بخشی از مقاله
چکیده
در فرآیند هیدروفرمینگ لوله برای بدست آوردن مسیر فشار بر حسب جابجایی مناسب ابتدا شبیه سازی انجام میشود. این مسیر معمولا بصورت خطی است که در آن همزمان با اعمال تغذیه محوری، فشار افزایش می یابد. کنترل و اعمال این مسیر بصورت آزمایش تجربی با استفاده از تجهیزات معمول هیدروفرمینگ مشکل است و برای اعمال صحیح و دقیق آن باید از تجهیزات خاصی که پیچیده و گران هستند استفاده نمود.
برای این منظور مسیر فشار بر حسب جابجایی جدیدی به صورت پلهای بر روی یک قالب هیدروفرمینگ لوله جعبه ای مورد بررسی قرار گرفت. مسیر فشارهای خطی و پلهای با استفاده از نرم افزار اجزای محدود Abaqus/Explicit 6.10 شبیهسازی و مقایسه شد و سپس آزمایش تجربی انجام شد. نتایج نشان داد استفاده از مسیر پله ای مناسب، توزیع ضخامت مطلوبی به دست میدهد و با کنترل دقیقی که در اعمال مسیر پلهای وجود دارد، میتوان به بهترین تطابق نمودار شبیهسازی و تجربی دست یافت.
مقدمه
فرایند هیدروفرمینگ لوله، روش مناسب برای شکل دادن لوله به منظور تولید قطعات توخالی است. از مزایای مهم این فرآیند، امکان کاهش مراحل تولید و تولید قطعات با نسبت استحکام به وزن بالاتر و کم کردن عملیات جوشکاری است که به همین خاطر درسال های اخیر، مورد توجه صنایع مختلف قرار گرفته است در این فرایند، لوله های مستقیم و یا خمیده، تحت فشار سیال به اشکال مورد نظر در می آید. با انبساط لولهی تحت فشار بالا، ضخامت جداره ی آن کاهش می یابد.
این امر، درنهایت منجر به پارگی لوله می شود . برای اجتناب از کاهش موضعی ضخامت جداره ی لوله، هم زمان با اعمال فشار داخلی، لوله از یک سمت یا هر دو سمت، تحت بار محوری فشاری قرار میگیرد. بدین ترتیب، مقدار مادهی بیشتری در ناحیهی تغییر شکل لوله وارد می شود که اصطلاحا تغذیه ی محوری نامیده می شود. با این حال، تغذیه ی محوری نامناسب منجر به بوجود آمدن عیوب دیگری از قبیل چروکیدگی و یا خالی ماندن گوشههای قالب می شود
به طورکلی، برای تولید یک قطعه ی بی عیب با ابعاد و تلرانس های مورد نیاز، انتخاب مسیر فشار برحسب تغذیهی محوری بسیار مهم است.
مانابه و آمینو پارامترهای موثر بر توزیع ضخامت قطعات لوله ای با مقطع مربعشکل را با روشهای شبیهسازی اجزای محدود و آزمایش های تجربی مطالعه کردند. نتایج آنها نشان میدهد که بارگذاری محوری بهینه و شرایط روانکاری بهتر، سبب بهبود توزیع ضخامت در این قطعات میگردد.
چن و همکارانش رابطه بین فشار سیال و شعاع گوشه قطعه تغییر شکل یافته را با کمک روش های تئوری و شبیهسازی اجزای محدود مطالعه کردند. آن ها نتیجه گرفتند که فشار لازم برای تغییر شکل قطعه به ضخامت لوله، خواص ماده لوله و حداقل شعاع گوشه نمونه مورد نظر بستگی دارد.
یوان و همکاران تاثیر مسیر فشار و تغذیه محوری را در فرآیند هیدروفرمینگ لوله های پله ای مربعی مورد بررسی قرار دادند. آنها به این نتیجه دست یافتند که عدم استفاده از تغذیه محوری در شکل دهی این قطعات، سبب بروز پارگی در نواحی مجاور گوشه های قطعات می گردد. همچنین نرخ تغذیه محوری در این فرآیند باید متناسب با فشار داخلی باشد. کم بودن بیش از حد نرخ تغذیه محوری در برابر فشار داخلی لوله، سبب بروز پارگی و زیاد بودن بیش از حد آن، سبب ایجاد تابیدگی در نمونهها میگردد.
لوح موسوی و همکارانش بر روی پر شدگی گوشه های قالب در قطعات پله ای مربعی مطالعاتی را انجام دادند. آنها سعی کردند تا با ایجاد یک مسیر فشار نوسانی بهینه، پر شدگی گوشه قالب را بهبود ببخشند و به نتایج مطلوبی دست یافتند اما در کار آنها، حتی با داشتن مسیر فشار نوسانی نیز گوشههای قالب برای قطعات مورد نظر بطور کامل پر نگردید. همچنین ایجاد مسیر فشار نوسانی، خود نیازمند تجهیزات ویژه و پیچیدهای است.
هاما و همکارانش اثر مسیرهای فشار مختلف را بر قابلیت شکلپذیری لولههای پلهای مربعی مورد مطالعه قرار دادند. آنها نتیجه گرفتند که در مسیرهای خاصی از فشار، چروکیدگی یا پارگی در قطعه رخ میدهد و با اعمال مسیر فشار مناسب میتوان از بروز عیوب بیان شده در این قطعات جلوگیری کرد.
الیاسی و همکاران اثر مسیر فشار بر پرشدگی گوشههای قالب را در تولید قطعات پلهای چهارگوش در یک قالب جدید هیدروفرمینگ بررسی کردند. آنها نتیجه کرفتند تغیی رات منحنی فشار در مراحل میانی و پایانی فرآیند تاثیر بسزایی روی شکل یافتن مناسب قطعه و عیوبی نظیر چروکیدگی و پارگی دارد. بعلاوه، با اعمال مسیر فشار و تغذیه محوری متناسب میتوان به محصولی سالم و با پرشدگی قابل قبولی دست یافت.
مسیرهای فشار بر حسب جابجایی متداول برای هیدروفرمینگ لوله، مسیرهای خطی است که در آن همزمان با اعمال تغذیه محوری، فشار افزایش مییابد . کنترل و اعمال این مسیر در شکل دهی قطعه بصورت آزمایش تجربی با استفاده از تجهیزات معمول هیدروفرمینگ مشکل است. در این پژوهش برای اعمال آسان و دقیق مسیر فشار بر حسب جابجایی به صورت تجربی، یک مسیر به صورت پله ای طراحی و در شکل دهی قطعه در قالب جعبهای شکل استفاده شده است. سپس با شبیه سازی فرآیند و آزمایشهای تجربی، کارایی مسیر طراحی شده بررسی گردیده است.
شبیه سازی اجزای محدود
به منظور شبیهسازی فرآیند، از نرم افزار اجزای محدود Abaqus/Explicit 6.10 استفاده شده است. شکل 1 شماتیک اجزای قالب به همراه لوله را در ابتدای فرآیند شبیه سازی نشان میدهد . در این شبیهسازی، بدنه قالب به صورت صلب تحلیلی و بوشها و سنبه ها به صورت صلب گسسته مدل شدند. لوله به صورت سه بعدی شکل پذیر و با المان های نوع S4R مدل گردید. در بخش مش بندی، لوله به اندازه مش 0/0008 میلی متر همگرا شد. با توجه به قانون اصطکاک کولمب، ضریب اصطکاک بین تجهیزات و لوله برابر 0/06 فرض گردید. دیگر مشخصات مربوط به شبیهسازی در جدول 1 آمده است.
جدول :1 پارامترهای مربوط به شبیه سازی اجزای محدود
آزمون های تجربی
برای انجام آزمایش ها از یک قالب که درآن بوشهای محور ی تعبیه شده بود و همراه سنبه در تغذیه محوری حرکت میکرد، استفاده شد. شکل 2 اجزای مجموعه قالب را نشان میدهد. همچنین از دستگاه آزمایش اونیورسالDMG با ظرفیت600KN که دارای امکانات کامل برای ثبت داده های خروجی است استفاده شده است. شکل 3 مجموعه قالب را در حالت نصب شده بر روی دستگاه آزمایش نشان میدهد.
سرعت پرس به هنگام آزمایشها برابر 10mm/min تنظیم گردید. سیستم تولید فشار توسط یک مجموعه هیدرولیکی که قابلیت اعمال فشار تا 450bar را دارا بود تامین شد. مقدار فشار کاری با یک شیر تنظیم کننده فشار قابل کنترل بود. جنس لوله مورد استفاده در آزمایش ها SS316L بوده است که منحنی تنش-کرنش آن با رابطه 1 برازش شده است. در آزمایشها، برای اندازه گیری ضخامت لوله اولیه و قطعات شکل داده شده از یک ضخامت سنج با دقت 0/01 میلیمتر استفاده شد.
بحث و نتایج
در این پژوهش برای مقایسه عملکرد مسیر جدید نسبت به مسیرهای متداول، سه مسیر فشار بر حسب جابجایی دو خطی، چند خطی و مسیر جدید پله ای در نظر گرفته شد و هندسه و توزیع ضخامت قطعات شکل داده شده با استفاده از شبیه سازی اجزای محدود مقایسه شد. برای انتخاب هر یک از این مسیرها، مسیرهای مختلفی به وسیله شبیه سازی بررسی شد و بهترین مسیرها از نظر توزیع ضخامت با هندسه نهایی مشابه انتخاب شد. شکل ُ مطلوب ترین مسیرهای انتخاب شده از شبیهسازیها را نشان میدهد. درشبیه سازی دیده شد اگر از فشار زیر 19MPa تغذیه محوری شروع شود چون هنوز انبساطی در لوله ایجاد نشده باعث ایجاد چروکیدگی در قطعه می شود.
همچنین افزایش فشار داخلی لوله بدون اعمال تغذیه محوری تا مقدار 23MPa در ابتدا ی فرآیند به علت نرسیدن مواد کافی به ناحیه انبساط، سبب ایجاد نازک شدگی شدید در محل قطر بیشینه لوله و بروز پارگی در این قسمت می گردد. با توجه به این نتایج، میزان فشار داخلی لوله پیش از اعمال تغذیه محوری، 19MPa انتخاب گردید. در نمودار -4 الف با توجه به دو خطی بودن نمودار، یک شیب مناسب نسبت به جابجایی و فشار در نظر گرفته شد. در قسمت های اول نمودارهای -4 ب و -4 ج میزان تغذیه محوری نسبت به قسمت های وسط این نمودارها بیشتر است؛ زیرا در ابتدای فرآیند شکلدهی قطعه هنوز حجم خالی قالب زیاد است و افزایش تغذیه منجر به چروکیدگی نمیشود و محفظه قالب را پر میکند.
همچنین افزایش تغذیه محوری از کاهش ضخامت در ابتدای شکل دهی قطعه که هنوز قطعه با قالب تماس پیدا نکرده، جلوگیری می کند. در قسمت های وسط نمودارها چون فضای خالی قالب کم شده، مقدار تغذیه کمتر و افزایش فشار بیشتر میشود تا چروکیدگی در قطعه ایجاد نشود. و در قسمت انتهایی نمودارها با توجه به بالا بودن فشار، تا جایی که در قطعه چروک ایجاد نشود تغذیه می دهیم تا علاوه بر جبران کاهش ضخامت ایجاد شده، به پر شدگی بهتر در قالب برسیم. شکل 5 قطعه شکل داده شده با هندسه نهایی مشابه بدست آمده از مسیرهای شکل 4 را نشان میدهد.
