بخشی از مقاله
چکیده
استفاده از رینگهاي آلیاژFe-Ni-Co با ضریب انبساط حرارتی پایین اولین بار در کشور به روش ریختهگري گریز از مرکز عمودي صورت گرفته است. افزایش برودت سیستم خنککننده بهمراه بهینه نمودن ضخامت قطعه میزان مکهاي انقباضی را به حداقل میرساند ولی همچنان مشکلات ریختهگري، فرآیند تولید را کند میسازد. بهرهبردن از روش نورد حلقه، امروزه بعنوان جایگرین مناسب تولید این رینگها با خواص مکانیکی مناسبتر مطرح شده است. از مزایاي قابل توجه نورد حلقه، سرعت بالاي تولید است و این موضوع براي صنایع ساخت توربین بسیار حائز اهمیت میباشد. نتایج نشان از عملکرد مناسب و دقت و صحت نتایج حل عددي المان محدود در مدلسازي روند تغییرشکل این دسته از آلیاژهاي آهنی با ضریب انبساط پایین دارد.
مقدمه
آلیاژهاي Fe-Ni براي اولین بار توسط دانشمند سوئیسی بنام Charles Edouard Guillaume در سال 1896 اختراع شد که در سال 1920 نامبرده موفق به اخذ جایزه نوبل فیزیک براي این اختراع گردید. مکانیزم عملکرد نیکل در کاهش ضریب انبساط حرارتی آهن با به تأخیر انداختن نقطه کوري که استحاله آهن به آهن مغناطیسی است شکل میگیرد. در واقع نیکل از تغییر حجمی آهن در دماهاي پایین جلوگیري نموده و این استحاله را به دماهاي بالاتر موکول مینماید و همین امر باعث کاهش ضریب انبساط حرارتی آهن میگردد .[1]
علیرغم ضریب انبساط حرارتی پایین، آلیاژ هاي Invar داراي خواص مکانیکی - استحکام کششی و سختی - پایینی هستند. معمولاً براي افزایش خواص مکانیکی با انجام کار سرد استحکام این آلیاژها افزایش داده میشود. علاوه بر این روش از افزودن عناصري مانند Co، Mo و C براي افزایش استحکام استفاده میگردد که انتظار میرود این عناصر خود نیز بر روي ضریب انبساط حرارتی آلیاژ تأثیرگذار باشند .[2]
رینگهاي بدون درز معمولاً به وسیله پروسهاي بنام رینگ رولینگ یا نورد رینگ تهیه میشود که این نوع از نورد داراي محدوده وسیعی از شکلها و سایزهاي متنوع از قطر خارجی بسیار کم تا قطرهاي خارجی بالا میباشد. در فرآیند رینگ رولینگ از قطعه اولیه تهیه شده به شکل قرص که به روش Upsetting استفاده میگردد که اصطلاحاً به آن پریفرم میگویند. در ابتدا قطعه روي شفت مندرل یا هرزگرد قرار گرفته سپس زمانی که زیر فشار شفت اصلی متحرك میباشد قرار می گیرد و در پی آن ضخامت رینگ کم شده و بهاین شکل قطر داخلی و خارجی آن نیز همزمان افزایش مییابد.
این فرآیند را میتوان براي حالتهایی تنظیم نمود تا رینگهایی به شکل تخت یا واشر مانند یا رینگهاي بلند به شکل سیلندر را تولید نماید. لازم به ذکر است که سادهترین سطح مقطع و معمولیترین آن، سطح مقطع رینگ دایروي میباشد ولی ابزارهاي شکلدهی میتواند رینگهاي پیچیدهاي در اشکال دلخواه در قطر داخلی یا خارجی رینگ تولید نماید. همچنین جهت بالاتر بردن نرخ تولید در حلقههاي کوچک بعضاً تولید آن به صورت دوتایی صورت میگیرد به این شکل که یک قطعه با طول دو برابر و با یک دیواره نازك جداکننده در وسط آنها از یک گرده اولیه ساخته میشود که بعداً در همین محل از هم جدا میگردند.
این رینگها هم از نوع مدلدار محسوب گردیده و با کمک این روش ضمن بالارفتن راندمان تولید، عیوب کمتري در قطعات تولیدي حاصل میشود که به دلیل امکان کنترل بهتر این فرآیند است. در این تحقیق از روش حل عددي المان محدود براي شبیهسازي فرآیند شکلدهی رینگهاي آببندي کمپرسور با روش رینگ رولینگ بهره برده شده است.
روش تحقیق
در این بخش، هدف شبیه سازي نورد حلقه اي رینگ فولادي از جنس آلیاژ آهن نیکل کبالت است که با این فرآیند بصورت آزمایشگاهی تولید شده است - شکل . - 1 براي انجام شبیه سازي از نرمافزار ABAQUS استفاده گردید. غلتکها همگی به صورت صلب و حلقه تغییر شکلپذیر در نظر گرفته شدهاند . همانطور که بیان گردید جنس قطعه کار از آلیاژ فولاد Super Invar میباشد که خواص مکانیکی آن از منابع معتبر استخراج شده است و با کمک ثوابت معادله جانسون کوك به نرمافزار داده شد. سرعت چرخشی غلتک اصلی 5 رادیان بر ثانیه تعریف گردید ولی مندرل حول محور خود هرزگرد بوده و با چرخش حلقه، میچرخد.
غلتکهاي راهنما طبق روند بخش قبل مدل گردیدند. روش حل، دینامیکی صریح جابجایی حرارتی تعریف شد و دماي اولیه حلقه نصف دماي ذوب نمونه فولادي تعریف شد. دماي غلتکهاي راهنما، غلتک اصلی و غلتکهاي مخروطی 40 درجه سانتیگراد تعریف شدولی فرآیند بصورت ایزوترمال و با ضریب اصطکاك 0/5 شبیهسازي شد.
غلتکها صلب discrete درنظر گرفته شدند ولی از مش C3D8R براي مشبندي لقمه اولیه و نیز غلتکهاي فرآیند رینگ رولینگ استفاده شده است. مدل مونتاژشده همه اجزاي شبیهسازي بههمراه مدل مشبندي شده رینگ فولادي در شکل 2 نشان داده شده است. براي اعتبارسنجی نتایج و بهینه شدن شرایط تغییرشکل از نتایج حاصل از اندازهگیري ممان و نیروي تغییرشکل وارد بر حلقه گزارش شده از کارخانه فولاد باورس قزوین استفاده شد.
نتایج و بحث
یک روش کارا و موثر براي کاهش زمان حل، افزایش مصنوعی ابعاد المانها به گونهاي است که حد پایداري افزایش یابد و تحلیل در تعداد گامهاي کمتري صورت پذیرد. این روش، تکنیک مقیاسدهی به جرم - Mass scaling - نامیده میشود. مقایسه نمودارهاي انرژي داخلی و جنبشی معیاري براي ارزیابی عدم ایجاد خطا در مساله با استفاده از این روش است - شکل - 3 که باید کم بودن انرژي جنبشی را در قیاس با انرژي درونی در آن آزمود. میزان گام زمانی پایدار در نرمافزار به وسیله تخمین آن بر روي تک تک المانها و سپس انتخاب کوچکترین گام زمانی تعیین میگردد.
به همین دلیل در صورتی که در مدل از المانهاي بسیار کوچک استفاده شده باشد یا به هر دلیل قسمتی از مدل به دلیل تغییر شکلهاي پیچیده، طول مشخصه کوچکی را به حل تحمیل کند، مقدار گام زمانی بسیار کوچک میگردد و در نتیجه تعداد گام زمانی مورد نیاز براي کل زمان شبیهسازي و به دنبال آن زمان صرف شده براي شبیهسازي بسیار طولانی میشود.
