Luận án Nghiên cứu tối ưu các thông số công nghệ khi tạo hình chi tiết dạng côn bằng phương pháp dập thủy cơ

LỜI CAM ĐOAN . i

LỜI CẢM ƠN . ii

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU . vi

DANH MỤC BẢNG BIỂU . vii

DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ .viii

MỞ ĐẦU. 1

1. Mục tiêu nghiên cứu của luận án. 2

2. Đối tƣợng nghiên cứu. 3

3. Phạm vi nghiên cứu . 3

4. Phƣơng pháp nghiên cứu. 3

5. Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn. 3

6. Các đóng góp mới của luận án . 4

7. Bố cục của luận án. 4

Chƣơng 1. TỔNG QUAN CÔNG NGHỆ DẬP THỦY CƠ. 5

1.1. Những vấn đề chung về dập thủy cơ . 5

1.1.1. Khái niệm.5

1.1.2. Phân loại .6

1.1.3. Ƣu, nhƣợc điểm và ứng dụng.8

1.2. Quá trình phát triển của công nghệ dập thủy cơ . 10

1.3. Tình hình nghiên cứu công nghệ dập thủy cơ. 11

1.3.1. Nghiên cứu trên thế giới .11

1.3.2. Nghiên cứu trong nƣớc .27

1.4. Xác định vấn đề nghiên cứu. 28

1.5. Kết luận chƣơng 1 . 30

Chƣơng 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT DẬP THỦY CƠ CHI TIẾT DẠNG CÔN.32

2.1. Đặc điểm chi tiết dạng côn. 32iv

2.2. Trạng thái ứng suất – biến dạng khi dập thủy cơ chi tiết dạng côn . 34

2.2.1. Đặc điểm biến dạng khi dập thủy cơ chi tiết dạng côn.34

2.2.2. Trạng thái ứng suất – biến dạng khi dập thủy cơ.36

2.3. Xác định các thông số lực và năng lƣợng trong dập thủy cơ. 43

2.3.1. Áp suất chất lỏng .43

2.3.2. Áp suất chất lỏng tạo hình .44

2.3.3. Áp lực chặn .44

2.4. Kết luận chƣơng 2 . 46

Chƣơng 3. MÔ PHỎNG SỐ QUÁ TRÌNH DẬP THỦY CƠ . 47

3.1. Nghiên cứu quá trình dập thủy cơ bằng phần mềm eta/DynaForm. 48

3.1.1. Chi tiết và vật liệu mô phỏng.48

3.1.2. Xây dựng mô hình bài toán mô phỏng.49

3.2. Các kết quả nghiên cứu bằng mô phỏng số . 51

3.2.1. Xác định khoảng làm việc của áp lực chặn và áp suất chất lỏng.51

3.2.2. Nghiên cứu ảnh hƣởng của áp lực chặn qc và chiều dày tƣơng đối của

phôi s* đến sự phân bố chiều dày thành sản phẩm.56

3.2.3. Nghiên cứu ảnh hƣởng của tỷ số áp suất lỏng Kq đến khả năng biến

dạng của vật liệu.65

3.3. Kết luận chƣơng 3 . 67

Chƣơng 4. THỰC NGHIỆM VÀ PHÂN TÍCH KẾT QUẢ. 69

4.1. Mục tiêu và nội dung nghiên cứu. 69

4.1.1. Mục tiêu nghiên cứu.69

4.1.2. Nội dung nghiên cứu.69

4.2. Thực nghiệm tạo hình . 69

4.2.1. Mô hình thực nghiệm.69

4.2.2. Thiết bị và dụng cụ thí nghiệm.70

4.2.3. Vật liệu thực nghiệm.72v

4.2.4. Xây dựng bài toán thực nghiệm.73

4.3. Kết quả thực nghiệm . 78

4.4. Phân tích kết quả và bàn luận. 81

4.4.1. Ảnh hƣởng của các yếu tố đến mức độ biến mỏng.81

4.4.2. Ảnh hƣởng của các yếu tố đến chiều cao tƣơng đối của sản phẩm.88

4.4.3. Tối ƣu hóa các thông số khảo sát với mục tiêu khảo sát.94

4.5. Kết luận chƣơng 4 . 100

KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI . 102

DANH MỤC CÔNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ. 105

TÀI LIỆU THAM KHẢO. 106

PHỤ LỤC. 117

pdf141 trang | Chia sẻ: trungkhoi17 | Lượt xem: 367 | Lượt tải: 2download
Bạn đang xem trước 20 trang tài liệu Luận án Nghiên cứu tối ưu các thông số công nghệ khi tạo hình chi tiết dạng côn bằng phương pháp dập thủy cơ, để xem tài liệu hoàn chỉnh bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên
áp suất từ đáy. Phần II là phần bán kính lƣợn không có tiếp xúc với bất kỳ thành phần dụng cụ nào. Phần III là khu vực tiếp xúc hoàn toàn với chày dƣới áp suất chất lỏng [91]. 2.2.2.1. Trạng thái ứng suất trên vành a) b) Hình 2. 6. Sơ đồ trạng thái ứng suất tại ổ biến dạng trên vành 38 Dƣới tác dụng của áp lực trong chất bôi trơn vành trên toàn bộ bề mặt của nó bị nén. Ứng suất tiếp chịu lực ma sát giữa phôi và vành chặn xác định theo đinh luật Amonton-coulomb: ' .I f q  (2.1) Trong đó: q – áp lực chặn. f – hệ số ma sát. Giả thiết rằng chiều dày vật liệu là không đổi, điều kiện cân bằng lực đối với phần tử có bán kính ρ trên các hình chiếu theo tiếp tuyến và vuông góc với bề mặt đƣợc viết nhƣ sau:    '1 2 32 0 2 I I d d F F F          (2.2) 3 3 0IP F qF  nên IP q (2.3) Trong các phƣơng trình này: 1F sd  1dF sd d  2F sd 3F d d   Sau khi vi phân hóa, phƣơng trình (2.2) kết hợp (2.3) trở thành: 0I I d fP d s              (2.4) Trạng thái ứng suất của ổ biến dạng coi là phẳng [91]. Giới hạn chảy của vật liệu đƣợc tính theo hàm [91]: 1 1 m m b s m m               (2.5) Trong đó: s - giới hạn chảy, b - giới hạn bền, m - độ co thắt tỷ đối tại vị trí bắt đầu tạo thắt ngõng,  - giá trị độ co thắt tỷ đối. Biến dạng ψ đƣợc coi là giống nhau đối với toàn bộ vành và bằng biến dạng theo hƣớng tiếp tuyến của phần biên của vành [87]: 1 h p R R    (2.6) 39 Trong đó: Rh - giá trị tức thời của bán kính vành. Rp - bán kính ban đầu của phôi. Có thể coi là diện tích bề mặt của phôi trong quá trình biến dạng không đổi, tìm đƣợc bán kính thay đổi của mép vành chi tiết theo hành trình của quá trình [91]:   2 1 1 1 2 1 sin H p d p R R R htg htg R             (2.7) Trong đó: h - chiều cao hiện tại của chi tiết dập vuốt. Biến  của mép phôi theo hành trình của quá trình thay đổi theo quy luật, đƣợc xác định từ biểu thức (2.6) và (2.7): 2 2 1 1 1 2 sin h d p p R R htg htg R R                (2.8) Khi đó: 1 1 m m b s m m               (2.9) Phƣơng trình dẻo đối với phần vành đƣợc viết dƣới dạng [91]: 1 1 m m b s m m                       (2.10) Tính biểu thức cho và PI [87]:   2 2 1 3 ch I R s dh dt      (2.11)   2 3 1 6 ln ch ch I R s Rdh P dt      (2.12) Trong đó:  - hệ số nhớt động học; 1 - chiều dày lớp chất bôi trơn ở phần vành; dh dt - tốc độ dịch chuyển của chày. 40 Kết hợp giải các phƣơng trình cân bằng (2.4) và phƣơng trình dẻo (2.10) có tính đến điều kiện biên 0  và HR  , thu đƣợc biểu thức tính ứng suất kéo trên phần vành là [91]:   2 1 3 1 6 ln ln ln 2 I h h h s d h R R Rdh R htg f R s dt                          (2.13) Giá trị lớn nhất của ứng suất kéo đạt đƣợc tại mặt trong của vành (khi =R1). Để loại bỏ từ biểu thức (2.13) các giá trị và dh/dt, thay thế vào nó giá trị . Giá trị khe hở giữa phôi và cối trên vành có thể xác định từ điều kiện cân bằng lực, tác dụng lên vành theo hƣớng vuông góc với bề mặt vành [91]: 1 2 hR I R Q P d   (2.14) Trong đó: PI - áp lực trong chất bôi trơn ở đoạn vành; Q - lực chặn (thƣờng cho không đổi theo hành trình quá trình). Giải kết hợp (2.12) và (2.14) nhận đƣợc:   2 2 2 21 13 1 1 6 ln 2 ch h h R s R R Rdh Q R dt R            (2.15) Ở đây bán kính hiện tại của vành  f h  đƣợc xác định bằng phƣơng trình (2.7), còn là giá trị chƣa biết. Giải phƣơng trình (2.15) với biến nhận đƣợc:   1 2 32 2 21 1 1 1 6 ln 2 d h h R htg R R Rdh R Q dt R                 (2.16) Lực chặn Q càng lớn thì khe hở càng nhỏ và áp lực trong lớp chất bôi trơn càng lớn, tách rời bề mặt phôi và cối. Thay thế giá trị từ (2.16) vào (2.13) và bỏ qua hạng tử cuối cùng ở dạng vô cùng nhỏ của nó, nhận đƣợc biểu thức để tính giá trị hiện tại của ứng suất hƣớng kính trên vành [91]: 41 2 2 21 1 1 ln ln ln 2 h h I h s h h R Qf R R R R R s R R                       (2.17) 2.2.2.2. Trạng thái ứng suất của phôi trên đoạn đi vào cối Trạng thái ứng suất và sơ đồ tính toán ứng suất của phôi trên phần đi vào cối đƣợc thể hiện trên hình 2.7b [91]. Phƣơng trình cân bằng rút ra trên phần tử đi vào cối hình chiếu trên hƣớng tiếp tuyến với bề mặt có dạng: 0 sin II d d s              (2.18) a) b) Hình 2. 7. Sơ đồ trạng thái ứng suất phôi ở ổ biến dạng đối với chi tiết hình côn trong dập vuốt thủy cơ Giải kết hợp phƣơng trình cân bằng (2.18) và phƣơng trình dẻo (2.10) với phƣơng trình tính [91]:   2 2 2 3 d II R htg dh dt       (2.19) Và tính  1 2 coscR r     , còn điều kiện biên là o I R    và 2    thu đƣợc biểu thức tính ứng suất kéo trên đoạn cạnh dập vuốt của cối có tính đến phôi bị uốn [91]: 42       2 1 1 13 1 1 1 2 2 2 2 1 2 6 ln ln ln 4 2 3 2 II h h h s d h u d c c R R Rs dh R htg f R R R r s dt R R R htg rdh dt R r                                               (2.20) Giá trị lớn nhất của ứng suất kéo hƣớng kính đạt đƣợc khi   và kr  . Có tính đến uốn và nắn thẳng nhận đƣợc [91]:       2 1 max 1 13 1 1 1 2 2 2 2 1 2 6 ln ln ln 2 2 3 . . 2 II h h h s d h k u d c c R R Rs dh R htg f R R R r r s dt R R R htg rdh dt R r                                              (2.21) Trong đó: 2 2max 1 1 sin 1 cos d c uR R r htg r s                   (2.22)  1 sink d ur R htg r tg      (2.23) Thay thế biểu thức tính theo công thức (2.16) vào phƣơng trình (2.21) và thực hiện một số biến đổi cần thiết, thu đƣợc [91]: 1 1 1 max 2 2 21 1 1 ln ln 2 ln 2 h h II h s k u h h R Qf R R R RR s r r R R R s R R                       (2.24) Bán kính uốn phôi đƣợc xác định theo công thức [91]: 2 21 ln ln 2 s s h sH u d d A A R AsR r B B C Q R htg Q R htg Q                      Trong đó: 2 2 21 1 1 ln 2 h hR R RA s R R         , 1 1 1 ln hh R B f R R R R         , 1 ln h R C R  (2.25) 43 Sử dụng phƣơng trình (2.24) có thể xác định ứng suất kéo lớn nhất tác dụng trên tiết diện nguy hiểm của chi tiết hình côn. Chúng xác định độ biến mỏng lớn nhất trên thành chi tiết. Nhƣ vậy, bằng cách giải phƣơng trình vi phân cân bằng kết hợp với điều kiện dẻo đối với bài toán ứng suất phẳng khi dập thủy cơ chi tiết dạng dạng côn thu đƣợc trƣờng ứng suất trong ổ biến dạng. Sử dụng những kết quả này có thể tiếp tục phân tích sự thay đổi chiều dày và các yếu tố về lực của quá trình dập thủy cơ. 2.3. Xác định các thông số lực và năng lƣợng trong dập thủy cơ 2.3.1. Áp suất chất lỏng Theo [39], áp suất chất lỏng ban đầu đƣợc tính theo công thức:  2 2 4 3 o b bd ds p D d    , MPa (2.26) Trong đó: pbđ – áp suất chất lỏng ban đầu, MPa; s - giới hạn bền của vật liệu phôi, MPa; so – chiều dày ban đầu của phôi, mm; D – đƣờng kính ban đầu của phôi, mm; d – đƣờng kính nhỏ nhất của chi tiết, mm; β – hệ số phụ thuộc vào hình dạng tiết diện sản phẩm; với tiết diện tròn thì: 1 ≤ β ≤ 2. Từ công thức 2.26, hoàn toàn có thể tính đƣợc áp suất chất lỏng ban đầu khi dập thủy cơ các loại vật liệu khác nhau với các loại chiều dày khác nhau. Một số kết quả tính toán theo công thức 2.26 đƣợc đƣa ra trong bảng 2.1. Bảng 2. 1 Áp suất chất lỏng ban đầu khi dập thủy cơ Vật liệu Áp suất chất lỏng ban đầu, MPa so = 0,8 mm so = 1,0 mm so = 1,3 mm Cu99.97 2,25 2,82 3,67 C08s 2,5 3,11 4,1 08Cr18Ni10 5,78 7,23 9,4 44 2.3.2. Áp suất chất lỏng tạo hình Áp suất chất lỏng tạo hình đƣợc xác định từ điều kiện đảm bảo biến dạng phôi nhƣ sau [89]: max max. 2 o o th c sp sr   (2.27) Trong đó đƣợc tính theo công thức 2.24. Việc tính toán áp suất cần thiết của chất lỏng theo các công thức trên là khá phức tạp. Do vậy, trong thực tế, ngƣời ta thƣờng sử dụng các kết quả thực nghiệm. Theo Иcаченко Е. И. [91], giá trị áp suất chất lỏng cần thiết khi dập thuỷ cơ các chi tiết có tiết diện tròn có thể đƣợc lấy nhƣ sau: + Với Cu99.97: pth = 20 – 30 MPa, + Thép C08s: pth = 35 - 50 MPa, + Thép không rỉ 08Cr18Ni10: pth = 45 - 70 MPa. Các giá trị nhỏ đối với hệ số dập vuốt lớn và ngƣợc lại. 2.3.3. Áp lực chặn Dập thủy cơ các chi tiết hình dạng khác nhau có thể thực hiện đƣợc nếu lực chặn đủ để loại bỏ nhăn và không gây phá hủy phôi. Lực chặn gần đúng Q có thể biểu diễn bởi tích của áp lực chặn q với diện tích vành chi tiết nằm dƣới vòng chặn phôi ở thời điểm đầu dập vuốt (lực chặn không đổi theo hành trình của quá trình):  2 21eb pQ q R R  (2.28) Tuy nhiên, áp lực chặn tối ƣu qtu phụ thuộc vào các đặc tính của vật liệu, chiều dày phôi, cũng nhƣ mức độ biến dạng. Áp lực chặn tối ƣu theo kinh nghiệm khi dập vuốt chi tiết côn đƣợc tính nhƣ sau [91]: 45  0,093 0,1 1 otu b s q tg m D           (2.29) Trong đó: tb d m D  – hệ số dập vuốt. Theo công thức 2.29, ta cũng có thể tính đƣợc áp lực chặn tối ƣu khi dập thủy cơ chi tiết dạng côn từ các vật liệu có chiều dày tƣơng đối khác nhau (bảng 2.2). Bảng 2. 2. Áp lực chặn khi dập thủy cơ chi tiết dạng côn Vật liệu Áp lực chặn, MPa so = 0,8 mm so = 1,0 mm so = 1,3 mm Cu99.97 5,1 5,8 6,4 C08s 5,7 6,4 7,1 08Cr18Ni10 13,5 15 16,5 Lực dập vuốt chung là tổng của 3 thành phần: Pdv = Pbd + Pda + Pms (2.30) Trong đó, Pbd – là lực biến dạng tạo hình chi tiết; Pda – lực đối áp dùng để đẩy chất lỏng từ lỗ cối; Pms – lực dùng để chống lại lực ma sát giữa phôi và dụng cụ. Lực ma sát và mất mát thủy lực có thể bỏ qua, bởi vì chúng là các thành phần không đáng kể của lực dập vuốt chung. Tính toán nhƣ vậy nhận đƣợc các công thức xác định lực dập vuốt thủy cơ chi tiết côn:   max2 cos 2 d dv d o u R htg P R htg s r               (2.31) Trong đó ứng suất kéo lớn nhất tìm theo các công thức (2.24). Công biến dạng A có thể xác định bằng tích phân phƣơng trình hàm liên hệ lực dập vuốt và hành trình của chày: 46 0 h dv dvA P dh P h  (2.32) Các biểu thức thu đƣợc ở trên dùng để xác định các tham số lực - năng lƣợng của quá trình dập thủy cơ. Đó là cơ sở để lựa chọn thiết bị dập cho phù hợp với yêu cầu đề ra. 2.4. Kết luận chƣơng 2 Chƣơng 2 đã trình bày những vấn đề cơ bản về dập thủy cơ, cụ thể nhƣ sau: - Khảo sát đặc điểm quá trình biến dạng khi dập thủy cơ chi tiết dạng côn cũng nhƣ sự thay đổi của trạng thái ứng suất khi dập tại các vùng biến dạng đặc trƣng là vùng vành và phần chuyển tiếp giữa vùng vành và vùng thành côn. Điều này rất quan trọng khi tiến hành khảo sát quá trình dập thủy cơ bằng mô phỏng và thực nghiệm. - Đƣa ra đƣợc cơ sở tính toán các thông số công nghệ nhƣ áp suất chất lỏng ban đầu pbđ, áp suất chất lỏng tạo hình pth, áp lực chặn qc. Các kết quả tính toán sơ bộ giá trị của các yếu tố là số liệu tham khảo quan trọng khi đặt các tham số trong các bài toán mô phỏng và thực nghiệm ở các chƣơng tiếp theo. 47 Chƣơng 3 MÔ PHỎNG SỐ QUÁ TRÌNH DẬP THỦY CƠ CHI TIẾT DẠNG CÔN Mô phỏng số là một công cụ hữu hiệu để nghiên cứu, khảo sát đặc điểm biến dạng trong quá trình tạo hình chi tiết, giúp giảm thiểu đáng kể thực nghiệm và cũng là cơ sở quan trọng để xác định các thông số công nghệ phục vụ cho việc tiến hành thí nghiệm. Trong chƣơng này, luận án sử dụng phần mềm chuyên ngành dập tấm, trong đó có tích hợp dập thủy lực - phần mềm eta/DynaForm. Eta/DYNAFORM là một gói phần mềm phân tích mô phỏng tạo hình kim loại tấm trên cơ sở LS-DYNA đƣợc phát triển bởi Engineering Technology Associates, Inc. Phần mềm CAE (Computer-Aided Engineering Software: CAE) chuyên dụng kết hợp với sức mạnh phân tích của LS-DYNA với chức năng Pre-processor và Post-processor đƣợc sắp xếp hợp lý. Chức năng phân tích tƣơng tác và quy luật sắp xếp đƣợc hợp nhất làm một để phục vụ cho nền công nghiệp tạo hình kim loại tấm trong thiết kế và phát triển thiết bị. Chƣơng trình cũng làm tăng tối đa công nghệ CAE truyền thống để giảm chi phí và thời gian ban đầu cho phát triển sản phẩm. Khả năng phân tích của DYNAFORM rất hữu dụng cho các bài toán biến dạng tạo hình kim loại tấm và ống mỏng. Nhờ mô phỏng, ta có thể khảo sát đƣợc trƣờng ứng suất, trƣờng biến dạng, trƣờng chuyển vị trong các bài toán dập vuốt thông thƣờng, dập vuốt thủy lực, biến dạng siêu dẻo [15]. Sử dụng phần mềm eta/DynaForm để mô phỏng bài toán đặt ra trong luận án phải đáp ứng tốt các yêu cầu sau: - Mô hình hình học phù hợp với điều kiện thiết bị thực nghiệm của cơ sở kỹ thuật: lực máy, áp lực chặn phôi, áp suất chất lỏng; - Khuôn có kích thƣớc biên phù hợp với thông số máy; 48 - Vật liệu và khuôn có thể thay đổi, nhƣng trong phạm vi có thể tạo đƣợc hình dáng, kích thƣớc khác nhau phù hợp với hệ thống thiết bị thực hiện công nghệ; - Kết quả mô phỏng đƣợc xử lý để xác định điều kiện tối ƣu cũng nhƣ các thông số công nghệ hợp lý. Trên cơ sở mục tiêu nghiên cứu của luận án, tác giả tiến hành mô phỏng bài toán dập thủy cơ chi tiết dạng côn nhằm giải quyết một số vấn đề sau: - Khảo sát ảnh hƣởng của một số yếu tố cơ bản nhƣ: Áp suất chất lỏng (thông qua tỷ số áp suất chất lỏng Kq), áp lực chặn qc, chiều dày tƣơng đối của phôi s * (s * = so/D) đến khả năng tạo hình (thông qua chiều cao tƣơng đối của sản phẩm) và chất lƣợng sản phẩm (thông qua sự thay đổi chiều dày thành sản phẩm) khi dập thủy cơ với ba loại vật liệu cơ bản: Cu99.97, C08s và thép không gỉ 08Cr18Ni10. - Xác định giới hạn tạo hình của mỗi thông số công nghệ, làm cơ sở cho việc tiến hành nghiên cứu thực nghiệm ở chƣơng tiếp theo. 3.1. Nghiên cứu quá trình dập thủy cơ bằng phần mềm eta/DynaForm 3.1.1. Chi tiết và vật liệu mô phỏng 3.1.1.1. Chi tiết nghiên cứu Trên cơ sở phân tích trong chƣơng 1, tác giả xây dựng mô hình chi tiết nghiên cứu nhƣ hình 3.1. Đây là chi tiết côn có vành. Vành ở đây chỉ đóng vai trò bịt kín trong quá trình tạo hình. Các thông số hình học đƣợc thể hiện trên hình 3.1. Hình 3. 1. Chi tiết nghiên cứu 49 Căn cứ vào tỷ số giữa bán kính vành (Dv = 80 mm) và đƣờng kính trung bình của chi tiết (dtb = (70+45)/2 = 57,5 mm) bằng 1,39 ta thấy đây là chi tiết có dạng vành hẹp [2], [11]. Theo công nghệ dập truyền thống, quá trình dập vuốt chi tiết có vành hẹp đƣợc thực hiện giống nhƣ khi dập vuốt chi tiết không có vành [2], [11]. Đây là chi tiết này thuộc dạng côn cao (α = 10o và chiều cao tƣơng đối h* = 47/50 = 0,94) [2]. Với dập thông thƣờng, để tạo hình chi tiết này cần phải qua một số nguyên công dập. Vì thế chi tiết đƣợc chọn là phù hợp để đánh giá khả năng tạo hình của công nghệ dập thủy cơ. 3.1.1.2. Vật liệu nghiên cứu Ba loại vật liệu cơ bản, đặc trƣng cho 03 nhóm vật liệu đƣợc chọn để nghiên cứu là: Cu99.97 (tƣơng đƣơng đồng M1), C08s (tƣơng đƣơng thép 08ΚΠ) và 08Cr18Ni10 (tƣơng đƣơng thép không gỉ 1X18H9T) với các loại chiều dày so là 0,8, 1,0 và 1,3 mm. Đƣờng kính phôi D đƣợc tính toán dựa trên các kích thƣớc của chi tiết cho trên hình 3.1 là 130 mm. Từ đó, ta xác định đƣợc chiều dày tƣơng đối của phôi s* là: 0,6%, 0,8% và 1,0%. 3.1.2. Xây dựng mô hình bài toán mô phỏng 3.1.2.1. Xây dựng mô hình hình học và mô hình phần tử hữu hạn Căn cứ vào hình dạng, kích thƣớc của chi tiết, sử dụng phần mềm SolidWorks để xây dựng dụng cụ mô phỏng bao gồm: Phôi, chày, vành cối, vành chặn phôi. Do chi tiết có dạng tròn xoay, nên để giải bài toán, ở đây chỉ cần sử dụng một phần tƣ mô hình (hình 3.2). a) b) c) Hình 3. 2. Mô hình mô phỏng a – Mô hình 2D, b – Mô hình 3D, c – Mô hình phần tử hữu hạn 50 Quá trình chia lƣới phần tử cho phôi và dụng cụ cũng đƣợc thực hiện đồng thời với việc nhập mô hình hình học. Mô hình phần tử hữu hạn nhƣ hình 3.2c. 3.1.2.2. Mô hình vật liệu Các thông số vật liệu mô phỏng đƣợc xác định thông qua các thí nghiệm thử kéo các loại vật liệu thực tế có trên thị trƣờng. Các vật liệu này đã đƣợc xử lý nhiệt nên có thể giả thiết là đồng nhất và đẳng hƣởng. Các kết quả thử kéo nhƣ hình 3.3, 3.4, 3.5. Hình 3. 3. Đƣờng cong thử kéo Cu99.97 Hình 3. 4. Đƣờng cong thử kéo C08s 51 Hình 3. 5. Đƣờng cong thử kéo 08Cr18Ni10 3.1.2.3. Điều kiện mô phỏng Trong nghiên cứu mô phỏng, giả thiết một số nội dung sau: - Vật liệu là đồng nhất và đẳng hƣớng; - Chày cối đƣợc coi là cứng tuyệt đối; - Ma sát giữa các phôi và dụng cụ là tiếp xúc mặt. Hệ số ma sát giữa phôi và bề mặt vành cối, giữa phôi và bề mặt chặn phôi đƣợc lấy bằng 0,1; còn hệ số ma sát giữa phôi và chày đƣợc lấy bằng 0,14 [10], [63]. Sử dụng phƣơng pháp tiếp cận Ơle mô phỏng xác định các giới hạn của các thông số công nghệ. 3.2. Các kết quả nghiên cứu bằng mô phỏng số 3.2.1. Xác định khoảng làm việc của áp lực chặn và áp suất chất lỏng 3.2.1.1. Xác định khoảng làm việc của áp lực chặn 1. Với chiều dày tương đối của phôi s* = 0,6% Với vật liệu Cu99,97, khi mô phỏng với áp lực chặn qc ≤ 2,5 MPa thì chi tiết bị nhăn nhiều ở thành và vành. Tăng giá trị qc > 2,5 MPa thì giảm nhăn và đạt yêu cầu. Tại giá trị qc = 6,5 MPa, trên ảnh đồ (hình 3.6) bắt đầu xuất hiện các điểm vàng, vật liệu có nguy cơ bị phá hủy. Tiếp tục tăng áp lực chặn qc đến 7 MPa thì vật liệu bị phá hủy (các điểm đỏ). 52 qc = 2,5 MPa qc = 4,5 MPa qc = 6,5 MPa qc = 7 MPa Hình 3. 6. Ảnh hƣởng của áp lực chặn đến quá trình biến dạng khi s* = 0,6% Nhƣ vậy, đối với vật liệu đồng Cu99,97 có chiều dày tƣơng đối là 0,6% thì khoảng giá trị áp lực chặn phù hợp là từ 3 MPa đến 6,5 MPa. Với vật liệu C08s và 08Cr18Ni10 với chiều dày tƣơng đối của phôi là s * = 0,6%, bằng cách làm tƣơng tự ta cũng xác định đƣợc khoảng giá trị làm việc của áp lực chặn khi dập thủy cơ lần lƣợt là qc = (5,5 ÷ 8,5) MPa và qc = (12 ÷ 22) MPa. 2. Với chiều dày tương đối của phôi s* = 0,8% Với vật liệu Cu99,97, khi mô phỏng với áp lực chặn 2MPa thì chi tiết bị nhăn nhiều ở thành và vành. Tăng giá trị qc > 2MPa thì hết nhăn sản phẩm đạt yêu cầu. Tại giá trị qc = 7MPa, trên ảnh đồ bắt đầu xuất hiện các điểm vàng, vật liệu có nguy cơ bị phá hủy. Tiếp tục tăng áp lực chặn đến 7,5MPa thì vật liệu bị phá hủy ở đáy. Nhƣ vậy, đối với vật liệu đồng Cu99,97 có chiều dày tƣơng đối là 0,8% thì khoảng giá trị áp lực chặn phù hợp là từ 2,5MPa đến 7MPa. Các kết quả khảo sát mô phỏng khi dập vật liệu C08s và 08Cr18Ni10 tại chiều dày tƣơng đối s* = 0,8% sẽ cần khoảng giá trị của áp lực chặn lần lƣợt là qc = (5 ÷ 10) MPa và qc = (10 ÷ 21) MPa. 53 3. Với chiều dày tương đối của phôi s* = 1,0% Các kết quả mô phỏng khi dập thủy cơ vật liệu Cu99,97 tại chiều dày tƣơng đối của phôi là 1,0% cho thấy, với áp lực chặn 1,5MPa thì chi tiết bị nhăn nhiều ở thành và vành. Tăng giá trị qc > 1,5MPa thì hết nhăn sản phẩm đạt yêu cầu. Tại giá trị qc = 7,5 MPa, trên ảnh đồ bắt đầu xuất hiện các điểm vàng, vật liệu có nguy cơ bị phá hủy. Tiếp tục tăng áp lực chặn đến 8 MPa thì vật liệu bị phá hủy ở đáy. Tƣơng tự, khoảng giá trị làm việc của áp lực chặn khi khảo sát mô phỏng dập thủy cơ vật liệu C08s và 08Cr18Ni10 tại chiều dày tƣơng đối của phôi lần lƣợt là qc = (5,5 ÷ 10,5) MPa và qc = (10 ÷ 20) MPa. * Nhận xét: - Tại một giá trị chiều dày tƣơng đối của phôi, khi khảo sát mô phỏng tạo hình chi tiết dạng côn cho thấy, khoảng giá trị làm việc của áp lực chặn đối với vật liệu Cu99,97 là nhỏ nhất, tiếp đến là vật liệu C08s. Thép 08Cr18Ni10 đòi hỏi áp lực chặn là lớn nhất. - Chiều dày tƣơng đối của phôi càng lớn thì áp lực chặn cần thiết để tạo hình có xu hƣớng càng giảm. - Từ các kết quả mô phỏng đã xác định đƣợc miền làm việc của áp lực chặn nhƣ sau: Với Cu99.97: + Khi s* = 0,6 % thì qc = (3 ÷ 6,5) MPa + Khi s * = 0,8 % thì qc = (2,5 ÷ 7) MPa + Khi s * = 1,0 % thì qc = (2 ÷ 7,5) MPa Với thép C08s: + Khi s* = 0,6 % thì qc = (5,5 ÷ 8,5) MPa + Khi s * = 0,8 % thì qc = (5 ÷ 10) MPa + Khi s * = 1,0 % thì qc = (5,5 ÷ 10,5) MPa Với thép 08Cr18Ni10: + Khi s* = 0,6 % thì qc = (12 ÷ 22) MPa + Khi s * = 0,8 % thì qc = (10 ÷ 23) MPa + Khi s * = 1,0 % thì qc = (10 ÷ 24) MPa 54 3.2.1.2. Xác định khoảng làm việc của tỷ số áp suất chất lỏng Kq Để nghiên cứu ảnh hƣởng của tỷ số áp suất chất lỏng Kq đến quá trình biến dạng ta xem xét sự thay đổi chiều dày thành sản phẩm sau mỗi lần dập. Thông qua việc khảo sát sự phân bố chiều dày thành sản phẩm, luận án xác định vị trí biến mỏng nhiều nhất (vị trí nguy hiểm) trên chi tiết để từ đó điều khiển giá trị của tỷ số áp suất chất lỏng Kq sao cho mức độ biến mỏng tại vị trí nguy hiểm là nhỏ nhất. Sơ đồ điều khiển áp suất chất lỏng trong quá trình tạo hình đƣợc thể hiện nhƣ hình 3.7. Hình 3. 7. Sơ đồ điều khiển áp lực trong quá trình tạo hình Các kết quả mô phỏng cho thấy vị trí vật liệu bị biến mỏng nhiều nhất trên sản phẩm chính là phần chuyển tiếp giữa vùng đáy và vùng thành côn (vị trí bán kính lƣợn đầu chày). Phần này biểu thị bằng màu đỏ trên ảnh đồ mô phỏng (hình 3.8). Với vật liệu Cu99,97, mô phỏng thành công bằng phƣơng pháp dập phồng âm. Khi Kq = 0 (không có áp lực ban đầu) thì mức độ biến mỏng khá lớn (32%). Khi Kq > 0, mức độ biến mỏng giảm dần và thể hiện rõ nhất bắt đầu Kq = 0,14 (hình 3.8). 55 a) Kq = 0 b) Kq = 0,14 c) Kq = 0,53 Hình 3. 8. Sự phân bố chiều dày sản phẩm khi dập đồng với s* = 0,6% Khi s * = 0,6%, mức độ biến mỏng giảm liên tục trong khoảng Kq từ 0,14 đến 0,4. Mức độ biến mỏng tăng trở lại bắt đầu khi Kq > 0,4. Vật liệu bị phá hủy tại giá trị Kq = 0,6. Còn khi s * = 0,8% và 1,0%, khoảng tỷ số áp suất chất lỏng Kq cho mức độ biến mỏng giảm liên tục là từ 0,14 đến 0,53. Vật liệu phá hủy tại giá trị Kq = 0,67. Các kết quả mô phỏng khi dập thép C08s cho thấy các sản phẩm dập thành công với phƣơng pháp dập phồng dƣơng. Với cả ba loại chiều dày tƣơng đối, mức độ biến mỏng giảm liên tục trong khoảng tỷ số áp suất chất lỏng Kq = (0,06 ÷ 0,26). Mức độ biến mỏng tăng trở lại khi Kq > 0,26. Vật liệu bị phá hủy tại giá trị Kq = 0,4. Còn đối với vật liệu 08Cr18Ni10, tác động hiệu quả của tỷ số áp suất chất lỏng đến sự phân bố chiều dày sản phẩm bắt đầu khi Kq = 0,1. Trong khoảng tỷ số áp suất chất lỏng Kq = (0,1 ÷ 0,26), mức độ biến mỏng liên tục giảm. Với Kq > 0,26 mức độ biến mỏng bắt đầu tăng lên. Tại Kq = 0,33 vật liệu bị phá hủy. * Nhận xét: - Chiều dày tƣơng đối của phôi ít ảnh hƣởng đến khoảng giá trị làm việc của tỷ số áp suất chất lỏng Kq. Chiều dày tƣơng đối ảnh hƣởng rõ rệt nhất đến Kq là khi dập vật liệu Cu99,97. 56 - Theo thứ tự dập các vật liệu từ Cu99,97, thép C08s đến 08Cr18Ni10, giá trị làm việc của tỷ số áp suất chất lỏng có xu hƣớng giảm dần. Điều này cho thấy khoảng cách giữa áp suất chất lỏng ban đầu và áp suất chất lỏng tạo hình là càng lớn. Vật liệu có độ bền càng cao đòi hỏi áp suất chất lỏng ban đầu càng lớn và áp suất chất lỏng tạo hình càng lớn. - Từ các kết quả mô phỏng đã xác định đƣợc miền làm việc của tỷ số áp suất chất lỏng Kq nhƣ sau : Với Cu99.97: + Khi s* = 0,6 % thì Kq = (0,14 ÷ 0,4) + Khi s * = 0,8 % thì Kq = (0,14 ÷ 0,53) + Khi s * = 1,0 % thì Kq = (0,4 ÷ 0,53) Với thép C08s: Kq = (0,06 ÷ 0,26) Với 08Cr18Ni10: Kq = (0,1 ÷ 0,26) 3.2.2. Nghiên cứu ảnh hưởng của áp lực chặn qc và chiều dày tương đối của phôi s* đến sự phân bố chiều dày thành sản phẩm. 3.2.2.1. Ảnh hưởng của áp lực chặn Từ kết quả mô phỏng luận án xác định đƣợc sự phân bố chiều dày thành sản phẩm nhờ sử dụng công cụ Select by Cursor của phần mềm eta/DynaForm. Các vị trí đo chiều dày thành sản phẩm nhƣ trên hình 3.9. Tọa độ x4 là vị trí có mức độ biến mỏng nhiều nhất. Hình 3. 9. Vị trí đo mức độ biến mỏng chiều dày thành sản phẩm 57 Với mỗi loại vật liệu ở tại mỗi chiều dày tƣơng đối khác nhau khi mô phỏng tạo hình trong khoảng làm việc của áp lực chặn tƣơng ứng sẽ cho kết quả về sự phân bố chiều dày thành sản phẩm khác nhau. Với Cu99,97, các kết quả về chiều dày thành sản phẩm khi dập tại các chiều dày tƣơng đối của phôi khác nhau đƣợc cho trong các bảng 3.1, 3.2 và 3.3. Bảng 3. 1. Mức độ biến mỏng chiều dày thành (%) khi s* = 0,6% Vị trí điểm đo, mm Mức độ biến mỏng, % qc = 3 MPa qc = 4,5MPa qc = 6,5MPa 0 -6,34 -7,19 -7,86 7 -6,89 -7,97 -8,02 14 -7,12 -8,15 -8,78 22

Các file đính kèm theo tài liệu này:

  • pdfluan_an_nghien_cuu_toi_uu_cac_thong_so_cong_nghe_khi_tao_hin.pdf
Tài liệu liên quan