بخشی از مقاله
چکیده
در این تحقیق تاثیر غیرهمگنی شرایط مرزی در فرآیند نورد تحت شرایط کرنش صفحهای مورد بررسی قرار گرفته است. بدین منظور نحوه تغییر شکل در هر دو فرآیند نورد متقارن و نامتقارن با استفاده از شبیه سازی ریاضی و همچنین آزمایشهای تجربی، مدل شدهاند بدین ترتیب که شبیه سازی ریاضی فرآیند نورد نامتقارن با در نظر گرفتن ضرائب اصطکاکی متفاوت در سطوح بالایی و پایینی نمونه و همچنین سرعتهای متفاوت غلتکها و آزمایشهای تجربی با استفاده از شرایط روغن کاری مختلف در سطوح بالایی و پایینی نمونه انجام گرفته شده و سازگاری مناسبی میان نتایج شبیه سازی و مشاهدات تجربی مانند ریزساختار، آزمایش کشش و سختی سنجی به دست آمده است . قابل ذکر است که نتایج تحقیقات نشان میدهند که با ثابت در نظر گرفتن مجموع ضرائب اصطکاک در دو سطح بالایی و پایینی نمونه، نورد نامتقارن کرنش بیشتری را نسبت به کرنش متقارن به نمونه اعمال میکند.
کلمات کلیدی: نورد سرد، مدلسازی ریاضی، فولاد، نورد نامتقارن
مقدمه
با یک نظر اجمالی به صنایع تولیدی داخل و یا خارج از کشور به وضوح در میابیم که ساخت درصد بالایی از قطعات فلزی، با استفاده از فرآیندهای شکل دادن فلزات در حالت جامد صورت میگیرد. فرآیند نورد را شاید بتوان به عنوان مهمترین فرآیند شکل دادن فلزات در حالت جامد معرفی کرد زیرا بیش از %80 مصنوعات فلزی، چه به صورت محصول نهایی و چه به صورت محصول میانی از طریق این فرآیند تولید میشوند. در این میان کنترل دقیق پارامترهای فرآیند نورد تأثیر فراوانی بر ریزساختار و استحکام محصول نهایی میگذارد. فرآیند نورد نامتقارن به فرآیند نوردی اطلاق میشود که در آن شعاع غلتکها، سرعت سطحی غلتکها، دمای ورق در سطح بالایی و پایینی و یا زبری سطح و شرایط اصطکاکی غلتکها متفاوت باشد. این نوع فرآیند نورد به علت کاهش نیروی نورد و کاهش مصرف انرژی ناشی از آن و همچنین به عنوان روشی برای اعمال تغییر فرم شدید و اصلاح و بهبود بافت مورد توجه قرار گرفته است.
در مورد فرآیند نورد روشهای تحلیلی مختلفی همچون روش تختال، روش حدبالایی، میدان خطوط لغزش، روش تفاضل محدود و روش المان محدود استفاده شده است.در سالهای قبل محققین به کمک تجربه و دانش خود و با استفاده از آزمایشهای عملی بررسیهای لازم برای بهینه کردن شرایط فرآیند مدنظر را انجام میدادند. نقص عمده این روش انجام سعی و خطا در تولید میباشد. حال آنکه با شبیهسازی ریاضی و آنالیز فرآیندهای شکلدهی از جمله نورد، میتوان رفتار ماده را با دقت قابل قبول و هزینه کمتر پیشبینی نمود. گسترش و بسط مدلهای ریاضی دارای ارزش علمی فراوانی هستند زیرا امکان مطالعه پدیدهها و پارامترهای فرآیند را که در حالت آزمایشگاهی و یا صنعتی بهطور مستقیم قابل اندازهگیری نیستند و یا اندازهگیری آنها بسیار مشکل و پرهزینه است را فراهم میسازند. در این میان روشهای عددی مبتنی بر المان محدود نسبت به روشهای تحلیلی از دقت بالاتری برخوردار هستند به عنوان مثال، داوسون [1] با استفاده از فرمولاسیون اویلری و در نظر گرفتن ویسکوپلاستیک بودن رفتار ماده فرآیند نورد سرد آلومنیوم AA1100 در حالت پایا را بهصورت ترمومکانیکال شبیه سازی کرده و روند تغییرات سختی نسبت به میزان کرنش در نورد، تحت این شرایط، مطالعه شده است .منیاتی و همکارانش [2] بر اساس فرمولاسیون اویلری و با در نظر گرفتن رفتار الاستیک-ویسکوپلاستیک، فرآیندهای نورد و همچنین اکستروژن را شبیهسازی نمودهاند. این مطالعه تحت شرایط کرنش صفحهای انجام گرفته است. در این تحقیقات تمرکز بر به دست آوردن مدلی برای توزیع تنش باقیمانده در ماده بوده است.لیو و همکارانش [3] از مختصات لاگرانژی و یک مدل المان محدود الاستیک - پلاستیک در شرایط پایا، برای مطالعه نورد سرد تسمه مسی استفاده کردهاند و میدان سرعت، جابهجایی، تنش، سرعت کرنش و کرنش را بهدست آوردهاند. علاوه بر این به مطالعه تأثیر مقدار کاهش در سطح مقطع، ضریب اصطکاک، خواص مختلف ماده و ابعاد اولیه ورق نیز پرداختهاند. ربلو و همکارانش 4]و[5 بر اساس فرمولاسیون لاگرانژی به کمک مدلهای دو بعدی حرارت و تغییر شکل با فرض ویسکوپلاستیک صلب، توزیع سرعت حرکت ماده و دما در ناحیه تغییر فرم را بهدست آوردهاند. چاندرا و همکارش [6] در محیط لاگرانژی با استفاده از مدل المان محدود دو بعدی و با در نظر گرفتن ویسکوپلاستیک بودن رفتار ماده فرآیند نورد را شبیه سازی کردند، همچنین در این بررسی با استفاده از یک مدل تحلیلی، تغییر فرم الاستیک غلتک لحاظ شده است. لی [7] از یک مدل سه بعدی در روش اجزاء محدود استفاده کرده است و رفتار ماده را الاستیک-پلاستیک فرض کرده در این مطالعه نیرو و گشتاور نورد، مقدار سیلان جانبی ورق و توزیع تنشهای برشی و نرمال در ناحیه تغییر شکل بررسی شدهاند. کالینز و همکارش [8] با استفاده از روش میدان خطوط لغزش، به مطالعه نورد نامتقارن پرداختند. در این مطالعه نامتقارن بودن نورد با استفاده از اندازه متفاوت غلتکها فراهم شده است. ژانگ و همکارانش [9]با استفاده از
متفاوت قرار دادن اصطکاک غلتکها و در حالتی دیگر متفاوت قرار دادن سرعت چرخش غلتکها شرایط نورد نامتفارن را فراهم کرده و با استفاده از روش قاچی به تحلیل و محاسبه نیرو و پیچش نورد پرداختند. .پوسپچ [10] و ریچلسن [11] با استفاده از متفاوت بودن اصطکاک غلتکها شرایط نورد نامتقارن را فراهم کرده و به ترتیب اثر میزان کاهش ضخامت بر انحنای نمونه و میدان تنش حاصل بر نمونه را بررسی کردهاند. نایت و همکارانش [12] با استفاده از نرمافزار Abaqus به مطالعه میزان انحنا پرداختهاند. کاوالک و همکارانش[13 ] با فراهم آوردن شرایط نورد نامتقارن توسط سرعت متفاوت غلتکها، شکل منطقه تغییر شکل را پیشبینی کردند. این شبیه سازی با استفاده از نرمافزار FORGE 2D انجام و به بررسی نحوه توزیع کرنش در نمونه پرداخته شده است. همانطور که اجمالا مورد بررسی قرار گرفت در مطالعات پیشین تحقیق بر روی میدان کرنش بعد از نورد به ویژه مقایسه بین شرایط مختلف در حالت متقارن و نامتقارن و همچنین مقایسه با نتایج تجربی همچون خواص مکانیکی و ریزساختار، آن طور که شایسته اهمیت این مهم باشد انجام نگرفته و در نتیجه موضوع این مطالعه قرار گرفته است.در این تحقیق میدان و نحوه توزیع کرنش در ورق نورد شده بعد از شرایط مختلف اصطکاکی در نورد متقارن و نامتقارن با استفاده از شبیه سازی توسط نرم افزار آباکوس و همچنین آزمایشهای تجربی همچون سختی سنجی و آزمایش کشش و بررسی ریزساختار بعد از نورد، مورد بررسی قرار گرفته است و نتایج شبیه سازی با آزمایشهای تجربی مقایسه شده است. از آن جا که غیریکنواخت بودن کرنش در نقاط مختلف نمونه باعث متفاوت بودن خواص ماکروسکوپی و میکروسکوپی همچون سختی و اندازه دانه شده و همچنین باعث غیریکنواخت شدن پدیده های متالورژیکی همچون تبلور مجدد میشود بدیهی است که مطالعه و بدست آوردن میدان کرنش تحت شرایط مختلف تغییر شکل از اهمیت خاصی برخوردار است.
مواد و روش تحقیق
در این پژوهش، به منظور شبیهسازی فرآیند نورد و به دست آوردن نحوه تغییر شکل و همچنین توزیع کرنش از روش اجزا محدود و همچنین اصل کار مجازی که متناسب با کمینه کردن رابطه - 1 - میباشد، استفاده شده است که در این رابطه تنسور تنش کوشی، D تنسور نرخ تغییر شکل، v بردار سرعت، چگالی و qتنش اصطکاکی در فصل مشترک قطعه و غلتک میباشد.
محاسبات با استفاده از معادلات prandtl-reuss و با فرض صفحهای بودن کرنش و همچنین صلب بودن غلتکها و استفاده از مدل کلمبی برای محاسبه اصطکاک انجام گرفته است. به منظور حل مسئله تعریف شده از نرم افزار Abaqus بهره گرفته شده است. شعاع غلتکها 15 سانتی متر و نمونه ها با ابعاد 110 × 40 × 3
