Manufacturing of advanced materials

Η έλαση δακτυλίων θεωρείται ευρέως ως μία κατεργασία ημι-τελικών προϊόντων, εξαιτίας των τραχέων και σχετικά ανακριβών τελικών εργοτεμαχίων. Στις περισσότερες αντίστοιχες βιομηχανικές παραγωγές, ένας κύκλος της εν λόγω κατεργασίας ακολουθείται από πολλαπλούς, και συχνά εκτεταμένους, κύκλους αφαίρεσης υλικού ώστε να επιτευχθεί η απαραίτητη διαστασιολογική ακρίβεια. Δεδομένου ότι τα μεταλλικά δακτυλιοειδή προϊόντα χρησιμοποιούνται σε ορισμένες κρίσιμες εφαρμογές, η παραγωγή αυτών των προϊόντων με μεγαλύτερη διαστασιολογική ακρίβεια σε μικρότερο χρόνο μέσω της έλασης δακτυλίων μπορεί να αυξήσει σημαντικά τις παραγόμενες ποσότητες και να μειώσει το κόστος παραγωγής ανά τεμάχιο. Στην παρούσα διατριβή, διερευνήθηκαν διεξοδικά πολλαπλές διαφορετικές τεχνικές και μέθοδοι που μπορούν να αυξήσουν την ακρίβεια μιας τυπικής (ορθογωνικής), εν θερμώ κατεργασίας έλασης δακτυλίων. Οι προτεινόμενες μεθοδολογίες αφορούν διαφορετικές πρακτικές σε μια παραγωγική γραμμή της κατεργασίας και έτσι καλύπτουν όλα τα διαφορετικά στάδια της εν λόγω παραγωγής – από την μπιγιέτα ως το τελικό προϊόν. Επιπλέον, ο απαιτούμενος χρόνος για τις προαναφερθείσες διορθωτικές ενέργειες ήταν σημαντικά μικρότερος σε σύγκριση με έναν πλήρη κύκλο φινιρίσματος, αφού οι ενέργειες αυτές μπορούν να πραγματοποιηθούν με τα ίδια εργαλεία, χωρίς να απαιτείται επανατοποθέτηση ή ενδιάμεση αποθήκευση του κατεργαζόμενου τεμαχίου. Ολόκληρη η ανάλυση της παρούσας διατριβής πραγματοποιήθηκε αριθμητικά, λόγω έλλειψης του απαραίτητου εξοπλισμού για μια αντίστοιχη πειραματική διερεύνηση. Τα αριθμητικά μοντέλα αναπτύχθηκαν με το πρόγραμμα πεπερασμένων στοιχείων ANSYS/LS-DYNA, το οποίο περιλάμβανε τα απαραίτητα εργαλεία και τους κατάλληλους αλγορίθμους για τις αντίστοιχες προσομοιώσεις. Μετά από την ανάπτυξη ενός πλήρως πιστοποιημένου μοντέλου της κατεργασίας, αυτό χρησιμοποιήθηκε ως η βάση για όλες τις μετέπειτα αναλύσεις. Με τον τρόπο αυτό, οι προσομοιώσεις των μετέπειτα αναλύσεων μπορούν να θεωρηθούν ως μια ισχυρή ένδειξη για τη δυνατότητα πραγματοποίησης των προτεινόμενων μεθοδολογιών και πρακτικών, σε μια πραγματική εφαρμογή. Αρχικά στο πρώτο κεφάλαιο της παρούσας διατριβής, πραγματοποιήθηκε μια ενδελεχής βιβλιογραφική ανασκόπηση των σχετικών πειραματικών, αναλυτικών, και αριθμητικών ερευνών που έχουν γίνει πάνω στην Έλαση Δακτυλίων. Επιπρόσθετα, παρουσιάστηκαν οι βασικές αρχές της εν λόγω κατεργασίας και ο απαραίτητος πειραματικός εξοπλισμός. Τέλος, βάσει όλων των παραπάνω, τέθηκαν τα ερευνητικά ερωτήματα που θα οδηγούσαν την παρούσα διατριβή. Στο δεύτερο κεφάλαιο, παρουσιάστηκε βήμα-βήμα η ανάπτυξη της προσομοίωσης μιας τυπική, εν θερμώ Έλασης Δακτυλίων ενός δακτυλίου από ΙΝ718. Το αριθμητικό μοντέλο που αναπτύχθηκε, στη συνέχεια πιστοποιήθηκε με πειραματικά δεδομένα από τη βιβλιογραφία. Οι επιλογές που έγιναν για το εν λόγω μοντέλο, βασίστηκαν στα συμπεράσματα ενδελεχούς βιβλιογραφικής ανασκόπησης ή/και σε αναλύσεις δοκιμής-και-σφάλματος, ούτως ώστε τα φυσικά φαινόμενα που λαμβάνουν χώρα κατά την κατεργασία να προσομοιωθούν κατάλληλα. Στο τέλος, το αριθμητικό μοντέλο που αναπτύχθηκε μπορούσε να προσομοιώσει την πειραματική διεργασία πολύ ρεαλιστικά, ενώ πολλά σημεία ενδιαφέροντος μπόρεσαν να προσδιοριστούν και να αναλυθούν περαιτέρω. Στο τρίτο κεφάλαιο της παρούσας διατριβής, διερευνήθηκαν τρία διαφορετικά στοιχεία της Έλασης Δακτυλίων, τα οποία λαμβάνουν χώρα πριν ή κατά τη διάρκεια της κατεργασίας και τα οποίαεπιδρούν στη διαστασιακή της ακρίβεια. Τα τρία αυτά στοιχεία ήταν: (α) ο υπολογισμός του ακριβούς όγκου της αρχικής μπιγέτας του εργοτεμαχίου, (β) η επίδραση των θερμο-ελαστικών παραμορφώσεων των εργαλείων, και (γ) η επίδραση του αλγορίθμου κίνησης των υποστηρικτικών ραούλων και η συσχέτισή του με το υλικό του δακτυλίου. Για τον υπολογισμό του ακριβούς όγκου της μπιγέτας αναπτύχθηκε μια νεωτεριστική, ημι-αναλυτική μεθοδολογία, η οποία χρησιμοποιεί έναν συνδυασμό αναλυτικών εξισώσεων και αριθμητικών μοντέλων κάθε προγενέστερης κατεργασίας της Έλασης Δακτυλίων, με σκοπό να υπολογιστεί ο ακριβής όγκος μπιγέτας για την κατεργασία ενός τελικού δακτυλίου με συγκεκριμένες διαστάσεις. Η προταθείσα μεθοδολογία πιστοποιήθηκε μέσα από μια σειρά προσομοιώσεων, με τις αποκλείσεις του τελικού προϊόντος να είναι πολύ μικρότερες από 1%. Για την περίπτωση της επίδρασης των θερμο-ελαστικών παραμορφώσεων των εργαλείων στη διαστασιακή ακρίβεια της Έλασης Δακτυλίων, αναπτύχθηκαν τρία διαφορετικά μοντέλα. Σε κάθε ένα από τα εν λόγω μοντέλα, η παραμορφωσιμότητα των εργαλείων ποίκιλε (άκαμπτα, ελαστικά παραμορφώσιμα μόνο, και συζευγμένα θερμο-ελαστικά παραμορφώσιμα) και τα τελικά αποτελέσματα από τα τρία μοντέλα συγκρίθηκαν μεταξύ τους. Από τις προαναφερθείσες συγκρίσεις προέκυψε ότι ακόμα και μικρές παραμορφώσεις των εργαλείων μπορούν να οδηγήσουν σε μεγαλύτερες διαστασιακές αποκλίσεις των προϊόν (ειδικά σε περιπτώσεις προϊόντων υψηλής ακρίβειας). Τέλος για την ανάλυση του αλγορίθμου κίνησης των υποστηρικτικών ραούλων, πραγματοποιήθηκε μια προσομοίωση Έλασης Δακτυλίου με τεμάχιο από ΑΑ5754, και στη συνέχεια συγκρίθηκε με την αντίστοιχη προσομοίωση του τεμαχίου από ΙΝ718 που αναπτύχθηκε στο δεύτερο κεφάλαιο. Οι δύο αυτές προσομοιώσεις επαναλήφθηκαν, στη συνέχεια, όμως με ένα πολυώνυμο υψηλής τάξης να περιγράφει την κίνηση των υποστηρικτικών ραούλων. Τα τελικά αποτελέσματα αποκάλυψαν μια εξάρτηση των διαστάσεων του τελικού δακτυλίου από το υλικό του εργοτεμαχίου, ενώ το υψηλής τάξης πολυώνυμο επηρέασε τη δημιουργία ελαττωμάτων, όπως επίσης και τον ρυθμό ανάπτυξης του δακτυλίου. Στο τέταρτο κεφάλαιο, προτάθηκε μια νέα κατεργασία για τη “διόρθωση” διαστασιακών ανακριβειών, η οποία μπορεί να διεξαχθεί αμέσως μετά την Έλαση Δακτυλίων. Αυτή η νεωτεριστικήκατεργασία ονομάστηκε “Αντίστροφη Έλαση Δακτυλίων”. Από τη σύλληψή της, η Αντίστροφη Έλαση Δακτυλίων περιλαμβάνει μια συγκεκριμένη κινηματική των εργαλείων, η οποία οδηγεί στημείωση των διαμέτρων του δακτυλίου (και της εσωτερικής και της εξωτερικής), και σε μια επακόλουθη αύξηση του ύψους του. Η εν λόγω κατεργασία χωρίζεται σε δύο διακριτά βήματα: (α) ένα όπου και οι δύο διάμετροι μειώνονται, και (β) ένα δεύτερο όπου μόνο η εξωτερική διάμετρος μειώνεται. Η βιωσιμότητα αυτής της κατεργασίας πιστοποιήθηκε μέσω αριθμητικής μοντελοποίησης και τα υπολογισμένα αποτελέσματα κατέδειξαν υψηλή διαστασιολογική ακρίβεια. Επιπλέον, αναλύθηκαν περαιτέρω ορισμένες σημαντικές παράμετροι της κατεργασίας, με τον αριθμό των υποστηρικτικών ραούλων και την ταχύτητα των εργαλείων να είναι τα πιο επιδραστικά. Τέλος στο πέμπτο κεφάλαιο της διατριβής, παρουσιάστηκε σύντομα μια νεωτεριστική προσέγγιση της χρήσης ενός τυπικού ελάστρου δακτυλίων για την παραγωγή πολυγωνικών μεταλλικών προϊόντων. Η εν λόγω πρακτική παρουσιάστηκε κυρίως ως μια απόδειξη της ιδέας, αφού μια εις βάθος ανάλυση θα απόκλινε σημαντικά από το κύριο θέμα της διατριβής. Παρόλα αυτά, αφού οι βασικές αρχές της έλασης πολυγωνικών δακτυλίων επεξηγούνται σε κάποιον βαθμό, οποιαδήποτε μελλοντική έρευνα στο θέμα δεν θα χρειαστεί να ξεκινήσει από το μηδέν. Η βασική ιδέα αυτής της προσέγγισης βασίζεται στη συγχρονισμένη, ομοδιευθυντική κίνηση των υποστηρικτικών ραούλων για τη δημιουργία ευθείων πλευρών στο προϊόν. Μέσα από μια καλά μελετημένη κίνηση των εργαλείων, η κατεργασία πολυγωνικών προϊόντων προσομοιώθηκε σαν απόδειξη της ιδέας, ενώ τα πιο κρίσιμα χαρακτηριστικά της μεθόδου συζητήθηκαν σε πρώτο επίπεδο. Συνολικά, η προταθείσα διεργασία αποδείχθηκε βιώσιμη, αν και περαιτέρω μελέτη θα πρέπει να διεξαχθεί.