Non destructive testing in-line
-Ensuring the quality of production in the casting of cylinder headsExamensarbete
Kungliga Tekniska Högskolan
Handledare: Lorenzo Daghini Andreas Bergqvist Examinator: Mihai Nicolescu 2011-10-31 Uppdragsgivare: Scania Stockholm
För att unvika onödiga kassationer inom fordonsindustrin satsas det mycket på att få fram ”rätt kvalité” på komponenterna från början. Dagens metod är slumpmässiga förstörande tester där endast ett fåtal komponenter testas och förstörs. Denna metod blir dyr i längden på grund av att produkten förstörs och det går inte att följa upp med ytterligare analyser. Porer och inneslutningar vid gjutningen av cylinderhuvud och är ett vanligt problem i fordonsindutrin och när inte varje komponent kan testas och kvalitetssäkras på ett snabbt och effektivt sätt generar det kostnader i både tid och pengar.
Målet med detta examensarbete var att utreda om RAM (Resonant Acoustic Method) kan upptäcka dessa porer och inneslutningar med en storlek mellan 1–5 mm i cylinderhuvud från Scania och även undersöka om RAM kan sättas in direkt i produktionslinorna.
Med RAM gjordes fem tester per objekt med tre stycken mikrofonpositioner och tre stycken excitationspunkter och med en upplösning på 1,5 Hz. 15 stycken OK klassificerade cylinderhuvud och sju stycken defekt klassificerade testades.
Resultaten visar att det går att skilja testobjekts mikrostruktur åt med RAM, i detta projekt mellan gråjärn och CGI (Compacted Graphite Iron). Dock gick det inte att upptäcka några skillnader på de defekta och OK klassificerade cylinderhuvudena med avseende på de givna porer och inneslutningar med RAM. Detta ledde till att Scania inte implementerade RAM i produktionslinorna.
To minimize the risk of unnecessary cassations in the automotive industry, extensive efforts have been made to get the "right quality" of the components from start. Currently used method is random destructive testing where only a few components are tested and destroyed. This method is expensive in the long run because the product is simply destroyed and it is not possible to do any further analysis. Pores and inclusions during casting of the cylinder head are a common problem in the automotive industry that generate costs in both time and money since not every component can be tested and quality assured in a time effective manner. The goal of this thesis was to investigate whether RAM (Resonant Acoustic Method) can detect these pores and inclusions with a size of 1-5 mm in cylinder heads from Scania and also examine whether RAM can be inserted directly into production lines.
With RAM, four tests per item with three microphone positions and three excitation points and with a resolution of 1.5 Hz. 15 OK rated cylinder heads and seven defective rated cylinder heads were tested.
The results show that it is possible to distinguish the test objects microstructure with RAM, in this project, gray iron and CGI (Compacted Graphite Iron). However, it was not possible to detect any differences in the defective and OK rated cylinder heads with respect to the given pores and inclusions with RAM. This led to Scania did not implement RAM in their production lines.
RAM Resonant Acoustic Method XPI Extra-High Pressure Injection HPI High Pressure Injection
XPIJC Extra-High Pressure Injection Jet Cooling XPI OK XPI klassificerad som OK
XPID XPI klassificerad som defekt EMA Experimental Modal Analysis FRF Frequency Response Function PSD Power Spectral Density IP Impact Point
1 Inledning ... 2
1.1 Bakgrund ... 2
1.2 Syfte och mål ... 2
1.3 Avgränsning ... 3
2 RAM (Resonant Acoustic Method) ... 4
2.1 RAM ... 4
2.2 Utrustning ... 7
2.3 Litteraturstudie ... 8
3 Exprimentiellt genomförande ... 9
3.1 EMA (Experimental Modal Analysis) ... 9
3.2 gråjärn och CGI ... 11
3.3 XPI ... 12
4 Resultat ... 14
4.1 RAM på gråjärn och CGI provkroppar ... 14
4.2 XPI ... 17
4.2.1 EMA ... 17
4.2.2 RAM ... 20
5 Analys ... 26
5.1 RAM på gråjärn och CGI provkroppar ... 26
5.2 EMA och RAM på XPI ... 26
6 Slutsatser ... 27
Referenser ... 28
1 INLEDNING
I avsnittet nedan introduceras bakgrunden till projektet, syfte och mål och till sist vad som avgränsades
1.1 BAKGRUND
För att undvika onödiga kassationer inom fordonsindustrin och säkerställa kvalitén på komponenterna satsas stora resurser på att uppnå ” rätt kvalité” från början. Dagens strategi baseras på slumpmässiga förstörande tester med hjälp av statistiska metoder. Detta är kostsamt, tar tid och garanterar inte kvalitén på övriga detaljer, då bara vissa undersöks. Genom tillämpning av robusta och pålitliga oförstörande provningsmetoder (OFP), kan produktionskvalliten säkerställas på alla komponenter. Detta bör ske i direkt anslutning till linorna, utan att störa produktionsflödet. Tidigare arbeten visar på att det är möjligt att upptäcka defekter i kuggkransar så som sprickor och avbrutna kuggar med hjälp av RAM (Resonant Acoustic Method) [1]. För att göra en undersökning av potentialen för RAM huruvida den kan detektera produktionsdefekter relaterat till gjutning av cylinderhuvud har Scania tillsammans med Skolan för industriell teknik och management på KTH tagit fram detta examensarbete.
1.2 SYFTE OCH MÅL
Målet med examensarbetet är att reda ut om produktionsdefekter i form av inneslutningar i gjutna cylinderhuvud kan upptäckas med RAM och om den är applicerbar in-line. Kravet är att dessa defekter skall kunna upptäckas på ett djup av 4 mm under cylinderytan med en porstorlek ner till 1 mm (se figur 1 under). Scanias mål är att RAM skall sortera ut de defekta cylinderhuvudena direkt i linorna.
Syftet med examensarbetet är att erhålla kunskap om hur RAM metoden används och kan utnyttjas för detektering av inneslutningar i gjutna cylinderhuvud.
3
1.3 AVGRÄNSNING
Scania tillverkar tre stycken modeller av cylinderhuvud, XPI (Extra-High Pressure Injection), XPIJC (Extra-High Pressure Injection Jet Cooling) och HPI (High Pressure Injection). XPI är modellen som Scania har mest problem med porer och inneslutningar vid gjutningsprocessen och den här undersökningen har därför fokuserat på den modellen.
Problemet som Scania har det vill säga svårt att upptäcka porer under ytan på cylinderhuvudet går med stor sannolikhet att lösa på olika sätt. Till exempel undersöka gjutningsprocessen för orsaker till porer och dylikt. Andra metoder finns även så som CT (Computed Tomography) scanning för att se in i hela cylinderhuvudet och på det sättet leta efter defekter. Dock handlar denna rapport om att undersöka RAM som metod för att lösa problemet.
2 RAM (RESONANT ACOUSTIC METHOD)
Här förklaras metoden RAM, vad metoden bygger på, hur den fungerar och
användningsområde. Sist presenteras tidigare litteratur och arbeten som har utförts med RAM.
2.1 RAM
Det finns många metoder för att upptäcka avvikelser i material et cetera, bland annat skanningmetoder så som magnetic particle testing (MT), ultrasonic testing (UT), eddy current/electromagnetic testing (ET), dye penetrant testing (PT), X-ray/radiographic testing (RT) and visual testing (VT). Fundamentala skillnaden mellan dessa traditionella OFP (Oförstörande Provning) metoder och RAM är att de ovan nämnda metoderna är manuella och kräver en subjektiv tolkning av operatören. Detta resulterar i att operatören behöver inneha en hög teknisk nivå vilket kostar mycket pengar i slutändan. Detta ger även utrymme för det mänskliga felet och allt detta resulterar i extra kostnader.
Resonans övervakning mäter objektets strukturrespons och sätter det emot den statiska variationen från bestämda kontrollerade icke defekta delar. Detta möjliggör ett snabbt och effektivt sätt att sortera ut de defekta delarna från de icke defekta. Eftersom metoden testar hela objektet efter både externa och interna defekter och avvikelser så kan objektiva och kvantitativa resultat erhållas. Objektets geometri och materialets egenskaper beskriver en funktion, resonansen, som är en unik och mätbar signatur av strukturens respons. Vanligt förekommande defekter och avvikelser för pulvriserad metal, gjutna och härdade tillämpningar ges i Tabell 1 nedanför. Ett praktiskt vanligt förenklat sätt av utförande är att ta en hammare som har en känd slagkraft och exciterar en punkt på testobjektet och mäter dess ljudrespons och kontrollerar egenfrekvenserna i frekvensspektrumet. Egenfrekvens kan beskrivas av ekvation (2) som härleds från den kända rörelseekvationen (1). Notera att dessa gäller för enfrihetsgradssystem (SDOF).
t
c
x
t
kx
t
F
t
x
m
(1) Där: m = massa x = förskjutning c = dämpning k = styvhet F = kraft (1)m
k
f
e
2
1
(2) Där: ef
= egenfrekvens k = styvhet m = massa5
Styrkan med denna metod är att dessa defekter kan upptäckas relativt enkelt med ett enda test och kan då enkelt automatiseras in-line. De ovan nämnda traditionella metoderna kan även dem upptäcka dessa defekter, dock inte i ett enda test utan kräver en mer omfattande analys [1]. En svaghet med denna metod är att i praktiken, till exempel i en fabrik så finns det många ljudkällor som kan störa mätningarna som till exempel tryckluftventiler et cetera. En kåpa eller liknande kan dämpa bullret från omgivning.
Tabell 1. Typiska defekter och avvikelser detekterbara med resonansövervakning [1]
Gjutna Härdade Pulvriserad metal Sprickor Sprickor Sprickor Smältfel Missade eller dubbelslag Flisor Porositet Porositet Hålrum Hårdhet/densitet Hårdhet Hårdhet/densitet
Inneslutningar Inneslutningar Inneslutningar Värmebehandlingar Värmebehandlingar Värmebehandlingar
Komprimerade och residuala spänningar
Kylningsproblem Färskning
Knölar Överlappningar Oxider Godstjocklek Godstjocklek Godstjocklek Föroreningar i råmaterialet Föroreningar i råmaterialet Föroreningar i råmaterialet
Missad process Missad process Missad process
Andra tester som har utförts med RAM är identifiering av sprickor i svetsade lastbilshjul, skadade kompositer och sprickor i svetsfogar [3]. Det har även utförts tester med RAM för att hitta förruttnelse i äpplen [3] och ihåligheter i potatis [4].
Figur 2. Data från RAM visar hur en defekt i strukturen skiftar frekvensen (röd är defekt) [1]
Figur 2 ovan visar ett exempel på när defekten är tillräckligt betydande för strukturen att en resonansfrekvens flyttas, i det här fallet nedåt I frekvensspektrumet. Ett vanligt sätt att arbeta på är att definiera ett område som är felfritt, det gröna fältet, med hjälp av olika kriterier. Om en resonansfrekvens hamnar utanför området klassificeras den som defekt.
Detta är målet med RAM, om ett grönt fönster som ovan kan definieras för det objektet som önskas analyseras så är arbetet klart.
7
2.2 UTRUSTNING
Utrustning som behövs för att göra RAM tester.
Figur 3. Utrustning för RAM
Mikrofon: Brüel & Kjaer 4191 1/2-inch Free-field Microphone, 3 Hz to 40 kHz, 200V Polarization.
Mikrofonförförstärkare: Brüel & Kjaer 2669-B 1/2-inch Microphone Preamplifier Excitationshammare: ZIEGLER IXYS H2 (SN 9117) 8 kHz Frequency range
Förförstärkare: Brüel & Kjaer Power Supply Type 2804 Programvara: LMS Test.Lab 9b
2.3 LITTERATURSTUDIE
Tidigare arbeten utförda med bland annat RAM.
Ett exempel på RAM är tagit från en studie som K.N. Tandon & J. Begin [3] har utfört där 81 stycken gjutna kiselplogtänder studerades. Dimensionen var ca 130 x 130 x 25 mm. Vissa innehöll defekter som avsiktligt hade adderats och med det delades alla in i fyra olika defektnivåer där en var lite defekt och fyra var mycket defekt. De defekta objekten var allt från ca 1 % porositet upp till ca 30 % porositet, med en defektstorlek på ca 1-10 mm. Mätningarna gjordes med en excitationshammare, mikrofon, accelerometer och en FFT analysator.
Det visade sig att mätresultaten skilde sig inte nämnvärt för mätningen med mikrofon jämfört med accelerometer. Resultaten visade även att den första egenfrekvensen sänktes med ca 200 Hz för två defekter på storleken ca 5 mm. Slutsatsen är att egenfrekvensen sänks allt eftersom porositeten/inneslutningarna ökar [3]. Viktigt att notera för denna källa är att författarna studerade endast den fundamentala frekvensen, det vill säga den första moden och en enkel geometri (Denna rapport behandlar högre moder).
Ito Y. och Uomoto T. [6] testade hur resonansfrekvenserna agerade när en spricka anlades i mitten på en 100 x 100 x 400 mm cementblock. En kula som släpptes från en bestämd höjd gav excitationen och en mikrofon fångade upp svaret. Frekvensspektrumet visade tydligt hur resonansfrekvensen sänktes allt eftersom sprickan blev större, detta är en indikation på att styvheten påverkas negativt när sprickan går djupare.
Flera forskare, bland annat. Xie Z., Tane M. med flera [7], Xie Z., Ikeda T. med flera [8] har kommit fram till att vid tester med RAM så sänks resonansfrekvensen med ökad porositet.
9
3 EXPRIMENTIELLT GENOMFÖRANDE
Här beskrivs hur projektet planerades och utfördes samt förklaring av relevanta metoder
Eftersom XPI har en komplex struktur så har frekvensspektrumet flera egenfrekvenser vilket gör att det är svårt att säga vilken/vilka egenfrekvenser som skall analyseras, därför utfördes en EMA först. Efter den sökta egenfrekvensen har lokaliserats testades två stycken provkroppar av CGI och två stycken av gråjärn med RAM för att få en uppfattning om hur RAM används och fungerar. Följande gjordes det RAM mätningar på alla 15 OK klassificerade XPI och alla sju defekt klassificerade XPI. För alla 22 cylinderhuvudena kontrollerades massan med en säkerhet på två decimaler. Tre stycken hål borrades även i ett av cylinderhuvudena för att utforska RAM ytterligare. Sist kontrollerades resonansfrekvenserna i ett högre frekvensspektrum för att kontrollera att ingenting hade förbisetts.
3.1 EMA (EXPERIMENTAL MODAL ANALYSIS)
Nedan följer en förklaring av OFP metoden EMA och testerna utfördes.
Modalanalys studerar de dynamiska egenskaperna resonansfrekvens, modform och dämpning av den mekaniska strukturen under dynamisk excitation. Ett vanligt sätt att utföra en mätning enligt modal analys metoden är att excitera mätobjektet med en hammare som har en känd slagkraft och mäta strukturens vibrationer med en eller flera accelerometrar.
Egenfrekvenserna analyseras i ett frekvensspektrum kallat FRF (Frequency Response Function) som går att koppla till modernas former och på så sätt få en uppfattning om vad som generar vilka frekvenser, se figur 4 nedan[5].
Figur 5. Modalanalys på XPI
Modalanalys utfördes för att ta reda på vilken frekvens moden har som är intressant, det vill säga. vilken frekvens som D-området rör sig som mest, se figur 5 ovan.
Fem excitationer vid varje korsad linje vilket gav 24 excitationspunkter. Svaret mättes på två punkter i D-området med två stycken accelerometrar.
11
3.2 GRÅJÄRN OCH CGI
Mätning av komponentlika provkroppar (OPTIMA SWEDEN) av gråjärn och av CGI (Compacted Graphite Iron) med RAM
För att få mer kunskap om hur RAM (Resonant Acoustic Method) metoden används, utfördes akustiska RAM mätningar på provkroppar av gråjärn och CGI för att separera och kategorisera provkropparna.
Figur 6. Provkroppar av gråjärn respektive CGI
Mätning gjordes på två stycken likformiga provkroppar av gråjärn (32 kg/styck) samt två stycken likformiga provkroppar av CGI (32 kg/styck).
Varje objekt exciterades med en hammare med känd slagkraft, ett slag per objekt som gav totalt fyra frekvensspektrum för respektive objekt. Mikrofonen placerades ca 10 cm från provkroppen och den exciterades i punkten längst upp till vänster i krysset markerat i figuren ovan. Mätningarna gjordes med en resolution på 1.56 Hz i ett frekvensspektrum upp till 6.4 kHz.
3.3 XPI
Mätning av Scania cylinderhuvud XPI (Extra-High Pressure Injection) av gråjärn.
Figur 7. Rött markerar området där flest defekter uppkommer, så kallad D-området
Scanias erfarenhet säger att de flesta defekterna uppkommer i området där modellnumret är instansat, det så kallad D-området, se figur 7 ovan. På grund av detta så fokuseras alla mätningar med detta i åtanke.
Figur 8. Mikrofonpositioner och excitationspunkter
RAM mätningar utfördes på 15 stycken visuellt OK klassificerade cylinderhuvud och sju stycken visuellt defekt klassificerade cylinderhuvud. Detta betyder att det inte är säkert om cylinderhuvudena är OK eller inte eftersom de har grupperats efter en visuell inspektion. Objektet för testning placerades i mitten på en tjock absorberande gummimatta för att reducera de reflekterande ljudvågorna, mikrofonen placerades ca 10 cm ovanför objektet. Mikrofonen placerades vid tre stycken punkter kallade M1-M3. Excitation gjordes genom slag med excitationshammare på punkterna markerade med X så kallad IP (Impact Point), se figur 8 ovan.
Totalt gjordes fem mätningar med fem slag i varje IP1-IP3, mikrofonen flyttades till respektive position M1-M3. Resolutionen var 1.56 Hz på ett frekvensområde upp till 6.4 kHz. En av dessa mätningar gjordes med ett frekvensspektrum upp till 40 kHz för att även ha en uppsikt i den
13
Eftersom varken XPI OK eller XPID inte kan klassificeras med 100 % säkerhet så tillverkades ett defekt cylinderhuvud. Detta utfördes genom att borra tre stycken 4 mm hål med ett djup på 8 mm, se figur 9 nedan. Även denna testades med fem slag med 1.56 Hz resolution upp till 40 kHz och mikrofonen i position M2.
Figur 9. Tre stycken borrade hål i D-området
Alla cylinderhuvud jämfördes även med avseende på massa, se Figur 22 under resultatsektionen.
4 RESULTAT
Först följer resultaten från mätningarna mellan provkropparna av CGI och gråjärn med RAM följt av EMA undersökningen och till sist RAM tester för XPI cylinderhuvud.
4.1 RAM PÅ GRÅJÄRN OCH CGI PROVKROPPAR
Resultat av RAM mätning av två stycken komponentlika provkroppar av gråjärn samt två stycken av CGI.
Amp
litud
(V
/N)
Frekvens (Hz)
Figur 10. Frekvensspektrum för Provkropp 1 Gråjärn (Röd) och Provkropp 2 Gråjärn (Grön)
Figur 10 visar att det är svårt att upptäcka tydliga skillnader mellan objekt av samma material. Dock visar den första resonanstoppen en ganska stor avvikelse och likaså frekvenstopparna samlade vid 3000 Hz strecket. Skillnader för amplitudtoppar brukar bero på att ljudvågorna reflekteras olika när mätningarna inte utförs i ett ekofritt rum. Annars relativt lika i övrigt som är väntat eftersom de är likformiga.
15 0.00 Hz 6400.00 0.00 5.10e-3 A m p lit u d e V / N 0.00 7.00e-3 A m p lit u d e V / N
Frekvens (Hz)
Amp
litud
(V
/N)
Figur 11. Frekvensspektrum för Provkropp 1 Gråjärn (Röd) och Provkropp 1 CGI (Grön)
Figur 11 visar en förflyttning uppåt av egenfrekvenserna i frekvensspektrumet det betyder att styvheten är högre för CGI eftersom båda har samma massa.
0.00 Hz 6400.00 0.00 4.60e-3 A m p lit u d e V/ N 0.00 1.00 A m p lit u d e
Amp
litud
(V
/N)
Frekvens (Hz)
Figur 12. Frekvensspektrum för Provkropp 2 Gråjärn (Röd) och Provkropp 2 CGI (Grön)
Figur 12 visar en förflyttning uppåt av egenfrekvenserna i frekvensspektrumet det betyder med stor sannolikhet att styvheten är högre för CGI 2 eftersom båda har samma massa. Resultaten ovan visar att det går att skilja provkropparna åt med avseende på mikrostruktur, i detta fall mellan gråjärn och CGI, med RAM.
17
4.2 XPI
Under kapitel 4.2 följer resultaten från av RAM och EMA testerna gjorda på XPI cylinderhuvud. 4.2.1 EMA
Nedan följer resultaten från modalanalysen.
Frekvens (Hz)
Am
pli
tud
(g
/N
)
Figur 13. FRF från modalanalysFigur 13 ovan visar resultatet av 24 olika excitationspunkter, detta tillsammans med en noga analys av moderna från figur 14 under gav svaret 5614 Hz i frekvens för D-området. Det vill säga D-området vibrerar mest vid resonansfrekvensen 5614 Hz. Nu gäller detta för just detta cylinderhuvud men eftersom alla XPI har samma geometri så kommer antagligen den intressanta egenfrekvensen ligga runt 5614 Hz.
För att vara säker på resultatet ovan kontrollerades hur högt det gick att excitera cylinderhuvudena med den excitationshammaren som användes. Detta gjordes genom att kontrollera det så kallade Power Spectral Density (PSD), effektspektrum där det visade sig det att det gick att excitera upp till 6400 Hz och lite till figur 15 nedan. Detta betyder att det går att analysera cylinderhuvudenas frekvenssvar upp till minst 6400 Hz. De tre olika färgade graferna står för tre olika testomgångar.
Varför detta gjordes var på grund av att det kan skapa problem i mätningarna om energin i excitationen inte räcker till för att excitera de frekvenserna som är intressanta. Det har också göra med vilken spets som används på excitationshammaren och med vilken kraft objektet exciteras med. Ett exempel är om en hög frekvens är intressant att studera till exempel 6000 Hz, då är det önskvärt att använda en hård spets i stället för en mjuk. Under alla tester i detta projekt användes en hård excitationsspets.
Amp
litud
(N^2/Hz
)
Frekvens (Hz)
19
Frekvens (Hz)
Amp
litud
(g
/N
)
Figur 16. Den sökta egenfrekvensen för D-området, 5614 Hz
Figur 16 visar 12 excitationer i olika punkter på cylinderhuvudet vilket betyder att excitationen av denna resonans inte beror på excitationspunktens placering utan kan exciteras från vilken punkt på strukturen som helst. Amplituden varierar på grund av excitationspunkens avstånd från accelerometrarna.
4.2.2 RAM
Nedan följer resultaten från RAM analysen.
Frekvens (Hz)
Amp
litud
(V
/N
)
Figur 17. Karaktäristisk FRF mät med RAM för ett OK klassat cylinderhuvud av modellen XPI
Grafen i figur 17 ovan visar hur en typisk FRF av ett cylinderhuvud såg ut. Mikrofonen var placerad ovanför position M2 och excitationen gjordes i IP 2.
Frekvens (Hz)
Amp
litud
(V
/N
)
21
Frekvens (Hz)
Am
p
litud
(V
/N
)
Figur 19. Jämförelse mellan XPI 1 OK och XPID 1 (XPIDefekt 1)
Figur 19 ovan visar en skillnad på 14 Hz mellan cylinderhuvudena. Eftersom den defekta har flyttat sig uppåt i frekvensspektrumet så går det emot vad litteraturen påvisar. Tandon, K. N., & Begin, J. [3] visade en skillnad på upp emot 200 Hz för defekter på 1-10 mm i diameter stor. En förklaring kan vara att cylinderhuvud får en strukturell skillnad när de gjuts, det vill säga de blir inte alltid likadana.
Figur 20. Jämförelse av alla 22 stycken XPI cylinderhuvudena
Figur 20 ovan visar hur frekvensen varierar mellan de 22 cylinderhuvudena. Cylinderhuvudenas värden är tagna från mitten av egenfrekvensen och toppvärdet av amplituden. Det går inte att notera någon tendens för de defekta cylinderhuvudena eftersom de flesta XPID ligger inom området för de OK klassificerade cylinderhuvudena. Amplituden varierade slumpmässigt utöver alla tester. Önskvärt vore att de defekta hade klumpat ihop någonstans ifrån de gröna XPI OK med så var inte fallet.
För att följa upp resultatet utfördes ytterligare tester där frekvenserna studerades i ett bredare spektrum och med egentillverkade defekter, se figur 21 och 22 under. Varför detta är viktigt är för att figur 20 visar att RAM kan inte upptäcka några defekter på dessa testobjekt, men kan RAM upptäcka några större liknande defekter?
23
Frekvens (Hz)
Am
p
litud
(V
/N
)
Figur 21. Jämförelse av samma XPI med och utan borrade hål
Figur 21 ovan är en jämförelse för ett cylinderhuvud som fört blev testad (grön) och blev testad åter igen efter att tre stycken 4 mm i diameter x 8 mm djupa hål var borrade i D-området (röd). Figuren visar alltså att det inte blev någon skillnad i frekvensspektrumet när tre stycken eget orsakade defekter adderades, den skiftade ingenting från 5606 Hz strecket.
Frekvens (Hz)
Am
pli
tud
(V
/N
)
Amplitud
(g)
Figur 22. FRF för XPI med och utan borrade hål
Figur 22 ovan visar en jämförelse mellan XPI med och utan tre hål i ett frekvensspektrum upp till 20 kHz utan någon signalbehandling, så kallad ”rå” data. Amplituden skiljer sig avsevärt på grund av att excitationskraften varierade, dock har egenfrekvenserna inte skiftat i något led.
25
Figur 23. Jämförelse av massa mellan XPI OK och XPID
Figur 23 visar hur massan varierar för de gjutna cylinderhuvudena. Intressant var att medelvärdet för massan för XPID var 20.03 kg och 19.99 kg för XPI OK vilket är motsägande eftersom cylinderhuvud med porer bör väga mindre. Slutsatsen är att XPID ligger inom området för XPI OK. Värt att notera är att den största differensen var 0.48 kg mellan cylinderhuvudena som ej var defekta.
5 ANALYS
Här nedan analyseras EMA testerna på XPI samt RAM testerna på CGI, gråjärn och XPI.
5.1 RAM PÅ GRÅJÄRN OCH CGI PROVKROPPAR
Första RAM testerna utfördes på provkroppar gjorda av CGI och gråjärn, här visas det tydligt att det går att särskilja dem. Eftersom CGI har en högre styvhet än gråjärn bör egenfrekvensen skifta uppåt om massan och strukturen är samma, vilket tydligt visas i figur 11. Detta beror på att mikrostrukturen i CGI påverkar styvheten, och det syns tydligt i frekvenssvaren.
5.2 EMA OCH RAM PÅ XPI
Resultaten från EMA visade att frekvensen 5614 Hz med hög sannolikhet tillhör moden för det sökta D-området.
Vid XPI OK och XPID analysen genomfördes noterades det bl.a. en skillnad på ca 14 Hz i riktning uppåt de högre frekvenserna, detta beror antagligen inte på porerna/inneslutningarna utan en skillnad på strukturen från gjutningen (figur 19). Alla 22 cylinderhuvud testades och presenteras på ett spridningsdiagram (figur 20) som visar klart och tydligt att de antagna defekta cylinderhuvudena ligger inom det OK klassificerade området.
För att vara helt säker på resultatet och ingenting hade förbisetts, testades alla cylinderhuvud återigen i ett bredare frekvensspektrum. Samtidigt tillverkades tre stycken 4x8 mm hål för att simulera ett grovt defekt cylinderhuvud. Denna testades grundligt i ett frekvensspektrum som kan registrera upp till 40 kHz och utan signalbehandling (figur 22).
Ett problem med att studera de högre egenfrekvenserna är att det är svårt att excitera dem. En mänsklig hand kan med en ZIEGLER IXYS H2 hammare högst excitera upp till 8 kHz, en mindre hammare kan excitera högre än en så men då blir hela testet samtidigt mer känslig. Det vill säga variationer i de högre frekvensregionerna är lika stora om inte mindre än osäkerheten för testet, vilket gör att det inte finns något underlag för att analysera frekvensspektrumet över 8 kHz. Med osäkerheten menas till exempel att det är svårt för en människa att excitera i samma punkt flera gånger, testobjektet reflektioner samt det finns alltid en liten felmarginal vid experiment. På grund av detta blir frekvenssvaret för tester gjorda med små excitationshammare väldigt brusiga, går att jämföras med gräs, detta gör det väldigt svårt att upptäcka några frekvensavvikelser.
Figur 23 ovan visar hur massan inte kan användas som underlag för analys av defekter av typen som denna rapport behandlar. Defekterna är för små för att ha någon inverkan på massan av dessa cylinderhuvud. Det är inte omöjligt att skillnaden som uppkommer i resultaten är på grund av denna skillnad i massa. Största avvikelsen mellan två stycken cylinderhuvud var 0.48 kg vilken är ca 2 % variation i massa.
27
6 SLUTSATSER
Slutsatser och fortsatt arbete.
Det var möjligt att särskilja provkroppar åt gjorda av gråjärn och CGI. Anledningen till detta var att CGI och gråjärn har olika mikrostruktur som påverkar hela strukturen vilket gör att RAM kan upptäcka det utan problem. CGI har en styvhet som är ca 45 % högre än gråjärn [9] och detta syns mycket tydligt i ett frekvensspektrum genom att egenfrekvensen höjs.
Det var inte möjligt att identifiera de sökta defekterna i XPI cylinderhuvud med RAM. Det var många orsaker som ledde till detta. Defekterna som var givna i projektet (1-5 mm i diameter) syns vanligtvis inte på ytan och det gör det svårt att klassificera om cylinderhuvudena är defekta eller inte, detta gör figur 20 till en ganska svag källa att dra slutsatser ifrån. För att verifiera denna slutsats så borrades det hål i ett cylinderhuvud för att vara säker på att den var defekt. Slutsatsen från det testet var att det inte gick att registrera någon avvikelse med hänsyn till de tre borrade hålen. Detta beror på att tre hål i cylinderhuvudets D-område varken förändrar geometrin eller strukturen väsentligt nog för att åstadkomma någon skillnad i frekvenssvaret. Dock registrerades det variationer i resultaten men det är med stor sannolikhet resultatet av variationerna vid gjutningsprocessen. Variationerna visas tydligt i figur 23 där massan varierade upp till 0.48 kg.
Eftersom RAM inte lämpar sig för dessa defekter så måste andra OFP metoder utredas. CT (Computed Tomography) röntgen skulle kunna vara ett sätt att säkerhetsställa vilka cylinderhuvud som verkligen är OK eller defekta. Det finns studier som visar att CT röntgen kan visa och beräkna både inre strukturer och porer/inneslutningar [10]. En sådan tomografiröntgen utfört av företaget Carl Zeiss AB (Zeiss.se) skulle kosta ca 5000 kr per objekt.
REFERENSER
[1] STULTZ,G.R.,&BONO,R.W.,&SCHIEFER,M.I. 2005. Fundamentals of Resonant Acoustic Method NDT. http://www.modalshop.com/filelibrary/White%20Paper%20NDT-RAM.pdf [2]ENGSTRÖM,G.,&HEDEGÅRD,J.2003 Inst för industriell produktion, Svetsteknologi, KTH. Oförstörande provning. Studentlitteratur.
[3]TANDON,K.N.,&BEGIN,J.1990. A Study of Variation in the Natural Frequency of Steel
Castings Containing Porosity and Inclusions. Applied Acoustics.
[4]ELBATAWI,I.E.2008. An acoustic impact method to detect hollow heart of potato tubers. [5] WWW.LMSINTL.COM/MODAL-ANALYSIS
[6]ITO.Y,UOMOTO.T.1997. Nondestructive testing method of concrete using impact acoustics.
NDT&E International
[7]XIE Z.,TANE M.,HYUN S.,OKUDA Y.,NAKAJIMA H.2005. Vibration-damping capacity of lotus-type porous magnesium. Material Science and Engineering.
[8] XIE Z.,IKEDA T.,OKUDA Y.,NAKAJIMA H.2004. Sound absorption characteristics of lotus-type porous copper fabricated by unidirectional solidification.
[9] WWW.SINTERCAST.COM/$2/SINTERCAST-ARSREDOVISNING-2010.PDF
[10]KRUTH J.P.,BARTSCHER M.,CARMIGNATO S.,SCHMITT R.,DE CHIFFRE L.,WECKENMANN A. 2011. CIRP
29
BILAGA 1 TIDSPLAN
Mån ad Aktivitet Vecka 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 Tester av R AM fö r inlärning Litt eraturundersö kning Analys och kara kt erisering av cyli nderhuvud Modala nalys Tester av R AM på CGI o ch gråjä rn Förberedelse för tester, setup
etc . Exp riment ell studie på Scania Analys av resultat, komplet terande tester Fö rberedelse present ation Rapports krivning Scanias " industrisemester" Maj Juni Juli August i September
