بخشی از مقاله
چكيده:
درعمليات شكل دهي سرد - كشش عميق - به منظور به دست آوردن شكل مطلوب نهايي ، ورق هاي فلزي در معرض تنشهاي بزرگ قرار مي گيرند. با اين حال، در شرايط شكل دهي شديد ورق فلز ممكن است نازك شدن و پارگي در طول فرآيند را تجربه كند. پارامترهاي دخيل در فرايند كشش عميق عبارتند از: نسبت ابعاد، ضخامت بلانك اوليه ، دماي شكل دهي، شعاع لبه سنبه و ماتريس، شرايط تماس بين بلانك و قالب، ورقگير و سنبه، نرخ جابه جايي سنبه، و غيره .
كار ارائه شده در مقاله حاضر بخش اول يك مطالعه پارامتري عددي است كه شامل پارامترهاي ريز در يك فرايند شكل دهي براي شبيه سازي كشش عميق از جام مربع - مانند پارامترهاي هندسي و ضريب اصطكاك - است. در واقع، يك مدل سه بعدي FEA با استفاده از ABAQUS ساخته شده است. هدف اين مقاله حل فرآيند شكل دهي ورقهايست كه داراي خواص غيرخطي مختلفند، از طريق FEM است. هدف ما توسعه يك مطالعه پارامتري است كه مي تواند به طور عمده منجر به پيش بيني دقيق هندسه نهايي بلانك اوليه و توزيع كرنش ها و تنش ها و نيز براي كنترل نقص عيوب شكل دهي مانند نازك شدن و همچنين پارامترهاي موثر بر شكل نهايي ورق پس از فرآيند شكل دهي است.
١.مقدمه و معرفي
كشش عميق ورق نازك فلز به طور گسترده اي در شكل دهي مواد صنعتي استفاده مي شود كه اجازه توليد قطعات با ديواره نازك با اشكال پيچيده مانند پانل هاي خودرو و يا قطعات ساختماني را مي دهد. اين فرايند شامل تغيير شكل پلاستيك بلانك اوليه در معرض حركت سنبه و ماتريس در حاشيه هاي محدوده ورق گير است . فرآيندهاي طراحي متعارف براي شكل دهي ورق هاي فلزي معمولا بر اساس يك رويكرد تجربي است. با اين حال، به دليل نياز به دقت بالا و قابليت اطمينان در شكل دهي قطعات، اين روش به دور از يك راه حل نهايي و قابل اعتماد است .
امروزه، روش اجزاء محدود - FEM - به تدريج براي خواص شكل دهي فلزات، توسط صنعت به تصويب رسيده است. براي توسعه و تجاري سازي فرآيندهاي كشش عميق شبيه سازي بسيار مفيد است ]٢،١.[ اساسا كدهاي نهايي در روش implicit or explicit توجه زيادي به تنش هاي الاستيك و پلاستيك و شرايط تماس با اصطكاك بين ابزار و ورق دارد. سودمندي كدهاي نهايي به طور كامل براي ارزيابي پيش بيني نقص كيفيت مانند چروك، كمانش، گلويي شدن، شكستگي، و اجازه برگشت فنري است كه توسط توليد كنندگان به منظورجلوگيري از روش هاي عملي طولاني و گران به رسميت شناخته شده است. درواقع، مواد فلزي در معرض فرآيندهاي شكل دهي ورق غير قابل برگشت هستند.
اين امر منجر به ايجاد فشار بالا در مناطق متمركز وياداخلي يا ميكرو نقصهاي سطحي مي شود. - آسيب نرم - ]٣[ اين آسيب باعث مشكلات كيفيت مانند گلويي شدن و شكستگي، كه منجربه شكست فرآيند مي شود. به اين دليل، بايد روشهاي شبيه سازي براي انجام دادن دقيق پيش بيني مكانيسم آسيب استفاده شود. بنابراين به طور كلي روشهاي مذكور براي معادله آسيب با استفاده از معادلات ساختاري استفاده مي شود
جدول١ - خواص مكانيكي
هدف از اين مطالعه بررسي تاثيرپارامترها با استفاده از تجزيه و تحليل FEM بر روي يك جام مربع است. فرايندهاي كشش عميق ارائه شده در اين مقاله با استفاده از ورقهاي آلومينيومي، فولاد معمولي و فولاد HFS كه معمولا مورد استفاده در شكل دهي هستند طراحي شده است.
ويژگي مواد مورد استفاده در جدول١ ذكر شده. است در اين مطالعه، جزئياتي از تحليل شكل دهي سه بعدي فرآيند كشش عميق صورت پذيرفته شده است. در واقع، كارآمدترين روش براي ارزيابي اين نوع از مشكل اين است كه تجزيه و تحليل ديناميك و استاتيك در FEM انجام شود.
در اين مقاله تجزيه و تحليل از طريق ]ABAQUS/Explicit١١[ مورد استفاده قرار گرفته شده است. از آنجا كه فرآيند شكل دهي اساسا شبه استاتيك است ، محاسبات با ABAQUS/Explicit مي تواند بيش از يك دوره زماني به اندازه كافي طولاني براي ارائه اثرات اينرسيايي كم اهميت انجام گيرد. با اين حال، محاسبات گران تر خواهد شد و ازشبيه سازي شكل دهي اجزاي پيچيده جلوگيري مي كند.
٢.شرح مدل
در اين بخش، اول از همه، ساختار موادي متفاوت بخش هايي از مدل بيان شده است و پس از آن تنش – كرنش فشارحاكم بر بخش هاي مختلف تحت شرايط مرزي خاص توصيف شده است. مواد بلانك كه شكل پايه جام است در شكل ١ نشان داده شده است كه در تماس با پيشاني پانچ، قالب و ورقگير است . اين مواد مي تواند برروي سطح پانچ بلغزد و كشيده شود.
با اين حال، حداقل كردن نوسانات در ضخامت اين مواد مورد انتظار است. در طي يك عمليات كشش عميق، بلانك تحت تنش شعاعي است كه درون قالب كشيده مي شود و نيز تنش فشاري نرمالي وجود دارد كه به المان در تماس با ورقگير وارد مي شود. تنش هاي كششي شعاعي منجر به ايجاد فشار حلقه اي مي شود كه سبب كاهش در جهت محيطي است.
فلنج بلانك به دليل اين فشار حلقه اي مبادرت به ايجاد چين و چروك مي كند. با اين حال، ورقگير بايد از وقوع اين حادثه جلوگيري كند . در واقع، بار اعمال شده بر روي بلانك به عنوان يك مدل توزيع بار در سطح تماس با بلانك - ورقگير است. ديوارهاي جام اولين جاييست كه تحت تنش كششي طولي قرار مي گيرد، همانگونه كه پانچ نيروي كشش ميان ديواره هاي جام وميان نگهدارنده را به درون حفره قالب كشيده شده انتقال مي دهد. و نيز تنش حلقه اي كششي ناشي از گرفتن محكم سنبه وجود دارد.
١-٢ مفهوم
انتخاب ابعاد مختلف هندسي و خواص مواد به داده هاي تجربي قبلي ]١٢[ مطابقت داده شد. به واقع، بلانك اوليه مربعيست به ابعاد، ١٥٠ ميلي متر ، وضخامت آن براي HFS ٢,١ ميلي متر ، براي MS ٧٨,٠ ميلي متر و براي آلومينيوم ٨١,٠ ميلي متر است.
قالب صلب يك سطح صاف است با يك سوراخ مربعي ٨٤ ميلي متر ، با گردي لبه به شعاع ٨ ميلي متر. ابعاد پانچ صلب مربعيست به اندازه ٧٠ ميليمتر و با گردي لبه به شعاع ١٠ ميلي متر. ورقگير را مي توان به عنوان يك صفحه تخت در نظر گرفت، بلانك هرگز نزديك به لبه هاي آن نمي آيد. هندسه اي از اين قطعات در شكل ١ و ٢ نشان داده شده است. سطوح صلب از بلانك به اندازه نيمي از ضخامت بلانك آفست شده اند.
ABAQUS/Explicit به طور خودكار ضخامت پوسته در هنگام تماس را محاسبه مي كند. بار متمركز ٦,١٩ كيلو نيوتني با سطح تماس ورقگير اعمال مي شود. ورقگير فقط مجاز به حركت در جهت عمودي است. ضريب اصطكاك بين ورق و پانچ به طور متغير ٠١-.١٢٥ در نظر گرفته شده ، و همچنين بين بلانك وپانچ ٠١,٠-٢٥,٠ در نظر گرفته شده است. در واقع، قبلا، تاييد شد كه ضريب اصطكاك بين سطوح تماس يك اثر مهم در روند شكل دهي هستند
شكل ١ - بخش هاي مختلف در مدل مونتاژي
شكل ٢ - بلانك در پيكربندي اوليه
سرعت شبيه سازي پانچ ثابت نگه داشته و برابر به ٦٦,١ ميليمتر / ثانيه است در حالي كه حداقل فاصله گره در نظر گرفته كمتر از ضخامت بلانك است. بلانك يا ازآلومينيوم، HFS و فولاد MS ساخته شده است. رابطه بين تنش واقعي و فشار لگاريتمي، با معادلات ساختاري براي اين مواد در مرجع التيناتاش - ١٩٩٦ - ]١٢[ داده شده است. رفتار تنش-كرنش توسط بخش خطي منطبق با منحني رامبرگ-اسگود تا سطح كل - لگاريتمي - فشار ١٠٧٪، با حد تسليم مايزس، سختي ايزوتروپيك، و بدون وابستگي به نرخ جز براي مواد HFS تعريف شده است. با توجه به تقارن شكل مدل تنها يك چهارم از جام كافي است. با اين حال، يك چهارم مدل كار تجسم را آسان تر مي كند.
فقط المانهاي ٤گره اي سه بعدي براي عناصر صلب - نوع - R3D4 مدل اعم از : قالب، پانچ، و ورق گير استفاده مي شود. بلانك با ٨ گره، ازالمانهاي linear finite- - strain shellنوع - SC8R مدل شده است. كامپيوتر در زمان اجرا ي شبيه سازي با استفاده از يكپارچه سازي زمان و مش مشخص كه به طور مستقيم متناسب است با دوره زماني رويداد عمل مي كند؛ اندازه افزايش زمان ثابت تابعي از اندازه مش - طول - و سختي مواد است.
بنابراين، معمولا اجراي شبيه سازي در سرعت مصنوعي بالا در مقايسه با فرايند فيزيكي مطلوب تراست. اگر سرعت شبيه سازي بيش از حد افزايش يافته است، راه حل به مشكل فيزيكي كم سرعت مربوط نيست بلكه به عنوان مثال به اثرات اينرسيايي شروع به تسلط مربوط مي شود. در يك نوعي ازفرايند شكل دهي، پانچ ممكن است در سرعت هاي ١ متر / ثانيه حركت كند كه در مقايسه با سرعت موج معمولي در شكل دهي مواد بسيار آهسته حركت مي كند. - سرعت موج در فولاد حدود ٥٠٠٠ متر/ ثانيه است. -
به طور كلي، نيروهاي اينرسي نقش عمده اي براي نرخ شكل دهي كه بطور قابل توجهي بالاتر از نرخ اسمي ١متر / ثانيه كه در مشكل فيزيكي است را ندارد. در نتايج ارائه شده ، فرآيند شكلدهي توسط حركت گره مرجع براي پانچ رو به پايين از طريق يك فاصله ها از - ١١- ١٥- ٣٠ و ٤٠ ميلي متر ٦٢٦٥٠٦,٦، ٠٣٦١٤٥, ٩، ٠٧٢٢٨٩,١٨ ٠٩٦٣٨٦,٢٤ - شبيه سازي شده است. در اين تجزيه و تحليل از روش mass scaling براي تنظيم سرعت پانچ موثر بدون تغيير خواص مواد استفاده شده است.
٣. مدل FEM
شبيه سازي عددي FEM فرآيند كشش عميق جام مربع با ABAQUS/Explicit انجام شد. تنظيمات پانچ، قالب، بلانك و نگهدارنده در شكل١ نشان داده شده است. حركت پانچ با استفاده از يك گره راهنما تعريف شد. اين گره نيز براي به دست آوردن نيروي كشش در طول شبيه سازي به كار گرفته شد .توزيع فون ميزس در دو مرحله مختلف در شكل٣ نشان داده شده است . تنوع برش ضخامت بلانك با شكل ٤ و فشار معادل پلاستيكي نيز توسط شكل ٥ نشان داده شده است
