کلید واژهها:تحلیل تجربی کرنش، شبیهسازی اجزای محدود، نمودار حد شکل دهی، هیدروفرمینگ لولهفهرست مطالبتقدیم به ........ إتشکر و قدردانی ...... بچکیده .... تفهرست مطالب ..... جفهرست شکلها .......... دفهرست جدولها .... ر فصل اول: کلیات 11-1-...... مقدمه.. 21-2- معرفي فرايندهاي شکلدهی فلزات.. 21-3- معرفي فرايند هیدروفرمینگ.. 41-3-1- تاريخچه فرايند هيدروفرمينگ.. 41-3-2- انواع فرايندهاي هيدروفرمينگ.. 51-3-2-1-هيدروفرمينگ ورق.. 51-3-2-2-هيدروفرمينگ لوله.. 51-4- نمودار حد شکلدهي.. 91-4-1- كاربردهاي نمودار حد شكلدهي.. 101-4-1-1-كاربرد نمودار حد شكلدهي در طراحي قطعه و تحليل اجزاء محدود 101-4-1-2-كاربرد نمودار حد شكلدهي در بهينهسازي طراحي قالب.. 121-4-2- برآورد منحنی حد شکلدهی.. 131-4-3- شبکهبندي نمونهها.. 141-4-3-1-انتخاب دایرهها.. 151-4-3-2-روشهای اندازهگیری.. 151-5- مروری بر پژوهشهای مرتبط با بررسی شکلپذیری لوله در فرایند هیدروفرمینگ.. 181-6- اهداف پاياننامه.. 20 فصل دوم: شرح آزمونهاي تجربي 222-1-............................................................................................................................. مقدمه.. 232-2- معرفی تجهیزات آزمايشگاهي.. 232-2-1- دستگاه پرس.. 232-2-2- مجموعه قالب.. 242-2-3- سيستم تامین فشار.. 252-2-4- سيال هيدروليکي.. 272-2-5- وسایل اندازهگیری.. 272-3- آمادهسازی نمونههای آزمایش.. 282-4- نحوه عملکرد قالب.. 282-5- تعيين خواص مکانیکی لوله.. 30 فصل سوم: شبیهسازی اجزای محدود فرایند هیدروفرمینگ لوله 323-1- مقدمه .. 333-2- معرفي نرمافزار شبيهسازي.. 333-3- مراحل شبيهسازی .. 353-3-1- ايجاد مدل هندسي.. 353-3-2- تعیین خصوصيات لوله.. 363-3-3- مونتاژ لوله و اجزاي قالب.. 373-3-4- تعيين تعداد مراحل و نوع حل مسئله.. 383-3-5- تعیین نوع تماس سطوح اجزا با هم.. 393-3-6- شرايط مرزي و بارگذاري.. 393-3-7- شبكهبندي.. 413-3-8- تحليل فرايند.. 42 فصل چهارم: نتایج و بحث 434-1-............................................................................................................................. مقدمه.. 444-2- صحتسنجی نتایج شبیهسازی.. 444-3- بررسی اثر نحوه بارگذاری و پارامترهای هندسی قالب بر مسیر کرنش 454-3-1- بارگذاری آزاد.. 454-3-1-1-بررسی اثر شعاع گوشه قالب (R).. 464-3-1-2-بررسی اثر طول ناحیه تغییر شکل (W).. 474-3-2- بارگذاری با تغذیه محوری.. 484-3-2-1-بررسی اثر شعاع گوشه قالب (R).. 484-3-2-2-بررسی اثر طول ناحیه تغییر شکل (W).. 514-3-2-3- بررسی اثر مقدار تغذیه محوری لوله (L).. 534-4- ترسیم منحنی حد شکلدهی لوله فولادی زنگنزن 304 534-5- پیشبینی پارگی لوله در فرایند هیدروفرمینگ بادامک با استفاده از منحنی حد شکلدهی بدست آمده از این پژوهش ............................................................................................................................................57 فصل پنجم: نتیجهگیری و پیشنهادها 605-2- نتیجهگیری.. 615-3- پیشنهادها .. 62 فهرست مراجع 63 پیوست 67نقشه اجزای تشکیلدهنده قالب هیدروفرمینگ لوله.. 681- نقشه مونتاژی قالب.. 682- نقشه اجزای قالب.. 68فهرست شکلهاشکل (1‑1) شماتیک فرایند هیدروفرمینگ ورق، (الف) روش سنبه- سیال (ب) روش ماتریس- سیال [6].. 5شکل (1‑2) شماتیک فرایند هیدروفرمینگ لوله (1) قرارگیری قطعه اولیه در قالب (2) بسته شدن قالب (3) پر شدن داخل لوله با سیال (4) آببندی دو طرف لوله توسط سنبهها (5) شکلدهی قطعهکار با اعمال همزمان فشار و نیروی محوری (6) باز شدن قالب و خروج قطعهکار نهایی [7].. 6شکل (1‑3) شکل‌های هندسی قابل تولید با فرايند هیدروفرمینگ لوله (الف) بشكهاي شكل (ب) برجستگي Yشكل (يا Tشكل) (ج) انبساط موضعي [10].. 7شکل (1‑4) نمونههایی از قطعات تولید شده با استفاده از فرایند هیدروفرمینگ لوله (الف) قطعات اگزوز (ب) ريل آلومينيومي پاييني ماشين ولوو (ج) قاب نگهدارنده موتور [5].. 8شکل (1‑5) نواحی تقسیمبندی شده منحنی حد شکلدهی بر اساس عیوب [12] 9شکل (1‑6) مناطق مختلف نمودار حد شکلدهی [15].. 12شکل (1‑7) مناطق مختلف نمودار حد شکلدهی [15].. 13شکل (1‑8) نوار مایلر برای اندازهگیری کرنشهای حدی [16].. 17شکل (1‑9) سیستم تحلیلگر شبکه دایرهای به کمک روش پردازش دیجیتال [16] 17شکل (2‑1) دستگاه آزمايش اونيورسال (DMG).. 24شکل (2‑2) شماتیک قالب استفاده شده در این پژوهش.. 24شکل (2‑3) اجزای مختلف قالب هیدروفرمینگ لوله استفاده شده در این پژوهش 25شکل (2‑4) واحد هیدرولیکی تامین فشار اولیه.. 26شکل (2‑5) مدار هیدرولیکی استفاده شده در انجام آزمایشها.. 26شکل (2‑6) تجهیزات سیستم هیدرولیکی کنترل فشار.. 27شکل (2‑7) تجهيزات اندازه‌گيري (الف) ضخامتسنج مکانیکی (ب) کوليس ديجيتالی 28شکل (2‑8) لوله شبکهبندی شده مورد استفاده در آزمایشهای تجربی.. 28شکل (2‑9) مشخصات ابعادی نمونه آزمون کشش لوله مطابق استاندارد 370ASTM-A، ابعاد به میلیمتر.. 30شکل (2‑10) منحنی تنش- کرنش حقیقی بدست آمده از تست کشش لوله فولادي 31شکل (3‑1) هندسه اجزای قالب و لوله در نرمافزار شبیهسازی، سمت راست: قطعه بادامك، سمت چپ: انبساطدهي آزاد.. 36شکل (3‑2) منحنی حد شکلدهی ورق فولادی زنگنزن 304 [29].. 37شکل (3‑3) مونتاژ اجزاي قالب و لوله در شبيهسازي، سمت راست: قطعه بادامك، سمت چپ: انبساطدهي آزاد.. 38شکل (3‑4) منحنی جابجایی- زمان سنبه در حالت بارگذاری با تغذیه محوری لوله (mm 40=L، mm40=W، mm10=R).. 40شکل (3‑5) شرايط مرزي اعمال شده به ورق و قالب در شبيهسازي، سمت راست: قطعه بادامك، سمت چپ: انبساطدهي آزاد.. 40شکل (3‑6) منحنی فشار- زمان در حالت بارگذاری با تغذیه محوری لوله (mm40=L، mm40=W، mm10=R).. 41شکل (4‑1) مقایسه بین نتایج شبیهسازی و تجربی، در حالت بارگذاری با تغذیه محوری، (mm40=L، mm40=W، mm10=R)، (الف) در جهت محیطی، (ب) در جهت طولی ..................................................................................................................45شکل (4‑2) مسیرهای کرنش مربوط به شعاعهای گوشه مختلف قالب در حالت بارگذاری آزاد (mm40=W)، بدست آمده از شبیهسازی.. 47شکل (4‑3) مسیرهای کرنش مربوط به طولهای مختلف ناحیه تغییر شکل در حالت بارگذاری آزاد (mm10=R)، بدست آمده از شبیهسازی.. 48شکل (4‑4) مسیرهای کرنش مربوط به شعاعهای گوشه مختلف قالب در حالت بارگذاری با تغذیه محوری، (mm40=L، mm40=W)، بدست آمده از شبیهسازی 49شکل (4‑5) توزیع مولفههای کرنش پلاستیک در حالت بارگذاری با تغذیه محوری برای شعاعهای گوشه مختلف قالب، (mm40=L، mm40=W)، (الف) mm5R=، (ب) mm10 R=، (ج) mm 15R=. 50شکل (4‑6) مسیرهای کرنش مربوط به طولهای مختلف ناحیه تغییر شکل در حالت بارگذاری با تغذیه محوری لوله، (mm40=L، mm10=R)، بدست آمده از شبیهسازی 51شکل (4‑7) توزیع مولفههای کرنش پلاستیک در حالت بارگذاری با تغذیه محوری برای طولهای مختلف ناحیه تغییرشکل، (mm40=L، mm10=R)، (الف) mm20W=، (ب) mm40 W=، (ج) mm60W=. 52شکل (4‑8) مسیرهای کرنش مربوط به مقادیر مختلف تغذیه لوله، بدست آمده از شبیهسازی (mm40=W، mm10=R).. 53شکل (4‑9) مسیرهای کرنش آزمایشهای طراحی شده بر روی منحنی FLDورق فولادی زنگنزن 304، بدست آمده از شبیهسازی.. 55شکل (4‑10) تعدادی از لولههای شکل داده شده در آزمایشگاه.. 55شکل (4‑11) منحنی حد شکلدهی لوله فولادی زنگنزن 304، حاصل از آزمایشهای تجربی(اعداد روی نمودار بیانکننده نسبت کرنش β میباشد) ........................................................................................................................................................................56شکل (4‑12) منحنیهای حد شکلدهی لوله و ورق فولادی زنگنزن 304. 56شکل (4‑13) (الف) قطعه صنعتی مورد بررسی، (ب) ابعاد مقطع بادامک (بر حسب میلیمتر).. 57شکل (4‑14) مسیر کرنش نقطه Aاز قطعه، (الف) بارگذاری آزاد، (ب) بارگذاری با تغذیه محوری لوله به اندازه mm30، (ج) بارگذاری با تغذیه محوری لوله به اندازه mm40، حاصل از شبیهسازی.. 58شکل (4‑15) لولههای بادامک شکل داده شده در آزمایشگاه، (الف) بارگذاری آزاد، (ب) تولید قطعه سالم با تغذیه محوری mm40. 58شکل (4‑16) منحنی توزیع کرنش و ضخامت لوله بادامک در حالت بارگذاری با تغذیه محوری، (mm40=L، mm40=W، mm10=R)،(الف) در جهت محیطی، (ب) در جهت طولی.. 59فهرست جدولهاجدول (2‑1) شرایط آزمایشهای تجربی انجام شده.. 29جدول (2‑2) خصوصیات فیزیکی و مکانیکی لوله فولادی مورد استفاده در آزمایشها 31جدول (2‑3) ترکیب شیمیایی لوله فولادی زنگنزن 304. 31جدول (4‑1) مشخصات حالتهای انتخاب شده جهت انجام آزمایشهای تجربی و نسبت کرنش گلویی پیشبینی شده توسط شبیهسازی (*β) و بدست آمده از آزمایش تجربی (β).. 54 1-1- مقدمهبا پيشرفت روزافزون فنآوری و رقابت بازار تجارت، اكثر صنایع مانند صنايع نظامي، فضايي، خودروسازی، 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 فرایند‌هاي پيشرفته توليد، امري لازم و ضروري است. از این رو، محققان و صنعتگران به سمت فرايندهاي توليد پیشرفته با انعطافپذیری بالا روي آوردهاند. يكي از اين فرایند‌ها كه امروزه توجه توليدكنندگان را به خود جلب كرده است، هيدروفرمينگ[1] ميباشد. هیدروفرمینگ فرایندي 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 فرایند‌هاي كنترل كامپيوتري در دهة اخير، شكلدهي با فشار سيال، به عنوان يك روش قابل استفاده در صنعت معرفي شده است [1].در این فصل، ابتدا فرایندهای شکلدهی فلزات معرفی و دستهبندی شده و به جایگاه هیدروفرمینگ در بین آنها اشاره میشود. پس از معرفی فرايند هیدروفرمینگ و انواع آن، توضيح مختصري پيرامون منحنيهای حد شكلدهي، كاربردهاي آن و روش بدست آوردن آن ارائه خواهد شد. سپس مروري بر پژوهشهاي انجام شده توسط محققان دیگر، در ارتباط با اين پاياننامه ارائه میگردد. در نهايت اهداف و ویژگی‌های پایاننامه حاضر شرح داده میشود.به طور كلي فرايندهاي شكلدهي فلزات را ميتوان به دو گروه عمده دستهبندی كرد [1]:الف- شكلدهي حجمي[2]ب- شكلدهي ورق[3]شكلدهي حجمي داراي دو مشخصه متمايز زیر است [1]:1- شكل يا سطح مقطع قطعهكار، تغيير شكل مومسان دائمي و زياد پيدا مي‌كند.2- مقدار تغيير شكل مومسان[4] در اين فرايند نسبت به تغيير شكل كشسان[5] معمولاً به قدري زياد است كه از برگشت فنري[6] قطعه بعد از تغيير شكل صرفنظر مي‌شود.فرايندهاي حديدهكاري[7]، آهنگري[8]، نوردكاري[9] و كشش[10] مثالهايي از فرايندهاي شكلدهي حجمي فلزات مي‌باشند.مشخصههای فرايندهاي شكلدهي ورق چنين است [1]:1- شكل اوليه قطعهكار به صورت ورق است.2- این فرايند شكلدهي معمولاً تغيير قابل توجهی در هندسه قطعه به وجود مي‌آورد، اما مساحت سطح مقطع جسم، چندان تغيير نميكند.3- گاهي تغيير شكلهای مومسان و كشسان از یک مرتبه‌اند. بنابراين نمي‌توان از برگشت فنري چشم‌پوشي كرد.فرايندهاي کشش عمیق[11]، خمکاری[12] و شکلدهی چرخشی[13] نمونههایی از فرايندهاي شكلدهي ورق هستند.هيدروفرمينگ يكي از فرايندهاي شكلدهي فلزات است كه در آن از يك سيال تحت فشار به منظور ايجاد تغيير شكل پلاستيك در قطعه اولیه كه به شكل ورق يا لوله است، استفاده مي‌شود. در هر يك از فرايندهای هیدروفرمینگ، همواره به يک پرس، قالب و يک سيستم تقويتکننده فشار نياز است [2, 3]. به طور کلی، در فرایند هیدروفرمینگ، بهعلت توزیع فشار یکنواخت سیال بر سطح قطعه، محصولی با خواص مکانیکی مطلوب بهدست می‌آید. از دیگر مزایای هیدروفرمینگ میتوان به قابلیت تولید قطعات پیچیده، دقت ابعادی بهتر و بهبود شکلدهی موادی که قابلیت شکلدهی کمی دارند، اشاره کرد. از طرف دیگر، 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.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 این 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].فرايند هيدروفرمينگ را در حالت كلي ميتوان به دو دسته عمده هيدروفرمينگ ورق[14] و هيدروفرمينگ لوله[15] تقسيم كرد. در برخي منابع، از دسته سومي تحت عنوان هيدروفرمينگ پوسته[16] نيز ياد شده است [5]. در ادامه به معرفي هر يك از اين فرايندها پرداخته مي‌شود.در روش هیدروفرمینگ ورق، ماده خام یک ورق است که در درون قالب قرار داده میشود و به کمک فشار داخلی، شکل مورد نظر را به خود میگیرد. به کمک این فرایند میتوان قطعات پیچیده را با کیفیت بالاتر و با هزینه کمتر نسبت به روشهای سنتی در یک مرحله شکل داد. شماتیک این فرايند در شکل (1‑1) نشان داده شده است. شکل (1‑1) شماتیک فرایند هیدروفرمینگ ورق، (الف) روش سنبه- سیال (ب) روش ماتریس- سیال [6] 1-3-2-2- هيدروفرمينگ لولهفرایند هیدروفرمینگ لوله نخستين بار در سال 1940 میلادی توسط گری[17] و همکاران بهمنظور شکلدهي لوله Tشکلی از جنس مس ابداع شد. در ابتدا کاربرد آن محدود به بدنة دوچرخه بود، اما امروزه بهگونه‌ای در بین صنعتگران گسترش یافته است که مطابق آمار،50% شاسی خودرو تولید شده در سال 2004 ميلادي در آمریکای شمالی با فرايند هیدروفرمینگ لوله بوده است [5]. شماتیک این فرایند در شکل (1‑2) نشان داده شده است. همانگونه که در شکل مشاهده میشود، در این فرایند ابتدا قطعه اولیه که معمولا یک لوله استوانهای است، داخل قالب قرار میگیرد. بعد از بسته شدن قالب، دو سنبه در دو انتهاي لوله بهگونهاي قرار میگیرند که قالب به طور کامل آببندي نشود. در مرحله بعد درون لوله با سیال پر شده و در همین حین هوای داخل قالب از طریق سوراخ سنبهها خارج میشود. پس از آن دو انتهای لوله توسط سنبهها به طور کامل آببندی میشود. در مرحله پنجم، با اعمال همزمان فشار داخلی سیال و پیشروی محوری سنبهها، قطعه اولیه شکل قالب را به خود میگیرد. در این مرحله وقتي قطعهکار شكل گرفت، فشار داخلي افزايش يافته و مرحلة كاليبراسيون انجام مي‌شود. اين افزایش فشار بهمنظور پر كردن شعاع‌هاي كوچك میباشد. در پایان، با تخلیه کردن سیال داخل لوله، قطعهکار نهایی از قالب خارج میشود. شکل (1‑2) شماتیک فرایند هیدروفرمینگ لوله (1) قرارگیری قطعه اولیه در قالب (2) بسته شدن قالب (3) پر شدن داخل لوله با سیال (4) آببندی دو طرف لوله توسط سنبهها (5) شکلدهی قطعهکار با اعمال همزمان فشار و نیروی محوری (6) باز شدن قالب و خروج قطعهکار نهایی [7] موادي كه در اين فرايند مورد استفاده قرار میگیرند دارای دامنه وسیعی میباشند که از آن نمونه میتوان به انواع فولادها، آلیاژهای آلومینیوم، آلیاژهای منیزیم، کامپوزیتها و بطور کلی همه موادی که در شکلدهی سرد مورد استفاده قرار میگیرند اشاره کرد [5]. از جمله مزاياي هيدروفرمينگ لوله ميتوان به موارد زیر اشاره نمود [5, 8 و 9]:1- کاهش وزن قطعه2- بهبود خواص مكانيكي و يكنواختي آن در كل قطعه، به علت تغییر یکنواخت ضخامت در سراسر قطعه3- افزايش دقت ابعادي4- کاهش تعداد مراحل توليد، به علت نیاز به عملیات ثانویه کمتر5- قابليت توليد قطعات توخالي با هندسة پيچيده6- قیمت کم ابزار نسبت به روشهای سنتیاز جمله محدودیتهای فرایند هیدروفرمینگ لوله میتوان به موارد زیر اشاره کرد [9]:1- زمان سيكل توليد بالا2- هزينه تجهيزات پرس بالا3- اطلاعات كم در زمينة تكنولوژي فرايندبطور کلی، شکل هندسی محصولاتی که با فرايند هیدروفرمینگ لوله قابل تولیدند شامل سه گروه کلی برجستگی بشکه‌ای شکل، برجستگی Yشکل (یا Tشکل) و انبساط موضعی میباشد. تصوير این قطعات در شکل (1‑3) نشان داد شده است [10].