وبلاگ

قطعات مخروطی در صنعت و بطور خاص در صنایع نظامی، دارای کاربرد گسترده‌ای می‌باشند. یکی از رایج‌ترین فرایند‌های شکل‌دهی ورق‌های فلزی، فرایند کشش عمیق است. شکل‌دهی قطعات مخروطی با این فرایند موضوع دشوار و پیچیده‌ای محسوب می‌گردد ]1و2[. شکل (1-1) شماتیک فرایند مذکور را برای شکل‌دهی یک قطعه مخروطی نشان می‌دهد. همانطور که در شکل نشان داده شده است، به دلیل تماس کم سطح ورق با سنبه در مراحل اولیه شکل‌دهی، تنش‌های زیادی در ناحیه تماس با نوک سنبه، به ورق اعمال می‌شود که موجب پارگی آن می‌گردد. بعلاوه، از آنجا که بخش عمده‌ای از سطح ورق در ناحیه بین نوک سنبه و ورق‌گیر آزاد است، در صورت کشیده شدن ورق، در دیواره قطعه مخروطی چروک ایجاد می‌شود. شکل (1-2) چروکهای بوجود‌آمده در قطعه مخروطی و همچنین پارگی ایجاد شده در نوک قطعه را که با روش کشش عمیق سنتی توسط نگارنده کشیده شده است، نشان می‌دهد. از این رو، قطعات مخروطی در صنعت عموماً با کشش عمیق چند مرحله‌ای ]1[، اسپینینگ ]2[ یا با شکل‌دهی انفجاری ] 3و4 [ شکل داده می‌شوند. این روشها علیرغم دارا بودن مزیت امکان شکل‌دهی قطعات مخروطی، دارای محدودیتهایی نیز هستند. در کشش عمیق چند مرحله‌ای، به چندین مجموعه قالب نیاز است. بعلاوه، به ازای هر مجموعه قالب باید نوعا پرس و اپراتور تامین گردد. همچنین، با تغییر در شکل و اندازه قطعه باید قالب جدیدی طراحی و ساخته شود که این موضوع سبب افزایش قابل ملاحظه در قیمت محصول می‌گردد. از طرف دیگر، دستیابی به قطعه مخروطی با نوک‌تیز در این روش بسیار دشوار است]1[. در روش اسپینینگ برای تولید قطعه، نیاز به تامین دستگاه های خاص می‌باشد. دستگاهی که بتوان با آن قطعات پیچیده و دقیق را ایجاد کرد، باید خودکار باشد که در آن صورت دارای قیمت بالایی خواهد بود. بعلاوه، دستگاه اسپینینگ برای تولید قطعات خیلی کوچک یا بزرگ دارای محدودیت می‌باشد. در روش اسپینینگ برای اینکه ورق بر روی مندرل قرار گیرد نیاز به یک ابزار خاص می‌باشد. این ابزار دستیابی به نوک‌تیز را برای قطعه مخروطی با محدودیت مواجه می‌سازد]2[. روش شکل‌دهی انفجاری نیاز به تجهیزات خاصی دارد و بعلاوه، با توجه به حساسیت زیاد موضوع انفجار، این روش در موارد خاص کاربرد دارد و ایمنی در آن نقش مهمی‌ را ایفا می‌کند. در این روش سرعت تولید قطعات پایین است و تنظیم پارامتر‌ها بسیار مهم می‌باشد ] 3و4 [.
در طی سال‌های اخیر فرایند هیدروفرمینگ به عنوان یک جایگزین مناسب برای شکل‌دهی قطعات پیچیده ورقی از سوی صنایع مختلف مورد توجه قرار گرفته است. روش کشش عمیق هیدروفرمینگ یک نوع روش کشش عمیق است که در آن از یک سیال تحت فشار، بطور خاص در درون محفظه فشار، به عنوان محیط تغییر شکل دهنده استفاده می‌شود]5[. قطعاتی که با هیدروفرمینگ تولید می‌شوند در مقایسه با كشش عمیق سنتی، دارای مزایای قابل توجهی می‌باشند كه از آن نمونه می‌توان به نسبت كشش بیشتر (نسبت قطر ورق اولیه به قطر سنبه در صورتی که قطعه بصورت کامل و بدون عیب کشیده شود)، عملیات ثانویه کمتر، حذف جوشکاری، بهبود بخشیدن به استحكام و چقرمگی، كاهش هزینه قالب، ‌كیفیت سطح بهتر، كاهش برگشت فنری، دقت ابعادی بالاتر و قابلیت شكل‌دهی اشكال پیچیده اشاره كرد]6[.
پارامترهای موثر بر فرایند هیدروفرمینگ شامل فشار اولیه داخل محفظه قالب، مسیر فشار، نسبت کشش، هندسه سنبه و ورق، جنس ورق و ضریب اصطکاک می‌باشد]5[.
استفاده از سیال برای شکل‌دهی یا هیدروفرمینگ از زمان جنگ جهانی دوم مرسوم بوده است. اولین قطعات هیدروفرم شده در سال‌های 1940 و 1950 تولید شدند. از سال 1990 هیدروفرمینگ به عنوان یک فرایند قابل قبول در صنایع خودروسازی مطرح و مورد استفاده قرار گرفته است.  پس از آن، فعالیتهای پژوهشی در این زمینه متمرکز شده و مراکز تحقیقاتی مرتبط همکاری خود را با شرکت‌های سازنده

 خودرو و اتصالات فلزی گسترش داده‌اند ]6[.

2-1- معرفی روش‌های اصلی هیدروفرمینگ ورق
در زمینه فرایند هیدروفرمینگ ورق تحقیقات زیادی در طی سالهای اخیر انجام شده و روش های متعددی از سوی محققان ارائه گردیده است. برخی از این روشها به عنوان پایه سایر روشها محسوب می‌شوند. در این فصل، روش های اصلی فرایند هیدروفرمینگ مورد بررسی قرار می‌گیرد.
1-2-1- روش‌های ماتریس – سیال
در روش‌های هیدروفرمینگ ماتریس – سیال، سنبه بصورت صلب است و سیال درون محفظه نقش ماتریس را بر عهده دارد. این روش دارای انواع مختلفی است كه در زیر شرح داده می‌شوند.
1-1-2-1- هیدروفرمینگ استاندارد (هیدروفرمینگ با دیافراگم لاستیکی)
روش هیدروفرمینگ استاندارد توسط سیرووارودچلوان و تراویس]5[، کندیل]7[ و ژنگ و همكاران (]6[،]8[و ]9[) مورد مطالعه قرار گرفت كه تصویر کلی آن در شکل (1-3) نشان داده شده است. قطعات اصلی این روش شامل سنبه، ورق‌گیر، محفظه فشار و دیافراگم لاستیکی می‌باشد. در روش هیدروفرمینگ استاندارد، قالب به یک محفظه فشار تبدیل می‌شود و فشار سیال از طریق دیافراگم لاستیکی واقع در بین ورق و سیال، به ورق منتقل می‌شود. در این روش ابتدا ورق بر روی دیافراگم قرار می‌گیرد و سپس ورق‌گیر بر روی ورق قرار داده می‌شود. فشار شکل‌دهی با پایین رفتن سنبه ایجاد می‌گردد. همچنین نیروی ورق‌گیر در قسمت فلنج قطعه با اعمال فشار روغن و از طریق دیافراگم لاستیکی به ورق اعمال می‌شود. این روش دارای مزایای زیادی است که از آن جمله می‌توان به کیفیت سطح بهتر، شکل‌دهی قطعات پیچیده و عدم چروكیدگی در ناحیه فلنج قطعه كار اشاره کرد]8[.
همانگونه که از شکل (1-3) پیداست، یکی از اجزای اصلی روش هیدروفرمینگ استاندارد، یک دیافراگم لاستیکی است که برای آب‌بندی محفظه، مورد استفاده قرار می‌گیرد. به علت تماس مستقیم ورق با دیافراگم و در نتیجه، ایجاد تغییر شکل زیاد در دیافراگم، خرابی زودرس در آن رخ می‌دهد. بعلاوه، تعویض دیافراگم وقت‌گیر و هزینه‌بر بوده و موجب افزایش نیروی شکل‌دهی خواهد شد. همچنین کنترل چروک در این فرایند مشکل می‌باشد]8[. از این رو، کاربرد روش هیدروفرمینگ استاندارد در صنعت با مشکلاتی همراه بوده که چندان با استقبال صنعتگران مواجه نگردیده است.
2-1-2-1- کشش عمیق هیدرومکانیکی -هیدرواستاتیکی
به منظور کاهش محدودیت‌های روش هیدروفرمینگ استاندارد، از سوی تعدادی از محققان روش کشش عمیق هیدرومکانیکی بر اساس روش هیدروفرمینگ استاندارد ارائه شد که در شکل (1-4) شماتیک این روش نشان داده شده است. همانطور که از شکل پیداست، در این روش، دیافراگم لاستیکی حذف شده و برای آب‌بندی محفظه روغن از اورینگ بین ورق‌گیر و ماتریس استفاده شده است. فشار سیال با حرکت سنبه به داخل محفظه بوجود می‌آید. همچنین، از یک واحد فشارساز نیز می‌توان برای ایجاد فشار استفاده کرد. در این روش به فشار بالای سیال نیاز است. بعلاوه، سیستم ورق‌گیر در آن مشابه حالت كشش عمیق سنتی می‌باشد که تنظیم نیروی ورق‌گیر در آن بسیار مشکل است ]6[. با بهره گرفتن از این روش، نسبت کشش برای یک فنجان استوانه‌ای در مقایسه با روش سنتی کشش عمیق از 8/1 به 7/2 افزایش یافت]8[.
3-1-2-1- روش كشش عمیق هیدرومکانیکی- هیدرودینامیكی
شماتیک روش کشش عمیق هیدرودینامیکی در شكل (1-5) نشان داده شده است. در این روش، در ناحیه بین ماتریس و ورق‌گیر از هیچ آب‌بندی استفاده نمی‌شود و روغن می‌تواند از این ناحیه خارج شود. بعلاوه، ورق در این ناحیه آزاد است. این امر موجب جریان آسان ورق می‌گردد. نسبت كشش در این روش نسبت به روش هیدرومکانیکی- هیدرواستاتیکی بیشتر، اما احتمال چروكیدگی نیز در ناحیه فلنج بیشتر می‌باشد (]9[ و ]10[).
4-1-2-1- کشش عمیق هیدرودینامیکی با فشار شعاعی
روش کشش عمیق هیدرودینامیکی با فشار شعاعی بطور شماتیک در شكل (1-6) نشان داده شده است. این روش از توسعه روش کشش عمیق هیدرودینامیکی حاصل شده است. به بیان دیگر، این روش شبیه کشش عمیق هیدرودینامیکی است، با این تفاوت که فاصله بین ورق‌گیر و ماتریس (g در شکل) بسیار کوچک است. این تفاوت باعث ایجاد فشار شعاعی روی لبه ورق می‌شود. از این رو، این روش، هیدرودینامیکی با فشار شعاعی نامیده شد. فشار شعاعی باعث راحت‌تر جاری شدن ورق به داخل ماتریس و افزایش نسبت کشش می‌شود. همچنین، شکل‌های پیچیده‌تری را نسبت به روش هیدرودینامیکی می‌توان شکل داد. در این مجموعه قالب، وقتی سنبه به سمت پایین حرکت می‌کند، سیال در داخل محفظه تحت فشار قرار می‌گیرد. این فشار باعث شکل گرفتن ورق بر روی سنبه می‌شود. در این روش، ورق در داخل یک محفظه (به ارتفاع G در شکل) قرار می‌گیرد. ارتفاع این قسمت از ضخامت ورق بیشتر است. در نتیجه، ورق بین ورق‌گیر و ماتریس آزاد است. بدین ترتیب، شکل دادن ورق در این مجموعه قالب در مقایسه با کشش عمیق هیدرودینامیکی معمولی نیاز به نیروی کمتر پرس دارد و نیز نسبت کشش به مقدار قابل ملاحظه‌ای افزایش می‌یابد]10[.
5-1-2-1- کشش عمیق هیدرودینامیکی با فشار یکنواخت روی ورق
روش کشش عمیق هیدرودینامیکی با فشار یکنواخت بطور شماتیک در شكل (1-7) نشان داده شده است. این روش بهبود یافته روش کشش عمیق هیدرودینامیکی با فشار شعاعی است، با این تفاوت که در فاصله بین ورق‌گیر و ماتریس از یک اورینگ برای آب‌بندی استفاده شده است. به دلیل آب‌بندی مجموعه قالب، می‌توان با اعمال فشار اولیه بالا در ورق حالت پیش- بشکه‌ای[1] ایجاد کرد. استفاده از رینگ آب‌بندی در این مجموعه قالب باعث می‌شود که کنترل فشار در قالب راحت‌تر و دقیق‌تر باشد. همچنین فشار در قسمت فلنج و رینگ با فشار محفظه یکسان است. این موضوع باعث افزایش زیاد در نسبت کشش می‌شود]11[.
6-1-2-1- کشش عمیق هیدروریم
همانطور که در بالا بیان شد، اعمال فشار شعاعی سیال بر روی لبه ورق باعث حرکت راحت‌تر ورق به داخل حفره می‌شود. بر این اساس، روش کشش عمیق هیدروریم ارائه شد. تصویر شماتیک یک نمونه از این روش در شکل (1-8) نشان داده شده است. در این روش، ورق علاوه بر سطوح بالایی و پایینی، از طرف لبه نیز در تماس با سیال می‌باشد و با ورق‌گیر و قالب تماس ندارد. بر این اساس نسبت کشش افزایش یافته است، اما احتمال ایجاد چروکیدگی در ورق نسبت به روش کشش عمیق هیدرودینامیکی بیشتر می‌باشد، زیرا ورق در هر دو سمت بالا و پایین آزاد است. همچنین به علت خارج شدن روغن، افت شدیدی در فشار روغن به وجود می‌آید که برای جبران آن باید فشار را افزایش داد. بر اساس نتایج گزارش شده، نسبت کشش در این روش نسبت به روش کشش عمیق هیدرومکانیکی برای کشش یک فنجان استوانه‌ای از 6/2 به 2/3 افزایش یافت (]5[و]8[).
[1] -Pre-bulge