PRESSOCOLATA DI ZAMA CON MACCHINA ELETTRICA

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1 UNIVERSITA DEGLI STUDI DI BRESCIA FACOLTA DI INGEGNERIA DIPARTIMENTO DI INGEGNERIA MECCANICA PRESSOCOLATA DI ZAMA CON MACCHINA ELETTRICA Relatore: ing. Annalisa Pola Laureandi: Dario Martinazzoli (ing. Meccanica) Alberto Arrighini (ing. dei Materiali)

2 Ricerca condotta presso R&D di Umicore S.p.A (Belgio), nell autunno 00 OBIETTIVI: Studiare il comportamento di una macchina per pressocolata sperimentale elettrica attraverso: Studio del funzionamento Analisi della qualità dei pezzi (porosità) Confronto con equivalente macchina idraulica

3 La macchina idraulica: Per pressocolata in camera calda di Zama, forza di chiusura 15 ton La macchina elettrica: Sviluppata sul modello dell equivalente idraulica e di pari tonnellaggio

4 LE DIFFERENZE: Nella macchina elettrica: il GRUPPO GENERATORE DI ENERGIA IDRAULICA è ovviamente assente il GRUPPO PRESSA e il SISTEMA DI ESPULSIONE sono movimentati da azionamenti elettrici il GRUPPO INIEZIONE è azionato da due motori elettrici tramite una trasmissione meccanica, non sono previsti sistemi di accumulo e moltiplica della pressione

5 GRUPPO INIEZIONE Pressione e velocità vengono calcolate da misure effettuate sull albero motore Lo smorzatore introduce variazioni che il sistema di misura dovrebbe prevedere

6 I TEST: riproducono le prove effettuate sulla macchina idraulica nella primavera 00, in cui sono stati colati e analizzati campioni di due componenti in Zama 15 provenienti dalla produzione di massa Pezzo BOSCH : spessori grossi e geometria semplice Pezzo PHILIPS : spessori più sottili e geometria complessa I campioni sono stati colati con diverse combinazioni di valori di parametri per studiarne l influenza sulla porosità

7 IL TEST BOSCH : I parametri studiati sono: - temperatura del bagno - temperatura dello stampo - quantità di soluzione lubrificante - concentrazione di lubrificante - velocità di seconda fase - pressione di terza fase ciascuno può assumere due valori estremi studiate diverse combinazioni

8 RISULTATI GENERALI POROSITY % HYDRAULIC vs ELECTRIC SAMPLE hydraulic machine electric machine La macchina elettrica produce pezzi dalla porosità mediamente più stabile rispetto a quelli colati con macchina idraulica

9 PROBLEMATICHE: PRESSIONE pressure [bar] low p high p 100 bar 350 bar sample I valori sono molto variabili e inferiori a ciò che è stato richiesto

10 I valori sono poco variabili, inferiori alle richieste e controllati in pressione PROBLEMATICHE: VELOCITÁ 1, 1 velocity [m/s] 0,8 0, 0, high v low v 1 m/s 0, 0,5 m/s sample

11 PROBLEMATICHE: VELOCITÁ I valori sono poco variabili, inferiori alle richieste e controllati in pressione

12 IL TEST PHILIPS Studiate 5 condizioni di lavoro: -A) standard - B) eccesso di lubrificante - C) stampo freddo - D) flusso turbolento - E) seconda fase avanzata

13 RISULTATI GENERALI ELECTRIC vs HYDRAULIC POROSITY % A B C D E TEST hydraulic electric La macchina elettrica ha prodotto pezzi con porosità mediamente doppia rispetto a quelli ottenuti con macchina idraulica

14 PROBLEMATICHE: VELOCITÁ flow rate comparison,5 flow rate [l/s] 1,5 1 0,5 electric hydraulic injected volume after the gate [cm 3 ] La macchina elettrica mostra accelerazione decrescente, transitorio più lungo e anticipazione del punto di commutazione.

15 CAUSE Si ritiene che le cause dei problemi mostrati dalla macchina elettrica provengano da due principali fattori: 1. Difficoltà nel controllo di velocità e pressione. Scarsa potenza di picco per entrambi i fattori è critica la presenza dello smorzatore

16 STUDIO DEI PARAMETRI Studio dell influenza dei singoli parametri di colata sulla qualità dei pezzi BOSCH e PHILIPS. POROSITY % POROSITY % HYDRAULIC MACHINE ELECTRIC MACHINE % COUPLE 3% 1% 3% COUPLE Esame macrografico dei campioni ottenuti.

17 IL PEZZO BOSCH a) Concentrazione del lubrificante COUPLE SAMPLE N NUMBER OF PIECIES T BATH [ C] LUBRICANT CONCENTRATION T MOULD [ C] LUBRICANT PRESSURE [bar] ARM VELOCITY [cm/s] LUBRICANT CONC. [%] nd PHASE VELOCITY [m/s] PISTON PRESSURE [bar] POROSITY (hydraulic) [%] POROSITY (electric) [%] , HIGH,+/-0,5 3,+/-0, , HIGH,+/-0,3,+/-0, , 0 1 0,5 HIGH 3,+/-0, 3,9+/-0, , 0 3 0,5 HIGH 3,3+/-0,,0+/-0, , LOW,9+/-0,5,9+/-0, , LOW 7,1+/-0, 5,+/-0, , 0 1 0,5 HIGH 7,7+/-0, 3,7+/-0, , 0 3 0,5 HIGH 7,9+/-0,7 5,9+/-, HIGH,+/-0,5,+/-0, HIGH,+/-0, 5,1+/-0,7 Come con la macchina idraulica non si nota una rilevante influenza nella porosità dei pezzi.

18 IL PEZZO BOSCH a) Concentrazione del lubrificante COUPLE SAMPLE N NUMBER OF PIECIES T BATH [ C] LUBRICANT CONCENTRATION T MOULD [ C] LUBRICANT PRESSURE [bar] ARM VELOCITY [cm/s] LUBRICANT CONC. [%] nd PHASE VELOCITY [m/s] PISTON PRESSURE [bar] POROSITY (hydraulic) [%] POROSITY (electric) [%] , HIGH,+/-0,5 3,+/-0, , HIGH,+/-0,3,+/-0, , 0 1 0,5 HIGH 3,+/-0, 3,9+/-0, , 0 3 0,5 HIGH 3,3+/-0,,0+/-0, , LOW,9+/-0,5,9+/-0, , LOW 7,1+/-0, 5,+/-0, , 0 1 0,5 HIGH 7,7+/-0, 3,7+/-0, , 0 3 0,5 HIGH 7,9+/-0,7 5,9+/-, HIGH,+/-0,5,+/-0, HIGH,+/-0, 5,1+/-0,7 HYDRAULIC MACHINE ELECTRIC MACHINE POROSITY % % 3% POROSITY % % 3% COUPLE COUPLE

19 b) Temperatura dello stampo MOULD TEMPERATURE COUPLE SAMPLE N NUMBER OF PIECIES T BATH [ C] T MOULD [ C] LUBRICANT PRESSURE [bar] ARM VELOCITY [cm/s] LUBRICANT CONC. [%] nd PHASE VELOCITY [m/s] PISTON PRESSURE [bar] POROSITY (hydraulic) [%] POROSITY (electric) [%] , HIGH,+/-0,5 3,+/-0, , HIGH,3+/-0, 3,1+/-0, , 0 1 0,5 HIGH 3,+/-0, 3,9+/-0, , 0 1 0,5 HIGH 3,+/-0,3 3,+/-0, , HIGH,+/-0,3,5+/-0, , HIGH,+/-0,3 3,3+/-0, , HIGH,+/-0, 3,7+/-0, , HIGH 10,7+/-0,7,1+/-0, , LOW,9+/-0,5,9+/-0, , LOW 7,1+/-0,,+/-0, , 0 3 0,5 HIGH 3,+/-0, 7,8+/-, , 0 3 0,5 HIGH 7,9+/-0,7 5,9+/-, Si manifesta un comportamento opposto a quello aspettato, probabilmente dovuto all impossibilità di distinguere porosità da gas dalle cavità da ritiro BASSA T porosità ALTA T porosità cavità da ritiro cavità da ritiro

20 b) Temperatura dello stampo MOULD TEMPERATURE COUPLE SAMPLE N NUMBER OF PIECIES T BATH [ C] T MOULD [ C] LUBRICANT PRESSURE [bar] ARM VELOCITY [cm/s] LUBRICANT CONC. [%] nd PHASE VELOCITY [m/s] PISTON PRESSURE [bar] POROSITY (hydraulic) [%] POROSITY (electric) [%] , HIGH,+/-0,5 3,+/-0, , HIGH,3+/-0, 3,1+/-0, , 0 1 0,5 HIGH 3,+/-0, 3,9+/-0, , 0 1 0,5 HIGH 3,+/-0,3 3,+/-0, , HIGH,+/-0,3,5+/-0, , HIGH,+/-0,3 3,3+/-0, , HIGH,+/-0, 3,7+/-0, , HIGH 10,7+/-0,7,1+/-0, , LOW,9+/-0,5,9+/-0, , LOW 7,1+/-0,,+/-0, , 0 3 0,5 HIGH 3,+/-0, 7,8+/-, , 0 3 0,5 HIGH 7,9+/-0,7 5,9+/-, HYDRAULIC MACHINE ELECTRIC MACHINE POROSITY % 8 high T low T POROSITY % 8 hight low T COUPLE COUPLE

21 c) Quantità di lubrificante COUPLE 1 3 SAMPLE N NUMBER OF PIECIES T BATH [ C] T MOULD [ C] LUBRICANT QUANTITY LUBRICANT PRESSURE [bar] ARM VELOCITY [cm/s] LUBRICANT CONC. [%] nd PHASE VELOCITY [m/s] PISTON PRESSURE [bar] POROSITY (hydraulic) [%] POROSITY (electric) [%] , HIGH,+/-0,5 3,+/-0, HIGH,+/-0,5,+/-0, , HIGH,+/-0, 3,7+/-0, HIGH 1+/- 3,+/-0, , LOW,9+/-0,5,9+/-0, LOW 7,+/-0, 5,5+/-0, Scarsa influenza della Buona progettazione quantità di lubrificante dello stampo

22 c) Quantità di lubrificante COUPLE 1 3 SAMPLE N NUMBER OF PIECIES T BATH [ C] T MOULD [ C] LUBRICANT QUANTITY LUBRICANT PRESSURE [bar] ARM VELOCITY [cm/s] LUBRICANT CONC. [%] nd PHASE VELOCITY [m/s] PISTON PRESSURE [bar] POROSITY (hydraulic) [%] POROSITY (electric) [%] , HIGH,+/-0,5 3,+/-0, HIGH,+/-0,5,+/-0, , HIGH,+/-0, 3,7+/-0, HIGH 1+/- 3,+/-0, , LOW,9+/-0,5,9+/-0, LOW 7,+/-0, 5,5+/-0, HYDRAULIC MACHINE ELECTRIC MACHINE POROSITY % 8 0, bar-0cm/s 1bar-0cm/s POROSITY % 8 0,bar-0cm/s 1bar-0cm/s COUPLE COUPLE

23 d) Temperatura del bagno COUPLE SAMPLE N NUMBER OF PIECIES T BATH [ C] T MOULD [ C] ALLOY TEMPERATURE LUBRICANT PRESSURE [bar] ARM VELOCITY [cm/s] LUBRICANT CONC. [%] nd PHASE VELOCITY [m/s] PISTON PRESSURE [bar] POROSITY (hydraulic) [%] POROSITY (electric) [%] , HIGH,3+/-0, 3,1+/-0, , HIGH 10,7+/-0,7,1+/-0, , 0 1 0,5 HIGH 3,+/-0,3 3,+/-0, , 0 1 0,5 HIGH 7,7+/-0, 3,7+/-0, , HIGH,+/-0,5 3,+/-0, , HIGH,+/-0, 3,7+/-0, , 0 1 0,5 HIGH 3,+/-0, 3,9+/-0, , 0 1 0,5 HIGH 7,5+/-0, 3,8+/-0, HIGH,+/-0,5,+/-0, HIGH 1+/- 3,+/-0, , HIGH,+/-0,3,+/-0, , HIGH,1+/-0,3 8,9+/-, , LOW 7,1+/-0, 5,+/-0, , LOW 7,1+/-0,3,7+/-0, , 0 3 0,5 LOW 5,3+/-0, 5,+/-0, , 0 3 0,5 LOW 5,3+/-0,5,8+/-0,3 HYDRAULIC MACHINE Nessuna influenza apparente ELECTRIC MACHINE C 10 C Relazione con fluidità e velocità iniezione C 10 C COUPLE COUPLE

24 e) Pressione di 3 fase INJECTION ENERGY HYDRAULIC ELECTRIC COUPLE SAMPLE N NUMBER OF PIECIES nd PHASE VELOCITY [m/s] PISTON PRESSURE [bar] POROSITY (hydraulic) [%] nd PHASE VELOCITY [m/s] PISTON PRESSURE [bar] POROSITY (electric) [%] ,+/-0,5 0,9 0,+/-0, ,+/-0, 0,7 10 5,5+/-0, ,+/-0,5 0,9 10 3,+/-0, ,9+/-0,5 0,7 110,9+/-0, ,1+/-0,3 0, ,9+/-, ,1+/-0,3 0,7 100,7+/-0, ,+/-0,3 0,9 150,+/-0, ,1+/-0, 0,7 9 5,+/-0, , ,7+/-0, 0,9 30 3,7+/-0, , /-1 0,3 100,+/-0, ,3+/-0, 0, ,1+/-0, ,1+/-0, 0,7 9,+/-0, Impossibile confrontare le due macchine per i problemi che l elettrica ha evidenziato nella gestione delle pressioni e delle velocità Confronto in termini di alta e bassa energia di iniezione, tenendo però presenti i problemi che la combinazione di V e P possono causare.

25 e) Pressione di 3 fase INJECTION ENERGY HYDRAULIC ELECTRIC COUPLE SAMPLE N NUMBER OF PIECIES nd PHASE VELOCITY [m/s] PISTON PRESSURE [bar] POROSITY (hydraulic) [%] nd PHASE VELOCITY [m/s] PISTON PRESSURE [bar] POROSITY (electric) [%] ,+/-0,5 0,9 0,+/-0, ,+/-0, 0,7 10 5,5+/-0, ,+/-0,5 0,9 10 3,+/-0, ,9+/-0,5 0,7 110,9+/-0, ,1+/-0,3 0, ,9+/-, ,1+/-0,3 0,7 100,7+/-0, ,+/-0,3 0,9 150,+/-0, ,1+/-0, 0,7 9 5,+/-0, , ,7+/-0, 0,9 30 3,7+/-0, , /-1 0,3 100,+/-0, ,3+/-0, 0, ,1+/-0, ,1+/-0, 0,7 9,+/-0, HYDRAULIC MACHINE ELECTRIC MACHINE POROSITY % 8 high low POROSITY % 8 high low COUPLE COUPLE

26 MACROGRAFIE Campione 1, porosità 3,1 % A-A Poche porosità, solo da gas B-B Aumento di porosità, dovute alle nervature C-C Zona a maggior porosità, ultima a solidificare Ingrandimenti X

27 La funzione PRE-LOAD campione 19 campione 19 PRE porosità, % porosità 3, % Porosità da gas Cavità da ritiro Porosità da gas VANTAGGI funzione PRE-LOAD: Riduzione della porosità Distribuzione più fine della stessa migliori proprietà meccaniche Assenza di cavità da ritiro Processo più rapido

28 ... il peggior risultato ottenuto Campione. poroità 15,3% Ingrandimento X Risultato della combinazione di: Stampo freddo Molto lubrificante Bassa energia Ingrandimento 5X

29 Il pezzo PHILIPS i risultati mostrano un chiaro peggioramento della qualità nei pezzi ottenuti con macchina elettrica natura turbolenta del flusso causata dai problemi di funzionamento della macchina. ELECTRIC vs HYDRAULIC POROSITY % A B C D E TEST hydraulic electric

30 MACROGRAFIE B A Caso A (standard), porosità 1,%: come aspettato ha dato la minor porosità. C C B A Caso A, sez. C-C, X

31 Caso B, porosità 8,7%: eccesso di lubrificante e mancanza di fagioli. Elevato incremento della porosità Caso B, sez. A-A, X Distorsioni del pezzo 5X Caso B, sez. C-C, X 5X

32 Caso C, porosità 5,5 %: temperatura dello stampo troppo bassa (0 C). Caso D, porosità,1%: incremento di turbolenze nel flusso. Porosità concentrata nel centro Porosità concentrata agli spigoli. Sez. C-C, X Sez. A-A, X 5X 5X

33 Caso E, porosità 1,7%: anticipo seconda fase Maggiori turbolenze Maggiore porosità Come nel caso D porosità concentrate agli spigoli

34 LA SIMULAZIONE SCOPO: avere una visione di ciò che accade all interno dello stampo durante il riempimento. STRUMENTO: software di calcolo ProCAST sviluppato dalla CalcomESI.

35 PROCEDIMENTO File IGES Creazione mesh Inserimento parametri e condizioni al contorno Elaborazione simulazione

36 Calcolo esclusivamente FLUIDODINAMICO, inserendo i valori di velocità di prima e seconda fase per entrambi i casi (HIGH velocity e LOW velocity). 1 FASE FASE HIGH velocity 1,5 m/s 10,3 m/s LOW velocity 1,5 m/s,9 m/s

37 RISULTATI HIGH VELOCITY

38 RISULTATI LOW VELOCITY

39 CONCLUSIONI Sono emersi seri problemi da parte della macchina elettrica inerenti al controllo della velocità e della pressione. Lo studio dei parametri ha messo in evidenza una maggiore sensibilità del pezzo Philips alle condizioni di lavoro. La simulazione ha fornito utili informazioni riguardo al riempimento dello stampo Bosch.

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