2-4-1 شکل دهی حجمی……………………………………………………………………………………………………………………………………16
2-4-2 شکل‌دهی ورقه‌ای……………………………………………………………………………………………………………………………………..16
2-5 رفتار پلاستیک………………………………………………………………………………………………………………………………………………16
2-6 تنش سیلان…………………………………………………………………………………………………………………………………………………..17
2-7 تنش سیلان متوسط……………………………………………………………………………………………………………………………………..17
2-8 دما در شکل‌دهی فلزات………………………………………………………………………………………………………………………………..18
2-8-1 شکل‌دهی سرد…………………………………………………………………………………………………………………………………………18
2-8-2 شکل‌دهی گرم………………………………………………………………………………………………………………………………………….18
2-8-3 شکل‌دهی داغ…………………………………………………………………………………………………………………………………………..19
2-9 نورد………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………..19
2-9-1 دستگاه‌های نورد……………………………………………………………………………………………………………………………………….20
2-10 نورد میله و مقاطع………………………………………………………………………………………………………………………………………23
2-10-1 ابعاد و ضرایب هندسی کاهش ضخامت در نورد مقاطع………………………………………………………………………..24
2-10-2 شناساندن شکل کالیبر…………………………………………………………………………………………………………………………..25
2-10-2-1 کالیبر آغازین یا پیش نورد………………………………………………………………………………………………………………..25
2-10-2-2 کالیبر میانی و پایانی…………………………………………………………………………………………………………………………27
2-10-3 اصول طراحی نورد………………………………………………………………………………………………………………………………….28
2-10-4 پیدایش باله در نورد……………………………………………………………………………………………………………………………….29
2-10-5 معرفی کارکرد کالیبر……………………………………………………………………………………………………………………………..30
فصل سوم: شبیه سازی اجزای محدود فرآیند شکل‌دهی غلتکی لوله
3-1 مقدمه…………………………………………………………………………………………………………………………………………………………….32
در این سایت فقط تکه هایی از این مطلب با شماره بندی انتهای صفحه درج می شود که ممکن است هنگام انتقال از فایل ورد به داخل سایت کلمات به هم بریزد یا شکل ها درج نشود
شما می توانید تکه های دیگری از این مطلب را با جستجو در همین سایت بخوانید
ولی برای دانلود فایل اصلی با فرمت ورد حاوی تمامی قسمت ها با منابع کامل
3-2 مدل اجزای محدود……………………………………………………………………………………………………………………………………….33
3-3 ایجاد مدل هندسی لوله………………………………………………………………………………………………………………………………..34
3-4 مدل هندسی غلتکها…………………………………………………………………………………………………………………………………..35
3-5 تعریف خواص مواد………………………………………………………………………………………………………………………………………..36
3-6 مونتاژ کردن قطعات………………………………………………………………………………………………………………………………………38
3-7 تعریف اثر متقابل تماس و خصوصیات تماس……………………………………………………………………………………………….39
3-8 گام های تحلیل……………………………………………………………………………………………………………………………………………..40
3-9 بارگذاری ها…………………………………………………………………………………………………………………………………………………..40
3-10 شبکه بندی…………………………………………………………………………………………………………………………………………………42
3-11 پردازش مدل اجزا محدود………………………………………………………………………………………………………………………….43
فصل چهارم: آزمایش تجربی فرآیند شکل دهی غلتکی لوله
4-1 مقدمه…………………………………………………………………………………………………………………………………………………………….44
4-2 تجهیزات مورد استفاده برای آزمایش……………………………………………………………………………………………………………44
4-3 مشخصات لوله……………………………………………………………………………………………………………………………………………….45
4-4 مشخصات غلتک ها……………………………………………………………………………………………………………………………………….46
4-5 مراحل انجام تست…………………………………………………………………………………………………………………………………………47
4-6 بیرون آوردن بیسموت-قلع از قطعه ساخته شده…………………………………………………………………………………………50
فصل پنجم: نتایج و بحث
5-1 مقدمه…………………………………………………………………………………………………………………………………………………………….51
5-2 بررسی مقطع قطعه در هر مرحله………………………………………………………………………………………………………………..52
5-3 بررسی ابعادی………………………………………………………………………………………………………………………………………………..54
5-4 بررسی توزیع ضخامت قطعه…………………………………………………………………………………………………………………………..56
5-5 بررسی اثر اصطکاک………………………………………………………………………………………………………………………………………57
فصل ششم: نتیجه گیری و پیشنهادها
6-1 نتیجه گیری…………………………………………………………………………………………………………………………………………………..58
6-2 پیشنهادها………………………………………………………………………………………………………………………………………………………59
مراجع…………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………….60چکیده لاتین………………………………………………………………………………………………………………………………………………………….62
فهرست اشکال
عنوان صفحه
1- 1مقطع کنداکتور……………………………………………………………………………………………………………………………………………….2
1-2 تولید لوله های چند ضلعی……………………………………………………………………………………………………………………………..4
1-3 تبدیل لوله مربعی توسط چهار صفحه…………………………………………………………………………………………………………….5
1-4 تولید لوله مربعی توسط قالب V شکل……………………………………………………………………………………………………………5
1-5 تغییر شکل لوله توسط اعمال نیرو از چهار طرف……………………………………………………………………………………………6
1-6 تغییر فرم لوله توسط چهار غلتک……………………………………………………………………………………………………………………7
1-7 تغییر فرم لوله توسط چهار غلتک همراه با هندسه منطقه تغییر شکل…………………………………………………………7
1-8 نمایشδ برای قطعه مورد بررسی…………………………………………………………………………………………………………………8
1-9 روش مورد نظر پایان‌نامه…………………………………………………………………………………………………………………………………9
2-1 قطعات ساخته شده از مس…………………………………………………………………………………………………………………………..14
2-2 منحنی تنش-کرنش……………………………………………………………………………………………………………………………………..17
2-3 منحنی تنش و کرنش حقیقی………………………………………………………………………………………………………………………18
2-4 انواع شکل دهی بر اساس دما……………………………………………………………………………………………………………………….18
2-5 شمایی از فرآیند نورد……………………………………………………………………………………………………………………………………20
2-6 نحو اسقرار غلتکها در دستگاه‌های نورد……………………………………………………………………………………………………..21
2-7 تصویر شمایی نورد تسمه در یک دستگاه نورد پیوسته چهار قفسه‌ای………………………………………………………..23
2-8 شماتیک اسقرار غلتکها در دستگاه نورد خوشه‌ای……………………………………………………………………………………..25
2-9 نمایش غلتکها و چگونگی شیار روی سطح آنها برای ایجاد کالیبر در نورد مقاطع…………………………………..26
2-10 شمای عمومی کالیبرها………………………………………………………………………………………………………………………………27
2-11 شمای چند نمونه از کالیبر باز……………………………………………………………………………………………………………………30
2-12 شمای چند نمونه از کالیبر بسته……………………………………………………………………………………………………………….31
3-1 مدل هندسی لوله………………………………………………………………………………………………………………………………………….34
3-2 مقطع قطعه بعد از شکل‌دهی نهایی……………………………………………………………………………………………………………..35
3-3 اندازه غلتک های مراحل سه گانه…………………………………………………………………………………………………………………36
3-4 نمودار تنش-کرنش مس خالص……………………………………………………………………………………………………………………37
3-5 نمودار تنش-کرنش آلیاژ بیسموت-قلع………………………………………………………………………………………………………..38
3-6 مونتاژ غلتکها و لوله…………………………………………………………………………………………………………………………………….39
3-7 نحوه جابجایی خطی غلتکها……………………………………………………………………………………………………………………….41
4-1 دستگاه غلتککاری……………………………………………………………………………………………………………………………………….45
4-2 نقشه لوله مورد استفاده برای تست………………………………………………………………………………………………………………45
4-3 ابعاد غلتک ساخته شده………………………………………………………………………………………………………………………………..46
4-4 غلتک ساخته شده…………………………………………………………………………………………………………………………………………47
4-5 مونتاژ غلتکها بر روی دستگاه……………………………………………………………………………………………………………………..47
4-6 لوله در هنگام پر شدن توسط آلیاژ بیسموت-قلع………………………………………………………………………………………..48
4-7 لوله پس از پر شدن توسط آلیاژ بیسموت-قلع…………………………………………………………………………………………….48
4-8 مرحله اول غلتککاری………………………………………………………………………………………………………………………………….49
4-9 مرحله دوم غلتک کاری………………………………………………………………………………………………………………………………..49
4-10مرحله سوم غلتککاری……………………………………………………………………………………………………………………………….50
5-1 مقطع حاصل از مرحله اول در نرم افزار آباکوس………………………………………………………………………………………….52
5-2 مقطع حاصل از مرحله دوم در نرم افزار آباکوس………………………………………………………………………………………….52
5-3 مقطع حاصل از مرحله آخر در نرم افزار آباکوس…………………………………………………………………………………………53
5-4 قطعه ساخته شده………………………………………………………………………………………………………………………………………….54
5-5 اندازه گذاری مقطع ساخته شده به صورت پارامتری…………………………………………………………………………………..54
5-6 مقایسه طول قطعه ساخته شده با لوله اولیه………………………………………………………………………………………………..55
5-7 نمایش محل نقاط A، B و C برای بررسی کاهش ضخامت………………………………………………………………………..56
5-8 نمایش تغییر ضخامت برای نقاط A ، B و C………………………………………………………………………………………………56
5-9 عدم جلو کشیدن شدن لوله توسط غلتکها با ضریب اصطکاک…………………………………………………………………57
فهرست جداول
عنوان صفحه
2-1 موارد استفاده از مس و عملیات مورد استفاده در تولید آنها………………………………………………………………………..13
2-2 سیستم نامگذاری مس و آلیاژهای آن………………………………………………………………………………………………………….15
3-1 مشخصات فیزیکی و مکانیکی مس………………………………………………………………………………………………………………36
3-2 مقدار مواد تشکیل دهنده بیسموت………………………………………………………………………………………………………………37
3-3 مشخصات فیزیکی و مکانیکی آلیاژ بیسموت-قلع………………………………………………………………………………………..37
3-4 مقدار دامنه برای جابجایی هایی خطی………………………………………………………………………………………………………..40
3-5 مقدار دامنه برای جابجایی هایی دورانی مراحل دو و چهار…………………………………………………………………………41
3-6 مقدار دامنه برای جابجایی هایی دورانی مرحله شش…………………………………………………………………………………..42
3-7 بررسی تاثیر اندازه المان بر تنش وارده به لوله…………………………………………………………………………………………….42
5-1 اندازه های بدست آمده از مقطع مورد نظر بر حسب میلیمتر……………………………………………………………………..55
چکیده
ساخت لوله های مربعی و مستطیلی به دلیل کاربرد فراوان آنها در صنایعی که نیاز به فشار و درجه حرارت بالا دارند، بیش از پیش مورد توجه قرار گرفته است. روش های مختلفی برای ساخت لوله های چهار گوش وجود دارد از جمله اکستروژن، کشش و فشار. روش دیگری که در سال های اخیر بر روی آن مطالعاتی صورت گرفته است، شکل‌دهی مجدد لوله های دوار و تبدیل آن به مقطع مربع و یا مستطیل می باشد. در تحقیقات قبلی روش‌هایی که پیشنهاد شده است همگی برای تولید لوله های مربعی کاربرد دارد و امکان تولید لوله‌های مستطیلی با استفاده از آن روش ها وجود ندارد. روشی که در این پژوهش معرفی میگردد عبارت است از پر کردن لوله با بیسموت و غلتککاری در سه مرحله متوالی. در این پژوهش ابتدا در نرم افزار آباکوس فرآیند مورد نظر شبیه‌سازی میگردد و سپس توسط آزمون تجربی یک نمونه واقعی ساخته می‌شود. نمونه ساخته شده از لحاظ ابعادی مورد بررسی قرار میگردد و با نتایج بدست آمده از شبیه سازی مقایسه می‌شود. نتایج این تحقیق نشان می‌دهد که روش پر کردن لوله توسط بیسموت و عبور از سه غلتک، روشی مناسب برای ساخت لوله‌های جدار نازک با مقطع مستطیل شکل میباشد.
کلمات کلیدی: شکل دهی غلتکی، لوله‌های مستطیلی، نورد سرد
فصل اول
مقدمه
1-1 مقدمه
لوله های چهار گوش به طور گسترده در صنایع مختلف به کار برده می‌شود. از سطح داخلی این لوله‌ها بعنوان مسیر حرکت سیال، مسیر هدایت امواج الکتریکی و یا بعنوان قالب انجماد استفاده میگردد. روش های مختلفی شامل اکستروژن، کشش و فشار(سرد و گرم) و فورج برای تهیه این لوله ها به کار می‌رود. یکی دیگر از این روش‌ها شکل‌دهی غلتکی لوله مدور و تبدیل آن به لوله چهارگوش میباشد. بوسیله این فرآیند می‌توان به محصولی با دقت ابعادی، خواص مکانیکی مانند سختی و استحکام بیشتر دست یافت بعلاوه محصولات بدست آمده توسط این روش لوله های چهارگوش بدون درز است که از لوله گرد ریخته‌گری شده بدست می‌آیند. علیرغم قدمت و کاربرد روز افزون شکل‌دهی غلتکی سرد، تعداد کارهای عملی و تحقیقاتی انجام شده در این زمینه، خصوصاً شکل‌دهی مجدد لوله های گرد به غیر گرد، در مقایسه با سایر فرآیندهای شکل‌دهی فلزات کم است.
در این فصل ابتدا در مورد قطعه مورد نظر توضیحاتی داده می شود و پس از آن مروری بر کارهای گذشته انجام می‌شود.
1-2 معرفی قطعه مورد بررسی
قطعه مورد بررسی عبارت است از یک پروفیل دو بعدی (شکل1-1). این لوله ها در ساخت ژنراتور(شکل1-2) استفاده میگردد و وظیفه انتقال جریان برق را برعهده دارد و از طرفی جهت خنک شدن این لوله ها از داخل آنها جریان هوای سرد عبور می‌کند. این قطعات در شرکت مهندسی و ساخت ژنراتور مپنا که یکی از از زیر مجموعه های گروه مپنا میباشد مورد استفاده قرار می‌گیرد. تاکنون این قطعات از شرکت Ansaldo که یک شرکت ایتالیایی میباشد وارد می‌شده است و در حال حاضر تدوین دانش فنی ساخت این قطعه در کشور مورد نیاز میباشد.
شکل 1-1 مقطع کنداکتور
یکی از روش های ممکن برای تولید لوله های چهارگوش روش اکستروژن میباشد. قطعه مورد بررسی از جنس مس میباشد به همین دلیل از هدایت حرارتی بالایی برخورد دار است و اکستروژن گرم آن مشکل است.
به دنبال روشی می باشیم که بتوان از روش کار سرد، لوله ای با مقطع دایره ای را به مقطع مورد نظر تبدیل کنیم. در این زمینه تحقیقاتی صورت گرفته است که در بخش های بعدی به توضیح بیشتر در این زمینه می‌پردازیم.
1-3 مروری بر کارهای انجام شده
پیش از این، روش‌های تجربی، تحلیلی و عددی متفاوتی برای بررسی فرآیند شکل‌دهی غلتکی لوله انجام گردیده است. نتایج بدست آمده برخی از این تحقیقات با اندازه گیری تجربی مطابقت خوبی را نشان می‌دهد.
کیوچی1 تاثیر متغیر های فرآیند و برنامه عبور لوله برای حالتی که در آن لوله دوار اولیه با جداره نازک به لوله ای با مقطع مربعی تبدیل می شود را در مورد فرآیند نورد غلتکی سرد بصورت آزمایشی و تقریبی مورد بررسی و تحقیق قرار داده است. توزیع تغییر ضخامت دیواره در سطح مقطع لوله برای هر مرحله از فرآیند شکل‌دهی ،تاثیرات نحوه عبور لوله از غلتکها بر روی شعاع گوشه‌های سطح مقطع مربعی محصول و بدست آمدن حداقل شعاع گوشه ها مورد تحقیق قرار گرفته است[1و2].
ون2 در مورد استفاده از طراحی های پیشرفته ابزار برای شکل‌دهی لوله گرد به لوله‌های مربعی بحث کرده است. با استفاده از این یک روش شبیه سازی عددی ،مثل روش اجزا محدود، مقدار انقباض محیطی لوله را در این فرآیند محاسبه نموده و ابعاد گرد اولیه لوله را به دست آورده است. وی تاثیر پارامترهای مانند ابعاد لوله نهایی، مقدار تغییر شکل در هر مرحله، تعداد مراحل و . . . را بر روی گوشه های لوله بررسی کرده است[3].
اونادا3 و همکارانش ویژگی‌های تغییر شکل لوله‌های فولادی گرد که به وسیله فرآیند شکل‌دهی اکسترول به لوله‌های مربعی تبدیل می‌شوند را با توجه با اندازه گیری‌های تجربی و نتایج محاسبه شده بوسیله روش اجزا محدود برای ماده صلب-پلاستیک مورد بحث قرار داده‌اند[4و5].
بایومی2 یک روش تحلیلی برای تولید لوله های چند ضلعی منتظم فلزی از لوله گرد به روش کشش سرد با عبور از درون یک مجموعه غلتک‌های تخت و در طی یک مرحله ارائه داده است(شکل1-2). این حل بر بدست آوردن یک میدان سرعت مجاز مبتنی است که شرایط دینامیکی برای ایجاد مؤلفه‌های نرخ کرنش را ارضا می‌کند. اثرات شکل مقطع خروجی، میزان اصطکاک در سطح تماس لوله و غلتک، شعاع غلتک و ضخامت دیواره بر روی میزان بار وارده بر غلتکها و نیروی کشش مورد نیاز برای انجام فرآیند تحقیق شده است]6[.
شکل1-2 تولید لوله های چند ضلعی (a) نحوه چیدمان غلتک ها (b) مقاطع چند ضلعی منتظم مختلف]6[
مسلمی نائینی یک شبیه سازی عددی جدید و ساده به نام FDM برای تحلیل دوبعدی تغییر شکل الاستیک-پلاستیک لوله در فرآیند شکل‌دهی مجدد لوله گرد به لوله های گرد فرآیند شکل‌دهی مجدد لوله های گرد به لوله‌های غیر گرد با استفاده از ترکیب روش اجزا محدود و روش تفاضل محدود تعیین نموده است]7[.
لئو1 فرآیند شکل دهی مجدد لوله های مربعی را با استفاده از چهار صفحه تخت انجام داده است. در این روش لوله گرد اولیه ابتدا گیره بندی شده و سپس چهار صفحه تخت به صورت تدریجی باعث تغییر شکل لوله گرد به حالت چهار گوش میگردد. وی با استفاده از روش اجزای محدود به بررسی پارامترهای موثر بر روی این فرآیند مانند ضریب اصطکاک،ضریب کرنش سختی، نرخ هندسی (R / t ) بر روی عیوب تورفتگی دیواره ها در فرآیند چهارگوش کردن وتعیین نیروی شکل دهی پرداخته است (شکل1-3)]8و9و10[.
شکل1-3 تبدیل لوله مربعی توسط چهار صفحه]10[
هوانگ یانگ مینگ1 در تحقیقی دیگر به روش اجزاء محدود الاستو پلاستیک به بررسی تاثیر پارامترهایی همچون اصطکاک، نرخ هندسی،جنس لوله ها و میزان کاهش ارتفاع بر روی نیروی شکل دهی و حالت های خرابی پیش آمده در تبدیل لوله های چهار گوش از لوله گرد اولیه بااستفاده ازقالب های V شکل پرداخته است(شکل1-4)]11[.
شکل1-4 تولید لوله مربعی توسط قالب V شکل]11[
بایومی1 و همکارانش به بررسی و تعیین نیروهای شکل دهی و کشش در تبدیل لوله های گرد به لوله های چهار گوش به وسیله چهار صفحه پرداخته‌اند. این تحلیل به کمک یک روش تحلیلی و به کمک روش اجزا محدود در نرم افزار های ABAQUS و LS-DYANA 3D انجام شده وبه منظور تایید و مقایسه نتایج شبیه سازی و تحلیلی یک سری آزمایشات تجربی انجام شده است(شکل1-5) ]12[.
شکل1-5 تغییر شکل لوله توسط اعمال نیرو از چهار طرف]12[
ابری نیا و فرهمند یک روش تحلیلی مبتنی بر تئوری حد بالا برای نورد لوله گرد و تبدیل آن به لوله مربعی ارائه نموده‌اند. تاثیر پارامترهای فرآیند مانند شعاع غلتک، قطر لوله اولیه، مقدار کاهش ارتفاع غلتکها بر روی محصول نورد شده مورد بررسی قرار گرفته است. به منظور مقایسه و تایید نتایج شبیه سازی یک سری آزمایشات تجربی انجام شده است. کمیت هایی همچون انرژی، ضخامت دیواره و شعاع گوشه های محصول نهایی اندازه گیری و ارائه گردیده است(شکل1-6)]13[.
شکل1-6 تغییر فرم لوله توسط چهار غلتک]13[
ابری نیا و تاجیار در مورد تاثیر پارامترهای مختلف بر روی نیروی جداشونده در شکل دهی مجدد لوله گرد به چهارگوش تحقیق کرده اند و به بررسی تاثیر پارامترهای مختلف فرایند بر روی نیروی جداشونده در فرآیند شکل‌دهی مجدد به کمک روش اجزاء محدود در نرم افزار ABAQUS پرداخته‌اند(شکل1-7)]10[.
شکل1-7 تغییر فرم لوله توسط چهار غلتک همراه با هندسه منطقه تغییر شکل]14[
1-4 ویژگی‌های پایان‌نامه و اهداف آن
همانطور که در بخش قبلی اشاره شد تحقیقات زیادی در مورد تغییر شکل مجدد لوله ها و تبدیل آنها به مقاطع چهارگوش انجام گرفته است که می‌توان به تغییر توسط چهار صفحه(شکل1-3)، تغییر توسط قالب V شکل(شکل1-4) و تغییر توسط چهار غلتک به صورت همزمان(شکل1-6) اشاره کرد. لیکن به دلیل جدید بودن این روش‌ها هنوز تحقیقات مربوطه کامل نگردیده است. علارغم تحقیق درباره مقاطع مربعی در مطالعات قبلی هیچگونه تحقیقی بر روی مقاطع مستطیلی انجام نگرفته و همگی به مقاطع مربعی پرداخته که از هر چهار طرف تغییر شکل(δ) به یک اندازه میباشد در صورتی که در این پایان‌نامه تغییر شکل (δ) از دو طرف متفاوت است و حتی در یکی از جهات به صورت منفی می باشد(شکل1-8). با توجه به این تحقیقات امکان تولید قطعه فوق توسط روش های مورد اشاره(توسط قالب V شکل، توسط چهار غلتک به صورت همزمان، توسط چهار صفحه) وجود نداشته است.
شکل1-8 نمایشδ برای قطعه مورد بررسی
بنابراین به دنبال این هستیم که بتوانیم به روش دیگری این قطعه را تولید کنیم که پس از بررسی، پیشنهاد پر کردن فضای داخلی لوله توسط ماده دیگری و تغییر شکل غلتکی توسط 3 مرحله غلتککاری بدون اینکه محور دورانی غلتک ها زاویه ای با همدیگر داشته باشند(شکل 1-9)، داده شد و برای ماده پرکننده، آلیاژ بیسموت-قلع به دلیل پایین بودن نقطه ذوب در نظر گرفته شد. یکی دیگر از جنبه‌های نوآوری این پایان‌نامه این موضوع میباشد که قطعه فوق از شرکت Ansaldo ایتالیا تهیه میگردد و جنبه بومی سازی و تولید داخلی دارد.
شکل1-9 روش مورد نظر پایان‌نامه
1-5 روند انجام پایان‌نامه
در فصل بعد روابط مربوط به شکل‌دهی و نورد به منظور آشنایی بیشتر با این موضوع ارائه می شود و همانکونه که اشاره خواهد شد، روابط حاکم در این موضوع، بسیار سخت و پیچیده است و بدون نیاز به کامپیوتر امکان حل آنها تقریبا غیر ممکن است. به همین منظور برای انجام این پایان‌نامه به نرم‌افزارهای شبیه سازی نیاز میباشد. در واقع نرم‌افزار های عددی به کمک روش اجزای محدود به حل مسائل این چنین می‌پردازند.
روند طرح به این صورت است که داخل لوله مدور با استفاده از ماده ای پر می‌شود و تغییر شکل آن بررسی می‌شود. در این پایان‌نامه از نرم افزار Abaqus برای شبیه سازی اجزای محدود استفاده گردیده و در نهایت توسط روش تجربی مقطع مورد نظر تولید میگردد و سپس به مقایسه نتایج بدست آمده پرداخته خواهد شد.
1-6 مروری بر فصل‌های پایان‌نامه
در فصل اول مقدمه برای معرفی پایان‌نامه و همچنین کارهای انجام شده بیان شد.
در فصل دوم اطلاعاتی در مورد مس داده خواهد شد و روابط و مفاهیم اولیه در مورد شکل دهی غلتکی مقاطع ارائه خواهد شد.
در فصل سوم به شبیه سازی مدل اجزای محدود در نرم‌افزار Abaqus پرداخته می‌شود.
در فصل چهارم روند تجربی و آزمایشات توضیح داده خواهد شد.
در فصل پنج نتایج شبیه سازی عددی و نتایج تجربی مقایسه خواهد شد.
و در نهایت، فصل ششم به نتیجه گیری کلی و ارائه پیشنهادات اختصاص داده شده است.
فصل دوم
مفاهیم اولیه
2-1 مقدمه
در این فصل به معرفی مس پرداخته می‌شود و پس از آن اصول مقدماتی شکل دهی فلزات و پارامترهای مؤثر در ارتباط با آن ارائه می‌شود و همچنین در مورد نورد توضیحاتی داده می‌شود. دستگاه‌های نورد معرفی خواهند شد و در مورد روابط غلتککاری سرد بحث می‌شود.
2-2 معرفی مس و کاربرد‌هی آن
مس و اکثر آلیاژهای آن را می توان به آسانی تغییر فرم داد. آلیاژهای مس پس از شکل دهی از لحاظ استحکام وکار سختی بین آلومینیوم و فولاد قرار دارند. در این قسمت تلاش بر این است که اطلاعاتی در مورد مشخصات مس و آلیاژهای آن و همچنین توضیح در مورد اینکه این مشخصات چه تاثیراتی بر روی انواع شکل دهی این فلز دارد و درک صحیحی از شکل دهی مس به خواننده داده شود]15[.
2-2-1 مشخصات عمومی مس
مس و آلیاژهای مس یکی از مهمترین مواد مهندسی موجود در طبیعت هستند. ترکیبی از خواص مس از قبیل استحکام، هدایت الکتریکی و گرمایی، مقاومت به خوردگی، قابلیت ماشین کاری و انعطاف پذیری مس را برای استفاده بسیار گسترده در صنایع مناسب کرده است. این خواص مس می تواند با تغییر در ترکیب شیمیایی و روش ساخت گسترده تر نیز گردد.
هدایت الکتریکی: مس در بین فلزات مهندسی بالاترین هدایت الکتریکی را دارد. نقره یا دیگر عناصر می تواند به مس اضافه شود تا استحکام افزایش یابد بدون آنکه در هادی الکتریسیته بودن آن خللی وارد شود.
هدایت گرمایی: هدایت حرارتی مس در حدود دو برابر آلومینیوم و سی برابر فولاد زنگ نزن است. از این رو مس برای کاربردهایی که به انتقال حرارت سریع نیاز دارند، از قبیل ظروف آشپزخانه، مبدل حرارتی، رادیاتور‌های ماشین و وسایل نقلیه و انباره های حرارتی در کامپیوتر، دیسک چرخان و مجموعه‌های تلویزیون، استفاده می شود.
رنگ و ظاهر: بسیاری از آلیاژهای مس رنگ منحصر به فردی دارند که می تواند با تغییر آب و هوا تغییر یابد. برای بیشتر آلیاژهای مس، ایجاد و حفظ سطح استاندارد در شرایط خوردگی شدید آسان است. بسیاری از آلیاژهای مس هم به صورت خام و هم به صورت دارای پوشش روی سطح کاربرد های دکوری دارند. این آلیاژهای رنگ منحصر به فردی دارند از صورتی پررنگ تا زرد طلایی و برنزی تیره.
مقاومت به خوردگی: همه آلیاژهای مس در مقابل آب و بخار مقاومت به خوردگی دارند. در بسیاری از مناطق روستایی، محیط های دریایی و فضاهای صنعتی، آلیاژهای مس به دلیل مقاومت به خوردگیشان کاربرد دارند. مس و آلیاژهای مس همچنین در برابر محلول های نمکی، خاک ها، کانی های غیر اکسیدی، اسیدهای ارگانیک و سود سوزآور مقاوم است. مس و آلیاژهای آن در برابر بیشتر آمونیاک ها، هالوژن ها، سولفید ها، محلول های حاوی یون های آمونیوم و اسید های اکسید کننده مانند اسید نیتریک مقاومت زیادی ندارد. آلیاژهای مس همچنین در برابر اسید های غیر ارگانیک مقاومت کمی دارد. مقاومت به خوردگی آلیاژهای مس از تشکیل لایه چسبنده ای بر روی سطح نشأت می گیرد. این لایه چسبنده حاصل خوردگی اولیه سطح است که سطح مس را از خوردگی بیشتر محافظت می کند.
بازیابی انعطاف پذیری با آنیل شدن: این بازیابی می تواند با آنیل مخصوص صورت گیرد و یا به طور اتفاقی در حین جوشکاری یا لحیم کاری با ایجاد حرارت صورت پذیرد.
سخت کاری/ استحکام بخشی: چهار روش برای استحکام بخشی مس و آلیاژهای آن وجود دارد، کرنش سختی، استحکام بخشی به روش محلول جامد، رسوب سختی و استحکام بخشی به روش پخش فازهای سخت، راه های استحکام بخشی به مس هستند.
در لیست زیر موارد استفاده از این فلز را آورده شده و نشان دهنده انجام گرفتن انواع شکل دهی بر روی این فلز می باشد.
جدول 2-1 موارد استفاده از مس و عملیات مورد استفاده در تولید آنها
موارد استفاده شکل دهی های مورد استفاده در فرآیند تولید اتصالات و ترمینال های الکتریکی خم کاری،کشش، برش، سکه زنی قاب های هدایت الکترودی خم کاری، برش، سکه زنی سیم های تو خالی شکل دهی غلتکی، برش یراق آلات ساختمانی کشش عمیق و کشش با عمق کم ، شکل دادن انبساطی مبدل های حرارتی شکل دهی غلطکی، خمکاری، برش سکه برش، سکه زنی، برجسته کردن لوله خرطومی تاشونده تولید استوانه ای، کشش عمیق، خمکاری آلات موسیقی برش، سکه زنی، خمکاری، اسپینینگ مهمات جنگی برش،کشش عمیق
در شکل های 2-1 قطعات ساخته شده از جنس مس را نشان می‌دهد.
شکل 2-1 قطعات ساخته شده از جنس مس]15[
2-2-2 سیستم نامگذاری مس و آلیاژهای آن
سیستم شماره گذاری جدید برای فلزات و آلیاژ ها، سیستم(UNS) میباشد که از 5 رقم استفاده می کند و با حرف C شروع می‌شود. بعنوان مثال برای برنج های آهنگری شده که به عنوان آلیاژهای مس 377معروف می‌باشند، در سیستم UNS به شکل C37700 شناخته می‌شوند. ترکیبات کار شده شامل شماره گذاری از C10000 تا C79900 میباشد. آلیاژهای ریختگی از C80000 تا C99900 شماره گذاری می‌شوند.
در این پایان‌نامه از جنس مس با درصد بالا استفاده شده، به دلیل اینکه قطعه مورد نظر در ژنراتور مورد استفاده قرار می‌گیرد و می بایستی هدایت الکتریکی بالا داشته باشد. در زیر به معرفی انواع مس کار شده پرداخته می‌شود.
جدول 2-2 سیستم نامگذاری مس و آلیاژهای آن
نام آلیاژ شماره مس ها، آلیاژهای با درصد مس بالا C10000-C19999 برنج ها C20000-C49999 برنز های فسفر C50000-C59999 برنز های آلومینیوم C60600-C64200 برنزهای سیلیسیوم C64700-C66100 نیکل های مس، سیلورهای نیکل C70000-C79999
2-2-3 مس کار شده
مس کار شده1 غیرآلیاژی یکی از فلزات مهم مهندسی است. این فلز به مقدار زیادی در صنایع الکتریکی به کار می‌رود زیرا هدایت الکتریکی آن زیاد است. همانطور که قبلاً گفته شد، خواص دیگری که جاذبه مس غیرآلیاژی را به عنوان یک ماده مهندسی زیاد می‌کند عبارت‌اند از مقاومت زیاد آن به خوردگی، سادگی ساخت، استحکام کششی معقول، خواص تابکاری قابل کنترل و مشخصات خوب لحیم‌کاری و اتصال.
مس کارشده برحسب مقدار اکسیژن و ناخالصی‌های آن طبقه‌بندی می‌شود. انواع مس کار شده عبارتند از:
الکترولیتی تصفیه‌شده
بدون اکسیژن
اکسیژن‌زدایی شده با فسفر
2-3 نگاهی به فرآیند شکل‌دهی فلزات
تغییر شکل پلاستیک ناشی از نیروهای قالب و ابزار که سبب تغییر شکل قطعه کار می‌شود را فرآیند شکل دهی پلاستیک می‌گویند ]16[.
2-4 شکل‌دهی بر اساس بیان آلتن
بر این اساس فرآیند شکل دهی به دو گروه عمده تقسیم بندی می شود ]17[:
الف-شکل دهی حجمی
ب-شکل دهی ورق
2-4-1 شکل دهی حجمی
شکل دهی حجمی دارای مشخصات زیر است:
شکل و یا سطح مقطع قطعه کار تغییر شکل مومسان زیادی پیدا می کند.
ماده اولیه به صورت شمش ،میله و یا بیلت می باشد.
مقدار تغییر شکل مومسان نسبت به تغییر شکل کشسان معمولا به قدری زیاد می باشد که از برگشت فنری قطعه بعد از تغییر شکل می توان صرف نظر کرد.
فرآیند حدیده کاری، آهنگری، نورد کاری و کشش مثال هایی از فرآیندشکل دهی حجمی فلزات می باشند
2-4-2 شکل‌دهی ورقه‌ای
مشخصه های اصلی شکل‌دهی ورقه‌ای نیز چنین است:
شکل اولیه قطعه کار به صورت ورق می باشد
این نوع شکل دهی معمولا تغییر شکل قابل توجهی در شکل قطعه به وجود می آورد ،اما سطح مقطع قطعه زیاد تغییر نمی کند.
در بسیاری از موارد تغییر شکل مومسان و کشسان از یک مرتبه اند، بنابراین از برگشت فنری نمی توان چشم پوشی کرد.
فرآیند کشش عمیق ،خمکاری اسپینینگ و شکل دهی های غلطکی نمونه هایی از شکل دهی ورق هستند.
2-5 رفتار پلاستیک
در ناحیه پلاستیک رفتار گاهی از فلزات توسط منحنی جریان زیر بیان می شود
σ=Kε^n (2-1)
که در آن K ضریب استحکام و n معرف کرنش سختی (یا کار سختی) می باشد. این پارامتر ها که از منحنی تست مواد محاسبه شده است در جداول خواص مواد موجود است]16[.
2- 6 تنش سیلان
در برخی مواد در محاسبات شکل دهی فلزات γ_f تنش سیلان ماده (مقدار لحظه ای تنش مورد نیاز برای ادامه پیدا کردن فرآیند شکل دهی) باید مشخص باشد:
γ_f =Kε^n (2-2)
2-7 تنش سیلان متوسط
در برخی موارد، محاسبات بر اساس تنش سیلان لحظه ای نیست. بلکه بر اساس تنش متوسط روی منحنی تنش-کرنش از شروع کرنش تا مقدار نهایی (بیشینه) آن که در طی فرآیند شکل دهی رخ می دهد میباشد.
شکل 2-2 منحنی تنش-کرنش ]16[
تنش سیلان متوسط به صورت زیر تعریف می شود:
Y ̅=(Kε^n)/(1+n) (2-3)
که در آن ε_f بیشترین مقدار کرنش در حین فرآیند شکل دهی می باشد.
2-8 دما در شکل‌دهی فلزات
تنش سیلان برای یک دمای محیط کار مشخص، معتبر است. برای هر ماده ای K و n وابسته به دما میباشد و بنابراین خواص مواد با دمای کار تغییر می کند]16[.
شکل2-3 منحنی تنش و کرنش حقیقی ]16[
سه محدوده دمایی برای شکل دهی وجود دارد: سرد ،گرم ،داغ
شکل2-4 انواع شکل دهی بر اساس دما ]16[
2-8-1 شکل دهی سرد
فرآیند شکل دهی است که در دمای محیط انجام گیرد.
مزایا: دقت بیشتر، استحکام و سختی بیشتر در قطعه و عدم نیاز به فرآیند گرمایش
معایب: توان و نیروی بالاتر، محدودیت های مقدار شکل دهی، آنیلینگ اضافه برای برخی مواد لازم است و برخی مواد را نمی توان به این روش شکل دهی کرد.
2-8-2 شکل‌دهی گرم
فرآیند شکل دهی است که در دمای محیط و پایین تر از دمای تبلور مجدد انجام شود.
مزایا: توان و نیروهای پایین تر، شکل دهی قطعات پیچیده تر، به فرآیند آنیلینگ نیازی نیست.
معایب: باید برای گرم کردن قطعه امکاناتی فراهم نمود.
2-8-3 شکل‌دهی داغ
فرآیند شکل دهی است که در دمای بالاتر از تبلور مجدد انجام گیرد.
مزایا: می توان مقدار شکل دهی بیشتری انجام داد، نیروها و توان کمتر مورد نیاز است، شکل دهی مواد با داکتیلیتی پایین تر، کار سختی وجود ندارد و بنابراین هیچ گونه آنیلینگ اضافه لازم نیست.
معایب:دقت پایین تر، هزینه تولید بیشتر و عمر ابزار پایین تر
2-9 نورد
شاید بتوان گفت که فرآیند نورد فلزات یکی از مهمترین فرآیند های شکل دهی به حساب می آید. بیش از 90% از قطعات تولیدی از فولاد ها، آلومینیوم ها و مس در طی فرآیند تولید توسط نورد بر روی آنها کار انجام گرفته است و در سال 1985 بیش از 800 میلیون تن قطعه در آمریکا با این روش تولید شده است، بنابراین این اعداد نشان می دهد که بخش عمده از تولیدات مربوط به این روش می باشد. ستون ها و دیگر مقاطعی که در ساخت ساختمان ها استفاده می شود همگی به روش نورد فولاد تولید میگردد. ریل های راه آهن و مقاطع مورد استفاده در ماشین آلآت همگی از نورد فولاد تولید می‌گردند. و همچنین مقاطع به کار برده شده از جنس آلومنیوم در ساخت هواپیما، سیم های به کار برده شده در نرده ها، سیم بکسل های آسانسورها،کابل های برق و بسیاری از اقلام مصرفی از جمله خودرو، لوازم خانگی، وسایل آشپزخانه و قوطی های نوشیدنی همه و همه با استفاده از نورد ورق تولید می شوند.
در نورد که یک نوع تغییر شکل فشاری می باشد، توسط دو غلتکی که مخالف همدیگر و در حال دوران هستند ایجاد می گردد(شکل 2-4). مزیت اصلی نورد این می باشد که می توانیم تغییر شکل بسیار زیادی روی قطعه با سرعت بالا ایجاد کرد و یک تولید پیوسته داشته باشیم. و بسیاری از قطعات نظیر لوله را از ورق تولید کرد]15 [.
شکل2-5 شمایی از فرآیند نورد]1 [
2-9-1 دستگاه‌های نورد
دستگاه‌های نورد عمدتا شامل غلتکها، یاتاقان‌ها، محفظه‌ای برای پوشاندن این قطعات محرکی برای اعمال قدرت به غلتکها و کنترل سرعت آنهاست. نیروی درگیر در نورد به راحتی به چند هزار تن می‌رسند. بنابراین برای ایجاد قدرت لازم، ساختمان بسیار صلب و موتور‌های خیلی بزرگی مورد نیاز است. وقتی برای اینجاد یک خط نورد نیاز به چندین قفسه می‌باشیم به راحتی می‌توان دریافت که چرا تأسیس یک کارخانه نورد جدید به میلیون ها دلار سرمایه گذاری و مقدار زیادی نفر-ساعت کار ساختمانی و تأسیس مهندسی نیاز دارد]18 [.
دستگاه‌های نورد به طور قرار دادی نسبت به تعداد و نحوه اسقرار غلتکها تقسیم بندی می‌شوند (شکل2-5). ساده‌ترین و متداول‌ترین نوع دستگاه نورد، دستگاه نورد دوتایی است(شکل 2-5/ الف). غلتک‌های با اندازه مساوی فقط در یک جهت می‌چرخند. برای ایجاد کاهش بیشتر، قطعه توسط دست یا به وسیله سکویی که بتواند بلند شود و کار را از روی غلتکها عبور دهد، به ورودی یا پشت غلتکها برگردانیده می‌شود. در نتیجه استفاده از دستگاه نورد دوتایی دوسویه، که در آن کار می‌تواند از بین غلتک‌هایی که جهت چرخش آنها معکوس می‌شود به جلو و عقب عبور کند، سرعت عمل به وضوح بیشتر می‌شود(شکل 2-5/ ب). راه حل دیگر، دستگاه نورد سه تایی (شکل 2-5/ پ) است، شامل دو غلتک جلوبر بالایی و پایینی و یک غلتک میانی که توسط اصطکاک می‌چرخد]18 [.
با استفاده از غلتک‌های با قطر کوچک، قدرت لازم برای نورد به مقدار زیادی کاهش می‌یابد. اما چون غلتک‌های با قطر کوچک استحکام و صلبیت کمتری از غلتک‌های بزرگ دارند، باید غلتک‌های پشت بندی با قطر بزرگتر متکی باشند. ساده ترین دستگاه از این نوع دستگاه نورد چهارتایی است(شکل 2-5/ ت). در دستگاه نوردی با غلتک‌های با قطر کوچک، ورق خیلی نازکی می‌تواند تا حدود مجاز دقیقی نورد شود. دستگاه نورد خوشه ای(شکل 2-5/ ث)، که در آن هر غلتک به دو غلتک پشت بند متکی است، نمونه ای از این نوع است. دستگاه نورد سندزیمیر، نوعی دستگاه نورد خوشه‌ای است که برای نورد ورق نازک از آلیاژهای مستحکم بسیار مناسب است]18 [.
شکل 2-6 نحوه اسقرار غلتکها در دستگاه‌های نورد. الف)دوتایی،یکسویه؛ ب)دوتایی، دوسویه؛ پ)سه‌تایی؛ ت)چهارتایی؛ ث)خوشه‌ای]18 [
نصب یک دسته دستگاه نورد یکی پس از دیگری به صورت پشت سر هم برای تولید زیاد، امری متداول است (شکل2-6). هر دستگاه شامل غلتک قفسه نامیده می‌شود. چون میزان کاهش مقطع در هر قفسه متفاوت است،تسمه در هرمرحله از دستگاه نورد با سرعت مختلفی در حرکت خواهد بود. سرعت هر دست غلتک طوری تنظیم می‌شود که قفسه بعدی، تسمه را با سرعتی برابر سرعت حمل قفسه قبلی دریافت کند. کلاف باز‌کن و کلاف پیچ نه تنها عملیات تغذیه ماده اولیه به غلتکها و کلاف کردن محصول نهایی را انجام می‌دهند، بلکه برای ایجاد پس کشش و پیش کشش در تسمه نیز به کار می‌روند.]18 [.
شکل2-7 تصویر شمایی نورد تسمه در یک دستگاه نورد پیوسته چهار قفسه‌ای]18 [
دستگاه نورد سیاره ای دستگاه متفاوتی است (شکل2-7). این دستگاه نورد شامل یک جفت غلتک پشت بند سنگین است که توسط تعداد زیادی غلتک‌های کوچک سیاره ای احاطه شده‌اند. خصوصیت اصلی دستگاه نورد سیاره‌ای این است که تختال را مستقیما در یک مرحله از دستگاه نورد کاهش مقطع داده به تسمه تبدیل می‌کند. هر غلتک سیاره‌ای ضمن طی مسیر دایره‌ای بین غلتک پشت بند و تختال کاهش نسبتا ثابتی در تختال به وجود می‌آورد. وقتی که هر جفت غلتک سیاره ای از تماس با قطعه خارج می‌شود، یک جفت غلتک دیگر با قطعه تماس پیدا می‌کند و کاهش تکرار می‌شود. کاهش کل عبارت است از مجموع کاهش‌های کوچک ایجاد شده توسط غلتک‌هایی که به سرعت پشت سر هم می‌آیند. برای ورود کردن تختال به دستگاه نورد استفاده از غلتک‌های تغذیه ضروری است و ممکن است یک جفت غلتک پرداخت در طرف خروجی برای بهبود پرداخت سطحی مورد نیاز باشد]18 [.
برای نورد سرد طرح‌های ابداعی دیگری نیز وجود دارد. در دستگاه نورد پاندولی، از دو غلتک با قطر کم استفاده می‌شود که در سراسر قوس تماس حرکت متناوب انجام می‌دهند تا تختال را با کاهش سرد به ورق نازک تبدیل کنند]18 [.
شکل2-8 شماتیک استقرار غلتکها در دستگاه نورد خوشه‌ای]18 [
2-10 نورد میله و مقاطع
نورد یک مقطع عبارت است از گذر قطعه کار از بین شیارهای ساخته شده روی سطح جانبی غلتک‌های یک قفسه نورد، به منظور شکل‌دهی به سطح مقطع قطعه کار، بنابراین در نورد مقاطع، سطح قطعه‌کار نه تنها کاهش می‌یابد بلکه شکل آن نیز تغییر می‌کند. بدرستی در هر مرحله از نورد، شکل سطح مقطع قطعه کار همانند شکل مقطع ایجاد شده بین شیارهای غلتک‌های بالا و پایین می‌شود. در این شرایط فلز تغییر شکل زیادی را پذیرا می‌شود. اغلب بر خلاف نورد ورق، قطعه‌کار در راستای پهنا تغییر شکل می‌یابد.
فرآورده‌های نورد مقاطع به شکل‌های گوناکون مانند میله، تیر، مفتول، لوله، نبشی، ناودانی، انواع پروفیل‌های سازه‌ای، تیرآهن، ریل آهن و … ، در ابعاد و اندازه‌های متفاوت تولید می‌شوند. طراحی مراحل نورد بمنظور دستیابی به یک سطح مقطع ویژه با ابعاد مشخص، یکی از مسئله های مهم نورد مقاطع است. با وجود اینکه دانش طراحی نورد به مقدار زیادی متکی به تجربه است، ولی طراحان مراحل نورد به ناچار باید از یک سری اصول مربوط به طراحی غلتک‌های نورد و دانش فنی نورد استفاده کنند]19 [.
طراحی مراحل نورد همواره به عنوان پر اهمیت‌ترین بخش نورد مقاطع، در دستور کار مهندسین و پژوهشگران این رشته از صنعت و دانش میباشد. طراحی مراحل نورد به دلیل‌های گوناگون همواره مورد توجه تولید کنندگان نورد مقاطع بوده است. این دلیل‌ها عبارتند از:
نیاز به تولید مقاطع نوین
نیاز به تغییر در انداز‌های یک سطح مقطع شناخته شده
نیاز به تغییر جنس ماده اولیه
نیاز به تغییر ابعاد شمشه اولیه
دست یابی به تلرانس‌های دقیق‌تر و سطح تمام شده بهتر
کاهش تعداد مراحل نورد در تولید یک سطح مقطع ویژه به منظور اقتصادی تر کردن تولید