STANOWISKO DO BADANIA WYTRZYMAŁOŚCI NA ZGINANIE KRZEPNĄCYCH I STYGNĄCYCH METALI I STOPÓW

Transkrypt

1 23/17 ARCHIWUM ODLEWNICTWA Rok 2005, Rocznik 5, Nr 17 Archives of Foundry Year 2005, Volume 5, Book 17 PAN - Katowice PL ISSN STANOWISKO DO BADANIA WYTRZYMAŁOŚCI NA ZGINANIE KRZEPNĄCYCH I STYGNĄCYCH METALI I STOPÓW J. MUTWIL 1 Wydział Mechaniczny Uniwersytetu Zielonogórskiego Zielona Góra, ul. Szafrana 4. STRESZCZENIE Opisano prototypowe hydrauliczne stanowisko do badania wytrzymałości na zginanie krzepnących i stygnących metali i stopów. W pomiarze rejestrowana jest siła gnąca i ugięcie odlewu oraz temperatura metalu i formy. Zginaniu podlega odlew pręta o przekroju kwadratowym. Key words: test stand, bending strength of solidifying metals and alloys 1. WPROWADZENIE W zamieszczonej w tym zeszycie Archiwum Odlewnictwa pracy [1] przedstawiono prototypowe, hydrauliczne stanowisko do badania wytrzymałości na rozciąganie krzepnących i stygnących metali i stopów, a wyniki eksperymentów uzyskane z jego pomocą dla stopu AlSi5Cu3MgMn opisano w pracy [2]. Z uwagi na praktyczny brak w literaturze tego typu danych dla szerokiej gamy stosowanych stopów odlewniczych prowadzenie takich badań wydaje się być bardzo uzas adnione. Poczyniona uwaga dotyczy również wytrzymałości na zginanie w okresie krzepnięcia i stygnięcia odlewu, tym bardziej, że w odlewach rzeczywistych naprężenia zginające równie często jak rozciągające są źródłem ich wad. Analiza budowy stanowiska do badań wytrzymałości na rozciąganie pozwala zauważyć, że bez konieczności dokonywania istotnych przeróbek konstrukcji, można je przysposobić do badań wytrzymałości na zginanie, co przedstawiono poniżej. 1 dr hab. inż., prof. UZ, j.mutwil@iipm.uz.zgora.pl 197

2 2. OPIS STANOWISKA BADAWCZEGO Schemat ideowy stanowiska przystosowanego do badania wytrzymałości na zginanie krzepnących i stygnących metali i stopów przedstawiono na rys. 1. Porównując ten schemat z przedstawionym w pracy [1], zauważyć można, że zmiany zostały ograniczone jedynie do formy i związanego z nią oprzyrządowania. Analiza schematu z rys. 1 oraz zdjęć z rys. 2 pozwala zauważyć, że w próbie zginany jest odlew pręta o przekroju zbliżonym do kwadratowego. Siłę zginającą wywołuje napęd hydrauliczny, podnoszący otoczoną zakrzepłym metalem profilowaną wkładkę 5, a maksymalny moment gnący powstaje w przekroju odlewu odległym o L (rys.1) od miejsca przyłożenia siły gnącej. Rys. 1. Stanowisko do badania wytrzymałości na zginanie krzepnących i stygnących metali i stopów: 1 rama, 2 podstawa, 3 niedzielona kokila, 4 poprzeczka zginająca, 5 profilowana wkładka, 6 płytki zamykające, 7 dwustronnie gwintowany pręt, 8 uchwyty czujnika siły, 9 kołki, 10 silnik wraz z pompą, 11 zbiornik oleju, 12 cylinder hydrauliczny, 13 drążek cylindra, 14 układ sterowania cylindra, 15 przewód ciśnieniowy, 16 czujnik siły, 17 czujnik przemieszczeń, 18 termoelement płaszczowy, 19- przewody, 20 mikroprocesorowy rejestrator, 21 komputer Fig. 1. Test stand for examination of bending strength of solidifying and self-cooling metals and alloys: 1- frame; 2- base, 3- unsplit metal mould, 4- bending cross-bar, 5- profiled insert 6- closing plates, 7- bithreaded bar, 8- force sensor holder, 9-blocking pins, 10 oil pump with engine, 11 oil tank, 12 hydraulic cylinder, 13 cylinder bar, 14 cylinder control system, 15 pressure conduit, 16- force sensor, 17- position sensor,

3 ARCHIWUM ODLEWNICTWA - mantle thermocouple, 19- wires, 20- microprocessor recorder, 21- microcomputer. We wspomnianej odległości L (rys. 1) znajduje się krawędź gnąca poprzeczki 4, blokującej odlew w formie. Próba uniesienia profilowanej wkładki 5 powoduje powstawanie maksymalnych naprężeń gnących w przekroju odlewu pod krawędzią, których wartość zależna jest od aktualnej wartości siły gnącej i wskaźnika wytrzymałości przekroju na zginanie. Poprzeczka przykręcana dwoma śrubami do podstawy 2 unieruchamia również formę na czas eksperymentu. Krawędź gnąca poprzeczki 4 jest wchodzącym do wnęki formy występem o przekroju pólkołowym (rys. 1, rys. 2e) i promieniu 2mm. Wnęce formy nadano zbieżność umożliwiającą swobodne wyciąganie odlewu, stąd też jego przekrój jest trapezem o wymiarach: 30*32*30 mm. W miejscu występowania krawędzi gnącej wysokość odlewu pomniejszona jest lokalnie o 2 mm i wynosi 28 mm. a) b) c) d) e) Rys. 2. Ilustracje elementów formy: a) forma zainstalowana na stanowisku (przed założeniem płytek zamykających), b) pełna forma przygotowana do instalacji na stanowisku, c) podstawa formy, d) pręt wyciągający z wkładką profilowaną, e) poprzeczka zginająca. 199

4 Płytki zamykające 6 to ruchome elementy formy, zapobiegające wypływaniu metalu z kokili. Płytka większa, przylegająca do profilowanej wkładki 5, usuwana jest z formy przed rozpoczęciem eksperymentu zginania. Płytka mniejsza, przylegająca do zbiornika wlewowego i poprzeczki 4 posiada na boku stykającym się z nią wyfrezowane rowki pozwalające na wprowadzenie do wnęki formy trzech termoelementów płaszczowych 1 mm. Termoelementy pozwalają mierzyć w tym miejscu odlewu: temperaturę w osi (T1), przy ściance formy (T3) i w połowie grubości ścianki odlewu (T2). W ściance kokili w obrębie zbiornika wlewowego nawiercono od góry dodatkowe trzy otwory 1.2 mm na termoelementy do pomiaru temperatury formy w odległości odpowiednio: 2, 4, 6 mm od powierzchni odlewu. Elementy kokili wykonano ze stali WCL, po czym ulepszono cieplnie, stosując odpuszczanie w temperaturze 650 ºC. Siła z jaką zginany jest odlew mierzona jest za pomocą czujnika 16 łączącego wkładkę profilowaną z drążkiem cylindra 12. Ugięcie swobodnego końca odlewu połączonego z profilowaną wkładką mierzone jest czujnikiem przemieszczenia 17 poprzez pomiar zmian położenia wkładki. W badaniach, poprzez dobór początkowej temperatury formy, można zmieniać szybkość stygnięcia odlewu, a więc i morfologię krzepnięcia. Jak już wspomniano, w eksperymencie rejestrowana jest temperatura metalu w trzech miejscach na przekroju odlewu, a ponieważ przebieg zmian temperatury mierzonej każdym z termoelementów przedstawiany jest na bieżąco na monitorze komputera, istnieje więc możliwość rozpoczęcia próby zginania przy założonym stopniu zaawansowania krzepnięcia odlewu. Rys. 3. Przykład odlewu po próbie zginania (stop AlSi6.7Cu3.5Mn) Fig. 3. Example of casting after bending test ( AlSi6.7Cu3.5Mn alloy) Ilustrację odlewu po przeprowadzonej próbie zginania z wyraźnie widocznym miejscem głębokiego pęknięcia przedstawiono na rys. 3. Próbę wykonano dla siluminu podeutektycznego AK64. Zginanie rozpoczęto w końcowym etapie krzepnięcia, co dobrze ilustrują krzywe przedstawione na rys. 4a, będącym zbiorczym wykresem wszystkich sygnałów zarejestrowanych podczas eksperymentu. 200

5 ARCHIWUM ODLEWNICTWA a) b) Rys. 4. Stop AlSi6.7Cu3.5: a) zarejestrowane w eksperymencie: temperatura metalu w trzech miejscach odlewu (T1-T3) i formy (T4-T6), siła gnąca F(t) oraz ugięcie odlewu dl(t); b) naprężenia zginające (sig) w funkcji ugięcia odlewu (dl). Fig. 4. AlSi6.7Cu3.5 alloy: a) curves registered in experiment: metal temperature in three places of casting ( T1-T3) and mould (T4-T6), bending force F(t) and casting deflection dl(t); b) bending stresses (sig) versus casting deflection (dl). 201

6 Krzywe oznaczone na rysunku jako (T1-T6) reprezentują, jak już wcześniej zasygnalizowano, temperaturę odlewu (T1-T3) i formy (T4-T6). Krzywa oznaczona jako F(t) obrazuje siłę zginającą odlew, a krzywa dl(t) ugięcie jego wolnego końca. W części (b) rysunku przedstawiono zmianę naprężeń zginających w funkcji ugięcia odlewu. Pęknięcie odlewu nastąpiło przy naprężeniu zginającym 57.8 MPa i ugięciu 7. 7 mm. Należy również zauważyć, że przebieg wykresu sugeruje, że w całym zakresie odkształcenia odlewu miały charakter plastyczny. 3. PODSUMOWANIE Przedstawione stanowisko do badania wytrzymałości na zginanie krzepnących i stygnących metali i stopów jest rozwinięciem opisanego w pracy [1] stanowiska do badania wytrzymałości na rozciąganie. Rozwiązanie uzyskano dzięki zastąpieniu istniejącej kokili formą do odwzorowania odlewu zginanego pręta. W próbie zginaniu podlega odlew pręta o przekroju kwadratowym. Podczas eksperymentu rejestrowane i prezentowane na ekranie monitora są: siła gnąca, ugięcie odlewu oraz temperatura na jego przekroju, co pozwala rozpocząć zginanie na założonym etapie krzepnięcia. LITERATURA [1] Mutwil J., Romankiewicz R., Kujawa K.: Nowa wersja stanowiska do badania wytrzymałości na rozciąganie krzepnących metali i stopów, Archiwum Odlewnictwa, vol. 5, nr 17, 2005, s [2] Mutwil J., Romankiewicz R., Kujawa K: Badania wytrzymałości na rozciąganie krzepnącego siluminu AlSi5Cu3MgMn, Archiwum Odlewnictwa, vol. 5, nr 17, 2005, s SUMMARY TEST STAND FOR BENDING STRENGTH INVESTIGATION OF SOLIDIFYING AND SELF-COOLING METALS AND ALLOYS A prototypical hydraulic test stand for examination of bending strength of solidifying and self-cooling metals and alloys has been described. The bending force and deflection of test casting as well as the temperature of casting and mould are in measurement registered. The bar casting with a square section is bent. Recenzował: prof. dr hab. inż. Andrzej Chojecki 202