عملکرد ریخته گری قالب ریخته گری خلاء رادیاتور آلیاژ منیزیم

آلیاژهای منیزیم دارای ویژگی های چگالی کم، استحکام ویژه بالا و سفتی خاص، توانایی محافظ الکترومغناطیسی قوی، توانایی جذب ضربه قوی، عملکرد عالی برش، بازیافت آسان و غیره هستند و به طور گسترده در مهندسی مورد استفاده قرار گرفته اند. آلیاژ منیزیم AZ91D به دلیل خواص ریخته گری خوب و مقاومت در برابر خوردگی و همچنین خواص مکانیکی خاص، به طور گسترده در آلیاژ منیزیم ریخته گری با دایکاست استفاده می شود. ریخته‌گری تحت خلاء می‌تواند تولید منافذ و آخال‌های اکسیدی را در قالب‌های ریخته‌گری آلیاژ منیزیم کاهش دهد، فشردگی قالب‌های ریخته‌گری را بهبود بخشد، مقاومت پرکننده فلز مذاب را در حفره قالب کاهش دهد و خواص مکانیکی قالب‌های ریخته‌گری را در دمای اتاق بهبود بخشد. بنابراین می توان از دایکستینگ خلاء برای تولید قطعات جداره نازک بزرگ و پیچیده با استحکام مکانیکی بالا و حتی عملیات حرارتی مانند رادیاتور لامپ های LED استفاده کرد. سرعت همرفت طبیعی هوا بین پره های رادیاتور آلیاژ منیزیم زیاد است که به بهبود راندمان انتقال حرارت جامع رادیاتور کمک می کند. بنابراین، آلیاژ منیزیم می تواند جایگزین آلیاژ آلومینیوم برای تهیه رادیاتورهای LED پرقدرت شود.

کلید فرآیند شکل‌دهی دایکاست خلاء، جاروبرقی است، یعنی چگونگی استخراج سریع گاز در حفره در مدت زمان بسیار کوتاه در طول فرآیند پر کردن. سیستم پمپاژ خلاء فعلی دارای مشکلات راندمان پمپاژ پایین، درجه خلاء کم حفره، شیر خلاء پیچیده، هزینه نگهداری بالا و قابلیت اطمینان ضعیف است. از این رو با توجه به نواقص هنر قبلی، این موضوع یک سیستم پمپاژ خلاء با لوله اگزوز اصلی و کمکی، قابلیت اطمینان بالا و هزینه کم طراحی کرده است. از طریق سیستم پمپاژ خلاء، همراه با نرم افزار شبیه سازی عددی، خواص شکل دهی قالب های ریخته گری آلیاژ منیزیم AZ91D تحت درجات خلاء مختلف مورد مطالعه قرار گرفت.



1 طراحی سیستم پمپاژ خلاء



با توجه به زمان کوتاه فرآیند شکل دهی دایکاست خلاء، معمولاً کمتر از 1 ثانیه، سرعت پاسخ شیر خلاء باید بالا باشد. با هدف کاستی های سیستم اگزوز خلاء موجود، یک سیستم اگزوز خلاء شامل لوله های اگزوز اصلی و کمکی طراحی شده است و ساختار آن در شکل 1a نشان داده شده است. اصل کار این است که وقتی پانچ تزریق از درگاه ریختن 5 عبور می کند، شیر اصلی 12 توسط PLC کنترل می شود تا باز شود. در این زمان، لوله اگزوز کمکی 11 و لوله اگزوز اصلی 10 به طور همزمان حفره قالب را پمپ می کنند. هنگام تغییر از تزریق آهسته به تزریق سریع، سوئیچ القایی راه اندازی می شود، شیر برقی معمولی باز 9 به سرعت بسته می شود و لوله اگزوز کمکی 11 به پمپاژ هوا به داخل حفره ادامه می دهد تا زمانی که فلز مذاب به لوله اگزوز کمکی برای خنک و جامد شدن جریان یابد. قالب های ریخته گری خلاء را بدست آورید. از طریق لوله های اگزوز اصلی و کمکی، می توان حفره را به طور همزمان پمپ کرد و هوای داخل حفره را می توان به سرعت برای رسیدن به درجه خلاء ایده آل به بیرون پمپ کرد.

لوله اگزوز کمکی 11 به عنوان یک ساختار دندان مانند طراحی شده است و لوله به جلو خم می شود. هدف اصلی افزایش فاصله جریان فلز مذاب ورودی به لوله است تا اطمینان حاصل شود که فلز مذاب در هنگام عبور از لوله اگزوز باریک سرد و جامد می شود. لوله اگزوز کمکی در کل فرآیند ریخته گری در حالت پمپاژ بوده است. لوله اصلی اگزوز 10 با یک دریچه برقی معمولی باز 9 ارائه شده است، به شکل 1b مراجعه کنید. بنابراین، کنترل استخراج هوای لوله اصلی اگزوز را می توان با کنترل شیر برقی معمولی باز 9 تحقق بخشید. در آزمایش، با تغییر موقعیت سوئیچ القایی، می توان زمان بسته شدن شیر برقی معمولی باز 9 را تغییر داد و در نتیجه زمان خروج خروجی خروجی اگزوز را کنترل کرد.

(الف) نمودار ساختار سیستم پمپاژ خلاء (ب) نمودار ساختار گذرگاه اصلی اگزوز

3. مخزن وکیوم 4. پمپ خلاء 5. پورت تغذیه 6. پانچ 7. محفظه فشار 8. حفره 9. شیر برقی 10. لوله اگزوز اصلی 11. لوله اگزوز کمکی 12. شیر اصلی

شکل 1 نمودار شماتیک سیستم پمپاژ خلاء

2 تحلیل شبیه سازی



2.1 تجزیه و تحلیل مدل ریخته گری قالب

برای مدلسازی سه بعدی رادیاتور از نرم افزار Solidworks 3D استفاده می شود. مدل رادیاتور (شامل دریچه و شیار سرریز) و ساختار قالب در شکل 2 نشان داده شده است. با توجه به اصل طراحی سیستم پمپاژ خلاء لوله های اگزوز اصلی و کمکی، ساختار قالب قطعات ریخته گری رادیاتور ساخته شده است. مواد ریخته گری آلیاژ منیزیم AZ91D است و پارامترهای ترموفیزیکی در جدول 1 نشان داده شده است.

شکل 2 مدل رادیاتور و نمودار ساختار قالب


2.2 تجزیه و تحلیل شبیه سازی حباب گاز در ریخته گری

با توجه به ویژگی های آلیاژ منیزیم AZ91D، پس از آزمایش و تأیید، هنگامی که دمای ریختن 680 ℃ است، پارامترهای فرآیند ریخته گری بهینه انتخاب می شوند، همانطور که در جدول 2 نشان داده شده است، و تجزیه و تحلیل شبیه سازی حباب هوا رادیاتور انجام می شود.

درجه خلاء دایکستینگ خلاء بین 0 تا 101 کیلو پاسکال است و هر چه مقدار آن کوچکتر باشد درجه خلاء بالاتر است. پارامترهای فرآیند در جدول 2 به نرم افزار شبیه سازی FLOW-3D وارد شدند و سه گروه با درجه خلاء حفره مختلف به طور همزمان تنظیم شدند. مشاهده می شود که حجم هوای وارد شده قسمت دایکاست نزدیک دروازه کمتر از مقدار دور از دروازه است و قسمت مرکزی قسمت دایکاست پر شده و در آخر شکل می گیرد، بنابراین حجم هوای حباب شده بیشترین حجم را دارد. حجم هوای دایکستینگ های معمولی با خلاء حفره ای 101 کیلو پاسکال بیشتر از دو گروه دیگر دایکستینگ های خلاء است و عمدتاً در هسته قالب ها متمرکز می شود. هنگامی که خلاء حفره 50 کیلو پاسکال باشد، حجم هوای ریخته گری کاهش می یابد. با این حال، منطقه حباب هوا در هسته هنوز نسبتا بزرگ است. هنگامی که درجه خلاء حفره 10 کیلو پاسکال است، حجم کلی حباب قسمت ریخته گری به طور قابل توجهی کاهش می یابد و حباب در هسته نیز به طور قابل توجهی بهبود می یابد. این نشان می دهد که افزایش درجه خلاء حفره می تواند به طور موثر توانایی پر شدن فلز مذاب را بهبود بخشد، می تواند تخلخل یا عیوب انقباض دایکاست را بهبود بخشد و برای دایکاست رادیاتور برای به دست آوردن یک قالب کامل و ساختار متراکم مفید است.

(الف) 101 کیلو پاسکال (ب) 50 کیلو پاسکال (ج) 10 کیلو پاسکال

شکل 3 حباب هوا در درجات مختلف خلاء نتیجه می گیرد

3 تایید آزمایشی

تحت پارامترهای فرآیند بهینه فوق، آزمایش دایکاست با استفاده از سیستم پمپاژ خلاء لوله های اگزوز اصلی و کمکی انجام شد. در آزمایش، با تغییر موقعیت سوئیچ القایی، زمان پمپاژ لوله اصلی اگزوز تغییر می کند، به طوری که حفره قالب می تواند درجات خلاء متفاوتی را تشکیل دهد و به ترتیب آزمایش دایکاست انجام می شود. قالب های دایکست با خلاء حفره ای 101 کیلو پاسکال (شماره 1)، 50 کیلو پاسکال (شماره 2) و 10 کیلو پاسکال (شماره 3) برای تجزیه و تحلیل انتخاب شدند، همانطور که در شکل 4 نشان داده شده است. همراه با نتایج تجزیه و تحلیل شبیه سازی حباب هوا، همان سینک های حرارتی در هسته رادیاتور با بزرگترین حباب هوا برای آماده سازی نمونه های متالوگرافی برای مطالعه مقایسه ای، همانطور که در شکل 4b نشان داده شده است، گرفته شد.

(الف) ریخته گری هیت سینک (ب) هیت سینک

شکل 4 عکس های ماکرو قالب های ریخته گری تحت درجات خلاء مختلف

شکل 5 ریزساختار رادیاتور آلیاژ منیزیم را در درجات خلاء مختلف نشان می دهد. مشاهده می‌شود که هم در قالب‌گیری تحت خلاء و هم در قالب‌گیری معمولی، منافذ یا عیوب انقباضی کم و بیش وجود دارد. در مقایسه با قالب‌گیری تحت خلاء، منافذ قالب‌های ریخته‌گری معمولی دارای دامنه توزیع گسترده‌تر و اندازه منافذ بزرگ‌تر هستند. بسیاری از نقص های گنجاندن اکسیداسیون وجود دارد. و هنگامی که خلاء حفره 50 کیلو پاسکال باشد، اندازه منافذ کوچکتر می شود، تعداد منافذ کاهش می یابد، و منافذ یا ناحیه انقباض بیش از 50٪ در مقایسه با ریخته گری معمولی کاهش می یابد، و عیوب گنجاندن اکسید به طور قابل توجهی بهبود می یابد. هنگامی که خلاء حفره 10 کیلو پاسکال است، اندازه منافذ و تعداد منافذ ریخته گری به شدت کاهش می یابد، سطح منافذ بیش از 70٪ در مقایسه با قالب های معمولی کاهش می یابد و درجه تفکیک به طور قابل توجهی کاهش می یابد. این نشان می دهد که درجه خلاء حفره می تواند تخلخل یا نقص انقباض دایکاست را بهبود بخشد و هر چه درجه خلاء بالاتر باشد تعداد منافذ کمتر و اندازه قالب کوچکتر می شود. در عین حال، ساختار ریخته گری تحت خلاء نسبتا متراکم است. در ترکیب با محصول نهایی آزمایش، اعتقاد بر این است که ریخته گری تحت خلاء می تواند مقاومت پر شدن فلز مذاب را کاهش دهد.

(الف) ریخته گری معمولی (ب) ریخته گری با درجه خلاء 50 کیلو پاسکال (ج) ریخته گری با درجه خلاء 10 کیلو پاسکال

شکل 5 ریزساختار ریخته گری قالب



به منظور تسهیل مقایسه خواص مکانیکی قطعات دایکاست تحت درجات خلاء مختلف، هیت سینک ها در همان موقعیت برای آزمایش گرفته شدند و خواص مکانیکی به دست آمده در جدول 3 نشان داده شده است. مشاهده می شود که با افزایش درجه خلاء حفره، استحکام کششی و ازدیاد طول قطعات دایکاست نیز بهبود می یابد.



4 نتیجه گیری



(1) ریخته گری با خلاء بالا را می توان با طراحی سیستم پمپاژ خلاء لوله های اگزوز اصلی و کمکی و همکاری با PLC برای کنترل تحقق بخشید. با آزمایشات تأیید شده است که سیستم پمپاژ خلاء می تواند قالب های ریخته گری خلاء آلیاژ منیزیم را با ظاهر کامل، ساختار متراکم و خواص مکانیکی بهتر نسبت به ریخته گری معمولی بدست آورد.

(2) از طریق نرم افزار شبیه سازی، حجم هوای رادیاتور آلیاژی منیزیم تحت درجات خلاء مختلف شبیه سازی می شود و از طریق آزمایشات مشخص می شود که درجه خلاء حفره می تواند توانایی پر شدن فلز مذاب را تغییر دهد. توانایی قالب‌گیری نیز بر این اساس بهبود می‌یابد و درجه تفکیک ترکیب ریخته‌گری کاهش می‌یابد و ساختار متراکم‌تر می‌شود. از تجزیه و تحلیل خواص مکانیکی می توان دریافت که استحکام کششی دایکستینگ خلاء با درجه خلاء 10 کیلو پاسکال 9.2 درصد بیشتر از درجه خلاء 50 کیلو پاسکال و 17.1 درصد بیشتر از قالب معمولی است و ازدیاد طول بیشتر از درجه خلاء است. دایکاست 50 کیلو پاسکال 13.9 درصد افزایش دارد که 40 درصد بیشتر از دایکاست معمولی است.