STANOWISKO DOŚWIADCZALNE DO BADANIA ZJAWISK PRZEPŁYWOWYCH W PROCESACH CIŚNIENIOWEGO ZAPEŁNIANIA FORMY ODLEWNICZEJ

Transkrypt

1 133/18 ARCHIWUM ODLEWNICTWA Rok 2006, Rocznik 6, Nr 18 (2/2) ARCHIVES OF FOUNDRY Year 2006, Volume 6, N o 18 (2/2) PAN Katowice PL ISSN STANOWISKO DOŚWIADCZALNE DO BADANIA ZJAWISK PRZEPŁYWOWYCH W PROCESACH CIŚNIENIOWEGO ZAPEŁNIANIA FORMY ODLEWNICZEJ J. DAŃKO 1, Z. JĘDRZYKIEWICZ 2 Akademia Górniczo-Hutnicza, WO, Katedra Maszyn i Urządzeń Odlewniczych Akademia Górniczo-Hutnicza, WIMiR, Katedra Automatyzacji Procesów STRESZCZENIE W artykule opisano stanowisko doświadczalne do badania zjawisk przepływowych, występujących podczas procesu zapełniania ciekłym metalem formy w zimnokomorowej maszynie ciśnieniowej. Omówiono realizowany aktualnie program badań modelowych, którego celem jest opracowanie opisu matematycznego procesu zapełniania wnęki formy ciśnieniowej adekwatnego do geometrycznej charakterystyki modelowanego odlewu oraz jego systemu zasilania, zdolnego do ograniczenia zjawiska rozpraszania dyspersyjnego strugi metalu w zimnokomorowych maszynach ciśnieniowych. Key words: die- casting, mold filling, alloy dispersion, air occlusion, model research 1. Wprowadzenie Druga faza procesu odlewania ciśnieniowego związana jest z etapem zapełniania wnęki formy ciekłym metalem. Jej nieprawidłowy przebieg prowadzi do dużej dyspersji strugi metalu zapełniającego formę, co ma decydujący wpływ na zwartość struktury otrzymanego odlewu (jego gęstość) oraz stopień utlenienia stopów wykazujących duże powinowactwo do tlenu. Na wartość dyspersji strugi metalu wydatnie wpływa wiele parametrów, z których najważniejsze to [1]: prędkość ewakuacji powietrza z wnęki formy, prędkość wypełniania wnęki ciekłym metalem, czas narastania ciśnienia doprasowania, 1 prof. dr hab. inż. Józef Dańko, jd@uci.agh.edu.pl 2 prof. dr hab. inż. Zenon Jędrzykiewicz, zenobi@uci.agh.edu.pl 301

2 geometria układu wlewowego i odpowietrzającego formy. Teoretyczne ujęcie procesu zapełniania formy ciekłym metalem jest nadal przedmiotem badań, a opracowywane modele teoretyczne znalazły bardzo silne i efektywne wsparcie w postaci profesjonalnych komputerowych programów symulacyjnych. Jakość przyjętych modeli teoretycznych jest oceniania przede wszystkim przez jakość odlewów ciśnieniowych, a zwłaszcza wyeliminowanie porowatości typu okluzyjnego oraz metalurgicznego, co nadal sprawia problemy, nawet przy dzisiejszych możliwościach techniki obliczeniowej. Pierwsze prace dotyczące teorii zapełniania formy metalem przy odlewaniu ciśnieniowym przeprowadzone zostały w latach przez L. Frommera, który jako pierwszy opracował podwaliny teorii ruchu ciekłego metalu w formie ciśnieniowej. Prace H. Bartona, W. Brandta, oraz W. Kostera i K. Göhringa, niekiedy wzajemnie kontrowersyjne, stanowiły próbę doświadczalnej weryfikacji teorii Frommera [1]. Ostatecznie teoria Frommera została uznana jako pierwsza udana próba określenia izotermicznego modelu zapełniania formy ciekłym metalem. Podstawowym problemem technologicznym odlewania ciśnieniowego są trudności z całkowitym usunięciem fazy gazowej z objętości wnęki formy, w warunkach całkowitego braku przepuszczalności formy metalowej i bardzo krótkiego czasu jej wypełniania metalem, wynoszącego ułamek sekundy. W tych warunkach na zjawisko okluzji fazy gazowej w komorze prasowania może się nakładać obecność podpowierzchniowej porowatości gazowej pochodzenia metalurgicznego, związana z wydzielaniem się gazów rozpuszczonych w krzepnącym stopie. Następstwem porowatości odlewów ciśnieniowych jest ich mniejsza szczelność, defekty powierzchni po obróbce cieplnej, brakiem możliwości ich spawania, nanoszenia powłok lakierniczych techniką piecową i ograniczenie temperatury pracy. Ze strony mechanizmów i parametrów maszyn tę istotną wadę odlewów ciśnieniowych ogranicza się przez odlewanie ciśnieniowe w próżni, stosowanie wielofazowych lub bezfazowych systemów wtryskowych maszyn, umożliwiających wywieranie na krzepnący stop dużego ciśnienia prasowania (np. do 900 MPa), skrócenie czasu narastania ciśnienia w fazie doprasowywania stopu (ok. 10 µs) oraz przechodzenie na kategorię niskociśnieniowych systemów prasowania. W części obecnie prowadzonych prac badawczych ominięcie trudności z uzyskiwaniem szczelnych odlewów ciśnieniowych realizuje się przez rozwój technologii zastępczych, zwanych specjalnymi, które polegają na wytworzeniu w objętości wnęki formy specjalnych warunków fizyko-chemicznych np. przez wypełnienie wnęki gazem aktywnym (tlenem - proces Vacox)). 2. Stanowisko laboratoryjne do badań procesu zapełniania formy odlewniczej maszyny ciśnieniowej W Katedrze Automatyzacji Procesów AGH wspólnie z Katedrą Maszyn i Urządzeń Odlewniczych AGH, zostało zaprojektowane i zbudowane stanowisko laboratoryjne stanowiące model fizyczny odlewniczej maszyny ciśnieniowej. W skład stanowiska wchodzą następujące zespoły: 302

3 model fizyczny formy ciśnieniowej, model fizyczny komory prasowania, elektrohydrauliczny zespół sterujący, zasilacz hydrauliczny. Model fizyczny zespołu prasowania obejmuje następujące elementy (rys. 1): model komory prasowania (komora wizualizacyjna pozioma) - poz. 1, model formy odlewniczej (komora wizualizacyjna pionowa) - poz. 2, siłownik hydrauliczny stanowiący napęd tłoka prasującego - poz. 3, elementy mocujące i osprzęt pomiarowy. Rys. 1. Schemat stanowiska laboratoryjnego z uwzględnieniem jego ważniejszych elementów: 1 komora wizualizacyjna pozioma (model komory prasowania), 2 komora wizualizacyjna pionowa (model formy ciśnieniowej), 3 siłownik hydrauliczny, 4 serwozawór,5, 6, 7 przetworniki ciśnienia, 8 przetwornik prędkości liniowej, 9 przetwornik przemieszczenia liniowego, 10 tarcza pomiarowa Fig. 1. Hydraulic diagram of the laboratory station used in model research Przedstawiony na schemacie (rys.1) model komory prasowania wykonany jest z bezbarwnej rury o średnicy wewnętrznej 70 mm i długości komory roboczej 500 mm. W rurze tej umieszczony jest tłok prasujący, zamocowany współosiowo na końcu tłoczyska siłownika hydraulicznego (3). Przy końcu komory prasowania, na jej górnej powierzchni, wykonana jest szczelina (modelująca układ wlewowy) o szerokości x, przez którą ciecz wtłaczana jest do komory pionowej, stanowiącej model formy ciśnieniowej (2). Kształt oraz szerokość szczeliny x może być zmieniona za pomocą ze- 303

4 stawu wymiennych wkładek. Umożliwia to realizację badań wpływu kształtu szczeliny układu wlewowego na stopień dyspersji strugi ciekłego metalu wprowadzanej do formy, w zależności od przyjętych modelowych parametrów procesu. Nad szczeliną komory prasowania zamocowany został wymienny element umożliwiający montaż transparentnych modeli form odlewniczych o kształtach odpowiadających najczęściej spotykanym, typowym układom połączenia odlew-kanał doprowadzający cieczy modelowej. Dodatkowo dla ułatwienia obserwacji, zjawisk zachodzących w modelu formy przewidziano sposób równoległej rejestracji przebiegu przemieszczania cieczy modelowej z profilu bocznego oraz od góry. Do pomiaru ciśnienia w komorach siłownika (3) zastosowano piezoelektryczne przetworniki ciśnienia (5), (6). W celu dokonania pomiaru ciśnienia w komorze prasowania przewidywany jest montaż przetwornika ciśnienia (7). Do realizacji pomiaru przemieszczenia przesuwającego się tłoka prasującego siłownika (3) wykorzystano magnetostrykcyjny liniowy przetwornik drogi, o konstrukcji prętowej. Pomiar prędkości tłoka odbywa się dzięki zastosowaniu przetwornika prędkości (8) o konstrukcji liniału. Zjawiska zachodzące w modelu formy podczas procesu zapełniania, rejestrowane będą przy odpowiednim oświetleniu za pomocą szybkiej kamery video, z obróbką komputerową obrazu. Przykładową konfigurację układu pomiarowo-sterującego stanowiska do badań zjawisk przepływowych podczas procesu zapełniania formy odlewniczej w maszynie ciśnieniowej przedstawiono na rysunku 2. Forma Komputer wraz z oprogramowaniem serwozawór Przetworniki ciśnień Przetwornik położenia Przetwornik prędkości Rys. 2. Konfiguracja układu pomiarowo-sterującego stanowiska do badań zjawisk przepływowych podczas procesu zapełniania formy odlewniczej w maszynie ciśnieniowej Fig. 2. Configuration of control system of the laboratory station used in model research 304

5 Funkcję sterownika mikroprocesorowego oraz narzędzia pomiarowego w przedstawionym układzie spełnia komputer i standardowa dwunastobitowa karta pomiarowa. Sygnał sterujący po wzmocnieniu w układzie wzmacniacza mocy trafia na cewki serwozaworu, który steruje pracą siłownika hydraulicznego. Sygnały pomiarowe z przetworników trafiają na wejścia analogowe karty, po czym następuje archiwizacja i dalsza ich obróbka w komputerze. Programowanie karty odbywa się za pomocą przygotowanego w środowisku Matlab-Simulink [2] schematu układu pomiarowo-sterującego i załadowaniu go do karty przy wykorzystaniu kompilatora RTW (Real-Time Workshop). Widok zbudowanego stanowiska do badań zjawisk przepływowych podczas procesu zapełniania formy odlewniczej w maszynie ciśnieniowej przedstawiono na rysunku 3. Rys. 3. Widok stanowiska badawczego do analizy zjawisk przepływowych podczas procesu zapełniania formy odlewniczej w maszynie ciśnieniowej Fig. 3. View of the laboratory station used in model research 3. Program realizowanych aktualnie badań Efektem badań modelowych, wspomaganych symulacyjnymi obliczeniami komputerowymi będzie stworzenie opisu matematycznego procesu zapełniania formy oraz identyfikacja wzajemnych relacji pomiędzy geometryczną charakterystyką modelowanego odlewu oraz systemu zasilania, z ograniczeniem zjawisk rozpraszania dyspersyjnego strugi metalu. Zostanie dokonane porównanie fizycznego obrazu procesu zarejestrowanego na stanowisku badawczym z jego komputerowym odwzorowaniem, za pomocą programów profesjonalnych (NOVACAST, FLUENT, MAGMAsoft). 305

6 Badania doświadczalne będą obejmować różne wartości stopnia zapełnienia komory wizualizacyjnej poziomej cieczami modelowymi o zróżnicowanych lepkościach kinematycznych ν. Ocena wizualna oraz metrologiczna będzie obejmować stopień dyspersji strugi St w zależności od zmiany lepkości ν odlewanego metalu, kształtu szczeliny układu wlewowego oraz stopnia jej rozwarcia x. Zakłada się także przeprowadzenie badań dla kilku typowych kształtów modeli form. Dodatkowo planuje się wyznaczenie funkcji wiążącej [3] wielkość stopnia dyspersji St strugi w zależności od zmian współczynnika lepkości ν ciekłego stopu i zmian stopnia rozwarcia x szczeliny układu wlewowego. LITERATURA Opracowano w ramach projektu badawczego KBN nr 3 T08B [1] Dańko J.: Maszyny i urządzenia do odlewania pod ciśnieniem: podstawy teorii, konstrukcja, pomiary i eksploatacja. Wydawnictwa AGH, Kraków [2] Górecka R.: Teoria i technika eksperymentu. Skrypt Politechniki Krakowskiej, Kraków [3] Simulink. Target Language Compiler Reference Guide. For User Real-Time Workshop. User's Guide. Ver. 1. The MathWork Inc, [4] Jędrzykiewicz Z., Pluta J., Stojek J., Dańko R.: Stanowisko do badań stopnia dyspersji strugi ciekłego metalu w procesie zapełniania wnęki formy zimnokomorowej maszyny ciśnieniowej. XXVII Konferencja Naukowa z okazji Święta Odlewnika listopad 2003, Wydział Odlewnictwa, Kraków. [5] Jae Chul Lee, Hyun-Kwang Seok, Ho-In Lee: Influence of the gating geometry and the injection rate on the flow character of the aluminium alloy A356 in the state of its partial crystallization. Przegląd Odlewnictwa nr 2/2004. THE TESTING STAND FOR INVESTIGATION OF FLOW PHENOMENA OCCURRING DURING FILLING THE DIE CAVITY BY MEANS OF COLD CHAMBER DIE-CASTING MACHINE SUMMARY In the paper the testing stand for investigation of flow phenomena occurring during filling the die cavity by means of cold chamber die-casting machine have been presented. The programme of currently carried out experimental, as well as computer simulation research is given. The undertaken research is aimed on elaboration of mathematical model of die cavity filling process in accordance with geometric features of modelled casting, and its gating system able to reduce the molten metal stream dispersion degree in cold chamber die-casting machine. Recenzował: Prof. Aleksander Fedoryszyn 306