بخشی از مقاله
چکیده
فرآیند شکست نرم که به علت جمع شدن، رشد و ترکیب عیوب یا ترکهای ماده رخ میدهد را آسیب می نامند. با استفاده از مکانیک آسیب و معیارهای آسیب می توان شکست در مواد را پیش بینی نمود. از سوی دیگر بسیاری از مواد بسته به فرآیند ساخت و تولید، در حالت گرم و یا داغ شکل دهی می شوند که در این صوت دما نیز بر بروز آسیب احتمالی تاثیرگذار است. در این تحقیق، به کمک معیارهای آسیب مختلف، نظیر معیار کاکرافت-لاتم1، بروزو2، فرودنتال3، رایس-تریسی4، مک کلینتوک5 و غیره، حد شکل دهی به کمک دمش گاز ورق آلومینیوم 5083 در دمای 450 درجه سانتی گراد پیش بینی می شود.
در این فرآیند ورق در قالب به وسیله فشار گاز تغییر شکل داده شده تا به حد گسیختگی برسد. فرآیند شکل دهی فوق، به روش اجزاء محدود شبیه سازی گردیده و آسیب پیش بینی شده توسط معیارهای مختلف مشخص می شود. در ادامه نتایج عددی با نتایج تجربی حاصل از آزمایش تجربی مقایسه گردیده و اعتبارسنجی می شوند. در نهایت معیارهای آسیب بر اساس دقت نتایج پیش بینی کرده طبقه بندی گردیده و مناسب ترین معیارها معرفی می شوند.
مقدمه
امروزه روند رو به رشد تولید وسایل با وزن کم بیش از پیش مورد توجه قرار گرفته و به تبع آن استفاده از آلیاژهای آلومینیوم در تولید وسایل و قطعات گوناگون افزایش یافته است. در این میان آلیاژ آلومینیوم- منیزیم 5083 به دلیل خواص مناسب نظیر استحکام بالا، مقاومت به خوردگی، جوش پذیری و قابلیت تبدیل شدن به آلیاژهای ابرمومسان به طور گسترده در صنایع اتومبیل سازی، کشتی سازی و صنایع هوایی مورد استفاده قرار گرفته است .[3-1]
نوع ماده، فرآیند شکل دهی آن و همچنین بروز آسیب احتمالی از عواملی است که به دمای ماده و دمای انجام فرآیند وابسته است. بنابراین آگاهی از تاثیر دما بر انجام فرآیند از اهمیت زیادی برخوردار است. به عبارت دیگر کنترل میزان آسیب و خرابی ناشی از دمای بالا در انجام این فرآیندها باعث ایجاد کیفیت بیشتر می شود. از طرفی به دنبال پیش بینی آسیب های ایجاد شده در طی این فرآیندها، می توان تعداد زیاد مراحل سعی و خطا و صرف هزینه های فراوان را کاهش داده و در نتیجه محصولی با کیفیت بالا تولید نمود.
اگرچه آلیاژ 5083 امتیازهای بسیاری نسبت به مواد مرسوم مورد استفاده در صنایع نظیر فولاد دارد، اما شکل پذیری آن در دمای محیط بسیار محدود بوده و تولید قطعاتی از این جنس با شکل هندسی پیچیده و نسبت کششی بالا در دمای محیط غیر ممکن می باشد. برای حل مشکل مذکور، آلیاژهای آلومینیوم به روش فوق گرم شکل دهی می گردند. تاکنون پژوهش های زیادی در زمینه بررسی شکل پذیری مواد گوناگون در شرایط فوق گرم انجام شده که از جمله آن می توان به موارد ذیل اشاره نمود:
در سال 1999 ناکا6 و یوشیدا7 به مطالعه شکل پذیری آلیاژ آلومینیوم 5083 در خلال انجام فرآیند کشش عمیق در محدوده وسیعی از نرخ کرنش و دماهای متفاوت - از دمای محیط تا 523 کلوین - پرداختند .[4] در سال 2004 لی8 و همکاران شکل پذیری آلیاژهای آلومینیوم 5754 و 5182 در حالت گرم را طی آزمایش کشش تک محوره بررسی نمودند. ایشان منحنی حد شکل دهی آلیاژهای آلومینیوم 5754، 5182 و 6111 را در محدوده دمایی 200-350 درجه سانتی گراد، به صورت کشش دو محوری به دست آورده و اثر حرارت بر آن را مطالعه کردند .[5]
در سال 2007 کولاس9 و همکاران منحنی حد شکل دهی ورق آلومینیوم 5083 را در حالت گرم و به روش دمش گاز به روش تجربی و در نرخ های کرنش پایین تعیین کردند .[6] در سال 2009 حسینی پور خواص آلومینیوم 5083 را در کشش تک محوره و در دمای 450 درجه سانتی گراد مورد بررسی قرار داد .[7] در سال 2011 سلیمانی و همکاران حد شکل دهی ورق آلومینیوم 5083 را در دمای 500 درجه سانتی گراد و در نرخ کرنش ثابت 0/008 با استفاده از فرآیند شکل دهی با دمش گاز مورد بررسی قرار دادند. ایشان در تحقیق مذکور از چهار قالب بیضی شکل با نسبت های قطری 1:1، 10:7، 10:6 و 10:4 استفاده کردند .[8]
با توجه به اهمیت شبیه سازی و جلوگیری از انجام تعداد زیاد آزمایش جهت رسیدن به محصولی سالم و با کیفیت، انجام تحقیقات در این زمینه امری ضروری و مهم می باشد. در این تحقیق، ابتدا هندسه فرآیند شکل دهی گرم در نرم افزار SolidWorks ساخته شده و سپس مدل فوق برای تحلیل به نرم افزار ABAQUS و DEFORM-3D منتقل می گردد. پس از تعریف خواص مکانیکی و گرمایی، فرآیند شکل دهی توسط معیارهای مختلف آسیب شبیه سازی شده و نتایج عددی به دست می آیند. نتایج عددی تغییر شکل ها با نتایج تجربی مقایسه شده و اعتبارسنجی می گردند.
معیار های آسیب
تاکنون معیارهای مختلفی برای پیش بینی بروز آسیب در مواد ارائه شده که هر یک از آن ها بر اساس تئوری مربوطه، بروز آسیب را پیش بینی می کند. در زیر تعدادی از معروفترین این معیارها معرفی می گردند:
-1 معیار حد شکل دهی:10 منحنی حد شکل دهی ابزاری مناسب برای مشخص نمودن محدوده کرنش های قابل تحمل ورق در حین شکل دهی برای ایجاد محصولی بدون نقص می باشد. این منحنی با انجام آزمایش های عملی به دست می آید. ابتدا، نمونه های مختلفی از ورق مورد نظر که با الگوهای دایره ای مشبک شده تا حد گسیختگی شکل داده می شوند.
سپس با اندازه گیری قطر دوایر، مقدار کوچکترین و بزرگترین کرنش ایجاد شده در هر نمونه تعیین شده و بر روی نمودار ترسیم می گردد. قسمت پایین نمودار حد شکل دهی، منطقه امن و قسمت بالای آن منطقه شکست می باشد. د [12]، استخراج شد. شیب خط گذرنده از منحنی، مقدار را نشان می دهد که برای ماده فوق، -0/1255 محاسبه گردید.
مدل سازی
در این فرآیند ورق آلومینیوم 5083 با دمای 450 سانتی گراد در قالب دایره ای شکل با شعاع 100 میلی متر قرار می گیرد. برای جلوگیری از حرکت ورق در راستاهای دیگر از نگهدارنده استفاده می شود تا فرآیند به صورت کششی انجام گردد. سپس با اعمال فشار گاز تغییر شکل آغاز می شود. فشار گاز با افزایش زمان به صورت خطی افزایش یافته، فرآیند تا رسیدن ورق به حد گسیختگی و بحرانی ادامه پیدا می کند. شکل 1 تصویر شماتیک فرآیند را نشان می دهد.
اجزای فوق ابتدا در نرم افزار SolidWorks ایجاد گردیده و سپس به نرم افزار ABAQUS و DEFORM-3D انتقال داده می شوند. هم چنین به علت تقارن، یک چهارم قطعات مدل سازی گردیده و شرایط تقارن بر روی صفحات تقارن اعمال می شود. شکل 2 مدل قطعات را نشان می دهد. در مدل سازی ها، قالب و نگه دارنده صلب در نظر گرفته می شوند.
خواص مکانیکی و گرمایی ماده
ماده مورد استفاده در این تحقیق، ورق آلومینیومی 5083 است که یکی از ورق های پرکاربرد در صنایع خودروسازی بوده و در حالت گرم شکل دهی می شود. این نوع آلومینیوم دارای دانسیته 2660 کیلوگرم بر متر مکعب، مدول الاستیک 68/9 گیگا پاسکال و ضریب پواسون 0/33 می باشد. هم چنین ضریب انبساط حرارتی، ضریب انتقال حرارت و ظرفیت گرمایی آن به ترتیب برابر با 1/œC 0/000022، 180/2 W/ - m*œC - و 2/433 J/ - Kg*œC - می باشد. منحنی حد شکل دهی ورق آلومینیوم 5083 در دمای 450 درجه سانتی گراد و در نرخ کرنش 0/0003 نیز در شکل 3 نشان داده شده است .[6]
با افزایش مقدار آسیب از مقدار بحرانی14 گسیختگی شروع می شود. پارامتر فوق برای آلومینیوم 0/7 می باشد .[18] بنابراین مقدار بحرانی بی بعد 0/7 مبنای شروع شکست بوده و معیارهای آسیب بر این مبنا بروز گسیختگی را پیش بینی می کنند. البته این مقدار در معیارهای فرودنتال و کاکرافت-لاتم که بی بعد نمی باشند، برابر 214 مگا پاسکال و برابر تنش نهایی کششی آلومینیوم 5083 در دمای 450 درجه سانتی گراد است .[19]
نتایج عددی
با اعمال خواص فیزیکی، مکانیکی، حرارتی ذکر شده، مونتاژ قطعات و اعمال شرایط مرزی و بارگذاری، شبیه سازی های عددی با استفاده از معیارهای آسیب مذکور در نرم افزار ABAQUS/Explicit و DEFORM-3D انجام گرفت. پس از انجام شبیه سازی ها، نتایج تغییر شکل و آسیب در قطعه به دست آمد. شکل 4 نتایج پیش بینی بروز آسیب در قطعه توسط معیارهای آسیب مختلف و مقایسه آن با نتایج تجربی را نشان می دهد.
