مؤلف : حسين احمدي – شركت مهندسي فرادانش

توليدكنندگان براي كاهش هزينه‌هاي سربار و تحويل به موقع محصولات خود به بازار از طراحان و مهندسان مي‌خواهند كه در طراحي قطعات، انعطاف و سازگاري بيشتري ايجاد كنند تا ضمن بهينه‌سازي در ساخت، هزينه ضايعات محصول و توقف خط كاسته شود. طراحان نيز براي آنكه بتوانند اندازه‌ها و ابعاد قطعات يك مجموعه را با هم تطبيق دهند و آنها را به صورت جامعه و استاندارد در آورند به روش‌هاي مديريت ابعادي، نياز دارند.

براي انعطاف‌پذيري در ابعاد يك قطعه از تلرانس‌هاي ابعادي و هندسي استفاده مي‌شود. به‌كار بردن تلرانس‌ها بر روي يك قطعه براي توليد كاري بسيار آسان مي‌باشد اما وقتي مجموعه‌اي از قطعات با هم تركيب شوند آنگاه تمام تلرانس‌هايي كه بر روي هر يك از قطعات يك مجموعه به كار رفته، باعث تشكيل چندين معادله مي‌شود به‌طوري كه در مجموعه‌هاي بزرگ كه داراي قطعات زيادي مي‌باشند، حالت‌هاي تركيب زيادي را ايجاد مي‌كنند براي تطبيق تلرانس‌هاي قطعات يك مجموعه از تكنيك «تحليل تغييرات ابعادي (DVA)[1]» استفاده مي‌شود. در شكل (1) بدنه شبيه‌سازي شده يك خودرو در نرم‌افزار Catia نشان داده شده كه در آن تأثير تلرانس‌هاي مختلف قطعات بر روي يكديگر مورد بررسي است.

استفاده از تكنيك DVA توسط يك و يا گروهي از مهندسين كاري بسيار مشكل و طولاني مي‌باشد در نتيجه براي اين كار نرم‌افزارهايي توليد شده است كه حالت‌هاي مختلف تركيب قطعات يك مجموعه را تحت تلرانس‌هايشان در محيط مجازي اجرا كنند و با تمام علوم مهندسي تطبيق بدهند. همچنين لازم است تا اين تكنيك با سرعت زياد تمام حالت‌هاي ممكنه را پيش‌بيني و تحليل نموده، سپس مشكلات را مشخص و راه‌حل‌هاي ممكن را براي تطبيق بين قطعات مجموعه ارائه كند.

مديريت ابعادي[2]

مديريت ابعادي مجموعه‌اي از روش‌هاست كه براي اندازه‌ها و تلرانس‌هاي هندسي و ابعادي، استفاده مي‌شود. مديريت ابعادي، راهكاري مطمئن و مناسب به طراحان ارائه مي‌دهد تا بتوانند جانمايي و انطباق قطعات در مجموعه‌ها را انجام دهند. اجراي مديريت ابعادي، سهم تغييرات حاصل از تلرانس‌هاي هندسي و ابعادي هر يك از قطعات را در مجموعه نهايي مشخص مي‌كند. اين روش شامل يك شبيه‌ساز رايانه‌اي است كه به وسيله مديريت ابعادي، تلرانس‌ها را تحليل مي‌كند و ضمن بهبود كيفيت، قيمت‌ها را كاهش مي‌دهد، بنابراين تغييرات كنترل مي‌شوند و طراحي بسيار مطمئن و دقيقي انجام خواهد شد.

براي اجراي مديريت ابعادي بايد هفت مرحله مطابق با نمايه (چارت) زير اجرا شود.

شكل 1: مراحل هفت‌گانه اجراي مديريت ابعادي

تلرانس‌هاي ابعادي و هندسي (GD&T)[3]

ساختن يك قطعه صنعتي با دقت مطلق بسيار مشكل مي‌باشد زيرا در بعضي از موارد به جهت بالا رفتن هزينه، مقرون به صرفه نمي‌باشد. به همين دليل اندازه‌ها را با در نظر گرفتن تلرانس‌هاي معين و با توجه به نوع كاربرد و متناسب با نيازهاي آن ساخته مي‌شود. تلرانس‌هاي ابعادي نشانگر اختلاف اندازه طولي مجاز براي ساخت يك قطعه است.

در بعضي از مواقع در كارخانه كه مونتاژ قطعات انجام مي‌شود به قطعاتي برخورد مي‌كنيم كه از نظر ابعاد و تلرانس‌هاي اندازه، كاملاً سالم و مورد تأييد مي‌باشند. ليكن تحت هيچ شرايطي مونتاژ نمي‌شوند. در اين حالت از تلرانس‌هاي شكل و موقعيت استفاده مي‌شود، كه در اين صورت تلرانس‌هاي شكل و يا هندسي انحرافات شكلي يا هندسي قطعات را معرفي مي‌كند. به دليل اينكه قطعات صنعتي را نمي‌توان بدون خطاهاي هندسي توليد كرد، به همين دليل بايد نقشه قطعات را از لحاظ شكل و موقعيت تلرانس‌گذاري نمود.

استانداردهاي بين‌المللي تلرانس‌هاي شكل شامل اصول، نشانه، علامت‌گذاري روي نقشه‌هاي صنعتي در زمينه تلرانس‌هاي شكل، جهت، موقعيت و لنگي است كه در جدول (1) نمايش داده شده است.

جدول 1: تعدادي از علائم مهم كه در علامت‌گذاري هندسي استفاده مي‌شوند

معرفي روش تحليل تغييرات ابعادي[4]

DVA تحليل رايانه‌اي سه بعدي از تغييرات اندازه‌ها و تلرانس‌هاي ابعادي و هندسي هر يك از قطعات در يك مجموعه مونتاژ شده است. اين روش مي‌تواند ميزان اهميت هر يك از اندازه‌هاي اسمي و تغييرات ابعاد در قطعات مجموعه را تشخيص دهد و تأثيرات هر يك از تلرانس‌ها را در مجموعه نهايي تخمين بزند. DVA، دلايل تغييرات را مشخص مي‌كند. شكل 2، نمونه‌اي از تطبيق مجموعه قطعات و معرفي بهترين حد تلرانس‌هاي ابعادي را براي هر قطعه، نمايش مي‌دهد.

شكل 2: تطبيق قطعات مجموعه و معرفي بهترين حد تلرانس‌هاي ابعادي

تحليل تغييرات ابعادي مجموعه‌ها توسط نرم‌افزارهاي آماري سه بعدي نظير: DCS, Emtolmate, VIS, VSA، انجام مي‌شود. براي اين كار بايد مدل قطعات، خصوصيات، تلرانس‌هاي ابعادي و هندسي مورد نياز در محيط نرم‌افزار، شبيه‌سازي شود.

نرم‌افزارهاي اجرا كننده DVA، قابليت درك اجزاء هندسي مختلف، استراتژي‌هاي موقعيت‌دهي، فرايندهاي مونتاژ و تلرانس‌هاي ابعادي و هندسي را دارا هستند. با استفاده از همين قابليت‌ها مي‌توان تغييرات مجموعه را مشخص كرد.

طراح پس از نمايش تغييرات در مجموعه بايد از ميزان تأثير هر يك از تلرانس‌ها در تغييرات مجموعه، آگاه باشد. سهم هر يك از تلرانس‌هاي ابعادي قطعات، در تغييرات كلي مجموعه به صورت درصد مشخص شده است، بنابراين طراح، علت اصلي تغييرات در مجموعه را براحتي درك مي‌كند. اين تغييرات به صورت مصور نمايش داده شده‌اند و اين روش با بررسي تمام جوانب توليد محصول و مشخصات مورد نياز مشتريان وسايل نقليه، مقدار تغييرات ابعادي در مجموعه‌هاي مونتاژي را مشخص و در بعضي از موارد اهدافي جديد را ارائه مي‌كند. طراحان با ارزيابي و انتخاب اهداف معرفي شده توسط رايانه براي اصلاح و توليد محصول اقدام مي‌كنند.

نحوه استفاده از روش DVA

براي استفاده از روش DVA به نرم‌افزارهايي خاص، نياز است. بعضي از اين نرم‌افزارها امكان مدل‌سازي قطعات را در محيط خود دارند، اما برخي ديگر با نرم‌افزارهاي مدلسازي مانند Catia همراه مي‌باشند.

از نرم‌افزارهاي رايجي كه براي استفاده از DVA عرضه شده‌اند مي‌توان به GDM-3D, DCS-DFC, 3DCS CAA V5 Bassed, 3DCS اشاره كرد. هر يك از اين نرم‌افزارها و كاربرد آنها به اختصار، معرفي مي‌شوند.

3DCS: نرم‌افزاري براي شبيه‌سازي تلرانس‌هاي قطعات و مجموعه‌هاي مونتاژي است. اين نرم‌افزار مجموعه قطعات را تحت تأثير تغييرات مدل قرار مي‌دهد، بنابراين قدرت طراحي بسيار مطلوبي را در اختيار طراح مي‌گذارد.

3DCS CAA V5 Bassed: اين نرم‌افزار براي شبيه‌سازي تلرانس‌ها بر روي قطعات و مجموعه‌هاي مونتاژي، طراحي شده است و به صورت نرم‌افزار مكمل بر روي نرم‌افزار Catia نصب مي‌شود، بنابراين امكان اجراي دستورات خاص اين نرم‌افزار، در محيط نرم‌افزار Catia وجود دارد. نياز طراحان و مهندسان در اين نرم‌افزار، مدنظر بوده و قدرت پيش‌بيني اغلب تغييرات فرايند و قطعات، لحاظ شده است. شكل 3، شبيه‌سازي بدنه خودرو با استفاده از نرم‌افزار 3DCS CAA V5 Bassed در محيط Catia نمايش مي‌دهد.

GDM-3D (مديريت داده‌هاي گرافيكي): اطلاعات حساس مدل در اين نرم‌افزار به صورت مشخص، نمايش داده مي‌شوند. داده‌ها در اين نرم‌افزار، براحتي قابل تشخيص مي‌باشند. از ديگر توانايي‌هاي اين نرم‌افزار، قابليت كنترل كامل و حساس آن بر سطح مدل‌هايي است كه به وسيله سيستم‌هاي اندازه‌گيري مانند CMM بوجود مي‌آيند.

شكل 3: استفاده از نرم‌افزارهاي 3DCS در محيط Catia

DCS-DFC (داده‌هاي جريان خط توليد): اطلاعات، در اين نرم‌افزار به صورت نمايه‌اي گرافيكي نشان داده مي‌شوند. اين نمايه، رابطه بين قطعات مونتاژي، فيكسچرهاي مونتاژ قطعات، ابزار و تجهيزات را بر روي نماي گرافيكي مدل، توضيح مي‌دهد. اين نرم‌افزار، توانايي تحليل مسيرهاي يك بعدي بر روي سيستم مختصاتي Cartesian را دارد.

مزاياي روش DVA

1. روش DVA حركتي سريع به سوي كيفيت مطلوب، در محصولات ايجاد مي‌كند.
2. مقدار كنترل ابعادي قطعات را كاهش مي‌دهد.
3. محصول در حين طراحي، آزمايش مي‌شود، بنابراين تغييرات حين توليد و در نتيجه تغيير ابزارآلات توليدي مانند قالب‌ها و فيكسچرها، كاهش مي‌يابد.
4. هزينه بازرسي قطعات با طبقه‌بندي درجه اهميت هر يك از آنها در مجموعه، كاهش مي‌يابد.
5. با مدل‌سازي ديجيتالي و آزمون‌هاي رايانه‌اي به زمان و هزينه كمتري براي طراحي محصول نياز است.
6. كيفيت مجموعه‌هاي مونتاژ شده و همچنين روند مونتاژ مجموعه‌ها بهبود مي‌يابد.
7. با تحليل ريشه‌اي هر يك از عيوب از توليدكننده پشتيباني مي‌كنند.
8. موقعيت دهنده‌ها را براي مجموعه و قطعات مشخص مي‌كند.
9. با انتخاب نقاط و خصوصيات مهمي كه بايد اندازه‌گيري شوند هزينه بازرسي را كاهش مي‌دهد.
10. براي يافتن اهداف ابعادي درست، در قطعات مجموعه‌ها به هزينه زياد براي آزمون‌هاي مختلف نياز نيست.
11. طراحان با اين روش مي‌توانند طرح نهايي خود را بدون نياز به اندازه‌هاي ثابت، ارائه كنند.
12. نرم‌افزارهاي اين روش، قابليت ارتباط با نرم‌افزارهاي مدل‌سازي رايج مانند Catia را دارند.
13. سرعت بالا براي نمايش تغييرات انجام شده بر روي قطعات و مجموعه‌ها وجود دارد.

نتيجه‌گيري

مونتاژ قطعات صرفاً به صنايع توليد خودرو محدود نيست بلكه در تمامي صنايع از جمله توليد لوازم خانگي، توليد ماشين‌آلات صنعتي، صنايع هوايي و حتي صنايع توليد رايانه نيز به مونتاژ قطعات نياز است، بنابراين استفاده از تلرانس‌ها در تمامي طرح‌ها به الزام تبديل شده است. DVA، روش مناسب و مقرون به صرفه براي تمام صنايع است. با به‌كارگيري روش «تحليل تغييرات ابعادي» توسط خودروسازان كشور، روند طراحي و توليد خودرو، سرعت كمي و كيفي بيشتري مي‌يابد و زمينه‌هاي رقابت با خودروسازان مطرح جهان، فراهم خواهد شد.

منابع

1. مشهدي تقي، براتعلي، نقشه‌كشي صنعتي، انتشارات اتحاد، 1380

2. www.gtaintl.com

3. www.biwgruop.com

[1]. Dimensional Variation Analysis

[2]. Dimensional Management

[3]. Geometric Dimensioning & Tolerancing

[4]. Dimensional Variation Analysis

مؤلف: نعيمه قدياني

انسان‌ها براي رفع نيازهاي خود، سيستم‌هاي متفاوتي را اعم از توليدي و خدماتي به وجود آورده‌اند. اين امر، مشكلات و مسائل جانبي پيش آورده است. روش‌هاي مختلفي براي رفع مسائل و عواقب ناشي از به‌كارگيري سيستم‌ها وجود دارد. آنچه در مورد همه سيستم‌ها مهم است، بحث و بررسي رفتار سيستم در مدت زمان كاركرد آن و پيش‌بيني زمان خرابي آن است. با بررسي زمان خرابي سيستم مي‌توانيم ميزان قابليت اطمينان آن را بسنجيم.

شبيه‌سازي از مهمترين ابزار تحليل عملكرد فرايندهاي پيچيده سيستم‌هاست. مدلسازي سيستم با فرايند شبيه‌سازي بر مبناي رياضيات، آمار و احتمالات است. اين مقاله، ابتدا سيستم‌ها را معرفي مي‌كند سپس به شبيه‌سازي و كاربرد آن در صنايع مي‌پردازد.

سيستم‌ها

هدف از ايجاد سيستم، اعم از توليدي يا خدماتي، كسب بهترين نتايج حاصل از آن است. براي شناخت سيستم‌هاي موجود بايد تأثير اجزاي آن بر يكديگر، قوانين و روابط حاكم بر اجزاء و ديگر خصوصيات مرتبط را شناخت. بررسي و تجزيه تحليل سيستم، مهم است و در قالب فرايند شبيه‌سازي انجام مي‌شود.

در بررسي سيستم، دو عامل داخلي و خارجي مؤثر بر آن مهم است. هر يك از اجزاي سيستم يك يا چند مشخصه اساسي دارند. در بررسي سيستم و شبيه‌سازي آن عناصري مهم هستند كه با هدف اساسي سيستم، ارتباط دارند و به عنوان مشخصه‌هاي اصلي سيستم، محسوب مي‌شوند.

دسته‌بندي سيستم‌ها

مهمترين مشخصه سيستم‌ها، ارتباط آنها با زمان است. وضعيت سيستم در هر لحظه، به چگونگي مشخصات و روابط اجزاي آن مرتبط است. تغييرات هر سيستم نسبت به زمان مي‌تواند پيوسته يا گسسته باشد. اگر تغييرات مشخصه‌اي با گذر زمان، ارتباط پيوسته‌اي داشته باشد (مانند ميزان آب آشاميدني تصفيه شده در يك تصفيه‌خانه) سيستم پيوسته و گرنه گسسته است.

شبيه‌سازي

شبيه‌سازي از روش‌هاي تجزيه و تحليل سيستم است. اولين ايده شبيه‌سازي و انگيزه اصلي آن در برنامه‌هاي فضايي، ريشه دارد. شبيه‌سازي، تعاريف زيادي دارد، اما بهترين تعريف را شانون ارائه داده است: «فرايند طراحي مدلي از سيستم واقعي و آزمايش مدل است به نحوي كه از رفتار واقعي سيستم آگاه شويم و بتوانيم زمان خرابي، مدت زمان عمر و ميزان قابليت اطمينان آن را پيش‌بيني كنيم». اين مسئله به ارزيابي سيستم و تدوين راهبردهاي مرتبط با آن كمك مي‌كند. علت شبيه‌سازي سيستم، آينده‌نگري و بررسي رفتار خرابي آن است. اگر بخواهيم بدون فرايند شبيه‌سازي، رفتار سيستم و زمان خرابي آن را پيش‌بيني كنيم بايد آزمون‌هاي مستقيمي را انجام دهيم. اين مسئله، مشكلات بسياري ايجاد مي‌كند. معايب آزمون مستقيم سيستم‌ها را مي‌توان به صورت زير خلاصه كرد:

1. يكسان‌سازي شرايط عمل براي هر بار تكرار يا اجراي آزمون
2. به دست آوردن حجم نمونه يكسان در جريان آزمون (نمونه‌هاي آماري)
3. زمانبر بودن آزمون مستقيم.
4. هزينه زياد انجام آزمون‌هاي واقعي.
5. عدم وجود مدل تحليلي براي حل مشكلات و مسائل مرتبط

سيستم براي استفاده از فرايند شبيه‌سازي بايد حداقل شرايط زير را دارا باشد:

1. تدوين كاملي از سيستم نداشته باشيم.
2. روش‌هاي تحليلي وجود داشته باشد، اما آن‌قدر پيچيده نباشند كه شبيه‌سازي با مدل رياضي تنها راه‌حل بررسي و رفتار خرابي سيستم باشد.
3. يكي از عوامل سيستم، زمان باشد. به بيان ديگر، مشاهده گذشته سيستم در دوره‌اي از زمان، امكان‌پذير باشد.
4. به دليل عدم تشابه سيستم با مورد مرتبط و مشكلات انجام آزمون، مشاهده پديده‌ها در دوره منظمي از زمان، امكان‌پذير باشد.

انواع شبيه‌سازي

شبيه‌سازي سيستم، روش‌هاي مختلفي دارد كه عبارتند از:

1. شبيه‌سازي مستقيم

سيستم، در شبيه‌سازي مستقيم، مدل اصلي است و رفتار آن با آزمون مستقيم بررسي مي شود. شبيه‌سازي مستقيم، معايب زيادي دارد كه در قسمت‌هاي پيش بيان شد.

2. شبيه‌سازي نيمه مستقيم

شبيه‌سازي نيمه مستقيم، در مورد سيستم‌هايي انجام مي‌شود كه عاملي يكسان در آنها تا پايان عمر سيستم، ثابت باقي نمي‌ماند. در اين روش، بخشي از سيستم به صورت واقعي و بخشي ديگر به صورت شبيه‌سازي شده با مدل مشابه رياضي آن بررسي مي‌شود. اين روش، در مواقع خاص استفاده مي‌شود.

3. شبيه‌سازي آزمايشگاهي

در اين روش برخي از عوامل سيستم به صورت المان‌هاي كوچك و مختصر آزمايشگاهي و برخي ديگر به صورت نماد و سمبل مرتبط، جايگزين مي‌شوند.

4. شبيه‌سازي رياضي

در شبيه‌سازي رياضي، مدلي از سيستم به صورت كامل و با لحاظ همه عوامل مؤثر بر آن به صورت تابعي آماري، شبيه‌سازي مي‌شود. روش‌هاي تحليلي، آماري و رياضيات، مطلوب‌ترين و دقيق‌ترين روش‌هاي شبيه‌سازي سيستم مي‌باشند. برخي از توابع رياضي و تحليل شبيه‌سازي سيستم‌ها براي بررسي رفتار خرابي و محاسبه ميزان قابليت اعتماد آنها، عبارتند از:

1. تابع توزيع پوآسون
2. تابع توزيع نرمال
3. تابع توزيع نمايي
4. تابع توزيع Weibull

تعيين اعتبار شبيه‌سازي

اين مرحله، مهمترين و مشكل‌ترين مرحله شبيه‌سازي است و بررسي مي‌كند كه آيا مدل ساخته شده، رفتار واقعي سيستم را شبيه‌سازي مي‌كند يا خير؟ نكته مهم در شبيه‌سازي، توجه به مفروضات اوليه‌اي است كه گاهي از ديدگاه بينندگان بعدي پنهان مي‌ماند. اگر مراحل تعيين اعتبار و ارزيابي، به دقت و كامل انجام نشود، نتايج زيان‌آوري به بار مي‌آيد. دو روش براي آزمايش رفتار مدل‌هاي شبيه‌سازي وجود دارد:

1. اگر مقادير كنترل‌شده‌اي از عوامل سيستم واقعي در اختيار باشد، رفتار مدل با مقايسه آنها بررسي مي‌شود.
2. ميزان دقت مدل را براي بررسي رفتار مدل واقعي، ارزيابي مي‌كند.

برنامه‌ريزي راهبردي و تحليل آزمون‌ها

هدف از برنامه‌ريزي راهبردي، طرح آزموني است كه نتيجه مطلوب از آن مدنظر باشد. استفاده از طرح آزمون به دو دليل است:

1. كاهش تعداد دفعات آزمون
2. كاهش هزينه‌هاي آزمون

روشي براي جمع‌آوري اطلاعات در طرح آزمون، در نظر گرفته مي‌شود. اين روش درباره پديده يا سيستم، اطلاعات و آگاهي، ايجاد مي‌كند. مدل شبيه‌سازي شده پس از برنامه‌ريزي و توسعه مدل، اجرايي مي‌شود. نقايص سيستم و برنامه‌ريزي، در اين مرحله، مشخص و تحليل حساسيت مدل، انجام مي‌شود. منظور از تحليل حساسيت، تعيين حساسيت پاسخ‌هاي نهايي سيستم نسبت به عوامل به كار رفته در آن است.

پياده‌سازي و مستندسازي

پياده و مستندسازي، آخرين عناصر مرتبط با هر پروژه شبيه‌سازي مي‌باشند. پروژه‌اي براي بررسي مدلي از سيستم و رفتار آن در طول زمان انجام نمي‌شود مگر آنكه قسمتي از آن پياده‌سازي شود. مستندسازي، رابطه نزديكي با پياده‌سازي سيستم دارد. مستندسازي، اصلاح سيستم را آسان‌تر مي‌كند و با كمك آن مي‌توان رفتار سيستم را در طول عمر آن بررسي كرد.

منبع

1. شانون، رابرت، علم و هنر شبيه‌سازي سيستم‌ها، مركز نشر دانشگاهي
2. Patrick D.T. O'Connor, Test Engineering, John Wiley & Sons, 2001.

مؤلف: نادر شرافتي- مقداد شريعت‌زاده- غلامرضا نوربخش‌زاده

ياتاقان‌ها اجزايي از خودرو هستند كه براي ايجاد محل استقرار و هدايت قطعات متحرك نظير شافت‌ها و اكسل‌ها استفاده مي‌شوند. ياتاقان‌ها از لحاظ نوع حركت به دو نوع تقسيم مي‌شوند:

1. ياتاقان‌هاي لغزشي

2. ياتاقان‌هاي غلتشي

ساچمه ياتاقان‌ها به شكل‌هاي سوزني، كروي، استوانه‌اي، مخروطي و بشكه‌اي هستند. به جز ياتاقان‌هاي ساچمه كروي كه بلبرينگ ناميده مي‌شوند، بقيه ياتاقان‌هاي غلتشي را رولبرينگ مي‌نامند.

در اين مقاله ويژگي‌هايي از ياتاقان‌هاي غلتشي بررسي مي‌شوند كه نياز به گشتاور اندك ابتدايي براي حركت و راه‌اندازي دارند. اين ياتاقان‌ها به روغنكاري كمتري نياز دارند و ياتاقان‌هاي غلتشي به علت استاندارد بودن اندازه‌ها به راحتي تعويض مي‌شوند. همچنين فضاي كمي را در امتداد محور، اشغال مي‌كنند، در نتيجه مي‌توان محور را كوتاه‌تـر كرد تا در فضاي مورد نياز صرفه‌جويي شود. اين ياتاقان‌ها حرارت زيادي توليد نمي‌كنند و راندمان خوبي دارند. همچنين اگر خراب شوند با سر و صدايي غيرعادي، بروز اشكال را اعلام مي‌كنند.

ياتاقان‌هاي غلتشي مخصوص حركت‌هاي آرام و دورهاي پايين هستند. نسبت به ضربه حساسند و ارتعاش و عمر آنها نسبت به تعداد دور، محدود است. شكل 1، اجزاي ياتاقان‌هاي غلتشي را نشان مي‌دهد. اين اجزا عبارتند از:

1. رينگ داخلي

2. رينگ خارجي

3. ساچمه

4. قفسه

شكل 1: اجزاي رولبرينگ

تماس خطي رولبرينگ‌هاي استوانه‌اي به دليل فرم تماس ساچمه‌هاي استوانه‌اي و مسير حركت آنها نيروي شعاعي بيشتري را نسبت به بلبرينگ‌ها (تماس نقطه‌اي) تحمل مي‌كنند. اين نوع رولبرينگ‌ها، تحمل بار محوري را ندارند بنابراين در جهت محوري بسيار كم، بارگذاري مي‌شوند. رولبرينگ مورد تحليل ما از نوع NU1035 است. جداول 1 و 2 اين مشخصات رولبرينگ را ارائه داده است.

جدول 1: جنس پيوسته و ساچمه‌هاي رولبرينگ NU1035

نكته: تعداد ساچمه‌ها 12 عدد است.

جدول 2: ابعاد و اندازه‌هاي رولبرينگ NU1035

مدل‌سازي

ابتدا ساچمه پاييني و رينگ محيط بر آن با كمك نرم‌افزار، مدل‌سازي مي‌شوند.

شكل 2، مدل ياتاقان را در نرم‌افزار ANSYS و شكل شماره 3 مدل ترسيم شده در نرم افزار MDT را نمايش مي‌دهد.

شكل 2: مدل ياتاقان در نرم‌افزار ANSYS

شكل 3: مدل استاندارد از نرم‌افزار مكانيكال (MDT)

در اين رولبرينگ از المان‌هاي Plane 182 و در تعيين خواص ماده از Steel 1.3501 با E=210E9 براي ساچمه‌ها و E=206E9 براي رينگ‌ها استفاده شده است.

تبديل مدل ايجاد شده به FEM

در ابتدا مدل ساخته شده در نرم‌افزار به مدل اجزاء محدود، تبديل شده است. اين مرحله از المان‌هاي مناسب در مدل، تشكيل شده است. انتخاب نوع و هندسه المان‌ها مهم است. زيرا تعداد المان‌ها به لحاظ هندسي بايد در نقاط تماسي بيشتر باشد و در محل تماس تنش‌ها قطعاً بيشتر خواهد بود. تنش با دور شدن از محل تماس به سرعت كاهش مي‌يابد. در اطراف محل تماس به المان‌هاي بيشتر نياز داريم.

بنابراين مش‌بندي به صورت دستي انجام مي‌شود. شكل 4، مدل المان محدود ساخته شده را نشان مي‌دهد.

Mesh tool>Line>set

شكل 4: مدل مش خورده

تعريف المان‌هاي تماسي

المان‌هاي تماسي پس از مش زدن با Contact Pair، تعريف مي‌شوند.

بارگذاري

وزن شفت سوار بر رولبرينگ هزار نيوتن و اين نيرو به صورت شعاعي توزيع شده است. نيرويي به ساچمه‌هاي بالايي رولبرينگ، وارد نمي‌شود. نيرو صرفاً به ساچمه‌هاي پاييني وارد مي‌شود و مقدار آن در مسائل كاربردي از فرمول زير به دست مي‌آيد.

=Z تعداد ساچمه‌ها

=W وزن شفت N

ساچمه‌ها نيروي گريز از مركزي نيز دريافت مي‌كنند كه حاصل از دوران رينگ خارجي است. اين نيرو در سرعت‌هاي بالا قابل توجه و بررسي است و مقدار آن براي ساچمه پاييني از رابطه زير به دست مي‌آيد.

نيرويي ديگر كه بر ساچمه رولربرينگ وارد مي‌شود، حاصل از جازني رولربرينگ روي شفت است. در ابتداي طراحي رولربرينگ، بين ساچمه و پوسته، لقي در نظر گرفته مي‌شود، نيروي جازني روي ساچمه‌ها پس از جازني، روي شفت اعمال نشود. بنابراين نيرويي مهم كه به ياتاقان و در نتيجه به ساچمه پاييني وارد مي‌شود همان نيروي حاصل از وزن شفت است. اين نيرو، به صورت فشار بر رينگ محيط و بر ساچمه پاييني، توزيع شده است.

قيود سينماتيكي

رينگ داخلي ثابت و رينگ خارجي با سرعت هزار دور بر دقيقه دوران مي‌كند. در بالا مقدار نيروي گريز ازمركز وارد بر ساچمه پاييني، محاسبه و از آن در مقابل نيروي حاصل از وزن شفت، صرف نظر شد. رينگ خارجي را در تحليل مسئله، ثابت فرض كرديم و رينگ داخلي را پس از تبديل مختصات به استوانه‌اي در راستاي Y(q) و رينگ خارجي را در تمام جهات مقيد كرديم.

مرحله بعد از اعمال بار و قيود، حل مسئله است.

روش STATIC براي حل مسئله، انتخاب شده است.

ANSYS Main Menu> Solution>Solve>Current LS

مشاهده نتايج FEM

مشاهده خروجي‌ها از ديگر مراحل است. شكل‌هاي 5 و6، كانتور تنش در راستاي X(R) را نشان مي‌دهد. مقدار Maximum تنش در راستاي شعاعي در حدود Mpa258 است. شكل‌هاي 7و 8 كانتور تنش ون مايسز را نشان مي‌دهند. مقدار آن در محل تماس Mpa225 است. شكل‌هاي 9 و 10، كانتور تنش برشي در راستاي XY(Rq) را نشان مي‌دهند. مقدار آن در محل تماس Mpa8/64 است. شكل‌هاي 11 و 12 كانتور تنش در راستاي Y(q)را نشان مي‌دهند.

شكل 5: كانتور تنش در راستاي شعاعي

شكل 6: كانتور تنش در راستاي شعاعي

از مشاهده شكل‌ها در مي‌يابيم كه تنش در نقاط تماسي، حداكثر است و مي‌توان آن را مانند سيالي تصور كرد كه از مجرايي بزرگ، وارد و از مجرايي كوچك خارج مي‌شود.

در نقاط مرزي، اغتشاشاتي وجود دارد، تنش در بقيه نقاط، يكنواخت است. تنش در نقاط A,B، به ماكزيمم مقدار خود مي‌رسد. نيرو در اين نقاط به نقطه‌اي در تحليل دوبعدي و به خطي در تحليل سه بعدي، وارد مي‌شود و تنش، افزايش مي‌يابد.

كانتور تنش برشي XY:

كانتور تنش ون مايسز

تحليل دستي اين مسئله بيانگر تفاوت‌هاي موجود است.

بررسي تحليل مسئله

محاسبه تنش سطحي ماكزيمم در محل تماس (تنش هرتز):

با استفاه از مراجع در مي‌يابيم كه اگر دو سطح منحني به شعاع‌هاي R₁' , R₂' و شعاع انحناي R₁, R₂ تحت نيروي P به هم فشرده شوند مطابق شكل 13 سطح تماسي بين اين دو به وجود مي‌آيد (شكل 14) مقدار s_max و t_min دراين سطح با جدول 3، به دست مي‌آيد.

با توجه به شكل 15 و روابط زير برقرار است:

چگالي خطي بار

D_i=9(mm)

D_b=3(mm)

معادله فشار

V₁₌V₂=0.33

E₁=210E9

E₂=206E9

q=411.666KN

ماكسيمم فشار

P₀=332.47 Mpa

مقايسه نتايج و ارزيابي

· از مقايسه تنش مايسز و تنش در راستاي R و تنش در راستاي Rq و تنش در راستاي q در مي‌يابيم كه مؤثرترين تنش، در راستاي R است، زيرا بارگذاري به صورت شعاعي است. براي معيار حد دوام مي‌توانيم از تنش در راستاي شعاعي استفاده و از تنش‌هاي ديگر صرف‌نظر كنيم.

· مقدار خطا در اين تحليل، 22 درصد و مقدار تنش‌ها، پايين‌تر از تنش تسليم فولاد است. پاسخ‌هاي صحيح با نرم‌افزار و حل دستي به دست آمده است.

منابع :

1. كتاب مفاهيم اسلامي در مقاومت مصالح 3 دكتر محمود موسوي مشهدي

2. HELP ANSYS

3. Analysis of Rolling Element- Wan Chan Bearings

4. SKF CATLOG

5. Search of internet

6. Advanced Mechanics of Materials- BORESI- SCHMIDT

مؤلف: كاوان هازلي

نيازمندي‌هاي اقتصادي و محيطي، كاهش وزن خودرو را از اهميت روزافزوني برخوردار كرده، است. از آلياژ آلومينيم- سيليسيم (Al-Si)، نظير (Al-7Si-, 3Mg) Al₃₅₆ و (Al-17Si-4,5cu-0,6Mg) Al­₃₉₀ به دليل نسبت استحكام به وزن بالاي آنها در توليد موتور، استفاده مي‌شود.

بدنه موتور تحت تنش‌هاي سيكلي (تناوبي)، حرارتي و مكانيكي و در حركت نسبي با ديگر اجزاي موتور قرار دارد. استحكام خستگي بالا و مقاومت خوب و مناسب در برابر سايش از خصوصيات مهم و حياتي در افزايش طول عمر بدنه موتور است. ترك‌هاي ميكروسكپي در تنش‌هاي متناوب، در نقاط تمركز تنش ايجاد مي‌شود و تا انهدام كامل قطعه در سراسر آن انتشار مي‌يابد. اگر خرابي قطعه، سريع انجام شود، فرايند خستگي به ايجاد و انتشار ترك‌هاي ميكروسكپي، بستگي دارد.

اگر تنش تناوبي در خستگي با سيكل‌هاي بالا كم باشد، بخش عمده و اعظم عمر خستگي، صرف ايجاد ترك‌هاي ميكروسكپي مي‌شود. سايش، عامل عمده خرابي بدنه موتور است. اين فرايند به دو بخش تقسيم مي‌شود.

1. وجود ذرات سخت و مواد شيميايي در مورد خنك‌كننده‌ها و سيالات براي روغن‌كاري به سايش، اصطكاك شديد و مخرب مي‌انجامد.
2. سايش مخرب از فشار و ضربه گازها و هواي گرم، ناشي مي‌شود.

با انجام روغن‌كاري، اصطكاك بين ديواره موتور و پيستون نيز مي‌تواند چسبندگي ايجاد كند. در نهايت خستگي، ميزان سايش را افزايش مي‌دهد. استحكام خستگي بالا و مقاومت سايشي بدنه موتور بايد قابليت قالب‌گيري و ماشينكاري داشته باشد، زيرا بدنه موتور، شكل پيچيده‌اي دارد. بدنه، ابتدا قالب‌گيري سپس تراشكاري و صيقل‌كاري مي‌شود.

عيوب ريخته‌گري و ريز ساختاري آلياژهاي Al-Si

فازهاي يوتكتيك و اصلي: آلياژ Al-Si داراي سيستمي يوتكتيك به همراه تركيب يوتكتيك 6/12درصد در Si است. سيليكون، ضريب انبساط حرارتي را كاهش، مقاومت در برابر سايش و خوردگي را افزايش و قابليت ريخته‌گري و ماشينكاري را بهبود مي‌دهد. (شكل 1) هنگامي كه آلياژهاي Al-Si جامد مي‌شوند، آلومينيم اوليه، به صورت شاخه‌اي[1] شكل مي‌گيرد و رشد مي‌كند. فاز سيليكون نيز به شكل ذرات درشت و ناموزون اوليه، رشد مي‌كند. وقتي دما به نقطه يوتكتيك برسد، فازهاي يوتكتيك از Al-Si، هسته‌گذاري و تا اتمام فرايند انجماد، رشد مي‌كنند. آلياژهاي هيپويوتكتيك، در دماي اتاق از يك فاز آلومينيمي و انعطاف‌پذير و يك فاز سيليكوني يوتكتيكي سخت و شكننده تشكيل شده‌اند. آلياژهاي هيپويوتكتيك غالباً از ذرات سيليكوني اوليه درست و ناموزون بهتري نسبت به فاز سيليكون بوتكتيك برخوردارند.

رسوب‌هاي بين فلزي: آلياژ Al-Si معمولاً داراي عناصر هم‌زيست نظير:‌مس، منگنز، منيزيم، روي و آهن مي‌باشد. ميزان حلال بودن عناصري نظير آلومينيم با افزايش دما افزايش مي‌يابد. ميزان حلال بودن اين عناصر از چگالي زياد در دماي بالا به چگالي كم در طول فرايند انجماد، كاهش مي‌يابد و فازهاي بين فلزي ثانويه، شكل مي‌گيرند. براي مثال، رسوب سيليسيم، منگنز و آهن، فاز (AL₁₂(FeMn)3) را تشكيل مي‌دهد فازهاي بين فلزي گوناگون در آلياژهاي آلومينيم ايجاد مي‌شوند، زيرا فلز Al، خصوصيت الكترونگاتيو و ظرفيت بالا دارد.

عيوب ريخته‌گري: آلياژهاي Al-Si كه ريخته‌گري مي‌شوند، معمولاً داراي عيوب ريخته‌گري نظير تخلخل و ناخالصي‌ها هستند. قابليت ماشينكاري قطعاتي كه از آن ساخته مي‌شوند نيز كاهش مي‌يابد. تخلخل، معمول‌ترين عيب موجود در ريخته‌گري Al-Si است. حفره[2] نمي‌تواند در برابر فشار خارجي مقاومت كند، حفره‌ها نوعي مراكز تمركز تنش هستند كه به پيدايش و رشد ريز ترك‌ها مي‌انجامند. خلل و فرج‌‌هاي ميكروسكپي به دليل حل نشدن گازهاي حل نشدني ايجاد مي‌شوند و از ذوب و نقص در تغذيه بين دندريتي، ناشي مي‌شود. قابليت انحلال هيدروژن در مذاب Al-Si با افزايش دما، افزايش مي‌يابد. هنگامي كه آلياژ مذاب Al-Si، جامد مي‌شود. اتم‌هاي هيدروژن از مذاب، جدا و هيدروژن مولكولي، تشكيل مي‌شود.

اگر آلياژ، سريع‌تر از زمان خروج مولكول‌هاي هيدروژن مذاب، جامد ‌شود، خطر حبس شدن گاز در درون آلياژ جامد، وجود دارد.

تعداد زيادي ساختار دندريتي نيز در طول فرايند انجماد، در آلياژ Al-Si تشكيل مي‌شود. اين شاخه‌ها در مذاب، فضا اشغال مي‌كنند و ميزان سيال بودن مذاب را كاهش مي‌دهند. بنابراين فرورفتگي و فضا در مذاب و در بين شاخه‌ها، پر مي‌شود و پس از جامد شدن مذاب، خلل خروج و سوراخ‌هاي ميكروسكپي در طول شاخه‌ها تشكيل مي‌شود. عناصر آلياژي با چند مكانيزم بر تشكيل تخلخل، تأثير مي‌گذارند. عنصر آلياژي مي‌تواند دامنه انجماد آلياژ Al-Si و به دنبال آن، ميزان تخلخل را تغيير دهد.

اگر دامنه انجماد، كم شود، مناطق خميري در ماده جامد شونده و ميزان تخلخل، كاهش مي‌يابد.

عناصر آلياژي، ساختار شاخه‌اي بين فلزي[3] را در طول فرايند انجماد، تشكيل مي‌دهد و به دنبال آن خلل و فرج در راستاي اين شاخه‌ها ايجاد مي‌شود.

ميكروساختار آلياژ (Al-9%Si-3%Cu) نشان مي‌دهد كه سوراخ‌ها و حفرات در اطراف سوزن‌هاي Al₅AlSi، تجمع مي‌كنند. عناصر آلياژي، فازي با نقطه ذوب پايين تشكيل مي‌دهند و در طول فرايند انجماد نمي‌توانند بين شاخه‌ها قرار گيرند و فضاي بين آنها را پر كنند. مطالعه آلياژ Al-Mg-Si كه به وسيله Sr اصلاح شده است، نشان مي‌دهد كه افزايش 2درصدي مس موجب 7 برابر شدن تخلخل‌هاي ميكروسكپي مي‌شود. اين مكانيزم به اين صورت است كه مس، تعدادي فاز بين دندريتي غني شده از مس تشكيل مي‌دهد كه در دماي پايين‌تري منجمد مي‌شوند و به طور كامل پر نمي‌شوند. شكل 2، ارتباط بين توده‌هاي تخلخل و مقدار مس را نشان مي‌دهد. عنصر آلياژي، فازهايي با نقطه ذوب بالا در مذاب، ايجاد مي‌كند كه ميزان روان روي مذاب را كاهش مي‌دهد و به تشكيل تخلخل كمك مي‌كند. عناصر آلياژي نظير: سديم، فسفر، تيتانيم، بور و شكل فاز سيليسيم با ذرات تصفيه‌كننده دانه نيز فرايند تشكيل تخلخل تأثير مي‌گذارند. افزايش ريزكننده‌هاي دانه، ميزان جوانه‌زني را افزايش و اندازه دانه‌ها را كاهش مي‌دهد. عمل پالايش دانه‌اي، اندازه حجم حفرات را كاهش مي‌دهد و توزيع آنها را يكنواخت مي‌كند. تصفيه يا اصلاح سيليكون بر تشكيل تخلخل، تأثير مي‌گذارد. در آلياژهاي هايپريوتكتيك، فسفر براي تشكيل ذرات ALP به عنوان مكان تجمع ذرات سيليكون اوليه اضافه مي‌شود. افزودن فسفر درصد خلل و فرج را به ميزان قابل توجهي كاهش مي‌دهد.

اصلاح يا تغيير در آلياژ Al-Si، ذرات فاز يوتكتيك را تصفيه مي‌كند و خصوصيات ماشينكاري آلياژ ريختگي را بهبود مي‌بخشد، اما ميزان تخلخل نيز افزايش مي‌يابد. اين تغييرات به ايجاد مكانيزم‌هاي احتمالي متعدد مي‌انجامد. ماده اصلاح كننده، ظرفيت يا ميزان ناخالصي را در مذاب افزايش، ميزان حلال بودن هيدروژن را در فلز جامد، كاهش و ميزان انقباض حجمي را افزايش مي‌دهد. عمليات اصلاح، در مقايسه با اثر كم يا چگالي كم هيدروژن در مذاب، تأثيري كمتر بر تشكيل تخلخل دارد.

احاطه شدن با ذرات غيرفلزي (ناخالصي‌هاي غيرفلزي)، عيب ديگري در ريخته‌گري آلياژهاي Al-Si است. اكسيدها و سيليكات ها معمولاً در طول فرايند ذوب يا تغذيه، ايجاد مي‌شوند. ناخالصي‌ها بر هم كنش ضعيفي دارند و خوشه‌اي[4] را تشكيل مي‌دهند. آنها معمولاً در فضاي بر هم كنش خود داراي اتصال نيستند و ترك‌ها در فضاي برهم كنش بين آنها يا بين زمينه و ناخالصي، به راحتي ايجاد مي‌شوند. مقاومت سايشي و خستگي با ايجاد ترك‌هاي ميكروسكپي، كاهش مي‌يابند.

تأثير عيوب ريختگي و ريزساختاري بر خصوصيات مكانيكي آلياژ Al-Si

الف- تأثيرات ريزساختارهاي اوليه و يوتكتيك

فرسايش در آلياژ Al-Si با شكل‌گيري و پراكندگي ترك‌هاي ميكروسكپي در سراسر فاز سيليكون يا در زمينه آلومينيمي، ايجاد مي‌شوند. سيليكون، ساختاري سخت و شكننده دارد و به راحتي ترك بر مي‌دارد. گاهي نيز اتصال يا جدا شدن سيليكون از فاز زمينه آلومينيم، رخ مي‌دهد. ترك‌هاي ميكروسكپي معمولاً از اين مكان شروع و سپس پراكنده مي‌شوند. خصوصيات ميكروسكپي ساختاري بر ايجاد و رشد ترك‌هاي خستگي تأثير مي‌گذارند. اين عناصر عبارتند از: [5]DAS يا فضاي اشغال شده توسط بازوهاي دندريت، اندازه و پراكندگي ذرات سيليكون، مقاومت در برابر شكستگي پيوند در سيليكون و ميزان قدرت بر هم كنش بين سيليكون و زمينه آلومينيمي. تأثير اندازه سلول دندريتي و DAS بر مسير شكست در وقت‌هاي كششي آلياژ (Al356/357) Al ، مطالعه و بررسي شده است. مرزهاي سلولي در نمونه‌هاي DAS و سلول‌هاي دندريتي بزرگ با تراكم بالاي سيليكون، تعيين شده است. ذرات سيليكون در نمونه‌هاي DAS و سلول‌هاي كوچك، در مرزهاي بين سلولي دورتر است، اما بيشتر آنها بر روي مرزهاي دانه قرار دارند. مسير شكست در نمونه‌هايي از DAS بزرگ، در طول مرزهاي سلولي قرار دارند كه تراكم بالاي ذرات سيليكون شكسته شده[6] در آنجا موجود است.

مسير شكست در نمونه‌هاي داراي DAS كوچك، در طول مرز دانه‌ها مي‌باشد و ذرات سيليكون شكسته شده و ترك خورده نيز مشهود است.

اثر اندازه و شكل ذرات سيليكون يوتكتيك بر رفتار رشد ترك‌هاي خستگي در آلياژ Al-Si-Mg در شرايط فشار ثابت، مطالعه و بررسي شده است. تصفيه[7] ذرات سيليكون يوتكتيك، مقاومت در برابر رشد ترك‌هاي خستگي را بهبود مي‌بخشد. (شكل 3)

ايجاد و رشد ترك‌ها در فضاي بدون تقويت كننده زمينه نيز رخ مي‌دهد. باندهاي لغزشي نابجايي‌ها در زمينه نيز توليد كننده ترك‌هاي ميكروسكپي است. زمينه (ماتريس)، فضاهاي بدون تقويت كننده نيز دارد و در آن هيچ استحكامي نظير ذرات سيليكون يا رسوب‌هاي بين فلزي وجود ندارد. اين فضاهاي تقويت نشده، نسبتاً نرم است و لغزش تحت فشار خارجي نيز مي‌تواند به راحتي ايجاد شود.

اگر دگرگوني يا تغيير شكل خستگي به ميزان بيشتر و يكنواخت‌تري پراكنده شده باشد، رفتار خستگي آلياژ Al-Si بهبود مي‌يابد و از كرنش موضعي پيشگيري مي‌شود. اگر تعداد ذرات زمينه در آلياژ استفاده شوند، ذرات فلزي، پخش مي‌شوند و توليد ترك خستگي به تأخير مي‌افتد. به دنبال آن استحكام خستگي ماده نيز افزايش مي‌يابد. هنگامي كه رفتار خستگي آلياژهاي Al-Zn-Mg-Cu با درجه خلوص تجاري (7075) و درجه خلوص بالا (7075-X) مقايسه شوند، درمي‌يابيم كه آلياژ درجه خلوص تجاري داراي حد خستگي بالاتر است. (شكل 4)

آلياژ درجه خلوص تجاري، داراي مقداري منيزيم و كروم است و در آلياژ، مقداري رسوب Al₂Mg₂Cr توليد مي‌كند. اگر مقداري ترك از قبل وجود داشته باشد، رسوب‌هاي فاز ثانويه، فرايند خستگي را سرعت مي‌بخشند. گسستن پيوند بين زمينه ذره يا شكستن فاز ثانويه، گسترش يا انتشار ترك‌هاي خستگي را تسريع مي‌كنند. سختي سطحي نيز بر رفتار خستگي تأثير مي‌گذارد. سطح سخت، ارتقاي حد خستگي را كه از اصلاح ميكروساختار دروني ناشي مي‌شود، توازن مي‌بخشد.

مكانيزم عمده‌اي كه موجب سايش آلياژ سيليكون- آلومينيم مي‌شود لايه لايه بودن يا تورق ماده سطحي است. شكستن ذرات سيليكون يا برهم كنش‌هاي بين زمينه و سيليكون، ريز ترك‌ها را ايجاد مي‌كند. اين ريز ترك‌ها در طول قسمت‌هاي زير سطح تا زمان رسيدن به سطح، پراكنده مي‌شوند. اگر هيچ محافظتي از جانب فاز سخت ثانويه وجود نداشته باشد مواد سائيده خارجي مي‌توانند با تغيير شكل برگشت ناپذير موضعي (تغيير شكل پلاستيك)، زمينه نرم آلومينيم را تخريب كنند. مقاومت سايش در فشار يا بار نسبتاً پايين، تحت تأثير مقدار سيليكون قرار نمي‌گيرند، اما افزودن سيليكون در آلياژ Al-Si، به هنگام افزايش فشار، مقاومت سايشي را افزايش مي‌دهد. (شكل 5)

با افزايش محتوا يا مقدار سيليكون، فشارهاي متغير در آلياژ Al-Si از سايش كم به سايش متوسط و از سايش متوسط به سايش شديد افزايش مي‌يابد. هر دو آلياژهاي هايپريوتكتيك و هيپويوتكتيك، به عنوان ماده Tribological براي موتور استفاده مي‌شوند. آلياژ هايپريوتكتيك Al-Si به دليل دارا بودن مقاومت به خستگي بالاتر كه از وجود مقدار بيشتر فاز سيليكون ناشي مي‌شود. در توليد بدنه موتور كه فاقد Sileder Line باشد، استفاده مي‌شود.

مكانيزم كلي موجب افزايش مقاومت به سايش در آلياژ Al-Si مي‌شود. سيليكون، سختي كلي آلياژ را افزايش مي‌دهد و به دنبال آن آلياژ، در برابر سايش مقاومت مي‌كند. اين امر، همواره به اين معني نيست كه هر چه مقدار سيليكون در آلياژ بيشتر باشد مقاومت سايش بيشتري در آلياژ، ايجاد مي‌شود.

به دليل تردي و شكنندگي سيليكون، ايجاد فشار آن را مي‌شكند و به دنبال آن سايش كلي آلياژ، افزايش مي‌يابد. اين مسئله زماني محقق مي‌شود كه فاز سيليكون، ساختاري خشن داشته باشد. مقدار مكانيزم سيليكون در آلياژ Al-Si به شرايط استعمال ماده يا قطعه و ساختار سيليكون بستگي دارد.

ب- تأثيرات عيوب ريخته‌گري و بين فلزي

فاز بين فلزي، تأثيري زياد بر خستگي و فرسودگي آلياژهاي Al-Si دارد. فازهاي ثانويه، معمولاً نسبت به فاز زمينه، سخت‌تر هستند. اگر فازهاي ثانويه پراكنده باشند، مانع لغزش نابجايي‌ها يا رشد ترك‌هاي ميكروسكپي مي‌شوند و بار خارجي را تحمل مي‌كنند، بنابراين حد خستگي و مقاومت به فرسايش افزايش مي‌يابد، اما اگر آنها خشن و زبر باشند، به آساني مي‌شكنند و ترك‌هاي ريز را تشكيل مي‌دهند كه باعث كاهش خستگي (حد خستگي) و سخت فرسايي مي‌شود. شكل فاز ثانويه بر خواص زمينه، اثر مي‌گذارد. معمولاً فاز ثانويه نوك‌دار (تيز) باعث تمركز تنش و تشكيل ترك‌هاي ريز مي‌شود. براي مثال، تركيبات بين فلزي آهن- آلومينيم (Al-Fe) در آلياژهاي Al-Si به گونه‌هاي مختلف ظاهر مي‌شوند.

منظور از تركيبات بين فلزي Al-Fe، آلياژهاي آهن‌رباي آلفر[8] است. آلياژ بدون كربن، داراي 12درصد AL و بقيه آن آهن خواص كشساني مغناطيسي آن در ترانسفورماتورها به كار مي‌رود.

منحصرترين تركيبات بين فلزي سوزني شكل، B- Al₅FeSi است. اين فاز، تردي زمينه را مي‌برد و تمركز تنش، ايجاد مي‌كند، بنابراين ميزان زيادي از خواص مكانيكي آلياژ Al-Si، كاهش مي‌يابد.

اندازه و شكل عيوب ريخته‌گري، عوامل مهمي هستند كه بر خواص ماده تأثير مي‌گذارند. عيوب بزرگ و نوك‌تيز، خواص ماده را بد مي‌كنند. توزيع عيوب، عاملي ديگر است كه اثرات آن را تعيين مي‌كند. مقاومت به خستگي، تابعي از ريزساختار موضعي در ريخته‌گري است. براي مثال، ناهمگني ريزساختاري در آلومينيم A356 ريخته‌گري شده در قالب‌هاي ثابت و تأثير آن بر خستگي، به محل ريخته‌گري بستگي دارد. مقاومت بر خستگي موضعي به ميزان زيادي در نمونه‌هايي كاهش مي‌يابد كه از خارج قسمت سرريز به سمت مركز راهگاه برداشته شده‌اند. اولي شامل انجماد فلز اول و دومي شامل انجماد فلزدوم است. مقدار يوتكتيك Al-Si و دانسيته ريزمك‌ها در امتداد مسير انجماد، كاهش مي‌يابد، بنابراين ريز ترك‌ها در مكان‌هايي ايجاد مي شوند و رشد مي‌كنند كه داراي كسر بيشتري از عيوب يا ميزان يوتكتيك بالاتر Al-Si هستند. تحقيقات نشان مي‌دهد كه عيوب سطحي، (به عنوان نقطه آغاز ترك‌ها) باعث كاهش زيادي در مقاومت به خستگي آلياژها مي‌شوند. رفتار خستگي آلياژ خام ريخته‌گري Al-7Si-Mg، بررسي شده است. استحكام خستگي نمونه پوليش خورده كه عيوب ريختگي كمتري دارد، بسيار بيشتر از نمونه خام است. (شكل 6) توزيع معيوب بر حسب انجماد در ريخته‌گري تغييرمي‌كند. ريخته‌گري محل عيوب را تعيين مي‌كند تا آنجا كه مقاومت به خستگي مواد در اثر عيوب، كاهش كمتري مي‌يابد.

فرسايش، فرايندي سطحي است. عيوب سطحي بسيار زيان‌آورتر از عيوب واقع در مركز ماده براي سخت فرسايي است.

روش‌هايي براي بهبود خواص آلياژ Al-Si

الف- آلياژسازي: بعضي از عناصر، جدا از مقدار كمي عنصر وارد شده (هم‌زيست)، به مقدار مشخصي به مذاب Al-Si اضافه مي‌شوند تا حساسيت آلياژ را به عمليات حرارتي و ريزساختار تغيير دهند. آلياژسازي به روش تأثيرگذاري براي بهبود خواص مكانيكي آلياژ Al-Si تبديل شده است.

عناصر آلياژساز، كه اغلب در آلياژ Al-Si به كار مي‌روند شامل آهن، منيزيم، مس، منگنز، نيكل، روي، سرب و فسفر مي‌باشند. آهن، فاز سيليكون را به وسيله فاز Al-Si-Fe تعديل و از چسبيدن در ريخته‌گري تحت فشار پيشگيري مي‌كند. منيزيم با رسوب دادن Mg₂Si نرم در زمينه، ماده را تقويت مي‌كند. مس نيز مي‌تواند آلياژ را با رسوب دادن AlCu₂ يا اصلاح فاز شكننده Al-Si-Fe، تقويت كند. مس نيز مقاومت به خوردگي آلياژهاي Al-Si را بهبود مي‌بخشد.

منگنز، Al-Fe-Si را تعديل مي‌كند و خواص انقباضي و شكل‌پذيري آلياژ را بهبود مي‌بخشد. نيكل مي‌تواند سختي و استحكام آلياژ Al-Si را در دماي بالا و تركيب با مس، افزايش دهد. روي، عمليات حرارتي را بهبود مي‌بخشد و انقباض، ايجاد مي‌كند. سرب نيز خواص ماشينكاري را افزايش مي‌دهد.

فسفر در آلياژ هايپريوتكتيك باعث تصفيه فاز سيليسيم اوليه مي‌شود تشكيل رسوب‌هاي فاز ثانويه، غلبه بر تخلخل، بهبود دانه و اصلاح فازي، ناشي از تأثيرات عناصر آلياژساز بر خواص آلياژ Al-Si هستند.

آلياژ 3HA، نمونه خوبي از آلياژسازي است و داراي تركيب:

Al-14%Si-2%Cu-0.5%Mg-0.5%Mn-5S%Zr مقدار 5/0درصد و استرونتيم به عنوان عنصر بهساز (تعديل كننده) مي‌باشد.

بهسازها: موادي هستند كه در متالورژي و در ذوب آلياژها براي تغيير ساختار ظاهري فازي ثانويه به آلياژ اضافه مي‌شوند و اغلب با تشكيل فاز ثانويه غيرفلزي همراه هستند. نظير: سديم و استرونتيم در آلياژهاي Al-Si.

اين آلياژ، تركيب خوبي براي ماشينكاري، استحكام خوب در دماي بالا، سخت فرسايي (مقاومت به سايش)، مقاومت به خوردگي و سيال بودن دارد و به گزينه‌اي مناسب در ميان آلياژهاي Al-Si تبديل شده است از اين آلياژ براي ساخت پوسته‌هاي موتور بدون پوشش استفاده مي‌شود.

منبع:

1. Journal of materials Engineering and Performance, Vol 12(3), 2003.
2. Non ferrous alloys and pure metals,Metals Hndbook Ninth edition

[1]. Dendritic

[2]. Pore

[3]. Inter metallic dendritic

[4]. Cluster

[5]. Dendrite arm Spacing

[6]. Cracked Sillcon

[7]. Refining

[8]. Alfer magnet alloys