بررسی تأثیر پارامترهای فرایند فلوفرمینگ بر روی خواص مکانیکی پریفرم لوله های پلی اتیلن با دانسیته بالا

حسین قشلاقی قدیم : دانشجوی دکتری, مهندسی مکانیک, ساخت و تولید , دانشکده فنی و مهندسی , دانشگاه ارومیه

علی دنیوی : دانشیار , مهندسی مکانیک, ساخت و تولید, دانشکده فنی و مهندسی, دانشگاه ارومیه

مقاله بررسی تأثیر پارامترهای فرایند فلوفرمینگ بر روی خواص مکانیکی پریفرم لوله های پلی اتیلن با دانسیته بالا در چهارمین کنفرانس ملی و دومین کنفرانس بین‌المللی پژوهش‌های کاربردی در مهندسی برق, مکانیک, مکاترونیک در بهمن 1395 ( تهران – ایران ) ارائه شده است.
چکیده : در تحقیق حاضر تأثیر پارامترهای فرایند فلوفرمینگ بر خواص مکانیکی ، ریزساختار و کیفیت سطح قطعات پلیمری مورد بررسی قرار گرفته است . پارامتر های مورد مطالعه در این رساله سرعت چرخشی غلطک ، سرعت پیشروی غلطک و درصد کاهش ضخامت می باشند. برای بررسی خواص ساختاری ، نمونه ها تحت آزمایش میکروسکوپ الکترونی روبشی قرار گرفتند. از طراحی آزمایش ها به روش تاگوچی برای ساخت یک مدل آماری برای پیش بینی دقیق تنش تسلیم و میزان تغییر طول استفاده شده است . نتایج حاصل از جدول تجزیه و تحلیل واریانس نشان داد که پارامتر های سرعت پیشروی غلطک و سرعت چرخشی غلطک به ترتیب بیشترین تأثیر را بر تنش تنش در نقطه تسلیم  و میزان درصد تغییر طول دارد. 
بهینه سازی به روش تابع مطلوبیت انجام شد و با نتایج تجربی فرآیند ارزیابی شد. نتایج نشان می دهد که مدل های رگراسیون بدست آمده از کفایت خوبی جهت پیش بینی مقادیر متغیرهای پاسخ برخوردار هستند. 

کلمات کلیدی : شکل دهی چرخشی ، پلی اتیلن ، آنالیز واریانس ، درصد تغییر طول ، روش تاگوچی , لوله پلی اتیلن

این مقاله به صورت خلاصه در سایت قرار گرفته است و برای دریافت آن به صورت کامل شامل فرمول‌ها و نتایج به سایت سیویلیکا مراجعه نماید

مقدمه
اسپینینگ یکی از روشهای شکل دهی فلزات  است که در آن با استفاده از ترکیب نیرو و چرخش ، اشکالی با محور تقارن و بدون درز   قابل تولید می باشند. در این روش فلز که عمدتاً به شکل ورق و یا پریفرم (قطعه پیش شکل دهی شده ) می باشد، بین مندرل و ابزار شکل دهی تحت فشار قرار گرفته و شکل می گیرد. اسپینینگ یکی از اقتصادی ترین روش ها در تولید محدود و نمونه سازی برای ساخت قطعات فلزی با تقارن محوری می باشد. در این فرایند، قطعه کار در ناحیه ای بین مندرل دوار و ابزار (به شکل اهرم یا غلتک ) که به صورت محوری و یا محوری – شعاعی حرکت می کند، به صورت تک نقطه ای  در محل تماس تغییرشکل دائمی پیدا می کند. با این روش قطعاتی با اشکال مخروط ، نیم کره ، لوله ، استوانه که توخالی هم می باشند، در تنوعی گسترده از جهت اندازه و کانتور ساخته می شود. اگرچه ساخت قطعاتی با اشکال بیضوی هم با این فرآیند امکان پذیر است ولی به سهولت شکل دهی قطعات استوانه ای نیست . 
در زمینه فلوفرمینگ لوله های پلیمری ، نسبت به فلزات ، مطالعات زیادی انجام نشده است به طور مثال در سال ٢٠٠٩ لی و همکاران به مطالعه تجربی تأثیر پارامتر های درصد کاهش ضخامت و تعداد پاس های فرایند فلوفرمینگ بر روی برخی خواص مکانیکی از جمله استحکام تسلیم ، استحکام کشش ، مدول یانگ و تنش نهایی هوپ  پرداخته اند. در این تحقیق فرایند فلوفرمینگ چند پاسه جایگزین فرایند یک پاسه شده است . نتایج بدست آمده از این مطالعه تجربی نشان داد که ماکسیمم درصد کاهش ضخامت قابل حصول در فلوفرمینگ چند پاسه به علت سخت شدن سطح ماده نسبت به فلوفرمینگ تک پاسه کمتر است . تنش هوپ با افزایش تعداد پاس های فلوفرمینگ افزایش می یابد. فلوفرمینگ چند پاسه باعث کاهش استحکام کششی و استحکام تسلیم می شود اما تاثیر تعداد پاس های بررسی مدول یانگ جای شک و تردید دارد. در سال ٢٠١٢ جوان رودی و همکاران در مطالعه ای به تأثیر درصد کاهش ضخامت بر خصوصیات مکانیکی و دقت ابعادی قطعات فلوفرم شده پرداختند. مطالعه آنان بر روی قطعات پریفرم از جنس آلیــــاژ O-AA٧٠٧۵ به ضخامت ٣ میلیمتر صورت پذیرفت . خواصی که ایشان مورد بررسی قرار دادند شامل زبری سطح ، گردی ، مقاومت کششی ، درصد افزایش طول و مقاومت نهایی بودند. بر طبق نتایج ایشان زبری سطح با افزایش درصد کاهش ضخامت ، افزایش می یابد. ایشان بیان میدارند که این افزایش زبری سطح روند ثابت و روشنی ندارد، زیرا محل تماس غلتک و قطعه تحت تأثیر عوامل دیگری نظیر تغییر میزان اصطکاک ، افزایش نیروی شکل دهی ، ارتعاشات و… نیز قرار دارد. در سال ٢٠١٢ حق شناس و همکاران در تحقیق دیگری به بررسی نرخ کرنش سختی در فرآیند فلوفرمینگ پرداختند. مطالعه آنان بر روی دو آلیاژ آلومینیم AA۶٠۶١ و AA۵٠۵٢ انجام شد. ایشان با اعمال نسبت کاهش ضخامت متفاوت از ٢٠% تا ۶٠% به بررسی میزان کرنش سختی ناشی از آن پرداختند. 
نتایج ایشان نشان داد که AA۵٠۵٢ هنگامی که ۶٠% کاهش ضخامت می یابد، مقاومت تسلیم آن برابر با ١٨٧% افزایش می یابد. آنان این نرخ بالای افزایش مقاومت کششی را به حضور منیزیم در ساختار آلیاژ نسبت میدهند که باعث افزایش نرخ کرنش سختی آلیاژ میگردد. از سوی دیگر AA۶٠۶١ هنگامی که ۶٠% کاهش ضخامت یافت ، مقاومت تسلیم آن تنها ٨٧% افزایش یافت که این نشان دهنده تأثیر بسیار مهم فازهای محلول جامد همانند منیزیم ، در چگونگی رفتار مکانیکی آلیاژ می باشد. در سال ٢٠١٢ کلدیت و همکاران به منظور بررسی جزئی و حصول مقادیر مرجع معتبر، با به کارگیری روش المان محدود به مدلسازی فرایند فلوفرمینگ و تأثیر پارامترهای این فرایند شکل دهی بر ریز ساختارها و خواص ماده  CrMo۴ ۴٢ پرداخته اند. نتایج شبیه سازی هندسه منطقه شکل دهی ، برای این فرایند به خوبی با نتایج و هندسه واقعی ( آزمایشگاهی ) منطبق بودند ثابت ماندن حجم ماده در طول فرایند شکل دهی باعث تغییر شکل شعاعی و محوری در جهت حرکت  غلطک ها می شود. طبق گفته Hayama این حجم قابل تقسیم به حجم  Pile-Up است که متناوباً به قسمت سر غلطک (ابزار) در جهت پیشروی در جریان است و باعث افزایش طول قطعه شکل دهی می شود. تفاوت اساسی در ارزیابی های تجربی و شبیه سازی در این است که Pile-Up کامل تا زمانی که تماس کامل غلطک وجود نداشته باشد حاصل نمی شود. در سال ٢٠١٢ عابدینی و همکاران به بررسی تأثیر پارامترهای فرایند فلوفرمینگ و هندسه غلطک مورد استفاده در فلوفرمینگ بر روی گردی قطعه مورد نظر پرداخته شده است . جنس پریفرم مورد استفاده در این تحقیق مس خالص تجاری 
uns c١١٠٠ است .برای بررسی تأثیر پارامترهای فرایند، سه عامل سرعت چرخشی مندرل ، سرعت پیشروی غلطک و درصد کاهش ضخامت هر  کدام در سه سطح کم ، متوسط و زیاد در نظر گرفته شدند. هم چنین تأثیر پارامترهای هندسه غلطک ، شامل زاویه پرداخت ، زاویهی حمله و شعاع نوک غلطک ، هر کدام در سه سطح کم ، متوسط و زیاد مورد بررسی قرار گرفته شده است با توجه به نمودارهای بدست آمده برای تاثیر متقابل عوامل متغیر بر میزان گردی قطعات و بررسی آنها و هم چنین تجزیه و تحلیل واریانس ANOVA با قابلیت اطمینان ٩۵ درصد به این نتیجه رسیده اند که تاثیرگذارترین پارامترها بر میزان گردی قطعات فلوفرم شده به ترتیب سرعت پیشروی و درصد کاهش ضخامت بودند.

مبانی و روشها

مندرل مورد نیاز برای این تحقیق با توجه به طول نمونه های تست کشش و میزان درگیری ابزار شکل دهی با نمونه ی لوله های تهیه شده در طول فرایند فلوفرمینگ و هندسه لوله پلی اتیلن PE٨٠ دو اینچی ، از فولاد CK۴۵ و به صورت توپر و قطر ۵٠/٨٠ میلی متر و طول ۵٠٠ میلی متر ساخته شد. در ضمن یک انتهای مندرل جهت درگیری مرغک دستگاه با مندرل و انتقال حرکت چرخشی به آن با مته سوراخ کاری گردید. همچنین بدلیل عدم بررسی تأثیر هندسه ی غلطک بر روی خواص مکانیکی مورد مطالعه در این تحقیق از یک هندسه معین که قبلاً در مطالعات انجام شده به آن اشاره گردیده برای فرایند فلوفرمینگ مورد استفاده گرفت. شیوه های مختلفی برای تهیه نمونه های تست از لوله ها وجود دارد که دقیق ترین روش برای این منظور استفاده از دستگاه برش CNC کامپیوتری میباشد که نمونه ها را با دقت ابعادی ٠/١ میلی متر تهیه میکند. 
لوله های فلوفرم شده با استفاده از فیکسچرهای مخصوصی ، روی میز کار دستگاه برش ثابت شده و پس از فعال نمودن نرم افزار ویژه ی دستگاه و تعیین نوع نمونه های دمبلی لازم برای تست کشش و صفر کردن مختصات ابزار برش و میز کار، عملیات برش نمونه شروع می شود و با توجه به میزان پیشروی ١ میلیمتر در هر پاس از برش ، تهیه هر نمونه حدود ١٠ دقیقه زمان لازم دارد. 
 جدول ١ انواع نمونه های تست کشش با توجه به ضخامت نمونه را نشان میدهد. نمونه های لازم برای تست ضربه نیز مطابق استاندارد ۶١١٠ ASTM D  از لوله های فلوفرم شده با استفاده از دستگاه برش CNC تهیه گردید. با توجه به این که ضخامت لوله های فلوفرم شده از ۵ میلیمتر کمتر بوده برای انجام تست کشش از نمونه های دمبلی شکل نوع ٢ مطابق اســـتانداردهای ۶٣٨ ASTM D  و۶٢۵٩ ISO  استفاده شده است . 
لوله های پلی اتیلن سنگین HDPE در حوزه وسعی از خطوط لوله شهری صنعتی ، دریایی ، حفاری ، دفن زباله ، و بخصوص کشاورزی به کار می روند. استفاده از لوله های پلی اتیلن در صفت نفت و گاز سابقه ای طولانی دارد و در مقایسه با سایر لوله ها، کمترین میزان تعمیرات و نگه داری را برای توزیع گاز شهری دارد. در گذشته به دلیل مساله خوردگی آن ها و آثاری که به مرور در خوردگی ناشی از کلر موجود در آب در لوله پلی اتیلن به وجود می آمد از این لوله ها در شبکه آبرسانی استفاده چندانی نمی شد. اما امروزه این نقیصه ها در لوله های پلی اتیلن سنگین برطرف شده است و استفاده از این نوع لوله ها در شبکه های آبرسانی روبه رشد است . 

طراحی آزمایشها 

در این مطالعه روش طراحی آزمایشی تاگوچی به عنوان روشی کارا برای کاهش تعداد آزمایش ها به کار گرفته شده است . مهم ترین گام در طراحی یک آزمایش انتخاب صحیح عوامل متغیر و سطوح آن ها است . در فرایند شکل دهی 
فلوفرمینگ عوامل بسیاری دخیل و تأثیرگذار هستند. این عوامل را می توان به دو گروه تقسیم نمود : 

الف ) پارامترهایی که به تنظیم دستگاه مربوط می شود مثل سرعت چرخشی ، سرعت پیشروی 
ب ) پارامترهایی که به هندسه غلطک مربوط می شوند مثل قطر غلطک ، زاویه پرداخت ، زاویه حمله و شعاع سر غلطک 

در این تحقیق مطالعه بر روی تأثیر عوامل مربوط به شکل دهی فرایند فلوفرمینگ بر روی خواص مکانیکی انجام گرفته است . بر اساس نتایج مطالعات پیشین و دسته بندی پارامترهای مؤثر بر فرایند شکل دهی چرخشی فلوفرمینگ و هدف این تحقیق ، سه عامل سرعت چرخشی مندرل ، سرعت پیشروی غلطک و میزان درصد کاهش ضخامت * هر کدام در سه سطح کم ، متوسط و زیاد برای بررسی تأثیرشان بر خواص مکانیکی لوله های فلوفرم شده در نظر گرفته شدند.

نتیجه گیری

این مطالعه به منظور بررسی و بهینه سازی اثر پارامترهای فرایند بر تنش تسلیم و میزان درصد تغییر طول قطعات فلوفرم شده صورت پذیرفت . پارامترهای فرایند شامل درصد کاهش ضخامت ، نرخ پیشروی و سرعت چرخشی به عنوان متغیر در نظر گرفته شدند. پس از انجام آزمایشات و تجزیه و تحلیل داده ها نتایج زیر حاصل شد: 

١)  نتایج حاصل از انجام این مطالعه نشان داد که پارامتر سرعت پیشروی بیشترین تأثیر را بر تنش تسلیم لوله های پلی اتیلن فلوفرم شده دارد. سرعت پیشروی متوسط منجر به تنش تسلیم بالا گردید. پس از سرعت پیشروی ، پارامترهای درصد کاهش ضخامت و سرعت چرخشی ، هرکدام با درصد تأثیر مساوی ، بیشترین تأثیر را بر تنش تسلیم نشان دادند. 

سطوح پایین این پارامترها بیشترین تنش تسلیم را تولید کردند. با توجه به سادگی کنترل این پارامترها در طی فرایند، می توان با کمترین هزینه به تنش تسلیم بالایی دست یافت . 

٢) نتایج حاصل از جدول تجزیه و تحلیل واریانس نشان داد که پارامتر سرعت چرخشی بیشترین تأثیر را بر میزان درصد تغییر طول نمونه های پلی اتیلن فلوفرم شده ، بعد از انجام تست کشش را دارد. سطح پایین (کم ) سرعت چرخشی بیشترین درصد تغییر طول را تولید کرد. پارامتر سرعت پیشروی در رتبه دوم جدول تجزیه و تحلیل واریانس قرار گرفت . سطح بالای سرعت پیشروی نیز بیشترین درصد تغییر طول را تولید نمود. پارامتر درصد کاهش ضخامت در رتبه سوم جدول تجزیه و تحلیل واریانس قرار گرفت . سطح درصد کاهش ضخامت نیز بیشترین میزان درصد تغییر طول را تولید نمود. 
٣) با توجه به تطابق و همخوانی مناسب نتایج تجربی و نتایج حاصل از طراحی آزمایشات (درصد خطای کمتر از ٧%)، می توان گفت توابع رگراسیون بدست آمده ابزاری قدرتمند جهت پیش بینی مقادیر متغیر های پاسخ است . 
۴) نتایج حاصل از روش تاگوچی و میکروسکوپ الکترونی روبشی تأیید کننده صحت نتایج تجربی و نتایج بدست آمده از روش طراحی آزمایشات می باشد. 

این مقاله به صورت خلاصه در سایت قرار گرفته است و برای دریافت آن به صورت کامل شامل فرمول‌ها و نتایج به سایت سیویلیکا مراجعه نماید