عنوان پایان‌نامه
تحلیل تئوری و تجربی فرآیند شکل دهی تدریجی ورق فلزی به کمک ارتعاشات اولتراسونیک
- رشته تحصیلی
- مهندسی مکانیک- ساخت و تولید
- مقطع تحصیلی
- دکتری تخصصی PhD
- محل دفاع
- کتابخانه مرکزی پردیس 2 فنی شماره ثبت: 2970;کتابخانه مرکزی -تالار اطلاع رسانی شماره ثبت: 69032
- تاریخ دفاع
- ۲۲ تیر ۱۳۹۴
- دانشجو
- مهدی وحدتی
- استاد راهنما
- رمضانعلی مهدوی نژاد
- چکیده
- ظهور فن آوری های نوین توانسته است بسیاری از معضلات موجود در مسیر ساخت و تولید قطعات پیچیده را از میان بردارد و موجب کاهش زمان و هزینه های تولید شود. در این میان، فرآیند شکل دهی تدریجی به عنوان روشی جدید برای نمونه سازی سریع و تولید محصولات در حجم کوچک، معرفی شده است. مکانیزم این فرآیند بر اساس تغییرشکل موضعی میباشد و در طی آن، ورق با استفاده از ابزار سَرنیمکروی و مطابق مسیر تعریف شده در کنترلر ماشین فرز CNC، شکل دهی می شود. از سوی دیگر، یافته های محققان نشان می دهد که به کارگیری ارتعاشات اولتراسونیک در فرآیندهای شکل دهی، مزایای کمی و کیفی قابل ملاحظه ای به همراه دارد. تأثیرات سودمند ارتعاشات اولتراسونیک ناشی از دو مکانیزم مهم می باشد: تأثیر حجمی و تأثیر سطحی. تأثیر حجمی مرتبط با تغییر خواص ماده در طی فرآیند شکل دهی و تأثیر سطحی در ارتباط با تغییر شرایط اصطکاکی در حین شکل دهی نمونه می باشد. در این پژوهش، فرآیند شکل دهی تدریجی تک¬نقطه¬ای به کمک ارتعاشات اولتراسونیک که به اختصار UVaSPIF نامیده می شود، توسعه داده شد. بدین منظور، تأثیر ارتعاشات اولتراسونیک بر مکانیزم فرآیند شکل دهی تدریجی و رفتار مولفه ی عمودی نیروی شکل دهی در فازهای تئوری، عددی و تجربی مورد مطالعه و مقایسه قرار گرفت. نتایج حاصل از تحلیل تئوری نشان داد که تحت شرایط یکسان از ویژگی های مکانیکی، هندسی و ابعادی ماده، کاهش نیروی کشش و کاهش نیروی شکل دهی متناسب با دامنه ی ارتعاش می باشد. همچنین، کاهش نیروی کشش اِعمالی به ورق و کاهش نیروی شکل دهی را می توان ناشی از برهم نهی نیروهای نوسانی و استاتیکی دانست که منتج به نرم شدگی ماده می شوند. در ادامه، نتایج حاصل از تحلیل المان محدود نشان داد که افزایش دامنه ی ارتعاش موجب کاهش مولفه ی عمودی نیروی شکل دهی، کاهش نیروی اصطکاک، کاهش برگشت فنری و افزایش کرنش پلاستیک نمونه می شود. همچنین، تغییر شرایط اصطکاکی میان ابزار مرتعش و ورق فلزی، به عنوان موثرترین عامل در جهت بهبود مشخصه های کمی و کیفی فرآیند شکل دهی، معرفی شد. به منظور توسعه¬ی تجربی روش UVaSPIF، فرآیند طراحی و ساخت ابزار مرتعش با توجه به اصول و محاسبات تئوری و تحلیلی، انجام شد. نتایج حاصل از آزمون های تجربی نشان داد که تحریک اولتراسونیک ابزار شکل دهی موجب کاهش مولفه ی عمودی نیروی شکل دهی، کاهش برگشت فنری، افزایش کرنش پلاستیک و کاهش زبری سطح نمونه می¬شود. مطالعه¬ی تنش ناشی از اِعمال ارتعاشات اولتراسونیک نشان داد که برهم¬نهی تنش نوسانی و تنش استاتیکی، موجب تغییرشکل نمونه در تنش هایی کمتر از تنش تسلیم می شود. همچنین، با توجه به افزایش دمای ناشی از تحریک اولتراسونیک ابزار، ورق فلزی با مصرف نیروی کمتری، شکل دهی می شود. در پایان، تحلیل آماری و بهینه سازی عوامل موثر بر برگشت فنری و زبری سطح نمونه با استفاده از اصول طراحی آزمایش، به انجام رسید. بدین منظور، متدلوژی سطح پاسخ به عنوان روش طراحی آزمایش، انتخاب گردید. نتایج حاصل از آنالیز واریانس و تحلیل رگرسیون داده های تجربی، صحت و دقت معادلات رگرسیون را مورد تأیید قرار داد و نشان داد که عبارات خطی، سهموی و تعاملی از متغیرهای ورودی فرآیند، بر پارامترهای پاسخ موثر می باشند. همچنین، شرایط بهینه ی متغیرهای ورودی به منظور کمینه سازی برگشت فنری و زبری سطح با استفاده از روش مطلوبیت، تعیین شد و با اجرای آزمون صحه گذاری، به تأیید رسید. واژه های کلیدی: شکل دهی تدریجی، ارتعاشات اولتراسونیک، نیروی شکل دهی، برگشت فنری، کرنش پلاستیک، زبری سطح.
- Abstract
- Modern production requires manufacturing processes, which are flexible and adaptable in order to fulfill the requirements of new products. An important aspect of developing new products is the possibility to produce functional prototypes in a time and cost effective way. In case of sheet metal products, incremental sheet metal forming (ISMF) represents a reliable fabrication method for prototypes and small batch production. Incremental sheet metal forming is based on localized plastic deformation of a sheet metal using a hemispherical-head tool that follows the path programmed into the controller of a CNC milling machine. On the other hand, researchers have confirmed the useful effects of ultrasonic energy on the deformation behavior of metals and alloys. The effects of ultrasonic vibration on metal forming processes are attributed to two major effects: volume effect and surface effect. The volume effect is related to changes in material properties during deformation. The surface effect is related to changes in the frictional conditions during deformation. The main objective of this research is to develop the ultrasonic vibration assisted single point incremental forming (UVaSPIF) process. Therefore, the effect of ultrasonic vibration on the SPIF mechanism and behavior of vertical component of forming force were studied theoretically, numerically, and experimentally. Considering the same conditions of mechanical, geometrical, and dimensional properties of the material, the obtained results from theoretical analysis showed that the reduction of tension and forming force is proportional to the vibration amplitude. This effect was attributed to the superposition of oscillating and static forces, which leads to material softening. The results of finite element analysis showed that the increase in vibration amplitude cause to reduction of vertical component of forming force, friction force and spring-back. Also, an increase in plastic strain. Consequently, changes in the frictional conditions between the vibrating tool and sheet metal was introduced as the most effective factor to improve the quantitative and qualitative characteristics of forming process. In order to experimental development of UVaSPIF, the process of design and manufacture of vibrating tool was conducted according to the theoretical and analytical principles. The experimental results showed that the ultrasonic excitation of forming tool reduces the vertical component of forming force, the spring-back, and the surface roughness. Also, the plastic strain of sample increases. Stress analysis showed that the superposition of oscillating and static stresses cause to more sample deformation in the lower stress than the yield stress. In addition, due to the temperature increase caused by ultrasonic excitation of forming tool, the sheet metal is formed with less force consumption. Finally, statistical analysis and optimization of effective factors on the spring-back and surface roughness was performed based on design of experiments. For this purpose, response surface methodology was selected as the experiment design technique. The obtained results from analysis of variance and regression analysis of experimental data, confirm the accuracy of mathematical models. Furthermore, it is shown that the linear, quadratic, and interactional terms of the variables are effective on the spring-back and surface roughness. In addition, the optimized conditions of input variables were determined using desirability method, and statistical optimization was subsequently verified by conducting the confirmation test. Keywords: Incremental Forming, Ultrasonic Vibration, Forming Force, Spring-back, Plastic Strain, Surface Roughness
