مقاله تاثیر شکل و زاویه قالب در فرآیند اکستروﮊن مستقیم آلومینیوم گرم

بخشی از مقاله

*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***

تاثیر شکل و زاویه قالب در فرآیند اکستروﮊن مستقیم آلومینیوم گرم
چکیده
اکستروﮊن یکی از جوانترین فرآیندهای شکل دهی فلزات است. در این مقاله اثر شکل و زاویه قالب در فرآیند اکستروﮊن مستقیم آلومینیوم گرم مورد بررسی قرار گرفته است. زوایای مختلفی با استفاده از روش اجزاﺀ محدود و اشکال مختلف منحنی های شکل قالب با استفاده از روش حجم محدود مورد تحلیل قرار گرفته اند و زاویه و شکل قالب بهینه از نتایج استخراج گردیده است. قالبها در محیط Pro/Engineer شبیه سازی شده، و سپس با استفاده از نرم افزارهای Ansys 6.1 و SuperForge2004 مورد تحلیل قرار گرفته اند. جوابهای حاصل نیز با نتایج قابل دسترس مقایسه شده که گویای صحت شبیه سازی و تحلیل آن می باشد. بدین ترتیب با استفاده از اینگونه روشها می توان پروسه های واقعی صنعتی با کمترین ساده سازیها را مدل کرد و در کاهش هزینه سنگین تست های عملی در پروسه های طراحی و کم کردن مشکلات در امر تولید قطعات و بهینه سازی محصولات گام موثری برداشت.
واﮊههای کلیدی: اکستروﮊن – شکل قالب – حجم محدود – المان محدود.

مقدمه
اکستروﮊن یکی از جوانترین فرآیندهای شکل دهی فلزات است که احتمالاﹰ برای اولین بار در پایان قرن هجده برای ساخت لوله های سربی استفاده شده است. بیش از نیم قرن است که بررسیهای تحلیلی و آزمایشگاهی بر روی این فرآیند آغاز شده است. فرآیند اکستروﮊن بر حسب نوع تجهیزات به کار برده شده به دو روش اکستروﮊن مستقیم (رو به جلو) و اکستروﮊن غیر مستقیم (معکوس) تقسیم بندی می شود.
از طرف دیگر، بر حسب دمای ماده در حال اکسترود، فرآیند اکستروﮊن می تواند به شکل گرم یا سرد باشد. معمولاﹰ فرآیند اکستروﮊن گرم به منظور تولید محصولات با طول نسبتاﹰ زیاد و مقطع ثابت و تاثیرشکلاکستروﮊنزاویه سرد، به دلیل وجود مقاومت تغییر شکل بالا در تغییر شکل سرد، برای تولید قطعات نسبتاﹰ کوچک،کوتاه و متقارن (مانند مفتول، تسمه و لوله) به کار می روند. دامنه تقریبی دما برای اکستروﮊن گرم شمشال ها در آغاز اکستروﮊن برای آلومینیوم در حدود ٤٩٠‐٤٥٠ درجه سانتیگراد می باشد. امروزه در صنعت، فرآیند اکستروﮊن گرم نسبت به اکستروﮊن سرد کاربرد بیشتری دارد. در تحقیق فعلی اکستروﮊن گرم رو به جلو مورد تحلیل قرار گرفته است.
روشهای تعادل نیروها (Slab Method)، حد بالا (Upper Bound) و میدان خطوط لغزش (Slip line) از جمله روشهای تحلیلی هستند که به صورت گسترده تری در این زمینه بکار رفته اند، اما با توجه به پیچیدگی این فرآیند، هیچ یک از روشهای فوق قادر به مدلسازی مناسب و دقیق آن نمی باشند. به عنوان مثال مهمترین عیب روش میدان خطوط لغزش این است که فقط برای مسایل دو بعدی قابل بکارگیری است. بعلاوه، این روش نسبتاﹰ دشوار و پیچیده است و در برخی موارد نیز دارای خطای قابل توجهی می باشد. با این که روش حد بالا، از جمله روشهای تقریبی به منظور حل اینگونه مسایل می باشد، اما به دلیل ناتوانی در تعیین توزیع فشار در سطح قالب و ضعف در تعیین میدانهای سرعت قابل قبول، کمتر در تحلیل و مدلسازی این فرآیند مورد استفاده قرار می گیرد.
محققان و دانشمندان تحقیقات زیادی بر روی این پروسه انجام داده اند. سلیک و چیتکارا شبیه سازی عددی و تجربی اکستروﮊن مقاطع مختلف را مورد مطالعه قرار دادند. در این مطالعات برای اکثر مقاطع اپتیمم طراحی قالب اکستروﮊن صورت گرفته است. برای این کار برنامه کامپیوتری نوشته شده و نتایج با کارهای آزمایشگاهی مقایسه شده است. اما در این جا کمتر به شبیه سازی با نرم افزار پرداخته شده است]١.[ وانگ و همکارانش به بهینه سازی زاویه قالب اکستروﮊن بوسیله روشهای عددی پرداختند]٢.[
کانگ و همکارانش شبیه سازی اجزاﺀ محدود قالب طراحی شده برای اکستروﮊن داغ را با استفاده از نرم افزار DEFORM TM انجام دادند. آنها عواملی چون تنش موثر، اغتشاشات دما و نرخ کرنش موثر را برای قطرهای خروجی مختلف، دماهای مختلف و ضخامتهای مختلف شمش مورد بررسی قرار دادند و با نتایج آزمایشگاهی مقایسه کردند که به توافقات خوبی دست یافتند]٣.[ کالوسکا و همکارانش سرعت خروجی در فرآیند اکستروﮊن پروفیل آلومینیوم را به عنوان یکی از مهمترین پارامترها برای بهینه سازی طراحی قالب اکستروﮊن مورد بررسی قرار دادند. آنها دریافتند که چنانچه قالب به درستی طراحی نشود، سرعتهای متفاوت در نقاط بحرانی قالب خواهیم داشت. به منظور دریافت محصولات اکستروﮊن با کیفیت بالا لازم است تا شاخصهای پروفیل سرعت در هر ناحیه از خروجی قالب را بدانیم. آنها شبیه سازی سه بعدی پروفیل دایروی آلومینیوم را با استفاده از تکنولوﮊی CFD انجام دادند. رفتار آلومینیوم به عنوان یک لایه جریان سیال نیوتنی حالت پایدار با ویسکوزیته بالا در نظر گرفته شد. سپس مدل پیشرفته ریاضی با استفاده از نرم افزار FLUENT در شرایط تقریباﹰ واقعی از پروسه حل شد و نتایج حل تطابق خوبی با داده های آزمایشگاهی در حالت واقعی داشت]٤.[ در این مقاله با توجه به اهمیت فرآیند اکستروﮊن مستقیم آلومینیوم گرم، شکل(١)، سعی شده تا با شبیه سازی اجزاﺀ محدود و حجم محدود این فرآیند، زاویه و شکل بهینه قالب برای اکسترود آلومینیوم گرم با مقطع گرد استخراج گردد، بطوریکه بتوان با کمترین نیرو شمش را اکسترود کرد. همچنین نتایج با نتایج آزمایشگاهی مقایسه شده و قابلیت نرم افزارهای مذکور در شبیه سازی فرآیند اکستروﮊن نشان داده شده است.
 روش تحقیق
۱‐ حجم محدود و اجزاﺀ محدود : بررسی رفتار کار گرم در شرایط آزمایشگاهی عمدتاﹰ با دما و نرخ کرنش ثابت انجام می شود. تحقیقات نشان می دهند که با کاهش نرخ کرنش سطح تنش سیلان افت می کند. همچنین در اثر تغییر پارامترهایی نظیر نرخ کرنش و دما در حین تغییر شکل گرم تاثیرات متفاوتی در رفتار کارگرم مواد و مخصوصا خواص مکانیکی آنها ایجاد می شود که اندازه گیری این تغییرات در شبیه سازی آزمایشگاهی ممکن نیست. با توجه به موارد فوق، برای تعیین پارامترهای اکستروﮊن بصورت دقیق و تحت شرایط تقریباﹰ واقعی از روشهای اجزاﺀ محدود و حجم محدود کمک گرفته می شود. چرا که توسط این روشها به علت بهره گیری از پارامترهای مختلف در شبیه سازی شامل انتخاب نوع المان شمش و قالب، خصوصیات هر یک از آنها و ارتباط بین آنها، می توان بصورت وسیعتری شرایط واقعی را در تحلیل فرآیند، اعمال نمود.
روشهای اجزاﺀ محدود و حجم محدود از روشهای حل عددی فرآیندهای شکل دهی هستند که کاربرد زیادی در تحلیل فرآیندهای شکل دهی فلزات یافته اند. در روش اجزاﺀ محدود شبکه نقاط متصل به جسم در نظر گرفته میشود. با اتصال این گرهها (نقاط) المان با اشکال مختلف بوجود میآید و معادلات دیفرانسیل برای این نقاط نوشته میشود. با تغییر شکل جسم, شکل المان به دلیل متصل بودن نقاط به ماده، تغییر میکند. در فرآیندهای شکل دهی فلزات بالاخص فرآیندهای اکستروﮊن تغییر شکل ماده بسیار زیاد است و فلز در حفره قالب جریان مییابد. بدین دلیل المانهای اولیه که در نظر گرفته شده است اعوجاج بسیار زیادی مییابند. این کار سبب مشکلات زیاد و ایجاد خطا در حل عددی به کمک کامپیوتر میشود. برای غلبه بر این مشکل، عملیات خودکار مشبندی مجدد بوجود آمده است. در این روش موقعیکه شکل المانها از یک حد بیشتر اعوجاج یابد، مشبندی کل جسم تعویض میشود و المانهای مجدد روی جسم تغییر شکل یافته ایجاد میشود و حل مسئله ادامه مییابد البته این کار باعث صرف وقت زیاد و زمان زیاد کار CPU میشود. در سالهای اخیر روش حجم محدود به منظور پیش بینی نیرو و جریان مواد در فرآیندهای شکل دهی مختلف با موفقیت مورد استفاده قرار گرفته و نشان داده است که سرعت تحلیل به روش مذکور در مقایسه با سایر روشها بخصوص روش اجزاﺀ محدود به مراتب بیشتر بوده و به همین خاطر از این روش به خوبی می توان در شبیه سازی سه بعدی فرآیندهای شکل دهی تاثیر شکل و زاویه استفاده کرد. در روش حجم محدود المانهای حجمی تقسیمات ساده ای از فضا می باشند و بوسیله نقاط اتصالی تعریف می شوند که این نقاط در فضا ثابت بوده و لذا شبکه حجم محدود نیز بصورت یک محدوده ثابت مرجع عمل می نماید و مواد از بین المانها با حجم ثابت حرکت نموده و جرم، اندازه حرکت و انرﮊی از هر المان به المان دیگر منتقل می شود. در نتیجه برای حرکت مواد نیازی به شبکه بندی مجدد نمی باشد.
• ۲‐ قالبهای اکستروﮊن : یکی از مهمترین عوامل موثر بر فرآیندهای شکل دهی، هندسه قالب می باشد. مهمترین پارامتر در طراحی قالب تعیین ابعاد و شکل مناسب آن می باشد. شکل قالب بر روی پارامترهای مختلف فرآیند اکستروﮊن موثر می باشد. برخی از این پارامترها عبارتند از:
فشار(نیرو) مورد نیاز، توان مورد نیاز، عمر قالب، تنشهای پسماند و میدان تغییر شکل.
از نکات بسیار مهم در ساخت قالبهای اکسترود آلومینیوم، جنس قالب و سخت کاری قالب می باشد.
جنس قالب را معمولاﹰ از فولاد انتخاب می کنند. فولادهای مناسب برای ساخت قالبهای اکسترود فولادهایی هستند که دارای خاصیت انعطاف در مقابل ارتعاشات و نیروهای متناوب، مقاوم در برابر سایشهای سطحی باشند و همچنین بر اثر حرارت خواص خود را از دست ندهند. معمولاﹰ فولادی که تمام خواص بالا را دارا باشد وجود ندارد. بنابراین از روش عملیات حرارتی در ساخت قالبها استفاده می شود.

قالبی که بتواند تمام خواص بالا را دارا باشد، فقط قالبهای سرامیکی هستند که این نوع قالب ها دارای مقاومت بسیار زیاد در برابر سایش نیز می باشند. این موضوع بسیار حائز اهمیت می باشد و عمر قالب را تا پنج برابر قالبهای فولادی بالا می برد. از قالبهای سرامیکی که بگذریم قالبهای فولادی دارای مقاومت کمی در برابر سایش می باشند، زیرا سایش در قالب های اکسترود همراه با حرارت بالا می باشد. برای اینکه این مشکل برطرف شود، روی قالب عملیات حرارتی انجام می دهند. طراحی قالبهای اکستروﮊن در سالهای اخیر زمینه بسیاری از تحقیقات محققان بوده است. طراحی قالب بعلت استفاده از روشهای سعی و خطا، تلفات زمانی و هزینه بالایی دارد. در سالهای اخیر با پیشرفت فن آوری استفاده از رایانه در مهندسی (CAE) به نقش رایانه در حل عددی و شبیه سازی فرآیندهای شکلدهی توجه ویژه ای شده است.
۳‐ تئوری و مدلسازی مساله : مساله در دو حالت و جهت بدست آوردن زاویه بهینه قالب (زاویه ای که در آن زاویه، با درصد کاهش برابر، نیروی کمتری جهت اکسترود لازم باشد) برای اکسترود مقطع گرد و شکل قالب برای این مقطع مدلسازی و تحلیل می شود. برای بهینه سازی زاویه قالب از نرم افزار Ansys6.1 استفاده می شود. در اینجا تئوری ویسکوپلاستیسیته آناند (این تئوری غیر وابسته به سطح تسلیم است و معمولاﹰ برای پروسه های دما بالا مورد استفاده قرار می گیرد) در حل مساله مورد استفاده قرار گرفته است]۵.[ در این تئوری فرض بر این است که کشش الاستیک بزرگ باشد که این برای پروسه های کار گرم باید مناسب باشد. اطلاعات مربوط به شمش و قالب در جدول(۱) و پارامترهای مورد نیاز تئوری آناند برای شمش گرم آلومینیمی از منابع ]۶ و۵[ استخراج گردیده که در جدول(۲) نشان داده شده است. شکل(۲) نتایج عملی اکستروﮊن گرم در دو حالت (a) رو به جلو و (b) معکوس را نشان می دهد.
با توجه به اینکه زاویه قالب نقش مهمی در حرکت جریان مواد در طول فرآیند و همچنین نیروی مورد نیاز برای انجام فرآیند دارد، برای زاویه قالب، شکل(۳)، ۴ مدل با زوایای α  30o ,17o,14o ,12o با شعاع ورودی و خروجی ثابت بیلت انتخاب شده است. درصد کاهش مقطع در این مساله % ۵۵ فرض گردیده است. در حالت دوم که بهینه سازی شکل قالب برای مقطع گرد انجام می شود، مطابق شکل(۴)، ۴ مدل منحنی انتخاب شده، سپس مدلسازی در محیط Pro/Engineer مطابق شکل(۵) انجام شده و آنگاه فرآیند طراحی شده توسط نرم افزار SuperForge2004 جهت تحلیل فراخوانده می شود.
در شکل(۵) که انواع قالبهای با مقطع گرد را نشان می دهد، قطر بیلت d  25.4mm ، طول قطعه l  38.1mm ، قطر داخلی قالب Di  26mm ، قطر خارجی قالب Do  30mm و طول قالب L  42mm در نظر گرفته شده