/39 Solidification of Metals and Alloys, Year 1999, Volume 1, Book No. 39 Krzepnięcie Metali i Stopów, Rok 1999, Rocznik 1, Nr 39 PAN Katowice PL ISSN 8-9386 ANALIZA ROZWIĄZAŃ I OCENA PNEUMATYCZNYCH ZESPOŁÓW ZAWOROWYCH STOSOWANYCH W MASZYNACH FORMIERSKICH SMYKSY Krzysztof DAŃKO Józef Akademia Górniczo-Hutnicza, Wydział Odlewnictwa Kraków, ul. Reymonta 3 BAST Jürgen TU Bergakademie Freiberg Institut-fűr Maschinenbau" Freiberg, Bernhard-von-Cotta Str.4 STRESZCZENIE W pracy przedstawiono analizę wybranych rozwiązań pneumatycznych zespołów zaworowych maszyn formierskich stosowanych w nowoczesnych odlewniach. Ocena zespołów zaworowych oraz charakterystyka ich działania jest oparta głównie na własnych badaniach pneumatycznych procesów wytwarzania form i rdzeni odlewniczych, uzupełnionych analizą danych literaturowych. Powyższe rozważania stwarzają przesłanki doboru maszyny formierskiej odpowiedniej do rodzaju realizowanej technologii formy. 1. WSTĘP W nowoczesnych maszynach do wykonywania form i rdzeni odlewniczych nadal szeroko wykorzystywany jest napęd pneumatyczny. W maszynach, które można określić jako formierki strumieniowe podstawowymi zespołami, decydującymi o uzyskiwanych efektach technologicznych są zespoły zaworowe. W artykule dokonano przeglądu rozwiązań konstrukcyjnych wybranych zaworów realizujących klasyczny proces impulsowy, procesy Seiatsu oraz dmuchowy. Podjęto zagadnienie analizy działania i oceny zaworów opartej na modelowaniu numerycznym i pomiarach na obiektach rzeczywistych. Zwrócono uwagę na związki istniejące pomiędzy parametrami zespołów zaworowych a uzyskiwanymi efektami technologicznymi formowania.
11. ZESPOŁY ZAWOROWE MASZYN FORMIERSKICH Technologia formowania na wilgotno wykorzystująca klasyczne masy z bentonitem nadal stanowi podstawowy sposób wykonywania odlewów. Pneumatyczne maszyny strumieniowe są obecnie standardowym wyposażeniem odlewni. Realizują one różnorodne warianty formowania, począwszy od strumieniowego procesu Seiatsu, aż do klasycznego procesu impulsowego. Oferta tych maszyn charakteryzuje się dużą różnorodnością, co dotyczy także ich zespołów zaworowych, najczęściej chronionych patentami. Na rysunku 1 przedstawiono wybrane rozwiązania strumieniowych zespołów zaworowych. Rys. 1. Głowice strumieniowo-prasujące: a - z impulsowym zaworem płytowym [9], b - z podwójnym zespołem zaworowym firmy GF-DISA [6]. Fig 1. Air flow heads combined with squeezing: a- impulse plate type valve [9], b- double action valve system of GF-DISA design [6]. Analiza wskazuje, że w różnorodnych pozornie rozwiązaniach można dostrzec wspólne cechy konstrukcyjne. W przypadku klasycznego procesu impulsowego ( p/ τ > 1 MPa/s) dąży się do zwiększenia dynamiki działania poprzez uzyskanie stromej charakterystyki statycznej i dynamicznej (np. stosowanie zaworów wielogniazdowych o dużej powierzchni przelotowej), obniżenie masy części ruchomych, eliminację prowadzenia zawieradeł. Można zauważyć, że obowiązuje współzależność parametrów konstrukcji i działania zaworów. Ocena funkcjonowania danego zaworu powinna obejmować indywidualną analizę ruchu zawieradła, uwzględniającą w konkretnym rozwiązaniu, proces przepływu powietrza z głowicy impulsowej do przestrzeni technologicznej. Próba matematycznego opisu modelu przepływu prowadzi w efekcie do złożonego układu nieliniowych równań różniczkowych [7.8]. Wymagana jest przy tym znajomość parametrów konstrukcyjnych zespołu zaworowego. Do przybliżonej oceny zespołów
1 zaworowych stosuje się różne wskaźniki, np. stosunek powierzchni przelotowej zaworu do powierzchni skrzyni formierskiej (w świetle); stosunek objętości głowicy impulsowej do objętości przestrzeni technologicznej itp. Jak wykazano w pracy [8], większość tego typu wskaźników nie spełnia jednak warunków stawianych kryteriom podobieństwa, a zatem nie może stanowić podstawy do miarodajnego porównania poszczególnych rozwiązań. W przypadku formowania strumieniowego o małej dynamice narastania ciśnienia (proces Seiatsu), czy też formowania podciśnieniowego, wymagania stawiane zespołom zaworowym są znacznie mniejsze. Widoczna jest wyraźna zbieżność rozwiązań konstrukcyjnych z zaworami szybkiego działania stosowanymi w innych dziedzinach techniki (np. w workowych filtrach impulsowych). Innym przykładem adaptacji znanych rozwiązań jest zastosowanie armatki powietrznej, służącej do usuwania zawisów w zbiornikach materiałów sypkich, jako części składowej impulsowej głowicy formierskiej [4]. Wymagania w stosunku do tego typu zespołów dotyczyć powinny w pierwszym rzędzie niezawodności działania. W ostatnim okresie widoczna jest tendencja do stosowania systemów wielozaworowych i wyposażania maszyn strumieniowych w zespoły doprasowania (rys. 1 b). Zdaniem autorów najbardziej miarodajna ocena zespołu zaworowego możliwa jest na podstawie analizy dynamicznych przebiegów ciśnienia w głowicy oraz przestrzeni technologicznej. Z reguły wymaga ona zaawansowanych, wielokanałowych systemów do pomiarów dynamicznych [5,6]. Analiza samych charakterystyk statycznych czy dynamicznych zespołów zaworowych maszyn formierskich jest niewystarczająca, gdyż ważne jest działanie całego układu zaworowego. Na rysunkach do 4 przedstawiono czasowe przebiegi ciśnienia w odpowiednich przestrzeniach roboczych urządzenia przy realizacji procesów: impulsowego, strumieniowego i strzałowego (dmuchowego)..7 ciśnienie, MPa.6.5.4.3. 1.1 1 3 5 7 9 11 13 15 17 19
13 szybkość narastania ciśnienia, MPa/s 9 8 7 6 5 4 3 1 1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 Rys.. Przebiegi czasowe podstawowych wielkości charakteryzujących proces przepływu powietrza w układzie głowica impulsowa - przestrzeń technologiczna: a - przebiegi ciśnienia powietrza w głowicy (1) i przestrzeni technologicznej (), b - szybkość narastania ciśnienia w przestrzeni technologicznej. Fig. The time run of main quantities of air flow process in system consisting of impulse head technological volume. a - air pressure value: in impulse head (1) and in technological volume (), b- intensity of pressure buildup in technological volume..6.5 1 ciśnienie, MPa.4.3..1.5 1 1.5
14 szybkość narastania ciśnienia, MPa/s.5 1.5 1.5 -.5.5 1 1.5 Rys. 3. Przebiegi czasowe podstawowych wielkości w procesie przepływu powietrza w układzie zbiornik wyrównawczy - przestrzeń technologiczna strumieniowej maszyny formierskiej HSP-. a - ciśnienie w zbiorniku wyrównawczym (1) i przestrzeni technologicznej (), b - szybkość narastania ciśnienia w przestrzeni technologicznej. Fig 3. The time run of main quantities of air flow process in system consisting of internal machine reservoir and technological volume in air flow moulding machine type HSP-. a- air pressure value in internal air reservoir (1) and in technological volume (), b- intensity of pressure buildup in technological volume. Wymiary skrzyń formierskich: 7x55x, ramki nadmiarowej 15mm (widoczny punkt przegięcia na krzywej ciśnienia związany jest z zamknięciem zaworu strumieniowego). Procedura badań diagnostycznych uzasadnia sporządzenie wykresów szybkości narastania ciśnienia w przestrzeni technologicznej w funkcji czasu. Charakteryzowanie dynamiki działania zespołów zaworowych wartością średnią lub maksymalną ( p/ τ) może prowadzić do błędnej oceny funkcjonowania zespołu. Niezbędna jest również znajomość podstawowych parametrów układu. Przykładowo dla przebiegów przedstawionych na rysunku, dane obejmują: stosunek objętości głowicy do przestrzeni technologicznej: 4,., stosunek powierzchni przelotowej do powierzchni skrzynki w świetle:,19, wymiary skrzyń:,4 x,3m, ciśnienie początkowe w głowicy:,61 MPa, typ zaworu: płytowy. do średnicy komory nabojowej:,395, stosunek powierzchni: zaworu strzałowego do otworu strzałowego 3,77, stopień odpowietrzenia rdzennicy 1,.
15 ciśnienie, MPa.7.6.5.4.3..1 1 3 4 6 8 1 szybkość narastania ciśnienia, MPa/s 1 1 8 6 4 1 4 6 8 1 Rys. 4. Przebiegi czasowe podstawowych wielkości charakteryzujących proces przepływu powietrza w strzelarce (symulacja numeryczna): a - przebiegi ciśnienia: w zbiorniku wyrównawczym (1), komorze nabojowej (), rdzennicy (3), b - szybkość narastania ciśnienia: w komorze nabojowej (1), w rdzennicy (). Fig 4. The time run of main quantities characterising of air flow process in core shooter (numerical simulation). a- air pressure value in: internal compensating reservoir (1), in shooting chamber (), and in core box (3), b- intensity of pressure buildup in shooting chamber (1) and in core box ().
16 Dla rysunku 4 objętość zbiornika wyrównawczego wynosi:,6 m 3, objętość komory nabojowej:,1 m 3, objętość rdzennicy:,4 m 3, ciśnienie sieci:,6 MPa, stosunek średnicy otworu strzałowego Przy odpowiedniej analizie wykresów analogicznych do przedstawionych w pracach [1,,3,8], możliwa jest ocena nie tylko działania samego zaworu, ale również trafności doboru objętości głowicy impulsowej (rys. ), czasu otwarcia zaworu (rys. 3), stopnia odpowietrzenia przestrzeni technologicznej (rys. 4). Pomocą w tym względzie są opracowane programy symulacyjne, zweryfikowane doświadczalnie [3,6,7]. Rozwój układów sterowania oraz zastosowanie systemów wielozaworowych stwarza możliwość realizacji większej liczby wariantów formowania strumieniowego np. w postaci procesu Seiatsu, klasycznego procesu impulsowego, a także kombinację w jednym cyklu obu procesów [5]. Poszerza to w istotny sposób możliwy zakres wykorzystania danej maszyny do formowania bardzo skomplikowanych modeli. Obszerny zakres już wykonanych własnych badań technologicznych [1,3,5], przy zastosowaniu omawianych procesów, również umożliwia przewidywanie efektów formowania na podstawie przebiegu ciśnienia w przestrzeni technologicznej. 3. ZESPOŁY ZAWOROWE MASZYN DMUCHOWYCH DO FORM I RDZENI Najczęściej spotykane odmiany konstrukcyjne to zawory tłokowe [3,5] i membranowe, przy czym w strzelarkach mogą być stosowane dwa zawory pojedynczego działania, lub jeden zawór podwójny. W pierwszym przypadku, jeden z zaworów realizuje doprowadzenie powietrza do komory nabojowej, a drugi do wydmuchu z niej powietrza po procesie strzału. Czynność wydmuchu powietrza ma dwojakie uzasadnienie. Po pierwsze wywołuje częściowe spulchnienie masy, co ułatwia zasypywanie kraterów powstałych podczas poprzedniego cyklu pracy i po wtóre, zwiększa wydajność maszyny, gdyż skraca czas ewakuacji powietrza z komory nabojowej, co jest warunkiem przystąpienia do ponownego cyklu napełniania zbiornika masą. W rozwiązaniach z jednym zaworem jego konstrukcja, podobnie jak w rozwiązaniu Hansberga, zapewnia zarówno doprowadzenie, jak i odprowadzenie powietrza z komory nabojowej. Znane są również przypadki stosowania dwóch zaworów dmuchowych [3,5], w celu uzyskania dwustopniowego wpływu powietrza do komory nabojowej. Zawory z tłokiem cylindrycznym są stosowane w strzelarkach jako zawory doprowadzające (wdmuchujące) powietrze. Niezawodność oraz ekonomika działania maszyny o takiej konstrukcji zależy od wzajemnego powiązania takich cech zaworu jak: masa cylindrycznego tłoka, stosunek górnej powierzchni tłoka do dolnej, objętość przestrzeni powietrznej pod tłokiem, ciśnienie powietrza w zbiorniku wyrównawczym po strzale i przekrój przewodów podających sprężone powietrze pod tłok. Dla stabilnej pracy tłoka zaleca
17 się, aby jego masa była możliwie najmniejsza. Może on być wykonany ze stopów aluminium. Górna powierzchnia tłoka musi zapewnić szczelność rozdzielenia komory nabojowej od zbiornika wewnętrznego strzelarki. Zawór cylindryczny pracuje bardziej stabilnie wówczas, gdy jest wyposażony w mały zbiornik sprężonego powietrza wpięty do układu sterowania. Główną zaletą maszyn dmuchowych z dwoma zaworami jest równomierne i szybkie doprowadzenie powietrza do komory nabojowej, jednak duże trudności sprawia odpowiednia synchronizacja obu zaworów. Zawory strzałowe tłokowe były zastosowane przez Hansberga w klasycznym rozwiązaniu strzelarki po raz pierwszy w roku 1948. Zawory te pozwalają uniknąć kłopotów z synchronizacją pracy zaworów o rozdzielnych funkcjach pneumatycznych. Zawory otwierają się jedynie na czas strzału, któremu odpowiada czas trwania doprowadzenia sprężonego powietrza ze zbiornika wewnętrznego maszyny do komory nabojowej. Przy zamkniętym zaworze komora nabojowa jest połączona z atmosferą poprzez drążone tłoczysko zaworu, co pozwala na załadunek masy, wymianę rdzennic itp. W tym położeniu jest odcięty dopływ powietrza do komory ze zbiornika wyrównawczego. W celu otwarcia zaworu doprowadza się sprężone powietrze do przestrzeni sterującej. Gwałtowna ekspansja powietrza w komorze nabojowej, w tym również powietrza zawartego w porach masy powoduje jej spulchnienie podczas ewakuacji powietrza do atmosfery. W membranowym zaworze strzałowym tłok zastąpiony został membraną. Cechą charakterystyczną tego zaworu jest stosunkowo niewielka droga tłoczyska, co powoduje uzyskiwanie małych powierzchni przelotu zaworu. Sytuacja taka jest spowodowana przez ograniczone możliwości odkształcania membrany. Trudności może nastręczać także dobór materiału membrany o dużej trwałości. Dlatego też, z uwagi na uzyskiwanie stosunkowo niewielkich powierzchni przelotu zawór ten jest głównie stosowany w małych strzelarkach. Przeanalizowane konstrukcje istniejących zaworów do maszyn dmuchowych charakteryzują się stałym przelotem podczas pełnego ich otwarcia. W rozwiązaniach tych nie stosuje się zaworów, umożliwiających uzyskiwanie w tej samej maszynie różnych powierzchni przelotu. Jedyny znany przykład w tym zakresie stanowi strzelarka produkcji rosyjskiej [5], posiadająca dwa różne zawory strzałowe, zamocowane w tym samym korpusie komory nabojowej. Tego typu rozwiązanie jest przydatne również w technologiach wykonywania rdzeni odlewniczych z użyciem nowoczesnych mas rdzeniowych z żywicami syntetycznymi, przeznaczonych do utwardzania w temperaturze otoczenia. W tym przypadku jest wymagane stosowanie mniejszego ciśnienia dmuchu i skrócenia czasu przedmuchiwania masy powietrzem. W technologiach cold-box, wprost zaleca się niską intensywność przebiegu procesu dmuchowego, która nie wpływa ujemnie na efekt zagęszczania masy, z uwagi na dużą płynność masy z żywicami syntetycznymi.
18 4. WNIOSKI Przedstawione rozważania prowadzą do następujących wniosków: 1. Obecny stan wiedzy pozwala na projektowanie zaworów strzałowych o różnej konstrukcji i dynamice działania. Umożliwia to konstruowanie maszyn dmuchowych o różnej intensywności narastania ciśnienia w komorze nabojowej, w zależności od potrzeb technologicznych. Teoretyczne podstawy obliczania powierzchni przelotowej zaworów dmuchowych i strzałowych, analogicznych do zaworu Hansberga, dla założonej szybkości narastania ciśnienia zostały wyłożone w pracy [3]. Metodyka pomiarowa oraz analiza wyników wsparta zweryfikowanymi programami obliczeniowymi umożliwia optymalizację konstrukcji.. Poszukiwanie rozwiązań zaworów uniwersalnych, zapewniających możliwość uzyskania różnej dynamiki pracy, w zależności od potrzeb, bez mnożenia liczby zaworów jest uzasadnione potrzebami perspektywicznymi. Pozwala na szerszy zakres przewidywanego zastosowania strumieniowych formierek pneumatycznych i maszyn dmuchowych do różnych warunków technologicznych prowadzenia procesu, które aktualnie nie są jeszcze do końca sprecyzowane. LITERATURA [1] Bast J., Lang L.:Einsatz des Luftstrompressformverfahrens zur Erhoehung der Gussteilqualitaet. Materiały Konferencji pt. "Tendencje rozwojowe w mechanizacji procesów odlewniczych". Wydz. Odlewnictwa AGH, PAN, STOP. Kraków 1994, s. 33-4. [] Boenisch D., Daume K.: Formstoffe, Formmaschinen und Formstoffprofung zur Optimierung der Impulsverdichtung. Giesserei nr 1, 1984, s.381-393. [3] Dańko J. Proces wytwarzania rdzeni i form metodami dmuchowymi. Badania i teoria. Metalurgia i Odlewnictwo, Zeszyt 145, Kraków 199, s. 1-179. [4] Domażal R., Mikulczyński T., Samsonowicz Z., Stawczyk R.: Koncepcja i badanie nowej głowicy do impulsowego zagęszczania mas formierskich. Przegląd Odlewnictwa nr 4, 1997, s. 19-111. [5] Praca zbiorowa: Prognozy rozwoju odlewnictwa w Polsce na tle tendencji światowych, Temat II: Maszyny i mechanizacja procesów odlewniczych, Cz.. Maszyny do wykonywania form i rdzeni. Projekt zamawiany KBN. Instytut Odlewnictwa, Kraków, 1995 r. [6] Smyksy K., Dańko J., Bast J.: Zespoły zaworowe pneumatycznych maszyn formierskich nowej generacji. Materiały Konferencji Naukowej: "Materiałoznawstwo, Odlewnictwo, Jakość", Politechnika Krakowska, Kraków 1997, s.185-19.
19 [7] Smyksy K.: Analiza rozwiązań impulsowych zespołów zaworowych. Materiały I Międzynarodowej Konferencji pt. "Tendencje rozwojowe w mechanizacji procesów odlewniczych". Wydział Odlewnictwa AGH, PAN, STOP. Kraków 1994, s. 67-7. [8] Smyksy K.: Wskaźniki działania impulsowych maszyn formierskich. Konferencja Naukowa z Okazji Dnia Odlewnika '97. Wydział Odlewnictwa AGH, Kraków 1997, s.55-59. [9] Stefanowicz M., Gruber P., Rudy Cz.: Formierka dwustanowiskowa impulsowoprasująca FT-65. Materiały II Konferencji Odlewniczej TECHNICAL' 99, Nowa Sól 1999, s. 31-38. Badania zrealizowano w ramach prac AGH nr: 1.17.97 oraz 11.11.17. THE ANALYSIS AND EVALUATION OF AIR BLOWING VALVE UNITS ADOPTED IN STREAM MOULDING MACHINES SUMMARY The general aim of the article is the analysis and evaluation of air blowing valve units adopted in stream moulding machines actually used in moulding plants of modern foundries. This analysis and assessment of valves units properties adopted in moulding machines design, mostly based on authors own investigations, joined with literature s information, enables foundries the proper choice of moulding machine type for determined expectation from technological point of view.