BADANIA SYMULACYJNE I EKSPERYMENTALNE PROCESU DYNAMICZNEGO PRASOWANIA MAS FORMIERSKICH

Transkrypt

1 6/6 ARCHIWUM ODLEWNICTWA Rok 00, Rocznik, Nr 6 Archives of Foundry Year 00, Volume, Book 6 PAN - Katowice PL ISSN BADANIA SYMULACYJNE I EKSPERYMENTALNE PROCESU DYNAMICZNEGO PRASOWANIA MAS FORMIERSKICH M. GANCZAREK, W. KOLLEK, T. MIKULCZYŃSKI, ITMiA Politechniki Wrocławskiej, ul. Łukasiewicza /5, Wrocław IKEM Politechniki Wrocławskiej, ul. Łukasiewicza 7/9, Wrocław STRESZCZENIE Zaprezentowano model matematyczny procesu dynamicznego prasowania mas formierskich. Przedstawiono wyniki badań symulacyjnych opracowanego modelu oraz badań eksperymentalnych procesu prasowania mas formierskich. Analiza wyników badań symulacji cyfrowej modelu matematycznego oraz badań eksperymentalnych pozwala na stwierdzenie, że opracowany model bardzo dobrze opisuje proces dyn a- micznego prasowania. Opracowany model można zastosować do projektowania głowic prasujących oraz optymalizacji procesu dynamicznego prasowania. Key words: moulding sand, dynamic pressing, mathematical model, simulating research, experimental research. WSTĘP W ostatnich latach nastąpił znaczący rozwój nowych odmian prasowania mas fo r- mierskich, które stanowi podstawową metodę zagęszczania mas. Można do nich zaliczyć dynamiczne zagęszczanie mas formierskich, tzn.: zagęszczanie impulsowe oraz dynamiczne prasowanie. Do impulsowego zagęszczania mas formierskich są stosowane głowice wyposażone w tzw. zawory impulsowe, które pozwalają otworzyć wylot zbiornika akumulacy j- nego sprężonego powietrza w bardzo krótkim czasie, rzędu kilku milisekund. W efekcie uzyskuje się bardzo dużą szybkość narastania ciśnienia (rzędu kilkaset MPa/s) w komorze roboczej siłownika bądź w przestrzeni nad masą formierską. mgr inż., mirekg@itma.pwr.wroc.pl prof. dr hab. inż., sekr@nwikem.pwr.wroc.pl prof. dr hab. inż. itma@itma.pwr.wroc.pl 55

2 Do dynamicznego prasowania mas formierskich można użyć między innymi głowicę formierską wyposażoną w udarowy (szybkobieżny) napęd pneumatyczny. Taki n a- pęd umożliwia bowiem uzyskiwanie dużych wartości prędkości płyty prasującej, nawet rzędu 5m/s. Przy czym przyjmuje się [], że dynamiczne prasowanie zachodzi wó w- czas, gdy płyta prasująca ma prędkość v>m/s. Określenie optymalnych parametrów procesu dynamicznego zagęszczania mas formierskich wymaga znajomości i badań symulacyjnych modelu matematycznego procesu zagęszczania. Badania symulacyjne umożliwiają bowiem wyznaczanie isto t- nych parametrów i efektów procesu prasowania, a przez to mogą być wykorzystane w praktycznych zastosowaniach. Złożoność zjawisk zachodzących podczas dynamicznego zagęszczania sprawia, że dotychczas nie opracowano modelu matematycznego w pełni opisującego przebieg procesu dynamicznego zagęszczania mas formierskich. Próby modelowania matematycznego procesu dynamicznego zagęszczania podejmowali między innymi D. Bo e- nisch i Daume K [], G.M. Orlov [] i K. Smyksy [4]. W Laboratorium Podstaw Automatyzacji Instytutu Technologii Maszyn i Automatyzacji Politechniki Wrocławskiej, we współpracy z Ośrodkiem Badawczo - Rozwojowym Elementów i Układów Pneumatyki w Kielcach od kilku lat są prowadzone bad a- nia głowic i procesu dynamicznego prasowania [5-7]. Ich efektem jest między innymi opracowanie modelu matematycznego procesu dynamicznego prasowania mas formie r- skich, który zostanie przedstawiony poniżej.. MODEL MATEMATYCZNY PROCESU DYNAMICZNEGO PRASOWANIA MAS FORMIERS KICH Na rysunku a pokazano schemat stanowiska badawczego do dynamicznego prasowania mas formierskich, natomiast na rys. b zamieszczono schemat procesu pras o- wania masy, którą zamodelowano lepko-sprężystym modelem reologicznym. Uwzględniając dynamikę głowicy prasującej, model reologiczny masy formierskiej dx dx oraz przyjmując następujące założenie upraszczające: kc 0 i kt 0 dt dt proces dynamicznego prasowania mas formierskich można opisać układem równań różniczkowych d x d x dx p F p F ( m m ) g m m kt kc ( x Lr ) dt dt dt () dp dx G R T p dt s x dt F w którym: p, p ciśnienia absolutne odpowiednio w roboczej i powrotnej komorze cylindra, F, F przekroje tłoka po stronie roboczej (czynnej) i powrotnej (biernej), g przyspieszenie ziemskie, m - masa elementów ruchomych głowicy prasującej, m 56

3 ARCHIWUM ODLEWNICTWA masa prasowanej masy formierskiej, x współrzędna położenia tłoka, x współrzędna położenia górnej warstwy masy formierskiej, L r droga rozbiegu płyty prasującej, k T =f() - współczynnik tłumienia w funkcji stopnia zagęszczenia, k c = f() - współczynnik sprężystości w funkcji stopnia zagęszczenia, - stopień zagęszczenia masy formierskiej, s- skok siłownika, κ wykładnik adiabaty, G natężenie wypływu powietrza z komory spustowej, R- stała gazowa powietrza, T temperatura powietrza zawartego w komorze spustowej, a) b) F p 4 F p m G W C m Lr x k C kt x Rys.. Schematy: stanowiska badawczego (a): głowica prasująca (), konstrukcja nośna (), skrzynka formierska (), komputer PC (4), czujnik nacisków w masie (C), wzmacniacz ładunku (W) oraz procesu dynamicznego prasowania mas formierskich (b) Fig.. Lay-out of the test stand (a): pressing head (), supporting structure (), moulding box (), PC (4), sensor of pressures in moulding sand (C), charge amplifier (W); and diagram of the dynamic pressing process of moulding sands (b) Ze względu na to, że proces deformacji masy formierskiej przebiega bez możliwości bocznych odkształceń, dlatego następuje jej plastyczne płynięcie (zag ęszczenie). Zagęszczenie masy można opisać następującą zależnością empiryczną: z =k[0,4-exp(- p o )] E() () 57

4 w której: E=f() moduł sprężystości w funkcji stopnia zagęszczenia, p o - ciśnienie początkowe sprężonego powietrza w zbiorniku akumulacyjnym głowicy prasującej, k współczynnik. Badania symulacyjne modelu matematycznego procesu dynamicznego prasowania wymagają znajomości parametrów charakteryzujących własności reologiczne masy, tzn. k C =f() i k T =f(). Współczynniki określające własności lepkie i sprężyste masy formierskiej można wyznaczyć z następujących zależności [8] k ( ) 0, 6 A c( ) T p Ap kc( ) E( ) ( ) () w których: c=f( ) - prędkość rozchodzenia się fali ultradźwiękowej w masie formierskiej w funkcji stopnia zagęszczenia, A p pole powierzchni płyty prasującej, - gęstość masy formierskiej, - współczynnik Poissona. BADANIA SYMULACYJNE PROCESU PRASOWANIA Badania symulacji cyfrowych opracowanego modelu matematycznego procesu dy - namicznego prasowania mas formierskich zrealizowano z użyciem różnych wartości ciśnienia początkowego sprężonego powietrza w zbiorniku akumulacyjnym wynoszących odpowiednio p o =0,4, 0,5 i 0,6MPa. Wyniki symulacji cyfrowych dla masy formierskiej z 7% bentonitu Bentomak i wilgotności W=,5% przedstawiono na rys.., na którym pokazano zmiany nacisków prasowanej dynamicznie masy w funkcji czasu. Pokazane zależności obrazują przebieg procesu dynamicznego prasowania. 4. BADANIA EKSPERYMENTALNE PROCESU PRASOWANIA Badania eksperymentalne procesu dynamicznego prasowania mas formierskich zrealizowano na stanowisku badawczym, którego schemat pokazano na rys. a. Badania dynamicznego prasowania dla masy formierskiej z 7% bentonitu Bentomak i wilgotności W=,5% wykonano z użyciem różnych wartości ciśnienia początkowego sprężonego powietrza w zbiorniku akumulacyjnym wynoszących odpowiednio p o =0,4, 0,5 i 0,6MPa. Wyniki badań zamieszczono na rys.. Na podstawie analizy zależności przedstawionych na rys. i można stwierdzić, że przyjęty model matematyczny opisuje proces prasowania z bardzo dobrym, dla praktyki, przybliżeniem. 58

5 σc[mpa] σc[mpa] ARCHIWUM ODLEWNICTWA t[ms] Rys.. Badania symulacyjne procesu dynamicznego prasowania mas formierskich, zależności c =f(t) wyznaczone dla ciśnień zasilania: p o =0,4MPa (), p o =0,5MPa () oraz p o =0,6MPa () Fig.. Simulating research of the dynamic pressing process of moulding sands; relationships c = f(t) determined for supply pressure values: p o =0.4MPa (), p o =0.5MPa () and p o =0.6MPa () t[ms] Rys.. Wyniki badań eksperymentalnych pomiarów nacisków w masie formierskiej, uzyskane przy ciśnieniach zasilania: p o =0,4MPa (), p o =0,5MPa () oraz p o =0,6MPa () Fig.. Results of experimental examination of pressures in moulding sand, obtained at supply pressure values: p o =0.4MPa (), p o =0.5MPa () and p o =0.6MPa () 4. ZAKOŃCZENIE Zaprezentowano opracowany model matematyczny procesu dynamicznego pras o- wania mas formierskich. Przedstawiono wyniki badań symulacyjnych modelu procesu dynamicznego prasowania oraz wyniki badań eksperymentalnych dynamicznego prasowania masy formierskiej z użyciem udarowego napędu pneumatycznego. 59

6 Na podstawie analizy uzyskanych wyników badań symulacyjnych i eksperymenta l- nych można stwierdzić, że przyjęty model matematyczny bardzo dobrze opisuje proces dynamicznego prasowania mas formierskich. Przyjęty model może stanowić podstawę do projektowania oraz optymalizowania parametrów i osiągów głowic formierek pras u- jących. Można go także zastosować do projektowania i optymalizacji procesu dyn a- micznego prasowania mas formierskich. LITERATURA [] Gregoraszczuk M.: Nowoczesne rozwiązania w mechanizacji formowania, Materiały I Krajowej Konferencji Naukowej Materiałoznawstwo, Odlewnictwo, Jakość. Wyd. PKr. Kraków, 997 [] Boenisch D., Daume K.: Formstoffe, Formmaschinen und Formstoffprüfung zur Optimierung. Giesserei, 984, Nr. 0 [] Orlov G.M.: Matiematičeskoje modelirovanije procesa impulsnogo uplotnienija form. Lit. Proizv., 985, nr [4] Smyksy K.: Badania i analiza parametrów impulsowej maszyny formierskiej Praca doktorska. ITiMO AGH. Kraków, 99 [5] Mikulczyński T.: Zastosowanie pneumatycznego napędu udarowego do dynamic z- nego prasowania mas formierskich. Przegląd Odlewnictwa, 00, nr [6] Mikulczyński T., Kiczkowiak T.: Zastosowanie szybkobieżnego napędu pneumatycznego do dynamicznego prasowania mas formierskich, Przegląd Odlewnictwa, 999, nr 4 [7] Mikulczyński T., Samsonowicz Z.: Mechanizm dynamicznego zagęszczania mas formierskich, III Międzynarodowa Konferencja Nauka dla Przemysłu Odlewniczego, Kraków [8] Śniadkowski Z. Maszyny do zagęszczania podłoża, WNT, Warszawa SIMULATION AND EXPERIMENTAL RESEARCH OF THE PROCESS OF DYNAMIC PRESSING OF MOULDING SANDS SUMMARY A mathematical model of dynamic pressing of moulding sands and results of its simulating research are presented. Res ults of numerical simulation were verified experimentally. Analysis of the simulation and experimental results proves that the accepted mo d- el describes the process of dynamic pressing of moulding sands with practically very good approximation. The developed mathematical model can be used in design and optimisation of the dynamic moulding sand pressing process. Recenzował: prof. dr hab. inż. Józef Gawroński