تولید شمش نیمه جامد به روش سطح شیب­دار

1-1-           تولید شمش نیمه جامد به روش سطح شیب­دار

1-1-1-      ماده اولیه مورد استفاده

ماده­ای که در اين تحقيق مورد استفاده قرار گرفته است، آلیاژ آلومينيم 356A مي‌باشد. این آلیاژ یکی از معروف­ترین آلیاژهای ریخته­گری بوده و عنصر اصلی آلیاژی در گروه xx3 سیلیسیم است. آلومینیم 356A آلیاژ سه تایی آلومینیم–سیلیسیم– منیزیم محسوب می­شود. ترکیب شیمیایی آلیاژ مورد استفاده که در آزمایشگاه رازی آنالیز شیمیایی شده، در جدول ‏3‑1 ارائه شده است.

جدول ‏3‑1- درصد عناصر تشکيل دهنده آلياژ A356

Other Ti Fe Mg Si Al
< 08/0 10/0 17/0 33/0 10/7 14/92

 

در ریخته­گری معمولی آلیاژ مورد نظر در دمای یوتکتیک (Cº577)، کسر جامدی در حدود 55% را دارا است که در واقع نشان می­دهد که این آلیاژ از سیالیت کمی در دماهای بالا برخوردار بوده و این خاصیت حالت ریخته­گری آن را بشدت تحت تاثیر قرار می­دهد [69]. به علت وجود درصد متوسط سيليسيم در ترکيب این آلیاژ، از این آلیاژ در صنعت خودروسازي براي توليد قطعات استفاده می­شود. کاربردهای این آلیاژ در ریخته­گری قالب فلزی و ریخته­گری قالب ماسه عنوان شده است و در دیاگرام دوتایی Al-Si تحول یوتکتیکی تعادلی با ترکیب مذاب Si 6/12% وجود دارد (شکل ‏3‑2). این آلیاژ از نوع هیپویوتکتیک است، بدین معنا که در محدوده انجماد (فاصله بین دمای مذاب تا دمای یوتکتیک)، فاز اولیه غنی از آلومینیم از مذاب جوانه زده و رشد می­کند. نکته مهم دیگر که در مورد این آلیاژ باید در نظر گرفته شود، نقطه پیوستگی شبکه دندریتی است. این نقطه به عنوان دمایی در نظر گرفته می­شود که یک شبکه پیوسته دندریتی جامد در یک آلیاژ در حال انجماد شکل می­گیرد. این دما از این جهت اهمیت دارد که مرز گذر از حالت تغذیه توده­ای به تغذیه بین دندریتی حین فرآیند انجماد بوده و عیوب ریختگی مثل جدایش ماکرو، حفره­های انقباضی و ترک خوردن گرم بعد از تشکیل شبکه دندریتی بهم پیوسته شروع به توسعه می­یابد. همچنین برای موثر بودن نیروهای برشی در حذف ساختار دندریتی در فرآیند ریخته­گری نیمه­جامد، اصولا تنش اعمالی در بین این دما تا دمای لیکوئیدوس انجام می­گیرد. دمای پیوسته شدن شبکه جامد دندریتی برای آلیاژ آلومینیم را حدود Cº592 گزارش کرده­اند [70].

شکل ‏3‑1- مراحل مختلف پژوهش.

شکل ‏3‑2- دیاگرام تعادلی دوتایی آلومینیم سیلیسیم [69].

1-1-2-      اندازه­گیری دماهای خطوط مذاب و جامد

مهمترین روش­های آنالیز حرارتی را می­توان در دو گروه آزمون گرماسنجی پویشی افتراقی (DSC)[1] و آزمون حرارتی افتراقی (DTA)[2] طبقه بندی کرد. اصول اندازه گیری در هر دو روش مبتنی بر اندازه­گیری تغییرات انرژی در مواد است[71].

جهت مشخصه­یابی برد انجمادی و تعیین نقاط شروع و پایان انجماد آلیاژ آلومینیم 356A، دو آزمون مختلف انجام شد. در آزمون اول ابتدا آلیاژ مورد نظر ذوب شده و سپس در داخل کوره خاموش سرد گردید. تغییرات درجه حرارت بر حسب زمان اندازه­گیری شده و توسط یک سیستم اندازه­گیر داده، مقدار بدست آمده به کامپیوتر وارد گردید. نتایج این آزمون نشان داد که دماي ليكوئيدوس و ساليدوس اين آلياژ به ترتيب Cº616 و Cº568 است. به منظور داشتن داده­های دقیق­تر این آزمایش سه مرتبه تکرار شد. در شکل ‏3‑3 نمودار مربوط به این آزمون نشان داده شده است. همانطور که مشاهده می­شود منحنی رسم شده در دو دما تغییر شیب می­دهد. این تغییر شیب بعلت وجود گرمای نهان ذوب برای آلیاژ است و در واقع بیانگر دماهای شروع و پایان انجماد آن آلیاژ است. در آزمون دوم بر روی 30 میلی­گرم از نمونه­ها با استفاده از بوته­های آلومینا، سیکل دمایی دو بار در نرخ پویش برابر با Cº10 بر دقیقه و تحت گاز محافظ آرگون انجام شد. شکل ‏3‑4 نمودار دما-گرمای این آلیاژ را نشان می­دهد. با توجه به شکل مذکور، نقطه شروع و پایان انجماد آلیاژ مورد استفاده به ترتیب دمای °C618 و °C568 بدست می­آید.

شکل ‏3‑3- نمودار تغییرات دما بر حسب زمان (انجماد آلیاژ آلومینیم  مورد مطالعه).

شکل ‏3‑4- نمودار دما-گرمای آلیاژ آلومینیم  A356.

1-1-3-      تجهیزات مورد استفاده

در این تحقیق برای اینکه بتوان تا حد امکان از تلفات ذوب جلوگیری شود و همچنین بارریزی بر روی سطح شیب­دار به صورت یکنواخت باشد از بوته کف­ریز با حفره مستطیلی شکل استفاده شده است. بوته از جنس چدن که توسط گرافیت پوشش داده شده بود و خروجی که توسط یک نگهدارنده[3] جهت ذوب­گیری بسته می­شود، ساخته شد. شکل ‏3‑5 بوته مورد نظر همراه با نگهدارنده را نشان می­دهد. جهت ایجاد نرخ بارریزی متفاوت، از نگهدارنده با ابعاد متفاوت استفاده شده است. شکل ‏3‑6 سیستم سطح شیب­دار با قابلیت کنترل اتمسفر را نشان می­دهد. برای این منظور، سطح شیب­دار و همچنین قالب در داخل محفظه­ای مقاوم به حرارت قرار می­گیرند به طوری که این محفظه قابلیت ایجاد شرایط لازم جهت انجام آزمایشات از جمله تغییر در زاویه سطح شیب­دار و دمای بارریزی را داشته باشد. جهت کنترل جریان مذاب روی سطح از هدایت­گرمایی در دو طرف سطح استفاده شد تا جریان مذاب بر روی سطح با جریان خروجی از بوته متناسب بوده و مذاب بتواند جریان یکنواخت و آرامی را داشته باشد. جنس سطح شیب­دار مورد استفاده در تولید دوغاب نیمه جامد، از مس انتخاب شد که سطح آن توسط لایه نیترید بور جهت جلوگیری از واکنش مذاب با مس موجود در زیر لایه، پوشش­دهی شد. جهت اعمال بهتر خنک­کنندگی سطح و تامین یکنواختی دمای آب در حال گردش در زیرلایه، مسیر مارپیچی انتقال آب روی تسمه با ضخامتmm  10 ماشینکاری شد و پس از آن دو تسمه، در حالیکه واشری فلزی برای جلوگیری از نشتی آب بین آن­ها تعبیه شد، بر روی هم مونتاژ شدند (شکل ‏3‑7). شمش­های مورد استفاده پس از ریخته­گری به کمک سطح شیب­دار تحت آنالیز کوانتومتری قرار گرفتند تا از باقی ماندن درصد عناصر آن از در محدوده ترکیب آلیاژ 356A اطمینان حاصل شود.

شکل ‏3‑5- نمایی از(الف) بوته و (ب) نگهدارنده طراحی و ساخته شده در این تحقیق.

شکل ‏3‑6- دستگاه سطح شیب­دار با قابلیت کنترل اتمسفر (الف) نمای جانبی، محفظه محافظ سطح شیب­دار (ب) نمای روبرو، محفظه محافظ قالب.

شکل ‏3‑7- صفحات سطح شیب­دار مورد استفاده در این تحقیق (الف) دو صفحه مسی ، مسیر مارپیچی تعبیه شده بین دو صفحه و واشر فلزی مورد استفاده (ب) بزرگنمایی از محل خروج مایع خنک کننده.

1-1-4-      روش انجام آزمایش و پارامترهای مورد بررسی

پارامترهای مورد تحقیق در این پژوهش در جدول ‏3‑2 درج شده­اند. جهت تعیین محدودیت­های احتمالی سطوح هر یک از عوامل، ریزساختار حاصل از آزمون­ها جهت نمایش عیوب شامل تخلخل­ها و ساختار دندریتی مورد بررسی قرار گرفت. جهت انجام فرآیند ریخته­گری، قالب استوانه­ای فولادی با قطر خارجیmm 80، ارتفاع mm200، ضخامت mm 6 و شیب 1 درصد انتخاب شده است(شکل ‏3‑8). در ابتدا جهت مقایسه با نمونه­های ریخته­گری شده بر روی سطح شیب­دار یک نمونه با روش متداول ریخته­گری با دمای بارریزی Cº680 در قالب فلزی با دمای قالب Cº25 ریخته­گری شد و ریزساختار آن به عنوان مبنای مقایسه در نظر گرفته شد. قابل ذکر است که جهت جلوگیری از چسبیدن مذاب به سطح قالب، سطح داخلی قالب توسط اکسید زیرکونیوم پوشش داده شد.

جدول ‏3‑2- پارامترهای مورد بررسی فرآیند ریخته­گری بر روی سطح شیب­دار

شرایط بارریزی بدون سيستم خنك­كننده با سيستم خنك­كننده
دماي بارريزي (Cº) 680 ، 650 ، 625 680 ، 650 ، 640 ، 625 ، 615 ، 600
نرخ ریخته­گری (ml/s) 20 20 ، 10 ، 8
طول سطح شيب­دار (mm) 500 700، 600، 500، 400، 300
زاويه سطح شيب­دار (درجه) 50 60 ، 50 ، 40 ، 30

 

(الف) (ب)

شکل ‏3‑8- (الف) قالب­های فولادی مورد استفاده در این تحقیق، (ب) نقشه و ابعاد قالب فلزی

بررسی تاثیر عوامل مهم سطح شیب­دار خنک­کننده مانند نرخ و دمای بارریزی، زاویه، طول و دمای سطح شیب­دار بر ریزساختار و خواص مکانیکی قطعات ریخته­گری شده نهایی و تعیین شرایط مطلوب در این تحقیق، دو مرحله به شرح زیر مورد استفاده قرار گرفته است.

مرحله اول: بررسی تاثیر هر یک از پارامترها و مقایسه نتایج حاصل با نتایج حاصل از شبیه­سازی با استفاده از نرم­افزار Flow-3D می­باشد. جهت تعیین تاثیر خنک­کنندگی سطح بر ریزساختار، بارریزی در دماهای مختلف بر روی سطح بدون سیستم خنک­کاری و سپس بر روی سطح با سیستم آبگرد و دمای Cº23 صورت پذیرفت. برای بررسی تاثیر دمای بارریزی، ابتدا با انتخاب زاویه و طول ثابت، بارریزی در دماهای مختلف صورت گرفت. به منظور بررسی تاثیر زاویه سطح شیب­دار، بارریزی در زاویه­های مختلف در طول­ و دمای ثابت انجام شد. در نهایت به منظور بررسی تاثیر طول بارریزی بر ریزساختار، بارریزی با دما و زاویه ثابت در طولهای مختلف انجام گردید.

مرحله دوم: بررسی تاثیر اثرات متقابل پارامترها و تعیین شرایط مطلوب می­باشد. در این مرحله از روش طراحی فاکتوریل همراه با سه نقطه مرکزی در جهت بهبود دقت و بررسی انحنای مدل استفاده شد. نقاط مرکزی در این روش جهت بررسی قابلیت تولید مجدد، خطای تصادفی آزمایش، غیرخطی بودن یا نبودن رفتار مدل و فراهم ساختن درجه آزادی بالاتر جهت تخمین واریانس خطا به مدل اضافه شدند. عوامل و سطوح آنها در جدول ‏3‑3 درج شده است. با انتخاب طراحی با دو سطح و n فاکتور، داده­های تحت پردازش بایستی هر یک در کنج یک فضای n بعدی قرار گیرند. تمامی آزمایش­ها در حالت تصادفی انجام گرفت تا بتوان اثرات عوامل غیر قابل کنترل بر نتایج را به کمترین میزان ممکن کاهش داد. طراحی و تحلیل آماری آزمایش­ها توسط نرم افزار MiniTab انجام شد. مقادیر سرعت ریخته­گری برای مقادیر کد شده 1، 2 و 3 به ترتیب 8، 10 و ml/s20 است.

 

جدول ‏3‑3- عوامل موثر بر فرآیند سطح شیب دار خنک کننده و سطوح آن­ها.

عامل Ө:

زاویه سطح شیب­دار

(درجه)

عامل L:

طول سطح شیب­دار

(mm)

عامل V:

نرخ ریخته­گری

(ml/s)

عامل T:

دمای بار­ریزی

(°C)

ترتیب

استاندارد

ترتیب

تصادفی

40 600 3 680 8 1
60 600 3 625 15 2
40 400 3 625 3 3
60 400 3 625 11 4
50 500 2 650 19 5 (داده تست)
50 500 2 650 17 6 (داده تست)
40 600 3 625 7 7
40 400 3 680 4 8
60 600 1 680 14 9
60 400 1 680 10 10
40 600 1 680 6 11
60 600 1 625 13 12
60 600 3 680 16 13
40 400 1 625 1 14
40 600 1 625 5 15
50 500 2 650 18  16 (داده تست)
60 400 3 680 12 17
60 400 1 625 9 18
40 400 1 680 2 19

1-2-          آهنگری شمش نیمه جامد

1-2-1-      معرفی قطعه و طراحی قالب

به منظور انجام تحقیق، درپوش گیربکس حلزونی مدل 62 پس از انجام مشاوره با صنعت همکار، شرکت قطعه­سازی نوین، انتخاب گردید (شکل ‏3‑9). این قطعه، بدلیل اینکه آب­بندی محیط داخلی گیربکس را بر عهده داشته و همچنین بلبرینگ تنظیمی برای شافت خروجی بر روی آن نصب می­شود، دارای ابعاد دقیق بوده و باید از استحکام و طول عمر بالایی برخوردار باشد. در این تحقیق، ابتدا فرآیند آهنگری با شمش نیمه­جامد برای این قطعه توسط نرم افزار Deform-3D در حالت­های مختلف شبیه­سازی شده و سپس نتایج بدست آمده را با نتایج آزمون­های تجربی مورد مقایسه قرار گرفت. شکل ‏3‑10 نقشه ساده شده قطعه نهایی را نشان می­دهد. جهت ساخت حفره­های قالب بالا و پایین از فولاد 13H، که قابلیت تحمل شوک­های حرارتی را دارا است و همچنین سختی آن در دماهای بالا تغییر کمی پیدا می­کند، و برای میل راهنما، کفشک­های بالا و پایین از فولاد 52St استفاده شده است.

شکل ‏3‑9- قطعه درپوش گیربکس حلزونی مدل 62.

شکل ‏3‑10- نقشه ساده شده قطعه، ابعاد به میلیمتر.

1-2-2-      شرایط دمایی حاکم و محاسبه میزان کسر جامد

آلومینیم در شکل­دهی گرم از خاصیت چکش خواری عالی بهره می­برد و دمای کاری گرم برای آهنگری قطعات آلومینیمی حدود ºC480 است. برای حرارت­دهی و ایجاد گرما در قطعات و آلیاژهای آلومینیمی از کوره­های الکتریکی استفاده می­کنند. در هنگام عملیات آهنگری قطعات آلومینیمی و آلیاژهای آن، بهتر است ابزارهای کار حرارت دیده و به دمای حدود ºC250 برسند. برای پیشگیری از چسبندگی آلومینیم به قالب باید به طور مستمر روانکار محلول گرافیت در آب مصرف شود و قالب و فوم­های آن روغنی شود. سطوح قالب­های فورج باید با دقت پرداخت شوند تا از چسبندگی جلوگیری شود. برای اندازه­گیری دمای قالب و قطعه کار از یک ترموکوپل نوع K استفاده شد. جهت دستیابی به یک قطعه خام با یک ریزساختار کروی یکنواخت برای انجام فرآیند تیکسوفورمینگ، داشتن ماده­ای که نسبت مشخصی از فازهای مذاب و جامد داشته باشد ضروری است. به همین جهت در ادامه بحث طریقه محاسبه درصد فاز جامد و مذاب بیان می شود. با انجام آزمایش DTA دماهای خطوط مذاب و جامد آن آلیاژ به ترتيب Cº618 و Cº568 به دست آمد. کسر جامدهای مختلف را می­توان با استفاده از قانون شیل (رابطه 3-2) با تقریب مناسبی بدست آورد [72-74].

(3-2)

در رابطه بالا T ، Tm و TL به ترتیب دمای نیمه جامد قطعه، دمای ذوب فلز خالص، دمای خط ذوب آلیاژ و K ثابت رابطه شیل هستند. مقادیر Tm و K برای این آلیاژ به ترتیب برابر با ºC660 و 13/0 است. ذکر این نکته لازم است که بدلیل داشتن فرآیند غیرتعادلی برای انجماد آلیاژ در فرآیندهای نیمه­جامد و این که مقدار پارامتر K به صورت تقریبی از نمودار قابل محاسبه است و همچنین عدم دقت این رابطه برای کسر جامدهای بالا و برای دماهای پایین­تر از دمای یوتکتیک، این مقادیر دقیق نبوده و می­تواند با تغییر در عناصر آلیاژی تغییر نماید. در زیر به عنوان مثال، محاسبه مقدار کسر جامد برای دمای ºC580 صورت پذیرفته است.

(3-3)

مقدار کسر جامد در محدوده دمای نیمه­جامد مطابق شکل ‏3‑11 قابل ارائه می باشد. شکل زیر با استفاده از آزمایش DSC  تحت گاز آرگون رسم شده است. در این آزمایش، نمونه­ها به دمای ºC700 برده شده و بعد تا نرخ سرد شوندگی ºC/min 5/2 تا دمای محیط سرد شدند. در نهایت رابطه بین دما و کسر جامد بدست خواهد آمد.

شکل ‏3‑11- نمودار تغییرات کسر جامد با کاهش دما برای آلیاژ آلومینیم 356A .

در نهایت با توجه به دو حالت بالا مقدار کسر جامد به صورت جدول زیر قابل ارائه است.

جدول ‏3‑4-درصد کسر جامد نسبت به دما.

دما (ºC) 570 580 590 600
کسر جامد (%) 5±62 2±54 2±47 3±38

نتایج آزمایشات نشان می­دهد که درصد فاز جامد مناسب ­­­جهت انجام فرآیند آهنگری با شمش نیمه­جامد، 55 است. هر چند که درصدهای جامد کمتر باشد موجب سهولت در فرآیند آهنگری با شمش نیمه­جامد می­شود اما شکل ظاهری قطعات به واسطه وزنشان تغییر یافته و از طرفی جابه­جایی و استقرار شمشال در قالب به منظور انجام فرآیند نیز دشوار خواهد شد.

1-2-3-      روش انجام آهنگری و پارامترهای مورد بررسی

بعد از تولید شمشال اولیه و ماشینکاری در ابعاد لازم، فرآیند آهنگری با نمونه نیمه­جامد در قالب انجام می­شود. برای حصول اطمینان بیشتر در آزمایشات تجربی، هر یک از آزمایش­ها، 3 بار تکرار و متوسط این نتایج گزارش گردید. در شکل ‏3‑12 نحوه انجام آزمایش عملی، قرارگیری قالب بر روی پرس و نحوه گرم کردن قالب و قطعه نشان داده شده است. برای پیشگیری از چسبندگی آلومینیم به قالب به طور مستمر از مخلوط گرافیت در روغن معدنی استفاده شده است. همچنین سطوح قالب­های آهنگری با دقت پرداخت شده تا از چسبندگی قطعه به قالب جلوگیری شود. برای اندازه­گیری دمای قالب و قطعه کار از یک ترموکوپل نوع K استفاده شد. به منظور اندازه­گیری دمای مرکز قطعه­کار، سوراخ کوچکی به قطر mm5/2 در مرکز هر قطعه ایجاد گردید و ترموکوپل در آن قرار داده شد. شکل ‏3‑13-الف برخی از نمونه­های اولیه و شکل ‏3‑13-ب قطعات ایجاد شده بعد از عملیات آهنگری با شمش نیمه­جامد را نشان می­دهد. برای بررسی تاثیر پارامترها، آزمایش­هایی با شرایط مندرج در جدول ‏3‑5 انجام شد.

شکل ‏3‑12- قرارگیری اجزای قالب و پرس، (الف) دستگاه پرس، (ب) ترموکوپل و المنت حرارتی، (ج) سیستم کنترل دما، (د) قرارگیری شمشال درون قالب پایینی.

(الف) (ب)

شکل ‏3‑13- (الف) نمونه خام (ب) قطعات آهنگری شده.

جدول ‏3‑5- پارامترهای مورد مطالعه در این تحقیق.

پارامتر مقدار
دماي قالب (Cº)، TD 600، 590، 580، 570، 400، 100، 25
دماي شمشال (Cº)، TB 600، 590، 580، 570
مدت زمان نگهداری (دقیقه)، t 20، 15، 10، 5

1-2-3-1-      شکل­دهی نمونه‌های سربی

از آنجایی که فلز سرب یک فلز نرم بوده و براحتی سیلان پیدا می‌کند و نسبت به آلومینیم دارای دمای ذوب پایین­تری است، در ابتدا برای آزمودن سیستم دمایی و همچنین ارزیابی قالب­های ساخته شده، از این فلز به عنوان نمونه اولیه استفاده شد. آهنگری نمونه‌های سربی در دمای محیط و در دماهای ºC400 و ºC500 صورت پذیرفت. در شکل ‏3‑14 نمونه‌های آهنگری شده نشان داده شده است. در این آزمایش­ها با توجه به امکانات موجود از یک پرس ضربه­ای 80 تن استفاده شد. به دلیل سرعت بالای پرس مورد استفاده، آلیاژ سرب در دمای محیط نتوانسته شکل بگیرد و دچار ترک شده است. به همین دلیل در انجام آزمایش­های آلومینیم از یک پرس هیدرولیک 200 تنی استفاده گردید. در دمای Cº500، قطعه شکل گرفته اما همانطور که در شکل با دایره نشان داده شده است، بدلیل افزایش بیش از حد دما میزان کسر جامد آلیاژ بسیار پایین آمده که باعث خرابی قطعه در قسمت داخلی گردیده است که از قسمت­های دیگر نازک­تر است. عمل آهنگری در دمای Cº480 نیز صورت پذیرفت که قطعه سالم با هندسه کامل حاصل شد.

شکل ‏3‑14- قطعات آهنگری شده از نمونه سربی در دماهای مختلف.

1-2-3-2-      شکل­دهی نمونه‌های آلومینیمی

در مرحله دوم از نمونه­های ریختگی نیمه­جامد آلیاژ آلومینیم برای آهنگری استفاده شد. برای داشتن داده­های مقایسه­ای و بررسی شرایط مختلف کاری سعی بر آن شد که تمامی حالت­های مختلف مورد بررسی قرار بگیرد. برای این کار آزمایش­ها در حالت هم­دما برای دماهای بالا و در شرایط نگهداری مختلف و در حالت غیر هم­دما برای بررسی تاثیر دمای قالب و اصطکاک صورت پذیرفت. شکل ‏3‑15 تا شکل ‏3‑17 نتایج شکل­دهی نمونه­ها را در شرایط مختلف نشان می­دهند. زمان­های ارائه شده در شکل­ها مشخص کننده مدت زمان نگهداری آلیاژ در آن دما است.

شکل ‏3‑15- قطعه‌های دایکست و آهنگری شده از نمونه آلیاژها با ریزساختار دندریتی.

(الف) (ب) (ج) زمان نگهداری min10

شکل ‏3‑16- قطعه­های آهنگری شده از نمونه­های تولید شده با ریخته­گری در زمان­های نگهداری مختلف و دماهای (الف) Cº580، (ب) Cº590 و (ج) Cº600.

شکل ‏3‑17- قطعه‌های آهنگری شده از نمونه­های تولید شده با ریخته­گری تحت کنترل اتمسفر در دمای Cº590 و مدت زمان 15 دقیقه.

1-2-3-3-      آزمون فشار و آزمون حلقه

ابعاد نمونه­های آلومینیمی آزمایش فشار و حلقه مطابق استاندارد ماشینکاری شده و در ابعاد مورد نظر به دست آمدند. نمونه­های استوانه­ای آزمایش فشار با نسبت قطر به ارتفاع 5/1 و با شیارهای هم­مرکز روی دو پیشانی آن برای نگهداری روانکار جهت کاهش اصطکاک ماشینکاری شدند. همچنین نمونه­های آزمون حلقه با نسبت ارتفاع به قطر داخلی به قطر خارجی 2/3/6 انتخاب شده و مورد استفاده قرار گرفته­اند. با استفاده از آزمایش فشار خواص مکانیکی نمونه­ها بدست آمد. دماهای مورد بررسی در این آزمون شامل دماهای °C350 تا °C500 با فاصله دمایی °C50 و دماهای °C570 تا °C600 با فاصله دمایی °C10 بود. این دماها با توجه به انجام آزمون­های بعدی برای فرآیند آهنگری با شمش نیمه­جامد در نظر گرفته شد. آزمون حلقه برای بدست آمدن ضریب اصطکاک سطوح تماس بین آلیاژ و قالب فولادی مطابق شرایط داده شده در مرجع [75] انجام پذیرفت. برای نمونه­های مورد آزمایش مشاهده شد که قطر داخلی حلقه ها به دلیل وجود اصطکاک در سطح تماس با کاهش ارتفاع بیشتر، کوچک­تر می­شود. برای محاسبه مقدار ضریب اصطکاک از منحنی­های کالیبراسیون استفاده شده است. نمونه­ای از این منحنی برای دمای °C400 در شکل ‏3‑18 نشان داده شده است. همچنین در این شکل نحوه تغییرات قطر داخلی نسبت به کاهش ارتفاع نمونه که توسط آزمون آزمایشگاهی به دست آمده نشان داده شده است. در جدول ‏3‑6 نتایج آزمایش­های انجام شده برای فاکتور اصطکاکی درج شده است. افزایش مقدار فاکتور اصطکاکی در دماهای بالا را می­توان با عملکرد نامناسب روانکار وکاهش کیفیت سطح قطعه توجیه نمود.

شکل ‏3‑18- منحنی­های کالیبراسیون آلیاژ 356A برای دمای C°400 بر حسب فاکتور اصطکاک مختلف [69, 76].

جدول ‏3‑6- ضریب اصطکاکی به دست آمده از آزمون­ها.

دما 350 400 450 500 570 580 590 600
m 26/0 25/0 20/0 35/0 37/0 36/0 38/0 38/0

1-3-         چگونگی اندازه­گیری پارامترهای خروجی

1-3-1-      مطالعه ریزساختار

جهت بررسي ريزساختار، عمليات تهیه و آماده­سازی نمونه­ها از قطعات ریخته­گری شده به این صورت بود که پس از اتمام ریخته­گری و خنك­شدن شمش در دماي محيط، دو برش در فاصله mm60 و mm150 از قسمت تحتاني آن انجام شد تا خواص ریزساختاری برای هر نمونه در شرایط یکسان مورد ارزیابی قرار بگیرد (شکل ‏3‑19). همچنین شکل ‏3‑20 موقعیت­های مختلفی از نمونه را که جهت بررسي ريزساختار برای قطعات آهنگری ­شده انتخاب شدند، نشان می­دهد. بعد از برش نمونه­ها، گوشه‌هاي نمونه‌ي متالوگرافي به وسيله سوهان از حالت تيزي خارج گردیده و در ادامه سطح نمونه به وسيله سمباده­های مختلف صيقل­کاری شدند. سپس عمل صیقل­کاری بیشتر با استفاده از خمير الماسه 5/0 ميکرون انجام شد. جهت حکاکی­کردن نمونه­ها، از محلول رنگی وک[4] با ترکیب100 میلی لیتر آب، 4 گرم KMnO4 و یک گرم NaOH استفاده گردید نمونه­ها بعد از حکاکی با الکل شستشو شده و در مجاورت هواي گرم خشک شدند. در انتها ريزساختار نمونه‌ها بوسيله ميکروسکوپ نوری مورد مطالعه قرار گرفت. تصویر میکروسکوپی حاوی حدود 400 دانه برای محاسبه قطر متوسط دانه[5] توسط نرم­افزار آنالیز تصاویر استفاده شد. در انتها ريزساختار نمونه‌ها بوسيله ميکروسکوپ نوری مدل NJF-120A قابل مشاهده مي‌باشد.

شکل ‏3‑19- شماتیک برش نمونه­ها (الف) قطعه ریخته­گری شده (ب) ­قسمت­های مشخص شده برای مطالعه ریزساختاری

شکل ‏3‑20- شماتیک برش نمونه­ها، موقعیت­هایی که مشخص شده برای مطالعه ریزساختاری در نظر گرفته شده است.

1-3-2-      محاسبه اندازه متوسط دانه و میزان کرویت[6]

در این تحقیق دو مشخصه مهم شمش حاصل از ریخته­گری نیمه­جامد شامل کرویت و اندازه متوسط دانه به کمک نرم افزار Material Plus 4.1 مورد بررسی قرار گرفتند. اندازه­گیری دو پارامتر قطر متوسط و فاکتورشکل دانه در هر نمونه با استفاده از نرم­افزار آنالیز تصویر و به کمک روابط (3-4) و (3-5) صورت پذیرفت [77].

(3-4)  
(3-5)  

که در آن A مساحت دانه مورد نظر و P محیط آن است. کرویت، معیاری از گرد شدگی یک شکل است. به علت آن که این عامل یک عامل نسبی است، عدد بدست آمده بدون بعد خواهد بود. مطابق این معادله، به روشنی مشخص است که در صورتی که دانه کاملا کروی باشد، عدد مربوط به کرویت آن برابر با 1 (100 درصد) خواهد بود. هر چه عدد بدست آمده از یک کمتر باشد، میزان کرویت نیز کاهش می­یابد.

1-3-3-      آزمون سختی سنجی

براي تعيين ميزان سختي نمونه­های تولیدی در محیط آزمایشگاهی، از سختي‌سنجي برينل استفاده شد. آزمايش سختي‌سنجي به وسيله دستگاه سختي‌سنج ديجيتالي يونيورسال مدل کوپا UV1 با اعمال نیروی Kg62/15 و مدت زمان 10 ثانیه صورت گرفت. عدد سختي بعد از اندازه­گیری به سيستم نرم‌افزاري رايانه منتقل و در آنجا ذخيره می­شود. براي برخورداري از دقت بالا در تعيين سختي، مقادیر سختی هر نمونه حداقل در 5 نقطه مختلف برای هر نمونه صورت گرفته و ميانگين نتایج با استفاده از تحلیل Anova به عنوان نتيجه نهایی گزارش شد.

1-3-4-      آزمون کشش

آزمايش کشش مطابق با استاندارد ASTM B557 M با نرخ کرنش s-1 3-10صورت گرفت. براي انجام آزمايش کشش مطابق با استاندارد اشاره شده، از قطعات توليدي نمونه‌هاي دمبلي شکل با قطر مقطع mm9 و طول تحت کشش mm45 تهيه شده و براي برخورداري از دقت بالا و صحه­گذاري بر نتايج، از هر قطعه سه نمونه کشش تهيه شد. دستگاه کشش مورد استفاده دستگاه SANTAM مدل STM-250 با ظرفیت 25 تن بوده­ است.

1-3-5-      آنالیز XRD

برای آنالیز XRD از دستگاه PHILIPS-binary استفاده شد. نوع اسکن مورد نظر به صورت پیوسته، با گام 05/0 درجه و زمان گام 1 ثانیه در نظر گرفته شد. همچنین زاویه شروع و پایان برای آنالیز نمونه­ها به ترتیب 025/10 و 975/89 درجه تنظیم گردید.

 

2-                    فصل چهارم

 

 

 

شبیه سازی اجزای  محدود

 

2-1-          مقدمه

بر اساس کسر جامد دوغاب‌های فلزی، می‌توان دو نوع دوغاب و بنابراین دو نوع مدل فیزیکی در نظر گرفت. دوغاب با کسر جامد بین 60% و 90% ( که معمولاً در فرآیند رئوفورج مورد استفاده قرار می‌گیرد) را می‌توان به عنوان یک جامد ویسکوپلاستیک در نظر گرفت. دوغاب‌های فلزی با کسر جامد بین 20% تا 60% (که در فرآیندهای رئوکست مورد استفاده قرار می‌گیرند) را نیز می‌توان به عنوان یک سیال غیرنیوتنی مدلسازی کرد. در حالت اول از مدلسازی حالت جامد و یا متخلخل مانند استفاده می‌شود و در حالت دوم از دینامیک سیالات محاسباتی (CFD) استفاده می‌گردد [1, 78]. همچنین در شبیه­سازی، دوغاب را می­توان به دو صورت تک‌ فاز و یا دو فاز در نظر گرفت. در حالت اول دوغاب به عنوان یک محیط پیوسته مدلسازی می‌شود و در حالت دوم هر دو فاز مذاب و ذرات جامد کروی در نظر گرفته می­شوند. به علاوه بر اساس روش گسسته‌سازی نیز می‌توان مدل­سازی فرآیندهای شکل­دهی نیمه­جامد را تقسیم‌بندی کرد. گسسته‌سازی که در واقع تقریب زدن معادلات دیفرانسیلی به کمک سیستم‌های معادلات جبری است می‌تواند با روش‌های مختلفی ازجمله اجزای محدود (FE)، اختلاف محدود (FD) و حجم محدود (FV) انجام گیرد [1, 78].

مهم‌ترین مشکل مدلسازی فرآیندهای نیمه‌جامد بررسی تمام پدیده‌های پیچیده‌ای است که در جریان فلز اتفاق می‌افتد. برخی مدل‌‌ها فقط به رفتار تیکسوتروپی می‌پردازند که در آن فلز به عنوان یک ماده یکنواخت در نظر گرفته می‌شود [79]. برخی مدل‌های دیگر هر دو فاز جامد و مایع را در نظر می‌گیرند ولی خاصیت تیکسوتروپی را نادیده می‌گیرند. برخی دیگر تیکسوتروپی را در نظر می­گیرند، اما انتقال حرارت به هنگام فرآیند را در نظر نمی‌گیرند.

2-2-         شبیه­سازی اجزای محدود تولید شمش نیمه­جامد

2-2-1-      معرفی نرم­افزار

برای شبیه‌سازی فرآیند ریخته‌گری نیمه جامد با سطح شیب‌دار از نرم‌افزار Flow-3D استفاده شده است. این نرم‌افزار که محصول شرکت Flowscience می‌باشد یک ابزار قوی با قابلیت‌های منحصر به فرد مخصوصاً برای شبیه‌سازی جریان‌های سطح آزاد است.

در این نرم‌افزار از روشی برای مش‌بندی استفاده می‌شود که هم ساده است و هم توانایی مش‌بندی مدل‌های پیچیده با دقت زیاد را دارا می‌باشد. این روش، مش‌بندی آزاد[7] نام دارد چون مش و هندسه مسئله به راحتی و کاملاً مستقل از هم قابل تغییر است. به این ترتیب دیگر نیازی به کار سخت و خسته کننده مش‌بندی با توجه به هندسه نمی‌باشد. در نرم‌افزار Flow-3D از المان‌های ثابت مستطیلی استفاده می‌شود که موجب دقت بیشتر و کاهش نیاز به سیستم کامپیوتری قوی می‌گردد [80].

استفاده از یک روش مخصوص به نام FAVOR[8] برای تعریف هندسه در نرم‌افزار Flow-3D موجب افزایش دقت شبیه‌سازی می‌شود. در این روش از الگوریتم‌های مخصوصی برای محاسبه سطوح مشترک، محاسبه تنش‌ها در دیواره‌ها، افزایش پایداری عددی و محاسبه همرفت در راستای مرزهای جامد استفاده می‌شود. روش FAVOR بسیار قدرتمند است، اما اندازه شبکه، آن را محدود می‌کند. مش‌بندی به روش مستطیلی باعث ایجاد حالت پله‌ای در مدل هندسی مش‌بندی شده می‌شود ولی در این روش اثر این حالت تا حدودی تعدیل می‌شود. در شکل ‏4‑1 مثالی از روش مش‌بندی در نرم‌افزار Flow-3D نشان داده شده است. همانطور که مشاهده می‌شود اگر اندازه یک جزء از هندسه مسئله نسبت به اندازه شبکه کوچک باشد، ممکن است این جزء در مش‌بندی حذف شود. این، در حالتی اتفاق می‌افتد که جزء مورد نظر هیچ یک از نقاط راس را پوشش ندهد. اگر هر چهار گوشه یک سلول شبکه داخل یا خارج هندسه باشد کل آن سلول نیز داخل یا خارج هندسه به حساب می‌آید و اگر برخی از گوشه‌ها داخل و برخی خارج هندسه باشند، پیش‌پردازشگر نقاط برخورد هندسه و خطوط شبکه را محاسبه می‌کند و با ترسیم خطوط مستقیم بین این نقاط برخورد عمل شناساندن هندسه به پردازشگر را انجام می‌دهد. نرم‌افزار Flow-3D در زمینه محاسبه سطوح سیال در حال جریان با نرم‌افزارهای دیگر متفاوت است. این نرم‌افزار از روش‌های عددی مخصوصی برای ردیابی سطح مشترک بین فازها و برای اعمال شرایط مرزی دینامیکی مناسب در این سطوح استفاده می‌کند. همچنین در این نرم‌افزار سطوح آزاد جریان با روش حجم سیال (VOF) مدلسازی می‌شوند. نرم افزار Flow-3D از همه عناصر پیشنهاد شده برای محاسبه دقیق جریان‌های با سطوح آزاد استفاده می‌کند. به علاوه این نرم‌افزار با انجام اصلاحاتی در روش اصلی VOF و تبدیل آن به روش جدید TruVOF دقت شرایط مرزی برای ردیابی سطح مشترک فازها را افزایش داده است [80].

شکل ‏4‑1-  نحوه شناسایی مدل هندسی توسط پیش‌پردازشگر نرم‌افزار Flow-3D [80].

در نرم‌افزار Flow-3D در یک مسئله می‌توان از چند بلوک مش استفاده کرد که موجب افزایش کارایی و انعطاف‌پذیری حتی نسبت به روش مش‌بندی اختلاف محدود می‌شود. در روش معمول اختلاف محدود ریز کردن موضعی مش باعث افزایش قابل توجه تعداد مش می‌شود چون خطوط شبکه در سراسر محدوده هندسه در سه جهت امتداد می‌یابند. به کارگیری روش چند بلوکی امکان ریزکردن اندازه شبکه به صورت کاملاً محلی را فراهم می­سازد و درنتیجه موجب کاهش زمان محاسباتی کامپیوتر می‌شود. در شکل ‏4‑2 تفاوت مش‌بندی در دو روش را مشاهده می‌شود.

شکل ‏4‑2-  تفاوت روش مش‌بندی در روش معمول اختلاف محدود (الف) و در روش چند بلوکی (ب) [80].

2-2-2-      معرفی مدل و چگونگی مش­بندی

نرم‌افزار مورد استفاده دارای چهار سربرگ اصلی می‌باشد. سربرگ Model Setup برای تعریف هندسه مدل و پارامترهای مختلف، سربرگ Simulate برای اجرای شبیه‌سازی، سربرگ Analyze برای انتخاب متغیر خروجی مورد نظر برای مشاهده تغییرات آن و سربرگ Display برای نمایش نحوه تغییر متغیر انتخاب شده نسبت به زمان می­باشد. در سربرگ Model Setup هندسه مسئله تعریف می­شود. برای شبیه‌سازی سطح شیب‌دار، به دو جزء جامد یعنی سطح شیب‌دار و قالب نیاز بود که مدلسازی این دو جزء در نرم‌افزار Catia انجام شد (شکل ‏4‑3-الف) و با پسوند stl ذخیره گردید. پس از فراخوانی فایل‌های سطح شیب‌دار و قالب محدوده بلوک مش طوری تنظیم می‌شود که تمام دو جزء جامد را در بر گیرد (شکل ‏4‑3-ب).

تمامی شبیه‌سازی‌ها در دو مرحله انجام شد. مرحله اول شامل ریختن مذاب به مدت 5/5 ثانیه بود. در این لحظه شبیه‌سازی خاتمه یافت و با تغییر شرایط مرزی و قطع جریان مذاب ورودی، شبیه‌سازی برای وارد شدن دوغاب باقی‌مانده روی سطح شیب‌دار به داخل قالب و تکمیل فرایند انجماد به مدت 60 ثانیه دیگر ادامه یافت. برای اعمال اثر خنک‌کاری سطح شیب‌دار باید شبیه‌سازی به صورت دو فازی انجام گیرد که در این حالت باید از اثر هوا (شامل خنک­کنندگی و ایجاد مک) صرف نظر کرد. همچنین با تعریف مسیر خنک‌کاری و تعریف آب به عنوان فاز دوم، شبیه‌سازی بسیار وقت‌گیر می‌شود. به عنوان یک روش جایگزین برای اعمال اثر خنک­کنندگی سطح شیب‌دار، برای سطح مسی یک منبع حرارتی با مقدار منفی در نظر گرفته شد. در تمام شبیه‌سازی‌ها ارتفاع بارریزی 20 سانتی‌متر در نظر گرفته شد.

شکل ‏4‑3-  مدل سطح شیب‌دار و قالب در Catia (الف) و در Flow-3D به همراه مش (ب).

اندازه شبکه باید به اندازه کافی کوچک باشد تا شبیه‌سازی با دقت انجام شود. اگر اندازه شبکه بیش از حد کوچک شود موجب افزایش زمان شبیه‌سازی و حتی باعث افزایش خطا می‌شود. با render کردن اجزای جامد تا حدودی می‌توان از اندازه مناسب شبکه اطمینان حاصل کرد. این کار با اجرای دستور FAVOR در نرم­افزار امکان‌پذیر بوده است. در شکل ‏4‑4 دو تصویر مربوط به یک مدل، یکی با اندازه مش ریز و دیگری با اندازه شبکه درشت دیده می‌شود.

در مرحله بعد، یک بلوک مش دیگر روی بلوک مش اول تعریف شد تا از آن برای ورود مذاب استفاده شود. در ادامه برای اجزای جامد خواص مختلف فیزیکی، حرارتی و الکتریکی لازم تعریف گردید. از جمله پارامترهای مهم تعریف شده در این قسمت، چگالی، ظرفیت گرمایی، میزان انتقال حرارت به سیال و محیط، میزان زبری و ضریب اصطکاک سطح و دمای اولیه جسم جامد بوده است.

شکل ‏4‑4- render کردن با مش با اندازه شبکه نسبتاً درشت(الف) و با اندازه شبکه نسبتاً ریز (ب).

2-2-3-      تنظیم پارامترهای فیزیکی و مشخصات سیال

تنظیم پارامترهای کلی در سربرگ Global در نرم­افزار انجام گردید. از جمله این تنظیمات، ایجاد مدل تک فازی و تقریب حالت تراکم ناپذیری سیال می­باشد. همچنین با توجه به نحوه حرکت مذاب روی سطح شیب‌دار، شبیه‌سازی جریان به صورت سطح آزاد انتخاب گردید. تنظیم پارامترهای فیزیکی در سربرگ فرعی Physics انجام شد. در جریان‌های سطح آزاد، تلاطم سیال می‌تواند موجب ورود هوا به داخل جریان و گیر افتادن داخل آن شود. بدین منظور در نرم­افزار گزینه Air entrainment فعال و نرخ ورود هوا به میزان 05/0 و چگالی هوا برابر kg.m-3 2/1 برای آن در نظر گرفته شد. در قسمت Gravity میزان و جهت شتاب گرانش که برابر m/s-2 8/9 می­باشد، تعیین گردید. برای محاسبه انتقال حرارت داخل مذاب در قسمت Heat transfer حالت درجه دو فعال گردید. برای اینکه نرم­افزار بتواند انتقال حرارت بین سیال و اجزای جامد را محاسبه نماید در قسمت Fluid to solid heat transfer حالتFull energy equation فعال گردید. برای اینکه نرم­افزار مقدار کسر جامد دوغاب را بر روی سطح شیب‌دار محاسبه نماید، مدل انجماد فعال گردید. همچنین در قسمت Viscosity and turbulence، مدل ویسکوزیته وابسته به دما و نرخ برش و اغتشاش آرام انتخاب شد. در این شبیه­سازی در سربرگ فرعی Fluids می‌توان سیال مورد نظر را انتخاب کرد و در صورت نیاز می‌توان خواص فیزیکی سیال را نیز تغییر داد. پارامترهای مربوط به شبیه‌سازی در جدول ‏4‑1 آمده است.

جدول ‏4‑1- مشخصات ماده و دیگر پارامترها.

متغیر واحد مقدار
دمای لیکوئیدوس °C 616
دمای سالیدوس °C 568
ظرفیت گرمایی ویژه ماده [81] J.kg-1.K-1 1082
ضریب انتقال حرارت [81] W.m-2.K-1 10000
ضریب انتقال حرارت سطح آزاد [81] W.m-2.K-1 26
رسانایی گرمایی ماده در حالت جامد [51] W.m-1.K-1 60
رسانایی گرمایی ماده در حالت مذاب [51] W.m-1.K-1 160
چگالی ماده در حالت جامد [51] kg.m-3 2495
چگالی ماده در حالت مذاب [51] kg.m-3 2495
ویسکوزیته مذاب ماده [51] kg.m-1.s-1 00113/0
گرمای نهان ذوب ماده [51] J.kg-1 397700
رسانایی گرمایی مس [69] W.m-1.K-1 330
ظرفیت گرمایی ویژه مس [69] J.kg-1.K-1 380
چگالی مس [69] kg.m-3 8900
چگالی هوا [51] kg.m-3 2/1

2-2-4-      اعمال شرایط مرزی و اولیه

در سربرگ Boundaries شرایط مرزی تعیین گردید. طبق مشخصات مسئله، سطح شیب­دار و قالب در ابتدا در دمای محیط بوده و مذاب با دماهای مختلف بر روی آن ریخته می­شود. در این صورت احتیاج به دو بلوک مختلف می­باشد. شکل ‏4‑5 شرایط مرزی در نظر گرفته شده را برای هر دو بلوک نشان می­دهد. بلوک اول شامل مجموعه سطح شیب­دار و قالب می­باشد. در این بلوک، بجز مرز بالایی که حالت Symmetry در نظر گرفته شده است و منظور عدم وجود شار حرارتی یا هر گونه شار دیگری می­باشد، بقیه مرزها به صورت مرز باز یعنی حالت Outflow انتخاب شدند. بلوک دوم به منظور ورود مذاب در نظر گرفته شد. در این بلوک تنظیمات مربوط به سرعت، فشار و دمای مذاب ورودی وارد گردید. این کار با در نظر گرفتن شرط مرزی Specific Velocity میسر گردید.

شکل ‏4‑5- شماتیک شرایط مرزی در نظر گرفته شده برای شبیه­سازی.

2-3-        شبیه­سازی اجزای محدود فرآیند آهنگری با شمش نیمه­جامد

2-3-1-      معرفی نرم­افزار

برای شبیه­سازی فرآیند آهنگری با شمش نیمه­جامد از نرم­افزار Deform-3D استفاده گردید. این نرم افزار توسط شرکت SFTC در آمریکا توسعه پیدا کرده است و عمده ويژگي اين نرم افزار كه براساس روش اجزاي محدود كار مي كند، سهولت كاركرد آن در مقايسه با نرم افزار هاي معمول شبيه­سازي و تحليل همچون Abaqus،Ansys  و در عين حال دقت به نسبت بالاي نتايج حاصل از آن است. اين نرم افزار به طور تخصصي براي شبيه­سازي فرآيندهاي شكل­دهي، ترمومكانيكي و عمليات حرارتي به كار مي­رود. امروزهDeform-3D  به عنوان یک نرم‎افزار انعطاف‎پذیر در حل مسایل به روش اجزای محدود در پژوهشکده‎های مهندسی دنیا جایگاه ویژه‎ای پیدا کرده و به عنوان نرم‎افزار قدرتمند مهندسی در مراکز تحقیقات اغلب صنایع استفاده می‎شود.

2-3-2-      مراحل شبيه سازي

مراحل شبيه سازي اجزاي محدود در این نرم افزار شامل ايجاد مدل هندسي، مونتاژ قطعات، تعيين خواص مواد، المان بندي اجزا، تعيين تماس بين سطوح، شرايط مرزي و بارگذاري و تحليل فرآيند و گرفتن خروجي از نرم افزار می­باشد. در شکل ‏4‑6 مشخصات مجموعه قالب و قطعه نمایش داده شده است. قطعه اولیه به صورت جامد (توپر) تغییر شکل‎پذیر[9] انتخاب شد. سایر اجزای قالب از نوع صلب مجزا[10] در نظر گرفته شد. براي هر قطعه صلب يك نقطه مرجع[11] تعريف شد كه تمام پارامترها و شرايط مرزي به آن الحاق گرديد. در ادامه کار، پارامترهای فرایند هم در حالت هم­دما و هم در حالت غیرهم­دما مورد بررسی قرار گرفت. چون عملیات در دمای نیمه­جامد می­باشد، پس علاوه بر عملیات مکانیکی آهنگری، انتقال حرارت بین قطعه/ قالب و قطعه/ محیط باید در نظر گرفته شود. برای این منظور در این نرم­افزار در تعیین کنترل شبیه­سازی در بخش Spike Forging گزینه Heat Transfer فعال گردید.

(الف) (ب)

شکل ‏4‑6- (الف) مجموعه قالب و قطعه (ب) ابعاد و شکل بیلت.

2-3-3-      تنظیم پارامترهای فیزیکی و مشخصات قطعه و قالب

خصوصيات فيزيکي و مکانيکي اجزا در قسمت خواص[12] به مدل نسبت داده مي‌شود. اين خصوصيات شامل منحني تنش–كشش حقيقي، ضريب پواسون، مدول الاستيکي و چگالي می‎باشد. برای داشتن رابطه درست برای مدل­سازی آلیاژ مربوطه نیاز است تا رفتار آلیاژ را در همه دماهای مورد بررسی داشت. در نتیجه برای اینکه شرایط صحیحی بین مدل­سازی و نتایج تجربی وجود داشته باشد رفتار آلیاژ در دماهای مختلف با استفاده از آزمون فشار حلقه بدست آمد و در معادلات حاکم برای آلیاژ در نرم­افزار وارد گردید. همچنین برای مشخص کردن مقادیر نیرو جابجایی آلیاژ در دماهای مختلف از آزمون فشار، برای مشخص شدن دماهای سالیدوس و لیکوئیدوس از آزمون DTA و برای مشخص کردن چگالی از آزمون ارشمیدس استفاده گردید. در این تحقیق، شبیه­سازی المان محدود به صورت تک فاز صورت پذیرفت. در مطالعات صورت پذیرفته مشخص شد که برای شبیه­سازی فرآیند آهنگری نیمه­جامد، نیاز به نوشتن کد یا زیر برنامه نیست و با انجام ساده­سازی­هایی می­توان به شرایط درست آزمایش دست پیدا نمود [78]. ­­شکل ‏4‑7 روند تبدیل شمشال ­خام به قطعه نهایی را در شبیه­سازی و در حالت آزمایشگاهی نشان می­دهد. همانطور که مشخص است روند تبدیل شمش به قطعه از یکنواختی مناسبی در هر دو حالت برخوردار می­باشد.

صفر 40 100

شکل ‏4‑7- مراحل انجام فرآیند شبیه­سازی و آزمایشگاهی، مقادیر بر حسب درصد اتمام عملیات.

همچنین برای شبیه­سازی شرایط تماسی، مدل قالب­ها صلب فرض شده و از مدل اصطکاک برشی مطابق رابطه 3-3 استفاده شده است. دلیل استفاده از این مدل، ارائه نتایج بهتری نسبت به مدل اصطکاک کلمب در فرآیند آهنگری بود [82]. از مناسبترين روانكارها در آهنگری آلياژهاي آلومينيم، گرافيت است. گرافيت از جمله روانكارهاي پايه روغني است و دامنه اصطكاك به دست آمده از گرافيت از 1/0 تا 4/0 متغير است[75, 82].

[1] -Differential Scanning Calorimetry

[2] -Differential Thermal Analysis

[3] Stopper

[4]– Weck

2-Average Grain Size

[6] -Sphericity

[7] – free-gridding

[8] -Fractional Area Volume Obstacle Representation

[9] Deformable Solid

[10] Discrete rigid

[11] Reference Point

[12] Property