بخشی از مقاله
طراحی بهینه شکل و ابعاد هندسی قالب فورج
به روش شبیه سازی فیزیکی
چکیده
طراحی بهینه فرآیند فورج قالب بسته نیاز به بهینه کردن پارامترهای نظیر شکل و ابعاد هندسی بلوک اولیه مورد استفاده آزمایشها و همچنین شکل و ابعاد هندسی قالب فورج دارد. شرایط حاکم بر فورجینگ قالب بسته، تقارن محوری میباشد لذا بلوک اولیه به شکل استوانه انتخاب شد که میبایست نسبت بهینه ارتفاع به قطر آن تعیین شود . طراحی بهینه شکل و ابعاد هندسی قالب فورج مسلتزم تعیین موقعیت صحیح خط جدایش قالبها، تعیین نسبت بهینه عرض به ضخامت زائده، عرض بهینه زائده و ضخامت زائده میباشد. طراحی بهینه قالب فورج باعث کاهش نیروی مورد نیاز فورج، افزایش عمر قالبها، کاهش مواد دوریز و بالطبع آنها کاهش قابل ملاحظه در زمان و هزینههای تولید میشود. برای بررسی درستی طراحیها یک سری آزمایشات شیبهسازی فیزیکی بر روی بلوکهای از جنس پلاستیسین و در قالبهای پلکسی-گلاس، در تأئید یک برنامه المان محدود طراحی انجام شد. نتایج حاصل از تحلیل المان محدود و آزمایشها نشان میدهد که نسبت بهینه ارتفاع به قطر بلوک اولیه بیشترین درصد پر شدن قالب وهمچنین ابعاد بهینه بلوک بیشترین راندمان حجمی را دارا میباشند.
واﮊههای کلیدی: نسبت بهینه عرض به ضخامت زائده – شبیهسازی فیزیکی‐ فورج قالب بسته- خط جدایش
مقدمه
در طراحی فرآیند فورجینگ قالب بسته، ابعاد زائده را میتوان ازدیدگاههای مختلفی نظیرنیروی فورج، اقتصاد و عمرقالبها مورد بررسی قرار داد. همچنین بهحداقل رساندن دورریز مواد به منظور صرفهجوئی اقتصادی وهمچنین اعمال نیروی کمتر با هدف کاهش تنش اعمالی بر روی قالبها و افزایش عمرآنها، از اهداف مهم طراحی قالب فورج میباشد. رسیدن به این اهداف مستلزم زمان و هزینه زیاد برای ساخت قالب و انجام فرآیند فورج میباشد. بنابراین محققان تلاش کردهاند تا با بهینهکردن پارامترهای طراحیقالب با استفاده از روشهای مختلف تحلیل عددی و شبیهسازیهای فیزیکی، هزینه و زمان لازم برای تولید قطعات فورج را کاهش دهند.
از جمله عوامل موثر بر طراحی بهینه و کمکردن هزینه و زمان لازم برای تولید، طراحی بهینه نسبت ارتفاع به قطر بلوک اولیه مورد استفاده در آزمایشها میباشد. برای تعیین نسبت بهینه از فاکتور درجه پر شدن قالب که عبارتند از نسبت حجم ماده درون حفره قالب به حجمحفره قالب، به عنوان معیار اصلی استفاده می- شود]۱.[
از جمله عوامل دیگربر کم کردن هزینهها و زمان لازم برای تولید، طراحی بهینه ابعاد زائده می باشد.ناحیه زائده به صورت دو سطح موازی طراحی شده به گونهای که وقتی دو قالب بهم نزدیک میشوند فلز اضافی به صورت نوار نازکی از قالب بیرون آید.
خط جدایش مرز قالب بالائی و پائینی و همچنین موقعیت زائده را نشان میدهد. بدلیل آنکه قالب بالائی مورد استفاده در این تحقیق تخت بوده و کل قطعه در قالب پائینی قرار گرفته است لذا زائده در طرفی که قطعه قرار دارد طراحی میشود]۱.[ پارامترهای ضخامت و نسبت عرض به ضخامت زائده، که میزان نیروی لازم برای پرشدن حفرههای قالب را تعیین می- کنند. از مهمترین فاکتورهای طراحی میباشند. هدایت ماده اضافی درون زائده به ناحیه زائدهگیر١ از وظایف دیگر زائده میباشد .ابعاد زائده بر نیرو و عمر قالب نیز موثر میباشند به این صورت که تنشهای که به صورت نرمال در ناحیه زائده به قالب اعمال میشوند بر عمر قالب موثر هستند. با کاهش ضخامت زائده، نیروی زیادی برای راندن حجم اضافی ماده به درون ناحیه زائده لازم میباشد که در چنین شرایطی نیروی فورج، بیشتر صرف پرشدن حفره قالب میشود لذا میتوان ابعاد زائده به گونهای تعیین کرد که بیشترین درصد پر شدن قالب را داشته باشیم و در نتیجه میزان دور ریزمواد به حداقل برسد. با کاهش بیشتر ضخامت زائده، دورریز مواد کاهش یافته و درصد پر شدن قالب افزایش مییابد . اما باعث افزایش نیروی فورج نیز خواهد شد.
که باعث ایجاد محدودیت در انتخاب ظرفیت پرسهای موجود خواهد شد. و از طرف دیگر با افزایش نیروی فورج ، تنش نرمال در ناحیه زائده افزایش یافته و طول عمر قالب کاهش مییابد. طراحی بهینه ابعاد زائده به گونهای صورت میگیردکه اولاﹰ نیروی کمی برای راندن ماده اضافی درناحیه زائده مورد نیاز باشد. و همچنین سطح آن به گونه ای باشد که تنش کمی در این ناحیه به قالب اعمال شود. بنابراین میبایست نیروی فورج و زائده برای هندسه- های مختلف قالب محاسبه شده و با توجه به تناﮊ پرسهای موجود، هندسه قالب بهینه برای تولید قطعه مورد نظر انتخاب شود. لذا میبایست قالب و زائدهای طراحی شود که بیشترین درصد پر شدن قالب و کمترین دورریز مواد را که بر جنبههای اقتصادی طراحی موثرمیباشند]۲.[
تعیین ضخامت زائده تابع تجهیزات فورج ، ماده ، وزن و پیچیدگی قطعه فورج میباشد. روشهای که برای تعیین ضخامت زائده استفاده میشود به دو دسته روابط تجربی و تئوری تقسیم بندی میشوند. روابط تجربی توسط تعدادی از محققان، و با بررسی نتایج تعداد زیادی آزمایشات فورج و آنالیز آماری بدست آمده است. که برخی از این روابط در جدول( ۱ ) آمده است]۳. [
برای تعیین ابعاد بهینه زائده میتوان از تحلیلهای عددی نظیر روش انرﮊی، میدان خطوط لغزش ، میدان کران بالائی و روش المان محدود استفاده کرد .
آقای Ranatung وهمکارانش از روش کران بالائی و المان محدود برای طراحی زائده فورج قالب بسته قطعات با تقارن محوری استفاده کردند. نتایج در جدول( ۲ ) آمده است]۴. [ نتایج نشان میدهد که با کاهش ضخامت زائده، نیروی کل و درصد پر شدن قالب افزایش مییابد.
شبیه سازی فیزیکی
به منظور تعیین توزیع کرنش و مشاهده نحوه سیلان ماده در فرآیند فورج در حالت تقارن محوری از روش شبیهسازی فیزیکی و یک ماده مدل کننده ،همانند پلاستیسین استفاده میشود. در شبیه سازی فیزیکی، قطعه مدل از روی هم گذاشتن چندین لایه ماده مدل کننده تهیه میشود. لایهها با ضخامت یکسان ولی با رنگهای متفاوت انتخاب میشوند. توزیع کرنش در قطعه از روی اندازهگیری ضخامت لایههای تغییرشکل یافته، بدست میآید. در مراحل مختلف فورج، با برش نمونههای ماده مدل کننده و ضخامت سنجی، مقادیر جزئی کرنش در حین فرآیند فورج بدست آمده و از جمع آنها کرنش کل بدست میآید. از توزیع کرنش بدست آمده، به کمک روابط پلاستیسیته، میتوان به توزیع تنش در قطعه واقعی میتوان رسید. از روی تنشها میتوان نیروی لازم برای فورجینگ را بدست آورد.
شرایط اصطکاکی مختلف بین قالب و ماده مدل کننده را میتوان توسط چندین روانکارمختلف نظیر آب صابون غلیظ، پودرتالک، وازلین، دستمال کاغذی و پلاستیک بررسی کرد. در مقایسه با روشهای عددی، روش شبیه سازی فیزیکی به راحتی قابل انجام بوده ولی دارای دقت بالائی نیست. از روش شبیه سازی فیزیکی میتوان برای بررسی مراحل تغییرشکل پلاستیک فلزات، میدان سیلان، ایجادعیوب در قطعات فورجینگ، تخمین نیرو احتمال وقوع شکست، استفاده کرد. در شبیه سازی فیزیکی فرآیند فورجینگ، سطح خارجی ماده مدل کننده را معمولا شبکه بندی میکنند، لذا بعد از اعوجاج شبکه بندی اولیه، محلهای عیوب سیلانی قابل مشاهده است .خطوط سیلان، اطلاعاتی در مورد ایجاد مشاهده عیوب سیلانی و همچنین منطقه مرده ایجاد شده درمحل تماس ماده مدل کننده با قالب را به ما نشان میدهند]۶.[
اساس شبیه سازی
در این روش، شبیه سازی فرآیند فورج با استفاده ازیک ماده مدلکننده با تنش تسلیم بسیارپائین نظیر پلاستیسین، سرب و موم انجام می-شود.
مزیت: به علت تنش تسلیم پائین این ماده، نیروی مورد نیاز برای انجام فرآیند کمتر بوده، و ازپرسهای با جنس نرمتر که هزینه ساخت کمتری دارند، نیزمیتوان استفاده کرد. همچنین احتمال شکست قالبها و هزینه تعمیر و نگهداری آنها بسیار پائین میآید.
ماده مدل کننده: ماده مدل کننده بستگی به جنس قطعه اصلی دارد. و شرط لازم برای انتخاب آن یکسان بودن رفتار هر دو، تحت شرایط بارگذاری یکسان، میباشد
روش انجام کار: قطعه مدل ازروی هم قرار دادن چندین لایه ماده مدل کننده، که دارای ضخامت یکسان ولی رنگهای متفاوت میباشد، ساخته میشود.
تعیین توزیع کرنش: با برش زدن ماده مدل کننده در هر مرحله فورج و اندازه گیری ضخامت لایههای تغییرشکل یافته در نقاط مختلف ماده، کرنش جزئی نقاط در هرمرحله بدست آمده و از جمع این کرنشهای جزئی ، کرنش کل در نقاط مختلف بدست میآید.
قالب مورد استفاده: قالب را میتوان از جنس پلاستیک سخت نظیر پلاکسی گلاس تهیه کرد.
مزیت قالبها: قالبها براحتی ماشینکاری میشوند. سیلان ماده را درحین فرآیند ازمیان این قالبها، قابل مشاهده است.
پارامترهای شبیه سازی
پارامترهای هندسی
تا حد ممکن ابعاد خطی، شعاعها و زاویه ها میبایست یکسان باشند.
در شبیه سازی مراحل فورج، مقیاس مدل میتواند کوچکتر از مقیاس واقعی باشد.
در شبیه سازی عیوب سیلان فورج، مقیاس مدل میبایست با مقیاس واقعی برابر باشد.
پارامترهای فیزیکی
پاسخ ماده مدل کننده به پارامترهای بررسی شونده
میبایست همانند پاسخ ماده واقعی باشد.
پارامترهای شرایط مرزی
شرایط مرزی واقعی ناشی از اصطکاک و اثرات سرمایش با انتخاب یک روانکار مناسب میبایست در مدل بوجود آید.
چون تست در دمای اتاق انجام میشود، شرایط مرزی مربوط به انتقال حرارت برای حالت همدما ارضاﺀ میشود ولی برای فورج داغ، این شرایط ارضاﺀ نمیشود.
بنابراین اطلاعات مربوط به اثرات احتمالی سرمایش بر سیلان فلز ممکن است از مطالعات شبیه سازی بدست نیاید. که با ایجاد اصلاحاتی در شرایط اصطکاکی، میتوان این کمبود را برطرف کرد.
عملیات شبیه سازی
عملیات شبیه سازسی شامل:
۱‐ مدل کردن قطعه کار و خواص آن که عبارتند از:
الف) سیلان ماده که تابعی از کرنش ، نرخ کرنش ودمای کاری است.
ب) کارپذیری و فورج پذیری
ج) اثرات شرایط فرآیند بر ریزساختار و خصوصیاتی که ماده در حین کار از خود نشان میدهد
۲‐ مدل کردن مشخصات سطح تماس و قطعه کار که شامل:
الف) خواص اصطکاکی
ب) مشخصات انتقال حرارت
۳‐ مدل کردن پارامترهای مختلف تغییر فرم پلاستیک در فرآیندی خاص که عبارت است از :
الف) نوع تغییر شکل یا سیلان ماده
ب) نیروهای شکل دهی
با جمع آوری نتایج این سه مدل در یک سیستم، اطلاعاتی در مورد سیلان ماده، عیوب ایجاد شده و بارگذاری قالب بدست میآید. بنابراین این دادهها ابزار مفیدی در طراحی قالبها، طراحی بهینه فرآیند
فورجینگ، پیش بینی ساختار نهائی و خواص قطعه نهائی میباشد]۷.[
گاهی نتایج شبیه سازی با نتایج واقعی مطابقت ندارد]۸[ که میتواند به علتهای زیر باشند.
۱‐ تفاوت بین ضرایب کارسختی( ( n و حساسیت به نرخ کرنش( ( m در تنش سیلان ماده اصلی و ماده مدل کننده
۲‐ تفاوت در ضریب اصطکاک
راه حل این مشکل ها عبارتند از:
۱‐ تنش سیلان فولاد با تست پیچش اندازهگیری شده و میبایست با تنش سیلان ماده مدلکننده که با تست فشاری استوانهای بدست میآید،مقایسه شود. روانکارهای مختلف را در حین شبیه سازی، آزمایش کرده تا روانکار مناسب برای ایجاد ضریب اصطکاک معادل، بدست آید.
خواص پلاستیسین
فاکتور ثابت اصطکاک نتایج حاصل از مطالعاتی که در سال ۲۰۰۲ با انجام
تست فشار رینگ انجام گرفت، فاکتور ثابت اصطکاک پلاستیسین را برای چندین روانکار بدست آوردند]۹.[ نتایج در شکل ۱ آمده است.
فاکتور ثابت اصطکاک روانکار روغن‐ گرافیت درفورج گرم برابر با ۳/۰ میباشد. لذا میتوان برای شبیه سازی فیزیکی فورج گرم فولاد از روانکار آب صابون غلیظ استفاده کرد.
تنش سیلان
Sofuoglu و Rasty در سال۰۰۰۲، با انجام تست فشار، تنش سیلان انواع پلاستیسن با رنگهای مختلف را بدست آوردند]۰۱.[ نتایج آن در شکل ۲ آمده است.
تعیین ضخامت زائده تابع تجهیزات فورج ، ماده ، وزن و پیچیدگی قطعه فورج میباشد. روشهای که برای تعیین ضخامت زائده استفاده میشود به دو دسته روابط تجربی و تئوری تقسیم بندی میشوند.
روابط تجربی توسط تعدادی از محققان، و با بررسی نتایج تعداد زیادی آزمایشات فورج و آنالیز آماری بدست آمده است.که برخی از این روابط در جدول (۱ ) آمده است]۲۱. [
برای تعیین ابعاد بهینه زائده میتوان از تحلیلهای عددی نظیر روش انرﮊی، میدان خطوط لغزش ، میدان کران بالائی و روش المان محدود استفاده کرد .
روش تحقیق
آنالیزهای که برای طراحی بهینه هندسه قالب و محاسبه نیرو و فشار مورد نیاز برای فرآیند فورج ، صورت گرفته است شامل آنالیزهای عددی و آزمایشهای شبیهسازی فیزیکی میباشد . آنالیزهای عددی و محاسبات مورد نظر با استفاده از برنامه المان محدود صورت گرفته و آزمایشهای شبیهسازی فیزیکی توسط قالب پلکسی گلاس و ماده اولیه خمیر بازی انجام شد .
تعیین ابعاد بهینه بیلت اولیه
بیلتهای استوانهای شکل با حجمی یکسان و برابربا حجم هندسه قالب مورد استفاده ، و با نسبت ارتفاع به قطرهای متفاوت که در جدول(۴ ) آمده است ، تهیه شد .
سپس این بیلتها تحت فشار فک بالائی پرس ، شروع به تغییر فرم کرده و تغییر فرم در لحظهای که ماده در آستانه وارد شدن به منطقه زائده است ، خاتمه می-
یابد. بعد از اتمام تغییر فرم ، حجم ماده درون حفره قالب را اندازهگیری کرده و درجه پر شدن قالب که عبارتند از نسبت حجم ماده حفره درون قالب به حجم حفره قالب ، را برای نسبتهای مختلف ارتفاع به قطر محاسبه کرده و نسبتی که در آن بیشترین مقدار درجه پر شدن قالب بدست میآید را به عنوان نسبت بهینه و یا ابعاد بهینه بیلت اولیه در نظر میگیریم .
تعیین ابعاد بهینه زائده
ابتدا بیلتهای استوانهای شکل با نسبت ارتفاع به قطر بهینهای که در مرحله قبل بدست آمد و حجمی برابر با حجم حفره قالب بعلاوه حجم زائده ، تهیه گردید . هر کدام از قالبها دارای یک ارتفاع زائده و یک عرض زائده مشخص میباشد ، که در جدول( ۵ ) آمده است.
در لحظه ای که ارتفاع زائده به ارتفاع مورد نظر برسد ، تغییر فرم متوقف میشود. پس از این مرحله حجم ماده درون قالب را اندازهگیری کرده و راندمان حجمی هر کدام از هندسههای قالب که عبارتند از نسبت حجم ماده درون قالب به حجم بیلت اولیه، را بدست میآوریم
. ابعاد زائدهی که دارای بیشترین راندمان حجمی باشد به عنوان ابعاد بهینه زائده در نظر گرفته میشود.
نتایج و بحث
به دلیل صرفه جوئی در میزان ماده مصرفی برای تهیه قطعه کار اولیه که به شکل استوانه میباشد، میبایست نسبت بهینه ارتفاع به قطر بیلت، تعیین گردد. برای تعیین این نسبت بهینه، از معیار بیشترین درجه پر شدن قالب و یا درصد پر شدن حفره قالب که عبارتند
