مطالعه پارامتری فرايند نورد رزوه خارجی

[spow 44197]

در طراحي اكثر بخش‌هاي صنعتي و معروف دنيا، از اتصالات استفاده شده است. يك منبع صنعتي تخمين زده است كه اتصالات، حداقل يك‌درصد از قيمت فروش محصول نهايي را شامل مي‌شود. صنعت خودرو يكي از بزرگترين بازارهاي اتصالات است و معمولاً 2800 تا 3100 اتصال (پيچ و مهره) را در يك خودرو مصرف مي‌كند. در حالي كه كاربرد پلاستيك در كاربردهاي تحت تنش كم افزايش مي‌يابد، بيشتر اتصالات در محل‌هاي اتصالي كه نياز به باز شدن دارند، همچنان از فلزات و آلياژها ساخته مي‌شوند. اتصالاتي كه سطح خارجي آنها رزوه شده است و در اين كاربردها استفاده مي‌شوند، افزون‌بر 90 درصد از آنها از طريق نورد رزوه مي‌شوند.

رزوه كردن از طريق نورد رزوه‌اي، روش شكل‌دهي سرد يا ماشينكاري بدون براده است كه يك جفت قالب منطبق برهم، با جابجا كردن ماده، شكل رزوه را در سطح بيروني قطعه استوانه‌اي يا مخروطي ايجاد مي‌كند، بدون اينكه ماده‌اي تلف شود (شكل 1).

 

 

شكل 1: تغيير فرم و سيلان در فرايند نورد رزوه خارجي

با اينكه رزوه بيروني را مي‌توان با تراش و ماشينكاري ايجاد كرد، اتصالات داراي رزوه‌هاي نوردي، ترجيح داده مي‌شوند. دلايل اصلي اين امر عبارتند از هزينه كمتر، مصرف ماده كمتر و خواص مكانيكي بهتر. اينها نورد رزوه را به عنوان روشي رقابتي براي اتصال در مقادير زياد، معرفي كرده‌اند.

در حالي كه نورد يك رزوه به نوعي تكنولوژي ساخت تبديل شده است، طراحي فرايند بهينه‌سازي آن مبتني‌بر تجربه‌هاي كارگاهي است. گرچه تجارت صنعتي زيادي در مورد نورد رزوه وجود دارد، اما هنوز هم اطلاعات جزيي بوده و مدل‌هايي كه رفتار فرايند را كمّي كرده و پارامترهاي فرايند را به هم ارتباط دهند، ايجاد نشده است. به دليل فقدان شناخت لازم از پلاستيسيته و رفتار جريان ماده كه در هنگام نورد رخ مي‌دهد، قابليت صنعت اتصالات براي ايجاد فرايندهاي تكنولوژيكي پيشرفته و بهينه كردن قابليت اعتماد به رزوه‌هاي فعلي، محدود مي‌شود. همچنين فقدان مباني مهندسي دقيق براي نورد رزوه، كاربرد آن را تحت تأثير قرار داده است.

به دليل عدم قابليت تعيين ارتباط بين خواص رزوه و پارامترهاي فرايند، طرح‌هاي محصولاتي كه مبتني‌بر خواص مكانيكي و تنش‌هاي باقي مانده در رزوه نوردي هستند، كاملاً شناخته نشده‌اند. بنابراين براي ايجاد مدل‌هاي آناليتيكي در مورد رفتار فرايند و روش‌هاي علمي براي بهينه‌سازي خواص محصول، به كار بيشتري نياز است.

براي فهم بهتر چگونگي تأثير فرايندهاي پارامتر بر پروفيل رزوه و جريان فلز در حين نورد رزوه بيروني، مطالعه‌اي پارامتري در دانشگاه Marquette انجام شد كه تأكيد آن بر قطعات با قطر بزرگتر بود. به عنوان بخشي از اين مطالعه، ارتباط بين پارامترهاي فرايند، رفتار جريان ماده و پروفيل رزوه به كمك يك مدل كرنش صفحه‌اي دو بعدي برمبناي المان محدود بررسي شد. با اينكه مدلسازي سه بعدي نتايج صحيح‌تري به‌دست مي‌دهد، كاربرد مدل سه‌بعدي هنوز در عمل رايج نشده است، چون هميشه بر هزينه‌ها مؤثر نيست و نياز به زمان مهندسي و محاسباتي قابل توجه دارد. علاوه‌بر اين، در كاربرد مدل سه بعدي براي نورد رزوه، مشكلات اساسي پيش مي‌آيد كه به دليل سطوح تماس كوچك و تبديل و چرخش همزمان قطعه كار است. نتايج شبيه‌سازي دوبعدي، هر چند تقريبي، اجازه يك آناليز سودمند را مي‌دهد و نتايجي را فراهم مي‌كند كه براي درك مكانيكي جريان فلز و خواص رزوه نورد شده مفيد است. در اين مقاله، اثر تغييرات در نوع ماده، قطر، اصطكاك و هندسه رزوه، در حين نورد قطعات با قطر بزرگ ارائه مي‌شود. نتايج و يافته‌هاي حاصل از مطالعه پارامتري، به بهبود درك اثر پارامترهاي فرايند بر نورد رزوه و ايجاد مبنايي براي توسعه طراحي و بهينه‌سازي برنامه نورد به منظور رسيدن به سطح كيفي از پيش تعيين شده، كمك مي‌كند.

 

آناليز المان محدود براي نورد رزوه

در سال‌هاي اخير، براي آناليز و مطالعه رفتار تغيير شكل سرد نظير كشش سيم و اكستروژن از المان محدود به‌طور گسترده‌اي استفاده شده و نتايج آن در كنفرانس‌ها و مقالات زيادي ارائه گرديده است.

در مقابل، مطالعات اندكي در مورد شبيه‌سازي عددي نورد رزوه در دسترس است. گرچه در سال‌هاي اخير كارهايي برمبناي مدل‌هاي تغيير شكل كرنش صفحه‌اي دوبعدي انجام شده است. مارتين، براي درك بهتر اينكه نورد چگونه مقاومت به خستگي را بهبود مي‌بخشد، با استفاده از كامپيوتر كد MARC تنش‌هاي باقي مانده ايجاد شده در ريشه رزوه را مطالعه كرده است. يك مدل كرنش صفحه‌اي ديگر براساس كامپيوتر كد DEFORM و توسط Feng, Domblesky ايجاد شده و ارزيابي شده است. در حالي كه چند آناليز سه بعدي موجود است، يك شبيه‌سازي سه بعدي نورد قالب تخت توسط Domblesky و Feng ارائه شده كه در نتايج اوليه آناليز نورد تخت رزوه را نشان داد.

 

شرايط مطالعه پارامتري

به دليل شباهت در تغيير شكل، قالب تخت، قالب دايره‌اي و قالب كروي، در المان محدود دو بعدي ظاهري يكسان دارند. مي‌توان در نظر گرفت كه هر رزوه براثر فرو رفتن تدريجي indentor در سطح به‌وجود مي‌آيد. شكل كامل رزوه‌هايي كه ايجاد مي‌شوند از روي هندسه و فاصله indentorها در سطح قالب تعيين مي‌شوند. به خاطر محدوديت دو بعدي، اثر زاويه شيب و چرخش قطعه در مدل وارد نمي‌شود در اين مطالعه براي شبيه‌سازي المان محدود از برنامه DEFORM-PRO نسخه سوم، با قابليت‌هاي لاگرانژي، مش‌بندي مجدد كار سختي و اصطكاك لغزشي، استفاده شد. جزئيات فرمول‌هاي DEFORM در مراجع 9 تا 12 آمده و در اينجا تكرار نمي‌شود. ايجاد مدل كرنش صفحه‌اي مورد استفاده در مطالعه پارامتري و ارزيابي نتايج آن در مرجع 8 آمده و در اينجا به‌طور خلاصه مرور مي‌شود.

براساس نتايج حاصل از آزمايشات، مشخص شد كه فرايند نورد رزوه را در جايي كه فرض شود جريان فلز در جهت‌هاي شعاعي و طولي قطعه است و در جهت محيطي ناچيز مي‌باشد، مي‌توان به صورت مسئله كرنش صفحه‌اي دو بعدي، ساده كرد. در فرايند ارزيابي مدل، توزيع سختي، پروفيل رزوه در جريان فلز حاصل از آزمايشات با نتايج شبيه‌سازي مدل كرنش صفحه‌اي مقايسه شد. در مدل المان محدود DEFORM، پنج رزوه مدل شد و فرض شد كه قالب صلب است. به دليل شكل گوه‌اي نوك (دندان) در قالب نورد و سطح كوچك از مش‌بندي با چگالي بالا (3500 المان) در نزديك سطح قطعه استفاده شد تا از وضعيت نامناسب المان‌ها جلوگيري شود. چون از تعداد زيادي المان استفاده شده بود، زمان شبيه‌سازي قابل توجه بود و هر شبيه‌سازي به‌طور متوسط به سه ساعت زمان نياز داشت (از كامپيوتر پنتيومII با 333MHzCPU استفاده شد).

به دليل گستردگي استفاده از اتصالات فولادي، فولاد كم كربن (AIS1 1020) براي مطالعه انتخاب شد. قطر قطعه، اصطكاك هندسه رزوه و خواص مكانيكي ماده، پارامترهاي مهمي بودند كه در اين مطالعه مدنظر گرفته شدند. گرچه بخش اصلي پيچ‌هاي نوردي، قطر كوچك دارند (12.5 ميلي‌متر يا كمتر) پيچ‌هاي با قطر 25.4 ميلي‌متر و بزرگتر از آن بخش مهمي از بازار پيچ و كاربردهاي مهندسي را تشكيل مي‌دهد و تمركز اين مطالعه بر روي اين بخش است. خلاصه‌اي از شرايط كليدي فرايند كه در مطالعه پارامتري استفاده شده است در جدول (1) ارائه شده است.

 

 

جدول 1: مختصري از وضعيت فرايند مورد استفاده در مطالعه پارامتري

 

ابعاد ACME و شكل رزوه مورد استفاده در اين مطالعه را نشان مي‌دهد اين ابعاد براي ايجاد مدل‌هاي قالب نورد و تعيين شكل نهايي رزوه در آناليز هندسه رزوه استفاده شدند.

 

نتايج و بحث

در اين بخش، نتايج و يافته‌هاي مطالعه پارامتري ارائه مي‌شوند. براي تعيين اثر تغييرات يك پارامتر و ارزيابي اثر هر پارامتر در هر شبيه‌سازي، حداكثر كرنش مؤثر در ريشه و نوك رزوه و همچنين درصدي از كل ارتفاع به‌دست آمده، بررسي شد. در حالي كه خواص كناره (ديواره) رزوه فاكتور بحراني در تعيين عملكرد پيچ است، احساس شد كه مقايسه كرنش مؤثر در ريشه و نوك رزوه معيار بهتري براي تغيير شكل حاصل از نورد است و مبنايي عمومي براي مقايسه شرايط مختلف فرايند است.

 

شكل 2: ايجاد هندسي فرم‌هاي رزوه ACME و unified مورد استفاده در اين مطالعه

unified:b-ACME:a

آناليز مواد در نورد رزوه در سطح خارجي

از آنجا كه رزوه‌ها، با فرو رفتن قالب‌ها در قطعه تشكيل مي‌شوند، فرايند نورد رزوه در سطح خارجي (قالب تخت، دايره‌اي يا كروي) را تقريباً مي‌توان به صورت پرس كرنش صفحه‌اي قطعه كار با استفاده از يك جفت indentor گوه‌اي شكل موازي (نسبت به جهت‌هاي ديگر) رخ دهد، تغيير شكل ناچاراً تا مركز قطعه نفوذ مي‌كند تا پيوستگي حفظ شود و قطر از حالت دايره‌اي خارج نشود. فرض كرنش صفحه‌اي و جريان محيطي ناچيز، براساس اين مشاهدات است كه تغيير شكل شديداً ناهمگن است و به سطح و لايه زير سطحي مجاور رزوه‌ها محدود مي‌شود. اين موضوع با آزمايش متالوگرافي جريان (كشيدگي) دانه‌ها در پيچ نورد شده تأييد مي‌شود. كشيدگي دانه‌ها در شكل (3) نشان داده شده است.

روزه، به‌صورت طولي و از روي محور قطعه، بريده شده و پس از پوليش كردن در محلول نايتال 5 درصد، اچ شد. خطوط كشيدگي نشان مي‌دهد كه ماده در امتداد ريشه و ديواره‌هاي هر رزوه بشدت كشيده، فشرده شده است. در نزديكي نوك و داخل رزوه نيز دانه‌هاي كشيده شده‌اند، اما به موازات جهت فرورفتن قالب، آرايش گرفته‌اند (شكل 3) كه اين امر نتيجه فشرده شدن توسط ديواره‌ها براي پر كردن نوك رزوه است. فقدان تغيير شكل در زير سطح قطعه با آزمايش سختي قطعه نورد شده، تأييد شد و نشان داد سختي اصلي قطعه در زير رزوه‌ها، پس از نورد تغيير نكرده است.

 

شكل3 : الگوي سيلان دانه در يك رزوه نورد شده 5tpi

براي آناليز اوليه جريان ماده و پروفيل رزوه در حين نورد، نورد 5 رزوه (unified) يكنواخت در هر اينچ (5tpi) بر روي يك قطعه با قطر 61 ميلي‌متر به كمك مدل كرنش صفحه‌اي، شبيه‌سازي شد. براي مطالعه جريان ماده در نورد رزوه، بردارهاي سرعت در زمان‌هاي مختلف از فايل‌هاي داده‌هاي شبيه‌سازي به‌دست آمده و براي ردگيري جابجايي ماده و حركت آن در مقادير مختلف فرورفتن قالب در ماده، استفاده شد.

جهت هر بردار، جهت جريان در آن نقطه و طول آن، نشان‌دهنده سرعت است. بردارهاي سرعت به عنوان تابعي از فرورفتن قالب براي رزوه (5tpi) در شكل (4) نشان داده شده است. براساس بردارهاي سرعت، ايجاد پروفيل رزوه را مي‌توان به دو مرحله مختلف تقسيم كرد كه به عمق فروروي قالب بستگي دارد. در مرحله اول، ماده تشكيل دهنده هر روزه، تغيير شكل نيافته و ديواره‌هاي هر رزوه به‌طور مستقل از يكديگر شكل مي‌گيرند. تغيير شكل موضعي در مجاورت تماس بين سطح قطعه و دانه‌هاي قالب رخ مي‌دهد و جريان ماده در مرحله اول به‌وسيله ماده تغيير شكل نيافته اطراف آن محدود مي‌شود. هنگامي كه قالب در قطعه فرو مي‌رود، ماده روبه‌روي هر دندانه به پايين و به سمت مقابل فشار داده مي‌شود (شكل a4). ماده مجاور سطح آزاد در طرف مقابل هر دندانه، به طور افقي جابجا مي‌شود و تمايل دارد در امتداد ديواره‌هاي قالب به بالا بيايد و يك pile كوچك در طرف مقابل هر دندانه ايجاد كند. با ادامه فرو رفتن قالب (شكل c,b4) الگوي جريان اوليه در امتداد لبه دندانه حفظ مي‌شود و ماده بيشتري از قطعه تغيير شكل مي‌يابد و اندازه ناحيه تغيير شكل بزرگتر مي‌شوند. ايجاد سطح مقعر روي نوك هر رزوه مشخص است به خاطر ناحيه فلز مرده در درون هر رزوه است.

هنگامي كه تقريباً 50درصد از رزوه كامل مي‌شود، مرحله دوم تغيير شكل آغاز مي‌گردد. در آغاز مرحله 2 جابجايي ماده از نواحي كناري نزديك يا plies به سطح به‌طور همزمان انجام مي‌شود. (شكل 4d). چون رزوه‌هاي مجاور، با جريان افقي (جهت z) مقابله مي‌كنند ادامه فرو رفتن قالب باعث اكستروژن جانبي فلز مرده در داخل هر رزوه مي‌شود. در اين مرحله، نوك رزوه‌ها شروع به صاف شده مي‌كند و كمتر مقعر است. در 90درصد از فرو روي كامل قالب (شكل d4) جريان رو به بالاي مواد (جهت r) محدود مي‌شود و حركت بيشتر قالب باعث افزايش جابجايي مواد به درون قطعه مي‌شود و حركت رو به بالا براي پر كردن نوك رزوه كمتر مي‌شود. چو فشار لازم براي اينكه نوك رزوه كاملاً پر شود (100% فروروي indentor) بسيار زياد است و باعث شكستن قالب مي‌شود، در عمل رزوه با نوك پر به ندرت به‌دست مي‌آيد و معمولاً قبل از فروروي كامل قالب، نورد متوقف مي‌شود.

براساس مراحل جريان ماده در شكل (4)، مشخص مي‌شود كه بايد به سطح تماس محدود بين قالب نورد و سطح قطعه توجه كرد. براساس اينكه نورد رزوه مسئله كرنش صفحه‌اي با چند دندانه است، پهنا يا فاصله بين دندانه‌ها بر روي قالب و قطر قطعه پارامترهاي مهمي هستند كه جريان ماده و فشار وارد بر قالب را در نظر مي‌گيريم، به جاي طول كل ناحيه رزوه شده بايد پهناي هر دندانه روي قالب را در نظر گرفت چون فقط قسمتي كوچك از هر دندانه با سطح قطعه در تماس خواهد بود، نظير آنچه در مرحله اول ديده مي‌شود (شكل a-c4). اگر پهناي تماس هر دندانه با h و قطر اوليه قطعه با d نشان داده شود، براي مقادير تغيير فرم به شدت موضعي و غيرهمگن خواهد بود و فشار وارد بر هر indentor تقريباً سه برابر استحكام تسليم قطعه كار است. براي يك قالب نورد رزوه يكنواخت با دندانه گوه‌اي شكل، طول تماس اوليه را مي‌توان با شعاع در ريشه رزوه نشان داد. چون در عمل شعاع در ريشه بسيار كوچكتر از قطر قطعه است، بخوبي نسبت d/h بيشتر از 7/8 خواهد بود. مقدار زياد d/h در نورد رزوه نه فقط بيان مي‌كند كه چرا تغيير شكل موضعي است بلكه توضيح مي‌دهد كه چرا نورد رزوه در دماي اتاق عموماً براي مواد با سختي كمتر از RC35 انجام مي‌شود.

 

شكل 4: سيلان ماده در هنگام در يك رزوه (5tpi) unified

اثر شكل رزوه

براي مطالعه انثر كه شكل رزوه بر تغيير شكل دارد، نورد يك رزوه (5tpi) (يكنواخت و ACME) براي يك قطعه فولادي 1020 با قطر 41 ميلي‌متر شبيه سازي شد. به دليل تيز نبودن ريشه‌ها، نورد كردن رزوه ACME مشكل‌تر از رزوه يكنواخت است، چون بارهاي نورد و مقاومت در برابر سيلان فلز بيشتر است. اطلاعات مختصري براي كرنش ايجاد شده در حين نورد رزوه در دسترس بوده و مسلم است كه كرنش ايجاد شده در ريشه رزوه‌هاي ACME بيشتر مي‌باشد. اين امر به دليل محدوديت سيلان ماده در اطراف لبه هر دندانه به وجود مي‌آيد. خطوط كرنش براي هر دو شكل رزوه در شكل‌هاي (5) و (6) مقايسه شده است. با اينكه در رزوه يكنواخت ، داخل رزوه تحت كرنش بيشتري قرار دارد، ولي در رزوه ACME تغيير شكل در ريشه بسيار شديدتر است. شكل غير تيز رزوه AMCE سيلان ماده را محدود مي‌كند كه در خطوط كرنش اطراف شعاع گوشه‌هاي indentor مشخص است.

كف صاف ACME indentor باعث فرو رفتن عميق‌تر و كارسختي بيشتر در لايه‌هاي زير سطحي قطعه مي‌شود و به همين دليل ايت كه بار نورد در اين رزوه بيشتر است.

در هر دو رزوه حداكثر كرنش (8درصد براي رزوه يكنواخت و 4/1 براي AMCE) در اطراف شعاع ريشه پيش‌بيني مي‌شود. كرنش مؤثر در امتداد ديواره‌ها براي هر دو حالت يكسان بوده و از 6/0 تا 8/0 است. حداكثر كرنش در نوك براي شكل ACME بسيار كمتر است (2/0) در مقايسه با 6/0 كه مي‌تواند به‌خاطر نوك بازتر و پهن‌تر در رزوه ACME باشد. نتايج نشان مي‌دهد كه تحت شرايط فرايند يكسان،‌ اختلافاتي در خواص مكانيكي اين دو نوع رزوه در ريشه و نوك وجود دارد ولي در ديواره‌هاي رزوه يكسان است.

 

شكل 5: خطوط كرنش موثر براي يك رزوه 5tpi AMCE بر روي قطعه 61 ميلي‌متر

شكل 6: خطوط كرنش مؤثر براي يك رزوه يكنواخت 5tpi بر روي قطعه‌اي به قطر 61 متر

اثر اصطكاك بر تشكيل رزوه

اصطكاك، ديگر عامل مهم در فرايند نورد رزوه است كه بر توان لازم براي نورد و نوردپذيري ماده تأثير مي‌گذارد. تلفات ناشي از اصطكاك سهم قابل توجهي از توان مصرفي در حين نورد را به خود اختصاص مي‌دهد كه مي‌توان بين 10 تا 30 درصد از كل توان مصرفي باشد. اصطكاك بيشتر، مقاومت ماده در برابر سيلان را افزايش مي‌دهد و بر قابليت ماده براي تشكيل دادن پروفيل رزوه اثر مي‌گذارد. با اين حال در منابع، كمتر به اثر اصطكاك بر سيلان ماده و خواص رزوه اشاره شده است. براي مطالعه اثر اصطكاك، با استفاده از فاكتورهاي اصطكاك متفاوت، يك سري از شبيه‌سازي‌ها انجام شد تا اثر روانكار بر پر كردن و برايند خطوط كرنش مؤثر مطالعه شود. شرايطي كه شبيه‌سازي شد مربوط به يك رزوه (10tpi) يكنواخت بر روي يك قطعه با قطر 61 ميلي‌متر بود. فاكتور اصطكاك از صفر تا يك متغير بوده و در همه شبيه‌سازي‌ها كل حركت قالب 27 ميلي‌متر بود.

 

 

شكل 7: تأثير تغيير فاكتور اصطكاك بر كرنش ماكزيمم در نوك و ريشه رزوه و درصد ارتفاع كامل رزوه

نتايج تغيير فاكتور اصطكاك از صفر (بدون اصطكاك) تا يك (چسبيدن) بر كرنش موثر در ريشه و نوك رزوه و درصد ارتفاع از كل، در شكل (7) نشان داده شده است. درصد ارتفاع رزوه به صورت فاصله عمودي بين ريشه رزوه و نوك آن تعريف شد. در مقادير اصطكاك كم كه نشان دهنده فرايند شكل دادن سرد (2/0-5/0=m) مي‌باشد، اثر اصطكاك بر رفتار سيلان و درصد تشكيل رزوه كم است و اختلاف ارتفاع رزوه‌ها ناچيز است. در مقادير بسيار زياد اصطكاك (روانكاري ضعيف)، سيلان ماده كند مي‌شود و تأثير آن تغيير ارتفاع رزوه است. هنگامي كه فاكتور اصطكاك تا بالاتر از 2/0 افزايش يافت، درصد ارتفاع به‌دست آمده به تدريج كاهش مي‌يابد، در حالي كه حركت قالب يكسان است. همچنين، نتايج شبيه‌سازي نشان داد كه اثر اصطكاك بر تشكيل درز و بر شكل نهايي نوك رزوه، ناچيز است. تشكيل درز به گراديان سرعت در رزوه در حين نورد ارتباط داده شده است. انتظار مي‌رفت كه در مقاير كم m و جايي كه سيلان ماده در امتداد ديواره‌ها كمتر محدود شده است، درزهايي ايجاد شود. با اين حال هيچ درزي در شبيه‌سازي‌ها مشاهده نشد و اين نشان مي‌دهد كه اصطكاك، فاكتوري كليدي كه بر تشكيل درز در حين نورد مؤثر باشد، نيست. اين را مي‌توان با در نظر گرفتن بردارهاي سرعت در شكل (4) توضيح داد. در مراحل ابتدايي، يك گراديان سرعت ايجاد مي‌شود چون indentor ماده را جابجا مي‌كند و ماده بين indentorهاي نزديك ثابت است (ناحيه فلز مرده). اگر با افزايش فروروي قالب در قطعه، ناحيه مرده باقي بماند، شرايط براي تشكيل درز ممتد و در نوك رزوه مهيا مي‌شود. با اين حال در تمامي موارد مشاهده شد كه با حدود 50درصد فروروي قالب، نواحي مرده هم اكسترود مي‌شوند و مشخص شد كه كمتر تحت تاثير فاكتور اصطكاك است. در شكل (7) اثر فاكتور اصطكاك بر حداكثر كرنش مؤثر در ريشه و نوك رزوه نيز نشان داده شده است. مي‌توان ديد كه كرنش مؤثر در ريشه رزوه به فاكتور اصطكاك حساس نبوده و در مقادير اصطكاك كم، تغيير شكل در نوك، بيشتر بوده و با افزايش اصطكاك، تمايل به افت كردن دارد.

 

تأثير تنش سيلان

خواص مكانيكي همراه با طراحي قالب و شرايط فرايند، تأثيري قوي بر تشكيل پروفيل رزوه در حين نورد و تمايل بر ايجاد درز دارد. مواد سخت و موادي كه نرخ بالاي كار سختي دارند (ضريب كار سختي زياد، n)تمايل به ايجاد رزوه[15و14] و درز در نوك رزوه را متوقف مي‌كنند. براي بررسي اثرث كه خواص مكانيكي بر پروفيل رزوه و تغيير شكل دارد، دو شبيه‌سازي براي مطالعه اثر استحكام و ضريب كرنش سختي بر نورد انجام شد. شبيه‌سازي براي يك رزوه (10tpi) بر روي قطعه با قطر51 ميلي‌متر و با حركت قالب 127 ميلي‌متر انجام شد. آزمايشات اول براي آناليز تأثير استحكام سختي صورت گرفت و از مقادير 627,421Mpa و 834Mpa استفاده شد. ضريب كرنش سختي ثابت و 2/0n= بود. در محدوده مقاديري شبيه‌سازي شده، هيچ تفاوت قابل توجهي در پروفيل رزوه و ارتفاع آن مشاهده نشد و فقط تفاوت‌هايي جزيي در كرنش مؤثر در ريشه و نوك رزوه ديده شد. در مقابل، تغيير ضريب كرنش سختي اثر قابل توجهي در پروفيل رزوه و ارتفاع آن مشاهده نشد و فقط تفاوت‌هاي جزيي در كرنش مؤثر در ريشه و نوك رزوه ديده شد. در مقابل، تغيير ضريب كرنش سختي اثر قابل توجهي بر پروفيل و كرنش مؤثر در نوك داشت. هنگامي كه ضريب استحكام در MPA627K= ثابت مانده و ضريب كرنش سختي (n) از n=0.1,0.2,0.3 تغيير كرد ارتفاع رزوه از 87 درصد به 72 درصد كاهش و n از 1/0 تا 3/0 افزايش يافت (شكل 8).

اين امر نشان مي‌دهد كه مواد با نرخ كار سختي بالاتر، مشكل‌تر از مواد با نرخ كار سختي كمتر نورد مي‌شوند و براي رسيدن به پروفيل رزوه برابر n به فروروي بيشتر قالب نياز دارد. در حالي كه كرنش مؤثر در ريشه رزوه به N حساس نبوده، كرنش حداكثر در نوك رزوه با افزايش n8/0 به 4/0 كاهش يافت، حساس نبوده كرنش بيشتر قالب نياز دارد. در حالي كه كرنش مؤثر در ريشه رزوه به n از 8 درصد به 4 درصد كاهش يافت (براي قطر قطعه 51 ميلي‌متر). مشاهده جالب ديگر آن بود كه گرچه درزي مشاهده نشد، اما با تغيير پروفيل، نوك رزوه از محدب به مقعر تغيير شكل يافت (شكل 9). اين امر با تجارت صنعتي كه نرخ كار سختي بر تشكيل درز مؤثر است، توافق دارد. گرچه تشكيل درز با خواص ماده نظير كار سختي مرتبط است، اما نتايج شبيه‌سازي نشان داد كه خواص ماده به تنهايي مسئول كنترل ايجاد درز نيستند.

 

شكل 8: تأثير ضريب كرنش سختي بر كرنش مؤثر در ريشه، نوك و درصد ارتفاع كلي رزوه

اثر قطر قطعه

در حالي كه اثر و اهميت قطر اوليه قطعه بر عمر قالب كاملاً مشخص مي‌باشد، درباره تاثير بر شكل رزوه مطالب كمي منتشر شده است. اين بخش از مطالعه قصد دارد چگونگي تأثير قطعه بر پروفيل قطعه بر پروفيل رزوه و تغيير شكل را براي رزوه 10tpi با قطرهاي مختلف بررسي كند. شبيه‌سازي‌ها براي قطرهاي 30.5 ميلي‌متر تا 61 ميلي‌متر و با حركت قالب 127 ميلي‌متر انجام شد. براي اين محدوده از قطرها، اختلاف كمي بين كرنش ريشه، نوك و ديواره رزوه مشاهده شد. در قطرهاي كمتر، در پايان مرحله دوم شكل‌دهي ممكن است قالب فروروي بيشتري در مغز قطعه داشته باشد كه در اين مرحله h به پهناي رزوه نزديك مي‌شود. اين مورد در اين محدوده از قطرها و فروروي قالب مشاهده نشد، چون براي هر دو قطر 30.5 ميلي‌متر و 61 ميلي‌متر تغيير شكل يكسان در لايه‌هاي زيرسطحي در زير رزوه مشاهده شد و فروروي قالب در قطعه كمي افزايش يافت.

 

شكل 9: شكل پروفيل رزوه به عنوان تابعي از ضريب كرنش سختي

 

نتيجه‌گيري

در مدلسازي نورد رزوه براي قطعات با قطرهاي 31-61 ميلي‌متر، از مدل كرنش صفحه‌اي براساس المان محدود كد DEFORM استفاده شد. برمبناي آناليز سيلان براي يك رزوه 5tpi، تغيير شكل تمايل دارد كه بشدت موضعي شده و به لايه‌هاي سطحي و زير سطحي قطعه محدود شود. در ابتدا، تغيير شكل در امتداد ديواره‌هاي دندان قالب رخ مي‌دهد و كرنش اندكي در خود رزوه به‌وجود مي‌آيد.

با ادامه فروروي قالب، ماده به وسيله دندانه قالب جابجا مي‌شود و سپس اكسترود مي‌شود و نوك رزوه را تشكيل مي‌دهد.

براساس نتايج مطالعات المان محدود، تغييرات در شكل رزوه، خواص استحكام (n,k)، فاكتور اصطكاك و قطر قطعه، موارد زير نتيجه‌گيري مي‌شود:

1. شكل رزوه بر كرنش مؤثر ايجاد شده در ريشه و نوك رزوه در حين نورد اثر دارد. براي شكل‌هاي رزو‌ه‌اي يكنواخت و ACME، كرنش در ريشه رزوه ACME بيشتر است در حالي كه كرنش نوك رزوه يكنواخت بيشتر است. پيش‌بيني مي‌شود در امتداد ديوار‌ه‌هاي رزوه اختلاف كمي وجود داشته باشد.

2. فاكتور اصطكاك در مقادير كم، اثر اندكي بر شكل و ارتفاع رزوه دارد كه مشخصه عادي تغيير شكل سرد است. در مقادير بالاتر، رزوه كاهش مي‌يابد. تغيير فاكتور اصطكاك اثر كمي بر كرنش در نوك رزوه دارد.

3. نرخ كار سختي بر ارتفاع و پروفيل رزوه مؤثر است. با افزايش نرخ كار سختي، پروفيل نوك رزوه از مقعر به محدب تغيير شكل مي‌يابد و ارتفاع رزوه نيز كمي كاهش مي‌يابد.

4. تغيير قطر قطعه از 31 ميلي‌متر تا 61 ميلي‌متر اثري بر تغيير شكل و پروفيل رزوه نداشت.

 

منابع:

1. Quality Supplants Bid-and-Buy Tradition, Vol. 85, No. 10, Industrial Distribution, October 1996, pp. 10-12.

2. A Wrigley, Critical times for fastener firms, Am. Met. Market 103 (63) (1995) 4.

3. P.F. Ostwald, J. Munoz, Manufacturing Processes and Systems, 9th Edition, Wiley, New York, 1997, p. 516.

4. J. Schey, Introduction to Manufacturing Processes, McGraw-Hill, New York, 1977, p. 254.

5. J.A. Martin, Mesh density study for application to large deformation rolling process evaluations, in: Fatigue, Fracture, and Residual Stresses, Vol. 373, American Society of Mechanical Engineers, Pressure Vessels and Piping Division, Fairfield, NJ, 1998, pp. 177­-184.

6. J. Walters, 39th H.R. Bergman Memorial Seminar on Metal Forming Simulation: A State of the Art Overview for Industry, ASM International Milwaukee Chapter, Milwaukee, WI, March 1997, p. 5.

7. J.A. Martin, Fundamental finite element evaluation of a threadimensional rolled thread form: modeling and experimental results, in: Fatigue, Fracture, and Residual Stresses, Vol. 373, American Society of Mechanical Engineers, Pressure Vessels and Piping Division, Fairfield, NJ, 1998, pp. 457-467.

8. J.P. Domblesky, F. Feng, 2D and 3D finite element simulation of eXternal thread rolling, J. Eng. Manuf., PartB, in press.

9.DEFORM-PRO v3.0 User's Manual, Scientific Forming Technologies Corp., Columbus, OH, 1999.

10. S. Kobyashi, S.I. Oh, T. Altan, Metal Forming and the Finite Element Method, Oxford University Press, New York, 1989.

11. S.I. Oh, W. Wu, J. Tang, A. Vedhanayagam, Capabilities and applications of the FEM code DEFORM: the perspective of the developer, J. Mater. Process. Technol. 27 (1991) 25-42.

12. W.T. Wu, G. Li, A. Arvind, J.P. Tang, Development of a Threadimensional Finite Element Method Based Process Simulation Tool for the Metal Forming Industry, Vol. 75, No.3, American Society of Mechanical Engineers, Petroleum Division, New York, 1996, pp. 143-150.

13. F. Feng, Numerical modeling of the external thread rolling process, MS Thesis, Marquette University, Milwaukee, WI, May 1999.

14. Metals Handbook, Vol. 16, 9th Edition, ASM International, Metals Park, OH, 1989, pp. 280-282.

15. Tool and Manufacturing Engineers Handbook, Vol. 1, 4th Edition, Society of Manufacturing Engineers, Dearborn, MI, 1983, pp. 12­-126.