مقاله شکل دهی bulbous bow شناور سطحی با استفاده از روش شکل دهی انعطاف پذیر

بخشی از مقاله

چکیده

بدنه شناورها برای حفظ تعادل، مقابله با درگ1، جلوگیری از آسیب حین پهلو گرفتن و بسیاری از ملاحظات مهندسی دیگر، از انحناهای پیچیده و خاصی ساخته میشوند. در ساخت بدنه شناورها به دلیل پیچیدگی انحناها و بزرگ بودن ابعاد، استفاده از روشهای متداول شکلدهی، برای تولید بدنه به صورت یکپارچهتر محدود میباشد. بنابراین این قسمتها از اتصال بخشهای کوچکتر به یکدیگر تولید میشوند. در این مقاله، روش جدیدی برای شکلدهی bulbous bow شناورهای سطحی که توانایی تولید آن را به صورت یکپارچه دارد، ارایه شد. بدین منظور، قالب جدیدی که انعطافپذیری بالایی در تولید قطعات گوناگون دارد، طراحی شد .

این قالب شامل پینهای سرکروی کنار هم میباشد که قابلیت تنظیم ارتفاع دارند. با ایجاد آرایش مناسب و تنظیم ارتفاع پینها میتوان سطوح مختلف ایجاد کرد . به منظور شکلدهی، ورق بر روی قالب نصب شده روی دستگاه کنترل عددی، بسته شده و یک ابزار سر کروی متصل به دستگاه، روی مسیر پیوسته که تابع هندسه قطعه است، در تماس با ورق حرکت کرده و ورق را شکل داد. نتایج به دست آمده از این پژوهش، تکرار پذیری در شکلدهی، دقت ابعادی بالا و سرعت تولید فرآیند جدید را نشان داد.

مقدمه

در مراجع اصلی کشتیسازی روشهای شکلدهی به دو دسته عمده شکلدهی مکانیکی و شکلدهی حرارتی - حرارت خطی - تقسیم میشوند. شکلدهی مکانیکی با استفاده از ماشینهایی مانند نوردها و پرسها انجام میشود. این ماشین آلات به صورت هیدرولیکی عمل میکنند و معمولا با فولاد سرد کار میکنند. نوردها برای تهیه انحنای مخروطی و استوانهای و همچنین برای نورد دایرههای کامل در ساخت دکلها و تیرکها استفاده میشوند. پرسها نیز برای خمکاری، مسطح سازی و فلنجکاری استفاده میشوند.

در روش حرارتی از حرارت و خنککاری کنترل شدهای جهت ایجاد انحنای مطلوب استفاده میشود. هنگامی که به قسمتی از یک ورق فولادی حرارت اعمال شود تنش حرارتی ایجاد خواهد شد. اگر این تنشها کنترل شوند، کرنشهای کنترل شدهای بهدست میآید که باعث تغییر شکل دایمی در ورق مانند روشهای مکانیکی خواهد شد. همچنین این تکنیک برای رفع اعوجاج اجزای مونتاژی نیز استفاده میشود. حرارت اعمال شده در این روش به انحنای مورد نظر - شکل قطعه - ، جنس و ضخامت ورق بستگی دارد. در واقع این عوامل تعیین کننده مقدار دما، مسیرحرکت و تعداد دفعات اعمال حرارت میباشند .[1]

شکلدهی تدریجی، فرآیندی است که در آن ورق فلزی توسط حرکت یک ابزار سرکروی کوچک که در تماس با ورق میباشد، شکل داده میشود. بر خلاف بسیاری از فرآیندهای شکلدهی ورقهای فلزی، شکلدهی تدریجی نیاز به هیچگونه قالب اختصاصی و یا سنبه برای تولید قطعات پیچیده ندارد. این فرآیند را میتوان روی دستگاه کنترل عددی با استفاده از ابزار شکلدهی ساده انجام داد. در این روش، به دلیل اینکه قطر ابزار بسیار کوچکتر از قطعهای است که باید تولید شود، بنابراین نیروی شکلدهی کم است و همچنین با تغییر شکل موضعی ورق، شکلپذیری آن افزایش مییابد .[2]
فرآیند شکلدهی تدریجی ورق به دو دسته شکلدهی تدریجی تک نقطهای2 و شکلدهی تدریجی دو نقطهای3 تقسیم میشود.

در شکلدهی تدریجی تک نقطهای، لبه ورق کاملا مهار میگردد و ابزار شکلدهی روی مسیر تعیین شدهای که متناسب با شکل قطعه نهایی است، بر روی سطح بالایی ورق حرکت میکند . در شکلدهی تدریجی دو نقطهای، ورق از سطح بالایی با ابزار شکلدهی در تماس است و از سمت مقابل یعنی سطح پایینی، توسط یک ابزار یا سنبه حمایت میشود. در حالت دونقطهای بر خلاف تکنقطهای، ورق و مجموعهی نگهدارنده آن میتوانند در راستای عمودی حرکت کنند. شکلدهی تدریجی دو نقطهای نسبت به حالت تکنقطهای در صنعت پرکاربردتر میباشد، زیرا در این روش، بازگشت فنری کمتری در حالت باربرداری وجود دارد .

در نتیجه میتوان قطعات پیچیده را با دقت بیشتری تولید نمود. از سوی دیگر، حالت دونقطهای انعطافپذیری کمتری دارد زیرا قالبی که در این فرآیند استفاده میشود، متناسب با هندسه قطعه میباشد. بنابراین برای هندسههای مختلف مورد نیاز، باید قالبهای مجزا به کار رود. شکلدهی تدریجی دو نقطهای، خود شامل شکلدهی تدریجی دو نقطهای با قالب جزیی و با قالب کامل تقسیم میباشد . در روش اول سنبه زیر ورق، بخشی از هندسه قطعه را دربر میگیرد اما در روش دوم، سنبه به صورت هندسه کامل محصول، مورد استفاده قرار میگیرد 3] و.[4

هاشمی و همکاران [5] مکانیزم شکلدهی حرارتی ورقهای مورد استفاده در بدنه شناورها را بررسی کردند. آنها نشان دادند که با افزایش خطوط حرارتی، میزان خم ورق افزایش می یابد و تغییر زاویه مشعل، اثری در نتیجه خمکاری ندارد. در ورق با ضخامت 4 میلیمتر، چون ورق نازک است و عملا اختلاف دمایی بین سطح بالایی و پایینی وجود ندارد، نتیجه حرارت خطی کاملا عکس میشود و ورق به سمت خلاف مشعل خم میشود.

لی و همکارانش[6] 4 مکانیک پایه در شکلدهی ترکیبی تدریجی تکنقطهای و شکلدهی چندنقطهای ورقهای فلزی را مطالعه کردند. نتایج تحقیقات این محققان نشان داد هنگامی که ضریب اصطکاک بین ورق و پینهای پایینی قالب نسبتاًً کم و زاویه بین ورق فلزی و صفحه عمود کوچک باشد، نقاط تماس پینها و ورق فلزی در معرض تنشهای کششی قرار میگیرند ولی در حالتهای دیگر تنشهای فشاری اثر میکند و ممکن است عیب فرورفتگی رخ دهد.

همچنین بخشهایی از ورق که از نقاط تماس ورق و پینها دور هستند فقط در معرض تنشهای کششی قرار میگیرند. تنش برشی شعاعی در منطقه تغییر شکل یافته ورقهای فلزی، با افزایش شعاع ابزار شکلدهی و کاهش مقدار پیشروی، کاهش مییابد. آنها فرمولهای نظری نیروی شکلدهی را بر اساس اصل بقا بدست آوردند و نشان دادند که نیروی شکلدهی با ضخامت و استحکام تسلیم ورق متناسب است و با افزایش پیشروی ابزار شکلدهی نیز، افزایش مییابد.

لو و همکاران[7] 5 ، مطالعهای روی یک روش شکلدهی جدید که تلفیقی از شکلدهی چندنقطهای و شکلدهی تدریجی تکنقطهای است، انجام دادند. آنها نام این فرآیند را شکلدهی تدریجی چندنقطهای سیکلی6 نامیدند. شبیه فرآیند شکلدهی چندنقطهای7، فرآیند CMPIF نیز با قالبهای گسسته شامل زمینهای از پینها میباشد ولی پینهای بالایی در این فرآیند به نوبت در چند مرحله به صورت تناوبی به پایین حرکت میکنند تا همه پینها به شکل نهایی قطعه نزدیک شوند و ورق فرم داده شود. بنابراین نیروی شکلدهی CMPIF به نسبت کمتر از فرآیند MPF است و مصرف انرژی نیز کمتر است. آنها شکلدهی صفحات ضخیم و بلند با دو منحنی را با این روش امکان پذیر دانستند و از این فرآیند به عنوان روشی که پتانسیل زیادی در صنعت کشتی سازی دارد یاد کردند.

دساری و همکارانش[8] 8، اصل پایه شکلدهی چندنقطهای را روی فرآیند کشش عمیق با دو قظعه مختلف اجرا کردند. آنها دریافتند که کمترین ضخامت لایه الاستیک برای حذف کامل عیب فرورفتگی با افزایش سختی لایه، کاهش مییابد. با توجه به تاثیر منفی مقادیر بالای ضخامت لایه الاستیک روی دقت ابعادی، استفاده از لایه الاستیک سختتر، منطقی میباشد. آنها نشان دادند که بیشترین عمق قابل دسترسی با استفاده از لایه الاستیک سخت برای هر دو نمونه افزایش مییابد و برای قطعه مربعی با کف صاف، بیشترین عمق قابل دسترسی با افزایش سختی لایه الاستیک همواره افزایش مییابد. این در حالی است که برای قطعه مربعی با کف استوانهای، بیشترین عمق قابل دسترسی برای برخی از سختی لایه الاستیک به دست میآید.

با توجه به وجود فرآیندهای پرسکاری با لاستیک و پینهای انعطافپذیر و شکلدهی تدریجی، در این مقاله روش جدیدی از ترکیب این دو فرآیند برای شکلدهی فرم bulbous bow یک شناور سطحی با استفاده از عملکرد فرآیند شکلدهی تدریجی دونقطهای ارایه شده است. در روش مذکور، قالب نوینی طراحی و ساخته شده است که توانایی شکل دادن شکلهای مختلف را دارد. در این قالب برای پشتیبانی ورق از پینهای سرکروی کنار هم که قابلیت تنظیم ارتفاع دارند، استفاده شده است. مطابق با هندسه قطعه، میتوان ارتفاع پینها را تنظیم نمود و قطعات مختلف با یک قالب تولید کرد. برای جلوگیری از عیب فرورفتگی در ناحیه تماس پینها با ورق، از لایههای لاستیکی از جنس سیلیکون استفاده شده است. به منظور بررسی توانایی قالب در شکل دادن قطعات انحنادار، ابتدا یک قطعه با انحنای موجدار شکل داده شد. سپس با ارزیابی عملکرد قالب، قطعه bulbous bow تولید شد.

تجهیزات آزمایشگاهی و مراحل آزمونهای تجربی

مطابق شکل - 1 - قالب به کار رفته شامل کفشک بالا و پایین، ورقگیر، صفحه پشتیبان، میله راهنما و مجموعهای از پینهای سرکروی کنار یکدیگر با فاصله معین میباشد. پینهای سرکروی روی یک صفحه سوراخدار قرار میگیرند و از ورق حین شکلدهی، پشتیبانی میکنند. پینها و صفحه سوراخدار رزوه شدهاند تا تنظیم ارتفاع پینها به آسانی صورت گیرد. کفشک بالا به همراه اجزای روی آن که ورق نیز شامل میشود، توانایی جابجایی در راستای عمودی بر روی میله راهنماها را دارند.

برای انجام آزمونهای تجربی از ورق آلومینیوم سری 1000 با ضخامت 1 میلیمتر استفاده شد. در حین فرآیند، نیروهای متمرکز از طرف پینها به ورق اعمال شد و باعث گردید که در نواحی تماس، تغییر شکل شدید به صورت موضعی رخ دهد و منجر به ایجاد فرورفتگیهایی در سطح ورق گردد. به منظور رفع عیب مذکور از لایههای لاستیکی با ضخامت 3 میلیمتر و جنس سیلیکون استفاده شد. دو لایه لاستیک با ضخامت 3 میلیمتر به عنوان ضخامت بهینه جهت برطرف کردن فرورفتگی ورق، با انجام چند آزمایش تجربی به دست آمد.

به منظور انجام آزمایش، ابتدا قالب بر روی بستر دستگاه فرز کنترل عددی نصب شد. مطابق شکل 2 - - ، جهت شکلدهی از دستگاه کنترل عددی سه محوره با کنترل همزمان استفاده شد که قابلیت اتصال به رایانه را نیز داشت. در این مرحله، آرایش پینها با درنظر گرفتن فاصله سوراخها 25 - میلیمتر - و هندسه قطعه انجام شد. با توجه به موقعیت هر پین زیر سطح قطعه و هندسه سطح تماس قطعه با پینها، ارتفاع هر پین از فایل کد9 قطعه مورد نظر به دست آمد. پینهای سرکروی با اتصال ساچمههای فولادی سختکاری شده به قطر 20 میلیمتر به پیچ متری M 14 با ارتفاع 140 میلیمتر ساخته شد که تصویر آن در شکل -3 - الف - نشان داده شده است.

بلانکهایی به ابعاد 50×40 میلیمتر که برابر با ابعاد صفحه پشتیبان میباشد، از ورق اصلی برش خوردند. لاستیکها نیز متناسب با ابعاد قطعه آماده شدند و بر روی پینها قرار گرفتند. بلانک تهیه شده نیز روی صفحه پشتیبان که خود بر روی کفشک بالا قرار دارد، سوار شد و لبههای آن توسط ورقگیر کاملا مهار گردید. برای شکلدهی ورق، ابزاری به قطر 10 میلیمتر - شکل -3 - ب - - که با جوش دادن یک ساچمه از جنس فولاد سختکاری شده روی یک میله فولادی ساخته شده است، استفاده شد.

ابزار برای شکلدهی ورق، روی مسیر پیوستهای که مطابق با هندسه قطعه میباشد، حرکت میکند. مسیر حرکت ابزار توسط نرمافزار پاورمیل10 به صورت جیکد11 به دست آمد و برای شکلدهی از طریق رایانه به دستگاه ارسال شد. مسیر ابزار برای دو قطعه تولید شده در این مقاله، در شکلهای - 4 - و - 5 - ارایه شده است. در حین فرآیند از روغن هیدرولیکی معمولی برای روانکاری سطح تماس ابزار و ورق استفاده شد.