STANOWISKO DO BADANIA OPORÓW PRZEPŁYWU META- LU W KANALE FORMY ODLEWNICZEJ

Transkrypt

1 69/2 Archives of Foundry, Year 2001, Volume 1, 1 (2/2) Archiwum Odlewnictwa, Rok 2001, Rocznik 1, Nr 1 (2/2) PAN Katowice PL ISSN STANOWISKO DO BADANIA OPORÓW PRZEPŁYWU META- LU W KANALE FORMY ODLEWNICZEJ J. MUTWIL 1 Wydział Mechaniczny Politechniki Zielonogórskiej ul. prof. Z. Szafrana, Zielona Góra STRESZCZENIE Przedstawiono stanowisko do badań oporów przepływu metalu w prostym, pionowym kanale formy metalowej. Zasadę pomiaru oparto na analizie sił stycznych wywieranych przez płynącą strugę na formę Key words: resistance of metal flow, metal mould 1. WPROWADZENIE W badaniach procesu zalewania form odlewniczych istotna jest problematyka oceny oporów przepływu. Opracowana w Politechnice Zielonogórskiej metodyka badań przepływu metali i stopów w kanałach form odlewniczych [1] stwarza realne szanse do realizacji wymienionego zadania badawczego. We wspomnianej metodzie stworzona została możliwość jednoczesnej rejestracji drogi przepływu strugi oraz temperatury jej czoła na całym odcinku płynięcia. Tym samym, dodatkowa rejestracja sił stycznych, wywieranych przez płynącą strugę na ścianki kanału powinna umożliwić osiągnięcie postawionego celu. 2. OPIS STANOWISKA POMIAROWEGO Schemat stanowiska do badań przepływu metalu w kanale formy przedstawiono w opublikowanej w tym numerze Krzepnięcia Metali i Stopów pracy [2]. Poniżej, na rysunku 1 przedstawiono schemat idei pomiaru sił stycznych wywieranych przez płynącą strugę metalu na tuleję testową kanału przepływowego wspomnianego stanowiska. 1 dr hab. inż., prof. PZ, jmutwil@wm.pzgora.pl

2 W myśl trzeciej zasady dynamiki Newtona sprowadzona siła oporu przepływu powinna być, co do wartości, równa sprowadzonej sile stycznej, lecz przeciwnie skierowana. Wartość sprowadzonej siły stycznej można pośrednio wyznaczyć, rejestrując wskazania dwu czujników siły, na których zawieszona zostanie tuleja testowa 1 (siły styczne będą powodowały zmniejszanie sił reakcji wynikających z ciążenia tulei). Realizacja takiej koncepcji pomiarowej wymagała wykonania odpowiedniego oprzyrządowania do stanowiska do badań przepływu. W pierwszej kolejności należało wyeliminować wpływ ciśnienia wywieranego przez metal na dno tulei testowej. Rys.2. Schemat idei pomiarowej: 1- tuleja testowa, 2-wnęka wstępna, 3-ramiona wspornikowe, 4-czujnik siły, 5-tarcza, 6-podkładka uszczelniająca, 7-wkręty, 8-elektroda kontaktowa wraz z termoelementem, 9-skrzeplina Fig.2. Scheme of measuring idea: 1-test sleeve, 2-entrance cavity, 3- peg, 4- force sensor, 5-disk, 6- grommet washer, 7- screws, 8- contact electrode with thermocouple, 9- solidified shell

3 W tym celu wprowadzono przykręcaną do segmentu wnęki wstępnej 2 metalową tarczę 5. Aby ograniczyć możliwość powstawania skrzepliny łączącej tarczę 5 z tuleją przepływową 1, wprowadzono wykonaną z filcu ognioodpornego (grubość 3 mm) podkładkę 6. W normalnych badaniach przepływu tuleja testowa 1 stawiana jest na segmencie wnęki wstępnej 2. W pomiarach sił oporu tuleja ta powinna być zawieszona na czujnikach siły, tuleję testową należało więc dodatkowo zaopatrzyć w dwa ramiona wspornikowe. Rys.2. Schemat oprzyrządowania tulei testowej: a) po montażu tulei, b) przed montażem: 1-tuleja testowa, 2- podstawa, 3-prowadnica, 4- podstawa czujników siły, 5- czujnik siły, 6- tuleja z ramionami wspornikowymi, 7- wkręt dociskowy, 8- nagwintowany wałek, 9-nakrętka ustalająca, 10-nakrętka blokująca Fig.3. Scheme of sleeve instrumentation: a) after sleeve assembly, b) before sleeve assembly 1- test sleeve, 2- base, 3-guide, 4- base of force sensors, 5- force sensor, 6- sleeve with bracket arms, 7- set screw, 8-threaded shaft, 9-adjusting nut, 10-back nut

4 Pozostałe elementy oprzyrządowania pokazano na rysunku 2. Składa się ono z przykręcanej do pokrywy pieca podstawy 2, na której zamontowano mechanizm podwieszania tulei na dwu czujnikach siły. W podstawie 2 umieszczono dwa pionowe, walcowe pręty prowadzące 3 oraz nagwintowany wałek 8. Dzięki temu, kręcąc nakrętką 9, można ustalać wysokość położenia podstawy 4 czujników siły 5 (tensometryczne czujniki siły 50N, firmy Megatron). Wysokość ustalana jest tak, aby tuleja 1, nie tracąc kontaktu z podatną, filcową podkładką 2 (rys.1), zawisła na czujnikach siły. Po ustaleniu wysokości, podstawa 4 blokowana jest śrubą 10. Dla dokładności wyznaczania wartości siły oporu przepływu duże znaczenie ma dokładne wypoziomowanie podstawy czujników siły. Dla dokładnie wypoziomowanego układu wartość mierzonej siły każdym z dwu czujników powinna być równa. Wtedy też, w dowolnej chwili czasu, siłę oporu przepływu wyznaczamy jako różnicę początkowej sumy wskazań obu czujników (przed wpłynięciem metalu do kanału testowego) i sumy odpowiadającej danej chwili czasu. Odpowiedni algorytm obliczeniowy wprowadzono do programu komputerowego, który steruje pracą zastosowanego na stanowisku mikroprocesorowego rejestratora sygnałów pomiarowych oraz służy do późniejszego ich przetwarzania. Na rysunku 1 pokazano schematycznie skrzeplinę, która zawsze pojawia się w trakcie przepływu w kanale formy metalowej. Jej istnienie i ciągły rozwój będą miały istotny wpływ na wartość rejestrowanej siły oporu przepływu. Dlatego też, próba określenia wartości współczynnika strat liniowych w oparciu o wartość siły oporu może być związana ze znacznym błędem. Błędy będą wynikały ze zmniejszenia efektywnej średnicy kanału oraz pojawienia się dodatkowych sił stycznych, zależnych od rozkładu ciśnienia w kanale i profilu warstwy zakrzepłej. 3. PRZYKŁAD POMIARU Na rysunku 2 przedstawiono ilustrację krzywych zarejestrowanych w eksperymencie wykonanym dla siluminu technicznego AK7 (wg atestu: Si-6.9%, Mg-0.34%, Mn- 0.44%, reszta Al.). Badany silumin wykazywał temperaturę w piecu na poziomie 820ºC, a forma testowa podgrzana była do 150ºC. Kanał 16mm formy metalowej zalewano przy nadciśnieniu początkowym 16 kpa, a szczelina doprowadzająca miała przekrój o powierzchni 20mm 2. Analiza przebiegu krzywej temperatury czoła strugi T(t) i krzywej przepływu h(t) pozwala zauważyć, że badany silumin wpłynął do kanału testowego, mając temperaturę 700 C, a przepływ ustał po osiągnięciu przez czoło strugi temperatury likwidus Tl=605.1 C. Kanał był wypełniany quasi-liniowo, a średnia prędkość przepływu wyniosła 8.1 cm/s. Analiza przebiegu siły z rysunku 3 pozwala zauważyć jej quasi- liniowy wzrost w okresie przepływu. Charakterystyczny jest też przebieg zmian siły po ustaniu przepływu. Przebieg ten jest efektem oddziaływania już tylko ciśnienia statycznego, panującego na wlocie do kanału. Początkowo wartość siły szybko przyrasta, po czym- jeszcze w okresie przemiany likwidus- szybkość narastania siły systematycznie zaczyna spadać. Ponowny, ale już powolny wzrost siły zauważalny jest dopiero po zakrzepnięciu metalu w kanale przepływowym, co świadczy jednocześnie o niecałkowitym zakrzepnięciu metalu we wnęce wstępnej. Utrzymywanie się prawie nie-

5 zmiennej wartości siły w okresie krzepnięcia strugi może wynikać z energii wykorzystywanej na uzupełnianie skurczowego deficytu objętości (zasilanie odlewu- transport mikro objętości cieczy w przestrzenie mikro pustek). Rys. 3. Temperatura czoła strugi T(t), krzywa przepływu h(t) oraz siła oporu przepływu F(t) zarejestrowane podczas wypełniania siluminem AK7 kanalu 16mm Fig. 3. Temperature of the tip of stream T(t), flow curve h(t) and flow resistance force F(t) registered by filling of 16 mm channel with silumin AK7 4. PODSUMOWANIE Przedstawione w pracy stanowisko do badań siły oporu przepływu metali i stopów w prostych, pionowych kanałach form odlewniczych powstało dzięki odpowiedniej modernizacji stosowanego w Politechnice Zielonogórskiej stanowiska do badań lejności. Zaletą wspomnianej metody badań lejności jest możliwość jednoczesnej rejestracji aktualnego położenia i temperatury czoła płynącej strugi. Dodatkowy pomiar siły stycznej, wywieranej przez płynącą strugę na ścianki kanału przepływowego dał więc podstawę do określania wartości siły oporu przepływu, którą można analizować w kontek-

6 ście przebytej w kanale drogi, jak też temperatury metalu. Zastosowanie mikroprocesorowej techniki rejestracji stworzyło podstawy do łatwego (komputerowego) przetwarzania rejestrowanych sygnałów. Przedstawiony, przykładowy pomiar pokazał, że zaprezentowane rozwiązanie zapewnia wymaganą czułość pomiarową. Rejestrowana siła oporu ma charakter absolutny, jej wartość kształtowana jest bowiem również przez napięcie powierzchniowe oraz tworzącą się na ściankach kanału skorupę zakrzepłego metalu. LITERATURA [1] Mutwil J., Żygadło M., Janowski R., Niedźwiecki D.: Nowe stanowisko do badań lejności, Krzepnięcie Metali i Stopów, vol. 2, nr 44, 2000, s [2] Mutwil J., Janowski R.: Cechy przepływu siluminów jednofazowych w kanałach metalowych form odlewniczych, Krzepnięcie Metali i Stopów, vol.?, nr??, 2001, s.???-???. Badania prowadzone są w ramach projektu badawczego Nr 7 T08B finansowanego przez Komitet Badań Naukowych w latach STAND FOR RESISTANCE INVESTIGATIONS OF METAL FLOW IN FOUNDRY MOULD CHANNEL SUMMARY A stand for resistance investigations of metal flow in a straight, vertical channel of metal mould has been presented. The measuring rule has been based on the analysis of the tangential forces exerting by the flowing stream on the mould. Recenzował Prof. Józef Gawroński