33/31 WYBRANE ASPEKTY DZIAŁANIA AP ARA TU DO POMIARU SIL ADHEZJI I KOHEZJI MATERIAŁÓW WIĄŻĄCYCH

Transkrypt

1 33/31 Solidifil(lltion of Metais and Alloys, No. JJ, 1997 Krzepnięcie Metali i SIO(IÓIV, N1 33, 1997 PAN- Oddział Katowiec PL ISSN !16 WYBRANE ASPEKTY DZIAŁANIA AP ARA TU DO POMIARU SIL ADHEZJI I KOHEZJI MATERIAŁÓW WIĄŻĄCYCH BALIŃSKI Andrze/l, SMYKSY Krzysztof, LEWANDOWSKI Jan Lech, HUTERA Barbara 'llnstytut Odlewnictwa, ul. Zakopiańska 73, Kraków Akademia Górniczo-Hutnicza, Wydział Odlewnictwa, ul. Reymonta 23, Kraków Streszczenie Przedstawiono charakterystykę nowego aparatu do pomiaru sił adhezji i kohezji materiałów wiążących (głównie żywic syntetycznych) stosowanych w odlewnictwie. W aspekcie przyjętej metodyki badai1 zaprezentowano przesłanki doboru parametrów aparatu. Zwrócono uwagę na główne czynniki warunkujące prawidłową pracę urządzenia. W zarysie przedstawiono możliwości rozszerzenia zakresu zas tosowań aparatu. l. Wprowadzenie Określenie właściwości wytrzymałościowych materiałów wiążących stosowanych w odlewnictwie ma duże znaczenie dla praktyki przemysłowej. Znajomość tych właściwości jest konieczna do kształtowania struktury tych materiałów, do opracowania nowych materiałów wiążących oraz optymalizacji ich zawartości w masie formierskiej. Różnorodność stosowanych materiałów wiążących, złożoność zjawisk fizycznych, chemicznych oraz fizykoche1nicznych zachodzących podczas procesu ich

2 223 wiązania niewątpliwie utrudnia opracowanie metodyki ich badania. Z punktu v.~dzenia wytrzymałości masy formierskiej celowe jest określenie dwóch wielkości charakteryzujących materiał wiążący: wytrzymałości kohezyjnej oraz adhezyjnej (na granicy osnowa-materiał wiążący). Jak wynika z analizy danych źródłowy ch oraz wcześniejszych prac badawczych [1,2,3,4,10], miarodajny pomiar tych właściwości jest możliwy jedynie na próbkach o jak najmniejszych wymiarach geometrycznych. W takich próbkach prawdopodobieństwo wystąpienia wad typu nieciągłości struktury, spowodowanych skurczem, niejednorodnością materiału wiążącego, itp., jest znacznie mniejsze niż w próbkach o większych wymiarach. Uzyskane w wyniku pomiaru wartości można wówczas z przybliżeniem traktować jako stałe materiałowe i wykorzystać je jako kryterium oceny materiału wiążącego. Mogą być również danymi wyjściowymi w obliczeniach wytrzymałości modelowych połączeń materiał wiążącyosnowa [7,8]. W wyniku przeprowadzonych przez autorów badań [1,4,10) uzyskano istotną zależność właściwości adhezyjnych kohezyjnych spoiw od wy1maru charakterystycznego (np. grubości) próbki. Ogólnie można stwierdzić, że wraz ze zmniejszeniem wymiaru charakterystycznego uzyskiwano wzrost wytrzymałości adhezyjnej jak i kohezyjnej. Jakkolwiek wartości wytrzymałości adhezyjnej i kohezyjnej spoiw uzyskane w badaniach - l do 60 MPa, są stosunkowo duże, to z uwagi na małe wymiary próbek (powierzchnia niszczenia nawet poniżej 1 mm 2 ) wartości sił są stosunkowo niewielkie (zwłaszcza na dolnej granicy zakresu określanych wielkości). Przyjęta metodyka badawcza narzuca więc duże wymagania odnośnie do precyzji urządzenia mierzącego siły adhezji i kohezji. Bardzo ważny jest również sposób sporządzania próbek i dobór parametrów pomiaru (np. prędkości obciążania) uwzględniający właściwości reologiczne badanego materiału. 2. Ogólna charakterystyka aparatu. Z punktu widzenia działania podstawowego zespołu aparatu - mechanizmu obciążania próbek, może on być określony jako precyzyjna maszyna wytrzymałościowa. W wersji rozszerzonej przewiduje się wyposażenie aparatu w dodatkowe układy pomiarowe, które w połączeniu z odpowiednim oprogramowaniem

3 224 stwarzają nowąjakość w działaniu urządzenia. Wśród tych układów wymienić można zespół pomiaru wymiarów liniowych badanych próbek, istotny dla określenia ich wymiaru charakterystycznego oraz zespół pomiaru i analizy powierzchni niszczenia próbek. Uproszczony schemat blokowy rozwiniętej wersji urządzenia przedstawiono na rysunku l, natomiast schemat konstrukcyjny zespołu obciążania na rysunku 2. :--~ : : A : : : : ~ l J i : ~ i! L l l 1 E 1 ~- --J _ j Rys. l. Uproszczony schemat blokowy aparatu; 1- czujnik siły, 2- czujnik przemieszczenia, 3- czujniki położenia (zbłiżeniowe), 4- silnik krokowy, 5- czujniki dodatkowe (np. pomiaru grubości próbek), 6- zespół sterowania pomiarem, 7- zespół komputerowy; A- zespół zasilania przetwomików, B- zespół przetwarzania sygnałów, C- zespół sterowania pracą napędu, D- zespół obsługi stanów awaryjnych, E- Układ nadzoru pracy zespołów Wszystkie sygnały z czujników pomiarowych (rys.l) przetwarzane są przez przetworniki analogowo-cyfrowe i zapisywane w pamięci sterownika, a następnie mikrokomputera klasy PC, pełniącego rolę jednostki nadrzędnej. W aparacie można wyróżnić dwa podstawowe systemy : mechaniczny i elektroniczny. Główne elementy układu mechanicznego to : korpus urządzenia wraz z prowadzeniami belki ruchomej oraz uchwytami próbek, mechanizmem obciążania próbek (zespół przekładni z silnikiem napędowym). Małe wymiary geometryczne badanych próbek narzucają szczególne wymagania w stosunku do prostoliniowości przemieszczania uchwytu ruchomego, z uwagi na możliwość wystąpienia naprężeń

4 225 złożonych w badanej próbce. W mechanizmie przemieszczania uchwytu ruchomego zastosowano precyzyjne prowadnice współpracujące z łożyskami liniowymi oraz przekładnią śrubowo-toczną (w układzie symetrycznym- rys.2). / Q_ r ~--., :-----, --- Rys.2. Schemat układu mechanicznego aparatu; 1- podstawa (z zabudowaną przekładnią), 2- kolumny prowadzące, 3- zespół przekładni śrubowo-tocznej, 4- belka ruchoma, 5- belka nieruchoma, 6- uchwyty próbek, 7- czujnik siły, 8- silnik napędowy, 9-liniał optyczny, 10- impulsowy przetwornik przemieszczenia liniowego, 11- czujnik krańcowy położenia górnego, 12- czujnik krańcowy położenia dolnego. W badaniach sił adhezji i kohezji spmw me są wymagane duże przemieszczenia, celowo jednak rozszerzono zakres przesuwu belki ruchomej (strefa pomiaru mm), aby umożliwić pomiary właściwości wytrzymałościowych innych tworzyw (również tych o dużych odkształceniach bezwzględnych), a tym samym rozszerzyć zakres możliwych zastosowań urządzenia. Z tych samych powodów rozszerzono znacznie zakres prędkości przesuwu belki ruchomej (0.1 do 500 mm/min). Zmianę prędkości od bardzo małych wartości do stosunkowo dużych umożliwia

5 226 odpowiednia konstrukcja przekładni, jak również zastosowany system sterowania pracą silnika Możliwość płynnej zmiany stosowanej prędkości ma duże znaczenie dla rozszerzenia programu badań właściwości adhezyjnych i kohezyjnych spoiw. Z analizy materiałów źródłowych [7,9] wynika, że parametr ten ma istotny wpływ na uzyskiwane rezultaty badań właściwości wytrzymałościowych. Przyjęty zakres prędkości obejmuje większość wartości prędkości stosowanych w badaniu tworzyw sztucznych. Wybór wartości siły obciążającej był podyktowany nie tylko analizą uzyskanych dotychczas rezultatów badań właściwości kohezyjnych i adhezyjnych spoiw [2,3,4,5], lecz także dążeniem do zwiększenia uniwersalności urządzenia. Możliwe jest przeprowadzenie na nim badań wielu tworzyw sztucznych z zastosowaniem zalecanych wymiarów próbek. Dodatkową korzyścią wynikającą ze zwiększenia zakresu siły obciążającej (do 5 kn) jest możliwość przeprowadzenia wszystkich rodzajów badań mas formierskich wykonywanych na standardowych aparatach wytrzymałościowych. Z uwagi na dokładność pomiarów siły i odkształcenia, jak również na możliwość zmian prędkości obciążenia, aparat stwarza nowe jakościowo możliwości badawcze w stosunku do urządzeń standardowych, na których pomiary mają raczej charakter prób teclmologicznych. System elektroniczny urządzenia obejmuje zespoły sterowania napędem mechanicznym (pracą silnika krokowego), przetwarzania sygnałów z czujników pomiarowych i układ nadzoru pracy zespołów. Zespół sterowania pracą napędu, opartego na hybrydowym silniku skokowym, umożliwia realizację ruchu belki ruchomej : z zadaną prędkością, według określonej funkcji czasu, położenia belki lub wartości siły obciążającej, według cyklogramu zadawanego z trójkanałowego programowalnego sterownika lub komputera nadrzędnego. Podstawowe czujniki pomiarowe układu to: wymienne czujniki tensometryczne siły (rys.2), liniał optyczny do pomiaru przemieszczenia belki ruchomej, czujniki indukcyjnościowe do pomiaru wymiaru charakterystycznego próbek. Analiza oraz określenie powierzchni niszczenia próbek może być zrealizowana w kilku wariantach: w oparciu o wzorzec CCD z odpowiednim układem optycznym, kamerę przemysłową lub skaner. Urządzenia te współpracują z komputerem nadrzędnym. W powyższych

6 227 przypadkach celowe jest wykorzystanie specjalistycznego oprogramowania do analizy obrazu. Układ nadzoru pracy zespołów realizuje automatycznie cykl pomiaru według parametrów zapisanych wcześniej w jego pamięci, rejestruje dane pomiarowe oraz zapewrua komunikację z komputerem nadrzędnym. Umożliwia również wstępne przetwarzanie danych pomiarowych według określonych algorytmów, zapisanych w jego pamięci (np. obliczanie wartości średnich, uwzględnianie poprawek itp.) Układ wyposażony jest w zespół wyświetlaczy ułatwiających jego obsługę. Współpraca omówionych wcześniej zespołów z komputerem nadrzędnym klasy IBM PC możliwa jest poprzez inteńejs RS Komputer wyposażony w specjalne oprogramowanie może w określonych przypadkach wspomagać system sterowania pomiarem oraz przetwarzać i opracowywać graficznie wyniki pomiarów Z; 100 fi o / /' Jl"'"~ 1 0 l' 2 l i L...~_ F./ / ~ cl... l-- j '-f -f--- :,F Wydłużenie próbki; mm Rys.3. Zmiana siły adhezji żywicy syntetycznej do podłoża kwarcowego w funkcji odkształcenia próbki; 1,2,3- numery próbek.(opis w tekście) Przykładowe wyniki trzech serii pomiarów siły adhezji żywicy syntetycznej do podłoża kwarcowego przedstawiono na rysunku 3. Z uwagi na bardzo małe wartości odkształcenia badanych próbek (typu krzyżowego [5]) do sporządzenia v.'ykresów wykorzystano dane pomiarowe pochodzące z rejestracji czasowych przebiegów siły oraz wyniki obliczeń odkształcenia próbki wynikające z przeprowadzonych wcześniej pomiarów charakterystyki mostka tensantetrycznego oraz układu mocowania próbek.

7 228 Zamieszczone przebiegi mogą być poddane dalszemu przetwarzaniu - aproksymacji, wygładzaniu itp. Możliwe jest również dokonywanie pomiaru odkształceń bezpośrednio na próbce z wykorzystaniem odpowiednich czujników. W przypadku badania materiałów o dużych odksztalceniach do ich określenia może być wykorzystany sygnał z układu pomiaru przemieszczenia belki ruchomej. 3. Podsumowanie Ogólna koncepcja przedstawionego aparatu opracowana została z myślą o pomiarach sił adhezji i kohezji materiałów wiążących stosow;mych w masach fonnierskich i rdzeniowych [ 11]. Szerokie możliwości pomiarowe wykonanego prototypu 1 > rozszerzają jednak znacznie zakres jego wykorzystania. Modułowa konstrukcja urządzenia stwarza możliwości dalszej rozbudowy systemu oraz różnicowania konfiguracji układu. Obecnie prowadzone są szerokie badania testujące prototyp oraz dalsze prace związane z opracowaniem specjalistycznego oprogramowania.!)prototyp aparatu wykonano w ramach grantu celowego nr CI Spis Literatury [l] Baliński A, Szolc M. : Adhezja organicznych układów wiążących do podłoża kwarcowego. Materiały XX Konferencji (l Międzynaro d owej) Wydziału Odlewnictwa AGH: "Nowoczesne tendencje w odlewnictwie". Wydział Odlewnictwa AGH, PAN. Kraków 1995, s [2] Baliński A, Szolc M. : Zmiana adhezji układów spoiwo- utwardzacz pod wpływem zastosowania wybranych modyfikatorów, w aspekcie własności wytrzymałościowych mas fonnierskich i rdzeniowych. Materiały III Konferencji " Zjawiska Powierzchniowe w Procesach Odlewniczych", PAN, ITM Politechniki Poznańskiej, Kołobrzeg 1996, s [3] Hutera B. : Właściwość kohezyjna spoiwa stosowanego w sypkich masach

8 229 samoutwardzalnych (SMS). Mat. II Sympozjum nt.: "Materiały pomocnicze w odlewnictwie i metalurgii. Kryteria ekologiczne ich doboru i stosowania." Politechnika Sląska w Katowicach, Instytut Podstaw Ochrony Środowiska PAN O/Zabrze. Katowice 1995, s [4] Hutera B., Lewandowski L., Smyksy K.: Metodyka pomiaru właściwości adhezyjnych spoiw do podłoża kwarcowego. Praca naukowo- badawcza AGH nr , Kraków [5] Hutera B., Lewandowski L., Smyksy K.: Wybrane aspekty metodyki oznaczania właściwości wytrzymałościowych układu kwarc - materiał wiążący - kwarc. Krzepnięcie Metali i Stopów, nr 26, 1996, s (6] Hutera B., Lewandowski L.: Zjawiska na granicy faz: osnowa kwarcowa- żywica syntetyczna. Materiały m Konferencji " Zjawiska Powierzchniowe w Procesach Odlewniczych", P AN, ITM Politechniki Poznańskiej, Kołobrzeg 1996, s l 06. [7] Hutera B.: Strength of the Model of Moulding Core Sand System. Metallurgy and Foundry Engineering, No.4, 1994, pp [8] Hutera B.: The Boundary Cases of Bonds Formarion and Models of their Destruction. Metallurgy and Foundry Engineering, No.3, 1995, pp [9] Hutera B.: Weryfikacja wytrzymałościowa modelu układu : dwie kule kwarcowemieszanina bentonitu z wodą (w stanie wysuszonym). Materiały XIX Sympozjum Naukowego Wydziału Odlewnictwa AGH. Kraków 1993, cz. I, s [lo] Lewandowski L., Hutera B., Smyksy K.: Metodyka pomiaru właściwości kohezyjnycb spoiw organicznych. Praca naukowo- badawcza AGH nr l , Kraków [11] Lewandowski L., Smyksy K., Hutera B., Drożyńsk.i D.: Opracowanie założeń konstrukcyjnych aparatu do omaczania sił adhezji i kohezji. Praca naukowo- badawcza AGH nr , Kraków 1995.