فصل دوم: معرفی فرایند شکل‌دهی گازی گرم و هیدروفرمینگ و پارامترهای موثر در آن
۲-۱ مقدمه
فرایند هیدروفرمینگ و شکل‌دهی گازی گرم جزء فرایندهای نوین شکل‌دهی فلزات است. از آنجا که کاهش وزن قطعات، کاهش هزینه ها، کاهش تعداد مراحل تولید و تولید در کوتاهترین زمان ممکن با رعایت کیفیت بالا جزء مهمترین اهداف شرکت‌های تولیدی می‌باشد، این فرایند به خوبی می‌تواند نیازهای صنعتی مذکور را بر طرف کند.
همچنین این روش تولید توانسته است در صنایع مهمی چون صنایع فضایی، خودروسازی، نظامی و هوایی راه را برای خود باز کند.
( اینجا فقط تکه ای از متن پایان نامه درج شده است. برای خرید متن کامل فایل پایان نامه با فرمت ورد می توانید به سایت feko.ir مراجعه نمایید و کلمه کلیدی مورد نظرتان را جستجو نمایید. )
اساس کار هیدروفرمینگ (شکل‌دهی با فشار آب) و شکل‌دهی گازی گرم (شکل‌دهی با فشار گاز) بسیار شبیه به هم بوده است. به عبارت دیگر مراحل قرار گیری لوله در قالب، شکل و طرح قالب، اصول اولیه‌ی اعمال فشار، آب‌بندی و …. در هر دو موارد بسیار نزدیک به هم بود اما آنچه مسلم است این است که به دلیل محدود بودن بازه‌ی فشاری در فرایند شکل‌دهی گازی به دلیل خطرات ناشی از فشار بالای گاز، این فرایند به جهت نیاز به سهولت در جریان مواد در حالت گرم انجام می‌شود، از طرف دیگر فرایند هیدروفرمینگ به دلیل عدم محدودیت در انتخاب بازه‌ی فشاری، لذا هم در حالت گرم و هم در حالت سرد انجام می‌شود.
در ادامه مروری اجمالی بر انواع فرایندهای تولیدی محصولات فلزی و فرایندهای شکل‌دهی فلزات بالاخص هیدروفرمینگ وشکلدهی گازی گرم، پارامترهای موثر بر آن، مزایا و معایب و …. خواهد شد.
۲-۲ انواع فرایندهای تولیدی
به طور کلی فرایندهای تولید قطعات متنوع می‌باشد اما بر اساس استاندارد DIN 8580 روش‌های تولید قطعات به طور کلی به پنج دسته تقسیم می‌شوند.
۱) فرایندهای همراه با قالب‌گیری مانند ریخته گری و متالورژی پودر
۲) فرایند های اتصالی مانند پرچ کاری
۳) فرایندهای همرا ه با تغییر خواص مواد مانند گالوانیزه
۴) فرایندهای ماشینکاری مانند فرزکاری و تراش‌کاری
۵) فرایندهای شکل‌دهی مانند هیدروفرمینگ و شکل‌دهی گازی گرم
همچنین فرایندهای ثانویه مانند عملیات حرارتی، رنگ، سخت کاری سطحی، پوشش‌دهی و … می‌توانند به عنوان فرایندهای تولیدی تکمیلی مورد استفاده قرار گیرند.
۲-۳ فرایندهای شکل‌دهی فلزات
یکی از مهمترین فرایندهای تولید محصولات فلزی، فرایندهای شکل‌دهی می‌باشد. شکل‌دهی فلزات از سال‌های دور به عنوان کارآمدترین روش تولید قطعات مورد توجه قرار گرفته است که می‌توان گفت این روش تقریبا در تولید تمامی قطعات با هر سایز و شکل پیچیده کارآمد می‌باشد. به عبارت دیگر تعداد کمی از محصولات را می‌توان نام برد که در طی پروسه‌ی تولیدشان از نورد، آهنگری، کشش استفاده نشده باشد.
معمولا فرایند شکل‌دهی روی اکثر فلزات قابل اجراست. محاسن روش شکل‌دهی نسبت به دیگر روش‌های تولید شامل صافی سطح بالا، دقت ابعادی عالی، مقرون به صرفه بودن روش و سرعت تولید خوب باعث شده است که تمرکز و تحقیق صنعتگران بر روی این روش نسبت به روش‌های دیگر بیشتر باشد.
فرایندهای شکل‌دهی فلزات، فرایندهای ساخت بدون تغییر در حجم می‌باشند که در آن‌ها فلز اولیه (که به صورت شمش یا ورق با اشکال گوناگون می‌باشند) توسط ابزار شکل‌دهی به صورت تغییر شکل مومسان انجام می‌گیرد.
به طور کلی فرایندهای شکل‌دهی را می‌توان به دو دسته تقسیم کرد.
۱) شکل‌دهی حجمی[۲۴]
۲) شکل‌دهی ورق[۲۵]
در فرایندهای شکل‌دهی حجمی مانند فرایندهای نوردکاری[۲۶]، آهنگری[۲۷] و اکستروژن[۲۸] سطح مقطع قطعه کار در طول فرایند تغییر شکل مومسان دایمی و زیاد پیدا می‌کند، همچنین ماده اولیه به صورت شمش یا تختال گرد و یا مکعبی می‌باشد. در این روش تغییر شکل مومسان به قدری زیاد است که از برگشت فنری قطعه کار پس از تغییر شکل صرف نظر می‌شود.
در فرایندهای شکل‌دهی ورق مانند کشش عمیق[۲۹]، چرخ کاری[۳۰]، خم کاری[۳۱] سطح مقطع قطعه کار تغییر شکل قابل توجهی نمیکند لذا به دلیل پایین بودن تغییر شکل مومسان، در این روش برگشت فنری اهمیت پیدا کرده و نمی‌توان از آن صرف نظر کرد.
از میان روش‌های شکل‌دهی ورق‌های فلزی، فرایند کشش عمیق بیشترین کاربرد را در صنعت دارد. نکته‌ای که باید به آن اشاره کرد این است که این روش محدودیتی از لحاظ نسبت کشش، کیفیت سطح و دقت ابعادی دارد لذا تمرکز بر روی دیگر روش‌های شکل‌دهی به منظور پر کردن خلا دقت ابعادی و کیفیت محصول نهایی اهمیت پیدا می‌کند.
یکی از روش‌های نوین شکل‌دهی فلزات که در تولید قطعات با دقت ابعادی و کیفیت سطح خوب از آن استفاده می‌شود روش هیدروفرمینگ است. در ادامه به بررسی روش‌های مختلف استفاده از سیال در شکل‌دهی ورق‌های فلزی پرداخته خواهد شد.
۲-۴ روش‌های شکل‌دهی لولههای فلزی با بهره گرفتن از سیال
شکل‌دهی با سیال (ابزار نرم) را به دو دسته‌ی کلی می‌توان تقسیم‌بندی کرد.
۱) شکل‌دهی گازی گرم
۲) شکل‌دهی با بهره گرفتن از سیال هیدرولیک
همانطور که از نام فرایند مشخص است، در فرایند شکل‌دهی گازی گرم، از فشار گاز و در فرایند هیدروفرمینگ، از فشار سیال آب یا روغن جهت شکل‌دهی لوله استفاده می‌شود. (در ادامه توضیح مفصل از این دو فرایند آورده خواهد شد)
تکنولوژی استفاده از ابزار نرم به دلیل مهیا کردن کیفیت محصول بالا، دقت ابعادی قابل قبول و مهمتر از همه صرفه‌ی اقتصادی فرایند به دلیل ساده بودن تجهیزات، در کانون توجه صنعتگران قرار گرفته است.
۲-۵ فرایند هیدروفرمینگ
استفاده از سیال به عنوان ابزار نرم جهت شکل‌دهی فلزات از سال ۱۹۸۰ مورد توجه محققین و صنعتگران قرار گرفت که منجر به معرفی روشی جدید به نام هیدروفرمینگ در تولید قطعات فلزی شد. اساس کار در هیدروفرمینگ (سیال آب یا روغن) بدین صورت است که با بهره گرفتن از فشار داخلی سیال آب قطعه‌ی خام اولیه شکل حفره‌ی قالب یا سنبه‌ی شکل‌دهی را به خود می‌گیرد. قطعه‌ی خامی که در این فرایند استفاده می‌شود لوله یا ورق است. در صورتی که قطعه‌ی خام لوله باشد فرایند مذکور هیدروفرمینگ لوله و در صورتی که قطعه‌ی خام ورق باشد هیدروفرمینگ ورق نامیده می‌شود.
۲-۶ تقسیم‌بندی فرایند هیدروفرمینگ از نقطه نظر هندسه قطعه
به طور کلی فرایند هیدروفرمینگ باتوجه به هندسه‌ی قطعه به سه دسته‌ی کلی تقسیم می‌شود.
۱) هیدروفرمینگ لوله[۳۲]
۲) هیدروفرمینگ پوسته[۳۳]
۳) هیدروفرمینگ ورق[۳۴]
۲-۶-۱ هیدروفرمینگ لوله
در فرایند هیدروفرمینگ لوله علاوه بر اعمال فشار داخلی سیال، می‌توان از تغذیه محوری هم استفاده کرد. تقدم و تاخر فشار داخلی و تغذیه محوری نسبت به هم بسیار حائز اهمیت است. بر طبق یک اصل این گونه باید گفت که در نیمه‌ی اولیه‌ی فرایند، تقدم فشار داخلی بر تغذیه محوری وجود دارد و در نیمه‌ی دوم فرایند تقدم اعمال تغذیه محوری بر فشار داخلی بروز پیدا می‌کند. به عبارت دیگر زمانی که تنها فشار داخلی اعمال می‌شود لوله تا مرز نازک شدگی شکل داده می‌شود در نهایت با اعمال تغذیه محوری بعد از فشار داخلی از نازک شدگی موضعی لوله و پارگی آن جلوگیری می‌شود. در شکل (۲-۱) مراحل هیدروفرمینگ لوله نشان داده شده است. بصورت خلاصه مراحل هیدروفرمینگ لوله عبارت است از:
۱) لولهی اولیه درون قالب پایینی قرار گرفته، سپس نیمه قالب بالا به طرف پایین حرک کرده و به نیمه‌ی پایینی قالب میرسد. همچنین سنبهها به وضعیت آب‌بندی مناسب پیش رانده می‌شوند.
۲) لوله از سیال پر شده و فشار سیال بالا رفته تا لوله خام شکل قالب را به خود بگیرد.
۳) سنبههای محوری از طرفین یا یک طرف لوله را به سمت ناحیهی شکل‌دهی تحت فشار قرار داده تا کاهش جداره لوله ناشی از انبساط آن جبران شود.
۴) فشار کاهش یافته و سنبهها و نیمه قالب بالایی به موقعیت اولیه خود باز گشته و قطعه از قالب خارج می‌شود.
شکل ۲-۱ مراحل فرایند هیدروفرمینگ لوله
۲-۶-۱-۱ تقسیم‌بندی فرایند هیدروفرمینگ از نقطه نظر چگونگی اعمال فشار
عملیات هیدروفرمینگ براساس چگونگی اعمال فشار توسط سیال هیدرولیک به ۵ دسته‌ی کلی تقسیم می‌شود ]۲۷[.
۲-۶-۱-۱-۱ هیدروفرمینگ فشار پایین[۳۵]
در این روش میزان فشار مورد استفاده کمتر از ۸۳۰ بار می‌باشد. با توجه به اینکه سطح فشار در این روش پایین بوده و قادر به بازگرداندن چروکیدگی و تغییر شکل ناشی از بستن قالب نیست، لذا لازم است اجزاء آن با دقت بیشتری طراحی شده تا فشار پایین شکل‌دهی بتواند تغییر شکلهای جزئی ناخواسته را برطرف کرده و در نهایت قطعه به شکل مطلوب خود برسد.
در زیر ویژگی‌هایی از این روش آورده شده است.
۱) کمترین شعاع گوشه‌ی قابل دسترس، ۱۰ برابر ضخامت لوله (r=10t) است.
