بخشی از مقاله
چکیده
در این مقاله، یک قالب هیدروفرمینگ جدید برای شکل دهی لولههای جعبهای شکل مورد بررسی قرار گرفته است. قالب مورد نظر، در مقایسه با قالب های متداول هیدروفرمینگ لولههای جعبهای شکل شامل دو بوش و دو صفحه متحرک برای اعمال تغذیه در راستاهای محوری و شعاعی میباشد.
جهت بررسی مکانیزم قالب جدید، اجزای آن ابتدا در نرمافزار Abaqus/Explicit 6.10 شبیهسازی شد و تبدیل مقطع دایرهای لولهها به مقطع چهارگوش در آن بررسی گردید. سپس به منظور تایید نتایج شبیهسازی، آزمایش های تجربی انجام شد. نتایج به دست آمده نشان داد که شعاع گوشه تیز و یکنواخت در راستای طول و عرض لوله برای لولههای جعبهای شکل با نسبت طول به مقطع زیاد و انبساط مقطعی بزرگ با این روش قابل تولید است و این نسبت در مکانیزم جدید این قالب افزایش یافته است.
مقدمه
فرآیند هیدروفرمینگ به علت دارا بودن مزایایی نظیر امکان کاهش مراحل تولید، تولید قطعات با نسبت استحکام به وزن بالاتر، صرفهجویی اقتصادی، ایجاد تلرانسهای بستهتر و استحکام بهتر در قطعات، به طور گسترده در صنایع مختلف به ویژه صنایع خودرو سازی و صنایع هوایی مورد استفاده قرار میگیرد.[1] تبدیل مقطع دایره ای لولهها به مقطع چهارگوش در فرآیند هی دروفرمینگ، طی سالیان متمادی و از جمله در سالهای اخیر یکی از موضوعهای مهمی است که محققان بر روی آن پژوهش میکنند.
مانابه و آمینو [2] 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[3] 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 [4] 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 گذرا - 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[5]، 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، پرشدگی گوشهها ی 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[6]، 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 می دهد و با اعمال مسیر فشار مناسب میتوان از بروز عیوب بیان شده در این قطعات جلوگیری کرد.
حسینی و همکاران[7] پرشدگی گوشههای قالب در تولید قطعات پله ای چهارگوش را در یک قالب جدید هیدروفرمینگ، به صورت تجربی و عددی بررسی کردند. این قالب در مقایسه با قالبهای متداول هیدروفرمینگ لوله های پله ای مربعی دارای دو بوش اضافی است که با حرکت این بوش ها در ر استای محوری، سبب بهبود پرشدگی گوشه های قالب می شود. در این پژوهش با استفاده از مسیر فشار مناسب، به یک قطعه با نسبت طول به مقطع کم با شعاع گوشه کوچک دست یافتند.
مومنی و همکاران[8] پرشدگی گوشههای قالب را در هیدروفرمینگ قطعات لولهای با مقطع مربعی بررسی کردند. آنها از یک مجموعه قالب که پس از بالج شدن لوله از دو سمت تغذیه شعاعی می شد استفاده کردند. آنها به یک قطعه با نسبت طول به مقطع زیاد و انبساط مقطعی کم با شعاع گوشه یکنواخت در راستای طول لوله دست یافتند.
هدف از پژوهش حاضر ارایه یک مکانیزم جدید حرکتی در قالب هیدروفرمینگ لولههای جعبه ای شکل است. بدین منظور، نسبت به مجموعه قالبهایی که در پژوهشهای پیشین در این زمینه بیان گردید دو مکانیزم حرکتی در راستاهای محوری و شعاعی در مجموعه قالب طراحی شده استفاده گردید تا لوله تحت فشار بتواند علاوه بر تغذیه محوری، در راستای شعاعی نیز تغذیه گردد. سپس با بررسی شبیهسازی فرآیند و آزمایش های تجربی، کارایی مجموعه قالب طراحی شده بررسی گردیده است.
معرفی قالب جدید ارایه شده
به طور معمول قالب های هیدروفرمینگ لوله های جعبه ای شکل از دو نیمه تشکیل میشوند . شکل 1 شماتیک یک نمونه از این قالب ها را نشان می دهد. در این قالب ها، لوله هایی با مقطع دایره ای درون قالبی با مقطع چهارگوش قرار داده می شوند و سپس فشار داخلی به کمک سیال افزایش می یابد. با افزایش فشار داخلی لوله و اعمال تغذیه محوری، لوله تغییر شکل یافته و شکل دیواره قالب را به خود میگیرد.
در پژوهشهای پیشین در این زمینه که در بخش قبل بیان گردید نشان داده شده است که با استفاده از این نوع قالب، پر شدن کامل حفره قالب و تیز شدن گوشه های قطعه امکان پذیر نیست. پرشدن کامل حفره های قالب در این فرآیند، مستلزم بالا بردن فشار است. در نتیجه این افزایش فشار و به دلیل وجود نیروی اصطکاک بین دیواره خارجی لوله و دیواره قالب، ضخامت در گوشه های لوله - نواحی مجاور گوشه ها - کاهش یافته و پارگی موضعی در این مناطق به وجود میآید.
شکل :1 شماتیک قالب متداول در هیدروفرمینگ لولههای جعبهای شکل
در قالب جدید ارائه شده مطابق شکل2، اجزای قالب علاوه بر دارا بودن اجزای قالبهای متداول دو بوش و دو کشوی متحرک نیز در ساختمان قالب تعبیه شده است. در این فرآیند، ابتدا لوله درون قالب قرار گرفته و توسط اورینگ های نصب شده در انتهای سنبه ها، از دو طرف آببندی میشود.
مراحل انجام فرآیند در مجموعه قالب تعبیه شده شامل دو مرحله است. در مرحله اول ابتدا کشوییها بسته میباشد و توسط پین هایی در جای خود ثابت میشوند تا با افزایش فشار داخلی و تغذیه محوری، لوله به حداکثر انبساط برسد و گوشه های کناری قطعه در قالب پر گردد. در مرحله دوم، بوش ها و سنبههای محوری توسط مکانیزم قفل ثابت شده و کشوهای عرضی آزاد میشود. سپس فشار داخلی لوله افزایش می یابد و کشوی عرضی در یک فشار ثابت توسط پرس بسته میشود تا با اعمال تغذیه در راستای شعاعی، گوشهها در راستای محوری نیز پر شوند.
شکل 3 گیره مورد استفاده در مرحله دوم و اجزای مجموعه قالب ساخته شده در این پژوهش را نشان میدهد. ×
شکل :2 اجزا و مشخصات ابعادی قالب جدید ارائه شده
جدول :1 پارامترهای مربوط به شبیه سازی اجزای محدود
شکل :3 گیره قفل محوری و مجموعه قالب ارائه شده
شبیه سازی اجزای محدود
به منظور شبیهسازی فرآیند، از نرم افزار اجزای محدود Abaqus/Explicit 6.10 استفاده شده است. در شبیهسازی، بدنه قالب و کشوییها به صورت صلب تحلیلی و بوشها و سنبهها به صورت صلب گسسته مدل شدند. لوله به صورت سه بعدی شکل پذیر و با المانهای نوع S4R مدل گردید.
شکل 4 شماتیک اجزای قالب را به همراه لوله در ابتدای فرآیند شبیه سازی نشان میدهد . در مش بندی لوله، تعداد المان های لوله در راستای طول 170 و در راستای محیطی به 70 المان همگرا گردید.
با توجه به قانون اصطکاک کولمب، ضریب اصطکاک بین تجهیزات و لوله برابر 0/06 فرض گردید. همچنین طول اولیه لوله در شبیهسازی با در نظر گرفتن نصف طول لوله برابر 100mm و در آزمایش 200mm انتخاب شد. دیگر مشخصات مربوط به شبیه سازی در جدول 1 آمده است.
برای انجام آزمایش ها از یک دستگاه آزمایش اونیورسال با ظرفیت 600KN که دارای امکانات کامل برای ثبت داده های خروجی است، استفاده گردید . سرعت پرس به هنگام آزمایشات برابر 10mm/min تنظیم گردید. سیستم تولید فشار توسط یک مجموعه هیدرولیکی تامین شد که قابلیت اعمال فشار تا 450bar را دارا بود. مقدار فشار کاری با یک شیر تنظیم کننده فشار قابل کنترل بود.
روغن استفاده شده در آزمایش ها از نوع روغن هیدرولیک و با نام تجاری روغن هیدرولیک پارس بابک گرید 68 محصول شرکت نفت پارس بود که از آن به منظور اعمال فشار داخلی لوله و روانکار استفاده شد.
جنس لوله مورد استفاده در آزمایش ها SS316L بوده است. برای تعیین خواص مکانیکی لوله از آزمایش کشش لوله استفاده گردید که منحنی تنش حقیقی-کرنش حقیقی بدست آمده از این آزمایش در شکل 5 نشان داده شده است.
در آزمایش ها، برای اندازه گیری ضخامت لوله اولیه و قطعات شکل داده شده از یک ضخامت سنج با دقت 0/01 میلیمتر استفاده شده است.
