satelo
عضو جدید
مبانی سیستم های راهگاهی
اصل بقاء انرژی : قانون برنولی ( Bernoulli,s equation )
در یک سیستم بسته جمع جبری انرژی همواره مقدار ثابتی می باشد . درون این سیستم بسته امکان تبدیل صورت های مختلف انرژی به یکدیگر وجود دارد در حالی که جمع جبری انرژی های موجود در سیستم ثابت می ماند .
هر مایع در حال جریان درون یک سیستم بسته دارای سه نوع انرژی می باشد :
الف ) انرژی پتانسیل :
عبارت است از انرژی واحد وزنی از مایع که در ارتفاع h از صفحه مبنا قرار گرفته است .
Ep = h
ب ) انرژی فشاری
انرژی حاصل از فشاری است که بر واحد وزن مایع اعمال می گردد .
Epr = p/γ
که در آن گاما وزن مخصوص و ح فشار می باشد .
ج ) انرژی تحرکی
توسط عزم حرکتی واحد وزن مایع متحرکی که با سرعت v در حال جریان است بیان می گردد .
Ek = v2/2g
جریان آرام و اغتشاشی مایع ( Laminar and turbulent flow )
جریان هر مایعی درون یک کانال می تواند به دو صورت آرام یا اغتشاشی انجام گیرد . حرکت مایع بصورت آرام هنگامی است که سرعت جریان آن در یک کانال از دیواره کانال تا مرکز آن به تدریج افزایش یابد .
از نظر تئوری بر اساس این تعریف سرعت جریان مذاب در دیواره راهگاهها را می توان صفر در نظر گرفت و در مرکز سطح مقطع سرعت در حداکثر مقدار خود می باشد .
سرعت پرشدن قالب از مذاب و طراحی تنگه ( Choke )
به کمک بعضی از قوانین فیزیکی ذکر شده می توان سرعت پر شدن قالب از مذاب را محاسبه کرد . برای انجام این منظور لازم است سطح مقطع آن قسمتی از راهگاهها را که کمترین حجم مذاب در واحد زمان را می تواند از خود عبور دهد بدست آوریم . این سطح مقطع اصطلاحا تنگه نامیده شده و با Ac نشان داده می شود .
در اکثر موارد تنگه در نزدیکی سطح جدایش قالب تعبیه می گردد . شکل زیر یک سیستم راهگاهی را نشان می دهد که تنگه در محل تماس راهگاه اصلی ( R ) و راهگاه فرعی ( G ) احداث گردیده است .
H ارتفاع مذاب از سطح بالای حوضچه تا خط جدایش و S راهگاه بارریز و L ارتفاع تا بالای محفظه قالب و X ارتفاع مذاب پرشده در بالای قالب از سطح جدایش می باشد که متغیر است .
شیب دادن راهگاه بارریز( The tapering of the sprue )
راهگاه بارریز یک کانال عمودی است که مذاب را از حوضچه به داخل راهگاه اصلی هدایت می کند . در شروع ریختن مذاب سرعت جریان آزاد مذاب در راهگاه بارریز به همراه افزایش فاصله آن از سطح حوضچه افزایش می یابد .
به هر حال در صورتی که راهگاه بارریز به جای مخروط ناقص به صورت استوانه ای باشد ایجاد فضای خالی در طول راهگاه بارریز تنها در مراحل اولیه ریختن مذاب به داخل قالب می باشد . علت این امر آن است که به علت وجود تنگه در سیستم راهگاهی مذاب ریخته شده در قالب بلافاصله باعث پر کردن کامل راهگاه بارریز می گردد به همین دلیل در سیستم راهگاهی صحیح طراحی شده برای چدن ریزی در موارد بسیار ی از راهگاه های بارریز بدون شیب استفاده می گردد .
فشار و سرعت در راهگاه های فرعی
بطور کلی دو نوع سیستم راهگاهی از نظر فشار روی مذاب و سرعت جریان مذاب وجود دارد که عبارتند از : سیستم فشاری و غیر فشاری
ویژگی سیستم فشاری آن است که سرعت سیلان مذاب در راهگاه فرعی و بر مبنای کل ارتفاع فرواستاتیکی مذاب در قالب تعیین می شود در حالی که سیستم غیر فشاری عامل تعیین کننده این سرعت ارتفاع مذاب در راهگاههای فرعی می باشد که کاملا از مذاب پر نباشد و از طرف دیگر سیستم راهگاهی را هنگامی فشاری گویند که کنترل میزان مذاب ورودی به محفظه قالب توسط سطح مقطع بین راهگاه اصلی و همه راهگاههای فرعی انجام گیرد در این سیستم مجموع سطوح مقاطع راهگاه های فرعی کمتر از سطح مقطع راهگاه بارریز می باشد .
در سیستم غیر فشاری کنترل میزان مذاب ورودی به محفظه قالب توسط سطح مقطع تحتانی راهگاه بارریز و قسمتی از راهگاه اصلی که در مجاورت راهگاه بارریز قرار دارد انجام می گیرد . در این سیستم مجموع سطوح مقاطع راهگاههای فرعی از سطح مقطع راهگاه بارریز بیشتر بوده و در نتیجه فشار مذاب در راهگاه بارریز گرفته می شود .
محاسبات سیستم راهگاهی
طراحی و محاسبات سیستم راهگاهی بدون آشنائی به مبانی فیزیک و متالوژی چنانچه غیرممکن نباشد حداقل بیسار مشکل است .
در روش قالب گیری ماشینی مواردی دیده می شود که برای پرهیز از مخارج زیاد تهیه تعدادی مدل مشابه قطعات با اشکال مختلف را روی یک صفحه مدل قرار می دهند این عمل توصیه نمی گردد زیرا تنوع قطعات ریختگی در یک قالب طراحی سیستم راهگاهی و تغذیه گذاری قطعات را با مشکلات زیادی روبرو می سازد .
بهترین طرح ساده ترین طرح است لذا بهتر است تا حد امکان از قطعات مشابه در یک قالب استفاده گردد.
علاوه بر مطالب فوق توجه به نکات زیر در طراحی موفقیت آمیز راهگاه و تغذیه قطعات ریخته گری چدنی لازم است :
1- از حداکثر فضای قالب به منظور استفاده از حداکثر بهره دهی قطعات استفاده کنیم ضمن آنکه جالی خالی مناسب برای راهگاهها و تغذیه ها باقی بگذاریم .
2- به مرغوبیت مذاب و کیفیت قالب توجه داشته باشیم .
3- سطح جدایش قطعه ریختگی را به گونه ای انتخاب کنیم که نیاز به ماهیچه گذاری را به حداقل رساند .
4- تمام قطعات یا اکثر آن ها در درجه بالائی قرار گیرند تا پرشدن آن ها از مذاب به آرامی انجام شود .
5- به منظور استفاده از حداکثر بهره دهی تغذیه ها بهتر است از یک تغذیه برای دو یا چند قطعه ریختگی استفاده گردد .
وظیفه اصلی یک سیستم راهگاهی آن است که مذابی تمیز و عاری از شلاکه و ناخالصی ها را به محفظه قالب منتقل کند به این منظور سه نکته زیر باید رعایت شوند :
1- ایجاد ارتباط مذاب موجود در محفظه قالب با فضای خارج
2- گرفتن شلاکه و ناخالصی ها
3- ایجاد شرائطی که گاز ها و هوای موجود در قالب را بتوان به فضای خارج منتقل کرد
سیستم فشاری ( Pressurized gating system )
در این سیستم مجموع سطوح مقاطع راهگاههای فرعی کمتر از سطح مقطع راهگاه بارریز است زیرا در چنین حالتی همواره فشاری در پشت مذاب در حال جریان موجود خواهد بود . در این سیستم راهگاهها بلافاصله از مذاب پر شده و فشار پشت فلز موجب می شود که مذاب در راهگاهها پس زده نشود و در هنگام استفاده از چند راهگاه فرعی با سطوح مقاطع یکسان مقدار جریان مذاب در تمام آن ها برابر است ولی در سیستم غیر فشاری تمایل خروج مذاب از دورترین راهگاه فرعی نسبت به راهگاه بارریز بیشتر می باشد .
در هر حال از آنجائی که سرعت جریان مذاب در سیستم های فشاری زیادتر است لذا بروز بعضی معایب در قطعات ریختگی متحمل خواهد بود برای مثال در گوشه هایی که دارای قوس تندی هستند حرکت مذاب اغتشاشی بوده و بنابراین جذب گاز در مذاب و درنتیجه ظهور اکسید ها و ناخالصی ها و شسته شدن دیواره های قالب می توانند رخ دهند .
سیستم غیر فشاری ( Non – pressurized gating system )
در این سیستم مجموع سطوح مقاطع راهگاه های فرعی از سطح مقطع راهگاه بارریز بیشتر بوده و در نتیجه فشار مذاب در راهگاه بارریز گرفته شده و مذاب به آرامی وارد محفظه قالب می گردد که در این سیستم از آن جایی که مذاب در این سیستم به آرامی وارد محفظه قالب می شود لذا جهش فلز به داخل محفظه قالب و حرکت اغتشاشی در آن وجود ندارد و با توجه به این واقعیت که در پشت مذاب فشار چندانی وجود ندارد لذا باید سعی کرد تا سیستم راهگاهی همواره از مذاب پر نگهداشته شود و امکان واردکردن یکنواخت مذاب به محفظه قالب از طریق راهگاههای فرعی مشکل است .
حوضچه بارریزی ( Pouring cup or basin )
گشاد کردن قسمت بالای راهگاه بارریز یا ایجاد حوضچه عمل ریختن مذاب را تسهیل می کند . عدم استفاده از حوضچه امکان ورود شلاکه به داخل راهگاه بارریز را زیاد می کند و هرچقدر حوضچه بزرگتر در نظر گرفته شود این امکان تقلیل می یابد . آن قسمتی از حوضچه که در امتداد لوچه پاتیل قرار دارد باید به اندازه کافی طویل در نظر گرفته شود . حوضچه هایی که کف آن ها پایین تر از سطح بالایی راهگاه بارریز قرار دارد وظیفه گرفتن فشار مذاب ورودی را نیز بر عهده داشته و موجب می شوند تا مذاب به آرامی وارد راهگاه بارریز گردد بدترین شکل برای حوضچه حالت قیفی و بهترین شکل برای آن نوع نشان داده شده در شکل می باشد .
در ریختن قطعات بزرگ استفاده از تله در حوضچه ها برای جلوگیری از ورود شلاکه به راهگاه متداول است از آنجائی که این روش جریان مذاب به داخل راهگاه بارریز را به صورت اغتشاشی در می آورد لذا غیرمفید تشخیص داده شده است .
قرار دادن مانعی روی قسمت بالای راهگاه بارریز به منظور پر کردن اولیه حوضچه از مذاب هم به دلیل مشابه مضر است . قطر یا عرض حوضچه باید حداقل دو برابر قطر جریان مذابی که از پاتیل به داخل آن ریخته می شود در نظر گرفته شود . عمق حوضچه نیز باید به صورتی باشد که در هنگام ریختن مذاب به داخل آن هیچگونه پاشیدگی مذاب صورت نگیرد . در شکل زیر ابعاد یک نوع حوضچه مناسب که بیشتر در ریخته گری انواع چدن با گرافیت کروی مورد مصرف دارد نشان داده شده است .
اصل بقاء انرژی : قانون برنولی ( Bernoulli,s equation )
در یک سیستم بسته جمع جبری انرژی همواره مقدار ثابتی می باشد . درون این سیستم بسته امکان تبدیل صورت های مختلف انرژی به یکدیگر وجود دارد در حالی که جمع جبری انرژی های موجود در سیستم ثابت می ماند .
هر مایع در حال جریان درون یک سیستم بسته دارای سه نوع انرژی می باشد :
الف ) انرژی پتانسیل :
عبارت است از انرژی واحد وزنی از مایع که در ارتفاع h از صفحه مبنا قرار گرفته است .
Ep = h
ب ) انرژی فشاری
انرژی حاصل از فشاری است که بر واحد وزن مایع اعمال می گردد .
Epr = p/γ
که در آن گاما وزن مخصوص و ح فشار می باشد .
ج ) انرژی تحرکی
توسط عزم حرکتی واحد وزن مایع متحرکی که با سرعت v در حال جریان است بیان می گردد .
Ek = v2/2g
جریان آرام و اغتشاشی مایع ( Laminar and turbulent flow )
جریان هر مایعی درون یک کانال می تواند به دو صورت آرام یا اغتشاشی انجام گیرد . حرکت مایع بصورت آرام هنگامی است که سرعت جریان آن در یک کانال از دیواره کانال تا مرکز آن به تدریج افزایش یابد .
از نظر تئوری بر اساس این تعریف سرعت جریان مذاب در دیواره راهگاهها را می توان صفر در نظر گرفت و در مرکز سطح مقطع سرعت در حداکثر مقدار خود می باشد .
سرعت پرشدن قالب از مذاب و طراحی تنگه ( Choke )
به کمک بعضی از قوانین فیزیکی ذکر شده می توان سرعت پر شدن قالب از مذاب را محاسبه کرد . برای انجام این منظور لازم است سطح مقطع آن قسمتی از راهگاهها را که کمترین حجم مذاب در واحد زمان را می تواند از خود عبور دهد بدست آوریم . این سطح مقطع اصطلاحا تنگه نامیده شده و با Ac نشان داده می شود .
در اکثر موارد تنگه در نزدیکی سطح جدایش قالب تعبیه می گردد . شکل زیر یک سیستم راهگاهی را نشان می دهد که تنگه در محل تماس راهگاه اصلی ( R ) و راهگاه فرعی ( G ) احداث گردیده است .
H ارتفاع مذاب از سطح بالای حوضچه تا خط جدایش و S راهگاه بارریز و L ارتفاع تا بالای محفظه قالب و X ارتفاع مذاب پرشده در بالای قالب از سطح جدایش می باشد که متغیر است .
شیب دادن راهگاه بارریز( The tapering of the sprue )
راهگاه بارریز یک کانال عمودی است که مذاب را از حوضچه به داخل راهگاه اصلی هدایت می کند . در شروع ریختن مذاب سرعت جریان آزاد مذاب در راهگاه بارریز به همراه افزایش فاصله آن از سطح حوضچه افزایش می یابد .
به هر حال در صورتی که راهگاه بارریز به جای مخروط ناقص به صورت استوانه ای باشد ایجاد فضای خالی در طول راهگاه بارریز تنها در مراحل اولیه ریختن مذاب به داخل قالب می باشد . علت این امر آن است که به علت وجود تنگه در سیستم راهگاهی مذاب ریخته شده در قالب بلافاصله باعث پر کردن کامل راهگاه بارریز می گردد به همین دلیل در سیستم راهگاهی صحیح طراحی شده برای چدن ریزی در موارد بسیار ی از راهگاه های بارریز بدون شیب استفاده می گردد .
فشار و سرعت در راهگاه های فرعی
بطور کلی دو نوع سیستم راهگاهی از نظر فشار روی مذاب و سرعت جریان مذاب وجود دارد که عبارتند از : سیستم فشاری و غیر فشاری
ویژگی سیستم فشاری آن است که سرعت سیلان مذاب در راهگاه فرعی و بر مبنای کل ارتفاع فرواستاتیکی مذاب در قالب تعیین می شود در حالی که سیستم غیر فشاری عامل تعیین کننده این سرعت ارتفاع مذاب در راهگاههای فرعی می باشد که کاملا از مذاب پر نباشد و از طرف دیگر سیستم راهگاهی را هنگامی فشاری گویند که کنترل میزان مذاب ورودی به محفظه قالب توسط سطح مقطع بین راهگاه اصلی و همه راهگاههای فرعی انجام گیرد در این سیستم مجموع سطوح مقاطع راهگاه های فرعی کمتر از سطح مقطع راهگاه بارریز می باشد .
در سیستم غیر فشاری کنترل میزان مذاب ورودی به محفظه قالب توسط سطح مقطع تحتانی راهگاه بارریز و قسمتی از راهگاه اصلی که در مجاورت راهگاه بارریز قرار دارد انجام می گیرد . در این سیستم مجموع سطوح مقاطع راهگاههای فرعی از سطح مقطع راهگاه بارریز بیشتر بوده و در نتیجه فشار مذاب در راهگاه بارریز گرفته می شود .
محاسبات سیستم راهگاهی
طراحی و محاسبات سیستم راهگاهی بدون آشنائی به مبانی فیزیک و متالوژی چنانچه غیرممکن نباشد حداقل بیسار مشکل است .
در روش قالب گیری ماشینی مواردی دیده می شود که برای پرهیز از مخارج زیاد تهیه تعدادی مدل مشابه قطعات با اشکال مختلف را روی یک صفحه مدل قرار می دهند این عمل توصیه نمی گردد زیرا تنوع قطعات ریختگی در یک قالب طراحی سیستم راهگاهی و تغذیه گذاری قطعات را با مشکلات زیادی روبرو می سازد .
بهترین طرح ساده ترین طرح است لذا بهتر است تا حد امکان از قطعات مشابه در یک قالب استفاده گردد.
علاوه بر مطالب فوق توجه به نکات زیر در طراحی موفقیت آمیز راهگاه و تغذیه قطعات ریخته گری چدنی لازم است :
1- از حداکثر فضای قالب به منظور استفاده از حداکثر بهره دهی قطعات استفاده کنیم ضمن آنکه جالی خالی مناسب برای راهگاهها و تغذیه ها باقی بگذاریم .
2- به مرغوبیت مذاب و کیفیت قالب توجه داشته باشیم .
3- سطح جدایش قطعه ریختگی را به گونه ای انتخاب کنیم که نیاز به ماهیچه گذاری را به حداقل رساند .
4- تمام قطعات یا اکثر آن ها در درجه بالائی قرار گیرند تا پرشدن آن ها از مذاب به آرامی انجام شود .
5- به منظور استفاده از حداکثر بهره دهی تغذیه ها بهتر است از یک تغذیه برای دو یا چند قطعه ریختگی استفاده گردد .
وظیفه اصلی یک سیستم راهگاهی آن است که مذابی تمیز و عاری از شلاکه و ناخالصی ها را به محفظه قالب منتقل کند به این منظور سه نکته زیر باید رعایت شوند :
1- ایجاد ارتباط مذاب موجود در محفظه قالب با فضای خارج
2- گرفتن شلاکه و ناخالصی ها
3- ایجاد شرائطی که گاز ها و هوای موجود در قالب را بتوان به فضای خارج منتقل کرد
سیستم فشاری ( Pressurized gating system )
در این سیستم مجموع سطوح مقاطع راهگاههای فرعی کمتر از سطح مقطع راهگاه بارریز است زیرا در چنین حالتی همواره فشاری در پشت مذاب در حال جریان موجود خواهد بود . در این سیستم راهگاهها بلافاصله از مذاب پر شده و فشار پشت فلز موجب می شود که مذاب در راهگاهها پس زده نشود و در هنگام استفاده از چند راهگاه فرعی با سطوح مقاطع یکسان مقدار جریان مذاب در تمام آن ها برابر است ولی در سیستم غیر فشاری تمایل خروج مذاب از دورترین راهگاه فرعی نسبت به راهگاه بارریز بیشتر می باشد .
در هر حال از آنجائی که سرعت جریان مذاب در سیستم های فشاری زیادتر است لذا بروز بعضی معایب در قطعات ریختگی متحمل خواهد بود برای مثال در گوشه هایی که دارای قوس تندی هستند حرکت مذاب اغتشاشی بوده و بنابراین جذب گاز در مذاب و درنتیجه ظهور اکسید ها و ناخالصی ها و شسته شدن دیواره های قالب می توانند رخ دهند .
سیستم غیر فشاری ( Non – pressurized gating system )
در این سیستم مجموع سطوح مقاطع راهگاه های فرعی از سطح مقطع راهگاه بارریز بیشتر بوده و در نتیجه فشار مذاب در راهگاه بارریز گرفته شده و مذاب به آرامی وارد محفظه قالب می گردد که در این سیستم از آن جایی که مذاب در این سیستم به آرامی وارد محفظه قالب می شود لذا جهش فلز به داخل محفظه قالب و حرکت اغتشاشی در آن وجود ندارد و با توجه به این واقعیت که در پشت مذاب فشار چندانی وجود ندارد لذا باید سعی کرد تا سیستم راهگاهی همواره از مذاب پر نگهداشته شود و امکان واردکردن یکنواخت مذاب به محفظه قالب از طریق راهگاههای فرعی مشکل است .
حوضچه بارریزی ( Pouring cup or basin )
گشاد کردن قسمت بالای راهگاه بارریز یا ایجاد حوضچه عمل ریختن مذاب را تسهیل می کند . عدم استفاده از حوضچه امکان ورود شلاکه به داخل راهگاه بارریز را زیاد می کند و هرچقدر حوضچه بزرگتر در نظر گرفته شود این امکان تقلیل می یابد . آن قسمتی از حوضچه که در امتداد لوچه پاتیل قرار دارد باید به اندازه کافی طویل در نظر گرفته شود . حوضچه هایی که کف آن ها پایین تر از سطح بالایی راهگاه بارریز قرار دارد وظیفه گرفتن فشار مذاب ورودی را نیز بر عهده داشته و موجب می شوند تا مذاب به آرامی وارد راهگاه بارریز گردد بدترین شکل برای حوضچه حالت قیفی و بهترین شکل برای آن نوع نشان داده شده در شکل می باشد .
در ریختن قطعات بزرگ استفاده از تله در حوضچه ها برای جلوگیری از ورود شلاکه به راهگاه متداول است از آنجائی که این روش جریان مذاب به داخل راهگاه بارریز را به صورت اغتشاشی در می آورد لذا غیرمفید تشخیص داده شده است .
قرار دادن مانعی روی قسمت بالای راهگاه بارریز به منظور پر کردن اولیه حوضچه از مذاب هم به دلیل مشابه مضر است . قطر یا عرض حوضچه باید حداقل دو برابر قطر جریان مذابی که از پاتیل به داخل آن ریخته می شود در نظر گرفته شود . عمق حوضچه نیز باید به صورتی باشد که در هنگام ریختن مذاب به داخل آن هیچگونه پاشیدگی مذاب صورت نگیرد . در شکل زیر ابعاد یک نوع حوضچه مناسب که بیشتر در ریخته گری انواع چدن با گرافیت کروی مورد مصرف دارد نشان داده شده است .
