शीट मेटल फॉर्मिंग सिमुलेशन
आज धातु निर्माण उद्योग ट्राई-आउट टूलींग के निर्माण से पहले डाई, प्रक्रियाओं और रिक्त स्थान के प्रदर्शन का मूल्यांकन करने के लिए सिमुलेशन का उपयोग बढ़ा रहा है। परिमित तत्व विश्लेषण (एफईए) यह निर्धारित करने के लिए शीट धातु बनाने के संचालन का अनुकरण करने का सबसे आम तरीका है कि क्या प्रस्तावित डिजाइन फ्रैक्चर या झुर्रियों जैसे दोषों से मुक्त भागों का उत्पादन करेगा।[1]
शीट मेटल बनाने की चुनौतियाँ
शीट मेटल फॉर्मिंग, जिसे अक्सर स्टैम्पिंग (मेटलवर्किंग) के रूप में जाना जाता है, एक ऐसी प्रक्रिया है जिसमें शीट मेटल का एक टुकड़ा, जिसे ब्लैंक कहा जाता है, एक पंच और डाई के बीच खींचकर बनाया जाता है।
सबसे दर्दनाक और सबसे अधिक बार होने वाले दोष झुर्रियाँ, पतलेपन, स्प्रिंगबैक और विभाजन या दरारें हैं। तकनीशियनों के अनुभव के आधार पर, मुख्य दोषों से निपटने के लिए उद्योग भर में कुछ तरीकों का उपयोग किया जा रहा है। हालाँकि, सही प्रक्रिया सबसे महत्वपूर्ण है, क्योंकि इसमें अंतिम ज्यामिति तक पहुँचने के लिए कई चरणों के बाद सही ज्यामिति शामिल होती है। जो विशिष्ट अनुभव या अधिक संख्या में पुनरावृत्तियों की मांग करता है।[2] रिक्त स्थान का विरूपण आम तौर पर सिकुड़न, सिकुड़न, फटने और अन्य नकारात्मक विशेषताओं द्वारा सीमित होता है, जिससे गुणवत्ता आवश्यकताओं को पूरा करना असंभव हो जाता है या वांछनीय दर से धीमी गति से चलना आवश्यक हो जाता है।
ड्रॉ में झुर्रियां संपीड़ित बकलिंग के कारण खींची गई दीवार में रेडियल रूप से बनने वाली लकीरों की श्रृंखला होती हैं। व्यावहारिक रूप से ये कम रिक्त धारक दबाव के कारण होते हैं जिसके कारण सामग्री फिसलती है और झुर्रियाँ बनती हैं। इष्टतम रिक्त होल्डिंग दबाव कुंजी है, हालांकि कुछ मामलों में यह काम नहीं करता है। फिर ड्रा बीड्स समाधान हैं, ड्रॉ बीड का स्थान और आकार चुनौती है, जिसका उपकरण निर्माण से पहले डिजाइन चरण के दौरान एफईए के साथ विश्लेषण किया जा सकता है।[2]
उच्च तन्यता तनाव के कारण ऊर्ध्वाधर दीवार में दरार, कुछ छोटे त्रिज्या सामग्री प्रवाह को अवरुद्ध करते हैं और उस बिंदु पर शीट के 40% से अधिक पतले होने का परिणाम होता है। परिणामस्वरूप दरारें पड़ जाती हैं। कुछ मामलों में यह अत्यधिक ब्लैंक होल्डर दबाव के कारण हो सकता है, जो धातु के प्रवाह को प्रतिबंधित करता है। कहीं न कहीं यह ग़लत प्रक्रिया डिज़ाइन के कारण हो सकता है, जैसे एक ही चरण में अधिक गहराई से ड्रॉ करने का प्रयास करना, जो अन्यथा केवल दो चरणों में ही संभव है।[2]
उच्च तन्यता तनाव के कारण ऊर्ध्वाधर दीवार में अत्यधिक खिंचाव होने से धातु भागों में विशेष रूप से छोटे त्रिज्या पर मोटाई में कमी आती है, हालांकि प्रक्रिया सीमाओं के कारण 20% तक पतलेपन की अनुमति है।[2]
झुकना (धातुकर्म) शीट धातु निर्माण का एक विशेष रूप से महत्वपूर्ण पहलू है। यहां तक कि महत्वपूर्ण गहराई तक बनी संरचनाओं में स्प्रिंगबैक की अपेक्षाकृत कम मात्रा भी रिक्त स्थान को इस हद तक विकृत कर सकती है कि सहनशीलता को बरकरार नहीं रखा जा सकता है। उच्च शक्ति वाले स्टील, एल्युमीनियम और मैग्नीशियम जैसी नई सामग्रियों में विशेष रूप से स्प्रिंगबैक का खतरा होता है।[3] शीट मेटल बनाना विज्ञान से अधिक एक कला है। टूलींग, स्टैम्पिंग प्रक्रिया और रिक्त सामग्री और ज्यामिति का डिज़ाइन मुख्य रूप से परीक्षण और त्रुटि द्वारा किया जाता है।
आजकल सिमुलेशन सॉफ्टवेयर सीएई (कंप्यूटर एडेड इंजीनियरिंग) के अंतर्गत आता है, जो डाई निर्माण से पहले डिजाइन चरण में सामान्य दोषों की भविष्यवाणी करने के लिए परिमित तत्व विश्लेषण का उपयोग करता है।[2]
भागों का सफलतापूर्वक उत्पादन करने के लिए पंच और डाई को डिजाइन करने का पारंपरिक दृष्टिकोण आवश्यक गुणवत्ता के भागों का उत्पादन करने के लिए एक निश्चित उपकरण डिजाइन की क्षमता की जांच करने के लिए परीक्षण उपकरण बनाना है। आज़माने की लागत को कम करने के लिए आज़माने वाले उपकरण आम तौर पर कम महंगी सामग्री से बने होते हैं, फिर भी यह विधि अभी भी महंगी और समय लेने वाली है।[4]
शीट मेटल निर्माण सिमुलेशन का इतिहास
धातु निर्माण के अनुकरण का पहला प्रयास 1960 के दशक में गहरी ड्राइंग प्रक्रिया को बेहतर ढंग से समझने के लिए परिमित अंतर विधि का उपयोग करके किया गया था। सिमुलेशन सटीकता को बाद में 1980 के दशक में नॉनलाइनियर परिमित तत्व विश्लेषण लागू करके बढ़ाया गया था लेकिन औद्योगिक समस्याओं पर सिमुलेशन लागू करने के लिए इस समय कंप्यूटिंग समय बहुत लंबा था।
पिछले कुछ दशकों में कंप्यूटर हार्डवेयर में तेजी से हुए सुधारों ने वास्तविक दुनिया की धातु निर्माण समस्याओं को हल करने के लिए परिमित तत्व विश्लेषण पद्धति को व्यावहारिक बना दिया है। स्पष्ट समय एकीकरण पर आधारित एफईए कोड का एक नया वर्ग विकसित किया गया जिसने कम्प्यूटेशनल समय और मेमोरी आवश्यकताओं को कम कर दिया। गतिशील स्पष्ट FEA दृष्टिकोण गति के समीकरणों को एकीकृत करने के लिए एक केंद्रीय भिन्न स्पष्ट योजना का उपयोग करता है। यह दृष्टिकोण लम्प्ड मास मैट्रिक्स और सेकंड के दस लाखवें क्रम पर एक विशिष्ट समय चरण का उपयोग करता है। यह विधि विशिष्ट औद्योगिक समस्याओं के लिए मजबूत और कुशल साबित हुई है।
जैसे-जैसे कंप्यूटर हार्डवेयर और ऑपरेटिंग सिस्टम विकसित हुए हैं, अंतर्निहित परिमित तत्व विधियों के व्यावहारिक उपयोग को रोकने वाली मेमोरी सीमाएं दूर हो गई हैं।[5] अंतर्निहित विधि का उपयोग करते हुए सिमुलेशन में किसी दिए गए क्षण में होने वाली विकृति की अनुमानित मात्रा के आधार पर समय चरणों की गणना की जाती है, इस प्रकार जब कुछ भी नहीं हो रहा हो तो बहुत छोटे समय चरणों की गणना करने या उच्च मात्रा में होने पर बहुत बड़े समय चरण की गणना के कारण होने वाली अनावश्यक कम्प्यूटेशनल अक्षमता को रोका जा सकता है। विकृति उत्पन्न हो रही है.
परिमित तत्व विश्लेषण विधियाँ
शीट मेटल निर्माण के लिए परिमित तत्व विश्लेषण विधि के अनुप्रयोग में दो व्यापक विभाजनों को व्युत्क्रम एक-चरण और वृद्धिशील के रूप में पहचाना जा सकता है।
व्युत्क्रम एक-चरण विधियाँ एक तैयार भाग ज्यामिति की विरूपण क्षमता की गणना चपटे रिक्त स्थान पर करती हैं। प्रारंभ में तैयार ज्यामिति के आकार और भौतिक विशेषताओं के साथ मेष को सपाट पैटर्न रिक्त में विकृत किया जाता है। इस उलटा गठन ऑपरेशन में गणना की गई तनाव को अंतिम भाग के आकार में विकृत होने वाले फ्लैट रिक्त की विरूपण क्षमता की भविष्यवाणी करने के लिए उलटा किया जाता है। यह माना जाता है कि सभी विकृति एक वेतन वृद्धि या चरण में होती है और यह उस प्रक्रिया का व्युत्क्रम है जिसका अनुकरण प्रतिनिधित्व करना है, इस प्रकार इसे व्युत्क्रम एक-चरण नाम दिया गया है।
वृद्धिशील विश्लेषण विधियां फ्लैट ब्लैंक के जाल से शुरू होती हैं और प्रस्तावित विनिर्माण प्रक्रिया का प्रतिनिधित्व करने के लिए तैयार किए गए उपकरणों के अंदर ब्लैंक के विरूपण का अनुकरण करती हैं। इस वृद्धिशील गठन की गणना प्रारंभिक आकार से अंतिम तक की जाती है, और शुरुआत से अंत तक कई समय वृद्धि पर गणना की जाती है। लागू किए जा रहे परिमित तत्व सॉफ़्टवेयर के आधार पर समय वृद्धि को स्पष्ट रूप से या अंतर्निहित रूप से परिभाषित किया जा सकता है। चूंकि वृद्धिशील तरीकों में टूलींग का मॉडल शामिल होता है और सीमा स्थितियों की परिभाषा की अनुमति मिलती है जो विनिर्माण प्रस्ताव को पूरी तरह से दोहराती है, प्रक्रिया सत्यापन के लिए वृद्धिशील तरीकों का अधिक सामान्यतः उपयोग किया जाता है। उलटा वन-स्टेप टूलींग की कमी और इसलिए प्रक्रिया का खराब प्रतिनिधित्व ज्यामिति आधारित व्यवहार्यता जांच तक ही सीमित है।[6] वृद्धिशील विश्लेषण ने प्रूफ़ टूल या प्रोटोटाइप टूल के उपयोग के माध्यम से पहले पूरी की गई भूमिका को पूरा कर दिया है। अतीत में प्रूफ़ उपकरण सामान्य सामग्री की तुलना में नरम सामग्री से बने अल्पकालिक डाई होते थे, जिनका उपयोग धातु बनाने के संचालन की योजना बनाने और परीक्षण करने के लिए किया जाता था। यह प्रक्रिया बहुत समय लेने वाली थी और हमेशा लाभकारी परिणाम नहीं देती थी, क्योंकि नरम उपकरण लंबे समय तक चलने वाले उत्पादन उपकरणों की तुलना में अपने व्यवहार में बहुत भिन्न थे। सॉफ्ट टूल्स पर सीखे गए सबक हार्ड टूल डिज़ाइन में स्थानांतरित नहीं होते हैं। सिमुलेशन ने अधिकांशतः इस पुरानी पद्धति को विस्थापित कर दिया है। वर्चुअल ट्रायआउट के रूप में उपयोग किया जाने वाला सिमुलेशन एक धातु बनाने वाला सिमुलेशन है जो इनपुट चर के एक विशिष्ट सेट पर आधारित होता है, कभी-कभी नाममात्र, सबसे अच्छा मामला, सबसे खराब मामला आदि। हालांकि, कोई भी सिमुलेशन केवल उतना ही अच्छा होता है जितना कि भविष्यवाणियां उत्पन्न करने के लिए उपयोग किया जाने वाला डेटा। जब एक सिमुलेशन को एक उत्तीर्ण परिणाम के रूप में देखा जाता है तो उपकरण का निर्माण अक्सर गंभीरता से शुरू हो जाएगा। लेकिन यदि सिमुलेशन परिणाम उत्पादन इनपुट के अवास्तविक सेट पर आधारित हैं तो इंजीनियरिंग उपकरण के रूप में इसका मूल्य संदिग्ध है।
मजबूती विश्लेषण
शीट मेटल फॉर्मिंग सिमुलेशन पर लागू स्टोकेस्टिक विश्लेषण में हाल के नवाचारों ने शुरुआती अपनाने वालों को अपनी प्रक्रियाओं में दोहराने की क्षमता इंजीनियर करने में सक्षम बनाया है जो कि वर्चुअल ट्रायआउट के रूप में सिमुलेशन के एकल सेट का उपयोग करने पर नहीं मिल सकता है।[7]
शीट मेटल फॉर्मिंग सिमुलेशन का उपयोग
चाबोचे प्रकार के सामग्री मॉडल का उपयोग कभी-कभी शीट धातु निर्माण में स्प्रिंगबैक प्रभावों का अनुकरण करने के लिए किया जाता है। इन और अन्य उन्नत प्लास्टिसिटी मॉडलों को चक्रीय तनाव-तनाव वक्रों के प्रयोगात्मक निर्धारण की आवश्यकता होती है। परीक्षण रिग का उपयोग भौतिक गुणों को मापने के लिए किया गया है, जब सिमुलेशन में उपयोग किया जाता है तो मापा और गणना किए गए स्प्रिंगबैक के बीच उत्कृष्ट सहसंबंध प्रदान करता है।[8] कई धातु निर्माण कार्यों को एक ही चरण में करने के लिए रिक्त स्थान के बहुत अधिक विरूपण की आवश्यकता होती है। मल्टीस्टेप या प्रोग्रेसिव स्टैम्पिंग ऑपरेशंस का उपयोग स्टैम्पिंग ऑपरेशंस की एक श्रृंखला के माध्यम से रिक्त स्थान को वांछित आकार में बढ़ाने के लिए किया जाता है। वृद्धिशील फॉर्मिंग सिमुलेशन सॉफ़्टवेयर प्लेटफ़ॉर्म इन परिचालनों को एक-चरणीय स्टैम्पिंग ऑपरेशनों की एक श्रृंखला के साथ संबोधित करते हैं जो एक समय में एक चरण बनाने की प्रक्रिया का अनुकरण करते हैं।[9]
धातु बनाने के संचालन के डिजाइन में एक और सामान्य लक्ष्य प्रारंभिक रिक्त स्थान के आकार को डिजाइन करना है ताकि अंतिम गठित हिस्से को डिजाइन ज्यामिति से मेल खाने के लिए कुछ या कोई काटने के संचालन की आवश्यकता न हो। रिक्त आकार को परिमित तत्व सिमुलेशन के साथ भी अनुकूलित किया जा सकता है। एक दृष्टिकोण एक पुनरावृत्तीय प्रक्रिया पर आधारित है जो एक अनुमानित शुरुआती ज्यामिति से शुरू होती है, निर्माण प्रक्रिया का अनुकरण करती है और फिर आदर्श उत्पाद ज्यामिति से परिणामी गठित ज्यामिति के विचलन की जांच करती है। रिक्त किनारे की ज्यामिति को सही करने के लिए नोड बिंदुओं को दायर विस्थापन के अनुसार समायोजित किया जाता है। यह प्रक्रिया तब तक जारी रहती है जब तक कि अंतिम रिक्त आकार डिज़ाइन किए गए भाग की ज्यामिति से मेल नहीं खाता।[10]
धातु निर्माण सिमुलेशन उच्च शक्ति वाले स्टील और उन्नत उच्च शक्ति वाले स्टील के मामले में विशेष लाभ प्रदान करता है, जिनका उपयोग वाहन की दुर्घटना सुरक्षा को बनाए रखते हुए वजन कम करने के लिए वर्तमान ऑटोमोबाइल में किया जाता है। सामग्रियों में पारंपरिक स्टील की तुलना में अधिक उपज और तन्य शक्ति होती है इसलिए डाई बनाने की प्रक्रिया के दौरान अधिक विरूपण से गुजरती है जिसके परिणामस्वरूप डाई को डिजाइन करने में कठिनाई बढ़ जाती है। शीट मेटल सिमुलेशन जो न केवल रिक्त स्थान बल्कि डाई के विरूपण पर भी विचार करता है, इन सामग्रियों को सफलतापूर्वक बनाने के लिए उपकरणों को डिजाइन करने के लिए उपयोग किया जा सकता है।[11]
औद्योगिक अनुप्रयोग
टाटा मोटर्स के इंजीनियरों ने एक नए तेल पंप डिज़ाइन के निर्माण के लिए टूलींग और प्रक्रिया मापदंडों को विकसित करने के लिए धातु बनाने वाले सिमुलेशन का उपयोग किया। बंद किए गए पहले प्रोटोटाइप सिमुलेशन भविष्यवाणी से मेल खाते थे।[12] निसान मोटर कंपनी ने मेटल स्टैम्पिंग ऑपरेशन में फटने की समस्या के समाधान के लिए मेटल फॉर्मिंग सिमुलेशन का उपयोग किया। उस ऊंचाई पर रिक्त किनारे त्रिज्या के प्रभाव को निर्धारित करने के लिए एक सरल सिमुलेशन मॉडल बनाया गया था जिस पर सामग्री को बिना तोड़े बनाया जा सकता है। इस जानकारी के आधार पर एक नया डाई डिज़ाइन किया गया जिससे समस्या हल हो गई।[13] उद्योग में सॉलिडवर्क्स और LITIO के रूप में बहुत सारे शीट मेटल प्रोग्राम उपलब्ध हैं।[14] आजकल FEA सॉफ़्टवेयर जैसे LS DYNA, AUTOFORM, HYPERFORM, PAMSTAMP उत्पाद निर्माण से पहले वर्चुअल प्रोसेस सिमुलेशन के लिए बहुत अच्छे हैं। प्रक्रिया डिज़ाइन से ठीक पहले डिज़ाइन चरण में झुर्रियाँ, पतलापन और दरारें जैसे दोष देखे जा सकते हैं, जिसके परिणामस्वरूप प्रक्रिया का सही चयन होता है और लीड समय में कमी आती है और मूल्यवान धन की बचत होती है, जो अन्यथा व्यस्त विनिर्माण पुनरावृत्तियों में निवेश किया जाता है।[15]
संदर्भ
- ↑ Taylan Altan, Erman Tekkaya, “Sheet Metal Forming: Processes and Applications,” Chapter 3: Process Simulation,” Manan Shah, Partchapol Sartkulvanich, August 31, 2012.
- ↑ 2.0 2.1 2.2 2.3 2.4 Kumar, Rakesh (2021). "गहरी खींची गई ज्यामिति के लिए ड्रा प्रक्रिया की संख्या कैसे चुनें". Retrieved 2021-11-25.
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- ↑ W. Kubli, J. Reissner, "Optimization of sheet-metal forming processes using the special-purpose program AUTOFORM,"
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- ↑ Winfried Schmitt, Oleg Benevolenski, Tom Walde, Andriy Krasowsky, “Material Characterization for Simulation of Sheet Metal Forming,” VIII International Conference on Computational Plasticity (COMPLAS VIII), Barcelona, 2005.
- ↑ Tim Stephens, “Incremental Forming Simulation Software,” Metal Forming Magazine, June 2013.
- ↑ Nikolaj Mole, Gasper Cafuta, Boris Stok, “A Method for Optimal Blank Shape Determination in Sheet Metal Forming Based on Numerical Simulation,” Journal of Mechanical Engineering, Volume 59, Issue 4, Pages 237–250, 2013.
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- ↑ “Simulation for Steel Stamping,” Automotive Design and Production, March 30, 2011.
- ↑ A. Makinouchi, “Sheet metal forming simulation in industry,” Journal of Materials Processing Technology, Issue 60, 1996, Pages 19–26.
- ↑ Lisa Iwamoto, Digital Fabrications: Architectural and Material Techniques “[1]”.
- ↑ KUMAR, RAKESH (2020). "सीमा आरेख बनाना (एफएलडी) या सीमा वक्र बनाना (एफएलसी)".
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