بخشی از مقاله
چکیده
در این مقاله یک روش جدید برای ساخت اسپول جلوی موتور جت با استفاده از یک سلسله عملیات شکل-دهی، طراحی و شبیهسازی شده است. در ساخت اسپول از آلیاژ Ti-6Al-4V که کاربردهای فراوانی در حوزه هوافضا دارد، استفاده شد. در طراحی و شبیهسازی فرایند ساخت اسپول که با استفاده از روش عددی اجزاء محدود انجام گردید، سلسله عملیاتی شامل پهنسازی، اکستروژن معکوس، سوراخ کاری و آهنگری ترکیبی مورد بررسی و ارزیابی قرار گرفتند. فرایند شبیهسازی با استفاده از نرمافزار آباکوس انجام شد. در حین شبیه-سازی متغیرهایی شامل نیروهای اعمالشده در عملیات، الگوی تنش و کرنش مؤثر و همچنین توزیع دما در نواحی مختلف قطعهکار بررسی شدند. شبیهسازی در دو حالت مختلف، شامل استفاده از روانکار و عدم استفاده از روانکار مورد ارزیابی قرار گرفت.
بررسیها نشان داد در هنگام انجام آخرین مرحله عملیات یعنی آهنگری ترکیبی، بیشترین نیرو و فشار بر سطح قطعه وارد میشود. در نتیجه هزینه نهایی و پیچیدگی تولید در این مرحله بیشتر است. همچنین بررسیها احتمال اکسیدشدن و ترکخوردگی سطحی را نشان داد که این وضعیت در صورت عدم استفاده از روانکار و بالابودن نیروی تغییرشکل تشدید میشود. استفاده از روان-کار بهدلیل تقلیل عیوب سطحی و دمای کمتر سطح قطعهکار، ارجحیت بیشتری نشان داد. بر طبق نتایج در صورت وجود تجهیزات شکلدهی با دقت بالا و قالبهای صلب، امکان ساخت و تولید اسپول جلوی موتور جت با استفاده از سلسله عملیات ارائه شده وجود دارد.
واژههای کلیدی: شبیهسازی، اسپول جلو، موتور جت، آهنگری.
-1 مقدمه
تیتانیم خالص و آلیاژهای آن بهدلیل دارابودن استحکام تسلیم و نقطه ذوب بالا در حد فولاد، چگالی پایینتر و مقاومت به خوردگی بالاتر از کاربردهای فراوانی در حوزههای هوایی و هوافضا برخوردار هستند .[1] تیتانیم در بیشتر موارد با توجه به استحکام تسلیم مناسب، جایگزین فولادهای استحکام بالا میشود. آلیاژهای تیتانیم در مواردی که نیاز به چگالی پایینی باشد، مورداستفاده قرار میگیرند .[1] استحکام تسلیم و کششی تیتانیم خالص تجاری بهترتیب 170 تا 480 MPa و 240 تا 550MPa است .[2] درصورتی که استحکام آلیاژهای تیتانیم بهدلیل مواد افزودنی، بالاتر است. آلیاژهای تیتانیم از استحکام تسلیمی بین 800 تا 1200 MPa برخوردار هستند.
بهطور خاص استحکام تسلیم و کششی آلیاژ Ti-6AI-4V بهترتیب 1000 و 1050 MPa است که مقدار بالایی است .[2] آلیاژ Ti-6AI-4V پرکاربردترین نوع از آلیاژهای تیتانیم است که بیش از 50درصد کاربرد آلیاژهای تیتانیم را بهخود اختصاص میدهد .[3] آلیاژ Ti-6AI-4V بهدلیل داشتن استحکام تسلیم بالا در ضمن وزن پایین از پرکاربردترین آلیاژهای تیتانیم است که بیشترین کاربرد آن در صنایع هوافضا، همچون پشتبند و تیرک فلزی بال هواپیما، محفظهی احتراق و قطعات داخلی موتور جت است .[3] دلایل اصلی کاربرد این آلیاژ در صنایع هوافضا عبارتاند از: کاهش وزن نسبت به فولاد و سوپر آلیاژهای پایه نیکل، مقاومت حرارتی مناسب در دماهای بالا و مقاومت خوردگی زیاد.
بنابراین آلیاژهای تیتانیم و بهخصوص آلیاژ Ti-6AI-4V از مهمترین مواد مورداستفاده در ساخت قطعات و تجهیزات هوایی و هوافضا هستند که در این مقاله رفتار شکلدهی آلیاژ Ti-6AI-4V در یک کاربرد هوافضا بررسی شده است. در شکل 1 نمایی از اسپول جلوی موتور جت از جنس آلیاژ Ti-6AI-4V نشان داده شده است .[4] مطابق شکل این قطعه از پیچیدگی بالایی برخوردار است. بنابراین ساخت این تجهیزات، بهدلیل پیچیدگی هندسه قطعه، امری دشوار محسوب میشود. پس لازم است که مطالعه و تحقیقات زیادی در زمینه فنآوری ساخت و تولید این قطعات از جمله عملیاتهای شکلدهی آنها انجام شود.
شکلدهی سرد، گرم و بهطور خاص شکلدهی سوپر پلاستیک از روشهای متداول در ساخت و تولید قطعات هوافضا از جنس آلیاژ Ti-6AI-4V است. آلیاژهای تیتانیم را میتوان توسط تجهیزات استاندارد تا تلورانسهایی همچون آنچه در شکل-دهی فولادهای زنگنزن بهدست میآید، شکل داد. امروزه شکلدهی سوپر پلاستیک تیتانیم، بهدلیل مزایای خاص خود، جای اغلب عملیاتهای شکلدهی دیگر را گرفته است. اغلب عملیاتهای شکلدهی سرد و گرم، جای خود را به شکلدهی سوپر پلاستیک دادهاند. شکلدهی سوپر پلاستیک شامل روشهای شکلدهی تحت خلأ، شکلدهی حرارتی، شکلدهی عمیق، شکلدهی پیوند فلزی، آهنگری 1 و اکستروژن است .[5]
برخی مزیتهای شکلدهی سوپر پلاستیک عبارتاند از: ساخت و تولید قطعات با اشکال پیچیده، ساخت قطعات با استحکام بالا و وزن پایین، یکمرحلهای بودن عملیات و زمان کم ساخت قطعه، اعمال فشار یکسان به همه نقاط قطعهکار و نهایتاً شکلدهی یکنواخت .[6] ترکخوردگی و پارگی سطحی در حین شکلدهی سرد، اکسایش سطحی، چروکشدن سطح، تردشدن نواحی سطحی، بهخصوص در اثر جذب هیدروژن، و بازگشت ارتجاعی از جمله معایب شکلدهی آلیاژهای تیتانیم است .[7]برخی از آخرین تحقیقات انجامشده در زمینه عملیاتهای شکلدهی آلیاژهای تیتانیم بدین شرح است. آریلی و روزن1 [8] در سال 1977 میلادی مطالعاتی در مورد رفتار شکلدهی سوپرپلاستیک آلیاژ Ti-6AL-4V در حین آزمون کشش عمیق انجام دادند.
آنها مشاهده نمودند که شکلیافتن سوپرپلاستیک این آلیاژ تحت آزمون کشش در محدوده دمایی 750 تا 950 درجه سانتیگراد و نرخ کرنش 10-5 تا 10-2 صورت میگیرد. بر طبق فعالیت آنها عامل اصلی در بروز شکلدهی سوپرپلاستیک بهصورت بهینه، اندازه اولیه دانههای ماده است. هر چه ماده ریزدانهتر باشد بهدلیل چقرمگی بیشتر، تغییرشکل بیشتری ایجاد میشود. همچنین مشاهد شد که نرخ کرنش اثر مستقیمی در رفتار شکلدهی سوپرپلاستیک این آلیاژ ندارد. با این حال اگر نرخ کرنش بسیارپایین باشد - درحد - 2*10-5 S-1 و همچنین قطعهکار در معرض حرارتهای بالا قرار گیرد، رشد سریع دانهها صورت میگیرد.
در نتیجه بهدلیل کاهش چقرمگی، ترکخوردگی سطحی و شکست ماده رخ میدهد. آنها نتیجه گرفتند که دما و نرخ کرنش از متغیرهای مؤثر در شکلدهی آلیاژهای تیتانیم هستند بهطوری که انتخاب نرخ کرنش بالا و دمای پایین، بهترین نتایج را بههمراه دارد. لی2 و همکارانش [9] در سال 2002 میلادی مطالعاتی در مورد اکستروژن داغ آلیاژ Ti-6Al-4V انجام داده و نتایج حاصل از شبیهسازی به روش المان محدود و آزمونهای عملی مرتبط با آن را با هم مقایسه نمودند. توزیع کرنش، دما و تنش مؤثر در حالتهای مختلف اکستروژن، توسط نرمافزار شبیهسازی شد. نتایج شبیه-سازی نشان داد که افزایش دمای سطح در حین عملیات اکستروژن داغ در حدود 160 درجه سانتیگراد است که باعث کاهش تنش جریان در مناطق با تغییرشکل زیاد میشود.
حداکثر افزایش دما در محل تماس قالب و قطعهکار مشاهده شد. بروشی3 و همکارانش [10] در سال 2004 میلادی تحقیقاتی در رابطه با شکلپذیری داغ آلیاژ Ti-6Al-4V در دما و نرخ کرنش بالا انجام دادند. تحقیقات در بازه دمایی 880 تا 950 درجه سانتیگراد و نرخ کرنش 1 تا 50 s-1 انجام گرفته است. نتایج نشان داد با افزایش دما و کاهش نرخ کرنش، یک ریزساختار همگن شامل دانهبندی یکنواخت در سطح قطعه بدست میآید. هم-چنین مشاهده شد بروز تغییرشکل پلاستیک یکنواخت فقط در بازه دمایی 940 تا 950 درجه سانتیگراد و نرخ کرنش کمتر از 15 s-1 بهدست میآید.
دجاونرودی و دروگر[ 11] 4 در سال 2010 میلادی رفتار شکلپذیری آلیاژ تیتانیوم Ti-6Al-4V در حین عملیات کشش عمیق بهصورت هیدروفرمینگ و همچنین اثر پارامترهای عملیات بر نمودار حد شکلپذیری - FLD - را توسط شبیهسازی در نرمافزار آباکوس5 موردبررسی قرار دادند. همچنین نتایج شبیهسازی با نتایج حاصل از آزمونهای عملی موردمقایسه قرار گرفت. مشاهده شد در این روش نیروی پانچ در حین شکلدهی آلیاژ، نسبت به روش کشش عمیق غیر هیدروفرمینگ، کاهش یافته است. با توجه به نتایج آزمون کشش، کارسختی - n - و حساسیت به نرخ کرنش - r - برای آلیاژ تیتانیوم بهترتیب 0/145 و 3/02 است. برطبق مشاهدات؛ ضخامت ماده، استحکام تسلیم، کارسختی و حساسیت به نرخ کرنش بر نمودار حد شکلپذیری اثرگذار هستند.
با افزایش کارسختی و حساسیت به نرخ کرنش، حداکثر درصد ازدیاد طول افزایش یافته و باعث بالارفتن نمودار حد شکلدهی شد. سان6 و همکارانش [12] در سال 2011 میلادی با کمک روابط ریاضی و تحلیل مهندسی در نرمافزار المان محدود، شروع به ساخت قطعهای بزرگ و مخروطیشکل - شبیه به دیسک موتور جت - از جنس فولاد SA508-3 که قسمتی از بدنه ژنراتور بخار نیروگاه هستهای است، نمودند. بهاین منظور یک سلسه عملیات شکل-دهی شامل cogging، upsetting، punching، forging mandrel، saddle forging و contour forging را جهت تولید این قطعه طراحی نمودند. ابتدا و انتهای این قطعه، دایرهای شکل و قسمت میانی مخروطی است. آنها مشاهده نمودند طراحی سلسله عملیات شکلدهی، ابزارها و دیگر متغیرهای عملیات در خواص مکانیکی و دقت ابعادی قطعهکار، اثر مستقیمی دارند.
