بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
بررسی سازوکارهای فرآیند شکل دهی الکترومغناطیسی و پارامترهای آنها
چکیده
شکل دهی الکترومغناطیسی (EMF) نوعی فرآیند شکل دهی سریع است که از چگالی انرژی یک پالس میدان مغناطیسی برای شکل دهی قطعات از فلزات با رسانایی الکتریکی بالا مانند آلومینیوم بهره می گیرد. این فرآیند که می تواند به همراه با فرآیند شکل دهی متداول به کار رود، در کنار سایر مزایای آن، می تواند شکل پذیری ورق را به نحو چشمگیری بهبود بخشیده، چین خوردگی را کاهش داده و برگشت فنری ورق را کم کند. از دیدگاه سازه های سبک وزن نوین، که کاربرد جدی آنها در صنعت هوافضا می باشد، فرآیندهای شکل دهی خاص مانند EMF برای این گونه مواد اهمیت می یابد. برای درک بهتر سازوکار فرآیند و پیش بینی آن، باید از کوپل مدلهای مکانیکی و الکترومغناطیسی، ابزارهای شبیه سازی پیشرفته و آزمایشهای تجربی با اندازه گیری تغییر شکلهای سریع قطعه بهره گرفت. در این مقاله نتایج پژوهش درباره ارتباط خواص قطعه، نرخ کرنش و فشار الکترومغناطیس ارایه شده است. واژه های کلیدی: شکل دهی الکترومغناطیسی - طراحی فرایند - سازوکار شکل دهی
مقدمه از اواخر دهه ۱۹۵۰ از پالس میدان مغناطیسی قوی برای فرآیندهای شکل دهی سریع مواد با رسانایی الکتریکی بالا استفاده شده است. در سال ۱۹۵۹ اختراع فرآیند شکل دهی الکترومغناطیسی (EMF) توسط هاروی و برور || ۱ | ثبت شد. با گذشت زمان و به دلیل انتظارات بالای مهندسین تولید از این فرآیند، فعالیتهای تئوری و تجربی زیادی بر روی آن انجام شد. در خصوص سازه های سبک، به ویژه در زمینه صنعت هوافضا، شکل دهی موادی چون آلیاژهای آلومینیوم و منیزیم اهمیت پیدا کرده است. این امر می تواند یکی از دلایل توجه دوباره صنعت به فرآیند شکل دهی الکترومغناطیس باشد. دلایل دیگر را می توان مربوط به پیشرفتهای جدید در توسعه تجهیزات فرآیند و امکانات نوین در درک و پیش بینی بهتر فرآیند با استفاده از روش المان محدود دانست. در کاربردهای صنعتی، روش شکل دهی الکترومغناطیس با روشهای شکل دهی متداول رقابت نمی کند، بلکه به عنوان مکملی برای آنها استفاده شده تا طراحی فرآیند به نحو بهینه ای انجام شود. نتایج جدید پژوهشها درباره تاثیر فشار اعمالی و پالسهای فشار مزدوج در این مقاله ارایه می شود.
توصیف فرآیند و فشار مغناطیسی اعمالی سیستم شکل دهی الکترومغناطیسی عمدتاً تشکیل شده است از یک منبع تغذیه پالسی، یک سیم پیچ قابل تعویض به عنوان ابزار، و قطعه کار. همانگونه که در شکل ۱ نشان داده شده است، اجزای هسته به عنوان یک مدار رزونانس معادل عبارتند از منبع ذخیره انرژی با ظرفیت خازن C، کلید آمپر بالا و سیستم انرژی القایی (با مقاومت و اندوکتانس ) و بار مصرفی که شامل قطعه و سیم پیچ ابزار با مقاومت و اندوکتانس است.
نحوه آرایش قطعه و سیم پیچ ابزار نوع فرآیند را مشخص می کند. قطعات لوله ای شکل را می توان با تعبیه سیم پیچ ابزار در بیرون قطعه منقبض و یا با قرار دادن سیم پیچ ابزار درون قطعه، آنرا منبسط کرد. ورقهای فلزی را نیز می توان با سیم پیچهای ابزار مسطح شکل داد.
با تخلیه خازن، بسته شدن ناگهانی سویچ فشار قوی باعث ایجاد جریان نویسانی میراشده در سیم پیچ ابزار می شود. طبق قانون لنز، میدان مغناطیسی پالسی شکل ایجاد شده جریان الکتریکی ثانویه ای در قطعه القا کرده که جهت آن خلاف جهت سیم پیچ ابزار است. به دلیل اثر پوسته ای، میدان مغناطیسی بسته به هدایت الکتریکی قطعه K، ضخامت آن و فرکانس جریان به جداره قطعه نفوذ می کند. در مدت زمان خاصی میدان مفناطیسی محدود به شکاف میان قطعه کار و سیم پیچ ابزار می شود. چگالی انرژی میدان مغناطیسی معادل فشار مغناطیسی است که به صورت اختلاف فشار میان چگالی انرژی در شکاف و چگالی انرژی نفوذ کرده درون جداره قطعه عمل می کند || ۲ ||:
برخلاف فرآیند انقباض لوله، که در آن میدان مغناطیسی
مستقیماً جریان سیم پیچ تعیین می شود، میدان مغناطیسی در فرآیندهای انبساط لوله و شکل دهی ورق با جریان القا شده در قطعه مشخص می شود. سازوکار فرآیند تنها زمانی رخ می دهد که قطعه کار هادی جریان الکتریکی در مجاورت نزدیک سیم پیچ ابزار قرار گیرد. به این ترتیب جریان تخلیه عمدتا در ناحیه ای از سیم پیچ جریان می یابد که نزدیک قطعه کار قرار دارد و در اثر آن جریان مختلف الجهتی در قطعه القا خواهد شد به گونه ای که چگالی انرژی میدان مفناطیسی در شکاف میان سیم پیچ ابزار و قطعه منجر به تغییر شکل قطعه می شود . اگر تنش حاصل از فشار اعمالی به قطعه از تنش تسلیم آن فراتر رود، تغییر شکل دینامیک اغاز می شود، که باعث تغییر اندوکتانس بار مصرفی در مدار تخلیه می شود. به این ترتیب تغییر شکل قطعه کار را بر تغییرات جریان تخلیه تاثیر می گذارد که نمونه ای از ان در شکل ۱ نشان داده شده است.
تاثیر پالس فشار با چشم پوشی از تغییر شکل قطعه طبق رابطه (۱)، زمانی که میدان مغناطیسی کاملاً محفوظ (شیلد) شود (یعنی صفر شود) و انرژی شارژ خازنها به موثرترین نحو به محل مورد نظر منتقل شود، بازدهی فرآیند بیشترین مقدار خواهد بود. تاثیر پارامترهای مهم فرآیند در آرایش ساده شده انقباض لوله که در آن سیم پیچ، یک سولنونید با طول بی نهایت فرض شده، آشکار می شود. در این حالت میدان مغناطیسی درون نسیم پیچ یا رابطه زیر تعریف می شود
که وابسته به جریان سیم پیچ تعداد حلقه ها بر واحد طول سیم پیچ است. علاوه بر آن رفتار محافظ
(شیلد) یک لوله فلزی درون یک میدان مغناطیسی طولی یکنواخت و سینوسی به این صورت بیان می شود
که در آن ضخامت پوسته وابسته به جریان از رابطه زیر به دست می آید،
شعاع داخلی لوله و ضخامت جداره است [۲]. اگر از برهم کنش میان تغییر شکل قطعه و میدان مغناطیسی صرف نظر شود (مقدار اندوکتانس ثابت باشد)،
محاسبه میدان مغناطیسی ایمپالسی یک مساله خطی است و می تواند در حوزه فرکانس با استفاده از تبدیلات فوریه ایمپالس جریان محاسبه شده یا اندازه گیری شده تحلیل شود. از این تحلیل هارمونیک می توان نتیجه گرفت انطباق خواص هندسی و الکتریکی با فرکانس جریان تخلیه می تواند بازدهی فرآیند را با به حداقل رساندن میدان مغناطیسی نفوذ کننده بهبود بخشد. در جدول ۱ موارد مربوط به این بهینه سازی آورده شده است. باید اشاره کرد که موارد مطرح شده در جدول ۱ نه تنها برای فرآیند انقباض لوله، بلکه برای تمامی انواع دیگر فرآیند صادق است. این امر را می توان با شبیه سازیهای المان محدود برای تعیین میدان مغناطیسی با در نظر گرفتن رفتار زمانی جریان القا شده در قطعه کار نشان داد {۳}.
شناسایی آن دسته از پارامترهای فرآیند که بر انتقال کارآمد انرژی شارژ به فشار بیشینه با میدان مغناطیسی
موثراند وابسته به پارامترهای مدار معادل (شکل ۱) است. برای دستیابی به بازدهی بالا باید از یک مولد پالس با القای اندک برای ایجاد جریان در سیم پیچ ابزار بهره گرفت || ۴ || به علاوه، تعداد حلقه ها n و طول سیم پیج بر قدرت میدان موثر بوده که اثر آنها بر بهینه سازی پارامترهای ظاهر می شود. چنانچه از تغییر شکل قطعه کار جلوگیری شود، انرژی تخلیه متناسب با شدت میدان بوده و فشار بیشینه و مقدار بهینه خواص سیم پیچ را می توان تعیین کرد.
با مراجعه مجدد به فرآیند انقباض لوله، میدان مغناطیسی در شکاف را می توان به این صورت تعیین کرد:
بنابر این حد اکثر شدت میدان مغناطیسی ممکن مقدار مرجع مناسبی برای میدان مفناطیسی شکاف بوده و می تواند با تابع که بیانگر توزیع میدان در شکاف میان بیم پیچ و قطعه با احتساب ابعاد واقعی است مشخص شود ||||||||۳|| این ضریب توزیع، تابعی است که وابسته به شکاف میان سیم پیچ و قطعه d (شامل نیمی از عمق پوسته در سیم پیچ و قطعه) و طول سیم پیچ ابزار است. تمامی این پارامترها، همانگونه که در جدول ۲
آورده شده، تاثیر خاصی بر مدار معادل سیستم شکل دهی الکترومغناطیس و بالتبع، شدت میدان مغناطیسی دارد ||۴].
در تمامی انواع فرآیند شکل دهی الکترومغناطیسی، گام نخست طراحی فرآیند تعیین خواص بهینه سیم پیچ و هندسه مناسب است، که هردو وابسته به نوع شکل دهی و مولد پالس است.
بررسی برهم کنش میان پالس فشار و تغییر شکل قطعه
علاوه بر پارامترهای جداول ۱ و ۲، سایر ملزومات برای اعمال فشار مناسب را می توان با توجه به نوع تغییر شکل قطعه مشخص کرد. همانگونه که در بخش قبل گفته شد، افزایش شکاف طی فرآیند باعث تغییر جریان تخلیه و در پی آن تغییر فشار اعمالی می شود. این تغییرات در شبیه سازی میدان مغناطیسی به صورت پله ای لحاظ شده و نتایج این شبیه سازی با نتایج اندازه گیریهای تجربی فرایند تغییر شکل مقایسه شده است ا۵ا شکل ۲ نحوه کار روش اندازه گیری به کار رفته را نشان می دهد. طرز کار آن مبتنی بر سایه پرتوهای مستقیم لیزر در اثر تغییر شکل قطعه حین فرایند است. دیود لیزری در یک سمت قطعه و آشکارساز آن در سمت دیگر قرار می گیرد (اشکارساز نوعی دیود نوری است که زمان خیز آمپلی فایر آن کمتر از یک پیکوثانیه است). در فرآیند انقباض لوله، ولتاژ خروجی اشکارساز متناسب با جابجایی نقطه A (نقطه با خیز بیشینه) است. در فرآیند شکل دهی ورق با سیم پیچ مارپیچ، پرتو لیزر به صورت افقی تابیده شده و می تواند تغییر شکل شعاع مشخصی از ورق را نشان دهد. برای اندازه گیری نواحی «پنهان» قطعه می توان از روش پینهای تماسی به عنوان روش دوم بهره گرفت. در این روش پینها در فواصل مختلف نسبت به قطعه قرار گرفته که زمان تماس آنها اندازه گیری می شود. به منظور نشان دادن ارتباط میان خواص قطعه، سرعت شکل دهی و فشار مغناطیسی اعمالی، در بخشهای بعد فرآیندهای شکل دهی ورق و انقباض لوله مطابق با سازوکار شکل دهی مربوط به خود مورد بررسی قرار می گیرند.
انقباض قطعات لوله ای شکل به روش الکترومغناطیس مشخصات بهینه سیم پیچ برای یک مولد پالس خاص می تواند منحنی های فشار زمان متفاوتی ایجاد کند. پارامترهای توصیف کننده این منحنی ها عبارتند از فرافشار ، زمان خیز و مدت زمان (نخستین) ایمپالس . اصولاً ایمپالس کوتاه و شدید و ایمپالسی طولانی و ضعیفتر نسبت گلویی ، یکسانی در لوله ایجاد می کند. در شکل ۳ مثالی نشان داده شده که در آن یک سیم پیچ ابزار با دو مولد پالس متفاوت، کرنش محیطی تقریباً یکسانی ایجاد کرده اند. زمانهای خیز فشار متفاوت بوده و می توان مشاهده کرد که زمان خیز کوتاهتر، سرعت شکل دهی بیشتری به قطعه داده است. معمولا در عملیات انقباض لوله، فرآیند تا زمان ایمپالس به اتمام می رسد. در این حالت ایمپالس کوتاهتر انطباق خوبی با مدت زمان فرآیند شکل دهی پیدا کرده و لذا به انرژی شارژ بسیار کمتری نسبت به ایمپالس بلندتر نیاز دارد. علاوه بر بازدهی فرآیند، خواص قطعه تولید شده نیز معیاری برای منحنی فشار بهینه است.
با توجه به قابلیت استفاده از فرآیند شکل دهی الکترومغناطیسی به عنوان عملیات پیش فرم فرآیند شبه ایستای هیدروفرمینگ، نتایج زیر به دست آمده است (۶
همانگونه که انتظار می رود، با افزایش فشار ایمپالس در زمان خیز مشابه، کرنش محیطی بالاتری حاصل می شود، که باعث افزایش تاثیر چین خوردگی و اثر کرنش سختی می شود.
