بخشی از مقاله
چکیده:
یکی از موضوعات مهمی که اخیرا مورد توجه صنایع خودروسازی قرار گرفته است مساله کاهش وزن خودرو است که علاوه بر کاهش مصرف سوخت اثرات زیست محیطی مطلوبی هم به دنبال دارد. فلوفرمینگ، یک تکنولوژی کارآمد جهت تولید بهینه رینگهای با وزن کم است زیرا در این فرایند رینگهای با دقت ابعادی بالا و با ضخامت کم قابل تولید است.
فلوفرمینگ جز روشهای بدون برادهبرداری بوده و در آن قطعهکار که عمدتا به صورت پیشفرم است در منطقه بین غلتک و مندرل متحرک به صورت موضعی به تسلیم رسیده و ناحیه تسلیم روی یک مسیر مارپیچ حرکت کرده و منجر به شکلدهی تمام قطعه می شود، میزان کاهش ضخامت دیواره به خصوصیت مواد ورودی، تعداد پاسهای فرایند، سرعت پیشروی غلتک وابسته است.
هدف این مقاله شبیهسازی المان محدود و بررسی پارامترهای موثر بر فرایند فلوفرمینگ جهت تولید رینگ خودرو است. شبیهسازی موجب خواهد شد، درک ما از فرایند بالا رفته و اثر پارامترهای مختلف فرایند را با هزینه کمتر ببینیم. شبیهسازی سهیعدی با استفاده از نرمافزار Abaqus 6-14 انجام شده و جهت صحهگذاری بر نتایج نرم افزار، از آزمایشهای تجربی انجام شده در این زمینه استفاده گردیده که تطابق خوبی بین نتایج شبیهسازی و آزمایشهای تجربی مشاهده شد.
.1 مقدمه
با پیشرفت روزافزون صنعت خودرو، طراحی و تولید بهینه قطعات آن ضروری به نظر میرسد، با توجه به نقش چرخ ها در سیستم تعلیق خودرو لزوم بهکارگیری آن در خودروهای مختلف مساله کیفیت رینگ های به کار رفته در چرخ بیش از پیش مهم جلوه میکند یقینا عدم کیفیت مطلوب آن منجر به بروز حوادث و خسارتهای جبرانناپذیری خواهد شد. علاوه بر اهمیت تولید رینگهای با کیفیت سطح و کیفیت ابعادی و هندسی مطلوب مسئله کاهش وزن خودرو هم از اهمیت بالایی برخوردار است.
یکی از موضوعات مهمی که اخیرا مورد توجه صنایع خودروسازی قرار گرفته است مساله کاهش وزن خودرو است که علاوه بر کاهش مصرف سوخت اثرات زیست محیطی مطلوبی هم به دنبال دارد. چرخ خودرو از جمله اجزا جداییناپذیر آن است که در اکثر خودروها 5 عدد از آنرا می توان دید، چرخ به طور کلی از دو قسمت رینگ و تایر تشکیل شده است رینگ خودرو از روشهای مختلفی چون ریختهگری2، فورجینگ3، رولفرمینگ4 و یا ترکیبی از اینها تولید میشود یکی از روشهای جدیدی که برای تولید رینگ، مخصوصا رینگ های اسپرت بهکار میرود فلوفرمینگ است.
فلوفرمینگ یکی از روشهای شکلدهی فلزات است که در آن با استفاده از اعمال نیرو و چرخش، اشکالی توخالی با محور تقارن و گاهی صفحه تقارن قابل تولید میباشد. این روش تولید بر مبنای متمرکز کردن تغییرشکل در یک ناحیه کوچک از قطعه به منظور کاهش نیرو و در نتیجه کاهش توان لازم بنا شده است. با پیشرفت تکنولوژی و نیاز به قطعات دقیق در صنایع هواپیماسازی، خودروسازی و غیره استفاده از این فرایند در صنایع مختلف گسترش یافت. این فرایند به دو روش فلوفرمینگ مستقیم و معکوس تقسیم شده که در شکل 1 هردو روش ذکر شده به تصویر کشیده شده است.
مراکز تحقیقاتی سراسر دنیا تحقیقات زیادی از جنبههای مختلف از جمله بررسی تجربی، شبیهسازی عددی و بررسی پارامترهای مختلف تاثیرگذار بر روی این فرایند صورت دادهاند. با پیشرفت رایانه، استفاده از نرمافزارهای مهندسی جهت شبیهسازی فرایندهای مختلف رشد پیدا کرده است که از این بین نرم افزار آباکوس با توجه به تحلیل های به نسبت دقیق، سریع و رابط کاربری ساده بیشتر مورد توجه طراحان مهندسی قرارگرفته است و در این مقاله ما از نسخه Abaqus 6-14 جهت شبیهسازی فرایند استفاده کردیم. البته در کنار کار شبیهسازی و تکنیکهای مختلفی که جهت سادهسازی تحلیل فرایند انجام دادیم به بحث و بررسی در رابطه با دقت تولید شکل هندسی رینگ پرداختیم چرا که برای عملکرد صحیح یک جزء همان گونه که اندازه آن جزء مهم است شکل هندسی آن نیز اهمیت دارد.
شکل 1 فرایند فلوفرمینگ مستقیم و معکوس
.2 پیشینه ی تحقیق
کانگ و همکاران [2] این فرایند را با روش المان محدود دینامیکی با استفاده از نرم افزار انسیس شبیهسازی کردند. بعد از آن کویگلی و همکاران [3] با استفاده از ابر رایانه و همچنین تکنیک استفاده از پردازشگر های موازی توانستند زمان شبیهسازی را کاهش دهند.
وونگ و همکاران [4] اثر هندسه غلتک و سرعت پیشروی را بر نیروی فرایند و جریان مواد به کمک نرمافزار آباکوس شبیهسازی نمودند، ایشان گزارش دادند که در هنگام حرکت محوری نیروی شعاعی بیشتر و هنگام حرکت شعاعی نیروی محوری بیشتر است. از طرفی گزارش دادند که حلگر ضمنی نسبت به حلگر صریح از دقت بالاتری برخوردار است اما استفاده از حلگر صریح موجب بالا بردن سرعت تحلیل در شبیه سازی فرایند خواهد شد.
محبی و اکبرزاده [5] کرنش زائد را در فرایند فلوفرمینگ مورد بررسی قرار دادند. برای اندازهگیری کرنش، پینهایی به صورت طولی و عمودی در سطح قطعه استوانهای شکل قرار گرفت. هم چنین این فرایند را در نرمافزار آباکوس شبیه سازی نمودند. تغییر شکل پلاستیک در سطح قطعه زودتر از بقیه شروع و دیرتر از همه متوقف میشود که همین امر موجب ایجاد انباشتگی در جلوی غلتک میشود.
از آنجاییکه این انباشتگی تمام المانهای سطح را در بر میگیرد، پس سطح ماده در هنگام ورود به انباشتگی تحت کرنش شعاعی مثبت و در هنگام خروج تحت کرنش شعاعی منفی قرار دارد. در اثر این پدیده یک کرنش زائد تحت عنوان کرنش معکوس نیز بهوجود میآید که سهمی در تغییر شکل ندارد. کرنش معادل در سطح قطعه به خاطر افزایش کرنش برشی و نیز کرنش معکوس حاصل از پدیده انباشتگی، نسبت به نقاط دیگر بیشتر است.
موریرا و همکاران [6] با شبیهسازی فرایند فلوفرمینگ معکوس به صورت سه غلتکی از دو طریق کرنشصفحه ای و سهبعدی به بررسی پارامترهای مختلف تاثیرگذار بر فرایند از قبیل نیروهای فرایند و هندسه غلتک پرداختند. آنها گزارش دادند که نیروی محوری نسبت به نیروهای شعاعی و مماسی وارد شده به غلتک میزان بالاتری دارد و این امر خود موجب پایین آمدن تنشهای پسماند در لوله فلوفرم شده میشود نیرو تابعی از سرعت پیشروی غلتک و سرعت دورانی مندرل است.
ذوقی و همکاران [7] به شبیهسازی فرایند جهت ایجاد لوله با انتهای بسته از جنس 4CrMoSteel اقدام کردند و در تحقیق خود به بررسی کرنش پلاستیک معادل و تنش فونمیزز وارد شده به لایههای مختلف لوله پرداختند و گزارش دادند که به سبب نیروهای غیر یکسان وارده به لوله فلوفرم شده تغییرشکلهای نابرابری در لایههای ضخامتی لوله ایجاد میشود و کرنشهای ایجاد شده در لایه های زیری که با مندرل درگیر است از لایه های بالایی که در اندرکنش با غلتک قرار دارد کمتر است.
بت و راوال [8] به بررسی مقایسهای فلوفرمینگ مستقیم و معکوس روی پیشفرم لولهای از جنس Al6063 پرداختند و نشان دادند که از بین نیروهای وارد شده به نقطه مرجع غلتک میزان نیروی محوری از شعاعی و شعاعی از مماسی بیشتر است که مقدار هریک از این نیروها در روش مستقیم از معکوس بیشتر است.
در این تحقیق ابتدا شبیهسازی فرایند انجام شد و در ادامه با توجه به دادههای خروجی نرمافزار به تحلیل و بررسی این دادهها برای تعیین تلرانس هندسی و کیفیت سطح رینگ خودروی شبیهسازی شده پرداخته شد. یکی از مهمترین دستگاههایی که در صنعت برای تعیین تلرانس گردی بهطور مستقیم به کار میرود دستگاه تالیرند5 است و از جمله دستگاههایی که جهت اندازهگیری مستقیمی به کار میرود تراز الکترونیکی، تراز دقیق و اتوکالیماتور است. ولی ما در اینجا دادههای خروجی نرمافزار آباکوس را تحلیل کرده و با توجه به آن به بررسی تلرانس هندسی رینگ شبیهسازی پرداختیم.
.3 تجزیه و تحلیل المان محدود فرایند
همانطور که در مقدمه ذکر شد در این پژوهش از نرم افزار المان محدود آباکوس جهت شبیهسازی فرایند استفاده شد. باید توجه داشت که مدلسازی و تحلیل فرایند فلوفرمینگ روند پیچیده و مشکلی دارد، لذا با اعمال شرایط مرزی مناسب و انتخاب بهترین نوع المان کاری میکنیم که شرایط تحلیل هرچه بیشتر به شرایط واقعی نزدیک شود. در نگاه اول گمان میرود جهت انجام سریعتر طراحی و بالا بردن سرعت تحلیل می توان از مدلهای یا برای شبیهسازی استفاده کرد ولی به علت ذات پیچیدهی فرایند که در آن حرکت دورانی و پیشروی همزمان صورت گرفته و انتقال نیرو به طور مداوم از یک گره به گرههای مجاور و همچنین به دلیل تغییر مداوم شرایط تماس بین غلتک و قطعه برای داشتن پیوستگی شرایط تماس از مدل کامل جهت شبیهسازی فرایند استفاده شد.
پیشفرم بهکار رفته در این پژوهش به صورت تغییر شکلپذیر6 و غلتک و مندرل صلب7 در نظر گرفته شدند. با توجه به صلب در نظر گرفته شدن مندرل و غلتک به هر کدام از آنها نقطه مرجع اختصاص داده شد که جهت کاهش زمان شبیهسازی نقطه مرجع مندرل از کلیه جهتها بسته شده و نقطه مرجع غلتک روی محور مندرل در نظر گرفته شد تا علاوه بر حرکت خطی در طول پیشفرم به دور آن نیز چرخش داشته باشد. روشهای مختلفی جهت کاهش زمان شبیهسازی فرایند بهکار بسته شد تا به واسطه آنها زمان تحلیل از چند روز در مراحل اولیه به چند ساعت در مراحل پایانی رسید که از جمله آن میتوان به موارد زیر اشاره کرد:
-1 ساده سازی پیشفرم با حذف اجزایی که با غلتک درگیر نیستند.
-2 استفاده از حلگر صریح
-3 بهکار بستن غلتک و مندرل به صورت پوستهای و صلب
-4 استفاده از پردازشگرهای موازی
-5 اعمال ضریب جرم
-6 استفاده از مشزنی تطبیقی
در منطقه الاستیک کرنشها از قانون هوک تبعیت می کنند اما در منطقه تغییر شکل پلاستیک کرنش ها در حالت کلی به حالت نهایی تنش بستگی دارند. برای تعریف منحنی جریان در ناحیه پلاستیک قوانینی وجود دارد که در این پژوهش از قانون هولومون استفاده شده است که این رابطه در معادله ε آورده شده است. در این رابطه K ضریب استحکام و مساوی تنش برای کرنش =1 و n توان کرنشسختی است که مساوی شیب منحنی لگاریتمی معادله ε است.
این رابطه از شروع جریان پلاستیک تا حداکثر بار که در آن گلویی شروع میشود اعتبار دارد که این مقادیر و مقادیر مربوط به خصوصیات دیگر مواد مورد استفاده در جدول 1 به عنوان ورودی به نرمافزار داده میشوند. در مونتاژ تا آنجا که ممکن بود طوری مونتاژ صورت گرفت که به شرایط واقعی نزدیکتر باشد و از طرفی از تکنیکهای سادهسازی جهت کاهش زمان فرایند استفاده شد که در شکل 2 مدلهای مونتاژ شده قبل و بعد از سادهسازی آورده شده است.
همانطور که قبلا ذکر شد در مرحله گامهای حل از حلگر دینامیکی صریح استفاده شد و در مرحله شرایط تماسی که تماس بین اجزاء تعریف میشود، به علت آنکه در حین فرایند فلوفرمینگ مایع روانکار با فشار بالا به منطقهی تغییر شکل وارد میشود، این تماس با ضریب اصطکاک 0.001 در نظر گرفته شد، از طرفی از آنجا که قطعه به مندرل چسبیده و تحت فشار بالایی قرار دارد ضریب اصطکاک 0.1 بین قطعه و مندرل در نظر گرفته شد . در بارگذاری مندرل و قطعه در تمام جهت ها مقید شده و غلتک از نقطه مرجعش که روی محور مندرل قرار دارد
