چکیده

فرآیند اکستروژن در آلیاژهاي سخت آلومینیوم سري ۲۰۰۰ و ۷۰۰۰ بصورت داغ و در نسبت هاي بالاي تغییر شکل و هندسههاي مختلف براي تولید مقاطع استفاده میشود. روشهاي المان محدود از جمله روشهاي مورد توجه در تحلیل و تخمین پارامترهاي فرآیند میباشد. استفاده مناسب از این روشها امکان بهبود فرآیند و افزایش کیفیت را حین تولید فرآهم میسازد. در این مقالهشبیهسازي فرآیند اکستروژن مستقیم و داغ آلومینیوم ۲۰۲۴ به روش المان محدود با فرض ماده الاستیک- پلاستیک و نسبت تغییر شکل بالا انجام شده است . استفاده از نسبتهاي بالاي تغییر شکل، نرخ تولید قطعات را افزایش داده و احتمال رخداد پدیده رشد دانهها در سطح قطعه تولیدي که منجر به خرابی آن میشود را کاهش میدهد. ابعاد نمونه و میزان تغییر شکل سطح مقطع در مقیاس صنعتی ۱۴:۱استفاده شده است. نمودارهاي حاصل از مدل المان محدود و چگونگی تغییرات آنها مورد بحث و بررسی قرار گرفته است. همچنین تنش پسماند طی این فرآیند که ناشی از اعمال تغییر شکل غیر یکنواخت و نیز اثر درجه حرارت میباشد، با استفاده از مدل تخمین زده شده است. تست تجربی فرآیند و تولید قطعه انجام گرفته و تنش پسماند در آن با استفاده از روش تفرق اشعه ایکس تعیین شده و نتایج حاصل از آن با نتایج مدل المان محدود ارزیابی شده است.

واژههاي کلیدي: تنش پسماند- آلومینیوم – ۲۰۲۴ اکستروژن گرم – المان محدود

روشهاي علامتگذاري مواد و برش قالب بیشتر در تحلیل مکانیک تغییر
-۱ مقدمه شکل مواد، حین فرآیند مورد توجه قرار گرفته است. جوویا۲ و
آلومینیومهاي سري ۲۰۰۰ و ۷۰۰۰ در صنایع هوا فضا، خودرو همکاران([۲](۲۰۰۰ تحلیل فرآیند اکستروژن در تغییر شکل یک مقطع
سازي و سازههاي هوایی مورد استفاده روز افزون قرار گرفته است. این گرد به صفحه تخت را مورد بررسی قرار دادهاند.آنها شبیه سازي فرآیند
سري از آلیاژها بدلیل قابلیت کسب خواص مکانیکی مطلوب، مقاومت در را انجام داده و با ساخت مدل آزمایشی با قالب پلیمري جریان مواد در
برابر خوردگی و وزن پایین بطور گستردهاي در صنایع مورد استفاده قالب و توزیع کرنش پلاستیک را در فرایند با نتایج حاصل از شبیهسازي
میباشند. بدلیل مقاومت تغییر شکلی و خواص استحکامی بالا، این مقایسه کردهاند. با رشد و پیشرفت روز افزون کامپوتر و نرم افزارهاي
آلیاژها به عنوان آلیاژ هاي سخت آلومینیوم شناخته میشوند. فرآیند شبیهسازي، استفاده از روش المان محدود با توجه به دقت و کارایی آن،
اکستروژن گرم بدلیل نرخ تولید بالا و قابلیت مناسب در تولید مقاطع در تحلیل فرآیندهاي شکلدهی توسعه زیادي پیدا کرده است. استفاده
مختلف یکی از روشهاي عمده در تولید پروفیلهاي آلومینیومی می- از این روشها و انجام آزمایشهاي تجربی یکی از روشهاي بررسی و
باشد. لذا تحلیل و بررسی مکانیزم تغییر شکل وتاثیر پارامترهاي فرآیند تحلیل پارامترهاي فرآیند اکستروژن میباشد. لیوت وچانگ
یکی از کلیدهاي کنترل و بهبود خواص مقاطع تولیدي میباشد. [۳](۱۹۸۹)۳ با استفاده از مدل المان محدود، فرآیند اکستروژن را
روشهاي مختلفی به منظور تعیین پارامترها در فرآیند اکستروژن مورد مورد ارزیابی قرار داده و قابلیت کارپذیري در نمونه را ارزیابی کردهاند.
توجه و کاربرد قرار گرفته است. از جمله روشهاي تحلیل حد بالا، میدان هوانگ۴و همکاران [۴](۲۰۰۰) شبیه سازي المان محدود و نیز آزمایش
لغزش و یا تحلیل قاچی نیرو که بیشتر به منظور تخمین فشار مورد نیاز تجربی در اکستروژن آلومینیوم نیمه جامد را انجام دادهاند. هدف آنها
فرآیند استفاده شدهاند. ابري نیا و مکارمی[۱](۲۰۰۷) ۱ با استفاده از مطالعه و بررسی تاثیر پارامترهاي فرآیند روي کیفیت و فشار اکستروژن
روش حد بالا تحلیلی جهت تخمین میدان سرعت و فشار اکستروژن در
تولید مقاطعی با سطح مقطع بزرگتر از مقطع اولیه ارائه کردهاند. ۲ Gouveia
3 Liut and Chung
Abrinia, Makaremi ١
۴Hwang

دوازدهمین کنفرانس مهندسی ساخت و تولید ایران

دانشگاه تهران، ۸-۶ ديماه ۱۳۹۰

انجام شده بود. یانگ۱ و همکارانش ([۵](۲۰۰۱ فرآیند اکستروژن گرم آلومینیوم در پروفیلهاي غیر متقارن را با استفاده از مدل المان محدود بررسی کردند. زوو۲ و همکارانش [۶](۲۰۰۲) با استفاده از روش لاگرانژ مدل المان محدود اکستروژن گرم آلومینیوم ۷۰۷۵ را براي مراحل گذرا و پایدار فرآیند ارائه کردهاند . متغیرهاي فرآیند در ابتدا و میانه و انتهاي فرآیند مورد ارزیابی قرار گرفتهاند. تیرنان۳ و همکارن [۷](۲۰۰۵) حداکثر نیروي فرآیند در اکستروژن سرد آلومینیوم را با استفاده از شبیه سازي و اندازهگیري تجربی و روش حد بالا تعیین نموده و نتایج حاصل را مقایسه نمودهاند. کومار۴ و همکاران([۸] (۲۰۰۷ قالب با مقاطع مختلف T,L,Hشکل و نیز مقطع بیضی را بر اساس روش حد بالا طراحی کرده و نمودارهاي نیرو – جابجایی را براي هر یک از مقاطع در فرآیند اکستروژن آلومینیوم و سرب رسم نمودهاند. چن ۵ و همکاران([۹](۲۰۰۷ با استفاده از مدل المان محدود، اکستروژن سرد شمشهاي آلومینیومی را بررسی کردهاند. آنها با فرض اصطکاك برشی، مدل ماده صلب پلاستیک، ضریب اصطکاك ثابت و مشبندي یکنواخت اثرات زاویه قالب، نسبت اکستروژن و شرایط اصطکاکی را در فرآیند بررسی کردهاند. بدلیل نیروي بالا براي تغییر شکل مواد و تغییر شکل غیر یکنواخت، قطعات تولید شده با استفاده از روشهاي شکلدهی همواره داراي مقداري تنش در داخل خود میباشند . این تنشها که در قطعه بصورت پایدار و در وضعیت تعادلی هستند به عنوان تنشهاي پسماند شناخته میشوند. این تنشها باعث تغییر خواص مکانیکی و فیزیکی قطعهکار شده و آنها را تحت تاثیر قرار میدهند. تعیین میزان این تنشها یکی از موارد مورد توجه در طراحی قطعات میباشد. روشهاي مختلفی براي تعیین و اندازهگیري تجربی تنش پسماند وجود دارد. این روشها معمولا بسیار زمانبر و پر هزینه میباشد. استفاده از روشهاي المان محدود که صحهگذاري شده باشند یکی از روشهاي مناسب جهت پیشبینی و تخمین سریع تنشهاي پسماند در فرآیند-هاي شکلدهی میباشد. گنزل۶و همکاران([۱۰](۱۹۹۶ تنش پسماند در میلههاي فولادي اکسترود شده و لولههاي کشیده شده را با استفاده از تکنیک تفرق اشعه ایکس و اشعه نوترونی اندازهگیري کردهاند. از نتایج مشاهده شدکه در لولهها تنش پسماند از تنش فشاري در وضعیت اولیه به تنش کششی در قطعات نهایی تبدیل شده است. با افزایش میزان کاهش سطح مقطع، سطح تنش در نمونهها نیزکاهش یافته است. رازنی ۷ و همکاران [۱۱](۱۹۹۶) تاثیر برخی پارامترهاي فرآیند نورد روي تنش پسماند را با استفاده از مدل المان محدود بررسی کردهاند. برونو۸و همکاران [۱۲](۲۰۰۲) تنش پسماند در مواد مرکب زمینه فلزي را با استفاده از اشعه نوترونی اندازهگیري کردهاند. آنها این اندازهگیري را بعد از تهیه مواد اولیه به روش اکستروژن و پس از عملیات حرارتی

۱ Yang 2 Zhou 3 Tiernan 4 Kumar 5 Chen 6Genzel 7 Razny 8 Bruno

انجام دادهاند. نشان دادن که عمده تنش پسماند ناشی از عملیات حرارتی و شیبهاي حرارتی ایجاد شده حین فرآیند گرم و سرد شدن میباشد . مانگی ۹و همکاران ([۱۳](۲۰۰۳ تنش پسماند در فورج سرد متقارن قطعات آلومینیومی و فولادي را مورد بررسی قرار دادهاند.آنها با استفاده از یک مدل الاستیک-پلاستیک و فرض اصطکاك کولومبی، با استفاده از معیار تسلیم فون میزز به روش المان محدود به بررسی تنش پسماند پرداختهاند . در نتایج آنها مشاهده شده که با افزایش نسبت قطر به ارتفاع نمونهها، حداکثر مقدار تنش پسماند کاهش مییابد. کو۱۰و همکاران([۱۴](۲۰۰۷ تنش پسماند در فرآیند کشش سیم با استفاده از تست نانو خراشی را ارزیابی کردهاند.آنها با ایجاد مدل المان محدود تاثیر پارامترهاي فرایند و قالب روي میزان تنش پسماند را بررسی کرده و نشان دادهاند که میزان زاویه قالب و کاهش سطح مقطع در قالب بیشترین تاثیر را بر وضعیت تنش پسماند خواهند داشت. در بیشتر اقدامات انجام شده نسبت اکستروژن کمتر از ۱۰ بوده و کار انجام شده بیشتر در مقیاس آزمایشگاهی بوده است. اندازهگیري تنش پسماند نیز کمتر مورد توجه قرار گرفته و در بیشتر موارد از مدل المان محدود استفاده شده است. در این تحقیق با استفاده از یک مدل الاستیک – پلاستیک، شبیه سازي فرآیند اکستروژن با نسبت ۱۴:۱ انجام شده و تنش پسماند درقطعه تولیدي تعیین شده است. همچنین آزمایش تجربی فرآیند با شرایط تعیین شده انجام شده و تنش پسماند حاصل در قطعات با استفاده از دستگاه اشعه ایکس تعیین شده است. تخمین تغییرات دما در فرآیند اکستروژن داغ با توجه به تاثیر درجه حرارت بر خواص ماده تولیدي یکی از پارامترهاي مهم میباشد که در شبیه سازي عددي مورد توجه و بررسی قرار گرفته است. نمودار تغییرات دما حاصل از شبیهسازي با نتایج حاصل از اندازهگیري تجربی مقایسه شده است. چگونگی تغییرات فشار فرآیند و نیز کرنش قطعهکار حین فرایند با استفاده از مدل المان محدود بررسی شده است.