TERMELÉSI FOLYAMAT MINÕSÉGKÉRDÉSEI, VIZSGÁLATOK 2.3 2.5 Öntőformák folyamatos minőség-ellenőrzése Tárgyszavak: öntőformák; minőség-ellenőrzés. Az utóbbi években megfigyelhető az öntészetben az új formázási technológiák elterjedése. Ugyanakkor azonban a nedves formázási eljárás is állandóan továbbfejlődik. Az új, optimált tömörítési módszerek, a formázóanyag ezekkel együtt alkalmazott minőség-ellenőrzése indokolják, hogy mind ez idáig legtöbb felhasználási területen az öntvények túlnyomó részét ezzel a módszerrel állítják elő. Az öntészetben a termék előállítási költségeit és minőségét a formázás határozza meg. Az agyagkötéses formázóanyagok felhasználásával végzett öntéssel elérhető minőség (a felületi tulajdonságok, a mérettartás és a lunkermentes szerkezet) nagymértékben függ a forma tömörítésének mértékétől és ennek reprodukálhatóságától. A forma minőségét a minta és a formaszekrény geometriája, a formázókeverék tulajdonságai, valamint a formázógép tömörítő hatása befolyásolják. A forma tömörítettségi állapotát befolyásoló paraméterek egyrészt technológiai okokkal tudatosan megváltoztathatók, másrészt esetleg véletlenszerűen módosulnak. Valamely paraméter által a forma minőségére gyakorolt hatást egy másik paraméterrel lehet kompenzálni vagy erősíteni. Éppen ezért a forma előállításakor elért minőség állandó ellenőrzése különlegesen fontos az elkészült öntvények minőségének biztosítása szempontjából. A jelenlegi műszaki színvonal Üzemi körülmények között a forma minőségének értékelésére leginkább a forma keménységének és szilárdságának az ellenőrzése szolgál. Mindkét mérést kézzel, közvetlenül a formán végzik. A forma keménységét általában egy rugóterheléses golyó benyomódásának mélysége alapján határozzák meg. Ennek a mérési módszernek az érzékenysége a manapság megkívánt tömörség elérése esetében már nem elegendő. Ezért a Brinell-féle keménységméréshez hasonló eljárás alkalmazását javasolták, és erre alkalmas mérőkészülékeket fejlesztettek ki.
A forma minőségének lényegesen jobb értékelését teszi lehetővé a formaanyag szilárdságának ellenőrzése. Az erre használható készülékek közvetlenül megadják a forma nyomószilárdságát. Az ily módon meghatározott érték kellő pontossággal a próbatesten megállapított szilárdságnak felel meg. A két jellemző paraméter a keménység és a nyomószilárdság lineáris kapcsolatban van egymással. Azonban mindkét módszer alkalmatlan a szakítószilárdság meghatározására (pedig a gyakorlat számára ez lényegesen fontosabb, mint a nyomószilárdság). A görbék menete a nagyobb tömörségi tartományokban nagyon eltérő. A forma keménységére és szilárdságára közvetve is lehet következtetni az üzemileg előállított öntőforma tömörsége alapján. További módszer: a tömörítettség mértékét rázással és sajtolással vizsgálják. A gyakorlatban az egyes formák kézi ellenőrzésének nehézségei miatt mindkét mérést gyakran elhanyagolják, ami gyakran okoz öntvényselejtet. Jelenleg nincs olyan mérési módszer és számítástechnikai eljárás, amely lehetővé tenné a forma szilárdságának meghatározását közvetlenül a gyártás folyamán vagy az előállítás után. Javasoltak olyan mikroprocesszoros rendszert, amely lehetővé teszi a forma épségének megállapítását. A módszer lényege, hogy az újonnan előállított forma épségét mintaformával hasonlítják össze. Ez az eljárás csupán a forma gyártása folyamán keletkezett látható hibákat ellenőrzi. Azonban ekkor nem történik meg lényegében a forma tömörségére és szilárdságára vonatkozó eltérés tűrésének megállapítása, tehát nem kapunk teljes képet a forma minőségéről. Vagyis a formázógép irányítására és automatizálására csupán kiegészítésként használhatók ezek a mikroprocesszoros rendszerek. P. R. Carrey 1992-ben kidolgozta a formaminőség-indikátor (MQI, mould quality indicator) módszerét és vizsgálókészülékét. Ez közvetlenül a formán végzett méréssel, tehát on-line szolgáltatja a mérési eredményt. Két különböző formázási módszer esetében hasonlította össze a tömörség, a szilárdság, az öntvény felületi tulajdonságai, a behatolás mértéke és a réteges lepergés értékeit az MQI-módszer eredményeivel. Egyértelmű összefüggést lehetett megállapítani a vizsgált paraméterek között. Egy hasonló készülék a forma tömörségét sűrített levegő átáramlásával szembeni ellenállás alapján határozza meg, és az MQI-szám segítségével becsüli a forma felületének minőségét. Az MQI-szám megfelelőbb a forma minőségének értékelésére, mint a tömöríthetőség, a víztartalom és az agyagtartalom meghatározására. Igen eredményesen alkalmazták ezt a módszert az agyagkötéses formázóanyagokból készült formák minőségének becslésére. Az öntőformák minőség-ellenőrzésére szolgáló jelenlegi módszerek elemzéséből kiderül, hogy az ismertetett módszerek egyike sem képes tökéletesen jellemezni a forma minőségét tömörség és szilárdság szempontjából. Ezen túlmenőleg a bemutatott módszerek nem alkalmasak a forma minősé
gének számítógéppel segített minőség-ellenőrző rendszeren belüli folyamatos meghatározására. Az előállított formák folyamatos minőség-ellenőrzésekor a tömörítés közben, állandóan ismerni kell a mérési pontban vagy a pontokban a tömörítési erőhatást. Ennek alapján válik lehetővé a mért értékek felhasználásával valamennyi előállított forma sűrűségének, ill. szilárdságának kiszámítása. Az első erre vonatkozó kísérleteket még 1969-ben W. Tilch elvégezte*. A kísérletek folyamán a formázóanyag mozgását nem tudta figyelembe venni. Később D. Boenisch nyomásmérő érzékelőelemeket fejlesztett ki. A mérőgömbbe nyúló kis fémdugattyú lágy ólomlemezen kifejtett nyomása lenyomatot hoz létre, és ennek változása a homokmozgást is képes figyelembe venni. A folyamatos mérésre vonatkozó próbálkozások azonban eredménytelenek maradtak. A tömörítési erőhatás folyamatos mérésére alkalmas, a formázóanyag mozgását figyelembe vevő detektor kifejlesztése Az eddigi tapasztalatokat figyelembe véve dolgoztak ki különböző tömörítési módszerek ellenőrzésére alkalmas detektorokat. A detektorok lényegében gömb alakú érzékelőelemből, műszerházból, rugóból és az alapfelületen elhelyezkedő erőmérő elemből állnak. Az érzékelőelem elmozdulhat. A detektor meghatározott kiindulási erőre való kalibrálásakor a házat le kell rögzíteni. Ez a kiindulási erő határozza meg azt a tömörségi értéket, amelytől kezdve a detektor már reagál a változásokra. A kiindulási tömörségérték elérésekor a formázóanyagban ébredő feszültségek következtében a vízszintes és függőleges feszültségek eredőjeként az előfeszültséggel megegyező erő fejti ki hatását a gömb alakú érzékelőelemre. Minél nagyobb az érzékelő előfeszültsége, annál nagyobb a kiindulási tömörség. A detektort úgy lehet a formán vagy a formaszekrényen rögzíteni, hogy ne sértse meg és ne is változtassa meg a forma felületét. A detektor elhelyezési helyét a formában megkövetelt tömörödéseloszlás figyelembevételével választják meg. Azokat a pontokat kell kiválasztani, ahol a forma tömörsége és szilárdsága a legkisebb. Normális körülmények között a minőség-ellenőrzés szempontjából elegendő, ha a forma tulajdonságait egyetlen ilyen pontban ellenőrzik, mivel a többi helyen a szilárdsági és tömörségi értékek nyilván nagyobbak lesznek A detektor olyan konstrukciójú, hogy ne sérülhessen meg. Az érzékelőgömb 6 mm átmérőjű. Méréskor behatol a homokba. * Doktori disszertáció, Bergakademie Freiberg, 1969.
A tömörítés közben a formázóanyag a formázógép hatására mozogni kezd. A formázóanyagban ennek folyamán olyan tömörítőerők, illetőleg igénybevételek ébrednek, amelyeket a formázókeverék összetétele, a tömörítési intenzitás és a formakészítés többi műszaki technológiai paramétere határoznak meg. A tömörítőerő hatására az érzékelőelem a homokmozgással összhangban a műszerházba nyomódik. A detektor csak akkor ad jelzést, amikor a homok mozgásban van. Amikor a homok többé nem mozog és a formázóanyag tömörödése befejeződött, a detektor sem ad további jelzést. Ez az új detektor megkülönböztethető sajátossága a többi erő-, ill. nyomásmérő detektorral szemben. Az érzékelőelem csúcsának alakja biztosítja, hogy érzékelje a minden oldalról ható tömörítő erőhatásokat. Ezeknek az erőknek, ill. igénybevételeknek a mérése érdekében építettek a detektorba rugót és egy erőmérő elemet. Az értékelőelem elmozduláskor a rugó összenyomódik. 1 mm elmozdulás 0,9 N erőváltozásnak felel meg. az érzékelő konstrukciója lehetővé teszi meghatározott kiindulási erőre való beállítását. A sajtolási folyamat befejeztével és a nyomás lekapcsolása után a detektor a hagyományos erőmérőelemekkel ellentétben továbbra is jelzi a formázóanyag feszültségi állapotát. A próbatesten végzett vizsgálatok azt mutatták, hogy a rugó előfeszültsége és a formázóanyag tömöríthetősége befolyásolják a kiindulási tömörség értékét. A detektorjelzés és a próbatest tömörsége között lineáris az összefüggés, függetlenül a formázóanyag összetételétől. Ez teszi lehetővé a forma tömörségének egyszerű, közvetlen mérését. Az új detektorral végzett gyakorlati kísérletek A vizsgálatok célja a detektor megbízhatóságának ellenőrzése volt az öntödei nehéz környezeti viszonyok között. A kísérleteket egy-egy belövő/sajtoló formázógépen, légáramoltatásos/sajtoló/formázógépen és impulzusos formázógépen hajtották végre. A belövő/sajtoló formázógépen végzett mérések alkalmával a detektort forgattyústengely-forma előállításakor 0,7 N előfeszültségre állították be. A detektort a formaközépre helyezték. Összesen 308 formán végeztek folyamatos méréseket. A gép ütemideje egy-egy félforma előállításakor mintegy 11 s volt. A detektorjelzéseket tömörségi értékekre számították át. Az 1. ábra a belövő/sajtoló formázógépen végzett művelet jellegzetes tömörítési görbéjét tünteti fel. A betöltési folyamat során a formázóanyagból és levegőből álló keveréket lövellnek be a tömörítőkamrába. Egyidejűleg a formázóanyag előtömörödik. A formázóberendezésen 1280 1300 kg/m 2 előtömörítési értéket állítottak be. Ez a töltési és tömörítési fázis igen rövid (1. ábra, 1. pont). Mintegy 0,44 s után megkezdődött a tömörítés sajtoló fázisa (2. pont). A sajtolási fázis időtartama kb. 0,77 s. Ezt követőleg a sajtolási nyomást 0,1 másodpercig állandó értéken tartották (a 3. pontig). A 4. pontban a prést tehermentesítették, majd
kb. 0,06 s kivárási idő után a mintát elválasztották a formától. Legtöbb forma esetében a 3. pontban a visszarugózás igen kicsi volt. A vizsgált 308 forma közül 6 esetben a prés tehermentesítése után a visszarugózás jelentősen megnövekedett. A 2. ábra a 308 forma tömörítésekor elért maximális tömörségi értékeket foglalja össze. 3. pont tömörség a mérési pontban, kg/m 2 1. pont 2. pont 4. pont idő, s 1. ábra Mérés a DISAMATIC belövő/sajtoló formázógépen maximális tömörség közepes tömörség maximális tömörség, kg/m 2 minimális tömörség a forma sorszáma 2. ábra Az első tartós vizsgálat mérési eredményei
idő, s 3. ábra Mérés a levegőáramoltatásos sajtoló formázógépen a detektorokon jelzett érték, mn a detektoron jelzett érték, N idő, s 4. ábra Mérés az impulzusos formázógépen
Látható, hogy legtöbb előállított forma esetében a tömörítés mértéke közel állandó. Csaknem valamennyi ingadozás a detektor pontossági tartományán belül van. Ez bizonyítja a formázóanyag tulajdonságainak állandóságát és a tömörödés reprodukálhatóságát. A 3. és 4. ábrák a légáramoltatásos/sajtoló és az impulzusos formázógépeken végzett egyes mérések eredményeit tüntetik fel. Az LP-1 típusú detektorok kerültek felhasználásra. Ezek a formaszekrényben végbemenő légnyomás-emelkedéssel szemben nem olyan érzékenyek, mint az SP-P típus. A légáramoltatásos/sajtoló formázógépen végzett mérések szerint egyedül a légáramoltatási fázissal nem érhető el a forma végleges minősége, azonban a formázóanyag egyenletes előtömörödését lehetővé teszi. Az ezt követő sajtolás biztosítja az öntéshez alkalmas öntőforma előállítását. A görbe menete a présgörbékhez hasonló. A detektor a dinamikus mérések céljaira is megfelel. Összefoglalás Az elvégzett vizsgálatok igazolták, hogy az új detektorok alkalmasak arra, hogy a különböző tömörítési módszerekkel végzett formagyártás feltételei között a formázóanyag mozgása által előidézett erőhatásokat mérjék. A detektorkonstrukciókat összhangba hozták a különböző tömörítési módszerek sajátosságaival. Ennek következtében a minőség-ellenőrzés folyamán a formázógépek alkalmasságára is következtetni lehet. A tömörítés végén a detektor által jelzett érték függ a formázóanyag elért tömörségétől és tömöríthetőségétől. A jövőben olyan eljárást dolgoznak ki, amely lehetővé teszi a formázóanyag tömörségének és szilárdsági tulajdonságainak a detektorjelzés alapján való számítását, figyelembe véve a formázókeverék tömöríthetőségének ingadozásait is. (Dr. Barna Györgyné) Malaschkin, A.; Bast, J.; Kampmann, U.: Neue Messeinrichtungen zur kontinuierlichen Qualitätskontrolle von tongebundenen Formen auf mechanisierten Formanlagen. = Giesserei Praxis, 2002. 9. sz. p. 339 342. Müller, P.; Grundmann, G. stb.: Verbesserung von Qualität und Wirtschaftlichkeit in der Stranggießtechnik. = Stahl und Eisen, 122. k. 9. sz. 2002. szept. 16. p. 67 72.