مقاله تدوین فناوری ساخت و مهندسی معکوس شفت موتور یک نوع جت

بخشی از مقاله

تدوین فناوری ساخت و مهندسی معکوس شفت موتور یک نوع جت
چکیده
هدف از انجام این پژوهش برآورد فناوری ساخت و مهندسی معکوس شفت موتور یک نوع جت با توجه به شرایط خاص کاری و مدل اصلی آن می باشد. بدین منظور ابتدا آزمایشهای خواص مکانیکی و متالوژیکی بر روی نمونه اصلی شفت انجام گرفت و پس از آن از میان روشهای اکستروژن داغ Hot) (extrusion، فورجینگ شعاعی (Radial forging) با استفاده از دستگاه swaging و فلوفرمینگ داغ ( (Hot Flow gnimrof، روش فلوفرمینگ داغ (مستقیم و معکوس) برای ساخت با توجه به آلیاژ مناسب انتخاب گردید. سپس به منظور تعیین نقاط حساس در شرایط خاص کاری از تحلیل استاتیکی به کمک نرم افزار ANSYS استفاده گردید. پس از برآورد نقاط حساس و آزمایشهای غیر مخرب بر روی نمونه اصلی، شکل دهی مناسب تدوین گردید.
واژه های کلیدی: شفت - موتور جت - اکستروژن - فورجینگ شعاعی - فلوفرمینگ .

مقدمه
در این پژوهش با توجه به بررسیهای انجام شده بر روی نمونه اصلی و انجام آزمایشها و مقایسه روشهای مختلف ساخت، روش فلوفرمینگ داغ به عنوان روش اصلی انتخاب گردید. سپس مختصری در مورد این روش، جنس انتخابی، محاسبه قطعه خام و بعد از آن تحلیل به کمک نرم افزار ANSYS پرداخته میشود. [1-4]
فلوفرمینگ داغ یکی از روش های ساخت قطعات فلزی تو خالی بدون درز و با تقارن محوری مانند لولهها و قطعات مخروطی است که در آن با ترکیبی از چرخش و اعمال نیرو توسط غلتک، ماده نورد شده و با کاهش ضخامت، به شکل مورد نظر دست خواهیم یافت. برای تولید قطعات تو خالی استوانه ای دو روش موجود است:
الف) مستقیم: در فلوفرمینگ مستقیم حرکت غلتک با دور شدن از ناحیه تثبیت شده قطعه کار همراه بوده و جهت سیلان ماده، هم جهت با حرکت غلتک میباشد. از جمله معایب فلوفرمینگ مستقیم این است که برای گرفتن پیشفرم بر روی مندرل، تجهیزاتی همانند آنچه در شکل نشان داده شده است، موردنیاز میباشد. علاوه بر آن، سرعت تولید در فلوفرمینگ مستقیم پائینتر است، چرا که غلتک باید کل طول قطعه نهائی را طی نماید. (شکل (1 ب) معکوس: در فلوفرمینگ معکوس قطعه کار توسط فیکسچر بر روی مندرل نگه داشته شده و غلتک به طرف ناحیه تثبیت قطعه کار حرکت مینماید، بطوری که ماده مورد نظر در جهت مخالف حرکت غلتک، سیلان مییابد. عیب اصلی فلوفرمینگ معکوس این است که اولین نواحی فلوفرم شده، بیشترین فاصله را طی میکنند و بنابراین به اعوجاج بسیار حساس هستند. (شکل (2
فرآیند فلوفرمینگ برخلاف اسپینینگ (Spinning) به قصد انجام کاهش ضخامت، استفاده میگردد. مقدار ریداکشنی که در ضخامت قطعه تولیدی بوجود میآید، به چند عامل بستگی دارد. این عوامل، عبارتند از:
1. شعاع نوک غلتک و زاویهی آن
2. میزان تغذیه نسبت به دوران
3. زاویهی قرار گرفتن غلتکها
4. زاویهی مخروطی شدن (درمورد شکل دهی به قطعات مخروطی)
قاعده کلّی درمورد فرآیند فلوفرمینگ در قبل و بعد از شکلدهی، ثابت ماندن حجم قطعه (درعین تغییرات سطح) می باشد که از این نظر، با فرآیند اسپینینگ که از اصل ثابت ماندن سطح استفاده میکند، متفاوت می باشد. در این پژوهش روابط مربوط به درصد کاهش ضخامت در فرآیند فلوفرمینگ مورد بررسی قرار میگیرد و سپس به دلیل تفاوتهایی که بین روابط بدست آمده برای تولید قطعات استوانه ای و مخروطی شکل وجود دارد درمورد هر یک به طور جداگانه بحث میشود.

مزایا و معایب فلوفرمینگ داغ عبارتند از:
هزینه تولید کم، قیمت پائین ابزار، خواص مکانیکی بهبود یافته، تلرانس ابعادی نزدیک، سطوح تمام شده صاف، کنترل دقیق ضخامت، کاهش وزن، ساخت پروفیلهای دقیق، عدم نیاز به اتصالات (تا حد ممکن)، عدم نیاز به انجام تستهای اضافی، سرعت تولید کمتر، اعوجاج قطعه کار [2,5].
در روش فلوفرمینگ به هر دو عمل خنککننده و روانکار احتیاج است. به خنککننده برای برطرف کردن سریع حرارت ایجاد شده در اثر تغییر شکل و جلوگیری از پوسته شدن سطح تماس بین غلتک و قطعه کار نیاز است.
روانکارهایی که در فرآیند فلوفرمینگ مورد استفاده قرار میگیرند، به دارا بودن خاصیت چسبندگی خوبی نیاز دارند تا از چسبیدن روانکار به ورق یا پیش فرم درحال چرخش، اطمینان حاصل شود. فاکتورهای دیگری که در انتخاب روانکار در فرآیند فلوفرمینگ تأثیرگذارند عبارتند از:
1. درجه حرارت بلنک
2. داشتن خاصیت چسبندگی به پیشفرم درحال چرخش
3. سیالیت مناسب تحت فشار کاربردی
4. سیالیت روانکار یا خنککننده برای سیستمهایی که با پمپ کار میکنند
5. قابل برطرف بودن روانکار از سطح بعد از تغییر شکل
جنس انتخابی برای شفت
در مورد جنس این شفت که در مطالعات اولیه و با تحقیق در خصوص شفتهای موتور جت و در کل توربینهای گازی، به این نتیجه سر انجامید که به علت شرایط خاص کاری شفت از جمله سرعت دوران، دمای زیاد به علت محفظه احتراق، نوسانی بودن تنشهای وارد بر شفت و .... ، یکی از مواد و یا جنسهای پیشنهادی باید از فولادهای سخت و یا سوپرآلیاژهای کار شده انتخاب گردد که با آزمایشهای مکانیکی و متالوژیکی از جمله کریستالوگرافی و تعیین ترکیب شیمیایی مشخص گردید که جنس حداقل امکان باید از میان سوپرآلیاژها به خصوص دستهی پایه آهن- کروم- نیکل انتخاب گردد. چرا که این آلیاژها مقاومت مناسبی در مقابل حرارت، خستگی، خزش و خوردگی دارند و دارای خواص مکانیکی و فیزیکی مناسب و طول عمر مناسبی میباشند.
جهت تعیین متریال شفت مورد نظر، غیر از نتایج ترکیبات، شرایط کاری قطعه بسیار اهمیت دارد. با توجه به اینکه محور اصلی انتقال قدرت در نوعی موتور جت است، دمای کاری در محدوده 500°k تا 600°k است و سرعت دورانی 16200 rpm و قابلیت تحمل شتابها تا 5g است. ماده مناسب دارای نقطه ذوب و مدول الاستیسیته بالا و ضریب نفوذ کم و دارای ویژگیهای زیر نیز می باشد:
-1 نقطه ذوب و دامنه ذوب بالا (حفظ شکل ظاهری و خواص، تغییرات دما) -2استحکام قابل قبول در دمای کاری و نسبت استحکام به وزن بالا -3داکتیلیته کافی در دمای غیر کاری و استحکام در مقابل شکست ترد -4مقاومت در مقابل خوردگی -5شکلپذیری مناسب به دلیل نیاز به مقاومت در برابر خوردگی در دمای بالا، مناسب است از سوپرآلیاژها استفاده کرد زیرا دارای استحکام خزشی بالاتر و مقاومت خوردگی داغ و اکسیداسیون بهتری نسبت به آلیاژهای دیگر دارند.
این آلیاژها به سه دسته پایه آهن(آهن- نیکل)، پایه نیکل و پایه کبالت تقسیم می شوند و معمولا به صورت ریختگی یا کار شده وجود دارند که سوپرآلیاژهای کار شده به دلیل انعطافپذیری و شکلپذیری بالاتر جهت تولید شفت مناسب ترند.
سوپر آلیاژهای پایه آهن- نیکل در دماهای پایینتر مناسب ترند اما در دماهای بالا انتخاب سوپرآلیاژ پایه کبالت یا نیکل بستگی به نوع خوردگی دارد. با توجه به ویژگیهای همگن بودن و انعطاف پذیری، قابلیت آهنگری، استحکام تسلیم، استحکام کششی، مقاومت خستگی، مقاومت خزشی و در دسترس بودن و نداشتن عناصر مضر، متریالهای زیر پیشنهاد می گردد:

- فولاد زنگ نزن [3] AM355

- فولادهای کرم- نیکل 40XHMA ، 34XH3 MΦ ، 12XH3A ، 18XHBA (طبق استاندارد Gost روسیه) که پس از عملیات حرارتی سخت کردن و باز پخت به کیفیت مکانیکی مطلوب دست می یابند. [1]

- سوپرآلیاژهای A286 ، INCONEL-718 ، Rene95 و ... [7,9]

در این سوپرآلیاژها تعدادی از عناصر به صورت محلول جامد در میآیند تا یک یا چند مورد از خواص را بهبود بخشند، به طور مثال Mo,Re,W,Ta باعث استحکام، Cr,Al موجب افزایش مقاومت به خوردگی دما بالا و Ti,Al تشکیل رسوبهای  و   داده که در سوپرآلیاژهای پایه نیکل- آهن استحکامدهنده هستند. به فازهای رسوبی استحکام دهنده، در جدول (1) اشاره شده است.

جدول -1 فازهای رسوبی استحکامدهنده اصلی سوپرآلیاژهای پایه آهن- نیکل و پایه نیکل

ترکیب شیمیایی برخی از آلیاژهای فوق را در جدول (2) مشاهده می کنید.
جدول– 2 ترکیب شیمیایی اسمی برخی از آلیاژهای مورد استفاده در محور اصلی انتقال قدرت موتور های جت (%وزنی)

ترکیب شیمیایی آلیاژ در رسیدن به یک سطح استحکام و مقاومت خوردگی بسیار اهمیت دارد، ولی فرآیند تولید نقش اساسی در رسیدن به خواص بهینه سوپرآلیاژ دارد. عناصر گوناگون و با ترکیب متفاوت جهت ایجاد اثرات مطلوب در سوپرآلیاژها به کار میروند. نقش این عناصر در سوپرآلیاژهای پایه آهن را در جدول (3) مشاهده میکنید.

جدول– 3 نقش عناصر آلیاژی در سوپرآلیاژهای پایه آهن

گام بعدی تعیین فازها توسط میکروسکوپ الکترونی و پراش است. با توجه به نتایج میکروسکوپ الکترونی که نشان دهنده وجود فاز   با قطر 3nm در نمونه شفت واقعی بدست آمده است.
با توجه به شرایط کارکرد و خواص مورد انتظار برای شفت مذکور سوپرآلیاژ A-286 انتخاب میگردد، که این سوپرآلیاژ برگرفته از فولادهای زنگنزن آستنیتی است که دارای زمینهای از محلول جامد آهن و نیکل اند. برخی از آلیاژهای پایه آهن- نیکل مثل A-286 برای پایداری زمینه، حاوی 25 تا 35 درصد وزنی نیکل می باشند و استحکام آنها به دلیل حضور آلومینیوم و تیتانیوم است. اثر دما بر برخی خواص مکانیکی سوپرآلیاژ A-286 درجدول (4) آمده است. [6-9]

جدول– 4 اثر دما بر خواص مکانیکی کوتاه مدت سوپر آلیاژ [8] A-286

محاسبه قطعه خام تو خالی
با توجه به روابط((1 و (2) محاسبه قطعه خام تو خالی انجام پذیر است که رابطه (1) مربوط به قسمت استوانهای شکل و رابطه (2) مربوط به قسمت مخروطی شکل شفت است. [2,10]

با توجه به ماکزیمم کاهش ضخامت پیشنهاد شده برای شکل دهی چرخشی یک مرحلهای قسمت مخروطی و جنس قطعه سوپر آلیاژ «A-286»، مقدار 70% پیشنهاد میگردد. با مقایسه قطعه خام انتخاب شده و ابعاد نهایی مقدار کاهش ضخامت، با استفاده از فرمول (3)، 22% بدست می آید که زیر 70% است. (جدول [2 ,10] (5

تولید قطعات مخروطی شکل، ازطریق این فرآیند از نظر پیشفرم خود به دو دسته تقسیم میشود:
1. استفاده از یک بلنک گرد

2. استفاده از یک پیشفرم از قبل شکل داده شده
همانطور که گفته شد، فرآیند فلوفرمینگ برای تولید قطعات مختلف پیچیده نیز کاربرد دارد. دراینجا روش تولید یک قطعهی پیچیده که مربوط به شفت موتور جت J85 میباشد، مورد بررسی قرار میگیرد. قطعهی نهایی مورد نیاز، در شکل((3 نشان داده شده است. برای تولید این قطعه به روش فلوفرمینگ، استفاده از یک پیشفرم که به وسیله ی فرآیند فورجینگ داغ مستقیم و معکوس بطور همزمان تولید شده است، پیشنهاد گردیده است. (شکل(4
برای تبدیل این پیشفرم به قطعهی مورد نظر، انجام دو مرحله از فرآیند فلوفرمینگ پیشنهاد میشود که یک فرآیند آن، مربوط به تولید قطعات استوانهای بوده و از اصول این روش، پیروی میکند و فرآیند دیگر به تولید قطعات مخروطی برمیگردد .
طبق رابطه ی (3) و جدول (5) داریم:
R' = [(4. 22-3.28)/4.22]*100 = 22.27
پس قسمت مخروطی دارای درصد کاهش ضخامت مطلوبی می باشد