بخشی از مقاله
چکیده
بهینه کردن طراحی یک محصول به معنای تعیین ترکیبی درست از اجزاء یا ایجاد تنظیم صحیح ماشین از اهمیت بالایی برخوردار است. در این راستا، این مقاله پارامترهای مؤثر بر نیروی اکستروژن در فرآیند اکستروژن هیدرو استاتیکی آلیاژ منیزیم AZ31 را موردبررسی قرار داده است. بدین منظور ضمن مطالعاتی بر روی فرآیند اکستروژن هیدرو استاتیکی، با توجه به اینکه بزرگترین مزیت روش اکستروژن هیدرو استاتیکی در توانایی برای شکلدهی مواد خاص است، آلیاژ AZ31 انتخاب شده تا بر روی آن مطالعات موردنظر انجام شود. با مطالعه آزمایشها عملی انجام شده توسط دیگر محققین، به کمک نرمافزار المان محدود آباکوس فرآیند شبیهسازی انجام گردید و نتایج حاصل با آزمایشها عملی مطابقت داده شد. با استفاده از فرایند طراحی آزمایشها و تحلیل واریانس تعداد و نوع شبیهسازیهای مطلوب برای بررسی پارامترهای فرآیند از جمله اصطکاک، نسبت اکستروژن، زاویه مخروطی قالب مشخص شد . پس از شبیهسازی آزمایشها در نرمافزار آباکوس، با استفاده از نرمافزار Qualitek- 4 تأثیر پارامترهای فرآیند بر روی مقدار نیروی شکلدهی مشخص گردید و بهینهترین حالت برای انجام فرایند با کمترین نیرو به دست آمد. درصد تأثیر پارامترهای نسبت اکستروژن، زاویه قالب و اصطکاک بر روی فشار اکستروژن به ترتیب در حدود 75.3 درصد، 14 درصد و صفر درصد به دست آمد.
واژگان کلیدی: اکستروژن، شکلدهی، اکستروژن هیدرو استاتیکی، نسبت اکستروژن.
مقدمه
ایده اکستروژن در سال 1797 توسط جوزف برماهٌ مطرح شد. وی شرح پرسی را برای ساخت لوله از سرب یا هر فلز نرم دیگری را در مقالهای ارائه داده بود که میتوانست لولههای با قطرهای مختلف و طولهای دلخواه را به وجود آورد. در سال 1820 توماس بورٍ پرس هیدرولیکی را ساخت و در سال 1894 الکساندرَ از مس و برنج در اکستروژن استفاده کرد. استفاده موفقیتآمیز از فلزاتی همچون مس، سرب، برنج در اکستروژن، استفاده از آلومینیوم و فولاد را نیز در این فرآیند ممکن ساخت - اورنگی، . - 1383 امروزه محصولات زیادی از طریق اکستروژن تولید میشوند. در صنعت اشکال متنوعی از آلومینیوم با استفاده از قالبهای تخت و بدون روان کاری اکسترود میشوند. در صنایع بستهبندی قوطیهای آلومینیومی، تیوبهای خمیردندان، در صنایع خودروسازی، در صنایع هوا و فضا و دیگر صنایع استفاده زیادی از اکستروژن برای محصولات ساده متقارن تا اشکال با سطح مقطع پیچیده مانند چرخدنده وسعت دارد.
فنّاوری امروزی گواهی بر میل انسان در فراهم آوردن سطح بالایی از کیفیت در محصولات و خدمات، برای افزایش سهم فروش و سود است. کیفیت در بعضی از موقعیتها بهعنوان مهمترین عامل در فرآیند تولید مطرح میشود. تولیدکنندگان با توجه به نیاز شدید بازار در تناسب قیمت و مقرونبهصرفه بودن هزینه نگهداری، کاملاً از نیاز به بهینه کردن محصولات و فرآیندها آگاهاند. کیفیت ناشی از طراحی بهینه توسط تولیدکنندگان از دیدگاه بهرهوری و ثبات موقعیت رقابتی در بازارهای جهانی، باید مقرونبهصرفه و توجیهپذیر باشد . - Borgman, 1985 - برای بیان نحوه عملکرد خوب یک محصول از بعضی مشخصههای قابلاندازهگیری استفاده میشود که بهطورکلی بهعنوان شاخص کیفیت هستند . - Wu, 1986 -
سیوستک و همکارانش - Swiostek, 2006 - ، ریزساختار و خواص مکانیکی آلیاژهای منیزیم را پس از اکستروژن مورد بررسی قرار دادند. آنها نشان دادند که استفاده از اکستروژن هیدرو استاتیکی این امکان را به وجود میآورد تا بتوان در دمای 100 درجه سانتیگراد فرایند اکستروژن را بر روی آلیاژهای AZ31، AZ61، ZM21، ZK30 و ZE10 و در دمای 110 درجه برای AZ80 انجام داد. در این مقاله، آلیاژ AZ31 انتخاب شد که نمودارهای فشار فرآیند در دماهای مختلف برای آن شرح داده شده است.
مواد اولیه
آلیاژ AZ31 در آزمایشها عملی مورد استفاده قرار گرفته است که خواص آن در دماهای مختلف در جدول 1 نشان داده شده است. لازم به ذکر است که چگالی، ضریب پواسون، مدول یانگ که در این جدول ذکر نشده است، به ترتیب عبارتاند از: Kg/m3 1770، 0/35 و 45 گیگاپاسکال. باید توجه داشت که آلیاژهای منیزیم در دمای اتاق در اثر شکلدهی ترک برمیدارند، بنابراین باید در دماهای بالاتر شکلدهی شوند، سیوستیک و همکارانش - Swiostek, 2006 - نشان دادند که با روش اکستروژن هیدرو استاتیکی میتوان در دمای 100 درجه ماده موردنظر را شکل داد. بنابراین خواص ماده در نرمافزار المان محدود برای شبیهسازی باید در دمای 100 درجه تعریف شود که این اطلاعات برای دماهای مختلف در جدول بالا آمده است. تنش تسلیم ماده، مقدار ماکسیمم تنش کششی و مقدار کرنش در حالت تغییر شکل در دمای 100 درجه به ترتیب، 145 و 207 مگا پاسکال و 30 درصد ذکر شده است.
جدول .1 خواص آلیاژ AZ31 در دماهای مختلف
مدلسازی المان محدود
برای مدلسازی المان محدود از نرمافزار آباکوسُ استفاده شده است. پس از جمعآوری آزمایشهای آزمایشگاهی انجام شده توسط دیگران، آزمون موردنظر بهمنظور اعتبارسنجی محاسبات المان محدود، شبیهسازی شد. موضوعات مطرحشده در این قسمت برای تمامی شبیهسازیهای انجام شده یکسان در نظر گرفته شده است تا بتوان نتیجهگیریهای منطقی از روند تغییر متغیرها به دست آورد. تمامی ابعاد قالبها و بیلت مطابق با آنچه در آزمون عملی ذکرشده واردشده است. در تعریف مدلسازی المان محدود پس از تعریف هندسه، خواص ماده بهصورت زیر در نظر گرفته شده است:
قطر بیلت مورد استفاده 80 میلیمتر طول بیلت 110 میلیمتر تعریف خواص ماده نیز خواص الاستیسیته و خواص پلاستیسیه بر مبنای جدول 1 تعریف قالب بهصورت یک جسم صلب در نرمافزار ضریب اصطکاک 0.05 پس از انجام آزمایشها حساسیت مش که در آنها تعداد المانها در مشاله تغییر داده شده و زیاد میشود تا جایی که دیگر خروجی که بهعنوانمثال فشار اکستروژن و یا تنش ایجادشده هستند، تغییر نکند، تعداد المانهای موردنظر به دست آمدند. شکل المانها Quad-dominated با مرتبه خطی انتخاب شدند.
نوع المان C4X4R انتخاب شده است که در آن Hourgless control،Distortion control و Reduced integration در نظر گرفته شده است. تکنیک مش زنی بهصورت Free بوده است. شکل بیلت تعریف شده در نرمافزار در شکل 3 نشان داده شده است. مدل چنانچه پیشتر ذکر شد، بهصورت تقارن محوری تعریف شده است.
شکل .1 بیلت تعریف شده در نرمافزار
قالب تعریف شده در نرمافزار در شکل 4 نشان داده شده است.
شکل .2 شکل قالب تعریف شده در نرمافزار
چگالی، خواص الاستیسیته و خواص پلاستیسیته ورودی در نرمافزار در جدول 3 نشان داده شده است.
