Please enter banners and links.
واژگان کلیدی: فرآیند شکلدهی با استفاده از لیزر، مکانیزم‌های شکلدهی، تاثیر پارامترهای فرآیندی، روش المان محدودفهرست مطالب
عنوان ………………………………………………………………………………………………………………………………………….صفحه
فصل 111-1- مقدمه21-2- انواع فرآیندهای شکلدهی21-2-1- فرآیندهای خمکاری31-2-1-2- خمکاری ترمومکانیکی…………………………………………………………………………………………………………3
1-3- فرآیند شکلدهی با لیزر41-4- مزایای شکل دهی با استفاده از پرتو لیزر……………………………………………………………………………………..6
1-5- موارد کاربرد فرآیند شکل دهی با لیزر………………………………………………………………………………………….6
1-6- نگاهی گذرا بر پژوهشهای پیشین81-7- روش اجزای محدود111-8- شبیه سازی فرآیندشکل دهی با لیزر به روش المان محدود121-9 – اهداف پایان نامه………………………………………………………………………………………………………………………..11
1 -10- ساختار این پایان نامه14فصل 213
2-1- مقدمه………………………………………………………………………………………………………………………………………….14
2-2- طبقه بندی فرآیند شکل دهی با لیزر………………………………………………………………………………………….14
2-2-1- شکل دهی دو بعدی با لیزر……………………………………………………………………………………………………14
2-2-2- شکل دهی سه بعدی با لیز…………………………………………………………………………………………………….15
2-3- مکانیزم های شکل دهی با لیزر………………………………………………………………………………………………….15
2-3-1- مکانیزم گرادیان دمایی182-3-2- مکانیزم کمانش202-3-3- مکانیزم کوتاه کردن212-4- مدلهای تحلیلی برای پیش‌بینی مقدار تغییرشکل232-4-1- مکانیزم گرادیان دمایی232-4-2- مکانیزم کمانش252-5- مطالعه روش های تجربی بررسی فرآیند شکل دهی با لیزر……………………………………………………..22
2-5- مقدمه252-5-1- پارامترهای انرژی لیزر252-5-2- پارامترهای فیزیکی272-5-3- مشخصه‌های هندسی ورق282-6- اثر شرایط گیره‌بندی بر مقدار زاویه خم292-6-1- گیره‌بندی از نوع یک سرگیردار292-6-2- گیره‌بندی از نوع V شکل322-7- نتیجه‌گیری………………………………………………………………………………………………………………………………….32
2-8- پیشنهادهایی برای ادامه کار36فصل3- روش انجام شبیه سازی عددی فرآیند………………………………………………………………………………….34
3-1- مقدمه………………………………………………………………………………………………………………………………………..35
3-2- تعریف مساله……………………………………………………………………………………………………………………………35
3-3- مدل اجزای محدود………………………………………………………………………………………………………………….36
3-3-1- ترسیم هندسه مدل………………………………………………………………………………………………………………36
3-3-2- تعریف مشخصات ماده……………………………………………………………………………………………………….37
3-3-3- اعمال شرایط مرزی…………………………………………………………………………………………………………….37
3-3-3-1- شرایط مرزی حرارتی……………………………………………………………………………………………………..38
3-3-3-2- شرایط مرزی مکانیکی……………………………………………………………………………………………………38
3-3- 4- بارگذاری حرارتی………………………………………………………………………………………………………………39
3-3-5- شبکه بندی مدل…………………………………………………………………………………………………………………….39
3-4-تحلیل اجزای محدود فرآیند……………………………………………………………………………………………………….40
3-4-1- کانتور توزیع دمایی ورق………………………………………………………………………………………………………..40
3-4-2- کانتور جابجایی ورق………………………………………………………………………………………………………………45
فصل 4- روش انجام آزمایش های تجربی…………………………………………………………………………………………..50
4-1- مقدمه…………………………………………………………………………………………………………………………………………..51
4-2- تجهیزات آزمایش……………………………………………………………………………………………………………………….51
4-2-1- فرآیند شکل دهی با استفاده از لیزر……………………………………………………………………………………….51
4-2-1-1- آزمایش های اولیه و استفاده از ورق های بدون پوشش………………………………………………….51
4-2-1-2- آزمایش های تجربی روی ورق های پوشش داده شده……………………………………………………52
4-2-2- فرآیند شکل دهی با لیزر به همراه نیروی کمکی…………………………………………………………………..55
فصل 5- انجام آزمایش تجربی و شبیه سازی عددی و استخراج نتایج آن…………………………………………58
5-1- مقدمه…………………………………………………………………………………………………………………………………………..59
5-2- طراحی آزمایش…………………………………………………………………………………………………………………………..59
5-3- طراحی آزمایش به روش عاملی…………………………………………………………………………………………………59
5-4- طراحی آزمایش به روش رویه پاسخ…………………………………………………………………………………………60
5-4-1- طراحی ترکیب مرکزی…………………………………………………………………………………………………………..61
5-5- آزمایش های تجربی…………………………………………………………………………………………………………………..62
5-5-1- طراحی آزمایش به روش ترکیب مرکزی………………………………………………………………………………62
5-5-2- انتخاب مدل برازش……………………………………………………………………………………………………………….64
5-5-3- تاثیر پارامترهای فرآیند…………………………………………………………………………………………………………..66
5-5-4- تحلیل واریانس نتایج آزمایش……………………………………………………………………………………………….72
5-5-5- تعیین رابطه نهایی زاویه خمش……………………………………………………………………………………………..74
5-6- صحت سنجی شبیه سازی عددی فرآیند……………………………………………………………………………………75
5-6-1- مقایسه نتایج تجربی و عددی…………………………………………………………………………………………………75
5-7- شبیه سازی عددی……………………………………………………………………………………………………………………….78
5-7-1- طراحی آزمایش به روش عاملی…………………………………………………………………………………………….78
5-7-2- انتخاب مدل برازش………………………………………………………………………………………………………………..85
5-7-3- تاثیر پارامترهای فرآیند…………………………………………………………………………………………………………..86
5-7-4- تحلیل واریانس نتایج شبیه سازی…………………………………………………………………………………………89
5-7-5- تعیین رابطه نهایی زاویه خمش…………………………………………………………………………………………….92
5-8- وقوع خمش منفی………………………………………………………………………………………………………………………93
5-9- فرآیند شکل دهی با لیزر به همراه نیروی کمکی………………………………………………………………………94
5-10- بررسی عددی تاثیر برخی از متغیرهای آزمایش…………………………………………………………………….96
5-10-1- اثر نرخ تغذیه………………………………………………………………………………………………………………………96
5-10-2- اثر مقدار زمان توقف در شکل دهی چند پاسه با لیزر………………………………………………………97
5-10-3- بررسی نوع استراتژی اسکن پرتو………………………………………………………………………………………99
فصل 6- نتیجه گیری و پیشنهاد………………………………………………………………………………………………………….102
6-1- نتیجه گیری……………………………………………………………………………………………………………………………….103
6-2- پیشنهادهایی برای ادامه کار………………………………………………………………………………………………………104
مراجع……………………………………………………………………………………………………………………………………………………105
فهرست جدول‌ها
عنوان صفحه
جدول 2-1 : مکانیزم‌های فرآیند شکلدهی با استفاده از پرتو لیزر…20
جدول 3-1: مشخصات فیزیکی و مکانیکی آلومینیوم در محدوده دمایی 204.4-37.8 ……………………37
جدول 3-2 : مشخصات فیزیکی و مکانیکی آلومینیوم در محدوده دمایی 426.7-260 ……………………37
جدول 4-1 : ضریب جذب چند ماده به ازای دو طول موج مختلف لیزر…………………………………………52
جدول 4-2 : مشخصات لیزر مورد استفاده درآزمایشهای تجربی……………………………………………………….53
جدول5-1 : عامل های مورد بررسی و سطوح آن………………………………………………………………………………63
جدول 5-2 : داده های آزمایش صورت گرفته با اعمال ترتیب تصادفی……………………………………………63
جدول 5-3 : مدلهای رایج برازش……………………………………………………………………………………………………….65
جدول 5-4 : مجموع مربعات مدلها…………………………………………………………………………………………………….65
جدول 5-5 : بررسی کلی مدلها…………………………………………………………………………………………………………..66
جدول 5-6 : تحلیل واریانس مدل 2FI استفاده شده…………………………………………………………………………74
جدول 5-7 : عامل های مورد بررسی و سطوح آن…………………………………………………………………………….78
جدول 5-8 : داده های حاصل از شبیه سازی عددی فرآیند……………………………………………………………..78
جدول 5-9 : فهرست توابع تبدیل توانی رایج……………………………………………………………………………………85
جدول 5-10 : تحلیل واریانس مدل 2FI……………………………………………………………………………………………91
جدول 5-11 : مقادیر کدبندی شده عامل A ……………………………………………………………………………………..92
فهرست شکل‌ها
عنوان ……….صفحه
شکل 1-1 : طبقه‌بندی فرآیندهای شکلدهی2
شکل 1-2 : فرآیند شکلدهی با لیزر به‌منظور ایجاد خم مستقیم ساده4
شکل 1-3 : تاریخچه فرآیند شکلدهی با لیزر.5
شکل 2-1: نمونه ای از شکل دهی دو بعدی ورقهای فلزی با لیزر…………………………………………………..14
شکل 2-2: نمونه ای از شکل دهی سه بعدی ورقهای فلزی با لیزر………………………………………………… 15
شکل 2-3 : مراحل فرآیند شکلدهی با لیزر توسط مکانیزم گرادیان دمایی…..17
شکل 2-4 : مراحل فرآیند شکلدهی با لیزر توسط مکانیزم کمانش19
شکل 2-5 : مراحل فرآیند شکلدهی با لیزر توسط مکانیزم کوتاه کردن20
شکل 2-6 : نیروها و ممان‌ها در مدل دولایه‌ای ولرتسن22
شکل 2-7 :اثر پارامترهای لیزر24
شکل 2-8 : تاثیر شاخص اثرگرمایی بر زاویه خم25
شکل 2-9 : تاثیر پارامترهای هندسی ورق بر زاویه خم26
شکل 2-10 : گیره‌بندی یک سرگیردار26
شکل 2-11 : شمایی از هندسه پرتو تابشی در شرایط گیره‌بندی یک سرگیردار27
شکل 2-12 : اثر زاویه خم بر مساحت پرتو تابشی28
شکل 2-13 : انرژی موثر تابشی به‌ازای افزایش زاویه خم29
شکل 2-14 : گیره‌بندی Vشکل29
شکل 2-15 : شمایی از هندسه پرتو تابشی در شرایط گیره‌بندی ساده30
شکل 2-16 : اثر زاویه خم بر مساحت پرتو تابشی31
شکل 2-17 : انرژی موثر تابشی به‌ازای زاویه خم…31
شکل 3-1: مدل ترسیم شده در نرم افزار…………………………………………………………………………………………….36
شکل 3-2 : گیره بندی ورق به شیوه یک سر گیردار………………………………………………………………………….38
شکل 3-3 : اعمال بار حرارتی در یک مرحله از حرکت گسسته پرتو……………………………………………….39
شکل 3-4 : شبکه بندی ترکیبی مدل……………………………………………………………………………………………………40
شکل 3-5 : کانتور توزیع دمایی ورق آلومینیوم در نرم افزارABAQUS …………………………………………45
شکل 3-6 : کانتور جابجایی ورق آلومینیوم در نرم افزارABAQUS…………………………………………………49
شکل 4-1 : نمونه های آزمایش ورق آلومینیوم…………………………………………………………………………………..53
شکل 4-2 : پوشش دهی گرافیتی ورق آلومینیوم………………………………………………………………………………..53
شکل 4-3 : دستگاه لیزر مورد استفاده در آزمایش تجربی………………………………………………………………….54
شکل 4-4 : ورقهای آلومینیوم در حین فرآیند شکل دهی با لیزر……………………………………………………….54
شکل 4-5 : دستگاه اندازه گیری CMM …………………………………………………………………………………………….55
شکل 4-6 : شکل مجموعه قید ساخته شده…………………………………………………………………………………………56
شکل 4-7 : مدار هیدرولیکی مکانیزم اعمال نیروی خارجی……………………………………………………………….56
شکل 4-8 : دستگاه لیزر مورد استفاده در آزمایش تجربی…………………………………………………………………..57
شکل 4-9 : قطعه خم شده …………………………………………………………………………………………………………………..57
شکل 5-1 : نقاط طراحی در روش طراحی ترکیب مرکزی…………………………………………………………………62
شکل 5-2 : رابطه بین عوامل ورودی و پاسخ………………………………………………………………………………………68
شکل 5-3 : دیاگرام دوتایی عوامل متغیر بر زاویه خمش…………………………………………………………………….71
شکل 5-4 : نمودار احتمال نرمال مقادیر باقیمانده………………………………………………………………………………..72
شکل 5-5 : نمودار مقادیر باقیمانده در برابر مقادیر برازش یافته…………………………………………………………73
شکل 5-6 : نمودار مقادیر باقیمانده مدل به شماره آزمایش…………………………………………………………………75
شکل5-7 : مقایسه مقادیر تجربی و نتایج شبیه سازی ( نمودارهای الف تا ت)…………………………………77
شکل 5-8 : نمودار باکس کاکس…………………………………………………………………………………………………………..86
شکل 5-9 : رابطه بین عوامل ورودی و پاسخ ( شکلهای الف تا ت )……………………………………………… 89
شکل 5-10 : نمودار احتمال نرمال مقادیر باقیمانده……………………………………………………………………………..90
شکل 5-11 : نمودار مقادیر باقیمانده در برابر مقادیر برازش یافته………………………………………………………90
شکل 5-12 : نمودار مقادیر پیش بینی شده به مقادیر واقعی آزمایش………………………………………………….93
شکل5-13: جابجایی لبه آزاد ورق………………………………………………………………………………………………………..94
شکل 5-14 : جابجایی لبه آزاد ورق در فرآیندهای شکل دهی با / بدون نیروی کمکی…………………….95
شکل5-15 : زاویه خم ورق در فرآیند های شکل دهی با / بدون نیروی کمکی………………………………..96
شکل 5-16: نمودار جابجایی لبه آزاد به ازای نرخ تغذیه…………………………………………………………………….97
شکل 5-17 : نمودار زاویه خمش به ازای مدت زمان توقف………………………………………………………………98
شکل 5-18 : نمودار بیشینه دمای ورق به ازای مدت زمان توقف………………………………………………………99
شکل 5-19 : استراتژی های مختلف اسکن پرتو لیزرa)) مستقیم b)) متناوب c)) خط چینی……..100
شکل 5-20 : جابجایی لبه آزاد ورق در حین فرآیند به ازای استراتژی متفاوت اسکن……………………101
شکل 5-21: توزیع دمایی قطعه در راستای خط اسکن……………………………………………………………………..101
مقدمه
مقدمهفرآیند 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 فرآیندهایی است که فاقد براده‌برداری یا برداشت ماده می‌باشد.
انواع فرآیندهای شکل‌دهیفرآیندهای 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 فرآیند شکلدهی غلتکی
2. شکلدهی تحت تنش‌های ترکیبی کششی و فشاری؛ نظیر فرآیند کشش عمیق
3. شکلدهی تحت تنش‌های کششی؛ نظیر شکلدهی کششی
4. خمکاری؛ نظیر خمکاری با قالبهای خطی
5. شکلدهی تحت تنش‌های برشی؛ فرآیند پیچش[1]
: طبقه‌بندی فرآیندهای شکلدهی [1]
فرآیندهای 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 روشهای مکانیکی میتوان به خمکاری با استفاده از قالبهای U شکل وV شکل و خمکاری با استفاده 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 ترمومکانیکیدر فرآیند 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.
2. این روش قابلیت اتوماسیون ندارد. تکرارپذیری فرآیند دشوار و وابسته به اپراتور است.
3. باید قطعه را بلافاصله پس از حرارت‌دهی با مشعل، با استفاده از آب سرد کرد[2].
فرآیند شکلدهی با لیزرلیزر، از زمان اختراع آن تاکنون، کاربردهای بسیاری پیدا کرده است. «فرآوری مواد توسط لیزر» اشاره به فرآیندهای 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 فرآیندهایی نظیر خمکاری، جوشکاری، سوراخ‌کاری، برش، عملیات حرارتی، آلیاژسازی و غیره استفاده شود.
در فرآیند 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 فرآیند قطعه‌کار در نتیجه ایجاد تنش‌های پسماند حرارتی، به جای اعمال نیروی خارجی، دچار خمش می‌گردد. بنابراین، خمکاری با استفاده از لیزر نوع دیگری از خمکاری ترمومکانیکی محسوب میشود[2]. شمایی از فرآیند شکلدهی با لیزر در شکل 1-2 مشخص شده است.
: فرآیند شکلدهی با لیزر به‌منظور ایجاد خم مستقیم ساده[3]
اولین پژوهش‌ها در زمینه فرآیند شکلدهی با استفاده از لیزر، از اواسط دهه 1980 میلادی شروع شد. این فرآیند یک فرآیند غیرتماسی به منظور خمکاری و همچنین ایجاد شکلدهی سه‌بعدی در قطعه‌های فلزی و غیرفلزی است. در این فرآیند، 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 مشخصه‌های 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 فرآیند 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 فرآیند 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 فرآیند شکلدهی با لیزر در 0 آورده شده است.
شکل1-3: تاریخچه فرآیند شکلدهی با لیزر [4][4]
1-4- مزایای شکل دهی با استفاده از پرتو لیزر
1- قطر پرتو لیزر را با استفاده 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 فرآیندی است که در آن ایجاد خمهای بسیار دقیق امکان‌پذیر است.
2- این فرآیند، یک فرآیند غیرتماسی است. بنابراین، مشکلات آلودگی در آن کمتر است.
3- با به‌کارگیری این فرآیند، امکان ایجاد شکلهای پیچیده بدون نیاز به ابزار سخت وجود دارد.
4- پارامترهای مختلف فرآیندی ( 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 فرآیند شکل دهی با لیزر
فرآیند 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:
نمونه سازی سریع شکلهای پیچیده
شکل دهی غیر تماسی کلیه قطعاتی که دور از دسترس می باشد.
شکل دهی دقیق لوله ها
نمونه سازی سریع قطعات به منظور انجام آزمایش های لازم بر روی آنها
تولید نهایی قطعات با تیراژ پایین
نمونه سازی سریع قطعات پیش از شروع به تولید نهایی آنها [30].
1-6- نگاهی گذرا بر پژوهشهای پیشیناولین فعالیت‌ها در استفاده از حرارت پرتو لیزر به‌منظور شکلدهی ورقهای فلزی از اواسط دهه 1980 آغاز شد. تغییر پارامترهای فرآیندی از جمله توان لیزر، سرعت اسکن لیزر و نسبت قطر پرتو به ضخامت ورق باعث تغییر در مکانیزم‌های شکلدهی در این فرآیند گردید. گیگر و ولرتسن [4] سه مکانیزم فرآیند 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 فرآیند 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 فرآیند شکلدهی چند مرحله‌ای با استفاده 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 فرآیند را در نرم‌افزار Ansys تشریح می‌نماید. 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 مشخصه‌های مکانیکی فولاد کم‌کربن پس از انجام فرآیند 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 فرآیندی 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 استفاده از دو نوع لیزر CO2 و Nd:YAG توسط دنگ‌جیانگ و همکارانش[18] انجام شده است. استفاده از دماهای بالاتر، با انتخاب مناسب پارامترهای فرآیندی، جهت اجتناب از شکست ترد شرط لازم انجام‌پذیری فرآیند 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 فرآیند 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 فرآیند شکلدهی ورقهای سیلیکونی با لیزر و همچنین تحلیل اجزای محدود آن به‌منظور پیش‌بینی میدان دمایی پرداخته است. در این فرآیند، 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.
چاکرابورتی و همکارانش[23] به مطالعه پارامتریک فرآیند شکلدهی با لیزر به‌منظور دستیابی به اشکال سه‌بعدی کاسه‌ای شکل از ورقهای دایروی پرداخته است. در این بررسی، تنظیم همزمان قطر پرتو، سرعت اسکن و توان لیزر جهت ایجاد خم خارج‌ازصفحه انجام شده است. روحی و همکارانش [24] استفاده از یک نیروی مکانیکی خارجی، در کنار تابش پرتو لیزر را جهت دستیابی به زوایای خم بالا در فرآیند شکلدهی چند مرحله‌ای با لیزر بررسی کرده است. در این روش، از یک مدار هیدرولیکی به‌منظور اعمال نیروی کمکی، که به‌طور میانگین یک‌سوم زاویه خم نهایی را افزایش می‌دهد، استفاده شده است.
بررسی اثر زاویه تابشی لیزر CO2 بر میزان زاویه‌ی خم توسط یانجین و همکارانش[25] انجام شده است. نتایج این مطالعه نشان می‌دهد که افزایش زاویه تابشی به افزایش ضریب جذب لیزر حالت جامد در ورقهای فولادی منجر میشود و به‌این ترتیب، در کنار استفاده از تکنیک‌های پوشش‌دهی نظیر گرافیت، با تغییر زاویه‌ی تابش میتوان به افزایش جذب لیزر کمک نمود. ماجی و همکارانش [26] به بررسی پارامترهای فرآیندی و همچنین، پارامترهای لیزر پالسی نظیر فرکانس وانرژی پالس بر شکلدهی فولاد زنگ‌نزن SS304 پرداخته است و شرایط بهینه به‌منظور دستیابی به بیشینه شکلدهی را ارائه کرده است.
صفری و همکارش[27] [27] خمکاری ورقهای ترکیبی ماشین‌کاری شده و استفاده از یک طرح تابشی متفاوت، نسبت به ورقهای ساده، جهت دستیابی به خم یکنواخت را بررسی کرده است. نتایج نشان می‌دهد که استفاده از روشهای تابشی موسوم به سرعت بهبودیافته یکنواخت‌ترین زاویه خم در ورق با ضخامت متفاوت را ایجاد می‌کند. شکلدهی ورقهای تیتانیم با استفاده از لیزر Nd:YAG و کاهش عیوب مرسوم نظیر تشکیل لایه اکسید و به تبع آن، تغییر نامطلوب مشخصه‌های ماده توسط شیدید و همکارانش [28] مطالعه گردید. در این بررسی، از یک گاز محافظ خنثی به‌منظور کاهش میزان اکسیدشدگی استفاده شد.
1-7- روش اجزای محدودبسیاری از مسائل مهندسی توسط معادلات دیفرانسیل بیان می شود. روش های متعددی به منظور تعیین حل دقیق بسیاری از انواع معادلات دیفرانسیل موجود است. هرچند، این روشها در بسیاری از مسائل کاربردی قابل استفاده نیست. دلیل این مساله آن است که یا حل دقیق برای معادلات دیفرانسیل حاکم بر این مسایل وجود ندارد و یا هندسه مسئله پیچیده می باشد. علاوه براین، تعیین حل تحلیلی برای مسائل شرایط مرزی در یک ناحیه دو و سه بعدی کار طاقت فرسایی است. به همین دلیل، روشهای عددی در تمام شاخه های مهندسی کاربرد فزاینده ای یافته است.
روش اجزای محدود یکی از انواع روش های عددی به منظور تعیین پاسخ تقریبی معادلات دیفانسیل عادی و جزئی است به خصوص، روش اجزای محدود ابزار قدرتمندی برای حل مسائل شرایط مرزی در نواحی هندسی پیچیده است. نرم افزارهای متعدد اجزای محدود، ازجمله نرم افزار V12 ABAQUS، سبب شده که کاربرد این روش در حل تقریبی مسائل پیچیده بیش از پیش گردد.
روش اجزای محدود در حل مسائل شامل شش مرحله می باشد:
تعیین معادلات مربوط به المان ها
تقسیم کردن ناحیه مساله به تعداد متناهی شبکه المانی
سرهم کردن معادلات المان ها
اعمال شرایط مرزی
تعیین مقادیر گرهی
محاسبه پاسخ و مقادیر وابسته بر روی هر المان
1-8- شبیه سازی فرآیندشکل دهی با لیزر به روش المان محدودروشهای عددی ، در یک دهه گذشته ، به طور موفقیت آمیزی در مدلسازی فرآیند شکل دهی با لیزر مورد استفاده قرار گرفته است. مدل عددی در مقایسه با مدل های تجربی و تحلیلی دارای مزایایی به شرح زیر است:
پارامترهای اساسی فرآیند نظیر همرفتی و بسیاری از ویژگی های وابسته به دما ، نظیر ضریب رسانش ، ضریب انبساط حرارتی و غیره در نظر گرفته می شود. بنابراین، نتایج به دست آمده دقیق تر است.
مدلهای عددی قادر است با بررسی مقادیر دمای گذر، تنش و کرنش و همچنین جابجایی، تصویر مناسبی از فرآیند شکل دهی با لیزر فراهم نماید.
مدلهای عددی را می توان با روشهای بهینه سازی عددی تجمیع نمود. و به این ترتیب، الگوی مناسب حرارت دهی به منظور رسیدن به شکل های هندسی دلخواه را به دست آورد.
مدلهای عددی فرآیند شکل دهی با لیزر بر پایه دو روش تفاضل محدود و اجزای محدود قرار دارد. روش اجزای محدود در مقایسه با روش تفاضل محدود دارای دقت بیشتری است. هرچند، زمان محاسبه طولانی تری دارد.[31]
1-9 – اهداف پایان نامه
آلومینیوم و آلیاژهای آن به علت سبک بودن، ویژگی های فیزیکی و مکانیکی مناسب و مقاومت خوردگی بالا دارای کاربردهای گسترده ای است. به دلیل اهمیت و کاربرد شکل دهی غیر تماسی، خم کاری ورق های آلومینیوم با استفاده از پرتو لیزر موضوع پایان نامه حاضر می باشد. به طور کلی اهداف پایان نامه به شرح زیر می باشد:
بررسی عوامل محدود کننده شکل دهی ورق های آلومینیوم
مطالعه کلیه عوامل موثر بر شکل دهی ورق های آلومینیوم
تعیین رابطه ای به منظور پیش بینی زاویه خم به ازای مجموعه ای از پارامترهای فرآیندی به صورت تجربی
تعیین روشی به منظور دست یابی به زوایای خم بالا
برای رسیدن به اهداف بیان شده اقدامات زیر صورت گرفته است:
مطالعه کامل فرآیند شکل دهی با استفاده از پرتو لیزر
بررسی پارامترهای مختلف فرآیند واثر آن بر نوع مکانیزم شکل دهی
استفاده از روش های پوشش دهی سطحی به منظور کاهش میزان بازتابندگی سطح
شناسایی پارامترهای موثر بر شکل دهی ورق های آلومینیوم با استفاده از پرتو لیزر
مدلسازی دقیق فرآیند در نرم افزار اجزای محدود V12 ABAQUS
انجام طراحی آزمایش به منظور اجرای آزمایش های تجربی و تحلیل نتایج حاصل به منظور تعیین ارتباط پارامترهای مختلف فرآیندی بر مقدار زاویه خم نهایی
انجام هدفمند مجموعه شبیه سازی عددی برای تعیین تاثیر پارامترهای فرآیند در محدوده دلخواه بر میزان شکل دهی
بررسی شکل دهی با لیزر به همراه نیروی مکانیکی برای رسیدن به زوایای خم بالا
1 -10- ساختار این پایان نامهدر فصل اول نوشتار حاضر، پس از معرفی فرآیند شکلدهی با استفاده از پرتو لیزر، شامل فرآیندهای شکلدهی مکانیکی و حرارتی، فرآیند شکلدهی با استفاده از پرتو لیزر و مزایای آن نسبت به سایر فرآیندها مورد بررسی قرار گرفت. در فصل دوم انواع مکانیزم فرایندهای شکلدهی با استفاده از لیزر و مدلهای تحلیلی ارائه شده به‌منظور پیش‌بینی شکلدهی نهایی معرفی میشود. در فصل سوم، شبیه سازی عددی فرآیند انجام می گیرد. درفصل چهارم به نحوه انجام آزمایش های تجربی اختصاص داده شده است. در فصل پنجم، نتایج عددی وتجربی ارائه شده و صحت سنجی و تحلیل نتایج انجام می گیرد. فصل ششم به نتیجه گیری از پایان نامه اختصاص داده شده است.
فصل دوم
مکانیزم فرآیندهای شکلدهی باپرتو لیزر
2-1- مقدمه
امروزه از لیزر، به علت دارا بودن ویژگی های مناسبی نظیر تمرکزپذیری و شدت انرژی بالا، در صنایع مختلف استفاده می شود. برای نمونه، لیزر دی اکسید کربن با توان خروجی100W را میتوان به کمک لنزهای مخصوص در دایره ای به قطر0.01cm متمرکز کرد. در این حالت، شدت تابش پرتو حاصل برابر با 1000000w/cm2 است. به این ترتیب، امکان ایجاد یک نرخ حرارتی بسیار بزرگ در ناحیه تحت تابش پرتو لیزر، بدون تاثیر قابل توجه بر نواحی مجاور، وجود دارد. از لیزر در فرآیندهایی نظیر برش، سوراخ کاری، جوشکاری وخمکاری استفاده می گردد. [2]
2-2- طبقه بندی فرآیند شکل دهی با لیزر
به طور کلی، فرآیند شکل دهی با لیزر، بسته مسیر پیمایش پرتو وشکل نهایی محصول، به دو دسته تقسیم می شود. [32]
2-2-1- شکل دهی دو بعدی با لیزر
شکل دهی دو بعدی با استفاده از لیزر شامل خمهای دو بعدی به منظور ایجاد یک شکل سه بعدی در قطعه نهایی می شود [33] . در این روش، پیمایش پرتو لیزر در راستای یک مسیر مستقیم انجام می گیرد. نمونه ای از قطعات شکل داده شده به این روش، در شکل2-1 نشان داده شده است.
شکل 2-1: نمونه ای از شکل دهی دو بعدی ورقهای فلزی با لیزر (شکل چپ) – ورق آلومینیوم که دارای شش قسمت مجزای شکل داده شده است.(شکل راست) خمش ورق وایجاد یک پروفیل [34]
2-2-2- شکل دهی سه بعدی با لیزر
شکل دهی سه بعدی با لیزر شامل ترکیبی از خمهای دو بعدی چند محوره خارج از صفحه و همچنین کوتاه کردن موضعی درون صفحه ای به منظور ایجاد یک شکل سه بعدی فضایی می شود. [35]. در این روش، پیمایش پرتو لیزر در راستای یک مسیر منحنی و یا ترکیبی از چند خط مستقیم انجام می گیرد. نمونه ای از قطعات شکل داده شده به این روش، در شکل2-2 نشان داده شده است.
شکل 2-2 : نمونه ای از شکل دهی سه بعدی ورقهای فلزی با لیزر(شکل چپ) دو نمونه شکل داده شده و متصل شده به هم (شکل راست) ایجاد شکل زینی در ورق [34]
2-3- مکانیزم های شکل دهی با لیزر
مکانیزم‌های فرآیند شکلدهی با لیزر بر اساس توزیع دمایی القا شده در اثر تابش پرتو لیزر تعیین می‌گردد. توزیع درجه‌حرارت در قطعه‌کار به پارامترهای مختلف فرآیندی نظیر توان لیزر، قطر پرتو، سرعت اسکن لیزر و ضخامت قطعه‌کار بستگی دارد. سه مکانیزم موجود شکلدهی در این فرآیند در ادامه توضیح داده شده است .[5]
2-3-1- مکانیزم گرادیان دمایی1در این مکانیزم، قطر پرتو لیزر باید برابر با ضخامت ورق یا نزدیک به ضخامت ورق باشد؛ به طوری که انرژی لیزر تابشی بتواند یک گرادیان دمایی با شیب مناسب را در راستای ضخامت ایجاد نماید. بنابراین، اگر قطعه‌کار دارای ضریب رسانش بالا باشد، طول مسیر اسکن لیزر بایستی بزرگتر باشد. مسیر حرکت پرتو لیزر بر روی ورق معمولا خط راست بوده و در تمام عرض یا طول ورق حرکت می‌کند.
در مرحله اول، گرمایش ورق به‌اندازه‌ای است که کرنش در محدوده کاملا” الاستیک باقی می‌ماند. به عبارت دیگر، اگر گرمایش در این مرحله متوقف شود، برگشت فنری اتفاق افتاده و هیچگونه کرنش در ورق باقی نخواهد ماند. به دلیل انبساط حرارتی بیشتر در لایه بالایی ورق، یک «خمش منفی» در قطعه‌کار به وجود می‌آید. مقدار خمش منفی کوچک بوده و اندازه آن بستگی به قطر پرتو لیزر دارد. ادامه گرمایش باعث کاهش تنش جریان فلز در منطقه گرمادیده شده و افزایش میزان انبساط حرارتی در سطح ورق را به‌همراه دارد. به‌این ترتیب، تا توقف حرارت ورودی ناشی از تابش لیزر، کرنش‌های حرارتی به کرنش پلاستیک فشاری تبدیل خواهد شد. درواقع، پس از عبور پرتو از یک نقطه معین، گرمایش در آن نقطه با اتمام می‌رسد و پس از آن، سرمایش آغاز می‌گردد. در شرایطی که شار حرارتی پرتو لیزر وارد سطح ورق میشود، پراکندگی و انتقال حرارت توسط تابش و همرفت کم بوده و قابل صرف‌نظر کردن می‌باشد.مرحله سرمایش در این فرآیند، پس از عبور پرتو و در اثر انتقال حرارت از ناحیه حرارت‌دیده، طی حدود 10 الی 20 ثانیه انجام میشود؛ این درحالی است که مرحله گرمایش در حدود 5/0ثانیه طول می‌کشد. در طول سرمایش، میزان انقباض لایه‌های بالایی ورق، که تحت پرتو لیزر و در ناحیه تغییرشکلی پلاستیک قرار گرفته بود، در مقایسه با لایه‌های پایین‌تر بیشتر می‌باشد و به‌تبع آن، خمش در ورق اتفاق می‌افتد. میزان زاویه خمش نهایی به مقدار انرژی ورودی به قطعه‌کار، هندسه ورق و مشخصه‌های حرارتی و مکانیکی ماده آن بستگی دارد. به‌طور معمول، مقدار زاویه خمش در این مکانیزم بین 0.1 الی 3 درجه به ازای هر پاس عبوری لیزر است. شمایی از مکانیزم گرادیان دمایی در شکل 2-3 آورده شده است.
به‌طور خلاصه، مکانیزم گرادیان دمایی از مراحل زیر تشکیل شده است:
1. گرمایش سطحی و انبساط حرارتی موضعی در لایه‌های بالایی سطح ورق فلزی
2. ادامه گرمایش سطحی، ایجاد و افزایش خمش منفی
3. ایجاد ناحیه پلاستیک در لایه‌های بالایی سطح ورق دراثر ممان خمشی وارده از ناحیه کشسان لایه‌های پایینی ورق
4. انتقال حرارت در ورق و ایجاد انقباض موضعی در ناحیه گرم شده
5. افزایش خمش مثبت با گذشت زمان به علت انتقال حرارت
شکل 2-3 : مراحل فرآیند شکلدهی با لیزر توسط مکانیزم گرادیان دمایی (a) پیش از تابش پرتو؛ (b) مرحله حرارت‌دهی (وقوع خمش منفی)؛ (c) مرحله سرمایش (وقوع خمش مثبت)[6].
2-3-2- مکانیزم کمانش1در مکانیزم کمانش، عرض ورق فلزی به‌وسیله پرتو لیزر، که قطر آن در مقایسه با ضخامت ورق فلزی بزرگ می‌باشد، با سرعت کم اسکن می‌گردد. در نتیجه حرکت آرام لیزر، یک گرادیان دمایی با شیب بسیار کم در راستای صخامت ایجاد میشود. در اثر انبساط حرارتی منطقه حرارت‌دیده، تنش‌های فشاری در این ناحیه به‌وجود می‌آید. اگر ناحیه حرارت‌دیده به‌اندازه کافی بزرگ باشد، یک ناپایداری خمشی ناشی از کمانش به وقوع می‌پیوندد. جهت خمش ورق به فاکتورهای متعددی نظیر وجود/عدم وجود خمش اولیه بستگی دارد.
در مرکز ناحیه کمانش‌یافته یا محل خمش ورق، درجه‌حرارت ورق بسیار بالا می‌باشد و مقدار تنش سیلان در این ناحیه کم خواهد بود. بنابراین، خمش این ناحیه از نوع خمش پلاستیک می‌باشد. در طرف مقابل، درجه‌حرارت ریشه ناحیه خمش‌یافته، که از مرکز تابش پرتو لیزر دور است، کمتر افزایش می‌یابد. درنتیجه، مقدار تنش جریان ناحیه ریشه، نسبت به مقدار متناظر در مرکز خمش بیشتر خواهد بود و خمش در این ناحیه از نوع کاملا” الاستیک می‌باشد. با ادامه گرمایش، میزان انبساط حرارتی ورق افزایش یافته و ارتفاع خمش نیز بیشتر می‌گردد. با اتمام تابش پرتو، کرنش الاستیک کاملا برطرف شده، تنها تغییرشکل ناحیه مرکزی کمانش‌یافته باقی می‌ماند.
خمش ورق توسط مکانیزم خمش کمانشی به اندازه 1 الی 15 درجه می‌باشد. این مقدار خمش در مقایسه با مکانیزم گرادیان دمایی بزرگتر است. هرچند، نمی‌توان نتیجه گرفت که این روش بازده بالاتری نسبت به مکانیزم گرادیان دمایی دارد. زیرا مقدار انرژی مصرفی، به‌ازای هر مرحله اسکن، به مراتب بالاتر است. همان‌طور که پیش‌تر اشاره شد، مکانیزم خمش کمانشی زمانی اتفاق می‌افتد که قطر پرتو لیزر نسبت به ضخامت ورق بسیار بزرگتر باشد. همچنین، سرعت عبور پرتو لیزر در این فرآیند بسیار پایین بوده و در نتیجه شیب گرادیان دمایی در راستای ضخامت بسیار کم است. مجموعه این شرایط می‌تواند به وسیله ترکیب پارامترهای مختلف ایجاد شود. شمایی از مکانیزم خمش کمانشی در 0 2-4 آورده شده است.
به‌طور خلاصه، مراحل انجام شکلدهی با لیزر توسط مکانیزم کمانش به شرح زیر می‌باشد:
1. گرمایش منطقه بزرگی از ورق فلزی و افزایش تنش فشاری
2. شروع کمانش یا خمش
3. ادامه کمانش یا خمش
4. حرکت و گسترش ناحیه خمش در عرض ورق فلزی
5. آزاد شدن کرنش‌های الاستیک
6. باقی‌ماندن کرنش‌های پلاستیک در ورق، و تغییرشکل نهایی ورق
شکل 2-4 : مراحل فرآیند شکلدهی با لیزر توسط مکانیزم کمانش (چپ) تابش پرتو لیزر؛ (وسط) مرحله گسترش کمانش؛ (راست) تشکیل زاویه خم [7] 2-3-3- مکانیزم کوتاه کردن1اگر (الف) قطر پرتو لیزر برابر با ضخامت ورق یا کمی بزرگتر از ضخامت ورق باشد، (ب) اسکن کردن با سرعت کم در عرض ورق انجام گیرد یا ضریب هدایت حرارتی ماده پایین باشد و (پ) هندسه ورق به شکلی باشد که مکانیزم خمش کمانشی اتفاق نیافتد، مکانیزم مزبور را مکانیزم کوتاه کردن می‌نامند. این روش مخصوص ورقهای بسیار ضخیم و همچنین برای سازه‌هایی با سفتی بالا به‌کار برده میشود.
باتوجه به پایین بودن سرعت اسکن در این مکانیزم، قطعه‌کار به‌صورت همگن در راستای ضخامت گرم میشود. با افزایش دما و به‌تبع آن، پایین آمدن تنش جریان در منطقه حرارت‌دیده، و به‌سبب آنکه انبساط آزاد نواحی حرارت‌دیده توسط مواد خنک‌تر اطراف محدود شده است، کرنش‌های ناشی از انبساط حرارتی از نوع کرنش پلاستیک فشاری خواهد بود. به علت گرادیان دمایی بسیار کم در جهت ضخامت ورق، قطعه‌کار به هنگام سرد شدن منقبض می‌گردد. این مکانیزم می‌تواند برای کوتاه کردن چهارچوب‌های و قطعات کوچک به‌کار برده شود. درواقع، این مکانیزم یک روش بسیار مفید برای تولید با دقت میکرون است. شمایی از مکانیزم کوتاه کردن درشکل 2-5 آورده شده است.
شکل 2-5 : مراحل فرآیند شکلدهی با لیزر توسط مکانیزم کوتاه کردن (چپ) تابش پرتو (مرحله حرارت‌دهی)؛ (راست) کوتاه‌شدن قطعه‌کار (مرحله سرمایش)به‌طور خلاصه، مراحل مختلف مکانیزم کوتاه کردن به این صورت است:
1. گرمایش مقطع و انبساط حرارتی
2. افزایش انبساط حرارتی و عبور از کرنش الاستیک
3. ایجاد یک فشار در اثر وارد شدن مقطع به ناحیه پلاستیک
4. سرمایش قطعه همراه/ بدون یک کرنش کششی کوچک
خلاصه مکانیزم‌های ذکر شده به‌همراه شرایط، مقدار شکلدهی و برخی از مشخصه‌های آنها در جدول2-1آورده شده است.
جدول2-1 : مکانیزم‌های فرآیند شکلدهی با استفاده از پرتو لیزر [8]
مکانیزم شرایط مقدار شکلدهی نتیجه
شیب دمایی – قطر پرتو ~ ضخامت ورق
– سرعت اسکن بالا
– قابل استفاده در ورقهای نازک یک تا دو درجه به ازای هر پاس پیمایش کنترل بالا
بازده کم
خمش کمانشی – قطر پرتو بزرگتر از ضخامت
– سرعت اسکن پایین
– قابل استفاده در ورقهای نازک تا پانزده درجه به ازای هر پاس پیمایش بازده بالا
کنترل کم
کوتاه کردن – قطر پرتو ~ ضخامت ورق
– قابل استفاده در ورقهای سفت (عدم کمانش) انقباض میکرونی به ازای هر پاس پیمایش به‌منظور کوتاه کردن و افزایش سطح مقطع ورق
2-4- مدلهای تحلیلی برای پیش‌بینی مقدار تغییرشکل2-4-1- مکانیزم گرادیان دماییولرتسن[9] رابطه‌ای به‌منظور پیش‌بینی زاویه خمش در مکانیزم گرادیان دمایی به دست آورده و همچنین، شرایط بهینه مربوط به فرآیند شکلدهی با لیزر در مسیر مستقیم را توصیف نموده است. در این رابطه تحلیلی، ارتباط بین زاویه خمش و برخی از ویژگی‌های ماده، هندسه قطعه‌کار و پارامترهای مربوط به فرآیند به دست آمده است. در این مدل، قطعه‌کار به صورت تیر ساده فرض شده و از روش انرژی برای بیان میدان درجه‌حرارت استفاده شده است. اساس این مدل و پارامترهای استفاده شده در 0شکل 2-6 آورده شده است. زاویه خمش براساس هندسه شکل نهایی و همچنین، تفاوت کرنش بین لایه‌های بالایی و پایینی قطعه تعریف شده است (رابطه 0).
2-1
در این رابطه، bα برابر با زاویه ی خمش، thα برابر با ضریب رسانش حرارتی جنس قطعه‌کار، P برابر با توان لیزر تابشی، A برابر با ضریب جذب سطح، ρ برابر با دانسیته ورق، cp برابر با ظرفیت حرارتی ویژه، v برابر با سرعت اسکن پرتو و s معادل ضخامت قطعه است.
یائو[10] مشابه به مدل ارائه شده ولرتسن، از یک روش مدل دولایه به‌منظور درنظر گرفتن اثر خمش منفی استفاده کرده است. به‌این‌ترتیب، مقداری از تغییرشکل از نوع الاستیک به‌حساب آورده شده است. این اصلاح در روابط، نتیجتا” شامل دو معادله است؛ یکی برای زاویه خمش منفی و دیگری برای زاویه خمش در انتهای چرخه سرمایش. به‌این ترتیب، رابطه نهایی زاویه خم (یعنی تفاضل زاویه خم مثبت و زاویه خمش منفی)، براساس معادله میدان دمایی در مدل یائو در رابطه2-2 آورده شده است.
2-2
در این رابطه، l برابر با نصف طول ناحیه حرارت دیده، E برابر با مدول یانگ و Y برابر با تنش تسلیم می‌باشد.
شکل 2-6 : نیروها و ممان‌ها در مدل دولایه‌ای ولرتسن [9]
2-4-2- مکانیزم کمانشدر مکانیزم کمانش، طبق مدل ولرتسن[9] Error! Reference source not found.کرنش در نزدیکی مرکز پرتو لیزر به‌صورت پلاستیک و در قسمت‌های دورتر از پرتو از نوع الاستیک می‌باشد. رابطه‌ای که زاویه خم نهایی در مکانیزم کمانش را مشخص می‌کند، با استفاده از تئوری خمش مکانیکی به دست آمده است (رابطه2-3).
2-3
در این رابطه، sσ برابر با تنش سیلان در ناحیه حرارت دیده می‌باشد.
2-5- مطالعه روش های تجربی بررسی فرآیند شکل دهی با لیزر
2-5- مقدمهبرای بررسی دقیق و پیش‌بینی رفتار ورق در فرآیند شکلدهی با لیزر میتوان از روش انجام آزمایش و تحلیل نتایج آن استفاده نمود. پارامترهای موثر بر مقدار زاویه خم به دست آمده به ازای هر پاس لیزر را میتوان به سه دسته کلی تقسیم کرد: پارامترهای مربوط به انرژی لیزر، مشخصات فیزیکی و مکانیکی ماده و مشخصات هندسی ورق .[11]
2-5-1- پارامترهای انرژی لیزرتغییرات زاویه خم به‌ازای تغییر توان لیزر درشکل 2-7 (الف) نشان داده شده است. افزایش توان لیزر، که به معنای افزایش انرژی ورودی است، باعث افزایش شیب دمایی در راستای ضخامت شده و درنتیجه، زاویه خم نیز بیشتر می‌گردد. رابطه بین چند سرعت اسکن پرتو و زاویه خم متناظر با آن در شکل2-70 (ب) مشخص شده است. با افزایش نرخ تغذیه، مقدار انرژی واحد طول وارده بر قطعه کاهش یافته، به کمتر شدن مقدار نهایی شکلدهی می‌انجامد. 0شکل2-7 (پ) تاثیر قطر پرتو لیزر بر زاویه خم را نشان می‌دهد. با فرض ثابت ماندن توان لیزر، افزایش قطر پرتو به معنای کاهش انرژی موثر وارده بر سطح است و بنابراین، کاهش مقدار زاویه خم را موجب میشود. اثر تعداد پاس‌های اسکن پرتو لیزر بر زاویه خم در 0شکل2-7 (ت) نشان داده شده است. زاویه خم با تعداد پاس‌های اسکن نسبت مستقیم دارد. هرچند، میزان شکلدهی به‌ازای افزایش تعداد پاسها دارای شیب کاهش‌یابنده است.
(الف)
(ب)
(پ) (ت)
شکل 2-7 : اثر پارامترهای لیزر. (الف) توان؛ (ب) سرعت اسکن؛ (پ) قطر پرتو؛ (ت) تعداد پاس .[11]
2-5-2- پارامترهای فیزیکی
آن‌دسته از پارامترهای فیزیکی ورق که بر زاویه خم نهایی قطعه‌کار موثر است با تعریف شاخص اثرگرمایی شناسایی میشود. شاخص اثرگرماییR)) براساس رابطه 02-4 تعریف میشود؛
2-4
در این رابطه، برابر ضریب انبساط حرارتی ورق، برابر چگالی و برابر ظرفیت گرمایی ویژه است. 0 2-8 تاثیر شاخص اثرگرمایی مربوط به سه ماده مختلف (شامل 08، LY12CZ و L3M) بر زاویه خم را نشان می‌دهد. زاویه خم با شاخص اثرگرمایی نسبت مستقیم دارد.
شکل 2-8 : تاثیر شاخص اثرگرمایی بر زاویه خم [11]
2-5-3- مشخصه‌های هندسی ورقتاثیر طول، عرض و ضخامت ورق بر زاویه خم، به‌ترتیب، در 0شکل2-9 (الف تا پ) نشان داده شده است. از مقایسه این نمودارها مشخص میشود که در میان پارامترهای هندسی ورق، زاویه خم، به‌طور قابل‌توجهی، تحت تاثیر ضخامت ورق است. طول ورق تقریبا هیچ تاثیری بر زاویه خم ندارد. همچنین، با افزایش عرض ورق، زاویه خم با شیب ملایم شروع به افزایش می‌نماید.
(الف) (ب)
(پ)
شکل 2-9 : تاثیر (الف) طول؛ (ب) عرض و (پ) ضخامت ورق بر زاویه خم[11]
2-6- اثر شرایط گیره‌بندی بر مقدار زاویه خمدر بخش‌های گذشته به تعدادی از فاکتورهای موثر بر مقدار زاویه خم در حین شکلدهی دوبعدی با لیزر اشاره شد. یک فاکتور دیگر، تاثیر شرایط گیره‌بندی بر پارامترهای فرآیندی می‌باشد.
2-6-1- گیره‌بندی از نوع یک سرگیردارهرگاه قطعه‌ای توسط یک سیستم گیره‌بندی لبه‌ای به‌صورت یک سرگیردار نگه داشته شود.
در شکل 2-10خم ایجاد شده در قطعه‌کار بر نیمی از هندسه پرتو تابشی تاثیر می‌گذارد.
شکل 2-10 : گیره‌بندی یک سرگیردارهرچه خم نمونه به‌صورت پاس‌به‌پاس افزایش پیدا می‌کند، آن بخش از پرتو تابشی که بر زانوی خم قطعه تابیده میشود، به‌طور فزاینده‌ای شکل بیضی به خود می‌گیرد. سطح مقطع پرتو تابشی بر نمونه، همچنان که قطعه دچار خمش میشود، به‌صورت ترکیبی از یک نیم‌دایره و یک نیم‌بیضی در می‌آید. هرچند، به صورت پاس‌به‌پاس بر میزان واپیچیدگی نیم‌بیضی افزوده میشود. واپیچش سطح پرتو لیزر، یک افزایش موثر در مساحت پرتو تابشی روی نمونه و به‌تبع آن، کاهش دانسیته انرژی را به همراه دارد؛ این مساله می‌تواند بر میزان خمش در هر پاس تابشی اثر بگذارد. شمایی از هندسه پرتو تابشی در این‌حالت در 0 آورده شده است. در این شکل، D1 برابر با قطر پرتو، R1 برابر با شعاع پرتو، R2 برابر با شعاع پرتو واپیچش شده (بیضی شکل) و αb برابر با زاویه خم می‌باشد.
شکل 2-11 : شمایی از هندسه پرتو تابشی در شرایط گیره‌بندی یک سرگیردار[29]
شعاع پرتو واپیچش شده R2 برابر است با
2-5
مساحت کلی پرتو تابشی، A، برابر است با:
2-6
با جایگزین کردن R2 و آرایش مجدد معادله2-7 رابطه زیر به دست می‌آید:
2-7
نمودار مساحت پرتو تابشی در گستره صفر تا نود درجه زاویه خم درشکل02-12 مشخص شده است. همچنان که از این شکل مشخص است، با افزایش زاویه خم، بر مساحت سطح‌مقطع پرتو تابشی نیز افزوده میشود.
شکل 2-12 : اثر زاویه خم بر مساحت پرتو تابشی [29]
لازم به یادآوری است که نیمی از مساحت پرتو تابشی بر قسمت خم‌شده ورق وارد شده و درنتیجه، دچار واپیچیدگی می‌گردد. مساحت پرتو در زوایای خم بالا به طور قابل‌توجهی افزایش می‌یابد. این افزایش مساحت به‌خصوص در زوایای نزدیک به نود درجه محسوس‌تر است. همچنین، اثرات زاویه خم بر میزان اثربخشی انرژی درشکل2-13 نشان داده شده است. میزان اثربخشی انرژی به‌صورت حاصل‌ضرب دانسیته انرژی در طول مدت زمان تابش تعریف میشود. از این شکل مشخص است که در شرایط تکیه‌گاهی یک سرگیردار، با افزایش زاویه خم، میزان اثربخشی انرژی تابشی به طور مداوم کاهش می‌یابد. این کاهش دارای تاثیرات قابل‌ملاحظه‌ای بر میزان خم در هر پاس، به‌خصوص زمانی که تعداد پاسها زیاد است، می‌باشد.
شکل 2-13 : انرژی موثر تابشی به‌ازای افزایش زاویه خم [29] [29]
2-6-2- گیره‌بندی از نوع V شکلبا توجه به آنکه فاکتور هندسی بحث شده در بخش2-6-1 0دررابطه با شیوه گیره‌بندی ورق از نوع یک سرگیردار بود، یک شیوه دیگر بستن قطعه‌کار نیز مورد بررسی قرار گرفته است. استفاده از شیوه گیره‌بندی V شکل، مشابه به آنچه که در 0شکل2-14 مشاهده میشود، چنین به نظر می‌رسد که انجام شکلدهی در زوایای خم بالا امکان‌پذیر می‌باشد.
شکل 2-14 : گیره بندی Vشکل [29] [29]
مشابه به شرایط گیره‌بندی یک سرگیردار میتوان اثر افزایش زاویه خم روی مساحت سطح مقطع کلی پرتو تابشی را به دست آورد. درواقع، در حالت گیره‌بندی V شکل، به‌جای اینکه فقط نیمی از مساحت پرتو دچار واپیچیدگی شود، هر دو نیمه پرتو با افزایش زاویه خم ()، حالت بیضی‌شکل به خود می‌گیرد (شکل2-15).
شکل 2-15 : شمایی از هندسه پرتو تابشی در شرایط گیره‌بندیVشکل [29] شعاع پرتو واپیچیده شده R2 برابر است با:
2-8
زاویه کلی خم که وابسته به مساحت پرتو تابشی، A، است در شرایط گیره‌بندی ساده به صورت زیر می‌باشد:
2-9
با جایگزینی R2 و آرایش مجدد رابطه2-10، معادله زیر به دست می‌آید:
2-10
نمودار مساحت پرتو تابشی در گستره صفر تا نود درجه زاویه خم در2-16 مشخص شده است. با محاسبه مساحت پرتو تابشی و با فرض یکسان بودن مجموعه پارامترهای فرآیندی در حالت گیره‌بندی ساده و گیره‌بندی یک سرگیردار، اثر زاویه پیش‌خم موجود در قطعه‌کار بر سایر پارامترهای فرآیندی به دست می‌آید.
شکل 2-16 : اثر زاویه خم بر مساحت سطح پرتو تابشی [29]
همچنان که از شکل فوق مشخص است، مساحت پرتوی تابشی در مقایسه با گیره‌بندی یک سرگیردار (0)، به‌مقدار بسیار کمتری متاثر از زاویه خمش افزایش یابنده است. این مساله ناشی از آن است که مساحت پرتو تابشی فقط به نصف زاویه خم (یعنی ) وابسته است. اثرات افزایش مساحت پرتو بر میزان اثربخشی انرژی در 0شکل2-17 نشان داده شده است. هم‌چنان‌که مشخص است، اگرچه با افزایش زاویه خم مقداری افت در میزان اثربخشی انرژی مشاهده میشود، اما این مقدار به اندازه مقدار متناظر برای حالت تکیه‌گاه یک سرگیردار (02-13) قابل ملاحظه نیست.
شکل 2-17 : انرژی موثر تابشی به‌ازای افزایش زاویه خم [29]
2-7- نتیجه‌گیری
با بررسی دقیق فرآیند شکلدهی با لیزر، این روش به‌عنوان یک روش مناسب به‌منظور جایگزین نمودن روشهای رایج مکانیکی، برای شکلدهی و ایجاد خمهای دوبعدی و سه‌بعدی در ورقهای فلزی و غیرفلزی معرفی گردید. یکی از اصلی‌ترین مزیت‌های این روش، عدم بستگی آن به سختی قطعه‌کار عنوان شد.
در ادامه معرفی فرآیند شکلدهی با لیزر، سه مکانیزم شکلدهی بسته به نحوه تنظیم پارامترهای لیزر نسبت به‌هم مورد بررسی قرار گرفت. مکانیزم گرادیان دمایی با گرمایش سطحی و انبساط حرارتی موضعی در لایه‌های بالایی سطح ورق فلزی آغاز میشود. ادامه گرمایش سطحی ورق با ایجاد و افزایش خمش منفی همراه است. سپس، دراثر اعمال ممان خمشی از ناحیه کشسان لایه‌های پایینی ورق، ناحیه پلاستیک در لایه‌های بالایی سطح ورق گسترش می‌یابد. درنهایت، به‌واسطه انتقال حرارت در ورق و همچنین، ایجاد انقباض موضعی در ناحیه گرم‌شده، افزایش خمش مثبت با گذشت زمان واقع میشود. در مکانیزم کمانش، ابتدا گرمایش منطقه بزرگی از ورق فلزی و افزایش تنش فشاری انجام می‌گیرد. این مساله موجب شروع کمانش یا خمش در ورق می‌گردد. با حرکت پرتو لیزر، حرکت و توسعه ناحیه خمش در عرض ورق فلزی پدید می‌آید. با عبور لیزر و شروع مرحله سرمایش، آزاد شدن کرنش‌های الاستیک و باقی‌ماندن کرنش‌های پلاستیک در ورق، تغییرشکل نهایی ورق حاصل میشود. در مکانیزم کوتاه‌کردن، ابتدا گرمایش مقطع و انبساط حرارتی ورق انجام میشود. افزایش انبساط حرارتی و عبور از کرنش الاستیک موجب ایجاد یک فشار در اثر وارد شدن مقطع به ناحیه پلاستیک می‌گردد. در نهایت، سرمایش قطعه همراه/ بدون یک کرنش کششی کوچک پدید می‌آید.
اثر عوامل مختلف بر میزان زاویه خم حاصل از فرایند شکلدهی با لیزر مورد بررسی قرار گرفت. به‌این منظور، پارامترهای ورودی به سه دسته پارامترهای پرتو لیزر، ماده ورق و هندسه ورق تقسیم میشود. به‌این ترتیب که توان لیزر و تکرار پاس‌های اسکن، برخلاف سرعت اسکن و قطر پرتو، اثر مستقیم بر زاویه خم دارد. افزایش طول ورق، به میزان بسیار جزئی، و افزایش ضخامت ورق، به مقدار قابل ملاحظه‌ای، به کاهش زاویه خم می‌انجامد.همچنین به‌منظور رسیدن به زوایای خم بزرگ، به‌ازای افزایش تعداد پاس‌های لیزر، استفاده از حالت گیره‌بندی ساده از شرایط یک سرگیردار مناسب‌تر است.
2-8- پیشنهادهایی برای ادامه کار- بررسی استفاده از فرآیند شکلدهی با لیزر در شکلدهی ورقهای آلومینیومی.
– بررسی تاثیر تعداد پاس‌های اسکن بر مقدار نهایی زاویه خم در فرآیند شکلدهی با لیزر.
– تعیین رابطه‌ای به‌منظور پیش‌بینی زاویه خم در فرآیندهای شکلدهی چندپاسه لیزر در ورقهای آلومینیومی.
فصل 3
روش انجام شبیه سازی عددی فرآیند
3-1- مقدمه
در شکل دهی فلزات، از شبیه سازی فرآیند به منظور روشی جهت تحقق اهداف زیر استفاده می شود [29]
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.
-266065-52641500
شکل 3-1: مدل ترسیم 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 C˚ 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 C˚ 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 ثانیه بعد از شروع فرآیند
شکل3ـ5.ب: 0.72 ثانیه بعد از شروع فرآیند
شکل3ـ5.ج: 1.08 ثانیه بعد از شروع فرآیند
شکل3ـ5.د: 1.44 ثانیه بعد از شروع فرآیند
شکل3ـ5.هـ : 1.8 ثانیه بعد از شروع فرآیند
شکل3ـ5.و : 2.16 ثانیه بعد از شروع فرآیند
شکل 3ـ5.ز : 2.52 ثانیه بعد از شروع فرآیند
شکل 3ـ5.ح : 2.88 ثانیه بعد از شروع فرآیند
شکل3ـ5.ط : 3.1 ثانیه بعد از شروع فرآیند (ابتدای مرحله سرمایش)
شکل 3ـ5.ی : 11.9 ثانیه بعد از شروع فرآیند
شکل 3ـ5.ک: 47.4 ثانیه بعد از شروع فرآیند
شکل 3ـ5.ل : 02.6 ثانیه بعد از شروع فرآیند
شکل 3ـ5.م : 350 ثانیه بعد از شروع فرآیند (اتمام فرآیند)
شکل3- 5 : کانتور توزیع دمایی ورق آلومینیوم به ضخامتmm 3،که تحت تابش پرتو لیزر به توانW 1250 و سرعتm/min 1 در نظر گرفته شده است.
3-4-2- کانتور جابجایی ورق
کانتور جابجایی ورق در شکل 3ـ6، تصاویر الف تا م، مشخص شده است. همچنان که از شکل مشخص است، با ادامه پیمایش پرتو بر روی ورق، بر میزان شکل دهی نهایی افزوده می شود.
شکل3ـ6. الف: 0.36 ثانیه بعد از شروع فرآیند
شکل3ـ6.ب : 0.72 ثانیه بعد از شروع فرآیند
شکل3ـ6.ج : 1.08 ثانیه بعد از شروع فرآیند
شکل 3ـ6.د: 1.44 ثانیه بعد از شروع فرآیند
شکل3ـ6.هـ : 1.8 ثانیه بعد از شروع فرآیند
شکل 3ـ6.و : 2.16 ثانیه بعد از شروع فرآیند
شکل3ـ6.ز : 2.52 ثانیه بعد از شروع فرآیند
شکل3ـ6.ح : 2.88 ثانیه بعد از شروع فرآیند
شکل3ـ6.ط : 3.1 ثانیه بعد از شروع فرآیند (ابتدای مرحله سرمایش)
شکل3ـ6.ی : 11.9 ثانیه بعد از شروع فرآیند
شکل3ـ6.ک : 47.4 ثانیه بعد از شروع فرآیند
شکل3ـ6.ل : 202.6 ثانیه بعد از شروع فرآیند
شکل3ـ6.م: 350 ثانیه بعد از شروع فرآیند(اتمام فرآیند)
شکل3-6: کانتور جابجایی ورق آلومینیوم به ضخامتmm 3،که تحت تابش پرتو لیزر 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
0.020.06Al
0.0150.05Cu
0.03 0.1Fe
0.05 0.15Ni
0.08 0.26Ti
0.030.16Zn
0.030.09Carbon Steel
0.09 0.31Stainless Steel
4-2-1-2-آزمایش های روی ورقهای پوشش داده شده
به منظور بررسی اثر پارامترهای مختلف فرآیند شکل دهی با لیزر بر خمکاری ورقهای آلومینیوم از دستگاه لیزر پالسی دی اکسیدکربن با بیشینه توان 1800W استفاده شد. براساس طراحی آزمایش صورت گرفته برای انجام آزمایش های تجربی، ورقهای آلومینیوم با استفاده از دستگاه وایرکات به ابعاد100mm×50mm وبه ضخامت های 1mmو1.5mmو2mm تهیه گردید. تصویر نمونه های آلومینیوم مورد استفاده در آزمایشهای تجربی در شکل 4-1 نشان داده شده است. به منظور امکان پذیری انجام فرآیند، گرافیت بر سطح ورقهای آلومینیوم پوشش دهی گردید. به همین منظور، از اسپری گرافیت جهت ایجاد پوشش گرافیتی روی نمونه های آزمایش استفاده شده است. یک نمونه پوشش داده شده در شکل 4-2 مشخص است. پس از انجام آزمایشها وشکل دهی ورقهای آلومینیوم، اندازه گیری مقدار زاویه خمش نهایی ورقها با استفاده از دستگاه اندازه گیری دقیقCMM انجام شده است. روش سنجش زاویه خم با استفاده از دستگاه CMM به این ترتیب است که ابتدا موقعیت فضایی 3 تا 5 نقطه روی هریک از صفحه های خم ورق شناسایی می شود.سپس، با تعیین صفحه گذرنده از نقاط شناسایی شده، زاویه بین دو صفحه در نرم افزار CAD محاسبه می شود. مشخصه های لیزر مورد استفاده در فرآیند در جدول 4-2 آورده شده است. همچنین دستگاه لیزر مورد استفاده، ورقهای آلومینیوم در حین فرآیند و دستگاه اندازه گیری دقیق CMM، به ترتیب، در شکل 4-3، شکل 4-4 و شکل 4-5 مشخص است.
شکل 4-1 : نمونه های آزمایش: (راست) ورق به ضخامت2mm و (چپ) ورق به ضخامت 1mm
شکل4-2: پوشش دهی گرافیتی ورق آلومینیوم
جدول4-2 : مشخصات لیزر مورد استفاده در آزمایش های تجربی[41]
دی اکسیدکربن واحد لیزر
لیزر پالسی نوع لیزر
1800 W حداکثر توان لیزر
1 تا 2500 HZ گستره فرکانس
10.6 mμ طول موج پرتو
95948512954000
شکل 4-3: دستگاه لیزر مورد استفاده در آزمایش تجربی
92964014668500
پاسخ دهید