بهبود فرآیند شکل دهی افزایشی ورق های فلزی با استفاده از ارتعاشات فراصوت (آلتراسونیک)

در سال‏های اخیر با افزایش تنوع در محصولات و زیاد شدن تولیدات سفارشی با تعداد تولید کم استفاده از فرآیندهایی که توانایی تولید محصول با تنوع زیاد و بدون نیاز به استفاده از تجهیزات خاص دارند، بیشتر گردیده است. از همین رو فرآیندهای شکل‏دهی ورق‏های فلزی که امکان تولید قطعات سفارشی و با تعداد کم را با کوتاه کردن زمان طراحی تا تولید فراهم می کنند بیش از پیش مورد توجه قرار گرفته اند. فرآیند شکل دهی افزایش یکی از روش هایی است که به دلیل عدم نیاز به قالب خاص برای تولید قطعات با تعداد کم و نمونه سازی سریع مورد توجه قرار گرفته و تلاش های زیادی برای بهبود آن انجام شده ‏است. یکی از روش های نوین بهبود فرآیندهای شکل دهی استفاده از نوسانات مافوق صوت (آلتراسونیک) است که باعث کاهش اصطکاک و نیروی شکل دهی، بهبود کیفیت سطح و افزایش سرعت فرآیند شده ‏است. هدف از این تحقیق بررسی اثر اعمال نوسان آلتراسونیک به ابزار در فرآیند شکل دهی افزایشی ‏است. برای این منظور ابتدا فرآیند شکل دهی افزایشی مورد مطالعه قرار گرفته و اصول آن بررسی شده ‏است و روابط تحلیلی نیرو در حالت بدون آلتراسونیک اصلاح و استخراج شده ‏است. سپس روابط تحلیلی با اضافه کردن نوسان های آلتراسونیک به روابط تحلیلی معمولی، بدست آمده است. شبیه سازی عددی فرآیند شکل دهی افزایشی با آلتراسونیک و بدون آلتراسونیک توسط نرم افزار المان محدود abaqus انجام و نتایج حاصل با روش تحلیلی مقایسه گردیده است. برای بررسی عملی اعمال آلتراسونیک بر این فرآیند مجموعه ای بصورت کلگی قابل نصب روی دستگاه فرز کنترل عددی طراحی و ساخته شده و آزمون های عملی بر اساس طراحی آزمایش انجام پذیرفته جهت ارزیابی روابط تحلیلی و بررسی اثر پارامترهای قطرابزار، اندازه گام و دامنه نوسان بر روی نیروی شکل دهی و درصد کاهش آن، عمق کشش و زبری سطح انجام شده ‏است. بر اساس نتایج بدست آمده از روابط تحلیلی و شبیه سازی عددی و مقایسه با نتایج عملی می توان تخمینی مناسب از تغییرات نیروی شکل دهی در فرآیند شکل دهی افزایشی معمول و با اعمال نوسانات آلتراسونیک ارائه نمود. همچنین بر اساس نتایج آزمون های انجام شده نیروی شکل دهی با آلتراسونیک در مقایسه با نیروی شکل دهی بدون آلتراسونیک بین 33 تا 63.5 درصد بستگی به شرایط آزمون کاهش یافته است که دلیل آن را می توان کاهش تنش تسلیم ماده، افزایش دمای ورق و کاهش اصطکاک بر اثر اعمال نوسان آلتراسونیک عنوان کرد. همچنین با توجه به نتایج بدست آمده مشاهده گردید که نیروی شکل دهی با کاهش قطر ابزار و افزایش دامنه نوسان، کاهش یافته و با افزایش اندازه گام بستگی به قطرابزار (در قطرهای ابزار بزرگ نیروی شکل دهی کاهش یافته و در قطرهای ابزار کوچک افزایش یافته است) اثر متفاوتی دارد. عمق کشش نمونه های ایجاد شده با آلتراسونیک نسبت به حالت بدون آلتراسونیک کاهش یافته است که دلیل آن کاهش تنش تسلیم ماده در اثر اعمال امواج آلتراسونیک است. زبری سطح نمونه های ایجاد شده با استفاده از نوسانات آلتراسونیک در تمام حالات نسبت به فرآیند شکل دهی افزایشی معمول کاهش یافته است و بطور معمول 15 درصد کاهش در زبری سطح مشاهده شده ‏است.