بخشی از مقاله
-1 چکیده
خمکاری چهار غلتکه از جمله فرآیندهایی است که اغلب در شکل دهی فلزات به دلیل ساختار ساده آن استفاده می شود. این مقاله به پیش بینی مکان غلتک جانبی در حین خمش با غلتک استوانه ای و تاثیر پارامترهای مختلف بر شعاع انحنا حین خمکاری می پردازد. پیش بینی مکان غلتک جانبی کمک می کند تا فرآیند سنتی سعی و خطا که موجب افزایش هزینه های تولید می باشد بهبود یابد.
فرآیند چهار غلتکی کیفیت انحنای بهتری نسبت به حالت سه غلتکی دارد که همین امر موجب کاهش هزینه در ماشینکاری و مواد مصرفی می شود. لذا پیش بینی مکان غلتک جانبی می تواند بیش از پیش به بهبود کیفیت فرآیند خمکاری با غلتک منجر شود. در شبیه سازی عددی، غلتک ها صلب در نظر گرفته می شوند و جنس صفحه از مواد الاستوپلاستیک فرض می شود. در نهایت نیز تلاش خواهد شد تا سیستم خمکاری مطلوب بدست آید.
-2 مقدمه
امروزه شکل دهی ورق صاف و تبدیل آن به لوله یا رینگ با قطر متوسط و بزرگ در ضخامت های متفاوت یکی از رشته های مهم و فعال در صنعت مکانیک به حساب می آید که به طور عمده در صنایع پتروشیمی و کشتی سازی به کار می رود. همچنین در حمل ونقل ریلی و در بویلرها نیز کاربرد دارد.
از لوله و رینگ در صنعت پتروشیمی و گاز از قبیل مخازن ذخیره، مخازن تحت فشار، در صنعت سیمان از قبیل لوله های انتقال مواد، سیلوهای ذخیره و به طور کلی در کلیه کارخانجات صنعتی استفاده گسترده ای از این فرآیند می شود. اگرچه خمکاری با غلتک یکی از معمول ترین روش های شکل دهی است، ولی مشکلاتی هم دارد که باعث می شود بطور گسترده از آن استفاده نشود، شامل:
- شکل دهی قطعات با ابعاد بزرگ مشکل است.
- ابزار شکل دهی خیلی بزرگ هستند و ماشین های بزرگ هزینه زیادی دارند.
- مشکل دیگر انعطاف پذیری غلتک هاست که با اعمال نیروی بارگذاری در دقت خمکاری اثر می گذارد.
هدف اصلی برخی از مطالعات انجام شده در این زمینه تقویت انعطاف پذیری غلتک ها، مثلا افزایش اندازه غلتک ها یا افزایش تعداد غلتک های حمایت کننده می باشد. برخی از این تلاش ها به واقع در توسعه کاربرد فرآیند خمکاری با غلتک موثرند، ولی گاها به دلیل افزایش هزینه های کار مثلا هنگام کم کردن شعاع خم یا افزایش سختی هنگام خمکاری نمی توانند این فرآیند را بهبود دهند.
در کلیه فرآیندهای خمکاری در ابتدا ورق به صورت گرد حالت داده می شود و در انتها درز بوجود آمده از شکل دهی را جوشکاری می کنند. به دلیل هندسه فیزیکی دستگاه ها و مراحل مختلف خم، انتهای لبه ورق درمحل درزها صاف و بدون خم باقی می ماند و این باعث می شود تا بعد از عملیات خم مجددا با استفاده از ماشینکاری، قسمت های صاف ورق را حذف کنند. این عملیات اضافی باعث افزایش قیمت محصول و ضایعات ورق می شود.
در دستگاه ها ی خم چهار غلتکی معمولا غلتک بالایی محرک و به صورت ساعت گرد و پاد ساعت گرد جهت انجام عملیات خم حرکت می کند. غلتک های کناری که دو عدد می باشند باتوجه به انجام عملیات خم به غلتک های فعال و غیرفعال معروف هستند. انتخاب اسم فعال و غیرفعال کاملاً اختیاری بوده و با توجه به این که مراحل خم با کدام یک از غلتک های کناری شروع شود لقب فعال یا غیرفعال به آن اضافه می شود
دستگاه خم چهارغلتکی نسبت به دستگاه سه غلتکی رنج وسیعی از قطرهای مورد نظر برای خمکاری ورق را شامل می شود. به طوری که کمترین قطر کمی بیشتر از قطر غلتک بالایی است و بیشترین قطر مورد نظر به توانایی و تجربه خم کننده و شرایط خم بستگی دارد
در سال 1994 هااو و همکارانش مکانیزم فرآیند خمش چهار غلتکه صفحه پیوسته و پارامترهای موثر را شبیه سازی کردند. همچنین تاثیر پارامترهای موثر آن مثل محل عملی غلتک کناری مطرح شده است .[3] همچنین در سال 1999 هااو و همکارانش بر روی عوامل موثر بر طراحی دستگاه خم چهارغلتکی کار کردند. علاوه بر این در مقاله این افراد با توجه به مزیت دستگاه خم چهارغلتکی که رنج وسیعتری از قطرهای مورد نظر برای خمکاری ورق را نسبت به دستگاه سه غلتکی شامل می شود، به اصول کارکرد و برخی مکانیزم های مربوط به خمکاری چهارغلتکی ورق پرداخته شده است
در سال 1385 نائینی و همکارانش فرآیند خمکاری چهار غلتکی ورق را شبیه سازی کردند. در این مقاله مدلی ریاضی برای شبیه سازی فرآیند خمکاری پایدار و پیوسته مکانیکی ورق فلزی نازک توسط دستگاه چهار غلتکی به کار رفته است.
در سال 2011 ژنگ فنگ و همکارانش فرآیند رولینگ سه غلتکه استوانه ای نامتقارن بر پایه المان محدود جهت پیش بینی مکان غلتک جانبی را مدل و شبیه سازی کردند.
-3 ترتیب مراحل خم در دستگاه خم چهارغلتکی
در شکل 1 مراحل و ترتیب انجام عملیات خم نشان داده شده است:
-1 تنظیمات لبه - مرحله1
-2 پیش خمش لبه در - مرحله - 2 که یک سمت صفحه خم می شود که سمت پیش فعال نامیده می شود.
-3 خمش پیوسته یکنواخت سمت پیش فعال در - مرحله - 3
-4 خمش پیوسته یکنواخت سمت غیر پیش فعال
در - مرحله - 4 -5 خمش پیوسته یکنواخت برای کامل کردن شکل مدور خمش در - مرحله - 5 و - مرحله - 6
شکل :1 مراحل خمکاری پیوسته چهار غلتکی ورق
تنظیم و تراز کردن لبه ورق. در ابتدا که ورق به داخل دستگاه وارد می شود ورق به صورت صاف و یکنواخت به داخل غلتک های فشار غلتک بالا و پائین کشیده نمی شود. به همین دلیل در ابتدا یکی از غلتک های کناری به سمت بالا هدایت می شود تا ورق به سطح آن برخورد کند و ورق به طور صاف و یکنواخت در مسیر عملیات خم قرار گیرد. این حالت در مرحله 1 از شکل 1دیده می شود.
مرحله پیش خم لبه. در این مرحله با استفاده از غلتک ها ی بالا و پائین و غلتک های کناری شعاع نهائی مورد نظر در لبه های ورق بوجود می آید و در نتیجه در ابتدای لبه ورق دیگر دور ریزی حاصل نمی شود. برخلاف دستگاه سه غلتکی که بایستی به اندازه فاصله مرکز به مرکز غلتک های کناری دور ریز برای ورق در نظر گرفته شود.
مرحله خمکاری پیوسته. در این مرحله لبه های ورق شکل نهایی خود را گرفته اند و بایستی که قسمت میانی بین لبه های ورق شکل دهی شود. مرحله 4 از شکل 1 نشان دهنده این فرآیند می باشد.
مرحله تعویض غلتک کناری. دلیل این کار به این صورت توجیه می شود که نیمی از ورق شعاع خم مورد نظر را بدست آورده و با استفاده از قسمت خم شده می توان از فرآیند برگشت فنری اجتناب کرد. مرحله 4 از شکل 1 نشان دهنده عمل تعویض غلتک ها می باشد.
مرحله ایجاد خم یکنواخت و ثابت. در ا ین مرحله شعاع نهایی مورد نظر به ورق داده می شود و ورق شعاع نهائی را در این مرحله به خود می گیرد. مرحله 5و6 از شکل 1 نشان دهنده ی این فرآیند می باشد.
مرحله خم تکمیل کننده. در این مرحله شعاع نهایی در ورق بوجود می آید و عملیات جوشکاری اولیه بر روی دستگاه انجام می شود و بعد از این که لبه ها به یکدیگر متصل شدند و حالت یکپارچه در ورق بدست آمد عملیات خم تکمیلی انجام می شود. مرحله6 از شکل 1 بیانگر این عملیات می باشد
-4 تأثیر غلتک فشار و اصطکاک سطح در انتقال ورق
به صورت تئوری می توان ناحیه تماس بین غلتک ورق را حدس زد و توزیع تنش در آن ناحیه را به دست آورد که با توجه به داشتن این نیرو می توان نیروی اصطکاکی سطح تماس را به دست آورد. علاوه بر این می توان با به دست آوردن ناحیه دقیق تغییر شکل خم 1 - EDZ - میزان توان و گشتاور مورد نیاز جهت خم را به دست آورد.
با توجه به موارد ذکر شده و حرکت شناور غلتک کناری که باعث تغییر ناحیه تغییر شکل و ناحیه تحت فشار می شود این عمل باعث پیچیدگی تنش بوجود آمده در ناحیه خم - EDZ - شده و تحلیل آن را بسیار مشکل می کند. شناخت تأثیر اصطکاک و متغیرهای وابسته به آن باعث طراحی هرچه بهتر دستگاه خم چهار غلتکی می شود.
اصطکاک تماسی و نیروی فشار نه تنها از حرکت ورق از بین ناحیه فشار جلوگیری نمی کند بلکه باعث حرکت بهتره ورق در دو مرحله می شود می شود: در مرحله آماده سازی لبه جهت خم کردن آن و در مرحله خم پیوسته ورق برای به دست آوردن شعاع نهایی. زمانی می توان گفت عملیات خم بدون مشکل انجام شده و اصطکاک تأثیر خود را بر روی عملیات وارد کرده که ورق بدون هیچگونه لغزشی در بین غلتک ها حرکت کند.
انجام عملیات خم پیوسته به هر دو غلتک کناری وابسته است و اصطکاک تماسی بین ورق و غلتک های کناری می تواند در لغزش ورق در فرآیند خم مفید و یا زیان آور باشد . در شکل2 اصطکاک سطحی در نقطه Cs از حرکت قسمت آویزان CsB به داخل ناحیه تغییر شکل CbCtCaCs جلوگیری می کند، این اصطکاک همچنین باعث ایجاد یک نیروی کششی در ناحیه بین نقطه Ct , Ca می شود.
نیروی کششی بوجود آمده باعث کاهش شعاع خم در ناحیه CbCtCaCs می شود و بایستی موقعیت غلتک های کناری به نقطه بالاتری انتقال پیدا کند و نیروی غلتک های کناری افزایش پیدا کند تا شعاع نهایی مورد نظر به دست اید. برای حالت پیش خم شکل 3 اصطکاک تماسی در نقطه Cs" از خم در این ناحیه مقاومت می کند و بر عکس باعث افزایش جزئی منحنی خم بین دو نقطه , Ca' Ct'می شود. با توجه به بحث های انجام شده تأثیر اصطکاک در غلتک های کناری برای حرکت ورق در عملیات پیش خم و خم نهایی در حالت لغزش نسبت به گشتاور داده شده به ورق از طرف غلتک بالایی بیشتر است
-5 نحوه تماس بین غلتک کناری و ورق در مرحله پیش خم
در شکل 4 ورق صاف قبل از پیش خم اولیه نشان داده شده که با خط چین مشخص شده است و در نقطه & s با غلتک کناری برخورد دارد و فاصله این نقطه تا محور عمودی ObOOtOp که محور عمودی غلتک پایین و بالا می باشد به اندازه Xo در نظر گرفته شده است.
شکل:2 شرایط مرزی درعملیات پیش خم ورق بااستفاده ازغلتک فعال کناری
شکل :3 شرایط مرزی تغییر شکل در مرحله خم نهائی ورق با استفاده از غلتک غیر فعال کناری
شکل :4 عملیات پیش خم ورق و مجموعه نیروهای وارد شده به ورق ازطرف غلتک فعال کناری
