زمستان / سال پنجم/ شماره دوم فصلنامه علمي پژوهشي مهندسي مکانيک جامدات فصلنامه علمي پژوهشي مهندسي مکانيک جامدات wwwjsmeir بررسي تجربي و عددی طراحي پيشفرم در کششعميق چند مرحلهای ورقهای نازک فوالدی استحکام باال واژههای کليدی شبیهسازی نسبت کششحدی روش اجزاء محدود فرآیند کششعمیق فوالد - AISI * اکبر زمانی علیشاه مهدی تاجداری جعفر اسکندری جم جمال صیدی * نویسنده مسئول: Tajdari@yahoocom چکيده در این مقاله نتایج حاصل از آزمایش تجربی فرآیند کشش عمیق در تولید یک استوانهی سرکروی از جنس نوعی فوالد استحکام باال با نتایج شبیهسازی آن و سه نوع طراحی پیشفرم پیشنهادی )ارائه شده( مقایسه گردید تا ضمن سنجش میزان صحت نتایج و دقت نرمافزار اجزاء محدود در پیشبینی فرآیند کششعمیق چند مرحلهای در ورقهای نازک فوالدی استحکام باال مقادیر نسبت کششحدی مراحل مختلف کشش و بازکشش آزمون تجربی نیز بهبود یابند برای شبیهسازی از نرمافزار اجزاء محدود آباکوس نسخه 6-- استفاده گردید در این تحقیق مادهاولیه یک لوح دایروی از ورق فوالدی - AISI mm آنیل شده با ضخامت میباشد که در بررسی تجربی طی یک مرحله کشش سه مرحله بازکشش و دو مرحله عملیات حرارتی آنیل به استوانهای با سر کروی تبدیل شد برای معرفی خواص مکانیکی این فوالد آزمایش کشش تک محوری انجام و از نتایج آن استفاده گردید مقایسه نتایج توزیع ضخامت در نرمافزار اجزاء محدود با ضخامتهای اندازهگیری شده در پیرامون قطعات تولیدی در مراحل مختلف کشش و بازکشش صورت گرفت و از دقت خوبی برخوردار بود )حدودا /55 درصد خطا( و بر همین اساس طراحیهای پیشنهادی نیز شبیهسازی شد تا ویژگیهای مناسبترین طرح معرفی گردد - کارشناسی ارشد مهندسی مکانیک )ساختوتولید( دانشگاه آزاد اسالمی واحد هشتگرد - استاد مهندسی مکانیک دانشگاه آزاد اسالمی واحد علوم و تحقیقات کرمانشاه - استاد مهندسی مکانیک دانشگاه آزاد اسالمی واحد علوم و تحقیقات کرمانشاه - استادیار مهندسی مکانیک دانشگاه آزاد اسالمی واحد ایالم
بررسي تجربي و عددی طراحي پيشفرم در کششعميق چند مرحلهای ورقهای نازک فوالدی استحکام باال - مقدمه فرآیندهای از شکلدهی فلزات نقشی دنیای در حیاتی صنعتی امروز ایفا میکنند برتری این روشها نسبت به روشهای دیگر تولید همچون برادهبرداری از جهت هزینه و صرفهجویی در مواد اولیه زمان و کیفیت محصول باعث شده است که به این روشها توجه بیشتری معطوف گردد میان روشهای گوناگون عمیق را میتوان به عنوان یکی شکلدهی در نظر گرفت شکلدهی فلزات از کشش- مهمترین روشهای کششعمیق فرآیند شکلدهی سرد یک ورق فلزی تخت به درون یک محفظهی سوراخدار )ماتریس( است بدون آنکه پدیدهی چروکیدگی بیش از حد نازک شدن یا شکست در ورق رخ دهد] [ در تعاریف مربوط به فرآیند کشش عمیق به تبدیل یک ورق به یک پوستهی توخالی اصطالحا کشش و همچنین به تبدیل پوستهی توخالی به یک پوسته با ابعاد کوچکتر گفته میشود] [ بازکشش یا کشش مجدد در سالهای اخیر رایانهها و نرمافزارهای مهندسی )طراحی 5 به کمک رایانه تولید به کمک رایانه و مهندسی به 6 کمک رایانه ) به وسیلهای ضروری برای طراحی و محاسبات مهندسی در تمام زمینهها تبدیل شدهاند در این میان نرمافزارهای اجزاء محدود جایگاه ویژهای در میان محققان کسب کردهاند و در حال حاضر به سرعت در جهت بهرهگیری صنعتی نیز پیش میروند نرمافزارهای اجزاء محدود توانایی باالیی در تحلیل مسائل پیچیده سازههای مکانیکی شکلدهی فلزات انتقال حرارت ارتعاشات بارگذاریهای دینامیک برق مغناطیس و غیره دارند] [ از آنجائی که در طول فرآیند کششعمیق عوامل زیادی از جمله خواص 7 ماده )نسبت کششحدی و ناهمسانگردی( هندسهی سنبه و ماتریس و مؤثر هستند لذا کیفیت محصول تولید شده بستگی به تجربه مهارت و دانش طراح دارد که اساسا متکی بر سعی و خطا بوده )در محاسبه تعداد مراحل کشش و سایر متغیرها( و با صرف هزینه و زمان بسیار امکانپذیر میگردد یکی از روشهایی که به منظور کاهش هزینه همواره استفاده از روش اجزاء کششعمیق بوده است توجه مورد 8 محدود محققین قرار در پیشبینی گرفته فرآیند در مراجع و منابع خواص فلزات و هندبوکهای شکلدهی فلزات جداول متعددی حاوی اطالعات مربوط به شکلپذیری در فرآیند کششعمیق وجود دارد لیکن این اطالعات عمدتا مربوط به گروه فوالدها و فلزات پرمصرف در زمینه شکلدهی میباشد و اطالعات چندانی از فوالد AISI- در دسترس نیست اما از آنجا که این فوالد دارای نسبت استحکام به وزن باالئی بوده و از این منظر حائز اهمیت باالئی است لزوم پرداختن به این مسئله احساس میشود فوالد AISI- برای ساخت قطعات تحت تنش باال مثل قطعات سیستم تعلیق مفتولها و دستهموتورها به ویژه در خودروهای مسابقه به کار میرود مصارف دیگر آن در خطوط انتقال گاز مخازن گاز طبیعی فشرده لوله بدنه دوچرخه دیسک و صفحه کالچ و چرخ طیار خودرو میباشد در مجموع این گروه از فوالدها )فوالدهای کروم- مولیبدندار( مادهای عالی جهت ساخت چرخدنده گژنپین و میللنگ میباشد] 8 [ عیب عمدهی کار با فوالد AISI- این است که این آلیاژ به دلیل استحکام باال نسبت به فوالدهای دیگر قالبها ابزارهای برش و تیغهها را بسیار کند میکند ضمنا مقاومت این آلیاژ در برابر خوردگی کمتر از فوالدهای زنگنزن میباشد که از این حیث مصرفشان تحتالشعاع قرار میگیرد] 8 [ 8- Finite Element Method - Bars 0- CNG (Compressed Natural Gas) - Fly Wheel - Piston Pin - Cranck Shaft - Metal forming processes - Deep drawing - Redrawing - CAD (Computer Aided Design) 5- CAM (Computer Aided Manufacturing) 6- CAE (Computer Aided Engineering) 7- LDR (Limiting Drawing Ratio)
فصلنامه علمي پژوهشي مهندسي مکانيک جامدات/ زمستان /سال پنجم/ شماره دوم تحقیقات بسیاری توسط محققین به منظور دستیابی به دانش طراحی پیشفرمهای مراحل بین در فرآیند کششعمیق انجام گرفته است و در اغلب موارد سعی بر این بوده است که با مرتب کامپیوتری کار کردن دانش طراحی مربوطه پیشفرمها در به یک قالب صورت انجام گیرد برای انجام این کار محققانی از جمله همکارانش ][ نوعی ارائه کردند کامپیوتر سیستم که عالوه طراحی بر به فرآیند طرحریزی برنامهی خودکار آلتان و کمک فرآیند کششعمیق عمل شبیهسازی فرآیند کششعمیق را نیز تا یک مرحله کشش انجام میداد کار مشابهی توسط تیزا ]5[ نیز انجام گرفته است شبیهسازی فرآیند کششعمیق به روش اجزاء محدود موجب میشود که بتوان با صرف زمان و هزینهای ناچیز از عیوب احتمالی قطعه در مراحل مختلف تولید و پیش از ساخت آن اطالع حاصل کرد و با تغییر برخی پارامترها تولید قطعه با کیفیت مطلوب میسر گردد تحقیقات کششعمیق بسیار انجام زیاد شده است در به زمینه شبیهسازی طوری که هرکدام فرآیند به بررسی یک یا چند پارامتر خاص از این فرآیند پیچیده پرداخته و آن را مورد مطالعهی دقیق قرار دادهاند اما بدون یکی شک از برجستهترین فعالیتهای در تحقیقی زمینهی طراحی و شبیهسازی پیشفرمهای بین مراحل در فرآیند کششعمیق )که در امروز نیز هست( کار پاسخی واقع انجام شده به توسط صنعت نیاز و چوی همکارانش ]6[ میباشد آنها یک نرمافزار هوشمند برای و طراحی شبیهسازی مراحل کشش قطعات متقارن محوری ارائه کردند که میتوانست شکل نهایی قطعه را مدلسازی سپس و کرده با تعیین پارامترهای به مربوط جنس ورق و انتخاب روش تولید پیشفرمهای مربوط به مراحل مختلف کشش از مرحلهی محاسبهی ابعاد لوح اولیه تا رسیدن به شکل نهایی محصول را ارائه نماید سپس این مراحل را به روش اجزاء محدود شبیهسازی کند و در صورت لزوم پیشفرمهای را اصالح نموده مربوطه تا طرح نهایی مربوط به فرآیند تولید به دست آید از دیگر تحقیقات در سالهای شده انجام موضوع میتوان به مقالهی تحقیقی وی در مقالهی تحقیقی خود اخیر به بررسی ارتباط در با این شنگ ]7[ اشاره کرد مراحل کشش یک قطعهی خاص در یک قالب مرحلهای پرداخته و به کمک شبیهسازی به روش اجزاء محدود عیوب حاصل از این طراحی را پیشگویی کرده است سپس با اصالح طراحی اولیه طراحی نهایی مراحل مختلف کشش را انجام و داده قطعهی حاصل از از پس موردنظر آن با ساخت قالبهای و شبیهسازی مقایسهی نتایج حاصل اجزاء مربوطه از محدود صحت آن روش اجزاء محدود را مورد تائید قرار داده است - مادهاوليه طراحی و تولید با نتایج به در این آزمایش مادهاولیه یک لوح دایروی از ورق فوالدی AISI- آنیل شده با سختی اولیهی 6- HV 55 میباشد این فوالد از دسته فوالدهای آلیاژی کرم- مولیبدندار است وجود این دو عنصر باعث افزایش کربن معادل و سختیپذیری آن میگردد] 8 [ درصد عناصر موجود در فوالد AISI- به شرح جدول )( میباشد جدول )( درصد عناصر آلیاژی فوالد AISI- ][ نام عنصر C وزن )%( /8 / / /6 (max)/5 (max)/ /5 / /8 / /5 /5 Mn P S Si Cr Mo مزیت اصلی این فوالد استحکام بسیار زیاد آن است به دلیل این مزیت میتوان ورق نازکتری انتخاب کرد تا وزن قطعه کاهش یابد بدون آن که در استحکام قطعه خللی وارد شود این ویژگی باعث میشود تا آلیاژی برگزیده برای ساخت خودروهای مسابقه یا هواپیما باشد زیرا در این موارد باید بدون اضافه شدن وزن استحکام تا حد امکان افزایش - ZQ Sheng - Altan - Tisza
بررسي تجربي و عددی طراحي پيشفرم در کششعميق چند مرحلهای ورقهای نازک فوالدی استحکام باال یابد] 8 [ خصوصیات مکانیکی فوالد AISI- به شرح جدول )( میباشد که از آزمایش کشش تک محوری آن بهدست آمده است جدول )( خصوصیات مکانیکی فوالد AISI- مدول االستيسيته 7 (GPa) تنش تسليم تنش نهائي 7 (MPa) 6 (MPa) - آزمون تجربي در این آزمایش مادهاولیه یک لوح دایروی به قطر 8 mm با ضخامت mm میباشد که در چهار مرحله کشش )یک مرحله کشش و سه مرحله بازکشش( به استوانهای سرکروی با قطر داخلی 8 mm تبدیل شد مراحل تولید این قطعه به داده در شکل )( نشان عمیق کشش عملیات کمک شدهاند شکل )( مشخصات ابعادی قطعات در مراحل تولید )اندازه ها به ) mm مراحل تولید این قطعه به شرح جدول )( میباشد ردیف جدول )( خصوصیات مراحل مختلف تولید در آزمون تجربی نام مرحله کشش قطر اوليه (mm) 8 قطر ثانویه (mm) 7 آنیل 7 7 بازکشش اول 58 7 بازکشش دوم 7 58 5 آنیل 7 7 6 بازکشش سوم 8 7 - طراحي پيشفرم بين مراحل شکل )( مراحل تولید قطعهی صنعتی به کمک فرآیند کششعمیق در شکل )( ابعاد و اندازههای قطعات تولیدی در هر مرحله از کشش و بازکشش ارائه شدهاند نسبت کشش از روابط زیر بهدست آمده است] [: در این بخش با استفاده از قوانین موجود به بیان روش طراحی پیشفرمهای بین مراحل قطعهی مورد نظر پرداخته میشود روند کلی طراحی پیشفرمهای یک قطعه به این صورت است که: - با استفاده از قوانین طراحی اولیه موجود یک طراحی مقدماتی با در نظر گرفتن شکل هندسی محصول نهایی ارائه میشود - این طراحی توسط قوانین کنترلی موجود از لحاظ قابلیت شکلپذیری ورق مورد بررسی دقیقتر قرار می- گیرد - در صورت وجود خطا و عیب توسط این قوانین با کمک قوانین دیگر اصالحات صورت میگیرد تا در نهایت مراحل تولید یک قطعه مشخص گردد -- طراحي مقدماتي فرآیند آنچه در این مرحله مورد بررسی قرار میگیرد شکل هندسی قطعهی نهایی است لذا با استفاده از آن میتوان D 8 = = 78 d 7 d 7 = = anl d 58 d 58 = = d 7 d 7 = = anl d 8 )( )( )( )(
5 فصلنامه علمي پژوهشي مهندسي مکانيک جامدات/ زمستان /سال پنجم/ شماره دوم یک طرح مقدماتی از مراحل تغییرشکل قطعهی صنعتی به دست آورد با کمک گرفتن از قوانین طراحی اولیه و در نظر گرفتن شکل محصول نهایی مراحل تغییرشکل قطعه به نخواهد بود و میتوان شعاع سر سنبه را به نحوی در نظر گرفت تا این هدف محقق گردد )گونهی سوم( به عبارت دیگر میتوان در یک مرحله به شکل نهائی دو صورت شکل )( )گونهی اول( و شکل )( )گونهی دست یافت )شکل ( دوم( پیشبینی میشود شکل) ( پیشبینی تغییر شکل بدون مرحلهی میانی )گونهی سوم( شکل )( پیشبینی تغییر شکل)گونهی اول( قطر لوح اولیه) D ( از رابطه زیر به دست میآید ][ D= (d dh) = 0mm )5( مقدار نظر در بدون اولیه لوح قطر برای شده محاسبه گرفتن مقدار اضافه برش میباشد اگر این مقدار به اندازه لوح اولیه افزوده شود)برای حصول اطمینان و در نظر گرفتن افزایش برش میبایست به قطر اولیه دو برابر ضخامت ورق طراحی شکل )( پیشبینی تغییر شکل )گونهی دوم( مقدماتی این تولید برای که میکند بیان قطعه میتوان به دو صورت اقدام کرد که در هرکدام دو مرحله تغییرشکل مورد نیاز میباشد در پیشفرم گونهی اول در مرحلهی اول لوح اولیه با قطر به D یک گرده با یک نافی )گودی( کرویشکل در مرکز تبدیل و سپس در مرحلهی دوم دیوارههای آن کشیده میشود در پیشفرم گونهی دوم در مرحلهی اول لوح اولیه با قطر D به یک استوانه با قطر مورد نظر تبدیل شده و سپس در مرحلهی دوم قسمت تحتانی آن به حالت نیمکروی درمیآید پیشفرم گونهی اول بهدلیل مغایرت با قانون اگر منطقه تغییر شکل یافته از نیز اضافه گردد] [( آنگاه قطر لوح اولیه برابر با مقدار زیر خواهد شد D B=D+t 0=0+ )6( = 5mm (For Safty) با توجه به مطالب فوق طراحی اولیهی پیشفرمهای بین مراحل این قطعه مطابق با شکل )( خواهد بود که در آن یک مرحله کشش برای رسیدن به فرم نهایی قطعه الزم میباشد در مرحلهی بعد از این گونه طراحی جهت بررسی امکانپذیر بودن فرآیند تولید استفاده میشود بدین ترتیب که بایستی شکلپذیری ورق مورد بررسی قرار گیرد که در صورت اعالم شکست توسط قوانین کنترلی این طرح اصالح خواهد شد پیشفرم مرحله قبل طراحی میشود آنگاه این منطقه بایستی به صورت یک فنجان سادهی بدون فلنج باشد یا از یک لوح اولیه ][ مردود است و می- بایست از طراحی گونهی دوم استفاده شود لیکن با اندکی تأمل میتوان متوجه شد که برای تبدیل استوانه ساده به یک استوانه سر کروی نیاز به مرحلهی میانی
6 بررسي تجربي و عددی طراحي پيشفرم در کششعميق چند مرحلهای ورقهای نازک فوالدی استحکام باال شکل )( طراحی مقدماتی -- کنترل طراحي مقدماتي در این مرحله طراحی هندسی ارائه شده در مرحلهی قبل از لحاظ شکلپذیری ورق ایجاد عیوب احتمالی و با استفاده از قوانین کنترلی طراحی مقدماتی مورد بررسی قرار میگیرد در صورتی که در یک قسمت از طراحی یک شکست یا عیب توسط این قوانین پیشبینی شود آنگاه این طرح مورد بازبینی قرار میگیرد و در قسمتهایی که الزم باشد تغییرات الزم توسط قوانین "اصالح انجام خواهد شد نسبت کشش ( )β و نسبت طراحی مقدماتی" بازکشش ( n β( در مقایسه با نسبت کشش و بازکشش حدی )LDR( درصد کاهش قطر و نسبت ارتفاع به مواردی قطر فنجان گنبدی )LHR( شکل از جمله هستند که میتوانند ابتدا مورد در قرار بررسی گیرند تا مشخص شود که آیا انجام این فرآیند در یک مرحله عملیات کشش امکانپذیر است یا نه این مقادیر به کمک روابط عمومی موجود قابل محاسبه میباشد مقادیر عمومی نسبتهای کشش حدی عبارتند از: ][ مقادیر به ازای هر مرحله آنیل به اندازه % مییابند:] [ )( افزایش LDR 56 anl LDR anl )( با برای آنیل میبایست قطعات در کوره خأل در دمای 68 درجه سانتیگراد به مدت دو ساعت نگه داشته و سپس با یک نرخ سرد کردن پائین در کوره خنک شوند نگاهی مقادیر به سریع پارامترهای مقایسه و مختلف آنها با مقادیر حدیشان مشخص میشود که کشش در مرحلهی اول امکانپذیر نمیباشد زیرا مقدار نسبت کشش کل ( tot β( از مقدار حدی کشش بیشتر است لذا این مرحله از فرآیند کشش با شکست مواجه شده نیازمند بازکشش بوده و عملیات اصالحی میبایست صورت گیرد D 5 tot = = LDR 8 d 8 )( -- اصالح طراحي مقدماتي به ی منظور اصالح طراحی قوانین از مقدماتی موجود استفاده میشود این قوانین بیان میکنند که کشش مرحله- اول نیاز به افزودن پیشفرمهای این و دارد اضافی پیشفرمها باید به گونهای طراحی شوند که در آنها از مقادیر کمتری نسبت به کشش حدی بازکشش یا حدی استفاده گردد در آخر این مرحله سایر متغیرهای مورد نیاز نیز تعیین میگردند در این راستا با در نظر گرفتن اثرات آنیل سه نوع طراحی پیشفرم به شرح ذیل حاصل میشود: -نوع اول: بدون آنیل )شکل 7( )8 ) -نوع دوم: با آنیل پیش از بازکشش مرحلهی اول )شکل -نوع سوم: با آنیل پیش از بازکشش مرحلهی دوم )شکل ( نوع اول: بدون آنيل LDR 8 LDR LDR )7( )8( )( 8 7 )( - LHR (Limiting Height Ratio)
7 فصلنامه علمي پژوهشي مهندسي مکانيک جامدات/ زمستان /سال پنجم/ شماره دوم d d 5 8 True 8 8 True 7 که )( ( نوع دوم: با آنيل پيشاز بازکشش مرحلهی اول anl 856 7 856 True 7 )5( که بنابراین )( و )5( )6( ( نوع سوم: با آنيل پيشاز بازکشش مرحلهی دوم 8 anl 7 8 True )7( که )8( در کشش مرحلهی آخر میتوان نسبت کشش واقعی را بهدست آورد که برای دو طراحی نوع اول و دوم برابر /7 و در نوع سوم برابر / میباشد برای گرد کردن اندازه قطر سنبههای مراحل مختلف به D 5 d 65 70mm 8 786 d 70 d 585 5mm 6 d d 5 5 صورت زیر عمل میشود: ( طراحي نوع اول: )( پس )( )( پس شکل )7( مراحل تغییر شکل طراحی نوع اول مراحل تولید طراحی نوع اول به ترتیب جدول )( است ردیف جدول )( خصوصیات مراحل مختلف تولید در طراحی نوع اول نام مرحله کشش قطر اوليه (mm) قطر ثانویه (mm) 7 5 5 8 5 7 5 5 D 5 d 65 70mm 8 786 بازکشش اول بازکشش دوم بازکشش سوم طر( احي نوع دوم: d 70 d 87 5mm 56 556 True d d 5 8 8 )6( پس )7( )8( پس )( و )( )( )(
8 بررسي تجربي و عددی طراحي پيشفرم در کششعميق چند مرحلهای ورقهای نازک فوالدی استحکام باال در جدول )6( مراحل تولید طراحی نوع سوم آمده است جدول )6( خصوصیات مراحل مختلف تولید در طراحی نوع سوم ردیف نام مرحله کشش قطر اوليه (mm) 5 قطر ثانویه (mm) 7 بازکشش اول 5 7 آنیل 5 5 بازکشش دوم 8 5 شکل )8( مراحل تغییر شکل طراحی نوع دوم مراحل تولید طراحی نوع دوم در جدول )5( آمده است جدول )5( خصوصیات مراحل مختلف تولید در طراحی نوع دوم ردیف نام مرحله کشش قطر اوليه (mm) 5 قطر ثانویه (mm) 7 آنیل 7 7 بازکشش اول 5 7 بازکشش دوم ( طراحي نوع سوم: 8 5 D 5 d 65 70mm 8 )( پس 786 d 70 d 585 5mm )( )( پس 6 )( و شعاع لبهی سنبهها نیز از رابطه زیر بهدست آمده است:] [ th Rp 0 th 8mm Rp 0mm )6( )7( همچنین بهتر است که شعاع لبهی سنبه در طی مراحل سیر نزولی داشته باشد ][ لذا در کلیه مراحل کشش به جز مرحلهی آخر شعاع آن mm و در مرحله آخر mm در نظر گرفته میشود در این تحقیق نسبت حدی ارتفاع به قطر فنجان گنبدی شکل) LHR ( نیز کنترل شد و تمام نسبتهای بهدست آمده در محدوده مجاز این معیار قرار داشتند نسبت ارتفاع به قطر فنجان گنبدی شکل از رابطهی ذیل قابل محاسبه است] [: HR Hemispherical h d dome dome )8( نسبتحدی ارتفاع به قطر فنجان گنبدی شکل] [: LHRn LDR n )( 5- شبيهسازی عددی برای پیشبینی فرآیندهای شکلدهی فلزات از روشهای تحلیلی مختلفی استفاده شده است از جمله میتوان به روشهایی مانند تحلیل حد و باال حد پایین قاچی میدان خط لغزش روش اشاره کرد این روشها امکان پیشبینی تغییر شکل عمومی را فراهم آورده ولی عموما به هندسههای ساده نسبتا محدود میشوند دارای غالبا و محدودیتهای زیادی در فرضیاتشان میباشند با معرفی روش اجزاء محدود در دهه 6 این روش امکان پیش- 5 8 True d d )5( - Slab Analysis - Slip-Line Field Method - Upper Bound - Lower Bound شکل )( مراحل تغییر شکل طراحی نوع سوم
فصلنامه علمي پژوهشي مهندسي مکانيک جامدات/ زمستان /سال پنجم/ شماره دوم گویی دقیق میزان و کرنشها رفتار شکست در ماده فرآیندهای پیچیده شکلدهی را فراهم آورد به طوری که در طول چند دههی اخیر استفاده از روش اجزاء محدود جهت پیشبینی فرآیندهای شکلدهی افزایش چشمگیری داشته است] [ در این تحقیق برای شبیهسازی از نرمافزار اجزاء محدود آباکوس نسخه 6-- استفاده گردید در تعریف مسائل مختلف داخل نرم افزارهای اجزاء محدود معموال فقط به مدلسازی اجزایی پرداخته خواهد شد که در انجام فرآیند تاثیر گذار باشند با توجه به ماهیت مسأله کشش مدل شامل یک ورق تغییر شکلپذیر و چند ابزار شامل سنبه قالب و ورقگیر میباشد به عبارتی فقط ورق و سطوح ابزارهایی که در تماس مستقیم با ورق هستند جهت مدلسازی مورد نیاز است ابزارها میتوانند به عنوان سطوح صلب مدل شوند زیرا بسیار سختتر از ورق میباشند] [ شکل )5( اجزای مونتاژ شدهی یک قالبکشش را در محیط نرمافزار نشان میدهد در جدول )7( با معرفی نقطه از منحنی رفتار پالستیک ماده به تعریف رفتار محدود پرداخته شده است ردیف پالستیک آن در نرم جدول )7( مقادیر متناظر تنش و کرنش پالستیک تنش (MPa) 6/ افزار اجزاء کرنش پالستيک )%( /7 /68667 /56 /7 6/865 65/7 658/ 6/6 برای تحلیل مسئله از یک مدل دو بعدی متقارن محوری جهت فراهم نمودن تحلیل ساده عددی و کاهش زمان تحلیل استفاده میشود] [ شکل )5( مدل ابزارهای صلب و ورق تغییر شکل پذیر در نرمافزار جهت تعیین مدت زمان حرکت سنبه در طول کورس از تحلیل فرکانسی ورق بهره گرفته شد] [ برای با تماسی سطوح رفتار تعریف قالب از مختلف قانون اصطکاک کولومب استفاده میشود با توجه به توصیههای ارائه شده در مقاالت میتوان از یک حالت عمومی جهت اعمال تقریبی مقدار ضریب اصطکاک استفاده کرد بر این اساس مقدار ضریب اصطکاک بین ورق با سنبه برابر / و تماس ورق با اجزای دیگر مرور اتوکاری مقاالتی میتوان در فهمید برابر /5 فرض میشود] [ زمینه شبیهسازی که مناسبترین کششعمیق و نوع شبیهسازی این نوع فرآیندها استفاده از المانهای المان حجمی است این نوع المانها امکان مدل کردن فشردگی ورق در مراحل انتهای کشش )مانند زمانی که ضخامت لبه ورق از ضخامت لقی سنبه و بین ماتریس بیشتر میشود( را فراهم میکنند] [ به همین جهت در این پژوهش از نوع المان حجمی متقارن محوری با گره به نام استفاده میشود با توجه انتخاب به از ابزارها CAXR مدل نوع صلب گسسته باید برای این ابزارها نیز المان مناسب انتخاب در میشد تحلیل حاضر محوری با دو گره به نام از المانهای صلب RAX استفاده شده است متقارن نتایج اصلی این شبیهسازی شامل تغییر شکل ورق کرنش پالستیک معادل تنشموثر و ضخامت مقاطع مختلف - Ironing - Solid
بررسي تجربي و عددی طراحي پيشفرم در کششعميق چند مرحلهای ورقهای نازک فوالدی استحکام باال قطعهکار میباشد نتایج خروجی را میتوان به دو صورت عمدهی طیفهای رنگی و یا نتایج حاصل از )6( نمودار رویت کرد شکل تغییر شکل ورق در مرحله کشش قطعهی صنعتی را به صورت طیفهای رنگی نشان میدهد پس از انجام مراحل شبیهسازی عددی کشش قطعه تحلیل بازگشت فنری انجام و مجددا شبیهسازی بازکششها صورت گرفت شکل )6( تغییر شکل مرحلهی کشش قطعه به صورت طیفهای رنگی پس نتایج انجام از حاصل مراحل از این شبیهسازیهای عددی قطعه صنعتی تحلیلها به صورت منحنی تغییرات ضخامتی )با عنوان منحنی اجزاء محدود( استخراج گردیده و با نتایج حاصل از تولید عملی قطعه مقایسه شدهاند این مقایسهها در اشکال )8 تا ( نشان داده شده است مقدار متوسط ضخامتهای اندازهگیری شده در جدارهی قطعه بهصورت دایرههای سیاهرنگ در اطراف منحنی توزیع ضخامت حاصل از شبیهسازی هر مرحله از کشش و بازکششها قابل مشاهده است مقایسه نتایج حاصل از شبیهسازی عددی با نتایج بهدست آمده از تولید عملی که منحصرا بر اساس توزیع تغییرات ضخامتی در قطعات میباشد بیانگر عملکرد بسیار مطلوب تحلیل عددی در پیشبینی نتایج میباشد و حداکثر خطای آن در پیشبینی توزیع ضخامت دیوارهی قطعات در حدود /55 درصد بوده است پس از مرحلهی کشش و مرحله دوم بازکشش دو مرحله شبیهسازی آنیل صورت پذیرفت شکل )7( تخلیه )صفر شدن( تنشهای پسماند در شبیهسازی آنیل انجام شده پس- از بازکشش مرحلهی دوم را نشان میدهد شکل )8( مقایسهی توزیع ضخامت مرحلهی کشش در شبیهسازی عددی و قطعهی تولیدی شکل )7( شبیهسازی آنیل پس از بازکشش مرحلهی دوم قطعهی 6- مقایسه نتایج صنعتی در این بخش نتایج حاصل از تحلیل عددی قطعهی صنعتی با نتایج به دست آمده از تولید قطعهی صنعتی مقایسه شدهاند تا بدین ترتیب صحت نتایج حاصل از شبیهسازی اجزاء محدود مورد تأیید قرار گیرد شکل )( مقایسهی توزیع ضخامت مرحلهی اول بازکشش در شبیه- سازی عددی و قطعهی تولیدی
فصلنامه علمي پژوهشي مهندسي مکانيک جامدات/ زمستان /سال پنجم/ شماره دوم شکل )( مقایسهی توزیع ضخامت مرحله دوم بازکشش در شبیهسازی عددی و قطعه تولیدی شکل )( تغییرات ضخامت مرحلهی کشش طراحیهای مختلف در شکل )( با توجه به اینکه کلیه ویژگیهای پیشفرم مرحلهی کشش و بازکشش اول در طراحیهای نوع یک و سه یکسان میباشد نمودار تغییرات ضخامتی آنها در این مرحله بر هم منطبق شده است شکل )( مقایسه توزیع ضخامت مرحلهی سوم بازکشش در شبیه- سازی عددی و قطعه تولیدی پس از حصول اطمینان از عملکرد صحیح تحلیل عددی انجام گرفته برای قطعه صنعتی تحلیلهای عددی مشابهی برای طراحیهای ارائه شده انجام گردیده و نتایج حاصل از این تحلیلها نیز در قالب نمودارهای تغییرات ضخامتی و تغییرات تنش ارائه شدهاند با مقایسهی این نتایج برای طراحیهای فوقالذکر بهترین طراحی از بین آنها انتخاب خواهد شد در اشکال )7 تا ( نمودار تغییرات ضخامتی برای هر یک از پیشفرمهای مراحل اول تا آخر که مربوط به طراحیهای مختلف میباشد ارائه شدهاند با توجه به اینکه کلیه ویژگیهای پیشفرم مرحلهی کشش در طراحیهای نوع یک دو و سه یکسان میباشد نمودار تغییرات ضخامتی آنها بر هم منطبق شده است )شکل ( شکل )( تغییرات ضخامت مرحله اول بازکشش طراحیهای مختلف شکل )( تغییرات ضخامت مرحله دوم بازکشش طراحیهای مختلف در مرحلهی دوم بازکشش هریک از طراحیها از شرایط جداگانهای برخوردارند و به همین دلیل نمودارهای جداگانهای حاصل شده است )شکل (
بررسي تجربي و عددی طراحي پيشفرم در کششعميق چند مرحلهای ورقهای نازک فوالدی استحکام باال با توجه به اینکه مرحلهی سوم بازکشش فقط در طراحی نوع یک لحاظ گردیده در نمودار شکل )5( فقط نتیجه حاصل از آن قابل مشاهده است شکل )5( تغییرات ضخامت مرحله سوم بازکشش در طراحی نوع یک و قطعهی صنعتی کاهش و افزایش ضخامت به ترتیب / mm و /8 mm به دست آمده است در طراحی نوع سه نیز که دارای یک مرحله کشش دو مرحله بازکشش و یک مرحله آنیل بعد از مرحلهی اول بازکشش میباشد حداکثر کاهش و حداکثر افزایش ضخامت به ترتیب /7 mm و /6 mm میباشند با جمع کردن مقادیر کاهش و افزایش ضخامت میزان اختالف ضخامت در هر کدام از طراحیها قابل محاسبه است در اشکال )7 و 8( نیز به ترتیب مقایسهای بین طراحی- های مختلف از لحاظ بیشترین مقدار کاهش و افزایش ضخامت صورت گرفته است مقایسه نتایج حاصل از شبیهسازیهای صورت گرفته حاکی از برتری قابل مالحظه طراحیهای پیشنهادی نسبت به طراحی صنعتی انجام شده در توزیع یکنواختتر ضخامت میباشد )شکل 6( شکل )7( بیشترین کاهش ضخامت کلیهی مراحل کشش در طراحیهای مختلف شکل )6( تغییرات ضخامت مرحلهی آخر کشش در طراحیهای مختلف در طراحی صنعتی حداکثر کاهش و حداکثر افزایش ضخامت بیشاز /6 mm به دست آمده است در طراحی نوع یک که دارای یک مرحله کشش سه مرحله بازکشش و بدون آنیل میباشد حداکثر کاهش و حداکثر افزایش ضخامت به ترتیب /5 و mm mm / میباشند در طراحی نوع دو که دارای یک مرحله کشش دو مرحله بازکشش و یک مرحله آنیل بعد از مرحلهی کشش میباشد در اشکال )7 و 8( مشخص است که کمترین کاهش ضخامت مربوط به طراحی نوع یک میباشد و بزرگترین آن متعلق به طراحی صنعتی است همچنین کمترین افزایش ضخامت نیز مربوط به طراحی نوع یک و بزرگترین آن در طراحی صنعتی پدید آمده است ضمنا منحنی تغییرات ضخامت طراحی نوع یک یکنواختتر و دارای شیب کمتری نسبت به بقیه است
فصلنامه علمي پژوهشي مهندسي مکانيک جامدات/ زمستان /سال پنجم/ شماره دوم شکل )8( بیشترین افزایش ضخامت کلیهی مراحل کشش در طراحیهای مختلف پساز مقایسه منحنیهای تغییرات ضخامت میزان تنشهای مؤثر در طراحیهای ارائه شده بررسی میگردد در شکلهای ) تا 8( نمودار تغییرات تنش مؤثر طراحیهای مختلف ارائه شدهاند نمودارهای تنش مؤثر در پایان هر مرحله از فرآیند کشش و پس از انجام مرحلهی بازگشت فنری محاسبه و ترسیم شدهاند و به نوعی بیانگر تنشهای پسماند موجود در قطعه در پایان هر مرحلهی کشش می- باشند با توجه به اینکه کلیه ویژگیهای پیشفرم مرحلهی کشش در طراحیهای نوع یک دو و سه یکسان میباشد نمودار تنش مؤثر آنها بر هم منطبق شده است )شکل ( شکل )( توزیع تنش مؤثر مرحلهی اول بازکشش در طراحیهای مختلف در مرحلهی دوم بازکشش هریک از طراحیها از شرایط جداگانهای برخوردارند و به همین دلیل نمودارهای جداگانهای حاصل شده است )شکل ( شکل )( توزیع تنش مؤثر مرحلهی دوم بازکشش در طراحیهای مختلف با توجه به اینکه مرحله سوم بازکشش فقط در طراحی نوع فقط نتیجهی )( یک لحاظ گردیده در نمودار شکل حاصل از آن قابل مشاهده است شکل )( توزیع تنش مؤثر مرحلهی کشش در طراحیهای مختلف در شکل با توجه به اینکه کلیه ویژگیهای پیشفرم مرحلهی کشش و بازکشش در طراحیهای نوع یک و سه یکسان میباشد نمودار تنش مؤثر آنها در این مرحله بر هم منطبق شده است شکل )( توزیع تنش مؤثر مرحلهی سوم بازکشش در طراحی نوع یک و قطعهی صنعتی
بررسي تجربي و عددی طراحي پيشفرم در کششعميق چند مرحلهای ورقهای نازک فوالدی استحکام باال مقایسه نتایج حاصل از شبیهسازیهای صورت گرفته در مرحلهی آخر حاکی از برتری قابل مالحظه طراحیهای پیشنهادی نسبت به طراحی صنعتی انجام شده در توزیع تنش میباشد )شکل ( شکل )( توزیع تنش مؤثر مرحلهی آخر کشش در طراحیهای مختلف با دقت در نمودار شکل مشخص است که در مرحلهی کشش ماکزیمم تنش مؤثر طراحی صنعتی نسبت به طراحیهای پیشنهادی کاهش ناچیزی در حد وجود دارد 5 MPa در نمودار مرحلهی اول بازکشش باال بودن مقدار حداکثر تنش مؤثر MPa( 66( طراحی نوع دو بهدلیل تغییر شکل شدید مشاهده میشود )شکل 5( که به علت نزدیک بودن به تنش تسلیم ماده اولیه MPa( 6( میتواند در صورت بروز کوچکترین خطائی در مرحله روانکاری منجر به شکستن قطعه در حین سرویس گردد به همین سبب در اینجا میتوان این طراحی را مردود اعالم کرد ضمنا مشاهده میشود که در طراحی صنعتی مقدار حداکثر تنش مؤثر نسبت به دو طراحی نوع یک و سه به صورت قابل مالحظهای از مقدار کمتری برخوردار است که بهدلیل آنیل انجام شده و تغییر شکل کوچکتر آن میباشد و نشانگر بهینه نبودن آن است چون پس از آنیل میتوان به میزان % تغییر شکل بزرگتری انجام داد ضمنا مقدار حداکثر آن در ناحیه انتهائی محدوده کروی شکل قطعه میباشد و در این محدوده تنش بسیار بیشتر از دو طراحی مذکور است و احتمال گلوئی شدن در ناحیهی شعاع سنبه بیشتر است مقدار حداکثر تنش در دو طراحی دیگر )نوع یک و سه( در ناحیه انتهائی استوانه میباشد که احتماال بهدلیل شرایط اتوکاری پدید آمده است و پس از مرحلهی آخر تراشکاری خواهد شد )بهدلیل سایز کردن طول استوانه( با این توضیحات میتوان نتیجه گرفت که در این مرحله شرایط تنش مؤثر برتری را در طراحیهای پیشنهادی نشان میدهد در نمودار مرحلهی دوم بازکشش )شکل ( صرفنظر از طراحی نوع دو منحنیهای بهدست آمده نشانگر باالتر بودن مقدار حداکثر تنش مؤثر طراحی صنعتی نسبت به طراحی نوع یک و سه میباشد و مقدار ماکزیمم تنش مؤثر طراحی صنعتی و نوع سه همانگونه که از شکل پیداست در انتهای محدوده ناحیه کروی شکل میباشد و خطر گلوئی شدن در ناحیه شعاع سنبه را دارد پائین بودن حداکثر تنش مؤثر طراحی نوع یک برتری این طراحی را بر سایر طراحیها در این مرحله نشان میدهد حال با دقت در نمودارهای مرحلهی آخر )شکل و ( نکات زیر نمایان میشود: طراحی نوع سه و طراحی صنعتی در ناحیه انتهائی محدوده کروی شکل دارای حداکثر مقدار تنش مؤثر میباشند طراحی نوع یک دارای کمترین مقدار در حداکثر تنش مؤثر میباشد همچنین میتوان از دو نمودار مذکور نتیجه گرفت که طراحی نوع یک دارای کمترین اضافه طول در استوانه بوده و نیاز به تراشکاری کمتری خواهد بود از لحاظ اقتصادی نیز ساخت یک مرحله قالب بین مراحل نسبت به آنیل برتری دارد )شکل ( شکل )( مقایسه هزینهی تولید روشهای تولید مختلف به صورت شماتیک
5 فصلنامه علمي پژوهشي مهندسي مکانيک جامدات/ زمستان /سال پنجم/ شماره دوم - در طراحی پیشفرم قطعات سرکروی نیازی به 7- نتيجهگيری نتایجی میباشد: - تحقیق این از که بهدست زیر شرح به آمد استفاده از استراتژی ارائه شده در این تحقیق موجب ایجاد نظم متقارن میکند - طراحی در گردیده و فرآیند طراحی شبیهسازی برای شده انجام کشش و بازکشش عملکرد بسیار خطای آن حداکثر پیشفرمهای قطعات را در پیشگویی سازمان مراحل مطلوبی یافتهتر مختلف و داشته توزیع ضخامت دیوارهی قطعهی صنعتی در حدود /55 درصد بوده است - شبیهسازیها نشان داد با اینکه آنیل کردن باعث افزایش قابلیت شکلپذیری میشود ولیکن احتمال باریک شدن )گلوئی شدن( و چروکیدگی را در قطعه باال میبرد - از لحاظ اقتصادی در مواقعی که تیراژ قطعه زیاد باشد معموال ساخت یک قالب اضافه )افزودن یک پیشفرم بین مراحل( از آنیل کردن مقرونبه صرفهتر است -5 نسبت کشش فوالد بهدست آمد β =/7 AISI- -6 نسبت بازکشش مرحلهی اول برای فوالد - β =/ AISI بهدست آمد -7 نسبت بازکشش مرحلهی دوم و مراحل پس از آن برای فوالد =/ AISI- β n بهدست آمد -8 برای تولید یک استوانه با سر کروی میبایست که شعاع مربوطه را در مرحلهی آخر اعمال نمود و در سایر مراحل میبایست برای جلوگیری از گلوئی شدن شعاع لبهی سنبه بیش از آن باشد - در تولید استوانه سرکروی با توجه به روابط مقدار جداکثر شعاع سنبه ضخامت ورق میبایست حداقل / قطر استوانه نهائی باشد )th /d( بررسی نسبت حدی ارتفاع به قطر فنجان گنبدی شکل )LHR( نمیباشد زیرا همواره مقداری کمتر از نسبت حدی آن را دارا میباشد فهرست عالئم قطر داخلی )mm( d D β قطر خارجی )mm( نسبت کشش R h شعاع )mm( ارتفاع )mm( مراجع: ][ طالبی خورزوقی احمد قالب فرآیند کششعمیق طراحی به و ابزار ساخت و کمک رایانه پایاننامه کارشناسی ارشد دانشگاه تربیت مدرس 8 صفحه ][ بابایی بهروز طراحی پریفرم بین مراحل در فرآیند کشش ارشد دانشگاه عمیق قطعات تربیت متقارن پایاننامه کارشناسی دبیر شهید رجائی 8 صفحات تا 5 [] Moaveni S, Numerical experiments for a Mechanics of Materials course, International Journal Engineering, Vol, No, 8, pp - [] Altan T, Khamitkar S, Kinzel G L, and Esche S K, Process and die design for multistep forming of round parts from sheet metal, Journal of Materials Processing Technology Vol 5, 6, pp - [5] Tisza M, Integration of numerical modelling and knowledge based systems in metal forming, 6th ICTP Conference, Nürnberg,, pp7-8 [6] Choi TH, Choi S, Na KH, Bae HS, Chung WJ, Application of intelligent design support system for multi-step deep drawing process, Journal of Materials Processing Technology, Vol 0, 00, pp 76 88 [7] Sheng Z Q, Taylor R Strazzanti M, FEMbased progressive drawing process design, Journal of Advanced Manufacturing Technology, Vol 6, 008, pp 6 6 [8] For bar products; plate, sheet and tubing may be slightly different, Central Steel & Wire Company Catalog, 006-008 ed, pp 6
6 بررسي تجربي و عددی طراحي پيشفرم در کششعميق چند مرحلهای ورقهای نازک فوالدی استحکام باال [] http://wwwefundacom [0] Schuler, Metal Forming Handbook, Springer- Verlag Berlin Heidelberg, 8 [] Ivana Suchy, Handbook of die design, nd Edition, McGraw Hill, 006 [] ABAQUS/Standard example: forming a channel, ABAQUS, Getting Started with ABAQUS, Version 68, 5 [] Huang Y-M, Tsai Y-W, Li C-L, Analysis of forming limits in metal forming processes, Journal of Materials Processing Technology, Vol 0, 008, pp 85 8