دانشگاه شاهرود
دانشکده مهندسي مکانيک
پاياننامه براي دريافت درجه کارشناسي ارشد در رشته
مهندسي مکانيک، گرايش ساخت و توليد
عنوان
بررسي تجربي و عددي حد شکل‌دهي در فرايند هيدروفرمينگ لوله‌هاي فلزي
نگارش
مهدي فلاحتي نقيبي
اساتيد راهنما
دکتر مهدي گردويي
دکتر محمد بخشي جويباري
استاد مشاور
دکتر عبدالحميد گرجي
بهمن 1392
تقديم به
پدر و مادر عزيزم كه نه تنها در تمامي مراحل تحصيل كه در يكايك گام‌هاي زندگيم همراهيم نمودند….
تشکر و قدرداني
با تحميد ذات مقدس حضرت حق (جل جلاله) كه توان انجام اين پژوهش را عطايم نمود و سلام و صلوات بر وجود پاك نبي اكرم (ص) و اهل بيت مطهرش (س) و يگانه منجي عالم بشريت، قائم آل محمد (عج) و درود و سلام بر رهپويان ولايت و تمامي كساني كه در راه حق گام برميدارند. بر خود واجب مي‌دانم تا از اساتيد گرانقدرم جناب آقاي دكتر مهدي گردويي و جناب آقاي دكتر محمد بخشي كه در راستاي انجام اين پژوهش راهنمايم بودند، كمال تشكر و قدرداني را به عمل آورم. همچنين از جناب آقاي دکتر عبدالحميد گرجي كه به عنوان استاد مشاور از حضورشان بهره جستم سپاسگزارم. لازم است تا از تمامي اساتيد دانشكده مهندسي مكانيك و ساير اعضاي هيئت علمي و مسئولين دانشگاه صنعتي نوشيرواني بابل كه در دوران تحصيل در مقاطع كارشناسي و كارشناسي ارشد از حضورشان بهره علمي و معنوي بردم تشكر نمايم.
در پايان بر خود لازم مي‌دانم تا از جناب آقاي دكتر اصغر شمسي سربندي كه در طي انجام اين پژوهش صميمانه همراهيم نمودند و به جد از هيچ كوششي دريغ نفرمودند كمال سپاسگزاري را داشته باشم.
چکيده
توليد محصولات پيچيده صنعتي از لولههاي فلزي با هدف افزايش نسبت استحکام به وزن سازهها و خصوصاً کاهش مصرف سوخت وسايل نقليه در سالهاي اخير مورد توجه صنعتگران قرار گرفته است. در اين راستا يکي از فرايندهاي جديد مورد استفاده، روشهاي شکلدهي با سيال (هيدروفرمينگ) ميباشد. پارگي در فرايندهاي شکلدهي ورقها و لولهها به عنوان يکي از اصليترين عوامل محدود کننده، با استفاده از منحنيهاي حد شکلدهي (FLD) مورد ارزشيابي قرار ميگيرد. استفاده از منحني حد شکل‌دهي برآمده از روش‌هاي شکل‌دهي سنتي در فرايند هيدروفرمينگ معتبر نيست. بکارگيري منحني حد شکل‌دهي برآمده از روش‌هاي شکل‌دهي ورق نيز در فرايندهاي هيدروفرمينگ لوله خطاساز است.
در اين پژوهش با هدف پيش‌بيني تجربي حد شکل‌دهي لوله ‌فولادي زنگنزن 304، نخست در فرايند هيدروبالجينگ متقارن محوري به بررسي عددي اثر نحوه بارگذاري و هندسه قالب بر مسير کرنش‌گذاري و ناپايداري پلاستيک ايجاد شده در لوله پرداخته ‌شد. بهمنظور بررسي اثر نحوه بارگذاري، سه نوع بارگذاري آزاد، بارگذاري با تغذيه محوري لوله و بارگذاري با انتهاي ثابت لوله مورد مطالعه قرار گرفت. مطالعه اثر هندسه قالب با تغيير در شعاع گوشه (R) و طول ناحيه تغيير شكل (W) انجام شد. در اين پ‍ژوهش، اثر مقدار تغذيه محوري لوله در حالت بارگذاري با تغذيه محوري بر روي نسبت کرنش (?) مورد بررسي قرار گرفت. نتايج عددي نشان داد كه مسير کرنشگذاري لوله در دو حالت بارگذاري آزاد و بارگذاري با انتهاي ثابت لوله، به صورت تقريباً مشابه در سمت راست منحني حد شکلدهي قرار دارد. در اين شرايط، با افزايش طول ناحيه تغيير شکل (W)، نسبت کرنش (?) به سمت صفر ميل ميکند که اين نتيجه مستقل از شرايط مرزي است. با افزايش شعاع گوشه قالب (R) در حالت بارگذاري آزاد، با کاهش نسبت کرنش (?) مسير کرنشگذاري به سمت حالت کرنشصفحهاي نزديک ميشود؛ درحاليكه در بارگذاري با تغذيه محوري لوله، افزايش شعاع قالب تاثير قابل توجهاي بر مسير کرنشگذاري قطعه و نسبت کرنش ندارد. در حالت بارگذاري با تغذيه محوري، با افزايش مقدار تغذيه لوله، نسبت کرنش (?) کاهش چشمگيري مييابد. در بخش تجربي از اين تحقيق، از بين آزمونهاي مختلف شبيهسازي شده تعداد 10 آزمون با پراکندگي مناسب مسير بارگذاري بر روي صفحه کرنش انتخاب گرديد. پس از طراحي و ساخت قالب، لولههاي مدرج شده تا رسيدن به پارگي تحت شرايط کنترل شده تحت بارگذاري قرار گرفت و با اندازهگيري کرنش در نواحي مجاور پارگي منحني حد شکلدهي لوله فولادي ترسيم گرديد. منحني FLD بدست آمده براي لوله فولادي زنگنزن 304 با منحني FLD همين جنس از ورق از مطالعات ديگر محققين مورد مقايسه قرار گرفت.
در مرحله نهائي بهمنظور بررسي کارائي و دقت معيار شکلپذيري استخراج شده، از آن براي پيشبيني پارگي در فرايند ساخت بادامک از لوله مورد استفاده قرار گرفت. نتايج تحليل عددي و تجربي در اين بخش نشان داد که منحني FLD بدست آمده با دقت قابل قبولي توان پيشبيني شکلپذيري را در فرايند هيدروفرمينگ بادامک داراست. علاوه بر اين، بررسي شكلپذيري قطعه صنعتي تاييد كرد كه منحني حد شكلدهي بدست آمده در اين پژوهش براي پيشبيني شکلپذيري قطعههاي صنعتي قابل استفاده است.

کليد واژهها: تحليل تجربي کرنش، شبيه‌سازي اجزاي محدود، نمودار حد شکلدهي، هيدروفرمينگ لوله
فهرست مطالب
تقديم به ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… إ
تشکر و قدرداني …………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………. ب
چکيده ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… ت
فهرست مطالب ……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………. ج
فهرست شکلها ……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………. د
فهرست جدولها ……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………. ر
فصل اول: کليات 1
1-1-مقدمه2
1-2-معرفي فرايندهاي شکلدهي فلزات2
1-3-معرفي فرايند هيدروفرمينگ4
1-3-1-تاريخچه فرايند هيدروفرمينگ4
1-3-2-انواع فرايند‌هاي هيدروفرمينگ5
1-3-2-1- هيدروفرمينگ ورق5
1-3-2-2- هيدروفرمينگ لوله5
1-4-نمودار حد شکلدهي9
1-4-1-كاربردهاي نمودار حد شكلدهي10
1-4-1-1- كاربرد نمودار حد شكل‌دهي در طراحي قطعه و تحليل اجزاء محدود10
1-4-1-2- كاربرد نمودار حد شكل‌دهي در بهينهسازي طراحي قالب12
1-4-2-برآورد منحني حد شکلدهي13
1-4-3-شبکهبندي نمونهها14
1-4-3-1- انتخاب دايرهها15
1-4-3-2- روشهاي اندازهگيري15
1-5-مروري بر پژوهشهاي مرتبط با بررسي شکلپذيري لوله در فرايند هيدروفرمينگ18
1-6-اهداف پاياننامه20
فصل دوم: شرح آزمونهاي تجربي 22
2-1-مقدمه23
2-2-معرفي تجهيزات آزمايشگاهي23
2-2-1-دستگاه پرس23
2-2-2-مجموعه قالب24
2-2-3-سيستم تامين فشار25
2-2-4-سيال هيدروليکي27
2-2-5-وسايل اندازهگيري27
2-3-آمادهسازي نمونههاي آزمايش28
2-4-نحوه عملکرد قالب28
2-5-تعيين خواص مکانيکي لوله30
فصل سوم: شبيهسازي اجزاي محدود فرايند هيدروفرمينگ لوله 32
3-1- مقدمه 33
3-2-معرفي نرمافزار شبيهسازي33
3-3-مراحل شبيهسازي 35
3-3-1-ايجاد مدل هندسي35
3-3-2-تعيين خصوصيات لوله36
3-3-3-مونتاژ لوله و اجزاي قالب37
3-3-4-تعيين تعداد مراحل و نوع حل مسئله38
3-3-5-تعيين نوع تماس سطوح اجزا با هم39
3-3-6-شرايط مرزي و بارگذاري39
3-3-7-شبكهبندي41
3-3-8-تحليل فرايند42
فصل چهارم: نتايج و بحث 43
4-1-مقدمه44
4-2-صحتسنجي نتايج شبيهسازي44
4-3-بررسي اثر نحوه بارگذاري و پارامترهاي هندسي قالب بر مسير کرنش45
4-3-1-بارگذاري آزاد45
4-3-1-1- بررسي اثر شعاع گوشه قالب (R)46
4-3-1-2- بررسي اثر طول ناحيه تغيير شکل (W)47
4-3-2-بارگذاري با تغذيه محوري48
4-3-2-1- بررسي اثر شعاع گوشه قالب (R)48
4-3-2-2- بررسي اثر طول ناحيه تغيير شکل (W)51
4-3-2-3- بررسي اثر مقدار تغذيه محوري لوله (L)53
4-4-ترسيم منحني حد شکلدهي لوله فولادي زنگنزن 30453
4-5- پيشبيني پارگي لوله در فرايند هيدروفرمينگ بادامک با استفاده از منحني حد شکلدهي بدست آمده از اين پژوهش …………………………………………………………………………………………………………………………..57
فصل پنجم: نتيجهگيري و پيشنهادها 60
5-2-نتيجهگيري61
5-3- پيشنهادها 62
فهرست مراجع 63
پيوست 67
نقشه اجزاي تشکيلدهنده قالب هيدروفرمينگ لوله68
1- نقشه مونتاژي قالب68
2- نقشه اجزاي قالب68
فهرست شکلها
شکل (‏1-1) شماتيک فرايند هيدروفرمينگ ورق، (الف) روش سنبه- سيال (ب) روش ماتريس- سيال [6]5
شکل (‏1-2) شماتيک فرايند هيدروفرمينگ لوله (1) قرارگيري قطعه اوليه در قالب (2) بسته شدن قالب (3) پر شدن داخل لوله با سيال (4) آببندي دو طرف لوله توسط سنبهها (5) شکلدهي قطعهکار با اعمال همزمان فشار و نيروي محوري (6) باز شدن قالب و خروج قطعهکار نهايي [7]6
شکل (‏1-3) شکل‌هاي هندسي قابل توليد با فرايند هيدروفرمينگ لوله (الف) بشكهاي شكل (ب) برجستگي Y شكل (يا T شكل) (ج) انبساط موضعي [10]7
شکل (‏1-4) نمونههايي از قطعات توليد شده با استفاده از فرايند هيدروفرمينگ لوله (الف) قطعات اگزوز (ب) ريل آلومينيومي پاييني ماشين ولوو (ج) قاب نگهدارنده موتور [5]8
شکل (‏1-5) نواحي تقسيمبندي شده منحني حد شکلدهي بر اساس عيوب [12]9
شکل (‏1-6) مناطق مختلف نمودار حد شکلدهي [15]12
شکل (‏1-7) مناطق مختلف نمودار حد شکلدهي [15]13
شکل (‏1-8) نوار مايلر براي اندازهگيري کرنشهاي حدي [16]17
شکل (‏1-9) سيستم تحليلگر شبکه دايرهاي به کمک روش پردازش ديجيتال [16]17
شکل (‏2-1) دستگاه آزمايش اونيورسال (DMG)24
شکل (‏2-2) شماتيک قالب استفاده شده در اين پژوهش24
شکل (‏2-3) اجزاي مختلف قالب هيدروفرمينگ لوله استفاده شده در اين پژوهش25
شکل (‏2-4) واحد هيدروليکي تامين فشار اوليه26
شکل (‏2-5) مدار هيدروليکي استفاده شده در انجام آزمايشها26
شکل (‏2-6) تجهيزات سيستم هيدروليکي کنترل فشار27
شکل (‏2-7) تجهيزات اندازه‌گيري (الف) ضخامتسنج مکانيکي (ب) کوليس ديجيتالي28
شکل (‏2-8) لوله شبکهبندي شده مورد استفاده در آزمايشهاي تجربي28
شکل (‏2-9) مشخصات ابعادي نمونه آزمون کشش لوله مطابق استاندارد 370ASTM-A، ابعاد به ميليمتر30
شکل (‏2-10) منحني تنش- کرنش حقيقي بدست آمده از تست کشش لوله فولادي31
شکل (‏3-1) هندسه اجزاي قالب و لوله در نرمافزار شبيهسازي، سمت راست: قطعه بادامك، سمت چپ: انبساطدهي آزاد36
شکل (‏3-2) منحني حد شکلدهي ورق فولادي زنگنزن 304 [29]37
شکل (‏3-3) مونتاژ اجزاي قالب و لوله در شبيهسازي، سمت راست: قطعه بادامك، سمت چپ: انبساطدهي آزاد38
شکل (‏3-4) منحني جابجايي- زمان سنبه در حالت بارگذاري با تغذيه محوري لوله (mm 40=L، mm 40=W، mm 10=R)40
شکل (‏3-5) شرايط مرزي اعمال شده به ورق و قالب در شبيهسازي، سمت راست: قطعه بادامك، سمت چپ: انبساطدهي آزاد40
شکل (‏3-6) منحني فشار- زمان در حالت بارگذاري با تغذيه محوري لوله (mm 40=L، mm 40=W، mm 10=R)41
شکل (‏4-1) مقايسه بين نتايج شبيهسازي و تجربي، در حالت بارگذاري با تغذيه محوري، (mm 40=L، mm 40=W، mm 10=R)، (الف) در جهت محيطي، (ب) در جهت طولي ……………………………………………………………………………………………………45
شکل (‏4-2) مسيرهاي کرنش مربوط به شعاعهاي گوشه مختلف قالب در حالت بارگذاري آزاد (mm 40=W)، بدست آمده از شبيهسازي47
شکل (‏4-3) مسيرهاي کرنش مربوط به طولهاي مختلف ناحيه تغيير شکل در حالت بارگذاري آزاد (mm 10=R)، بدست آمده از شبيهسازي48
شکل (‏4-4) مسيرهاي کرنش مربوط به شعاعهاي گوشه مختلف قالب در حالت بارگذاري با تغذيه محوري، (mm 40=L، mm40=W)، بدست آمده از شبيهسازي49
شکل (‏4-5) توزيع مولفههاي کرنش پلاستيک در حالت بارگذاري با تغذيه محوري براي شعاعهاي گوشه مختلف قالب، (mm 40=L، mm 40=W)، (الف) mm 5R=، (ب) mm 10 R=، (ج) mm 15R=50
شکل (‏4-6) مسيرهاي کرنش مربوط به طولهاي مختلف ناحيه تغيير شکل در حالت بارگذاري با تغذيه محوري لوله، (mm40=L، mm 10=R)، بدست آمده از شبيهسازي51
شکل (‏4-7) توزيع مولفههاي کرنش پلاستيک در حالت بارگذاري با تغذيه محوري براي طولهاي مختلف ناحيه تغييرشکل، (mm40=L، mm 10=R)، (الف) mm 20W=، (ب) mm 40 W=، (ج) mm 60W=52
شکل (‏4-8) مسيرهاي کرنش مربوط به مقادير مختلف تغذيه لوله، بدست آمده از شبيهسازي (mm 40=W، mm 10=R)53
شکل (‏4-9) مسيرهاي کرنش آزمايشهاي طراحي شده بر روي منحني FLD ورق فولادي زنگنزن 304، بدست آمده از شبيهسازي55
شکل (‏4-10) تعدادي از لولههاي شکل داده شده در آزمايشگاه55
شکل (‏4-11) منحني حد شکلدهي لوله فولادي زنگنزن 304، حاصل از آزمايشهاي تجربي (اعداد روي نمودار بيانکننده نسبت کرنش ? ميباشد) ……………………………………………………………………………………………………………………………………………………56
شکل (‏4-12) منحنيهاي حد شکلدهي لوله و ورق فولادي زنگنزن 30456
شکل (‏4-13) (الف) قطعه صنعتي مورد بررسي، (ب) ابعاد مقطع بادامک (بر حسب ميليمتر)57
شکل (‏4-14) مسير کرنش نقطه A از قطعه، (الف) بارگذاري آزاد، (ب) بارگذاري با تغذيه محوري لوله به اندازه mm 30، (ج) بارگذاري با تغذيه محوري لوله به اندازه mm 40، حاصل از شبيهسازي58
شکل (‏4-15) لولههاي بادامک شکل داده شده در آزمايشگاه، (الف) بارگذاري آزاد، (ب) توليد قطعه سالم با تغذيه محوري mm 4058
شکل (‏4-16) منحني توزيع کرنش و ضخامت لوله بادامک در حالت بارگذاري با تغذيه محوري، (mm 40=L، mm 40=W، mm10=R)، (الف) در جهت محيطي، (ب) در جهت طولي59
فهرست جدولها
جدول (‏2-1) شرايط آزمايشهاي تجربي انجام شده29
جدول (‏2-2) خصوصيات فيزيکي و مکانيکي لوله فولادي مورد استفاده در آزمايشها31
جدول (‏2-3) ترکيب شيميايي لوله فولادي زنگنزن 30431
جدول (‏4-1) مشخصات حالتهاي انتخاب شده جهت انجام آزمايشهاي تجربي و نسبت کرنش گلويي پيشبيني شده توسط شبيهسازي (*?) و بدست آمده از آزمايش تجربي (?)54
فصل اول
1- کليات
1-1- مقدمه
با پيشرفت روزافزون فنآوري و رقابت بازار تجارت، اكثر صنايع مانند صنايع نظامي، فضايي، خودروسازي، پتروشيمي و تاسيساتي به سمت كاهش هزينه و زمان توليد، عرضه محصولاتي سبك‌تر و با كيفيت ‌بالاتر و همچنين سيستم توليد انعطاف‌پذير روي آورده‌اند. به همين دليل استفاده از مواد جديد و توسعه فرايند‌هاي پيشرفته توليد، امري لازم و ضروري است. از اين رو، محققان و صنعتگران به سمت فرايند‌هاي توليد پيشرفته با انعطافپذيري بالا روي‌ آوردهاند. يكي از اين فرايند‌ها كه امروزه توجه توليدكنندگان را به خود جلب كرده است، هيدروفرمينگ1 ميباشد. هيدروفرمينگ فرايندي است كه به دليل نياز به تكنولوژي نسبتاً بالا، كاربرد آن تا مدت‌ها محدود به موارد خاص بوده است. با پيشرفت تكنولوژي، ماشين‌آلات توليدي، سيستم‌هاي آب‌بندي و فرايند‌هاي كنترل كامپيوتري در دهة اخير، شكل‌دهي با فشار سيال، به عنوان يك روش قابل استفاده در صنعت معرفي شده است [1].
در اين فصل، ابتدا فرايندهاي شکلدهي فلزات معرفي و دستهبندي شده و به جايگاه هيدروفرمينگ در بين آنها اشاره مي‌شود. پس از معرفي فرايند هيدروفرمينگ و انواع آن، توضيح مختصري پيرامون منحنيهاي حد شكلدهي، كاربردهاي آن و روش بدست آوردن آن ارائه خواهد شد. سپس مروري بر پژوهشهاي انجام شده توسط محققان ديگر، در ارتباط با اين پاياننامه ارائه ميگردد. در نهايت اهداف و ويژگي‌هاي پاياننامه حاضر شرح داده ميشود.
1-2- معرفي فرايندهاي شکلدهي فلزات
به طور كلي فرايندهاي شكلدهي فلزات را مي‌توان به دو گروه عمده دستهبندي كرد [1]:
الف- شكلدهي حجمي2
ب- شكلدهي ورق3
شكلدهي حجمي داراي دو مشخصه متمايز زير است [1]:
1- شكل يا سطح مقطع قطعهكار، تغيير شكل مومسان دائمي و زياد پيدا مي‌كند.
2- مقدار تغيير شكل مومسان4 در اين فرايند نسبت به تغيير شكل كشسان5 معمولاً به قدري زياد است كه از برگشت فنري6 قطعه بعد از تغيير شكل صرفنظر مي‌شود.
فرايندهاي حديدهكاري7، آهنگري8، نوردكاري9 و كشش10 مثالهايي از فرايندهاي شكل‌دهي حجمي فلزات مي‌باشند.
مشخصههاي فرايندهاي شكل‌دهي ورق چنين است [1]:
1- شكل اوليه قطعهكار به صورت ورق است.
2- اين فرايند شكل‌دهي معمولاً تغيير قابل توجهي در هندسه قطعه به وجود مي‌آورد، اما مساحت سطح مقطع جسم، چندان تغيير نميكند.
3- گاهي تغيير شكلهاي مومسان و كشسان از يک مرتبه‌اند. بنابراين نمي‌توان از برگشت فنري چشم‌پوشي كرد.
فرايندهاي کشش عميق11، خمکاري12 و شکلدهي چرخشي13 نمونههايي از فرايندهاي شكل‌دهي ورق هستند.
1-3- معرفي فرايند هيدروفرمينگ
هيدروفرمينگ يكي از فرايند‌هاي شكل‌دهي فلزات است كه در آن از يك سيال تحت فشار به منظور ايجاد تغيير شكل پلاستيك در قطعه اوليه كه به شكل ورق يا لوله است، استفاده مي‌شود. در هر يك از فرايندهاي هيدروفرمينگ، همواره به يک پرس، قالب و يک سيستم تقويتکننده فشار نياز است [2, 3]. به طور کلي، در فرايند هيدروفرمينگ، بهعلت توزيع فشار يکنواخت سيال بر سطح قطعه، محصولي با خواص مکانيکي مطلوب بهدست مي‌آيد. از ديگر مزاياي هيدروفرمينگ مي‌توان به قابليت توليد قطعات پيچيده، دقت ابعادي بهتر و بهبود شکلدهي موادي که قابليت شکلدهي کمي دارند، اشاره کرد. از طرف ديگر، اين فرايند داراي معايبي است كه از آن جمله مي‌توان به چرخه آرام توليد و تجهيزات گران قيمت اشاره كرد [2]. هيدروفرمينگ علاوه بر كاربردهاي متعددي كه در صنايع هوافضا دارد، از دهه 1990 به طور گسترده در صنايع خودروسازي مورد استفاده قرار گرفته است. از كاربردهاي عمده اين فرايند در صنعت خودروسازي مي‌توان به ساخت قطعات سيستم اگزوز خودرو، قطعات شاسي، اجزاي موتور و قطعات بدنه خودرو اشاره كرد.
1-3-1- تاريخچه فرايند هيدروفرمينگ
تاريخچه استفاده از سيال بهمنظور شكل‌دهي فلزات به بيش از 100 سال قبل باز مي‌گردد. كاربردهاي اوليه اين فرايند در ساخت ديگ‌هاي بخار و ادوات موسيقي بوده است. با اين وجود مباني هيدروفرمينگ در دهه 1940 بنيانگذاري شده است. اولين كاربرد ثبت شده فرايند هيدروفرمينگ توسط ميلتون گاروين از شركت شايبل آمريكا در دهه 1950 ميلادي بوده است كه در ساخت ظروف آشپزخانه از اين فرايند بهره جسته است. ساخت اتصالات T- شكل مسي در صنعت لوله‌كشي تا دهه 1990 ميلادي رايج‌‌ترين كاربرد اين فرايند بوده است. از دهه 1990، با توجه به پيشرفت‌هاي صنعتي در كنترل كامپيوتري، سيستم‌هاي هيدروليكي و راهبردهاي نوين فرايندهاي طراحي و ساخت، اين فرايند كاربرد ويژه‌اي در صنعت پيدا كرده و جايگزين بسياري از فرايندهاي آهنگري و مهرزني به ويژه‌ در قطعات وسايل نقليه شده است [4].
1-3-2- انواع فرايند‌هاي هيدروفرمينگ
فرايند هيدروفرمينگ را در حالت كلي مي‌توان به دو دسته عمده هيدروفرمينگ ورق14 و هيدروفرمينگ لوله15 تقسيم كرد. در برخي منابع، از دسته سومي تحت عنوان هيدروفرمينگ پوسته16 نيز ياد شده است [5]. در ادامه به معرفي هر يك از اين فرايندها پرداخته مي‌شود.
1-3-2-1- هيدروفرمينگ ورق
در روش هيدروفرمينگ ورق، ماده خام يک ورق است که در درون قالب قرار داده ميشود و به کمک فشار داخلي، شکل مورد نظر را به خود ميگيرد. به کمک اين فرايند ميتوان قطعات پيچيده را با کيفيت بالاتر و با هزينه کمتر نسبت به روشهاي سنتي در يک مرحله شکل داد. شماتيک اين فرايند در شکل (‏1-1) نشان داده شده است.

شکل (‏1-1) شماتيک فرايند هيدروفرمينگ ورق، (الف) روش سنبه- سيال (ب) روش ماتريس- سيال [6]
1-3-2-2- هيدروفرمينگ لوله
فرايند هيدروفرمينگ لوله نخستين بار در سال 1940 ميلادي توسط گري17 و همکاران بهمنظور شکلدهي لوله T شکلي از جنس مس ابداع شد. در ابتدا کاربرد آن محدود به بدنة دوچرخه بود، اما امروزه بهگونه‌اي در بين صنعتگران گسترش يافته است که مطابق آمار،50% شاسي خودرو توليد شده در سال 2004 ميلادي در آمريکاي شمالي با فرايند هيدروفرمينگ لوله بوده است [5]. شماتيک اين فرايند در شکل (‏1-2) نشان داده شده است. همانگونه که در شکل مشاهده ميشود، در اين فرايند ابتدا قطعه اوليه که معمولا يک لوله استوانهاي است، داخل قالب قرار ميگيرد. بعد از بسته شدن قالب، دو سنبه در دو انتهاي لوله بهگونهاي قرار ميگيرند که قالب به طور کامل آببندي نشود. در مرحله بعد درون لوله با سيال پر شده و در همين حين هواي داخل قالب از طريق سوراخ سنبهها خارج ميشود. پس از آن دو انتهاي لوله توسط سنبهها به طور کامل آببندي ميشود. در مرحله پنجم، با اعمال همزمان فشار داخلي سيال و پيشروي محوري سنبهها، قطعه اوليه شکل قالب را به خود ميگيرد. در اين مرحله وقتي قطعهکار شكل گرفت، فشار داخلي افزايش يافته و مرحلة كاليبراسيون انجام مي‌شود. اين افزايش فشار بهمنظور پر كردن شعاع‌هاي كوچك ميباشد. در پايان، با تخليه کردن سيال داخل لوله، قطعهکار نهايي از قالب خارج ميشود.

شکل (‏1-2) شماتيک فرايند هيدروفرمينگ لوله (1) قرارگيري قطعه اوليه در قالب (2) بسته شدن قالب (3) پر شدن داخل لوله با سيال (4) آببندي دو طرف لوله توسط سنبهها (5) شکلدهي قطعهکار با اعمال همزمان فشار و نيروي محوري (6) باز شدن قالب و خروج قطعهکار نهايي [7]
موادي كه در اين فرايند مورد استفاده قرار ميگيرند داراي دامنه وسيعي ميباشند که از آن نمونه ميتوان به انواع فولادها، آلياژهاي آلومينيوم، آلياژهاي منيزيم، کامپوزيتها و بطور کلي همه موادي که در شکلدهي سرد مورد استفاده قرار ميگيرند اشاره کرد [5]. از جمله مزاياي هيدروفرمينگ لوله ميتوان به موارد زير اشاره نمود [5, 8 و 9]:
1- کاهش وزن قطعه
2- بهبود خواص مكانيكي و يكنواختي آن در كل قطعه، به علت تغيير يکنواخت ضخامت در سراسر قطعه
3- افزايش دقت ابعادي
4- کاهش تعداد مراحل توليد، به علت نياز به عمليات ثانويه کمتر
5- قابليت توليد قطعات توخالي با هندسة پيچيده
6- قيمت کم ابزار نسبت به روشهاي سنتي
از جمله محدوديتهاي فرايند هيدروفرمينگ لوله ميتوان به موارد زير اشاره کرد [9]:
1- زمان سيكل توليد بالا
2- هزينه ‌تجهيزات پرس بالا‌
3- اطلاعات كم در زمينة تكنولوژي فرايند
بطور کلي، شکل هندسي محصولاتي که با فرايند هيدروفرمينگ لوله قابل توليدند شامل سه گروه کلي برجستگي بشکه‌اي شکل، برجستگي Y شکل (يا Tشکل) و انبساط موضعي مي‌باشد. تصوير اين قطعات در شکل (‏1-3) نشان داد شده است [10].
شکل (‏1-3) شکل‌هاي هندسي قابل توليد با فرايند هيدروفرمينگ لوله (الف) بشكهاي شكل (ب) برجستگي Y شكل (يا T شكل) (ج) انبساط موضعي [10]
امروزه فرايند هيدرفرمينگ لوله در صنايع مختلفي مانند خودروسازي، هوافضا، هواپيمايي، نظامي و تاسيسات مورد استفاده قرار مي‌گيرد. در شکل (‏1-4) تعدادي از محصولات توليد شده با اين روش نشان داده شده است.

شکل (‏1-4) نمونههايي از قطعات توليد شده با استفاده از فرايند هيدروفرمينگ لوله (الف) قطعات اگزوز (ب) ريل آلومينيومي پاييني ماشين ولوو (ج) قاب نگهدارنده موتور [5]
فرايند هيدروفرمينگ لوله را ميتوان از نظر سيستم اعمال فشار در سه دسته طبقه‌بندي كرد [11]‌‌‌‌‌:
1- هيدروفرمينگ فشار پايين (MPa 83 P <)
2- هيدروفرمينگ فشار متوسط (MPa 414 ? P ? MPa 83)
3- هيدروفرمينگ فشار بالا (MPa 414 P >)
تاكنون بيشتر تحقيقات بهمنظور بهبود شكل‌پذيري و كيفيت قطعات، بر روي هيدروفرمينگ فشار بالا متمركز بوده است. با توجه به اينكه كاربرد فنآوري هيدروفرمينگ لوله در توليد انبوه، در مقايسه با ديگر فرايندهاي شكل‌دهي فلزات نظير مهرزني و آهنگري نسبتاً نوين است، پايه علمي، قوانين طراحي و اطلاعات آزمايشگاهي پيرامون آن نيز محدود است. اين امر سبب افزايش هزينه توليد شده كه نتيجه آن كاهش توان رقابتي فرايند هيدروفرمينگ لوله در برابر ساير فرايندهاي توليد است. بنابراين كاربرد اين فنآوري براي ساخت قطعات جديد، مستلزم پيشرفت گستردهي اين فرايند و انجام كوشش‌هاي فراوان است. عليرغم مزاياي زياد فرايند هيدروفرمينگ، همچنان موضوعاتي براي تحقيق و بررسي پيرامون اين فرايند، بهمنظور بهبود آن، وجود دارد.
1-4- نمودار حد شکلدهي18
شکلپذيري يک ورق يا لوله فلزي، توانايي آن به تغيير شکل پلاستيک، بدون بروز هرگونه عيبي ميباشد. گلويي شدن، پارگي و چروکيدگي را ميتوان به عنوان معيارهايي بهمنظور توصيف شکلپذيري ماده بيان کرد. بر همين اساس، مارسينياک به منظور بيان شکلپذيري ماده، دياگرام حد شکلدهي بر اساس کرنشهاي اصلي بزرگتر و کوچکتر را با نواحي مشخصي از کرنشها بر پايه نوع عيوب تقسيمبندي کرده است که در شکل (‏1-5) قابل مشاهده ميباشد [12]. همانطور که در شكل مشاهده ميشود نمودار به نواحي عاري از گلويي (ناحيهي داخل نمودار ACGHO) ، عاري از پارگي (ناحيهي داخل نمودار ACDFO) و عاري از چروکيدگي (ناحيهي بالاي نمودار AB) تقسيمبندي شده است.

شکل (‏1-5) نواحي تقسيمبندي شده منحني حد شکلدهي بر اساس عيوب [12]
منحنيهاي حد شکلدهي در حقيقت محدوده کرنشهايي است که يک ورق يا لوله ميتواند تحمل کند و نشاندهنده ارتباط بين کرنشهاي اصلي بزرگتر 1? و کوچکتر 2? ميباشد. نمودارهاي حد شکلدهي در تشخيص مسائل بالفعل و بالقوه شكلدهي بسيار سودمند واقع شدهاند. ورقها و لولههايي را که با شبکههاي دايرهاي نشانهگذاري شدهاند، ميتوان با استفاده از قالبهاي آزمايشي، يا قالبهاي اصلي که در توليد به کار ميروند، شکل داد. کرنشهاي موضعي نزديک به نقطه پارگي، يا نقاط مشکوك را ميتوان سنجيد و با نمودار حد شکلدهي مقايسه کرد. بدين ترتيب دستيابي به دو هدف ممکن ميشود: نخست آنکه ميتوان نقاط دردسرساز را شناسايي کرده و شدت مسئله را، حتي در هنگامي که پارگي رخ نميدهد سنجيد. اگر کرنشهاي اندازهگيري شده نزديک به منحني پارگي باشند، احتمالا پارگي بعضي از محصولات از سايش قالب، تغييرات روز به روز دما، نحوه روانکاري، تنظيم قالبها، ضخامت و خواص قطعه ناشي ميشود. هدف دوم مقايسه کرنشهاي اندازهگيري شده با نمودار حد شکلدهي، شناسايي ماهيت مسئله است. در نمودار حد شکلدهي، کمترين مقدار نمودار در راستاي عمودي در حالت کرنش صفحهاي ديده ميشود، بنابراين اگر تغيير شکل در ناحيه بحراني نزديک به حالت کرنش صفحهاي باشد، تغييرات روانکاري يا قالبها، که سبب کشيده شدن بيشتر ميشود، سودمند خواهد بود [13]. در هنگام بررسي شکلپذيري ورق يا لوله، اگر ترکيب کرنشهاي تمام نقاط در زير منحني حد شکلدهي واقع شود قطعه بدون پارگي شکل خواهد گرفت ولي اگر ترکيب کرنشها در نقاط بحراني قطعه، بالاي اين منحني قرار گيرد، محصول قطعاً پاره خواهد شد و در حقيقت براي موفقيتآميز بودن عمليات، بايد ترکيب کرنشهاي تمام نقاط، زير منحني حد شکلدهي واقع شود و قرار گرفتن ترکيب کرنشهاي حتي يک نقطه از قطعه در بالاي منحني، به معناي پارگي آن قطعه از همان نقطه خواهد بود [14].
1-4-1- كاربردهاي نمودار حد شكلدهي
1-4-1-1- كاربرد نمودار حد شكل‌دهي در طراحي قطعه و تحليل اجزاء محدود
معيارهاي زيادي در طراحي قطعهي ‌فلزي تأثيرگذار هستند كه يكي از آنها، حداكثر ميزان شکلدهي است كه فراتر از آن در فلز پارگي و يا چروكيدگي رخ ميدهد. اگر قبل از ساخت قالب و توليد قطعه، اين مسئله براي طراح قالب روشن باشد، باعث كمتر شدن هزينه و ضايعات مي‌گردد. براي نيل به اين مقصود، ابتدا از يك ابزار المان محدود كه كار تجزيه و تحليل قطعات را به عهده دارد استفاده ميگردد. از نتيجه‌ اين تجزيه و تحليل‌ها، مي‌توان كرنشهاي اصلي را در نمونهها بدست آورد. نتيجه بدست‌ آمده براي هر المان خاص موجود در قطعه را مي‌توان توسط نمودار حد شكل‌دهي تجزيه و ‌تحليل نمود و حالت آن المان خاص را بعد از عمليات شکلدهي بدست آورد. به طور مثال اگر المان داراي كرنشهايي باشد كه در نمودار حد شكل‌دهي در ناحيه پارگي نشان داده شده است، آن قسمت از قطعه در حين توليد داراي نقص مي‌گردد. لذا يا مي‌توان با تغيير در معيارهاي مؤثر بر شكلدهي، تغييراتي در شكل و سطح نمودار حد شكل‌دهي ايجاد کرد، يا اينكه روش شکلدهي را تغيير داده و قطعه را در چند مرحله مورد عمليات قرار داد تا شكل ‌نهايي را به خود بگيرد. نمودار حد شكل‌دهي، در پيش‌بيني ايجاد نقص در قطعه‌كار قبل از توليد كاربرد فراواني دارد و نه تنها باعث كاهش هزينه توليد ميگردد، ‌بلكه سبب بالا‌ رفتن كيفيت ساخت قطعه و قالب مربوطه نيز مي‌گردد [13]. بنابراين يکي از روشهاي واقعبينانه و موثر به منظور بررسي امکانپذير بودن توليد يک قطعه و طراحي موفق در فرايندهاي شکلدهي، استفاده از نمودارهاي حد شکلدهي (FLD) ميباشد. اين ابزار ما را قادر به پيشبيني رفتار ماده در حين فرايند شکلدهي ميسازد. به عنوان مثال ميتوان:
1- مقادير کرنشهاي ممکن و مناسب براي يک فرايند،
2- نواحي بحراني و حساس در قطعه که مستعد گلويي و پارگي هستند؛
3- مقادير کرنش ممکن در مسيرهاي مختلف بارگذاري،
4- شرايط مناسب براي فرايند، همانند روانکاري،
را پيشبيني نمود [12]. در عمل اين روش به اين صورت به کار برده ميشود: در حين طراحي قالب، طراح با توجه به محدوده کرنش موردنظر و شکل قطعه (که در واقع بر مسير بارگذاري موثر خواهد بود)، جنس مناسب را مشخص مينمايد. مسيرهاي مختلف بارگذاري و تغيير شکل حاصل از اين مسيرها در شکل (‏1-6) نشان داده شده است.
شکل (‏1-6) مناطق مختلف نمودار حد شکلدهي [15]
1-4-1-2- كاربرد نمودار حد شكل‌دهي در بهينهسازي طراحي قالب
طراح بايد موارد غير از پارگي را نيز در نظر بگيرد که شامل نازکشدگي بيش از حد، تمايل به چروکيدگي، چروکيدگي و کشش غير کافي است که با مطالعه سطوح کرنش بدست ميآيد. در اين حالت با پيشبيني كرنشهاي ‌لازم در مورد قطعات طراحي شده و درك وضعيت كرنش‌ در آن حالت خاص، مي‌توان از نمودار حد شكل‌دهي‌ استفاده كرد. به طور نمونه، فضاي يك نمودار حد شكل‌دهي در شکل (‏1-7) نشان داده شده است و خاصيت هر منطقه نيز ذكر شده است. با در دست داشتن نمودار حد شكل‌دهي و با علم به اينكه هر قسمت از نمودار مذكور داراي خواص ويژ‌ه‌اي است، براي رسيدن به يك حالت خاص مي‌توان كرنشهاي مربوط به آن حالت را كه در شكل مشخص است، در قطعه پديد آورد [15].

شکل (‏1-7) مناطق مختلف نمودار حد شکلدهي [15]
1-4-2- برآورد منحني حد شکلدهي
نمودارهاي حد شکلدهي، محدوده کرنشي را که ورقها و لولههاي فلزي ميتوانند تحمل کنند به صورت نسبت کرنش بزرگتر به کرنش کوچکتر نشان ميدهند. براي رسم يک منحني حد شکلدهي نياز به نقاط مختلفي ميباشد که هر کدام از آنها از يک مسير بارگذاري خاص بدست ميآيند. در يک منحني حد شکلدهي سه ناحيه وجود دارد که عبارتند از:
1- سمت چپ منحني که در آن کرنش اصلي بزرگتر مثبت و کرنش اصلي کوچکتر منفي ميباشد.
2- مرکز منحني که در آن کرنش اصلي بزرگتر مثبت و کرنش اصلي کوچکتر تقريباً صفر ميباشد که به اين حالت کرنشصفحهاي گفته ميشود و معمولاً در نمودارهاي حد شکلدهي آن را با FLD0 نشان ميدهند.
3- سمت راست نمودار که در آن کرنش اصلي بزرگتر و کرنش اصلي کوچکتر هر دو مثبت ميباشد.
بنابراين براي رسم يک نمودار حد شکلدهي بايد شرايط مختلف بارگذاري که با استفاده از آن نقاط مختلفي از منحني بدست ميآيد، ايجاد شود. روشهاي مختلفي براي ايجاد مسيرهاي بارگذاري مختلف وجود دارد. مثلا مسيرهاي کرنش لازم را ميتوان با کمک روانکارهاي متفاوت که شرايط اصطکاکي را تغيير ميدهد و يا با استفاده از نمونههايي با هندسه متفاوت ايجاد کرد. نکتهي ديگري که بايد به آن توجه شود اين است که بايد به تعداد کافي آزمايش انجام بگيرد تا نمودار حد شکلدهي دقيقي رسم شود. مدلهاي تئوري مختلفي براي محاسبه منحني حد شکلدهي موجود است. برخي از مهمترين مدلهاي تئوري ارائه شده در زير آورده شده است:
– مدل باريکشوندگي (گلويي) پخشي سوئيفت در سال 1952
– مدل باريکشوندگي موضعي هيل در سال 1952
– مدل نقص در قطعه اوليه مارسينياک و کوزينسکي در سال 1967
– تئوري گوشه استورن و رايس در سال 1975
– تحليل آشفتگي دوزينسکي و موليناري در سال 1981
در تعيين نمودار حد شکلدهي، عمدتاً از روش کشش خارج از صفحه استفاده ميشود که شامل کشيدن ورق يا لوله روي سنبه و يا کشيدن ورق و انبساط لوله به کمک فشار سيال هيدروليک است. در اين حالت يک تغيير شکل خارج از صفحه ايجاد ميشود و اثر اصطکاک نيز تاثيرگذار است. بعد از انجام تست و ايجاد تغيير شکل، کرنشها در محل گلويي و اطراف آن اندازهگيري ميشوند. منحني حد کرنش در بالاي کرنشهاي خارج از منطقه گلويي و زير کرنشهاي مربوط به منطقه گلويي و پارگي، رسم ميشود. در سمت چپ منحني، کرنشهاي اصلي بزرگ، مثبت و کرنشهاي اصلي کوچک، منفي هستند. بنابراين مسيرهاي کرنش زيادي را از حالت کشش تک محوري تا کرنشصفحهاي ايجاد ميکند و سمت راست نيز مسير کرنشهاي مختلف، از حالت کرنش صفحهاي تا کشش دو محوري را پوشش ميدهد. در بعضي موارد منحني ديگري به اندازه 10% پائينتر از منحني اصلي رسم ميشود که به آن منحني حد شکلدهي امن19 گفته ميشود. اين امر به اين دليل است که گلويي شدن به عوامل مختلفي بستگي دارد که از جمله ميتوان به دقت تجهيزات و توانايي اپراتور اشاره کرد.
1-4-3- شبکهبندي نمونهها
تحليل شبکههاي دايرهاي روش مناسبي براي اطمينان از مطلوب بودن قالب توليد شده و تشخيص پارگي و يا گلويي شدن ميباشد. مجموعهاي از دايرههاي کوچک بر روي مناطق بحراني ورق يا لوله به کمک روشهاي چاپ يا اچ کردن ايجاد ميشود. پس از تغيير شکل قطعه در نقاط بحراني، قطر بزرگ و کوچک دايرهها اندازهگيري ميشود. مناطق بحراني قطعه از روي پارگي و يا گلويي شدن شناسايي ميشوند. کرنشهاي موضعي از روي اندازههاي بدست آمده محاسبه شده و در نمودار رسم ميشوند. اگر بيشترين کرنش محاسبه شده، نزديک و يا بالاي نمودار حد شکلدهي باشد، در اين صورت مشکلي در قالببندي، روغنکاري، اندازه قطعه و يا پارامترهاي پرس وجود دارد، حتي اگر گلويي و يا پارگي نيز ايجاد نشده باشد [1].
بهمنظور اندازهگيري کرنشها پس از شکلدهي، لازم است که نمونهها قبل از شکلدهي شبکهبندي شوند. حالتهاي مختلفي از شبکهبندي را ميتوان بکار برد. در حالت شبکهبندي مربعي و حالتي که تعدادي دايره به هم چسبيده و يا با هم تداخل دارند دقت خوبي ايجاد ميشود ولي اندازهگيري شبکهها مشکل است. بنابراين عموماً در شبکهها از دايرههايي که با فاصله کمي از هم قرار دارند، استفاده ميشود که با اين طرح ميتوان به دقت خوبي رسيد و ايجاد طرح و اندازهگيري آن نيز سادهتر ميباشد. براي اين طرح ميتوان از دايرههايي با قطر 5/2 ميليمتر (in 1/0) استفاده کرد [4].
1-4-3-1- انتخاب دايرهها
نمودارهاي حد شکلدهي که در آزمايشگاههاي مختلف بدست آمدهاند، تا حدودي با يکديگر تفاوت دارند. يکي از مهمترين دلايل اين تفاوت آن است که تعيين نخستين باريکشدگي محسوس تا حدودي جنبه ذهني دارد. در انتخاب دايرهها براي رسم نمودار حد شکلدهي، دايرههايي بايد انتخاب شوند که دچار پارگي نشده و قبل از وقوع گلويي موضعي باشد. فنوني که بدين منظور بکار ميروند شامل انواع سيستمهاي بازرسي چشمي و لمسي با دست هستند. توصيه شده است که اندازهگيريها در فاصلهاي حداقل 5/1 برابر قطر دايره، از مرکز باريکشدگي انجام گردد [13].
1-4-3-2- روشهاي اندازهگيري
در صورتي که قطر دايره چاپ شده روي قطعه اوليه، قبل از تغيير شکل D0باشد و پس از تغيير شکل به يک بيضي با قطرهاي D1 و D2 تبديل شود و با فرض اينکه تغيير شکل متناسب باشد، جهات اصلي کرنش منطبق بر قطرهاي بيضي بوده و در نتيجه کرنشهاي اصلي متناسب با قطرهاي اين بيضي ميباشند. در اين صورت کرنشهاي مهندسي برابر خواهند بود با:



قیمت: تومان


پاسخ دهید