Należy zauważyć, że zastosowanie piasku do formowania na mokro do wykonania części piaskowej formy, pozwala bez trudności wykonać takie urządzenie zamykające, bowiem plastyczność piasku do formowania na mokro pozwala na przemieszczenie płyty 31, bez uszkodzenia formy, o ile płyta ta jest wystarczająco cienka.

Figura 4a ilustruje wykonanie połówki części piaskowej llb formy z płytą modelową PM. Wnęka zawiera zamykaj ącą płytę 31 i dwa, wystające z niej, występy 3 la.

Figura 4b ilustruje zespół dwóch półskrzynek, przy czym krańce występów 3la, 3la wnikają we wgłębienia 33 w przeciwległej wnęce.

Figura 4c ilustruje wgłębienie 34 utworzone w połówce części piaskowej llb formy i przeznaczone do przyjęcia trzonu 216 i głowicy 216a siłownika przeznaczonego do przesunięcia płyty 31 dla zamknięcia kanału doprowadzającego 22. Dno tego wgłębienia 34 znajduje się w bliskiej odległości od krawędzi płyty 31 przeciwległej do kanału doprowadzającego 22.

Na koniec fig. 4d ilustruje sytuację po tym, jak siłownik za pośrednictwem trzonu 216 i jego głowicy 216a zadziałał na płytę 31, która po lokalnym przerwaniu piasku dokonała zamknięcia.

Figury 6a do 6c pokazują przykład urządzenia manipulującego EQ formą, które zawiera zasadniczy korpus 100 zawierający ruchomą część szkieletową 106, zamontowaną na płycie podstawy 102, za pośrednictwem wału 104, w taki sposób, aby móc się obracać wokół osi pionowej B pod działaniem silnika, tak jak karuzela.

Na części szkieletowej 106 jest zamontowany korpus dodatkowy 200 przeznaczony do przyjęcia formy 10 i do jej przemieszczenia, jak pokazano dalej.

Ten korpus dodatkowy posiada ramę 202 zamontowaną obrotowo, na przykład na kole zębatym 108, którego obrót wokół osi poziomej A jest sterowany odpowiednim silnikiem (nie pokazany).

Forma 10 jest zamontowana na ramie 202 z kanałem doprowadzającym 22 zwróconym na zewnątrz i jest utrzymywana na swoim miejscu pomiędzy płytą dociskową 204, na którą działa siłownik i przeciw-płytą 210. Krążki kierujące 206, 212 określają oparcie dla różnych kierunków, pozwalające kierować i ustawiać formę 10 na właściwej pozycji w urządzeniu. Siłownik 214 z wyjściowym trzonem 216 pozwala sterować zamykającą płytą 31 umieszczoną w formie, jak opisano powyżej.

Figury 7a i 7b pokazują to samo urządzenie w widoku z boku razem z piecem 300 wyposażonym w rurę dostarczającą 20. Dodatkowy korpus 200 jest zamontowany za pośrednictwem ślizgaczy na szynie prowadzącej 220, przymocowanej do zasadniczego korpusu 106, aby mógł się ślizgać, gdy forma 10 znajduje się ze swoim kanałem doprowadzającym 22 naprzeciw rury dostarczającej 20, zbliżając się i oddalając do tej rury pod wpływem działania siłownika (nie pokazanego).

Na koniec figury 8a do 8c pokazują opisane powyżej urządzenie w widoku z góry, współpracujące z podajnikiem C, na którym formy są montowane, piecem niskociśnieniowym 300 i podajnikiem C' dla odbioru produktów po odlaniu i odesłania ich do stanowiska chłodzenia.

Odlewanie przeprowadza się w następujących fazach.

Najpierw forma jest montowana na podajniku C, jak opisano powyżej, i znajduje się w pozycji poziomej zwrócona do urządzenia manipulującego EQ, w którym jest umieszczona.

Korpus dodatkowy 200 jest początkowo zwrócony w stronę przenośnika w wymaganym kierunku (fig. 6a i 8a).

Urządzenie manipulujące EQ wykonuje wówczas obrót o 90° wokół osi pionowej B, aby forma była zwrócona w stronę pieca i jednocześnie lub oddzielnie forma jest obrócona o 90°, aby przyjąć pozycję pionową odlewania (fig 6b i 8b).

189 660

Forma 10 jest wtedy przesunięta w stronę pieca 300, aby wprowadzić rurę dostarczającą 20 w szczelne połączenie ze swoim kanałem doprowadzającym 22 (fig. 7a) i wykonuje się odlew przy niskim ciśnieniu.

Na wyjściu układu wlewowego kanał doprowadzający 20 jest zamykany i ciśnienie w piecu jest obniżane w taki sposób aby sprowadzić metal na poziom niższy od poziomu rury dostarczającej 20. Następnie forma jest oddzielana od rury dostarczającej 20 i obracana o 180° wokół osi poziomej A, jak opisano powyżej (fig. 6c i 7b).

Jednocześnie lub oddzielnie korpus dodatkowy 200 jest obrócony o 90° wokół osi pionowej B, aby ustawić formę 10 w stronę podajnika wyjściowego C' (fig. 8c) kierującego formę do stanowiska chłodzenia.

Teraz będzie opisany kolejno przykład wykonania bloku silnika znaną techniką (przykład 1), a następnie przykład wykonania tego samego bloku silnika sposobem według wynalazku.

Przykład 1

Blok silnika o czterech cylindrach w linii i ciężarze 18 kg jest wykonywany przy niskociśnieniowym systemie zasilania pokazanym na fig. 2, ale bez elementów chłodzących i z piaskiem cyrkonowym do formowania na wilgotno, o granulometri równej 113 AFS i następującej kompozycji (w procentach masowych):

bentonit: 1,8% woda 1,5% resztę stanowił piasek cyrkonowy

Rdzenie wewnętrzne i krawędzie (małe boki bloku) są wykonywane z piasku wiązanego chemicznie.

Stop zastosowany do odlewu miał następujący skład:

Si: 8, 6%

Cu: 2,2%

Mg: 0,3%

Fe: 0,4%

Mn: 0,3% resztę stanowiło aluminium

Temperatura metalu w momencie odlewania wynosi 720°C.

Napełnianie jest wykonywane przy niskim ciśnieniu i trwa 15 sekund.

Zamknięcie systemu zasilania jest wykonane w 2 sekundy po napełnieniu.

Obrót o 180° jest wykonany w 30 sekund po zamknięciu.

Badania bloku silnika wykazały duży stopień porowatości (od 1,5 do 3%) w łożyskach wału korbowego i obecność w odlanym elemencie pęcherzyków i wgłębień o wymiarach rzędu centymetra, co jest zupełnie nie do przyjęcia dla tego typu elementów.

Przykład 2

Taki sam blok silnika jest wykonywany w formie z krzemionkowego piasku do formowania na wilgotno o granulometri równej 55-65 AFS z taką samą koncentracją bentonitu i wody, jak w przykładzie 1. Rdzenie wewnętrzne i krawędzie są wykonywane z piasku wiązanego chemicznie, jak w przykładzie 1. Element chłodzący 16 z żeliwa jest umieszczony, jak pokazano na fig. 2. Warunki nalewania i napełniania są identyczne do tych z przykładu 1. Zamknięcie jest wykonane w 2 sekundy po zakończeniu napełnienia.

Obrót o 180° zaczyna się w sekundę po zamknięciu i trwa 4 sekundy. Podczas fazy obrotu jest korzystne wykonanie rozhermetyzowania pieca niskociśnieniowego, co służy wprowadzeniu ciekłego metalu do formy.

Badania bloku wykazały, że nie ma żadnych wad typu pęcherzyków i wgłębień i że struktura stopu na wprost elementu chłodzącego w łożyskach wału korbowego jest prawidłowa (mniej niż 0,5% porowatości)

Oczywiście wynalazek nie ogranicza się do opisanych i pokazanych przykładów, ale znawca może w nim dokonać zmian i modyfikacji jakie uzna za stosowne.

189 660

FlG.3a

FlG.3b

22

30 ²⁰ 21

URI

SSSSJ

F3

FIG.3c

FIG.3d

FlG.3e

189 660

B-d

FIG.6a

189 660

189 660 oo o A

(Ό r—I

O

Ll_

189 660

200

FIG.8a

FI G.8b

189 660

FIG.1

Departament Wydawnictw UP RP. Nakład 50 egz.

Cena 4,00 zł.

Claims

Zastrzeżenia patentowe

1. Sposób odlewania elementu ze stopu metali nieżelaznych, takiego jak stop aluminium, w którym najpierw przygotowuje się formę, po czym łączy się formę z rurą dostarczającą pod ciśnieniem roztopiony stop metalu, następnie napełnia się formę stopem wbrew sile grawitacji, po czym obraca się formę, zapewniając krzepnięcie metalu, znamienny tym, że przygotowuje się formę (10) mającą metalową skrzynkę formierską (17a, 17b), w której usytuowana jest część piaskowa (Ila, llb) formy wykonana z piasku wiązanego fizycznie, przy czym skrzynka ta składa się z dwóch metalowych półskrzynek (17a, 17b), z których każda zawiera połówkę części piaskowej (Ila, lit») formy, zaś wewnątrz części piaskowej (lla, llb) formy usytuowany jest kanał doprowadzający (22), łączący wnękę formy (10) z wyjściem na zewnątrz poprzez otwór (21) w skrzynce, do napełnienia wnęki formy (10) roztopionym stopem, oraz wyposażony w ruchomy człon zamykający (30, 31) do zamykania tego kanału doprowadzającego (22), następnie umieszcza się tę formę (10) tak, by kanał doprowadzający (22) był usytuowany w jej dolnej części, po czym łączy się kanał doprowadzający (22) formy (10) z rurą dostarczającą (20) roztopiony stop metalu, po czym doprowadza się pod ciśnieniem stop metalu do rury dostarczającej (20) i napełnia się wnękę formy (10) tym stopem, a następnie, przed jakimkolwiek znaczącym skrzepnięciem elementu, przestawia się człon zamykający (30, 31) i zamyka się kanał doprowadzający (22), po czym obraca się formę (10) o około 180°, zapewniając dalsze krzepnięcie.
2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że zamykanie kanału doprowadzającego (22) kończy się po mniej niż dziesięciu sekundach po zakończeniu etapu napełniania.
3. Sposób według zastrz. 1 albo 2, znamienny tym, że odwracanie kończy się najpóźniej po 25 sekundach po zakończeniu zamykania kanału doprowadzającego (22).
4. Sposób według zastrz. 3, znamienny tym, że odwracanie kończy się najpóźniej po 15 sekundach po zakończeniu zamykania kanału doprowadzającego (22).
5. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że wykorzystuje się część piaskową (lla, lit») formy (10) z piasku krzemionkowego o granulometrit zawartej pomiędzy około 40 i około 55 AFS.
6. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że wykorzystuje się część piaskową (lla, llb) formy (10) z piasku krzemionkowego o granulometri co najmniej równej 80 AFS.
7. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że wykorzystuje się formę (10) z dwóch półskrzynek formierskich (17a, 17b), a podczas przygotowania formy (10) formuje się dwie połówki części piaskowej (lla, llb) formy w dwóch półskrzynkach (17a, 17b), ustawia się formierskie rdzenie (12, 13) w dwóch półskrzynkach (17a, 17b) umieszczonych swoimi połówkami części piaskowej (lla, llb) formy na wierzchu i składa się dwie półskrzynki (17a, 17b).
8. Sposób według zastrz. 7, znamienny tym, że dwie półskrzynki (17a, 17b) składa się tak, by uzyskać formę (10) w położeniu poziomym, a ponadto przestawia się formę (10) do pionowej pozycji napełniania.
9. Sposób według zastrz. 7, znamienny tym, że rdzenie (12,13) wykonuje się z piasku wiązanego chemicznie.
10. Sposób według zastrz. 9, znamienny tym, że rdzenie (12, 13) wykonuje się z piasku krzemionkowego o granulometri, co najmniej równej 40 AFS.
11. Sposób według zastrz. 1 albo 9, znamienny tym, że po skrzepnięciu elementu oddziela się element od formy (10) i odzyskuje się oddzielnie piasek z części piaskowej (lla, llb) formy i piasek z rdzeni (12, 13).

189 660
12. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że przed etapem napełniania formy (10), umieszcza się co najmniej jeden duży element chłodzący (16) w obszarze formy (10) odległym od obszaru zasilania formy (10), a po skrzepnięciu odzyskuje się elementy chłodzące (16).
13. Urządzenie do odlewania elementu ze stopu metali nieżelaznych takiego jak stop aluminium zawierające formę zamocowaną obrotowo wokół poziomej osi z możliwością obrócenia jej dnem do góry, rurę dostarczającą przystosowaną do połączenia z formą i doprowadzania pod ciśnieniem roztopionego stopu metalu aby napełnić formę stopem wbrew sile grawitacji, oraz urządzenie manipulacyjne do manipulowania formą, przystosowane do przemieszczania formy przez jej obrót wokół poziomej osi, dla zapewnienia krzepnięcia metalu znamienne tym, że forma (10) ma metalową skrzynkę formierską (17a, 17b), w której usytuowana jest część piaskowa (Ua. llb) formy wykonana z piasku wiązanego fizycznie, przy czym skrzynka ta składa się z dwóch metalowych półskrzynek (17a, 17b), z których każda zawiera połówkę części piaskowej (lla, llb) formy, zaś wewnątrz części piaskowej (lla, llb) formy usytuowany jest kanał doprowadzający (22), łączący wnękę formy (10) z wyjściem na zewnątrz poprzez otwór (21) w skrzynce, przystosowany do szczelnego połączenia z rurą dostarczającą (20) do napełniania wnęki formy (10) roztopionym stopem, i wyposażony w ruchomy człon zamykający (30, 31) do zamykania tego kanału doprowadzającego (22), natomiast urządzenie manipulacyjne (EQ) zawiera elementy do uruchamiania ruchomego członu zamykającego (30, 31), a ponadto urządzenie manipulacyjne (EQ) ma elementy do obrócenia formy (10).
14. Urządzenie według zastrz. 13, znamienne tym, że urządzenie manipulujące (EQ) ma elementy dla przesunięcia formy (10) w kierunku rury dostarczającej (20) roztopiony stop.
15. Urządzenie według zastrz. 13, znamienne tym, że urządzenie manipulujące (EQ) ma elementy do przemieszczania formy (10) przez obrót wokół osi poziomej, pomiędzy pozycją wyjściową na wyjściu stanowiska montażu formy (10) i pozycją odlewania.
16. Urządzenie według zastrz. 13, znamienne tym, że urządzenie manipulujące (EQ) ma elementy do przemieszczania formy (10) przez obrót wokół osi pionowej, pomiędzy pozycją współpracy z przenośnikiem (C) podającym formę, pozycją współpracy z piecem odlewniczym niskociśnieniowym (300) wyposażonym w rurę dostarczającą (20) i pozycją współpracy z przenośnikiem (C') odbierającym formę (10).
17. Forma do odlewania elementu ze stopu metali nieżelaznych, takiego jak stop aluminium, wyposażona w kanał doprowadzający do doprowadzania pod ciśnieniem roztopionego stopu i zamocowana obrotowo wokół poziomej osi tak, że po napełnieniu może być obrócona dnem do góry, znamienna tym, że zawiera metalową skrzynkę formierską (17a, 17b), w której usytuowana jest część piaskowa (lla, llb) formy wykonana z piasku wiązanego fizycznie, przy czym skrzynka ta składa się z dwóch metalowych półskrzynek (17a, 17b), z których każda zawiera połówkę części piaskowej (lla, llb) formy, zaś wewnątrz części piaskowej (lla, llb) formy usytuowany jest kanał doprowadzający (22) łączący wnękę formy (10) z wyjściem na zewnątrz do napełniania wnęki formy (10) roztopionym stopem, oraz wyposażony w ruchomy człon zamykający (30.31) do zamykania tego kanału doprowadzającego (22).
18. Forma według zastrz. 17, znamienna tym, że ruchomy człon zamykający (30, 31) zawiera płytę (31) umieszczoną w części piaskowej (lla, llb) formy i kierowaną bezpośrednio przez tę część piaskową(lla, Ub) formy.
19. Forma według zastrz. 18, znamienna tym, że zawiera ślepe wgłębienie (34) zakończone na wprost tej metalowej płyty (31), dostosowane do wprowadzenia trzonu (216) elementu napędzającego tę płytę (31).
20. Forma według zastrz. 18 albo 19, znamienna tym, że płyta (31) ma co najmniej jedno przedłużenie prowadzące (31a), które w pozycji wyjściowej tej płyty (31) jest wsunięte w przeciwległą połówkę części piaskowej (lla) formy (10).

189 660