بررسی‌های تجربی و عددی فرآیند نورد شعاعی در دماهای بالا برای دو نمونه‌ی آلومینیمی و منیزیمی توخالی مدور تولید شده از طریق فرآیند ریخته‌گری گریز از مرکز - دانشکده فنی و مهندسی
بررسی‌های تجربی و عددی فرآیند نورد شعاعی در دماهای بالا برای دو نمونه‌ی آلومینیمی و منیزیمی توخالی مدور تولید شده از طریق فرآیند ریخته‌گری گریز از مرکز
نوع: Type: رساله
مقطع: Segment: دکتری
عنوان: Title: بررسی‌های تجربی و عددی فرآیند نورد شعاعی در دماهای بالا برای دو نمونه‌ی آلومینیمی و منیزیمی توخالی مدور تولید شده از طریق فرآیند ریخته‌گری گریز از مرکز
ارائه دهنده: Provider: دانش م رحمانی - مهندسی مکانیک
اساتید راهنما: Supervisors: اقای دکتر فرامرز فرشته صنیعی
اساتید مشاور: Advisory Professors:
اساتید ممتحن یا داور: Examining professors or referees: آقای دکتر مهران کدخدایان - اقای دکتر حامد دیلمی عضدی - آقای دکتر عباس پاک
زمان و تاریخ ارائه: Time and date of presentation: ساعت 14 - 1403/6/27
مکان ارائه: Place of presentation: آمفی تئاتر دانشکده فنی مهندسی - گروه مکانیک
چکیده: Abstract: چكيده: نورد حلقه یک فناوری پیشرفته و در عین حال پیچیده در زمینه‌ی شکل دهی فلزات است. این عملیات به طور گسترده برای ساخت حلقههای بدون درز دارای ابعاد دقیق، مانند بلبرینگ‌های ضد اصطکاک، حلقههای چرخ دنده‌ای، قطعات راکتورهای هسته‌ای و همچنین چرخ قطارها استفاده می‌شود. این رساله به بررسی فرآیند نورد حلقه‌ای شعاعی-محوری دو نمونه حلقه‌ی تولید شده با روش ریخته‌گری گریز از مرکز از جنس‌های منیزیم AM60 و آلومینیم AL6063 در دماهای بالا پرداخته است. ریخته‌گری گریز از مرکز که معمولاً برای ایجاد شکل‌های استوانه‌ای یا لوله‌ای به کار می‌رود، از نیروی گریز از مرکز برای فشار دادن مذاب به قالب استفاده می‌کند. نیروی گریز از مرکز، ساختار دانه‌ای هم محور ریزتری را برای به دست آوردن خواص مکانیکی همگن و همسانگرد تشکیل می دهد. بنابراین روش ریخته‌گری مزبور، در مقایسه با ریخته¬گری ثقلی، می‌تواند سرعت جاری شدن مذاب آلیاژ را بهبود بخشد، در مواد خام صرفه جویی کند، هزینه تولید را کاهش دهد، دقت ریخته‌گری را افزایش دهد و خواص مکانیکی را بهبود بخشد. در این پژوهش، ابتدا چند لوله با استفاده از روش ریخته‌گری گریز از مرکز تولید شد. سپس لوله‌های ریخته‌گری شده، ماشینکاری و به حلقههای اولیه برای فرآیند نورد تبدیل شدند. به منظور انجام آزمایش‌های عملی نورد حلقه‌ای با در نظر گرفتن ابعاد و مواد سازنده‌ی نمونه‌های آزمایشی که بر اندازه غلتک‌ها و یاتاقان‌های دستگاه نورد تأثیر می‌گذارد و حداقل نیروی لازم برای نورد حلقه‌ها را تعیین می‌کند، یک دستگاه نورد افقی در مقیاس آزمایشگاهی، طراحی و ساخته شد. به منظور جلوگیری از شکسته شدن حلقههای تحت نورد به دلیل نرخ بارگذاری بالا و از طرفی جهت جلوگیری از بروز افت دمای قابل ملاحظه در حلقه‌ها و غلتک‌ها، مدت زمان تمام آزمایش‌های نورد حلقه‌ای طی این تحقیق، ثابت (20 ثانیه) در نظر گرفته شد. عملیات نورد حلقه‌ای در سه دمای بالا شامل 200، 250 و 300 درجه سانتیگراد و نیز با سه سرعت چرخشی مختلف 40، 60 و 80 دور بر دقیقه برای غلتک محرک (اصلی) انجام شد. برای تعیین منحنی‌های تنش-کرنش قطعات ریخته‌گری شده به روش گریز از مرکز و حلقههای نورد شده، روی نمونه‌های استوانه‌ای برش داده شده از حلقه‌ها در جهت‌های مختلف شامل جهت غلتش (Rolling Direction: RD)، جهت عرضی (Transverse Direction: TD) و جهت عمودی (Normal Direction: ND) آزمایش فشار انجام شد. بررسی نتایج تجربی مشخص نمود که برای هردو آلیاژ AM60 و AL6063، هردو کمیت تنش تسلیم و استحکام نهایی مربوط به حلقه‌ها پس از انجام فرآیند نورد حلقه‌ای شعاعی-محوری در تمام جهات افزایش یافته است. اما افزایش تنش تسلیم و استحکام نهایی در راستای (RD) بیشتر از دو راستای دیگر بود. بیشترین افزایش استحکام نهایی که متعلق به دمای 200 درجه سانتیگراد و سرعت دورانی 40 دور بر دقیقه (S40-T200) و در راستای (RD) بود، به ترتیب برای حلقههای آلومینیمی و منیزیمی به میزان 9/47% و 6/30% به¬دست آمد. همچنین بیشترین افزایش تنش تسلیم در راستای (RD) و شرایط (S40-T200) برای حلقههای AM60 و AL6063 به ترتیب 3/110% و 3/79% بود. نتایج تجربی نشان داد که دمای اولیه حلقه و سرعت چرخش غلتک اصلی، اثرات معکوس روی خواص مکانیکی حلقههای نورد شده از قبیل استحکام و سختی دارند اما دمای حلقههای تحت نورد اثر بیشتری در مقایسه با سرعت چرخشی غلتک اصلی داشتند، به این صورت که 50% تغییرات دما بیشتر از 100% تغییرات سرعت چرخشی غلتک اصلی بر خواص مکانیکی حلقه نهایی مؤثر بود. همچنین رابطه بین میانگین اندازه‌ی دانه‌ها (AGS) و خواص مکانیکی آنها با رابطه هــال-پچ (Hall-Petch) مطابقت داشت. نتایج نشان داد که میانگین اندازه دانه¬ها در نمونه های AM60 بسیار بزرگتر از حلقه های مشابه AL6063 در تمام آزمایش‌ها بود. استحکام نهایی، کرنش شکست و چقرمگی حلقههای نورد شده‌ی آلومینیمی نیز بزرگتر از نمونه‌های تغییر شکل یافته‌ی متناظر منیزیمی بود، اگرچه استحکام ویژه نمونه‌های منیزیمی بسیار بیشتر از نمونه‌های آلومینیمی به¬دست آمد. حلقههای منیزیمی تغییر شکل یافته در مقایسه با نمونه‌های آلومینیمی، همسانگردی بیشتری نیز از خود نشان دادند. در ادامه، از روش طراحی آزمایش (DOE)، برای ارزیابی اثرات اصلی و نیز برهمکنش پارامترهای دما و سرعت دورانی غلتک اصلی بر خواص مکانیکی و ریزساختاری حلقههای نورد شده AL6063 و AM60 استفاده شد. در نهایت با استفاده از روش مذکور، چندین مدل برگشتی برای پیش‌بینی خواص مختلف حلقههای نورد شده برحسب دمای فرآیند و سرعت دورانی غلتک اصلی با دقت بالایــی به دست آمد. اثرات دمــــای فرآیند بر رفتارهای کرنش سختی این دو آلیاژ نیز متفاوت بود. برخلاف نمونه‌های Al 6063، تحلیل‌های DOE تأثیر غیرخطی دما را بر استحکام حلقههای AM60 نشان داد. علاوه بر موارد بیان شده، فرآیند نورد حلقه‌ای شعاعی-محوری، توســط نرم افــزار آباکــوس (ABAQUS) به روش اجـزاء محــدود (FE)، دینامیــک/صریـــح سه بعـــدی (3D Dynamic/Explicit)، با شبکه بندی ALE، شبیه‌سازی شد. در ابتدای این پژوهش، شبیه سازی مذکور برای یک حلقه از جنس AL2024 در دمای اتاق و سرعت دورانی 40 دور بر دقیقه انجام شد که از نیروهای خروجی آن برای طراحی دستگاه نورد شعاعی-محوری مورد نیاز در این رساله استفاده گردید. سپس خواص مکانیکی و منحنی‌های تنش-کرنش هریک از دو آلیاژ AL6063 و AM60 در دماها و نرخ کرنش‌های مختلف از مراجع مورد استفاده استخراج شدند و به طور مجزا به عنوان ورودی به نرم افزار داده شدند. برای برخی از شرایط آزمایشگاهی مورد بررسی در این رساله، توزیع متغیرهای میدان از جمله توزیع تنش معادل و توزیع کرنش معادل در سطح مقطع عرضی حلقههای نورد شده و نیز نیروی نورد (که از سوی غلتک اصلی وارد می‌شود) از نرم افزار استخراج شد و مورد بررسی قرار گرفت.
فایل: ّFile: تنزيل فایل