بخشی از مقاله
چکیده
در این مقاله شبیه سازي کامپیوتري یک قطعه که توسط روش هیدروفرمینگ ساخته شده است مورد بررسی قرار گرفته است. براي شبیه سازي قطعه مذکور از روش المان محدود با کمک نرم افزار ABAQUS بهره گرفته شده است و در نتیجه تاثیر پارامترهاي موثر بر شکل دهی قطعه از قبیل نیروي ورق گیر، فشار سیال، اندازه المان ها و شعاع گوشه سنبه مورد بررسی قرار گرفته است
مقدمه
هیدروفرمینگ یک نوع فرآیند شکل دهی عمیق است که در آن سیال، موجب جریان مواد - ورق - به داخل حفره قالب و شکل گیري آن می شود. هیدروفرمینگ در واقع شبیه فرآیند کشش عمیق می باشد. مزیت این فرآیند این است که فشار سیال به طور یکنواخت پحش می شود و داراي تنش یکسانی می باشد. نکته اصلی که در این فرآیند اهمیت دارد تراکم ناپذیري سیال می باشد که باعث می شود فشاري که به سیال وارد می شود با همان نسبت به ورق وارد شود اما باید توجه داشت که دیگر در این حالت ورق در ناحیه الاستیک نبوده و به حالت پلاستیک و غیر خطی بودن قطعه می رویم و تحلیل ها در این ناحیه انجام می شود.
قطعه اي که تحت این نوع پرس قرار می گیرد ، تنش هایی به آن وارد می شود که این تنش ها در نقاط مختلف قطعه متفاوت می باشند و معمولا زوایا و گوشه ها نقاط بحرانی قطعه به شمار می روند. ناکامورا در سال 1992 فرآیند کشش عمیق صفحه اي فلزي را با استفاده از فشار هیدرولیک در جهت شعاعی را به صورت تجربی مورد بررسی قرار داد.
الدومتیاتی و همکاران در سال 1991 آنالیز تئوري کشش عمیق شعاعی با فشار سیال را جهت بهبود نرخ حد کشش1 معرفی و توسط روش المان محدود مسئله را مورد بررسی قرار دادند.[3] تیروش و همکاران در سال 2000 تغییر فشار شعاعی سیال جهت رسیدن به کنتور فشار مورد نیاز کشش عمیق را با گرم کردن قطعه جهت رسیدن به افزایش نرخ کرنش ماده مورد بررسی قرار دادند.
همچنین ژنگ و همکاران در سال 2000 کشش عمیق قطعه اي مستطیل شکل را هم از نظر عددي و هم به صورت تجربی مورد بررسی قرار دادند .[6-5] کندیل در سال 2003 به بررسی تاثیر پارامترهاي فشار اولیه، ضخامت و خواص ماده ورق ونرخ کشش بر عملکرد فرآیند و رسیدن به بالاترین حد نرخ کشش در فرآیند هیدروفرمینگ نسبت به سایر روش هاي کشش پرداخت
احمتاگلو و همکاران در سال 2004 شبیه سازي المان محدود فرآیند کشش هیدروفرمینگ در محیط فشار سیال ویسکوز براي قطعه اي نامتقارن پرداخت[8] و خندپارکار و همکاران در سال 2008 به بررسی فرآیند کشش عمیق هیدرومکانیکی قطعه اي با هندسه پیچیده به روش المان محدود توسط حلگر LS-Dyna پرداخت.[9] در این مقاله به شبیه سازي فرآیند هیدروفرمینگ قطعه سینک ظرفشوي به روش المان محدود با تکیه بر نرم افزار ABAQUS و بررسی پارامترهاي موثر بر شکل دهی قطعه پرداخته شده است
فرایند کشش عمیق هیدروفرمینگ:
شکل1ساختار و سازکار فرایند کشش عمیق هیدروفرمینگ را نشان میدهد[7] که از قسمتهاي مختلفی تشکیل شده است که عبارتند از:محفظه فشار2 که در این حالت جایگزین ماتریس شده است.نگاهدارنده3که جایگزین ورقگیر در فرایند سنتی کشش عمیق شده و براي نگه داشتن ورق در برابر فشار سیال در محفظه فشار بکار میرود دیافراگم لاستیکی بین سیال و ورق در وردي محفظه فشار کار آببندي را انجام میدهد.
سنبه و دیگر وسایل مانند فشارسنج و شیر کنترل مانند روش سنتی عمل میکنند.براي آغاز محفظه تحت فشار باید پر از سیال شود وسپس دیافراگم در ورودي محفظه روي سطح سیال قرار میگیرد.در حالیکه سطح دیافراگم به به روغن اغشته شده ورق فلزي روي آن گذاشته میشود ونگاهدارنده نیز مطابق شکل روي مجموعه قرار میگیرد.سنبه نیز که از درون سوراخ نگاهدارنده عبور کرده به وسیله رم پرس و مماس با ورق نگاه داشته شده است.
یک فشار اولیه به وسیله شیر تنظیم کننده فشار به روغن در محفظه فشار وارد میشود ودر این حالت سنبه با نیروي پرس ورق را به محفظه فشار میراند که این موجب شکل دهی آن به وسیله فشار روغن میشود.
شکل :1 ساز وکار فرایند کشش عمیق هیدروفرمینگ.
ویژگی هاي مکانیکی مواد
ماده به کار رفته فولاد AISI 304 18/10 است که ویژگی هاي مکانیک آن از رابطه 1 پیروي می کند
ویژگی هاي مکانیکی ورق فولادي به طور کامل در جدول1 آورده شده است.
جدول :1 خواص مکانیکی ورق فولادي
چگالی - - kg/m3 7900
مدول یانگ - - GPa 193
ضریب پواسون 0/29
تنش تسلیم - - MPa 240
تنش نهایی - - MPa 620
ابعاد ورق
اجزایی که براي شبیه سازي طراحی شده اند شامل سنبه، ورق، ورق گیر، محفظه فشار و دیافراگم لاستیکی می باشد که در جدول 2 ابعاد ورق، سنبه آورده شده است. ابعاد کمینه محفظه فشار با توجه به ابعاد ورق گیر و ارتفاع سنبه قابل محاسبه می باشد ضخامت ورق و دیافراگم 0.001m در نظر گرفته شده است
جدول :2 ابعاد و اندازه ها
جنس ماده دیافراگم از پلاستیک پلی یورتان با چگالی 1500kg/m3 و نمودار تنش کرنش آن در شکل 2 آورده شده است.
شکل:2 نمودار تنش کرنش پلاستیک پلی یورتان
شکل 3 مونتاژ قطعات مذکور با توجه به هیدروفرمینگ استاندارد در نرم افزار را نشان می دهد
شکل:3 تصویر مونتاژ قطعات فرآیند هیدروفرمینگ استاندارد
ضریب اصطکاك سطوح ورق با قالب به صورت زیر معرفی میشود: اصطکاك قطعه و ورقگیر:٠٧.٠µ= اصطکاك قطعه و ورقگیر:١.٠ µ=
در شکل 4 تصویر و اندازه قطعه مورد بررسی ارائه شده است.
شکل:4 تصویر و مشخصات ابعادي سینک مورد بررسی
روش تحقیق
در این مقاله شبیه سازي کشش عمیق هیدروفرمینگ با نرم افزار Abaqus انجام شده است و براي اطمینان از صحت شبیه سازي، نتایج حاصل از تحلیل المان محدود با نتایج به دست آمده از کار آزمایشگاهی مصطفی احمتاگلو مقایسه شده است.[11]در این شبیه سازي با توجه به اینکه تحلیل از نوع غیر خطی بوده و در آن تغییر شکلهاي بزرگ رخ میدهد در تعریف ویژگیهاي مکانیکی از حالت الاستوپلاستیک استفاده شده است ودر تحلیل با نرم افزار Abaqus حالت حل سریع به کار رفته است.
ذکر این نکته نیز ضروري است که با توجه به خواص مکانیکی تعریف شده براي ماده سرعت جابجایی سنبه یا نرخ کرنش ایجاد شده ناشی از آن تاثیري بر نتایج به دست آمده از شبیه سازي ندارد زیرا اولا نرخ کرنش در فرایند گرمکاري اهمیت بیشتري پیدا میکند حال اینکه در اینجا شکل دهی سرد مد نظر است ودوم اینکه ویژگیهاي مکانیکی ماده و روابط تنش کرنش م ورد استفاده در گستره مشخصی از نرخ کرنش - سرعت جابجایی سنبه - معتبر است. براي تعریف تماس سطوح نیز از تماسهاي مماسی حالت پنالتی استفاده شده است.
بحث و نتیجه گیري تاثیر اندازه المان بر اعتبار سنجی نتایج
اندازه المان در شبیه سازي مهم بوده و در نتایج حاصل به آن وابسته است بتابراین باید اندازه بهینه براي المان تعیین شود. براي تعیین اندازه مناسب المان چندین شبیه سازي با المانهایی مربعی در اندازه هاي گوناگون انجام شد و در شکل 5 منحنی حساسیت به اندازه المان نسبت به درصد خطاي نتایج براي نیروي لازم در شکل دهی نشان داده شده است. با توجه به زمان پردازش و نتایج به دست آمده اندازه مناسب المان در گستره 0/4 تا 0/6میلیمتر است بنابراین در شبیه سازي از اندازه 0/5 براي اندازه المان استفاده شده است.
شکل:5 نمودار حساسیت به اندازه المان
تاثیر پارامترهاي موثر بر کشش عمیق هیدروفرمینگ تاثیر فشار سیال بر شکل گیري سازه
فشار سیال نیز یکی از پارامترهاي موثر در شکل دهی ورق میباشد. به این منظور در شبیه سازي فرایند هیدروفرمینگ، بعد از اینکه نیروي بهینه ورقگیر انتخاب شد، فشار سیال را به صورت تدریجی به 10MPa میرسانیم و تاثیراین فشار سیال را مورد بررسی قرار میدهیم همانطور که در شکل6 مشاهده میشود با این فشار بیشینه ورق به خوبی شکل نمیگیرد و داراي برامدگی هایی میباشد.
در تکرار آزمایش در نهایت به فشار بیشینه 25MPa رسیدیم که در این فشار ورق به شکل مطلوب خود رسید ودر آزمایشی دیگر فشار سیال را از این مقدار بهینه بالاتر بردیم که باعث گسیختگی ورق شد.بازبینی نتیجه این شبیه سازي با نتایج آزمایشگاهی مصطفی احمتاگلو [11] که براي سازه اي شبیه قطعه مورد بررسی انجام داده بود همخوانی قابل توجهی دارد
شکل: 6 اثر فشار در شکل دهی ورق و مقایسه با نتایج آزمایشگاهی
