مطالعه تجربي و عددي فرآيند خم كاري كششي - دوراني لوله‌هاي جدار نازك SS-304 با استفاده از مندرل‌هاي پلي يورتان و نيتريل

Experimental and Numerical Study of Rotational Draw Bending Process of SS-304 Thin-walled Pipes Using Polyurethane and NBR Mandrels

يكي از روش ­هاي شكل­ دهي لوله ­ها، روش خم كاري كششي-دوراني است. امروزه خمكاري لوله­ هاي جدار نازك با شعاع انحناي كم يك فرآيند توليدي پركاربرد در صنايع خودروسازي، نظامي و هوافضا به شمار مي­رود كه براي خم كاري قطعات با استحكام بالا، استفاده مي‌شود. در اين مقاله ابتدا مدل‌هاي لازم براي انجام شبيه ­سازي فرايند خم لوله، ايجاد شد و در ادامه خصوصيات مكانيكي لازم براي فولاد 304 و الاستومرها تعيين گرديد. در ادامه به بررسي تجربي و عددي نيروي شكل­ دهي و تغييرات ضخامت ديواره­ ي لوله پرداخته شد. شبيه­ سازي فرآيند با استفاده از مندرل هاي الاستومري پلي­ يورتان و نيتريل با استفاده از نرم ­افزار المان محدود آباكوس بر روي فولاد 304 انجام گرفت كه با مقايسه ­ي بين نتايج شبيه ­سازي و تجربي، انطباق خوبي بين نتايج مشاهده شد. همچنين اثرات پارامترهاي فرآيند شامل جنس مندرل، قطر لوله و شعاع خم بر حداكثر نيروي شكل­ دهي توسط آناليز فاكتوريال مورد تحليل قرار گرفت. نتايج نشان داد كه حداكثر نيروي شكل ­دهي براي هر دو نوع جنس مندرل براي لوله ­هايي با قطر كم و شعاع انحناي بالا حاصل مي­گردد. همچنين، با افزايش 30 درصدي شعاع خم براي لوله­ هاي با قطر كمتر، نيروهاي خمكاري 5 برابر مي ­شوند. ضمناً، در قطر و شعاع خم برابر، نيروهاي خم كاري در حالت استفاده از مندرل پلي­ يورتان 25 درصد بيشتر از مندرل نيتريل مي­ باشد.

One of the methods of forming pipes is the rotary draw bending process. Today, the bending of thin-walled pipes with a low radius of curvature is widely used in the automotive, military, and aerospace industries. This process is used to bend high-strength pipes. In this paper, at first, the necessary models were created to simulate the bending process of the rotary pipe. Then, the mechanical and physical properties of stainless steel 304 and elastomers were determined. Then, the forming force and changes in pipe wall thickness were experimentally and numerically measured. The process simulation was analytically performed by polyurethane elastomeric and nitrile rubber mandrels in ABAQUS finite element software. The results show a good agreement between simulation and experimental results. Finally, the effects of process parameters including mandrel type, pipe diameter, and bending radius were analyzed on the maximum forming force by factorial analysis. The results showed that the maximum forming force for both types of mandrel materials obtain for pipes with small diameter and high curvature radius. Also, the bending forces increase 5 times by 30% increasing the bending radius, for pipes with smaller diameters. In addition, in equal diameter and radius of bending, the bending forces in the case of using polyurethane mandrel are 25% more than nitrile mandrel.