بخشی از مقاله
مقایسه و تحلیل عددی شکل پذیری لوله به روشهای شکل دهی الکترومغناطیسی و هیدروفرمینگ سریع
چکیده
دو روش جدید برای شکلدهی لولهها استفاده از شکل دهی الکترومغناطیسی و هیدروفرمینگ سریع است. در این تحقیق نتایج شکل دهی انبساطی یک لوله با روش شکل دهی الکترومغناطیسی با نتایج هیدروفرمینگ سریع لوله ای با همان شرایط هم از لحاظ حل عددی و هم از نظر تستهای تجربی با یکدیگر مقایسه خواهد شد. در این پژوهش ابتدا نتایج حل عددی فرآیند شکلدهی الکترومغناطیسی در نرم افزار ABAQUS با نتایج تست تجربی منبع دیگر مقایسه میشود. سپس نتایج حل عددی هیدروفرمینگ سریع در نرم افزار آباکوس با نتایج تست تجربی آن مقایسه می گردد. در نهایت این دو روش شکلدهی از نظر جابجایی با یکدیگر مقایسه میشوند. نتایج جابجایی نوک برآمدگی به دست آمده در تست های تجربی با نتایج حاصل از شبیه سازیهای عددی این تحقیق تطابق خوبی دارد. نتایج نشان میدهد که شکلپذیری و میزان تغییر شکل در فرآیند شکلدهی الکترومغناطیسی به مراتب بیشتر از هیدروفرمینگ سریع بوده است. با این وجود هیدروفرمینگ سریع میتواند در کاربردهایی مثل جازنی قطعات و رینگها روی لولهها به جای شکلدهی الکترومغناطیسی مورد استفاده قرار گیرد.
واژههای کلیدی
شکل دهی الکترومغناطیسی، هیدروفرمینگ
سریع، تحلیل اجزای محدود، شکلدهی انبساطی.
-1 مقدمه
دو روش جدید برای شکلدهی لولهها استفاده از شکل دهی الکترومغناطیسی و هیدروفرمینگ سریع است. این دو روش از روشهای شکلدهی سریع محسوب می-شوند که جهت شکل دهی اجسامی با جرمحجمی کم که شکلدهی آن مشکل است مثل آلومینیم، کاربرد بیشتری دارد. الحسنی[1] رفتار لوله و رینگ های جدار نازک آلومینیمی تحت فشار با دستگاه اعمال شوک الکترومغناطیسی را مورد مطالعه قرار داد. اوراکوشی و همکاران [2] شکل دهی به طرف داخل لولهی آلومینیومی را به صورت تجربی و عددی بررسی کردند. ابراهیمی و همکاران [3] کاربردها ، مزایا و معایب EMF را بیان کردند. همچنین شکل دهی انبساطی لولهای از جنس آلومینیم را به روش EMF با نرم افزار ANSYS شبیه سازی کردند . شاهرخ [4] به بررسی شکل دهی انقباضی لوله به روش الکترومغناطیس پرداخت. دراین تحقیق قسمت الکترومغناطیس و قسمت سازه ای این فرآیند، غیر کوپل در نظر گرفته شد. فاچر [5] برای اولین بار در فرآیند شکل دهی فلزات از فشار هیدرولیک استفاده نمود. لوحموسوی و همکاران [6] فرآیند هیدروفرمینگ لوله تی شکل را با استفاده از روش المان محدود سه بعدی شبیه سازی کردند. بلهاج و همکاران [7] به بررسی توزیع ضخامت جداره لوله در هیدروفرمینگ لوله T شکل با کمک روش شبکه های عصبی پرداختند. همانطور که ذکر شد، تاکنون کارهای زیادی هم در هیدروفرمینگ و هم درشکلدهی الکترومغناطیسی انجام شده است. با این وجود به طور خاص یک شکل دهی به منظور مقایسه پارامترهای مهم شکلدهی (مثل توزیع ضخامت، میزان جابجایی و ...) با دو روش هیدروفرمینگ و EMF انجام نشده است. در این تحقیق نتایج شکل دهی انبساطی یک لوله با روش شکل دهی الکترومغناطیسی با نتایج هیدروفرمینگ سریع لوله ای با همان شرایط هم از لحاظ حل عددی و هم از نظر تستهای تجربی با یکدیگر مقایسه خواهد شد. در این تحقیق برای انجام تست تجربی هیدروفرمینگ سریع از تجهیزات شکل-دهی با جت آب استفاده شده است. این روش تا کنون نه تنها در ایران که در دنیا هم انجام نشده است. در این پژوهش ابتدا کاربردها، مزایا و معایب این دو روش بیان میگردد. سپس نتایج حل عددی فرآیند شکلدهی الکترومغناطیسی در نرم افزار ABAQUS با نتایج تست تجربی منبع دیگر [8] مقایسه میشود. در نهایت نتایج حل عددی هیدروفرمینگ سریع در نرم افزار آباکوس با نتایج تست تجربی آن مقایسه میگردد. بارزترین پارامتر مورد مقایسه جابجایی میباشد.
-1-1 شکلدهی الکترومغناطیسی
مهمترین کاربردهای این روش، فشردن لوله1، انبساط لوله 2، شکل دهی فرمها3و جوشکاری مغناطیسی4 است.[9] با توجه به کوچک بودن تغییر شکلهای الکترومغناطیسی یکی از کاربردهای آن نیز در جازدن قطعات است. این روش دارای مزایای فراوانی نسبت به روشهای معمول شکلدهی است که مهمترین آنها عبارتند از-1:[9] بالا بودن سرعت شکلدهی که منجر به بهبود قابلیت شکل پذیری به ویژه برای اجسام سبک که معمولاً شکل دهی آنها مشکل است. -2 عدم تماس قالب با قطعه کار -3 کاهش چروکیدگی -4 کاهش برگشت فنری -5 کیفیت سطح بالا -6محیط نسبتاً تمیز و عاری از روغن و روغنکاری -7 انجام مونتاژ.
محدودیت اصلی شکلدهی الکترومغناطیسی این است که قطعه مورد نظر شکل دهی حتماً باید هادی الکتریسیته خوبی باشد. البته برای مواد نارسانا برخی روش های کمکی وجود دارد. از محدودیتهای دیگر این روش این است که هنوز نتوانستهاند شکلهای پیچیده وسه بعدی را با این روش تولید کنند.
-2-1 هیدروفرمینگ
امروزه هیدروفرمینگ کاربردهای فراوانی از تولید قطعات خودرو(پوسته بدنه، سیستم اگزوز، قاب رادیاتور و...) گرفته تا تولید قاب دوچرخه و لوازم بهداشتی پیدا کرده است. از هیدروفرمینگ لوله ای، بیشتر در تولید قطعاتی مانند سه راهی ها، اتصالات و... استفاده می شود . از مزایای هیدروفرمینگ در مقایسه با روشهای معمول شکلدهی میتوان به موارد زیر اشاره کرد - 1:[6] کاهش وزن قطعات تولیدی -2 بهبود استحکام وسختی -3 کاهش برگشت فنری -4 کم شدن تلورانسها -5 حذف جوشکاری -6 کاهش ضایعات -7 کاهش مراحل و زمان تولید -8 عدم نیاز به قالب های متعدد. -9 امکان کنترل همزمان فرآیند به وسیله کامپیوتر.
کند بودن فرآیند، گران بودن تجهیزات و سخت بودن تنظیم فشار مورد نیاز فرآیند ازعمده مشکلات این روش اسـت. در مــورد آخــر افــزایش فشــار موجــب تــرک خــوردن قطعــه و کاهش فشار موجب چروکیدگی قطعـه مـی گـردد. احتمـال کمانش در لوله های بلند بـا ضـخامت نسـبتاٌ بـالا نیـز وجـود دارد. آب بندی قطعه هنگـام تسـت از مشـکلات دیگـر ایـن روش است.
-2 شبیه سازی اجزاء محدود
در این تحقیق شبیهسازی هر دو فرآیند شکلدهی الکترومغناطیسی و هیدروفرمینگ سریع به کمک نرم افزار اجزای محدود آباکوس انجام شد. شبیه سازی فرآیند شکل- دهی الکترومغناطیسی شامل دو بخش الکترومغناطیسی و سازهای است،که در اینجا به علت تغییر شکل کوچک لوله، شبیهسازی به صورت غیر کوپل در نظر گرفته شده است. در اینجا برای هر دو فرآیند، قالب به صورت جسم صلب تحلیلی سه بعدی در نظر گرفته شده است. دهانه قالب (عرض بالج) و شعاع ورودی دهانه قالب (R) به همراه ابعاد قالب در شکل((1 مشخص شده است.
شکل (1) مدل هندسی قالب در نرم افزار آباکوس
همچنین با توجه به نسبت قطر لوله به ضخامت آن که مقدار 47 است، هندسه مدل به صورت یک پوسته1 در نظر گرفته شده و با توجه به تقارن مسئله تنها یک چهارم لوله مدل شده است. برای شبکه بندی لوله از المان S4R استفاده شده است. این المان، المان مرتبه اول 2 بعدی، 4 گره ای و با انتگرال گیری کاهش یافته2 است. در شبکه بندی لوله از تعداد8225 المان به عنوان مش بندی بهینه استفاده شده است به طوری که ریزتر شدن المان ها تأثیری در نتایج نهایی مانند تنش، جابجایی و توزیع ضخامت نداشت. مشخصات فیزیکی و مکانیکی قطعه کار از جدول (1) و نمودار شکل (2)، استخراج شده است.
شکل((2 نمودار تنش-کرنش آلومینیم [10]7075
جدول((1 مشخصات فیزیکی و مکانیکی قطعه کار ×
در واحد(ماژول) Interaction از گزینه تماس سطح به سطحاستفاده1 شد. این گزینه معمولاٌ برای مواردی که یکی از سطوح تماس جسم صلب است، استفاده می شود. در ضمن در قسمت خصوصیات تماس2، برای فرآیند شکل دهی الکترومغناطیسی از روش بدون اصطکاک3 و برای فرآیند هیدروفرمینگ از روش پنالتی4 و ضریب اصطکاک 0/15 استفاده شد. تحلیلهای انجام شده در این تحقیق، در یک گام و به علت شکل دهی سریع، با استفاده از روش دینامیک صریح انجام شدهاند. در این پژوهش، با اعمال فشار روی سطح داخلی لوله تغییر شکل ایجاد می شود. در مدل شکل دهی الکترومغناطیسی فشار الکترومغناطیسی که از حل قسمت الکترومغناطیسی به دست میآید به صورت فشار مکانیکی و بر اساس یک دامنه زمانی هموار5 در نرم افزار آباکوس وارد میگردد. در اینجا فشار الکترومغناطیسی با استفاده از برنامه کامپیوتری ارائه شده در منبع [4] و با شرایط مرزی موجود در این تحقیق محاسبه شد. برای مدلسازی هیدروفرمینگ سریع از فشار خطی6 و مدت زمان یک میلی ثانیه استفاده شد. در اینجا بیشترین فشار اعمال شده در فرآیند هیدروفرمینگ سریع 25 مگا پاسکال است و زمان فرآیند یک میلی ثانیه است. در فرآیند شکلدهی الکترومغناطیسی بیشترین فشار اعمال شده، 35/6 مگاپاسکال است و زمان فرآیند 35میکروثانیه است که دقیقاٌ مطابق نمودار به دست آمده از حل نرمافزار مطلب است (شکل(.((3
