مقدمه ای برای طراحی قالب فلزی

آشنایی با طراحی قالب فلزی

طراحی قالب فلزی یکی از مهم‌ترین مراحل در پروژه‌های صنعتی و ساختمانی است که نیازمند دقت، تجربه و دانش فنی بالا می‌باشد. این فرآیند، تصمیمی استراتژیک است که با توجه به نیازهای سفارش‌دهنده شکل می‌گیرد و نتیجه نهایی از طریق ابزارهای مختلفی مانند نقشه‌کشی، نمونه‌سازی یا ماکت‌سازی به او منتقل می‌شود. امروزه، استفاده از قالب فلزی مدولار به دلیل انعطاف‌پذیری، دوام و قابلیت استفاده مجدد، به یکی از محبوب‌ترین گزینه‌ها در طراحی و اجرای سازه‌ها تبدیل شده است. این نوع قالب‌ها نه تنها هزینه‌ها را کاهش می‌دهند، بلکه با دقت بالای خود، امکان پیاده‌سازی طرح‌های پیچیده را فراهم می‌کنند. در این مقاله، به بررسی اصول طراحی قالب فلزی، مراحل آن و نکات کلیدی در این حوزه پرداخته خواهد شد.

طراحی نوعی تصمیم‌گیری است

طراحی نوعی تصمیم‌گیری است که با توجه به مطالب خواسته شده توسط طراح صورت گرفته و تصمیم نهایی به طرق مختلف به سفارش‌دهنده انتقال می‌یابد. راه‌های مختلفی جهت توضیح طرح به سفارش‌دهنده وجود دارد که چند نمونه از آنها عبارتند از: نمونه‌سازی، ترسیم نقشه و توضیح از روی آن برای سفارش‌دهنده، توضیح بیانی، ماکت‌سازی و …

امروزه کوتاه‌ترین، با صرفه‌ترین و بی‌نقص‌ترین روش انتقال تصمیم گرفته شده در کارهای صنعتی، ترسیم نقشه می‌باشد که در مجامع صنعتی به عنوان یک زبان بین‌المللی کاربرد دارد. بر روی نقشه می‌توان به راحتی بحث‌ها و محاسبات مربوطه قبل از ساخت را روی طرح مربوطه انجام داد. با این عمل، میزان هزینه و زمان ساخت دستگاه به حداقل مقدار ممکن تقلیل می‌یابد. بدین ترتیب روشن است که یک طراح صنعتی موفق کسی است که به جزئیات نقشه‌کشی صنعتی آگاه و بر آن تسلط کافی داشته باشد.

در اینجا به کلیه کسانی که در زمینه طراحی قالب فلزی مدولار فعالیت دارند یا علاقه‌مند به طراحی بوده و هنوز در شروع کار می‌باشند توصیه می‌شود که قبل از مطالعه هر مطلبی در این رابطه، به مطالعه مطالب نقشه‌کشی صنعتی پرداخته و کلیه مطالب آن را به‌خوبی فرا گیرند تا به هنگام طراحی بتوانند آنچه را که در ذهن خود می‌پرورانند به راحتی بر روی کاغذ بیاورند.

مطلب دیگری که باید طراح به آن تسلط کافی داشته باشد، تصمیم‌گیری و به‌کار بردن مکانیزم‌ها و قطعات مناسب در موقعیت‌های مختلف یک طرح است، و این امکان‌پذیر نیست مگر با مطالعه و تحقیق در مورد مطلب خواسته شده که حاصل کار و تحقیق متخصصین مربوطه می‌باشد، در دست است.

در مورد طراحی قالب برش، باید طراح آن به کلیه اجزا، قطعات، مکانیزم‌ها، روش‌های ساخت قطعات، جنس و محاسبات مربوط به آنها آگاهی کامل داشته باشد. اولین قدم در طراحی قالب‌های برش، طراحی نوار ورق است.

مراحل طراحی قالب‌های برش

در روش‌های جدید طراحی قالب فلزی مدولار، جهت بهتر شدن کیفیت و کمتر شدن هزینه، مراحل طراحی را به صورت رده‌بندی مشخص کرده و طبق آن عمل می‌کنند و چون مراحل آن تحقیقاً طبق محاسبات و تجارب خاص قالب‌سازی به دست آمده است، مسلم است که با رعایت و اجرای این مراحل، قالب شکلی ایده‌آل و مهندسی به خود می‌گیرد. این مراحل به شرح زیر می‌باشد:

طراحی نوار

اولین قدم در طراحی قالب برش، طراحی نوار می‌باشد به نحوی که نوار ترسیم شده نشانگر تمامی عملیاتی است که از اولین تا آخرین ایستگاه روی آن انجام می‌گیرد. از روی این نوار به راحتی می‌توان نحوه برش در ایستگاه‌های مختلف را مشاهده کرد. با توجه به این توضیح درمی‌یابیم که اساسی‌ترین مرحله طراحی قالب، طراحی نوار آن می‌باشد، از آن پس می‌توان به راحتی زمان و هزینه لازم جهت ساخت قالب را پیش‌بینی کرد. با توجه به اینکه پنجاه تا هفتاد درصد قیمت تمام‌شده قطعاتی که توسط قالب برش تولید می‌شوند (مواد اولیه) و بقیه را هزینه‌های تولید (کارگر، دورریز، …) تشکیل می‌دهند، می‌بایست در طراحی نوار توجه داشت که دورریز را حداقل مقدار ممکن در نظر گرفت.

مقدار جابجایی مجاز ضایعات (دورریز)

این مقدار رابطه مستقیمی با شکل نهایی و محیط خارجی قطعه تولیدی دارد و به طور کلی قطعات تولیدی را از نظر شکل خارجی می‌توان به چهار دسته کلی تقسیم کرد تا با مبنا قرار دادن آنها مقدار مجاز ضایعات در نوارهای مختلف را بر حسب آنها بیابیم:

• دسته اول: این دسته شامل قطعاتی است که محیط خارجی قوس‌داری دارند و قوس آنها طوری است که از دید دو ایستگاه پشت سر هم، قوس‌ها نسبت به هم حالت واگرایی دارند. در این حالت مقدار دورریز A را برابر ۷۰% ضخامت ورق در نظر می‌گیرند.
  A = 7% × T
  اشکالی که نسبت به هم قوس واگرا دارند (شکل شماره ۷)
• دسته دوم: این دسته شامل قطعاتی است که دارای لبه‌های برشی موازی و مستقیم نسبت به یکدیگر و نسبت به لبه‌های نوار می‌باشند. در این حالت مقدار دورریز (B) بستگی به طول مستقیم (L) لبه قطعه تولیدی دارد و با توجه به جدول شماره ۵ می‌توان مقدار آن را یافت. (شکل-۸)، (جدول-۵)
  اشکالی که نسبت به هم لبه‌های موازی دارند (شکل ۸)
  (جدول-۵) مقدار دورریز بر حسب ضخامت ورق

  دورریز	طول مستقیم قطعه (L mm)
  T	0-60
  1¼ T	60-200
  1½ T	بزرگتر از ۲۰۰

• دسته سوم: این دسته شامل قطعاتی است که از دید دو ایستگاه پشت سر هم دارای منحنی‌های موازی نسبت به یکدیگر می‌باشند. در این حالت مقدار دورریز (C) بستگی مستقیم به طول قوس (L) دارد. (شکل-۹) و (جدول-۶)
  (جدول-۶): تعیین مقدار دورریز بر حسب ضخامت ورق

  طول قوس (L)	دورریز بر حسب ضخامت ورق
  0-60	T
  60-200	1¼ T
  بزرگتر از ۲۰۰	1⅓ T

• دسته چهارم: این دسته شامل قطعاتی است که از دید دو ایستگاه پشت سر هم نسبت به هم دارای گوشه‌های تیزند، که در این حالت مقدار دورریز را مساوی یا بزرگتر از T ¼ ۱ در نظر می‌گیرند. (شکل-۱۰)
  C = 1¼ × T

تعیین مقدار دورریز برای نوارهای چندراهه

مقادیر توصیه‌شده در چهار حالت بالا فقط برای حالتی است که نوار یک‌راهه باشد، ولی وقتی نوار چندراهه باشد، مقدار مجاز دورریز را در همه حالات و شکل‌های مختلف برابر با T ⅓۱ در نظر می‌گیرند.

تعیین مقدار دورریز برای مواد غیرفلزی

وقتی جنس مواد از مواد غیرفلزی باشد، مقدار دورریز به جنس مواد بستگی داشته و با توجه به آن از جدول زیر این مقادیر را می‌یابیم. (جدول-۷)
(جدول-۷): تعیین دورریز برای مواد غیرفلزی

ایستگاه‌های بیکار

وقتی که تعداد ایستگاه‌های برشی در روی یک نوار زیاد می‌شود، به همان مقدار تعداد سنبه‌ها و سایر قطعات قالب زیاد می‌شود و بعضی اوقات به دلیل نزدیکی زیاد ایستگاه‌های برشی به یکدیگر، عملاً امکان جاسازی و نصب سنبه‌ها و سایر قطعات قالب عملی نمی‌باشد. برای جلوگیری از این حالت و همچنین برای بالا بردن استحکام نوار و حرکت سریع و راحت آن، معمولاً در مکان‌های مناسب یک ایستگاه بیکار در نظر می‌گیرند که در آن هیچ عملیاتی روی ورق انجام نمی‌شود و فضای بازی جهت نصب سنبه یا دیگر قطعات قالب ایجاد می‌شود. (شکل-۱۱)

چگونگی قرارگیری قطعه در نوار

در بیشتر اوقات برای ساخت قطعات برشی از نوارهای فلزی با عرض استاندارد استفاده می‌شود و در این مرحله، طراح باید با مهارت قطعه را در داخل نوار جای دهد به طوری که شکل قرار دادن قطعه طوری باشد که کمترین دورریز را داشته باشد. همان‌طور که در شکل‌های زیر می‌بینید، ممکن است قطعات در دل یکدیگر جا گرفته و یا به صورت یک یا چند ردیف روی نوار طراحی شوند. در شکل ۱۲ چند نمونه از حالات فوق‌الذکر را می‌بینید. (شکل ۱۲)

مراحل طراحی قالب‌های برش

سنبه

یکی از لبه‌های قیچی در قالب برش را سنبه می‌گویند و اغلب لبه‌هایی است که فشار لازم جهت برش نوار را به سطح ورق اعمال می‌کند و بر حسب نوع مقطع برش می‌تواند شکل هندسی خاصی داشته باشد. معمولاً در بیشتر اوقات، سنبه‌ها جزء قطعات بالایی قالب برش هستند که به کفشک بالا متصل می‌شوند. جهت سهولت ساخت و پر دوام بودن سنبه‌ها، می‌بایست نکات زیر را در طراحی آنها رعایت کرد:

شکل عمومی سنبه‌های برش

در شکل زیر یک نمونه از سنبه‌های برشی را مشاهده می‌کنید که ذیلاً به توضیح اجزا آن می‌پردازیم: (شکل-۱۳)

• H: این پله جهت کنترل حرکت طولی سنبه طراحی می‌شود و ضخامت این قسمت همیشه با تلرانس مثبت در نظر گرفته می‌شود، به طوری که وقتی سنبه در سنبه‌گیر می‌نشیند، این قسمت نسبت به کف سنبه‌گیر بیرون‌تر یا هم‌سطح می‌باشد.
• D: این قطر برای جا زدن سنبه در سنبه‌گیر طراحی می‌شود و می‌بایست به صورت پرسی در این محل جا زده شود (H7/n6).
• R: این قطر که به شعاع راکورد معروف است، برای کم کردن تنش در گوشه‌های تیز نیاز می‌باشد.
• d: قطری است که اندازه سوراخ روی نوار را تعیین می‌کند و دقتش به لقی و دقت اندازه‌های قطعه تولیدی بستگی دارد.

جنس و سختی سنبه‌ها

جنس سنبه‌ها می‌بایست از فولاد سخت و مقاوم در مقابل سایش و ضربه انتخاب شود تا در کارکرد زیاد استهلاک کمتری داشته باشند. فولادی توصیه می‌شود که پس از آبکاری، از سطح تا مغز آن به یک میزان سخت شود و همچنین این فولاد باید شکل و اندازه اصلی خود را حفظ کند. فولاد از نوع SPK نمونه‌ای با مشخصات فوق است. سنبه‌ها را پس از ساخت تا ۵۵ راکول سخت می‌کنند.

طول سنبه‌ها

تا حد امکان سعی شود که طول سنبه‌ها کوتاه گرفته شود تا مقاومت سنبه در مقابل شکسته شدن بیشتر شود.

قطر سنبه‌ها

در حالتی که قطر مقطع برش سنبه‌ها ۴ میلی‌متر یا کمتر باشد، معمولاً سنبه را به صورت دو پله در نظر می‌گیرند (قطر بزرگ یک و نیم برابر قطر کوچک می‌باشد).

سنبه‌های استاندارد

این سنبه‌ها توسط شرکت‌های ابزارسازی ساخته و به بازار عرضه می‌گردند. جنس این سنبه‌ها از نوع مرغوبی انتخاب می‌شود و طراح می‌تواند جهت کم کردن هر چه بیشتر هزینه و زمان ساخت قالب از این ابزارها استفاده کند.

تکه‌چینی (خشکه‌چینی)

سنبه‌هایی که مقطع برش پیچیده‌ای دارند، جهت ساخت به تکنیک و مهارت زیادی احتیاج دارند، ولی می‌توان آنها را از چند تکه ساخت تا وقتی کنار هم قرار گرفتند، شکل نهایی سنبه را تشکیل دهند. در شکل زیر چند نمونه از این سنبه‌ها نشان داده شده‌اند. (شکل ۱۴)

قرار و تعویض سنبه‌ها

جهت قرار خوب، معمولاً از صفحه‌ای به نام سنبه‌گیر استفاده می‌کنند که سنبه‌ها را بنا به موقعیت خود در این صفحه جاسازی می‌کنند. با این عمل می‌توان به راحتی هر یک از سنبه‌ها را تعویض کرد. برای جلوگیری از چرخش سنبه‌ها، اغلب آنها را توسط خار پایین در سنبه‌گیر ثابت می‌کنند. برای این منظور از پیچ یا ساچمه فنر نیز می‌توان استفاده کرد. (شکل-۱۵)

زاویه‌دار کردن سر سنبه

اکثراً در قالب‌های برش، سنبه طوری طراحی می‌شود که به هنگام عمل برش، محیط سنبه به طور یکنواخت با ورق تماس پیدا کرده، آن را به سطح ماتریس فشرده و پولکی را از آن جدا می‌کند. مقدار نیروی که جهت برش در این حالت لازم است، با پرس تأمین می‌شود و در صورت جواب ندادن پرس موجود، می‌توان با زاویه‌دار کردن سر سنبه، مقدار نیروی لازم را تقلیل داد، چرا که در این حالت تماس سنبه و ماتریس از حالت سطحی کامل به خطی تغییر می‌یابد. (شکل-۱۶)
مقدار قیچی (h) در سنبه یا ماتریس را با توجه به مقدار نیروی برش لازم و تناژ پرس تعیین می‌کنند و معمولاً سعی می‌شود که این مقدار از ضخامت ورق بیشتر نباشد. مسلم است که با افزایش مقدار قیچی (h)، نیروی برشی لازم جهت برش قطعه کاهش می‌یابد.

چگونگی ترسیم نقشه‌های قالب

نقشه قالب مانند سایر نقشه‌های صنعتی بر اساس اصول استاندارد نقشه‌کشی بین‌المللی (DIN ISO) کشیده می‌شود و سیر تکاملی آن به شرح زیر است:

1. با توجه به شکل ظاهری قطعه، یک طرح اولیه روی کاغذ آورده می‌شود که پس از بررسی و اصلاح مکانیزم‌های موجود در آن، نقشه‌ای کامل از شکل مونتاژی قالب به دست می‌آید. این نقشه مونتاژی باید کلیه اجزا و جوانب را در بر گیرد.
2. در این مرحله، به کلیه قطعات قالب اعم از استاندارد یا غیراستاندارد شماره‌های مخصوصی داده می‌شود که به کمک آن می‌توان در مراحل بعدی طراحی و ساخت سریع‌تر به قطعه مورد نظر دست یافت. علاوه بر شماره‌گذاری قطعات قالب، جنس آنها نیز در این مرحله تعیین گردیده و در جدول مونتاژی نقشه قالب قید می‌گردد. اگر بخواهیم قطعه‌ای را به صورت استاندارد از بازار تهیه کرده و در قالب جاسازی کنیم، باید شماره استاندارد (شماره DIN یا نام شرکت) و ابعاد کلی قطعه را در جدول مونتاژی نقشه قالب قید کنیم.
3. جهت ساخت یا تهیه قطعات قالب، باید از کلیه قطعات نقشه‌ای جداگانه که به نقشه ساخت معروف است تهیه کرد. این نقشه‌ها در کاغذهای استاندارد A4 یا دیگر کاغذهای استاندارد ترسیم می‌شوند و باید گویای تمامی عملیات که باید روی مواد خام انجام شود تا به شکل قطعه نهایی قالب درآید، باشد.

تهیه نقشه‌های تفکیکی یکی از مهم‌ترین مراحل طراحی قالب فلزی مدولار است، چون در این نقشه‌ها تعیین‌کننده حدود و ابعاد و دقت قطعات می‌باشند. در نقشه‌های تفکیکی باید علاوه بر اندازه‌گیری کامل، مطالبی از قبیل صافی سطح، جنس، سختی، شماره قطعه، اندازه کلی قطعه، تلرانس‌های فرم و وضعیت، انطباقات و دیگر موارد مورد نیاز قید گردد. تلرانس‌های فرم و وضعیت یکی از مواردی است که در اکثر نقشه‌های ساخت قطعات به چشم می‌خورد. این تلرانس‌ها در نهایت باعث دقیق شدن اندازه‌های قطعه در مقاطع مختلف می‌شود. شرح کلی این تلرانس‌ها در مبحث بعدی آمده است.

چکیده

یکی از عیوب مهم در فرآیند خمکاری، پدیده برگشت فنری است که بعد از برداشتن نیروی خمکاری در ورق ایجاد می‌شود. تخمین میزان برگشت فنری برای جبران آن و تولید قطعه دقیق از مسائل مهمی است که در خمکاری باید به آن توجه شود. در این مقاله، علاوه بر بررسی پدیده خم‌کناره در ورق‌های فولادی، خم‌هایی که در محل خم دارای برش هستند نیز بررسی شده و تأثیر پارامترهای ابعاد سوراخ (درصد برش)، شعاع سنبه، شعاع ماتریس بر میزان برگشت فنری ورق‌های فولادی در قالب خم‌کناره مورد بررسی قرار گرفته است. بررسی‌های انجام‌شده نشان می‌دهد که تمامی پارامترهای مذکور بر میزان برگشت فنری مؤثرند، ولی تأثیر شعاع ماتریس بیش از سایر پارامترها است.

۱- مقدمه

مهم‌ترین و ساده‌ترین عملیاتی که روی ورق‌های فلزی انجام می‌شود، عملیات خمکاری است. خمکاری دارای عیوبی نظیر پارگی، چین‌خوردگی، تغییر شکل مقطع خم و برگشت فنری است که این تحقیق بر روی میزان برگشت فنری متمرکز شده است. از آنجایی که برگشت فنری در شکل نهایی قطعه مورد نظر ما تأثیر دارد، برای جبران آن باید راهکاری اندیشیده شود. یکی از این راهکارها، تخمین میزان برگشت فنری و جبران آن در طراحی قالب فلزی مدولار می‌باشد. در صنعت، برای تخمین میزان برگشت فنری از جداول و فرمول‌های موجود در هندبوک‌ها استفاده می‌شود، ولی این جداول و فرمول‌ها دو کمبود عمده دارند: یکی از این کمبودها نبود فرمول یا جدولی برای ورق‌های سوراخ‌دار است و کمبود دیگر این است که تأثیر همه عوامل مؤثر در فرایند خمکاری بر برگشت فنری ورق در نظر گرفته نشده است [۱].

در خم‌کناره، متغیرهای زیادی بر میزان برگشت فنری مؤثر است. تأثیر ابعاد ماتریس در کارهای انجام‌شده توسط Kampus و Tekiner مورد بررسی قرار گرفته است. ایشان عوامل مؤثر بر برگشت فنری را مورد بررسی قرار داده و روابط و راه‌حل‌هایی برای پیش‌بینی و کم کردن برگشت فنری در قالب خم‌کناره ارائه نموده‌اند [۲]. Livatyali نیز یک‌سری از آزمایشات خمکاری را انجام داد و اثر پارامترهای شعاع ماتریس، لقی سنبه و ماتریس (کلیرانس)، شعاع سنبه، نیروی ورق‌گیر و نوع ماده را بر میزان برگشت فنری در قالب خم‌کناره مورد بررسی قرار داد [۳]. آقای Bahloul و همکاران با استفاده از طراحی آزمایشات و به کمک روش المان محدود سه‌بعدی، میزان برگشت فنری را بررسی نمودند. ایشان اثر شعاع ماتریس و لقی سنبه و ماتریس را به عنوان مهم‌ترین پارامترها بر شکل نهایی قطعه بعد از عمل خمکاری مورد مطالعه قرار دادند که با افزایش آنها، میزان برگشت فنری و زاویه نهایی قطعه کار افزایش می‌یافت [۴]. Cho و همکاران نیز به روش عددی، تأثیر متغیرهای شعاع سنبه، شعاع ماتریس، کلیرانس قالب، اصطکاک، ضخامت ورق و سرعت را بر میزان برگشت فنری مطالعه نمودند [۵]. Kazan و همکاران با استفاده از المان محدود (FEM) و شبکه عصبی، روابطی را برای پیش‌بینی میزان برگشت فنری در قالب‌های خم‌کناره ارائه نموده‌اند [۶].

مطالعات نشان می‌دهد هرچند در زمینه خمکاری ورق تحقیقات گسترده‌ای انجام شده است، ولی در زمینه خم‌کناره تحقیقات اندک بوده است. از طرف دیگر، در قطعات مورد بررسی برای خمکاری، هیچ برش یا سوراخی در سطح خم وجود نداشته است، در صورتی که در صنعت، قطعاتی وجود دارند که دارای برش یا سوراخ‌هایی در محل خم مانند شکل (۱) می‌باشند. تحقیقات قبلی نویسندگان بر روی قالب‌های Vشکل نشان داد، میزان برگشت فنری چنین قطعاتی با قطعاتی از همان جنس و ابعاد که بدون سوراخ یا برش است متفاوت است. میزان برگشت فنری ورق‌های دارای برش یا سوراخ با آنچه که در هندبوک‌ها بوده و یا از فرمول‌های رایج به دست می‌آید متفاوت بوده و باید آنها را به طور جداگانه مورد بررسی قرار داد [۷].
در این تحقیق، با طراحی و ساخت دستگاهی، تأثیر پارامترهای ضخامت، شعاع سنبه، شعاع ماتریس و ابعاد سوراخ (درصد برش) بر میزان برگشت فنری ورق‌های فولادی در قالب خم‌کناره بررسی شده است.