بخشی از مقاله
مقدمه
در فرآیند شکلدهی غلتکی سرد لولـه، نـوار فلـزي بـا
اعمال مقدار شکلدهـی مشـخص در هـر ایسـتگاه بـه صورت پیوسته و ملایم، شکل مقطع مـورد نظـر را بـه
خود می گیرد. هر ایستگاه با توجـه بـه تغییـري کـه در
پروفیل ورق ایجاد می کند از تعداد مشخصی غلتـک بـا پروفیل خاص تشکیل شده است. چندین دهه است که
فرآیند شکل دهی غلتکی سرد خود را به عنوان یکـی از
فرآیند هاي پرکاربرد شـکل دهـی فلـزات معرفـی کـرده است؛ از جمله کاربرد هاي آن می توان به تولید لوله هاي
فلزي و پروفیلهایی با مقاطع بسته و باز اشاره کرد.
در حال حاضر دو فرآیند شکل دهی غلتکی سرد به صـورت گسـترده بـراي تولیـد لولـههـاي جوشـکاري مقـاومتی (Electric Resistance Welded Pipe) مـورد استفاده قرار می گیرد که عبارتنـد از شـکل دهـی سـنتی
(Conventional roll-forming) و شکلدهـی قفسـهاي
.(Cage roll-forming) در شکلدهی سنتی (شـکل (1،
ورق فلزي بهوسیله پروفیل غلتک هاي افقی و عمـودي که در ایستگاه هاي مختلف نصب شـده انـد، بـهتـدریج شکل لوله را به خود می گیرد. از آنجایی که تغییرشـکل به وسیله پروفیـل غلتـک هـاي افقـی و عمـودي انجـام می گیرد، با تغییر قطر لوله، نیاز است که کلیه غلتکهاي خط تولید تعویض شوند. این امر مستلزم صرف هزینـه بالا براي ساخت غلتک هاي مختلف و وقت زیاد بـراي تعویض غلتک ها می باشد. به علت ماهیـت تغییرشـکل در فرآیند شکل دهی سنتی لوله، ورق تغییرشکل یافته در
این فرآیند بسیار مستعد بروز عیـوبی ماننـد کمـانش و
چین خوردگی در ناحیه لبه و هم چنـین برگشـت فنـري می باشد .[1,2] بنابراین، با توجه به مشکلات ذکر شده،
شـیوهاي جدیـد از شـکلدهـی غلتکـی سـرد بـا نـام
شکل دهی قفسه اي براي تولیـد لولـه هـاي جوشـکاري
مقاومتی توسعه پیدا کرد.
در شـکلدهــی قفســهاي لولــههــاي جوشــکاري مقـاومتی، ورق فلـزي بـهصـورت پیوسـته، بـهوسـیله
غلتکهاي کوچکی بهنام غلتـکهـاي قفسـهاي کـه در تماس با سطح خارجی ناحیـه لبـه ورق مـیباشـد، بـه
مقطع دایرهاي تبدیل مـیشـود. چیـدمان غلتـکهـا در
فرآیند شکلدهی قفسـهاي بـهگونـهاي اسـت کـه ورق تحت یک تغییرشکل سراشـیبی (Downhill forming)
تا قبل از مرحله پرهاي قرار میگیرد. فرآیند شکل دهـی
قفسهاي، همانگونه که در شکل (2) مشاهده میشـود، از پنج مرحله اصلی تشکیل شده اسـت کـه عبارتنـد از
مرحلــه غلتــک کشــنده (Pinch roll unit)، مرحلــه شکلدهی لبه (Edge bending)، مرحله پیش شکلدهی
(Pre-forming)، مرحلـه شـکلدهـی خطـی ( Linear (forming و مرحله شکلدهی پرهاي .(Fin-pass)
شکل 1 شکلدهی سنتی لوله
شکل2 شکلدهی قفسهاي لوله
2
محمدمهدي کسائی- حسن مسلمی نائینی- مهدي سلمانی ... سال بیست و سوم، شماره یک،1390
پژوهشگران زیـادي در زمینـه شـکلدهـی سـنتی لولههاي جوشکاري مقاومتی بـه تحقیـق پرداختـهانـد.
کیوچی [3] براي نخستین بار از یک روش تحلیلی کـه
در آن از یک تابع شکل سینوسـی اسـتفاده شـده بـود، براي شبیهسازي شکلدهی سنتی استفاده کرد. در ادامه،
کیوچی و کوداباشی [4] براي بهینهسـازي الگـوي گـل
لوله گرد، دو روش یکنواخت کردن بیشینه کرنش طولی بــین ایســتگاههــا و یکســان کــردن تــوان لازم بــراي
تغییرشکل بین ایستگاهها را پیشنهاد کردنـد. کیـوچی و
همکارانش [5] بهوسیله انجام یک سري آزمـایش هـاي
تجربــی، برنامــه ایســتگاهی مناســبی را بــراي ایجــاد تغییرشکل بهینه در مرحله پرهاي ارایـه دادنـد. واکـر و
پیــک [6,7] روش مــدلســازي جدیــدي بــراي ورق
تغییرشکلیافته معرفـی کردنـد. در ایـن روش از بـی-
اسپیلاین براي تعریـف هندسـه ورق تغییـرشـکل یافتـه
استفاده شد. افزون بر این آنها توانستند کرنشها را نیـز
محاسبه کنند. مسلمی نـائینی [8] بـا ادامـه و گسـترش روش کیــوچی برنامــهاي بـراي طراحــی غلتــکهـاي
شکلدهی سرد لوله تدوین کرد. لیـو و همکـارانش [9]
و هان و همکارانش [10] روش نوار محـدود را بـراي تحلیـل فرآینـد شـکلدهـی غلتکـی سـرد لولـه هـاي
جوشکاري مقاومتی براساس روش لاگرانژین گسـترش
دادند.
در سالهاي اخیر روش اجزاي محـدود نیـز بـراي
تحلیل فرآیند شکلدهی غلتکیسرد مورد استفاده قـرار
گرفتـه اسـت. کیـوچی و وانـگ [11] کـد دوبعـدي و
سهبعدي المان محدودي با فرض الاسـتیک-پلاسـتیک
براساس روش ضمنی استاتیکی و صریح دینامیکی تهیه کردند و مطالعـه جـامعی بـر روي فرآینـد شـکلدهـی
غلتکی انعطاف پذیر لولههاي جوشکاري مقاومتی انجام
دادند. هانگ و همکارانش [12] برنامهاي سـهبعـدي بـا نام SHAPE-RF براساس روش اجـزاي محـدود تهیـه
کردند که براي تحلیل فرآیند شکلدهـی غلتکـی سـرد
مقاطع کانالی و دایرهاي کاربرد دارد. کیم و همکـارانش
[13] فرآینـد شـکلدهـی غلتکـی سـنتی را بـه کمـک نرمافزار SHAPE-RF شبیهسازي و شکل لبه ورق اولیه
را بر اساس رگریسـیون درجـه دو پـیشبینـی نمودنـد.
سلمانی تهرانی و همکارانش [14] به بررسـی کمـانش لبه ورق در ایستگاههاي ابتـدایی شـکلدهـی سـنتی بـا
استفاده از نرمافزار اجزاي محدود Abaqus پرداختنـد و
حدي را براي زاویـه پروفیـل، بـهمنظـور جلـوگیري از کمانش لبه معرفی کردند. از جمله پژوهشهـاي انجـام
گرفته در شکل دهی قفسه اي سرد لوله نیز مـی تـوان بـه
کار تجربی یوکویاما و همکـارانش [1] اشـاره کـرد. در
این پژوهش، بـراي بـه دسـت آوردن دانشـی جـامع در فرآینـد شـکلدهـی قفسـهاي، رفتـار تغییـرشـکل ورق
براساس تاریخچه کرنش، موقعیت لبـه و مرکـز ورق و الگوي گل تغییر شکل مطالعه شد. اگرچـه پژوهشـگران زیادي با استفاده از روش هاي مختلف شـبیهسـازي بـه بررسی تغییرشکل ورق در فرآیند شـکلدهـی غلتکـی سرد لوله پرداختهاند اما بیشتر ایـن تحقیقـات بـر روي شکلدهی سنتی تمرکـز دارد و تنهـا تعـداد محـدودي پژوهش در زمینه شکلدهی قفسهاي آنهم به صـورت تجربی گزارش شده است. شبیهسازي اجـزاي محـدود فرآیند شکلدهی قفسهاي بـه علـت طـول زیـاد ناحیـه تغییرشکل، تعداد زیاد غلتکهاي شـکلدهـی (بـیش از
100 غلتک) و تمـاس پیچیـده بـین ورق و غلتـکهـا بهعنوان یکی از پیچیدهترین شبیهسازي اجزاي محـدود فرآیندهـاي شـکلدهـی شـناخته مـیشـود. جیانـگ و
همکارانش [2] در سال 2009 براي اولـین بـار فرآینـد
شکلدهی قفسهاي را براي تولید لولهاي با قطر خارجی
325 میلیمتر و ضخامت 10/3 میلیمتـر (T/D=3.1%) در نرمافـزار اجـزاي محـدود LS-DYNA بـهصـورت
سهبعدي شبیهسازي کردند و تغییرشکل ورق را در این
فرآیند مورد بررسی قرار دادند.
از آنجا که با کـاهش نسـبت ضـخامت بـه قطـر،
احتمال ایجاد عیوب شکلدهی بهویـژه کمـانش لبـه و
برگشتفنري ورق به شدت افزایش مـی یابـد، یکـی از
3
نشریه علوم کاربردي و محاسباتی در مکانیک بررسی عددي و تجربی تغییر شکل ورق در فرآیند ...
مشـکلات رایـج در کارخانـههـاي لولـهسـازي، تولیـد لولههاي جوشکاري مقاومتی با نسبت ضخامت به قطـر
پایین می باشد. در این پژوهش، براي بررسی تغییرشکل
ورق در فرآیند شکلدهی قفسهاي لولههایی بـا نسـبت ضخامت به قطر پایین، خطتولید کارخانه نـورد و لولـه
صفا براي شکلدهی لولـهاي بـا قطـر خـارجی 609/6
میلـیمتـر و ضـخامت 7/95 میلـیمتـر (T/D=1.3%)،
بـهصـورت الاسـتیک-پلاسـتیک در نـرمافـزار اجـزاي محدود مارك منتات (Marc Mentat) شبیهسازي شـد.
بــا اســتفاده از نتــایج شــبیهســازي، انحنــاي ورق تغییرشکلیافته پیشبینی شد و اثر هـر یـک از مراحـل
شکلدهی قفسهاي بر روي پروفیل ورق تغییرشکلیافته
مشخص گردید. با توجه به تأثیر مسـتقیم کـرنشهـاي
طولی بـر روي پدیـده کمـانش لبـه، کـرنش طـولی در ناحیه هاي لبه و مرکز ورق مورد بررسی قرار گرفـت و
ایستگاه هاي مستعد براي ایجاد کمانش لبه ورق معرفی
شدند. هم چنین با استفاده از نتایج شبیه سـازي، هندسـه ورق تغییر شکلیافته در مراحل مختلـف شـکل دهـی و
توان شکل دهی در مرحلـه پـره اي پـیش بینـی شـد کـه
انطباق خوبی با نتایج اندازهگیريهاي تجربی نشان داد.
مدلسازي اجزاي محدود فرآیند شکلدهی
قفسهاي
در این مقاله مدل اجزاي محدودي از فرآیند شکل دهی
قفسه اي سرد لولـه در نـرم افـزار مـارك منتـات، بـراي بررسی تغییر شکل ورق در این فرآینـد ایجـاد شـد. بـه علت ویژگی تقارن شکل دهی قفسـه اي، تنهـا نیمـی از عرض ورق و غلتکها مدل و شبیهسازي شدند.
مدل خط تولید. مدل فرآیند شکل دهـی قفسـه اي کـه
مطابق با خط لوله کارخانه نورد و لوله صفا ایجاد شـده
است، داراي هر پنج بخش اصلی شـکل دهـی قفسـه اي
یعنی: مرحله غلتـک کشـنده، مرحلـه شـکل دهـی لبـه، مرحله پیش شکل دهـی، مرحلـه شـکل دهـی خطـی و
مرحله پره اي می باشد. مرحلـه غلتـک کشـنده، نیـروي پیشروي ورق را تأمین مـی کنـد و از دو غلتـک تخـت
بالایی و پایینی تشکیل شده است. این غلتـک هـا هـیچ
تغییــري در پروفیــل ورق ایجــاد نمــیکننــد. مرحلــه شکل دهی لبه که داراي دو غلتک بالایی و پایینی در هر
طرف می باشد، بلافاصله بعد از غلتک هاي کشنده قـرار
می گیرد و وظیفه تغییرشکل ناحیه لبـه ورق را برعهـده دارد. مرحله پیش شکل دهی، مطابق شکل (3) از سیزده
غلتک قفسه اي در دو طرف ورق، سه غلتـک بـالایی و
یک غلتک فشاري، که در تماس با ناحیه مرکـزي ورق میباشند، تشکیل شده است.
شکل3 مرحله غلتک کشنده، شکلدهی لبه و پیش شکلدهی
بخش شکل دهی خطی، خود به سه قسمت تقسیم
شــده اســت. مطــابق شــکل (4) مراحــل اول و دوم شکل دهی خطی، هر کدام داراي یک مجموعه نه تـایی
از غلتک هاي قفسه اي در هر طـرف ورق مـی باشـند و
مرحله سوم شکل دهی خطی که تا قبل از مرحله پره اي ادامــه مــییابــد، یــازده غلتــک قفســهاي دارد. بــراي شکل دهی لوله هایی با قطر 609/6 میلـی متـر بـه علـت
محدودیت در سـاخت غلتـک و هـمچنـین بـالا بـردن
قابلیت شکل دهی، از چهار مجموعـه غلتـک خوشـهاي استفاده مـی شـود. هـر کـدام از مجموعـه غلتـک هـاي
خوشه اي داراي سه تا پنج غلتک هستند کـه در تمـاس
با سطح داخلی ناحیه مرکـزي، فلـنج و لبـه ورق قـرار
دارند. همچنین هشت غلتک پـایینی کـه در تمـاس بـا سطح خارجی ناحیه مرکزي ورق قرار میگیرند، بخشی
4
محمدمهدي کسائی- حسن مسلمی نائینی- مهدي سلمانی ... سال بیست و سوم، شماره یک،1390
از وظیفه شکل دهی ورق در مرحله شکل دهی خطی را بر عهده دارند.
