بخشی از مقاله
چکیده
فلنچ ها یکی از اتصال دهنده هاي شیرآلات، لوله ها و دستگاهها به یکدیگر می باشند. روشی که براي ساخت فلنچ ها بکار می رود در نحوه درگیري آنها با موتور صنعتی و گیربکس تاثیر بسزایی دارد.استفاده از روش ریخته گري تحت فشار - دایکاست - به جاي ریخته گري ماسه اي و ماشینکاري باعث افزایش سرعت تولید شده و دقت ابعادي قطعات تولیدي بسیار بالاست. همچنین ابعاد هندسی بدست آمده بصورت نهایی یا نزدیک نهایی بوده بنابراین به حداقل ماشینکاري بعد از فرایند دایکاست نیاز است که خود باعث صرفه جویی قابل ملاحظه اي در مواد خام اولیه و نیز بهبود خواص مکانیکی فلنچ می شود.
با توجه به نوع این قطعات و کاربرد آنها در ابعاد و اندازه هاي مختلف، طراحی وساخت این قطعات و قالب دایکاست آنها با به کارگیري فناوریهاي جدیدي مانند CAD/CAM/CAE باعث افزایش بهره وري و انعطاف پذیري فرایند خواهد شد. در این مقاله قالب دایکاست یک نمونه فلنچ یک گیربکس حلزونی صنعتی سایز ایزو 50 طراحی و مدلسازي شده و فرآیند ریخته گري تحت فشار در این قالب به روش المان محدود و به کمک نرم افزارProCAST جهت بهینه سازي، شبیه سازي و تحلیل شده است. نتایج حاصل از شبیه سازي نشان می دهد که با کاهش سطح مقطع گلویی تزریق و فشار تزریق، استحکام مکانیکی قطعه کاهش یافته و با کوچک کردن اندازه سرباره گیرها، تعداد و حجم حفره هاي انقباضی به طور محسوسی افزایش می یابد. نهایتا با استفاده از نتایج تحلیل، قالب طراحی شده بهینه سازي و ساخته میشود.
واژه هاي کلیدي:قالب دایکاست، المان محدود، فلنچ
مقدمه
با رشد تکنولوژي، روش هاي مختلف ریخته گري در صنعت معرفی و مورد استفاده قرار گرفته است. یکی از این روشها، روش ریخته گري تحت فشار یا دایکاست می باشد. فرایند ریخته گري تحت فشار به دو دسته ریخته گري تحت فشار پایین یا محفظه گرم و ریخته گري تحت فشار بالا یا محفظه سرد تقسیم بندي میشود. در فرآیند ریخته گري فشار بالا فلز مذاب تحت فشار نسبتا بالا به داخل قالبهاي چندتکه تزریق میشود. در این روش عمل پرکردن قالب همانند ریخته گري ماسه اي تحت تاثیر نیروي وزن نیست، بلکه بر اساس تبدیل انرژي فشاري اعمالی به فلز مذاب به انرژي جنبشی صورت می پذیرد. در این روش امکان تولید قطعات ریخته گري نازك و دقیق با کیفیت سطح بالا و استحکام بالاتر نسبت به ریخته گري ماسه اي فراهم می گردد.
هر قالب دایکاست به صورت دو تکه است یعنی قالب از یک نیمه ثابت - طرف تزریق - و یک نیمه متحرك - طرف بیرون انداز - تشکیل شده است. نیمه ثابت قالب به کفشک ثابت ماشین ریخته گري و نیمه بیرون انداز به کفشک متحرك ماشین ریخته گري مونتاژ می شود - شکل. - 1 نیمه تزریق قالب اصولا از دوجزتشکیل شده است یکی صفحه قالب براي طرف تزریق و دیگري صفحه مونتاژ پشت آن جهت محکم کردن به کفشک پشتی ماشین، همچنین قالب دایکاست از اجزا دیگري چون محفظه قالب، بوش تزریق، سیستم راهگاه ورودي، میله هاي راهنما، پران ها وغیره...... تشکیل شده است.
تحلیل قالب فرآیند دایکاست در ابتدا توسط فرومر و براند صورت پذیرفت. در تحلیل فرومر قالب از طرف مقابل گلویی تزریق پر می شود این نوع پر شدن از نظر تئوري گهگاهی بر خلاف آن چیزي است که در عمل انجام میشود. دربررسی هاي دیگري که توسط براند انجام شد نتایج معکوس بدست امد. طبق این بررسیها حفره قالب از طرف گلویی تزریق پر می شود.[1]پس از این بررسی ها کپف با بررسی هایی که انجام داد مشخص نمود که فرومر و براند در برداشتهاي متضاد خود کاملا محق می باشند. اگر انرژي جنبشی در گلویی تزریق بزرگتر از مقاومت حفره قالب در برابر جریان باشد در آن صورت قالب طبق تئوري فرومر پرمیشود.
همچنین اگر انرژي جنبشی مذاب در گلویی تزریق کمتر از مقاومت حفره قالب در برابر جریان باشد در آن صورت قالب طبق تئوري براند پر میشود.[2] در سال 1991 همچنین شبیه سازي میدان گرمایی توسط نرم افرارهاي کامپیوتري در قالبهاي دایکاست توسعه یافت. این نرم افزار مدل دو بعدي هدایت گرما در قالب هاي دایکاست را به کمک روش اجزا مرزي BEM حل می کند. در سالهاي اخیر با توسعه نرم افزاري علاوه بر شبیه سازي میدان گرمایی می توان بررسی عیوبی از قبیل حفرات انقباضی و کشیدگی در قطعه را انجام داد.[3]در این مقاله یک قالب فلنچ گیربکس حلزونی پر استفاده در صنعت طراحی شده و فرایند ریخته گري در آن شبیه سازي میشود.به کمک نتایج بدست آمده از قسمت شبیه سازي، طراحی قالب بهینه شده و با استفاده از تکنولوژي CAD/CAM قالب نهایی ساخته میشود.
طراحی قالب فلنچ گیربکس حلزونی
در طراحی قالب دایکاست، هر قالب باید شکل قطعه اي را داشته باشد که قرار است تولید شود. علاوه بر این عوامل دیگري مانند شیب دیواره هاي قالب، سرعت جریان وفشار مذاب در قالب، اضافه اندازه براي جبران انقباض، محل و اندازه سرباره گیر و سیستم تغذیه نیز باید در نظر گرفته شوند. از طرف دیگر محل قرار گرفتن حفره اصلی در کفشکها به انتخاب محل خط جدایش قالب، محل کشوییها و ماهیچه هاي متحرك و انتخاب محل گلویی تزریق بستگی دارد.اولین مرحله از طراحی قالب دایکاست قطعه مورد نظر مدل کردن آن است. در این مرحله با توجه به بررسی نقشه ها و مدارك و نمونه قطعه، مدلسازي انجام میشود. شکل 2 مدل سه بعدي و ابعاد قطعه را نشان می دهد. مرحله بعدي طراحی قالب، انتخاب صفحه جدایش دو نیمه قالب - نیمه نري و مادگی - است. انتخاب صفحه جدایش در نحوه جریان مواد و پر شدن قالب تاثیر مستقیم دارد.
همچنین هزینه ساخت و کارایی حفره قالب بستگی به خط جدایش آن قالب دارد و از اهمیت بالایی برخوردار است. در فلنچ گیربکس حلزونی سایز ایزو 50 بهترین نوع خط جدایش نوع مسطح می باشد زیرا اولا ساخت قالب را آسانتر می کند و ثانیا بهترین آب بندي دو کفه قالب را بوجود می اورد. خط جدایش انتخاب شده در این قطعه در شکل 2 نشان داده شده است. شیب دیواره هاي قالب براي اینکه قطعه براحتی از درون قالب بیرون آید 1 درجه در نظر گرفته می شود. اندازه هاي حفره و ماهیچه هاي قالب پس ازدر نظر گرفتن مقدار انقباض مواد در اثر سرد شدن تعیین می شوند. مقدار اضافه اندازه براي جبران انقباض قطعه فلنچ با توجه به اینکه جنس قطعه از آلیاژهاي آلومینیوم می باشد مقدار 0/006 میلیمتر به ازاي هر میلیمتر طول طبق ضریب انقباض جنس مربوطه تعیین می شود.
نیمه مادگی قالب که بر روي قسمت ثابت دستگاه تزریق دایکاست سوار می شود قسمت اصلی قالب دایکاست میباشد و شامل قسمت هایی مانند راهگاه، گلویی تزریق و کانال هاي تغذیه میباشد.
سطح مقطع گلویی تزریق را می توان با معادله زیر محاسبه نمود:
که در این معادله Q دبی بر حسب مترمکعب در ثانیه و raسرعت جریان در گلویی تزریق بر حسب متر بر ثانیه میباشد. مدت زمان تزریق و یا پر شدن قالب به کوچکترین ضخامت جداره قطعه تزریقی بر حسب جنس ماده تزریق بستگی دارد و براي قطعات آلومینیومی سبک و ضخامت جداره اي در حدود 10 میلیمتر، مدت زمان تزریق در محدودهاي بین 0/65 تا 0/80 ثانیه قرار میگیرد. بین مدت زمان تزریق براي پر کردن حفره قالب و سطح مقطع گلویی رابطه زیر برقرار است:
که در این معادله t مدت زمان تزریق برحسب ثانیه، sa مساحت سطح مقطع گلوگاه تزریق بر حسب مترمربع و v حجم قطعه برحسب متر مکعب میباشد. va سرعت جریان در گلوگاه تزریق بر حسب متر بر ثانیه میباشد و از رابطه زیر محاسبه میشود.که در این رابطه p فشار تزریق بر حسب پاسکال و ρ چگالی فلز بر حسب کیلوگرم بر مترمکعب میباشد. پارامتر فشار تزریق بر اساس نوع دستگاه تزریق - در اینجا مدل - 08 تعیین می شود.سرعت جریان در گلویی تزریق براساس تجربه بین 25 تا 90 متر بر ثانیه - بر حسب ضخامت متوسط قطعه ریختگی - در نظر گرفته میشود که در اینجا عدد 25 متر برثانیه انتخاب میگردد که نهایتا عدد 15/5 میلیمتر مربع مساحت سطح مقطع گلوگاه تزریق بدست می آید. لازم به ذکر است که براي محاسبه گلویی تزریق میتوان از نوموگرام هاي استاندارد هم استفاده کرد.نهایتا براساس محاسبات بالا نیمه نري و مادگی قالب مدل میشود که در شکل 3 مدلسازي انجام شده نشان داده شده است.
شبیه سازي و تحلیل فرایند دایکاست فلنچ گیربکس حلزونی
به منظور شبیه سازي و تحلیل فرایند ریخته گري تحت فشار از نرم افزار ProCAST استفاده شده است. جهت انجام این کار، ابتدا قالب در نرم افزار Catia مدل شده، سپس اطلاعات فایل مدل وارد نرم افزار ProCAST شده و شبیه سازي فرآیند ریخته گري انجام میشود. در ابتدا مدل قالب به همراه مغزي - قطعه، راهگاه، سرباره گیر و سیستم تغذیه - مش بندي شده و سپس شرایط مرزي و مشخصات جنس قالب و قطعه بر مدل مش بندي شده اعمال میگردد.شکل 4 مدل مش بندي شده مغزي را به همراه شرایط مرزي اعمال شده نشان میدهد. با توجه به اینکه در طراحی قالب دایکاست، شکل قالب همان شکل قطعه - با در نظر گرفتن ملاحظات طراحی مانند انقباض قطعه و شیب دیواره ها و.. - میباشد، در شبیه سازي فرایند ریخته گري تحت فشار طراحی سیستم هاي راهگاهی وتغذیه ازجمله مواردي است که به عنوان متغیرهاي شبیه سازي مورد بررسی قرار میگیرند.
طراحی صحیح این قسمتهاي قالب در کاهش هزینه ها و بهبود کیفیت محصولات درصنعت ریخته گري نقش مهمی ایفا میکند. بعنوان مثال طراحی یک سیستم راهگاهی بهینه میتواند ضایعات ناشی ازحضور تخلخل درقطعه و هم چنین ضایعات تاشی از افزایش قطر راهگاه را کاهش داده و موجب کاهش هزینه ها و افزایش نرخ تولید می گردد در این پژوهش جنس قطعه آلومینیوم ALSI9CU3 میباشد که به روش ریخته گري تحت فشار با دماي بار ریزي 700 درجه سانتیگراد و فشار 20 مگاپاسکال در دماي محیط کاري 20 درجه سانتیگراد تزریق میشود. دماي پیشگرم قالب300 درجه میباشد.دو پارامتر شعاع راهگاه و فشار تزریق بر اساس نوع دستگاه تزریق - مدل - 08 در طراحی قالب انتخاب میگردند.
در اینجا سعی شده است تا با تغییردراندازه شعاع راهگاه و سطح مقطع کانال تغذیه، که دو پارامتراصلی در طراحی قالب دایکاست می باشند، به تاثیر انها بر ایجاد حفرات انقباضی و کیفیت قطعه کار دست یافت.شکل 5 کانتور زمانی پر شدن حفره قالب، کل زمان پرشدن قالبوهمچنین چگونگی پرشدن قسمت هاي مختلف قالب در زمان هاي مختلف را نشان می دهد. این شکل نشان میدهد که این قالب در کمتر از 1 ثانیه پر میشود.شکل 6 مدت زمان انجماد مغزي را نشان میدهد. همانطور که در این شکل دیده میشود مدت زمان انجماد مغزي حدود 24 ثانیه بودهو راهگاه آخرین نقطه اي است که منجمد میشود.شکل 7 کانتور توزیع دما 7/31 ثانیه پس از تزریق را نشان میدهد. از این کانتور در زمانهاي مختلف می توان زمان مناسب جهت بیرون اندازي قطعه را بدست آورد.
