بررسی تجربی و عددی حد شکل‌دهی در فرایند هیدروفرمینگ لوله‌های فلزی word

فهرست مطالب

تقدیم به ........ إ

تشکر و قدردانی ...... ب

چکیده .... ت

فهرست مطالب ..... ج

فهرست شکل­ها .......... د

فهرست جدول­ها .... ر

 فصل اول: کلیات 1

1-1-...... مقدمه.. 2

1-2- معرفی فرایندهای شکل­دهی فلزات.. 2

1-3- معرفی فرایند هیدروفرمینگ.. 4

1-3-1- تاریخچه فرایند هیدروفرمینگ.. 4

1-3-2- انواع فرایند‌های هیدروفرمینگ.. 5

1-3-2-1-هیدروفرمینگ ورق.. 5

1-3-2-2-هیدروفرمینگ لوله.. 5

1-4- نمودار حد شکل­دهی.. 9

1-4-1- کاربردهای نمودار حد شکل­دهی.. 10

1-4-1-1-کاربرد نمودار حد شکل‌دهی در طراحی قطعه و تحلیل اجزاء محدود 10

1-4-1-2-کاربرد نمودار حد شکل‌دهی در بهینه­سازی طراحی قالب.. 12

1-4-2- برآورد منحنی حد شکل­دهی.. 13

1-4-3- شبکه­بندی نمونه­ها.. 14

1-4-3-1-انتخاب دایره­ها.. 15

1-4-3-2-روش­های اندازه­گیری.. 15

1-5- مروری بر پژوهش­های مرتبط با بررسی شکل­پذیری لوله در فرایند هیدروفرمینگ.. 18

1-6- اهداف پایان­نامه.. 20

 فصل دوم: شرح آزمون­های تجربی 22

2-1-............................................................................................................................. مقدمه.. 23

2-2- معرفی تجهیزات آزمایشگاهی.. 23

2-2-1- دستگاه پرس.. 23

2-2-2- مجموعه قالب.. 24

2-2-3- سیستم تامین فشار.. 25

2-2-4- سیال هیدرولیکی.. 27

2-2-5- وسایل اندازه­گیری.. 27

2-3- آماده­سازی نمونه­های آزمایش.. 28

2-4- نحوه عملکرد قالب.. 28

2-5- تعیین خواص مکانیکی لوله.. 30

 

فصل سوم: شبیه­سازی اجزای محدود فرایند هیدروفرمینگ لوله 32

3-1- مقدمه .. 33

3-2- معرفی نرم­افزار شبیه­سازی.. 33

3-3- مراحل شبیه­سازی .. 35

3-3-1- ایجاد مدل هندسی.. 35

3-3-2- تعیین خصوصیات لوله.. 36

3-3-3- مونتاژ لوله و اجزای قالب.. 37

3-3-4- تعیین تعداد مراحل و نوع حل مسئله.. 38

3-3-5- تعیین نوع تماس سطوح اجزا با هم.. 39

3-3-6- شرایط مرزی و بارگذاری.. 39

3-3-7- شبکه­بندی.. 41

3-3-8- تحلیل فرایند.. 42

 فصل چهارم: نتایج و بحث 43

4-1-............................................................................................................................. مقدمه.. 44

4-2- صحت­سنجی نتایج شبیه­سازی.. 44

4-3- بررسی اثر نحوه بارگذاری و پارامترهای هندسی قالب بر مسیر کرنش 45

4-3-1- بارگذاری آزاد.. 45

4-3-1-1-بررسی اثر شعاع گوشه قالب (R).. 46

4-3-1-2-بررسی اثر طول ناحیه تغییر شکل (W).. 47

4-3-2- بارگذاری با تغذیه محوری.. 48

4-3-2-1-بررسی اثر شعاع گوشه قالب (R).. 48

4-3-2-2-بررسی اثر طول ناحیه تغییر شکل (W).. 51

4-3-2-3- بررسی اثر مقدار تغذیه محوری لوله (L).. 53

4-4- ترسیم منحنی حد شکل­دهی لوله فولادی زنگ­نزن 304 53

4-5- پیش­بینی پارگی لوله در فرایند هیدروفرمینگ بادامک با استفاده از منحنی حد شکل­دهی بدست آمده از این پژوهش ............................................................................................................................................57

 فصل پنجم: نتیجه­گیری و پیشنهادها 60

5-2- نتیجه­گیری.. 61

5-3- پیشنهادها .. 62

 فهرست مراجع 63

 پیوست 67

نقشه اجزای تشکیل­دهنده قالب هیدروفرمینگ لوله.. 68

1- نقشه مونتاژی قالب.. 68

2- نقشه اجزای قالب.. 68

فهرست شکل­ها

شکل (‏1‑1) شماتیک فرایند هیدروفرمینگ ورق، (الف) روش سنبه- سیال (ب) روش ماتریس- سیال [6].. 5

شکل (‏1‑2) شماتیک فرایند هیدروفرمینگ لوله (1) قرارگیری قطعه اولیه در قالب (2) بسته شدن قالب (3) پر شدن داخل لوله با سیال (4) آب­بندی دو طرف لوله توسط سنبه­ها (5) شکل­دهی قطعه­کار با اعمال همزمان فشار و نیروی محوری (6) باز شدن قالب و خروج قطعه­کار نهایی [7].. 6

شکل (‏1‑3) شکل‌های هندسی قابل تولید با فرایند هیدروفرمینگ لوله (الف) بشکه­ای شکل (ب) برجستگی Yشکل (یا Tشکل) (ج) انبساط موضعی [10].. 7

شکل (‏1‑4) نمونه­هایی از قطعات تولید شده با استفاده از فرایند هیدروفرمینگ لوله (الف) قطعات اگزوز (ب) ریل آلومینیومی پایینی ماشین ولوو (ج) قاب نگهدارنده موتور [5].. 8

شکل (‏1‑5) نواحی تقسیم­بندی شده منحنی حد شکل­دهی بر اساس عیوب [12] 9

شکل (‏1‑6) مناطق مختلف نمودار حد شکل­دهی [15].. 12

شکل (‏1‑7) مناطق مختلف نمودار حد شکل­دهی [15].. 13

شکل (‏1‑8) نوار مایلر برای اندازه­گیری کرنش­های حدی [16].. 17

شکل (‏1‑9) سیستم تحلیل­گر شبکه دایره­ای به کمک روش پردازش دیجیتال [16] 17

شکل (‏2‑1) دستگاه آزمایش اونیورسال (DMG).. 24

شکل (‏2‑2) شماتیک قالب استفاده شده در این پژوهش.. 24

شکل (‏2‑3) اجزای مختلف قالب هیدروفرمینگ لوله استفاده شده در این پژوهش 25

شکل (‏2‑4) واحد هیدرولیکی تامین فشار اولیه.. 26

شکل (‏2‑5) مدار هیدرولیکی استفاده شده در انجام آزمایش­ها.. 26

شکل (‏2‑6) تجهیزات سیستم هیدرولیکی کنترل فشار.. 27

شکل (‏2‑7) تجهیزات اندازه‌گیری (الف) ضخامت­سنج مکانیکی (ب) کولیس دیجیتالی 28

شکل (‏2‑8) لوله شبکه­بندی شده مورد استفاده در آزمایش­های تجربی.. 28

شکل (‏2‑9) مشخصات ابعادی نمونه آزمون کشش لوله مطابق استاندارد 370ASTM-A، ابعاد به میلیمتر.. 30

شکل (‏2‑10) منحنی تنش- کرنش حقیقی بدست آمده از تست کشش لوله فولادی 31

شکل (‏3‑1) هندسه اجزای قالب و لوله در نرم­افزار شبیه­سازی، سمت راست: قطعه بادامک، سمت چپ: انبساط­دهی آزاد.. 36

شکل (‏3‑2) منحنی حد شکل­دهی ورق فولادی زنگ­نزن 304 [29].. 37

شکل (‏3‑3) مونتاژ اجزای قالب و لوله در شبیه­سازی، سمت راست: قطعه بادامک، سمت چپ: انبساط­دهی آزاد.. 38

شکل (‏3‑4) منحنی جابجایی- زمان سنبه در حالت بارگذاری با تغذیه محوری لوله (mm 40=L، mm40=W، mm10=R).. 40

شکل (‏3‑5) شرایط مرزی اعمال شده به ورق و قالب در شبیه­سازی، سمت راست: قطعه بادامک، سمت چپ: انبساط­دهی آزاد.. 40

شکل (‏3‑6) منحنی فشار- زمان در حالت بارگذاری با تغذیه محوری لوله (mm40=L، mm40=W، mm10=R).. 41

شکل (‏4‑1) مقایسه بین نتایج شبیه­سازی و تجربی، در حالت بارگذاری با تغذیه محوری، (mm40=L، mm40=W، mm10=R)، (الف) در جهت محیطی، (ب) در جهت طولی ..................................................................................................................45

شکل (‏4‑2) مسیرهای کرنش مربوط به شعاع­های گوشه مختلف قالب در حالت بارگذاری آزاد (mm40=W)، بدست آمده از شبیه­سازی.. 47

شکل (‏4‑3) مسیرهای کرنش مربوط به طول­های مختلف ناحیه تغییر شکل در حالت بارگذاری آزاد (mm10=R)، بدست آمده از شبیه­سازی.. 48

شکل (‏4‑4) مسیرهای کرنش مربوط به شعاع­های گوشه مختلف قالب در حالت بارگذاری با تغذیه محوری، (mm40=L، mm40=W)­، بدست آمده از شبیه­سازی 49

شکل (‏4‑5) توزیع مولفه­های کرنش پلاستیک در حالت بارگذاری با تغذیه محوری برای شعاع­های گوشه مختلف قالب، (mm40=L، mm40=W)، (الف) mm5R=، (ب) mm10 R=، (ج) mm 15R=. 50

شکل (‏4‑6) مسیرهای کرنش مربوط به طول­های مختلف ناحیه تغییر شکل در حالت بارگذاری با تغذیه محوری لوله، (mm40=L، mm10=R)، بدست آمده از شبیه­سازی 51

شکل (‏4‑7) توزیع مولفه­های کرنش پلاستیک در حالت بارگذاری با تغذیه محوری برای طول­های مختلف ناحیه تغییرشکل، (mm40=L، mm10=R)، (الف) mm20W=، (ب) mm40 W=، (ج) mm60W=. 52

شکل (‏4‑8) مسیرهای کرنش مربوط به مقادیر مختلف تغذیه لوله، بدست آمده از شبیه­سازی (mm40=W، mm10=R).. 53

شکل (‏4‑9) مسیرهای کرنش آزمایش­های طراحی شده بر روی منحنی FLDورق فولادی زنگ­نزن 304، بدست آمده از شبیه­سازی.. 55

شکل (‏4‑10) تعدادی از لوله­های شکل داده شده در آزمایشگاه.. 55

شکل (‏4‑11) منحنی حد شکل­دهی لوله فولادی زنگ­نزن 304، حاصل از آزمایش­های تجربی(اعداد روی نمودار بیان­کننده نسبت کرنش β می­باشد) ........................................................................................................................................................................56

شکل (‏4‑12) منحنی­های حد شکل­دهی لوله و ورق فولادی زنگ­نزن 304. 56

شکل (‏4‑13) (الف) قطعه صنعتی مورد بررسی، (ب) ابعاد مقطع بادامک (بر حسب میلیمتر).. 57

شکل (‏4‑14) مسیر کرنش نقطه Aاز قطعه، (الف) بارگذاری آزاد، (ب) بارگذاری با تغذیه محوری لوله به اندازه mm30، (ج) بارگذاری با تغذیه محوری لوله به اندازه mm40، حاصل از شبیه­سازی.. 58

شکل (‏4‑15) لوله­های بادامک شکل داده شده در آزمایشگاه، (الف) بارگذاری آزاد، (ب) تولید قطعه سالم با تغذیه محوری mm40. 58

شکل (‏4‑16) منحنی توزیع کرنش و ضخامت لوله بادامک در حالت بارگذاری با تغذیه محوری، (mm40=L، mm40=W، mm10=R)،(الف) در جهت محیطی، (ب) در جهت طولی.. 59

فهرست جدول­ها

جدول (‏2‑1) شرایط آزمایش­های تجربی انجام شده.. 29

جدول (‏2‑2) خصوصیات فیزیکی و مکانیکی لوله فولادی مورد استفاده در آزمایش­ها 31

جدول (‏2‑3) ترکیب شیمیایی لوله فولادی زنگ­نزن 304. 31

جدول (‏4‑1) مشخصات حالت­­های انتخاب شده جهت انجام آزمایش­های­ تجربی و نسبت کرنش گلویی پیش­بینی شده توسط شبیه­سازی (^*β) و بدست آمده از آزمایش تجربی (β).. 54

 1-1- مقدمه

با پیشرفت روز­افزون فن­آوری و رقابت بازار تجارت، اکثر صنایع مانند صنایع نظامی، فضایی، خودروسازی، پتروشیمی و تاسیساتی به سمت کاهش هزینه و زمان تولید، عرضه محصولاتی سبک‌تر و با کیفیت ‌بالاتر و همچنین سیستم تولید انعطاف‌پذیر روی آورده‌اند. به همین دلیل استفاده از مواد جدید و توسعه فرایند‌های پیشرفته تولید، امری لازم و ضروری است. از این رو، محققان و صنعتگران به سمت فرایند‌های تولید پیشرفته با انعطاف­پذیری بالا روی‌ آورده­اند. یکی از این فرایند‌ها که امروزه توجه تولیدکنندگان را به خود جلب کرده است، هیدروفرمینگ[1] می­باشد. هیدروفرمینگ فرایندی است که به دلیل نیاز به تکنولوژی نسبتاً بالا، کاربرد آن تا مدت‌ها محدود به موارد خاص بوده است. با پیشرفت تکنولوژی، ماشین‌آلات تولیدی، سیستم‌های آب‌بندی و فرایند‌های کنترل کامپیوتری در دهة اخیر، شکل‌دهی با فشار سیال، به عنوان یک روش قابل استفاده در صنعت معرفی شده است [1].

در این فصل، ابتدا فرایندهای شکل­دهی فلزات معرفی و دسته­بندی شده و به جایگاه هیدروفرمینگ در بین آنها اشاره می‌شود. پس از معرفی فرایند هیدروفرمینگ و انواع آن، توضیح مختصری پیرامون منحنی­های­ حد شکل­دهی، کاربردهای آن و روش­ بدست آوردن آن ارائه خواهد شد. سپس مروری بر پژوهش­های انجام شده توسط محققان دیگر، در ارتباط با این پایان­نامه ارائه می­گردد. در نهایت اهداف و ویژگی‌های پایان­نامه حاضر شرح داده می­شود.

1-2- معرفی فرایندهای شکل­دهی فلزات

به طور کلی فرایندهای شکل­دهی فلزات را می‌توان به دو گروه عمده دسته­بندی کرد [1]:

الف- شکل­دهی حجمی[2]

ب- شکل­دهی ورق[3]

شکل­دهی حجمی دارای دو مشخصه متمایز زیر است [1]:

1- شکل یا سطح مقطع قطعه­کار، تغییر شکل مومسان دائمی و زیاد پیدا می‌کند.

2- مقدار تغییر شکل مومسان[4] در این فرایند نسبت به تغییر شکل کشسان[5] معمولاً به قدری زیاد است که از برگشت فنری[6] قطعه بعد از تغییر شکل صرف­نظر می‌شود.

فرایندهای حدیده­کاری[7]، آهنگری[8]، نوردکاری[9] و کشش[10] مثال­هایی از فرایندهای شکل‌دهی حجمی فلزات می‌باشند.

مشخصه­های فرایندهای شکل‌دهی ورق چنین است [1]:

1- شکل اولیه قطعه­کار به صورت ورق است.

2- این فرایند شکل‌دهی معمولاً تغییر قابل توجهی در هندسه قطعه به وجود می‌آورد، اما مساحت سطح مقطع جسم، چندان تغییر نمی­کند.

3- گاهی تغییر شکل­های مومسان و کشسان از یک مرتبه‌اند. بنابراین نمی‌توان از برگشت فنری چشم‌پوشی کرد.

فرایندهای کشش عمیق[11]، خمکاری[12] و شکل­دهی چرخشی[13] نمونه­هایی از فرایندهای شکل‌دهی ورق هستند.

1-3- معرفی فرایند هیدروفرمینگ

هیدروفرمینگ یکی از فرایند‌های شکل‌دهی فلزات است که در آن از یک سیال تحت فشار به منظور ایجاد تغییر شکل پلاستیک در قطعه اولیه که به شکل ورق یا لوله است، استفاده می‌شود. در هر یک از فرایندهای هیدروفرمینگ، همواره به یک پرس، قالب و یک سیستم تقویت­کننده فشار نیاز است [2, 3]. به طور کلی، در فرایند هیدروفرمینگ، به­علت توزیع فشار یکنواخت سیال بر سطح قطعه، محصولی با خواص مکانیکی مطلوب به­دست می‌آید. از دیگر مزایای هیدروفرمینگ می‌توان به قابلیت تولید قطعات پیچیده، دقت ابعادی بهتر و بهبود شکل­دهی موادی که قابلیت شکل­دهی کمی دارند، اشاره کرد. از طرف دیگر، این فرایند دارای معایبی است که از آن جمله می‌توان به چرخه آرام تولید و تجهیزات گران قیمت اشاره کرد [2]. هیدروفرمینگ علاوه بر کاربردهای متعددی که در صنایع هوافضا دارد، از دهه 1990 به طور گسترده در صنایع خودروسازی مورد استفاده قرار گرفته است. از کاربردهای عمده این فرایند در صنعت خودروسازی می‌توان به ساخت قطعات سیستم اگزوز خودرو، قطعات شاسی، اجزای موتور و قطعات بدنه خودرو اشاره کرد.

1-3-1- تاریخچه فرایند هیدروفرمینگ

تاریخچه استفاده از سیال به­منظور شکل‌دهی فلزات به بیش از 100 سال قبل باز می‌گردد. کاربردهای اولیه این فرایند در ساخت دیگ‌های بخار و ادوات موسیقی بوده است. با این وجود مبانی هیدروفرمینگ در دهه 1940 بنیان­گذاری شده است. اولین کاربرد ثبت شده فرایند هیدروفرمینگ توسط میلتون گاروین از شرکت شایبل آمریکا در دهه 1950 میلادی بوده است که در ساخت ظروف آشپزخانه از این فرایند بهره جسته است. ساخت اتصالات T- شکل مسی در صنعت لوله‌کشی تا دهه 1990 میلادی رایج‌‌ترین کاربرد این فرایند بوده است. از دهه 1990، با توجه به پیشرفت‌های صنعتی در کنترل کامپیوتری، سیستم‌های هیدرولیکی و راهبردهای نوین فرایندهای طراحی و ساخت، این فرایند کاربرد ویژه‌ای در صنعت پیدا کرده و جایگزین بسیاری از فرایندهای آهنگری و مهرزنی به ویژه‌ در قطعات وسایل نقلیه شده است [4].

1-3-2- انواع فرایند‌های هیدروفرمینگ

فرایند هیدروفرمینگ را در حالت کلی می‌توان به دو دسته عمده هیدروفرمینگ ورق[14] و هیدروفرمینگ لوله[15] تقسیم کرد. در برخی منابع، از دسته سومی تحت عنوان هیدروفرمینگ پوسته[16] نیز یاد شده است [5]. در ادامه به معرفی هر یک از این فرایندها پرداخته می‌شود.

1-3-2-1- هیدروفرمینگ ورق

در روش هیدروفرمینگ ورق، ماده خام یک ورق است که در درون قالب قرار داده می­شود و به کمک فشار داخلی، شکل مورد نظر را به ­خود می­گیرد. به کمک این فرایند می­توان قطعات پیچیده ­را با کیفیت بالاتر و با هزینه کمتر نسبت به روش­های سنتی در یک مرحله شکل داد. شماتیک این فرایند در شکل (‏1‑1) نشان داده شده است.

 شکل (‏1‑1) شماتیک فرایند هیدروفرمینگ ورق، (الف) روش سنبه- سیال (ب) روش ماتریس- سیال [6]

 1-3-2-2- هیدروفرمینگ لوله

فرایند هیدروفرمینگ لوله نخستین بار در سال 1940 میلادی توسط گری[17] و همکاران به­منظور شکل­دهی لوله Tشکلی از جنس مس ابداع شد. در ابتدا کاربرد آن محدود به بدنة دوچرخه بود، اما امروزه به­گونه‌ای در بین صنعتگران گسترش یافته است که مطابق آمار،50% شاسی خودرو تولید شده در سال 2004 میلادی در آمریکای شمالی با فرایند هیدروفرمینگ لوله بوده است [5]. شماتیک این فرایند در شکل (‏1‑2) نشان داده شده است. همانگونه که در شکل مشاهده می­شود، در این فرایند ابتدا قطعه اولیه که معمولا یک لوله استوانه­ای است، داخل قالب قرار می­گیرد. بعد از بسته شدن قالب، دو سنبه در دو انتهای لوله به­گونه­ای قرار می­گیرند که قالب به طور کامل آب­بندی نشود. در مرحله بعد درون لوله با سیال پر شده و در همین حین هوای داخل قالب از طریق سوراخ سنبه­ها خارج می­شود. پس از آن دو انتهای لوله توسط سنبه­ها به طور کامل آب­بندی می­شود. در مرحله پنجم، با اعمال همزمان فشار داخلی سیال و پیشروی محوری سنبه­ها، قطعه­ اولیه شکل قالب را به خود می­گیرد. در این مرحله وقتی قطعه­کار شکل گرفت، فشار داخلی افزایش یافته و مرحلة کالیبراسیون انجام می‌شود. این افزایش فشار به­منظور پر کردن شعاع‌های کوچک می­باشد. در پایان، با تخلیه کردن سیال داخل لوله، قطعه­کار نهایی از قالب خارج می­شود.

 شکل (‏1‑2) شماتیک فرایند هیدروفرمینگ لوله (1) قرارگیری قطعه اولیه در قالب (2) بسته شدن قالب (3) پر شدن داخل لوله با سیال (4) آب­بندی دو طرف لوله توسط سنبه­ها (5) شکل­دهی قطعه­کار با اعمال همزمان فشار و نیروی محوری (6) باز شدن قالب و خروج قطعه­کار نهایی [7]

 موادی که در این فرایند مورد استفاده قرار می­گیرند دارای دامنه وسیعی می­باشند که از آن نمونه می­توان به انواع فولادها، آلیاژهای آلومینیوم، آلیاژهای منیزیم، کامپوزیت­ها و بطور کلی همه موادی که در شکل­دهی سرد مورد استفاده قرار می­گیرند اشاره کرد [5]. از جمله مزایای هیدروفرمینگ لوله می­توان به موارد زیر اشاره نمود [5, 8 و 9]:

1- کاهش وزن قطعه

2- بهبود خواص مکانیکی و یکنواختی آن در کل قطعه، به علت تغییر یکنواخت ضخامت در سراسر قطعه

3- افزایش دقت ابعادی

4- کاهش تعداد مراحل تولید، به علت نیاز به عملیات ثانویه کمتر

5- قابلیت تولید قطعات توخالی با هندسة پیچیده

6- قیمت کم ابزار نسبت به روش­های سنتی

از جمله محدودیت­های فرایند هیدروفرمینگ لوله می­توان به موارد زیر اشاره کرد [9]:

1- زمان سیکل تولید بالا

2- هزینه ‌تجهیزات پرس بالا‌

3- اطلاعات کم در زمینة تکنولوژی فرایند

بطور کلی، شکل هندسی محصولاتی که با فرایند هیدروفرمینگ لوله قابل تولیدند شامل سه گروه کلی برجستگی بشکه‌ای شکل، برجستگی Yشکل (یا Tشکل) و انبساط موضعی می‌باشد. تصویر این قطعات در شکل (‏1‑3) نشان داد شده است [10].

دریافت فایل

---

جهت کپی مطلب از ctrl+A استفاده نمایید نماید