جلسه دفاع از رساله دکتری

 

 

عنوان:

شکل‌دهی نموی ورقی گرم دو آلیاژ سبک

 

 

استاد راهنما:

دکتر فرامرز فرشته صنیعی

 

 

داوران:

دکتر حشمت‌اله حقیقت

دکتر رحمن سیفی

دکتر حامد دیلمی

 

 

ارائه دهنده:

حسین خزاعلی

 

 

سه شنبه 95/11/26 ساعت 10:30

آمفی تئاتر دانشکده مهندسی

 

چكيده:

شکل‌دهی نموی به‌دلیل عدم نیاز به قالب پیچیده و گران‌قیمت و انعطاف‌پذیری بالا از روش‌های مورد توجه مهندسین در شکل‌دهی ورقی می‌باشد. اما برای استفاده از این روش در شکل‌دهی آلیاژهای سبک و پرکاربردی مانند تیتانیم Ti-6Al-4V و منیزیم AZ31 که هدف مطالعه‌ی پیش‌ رو است، نیاز به گرم کردن فلز است زیرا این آلیاژها در دمای اتاق شکل‌پذیری خوبی ندارند. مطالعاتی بر روی شکل‌دهی نموی این آلیاژها انجام شده اما در هیچ‌کدام به‌طور جامع و با تحلیل‌های کمی اثر عوامل مؤثر در فرایند چون دمای‌اولیه، گام عمودی و قطر ابزار بررسی نگردیده است. در پژوهش حاضر، اثر این عوامل با انجام آزمایش‌های فاکتوریل کامل بر روی دمای نهایی ورق، عمق کشش و نمودارهای حد شکل‌پذیری پس از وقوع شکست در قطعه، مطالعه گردیده است. به‌علاوه با انتخاب مناسب چند آزمایش از آزمایش‌های انجام شده به تحقیق بر روی برگشت فنری، کاهش ضخامت، ریزساختار و سختی ماده پرداخته شد. به‌دلیل تعداد زیاد آزمایش‌ها در این پژوهش ابتدا به‌منظور کاهش هزینه‌ها شکل‌دهی یک هندسه‌ی ساده و کاربردی که شامل ایجاد یک شیار بر روی ورق است، انتخاب گردید. سپس روش‌ طراحی آزمایش تاگوچی با استفاده از نتایج آزمایش‌های فاکتوریل کامل به محک گذاشته شد و در نهایت پس از اطمینان از کارایی این روش در تحقیق حاضر، از این روش در شکل‌دهی گرم مخروط ناقص با زاویه‌ی جداره‌ی متغیر از جنس تیتانیم استفاده گردید. این هندسه‌ی جدید با تغییر زاویه‌ حین آزمایش، نیاز به شکل‌دهی مخروط‌های مختلف برای یافتن بیش‌ترین زاویه‌ی جداره‌ی قابل حصول را برطرف نمود. به‌علاوه بهره گرفتن از روش تاگوچی به کاهش تعداد آزمایش‌ها و هزینه‌ها کمک شایانی نمود. نتایج نشان داد که در شکل‌دهی شیار فلز تیتانیم به‌دلیل مقاومت بالا نسبت به تغییرشکل و اصطکاک زیاد بین ابزار و ورق، دمای نهایی نسبت به منیزیم افزایش چشم‌گیری داشت. روابط کمی به‌دست آمده از نتایج آزمایش‌های کامل نشان داد که اثرگذارترین عامل در دمای نهایی و عمق کشش برای تیتانیم به ترتیب قطر ابزار و گام عمودی و برای منیزیم در هر دو حالت دمای اولیه‌ی ورق بود. این یافته‌ها توسط تحلیل واریانس داده‌ها نیز تأیید شد. بررسی دو معیار نمودارهای حدی و کاهش ضخامت در دو فلز نیز نشان داد که همواره افزایش دمای اولیه‌ی ورق به‌دلیل نرم‌تر شدن ورق، قابلیت شکل‌پذیری را بالا می‌برد. افزایش گام عمودی از یک طرف سبب بالاتر رفتن دمای نمونه و نرم‌تر شدن آن به‌دلیل اعمال کرنش بیش‌تر در هر مسیر به ورق و مقاومت آن به تغییرشکل می‌گردد و از طرف دیگر به‌دلیل اعمال تغییرشکل بیش‌تر در هر مسیر به ورق، وقوع ترک را تسریع می‌بخشد. ابزار بزرگ‌تر نیز به‌دلیل سطح تماس بیش‌تر با ورق و افزایش اصطکاک، حرارت را بالا برده و ورق را نرم‌ می‌کند و از طرف دیگر به‌دلیل کاهش تمرکز کرنش، منجر به پارگی زودرس در ورق می‌شود. بنابراین عامل غالب تعیین کننده‌ی نتیجه است. البته برای منیزیم در دمای بالاتر از 160 درجه‌ی سانتی‌گراد به‌دلیل فعال شدن سطوح لغزشی، جهشی در کشیدگی و نرم شدن ماده مشاهده گردید. در آزمایش‌های مخروط ناقص تیتانیم به‌دلیل سطح تماس کم‌تر ابزار و ورق نسبت به آزمایش شیار افزایش دمای کم‌تری مشاهده شد. اصلی‌ترین عامل مؤثر بر روی نتایج عمق کشش، نمودارهای حدی و کاهش ضخامت، قطر ابزار و بر روی دمای نهایی، دمای اولیه‌ی ورق بود. عمق کشش در آزمایش مخروط ناقص، برخلاف آزمایش شیار نتایجی شبیه به آن‌چه در نمودارهای حدی و کاهش ضخامت بود نشان داد زیرا عمق کشش با زاویه‌ی جداره و درنتیجه با ضخامت قطعه رابطه‌ی ریاضی داشت. بنابراین به‌دلیل راحتی اندازه‌گیری عمق کشش می‌توان از آن در شکل‌دهی مخروط ناقص به عنوان قابلیت شکل‌پذیری استفاده نمود. برگشت فنری نیز در این دو فلز تحت تأثیر خمش پلاستیک، دمای قطعه و میزان تغییرشکل پلاستیک بود. برای آزمایش با بیش‌ترین مقادیر دمای اولیه و قطر ابزار برگشت فنری برای هر دو فلز کاهش یافت. اما افزایش گام عمودی در تیتانیم افزایش برگشت فنری و در منیزیم کاهش آن را دربر داشت. همچنین ریزساختار تیتانیم کشیدگی دانه‌ها و سختی سنجی آن، کارسختی انجام شده بر روی نمونه‌ی شکل‌دهی شده را نمایش داد. اما در منیزیم برای دمای بالاتر از 160 درجه‌ی سانتی‌گراد، گردنبندی شدن و تبلور مجدد مشاهده گردید که رفتار ماده را در نتایج مختلف توجیه می‌کرد. در شبیه‌سازی آزمایش شیار تیتانیم، نیروهای عمودی وارد بر ابزار بیش‌ترین مقادیر را در بین نیروها نشان داد که با افزایش قطر ابزار و گام عمودی بالا رفته و با افزایش دمای اولیه‌ی ورق پایین آمد. همچنین می‌توان دریافت که دمای کاری ورق نیز در نیروهای شکل‌دهی نقش بسزایی دارند و میزان اثر عوامل مختلف در دمای پایین و بالا متفاوت است.

 

واژه­های کلیدی: شکل دهی نموی گرم، آلیاژهای سبک، تیتانیم Ti-6Al-4V، منیزیم AZ31، متغیرهای فرایند.

 

 

Abstract:

     Incremental sheet metal forming is one of the popular manufacturing methods in which it is possible to eliminate the forming die. However, in order to form the practical lightweight alloys such as titanium Ti-6Al-4V and magnesium AZ31 which do not have good formability at the room temperature, the sheet heating is needed. Although some researches are conducted using this technique, a comprehensive and a quantitative analysis on the effects of process parameters such as initial temperature of the sheet, vertical pitch and tool diameter are not carried out yet. The present investigation is concerned with the effects of these parameters on final sheet temperature, drawing depth and forming limit diagrams after fracture occurance using full factorial experiments. Moreover, using appropriate selective experiments, spring-back, thickness reduction, metallography and hardness of the specimens are studied. To reduce the time and costs involved for the investigation, the groove test which is simple and requires small specimens is employed. The full factorial experiments are examined using Taguchi method which is a design of experiment method. Afterwards, a truncated cone geometry with continuously varying wall angle is formed using Taguchi method. Because of special geometry of this frustum, there is no need to form many truncated cone with constant wall angel to investigate the formability of the sheet. Using this particular geometry together with the Taguchi method, further reductions in the number of the experiments, amount of necessary materials and the time involved were obtained. Based on the results of the titanium groove tests, the final temperature of the workpiece is increased in comparison with the magnesium groove tests. The reasons were the high interfacial friction between the tool and the sheet and a higher resistance to thinning. The quantitative relations obtained from full factorial experiments show that the most effective parameters on the final temperature and drawing depth are respectively the tool diameter and vertical pitch for titanium, and initial temperature for magnesium. The analysis of variance (ANOVA) also confirmed these findings. Studying the forming limit diagrams and thickness reduction for both metals illustrated that an increase in the initial temperature of the sheet, resulted in formability growth for both metals because of material softenning. The vertical pitch growth redounded in temperature increase and materials softening due to applying higher strain to the sheet during a pass. On the other hand, by imposing more deformation to the specimen in each pass, crack is happened earlier. Moreover, the bigger the tool, the more interfacial friction and heat generation is provided due to higher contact area between the tool and the workpiece. However, strain concentration is reduced with tool diameter increase which means the fracture is happened earlier. Therefore, the predominant parameter is more effective. It is worthy to mention that the behavior of magnesium alloy considerably changed at a temperature about 160 °C because more slip planes were activated and a better formability was provided. In truncated cone forming for titanium, less temperature rise was observed compared with the groove test for this alloy. The most effective parameter on drawing depth, forming limit diagram and thickness reduction was the tool diameter. This main factor was the initial temperature for the final temperature as the outcome. Unlike the groove test results, the drawing depths for taruncated cone experiments resulted in similar outputs represented by the forming limit and thickness reduction. The reason was that these three criteria for sheet stretch were related with mathematical relations in the truncated cone. Therefore, it is easier to use the drawing depth as the formability index of the sheet in incremental forming of the truncated cone. Moreover, the spring-back was affected by the workpiece temperature and its plastic deformation. For the experiments with greatest amounts of initial temperature and tool diameter, the spring-back is reduced for both the alloys. However, vertical pitch growth in titanium and magnesium alloys, provided more and less spring-back, respectively for these materials. Studing the microstructure of the titanium alloy showed that the grains of the deformed part were more elongated and quite smaller than those of the as-received alloy. In addition, a larger hardness was observed for the deformed part due to strain hardenning of the material. However, based on the metallography of several groove test samples for magnesium alloy, it was found that microstructure change during the process, predominantly depended on the actual temperature of the workpiece, such that necklace formation and dynamic recrystallization started and evolved at temperatures about 160 ^oC. Finally, using finite element simulations, reaction forces imposed to the tool were investigated in this research. It was found that these forces increased where tool diameter and/or vertical pitch grew. However, the temperature of the workepice during the forming process certainly affected the forming forces.

 

Key Words: Warm incremental forming; Lightweight alloys; Ti-6Al-4V; AZ31; process parameters.

 

 

 

 

Resume

Mechanical Engineering

 

Hossein Khazaali

2016