Please enter banners and links.
هایاما و کادو (1979) تخمین نیروی کار و اندازه دقیق‌تر قطری را توسط روش انرژی تعمیم دادند.[[4]]ناگاراجا (1981) به توصیف کلی روش اسپینینگ[6] و انوا ع آن از قبیل اسپینیگ با مندرل مخروطی، لوله‌ای، فلوفرم مستقیم و معکوس، معرفی مراحل و فاز‌های فرآیند و پارامترهای اصلی و مؤثر در فلوفرم پرداخت]1[.
گور و تیروش (1982) فلوفرم را ترکیبی همزمان از از اکسترود و نورد قطعه کار بیان نمودند. با این وجود، توصیف این دو نفر در چگونگی و میزان تغییر فرم پلاستیک بر روی ماده در حین فرآیند فلوفرم هنوز به طور کامل مورد مطالعه قرار نگرفته است][5][.
ونگ (1989) روش کرنش صفحه‌ای و روش خط لغزشی[7] را برای محاسبه نیروی وارده در فلوفرم سه بعدی تعمیم داد[[6]].
کمین (1997) و زو (2001) به تحلیل المان محدود[8]مکانیزم تغییر شکل رایج در حین انجام فلوفرم اقدام کردند و با انجام آزمایشات عملی پی به نزدیکی و صحت نتایج بردند][7][.
هانگ و همکارانش (1998) مطالعات خود را بر روی فرآیند گلویی[9] شدن در المان‌های استوانه ای جدار نازک و کوچک فلوفرم شده، مورد بررسی قرار دادند. هدف آ ن‌ها جستجوی ارتباطی میان پارامترهای فرآیند و پیدا کردن یک حالت بهینه برای تولید محصول دقیق بود که برای این منظور تعدادی از عوامل بحرانی فرآیند گلویی شدن را توسط روشهای عملی و با استفاده از کد‌های تجاری نرم افزار Abaqus حل عددی را انجام دادند ودر نهایت برای بهینه سازی فرآیند به کار بردند][8][.
لی و لو (2001) فلوفرم قطعات استوانه‌ای شکل را با استفاده از مکانیزم نورد مورد مطالعه قرار دادند.آنها دستگاهی را با شش غلطک در نظر گرفتند و نیرو های غلطک و نیروی کششی را مورد بررسی قرار دادند. آنها نسبت جریان تغییر شکل و میزان نیروی لازمه را قویاً به انداره غلطک ها نسبت دادند.
تابراگ (1962) فشار مؤثر غلطک‌ها و نیروی کلی لازم برای کشیدن را بررسی کرد و متوجه شد که فشار بر روی غلطک‌ها یکسان نیست][9][.
وانگ (2004) با مطالعه بر روی فلوفرم مواد، نیروهای محوری، شعاعی و سایر پارامترهای مؤثر در فلوفرم را مدل سازی و مقایسه نمود. وی مقایسه حل دقیق و حل ضمنی را با استفاده از فلوفرم سرب مورد بررسی قرار داد][10][.
زیا و همکارانش(2006) اسپینینگ سه بعدی نا متقارن را مورد بررسی قرار دادند. این روش را از روش های جدید تکنولوژی اسینینگ می‌دانند که محدودیت‌های اسپینینگ های تجاری را برای تولید لوله های تو خالی نامتقارن کنار می‌گذارد. آنها بر روی نیروهای اسپینینگ در راستای طراحی دستگاه و پروسه انتخاب پارامتر‌ها مطالعه کرده‌اند][11] [.
روی (2009) بر روی توزیع یکسان کرنش پلاستیک در جهت ضخامت در فرآیند فلوفرم مستقیم لوله، برای تعدادی قطعات از جنس AISI1020 که تحت شرایط متفاوت با استفاده از یک دستگاه فلوفرم تک غلطکه تغییر شکل یافته بود، بررسی انجام داد. او میزان تغییر شکل ماده را با استفاده از موضع اثر سختی سنج میکرونی[10] مورد مطالعه قرار داد. به بیان تجربی میزان سهم غلطک و مندرل را برای کرنش پلاستیک معادل در قطعات فلوفرم شده بررسی کرد و همچنین عوامل موثر بر روند کاهش ضخامت را مورد بحث قرار داد]7[.
پازوکی و همکارانش (2009) فرآیند فلوفرم و فلوفرم پذیری مواد در حین فرآیند فلوفرم مستقیم را بررسی کردند.آنها تغیییرات نسبت طول تماس شعاعی به طول تماس محوری، نرخ پیشروی و زوایای حمله را مدلسازی کرده و نتایج را با معادلات پایه هندسی مقایسه کردند. آنها نتایج این مدلسازی را با نتایج تجربی موجود مورد قیاس قراردادند تا با صحه‌گذاری نتایج، میزان تأثیر زاویه حمله و نرخ پیشروی بر فلوفرم پذیری را نشان دهند][12] [.
پلوینسکی و درنگر (2009) با معرفی فرآیند اسپینینگ و فلوفرمینگ به عنوان فرآیندهای کهن و راه یافته به تکنولوژی‌‌های شکل دهی امروزی، فلوفرمینگ آلومینیوم 7075، اینکونل625 [11]واسپینینگ نوعی فولاد زنگ‌نزن[12] را به صورت تجربی مورد بحث و بررسی قرار داده اند][13][.
موهبی و اکبرزاده (2010) به مدلسازی فرآیند فلوفرم مستقیم آلومینیوم 6063 و صحه گذاری و مقایسه آن با آزمایشات تجربی پراختند. آنها نیز سعی در محاسبه نیروهای وارد به غلطک و میزان تنش و کرنش‌های اعمالی به قطعه کار حین انجام فرآیند فلوفرم داشتند[14].
سیواناندی (2012) مروری جامع بر کلیات فرآیند فلوفرم را به انجام رساند. وی بعد از معرفی فرآیند فلوفرم، جزئیات آن از قبیل میزان کاهش ضخامت، طول نهایی قطعه کار، مواد مورد استفاده، انواع روش فلوفرمینگ و پارامترهای درگیر در فرآیند به بررسی پژوهش های گذشتگان پرداخته است][15][.
رینز و حق شناس (2014) تحقیقاتی بر روی تأثیر زاویه انحراف غلطک‌ها در فرآیند فلوفرمینگ بامندرل های[13] غیر استوانه‌ای و شکل دار انجام دادند. آنها یکی از مهمترین عوامل فرسودگی و خراب شدن مندرل های شکل دار را نیروی اعمالی از جانب زاویه انحراف غلطک‌ها می دانند و با به حداقل رساندن نیروی مورد نیاز و بهینه سازی زاویه انحراف سعی در کاهش فرسودگی و خرابی مندرل‌ها در این نوع فلوفرمینگ را دارند ][16][.
به طورکلی با بررسی منابع و مقالات مرتبط مشاهده می‌شود که بیشتر فرآیند فلوفرم مستقیم تک غلطکه و همچنین فولادهای کم کربن و آلیاژی مورد مطالعه قرار گرفته‌انده. مشاهده می‌شود که در اکثر پژوهش‌ها مدلسازی با استفاده از نرم افزار Ansys انجام پذیرفته وجهت اطمینان از مدلسازی علی الخصوص در مقالات داخلی بیشتر با استفاده از روشهای عددی و یا اعتبار سنجی با مقالات دیگران صحه سنجی انجام شده و کمتر شاهد انجام آزمون‌های تجربی توسط دستگاه های فلوفرم هستیم.
شایان ذکر است که در این پژوهش مدلسازی فرآیند فلوفرم سه غلطکه معکوس آلیاژ آلومینیم 7075 با استفاده از نرم افزار تجاری ABAQUS و بررسی تجربی نیروها را خواهیم داشت.
1-4- مرور بر فصل‌های پایان نامه در فصل دوم، فرآیند شکل دهی چرخشی، دسته بندی و تجزیه و تحلیل انواع روش اسپینینگ، فلوفرمینگ و مزایا، معایب و زمینه های کاربری آنها معرفی می‌شود. فصل سوم به معرفی مؤلفه‌های نیرویی و تئوری حاکم بر فرآیند اختصاص می‌یابد. در فصل چهارم آلیاژ مورد مطالعه از لحاظ رده بندی، ترکیب و خواص مکانیکی مورد بررس قرار می‌گیرد. روش تحقیق در دو بخش حل عددی و آزمایشات تجربی به طور کامل در فصل پنجم شرح داده می‌شود. در فصل ششم نتایج آزمایشات تجربی با نتایج حل عددی به روش المان محدود مورد قیاس قرار گرفته و مدل توسعه یافته صحه گذاری می شود. سپس با استفاده از مدل صحه گذاری شده اثر پارامترهایی نظیر زاویه حمله، پیش روی، شعاع سر غلطک، کاهش ضخامت و میزان تاثیر گذاری هر یک از آنها بر فرآیند فلوفرم مورد مطالعه قرار می گیرد. در پایان، فصل هفتم، به جمع‌بندی و ارائه پیشنهادات پرداخته می‌شود.
فصل دومآشنایی با فرآیند شکل دهی چرخشی2-1- تاریخچه اسپینینگ یا فلوفرمینگ یکی از قدیمی‌ترین فرآیندها برای تولید قطعات متقارن و توخالی[14] فلزی میباشد. اسپینینگ فلزات از زمان مصریان باستان شناخته شده و برای ساخت بشقاب های نقره‌ای از آن استفاده می‌شده است. به بیان دیگر محققان بنا نهادن پایه‌های اصلی فرآیند اسپینینگ فلزات در ابتدای قرن دهم میلادی توسط چینی‌ها انجام گردیده است. پس از آن این صنعت برای اولین بار توسط انگلیس‌ها در زمان سلطنت ادوارد سوم به جهان غرب نیز معرفی گردید و پس از یک دوره پانصد ساله در حدود سال 1840 میلادی توسط فردی به نام جردن[15] وارد آمریکا شد][17][. این فرآیند به دلیل دارا بودن مزایایی از جمله ارزان و اقتصادی بودن، دقت ابعادی قطعات و تحت کنترل بودن ابعاد آنها به مرور در صنایع مهم و استراتژیک به ویژه در صنایعی چون صنایع هوا فضا، نظامی و هسته ای به صورت چشمگیری مورد توجه و استفاده قرار گرفت.
2-2- معرفی فرآیند اسپینینگ و فلوفرم یکی از شاخه‌های پراهمیت در شکل دهی فلزات، شکل دهی بزرگ بدون براده برداری، اقتصادی و بدون دورریز مانند فورج، خم کاری، نورد و اکسترود کردن میباشد که سطح تماس بین قطعه‌کار و ابزار در تمامی این روش‌ها بزرگ است. میزان توان ونیروی مورد نیاز در هر تجهیز مورد استفاده در فرآیندهای فرآوری فلزات یکی از موضوعات پراهمیت می باشد. یکی از روش های مورد توجه کاهش نیرو و توان مورد نیاز در فرآیند و افزایش میزان تغییر شکل به صورت نقطه ای یا محلی[16] میباشد. اسپینینگ یا فلوفرمینگ یکی از بهترین روش های این نوع شکل دهی‌است. شاید فرآیند اسپینینگ یکی از گسترده‌ترین روشهای شکل‌دهی باشد که با استفاده از ماشین‌های دوار و ترکیب نیرو و چرخش، اشکالی تو خالی با محور تقارن و گاهی صفحه تقارن و بدون درز، قابل تولید می باشد.[[18]]
2-3- تئوری فرآیند اسپینینگ2-3-1- اسپینینگ اسپینینگ یکی از روشهای شکل دهی فلزات است که در آن با استفاده از ترکیب نیرو و چرخش، اشکال توخالی با محور/ صفحه تقارن و بدون درز قابل تولید میباشد. در این روش مواد اولیه که عمدتاً به شکل ورق یا همان بلنک‌ها[17] و یا قطعه از پیش شکل دهی شده[18] (از این به بعد برای سادگی از واژه پریفرم استفاده می‌شود) میباشد، که بین مندرل و ابزار شکل دهی تحت فشار قرار گرفته و شکل می‌گیرد. تغییر شکل بلنک در حین فرآیند اسپینینگ شامل جابجایی های محلی در زیر ناحیه تماس موضعی غلطک‌ها میباشد. با چرخش ممتد و یکنواخت بلنک و حرکت محوری غلطک‌ها، تغییر شکل ممتد رخ می‌دهد که در نتیجه کاهش ضخامت و افزایش طول (قانون حجم ثابت حین تغییر شکل پلاستیک) بوجود می‌آید. در این فرآیند به دلیل تغییر شکل محلی و جابجایی های چرخشی تحلیل تغییر شکل قطعه کار بسیار دشوار میباشد ][19][. با این روش قطعاتی که با اشکال مخروط، نیم کره، لوله، استوانه یا گاهاً بیضوی و یا ترکیبی از این‌ها که توخالی هم می‌باشند، در تنوع گسترده‌ای از اندازه و کانتور ساخته و حتی در سالیان اخیر بر روی تولید قطعات نامتقارن نیز فعالیت‌های زیادی انجام داده‌اند (شکل 2-1).
شکل(2-1) کانتورهای قابل تولید با روش اسپینینگ][20][
با توجه به اینکه در پرسکاری یا کشش عمیق، همواره هزینه زیاد انبار و قالب نکته مهمی است، اسپینینگ به عنوان فرآیندی اقتصادی، کارا و با قابلیت فراوان روشی جایگزین و قابل قبول در تولید تعداد محدود قطعات مطرح است ]1 [.
2-3-2- شرایط تماس در فرآیند فلوفرم همانطور که در شکل(2-2) مشاهده می‌شود یک بلنک (ورقه‌های گرده بری شده) با سر یک مندرل چرخان جفت شده است و غلطک ها در راستای محوری به بلنک نزدیک می‌شوند و فلز را به صورت پلاستیک زیر نقطه تماس به جریان می‌اندازند و به این روش ضخامت دیواره را کاهش داده و ماده قطعه کار را به سوی افزایش طول محوری سوق می‌دهد.
شکل(2-2) نمایی از اجزاء و روند فرآیند اسپینینگ]16[
جریان ماده زیر غلطک‌ها در حین انجام فرآیند فلوفرمینگ به دو عامل تماس محیطی و محوری بستگی دارد. اگر طول تماس محیطی غلطک ها خیلی بزرگتر از تماس محوری باشد آنگاه جریان پلاستیک محوری بر جریان محیطی غلبه می‌کند که در این حالت کاهش ضخامت شبیه به کرنش های صفحه‌ای اکسترود[19] میباشد. اما کاهش ضخامت بیش از حد موجب بوجود آمدن برآمدگی‌هایی در جلو غلطک‌ها می‌شود که به موجب آن شکست و پارگی رخ می‌دهد. اگر طول تماس محوری غلطک خیلی بیشتر از تماس محیطی آن باشد در این حال جریان پلاستیک محیطی گسترش یافته و باعث رشد قطری می‌گردد. بنابراین یکی از مهمترین پارامترهای مؤثر بر نرخ جریان پلاستیک ماده زیر بار غلطک‌ها جهت‌های محیطی و محوری و میزان تماس آن‌هاست. بنابراین می‌توان نرخ یا نسبت تماس بین غلطک و قطعه کار را برای ماده تخمین زد و از طرفی وقتی که حجم قطعه کار ثابت است با چشم پوشی مقدار ناچیزی جریان مماسی میزان نهایی طول از طریق فرمول زیر محاسبه می‌گردد ]6و[21].[
(2-1)
L1 طول نهایی قطعه کارS0 ضخامت اولیه di قطر داخلی
L0 طول اولیه قطعه کارS1 ضخامت نهایی
2-4- دسته بندی انواع روش های اسپینینگ روش اسپینینگ به دو دسته اصلی تقسیم بندی می شود: دستی و ماشینی. تفاوت اصلی این دو دسته به میزان دخالت انسان در انجام فرآیند است، به نحوی که در فرآیند اسپینینگ دستی نیروی تغیییر شکل توسط اپراتور اعمال می‌شود ولی در نوع ماشینی نیروی تغییر شکل از طریق نیروی مکانیکی و هیدرولیکی اعمال می‌گردد که به آن اسپینینگ قدرتی می‌گویند.
فر آیند اسپینینگ از جنبه تغییر ضخامت در طی شکل دهی به دو دسته قابل تقسیم است. روش‌هایی که در اثر آن تغییر ضخامت بلنک و یا پریفرم غیر محسوس باشد و با تجهیزات دستی و ماشینی قابل انجام است، جزئی از روش های اسپینینگ معمولی است و روش هایی که طی آن ضخامت قطعه کار در طی فرآیند به نحو مشخصی تغییر نموده و تنها از طریق اسپینینگ ماشینی و قدرتی امکان پذیر است به روش های شییر فرمینگ[20] و یا فلوفرمینگ معروف هستند که انواع آنها در شکل (3-2) مشاهده می شود ][22][.
شکل(2-3) دسته بندی انواع روش اسپینینگ]24[
2-4-1- اسپینینگ دستی اسپینینگ دستی (شکل 2-4) یکی از روشهای فلز کاری و از قدیمی‌ترین روشهای شناخته شده اسپینینگ است که درآن کاهش ضخامت ناچیز میباشد. این عملیات با استفاده از دستگاه‌هایی مشابه دستگاه خراتی یا تراش قابل انجام است. در این روش ورق گرده بری شده یا همان بلنک با فشار بر روی مندرل که مشابه سنبه قالب عمل می‌کند رانده می‌شود. این کار ممکن است طی چند مرحله انجام پذیرد که به میزان بسیار زیادی به مهارت اپراتور بستگی دارد. برای اعمال فشار بر روی بلنک از اجزای مکانیکی گوناگونی استفاده می‌شودکه سبب افزایش نیرو می‌گردد. معمولاً فلزاتی که در دیگر فرآیندهای شکل دهی سرد، شکننده و آسیب پذیر هستند، در روش اسپینینگ با موفقیت شکل دهی می‌شوند][23][. در شکل (2-5) نمونه‌هایی از اشکال ساخته شده به این روش نشان داده شده است.
شکل(2-4) تصویر و نمای شماتیک از اسپینینگ دستی][24][
شکل(2-5) نمونه‌هایی از اشکال ساخته شده به روش اسپینینگ دستی] 22[
2-4-2- اسپینینگ ماشینی (قدرتی)[21] اسپینینگ ماشینی یا قدرتی (شکل 2-6) از همان اصول اسپینینگ دستی بهره می‌گیرد که به دلیل نیاز به تولید تعداد بالاتر و نیروی بیشتر برای شکل دهی فلزات مستحکم‌تر از ماشین‌های قدرتمند مکانیکی و هیدرولیکی، با توانایی تکرار و یکنواختی در مهارت تولید استفاده شده است. در این روش به جای استفاده از نیروی بازوی اپراتور از ابزار‌های مکانیکی و هیدرولیکی برای اعمال نیرو استفاده می‌شود.
شکل(2-6) نمونه‌ای از دستگاه اسپینینگ قدرتی مجهز به کنترل عددی][25][
2-4-3- اسپینینگ داغ[22]
فرآیند اسپینینگ در حالت معمول بصورت سرد انجام می‌پذیرد، اما برای قطعات ضخیم و مواد استحکام بالا، برخی مواقع از گرم کردن برای کاهش استحکام قطعه کار و نیروهای اسپینینگ استفاده می‌شود (شکل 2-7). این کار معایبی نیز دارد، از جمله:
دمای قطعه کار را نمی‌توان بطور دقیق تحت کنترل داشت.
پدیده کاهش استحکام [23]به وجود می‌آید و امکان واکنش قطعه کار با اتمسفر هوا و تغییر ساختار قطعه وجود دارد.
ممکن است لازم باشد قطعه کار چندین بار از ماشین باز شود و فرآیند آنیلینگ[24] روی آن انجام پذیرد.
شکل(2-7) اسپینینگ داغ با استفاده از مشعل][26][
برای رفع عیوب فوق محققان روش گرم کردن موضعی (نظیر پرتو لیزر) را پیشنهاد کرده‌اند که تنها ناحیه ای را که در زیر غلطک قرار دارد گرم می‌کنند، این روش برای فلزاتی همچون تیتانیم، فولادهای زنگ نزن و نیکل قابل استفاده است (شکل 2-8) ][27][.
شکل(2-8) اسپینینگ داغ با استفاده از حرارت موضعی اشعه لیزر]25[
2-4-4- اسپینینگ مخروطی[25]
تفاوت اصلی اسپینینگ مخروطی (شکل 2-9) با سایر فرآیند های اسپینینگ متقارن در نوع مندرل آنها می باشد که به صورت مخروطی است و ماده توسط غلطک‌ها به روی آن هدایت می‌شوند و فرم مخروطی به خود می‌گیرند]18[.
شکل(2-9) نمایی از اسپینینگ مخروطی]5[
2-4-5- اسپینینگ لوله از سطح داخل این روش را اکستروژن غلطکی[26] نیز می‌گویند و از لحاظ عملیاتی مانند اسپینینگ لوله با استفاده از مندرل میباشد، با این تفاوت که قالب تو خالی در سطح خارج لوله قرار گرفته و فرآیند اسپینینگ در سطح داخلی انجام می‌گیرد ؛ قطر خارجی ثابت باقی می‌ماند و تنها قطر داخلی با کاهش ضخامت لوله افزایش می‌یابد (شکل 2-10).
شکل(2-10) مراحل انجام اسپینینگ لوله از سطح داخل]28[
در این روش هنگامی که غلطک ها به آرامی روی قطعه کشیده می‌شوند، ماده بین غلطک‌ها و قالب خارجی در خلاف جهت غلطک‌ها جریان پیدا می‌کند. اسپینینگ داخلی لوله هم به روش عمودی و هم به روش افقی انجام می‌پذیرد]31[.
شکل (2-11) تولید لوله‌های تقویت شده به روش فلوفرمینگ داخلی][28][
2-4-6- اسپینینگ نامتقارن[27]
اسپینینگ لوله‌های غیر متقارن (شکل 2-12) از روشهای جدید تکنولوژی اسپینینگ است، که بعضی از محدودیت‌های اسپینینگ‌های تجاری برای تولید لوله‌ای تو خالی متقارن را کنار می‌گذارد. نتایج نشان دهنده آن است که در حالت اسپینینگ لوله‌های نامتقارن همانند اسپیننگ لوله‌های متقارن میزان نیروهای اسپینینگ در حالت معکوس بیشتر از حالت مستقیم است][29][.
به طور کلی در این روش از چهار تکنیک کلی استفاده می‌شود:
استفاده از غلطک‌های کنترل شونده با فنر (شکل الف)
استفاده از مندرل با دوران خارج از مرکز(شکل ب)
استفاده از غلطک با امکان جابجایی نسبت به مندرل (شکل ج)
استفاده از سیستم هوشمند کنترلی][30][.
شکل (2-12) اسپینینگ قطعات نامتقارن] 30[
روش دیگر جهت ساخت لوله های نا متقارن استفاده از بلنک یا پریفرم با دوران خارج از مرکز و در محوری متفاوت از محور مندرل است]1[. شکل (2-12- الف) اسپینینگ متقارن را نمایش می‌دهد. شکل (2-12- ب) و (2-12- ج) حالت اسپینینگ نامتقارن است که بلنک بر روی مندرل ماشین ثابت شده و زمانی که غلطک‌ها بر روی اسپیندل می‌نشیند، به دور بلنک و محور خودشان می‌چرخند و بار اعمال می‌کنند.
تکنولوژی شکل دهی سه بعدی نامتقارن لوله با استفاده از دوران خارج از مرکز بلنک (شکل 2-13) به صورت زیر است:
1. پیش از اسپینینگ بلنک به میزان در طول محور X جابجا می‌شود و یا به اندازه زاویه حول محور Y بر روی صفحه XOY به میزان می چرخد.
2. پیش از اسپینینگ غلطک ها در راستای جهت شعاع چرخش به میزان کاهش نامی از شعاع بلنک، جابه‌جا می‌شوند که:
(2-2) 2/(-)=
در این رابطه قطر قسمت تغییر فرم یافته پیش از اسپینینگ است و قطر قسمت تغییر شکل یافته بعد از اسپینینگ است.
3. در حین تغییر شکل بلنک به روی اسپیندل اصلی و در راستای جهت محور چرخش حرکت غلطک‌ها حرکت می‌کند.
4. برای جلوگیری از بیش از حد ضخیم یا نازک شدن جداره قطعه کار روشهای مستقیم و معکوس اسپینینگ، باید غلطک به صورت رفت و برگشتی (تکرار) حرکت کند و با انجام اسپینینگ در چند مرحله به محصول مطلوب دست یافت]29[.
شکل (2-13) اسپینینگ قطعات نامتقارن با استفاده از دوران خارج از مرکز بلنک ]29[.
2-4-7- خان‌کشی به روش اسپینینگ
در این نوع فرآیند لوله هایی با ضخامت مشخص را به عنوان پریفرم، توسط غلطک‌ها بر روی مندرل شکل دار کشیده تا سطح داخل لوله با تبعیت از طرح رویه مندرل شکل بگیرد (شکل 2-14).
شکل (2-14) شماتیک مراحل خان کش به روش اسپینینگ
2-5- فلوفرمینگ این نوع اسپینینگ یکی از روشهای امروزی و ارتقاء یافته اسپینینگ فلزات میباشد که آن را می‌توان از زیر مجموعه گروه‌های آهنگری چرخشی[28] دانست که با نام‌های تجاری گوناگون مانند اسپینینگ قدرتی[29]، شییراسپینینگ، رول فرمینگ[30]، هیدرو فرمینگ[31]، فلوفرمینگ ، فلوترن[32] و … نامیده می‌شود که در سال 1950 برای اولین بار در صنایع بزرگ و استراتژیکی چون صنایع هوا فضا جهت ساخت دماغه موشک و نازل‌های سوختی، بدنه توربین‌های گازی و بشقاب‌های ماهواره و ماشین‌های دوار مورد استفاده قرار گرفت. عملی که بر روی ماده انجام می‌گیرد به صورت تغییر شکل موضعی، ممتد و روبه جلو میباشد که در این فرآیند با ترکیبی از چرخش و اعمال نیرو توسط غلطک، ماده بر روی مندرلی استوانه‌ای شکل به صورت ممتد اکسترود نقطه‌ای و یا نورد شده که طبق قانون حجم ثابت با کاهش ضخامت دیواره قطعه، به طول آن می‌افزاید. در این حالت ماده اولیه می‌تواند به صورت توخالی و استوانه‌ای شکل باشد که با انجام یک سری محاسبات اولیه بر اساس قانون حجم ثابت، ضخامت و طول نهایی نسبت به پریفرم اولیه تخمین زده می‌شود. در بیشتر موارد سطح مقطع اولیه تا بیشتر از 90% ضخامت اولیه دیواره کاهش می‌یابد و کیفیت سطح قسمت داخلی قطعه نهایی تقریباً با کیفیت سطح قسمت رویه مندرل برابر است,[31]]5[.
در این روش بدون شکست می توان در دمای محیط تغییر فرم زیادی را در یک یا چند مرحله ایجاد کرد. اساس کار بدین صورت است که در محل تماس غلطک و پریفرم (قطعه کار) منطقه پلاستیک کوچکی ایجاد می‌شودکه با چرخش قطعه کار به همراه مندرل منطقه پلاستیک گسترش پیدا می‌کند و با پیشروی غلتک‌ها با سرعت ثابت در جهت جلو، ضخامت قطعه کار کاهش می‌یابد. فلوفومینگ، روشی جهت ساخت قطعات فلزی تو خالی بدون درز و با تقارن محوری همانند لوله ها یا قطعات مخروطی است. فرآیند فلوفرمینگ می‌تواند شبیه به فرآیند نورد سرد ورق‌های فلزی باشد، البته با این تفاوت که در فلوفرمینگ نیروها با تماس نقطه‌ای با استفاده از غلطک‌های دیسک مانند و نیروی کمتر جایگزین تماس خطی غلطک‌های استوانه‌ای در نورد می‌شود که این موضوع مزایایی را در پی دارد][32][.
امکان به وجود آوردن فشار‌های موضعی و زیاد.
استفاده از ماشین‌های کوچکتر.
در ماشین های فلوفرم جدید عمدتاً از ماشین‌های دارای سه غلطک استفاده می‌شود، زیرا از تعادل نیرویی بهتری جهت فلوفرم قطعات برخوردارند. به طور معمول سه غلطک در فاصله 120 درجه در فاصله فضای محیطی از یکدیگر قرار دارند که بازتاب نیروی هر سه غلطک در نقطه ای در مرکز مندرل با هم تلاقی دارند و هر کدام از غلطک ها در موقعیت دقیق، در جهت‌های محوری و شعاعی جابجا شده و می‌چرخند تا قطعه را به ابعاد دقیق و کیفیت سطح نهایی خوبی برسانند][33]و[34].[
شکل (2-15) ماشین فلوفرم سه غلطکه]38[
2-5-1- زمینه های کاربرد فرآیند فلوفرمینگ یکی از روش های کاهش ضخامت دیواره قطعات استوانه ای شکل همراه با افزایش مقاومت و استحکام، روش فلوفرمینگ یا اسپینینگ لوله است. این روش در صنایع هواپیمایی و هوافضا یکی از پر کاربرد ترین فرآیندهای شکل دهی محفظه‌های تحت فشار و جدار نازک میباشد. امروزه فلوفرمینگ برای تولید بدنه‌های جدار نازک موشک و راکت، محفظه‌های CNG و طیف گسترده ای ا ز مخازن تحت فشار به کار می‌رود.
شکل (2-16) ساخت قطعات پیچیده به روش فلوفرمینگ با استفاده از مندرل‌های با فرم خاص]25[
شکل (2-17) ساخت قطعات با شکل ویژه از پریفرم لوله‌ای ]35[
ساخت قطعاتی با شکل ویژه و پیچیده از پریفرم لوله‌ای با این روش امکان پذیر است. برای مثال، تولید لوله هایی که دارای شیار یا برجستگی داخلی می‌باشند (شکل 2-16) و یا یک یا چند فلنج در سطوح داخلی یا خارجی خود دارند (شکل 2-17) با این روش امکان پذیر است. این روش در مقایسه با دیگر فرآیندها از قبیل ماشین کاری از جهت مصرف مواد اولیه و نیروی کار مقرون بصرفه تر میباشد.
از فلوفرمینگ لوله می‌توان به جای آهنگری حلقوی[33]، نیز استفاده نمود. بین این دو فرآیند ارتباط نزدیکی از جهت کاهش ضخامت دیواره وجود دارد؛ با این تفاوت که بر خلاف روش فلوفرمینگ در آهنگری حلقوی امکان به دست آوردن طول دلخواه و مورد نظر امکان پذیر نیست.
2-5-2- دسته‌‌بندی فرآیند فلوفرمینگ انواع روشهای فلوفرمینگ به علت جامعیت استفاده از نیروهای فشاری، با استانداردهای DIN8583 دسته بندی می‌شوند. به طور کلی فرآیند فلوفرمینگ از لحاظ عملکردی و نحوه جریان پلاستیک مواد به دو دسته اصلی، فلوفرمینگ مستقیم و معکوس دسته بندی می‌شود]26 [.
2-5-3- فلوفرمینگ مستقیم درفلوفرم مستقیم (شکل 2-18) حرکت غلطک به صورت دور شونده از سر ثابت قطعه کار بوده و جهت جریان فلزی در قطعه کار با جهت حرکت غلطک هم سو می باشد. پریفرم در این حالت به صورت یک سر بسته است یا دارای یک لبه فلنج مانند میباشد تا با قرار‌گیری بر سر مندرل(پیشانی مندرل) توسط غلطک‌ها بر روی مندرل کشیده شده و فرم بگیرد. در فلوفرم مستقیم نظارت و کنترل برطول قطعه کار آسان‌تر و با دقت بیشتری انجام می‌گردد، اما طول قطعه‌کارمحدود به طول مندرل میباشد. نرخ تولید در فلوفرم مستقیم پایین‌تراز فلوفرم معکوس است، زیرا غلطک‌ها باید تمام طول قطعه کار را طی نمایند.
شکل (2-18) شماتیک فلوفرم مستقیم ]15[
2-5-4- فلوفرمینگ معکوس در فلوفرم معکوس (شکل 2-19) یک هلدر(نگهدارنده) قطعه کار را در انتهای مندرل ثابت نگه‌داشته و غلطک به سمت انتهای مندرل پیشروی می‌کند تا جهت جریان فلزی خلاف جهت حرکت غلطک باشد. در این روش طول قطعه کارمحدود به طول مندرل نبوده و توانایی تولید لوله هایی با طول بیشتر را داراست. هر چند در این روش نرخ تولید لوله بالاتر است اما کنترل و دقت ابعادی کمتری نسبت به روش مستقیم را داراست. پریفرم ها در فلوفرم معکوس به دلیل عدم نیاز به ته بسته و یا لبه فلنج مانند برای ثابت نگه داشتن، لوله ای شکل و ساده هستند.
شکل (2-19) شماتیک فلوفرم معکوس]15[
2-6- تفاوت های اسپینینگ و فلوفرمینگ ]15[
ضخامت قطعه اولیه در اسپینینگ کمتر است.
در اسپینینگ ضخامت دیواره قطعه کار کاهش نمی‌یابد و یا بسیار ناچیز است اما در فلوفرم حتماً مقدار قابل توجهی کاهش ضخامت رخ می‌دهد.
در فلوفرم اعمال نیروی محوری و شعاعی حتماً به صورت خودکار جهت فرم دهی قطعه کار انجام می‌پذیرد.
در فلوفرمینگ توانایی شکل دهی قطعات با ضخامت بالاتر و استحکام بیشتر با دقت ابعادی بالاتر وجود دارد.
میزان نیروی لازم برای اکسترود فلز بسیار زیاد است و به همین دلیل معمولاً ماشین های فلوفرم بزرگتر و قویتر هستند.
در فلوفرم بیشتر از قطعات فنجانی شکل که تحت عملیات فورج یا کشش عمیق قرار گرفته اند به عنوان پریفرم استفاده می‌شود اما در اسپینینگ بیشتر قطعاتی به شکل ورق و یا بلنک کاربرد دارد.
در اسپینینگ در هر مرحله معمولاً یک ابزار جهت فرم دهی بکار گرفته می‌شود اما در فلوفرمینگ معمولاً از دو یا سه یا تعداد بیشتری غلطک استفاده می‌شود.
2-7- اجزا اصلی ماشین فلوفرم2-7-1- بستر هر ماشین و یا تجهیز دارای یک بستر و یا سازه خاص خود می باشد که در ماشین فلوفرم بسته به ظرفیت و نوع کاربری آن، یا از بستر ماشین‌های دوار مثل ماشین تراش و یا سنگین تراش استفاده می‌کنند و یا با توجه به نیاز بستری را برای آن طراحی کرده و می‌سازند.
2-7-2- محرک جهت به چرخش در آوردن مندرل و غلطک ها معمولا از الکترو موتورهای قوی و مجزا استفاده می گردد و برای اعمال حرکت‌های خطی غلطک‌ها که برای اعمال پیشروی و بار دهی بکار می‌رود، از جک‌های هیدرولیک و یا مکانیکی استفاده می‌شود.
2-7-3- مندرل قطعه‌ای صلب و بسیار سخت که به عنوان قالب از آن استفاده می شود. مندرل با حرکت چرخشی که توسط محرک تأمین می‌گردد، قطعه کاری را که بر روی آن قرار گرفته است، به چرخش در آورده و با حرکت طولی غلطک‌ها، قطعه کار بر روی مندرل هدایت شده وشکل می‌گیرد. مندرل‌ها گاهاً به صورت تو خالی و یا توپر بسته به ارضاء کردن پارامترهای طراحی، مقاومت و استحکام، سختی، طول و وزن مندرل ساخته می‌شوند. از مهمترین مشکلاتی که در مندرل‌ها ایجاد می‌شود فرسایش آنها به دلیل بار‌های شدیدی است که اعمال می‌شود. کاهش ضخامت دیواره قطعه کار و افزایش استحکام فلز اولیه عواملی هستند که میزان فرسایش را افزایش می‌دهند و تنها راه حل کاستن این مسئله بالا بردن کیفیت و صافی سطح مندرل و قطعه کار، و استفاده از برخی روان سازها مثل روغن و گریس میباشد.
در فرآیند فلوفرمینگ لوله مندرل به صورت استوانه‌ای شکل میباشد که اکسترود نقطه‌ای به صورت ممتد جهت افزایش طول لوله منجر به کاهش ضخامت دیواره می‌گردد. در این حالت ماده اولیه می‌تواند به صورت توخالی و استوانه‌ای شکل باشد که با انجام یک سری محاسبات اولیه بر اساس قانون حجم ثابت، ضخامت و طول نهایی نسبت به پریفرم اولیه تخمین زده می‌شود]2[. شکل (2-20) دسته بندی انواع مندرل را نشان می دهد.
شکل (2-20) دسته بندی انواع مندرل]26[
2-7-4- جک ها جهت اعمال بار و پیشروی غلطک ها بر روی قطعه کار نیاز به نیروی زیادی است که معمولاً این نیروها توسط جک‌های هیدرولیکی و یا مکانیکی تأمین می‌گردد.
2-7-5- غلطک در فرآیند فلوفرم از غلطک‌ها برای ایجاد تغییر شکل پلاستیک قطعه کار بر روی مندرل استفاده می‌شود. غلطک‌های ماشین فلوفرم دارای فرم نسبتاً یکسانی بوده که با ترکیب این هندسه با سرعت‌های گوناگون، بار و پیشروی متفاوت به صورت همزمان در راستای دستیابی به ابعاد و تلرانس‌های هندسی مدنظر تغییر شکل‌هایی در قطعه کار بوجود می‌آورد.
غلطک‌ها دارای سه قسمت اصلی می‌باشند که به رویه جلو، رویه عقب و ناحیه اتصال دو رویه که نوک غلطک نامیده می‌شود تقسیم می‌شود. ناحیه جلو و ناحیه نوک غلطک وظیفه شکل‌دهی قطعه کار را دارد و ناحیه پشت وظیفه هموار کردن و از بین بردن اعوجاج باد کردگی‌های ناشی از جریان پلاستیک فلز و فشار غلطک‌ها و آزاد شدن مقداری تنش پسماند درون قطعه کار را دارد]19[.
2-7-6- پریفرم پریفرم در اسپینینگ لوله اغلب به قطعه‌ای لوله‌ای شکل و یا شبیه لوله گفته می‌شود که قبل از عملیات فلوفرمینگ وجود دارد. یک پریفرم می‌تواند به شکل یک لوله متقارن و راست باشد و یا اینکه به منظور سهولت گیره‌بندی دارای لبه یا فلنج داخلی باشد. پریفرم‌های مورد استفاده در اسپینینگ لوله معمولاً از روش های پرسکاری و کشش عمیق، آهنگری (فورج) یا ریخته گری سانتریفوژ یا لوله هایی با درز جوشکاری شده و یا حتی لوله‌هایی بدون درز و یا لوله های اکسترود شده بدست می‌آیند (شکل 2-21). البته در مورد پریفرم های آهنگری و ریخته‌گری شده قبل از انجام اسپینینگ نیاز به یک مرحله ماشینکاری نیز خواهد بود. دقت و کیفیت پرداخت قطعه نهایی مستقیماً تحت تأثیر ابعاد و پروفیل پریفرم است][35][.
شکل (2-21) نمایش انواع پریفرم و قطعه نهایی ]35[2-8- مزایا و معایب فرآیند فلوفرم2-8-1- مزایا ]21و[36][
هزینه کم ابزار : نسبت به سایر روش ها مثل کشش عمیق.
هزینه تولید پایین : در این روش علاوه بر عدم وجود دور ریز و صرفه جویی در ماده مصرفی، می‌توان قطعات را فقط در قسمت های مورد نیاز (مثلاً برای استحکام بیشتر، لبه قطعه کار و یا برای اتصالات جوش ) به صورت موضعی ضخیم تر تولید کرد و مابقی ضخامت دیواره نازک باشد.
شکل (2-22) مقایسه طول قطعه قبل و پس از فلوفرمینگ ]35[تولیدبدون براده برداری و ضایعات بسیار کم: در فلو فرمینگ ماده فقط جابجا می‌شود (شکل 2-31).
تولید قطعات بدون درز و یکپارچه (شکل 2-32) : در فرآیند فلوفرم می‌توان قطعاتی با ضخامت دیواره و مرزهای متغیر تولید نمود، بنابراین قطعاتی بدون نیاز به جوشکاری یا با حداقل جوش می‌سازد و در نتیجه هزینه های مربوط به کنترل جوش و همچنین هزینه نگهداری اجزای مختلف قطعه را کاهش می‌دهد. پس از فلوفرمینگ حتی اگر اتصال جوش در پریفرم وجود داشته باشد، قسمت جوش خورده در قطعه نهایی غیر قابل تشخیص است ][37]و[38][.
شکل (2-23) فلوفرمینگ سطوح جوش خورده ]35[
کیفیت سطح بالا: فشرده شدن پریفرم به مندرل فولادی که سطح سخت شده و کاملاً پرداخت دارد، باعث می‌شود تا سطح داخلی محصول کیفیت پرداختی مندرل را به خود بگیرد (شکل 2-24). البته روی سطح خارجی اثر خطوط تغذیه غلطک ها وجود دارد که به آسانی قابل محو است.
شکل (2-24) نمونه‌ای از سطح پرداختی بعد از فلوفرمینگ ]35[
کنترل پارامتر‌ها و مؤلفه ها به صورت بسیار دقیق: ضخامت دیواره با دقت بالایی در‌فلوفرمینگ کنترل می‌گردد و می‌توان با این روش قطعات طویل توخالی، با دقت بسیار بالا تولید کرد. همچنین می‌توان در تولید قطعات با ضخامت متغیر در طول نیز تلرانس کنترل شده و بسیار خوبی به دست آورد (شکل 2-25).
شکل (2-25) تلرانس ابعادی دقیق با کنترل ضخامت دیواره ]35[
افزایش و بهبود خواص ماده از جمله استحکام : یکی از نتایج کار سرد، کرنش سختی است که در طول چرخه فرآیند اتفاق می‌افتد. قطعه فلوفرم شده به طور قابل ملاحظه ای خواص مکانیکی بهتری از ماده اولیه دارد. معمولاً ماده پیش فرم به صورت پلاستیک تغییر شکل داده و ضخامت دیواره اولیه تا 90% کاهش ضخامت داده می‌شود، که این باعث پالایش قابل توجه ساختار دانه‌ای و همسو سازی ریز ساختار دانه‌ها در یک جهت محوری یکسان می‌شود. هر چه کاهش ضخامت دیواره بیشتر باشد، ریز ساختار دانه‌ها در قطعه نهایی بهتر خواهد بود. در صورت نیاز، ساختار دانه‌ای می‌تواند با یک عملیات ثانویه آنیلینگ، دوباره شبکه بندی شود. شکل (2-26-الف) نموداری از بهبود خواص مکانیکی ماده است. شکل (2-26-ب) تصویر ریز ساختار دانه‌ها در پیش فرم تا بخش فلوفرم شده را نشان می‌دهد.
شکل (2-26) بهبود خواص مکانیکی برای چند ماده با توجه به درصد کاهش ضخامت (الف) ]35[ و ریز ساختار دانه‌ی (ب)]38[
شکل دهی سرد مواد بسیار مستحکم
تولید محصول با دقت و تکرار پذیری بالا
2-8-2- معایب فرآیند فلوفرمسرعت تولید پایین : فرآیندهای اسپینینگ معمولاً کندتر از دیگر انواع روش های شکل دهی خصوصاً پرسکاری می‌باشند.
تغییر نامطلوب خواص مواد : کاهش قابلیت انعطاف پذیری یا کاهش قابلیت طویل شدگی، تغییر شکل زیاد دانه‌ها، خواص مکانیکی جهت دار و افزایش بیش از اندازه سختی در قطعات تولیدی بسته به نوع کاربرد قطعه، ممکن است نامطلوب باشد. چنین تأثیرات نامطلوبی را عموماً می‌توان توسط کنترل ضخامت، فرآیند های دمایی در بین مراحل کار اسپینینگ یا عملیات حرارتی در پایان فرآیند تصحیح نمود.
اعوجاج[34] در قطعه کار : به دلیل بروز شکل های ناخواسته مانند دهانه شیپوری شدن[35]و قوس برداشتن[36] که معمولاً ناشی از استحکام بالای ماده، تغذیه یا پیشروی زیاد و یا ناشی از انباشته شدن حجم زیادی از ماده در پیش روی غلطک ها (شکل 2-27) و یا ایجاد کار سختی در ماده میباشد، باید قسمتی از ضخامت لوله را برای ماشینکاری تکمیلی در این حالت در نظر گرفت ]31[.
شکل (2-27) اعوجاج در قطعه کار][39][
2-9- معرفی پارامتر ها و عوامل موثر بر فرآیند فلوفرم2-9-1- زاویه حمله غلطک زاویه گوشه غلطک از مهمترین پارامترهای کنترل فرآیند است که می‌تواند فرآیند را به حالت پایدار یا غیر پایدار در آورد. زاویه‌ای که به عنوان زاویه حمله غلطک شناخته شده است، نیروی اعمالی از ماشین را به دو قسمت نیروی شعاعی و نیروی محوری در طی تغییرشکل تقسیم می‌کند که با کوچک شدن این زاویه نیروی محوری نیز کوچکتر و نیروی شعاعی اعمالی از جانب غلطک بیشتر می‌شود. زاویه حمله بیشترین تاثیر را در جهت بوجود آوردن یا رفع برآمدگی و برجستگی پریفرم بخصوص در حالت فلوفرم معکوس دارد. این موضوع تأثیر بسزایی در تأمین میزان نیروی لازم جهت انجام فلوفرم را داراست. مقدار زاویه حمله دارای یک حد بهینه است که که در شرایط نا‌مناسب اگر میزان بلند شدگی از حد بحرانی خود فراتر رود ماده شروع به بریده شدن و جدا شدن از ماده مادر می‌کند و به صورت تکه تکه سطوح نهایی محصول بی کیفیت می‌شود]2[.
2-9-2- شعاع سر غلطک انحنایی در محل تلاقی زاویه حمله و زاویه پشت غلطک که رأس آن نزدیک ترین نقطه به مندرل است را شعاع سر غلطک گویند. قاعده اصل شعاع سر غلطک بدین صورت است که باتغییر آن می توان شکل پذیری و همچنین مقدار اسپینینگ را افزایش داد.
2-9-3- نرخ پیشروی[37]
حرکت محوری غلطک در هر چرخش لوله را پیشروی یا تغذیه می‌گویند. در طول فرآیند اسپینینگ پیشروی بر ضخامت نهایی دیواره لوله، صافی سطح و قطر لوله تاثیر می‌گذارد. با افزایش تغذیه ضخامت دیواره افزایش می‌یابد در حالی که قطر داخلی کوچکتر می‌شود و زبری سطح افزایش می‌یابد][40][. به دلیل این که پیشروی در هر چرخش با شعاع غلطک به هم وابسته هستند اثر تغییرات تغذیه را می توان بوسیله تغییرات در ابعاد غلطک تعدیل کرد. با افزایش شعاع غلطک، ضخامت دیواره لوله و قطر داخلی افزایش می‌یابد و سطح قطعه صیقلی‌تر می‌شود. بنابراین بجز تأثیر بر ضخامت دیواره، افزایش سطح تماس غلطک با لوله از طریق استفاده از افزایش شعاع غلطک همان اثر افزایش پیشروی را دارد][41][.
2-9-4- بار دهی میزان سهم هر غلطک در تغییر ضخامت قطعه کار را بار دهی و نسبت ضخامت کاهش یافته به ضخامت اولیه را نسبت کاهش ضخامت می‌گویند. جدول(2-1) مقادیر توصیه شده برای حداکثر کاهش ضخامت در فلزات مختلف را نشان می‌دهد.
(2-3) نسبت کاهش ضخامت
(2-4) درصد کاهش ضخامت *100 ( (1-
جدول(2-1) مقادیر توصیه شده برای حداکثر کاهش ضخامت در فلزات مختلف]41[
2-9-5- ویژگی های ماده جنس و ترکیبات قطعه کار بر پرداخت سطح حاصل از عملیات فلوفرمینگ بسیار تأثیر‌گذار است، چون برخی از مواد فلزی تحت عملیات فلوفرمینگ برای پاره شدن و یا دندانه‌ای شدن مستعد هستند. برای مثال آلیاژ آلومینیوم6061 آنیل را در هر بار فلوفرمینگ به مقدار کمی می‌توان کاهش ضخامت داد ، چون برای دندانه‌ای شدن مستعد است. البته برای اعمال حدود 25% الی 30% کاهش ضخامت در هر مرحله در این آلیاژ و حصول سطح پرداختی خوب انجام عملیات حرارتی انحلال[38] و پیر سختی[39] لازم است ][42][. به طور کلی گستره وسیعی از انواع فلزات و آلیاژها از جمله فولادهای زنگ‌نزن[40]، فولادهای‌کربنی[41]، فولاد ماریجینگ[42]، فولادهای آلیاژی[43]، تیتانیو[44]، اینکونل‌ها[45]، هستلوی[46]، برنج[47]، مس[48]، آلومینیوم[49]، نیکل[50] و نیوبیوم[51] ماهیت فلوفرم پذیری را در شرایط گوناگون دارا هستند]11[.
2-9-6- دما یکی از پارامتر های بسیار موثر بر فرآیند فلوفرم و ابعاد نهایی قطعه کار پارامتر دما است، که اهمیت این موضوع به صورت تجربی آشکارا مشاهده شده است. به همین دلیل ایجاد شرایط مناسب کارگاهی، حفظ دمای محیط متناسب با دستگاه و هچنین دمای قطعه کار در حین انجام عملیات فلوفرمینگ توسط مایعات خنک کننده و روانسازها در یک محدوده بهینه برای کنترل دقیق ابعادی نمونه تولید شده امری قابل توجه است.
2-9-7- روانساز در فرآیند اسپینینگ به دلیل بالا رفتن دما از روانکار ها استفاده می شود که به صورت پیش فرض به جای خنک کننده که معمولاً از روغن های حل شونده یا خنک کننده های پایه آبی که قدرت جذب حرارت بالایی را دارند استفاده می‌شود. هر چند که مرغوبیت سطوح فلوفرم شده بیشتر به کیفیت سطح غلطک‌ها و مندرل و زوایا و شعاع سر غلطک بستگی دارد اما استفاده از روانساز‌های مناسب نیز می‌تواند در کیفیت سطح محصول تأثیر بسزایی داشته باشد]18[. علاوه بر آن برای کاهش اصطکاک، بالا بردن دوام اجزاء دستگاه فلوفرم و یا جازنی پریفرم، بر قراری راحت‌تر جریان پلاستیک فلز و در آوردن محصول نهایی از روی مندرل نیز از روانکار‌ها استفاده می‌شود.
فصل سومنیروها در فرآیند فلوفرم3-1- معرفی مولفه های نیرو و جابجایی(تنش و کرنش) در فرآیند فلوفرم تفاوت مقادیرنیرویی بدست آمده در حالت تئوری در مقایسه با حالت عملی نسبتی حدود 1 تا 5/1 برابر را دارد که این مقدار قابل ملاحظه می‌تواند تابعی از خواص طبیعی ماده در نواحی مختلف تماسی حین فرآیند باشد. همانطور که نواحی گوناگون در شکل (3-1) نشان داده شده است]1[.
ناحیه 1 منطقه ای است که در آن حالت تغییر شکل پلاستیک خالص است و محاسبه میزان نیروی مورد نیاز بسیار سخت و پیچیده است. در این حالت دمای ماده بین 300 تا 400 درجه سانتیگراد است که استحکام آن را بسیار پایین می آورد و در چنین دمایی تفاوت در مقادیر نتایج تئوری با حالت تجربی قابل ملاحظه می باشد.
ناحیه 2 منطقه الاستیک-پلاستیک را پوشش می‌دهد. این ناحیه تحت تاثیر سایر نواحی به خصوص ناحیه 1 قرار دارد. در این ناحیه تنش برشی بر روی مرز صلب و انعطاف ناپذیر مندرل، جریان ماده را تحت فشار مضاعف قرار می دهد. در این ناحیه پارامتر های مهمی چون انتقال دما، اصطکاک، روانکاری زیرین برای تغییر شکل، اعوجاج ناشی از ابزار ها یا ساییده شدن و تشکیل سطح مورد نظر رخ می دهد. برای بهبود وضعیت و نتایج این ناحیه باید با بیشتر کردن میزان هدایت و کنترل بر روی نیرو، طول عمر ابزار و محصول نهایی بهتر را ایجاد نمود.
ناحیه 3 را بیشتر از جنبه های متالورژی و رفتار ماده مورد بحث قرار می‌دهند که این ناحیه تحت فرآیند‌هایی نظیر کار سختی، تبلور مجدد، شکست و … قرار می‌گیرد. در این ناحیه خوا ص ماده رکن اساسی را ایفا می‌کند اما شاید نتوان از آن برای تخمین میزان نیرو به صورت تئوری استفاده نمود.
ناحیه 4 تعیین کننده حالت و رفتار ماده است. بهبود دانه بندی، افزایش سختی، استحکام و ناهمگونی و نا‌همسانی خواص ماده ها تحت تاثیر تغییر شکل قرار می‌گیرد]1[.
درک کامل و بهتری از این چهار ناحیه کمک شایانی در حل مسائل فلوفرم و اسپینینگ می کند.
شکل(3-1) نواحی تماس بین ابزار و قطعه کار در فرآیند فلوفرم مستقیم ]18[
در حالت کلی در هر ناحیه زیر غلطک ها منطقه تحت تنش فشاری است که در این نواحی تنش‌های فشاری نتیجه ترکیب فشار غلطک ها و محدود کردن و احاطه مواد جهت گسترش میزان تغییر شکل ناحیه تماس در جهت محوری و محیطی می باشد.
در اطراف سطوح تماس تنش های کشش محیطی و محوری در هر دو سطح داخلی و خارجی وجود دارد. بیشترین تنش کششی محیطی سطح خارجی در ناحیه برآمدگی بین غلطک ها رخ می دهد و در ناحیه سطح داخلی لوله بیشترین میزان تنش کششی در بین دو سطح تماس در جهت محوری رخ می دهد. در نهایت در این فرآیند میزان تنش های محیطی و محوری سهم بیشتری نسبت به تنش های شعاعی دارند]19[.
3-2- معرفی معادلات نیرو در فلوفرمینگ قطعات استوانه ای اولین تحقیقات فلوفرم توسط تاماست[52](1940) و درج[53](1954) صورت پذیرفت. تحقیقات دیگری در زمینه نیروهای اعمالی در فرآیند فلوفرم توسط کوبایاشی[54] و تامسون[55] (1961)در دانشگاه کالیفرنیا صورت پذیرفت. آنها با اعمال فرضیات ساده کننده سعی بر محاسبه نیروهای عملکردی این فرآیند داشتند]1[. موهان[56] و میسرا[57] (1972) روابط تحلیلی حاکم بر تئوری جریان پلاستیک در حین فرآیند فلوفرم لوله ها را توسعه دادند و توانستند نیروهای وارد به غلتک ها، در حین فرآیند فلوفرم و نیز مقدار کرنش معادل را با استفاده از کار پلاستیک محاسبه کنند]3[. پس از آن در سال‌های متمادی تحقیقات زیادی بر روی نیروها در فرآیند فلوفرمینگ به خصوص در رابطه با تحلیل تئوری فلوفرمینگ مقاطع مخروطی شکل صورت پذیرفت که در ادامه چند نوع از آن ها بررسی می شود.
3-2-1- تحلیل به روش کوبایاشی – تامسون در فرآیند فلوفرمینگ که شعاع لوله در مقایسه با ضخامت آن معمولاً بزرگتر است می‌توان شرایط کرنش صفحه ای را حاکم دانست. لذا در این آنالیز مقدار کرنش در جهت حلقوی صفحه در نظر گرفته شده است و از اصطکاک بین لوله و غلطک نیز صرفنظر شده است. کوبایاشی برای این نوع تحلیل دو روش را ارائه کرده است][43][ .
روش حل نواری
روش حل خطوط لغزشی
برای شرح روش نواری هندسه ابزار و سیستم مختصات مطابق شکل(3-2) در نظر گرفته می‌شودکه تنش عمود به سطح تماس بین غلطک و لوله، P در نظر گرفته می‌شود؛ آنگاه نیروی اعمالی بر جزء سطح dA برابر dF=P.dA خواهد بود.
شکل (3-2) موقعیت ابزار و مختصات کارتزین در فلوفرمینگ]39[
اجزای نیروی dF در سه جهت مختصات با در نظر گرفتن y به عنوان متغیر وابسته جهت تخمین سطوح در حال تماس برابر است با:
(3-1)dfx=
(3-2)dfy=
(3-3)dfz=
در اینجا از کرنش برشی و کار زائد ناشی از برجستگی و اعوجاج المان تغییر شکل یافته صرفنظر شده و با استفاده از فاکتوری مناسب تصحیح می‌شود. با انتگرال گیری از معادلات فوق بر روی سطح تماس، مقادیر اجزاء نیرو بدست می‌آید.
در نهایت کوبایاشی رابطه بین سه مولفه نیرو را برای هر دو نوع فلوفرمینگ معکوس و مستقیم لوله ها با روش حل نواری و خطوط لغزشی بصورت زیربدست آورد.
(3-4)که در این رابطه پارامترهای موجود بصورت زیر خواهند بود:
: تنش سیلان متوسط
: ضخامت اولیه پریفرم
: بار دهی
R: شعاع غلطک
α: زاویه حمله
که شکل ساده شده معادله به صورت زیر می باشد:
(3-5)
مقدار نیروی بدست آمده توسط کوبایاشی در عمل تقریباً کوچکتر از مقدار واقعی میباشد و نیاز به فاکتور تصحیح کننده دارد.
3-2-2- روش تعیین نیروهای تغییر شکل هایاماآنالیز دیگری درباره فرآیند فلوفرمینگ توسط هایاما ارائه شد، او سعی کرده است مقدار محاسبه نیرو را به عمل نزدیک کند. او رابطه بین نیروی شعاعی p ، نیروی محوری و نیروی مماسی را به صورت زیر بدست آورد:
(3-6)= =
رابطه فلوفرمینگ مستقیم:
(3-7)=2.113[1-]-A[1-+ln]
رابطه فلوفرمینگ معکوس:
(3-8)=2.113[1-]-A[1-+ln]
این رابطه تغریباً شبیه رابطه کوبایاشی است که در آن R(mm) به عنوان شعاع غلطک زاویه حمله و (f( می باشد.
فصل چهارممطالعه و انتخاب آلیاژ مورد آزمون4-1- مقدمه مشخصات و خصوصیات ماده از قبیل خصوصیات فیزیکی و رفتار های ماده ، تاثیر بسزایی در شکل پذیری و واکنش ماده در حین جریان فلوفرم را دارا می باشد. برای جلوگیری از اتلاف هزینه ها و زمان باید قبل ازانجام آزمایشات تجربی ماده را مورد بررسی قرارا داد. یکی از راه حل ها جهت جلوگیری از خرابی، شکست، پارگی و یا تخمین و بررسی رفتار ماده شبیه سازی به روش المان محدود میباشد. در ادامه به معرفی و بررسی بیشتر ماده مورد مطالعه در این تحقیق پرداخته می‌شود.
4-2- آلیاژهای آلومینیم
آلومینیم و آلیاژهای آن دارای خواصی نظیر هدایت حرارتی و الکتریکی بالا، غیر سمی و غیر مغناطیسی بودن، قابلیت انعکاس نور، جرقه نزدن، اتصال آسان و شکل پذیری بسیار خوب می باشد. این خواص جالب توجه آلومینیم باعث شده که این فلز در صنایع مختلف کاربردهای وسیعی را به خود اختصاص دهد. به دلیل این که آلومینیم خالص دارای استحکام پایینی می باشد، اکثراً از آلیاژهای آن در صنایع مختلف استفاده می‌شود][44][. بخصوص در صنعت هوا فضا که عموماً آلیاژهای پر استحکام آلومینیم مورد استفاده قرار می‌گیرد. به دلیل این که عناصر روی، منیزیم، مس، کروم و زیرکونیم نسبت به عناصر دیگر حد حلالیت بالاتری در آلومینیم دارند اغلب از این عناصر برای ساختن آلیاژهای آلومینیم استفاده می گردد.
بطور کلی آلیاژ های آلومینیم به دو گروه کار شده و ریختگی تقسیم می شوند. آلیاژ های کار شده آلیاژهایی هستند که شمش اولیه آنها توسط فرایندهای مکانیکی مختلف به محصول نهایی مثل ورق، لوله، میله، سیم و قطعات حاصله از آهنگری یا فشار کاری تبدیل می شود. آلیاژ های ریختگی آنهایی هستند که توسط روشهای مختلف ریخته‌گری به شکل محصول نهایی در می‌آیند. بطور متوسط حدود 85 درصد از آلیاژهای آلومینیم بصورت کار شده می باشند [[45]].
آلیاژهای کارپذیر خود نیز به دو دسته عملیات حرارتی پذیر و عملیات حرارتی ناپذیر، تقسیم می شوند. آلیاژهای عملیات حرارتی پذیر به آن دسته از آلیاژهای کارپذیر اطلاق می شود که با استفاده از عملیات حرارتی های مختلف می توان خواص مکانیکی آنها را بهبود بخشید. عناصر آلیاژی اصلی که در این گروه وجود دارند عبارتند از : مس، روی، منیزیم، سیلیسیم و لیتیم. آلیاژ های عملیاتی حرارتی ناپذیر آنهایی هستندکه قابل عملیات حرارتی نبوده و استحکام آنها را با استفاده از کار سختی افزایش می یابد و بیشتر شامل عناصر منگنز، سیلیسیم، آهن و منیزیم می باشند [45].
4-3- نام گذاری آلیاژ های کارپذیر
با توجه به فراوانی آلیاژهای کارپذیر آلومینیم لازم است که از یک سیستم نامگذاری بین المللی استفاده شود که به هر آلیاژ آلومینیم با ترکیب مشخص یک نام تعلق گیرد. از این رو یک سیستم نامگذاری استاندارد و بین المللی از طرف انجمن آلومینیم آمریکا به نام «AA » برای آلیاژ های کار پذیر پیشنهاد شده که هم اکنون مورد استفاده قرار می‌گیرد. در این سیستم نامگذاری، آلیاژ های کارپذیر آلومینیم بر اساس عناصر آلیاژی اصلی خود به هشت گروه مختلف تقسیم می شوند. در جدول 4-1 این هشت گروه به همراه قابلیت عملیات حرارتی و خواص مشخصه اصلی آلیاژ آورده شده است. در هر گروه نیز مشخصات کامل آلیاژ بوسیله یک عدد چهاررقمی بیان می شود که رقم اول از سمت چپ نشان دهنده گروه اصلی آلیاژی است. دومین رقم تغییر آلیاژ را نسبت به آلیاژ اولیه نشان می دهد. سومین و چهارمین رقم مقدار خلوص یا نوع آلیاژ را مشخص می نماید [[46]].