مطالعه و آزمایش فرآیند شکل دهی با استفاده از پرتو لیزر در ورقهای آلومینیوم به ضخامت های مختلف

مکانیک
دانلود پایان نامه کارشناسی ارشد مهندسی مکانیک گرایش ساخت و تولید مطالعه و آزمایش فرآیند شکل دهی با استفاده از پرتو لیزر در ورقهای آلومینیوم به ضخامت های مختلف چکیده: فرآیند شکل‌دهی با لیزر، به‌خصوص در سال‌های اخیر، به‌طور گسترده‌ای موردتوجه قرار گرفته است. در این فرآیند، با تابش پرتو لیزر بر سطح ورق، که با ایجاد یک گرمایش موضعی سریع و متعاقب آن سرمایش ناحیه‌ حرارت‌دیده همراه است، شکل‌دهی انجام می‌شود. هرچند، نحوه توزیع دمایی القا شده بر اثر تابش پرتو لیزر در قطعه، مشخص‌کننده‌ نوع مکانیزم شکل‌دهی است. بسته به انتخاب اندازه‌ پارامترهای تاثیرگذار بر فرآیند، مکانیزم و نحوه‌ تغییرشکل ورق متفاوت می‌باشد. در این رابطه، سه مکانیزم گرادیان دمایی، کمانش و کوتاه‌کردن معرفی شده است.درراستای اهداف این پایان نامه، مطالعه اثر پارامترهای مختلف بر زاویه خمش، پیش بینی شده و مورد بررسی قرار می گیرد. سپس خمش ورقهای فلزی با استفاده از پرتو لیزر به صورت کوپل حرارتی – مکانیکی در نرم افزار اجزای محدود ABAQUS مدلسازی شده و شبیه سازی با تغییر پارامترهایی از قبیل قطر پرتو،سرعت عبور پرتو، ضخامت ورق، توان لیزر و تعداد پاس مورد بررسی قرار گرفته است. ادامه پژوهشهای انجام گرفته به صورت تجربی بوده و براساس طراحی آزمایش ارائه شده، پنج پارامتر(توان لیزر، سرعت عبور پرتو لیزر، قطر اشعه،ضخامت ورق، تعدادپاس) از پارامترهای موثردر فرآیند بررسی شده است. سپس جهت ارزیابی، تاثیر توان لیزر، سرعت عبور پرتو لیزر و ضخامت ورق و تعداد پاس بر روند افزایش زاویه خمش به وسیله دیاگرامها و نمودارها به کمک نرم افزار Design Expert بررسی شده است. مطالعه بعدی، به تاثیر زمان توقف یا مدت زمان سرمایش بین پاسها می پردازد.نتایج بررسی ها نشان داد که از میان متغیرهای یاد شده، تعداد پاس و توان لیزر رابطه مستقیم و ضخامت ورق، قطر پرتو و سرعت اسکن به ترتیب رابطه عکس با زاویه نهایی خم دارد. واژگان کلیدی: روش المان محدود مکانیزم‌های شکل‌دهی تاثیر پارامترهای فرآیندی فرآیند شکل‌دهی با استفاده از لیزر فهرست مطالب فصل 1 1 1-1- مقدمه 2 1-2- انواع فرآیندهای شکل‌دهی 2 1-2-1- فرآیندهای خم‌کاری 3 1-2-1-2- خم‌کاری ترمومکانیکی3 1-3- فرآیند شکل‌دهی با لیزر 4 1-4- مزایای شکل دهی با استفاده از پرتو لیزر6 1-5- موارد کاربرد فرآیند شکل دهی با لیزر.6 1-6- نگاهی گذرا بر پژوهش‌های پیشین 8 1-7- روش اجزای محدود 11 1-8- شبیه سازی فرآیندشکل دهی با لیزر به روش المان محدود 12 1-9 - اهداف پایان نامه.11 1 -10- ساختار این پایان نامه 14 فصل 2 13 2-1- مقدمه.14 2-2- طبقه بندی فرآیند شکل دهی با لیزر.14 2-2-1- شکل دهی دو بعدی با لیزر14 2-2-2- شکل دهی سه بعدی با لیز.15 2-3- مکانیزم های شکل دهی با لیزر15 2-3-1- مکانیزم گرادیان دمایی 18 2-3-2- مکانیزم کمانش 20 2-3-3- مکانیزم کوتاه کردن 21 2-4- مدلهای تحلیلی برای پیشبینی مقدار تغییرشکل 23 2-4-1- مکانیزم گرادیان دمایی 23 2-4-2- مکانیزم کمانش 25 2-5- مطالعه روش های تجربی بررسی فرآیند شکل دهی با لیزر22 2-5- مقدمه 25 2-5-1- پارامترهای انرژی لیزر 25 2-5-2- پارامترهای فیزیکی 27 2-5-3- مشخصه‌های هندسی ورق 28 2-6- اثر شرایط گیرهبندی بر مقدار زاویه خم 29 2-6-1- گیره‌بندی از نوع یک سرگیردار 29 2-6-2- گیره‌بندی از نوع V شکل 32 2-7- نتیجه‌گیری32 2-8- پیشنهادهایی برای ادامه‌ کار 36 فصل3- روش انجام شبیه سازی عددی فرآیند34 3-1- مقدمه.35 3-2- تعریف مساله.35 3-3- مدل اجزای محدود36 3-3-1- ترسیم هندسه مدل36 3-3-2- تعریف مشخصات ماده37 3-3-3- اعمال شرایط مرزی37 3-3-3-1- شرایط مرزی حرارتی38 3-3-3-2- شرایط مرزی مکانیکی38 3-3- 4- بارگذاری حرارتی39 3-3-5- شبکه بندی مدل.39 3-4-تحلیل اجزای محدود فرآیند40 3-4-1- کانتور توزیع دمایی ورق.40 3-4-2- کانتور جابجایی ورق45 فصل 4- روش انجام آزمایش های تجربی50 4-1- مقدمه51 4-2- تجهیزات آزمایش51 4-2-1- فرآیند شکل دهی با استفاده از لیزر51 4-2-1-1- آزمایش های اولیه و استفاده از ورق های بدون پوشش51 4-2-1-2- آزمایش های تجربی روی ورق های پوشش داده شده52 4-2-2- فرآیند شکل دهی با لیزر به همراه نیروی کمکی.55 فصل 5- انجام آزمایش تجربی و شبیه سازی عددی و استخراج نتایج آن58 5-1- مقدمه59 5-2- طراحی آزمایش59 5-3- طراحی آزمایش به روش عاملی.59 5-4- طراحی آزمایش به روش رویه پاسخ60 5-4-1- طراحی ترکیب مرکزی61 5-5- آزمایش های تجربی.62 5-5-1- طراحی آزمایش به روش ترکیب مرکزی62 5-5-2- انتخاب مدل برازش.64 5-5-3- تاثیر پارامترهای فرآیند66 5-5-4- تحلیل واریانس نتایج آزمایش.72 5-5-5- تعیین رابطه نهایی زاویه خمش.74 5-6- صحت سنجی شبیه سازی عددی فرآیند75 5-6-1- مقایسه نتایج تجربی و عددی.75 5-7- شبیه سازی عددی78 5-7-1- طراحی آزمایش به روش عاملی78 5-7-2- انتخاب مدل برازش85 5-7-3- تاثیر پارامترهای فرآیند86 5-7-4- تحلیل واریانس نتایج شبیه سازی89 5-7-5- تعیین رابطه نهایی زاویه خمش92 5-8- وقوع خمش منفی.93 5-9- فرآیند شکل دهی با لیزر به همراه نیروی کمکی.94 5-10- بررسی عددی تاثیر برخی از متغیرهای آزمایش.96 5-10-1- اثر نرخ تغذیه.96 5-10-2- اثر مقدار زمان توقف در شکل دهی چند پاسه با لیزر.97 5-10-3- بررسی نوع استراتژی اسکن پرتو.99 فصل 6- نتیجه گیری و پیشنهاد.102 6-1- نتیجه گیری.103 6-2- پیشنهادهایی برای ادامه کار.104 مراجع105 فهرست جدول‌ها جدول 2-1 : مکانیزم‌های فرآیند شکل‌دهی با استفاده از پرتو لیزر. 20 جدول 3-1: مشخصات فیزیکی و مکانیکی آلومینیوم در محدوده دمایی 204.4-37.8 37 جدول 3-2 : مشخصات فیزیکی و مکانیکی آلومینیوم در محدوده دمایی 426.7-260 37 جدول 4-1 : ضریب جذب چند ماده به ازای دو طول موج مختلف لیزر52 جدول 4-2 : مشخصات لیزر مورد استفاده درآزمایشهای تجربی53 جدول5-1 : عامل های مورد بررسی و سطوح آن63 جدول 5-2 : داده های آزمایش صورت گرفته با اعمال ترتیب تصادفی.63 جدول 5-3 : مدلهای رایج برازش65 جدول 5-4 : مجموع مربعات مدلها.65 جدول 5-5 : بررسی کلی مدلها66 جدول 5-6 : تحلیل واریانس مدل 2FI استفاده شده74 جدول 5-7 : عامل های مورد بررسی و سطوح آن78 جدول 5-8 : داده های حاصل از شبیه سازی عددی فرآیند.78 جدول 5-9 : فهرست توابع تبدیل توانی رایج85 جدول 5-10 : تحلیل واریانس مدل 2FI.91 جدول 5-11 : مقادیر کدبندی شده عامل A 92 فهرست شکل‌ها شکل 1-1 : طبقه‌بندی فرآیندهای شکل‌دهی 2 شکل 1-2 : فرآیند شکل‌دهی با لیزر به‌منظور ایجاد خم مستقیم ساده 4 شکل 1-3 : تاریخچه‌ فرآیند شکل‌دهی با لیزر .5 شکل 2-1: نمونه ای از شکل دهی دو بعدی ورقهای فلزی با لیزر.14 شکل 2-2: نمونه ای از شکل دهی سه بعدی ورقهای فلزی با لیزر. 15 شکل 2-3 : مراحل فرآیند شکل‌دهی با لیزر توسط مکانیزم گرادیان دمایی .17 شکل 2-4 : مراحل فرآیند شکل‌دهی با لیزر توسط مکانیزم کمانش 19 شکل 2-5 : مراحل فرآیند شکل‌دهی با لیزر توسط مکانیزم کوتاه کردن 20 شکل 2-6 : نیروها و ممان‌ها در مدل دولایه‌ای ولرتسن 22 شکل 2-7 :اثر پارامترهای لیزر 24 شکل 2-8 : تاثیر شاخص اثرگرمایی بر زاویه خم 25 شکل 2-9 : تاثیر پارامترهای هندسی ورق بر زاویه خم 26 شکل 2-10 : گیره‌بندی یک سرگیردار 26 شکل 2-11 : شمایی از هندسه‌ پرتو تابشی در شرایط گیره‌بندی یک سرگیردار 27 شکل 2-12 : اثر زاویه‌ خم بر مساحت پرتو تابشی 28 شکل 2-13 : انرژی موثر تابشی به‌ازای افزایش زاویه‌ خم 29 شکل 2-14 : گیره‌بندی V‌شکل 29 شکل 2-15 : شمایی از هندسه‌ پرتو تابشی در شرایط گیره‌بندی ساده 30 شکل 2-16 : اثر زاویه‌ خم بر مساحت پرتو تابشی 31 شکل 2-17 : انرژی موثر تابشی به‌ازای زاویه‌ خم .31 شکل 3-1: مدل ترسیم شده در نرم افزار36 شکل 3-2 : گیره بندی ورق به شیوه یک سر گیردار.38 شکل 3-3 : اعمال بار حرارتی در یک مرحله از حرکت گسسته پرتو.39 شکل 3-4 : شبکه بندی ترکیبی مدل40 شکل 3-5 : کانتور توزیع دمایی ورق آلومینیوم در نرم افزارABAQUS 45 شکل 3-6 : کانتور جابجایی ورق آلومینیوم در نرم افزارABAQUS.49 شکل 4-1 : نمونه های آزمایش ورق آلومینیوم.53 شکل 4-2 : پوشش دهی گرافیتی ورق آلومینیوم53 شکل 4-3 : دستگاه لیزر مورد استفاده در آزمایش تجربی54 شکل 4-4 : ورقهای آلومینیوم در حین فرآیند شکل دهی با لیزر54 شکل 4-5 : دستگاه اندازه گیری CMM 55 شکل 4-6 : شکل مجموعه قید ساخته شده56 شکل 4-7 : مدار هیدرولیکی مکانیزم اعمال نیروی خارجی.56 شکل 4-8 : دستگاه لیزر مورد استفاده در آزمایش تجربی.57 شکل 4-9 : قطعه خم شده .57 شکل 5-1 : نقاط طراحی در روش طراحی ترکیب مرکزی.62 شکل 5-2 : رابطه بین عوامل ورودی و پاسخ.68 شکل 5-3 : دیاگرام دوتایی عوامل متغیر بر زاویه خمش.71 شکل 5-4 : نمودار احتمال نرمال مقادیر باقیمانده72 شکل 5-5 : نمودار مقادیر باقیمانده در برابر مقادیر برازش یافته73 شکل 5-6 : نمودار مقادیر باقیمانده مدل به شماره آزمایش.75 شکل5-7 : مقایسه مقادیر تجربی و نتایج شبیه سازی ( نمودارهای الف تا ت).77 شکل 5-8 : نمودار باکس کاکس86 شکل 5-9 : رابطه بین عوامل ورودی و پاسخ ( شکلهای الف تا ت ) 89 شکل 5-10 : نمودار احتمال نرمال مقادیر باقیمانده.90 شکل 5-11 : نمودار مقادیر باقیمانده در برابر مقادیر برازش یافته.90 شکل 5-12 : نمودار مقادیر پیش بینی شده به مقادیر واقعی آزمایش93 شکل5-13: جابجایی لبه آزاد ورق.94 شکل 5-14 : جابجایی لبه آزاد ورق در فرآیندهای شکل دهی با / بدون نیروی کمکی.95 شکل5-15 : زاویه خم ورق در فرآیند های شکل دهی با / بدون نیروی کمکی96 شکل 5-16: نمودار جابجایی لبه آزاد به ازای نرخ تغذیه.97 شکل 5-17 : نمودار زاویه خمش به ازای مدت زمان توقف98 شکل 5-18 : نمودار بیشینه دمای ورق به ازای مدت زمان توقف.99 شکل 5-19 : استراتژی های مختلف اسکن پرتو لیزرa)) مستقیم b)) متناوب c)) خط چینی100 شکل 5-20 : جابجایی لبه آزاد ورق در حین فرآیند به ازای استراتژی متفاوت اسکن101 شکل 5-21: توزیع دمایی قطعه در راستای خط اسکن101