بخشی از مقاله
تخمین توزیع فشار و نیروی آهنگری در فرآیند آهنگری شعاعی لوله
چکیده
فرآیند آهنگری شعاعی جهت تولید قطعات میله ای با پروفیل داخلی و بدون پروفیل داخلی به کار می رود. در این فرآیند حرکت قطعه کار بصورت دورانی همراه با پیشروی محوری، حرکت مندرلی تابعی از حرکت قطعه کار و حرکت چکشی ها بصورت نوسانی است. با توجه به اینکه حرکت چکشی ها بصورت نوسانی شعاعی و با سرعت نسبتا بالایی است، جهت بهینه کردن عمر چکش ها و انرژی مورد نیاز فرآیند؛ پیش بینی نحوه توزیع فشار آهنگری روی سطح قالب و بررسی تغییرات فشار و نیروی آهنگری نسبت به پارامترهای فرآیند، ضروری می باشد. در این مقاله، فرآیند آهنگری شعاعی سرد با استفاده از روش اجزای محدود غیرخطی با رفتار تغییر شکل الاستیک - پلاستیک برای جنس قطعه کار و رفتار صلب برای قالب / مندرلی و به صورت متقارن محوری شبیه سازی گردیده و برای تماسی قالب - قطعه و مندرلی - قطعه از مدل اصطکاکی لغزنده - چسبنده و روش تحلیل پنالتی استفاده شده است. همچنین جهت مقایسه، با روشی تعادل نیروها هم مدل شده است. توزیع محوری فشار وارده بر سطح قالب، تعیین موقعیت فشار بیشینه روی قالب و تاثیر پارامتر هایی از قبیل پیشروی محوری قطعه کار، اصطکاک ما بین قالب - قطعه و مندرلی - قطعه و هندسه چکشها روی آن مورد بحث واقع می شوند که می تواند برای بهینه سازی فرآیند و طراحی شرایط جدید آهنگری در جهت افزایش
عمر قالب و صرفه جویی در مصرف انرژی، به کار رود.
واژه های کلیدی : آهنگری شعاعی- اجزای محدود - مدل متقارن محوری - روش تعادل نیروها مقدمه تغییر شکل در فرآیند آهنگری شعاعی در سه منطقه تورفتگی، آهنگری و سایزینگ صورت می گیرد. تورفتگی منطقه ای است که هر دو قطر داخلی و خارجی در حالی کوچک شدن است. در منطقه اهنگری، قطر داخلی قطعه کار با قطر خارجی مندرلی برابر بوده و فقط قطر خارجی کم می شود و در منطقه سایزینگ هم، هر دو قطر داخلی و خارجی به اندازه نهایی رسیده و تغییر شکلهای موجود بیشتر بصورت الاستیک می باشد که هدف از وجود این منطقه، رسیدن به یک صافی سطح داخلی خوب || ۱ || است. شکل (۱) مناطق سه گانه تغییر شکل را نشان می دهد. دراین فرایند، جهت موقعیت دهی، مهار و هدایت محوری قطعه کار، از دو عدد کار گیر در دو انتهای قطعه کار استفاده می شود و یک مندرلی با پروفیلی خاصی مورد نیاز، در داخل لوله اولیه قرار می گیرد. نیروی تغییر شکلی بصورت پریودیک توسط چکشها از چهار طرف با زوایای نود درجه به قطعه وارد می شود که شماتیک کلی فرآیند در شکل (۲)، انواع حرکتهای موجود در این فرآیند را نشان می دهد.
فرآیند آهنگری شعاعی برای کاهش سطح مقطع شفتها و بیلتها با سطح مقطع های گرد، مربعی، مستطیلی و همچنین برای ساخت انواع محور ها و شفت های پله ای و دارای تقارن محوری، انواع لوله های توخالی با پروفیل داخلی و بدون پروفیل مورد استفاده قرار می گیرد. دقت ابعادی بالای محصولات تولیدی ا۳]، سرعت تولید بیشتر و راندمان بالا در مصرف انرژی ا۳، ایجاد ساختاری همگن بواسطه سرعت بالای تغییر شکل در مقاطع مختلف ۴]، احتمال کمتر بودن عیوب سطحی و داخلی بواسطه وجود تنش های فشاری حین تولید ۴، قابلیت کنترل سیلان فلز
به دلیل استفاده از چهار قالب بطور همزمان ا||۴|ا، یکنواختی و قابلیت کنترل ریز ساختار ۴، صافی سطح هموار || ۲ || و استحکام بالای محصول ۲] از مهمترین مزایای این روش می باشد. در سال ۱۹۷۶ " لاهوتی و آلتان ا۵]، فرآیند آهنگری شعاعی را به روش تعادل نیروها مورد بررسی قرار دادند. در سال ۱۹۹۲، رامش و جکمن آ۶] توزیع درجه حرارت و کرنش را با فرضی حالت ایزوترمال در فرآیند آهنگری شعاعی بروش اجزای محدود پیشگویی کردند. شیوپوری و دامبلسکی || ۷ || وا||۸|| کاربرد روش اجزای محدود در آهنگری شعاعی داغ لوله های قطور را بررسی کرده و جانگ و لیبیوا ۲] توزیع تنشهای پسماند در محصولات متقارن تولید شده به روش آهنگری شعاعی داغ را با استفاده از یک روش اجزای محدود غیر خطی بدست آوردند. عاملی و موحدی آ۹ || تاثیرات میزان پیشروی محوری قطعه کار و ضرایب اصطکاک را روی انواع تنش های پسماند ایجاد شده در سطوح داخلی و خارجی و توزیع آن در راستای شعاعی بررسی کرده اند، اما در مورد توزیع فشار و نیروی مورد نیاز برای آهنگری، کاری صورت نگرفته است. چکشهای مورد استفاده در فرآیند آهنگری شعاعی به علت جنسی خاص و تکنولوژی بالای ساخت، از قیمت بالایی برخوردارند و همچنین تناژ پرسهای مورد استفاده در این کارها نسبتا بالا است به طوریکه کاهش چند درصدی این تناژ می تواند سبب صرفه جویی قابل توجهی در انرژی گردد. بنابراین با توجه به تاثیر مستقیمی که فشار آهنگری روی عمر قالب و میزان انرژی مورد نیاز دارد، پیش بینی آن و بررسی تاثیر پارامترهای فرآیند روی آن مهم می باشد. جهت بدست آوردن توزیع فشار، فشار ماکزیمم، نیروی کلی مورد نیاز و بررسی تاثیر بعضی پارامترهای فرآیند روی نیروی کلی مورد نیاز، توسعه یک مدل عددی اجتناب ناپذیر می باشد. در بعضی از کاربردهای خاص نظیر خانکوبی لوله های تفنگ، لوله دارای پروفیل داخلی می باشد. بنابراین ممکن است که مندرلی دارای تقارن محوری نباشد. در اینگونه موارد بهتر است که از مدل سه بعدی در شبیه سازی استفاده شود. اما با توجه به پیچیدگیهای مدل سه بعدی، با فرض ناچیز بودن عدم تقارن پروفیل داخلی در مقایسه با تغییر شکلهای کلی و با استفاده از ساده سازی هایی مثل صرف نظر کردن از دوران قطعه کار و فاصله مابین قالب ها در انتهای کورسی ضربه، در این کار از مدل دو بعدی متقارن محوری استفاده شده است. همچنین با توجه به اینکه در این کار بیشتر، مسایل برخورد چکشها با سطح خارجی قطعه کار و فشار عمودی ایجاد شده از این برخوردها مد نظر است، به نظر می آید وجود یا عدم وجود پروفیل غیر متقارن داخلی نظیر خانها تغییر چندانی در نتایج این کار ایجاد نکند. با این حال، توسعه این مدل به سه بعدی و مقایسه نتایج در گامهای بعدی مد نظر قرار خواهد گرفت.
مدلسازی
در این تحلیلی، فرآیند آهنگری شعاعی لوله با استفاده از نرم افزار ABAQUS به صورت متقارن محوری مدل شده است. مراحل اجرای شبیه سازی در نرم افزار، شامل مدلسازی هندسی، المان بندی، تعریف خواص ماده قطعه، اعمال نیروها و شرایط مرزی و تعریف تماس قالب - قطعه و مندرلی - قطعه می باشد. المانهای انتخاب شده برای شبکه بندی قطعه کار نوع CAX4 با ابعاد ۱mm×۱mm می باشد که المانهای محیط پیوسته متقارن محوری چهار گرهی می باشند. در شبکه بندی مدل چکشی ها و مندرلی از المانهای RAX2 با ابعاد ۱mm که المانهای صلب متقارن محوری دو گرهی هستند، استفاده شده است. برای شبیه سازی رفتار تغییر شکل ماده قطعه کار در این فرایند، خاصیت الاستیک - پلاستیک همسانگرد با معیار تسلیم و قانون جریان مایزز - هیلی، قانون سخت شوندگی سینماتیک با رابطه کار سختی توانی لادویک ("O = Ke) و مستقل از نرخ کرنش و درجه حرارت فرض شده است. برای خواص الاستیک - پلاستیک، مدول الاستیسیته ۲۰۰GPal، ضریب پواسن ۰/۳، تنش تسلیم MPal ۲۰۰ و ضرایب K و n در رابطه لادویک به ترتیب ۷۵۰MP a و ۲/ ۰ در نظر گرفته شده است. زمان مورد نیاز پردازشی برای هر ضربه چکش حدود
جهت اعمال نقشی کارگیرها، از هر دو روش اعمال شرط جابجایی در یکی از انتهاهای قطعه کار و استفاده از رینگهای اصطکاکی در دو انتهای قطعه کار استفاده شد که نتایج با همدیگر تفاوت چندانی نداشتند. با توجه به اینکه هر دوی چکشی و مندرلی به صورت صلب مدل شده اند و هر کدام دارای یک گره مرجع می باشند که حرکتشان توسط آن گرهها کنترل می شود، اعمال جابجایی های شعاعی و محوری این دو از طریق گره مرجع صورت گرفت. برای مدلسازی تماس مندرلی - قطعه و چکش - قطعه از مدل صلب - شکل پذیر با المانهای تماسی صلب و نوع حرکت لغزشی بزرگ استفاده شده است که سطوح تماسی، رفتار ماده صلب از خود نشان می دهند. از روش فرمولبندی پنالتی جهت تحلیل تماسی و اصطکاک بهره گرفته شده و مدل جسم برخورد کننده بصورت خط صلب و جسم هدف بصورت لبه یک جسم دو بعدی فرض شده است. از محدودیت حداکثر تنش برشی اصطکاکی مابین سطوح تماس برابر با تنش برشی تسلیم ماده قطعه کار استفاده شده است یعنی تا زمانی که تنش اصطکاکی از مقدار 1.7 / T = mOY تجاوز نکرده است، رفتار تماسی از مدل اصطکاکی کلمبی پیروی می کند و از این مقدار به بعد، مدل اصطکاک چسبنده حاکم خواهد بود. برای مقایسه نتایج مدلسازی عددی، فرآیند آهنگری شعاعی به روش تعادل نیروها (Slab Method) || ۵ || نیز مدل گردید. در این کار فرض می شود که تنش شعاعی یکی از تنش های اصلی بوده و مقاطع شعاعی عاری از تنش های برشی باشند و اصطکاک در مناطق برخورد سبب ایجاد یک تنش برشی ثابت شده و نیز ضخامت دیواره در ناحیه تورفتگی باید ثابت باقی بماند. در مدلسازی روش تعادل نیروها، معادلات تعادل نیرو در راستای محوری و در راستای شعاعی در هر سه ناحیه تورفتگی، آهنگری و سایزینگ نوشته شد. برای نوشتن معادلات معیار تسلیم در ناحیه تورفتگی، به دلیل نبودن تغییر شکل در راستای شعاعی فرض شد که تنش شعاعی در مقایسه با تنش های اصلی محیطی و محوری ناچیز می باشد و در نواحی آهنگری و سایزینگ هم تنش های محیطی ناچیز است.
• توزیع فشار آهنگری جهت بدست آوردن توزیع فشار آهنگری در نواحی سه گانه، حالت ساده شده ای از مدل واقعی به ترتیبی که بتوان با روش تعادل نیروها هم مقایسه کرد، شبیه سازی شد. در این قسمت جهت مقایسه با روش تعادل نیروها، فقط یک ضربه از چکشی ها با یک زاویه ورودی و رفتار مادی پلاستیک کامل برای قطعه کار در نظر گرفته شد. ضریب اصطکاک ۲/ ۰ و نیروی پس فشار MPal ۵۰ در هر دو مدل استفاده شده است. قبل از مقایسه نتایج حاصل از دو روشی، ابتدا نتایج آزمایشگاهی که جهت تثبیت روش تعادل نیروها استفاده شده است، آورده می شود. در جدول (۱) مقادیر پیش بینی شده از روش تعادل نیروها و نتایج آزمایشگاهی ارائه شده در آ۵] برای میلگردی با چند قطر مختلف و چند ناحیه آهنگری مختلف، مقایسه شده است. مشاهده می شود که برای نمونه های (۱) و (۲) که طول نواحی سایزینگ و آهنگری به هم نزدیکند، همخوانی خیلی خوبی مابین داده ها وجود دارد اما وقتی طول ناحیه آهنگری کمتر می شود، نیروی پیش بینی شده مقدار بیشتری دارد. بعد از مقایسه روش تعادل نیروها با داده های آزمایشگاهی، آهنگری شعاعی لوله با استفاده از هر دو روش اجزای محدود و تعدل نیروها شبیه سازی شده و توزیع فشار شعاعی بدست آمده از این دو روش در نواحی سه گانه تورفتگی، آهنگری و سایزینگ، به ترتیب در شکلهای (۳) و (۴) آورده شده است. با مقایسه نتایج حاصل از دو روش اجزای محدود و روش تعادل نیروهای انجام یافته در این کار، مشاهده می شود که نحوه توزیع فشار روی نواحی آهنگری و سایزینگ در هر دو روش یکسان بوده و در هر دو ماکزیمم فشار یا همان صفحه خنثی در ناحیه آهنگری قرار دارد. ماکزیمم فشار بدست آمده از روش اجزای محدود و روش تعادل نیروها به ترتیب برابر MPal| ۴۷۰ و ۴۳۵ و فشار میانگین آهنگری به ترتیب MPa ۳۰۸ و ۲۷۰ می باشد. میزان اختلاف برای فشار ماکزیمم ۷/۵٪ و برای فشار میانگین برابر ۱۲/۳/ است.
مهمترین اختلاف این دو منحنی در نحوه توزیع فشار روی ناحیه تورفتگی است. در روش تعادل نیروها تقریبا فشار یکنواختی در این ناحیه مشاهده می شود که با شیب کمی از ابتدای ورودی قالب در حال افزایش می باشد. سپس در مرز ورود به ناحیه آهنگری از یک ناپیوستگی برخوردار است که بصورت ناگهانی افزایش می یابد در صورتی که در تحلیل اجزای محدود توزیع فشار در این ناحیه به صورت تقریبا سهموی با یک مقدار مینیمم در وسط این ناحیه می باشد که این مقدار تقریبا برابر با همان مقدار حاصله از روش تعادل نیروها می باشد. اما این که چرا در ورود و خروج از مقدار بیشتری برخوردار است به وجود برشی ماده در این نواحی با توجه به زاویه قالب و برخورد قطعه کار به مندرلی و تغییر جهت سیلان مربوط می شود. در روش تعادل نیروها تنش هایی که در راستای محیطی و محوری وجود دارند، تنش های اصلی فرض شده و در نوشتن معادله تسلیم در ناحیه تورفتگی فرض می شود که تنش شعاعی در مقایسه با تنش های اصلی محوری و محیطی ناچیز می باشد. همچنین تنش برشی صفر در نظر گرفته می شود در صورتیکه اولا تنش شعاعی ایجاد شده در ناحیه تورفتگی، همانطوریکه از تحلیل اجزای محدود بر می آید چندان ناچیز نبوده و تا حدود Mpa ۱۰۰ پیش می رود. همچنین تنش برشی موجود هم مقدار قابل توجهی دارد که توزیع آن در شکل (۵) آورده شده است. با توجه به شکل (۵)، در ناحیه تورفتگی، تنش برشی هم توزیع سهموی مانند تنش فشاری دارد و در جایی که تنش شعاعی کمترین مقدار خود را دارد این تنشی از حداکثر مقدار خود برخوردار می باشد و این بدین معنی است که در تحلیل اجزای محدود، سهموی بودن توزیع فشار آهنگری و اختلاف آن با روش تعادل نیروها در ناحیه تورفتگی، ناشی از مقدار و نحوه توزیع تنش برشی ای است که در تحلیل تعادل نیروها صفر فرض شده است. همچنین ممکن است توزیع تنش های محوری و محیطی که فشار آهنگری را تحت تاثیر قرار می دهند نیز به شکل سهموی باشد. همچنین با توجه به شکلهای (۳)، (۴) و (۵) مشاهده می شود در موقعیتی که فشار آهنگری بیشترین مقدار خود را داراست (در صفحه خنثی)، تنشی برشی صفر می باشد و هر چقدر از این صفحه به طرفین دور تر می شویم میزان تنش برشی از صفر دورتر می شود و کمتر بودن اختلاف در ماکزیمم فشار آهنگری نسبت به اختلاف فشار میانگین را می توان به این موضوع ربط داد یعنی در جایی که تنشی برشی صفر است، دو روش تعادل نیروها و اجزای محدود بیشترین همخوانی را دارند، چرا که در روش تعادل نیروها تنش برشی کلا صفر فرض می شود. اما نکته ای که باید توجه گردد این است که در محاسبه فشار میانگین ممکن است تاثیر تنش های برشی مثبت و منفی همدیگر را خنثی کنند هر چند که روابط موجود خطی نمی باشد ولی با توجه به توزیع فشار آهنگری بدست آمده از دو روش دیده می شود که در ناحیه سمت چپ صفحه خنثی که تنش برشی منفی است، سبب افزایش
