کاهش زمان تولید
پیش بینی اثر پارامترهای فرآیندی
پیش بینی مقادیر تنش، درجه حرارت، تنش های پسماند در قطعه نهایی
بهبود کیفیت محصول
درک مناسب تر رفتار مواد
کاهش اتلاف ماده
تا پیش از همه گیری رایانه و پیشرفت نرم افزارهای مختلف، روشهای تجربی به منظور بررسی فرآیندهای شکل دهی مورد استفاده قرار می گرفت.هچنین روشهای تحلیلی که بر پایه تئوری مقدماتی پلاستیسیته قرار داشت، برای محاسبه نیروهای شکل دهی و تخمین مقادیر تنش به کار گرفته می شد. پیشرفت دانش رایانه کمک بزرگی به بسط روشهای عددی به منظور مطالعه فرآیندهای شکل دهی نمود. در این میان، روش اجزای محدود به عنوان یکی از روشهای تحلیل عددی، نقش ویژه ای دارد.
در این پایان نامه از نرم افزار اجزای محدودABAQUS ، به منظور شبیه سازی فرآیند شکل دهی با استفاده از پرتو لیزر استفاده شده است. قابلیت تحلیل ترکیبی مکانیکی – حرارتیABAQUS، امکان تحلیل و مدلسازی نزدیک به واقعیت این فرآیند را فراهم کرده است. در ادامه، مراحل شبیه سازی فرآیند شرح داده شده می شود.
3-2- تعریف مساله
هدف از این پایان نامه، بررسی فرآیند شکل دهی دو بعدی با استفاده از پرتو لیزر به منظور ایجاد خم در ورقهای آلومینیوم و تعیین تاثیر متغیرهای مختلف فرآیندی بر مقدار نهایی شکل دهی می باشد. به این منظور، ورقهای آلومینیوم به صورت مستطیلی شکل و با ابعاد هندسی مشخص انتخاب شده و تابش پرتو لیزر، با پارامترهای مناسب، باعث ایجاد یک زاویه خم دائمی در ورق می گردد.
3-3- مدل اجزای محدود
ایجاد مدل اجزای محدود در نرم افزار ABAQUS و در محیط گرافیکی ABAQUS/CAE انجام می گیرد. در این نرم افزار، تعریف دقیق شرایط مساله و شبیه سازی فرآیند شامل هشت مرحله
می باشد. فرضیات اولیه ای که در شبیه سازی مورد استفاده قرار گرفته است به شرح زیر می باشد:
همسانگرد بودنIsontropic)) ورق مورد استفاده
یکنواخت بودن ضخامت ورق درتمام قسمت ها
عدم بروز ذوب سطحی در سطح ورق
عدم وجود نیروی خارجی در حین شکل دهی
عدم وجود تنش های پسماند در ورق
3-3-1- ترسیم هندسه مدل
ابعاد هندسی ورق آلومینیوم، مشابه به آنچه که در آزمایشهای تجربی مورد استفاده قرار گرفته است، ترسیم می شود. با توجه به اینکه شکل دهی با استفاده پرتو لیزر جزء انواع فرآیندهای شکل دهی است، مدل به صورت سه بعدی و از نوع تغییر شکل پذیر در نرم افزار ترسیم می گردد. نمونه ای از مدل ترسیم شده در شکل 3-1 مشخص است.

شکل 3-1: مدل ترسيم شده در نرم افزار

3-3-2- تعریف مشخصات ماده
مشخصات فیزیکی و مکانیکی آلومینیوم سری 6061، به ازای دماهای مختلف، به منظور تعیین جنس ورق وپیش بینی شکل دهی آن به صورت دستی به نرم افزار داده می شود.از جمله این مشخصه ها میتوان به ضریب رسانش حرارتی، ظرفیت گرمایی، چگالی، ضریب یانگ، تنش تسلیم، ضریب انبساط حرارتی و همچنین رفتار مکانیکی ماده در محدوده پلاستیک اشاره کرد. درجدول 3-1 و جدول 3-2 مقادیر این مشخصات آورده شده است.
جدول 3-1 : مشخصات ماده ( در محدوده دمایی 37.8 تا 204.4)[37]
204.4
148.9
93.3
37.8

درجه حرارت
192
184
177
162
W/m˚C
رسانش حرارتی
1028
1004
978
945
J/kg˚C
ظرفیت گرمایی
2657
2667
2685
2685
Kg/m3
چگالی
59.16
63.09
66.19
68.54
GPa
ضریب یانگ
218.6
248.2
264.6
274.4
MPa
استحکام تسلیم
26.60
25.67
24.61
23.45
C˚μ
انبساط حرارتی

جدول 3-2 : مشخصات ماده ( در محدوده دمایی 260 تا 426.7)[37]
426.7
371.1
315.6
260

درجه حرارت
223
217
207
201
W/m˚C
رسانش حرارتی
1133
1104
1078
1052
J/kg˚C
ظرفیت گرمایی
2602
2630
2630
2657
Kg/m3
چگالی
31.72
40.34
47.48
53.99
GPa
ضریب یانگ
17.9
34.5
66.2
159.7
MPa
استحکام تسلیم
3071
29.57
28.53
27.56
C˚μ
انبساط حرارتی

3-3-3- اعمال شرایط مرزی
شرایط مرزی به دو صورت حرارتی و مکانیکی بر روی مدل اعمال می شود.
3-3-3-1- شرایط مرزی حرارتی
شرایط مرزی حرارتی به صورت همرفتی و تابشی بر سطح ورق اعمال می شود. همرفت براساس قانون دوم نیوتن بوده و با معادله 3-1 بیان می گردد:
3ـ1
q =hc A(Ts – T )
در این معادله، hc برابر ضریب انتقال حرارتی جابجایی، Ts برابر درجه حرارت ورق و T معادل درجه حرارت محیط است که برابرC ˚25 فرض می شود.
انتقال حرارت به صورت تابش نیز از معادله 3-2 محاسبه می شود:
3ـ2
q = 5.67×10-8 ϵ (Ts4­T4)
در رابطه فوق، ϵ برابر ضریب تابش پذیری سطح است [38].
3-3-3-2- اعمال شرایط مرزی مکانیکی
به منظور جلوگیری از حرکت ورق در حین فرآیند، اعمال شرایط مرزی مکانیکی از طریق گیره بندی قطعه انجام می گیرد. به این منظور دو نوع گیره بندی یک سر گیردار و گیره بندی V شکل مرسوم است.[29]. در روش گیره بندی یک سر گیردار، یک انتهای ورق توسط گیره بسته می شود و جابجایی ورق، به منظور انجام خمش، از انتهای دیگر ورق اتفاق می افتد. در انجام آزمایش های تجربی وشبیه سازی عددی از شیوه گیره بندی یک سرگیر دار، مشابه به شکل3-2، به منظور مقید کردن حرکت مدل استفاده شده است.

شکل 3-2: گیره بندی ورق به شیوه یک سرگیردار

3-3-4- بارگذاری حرارتی
پرتو لیزر به صورت پله ای و با یک گام حرکت به سمت جلو بر روی ورق پیمایش داده می شود. بررسی های عددی نشان می دهد که بهینه گام حرکت پرتو برابر شعاع لیزر می باشد. گام کوچکتر، دقت محاسبات را کاهش می دهد. گام بزرگتر، با افزایش بی مورد زمان شبیه سازی، تاثیر چندانی در بهبود نتایج ندارد[39].درشکل 3-3، اعمال بار حرارتی نشان داده شده است.

شکل 3-3: اعمال بار حرارتی در یک مرحله از حرکت گسسته پرتو

3-3-5- شبکه بندی مدل
به منظور شبیه سازی فرآیند شکل دهی با استفاده از لیزر، از المان های نوعC3D8T (المان هشت نقطه ای کوپل حرارتی، با جابجایی سه محوره و با فرض انتگرال گیری کاهش یافته برای شبکه بندی مدل استفاده شده است. برای دستیابی به یک شبکه بندی بهینه، از تکنیک شبکه بندی ترکیبی استفاده شده است. از این رو، در نقاط بحرانی، که شامل ناحیه متاثر از حرارت می شود و عرض آن معادل پنج برابر قطر پرتو لیزر فرض می گردد، شبکه بندی متراکم انجام شده است. در مناطق غیر بحرانی، که شامل نواحی دور از ناحیه HAZ است، اندازه شبکه ها به سمت لبه های بیرونی ورق به صورت افزایشی می باشد. علاوه بر این، به منظور نمایش دقیق شیب حرارتی، از پنج المان در راستای ضخامت ورق استفاده شده است. نمونه ای از شبکه بندی ترکیبی در شکل 3-4 نشان داده شده است.

شکل 3-4: شبکه بندی ترکیبی مدل
3-4- تحلیل اجزای محدود فرآیند
نمونه ای از فرآیند شکل دهی با استفاده از پرتو لیزر بر روی ورق آلومینیوم انجام شده است. در ادامه، کانتور توزیع دمایی و جابجایی لبه آزاد ورق آورده شده است.
3-4-1- کانتور توزیع دمایی ورق
کانتور توزیع دمایی ورق در شکل 3-5، تصاویر الف تا م، نشان داده شده است. همچنان که از شکل مشخص است، شیب دمایی بزرگ در راستای ضخامت ورق عامل شکل دهی در ورق می باشد. اندازه نسبی قطر پرتو، ضخامت ورق، سرعت اسکن لیزر وتوان تنظیم شده به گونه ای است که ساز وکار شیب دمای در فرآیند غالب است.

شکل 3ـ5. الف: 0.36 ثانيه بعد از شروع فرآيند

شكل3ـ5.ب: 0.72 ثانيه بعد از شروع فرآيند

شكل3ـ5.ج: 1.08 ثانيه بعد از شروع فرآيند

شكل3ـ5.د: 1.44 ثانيه بعد از شروع فرآيند

شكل3ـ5.هـ : 1.8 ثانيه بعد از شروع فرآيند

شكل3ـ5.و : 2.16 ثانيه بعد از شروع فرآيند

شكل 3ـ5.ز : 2.52 ثانيه بعد از شروع فرآيند

شكل 3ـ5.ح : 2.88 ثانيه بعد از شروع فرآيند

شكل3ـ5.ط : 3.1 ثانيه بعد از شروع فرآيند (ابتداي مرحله سرمايش)

شكل 3ـ5.ی : 11.9 ثانيه بعد از شروع فرآيند

شكل 3ـ5.ک: 47.4 ثانيه بعد از شروع فرآيند

شكل 3ـ5.ل : 02.6 ثانيه بعد از شروع فرآيند

شكل 3ـ5.م : 350 ثانيه بعد از شروع فرآيند (اتمام فرآيند)
شكل3- 5 : كانتور توزيع دمايي ورق آلومينيوم به ضخامتmm 3،كه تحت تابش پرتو ليزر به توانW 1250 و سرعتm/min 1 در نظر گرفته شده است.

3-4-2- كانتور جابجايي ورق
كانتور جابجايي ورق در شكل 3ـ6، تصاوير الف تا م، مشخص شده است. همچنان كه از شكل مشخص است، با ادامه پيمايش پرتو بر روي ورق، بر ميزان شكل دهي نهايي افزوده مي شود.

شكل3ـ6. الف: 0.36 ثانيه بعد از شروع فرآيند

شكل3ـ6.ب : 0.72 ثانيه بعد از شروع فرآيند

شكل3ـ6.ج : 1.08 ثانيه بعد از شروع فرآيند

شكل 3ـ6.د: 1.44 ثانيه بعد از شروع فرآيند

شكل3ـ6.هـ : 1.8 ثانيه بعد از شروع فرآيند

شكل 3ـ6.و : 2.16 ثانيه بعد از شروع فرآيند

شكل3ـ6.ز : 2.52 ثانيه بعد از شروع فرآيند

شكل3ـ6.ح : 2.88 ثانيه بعد از شروع فرآيند

شكل3ـ6.ط : 3.1 ثانيه بعد از شروع فرآيند (ابتداي مرحله سرمايش)

شكل3ـ6.ی : 11.9 ثانيه بعد از شروع فرآيند

شكل3ـ6.ک : 47.4 ثانيه بعد از شروع فرآيند

شكل3ـ6.ل : 202.6 ثانيه بعد از شروع فرآيند

شكل3ـ6.م: 350 ثانيه بعد از شروع فرآيند(اتمام فرآيند)

شكل3-6: كانتور جابجايي ورق آلومينيوم به ضخامتmm 3،كه تحت تابش پرتو ليزر به توانW 1250 و سرعت m/min 1 در نظر گرفته شده است.

فصل4
روش انجام آزمایش های تجربی

4-1- مقدمه
در فصلهای گذشته، فرآیند شکل دهی فلزات با استفاده از لیزر مورد بررسی قرار گرفت. همچنین شبیه سازی عددی فرآیند به منظور بررسی اثر پارامترهای مختلف فرآیندی بر مقدار شکل دهی نهایی قطعه انجام شد. اطمینان از صحت نتایج عددی منوط به انجام آزمایش های تجربی و سپس، مقایسه نتایج تجربی و نتایج عددی می باشد.
آزمایش های تجربی بر روی ورق آلومینیوم به منظور تعیین زاویه خم بدست آمده به ازای
مجموعه ای از پارامترهای فرآیندی انجام شد. نحوه انتخاب پارامترها به گونه ای است که ضمن ایجاد شیب دمایی مناسب و متعاقب آن، ایجاد زاویه خم از بروز ذوب سطحی ورقها و برش آنها جلوگیری نماید.
در این فصل نخست به تشریح تجهیزات آزمایش پرداخته شده و در ادامه، توضیحاتی بر ماهیت پرتو لیزر و مشخصات موثر آن داده خواهد شد.
4-2- تجهیزات آزمایش
4-2-1- فرآیند شکل دهی با استفاده از لیزر
4-2-1-1-آزمایش های اولیه و استفاده از ورقهای بدون پوشش
آزمایش های تجربی بر روی ورق آلومینیوم با استفاده از دستگاه لیزر پالسی دی اکسید کربن بابیشینه توان 1800W انجام شد. به دلیل جذب پایین پرتو لیزر توسط آلومینیوم و عدم پوشش دهی آن، پس از انجام چند پاس لیزر، عملا” هیچگونه تغییرشکل در ورق مشاهده نگردید. به همین دلیل در آزمایشهای بعدی، از پوشش دهی گرافیتی به منظور افزایش جذب پرتو لیزر استفاده شده است. در شکل 4-3 دستگاه لیزر مورد استفاده در آزمایشهای تجربی نشان داده شده است. همچنین، مشخصات ضریب جذب چند ماده مختلف به ازای دو طول موج لیزر در جدول 4-1 آورده شده است. طبق اطلاعات جدول، تنها دو درصد از انرژی لیزر دی اکسیدکربن توسط ورق آلومینیوم جذب می گردد.
جدول 4-1 ضریب جذب چند ماده به ازای دو طول موج مختلف لیزر‎[29]
مقدار جذب برای طول موج 10.6 مقدار جذب برای طول موج1.06 ماده
0.02 0.06 Al
0.015 0.05 Cu
0.03 0.1 Fe
0.05 0.15 Ni
0.08 0.26 Ti

دسته بندی : No category

دیدگاهتان را بنویسید