بخشی از مقاله
چکیده
شکل دهی الکترومغناطیس - EMF - یکی از روشهای شکل دهی ورقهای فلزی است که از نیروی الکترومغناطیس به عنوان عامل فرم دهی استفاده می شود. این روش شکل دهی جزء روشهای شکل دهی با سرعت بالا می باشد و بیشتر جهت شکل دهی و مونتاژ فلزات هادی مانند قطعات آلومنیومی استفاده می شود. در این مقاله پس از بیان کاربردها، مزایا و معایب این روش، یک قطعه لوله ای شکل از جنس آلومنیوم به فرم مورد نظر خواهد رسید.
شکل دهی انبساطی لوله به روش الکترومغناطیس با نرم افزار ANSYS شبیه سازی شده و سپس با نتایج بدست آمده، ترتیب آزمایش طراحی و ساخته شد و پارامترهای پروسه مانند جریان و انرژی لازم مشخص شدند و تست های تجربی انجام شد. در این تحقیق، تحلیل گذرای - Transient - کوپل سازه-الکترومغناطیس انجام شد. در این راستا پارامترهای موثر EMF مورد مطالعه قرار گرفت. تاثیر پارامترهای فرآیند مانند انرژی تخلیه روی جابجایی شعاعی قطعه کار بررسی شد. نتایج بدست آمده از شبیه سازی با نتایج تست تجربی مطابقت خوبی داشت.
-1 مقدمه
فرمدهی الکترومغناطیسی یا شکلدهی الکترومغناطیسی نوعی از فرایند فرم دهی انفجاری است که در واقع روشی از شکلدهی با انرژی زیاد میباشد که از تکنیک پالس قدرت برای تولید میدانهای مغناطیسی بسیار قوی و به تبع آن نیروی بسیار زیاد برای تغییر شکل سریع، استفاده می کند. این تکنیک گاهی شکلدهی با سرعت بالا نیز نامیده می شود. به زبان ساده میتوان گفت که یک میدان مغناطیسی متغیر بسیار سریع یک جریان چرخشی یا جریان گردابی را در هادی مجاور از طریق القای الکترومغناطیسی، القا میکند.
جریان القا شده یک میدان مغناطیسی متناظر اطراف هادی القا می کند. تقابل میدانهای مغناطیسی تولید شده توسط هادی و سیم پیچ منجر به تولید نیروی دافعه بین آن دو میشود. از این نیرو برای تغییر شکل هادی فلزی استفاده میشود. بهره گیری از روشهای عمومی شکل دهی سریع - مانند شکل دهی انفجاری - و شکل دهی الکترومغناطیس به طور خاص، سرگذشت طولانی دارد
از دهه 1960، صدها خازن برای تولید انبوه میلیونها قطعه با مزیت ایمنی بالا و عدم آسیب رسیدن به پرسنل، تولید شده و مورد استفاده قرار گرفته اند. بخش عمده ای از فرآیندهای شکل دهی الکترومغناطیسی انجام شده در گذشته، مربوط به انقباض یا انبساط ساده متقارن محوری لوله ها به عنوان بخشی از فرآیند مونتاژ بوده است. بهبود شکل پذیری و کاهش چین خوردگی در فرآیندهای شکل دهی سریع موضوعی است که در گذشته کمتر مورد توجه قرار گرفته است
در فرآیند شکل دهی سنتیمعمولاً، مهمترین چالشهای طراحی قالب آن است که ورق فراتر از حدود کشش خود کشیده نشود و عمق کشش ورق در ماتریس نیز به اندازه ای نباشد که منجر به چین خوردگی آن شود. مبانی تئوری ناپایداری ورق در اثر کشش به کارهای پژوهشگرانی چون کانسیدر، سویفت و مارسینیاک و کوزینسکی برمی گردد. با توسعه نمودارهای حد کشش ، توسط محققانی چون کیلر و گودوین ، این پژوهشها کاربردهای عملی و گسترده ای یافت. این نمودارها وابسته به رفتار کرنش سختی ورق، ناهمسانگردی، ریزساختار و پارامترهای متعدد دیگری - از قبیل پدیده پیچیده مسیرهای کرنش غیر تناسبی - است.
معرفی مدل فرآیند:
در فرایند شکل دهی الکترومغناطیس، قطعه کار فلزی توسط نیروی حاصل از یک پالس با سرعت زیاد تغییر شکل می دهد. مطابق شکل 9-3 اجزاء اصلی مدار دستگاه شکل دهی الکترومغناطیس شامل بانک خازن، منبع تامین کننده ولتاژ قرار گرفته و با ولتاژ مناسب شارژ می شود. پس از کامل شدن شارژ با ولتاژ مورد نظر، سوئیچ 1 باز شده و بانک خازن در مدار قرار می گیرد. سپس با بسته شدن سوئیچ 2، یک پالس جریان سینوسی میرا شونده با دامنه ده ها کیلو ولت و فرکانس ده ها کیلو هرتز در مدار جاری می گردد. عبور این پالس جریان سریع از سیم پیچ موجب شکل گیری میدان مغناطیسی قدرتمندی در محیط پیرامون سیم پیچ می شود.
فرکانس این میدان مغناطیی با فرکانس پالس پیرامون سیم پیچ الکتریکی برابر بوده و همزمان با پالس جریان الکتریکی میرا می شود. بر اساس قانون القاء فاراده، اعمال این پالس مغناطیس به قطعه کار، توزیع پیوسته ای از جریان گردابی را در قطعه کار القاء می نماید. جریان گردابی القاء شده در قطعه کار نیز یک میدان مغناطیسی را در اطراف خود ایجاد می نماید . جهت برداری این میدان توسط قانون مداری آمپر تعیین می گردد. در نهایت، اثر تقابل دو میدان مغناطیسی حاصل از سیم پیچ و قطعه کار موجب شکل گیری نیروهای قدرتمند لورنتس در قطعه کار و لذا تغییر شکل سریع آن در جهت دور شدن از سیم پیچ می شود.
شکل 1 تجهییزات مورد استفاده در فرایند شکل دهی الکترومغناطیس
معادلات الکترودینامیک : EMF
اولین گام در طراحی یک فرایندشکل دهی الکترومغناطیس، تعیین مشخصات مداری دستگاه مانند ظرفیت و ولتاژ اولیه بانک خازن و نیز ضریب خود القایی سیم پیچ است. تحلیل مداری فرآیند، تنها روش ممکن برای استخراج پارامترهای مداری مورد نیاز برای دستگاه می باشد. به منظور تحلیل مداری فرایند شکل دهی الکترومغناطبیسی، دو مدار معادل ساده سازی شده ، مطابق شکل2، برای دستگاه و قطعه کار به صورت متمرکز و ایده ال در نظر گرفته شده اند.
شکل2 مدل مداری فرایند شکل دهی الکترومغناطیس
این دو مدار روی یکدیگر اثر القایی متقابل دارند. با نوشتن قانون ولتاژ کیرشهوف برای هر یک از دو مدار شکل 2 ، به دو معادله - 1 - و - 2 - می رسیم.
در این روابط M ضریب القاء متقابل، R مقا.مت اهمی، C ظرفیت خازن، L ضریب خودالقایی، IC جریان سیم پیچ، و IW جریان گردابی قطعه کار است. M و Rl تابع شکل هندسی و تغییر فرم قطعه کار می باشند. همانطور که ملاحظه می گردد دو معادله - 1 - و - 2 - به یکدیگر وابسته هستند. زیرا دو تابع مجهول I1 وI2 تغییرات نوسانی میرا شونده با زمان دارند
