وبلاگ

فرایند شکل‌دهی یک روش تولیدی است که در آن، با ثابت ماندن مقدار جرم و نوع پیوندهای بین مولکولی، یک شکل سه‌بعدی مشخص بر روی قطعه‌کار ایجاد می‌گردد. در واقع، شکل‌دهی جزء فرایندهایی است که فاقد براده‌برداری یا برداشت ماده می‌باشد.
1-2-  انواع فرایندهای شکل‌دهی
فرایندهای شکل‌دهی را می‌توان براساس استاندارد DIN 8582، بسته به جهت تنش‌های اعمالی بر قطعه، به انواع زیر طبقه‌بندی نمود (‏شکل 1-1 را ببینید):

 

1. شکل‌دهی تحت تنش‌های فشاری؛ نظیر فرایند شکل‌دهی غلتکی

 

1. شکل‌دهی تحت تنش‌های ترکیبی کششی و فشاری؛ نظیر فرایند کشش عمیق

 

1. شکل‌دهی تحت تنش‌های کششی؛ نظیر شکل‌دهی کششی

 

1. خم‌کاری؛ نظیر خم‌کاری با قالب‌های خطی

 

1. شکل‌دهی تحت تنش‌های برشی؛ فرایند پیچش[1]

   • شکل 1-1: طبقه‌بندی فرایندهای شکل‌دهی [1]

1-2-1-  فرایندهای خم‌کاری      
به طور کلی، روش‌های مرسوم خم‌کاری به دو نوع زیر تقسیم‌بندی می‌شود:
الف) خم‌کاری مکانیکی ب) خم‌کاری ترمومکانیکی[2].
1-2-1-1- خمکاری مکانیکی
از جمله روش های مکانیکی میتوان به خمکاری با بهره گرفتن از قالبهای U شکل وV شکل و خمکاری با بهره گرفتن از غلتک اشاره کرد. در این روش، خمکاری توسط یک ابزار سخت و اعمال نیروی خارجی انجام می گیرد. همچنین، برای ایجاد خمهای مختلف بایستی از قالبهای متفاوتی استفاده کرد. معایب این روش عبارت است از:

 

• این روش بسیار پرهزینه می باشد.

 

• در تولید با تیراژ بالا، نیاز به تعویض مداوم ابزار و قالب وجود دارد.

 

• با افزایش ضخامت ورق، به دستگاه پرس با ظرفیت بالا نیاز است.

 

• بی دقتی ابعادی ناشی از وجود پدیده برگشت فنری در خمکاری مکانیکی وجود دارد. [2]

1-2-1-2- خم‌کاری ترمومکانیکی
در فرایند خم‌کاری شعله‌ای، که نمونه‌ای از خم‌کاری ترمومکانیکی می‌باشد، از حرکت دادن یک شعله‌ اکسی‌استیلن در راستای یک خط مستقیم روی قطعه‌کار استفاده می شود. در اثر ایجاد تنش‌های حرارتی، که در حین گرمایش و سرمایش قطعه‌کار به وجود می‌آید، تغییرشکل پلاستیکی اتفاق می‌افتد. این روش در مقایسه با روش‌های مکانیکی، فاقد فرسایش ابزار بوده و بنابراین، کم‌هزینه‌تر می‌باشد. معایب اصلی این روش عبارت است از:

 

1. شعله‌ مشعل قابلیت متمرکز شدن ندارد. بنابراین، مساحت ناحیه‌ متاثر از حرارت بزرگ[1] و ایجاد خم‌های دقیق دشوار می‌باشد.

 

1. این روش قابلیت اتوماسیون ندارد. تکرارپذیری فرایند دشوار و وابسته به اپراتور است.

 

1. باید قطعه را بلافاصله پس از حرارت‌دهی با مشعل، با بهره گرفتن از آب سرد کرد[2].

1-3-  فرایند شکل‌دهی با لیزر
لیزر، از زمان اختراع آن تاکنون، کاربردهای بسیاری پیدا کرده است. «فرآوری مواد توسط لیزر» اشاره به فرایندهای صنعتی متعددی دارد که در آن از لیزر به منظور اصلاح شکل یک قطعه، برای نمونه با ذوب کردن قطعه‌کار و رفع قسمت های زائد، استفاده می شود. از ویژگی‌های منحصربه‌فرد پرتو لیزر می‌توان به شدت تابش و تمرکزپذیری آن اشاره نمود. این ویژگی‌ها سبب شده است که از لیزر در فرایندهایی نظیر خم‌کاری، جوش‌کاری، سوراخ‌کاری، برش، عملیات حرارتی، آلیاژسازی و غیره استفاده شود.
در فرایند شکل‌دهی با لیزر، از پرتو لیزر به منظور ایجاد زاویه‌ خم در ورق‌های فلزی و همچنین مواد سخت استفاده می‌شود. مشابه به روش خم‌کاری با شعله، در این فرایند قطعه‌کار در نتیجه‌ ایجاد تنش‌های پس‌ماند حرارتی، به جای اعمال نیروی خارجی، دچار خمش می‌گردد. بنابراین، خم‌کاری با بهره گرفتن از لیزر نوع دیگری از خم‌کاری ترمومکانیکی محسوب می‌شود[2]. شمایی از فرایند شکل‌دهی با لیزر در ‏شکل 1-2 مشخص شده است.

 

• شکل 1-2: فرایند شکل‌دهی با لیزر به‌منظور ایجاد خم مستقیم ساده[3]

اولین پژوهش‌ها در زمینه‌ فرایند شکل‌دهی با بهره گرفتن از لیزر، از اواسط دهه‌ 1980 میلادی شروع شد. این فرایند یک فرایند

 غیر‌تماسی به منظور خم‌کاری و همچنین ایجاد شکل‌دهی سه‌بعدی در قطعه‌های فلزی و غیرفلزی است. در این فرایند، شکل‌دهی با اعمال تنش‌های حرارتی ناشی از تابش پرتو لیزر بر سطح قطعه‌کار، یعنی با ایجاد یک گرمایش موضعی سریع و متعاقب آن، سرمایش ناحیه‌ حرارت‌دیده، انجام می‌گیرد. در مرحله‌ حرارت‌دهی، اگر کرنش‌های حرارتی در ناحیه‌ تحت تابش از کرنش الاستیک ماده فراتر رود (بستگی به مقدار درجه‌حرارت و مشخصه‌ های هندسی قطعه‌کار دارد)، کرنش‌های حرارتی تبدیل به کرنش‌های پلاستیک فشاری خواهد شد. در مرحله‌ سرمایش، قطعه دچار انقباض شده و در نتیجه، یک زاویه‌ خم یا یک تغییرشکل در ناحیه‌ حرارت‌دیده ایجاد می‌شود. از فرایند شکل‌دهی با لیزر در نمونه‌سازی سریع و همچنین، تصحیح شکل قطعات مورد استفاده در صنایع هوافضا، کشتی‌سازی و اتومبیل‌سازی استفاده می‌شود [2].

مقدار تغییرشکل حاصل در فرایند شکل‌دهی با لیزر به پارامترهای متعددی بستگی دارد. این پارامترها شامل پارامترهای پرتو لیزر و نیز، مشخصات مکانیکی و حرارتی ماده می‌شود که در فصل‌های آتی به آنها پرداخته خواهد شد. تاریخچه‌ پژوهش‌های انجام شده در زمینه‌ فرایند شکل‌دهی با لیزر در ‏0 آورده شده است.
شکل1-3: تاریخچه‌ فرایند شکل‌دهی با لیزر [4]‎[4]
1-4- مزایای شکل دهی با بهره گرفتن از پرتو لیزر
1- قطر پرتو لیزر را با بهره گرفتن از لنزهای نوری می‌توان تا مرتبه‌ میکرون کاهش داد. بنابراین، مساحت ناحیه‌ متاثر از حرارت بسیار کوچک می‌شود. به همین دلیل، خم‌کاری با لیزر تنها فرایندی است که در آن ایجاد خم‌های بسیار دقیق امکان‌پذیر است.
2- این فرایند، یک فرایند غیرتماسی است. بنابراین، مشکلات آلودگی در آن کمتر است.
3- با به‌کارگیری این فرایند، امکان ایجاد شکل‌های پیچیده بدون نیاز به ابزار سخت وجود دارد.
4- پارامترهای مختلف فرایندی ( شامل توان لیزر، قطر پرتو، سرعت اسکن و غیره) را می‌توان با دقت بالا کنترل نمود.
5- سردشدن قطعه‌کار در هوا انجام می‌شود و نیاز به سرد نمودن آن با آب وجود ندارد.
6- خم کاری با لیزر از نظر اقتصادی به صرفه وهمچنین کارا است. امکان تابش با انرژی بالا و حرارت دهی موضعی وجود دارد (امکان دست یابی به شدت تابش بسیار بالا)
7- چرخه تولیدی در این فرایند کوتاه می باشد و هزینه تولید آن در مقایسه با شکل دهی با قالب بسیار کمتر است. چون در فرایند شکل دهی با قالب ، ساخت قالب با شکلهای پیچیده بسیار پرهزینه و وقت گیر است. این در حالی است که در شکل دهی با لیزر نیاز به قالب وجود ندارد.
8- دقت این روش در مقایسه با روش شکل دهی سنتی حرارت دهی با شعله بیشتر است. [2]
1-5- موارد کاربرد فرایند شکل دهی با لیزر
فرایند شکل دهی با لیزر به علت کاهش هزینه طراحی و تولید، دارای کاربردهای روزافزون است. از جمله موارد کاربرد این فرایند می توان به موارد زیر اشاره نمود:

 

1. نمونه سازی سریع شکلهای پیچیده

 

1. شکل دهی غیر تماسی کلیه قطعاتی که دور از دسترس می باشد.

 

1. شکل دهی دقیق لوله ها

 

1. نمونه سازی سریع قطعات به منظور انجام آزمایش های لازم بر روی آنها

 

1. تولید نهایی قطعات با تیراژ پایین

 

1. نمونه سازی سریع قطعات پیش از شروع به تولید نهایی آنها [30].

1-6- نگاهی گذرا بر پژوهش‌های پیشین
اولین فعالیت‌ها در استفاده از حرارت پرتو لیزر به‌منظور شکل‌دهی ورق‌های فلزی از اواسط دهه‌ 1980 آغاز شد. تغییر پارامترهای فرایندی از جمله توان لیزر، سرعت اسکن لیزر و نسبت قطر پرتو به ضخامت ورق باعث تغییر در مکانیزم‌های شکل‌دهی در این فرایند گردید. گیگر و ولرتسن ‎[4] سه مکانیزم فرایند شکل‌دهی با پرتو لیزر را شناسایی نمودند که عبارت از مکانیزم شیب دمایی، مکانیزم خمش کمانشی و مکانیزم کوتاه‌کردن می‌باشد. یک مطالعه تجربی در زمینه‌ اثر کلیه عوامل موثر بر خم‌کاری ورق‌های فلزی توسط شیچون و همکارش ‎[11] صورت گرفته است. به این ترتیب، پارامترهای موثر بر زاویه خم حاصل از فرایند شکل‌دهی با لیزر به سه دسته‌ پارامترهای وابسته به انرژی لیزر، پارامترهای وابسته به جنس ورق و پارامترهای هندسی ورق تقسیم می‌گردد.
یانجین و همکارانش ‎[12] اثر مشخصات ماده در شکل‌دهی ورق‌های فلزی را بررسی نموده‌اند. براساس نتایج ارائه شده، ضریب انبساط حرارتی رابطه‌ مستقیم با مقدار شکل‌دهی دارد. افزایش رسانش حرارتی عامل محدودکننده‌ شکل‌دهی نهایی است. همچنین، زاویه خم با کاهش گرمای ویژه و دانسیته افزایش پیدا می‌کند. جمیل و همکارانش ‎[7] به بررسی عددی اثر هندسه‌ پرتو تابشی مستطیل شکل بر مقدار زاویه خم و همچنین جهت خمش پرداخته است. نتایج این بررسی نشان می‌دهد که هرچه نسبت طول به عرض پرتو، در راستای پیمایش ورق بلندتر باشد، مقدار خمش حاصل بیشتر می‌گردد.
بررسی عددی زاویه خمش نهایی در ورق‌هایی که دارای پیش بار هستند توسط یائو و همکارانش ‎[13] در نرم‌افزار اجزای محدود انجام شده است. نتایج این بررسی نشان می‌دهد که اگر ورق دارای پیش بار کاملا فشاری یا کاملا خمشی (هم جهت با منبع لیزر) باشد، زاویه خم افزایش می‌یابد. همچنین، اگر ورق دارای پیش بار کاملا فشاری یا کاملا خمشی (در خلاف جهت با منبع لیزر) باشد، زاویه خم کاهش می‌یابد. همچنین، بررسی زاویه‌ خم در فرایند شکل‌دهی چند مرحله‌ای با بهره گرفتن از لیزر توسط ادواردسن و همکارانش ‎[14] انجام شده است. اثر عوامل مختلف نظیر کارسختی، تغییرات ضریب جذب بر مقدار زاویه خم مورد مطالعه قرار گرفته و علت کاهش میزان شکل‌دهی به ازای افزایش تعداد پاس‌های پیمایش لیزر تشریح گردیده است.
در زمینه‌ شکل‌دهی ورق‌های آلومینیم به‌کمک لیزر، لابیز ‎[15] مراحل مدل‌سازی قطعه به‌منظور شبیه‌سازی بهینه‌ این فرایند را در نرم‌افزار Ansys تشریح می کند. در این مقاله، ضخامت پایین قطعات شکل‌داده‌شده، ضریب رسانش حرارتی بالا و بازتابش سطحی بالای ورق‌های آلومینیم به عنوان عوامل محدود‌کننده‌ شکل‌دهی ورق‌های آلومینیومی مطرح شده است. شن و همکارش[16] تغییر مشخصه‌ های مکانیکی فولاد کم‌کربن پس از انجام فرایند شکل‌دهی با لیزر را بررسی کرده است. براین اساس، استحکام تسلیم و کششی ورق افزایش یافته است. همچنین، درصد افزایش طول پیش از شکست کاهش می‌یابد.
لیو و همکارانش ‎[17] به بررسی تجربی پارامترهای فرایندی به‌منظور دست‌یابی به زاویه‌ خم در جهت خلاف تابش پرتو با سازوکار خمش کمانشی پرداخته است. وجود پیش‌تنش‌های ناشی از پیش‌خمش‌های الاستیک در جهت خلاف تابش پرتو و همچنین تنظیم پارامترهای لیزر می‌تواند به ایجاد مطمئن خمش منفی کمک نماید. شکل‌دهی مواد ترد نظیر سیلیکون تک‌کریستال و سرامیک Al2O3 با بهره گرفتن از دو نوع لیزر CO2 و Nd:YAG توسط دنگ‌جیانگ و همکارانش‎[18] انجام شده است. استفاده از دماهای بالاتر، با انتخاب مناسب پارامترهای فرایندی، جهت اجتناب از شکست ترد شرط لازم انجام‌پذیری فرایند در این دسته از مواد می‌باشد.
کوادرینی و همکارانش‎[19] به مطالعه‌ تجربی خم‌کردن ورق‌های فوم حفره‌باز آلومینیم با چگالی‌های متفاوت پرداخته است. این مطالعه نشان می‌دهد که به‌منظور ایجاد زاویه‌های خم بالا در این دسته از مواد، که امکان شکل‌دهی آن با روش‌های معمول مکانیکی وجود ندارد، می‌توان از فرایند شکل‌دهی با لیزر بهره برد. ناپفر و همکارانش‎[20] اثر انرژی خطی لیزر و تعداد پاس‌های اسکن بر میزان کرنش در راستای ضخامت ورق‌های فولاد کم‌کربن و آلومینیم بررسی نموده است. نتایج نشان می‌دهد که هرگاه ساز وکار گرادیان دمایی فعال باشد، هر دو پارامتر انرژی خطی و تعداد پاس با شیب کرنش در راستای ضخامت نسبت مستقیم دارد.
وانگ و همکارانش ‎[21] به بررسی تجربی فرایند شکل‌دهی ورق‌های سیلیکونی با لیزر و همچنین تحلیل اجزای محدود آن به‌منظور پیش‌بینی میدان دمایی پرداخته است. در این فرایند، استفاده از سازوکار‌های ترکیبی با تنظیم پارامترهای لیزر پالسی به ایجاد زاویه‌ خم بزرگ‌تر از یک‌درجه در ورق‌های سیلیکونی انجامیده است. شی و همکارانش ‎[22] یک روش جدید حرارت‌دهی به‌منظور افزایش دقت شکل‌دهی با سازوکار کوتاه‌کردن ارائه کرده است. در این روش، سطح بالایی و پایینی ورق به‌طور هم‌زمان تحت حرارت‌دهی پرتو لیزر قرار می‌گیرد و به‌این ترتیب، امکان ایجاد این سازوکار با قطر پرتو کوچک‌تر و سرعت اسکن بالاتر فراهم می‌گردد.
[1] Heat Affected Zone (H.A.Z.)