بخشی از مقاله
چکیده: در سالهای اخیرا استفاده از آلیاژهای آلومینیوم، منیزیم و تیتانیوم به دلیل داشتن نسبت استحکام به وزن و مقاومت بالا در برابر خوردگی در صنایع هوا فضا و خودروسازی بسیار مورد توجه قرار گرفته است. مشکل اصلی در کاربرد این آلیاژها شکلپذیری کم در دمای اتاق میباشد. برای رفع این مشکل از شکلدهی فلز در دماهای بالا استفاده میشود. در این پژوهش، تجهیزات شکلدهی دمشی در دماهای بالا ساخته شد و تغییر مقطع لولههای آلومینیومی AA6063 از دایره به مربع به صورت تجربی مورد بررسی قرار گرفت و با نتایج بدست آمده از آزمایش های تجربی در دمای محیط مقایسه شد. پس از تولید قطعات مربعی توزیع ضخامت، شعاع گوشه و فشار شکلدهی مورد بررسی قرار گرفت.
نتایج بدست آمده حاکی از آن است که با افزایش دما، کاهش محسوسی در شعاع شکل گرفته شده و فشار شکل دهی خواهیم داشت، به طوری که شعاع از مقدار 19.5mm در دمای محیط با فشار شکلدهی 154bar به شعاع 5.8mm در دمای 500œc با فشار شکلدهی 11bar میرسد. با افزایش دما و کاهش شعاع گوشه به دلیل تغییر شکل پلاستیک بیشتر، کمینهی ضخامت کاهش می-یابد و توزیع غیر یکنواختتری از ضخامت خواهیم داشت.
.1 مقدمه1
کاهش وزن قطعات مورد استفاده در صنعت حمل و نقل، یکی از مهمترین روشهای صرفهجویی در انرژی و کاهش گازهای گلخانهای میباشد. در سالهای اخیر استفاده از آالیاژهای منیزیم، آلومینیم و تیتانیوم با توجه به لزوم تولید قطعاتی با وزن پایین و مقاومت در برابر خوردگی در صنعت خودرو و هوافضا موردتوجه قرارگرفته است. مشکل اصلی در کاربرد این آلیاژ ها، شکلپذیری پایین آنها در دمای اتاق، به دلیل داشتن ساختار بلوری FCC و وجود عناصر آلیاژی در ترکیب شیمیای آنها می باشد.
از اینرو، تولید قطعاتی با هندسه ی پیچیده از این آلیاژها، به سختی توسط روشهای شکلدهی سرد سنتی انجام میشود. یکی از روشهای موثر برای افزایش شکلپذیری این آلیاژها، بالا بردن دمای فرآیند و درنتیجه افزایش سیستمهای لغزشی میباشد. بدین منظور محققان از روش هیدروفرمینگ گرم با استفاده از سیال روغن استفاده کردهاند اما این روش دارای این محدودیت میباشد که به علت مقاومت گرمایی پایین روغن، نمیتوان دمای فرآیند را به بیش از 300 درجه سانتیگراد رساند.
به دلیل عدم وجود سیال مناسب با قابلیت تحمل دمای بالا، فرآیند نوینی برای شکلدهی داغ آلیاژهای آلومینیوم، منیزیم و تیتانیم توسط گاز ارائه شده است. در استفاده از گاز محدودیت دمایی وجود ندارد و دمای فرآیند تا هر مقدار دلخواه میتواند افزایش یابد. این گاز ممکن است هوا یا گازهای خنثی از جمله نیتروژن و آرگون باشد. با افزایش دمای فرآیند، نیروی شکلدهی و فشار نیز کاهش مییابد. در شکل 1 شماتیکی از فرایند شکلدهی دمشی در دماهای بالا نمایش داده شده است. در سال های اخیر بسیاری از پژوهشگران تحقیقاتی را بر روی انجام فرآیند شکلدهی در دمای بالا انجام داده اند که در ادامه به تعدادی از آنها اشاره شده است.
شکل 1 مراحل شکلدهی دمشی در دماهای بالا - a جایگذاری لوله در قالب - b گرم کردن مجموعه - cاعمال فشار داخلی و تغذیه محوری - d حصول شکل نهایی لی و همکارانش هیدروفرمپذیری لولههای آلومینیومی - - AA7075 بین دمای اتاق تا دمای 300 درجه را مورد بررسی قرار دادند. براساس نتایج بدست آمده هیدروفرمپذیری با افزایش دما زیاد میشود .[1] کیگلر و همکارانش شکلپذیری، توزیع ضخامت دیواره و ریزساختار پس از شکلدهی با استفاده از دمش گاز را در دماهای بالا بوسیله شبیهسازی عددی با نرم افزار LS-DYNA مورد بررسی قرار گرفت.
پارامترهای بهینه فرآیند با استفاده از نتایج بدست آمد .[2] یوان و همکارانش تأثیر دما را بر روی خواص مکانیکی لولههای آلومینیومی - - 5A02 بصورت تجربی در فرآیند هیدروفرمینگ لوله و آزمایش کشش تک محوری مورد بررسی قرار دادند. نتایج هر دو آزمایش نشان داد که تغییر طول و شکلپذیری لولهها در دماهای بالا افزایش مییابد. بیشترین بالج لولهها در دماهای بین 200 تا 300 درجه بدست آمد .[3] چویا و همکارانش یک مدل تحلیلی برای تعیین تأثیر شرایط فرآیند مانند دما، فشار هیدرولیکی، سرعت سنبه و نیروی ورق گیر در فرآیند کشش عمیق هیدرومکانیکال ارایه دادند.
مدل اجزای محدود نیز برای تایید نتایج تحلیل توسعه داده شد. براساس نتایج بدست آمده بحرانی ترین نقطه برای پارگی گوشه سنبه در نظر گرفته شد .[4] ضوئی و همکاران فرآیند شکلدهی داغ ورق آلیاژ آلومینیوم توسط گاز را مورد بررسی قرار دادند و به این نتیجه رسیدند با افزایش دما شکلپذیری افزایش مییابد و فشار مورد نیاز شکلدهی کاهش مییابد.[5] سید کاشی و همکاران اثر ابعاد لوله، شعاع گوشه و نرخ کرنش بر میزان فشار داخلی بهینه و جابجایی محوری مورد نیاز برای شکلدهی لولههای آلومینیومی در دمای 300œc مورد بررسی قرار داده و با استفاده از الگوریتم بازپخت منحنیهای بارگذاری فشار و نیروی محوری را بهینه ساختند .[6] هی ژئو و همکارانش شکل پذیری و میکروساختار آلیاژ آلومینیوم AA6061 و انواع شکشتها در دمای بالا را مورد بررسی قرار دادند.
در این مطالعه بالج آزاد لولههای آلومینیومی در دماهای 500- 350 درجه سانتیگراد به روش دمش گاز انجام شده است. نتایج نشان میدهد که با افزایش دما فشار ترکیدگی به شدت کاهش مییابد و سختی ویکرز نیز در مکان شکست افزایش می-یابد.[7,8] لیو گنگ و همکاران بر روی شکلدهی گرم لولهها با استفاده از دمش گاز با توزیع دمای غیر یکنواخت لولههای نازک با نسبت انبساط کم کار کردند. سیستم کار آنها به این صورت بوده که از سیستم خنکاری در دو انتهای لوله - محل اعمال تغذیه محوری - استفاده کردند و در منطقه تغییر شکل نیز از سیستم گرمایشی استفاده کردند و بدین ترتیب بین نواحی مختلف لوله گرادیان دمایی بوجود آوردند .[9]
تومویوشی و همکاران با استفاده از روش مقاومتی دمای لوله آلومینیومی را تا حدود 500 درجه سانتیگراد بالا برده و با استفاده از دمش هوا لوله آلومینیومی را بالج کردند. در این مطالعه اثر فشار داخلی و شدت جریان بر روی نسبت انبساط بررسی شده است. مشاهده شده است که با افزایش جریان، نسبت انبساط ابتدا افزایش یافته سپس کاهش یافته و طول بالج افزایش یافته است. با افزایش فشار داخلی نیز نسبت انبساط ابتدا افزایش یافته بعد ثابت مانده است.
همچنین تغییر شکل، توزیع دما و تاثیر جنس قالب را مورد بررسی قرار دادند و به این نتیجه رسیدند که هرچه رسانندگی حرارتی قالب کمتر باشد، پرشدگی گوشهها بهبود مییابد .[10] هاشمی و همکاران به کمک معیارهای شکست نرم اصلاح شده و با در نظر گرفتن تاثیر دما و نرخ کرنش در شکست، ترکیدگی لوله و شعاع گوشه قطعه مربعی را در هیدروفرمینگ گرم تا دمای 300œc پیشبینی کردند .[11]
بررسی پژوهشهای پیشین نشان میدهد تاکنون پژوهشهای زیادی در زمینهی فرآیند دمش گاز در دماهای بالا برای تغییر شکلهای پیچیده، مانند تبدیل مقطع دایره به مربع، برای لوله انجام نشده است و اکثر تحقیقات صورت گرفته مربوط به هیدروفرمینگ گرم با استفاده از سیال، فرایند شکلدهی دمشی در دماهای بالا برای ورق و بالج آزاد لوله میباشد. در این پژوهش ابتدا جهت اطمینان از افزایش شکلپذیری ماده در دمای 400 درجه و مشخص شدن امکان انجام شکلدهی داغ لوله آلومینیومی 6063 در این دما، آزمایش کشش تک محوری برای نمونههایی از این جنس انجام گرفت.
سپس با ساخت تجهیزات شکلدهی با دمش گاز در دماهای بالا، تغییر مقطع لولههای آلومینیوم 6063 از دایره به مربع به صورت تجربی انجام شد. هدف از انجام فرآیند، تولید یک قطعه مربعی با گوشه های تیزتر و در عین حال، دارای توزیع ضخامت مناسب میباشد. به همین منظور شکلدهی در دماهای 400 و 500 درجه با استفاده از فرآیند دمش گاز انجام شده و اثر دما بر روی شعاع گوشهی شکل گرفته، فشار شکلدهی و توزیع ضخامت مورد بررسی قرار گرفته است.
.2 مراحل تجربی
در این پژوهش از لولههای آلومینیومی دارای قطر خارجی 40 mm و ضخامت اولیه 1.5 mm استفاده شده است. لولهها بدون درز بوده و با فرآیند اکستروژن تولید شدهاند. ترکیب شیمیایی لولهها با استفاده از آزمایش کوانتومتری تعیین شده که در جدول 1 نشان داده شده است. با توجه به ترکیب شیمیایی آلیاژ لوله AA6063 میباشد. برای مقایسه رفتار مکانیکی ماده در دمای بالا و دمای محیط، آزمایش کشش تک محوری در دمای 400 °c انجام شد و با نتایج آزمایش کشش تک محوری در دمای محیط مقایسه شد. شکل 2 نتایج حاصل از آزمایش کشش تک محوری در دمای 400 œc و دمای محیط را نشان میدهد. مشاهده میشود این آلیاژ در دمای محیط دارای کرنش شکستی در حدود %17 میباشد، درحالیکه در دمای 400 œc دارای کرنش شکستی در حدود %50 میباشد.
همچنین تنش تسلیم از 112 Mpa در دمای 25 œc به 16 Mpa کاهش مییابد. با توجه به اینکه، با افزایش دما از 25 °c به 400 °c، افزایش چشمگیری در کرنش شکست و کاهش قابل توجهی در تنش تسلیم و به تبع آن کاهش در فشار مورد نیاز شکلدهی مشاهده میشود، انجام فرآیند شکلدهی دمشی در دماهای بالا برای آلیاژ آلومینیوم 6063 توجیهپذیر خواهد بود. قالب مربعی مورد استفاده در این پژوهش و ابعاد آن به صورت شماتیک در شکل 3 نشان داده شده است. این قالب دارای حفرهای مربعی با گوشههای تیز میباشد که لوله در داخل این حفره تغییر شکل مییابد و به شکل مربع در میآید. قالب دارای چهار سوراخ سرتاسری نیز میباشد که محل قرارگیری المنتهای الکتریکی می-باشد. در شکل 3 نمایی از قالب ساخته شده نشان داده شده است.
