بخشی از مقاله
مقدمه
امروزه پیشرفت صنعت ریخته گری در گروی بهبود کیفیت محصولات،کاهش هزینه ها و افزایش نرخ تولید می باشد. استفاده از روش های آزمایش- خطا که پیش از این در صنعت ریخته گری دنیا برای بهبود فرایند های ریخته گری و بهبود کیفیت محصولات مرسوم بوده است، بسیار پرهزینه و طولانی بوده که متخصصین را بر آن داشته تا به سوی روش های کم هزینه و کوتاه تر حرکت کنند.جایگزین کردن این روش با روش طراحی بر پایه شبیه سازی توانسته است بسیاری از کاستی های روش قبل را جبران کند.
طراحی سیستم های راهگاهی، تغذیه بهینه و فشار و دمای بار ریزی از جمله مواردی است که در کاهش هزینه ها و بهبود کیفیت محصولات در صنعت ریخته گری نقش مهمی ایفا می کند، که به کمک این روش جدید می توان این بهینه سازی را صورت داد. برای مثال انتخاب دمای بار ریزی مناسب می تواند ضایعات ناشی از حضور حفرات انقباضی در قطعه را کاهش داده و از طرف دیگر موجب کاهش هزینه ها و افزایش نرخ تولید می گردد.
در میان نرم افزار های شبیه سازی ریخته گری، نرم افزار تجاری پروکست - - Procastکه حاصل بیش از 20 سال ارتباط سازنده با صنایع ریخته گری است قادر به انجام آنالیز های کوپل حرارتی،سیالاتی و تنشی می باشد و علاوه بر آن قابلیت برقراری ارتباط بسیار خوبی با نرم افزار های مدل سازی سری CAD/CAM دارد.
برای شبیه سازی و تحلیل فرایند ها در این نرم افزار از روش اجزای محدود استفاده شده است که در کنار روش های اختلاف محدود و حجم محدود از روش های مطرح در شبیه سازی فرآیند های مهندسی محسوب می شود.[1]
امروزه قابلیت تولید قطعات با کیفیت بالا همراه با کاهش هزینه و زمان تولید چالش اصلی فراوری صنعت ریخته گری است. در این میان فرایند ریخته گری دایکست به طور روز افزون برای تولید قطعات با ضخامت کم و شکل هندسی پیچیده و دقت ابعادی بالا مورد استفاده قرار می گیرد.[2] در سال های اخیر شبیه سازی عددی در این صنعت وارد شده و به یکی از دلایل زیر مورد استفاده قرار گرفته است:
· طراحی اجزاء جدید وکاربرد شبیه سازی عددی به منظور تست صحت سیستم راهگاهی و تغذیه گذاری
· طراحی مجدد محصولات موجود و مهندسی مجدد فرایند های در دسترس برای حذف عیوب و کاهش ضایعات
· افزایش راندمان از طریق کاهش ضایعات و برگشتی ها
· به عنوان یک ابزار تحقیق و توسعه برای طراحان جهت انجام تعداد زیادی آزمایشات در فضای مجازی
· به عنوان یک ابزار تضمین کیفیت در جائی که متغیر های عملیاتی صحیح خط تولید تعیین می شوند.
شبیه سازی فرایند اطلاعات ارزشمندی را در اختیار مهندس ریخته گر قرار می دهد تا به کمک آن ها زمان بین مرحله ایده اولیه و مرحله تولید در چرخه طراحی یک محصول جدید کاهش داده شود. اطلاعاتی نظیر درجه حرارت، جریان مذاب، انجماد همراه با اطلاعات ثانویه ای همچون سرعت سرد شدن و کسر جامد در اختیار طراح قرار خواهد گرفت.
روش پژوهش:
در این پژوهش ابتدا با استفاده از یک نرم افزار طراحی با کمک کامپیوتر - CAD - ، یک طرح 3 بعدی از قطعه طراحی شد - شکل. - 1 در این تحقیق میدان محاسباتی نمونه ریخته گری تحت فشار در نظر گرفته شده است.
شکل4 - 1 نمای قطعه مورد برسی به همراه سیستم راهگاهی و تغذیه در نرم افزار سالیدورک
با توجه به اینکه نرم افزار پروکست، در شبیه سازی فرایند های ریخته گری از روش المان محدود استفاده می کند، چگونگی ایجاد المانها و نحوه قرار گیری آنها در کنار یکدیگر از اهمیت بالایی در صحت و دقت تحلیل برخوردار است. انتخاب ابعاد المان نامناسب و یا چیدمان نامناسب آنها در کنار هم باعث ایجاد خطا در تحلیل و نتایج آن می گردد. به منظور مش بندی میدان محاسباتی، ابتدا با مش سطحی دو بعدی مثلثی و سپس المان های سه بعدی چهار وجهی1 ایجاد میشود.[1] نمونه مش بندی ایجاد شده در میدان محاسباتی در شکل 2 ارائه شده است.
شکل - 2 مش بندی حجمی قطعه مورد برسی به همراه سیستم راهگاهی و تغذیه
در ادامه تحقیق پارامترهای مساله شامل تعریف خصوصیات فیزیکی مواد، مقاومت حرارتی و یا معادل آن شامل ضریب انتقال حرارت در فصل مشترک مذاب و قالب، شرایط مرزی و شرایط اولیه فرآیند شبیه سازی پرداخته میشود.
نرم افزار پروکست دارای بانک اطلاعاتی جامعی از انواع آلیاژهای ریختگی و قالب ها می باشد که خصوصیات حرارتی، سیالاتی و تنشی هر کدام از این مواد در این بانک اطلاعاتی موجود است.این قابلیت در منوی Materials قسمت Assign فراهم شده است
در این تحقیق و بر اساس شرایط عملی مورد استفاده در صنعت، جنس قالب دایکست از فولاد H13 انتخاب شد. همچنین آلیاژ ریختگی مورد استفاده، آلیاژ AlSi13 - آلومینیوم- سیلیسیم یوتکتیک - انتخاب شد. همچنین در موردی که تأثیر تغییر آلیاژ ریختگی مورد برسی قرارمی گیرد، از آلیاژ AlSi9Mg استفاده شده است.
فصل مشترک بین قطعه ریختگی و قالب بسیار ضروری است.لازم به ذکر است که این پارامتر ، ضریب هدایت حرارتی - h - در فصل مشترک بین مواد را تعیین می کند.[1] در این پژوهش ضریب هدایت حرارتی بین قالب ها و قطعه ریختگی معادل 2000W/m2K انتخاب شده است.
خروج حرارت از نمونه در فرآیند دایکست بواسطه گردش آب در اطراف قالب صورت میگیرد. همچنین جهت اعمال شرایط خروج هوا از حفره قالب، از تعبیه منفذ خروج هوا - vent - استفاده می شود.[2] بدین منظور منافذی با قطر برابر 0,1mm و طول برابر 200mm و زبری برابر 0,001mm انتخاب شده است.
جهت بررسی تاثیر فشار ورود مذاب به قالب بر انجماد نمونه مورد بررسی، فشار ورود مذاب به قالب در این تحقیق معادل 10، 20 و 30 بار در نظر گرفته شد. همچنین در تمام موارد شبیه سازی، شتاب گرانش معادل 9/8 m/s2 تعیین گردید. دما به عنوان یک شرط اولیه می بایست برای قالب ها و مذاب ریختگی تعیین شود.
در شبیه سازی های انجام شده در این پژوهش دمای اولیه قالب ها 150، 200 و 250 درجه سانتیگراد و دمای اولیه مذاب ریختگی 600، 650 و 700 درجه سانتیگراد انتخاب شده است.
