بخشی از مقاله
مقایسه اي میان فرآیند فورج نرمال و فورج اوربیتال در تولید چرخدنده مخروطی
چکیده
هدف از این مقاله بررسی فورج نرمال چرخدنده مخروطی به روش المان محدود در نرم افزار (Super Forge) و مقایسه آن با فورج اوربیتال بر اساس آزمایشات عملی می باشد. بعد از انجام شبیه سازي بر روي فورج نرمال و بدست آوردن تناژ پرس در روش فورج اوربیتال، قالب هاي فورج اوربیتال ساخته شد. از آنجایی که تولید چرخدنده مخروطی بر اساس فورج نرمال داراي سه مرحله پیش فرم می باشد، لذا فرآیند فورج باید بر اساس فورج داغ صورت گیرد. اما در فرآیند فورج اوربیتال، چرخدنده مخروطی تنها در یک مرحله و به صورت فورج سرد صورت می گیرد . در انتها، مقایسه اي بین زمان تولید و ریز ساختار چرخدنده تولید شده به روش فورج اوربیتال و چرخدنده تولید شده به روش ماشینکاري صورت گرفته است.
واژههاي کلیدي: فورج اوربیتال – المان محدود – چرخدنده مخروطی – فورج نرمال.
-1 مقدمه
با توجه به مصرف بالاي چرخ دنده مخروطی چه در صنایع خودرو و چه در صنایع ماشین افزار نیاز به ارائه روش تولیدي با تیراژ بالا و همچنین اقتصادي و با صرفه را به خود می طلبد. با توجه به اینکه میزان دور ریز مواد درفرآیند فورج فوق العاده کمتر از فرآیند ماشینکاري می باشد و در خصوص تولید چرخ دنده ها که می بایستی داراي سطحی سخت و مغزي نرم (چقرمه)، تا مقاوم در مقابل سایش و هرگونه تنش و پیچش به هنگام درگیري و انتقال نیرو یا گشتاور باشند فرآیند فورج تنها فرآیندي است که کلیه نیازهاي ممکنه را ارضاء می کند. چرخ دنده ها همیشه تحت تنش هاي مختلفی قرار دارند و می بایستی در مقابل این تنش ها مقاوم باشند. با توجه به تولید این قطعه به روش ماشینکاري الیاف فلز بریده شده و در مقابل این تنش ها مقاومت کمتري از خود نشان می دهد. اگر این چرخ دنده از طریق فورج تولید شود الیاف فلز پیوسته و در مقابل تنش هاي مختلف مقاومت بیشتري نسبت به نمونه ماشینکاري شده از خود نشان می دهد .[1] علاوه بر این امروزه طراحی قالب هاي فورج با دید بهبود خواص مکانیکی قطعات فورج شده، افزایش عمر قالب، کاهش در هزینه ها، صرفه جویی در مواد اولیه مورد نیاز، کاهش میزان ماشینکاري لازم، بهبود رفتار خستگی قطعه فورج شده حین کار، انتخاب صحیح نوع پرس، انتخاب صحیح دما و غیره صورت می گیرد. بدیهی است علاوه بر تمهیداتی که در طراحی قالب هاي فورج اعمال می گردد استفاده از نرم افزارهاي شبیه ساز طراحی قالب هاي فورج نیز می تواند علاوه بر بهبود سازي فرآیند در مواردي پیش بینی لازم براي جلوگیري از آسیب در قطعه فورج شده و یا خسارت و حتی شکست در قالب هاي فورج را به عمل آورد. به هر حال تلفیق نرم افزارهاي شبیه ساز با بکارگیري پارامترهاي مؤثر متناسب با شرایط عملی می تواند در رسیدن به یک نتیجه قابل قبول و نزدیک به واقعیت ما را در زمینه صنعت یاري کند. در عین حال باعث جلوگیري از بسیاري خسارات ناشی از پیش بینی غیر صحیح می شود.
-2 سابقه علمی موضوع
در سالهاي اخیر تحقیقات فراوانی بر روي فورج چرخ دنده مخروطی و همچنین طراحی قالب هاي آن توسط محققان مختلفی
صورت گرفته است. [2] Y.K. Lee و همکاران از جمله محققانی بودند که بر روي اصلاح پروسه سه بعدي فورج چرخ دنده مخروطی به روش المان محدود فعالیتهاي را به عمل آوردند، نتایج حاصله حاکی از آن بود که با طراحی و اضافه کردن یک پین (زائده) در مرکز قالب پایینی باعث بهتر شدن جریان مواد و همچنین پر شدن کامل حفره قالب مخصوصاً گوشه هاي دنده مخروطی شده در حالی که در طراحی اولیه گوشه هاي دنده به طور کامل از مواد پر نشده است. [3] J.R. Cho و همکاران بر روي اعوجاج توسط عملیات حرارتی بر روي دو دنده مخروطی فورج شده و ماشینکاري شده تحقیقاتی را به عمل آوردند نتایج حاکی از آن است که بعد از عمل آب دهی((Quenching اعوجاج در مرکز چرخ دنده هاي فورج بیشتر است. [4] J. J . Sheu و همکاران بر روي پیش بینی و جلوگیري از شکست قالب در فرآیند فورج اوربیتال تحقیقاتی را به عمل آوردند، نتایج حاصله حاکی از آن بود که با موقعیت دهی غیر صحیح قالب در فورج اوربیتال باعث شکست زود هنگام قالب خواهد شد. J.H. [5]Song و همکاران بر روي طراحی قالب بسته فورج دنده مخروطی به روش اجزاي محدود فعالیت هاي را به عمل آوردند، نتایج حاصله حاکی از این بود که با موقعیت دهی غیر صحیح سنبه و ماتریس در حین فرآیند فورج و توزیع نامتعادل نیرو در قالب سبب ایجاد ترك در سنبه و ماتریس خواهد شد، لذا با افزایش نیروي سنبه گیر و ماتریس، طراحی صحیح قالب و جریان مواد متعادل سبب بهبود فرآیند تولید خواهد شد. [6]H.K. Moon و همکاران در زمینه کارآیی تقریب زدن مدل المان محدود در شبیه سازي پروسه فرم دهی مونتاژ یک بلبرینگ چرخ به کمک فورج اوربیتال فعالیتهاي را انجام دادند و مقایسه اي بین نتایج تجربی و نتایج بدست آمده از شبیه سازي را به صورت نمودار به تصویر کشیده که نتیجه نهایی بیان کننده این امر بود که تفاوت چندانی بین نتایج تجربی و شبیه سازي دیده نشده است. در این تحقیق توجه خاصی به جریان مواد درون حفره قالب و زمان پر شدن حفره قالب توسط بیلت خام در حین فرآیند فورج شده است.
-3 هدف تحقیق
یکی از جنبه هاي مهم فورج دنده مخروطی کاهش در هزینه ها، زمان تولید و افزایش استحکام، چقرمگی و راندمان تولید می باشد. حال این چرخ دنده مخروطی اگر به روش فورج نرمال تولید شود داراي سه دست قالب پیش فرم بوده و قطعه در سه مرحله تولید می شود، ولی اگر همین چرخ دنده به روش فورج اوربیتال تولید شود تنها داراي یک دست قالب بوده و در یک مرحله کل قطعه تولید می شود. در همین راستا بررسی سیلان پلاستیک فلز و روشن شدن این مطلب که فلز چگونه و تحت چه مدلی تغییر شکل می یابد و شکل اولیه (بیلت اولیه) را به سمت شکل نهایی پیش می برد از اهمیت ویژه اي برخوردار است، حال این سیلان پلاستیک فلز را بایستی در دو حالت فورج نرمال و اوربیتال مورد بررسی قرار داد. هدف اصلی در این تحقیق دست یافتن به مدت زمان عملیات فورجینگ در دو حالت فورج نرمال و فورج اوربیتال، بدست آوردن تناژ پرس و شبیه سازي جریان مواد (سیلان فلز) درون قالب در فرآیند فورج نرمال و فورج اوربیتال بوسیله نرم افزار سوپر فورج می باشد زیرا همین متفاوت بودن سیلان فلز در دو فرآیند فورج نرمال با فورج اوربیتال است که باعث کاهش تعداد قالب ها از سه دست به یک دست شده است. در همین راستا مقایسه ریز ساختاري در بین چرخ دنده هاي تولید شده به روش فورج اوربیتال و چرخ دنده هاي که بدنه خام آنها به روش فورج نرمال تولید شده و بعد توسط عملیات ماشین کاري تکمیل شده اند به عمل آمده است. همچنین نتایج تجربی جهت مقایسه با نتایج تئوري آورده شده است. تفاوت عمده فورج اوربیتال با فورج نرمال در نحوه پایین آمدن قالب بالاي به سمت قالب پایینی می باشد به این ترتیب که قالب بالاي در فورج نرمال (شکل (1 به صورت مستقیم و بدون گردش پایین می آید ولی در فورج اوربیتال (شکل (2 قالب بالایی تحت یک زاویه 3 تا 6 درجه قرار گرفته و در حین پایین آمدن یک حرکت چرخشی (اوربیتالی) حول محور اصلی قالب نیز دارد.
شکل -1 نحوه پایین آمدن قالب بالایی در فورج نرمال شکل-2 نحوه پایین آمدن قالب بالایی در فورج اوربیتال
-4 روش تحقیق
روش تحقیق در مورد چرخ دنده هاي تولید شده به روش ماشینکاري به این صورت است که بعد از برش بیلت هاي خام (شکل (3 با ابعاد مشخص آنها بایستی توسط فورج داغ به صورت پیش فرم خام چرخ دنده ها (شکل (4 جهت عملیات ماشینکاري تبدیل شوند، تولید این پیش فرم ها در دو قالب پیش فرم صورت می گیرد: -1 قالب کلفت کاري -2 (Up setting) قالب نهایی(.(Finisher die بعد از تولید پیش فرم توسط فورج نرمال، پیش فرم ها با ماشینهاي کنترل عددي فرم تراشی شده و در انتها توسط دستگاهی بنام گلیسون (Gleason) (شکل (5 دنده تراشی شده و تبدیل به چرخ دنده مخروطی تمام شده (شکل(6 می شوند. مشاهده می شود که تولید چرخ دنده با این روش که ترکیبی از روش فورج نرمال و روش ماشینکاري می باشد فرآیندي فوق العاده وقت گیر و گرانقیمت می باشد.
شکل -3 بیلت هاي خام برش خورده توسط اره لنگ شکل-4 پیش فرم خام چرخ دنده ها جهت عملیات ماشینکاري
شکل -5 شماتیکی از دستگاه دنده تراش گلیسون شکل -6 شماتیکی از چرخ دنده هاي تولید شده به روش ماشینکاري
حال اگر این چرخ دنده ها به روش فورج اوربیتال تولید شوند فقط کافیست بیلت خام مستقیماً داخل قالب قرار گرفته و در یک مرحله و بدون عملیات ماشینکاري کل چرخ دنده مخروطی به همراه دندانه هایش تولید شود، شکل (7) نماي کلی از چرخ دنده هاي تولید شده به روش فورج اوربیتال می باشد و در شکل (8) شماتیکی از کل پرس فورج اوربیتال نشان داده شده است. براي تولید چرخ دنده مخروطی به روش اوربیتال فقط یک دست قالب بایستی طراحی و ساخته شوند در صورتی که در فورج نرمال بایستی سه دست قالب طراحی و ساخته شوند، مشاهده می شود که تولید چرخ دنده به روش فورج نرمال نتها وقت گیر است بلکه بایستی هزینه بیشتري را براي تولید قالب ها صرف کرد.گذاشتن و برداشتن بیلت خام از قالب پیش فرم اول به قالب هاي بعدي جهت تکمیل چرخ دنده مخروطی توسط فورج نرمال، فرآیندي وقت گیر بوده و باعث کاهش راندمان تولید می گردد. بعد از طراحی قطعه و قالب ها (شکل (9 براي تولید چرخ دنده به روش فورج اوربیتال در محیط نرم افزاري Solid Work، الکترودهاي مسی جهت فرآیند ماشینکاري اسپارك تولید شد. بعد از اتمام فرآیند ماشینکاري، قالب ها توسط خمیر پولیش (Dipo Past) (شکل (10، پولیش کاري شدندسپس. فرآیند عملیات حرارتی روي آنها صورت گرفته و نهایتاً قالب ها بر روي پرس قرار گرفتند. شکل (11) نمونه اي از قالب هاي ساخته شده در محیط کارگاه را نشان می دهد.
شکل -7 شماتیکی از چرخ دنده هاي تولید شده به روش فورج اوربیتال شکل -8 شماتیکی از پرس فورج اوربیتال
شکل -9 مدل طراحی شده قالبها به کمک نرم افزار Solid work شکل -10 شماتیکی از نمونه خمیر پولیش
