بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
مدلسازی و ساخت دستگاه تزریق پلاستیک و آنالیز جریان در اکسترودر
چکیده
این مقاله به طراحی, مدلسازی یک دستگاه تزریق پلاستیک با منظور کشیدن روکش بر روی مفتول سیم گاز یا ترمز میپردازد. همچنین در این مقاله نحوه آنالیز جریان موجود در اکسترودر و نحوه تفکیک این فشارها مورد بررسی قرار میگیرد و رابطه بین پارامترهای مختلف با بکارگیری نتایج حاصل از شبیهسازی بیان میگردد. در پایان با توجه به دادههای بدست آمده از شبیهسازی, طراحی مکانیکی این ماشین صورت میگردد.
واﮊههای کلیدی: طراحی, مدلسازی, دستگاه تزریق پلاستیک, آنالیز جریان در اکسترودر.
مقدمه
تزریق پلاستیک و استفاده از دستگاههای تزریق در واقـع از نوامبر سال ١٨٧٢ در آلبانی آغاز شد و از سالهای ١٨٧٢ تـا ٠۲١٩ پیشرفت چشمگیری داشت. در سال ١٩٨٠ با اختراع با کالیت، فنل و فرمالدئید که مواد اصلی تزریق هسـتند، رو به رشد رفت]۱.[
در هواپیمـای مـافوق صـورت بـیش از ٥/٢ تـن پلیمرهـای مصنوعی مصرف می شود. لوله و شیشه های پلاسـتیکی بـا خاصیت ضد خوردگی که دارا می باشند، بـه مقـدار زیـادی جایگزین فولاد شده اند. پلاستیکها همچنین در تهیه لـوازم ســاختمانی کــف پــوش ، کیســه و بســته بنــدی قطعــات الکتریکی و عایق بندی ، بطـری ، لـوازم طبـی و جراحـی و غیره بکار می رود]۲[
در این تحقیـق طراحـی، آنـالیز و سـاخت دسـتگاه تزریـق پلاستیک با قابلیت ایجاد پوشش بر روی مفتول های فلـزی
مورد بررسی قرار می گیرد. این دستگاه جهت روکشی سیم ترمز و گار خودروها و نیز تولیداتی مانند کابل ها و شیلنگها می باشد. همچنین در این مقاله به بررسی و تحلیل جریـان مذاب در اکسترودر و نیز رابطه بین زاویه پلکـان مـاردون و سه نوع جریان در نظر گرفته شده، پرداخته می شود.
اجزاﺀ دستگاه تزریق
این دستگاه شامل چند قسمت عمده می باشد که در شکل ۶ نمایش داده شده است] ۳.[
١ . قسمت تزریق در این قسمت عمل ذوب و اختلاف و تزریق مواد انجام مـی
گیرد به این ترتیب که ابتدا مواد پلاستیک داخل قیـف بـه تدریج بداخل سـیلندر تزریـق راه مـی یابـد و بـاد گـردش مارپیچ بجلو رانده می شوند .
٢. مارپیچ سیلندر تزریق
یکی از حسـاس تـرین قطعـات قسـمت تزریـق ، مـارپیچ و سیلندر تزریق است .
٣ . سیلندر تزریق سیلندر تزریق که مارپیچ درون آن قرار می دهد در حقیقت
مهمترین قسمت بخش تزریق است .
٤ . سوپاﭖ سیلندر تزریق ٥ . قیف مواد ٦ . گرم کن سیلندر تزریق ٧ . حرارت سنج ٨ – فشار تزریق
٩ – قسمت قالبگیر ماشین تزریق ١٠ . سیستم مکانیکی ١١ . سیستم هیدرولیکی
١٢ . صفحات قالب و قالب بندی ١٣ . پران
تحلیل جریان در اکسترودر
آنالیز ولت جریان در اکسترودر و تحلیل پارامترهای جریـان مانند تغییر حجم ، دما و فشار مراحل طراحی یک دسـتگاه تزریق است. جریان خروجی از اکسترودر برآیند سـه مؤلفـه است: جریان جلو برنده و کشنده، جریان فشـاری و جریـان نشتی. برای به دست آوردن معادله جریـان خروجـی فـرض می شود که ویسکوزیته مـذاب ثابـت و دمـای آن در معبـر عریض کم عمق یکسان است . این شـرایط فـرض شـده در ناحیه اندازه گیری دارای جهت بیشتری است]۴. [
الف) جریان کشنده : جریان مذاب بین دو صفحه مـوازی را مطابق شکل 1-a مفروض است . دبـی حجمـی سـیال از رابطه زیر محاسبه می شود :
با فرض خطی بودن تغییرات سرعت داریم :
با جایگذاری رابطه (۲) در معادلـه (۱) و انتگـرال گیـری از معادله در کل عمق معبر (H) بـرای کشـنده (جلوبرنـده) ،دبی حجمی به دست می آید :
که از آن معادله ٤ حاصل می شود :
که H فاصله بین دو صفحه ثابت و متحرک است و T طبق شکل ۳ فاصله عمودی میان دو ماردون متوالی میباشد.
نتیجه به دست آمده با موقعیتی در اکسترودر قابل مقایسـه اســت کــه ســیال،در اثــر حرکــت نســبی مــاردون و بدنــه اکسترودر در جریان جلوبرنده و کشنده ای به وجـود مـی_
آورد.
شکل ٢ موقعیت جزﺀ کوچکی از ماردون اکسترودر را نشان می دهد که جهت محورهای مختصات در شکل آمده است. Vd سرعت حرکت ماردون در راستای z مـی باشـد کـه از رابطه زیر محاسبه می شود :
که در آن N سرعت گردش ماردون (برحسب دور بر واحـد زمان)، D قطر ماردون و φ هم زاویه پیچش ماردون است.
همچنین :
که e قطر ماردون است.
بنابراین با جایگذاری روابط ۵و۶ در معادله ۴ داریم :
در بسیاری حـالات مقـدار e در مقایسـه بـا خیلی کوچک است و می تـوان از آن صـرفنظر کـرد و لـذا رابطه به صورت زیر خلاصه می شود.
و همچنین مقدار آهنگ برش در منطقه اندازه گیـری است.
ب)جریان فشاری : جزﺀ کوچکی از سیال را مطابق شـکل 1-b در نظر بگیرید. نیروهای وارد بر این المان عبارتند از:
و نیز دو نیروی همجهت F3 به الملن وارد مـی گـردد کـه همان نیروهای حاصل از تنش برشی وارده بر المان هستند
و برای المان با طول واحد در راستای z داریم :
که درآن P فشار می باشد. برای حالت پایدار این نیروها در حالت تعادل بوده و تساوری زیر برقرار است :
که با جایگذاری روابط ۹و 10۱و ۱۱ در رابطه ۲۱ در نهایـت به رابطه زیر می رسیم :
برای سیال نیوتنی، تـنش برشـی τ y، بـه ویسـکوزیته η و آهنگ برش y بستگی دارد و طبق قانون چسبندگی نیوتن داریم :
که V سرعت سیال در راستای y است. با جایگذاری رابطه 13 در رابطه 14 داریم :
که :
با انتگرال گیری داریم :
همچنین برای جزﺀ سیال با عمق T روی خط مرکـزی (بـا سرعت (V آهنگ حجمی جریان dQp برابر است با:
که با جایگـذاری رابطـه 17 در 18 و انتگـرال گیـری از آن جریان فشاری Qp بدست می آید :
با توجه به جزﺀ کوچک سیال بین پلکانهای مـاردون شـکل (٢) معادله اخیر با چند جایگذاری به صورت زیر درمی آید. فرض کنید e ، کوچـک و اسـت.
همچنین ، در نتیجه :
بنابراین رابطهQp به صورت زیر است :
ج)جریان نشتی : جریان نشـتی عبـارت اسـت از جریـان سیال از میان شکاف عریض با عمق δ، طـول e cosφ و
عرض . از آنجا که این جریان جریـانی فشـاری است، نحوه به دست آوردن معادله مربوطه شبیه آن چیـزی است که در قسمت ب) گفته شد . برای سادگی مـوارد زیـر را باید در معادله 19 جایگزین کرد .
با توجه به شکل ۳ :
بنابراین جریان نشتی سیال به صورت زیر در می اید.
= eCosφتغییرات فشار Ql به صورت زیر در می آید :
برای اطمینان از نحوه کار مـاردون در محفظـه اکسـترودر، یک ضریب ایمنی در معادله فوق به کـار میـرود کـه نتـایج شبیه سازی نشان می دهد که این ضریب، جریان نشـتی را تا 20% افزایش می دهد.
کل اکسـترودر ترکیبـی اسـت از سـه جریـان جلـو برنـده، فشاری معکوس و نشتی. بنـابراین بـا اسـتفاده از معـادلات ( ٨) و ( 21 )و ( 23 ) داریم :
برای بسیاری از مقاصد صنعتی تغییرات فشار اغلب خطی
در نظر گرفته می شود:
کــه در آن طــول L اکســترودر اســت . در عمــل طــول اکسترودر ١٠ تا ٢٠ برابر قطر آن در نظر گرفته می شـود .
هر چه طول ماردون کوتاهتر باشد مـذاب سـردتر و چرخـه قالبگیری سریعتر می باشد. در تحلیل فوق جریان مذاب درنظر گرفته شده اغلب به صورت فرض مـی شـود. اگـرتمام ابعاد فیزیکی دیگـر و شـرایط ثابـت باشـد ، تغییـرات خروجی نسبت به زاویه پلکان ماردون قابل مطالعـه اسـت .
همانطور کـه در شـکل ٤ نشـان داده شـده اسـت حـداکثر خروجی وقتی به دست می آیـد کـه زاویـه پلکـان مـاردون حدود °۲۴ است. این نمودار با شـبیه سـازی معـادلات بـه دست آمده در نرم افـزار Matlab حاصـل شـده اسـت. در عمل زاویه پلکان ماردون معمـولاﹰ ° ٧/١٧ در نظـر گرفتـه می شود، زیرا به ازای این زاویه گام پیچ ماردون با قطـر آن مساوی است که مطلوب سازنده آن می باشد. از طرف دیگر برای بخش قابل توجهی از طول اکسـترودر، مـاردون ماننـد وسیله ای برای انتقال جامد عمل مـی کنـد در ایـن حالـت زاویه بهینه ١٧ تا ٢٠ درجه است .
نتایج حاصل از شبیه سازی عددی ضـرایب تصـحیح نشـان می دهد که در بسیاری حـالات ضـرایب Fd و Fp کـه بـه ترتیب برای عبـارات مربـوط بـه جریـان کشـنده و جریـان فشاری به کار مـی رود، فقـط بـه عـرض مجـرا T و عمـق مجـرایH در ناحیـه انـدازه گیـری بسـتگی دارد. مقـادیر حاصل از شبیه سازی این دو پارامتر در شکل ٥ آورده شده است.
طراحی دستگاه تزریق پلاستیک
هدف از ساخت این دستگاه، زدن روکش از جنس PVC روی سیم هایی با قطر حداکثر ۸ میلیمتر می باشد. در این طراحی حداکثر ضخامت روکش سیم ا میلیمتر و ماکزیمم سرعت روکش زنی می باشد. در این قسمت، توضیح مختصری در مورد طراحی اجرای مکانیکی این دستگاه داده می شود]۵.[
طراحی سیلندر و ماردون
این قسمت یکی از مهمترین بخش های دستگاه تزریق می باشد. بافرض اینکه قطر سیم بدون روکش
(d)برابر با ۸ میلیمتر و قطر سیم روکش شده((D برابر با ۰۱ میلیمتر باشد مقدار دبی خروجی به دست می آید.
جنس سیلندر از فولادVCN200 و حداکثر تنش مجاز آن mpa200محاسبه گردیده است. این در حالی است که ماکزیمم فشار به دست آمده در داخل ماردون برابر با MPa 140 می باشد.
با بررسی رفتار سیلندر به عنوان یک استوانه جدار ضخیم سه نوع تنش زیر جهت محاسبه شعاع و ضخامت استوانه مورد استفاده قرار می گیرد]۶: [
الف) تنش محیطی
