RZECZPOSPOLITA POLSKA (12) OPIS PATENTOWY (19) PL (11) 173503 (13) B1 ( 2 1) Numer zgłoszenia: 305409 (51) IntCl6: B22C 15/08 Urząd Patentowy Rzeczypospolitej Polskiej (22) Data zgłoszenia: 10.10.1994 (54) Sposób i urządzenie do zagęszczania dynamicznego materiałów sypkich lub ziarnistych (43) Zgłoszenie ogłoszono: 15.04.1996 BUP 08/96 (73) Uprawniony z patentu: Kopeć Jan, Nowa Sól, PL (72) Twórcy wynalazku: Jan Kopeć, Nowa Sól, PL Marian Piec, Nowa Sól, PL (45) O udzieleniu patentu ogłoszono: 31.03.1998 WUP 03/98 (74) Pełnomocnik: Piczman Jerzy, BKEngineering PL 173503 B1 (57) 1. Sposób zagęszczania dynamicznego materiałów sypkich lub ziarnistych, zwłaszcza mas formierskich znajdujących się w skrzynce formierskiej, znamienny tym, że zagęszczanie masy formierskiej odbywa się poprzez ciągle narastające naciski, wywierane energią szybko wzrastającego ciśnienia sprężonego powietrza, na górne warstwy masy formierskiej i trwające w swej maksymalnej wartości, wynoszącej korzystnie 0,6 MPa, przez okres od kilku do kilkunastu sekund. fig. 1a fig. 1b
Sposób i urządzenie do zagęszczania dynamicznego materiałów sypkich lub ziarnistych Zastrzeżenia patentowe 1. Sposób zagęszczania dynamicznego materiałów sypkich lub ziarnistych, zwłaszcza mas formierskich znajdujących się w skrzynce formierskiej, znamienny tym, że zagęszczanie masy formierskiej odbywa się poprzez ciągle narastające naciski, wywierane energią szybko wzrastającego ciśnienia sprężonego powietrza, na górne warstwy masy formierskiej i trwające w swej maksymalnej wartości, wynoszącej korzystnie 0,6 MPa, przez okres od kilku do kilkunastu sekund. 2. Urządzenie do zagęszczania dynamicznego materiałów sypkich lub ziarnistych, zawierające zbiornik ciśnieniowy z dnem szczelinowym, na którym spoczywa perforowane zwieradło połączone swobodnie z ciągadłem, znamienne tym, że pod dnem (2) zbiornika ciśnieniowego (1) znajduje się trwale, przytwierdzony do skrzynkowej obudowy (4) i współdziałający ze znaną ramką nadmiarową skrzynki formierskiej, elastyczny mieszek (5) zamykający go szczelnie od dołu, przy czym od góry zbiornik ten zamyka samoczynny zawór różnicowy (15), zwarty z ciągadłem (8), i który wraz z zaworem sterującym (17), ustawionym na płycie górnej (16) urządzenia, tworzą pneumatyczny układ sterujący. 3. Urządzenie według zastrz. 2, znamienne tym, że wewnątrz korpusu (23) zaworu sterującego (17) znajduje się tłoczek (24), osadzony w membranie przewijanej (25), która to oddziela komorę roboczą (27) od komory obojętnej (28), przy czym tłoczek współpracuje okresowo ze, znajdującym się pod nim, przelotowym grzybkiem (33), przytwierdzonym do membrany dolnej (32), oddzielającej jednocześnie komorę roboczą od - położonej pod nią - komory rozprężnej (31), której otwór przelotowy (35) jest zamykany talerzem dolnym (34) grzybka przelotowego. 4. Urządzenie według zastrz. 3, znamienne tym, że komora rozprężna (31) jest znacznie większa od przestrzeni ciśnieniowej (22) samoczynnego zaworu różnicowego (15). 5. Urządzenie według zastrz. 2, znamienne tym, że współtworząca samoczynny zawór różnicowy (15), górna tarcza (14) ciągadła (8), luźnie przechodzącego przez osiowy otwór (13) wewnętrznej półki (12) zbiornika ciśnieniowego (1), spoczywająca na pierścieniowej uszczelce (18), która to jest osadzona na wewnętrznej półce i posiada średnicę znacznie mniejszą od średnicy zewnętrznej tej tarczy, jest jednocześnie elastycznie połączona, poprzez pierścieniową przeponę (19), z pokrywą górną (20) zbiornika ciśnieniowego, i która to pokrywa oddziela ten zawór od komory rozprężnej (31) zaworu sterującego (17). 6. Urządzenie według zastrz. 2, znamienne tym, że znane ciągadło (8) jest połączone z perforowanym zwieradłem (6) poprzez cylindryczny zabierak (9) w taki sposób, że pomiędzy górną płaszczyzną kołnierza (10) ciągadła a, współpracującą z nią wewnętrzną płaszczyzną (11) zabieraka znajduje się luz osiowy. * * * Przedmiotem wynalazku jest sposób zagęszczania dynamicznego materiałów sypkich lub ziarnistych, a zwłaszcza mas formierskich oraz urządzenie do stosowania sposobu. Zarówno sposób jak i urządzenie znajdują zastosowanie w odlewnictwie do wykonywania form odlewniczych. Znanym i stosowanym w odlewnictwie sposobem zagęszczania mas formierskich jest metoda niskociśnieniowego zagęszczania impulsowego. Polega ona na wywołaniu bardzo szybkiego wzrostu ciśnienia powietrza w przestrzeni technologicznej, to jest w przestrzeni znajdującej się w skrzynce formierskiej i ograniczonej od dołu masą formierską i płytą modelową a od góry urządzeniem wywołującym wzrost ciśnienia. Metoda ta, przedstawiona przykładowo w niemieckim opisie patentowym nr 1 097 622, wymaga wywołania gradientu ciśnienia w przestrzeni tech-
173 503 3 nologicznej rzędu 70-100 Pa/s. Forma odlewnicza, wykonana tą metodą, charakteryzuje się jednak niewystarczającym zagęszczeniem jej górnych warstw. W tym celu stosuje się odpowiednio duży nadmiar masy - następnie usuwany lub też, dogęszczanie przez znane prasowanie. Wśród wielości rozwiązań konstrukcyjnych realizujących przedstawiony sposób zagęszczania impulsowego mas formierskich, najbardziej typową jest głowica firmy BMD. Przykładowo jest ona przedstawiona w niemieckim opisie patentowym nr 3 518 980. Głowica ta, zbudowana jest ze zbiornika sprężonego powietrza, zamkniętego od dołu szczelinowym dnem przykrytym talerzem. Razem tworzą one zawór, których szczeliny - w pozycji zamkniętej nie tworzą przelotu powietrza. Talerz napędza cylinder, ustawiony ponad nim w zbiorniku sprężonego powietrza i sterowany zaworami sterującymi zwartymi pneumatycznie odpowiednio z akumulatorem sprężonego powietrza i pompą hydrauliczną. W momencie, gdy pod tłokiem cylindra rośnie gwałtownie ciśnienie, unosi się on nagle do góry i wraz z nim talerz. Powietrze zawarte w zbiorniku ciśnieniowym poprzez szczeliny w talerzu i dnie przepływa do przestrzeni technologicznej i zagęszcza masę formierską znajdującą się ponad zespołem modelowym w skrzyni formierskiej i ramce nadmiarowej. Opisana głowica impulsowa realizuje klasyczny sposób niskociśnieniowego zagęszczania impulsowego. Oznacza to, że górne warstwy nie są odpowiednio zagęszczone. Wymagają one więc odpowiedniego dogęszczania lub, w przypadku nadmiaru masy, ścięcia warstwy niedogęszczonej. Oprócz tej nader istotnej wady, stosowanie opisanej głowicy wiąże się z koniecznością stosowania wysokociśnieniowego zasilania hydraulicznego przy sterowaniu zaworami. A ponad to użycie akumulatora sprężonego powietrza, stacji pomp i zaworów hydraulicznych. W sposób zasadniczy rozbudowuje całą konstrukcję, podraża ją i wprowadza szereg istotnych utrudnień eksploatacyjnych. W sumie powoduje to, że głowice impulsowe nie są w pełni konkurencyjne pod względem eksploatacyjnym w odniesieniu do tradycyjnych metod wykonywania form. W celu uniknięcia tych niedogodności postawiono przed wynalazkiem zadanie techniczne polegające na opracowaniu zarówno sposobu jak i urządzenia do dynamicznego zagęszczania masy formierskiej na całej wysokości formy i z użyciem impulsu sprężonego powietrza. Cel te osiągnięto dzięki temu, że zagęszczanie masy formierskiej odbywa się poprzez ciągle narastające naciski, wywierane energią szybko wzrastającego ciśnienia sprężonego powietrza, na górne warstwy masy formierskiej i trwające w swej maksymalnej wartości, wynoszącej 0,6 MPa, przez okres od kilku do kilkunastu sekund. Urządzenie natomiast charakteryzuje się tym, że pod dnem jego zbiornika ciśnieniowego znajduje się, trwale przytwierdzony do skrzynkowej obudowy i współdziałający z ramką nadmiarową skrzynki formierskiej, elastyczny mieszek zamykający go szczelnie od dołu, przy czym od góry zbiornik ten zamyka samoczynny zawór różnicowy, zwarty z ciągadłem, i który wraz z zaworem sterującym, ustawionym na płycie górnej urządzenia, tworzą pneumatyczny układ sterujący. Natomiast wewnątrz korpusu zaworu sterującego znajduje się tłoczek, osadzony w membranie przewijanej, która to oddziela komorę roboczą od komory obojętnej, przy czym tłoczek współpracuje okresowo ze, znajdującym się pod nim, przelotowym grzybkiem, przytwierdzonym do membrany dolnej, oddzielającej jednocześnie komorę roboczą od - położonej pod nią - komory rozprężnej, której otwór przelotowy jest zamykany talerzem dolnym grzybka przelotowego. Poza tym wspomniana komora rozprężna jest znacznie większa od przestrzeni ciśnieniowej samoczynnego zaworu różnicowego. Nad to, współtworząca samoczynny zawór różnicowy, górna tarcza ciągadła, luźno przechodzącego przez osiowy otwór wewnętrznej półki zbiornika ciśnieniowego, spoczywająca na pierścieniowej uszczelce, która to jest osadzona na wewnętrznej półce i posiada średnice znacznie mniejszą od średnicy zewnętrznej tej tarczy, jest jednocześnie elastycznie połączona, poprzez pierścieniową przeponę, z pokrywą górną zbiornika ciśnieniowego, i która to pokrywa oddziela ten zawór od komory rozprężnej zaworu sterującego. Jednocześnie wspomniane wcześniej ciągadło jest połączone z perforowanym zwieradłem poprzez cylindryczny zbiornik w taki sposób, że pomiędzy górną płaszczyzną kołnierza ciągadła a, współpracującą z nią wewnętrzną płaszczyzną zbiornika znajduje się luz osiowy.
4 173 503 Opisany powyżej sposób dynamicznego zagęszczania masy formierskiej znajdującej się w skrzynce formierskiej zapewnia uzyskanie właściwego jej zagęszczania na całej wysokości. Jest to możliwe dzięki temu, że w trakcie trwania jednego procesu zagęszczania są przeprowadzone dwie operacje. Pierwsza z nich to zagęszczanie impulsowe oraz druga, przeprowadzona natychmiast po pierwszej, to doprasowanie - prowadzone w czasie przetrzymywania impulsu. Opisany sposób zagęszczania znalazł praktyczną realizację w urządzeniu według mniejszego wynalazku. Stało się to możliwe, głównie dzięki zastosowaniu elastycznego mieszka. Pozwala on bowiem na uzyskanie zagęszczania impulsowego wraz z prasowaniem górnych warstw formy. Dzięki temu wyeliminowano potrzebę wbudowania odrębnego zespołu doprasowującego lub też urządzenia do ścinania technologicznego nadmiaru masy. Poza tym zamknięcia czynnika roboczego, jakim jest sprężone powietrze, w półotwartym obiegu zapobiegała filtracji formy oraz umożliwiało regulację parametrów technologicznych i odseparowanie go od przestrzeni technologicznej. Ta ostatnia zaleta wyeliminowała dodatkowo konieczność hermetyzacji przestrzeni technologicznej oraz zmniejszyła wymagania jakościowe w stosunku do niektórych mechanizmów maszyny formierskiej, skrzynek formierskich, ramki nadmiarowej i zespołu modelowego. Istotnym również jest to, że elastyczny mieszek całkowicie eliminuje groźbę wydmuchu powietrza, co w zasadniczy sposób poprawia warunki pracy. Te zalety w połączeniu z zaletami wypływającymi z samej konstrukcji urządzenia, jak odpowiednia dynamika działania impulsu, zbiornik ciśnieniowy stanowiący jednocześnie akumulator sprężonego powietrza, powoduje, że możliwe jest zastosowanie go w prostej, wyłącznie pneumatycznej maszynie formierskiej. Przedmiot wynalazku jest przedstawiony w przykładzie wykonania na rysunku, którego fig. 1a przedstawia urządzenie do zagęszczania dynamicznego w półprzekroju osiowym, w stanie wyjściowym, fig. 1b - to samo urządzenie w półprzekroju osiowym, w czasie trwania zagęszczania a fig. 2 - powiększony fragment zaworu steru jącego również w przekroju osiowym. Urządzenie do zagęszczania dynamicznego zawiera zbiornik ciśnieniowy 1, zamknięty od dołu dnem 2 z przelotowymi szczelinami 3. Pod nim znajduje się skrzynkowa obudowa 4, w której podwieszono elastyczny mieszek 5. Na dnie, wewnątrz zbiornika ciśnieniowego, spoczywa perforowane zwieradło 6 z otworami przelotowymi 7. Przelotowe szczeliny i otwory przelotowe są względem siebie poprzestawiane, uniemożliwiając jakikolwiek przepływ. Samo zwieradło łączy się swobodnie z ciągadłem 8 poprzez cylindryczny zbiornik 9. Połączenie to jest tak wykonane, że pomiędzy górną płaszczyzną kołnierza 10 ciągadła a wewnętrzną płaszczyzną 11 zabieraka występuje luz osiowy. Zbiornik ciśnieniowy, w górnej swej części, posiada wewnętrzną półkę 12 z otworem osiowym 13. Przez ten otwór przechodzi luźno ciągadło, kończąc się górną tarczą 14. Tarcza ta tworzy, z innymi elementami konstrukcyjnymi, samoczynny zawór różnicowy 15. Wraz z, ustawionym na płycie górnej 16 zbiornika ciśnieniowego, zaworem sterującym 17, współtworzą pneumatyczny układ sterujący. Wspomniana wyżej górna tarcza ciągadła leży na pierścieniowej uszczelce 18, osadzonej sztywno na wewnętrznej półce. Charakteryzuje się ona tym, że jej średnica jest znacznie mniejsza od średnicy zewnętrznej tarczy 14 i szczelnie izoluje zbiornik ciśnieniowy od pozostałych zespołów położonych nad tarczą, która łączy się elastycznie, poprzez pierścieniową przeponę 19, z pokrywą górną 20 tego zbiornika. W ten sposób, w ramach samoczynnego zaworu różnicowego, powstały: położona pod pierścieniową przeponą- przestrzeń wylotowa 21 oraz położona nad pierścieniową przeponą- przestrzeń ciśnieniowa 22. Jak już wspomniano wyżej, korpus 23 zaworu sterującego 17 ustawiono na płycie górnej. W jego wnętrzu znajdują się tłoczek 24, osadzony na membranie przewijanej 25. Obrzeża membrany przewijanej są odpowiednio połączone z dołem tłoczka oraz z przegrodą 26. Dzieli ona wnętrze korpusu na: komorę roboczą 27 - położoną poniżej niej oraz komorę obojętną 28 - położoną powyżej jej. Komorę obojętną ogranicza ponad to od góry tarczowa membrana 29, ponad którą znajduje się komora sterująca 30. Natomiast komorę roboczą od dołu ogranicza membrana dolna 32, pod którą znajduje się komora rozprężna 31. Membrana dolna jest rozciągnięta pomiędzy płytą górną i, centralnie położonym, przelotowym grzybkiem 33. Grzybek ten jest ukształtowany w ten sposób, że jego talerz dolny 34 zamyka
173 503 5 otwór osiowy 35 w pokrywie górnej, podczas gdy sam porusza się na sprężynie 36, osadzonej w odsadzeniu 37 płyty górnej. W stanie wyjściowym, pokazanym na fig. 1a, skrzynkowa obudowa 4 urządzenia do zagęszczania dynamicznego jest wsunięta do, nie pokazanej na rysunku, ramki nadmiarowej skrzynki formierskiej wypełnionej masą. Elastyczny mieszek 5, którego wnętrze jest odpowietrzone przez zawór odcinający 38, dotyka górnej powierzchni masy formierskiej. Ciągadło 8 znajduje się w dolnym położeniu, opierając swą górną tarczę 14 na pierścieniowej uszczelce 18 i odcinając przestrzeń wylotową21 od zbiornika ciśnieniowego 1. Jednocześnie zawór sterujący 17 przekazuje do przestrzeni ciśnieniowej 22 sprężone powietrze, powodując, że ciśnienie w tej przestrzeni jest wyższe od ciśnienia w zbiorniku ciśnieniowym. Cykl pracy rozpoczyna się z chwilą, gdy impuls sterujący przesterowuje odpowiednio zawory: odpływowy 39 - łączący przestrzeń wylotową21 z atmosferą oraz odcinający 38 - zamykający wnętrze w elastycznym mieszku. Po czasie niezbędnym do odpowietrzania przestrzeni wylotowej, zawór odpływowy zostaje zamknięty a zawór sterujący 17 przesterowany w położenie łączące przestrzeń ciśnieniową 22 z komorą rozprężną 31. Jednocześnie odcięty zostaje dopływ powietrza do komory roboczej 27. W tej operacji istotne jest to, że komora rozprężna jest znacznie większa od przestrzeni ciśnieniowej, co zapewnia uzyskanie dużej dynamiki przelotu powietrza. Zawór sterujący 17, który wywołuje operacje łączenia przestrzeni ciśnieniowej z komorą rozprężną, w stanie wyjściowym zajmuje położenie odcinające przestrzeń od komory. W tym położeniu talerz dolny 34 przylega do pokrywy górnej 20, zamykając otwór osiowy 35. Oznacza to, że grzybek przelotowy 33 znajduje się w swym górnym położeniu, podtrzymywany przez sprężynę 36. Jest to stan, w którym wszystkie przejścia pomiędzy poszczególnymi komorami są zamknięte i panuje w nich ciśnienie atmosferyczne. Doprowadzenie do komory roboczej 27 sprężonego powietrza powoduje, że tłoczek unosi się do góry, zmniejszając objętość komory sterującej 30. Jednocześnie powietrze z komory roboczej przepływa przez otwór w przelotowym grzybku do przestrzeni ciśnieniowej 22, dociskając tym samym talerz do pokrywy górnej. Wspomniane przesterowanie zaworu sterującego polega na doprowadzeniu powietrza do komory sterującej 30, przy jednoczesnym odcięciu dopływu do komory roboczej 27. Dzięki dużej różnicy powierzchni membrany przewijania 25 i membrany dolnej 32, wprowadzeniu komory obojętnej 28 - gdzie zawsze panuje ciśnienie atmosferyczne - uzyskuje się bardzo dużą dynamikę przemieszczania tłoczka. W trakcie tego ruchu w dół, uderza on w górną, cylindryczną powierzchnię grzybka. W ten sposób zamyka się przelot powietrza z komory roboczej do przestrzeni ciśnieniowej i w dalszej kolejności powoduje, pokonując opór sprężyny 36, opuszczenie grzybka. W wyniku tych przemieszczeń następuje połączenie przestrzeni ciśnieniowej z komorą roboczą, przy całkowitym rozprężeniu tej pierwszej. Po przekroczeniu warunków równowagi sił działających na ciągadło 8 rozpoczyna się jego ruch w górę. Początkowo, w wyniku działania sprężonego powietrza znajdującego się w zbiorniku ciśnieniowym na powierzchni górnej tarczy 14 ograniczonej pierścieniową uszczelką 18 ruch jest spowolniony. Następnie, po oderwaniu się górnej tarczy od pierścieniowej uszczelki i uczestniczenie całej jej powierzchni, ruch ten się dynamizuje. Jednocześnie, dzięki istnieniu luzu osiowego pomiędzy kołnierzem ciągadła a zbiornikiem, w początkowym ruchu ciągadła perforowane zwieradło 6 spoczywa nieruchomo na dnie 2 zbiornika ciśnieniowego. Dopiero po przekroczeniu tego luzu i po uzyskaniu przez ciągadło odpowiedniej szybkości, perforowane zwieradło jest nagle podrywane do góry, aż do zderzenia się ze zderzakami 40. Przestrzeń w elastycznym mieszku 5 wypełnia się sprężonym, przepływającym dynamicznie ze zbiornika ciśnieniowego, i zagęszcza masę formierską znajdującą się w skrzynce formierskiej. Po odcięciu dopływu powietrza do komory sterującej 30 zaworu sterującego, przelotowy grzybek wraz z tłoczkiem powracają w swe wyjściowe położenie. Przestrzeń ciśnieniowa zaczyna się wypełniać powietrzem, przy jednoczesnym odcięciu jej od komory rozprężania. Ciągadło wraz z perforowanym zwieradłem opadają na dno zbiornika ciśnieniowego. Tym samym uszczelniona zostaje przestrzeń w elastycznym mieszku, w której w dalszym ciągu znajduje się sprężo-
6 173 503 ne powietrze. W ten sposób, wykorzystując wypełniony elastyczny mieszek, doprasowuje się przez ściśle określony okres czasu górne warstwy formy. Po upływie tego czasu, który na ogół wynosi od kilku do kilkunastu sekund, następuje przesterowanie zaworu odcinającego 38, odpowietrza on przestrzeń w elastycznym mieszku. W tym samym czasie następuje uzupełnienie powietrza w zbiorniku ciśnieniowym a całe urządzenie powraca do stanu wyjściowego. Umożliwia to, po wymianie formy na kolejną, zasypaną masę formierską, skrzynkę formierską rozpoczęcie następnego cyklu, formowania.
173 503 fig. 2
173 503 fig. 1a fig. 1b Departament Wydawnictw UP RP. Nakład 90 egz. Cena 2,00 zł