PROGRAM LEICA QWin v. 2.2 DO AUTOMATYCZNEJ ANALIZY

KOMISJA BUDOWY MASZYN PAN – ODDZIAŁ W POZNANIU
Vol. 28 nr 3
Archiwum Technologii Maszyn i Automatyzacji
2008
JÓZEF DAŃKO∗, RAFAŁ DAŃKO∗∗, MARCIN GÓRNY∗∗
PROGRAM LEICA QWin v. 2.2 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. 2.2 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. 2.2 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
280 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 52 mm2,
– Z-O-Z – odpowietrzenie zredukowane, sumaryczna powierzchnia otworów odpowietrzających wynosiła 8 mm2.
2. 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 mm2/s (1,39 cSt), oznaczonej „ciecz
7%”, co w przybliżeniu odpowiada lepkości stopów aluminium przy odlewaniu
ciśnieniowym. Druga użyta ciecz o lepkości 9,46 mm2/s (9,46 cSt), 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 [2, 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. 2.2 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. 2 wynik jego płaskiego odwzorowania za
pomocą programu LEICA QWin v. 2.2.
Program LEICA QWin v. 2.2 do automatycznej analizy obrazu …
17
Rys. 1. Pojedynczy kadr procesu zapełniania formy w wersji I: „ciecz 7%”, czas τ = 0,26(6) s, vp = 0,08
m/s, sposób odpowietrzenia O-O-O (52 mm2); 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 = 0,26(6) s, plunger velocity vp = 0,08 m/s; venting mode O-O-O (52 mm2). Mould
drawing upturned 90 degrees left in relation to real working position
Rys. 2. Płaskie odwzorowanie kadru z rys. 1 poddanego analizie obrazu za pomocą programu LEICA
QWin v. 2.2
Fig. 2. Plane map of single frame picture from Fig. 1 after image analysis made under LEICA QWin
v. 2.2 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. 2.2.
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
Pole powierzchni, %
80
70
60
50
40
30
Prędkość tłoka prasującego V=0,08 m/s; odpowietrzenie O-O-O
Prędkość tłoka prasującego V=0,163 m/s; odpowietrzenie O-O-O
Prędkość tłoka prasującego V=0,08 m/s; odpowietrzenie Z-O-Z
Prędkość tłoka prasującego V=163 m/s; odpowietrzenie Z-O-Z
20
10
0
0
0,5
1
1,5
2
2,5
Czas wypełniania, s
Rys. 3. Zależność powierzchni zajętej przez ciecz modelową „ciecz 80%” od czasu określona za
pomocą programu LEICA QWin v. 2.2; forma wersja I
Fig. 3. Surface areas taken up by „CIECZ 80%”, calculated by means of the LEICA QWin v. 2.2
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. 2.2 do automatycznej analizy obrazu …
19
100
90
Pole powierzchni, %
80
70
60
50
40
30
Prędkość tłoka prasującego V=0,08 m/s; odpowietrzenie O-O-O
Prędkość tłoka prasującego V=0,163 m/s; odpowietrzenie O-O-O
Prędkość tłoka prasującego V=0,08 m/s; odpowietrzenie Z-O-Z
Prędkość tłoka prasującego V=163 m/s; odpowietrzenie Z-O-Z
20
10
0
0
0,5
1
1,5
2
2,5
Czas wypełniania, s
Rys. 4. Zależność powierzchni zajętej przez ciecz modelową „ciecz 7%” od czasu określona za
pomocą programu LEICA QWin v. 2.2; forma wersja I
Fig. 4. Surface areas taken up by „ciecz 7%”, calculated by means of the LEICA QWin v. 2.2
program, version I of the mould
100
y = 14,347Ln(x) + 95,776
2
R = 0,9856
90
Pole powierzchni, %
80
y = 51,319x
2
R = 0,9667
70
y = 41,319Ln(x) + 88,823
2
R = 0,9955
60
50
40
30
Prędkość tłoka prasującego V=0,054 m/s
20
Prędkość tłoka prasującego V=0,1 m/s
10
Prędkość tłoka prasującego V=0,217 m/s
0
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
1,2
1,4
Czas wypełniania, s
Rys. 5. Zależność powierzchni zajętej przez ciecz modelową „ciecz 80%” od czasu określona za
pomocą programu LEICA QWin v. 2.2; forma wersja III, odpowietrzenie O-O-O
Fig. 5. Surface areas taken up by „ciecz 80%”, calculated by means of the LEICA QWin v. 2.2
program, version III of the mould, venting mode O-O-O
20
J. Dańko, R. Dańko, M. Górny
4. ANALIZA ORAZ INTERPRETACJA WYNIKÓW BADAŃ
Można wykazać, że stosunek objętości chwilowej cieczy V(t) do całkowitej
objętości wnęki (Vcałk) spełnia warunek:
V(t )
Vcałk
=
F(t ) ⋅ g (t )
Fcałk ⋅ g
=
Qrz (t ) ⋅ τ (t )
Qrz ⋅τ z
,
(1)
gdzie: F(t) i Fcałk – odpowiednio: powierzchnia wnęki formy zajętej przez ciekły
metal, określona za pomocą programu do automatycznej analizy obrazu LEICA QWin v. 2.2, i całkowita powierzchnia
obserwacji [m2],
Qrz(t) i Qrz – rzeczywisty wydatek objętościowy, odpowiednio, chwilowy
i średni [m3/s],
k = g(t)/g – iloraz rzeczywistej grubości warstwy cieczy g(t) oraz głębokości (grubości) wnęki formy (g), inaczej stopień wypełnienia przekroju poprzecznego wnęki formy,
τ(t) i τz –
odpowiednio bieżący i całkowity czas procesu zapełniania
określony za pomocą filmowania [s],
Można przyjąć, że dla danych warunków zapełniania formy chwilowa Qrz(t)
i średnia Qrz wartość są równe, zatem wzór (1) można przedstawić w postaci
pozwalającej powiązać interesujące wielkości:
F(t )
Fcałk
⋅k =
τ (t )
.
τz
(2)
Wartość czynnika k określa wzór:
k =1− ε =
τ (t ) Fcałk
⋅
.
τ z F(t )
(3)
Obliczeniową prędkość (vcwlew) cieczy modelowej we wlewie do komory określano ze wzoru:
vc wlew = v p ⋅
Fkpr
Fwf
[m/s],
(4)
gdzie: Fkpr, Fwf – powierzchnia, odpowiednio, komory prasowania i wnęki formy
[m2],
– średnia prędkość ruchu tłoka prasującego [m/s].
vp
Wartość rzeczywistego wydatku objętościowego, określonego na podstawie
czasów zapełniania wnęki danej formy cieczami o badanej lepkości, zestawiono
w tablicy 1.
Program LEICA QWin v. 2.2 do automatycznej analizy obrazu …
21
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
Qrz = – 23, 732 vc2 wlew + 239,12 vc wlew ; R2 = 0,99
Qrz = – 12,748 vc2 wlew + 163,24 vc wlew ; R2 = 0,99
Qrz = – 23,121 vc2 wlew + 221,7 vc wlew ; R2 = 0,99
Qrz = – 10,112 vc2 wlew + 131,7 vc wlew ; R2 = 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
Qrz = – 18,48 vc2 wlew + 181,21 vc wlew ; R2 = 0,99
Qrz = –12,697 vc2 wlew + 153,83 vc wlew ; R2 = 0,99
Qrz = – 20,198 vc2 wlew + 178,99 vc wlew ; R2 = 0,98
Qrz = – 9,15 vc2 wlew + 117,27 vc wlew ; R2 = 0,99
Związek pomiędzy chwilową gęstością pozorną mieszaniny ciecz – powietrze,
gęstością fizyczną fazy ciekłej oraz porowatością mieszaniny opisują wzory:
ρ (t ) = ρ f ⋅ (1 − ε ) = ρ f ⋅ k = ρ f ⋅
ε =1− k =1 −
τ (t ) Fcałk
⋅
,
τ z F(t )
τ (t ) Fcałk
⋅
.
τ z F(t )
(5)
(6)
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(t) do powierzchni obserwacji Fcałk
(240 × 190 × 10 mm), podobnie jak podano we wzorze (2). Oznaczając przez SD
stopień dyspersji strugi cieczy we wnęce formy, przez F(t) – powierzchnię określo-
22
J. Dańko, R. Dańko, M. Górny
ną za pomocą programu LEICA QWin v. 2.2 do automatycznej analizy obrazu,
przez V(t) chwilową, geometryczną objętość cieczy, a przez Vrz – jej objętość rzeczywistą, wzór na stopień dyspersji można następująco zapisać:
SD =
F(t )
Vrz (t )
=
F(t )
V(t ) ⋅ (1 − ε )
=
F(t )
F(t ) ⋅ (1 − ε ) ⋅ g
=
1
[1/cm]
k⋅g
(7)
lub po uwzględnieniu wzorów (3), (5) i (6)
SD =
F(t )
Vrz (t )
=
ρf
1
[1/cm].
=
k ⋅ (1 − ε ) ρ (t ) ⋅ k
(8)
Przykładowe przeliczenie dla danych zawartych w tablicy 2 wskazuje, że w zakresie otrzymywanych wartości k = 0,44 – 1,0 wartość SD = 2,27 –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 2
Wartości czynników k, ρ(t), 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 Fodp = 52 mm2 dla układu O-O-O i Fodp = 8 mm2 dla układu
Z-O-Z, forma modelowa wersja I
The values of some factors marked k, ρ(t), ε determined on basis of surface area measurement
using the LEICA QWin v. 2.2 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
Fodp = 52 mm2 for mode O-O-O and Fodp = 8 mm2 for venting mode Z-O-Z, version I of the mould
Parametry
vp = 0,08 m/s
odp. O-O-O; „ciecz 7%”
vp = 0,163 m/s
odp. O-O-O; „ciecz 7%”
vp = 0,08 m/s
odp. O-O-O; „ciecz 80%”
vp = 0,163 m/s
odp. O-O-O; „ciecz 80%”
vp = 0,08 m/s
odp. Z-O-Z; „ciecz 7%”
vp = 0,163 m/s
odp. Z-O-Z; „ciecz 7%”
vp = 0,08 m/s
odp. Z-O-Z; „ciecz 80%”
vp = 0,163 m/s
odp. Z-O-Z; „ciecz 80%”
0,26(6)
Czas zapełniania [s]
1,00
k
ρ(t)
ε
k
ρ(t)
ε
0,66
0,77
0,77
0,77
0,79
0,47
0,54
0,54
0,54
0,53
0,68
0,68
0,49
0,63
0,85
2,083
k
ρ(t)
ε
0,22
1,00
1,01
0
0,55
0,46
1,00
1,01
0
0,68
0,83
0,32
1,00
1,21
0
0,63
0,63
0,76
0,37
1,00
1,209
0
0,83
0,83
0,83
0,84
0,17
1,00
1,015
0
–
0,58
0,58
0,58
0,58
0,42
1,00
1,01
0
0,62
0,77
0,77
0,77
0,93
0,23
1,00
1,21
0
0,45
0,59
0,59
0,59
0,72
0,41
1,00
1,21
0
Program LEICA QWin v. 2.2 do automatycznej analizy obrazu …
23
ciecz modelowa – powietrze o stopniu dyspersji większym od jedności, charakteryzującym obecność w niej zdyspergowanych pęcherzy gazowych.
W tablicy 2 przedstawiono fragment obliczeń wartości czynników k, ρ(t),
ε dla danych uzyskanych z analizy filmowej procesu oraz za pomocą programu
LEICA QWin v. 2.2.
5. PODSUMOWANIE
Ocena przydatności programu LEICA QWin v. 2.2 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(t), jej porowatości ε (t)
oraz stopnia dyspersji SD.
Jak wynika z zamieszczonych danych, grubość filmowanej strugi, obliczona na
podstawie powierzchni skanowanej za pomocą programu LEICA QWin v. 2.2
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 025 28, 20052007, kierownik projektu J. Dańko.
[2] 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 2007, Kraków, listopad 2007, 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, 2007, vol. 52, 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 1982, s. 14–22,
[5] Stojek J., Dańko R., Badania modelowe zjawisk przepływowych w procesie odlewania ciśnieniowego, Pneumatyka, 2007, nr 1 s. 37–39.
24
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 1.04.2008
Recenzenci: prof. dr hab. inż. Roman Wrona
prof. dr hab. inż. Zenon Ignaszak
THE LEICA QWin v. 2.2 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. 2.2. 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. 2.2 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