SUPERVISOR
Abbas Ghaei,Mahmoud Farzin
عباس قائی (استاد مشاور) محمود فرزین (استاد راهنما)
STUDENT
Mehdi Safari
مهدی صفری
FACULTY - DEPARTMENT
دانشکده مهندسی مکانیک
DEGREE
Doctor of Philosophy (PhD)
YEAR
1388
TITLE
Experimental and Numerical Explanation of Steel Sheet Forming with a Moving Heat Source
In recent years, one of the challenges in sheet metal forming was production of double curvature surfaces without mechanical tools and external forces. Forming with a heat source is a capable method for forming arbitrary 3D shapes with double curvature surfaces. However forming of even 2D shapes with a heat source is a very complicated thermo-mechanical process. Production of 3D shapes with a heat source is more complicated than 2D shapes. For this reason few researches in the field of forming of 3D shapes with a heat source have been reported. The aim of this thesis is investigating and proposing new methods for forming of double curvature surfaces with a heat source. In order to obtain a better knowledge in this field, in the first part of the thesis, we focused on the forming of 2D shapes with a laser heat source. These researches were focused on laser bending of tailor machined blanks. Laser bending of tailor machined blanks is more complicated than monolithic plates due to different thicknesses in these blanks. As a result of these studies a new irradiating scheme was proposed for laser bending of tailor machined blanks. Experimental and numerical results showed that the proposed irradiating scheme was a suitable method for laser bending of tailor machined blanks. Also, the effects of various process parameters such as irradiating method, laser power, beam diameter, number of scan passes and start point of scan path on the bending angle of tailor machined blanks were investigated based of statistical analyses. After this section, in the second part of the thesis our researches were focused on the production of double curvature surfaces with a heat source. For this purpose, forming of a bowl shaped surface with a spiral irradiating scheme and also production of dome and saddle shapes in two separate stages were investigated. Bowl shaped surfaces were formed from circular plates with spiral irradiating scheme and using flame as the heat source. Experimental and numerical results show that a bowl shaped surface with considerable amount of curvature can be successfully made by spiral irradiating scheme. Effects of spiral pitch, number of spiral passes and also in-to-out and reversely out-to-in spiral path on the obtained bowl shaped surface were investigated. Dome and saddle shapes were also investigated in two stages. Firstly with an analytical method a suitable irradiating scheme was proposed for forming of double curvature dome and saddle shapes. Then, performance of proposed irradiating scheme was investigated with experimental tests and numerical simulations. In the proposed method, first and second curvatures were sequentially produced in two subsequent steps. The results showed that the proposed irradiating scheme can be successfully used to make dome and saddle shapes with large deformations and reasonable symmetries. Using irradiating scheme proposed in this section, second curvatures of dome and saddle shapes were successfully formed from plates with various initial curvatures. Therefore, it was proved that the proposed irradiating scheme can be used to produce second curvatures of any desired shape from plates with any initial curvatures. Also, the effects of various process parameters on the second curvature of dome surface were investigated based on statistical analysis. Finally, a systematic method was proposed for producing dome shapes with arbitrary first and second curvatures. Keywords: Forming with a heat source, Tailor machined blanks, Double curvature plates, Dome shape surface, Saddle shape surface
از دیرباز یکی از مهمترین چالش های مهندسی مکانیک در شاخه ی شکل دهی، تولید ورق های دومنحنی بدون نیاز به قالب های پیچیده و گرانقیمت بوده است. با مطرح شدن منبع حرارتی به عنوان یک ابزار شکل دهی ورق، ایده ی تولید اشکال پیچیده بدون نیاز به قالب قوت گرفت. فرایند خمکاری ورق فلزی حول یک خط مستقیم به کمک منبع حرارتی یک فرایند ترمومکانیکال بسیار پیچیده است. بنابراین تولید ورق های پیچیده ی دو منحنی توسط منبع حرارتی، پیچیدگی این فرایند را چندین برابر می کند. با توجه به این مورد، تحقیقات انجام شده در زمینه تولید ورق فلزی دو منحنی توسط منبع حرارتی در مقایسه با سایر زمینه های شکل دهی توسط منبع حرارتی بسیار اندک بوده است. هدف این رساله بررسی شکل دهی ورق های دو منحنی و ارائه یک روش جدید جهت تولید آنها به کمک منبع حرارتی می باشد. به منظور درک بیشتر فرایند شکل دهی ورق فلزی توسط منبع حرارتی، در قسمت اول رساله بر روی فرایند خمکاری به کمک لیزر ورق فلزی حول یک خط مستقیم تمرکز شده است. به منظور پیچیده تر کردن این قسمت، بررسی ها بر روی خمکاری به کمک لیزر ورق های ترکیبی ماشینکاری شده انجام شده اند. با وجود مزایای بسیار زیاد ورق های ترکیبی، شکل دهی این ورق ها به علت کم بودن قابلیت شکل پذیری آنها تبدیل به یک چالش شده است. خمکاری با لیزر ورق های ترکیبی ماشینکاری شده به خاطر وجود ضخامت های متفاوت در آنها نسبت به ورق های ساده ی یکپارچه پیچیده تر می باشد. بنابراین در بخش اول این رساله، با استفاده از شبیه سازی های عددی یک الگوی تابش دهی جدید برای فرایند خمکاری با لیزر ورق های ترکیبی ماشینکاری شده پیشنهاد شده است. نتایج تجربی و عددی تایید کننده کارآیی و موفقیت این الگوی تابش دهی در فرایند خمکاری با لیزر ورق های ترکیبی ماشینکاری شده می باشند. همچنین در این بخش اثر پارامترهای مختلف شامل روش تابش دهی، توان لیزر، قطر پرتوی لیزر، تعداد پاس های تابش دهی و نقطه ی شروع مسیر اسکن بر زاویه خمش ورق ترکیبی ماشینکاری شده بررسی می شود. در ادامه و پس از بررسی شکل دهی ورق های ترکیبی ماشینکاری شده به کمک لیزر و شناخت کافی از فرایند شکل دهی توسط منبع حرارتی متحرک، بررسی ها در زمینه شکل دهی ورق فلزی دو منحنی توسط منبع حرارتی متحرک انجام می شوند. موضوعات مورد بحث در این بخش شامل تولید قطعه ی بشقابی از ورق اولیه دایروی و تولید اشکال گنبدی و زین اسبی از ورق با انحنای اولیه (تولید دو مرحله ای) می باشند . نوآوری این رساله در زمینه تولید قطعه بشقابی از ورق دایروی استفاده از یک الگوی تابش دهی حلزونی می باشد که تا کنون توسط سایر محققین گزارش نشده است. تحقیقات تجربی و عددی انجام شده در این بخش نشان دهنده کارایی و موفقیت این الگو در تولید قطعه بشقابی می باشند. همچنین در این بخش اثرات پارامترهای مختلف مسیر حلزونی بر شعاع انحنای قطعه ی بشقابی بررسی می شود. در موضوع تولید اشکال گنبدی و زین اسبی از ورق با انحنای اولیه، ابتدا با یک بحث تحلیلی یک الگوی تابش دهی مناسب و قوی (الگوی تابش دهی منقطع) برای تولید اشکال گنبدی و زین اسبی ارائه شده و سپس توسط نتایج تجربی و عددی اثبات می گردد. نتایج نشان دهنده ی موفقیت الگوی تابش دهی منقطع برای تولید قطعات گنبدی و زین اسبی با مقدار تغییر شکل های قابل توجه می باشند. همچنین با استفاده از الگوی تابش دهی منقطع، قطعات گنبدی و زین اسبی از ورق های با انحناهای اولیه کم تا زیاد تولید می شوند و نشان داده خواهد شد که الگوی تابش دهی ارائه شده، الگویی بسیار کارآمد و مفید جهت تولید قطعات گنبدی و زین اسبی از ورق های اولیه با هر انحنایی می باشد. همچنین اثر پارامترهای فرایند و لیزر بر انحنای دوم قطعه ی گنبدی به کمک تحلیل های آماری بررسی می شود. در پایان نیز یک روش سیستماتیک برای تولید قطعات گنبدی با هر شعاع انحنای دلخواه ارائه می شود. کلمات کلیدی: شکل دهی با منبع حرارتی، ورقهای ترکیبی ماشینکاری شده، ورقهای دو منحنی، قطعه گنبدی، قطعه زین اسبی