بخشی از مقاله
خلاصه
فرآیند نورد یکی از بهترین روشهای شکلدهی فلزات است، که در آن تغییر شکل پلاستیک فلز از طریق عبور آن از میان غلتکهای در حال چرخش انجام میشود. با استفاده از این فرآیند انواع محصولات از قبیل ورقهای فولادی، تیرآهن و نبشی با مقاطع مختلف قابل تولید است. این فرآیند به دو صورت سرد و گرم انجام میشود. امروزه به دلیل حجم بالای تولید ورق توسط فرآیند نورد گرم، سرمایهگذاریهای فراوانی برای بهینهسازی و توسعه آن انجام میشود. استفاده از روشهای عددی برای تحلیل فرآیند نورد به دلیل پیچیدگی حاکم بر روابط تحلیلی این فرآیند امری رایج است. در این مقاله، تحلیل تنش در فرآیند نورد گرم با استفاده از روش المان محدود در نرم افزار ABAQUS انجام شده است. همچنین منحنیهای توزیع نیروی غلتکها، توان و مکان زاویهای خنثی برحسب ضخامت ورق تحلیل میشوند.
.1 مقدمه
به فرآیند تغییر شکل پلاستیک فلز از طریق عبور آن از میان غلتکهای در حال چرخش نورد گفته میشود. فرآیند نورد یکی از متداولترین و بهترین فرآیندهای فلزکاری و تولید ورقهای فولادی است، که به دو صورت سرد و گرم قابل انجام است. غلتکها معمولاً با سرعت مساوی ولی در خلاف جهت همدیگر میچرخند. ماده اولیه عموماً از تولیدات ریختهگری - مداوم - است که قبل از گرمشدن و انجام نورد گرم برای بهدست آوردن ابعاد دقیق نهایی از نورد سرد عبور داده میشود. همچنین میتوان تولیدات نیمهتمام را گرم کرده و فرآیندهای فوق را بر روی آنها انجام داد .[1]
هنگام تغییر شکل فلز بر اثر اعمال فشار غلتکها، تنشهای فشاری زیادی به قطعه وارد میشود. همچنین به دلیل وجود اصطکاک بین غلتکها و فلز، تنشهای سطحی نیز ایجاد میشود. در نورد، فلز توسط نیروهای اصطکاکی به داخل غلتکها کشیده میشود و بر اثر نیروهای فشاری اعمالشده توسط غلتکها تغییر فرم پلاستیک میدهد .[2] تحلیل فرآیند نورد مستلزم تجزیه و تحلیل نیروها و تنشهای وارد شده به قطعه کار و اجزای قالب است. در این روش شکلدهی مواد دارای قابلیت تغییر شکل پلاستیک است که در طی آن، محصولات از بین یک یا چند جفت غلتک چرخان گذرانده شده و در اثر تنش فشاری اعمال شده توسط غلتکها سطح مقطع کاهش مییابد. شرایط نورد به گونهای است که میتوان کرنش صفحهای را حاکم بر فرآیند دانست.
صدیقی و همکاران [3] به بررسی تاثیر ضریب اصطکاک در فرآیند نورد سرد برای ورقهای چندلایه پرداختند. نتایج شبیهسازی این فرآیند و مقایسه آن با نتایج تجربی، صحت شبیهسازی را تایید میکند. حقانی و همکاران [4] فرآیند نورد سرد دوقفسهای را شبیهسازی کرده، و تاثیر پارامترهایی مانند تغییرات سرعت حرکت ورق، تنش زیر غلتک و حجم ورق نوردشده را بررسی و با مدل صنعتی مقایسه کردند. قیصری و همکاران [5] تاثیر ضریب اصطکاک بر نورد گرم حلقوی را با استفاده از مدل سهبعدی المان محدود کوپلشده مکانیکی-حرارتی مورد بررسی قرار دادند. در این روش میزان عیب دم ماهی به ازای ضریب اصطکاکهای مختلف اندازهگیری شد. نتایج شبیهسازی نشان داد که با افزایش ضریب اصطکاک بین رینگ و غلتک هرزگرد و یا با کاهش ضریب اصطکاک بین رینگ و غلتک متحرک میزان عیب دم ماهی کاهش مییابد. محمدیمهر و همکاران [6] فرآیند نورد گرم برای ورقهای ضخیم را بهصورت دو بعدی با استفاده از روش المان محدود در نرمافزار ABAQUS شبیهسازی کردند . آنها تغییر شکل ورق و نیز تنشهای اعمالی بین ورق و غلتکها را مورد بررسی قرار داده و تاثیر پارامترهای مختلف بر نمودار تنش-کرنش را مورد ارزیابی قرار دادند. نورانی و همکاران [7] پارامترهای موثر بر سایش غلتکها در فرآیند نورد گرم را بررسی کردند. آنها میزان سایش غلتک را با استفاده از روش المان محدود با توزیع فشار در طول غلتک اندازهگیری کردند. نتایج با استفاده از مقایسه نیروی بهدست آمده با نیروی نورد واقعی در خط نورد گرم شرکت فولاد مبارکه اعتبارسنجی شد. در این مقاله، تحلیل تنش در فرآیند نورد گرم با استفاده از روش المان محدود در نرم افزار ABAQUS انجام میشود. همچنین تاثیر ضخامت ورق بر منحنیهای توزیع نیروی غلتکها، توان و مکان زاویهای خنثی بررسی میشود.
.2 روش تحقیق
.1-2 مشخصات مدل
در این مقاله، برای مدلسازی فرآیند نورد گرم، دو غلتک کاملا صلب و یک ورق شکلپذیر بهصورت دو بعدی مدل میشوند. مدل مورد استفاده در شکل - 1 - قابل مشاهده است. در این شکل، جهت حرکت ورق و نیز جهت چرخش غلتکها نشان داده شده است. پارامترهای مورد استفاده مطابق جدول - - 1 انتخاب گردید. اگر H فاصله دو غلتک و T ضخامت ورق باشد، رابطه بین H و T بهصورت میباشد، که در سه حالت طبق رابطه - 1 - مورد بررسی قرار میگیرد. در این مقاله، از نرم افزار ABAQUS 6.14 برای شبیهسازی استفاده شده است. قطعه بهصورت متقارن و از مدل تغییر شکل پذیر از نوع پوسته با ابعاد ذکر شده در نظر گرفته شده است. همچنین غلتک از نوع متقارن، صلب تحلیلپذیر و از نوع سیمی مدل میشود و یک نقطه مرجع بر روی غلتک انتخاب شده است. مشخصات مواد به دو صورت الاستیک و پلاستیک خطی - الاستیک-پلاستیک صلب - تعیین گردید. برای ضریب اصطکاک سه مقدار 0.15، 0.25 و 0.45 در نظر گرفته شد. همچنین ابعاد هر المان در مشبندی 0.5×0.5 تعیین شد.
.2-2 تحلیل مسئله نورد
در گام نخست به ایجاد مدل هندسی در ماژول Part میپردازیم. ازآنجاییکه در این فرآیند، ورق امکان تغییر شکل دارد و رفتار غلتک در مقایسه با آن از سختی بیشتری برخوردار است - تغییر شکل در غلتک بسیار ناچیز است - ، غلتک به عنوان یک جسم صلب مدل میشود. بنابراین یک نقطه مرجع برای غلتک در مرکز دایره تعریف میشود - Reference . - Point از اینرو، مطابق ابعاد دادهشده دو قطعه مجزا برای غلتکها در نظر گرفته میشود. در ادامه، خواص مکانیکی مورد نظر برای ورق را در محیط Property وارد کرده و به تعریف یک سطح مقطع از نوع جامد همگن میپردازیم. با توجه به صلب بودن غلتک، نیازی به تعریف ماده و سطح مقطع برای آن نیست. با ورود به محیط Assembly ورق و غلتک را نسبت به هم مونتاژ میکنیم. در ماژول Step یک حلگر از نوع Static/standard با بازه زمانی تعریف میکنیم.
مطابق مدلسازی فرآیندهای شکلدهی، در فرآیند نورد نیز نیاز به تعریف رفتار تماسی بین ورق و غلتک وجود دارد. لذا در ماژول Interaction برای رفتار مماسی ضریب اصطکاکی 0.3 قرار میدهیم. همچنین، یک رفتار تماسی از نوع Surface to Surface بین ورق و غلتک تعریف میکنیم. با انجام مراحل فوق، کار در محیط Interaction خاتمه یافته و مسئله برای اعمال شرایط مرزی آماده خواهد شد. از اینرو، در ماژول Load به تعریف شرایط مرزی مورد نیاز میپردازیم. در گام اول، غلتک را از نقطه مرجع مقید میکنیم. به رول بالا و پایین یک سرعت دورانی میدهیم. عملیات آمادهسازی مسئله با ایجاد یک شبکه اجزای محدود ساده بر روی ورق در ماژول Mesh به پایان میرسد. نحوه مدل نورد و نوع مش در شکل - 2 - نشان داده شده است. همچنین در شکل - 3 - یک نمونه از مدل شبیهسازیشده فرآیند نورد آورده شده است.
