بخشی از مقاله
چکیده
برگشت فنري یک پدیده ي اجتناب ناپذیر در شکل دهی ورق هاي فلزي است،که در ضمن باربرداري و در نتیجه ي رها شدن تنش هاي الاستیک محبوس شده در قطعه حاصل شده و منجر به تغییر در ابعاد قطعه نهایی می گردد. بنابراین، پیش بینی میزان برگشت فنري ورق هاي فلزي بعد از فرایند شکل دهی جهت کنترل ابعادي مسئله ي مهمی است. این مقاله، رفتار ورق فولادي U شکل را که داراي برگشت فنري زیادي است، به وسیله ي دو روش شکل دهی اتساعی بررسی می کند. ابتدا دو مدل اجزاي محدود سه بعدي از روند شکل دهی به کمک نرم افزار آباکوس1 ارائه شده و سپس برگشت فنري بعد از جدایی سنبه از ورق به صورت استاتیکی بررسی شده است. مقایسه ي نتایج روش هاي مذکور نشان دهنده ي این است که در روشی که ورق ابتدا خم و سپس کشیده می شود، به دلیل کاهش کمتر ضخامت، برگشت فنري کمتري نیز وجود دارد.
واژه هاي کلیدي: برگشت فنري، شکل دهی اتساعی، خمش و کشش
مقدمه
پدیده برگشت فنري، بیانگر تغییرشکل ورق، پس از باربرداري و رها شدن از نیروي پرس، در فرایند ورق کاري می باشد. این پدیده دستیابی به دقت ابعادي مورد نظر را ناممکن می سازد و باعث می شود در مونتاژ قطعه با مشکلات پیش بینی نشده اي مواجه گردیم . یک بررسی اقتصادي نشان می دهد که صنعت خودروسازي امریکا سالانه 50 میلیون دلار به خاطر پیامد هاي کیفی پدیده برگشت فنري متضرر می شود.[1] در نتیجه باید با اتخاذ روش هایی درطراحی ابزار، این پدیده را جبران نمود و دیگر آن که این فرایند را به گونه اي تحت کنترل درآورد، تا اینکه در یک فرایند تولید انبوه، براي تولید قطعات مختلف مقدار برگشت فنري ثابت باقی بماند. میزان تغییر شکل حاصل از این پدیده براي آلیاژهاي فولادي با استحکام بالا، که در صنعت خودرو سازي کاربرد زیادي دارند، و آلیاژهاي آلومینیومی، نسبت به سایر آلیاژها بیشتر است.[2] یکی از روش هاي تولید جهت کاهش برگشت فنري قطعات، فرایند شکل دهی اتساعی است. شکل دهی اتساعی، ترکیبی از شکلدهی با نیرو هاي خمشی وکششی می باشد. به عبارت دیگر، شکل دهی اتساعی ورق را می تو ان گود کردن یک قسمت ازیک ورق با لبه هاي گیردار به کمک یک پانچ تحت کشش جانبی تعریف کرد. این روش،اساسا ًبراي براي تولید شکل هاي محدب و قطعاتی باشعاع انحناي زیاد به کارمی رود. یکی از عیوب اجتناب ناپذیر شکل دهی اتساعی غیر یکنواخت بودن توزیع کرنش درمقطع عرضی ورق است که این منجر به برگشت فنري شده و نتیجه آن افت دقت ابعادي است.[3] اما این روش طبق تحقیقات پوربورات2 و همکارش نسبت به دیگر روش هاي شکل دهی، از جمله فرایند کشش عمیق، برگشت فنري کمتري دارد. آنها برگشت فنري براي کرنش صفحه اي در شکل دهی اتساعی ورق را بررسی کردند. درتحلیل، آنها ابتدا از مدل سازي اجزاي محدود به دو روش کشش عمیق و شکل دهی اتساعی جهت ساخت قسمت داخلی کاپوت اتومبیل استفاده کردند. آنها از سنبه اي یکسان براي تحلیل و مقایسه این دو روش استفاده نمودند و سپس پی بردند که قسمتی که به روش شکل دهی اتساعی ساخته شده داراي برگشت فنري کمتري نسبت به قسمتی است که به روش کشش عمیق ساخته شده بود.[4] چاو - هاي3 نیزآنالیز برگشت فنري را برروي یک پروفیل آلومینیومی در روش خمش-کششی مورد بررسی قرار دادو تخمین مناسبی از مقدار برگشت فنري بدست آورد.[5] در این مقاله برگشت فنري در دو حالت شکل دهی اتساعی به روش اجزاي محدود بررسی شده و مناسب ترین روش از نظر کمینه بودن برگشت فنري معرفی شده است.
شکل دهی اتساعی
روش اول:خمش- کشش این روش شکل دهی اتساعی، شامل دو مرحله است، در مرحله
اول با حرکت سنبه بر روي ورق، ورق به درون حفره ي بین دو قالب کشیده می شود و شکل سنبه را به خود می گیرد سپس لبه هاي جانبی ورق در مرحله ي دوم در تمامی جهات ثابت شده و با ادامه حرکت سنبه ورق کشیده می شود - شکل. - 1
روش دوم :کشش- خمش - مماسی - در این روش سنبه و فک ها متحرك هستند. مطابق شکل2، این
فرایند شامل دو مرحله است. در اولین مرحله، ورق بوسیله ي دو فکی که مقابل همدیگر قرار گرفته اند ثابت می شود.
ب: کشش الف:خمش شکل:1 مراحل شکل دهی اتساعی روش اول - الف:خمش- ب:کشش -
فک ها بصورت افقی از همدیگر جدا می شوند و یک حالت کرنشی مومسانی یکنواختی را در تمام مقطع عرضی ورق خام بوجود می آورند. در مرحله ي دوم، سنبه به صورت عمودي به طرف ورق خام حرکت می کند. فک ها خم می شوند و خودشان را در مسیر تنش کششی ورق خام جهت می دهند و سپس ورق که هنوز تحت تنش کششی ثابت می باشد، براي تغییر شکل مومسانی مورد نیاز بصورت مماسی بر روي سنبه کشیده می شود.[3]
شکل :2 شماتیک شکل دهی اتساعی مماسی.
شبیه سازي مدل اجزاي محدود درنرم افزارآباکوس
فرآیند شکل دهی اتساعی ورق فولادي به کمک نرم افزار اجزاي محدود آباکوس وکد صریح دینامیکی شبیه سازي شده و سپس برگشت فنري پس ازشکل دهی کامل، به روش استاتیکی مورد بررسی قرار گرفته است. مدل اصلی مطابق شکل3 شامل چهار قسمت ورق، ورقگیر، سنبه و ماتریس است که به دلیل تقارن کامل، تنها یک چهارم آن شبیه سازي شده است.
این فرآیند شامل سه مرحله خمش، کشش و برگشت فنري است.
ورق همگن و همسانگرد است و البته داراي رفتار الاستیک-پلاستیک بوده و تنش سیلان ماده از رابطه σ = kεnپیروي می کند. ضریب اصطکاك از نوع کولمبی و البته درطول فرآیند ثابت فرض شده است. الگوریتم تماسی در شبیه سازي از نوع سطح به سطح می باشد که براي تعریف اصطکاك بین ورق- سنبه، ورق- ورق گیر و ورق – ماتریس به کارمی رود.
شکل:3 مدل اجزاي محدود شکل دهی اتساعی ورق.
ورق با المان پوسته اي مدل سازي شده و نوع و تعداد المان آن به ترتیب S4R و 8000 می باشد. نوع المان به کاررفته براي سنبه، ماتریس و ورقگیر R3D4 و از روش پنالتی براي مدلسازي تمام آنها استفاده شده است. جدول 1 نشان دهنده مشخصات ماده مورد استفاده در شبیه سازي می باشد.
جدول:1 مشخصات ماده مورد استفاده درشبیه سازي اجزاي محدود
در طی فرایند شبیه سازي شکل دهی اتساعی مراحل زیر انجام می گیرد:
روش اول:
-1 ورق در گام اول قیدي ندارد. سنبه نیز درگام اول - خمش - 40 میلیمتر در خلاف جهت محور Y حرکت می کند - شکل:4الف - .
-2 درگام دوم لبه انتهایی ورق در تمامی جهات مقید می شود. سنبه نیز در گام دوم - کشش - 5 میلیمتر در خلاف جهت محور Yحرکت می کند. در - شکل:4ب - شبیه سازي روش اول شکل دهی اتساعی ورق بعد از بارگذاري نشان داده شده است.
الف: مرحله ي خمش
الف: مرحله ي کشش.
ب: مرحله ي کشش.
شکل:4 مراحل شبیه سازي روش اول شکل دهی اتساعی - خمش-کشش -
-2 درمرحله سوم که به صورت استاتیکی انجام می گیرد ورق آزاد شده و برگشت فنري انجام می گیرد.
فرایند شکل دهی اتساعی مماسی شامل سه مرحله زیر است:
-1 در گام اول لبه هاي جانبی ورق به اندازه ي 2.5میلیمتر در راستاي محور Z کشیده می شود - شکل:5 الف - .
-2 در گام دوم در حالیکه ورق تحت کشش جانبی است، سنبه به اندازه ي 40میلیمتر در خلاف جهت محور Yحرکت کرده و ورق را خم می کند - شکل:5 ب - .
-3 در مرحله سوم که به صورت استاتیکی انجام می گیرد ورق آزاد شده و برگشت فنري انجام می گیرد - شکل. - 6 لازم به ذکر است که لبه ي ابتدایی ورق به منظور اندازه گیري جابه جایی نسبت به آن ثابت شده است.
ب: مرحله ي خمش.
شکل:5 مراحل شبیه سازي شکل دهی اتساعی مماسی.
شکل:6 شبیه سازي مرحله ي برگشت فنري شکل دهی اتساعی.
همچنین این شبیه سازي با شرایط یکسان نیز براي فرایند کشش عمیق انجام شده است. بعد از انجام بارگذاري و باربرداري، در انتها از طریق اندازه گیري کمیت هاي هندسی مربوطه شکل7 مقدار برگشت فنري براي هر فرایند محاسبه شده است.
