WYKORZYSTANIE WYSOKOFREKWENCYJNYCH BADAŃ ZMĘCZENIOWYCH W SYSTEMIE ZAPEWNIENIA JAKOŚCI W ODLEWNI ŻELIWA

Transkrypt

1 50/19 ARCHIWUM ODLEWNICTWA Rok 2006, Rocznik 6, Nr 19 Archives of Foundry Year 2006, Volume 6, Book 19 PAN - Katowice PL ISSN WYKORZYSTANIE WYSOKOFREKWENCYJNYCH BADAŃ ZMĘCZENIOWYCH W SYSTEMIE ZAPEWNIENIA JAKOŚCI W ODLEWNI ŻELIWA R.ULEWICZ 1, S. BORKOWSKI 2, O. BOKŮVKA 3 Politechnika Częstochowska, Wydział Zarządzania, Katedra Inżynierii Produkcji Al. Armii Krajowej 19B, Częstochowa University of Žilina, Faculty of Mechaniczal Engineering, Deparament of Material Engineering, Univerzitná 1, Žilina, Slovak Republic STRESZCZENIE W artykule przedstawiono wyniki badań własności zmęczeniowych wybranych gatunków żeliw z zastosowaniem wysokofrekwencyjnej maszyny zmęczeniowej, umo ż- liwiającej prowadzenie badań w obszarze gigacyklowym. Zwrócono szczególną uwagę na korzyści ekonomiczne, między innymi znaczne skrócenie czasu trwania badań. Przedstawiono możliwość wykorzystania badań zmęczeniowych w systemie kontroli jakości. Key words: quality, fatigue, cast iron 1. WSTĘP Przeprowadzone analizy przyczyn uszkodzeń elementów maszyn i konstrukcji wykazuje, że większość (ponad 90 %) wszystkich przypadków pękania jest spowodowane zmęczeniem. Wyniki badań własności mechanicznych są wykorzystywane przez konstruktorów w procesie projektowania elementów konstrukcyjnych. Porównuje się wówczas naprężenia dopuszczalne wyznaczone dla konkretnych materiałów na podst a- wie wyników prób, z naprężeniami w elementach konstrukcyjnych, określonymi na podstawie analizy teoretycznej lub doświadczalnie. Praktyczne stosowanie tych metod 1 Dr inż., ulewicz@zim.pcz.czest.pl 2 Prof. dr hab. inż., bork@zim.pcz.czest.pl 3 Prof.Ing.PhD., otakar.bokuvka@fstroj.utc.sk 393

2 umożliwia odbiór techniczny licznych metali i stopów technicznych, pozwala na ich porównywanie i klasyfikowanie według przewidywanych zastosowań oraz ocenę skuteczności zastosowanych procesów technologicznych, przede wszystkim obróbki ciep l- nej oraz plastycznej [1]. Nowoczesne technologie odlewania dają możliwość uzyskiwania bardzo skomplikowanych odlewów żeliwnych między innymi dla motoryzacji. Konwencjonalne kryteria nie spełniają obecnie wymagań bezpieczeństwa pracy ko n- strukcji i urządzeń [2]. Pęknięcia zmęczeniowe pojawia się po bilionach cykli lub więcej za konwencjonalną granicą N f = [3]. Użycie niskich częstotliwości (25 Hz) w badaniach zmęczeniowych żeliwa jest mało efektywne ze względu na czas trwania próby przy N f = czas trwania próby wynosi 46 dni. Zastosowanie wysokich częstotliwości rzędu 20 khz skraca próbę przy N f = do 90 minut [2,3]. W tabeli 1 przedstawiono porównanie czasów próby zmęczeniowej z zastosowaniem niskich i wysokich częstotliwości obciążania. Tabela. 1. Czas potrzebny do wyznaczenia granicy zmęczenia c przy stosowaniu niskich i wysokich częstotliwości obciążania Table 1. The time need to determinate the fatigue limit c at low and high frequency testing Cykl N f= N f = N f = N f = Częstotliwości Niskie (25 Hz) 4,6 dni 46 dni 460 dni 4629 dni Wysokie (20 khz) 4 min. 90 min. 14 godz. 140 godz. 2. WYNIKI BADAŃ ZMĘCZENIOWYCH Badania zmęczeniowe w obszarze bardzo wysokich cykli obciążania (N N cykli) były wykonane przy wysokofrekfencyjnych obciążeniach typu rozciąganie-ściskanie o przebiegu sinusoidalnym (f 20kHz,R=-1, T = 20 ± 10 o C z chłodzeniem próbek w wodzie destylowanej z antykorozyjnym inhibitorem) na urządzeniu KAUP-ZU z użyciem próbek opisanych przez Salama i Lamerand [4] według metod opisanych w pracach [2,5,6]. Do badań wykorzystano dwa gatunki żeliwa sferoidalnego o własnościach i strukturze przedstawionej w tablicy 2 i rys. 1 i rys.2. Tabela. 2. Skład chemiczny i własności mechaniczne materiału badawczego Table 2. Chemical composition and mechanical properties of the experimental materials Mat C Mn Si P S Cu Mo R m HB 5/2450/10 [MPa] % A 3,55 0,53 3,01 0,030 0,033 0,49 0, B 3,38 0,08 2,93 0,037 0,012 0,02 0,

3 ARCHIWUM ODLEWNICTWA Rys. 1. Mikrostruktura żeliwa perlitycznoferrytycznego (A), traw,. 3% Nital, pow. 100 x Fig. 1. Microstructure pearlite-ferrite nodular cast iron, magn. 100 x, etch. Nital Rys. 2. Mikrostruktura żeliwa ferrytycznoperlitycznego (B), 3% Nital, pow. 100 x Fig. 2. Microstructure ferrite-pearlite nodular cast iron, magn. 100 x, etch. Nital Wyniki badań zmęczeniowych przedstawiono na rys.4. Analizując uzyskane wyniki możemy stwierdzić że wraz ze wzrostem liczby cykli wartość amplitudy w obu przypadkach maleje. W przypadku materiał A wartość naprężenia amplitudy przy N f =5, cykli wyniosła a = 276 MPa, a przy N f = cykli a = 180 MPa; co daje różnicę σ a = 96 MPa. Dla materiału B wartość naprężenia amplitudy przy N f =5, cykli wyniosła a = 440 MPa, a przy N f = a = 162 MPa; co daje różnicę σ a = 278 MPa Materiał A Materiał B 300 a [MPa] Liczba cykli N f Rys.3. Zależność amplitudy napięcia σ a od liczby cykli Nf Fig.3. Dependence on the number of Nf series of the amplitude of σ a tension 3. KONTROLA JAKOŚCI Wyrób odlewany musi spełniać szereg wymagań odnoszących się ściśle do technicznych specyfikacji jego własności w eksploatacji, musi także spełniać wymaga- 395

4 nia klienta od strony terminów realizacji, ceny i sposobów płatności. Na jakość wyrobu odlewanego ma wpływ wiele czynników począwszy od strony technicznej, dotrzymanie parametrów jakich zażądał zleceniodawca, a także coraz częściej bezpieczeństwa eksploatacji ze szczególnym uwzględnieniem procesu zmęczenia materiału. Tyczy się to głowie odlewów motoryzacyjnych i na odpowiedzialne części maszyn i urządzeń. Zastosowanie zintegrowanego systemu zarządzania jakością wymaga: znajomości poszczególnych technik i metod z zakresu zarządzania jakością, bardzo dobrej komunikacji, a w szczególności sprzężenia zwrotnego, pracy zespołowej, odpowiedniego plan o- wania i rygorystycznej dyscypliny czasowej. Pierwszym krokiem do wdrożenia zintegrowanego systemu zarządzania jakością jest opracowanie planu poprawy jakości produktu. W przypadku odlewów niesie to za sobą pewne komplikacje ponieważ mamy do czynienia z produkcją seryjną jak i jednostkową a także zamówieniami s pecjalnymi, które będą wymagały opracowania nowych procedur oraz zmian w istniejącej technologii wykonywania odlewów. Istnieje jednak możliwość wskazania punktów stałych istotnych dla każdego procesu wytwarzania odlewu (rys.4). Rys.4. System kontroli jakości w odlewni żeliwa Fig.4. Quality system control in the cast iron foundry W przypadku specjalnych wymagań wyrobu istnieje możliwość uzupełnienia planu kontroli i planowania jakości o nowe punkty np. dla wyrobów dla motoryzacji (klasa REPORT) wymagane są badania zmęczeniowe dla określenia liczby cykli do powstania pęknięcia. W tym celu planuje się wprowadzenie innowacji polegającej na 396

5 ARCHIWUM ODLEWNICTWA zastosowaniu nowej metody badań zmęczeniowych z zastosowaniem wysokich częst o- tliwości dla odlewów z żeliwa sferoidalnego rys.5. Rys. 5. Przykład systemu kontroli jakości dla wyrobów żeliwnych o zaostrzonych wymaganiach Fig. 5. Example of the quality control system for cast-iron products about tightened requirements 4. PODSUMOWANIE Kontrola i badanie wyrobu w całym cyklu produkcyjnym powinny przebiegać w sposób zaplanowany tak aby wszystkie istotne dla jakości wyrobu finalnego właśc i- wości były nadzorowane, sterowane i oceniane. Kluczową rolę w weryfikacji parametrów procesu produkcyjnego wpływających na jakość wyrobu finalnego odgrywają analizy laboratoryjne. Użycie niskich frekwencji w badaniach zmęczeniowych jest bardzo czasochłonne, natomiast zastosowanie metod wysokofrekfencyjnych cykli o b- ciążania jest bardziej efektywne, wymaga mniej czasu. Żeliwo sferoidalne dzięki swoim dobrym własnością fizycznym mechanicznym i technologicznym znajduje zastosowanie w wyrobach przemysłowych, na które działają obciążenia dynamiczne. Obecnie jest mało informacji o własnościach zmęczeniowych żeliwa sferoidalnego przy gigacyklowych obciążeniach. Przeprowadzone badania zmęczeniowe z zastosowaniem wysokich częstotliwości obciążania (f 20kHz, T = 20 ± 10 o C, R = -1) na urządzeniu KAUP-ZU dla żeliwa A-(R m =702,3 MPa) i żeliwa B-(R m =480 MPa), dały następujące wyniki war- 397

6 tości amplitudy przy N f = cykli: A ( a =162 MPa i dla żeliwa B ( a =180 MPa). Biorąc pod uwagę wartości końcowe naprężenia σ a przy N f = cykli, uzyskane podczas badań oraz wyliczone z zależności pomiaru granicy zmęczenia podczas n iskofrekwencyjnego obciążania uzyskano podobne wyniki. W przypadku żeliwa sferoida l- nego B będą to wartości porównywalne, ze wzrostem wytrzymałości R m, różnią się jednak i są wyższe niż eksperymentalnie wyznaczone dla żeliwa A. Uzyskane wynik wskazują na możliwość efektywnego wykorzystania wysokofrekwencyjnej metody badań zmęczeniowych żeliwa sferoidalnego w celu określenia oceny bezpieczeństwa pracy wyrobów wyprodukowanych z tego materiału. Jest także możliwe wprowadznie tego rodzaju badań jako jeden z elementów kontroli jakości, szczególności dla odlewów motoryzacyjnych klasy REPORT. LITERATURA [1] S. Borkowski: Sterowanie jakością tworzyw odlewniczych na przykładzie żeliwa, Wyd. WNT, Warszawa (1999). [2] O. Bokůvka, G. Nicoletto, L. Kunz, P. Palček, M. Chalupová: Low&High Frequency Fatigue Testing, Wyd. EDIS University of Žilina, Žilina (2002). [3] S. Stanzl Tschegg, H. Mayer: Fatigue in the Very High Cycle Regime, Vienna, Austria (2001). [4] K. Salama, R.K. Lamerand: Ultrasonic Fatigue, In. Conf. Proc., The Met. Soc. of AIME, New York (1982). [5] A. Puškár : Vysokofrekvenčná únava materiálov, EDIS Žilinská Universita, Žilina, (1997). [6] K. Nishijima, K. Kanazawa: Stepwise S-N Curve and Fish- eye Failure in Gigacycle Regime, Fatigue Fract. Engng. Mater. Struct, 22 (1999). [7] R. Ulewicz, F. Nov, P Kopas, P. Bojanowicz: Fatigue Properties of Nodular Cast Iron GGG 50 and GGG 60 in Area of Very High Loaading Cycles, 21th International Colloquium, Hungary (2004). UTILIZATION OF HIGH FREQUENCY FATIGUE RESEARCHES IN IN THE QUALITY ASSURANCE SYSTEM IN CAST IRON FOUNDRY SUMMARY In article were showed results of fatigue properties researches of selected brands of cast irons with application of high frequency fatigue machine, which enables to carry out researches in giga-cycle area. Particular attention was drawn to economical benefits, among others considerable shortening of researches duration time. There was also showed possibility of utilization of fatigue researches in quality control system. Recenzował: prof. zw. dr hab. inż. Roman Wrona 398