بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
شبيه سازي و تحليل عددي فرآيند فورج آچار دو سر تخت ١٣-١٢
چکيده
فورج روش ساخت قطعات فلزي با اعمال فشار و ضربه است که در طي فرآيند نبايد تغيير حجم اتفاق بيفتد.
معمول ترين روش شکل دهي، فرآيند فورج قالب بسته مي باشد. شکل و تعداد مراحل پيش فرم از جمله مسائل مهم در طراحي فرآيند فورج قالب بسته است . طراحي مناسب پيش فرم باعث سهولت در جريان فلز، پر شدن کامل حفره قالب و توليد قطعه بدون عيب مي شود. هدف از تحقيق حاضر طراحي قالب هاي پيش فرم و نهايي آچار دو سرتخت ١٣-١٢، شبيه سازي، تحليل و بهينه سازي فرآيند با استفاده از روش حجم محدود مي باشد. همچنين به بررسي اثر نرخ کرنش و اصطکاک بر فرآيند پرداخته شده است . شبيه سازي هاي انجام گرفته براساس توانايي هاي نرم افزار Superforge بوده است .
کلمات کليدي : شبيه سازي- حجم محدود- آچار دو سر تخت - نرخ کرنش - اصطکاک
٣
١- مقدمه
طراحي قالب هاي پيش فرم و نهايي در فرآيند فورج قالب بسته از اهميت ويژه اي برخوردار است . طراحي مناسب پيش شکل دهنده ها باعث سهولت در جريان فلز و پرشدن کامل حفره قالب مي شود و ميزان به هدر رفتن فلز در پليسه به کمترين مقدار خود مي رسد[١]. شبيه سازي فرآيند مي تواند طراح را در بررسي جريان مواد، پيش بيني نيروهاي شکل دهي، تنش هاي وارد بر قالب و بهينه سازي و ... ياري کند[٢].
در شبيه سازي فرآيند فورج ، از روش حجم محدود به دليل قابليت آن در شبيه سازي سه بعدي فرآيندها با اشکال پيچيده و شبيه سازي بهتر جريان مواد و همچنين تحليل مسائل گذرا و تغيير شکل هاي بزرگ ، استفاده شده است . در اين روش ، نقاط شبکه به صورت ثابت در فضاي فرآيند قرار مي گيرند و مواد بيلتي که آناليز مي شوند از ميان المان هاي حجم محدود حرکت مي کنند و جرم ، اندازه حرکت و انرژي مواد از يک المان به المان ديگر منتقل مي گردد[٣]. در خصوص به کار گيري اين روش ، کارهاي بسيار قابل توجهي انجام شده است [٧-٤]. در اين تحقيق به طراحي قالب هاي پيش فرم و نهايي آچار دو سرتخت ١٣-١٢، شبيه سازي، تحليل و بهينه سازي قالب ها، و همچنين بررسي تأثير نرخ کرنش و اصطکاک بر فرآيند پرداخته شده است .
٢- مشخصات آچار دوسرتخت ١٣-١٢
جنس آچار از فولاد کروم واناديوم به شماره ١.٨١٥٩ DIN (٦١٥٠ AISI) مي باشد[٩-٨]. حجم خالص آچار mm١٢١٣٠٣ و سطح مقطع آچار در خط جدايش بدون احتساب پليسه (Aw) mm٢٠٢٠٢ مي باشد. مدل هندسي نهايي آچار که توسط نرم افزار CATIA به طور دقيق تقريب زده شده در شکل (١) نشان داده شده است .
شکل ١ - آچار دو سرتخت ١٣-١٢
٣- محاسبه حجم شمشال پيش فرم
با توجه به روابط تجربي مقدار حجم شمشال ١.٣ برابر حجم خالص قطعه فورج در نظر گرفته شد (mm١٥٧٧٠٣).
٤- بلوک قالب با توجه به جدول ارائه شده توسط لانگه که از آمارگيري تعداد زيادي قالب بدست آمده [١٠]، ارتفاع بلوک mm١٠٠ و فاصله لبه حفره تا لبه بلوک، mm١٢ بدست آمد. جنس قالب با توجه به مراحل مختلف فرآيند فورج DIN١٢٣٤٤ در نظر گرفته شد.
٥- طراحي حفره پليسه
با توجه به نوع پرس مورد استفاده و دماي فورج ، از يک حفره پليسه متقارن نسبت به خط جدايش که در شکل (٢) نشان داده شده ، براي اين قطعه استفاده شد. اين نوع از حفره ها کمترين فشار هيدرواستاتيک را در حفره قالب ايجاد مي کنند. ضخامت تقريبي پليسه (t) با استفاده از رابطه بروچانوف ربلسکي (رابطه ١)، mm٠٦٧ بدست آمد. طبق جدول [١]، ديگر پارامترهاي حفره پليسه به صورت روبرو بدست آمد:
٦- طراحي قالب پيش فرم بهينه
براي طراحي قالب پيش فرم از روش توزيع جرمي و همچنين اعمال تغييراتي در طرح پيشنهادي لانگه [١٠] براي فورج آچار دو سر تخت استفاده شد. براي سهولت ، ابتدا قطعه پيش فرم در نرم افزار CATIA مدلسازي و سپس در قالب نهايي شبيه سازي و تحليل شد. در اجراهاي اوليه قسمتهاي کوچکي از حفره قالب پر نشد و قسمتهاي ديگر نيز ماده اضافه داشت . به تدريج با اعمال تغييرات جزيي روي مدل پيش فرم ، اين اشکالات برطرف شد (شکل (٣)) و قطعه پيش فرم بهينه بدست آمد. برخي ملاحظات ابعادي از جمله شيب سطوح داخلي ٦ درجه و شيب سطوح خارجي ٤.٥ درجه در تعيين قطعه پيش فرم مد نظر قرار گرفت . حجم مناسب قطعه پيش فرم براي پر شدن کامل حفره قالب و ايجاد کمترين پليسه بدست آمد که حدود کمتر از حجم محاسبه شده از طريق روابط تجربي است . ماده اي که به صورت پليسه در فرآيند هدر مي رود حدود ١١.٦% قطعه کار اوليه است در صورتيکه در فورج قالب بسته سنتي حدود ٣٠% قطعه کار اوليه به صورت پليسه هدر مي رود[١١]. همانگونه که مشخص است با کاربرد پيش فرم بهينه بدست آمده ، ١٨.٤% در ماده قطعه کار اوليه صرفه جويي مي شود. در شکل (٤) قالب پيش فرم و نهايي به نمايش در آمده است .
قطعه بدست آمده از قالب نهايي در شکل (٥) نشان داده شده است . پس از عمليات برش پليسه ، قطعه مطلوب حاصل مي شود.
٧-پارامترهاي مورد استفاده در تحليل حجم محدود
جدول ١-پارامترهاي مورد استفاده در تحليل حجم محدود
٨- نيروي لازم براي فرآيند
از مراحل مهم طراحي قالب هاي فورج ، محاسبه نيروي لازم براي فرآيند مي باشد. در فرآيند فورج سنتي ممکن است نيرو به وسيله روابط تجربي محاسبه شود. بر اساس مطالعاتي که در انستيتوي فولاد و آهن آمريکا انجام شده ، رابطه زير براي محاسبه نيروي فورج ارائه شده است :
که Cf فاکتور نيرو، تنش متوسط جريان قطعه فورج در نرخ کرنش متوسط معين و در دماي متوسط فورج و At سطح مقطع کل قطعه (تصوير از بالاي قطعه همراه با پليسه ) مي باشد. با در نظر گرفتن
و و نيروي لازم براي فرآيند ١٤٠٤٠٠٠ نيوتن (١٤٠ تن ) بدست مي آيد.
با توجه به نمودار زمان - نيرو قالب نهايي بدست آمده از نرم افزار (نمودار(١))، نيروي لازم براي فرآيند ١٢٦ تن بدست مي آيد که مطابقت خوبي با نتايج حاصل از روابط تجربي دارد. با توجه به نيروي بدست آمده از روابط تجربي و نرم افزار، انتخاب پرس مکانيکي با تناژ ١٥٠ مي تواند انتخاب مناسبي باشد.
نتايج حاصل از تحليل ، شامل کرنش پلاستيک مؤثر، تنش مؤثر، جريان مواد و چگالي المان در لحظه ٨٠ % در شکل (٦) نشان داده شده است .
٩ - تأثير اصطکاک بر فرآيند
براي شبيه سازي شرايط تماسي، مدل قالب ها صلب فرض شده و از مدل اصطکاکي برشي مطابق رابطه (٣) استفاده شده است . مطالعات اخير در مکانيک شکل دهي نشان مي دهد که معادله تنش برشي اصطکاکي در فرآيند فورج که در آن تنش هاي عمودي زيادند، نتايج بهتري نسبت به اصطکاک کلمبي مي دهد[١٢]. همچنين هنگامي که از فيلمي از جامدهاي نرم براي
روانکاري بين ابزارها و قطعه کار استفاده مي شود، با معادله (٣) شرايط اصطکاکي را بهتر مي توان تقريب زد[١٣]. قانون اصطکاک برشي سطح تماس ، از يک عامل اصطکاک f و يا يک عامل برشي m براي بيان کمي اصطکاک سطح تماس استفاده مي کند.
