١

مطالعه امکان ساخت يک قطعه از بدنه خودرو

مقايسه كشش خالص (به روش هيدروفرمينگ

)Drawingو

و سميرا ۲، فرهود کبيريان٢ ، پيام دربندي١ محمد حبيبي پارسا ۲سخنوران

فني دانشگاه تهران کد پستي های مهندسي متالورژي و مواد دانشکدهدانشکده

٤٥٦٣/١١٣٦٥، Email:mhparsa@ut.ac.i r

چكيده استفاده از روشهاي جديد مانند هيدروفرمينگ . کاهش وزن و هزينه ابزار از موضوعات مهم در صنعت خودرو مي باشند

در روش هيدروفرمينگ سنبه يا ماتريس با يک محيط سيال . ورق نقش مهمي را در کاهش وزن و هزينه ابزار دارداز مزاياي روش هيدروفرمينگ مي توان به توليد قطعات . و فشار سيال سبب شکل دادن قطعه مي گرددجايگزين شده

در اين پژوهش تحليل عددي و . پيچيده به صورت يکپارچه، کاهش نرخ سايش ابزار و توزيع يکنواخت کرنش اشاره کرد بيني ابعاد و شکل لوح اوليه به کمک پيش. تجربي نحوه توليد پوسته گلگير به روش هيدروفرمينگ انجام شده است

تاثير . انجام شده استABAQUS صورت گرفته و شبيه سازي فرآيند به کمک نرم افزار Ideal Formingروش پارامترهاي مختلف نظير تاثير فشار، اصطکاک و اندازه لوح اوليه بر توزيع کرنش و عدم چروک خوردگي قطعه مورد

.نتايج شبيه سازي تطابق خوبي با داده هاي تجربي دارد. يج تجربي مقايسه شده استبررسي قرار گرفته و با نتا

.شكل دادن ورق، هيدروفرمينگ، صنعت خودرو: هاي كليدي واژه

مقدمه -۱

در سالهاي اخير توليد قطعات خودرو به روشهايي که همراه با کاهش وزن و هزينه باشد مورد تاکيد صنايع خودروسازي روشهاي جديد که بتواند اين اهداف را به همراه داشته باشد از اهميت بسيار زيادي برخوردار بوده و به . ر گرفته استقرا

يکي از روشهاي پر اهميت که به مرور زمان در حال . طور وسيعي در صنعت خودرو مورد استفاده قرار گرفته استشد روش هيدروفرمينگ بوده که داراي مزاياي بسيار زيادي جايگزين شدن به جاي روشهاي سنتي شکل دادن ورق مي با

از مزاياي اين روش مي توان به افزايش نسبت کشش، بهبود کيفيت سطحي قطعات، . نسبت به روشهاي قديمي مي باشددر اين روش . مينيمم شدن تغييرات ضخامتي در قطعات و کاهش هزينه به خصوص در مورد قطعات پيچيده اشاره کرد

دانشيار -۱ دانشجوي کارشناسي ارشد-۲

هفتمين کنگره ( اولين کنگره بين المللی

مهندسی ساخت و توليد ايران) ملی دانشگاه تربيت - تهران١٣٨٤آذرماه

مدرس

ساخت و توليد ايرانمهندسي ) هفتمين کنگره ملي(المللي ره بينكنگاولين دانشگاه تربيت مدرس- تهران١٣٨۴ آذرماه

٢

شده و به دليل تاثير فشار هيدرواستاتيک بر روي ) سنبه يا ماتريس( روغن جايگزين يکي از ابزارهاي شکل دادن ورقفشارسنبه يا : قسمتهاي اصلي ابزار در اين روش عبارتند از. شکل پذيري ورق نقايص ذاتي روشهاي سنتي برطرف مي گردد

نشان داده ١الستيکي مورد استفاده جهت آب بندي که در شکلماتريس، نگهدارنده ورق، ستون اعمال فشار و ديافراگم .شده است

. توليد قطعات پيچيده خودروبه دليل مشخصات فرايند نياز به سعي و خطا زياد داشته و منجر به باالرفتن هزينه مي گردد . نه مورد استفاده قرار گرفته استاستفاده از روشهاي شبيه سازي در سالهاي اخير به عنوان ابزار مناسبي در جهت کاهش هزي

در اين مقاله شبيه سازي فرآيند هيدروفرمينگ جهت ساخت يکي از قطعات پيچيده خودرو مورد بررسي قرار گرفته ونتايج ديده مي شود که بين نتايج تجربي و شبيه سازي تطابق . حاصل از شبيه سازي با نتايج عملي مورد مقايسه قرار گرفته است

.] ٥-١ [بي وجود داردبسيار خو پيش زمينه تئوري-۱-۱

در اين روش معادالت حرکت با استفاده . در اين پژوهش شبيه سازي به کمک روش المان محدود صريح انجام شده است . مي گردد، صورت مي گيرد١از روش انتگرال گيري مستقيم که منجر به معادالت

) ١(utt

uu iii

ii )()()1(

21(

21(

2)) ∆∆ ++=

+−+

utuu iiii )21()1()()1( +++ ∆+=

قانون انتگرال گيري صريح بسيار . به ترتيب جابجايي، سرعت ، شتاب و زمان مي باشند∆tو u ، u ، uکه در آن چون معکوس ماتريس جرمي در محاسبات شتاب . سهاي جرمي قطري مي باشدعلت اين امر استفاده از ماتري. ساده مي باشد

.مورد استفاده قرار مي گيرد)( )()(1)( IFMu iii −•= −

اپراتور انتگرال گيري صريح . بردار نيروي دروني مي باشدI بردار نيروو F ماتريس جرمي قطري، Mکه در اين معادله . فاده از قانون معادله بدست آيدزماني پايدار است که زمان با است

Cd

Lt ≈∆

.] ٨-٦ [ . سرعت موج مي باشدCd مشخصات ابعاد المان و Lکه روش تحقيق -۲ شبيه سازي فرآيند هيدروفرمينگ -۱-۲

ابت شده است که در نتايج قبلي اين موضوع ث. در اين بخش جزئيات اجزا و مدل اصلي قطعه توليدي بيان مي گردد بنابراين با استفاده از سنبه و بررسي . ] ٩ [فرآيند هيدروفرمينگ به کمک قالب براي توليد قطعات پيچيده عملي نمي باشد

شکل . و با ديدگاه بررسي توزيع کرنش شبيه سازي انجام شده استDrawingنحوه توليد قطعات به روشهاي کشش خاص و .] ١٠ [ المان محدود معکوس تعيين شده و توسط شبيه سازي بهينه شده استلوح اوليه با استفاده از روش

ساخت و توليد ايرانمهندسي ) هفتمين کنگره ملي(المللي ره بينكنگاولين دانشگاه تربيت مدرس- تهران١٣٨۴ آذرماه

٣

بررسي مدل-۲-۲با استفاده از روشهاي قديمي سه مرحله جهت ساخت اين . دو بخش از پوسته گلگير نشان داده شده است ٢در شکل

با استفاده از روش . اجزا به يکديگر مي باشنداين مراحل شامل پرس کردن هريک از اجزا و سپس اتصال. نمونه وجود داردسازي و نتايج عملي مورد مدل اصلي که در شبيه٣در شکل . هيدروفرمينگ مي توان اين قطعات را در يک مرحله توليد کرد

.استفاده قرار گرفته، نشان داده شده است شرايط مرزي-۲- ۳

هيدروفرمينگ بستگي زيادي به پارامترهاي فرآيند نظير فشار، اصطکاک، کيفيت محصوالت توليدي با استفاده از فرآيند براي بدست آوردن شرايط بهينه شبيه سازي هاي بسياري در شرايط مختلف . شکل لوح اوليه و مکان قرار گيري سنبه دارد

مورد استفاده فوالد کم ماده . انجام شدABAQUSفشار، لوح اوليه و مکان سنبه با استفاده از نرم افزار المان محدود مي ٣٥/٠از نمودار حد شکل پذيري اين ورق دريافت مي شود که ماکزيمم کرنش دو بعدي در اين ماده . مي باشد)st12(کربندر کل شبيه سازي فرض بر اين بوده است که شرايط . داده شد مگاپاسکال تغيير٣٠ تا ٠فشار مورد استفاده از . ] ١١ [باشد

. مي باشد٠١/٠ کولمب تبعيت کرده و ضريب اصطکاک معادل اصطکاکي از قانون بررسي عملي ساخت قطعه به روش هيدروفرمينگ -۴-۲

. مهندسي متالورژي و مواد دانشگاه تهران انجام پذيرفت دانشکدهآزمايش هيدروفرمينگ در آزمايشگاه شكل دادن فلزات اين تجهيزات شامل . نشان داده شده است۴يدروفرمينگ در شکلتجهيزات مورد استفاده جهت ساخت قطعه به روش ه

محفظه روغن، سنبه، ورق گير، کفشک، جکهاي روغني جهت باالبردن صفحات بااليي کفشک و پمپ روغن جهت فرستادن .روغن هيدروليک به داخل محفظه مي باشد

سنبه . مي باشدX210Cr12از جنس و ورق گير 34CrMo4 ،محفظه از جنس20CrMo10جنس سنبه از فوالد جهت دستيابي به سختي مناسب سنبه . ماشينکاري گرديدCNC طراحي شده و توسط دستگاه CATIA R5.7توسط نرم افزار

از ورق مورد استفاده در اين تحقيق . ساعت عمليات حرارتي گرديده و در روغن کوئنچ گرديد٢به مدت ٩٠٠ Cدر دماي . مي باشد١جهت آب بندي از الستيک استفاده گرديد که مکان قرار گيري آن مطابق شکل . بود st12جنس فوالد کم کربن

و بحث يافته ها-۳

چنانکه از.مورد بررسي و مقايسه قرار گرفته استDrawing سپسدر ابتدا نحوه توليد قطعه به روش کشش خالص و توليد ر، حتي در شرايط بهينه فشا، است ذکرشده قابل برداشتيير شکل يافته در دو شرايط مشهاي تغ در خصوص۵شکل

، ذکر شدهبراي اثبات امکان پذير نبودن ساخت به کمک روش. امکان پذير نيستکشش خالصقطعه با استفاده از فرآيند ۶ل همانطور که در شک. ار گرفته استمسيري در طول بخش اصلي نمونه در نظر گرفته شده و توزيع کرنش مورد بررسي قر

داراي تغييرات زيادي در حالت کشش خالص مي باشد در حالي که در ٤/٠مشاهده مي شود کرنش در فاصله نرماله شده Drawingاز طرف ديگر يکنواختي بيشتري در فرآيند. اين نازک شدگي موضعي ديده نمي شودDrawingحالت فرآيند

ديده مي شود ، در اثر انجام کشش خالص از منطقه جلوي پيشاني پارگي اتفاق مي ٧ر که در شکلهمانطو. مشاهده مي گردد . سازگاري دارد۶اين اتفاق تطابق خوبي با پيش بيني هاي قبلي توسط شبيه سازي داشته و مکان پارگي به خوبي با شکل. افتد

همانطور كه در . انجام شد ۳ بدون استفاده از نگهدارنده خاص مورد استفاده ، مطابق شكل Drawingاز طرف ديگر فرايند ديده مي شود ، در اين حالت عمق كشش مناسب بوده وپارگي مشاهده نمي شود ولي به دليل عدم حضور نگهدارنده ۸شكل

در حالتي كه از .بيني شده استاين چروك خوردگي در نتايج شبيه سازي پيش . چروك خوردگي مشاهده مي گردد قطعه ۹چروك خوردگي در اين قطعه از بين مي رود و مي توان مطابق شكل ) ب و د-۳شكل (نگهدارنده ورق استفاده گردد،

ساخت و توليد ايرانمهندسي ) هفتمين کنگره ملي(المللي ره بينكنگاولين دانشگاه تربيت مدرس- تهران١٣٨۴ آذرماه

٤

نگهدارنده ورق مي توان بنا براين همانطوركه شبيه سازي پيش بيني مي كند، مي توان با بكارگيري. سالمي را به دست آورد . آيد الزم به ذكر است كه مكان قرارگيري نگهدارنده ورق نيز با استفاده از شبيه سازي بدست مي. لمي را بدست آوردقطعه سا

نتيجه گيري كلي-۴

نتايج شبيه سازي حاکي از آن است امکان ساخت پوسته گلگير به صورت يک پارچه از طريق فرآيند هيدروفرمينگ -۱ بيانگر اين مطلب است که به دليل توزيع کرنش Drawing حاصل از شبيه سازي کشش خالص ومقايسه نتايج. وجود دارد

.يکنواخت تر امکان ساخت قطعه به روش امکان پذير بوده در حالي که به روش کشش خالص ممکن نيستد هيدروفرمينگ با كشش نتايج عملي به خوبي با نتايج شبيه سازي مطابقت داشته و بيانگر اين موضوع است كه فرآين-٢

. همراه با نگهدارنده ورق نتايج خوبي را به همراه داردDrawingخالص براي ساخت پوسته گلگير عملي نبوده ولي فرآيند . مكان قرارگيري نگهدارنده ورق از طريق نتايج شبيه سازي به دست آمد كه به خوبي با نتايج عملي همسويي دارد-٣ تقدير و تشکر-۵ .سازمان گسترش و نوسازی صنايع ايران جهت پشتيبانی از انجام تحقيق حاضر تشکر ميگردداز مراجع-۶

1- S.h.Zhang, Z.R.Wang, Y.Xu, Z.T.Wang and L.X.Zhou “Recent development in sheet hydroforming technology”, J. Mater. Process. Technol., 151, (2004), 237-241. 2- S.Yossifon and J.Tirosh “On the permissible fluid-pressure path in hydroforming deep drawing process-Analysis of failures and experiments”, Transaction of ASME, 110, (1989) 146-152. 3- S.Nakamura, H.Sugiura, H.Onoe and K.Ikemoto “Hydromechamical drawing of automotive parts”, J. Mater. Process. Technol., 46, (1994), 491-503 4- S.Thiruvarudchelvan and W. Lewis, A note on hydroforming with constant fluid pressure, J. Mater. Process. Technol. 88(1999) 51-56. 5-S.Thiruvarudchelvan and F.W.Travis “Hydrailuic-pressure-enhanced cup-drawing processes-an appraisal”, J. Mater. Process. Technol., 140, (2003), 70-75. 6- W.J.Chung, J.W.Cho and T.Belytschko, “On the dynamic effects of explicit FEM in sheet metal forming analysis, Eng.Comput.15 (1998) 750-776. 7- B.S.Kang, B.M.Son and J.Kim, “A comparative study of stamping and hydroforming processes for an automobile fuel tank using FEM”, J. Mater. Process. Technol., 44, (2004), 87-94. 8- J.Kim, Y.H.Kan, H.H.Choi, S.M.Hwang and B.S.Kang, “Comparison of implicit and explicit finite element methods for hydroforming procsses of an automobile lower arm”, Int. J. Adv. Manuf. Technol. 20,(2002), 407-413. 9- M.H.Parsa and M. Shahabizaheh, “Deformation of Aluminum sheet into two side-by-side depressions in Sheet hydroforming”, to be appeared in J. Mater. Process. Technol. 10- M.H.Parsa and P.Pournia, “Blank shape design based on inverse finite element method using ideal forming theory and a modified kinematics formulation”, Proceedings of 7th Biennial ASME Conference, Engineering Systems Design and Analysis, Manchester, UK July 19-22, 2004. 11-M. Shakeri, A. Sadough, B.M. Dariani, “Effect of pre-straining and grain size on the limit strains in sheet metal forming”, Proc. Instn. Mech. Engrs.214(2000) , 821-827.

.] ١ [ماتيک فرآيند هيدروفرمينگش-١شکل

ساخت و توليد ايرانمهندسي ) هفتمين کنگره ملي(المللي ره بينكنگاولين دانشگاه تربيت مدرس- تهران١٣٨۴ آذرماه

٥

اجزاي قطعات پوسته گلگيرمورد استفاده در شبيه سازي-٢شكل

ج

پانچ-الف- مدل اجزا ورودي در بررسي عددي-٣شكل . مش بندي اجزا- لوح اوليه ورق، د-شبه قالب، ج-ب

الف ب

د

ساخت و توليد ايرانمهندسي ) هفتمين کنگره ملي(المللي ره بينكنگاولين دانشگاه تربيت مدرس- تهران١٣٨۴ آذرماه

٦

تجهيزات مورد استفاده جهت انجام آزمايش-۴شكل

.كشش خالص-،ب Drawing -ه كانتور هاي توزيع كرنش در شرايط الف مقايس-۵ شكل

الف

ب

ساخت و توليد ايرانمهندسي ) هفتمين کنگره ملي(المللي ره بينكنگاولين دانشگاه تربيت مدرس- تهران١٣٨۴ آذرماه

٧

00.10.20.30.40.50.60.70.80.9

1

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

Normalize distance

Thic

knes

s (m

m)

stretching

drawing

نمونه آزمايش كشش خالص-٧شكل

جهت بررسي توزيع كرنشمسير مشخص شده

Drawing توزيع كرنش در شرايط كشش خالص و-۶ شكل

ساخت و توليد ايرانمهندسي ) هفتمين کنگره ملي(المللي ره بينكنگاولين دانشگاه تربيت مدرس- تهران١٣٨۴ آذرماه

٨

الف

ب

ساخت و توليد ايرانمهندسي ) هفتمين کنگره ملي(المللي ره بينكنگاولين دانشگاه تربيت مدرس- تهران١٣٨۴ آذرماه

٩

Drawing نمونه آزمايش -٩ شكل

ساخت و توليد ايرانمهندسي ) هفتمين کنگره ملي(المللي ره بينكنگاولين دانشگاه تربيت مدرس- تهران١٣٨۴ آذرماه

١٠

Studying the Possibility of Manufacturing an Automotive Body Part Using Sheet Hydroforming

Process(comparison of stretching & drawing)

M. H. Parsa1 , P. Darbandi2, F. kabiri2 and S. Sokhanvaran2

Corresponding Author Address: Department of Metallurgy and Materials Engineering, Faculty of Engineering, University of Tehran, P.O.Box 11365/4563, Tehran, Iran, mhparsa@ut.ac.ir

Abstract Weight reduction is an important issue and big challenge for automotive industries. For accomplishing

such goals various innovations in different related field have been introduced. Among manufacturing

methods in recent five years the sheet hydroforming process has received much attention because of it

inherent capabilities. Hydroforming advantages have been revealed from few researches work and for

getting more insight about the capabilities of sheet hydroforming for production of complex shapes

more researches must be carried out. In the present paper designing procedure and results of

experimental investigation of hydroforming process for production of a complex autobody part will be

presented. First of all initial blank shape and size has been calculated using one-step inverse finite

element. Then by using a commercial finite element software the hydroforming has been simulated. In

the simulations the effect of various parameters such as shape of tools, hydroforming pressure and

initial blank size on the distribution of strain and depth of deformed part has been evaluated. The

results of simulation have been evaluated by experimental tests.

Keywords: Sheet forming, Hydroforming, Automotive Industry.

1- Associate professor

2- Graduate student