بخشی از مقاله
چکیده
در این مقاله طراحی و شبیهسازی ساخت اسپول جلو و عقب موتور جت با استفاده از فرایند نورد حلقوی انجام شده است. عملیات شبیهسازی برای ساخت اسپول بر آلیاژ تیتانیم Ti-6Al-4V انجام شد. تمام مراحل شبیه-سازی با استفاده از روش عددی اجزاء محدود در محیط نرمافزار آباکوس انجام شد. ابتدا مدل غلتکهای مورداستفاده در فرایند شامل غلتک اصلی، هرزگرد، راهنما و مخروطی و همچنین اسپول جلو و عقب شبیه-سازی شدند. تمامی غلتکها صلب و غیرقابل تغییرشکل در نظر گرفته شدند. در شبیهسازی دو متغیر شامل نیرو و گشتاور وارد بر غلتکها و قطعهکار اندازهگیری شد.
نتایج نشان داد پیش از شروع فرایند، اسپول اولیه از قطر داخلی و خارجی کم ولی ضخامت بدنه بالایی برخوردار است. درصورتی که پس از انجام فرایند، ابعاد اسپول افزایش یافت. بهطوری که همزمان با کاهش ضخامت، قطر قطعه افزایش یافت. اندازهگیری نیرو نشان داد بیشترین نیرو بر غلتکهای اصلی و هرزگرد در راستای X وارد میشود. درصورتی که در بیشترین نیرو بر غلتک راهنما در راستای Z اعمال شد. بالاترین گشتاور حول محور Z بر غلتکهای اصلی و هرزگرد وارد شد. درجایی که در غلتک راهنما، بیشترین گشتاور حول محور X وارد شد. با توجه به دقت ابعادی این روش، امکان ساخت اسپول جلو و عقب با دقت ابعادی بالا وجود دارد.
کلمات کلیدی: اسپول جلو و عقب، تیتانیم، ساخت، نورد حلقوی.
-1 مقدمه
کاربرد زیاد قطعات محوری و دوار مانند حلقههای بدون درز در حوزههای مختلف صنعتی باعث شده است که روشهای متعددی همچون برادهبرداری چرخشی، آهنگری، اکستروژن، متالوژی پودر، ریختهگری و نورد حلقوی1 برای ساخت و تولید این قطعات بهکار گرفته شود. باید گفت فرایند نورد حلقوی بهدلیل هزینه تمامشده بسیارپایین، توانایی تولید انواع مقاطع، کیفیت بالای محصول از لحاظ متالورژیکی و تلرانس ابعادی دقیق، ارجحیت بالایی نسبت به دیگر روشهای مذکور در بالا دارد .[1]این روش در تولید قطعات حلقوی بزرگ و کوچک همچون حلقه چرخدندهها، کونس برینگها، حلقههای مورداستفاده در موتورهای جت و توربینها و حلقههای تقویت سازهها حتی تا قطر 8 متر و وزن 30 تن بهکار گرفته میشود .[2]
بنابراین واضح میشود که روش نورد حلقوی، نسبت به سایر روشهای مرسوم، فرایندی مناسب و برجسته برای ساخت قطعات و تجهیزات ظریف و حساس است. از آنجا که تجهیزات مورداستفاده در کاربردهای هوایی و هوافضا همچون تیغههای توربین و اسپول جلوری موتور جت از پیچیدگی ساخت بالایی برخوردار هستند در نتیجه نورد حلقوی میتواند یک روش مناسب برای تولید این تجهیزات باشد. در این فرایندمعمولاً مواد خام کمتری، نسبت به سایر فرایندهای آهنگری، نیاز است. مزیت دیگر روش نورد حلقوی قابلیت تولید تعداد بالا، ظرافت و استحکام بالای قطعات تولیدی است.
بهعنوان مثال ساخت تیغه پره توربین و اسپولهای جلو و عقب موتور جت بهدلیل نیاز به استحکام تسلیم و خستگی بالا و همچنین صافی سطح زیاد از طریق فرایندهایی همچون برادهبرداری چرخشی، آهنگری و متالوژی پودر دشوار و حتی ناشدنی است. بنابراین میتوان از نورد حلقوی بهعنوان یکی از فرایندهای ساخت قطعات ظریف در حوزه هوایی و هوافضا استفاده نمود. در شکل 1 نمایی از انجام فرایند نورد حلقوی بر یک قطعهکار حلقوی نشان داده شده است .[3]مطابق شکل در فرایند نورد حلقوی یک قطعه گرد و حلقهمانند1 که توسط پرس یا چکشی پیشفرمدهی شده است، گرما داده میشود .[3] این حلقه بر روی مرغک میلهای شکل2 که قطرش از قطر داخلی قطعهکار کوچکتر است، گذاشته میشود. این مرغک هرزگرد است و به آرامی با سرعت ثابت به غلتک اصلی3 نزدیک میشود.
غلتک اصلی که قطر بزرگتری نسبت به مرغک درون قطعه دارد، ساکن است و بهواسطه نیرویی که از موتور محرک دستگاه میگیرد با سرعت دورانی ثابت، حول محور خود میچرخد. اصطکاک بین غلتک اصلی و قطعهکار، باعث دوران حلقه - قطعه - به دور خود میشود. ضخامت شعاعی حلقه در هر بار عبور از شکاف بین غلتک اصلی و مرغک کاهش مییابد که منجر به افزایش قطر حلقه میگردد. ارتفاع حلقه را می-توان به کمک نورد مسیر بسته4 و/یا به کمک غلتکهای مخروطی5 کنترل نمود. غلتکهای مورداستفاده در فرایند ممکن است که تخت باشد و منجر به ایجاد حلقهای با سطح مقطع مستطیلی یکنواخت بشود. همچنین ممکن است غلتکها دارای شیار و لبه باشد و حلقهای با سطح مقطع درای شیار و فرورفتگی ایجاد نماید .[3]
نورد حلقوی یک فرایند شکلدهی ظریف برای ساخت قطعات حلقوی بدون درز و یکپارچه بوده که دارای تلرانس ابعادی دقیقی است. هر ماده چکشخواری، قابلیت شکلیافتن با این فرایند را دارد. فرایند نورد حلقوی قابلیت انجام بر مواد متنوعی شامل آلیاژهای مس، برنج و آلومینیوم، فولادهای کمآلیاژ، آلیاژهای تیتانیم و آلیاژهای استحکامبالا با پایه کبالت و نیکل را دارا است .[4] طبق شکل 2 هندسه قطعات حاصل از نورد حلقوی میتواند بسیار پیچیده باشد و از واشرهای بسیارتخت حلقوی تا حلقههای بوشمانند بلند، تغییر نماید .[4] محصولات متنوع حاصل از فرایند نورد حلقوی شامل بلبرینگهای ضد اصطکاک، چرخدندهها، چرخ قطارها، حلقههای چرخان و غیرچرخان در اموری همچون موتورهای جت، تجهیزات هوافضا، قطعات راکتورهای هستهای، انواع مختلف فلنچها، چرخ قرقرهها، بدنه شیرها و بسیاری از موارد دیگر استفاده میشوند .[5]
الف ب شکل -2 دو هندسه مختلف از محصولات فرایند نورد حلقوی شامل الف - حلقه بوشمانند و ب - حلقه واشرمانند .[4]برخی از آخرین تحقیقات انجامشده مرتبط با موضوع تحقیق بدین شرح است. فروزان1 و همکارانش [6] در سال 2003 میلادی توانستند به روش المان محدود و با استفاده از نورد حلقوی، فرایند ساخت غلتکهای راهنمای هواپیما را شبیهسازی نمایند. چنینهم پِنتلِیت2 و همکارانش [7] در سال 2004 میلادی تولید حلقههای بدون درز با پروفیل خارجی را بهوسیله نورد حلقوی، طراحی و شبیهسازی کردند. راناتونگا3 و همکارانش [8] در سال 2004 میلادی شبیهسازی فرایند ساخت و تولید حلقههایی با طرحهای پیچیده با استفاده از نورد حلقوی را با دقت بالایی انجام دادند.
کیان4 و همکارانش [9] در سال 2005 میلادی کاربرد تکنیک مقیاسدهی جرمی در شبیهسازی سهبعدی و المان محدود فرایند نورد حلقوی را بررسی نمودند. آنها توانستند بهترین روش مقیاسدهی جرمی را برای اجرای فرایند تعیین نمایند. تانی5 و همکارانش [10] در سال 2005 میلادی سیر تکامل اجرای فرایند نورد حلقوی بر قطعاتی حلقهای از جنس Ti-6Al-4V را بررسی نمودند. آنها توانستند با انجام فرایند آهنگری برای ساخت پیشفرم پیچیده قطعهکار و در ادامه اجرای بهینه نورد حلقوی، وزن ماده مصرفی برای
