FAKULTA STROJNÍ
Katedra sklářských a keramických strojů
DIPLOMOVÁ PRÁCE
2005
Lukáš TĚŠINA
FAKULTA STROJNÍ
Studijní program: M2301 - Strojní inženýrství
Studijní obor: 2302T010 Konstrukce strojů a zařízení Změření: Sklářské a keramické stroje
Experimentální zařízení pro gravitační tvarování plochého skla
(Experimental device for gravitational forming of flat glass) KSK – 18956
Lukáš TĚŠINA
Vedoucí diplomové práce: Doc. Ing. František Novotný CSc.
Konzultant diplomové práce: Ing. Marcel Horák
Rozsah diplomové práce:
Počet stran: 68
Počet tabulek: 8 Počet obrázků: 73
Počet výkresů: 39
Počet příloh: 1
Počet modelů: 0
Datum odevzdání: 27.5.2005
Zadání
Experimentální zařízení pro gravitační tvarování plochého skla ANOTACE:
Diplomová práce předkládá návrh experimentální metodiky, která umožní snadno a rychle analyzovat velikost deformace propadu vzorku plochého skla při měnících se okrajových podmínkách tvarování při laboratorních experimentech.
Na základě vyhodnocení deformačních charakteristik je možné posoudit vliv okrajových podmínek na proces gravitačního tvarování plochého skla. Bylo vyvinuto experimentální zařízení pro přímé měření deformací vzorků tvarovaného skla s užitím laserových a magnetostrikčních snímačů. Dále byla navržena a vyřešena nová konstrukce mechanické propadové formy jako nástavby laboratorní pece, která umožní dosáhnout reprezentativní okrajové podmínky procesu v laboratorních experimentech. V závěru práce jsou prezentovány příklady naměřených výsledků včetně ověření pravdivosti navržené experimentální metodiky.
KLÍČOVÁ SLOVA:
Gravitační tvarování, ploché sklo, forma, experiment, laboratorní pec.
THEME:
Experimental device for gravitational forming flat glass SUMMARY:
The diploma thesis presents a project of experimental methodics, which enables to analyze easily and quickly the of size deformation sagging specimen flat glass at exchanging boundary conditions forming in laboratory experiments. On the basis of evaluation deformation characteristics it is possible to judge the effect of border conditions on the process of gravitaty forming flat glass. An experimental device was developed for direct measuring deformation specimen formed glass with using laser and magnetostrictive sensors. A new construction of mechanical sagging forms was designed and solved as an extension of laboratory furnace, which enables to achieve the representative border conditions of the process in laboratory experiments. At the work conclusion the examples of measured results including designed experimental methodists check are presented.
KEYWORDS:
Gravitaty forming, flat glass, form, experiment, laboratory furnace.
MÍSTOPŘÍSEŽNÉ PROHLÁŠENÍ
Místopřísežně prohlašuji, že jsem diplomovou práci vypracoval samostatně s použitím uvedené literatury.
V Liberci dne 27.5.2005 ………
Lukáš TĚŠINA
PODĚKOVÁNÍ
Děkuji Doc. Ing. Františku Novotnému CSc., vedoucímu katedry sklářských a keramických strojů Technické univerzity v Liberci, za vynikající odborný dohled, trpělivost a cenné připomínky v průběhu řešení.
Zároveň děkuji panu Ing. Michalovi Starému za odbornou pomoc.
Rád bych dále poděkoval panu Ing. Marcelovi Horákovi za poskytnuté informace a podmětné připomínky v průběhu celého řešení diplomové práce.
OBSAH
SEZNAM POUŽITÝCH SYMBOLŮ A ZNAČEK ... 9
ÚVOD ...10
1. Rozbor současného stavu výzkumu gravitačního tvarování plochého skla ...11
1.1 Příklady zařízení a faktorů které se podílejí na výrobě automobilových skel ...11
1.1.1 Technologie výroby automobilových skel ...11
1.1.2 Propadové formy ...12
1.1.3 Tvarovací linka ...14
1.2 Laboratorní zařízení pro experimentální výzkum gravitačního tvarování plochého skla...17
1.2.1 Popis zařízení...18
1.2.2 Řízení teplot pece ...20
1.3 Přehled publikovaných podkladů o gravitačním tvarování plochého skla ...21
2. Konstrukční úpravy experimentálního zařízení...23
2.1 Konstrukční úpravy laboratorní pece ...23
2.1.1 Konstrukční úprava propadové formy...23
2.1.2 Zaizolování průzorů v laboratorní peci...24
2.1.3 Umístění infračervených teploměrů...26
2.2 Konstrukce mechanické propadové formy ...26
2.2.1 Popis principu mechanické propadové formy ...26
2.2.2 Alternativní studie řešení mechanické propadové formy pro laboratorní experimenty...29
2.2.3 Výpočty závaží ...32
2.2.4 Přehled výkresové dokumentace ...38
3. Návrh experimentální metodiky ...39
3.1 Analýza změn parametrů na proces gravitačního tvarování plochého skla ...39
3.1.1 Měnitelné parametry...39
3.1.2 Velikost vzorků ...41
3.1.3 Vliv stínících plechů na gravitační tvarování plochého skla...42
3.2 Experimentální metodika zohledňující citlivostní analýzu ...44
3.2.1 Měření průhybu vzorku v průběhu procesu ohýbání ...44
3.2.2 Měření průhybu vzorku po ukončení ohýbání a vychlazení...46
3.2.3 Alternativní studie řešení odměřovacího zařízení pro analýzu vzorků...52
3.2.4 Výběr varianty odměřovacího zařízení pro analýzu vzorků ...57
3.2.5 Realizace vybrané varianty odměřovacího zařízení ...58
3.2.6 Technická dokumentace odměřovacího zařízení ...61
4. Ověření experimentálního zařízení a prezentace výsledků ...62
4.1 Kontrola relevantnosti odměřovacího zařízení...62
4.2 Příklady naměřených výsledků ...63
5. Technické zhodnocení...66
ZÁVĚR ...67
LITERATURA...68
SEZNAM POUŽITÝCH SYMBOLŮ A ZNAČEK
Značka Jednotka Veličina
P [kW] Výkon
FMAX [N] Maximální síla
τ [°C] Teplota
T [min] Čas
α [°C/min] Úhel náběhu
mS [kg] Hmotnost skla
V [mm3] Objem
s [mm] Šířka skla
tS [mm] Tloušťka skla
l [mm] Délka skla
ρ [kg/m3] Hustota
m1 [kg] Hmotnost pravé části sklopného kraje m2 [kg] Hmotnost levé části sklopného kraje m3 [kg] Hmotnost tyče na závaží
mVZ [kg] Hmotnost vyvažovacího závaží g [m/s2] Gravitační zrychlení
M1 [Nmm] Moment způsobený hmotností m1
M2 [Nmm] Moment způsobený hmotností m2
M3 [Nmm] Moment způsobený hmotností m3
MVZ [Nmm] Moment způsobený hmotností mVZ
tVZ [mm] Tloušťka vyvažovacího závaží mZZ [kg] Hmotnost zatěžujícího závaží MZZ [Nmm] Moment způsobený hmotností mZZ
MS [mm] Moment způsobený hmotností skla
MT [Nmm] Třecí moment
r [mm] Poloměr čepu uložení sklopného kraje
FT [N] Třecí síla
FN [N] Normálná síla
fČ [1] Součinitel čepového tření tZZ [mm] Tloušťka zatěžujícího závaží
F [N] Síla
ÚVOD
Námět na téma diplomové práce pochází od společnosti AGC Automotive Czech,a.s. Tato společnost se zabývá výrobou automobilových skel a řadí se mezi přední výrobce v Evropě. Společnost AGC Automotiv Czech, a.s. je dceřinou společností Glaverbel Czech, a. s., která je největším výrobcem plochého skla a jeho aplikací ve střední a východní Evropě.
Designéři nových automobilů navrhují z hlediska technologické náročnosti tvarově velmi složitá skla s extrémními ohyby. K tomu pak přistupují stále vyšší nároky na tvarovou přesnost výlisků. Vysoké požadavky na jakost ohýbaných skel nutí výrobce automobilových skel k hlubšímu poznání procesu gravitačního tvarování a úlohy přídavných prostředků na propadových formách.
Katedra sklářských a keramických strojů ve spolupráci se společností AGC Automotive Czech, a.s. vytvořila laboratorní pracoviště, které se věnuje získávání okrajových podmínek gravitačního tvarování plochého skla. Získané okrajové podmínky budou sloužit k verifikaci numerických modelů. Numerické modely jsou hlavní cestou podrobnějšího studia procesu gravitačního tvarování.
Úkolem této diplomové práce je navrhnout experimentální metodiku a její aplikací experimentálně ověřit funkčnost modelového zařízení na ohýbání skel.
Diplomová práce je rozčleněna do pěti kapitol. V první kapitole je proveden rozbor současného stavu včetně publikovaných materiálů. V druhé jsou zpracovány konstrukční úpravy laboratorního zařízení a návrh mechanické propadové formy jako nástavby laboratorní pece. Následující třetí kapitola se zabývá experimentálními metodami a návrhem zařízení na vyhodnocování vzorků. Čtvrtá kapitola obsahuje ověření funkčnosti odměřovacího zařízení a ukázku získaných výsledků. Závěrečná kapitola se zabývá technickým zhodnocením navrženého řešení včetně závěru.
1. Rozbor současného stavu výzkumu gravitačního tvarování plochého skla
V první kapitole je popsána výroba autoskel technologií gravitačního tvarování plochého skla a popis zařízení, ve kterém se tato výroba uskutečňuje.
Další součástí je popis laboratorního zařízení, ve kterém se bude provádět simulace gravitačního tvarování na vzorcích skla. Je zde také přehled publikovaných podkladů, které lze více či méně aplikovat na technologii gravitačního tvarování autoskel.
1.1 Příklady zařízení a faktorů které se podílejí na výrobě automobilových skel
1.1.1 Technologie výroby automobilových skel
Tvarovaná automobilová skla se nejčastěji vyrábějí gravitačním tvarováním.
Sklo je ohříváno teplotním gradientem, který způsobí změnu elastického chování materiálu na viskózní. Přířez skla je namáhán pouze gravitační silou, která vede k jeho trvalé deformaci až po dosažení viskoelastického stavu, jenž nastává při transformační teplotě skla. Na obr. 1.1 je znázorněno schéma gravitačního tvarování.
Čelní automobilová skla se nejčastěji vyrábějí vrstvená. Jednotlivé vrstvy skla se spojují jiným materiálem (nejčastěji PVB) ve formě folie. Je velmi důležité, aby se dvojice ořezaných a obroušených skel, jež tvoří přední sklo, ohýbaly současně. Malé odchylky od žádaného tvaru během této operace by mohly mít negativní důsledky na spojování a zhoršovaly by optické vlastnosti výsledného sendvičového skla.
Obr. 1.1 Schéma gravitačního tvarování plochého skla Horní otop
Dolní otop Přířez skla
Vytvarované sklo
Propadová forma G
Horní otop Přířez skla
Dolní otop Propadová forma
Vytvarované sklo
1.1.2 Propadové formy
Aby bylo možné sklo gravitačně tvarovat, musí se přířez skla umístit na speciální tvarovací zařízení, kterému se říká propadová forma (obr 1.2). Konstrukční a technologická řešení těchto forem ovlivňují při tvarování plochého skla přesnost požadovaného tvaru a jakost konečného výrobku.
Obr. 1.2 Propadová forma
Tvar formy se vyrábí přesně podle šablony – gabaritu (obr. 1.3), jež je replikou základního modelu poskytovaného výrobcem automobilů. Forma musí odpovídat konečnému tvaru a zakřivení, které je požadované na konci celého procesu ohýbání, také musí umožnit přesné polohování skla po celou dobu pobytu uvnitř pece.
Obr. 1.3 Šablona – gabarit
V praxi se používají dva základní druhy konstrukce propadových forem. Jsou to formy pevné nebo formy mechanické.
Pevné formy jsou konstrukčně jednodušší (obr. 1.4) a používají se pro velké poloměry ohybu skla. Její tvar je pevný a představuje konečný tvar ohýbaného skla.
U autoskel, které mají menší poloměry ohnutí, je konstrukce této formy nedokonalá a dochází k neúplnému vytvarování, neboť skleněný přířez není schopen dokonale kopírovat tvar formy.
Obr. 1.4 Pevná propadová forma
Mechanické formy jsou výrobně složitější (obr. 1.5). Forma má několik pohyblivých částí. Nejčastěji se jedná o kraje, ve kterých se skla pro automobilový průmysl nejvíce ohýbají a často zde mají menší poloměr ohybu než uprostřed.
Pohyblivé kraje formy, které jsou připevněny přes kloub na pevnou část formy, jsou opatřeny závažím. Hmotnost závaží mění okrajové podmínky v uložení tvarovaného skla.
Obr. 1.5 Mechanická propadová forma
Propadové formy jsou svařence z materiálu 17240 a skládají se ze dvou částí. Z pevného základu a z tvarovací části. Pevný základ je přizpůsoben nejen k držení tvarovací části, ale také ke snadné manipulaci a pohybu v pohybových drahách uvnitř pece. Tvarovací část je tvořena tenkými pásy, které jsou buď plné nebo perforované a často bývají obaleny žáruvzdornou tkaninou, která chrání sklo před otlaky a poškozením.
Ve většině případů jsou propadové formy opatřeny stínícími plechy (obr 1.6 a), které mají zásadní vliv na rozvržení teplot ve skle. Tyto plechy se umisťují
jednak vertikálně nebo horizontálně, přičemž jedním z rozhodujících faktorů je jejich vzdálenost od formy (skla). Dalším nastavitelným parametrem je jejich naklonění, což se týká převážně horizontálních plechů. Plechy jsou z běžné oceli třídy 11, většinou 11 373. Tloušťka plechů je 2 až 8 mm. Jednou z konstrukčních úprav, která má zlepšit rozložení teplotního pole ve skle, je vytvoření zubů na straně plechu, které směřují do středu skla (obr 1.6 b).
a) b)
Obr. 1.6 Příklad stínících plechů: a – standardní stínící plech;
b – upravený stínící plech
1.1.3 Tvarovací linka
K ohřevu automobilových skel slouží kontinuální tvarovací linka. Součástí tohoto zařízení je kontinuální elektrická pec a dopravník pohybující propadovými formami. Linku lze rozdělit do pěti základních úseků.
Prvním úsekem je zakládací část, ve které se pomocí robotů automaticky spárují obroušené přířezy skla a ty se přesně položí na propadovou formu. Na obr. 1.7 je zobrazen vstup do pece s již položeným párem skel.
Obr. 1.7 Vstup do pece s uloženým sklem na propadovou formou
Dalším úsekem je horká část pece. Tento úsek se dělí do dvou částí – předehřívací a tvarovací. V předehřívací části pece se vrstvy skla zahřejí postupně na teplotu 520 °C a to bez ohledu na typ skla. Je důležité, aby se stejnoměrně ohřál celý povrch skla. V tvarovací části se vrstvy skla ohýbají do finálního výrobku.
Zahřívání této části musí tudíž odpovídat charakteristikám zakřivení výsledného čelního skla. Topná tělesa jsou v peci instalována na základní desce a klenbě, ale o konečném tvaru tabulí skla rozhodují topné odpory umístěné v klenbě. Ty jsou rozděleny rovnoběžně s osou pece po celé šířce pásma. Jejich výšku lze nastavovat, ale během ohýbání se nemění. Výška nastavení se může řídit typem formy, cílového ohnutí anebo výškou použité formy.
Na horkou část pece navazuje chladící úsek, kde se vytvarované sklo chladí předepsanou rychlostí. Požadovaná rychlost chlazení skla je 50 až 80 °C/min (max.
100 °C/min.). Výstupní teplota skla musí být maximálně 150 °C, jinak by docházelo k prasknutí skla.
V odbírací části linky jsou již hotová automobilová skla vyjímána z propadových forem a následně jsou přeložena na balící linku, která je připravuje k transportu.
Posledním úsekem je dopravníková část, která vrací propadové formy opět na začátek linky. Při této přepravě dochází také k dochlazení formy na počáteční teplotu. Obr. 1.8 zobrazuje propadovou formu na dopravníku.
Obr. 1.8 Dopravník s propadovou formou
V příloze je uvedena tabulka nastavení teplot v jednotlivých sekcích pece a graf znázorňující průběh teplot při průchodu skla pecí včetně chladícího úseku.
1.2 Laboratorní zařízení pro experimentální výzkum gravitačního tvarování plochého skla
Laboratorní pec (obr. 1.9) byla vyrobena podle dokumentace [1] firmou ELSKLO spol. s r.o. Pec je určena k laboratorním experimentům při proměnných okrajových podmínkách, které jsou rozhodující pro dosažení požadovaného tvaru a přesnosti průhybu. Měřením hodnot průhybu při různých změnách vstupních parametrů získáme deformační charakteristiku skla odpovídající nastaveným okrajovým podmínkám.
Obr. 1.9 Laboratorní pec
U laboratorní pece lze nastavit teploty horního a dolního zářiče. Zářiče jsou na sobě nezávislé a každý má samostatný regulátor. Dále jsou proměnné vzdálenosti mezi horním a dolním zářičem a mezi dolním zářičem a propadovou formou.
1.2.1 Popis zařízení
Zařízení pro gravitační tvarování skla podle [1] se skládá z pevné a pohyblivé části.
Pevná část:
Obr. 1.10 Pevná část laboratorní pece – klenba
Pevná část je tvořena rámem z extrudovaných profilů spojených konektory a krycím nerezovým plechem. Na rámu je připevněna mufle se zářičem. K zadní straně je připojena nástavba s osvětlením a stínícím plechem.
Mufle se skládá z ocelové konstrukce, tepelné izolace a zářiče. Vše je kryté nerezovým plechem. V předu mufle jsou dvířka s průzorem ze sklokeramiky. Také na zadní straně je průzor. Přední průzor slouží k pozorování a snímání děje ohýbání.
Zadní je určen k osvětlení vnitřku pece. Na obou průzorech jsou stínítka k nastavení požadované světlosti průzorů.
Jako izolace je použit materiál Promalight 310 tloušťky 130 mm.
Tepelný zářič je modul MEANDRETHAL od firmy Kanthal a je vyroben z materiálu Kanthal A-1. Výkon modulu je P=1,2 kW.
Na horní straně mufle jsou ve vyvrtaných otvorech připevněny tři pyrometry sloužící k měření teploty skleněného vzorku. Pyrometry jsou chlazeny tlakovým vzduchem pro ochranu před působením tepla unikajícího otvory ve stropě mufle.
Osvětlení vnitřku pece je zajištěno reflektorem připevněným na nástavbě na zadní straně pece. Světlo do pece proniká zadním průzorem. K odstínění nežádoucího osvětlení okolí je použit nerezový plech.
Pohyblivá část:
Obr. 1.11 Pohyblivá část - nístěj
Pohyb nástavby a propadové formy vykonává zvedací sloup LINAK LP-2 s nosností Fmax=2600 N, který je připevněn na rámu. Pomocí tohoto sloupu se nastavuje vzdálenost mezi horním a dolním zářičem. Sloup je ovládán on-line pomocí ručního ovladače. Ovladač umožňuje uložení tří poloh.
Na sloup je upevněna nástavba s nůžkovým zvedákem. S nástavbou je pevně spojen podstavec na propadovou formu. Podstavec na propadovou formu je vyroben z materiálu 17240 a je opatřen čtyřmi vybráními pro přesné uložení propadové formy. Nůžkový zvedák připevněný na nástavbu slouží k nastavování vzdálenosti mezi nístějem a propadovou formou. Pohybujícím se prvkem je nístěj, který je pohyblivě uložen na upevňovacích tyčkách podstavce propadové formy. S nůžkovým zvedákem je spojen pomocí podpěry, která rovnoměrně rozkládá tlak na základní desku nístěje. Pracovní zdvih zvedáku je 200 – 380 mm a nosnost 1000 kg.
Pro vymezení vůle je použita dvojice pružin. Požadovaná poloha se nastavuje ručně pomocí kliky.
Nístěj se skládá ze základní desky, tepelné izolace a zářiče. Základní deska je vyrobena z oceli a zakryta nerezovým plechem. Na izolaci je použit materiál Promalight 310 tloušťky 130 mm a tepelným zářičem je modul MEANDRETHAL od firmy Kanthal vyrobený z materiálu Kanthal A-1. Výkon modulu je P=1,2 kW.
1.2.2 Řízení teplot pece
Teploty obou tepelných zářičů jsou ovládány nezávisle na sobě tj. každému zářiči je přiřazen vlastní regulátor. Použity jsou Programové regulátory INDUSTRY určené pro ovládání složitějších technologických zařízení. Například elektrické a plynové pece s nutností přesné regulace teplot.
Regulátor umožňuje dvě základní možnosti dosažení požadované teploty.
Prvním způsobem je přímé nastavení konečné teploty. Při tomto režimu je náběh na teplotu nejstrmější a jeho průběh nelze ovlivnit. Druhou možností je naprogramování průběhu teplot. Zde se předem naprogramuje rychlost náběhu a výdrž na teplotě.
Požadovaný náběh lze zadávat pomocí konečné teploty [°C] a doby nárůstu [min]
(obr. 1.12 a) nebo konečnou teplotou [°C] a přírůstkem teploty [°C/min] (obr.1.12 b).
Obr. 1.12 Možnosti nastavení náběhu na konečnou teplotu: a – nastavení konečné teploty a doby nárůstu; b – nastavení konečné teploty a
přírůstkem za min.
a) b)
α [°C/min]
t [°C]
t
T [min]
t [°C]
T [min]
T T [min] T
T τ
τ
τ
τ
[°C]
[°C]
Regulátor je vybaven množstvím funkcí. V základním režimu regulátor měří a na displeji zobrazuje aktuální teplotu na zářiči. Dalšími pro nás využitelnými funkcemi jsou:
Měření výkonu prvního a druhého výstupu v % Spotřeba energie na poslední výpal v kWh Celková spotřeba energie v kWh
Periodická archivace měřených teplot s rozsahem vzorkování 1 až 120 min.
Archivovat lze trvale, při spuštěném programu nebo při alarmu.
Regulátor lze pomocí datové sběrnice připojit k PC. PC se stává nadřazeným systémem (Master) a regulátor podřízeným (Slave). Programování regulátoru se provádí přímo tlačítky na regulátoru nebo pomocí připojeného PC.
1.3 Přehled publikovaných podkladů o gravitačním tvarování plochého skla
Existuje řada publikací, které se zabývají přímo nebo jen okrajově tokem viskózních tekutin, jako jsou vlákna či tenké tabule. Problémy s tím spjaté jsou řešeny pomocí různých druhů simulací a výpočtových metod. V článcích jsou publikována řešení od matematických výpočtů přes metodu konečných prvků až k účelovým vlastním programům.
Stokes se ve své práci [2] zabývá velmi viskózním tokem Newtonské tekutiny vlivem gravitace. Práce je napsána se zaměřením na specifické aplikace v optickém průmyslu, s důrazem na klesání taveného skla do formy. Nicméně práce má mnohem obecnější aplikovatelnost. Problematika je řešena metodou konečných prvků s účelově napsaným počítačovým programem. Současný program je omezený na řešení dvojrozměrných nebo axisymetrických toků, ale je rozšiřitelný do třech rozměrů. Odhad významu ne-izotermických podmínek je proveden porovnáním izotermických a ne-izotermických simulací se zkušebními výsledky (Corning Glass Works). Izotermický model je shledán jako nejlépe se hodící pro experimentální data.
C. de Boor použil ve své práci [9] pro reprezentaci průběhů povrchů polynomickou křivku čtvrtého stupně a pro optimalizaci byla doporučena metoda nejmenších čtverců s využitím B-splinů. Jako efektivní metoda pro filtrování šumu z nepřesných dat z numerických simulací i experimentů.
Stokes a Agnon se v publikaci [3] zaměřili na modelovací techniky nepřímé úlohy gravitačního tvarování skla. Použitím multi-proměnné Newton-Raphson metody byly nalezeny tvary keramických forem, které produkují předepsaný profil zakřivení tvarovaných skel. Přestože práce je orientována na tepelnou replikaci
optických součástí, má popisovaná metoda obecnější použitelnost a to i pro návrh forem pro čelní automobilová skla.
Howell se ve svých pracích [4,5] zabýval identifikací relevantních délkových a časových měřítek pro deformaci viskózních tabulí a dále odvozením nových modelů plně trojrozměrných tabulí libovolné geometrie. Odvodil plně nelineární model pro tvarování trojrozměrných tabulí za předpokladu malých poklesů. Vytvořené řídící rovnice používají pro tabuli křivočarý souřadnicový systém tzv. ortogonální trajektorie pro normální a tangenciální směry hlavního zakřivení.
Gillow se ve své práci [6] zabývá srovnáním numerických řešení propadu skla na rovinném pravoúhlém rámu s ohledem na různé varianty okrajových podmínek (volné rohy, prostě podepřené, vetknuté) a různé poměry stran tvarované desky.
Speciálně je práce zaměřena na studii kontaktu ohýbané desky s formou včetně možnosti změn kontaktních vazeb rohů ohýbané desky a rámu.
Hunt předložil ve své publikaci [7] Numerické řešení toku tenkých viskózních desek vlivem gravitace a zabýval se problémem nepřímé úlohy propadu čelního skla.
Řídící rovnice byly odvozeny a řešeny numericky pro konstantní a variabilní viskozity ve dvou a třech rozměrech. Řešení ukazuje, že vývoj tvaru prochází třemi rozdílnými fázemi. V průběhu první fáze tabule propadá vlivem gravitace se zanedbatelnými viskózními silami. Ve druhé fázi, jak se tabule stává zakřivenou, viskózní síly dominují a tabule klesá. Nakonec ve třetí fázi se na okrajích tabule stává tak tenkou, že již není dále podepřena okraji a volně padá.
Zahrnutí proměnné viskozity vedlo k řešení nepřímé úlohy, jejímž cílem bylo spočítat viskózní profil, který produkuje předepsaný pokles tabule skla. Ve dvou rozměrech bylo shledáno, že nebylo možné získat řešení pro úlohy, jejichž střednicové profily jsou významně rozdílné od těch, které jsou produkovány při konstantní viskozitě. Analytické řešení úlohy potvrdilo, že časový průběh deformací střednicového profilu, kterým je profil deformované tabule reprezentován, je určován dominantně tloušťkou tabule. Změny tloušťky tabule během gravitačního tvarování jsou však nepatrné.
Tuck, Stokes a Schwarz [8] zkoumají propad jednoduchého modelu dvourozměrného vetknutého nosníku. Úlohu řeší numericky, metodou konečných prvků a to jak softwarovým balíkem Fastflo, tak vlastním účelově napsaným programem.
2. Konstrukční úpravy experimentálního zařízení
V této kapitole jsou popsány konstrukční úpravy příslušenství a laboratorního zařízení. Také je zde popsána nová konstrukce mechanické propadové formy, která umožní využitelnost laboratorního zařízení.
2.1 Konstrukční úpravy laboratorní pece
Před zahájením experimentální činnosti na laboratorním zařízení bylo nutné provést jeho odzkoušení. Konstrukčně se upravily nevyhovující součásti pece, které by mohli znesnadnit nebo přímo ovlivnit výsledky gravitačního tvarování.
2.1.1 Konstrukční úprava propadové formy
U původně vyrobené formy dosedalo gravitačně tvarované sklo na spojnice levé a pravé lišty formy. Z nutnosti ničím neovlivněného volného tvarování skla byly tyto spojnice posunuty níže (obr. 2.1) do dostatečné vzdálenosti od konečného tvaru ohnutého skla. Na obr. 2.2 je tato forma zobrazena již po konstrukční úpravě.
Obr. 2.1 Znázornění konstrukční úpravy propadové formy
Obr. 2.2 Zobrazení upravené formy 2.1.2 Zaizolování průzorů v laboratorní peci
Laboratorní pec je na dvířkách a zadní stěně opatřena průzory ze sklokeramiky (obr. 2.3). Velikost průzorů je v celé své velikosti nadbytečná. Tyto průzory způsobují teplotní ztráty a také značně ovlivňují homogenitu teplotního pole v peci. Proto bylo nutné zmenšit světlost průzorů na minimum, nebo je úplně zaslepit pro měření, která nevyžadují optickou kontrolu během procesu ohýbání.
K zaizolování obou průzorů byl použity hranoly z materiálu SIBRAL podle obr.2.4. Pro odkrytí průzorů se vyndají pouze vystouplé hranoly izolace z dvířek a zadní stěny pece.
Obr. 2.3 Dvířka laboratorní pece s průzorem ze sklokeramiky
Obr. 2.4 Zaizolované průzory s vyjímatelným hranolem
Na obr. 2.5 jsou znázorněny průběhy rychlostí výhřevu experimentální pece na stanovenou teplotu 750 °C. Křivky porovnávají rychlosti před a po zaizolování průzorů. Z grafu je zřejmé, že při teplotách nad 300 °C dochází k výraznému zvýšení rychlosti výhřevu.
0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600 650 700 750 800
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180
Čas [min.]
Teplota [°C]
Strop (před zaizolováním průzorů)
Dno (před zaizolováním průzorů)
Strop (po zaizolování průzorů) Dno (po zaizolování průzorů)
Obr. 2.5 Graf rychlosti výhřevu pece před a po zaizolování průzorů
2.1.3 Umístění infračervených teploměrů
Strop laboratorní pece byl navržen pro umístění tří infračervených teploměrů rozmístěných tak, aby snímaly teplotu na úhlopříčce ohýbaného vzorku. Pro doposud ohýbané vzorky o šířce 40 mm je využitelný pouze prostřední infračervený teploměr.
Zbývající dvě díry byly ucpány vatou ze SIBRALU pro snížení teplotních ztrát. Infračervený teploměr je upevněn na konzole, ke které je připevněn i přívod tlakového vzduchu pro radiální chlazení teploměru, obr. 2.6. Zvláštní pozornost se musela věnovat na umístění teploměru, aby se měřící kužel nikde nedotýkal vyzdívky pece.
Obr. 2.6 Umístění infračerveného teploměru
2.2 Konstrukce mechanické propadové formy
Ve výrobě automobilových skel se stále častěji navrhují extrémní ohyby skel.
Takto extrémně ohýbaná skla se tvarují pomocí mechanických propadových forem.
Pro lepší poznání tvarovacích pochodů a přesné určení okrajových podmínek byla navržena tato mechanická forma jako nástavba laboratorní pece. Základní požadavek na formu byl možnost tvarování skel o různých šířkách.
2.2.1 Popis principu mechanické propadové formy
Mechanická propadová forma (obr.2.7) je tvořena pevnou částí a několika pohyblivými částmi. Nejčastěji se jedná o kraje, ve kterých se skla pro automobilový průmysl nejvíce ohýbají a často zde mají menší poloměr ohybu než uprostřed.
Pohyblivé kraje formy, které jsou připevněny přes kloub na pevnou část formy, jsou opatřeny závažími, která vytvářejí silové působení na okraje tvarovaného skla. Lišty po okrajích formy mají požadovaný tvar konečného výrobku.
Obr. 2.7 Mechanická propadová forma
V počáteční fázi (obr. 2.8) položíme přířez skla na propadovou formu. Sklo svojí tíhou způsobí narovnání sklopných částí do vodorovné polohy. Konce lišt sklopné části tvořících konečný tvar skla se opřou o tabuli.
Obr. 2.8 Počáteční fáze
V další fázi (obr. 2.9 a 2.10) se začne sklo zahřívat. Přířez skla je namáhán teplotním gradientem, který způsobí změnu elastického chování materiálu na viskózní. Při dosažení transformační teploty se začne materiál měnit ze stavu pevného na stav viskoelastický. V tomto stavu se materiál začne deformovat. Závaží na pohyblivých krajích začnou sklápět formu do konečné polohy. Tím ze mění okrajové podmínky v uložení tvarovaného skla.
Obr. 2.9 Začátek ohýbání
Obr. 2.10 Dotknutí okrajů
V konečné fázi tvarování (obr. 2.11) závaží sklopí kraje do konečné polohy a vytvoří se souvislý okraj formy. Tvarovaný přířez skla se položí na souvislý okraj po celém obvodu a tím se vytvaruje požadovaný tvar skla.
Obr. 2.11 Konečný tvar skla
Postup tvarování v prostorovém zobrazení je ukázán v příloze.
2.2.2 Alternativní studie řešení mechanické propadové formy pro laboratorní experimenty
Varianta A
První varianta řešení je na obr. 2.12 skládá se z rámu, na kterém jsou příčně přivařené čtyři tyče s otvory, po kterých lze posouvat lišty tvořící okraj formy. Poloha okrajů je zajištěna kolíky po obou stranách. V této variantě se uvažují čtyři možné šířky skla (200,150,100,50 mm). Posuvné kraje jsou pohyblivě uloženy na krajních tyčích (obr. 2.13). Konce skla se opírají o lištu připevněnou k pohyblivým krajním lištám.
Obr. 2.12 Varianta A
Obr. 2.13 Uložení pohyblivých krajů
U této varianty se ukázalo jako velice nevhodné řešení uložení přímo v krajních lištách. Toto uložení by nemělo dostatečnou tuhost a dodržení souososti
tyčí je nemožné diky vůlím v uložení. Pro tyto nedostatky nebylo v návrhu pokračováno a nejsou zde navrženy zatěžující závaží.
Varianta B
V další variantě (obr. 2.14) bylo ponecháno stejné nastavování šířky formy tj.
posouváním okrajů po tyčích a zajišťování kolíky. Sklopný kraj s opěrnou lištou konců skel je pomocí čepu otočně připevněn přímo ke stojanu (obr. 2.15). Na sklopném kraji jsou přivařeny tyče, po kterých se posouvají krajní lišty. Tyto lišty se také zajišťují kolíky. Na sklopném kraji jsou dále přidělány závaží na dvou tyčích.
Obr. 2.14 Varianta B
a) b)
Obr. 2.15 Uložení sklopného kraje varianty B: a - Počáteční poloha;
b - Konečná poloha
U této varianty se ukázala jako nevhodná nutnost posunovat dvěma páry závaží. Dalším problémem se ukázalo zvolení kolíků pro fixaci polohy lišt. Vyrábět díry pro tyto kolíky o průměru 1,6 mm by bylo velice obtížné .
Varianta C
Konečná varianta je na obr. 2.16. V návrhu byly kolíky nahrazeny zajišťujícími plechy, které zapadají do drážek na tyčích. Dále jsou zde použita dvě závaží. První slouží na statické vyvážení sklopného kraje. Druhé dělené nastavuje sílu působící na okraje skla. Hmotnost závaží se mění přidáváním nebo odebíráním jeho částí. Čep kloubu (obr. 2.17) je ve středu, na rozdíl od varianty B, pevně spojen se sklopným krajem a kraje jsou otočně uloženy ve stojanu. Stojan je opatřen tyčemi, které slouží k uložení na podstavec propadové formy do pece. Varianta uvažuje pouze tři šířky skla (200,120,50 mm).
Obr. 2.16 Konečná variant mechanické propadové formy
a) b)
Obr. 2.17 Uložení sklopného kraje varianty C: a – Počáteční poloha;
b – Konečná poloha
2.2.3 Výpočty závaží
Součástí konstrukčního řešení mechanické propadové formy bylo i určení rozměrů obou závaží. První závaží slouží ke statickému vyvážení sklopného kraje.
Druhé zatěžující závaží mění okrajové podmínky v uložení tvarovaného skla a tím ovlivňuje samotné tvarování.
Hmotnosti uvažovaných formátů skla
Pro tvarování plochého skla pomocí mechanické propadové formy se uvažují tři rozměry skel. Hmotnosti skel mS [kg] se vypočtou pomocí vztahu
S S
m =V .ρ s.t .l.ρ= .
Kde V [m3] je objem skla, hustota ρ =2400 kg/m3 podle [22]. Parametr s [m]
udává šířku, tS [m] tloušťku a l [m] délku skla podle obr. 2.18. Délka skla l [m] je pevně stanovena velikostí formy na 267 mm a použitelné šířky s jsou 200,120,50 mm. Na tvarování budou použity skla o tloušťce t = 1, 2 a 4 mm.
Výsledné hmotnosti skel mS po dosazení hodnot jsou v tabulce 2.1.
l
tS
s
Obr. 2.18 Znázornění parametrů vzorku skla Tab. 2.1 Hmotnosti skel
Tloušťka tS [mm]
mS [kg]
1 2 4 200 0,128 0,256 0,513 120 0,077 0,154 0,308 Šířka
s [mm]
50 0,032 0,064 0,128
Statické vyvážení sklopného kraje
Nejprve je nutné staticky vyvážit sklopný kraj. Sklopný kraj je pro výpočet rozdělen na tři části. První část je napravo od uložení s těžištěm působení gravitační síly T1, druhá nalevo od uložení s těžištěm T2 a třetí je tyč, na kterou se nasouvají závaží s těžištěm T3 (obr. 2.19). Vzdálenosti jednotlivých těžišť od uložení jsou znázorněny v obrázku 2.19.
y
x T1
T2
T3
m3.g
m2.g m1.g
mVZ.g
Obr. 2.19 Rozložení sil na sklopném kraji
Hmotnost vyvažujícího závaží mVZ [kg] byla vypočtena z rovnosti momentů působících v uložení
M1 = M2+M3+MVZ,
m .g.1 19 2, =m .g.2 10 6, +m .g.3 48 8, +m g.VZ 35 .
Kde gravitační zrychlení g =9,81 m/s2, hmotnost pravé části m1=0,175 kg, hmotnost levé části m2=0,025 kg a hmotnost tyče m3=0,026 kg.
Po vyjádření VZ m .g. , m .g. , m .g. ,
m g.
− −
= 1 19 2 2 10 6 3 48 8
35
a dosazení je hmotnost vyvažujícího závaží mVZ=0,056 kg.
Z vypočtené hmotnosti byly navrženy rozměry vyvažujícího závaží. Hlavní určující rozměry byly zvoleny s ohledem na prostor v konstrukčním řešení a dopočetla se pouze tloušťka závaží. Materiálem závaží byla zvolena nerezavějící ocel 17251 s hustotou ρ =7800 kg/m3. Rozměry závaží jsou znázorněny na obr. 2.20.
Pro výpočet tloušťky tVZ byl použit vztah
( )
VZ VZ
m =V.ρ=π 252−6 2, 2 .t .ρ
4 ,
po vyjádření
(
VZ)
VZ
t .m
π.ρ. ,
= 2 − 2
4
25 6 2 . Dosazením hodnot byla vypočtena tloušťka
tVZ =10 mm.
Výpočet zatěžujícího závaží
Návrh velikosti zatěžujícího závaží vychází z průběhu tvarování, při kterém položený přířez skla na okraje formy svojí tíhou způsobí narovnání sklopných částí do vodorovné polohy. Po zahřátí skla do viskoelastického stavu začnou závaží sklápět formu do konečné polohy. Z tohoto průběhu lze usoudit, že moment způsobený hmotností zatěžujícího závaží MZZ [Nmm] musí být roven součtu momentu od hmotnosti položeného tuhého přířezu skla MS [Nmm] a třecího momentu v uložení MT [Nmm], který je dalším ovlivňujícím faktorem. Silové poměry a vzdálenosti od uložení jsou znázorněny na obr. 2.21.
Obr. 2.20 Vyvažující závaží tVZ
Momentová rovnice MZZ=MS+MT,
S
ZZ T
m .g.70= m .g M+
2 .
Obr. 2.21 Silové poměry před začátkem tvarování
Třecí moment MT [Nmm] byl vypočten pro každé sklo podle vztahu MT =r.FT =r.FN.fČ
kde r je poloměr čepu uložení r =3 mm, fČ součinitel čepového tření byl zvolen podle [15] fČ =0,06. FT a FN jsou třecí a normálná síla [N] (obr. 2.22).
Obr. 2.22 Síly v uložení sklopného kraje
Normálná síla FN [N] byla vypočtena jako suma dílčích gravitačních sil
( )
N i S VZ
F =
∑
m .g = m +m +m1+m2 +m .g3 . MTFT
FN
mS.g/2
MT
mZZ.g
mS.g/2
Kde gravitační zrychlení g =9,81 m/s2, hmotnosti skel mS [kg] jsou v tab. 2.1, hmotnost pravé části m1=0,175 kg, hmotnost levé části m2=0,025 kg, hmotnost tyče m3=0,026 kg a hmotnost vyvažujícího závaží mVZ=0,056 kg. Dosazením hodnot byly získány třecí momenty k jednotlivým sklům (tab. 2.2).
Tab. 2.2 Třecí momenty
Tloušťka tS [mm]
MT [N/mm]
1 2 4 200 0,61 0,72 0,95 120 0,56 0,63 0,77 Šířka
s [mm]
50 0,52 0,55 0,61
Vyjádřením hmotnosti zatěžujících závaží byl získán vztah
S T
ZZ
m . , .g M
m .g
= 31 5 + 2
70
Kde g je gravitační zrychlení g =9,81 m/s2, hmotnosti skel mS [kg] jsou v tab. 2.1 a třecí momenty MT [Nmm] jsou v tab. 2.2. Po dosazením hodnot byly vypočteny hmotnosti zatěžujících závaží mZZ [kg] ke každému přířezu skla (tab. 2.3).
Tab. 2.3 Hmotnosti zatěžujících závaží Tloušťka tS [mm]
mZZ [kg]
1 2 4 200 0,030 0,059 0,117 120 0,018 0,036 0,070 Šířka
s [mm]
50 0,008 0,015 0,030
Materiál závaží je ocel s hustotou ρ =7800kg/m3. Hlavní rozměry zatěžujících závaží byly zvoleny stejné jako u vyvažovacího závaží a dopočetly se tloušťky tZZ [mm] z jednotlivých hmotností mZZ [kg] (tab. 2.3). Rozměry závaží jsou znázorněny na obr. 2.23. Pro výpočet tloušťky tZZ [m] byl použit vztah
Obr. 2.23 Zatěžující závaží tZZ
( )
ZZ ZZ
m =V .ρ=π 252−6 2, 2 .t .ρ
4 ,
po vyjádření
(
ZZ)
ZZ
t .m
π.ρ. ,
= 2− 2
4
25 6 2 .
V tabulce 2.4 jsou uvedeny vypočtené tloušťky zatěžujících závaží tZZ [mm]
přiřazené k jednotlivým rozměrům ohýbaného skla.
Tab. 2.4 Tloušťky zatěžujících závaží Tloušťka tS [mm]
tZZ [mm]
1 2 4 200 8,5 16,5 32,5 120 5 10 19,5 Šířka
s [mm]
50 2 4 8,5
Pro dosažení požadované tloušťky zatěžujících závaží bylo navrženo skládání z dílčích závaží se stanovenou tloušťkou. V tabulce 2.5 jsou uvedeny navržené tloušťky dílčích závaží včetně počtu nutných kusů. Do počtu kusů jsou započítané i dvě vyvažující závaží o tloušťce tVZ =10 mm.
Tab. 2.5 Rozměry a počty kusů dílčích závaží Tloušťka [mm] Počet kusů
1 4 1,5 2
3 2 4 2 5 2 10 4 15 2
2.2.4 Přehled výkresové dokumentace
V souladu se zadáním této diplomové práce bylo nutné vypracovat kompletní výkresovou dokumentaci navržené mechanické propadové formy. Na obr. 2.24 je znázorněno schéma členění sestavných a výrobních výkresů. Vysvětlení jednotlivých položek členění je na obr. 2.25.
4-DP S99203122-2-5-01 Kloub stojanu výrobní výkres
Závaží
Držák pravý
Pojistka 3
Rám 4-DP S99203122-2-4-01
Vodící tyč skl. kraje
Tyč závaží
Vodící tyč stojanu Uložení do pece 2-DP S99203122-2-0-00
podsestava
Sklopný kraj Stojan
podsestava Forma
sestava
kusovník Kusovník - forma 4-DP S99203122-2-0-00-1
4-DP S99203122-2-5-03
4-DP S99203122-2-5-04 3-DP S99203122-2-4-00 3-DP S99203122-2-5-00
4-DP S99203122-2-4-02
4-DP S99203122-2-4-03 Kloub
Lišta spodní výrobní výkres
Pojistka 1 výrobní výkres 4-DP S99203122-2-0-01
Lišta skl. kraje
4-DP S99203122-2-0-02
4-DP S99203122-2-0-06 4-DP S99203122-2-0-03
4-DP S99203122-2-0-08
4-DP S99203122-2-0-09
4-DP S99203122-2-0-11
4-DP S99203122-2-0-07 Pojistka 2
4-DP S99203122-2-0-12 Držák levý
Stínící plech 4-DP S99203122-2-0-13
výrobní výkres výrobní výkres
výrobní výkres výrobní výkres
výrobní výkres výrobní výkres
výrobní výkres výrobní výkres
výrobní výkres výrobní výkres
výrobní výkres
výrobní výkres výrobní výkres
Obr. 2.24 Schéma členění výkresové dokumentace
Název výkresu Typ výkresu Číslo výkresu 3-DP S99203122-2-0-00
sestava Forma
Obr. 2.25 Vysvětlení položek členění
3. Návrh experimentální metodiky
Tato kapitola se zaměřuje na specifikaci a možnosti nastavení měnitelných parametrů a ovlivňujících vlivů na proces gravitačního ohýbání plochého skla.
Další částí je volba a konstrukční realizace experimentální metodiky, která nám bude schopna nejlépe analyzovat gravitační ohýbání vzorků a jejíž výsledky budou snadno porovnatelné s matematickými modely.
3.1 Analýza změn parametrů na proces gravitačního tvarování plochého skla
Pro experimentální zkoušení je nutné určit parametry, které lze korigovat při gravitačním ohýbání plochého skla v laboratorní peci. Některé z nich pak budou měněny. Také se musí stanovit, u kterých parametrů se bude vyhodnocovat jejich vliv na velikost a tvar průhybu. Stejná váha důležitosti se musí přikládat i analýze vlivu radiačního záření stínících plechů na proces ohýbání.
Další součástí je stanovení optimálního tvaru ohýbaných vzorků, který bude snadno aplikovatelný na reálná ohýbaná automobilová skla.
3.1.1 Měnitelné parametry
Laboratorní pec nám umožňuje svou konstrukcí měnit některé počáteční podmínky gravitačního ohýbání vzorků skla. Experimentálním sledováním vzorků můžeme vyhodnotit chování ohýbaných vzorků na nastavení těchto počátečních podmínek. Základními veličinami, které lze měnit a také úspěšně vyhodnocovat, jsou vzdálenosti otopů od ohýbaného vzorku a působení teploty.
Vzdálenosti otopů od formy
Na obr. 3.1 jsou znázorněny vzdálenosti, které lze plynule měnit.
Měnitelné rozměry:
1) výška vnitřního prostoru pece – vzdálenost horního a dolního otopu;
2) vzdálenost horního otopu a formy;
3) vzdálenost formy a dolního otopu.
V tabulce 3.1 je uveden rozsah nastavitelných hodnot vzdáleností. Různé kombinace hodnot umožňují získat představu o vlivu velikosti vnitřního prostoru a vlivu vzdálenosti otopu na ohýbané ploché sklo. V grafu (obr. 4.6) je znázorněno porovnání ohybu vzorku při různých vzdálenostech od horního otopu.
Tab. 3.1 Rozsah nastavitelných hodnot
Vzdálenosti [mm] Minimální vzdálenost
Maximální vzdálenost Horní otop – Dolní otop 150 400
Horní otop – forma 50 235
Dolní otop – forma 70 350
Obr. 3.1 Znázornění pece a měnitelných vzdáleností
Horní otop – Dolní otop Dolní o.- forma Horní o.- forma
Horní otop – Dolní otop Dolní o. – forma Horní o. – forma
Působení teploty
Dalším nastavitelným parametrem je působení teplotního pole. Tato laboratorní pec umožňuje velkou škálu možností změny tepelných podmínek díky dvěma na sobě nezávislým a plně řiditelným otopům.
Základním měnitelným parametrem je hodnota konečné teploty teplotního pole v laboratorní peci a náběh na tuto hodnotu. Maximální dosahovaná teplota je 800 °C. Při různých hodnotách teplotního pole se může posoudit vliv teploty ohýbání na velikost a tvar průhybu.
Dalším měnitelným parametrem je homogenita teplotního pole. Nastavením otopů na rozdílnou intenzitu vytápění se může do jisté míry řídit tepelné pole v laboratorní peci. Nastavení jednotlivých otopů je důležité pro posouzení vlivu směru vytápění na proces gravitačního tvarování plochého skla.
Jsou tři varianty vytápění:
- vytápění pouze horním otopem;
- vytápění pouze dolním otopem;
- poměrem horního a dolního otopu.
Opatření pro změnu parametrů
Aby bylo možné výsledky experimentálního měření objektivně vyhodnocovat je nutné zamezit vzniku chyb a nepřesností z důvodu neočekávaných vlivů. Prvním opatřením je vytvoření série vzorků se shodnými počátečními podmínkami.
Porovnání vzorků uvnitř této série umožnilo získat skutečné hodnoty průhybu.
Druhou podmínkou je změna pouze jednoho parametru, tj. vytvoření série, u které se bude cíleně měnit pouze jeden parametr a ostatní musí zůstat nezměněny. Na základě takto získaných hodnot je možné snadno vytvořit závislosti tvarů průhybů na určité veličině a lze je snadněji porovnávat s matematickými modely.
3.1.2 Velikost vzorků
V rámci analýzy změn parametrů bylo také nutné navrhnout velikosti vzorků, které budou mít největší přínos pro studium procesu gravitačního tvarování plochého skla. Do laboratorní pece lze umístit vzorky o maximálních rozměrech 240x200 mm.
S ohledem na přesnější vyhodnocování a porovnání laboratorních experimentů, byly navrženy vzorky o rozměrech 180x40 mm, které omezí analýzu na dvourozměrnou úlohu.
Na vzorky pro gravitační ohýbání plochého skla byly zvoleny tloušťky skel 2, 4 a 2+2 mm (obr. 3.2 a 3.3). U vzorků o tloušťce 2+2 mm se jedná o dvě vrstvy dvoumilimetrového skla, čímž se simulují dvojitá tzv. sendvičová autoskla.
Obr. 3.2 Série vzorků o tloušťce 2 mm
Obr. 3.3 Série vzorků o tloušťce 4 mm
3.1.3 Vliv stínících plechů na gravitační tvarování plochého skla
Dalším důležitým faktorem, který značně ovlivňuje proces gravitačního ohýbání plochého skla, je radiační záření stínících plechů. Tyto plechy ovlivňují tvarování svojí vzdáleností od ohýbaného vzorku, velikostí zakrytí a také natočením vůči ploše skleněného vzorku.
Pro studium vlivů stínících plechu byla navržena nástavba na mechanickou propadovou formu. Stínící plechy jsou zde umístěny na sklopných krajích na speciálně upravených držácích lišty sklopného kraje (obr. 3.4 a 3.5). Plechy lze posouvat v podélném směru a tím měnit rozsah zakrytí ohýbaných vzorků.
Obr. 3.4 Mechanická propadová forma se stínícími plechy – horní pohled
Obr. 3.5 Mechanická propadová forma se stínícími plechy – dolní pohled
3.2 Experimentální metodika zohledňující citlivostní analýzu Základním způsobem vyhodnocování gravitačního tvarování plochého skla je měření průhybu ohýbaného vzorku za předem stanovených podmínek v závislosti na době působení tepelného pole. Na základě těchto naměřených profilů průhybu lze provést porovnání s matematickými modely a posoudit jejich aplikovatelnost na experimentální i na skutečné gravitační tvarování plochého skla. Pro vztažení měření na matematické modely je nutné popsat průhyb vzorků s přesností 0,1 mm.
Měření průhybu vzorku lze realizovat dvěma způsoby. První způsob je měření vzorku v celém časovém průběhu gravitačního ohýbání. Druhým způsobem je měření již ohnutého a vychlazeného vzorku.
3.2.1 Měření průhybu vzorku v průběhu procesu ohýbání
Pro měření průhybu v průběhu ohýbaní byl navržen optický způsob měření, který je založen na snímání ohýbaného vzorku v peci přes částečně otevřené průzory. Jako nositel obrazu slouží digitální fotografie s vysokou rychlostí vyhodnocení a možnostmi dalších úprav.
Popis průběhu měření
Na obr. 3.7 je zobrazeno optické měření pomocí digitálního fotoaparátu.
Fotoaparát je umístěn na stativu v takové výšce, aby střed fotografované oblasti byl ve výšce okrajů propadové formy a optická osa fotoaparátu musí být rovnoběžná s plochou neohnutého vzorku skla. Na přesnosti jeho umístění závisí výsledné vyhodnocování snímků ohýbaného vzorku. Digitální fotoaparát je pomocí kabelu připojen k přenosnému PC, na kterém je možno fotografie ihned upravit (obr. 3.6).
Obr. 3.6 Upravování na přenosném PC
Obr. 3.7 Zobrazení optického měření pomocí fotoaparátu
Snímání ohýbaného vzorku skla se provádí přes pootevřený průzor při osvětlení vnitřního prostoru laboratorní pece zadním reflektorem. Frekvence snímání byla stanovena na 15 sekund s ohledem na časový průběh procesu ohýbání.
Počáteční čas snímání od vložení vzorku do pece byl 0 s konečný 480 s. Snímky je dále potřeba rozměrově upravit a opatřit měřítkem, které stanoví průhyb (obr. 3.8).
Po vyhodnocení fotografií získáme závislost velikosti průhybu vzorku skla na době působení tepelného pole laboratorní pece.
Obr. 3.8 Vyhodnocená fotografie
Upravené snímky procesu ohýbání v rozsahu 60 až 480 s jsou uvedeny v příloze.
Zhodnocení navrženého optického měření
Velikým kladem této metody je její produktivita, kdy v průběhu jednoho ohýbání získáme kompletní představu o průhybu v závislosti na čase. Oproti tomu
nevýhodou tohoto optického měření je obtížné vztažení rozměrů snímku a vneseného měřítka k reálným hodnotám v požadované míře přesnosti. Dalším
nepříjemným vlivem je nutnost odkrytí průzorů, což způsobuje tepelné ztráty prodlužující dobu výhřevu laboratorní pece (obr. 2.5) a vede k ovlivnění homogenity teplotního pole.
Hlavně z hlediska požadované přesnosti je tato metoda měření nepoužitelná i přes svou vysokou produktivitu v momentální fázi laboratorní činnosti.
3.2.2 Měření průhybu vzorku po ukončení ohýbání a vychlazení
Metoda měření průhybu po ukončení ohýbání je založena na proměření vzorku za studena. Vzorek nám umožňuje popsat jeho tvar a rozměry ohybu s požadovanou přesností 0,1 mm. Pro získání závislosti velikosti průhybu na době působení tepelného pole je potřeba vytvořit sérii vzorků (obr. 3.9). Tato série se skládá z určitého počtu ohnutých vzorků se stejnými rozměrovými a teplotními hodnotami a rozdílnou dobou působení teplotního pole laboratorní pece.
Pro měření vzorků bylo nutné navrhnout a zkonstruovat odměřovací zařízení, které umožní proměřit vzorek a nebude ovlivňovat přesnost měření nad požadovanou mez. Pro proměření jsou třeba dvě současně měřící osy – posuv a velikost průhybu. Na odměřování posuvu byl použit absolutní lineární odměřovač BTL5-A11-M0600-P-S-32 od firmy BALLUFF. Pro odměřování velikosti průhybu je nutné použít snímač s dostatečnou přesností a možností synchronizace s podélnou měřící jednotkou.
Obr. 3.9 Série vzorků
Volba optimálního snímače
U odměřování velikosti průhybu byla volba mezi kontaktním a bezkontaktním snímačem na základě jejich vlastností, ovlivňování měřeného vzorku a nutností úprav povrchu vzorku.
Kontaktní snímač
Jako kontaktní snímač byl testován snímač 543-460 B firmy MITUTOYO (obr. 3.10). Jedná se o absolutní digitální mikrometrický úchylkoměr s měřitelnou výškou 50 mm a mezní chybou 0,006 mm. Tento snímač má digitální výstupní signál a možnost připojení k PC pomocí sériové linky. Přítlačná síla hrotu je vyvozena pružinou a pohybuje se v rozmezí 1,3 až 1,8 N.
U tohoto kontaktního snímače není nutná úprava povrchu měřených vzorků, čímž se do měření nevnáší nepřesnost vlivem úpravy povrchu vzorku.
Po simulacích a zkouškách byla zjištěno, že přítlačná síla hrotu snímače zdeformuje analyzovaný vzorek za hranici požadované přesnosti. Na obr. 3.11 je znázorněna analýza zatěžovaného vzorku o tloušťce 2 mm a rozměrech 20x240 mm. Tab. 3.2 udává hodnoty deformace při přítlaku 1,3 a 1.8 N.
Další nepříjemností je digitální výstupní signál. Digitální signál lze jen obtížně synchronizovat s analogovým signálem, který je výstupem z uvažovaného snímače posuvu od firmy BALLUFF.
Obr. 3.10 Kontaktní snímač 543-460 B firmy MITUTOYO
Obr. 3.11 Znázornění zatěžovaného vzorku Max. deformace
z F y
Tab. 3.2 Hodnoty deformace měřeného vzorku Deformace vzorku [mm] 240x20
Síla F [N] y [mm] z [mm]
1,3 -0,033 -0,164
1,8 -0,046 -0,227
Bezkontaktní snímač
Jako bezkontaktní snímač byl zvolen optický laserový senzor ILD 1400-100 od firmy MICRO-OPTRONIC (obr. 3.12). Tento laserový senzor pracuje s měřeným rozsahem -50 až 50 mm a mezní chybou 8 µm. Výstupní signál senzoru je analogový se snadnou synchronizací s analogovým výstupním signálem odměřovače posuvu.
Laserový snímač nijak neovlivňuje vzorek, který může volně ležet na podložce a nemusí být upevněn.
Obr. 3.12 Optický laserový senzor ILD 1400-100
Laserový snímač není schopen odměřit průhledný skleněný vzorek, proto je nutné povrch vzorků opatřit vrstvou, která bude optimálně odrážet laserový paprsek.
Výhodou snímače je výstupní analogový signál, který lze bez obtíží synchronizovat se signálem z odměřovače posuvu.
Při zkoušení snímače na etalonu o výšce 10,0 mm a délce 40 mm se ukázalo nepříjemné zašumění výstupního signálu (obr. 3.13). Zašumění je pravděpodobně způsobeno jen kolísáním napájecího napětí, protože výstupní signál není ovlivněn vzorkovací frekvencí, ani vlastnostmi zkoušených povrchů (obr.3.14 a obr. 3.15).
Proložíme-li výstupní signál polynomem 4. stupně, získáme křivku, která odpovídá měřenému etalonu s požadovanou přesností.
9,85 9,9 9,95 10 10,05 10,1 10,15
0 5 10 15 20 25 30 35 40
Délka [mm]
Výška [mm]
Výstupní signál Proložení
Obr. 3.13 Zašumění výstupního signálu a proložení
9,8 9,85 9,9 9,95 10 10,05 10,1 10,15 10,2
0 5 10 15 20 25 30 35 40
Délka [mm]
Výška [mm]
50Hz 100Hz 150Hz 200Hz
Obr. 3.14 Graf porovnání vzorkovacích frekvencí
Volba ideální krycí vrstvy vzorků
V technických podmínkách laserového snímače je uveden jako ideální měřený povrch matně bílá barva. Na tuto barvu jsou také garantovány veškeré uváděné hodnoty přesnosti měření. Skleněné vzorky je tedy nutné opatřit na měřené straně polepem, který bude nejlépe splňovat požadované parametry pro ideální měření.
Na testování správného polepu byla vybrána papírová krycí páska a teflonová páska sloužící na utěsnění závitů. Papírová krycí páska má matně bílou barvu a hrubší povrchovou strukturu. Teflonová páska má jemnější povrchovou strukturu a její barva je leskle bílá. Na obr. 3.15 je znázorněn graf porovnávající vliv obou pásek na přesnost měření a jejich vliv na zašumění výstupního signálu snímače. Měřený předmět byl etalon o výšce 10,0 mm a délce 40 mm.
9,8 9,85 9,9 9,95 10 10,05 10,1 10,15 10,2
0 5 10 15 20 25 30 35 40
Délka [mm]
Výška [mm]
Papírová páska Teflonová páska Obr. 3.15 Graf porovnání papírové a teflonové pásky
Z porovnávajícího grafu je zřejmé, že obě pásky nemají vliv na přesnost měření a zašumění signálu. Proto byla zvolena papírová krycí páska, která má nižší pořizovací cenu a její aplikace na skleněné vzorky je jednodušší.
3.2.3 Alternativní studie řešení odměřovacího zařízení pro analýzu vzorků
Pro měření vzorku musí odměřovací zařízení umožnit reprodukovatelně přesné ustavení měřeného vzorku skla. Ustavovací deska musí mít rozměry, které budou dostatečné pro gravitačně ohýbaná skla. Konstrukce nesmí vnášet do měření chybu, která by ovlivnila výsledek nad požadovanou přesnost měření. Součástí zařízení je držák na upevnění optického laserového senzoru. Výhodou zařízení by byl rovnoměrný pohyb ve směru posuvu.
Byly uvažovány dvě varianty konstrukčního řešení měřícího zařízení, obě ustavené na granitové desce, která je opatřena sloupem, třmeny a výsuvnou upínací tyčí. Tento komplet vyrábí firma MYTRY B.V.
Varianta A
U první varianty konstrukčního řešení (obr. 3.16 a 3.17 ) je celá žulová deska umístěna na čtyřech nožkách, čímž se získal prostor pro dolní upínací lišty. U této varianty je předpokládáno ruční posouvání vozíku po vedení. Vedení s vozíkem je pomocí šroubů s vnitřním šestihranem připevněno k hranolům přesně obrobeným na výšku granitové desky. Hranoly jsou přišroubovány k dolní upínací liště. K pevnému upnutí slouží upínací šroub v jednom z hranolů (obr. 3.18). Na vozík je šesti šrouby se zápustnou hlavou upevněna plastová ustavovací deska s přišroubovaným úhelníkem. Úhelník slouží k přesnému ustavení měřeného vzorku skla. Odměřovač posuvu od firmy BALLUFF je upevněn svorkami a šrouby k hliníkovému pásu, který je ke granitové desce upevněn a upnut obdobným způsobem jako lineární vedení.
Spojení snímače odměřovače posuvu s ustavovací deskou zajišťuje vodící plech.
Optický laserový snímač je šrouby připevněn k desce s tyčkou, která se svěrným spojem upevní do otvoru v upevňovací tyči (obr. 3.19)
Obr. 3.16 Znázornění varianty A – horní pohled
Obr. 3.17 Znázornění varianty A – dolní pohled
