SYSTEM KOMPUTEROWY KONTROLI I STEROWANIA JAKOŚCIĄ SILUMINÓW PRZEZNACZONYCH NA KOŁA SAMOCHODOWE

Transkrypt

1 14/10 Archives of Foundry, Year 003, Volume 3, 10 Archiwum Odlewnictwa, Rok 003, Rocznik 3, Nr 10 PAN Katowice PL ISSN SYSTEM KOMPUTEROWY KONTROLI I STEROWANIA JAKOŚCIĄ SILUMINÓW PRZEZNACZONYCH NA KOŁA SAMOCHODOWE S. PIETROWSKI 1, B. PISAREK, R. WŁADYSIAK 3 Katedra Systemów Produkcji, Politechnika Łódzka ŁÓDŹ, ul. Stefanowskiego 1/15 STRESZCZENIE W pracy przedstawiono autorski System Komputerowy Kontroli i Sterowania Jakością Siluminów (j. ang. CAQCSS - Computer Aided Quality Control of Silumins System) przeznaczonych na koła samochodowe - felgi. W programie sterującym systemu wykorzystano metodę ATD. W pracy podano charakterystyczne wielkości wyznaczane tą metodą, stanowiące podstawę opracowanych zależności statystycznych oraz przedstawiono istotę komunikacji systemu z operatorem w zależności od zawartości wodoru w ciekłym siluminie. System wdrożono w Federal-Mogul Gorzyce S. A. Key words: silumin, crystallization, TDA method, CAQCSS 1. WSTĘP System Komputerowy Kontroli i Sterowania Jakością Siluminów - CAQCSS - przeznaczonych na koła samochodowe - felgi oparty jest na metodzie analizy termicznej i derywacyjnej (ATD). Czynnikiem determinującym zakwalifikowanie wytopu do odlewania kół jest zawartość wodoru w siluminach. Ich charakterystykę oraz wymagane własności mechaniczne podano w pracach [1;]. W niniejszej pracy przedstawiono identyfikację parametrów kontrolnych systemu oraz algorytm kontroli procesu krystalizacji siluminów przeznaczonych na koła samocho - dowe opracowany w Katedrze Systemów Produkcji PŁ. 1 prof. dr hab. inż. akgolnik@ck-sg.p.lodz.pl dr inż. bpisarek@ck-sg.p.lodz.pl 3 dr inż. rwladysi@ck-sg.p.lodz.pl

2 113. METODYKA BADAŃ.1 Przygotowanie ciekłego stopu Siluminy wytapiano z gąsek odpowiednich stopów zmodyfikowanych w hucie strontem, którego zawartość zawierała się w zakresie 0,0-0,06%. Skład chemiczny badanych siluminów podano w tabeli 1. Tabela 1. Skład chemiczny siluminów na koła samochodowe Table 1. Chemical composition of road wheels silumins Skład chemiczny, % Oznaczenie Cu Fe Si Mg max max Ti max Sr max Mn max AlSi7Mg 6,50-7,50 0,5-0,45 0,05 0,18 0,0 0,04 0,10 AlSi9Mg 9,00-10,00 0,5-0,45 0,05 0,5 0,0 0,04 0,10 AlSi11Mg 9,00-11,80 0,15-0,40 0,05 0,5 0,0 0,04 0,10 Gąski przetapiano w piecu indukcyjnym tyglowym o pojemności 1t. Po ich stopieniu i przegrzaniu siluminów do temperatury C przelewano je do kadzi odlewniczej o pojemności 1t, w której przeprowadzano uzupełniający zabieg modyfikacji strontem dodawanym w postaci AlSr5 oraz wprowadzano zaprawę AlTi5B1 w ilości zapewniającej nie przekroczenie dopuszczalnej zawartości tytanu w stopach. Następnie siluminy rafinowano w czasie 5min. argonem, po czym przelewano je do pieców wytrzymujących z kokilami. Zawartość wodoru w siluminach regulowano dodatkiem do wsadu różnej ilości wiórów otrzymanych po obróbce skrawaniem kół. Po przeprowadzeniu poszczególnych zabiegów metalurgicznych rejestrowano charakterystyki ATD w kokili - próbniku ATD10-K. 3. IDENTYTFIKACJA PARAMETRÓW KONTROLNYCH SYSTEMU 3.1 Analiza termiczna i derywacyjna siluminów Reprezentatywne charakterystyki ATD i tabele wartości wybranych parametrów dla poszczególnych gatunków siluminów: AlSi7Mg, AlSi9Mg i AlSi11Mg przedstawiono na rysunku 1 3. Wynika z nich, że wzrost zawartości krzemu w badanych siluminach zmniejsza efekt cieplny Pk-A-C krystalizacji fazy pierwotnej i obniża temperaturę likwidus t A odpowiednio do wartości: 618 C; 598 C i 59 C. Temperatura krystalizacji eutektyki (temperatura solidus t C, t E ) waha się w granicach C.

3 d t/d, C/s t, C dt/d, C/s A CDE J dt/d =f '( ) t=f( ) Pk F , s Punkt, [s] t, [ºC] K=dt/d, [ºC/s] K'=d t/d, x10 - [ºC/s ] Z d t/d, [ºC/s ] Pk 10, 619-1,664 9,511 - A 11, ,556 5,576 - C 34, ,018 10,839 0,47 D 38, ,140,945 - E 46, ,013-3,38 - F 61, ,393-13,174-0,133 J 71, ,466 0,57 - Rys. 1. Krzywe ATD siluminu AlSi7Mg - po modyfikacji strontem, tytanem i borem oraz rafinacji argonem Fig. 1. TDA curves of silumin - AlSi7Mg - after Sr, Ti and B modification and Ar refining

4 d t/d, C/s t, C dt/d, C/s A CD E J dt/d =f '( ) t=f( ) Pk F , s Punkt, [s] t, [ºC] K=dt/d, [ºC/s] K'=d t/d, x10 - [ºC/s ] Z d t/d, [ºC/s ] Pk 11, ,756 9,158 - A 1, ,555 4,833 - C 38, 575 0,005 3,87 0,100 D 44, ,118 5,45 - E 53, ,004-1,197 - F 74,0 57-1,089-11,493-0,139 J 86, ,44 0,76 - Rys.. Krzywe ATD siluminu AlSi9Mg - po modyfikacji strontem, tytanem i borem oraz rafinacji argonem Fig.. TDA curves of silumin - AlSi9Mg - after Sr, Ti and B modification and Ar refining

5 d t/d, C/s t, C dt/d, C/s A CD E J dt/d =f '( ) t=f( ) Pk F , s Punkt, [s] t, [ºC] K=dt/d, [ºC/s] K'=d t/d, x10 - [ºC/s ] Z d t/d, [ºC/s ] Pk 11, ,50 37,536 - A 16,6 59-1,113 8,108 - C 33, ,094 8,117 0,137 D 38, ,177,306 - E 51, 575 0,00 1,16 - F 71, ,409-18,656-0,19 J 80, ,006-1,47 - Rys. 3. Krzywe ATD siluminu AlSi11Mg - po modyfikacji strontem, tytanem i borem oraz rafinacji argonem Fig. 3. TDA curves of silumin - AlSi11Mg - after Sr, Ti and B modification and Ar refining

6 d t/d, C/s t, C dt/d, C/s 117 Na rysunkach 4 6 przedstawiono przykładowo reprezentatywne charakterystyki ATD dla siluminu AlSi9Mg po następujących zabiegach metalurgicznych: bezpośrednio z pieca topialnego (rys. 4), po modyfikacji w kadzi strontem oraz tytanem i borem (rys. 5) po rafinacji (rys. 6) A CD E J dt/d =f '( ) t=f( ) Pk F , s Punkt, [s] t, [ºC] K=dt/d, [ºC/s] K'=d t/d, x10 - [ºC/s ] Z d t/d, [ºC/s ] Pk 9,9 59-0,98 36,566 - A 11, 59 0,306 30,549 - C 41, ,006 4,569 0,070 D 49, ,145 0,379 - E 67, ,001-0,561 - F 111, ,033-8,63 0,094 J ,669-0,456 - Rys. 4. Krzywe ATD siluminu AlSi9Mg - z pieca topialnego (, ppm H ) Fig. 4. TDA curves of silumin - AlSi9Mg - from foundary furnace (. ppm H )

7 d t/d, C/s t, C dt/d, C/s A C D E J dt/d =f '( ) t=f( ) Pk F , s Punkt, [s] t, [ºC] K=dt/d, [ºC/s] K'=d t/d, x10 - [ºC/s ] Z d t/d, [ºC/s ] Pk 11, ,500 17,378 - A 14, ,350 9,531 - C 38, ,004,58 0,099 D 49, ,047 0,048 - E 61, ,006-0,599 - F 90, ,0-17,61-0,00 J 98, ,685-1,338 - Rys. 5. Krzywe ATD siluminu AlSi9Mg - po modyfikacji strontem, tytanem i borem Fig. 5. TDA curves of silumin - AlSi9Mg - after Sr, Ti and B modification

8 d t/d, C/s t, C dt/d, C/s A CD E J dt/d =f '( ) t=f( ) Pk F , s Punkt, [s] t, [ºC] K=dt/d, [ºC/s] K'=d t/d, x10 - [ºC/s ] Z d t/d, [ºC/s ] Pk 8,6 59-1,54 54,396 - A 11, 591-0,071 40,668 - C 35, ,00 4,999 0,111 D 10, ,109 1,75 - E 53, ,001-0,950 - F 75, 571-1,33-17,610-0,30 J 84, 55 -,768-1,579 - Rys. 6. Krzywe ATD siluminu AlSi9Mg - po modyfikacji strontem, tytanem i borem oraz rafinacji argonem Fig. 6. TDA curves of silumin - AlSi9Mg - after Sr, Ti and B modification and Ar refining Na ich podstawie opracowano tendencje zmian charakterystycznych wielkości. Tendencje zmian: temperatury t A, t C i t E, dynamiki procesu krystalizacji eutektycznej K'C i K'F oraz intensywności zmian szybkości stygnięcia ZC i ZF po tych zabiegach

9 t, C K' ; Z, C/s 10 pokazano na rysunku 7. Wynika z niego, że modyfikacja siluminu, a następnie jego rafinacja powoduje niewielkie obniżanie się temperatury: t A, t C i t E. Zdecydowanie w większym stopniu zmienia się dynamika i intensywność krystalizacji eutektyki. Zarówno dynamika K'C, K'F, jak i intensywność ZC i ZF wykazują tendencje wzrostu. Jest to spowodowane utworzeniem przez modyfikatory podkładek krystalizacji faz i oraz częściowym usunięciem zanieczyszczeń i wodoru z siluminów. Silumin po stopieniu zawierał,ppm H (rys. 4), natomiast po modyfikacji i rafinacji zawartość wodoru zmalała do 0,875ppm H. 0.0 ZC 0.10 K'C K'F ZF t A 580 t E 570 t C 1 3 Zabiegi metalurgiczne Rys. 7. Tendencje zmian: temperatury t A, t C i t E, dynamiki procesów krystalizacji eutektycznej K'C i K'F oraz intensywności zmian szybkości stygnięcia ZC i ZF po zabiegach metalurgicznych: 1 - bezpośrednio z pieca topialnego, - po modyfikacji strontem, tytanem i borem w kadzi, 3 - po rafinacji argonem Fig. 7. Changes trend of: t A, t C and t E temperature, K'C and K'F dynamics of eutectical crystallization process and ZC and ZF intensity of self-cooling speed change after metallurgical treatments: 1 - overheating, - Sr, Ti and B modification, 3 - Ar refining

10 Zależności funkcyjne Zależności funkcyjne stanowią podstawę opracowania autorskiego programu komputerowego CAQCS kontroli i sterowania jakością siluminów na felgi. Równania statystyczne opracowano z wykorzystaniem metody analizy regresji wielorakiej krokowej. Za pomocą tych równań program komputerowy oblicza wartości kontrolowanych własności w zależności od charakterystycznych wielkości krzywych ATD odnalezionych w zarejestrowanej próbie ATD badanego siluminu. Pierwszy etap prac prowadzący do utworzenia bazy danych do programu polegał na ocenie statystycznej wszystkich dostarczonych przez analizę termiczną i derywacyjną wielkości tj. czasów, temperatury, szybkości stygnięcia, intensywności stygnięcia i krystalizacji w punktach ekstremalnych, zerowych i przegięcia krzywych ATD dla poszczególnych zabiegów metalurgicznych na badanych siluminach. W drugim etapie wyselekcjonowane wielkości oceniano merytorycznie ze względu na występowanie korelacji pomiędzy fragmentem procesu krystalizacji reprezentowanym przez tą wielkość, a przebiegiem zmian i rodzajem właściwości badanego siluminu. W wyniku obu etapów selekcji do opracowania zależności statystycznych wybrano następujące wielkości charakterystyczne krzywych ATD: t A temperatura likwidus, t D temperatura maksymalnego efektu cieplnego krystalizacji eutektyki +, KD szybkość stygnięcia w punkcie maksymalnego efektu cieplnego krystalizacji eutektyki +, KJ szybkość stygnięcia w punkcie zakończenia krzepnięcia siluminu, K'C dynamika początku krystalizacji eutektyki + ; wartość drugiej pochodnej temperatury po czasie d t/d w punkcie C, K'F dynamika krystalizacji ostatnich porcji cieczy; wartość drugiej pochodnej temperatury po czasie d t/d w punkcie F. Poszukiwanie optymalnej postaci równania prowadzone było z wykorzystaniem metod: w przód i wstecz, podczas których parametry ATD były wprowadzane do modelu lub z niego usuwane w kolejnym kroku postępowania tylko wówczas, gdy ich wprowadzenie lub usunięcie powodowało odpowiednio do wybranej metody podwyższenie lub obniżenie wartości testu F dla modelu, co najmniej o 4. W wyniku przeprowadzonej analizy regresji opracowano zależności funkcyjne pomiędzy własnościami mechanicznymi: Rm, R P0,, A 5 i HB oraz zawartością wodoru, a charakterystycznymi wielkościami krzywych ATD dla siluminów: AlSi7Mg, AlSi9Mg i AlSi11Mg. Przykładowo dla siluminu AlSi9Mg otrzymano następujące zależności: Rm 191, ,564 K' F 33,965 KJ, MPa, R P0, 130, ,065 K' F 3,486 KJ, MPa,

11 1 1 A5 56, ,17 K' C 6904,64 K' C 1,1433 (K'C) 15,466 K' F,%, HB 57,54 368,893 K' F 15,8306 KJ, H ,7977 K' F, ppm. Wartości parametrów statystycznych dla każdej z otrzymanych zależności przedstawiono w tabeli. Wynika z niej, że opracowane równania regresji charakteryzują się wysokim współczynnikiem korelacji (R- squared adj.for d.f =81, 96,9). Oznacza to, że równania wyjaśniają co najmniej 81, 96,9 % zmienności danej własności (Rm, R P0,, A 5, HB, H ). Tabela. Parametry statystyczne dla zależności Rm, R P0,, A 5, HB i H Table. The statistic parameters for the Rm, R P0,, A 5, HB and H equations Rodzaj parametru Rodzaj zależności statystycznego Rm R p0, A 5 HB H R-squared (adj.for d.f.),% 93,34 88,63 81, 96,9 95,07 Standard Error of Est 1,76 1,96 0,6 1,38 0,1 Mean absolute error 9,81 1,01 0,067 0,93 0,091 F 36,04 0,48 6,41 79,59 97,41 4. ALGORYTMY KONTROLI PROCESU KRYSTALIZACJI SILUMINÓW Ze względu na różne postacie równań regresji opisujących charakterystyczne własności siluminów AlSi7Mg, AlSi9Mg oraz AlSi11Mg opracowano trzy algorytmy kontroli, nazwane odpowiednio: AK7 (AlSi7Mg), AK9 (AlSi9Mg), AK11 (AlSi11Mg). W celu umożliwienia realizacji pomiarów eksperymentalnych (bez wymogu identyfikacji parametrów kontrolnych pomiaru) wprowadzono dodatkowo algorytm kontroli pod nazwą Rejestracja. Okna wyboru algorytmu identyfikacji charakterystycznych wielkości kontrolnych procesu przygotowania siluminu przedstawiono na rysunku 8, a okna obliczeń realizowanych przez system na rysunku 9 (a,b). Podstawowym wyznacznikiem weryfikowania poprawności przygotowania ciekłych siluminów jest zawartość w nich wodoru (H ) poniżej 1,4 ppm.

12 13 Dla stopów o zawartości H <1,4 ppm system komputerowy oblicza z opracowanych równań korelacyjnych własności mechaniczne (Rm, Rp 0, A 5, HB) w funkcji charakterystycznych wielkości krzywych ATD badanego siluminu. Wartości własności mechanicznych i zawartość H wyświetlane są w przypadku poprawnego przebiegu procesu przygotowania ciekłego siluminu (rys. 9a). W przypadku niewłaściwego jego przygotowania, co sygnalizowane jest zawartością H 1,4ppm, wyświetlany jest komunikat "Stop zagazowany" oraz polecenie "Nie zalewać form" (rys. 9b). W siluminie należy obniżyć zawartość wodoru i ponownie przeprowadzić kontrolę. Rys. 8. Charakterystyczne okna wyboru algorytmu identyfikacji charakterystycznych wielkości kontrolnych procesu przygotowania siluminu Fig. 8. Characteristic windows of choices of algorithms of identification of characteristic control largeness of preparation silumin process

13 14 a) b) Rys. 9. Charakterystyczne okna obliczeń zrealizowanych wg zadanego algorytmu i odpowiadające im polecenia: a) silumin przygotowany zgodnie z technologią - zawartość wodoru dopuszczalna, b) silumin przygotowany niezgodnie z technologią - przekroczona zawartość wodoru w stopie Fig. 9. Characteristic windows of accounts according to assigned algorithm realized and orders answer they: a) silumin prepared according to technology - max. total content Hydrogen authorized, b) silumin prepared incompatibly with technology - exceed max. total content Hydrogen

14 15 5. WNIOSKI Z przedstawionych w pracy danych dotyczących siluminów AlSi7Mg, AlSi9Mg i AlSi11Mg stosowanych na koła samochodowe wynika, że: - pomiędzy charakterystycznymi wielkościami krzywych ATD, a własnościami mechanicznymi Rm, Rp 0, A 5, HB i zawartością wodoru w siluminach występują określone zależności statystyczne o dużym współczynniku korelacji (R-squared adj. for d.f. =81, 96,9), - zależności statystyczne stanowiły podstawę opracowania autorskiego Systemu Kontroli i Sterowania Jakością Siluminów na felgi, - system CAQCS likwiduje badania: metalograficzne, własności mechanicznych i stopnia zagazowania siluminów, - system CAQCS został zweryfikowany i wdrożony w Federal-Mogul Gorzyce S. A. - opracowany autorski System Komputerowy Kontroli i Sterowania Jakością Siluminów - CAQCSS - może być wdrożony w każdej odlewni siluminów po odpowiedniej adaptacji. LITERATURA [1] Pietrowski S.: Siluminy, Wydawnictwo PŁ, Łódź, (001). [] Pietrowski S.: Odlewanie kół samochodowych z siluminów, Archiwum Odlewnictwa, nr 4, s (00). Pracę wykonano w ramach projektu celowego Nr 10 T C/546. COMPUTER AIDED QUALITY CONTROL OF SILUMINS SYSTEM SUMMARY It presents Computer Aided Quality Control of Silumins System with use of TDA method. It serves characteristic largeness, appoint TDA method, which are elements of elaborated mathematic equations and it presents idea of communication of system with operator depending on H content in liquid silumin. The system has implemented in Federal-Mogul Gorzyce S. A. Recenzował Prof. Janusz Braszczyński