کلمات کلیدی: خمکاری لوله، هیدروفرمینگ لوله، فشار داخلی، شبيهسازي اجزاي محدودفهرست مطالب 1 کلیات11-1-مقدمه 21-2-تعریف ها و پارامترهای خمکاری41-3-روشهای خمکاری لوله51-3-1-خمکاری هیدروفرمینگ51-3-2-خمکاری فشاری........ 61-3-3-خمکاری کششی دورانی81-3-4-خمکاری تحت فشار.......... 101-3-5-خمکاری کوبهای.............................. .............................. 111-3-6-خمکاری غلتکی............................... ............................... 121-4-عیوب خمکاری لوله141-4-1-برگشت فنری................................ ................................ 141-4-2-چینخوردگی ................................ ................................ 151-4-3-عدم گردی (بیضوی شدن) سطح مقطع161-4-4-تغییرات ضخامت.............................. .............................. 171-4-5-پارگی 181-5-مراحل انجام پژوهش18فصل دوم192 مروری بر پژوهشهای انجام شده192-1-مقدمه 202-2-پژوهشهای انجام شده پیرامون خمکاری لوله202-3-اهداف پژوهش433 مراحل آزمايشگاهي463-1-مقدمه 473-2-معرفی تجهیزات استفاده شده در آزمایشها473-2-1-دستگاه آزمایش.............................. .............................. 473-2-2-قالبهای استفاده شده481-1-1-1-قالب کشش عمیق 481-1-1-2-قالب اتوکشی 501-1-1-3-قالب خمکاری 523-2-3-سيستم تامین فشار........................... ........................... 533-2-4-سيال هيدروليکي............................. ............................. 553-2-5-وسایل اندازهگیری........................... ........................... 563-3-تعيين خواص مکانیکی ورق564 شبیهسازی اجزای محدود594-1-مقدمه604-2-مراحل شبيهسازي604-2-1-ايجاد مدل هندسي (Part)604-2-2-تعیین خصوصيات ورق614-2-3-مونتاژ قطعات. 624-2-4-مراحل شکلدهي............................... ............................... 624-2-5-تعیین تماس بين سطوح634-2-6-شرايط مرزي و بارگذاري644-2-7-المان بندي 654-2-8-تحليل فرآيند.................................. .. 655 نتایج و بحث675-1-مقدمه685-2-بررسی تاثیر تغییرات فشار داخلی لوله685-2-1-بررسی تاثیر تغییرات فشار داخلی لوله بر شکلگیری لوله685-2-2-بررسی تاثیر تغییرات فشار داخلی لوله بر توزیع ضخامت دیواره داخلی و خارجی745-3-بررسی اثر تغییرات ضریب اصطکاک میان قالب و لوله بر تغییرات ضخامت لوله795-4-بررسی اثر فشار شکلگیری لوله در نسبتهای شعاع قالب به قطر لوله (R/D) ثابت و مقایسه تغییرات ضخامت لوله در دیواره داخلی و خارجی865-4-1-نسبتهای شعاع قالب به قطر لوله (R/D) برابر 1865-4-2-نسبتهای شعاع قالب به قطر لوله (R/D) برابر 8/0905-4-3-نسبتهای شعاع قالب به قطر لوله (R/D) برابر 6/0945-5-بررسی اثر تغییرات نسبت شعاع قالب به قطر لوله (R/D) متغیر در یک قطر لوله ثابت، بر فشار شکلدهی لوله و تغییرات ضخامت لوله در دیواره داخلی و خارجی976 نتیجهگیری و پیشنهادها1066-1-مقدمه 1076-2-نتیجهگیری1076-3-پيشنهادها 1097 مراجع111 فهرست شکلهاشکل 1‑1، چند نمونه از کاربردهای قطعات خم لوله]1[.. 2شکل 1‑2، پارامترهای رایج در خمکاری لوله ]4[.. 4شکل 1‑3، شماتیک فرآیند خمکاری هیدروفرمینگ لوله ]5[.. 6شکل 1‑4، شماتیک فرآیند خمکاری فشاری لوله [7].. 8شکل 1‑5، شماتیک فرآیند خمکاری کششی دورانی لوله ]9[.. 9شکل 1‑6، شماتیک فرآیند خمکاری تحت فشار الف- قبل از خمکاری، ب- پس از خمکاری ]11[.. 11شکل 1‑7، شماتیک فرآیند خمکاری کوبهای، الف- قبل از خمکاری، ب- پس از خمکاری]11[.. 12شکل 1‑8، شماتیک فرآیند خمکاری غلتکی با سه غلتک]11[.. 13شکل 1‑9، برگشت فنری ]11[.. 15شکل 1‑10، چینخوردگی در لوله در شعاع داخلی خم ]12[.. 15شکل 1‑11، خرابی سطح مقطع لوله بر اثر خمکاری (تخت شدن در شعاع بیرونی و بیضی شدن) ]11[.. 17شکل 1‑12، تغییرات ضخامت لوله در خمکاری]11[.. 17شکل 2‑1، شکلدهی خمکاری فشاری لوله، الف- قبل از انجام فرآیند، ب- پس از انجام فرآیند[13].. 21شکل 2‑2، شکلدهی لوله در پارامترهای مختلف[13].. 21شکل 2‑3، اثر میزان تغییرات ضخامت دیواره داخلی و خارجی در شعاع خم مختلف[13].. 21شکل 2‑4،اثر میزان تغییرات ضخامت دیواره در دو جنس آلومینیوم و فولاد[13]. 22شکل 2‑5،اثر میزان تغییرات ضخامت دیواره در با ضریب اصطکاک مختلف[13]. 22شکل 2‑6، نتایج حاصل از پژوهش کمی و همکاران [14].. 23شکل 2‑7، نتایج حاصل از پژوهش یانگ و همکاران [15].. 24شکل 2‑8، نتایج حاصل از پژوهش هی یانگ و یانگ لین [17].. 26شکل 2‑9، نتایج حاصل از پژوهش وانگ و همکاران [5].. 28شکل 2‑10، نتایج حاصل از پژوهش وانگ و آگاروال [18].. 30شکل 2‑11، نتایج حاصل از پژوهش فنگ و همکاران [19].. 33شکل 2‑12، تغییرات ماکزیمم تنش مماسی نمونه در مندرل با قطرهای الف- mm2/34، ب- mm 35، ج- mm6/35]20.[34شکل 2‑13، شکل ماکزیمم تنش فشاری نمونه در مندرل با قطرهای مختلف]20[. 35شکل 2‑14، تغییرات ماکزیمم تنش مماسی نمونه در مندرل با طولهای الف- mm6، ب- mm 8، ج- mm 10 د- mm11]20.[36شکل 2‑15، تغییرات کرنش پلاستیک معادل در تعداد توپهای الف- 0، ب- 1، ج- 2، د- 3 ]20[.. 37شکل 2‑16، تغییرات سطح مقطع با تعداد توپهای الف- 0، ب- 1، ج- 2، د- 3] 20[. 37شکل 2‑17، شکل تفاوت تنش فشاری در قوس داخلی در قطر مختلف مندرل ] 21[. 38شکل 2‑18، فرآیند خمکاری به روش NC] 21[.. 39شکل 2‑19، استراتژی برای انتخاب پارامترهای موثر در فرآیند خمکاری با روش NC] 21[.. 39شکل 2‑20، اثر لقی میان لوله و قالب جاروبکن]22[.. 40شکل 2‑21، اثر لقی میان لوله و مندرل] 22[.. 41شکل 2‑22، میزان تغییرات سطح مقطع در شعاع خم نرمال] 23[.. 42شکل 2‑23، میزان تغییرات سطح مقطع در شعاع خم کوچک] 23[.. 42شکل 2‑24، میزان تغییرات ضخامت در شعاع خم نرمال] 23[.. 43شکل 2‑25، میزان تغییرات ضخامت در شعاع خم کوچک] 23[.. 43شکل 3‑1، دستگاه آزمايش اونيورسال (DMG).. 47شکل 3‑2، الف- شماتيک قالب کشش عميق مرحله یک، ابعاد به mm، ب- اجزای قالب کشش عمیق مرحله یک.. 48شکل 3‑3، الف- شماتيک قالب کشش عميق مرحله دو، ابعاد به mm، ب- اجزای قالب کشش عمیق مرحله دو.. 49شکل 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.. 49شکل 3‑5، الف- شماتيک قالب اتوکشی، ب- مجموعه قالبهای مراحل مختلف اتوکشی. 50شکل 3‑6، پارامترهای هندسی لوله در اين پژوهش.. 51شکل 3‑7، الف- شماتیک قرار گیری نمونه در قالب جدید(خم هیدروفرمینگ)، ب- قالب جدید خم هیدروفرمینگ.. 53شکل 3‑8، مسیر نمونه فشار اعمالی در تحقیق حاضر.. 53شکل 3‑9، واحد هیدرولیکی تامین فشار اولیه.. 54شکل 3‑10، مدار هیدرولیکی استفاده شده در قالب کشش عمیق هیدرودینامیکی با فشار شعاعی.. 54شکل 3‑11، تجهیزات سیستم هیدرولیکی کنترل فشار.. 55شکل 3‑12، تجهيزات اندازه‌گيري الف- ضخامتسنج مکانیکی، ب- کوليس ديجيتالی. 56شکل 3‑13، ابعاد نمونه آزمون کشش مطابق استاندارد ASTM-A370.. 57شکل 3‑14، دستگاه تست كشش SANTAM.. 57شکل 3‑15، نمونه‌هایي از قطعات کشيده شده طبق استاندارد ASTM-A370. 58شکل 3‑16، نمودار تنش– کرنش حقيقي حاصل از آزمايش کشش.. 58شکل 4‑1، هندسه اجزای قالب و لوله در نرمافزار شبیهسازی.. 61شکل 4‑2، مونتاژ اجزاي قالب و لوله در شبيهسازي.. 62شکل 4‑3، شرايط مرزي اعمال شده به ورق و اجزای قالب در شبيهسازي.. 64شکل 5‑1، ناحیه‌های بحرانی لوله در فرآیند خم جدید.. 69شکل 5‑2، لوله شکل داده‌شده بدون فشار سیال.. 69شکل 5‑3، لوله شکل داده‌شده در فشار MPa10.. 70شکل 5‑4، لوله شکل داده‌شده در فشار MPa15.. 70شکل 5‑5، لوله شکل داده شده در فشار MPa20.. 71شکل 5‑6، لوله شکل داده شده در فشار MPa27.. 72شکل 5‑7، شکلگیری لوله سالم و بدون عیب در قالب.. 73شکل 5‑8، منحنی نیروجابجایی لوله خم شده در فشار 20MPa.. 73شکل 5‑9، الف- مسیر اندازهگیری ضخامتabو cd ب- ناحیه های مورد بررسی در شعاع داخلی و شعاع خارجی قطعه خمشده.. 74شکل 5‑10، منحنی توزیع ضخامت لوله در فشار MPa20 الف- شعاع داخلی ب- شعاع خارجی.. 76شکل 5‑11، منحنیهای توزیع ضخامت الف- دیواره داخلی و ب- دیواره خارجی در فشارهای مختلف، حاصل از شبیهسازی.. 77شکل 5‑12، درصد کاهش ضخامت در قطعه در فشارهای مختلف الف- شعاع داخلی، ب- شعاع خارجی.. 78شکل 5‑13، تاثیر ضریب اصطکاک بین جداره قالب و لوله منحنیهای توزیع ضخامت الف- دیواره داخلی و ب- دیواره خارجی، حاصل از شبیهسازی، در فشار MPa20.. 81شکل 5‑14، درصد کاهش ضخامت در قطعه با ضریب اصطکاکهای مختلف الف- شعاع داخلی، ب- شعاع خارجی.. 82شکل 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.. 84شکل 5‑16، منحنی توزیع ضخامت لوله در فشارهای الف- MPa10، ب-MPa 15، ج- MPa20.. 85شکل 5‑17، قطعههای شکل داده شده در فشارهای الف- MPa25، ب- MPa35، در نسبت R/D برابر 10/10.. 86شکل 5‑18، قطعههای شکل داده شده در فشارهای الف- MPa15، ب- MPa20، ج- MPa27 در نسبت R/D برابر 20/20.. 87شکل 5‑19، قطعههای شکل داده شده در فشارهای الف- MPa5، ب- MPa10، ج- MPa20 در نسبت R/D برابر 30/30.. 88شکل 5‑20، منحنی توزیع ضخامت لوله در نسبتهای R/D برابر 1 الف- دیواره داخلی و ب- دیواره خارجی.. 90شکل 5‑21، قطعههای شکل داده شده در فشارهای الف- MPa20، ب- MPa50، ج- MPa60 در نسبت R/D برابر 10/8.. 91شکل 5‑22، قطعههای شکل داده شده در فشارهای الف- MPa10، ب- MPa20، ج- MPa27 در نسبت R/D برابر 20/16.. 92شکل 5‑23، قطعههای شکل داده شده در فشارهای الف- MPa10، ب- MPa15، ج- MPa20در نسبت R/D برابر 30/24.. 93شکل 5‑24، منحنی توزیع ضخامت لوله در نسبتهای R/D برابر 8/0 الف- دیواره داخلی و ب- دیواره خارجی.. 94شکل 5‑25، قطعههای شکل داده شده در فشارهای الف) MPa30، ب)MPa50، ج)MPa55 د) MPa60 در نسبت R/D برابر 10/6.. 95شکل 5‑26، قطعههای شکل داده شده در فشارهای الف- MPa10، ب- MPa20، ج- MPa25 د- MPa27 در نسبت R/D برابر 20/12.96شکل 5‑27، قطعههای شکل داده شده در فشارهای الف- MPa10، ب- MPa16در نسبت R/D برابر 30/18.96شکل 5‑28، لولههای شکل داده شده در فشارهای الف- MPa20، ب- MPa25، ج- MPa30 با نسبت R/D55/0 با قطر لوله برابر با mm20.. 98شکل 5‑29، لولههای شکل داده شده در فشارهای الف- MPa20، ب- MPa25، ج- MPa27 با نسبت R/D6/0 با قطر لوله برابر با mm20.. 99شکل 5‑30، لولههای شکل داده شده در فشارهای الف- MPa20، ب- MPa22، ج- MPa24 با نسبت R/D65/0 با قطر لوله برابر با mm20.. 100شکل 5‑31، لولههای شکل داده شده در فشارهای الف- MPa20، ب- MPa22 با نسبت R/D7/0 با قطر لوله برابر با mm20.. 101شکل 5‑32، میزان تغییرات ضخامت قطعه در فشارهای مختلف با نسبت R/D7/0با قطر لوله برابر با mm20 الف) شعاع داخلی، ب) شعاع خارجی.. 101شکل 5‑33، درصد کاهش ضخامت در قطعه در فشارهای مختلف با نسبت R/D7/0 با قطر لوله برابر با mm20الف- شعاع داخلی، ب- شعاع خارجی.. 102شکل 5‑34، لولههای شکل داده شده در فشارهای الف- MPa20، ب- MPa21، با نسبت R/D75/0 با قطر لوله برابر با mm20.. 102شکل 5‑35، لولههای شکل داده شده در فشارهای الف- MPa18، ب- MPa20 با نسبت R/D8/0 با قطر لوله برابر با mm20.. 103شکل 5‑36، لولههای شکل داده شده در فشارهای الف- MPa18، ب- MPa20 با نسبت R/D85/0 با قطر لوله برابر با mm20.. 103شکل 5‑37، لولههای شکل داده شده در فشار MPa20 با نسبت R/D9/0با قطر لوله برابر با mm20.. 103شکل 5‑38، لولههای شکل داده شده در فشارهای MPa20 با نسبت R/D95/0 با قطر لوله برابر با mm20.. 104شکل 5‑39، لولههای شکل داده شده در فشارهای MPa20 با نسبت R/D1 با قطر لوله برابر با mm20.. 104شکل 5‑40، فشار شکلگیری نمونه در نسبتهای شعاع خم به قطر لوله (R/D) مختلف در قطر لوله ثابت برابر mm20.. 105 فهرست جدولهاجدول (2-1) نتایج حاصل از پژوهش وانگ و آگاروال [19].. 30جدول (3-1) ابعاد لوله شکل داده شده در مراحل مختلف. 51جدول (3-2) خصوصيات مکانيکي و فيزيکي ورقهای مورد استفاده در آزمایشها.58 1-1- مقدمهامروزه لوله های خمیده کاربرد بسیار گستردهای در صنایعی نظیر هواپیماسازی، خودرو، نفت و گاز، اسباب و اثاثیه منزل، سازههای 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.شکل 1‑1، چند نمونه از کاربردهای قطعات خم لوله]1[. 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 خمکاریبستگی 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 Rشعاع 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[.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 میکند 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 میکند.شکل 1‑2، پارامترهای رایج در خمکاری لوله ]4[.- دیواره خارجی خم[8]: کمان/لبه بیرونی خم میباشد.- دیواره داخلی خم[9]: 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.(1‑1)- انحنای خم: عکس شعاع خط مرکزی را انحنای خم میگویند.(1‑2)- قطر لوله: هرگاه قطر لوله به تنهایی به کار میرود منظور قطر خارجی میباشد.روشهای زیادی برای خمکاری لوله وجود دارد. در این بخش در مورد برخی از روشهای خمکاری لولهها بحث خواهد شد. هر یک از این روشها دارای کاربردها و محدودیتهایی از لحاظ نوع خم، حداکثر زاویه خمی که میتواند ایجاد کند، هزینههای تولید و کیفیت خم میباشد. در ادامه به روشهای مختلف خمکاری اشاره شده است.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.شکل 1‑3، شماتیک فرآیند خمکاری هیدروفرمینگ لوله ]5[.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.