تحليل تنش‌هاي حرارتي در يك قالب ريخته‌‌گري تحت فشار آلومينيوم

Thermal stress analysis for an aluminum die cast die

در اين پژوهش توزيع تنش‌‌هاي ناشي از تزريق آلومينيوم مذاب طي فرآيند ريخته‌‌گري تحت فشار در يك قالب فولادي گرم‌‌كار بررسي مي‌‌شود. با توجه به تقارن چرخشي موجود در هندسه قالب، مدل يك هفتم مسأله تحت شرايط كرنش صفحه‌‌اي به كمك روش اجزاي محدود شبيه‌‌سازي مي‌‌گردد. در اينجا فرض مي‌‌شود تغييرات دما بر روي مرزهاي درگير با مذاب از الگوي هموار پيروي مي‌‌كند و مرز بيروني قالب در حال تبادل حرارت جابجايي با محيط اطراف است. نتايج تحقيق اخير داراي همخواني مناسبي با نتايج تحليلي موجود تحت شرايط مرزي خاص مي‌‌باشد. تحليل حساسيت مسأله به ازاي دماي پيش‌‌گرم قالب، هندسه گوشه‌‌هاي شيار تزريق و پوشش‌‌هاي محافظ حرارتي مورد بررسي قرار مي‌‌گيرند. نتايج حاكي از آن است كه پيش‌‌گرم‌كردن قالب قبل از تزريق، نقش بسزايي در كاهش سطح تنش كل مجموعه ايفا مي‌‌كند. همچنين با افزايش شعاع انحناي گوشه‌‌هاي شيار تزريق، ماكزيمم تنش ون‌‌ميسز در نقاط مستعد رشد ترك حداقل 25% كاهش خواهد يافت. كاربرد پوشش‌‌هاي محافظ كروم سخت و نيتريد سيليكون به طور چشمگيري مقاومت قالب در برابر شوك‌‌هاي حرارتي را ارتقاء مي‌‌دهد به نحوي كه استفاده از يك پوشش كروم سخت با ضخامت 0/1 ميلي‌‌متر مي‌‌تواند تا 49% مقدار ماكزيمم تنش ون‌‌ميسز را نسبت به نمونه بدون پوشش كاهش دهد.علاوه بر اين، مقدار ماكزيمم تنش ون‌‌ميسز براي پوشش تابعي مدرج حدود %70 كمتر از نمونه بدون پوشش است.

In this study, the thermo-elastic behavior of an aluminum die cast die during the casting process is analyzed. The cyclic symmetry nature of the die geometry offers a simplified reduced model for the finite element simulation. It is assumed that the temperature distribution on the molten metal affected boundaries follows a smooth function variation while the free surfaces of the die experience a convection heat transfer type. Considering a particular boundary condition, the results of the current study conform to the available analytical solutions. A detailed sensitivity analysis is conducted to highlight the effects of die preheat, groove corner radius of curvature and the thermal barrier coatings. The results indicate that the die preheating before the casting process can significantly decrease the stress level within the system. Also, an increase in the radius of curvature for the groove corners may result in a 25% reduction of the von Mises stress around these crack susceptible zones. Application of hard chromium or a silicon nitride thermal barrier coating considerably increases the thermal shock strength of the die such that a 0.1mm thick hard chromium coating can decrease the maximum von Mises stress about 49% with respect to the non-coated specimen. Especially for a functionally graded coating type, the reduction in maximum von Mises stress is around 70% compared to the non-coated specimen.