بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
بررسی فرآیند اکستروﮊن معکوس آلومینیوم به روش المانهای محدود
چکیده
اکستروﮊن یکی از فرایندهای مهم در ساخت و تولید قطعات نظامی و صنعتی به شمار میرود و طراحی ابزار آن اغلب با سعی و خطا بوده و نیاز به تخصص بالا و تجربه کافی دارد. دراین راستا استفاده از کامپیوتر برای طراحی ابزار این فرایند علاوه بر اینکه از صرف وقت و هزینه زیاد جلوگیری میکند، مشخصه های کیفی محصول را نیز افزایش میدهد. در این مقاله با پیشنهاد روشی سریع و موثر، فرآیند اکستروﮊن معکوس آلومینیوم توسط نرم افزار ANSYS شبیه سازی گردیده و نتایج بدست آمده از نرم افزار با نتایج عملی موجود مورد مقایسه قرار گرفته است. همچنین جهت بررسی تاثیر شکل سنبه بر نیروی مورد نیاز جهت اکستروﮊن معکوس قطعات آلومینیومی، شکل های مختلف سنبه در نظر گرفته شده است. در انتها نیز با در نظر گرفتن مقادیر مختلف جهت زاویه نوک سنبه مدل سازی انجام پذیرفته است .
واﮊه های کلیدی: شبیه سازی‐ اکستروﮊن معکوس‐ روش اجزاﺀ محدودANSYS ‐
١‐ مقدمه
اکستروﮊن یکی از روشهای شکل دادن فلزات است که با توجه به سرعت تولید بالاوپیچیدگی قطعات تولید شده و نیز گستره آلیاﮊهای آهنی و غیر آهنی که در این روش شکل داده می شوند در صنعت از اهمیت ویژه و جایگاه خاص برخوردار است. این فرایند به دو گروه بزرگ اکستروﮊن مستقیم و غیر مستقیم تقسیم میشود.
شکل ۱ فرآیند اکستروﮊن مستقیم و غیر مستقیم را نشان میدهد. در فرآیند اکستروﮊن مستقیم، سیلان فلز با جهت اعمال فشاریکسان است در صورتی که در روش غیر مستقیم، سیلان فلزدر خلاف جهت اعمال فشارصورت میگیرد. قطعات تولید شده از این دو روش میتوانند یکسان باشند. در روش اکستروﮊن غیر مستقیم به جای اعمال نیرو از عقب و راندن قطعه کار به درون قالب، قالب را به سمت قطعه کار حرکت میدهند. بنابراین تکنولوﮊی اکستروﮊن غیر مستقیم نسبت به اکستروﮊن مستقیم پیچیده تر خواهد بود.
شکل ٢ فرایند فورج اکستروﮊن معکوس را نشان میدهـد. در این حالت ابتدا قطعه کار در داخل محفظه قالب که قطر آن با قطر قطعه کار یکسان است قرار میگیرد، ارتفاع قطعه کـار کمتر از عمق محفظه قالب میباشد. پیشرفت سنبه که مقطع آن در ساده ترین حالت دایره ای است به درون قطعه کـار باعث سیلان فلـز میـان شـکاف بـین دیـواره قالـب و سـنبه میگردد. نتیجه این عمل تولید یک قطعه استوانه ای توخالی ته بسته است.
از آنجا که در این فرآیند جهـت سـیلان فلـز عکـس جهـت حرکت سنبه می باشد لذا این فرآیند درگروه اکستروﮊن غیر مستقیم قرار میگیرد. انتخاب نام فورج اکـستروﮊن معکـوس به این دلیل است که این فرآیند با اینکه شـباهت زیـادی بـا اکستروﮊن غیر مستقیم دارد اما نیـرو در طـول ایـن فراینـد ثابت نمی ماند و با پیشرفت سنبه به درون قطعه کار، بدلیل افزایش سطوح اصطکاکی افزایش می یابد. در مرحلـه نهـایی بدلیل نازک شدن ته قطعه کار (شبیه فورج قطعـات نـازک)
نیرو خیلی سریع افزایش خواهد یافت و عملا فرایند بایـستی متوقف گردد.
فرایند فورج اکستروﮊن معکوس برای تولید قطعات توخالی با شکلهای داخلی یا خارجی پیشرفته به کار برده می شود. این تکنیک علاوه براینکه به تنهایی قـادر بـه تولیـد یـک سـری قطعات خاص می باشد می تواند همزمان بـا دیگـر روشـهای شکل دادن فلزات مانند فورجینگ و اکستروﮊن مستقیم توام گردد و یا اینکه به عنوان مرحله ای از مراحل سـاخت یـک قطعه در نظر گرفته شود.
حالتی ترکیبی از دو حالت اکستروﮊن مستقیم و معکوس نیز وجود دارد که به آن اکستروﮊن مرکب میگویند در این حالت جهت جریان ماده به طـور همزمـان بـه صـورت مـستقیم و معکوس میباشد.
از امتیازات قطعات تولید شده به روش اکستروﮊن میتوان بـه مواردی نظیر صرفه جوئی در مصرف مواد اولیه ، کـاهش یـا حذف ماشین کاری نهایی جهت دستیابی بـه تلـرانس هـای مورد نظر، صافی سطح قابل قبول، تولیـد قطعـات در زمـانی اندک، تولید قطعاتی با زاویه جدایش صـفر و بهبـود خـواص مکانیکی و متالوﮊیکی بعلت کشیده شدن دانه هـا در امتـداد جهت اکستروﮊن و افـزایش اسـتحکام قطعـه اشـاره نمـود از محدودیت های موجود در تولید قطعات به روش اکـستروﮊن
میتوان به نیاز به تولید انبوه قطعات بدلیل اقتصادی و نسبت طول به قطر محدود اشاره نمود.
۲‐ تاریخچه
اکستروﮊن معکـوس نـسبت بـه سـایر روشـهای شـکل دادن فلزات دارای سابقه کوتـاهتری اسـت. در سـال ١٨٤١، جـان راند (John Rand) روش اکستروﮊن معکوس را به صـورت ضربه ای برای ساخت ظروف جداره نازک اختـراع نمـود. در آن زمان بعلت عـدم توانـایی در اعمـال نیروهـای بـالا، تنهـا فلـزات سـرب و قلـع را مـورد اسـتفاده قـرار دادنـد. بعـدها درکشورهای آمریکا و آلمان بطور همزمان برای اولین بار این فرایند به منظور تولیـد قطعـات آلـومینیمی بـه کـار گرفتـه شد]١.[ در سال ١٩٣٣، سیبل (Siebel) با استفاده از نتایج تجربی توانست فرمولی تقریبی برای محاسبه فشار سـنبه در اکــستروﮊن معکــوس ارائــه دهــد ]٢.[ در ســال ١٩٦٠، کادو((Kudo با استفاده از تئوری حد بالایی، فراینـد فـورج اکـستروﮊن معکـوس رادر شـرایط کـرنش صـفحه ای مـورد بررســی قــرار داد ]٣.[ در ســال ١٩٦٢ یانــگ((Yang بــا استفاده از همین روش راه حلی برای مسائل سه بعدی شکل دادن ارائه داد ]٤.[ در سال ١٩٦٥اویتزر((Avitzur، فرایند اکستروﮊن مستقیم را با استفاده از تئوری حـد بـالایی مـورد بررسی قرار داد ]٥[ و]٦.[
در سالهای ۲۷۹۱و۳۷۹۱، اویتـزر((Avitzur و همکـارانش بیــشاﭖ (Bishop) و هــان (Hahn Jr) فراینــد فــورج اکستروﮊن معکوس را برای تولید قطعـات تـو خـالی جـداره نازک یا ضخیم با مقطع دایره ای را با استفاده از تئوری حد بالائی بررسی کردند ]٧[ و ]٨.[
از محدودیت های فرایند فـورج اکـستروﮊن معکـوس کـه بـا استفاده از تئوری حد بالایی انجام شده اسـت مـی تـوان بـه عدم امکان بحساب آوردن اثر تنش و کرنشی که ممکن است از قبل در قطعه کار وجود داشته باشد اشاره کرد.
در ســـال ١٩٩٣، بـــی ](Bae)٩[ و همکـــارش یانـــگ ](Yang)١٠[ یک میدان سرعت مناسب برای تعیین نیروی اکستروﮊن در مرحله نهایی فرآیند و ارتفاع متوسط اکـسترود
٢
شده در اکستروﮊن معکـوس لولـه هـای نامتقـارن بـا شـکل درونی دلخواه ازشمشال با مقطع دایره ای ارائه کردنـد. ایـن میدان سرعت برای اکستروﮊن معکوس لوله هایی کـه سـطح درونی آنها دنده ای شکل میباشد به کار گرفته شد.
در ســال ۷۹۹۱ ، مشکــسار و ابراهیمــی، فرآینــد فــورج اکستروﮊن معکوس برای تولید قطعات تو خالی را به صـورت عملی و با استفاده از تئوری حـد بـالائی مـورد بررسـی قـرار دادند. ]۱۱[ ، ]۲۱] [۳۱[ ، ]۴۱[و ]۵۱.[
۳‐ آنالیز تماس در نرم افزار ANSYS
به طور کلی در نرم افزار ANSYS ، در روش حل ضـمنی، میتوان مسائل تماسـی را بـه دو حالـت دسـته بنـدی کـرد.
تماس جسم انعطاف پذیر با جسم صـلب و تمـاس دو جـسم غیر صلب.
در تماس جسم انعطاف پذیر با جسم صلب یکی از اجسام در حال تماس صلب فرض میشود. بعنوان نمونه میتوان به آنالیز کشش عمیق اشاره کرد کـه در ان سـنبه و مـاتریس صـلب فرض میشوند و ورق انعطاف پذیر میباشد.
با توجه به آنکه حالت تماس سطح بـه سـطح در ایـن مـدل سازی مورد استفاده قرار گرفته اسـت بـه بررسـی ایـن نـوع تماس میپردازیم.
در این نوع تماس نیازی به تطابق گـره هـای متقابـل در دو سطح وجود ندارد و سرعت تحلیل بـیش از حالـت گـره بـه سطح میباشد. همچنین قابلیت لغزشـی دو سـطح و انتقـال حرارت در این نوع المان بندی تماس وجود دارد.
انواع المانهای مورد استفاده در تماس سطح به سطح به شرح زیر میباشد:
مدل اصطکاکی مورد استفاده در نرم افزار به صورت شـکل ۳ میباشد. که ، ضریب اصطکاک و τmax تنش تسلیم برشی ماده بر حسب معیار فون‐ میزز میباشد. اگـر P فـشار بـین سطح قالب و قطعه کار باشد در این صورت تـنش برشـی در سطح تماس به صورت زیر محاسبه خواهد شد.
۴‐ مدل سازی فرآیند اکستروﮊن معکوس بـه روش اجزاﺀ محدود
در این تحقیق بـا اسـتفاده از روش المانهـای محـدود و نـرم افزارANSYS، فرایند اکستروﮊن معکوس قطعات تو خـالی با مقطع دایره مورد بررسی قرار گرفته است. ابعاد قطعات بـا توجـه بـه تحقیقـات عملـی انجـام گرفتـه قبلـی در زمینـه اکستروﮊن معکوس قطعات آلومینیـومی ]۱۱[،]۲۱[،]۳۱[ و]۴۱[، انتخاب گردیده است .
با توجه به اینکه کرنش در نقاط مختلف ناحیه تغییـر شـکل در طول انجام فرایند، یکسان نیـست، مقـدار متوسـط تـنش سیلان مورد استفاده قرار گرفته است که این مقدار از رابطـه زیر قابل محاسبه میباشد [11] و ]۵۱. [
در اکستروﮊن ، کاهش سطح را میتوان به صورت زیـر بیـان کرد:
کـــه در آن r کـــاهش ســـطح مقطـــع بـــر حـــسب درصد، A0 مساحت سطح مقطع اولیه و Af مساحت سـطح مقطع محصول اکستروﮊن میباشد. برای محصولات با سـطح مقطع دایروی، رابطه فوق در اکستروﮊن معکـوس بـه صـورت زیر خلاصه میشود:
که در آن d، قطر سنبه و D قطر خارجی شمش میباشد . با توجه بـه فرمولهـای فـوق و هندسـه قطعـه و پـانچ مـورد استفاده در فرآیند، مقادیر داده ها به صورت جـدول ۱ قابـل محاسبه میباشد.
مراحل کلی شبیه سازی شامل مدل سـازی، تعیـین خـواص مواد، تعیین سطوح تماس، بارگذاری، حل مساله و مـشاهده نتایج میباشد. با توجه به حالت تقـارن محـوری ، مـساله از حالت ۳ بعدی به حالت ۲ بعدی تبدیل گردید . انتخاب نـوع المان مناسب، یکی از قسمت های مهم تحلیل المان محدود میباشد. المـانplane82 یـک المـان سـه ضـلعی و چهـار ضلعی میباشد که بر روی هر ضلع دو گره در انتها و یک گره در میانه ضلع وجود دارد. در هـر گـره ایـن المـان دو درجـه آزادی وجود دارد که تغییر مکـان در جهـت x و y میباشـد. المان مورد اسـتفاده در شـبیه سـازی، المـانplane82 بـا حالت متقارن محوری میباشد. شـکل۴ نحـوه شـبکه بنـدی راقبل از بارگذاری و شروع حل مساله نشان میدهد.
با توجه به شکل ۴، جهت اعمال قیود، گره های انتهـای لبـه پایین قالب در جهتYو گره های لبه کناری قالب در جهـت X ثابت در نظر گرفته شده اند. X بیان گر جهت افقـی وY بیانگر جهت قائم میباشد.
جهت اعمال بارگذاری، میزان جابجائی مورد نظر را به قطعـه پانچ در جهت Y اعمال کرده و نیروهای عکس العمل ایجـاد شده در گره های انتهائی لبه پایین قالب در جهـت Y، پـس از حل مساله محاسبه میگردد.
با توجه به عدم امکان فرو روی پانچ در یک مرحله به میـزان مورد نظر جهت تولید قطعه نهائی به علت تغییر فـرم شـدید المانها، فرو روی پانچ به چند مرحله تقسیم گردید که پس از هر مرحله شکل نهـائی ایجـاد شـده بعنـوان شـکل ابتـدائی مرحله بعد در نظر گرفته شد و شکل مورد نظر مجددا شبکه بندی گردید. جهت همپوشانی نمودارهای نیرو بر حسب فرو روی پانچ در هر مرحله موقعیت پانچ به میزان ۵/۰ میلی متر بالا تر از مرحله قبل قرار گرفت تا با فرو رفتن پانچ به میـزان ۵/۰ میلی متر وضعیت ماده در زیر پانچ مطابق وضعیت ماده در مرحله قبل گردد و به عبارت دیگر حالت تـنش و کـرنش قبلی در قطعه کار ایجاد گردد. این روش با توجه به بررسـی نتایج دو وضعیت فوق برای حالات مختلف نتیجه گرفته شد. استفاده از این روش، در حجم و زمان محاسبات صرفه جوئی بسیاری را باعث میشود و امکـان بررسـی فرآینـد را ممکـن می سازد.
