خم کاری فشاری لوله به روش شکل‌دهی هیدرولیکی و ارزیابی پارامترهای موثر بر آن

مکانیک
دانلود پایان نامه کارشناسی ارشد مهندسی مکانیک گرایش ساخت تولید خم کاری فشاری لوله به روش شکل‌دهی هیدرولیکی و ارزیابی پارامترهای موثر بر آن چکیده لوله های خم کاری شده جدار نازک کاربرد بسیار وسیعی در صنایع فضایی، هواپیماسازی، خودروسازی و دیگر صنایع دارد. مساله کاهش وزن و کاهش فضای اشغال شده توسط لوله ها سبب شده است تا این قطعات با شعاع خم کوچک شکل دهی شوند. خم کاری لوله با شعاع خم کوچک نیازمند به کارگیری روش های نوین خم کاری می باشد، زیرا با کاهش شعاع خم کاری 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 می یابد. یکی از روش هایی که برای خم کاری لوله های جدار نازک با شعاع های خم کوچک مورد استفاده قرار می گیرد، خم-کاری به روش هیدروفرمینگ است. این روش در مقایسه با سایر روش های خم کاری 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 لوله های انتها بسته بدون درز به وسیله فرآیندهای کشش عمیق و اتوکاری تولید گردیده است. سپس، فرآیند خم کاری این لوله با نسبت شعاع خم به قطر (R/D) برابر 1 توسط فرآیند جدید خم هیدروفرمینگ به صورت تجربی و شبیه-سازی 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 می گیرد، 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 نسبت های (R/D) ثابت با تغییر همزمان شعاع خم و قطر لوله و نحوه شکل گیری لوله در نسبت های (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. کلمات کلیدی: فشار داخلی خم کاری لوله هیدروفرمینگ لوله شبیه‌سازی اجزای محدود فهرست مطالب 1 کلیات 1 1-1- مقدمه 2 1-2- تعریف ها و پارامترهای خم کاری 4 1-3- روش های خمکاری لوله 5 1-3-1- خم کاری هیدروفرمینگ 5 1-3-2- خم کاری فشاری 6 1-3-3- خم کاری کششی دورانی 8 1-3-4- خم کاری تحت فشار 10 1-3-5- خم کاری کوبهای 11 1-3-6- خم کاری غلتکی 12 1-4- عیوب خم کاری لوله 14 1-4-1- برگشت فنری 14 1-4-2- چین خوردگی 15 1-4-3- عدم گردی (بیضوی شدن) سطح مقطع 16 1-4-4- تغییرات ضخامت 17 1-4-5- پارگی 18 1-5- مراحل انجام پژوهش 18 فصل دوم 19 2 مروری بر پژوهش های انجام شده 19 2-1- مقدمه 20 2-2- پژوهش های انجام شده پیرامون خم کاری لوله 20 2-3- اهداف پژوهش 43 فصل سوم 3 مراحل آزمایشگاهی 45 3-1- مقدمه 45 3-2- معرفی تجهیزات استفاده شده در آزمایش ها 45 3-2-1- دستگاه آزمایش 45 3-2-2- قالبهای استفاده شده 48 1-1-1-1- قالب کشش عمیق 48 1-1-1-2- قالب اتوکشی 50 1-1-1-3- قالب خم کاری 52 3-2-3- سیستم تامین فشار 53 3-2-4- سیال هیدرولیکی 55 3-2-5- وسایل اندازه گیری 56 3-3- تعیین خواص مکانیکی ورق 56 فصل چهارم 4 شبیه سازی اجزای محدود 59 4-1- مقدمه 60 4-2- مراحل شبیه سازی 60 4-2-1- ایجاد مدل هندسی (Part) 60 4-2-2- تعیین خصوصیات ورق 61 4-2-3- مونتاژ قطعات 62 4-2-4- مراحل شکل دهی 62 4-2-5- تعیین تماس بین سطوح 63 4-2-6- شرایط مرزی و بارگذاری 64 4-2-7- المان بندی 65 4-2-8- تحلیل فرآیند 65 فصل پنجم 5 نتایج و بحث 67 5-1- مقدمه 68 5-2- بررسی تاثیر تغییرات فشار داخلی لوله 68 5-2-1- بررسی تاثیر تغییرات فشار داخلی لوله بر شکل-گیری لوله 68 5-2-2- بررسی تاثیر تغییرات فشار داخلی لوله بر توزیع ضخامت دیواره داخلی و خارجی 74 5-3- بررسی اثر تغییرات ضریب اصطکاک میان قالب و لوله بر تغییرات ضخامت لوله 79 5-4- بررسی اثر فشار شکل گیری لوله در نسبتهای شعاع قالب به قطر لوله (R/D) ثابت و مقایسه تغییرات ضخامت لوله در دیواره داخلی و خارجی 86 5-4-1- نسبت های شعاع قالب به قطر لوله (R/D) برابر 1 86 5-4-2- نسبت های شعاع قالب به قطر لوله (R/D) برابر 8/0 90 5-4-3- نسبت های شعاع قالب به قطر لوله (R/D) برابر 6/0 94 5-5- بررسی اثر تغییرات نسبت شعاع قالب به قطر لوله (R/D) متغیر در یک قطر لوله ثابت، بر فشار شکل-دهی لوله و تغییرات ضخامت لوله در دیواره داخلی و خارجی 97 6 نتیجه گیری و پیشنهادها 106 6-1- مقدمه 107 6-2- نتیجه گیری 107 6-3- پیشنهادها 109 7 مراجع 111 فهرست شکل‌ها شکل ‏1 1، چند نمونه از کاربردهای قطعات خم لوله]1[. 2 شکل ‏1 2، پارامترهای رایج در خم کاری لوله ]4[. 4 شکل ‏1 3، شماتیک فرآیند خم کاری هیدروفرمینگ لوله ]5[. 6 شکل ‏1 4، شماتیک فرآیند خم کاری فشاری لوله [7]. 8 شکل ‏1 5، شماتیک فرآیند خم کاری کششی دورانی لوله ]9[. 9 شکل ‏1 6، شماتیک فرآیند خمکاری تحت فشار الف- قبل از خم کاری، ب- پس از خم کاری ]11[. 11 شکل ‏1 7، شماتیک فرآیند خم کاری کوبه ای، الف- قبل از خم کاری، ب- پس از خم کاری]11[. 12 شکل ‏1 8، شماتیک فرآیند خم کاری غلتکی با سه غلتک]11[. 13 شکل ‏1 9، برگشت فنری ]11[. 15 شکل ‏1 10، چین خوردگی در لوله در شعاع داخلی خم ]12[. 15 شکل ‏1 11، خرابی سطح مقطع لوله بر اثر خمکاری (تخت شدن در شعاع بیرونی و بیضی شدن) ]11[. 17 شکل ‏1 12، تغییرات ضخامت لوله در خمکاری]11[. 17 شکل ‏2 1، شکل دهی خم کاری فشاری لوله، الف- قبل از انجام فرآیند، ب- پس از انجام فرآیند[13]. 21 شکل ‏2 2، شکل دهی لوله در پارامترهای مختلف[13]. 21 شکل ‏2 3، اثر میزان تغییرات ضخامت دیواره داخلی و خارجی در شعاع خم مختلف[13]. 21 شکل ‏2 4، اثر میزان تغییرات ضخامت دیواره در دو جنس آلومینیوم و فولاد[13]. 22 شکل ‏2 5، اثر میزان تغییرات ضخامت دیواره در با ضریب اصطکاک مختلف[13]. 22 شکل ‏2 6، نتایج حاصل از پژوهش کمی و همکاران [14]. 23 شکل ‏2 7، نتایج حاصل از پژوهش یانگ و همکاران [15]. 24 شکل ‏2 8، نتایج حاصل از پژوهش هی یانگ و یانگ لین [17]. 26 شکل ‏2 9، نتایج حاصل از پژوهش وانگ و همکاران [5]. 28 شکل ‏2 10، نتایج حاصل از پژوهش وانگ و آگاروال [18]. 30 شکل ‏2 11، نتایج حاصل از پژوهش فنگ و همکاران [19]. 33 شکل ‏2 12، تغییرات ماکزیمم تنش مماسی نمونه در مندرل با قطرهای الف- mm2/34، ب- mm 35، ج- mm6/35]20.[ 34 شکل ‏2 13، شکل ماکزیمم تنش فشاری نمونه در مندرل با قطرهای مختلف]20[. 35 شکل ‏2 14، تغییرات ماکزیمم تنش مماسی نمونه در مندرل با طولهای الف- mm6، ب- mm 8، ج- mm 10 د- mm11]20.[ 36 شکل ‏2 15، تغییرات کرنش پلاستیک معادل در تعداد توپهای الف- 0، ب- 1، ج- 2، د- 3 ]20[. 37 شکل ‏2 16، تغییرات سطح مقطع با تعداد توپهای الف- 0، ب- 1، ج- 2، د- 3] 20[. 37 شکل ‏2 17، شکل تفاوت تنش فشاری در قوس داخلی در قطر مختلف مندرل ] 21[. 38 شکل ‏2 18، فرآیند خمکاری به روش NC ] 21[. 39 شکل ‏2 19، استراتژی برای انتخاب پارامترهای موثر در فرآیند خمکاری با روش NC ] 21[. 39 شکل ‏2 20، اثر لقی میان لوله و قالب جاروبکن] 22[. 40 شکل ‏2 21، اثر لقی میان لوله و مندرل] 22[. 41 شکل ‏2 22، میزان تغییرات سطح مقطع در شعاع خم نرمال] 23[. 42 شکل ‏2 23، میزان تغییرات سطح مقطع در شعاع خم کوچک] 23[. 42 شکل ‏2 24، میزان تغییرات ضخامت در شعاع خم نرمال] 23[. 43 شکل ‏2 25، میزان تغییرات ضخامت در شعاع خم کوچک] 23[. 43 شکل ‏3 1، دستگاه آزمایش اونیورسال (DMG). 47 شکل ‏3 2، الف- شماتیک قالب کشش عمیق مرحله یک، ابعاد به mm، ب- اجزای قالب کشش عمیق مرحله یک. 48 شکل ‏3 3، الف- شماتیک قالب کشش عمیق مرحله دو، ابعاد به mm، ب- اجزای قالب کشش عمیق مرحله دو. 49 شکل ‏3 4، مراحل شکلدهی لوله، I- ورق اولیه، II- کشش عمیق مرحله اول، III- کشش عمیق مرحله دوم، IV- اتوکشی مرحله اول، V- اتوکشی مرحله دوم، VI- اتوکشی مرحله سوم، VII- اتوکشی مرحله چهارم. 49 شکل ‏3 5، الف- شماتیک قالب اتوکشی، ب- مجموعه قالبهای مراحل مختلف اتوکشی. 50 شکل ‏3 6، پارامترهای هندسی لوله در این پژوهش. 51 شکل ‏3 7، الف- شماتیک قرار گیری نمونه در قالب جدید(خم هیدروفرمینگ)، ب- قالب جدید خم هیدروفرمینگ. 53 شکل ‏3 8، مسیر نمونه فشار اعمالی در تحقیق حاضر. 53 شکل ‏3 9، واحد هیدرولیکی تامین فشار اولیه. 54 شکل ‏3 10، مدار هیدرولیکی استفاده شده در قالب کشش عمیق هیدرودینامیکی با فشار شعاعی. 54 شکل ‏3 11، تجهیزات سیستم هیدرولیکی کنترل فشار. 55 شکل ‏3 12، تجهیزات اندازه‌گیری الف- ضخامت سنج مکانیکی، ب- کولیس دیجیتالی. 56 شکل ‏3 13، ابعاد نمونه آزمون کشش مطابق استاندارد ASTM-A370. 57 شکل ‏3 14، دستگاه تست كشش SANTAM. 57 شکل ‏3 15، نمونه‌هایی از قطعات کشیده شده طبق استاندارد ASTM-A370. 58 شکل ‏3 16، نمودار تنش– کرنش حقیقی حاصل از آزمایش کشش. 58 شکل ‏4 1، هندسه اجزای قالب و لوله در نرمافزار شبیه سازی. 61 شکل ‏4 2، مونتاژ اجزای قالب و لوله در شبیهسازی. 62 شکل ‏4 3، شرایط مرزی اعمال شده به ورق و اجزای قالب در شبیه-سازی. 64 شکل ‏5 1، ناحیه‌های بحرانی لوله در فرآیند خم جدید. 69 شکل ‏5 2، لوله شکل داده‌شده بدون فشار سیال. 69 شکل ‏5 3، لوله شکل داده‌شده در فشار MPa10. 70 شکل ‏5 4، لوله شکل داده‌شده در فشار MPa15. 70 شکل ‏5 5، لوله شکل داده شده در فشار MPa20. 71 شکل ‏5 6، لوله شکل داده شده در فشار MPa27. 72 شکل ‏5 7، شکلگیری لوله سالم و بدون عیب در قالب. 73 شکل ‏5 8، منحنی نیروجابجایی لوله خم شده در فشار 20MPa. 73 شکل ‏5 9، الف- مسیر اندازه گیری ضخامت ab و cd ب- ناحیه های مورد بررسی در شعاع داخلی و شعاع خارجی قطعه خم شده. 74 شکل ‏5 10، منحنی توزیع ضخامت لوله در فشار MPa20 الف- شعاع داخلی ب- شعاع خارجی. 76 شکل ‏5 11، منحنیهای توزیع ضخامت الف- دیواره داخلی و ب- دیواره خارجی در فشارهای مختلف، حاصل از شبیهسازی. 77 شکل ‏5 12، درصد کاهش ضخامت در قطعه در فشارهای مختلف الف- شعاع داخلی، ب- شعاع خارجی. 78 شکل ‏5 13، تاثیر ضریب اصطکاک بین جداره قالب و لوله منحنی های توزیع ضخامت الف- دیواره داخلی و ب- دیواره خارجی، حاصل از شبیهسازی، در فشار MPa20. 81 شکل ‏5 14، درصد کاهش ضخامت در قطعه با ضریب اصطکاک های مختلف الف- شعاع داخلی، ب- شعاع خارجی. 82 شکل ‏5 15، منحنی توزیع ضخامت شعاع داخلی لوله در فشارهای الف- MPa10، ب- MPa15، ج- MPa20 با ضریب اصطکاک 1/0 و شعاع خم mm20 و قطر لوله mm20. 84 شکل ‏5 16، منحنی توزیع ضخامت لوله در فشارهای الف- MPa10، ب-MPa 15، ج- MPa20. 85 شکل ‏5 17، قطعه های شکل داده شده در فشارهای الف- MPa25، ب- MPa35، در نسبت R/D برابر 10/10. 86 شکل ‏5 18، قطعه های شکل داده شده در فشارهای الف- MPa15، ب- MPa20، ج- MPa27 در نسبت R/D برابر 20/20. 87 شکل ‏5 19، قطعه های شکل داده شده در فشارهای الف- MPa5، ب- MPa10، ج- MPa20 در نسبت R/D برابر 30/30. 88 شکل ‏5 20، منحنی توزیع ضخامت لوله در نسبت های R/D برابر 1 الف- دیواره داخلی و ب- دیواره خارجی. 90 شکل ‏5 21، قطعه های شکل داده شده در فشارهای الف- MPa20، ب- MPa50، ج- MPa60 در نسبت R/D برابر 10/8. 91 شکل ‏5 22، قطعه های شکل داده شده در فشارهای الف- MPa10، ب- MPa20، ج- MPa27 در نسبت R/D برابر 20/16. 92 شکل ‏5 23، قطعه های شکل داده شده در فشارهای الف- MPa10، ب- MPa15، ج- MPa20در نسبت R/D برابر 30/24. 93 شکل ‏5 24، منحنی توزیع ضخامت لوله در نسبت های R/D برابر 8/0 الف- دیواره داخلی و ب- دیواره خارجی. 94 شکل ‏5 25، قطعه های شکل داده شده در فشارهای الف) MPa30، ب)MPa50، ج)MPa55 د) MPa60 در نسبت R/D برابر 10/6. 95 شکل ‏5 26، قطعه های شکل داده شده در فشارهای الف- MPa10، ب- MPa20، ج- MPa25 د- MPa27 در نسبت R/D برابر 20/12. 96 شکل ‏5 27، قطعه های شکل داده شده در فشارهای الف- MPa10، ب- MPa16در نسبت R/D برابر 30/18. 96 شکل ‏5 28، لوله های شکل داده شده در فشارهای الف- MPa20، ب- MPa25، ج- MPa30 با نسبت R/D55/0 با قطر لوله برابر با mm20. 98 شکل ‏5 29، لوله های شکل داده شده در فشارهای الف- MPa20، ب- MPa25، ج- MPa27 با نسبت R/D 6/0 با قطر لوله برابر با mm20. 99 شکل ‏5 30، لوله های شکل داده شده در فشارهای الف- MPa20، ب- MPa22، ج- MPa24 با نسبت R/D 65/0 با قطر لوله برابر با mm20. 100 شکل ‏5 31، لوله های شکل داده شده در فشارهای الف- MPa20، ب- MPa22 با نسبت R/D 7/0 با قطر لوله برابر با mm20. 101 شکل ‏5 32، میزان تغییرات ضخامت قطعه در فشارهای مختلف با نسبت R/D 7/0با قطر لوله برابر با mm20 الف) شعاع داخلی، ب) شعاع خارجی. 101 شکل ‏5 33، درصد کاهش ضخامت در قطعه در فشارهای مختلف با نسبت R/D 7/0 با قطر لوله برابر با mm20 الف- شعاع داخلی، ب- شعاع خارجی. 102 شکل ‏5 34، لوله های شکل داده شده در فشارهای الف- MPa20، ب- MPa21، با نسبت R/D 75/0 با قطر لوله برابر با mm20. 102 شکل ‏5 35، لوله های شکل داده شده در فشارهای الف- MPa18، ب- MPa20 با نسبت R/D 8/0 با قطر لوله برابر با mm20. 103 شکل ‏5 36، لوله های شکل داده شده در فشارهای الف- MPa18، ب- MPa20 با نسبت R/D 85/0 با قطر لوله برابر با mm20. 103 شکل ‏5 37، لوله های شکل داده شده در فشار MPa20 با نسبت R/D 9/0با قطر لوله برابر با mm20. 103 شکل ‏5 38، لوله های شکل داده شده در فشارهای MPa20 با نسبت R/D 95/0 با قطر لوله برابر با mm20. 104 شکل ‏5 39، لوله های شکل داده شده در فشارهای MPa20 با نسبت R/D 1 با قطر لوله برابر با mm20. 104 شکل ‏5 40، فشار شکل گیری نمونه در نسبت های شعاع خم به قطر لوله (R/D) مختلف در قطر لوله ثابت برابر mm20. 105 فهرست جدول‌ها جدول (2-1) نتایج حاصل از پژوهش وانگ و آگاروال [19]. 30 جدول (3-1) ابعاد لوله شکل داده شده در مراحل مختلف 51 جدول (3-2) خصوصیات مکانیکی و فیزیکی ورق های مورد استفاده در آزمایش ها. 58