روش­های نوین و سریع شکل­دهی ورق فلزی

فرستادن به ایمیل چاپ مشاهده در قالب پی دی اف

 

روش­های نوین  و سریع شکل­دهی ورق فلزی

 

 

 

 

تالیف:

 

 

محمود فرزین

علیرضا فدائی تهرانی

دانشیار دانشگاه صنعتی اصفهان

دانشیار دانشگاه صنعتی اصفهان

حمید منتظرالقائم                            

محمد سجاد مهدیه

دانشجوی دکتری مکانیک دانشگاه صنعتی اصفهان

( مسئول دپارتمان مکاترونیک مرکز  ملی مقاوم سازی ایران)

کارشناس ارشد مکانیک دانشگاه صنعتی اصفهان

 

 

 

تدوین:

حسین میسمی         سعیده سعیدی     مریم منتظرالقائم

 

 


  معاونت مکاترونیک – معاونت نشر

نام­کتاب: روش های نوین و سریع شکل دهی ورق فلزی

تألیف: محمود فرزین، علیرضا فدائی تهرانی، حمید منتظرالقائم، محمد سجاد مهدیه

تدوین: حسین میسمی – سعیده سعیدی- مریم منتظرالقائم

ناشر   : معاونت نشر سازمان ملی مقاوم سازی ایران

تیراژ  : ۱۰۰۰ جلد

چاپ  : انتشارات سازمان عمران ایران

کد: ۸۸ – ۳۶

 

آدرس:اصفهان- کدپستی:۸۱۸۳۸۱۵۷۹۱

تهران،خیابان جمال زاده شمالی، نرسیده به بلوار کشاورز، انتهای کوچه نیلوفر، پلاک ۷۴، طبقه سوم- صندوق پستی: ۴۱۳۹-۱۴۱۵۵ تلفن: ۶۶۹۴۸۰۵۴ -۰۲۱فکس: ۶۶۹۴۸۰۵۵-۰۲۱

شماره موبایل: ۰۹۱۳۲۳۰۰۰۸۵   http:// آدرس ایمیل جهت جلوگیری از رباتهای هرزنامه محافظت شده اند، جهت مشاهده آنها شما نیاز به فعال ساختن جاوا اسكریپت دارید

 

فهرست مطالب

عنوان

صفحه

فصل اول: انواع روش­های شکل­دهی فلزات

۸

مقدمه

۹

شکل­دهی حجمی فلزات

۹

اکستروژن­

۱۰

آهنگری

۱۲

نورد

۱۴

شکل­دهی ورق­های فلزی

۱۷

خمکاری ورق­های فلزی

۱۹

شکل­دهی ورق­ها به­کمک لاستیک­های فشرده

۲۶

خم­کردن ورق به صورت منحنی

۲۸

شکل­دهی سرد غلتکی

۲۹

بستن دماغه

۳۱

سکه­زنی و کوبش

۳۳

اتصال ورق­ها

۳۳

خمکاری لوله

۳۴

اسپینینگ

۳۸

شکل­دهی نسبی

۴۰

 هیدروفرمینگ

۴۲

اتساع

۴۵

کشش عمیق

۴۶

 اتوکاری

۴۷

قالب­های برش

۴۸

برش دقیق

۵۲

شکل­دهی ورق­ها با سرعت بالا

۵۵

شکل­دهی ورق­ها با سرعت پایین

۵۵

 شکل­دهی ورق با گاز داغ

۶۶

شکل­دهی سریع ورق­های گرم شده

۶۹

شکل دهی به روش چکش آبی

۷۱

مراجع فصل اول

۷۲

فصل دوم: رفتار مواد در سرعت­های شکل­دهی بالا

۷۳

تاریخچه 

۷۷

انواع فرآیندهای شکل دهی فلزات در سرعت بالا

۸۰

اثر سرعت بالا بر فرم پذیری ورق ها

۸۱

طبقه بندی خواص مواد در سرعت های بالای تغییر فرم

۸۲

رفتار تغییر شکل فلزات در سرعت­های تغییر شکل مختلف در کشش ساده

۸۴

بررسی جنبه­های تکنولوژیکی و دیدگاه اقتصادی روش شکل­دادن سریع

۸۴

مزایای روش انفجاری طبق نظر بارون و کاستلو

۸۵

تأثیر مقدار خرج بر روی برگشت فنری

۸۶

تأثیر ضخامت قطعه روی برگشت ارتجاعی

۸۶

تأثیر محیط انتقال انرژی بر روی برگشت فنری

۸۶

مکانیزم انتقال انرژی از محیط واسط

۸۶

نظریه انتشار کرنش پلاستیک ناشی از بارهای ضربه ای

۸۷

تفاوت انفجار مخلوط های گازی و مواد منفجره جامد و مایع

۸۹

پدیده دتونیشن

۹۰

موج شوک

۹۰

پیشروی موج شوک در فرایند انفجار

۹۱

پیشروی موج شوک در قطعه کار

۹۱

رفتار نوسانی حباب گاز

۹۲

مراجع فصل دوم

۹۳

فصل سوم: شکل دهی انفجاری

۹۵

مقدمه

۹۶

تاریخچه

۹۶

مواد منفجره

۱۰۴

تعیین میزان و مکان و نوع ماده­ی منفجره

۱۰۶

تنوع روش های شکل دهی انفجاری

۱۰۸

شکل دهی به روش استقرار در فاصله

۱۰۸

شکل دهی به روش تماس

۱۰۸

سیستم های شکل دهی هوایی و آبی

۱۰۹

سیستم های شکل دهی با قالب و بدون قالب

۱۰۹

سیستم های شکل دهی باز و بسته     

۱۱۲

فرایند انفجار مواد منفجره

۱۱۳

مراحل شکل دهی انفجاری

۱۱۵

امواج تنش حاصل از انفجار

۱۱۷

موج کرنش

۱۱۷

انواع موج کرنش

۱۱۷

انعکاس و بر هم نهشت امواج

۱۱۷

نمونه­هایی از دستگاه­های شکل­دهی انفجاری

۱۱۹

عوامل مؤثر در طراحی دستگاه شکل­دهی انفجاری

۱۲۰

دستگاه های شکل­دهی لوله‌های فرم­دار

۱۲۲

دستگاه فرم­دهی لبه­ای ورق به روش شکل­دهی انفجاری

۱۲۷

مراجع فصل سوم

۱۲۹

فصل چهارم: شکل­دهی الکتروهیدرولیکی

۱۳۱

مقدمه

۱۳۲

محصولات تولید شده به روش الکتروهیدرولیک

۱۳۴

ساخت لوله­های فرم­دار

۱۳۴

ساخت اتصال گوی­وکاسه­ای

۱۳۵

ساخت بشکه­های حامل­ مایعات

۱۳۹

ساخت بشقاب فلزی

۱۴۱

بهینه­سازی دستگاه­های شکل­دهی الکتروهیدرولیکی

۱۴۲

مراجع فصل چهارم

۱۵۲

فصل پنجم: شکل­دهی الکترومغناطیسی

۱۵۳

مقدمه

۱۵۴

ملاحظات تکنیکی فرآیند شکل­دهی الکترومغناطیسی

۱۵۷

مشخصات قطعه­کار

۱۵۷

سیم­پیچ­ها

۱۵۷

جنس قالب

۱۶۱

ذخیره و کنترل انرژی

۱۶۱

معایب و مزایای روش شکل­دهی مغناطیسی

۱۶۲

کاربرد روش شکل­دهی الکترو مغناطیسی در صنعت اتومبیل­سازی

۱۶۳

شکل­دهی فلزات با استفاده از ادغام روش الکترومغناطیسی و الکتروهیدرولیکی

۱۶۷

مثال­هایی از شکل­دهی ورق­های آلومینیومی به روش الکترومغناطیسی

۱۶۸

مراجع فصل پنجم

۱۷۴

فصل ششم: فرایند شکل دهی انفجاری فلزات به روش مخلوط گازها

۱۷۵

مقدمه

۱۷۶

احتراق

۱۷۷

سرعت شعله در مخلوط گازی

۱۷۹

انفجار گاز

۱۷۹

تشکیل موج شوک (موج ضربه)

۱۸۰

معادلات حاصل از فرایند انفجار

۱۸۱

نقطه چاپمن - ژوگت

۱۸۲

فاصله القایی در انفجار

۱۸۳

عوامل مؤثر روی طول القاء

۱۸۴

نمونه­هایی از دستگاه­های تولید قطعات به روش انفجار گازی

۱۸۵

مراجع فصل ششم

۲۰۰

 

 

تشکر و قدردانی

     خداوند سبحان را شکرمی گوییم که به ما توفیق  داد تا این کتاب را به پایان برسانیم.

پیشکش به

والاترین ستاره انتظار اباصالح المهدی

و تقدیم به

پدر و مادر عزیز  و مهربانم

آنان که راستی  قامتم در شکستگی  قامتشان تجلی  یافت.  در برابر  وجود گرامیشان زانوی ادب بر زمین می نهم و با دلی  مملو از عشق و محبت بر دست پرمهرشان بوسه می زنم.

 

حمید منتظرالقائم

 

 

 

 

فصل اول

 

 

انواع روش­های

 شکل­دهی فلزات

 

 

 

 

 

 

 

 

 

مقدمه

فرآیند شکل­دهی فلزات یکی از انواع فرآیندهای تولید می­باشد. در این فرآیند فلز در اثر اعمال نیرو و ایجاد تغییر شکل مومسسان به یک شکل نهایی مورد نظر­می­رسد. برای شکل­دهی فلزات طبقه­بندی­های متنوعی در نظر گرفته ­شده­است، از یک نظر بر اساس میزان حجم ماده­ شکل گرفته، عبارتست از:

الف) شکل­دهی ورق، مانند کشش عمیق و خمکاری(Sheet Metal Forming)

 ب) شکل­دهی حجمی، مانند آهنگری و نورد   ( Bulk Forming)

در فرآیند شکل­دهی ورق یک تغییر شکل مومسان بر روی ورق مسطح ایجاد شده و یک قطعه با شکل خاص به­وجود می­آید. این تغییر شکل مومسان در اثر اعمال نیروی خارجی بر روی ورق فلزی ایجاد می­گردد. نیروی خارجی اعمال شده باید به اندازه کافی بزرگ باشد تا ماده را وارد ناحیه پلاستیک کرده و بعد از برداشتن نیرو از روی ورق تغییر شکل دائمی در آن به­وجود آورد. انواع فرآیندهای کشش عمیق، خمکاری و... از این نوع شکل­دهی هستند.[۱]

در فرآیندهای شکل­دهی ورق، اکثر تنش های موجود در قطعه، تنش­های کششی است، در حالیکه فرآیندهای شکل­دهی حجمی اغلب تنش ها فشاری هستند.

همچنین روش های شکل­دهی فلزات را از نظر تفاوت در میزان سرعت تغییر شکل، می­توان به صورت زیر تقسیم­بندی نمود:

۱-روش­های شکل­دهی با سرعت بالا

۲-روش­های شکل­دهی با سرعت معمول

۳-روش­های شکل­دهی با سرعت پایین

در ادامه به بررسی بیشتر این روش­ها پرداخته شده­است.

 

۱-۱ شکل­دهی حجمی فلزات

شکل­دهی حجمی فلزات به مواردی اطلاق می­شود که یک حجم زیادی از فلز بر اثر اعمال نیروها تغییر شکل داده و به فرم نهایی تبدیل شود. از جمله این روش­ها می­توان به مواردی چون اکستروژن، آهنگری و نورد اشاره نمود. در ادامه هر یک از روش­های ذکر شده، معرفی می­گردند.

 

 

 

۱-۱-۱ اکستروژن­[۱]

اکستروژن یک پروسه­ی شکل­دهی حالت پلاستیک است که ماده تحت فشار بالا، از داخل قالب مخصوص عبور می­کند و باعث کاهش سطح مقطع قطعه شده و به شکل نهایی تبدیل می­شود. برای اکثر فلزات، اکستروژن برای ساخت شافت­های استوانه­ای و لوله­های توخالی به­کار می­رود. همچنین می­توان از این روش برای شکل­دهی فلزات داکتیل (چکش خوار) مانند آلومینیوم و مس که معمولاً دارای پروفیل­های پیچیده و نامنظمی هستند استفاده کرد.  در شکل ۱-۱ نمونه ای از قطعه تولید شده با این روش نمایش داده شده­است.

 


شکل ۱-۱ نمونه ای از یک قطعه  اکسترود شده [۲]

 

فرایند اکسترود معمولاً در دماهای بالاتر از نقطه خمیری شدن انجام می­شود زیرا مقاومت تسلیم و نهایی ماده در دماهای بالا کاهش­می­یابد و با نیروی­کمتری بدون ایجاد تنش­های­پسماند، شکل­می­گیرد. در طول عملیات، ماده خام فلزی توسط نیروی پرس هیدرولیک از داخل قالب رد می­شود و به­طور پیوسته فلز شکل می­گیرد و طول آن افزایش یافته و سطح مقطع آن به شکل نهایی تبدیل می­شود.

روش­های شکل­دهی اکستروژن به دو صورت زیر وجود دارد:    

۱-   اکستروژن مستقیم

۲-   اکستروژن غیر مستقیم                                                                                             

در­روش اکستروژن مستقیم ماده خام فلزی در محفظه مخصوص اکستروژن در یک پرس قرار­می­گیرد، پرس برروی ماده خام فشار وارد می­کند و در نتیجه فلز مستقیما از داخل قالب عبور می­کند. این روش در شکل ۱-۲ نمایش داده شده­است.

در حالت غیر مستقیم میز پرس قالب را نگه داشته است و آن را بر روی ماده­ی خام فشار می­دهد تا ماده­ی خام از قالب عبور کند. در شکل ۱-۳ روش اکستروژن غیر مستقیم نمایش داده شده­است.

فرآیند اکستروژن در درجه­ی اول برای شکل­دهی گرم فلزات غیرمغناطیسی مانند آلومینیوم و مس استفاده می­شود ولی می­توان با به­کار بردن روانکارهای مناسب، فلزات آهنی و فولادی را نیز در حالت گرم اکسترود کرد.

 

۱-۱-۲ آهنگری[۲]

در عملیات آهنگری یا فورج، ماده توسط فشار ناشی از چکش یا پرس هیدرولیک به شکل مورد نظر تبدیل می­شود. در اکثر موارد فلزات، در حالت گرم تحت عملیات فورج قرار می­گیرند، فورج سرد نیز در بعضی از موارد به­کار می­رود. در مجموع دو روش فورج وجود دارد: فورج با استفاده از پرس و فورج با استفاده از چکش (ضربه­ای).


 شکل ۱-۴  نمونه­ای از محصولات روش آهنگری سرد و گرم[۴]

 

در فورج با چکش، ضربات چکش به­طور متوالی و یا­در یک ضرب، به سطح قطعه­کار برخورد می­کند ولی در فورج با استفاده از پرس فلز به­ طور آهسته تحت نیروی پرس تغییر شکل می­دهد.

عملیات فورج می­تواند به دو صورت قالب باز و قالب بسته انجام می­شود.

در حالت قالب بسته مطابق با شکل ۱-۵، ماده بین دو قسمت بالایی و پایینی قالب که هر کدام شکل مخصوص و مطلوب خود را دارند، قرار می­گیرد و پس از اعمال فشار، به شکل قالب­ها تبدیل می­شود.


شکل ۱-۵ آهنگری قالب بسته [۳]

 

در حالت قالب باز عملیات فورج، بین دو قسمت قالب (برای مثال دو نیم استوانه )، صورت می­گیرد. در این حالت ماده بین قالب­ها محدود نمی­شود. عملیات فورج قالب باز معمولاً برای تولید قطعات حجیم مانند شافت­های بزرگ فولادی به­کار برده می­شود.


شکل ۱-۶ آهنگری قالب باز [۳]

 

  در هنگام قرار دادن ماده­ی خام بین دو قسمت قالب باید توجه داشت که حجم فلز معین و تنظیم شده­ای را بین دو قسمت قالب قرار داد. البته اگر حجم ماده خام بیشتر باشد، ماده از طریق مسیر زوائد ((flash که در قالب تعبیه شده­است، به بیرون رانده می­شود.

در ادامه توضیح مختصری در مورد سایر روش­های آهنگری آورده شده­است.

 

 

 

الف- آهنگری شعاعی[۳]

در این روش، آهنگری توسط چند قالب محیطی صورت می­گیرد، به این صورت که مطابق شکل ۱-۷ قالب­ها به صورت شعاعی در اطراف ماده خام قرار می­گیرند و به طور هماهنگ به فلز نیرو واردمیکنند. این روش برای تولید قطعات دوار که دارای مرکز تقارن در امتداد طول هستند، به­کار می­رود.­

  

شکل ۱- ۷  آهنگری شعاعی] ۳[

ب- آهنگری هاب[۴]

در این روش ماده خام توسط ضربه­ی سنبه به شکل نهایی تبدیل می­شود. در واقع در این روش، کف سنبه تمام ماده خام را دربرنمی­گیرد بنابراین فقط می­تواند قسمتی از ماده خام را تغییر شکل دهد. آهنگری هاب به دو روش با محفظه و بدون محفظه  به­کار برده می­شود که در شکل ۱-۸  نشان داده شده­است.


شکل ۱- ۸  آهنگری هاب ] ۳[

 

ج‌-              آهنگری هم­دما[۵]

در این روش دمای قطعه خام و قالب یکسان است، بدین ترتیب می­توان برای شکل­دهی آلیاژهای آلومینیوم و تیتانیوم از این روش استفاده نمود (شکل ۱-۹).


شکل ۱- ۹  آهنگری هم­دما ] ۳[

د‌-  آهنگری چرخشی[۶]

در این روش قالب بالایی چرخان است بدین صورت که حول محور تقارن خود با یک سرعت معینی می­چرخد، قالب پایینی حرکت چرخشی ندارد ولی دارای حرکت خطی رو به بالا است. بدین ترتیب قطعه خام در بین دو قالب تدریجاً به شکل نهایی خود تبدیل می­شود. روشن است که برای انجام این پروسه نیاز به یک پرس مخصوص است. مراحل این روش در شکل ۱-۱۰ نشان داده شده­است. به کمک این روش می­توان قطعات دوار همانند رینگ اسپرت اتومبیل و برخی از انواع چرخدنده را تولید نمود (شکل۱-۱۱).


شکل ۱- ۱۰  آهنگری چرخشی ] ۴[

 

        

شکل ۱- ۱۱ محصولات تولید شده به روش آهنگری چرخشی ] ۴[

ه-  آهنگری پودری[۷]

در این روش قطعات پیش فرمی که از پودر فلز زینتر شده، ساخته شده­­اند را فورج می­کنند. این کار توسط یک قالب آهنگری بسته مطابق شکل ۱-۱۲ انجام می­شود.


شکل ۱- ۱۲  آهنگری پودری ] ۳[

 

۱-۱-۳  نورد[۸]

نورد سرد و گرم یکی از  روش­های مرسوم برای تولید ورق از فلزات و آلیاژهای مختلف است. ورق ایده آل در این روش بایستی ورق طویل با عرض و ضخامت یکسان و با جهت نورد و دانه­بندی موازی ­باشد.

در نورد گرم فولاد، پس از اینکه تختال حرارت دیده از داخل کوره پیشگرم بیرون می­آید به زیر غلتک­های مختلفی می­رود. معمولاً سه بار از زیر غلتک­های سنگین (Roughing) و حدود شش یا هفت بار از زیر غلتک­های سبک (Finishing) رد می­شود.

در حین عبور از غلتک­های سنگین، کاهش ضخامت و افزایش طول زیادی در ورق صورت می­گیرد مطابق شکل ۱-۱۳، و در حین این عملیات عرض ورق هم توسط غلتک های جانبی کنترل شود. بعد از نورد سنگین، ورق وارد نورد سبک می­شود. در این مرحله ورق توسط نازل­های پاشش آب خنک­تر و به ضخامت نهایی مورد نظر می رسد و در ضمن طول ورق هم علاوه برعرض آن در این­مرحله کنترل­می­شود.

 

  شکل ۱-۱۳ کاهش ضخامت ورق به هنگام نورد] ۵[

 

درشکل ۱-۱۴ قفسه های خط نورد مورد استفاده در کارخانجات فولاد سازی به­منظور کاهش ضخامت ورق آورده شده­است.


  شکل ۱-۱۴ قفسه های خط نوردگرم

در نورد سرد، قبل از اینکه ورق وارد این پروسه شود، تحت عملیات آنیل، قرار می­گیرد تا تنش­های پسماند آن از  بین رود. هدف از نورد سرد دستیابی به ضخامت مطلوب و سطح دلخواه است. در هنگام نورد سرد به علت انجام عملیات کار سختی که برروی ورق انجام می­شود، استحکام آن بالاتر می­رود و همچنین ترک­های موجود در سطح آن گرفته می­شود.

 

۱-۲ شکل­دهی ورق­های فلزی

بسیاری از قطعات صنعتی از ورق­های فلزی تشکیل شده­اند که هر یک به طریقی شکل گرفته­اند، برخی از آنها خم شده، برخی دیگر کشیده شده و بسیاری از آنها تحت عملیات مختلف برشکاری، سوراخ­زنی­، اتوکاری و غیره قرار گرفته­اند. یکی از معضلاتی که در برابر شکل­دهی ورق­های فلزی وجود دارد، خاصیت برگشت فنری[۹] ورق­ها است که باید برای مقابله با آن تدابیر ویژه­ای را در نظر گرفت. با مقدمه­ای که بیان شد می­توان به اهمیت شکل­دهی ورق­های فلزی در صنعت اشاره کرد. در ادامه چندین روش به­منظور شکل­دهی ورق­ها بیان شده­است. همچنین شکل­دهی لوله­ها نیز مورد بررسی قرار گرفته است.  

 

۱-۲-۱ خمکاری ورق­های فلزی

خمکاری یک عملیات تغییر شکل پلاستیک است که در آن ورق دارای تغییر شکل دلخواه و دائمی می­شود. در حین این تغییر شکل، تنشی که به ورق فلزی وارد می­شود بیشتر از حد تسلیم آن است ولی باید توجه داشت که این تنش از میزان تنش نهایی جسم افزون­تر نشود.

روش کار به این صورت است که ورق در یک قالب خمکاری قرار می­گیرد و بوسیله گیره­هایی گرفته شده و با پایین آمدن پرس  ورق به شکل نهایی خم می­شود. خمکاری حول یک محور انجام می­شود که تار خنثی نام دارد.

خمکاری معمولاً با پرس­های مخصوص از ۲ تا ۲۰۰ تن انجام می­گیرد یک نمونه از این پرس­ها در شکل ۱-۱۵ نشان داده شده­است. این پرس­ها قابلیت­های متفاوتی دارند و به “Press-Brake” معروفند. این پرس­ها می­توانند ورقی تا طول شش متر را در یک مرحله خم کنند.

 


 


شکل ۱-۱۵ پرس­­های خمکاری

 



[۱]Extrusion

[۲] Forging

[۳] Radial forging

[۴] Hobbing

[۵] Isothermal Forging

[۶] Rotary forging

[۷] Powder Metal Forging

[۸] Rolling

[۹] Springback

 

جستجو

برای استفاده از تمامی مطالب ، لطفا با نام کاربری خود وارد شوید:

برخی از مطالب این سایت به دلیل حجم بالای آن ها، فقط در اختیار اعضای سایت قرار می گیرد.