21/17 ARCHIWUM ODLEWNICTWA Rok 2005, Rocznik 5, Nr 17 Archives of Foundry Year 2005, Volume 5, Book 17 PAN - Katowice PL ISSN 1642-5308 NOWA WERSJA STANOWISKA DO BADANIA WYTRZYMAŁOŚCI NA ROZCIĄGANIE KRZEPNĄCYCH METALI I STOPÓW J. MUTWIL 1, R. ROMANKIEWICZ 2, K. KUJAWA 3 Wydział Mechaniczny Uniwersytetu Zielonogórskiego 65-546 Zielona Góra, ul. Szafrana 4. STRESZCZENIE Opisano prototypowe hydrauliczne stanowisko do badania wytrzymałości na rozciąganie krzepnących i stygnących metali i stopów. W pomiarze rejestrowana jest siła rozciągająca i wydłużenie testowego odlewu oraz temperatura na przekroju jego ścianki. Stanowisko umożliwia prowadzenie badań przy różnych szybkościach rozciągania odlewu. Key words: test stand, tensile strength of solidifying metals and alloys 1. WPROWADZENIE W pracy [1] przedstawiono propozycję stanowiska do badania wytrzymałości na rozciąganie krzepnących i stygnących metali i stopów, na którym osiowo rozciągany był odlew walca. W okresie rozciągania rejestrowano siłę rozciągająca, wydłużenie odlewu oraz temperaturę na jego przekroju. Tym samym stworzone zostały podstawy do określania wytrzymałości na rozciąganie krzepnących metali i stopów. Istotną zaletą rozwiązania była możliwość prowadzenia badań zarówno w warunkach krzepnięcia metalu w formie metalowej, jak i piaskowej (skorupowej). Na stanowisku, dzięki przyjęciu odpowiednio małego przekroju odlewu testowego, można było zastosować napęd ręczny, co oczywiście traktowano jako rozwiązanie wstępne, umożliwiające uzyskanie materiału empirycznego [2, 3] niezbędnego do opracowania wersji ostatecznej, w której rozciąganie odlewu testowego powinno być realizowane mechanicznie, z możliwością doboru prędkości rozciągania. Przyjęta we wspomnianym 1 dr hab. inż., prof. UZ, j.mutwil@iipm.uz.zgora.pl; 2 mgr inż. ; 3 student-5 rok-wm UZ 183
rozwiązaniu konstrukcja ramy urządzenia uwzględniała możliwość zastąpienia zastosowanego mechanizmu łańcuchowego odpowiednim mechanizmem z napędem hydraulicznym lub elektrycznym. Propozycję rozwiązania z zastosowaniem napędu hydraulicznego przedstawiono w niniejszej pracy. 2. OPIS STANOWISKA BADAWCZEGO Schemat ideowy stanowiska z napędem hydraulicznym przedstawiono na rys. 1. Rys. 1. Stanowisko do badania wytrzymałości na rozciąganie krzepnących i stygnących metali i stopów: 1 rama, 2 podstawa, 3 dno kokili, 4 pierścień ustalający, 5 nieruchoma część kokili, 6 ruchoma część kokili, 7 kołki, 8 poprzeczka, 9 uchwyt czujnika siły, 10 kołki, 11 silnik wraz z pompą, 12 zbiornik oleju, 13 cylinder hydrauliczny, 14 drążek cylindra, 15 układ sterowania cylindra, 16 przewód ciśnieniowy, 17 czujnik siły, 18 czujnik przemieszczeń, 19 przewody, 20 termoelementy, 21 mikroprocesorowy rejestrator, 22 komputer Fig. 1. Test stand for examination of tensile strength of solidifying and self-cooling metals and alloys: 1- frame; 2- base; 3- mould bottom; 4- retainer ring; 5- stationary part of mould; 6- movable part of mould; 7- blocking pins; 8- cross-bar; 9- force sensor holder; 10- blocking pins, 11 oil pump with engine, 12 oil tank, 13 hydraulic cylinder, 14 cylinder bar, 15 cylinder control system, 16 pressure conduit, 17- force sensor, 18- position sensor, 19 conductors, 20- mantle thermocouples, 21- microprocessor recorder, 22- microcomputer. 184
ARCHIWUM ODLEWNICTWA a) b) 4 5 3 7 Rys. 2. Schemat blokowy napędu cylindra hydraulicznego (a) oraz widok fragmentu stanowiska badawczego (b): 1-zbiornik oleju z filtrem, 2-pompa olejowa, 3-zawór sterujący ciśnienia, 4-elektrozawór sterujący, 5-zawór dławiąco-zwrotny, 6-manometr, 7-drążek cylindra. Fig. 2. Block diagram of cylinder fluid drive (a) and part view of test stand (b): 1-oil tank with filter, 2-oil pump, 3-pressure control valve, 4- electric control valve, 5-non-return throttle, 6-manometr, 7-cylinder rod. 185
Podobnie, jak w rozwiązaniu wcześniejszym na stanowisku rozciągany jest odlew walca o średnicy 40 mm i wysokości 70 mm. Badany metal wlewany jest od góry do dwuczęściowej kokili wykonanej ze stali WCL, której dzielona dolna połówka 5 jest utwierdzona w podstawie 2, a również dzielona ruchoma górna połówka 6 może być wprawiana w ruch drążkiem 14 cylindra hydraulicznego 13. Projekt i wykonanie układu napędu hydraulicznego zlecono zielonogórskiej firmie Pneumatyka i Hydraulika Siłowa. Schemat blokowy z rys. 2a pozwala zauważyć, że do sterowania pracą dwustronnego cylindra hydraulicznego 7 zastosowano rozdzielacz 4 w postaci elektrozaworu ze sprężynowym powrotem. Do regulacji prędkości roboczej tłoczyska użyto zaworu dławiąco - zwrotnego 5. Na medium robocze zastosowano olej hydrauliczny podawany do układu poprzez filtr ze zbiornika 1 za pomocą pompy 2 o stałym wydatku hydraulicznym. Zastosowana pompa pozwala uzyskiwać ciśnienia do 160 bar, a dobór ciśnienia roboczego odbywa się za pomocą regulowanego zaworu ciśnieniowego 3. Standardowo wybierane jest ustawienie zapewniające ciśnienie 120 bar, co z kolei przy zastosowanym cylindrze gwarantuje maksymalną siłę rozciągającą na poziomie 10 kn. Niektóre z przedstawionych schematycznie na rys. 2a elementów układu widoczne są na rys. 2b, stanowiącym fragment fotografii stanowiska badawczego. Po prawej stronie obudowy zaworu 5 widoczny jest biały panel sterowania zaworem 4 z dwoma przyciskami wyboru kierunku ruchu tłoczyska (góra/dół).na obudowie zaworu 5 widoczne jest blokowane kluczykiem pokrętło doboru prędkości ruchu. Wokół podstawy pokrętła znajduje się pozwalająca na precyzyjny dobór jego położenia skalowana podziałka (skala o zakresie 0-10 z możliwością ustawiania do 0.1). Wspomniana podziałka nie wyraża sobą oczywiście prędkości ruchu postępowego tłoczyska i ma charakter czysto umowny. Dla oszacowania wartości prędkości tłoczyska odpowiadających konkretnym położeniom pokrętła (zwanych dalej nastawami) należało wykonać odpowiednie badania testujące. Siła z jaką rozciągany jest odlew mierzona jest za pomocą czujnika 17 (rys. 1) łączącego ruchomą połówkę formy z drążkiem cylindra 14. Wydłużanie odlewu mierzone jest czujnikiem przemieszczenia 18 poprzez pomiar zmian położenia ruchomej części formy. Dolna połówka kokili osadzana na tarczy 3 w gnieździe podstawy unieruchamiana jest pierścieniem ustalającym 4. Metalowa tarcza 3 posiada otwory pozwalające na wprowadzanie płaszczowych termoelementów 1 mm do pomiaru temperatury na przekroju odlewu. Wysuwaniu się rozciąganego odlewu z formy zapobiegają kołnierze. W badaniach, poprzez dobór początkowej temperatury formy, można zmieniać szybkość stygnięcia odlewu, a więc i morfologię krzepnięcia. Jak wynika z rysunku, w eksperymencie rejestrowana jest temperatura metalu w czterech miejscach na przekroju rozciąganego odlewu, a ponieważ przebieg zmian temperatury mierzonej każdym z termoelementów przedstawiany jest na bieżąco w formie wykreślnej na monitorze komputera, zapewniona więc została możliwość rozpoczęcia próby rozciągania przy założonym stopniu zaawansowania krzepnięcia odlewu. Na rysunku 3 przedstawiono przykładowe ilustracje już wspomnianych badań przeprowadzonych w celu oszacowania relacji pomiędzy konkretnymi nastawami pokrętła regulacyjnego, a prędkościami roboczymi tłoczyska. 186
ARCHIWUM ODLEWNICTWA a) dl(t) v(t) b) Rys. 3. Ilustracje ruchu drążka cylindra nieobciążonego: a) zmiany drogi (dl) i prędkości (v) przy nastawie zaworu dławiąco-zwrotnego w pozycji 2.0; b) zmiany drogi przy pozycjach zaworu: 1.7, 2.0, 3.0, 5.0. Fig. 3. Motion illustration of unloaded piston rod: a) distance- (dl) and velocity (v) changes by setting of non-return throttle on position: 2.0; b) distance changes by positions: 1.7, 2.0, 3.0, 5.0 of non-return throttle. 187
a) b) Rys. 4. Stop AlSi5: a) zarejestrowane w eksperymencie: temperatura metalu w czterech miejscach odlewu (T1-T4), siła rozciągająca F(t) oraz wydłużenie odlewu dl(t); b) naprężenia rozciągające (sig) w funkcji względnego wydłużenia odlewu (eps). Fig. 4. AlSi5 alloy: a) curves registered in experiment: metal temperature in four places of casting ( T1-T4), tensile force F(t) and casting expansion dl(t); b) tensile strength (sig) versus relative expansion (eps). 188
ARCHIWUM ODLEWNICTWA W części (a) rysunku przedstawiono krzywą zmian drogi dl(t) i prędkości v(t) tłoczyska (ramienia siłownika) uzyskane dla nastawu 2.0. W obszarze rysunku wydrukowano wartość średnią prędkości ruchu na odcinku a-b, która wyniosła 1.72 mm/s. Obserwacja samej linii zmian drogi ramienia mogłaby sugerować idealnie liniową charakterystykę, co nie w pełni potwierdza linia zmian prędkości. Oscylacje wokół wartości średniej są efektem zarówno numerycznego liczenia pochodnej, ale też drgań inicjowanych w momencie startowym, których efekt przy obciążonym siłowniku powinien być znacznie mniejszy. Zbiorczy wykres linii zmian drogi ramienia odpowiadających nastawom zaworu: 1.7, 2.0, 3.0, 5.0 ilustruje rys. 3b, na którym obok każdej z nich wpisano wartość odpowiadającej jej prędkości drążka cylindra. Na rysunku 4 przedstawiono wyniki pojedynczego eksperymentu wykonanego na dwuskładnikowym stopie AlSi5, który zalano do formy podgrzanej do 100ºC. Część (a) rysunku to zbiorczy wykres wszystkich sygnałów zarejestrowanych podczas eksperymentu. Krzywe oznaczone na rysunku jako T1, T2, T3, T4 reprezentują odpowiednio temperaturę: w osi odlewu, w odległości 7 i 14 mm od jego osi i przy ściance. Krzywa oznaczona jako F(t) obrazuje siłę rozciągającą odlew, a krzywa dl(t) jego wydłużenie bezwzględne. Analiza przebiegu krzywych pozwala zauważyć, że rozciąganie rozpoczęto w momencie zakończenia krzepnięcia i do momentu zerwania przy sile 6400 N odlew wydłużył się o 3.2 mm. Obserwacja krzywej dl(t) sugeruje niewielkie wydłużenie odlewu przed rozpoczęciem procesu rozciągania, co spowodowane jest jednak termicznym wydłużeniem formy. Efekt tego wydłużenia widoczny jest również w części (b) rysunku przedstawiającego zmianę naprężeń rozciągających w funkcji wydłużenia względnego odlewu. Analiza wykresu z rys. 4b pozwala stwierdzić, że odlew został rozerwany po przekroczeniu umownych naprężeń rozciągających o wartości 5.14 MPa, a w okresie rozciągania wydłużenie względne odlewu wyniosło 5.6%. Należy również zauważyć, że przebieg wykresu sugeruje, że w całym zakresie odkształcenia odlewu miały charakter plastyczny. 3. PODSUMOWANIE W pracy przedstawiono stanowisko z napędem hydraulicznym do badania wytrzymałości na rozciąganie krzepnących i stygnących metali i stopów. Przedstawione rozwiązanie stanowi zapowiadaną modernizację stanowiska przedstawionego w pracy [1]. Zastosowanie napędu hydraulicznego pozwala, podobnie jak w rozwiązaniach [4, 5], na prowadzenie badań przy jednoznacznych i powtarzalnych parametrach rozciągania, rozszerza również zakres badań na niższe temperatury metalu. Na stanowisku rozciągany jest osiowo krzepnący odlew walca. W okresie rozciągania rejestrowane i prezentowane na ekranie monitora są: siła rozciągająca, wydłużenie odlewu oraz temperatura na jego przekroju. Prezentacja temperatury na przekroju odlewu ( 4 miejsca) pozwala rozpocząć rozciąganie przy założonym zaawansowaniu procesu krystalizacji. Badania można prowadzić - podobnie, jak w wersji wcześniejszej dla odlewu krzepnącego w formie metalowej, bądź skorupowej. 189
LITERATURA [1] Mutwil J.: Stanowisko do badania wytrzymałości na rozciąganie krzepnących metali i stopów, Archiwum Odlewnictwa, vol. 4, nr 12, 2004, s. 103-108. [2] Mutwil J., Michalski M., Romankiewicz R.: Badania wytrzymałości na rozciąganie krzepnących dwuskładnikowych stopów AlSi 11.74 i AlSi12.5, Archiwum Odlewnictwa, vol. 4, nr 14, 2004, s. 303-310. [3] Mutwil J., Romankiewicz R, Michalski M.: Badania wytrzymałości na rozciąganie krzepnącego siluminu AK20, Archiwum Odlewnictwa, vol. 4, nr 14, 2004, s. 311-318. [4] Ohm L.: Mechanische Eigenschaften erstarrender Randschalen, VDI-Verlag, Duesseldorf 1989, Reihe 18, nr 63. [5] Dickhaus P.: Mechanische Eigenschaften erstarrender Randschalen aus Aluminiumund Kupferlegierungen, Verlag Mainz Wissenschaftsverlag, Aachen 1994, D 82, Diss. RWTH Aachen. SUMMARY NEW VERSION OF TEST STAND FOR TENSILE STRENGTH INVESTIGATION OF SOLIDIFYING METALS AND ALLOYS A prototypical hydraulic test stand for examination of tensile strength of solidifying and self-cooling metals and alloys has been described. The tensile force, extension of test casting and temperatures of his wall are in measurement registered. The influence of casting tension rate can be examined. Recenzował: prof. dr hab. inż. Andrzej Chojecki 190