Geri Dön

Virtual and experimental validation of air entrapment in high pressure die casting on a simplified cast geometry

Sanal ve deneysel olarak yüksek basınçlı dökümde hava hapsolmasının basitleştirilmiş döküm geometrisinde doğrulanması

PDF İndir

  1. Tez No: 766095
  2. Yazar: ANIL UMUT ÖZDEMİR
  3. Danışmanlar: ÖĞR. GÖR. MAXİMİLİAN RUDACK
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: Metalurji Mühendisliği, Metallurgical Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2021
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen
  10. Enstitü: Yurtdışı Enstitü
  11. Ana Bilim Dalı: Metalurji Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
  13. Sayfa Sayısı: 88

Özet

0 Özet 0.1 Giriş ve Motivasyon Günümüzde, savurma ürünleri savunma, otomotiv ve havacılık gibi birçok endüstride kullanılmaktadır. Dolayısıyla, döküm parçalardan beklenen özellikler geniş ölçüde farklılık göstermektedir. Geçmişte, istenen özelliklere sahip dökümler deneme yanılma yöntemleri kullanılarak elde edilmekteydi. Bugün ise MAGMASOFT®'un en yeni sürümü olan MAGMASOFT® 5.5 gibi döküm simülasyon programları kullanılarak kusursuz döküm parçaları üretilmektedir. Bu tür yazılım paketlerinin potansiyel temel avantajı daha hızlı bir geliştirme döngüsü ve azaltılmış iş gücü, hammadde ve enerji tüketimidir. Ancak yazılım geliştiricileri bu simülasyon programlarını iyileştirseler de, sanal sonuçların her zaman gerçeği yansıtamayabileceği unutulmamalıdır. Bu nedenle, sanal sonuçların gerçek deneylerle ne kadar yakın olduğunu incelemek için doğrulama işlemi uygulanmaktadır. Bu tez, MAGMASOFT® 5.5 HPDC modülünde hava hapsi sonuçları için standartlaştırılmış ve uygun bir doğrulama süreci bulmayı amaçlamaktadır. Hava hapsinin doğrulanması, HPDC'nin en önemli dezavantajı olan türbülans nedeniyle hava hapsinin oluşmasından dolayı seçilmiştir [1]. Bu doğrultuda, basit döküm geometrileri kullanılarak uygun bir işlem ve takım tasarımları bulmak için ilgili yazılım programını doğrulamak amacıyla çalışmalar yapılmıştır. Örneğin, bu geometriler, çekme kusurlarını önlemek için çok ince olarak seçilmiştir. 0.2 Prosedür ve Sonuçlar Bu çalışmanın temel odak noktası,“Düz”ve“Dalgalı”plaka olarak adlandırılan basit döküm geometrilerinde yazılım kullanarak çeşitli hava dağılımları oluşturmaktır. Dökümde hapsolmuş hava için ana kaynaklardan biri vorteksdir. Diğer ana kaynak ise shot odasındaki dozaj sürecinden kaynaklanmaktadır. Bu çalışmada, dozaj yerine vorteks üzerine odaklanılmıştır. Döküm geometrilerinin prosedürü ve sonuçları aşağıda sırasıyla açıklanmıştır, önce düz plaka ve ardından dalgalı plaka olarak. Her iki plaka da teorik beklentilerle karşılaştırılmıştır. Ayrıca, deneysel dökümler dalgalı plaka üzerinde uygulanmış ve ardından simülasyon sonuçlarıyla karşılaştırılmıştır. ➢ Düz plaka Plakanın shot profiline bağlı olarak shot odası incelenmiştir. Ardından, shot odasının hava hapsi üzerindeki etkisi araştırılmıştır. Bunun için, shot odası olmadan ve shot odası ile olmak üzere iki farklı giriş koşulu karşılaştırılmış ve shot odasındaki hava döküm boşluğuna aktarılıp aktarılamayacağı belirlenmeye çalışılmıştır. Shot odasının, shot odası ile shot odası olmadan simüle edildiği kabul edilmiştir. Bu, shot odası ile shot odası olmadan hapsolmuş olduğu kabul edilmiştir. Birinci fazı inceledikten sonra, hava hapsi enerjik hale getirilebilecek farklı ikinci faz hızlarında iki farklı insert tasarlanmış ve uygulanmıştır. Bu, bar ve dondurma olarak adlandırılan benzersiz insert tasarımlarıdır. Her iki insert türü de 15, 30 ve 45 derece döndürülebilir. Özel bir“metal die”MAGMASOFT® 5.5'te tasarlanmıştır. Ayrıca, SolidWorks yardımıyla taslak yapılmıştır. Bu iki insert tasarımı, herhangi bir ek değişiklik yapmadan aynı die içine yerleştirilebilir. İlk faz hızlarına bağlı olarak shot odasındaki dalga oluşumunun sonuçları literatürle uyumludur. Kritik hızın üzerindeki hızlarda dalga çarpışmaları oluşmuştur. Ayrıca, hava burada dalga çarpışmalarında hapsolmuştur. Daha düşük hızlarda, hava piston önü ve dalga arasında hapsolmuştur. Ayrıca, dalga ve piston ucu arasında hapsolmuş hava sayısal olarak dalga çarpışmalarında hapsolmuş hava sayısından daha hassas gösterilmiştir. ➢ Dalgalı plaka Düz plaka incelemesinin ardından dalgalı plaka incelenmiştir. Düz plaka ile aynı shot odası parametreleri kullanıldığı için, tüm simülasyonlar için shot odası olmadan giriş koşulu seçilmiştir. Ancak, shot odası göz önüne alınmasa da farklı birinci faz hızlarının döküm geometrisinde hava hapsini değiştirip değiştirmediği de araştırılmıştır. Bundan sonra, dalgalı plaka içinde hava hapsi oluşumu, farklı insertler ve ikinci faz hızlarıyla gözlemlenmiştir. Sol, orta ve sağ olarak adlandırılan üç tür insert seçilmiştir. Bunlar, die yapısında herhangi bir değişiklik gerektirmeksizin kolayca die içine yerleştirilebilir. Sonuçlar, shot odası olmadan seçilmiş olmasına rağmen, dökümdeki en düşük hava hapsinin birinci faz kritik hızına yakın bir hızda elde edildiğini göstermektedir. Ayrıca, hava doğrudan insertlerin arkasında hapsolmuş ve sol ve sağ tarafındaki runner'ın üst kenarına doğru hareket eden birçok küçük hava kabarcığı ama yoğun olmayan şekilde oluşturulmuştur. Sonuçlar, hem insertin arkasında hem de runner'da oluşan hava hapsinin her ikinci faz hızları için aynı trendi izlediğini göstermektedir. 0.3 Özet ve Bakış Dalga oluşumları, shot odası içinde teorik beklentilerle uyumlu şekilde görsel olarak açıklanmıştır. Ancak, shot odası içinde hava hapsolması sayısal sonuçlarının yavaş hızlarda yüksek hızlara kıyasla daha doğru olabileceği bulunmuştur. Düz plaka, dondurma insert ile, bar-insert'a kıyasla daha belirgin hava dağılımları sağlar. Bunun yanı sıra, insertler döküm boşluğunda döndürüldükçe, hava hapsolma oluşum pozisyonları da insertin yönelimine bağlı olarak değişmiştir. Bu nedenle, düz plaka ile deneysel döküm yapılması, dalgalı plakadan daha enerjik bir vorteks oluşumuna yol açabileceği için gelecek araştırmalar için önerilmektedir. Ayrıca, düz plaka ile dondurma insert ile aglomere hava hapsolmalarını elde etmek için, birinci faz hızı 0,5 m/s ve ikinci faz hızı 3,0 m/s ile küçük insert açıları uygulanabilir. Dalgalı plaka için simülasyon ve deneysel çalışmalar bölüm 4.3'te karşılaştırılmıştır. Simülasyon çalışmalarında, tüm insertlerin doğrudan arkasında hava hapsolma eğiliminin olduğu gözlemlenmiştir. Öte yandan, CT sonuçları, sol ve sağ insertlerin arkasında değil dökümün ortasında önemli ölçüde hava hapsolması olduğunu göstermiştir. Bu durum, deneylerde dozajın büyük bir hava hapsolmasına neden olduğu şeklinde yorumlanabilir. Ayrıca, dwelling uygulanmadığından, bu hava hapsolmaları erimekten uzaklaştırılamamış ve kalıntı dalga vuruşu odada kalmıştır. Dolayısıyla, piston hareket etmeye başladığında, büyük miktarda hava döküme gönderilmiş olabilir. Dozajın ve dwelling'in insertlerden daha fazla hava hapsolması üzerinde etkisi olabileceği söylenebilir. Bu nedenle, gelecekteki araştırmalarda dozajın ve dwelling'in hava hapsolması üzerindeki etkilerinin araştırılması kesinlikle önerilir.

Özet (Çeviri)

0 Abstract 0.1 Introduction and motivation Nowadays, casting products are used in many industries such as defense, automotive, and aerospace. Therefore, the expected properties from cast parts widely differ. In the past, castings with desired properties were obtained using trial and error methods. Today, defect-free casting parts are produced using casting simulation programs such as MAGMASOFT® 5.5, the newest version of MAGMASOFT®. Potentially, the main advantage of these software packages is a faster development cycle and reduced labor, raw material, and energy consumption. Even though software developers improve these simulation programs, the virtual results cannot always reflect reality. Thus, validation is applied to investigate how close the virtual results are to the actual experiments. This thesis aims to find a standardized and suitable validation process for air entrapment results in the HPDC module of MAGMASOFT® 5.5. Validation of air entrapment was chosen since the most significant disadvantage of HPDC is turbulence, which leads to air entrapment [1]. Thus, it has been studied to find a suitable process and insert designs to validate the relevant software program using simple casting geometries, reducing the number of parameters that lead to different casting defects. For example, these geometries are chosen as very thin to avoid shrinkage defects. 0.2 Procedure and results This study's primary focus is to create multiple distinct air distributions in simple casting geometries, called“Flat”and“Wave”plate, by using the software. One of the primary sources of entrapping air in the casting is the vortex. The other primary source originates from the dosing process into the shot chamber. In this study, it is focused on the vortex rather than dosing. The procedure and results of casting geometries are explained below subsequently, first as the flat and then as the wave plate. Both plates were compared with the theoretical expectations. Besides, experimental castings were applied to the wave plate and then compared with simulation results. ➢Flat plate The shot chamber of the plate was examined depending on the shot profile. Then, the effect of the shot chamber on air entrapment was investigated. For that, two different inlet conditions, without and with shot chamber, were compared to determine whether the air in the shot chamber could be transferred to the die cavity. It was assumed that the shot chamber is simulated better with inlet condition with shot chamber than without shot chamber. It means that it was assumed that more entrapped air could be found using the inlet condition shot chamber than without shot chamber. After investigating the first-phase, two various inserts were designed, and different second-phase velocities were applied to create a strong vortex where the air gets entrapped vigorously. These were unique insert designs, so-called bar and ice-cream. Both insert types can be rotated 15, 30, and 45 degrees. A particular“metal die”was designed in MAGMASOFT® 5.5. Further, drafting has been conducted with the help of SolidWorks. These two insert designs can be placed in the same die without applying any further changes. The results of wave formation in the shot chamber depending on various first-phase velocities are compatible with the literature. At velocities higher than critical velocity, wave crashes were generated. Besides, the air was entrapped here in wave crashes. At lower speeds, the air was trapped between the plunger front and the wave. Additionally, it has been observed that the air trapped between the wave and plunger tip might numerically show more precisely than that trapped in the wave crashes. ➢Wave plate Following flat plate examination, the wave plate was investigated. Since the same shot chamber parameters with the flat plate were used, the inlet condition without shot chamber was chosen for all simulations. However, it was also investigated whether the different first phase velocities change the air entrapment in the casting geometry even though the shot chamber is not considered. After that, the air entrapment formation inside the wave plate was observed in the second phase with different inserts and second phase velocities. Three types of inserts, so-called left, middle, and right, have been selected. They can be easily placed in the die cavity without requiring any changes to the die structure. The results show that the lowest air entrapment in the casting was obtained at a velocity close to the first-phase critical velocity, even though the inlet condition was selected as without shot chamber. Furthermore, the air was entrapped at the backside of the inserts directly, and many tiny air bubbles but not dense were formed on the left and right sides of the runner. Then those tiny air bubbles moved from the runner to the top edge of the casting geometry. Air entrapments formed both on the backside of the insert and in the runner followed the same trend for every second phase velocities. 0.3 Summary and outlook The wave formations were visually illustrated inside the shot chamber compatible with theoretical expectations. However, it has also been found that the numerical results of air entrapment inside the shot chamber might be more accurate at slow velocities compared to high velocities. A flat plate with the ice-cream insert provides more distinct air distributions than bar-insert. In addition to that, as the inserts were rotated in the casting cavity, the formation positions of air entrapment were also changed as a function of the insert's orientation. Therefore, making experimental casting with the flat plate is recommended for future research because it can lead to a more vigorous vortex formation than the wave plate. Furthermore, to obtain agglomerated air entrapments with the flat plate with the ice-cream insert, the first phase velocity of 0.5 m/s and the second phase velocity of 3.0 m/s with small insert angles might be applied. Simulation and experimental studies of the wave plate were compared in section 4.3. It was observed in the simulation studies that there was a common trend as forming air entrapment on the direct backside of all inserts. On the other hand, CT results showed significant air entrapment in the middle of the casting rather than at the backside of the left and the right inserts. This case can be interpreted as dosing in the experiments caused a large amount of air entrapment. Further, since dwelling was not applied, these air entrapments could not be evacuated from the melt, and the residual waves shot remained in the chamber. Therefore, when the plunger starts to move, a large amount of air might have sent to the casting. It can be said that dosing and dwelling may have more effect on the air entrapment than inserts. Therefore, it is highly recommended to investigate the effect of dosing and dwelling on the air entrapment in future research.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    535175

    Dizel içten yanmalı motorlarda silindir içerisindeki hava hareketlerinin incelenmesi

    In-cylinder flow characterization of air in diesel internal combustion engines

    CEM DEMİRKESEN

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2018

    Enerjiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Enerji Bilim ve Teknoloji Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. ÜNER ÇOLAK

  2. Tez No

    450940

    Araç kapılarının akustik davranışlarının incelenmesi

    Investigation of the acoustical behaviors of vehicle doors

    ERKUT YALÇIN

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2016

    Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. HALUK EROL

  3. Tez No

    421157

    Nonlinear dynamic behaviour of tapered sandwich plates with multi-layered faces subjected to air blast loading

    Çok katmanlı yüzeylere sahip kalınlıkça sivrilen sandviç plakların anlık basınç yüklemesi altındaki lineer olmayan dinamik davranışı

    SEDAT SÜSLER

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2015

    Havacılık Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Uçak ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. HALİT SÜLEYMAN TÜRKMEN

  4. Tez No

    472825

    Hardware in the loop system development for modeling and control of multirotor vehicles

    Multi rotorlu hava araçlarının modellenmesi ve kontrolü için donanım çevrimli benzetim sistemi tasarımı

    MUHSİN HANÇER

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2017

    Havacılık Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Uçak ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    YRD. DOÇ. DR. İSMAİL BAYEZİT

  5. Tez No

    259690

    Otomobil kabininde hız ve sıcaklık dağılımının üç boyutlu sayısal analizi

    Three dimensional numerical analysis of velocity and temperature distribution in an automobile cabin

    GÖKHAN SEVİLGEN

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2010

    Makine MühendisliğiUludağ Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. MUHSİN KILIÇ

Geri Dön