Vakum uygulamalı yüksek basınçlı döküm prosesinde (HPDC) ısı transferinin deneysel ve teorik incelenmesi
Experimental and theoretical investigation of heat transfer in vacuum assisted high pressure die casting (HPDC) process
Yazar: ORHAN SERÇE
Danışman: DOÇ. DR. MURAT KORU
Isparta Uygulamalı Bilimler Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Enerji Sistemleri Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2023
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Basınçlı döküm = Pressure die casting ; Hesaplamalı akışkanlar dinamiği (HAD) = Computational fluid dynamics (HAD)

Özet:
Yüksek basınçlı döküm metodunda, döküm-kalıp ara yüzey ısı transfer katsayısının (IHTC) belirlenmesi parça kalitesinin iyileştirilmesi adına önemlidir. Bu değer döküm sıcaklığı, kalıp sıcaklığı, enjeksiyon basıncı, enjeksiyon hızı, kalıp pürüzlülüğü, kalıp tasarımı, alaşımın türüne bağlı olarak değişmektedir. Bu çalışmada A384 alaşımı kullanılarak yüksek basınçlı döküm sırasında ara yüzey ısı transfer katsayısı ve ısı akısı değerleri farklı enjeksiyon parametrelerine bağlı olarak hem deneysel hem de nümerik olarak belirlenmiştir. Bu doğrultuda kalıp ve döküm parçası üzerine konumlandırılan 18 adet termokupl ile zamana bağlı sıcaklık verileri deneysel olarak kayıt edilmiş ve C# ile hazırlanmış sonlu farklar metodu (FDM) kullanan program ile ara yüzey ısı transfer katsayısı ve ısı akısı hesaplanmıştır. Çalışmalar farklı enjeksiyon basıncı (80 – 160 bar), enjeksiyon hızı (1.5 – 2.5 m/s), kalıp sıcaklığı (373 – 453 – 533 K), döküm sıcaklığı (973 – 1033 K) parametrelerine bağlı olarak tekrarlanmış ve bu parametrelere ek olarak vakum uygulaması da yapılarak incelenmiştir. Bu bağlamda toplamda 48 farklı parametre kombinasyonunda deneysel çalışma gerçekleştirilmiştir. Deneysel çalışmaların yanı sıra ANSYS Fluent programı kullanılarak yüksek basınçlı döküm prosesinin hem dolum hem de katılaşma aşamaları modellenmiştir. Böylelikle deneysel çalışmalarda kullanılan parametreler ile aynı zamanda nümerik analizi gerçekleştirilmiş ve elde edilen ısı transfer katsayısı sonuçları ile ısı akısı değerleri zamana bağlı grafikler olarak sunulmuştur. Çalışmalar neticesinde enjeksiyon basıncının, enjeksiyon ikinci faz hızının ve döküm sıcaklığının arttırılması ile hem IHTC değerinin hem de ısı akısının arttığı gözlemlenirken, kalıp sıcaklığının artması ile bu değerler düşmüştür. Ek olarak vakum uygulaması ile IHTC ve ısı akısı değerlerinin yükseldiği yapılan deneysel çalışmalar ile ortaya konmuştur.

Abstract:
In the HPDC, the determination of the IHTC is important for improving the part quality. This value varies due to factors like casting temperature, mold temperature, injection pressure, velocity, roughness, design, and alloy type. This study focused on A384 alloy, using both experimental and numerical methods to determine IHTC and heat flux values during high-pressure die casting under different injection conditions. Temperature data from 18 thermocouples on the mold and casting part were recorded, and interface heat transfer coefficient and heat flux were calculated using a C# program and finite difference method (FDM). Experiments were conducted with varying injection pressure (80 – 160 bar), injection velocity (1.5 – 2.5 m/s), mold temperature (373 – 453 – 533 K), and casting temperature (973 – 1033 K), totaling 48 combinations. ANSYS Fluent modeled the casting process, and numerical analysis mirrored experimental parameters, presenting results graphically. Thus, numerical analysis were carried out using the same parameters as in the experimental studies, and the results of the heat transfer coefficient and heat flux values were presented as time-dependent graphs. As a result of the studies, it has been observed that increasing the injection pressure, injection phase velocity, and casting temperature lead to an increase in both the Heat Transfer Coefficient (IHTC) value and the heat flux. However, an increase in the mold temperature has resulted in a decrease in these values. Furthermore, through conducted experimental research, it has been demonstrated that the application of vacuum enhances both the IHTC and heat flux values.