منتظر

کاربرد شبيه سازی المان محدود جهت بهينه سازی فرآيند آهنگری 

چکيده
هنگام توليد يک قطعه جديد آهنگري ، معمولا يک مرحله سعي وخطا جهت بدست آوردن قطعه بدون عيوب آهنگري، وجود دارد. در اين مرحله ، تجربه هاي قبلي طراح و سازنده، کمک مهمي جهت کاهش آزمايشات مي کند. با اين وجود ، با ورود قطعات با شکلهاي متفاوت و طراحي هاي گوناگوني که مي توانند براي آنها پيشنهاد گردد ، شبيه سازهاي کامپيوتري در مرحله طراحي ، مي توانند در جهت مشاهده رفتار جريان مواد ، رؤيت عيوب احتمالي و بهينه سازي طرح، بکار گرفته شوند . در اين مقاله ، به شبيه سازي فرآيند آهنگري و کاربرد آن در صنعت و بهينه سازي طراحي به منظور توليد قطعه بدون عيب، پرداخته مي شود .

واژهاي کليدي : روش المان محدود ، آهنگري قالب بسته ، شبيه سازي ، قالب پيش فرم
1- مقدمه
در اواخر دهه 1970 و اوايل دهه 1980 استفاده از تكنيك هاي كامپيوتري مهندسي (CAE)، طراحي(CAD) و ساخت بكمك كامپيوتر (CAM) در زمينه صنعت شكل دهي فلزات بطور قابل ملاحظه اي افزايش يافته و بنظر مي رسد اين تمايل بسمت كاربرد وسيعتري در زمينه شبيه سازي انواع فرآيندها و طراحي بهينه عوامل موثر در توليد، در حال گسترش باشد.
از ميان روشهاي مختلف جهت شبيه سازي فرآيندها، شبيه سازي به روش المان محدود (FEM) جايگاه ويژه اي در ساخت وتوليد به خود اختصاص داده است . از مزاياي مهم بكارگيري روش المان محدود در شبيه سازي فرآيندهاي ساخت وتوليد، مي توان موارد زير را ذكر نمود:
1- تحليل مدلها با هندسه پيچيده و شرايط مرزي و اوليه مشكل
2- قابليت دستيابي به جزئيات بعنوان مثال جزئيات مكانيكي در جسم تغيير شكل پذير همچون سرعت, كرنش ها, تنش ها, دماها و يا توزيع فشار در سطح تماس.
در ميان روشهاي شکل دهي ، آهنگري يکي از فرآيند هاي رايج و مهم مي باشد . در روشهاي سنتي طراحي قالب آهنگري، روابط تجربي و کار هاي انجام گرفته در گذشته مبناي طراحي بوده و براي حصول يک قالب قابل قبول و ابعاد و شکل مناسب بيلت اوليه ، معمولآ چندين مرحله سعي و خطا لازم مي باشد .
_________________________________________________________
1- دانشجوي کارشناسي ارشد ساخت وتوليد ، دانشگاه صنعتي امير کبير
2- استاد يار دانشکده مکانيک ، دانشگاه صنعتي امير کبير
3- کارشناس مهندسي مواد ، دانشگاه شيراز ، واحد تکنولوژي شرکت آهنگري ايران خودرو ، تلفاکس : 8714764
4- کارشناس مهندسي مکانيک ، دانشگاه سيستان و بلوچستان ، واحد تکنولوژي شرکت آهنگري ايران خودرو

از آنجا که بدون داشتن دانشي درباره تأثير پارامترهايي همچون شرايط اصطكاكي ، خواص مواد و هندسه قطعه كار روي مكانيك فرآيند, امكان طراحي بهينه قالب ، انتخاب تجهيزات مناسب و پيش بيني و پيش گيري از عيوب و نقص هايي كه ممكن است اتفاق افتند وجود ندارد، بنابراين مدل كردن فرآيند براي شبيه سازي كامپيوتري مورد توجه زيادي در تكنولوژي مدرن شكل دهي فلزات قرار گرفته است. در دهه اخير ، با انجام تحقيقات فراواني که در زمينه کاربرد المان محدود در زمينه شبيه سازي فرآيند ها انجام گرفته ، اين امکان بوجود آمده که با استفاده از اين ابزار بتوان در جهت طراحي بهينه با سرعت بيشتر و هزينه کمتر گام برداشت.
در اين مقاله ، فورج قالب بسته چندين قطعه پيچيده فورج ( از لحاظ شکلي ) مورد بررسي قرار مي گيرد و اينکه چگونه شبيه سازي کامپيوتري مي تواند در طراحي بهينه مورد استفاده قرار گيرد ، نشان داده مي شود. در شبيه سازي فرآيند آهنگري از نرم افزار Qform که تحت ليسانس شرکت آهنگري ايران خودرو مي باشد ، استفاده گرديده است

2- آناليز و تكنولوژي در شكل دهي فلزات :
1-2 : مقدمه :
طراحي و كنترل و بهينه سازي فرآيندهاي شكل دهي احتياج به موارد زير دارد:
1- دانش آناليتيكالي در مورد جريان فلز, تنش و انتقال حرارت
2- اطلاعات تكنولوژيكي مربوط به روانكاري , گرم و سرد كردن و تكنيك هاي مرتبط با آن, جابجايي مواد, ساخت و طراحي قالب و تجهيزات فرم دهي.
آناليز شکل دهي فلزات به منظور تشخيص مكانيك تغيير شكل پلاستيك انجام مي گيرد که موارد زير را دنبال مي کند:
- تشخيص روابط سينماتيكي (سرعت ها, نرخ كرنش ها و كرنش ها) بين قطعه اي كه مي خواهد شكل بگيرد (بيلت, بلانك يا پيش فرم) و قطعه شكل گرفته (محصول) جهت پيش بيني جريان فلز طي عمليات شكل دهي . براي حصول اين منظور، تخمين دما و انتقال حرارت ( از آنجائيكه اين پارامترها به مقدار زيادي بر روي تنش سيلان و جريان فلز مؤثر هستند ) لازم مي باشد.
- تعيين محدوديت هاي شكل دهي يا توليد جهت اينكه آيا امكان انجام عمليات شكل دهي بدون ايجاد عيوب سطحي يا داخلي (تركها يا تاخوردن ها) در شكل دهي مواد وجود دارد يا نه.
- پيش بيني تنشها, نيروها و انرژي لازم براي انجام عمليات شكل دهي. اطلاعات حاصل از اين پيش بيني براي طراحي ابزار و براي انتخاب تجهيزات مقتضي لازم است تا نيرو و انرژي لازم براي انجام فرآيند شكل دهي حاصل گردد.
براي فهم متغيرهاي تکنولوژيکي و آناليتيكالي فرآيند شكل دهي فلزات, بهتر است فرآيند را همچون يك سيستم در نظر بگيريم. تأثير متغيرهاي مهم بر هم در يك حالت ساده براي عمليات آهنگري در شكل 1 نشان داده شده است.[1]

2-2 : آناليز تغيير شکل به روش FEM :
روش المان محدود صلب ويسکو پلاستيک معمولا در تحليل فرآيندهايي که ميزان تغيير شکل در آنها زياد مي باشد بکار برده مي شوند .فانکشنال براي اين دسته از مواد ، منتج شده از principle variational ، مي تواند بصورت زير نوشته شود :
(1)
در اينجا تابع کار مي باشد :
(2)
محدوديت مربوط به غير قابل تراکم بودن مواد با تعريف ضريب ثابت پنالتي  از معادله (1) مي تواند برداشته شود . مشتق مرتبه اول معادله (1) بصورت نوشته مي شود :
(3)
به ترتيب تنش موثر ، نرخ کرنش موثر ، نرخ کرنش حجمي ، نيروي وارده بر سطح و ضريب پنالتي مي باشند .

شكل 1 : شماتيكي از تأثير عوامل و پارامترهاي اصلي فرآيند شكل دهي فلزات بر هم.[1]

3-2 : آهنگري در قالب بسته : (ClOSED-DIE FORGING)
در آهنگري قالب بسته, دو يا تعداد بيشتري قالب به سمت يکديگر حركت مي كنند تا يك بيلت فلزي را در دماي مناسب به شكل تعيين شده بوسيله حفره قالب ، شكل بدهند . در اين فرآيند جريان فلز و پر شدن قالب توسط عوامل زير تعيين مي گردند :
1- تنش سيلان و شكل پذيري
2- اصطكاك و انتقال حرارت در سطح تماس قالب ها با قطعه كار
3- پيچيدگي شكلي قطعه
براي يك ماده مشخص هم تنش سيلان و هم قابليت فرم گيري در فورج (forgability ) توسط ساختار متالوژيكي, دما, كرنش, نرخ كرنش و تنش هايي كه در حين فرم دهي اتفاق مي افتد تاثير مي پذيرند.

هدف اصلي در طراحي فرآيند فورجينگ اطمينان از جريان كافي فلز به داخل قالبها براي حصول محصول نهايي بدون عيوب و با خواص تعيين شده مي باشد. جريان فلز بيشتر تحت تاثير هندسه قطعه مي باشد. اغلب چندين عمليات پيش فرم براي جريان تدريجي فلز جهت انجام شكل دهي محصول نهايي از اشكال ساده ابتدايي لازم مي باشد. قدمهاي طراحي يك فرآيند فورج در شكل 2 نشان داده شده است.
طراحي بلوكر و هندسه هاي پيش فرم نيز نقش اساسي در طراحي قالب فورج دارند. عملكرد بلوكر و پيش فرم ها به هدف توزيع مواد به اندازه كافي مي باشد تا اينكه اهداف زير حاصل گردند :
- پركردن حفره نهايي بدون هيچ عيب فورجينگ
- كاهش ميزان مواد هدر رونده در فلش
- كاهش سايش قالب نهايي با كم كردن حركت فلز
- تهيه ميزان تغيير شكل لازم و جريان فلز تا اينكه خواص مورد انتظار از فورجينگ برآورده گردد
- کاهش فشار در قالب نهائي
در روشهاي سنتي, قالب هاي بلوكر و پيش فرمها توسط طراحان قالب به صورت تجربي طراحي مي گشت و آنها طراحي را براساس اصول تجربي انجام مي دادند كه اين اصول بستگي به جنس مواد استفاده شده و ماشين فورج بكار رفته در عمليات آهنگري داشت. اما در حال حاضر همانطور كه در شكل 2 نشان داده شد احتياج به يك شبيه سازي جريان فلز در حالت غير هم دما توسط تكنيك هاي دو بعدي و سه بعدي المان محدود مي باشد. تا اينكه طراح بتواند بهتر و با انجام آزمايشات تجربي كمتر بهترين طراحي را هم از لحاظ اقتصادي و هم از لحاظ كيفي و كمي ارائه دهد. [2]

شکل 2 : شماي يك دياگرام CAD/CAM براي طراحي قالب فورج و ساخت آن.[1]

3- اطلاعات لازم براي انجام شبيه سازي فورج :
اطلاعات و ورودي هايي كه براي انجام شبيه سازي فرآيند آهنگري لازم مي باشد را مي توان در 5 گروه اصلي تقسيم نمود كه اين تقسيمات عبارتند از :
- اطلاعات مربوط به شكل حفره و بيلت
- اطلاعات مربوط به مواد (قالب و قطعه كار)
- اطلاعات مربوط به تجهيزات مورد استفاده در فرآيند
- اطلاعات مربوط به روانكار
- پارامترهاي فرآيند
مواد قطعات استفاده شده در اين مقاله از جنس DIN/C43 بوده که تنش سيلان آن بسته به دما ، کرنش و نرخ کرنش بصورت جداولي در اختيار نرم افزار قرار مي گيرد.
(4)
بقيه مشخصات نيز شامل : چگالي ( 7750) ، ضريب انتقال حرارت (  45.5) ، ضريب ظرفيت گرمايي ويژه (  549 ) مي باشد. در ضمن از قسمت رفتار الاستيک مواد فورج شونده در مقابل بخش پلاستيک صرفنظرمي گردد. در مورد مواد قالب نيز در موارديکه قالب بصورت صلب در نظر گرفته نشده باشد از جنس فولاد گرمکار H13 استفاده گرديده است . در تمامي موارد نيز آب و گرافيت بعنوان روانکار در نظر گرفته مي شود که ضريب اصطکاک آن 0.4 و ضريب انتقال حرارت آن 3000 به نرم افزار معرفي مي گردند . در ضمن اطلاعات مربوط به فرآيند ، تجهيزات و هندسه قطعه و قالب براي هر مورد بطور مجزاء ذکر مي گردند.[3]

4- قطعات مورد مطالعه :
در اين مقاله دو نمونه از قطعات فورج مورد بررسي قرار مي گيرند . قطعه اول از لحاظ طراحي پيش فرم جهت حرکت سريعتر مواد به جهات مناسب و پرکردن آسانتر قالب نهائي و قطعه دوم از لحاظ بهينه نمودن طرح پيش فرم براي کاهش تنش هاي وارده بر قالب ، توليد بدون عيب قطعه و پر کردن قالب ، مورد مطالعه واقع مي گردند . در شبيه سازي فرآيند آهنگري از نرم افزار Qform که تحت ليسانس شرکت آهنگري ايران خودرو مي باشد ، استفاده گرديده است.

1-4 : فورج چهار شاخ :
در شکل 3 قطعه نهائي ( بعد از تريم و پانچ ) و قطعه فورج آن نشان داده شده است . در فورج اين قطعه ، از پتک kj 80 جهت مراحل فورج که شامل يک آپست جهت پوسته گيري ، پيش فرم و فرم نهائي مي باشد استفاده گرديده است . مشخصات مربوط به چکش شامل : وزن 3.2 تن براي رم ، ضريب سختي 35 براي فونداسيون و ضريب 0.3 براي ميزان انرژي هدر رونده بصورت خطي مي باشد . مراحل شبيه سازي شده فورج در شکل 4 به ترتيب نمايش داده شده است . با توجه به شکل هندسي قطعه و براي کا هش زمان شبيه سازي، تنها يک هشتم اين قطعه شبيه سازي گرديد.

شکل 3 : چهار شاخ همراه با فلش و بعد از تريم و پانچ

(1)
(2)
(3)
(4)
(5)
شکل 4 :مراحل شبيه سازي شده فورج چهار شاخ (1) آپست (2) ضرب اول در قالب پيش فرم (3) ضرب دوم در قالب پيش فرم (4) ضرب آخر در قالب پيش فرم (5) قطعه نهائي در قالب نهائي

از نکات مهمي که در طراحي پيش فرم اين نوع قطعات بايد در نظر گرفت رساندن مواد به مناطقي که فاصله آنها از محور قطعه زياد است ، مي باشد که اين امر باعث کاهش ميزان دور ريز مي گردد. در ضمن با طراحي پيش فرم مناسب ، سايش قالب نهائي و فشار بر روي آن بشدت کاهش مي يابد. همانطور که در اشکال نشان داده شده است با آزاد گذاشتن جريان مواد به اطراف در راستاي شعاعي در پيش فرم ، مي توان شاهد پر شدن کامل قالب آن هم فقط در يک ضرب در قالب نهائي بود که در ضمن فشار زيادي نيز به قالب پيش فرم بخاطر جريان آزاد مواد وارد نمي شود .
در صورتي که از قالب پيش فرم استفاده نگردد و تمامي ضرب هاي شکل دهي در قالب نهائي انجام گيرد در آنصورت پر شدن قالب با مشکل مواجه شده و مسائلي چون سايش ، خستگي حرارتي و مکانيکي باعث کاهش عمر قالب نهائي مي گردد . در شکل 5 سرعت حرکت مواد در جهت شعاعي ، در قالب هاي پيش فرم و فرم نهائي ( بدون استفاده از پيش فرم ) نشان داده شده است که بيانگر حرکت سريعتر مواد در صورت وجود پيش فرم مناسب مي باشد .

(1)
(2) <
شکل 5 : سرعت حرکت مواد در راستاي شعاعي (1) در قالب نهائي بدون پيش فرم (2) در قالب پيش فرم

2-4 : فورج لولا :
لولاي درب سمند يکي از قطعات مشکل از لحاظ فورج است که با توجه به پيش فرمهاي متعددي که براي آن پيشنهاد گرديده انتخاب يک پيش فرم بهينه بسيار مهم مي باشد. در شکل 6 قطعه نهايي فورج نشان داده شده است . از جمله مشکلات مهم در توليد اين قطعه عدم پر شدن قالب بدليل هندسه قطعه ، شکست زود هنگام قالب و ايجاد lap در قطعه نهائي مي باشد .

شکل 6 : لولاي درب سمند ( تريم و شات بلاست شده )

اولين پيش فرمي که براي اين قطعه پيشنهاد گرديده است ، پيش فرمي است که بسيار نزديک به قالب نهائي مي باشد که البته از ميان مشکلات ذکر شده فوق در توليد اين قطعه ، شکست زود هنگام قالب بسيار محتمل تر از پيش فرم تاييد گشته مي باشد . در شکل 7 مقايسه اي بين نيروي وارد شده بر قالب در محلي که رشد ترک در آن نقطه آغاز گرديده است با استفاده از اين پيش فرم و پيش فرم مورد قبول نشان داده شده است .

شکل 7 : مقايسه اي بين نيروي وارده بر قالب در محل رشد ترک با پيش فرم هاي متفاوت

بعد از انجام شبيه سازي هاي مختلف و سعي و خطاهاي کارگاهي سرانجام پيش فرمي انتخاب گرديد که با انجام شبيه سازي بهترين شعاع خم در اين پيش فرم ايجاد شود . در صورتيکه شعاع خم از اين مقدار بيشتر گردد امكان عدم پر شدن قالب وجود دارد و در صورتيکه شعاع خم کاهش يابد ايجاد lap در قطعه نهائي حتمي خواهد بود .

شکل 8 : شعاع بهينه گشته در قطعه پيش فرم


شکل9 : عدم پرشدن قالب در اثر شعاع خم زياد پيش فرم

نتيجه گيري :
در اين مقاله سعي گشته نقش شبيه سازي کامپيوتري المان محدود فرآيند آهنگري، در طراحي قالب و طراحي پيش فرم بهينه نشان داده شود .با ارائه تخميني ابعاد بيلت اوليه و طر حهاي پيش فرم اوليه، با انجام شبيه سازي مي توان با صرف هزينه و زمان کمتر به مقادير و طرحهاي بهينه دست يافت. در اين مقاله دو قطعه از قطعات نسبتآ پيچيده فورج انتخاب گرديده و با استفاده از شبيه سازي کامپيو تري المان محدود سعي در بهينه شدن طرحهاي پيش فرم گرديده است که نتايج حاصل از شبيه سازي در جهت توليد بدون عيب و حتي المقدور بهينه بسيار موثر بوده است .

تقدير و تشکر :
نويسندگان بدينوسيله از همکاري بخش تکنولوژي شرکت آهنگري ايران خودرو بالاخص آقايان مهندس خسرو آبادي ، مهندس آرميده ، مهندس باقريان و آقاي آدينه که با ارائه اطلاعات علمي و فني لازم ما را در انجام اين پروژه ياري نمودند؛ نهايت تشکر و قدر داني را دارند.

مراجع :

1-Shiro Kobayashi , Metals Forming and The Finite-Element Method? ,Oxford University , 1989
2- M.jolgaf and A.M.S Hamouda , Development of a CAD/CAM system for the closed-die forging process?, Journal of Materials Processing Technology 138 (2003)
3-Qform User guide ,Quantor Ltd , Moscow , 1999
4-Abel D.Santos and J. Ferreira Duarte , The use of finite element simulation for metal forming and tool design?, Journal of Materials Processing Technology 119 (2001)
5- J.Walters and Wei-Tsu Wu , Recent development of process simulation for industrial application?, J