Mgr inŜ. Justyna WENDLAND, mgr Tomasz ROZWALKA, dr inŜ. Jacek BOROWSKI, dr inŜ. Hanna WIŚNIEWSKA-WEINERT, prof. dr hab. inŜ. Volf LESHCHYNSKY Instytut Obróbki Plastycznej, Poznań
Nowe moŜliwości badawcze
Instytutu Obróbki Plastycznej – nowoczesna
aparatura badawcza
New research capacities of Metal Forming Institute
– innovative research equipment
Streszczenie
W artykule przedstawiono wybrane zadania Instytutu Obróbki Plastycznej w Poznaniu prowadzone w ramach krajowych i międzynarodowych projektów badawczych. Zaprezentowane zadania związane są z zakupem i bu-dową własnej unikalnej aparatury badawczej lub modernizacją standardowego oprzyrządowania w celu spełnie-nia wysokich wymagań prowadzonych na nich badań.
Abstract
In the paper selected tasks performed by Metal Forming Institute within domestic and international research projects are presented. Introduced tasks are connected with creating unique research equipment or modernizing standard equipment in order to meet high requirements of carried out tests.
Słowa kluczowe: projekty badawcze, symulator biotribologiczny, badania twardości i ściskania w podwyŜszonej
temperaturze, ocena toczności, badania śrub
Key words: research projects, bio-tribological simulator, hardness and compression tests at high temperature, rolling ability evaluation, screws examination
1. WSTĘP
Instytut Obróbki Plastycznej od ponad 10 lat aktywnie włącza się w programy badaw-cze krajowe i międzynarodowe. Pomyślnym wynikiem zakończyły się projekty międzyna-rodowe realizowane w ramach inicjatyw PHARE (7 projektów), INCO-COPERNICUS (1 projekt), EUREKA (5 projektów), V Pro-gramu Ramowego (3 projekty), INTAS (1 pro-jekt). Obecnie Instytut realizuje dwa projekty w VI Programie Ramowym oraz krajowe pro-jekty rozwojowe, strukturalne, a takŜe projekt zamawiany.
Instytut ma laboratorium materiałoznaw-cze bogato wyposaŜone w aparaturę badawczą . Zaplecze badawcze Instytutu jest stale udosko-nalane i uzupełniane, w ramach inwestycji wła-snych i inwestycji ze środków statutowych
oraz projektów badawczych krajowych i zagra-nicznych. Zespół Instytutu prowadzi równieŜ prace mające na celu skonstruowanie oraz wy-konanie i wdroŜenie w pracy laboratoryjnej unikalnej aparatury badawczej.
2. SYMULATOR DO BADAŃ TARCIO-WO-ZUśYCIOWYCH
Instytut Obróbki Plastycznej w ramach prowadzonej działalności statutowej, od kilku lat prowadzi prace nad budową symulatora do badań tarciowo-zuŜyciowych elementów endo-protez stawu biodrowego, które obecnie konty-nuowane są w Projekcie Zamawianym Nr PBZ-KBN-114/T/08/2004 pt.: „Nowoczesne tworzywa i procesy technologiczne w odlew-nictwie”. Instytut jest głównym wykonawcą
zadania badawczego zatytułowanego „Optyma-lizacja właściwości tribologicznych i nano-strukturalnych warstw wierzchnich, wykona-nych z nanofazowych materiałów proszko-wych, dla części konstrukcyjnych pracujących w trudnych warunkach eksploatacyjnych, w tym części przeznaczonych na implanty”.
MoŜliwości badawcze w zakresie badania endoprotez są w Polsce ograniczone. Istniejące symulatory pozwalają na realizację obciąŜeń sinusoidalnie zmiennych bądź teŜ w sposób uproszczony symulujących chód człowieka.
Idea stanowiska badawczego powstała na podstawie analizy reakcji podłoŜa podczas chodu dorosłego człowieka [1], w którym wy-róŜnione zostały trzy fazy zmienności reakcji podłoŜa w czasie kroku naprzemiennego. W pierwszej fazie ruchu (I) występuje gwał-towny przyrost reakcji przewyŜszający siłę statyczną pochodzącą od masy człowieka. Druga faza (II) odpowiada typowemu przebie-gowi stanu przejściowego w ustalony. Trzecia faza (III) odpowiada natomiast momentowi oderwania nogi od podłoŜa z jednoczesnym rozciągnięciem kontaktu przeciwnej kończyny. Przebieg zmiany składowej pionowej reakcji podłoŜa F w funkcji kąta obrotu α nogi w sta-wie biodrowym podczas chodu człosta-wieka po-kazano na rys. 1.
Rys. 1. Przebieg zmiany składowej pionowej reakcji podłoŜa Fz w funkcji kąta obrotu α w stawie biodrowym
podczas chodu człowieka [1]
Fig. 1. Variability of vertical reaction component of Fz
substrate in the function of α reaction angle in hip joint during human walk [1]
W budowanym w Instytucie Obróbki Pla-stycznej w Poznaniu stanowisku badawczym (rys. 2) nacisk główki realizowany jest cyklicz-nie z częstotliwością 1Hz, zgodcyklicz-nie z zaprogra-mowanym przebiegiem zmienności siły według danych [1], przy czym siła maksymalna dobra-na jest tak, aby spełniała warunek 1,5G czło-wieka o masie ciała do 120 kg (gdzie G – cię-Ŝar człowieka). Model ruchu składa się ze zło-Ŝenia ruchu przemieszczenia prostoliniowego główki oraz ruchu obrotowego panewki [1].
Rys. 2. Symulator biotribologiczny przeznaczony do badań endoprotez stawu biodrowego
Zastosowano równieŜ unikalny sposób sterowania urządzenia. Układ napędowy two-rzą dwa serwonapędy połączone osią wirtualną tak, aby zapewnić pełną synchronizację ru-chów. ZałoŜony przebieg siły uzyskiwany jest poprzez definicję kształtu krzywki elektronicz-nej dla ruchu kaŜdego z serwonapędów. Krzywka w trakcie przebiegu testu jest automa-tycznie adaptowana do zadanego przebiegu w pętli zwrotnej przez kontrolę rzeczywistych obciąŜeń. Do kontroli i sterowania funkcjami urządzenia (np. ręczny dosuw lub obrót, start pomiarów, itp.) słuŜy sterownik PLC.
W zakresie badań implantów i endoprotez Instytut nawiązał szeroką współpracę z wielko-polskim środowiskiem ortopedycznym, które jest powaŜnie zainteresowane badaniami na tym urządzeniu. Współpraca ta owocuje kolej-nymi projektami składakolej-nymi w ramach VII PR.
Podejmowane w Instytucie Obróbki Pla-stycznej w Poznaniu badania dotyczące im-plantów skupione są z jednej strony na opra-cowaniu nowych rozwiązań materiałowych dla panewek stosowanych w endoprotezach sta-wów, a z drugiej na zmianie sposobu nakłada-nia powłok polepszających proces łączenakłada-nia się implantu z tkanką kostną oraz nowych metod wytwarzania trzpieni endoprotez.
3. URZĄDZENIA DO OKREŚLANIA
WŁAŚCIWOŚCI MATERIAŁÓW W PODWYśSZONEJ TEMPERATURZE
W ramach projektu o akronimie BEARINGS pt.: „Nowa generacja łoŜysk pracujących w ekstremalnych warunkach stosowanych w przemyśle lotniczym” realizowanym w VIPR jednym z zadań Instytutu było skonstruowanie, wykonanie i kalibracja przyrządu do pomiaru twardości w skali Rockwella z moŜliwością badań w temperaturze podwyŜszonej do 600 oC.
Celem utylitarnym tego projektu jest wy-tworzenie nowej generacji łoŜysk pracujących w skrajnie trudnych warunkach eksploatacyj-nych. Projekt BEARINGS ukierunkowany jest na wyjaśnienie zjawisk zuŜycia łoŜysk obecnie stosowanych oraz znalezienie nowych materia-łów łoŜyskowych, technologii wytwarzania,
a takŜe konstrukcji łoŜysk, które spełniać będą wysokie wymagania eksploatacyjne:
• wysoką odporność na korozję i utlenianie, • wysoką odporność na gwałtowne obciąŜenia, • mały współczynnik tarcia (stały w całym okresie
pracy),
• odporność na zmienne obciąŜenia (0 do 5000 MPa).
Wymagania te muszą być spełnione w skrajnie trudnych warunkach pracy przy temperaturze ok. 500oC i poziomie drgań około 25g. Dodatkowym utrudnieniem jest koniecz-ność stosowania wyłącznie smarów stałych.
Konsorcjum projektowe składa się ze światowego lidera w produkcji łoŜysk SKF-AERO (Francja), producenta nanomateriałów, ośrodków tribologicznych; ośrodków zajmują-cych się metalurgią proszków, nanomateriała-mi; spiekaniem i badaniami metalograficznym oraz natryskiwaniem termicznym. W Projekcie bierze udział dwóch końcowych uŜytkowników z gałęzi aeronautycznej: Liebherr-Aerospace LTS (Francja) i Prvni Brnenska Strojirna Velka Bites, a.s. (Czechy).
Liebherr-Aerospace LTS (Francja) jest wiodącym producentem na rynku europejskim systemów przepływu powietrza, włącznie z systemem wentylacyjnym, klimatyzacyjnym, kontroli ciśnienia i ochrony przed oblodzeniem skrzydeł. LTS dostarcza produkty i usługi dla Airbusa (włączając A380 i A400M), Falcona, DO328, helikopterów europejskich (Dauphin, Tire, Super Puma), a takŜe dla programów spo-za Europy, zwłaszcspo-za koncentrując się na od-rzutowcach regionalnych/biznesowych: EMB 120, 135 i 145, Globar Express, CRJ-700, Dash8-400 oraz nowych odrzutowcach regio-nalnych rosyjskich i chińskich.
Drugim uŜytkownikiem końcowym jest czeska firma Prvni Brnenska Strojirna Velka Bites, a.s. dostawca maszyn wirnikowych oraz obudów ze specjalnych nadstopów niklu.
Zadania Instytutu obejmują badania struk-turalne oraz pomiary twardości. Dla realizacji pomiarów w temperaturze podwyŜszonej za-projektowano i wykonano przyrząd BT-G01, który spełnia wysokie wymagania jeśli chodzi o sterowanie temperaturą próbki i utrzymanie jej na odpowiednim poziomie podczas wyko-nywania badań. Zaprojektowano układ ze spe-cjalną grzałką o maksymalnej temperaturze
pracy – 700 oC. Temperaturą grzałki steruje dwukanałowy sterownik RE19. Sterowanie temperaturą próbki odbywa się poprzez sprzę-Ŝenie zwrotne pomiędzy sygnałem z termopary umiejscowionej w podłoŜu próbki. Zastosowa-no specjalną izolację komory grzewczej z ma-teriału MONALITE M1-A osłaniającą całą przestrzeń komory grzewczej, o wytrzymałości na ściskanie 18 N/mm2. Układ pozwala na uzy-skanie temperatury próbki w granicach do 600 oC. Podstawą próbki jest krąŜek z węglika spiekanego. Komora otoczona jest kształtką ze stali narzędziowej.
WaŜnym aspektem jest moŜliwość wynania pomiarów w sześciu punktach bez ko-nieczności wyjmowania próbki z komory grzewczej (rys. 3). Zapobiega to zmianie tem-peratury oraz struktury materiału w czasie ba-dań. W tym celu cała komora grzewcza pozy-cjonowana jest mimośrodowo w stosunku do osi twardościomierza, a wykonanie pomiarów w róŜnych punktach umoŜliwia obrót całej ko-mory [2].
Rys. 3. Widok próbki po badaniach twardości w przyrządzie BT-G01
Fig. 3. Image of a sample after hardness tests in the BT-G01device
Badania wykonywane są po ustawieniu przyrządu na standardowym twardościomie-rzu. Widok urządzenia pokazano na rys. 4. Powierzchnia próbki zabezpieczona jest przed utlenianiem poprzez ciągły przedmuch komo-ry badawczej gazem ochronnym.
W ramach projektu o akronimie MA-NUDIRECT pt. „Ultraprecyzyjna produkcja na gotowo”, bazując na doświadczeniach zdo-bytych przy budowie ww. urządzenia, zespół
Instytutu zaprojektował i wykonał przyrząd do pomiaru mikrotwardości w skali Vickersa w podwyŜszonej temperaturze.
Rys. 4. Przyrząd do pomiaru twardości w podwyŜszonej temperaturze BT-G01
Fig. 4. BT-G01 device for hardness measurement at high temperature
Głównym celem Projektu Zintegrowa-nego MANUDIRECT jest opracowanie oraz wdroŜenie do przemysłu innowacyjnej techno-logii obejmującej jednoetapowe, wysokowy-dajne spiekanie laserowe.
Innowacyjna technologia opracowana w ramach projektu, w oparciu o wiedzę i do-tychczasowe osiągnięcia poszczególnych part-nerów, stanowić będzie przełom naukowy w obszarze wytwarzania nanomateriałów proszkowych i ultraprecyzyjnych wyrobów ze spieków o nanostrukturze, stosowanych w ae-ronautyce, biotechnologii oraz w przemyśle maszynowym i narzędziowym. Zespół pracują-cy w projekcie to interdyspracują-cyplinarna grupa ekspertów: materiałoznawców, fizyków, inŜy-nierów, chemików oraz biomedyków zatrud-nionych w 18 instytucjach, stanowiących kon-sorcjum projektu. Wśród uŜytkowników koń-cowych nowej technologii znajdują się między innymi: Siemens Aktiengesellschaft - jeden z największych na świecie zakładów zajmują-cych się inŜynierią elektryczną i elektroniczną; IDEKO - hiszpańskie centrum technologiczne specjalizujące się w dostarczaniu innowacji
Rys. 5. Zdjęcie przyrządu do ściskania zamocowanego na maszynie wytrzymałościowej INSTRON 4483
Fig. 5. Image of the compression device attached to the INSTRON 4483 resistance device
w zakresie narzędzi i procesów wytwarzania; MTU Aero Engines - niemiecki wiodący pro-ducent silników lotniczych oraz ich modułów i komponentów zarówno dla lotnictwa cywilnego jak i wojskowego; Lima S.p.a - włoskie średnie przedsiębiorstwo działające głównie w obszarze urządzeń medycznych (w tym protezy stawów), komponentów dla przemysłu lotniczego, a takŜe elementów mechanicznych oraz European Aeronautic Defence and Space Company - lider europejskiego i wicelider światowego rynku lotniczego.
Badania prowadzone w tym projekcie przez Instytut pozwalają ocenić właściwości róŜnych materiałów w temperaturze otoczenia oraz w temperaturze podwyŜszonej. Istotne są badania twardości, mikrotwardosci i ściskania do temperatury 500 oC. Unikalnym aspektem badań są niewielkie rozmiary stosowanych próbek (φ2x3 mm lub φ3x6 mm). Próbki wykonywane są przez partnerów róŜnymi metodami scalania mikro i nanoproszków np. wyciskanie, spiekanie laserowe.
Przy ściskaniu próbek o tak małych wy-miarach konieczne było opracowanie specjal-nego przyrządu badawczego. Fotografię przy-rządu przygotowanego do badań zaprezento-wano na rys. 5. Przyrząd mocowany jest na maszynie wytrzymałościowej INSTRON 4483. Istotnym warunkiem, który musiał spełnić układ było zachowanie osiowości próbek pod-czas deformacji. Dla zwiększenia dokładności pomiarów zastosowano dwa alternatywne in-dukcyjne czujniki przemieszczenia produkcji Hottinger-Baldwin Messertechnik (HBM)
o zakresach pomiarowych 10 mm i 2 mm oraz dodatkowy siłomierz produkcji HBM [3].
Przy budowie urządzenia do badań twardości Vickersa na gorąco bardzo waŜne było opracowanie uchwytu, w którym umieszczana jest próbka o niewielkich wymiarach. WaŜne było równieŜ zapewnienie stabilności temperatury w czasie badań oraz zabezpieczenie powierzchni próbek przed utlenianiem, szczególnie istotne przy pomiarze twardości z małym obciąŜeniem. Przykład próbki z odciskami po badaniach twardości pokazano na rys. 6.
Rys. 6. Odciski twardości Vickersa w temperaturze otoczenia i w temperaturze 300 oC
Fig. 6. Vickers hardness indentations at ambient temperature and at 300oC Czujnik przemieszczenia o zakresie pomiarowym 2mm Siłomierz Umiejscowienie próbki
Na zdjęciu próbki z materiału FeCu widoczne są odciski wykonane w temperaturze otoczenia oraz w temperaturze 300 oC.
4. INWESTYCJE. NOWOCZESNA APA-RATURA BADAWCZA
Instytut uzyskał takŜe dotację na specjali-styczną aparaturę badawczą: mikroskop świetl-ny z analizatorem obrazu (rys. 7), mikroskop skaningowy z moŜliwością wykonania mikro-analizy rentgenowskiej EDS (rys. 8) oraz zaku-piony w 2008, defektoskop ultradźwiękowy i spektrometr jarzeniowy. Tak nowoczesna aparatura pozwala na znaczne poszerzenie za-kresu moŜliwości badawczych laboratorium Instytutu i rozwój kadry naukowej.
a)
b)
c)
Rys. 7. Mikroskop świetlny Nikon Eclipse L150 (a); struktura stopu aluminium w świetle spolaryzowanym (b); struktura stali w kontraście
Nomarskiego (c)
Fig. 7. Nikon Eclipse L150 optical microscope (a); Al-alloy structure in polarized light (b); steel structure
in Nomarsky contrast (c)
Rys. 8. Mikroskop skaningowy wraz z EDS oraz przykładowe zdjęcie stopu typu „hardmetal”
Fig. 8. Scanning microscope with EDS and an example image of the stellite alloy
5. MODERNIZACJA APARATURY
Zakład Badania Metali Instytutu nie ogranicza się tylko do zakupu nowej aparatury, ale równieŜ modernizuje starsze urządzenia. Jednym z przykładów jest hydrauliczna maszyna do oceny tłoczności Hille, na której, dzięki zmodernizowaniu układu hydrauli-cznego i zamontowaniu modułu rejestrującego obciąŜenie, stworzono moŜliwość sterowania i rejestracji siły tłoczenia w funkcji prze-mieszczenia stempla. Przykładowe wyniki ba-dania tłoczności metodą Swifta przedstawiono na rysunku 9.
Drugim zmodernizowanym urządzeniem jest dyfraktometr rentgenowski (rys. 10), który został zmodernizowany o dodatkowy moduł do pomiaru napręŜeń własnych w wyrobach sta-lowych. Na tym urządzeniu przeprowadzono badania stali łoŜyskowej oraz narzędziowej do
pracy na gorąco obrabianej hybrydowo (obrób-ka skrawaniem z laserowym nagrzewaniem) (rys. 10).
Badanie tłoczności metodą Swifta tytan 0 10 20 30 40 50 60 70 0 10 20 30 40 50 60 przemieszczenie stempla, mm s ił a , k N 65 67 70 72,5 75 80 średnica krąŜka, mm współczynnik m: 2,27 < m (D/d) < 2,34
Rys. 9. Wykres siły tłoczenia w funkcji przemieszczenia stempla próbek tytanowych o róŜnej średnicy
metodą Swifta
Fig. 9. Chart of pressing force in function of displacement of punch of titanium samples
with different diameter in the Swift method
0o 120o 240o -0.0005 0 0.0005 0.001 0.0015 0.002 0.0025 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 sin2 d /d o σ=o Wartość [M pa] średnia 0o 120o 240o WNL 601 587 664 617
Rys. 10. Rentgenowska przystawka do pomiarów napręŜeń metodą sin2ψ oraz wyniki badań dla stali
narzędziowej do pracy na gorąco [4]
Fig. 10. X-ray attachment for stress measurement with the sin2ψ method and results for tool steel
for hot operation [4]
6. PODSUMOWANIE
Uczestnictwo Instytutu Obróbki Plastycz-nej w krajowych i międzynarodowych projek-tach badawczych stwarza szansę na podniesie-nie poziomu potencjału badawczego jednostki. Dzięki unikalnej aparaturze pozyskanej lub zmodernizowanej w ramach projektów, zespoły badawcze Instytutu mogą brać udział w prze-łomowych badaniach naukowych w kooperacji z wiodącymi światowymi ośrodkami badaw-czo-rozwojowymi i przedstawicielami przemy-słu. Intensyfikacja współpracy z jednostkami zewnętrznymi pozwala na wymianę doświad-czeń, podejmowanie wspólnych innowacyj-nych przedsięwzięć oraz stworzenie długofa-lowej strategii wspierającej obrane przez Insty-tut kierunki zrównowaŜonego rozwoju w śro-dowisku naukowo-biznesowym.
LITERATURA
[1] J. Ozwoniarek, H. Wiśniewska-Weinert, J. Lisow-ski, Ł. Kędzia „Nowe rozwiązania w zakresie bio-tribologii i biomateriałów. Część II. Stanowisko do badań zuŜyciowych elementów endoprotez stawu biodrowego” Obróbka Plastyczna Metali, 2007 t. XVIII Nr 1 str. 35-40.
[2] Raport roczny z wykonania zadań dotyczących uczestnictwa w programie międzynarodowym w ro-ku 2007 pt. : „Ultrapecyzyjna produkcja na goto-wo”, kontrakt nr 026467, akronim MANUDU-RECT; praca niepublikowana
[3] Raport roczny z wykonania zadań dotyczących uczestnictwa w programie międzynarodowym w ro-ku 2007 pt. : „Nowa generacja łoŜysk pracujących w ekstremalnych warunkach stosowanych w prze-myśle lotniczym”, kontrakt AST5-CT-2006-030937, akronim BEARINGS; praca niepublikowana
[4] Samolczyk J.: Wyznaczanie napręŜeń własnych w wyrobach metalowych metodą rentgenowską. Obr. Plast. Met. 2006 t. XVII nr 1 s. 35-39.
∆
d
/do
