KOMISJA BUDOWY MASZYN PAN ODDZIAŁ W POZNANIU Vol. 8 nr 3 Archiwum Technologii Maszyn i Automatyzacji 008 JÓZEF DAŃKO, RAFAŁ DAŃKO, MARCIN GÓRNY PROGRAM LEICA QWin v.. DO AUTOMATYCZNEJ ANALIZY OBRAZU W ZASTOSOWANIU DO POMIARU POWIERZCHNI ZAJĘTEJ PRZEZ CIECZ PODCZAS ZAPEŁNIANIA FORMY W MODELOWYM UKŁADZIE ZIMNOKOMOROWEJ MASZYNY CIŚNIENIOWEJ Zagadnienie szeroko rozumianych badań modelowych procesu odlewania ciśnieniowego jest jednym z aktualnych tematów badawczych prowadzonych w zespole naukowców z Katedry Automatyzacji Procesów oraz Katedry Inżynierii Procesów Odlewniczych AGH. Program LEICA QWin v.. do automatycznej analizy obrazu zastosowano do pomiarów powierzchni zajętej przez ciecz w trakcie zapełniania płaskiej formy w modelowym układzie maszyny ciśnieniowej zimnokomorowej. Wykorzystując rejestrację filmową procesu zapełniania badanych form modelowych, która umożliwiła analizę stopnia zapełnienia wnęki formy, realizowanego przy różnych prędkościach wtrysku sprawdzono przydatność programu LEICA QWin v.. do automatycznej analizy obrazu dla formy modelowej w wersji I, dla szczeliny 4,7 48 mm, dwóch sposobów odpowietrzenia i dwóch lepkości cieczy modelowej. Słowa kluczowe: odlewnictwo ciśnieniowe, wypełnianie formy, badania modelowe 1. STANOWISKO BADAWCZE Stanowisko do badań modelowych procesu odlewania pod ciśnieniem oraz model fizyczny zespołu prasowania przedstawiono w publikacjach [3, 5]. W skład stanowiska wchodzą następujące zespoły: model fizyczny formy ciśnieniowej, model fizyczny komory prasowania, elektrohydrauliczny zespół sterujący, zasilacz hydrauliczny. W badaniach modelowych przedstawionych w artykule zastosowano model fizyczny formy ciśnieniowej o kształcie prostopadłościennej wnęki i wymiarach: Prof. dr hab. inż. Wydział Odlewnictwa Akademii Górniczo-Hutniczej w Krakowie. Dr inż. Publikacja finansowana w ramach pracy statutowej AGH nr 11.11.170.318.
16 J. Dańko, R. Dańko, M. Górny 80 mm (wysokość) 190 mm (szerokość) 10 mm (głębokość). Wykonano modele form w trzech wersjach kształtu wnęki roboczej: wersja I wnęka prostopadłościenna bez elementów wypełniających, wersja II wnęka prostopadłościenna z dwoma kołowymi elementami wypełniającymi, wersja III wnęka prostopadłościenna z dwoma elementami wypełniającymi w kształcie półpierścieni. Każda wersja formy miała odpowietrzenia umieszczone na górnej powierzchni. W prezentowanych badaniach stosowano następujące oznaczenia i wartości odpowietrzenia wnęki form: O-O-O odpowietrzenie pełne, sumaryczna powierzchnia otworów odpowietrzających wynosiła 5 mm, Z-O-Z odpowietrzenie zredukowane, sumaryczna powierzchnia otworów odpowietrzających wynosiła 8 mm.. METODA POMIARU Jako ciecze modelowe wykorzystano w badaniach dwie ciecze newtonowskie o różnej lepkości i gęstości uzyskiwane przez odpowiednie rozcieńczenie gliceryny wodą destylowaną. Przedstawione badania prowadzono dla cieczy modelowej o lepkości kinematycznej równej 1,39 mm /s (1,39 cs, oznaczonej ciecz 7%, co w przybliżeniu odpowiada lepkości stopów aluminium przy odlewaniu ciśnieniowym. Druga użyta ciecz o lepkości 9,46 mm /s (9,46 cs, oznaczona ciecz 80%, może reprezentować lepkość innych stopów aluminium przy odlewaniu w stanie częściowej krystalizacji. Do rejestracji zjawisk przepływowych zachodzących podczas zapełniania formy zastosowano metodę szybkiej fotografii lub filmowanie z szybkością 30 zdjęć na sekundę. Użyte w badaniach przezroczyste elementy oprzyrządowania i ciecze pozwalały na obserwację i rejestrację zjawisk przepływowych, co stwarzało nową możliwość oceny charakteru przepływu niezależnie od wartości liczby Reynoldsa. Wykorzystując opisaną w pracach [, 3] rejestrację procesu zapełniania badanych form modelowych za pomocą filmowania, prowadzono analizę stopnia zapełnienia wnęki formy w funkcji czasu przy różnych prędkościach wtrysku cieczy. W analogicznych warunkach mierzono stopień zapełnienia wnęki formy. W tym celu zajętą powierzchnię mierzono za pomocą programu LEICA QWin v.. do automatycznej analizy obrazu. Badania prowadzono dla formy modelowej w wersji I III, szczeliny 4,7 48 mm, dwóch sposobów odpowietrzenia i dwóch wartości lepkości cieczy modelowej. Na rysunku 1 przedstawiono przykładowy zapis wyodrębnionego kadru procesu zapełniania, a na rys. wynik jego płaskiego odwzorowania za pomocą programu LEICA QWin v...
Program LEICA QWin v.. do automatycznej analizy obrazu 17 Rys. 1. Pojedynczy kadr procesu zapełniania formy w wersji I: ciecz 7%, czas τ = 0,6(6) s, v p = 0,08 m/s, sposób odpowietrzenia O-O-O (5 mm ); rysunek formy obrócony w lewo o 90 w stosunku do rzeczywistej pozycji roboczej Fig. 1. Single frame of filling process filming. Mould marked version I, model liquid ciecz 7%, filling time τ = 0,6(6) s, plunger velocity v p = 0,08 m/s; venting mode O-O-O (5 mm ). Mould drawing upturned 90 degrees left in relation to real working position Rys.. Płaskie odwzorowanie kadru z rys. 1 poddanego analizie obrazu za pomocą programu LEICA QWin v.. Fig.. Plane map of single frame picture from Fig. 1 after image analysis made under LEICA QWin v.. program
18 J. Dańko, R. Dańko, M. Górny 3. WYNIKI BADAŃ Na rysunkach 3 5 przedstawiono wyniki pomiarów pola powierzchni wykonanych z użyciem mikroskopu LEICA QWin v... Analiza danych wskazuje na znacznie większą intensywność rozwinięcia powierzchni strumienia w przypadku użycia cieczy modelowej oznaczonej jako ciecz 7%, mającej mniejszą lepkość, niż cieczy modelowej oznaczonej jako ciecz 80%, co pośrednio wskazuje na większą ruchliwość i skłonność do ruchu zaburzonego cieczy o mniejszej lepkości. 100 90 80 Pole powierzchni, % 70 60 50 40 30 0 Prędkość tłoka prasującego V=0,08 m/s; odpowietrzenie O-O-O Prędkość tłoka prasującego V=0,163 m/s; odpowietrzenie O-O-O 10 Prędkość tłoka prasującego V=0,08 m/s; odpowietrzenie Z-O-Z Prędkość tłoka prasującego V=163 m/s; odpowietrzenie Z-O-Z 0 0 0,5 1 1,5,5 Czas wypełniania, s Rys. 3. Zależność powierzchni zajętej przez ciecz modelową ciecz 80% od czasu określona za pomocą programu LEICA QWin v..; forma wersja I Fig. 3. Surface areas taken up by CIECZ 80%, calculated by means of the LEICA QWin v.. program, version I of the mould Na rysunkach 3 i 4 liniami ciągłymi zaznaczono przebieg zapełniania wnęki przy pełnym odpowietrzeniu (O-O-O), natomiast liniami przerywanymi przy odpowietrzeniu ograniczonym (Z-O-Z). Można zaobserwować większy wpływ odpowietrzenia na stopień zapełnienia wnęki cieczą modelową o mniejszej lepkości.
Program LEICA QWin v.. do automatycznej analizy obrazu 19 100 90 80 Pole powierzchni, % 70 60 50 40 30 0 Prędkość tłoka prasującego V=0,08 m/s; odpowietrzenie O-O-O Prędkość tłoka prasującego V=0,163 m/s; odpowietrzenie O-O-O 10 Prędkość tłoka prasującego V=0,08 m/s; odpowietrzenie Z-O-Z Prędkość tłoka prasującego V=163 m/s; odpowietrzenie Z-O-Z 0 0 0,5 1 1,5,5 Czas wypełniania, s Rys. 4. Zależność powierzchni zajętej przez ciecz modelową ciecz 7% od czasu określona za pomocą programu LEICA QWin v..; forma wersja I Fig. 4. Surface areas taken up by ciecz 7%, calculated by means of the LEICA QWin v.. program, version I of the mould Pole powierzchni, % 100 90 80 70 60 50 40 30 y = 14,347Ln(x) + 95,776 R = 0,9856 y = 41,319Ln(x) + 88,83 R = 0,9955 y = 51,319x R = 0,9667 0 Prędkość tłoka prasującego V=0,054 m/s 10 Prędkość tłoka prasującego V=0,1 m/s Prędkość tłoka prasującego V=0,17 m/s 0 0 0, 0,4 0,6 0,8 1 1, 1,4 Czas wypełniania, s Rys. 5. Zależność powierzchni zajętej przez ciecz modelową ciecz 80% od czasu określona za pomocą programu LEICA QWin v..; forma wersja III, odpowietrzenie O-O-O Fig. 5. Surface areas taken up by ciecz 80%, calculated by means of the LEICA QWin v.. program, version III of the mould, venting mode O-O-O
0 J. Dańko, R. Dańko, M. Górny 4. ANALIZA ORAZ INTERPRETACJA WYNIKÓW BADAŃ Można wykazać, że stosunek objętości chwilowej cieczy V ( do całkowitej objętości wnęki (V całk ) spełnia warunek: V V całk F = F całk g( Q = g Q gdzie: F ( i F całk odpowiednio: powierzchnia wnęki formy zajętej przez ciekły metal, określona za pomocą programu do automatycznej analizy obrazu LEICA QWin v.., i całkowita powierzchnia obserwacji [m ], Q rz( i Q rz rzeczywisty wydatek objętościowy, odpowiednio, chwilowy i średni [m 3 /s], k = g ( /g iloraz rzeczywistej grubości warstwy cieczy g ( oraz głębokości (grubości) wnęki formy (g), inaczej stopień wypełnienia przekroju poprzecznego wnęki formy, τ ( i τ z odpowiednio bieżący i całkowity czas procesu zapełniania określony za pomocą filmowania [s], Można przyjąć, że dla danych warunków zapełniania formy chwilowa Q rz( i średnia Q rz wartość są równe, zatem wzór (1) można przedstawić w postaci pozwalającej powiązać interesujące wielkości: Wartość czynnika k określa wzór: F F całk τ k = τ rz rz z. τ τ z, (1) () τ Fcałk k = 1 ε =. (3) τ F Obliczeniową prędkość (v cwlew ) cieczy modelowej we wlewie do komory określano ze wzoru: v c wlew z wf Fkpr = vp [ m/s], (4) F gdzie: F kpr, F wf powierzchnia, odpowiednio, komory prasowania i wnęki formy [m ], v p średnia prędkość ruchu tłoka prasującego [m/s]. Wartość rzeczywistego wydatku objętościowego, określonego na podstawie czasów zapełniania wnęki danej formy cieczami o badanej lepkości, zestawiono w tablicy 1.
Program LEICA QWin v.. do automatycznej analizy obrazu 1 Tablica 1 Zestawienie empirycznych zależności do obliczania rzeczywistego średniego wydatku objętościowego cieczy podczas zapełniania form modelowych (wersja I III) przy różnych sposobach odpowietrzenia wnęki i prędkościach w szczelinie wlewowej dla badanych cieczy modelowych, stopień zapełnienia komory 50% (φ = 0,5) The composition of empiric formula for determination of the actual volumetric rate of model liquid during filling III version of the mould experiment complay different model liquids, venting modes and velocities in filling gate. Shot sleeve filling degree 50% (φ = 0,5) Średni wydatek objętościowy cieczy modelowej ciecz 80% Odpowietrzenie O-O-O 4,7 48 mm Odpowietrzenie O-O-O 3,0 48 mm Odpowietrzenie Z-O-Z 4,7 48 mm Odpowietrzenie Z-O-Z 3,0 48 mm Q rz = 3, 73 v c wlew + 39,1 v c wlew ; R = 0,99 Q rz = 1,748 v c wlew + 163,4 v c wlew ; R = 0,99 Q rz = 3,11 v c wlew + 1,7 v c wlew ; R = 0,99 Q rz = 10,11 v c wlew + 131,7 v c wlew ; R = 0,98 Średni wydatek objętościowy cieczy modelowej ciecz 7% Odpowietrzenie O-O-O 4,7 48 mm Odpowietrzenie O-O-O 3,0 48 mm Odpowietrzenie Z-O-Z 4,7 48 mm Odpowietrzenie Z-O-Z 3,0 48 mm Q rz = 18,48 v c wlew + 181,1 v c wlew ; R = 0,99 Q rz = 1,697 v c wlew + 153,83 v c wlew ; R = 0,99 Q rz = 0,198 v c wlew + 178,99 v c wlew ; R = 0,98 Q rz = 9,15 v c wlew + 117,7 v c wlew ; R = 0,99 Związek pomiędzy chwilową gęstością pozorną mieszaniny ciecz powietrze, gęstością fizyczną fazy ciekłej oraz porowatością mieszaniny opisują wzory: τ Fcałk ρ = ρ f (1 ε ) = ρ f k = ρ f, (5) τ F z τ Fcałk ε = 1 k = 1. (6) τ F W zagadnieniach dotyczących zapełniania wnęki formy przy odlewaniu ciśnieniowym pojawia się określenie dyspersja strumienia cieczy modelowej, której właściwą miarą jest, zgodnie z definicją tej wielkości, stosunek powierzchni cieczy do jej rzeczywistej objętości. W uproszczeniu można przyjąć, że w układzie płaskim, praktycznie dwuwymiarowym, miarą powierzchni rozwinięcia jest stosunek zeskanowanej powierzchni cieczy F ( do powierzchni obserwacji F całk (40 190 10 mm), podobnie jak podano we wzorze (). Oznaczając przez S D stopień dyspersji strugi cieczy we wnęce formy, przez F ( powierzchnię określo- z
J. Dańko, R. Dańko, M. Górny ną za pomocą programu LEICA QWin v.. do automatycznej analizy obrazu, przez V ( chwilową, geometryczną objętość cieczy, a przez V rz jej objętość rzeczywistą, wzór na stopień dyspersji można następująco zapisać: F( F( F( 1 SD = = = = [1/cm] (7) V V 1 ε ) F (1 ε ) g k g rz( ( lub po uwzględnieniu wzorów (3), (5) i (6) S D F( = V rz( 1 ρ f = = k (1 ε ) ρ k [1/cm]. (8) Przykładowe przeliczenie dla danych zawartych w tablicy wskazuje, że w zakresie otrzymywanych wartości k = 0,44 1,0 wartość S D =,7 1,0 1/cm, co oznacza, że jedynie na samym początku zapełniania (w momencie pełnego spiętrzenia cieczy w komorze prasowania) oraz gdy ciecz jest całkowicie przetłaczana do kanałów odpowietrzających, jej gęstość jest równa lub zbliżona do wartości nominalnych. W pozostałym okresie mamy do czynienia z mieszaniną faz Tablica Wartości czynników k, ρ(, ε określone na podstawie powierzchni zajętej przez ciecz, wyznaczonej za pomocą mikroskopu LEICA, oraz wydatku objętościowego obliczonego przez filmowanie; wlew 4,7 48 mm, odpowietrzenie F odp = 5 mm dla układu O-O-O i F odp = 8 mm dla układu Z-O-Z, forma modelowa wersja I The values of some factors marked k, ρ(, ε determined on basis of surface area measurement using the LEICA QWin v.. program and compared with the actual volumetric rate of model liquid during filling of the mould determined by filming. Filling gate 4,7 48 mm, venting area F odp = 5 mm for mode O-O-O and F odp = 8 mm for venting mode Z-O-Z, version I of the mould Parametry v p = 0,08 m/s odp. O-O-O; ciecz 7% v p = 0,163 m/s odp. O-O-O; ciecz 7% v p = 0,08 m/s odp. O-O-O; ciecz 80% v p = 0,163 m/s odp. O-O-O; ciecz 80% v p = 0,08 m/s odp. Z-O-Z; ciecz 7% v p = 0,163 m/s odp. Z-O-Z; ciecz 7% v p = 0,08 m/s odp. Z-O-Z; ciecz 80% v p = 0,163 m/s odp. Z-O-Z; ciecz 80% Czas zapełniania [s] 0,6(6) 1,00,083 k ρ ( ε k ρ ( ε k ρ ( ε 0,66 0,77 0,77 0,77 0,79 0, 1,00 1,01 0 0,47 0,54 0,54 0,54 0,55 0,46 1,00 1,01 0 0,53 0,68 0,68 0,68 0,83 0,3 1,00 1,1 0 0,49 0,63 0,63 0,63 0,76 0,37 1,00 1,09 0 0,85 0,83 0,83 0,83 0,84 0,17 1,00 1,015 0 0,58 0,58 0,58 0,58 0,4 1,00 1,01 0 0,6 0,77 0,77 0,77 0,93 0,3 1,00 1,1 0 0,45 0,59 0,59 0,59 0,7 0,41 1,00 1,1 0
Program LEICA QWin v.. do automatycznej analizy obrazu 3 ciecz modelowa powietrze o stopniu dyspersji większym od jedności, charakteryzującym obecność w niej zdyspergowanych pęcherzy gazowych. W tablicy przedstawiono fragment obliczeń wartości czynników k, ρ(, ε dla danych uzyskanych z analizy filmowej procesu oraz za pomocą programu LEICA QWin v... 5. PODSUMOWANIE Ocena przydatności programu LEICA QWin v.. do automatycznej analizy obrazu w odniesieniu do badania zjawisk przepływowych wymaga uwzględnienia faktu, że zarejestrowany tą metodą stopień pokrycia cieczą płaskiej powierzchni wnęki formy poddanej obserwacji, podobnie jak podczas filmowania, nie wnosi informacji o grubości warstwy cieczy pod określoną powierzchnią, co jest istotne dla określenia rzeczywistego objętościowego lub masowego wydatku cieczy. W przypadku form o bardzo małej grubości, spełniających praktycznie warunek dwuwymiarowości, przydatność metody nie budzi wątpliwości. Warunkiem prawidłowego stosowania tej metody jest równoczesne korzystanie z metody wyznaczania czasu procesu zapełniania za pomocą filmowania. Pozwala to na zmierzenie nie tylko powierzchni, ale także grubości strugi cieczy modelowej wprowadzanej do formy, tym samym umożliwia określenie chwilowej gęstości mieszaniny dwufazowej ciecz powietrze ρ (, jej porowatości ε ( oraz stopnia dyspersji S D. Jak wynika z zamieszczonych danych, grubość filmowanej strugi, obliczona na podstawie powierzchni skanowanej za pomocą programu LEICA QWin v.. i sprowadzona do początkowej gęstości cieczy, ma wartość mniejszą, niż wynosi głębokość wnęki formy. Pod koniec procesu następuje zwiększenie gęstości cieczy do wartości nominalnej. LITERATURA [1] Badania modelowe właściwości hydrodynamicznych strugi metalu i zapełniania form w ciśnieniowych maszynach zimnokomorowych, projekt badawczy nr 3TO 8B 05 8, 005-007, kierownik projektu J. Dańko. [] Dańko J., Stojek J., Dańko R., Badania modelowe II fazy procesu odlewania ciśnieniowego przy centralnym usytuowaniu szczeliny wlewowej, w: XXXI Konferencja Naukowa z okazji Święta Odlewnika 007, Kraków, listopad 007, s. 161 168. [3] Dańko J., Stojek J., Dańko R., Model testing of casting process in cold-chamber die casting machine, Archives of Metallurgy and Materials, 007, vol. 5, iss. 3, s. 503 513. [4] Garber I. W., Theoretical Analysis and Experimental Observation of Air Entrapment During Cold Chamber Filling, Die Casting Engineer, May June 198, s. 14, [5] Stojek J., Dańko R., Badania modelowe zjawisk przepływowych w procesie odlewania ciśnieniowego, Pneumatyka, 007, nr 1 s. 37 39.
4 J. Dańko, R. Dańko, M. Górny [6] Walden H., Stasiak J., Mechanika cieczy i gazów w inżynierii sanitarnej, Warszawa, Arkady 1971. Praca wpłynęła do Redakcji 1.04.008 Recenzenci: prof. dr hab. inż. Roman Wrona prof. dr hab. inż. Zenon Ignaszak THE LEICA QWin v.. PROGRAM FOR AUTOMATIC PICTURE ANALYSIS APPLIED FOR MEASUREMENT THE SURFACE TAKEN BY LIQUID DURING THE FILLING OF THE MODEL MOULD IN COLD CHAMBER DIE CASTING MACHINE Summary Widely recognised model investigations of die casting processes are included in the current research topics carried out by the team of scientists from the Chair of Process Automatisation and the Chair of Casting Processes Engineering, AGH University of Science and Technology. The LEICA QWIN V... program for automatic picture analysis was adopted for measurement of the surface taken by liquid during the filling of the two-dimentional model mould in cold chamber die casting machine. The estimation of degree of filling of the model mould cavity taking into consideration different filling velocities the applicability of the LEICA QWin v.. program for the automatic picture analysis was verified more precisely for version I of the model mould equipped with filling gate of dimension 4,7 48 mm and two model liquids as well as two mode of venting system. Key words: high pressure die casting, filling of mould cavity, model testing