Nghiên cứu ảnh hưởng một số thông số đến lực dập và khả năng điền đầy khuôn khi dập phôi bánh răng nón

TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 5(34).2009 30 NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG MỘT SỐ THÔNG SỐ ĐẾN LỰC DẬP VÀ KHẢ NĂNG ĐIỀN ĐẦY KHUÔN KHI DẬP PHÔI BÁNH RĂNG NÓN AN INVESTIGATION INTO THE INFLUENCE OF SOME PARAMETERS ON STAMPING FORCE AND DIE FILLING CAPACITY IN A CONIC GEAR FORGING PROCESS Lê Cung Trường Đại học Bách khoa, Đại học Đà Nẵng Lê Phước Hoàng Trường Cao đẳng Công nghiệp, Huế TÓM TẮT Bài báo nhằm ứng dụng phần mềm DEFORM vào việc nghiên cứu ảnh hưởng của một số thông số như hình dạng khuôn, kích thước phôi ban đầu, tốc độ biến dạng, kích thước và hình dạng bavia, hệ số ma sát giữa kim loại và khuôn, nhiệt độ sấy khuôn đến lực dập, năng lượng tiêu tốn và quá trình điền đầy kim loại trong khuôn. Các mô phỏng số được áp dụng cụ thể cho trường hợp dập nóng phôi bánh răng nón trong khuôn. Kết quả mô phỏ ng giúp người thiết kế khuôn và qui trình công nghệ dập lựa chọn hợp lý hình dạng hình học của khuôn , phôi ban đầu cũng như các thông số cơ bản của quá trình dập nóng phôi bánh răng nón. ABSTRACT The article deals with the application of DEFORM software to studying the influence of some parameters such as die shapes, initial workpiece dimensions, strain velocity, flash dimensions and shapes, frictional coefficient between metal and die, initial die temperature on stamping force, consumed energy and die filling process of metal. The digital simulations are applied to the case of hot forging of a conic gear in die. The simulation results help the designer of dies and forging technical processes choose the appropriate dimensions and geometrical shapes of dies and initial workpiece as well as the basic parameters of the conic gear hot stamping process. 1. Tổng quan Lực dập và khả năng điền đầy khuôn khi dập nóng chịu ảnh hưởng của khá nhiều thông số như hình dạng hì nh học của khuôn , phôi ban đầu , góc lượn của khuôn , hình dạng bavia, sự bôi trơn và hệ số ma sát , tốc độ biến dạng, nhiệt độ sấy khuôn Trước đây , để nghiên cứu lực dập và khả năng điền đầy khuôn , khuyết tật chi tiết sau dập, người ta thường tiến hành thí nghiệm mô phỏng quá trình dập trên các phôi bằng vật liệu thay thế , dễ biến dạng , có tính chất đồng dạng với kim loại làm phôi dập như plasticine[4]. Ngày nay , với sự hỗ trợ của máy tính , nhiều phần mềm mô phỏ ng sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn ra đời , cho phép mô phỏng số quá trình biến dạng khi dập nóng trong khuôn , nhờ đó dễ dàng lựa chọn hợp lý và tối ưu các thông số của quá trình dập , giảm được thời gian và công sức thiết kế khuôn và qui trình dậ p, giảm được giá thành , như các phần mềm ALPID [1], DEFORM [2], FORGE2, FORGE3 [3] Bên cạnh các phần mềm sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn , một số phần TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 5(34).2009 31 mềm sử dụn g phương pháp tổng kết thực nghiệm như FORGEROND ra đời [4], [5]. Khác với các phần mềm trên đây , FORGEROND cho phép mô phỏng nhanh quá trình dập nóng các chi tiết dạng tròn xoay , nhằm giúp người thiết kế khuôn và qui trình dập nhanh chóng chọn máy , hình dạng phôi, khuôn, cũng như các thông số hợp lý cho quá trình dập, xây dựng nhanh bảng chiết tính giá thành nhằm đáp ứng nhanh chóng yêu cầu đặt hàng của khách hàng. Bài báo nhằm nghiên cứu ứng dụng phần mềm DEFORM-2D vào việc mô phỏng số quá trình dập nóng phôi bánh răng nón , đồng thời nghiên cứu ảnh hưởng của một số thông số như hình dạng của khuôn , phôi ban đầu , bavia, việc bôi trơn và hệ số ma sát , việc sấy khuôn , tốc độ biến dạng đến lực dập và khả năng điền đầy khuôn trong quá trình dập nóng phôi bánh răng nón trong khuôn. Kết quả mô phỏng giúp người thiết kế khuôn và qui trình công nghệ dập lựa chọn hợp lý hình dạng hình học của khuôn, phôi ban đầu cũng như các thông số cơ bản của quá trình dập nóng phôi bánh răng nón. 2. Môi trường làm việc của phần mềm DEFORM-2D Phần mềm DEFORM (Design Environment for FORMing) của hãng Scientific Forming Technology Corporation (Mỹ) cho phép mô phỏng số quá trình biến dạng kim loại dựa trên phương pháp phần tử hữu hạn [2], [6]. DEFORM có nhiều chức năng phong phú, cho phép quan sát trường ứng suất, biến dạng, nhiệt độ kim loại, mô phỏng quá trình biến dạng chi tiết khi dập nóng, cho phép xác định lực dập, năng lượng cần thiết khi dập Lưu đồ mô phỏng quá trình dập nóng trong khuôn được mô tả trên hình 1. Dữ liệu ban đầu cần thiết cho quá trình mô phỏng bao gồm: Thông số hình học: thông số hình học của phôi và khuôn, Thông số qúa trình: nhiệt độ môi trường, nhiệt độ phôi và Thông số hình học Thông số quá trình Thông số vật liệu Mô hình quá trình Dòng kim loại của chi tiết (sự điền đầy khuôn, sự hình thành khuyết tật) Yêu cầu điều khiển thiết bị (tải trọng, hành trình/thời gian, vận tốc) Quá trình cơ nhiệt của chi tiết (ứng suất, biến dạng, tốc độ biến dạng) Các tính chất cấu trúc tế vi (cỡ hạt, tỷ lệ kết tinh lại) Cấu trúc tế vi Các tham số tối ưu của quá trình và các giới hạn điều khiển Hình 1. Lưu đồ mô phỏng quá trình dập nóng trong khuôn TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 5(34).2009 32 khuôn, hệ số trao đổi nhiệt phôi -khuôn, khuôn-môi trường, thời gian chuyển phôi từ lò đến khuôn , hệ số ma sát phôi -khuôn, vận tốc chày , Thông số vật liệu : nhiệt dung riêng, giới hạn đàn hồi , giới hạn dẻo Dữ liệu thu nhận được của quá t rình mô phỏng rất phong phú: dòng kim loại, sự phân bố và quá trình biến thiên của các biến trạng thái như biến dạng, tốc độ biến dạng, nhiệt độ chi tiết và khuôn, các yêu cầu điều khiển thiết bị như tải trọng, hành trình, tốc độ biến dạng, khuyết tật sản phẩm khi dập Từ các tham số đầu ra của quá trình biến dạng, người thiết kế qui trình công nghệ dập dễ dàng chọn được các tham số tối ưu cho quá trình dập nóng chi tiết. 3. Ảnh hưởng của một số thông số đến quá trình rèn dập nóng phôi bánh răng nón 3.1. Dữ liệu mô phỏng số Chúng tôi tiến hành các mô phỏng số sử dụng phần mềm DEFORM 2D cho quá trình rèn dập nóng phôi bánh răng nón trong khuôn . Thông số hình học của phôi bánh răng nón , của khuôn dập và của phôi dập ban đầu được mô tả trên hình 2. Các dữ liệu ban đầu sử dụng trong mô phỏ ng như sau: Vật liệu phôi: thép C45 (E = 210.290N/mm2, ν=0,3); vật liệu khuôn: carbide (15% Cobalt, E = 524.002N/mm2, ν = 0,23); kích thước phôi ban đầu: chiều cao H = 65mm, đường kính 33,14mm; kiểu mô phỏng: đẳng nhiệt; nhiệt độ ban đầu của phôi: khoảng 9000C, nhiệt độ ban đầu của khuôn: khoảng 2000 3.2. Nghiên cứu khả năng điền đầy kim loại trong các hốc khuôn C...; khoảng dịch chuyển của chày: 35 mm; máy nén thủy lực: tốc độ dịch chuyển của chày: 2mm/s; máy búa: năng lượng búa 17.500 KNmm; máy ép kiểu vít: năng lượng chày: 10.000 KNmm. Các mô phỏng số từ đoạn 3.2 đến 3.6 được thực hiện trên máy ép thủy lực. Hình 3 và hình 5 mô tả quá trình điền đầy kim loại trong khuôn dập tùy theo đường kính ban đầu D của phôi. Khảo sát ba trường hợp khác nhau: D=33mm, D=33,1mm và D=33,14mm, ta thấy rằng khi D=33,14mm, kim loại được điền đầy hoàn 35 φ37 φ62 φ33,14 φ34 φ44 φ62 65 10 0 R3 R2R3 25 φ27 R3 R3 φ34 16 253 0 35 R2 φ37 φ27 φ62 φ44 Hình 2. Thông số hình học của phôi và bánh răng TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 5(34).2009 33 toàn trong các hốc khuôn. Thể tích phôi giảm dần trong quá trình dập nóng từ V=56.067m3 ÷ V= 55.734m3 cho trường hợp D = 31,14mm, ứng với khoảng dịch chuyển của chày ép từ 0 ÷ 35 mm (hình 4). Như vậy, trong trường hợp không sử dụng bavia, phôi ban đầu hình trụ, đường kính phôi có thể chọn D = 33,14mm, khi đó kim loại được điền đầy hoàn toàn trong khuôn. 3.3. Ảnh hưởng của ma sát giữa khuôn và phôi dập Để nghiên cứu ảnh hưởn g của h ệ số ma sát giữa khuôn và chi tiết đến lực dập và khả năng điền đầy kim loại trong khuôn, chúng tôi tiến hành mô phỏng cho các trường hợp h ệ số ma sát k h ác nhau giữa phôi dập và khuôn: m = 0,08; 0,12; 0,25; 0,3; 0,7. Dựa vào đồ thị lực dập trên hình 6, ứng với các hệ số ma sát phôi-khuôn khác nhau, ta thấy ở giai đoạn đầu do kim loại chưa tiếp xúc nhiều với thành khuôn nên chưa có sự khác biệt lớn về lực dập; khi chày dập dịch chuyển một khoảng 31,5mm, lực dập biến thiên mạnh hơn, phân bố trong khoảng từ 281.658 ÷ 292.228N. Ở giai đoạn điền đầy các hốc khuôn, lực dập tăng lên Hình 5. Quá trình biến dạng và điền đầy kim loại trong khuôn Hình 4. Sự thay đổi thể tích phôi dập ứng với D=33, D =33,1 và D=33,14mm a) H =65mm; D =33mm b) H =65mm; D=33,1mm c) H = 65mm; D=33,14mm Hình 3. Ảnh hưởng của D đến khả năng điền đầy kim loại trong các hốc khuôn 0 500000 1000000 1500000 2000000 2500000 3000000 3500000 4000000 0 35 7 10 .5 14 17 .5 21 24 .5 28 31 .5 35 Hành trình [mm] Tả i tr ọn g [ N] m=0,08 m=0,12 m=0,25 m=0,3 m=0,7 Hình 6. Ảnh hưởng của hệ số ma sát đến lực dập TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 5(34).2009 34 rất nhanh và có sự khác biệt lớn khi hệ số ma sát m=0,7 (lực dập 1.678.566N) và m=0,08 (lực dập: 5.448.916N). 3.4. Ảnh hưởng của kích thước và hình dạng bavia: Bavia được sử dụng nhằm giảm lực dập khi kim loại chuẩn bị điền đầy các hốc khuôn [7]. Hình dạng và kích thước bavia ảnh hưởng lớn đến lực dập khi kim lo ại bắt đầu điền đầy các hốc khuôn. Ứng với kích thước ban đầu của phôi: H=75mm và D=33,14mm, khi sử dụng bavia hình dạng chữ nhật, so sánh ba trường hợp trên hình 8, ta thấy lực dập nhỏ nhất khi chiều cao ε của bavia lớn nhất và chiều rộng λ nhỏ nhất. Tuy nhiên khi chiều cao bavia lớn, chi phí gia công chi tiết sẽ tăng. Có thể tạo mép vát để thoát kim loại trên bavia (hình 9), sẽ tăng được chiều cao ε. Mô phỏng số cho trường hợp có mép vát thoát kim loại trên bavia (hình 10) cho thấy lực dập giảm đi đáng kể ở giai đoạn kim loại điền đầy hốc khuôn. Tải trọng [N] 0 200000 400000 600000 800000 1000000 1200000 1400000 1600000 1800000 2000000 0 8. 5 17 21 .4 29 .9 38 .4 Hành trình [mm] 1 2 3 1. ε =2,50mm; λ=2,13mm 2. ε=2,31mm; λ=2,40mm 3. ε=2,29mm; λ=2,60mm Hình 8. Ảnh hưởng của ε và λ đến lực dập Hình 7. Kích thước cơ bản của bavia λ ε ε λ Hình 9. Mép vát thoát kim loại trên bavia Hình 11. Góc lượn và mép vát trên khuôn R C 1 C2 V¸t mÐpVª trßn 0 200000 400000 600000 800000 1000000 1200000 1400000 1600000 1800000 2000000 0 4. 3 8. 5 12 .8 17 18 .8 21 .4 25 .6 29 .9 34 .2 38 .4 42 .7 4 3 3. ε = 2,29 mm; λ = 2,60 mm, không vát 4. ε = 2,73 mm; λ = 1,74 mm, có mép vát Tải trọng [N] Hành trình [mm] Hình 10. Ánh hưởng của mép vát trên bavia đến lực dập TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 5(34).2009 35 Hình 13. Ảnh hưởng của việc sấy khuôn đến lực dập: (1) Tkhuôn/Tphôi = 200/7000C, (2) Tkhuôn/Tphôi=250/7000C 0 200000 400000 600000 800000 1000000 1200000 1400000 1600000 1800000 2000000 0 3. 5 7 10 .5 14 17 .5 1 2 Tải trọng [N] 3.5. Ảnh hưởng của góc lượn và mép vát trên khuôn Khi dập kín trong khuôn, góc lượn có bán kính nhỏ ở các mép khuôn (hình 11) làm tăng đáng kể lực dập khi kim loại bắt đầu điền đầy các hốc khuôn. Khi bán kính góc lượn R quá nhỏ, phôi dễ bị khuyết tật trong quá trình dập. Khi bán kính góc lượn R lớn, kim loại dễ biến dạng hơn, nhưng dễ tạo nếp nhăn trên sản phẩm. Vì vậy, cần lựa chọn góc lượn hợp lý. Kết quả mô phỏng trên hình 12 cho thấy khi sử dụng góc lượn R3, lực dập sẽ lớn hơn khi góc lượn R3,5. Với cùng diện tích tiết diện phần kim loại bỏ đi, thì nếu dùng mép vát dạng chữ nhật C1xC2, lực dập bé hơn khi dùng góc lượn R (hình 12). 3.6. Ảnh hưởng của việc sấy khuôn Việc sấy khuôn ảnh hưởng nhiều đến nhiệt độ phôi dập, giúp nhiệt độ phôi tăng lên trong quá trình dập, ma sát giảm xuống, từ đó giảm được lực dập. Quá trình điền đầy kim loại trong các hốc khuôn cũng dễ dàng hơn. Rõ ràng khi nhiệt độ sấy khuôn tăng lên, lực dập giảm xuống, khả năng điền đầy kim loại trong khuôn tăng theo (hình 13). 3.7. Ảnh hưởng của tốc độ biến dạng Tốc độ biến dạng cũng có ảnh hưởng lớn đến lực dập và năng lượng tiêu hao khi dập. Kết quả mô phỏng (hình 14) cho thấy: nếu so với máy ép thủy lực và máy ép kiểu vít thì năng lượng tiêu hao khi dập trên máy búa lớn gần gấp đôi. 4. Kết luận Việc ứng dụng các phần mềm mô phỏng quá trình rèn dập nóng, sử dụng phần tử hữu hạn như DEFORM cung cấp cho người thiết kế qui trình công nghệ và khuôn dập nhiều thông tin bổ ích, dễ dàng lựa chọn các thông số tối ưu của quá trình, hình dạng và kích thước hợp lý của phôi , khuôn, nhằm giảm tối đa lực và năng lượng khi dập. Đồng thời thông qua việc quan sát quá trình mô phỏng biến dạng nóng trong khuôn, người thiết kế có thể tránh được các khuyết tật, nâng cao chất lượng sản phẩm dập. Hình 12. Ảnh hưởng của kích thước góc lượng và mép vát trên khuôn đến lực dập 0 500000 1000000 1500000 2000000 0 7 14 21 28 35 Hành trình [mm] C1=2;C2=3 C1=1;C2=2,2 R=3,5 C1=C2=2 R=3 Tải trọng [N] Thời gian [s] TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 5(34).2009 36 Kết quả mô phỏng áp dụng cụ thể cho việc dập nóng phôi bánh răng nón cho phép ta chọn lựa các thông số hợp lý của quá trình dập: chọn được hệ số ma sát khuôn-phôi hợp lý bằng cách chọn khuôn có độ bóng cao, có bôi trơn khi dập, nên sử dụng khuôn có vát mép thay vì góc lượn, nên có mép vát thoát kim loại trên bavia nhằm tăng chiều cao bavia, có thể chọn được nhiệt độ sấy khuôn phù hợp nhằm bổ sung lượng nhiệt thích hợp cho phôi, giúp giảm lực và năng lượng dập, nâng cao khả năng điền đầy kim loại, tránh các khuyết tật của chi tiết sau khi dập. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] J. N. Majerus, K. P. Jen, H. Gong, Quantitive comparison between precision closed- die forging force data and computation simulations, Journal of Engineering for Technology, Oct. 1992. [2] Matthew O’Cornell, Brett Painter, Gary Maul, Taylan Altan, Flashless closed-die upset forging-load estimation for optimal cold header selection, Journal of Materials Processing Technology, 1996. [3] Action concertée de Recherche “Modélisation du Forgeage”, Bilan des travaux de la première année, CETIM Saint-Etienne, Oct. 1996. [4] Ph. Marin, Simulation rapide de la déformation d’un lopin matrices, Application à l’estampage dans l’optique de la conception intergrée, Thèse de Doctorat, INPG Grenoble 1995. [5] Philippe Marin, Cung Le, Serge Tichkiewitch, Taking into account thermal effects in ForgeRond, a fast hot-forging simulation tool, Procedings of the 5th [6] T. Altan, G. Ngaile, G. Shen, Cold and Hot Forging: Fundamentals and Applications, ASM Publication, 2004. International Conference on Technology of Plasticity, Columbus, Ohio, USA, 1996. [7] A. Chamouard (1996), Statique et Dynamique Appliquée aux Déformations à Chaud, Estampage et Forge, Tomes I, II, Edition Dunod, 1964, 1966. 0 2000000 4000000 6000000 8000000 10000000 12000000 14000000 16000000 3.5 7 10.5 14 17.5 21 24.5 28 31.5 35 Hành trình [mm] N ăn g lư Máy ép thủy lực Máy ép vít Máy búa Hình 14. Năng lượng tiêu tốn khi sử dụng máy ép thủy lực, máy ép vít, máy búa