Marcin LAZYK 1 Krzysztof SMYKSY 2 Ewa CHROBOT 3 Wydział Odlewnictwa AGH, Kraków 1. Wstp. W badaniach procesów formowania wykorzystywane s rónorodne techniki pomiarowe. Najczciej stosowana jest ocena efektów formowania oparta o pomiary twardoci i gstoci form wykonanych w okrelonych warunkach. Prowadzone s równie pomiary wielkoci charakteryzujcych dany proces formowania, przykładowo: nacisk prasujcy, przemieszczenie warstw zagszczanej masy, cinienie powietrza nad mas [2,3,4,5]. Jedn z metod badawczych stosowan w ocenie przebiegu oraz efektów procesów formowania jest wizualizacja. Najprostszym wariantem tej metody jest wykonanie fotografii form (lub ich obszarów), w których zastosowano warstwy masy o zrónicowanych barwach. Trudniejszym zagadnieniem jest wizualizacja przebiegu procesów prowadzona technik szybkiego filmowania. W pocztkowym etapie wykorzystania tej metody badawczej stosowane były szybkie kamery mechaniczne a obecnie stosowane s kamery cyfrowe. Ich du zalet jest łatwiejsze opracowanie wyników rejestracji dziki odpowiedniemu oprogramowaniu. W referacie zaprezentowano przykłady wykorzystania wizualizacji w badaniu rónych procesów formowania opracowane na podstawie przegldu literatury. Przedstawiono równie wybrane wyniki własnych bada procesu formowania podcinieniowego, w których zastosowano omawian technik badawcz. 2. Obszary zastosowania wizualizacji w badaniach procesów formowania. W literaturze technicznej z zakresu formowania mona znale liczne przykłady zastosowania rónych odmian wizualizacji procesów. Powodem wykorzystania tej techniki badawczej s z jednej strony trudnoci w bezporednim pomiarze parametrów charakteryzujcych przebieg procesu formowania (przykładowo przemieszczenia, przyspieszenia warstw zagszczanej masy) a z drugiej strony - zalety wizualizacji - bezkontaktowy charakter metody, stosunkowo dua ilo informacji o przebiegu procesu, moliwo poredniej oceny efektów formowania. Technika szybkiego filmowania zastosowana była stosunkowo wczenie i szeroko duchowych w badaniach procesów dmuchowych [2]. Wykorzystywano wówczas szybkie kamery mechaniczne. Badania przeprowadzone przez J. Dako obejmowały rejestracj zjawisk zachodzcych podczas ewakuacji masy z komory nabojowej - rys. 1 jak i podczas wypełniania rdzennic o rónym kształcie wnki - rys. 2. Stosowanie masy o dwu kontrastowych barwach ułatwiało obserwacj procesu oraz analiz wyników. Naley 1 mgr in., mslazyk@agh.edu.pl 2 dr in., ksmyksy@agh.edu.pl 3 mgr in. 83
Odlewnictwo XXI wieku technologie, maszyny i urzdzenia odlewnicze podkreli, e zastosowana technika badawcza umoliwiła nie tylko opracowanie jakociowych schematów przebiegu zjawisk rys. 1b, 2b, ale równie analiz ilociow dotyczc kinematyki warstw masy- rys.1c [2]. 0,004 s 0,030 s 0,055 s 0,065 s τ 0 τ 1 τ 2 τ max IX VIII c w IX VII VI V IV III II I c r o zl II τ c) I II III Połoenie warstwy w komorze H tg = c wix = c wviii = c wvii = const strefa zagszczenia powierzchniowego strefa rozrzedzenia wtórnego I II III IV V VI VII VIII IX 0 1 2 Rys.1. Wizualizacja i analiza procesu ewakuacji masy z komory nabojowej strzelarki [2]; wybrane stop-klatki, graficzny schemat przebiegu procesu, c) analiza ruchu warstw masy Stosunkowo słaba jako zaprezentowanych obrazów (rys.1a, 2 wynika z zastosowanej techniki druku materiałów ródłowych [2] a nie z samej metody rejestracji. Tradycyjna technika filmowania przy spełnieniu odpowiednich warunków rejestracji 84 Nowa Sól 08-09.06.2006 r.
(np. prdkoci filmowania, owietleni oraz obróbki filmów, charakteryzuje si bowiem relatywnie wysok jakoci otrzymanych zdj. 0,004 s 0,012 s 0,036 s 0,052 s Rys.2. Wizualizacja procesu zapełniania wnki rdzennicy- strzelarka SR-3D [2]: wybrane stop-klatki, graficzny schemat procesu zapełniania wnki Obecnie badania metod dmuchowych s nadal kontynuowane. Stosowana jest cyfrowa technika szybkiego filmowania zastosowanie, której ułatwia prowadzenie bada, a take opracowanie wyników. Zwrócenia uwagi wymaga kolejny aspekt 85
Odlewnictwo XXI wieku technologie, maszyny i urzdzenia odlewnicze wykorzystania wizualizacji jako narzdzia weryfikujcego rezultaty modelowania numerycznego procesu. Ilustruj to przykładowe wyniki rejestracji i symulacji numerycznej procesu zapełniania rdzennicy- rys.3 zaczerpnite z pracy B. Winartomo i in.[9]. Moliwo efektywnego wykorzystania wspomnianych metod bada i analizy: rejestracji cyfrowej oraz symulacji procesów wynika z dynamicznego rozwojowi elektroniki i informatyki. 0,010 s 0,060 s 0,080 s 0,200 s 0,600 s 0,910 s 0,0025 s 0,030 s 0,300 s 0,800 s 1,000 s 1,152 s Rys.3. Wizualizacja procesu zapełniania rdzennicy [9]: badania modelowe (rejestracja szybk kamera cyfrow), wyniki symulacji numerycznej procesu dmuchowego Wykorzystanie techniki szybkiego filmowania wymaga zastosowania specjalistycznego, drogiego sprztu. Jednak nawet w prostych eksperymentach zastosowanie masy o rónych barwach stwarza moliwo oceny efektów zagszczania uzyskanych przy rónych konfiguracjach modeli. Przykładem moe by wyniki wizualizacji zamieszczone w materiałach prospektowych firmy Heinrich Wagner - Sinto (rys. 4). 3. Wykorzystanie wizualizacji w badaniach formowania podcinieniowego. Wykorzystanie podcinienia w przestrzeni technologicznej w celu uzyskania zagszczenia wstpnego jest stosowane od szeregu lat; pocztkowa warto cinienia absolutnego w przestrzeni technologicznej moe osiga 20 kpa [3]. Ostateczne zagszczenie uzyskiwane jest przez doprasowanie. Zalety procesu to: odpowiedni stopie zagszczenia, take przy trudnych technologicznie modelach, dobre odwzorowanie ich konturów, małe zuycie modeli oraz niski poziom emisji hałasu poniej 85 db (A) [3,4]. Proces moe by stosowany w formowaniu bezskrzynkowym jak i skrzynkowym. W dotychczasowych wariantach realizacji proces podcinieniowy moe by sklasyfikowany jako pewna odmiana procesu dmuchowego. Gradient cinienia i zwizany z nim przepływ powietrza powoduje transport masy z zasobnika lub komory nabojowej do komory formowania lub skrzyni. Proces podcinieniowy moe by wykorzystany do wspomagania zagszczania form metodami dmuchowymi- informacje o tej moliwoci s dostpne na stronach internetowych znaczcego producenta maszyn i linii formierskich DISA Group [10]. 86 Nowa Sól 08-09.06.2006 r.
180 160 140 Wysoko, mm 120 100 80 60 40 20 strumie powietrza strumie powietrza+prasowanie (Seiatsu) 0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Twardo form Rys.4. Wizualizacja efektów wstpnego zagszczania strumieniem powietrza w metodzie SEIATSU [10]- a, rozkład twardoci wzdłu wysokoci formy uzyskany w procesie- b Wspomaganie rónorodnych procesów formowania mona uzyska równie w wariancie realizacji procesu podcinieniowego - bez transportu masy, wiadcz o tym wyniki wczeniejszych bada przeprowadzone przez autorów artykułu [7,8]. Wykorzystanie wizualizacji jako techniki badawczej pozwala uzyska take w przypadku tej metody zagszczania interesujce rezultaty. Układ badawczy obejmował: stanowisko do bada modelowych z form ze szkła organicznego oraz prototypowe stanowisko wykorzystujce formierk FKT 54 wyposaon w instalacj podcinieniowrys.5. W badaniach stosowano syntetyczn mas z bentonitem oraz pyłem wglowym - podstawowe właciwoci masy to: R c w = 0,12 MPa, P w = 2,04 m 2 /MPa s, W=3,2 %. 87
Odlewnictwo XXI wieku technologie, maszyny i urzdzenia odlewnicze 1 9 5 2 M PC U.P.S. 1 2 3 7 6 8 5 4 Rys. 5. Widok i schemat prototypowego stanowisk do bada procesu formowania podcinieniowego: modelowe, prototypowe na bazie formierki FKT 54; 1- zbiornik podcinieniowy, 2- pompa próniowa z napdem, 3- silnik, 4 i 7- czujniki cinienia, 5- zawór, 6- skrzynka formierska z nadstawk, 8- otwory odpowietrzajce, 9 forma z PMM W badaniach stosowano modele o duej smukłoci wnki wewntrznej (osigajcej stosunek h/d ~ 3). Wyniki bada zaprezentowano obszernie w publikacjach [7,8]. Korzystny wpływ podcinieniowego zagszczania wstpnego na osigane kocowe formowania (po doprasowaniu) w porównaniu do form zagszczanych samym prasowaniem był wyrany. Nieco wysze wartoci twardoci formy uzyskano na zewntrz modeli. Istotne jest, e wystpował znaczcy wzrost twardoci w obszarze szczeliny modelu. Na rysunku 6 przedstawiono wybrane fazy rónych wariantów zagszczania podcinieniowego, rejestracj procesu wykonano szybk kamer FASTCAM Super 10KC. Podobnie jak we wczeniej omawianych przykładach zastosowano mas o rónych barwach. M 88 Nowa Sól 08-09.06.2006 r.
0 s 0,02 s 0,04 s 0,06 s 0 s 0,048 s 0,096 s 0,144 s Rys. 6. Wizualizacja dwustopniowego procesu zagszczania podcinieniowego: wstpne zagszczanie podcinieniowe, doprasowanie podcinieniowe krkiem Rysunek 7 przedstawia stan przed i po procesie zagszczania w dwóch wariantach procesu zagszczania podcinieniowego masy- zdjcia wykonano standardowym aparatem cyfrowym. c) 30 25 Wysoko H ; cm 20 15 10 5 σ=h o /H k 0 1 1,2 1,4 1,6 Stopie zagszczenia warstwy σ Rys. 7. Stan przed i po procesie zagszczania podcinieniowego; zdjcia wykonane aparatem cyfrowym Minolta Z1 Na rysunku 8 przedstawiono przykładowe wykresy opracowane na podstawie analizy zarejestrowanych filmów. Wykazuj one dynamiczny charakter przebiegu procesów pomimo stosunkowo niskiego gradientu cinienia w porównaniu do innych metod strumieniowych. Zastosowanie szczelnego krka ułoonego na powierzchni masy umoliwia uzyskanie dogszczenia górnych warstw masy. Kocowy efekt zagszczania był podobny zarówno w jednostopniowym zagszczaniu podcinieniowym z krkiem jak 89
Odlewnictwo XXI wieku technologie, maszyny i urzdzenia odlewnicze i w procesie dwustopniowym: zagszczenie podcinieniowe z nastpnym doprasowaniem podcinieniowym przy uyciu krka. Przemieszczenie górnej warstwy masy Przemieszczenie górnej warstwy masy - H ; m 0,36 0,35 0,34 1 2 3 0,33 0,32 0,31 0,3 0,29 0,28 0,27 0 0,02 0,04 0,06 0,08 0,1 0,12 0,14 0,16 0,18 0,2 1,8 Czas - t ; s Prdko górnej warstwy masy dla formowania podcinieniowego 1,6 Prdko górnej warstwy masy - v ; m/s 1,4 1,2 1 0,8 0,6 0,4 0,2 ` 1 2 3 0 0 0,02 0,04 0,06 0,08 0,1 0,12 0,14 0,16 0,18 0,2 Czas - t; s Rys. 8. Przemieszczenie- oraz prdko- górnej warstwy masy w wybranych wariantach formowania podcinieniowego; 1- zagszczanie podcinieniowe, 2- prasowanie podcinieniowe- krkiem, 3- proces dwustopniowy: prasowanie podcinieniowe, doprasowanie podcinieniowe krkiem Wykazuj one dynamiczny charakter przebiegu procesów pomimo stosunkowo niskiego gradientu cinienia w porównaniu do innych metod strumieniowych. Zastosowanie szczelnego krka ułoonego na powierzchni masy umoliwia uzyskanie dogszczenia górnych warstw masy. Kocowy efekt zagszczania był podobny zarówno w jednostopniowym zagszczaniu podcinieniowym z krkiem jak i w procesie dwustopniowym: zagszczenie podcinieniowe z nastpnym doprasowaniem podcinieniowym przy uyciu krka. Badania procesu formowania prowadzone na omawianym wczeniej stanowisku prototypowym- rys. 5 wykazały korzystny wpływ wstpnego zagszczania podcinieniowego [1]. Na rysunku 9 zamieszczono przykładowe efekty formowania podcinieniowego z doprasowaniem (w zakresie niskich nacisków prasujcych) uzyskane przy okrelonym zestawie modelowym (modele o duej smukłoci). Formy wykonane w tych samych warunkach jedynie prasowaniem wykazywały znacznie słabsze 90 Nowa Sól 08-09.06.2006 r.
zagszczenie zwłaszcza w obszarze pomidzy modelami. Przeprowadzone badania wykazały moliwo dalszej optymalizacji konstrukcji prototypowego, z czym mona wiza dalsz popraw efektów wstpnego formowania podcinieniowego. Rys. 9. Przykładowe rezultaty formowania uzyskane w procesie formowania podcinieniowego z doprasowaniem; stanowisko prototypowe; górna powierzchnia półformy, dolna powierzchnia półformy 4. Podsumowanie. Zaprezentowane przykłady wiadcz o celowoci stosowania metody wizualizacji w badaniach zjawisk zachodzcych podczas procesów zagszczania. Wykorzystanie jedynie standardowego aparatu cyfrowego pozwala uzyska dodatkowe informacj o efektach formowania, przy stosunkowo niewielkim nakładzie pracy zwizanym z opracowaniem zdj. Rejestracja przebiegu procesu wymaga zastosowania drogiego sprztu oraz specjalistycznego oprogramowania. Ogólnie mona stwierdzi, e ceny szybkich kamer cyfrowych s proporcjonalne do szybkoci rejestracji i jakoci uzyskiwanych obrazów. Zakres moliwych do uzyskania informacji o przebiegu procesu jest jednak o wiele wikszy. Zaprezentowane w zarysie rezultaty bada wybranego wariantu zagszczania podcinieniowego wiadcz o jego przydatnoci jako metody wstpnego zagszczania. Zastosowanie instalacji podcinieniowej moe rozszerzy zakres moliwoci technologicznych obecnie uytkowanych maszyna. Dotyczy to zwłaszcza poprawy efektów zagszczania w przypadku stosowania skomplikowanych modeli. Zastosowana technika badawcza obejmujca wizualizacj procesu zagszczania i dynamiczne pomiary podstawowych wielkoci pozwoli na wyjanieniu mechanizmu procesu zagszczania, a w konsekwencji optymalizacj konstrukcji zespołu podcinieniowego formierki. Wany jest równie zwizek powyszej problematyki z wymaganiami BHP oraz energochłonnoci maszyn formierskich. Aktualnie w Katedrze Mechanizacji, Automatyzacji i Projektowania Odlewni, AGH prowadzone s dalsze badania odmian formowania podcinieniowego. 5. Literatura 1. Chrobot E.: Badanie wpływu podcinienia na efekty zagszczania w wybranych metodach formowania. Praca magisterska, Wydział Odlewnictwa, Promotor dr in. Krzysztof Smyksy, 2004 91
Odlewnictwo XXI wieku technologie, maszyny i urzdzenia odlewnicze 2. Dako J.: Metalurgia i Odlewnictwo. Procesy wytwarzania rdzeni i form odlewniczych metodami dmuchowymi. Badania i teoria. Zeszyty naukowe AGH, Kraków 1992 3. Malaschkin A., Bast, J; Neue Meßmethode zur kontinuierlichen Qualitätskontrolle von tongebundenen Formen auf mechanisierten Formanlagen bei Form - und Gussherstellung mit tongebundenen Formstoffen, Gießerei-Praxis (2003), Nr. 11, 4. Mikulczyski T., Naplocha K., Nowak D.; Modelowanie procesu dynamicznego zagszczania mas formierskich. Tendencje rozwojowe w mechanizacji procesów odlewniczych, Archiwum Technologii Maszyn i Automatyzacji, vol. 24 nr 3, Wydawnictwo Politechniki Poznaskiej, 2004. 5. Smyksy K., Makohonenko K., lazyk M., Szablowski M.: Badanie i analiza wybranych współczesnych metod formowania. V Konferencja odlewnicza Technical 2002, Nowa Sól 2002 6. Smyksy K.; Problematyka doboru parametrów impulsowych maszyn formierskich. Przegld Odlewnictwa. 2001 t. 51 nr 7-8 7. lazyk M., Smyksy K.: Badania wybranych metod formowania podcinieniowego. XXIX Konferencja naukowa z okazji wita Odlewnika 2005. Kraków, 2005 8. lazyk M.: Badanie wybranych aspektów procesu formowania podcinieniowego. Tendencje rozwojowe w mechanizacji procesów odlewniczych, Archiwum Technologii Maszyn i Automatyzacji, vol. 24 nr 3, Wydawnictwo Politechniki Poznaskiej, 2004. 9. Winartomo B., Vroomen U., Bührig-Polaczek A., Pelzer M.: Multiphase modeling of core shooting process. International Journal of Cast Metals Research 2005 Vol. 18 No. 1 10. Materiały prospektowe firm: Künkel Wagner, Heinrich Wagner-Sinto, Disa Group 92 Nowa Sól 08-09.06.2006 r.