مروری بر فرایند شکل‌دهی چرخشی ورق‌های فلزی

خلاصه ای از مقاله:

A review of the mechanics of metal spinning

O. Music et. Al., Journal of Materials Processing Technology

ترجمه و تلخیص: اصغر ناصری

١. مقدمه

شکل دادن چرخشی به فلز یا metal spinning به گروهی از فرایندهای شکل‌دهی اطلاق می‌شود که امکان ایجاد قطعاتی از ورق فلزی بصورت توخالی و متقارن را فراهم می‌سازند. فن اصلی در این روش شکل دهی که در تمام انواع این فرایند مشترک است، عبارت از بستن یک ورقه فلزی به سطح مندرل (سنبه) و شکل دادن به آن توسط یک غلطک در یک مرحله یا یک سری از مراحل متوالی می‌باشد (شکل ١).

شکل 1

از این روش در صنایع مختلفی از قبیل خودروسازی و هوافضا، اشیای هنری، ابزارآلات موسیقی و لوازم آشپزخانه استفاده می‌شود. برخی قطعات موتور هواپیما و توربین‌ها، بشقاب ماهواره و مخروط نوک ماهواره‌ها ونیز ابزارهای موسیقی مانند سنج و لوازم آشپزخانه مانند قابلمه قابل تولید به این روش هستند. این فرایند قادر به شکل دهی به قطعاتی با قطرهای از 3 میلی‌متر تا 10 متر و ضخامت از 0.4 تا 25 mm می‌باشد.

روش‌های دیگری برای تولید قطعات فلزی متقارن از ورق فلزی مانند شکل دهی پرسی نیز وجود دارد. لیکن شکل دهی چرخشی نسبت به این روش‌ها دارای مزایای زیر می‌باشد:

• شکل دهی موضعی مواد تحت فشار غلطک نیاز به اعمال نیروی کمی نسبت به شکل دهی با پرس دارد.
• ابزار ساده و غیراختصاصی بکار رفته انعطاف پذیری بیشتری فراهم ساخته و قابلیت ایجاد شکل نهایی قطعات را می‌دهد.
• کیفیت سطحی و استحکام مکانیکی قطعات تولید شده توسط شکل‌دهی چرخشی بالاتر از روشهای پرسی است.

٢. طبقه‌بندی فرایند شکل‌دهی چرخشی و ویژگی‌های فرایندی

اصطلاح شکل‌دهی چرخشی به سه گروه از فرایندها اطلاق می‌شود. عامل اصلی در ایجاد تمایز بین این سه دسته،‌ رابطه بین ضخامت دیواره قطعه نهایی و ورق فلزی خام است:

• شکل‌دهی چرخشی معمولی که در آن ضخامت دیواره ورق در طول فرایند تقریبا ثابت می‌ماند.
• شکل‌دهی چرخشی با اعمال تنش برشی که در آن ضخامت دیواره تابع زاویه بین دیواره قطعه و محور دوران است.
• شکل‌دهی چرخشی لوله (tube spinning) که ضخامت نهایی توسط افزایش طول قطعه کار تعریف می‌شود.

فرایند دوم یعنی شکل دهی چرخشی برشی تک مرحله‌ای است در حالی که دوفرایند دیگر می‌توانند در چند مرحله منجر به تولید قطعه نهایی شوند (شکل ٢). این شیوه طبقه بندی بطور وسیعی مورد پذیرش قرار گرفته است. لیکن تنها استاندارد رسمی موجود در این زمینه یعنی استاندارد آلمانی DIN 8582 فرایندها را بر طبق تنش های داخلی لحظه‌ای منجر به تسلیم ماده طبقه‌بندی کرده است. بدین لحاظ شکل دهی چرخشی معمولی در زمره فرایند شکل‌دهی کششی- فشاری قلمداد شده و در طبقه فرایندهای شکل دهی به ورق از قبیل خمش، کشش عمیق و کشش پوسته (collar drawing) قرار می‌گیرد در حالی که شکل دهی چرخشی برشی به عنوان یک فرایند شکل دهی فشاری طبقه بندی شده و در گروه فرایندهای شکل دهی حجمی مانند نورد قرار می‌گیرد.

٢-١. شکل‌دهی چرخشی معمولی

در شکل دهی چرخشی معمولی یک ورقه فلزی بدون تغییر ضخامت دیواره با کاهشی عمدی در قطر ورق در تمامی طول ورق یا نواحی خاص، به شکل نهایی مطلوب تبدیل می‌شود. این فرایند در یک یا چند مرحله متوالی قابل انجام است (شکل ٣). در طی شکل‌دهی به ورق تنش‌های داخلی در آن ایجاد می‌شوند که الگوی آنها به جهت حرکت غلطک بستگی دارد (شکل ٤).

متداول‌ترین نواقصی که در طی فرایند شکل‌دهی چرخشی ممکن است روی دهد عبارتند از (شکل ٥):

• چروک خوردگی (wrinkling) که در اثر تنش‌های محیطی بالا روی می‌دهد که منجر به کمانش لبه قطعه می‌شوند.
• ترک‌های محیطی که بواسطه تنش‌های کششی بیش از حد روی می‌دهند.
• ترک‌های شعاعی که بر اثر تنش‌های کششی محیطی یا ترکیبی از تنش‌های نحیطی فشاری و تنش‌های خمشی وارده در هنگان صاف کردن چروک خوردگی‌ها ایجاد می‌شوند.

٢-٢. شکل‌دهی چرخشی با اعمال تنش‌های برشی

بر خلاف شکل دهی چرخشی معمولی، در این روش ضخامت قطعه بطور عمدی در طی فرایند تغییر داده می­شود در حالی که قطر آن ثابت و معادل قطر ورق خام اولیه باقی می­ماند. در این روش می­توان از یک قطعه پیش شکل داده شده استفاده کرده و به کمک غلطک شکل نهایی را بر روی آن ایجاد کرد. شکل 6 فرایند کلی و اشکال هندسی قابل تولید توسط این روش را نشان می­دهد.

2-3. روش­های نوآورانه در فرایند شکل­دهی چرخشی

گرچه فرایند شکل دهی چرخشی نسبت به کوزه­گری سنتی قرون گذشته تغییرات بنیادی اندکی یافته است، تلاش­هایی در دهه گذشته برای ابداع روشهای نوآورانه صورت گرفته است که می­توان آنها را به سه دسته شکل­دهی چرخشی انعطاف­پذیر یا بدون مندرل (شکل 7)، شکل­دهی چرخشی غیرمتقارن (شکل 8) و شکل­دهی چرخشی داغ طبقه­بندی کرد (شکل 9).

2-4. پارامترهای مهم در شکل دهی چرخشی

جدول زیر اصلی ترین پارامترهای موثر در فرایند spinning را فهرست نموده است.

پارامتر	معادل انگلیسی	توضیح
نرخ تغذیه غلطک	Roller feed rate	سرعت حرکت غلطک به mm/s
سرعت مندرل	Mandrel speed	سرعت دورانی مندرل به rpm
نسبت تغذیه	Feed ratio	نسبت سرعت تغذیه غلطک به سرعت دورانی مندرل بر حسب mm/rev
زاویه دیواره	Wall angle, shear angle	زاویه بین دیواره قطعه و محور دوران
نیروی محوری	Axial force	سه مولفه متعامد نیروی غلطک
نیروی شعاعی	Radial force
نیروی مماسی	Tangential force
شعاع دماغه غلطک	Roller nose radius
شعاع غلطک	Roller radius
زاویه غلطک	Roller angle
قابلیت شکل­دهی چرخشی	Spinnability	حداکثر کاهش در ضخامت ماده که قبل از شکست برشی آن امکان­پذیر است (به درصد).
نسبت شکل­دهی چرخشی	Spinning ratio	نسبت قطر اولیه به نهایی در شکل­دهی چرخشی معمولی

3. روش­های بازرسی

روشهای تجربی مطالعه در فرایند شکل­دهی چرخشی به منظور بررسی سازوکار تغییر شکل و رشد تنش­ها، سازوکارهای شکست و پیش­بینی آنها، نیروهای شکل­دهنده و بهینه­سازی هندسه محصول نهایی انجام می­شود. روشهای تجربی متداول را می­توان به سه دسته تقسیم کرد (شکل 10):

• روش سوراخهای درج شده (plugged holes method): در این روش سوراخهایی را در یک الگوی دایره­ای یا مارپیچی بر روی قطعه ایجاد می­کنند. پس از تغییر شکل قطعه در اثر فرایند، سوراخها را با بریدن قطعه در معرض دید قرار می­دهند تا میزان تغییر شکل آنها مشخص شود.
• روش خطوط مشبک (grid line method): ورق خام را به دو نیم کرده و خطوطی بر روی مقطع آن حکاکی می­کنند. پس از انجام فرایند الگوی تغییر شکل آنها را بررسی کرده و کرنش های ایجاد شده را برآورد می­کنند.
• روش Surface etching: الگویی از دوایر بر روی ورق خام ایجاد شده و پس از اعمال فرایند، تغییر شکل آنها زیر سایه­نگار بررسی می­شود.

با مطالعه این تغییر شکلها میزان کرنش­های ایجاد شده برآورد می­شود.

یکی از فرمولهای تجربی معروف در این زمینه را Kegg (1961) ابداع نموده است. شکل 11 منحنی معروفی را نشان می­دهد که رابطه بین حداکثر کاهش ممکن در ضخامت دیواره را نسبت به کاهش مساحت ناحیه شکست نشان می­دهد.

7 مهرماه 1392

ترجمه و خلاصه سازی: اصغر ناصری