کشش عمیق هیدرودینامیکی به کمک ارتعاشات فراصوتی: مطالعه شکل دهی فنجان های استوانه ای
محورهای موضوعی : یافته های نوین کاربردی و محاسباتی در سیستم های مکانیکیمهدی سهراب خانی 1 , مهدی ظهور 2 * , شهرام اعتمادی حقیقی 3
1 - دانشجوی دکتری، گروه مهندسی مکانیک،دانشکده مکانیک، برق و کامپیوتر، واحد علوم و تحقیقات، دانشگاه آزاد اسلامی، تهران، ایران
2 - دانشیار، گروه ساخت و تولید، دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه صنعتی خواجه نصیرالدین طوسی، تهران، ایران
3 - استادیار،گروه مهندسی مکانیک، دانشکده مکانیک، برق و کامپیوتر، واحد علوم و تحقیقات، دانشگاه آزاد اسلامی، تهران، ایران
کلید واژه: ارتعاشات فراصوتی, كشش عميق هيدرودینامیکی, فنجان استوانه ای, شبیه سازی اجزای محدود, نازک شدگی,
چکیده مقاله :
فرآیند کشش عمیق هیدرودینامیکی با کمک ارتعاشات فراصوتی، در مقایسه با روش متداول کشش عمیق هیدرودینامیکی، شیوه‌ای پیشرفته محسوب می‌شود که به بهبود چشمگیر قابلیت شکل‌پذیری و کاهش نیروی لازم برای شکل‌دهی می‌انجامد. در این فناوری نوین، ابزار شکل‌دهی تحت نوساناتی با دامنه کم و فرکانس بالا قرار می‌گیرد. هدف اصلی از پژوهش حاضر، بررسی پارامترهای مختلف موثر بر رفتار تغییر شکل قطعات استوانه‌ای نازک است که از طریق فرآیند کشش عمیق هیدرودینامیکی با ارتعاشات فراصوتی تولید میشوند. بدین منظور، با بهرهگیری از روش اجزای محدود، قالب به عنوان ابزار ارتعاشی بهصورت طولی و با ارتعاشات اجباری در فرکانس 20 کیلو هرتز و دامنه ارتعاش 5 میکرومتر تحریک گردید. برای اطمینان از اعتبار مدل اجزای محدود مورد استفاده، مقادیر نیروی شکل‌دهی و توزیع ضخامت ورق حاصل از شبیه‌سازی با نتایج تجربی مقایسه شدند و تطابق قابل قبولی میان آنها مشاهده شد. در ادامه تاثیر پنج پارامتر بر روی حداکثر میزان نازک شدگی فنجان‌های استوانه‌ای مورد بررسی قرار گرفت. نتایج نشان داد که با افزایش ضریب اصطکاک میان ورق و ورقگیر، میزان نازک شدگی حداکثر به میزان 8/12% افزایش می‌یابد. همچنین، افزایش شعاع گوشه سنبه و ماتریس، افزایش ضریب اصطکاک بین ورق و سنبه و افزایش فاصله بین ماتریس و ورقگیر به ترتیب با سهم‌های 3/42%، 8/41% ، 4/24% و 5/22% موثرترین پارامترها در کاهش حداکثر نازک شدگی هستند.
Hydrodynamic deep drawing assisted by ultrasonic vibrations is considered an advanced method compared to conventional hydrodynamic deep drawing, leading to improved formability and a reduction in the required forming force. In this innovative technology, the forming tool is subjected to oscillation with a low amplitude and high frequency. The primary objective of this study is to investigate the various parameters that influence the deformation behavior of thin-walled cylindrical parts produced by the ultrasonic vibration-assisted hydro-dynamic deep drawing process. To this end, using the finite element method, the die, acting as the vibrating tool, is longitudinally excited by forced vibrations with a frequency of 20 kHz and an amplitude of 5 µm. To validate the accuracy of the finite element model employed, the simulation outputs and experimental results were compared based on forming force and thickness distribution, demonstrating acceptable agreement. Subsequently, the effect of five parameters on the maximum thinning ratio of cylindrical cups was investigated. The results demonstrated that an increase in the friction coefficient between the sheet and the blank holder led to a 12.8% increase in the maximum thinning. Additionally, the punch and die corner radii, the increase in the friction coefficient between the sheet and the punch, and the increase in the gap between the die and the blank holder were the most effective parameters in reducing the maximum thinning, with contributions of 42.3%, 41.8%, 24.4%, and 22.5%, respectively.
[1] Zhang, S. H., Wang, Z. R., Xu, Y., Wang, Z. T., Zhou, L. X., (2004). Recent developments in sheet hydroforming technology. Journal of Materials Processing Technology, 151(1-3), pp 237-241.
[2] Oh, S. I., Jeon, B. H., Kim, H. Y., Yang, J. B., (2006). Applications of hydroforming processes to automobile parts. Journal of materials processing technology, 174(1-3), pp 42-55.
[3] Hossein Seyedkashi, S. M., Panahizadeh R, V., Xu, H., Kim, S., Moon, Y. H., (2013). Process analysis of two-layered tube hydroforming with analytical and experimental verification. Journal of Mechanical Science and Technology, 27, pp 169-175.
[4] Modanloo, V., Gorji, A., Bakhshi-Jooybari, M., (2016). Effects of forming media on hydrodynamic deep drawing. Journal of Mechanical Science and Technology, 30, pp 2237-2242.
[5] Lucas, M., Gachagan, A., Cardoni, A., (2009). Research applications and opportunities in power ultrasonics. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part C: Journal of Mechanical Engineering Science, 223(12), pp 2949-2965.
[6] Abramov, O. V. (2019). High-intensity ultrasonics: theory and industrial applications. CRC Press.
[7] Abedini, R., Abdullah, A., Alizadeh, Y., Fartashvand, V., (2017). A Roadmap for application of high-power ultrasonic vibrations in metal forming. Modares Mechanical Engineering, 16(10), pp 323-334.
[8] Blaha, F., Langenecker, B., (1955). Tensile deformation of zinc crystal under ultrasonic vibration. Naturwissenschaften, 42(556), pp 1-10.
[9] Rasoli, M. A., Abdullah, A., Farzin, M., Tehrani, A. F., Taherizadeh, A., (2012). Influence of ultrasonic vibrations on tube spinning process. Journal of Materials Processing Technology, 212(6), pp 1443-1452.
[10] Dong, S., Dapino, M. J., (2014). Elastic–plastic cube model for ultrasonic friction reduction via Poisson's effect. Ultrasonics, 54(1), pp 343-350.
[11] Ning, F., Cong, W., (2020). Ultrasonic vibration-assisted (UV-A) manufacturing processes: State of the art and future perspectives. Journal of Manufacturing Processes, 51, pp174-190.
[12] Jimma, T., Kasuga, Y., Iwaki, N., Miyazawa, O., Mori, E., Ito, K., Hatano, H., (1998). An application of ultrasonic vibration to the deep drawing process. Journal of Materials Processing Technology, 80, pp 406-412.
[13] Sohrabkhani, M., Zohoor, M., Etemadi Haghighi., (2024). An Investigation on Forming Force of Hydrodynamic Deep Drawing Assisted by Ultrasonic Vibration. 3th international conference of electrical engineering, computer, mechanics and new technologies related to artificial intelligence, Mashhad.
[14] Sohrabkhani, M., Zohoor, M., Etemadi Haghighi., (2024). Effect of ultrasonic vibration on forming force in the hydrodynamic deep drawing process. The first international conference on information technology engineering, mechanics, electricity and engineering sciences, Birmingham.
[15] Sohrabkhani, M., Zohoor, M., Etemadi Haghighi., (2024). Ultrasonic Vibration Assisted Hydrodynamic Deep Drawing: An Investigation into Sheet Thinning. The first international conference on electricity, mechanics, information technology and aerospace in engineering sciences, Lisbon.
[16] Sohrabkhani, M., Zohoor, M., Etemadi Haghighi., (2024). Ultrasonic Vibration- Assisted Hydrodynamic Deep Drawing: An Investigation into Sheet Thinning and Forming Force. Journal of New Applied and Computational Findinigs in Mechanical Systems, 4 (4), pp 1-13.
[17] Modanloo, V., Akhoundi, B., Mashayekhi, A., Talebi-Ghadikolaee, H., Zeinolabedin Beygi, A., (2022). The study of forming of steel cups using hydrodynamic deep drawing process. Iranian Journal of Manufacturing Engineering, 9(8), pp 56-64.
[18] Kimura, S., & Furushima, T. (2023). New small-scale hydromechanical deep-drawing process using die-integrated active high-pressure generation system. International Journal of Material Forming, 16(5), 46.
[19] Kalpakjian, S., (2017). Manufacturing processes for engineering materials: Addision Wesley Longman, India.
[20] Li, B., Nye, T. J., Metzger, D. R. (2006). Multi-objective optimization of forming parameters for tube hydroforming process based on the Taguchi method. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 28, pp 23-30.
[21] Sharma, A. K., Rout, D. K. (2009). Finite element analysis of sheet hydromechanical forming of circular cup. Journal of Materials Processing Technology, 209(3), pp 1445-1453.