تأثیر دمای اولیه و خنک کاری بر تنش ترمومکانیکی غلتک های نورد حلقه
تأثیر دمای اولیه و خنک کاری
تأثیر دمای اولیه و خنک کاری بر تنش ترمومکانیکی غلتک های نورد حلقه
چکیده
فرآیند نورد حلقه یکی از روشهای پیشرفته شکلدهی فلزات است که برای تولید قطعات حلقوی بدون درز با دقت ابعادی بالا. و خواص مکانیکی مطلوب به کار میرود. در این فرآیند، غلتکها بهطور همزمان تحت بارهای مکانیکی و حرارتی شدید قرار میگیرند. ازاینرو، تحلیل تنشهای ترمومکانیکی آنها از اهمیت ویژهای برخوردار است.
در پژوهش حاضر، تأثیر دمای اولیه غلتک و خنککاری سطحی بر توزیع و دامنه تنشهای ترمومکانیکی. و در غلتک اصلی و مندرل دستگاه نورد حلقه بررسی گردید. بدین منظور، مدل اجزای محدود دوبعدی با استفاده از نرمافزار آباکوس و اسکریپتنویسی توسعه یافت و شرایط مرزی متغیر با زمان. شامل نیروی نورد، سطح تماس، دمای حلقه و ناحیه خنککاری، اعمال گردیده است.
نتایج نشان میدهد که در غلتک اصلی، تنشهای مکانیکی نقش غالب دارند و بیشینه تنش معادل ونمیزز در زیر سطح رخ میدهد. در حالی که در مندرل، به دلیل سطح تماس بیشتر با حلقه داغ و نفوذ حرارتی بالاتر، تنشهای حرارتی عامل تعیینکننده هستند. و بیشینه تنش به سطح منتقل میشود.
همچنین، خنککاری سطحی تأثیر ناچیزی بر تنشهای غلتک اصلی دارد، اما در مندرل موجب کاهش تنش متوسط و افزایش دامنه تنش میشود. بهترین وضعیت از نظر کمینهسازی تنشهای ترمومکانیکی، وقتی حاصل میشود که دمای اولیه غلتک در محدوده ۳۰۰ تا ۵۰۰ درجه سلسیوس حفظ گردید. و خنککاری مناسبی بر سطح آن انجام گیرد.
کلیدواژهها: نورد حلقه، تنش ترمومکانیکی، غلتک اصلی، مندرل، خنککاری، اجزای محدود، دمای اولیه
۱. مقدمه
نورد حلقه یک فرآیند شکلدهی حجمی است که در آن یک پیشفرم حلقوی بین یک غلتک اصلی محرک و یک مندرل هرزگرد قرار گرفت. و با کاهش ضخامت دیواره، ارتفاع حلقه افزایش مییابد. این فرآیند به دلیل تولید قطعات بدون درز، دقت ابعادی بالا، جریان یکنواخت ماده و کاهش قابلملاحظه پرت مواد. در صنایع هوافضا، هستهای، خودروسازی و ساخت یاتاقانها و چرخدندههای دقیق کاربرد گستردهای یافته است.
برخلاف نورد ورق که در آن سطح تماس و شرایط مرزی نسبتاً ثابت است. در نورد حلقه سطح تماس بین حلقه و غلتکها بهطور پیوسته تغییر میکند. بهگونهای که سطح تماس با مندرل کاهش و با غلتک اصلی افزایش مییابد. این ویژگی، همراه با هندسه نامتقارن، تغییرات دما و نیروهای شکلدهی، تحلیل فرآیند را بسیار پیچیده میسازد.
از سوی دیگر، نورد سوپرآلیاژها و فلزات دیرگداز، انجام فرآیند در دماهای بالا را اجتنابناپذیر میکند. این شرایط باعث میشود غلتکها تحت شوکهای حرارتی شدید، خستگی حرارتی، خزش، سایش و اکسیداسیون قرار گیرند. تنشهای ترمومکانیکی ناشی از همزمانی بارهای مکانیکی و حرارتی، مهمترین عامل تعیینکننده عمر غلتک هستند.
تأثیر دمای اولیه و خنک کاری
بر اساس تجربیات صنعتی، حدود ۵ تا ۱۵ درصد از هزینه کل نورد به مصرف غلتک اختصاص مییابد. بنابراین، شناخت دقیق رفتار ترمومکانیکی غلتکها و بهینهسازی پارامترهای کاری مانند دمای اولیه و خنککاری. میتواند به کاهش هزینهها و افزایش بهرهوری منجر شود.
تأثیر دمای اولیه و خنک کاری
در این مقاله، ابتدا مبانی فرآیند نورد حلقه و ویژگیهای متمایز آن تشریح میشود. سپس، ضرورت تحلیل ترمومکانیکی غلتکها و محدودیتهای روشهای تحلیلی مورد بحث قرار میگیرد. در ادامه، مدل اجزای محدود توسعهیافته و شرایط مرزی آن معرفی شده و در نهایت، نتایج مربوط به تأثیر دمای اولیه. و خنککاری بر تنشهای غلتک اصلی و مندرل ارائه و تحلیل میگردد.
۲. نورد حلقه و ویژگیهای متمایز آن
۲.۱. اصول فرآیند
در نورد حلقه، یک حلقه فلزی داغ بین دو غلتک اصلی و مندرل قرار میگیرد. غلتک اصلی با سرعت دورانی ثابت میچرخد و مندرل بهسمت آن حرکت میکند. با نزدیک شدن مندرل، ضخامت دیواره حلقه کاهش و قطر و ارتفاع آن افزایش مییابد. غلتکهای راهنما برای جلوگیری از خارج از مرکز شدن حلقه و غلتکهای محوری برای کنترل ارتفاع حلقه به کار میروند. ماشینهای نورد حلقه به دو دسته شعاعی و شعاعی-محوری تقسیم میشوند. در نوع شعاعی، فقط ابعاد شعاعی کنترل میشود؛ در حالی که در نوع شعاعی-محوری، ارتفاع نیز توسط غلتکهای محوری تنظیم میگردد.
۲.۲. مزایای نورد حلقه
مهمترین مزیت نورد حلقه، جریان یکنواخت ماده در سراسر مقطع و محیط حلقه است. این یکنواختی باعث میشود ساختار ماده در برابر ترکهای سطحی مقاومتر شده و کیفیت سطحی مطلوبی حاصل گردد. علاوه بر این، عدم وجود مواد اضافی و زوایای ناخواسته، نیاز به ماشینکاری تکمیلی را کاهش میدهد. در مقایسه با آهنگری، نورد حلقه زمان تولید کوتاهتر و مصرف مواد کمتری دارد. به همین دلیل، این فرآیند برای تولید حلقههای با مقطع دارای پیچیچدگی و ابعاد دقیق، گزینهای ایدهآل محسوب میشود.
۲.۳. تفاوتهای اساسی با نورد ورق
تحلیلهای تئوری موجود برای نورد ورق، بهدلیل تفاوتهای بنیادین، برای نورد حلقه قابل استفاده نیستند. نخست، در نورد ورق تقارن غلتکها برقرار است و معمولاً تنها یک غلتک تحلیل میشود. در حالی که در نورد حلقه قطر غلتک اصلی و مندرل متفاوت است.
و هر یک تحلیل جداگانهای نیاز دارد. دوم، سطح تماس در نورد ورق نسبتاً ثابت است، اما در نورد حلقه بهطور مداوم تغییر میکند. سوم، هندسه نورد حلقه نامتقارن است و حلقه تمایل به خارج از مرکز شدن دارد. چهارم، تغییرات دما ناشی از اصطکاک و تغییر شکل، توزیع تنش را بهشدت تحت تأثیر قرار میدهد. بنابراین، تحلیل نورد حلقه باید بهصورت ترمومکانیکی و وابسته به زمان انجام شود.
۳. تنشهای ترمومکانیکی در غلتکها
غلتکهای نورد در حین کار تحت تأثیر همزمان دو نوع بارگذاری قرار دارند:
- بارگذاری مکانیکی: ناشی از نیروی نورد، فشار تماسی و گشتاور اعمالی
- بارگذاری حرارتی: ناشی از تماس با حلقه داغ، اصطکاک و تغییر شکل پلاستیک
این دو میدان با یکدیگر کوپل شده و میدان تنش پیچیدهای ایجاد میکنند. در سطوح تماس، تنشهای هرتزین به وجود میآید که بیشینه تنش برشی را در زیر سطح ایجاد میکند. از سوی دیگر، تغییرات شدید دما در لایه نازکی از سطح غلتک رخ میدهد که به لایه مرزی حرارتی معروف است. این لایه در هر دور چرخش، چرخههای گرم و سرد شدن را تجربه میکند و منجر به خستگی حرارتی میشود.
در غلتک اصلی، به دلیل قطر بزرگتر و سطح تماس کوچکتر، بارهای مکانیکی غالب هستند. در مقابل، مندرل به دلیل قطر کوچکتر و سطح تماس بزرگتر با حلقه داغ، نفوذ حرارتی بیشتری را تجربه کرده. و تنشهای حرارتی در آن غالب میشوند. این تفاوت، استراتژیهای متفاوتی را برای خنککاری و کنترل دما ایجاب میکند.
۴. مدلسازی اجزای محدود
۴.۱. معادلات حاکم
برای تحلیل ترمومکانیکی، معادلات ترموالاستیسیته خطی به کار میرود. این معادلات از ترکیب معادله حرکت، معادله انرژی و روابط constitutive به دست میآیند. در حالت سهبعدی، سه مؤلفه جابجایی و اختلاف دما مجهولات مسئله را تشکیل میدهند. با استفاده از روش اجزای محدود و اصل باقیمانده وزنی گالرکین، معادلات به فرم ماتریسی زیر تبدیل میشوند:
$$[M]{\ddot{\delta}} + [C]{\dot{\delta}} + [K]{\delta} = {F}$$
که در آن [M]، [C] و [K] بهترتیب ماتریسهای جرم، میرایی و سختی، و {F} بردار نیروهای خارجی است. برای کاهش حجم محاسبات، از تحلیل شبهاستاتیک استفاده شده و اثرات اینرسی نادیده گرفته میشود.
۴.۲. شرایط مرزی و اسکریپتنویسی
خنککاری موضعی با استفاده از محیط گرافیکی معمولی آباکوس قابل اعمال نیست. ازاینرو، اسکریپتنویسی در محیط پایتون آباکوس به کارگیری شد. شرایط مرزی متغیر با زمان شامل نیروی نورد، دمای حلقه، سطح تماس و ناحیه خنککاری در هر مرحله بهروزرسانی میشود. برای کاهش زمان حل، غلتک در فضا ثابت فرض شده و شرایط مرزی به دور آن میچرخد. مشبندی با ۱۰۸۰۰ المان و ۱۱۱۶۱ گره انجام شده و از المانهای خطی چهارگرهی CPE4RT استفاده گردید. ناحیه نزدیک به سطح با مش ریزتر و ناحیه داخلی با مش درشتتر مدل شده است.
۴.۳. صحتسنجی
برای اطمینان از صحت مدل، نتایج با دادههای پژوهش بناسکیوتی و همکاران مقایسه شد. مدل حاضر در نواحی با تغییرات دمایی شدید، دما را کمی بیشتر (کمتر از ۱ درصد) پیشبینی میکند. اما در سایر نواحی تطابق مطلوبی وجود دارد.
تأثیر دمای اولیه و خنک کاری
۵. نتایج و بحث
۵.۱. تأثیر دمای اولیه و خنککاری بر غلتک اصلی
در غلتک اصلی، بیشینه تنش معادل ونمیزز در زیر سطح رخ میدهد. این پدیده با تئوری تنشهای هرتزین مطابقت دارد. با افزایش دمای اولیه غلتک از ۳۰ به ۲۵۰ درجه سلسیوس. مقدار بیشینه تنش در سطح از ۳۰۳ مگاپاسکال و در زیر سطح از ۴۴۸ مگاپاسکال فراتر نمیرود. نکته مهم آن است که خنککاری سطحی تأثیر ناچیزی بر تنشهای غلتک اصلی دارد و تنها دمای سطح را حدود ۱.۵ درصد کاهش میدهد. بنابراین، در غلتک اصلی، نیروهای مکانیکی عامل تعیینکننده هستند و دمای اولیه و خنککاری نقش ثانویه دارند.
۵.۲. تأثیر دمای اولیه و خنککاری بر مندرل
در مندرل، به دلیل نفوذ حرارتی بیشتر، تنشهای حرارتی غالب هستند. جدول زیر خلاصهای از تأثیر دمای اولیه و خنککاری بر پارامترهای تنش در مندرل را نشان میدهد:
| شرایط | بیشینه تنش | تنش متوسط | دامنه تنش |
| دمای ۳۰°C با خنککاری آب | مرجع | مرجع | مرجع |
| دمای ۲۵۰°C بدون خنککاری | +۷۰% | +۹۰% | +۳۰% |
| دمای ۲۵۰°C با خنککاری روغن | +۵۷% | +۶۷% | +۳۸% |
| دمای ۵۰۰°C بدون خنککاری | +۱۵% | +۲۱% | +۴% |
| دمای ۵۰۰°C با خنککاری روغن | <۱% | <۱% | <۱% |
همانطور که مشاهده میشود، بهترین حالت وقتی است که دمای مندرل در محدوده ۵۰۰ درجه سلسیوس حفظ شده. و خنککاری مناسبی بر سطح آن انجام شود. در این حالت، میدان دمای ناهمگن به حداقل رسیده و تنشهای ترمومکانیکی به کمترین مقدار خود میرسند. در مقابل، بدترین حالت وقتی رخ میدهد که مندرل در دمای پایین (۳۰ درجه سلسیوس) و بدون خنککاری باشد. زیرا شار حرارتی ورودی زیاد بوده و تنشهای حرارتی بزرگی ایجاد میشود.
۵.۳. مکانیزم تغییرات تنش
در مندرل، در اوایل فرآیند، تنشهای مکانیکی غالب هستند و بیشینه تنش در زیر سطح رخ میدهد. با گذشت زمان و نفوذ حرارت، تنشهای حرارتی افزایش یافته و مکان بیشینه تنش به سطح منتقل میشود. اعمال همزمان بارهای حرارتی و مکانیکی، مؤلفههای تنش را افزایش میدهد.
اما اختلاف آنها کاهش مییابد. در نتیجه، تنش معادل ونمیزز نسبت به حالت حرارتی خالص کاهش مییابد. این رفتار نشان میدهد که مکان و مقدار بیشینه تنش به تعادل بین بارهای مکانیکی و حرارتی بستگی دارد.
تأثیر دمای اولیه و خنک کاری
۵.۴. مقایسه غلتک اصلی و مندرل
| ویژگی | غلتک اصلی | مندرل |
| عامل غالب | تنش مکانیکی | تنش حرارتی |
| مکان بیشینه تنش | زیر سطح | سطح (در ادامه فرآیند) |
| تأثیر خنککاری | ناچیز | قابل توجه |
| دمای بهینه اولیه | ۲۵۰–۳۰۰°C | ۵۰۰°C |
| خطر اصلی | خستگی مکانیکی | خستگی حرارتی |
این مقایسه نشان میدهد که استراتژیهای کنترل دما و خنککاری باید برای هر غلتک بهصورت جداگانه طراحی شود.
۶. نتیجهگیری
در این پژوهش، تأثیر دمای اولیه و خنککاری بر تنشهای ترمومکانیکی غلتکهای نورد حلقه با استفاده از مدلسازی اجزای محدود. و اسکریپتنویسی در آباکوس بررسی شد. نتایج حاصل را میتوان به شرح زیر خلاصه کرد:
نخست، در غلتک اصلی، تنشهای مکانیکی غالب هستند و بیشینه تنش معادل ونمیزز در زیر سطح رخ میدهد. خنککاری سطحی تأثیر ناچیزی بر توزیع و مقدار تنشهای این غلتک دارد.
دوم، در مندرل، به دلیل سطح تماس بیشتر با حلقه داغ و نفوذ حرارتی بالاتر، تنشهای حرارتی عامل تعیینکننده هستند. و بیشینه تنش به سطح منتقل میشود. خنککاری مناسب میتواند تنش متوسط را کاهش داده و میدان دمای ناهمگن را به حداقل برساند.
سوم، بهترین وضعیت از نظر کمینهسازی تنشهای ترمومکانیکی، وقتی حاصل میشود. که دمای اولیه مندرل در محدوده ۵۰۰ درجه سلسیوس حفظ میشود و خنککاری مناسبی بر سطح آن انجام گیرد. در این حالت، تغییرات تنش نسبت به حالت مرجع کمتر از ۱ درصد است.
چهارم، بدترین حالت وقتی رخ میدهد که مندرل در دمای پایین و بدون خنککاری باشد. زیرا شار حرارتی ورودی زیاد بوده و تنشهای حرارتی بزرگی ایجاد میشود.
پنجم، با توجه به پیچیدگی فرآیند نورد حلقه و کمبود تحلیلهای ترمومکانیکی موجود. توسعه مدلهای عددی دقیق و وابسته به زمان، ابزار ضروری برای بهینهسازی پارامترهای کاری و افزایش عمر غلتکها محسوب میشود.
تأثیر دمای اولیه و خنک کاری
ششم، توصیه میشود در پژوهشهای آینده، اثر پارامترهای دیگری مانند سرعت نورد، نوع روانکار، هندسه غلتک. و جنس حلقه نیز در مدلسازی ترمومکانیکی لحاظ شود تا امکان ارائه راهکارهای جامعتر برای افزایش بهرهوری فرآیند فراهم گردد.
منابع و مآخذ
- سنگ، و همکاران. مدلسازی کوپل ترمومکانیکی شکلدهی حلقهای از جنس IN-718. [مرجع اصلی برای شرایط مرزی و دادههای تجربی]
- بناسکیوتی، و همکاران. تحلیل المان محدود دوبعدی تنشهای حرارتی در نورد داغ ورق. [مرجع صحتسنجی مدل]
- سنبلی و سراجزاده. مدل تحلیلی-عددی تنش ترمومکانیکی در غلتکهای نورد. [ارائه روابط و بررسی پارامترها]
- نا و همکاران. تنشهای حرارتی و دما در غلتک نورد داغ ورق. [زمان استراحت بحرانی]
- صیادی و سراجزاده. کوپل المان محدود و روش کران بالا در نورد داغ ورق. [توزیع دما و نیرو]
- قیوم و همکاران. تنشهای ترمومکانیکی در غلتک H-11 در نورد سرد و داغ برنج. [مقایسه با نتایج آباکوس]
- کوه بر. تنشهای ترمومکانیکی در نورد گرم ورق. [شرایط مرزی و نواحی تماس]
- نگهبان و همکاران. مدل یکپارچه المان محدود برای غلتک نورد حلقه. [شرایط مرزی متغیر]
- فروزان و همکاران. تعریف سطوح تماس در نورد حلقه. [روابط سطح تماس]
- استاندارد ASTM E384-11. آزمون میکروسختی ویکرز. [مرجع اندازهگیری سختی]