Index of /rozprawy2/10518

Pełen tekst

(1)Akademia Górniczo – Hutnicza im. Stanisława Staszica w Krakowie. Wydział Metali Nieżelaznych Katedra Przeróbki Plastycznej i Metaloznawstwa Metali Nieżelaznych. PRACA DOKTORSKA Wyznaczenie optymalnych warunków odkształcenia w nowym procesie walcowania pielgrzymowego rur na zimno. mgr inż. Daniel Pociecha Promotor: dr hab. inż. Jan Osika prof. nadzw.. Kraków 2012. 1.

(2) Składam wyrazy wdzięczności dla mojego Promotora Pana prof. dr hab. inż. Jana Osiki za opiekę i wsparcie naukowe w czasie prac eksperymentalnych oraz redakcji niniejszej pracy.. 2.

(3) Pragnę również podziękować mojej żonie Magdalenie, za okazane wsparcie, cierpliwość i wyrozumiałość, oraz innym osobom, które w mniejszym lub większym stopniu przyczyniły się do powstania niniejszej pracy, szczególnie panu Profesorowi Heintzowi Palkowskiemu z TU Clausthal w Niemczech.. 3.

(4) Praca realizowana w ramach. 1.. Projekt międzynarodowy niewspółfinansowany Nr: DWM/N75/DAAD/2008, nr umowy AGH: 28.28.180.7007 Termin realizacji projektu 31.10.2008 r. – 28.02.2011 r. Temat: „Badanie płynięcia materiału w procesie walcowania pielgrzymowego na zimno”. 2.. Grant badawczy promotorski Nr: N N508 588139, nr umowy: 5881/B/T02/2010/39 Termin realizacji projektu: 04.08.2010 r. – 26.10.2012 r. Temat: „Badania przestrzennych stanów naprężenia i odkształcenia oraz sił walcowania w nowym procesie walcowania pielgrzymowego rur na zimno”. 3.. Grant dziekański Decyzja nr: 112/10/E – 356/M/2011, nr umowy AGH: 15.11.180.524 Termin realizacji: 21.03.2011 r. – 31.12.2012 r. Temat: „Badania płynięcia materiału w nowym procesie walcowania rur na zimno w walcarkach pielgrzymowych”. 4.. „Doctus” małopolski fundusz stypendialny dla doktorantów 2008/2011: człowiek – najlepsza inwestycja. Kraków, Małopolskie Centrum Przedsiębiorczości Numer umowy stypendialnej: MCP.ZS.4110-20.4/2008 Termin realizacji: 01.10.2008 r. – 30.09.2011 r. Temat: „Wyznaczenie optymalnych warunków odkształcenia w nowym procesie walcowania pielgrzymowego rur na zimno”. 5.. Obliczenia matematyczne przy wykorzystaniu programu Abaqus, ACK CYFRONET AGH, Kraków, ul. Nawojki 11, Klaster obliczeniowy IBM BladeCenter HS21 (mars). 4.

(5) Spis treści. Wykaz najważniejszych oznaczeń .................................................................................... 7 Streszczenie ...................................................................................................................... 8 Abstract ............................................................................................................................. 9 Wstęp .............................................................................................................................. 10 1. Stan zagadnienia ......................................................................................................... 11 1.1. Walcowanie pielgrzymowe rur na zimno ....................................................... 12 1.2. Modelowanie procesu pielgrzymowego ......................................................... 13 1.2.1. Modelowanie fizyczne i matematyczne ............................................. 17 1.2.2. Symulacje numeryczne procesu pielgrzymowego ............................. 19 1.3. Stan odkształcenia w procesie pielgrzymowym ............................................. 22 1.3.1. Stan odkształcenia w chwilowej kotlinie walcowniczej .................... 22 1.3.2. Stan odkształcenia w stożku roboczym. ............................................ 23 1.4. Przygotowanie narzędzi do walcowania pielgrzymowego ............................ 27 1.5. Badania klasycznego procesu pielgrzymowego rur ....................................... 29 Tezy pracy....................................................................................................................... 31 Cel pracy ......................................................................................................................... 32 2. Badania własne ........................................................................................................... 33 2.1. Wybór materiału modelowego ....................................................................... 35 2.2. Modelowanie fizyczne ................................................................................... 39 2.2.1. Modelowa walcarka pielgrzymowa ................................................... 39 2.2.2. Zastosowanie systemu Argus do pomiarów pól odkształceń ............ 42 2.2.3. Stereofotogrametryczna metoda pomiaru odkształceń ...................... 48 2.2.4. Automatyczna anotacja punktów odniesienia i pomiarowych ........... 59 2.2.5. Pomiar sił walcowania w modelowej walcarce pielgrzymowej ........ 64 2.2.6. Badania zmiennych stanów naprężenia w chwilowej kotlinie pielgrzymowej.............................................................................................. 66. 5.

(6) 2.2.7. Ocena jakości rur po procesie walcowania ........................................ 67 2.3. Symulacja numeryczna nowego procesu pielgrzymowego............................ 69 2.4. Wyniki badań ................................................................................................. 73 2.4.1. Pomiar odkształceń przy wykorzystaniu systemu Argus ................... 73 2.4.2. Pomiar odkształceń metodą stereofotogrametryczną......................... 75 2.4.3. Pomiar parametrów siłowych ............................................................ 79 2.4.4. Zmienny stan naprężenia a siły walcowania ...................................... 85 2.4.5. Badania decentryczności, różnościenności oraz rozkładów grubości rur ................................................................................................................. 86 2.4.6. Wyniki symulacji numerycznej nowego procesu pielgrzymowego .. 92 2.5. Analiza uzyskanych wyników ...................................................................... 100 2.6. Optymalne warunki odkształcenia ............................................................... 103 Wnioski ......................................................................................................................... 104 Literatura ....................................................................................................................... 105 Spis rysunków ............................................................................................................... 112 Spis tabel ....................................................................................................................... 117 Walcowanie na zimno rur aluminiowych w walcarce pielgrzymowej nowej generacji – film wideo ..................................................................................................................... 118. 6.

(7) Wykaz najważniejszych oznaczeń. Nazwa. Symbol. Jednostka SI. wydłużenie. A. %. moduł Younga. E. N/m2. decentryczność. Ec. –. siła osiowa w rurze. Fr. N. siła osiowa w trzpieniu. Ft. N. nacisk metalu na walce. Fw. N. ciśnienie w układzie hydraulicznym. pN. kg/(m·s2). wytrzymałość na rozciąganie. Rm. N/m2. umowna granica plastyczności. Rp0,2. N/m2. różnościenność. U. –. położenie sań. s. m. czas. t. s. błędy pomiarowe. δf, δd, δp. –. odkształcenie rzeczywiste wydłużenie logarytmiczne. ε. –. intensywność odkształcenia. εi. –. ̇. s-1. współczynnik wydłużenia. λ. –. współczynnik tarcia. µ. –. współczynnik Poissona. ν. –. kąt obrotu rury. Φ. [stopnie]. prędkość odkształcenia. 7.

(8) Streszczenie. W pracy zaprezentowano analizę nowego procesu walcowania pielgrzymowego rur na zimno, pod kątem doboru optymalnych warunków odkształcenia metalu. Eksperymenty przeprowadzono na modelowej walcarce pielgrzymowej, wykonanej według nowej koncepcji walcowania pielgrzymowego rur na zimno. Badania obejmowały modelowanie fizyczne, modelowanie numeryczne, oraz ocenę rur przed i po procesie walcowania. Pomiar odkształceń w stożku roboczym wykonano przy wykorzystaniu komercyjnego systemu pomiarowego ARGUS, oraz za pomocą stereofotogrametrycznej metody pomiaru, opracowanej przez autora pracy. Wyznaczono parametry siłowe – nacisk metalu na walce, siła osiowa w rurze i trzpieniu – występujące w czasie procesu walcowania. Zbadano również jak zmienny stan naprężenia wpływa na proces walcowania. Ocena jakości rur po walcowaniu, wykonana została na podstawie pomiarów decentryczności i różnościenności walcowanych rur. Opracowano model numeryczny nowego rozwiązania, na którym testowane były różne kalibrowania urządzenia. Poprawność wykonania modelu, zweryfikowana została na podstawie analizy porównawczej wyników z modelowania fizycznego i symulacji numerycznej.. 8.

(9) Abstract. Determination of the optimal deformation conditions in the new cold pilger rolling process.. The researches presented in this thesis are focused on optimal conditions of metal deformation in the new cold pilger rolling process. Experiments were made on prototype pilger roller, designed due to new concept of tube rolling process. This paper presents physical modelling, numerical simulations, and tube quality assessment, before and after rolling. The strain measurements in working cone were obtained using two methods. The first one is by using professional optical measuring system ARGUS, second one is stereo-photogrammetric method of strain measurement – this technique was proposed by author of thesis. Rolling forces – including metal pressure on rolls, axial force in tube and mandrel, were measured during standard rolling, and also during rolling, where stress variation was added. Tube quality assessment was obtained, by eccentricity and relative wall thickness measurement. In the end, numerical model was prepared, where variety of model calibration was tested. Numerical simulations were verified by comparison with physical modelling results.. 9.

(10) Wstęp. Proces pielgrzymowy należy do bardzo efektywnych metod wytwarzania rur bez szwu, stalowych oraz metali nieżelaznych i ich stopów. W ostatnich latach, walcowane rury stalowe ograniczają się praktycznie do stali łożyskowych i wysokostopowych o bardzo dobrych własnościach mechanicznych. Dużą grupę stanowią walcowane rury miedziane, i miedziane stopowe – głównie mosiądze. Z uwagi na wysoką cenę miedzi, oraz pojawienie się nowych konkurencyjnych procesów wytwarzania miedzianych rur takich jak Castform OY, Danieli ECT i Upcast popyt na walcowane rury miedziane jest mniejszy. Pomimo tego walcowanie pielgrzymowe rur miedzianych jest nadal stosowane, z uwagi na bezkonkurencyjną jakość w porównaniu do innych metod. Walcowanie pielgrzymowe jest również powszechnie stosowane do walcowania rur cyrkonowych przeznaczonych głównie do energetyki jądrowej, oraz tytanowych stosowanych w przemyśle chemicznym. Od wielu lat w obecnej Katedrze Przeróbki Plastycznej i Metaloznawstwa Metali Nieżelaznych, prowadzone są badania klasycznego procesu walcowania pielgrzymowego. W roku 2005, zespół pod kierownictwem Osiki zaprezentował nową koncepcję walcowania pielgrzymowego rur na zimno. W niniejszej pracy zaprezentowano badania nowego procesu walcowania pielgrzymowego. Badania prowadzone były przy współpracy z TU Clausthal w Niemczech. Głównym celem pracy, jest wyznaczenie optymalnych warunków odkształcenia w nowym procesie, pod kątem późniejszego przemysłowego zastosowania tego rozwiązania. W rozdziale pierwszym przedstawiona została nowa koncepcja walcowania pielgrzymowego rur na zimno oraz opis działania modelowej walcarki pielgrzymowej. Przeprowadzony został również przegląd literaturowy, z zakresu tematów związanych z przemysłowym otrzymywaniem rur z metali nieżelaznych i ich stopów, jak również dane literaturowe dotyczące samego procesu. W rozdziale drugim zaprezentowano wyniki badań własnych w modelowej walcarce pielgrzymowej, pracującej według nowej koncepcji. W pierwszej kolejności przedstawiono zastosowane metody badawcze, oraz opisano sposób przeprowadzania eksperymentów. Następnie pokazane zostały wybrane wyniki badań, z zakresu modelowania fizycznego oraz symulacji numerycznej nowego procesu. Na końcu zaprezentowano analizę uzyskanych wyników oraz wnioski końcowe.. 10.

(11) 1. Stan zagadnienia. 11.

(12) 1.1. Walcowanie pielgrzymowe rur na zimno W roku 1888 Breuser przy współpracy z Mannesmannem Alexem opracował ideę procesu walcowania pielgrzymowego – cyklicznego procesu odkształcenia plastycznego. Koncepcja ta pozwalała na uzyskanie dużego przerobu i wysokiej jakości materiału. Pomysł ten rozwijany był przez Dergahla (1891), Ackermana (1908) i Glasera (1918). Dzięki temu możliwe było przemysłowe zastosowanie walcowania pielgrzymowego rur na gorąco z nieruchomą klatką. W rozwiązaniu tym, walce wykonywały stały ruch obrotowy w jednym kierunku, a materiał umieszczony na saniach, wprowadzany był cyklicznie do strefy odkształcenia. W trakcie walcownia powstawał duży odpad materiału, nie można było również walcować rury za rurą w sposób ciągły. Dopiero w 1928 roku, Newbert opracował technologię walcowania pielgrzymowego rur na zimno. Newbert jako pierwszy zaproponował rozwiązanie z ruchomą klatką – co w tym wypadku i na ówczesne możliwości okazało się bardzo skuteczne. Początkowo proces rozwijał się pod nazwą „rockright”. Na szeroką skalę proces pojawił się w przemyśle w 1935 w Niemczech, a później w ZSSR (1938 rok) [55]. Pierwszy patent, dotyczący walcarki pielgrzymowej, pochodzi z roku 1935 [35]. Gwałtowny wzrost wydajności procesu pielgrzymowego nastąpił w latach 60-tych dwudziestego wieku, kiedy to pojawiły się walcarki Mannesmanna z ruchomą klatką, oraz firmy Aetna Standard z ruchomą karetką. W Polsce, pierwsze walcarki pojawiły się w 1958 roku w Hucie im. Buczka. Następnie w obecnej Hucie Andrzeja (dawnej Świerczewskiego) zastosowano walcarkę pielgrzymową do walcowania rur stalowych. W 1964 roku, walcarkę zakupiła „Grupa Kęty” do walcowania stopów Al., a w roku 1975 kolejna walcarka zaczęła pracować w Walcowni Metali „Dziedzice” S.A (WMD), w Czechowicach-Dziedzicach, wykorzystywana do walcowania mosiądzu. Ostatnia walcarka zakupiona została w 2001 roku do Hutmenu (Wrocław) do walcowania głównie rur miedzianych, oraz w niewielkich ilościach mosiądzów i miedzioniklów. Aktualnie w Polsce pracują tylko trzy walcarki do walcowania metali nieżelaznych, zrezygnowano natomiast z walcowania pielgrzymowego rur stalowych. Walcarka pracująca w Grupie Kęty, realizuje jedynie sporadyczne zamówienia, natomiast walcarka pracująca w Hutmenie, przewidziana jest do przeniesienia do Walcowni Metali Dziedzice, gdzie będzie zlokalizowana produkcja rur z metali nieżelaznych.. 12.

(13) 1.2. Modelowanie procesu pielgrzymowego Walcowanie rur na zimno w walcarkach pielgrzymowych, jest procesem cyklicznym. W rozwiązaniu klasycznym (rys. 1a), klatka walcownicza jest ruchoma i wykonuje ruch posuwisto – zwrotny, a walce robocze poruszają się wraz z klatką, jednocześnie obracając się w przeciwnych kierunkach.. 1. 2. a) 1 2. b) Rys. 1. Schemat procesów pielgrzymowych: a) klasycznego, b) według nowej koncepcji, 1- klatka z walcami, 2- układ napędowy walcarki. Na walcach roboczych wycięty jest wykrój, tak dobrany, aby w skrajnych położeniach klatki walcowniczej, średnica wykroju była równa: od wejścia rurze wsadowej, na wyjściu rurze gotowej. Cały cykl zaczyna się w tylnym martwym położeniu (po stronie rury wsadowej). Rurę wsadową wsuwamy o niewielką odległość zwaną posuwem. Jednocześnie rura obracana jest o kąt, zależny od walcowanego materiału. Niewielka objętość metalu, zwana objętością posuwu, wprowadzana jest w kotlinę odkształcenia. W wyniku ruchu klatki w przód, objętość posuwu zostanie rozwalcowana na stożkowym nieruchomym trzpieniu. W wyniku odkształcenia plastycznego następuje redukcja średnicy zewnętrznej, grubości ścianki i zwiększenie długości w kierunku osi rury. Materiał płynie w kierunku poprzecznym w stosunku do osi rury, a więc przekrój poprzeczny jest owalem o poziomej dłuższej osi i pionowej krótszej (rys. 2). W przednim martwym położeniu, również następuje obrót, o wcześniej ustalony kąt. Po wykonaniu obrotu, klatka wraca w tylne martwe położenie. W wyniku odkształcenia plastycznego zachodzącego podczas ruchu klatki w tył następuje 13.

(14) wyrównanie owalizacji przekroju, który jest teraz kołowy. W przypadku materiałów twardych i trudno-odkształcalnych następuje jeszcze dodatkowo niewielka redukcja średnicy zewnętrznej, by w ten sposób usunąć efekt sprężystego odkształcenia narzędzi podczas ruchu klatki w przód.. Niekiedy, aby zwiększyć wydajność procesu i wielkość odkształcenia przypadającą na ruch klatki w tył, stosuje się posuw również i w przednim martwym położeniu – rozwiązanie coraz rzadziej stosowane.. Rys. 2. Owalizacja rury powstająca podczas walcowania [74]. Analiza wyników badań przemysłowych prowadzonych przez Osikę wykazała, że wyczerpały się możliwości intensyfikacji procesu klasycznego – nie można zwiększyć odkształcalności granicznej walcowanych metali, oraz wydajności procesu. Dlatego podjęto badania nad nowym procesem pielgrzymowym. W nowym rozwiązaniu konstrukcyjnym walcarki pielgrzymowej (rys. 1b) klatka walcownicza jest nieruchoma, a rura jest umieszczona na saniach i wprowadzana pomiędzy walce. Sanie wykonują ruch posuwisto – zwrotny, a walce jedynie ruch obrotowy. W skrajnych położeniach sań – podobnie jak w procesie klasycznym – zachodzi obrót rury oraz kolejny posuw. Aby lepiej zobrazować nową metodę walcowania, na końcu pracy załączono płytę z nagraniem procesu walcowania, autorstwa Osiki. Nowe rozwiązanie konstrukcji klatki walcowniczej powinno zapewnić dalszą intensyfikację procesu pielgrzymowania na zimno z racji zwiększenia sztywności klatki walcowniczej oraz istotnego zmniejszenia sił bezwładności. Przedstawiona w [55, 43, 58] nowa koncepcja rozwiązania procesu pielgrzymowego, stanowiła podstawę projektu walcarki pielgrzymowej nowej generacji. Do zalet przedstawionego rozwiązania technicznego należą:  obniżenie o ponad połowę ciężaru mas ruchomych wykonujących ruch posuwisto – zwrotny,  nieruchoma klatka walcarki umożliwia praktycznie nieograniczone zwiększenie jej sztywności, bez obawy zwiększenia jej masy,  możliwe jest zwiększenie średnicy walców, a zatem wydłużenie stożka roboczego,  możliwość zastosowania tańszego hydraulicznego układu napędowego o prostej konstrukcji. 14.

(15) Rys. 3. Schemat walcarki pielgrzymowej nowej generacji do modelowania fizycznego procesu pielgrzymowania rur na zimno: 1 – klatka walcownicza, 2 – walec roboczy, 3 – walec pierścieniowy, 4 – koło zębatki, 5 – przekładnia zębata 1:1, 6 - sanie, 7 – mechanizm posuwu i obrotu z żerdziną, 8 – wózek rury wsadowej, 9 – walcowana rura, 10 – listwa zębatki, 11 – czujnik do pomiaru nacisku metalu na walce W rozwiązaniu tym przyjęto (rys. 3), że klatka robocza /1/ wraz z walcami pozostaje nieruchoma w cyklu roboczym odkształcenia. Walce /2/ wykonują więc tylko ruch obrotowy, natomiast umieszczona na saniach /6/ walcowana rura /9/ wraz z umieszczonymi w jej wnętrzu żerdziną i trzpieniem wykonuje ruch posuwisto – zwrotny. W tym procesie cykl roboczy rozpoczyna się, gdy sanie znajdują się w przednim martwym położeniu PMP (po stronie rury gotowej). Wtedy wykonuje się posuw i obrót o kąt 60º walcowanej rury. Podczas przejścia sań w tylne martwe położenie TMP (po stronie rury wsadowej) następuje odkształcenie plastyczne, a po ich zatrzymaniu wykonuje się obrót rury.. a). b). Rys. 4. Przeniesienie sił z układu napędowego do klatki roboczej walcarki pielgrzymowej: a) rozwiązanie klasyczne, b) walcarka nowej generacji o napędzie hydraulicznym; 1– klatka robocza, 2– stożek roboczy walcowanej rury, 3– układ koło zębate - listwa zębatki, 4– wózek posuwu, 5– układ zamocowania żerdziny, 6– żerdzina, 7– koło zębate przekładni 1:1, 8– sanie, 9– korbowód klatki) [55].. 15.

(16) W pracy [58] autor stwierdza, iż przyjęcie nowego rozwiązania z nieruchomą klatką i walcami wykonującymi tylko ruch obrotowy zmienia układ sił przenoszonych od napędu do klatki. W procesie klasycznym (rys. 4a) siły z korbowodów klatki F powodują jej ruch posuwisto – zwrotny i ruch obrotowy walców roboczych natomiast moment obrotowy powoduje działanie sił walcowania wywołujących odkształcenie plastyczne w chwilowej kotlinie pielgrzymowej stąd w tym procesie tak naprawdę występują tylko dwie siły: pionowa, powodująca nacisk metalu na walce Fw, oraz pozioma czyli siła osiowa w rurze Fr. W nowym procesie (rys. 4b) siła napędowa sań F rozkłada się na dwie składowe: F1 – siła w listwie zębatki, która wywołuje moment obrotowy walców i F2 – działająca osiowo w walcowanej rurze. Można się spodziewać innego stanu naprężenia w chwilowej kotlinie walcowniczej w porównaniu z procesem klasycznym, pomimo iż układ sił wydaje się być podobny. Badania na rzeczywistych obiektach są czasochłonne – przygotowanie i przeprowadzanie eksperymentów, oraz kosztowne – przestoje w pracy maszyny. Ponadto, z uwagi na konstrukcję walcarki, w badaniach rzeczywistych, można uzyskać jedynie wyniki rozkładów sił walcowania i w układzie napędowym, oraz w ograniczonym stopniu można zmierzyć odkształcenia. Dlatego konieczne jest zastosowanie modelowania fizycznego i matematycznego.. 16.

(17) 1.2.1. Modelowanie fizyczne i matematyczne Pierwsze próby modelowania matematycznego procesu pielgrzymowego podjęli Siebel-Neumann [69], Galeji [21] oraz Ńevakin [68] którzy swoje modele, zbudowali w analogii do walcowania wzdłużnego, gdzie siła nacisku metalu na walce, liczona jest, jako funkcja położenia walca wzdłuż trzpienia. Ich modele zakładały nieliniową rozwiniętą wykroju a liniową trzpienia. W praktyce zaproponowane modele nie dawały zadowalającej dokładności. Kolejnym autorem, który podjął próbę modelowania procesu pielgrzymowego, jest Yoshida [80], który mierzył odkształcenia, na podstawie zdeformowanych siatek nadrukowanych na powierzchni rury. Naprężenia policzone zostały przy wykorzystaniu kryterium plastyczności Hubera-Misesa, oraz zasadę płynięcia Henckego-Misesa. Dale Furugen i Hayashi [20], badali odkształcalność graniczną, dla szeregu walcowanych materiałów, stali i metali nieżelaznych. W pracy [3] Aubin modelował pęknięcia, pojawiające się na walcowanych rurach cyrkonowych, przeznaczonych dla energetyki jądrowej. Opracowany przez autora model, pozwalał na wyznaczenie takich warunków prowadzenia procesu – kalibrowanie walców, parametry walcowania oraz tarcie – przy których nie pojawiają się defekty powierzchniowe. Badania nad wyznaczeniem zależności umożliwiającej dobór optymalnej funkcji naprężenie-odkształcenie w procesach walcowania wzdłużnego oraz pielgrzymowego prowadził Grosman [26]. Autor sklasyfikował pięć grup funkcji naprężenie-odkształcenie dobieranych w zależności od skomplikowania zadania modelowego. Ńevakin [68] prowadził również badania naprężeń w chwilowej kotlinie walcowniczej. W tym celu wykonał w półwalcu otwory, w których umieścił trzy czujniki igłowe do pomiaru nacisku jednostkowego w chwilowej kotlinie pielgrzymowej – nie udało mu się jednak uzyskać wyników o zadowalającej dokładności. W pracy [19] Frolov badał wpływ temperatury na sposób deformacji i intensywność umocnienia metalu, natomiast Chechulin [12] analizował siły występujące w trzpieniu, dla procesu walcowania stali. Abe [1, 2] zaproponował sposób badania odkształcalności cyrkonowych rur, przeznaczonych do procesu walcowania pielgrzymowego. Autor zaprezentował wyniki cyklicznego ściskania cylindrycznych próbek, sugerując analogię do procesu walcowania pielgrzymowego. Osobną grupę, stanowią badania dotyczące narzędzi przeznaczonych do walcowania pielgrzymowego. Girard [24] badał naprężenia szczątkowe, występujące w walcach. Autor przeprowadził analizę tensora naprężeń, przy wykorzystaniu metody dyfrakcji promieni rentgenowskich. Tą samą metodę pomiaru, wykorzystał Davies [13] w badaniu anizotropii odkształcenia w walcowanych rurach tytanowych. Stapleton [72] analizował powierzchnię przewalcowanych rur, pod kątem projektowania takiego projektowania narzędzi, aby wyeliminować występowanie wad powierzchniowych. Gojić [25] badał wpływ obróbki cieplnej stalowych trzpieni. W swojej pracy udowodnił wpływ zbyt dużego umocnienia stalowych trzpieni na ich wytrzymałość, oraz problemy z pękaniem. Podobne badania, tym razem dotyczące pękania walców, prowadzone były przez Lavendera [31]. Autor badał mikroskopowo, pęknięcia, pojawiające się w wykroju walców. 17.

(18) W literaturze napotkać można sporą grupę prac dotyczących uzyskiwania rur cyrkonowych i cyrkonowych stopowych, przeznaczonych dla energetyki jądrowej. Z uwagi na wymagający przemysł energetyczny, rury cyrkonowe charakteryzować musi bardzo wysoka jakość. W swojej pracy Murty [39] badał w jakim stopniu anizotropia odkształcenia ma wpływ na jakość rur cyrkonowych stopowych, przeznaczonych do transportu wody ciężkiej i lekkiej w reaktorze jądrowym. Dalsze badania, dotyczące cienkościennych bezszwowych rur cyrkonowych stopowych, prowadzone były przez Siababe [65] oraz Santistebana [66].. 18.

(19) 1.2.2. Symulacje numeryczne procesu pielgrzymowego Pierwsze symulacje numeryczne procesu pielgrzymowego pojawiły się wraz z coraz szerszym wykorzystaniem komputerów, dzięki którym czasochłonne obliczenia mogły zostać przeprowadzone szybciej. Symulację numeryczną procesu walcowania pielgrzymowego, w którym model 3D jest zastąpiony tzw. uogólnionym płaskim stanem odkształcenia zaprezentował Osika w pracach [46, 54]. Autor badał odkształcenia w chwilowej kotlinie odkształcenia, oraz w stożku roboczym. Zaprezentowany model pozwalał wyznaczyć składowe stanu odkształcenia, oraz wyznaczyć przemieszczenia dowolnych punktów w trakcie walcowania. Autor wyznaczył również współczynniki tarcia metalu o walce oraz trzpień, podczas walcowania. Mulot [38] zaprezentował trójwymiarowy model procesu walcowania pielgrzymowego rur cyrkonowych stopowych. Ze względu na ograniczone możliwości obliczeniowe, zamodelowano jedynie jeden pełny cykl walcowania. Obserwacjom poddane zostały m.in. deformacja materiału, w trakcie walcowania, wzdłuż kotliny odkształcenia (rys 5), obliczenia siły walcowania.. 1. 2. 3. Rys. 5. Strefa odkształcenia, wzdłuż trzpienia: 1- przyrost 60 przemieszczenie 24 mm, 2- przyrost 300 przemieszczenie 88 mm, 3- przyrost 900 przemieszczenie 215 mm [38]. Późniejsze prace Montmitonnet’a [37] również dotyczyły stopowych rur cyrkonowych. Model numeryczny procesu powstał w programie Forge3. Autor badał m.in. odkształcenia metalu oraz siły podczas walcowania w trzech pełnych cyklach roboczych (rys 6).. 19.

(20) Rys. 6. Siła nacisku metalu na walce w trzech cyklach roboczych walcarki [37]. Dalsze badania i rozwinięcie metody prezentowanej w [37] prowadził Lodej [32]. Autor badając przesunięcie punktów oraz odkształcenie w pojedynczym cyklu walcowania, wyznacza trajektorię przemieszczenia punktów, uwzględniając cykliczność procesu – posuw i obrót (rys. 7). Dzięki obliczeniom możliwe jest wyznaczenie położenia dowolnego punktu. Interpolując wstecz pola odkształceń, tworzona jest kompletna historia odkształcenia.. a). b). Rys. 7. Trajektoria punktu w trakcie odkształcenia: a) ruch punktu uwzględniający posuw i obrót, b) widok w przekroju (obrót 51º na cykl) [32]. Autor w pracy sygnalizuje, iż do uzyskania dokładnych wyników, konieczne jest przeprowadzenie kilku cykli walcowania, aby poprawić dokładność aproksymacji, uzyskanych w jednym cyklu walcowania.. 20.

(21) Kolejne prace dotyczące walcowania pielgrzymowego cyrkonowych rur, prowadzone były przez Haradę [27]. Autor przeprowadził kompleksową analizę procesu walcowania, uwzględniając obliczenia sztywności klatki, oraz efekt sprężynowania rury, po każdym cyklu walcowania (rys. 8).. Rys. 8. Efekt sprężynowania rury i jego wpływ na pomiary siły. Badania Harady kontynuowane były przez Nakanishiego [40], który wykorzystując program Ls-Dyna, symulował numerycznie proces dla jednego cyklu walcowania (rys. 9). Autor badał m.in. wpływ tarcia na przebieg procesu oraz sił jakie pojawiają się w trakcie walcowania.. Rys. 9. Model walcowania pielgrzymowego zaproponowany przez Nakanishiego [40]. Wymienione wyżej prace dotyczą przede wszystkim problematyki otrzymywania rur cyrkonowych i stopowych cyrkonowych przeznaczonych dla energetyki jądrowej. W większości przypadków, badania oparte są na jednym lub kilku cyklach walcowania, na tej podstawie wyciągane są wnioski na temat historii odkształcenia metalu. Prezentowany wyżej obszar wiedzy w ocenie autora jest dobrze przebadany, choć w literaturze trudno znaleźć bardziej szczegółowe opisy prowadzonych prac.. 21.

(22) 1.3. Stan odkształcenia w procesie pielgrzymowym 1.3.1. Stan odkształcenia w chwilowej kotlinie walcowniczej Stan odkształcenia w chwilowej kotlinie odkształcenia związany jest z niewielkim obszarem stożka roboczego w bieżącym położeniu klatki. Jemielianenko, jako pierwszy podjął próbę opisu teoretycznego chwilowej kotliny walcowniczej w procesach walcowania pielgrzymowego na zimno i na gorąco. Sformułował również zasadę określania odkształceń w cyklu roboczym (rys. 10), tzw. zasada Jemielianenki: „Gniot ścianki w cyklu roboczym procesu pielgrzymowego w dowolnym miejscu stożka roboczego o współrzędnej z równa się różnicy grubości ścianek, w przekrojach odległych od siebie, tak by objętość metalu zawarta między nimi była równa objętości posuwu.”. Rys. 10. Przejście objętości posuwu przez stożek roboczy [55].. 22.

(23) 1.3.2. Stan odkształcenia w stożku roboczym. Pierwsze opisy stożka roboczego, podane przez Jemielienkę, a następnie Osadę [42], upraszczane były, poprzez zastąpienie stożka roboczego, stożkiem ściętym, o tworzących liniowych, schodzących się ku sobie. Dopiero później Ńevakin [68], oraz Neuman-Siebel [69], zastąpili tworzącą wykroju walców nieliniową krzywą (rys. 38), co przyczyniło się do uzyskania lepszego rozkładu odkształcenia na długości stożka, oraz spowodowało zwiększenie wydajności procesu.. Rys. 11. Przekrój wzdłużny kotliny pielgrzymowej [38]. Dalej, Furrugia [16] w swojej pracy badał m.in. przemieszczenie punktów w stożku roboczym, podczas walcowania rury wykonanej z plasteliny (rys. 12). Badania prowadzone były zarówno na modelu fizycznym, jak i matematycznym. Uzyskane wyniki nie dawały pełnego obrazu na temat płynięcia metalu w trakcie walcowania. Dodatkowo zastosowanie nieproporcjonalnie dużych walców zaburzało podobieństwo modelowe, a zastosowanie materiałów niemetalicznych, nie pozwoliło na uzyskanie wyników z całej kotliny odkształcenia.. Rys. 12. Przemieszczenie otworów podczas walcowania [16]. Późniejsze badania m.in. Farugena [17], nad wyznaczeniem zależności opisujących stan odkształcenia w stożku roboczym, również nie dawały wyników o zadowalającej dokładności, oraz ze względu na złożony opis utrudniały analizę procesu. 23.

(24) Dopiero w pracy [56] Osika zaproponował model uwzględniający przestrzenny opis stanu odkształcenia w cyklu roboczym walcarki pielgrzymowej. Model pozwalał na badania odkształceń w stożku roboczym, z uwzględnieniem historii odkształcenia. Dzięki temu, możliwe jest wyznaczenie wartości odkształcenia w dowolnym miejscu w stożku roboczym, oraz w dowolnym etapie procesu walcowania. Podstawowe założenia modelu, zaprezentowane zostały poniżej.. Rys. 13. Przemieszczenie punktu P w cyklu roboczym [47]. Jeżeli w jednym pełnym cyklu roboczym dowolny punkt P przemieszcza się w położenie P’ (rys. 13), to dla tak przyjętego układu odniesienia, składowe stanu odkształcenia [22] w każdym punkcie stożka roboczego wyniosą:. ‖ ‖. ‖ ‖. (1). gdzie {u,v,w} określają pole przemieszczenia w cyklu roboczym. Powyższe wzory mają zastosowanie dla kartezjańskiego układu współrzędnych. Można również zastosować cylindryczny układ współrzędnych. Wymaga to zastosowania odpowiednio przekształconych wzorów [71]. Przedmiotem przeprowadzonych przez Osikę badań, były przemieszczenia w stożku roboczym i ich zmiana w kolejnych cyklach (rys. 14).. 24.

(25) Rys. 14. Przejście przekroju w jednym cyklu roboczym [56]. Gdy nie ma możliwości przerwać procesu, aby dokonać pomiarów odkształceń, na powierzchni, oraz wewnątrz rury należy nanieść siatki o możliwie dużej gęstości. Po przewalcowaniu rury, tak by materiał wypełnił całą strefę odkształcenia, należy zmierzyć współrzędne węzłów odkształconej siatki (rys. 15). Metoda ta, została nazwana przez autora MRS-PO. W ocenie autora jest to metoda mniej dokładna, niż zaprezentowana poniżej druga metoda pomiaru.. Rys. 15. Przewalcowany stożek roboczy z naniesioną odkształconą siatką [56]. Drugą metodą wyznaczania pól odkształceń w stożku roboczym – metoda MES-PO – można zastosować w przypadku, gdy jest możliwość wykonywania pomiarów w trakcie procesu walcowania. W metodzie tej siatka na rurze jest nanoszona dopiero w momencie gdy materiał wypełnia już cały stożek roboczy (rys. 16). Tak przeprowadzony pomiar, jest w ocenie autorów dokładniejszy, jeżeli chcemy uzyskać informację na temat odkształcenia metalu w jednym cyklu roboczym.. Rys. 16. Przygotowanie siatki, do pomiarów odkształceń [56]. Aby wyliczyć pole odkształcenia zarówno z metody MRS-PO i MES-PO, można zastosować metodę elementów skończonych. Analizowany obszar wypełniamy elementami czworościennymi bądź sześciościennymi. Dla elementów należy przyjąć odpowiednią funkcję kształtu. Wtedy, dla każdego z elementów, możemy przyjąć w zapisie macierzowym: 25.

(26) u   ui    Δ   v   [N]Δi   [ N] vi  w  w     i gdzie:. . (2). – wektor przemieszczenia w j – tym elemencie,. [N ] – macierz funkcji kształtu zależna od typu elementu,.  i . – wektor przemieszczeń węzłowych. Idąc dalej wektor odkształcenia można przedstawić zależnością:  x     y      z   B  xy    yz      zx . gdzie:. (3). [B] – macierz odkształcenia.. Obydwie, wyżej wymienione metody, mogą być stosowane zarówno w walcowaniu klasycznym, jak i w nowym procesie pielgrzymowym. Znajomość pól odkształceń może zostać wykorzystana w komputerowych systemach projektowania narzędzi do walcowania pielgrzymowego [52].. 26.

(27) 1.4. Przygotowanie narzędzi do walcowania pielgrzymowego Najważniejszym aspektem branym pod uwagę, przy wykonywaniu narzędzi dla procesu walcowania pielgrzymowego rur na zimno, są wymagania klientów, dotyczące najczęściej trwałości narzędzi, oraz ich ceny. Trwałość narzędzi, na którą składa się bezawaryjne użytkowanie (brak pęknięć i wyszczerbień na narzędziu), równomierne zużycie walców, oraz gładka powierzchnia walcowanej rury, są czynnikami najistotniejszymi, w przypadku przemysłowych narzędzi pielgrzymowych. Głównym czynnikiem wpływającym na sprostanie wyżej wymienionym wymaganiom, jest prawidłowe zaprojektowanie i wykonanie narzędzi, które obejmuje:       . dobór metody kalibrowania, obliczenie kształtu wykroju walców, uwzględniając rozwarcie wykroju, wyznaczenie tworzącej trzpienia, sporządzenie dokumentacji technicznej, dobór materiałów, wykonanie kompletu narzędzi, na obrabiarce numerycznej, obróbka cieplna narzędzi.. W literaturze [5, 23, 53, 61, 68, 69, i inne] znaleźć można różne wzory, służące do obliczania tworzących stożka roboczego dla narzędzi przeznaczonych do procesu pielgrzymowania rur na zimno. W rozwiązaniach tych, bardzo często przyjmuje się dla uproszczenia, liniowy charakter krzywej opisującej kalibrowanie trzpienia, co w tym wypadku jest zbyt dużym uproszczeniem. Prowadzono wiele prac nad wyborem optymalnej metody kalibrowania, niestety autorzy tych prac niejednokrotnie nie publikują swoich wyników, z uwagi na możliwość komercyjnego wykorzystania przez konkurencję. Wybór metody kalibrowania zależy od wielu czynników – programu walcowania, rodzaju walcowanego materiału czy wreszcie typu walcarki. W pracy [55] autor przedstawił następujące kryteria optymalnego kalibrowania narzędzi:      . minimalne zużycie narzędzi, minimalne zużycie energii odkształcenia, minimalny odpad walcowanych rur, wysoką jakość walcowanych rur, wysoką wydajność procesu, niski koszt wytwarzania rur.. Poprawne wyznaczenie kształtu tworzących trzpienia i walców wymaga więc uwzględnienia wielu czynników, co jest zadaniem trudnym, w podejściu analitycznym. Dlatego pożądane jest opracowanie modelu matematycznego, przy pomocy którego wyznaczenie tablicy kalibrowania odbywać się będzie w sposób numeryczny. Po określeniu wszystkich niezbędnych parametrów procesu, obliczany jest kształt tworzącej walca (rys. 17) oraz trzpienia.. 27.

(28) 2. 1. 3 a). b) Rys. 17. Walec: a) przekrój poprzeczny, b) rozwinięta wykroju walca oraz trzpień 1- część walcująca (odcinki kontrolne 1-41), 2- część kalibrująca (odc. kontrolne 42-58), 3- luz (odc. kontrolne 59-67) [55]. Wykonanie narzędzi obejmuje wybór odpowiednich materiałów – twardych stali narzędziowych, oraz frezowanie kształtu kotliny odkształcenia. W tym celu wykorzystuje się specjalne obrabiarki, sterowane numerycznie. Ostatni, etap to obróbka cieplna, nadająca narzędziom pożądane własności wytrzymałościowe. W literaturze praktycznie nie spotyka się prac z tego zakresu. Firmy, które opanowały proces obróbki cieplnej narzędzi do procesu pielgrzymowania, nie dzielą się informacjami na ten temat. Jednym z programów, umożliwiającym wyznaczenie tablicy kalibrowania walców jest Kaliber v3.2 autorstwa Osiki [52]. Autor zaproponował rozwiązanie, oparte na płaskim modelu matematycznym, opisanym za pomocą wzorów Ńevakina [68] oraz Neumana – Siebela [69] – metoda minimalizacyjna Osiki [52]. W metodzie tej kształt tworzących wykroju walców oraz trzpienia dobierany jest tak, by zapewnić minimum zużycia energii, oraz równomierny nacisk metalu na walce. Program ten opiera się na modelu 2D, który z uwagi na płaski stan odkształcenia i naprężenia jest modelem mniej dokładnym. Aby poprawić jakość uzyskiwanych wyników, należałoby zastosować model 3D, co będzie możliwe po zakończeniu realizacji niniejszej pracy. Należy także rozważyć możliwość przygotowania dokładniejszego rozwiązania przyjmując optymalizację dwukryterialną, a mianowicie minimalizacja energii odkształcenia oraz równomierny rozkład nacisku metalu na walce w funkcji drogi klatki (sań). Z uwagi na brak możliwości w Polsce wykonywania narzędzi problem ich projektowania (kalibrowanie) może mieć tylko znaczenie poznawcze – bez praktycznej weryfikacji. 28.

(29) 1.5. Badania klasycznego procesu pielgrzymowego rur Aby uzyskać informację na temat stanu odkształcenia metalu w konwencjonalnej walcarce pielgrzymowej, oraz jakie siły występują podczas walcowania, przeprowadzono próby w warunkach przemysłowych W pierwszej kolejności, mierzono siły występujących w klatce oraz siły osiowej w rurze. Czujniki tensometryczne w układzie pełnego mostka, umieszczone zostały pod klinami, podtrzymującymi walce robocze, na rurze miedzianej, naklejony został pojedynczy czujnik tensometryczny. Na rysunku 18 zaprezentowano wyniki przykładowych pomiarów wykonywanych w ramach prac w KPPiMMN. Celem pomiarów, było uzyskanie odpowiedzi na temat rozkładu i wielkości sił występujących w procesie rzeczywistym. Zauważyć można zgodność uzyskanych wyników, w porównaniu z wcześniej przeprowadzonymi badaniami tego typu [44]. Pomiar sił w obiekcie rzeczywistym 400 nacisk metalu na walce – czujnik lewy nacisk metalu na walce – czujnik prawy siła rozciągająca walcowaną rurę. 350. Siła - F [kN]. 300 250 200 150 100 50 0 0. 0,05. 0,1. 0,15. 0,2. 0,25. 0,3. 0,35. 0,4. Czas - t [s]. Rys. 18. Siły występujące podczas walcowania rury miedzianej w przemysłowej walcarce pielgrzymowej. Następnie przeprowadzono próbę pomiaru odkształceń również podczas walcowania rur miedzianych w przemysłowej walcarce pielgrzymowej. Do tego celu wykorzystano system pomiarowy ARGUS [86]. Problemy pojawiły się już podczas nakładania siatki. Przy próbie wykonania punktów białych, albo punkty są mało czytelne (rys 19a), lub, przy dłuższym trawieniu, na powierzchni punktów pojawia się śniedź (rys. 19b). Punkty czarne po nałożeniu dobrze kontrastują z powierzchnią miedzi, jednak już po kilku cyklach stają się trudne do rozpoznania, szczególnie w miejscach silnie odkształconych. 29.

(30) a). b). c). d). e) Rys. 19. Siatka przed walcowaniem: a) biała – 10 sekund trawienia, b) biała – 1 minuta trawienia, c) czarna – 1 minuta trawienia; po walcowaniu: d) biała, e) czarna.. 30.

(31) Tezy pracy. 1. Badania przeprowadzone w modelowej walcarce pozwolą dokładnie poznać i opisać nowy proces pielgrzymowy. Określenie pól odkształceń i naprężeń oraz rozkładów sił walcowania wskaże możliwości jego intensyfikacji w porównaniu z procesem klasycznym. 2. Stereofotogrametryczna metoda pomiaru pól odkształceń w cyklu roboczym procesu pielgrzymowego pozwoli wyznaczyć rzeczywisty stan 3D odkształcenia, z uwzględnieniem zmiany grubości ścianki, w trakcie procesu pielgrzymowania. 3. Nowy proces pielgrzymowy stwarza możliwości jego intensyfikacji, przy zachowaniu wysokiej jakości rur gotowych. Dodatkowo, wprowadzenie zmiennego stanu naprężenia, w trakcie procesu walcowania, korzystnie wpłynie na stan odkształcenia w chwilowej kotlinie walcowniczej, spowoduje zwiększenie odkształcalności granicznej walcowanego metalu, oraz obniżenie energii odkształcenia. 4. Model matematyczny nowego procesu walcowania pielgrzymowego rur, może zostać efektywnie wykorzystany do optymalizacji parametrów procesu oraz prognozy wielkości sił, występujących w trakcie walcowania. Jest to jedyna metoda umożliwiająca badanie stanów odkształcenia i naprężenia w chwilowej kotlinie pielgrzymowej.. 31.

(32) Cel pracy. Zasadniczym celem pracy jest wyznaczenie optymalnych warunków odkształcenia w nowym procesie walcowania pielgrzymowego rur na zimno. Aby ten cel mógł być zrealizowany, określone zostały następujące cele szczegółowe:  Opracowanie metody umożliwiającej pomiar odkształceń w modelowej walcarce pielgrzymowej. Wyniki pomiarów odkształceń na drodze modelowania fizycznego posłużą do zbadania i poznania nowego procesu oraz do oceny nowego procesu pielgrzymowego pod kątem zastosowanego kalibrowania walców.  Określenie wielkości sił, jakie występują w czasie procesu walcowania, tj. siły nacisku metalu na walce, siły osiowej w rurze i żerdzinie. Wyznaczenie wielkości sił, da odpowiedź na temat charakteru rozkładu nacisków w stożku roboczym. Ponadto wyniki posłużą do oceny poprawności wykonania modelu matematycznego  Porównywanie jakości rur przed i po procesie walcowania pielgrzymowego. Ocena jakości rur sprowadzać będzie się do wyznaczenia rozkładów grubości oraz decentryczności i różnościenności walcowanych rur. Dzięki temu możliwa będzie ocena wykończenia powierzchni roboczych walców oraz czy nowy proces nie pogarsza własności geometrycznych rur.  Badania wpływu stanu naprężenia w chwilowej kotlinie pielgrzymowej na odkształcalność graniczną. W zadaniu tym sprawdzone zostanie jak zmiana stanu naprężenia, wpływa na parametry siłowe, oraz odkształcalność graniczną badanego metalu. W tym celu zaprojektowana i wykonana zostanie głowica umożliwiająca zmianę stanu naprężenia w chwilowej kotlinie walcowniczej.  Opracowanie modelu matematycznego 3D nowego procesu walcowania pielgrzymowego rur na zimno. Model ten może być wykorzystany do optymalizacji procesu technologicznego a następnie do opracowania komputerowego systemu wspomagania projektowania narzędzi.. 32.

(33) 2. Badania własne. 33.

(34) Aby udowodnić wyżej postawione tezy, oraz aby zrealizować zamierzone cele, przyjęto program badań, zaprezentowany na rysunku 20.. Rys. 20.Program prowadzonych badań.. 34.

(35) 2.1. Wybór materiału modelowego Materiał modelowy, użyty do badań nad procesem walcowania pielgrzymowego rur, powinien jak najwierniej oddawać warunki, panujące w warunkach rzeczywistych – do tego celu najodpowiedniejsze wydają się materiały metaliczne. Dodatkowo, należy wziąć pod uwagę łatwość tworzenia siatki, służącej do obserwacji przemieszczenia metalu w trakcie walcowania. Do tego celu najbardziej nadają się materiały modelowe niemetaliczne, takie jak plastelina i filia [75, 76]. W pierwszej kolejności badaniom poddane zostały plastelina (rys. 21), oraz filia (rys. 22) [50].. 1 2 a). b). Rys. 21. Rura wykonana z czarnej plasteliny ze sztyftami z plasteliny białej: a) przed walcowaniem, b) po walcowaniu; 1- walcowana rura, 2- pierwsza wersja tablicy testowej do pomiarów stereofotogrametrycznych.. a). b) Rys. 22. Rura wykonana z filii, z markerami naniesionymi atramentem: a) przed walcowaniem, b) po walcowaniu. Jak widać z rysunków 21 i 22, niemetaliczne materiały modelowe nie nadają się do modelowania procesu walcowania pielgrzymowego. Mała odkształcalność plasteliny spowodowała, że rura pękła niemal od razu po wejściu w strefę odkształcenia. Duża lepkość filii spowodowała, że nie można przewalcować rury do. 35.

(36) końca gdyż pojawiają się pęknięcia. Ponadto, punkty wykonane atramentem znikają w trakcie walcowania. Potwierdziły to badania opisane w [50].. a). b). c) Rys. 23. Odkształcone rury: a) ołowiana, b) aluminiowa, c) miedziana. W kolejnych próbach, wykorzystano metaliczne materiały modelowe: ołów, aluminium oraz miedź. W rurze ołowianej (rys 23a) oraz w aluminiowej (rys 23b), wiertarką wywiercono otwory i umieszczono w nich miedziane sztyfty, natomiast na powierzchni rury miedzianej, metodą sitodruku, naniesiona została prostokątna niklowa siatka, (rys. 23c). Siatki na rurze ołowianej i aluminiowej, nie uległy zatarciu podczas procesu walcowania. Rura ołowiana, zdeformowała się (rozwarstwiła na dwie części) jedynie podczas wejścia w strefę kalibrowania wykroju (po przejściu ok ¾ długości strefy walcowania). Należy również wziąć pod uwagę że w temperaturze pokojowej, ołów rekrystalizuje, dlatego jako materiał modelowy może być wykorzystany do modelowania procesu walcowania pielgrzymowego na gorąco rur stalowych [4]. Prostokątna siatka na rurze miedzianej, znikła już po kilku cyklach walcowania. Ponadto, moc walcarki okazała się niewystarczająca, do kontynuowania walcowania. Do dalszych prac nad płynięciem metalu w trakcie walcowania pielgrzymowego, jako materiał modelowy wybrano wyciskane rury aluminiowe. Miedź okazała się za twarda, a siatki powierzchniowe nie były wystarczająco trwałe. W przypadku ołowiu, jednym z ograniczeń była sama produkcja rur – ołowiane rury były odlewane. Dodatkowo, w temperaturze pokojowej, ołów odkształca się na gorąco, stąd mniejsze podobieństwo modelowe w stosunku do konwencjonalnego procesu. Stanowisko pomiarowe oraz wyniki eksperymentów przy wykorzystaniu rur aluminiowych, są przedmiotem badań w niniejszej pracy doktorskiej. Parametry rur aluminiowych takie jak wytrzymałość na rozciąganie Rm, umowna granica plastyczności Rp0,2, oraz wydłużenie A, dostarczone zostały przez 36.

(37) producenta. Dodatkowo przeprowadzono statyczną próbę rozciągania próbek wykonanych z aluminium – kompletne dane wytrzymałościowe, potrzebne były do przeprowadzenia modelowania matematycznego procesu pielgrzymowania. Próbki przygotowane zostały według normy PN-EN 10002-1. Krzywa umocnienia dla aluminiowej próbki, zaprezentowana została na rysunku 24, do tego celu wykorzystano maszynę wytrzymałościową firmy „Zwick” [90].. Rys. 24. Krzywa umocnienia aluminiowej próbki uzyskana w statycznej próbie rozciągania. Na podstawie krzywej umocnienia wyznaczono własności mechaniczne rury. Uzyskane wielkości, zgadzają się z wartościami podanymi przez producenta rur. W tabeli 1 zaprezentowano podstawowe dane dotyczące walcowanych rur. Tabela 1. Własności mechaniczne oraz wymiary rur aluminiowych Materiał. Stan. Średnica zewnętrzn a. Grubość ścianki. Rm. Rp 0,2. A. 99,7. H112. 45 [mm]. 4,5 [mm]. 89 [MPa]. 50 [MPa]. 18,1 [%]. Przed przystąpieniem do pomiarów, konieczne było jeszcze opracowanie metody nanoszenia punktów pomiarowych na powierzchni aluminiowej rury. Metoda elektrochemiczna nie sprawdziła się we wcześniejszych badaniach. Zrezygnowano również z prób przy wykorzystaniu techniki znakowaniu laserowego – można uzyskać punkty o dużej gęstości i dokładności wykonania, jednak trwałość tej metody porównywalna z metodami elektrochemicznymi. Podjęto próbę oznaczenia prostokątnej siatki metodami sitodruku, jednak i ta metoda okazała się nieskuteczna [47]. Jedyna. 37.

(38) metodą, przy użyciu, której uzyskano trwałą siatkę, było zastosowanie sztyftów, umieszczonych w badanym materiale [64]. Do wykonania siatki, wykorzystano sztyfty z wyżarzonego drutu miedzianego, o średnicy 1,78 mm (przewód 2,5mm2). Otwory na sztyfty, wykonano dwuetapowo. W pierwszym etapie techniką cięcia strumieniem wody na średnicę 1,71± 0,02 mm. Następnie otwory rozwiercano na średnicę 1,80 mm, do połowy głębokości otworu. Po umieszczeniu miedzianych sztyftów w otworach, zostały one wbite. Dzięki temu sztyfty nie wypadały podczas walcowania. Rozmieszczenie sztyftów w rurze, pokazano na rysunku 25a. Na rysunku 25b przedstawiono zdjęcie rury aluminiowej, przygotowanej do walcowania.. a). b) Rys. 25. a) rozmieszczenie sztyftów w rurze, b) rura aluminiowa, przygotowana do walcowania. Procentowy udział objętości miedzianych sztyftów do objętości aluminium to 2,7% - liczony jedynie dla odkształcanej części rury. Zastosowanie miedzianych sztyftów narusza strukturę rury, biorąc jednak pod uwagę stan naprężenia panujący w kotlinie odkształcenia, w uproszczeniu przyjęto, że nienaruszony został sposób płynięcia metalu w trakcie procesu walcowania.. 38.

(39) 2.2. Modelowanie fizyczne 2.2.1. Modelowa walcarka pielgrzymowa Obiektem badawczym jest modelowa walcarka pielgrzymowa wykonana według nowej koncepcji walcowania (rys. 26)[58]. Pełny cykl roboczy przyjęty podczas testów obejmował:     . ruch sań roboczych w przód, obrót rury o , posuw materiału, odpowiednio o: 8 mm, 4 mm, 2 mm, 1 mm, obrót rury o , ruch sań roboczych w tył.. Badania przeprowadzano dla czterech różnych wartości posuwu. Zastosowanie większych wartości posuwu, nie było możliwe ze względu na konstrukcję walcarki. Obrót realizowany był w dwóch skrajnych położeniach sań walcarki – zastosowanie tylko jednego obrotu, znacząco pogarsza jakość rury po walcowaniu. I II. 5. 4. III 2. 1. 3 6. Rys. 26. Modelowa walcarka pielgrzymowa: I- klatka walcownicza, II- sanie, III- układ napędowy walcarki, 1- walce robocze, 2- koło zębatki z listwą zębatą, 3- przekładnia zębata 1:1, 4- mechanizm posuwu i obrotu rury, 5- trzpień, 6- manetki umożliwiające sterowanie siłownikami. Klatka walcownicza walcarki pielgrzymowej, wyposażona jest w dwa komplety walców (rys. 26_1). Konstrukcja walcarki, umożliwia walcowanie rur w dwóch nitkach, wymagana jest jedynie zmiana położenia klatki walcowniczej. Nie ma możliwości walcować dwóch rur jednocześnie. Takie ułożenie walców powoduje, że w trakcie walcowania występuję nierównomierny rozkład nacisków na kolumny klatki walcowniczej. 39.

(40) Sanie, w których zamontowany jest układ podawania rury, napędzane są siłownikami hydraulicznymi. Układ napędowy walcarki, umożliwia niezależne sterowanie trzema siłownikami.  główny siłownik umożliwiający ruch sań,  siłownik umożliwiający obrót rury,  siłownik umożliwiający posuw rury – 0.5 mm na jeden ruch. Narzędzia do procesu walcowania, wykonane zostały przez firmę Remebud-2 Sp. z o.o. Tablicę kalibrowania, według której wykonane zostały walce, przedstawiono w tabeli 2. Tabela 2. Tablica kalibrowania walców – kalibrowanie 1.. Lp 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41. Strefa walcowania Dz az z 0,00 46,77 0,24 8,06 45,04 0,25 16,13 43,40 0,25 24,19 41,85 0,24 32,26 40,40 0,23 40,32 39,04 0,25 48,39 37,77 0,25 56,45 36,59 0,26 64,52 35,51 0,26 72,58 34,51 0,26 80,65 33,45 0,34 88,71 32,79 0,25 96,77 32,07 0,24 104,84 31,41 0,24 112,90 30,80 0,23 120,97 30,24 0,23 129,03 29,73 0,23 137,10 29,26 0,23 145,16 28,85 0,22 153,23 28,48 0,22 161,29 28,15 0,22 169,35 27,74 0,21 177,42 27,36 0,21 185,48 27,01 0,21 193,55 26,69 0,20 201,61 26,40 0,20 209,68 26,13 0,19 217,74 25,90 0,18 225,81 25,69 0,18 233,87 25,50 0,17 241,94 25,34 0,16 250,00 25,20 0,15 258,06 25,09 0,14 266,13 24,98 0,13 274,19 24,90 0,12 282,26 24,84 0,11 290,32 24,79 0,10 298,39 24,76 0,09 306,45 24,74 0,08 314,52 24,73 0,06 322,58 24,73 0,04. Da 47,01 45,29 43,64 42,09 40,63 39,28 38,02 36,85 35,77 34,77 33,78 33,04 32,31 31,64 31,03 30,47 29,96 29,49 29,07 28,70 28,37 27,96 27,57 27,22 26,89 26,59 26,32 26,08 25,86 25,67 25,50 25,35 25,22 25,11 25,02 24,95 24,89 24,85 24,82 24,79 24,77. Tablica kalibrowania Strefa kalibrowania Dz az Lp z 42 330,65 24,73 0,02 43 338,71 24,73 0,00 44 346,78 24,73 0,00 45 354,84 24,73 0,00 46 362,91 24,73 0,00 47 370,97 24,73 0,00 48 379,04 24,73 0,00 49 387,10 24,73 0,00 50 395,17 24,73 0,00 51 403,23 24,73 0,00 52 411,30 24,73 0,00 53 419,36 24,73 0,00 54 427,43 24,73 0,00 55 435,49 24,73 0,00 56 443,56 24,73 0,00 57 451,62 24,73 0,00 58 458,10 24,73 0,00. Da 24,75 24,74 24,73 24,73 24,73 24,73 24,73 24,73 24,73 24,73 24,73 24,73 24,73 24,73 24,73 24,73 24,73. Lp 59 60 61 62 63 64 65 66 67. Strefa martwa Dz az Da 47,31 57,07 62,79 85,07 78,80 59,20 40,88 29,70 24,73. 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00. 47,31 57,07 62,79 85,07 78,80 59,20 40,88 29,70 24,73. 40.

(41) Tablica kalibrowania wyznaczona została przy pomocy zmodyfikowanego programu KALIBER 3.2, w którym przyjęto jako kryterium optymalizacji zapewnienie równomiernego rozkładu nacisku metalu na walce i minimum zużycia energii odkształcenia [52, 57]. Komplet narzędzi wykonany według tabeli 2, wykorzystany do modelowania fizycznego, zaprezentowano na rysunku 27.. a). b) Rys. 27. Narzędzia do pielgrzymowania rur: a) walce pierścieniowe, b) trzpień.. 41.

(42) 2.2.2. Zastosowanie systemu Argus do pomiarów pól odkształceń W literaturze znaleźć można różne przykłady wykorzystania optycznych systemów pomiarowych. Budowane są zarówno niezależne układy pomiarowe, przeznaczone na potrzeby rozwiązanie konkretnego problemu [81, 82], jak również wykorzystane są komercyjne systemy pomiarowe. Jednym z nich jest optyczny system pomiarowy ARGUS firmy GOM [86]. Pomiary wykonane przy wykorzystaniu systemu ARGUS przeprowadzone zostały w Instytucie Metalurgii TU Clausthal w Niemczech [87]. Pomiary podzielone zostały na 3 etapy: a) opracowanie metody, trwałego nanoszenia siatki, na powierzchnię aluminiowej rury:  wsadowej,  przewalcowanej, b) walcowanie rury, c) pomiar odkształceń systemem ARGUS. W pierwszym etapie należało opracować metodę nanoszenia trwałej siatki, na powierzchnię zewnętrzną aluminiowej rury. Siatka może być nakładana metodą wypalania laserowego, lub metodą znaczenia elektrochemicznego np. przy wykorzystaniu urządzenia znakującego firmy Östling [89] (rys. 28). W zależności od użycia prądu zmiennego [AC] lub stałego [DC], naniesione punkty mogą mieć kolor czarny lub biały. Do testów wybrana została metoda elektrochemiczna.. a). b). c). Rys. 28. Urządzenie do znakowania metali: a) znakowarka, b) elektrolit, c) matryca System ARGUS wykorzystywany jest głównie do pomiarów odkształceń w procesach powierzchniowego kształtowania blach, np. do oceny jakości procesu tłoczenia, bądź w celu przeprowadzenia analizy porównawczej modelowania matematycznego i fizycznego [18, 28, 67], procesów kształtowania powierzchniowego. Jak wiadomo nie jest to w pełni modelowanie 3D. Duże, cykliczne odkształcenia, występujące w procesie walcowania pielgrzymowego rur, skutkują zacieraniem się siatki nanoszonej jedynie powierzchniowo. Dlatego należy wyznaczyć takie warunki elektrochemicznego znakowania punktów, by móc uzyskać jak najtrwalszą siatkę.. 42.

(43) W tabeli 3 wyszczególniono, nastawy urządzenia znakującego rury, jakich użyto do naniesienia siatek na próbkach od 1 do 4. Pierwsze znakowanie rury, przeprowadzono dla ustawień zalecanych przez producenta. W kolejnych próbach, znacząco wydłużono czas znakowania (do trzech minut), aby punkty weszły głębiej w materiał. Aby w ogóle znakowanie było możliwe, dla czasu dłuższego niż 5 sekund, napięcie musiało zostać obniżone do 8 [V] – w przeciwnym wypadku, folia zabezpieczająca głowicę znakującą przepalała się. Dodatkowo, ze względu na duże ilości ciepła wydzielającego podczas znakowania, po każdej minucie trawienia siatki, robiona była minuta przerwy. Czas ten wystarczył, aby rura i głowica znakująca ochłodziły się. Ponieważ próba walcowania oraz pomiary odkształceń, niewykonywane były od razu, po zakończeniu znakowania, powierzchnia rury, musiała być dokładnie wymyta, najpierw wodą, a następnie alkoholem, aby zapobiec reakcji elektrolitu z metalem. Reakcja ta przebiega bardzo powoli, jednak po upływie kilku dni na powierzchni metalu pojawiają się odbarwienia, które uniemożliwiają poprawne zlokalizowanie punków siatki. Tabela 3. Nastawienia urządzenia znakującego rury Rura. Napięcie. 1. DC 25 [V]. Czas znakowania 5 [s]. 2. DC 25 [V]. 5 [s]. odkształcona**. 3. DC 8 [V]. 3 [min]. nieodkształcona. 4. DC 8 [V]. 3 [min]. odkształcona. Znakowana rura. Uwagi. nieodkształcona*. znakowanie według zaleceń producenta po każdej minucie znakowania, jedna minuta przerwy. * rura nieodkształcona – siatka nakładana na rurę wsadową. ** rura odkształcona – rura wsadowa zostaje przewalcowana, tak by materiał wypełnił cały stożek roboczy, dopiero na taką rurę nakładana jest siatka.. Matryca do znakowania, posiada kształt kartki papieru o formacie A4. O ile znakowanie nieodkształconej rury nie stanowi problemu, to znakowanie stożkowej części, już odkształconej rury tak (rys. 29a) – przy znakowaniu matryca musi przylegać do powierzchni rury, inaczej punkty będą rozmyte. Dlatego matryca, musiała zostać pocięta na kawałki (4 x 5 cm), a siatka była nakładana małymi częściami (rys. 29b). Niestety takie postępowanie powoduje to że w niektórych miejscach, punkty kolejnej siatki nie nakładają się na punkty poprzedniej (rys. 29c), co skutkuje niedokładnością pomiaru, i musi być uwzględnione przy analizie uzyskanych wyników [60].. a) 43.

(44) b). c) Rys. 29. Nakładanie siatki na stożkową część rury: a) matryca w całości, b) matryca podzielona na części, c) niepokrywające się siatki W kolejnym etapie, rury walcowane były w modelowej walcarce pielgrzymowej. Jak widać na rysunku 30a, siatka na rurze1 (patrz tabela 3) znikła już po pierwszym cyklu walcowania. Podobna sytuacja występuję z drugą rurą. Zbyt krótki czas znakowania, sprawia, że już po jednym cyklu siatka staje się całkowicie nieczytelna. Na rysunku 30b, zaprezentowano rurę przewalcowaną z siatką naniesioną na rurę wsadową. Jak widać, siatka jest dużo trwalsza, ale i w tym wypadku nie było możliwe uzyskanie na tyle trwałej siatki, aby wytrzymała cały proces walcowania. Jedynie siatka naniesiona na rurze 4 była na tyle dobrze zachowana, że można ją było wykorzystać w pomiarach przy użyciu systemu pomiarowego ARGUS.. a). b) Rys. 30. Ocena trwałości siatek w zależności od nastawień urządzenia znakującego – patrz tabela 3: a) rura 1, b) rura 3. Ostatni etap to wykonanie pomiarów odkształceń. W tym celu rura musi zostać sfotografowana w otoczeniu punktów odniesienia. Na jeden pomiar przypada około 44.

(45) 60 – 100 zdjęć. Ponieważ powierzchnia rury po walcowaniu jest bardzo „refleksyjna”, dlatego duży wpływ na jakość zdjęć, ma sposób ich wykonania. Na rysunku 31 pokazane są zdjęcia tej samej rury, wykonane w różnych warunkach oświetleniowych (patrz tabela 3, rura 4). W pierwszym wypadku (rys. 31a), zdjęcie wykonane zostało bez lampy błyskowej. Na rurze widać dużo refleksów, które niestety uniemożliwiają dokładne zlokalizowanie punktów. Jeżeli zdęcie wykonane zostanie z lampą błyskową (rys. 31b), wyeliminowane zostaną refleksy pochodzące od otoczenia, pojawi się za to silny refleks pochodzący lampy błyskowej. Można ten efekt w pewnym stopniu wyeliminować stosując inny kąt padania światła, oraz zakładając dyfuzor na lampę. Pojawia się jednak jeden niekorzystny efekt. Po zastosowaniu lampy, powierzchnia rury ciemnieje, a czarne punkty wyglądają jak by były białe. System ARGUS umożliwia rozpoznawanie punktów białych na czarnym tle, niestety dostosowanie kąta zdjęć, tak by można było za każdym razem uzyskać punkty białe jest trudne, dlatego najkorzystniejszym rozwiązaniem jest umieszczenie rury w specjalnym namiocie bezcieniowym. Dzięki temu uzyskujemy rozproszone światło i cała powierzchnia rury jest równomiernie oświetlona. Dodatkowo, w celu zwiększenia kontrastu i zmatowienia powierzchni refleksyjnych, powierzchnia rury może zostać pokryta kredą w sprayu. Taki zabieg wykonać można tylko dla dobrze widocznych punktów. Punkty słabo widoczne, również zostają zakryte kredą.. a). b). c) Rys. 31. Rura z naniesioną siatką, w różnych warunkach oświetleniowych. Zdjęcie wykonane: a) bez lampy błyskowej, b) z lampą błyskową, c) z lampą błyskową z dyfuzorem w namiocie bezcieniowym Na rysunku 32 zaprezentowano stanowisko pomiarowe dla systemu ARGUS. Rura (patrz tabela 3, rura 4) umieszczona została na obrotowym talerzu, dzięki temu można wykonywać zdjęcia pod różnym kątem i z różnych stron rury bez konieczności zmiany położenia aparatu – zabieg konieczny przy zastosowaniu namiotu bezcieniowego. Wokoło rury ułożone zostały punkty odniesienia. System ARGUS automatycznie rozpoznaje ich rozmieszczenie, i na ich podstawie umiejscawia badany. 45.

(46) przedmiot w przestrzeni. Dzięki zastosowaniu namiotu bezcieniowego, wyeliminowano prawie wszystkie refleksy z powierzchni rury.. 1. 4 2. 3. Rys. 32. Stanowisko pomiarowe dla systemu ARGUS: 1- rura, 2- punkty odniesienia, 3- obrotowa podstawka, 4- namiot bezcieniowy. 1. 2. 3. Rys. 33. Rozpoznawanie siatki w programie komputerowym: 1-rozpoznawane zdjęcie, 2- punkt odniesienia, 3- powiększony wycinek siatki. 46.

(47) Po sfotografowaniu rury, zdjęcia przetwarzane są przez program komputerowy. W pierwszej kolejności program wyszukuje wszystkie punkty odniesienia oraz punkty charakterystyczne (czerwone krzyżyki na rysunku 33), które potencjalnie mogą być punktami siatki. Jeżeli punkt charakterystyczny ma owalny kształt, rysowana jest wokół niego zielona obwiednia – jest to jeden punkt siatki. Jeżeli w sąsiedztwie jednego punktu, znajdują się inne punkty siatki, tworzone jest połączenie między nimi (niebieska linia na rysunku 33). Na podstawie zniekształcenia powstałej siatki, liczone jest odkształcenie. Jeżeli odkształcenie rozpatrujemy, jako εx i εy musimy brać pod uwagę, że jesteśmy zależni od przyjętego układu współrzędnych. Dla systemu ARGUS nie możemy przyjąć jednego, globalnego układu współrzędnych, dla wszystkich wykonywanych. Aby uniezależnić się od układu współrzędnych, symetryczną macierz U transformujemy, tak, by mieć główne wartości na przekątnej. Dwa pierwiastki charakterystyczne λ1 i λ2 liczymy z zależności: √(. ). (. ),. (4). W zależności od sposobu pomiaru odkształceń, pierwiastki λ1 i λ2 mogą być przekształcone na odpowiadające im wartości odkształceń. Bazując na większym pierwiastku charakterystycznym, największe rzeczywiste odkształcenie względne jest określane, jakoε1 lub φ1. Analogicznie, z mniejszej wartości pierwiastka charakterystycznego liczone jest najmniejsze rzeczywiste odkształcenie względne, ε2 lub φ2. Tak przekształcone wartości odkształceń są niezależne od przyjętego układu współrzędnych [83].. 47.

(48) 2.2.3. Stereofotogrametryczna metoda pomiaru odkształceń W poprzednim podrozdziale zaprezentowano użycie komercjalnego systemu ARGUS do badań odkształceń w procesie walcowania pielgrzymowego rur. Ze względu na napotkane trudności i ograniczenia systemu ARGUS (m.in. pomiar odkształceń tylko na powierzchni zewnętrznej stożka roboczego), opracowana została stereofotogrametryczna metoda pomiaru, pod kątem wykonania dokładnych pomiarów pól odkształceń dla procesu pielgrzymowego. Działanie metody opiera się na zasadach fotogrametrii [6, 7, 79]. W fotogrametrii jednoobrazowej 2D wyznaczanie współrzędnych rzeczywistych dowolnego punktu obiektu P(X,Y) ze znajomości współrzędnych tłowych tego punktu P’(X,Y) jest bardzo proste w przypadku równoległości płaszczyzn obiektu i tłowej, albo zdjęciowej (rys. 34a).. a). b). Rys. 34. Obliczenie współrzędnych punktu w fotogrametrii: a) jedno-obrazowej, b) stereofotogrametrii. Do wyznaczenia skali m wystarczy zmierzyć długość odcinku A B leżącego w płaszczyźnie  oraz A B w płaszczyźnie  ' . Wtedy wartość m i współrzędne punktu P wyznacza się z: AB A B  X  mx. m. Y  my.       . (5). Metodą stereofotografii można otrzymać „przestrzenny” obraz sfotografowanego obiektu. Metoda ta polega na jednoczesnym wykonaniu zdjęć za pomocą dwóch aparatów odległych od siebie o odcinek B tzw. bazę. Wykonując 48.

(49) równocześnie dwa zdjęcia można uzyskać dane do pomiarów stereofotogrametrycznych umożliwiających wyznaczenie współrzędnych X, Y, Z dowolnego punktu P obiektu z pomiaru współrzędnych tłowych odwzorowań tego punktu na lewym (xL, yL) i prawym zdjęciu (xP, yP). Z geometrii dwóch ostrosłupów o wysokości H, jednego dla każdego zdjęcia teoretycznie można wyznaczyć zależność między współrzędnymi punktu M obiektu, a jego współrzędnymi tłowymi xL, yL, xP, yP (rys. 34b), a mianowicie: B xL  xP 2 xL  xP y  yP YM  B L xL  xP BF ZM  H  xL  xP XM .         . (6). Związki te nie uwzględniają innej orientacji zdjęć, niż założona w powyżej przytoczonych przypadkach stereogramu oraz charakterystyk optycznych obiektywów. Dlatego powyższe opisy należy traktować, jako przypadki idealne, czysto geometryczne. W praktyce pomiarów stereofotogrametrycznych stosuje się bardziej skomplikowane wzory, gwarantujące wysoką dokładność uzyskanych wyników [48]. Badany obiekt umieszczany pomiędzy punktami odniesienia, których pozycje są znane. Pozycję punktów pomiarowych, umieszczonych na badanym obiekcie, jesteśmy w stanie wyliczyć, dysponując dwoma fotografiami tego samego planu (rys. 35). Podczas robienia zdjęcia, aparaty muszą być nieznacznie oddalone od siebie, tak jednak by w wizjerze znajdował się ten sam fotografowany plan. Można również posłużyć się jednym aparatem, zmieniając jedynie jego pozycję podczas robienia kolejnych zdjęć, jednak na obu zdjęciach musi znajdować ten sam plan. 1. 3. 2. Rys. 35. Zasada stereofotogrametrycznego pomiaru: 1- aparaty fotograficzne, 2- punkty odniesienia, 3- badany obiekt. 49.

(50) Przy wyborze aparatu fotograficznego istotnym parametrem branym pod uwagę, była maksymalna rozdzielczość, z jaką aparat może zrobić zdjęcie. Wybrany został NikonD80, umożliwiający robienie zdjęć z maksymalną rozdzielczością wynoszącą: 10,2 MPx (3872 x 2592). Równie istotnym elementem zestawu jest obiektyw. Powinna cechować go jak najmniejsza dystorsja i aberracja chromatyczna – dzięki temu uzyskane zdjęcia nie będą silnie zniekształcone [78]. Obiektyw powinien być również stosunkowo „jasny”, ponieważ zdjęcia będą robione z dużą wartością przysłony. Takimi cechami charakteryzują się obiektywy stało-ogniskowe. Wybór padł na obiektyw Sigma 20 F1.8 EX DG ASP RF. Parametry obiektywu przedstawione są poniżej:    . jasność: wartość przysłony: kąt widzenia: ogniskowa:. 1.8 F1.8 – F22 94.5 stopnia 20 mm - stała. Przed wykonaniem zdjęć, aparat musi zostać skalibrowany, by w trakcie obliczeń, możliwe było wyeliminowanie efektów dystorsji obiektywu. Zniekształcenia powstałe na zdjęciach (rys. 36), uniemożliwiają ich dalszą obróbkę. Podczas kalibracji wyznaczane są współczynniki wielomianu dystorsji [11]. Kalibracja zestawu, aparat Nikon 80D i obiektyw Sigma, wykonana została w Katedrze Geoinformacji, Fotogrametrii i Teledetekcji Środowiska na Wydziale Geodezji Górniczej i Inżynierii Środowiska AGH.. Rys. 36. Wpływ dystorsji na wykonane zdjęcia [88]. Aby można było wykonać pomiary, konieczne było przygotowanie tablicy z naniesionymi na jej powierzchni punktami odniesienia. Przy tworzeniu tablicy, wzorowano się na tablicy testowej [30], tej samej, na której wykonana została kalibracja aparatu z obiektywem. Tablica wykonana została techniką druku UV na powierzchni białej płyty plexiglas. Rozmiar tablicy to 400 mm x 800 mm. Punkty zostały ponumerowane od 01 do 98. Pozycja wszystkich punktów jest znana. 50.

(51) Rys. 37. Tablica z punktami odniesienia do pomiarów stereofotogrametrycznych. Przygotowane zostały dwa stanowiska do wykonywania pomiarów stereofotogrametrycznych. Pierwsze stanowisko zamontowane zostało przy walcarce pielgrzymowej (rys. 38a). Zaletą takiego rozwiązania, jest możliwość wykonywania zdjęć „w locie” bez konieczności zdejmowania walcowanej rury. Zdjęcia mogą być wykonywane są w przerwach pomiędzy kolejnymi cyklami, w tylnym martwym położeniu sań. Do głównych wad zaliczyć można:  niekorzystne warunki oświetleniowe,  trudności z uzyskaniem dobrej głębi ostrości – z uwagi na konstrukcję walcarki, rura musi być umieszczona kilkanaście centymetrów nad tablicą z punktami odniesienia,  problemy przy składaniu kolejnych części modelu – stosowne wyjaśnienie pojawi się w dalszej części pracy. 1 5 4. 4 3. a). 2. 51.

(52) 2 3. b) Rys. 38. Stanowiska do pomiarów stereofotogrametrycznych: a) przy walcarce, b) laboratoryjne, 1- aparat fotograficzny, 2- tablica z punktami odniesienia, 3-badana rura, 4- lampy studyjne, 5- dalmierz elektroniczny. Drugie stanowisko pomiarowe utworzone zostało w laboratorium (rys. 38b). Dzięki temu wyeliminowano problemy pojawiające się wcześniej, m.in. poprawiono warunki oświetleniowe, dodatkowo można było wykonywać zdjęcia z większą głębią ostrości (badana rura umieszczona była tuż nad powierzchnią tablicy). Zastosowanie stanowiska w laboratorium, wiązało się jednak z koniecznością zdejmowania rury z punktami, na czas pomiarów stereofotogrametrycznych. Zdjęcia muszą zostać wykonane w polu ostrości aparatu (aparat skalibrowany został na odległość 50 cm), z jak największą głębią ostrości. Dostatecznie szeroką głębię uzyskać można, stosując wysokie wartości przysłony. Zwiększając wartość przysłony, wydłużamy czas naświetlania. Aby zdjęcia były dostatecznie jasne i ostre, należy zastosować dodatkowe oświetlenie wspomagające, a aparat powinien znajdować się na statywie. Aby skrócić czas naświetlania możemy zwiększyć również czułość aparatu ISO, jednak zazwyczaj zbyt duże wartości ISO wprowadzają szum. Przeprowadzono test (rys. 39) obrazujący wpływ czułości aparatu, na jakość uzyskanych zdjęć i nie zaobserwowano utraty jakości zdjęcia, nawet przy dużych wartościach ISO.. a). , b). , c). , d). Rys. 39. Wpływ czułości aparatu ISO, na jakość zdjęć: a) ISO 200, b) ISO 400,c) ISO 800,d) ISO 1600; przysłona stała: f22. Wyznaczenie pozycji badanych punktów pomiarowych, odbywało się w programie komputerowym FotoGrant2008 [48]. Na podstawie pary fotografii, na których znajdowała się badana rura w otoczeniu punktów odniesienia, obliczane są 52.