8/18 ARCHIWUM ODLEWNICTWA Rok 2006, Rocznik 6, Nr 18 (1/2) ARCHIVES OF FOUNDRY Year 2006, Volume 6, N o 18 (1/2) PAN Katowice PL ISSN 1642-5308 ROLA BADAŃ ELEMENTARNYCH ZJAWISK I PROCESÓW ODLEWNICZYCH W PODNOSZENIU JAKOŚCI ODLEWÓW STRESZCZENIE J. MUTWIL 1 Wydział Mechaniczny Uniwersytetu Zielonogórskiego 65-546 Zielona Góra, ul. Szafrana 4. Wskazano na istotną rolę badań podstawowych zjawisk i procesów odlewniczych w podnoszeniu jakości odlewów. Przedstawiono koncepcję badań procesu zalewania form. Opisano sposób badania ewolucji skurczu odlewniczego i naprężeń skurczowych. Key words: investigation of basic foundry phenomena and processes, castings quality 1. WPROWADZENIE Zastosowanie technik symulacji komputerowej w projektowaniu odlewniczych procesów technologicznych to najbardziej perspektywiczne źródło podnoszenia jakości odlewów. Współczesne programy komercyjne, z MAGMĄ na czele, analizują proces tworzenia odlewu już z uwzględnieniem etapu zalewania formy. Ciągły rozwój oprogramowania sprawia, że już w najbliższej przyszłości jakość obliczeń symulacyjnych zależna będzie jedynie od poprawnego doboru parametrów termofizycznych układu metal-forma. Mając powyższe na uwadze oraz uwzględniając bogactwo stosowanych stopów odlewniczych i materiałów na formy należy zakładać konieczność dynamicznego rozwoju badań w tym kierunku. Niezbędne są tu metody wyznaczania temperaturowych charakterystyk wybranych właściwości materiału odlewu i formy w oparciu o odpowiednio zaprojektowany eksperyment. Eksperyment powinien by prowadzony w geometrycznie prostych układach, co ułatwi jego realizację i uprości analizę wyników. Szybki rozwój technik mikroprocesorowej rejestracji i przetwarzania elektrycznych sygnałów pomiarowych stwarza dobre warunki do rozwoju odpowiednich instalacji 1 dr hab. inż., prof. UZ, j.mutwil@iipm.uz.zgora.pl 59
doświadczalnych. Poniżej przedstawiono opracowane pod kierunkiem autora rozwiązania do badania procesu zalewaniu form oraz ewolucji skurczu liniowego i naprężeń skurczowych w odlewie. 2. OPIS INSTALACJI DOŚWIADCZALNYCH Schemat idei pomiarowej i opisanego szerzej w pracy [1] stanowiska do badania zjawisk towarzyszących wypełnianiu metalem wnęki formy odlewniczej przedstawiono na rysunku 1. Istotną cechą rozwiązania jest ciągła rejestracja ruchu i temperatury czoła płynącej w kanale testowym strugi metalu. Temperatura mierzona jest dodatkowo w jedenastu wybranych punktach układu odlew-forma. Rys. 1. Stanowisko do badań lejności; (a) - schemat idei pomiarowej: 1- termoelement, 2- elektroda kontaktowa; (b) - schemat stanowiska: 1-tuleja testowa, 2-wnęka wstępna, 3- czop, 4- stalowa komora pieca, 5-pokrywa komory, 6- grafitowa rura, 7- liniowy silnik krokowy, 8- ruchoma elektroda kontaktowa, 9- termoelement, 10- czujnik ciśnienia, 11- wlot i wylot powietrza, 12- sterownik silnika, 13- mikroprocesorowy rejestrator, 14- mikrokomputer Fig. 1. Stand for fluidity investigation; (a) - scheme of measuring idea: 1- thermocouple, 2- contact electrode; (b) scheme of stand : 1-test sleeve, 2-entrance cavity, 3- peg, 4- furnace steel chamber, 5-chamber s cover, 6- graphite pipe, 7- linear stepper motor, 8- movable contact electrode, 9- thermocouple, 10- pressure sensor, 11- outlet and inlet of air, 12-motor controller, 13- microprocessor recorder, 14- microcomputer 60
Podstawę formy testowej stanowi nakładany na końcówkę rury grafitowej 6 segment wnęki wstępnej 2, na którym ustawiana jest wnęka kanału testowego 1. Szczelina wlewowa ustalana jest drogą wkręcania/wykręcania czopa zamykającego 3. Formy testowe 1 mogą być zarówno metalowe, jak i piaskowe. Dla form metalowych (stal WCL) stosowane są pojedyncze kanały przepływowe φ 12, 14, 16 mm o długości 180 mm. W formach metalowych wywiercone zostały otwory pozwalające na wprowadzanie termoelementów płaszczowych φ 1mm. Możliwe rozmieszczenie końcówek pomiarowych tych termoelementów ukazano schematycznie za pomocą kropek (rys. 1b). Schemat pokazuje, że istnieje możliwość pomiaru temperatury na pięciu różnych poziomach od wlotu do kanału. Rząd pierwszych trzech otworów znajduje się na poziomie 20 mm, a kolejne są od siebie oddalone o dalsze 20 mm. Na każdym poziomie istnieje jeden otwór przelotowy oraz dwa oddalone od powierzchni kanału odpowiednio o 2 i 4 mm. Na trzecim poziomie istnieje jeszcze niewidoczny na schemacie czwarty otwór, odległy od powierzchni kanału o 0.5 mm. Segment wnęki wstępnej jest dzielony, a na powierzchni podziału istnieje niewidoczny na rysunku rowek, pozwalający na wprowadzenie termoelementu mierzącego temperaturę metalu w centralnym jej punkcie. Przedstawiona schematycznie na rysunku 1b elektroda kontaktowa 8, składa się w rzeczywistości (rys. 1a) z właściwej elektrody 2 i termoelementu płaszczowego 1 (tutaj φ0.5mm typ K). Termoelement wysunięty jest względem ostrza elektrody o zadaną wartość h (np. 5mm). Ruch elektrody wywoływany jest za pomocą krokowego, liniowego silnika 7 firmy Normag. Ruch odbywa się systemem mikrokroków o ziarnie 0.06mm i następuje jedynie w momencie zetknięcia czoła strugi z ostrzem elektrody. Chwilowa prędkość ucieczki elektrody wynosi 0.18 m/s. Pracą silnika steruje moduł sterownika 12, który przekazuje jednocześnie do mikroprocesorowego rejestratora 13 cyfrowy sygnał pomiarowy (impulsy silnika krokowego). Sterownik 12 umożliwia również dokładne wprowadzanie elektrody kontaktowej do przestrzeni kanału testowego. Elektroda wprowadzana jest w osi kanału do poziomu połowy wysokości wnęki wstępnej. Po ustaniu przepływu metalu, sterownik automatycznie usuwa elektrodę z kanału. Mikroprocesorowy rejestrator PDOC-16 rejestruje również sygnały z zainstalowanych termoelementów oraz analogowego czujnika ciśnienia. Wspomniany rejestrator zaprojektowano i oprogramowano z myślą o pomiarach w odlewnictwie [2]. Założone nadciśnienie w komorze pieca wywoływane jest po otwarciu zaworu wlotowego 11, co powoduje ekspansję sprężonego powietrza z niewidocznego na rysunku zbiornika wyrównawczego. Zbiornik wyrównawczy połączony jest ze sprężarką. Po ustaniu przepływu metalu nadmiar powietrza wypuszczany jest przez zawór wylotowy 11. Otwarcie zaworu wylotowego w trakcie przepływu pozwala w prosty sposób realizować badania mechanizmu krzepnięcia strugi metodą wylewania resztek. Dane uzyskiwane z eksperymentów prowadzonych wg opisanej metodyki mogą w pierwszej kolejności dostarczyć cennej wiedzy nt. mechanizmu przepływu i krzepnięcia strugi konkretnego metalu we wnęce formy. Przykładowe dane z rys. 2 pozwalają m.in. odczytać zakres temperatur krzepnięcia strugi i temperaturę zablokowania przepływu. 61
a) T1 (t) h(t) T1(t) v(t) b) Rys. 2. Przepływ siluminu AK9 w metalowym kanale φ 16 mm: a) T1, T1 temperatura i jej pochodna w czole strugi; h, v droga i prędkość przepływu; b) h droga przepływu i temperatura: T1 czoło strugi; T2 wnęka wstępna,;t3-t5 powierzchnia odlewu: trzy pierwsze poziomy; T6-T12- ścianka formy: trzy pierwsze poziomy. Fig. 2. Flow of silumin AK9 in the metal channel of 16 mm diameter: a) T1, T1 temperature and their derivative in the stream head; h, v flow curve and flow rate; b) h flow curve and temperature of: T1 stream head,; T2 entrance cavity; T3-T5 casting surface: first tree levels; T6-T12- mould wall: first tree levels. 62
Rys. 3. Schemat do obliczeń liczb podobieństwa: a(t), w(t) wyznaczane empirycznie współczynniki równania (2) ; T F0 temperatura początkowa formy; zależne od czasu temperatury: czoła strugi (T 1 ); na wlocie kanału (T 2 ); w osi strugi na wysokości h (T h ); powierzchni odlewu na wysokości h (T R ); powierzchni kanału na wysokości h (T P ); zewnętrznej powierzchni formy na wysokości h (T F ); h 1 aktualne położenie czoła strugi; h - poziom rozmieszczenia termoelementów. Fig. 3. Scheme for calculations of similarity numbers: a(t), w(t) empirical estimated coefficients of equation (2); T F0 initial mould temperature; time depended temperature: of stream head (T 1 ); on channel entrance (T 2 ); in channel axis on h height (T h ); of castings surface on h height (T R ); of channel surface on h height (T p ); of mould external surface on h height (T F ); h 1 present position of stream head; h level of thermocouples arrangement. Jak pokazano na rys. 3 analiza wszystkich rejestrowanych wielkości może pozwolić na szacowanie w wybranych obszarach układu odlew-forma istotnych w obliczeniach cieplnych liczb podobieństwa. Ogólny schemat opisanego szerzej w pracy [3] stanowiska do badania ewolucji skurczu liniowego i naprężeń powstających na skutek jego hamowania w odlewie prostego pręta o przekroju kwadratowym przedstawiono na rysunku 4. Zamieszczony rysunek ilustruje stanowisko przygotowane do badania naprężeń. W badaniach skurczu 63
czujnik siły zastępowany jest przez czujnik przemieszczeń. Takie rozwiązanie pozwala na prowadzenie badań skurczu i naprężeń skurczowych przy zachowaniu identycznych warunków eksperymentu. Rys. 4. Schemat stanowiska do badania skurczu liniowego i naprężeń skurczowych: 1-kształtowa rama, 2-segment pręta skurczowego, 3- czujnik siły, 4- ramiona czujnika, 5-złącza ramion czujnika ze śrubą napinającą 11 i kotwą 6, 7- płytka zamykająca wnękę 2, 8- segment wlewowy, 9- dzielona nadstawka zbiornika wlewowego, 10- płyta zamykająca, 12- wałeczki toczne, 13- blokada, 14- ograniczniki, 15- termoelement, 16- mikroprocesorowy rejestrator PDOC-16, 17- komputer Fig. 4. Schematic diagram of stand for investigation of linear contraction and shrinkage stresses: 1-shape board, 2-segment of shrinkage bar, 3- force sensor, 4- sensor arms, 5-couplings of sensor arms with both the strain screw 11 and the anchor 6, 7- plate closing the cavity 2, 8- runner segment, 9- sectional runner box, 10- closing plate, 12- rollers, 13- blocking, 14- limiters, 15- thermocouple, 16- microprocessor recorder PDOC-16, 17- computer Do odtwarzania pręta skurczowego o wymiarach 20x20x250 mm służy otwarty od góry metalowy lub piaskowy segment 2. Segment 2 dostawiany jest do przytwierdzonego do ramy 1 segmentu wlewowego 8 i zabezpieczany przed zmianą ustawienia za pomocą ograniczników 14. Na segmencie wlewowym ustawiana jest dzielona nadstawka wlewowa 9, posiadająca na płaszczyźnie podziałowej rowek do wprowadzania termoelementu płaszczowego φ1mm. Termoelement wprowadzany jest tak, aby jego końcówka pomiarowa znalazła się w osi cieplnej segmentu 2. Segment 2 zamykany jest od 64
góry pokrywą 10. Segment pręta skurczowego zamykany jest wkręconą na kotwę 6 płytką zamykającą 7. Kotwa wkręcona jest jednocześnie do elementu łączącego 5, połączonego przegubowo z ramieniem 4 czujnika siły 3 (Megatron, 10kN). Drugie ramie czujnika siły, poprzez przegubowe połączenie z elementem 5 i śrubę napinającą 11, połączone jest z ramą kształtową 1. Śruba napinająca 11, dzięki blokadzie 13, pozwala na wstępną eliminacje luzu w układzie pomiaru siły. Dla ograniczenia wpływu siły tarcia podstawa skojarzonego z kotwą elementu łączącego opiera się na wałeczkach tocznych 12. Kotwa 6 z płytką zamykającą 7 jest elementem wymiennym, co dzięki możliwości zmiany jej długości- zapewnia prowadzenie badań przy różnych długościach pręta skurczowego. Jak wcześniej zaznaczono, w przypadku badań skurczu liniowego zamiast czujnika siły do posiadającego kotwę elementu 5 przyłączany jest potencjometryczny czujnik przemieszczeń (Megatron MM15). Identyczny pozwalający rejestrować rozszerzanie się formy czujnik przemieszczeń przyłączony jest do czoła segmentu 2 (miejsce przyłączenia wskazano strzałką). Sygnały pomiarowe z czujnika siły (przemieszczeń) i temperatury przekazywane są do połączonego z mikrokomputerem mikroprocesorowego rejestratora PDOC-16. Ilustracje wykonanych z wykorzystaniem opisanego stanowiska badań ewolucji skurczu liniowego i naprężeń skurczowych w okresie krzepnięcia i stygnięcia stopu AlSi5.4 przedstawiono w pracach [4, 5] tego zeszytu Archiwum Odlewnictwa. 3. PODSUMOWANIE Badania zjawisk kształtujących powstawanie odlewu w formie odlewniczej to jedna z dróg podnoszenia jakości w odlewnictwie. Przyrost wiedzy na temat przebiegu elementarnych zjawisk decydujących o końcowych cechach odlewu musi się bezpośrednio przełożyć na poprawę jakości prac projektowych prowadzonych technikami konwencjonalnymi i z wykorzystaniem symulacji komputerowej. Odpowiednio zaprojektowane eksperymenty prowadzone w układach o prostej geometrii powinny się też przyczynić do rozbudowy niezwykle skromnych baz danych o właściwościach termofizycznych materiałów stosowanych w technologii odlewniczej. W pracy przedstawiono w zarysie dwie propozycje instalacji doświadczalnych. Pierwsza pozwala analizować przebieg zjawisk hydrodynamicznych i cieplnych towarzyszących przepływowi metalu w kanale formy. Rejestrowany jednocześnie przebieg przepływu oraz temperatury czoła strugi pozwala na ustalenie zakresu temperatur krzepnięcia w warunkach przepływu oraz temperatury utraty zdolności do płynięcia. Analiza tych danych wraz z charakterystyką przepływu pozwala na ocenę mechanizmu krzepnięcia i blokowania przepływu. Dodatkowy pomiar temperatury w odpowiednio wybranych punktach stałych układu odlew-forma może nawet pozwolić na szacowanie lokalnych wartości istotnych liczb podobieństwa. Drugie rozwiązanie pozwala śledzić przebieg skurczu liniowego i wywoływanych nim naprężeń zarówno w funkcji czasu, jak i temperatury badanego metalu. Tym samym można ocenić w jakim zakresie temperatury można spodziewać się powstawania wywoływanych skurczem metalu wad odlewniczych. 65
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. 497-502. [2] Mutwil J., Żygadło M: Mikrokomputerowy system do badania zjawisk i procesów odlewniczych, Archiwum Technologii Maszyn i Automatyzacji, vol. 20, nr 1, 2000, s. 117-126. [3] Mutwil J.: Stanowisko do badania skurczu liniowego i naprężeń skurczowych w odlewach, Archiwum Odlewnictwa, vol. 3, nr 8, 2003, s. 287-292. [4] Mutwil J.: Badania skurczu liniowego w okresie krzepnięcia i stygnięcia stopu AlSi 5.4, Archiwum Odlewnictwa, vol. 6, nr 18, 2006, s. 67-72 [5] Mutwil J., Jakubowski J.: Badania naprężeń skurczowych w okresie krzepnięcia i stygnięcia stopu AlSi 5.4, Archiwum Odlewnictwa, vol. 6, nr 18, 2006, s.73-76 SUMMARY WEIGHT OF INVESTIGATIONS OF CASTINGS FUNDAMENTAL PHENOMENA AND PROCESSES IN IMPROVING OF CASTINGS QUALITY The important weight of examinations of fundamental castings phenomena and processes in improving of casings quality has been pointed. Investigation conception of mould pouring processes has been presented. The method of examination of casting contraction and contraction stresses evolution has been described. Recenzował: Prof. Ferdynand Romankiewicz 66