工程科学与技术，国际期刊24（2021）1042材料工艺性能对钟形件实用参数DawidCekusa，10，1，PaweyjKwiaton'a， MaciejNadolskib，KrzysztofSokóaa琴斯托霍瓦理工大学，力学和机械设计基础系，ul。Dabrowskiego73，42-201CzeIstochowa，Polandb琴斯托霍瓦理工大学，生产工程和材料技术学院，阿拉巴马州。ArmiiKrajowej19，42-201CzeIstochowa，Poland阿提奇莱因福奥文章历史记录：收到2020年2020年12月28日修订2021年1月19日接受在线预订2021年保留字：高锡青铜气孔率铸件成分材料表征逆向工程A B S T R A C T钟的一个重要的实用参数，包括教堂钟，是他们的声音了解了铸件的几何形状和合金的化学成分，似乎目前的技术水平不仅允许再现铸件的固体特性，而且还允许再现铸件的声学特性。因此，这项工作的目的是使用逆向工程工具进行铸造，比较新形成的钟与原型的声学特性，并测试钟合金的材料对于主机和铸造的钟，音符和八度是相同的，声音的不同之处只在于距离确切的音符的美分数。通过与数值模型的比较，发现新钟形件的声学特性与数值模型略有偏差。原始声音和复制品的成分之间存在差异的原因被视为合金熔化、浇注和凝固过程中的差异。对取自新钟的样品进行的材料测试也显示了铸件的微孔和a和共析相（a+d）。青铜的化学成分随着筋高测点位置的变化和共析相在合金组织中所占比例的材料测试表明，铸造孔隙率对其声学性能有显着影响©2021 Karabuk University. Elsevier B.V.的出版服务。这是CCBY-NC-ND许可证（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。1. 介绍钟为人类所知已经有几千年了。它们在基督诞生前三千年就在中国使用了，在其他文化中也很有名[1]。随着近代的到来，钟的形状从用铜片或铁片制成，用铆钉连接，到用铜合金铸造[2声音与钟声密不可分钟是一种来自自然发声器组的音乐工具-一组乐器，其中声源是具有不变的自然弹性的固体本文[5]提出了一种钟的音质的主观比较分析。提出了两个新的客观评价参数--铃声偏差和声能级由于它们的功能，可以将钟分为音乐钟，音乐会钟（钟琴）和教堂钟（礼仪），即。他们的任务是召集信徒祈祷，警告他们有危险，或为重大事件召集周围社区的居民随着形状的变化*通讯作者。电子邮件地址：cekus@imipkm.pcz.pl（D. Cekus），kwiaton@imipkm.pcz.pl（P. Kwiato n'），nadolski@wip.pcz.pl（M. Nadolski ），sokol@imipkm.pcz.pl（K.Sokó）。1卡拉布克大学负责的同行审查而他们所用的材料也发生了变化[6从现代金属科学的观点来看，钟青铜是一种相当复杂的（结构上）金属材料，其性能取决于其中存在的基本相以及在锡和铜成分之外存在少量其它相的情况下形成的附加相钟形青铜的性能还受凝固过程动力学（取决于铸件重量和模具的热物理性能等）和一些工艺因素（温度、浇注速度、铸件在模具中的冷却时间、炉料熔化方法和在浇注到模具中之前精炼合金的方法）的影响[7，9因此，合金的成分非常重要，但不是决定其性能的唯一因素实现所需材料特性的问题随着额外的、未考虑的或不可控制的变量的存在而变得复杂。根据现代的认识，满足铃铛机械和声学要求的锡青铜是一种二元铜锡合金，锡含量为19- 22%，没有额外的成分，混合物或杂质。具有较低锡含量（Sn 15.8%）的Cu-Sn合金实际上凝固为单相。<他们的https://doi.org/10.1016/j.jestch.2021.01.0122215-0986/©2021 Karabuk University.出版社：Elsevier B.V.这是一篇基于CC BY-NC-ND许可证的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。可在ScienceDirect上获得目录列表工程科学与技术国际期刊杂志主页：www.elsevier.com/locate/jestchD. Cekus，PaweethewKwiaton'，M.Nadolski等人工程科学与技术，国际期刊24（2021）1042-10481043××结构由a相-锡在铜中的固溶体形成。因为相是软组分，所以这些合金是塑性和延展性的。应当指出的是，在真正的结晶条件下，Cu-Sn合金的所有固溶体在环境温度下都是过饱和（非平衡）溶液。这是由于锡在铜中扩散的非常缓慢的过程。贝尔青铜的研究表明，在环境温度下，a相的组成使青铜的锡含量接近其在约600 °C的温度下在铜中的溶解度极限（15.8%）[7，9]。随着锡含量的增加，在锡青铜结构中可以发现一种新的结构成分：共析（a+d）a和d相的混合物[12，8]。在锡含量增加期间仍可能出现的其它相（d、e-、g-相）中，d相作为共析体（a+d）的组分对于钟形青铜是重要的。这一相的基础是Cu31Sn8金属间化合物，具有非常复杂的立方晶格。该相在非常窄的浓度范围内结晶，并且在350 °C下应分解成共析体（a + d）。因为分解过程发生得非常缓慢，所以亚稳d相应保持到环境温度[6]。d相是一个结构部件- 非常硬和脆。在钢中，它的等价物可以是珠光体和共析（a+d）珠光体。随着金额的增加，锡的加入使（a+d）相的数量增加，从而影响钟形青铜的硬度和塑性[13]。锡含量超过30%时，钟形青铜变得非常脆，对强烈的冲击不持久。因此，钟形青铜含有一定比例的两种结构成分，其中一种与形状和材料相反，几个世纪以来，钟一直是根据几乎不变的技术制作的，这些技术在一个狭窄的，通常是家庭群体中传播。该方法的描述出现在中世纪[16，17]，在文艺复兴[18]期间略有修改，18世纪的形式创造程序保持不变，直到现在[19]。铸造模具是使用围绕钟形件的轴线旋转的模板必须制作的元件有：模具的核心，钟形模型，外部形式和最常见的其他（非样品）技术中生产的所谓钟形冠成形操作是劳动和能量消耗的，每次施加的型砂需要在约80- 90 ℃的温度下干燥。所有与铸造模具的实施有关的程序持续约三至六个月。当然，现代的钟铸造厂使用现代的成型材料，可以使钟限制劳动力和时间。目前设计的钟以及历史上重建的钟都是使用形状模拟工具，振动分析，考虑模具材料以及合金成分和铸造条件[20]。重建工程导致钟的重建，使其声音与原始声音相同或相似，没有技术文件，材料数据和技术知识，尽管有先进的识别对象的方法[21]，是耗时和复杂的。如[22]所述，必须重建的钟被损坏，并且没有关于声学特性的信息。作者已经进行了调整的性质和复活的音质损坏的13世纪的钟。为了重现钟形，人们使用了滑动量规。贝尔青铜的机械性能-杨氏模量和密度-已计算的基础上的实际元素和微观结构特征的青铜，获得能量色散X射线荧光光谱和电子显微镜。根据收集到的数据，他们使用有限元法进行了模态分析，从而确定了这台机器的未知声音质量历史钟然而，仅基于数值结果，人们并不总是能确定结果（声音）是正确的，这篇文章中工程[23，28]中提出了一种用于评估钟的振动声学特性的逆向工程技术方法为了验证所获得的结果，进行了实验模态分析。本文的作者试图再现教堂钟的形状和五个基本的声音组成部分在三维扫描的基础上得到了钟形件的肋形，并在计算机辅助设计程序中建立了钟形件的实体几何模型该CAD模型被用于创建铸造过程的模板和频率分析期间的数值研究。将数值结果与新模型的声音进行了比较。所获得的结果与从新铸造的钟上取样进行材料研究的结果进行了比较2. 逆向工程本文对钟形件进行了三维扫描，以获得钟形件的外形这种解决方案允许人们在不将钟从钟楼上拆卸下来的情况下（间接地）重建钟的形状及其肋近年来，3D扫描技术的发展使人们能够深入分析文化遗产和这种方法是一种解决方案，允许人们复制一个小的单个元件[25]和整个产品[26，27]。当被扫描对象大于工作体积时，使用标记点。拍摄的照片后来在专门用于此目的的程序中合并为一个。通常，某些细节可能会在扫描过程中被忽略，或者由于转换错误而丢失。在这种情况下，CAD设计师应该复制这些元素。所讨论的对象是一个大的元素与整体尺寸：620毫米的嘴直径和485毫米的高度。扫描过程（图1a）已使用Scan3D Universe（扫描技术：LED白色结构光，检测器分辨率：5 MPix，精度：0.02mm，工作体积：300200200 mm）、标签和提供的Mesh 3D软件关于SmartTech只有钟的肋骨被要求复制钟，这就是为什么所有的雕刻都被省略了。收集的数据（点云被移除）并组装到单个云，然后创建三角形网格（图1c）。三角形网格允许人们重新创建截面轮廓，并最终通过旋转操作（例如在SolidWorks程序中）获得最终的3D模型（图10）。1 d）。在三维模型的基础上，可以完成钟形件外部和内部零件模板的创建。这些模板用于按照传统技术制造铸模和钟形铸件[16，17]。根据UNS C91300 [13]，铸造材料是由20%的Sn组成的高锡双组分铜锡合金。将1040 °C温度的液态合金输送到具有约1.5m长的槽的模型中。钟被铸造在“自然”的位置（斗篷最厚的壁被放置在最低的位置，而液态合金被输送到的冠在顶部[20]）。3. 结果和讨论3.1. 材料研究声音记录后的模型被提交给金相研究。从旋转轴上的钟形件处采集样品，其呈现出D. Cekus，PaweethewKwiaton'，M.Nadolski等人工程科学与技术，国际期刊24（2021）1042-10481044×图1.一、分析钟的逆向工程：a）3D扫描过程，b）部分点云，c）三角网格，d）实体模型，e）铸造钟。10 mm厚。图中给出了钟形容器以及样品A和B的剖视图，并指示了收集区域。 二、在相同区域进行了化学成分鉴定在区域A和B中采集的未联网金相试样也通过与Nikon Eclipse MA-200光学显微镜配合使用的NIS-Elements软件进行孔隙度估计研究。得出的结论是，区域A中的气体孔隙率为4.9%，而区域B中的气体孔隙率为2.7%（图3）。孔隙度测量是在样品与面积2200 - 4500升米。 多孔性的最可能原因是来自模具凹处的空气与气体的混合物，该混合物是液态金属与模具材料接触并在凝固铸件中闭合的结果。铸件上部中增加的孔隙率也是液态合金与模具材料接触期间形成的气体的结果。这就是为什么在上部分（样品A）中，孔隙度在气体分离中积累，与样品B相比体积更大（图2）。 4）。本文还对冷作的显微结构进行了观察和评价选择的样品在FeCl 3溶液中蚀刻的金相试样上完成-图5和6.所得合金的结构由塑性软相a和共析相a与硬质金属间化合物d（Cu31 Sn8）的混合物组成，金属间化合物d负责合金的声学性能[6，7，17]。在壁厚比样品B小三倍的点处收集的样品A的结构的特征在于更细的枝晶结构。α相变形最有可能是分析样品的化学成分变化（表1）以及铸件与模具材料之间散热速度差异的结果。a相沉淀物的形状和尺寸的变化伴随着a相和d相的分数的差异。5和6.测量表明，对于来自区域A的样品，相a的分数为约60%，而对于来自区域B的样品，相a的分数为约40%。因此，在不考虑孔隙率的情况下，共析体a+d的分数分别为40%和60%。试样A中a相的显微硬度为132，22，0 HV 05，试样B-钟形肋最厚截面处d相显微硬度的降低对钟形件的声学参数影响不大。然而，这种影响可导致在钟形肋的最厚部分中的α相中的Sn含量的降低（从15至13重量份）。–see 降低锡含量不会改变显微硬度，该参数决定合金的机械参数。因此，应该指出，a相中锡含量的变化不是钟体固有振动变化的原因（数值和物理试验结果之间的差异）。液态金属中溶解的气体对气体微孔的形成起着重要作用。在气体量太小的情况下，孔隙中的压力低，并且不会减少树枝状通道之间的微供应，从而导致在铸件的轴附近局部化的更大中空度和更大体积的当溶解的气体量太大时，气体原子穿透所产生的中空，导致压力过度增长，这导致孔隙增加以及金属密度降低。在这两种情况下，声音不足的结果是什么-声音太低，钟的振动频率太低，五个声音频率之间的空间不足[10，14，15]。图图7和图8示出了在JOEL JSM-6610 LV扫描电子显微镜上进行EDS斑点分析的位置。分析结果总结见表2和表3。已经注意到，在分析的区域中呈现a和d在图1所示的样品B的样品区域中进行XRF荧光X射线分析。上午9分析允许呈现Cu和Sn元素的浓度分布Cu浓度增加的区域如图9 b所示，而Sn浓度增加的区域如图9b所示。 9 c. 在图中，标记了在a相和d相的特征区域内，分析元素分布均匀随着锡含量的增加，增大影响贝尔青铜硬度和塑性的相在文献中被描述为合金的软组分与硬而脆的D相相反。观察到青铜成分沿着肋高度改变表1、2、3，并且枝晶之间的距离增加（图5），因此观察到枝晶间空间中的共析（a+d（a+d）相含量的增加，伴随着硬度、密度、杨氏振动阻尼系数相的相互参与对钟的声学参数具有决定性的影响，而观察到的差异，如显微硬度下降和a相枝晶之间的距离增加，相互补偿，而不影响频率特性。 因此，可以说，对钟形青铜声学参数影响最大的是沿钟形肋高度变化的气孔率。可以假设，通过精确保留钟形青铜成分的钟形铸造技术的再生产，合金在凝固过程中的保留也应该与原始钟形相同（相同的相成分以及它们的相互分数应该被保留就像新的一样。然而，考虑到分析区域中气体微孔的尺寸和分数的变化以及共析体的显微硬度的微小变化，青铜的声学性能可能会发生变化，从而导致从CAD建模和有限元方法（FEM）分析转移到D. Cekus，PaweethewKwiaton'，M.Nadolski等人工程科学与技术，国际期刊24（2021）1042-10481045图二. 剖视图和样品采集区域。图三. 微孔性见图4。 微孔图五.钟形青铜显微组织在剖面轴上见图6。钟形青铜显微组织在剖面轴上 - 取 样 位 置 按 4- ′′B″ 用 图 像分 析 了 一 个 相 的 分 数 。D. Cekus，PaweethewKwiaton'，M.Nadolski等人工程科学与技术，国际期刊24（2021）1042-10481046表1检查样品的化学成分化学成分，质量标本SNCu一20.2879.72B23.4376.57图第七章微区-样品A的EDS化学成分分析图八、微区-样品B的EDS化学成分分析表2分析区域内化学成分的EDS点分析结果– sample标记元素，% wt.分析区ASNCu182.9917.01266.8833.12368.9231.08见图9。Cu和Sn分布不均匀的示例。a）分析的样品图像，b）Cu含量增加的区域，b）Sn含量增加的区域。表3分析区域内化学成分的EDS点分析结果– sample标记元素，% wt.分析区BSNCu184.6015.40286.6713.33367.2732.73铸造过程中，特别是然后五个声音分量考虑[10，14，15]。3.2. 频率分析研究钟的声学特性的验证是基于数值和实验研究。通过录音获得了主铃和铸铃的声音特性D. Cekus，PaweethewKwiaton'，M.Nadolski等人工程科学与技术，国际期刊24（2021）1042-10481047x呃x呃··见图10。 网格和模态形状的音乐分音的有限元预测分析钟。表4实验振动频率。主机铃铸钟xeh[Hz]注意xec[Hz]注意dc[%]嗡嗡声319.5EB（1）+45320.0EB（1）+480.16基本650.5E（2）-23657.5E（2）-41.08Tierce785.0G（2）+2762.0G（2）-492.93昆特985.0B（2）-41007.5B（2）+342.28标称1320.0E（3）+11282.0E（3）-482.88其中：dc1/4。xec-x哎。·100%，xeh表5数字振动频率。主机铃数值研究xeh[Hz]注意xn[Hz]dn[%]嗡嗡声319.5EB（1）+45334.514.49基本650.5E（2）-23684.695.26Tierce785.0G（2）+2770.531.84昆特985.0B（2）-41077.39.37标称1320.0E（3）+11277.73.20其中：dn¼。xn-x呃。·100%，xeh在操作过程中，通过使用Wavanal程序将其转换为声音分量。使用FEM和SolidWorks Simulation模块获得数值频率数值计算模型基于实体模型（图1d），有限元尺寸采用h-自适应方法定义。假设钟是由具有以下性质的C91300钟青铜制成的（类似于铸造钟）：弹性模量= 1 1011 N/m2;泊松比= 0. 34;剪切模量= 0. 35 N/m2;剪切模量=0. 35 N/m2。= 3.8 1010 N/m2;质量密度= 8600 kg/m3。图10中显示了应用网格（DOF898896）的模型和对应于音乐分音[14，15，28]的振动模式。实验和数值振动频率被放置在表4.比较铸造和主机钟的频率显示，在频率的嗡嗡声，基本和五重音增加。在时间和标称频率上，铸钟的频率均低于主机。五个基本声音分量之间的理想关系hum ： fundamental ： tillage ： quint ：nominal由以下关系1，1：2，1：2.4，1：3，1：4给出[14]。E2音分别为329.6、659.2、791.04、988.8、1318.4 Hz这意味着无论是原始的铃声还是铸造的声音都与E2音调一致。对于原始钟，这些关系为：1：2.04：2.46：3.08：4.13，对于铸造的钟，这些值为：1：2.05：2.38：3.15：4.01.铸件和主钟之间的差异可能源于：生产（手工方法），每个铸件不同，在大多数情况下，材料的结构将彼此不同;平滑扫描肋的形状;省略装饰。然而，根据所进行的数值和实验研究，可以说3D扫描过程的逆向工程过程是正确的主钟和铸钟的振动频率非常相似（最大相对误差为2.93%-表4），两种钟的五个此外，两种钟的音符和八度是相同的，声音的不同之处只在于距离确切音符的美分数将实验结果与数值表5的结果进行比较，发现振动频率有很大的差别。最大误差为9.37%（五），平均误差为4.83%。在这种情况下，差异是由于数字钟没有材料孔隙度，材料参数是理想化的。此外，它的冠可能对频率幅度有影响，这在数值测试中没有考虑到。试验结果表明，用数值试验方法得到的振动频率不能作为确定的结果，不能以此为依据最终确定钟的声学性能。然而，这种分析是非常重要的，当设计一个新的钟形，以及重建现有的对象。在此基础上，可以确定在不同形状的肋的频率变化趋势，在小的变化可以显着影响的频率。4. 结论本文介绍了逆向工程的过程中，这涉及到的可能性，重建一个教堂的钟。这种类型的物体的恢复是可能的，但是不考虑铸件的孔隙率的声学特性将不兼容。D. Cekus，PaweethewKwiaton'，M.Nadolski等人工程科学与技术，国际期刊24（2021）1042-10481048原始.首先，数字钟模型，这在本文中创建的基础上获得的肋骨在3D扫描过程中，可能会导致一些错误，造成不完整的复制钟形。扫描的钟形件在操作期间经历变形（例如，心脏平面中的心形环的直径的可见增加）。另一种简化是不加装饰、外表面光滑的钟的重建，这引起铸件重量的变化，直接影响音质。铸造工艺和生产技术对所获得的结果有重要影响作者试图以最忠实的方式再现传统制钟工艺。这些都影响了逆向工程中原始对象与再创造对象的区别。最后，应该总结的是，频率之间的最大误差不超过2.93%。从这个角度来看，可以说，逆向工程过程是正确的，几何尺寸以及功能参数是正确的。与所采用的铸造工艺密切相关的材料试验也证实了研究的正确性。材料研究表明，铸件在横截面水平上的微孔率以及α相和共析体的显微硬度所有这些元素都有助于改变用于数值测试的合金的物理性质，从而导致原始对象与基于逆向工程创建的对象之间的声学测试结果存在差异竞争利益作者声明，他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系，可能会影响本文报告的工作。确认这项研究是在琴斯托霍瓦技术大学机械和机械设计基础系的法定研究范围内进行的引用[1] S.I.蒙泰亚努岛Ciobanu，V. Ene，世界上最重的铸造钟-铸造艺术，金属。Int. 16（5）（2011）56-62。[2] K. Maréchal，Technologia odlewania dzwonów（钟形铸件技术），Przegl.奥德鲁8-9（1974）269-273（波兰文）。[3] 新罕布什尔Fletcher，乐器的非线性物理，Rep。Prog. 62（5）（1999）723https://doi.org/10.1088/0034-4885/62/5/202[4] M. Schilling，Glocken：Gestalt，Klang und Zier（Bells：Shape，SoundandOrphanic），Verlag der Kunst，Dresden，1988.[5] I.M. Salom，M. M. Mijic'，J.D. C'ertic'，D.S.Š. 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