عنوان:
مطالعه تجربی و شبیه سازی فرآیند خم­کاری لوله جدار نازک به روش هیدروفرمینگ و تولید لوله جدار نازک
استادان راهنما:
دکتر عبدالحمید گرجی
دکتر محمد بخشی
 

(در فایل دانلودی نام نویسنده موجود است)

تکه هایی از متن پایان نامه به عنوان نمونه :

(ممکن است هنگام انتقال از فایل اصلی به داخل سایت بعضی متون به هم بریزد یا بعضی نمادها و اشکال درج نشود ولی در فایل دانلودی همه چیز مرتب و کامل است)

چکیده:

لوله ­های خم­کاری شده جدار نازک کاربرد بسیار وسیعی در صنایع فضایی، هواپیماسازی، خودروسازی و دیگر صنایع دارد. مساله کاهش وزن و کاهش فضای اشغال شده توسط لوله­ها سبب شده است تا این قطعات با شعاع خم کوچک شکل­دهی شوند. خم­کاری لوله با شعاع خم کوچک نیازمند به کارگیری روش­های نوین خم­کاری می­باشد، زیرا با کاهش شعاع خم­کاری امکان ایجاد عیوب چین خوردگی در شعاع داخلی خم، نازک شدگی بیش از حد جداره بیرونی لوله، تغییر شکل سطح مقطع و مانند آنها افزایش می­یابد.

یکی از روش­هایی که برای خم­کاری لوله ­های جدار نازک با شعاع­های خم کوچک مورد استفاده قرار می­گیرد، خم­کاری به روش هیدروفرمینگ است. این روش در مقایسه با سایر روش­های خم­کاری لوله دارای مزایای بسیار زیادی مانند بهبود کیفیت سطحی، کاهش تغییرات ضخامت، افزایش استحکام و کاهش هزینه، به خصوص در مورد قطعات پیچیده، می باشد. در این پژوهش ابتدا لوله­های انتها بسته بدون درز به وسیله فرآیندهای کشش عمیق و اتوکاری تولید گردیده است.سپس، فرآیند خم­کاری این لوله با نسبت­ شعاع خم به قطر (R/D) برابر 1 توسط فرآیند جدید خم هیدروفرمینگ به صورت تجربی و شبیه­سازی مورد تجزیه و تحلیل قرار گرفت. پس از بررسی مسیر فشار، مسیر فشاری که در آن لوله بدون چروکیدگی به طور کامل شکل قالب را به خود می­گیرد، بدست آمد. بعلاوه، اثر تغییرات فشار بر توزیع ضخامت لوله در شعاع داخلی و شعاع خارجی ناحیه خم لوله مورد بررسی قرار گرفت. در این پژوهش، نحوه شکل­ گیری لوله در نسبت­های (R/D) ثابت با تغییر همزمان شعاع خم و قطر لوله و نحوه شکل­ گیری لوله در نسبت­های (R/D) متغیر کمتر از یک در قطر لوله ثابت با یکدیگر مقایسه شد. همچنین اثر ضریب اصطکاک میان قالب و دیواره لوله نیز مورد بررسی قرار گرفت.

کلیات

1-1- مقدمه

امروزه لوله­ های خمیده کاربرد بسیار گسترده­ای در صنایعی نظیر هواپیماسازی، خودرو، نفت و گاز، اسباب و اثاثیه منزل، سازه ­های مکانیکی و غیره جهت انتقال سیال، سازه بدنه و غیره دارد. قطعات لوله­ای از نسبت استحکام به وزن بالایی برخوردار هستند و به همین دلیل در صنایع به صورت وسیعی به کار گرفته می­شوند. در شکل (‏1‑1) چند نمونه از کاربردهای قطعات خم لوله نشان داده شده است.

در گذشته انجام عملیات خم­کاری لوله یک هنر تلقی می­شد و نوعا توسط افراد ماهر و با تجربه صورت می­گرفت. در چند دهه اخیر تحقیقات گسترده­ای در خم­کاری لوله­ها به منظور ایجاد دانش پایه در این زمینه صورت گرفته است. به کمک کارهای تجربی، تحلیل­های تئوری و شبیه­سازی عددی درک بهتری از نحوه تغییر شکل لوله در حین خم­کاری فراهم شده است.

روش­های مختلفی جهت خم­کاری لوله­ها وجود دارد. هر یک از این روش­ها با توجه به نوع و کیفیت خمی که می­توان تولید کرد دارای کاربردها و محدودیت­هایی می­باشند. انواع روش­های خم­کاری لوله شامل خم­کاری برشی[1]، خم­کاری کششی دورانی[2]، خم­کاری تحت فشار[3]، خم­کاری کوبه­ای[4]، خم­کاری فشاری[5]، خم­کاری غلتکی[6] و خم­کاری به روش هیدروفرمینگ[7] می­باشند. انتخاب روش خم­کاری بستگی به کیفیت خم، تعداد تولید، جنس لوله، شعاع نسبی خم (R/D)، قطر نسبی لوله (D/t) و دقت مورد انتظار دارد که در آن ها D قطر خارجی، t ضخامت و R شعاع خط مرکزی خم می­باشد]2[. در موتور هواپیماها، قطعات لوله­ای با شعاع خم کوچک با استحکام بالا به صورت فراوان به کار گرفته می­شوند. شعاع خم این قطعات لوله­ای در برخی موارد در حدود قطر خارجی آن­ها می­باشد که در بسیاری از موارد تولید آن­ها با روش­های رایج خم­کاری لوله­ها مشکل است. در این موارد لازم است روش­های جدیدی جهت تولید خم با کیفیت مطلوب مورد استفاده قرار گیرند. یکی از این روش­ها، خم­کاری به روش هیدروفرمینگ است که در آن خم­کاری تحت فشار داخلی سیال انجام می­گیرد. این روش در مقایسه با سایر روش­های خم­کاری لوله­ها دارای مزایایی مانند دقت بالا، تولید خم با کیفیت خوب و کمترین تغییرات ضخامت دیواره، بهبود مقاومت و سختی، کاهش ضایعات و کاهش هزینه با توجه به کاهش نیروی کار، تجهیزات و مصرف انرژی می­باشد]3[.

2-1- تعریف ها و پارامترهای خم کاری

در شکل (‏1‑2) پارامترهای خم­کاری لوله نشان داده شده است. هر یک از این پارامترها را می­توان به صورت زیر تعریف نمود ]4[.

– سطح خمش: سطحی که از شعاع خط مرکزی لوله (شعاع خم) عبور می­ کند و عمود بر جهت چرخش خم می­باشد.

– خط مرکزی لوله (CL): خط ممتدی که هر نقطه واقع در مرکز سطح مقطع لوله را به هم وصل می­ کند.

– دیواره خارجی خم[1]: کمان/لبه بیرونی خم می­باشد.

– دیواره داخلی خم[2]: کمان/لبه داخلی خم می­باشد.

شعاع خط مرکزی (CLR): فاصله بین مرکز چرخش خم و خط مرکزی لوله می­باشد که شعاع خم نیز نامیده می­شود. در صنعت خم­کاری معمولا شعاع خم بر حسب ضریبی از قطر خارجی لوله (OD) و به صورت mD بیان می­شود.

– انحنای خم: عکس شعاع خط مرکزی را انحنای خم می­گویند.

– قطر لوله: هرگاه قطر لوله به تنهایی به کار می­رود منظور قطر خارجی می­باشد.

3-1- روش های خم کاری لوله

روش­های زیادی برای خم­کاری لوله وجود دارد. در این بخش در مورد برخی از روش­های خم­کاری لوله­ها بحث خواهد شد. هر یک از این روش­ ها دارای کاربردها و محدودیت­هایی از لحاظ نوع خم، حداکثر زاویه خمی که می ­تواند ایجاد کند، هزینه­ های تولید و کیفیت خم می­ باشد. در ادامه به روش­های مختلف خم­کاری اشاره شده است.

1-3-1- خم­کاری هیدروفرمینگ 

خم­کاری به روش هیدروفرمینگ از جمله روش­های خم­کاری است که اخیرا مورد توجه قرار گرفته است. از جمله مزیت­های این روش امکان تولید خم­های کوچک حتی کمتر از  قطر خارجی لوله، تولید خم با تغییرات ضخامت کم و تغییر سطح مقطع (بیضی شدن) ناچیز می­باشد. قطعات خم­کاری که در موتور هواپیماها و سفینه­های فضایی بکار می­روند باید هم فضای کمی اشغال کنند و هم از کیفیت و استحکام بالایی برخوردار باشند. برای اینکه این قطعات فضای کمی اشغال کنند لازم است که خم­کاری با شعاع کوچک انجام شود. برای دست­یابی به کیفیت و استحکام مناسب باید از یک روش خم­کاری مناسب استفاده کرد. با خم­کاری به روش هیدروفرمینگ می­توان خم­هایی که این ویژگی­ها را دارند تولید نمود]3[.

پروفیل خم مورد استفاده در قالب خم­کاری هیدروفرمینگ، پروفیل خمی مشابه با شکل نهایی خم مورد نظر است که در آن فشار سیال به سطح داخلی لوله اعمال می­شود و سبب می­شود که لوله بطور کامل شکل پروفیل خم قالب را به خود بگیرد. در شکل (‏1‑3) شماتیک این فرآیند مشاهده می­شود.

در این روش، ابتدا لوله داخل قالب قرار داده می­شود. سپس با اعمال سیال در محفظه لوله، فشار سیال سبب شکل گیری بهتر لوله در داخل قالب می­شود.

2-3-1- خمکاری فشاری

خم­کاری فشاری بیشتر برای تولید خم­های با شعاع کم در لوله­های جدار نازک استفاده می­شود. از جمله مزیت­های این روش امکان تولید خم­های کوچک در حدود قطر خارجی لوله، تولید خم با تغییرات ضخامت کم، تغییر سطح مقطع (بیضی شدن) کم و تجهیزات ارزان­تر در مقایسه با سایر روش­های خم­کاری لوله می­باشد.

قالب خم مورد استفاده در این روش خم­کاری دارای پروفیل خمی مشابه با شکل نهایی خم مورد نظر می­باشد. پس از خم­کاری شکل پروفیل خم در لوله ایجاد می­گردد. در داخل لوله از مندرل لاستیک مانند استفاده می­شود که تحت شرایط فشاری مشابه سیال رفتار می­ کند. بین لوله و مندرل باید مقداری لقی در نظر گرفته شود تا در انتهای خم­کاری بتوان به راحتی آن را از داخل لوله خارج نمود. موادی مانند یورتان[1]، رزین اپوکسی ریخته­گری[2]، لاستیک طبیعی[3] و لاستیک مصنوعی[4] جهت استفاده به عنوان مندرل مناسب می­باشند. این مواد خاصیت الاستیکی بالایی دارند و بعد از خم­کاری و برداشتن فشار از روی آنها به شکل اولیه خود باز می­گردند و به راحتی می­توان آنها را از داخل لوله خارج نمود. فشار داخلی ایجاد شده در لوله باعث می­شود لوله در حین خم­کاری در تماس با سطح داخلی قالب باقی بماند و در نتیجه از بیضی شدن سطح مقطع لوله جلوگیری می­شود. علاوه بر این، تامین فشار لازم برای جلوگیری از چروکیدگی در شعاع داخلی خم ضروری می­باشد ]6[.

  در روش خم­کاری فشاری ابتدا مندرل لاستیکی در داخل لوله قرار داده می­شود. سپس مجموعه لوله و مندرل در داخل راهنمای لوله قرار گرفته و توسط سنبه جلویی به مندرل فشار وارد می­شود. این فشار تا پایان عملیات خم­کاری ثابت باقی می­ماند. فشار وارد شده به مندرل موجب افزایش قطر آن می­گردد و در نتیجه به سطح داخلی لوله فشار اعمال می­شود. در انتها لوله و مندرل توسط سنبه به داخل قالب رانده می­شوند و در نتیجه لوله شکل پروفیل را به خود می­گیرد. بعد از خم­کاری، فشار از روی مندرل برداشته می­شود و دو کفه قالب باز شده و لوله و مندرل از داخل قالب خارج می­شوند.

پارامترهای تاثیر گذار بر شکل نهایی لوله شامل فشار داخلی، شرایط اصطکاکی بین لوله و قالب و نیز بین لوله و مندرل، شکل اولیه لوله، ابعاد و خواص مکانیکی لوله، سرعت سنبه و غیره می­باشد. انتخاب مناسب هر یک از این پارامترها در کیفیت خم تولید شده موثر خواهد بود. در شکل (‏1‑4)

 

شماتیک این فرآیند مشاهده می­شود ]7[.

استفاده از روش­های خم­کاری فشاری در مواردی که تعداد تولید پایین باشد بسیار سودمند می­باشد زیرا با هزینه کم می­توان تجهیزات خم­کاری آن را تولید کرد و علاوه بر این دقت قطعات خم­کاری در این روش بالا می­باشد. بنابراین می­توان نتیجه گرفت برای تولید خم (بویژه خم­های با شعاع کوچک) در تعداد کم و با دقت، مناسب­ترین گزینه روش خم­کاری فشاری می­باشد.

روش خم­کاری فشاری برای خم­های با زاویه بین 15 تا 120 درجه، شعاع­های خم از 20 تا 160 میلی­متر و ضخامت لوله در حدود 5/0 تا 2 میلی­متر مناسب می­باشد ]8[.

3-3-1- خم­کاری کششی دورانی

خم­کاری کششی دورانی یکی از روش­های بسیار رایج خم­کاری لوله و پروفیل می­باشد که روی ماشین­های خم­کاری کششی دورانی انجام می­شود. این ماشین­ها با نیروی هیدرولیکی، پنوماتیکی یا مکانیکی الکتریکی کار می­ کنند و ممکن است به صورت دستی یا ماشین کنترل عددی[1] کنترل شوند. اجزای اصلی قالب شامل قالب خم[2]، قالب فشاری[3]، قالب نگهدارنده[4]، قالب جاروب کن[5] و مندرل[6] می­باشند. تمامی این اجزا در شکل (1-5) نشان داده شده است.

در روش خم­کاری کششی دورانی، لوله از یک انتها توسط گیره به قالب دورانی مقید می­شود. سپس توسط یک بازویی، مندرل به درون لوله هدایت می­شود. با چرخش قالب دورانی، لوله روی قالب فشاری کشیده شده و به داخل قالب خم هدایت می­شود. چرخش قالب دورانی به اندازه­ای است که زاویه خم مورد نظر در لوله ایجاد می­شود. قالب فشاری می ­تواند ثابت یا متحرک باشد و در صورت متحرک بودن توسط یک جک به سمت جلو  یا به سمت عقب حرکت می­ کند. سطوح گیره را به صورت آج­دار می­سازند تا بیشترین اصطکاک را به منظور محکم گرفتن لوله فراهم آورد. سطوح قالب فشاری، مندرل و قالب جاروب کن باید کاملا پرداخت باشند چون موقع خمکاری در تماس با سطح لوله حرکت می­ کنند. شکل (‏1‑5) شماتیک روش خم­کاری کششی را نشان می دهد.

در روش خم­کاری کششی دورانی، قالب فشاری با ایجاد فشار به لوله در شعاع بیرونی خم، از نازک شدن بیش از حد لوله جلوگیری می­ کند. این عمل، در خم­کاری با زاویه خم بزرگ و شعاع خم کوچک بسیار مفید خواهد بود. مندرل همراه با قالب جاروب کن برای جلوگیری از چین خوردگی و خراب شدن سطح مقطع لوله ممکن استفاده شود ولی استفاده از مندرل در حد امکان باید پرهیز شود زیرا هزینه های تولید را افزایش می­دهد.

در این روش امکان کنترل جریان ماده وجود دارد. بنابراین می­توان از آن برای خم­کاری لوله­های جدار نازک و شعاع خم های کوچک استفاده نمود. برای ضخامت­های کمتر از 4/0 میلی­متر نباید از این روش استفاده نمود زیرا ابزار بندی در این حالت بسیار پیچیده خواهد بود ]4[.

[1] Computer Numerical control

[2] Bend Die

[3] Pressur Die

[4] Clamp Die

[5] Wiper Die  

[6] Mandrel  

[1] Urethane Rubber

[2] Cast Epoxy Resin

[3] Natural Rubber

[4] Synthetic Rubber

[1] Extrados

[2] Interados

[1] Shear Bending  

[2] Rotary Draw Bending

[3] Pressure Bending

[4] Ram Bending

[5] Push Bending

[6] Roll Bending

[7] Hydro Bending