KFUPM ePrints

Thermo-mechanical modeling of tool and workpiece interface in metal forming process

Khan, Ovaisullah (2002) Thermo-mechanical modeling of tool and workpiece interface in metal forming process. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

[img]
Preview
PDF
4Mb

Arabic Abstract

في عملية تشكيل المعادن ، يحصل التغير اللدائني (البلاستيكي) لشكل القطعة ، المراد تصنيعها ، في السطح المشترك (البيني) بين أداة التصنيع والقطعة المصنعة . وتعتبر أداة التصنيع أحد أهم المتغيرات المؤثرة في التحكم للمصانع . وينتج عن التغير في شكل المعادن ، الخاضعة للتصنيع ، والاحتكاك في منطقة التلامس بين أداة التصنيع والقطعة المصنعة كمية كبيرة من الحرارة ، جزء من تلك الحرارة ينتقل عن طريق التوصيل الحراري إلى أداة التصنيع ويتم إزالة هذه الحرارة عن طريق الحمل الحرارية بواسطة غاز أو سائل مسلط . وفي إحدى عمليات التصنيع المسماة بالدرج أو الرق ، ينتج في النهاية عن العمليات المتكررة للتبريد والتسخين تغير ضخم في توزيع درجة الحرارة في أداة الدرج . في الجزء الأول من هذا العمل ، عملت محاولة لدراسة توزيع الحرارة والتدفق الحراري في أداة الدرج باعتبار تدفق حراري غير منتظم في السطح المشترك بين أداة الدرج والقطعة المدرجة . وباختيار طريقة أولية ، تم اقتراح طريقة لعمل نموذج يحاكي التدفق الحراري الغير منتظم في السطح البيئي . لقد وضح بجلاء أن الطريقة المستخدمة حالياً لعمل هذا النموذج تعتبر أعم وأشمل من تلك الموجودة في الأبحاث المطبوعة سابقاً . فعلى سبيل المثال ، فإن الدراسة الحالية قد أوضحت أن التدفق الحراري المنتظم في المنطقة البينية الذي أعتبره عدد من الباحثين في دراستهم إنما هو حالة خاصة من البحث المدروس حالياً ، وخاصة عندما يكون التغير في الشكل والسرعة النسبية صغيرة جداً . بالإضافة إلى ذلك ، فقد عرضت هذه الدراسة التغير في التدفق الحراري الناتج عن الاحتكاك في السطح البيني وكذلك الطاقة الناتجة عن تغير شكل القطعة المصنعة . إن توزيع درجة الحرارة مع الحمل الميكانيكي ينتج عنه تغير في شكل أداة الدرج مع إجهاد واسع متمركز في أماكن معينة منها . وقد أصبح تغير شكل آلة الدرج ظاهرة مهمة ليس فقط في التحكم في الشكل والمقاسات النهائية للقطعة المصنعة ولكن أيضاً للتقليل من تكلفة استبدالها . وبافتراض أداة درج مصنوعة من معدن مرن قابل للتمدد واعتبار تأثيرات الانتقال الحراري ، فإنه في الجزء الثاني من هذه الدراسة قد عمل نموذج يمثل توزيع التغير في الشكل للمعدن المرن لأداة الدرج باستخدام طريقة العناصر المحدودة لحرارة المعدن المرن . وقد قرن النموذج الحراري ونموذج التغير في الشكل وأنشأت طريقة حسابية تعتمد على التكرار التخميني من أجل حساب قطر أداة الدرج . وأخيراً فإن نصف قطر أداة الدرج المتغيرة الشكل استخدم لحساب سماكة صفيحة معدنية خارجة من التصنيع . وبعمل مقارنة بين قياس سماكة الصفيحة المعدنية المصنعة والخاضعة للحمل الميكانيكي الحراري وبين نتائج التجارب في الأبحاث السابقة للنشر ، وجد أن هناك توافقاً في القيم بدرجة كبيرة جداً .

English Abstract

In a metal forming process plastic deformation of workpiece is acquired at tool and workpiece interface region. Tool has been identified as one of the key parameters in controlling the productivity of any manufacturing industry. The deformation of metals, and friction at the tool and workpiece contact region produce large amount of heat, a part of that heat is conducted towards the tool where it is removed by forced convection. For rolling process, these cooling and heating cycles finally result in a substantial change in the temperature distribution in the roll. In first part of this work, an attempt is made to study the temperature and heat flux distribution in the roll by considering a non-uniform heat flux at the roll-workpiece interface. Adopting an elemental approach, a methodology has been proposed to model non-uniform heat flux at the interface. It is demonstrated that the present approach of modeling is more general than that available in the literature. For example, a constant value of heat flux at the interface that is considered by several investigators is shown to be a special case of the present investigation, particularly when the deformation and relative velocity is very small. In addition, the variation of heat flux due to friction at the interface and deformation energy in the workpiece is also shown. The temperature distribution along with the mechanical load results in roll deformation with large localized stresses. Roll deformation is an important phenomenon that is critical not only for controlling the shape and size of final product but also for minimizing its cost. Under the assumption of an elastic roller and including the heat transfer effects; in the second part of this study the distribution of elastic deformation of the roller has been modeled by using thermo-elastic finite element method. Thermal and deformation models have been coupled and an iterative procedure has been developed to calculate roll diameter. Finally, the deformed roll radius is utilized for calculating the exit strip thickness. It is found that the calculated gauge under thermo-mechanical load agrees very well with the experimental value reported in the published literature.



Item Type:Thesis (Masters)
Date:January 2002
Date Type:Completion
Subjects:Mechanical
Divisions:College Of Engineering Sciences > Mechanical Engineering Dept
Creators:Khan, Ovaisullah
Committee Advisor:Arif, Abul Fazal M.
Committee Members:Zubair, Syed M. and Sheikh, Anwar K.
ID Code:10047
Deposited By:KFUPM ePrints Admin
Deposited On:22 Jun 2008 16:55
Last Modified:25 Apr 2011 09:58

Repository Staff Only: item control page