بخشی از مقاله
چکیده
شکل دهی چرخشی یا اسپینینگ از جمله فرآیندهای فرم دهی ورقهای فلزی به صورت متقارن محوری است که در آن غلتک با طی مسیری از پیش تعیین شده ورق فلزی را بر روی ماندرل فرم می دهد. در این مقاله حل عددی خمش یک ورق گرد بر روی یک قالب استوانه ای توسط فرآیند شکل دهی چرخشی با استفاده از نرم افزار ANSYS/LS-DYNA بحث شده است. با تحلیل دینامیکی نیروهای محوری و شعاعی محاسبه و مقادیر با نتایج گذشته مقایسه شده اند. در این تحلیل اثرات سرعت پیشروی غلتک بر روی ورق در نظر گرفته شده است. این موضوع که یکی از پارامترهای مهم در ساخت به شیوه شکل دهی چرخشی است، باعث هماهنگی بهتر بین مقادیر بدست آمده از این تحلیل شده و کمک بسیاری به بهینه سازی در گرفتن سایر پارامترهای پیش از ساخت خواهد نمود. از نتایج بدست آمده در این مقاله به خوبی می توان برای شکل دهی چرخشی مدلهای دیگر از جمله مخروط،عدسی و غیره بهره جست.
واژههای کلیدی: شکل دهی چرخشی، نیروهای محوری و شعاعی، سرعت پیشروی غلتک،. ANSYS/LS-DYNA
-1 مقدمه
شکل دهی چرخشی یا اسپینینگ از جمله فرآیندهای فرمدهی ورقهای فلزی به صورت متقارن محوری است، که در آن غلتک با طی مسیری از پیش تعیین شده ورق فلزی را بر روی ماندرل فرم میدهد. امروزه با پیشرفت صنایع هوا فضا، دریایی، نظامی، نفت و گاز، غذایی، شیمیایی و غیره و از طرفی نیاز روز افزون صنایع به قطعاتی با صافی سطح بالا و شکلدهی دقیق و پیچیده با هزینه ابزار و تجهیزات کمتر و تمایل به استفاده از نیروی کم و انجام کار بیشتر سبب شده تا روش اسپینینگ طی سالهای اخیر نقطه عطفی را شاهد باشد. این روش به عنوان فرآیندی انعطافپذیر برای تولید قطعات ورق توخالی توسعه قابل توجهی یافت، به طوری که در برخی موارد تنها روش ممکن برای شکل مورد نظر محسوب میشود.
تعیین مسیر حرکت غلتک برای رسیدن به شکل مطلوب نه تنها لازم است، بلکه بدین ترتیب میتوان از وجود خرابی و ترک در محصول نهایی نیز جلوگیری کرد. در گذشته تعیین این مسیر با روش سعی و خطا انجام میگرفت. امروزه به علت پیشرفت قابل ملاحظه نرم افزارها، تحلیل عددی بسیار رایج است. با این تحلیل میتوان برخی کمیتها، نظیر نیروهای وارد در ضمن روند شکلدهی و کرنشها که تعیین آنها غیر ممکن است را نیز مشخص کرد. با تعیین نیروها امکان بهینه ساختن عملیات،پیش از ساخت نیز ممکن خواهد شد. تحلیل تئوری بر روی فرآیندهای شکل دهی چرخشی امری سخت و تقریبا غیر ممکن است.از جمله پدیدههای نامطلوب در این روند، عیوب کمانش و پیچش است که به دفعات در این فرآیند اتفاق میافتند.
کمانش وقتی رخ میدهد که تنشهای مماسی به شکلی بحرانی دورتر از سطوح ناحیهی تماس و فراتر از حلقهی محیطی خارجی نشر پیدا کند. در این حالت شکلگیری چین و چروکها در نزدیکی ماندرل آغاز شده و این عیوب به شدت وابسته به نیروهای شکلدهی می باشند. بنابراین تحلیل پیش از ساخت کمک فراوانی به انتخاب پارامترهای موثر در نیروهای شکل دهی شعاعی و محوری میکند. این پارامترها شامل انتخاب مناسب سرعت پیشروی غلتک، تعیین لقی مناسب میان اجزای تماس ، انتخاب سرعت زاویهای مطلوب برای ماندرل، طراحی و تعیین مقدار مناسب فشار نگهدارنده ورق بر روی ماندرل و از همه مهمتر انتخاب و طراحی غلتک مناسب و تعیین مسیر دقیق حرکت آن و سایر تجهیزات شکل دهی می باشند. در تحلیل عددی امکان تعیین تمامی این موارد وجود دارد.
- 2 تحلیل عددی مسئله
مراحل اصلی ایجاد یک مدل به ترتیب زیر است:[1]
۱ - ساخت مدل
۲ - اعمال قیود و بارهای مورد نظر و حل مسئله
در تحلیل مسئله مورد نظر با توجه به هندسه و نوع تغییر شکلها از المانهای SOLID164 و SHELL163 برای مدلکردن استفاده شده است. با توجه به مسئله، دقت مورد نیاز و مقدار نحوه تغییر 3 شکل باید حلگر مورد نظر را انتخاب کرد.cmانتخاب نامناسب در این قسمت باعث خروجیهای اشتباه و یا صرف زمان بسیار زیاد و غیر ضروری میشود. در حل این مسئلهبارها و بارها با اجراهای متعدد مناسبترین نوع حلگر انتخاب شده است. غلتک و ماندرل از نوع المان SOLID 164 با حلگرBelytschko - def - استفاده و برای ورق از المان Shell 163 با حلگر Belyts cheko-Levithan استفاده شده است.انتخاب این نوع حلگر برای ورق به این علت است که ارتعاشات و لرزشهای ورق را در ضمن حل به کمترین مقدار ممکن کاهش میدهد که عدم استفاده از آن سبب لرزش اولیه ورق خواهد شد.
ایجاد هندسه مدل نیز بسیار مهم بوده چون نحوه تماس های بعدی بستگی زیادی به هندسه مدل و نحوه قرارگیری اجزا مختلف نسبت به یکدیگر دارد. برای مدل کردن غلتک با توجه به اینکه از چرخش آن صرف نظر شده است، تنها قسمتی که در تماس با بلنک قرار دارد و عمل شکل دهی را انجام میدهد مدل شده است. فرض عدم چرخش بدلیل اصطکاک ناچیز موجود بین غلتک و ماندرل قابل قبول است .[2]یکی از مهمترین مراحل تحلیل مسائل به روش عددی در نرم افزار ایجاد یک مش مناسب و درست است. برای افزایش دقت نتایج باید مشها را ریز انتخاب کرد، اما این مسئله باعث افزایش زمان حل خواهد شد.به طور مثال چون در این مسئله برای بهینه سازی و نتایج مطلوب، حل بارها اجرا شده بنابراین با دو برابر کردن تعداد مش زمان حل حدود سه تا چهار برابر افزایش مییابد.
این مسئله در نمودار 2 نمایش داده شده است. چند برابرشدن زمان حل در این چنین مسائلی که تغییر شکلهای بزرگ و رفتارهای غیرخطی وجود دارند باعث افزایش حل مسئله به چندین روز، و گاهی چندین هفته میشود. بنابراین انتخاب اندازه مناسب مش بسیار مهم و نیاز به دقت زیادی دارد. با این توضیحات، برای بلنک، با چهار مشبندی متفاوت برنامه اجرا شده و مقدار حداکثر نیرو در راستای x , z در جدول 1 گزارش شده است. در نمودار1 مشاهده میشود با افزایش تعداد مشها نیروها کاهش پیدا کرده و سپس اندکی افزایش مییابد و تقریبا جوابها همگرا میشود. نمودار 2 نشان میدهد افزایش زمان تقریبا با توان دوم تعداد مش ارتباط دارد. باید توجه داشت با کوچک شدن المانها و افزایش تعداد گره گام زمانی کوچکتر و زمان مورد نیاز برای محاسبات افزایش مییابد.
میان اجزای در تماس با یکدیگر، ضرایب مختلفی تعریف میشود از جمله، ضریب اصطکاک استاتیکی - FS - و ضریب اصطکاک دینامیکی - - FD، ضرایب اصطکاک مورد استفاده در ادامه آمده است :[3]پس از ساخت مدل حال باید قیود، شرایط اولیه و بارها بر مدل اعمال شوند. سپس با انجام تنظیمات مورد نیاز مسئله حل شود. در مورد اجسام صلب قیدگذاری اندکی متفاوت است. در اجسام صلب حرکت نسبی بین گرهها وجود ندارد در نتیجه قید به کل جسم صلب اعمال میشود.قیود اعمال شده شامل موارد زیر هستند :
ماندرل : حرکت در تمامی جهت و دوران حول محورهای .x , y غلتک : دوران حول تمامی محورها و حرکت در امتداد .x , y بلنک : حرکت در راستای x , y در گره میانی .
در این تحلیل در طول فرآیند غلتک سرعت خطی ثابت در راستای محور ماندرل دارد و ماندرل با سرعت ثابت دوران میکند و بلنک با فشار ثابت بر روی ماندرل نگه داشته شده است.شرایط حل4]و: [3سرعت دوران ماندرل : . 200 rpmسرعت خطی غلتک : .1mm/rev , 2mm/rev , 3mm/rev فشار نگهدارنده به ورق : .10 MPaاگر فشار نگه دارنده ی بلنک یاﭖیش فرم بر روی قطعه کاری که در حال اسپینینگ شدن است برداشته شود ، به جای یک سطح صاف،یک سطح انحنادار بدست میآید. این اختلاف ناشی از اثر کاهش ضخامت بیش از اندازه است. در این تحلیل این فشار مطابق با استاندارد در حالت اسپینینگ استوانهای طراحی شده است. بلنک مورد بررسی از جنس آلومینیوم خالص - Al-
1100 - با خواص زیر میباشد:
- مدول الاستیسیته 70 GPa EX =
- دانسیته 3ب پشا ا ا
- نسبت پواسون v=0.3
- منحنی تنش-کرنش به صورت 0.2 MPa ا
- کرنش در هنگام شکست f = 0.6 برای معرفی ماده فوق از ماده Rate Sensitive Power Law Plasticity Modelاستفاده شده است. فرمول آن به صورت nه m شا ا بیان میشود . [3] خواص فقط در یک دما دریافت میشود. کرنش موثر و ` نرخ کرنش است. با فرض n = 0 از اثر نرخ کرنش صرفنظر شده است. ماده انتخاب شده امکان تشخ یص شکست را ندارد در نتیجه پس از پایان حل با بررسی کرنشهای صورت گرفته و مقایسه آن با کرنش شکست، امکان بروز آن کنترل می شود. ماندرل و غلتک به صورت جسم صلب و با خواص فولاد مدل شده اند. دلیل استفاده از جسم صلب افزا یش سرعت حل است. از آنجایی که هدف تحلیل، بررسی نحوه تغییرشکل ورق و نیروهای فرآیند است ا ین فرض با توجه به سختی بسیار زیادابزار نسبت به بلنک فرض صحیحی است.
پس از اعمال شرایط کلی مسئله و انتخاب ورودیهای مناسب نوبت به تعیین نحوه محاسبه و مقدار که انتخاب مناسب آندر سرعت حل بسیار مهم است میرسد. در این تحلیل بیش از ده بار مسئله با ورودی های مختلف اجرا شده و بعد از بهینه سازی، خروجیهای مناسب و نزدیک به نتایج تجربی بدست آمده است. هندسه به کار رفته در این مسئله مدلی است که آقای [3]Chun-Ho Liu به کار برده است و در واقع این حل دقیقا مطابق حل عددی است که چان با نرم افزار LS-DYNA انجام داده که دراین تحلیل از نرم افزار Ansys/LS_DYNA، استفاده شده است که صحت جوابهای مقایسه میان این دو حل عددی به خوبی در قسمت نتایج مشاهده می شود. مش و هندسه مدل در شکل 1 نشان داده شده است.
