بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
شبیه سازی سه بعدی فرآیند اکستروﮊن معکوس برای تولید قطعات
با شکل داخلی دایره ای از بیلتهای با شکل خارجی چند ضلعی منتظم
چکیده
در این مقاله فرآیند اکستروﮊن معکوس برای تولید قطعات توخالی با شکل داخلی دایره ای از بیلت های با شکل خارجی چند ضلعی منتظم به صورت سه بعدی با نرم افزار Abaqus شبیه سازی شده است. نتایج به دست آمده به صورت نمودارهای بار اکستروﮊن در برابر تغییرات درصد کاهش سطح مقطع و ضریب اصطکاک برای بیلت های شش ضلعی منتظم و مربعی با پارامترهای معین ارائه شده اند. همچنین الگوی تغییرفرم شبکه، توزیع کانتور تنش و کرنش پلاستیک موثر نشان داده شده اند.این نتایج با نتایج تجربی و تئوری دیگر پژوهشگران مقایسه شده و توافق خوبی حاصل شده است.
واﮊه های کلیدی : شبیه سازی سه بعدی‐ اکستروﮊن معکوس‐ بیلت چند ضلعی منتظم– سنبه دایروی
مقدمه
فرآیند اکستروﮊن معکوس برای تولید قطعات توخالی با شکل داخلی دایره ای از بیلتهای با شکل خارجی چند ضلعی منتظم در سالهای اخیر کاربرد زیادی یافته است. از جمله می توان به ساخت قطعات اتومبیلها و هواپیماها اشاره نمود. مزایای این فرآیند خواص مکانیکی ، صافی سطح ، دقت ابعادی بهتر ، نرخ تولید بالا و هزینه کم محصول در مقایسه با سایر فرآیندهاست.]۱[ در حین انجام فرآیند اکستروﮊن معکوس جریان ماده هم در سطح مقطع بیلت و هم در جهت طولی غیر یکنواخت است و این بدان معنی است که اکستروﮊن معکوس یک تغییر شکل سه بعدی است. به منظور آنالیز سه بعدی فرآیند اکستروﮊن معکوس در طی سه دهه گذشته محققین روشهای تحلیلی مختلفی ارائه داده اند.
در سال ۱۶۹۱، کودو ]۲[مطالعاتی بر روی فرآیند اکستروﮊن معکوس برای تولید قطعات با تقارن محوری انجام داد و می توان گفت که این بررسی اولین کار تحقیقی جدی بر روی این فرآیند بوده است. بعدها توسط اویتزر و همکارانش ]۳[ و لو و اویتزر]۴[
فعالیتهای زیادی بر روی این فرآیند انجام دادند. نگپال
]۵[ برای قطعات توخالی با شکل داخلی بیضی از بیلتهای دایروی روش تحلیلی با استفاده از توابع Dual stream ارائه دادند. یانگ و هان ]۶[ با استفاده از conformal transformation اکستروﮊن سه بعدی را تحلیل نمودند. اما فرمولهای حاصله نسبتاﹰ پیچیده بوده و زمان بیشتری لازم بود. برای رفع این مشکل بائه و یانگ ]۷[ روش تحلیلی حد بالا را ارائه نمودند. بائه و یانگ ]۸و۹[ برای اکستروﮊن معکوس قطعات توخالی با شکل داخلی دلخواه از بیلتهای دایروی سپس برای
تولید قطعات با شکل داخلی دایره از بیلتهای با شکل خارجی دلخواه روش تحلیلی ارائه دادند. شیان و تارن فرآیند اخیر را با روش المانی حد بالا آنالیز نمودند. ]۱[
مشکسار و ابراهیمی]۰۱[ این تحلیل را برای فرآیند اکستروﮊن معکوس قطعات توخالی با شکل داخلی و خارجی چند ضلعی منتظم ارائه دادند. ابری نیا و علمایی
]۱۱[ این فرآیند را برای تولید قطعات با شکل داخلی دایره به همراه انجام آزمایشهایی تحلیل کردند. در سالهای اخیر روشهای اجزا محدود بسیاری مورد استفاده قرار گرفته است وگو و همکارانش ]۲۱[ ، لی و همکارانش
]۳۱[ وچو و همکارانش]۴۱[ در تحقیقات جداگانه با استفاده از این روش، فرآیند اکستروﮊن معکوس را تحلیل کردند. در این مقاله فرآیند اکستروﮊن معکوس برای تولید قطعه با شکل خارجی شش ضلعی منتظم و مربع با شکل داخلی دایره برای ماده, AA1100-O AA2024-O با خاصیت الاستیک‐سخت شونده ناشی از کار سختی با نرم افزار Abaqus شبیه سازی شده است. نتایج حاصله برای تغییرات درصد کاهش سطح مقطع در چهار ضلعی و شش ضلعی منتظم، الگوی تغییر فرم شبکه، توزیع کانتورهای تنش وکرنش موثرآمده و با نتایج تجربی و تئوری سایر پژوهشگران مقایسه شده است.
شبیه سازی FEM
به دلیل محدودیت روشهای تحلیلی تئوریکی اکستروﮊن معکوس مانند روش حد بالا که در آن نمی توان میدان تنش را به دست آورد روشهای تحلیل عددی به صورت گسترده ای توسعه نموده اند. باتوجه به پیچیدگی جریان مواد در طول فرآیند شکل دهی فلزات ، روش شبیه سازی FEM برای تحلیل این فرآیندها مناسب می باشد.
انجام فرآیند به این صورت است که وقتی سنبه دایروی با سرعت ثابت در حالیکه کانتینر ساکن بوده به سمت بیلت با شکل دلخواه حرکت می کند ، یک جسم توخالی و با شکل داخلی مقطع سنبه بر خلاف جهت حرکت سنبه به طرف بالا حرکت می کند. در این شبیه سازی سنبه و محفظه قالب(کانتینر) به صورت جسم صلب در نظر گرفته شده و ماده بیلت نیز ایزوتروپیک ، غیر قابل
تراکم ، و دارای رفتار الاستیک‐سخت شونده ناشی از کار سختی فرض شده است ماده مورد استفاده آلومینیوم AA2024-OوAA1100-O است که برای حالت صلب ‐ پلاستیک رابطه تنش‐ کرنش برای AA2024-O به صورت زیر بیان می شود]۹:[
که در رابطه فوق σ وε به ترتیب تنش و کرنش موثر می باشند. خواص ماده به صورت زیر است:
برای AA1100-O در حالت صلب‐ پلاستیک رابطه تنش‐ کرنش و خواص ماده به صورت زیر است]۱:[
برای بیلت شش ضلعی منتظم، دو حالت قطر دایره محیطی D=22mm و ارتفاع H=20mm ، D=25mmو H=25mm در نظر گرفته شده است. در این شبیه سازی که به صورت Abaqus/explicit بوده ضریب اصطکاک در تمام سطوح تماس بین سنبه – بیلت و بیلت – کانتینر m=0.2 و نوع المانها نیز C3D8R انتخاب شده اند. راکورد بیلت در لبه ها۵/۰ میلیمتر و سنبه در فاصله ۵/۰
میلیمتر از سطح بیلت در آغاز فرآیند قرار گرفته است.
فاصله مابین بیلت و کانتینر نیز ۲/۰ میلیمتر فرض شده است. برای بیلت مربعی ، ضلع مربع ۵۲ میلیمتر و ارتفاع بیلت ۵۲ میلیمتر و ضریب اصطکاک در این حالت با پارامترهای ذکر شده در فوق m=0.1 فرض شد. نتایج حاصل از این شبیه سازی در شکلهای (۱) تا (۰۱) آمده است.
نتایج حاصل از شبیه سازی FEM و مقایسه
با نتایج تجربی و تئوری
به منظور پی بردن به دقت شبیه سازی انجام شده باید با نتایج تئوری و عملی مقایسه ای انجام شود به این منظور از اطلاعات آزمایشات انجام شده توسط شیان و تارن ]۱[
استفاده شده و مقایسه ای با نتایج تئوری ارائه شده و آزمایشات انجام شده توسط آنها صورت گرفته است.
در شکل (۱) نمودار بار اکستروﮊن بر اساس پارامترهای معین ، در برابر تغییرات درصد کاهش سطح مقطع برای بیلت مربعی به دست آمده است. نتایج حاصل از این شبیه سازی با نتایج حاصل از تئوری و تجربی بائه ‐ یانگ]۹[ و نتایج تئوری شیان‐ تارن ]۱[ مقایسه شده است. چنانکه مشاهده می شود با افزایش درصد کاهش سطح مقطع (RA) نیروی لازم برای انجام فرآیند به دلیل افزایش انرﮊی مصرفی و محیط بیلت اکسترود شده افزایش می یابد]۹.[ همچنین برای RA=16% تا%RA=36 نتایج شبیه سازی به نتایج تجربی نزدیکتر بوده و در RA=49% این اختلاف زیاد شده است. اما در مقایسه با نتایج تئوری ، نتیجه این شبیه سازی بهتر است.
در شکل (۲) نتایج حاصل از این شبیه سازی به صورت نمودار بار اکستروﮊن بر اساس ضرایب اصطکاک مختلف ، برای درصد کاهش سطح مقطع ثابت RA=36% برای بیلت مربعی به دست آمده است. با افزایش ضریب اصطکاک ، نیروی لازم برای انجام فرآیند افزایش می یابد چون افزایش ضریب اصطکاک باعث افزایش نیروی اصطکاک شده و در کل باعث افزایش نیروی لازم برای انجام فرآیند اکستروﮊن خواهد شد.
در شکل (۳) توزیع کرنش پلاستیک موثر در قطعه با شکل خارجی مربع و شکل داخلی دایره در مرحله آغازین فرآیند نشان داده شده است. همچنانکه مشاهده می شود بیلت به سه ناحیه تقسیم شده است. در ناحیه (۱) قسمت
1′ از بیلت (مرکز سنبه با بیلت در تماس است) به سمت قسمت 2′(لبه سنبه ) کرنش پلاستیک معادل
افزایش یافته و از قسمت 2′به سمت قسمت ) 3′ گوشه بیلت) کرنش پلاستیک کاهش یافته است، در این ناحیه در قسمت2′کرنش پلاستیک معادل ماکزیمم است. در ناحیه (۲) در قسمت 1′کرنش پلاستیک ماکزیمم بوده و به سمت قسمت 2′ کاهش یافته و از 2′ به سمت قسمت 3′ نیز کرنش پلاستیک کاهش یافته است. در ناحیه (۳) از گوشه بیلت به سمت2′ کرنش پلاستیک افزایش یافته و از قسمت 2′ به سمت قسمت 3′ کاهش یافته است.
در شکل (۴) توزیع کرنش پلاستیک معادل برای بیلت مربعی برا ی کورس حرکت سنبه به اندازه ۶ میلیمتر در ۰۲ مرحله برای RA=49% نشان داده شده است.
همانطور که مشاهده می شود در مرحله آغازین فرآیند کانتور کرنش و تغییرات رنگ در منطقه وسیعی از بیلت بوده( درپنج مرحله اول گستردگی کانتورها با افزایش ارتفاع اکسترود شده افزایش یافته) و در مراحل میانی ، مرحله(۰۱) تا مرحله (۰۲) گستردگی کانتورها کاهش یافته اند. از مرحله آغازین فرآیند تدریجاﹰ به سمت مرحله پایانی کرنش پلاستیک ماکزیمم افزایش یافته وکرنش پلاستیک ماکزیمم در دیواره داخلی قطعه کار مشاهده می شود.
در شکل (۵) توزیع تنش ون‐میزز برای بیلت مربعی در کورس حرکت سنبه به اندازه ۶ میلیمتر در ۰۲ مرحله برای RA=49% نشان داده شده است. همچنانکه در شکل مشاهده می شود در دیواره داخلی قطعه کار و بخشی از بیلت که با گوشه سنبه در تماس است تنشها ماکزیمم می باشند.
در شکل (۶) الگوی تغییر فرم شبکه در قطعه مربعی با شکل داخلی دایره مشاهده می شود. در شکل( ۲‐ الف)شبیه سازی با ابزار مش بندی انطباقی و در شکل
(۲‐ب) شبیه سازی بدون ابزار مش بندی انطباقی نشان داده شده است. همچنانکه مشاهده می شود استفاده از ابزار مش بندی انطباقی کیفیت الگوی تغییرفرم شبکه را بهینه نموده است. بیشترین تغییرفرم در دیواره داخلی
قطعه کار و بخشی از بیلت که با گوشه های سنبه در تماس است مشاهده شده است.
نتایج حاصل از شبیه سازی برای بیلت شش ضلعی منتظم در شکل(۷) به صورت تغییرات درصد کاهش سطح مقطع در برابر بار اکستروﮊن نشان داده شده است.
درشکل(۸) تغییرات بار اکستروﮊن در برابر افزایش ضریب اصطکاک برای قطعه با شکل خارجی شش ضلعی منتظم و شکل داخلی دایره در%RA=36 به دست آمده اند.
درشکل(۹) الگوی تغییر فرم شبکه برای قطعه شش ضلعی منتظم با شکل داخلی دایره به ترتیب از چپ به راست شبیه سازی FEM، پیش بینی های تئوریکی ]۱[ و آزمایشات ]۱[ برای%RA=35.6 وماده AA1100-O
مشاهده می شود. همچنانکه در شکل مشاهده می شود نتایج الگوی تغییرفرم شبکه حاصل از شبیه سازی با نتایج تجربی مطابقت بیشتری دارد.
در شکل (۰۱) نتایج حاصل از این شبیه سازی به صورت تغییرفرم لبه قطعه کار برای بیلت مربعی و شش ضلعی منتظم در RA=49% نشان داده شده است.
نتیجه
با مقایسه نتایج حاصل از شبیه سازی FEM در این مقاله با نتایج تئوری و تجربی ارائه شده توسط سایر پژوهشگران می توان نتیجه گرفت که شبیه سازی FEM با نرم افزار Abaqus از دقت خوبی برخوردار است. چنانکه با افزایش درصد کاهش سطح مقطع نیروی لازم برای اکستروﮊن با ضریب اصطکاک معین افزایش یافته است که کاملا" با نتایج تجربی و تئوری مطابقت دارد. با افزایش ضریب اصطکاک ، بار اکستروﮊن به دلیل افزایش نیروی اکستروﮊن افزایش می یابد. همچنین کرنشهای موثر در نواحی از بیلت که با گوشه سنبه در تماس است و دیواره داخلی قطعه کارماکزیمم می باشد. با توجه به کانتور تنش حاصل از این شبیه سازی در ناحیه ای از بیلت که با گوشه سنبه در تماس است تنش ماکزیمم بوده و با دور شدن از آن به سمت راس چند ضلعی و به سمت مرکز قطعه کار، تنشها کاهش یافته اند. بیشترین تغییر فرم نیز در دیواره داخلی قطعه کار و بخشی از قطعه که با گوشه سنبه در تماس بوده مشاهده شده است.
شکل۱) تاثیرتغییرات درصد کاهش سطح مقطع بر بار اکستروﮊن برای بیلت مربعی، سنبه دایروی.
شکل۲) تاثیر افزایش ضریب اصطکاک بر نیروی اکستروﮊن در قطعات توخالی با شکل خارجی مربع و شکل داخلی دایره
شکل۳) توزیع کرنش پلاستیک معادل در بیلت مربعی و RA=49%
شکل۴) توزیع کانتورهای کرنش پلاستیک معادل برای قطعه با شکل خارجی مربع و شکل داخلی دایره ،%RA=49 در بیست مرحله ( ادامه در صفحه بعد).
