بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
بررسی نورد پیچ ودنده مارپیچ وشبیه سازی آن
چکیده
فرآیند نورد پیچ و دنده مارپیچ، به دلیل کاهش زمان تولید، کیفیت بهتر قطعات و صرفه اقتصادی، حائزاهمیت است.
در این مقاله، ابتدا به معرفی روشهای مختلف نورد پرداخته و سپس بر روی دنده مارپیچ خاصی طراحی قالب و بلنک انجام شده است. برای کنترل قطر بلنک و پیش بینی فرآیند، تحلیل دو بعدی با نرم افزارANSYS صورت گرفته است. در این تحلیل از تقریب تقارن محوری استفاده شده است که نهایتا صحت این تقریب با درصد خطای کم تایید می شود.
واﮊههای کلیدی: نورد‐ دنده مارپیچ‐ بلنک‐ تقارن محوری
مقدمه
فرآیند نوردپیچ ودنده مارپیچ، در تولید با حجم بالا، بسیار سودمند است. به دلیل ضایعات کم، کیفیت سطح مطلوب، سختی سطحی مناسب، سرعت زیاد تولید وکاهش عملیات ثانویه (نظیر عملیات حرارتی و سنگ زنی) فرآیند نورد پیچ و دنده مارپیچ بسیار قابل اهمیت است. این فرآیند در روشهای مختلف قابل انجام است. قالب، یکی ازحساس ترین المان ها است که به دلیل پیچیدگی ساخت، از هزینه زیادی برخوردار است. معمولا قالب ها بر اثر طراحی ناصحیح بلنک و ایجاد اضافه بار، لب پرشده و از بین می روند. شبیه سازی نرم افزاری، بهترین راه پیش بینی جریان ماده حین فرآیند است. با این روش می توان قطر بلنک را کنترل کرد. لذا طراحی بلنک، پیش بینی شرایط نورد وکنترل فرآیند، در انجام نورد تاثیر گذار است.
روشهای مختلف نوردپیچ نوردپیچ (یا پیچ زنی)، یک پروسه تغییر شکل سرد است که برای تولید پیچ و یا فرم هلیکال دیگری به کار می رود. در این پروسه یک قالب با جنس فولاد سخت شده روی قطعه اولیه که به شکل استوانه و یا مخروط است تأثیر میگذارد. در مقایسه بین روش دنده زنی با براده برداری و نورد، درروش براده برداری، ماده از روی قطعه اولیه برداشته میشود ولی در روش نورد، مواد روی سطوح لغزش کرده و ریشه و دندانه پیـچ، شکل میگیرد. با این روش خصوصیات فیزیکی پیچ، استحکام نهایی، استحکام خستگی، صافی سطح بهبود مییابد. از این پروسه برای تولید قطعات دیگر غیر از پیچ نظیر بعضی چرخ دندههای مارپیچ، فرم حلزونی و یا هزار خارها نیز استفاده میشود.]۱] [۲[
قابلیت ماشین ها در این پروسه بسیار زیاد است، از سرعت تولید ١٠٠٠ قطعه در دقیقه گرفته تا نورد قطعه با قطر (381mm) 15′′ و یا تولید پیوسته پیچ با طول(50(ft از توانایی های این روش است.
سه روش مختلف جهت بار دادن (نحوه فرورفتن قالب در بلنک) وجود دارد :
۱. بار دادن شعاعی
در این روش قالب به شکل استوانه است که بصورت شعاعی عمود بر محور دوران حرکت میکند.
۲. بار دادن مماسی
در این روش قالب تخت و یا استوانهای در طول قطعه در مسیر مشخص حرکت کرده بطوریکه قطرگامی، مماس بر سطح بلنک باشد.
۳. بارنهایی (بار کامل)
در این روش قالب استوانهای با تأثیر بر بلنک و ایجاد دنده نهایی عمل میکند، قطعه با دوران خود، قالبها را به طور محوری حرکت میدهد.
نوردباقالب تخت ]۱] [۲[
قالب تخت به دلیل صرفه اقتصادی، بیشتر در تولید انبوه استفاده میشود. در این روش یک قالب تخت ثابت و قالب دیگر به موازات طرف ثابت حرکت رفت وبرگشتی دارد.
بلنک با قرارگیری بین دو قالب و گیرکردن آن بین دو قالب و حرکت رو به جلوی آن، فرم دنده قالب را به خود میگیرد. (شکل (۱))
نوردشعاعی باقالب استوانه ای ]۱] [۲[
این روش شامل حرکت یک و یا چند قالب استوانهای در جهت شعاع قطعه کار چرخان به سمت مرکز آن میباشد.
اصول کاری این روش در شکل (٢) آمده است.
نوردمماسی ]۱] [۲[
نورد مماسی شبیه روش نورد شعاعی است با این تفاوت که قالب ها روی مسیری موازی شعاع قطعه بار میدهند و هنگامی که محور قالب ها درست مقابل محور قطعه کار قرار گرفتند مقدار باردهی کامل شده و عمق دنده بطور کامل زده شده است. (شکل (۳))
نوردبه روش بارنهایی (بارکامل) ]۱] [۲[
در این روش قطعه کار بطور محوری در طول قالب حرکت میکند. قالب در این روش با زاویه پیشروی متفاوتی نسبت به قطعه کار ساخته میشود و لذا قطعه کار میتواند تغذیه شود. قالب ها در ابتدای خود شیب دار میباشند و قطعه کار با تغذیه بین قالب، بطور تدریجی دنده میشود.
نوردسیاره ای ]۱] [۲[
همانطور که در شکل (۴) مشخص است، ماشین نورد سیارهای شامل یک قالب استوانهای چرخان مرکزی با مرکز دوران ثابت و یک یا چند ایستگاه قالب مقعر نزدیک و خارج از قالب مرکزی میباشد. فاصله بین دو قالب طوری تنظیم میشود که قطعه کار همیشه در تماس با دو قالب باشد. ماشین قالب سیارهای شبیه قالب های تخت، قادر به نورد بیشتر انواع پیچهای کوچک است. نرخ تولید این ماشینها نیز بیشتر از سایر ماشینها است.
روش نوردمناسب، طراحی قالب و بلنک
عوامل زیر، در انتخاب روش نورد تاثیر گذارند :
فرم دنده، تیراﮊ، دقت ها و تلرانس های دنده ونوع کاربرد قطعه مورد نظر، محور یک موتور DC است که دنده مارپیچ درطول محدودی از آن، زده شده است. (شکل (۵))
به دلیل عریض بودن دنده های قالب، پله ای بودن محور، تعدادقطعه مورد نیاز و محدودیت امکانات ساخت، روش نوردشعاعی باقالب استوانه ای پیشنهاد می شود.
در طراحی شکل قالب چهار اندازه باید مشخص شود: قطر قالب، عرض قالب، گام دنده، تعداد شروع دنده.
قطر قالب متناسب با قطر قطعه کار و با توجه به نکات زیر تعیین میشود: هر چه قطر قالب بزرگتر باشد بر اثر وجود
محیط بزرگتر و لذا زدن دور کمتر حین نورد، سایش دندهها کمتر شده و عمر قالب افزایش مییابد.
عرض قالب باید حداقل برابر طول مقطع دنده شده روی قطعه کار باشد. گرچه به دلیل صرف وقت و هزینه و دقت زیاد برای ساخت این قالب، به صرفه است که حدود ٥/١ برابر طول مقطع رزوه شده عرض قالب انتخاب شود. چون دندههایی که در ابتدا و انتهای قالب قرار دارند ، به دلیل وجود سطح آزاد، بیشتر در معرض لب پریدگی قرار دارند و لازم است که پس از لب پر شدن این دندهها ، قالب کمی به عقب کشیده شده و از دندههای سالم استفاده گردد.
برای محاسبه قطرگامی قالب، فرض بر این است که دو استوانه بلنک و قالب، در تماس یا یکدیگر میچرخند. لذا نسبت دور برابر میشود با عکس نسبت اقطارگامی وبرابرنسبت گام است یعنی:
زاویه پیشروی قالب را نیز میتوان اثبات کرد که برابر زاویه پیشروی قطعه است.
تعداد گام دنده قطعه که در بین گام دنده قالب میتواند قرار گیرد معادل تعداد شروع دنده بر روی قالب است.
برای دنده مورد نظر داریم :
فرم دنده قالب نیز دقیقاﹰ شبیه فرم دنده قطعه می باشد با این تفاوت که به دلیل وجودتغییرشکلهای الاستیک ودر نظرگرفتن سایش قالب، اعمال تلرانس ها طوری است که کوچک تر از قطعه نرمال باشد.
جنس قالب ها با توجه به عمر خواسته شده و تعداد قطعه تعیین میگردد. در تعداد قطعه بالا، معمولاﹰ از فولادهای سرد کار با درصد بالای کرم و تنگستن که پس از عملیات حرارتی وضعیت قالب را از لحاظ سایش و چقرمگی بهبود میبخشند ، استفاده میشود. جنس پیشنهادی برای این قالب فولاد با شماره DIN 1.2080 است. اگر کیفیت سطح بلنک مناسب بوده و تلرانسهای ابعادی آن بسته و جنس یکنواختی داشته باشد، میتوان قالب را تا حد 63-65 (HRC) نیز سخت کرد.
برای ساخت قالب روشهای مختلفی تجربه شده و اجرا میگردد. این روشها شامل ماشینکاری با برادهبرداری و تغییرشکل دنده است. ابزار باید طبق فرم دنده، فرم گیرد تا بتواند قالب را ماشینکاری نماید. از فرز و تراش و سنگ برای ساخت قالب استفاده میکنند. لازمه آن داشتن تجهیزات جانبی کامل برای این ماشینها است. روش دیگر ساخت، روش تغییرشکل است. به این صورت که از فرم قطعه نمونه برای نورد قالب ها استفاده میکنند. در این روش قطعه نمونه سخت کاری شده و به کمک آن عمل عکس نورد انجام میشود. حسن این روش، نیاز نداشتن به عملیات حرارتی و سنگزنی است. ضمن اینکه هزینه روش ساخت کمتر میشود.
باید برای طراحی بلنک، به نکات زیر توجه شود: طول قسمت دنده شده، ازدیاد طول احتمالی قطعه، قطر قسمت دنده شده وکیفیت سطح بلنک.
طول قسمت دنده شده مطابق اندازه روی نقشه قطعه در نظر گرفته میشود و این منطقه به وسیله پخ و گاه، از دیگر قسمت جدا میشود. تلرانس ابعادی و هندسی بلنک تاثیر مستقیم بر ابعاد قطعه نهایی دارد. خطاهایی نظیر: مخروطی و استوانهای و خطای ابعادی بلنک ، به کمک روش ساخت مناسب میتواند رفع شود. در بیشتر روشهای نورد دنده ، طول قطعه، بر اثر فرو روی دندههای قالب و تنظیم نبودن صحیح قالبها ، ازدیاد طول کمی دارد که هر چه قطعه کوتاهتر باشد، این ازدیاد طول به طور نسبی بیشتر است. لذا اگر تلرانس طولی قطعه بسته باشد، باید در طراحی بلنک ازدیاد طول لحاظ گردد.
معمولاﹰ برای تعیین قطر قسمت دنده شده ، به دلیل نبود براده برداری در پروسه نورد، از قانون حجم ثابت استفاده میشود. اگر شکل دنده، دارای فرم ساده باشد، به کمک روابط هندسی و اگر پیچیده بود، به کمک نرمافزارهای گرافیکی مهندسی، نظیر Solid work, Autocad فرم دنده، کشیده شده وبا سعی و خطا، قطری بدست میآوریم که مقدار حجم دنده فرو رفته درقطعه، برابر مقدار حجم مادهای باشد که بین دنده های قالب، جریان پیدا کرده است. این تقریب با مقایسه با بلنک تجربه شده، قطربسیار دقیق برای بلنک ارائه میدهد . با این کار قطر بدست آمده برابر 7.4 (mm) است.
کیفیت سطح بلنک میتواند تاثیر مستقیم درکیفیت سطح قطعه نهایی و عمر قالب بگذارد. تمام مراحل ماشینکاری قطعه از جمله شیارهای روی قطر بزرگتر و سنگزدن قسمتی از آن، قبل از نورد انجام میگیرد. این کار کمک به هم مرکزی دندهها با دو سر قطعه میکند.
شبیه سازی فرآیند نورد دنده مارپیچ
در این قسمت مراحل مختلف شبیه سازی فرآیند نورد دنده مارپیچ شرح داده شده است. از تحلیل نرم افزاری جهت کنترل ابعاد بلنک و صحت جریان ماده حین نورد استفاده میشود. میتوان از تحلیل نرم افزاری برای کنترل قطر بلنک در کلیه رزوهها و دندههای مارپیچ استفاده کرد.
خواص مکانیکی ماده بکار رفته :
با استفاده از کتابهای مرجع و نقطه یابی از روی نمودارها نمودار تنش‐ کرنش این ماده با استفاده از مدول کارسختی MISO بصورت شکل (۶) بدست میآید. ]۳[
فرضیات انجام شده در رابطه با خواص فولاد عبارتند از :
همگن فرض کردن جسم در طول فرآیند که پیامد آن رفتار یکسان نقاط مختلف جسم است. نادیده گرفتن اثر باشینگر و نتیجتاﹰ فرض ایزوتروﭖ بودن جسم قبل و بعد از تغییر شکل است.
برای شبیه سازی، فرآیند نورد را به دلیل شباهت از نظر تغییر شکلها، به یک فرآیند فروبری قالب، بصورت متقارن محوری داخل جسم، تخمین زده میشود. به عبارت دیگر یک دنده مارپیچ را به یک رینگ تقریب میزنیم.
نتایج حاصل از این تقریب بسیار نزدیک به واقعیت است و لذا برای محاسبه قطر بلنک، میتوان از این روش استفاده کرد.
