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 پیش فرم شده بر روی یک قالب عدسی شکل توسط فرآیند شکل دهی چرخشی با استفاده از نرم افزار ANSYS/LS-DYNA مورد بررسی قرار گرفته است. با تحلیل دینامیکی در دو حالت با تغییر در ضخامت و ضخامت ثابت این مسئله بررسی و نتایج آن بر روی کرنش های پلاستیک و تنش های پسماند مورد ارزیابی قرار گرفته است.حل عددی این مدل برای اولین بار صورت گرفته است ولی در تحلیل آن از پارامترهای کیفی لازم در شکل دهی چرخشی از جمله سرعت دورانی ماندرل، نرخ تغذیه غلتک،فشار نگهدارنده ورق بر روی ماندرل،طراحی نوع و مسیر غلتک و غیره برای شکل دهی استوانه و مخروط که نتایج آزمایشگاهی آن موجود می باشد استفاده شده است.
واژههای کلیدی: شکل دهی چرخشی، تنش پسماند،کرنش پلاستیک،تحلیل عددی، اثر تغییر ضخامت.
-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 برای ابعاد کوچک کاری تقریبا غیر ممکن است را نیز مشخص کرد. تحلیل تئوری بر روی فرآیندهای شکل دهی چرخشی امری سخت و پیچیده است بنابراین حل عددی به کمک نرم افزارهای اجزاﺀ محدود به جهت بهینه ساختن پارامترهای کیفی پیش از ساخت مانند 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 غیره کمک زیادی به ساخت محصولی با صافی سطح بالا و مقاومت زیاد جهت کاربردهای مختلف صنعتی به ویژه صنایع نظامی خواهد نمود.
در این مقاله، شکلدهی یک ورق پیش فرم به شکل عدسی مورد بررسی قرار گرفته است. کلیه پارامترهای موثر بر کرنش و تنش، برای به حداقل رساندن خرابیها در محصول نهایی و رسیدن به شکل مطلوب، تعیین شدهاند. کمانش میتواند با افزایش فشار در زیر سری بلنک کاهش یابد، با تحلیل فشارهای مختلف مسئله حل شده و بهینهترین مقدار تعیین شده است. این روش در حالات خاص به ویژه درورق های نازک برای شکلدهی لبه در انتهای بلنک مفید خواهد بود.از جمله نکات قابل ذکر در این مقاله استفاده از نتایج تحلیل این عدسی برای اولین بار جهت استفاده در صنعت دریایی کشور به عنوان دماغه زیر دریایی به شیوه شکل دهی چرخشی می باشد که برای صحت جوابهای بدست آمده از پارامترهای کیفی مشابه در کارهای گذشته مانند استوانه و مخروط که به این شیوه تحلیل و ساخته شده اند استفاده شده است.یکی از خلاقیت های موجود در این تحلیل استفاده از دو غلتک به صورت متقارن جهت شکل دهی می باشد که استفاده از دو غلتک به این صورت شکل دهی را آسان و بهتر می سازد که می توان در ساخت این عدسی نیز به منظور شکل دهی آسانتر از دو غلتک به صورت آنچه در این مقاله آمده است استفاده کرد.
- 2 تحلیل عددی مسئله
1-2 مدلسازی 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 مدل کردن استفاده شده است. با توجه به مسئله، دقت مورد نیاز و مقدار نحوه تغییر شکل باید حلگر مورد نظر را انتخاب کرد. انتخاب نامناسب در این قسمت باعث خروجیهای اشتباه و یا صرف زمان بسیار زیاد و غیر ضروری میشود. در حل این مسئله بارها 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 افزایشمییابد. این مسئله در نمودار 1 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.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.
برای هر یک از غلتک های بالا و پایینی سه بارگذاری تعریف می شود که عبارتند از:
:X حرکت خطی غلتک در جهت - xحرکت خطی رو به جلو غلتک - .
:Y حرکت خطی غلتک در جهت - yحرکت خطی رو به بالا غلتک - .
:TT حرکت یا جابه جایی زاویه ای غلتک.
در این تحلیل در طول فرآیند غلتک سرعت خطی ثابت در راستای محور ماندرل دارد و ماندرل با سرعت ثابت دوران میکند و ورق با فشار ثابت بر روی ماندرل نگه داشته شده است.
شرایط حل4]و: [3
سرعت دوران ماندرل : . 190 rpm
سرعت خطی غلتک : .2mm/rev , 3mm/rev فشار نگهدارنده به ورق : .10 MPa
اگر فشار نگه دارنده ی ورق 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. جنس ورق شکل دهی شده در این مقاله فولاد دریایی با تنش تسلیم 850Mpa با خواص زیر می باشد:
-مدول الاستیسیته EX = 200 GPa
-دانسیته 7800 kg/m3ا ا
-نسبت پواسون v=0.3
- منحنی تنش-کرنش به صورت -0.2 MPa ا
- برای معرفی ماده فوق از ماده Rate Sensitive Power Law Plasticity Model استفاده 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 افزایش سرعت حل است. از آنجایی که هدف تحلیل، بررسی نحوه تغییرشکل ورق است این فرض با توجه فرض صحیحی است. [1]
