بخشی از مقاله
مطالعه تجربی و شبیه سازی اجزای محدود فرآیند نوزینگ لوله با روش هیدروفرمینگ
چکیده
فرآیند نوزینگ لوله١ یکی از فرآیندهای شکل دهی انتهای لوله است که در حال حاضر توسط روشهای آلتراسونیک٢ ، شکل دهی در دمای بالا٣ ، پرس کاری معمولی و قالب با پلاگ داخلی٤ انجام می شود. در این پژوهش امکان استفاده از روش هیدروفرمینگ در فرآیند نوزینگ لوله هم بطور تجربی هم، شبیه سازی اجزای محدود مورد بررسی قرار گرفته و مزیت های آن ذکر شده است. جهت شبیه سازی فرآیند از نرم افزار تجاری اجزای محدود ABAQUS استفاده شده است. به منظور تایید نتایج بدست آمده از شبیه سازی فرآیند، آزمایشات تجربی انجام گردیده است. بدین منظور یک مجموعه قالب مخروطی نوزینگ لوله طراحی و ساخته شده و آزمایشات برای نوزینگ با زاویه راس ۰۶ درجه انجام شد. نتایج پیش بینی شده از شبیه سازی با نتایج تجربی مقایسه گردید و تطابق آنها با یکدیگر تایید شد.
واژه های کلیدی: شکل دهی فلزات، نوزینگ لوله، هیدروفرمینگ، قالب مخروطی ، تحلیل اجزای محدود
مقدمه
فرآیند نوزینگ لوله یکی از روش های شکل دهی لوله است که در آن انتهای لوله با فشار، داخل یک قالب همگرا شده و باعث دماغه دار شدن و کاهش قطر انتهای آن میگردد. فرم قالب عموماﹰ به دو صورت مخروطی با زاویه راس α یا به صورت کروی با شعاع r است که فرم مخروطی دارای کاربرد وسیعی در صنایع نظامی و ساخت جنگ افزار ها است. این فرآیند با استفاده از روشهای معمول توسط چندین محقق مورد بررسی قرار گرفته است. یونگ ]۱[ تئوری را برای محاسبه نسبت نوزینگ، نرخ بارگذاری و شکل نهایی در قالب های کروی به روش پرس کاری معمولی ارائه داده که در آن از روش اجزای محدود برای شبیه سازی استفاده کرده است. تارن ]۲[
آنالیز فرآیند نوزینگ خارج از مرکز را با استفاده از روش اجزای محدود در قطعات لوله ای شکل ارایه داده است. مارتینز]۳[ به بررسی تجربی و تئوری ایجاد نوزینگ و لبه دار کردن٥ در یک قالب پرداخته است. کی وان]۴[ به آنالیز فرآیند نوزینگ لوله توسط روش اجزای محدود پرداخته است.
کنچی ]۵[ به بررسی کم کردن محدودیت های موجود در فرآیند نوزینگ لوله توسط تغییر در منحنی درونی قالب نوزینگ پرداخته است.
یکی از محدودیت های اساسی در فرآیند نوزینگ ایجاد چروک در انتهای لوله است. این مشکل هنگامی رخ می دهد که در یک مرحله، پارامتر درصد نوزینگ که به صورت تفاضل قطر انتهای لوله به قطر اولیه تعریف تقسیم بر قطر اولیه می شود، بیشتر از ۵ درصد باشد. دلیل این امر بالا رفتن نرخ تغییر شکل در ناحیه ی انتهایی لوله است. در صد نوزینگ با دو پارامتر کورس حرکتی سنبه و زاویه مخروطی رابطه مستقیم دارد. افزایش هریک از این دو پارامتر سبب بالا رفتن در صد نوزینگ می شود. در شکل (۱) دو لوله با طول کورس یکسان در دو قالب با زاویه ۰۶ و۰۹ درجه نوز شده است. در آزمایش A به دلیل تغییر شکل بیشتر لوله در انتهای لوله چروک ایجاد شده است. برای بالا بردن میزان تغییر شکل در یک مرحله، روش دیگری ارائه شده است که در آن از یک پلاگ داخلی از جنس قالب و دارای پروفیل انتهایی شبیه به آن استفاده شده است. که این پلاگ در فاصله ۵,۱ برابری ضخامت لوله از قالب قرار می گیرد. این فاصله هوایی اجازه عبور فلز از این منطقه را می دهد اما از ایجاد چروک در ناحیه تغییر شکل جلوگیری می کند. شماتیک این روش در شکل(۲) آورده شده است.
میزان تغییر شکل در این روش به میزان قابل ملاحظه ای افزایش یافته است. محدودیتی که در این روش وجود دارد، این است که در ضخامت های پایین مورد استفاده قرار می گیرد. با افزایش زیاد میزان تغییر شکل، نیروی اعمالی به دیواره باعث ایجاد لهیدگی وچروک در دیواره می شود. همچنین وجود اصطکاک بین سطح داخلی لوله با پلاگ و سطح خارجی لوله با قالب باعث بالا رفتن نیروی مورد نیاز برای شکل دهی می شود و استهلاک قالب و پلاگ را بالا می برد. برای کاهش میزان اصطکاک در این فرآیند روش شکل دهی توسط التراسونیک مورد استفاده قرار گرفت]۶.[ که در این روش قالب توسط یک منبع پیزو الکتریک به ارتعاش درآمده و انبساط و انقباض پیدا می کند . در حالت انقباض تماس بین قالب و لوله وجود دارد و نیروی اعمالی لز طرف قالب باعث شکل دهی انتهای لوله می شود و در حالت انبساط تماس انتهای لوله و قالب از بین می رود و در این فاصله زمانی لوله توسط نیروی اعمالی از پایین به درون قالب تغذیه می شود و دوباره تماس و شکل دهی انجام می شود. این سیکل با فرکاسی در حدود KHZ۰۰۲ تکرار می شود.
در روش التراسونیک اگر دامنه ارتعاش قالب به اندازه کافی باشد اصطکاک در عملیات نوزینگ بسیار کم و در حدود صفر خواهد بود. به دلیل اینکه در این روش شکل گیری به صورت تدریجی می باشد نیروی مورد نیاز برای شکل دهی بسیار کمتر از مقدار آن در روش های دیگر شکل دهی است.
محدودیت این روش آن است که ضخامت قطعاتی که توسط این روش شکل داده می شوند، بسیار محدود و در حد ۱ میلیمتر است.
نوزینگ لوله توسط روش هیدروفرمینگ
هیدروفرمینگ تکنولوﮊی است که در آن از فشار بالای سیال جهت شکل دهی ورق یا لوله استفاده می شود. با استفاده از فشار یکنواخت سیال که روی کل سطح قطعه توزیع می شود، قطعه ای با خواص مکانیکی بالا وکیفیت سطحی و تلرانس ابعادی بالا بدست می آید. در حالت کلی هیدرو فرمینگ را می توان به دو دسته تقسیم می شود: هیدرو فرمینگ ورق و هیدرو فرمینگ لوله. فرآیند هیدروفرمینگ به کار رفته در این مقاله برای شکل دهی لوله های فلزی است.
در این روش لوله در درون یک محفظه٦ قرار می گیرد و از پایین توسط یک پیستون به سمت قالب مخروطی شکل تغذیه می شود. در طی فرآیند سیال با فشار بالا در درون و بیرون لوله وجود دارد.(شکل۴)
وجود سیال در منطقه تغییر شکل با فشار یکنواختی که از داخل به درون لوله وارد می کند به مانند یک پلاگ داخلی انعطاف پذیر عمل می کند و این امر از ایجاد چروک در آن منطقه جلوگیری کرده وباعث بالا بردن در صد نوزینگ لوله در یک مرحله می شود . وجود سیال در بدنه لوله از درون و بیرون با یک فشار ثابت در طول عملیات شکل دهی باعث عدم ایجاد لهیدگی و چروک در دیواره یا بدنه لوله می شود. همچنین، وجود لایه نازکی از روغن بین لوله و قالب مخروطی و همچنین بین دیواره خارجی لوله با محفظه باعث کاهش اصطکاک در این مناطق می شوند.
مراحل شبیه سازی
در شبیه سازی فرآینـد از نـرم افـزار اجـزای محـدود ABAQUS V6.6 استفاده شده است. لوله به صورت شکل پذیر واجزای قالب به صـورت صـلب مدل سازی شده اند. تماس لوله با اجزای قالب به صورت اصطکاک کلوب بـا ضریب اصطکاک ۵۱,۰ در نظر گرفته شـده اسـت. بـه جـای روغـن از فـشار
یکنواخت در درون لوله استفاده شده است. مـدل بـه صـورت explicit و مش بندی به کار رفته از نوع المان سه بعدی چهار گـوش اسـت کـه دارای چهارگره((R3D4 می باشد. لوله مورد نظر با ۸۲۶۳ المان، مش بندی شده است. برای مدل کردن لوله در نرم افزار، از مدل های الاستو پلاستیک خطی استفاده شده است. مشخصات مکانیکی الاسـتو پلاسـتیک خطـی بـا مـدول یانگ E=208 GPa و ضریب پواسان μ =0 .3 و تـنش تـسلیم σ=228 MPa و چگالی برابر d=7800 kg/m³ در نظـر گرفتـه شـده اسـت. در مورد حساسیت مش بندی می توان نشان دادکه با افزایش تعداد المان ها در مش بندی، تغییرات محسوسی در نتایج مشاهده نمی شود. به عـلاوه، زمـان اجرای محاسبات، به شدت افزایش می یابد، بنابراین این تعـداد المـان بـرای یک تحلیل مناسب، کفایت می کند. شـکل (۵) مـش بنـدی لولـه بـا ۸۲۶۳ المان قبل از عملیات نوزینگ را نشان داده شده است.
