2-2-3-1-روش چرخ گردان61
2-2-3-2-روش رتبه بندی62
2-2-3-3-روش مسابقه ای63
2-2-3-4-نخبه گزینی63
2-2-4-تولید مثل64
2-2-4-1-تقاطع تک نقطهای64
2-2-4-2-تقاطع دو نقطهای65
2-2-4-3-تقاطع چند نقطهای66
2-2-4-4-تقاطع یکنواخت66
2-2-5-جهش67
2-2-5-1-وارون کردن67
2-2-5-2-تبادل68
2-2-5-3-معکوس کردن68
2-2-6-تابع هدف و تابع برازندگی69
2-2-7-پارامترهای الگوریتم ژنتیک70
2-2-8-تفاوت الگوریتم ژنتیک با دیگر روشهای جستجو73
3-مدل‌سازی فرآیند به کمک نرم‌افزار المان محدود75
3-1-مقدمه76
3-2-تحلیل المان محدود خمکاری فشاری لوله77
3-2-1-مقدمه.77
3-2-2-مدلسازی هندسی77
3-2-3-تعریف خواص مکانیکی79
3-2-4-مراحل تحلیل المان محدود خمکاری فشاری لوله86
3-2-5-شرایط تماسی و اصطکاک86
3-2-6-قیود و بارگذاری87
3-2-7-شبکه‌بندی اجزای مدل شده88
4-آزمایش‌ها و کارهای تجربی90
4-1-مقدمه91
4-2-تست کشش لوله91
4-3-تست کشش الاستومر96
4-4-ساخت قالب100
4-5-تست خم لوله101
5-ارائه نتایج و بحث108
5-1-مقدمه109
5-2-مقایسه نتایج شبیه‌سازی عددی و تجربی110
5-2-1-نیروی‌های شکل‌دهی110
5-2-2-توزیع ضخامت و کرنش‌ها112
5-2-3-شکل لوله خم119
5-3-بررسی اثر پارامترهای فرایند بر توزیع ضخامت در شعاع خارجی خم121
5-4-طراحی آزمایش124
5-4-1-بررسی میزان تاثیر پارامترها بر روی خروجی125
5-5-ویژگی‌های شبکه عصبی استفاده شده131
5-5-1-ویژگی‌های شبکه عصبی آموزش داده شده برای خم لوله برنجی133
5-5-2-ویژگی‌های شبکه عصبی آموزش داده شده برای خم لوله فولادی140
5-6-ویژگی‌های الگوریتم ژنتیک به کار گرفته شده146
5-6-1-بهینه‌سازی خم لوله برنجی148
5-6-2-بهینه‌سازی خم لوله فولادی150
5-6-3-مقایسه نتایج بهینه‌سازی152
6-نتیجه‌گیری و پیشنهادات155
6-1-نتیجه‌گیری156
6-2-پیشنهادها برای ادامه کار157
7-مراجع159
8-پیوست‌ها164

فهرست اشکال
عنوان شماره صفحهشکل (‏1-1): چند نمونه از کاربردهای قطعات خم لوله2
شکل (‏1-2): پارامترهای رایج در خمکاری لوله4
شکل (‏1-3): شماتیک فرایند خمکاری فشاری ‏[7]10
شکل (‏1-4): شماتیک فرایند خمکاری کششی a)قبل از خمکاری b) بعد از خمکاری.12
شکل (‏1-5): شماتیک فرایند خمکاری فشاری با بازوی متحرک a) قبل از خمکاری b) بعد از خمکاری.14
شکل (‏1-6): شماتیک فرایند خمکاری پرسی a) قبل از خمکاری b)بعد از خمکاری.16
شکل (‏1-7): شماتیک فرایند خمکاری غلتکی با سه غلتک.17
شکل (‏1-8): برگشت فنری19
شکل (‏1-9): چین‌خوردگی در لوله در شعاع داخلی خم ‏[9]19
شکل (‏1-10): خرابی سطح مقطع لوله بر اثر خمکاری (تخت شدن شدن در شعاع بیرونی و بیضی شدن)20
شکل (‏1-11): تغییرات ضخامت لوله در خمکاری21
شکل (‏2-1): مقایسه بین سلول عصبی طبیعی و مصنوعی39
شکل (‏2-2): نمایش مدل یک نرون مصنوعی ساده40
شکل (‏2-3): یک نرون با بردار ورودی p41
شکل (‏2-4): شبکه عصبی تک لایه با S نرون44
شکل (‏2-5): نمایش فرم ساده شده یک شبکه عصبی تک لایه با S نرون و R ورودی45
شکل (‏2-6): شبکه عصبی سه لایه46
شکل (‏2-7): نمایش فرم ساده یک شبکه عصبی سه لایه47
شکل (‏2-8): شبکه آدالاین48
شکل (‏2-9): نمایش ژن‌ها در یک کروموزوم56
شکل (‏2-10): فلوچارت الگوریتم ژنتیک56
شکل (‏2-11): کدگذاری باینری59
شکل (‏2-12): کدگذاری جایگشتی60
شکل (‏2-13): کدگذاری مقداری60
شکل (‏2-14): نحوه انجام انتخاب61
شکل (‏2-15): روش انتخاب چرخ گردان62
شکل (‏2-16): تقاطع تکنقطهای65
شکل (‏2-17): تقاطع دونقطهای65
شکل (‏2-18): تقاطع یکنواخت67
شکل (‏2-19): جهش flipping68
شکل (‏2-20): جهش به روش تبادل68
شکل (‏2-21): جهش به روش عکس کردن69
شکل (‏2-22): نقاط بهینه محلی و کلی در یک فضای طراحی72
شکل (‏3-1): هندسه مدل شده جهت تحلیل المان محدود فرایند خمکاری78
شکل (‏3-2): نمودار تنش حقیقی-کرنش حقیقی در ناحیه پلاستیک81
شکل (‏3-3): خطای نسبی سه مدل انرژی کرنشی مونی-ریولین، نئوهوکی و یئو85
شکل (‏3-4): شبکه‌بندی مندرل، لوله، قالب و راهنمای لوله89
شکل (‏4-1): ابعاد مغزیهای فلزی و موقعیت قرارگیری آن92
شکل (‏4-2): مغزیهای فلزی استفاده شده برای تست کشش لوله92
شکل (‏4-3): (a) لوله برنجی قبل از کشش (b) گلویی کردن و شکست لوله برنجی بعد از کشش93
شکل (‏4-4): گلویی کردن و شکستن نمونه فولادی94
شکل (‏4-5): نمودار تنش-کرنش مهندسی و حقیقی برای برنج95
شکل (‏4-6): نمودار تنش-کرنش مهندسی و حقیقی برای فولاد SS 30495
شکل (‏4-7): ابعاد نمونه استاندارد برای تست کشش مطابق ASTM D412 (Die C)96
شکل (‏4-8): قالب استاندارد برای برش نمونههای دمبل شکل97
شکل (‏4-9): (a) دستگاه تست کشش لاستیک، (b) نمونه بعد از افزایش طول 200 درصد98
شکل (‏4-10): نتایج تست کشش سه نمونه پلی یورتان با سختی 80 شور A با سرعت 500 میلی متر بر دقیقه98
شکل (‏4-11): نمودار تنش اسمی-کرنش اسمی نمونههای کشش و متوسط آن ها99
شکل (‏4-12): اجزای قالب خمکاری فشاری100
شکل (‏4-13): مقایسه تاثیر مندرل بر روی تغییر شکل لوله، (a) خمکاری با مندرل چند تکه ، (b) خمکاری با مندرل یکپارچه نرم102
شکل (‏4-14): اندازه‌گیری حداکثر ارتفاع چین‌خوردگی در محل خم103
شکل (‏4-15): اثر فشار بر چین‌خوردگی لوله برنجی، (a) فشار 3.8، (b) فشار 24.7 مگاپاسکال104
شکل (‏4-16): اثر فشار بر چین‌خوردگی لوله فولادی، (a) فشار 24.7 مگاپاسکال، (b) فشار 39.3 مگاپاسکال104
شکل (‏4-17): نمونه‌ای از قطعات خم شده در قالب خم فشاری105
شکل (‏4-18): لوله اچ‌ شده با دایره‌های به قطر 5 میلی‌متر106
شکل (‏4-19): انواع حالت‌های ممکن برای تغییر شکل شبکه دایره‌ای، (a) کشش تک محوری، (b) کرنش صفحه‌ای، (c) کشش دو محوری106
شکل (‏4-20): محل‌های اندازه گیری ضخامت جدار لوله در سطح مقطع برش107
شکل (‏5-1): نمودار نیروی خمکاری لوله فولادی110
شکل (‏5-2): نمودار نیروی خمکاری لوله برنجی111
شکل (‏5-3): شماتیک محل اندازه‌گیری کرنش‌ و ضخامت112
شکل (‏5-4): کرنش حقیقی در شعاع داخلی خم در لوله فولادی113
شکل (‏5-5): کرنش حقیقی در شعاع بیرونی خم در لوله فولادی113
شکل (‏5-6): کرنش حقیقی در شعاع داخلی خم در لوله برنجی115
شکل (‏5-7): کرنش حقیقی در شعاع بیرونی خم در لوله برنجی115
شکل (‏5-8): a) توزیع ضخامت در مقطع با زاویه خم 45 درجه در لوله فولادی، b) جهت اندازه‌گیری118
شکل (‏5-9): a) توزیع ضخامت در مقطع با زاویه خم 45 درجه در لوله برنجی، b) جهت اندازه‌گیری119
شکل (‏5-10): مقایسه نتایج تجربی و المان محدود خمکاری لوله فولادی، a)فشار کم، b) فشار زیاد120
شکل (‏5-11): مقایسه نتایج تجربی و المان محدود خمکاری لوله برنجی، a)فشار کم، b) فشار زیاد121
شکل (‏5-12): میانگین کمترین ضخامت جدار لوله در سطوح مختلف پارامترهای فرایند a) لوله فولادی b) لوله برنجی123
شکل (‏5-13): اثر متقابل بین فشار و اصطکاک میان لوله و قالب در تغییر ضخامت لوله برنجی در شعاع خارجی خم123
شکل (‏5-14): اثر اصلی عوامل مختلف در بررسی چین خوردگی در خمکاری لوله برنجی126
شکل (‏5-15): اثرات متقابل عوامل مختلف در بررسی چین خوردگی در خمکاری لوله برنجی128
شکل (‏5-16): اثر اصلی عوامل مختلف در بررسی چین خوردگی در خمکاری لوله SS304129
شکل (‏5-17): تاثیر عوامل مختلف بر روی چین خوردگی در SS304 با در نظر گرفتن اثر متقابل آن‌ها130
شکل (‏5-18): ساختار شبکه عصبی مورد استفاده132
شکل (‏5-19): فرایند یادگیری شبکه عصبی brass-net136
شکل (‏5-20): نمودار رگراسیون برای (a داده های آموزش، (b داده های تست، (c داده های تصدیق و (d کل داده ها برای شبکه brass-net137
شکل (‏5-21): مقایسه جواب‌های المان محدود و شبکه عصبی brass-net روی داده‌های تست138
شکل (‏5-22): بررسی پایداری شبکه عصبی brass-net در پیش‌بینی ارتفاع چین‌خوردگی140
شکل (‏5-23): فرایند یادگیری شبکه عصبی ss304-net142
شکل (‏5-24): نمودار رگراسیون برای (a داده های آموزش، (b داده های تصدیق، (c داده های تست و (d کل داده ها برای شبکه ss304-net143
شکل (‏5-25): مقایسه جواب‌های المان محدود و شبکه عصبی ss304-net روی داده‌های تست144
شکل (‏5-26): بررسی پایداری شبکه عصبی ss304-net در پیش‌بینی ارتفاع چین‌خوردگی145
شکل (‏5-27): روند تغییرات تابع برازندگی brass-net برای حالت اول150
شکل (‏5-28): روند تغییرات تابع برازندگی ss304-net151
شکل (‏5-29): جواب‌های بهینه برای خم a) لوله برنجی و b) لوله فولادی154
شکل (الف-1): نمای انفجاری قالب خمکاری فشاری مورد استفاده در این پروژه165
شکل (الف-2): نیمه سمت چپ قالب برای خمکاری با شعاع 1.5D166
شکل (الف-3): نیمه سمت راست قالب برای خمکاری با شعاع 1.5D166
شکل (الف-4): راهنمای لوله (قطر خارجی لوله 25 میلیمتر)167
شکل (الف-5): کفه بالایی قالب خمکاری167
شکل (الف-6): قالب خمکاری در حالت بسته شده168
شکل (ب-1): نیروی شکل‌دهی در خمکاری لوله برنجی با قطر 25 میلی‌متر و ضخامت 1 میلی‌متر169
شکل (ب-2): نیروی شکل‌دهی در خمکاری لوله فولادی SS304 با قطر 25 میلی‌متر و ضخامت 1 میلی‌متر170
شکل (ب-3): تست کشش لوله فولادی SS304171
شکل (ب-4): تست کشش لاستیک (پلی‌یورتان مطابق استاندارد ASTM D412)172

فهرست جداول
عنوان شماره صفحه
جدول (‏1-1): پارامترهای خمکاری6
جدول (‏2-1): چند نمونه از توابع تبدیل پرکاربرد در شبکه‌های عصبی43

جدول (‏3-1): خواص مکانیکی لوله‌های فولادی زنگ نزن و برنجی81
جدول (‏4-1): ابعاد نمونه های تست شده (ابعاد به میلیمتر میباشند)97
جدول (‏4-2): ضرایب مدل مونی-ریولین حاصل از دادههای تست کشش99
جدول (‏4-3): آزمایش‌های تجربی انجام شده101
جدول (‏5-1): مقادیر ضخامت در شعاع داخلی و خارجی خم116
جدول (‏5-2): پارامترهای طراحی و تعداد سطوح آن‌ها جهت طراحی آزمایش125
جدول (‏5-3): نتایج حاصل برای آموزش شبکه عصبی در خمکاری لوله برنجی134
جدول (‏5-4): نتایج حاصل برای آموزش شبکه عصبی در خمکاری لوله فولادی141
جدول (‏5-5): مقادیر مجاز پارامترهای فرایند برای دو حالت مطالعه موردی147
جدول (‏5-6): مقادیر پارامترهای تنظیمی الگوریتم ژنتیک147
جدول (‏5-7): نتایج بهینه الگوریتم ژنتیک با تابع برازندگی brass-net در 10 بار تکرار برای حالت اول149
جدول (‏5-8): نتایج بهینه الگوریتم ژنتیک با تابع برازندگی ss304-net در 10 بار تکرار برای حالت اول151
جدول (ج-1): داده‌های المان محدود برای خمکاری فشاری SS304173
جدول (ج-2): داده‌های المان محدود برای خمکاری فشاری لوله برنجی176

فصل اول
پیشگفتار
مقدمه
قطعات لوله‌ای از نسبت استحکام به وزن بالایی برخوردار هستند به همین دلیل در صنایع هواپیماسازی، خودرو، نفت و گاز، اسباب و اثاثیه منزل، سازه‌های مکانیکی و غیره جهت انتقال سیال، سازه بدنه و غیره به صورت وسیعی به کار گرفته می‌شوند. در شکل (‏1-1) چند نمونه از کاربردهای قطعات خم لوله نشان داده شده است.
شکل (‏1-1): چند نمونه از کاربردهای قطعات خم لوله
در گذشته خمکاری لوله یک هنر تلقی می‌شد و خمکاری اکثراً توسط افراد ماهری که در طی چندین سال تجربه کسب کرده‌ بودند انجام می‌گرفت. در چند دهه اخیر تحقیقات گسترده‌ای در زمینه خمکاری لوله‌ها به منظور ایجاد دانش پایه در این زمینه صورت گرفته است. به کمک کارهای تجربی، تحلیل‌های تئوری و شبیه‌سازی‌های عددی درک بهتری از نحوه تغییر شکل لوله در حین خمکاری فراهم شده است.
روش‌های مختلفی جهت خمکاری لوله‌ها وجود دارد. هر یک این روش‌ها با توجه به نوع و کیفیت خمی که می‌توانند تولید کنند دارای کاربردها و محدودیت‌هایی می‌باشند. انواع روش‌های خمکاری لوله‌ها شامل خمکاری برشی1، خمکاری کششی2، خمکاری فشاری با بازوی متحرک3، خمکاری پرسی4، خمکاری فشاری5 و خمکاری غلتکی6 و غیره می‌باشند. انتخاب یک روش خمکاری بستگی به : 1) کیفیت خم و نرخ تولید مورد نظر و 2) جنس لوله، شعاع خم نسبی(R/D)، قطر نسبی لوله(D/t) و دقت لازم (D قطر خارجی، t ضخامت و R شعاع خط مرکزی خم می‌باشند) دارد. به عنوان مثال برای خمکاری لوله‌های جدار نازک با نرخ تولید زیاد و دقت بالا، مناسب‌ترین گزینه استفاده از روش خمکاری کششی می‌باشد.
در موتور هواپیماها و فضاپیماها، قطعات لوله‌ای با شعاع خم کوچک از جنس‌‌های آلومینیوم، تیتانیوم و آلیاژهای با استحکام بالا به صورت فراوان به کار گرفته می‌شوند. شعاع خم این قطعات لوله‌ای در برخی موارد در حدود قطر خارجی آن‌ها می‌باشد که با روش‌های رایج خمکاری سرد لوله‌ها قابل تولید نیستند. در این موارد لازم است روش‌های جدیدی جهت تولید خم با کیفیت مطلوب مورد استفاده قرار گیرند. یکی از این روش‌ها، خمکاری فشاری لوله می‌باشد که در آن خمکاری تحت فشار داخلی مندرل لاستیکی انجام می‌گیرد. این روش در مقایسه با سایر روش‌های خمکاری لوله‌ها دارای مزایایی مانند دقت و بازدهی بالا، هزینه پایین و تولید خم با کیفیت خوب می‌باشد ‏[1].
تعاریف و پارامترهای خمکاری
در شکل (‏1-2) پارامترهای خمکاری لوله نشان داده شده است. هر یک از این پارامترها را می‌توان به صورت زیر تعریف نمود ‏[2].
سطح خمش: سطحی که از شعاع خط مرکزی لوله (شعاع خم) عبور می کند و عمود بر جهت چرخش خم می باشد.
خط مرکزی لوله (CL): خط ممتدی که هر نقطه واقع در مرکز سطح مقطع لوله را به هم وصل می کند.
شکل (‏1-2): پارامترهای رایج در خمکاری لوله
دیواره خارجی خم7: کمان/لبه بیرونی خم می باشد.
دیواره داخلی خم8: کمان/لبه داخلی خم می باشد.
شعاع خط مرکزی (CLR): فاصله بین مرکز چرخش خم و خط مرکزی لوله می‌باشد که شعاع خم نیز نامیده می‌شود. در صنعت خمکاری معمولاً شعاع خم بر حسب ضریبی از قطر خارجی لوله (OD) و به صورت mD بیان می شود. به عنوان مثال وقتی لوله ای به قطر خارجی 30 میلی متر با 1.5D CLRخم می شود یعنی اینکه شعاع خم برابر 45 میلی متر می باشد.
(‏1-1)
انحنای خم: عکس شعاع خط مرکزی را انحنای خم می گویند.
(‏1-2)
مماس: ناحیه مستقیم لوله در دو انتهای خم را مماس می گویند و می تواند هر مقداری داشته باشد. لوله خم شده ای که در هر دو انتها فاقد مماس باشد تحت عنوان لوله با مماس صفر خوانده می شود.
قطر لوله: هرگاه قطر لوله به تنهایی به کار رود منظور قطر خارجی لوله می باشد.
جدول (‏1-1): پارامترهای خمکاری
نمادتوضیحCLRشعاع خط مرکزیCLخط مرکزی لولهODقطر خارجی لولهIDقطر داخلی لولهDOBزاویه خمtضخامت اولیه جدار لولهtoضخامت دیواره خارجی لوله در محل خمtiضخامت دیواره داخلی لوله در محل خم
روش های خمکاری لوله
روش‌های زیادی برای خمکاری لوله‌ها وجود دارد. بعضی از این روشها به صورت گرم و برخی دیگر به صورت سرد انجام میشوند. در این بخش فقط در مورد روشهای خمکاری سرد لولهها بحث خواهد شد. هر یک از این روش‌ها دارای کاربردها و محدودیت هایی از لحاظ نوع خم، حداکثر زاویه خمی که میتوانند ایجاد کنند، هزینههای تولید و کیفیت خم میباشند. انتخاب روش خمکاری بستگی به: 1) کیفیت خم و تعداد تولید و 2) قطر لوله، ضخامت لوله و شعاع خم لوله دارد ‏[3].
خمکاری فشاری
خمکاری فشاری از جمله روش‌های خمکاری سرد لوله است که اخیراً مورد توجه زیاد قرار گرفته است. از این روش بیشتر برای تولید خم‌های با شعاع کم در لوله‌های جدار نازک استفاده می‌شود. از جمله مزیتهای این روش امکان تولید خم‌های با شعاع کوچک در حدود قطر خارجی لوله، تولید خم با تغییرات ضخامت کم، تغییر سطح مقطع (بیضی شدن) کم و تجهیزات ارزانتر در مقایسه با سایر روش‌های خمکاری لوله می‌باشد.
قطعات خمکاری که در موتور هواپیماها و سفینه‌های فضایی بکار می‌روند باید اولاً فضای کمی اشغال کنند و ثانیاً از کیفیت و استحکام بالایی برخودار باشند. برای اینکه این قطعات فضای کمی اشغال کنند لازم است که خمکاری با شعاع کوچک انجام شود و برای دستیابی به کیفیت و استحکام مناسب باید از یک روش خمکاری مناسب استفاده کرد. با کمک روش خمکاری فشاری می توان خمهایی که این دو ویژگی را دارند را تولید نمود.
قالب خم مورد استفاده در این روش خمکاری دارای پرفیل خمی مشابه با شکل نهایی خم مورد نظر میباشد. قطر داخلی این پروفیل خم برابر با قطر بیرونی لوله میباشد. در داخل لوله از مندرل لاستیک مانند استفاده میشود که تحت شرایط فشاری مشابه سیال رفتار میکند. بین لوله و مندرل باید مقداری کلیرنس در نظر گرفته شود تا در انتهای خمکاری بتوان به راحتی آن را از داخل لوله خارج نمود. موادی مانند لاستیک یورتان9، رزین اپوکسی ریختگی10، لاستیک طبیعی11 و لاستیک مصنوعی12 جهت استفاده به عنوان مندرل مناسب میباشند. زیرا این مواد خاصیت الاستیکی بالایی دارند و بعد از خمکاری و برداشتن فشار از روی آنها به شکل اولیه خود باز میگردند و به راحتی میتوان آنها را از داخل لوله خارج نمود. فشار داخلی ایجاد شده در لوله باعث میشود لوله در حین خمکاری در تماس با سطح داخلی قالب باقی بماند و در نتیجه از خراب شدن سطح مقطع لوله جلوگیری میشود. علاوه بر این تامین فشار لازم برای جلوگیری از چینخوردگی در شعاع داخلی خم ضروری میباشد ‏[4].
جنس مندرل در کیفیت خم تولیدی موثر است. اگر مندرل نرم باشد در حین عملیات خمکاری فشار ایجاد شده در آن حتی در ناحیه بیرون تار خنثی مثبت خواهد بود. در نتیجه در این ناحیه فشار کافی به لوله وارد شده و لوله در تماس با سطح داخلی قالب باقی خواهد ماند و از تخت شدن و خرابی سطح مقطع آن جلوگیری میشود. در صورتیکه مندرل از جنس سخت باشد فشار ایجاد در آن در ناحیه بیرونی تار خنثی به صورت منفی خواهد بود بنابراین لوله از سطح قالب فاصله گرفته و سطح مقطع آن بیضی شکل میگردد. اما مسئله دیگری که در استفاده از لاستیک نرم وجود دارد خم شدن لوله در محل اعمال نیرو سنبه میباشد. این عیب در صورت استفاده از لاستیک سخت به وجود نمیآید. برای رفع این عیوب و بهره جستن از مزایای هر یک از لاستیکهای سخت و نرم استفاده از مندرل با ترکیبی از لاستیک سخت و نرم پیشنهاد شده است. در صورت استفاده از مندرل با ترکیبی از لاستیک سخت و نرم، عیوب ذکر شده در بالا رفع خواهند شد. علاوه بر آن عمر لاستیک‌ها و تعداد دفعاتی که می‌توان لاستیک‌ها را مورد استفاده قرار داد نیز افزایش می‌یابد ‏[5]، ‏[6].
در حالتیکه از مندرل با ترکیب دو جنس سخت و نرم استفاده میشود. لاستیک سخت در دو انتهای لوله و لاستیک نرم در وسط آنها قرار میگیرد. لاستیکهای سخت کناری نقش ترمزی نیز دارند. به این صورت که بعد از اعمال فشار، مقداری افزایش قطر پیدا کرده و با سطح داخلی لوله کاملاً درگیر میشوند و درحین خمکاری نباید بین آنها و لوله لغزش رخ دهد زیرا از میزان فشار ایجاد شده توسط لاستیک نرم میانی کاسته میشود و در نتیجه به سطح داخلی لوله فشار کافی وارد نخواهد شد و احتمال چینخوردگی و بیضی شدن مقطع لوله فزایش مییابد ‏[6].
در روش خمکاری فشاری ابتدا مندرل لاستیکی در داخل لوله قرار داده‌ می‌شود. سپس مجموعه‌ی لوله و مندرل در داخل راهنمای لوله قرار گرفته و توسط سنبه جلویی به مندرل فشار وارد می‌شود. این فشار تا پایان عملیات خمکاری ثابت باقی می‌ماند. فشار وارد شده به مندرل موجب افزایش قطر آن می‌گردد در نتیجه به سطح داخلی لوله فشار اعمال می‌شود. در انتها لوله و مندرل توسط سنبه به داخل قالب رانده می‌شوند درنتیجه لوله شکل پروفیل قالب را به خود می‌گیرد. بعد از خمکاری فشار از روی مندرل برداشته میشود و دو کفه قالب باز شده و لوله و مندرل از داخل قالب خارج میشوند.
در این فرایند برای ایجاد فشار در داخل لوله از یک ماده انعطاف‌پذیر (معمولاً الاستومر13) استفاده می‌شود. پارامترهای تاثیرگذار بر شکل نهایی لوله شامل فشار داخلی، شرایط اصطکاکی بین لوله و قالب و بین لوله و مندرل، شکل اولیه لوله، ابعاد و خواص مکانیکی لوله، سرعت سنبه و غیره میباشند. انتخاب مناسب هریک از این پارامترها در کیفیت خم تولید شده موثر خواهد بود. در شکل (‏1-3) شماتیک این فرایند نشان داده شده است ‏[7].
شکل (‏1-3): شماتیک فرایند خمکاری فشاری ‏[7]

استفاده از روش خمکاری فشاری در مواردی که تیراژ تولید پایین باشد بسیار سودمند میباشد زیرا با هزینه کم می توان تجهیزات خمکاری آن را تولید کرد و علاوه بر این دقت قطعات خمکاری در این روش بالا میباشد. به خصوص در صنایع هوایی که لازم است قطعات مورد استفاده از دقت بالایی برخوردار باشند. در چنین مواردی هزینه کردن برای خرید تجهیزات خمکاری کششی CNC با توجه به قیمت بالای آنها مقرون به صرفه نخواهد بود. بنابراین میتوان نتیجه گرفت برای تولید خم (بویژه خم‌های با شعاع کوچک) در تیراژ کم و با دقت بالا مناسب‌ترین گزینه روش خمکاری فشاری می‌باشد.
روش خمکاری فشاری برای خمکاریهایی که در آنها زاویه خم بین 15 تا 120 درجه، شعاع‌های خم از 20 تا 160 میلی‌متر و ضخامت لوله در حدود 0.5 تا 2 میلی‌متر است مناسب می‌باشد ‏[1].
خمکاری کششی
خمکاری کششی یکی از روش‌های بسیار رایج خمکاری لوله و پروفیل می‌باشد که روی ماشین‌های خمکاری چرخشی انجام می‌شود. این ماشین‌ها با نیروی هیدرولیکی، پنوماتیکی یا مکانیکی/الکتریکی کار می‌کنند و ممکن است به صورت دستی یا کنترل عددی کنترل شوند. اجزای اصلی قالب خمکاری چرخشی شامل قالب خم دورانی14، قالب فشاری15، گیره، مندرل16 و قالب جاروبکن17 می‌باشند. تمامی این اجزاء به جز مندرل و قالب جاروب‌کن در شکل (‏1-4) نشان داده شده‌اند.
در روش خمکاری کششی، لوله از یک انتها توسط گیره به قالب دورانی مقید می‌شود. سپس توسط یک بازویی، ‌مندرل به درون لوله هدایت می‌شود. با چرخش قالب دورانی لوله روی قالب فشاری کشیده شده و به داخل قالب خم هدایت می‌شود. چرخش قالب دورانی به اندازه‌ای است که زاویه خم مورد نظر در لوله ایجاد شود. قالب فشاری می‌تواند ثابت یا متحرک باشد و در صورت متحرک بودن توسط یک جک به جلو و عقب حرکت می‌کند. سطوح گیره را بصورت آجدار می‌سازند در نتیجه حداکثر اصطکاک را به منظور محکم گرفتن لوله فراهم می‌آورد. سطوح قالب فشاری، مندرل و قالب جاروبکن باید کاملاً پرداخت باشند چون موقع خمکاری در تماس با سطح لوله حرکت می‌کنند. شکل (‏1-4) شماتیک روش خمکاری کششی را نشان میدهد.

شکل (‏1-4): شماتیک فرایند خمکاری کششی a)قبل از خمکاری b) بعد از خمکاری.

در روش خمکاری کششی، قالب فشاری با ایجاد فشار به لوله در شعاع بیرونی خم، از نازک شدن بیش از حد لوله جلوگیری می‌کند. این عمل، در خمکاری با زاویه خم بزرگ و شعاع خم کوچک بسیار مفید خواهد بود. مندرل همراه با قالب جاروب کن برای جلوگیری از چین خوردگی و خراب شدن سطح مقطع لوله ممکن استفاده شود ولی استفاده از مندرل در حد امکان باید پرهیز شود زیرا هزینه‌های تولید را افزایش می‌دهد.
در این روش امکان کنترل جریان ماده وجود دارد. بنابراین می‌توان از آن برای خمکاری لوله‌های جدار نازک و شعاع خم‌های کوچک استفاده نمود. برای ضخامت‌های کمتر از 0.4 میلی‌متر نباید از این روش استفاده نمود زیرا ابزاربندی در این حالت بسیار پیچیده خواهد بود ‏[2].
خمکاری فشاری با بازوی متحرک
در این روش لوله بدون استفاده از مندرل یا ابزاربندی دقیق تولید می‌شود. خمکاری فشاری مشابه خمکاری کششی می‌باشد با این تفاوت که در این روش قالب خم حرکت چرخشی ندارد و ثابت می‌باشد. در روش خمکاری فشاری یک سر لوله توسط گیره و قالب ثابت18 محکم گرفته می‌شود و با چرخش یک بازویی غلتکی19 (قالب جاروب کن)، لوله به دور قالب ثابت فشار داده می‌شود. شماتیک فرایند در شکل (‏1-5) نشان داده شده است.
در مواردی‌که شعاع خم مورد نظر دارای دقت بالایی نباشد استفاده از این روش ساده بوده و از لحاظ اقتصادی مقرون به صرفه می‌باشد. کاهش ضخامت دیواره لوله و بیضی شدن مقطع در این روش نسبتاً زیاد می‌باشد به ویژه در خمکاری لوله به شعاع خم کوچک، چین خوردگی در دیواره درونی، نازک شدگی در دیواره بیرونی و بیضی شدن مقطع بسیار رایج است ولی برای شعاع خم‌های بزرگ یک روش مرسوم و سریع می باشد ‏[2]، ‏[8].
خمکاری پرسی
خمکاری پرسی یکی از قدیمی‌ترین روش‌های خمکاری مکانیکی لوله‌ها می باشد. در این روش مطابق شکل (‏1-6)، لوله روی دو تکیه‌گاه قرار می‌‌گیرد و با حرکت قالب پرسی20 خم می‌شود. حرکت قالب پرسی تا جایی ادامه پیدا می‌کند که خم با زاویه موردنظر روی لوله ایجاد شود.

شکل (‏1-5): شماتیک فرایند خمکاری فشاری با بازوی متحرک a) قبل از خمکاری b) بعد از خمکاری.
محدودیت‌ این روش این است که از آن برای تولید خم با شعاع کوچک نمی‌توان استفاده کرد ولی برای تولید خم با شعاع خم زیاد در حدود 5D یا بیشتر مناسب است و هزینه‌ی کمی خواهد داشت. از این روش به صورت گسترده برای خمکاری لوله‌ها استفاده می‌شود زیرا دستگاه‌های آن براحتی قابل حمل بوده و تنظیم آنها نیز ساده می‌باشد. ماشین‌های مورد استفاده برای خمکاری پرسی در اندازه‌‌‌ های متفاوتی وجود دارند که کوچکترین آنها قادر به خم کردن لوله به قطر اینچ بوده و عملگر آن یک جک دستی می‌باشد و بزرگترین آنها قادر هستند لوله‌هایی به قطر 20 اینچ و ضخامت 0.5 اینچ را خم کنند. در این دستگاهها قالب پرسی توسط نیروی هیدرولیک عمل می‌کند ‏[2]، ‏[8].
خمکاری غلتکی
در این روش برای ایجاد خم در لوله از سه غلتک استفاده می‌شود. غلتک‌های کناری ثابت بوده و نقش تکیه‌گاه را دارند و غلتک میانی در راستای عمود بر خط واصل دو غلتک کناری جابه جا می شود. لوله روی دو غلتک کناری قرار می‌گیرد و با حرکت غلتک میانی خم مورد نظر ایجاد می شود. شکل (‏1-7) شماتیک این روش را نشان می‌دهد.
شکل (‏1-6): شماتیک فرایند خمکاری پرسی a) قبل از خمکاری b)بعد از خمکاری.
روش خمکاری غلتکی برای شعاع‌های خم بزرگ با زاویه خم بیش از 90 یا 180 درجه کاربرد دارد. از این روش برای ایجاد خم‌های مارپیچی نیز می‌توان استفاده کرد. برای این منظور باید قسمت جلویی لوله مقداری در جهت محور پیچه جابه‌جا شود تا تغذیه ماده ادامه یابد و در نتیجه یک پیچه با گام برابر با قطر خارجی لوله یا بزرگتر ایجاد می‌شود. علاوه بر این می‌توان خم‌هایی را روی لوله ایجاد کرد که دارای شعاع انحنای متغیر در طول خم باشند بدین ترتیب یک خم منحنی‌وار روی لوله ایجاد خواهد شد. این کار با جابه‌جایی غلتک میانی در حین خمکاری در راستای عمود بر محور دو غلتک ثابت امکان‌پذیر است ‏[8].
شکل (‏1-7): شماتیک فرایند خمکاری غلتکی با سه غلتک.
عیوب خمکاری لوله
در حین خمکاری لوله‌ها عیوب مختلفی ممکن است به وجود بیایند که کیفیت خم تولید شده را تحت تاثیر قرار می‌دهند. از مهم‌ترین عیوب رایج در خمکاری لوله‌ها می‌توان به برگشت فنری21، چین‌خوردگی22 در شعاع داخلی خم، نازک شدن بیش از حد یا پارگی جدار لوله در شعاع بیرونی خم و بیضی شدن23 سطح مقطع لوله اشاره کرد.
برگشت فنری
هنگامی که لوله به شعاع خط مرکزی CLR خم می‌شود طول تار خنثی ثابت باقی می‌ماند ولی سطوح بیرون تار خنثی تحت کشش قرار می‌گیرند و طول آن‌ها افزایش مییابد و سطوح داخل تار خنثی تحت فشار قرار گرفته و طول آن کاهش می‌یابد و منجر به ایجاد یک ناحیه الاستیک در سطح مقطع لوله می‌شود. هنگامی که باربرداری صورت می‌گیرد، تنش‌های الاستیک آزاد می‌شوند که باعث باز شدن خم می‌گردند به این پدیده برگشت فنری گفته می‌شود. پس از برگشت فنری شعاع خم CLR افزایش می‌یابد و زاویه خم نیز کاهش پیدا می‌کند. برای جبران این خطا می‌توان لوله را مقداری بیشتر خم کرد بطوریکه پس از برگشت فنری ابعاد مطلوب که در محدوده‌ی تولرانس می‌باشند حاصل شوند. میزان برگشت فنری به عوامل مختلفی مانند جنس ماده، زاویه خم، ابعاد لوله، مندرل و ابزار مورد استفاده دارد [2]. در شکل (‏1-8) برگشت فنری لوله بعد از باربرداری نشان داده شده است.
چین خوردگی
در حین خمکاری، شعاع داخلی لوله تحت تنش فشاری قرار می‌گیرد. هنگامی که شعاع خم خیلی کوچک می‌باشد تنش فشاری زیادی در شعاع داخلی خم ایجاد می‌شود که باعث ناپایداری دو انشعابی شدن24 یا کمانش (چین‌خوردگی) در این ناحیه می‌گردد. از آنجایی که قطعات لوله‌ای اغلب در موقعیت‌هایی مورد استفاده قرار می‌گیرند که دارای تلرانس‌های محدود می‌باشند در نتیجه چین‌خوردگی مطلوب نبوده و باید حذف شود. ایجاد چین در لوله ممکن موجب آسیب دیدن قالب شود. چین‌خوردگی در لوله‌های با قطر زیاد و ضخامت کم حادتر است. در شکل (‏1-9) چین‌خوردگی در شعاع داخلی خم نشان داده شده است.

شکل (‏1-8): برگشت فنری

در این سایت فقط تکه هایی از این مطلب با شماره بندی انتهای صفحه درج می شود که ممکن است هنگام انتقال از فایل ورد به داخل سایت کلمات به هم بریزد یا شکل ها درج نشود

شما می توانید تکه های دیگری از این مطلب را با جستجو در همین سایت بخوانید

ولی برای دانلود فایل اصلی با فرمت ورد حاوی تمامی قسمت ها با منابع کامل

اینجا کلیک کنید

شکل (‏1-9): چین‌خوردگی در لوله در شعاع داخلی خم ‏[9]
خرابی سطح مقطع لوله
خرابی سطح مقطع لوله شامل بیضی شدن مقطع آن و تخت شدن در شعاع بیرونی خم می‌باشد. همانطور که اشاره شد در حین خمکاری سطوح بیرونی خم تحت تنش کششی و سطوح درونی آن تحت تنش فشاری قرار می‌گیرند. لایه‌های بیرونی لوله تمایل دارند به سمت تار خنثی حرکت کنند تا تغییر طول کششی را کاهش دهند. در نتیجه سطح مقطع لوله از حالت دایره‌ای بودن خارج شده و بیضی شکل می‌گردد. در صنعت برای جلوگیری از تخت شدن لوله در شعاع بیرونی خم و خراب شدن سطح مقطع لوله، از مندرل استفاده می شود.
بیضی‌ شدن بستگی به خواص ماده لوله، نوع ابزار مورد استفاده برای خمکاری، هندسه لوله و شعاع خم دارد. در مواقعی که در داخل لوله از مندرل استفاده می‌شود در ناحیه خم این پدیده کمتر رخ می‌دهد. برای بیان میزان بیضی شدن سطح مقطع لوله از شاخصی به نام نسبت بیضی شدن استفاده می‌‌شود. برای محاسبه این نسبت لازم است بیشترین و کمترین قطر لوله در هر مقطع اندازه‌گیری شود. عموماً بیشترین قطر خارجی سطح مقطع (?OD?_max) در نزدیکی تار خنثی می‌باشد و عمود بر صفحه خم اندازه‌گیری می‌شود. کمترین قطر خارجی سطح مقطع (?OD?_min) برابر با فاصله بین شعاع درونی خم و شعاع بیرونی خم می‌باشد. با داشتن مقادیر ?OD?_max و ?OD?_min می‌توان نرخ تخت شدن سطح مقطع را از طریق رابطه (‏1-3) محاسبه نمود.
(‏1-3)
شکل (‏1-10): خرابی سطح مقطع لوله بر اثر خمکاری (تخت شدن شدن در شعاع بیرونی و بیضی شدن)
تغییرات ضخامت
نیروهای وارده بر لوله در حین خمکاری به گونه‌ای است که در شعاع بیرونی خم تنش کششی و در شعاع داخلی خم تنش فشاری به وجود می‌آید در نتیجه در بخش بیرونی تار خنثی ضخامت جدار لوله کاهش می‌یابد و در بخش درونی تار خنثی ضخامت لوله افزایش می‌یابد. این موضوع در شکل (‏1-11) به صورت شماتیک نشان داده شده است. مسئله مهم کاهش ضخامت لوله در شعاع بیرونی خم می‌باشد زیرا در صورتی که این کاهش از حدی بیشتر شود امکان شکستن لوله در این ناحیه وجود خواهد داشت.
شکل (‏1-11): تغییرات ضخامت لوله در خمکاری
پارگی25
در شعاع بیرونی خم لایه‌های لوله تحت تنش کششی قرار دارند. در صورتی که اندازه این تنش از حد تحمل ماده لوله فراتر رود در شعاع خارجی لوله شکست رخ می‌دهد. عوامل دیگری مانند شرایط اصطکاکی بین لوله و قالب نیز در پارگی لوله موثر هستند [1].
مروری بر کارهای انجام شده
در این بخش خلاصه‌ای از کارهایی که تاکنون در زمینه خمکاری به ویژه خمکاری فشاری صورت گرفته است ارایه می‌شود و به بررسی کارهای انجام شده در زمینه مدلسازی با شبکه‌های عصبی و بهینه‌سازی با الگوریتم ژنتیک پرداخته می‌شود.

دسته بندی : پایان نامه ها

دیدگاهتان را بنویسید