OBLICZANIE PRĘDKOŚCI KRYTYCZNEJ PRZEMIESZCZANIA FALI CZOŁOWEJ STOPU W KOMORZE PRASOWANIA MASZYNY CIŚNIENIOWEJ

Transkrypt

1 13/18 ARCHIWUM ODLEWNICTWA Rok 006, Rocznik 6, Nr 18 (/) ARCHIVES OF FOUNDRY Year 006, Volume 6, N o 18 (/) PAN Katowice PL ISSN OBLICZANIE PRĘDKOŚCI KRYTYCZNEJ PRZEMIESZCZANIA FALI CZOŁOWEJ STOPU W KOMORZE PRASOWANIA MASZYNY CIŚNIENIOWEJ J. STOJEK 1 Akademia Górniczo-Hutnicza, WIMiR, Katedra Automatyzacji Procesów STRESZCZENIE Wytwarzanie odlewów metodą odlewania ciśnieniowego o wysokich właściwościach mechanicznych, pozbawionych porowatości gazowej typu okluzyjnego, wymaga ograniczenia do minimum występowania niekorzystnego zjawiska okluzji powietrza w komorze prasowania maszyny ciśnieniowej w trakcie spiętrzania metalu przed fazą jego wprowadzania do wnęki formy ciśnieniowej. W artykule przedstawiono zmodyfikowany sposób obliczania prędkości przemieszczania się tłoka prasującego, tak, aby wytworzona na powierzchni ciekłego stopu w komorze prasowania fala czołowa pozwalała na kierunkową ewakuację powietrza, w celu ograniczenia do minimum niekorzystnego zjawiska okluzji powietrza. Podstawowym elementem modyfikacji jest uwzględnienie we wzorach Garbera lepkości stopu odlewniczego. Key words: die casting, critical velocity, air occlusion, model research Wprowadzenie Podczas procesu odlewania ciśnieniowego ciekły stop wprowadzany jest do komory prasowania i przemieszczany w niej za pomocą tłoka prasującego. Komora prasowania jest tylko w części wypełniona ciekłym stopem, a pozostałą jej objętość stanowi powietrze. Znane modele matematyczne tej fazy procesu odlewania ciśnieniowego opisują możliwość wywołania na powierzchni ciekłego stopu fali czołowej (za pomocą tłoka poruszającego się z odpowiednią prędkością) o takim profilu, który sprzyja ograniczeniu objętości powietrza zabieranego z komory prasowania do wnęki formy [1]. 1 dr inż. Jerzy Stojek, Stojek@imir.agh.edu.pl 95

2 W trójfazowym systemie prasowania metalu, przedstawione rozważania dotyczą tylko pierwszej fazy procesu, która kończy się w momencie spiętrzenia ciekłego stopu w komorze, powodując całkowite jej zapełnienie. W Katedrze Automatyzacji Procesów AGH, przy współpracy z Katedrą Maszyn i Urządzeń Odlewniczych AGH prowadzone były badania modelowe I fazy procesu odlewania ciśnieniowego. Badania te miały na celu optymalizację parametrów procesu odlewania ciśnieniowego ze względu na minimalizację mogącej powstać w tej fazie okluzji powietrza. W wyniku przeprowadzonych badań udało się zmodyfikować o czynnik uwzględniający zmianę lepkości odlewanego stopu, wyprowadzony przez Garbera [] wzór (1) na prędkość, z którą powinien poruszać się tłok pracujący (tzw. prędkość krytyczną), tak aby zjawisko okluzji było jak najmniejsze. A= r v w v p H D φα = pow. βα = pow. J A= πr α r H A= πr r γ D J Rys.1. Geometryczne zależności przyjęte w modelu Garbera [ ] Fig. 1. Geometrical dependences used in Garber s model [] g ( J D) ( β φ) v p = (1) β + φ Gdzie: J - wysokość lustra cieczy za falą czołową [m], D - wysokość lustra cieczy przed falą czołową [m], β - udział powierzchni przekroju poprzecznego komory wypełnionej cieczą za czołem fali (współczynnik napełnienia komory stopem za czołem fali), φ - udział powierzchni przekroju poprzecznego komory wypełnionej cieczą bezpośrednio przed czołem fali (początkowa wartość współczynnika napełnienia komory cieczą), Modyfikacja podstawowego wzoru Garber a Wykorzystując zbudowane stanowisko laboratoryjne [5], będące modelem fizycznym odlewniczej maszyny ciśnieniowej przeprowadzone zostały badania modelowe I fazy procesu odlewania ciśnieniowego Badania przeprowadzono dla czterech stopni zapełnienia komory prasowania (50, 60, 70 i 80 %) cieczami o zróżnicowanych 96

3 lepkościach kinematycznych (od 1 do 50 cst). Na podstawie otrzymanych wyników badań dokonano wyznaczenia współczynnika korygującego wpływ lepkości kinematycznej υ cieczy modelowej na zalecaną wartość prędkości krytycznej v kryt czyli prędkości, z jaką powinien poruszać się tłok prasujący, tak aby występująca w układzie okluzja oznaczona dalej symbolem OF była jak najmniejsza. Wyznaczenie współczynnika korygującego było możliwe dla stopnia napełnienia komory prasowania φ < 70%. Powyżej tego napełnienia otrzymane dane pomiarowe wskazują na brak bezpośredniego wpływu lepkości υ cieczy modelowej na wartość powstałej okluzji OF. Przykładowy sposób wyznaczenia prędkości krytycznej ciekłego stopu po uwzględnieniu zmiany lepkości odlewanego stopu dla zapełnienia komory prasowania w 50 % przedstawiono poniżej. Wyznaczenie prędkości krytycznej dla napełnienia komory prasowania φ = 50% Korzystając z wyznaczonej z badań zależności () określającej wpływ prędkości tłoka prasującego v oraz zmiany lepkości kinematycznej υ cieczy modelowej na wartości powstałej w układzie okluzji OF, obliczono wartość tej okluzji (3) dla dziesięciu cieczy modelowych, których lepkości kinematyczne υ przyjmowały wartości z przedziału od 1 50 mm /s (od 1 do 50 cst). OF = v 0.38 υ v v υ () Dla każdej z otrzymanych funkcji (OF 1, OF 5,...,OF 50 ) określono ekstremum będące wartością prędkości tłoka prasującego, przy której wartość okluzji OF υ była najmniejsza. Następnie od każdej z otrzymanych prędkości (nazwanej prędkością rzeczywistą v rzecz ) odjęto wyznaczoną ze wzoru Garbera [] wartość prędkości krytycznej v kryt50% (tabela 1). OF 1 = v v OF5 = v v OF 10 = v v OF15 = v v OF = v v OF5 = v v OF = v v OF35 = v v OF40 = v v OF = v v OF50 = v v (3) 97

4 Tabela 1. Zmiana prędkości czoła fali w komorze prasowania związana z uwzględnieniem w modelu Garbera [] zmiany lepkości kinematycznej cieczy υ Table 1.An influence of kinematics viscosity on front wave velocity formation in chamber of die-casting machine Zapełnienie komoryφ [%] 50 Lepkość υ [mm /s] v rzecz [m/s] v kryt50% [m/s] v= v rzecz - v kryt50% [m/s] Otrzymane różnice prędkości v wykreślono w funkcji lepkości υ cieczy modelowej (rys. ). 0, 0,0 v=f(υ) 0,18 v 0,16 0,14 0,1 0,10 0,08 0, Rys.. Wykres zależności różnic prędkości v w funkcji lepkości υ Fig.. Velocity differences in dependence on kinematics viscosity Związek pomiędzy różnicą prędkości v a zmianą lepkości υ cieczy (3) określono za pomocą liniowej funkcji regresji po wcześniejszym oszacowaniu jej parametrów metodą najmniejszych kwadratów. W wyniku tego otrzymano: υ v 50% = υ (4) 98

5 Ocenę poprawności dopasowania funkcji (4) do danych uzyskanych z pomiaru przedstawia wykres na rysunku 3, opisujący wartości zmierzone względem wyznaczonych z (4) wartości przewidywanych. Prawie idealne położenie punktów wzdłuż linii prostej potwierdza dobre dopasowanie funkcji regresji [3]. 0, Wartości przewidywane względem obserwowanych 0,0 0,18 Wartości obserwowane 0,16 0,14 0,1 0,10 0,08 0,06 0,06 0,08 0,10 0,1 0,14 0,16 0,18 0,0 0, Wartości przewidywane Regresja 95% p.ufności Rys. 3. Wykres rozrzutu wartości obserwowanych względem przewidywanych Fig. 3. Dispersion of observed values in relation to expected values Prędkość, z którą powinien poruszać się tłok prasujący, tak aby występująca okluzja miała wartość najmniejszą wynosi zatem vrzecz v % kryt50% v 50 50% = (5) gdzie: v rzecz50% rzeczywista wartość prędkości tłoka prasującego dla napełnienia komory prasowania φ = 50%, v kryt50% prędkość tłoka prasującego dla napełnienia komory prasowania komory φ = 50%, wyznaczona ze wzoru Garbera tzw. prędkość krytyczna, v 50% współczynnik korekcyjny prędkości tłoka prasującego dla napełnienia komory prasowania φ = 50%. Ostatecznie po podstawieniu do (5) wzorów (1) i (3) otrzymano g ( J D) ( β φ) v rzecz 50% = ( υ) (6) β + φ 99

6 Zależność (6) wyraża ostateczną postać zmodyfikowanego wzór Garbera dla napełnienia komory prasowania φ = 50%. Podsumowanie Wartość prędkości krytycznej tłoka prasującego, obliczona z uwzględnieniem tak ważnego czynnika procesu odlewania ciśnieniowego, jakim jest lepkość stopu stwarza warunki do minimalizacji niekorzystnego zjawiska okluzji powietrza. W połączeniu z odpowiednio dobranymi warunkami hydrodynamicznymi i cieplnymi procesu wypełniania wnęki formy i doprasowania może to wydatnie wpływać na wytwarzanie odlewów ciśnieniowych o wysokich właściwościach mechanicznych pozbawionych porowatości gazowej typu okluzyjnego. Badania częściowo zrealizowano w ramach projektu badawczego KBN nr 3 T08B LITERATURA [1] Dańko J. : Maszyny i urządzenia do odlewania pod ciśnieniem: podstawy teorii, konstrukcja, pomiary i eksploatacja. Wydawnictwa AGH, Kraków 000. [] Garber L. W.: Theoretical Analysis and Experimental Observation of Air Entrapment During Cold Chamber Filling. Die Casting Engineer 198, s [3] Górecka R.: Teoria i technika eksperymentu. Skrypt Politechniki Krakowskiej, Kraków [4] Stojek J.: Układ sterowania wybrana faza procesu odlewania ciśnieniowego. Praca doktorska. AGH, Kraków 00. [5] Jędrzykiewicz Z., Pluta J., Stojek J.: Stanowisko laboratoryjne do badania zjawisk przepływowych w komorze prasowania odlewniczej maszyny ciśnieniowej. Hydraulika i Pneumatyka. Nr 1/1999. CALCULATION OF FRONT WAVE CRITICAL VELOCITY DURING MOVEMENT OF A MOLTEN ALLOY IN THE CHAMBER OF DIE-CASTING MACHINE SUMMARY The paper presents mathematical calculation of front wave critical velocity during movement of a molten alloy in the chamber of die-casting machine. The Garber s model and it s modification were discussed. Recenzował: Prof. Józef Dańko 300