بخشی از مقاله
چکیده:
با پیشرفت تکنولوژی در صنایع مختلف مخصوصا صنایع موتورسازی استفاده از سوپرآلیاژها در این صنایع به طور روزافزونی رو به گسترش است. یکی از این سوپرآلیاژها اینکونل 713 است که امروزه در پره های توربین توربوشارژر موتورهای احتراقی و قطعات موتورهای هوافضایی مورد استفاده قرار می گیرد. یک راه برای کوتاه کردن مسیر طراحی و ساخت این قطعات استفاده از نرم افزارهای المان محدود است و نتایج المان محدود نیاز است که همواره به نوعی صحه گذاری و اعتبار سنجی شوند. از این رو در این مقاله روشی تجربی برای اعتبار سنجی نتایج المان محدود ارائه شده است. برای این منظور از حسگرهای دما که در نقاط مختلف قالب جاگذاری شده اند استفاده شده و نتایج شبیه سازی انجام شده با استفاده از نرم افزار Deform برای آهنگری اینکونل 713 با نتایج تجربی به دست آمده مقایسه شد. نتایج نشان داد که این روش به درستی می تواند برای صحه گذاری نتایج شبیه سازی المان محدود فرآیند آهنگری مورد استفاده قرار بگیرد. نتایج همچنین نشان داد که با استفاده جنس قالب و شرایط قرار دهی حسگر دما برای جنس اینکونل 713 می توان عملیات آهنگری این جنس را به طور موفقیت آمیزی انجام داد.
واژگان کلیدی: آهنگری قالب بسته، اینکونل 713، توربوشارژر، پرخوران، ترموکوپل
مقدمه
با توجه به نیاز به افزایش روزافزون نیاز به موتورهای احتراقی پرتوان در سال های اخیر، حداکثر دما و فشار احتراق در اینگونه موتورها رو به افزایش است. به عنوان نمونه در یک موتور احتراقی پرخوران بنزینی حداکثر دمای احتراق به حدود 1100 درجه سانتی گراد می رسد.[1] با توجه به این تغییر در موتورهای احتراقی، استفاده از موادی که قابلیت تحمل دماهای کاری زیاد را داشته باشند ضرورت می یابد. چندراهه دود و پرخوران قطعاتی هستند که در معرض دمای زیاد قرار دارند و مواد بکار رفته در آن ها نیاز است که استحکام دمایی زیادی داشته باشند .[2] با توجه به اینکه پره های پرخوران موتور ضخامت کمی دارند، با سرعت زیاد می چرخند و تحت تاثیر دمای زیاد دود قرار دارند استفاده از سوپر آلیاژهای اینکونل در ان ها مرسوم است. اینگونه سوپرآلیاژها همچنین در صنایع هوافضا و توربینی مورد استفاده قرار می گیرند.[3]
آهنگری یکی از روش هایی است که می تواند استحکام مناسبی را به سوپرآلیاژها بدهد. برای بررسی فرآیند آهنگری سوپرآلیاژها می توان از نرم افزارهای مختلف المان محدود موجود استفاده نمود. اما همواره برای اینکه اطمینان لازم به نتایج شبیه سازی ایجاد شود لازم است این نتایج به نحوی صحه گذاری شوند یا به عبارتی با نتایج تجربی موجود مقایسه شوند. برای صحه گذاری اولا شرایط شبیه سازی باید دقیقا با شرایط آزمون منطبق باشد، ثانیا برای آزمون تجربی از وسایل و تجهیزاتی استفاده شود که بتوان به داده های تجربی اطمینان لازم را داشت. برای صحه گذاری نتایج آهنگری روش های مختلفی مورد استفاده قرار می گیرد. بخشی جویباری و همکاران از مشخصه های منحنی نیرو جابجایی و هندسه قطعه کار پس از شکل دهی به عنوان پارامترهای مقایسه بین شبیه سازی نرم افزاری و آزمون های تجربی استفاده کردند.[4] مقایسه اندازه دانه های حاصل از شبیه سازی و آزمون تجربی توسط مورایس و همکاران به منظور صحه گذاری استفاده شد.[5] کرنش و نمودار نیرو جابجایی نیز توسط اسکونکا و همکاران به عنوان معیار مقایسه نتایج شبیه سازی و تجربی مورد استفاده قرار گرفت.[6]
روش دیگری که بیشتر برای آهنگری در قالب باز می تواند مورد استفاده قرار بگیرد استفاده از دوربین مادون قرمز1 است.[7] در این روش میدان دمایی قطعه کار قابل اندازه گیری است. این روش برای آهنگری در قالب بسته اگر بخواهد مورد استفاده قرار بگیرد مستلزم پر سرعت بودن دوربین نیز هست که بسیار به قیمت آن می افزاید. با توجه به شرایط دمایی خاصی که در آهنگری وجود دارد تجهیزات اندازه گیری مورد استفاده باید در مقابل دما مقاوم باشند که این خود مستلزم استفاده از تجهیزات گران قیمت است. تمامی روش های تجربی که از آن ها نام برده شد و برای صحه گذاری مورد استفاده قرار می گیرند بسیار پرهزینه هستند و نیاز به تجهیزات اندازه گیری دقیق و خاص دارند. در این مقاله روشی بر مبنای جایگذاری حسگرهای دما در بدنه قالب آهنگری ارائه شده است که برای صحه گذاری نتایج شبیه سازی می تواند مورد استفاده قرار بگیرد. حسگرها در قالب با فاصله بسیار کمی از حفره قالب قرار گرفته اند و امکان اندازه گیری دما در قالب را درنقطه قرار گرفته فراهم می کنند. با توجه به اینکه در شبیه سازی شرایط دمایی قالب قابل محاسبه است، با استفاده از این روش می توان نتایج شبیه سازی را صحه گذاری و اعتبارسنجی نمود.
طراحی و ساخت قالب
همانطور که گفته شد در این مقاله از سوپرآلیاژ اینکونل 713 استفاده شد. نمونه های آهنگری از یک شمش ریخته گری به قطر 70 میلی متر مطابق شکل 1 تهیه شدند. به منظور سادگی بررسی آهنگری، هندسه قطعات برای آهنگری به صورت استوانه ای در نظر گرفته شد و حفره قالب هم استوانه ای به قطر 8 و طول 68 بود. خط جدایش قالب دورتادور استوانه بوده و حفره های دو نیمه قالب به صورت متقارن در نظر گرفته شد یعنی حفره قالب در دو نیمه قالب به صورت نیم استوانه بود. برای ساخت قالب از فولاد گرم کار H13 استفاده شد. مراحل ساخت قالب به این شکل بود که ابتدا قطعات خام فرزکاری شده و شکل و ابعاد دقیق مورد نیاز را بدست اوردند، سپس برای ایجاد حفره در نیمه بالا و پایین قالب، عملیات اسپارک صورت گرفته و در نهایت سوراخکاری شده و میل راهنماهای قالب تعبیه شدند. در مرحله بعد جهت اطمینان از شکل گیری صحیح فلش ، اطراف حفره های ایجاد شده با فاصله عرضی 2 میلیمتر و عمق 2 میلیمتر، فرز کاری دوباره صورت گرفته است - شکل . - 24
در ادامه جهت جانمایی سنسور در قالب با توجه به نوع سنسور و قطر آن، قالب از کناره ها سوراخ شده و حسگرها مطابق شکل 2 در قالب تعبیه شدند. پس از طی مراحل گفته شده قالب تحت تاثیر عملیات حرارتی قرار گرفت تا سختی مورد نیاز برای عملیات حرارتی را بدست آورد. شکل :2 قالب ساخته شده آهنگری - شکل سمت راست - و جانمایی حسگر ها در قالب آهنگری - شکل سمت چپ - حسگر مورد استفاده - شکل - 3 از نوع ترموکوپل K بود که قابلیت کارکرد تا دمای 900 درجه سانتی گراد را دارد. پس از ساخت قالب و نمونه ها آزمون های تجربی انجام گرفت. . فاصله نوک حسگر تا لبه حفره برابر 2 میلی متر در نظر گرفته شد. برای انتخاب این مقدار دو
