20111

۲۰۱۱۱

يك روش جديد اصطكاكي تغيير شكل پلاستيك شديد لوله و بهبود خواص مكانيكي و ريزساختاري

دكتري

ساخت و توليد

۹۲-۹۷

۱۳۹۷/۱۰/۱۸

دكتر محمد صديقي

مكانيك

يكي از چالش هاي پيش رو براي تغيير شكل پلاستيك شديد لوله¬ها، ارائه روشي براي افزايش طول لوله-هاي فراوري شده به منظور استفاده آنها در مقياس صنعتي مي¬باشد. بدين منظور در اين رساله از توان اصطكاك براي گرمايش موضعي و كاهش نيروهاي لازم براي اعمال كرنش به لوله¬ها و افزايش طول آنها استفاده شده است. به اين ترتيب فرايندهاي اصطكاكي تغيير شكل پلاستيك شديد لوله(FATS) ، شكل-دهي اصطكاكي لوله(FATF) و اكستروژن اصطكاكي لوله (FATE)براي فراوري لوله هاي استحكام بالا معرفي شدند. فرايندهاي ارائه شده روي لوله¬هايي از جنس برنج و مس خاص تجاري انجام شده و امكان پذيري آنها براي توليد لوله¬هايي با استحكام بالا نشان داده شد. مطالعه ريز ساختار لوله¬هاي فراوري شده با 7 پاس فرايندFATS كاهش قابل ملاحظه اندازه دانه و افزايش چشمگير خواص مكانيكي را نشان مي¬دهد. به طوري كه اندازه دانه اوليه ازμm30 به μm3/1كاهش يافته و استحكام تسليم لوله از MPa45 به MPa374 افزايش يافته است. روند مشابهي براي سختي و استحكام نهايي با افزايش 5/3 و 4/1 برابري نسبت به حالت آنيل مشاهده مي¬شود. به منظور دست¬يابي به ميدان دمايي، توزيع كرنش و ساير متغيرهاي خروجي، فرايند اصطكاكي با استفاده از تكنيك مش مجدد خودكار شبيه سازي شد. بدين منظور، قابليت مش مجدد خودكار براي حل مشكل اعوجاج المان¬ها با استفاده از برنامه نويسي به نرم افزار تحليل اضافه شد. نتايج حاصل از شبيه سازي اجزاي محدود با نتايج آزمايش¬هاي تجربي براي اندازه گيري دما، نيروي اكستروژن وتوزيع سختي مقايسه شده و دقت و صحت شبيه سازي ها تاييد شدند. اثر متغيرهاي ورودي فرايند مانند نرخ پيشروي، سرعت دوراني و زاويه قالب روي ريز ساختار و خواص مكانيكي لوله¬هاي فراوري شده با فرايند اصطكاكي با استفاده از طراحي آزمايشات و روش تاگوچي بررسي شد. نتايج نشان داد كه با افزايش نرخ پيشروي و كاهش سرعت دوراني اندازه دانه لوله¬هاي فراوري شده كاهش و استحكام تسليم آنها افزايش مي¬يابد و زاويه قالب اثري روي اين خواص ندارد. حل تحليلي فرايند با ارائه ميدان سرعت، محاسبه توان و استخراج معادله انتقال حرارت و كوپل كردن معادلات مكانيكي و دمايي انجام شد. نتايج حل تحليلي نشان داد، با افزايش ضريب اصطكاك شكل منطقه تغيير شكل تغيير كرده و شيب آن افزايش مي¬يابد. علاوه بر اين، مقايسه حل تحليلي براي حالت كوپل و غير كوپل نشان داد، با كوپل كردن معادلات، دماي منطقه تغيير شكل و نيروي اكستروژن كاهش مي¬يابند. مقايسه زاويه پيچش، نمودارهاي نيروجابجايي براي نيم سيكل اول و دوم به همراه تاريخچه دمايي فرايند براي حل تحليلي، شبيه سازي اجزاي محدود و آزمايش¬هاي تجربي انطباق خوبي بين نتايج نشان مي¬دهد. بررسي هاي عددي و تجربي روي فرايندهاي اصطكاكي شكل¬دهي و اكستروژن اصطكاكي روي لوله¬هاي مسي افزايش 4 برابري استحكام تسليم ، كاهش 5 برابري اندازه دانه ، كاهش6 برابري بيشينه نيرو، افزايش 6/2 برابري كرنش و افزايش قابل ملاحظه راندمان را در اين فرايند در مقايسه با ساير فرايندها نشان مي¬دهد

1397/12/11

A novel friction assisted sever plastic deformation method for tubes; improvement in microstructure and mechanical properties

1/8/2020 12:00:00 AM

Producing high strength tubes via conventional severe plastic deformation methods in industrial scale is a challenging issue. For this purpose, friction assisted tube straining (FATS), friction assisted tube forming (FATF) and friction assisted tube extrusion (FATE) were introduced to produce high strength tubes in desirable dimensions. Applicability of the presented methods were experimentally examined on commercially pure copper and yellow brass. The considerable grain refinement after 7 passes of the FATS was obtained where the initial microstructure with average grain size 30µm was refined to 1.4µm. Mechanical properties of the FATSed tubes showed significant changes where yield stress was increased to 374MPa from an initial value of 40MPa. A same trend was observed for hardness and ultimate tensile strength with 3.5 and 1.4 times enhancements. Finite element simulations of the FATS process were executed adding automatic re-meshing capability to ABAQUS/Standard via Python scripts, providing high quality mesh during element distortion. The comparison of the FE results with the experimental tests for determination of temperature, extrusion force histories and hardness revealed the good agreements between them. DOE and Taguchi method were utilized to arrange the parametric study tests to investigate effect of the process parameters on microstructure and mechanical properties of the FATSed tubes. The results revealed that, increasing feed rate and reducing rotary speed decrease grain size and enhance material yield stress while die angle showe insignificant effect. A fully couple thermomechanical analytical model of the FATS process was presented, calculating the admissible velocity field, the processing power and the heat transfer equations. The derived equations were coupled and were solved in many time increments. The results of the computational modeling revealed that the slope of the deformation area increased when friction coefficient was enhanced. In addition, the presented model was more accurate in the friction coefficient limit between 0.3-0.5. The comparison of the uncoupled and the coupled solutions resulted diminishing the temperature of the deformation area and the extrusion force for the coupled solution. In addition, the analytical solution results were in good agreement with the FE and the experimental tests on the temperature and the extrusion force histories and the torsion angle. The numerical and the experimental investigations of the FATF and the FATE processes on the copper tubes showed 4, 2, 2.4 and 6 times enhancemeent in yield stress, hardness, imposed plastic strain and the required force respectively. Also, grain size is decreased to 8µm from the initial value 55µm.