Nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số công nghệ và hình học đến độ chính xác của chi tiết khi dập khối trong khuôn kín

Nội dung tài liệu: Nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số công nghệ và hình học đến độ chính xác của chi tiết khi dập khối trong khuôn kín

1. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI NGUYỄN QUANG THẮNG NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC THÔNG SỐ CÔNG NGHỆ VÀ HÌNH HỌC ĐẾN ĐỘ CHÍNH XÁC CỦA CHI TIẾT KHI DẬP KHỐI TRONG KHUÔN KÍN Ngành: Kỹ thuật vật liệu Mã số: 9520309 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT VẬT LIỆU Hà Nội – 2021
2. Công trình được hoàn thành tại TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS Phạm Văn Nghệ TS Lê Trung Kiên Phản biện 1: Phản biện 2: Phản biện 3: Luận án được bảo vệ trước Hội đồng đánh giá luận án tiến sĩ cấp Trường họp tại Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Vào hồi giờ, ngày tháng năm 20 Có thể tìm hiểu luận án tại thư viện: 1. Thư viện Tạ Quang Bửu – Trường ĐHBK Hà Nội 2. Thư viện Quốc gia Việt Nam
3. MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Hiện nay, hầu hết các chi tiết truyền động được dập tạo hình từ phôi đặc và trải qua các nguyên công cơ bản như chuẩn bị phôi, nung phôi, các nguyên công tạo hình sơ bộ, dập thô, dập tinh, các nguyên công hoàn thiện. Tuy nhiên việc làm chủ công nghệ để nâng cao năng suất, chất lượng sản phẩm, tạo hình các chi tiết phức tạp, với độ chính xác là vấn đề khó đang được quan tâm của ngành gia công áp lực. Việc tính toán chính xác hình dạng phôi, dụng cụ gia công và kiểm soát được các thông số trong quá trình gia công khi tiến hành dập tạo hình chính xác chi tiết thường khó khăn và cho đến nay chưa có nghiên cứu cụ thể nào cho phép tính toán lựa chọn đồng thời các yếu tố kể trên để nâng cao độ chính xác chi tiết dập. Chính vì vậy, việc đặt ra mục tiêu nghiên cứu ảnh hưởng của kích thước hình học phôi, hình dạng dụng cụ gia công, thông số công nghệ rất có ý nghĩa, vừa đóng góp về mặt học thuật các kiến thức mới về công nghệ dập tạo hình khối, vừa có ý nghĩa thực tiễn trong việc tiết kiệm vật liệu, năng lượng khi tạo hình, rút ngắn thời gian và qui trình công nghệ nâng cao chất lượng chế tạo các chi tiết truyền động trong các thiết bị máy móc cơ khí. 2. Mục đích, đối tượng và phạm vi nghiên cứu của đề tài 2.1 Mục đích nghiên cứu - Xác định quy luật ảnh hưởng của các thông số hình học phôi, thông số hình học dụng cụ gia công và thông số công nghệ đến độ chính xác của sản phẩm khi dập tạo hình trong khuôn kín. - Thiết lập mối quan hệ giữa mức độ điền đầy ở vị trị vành mặt bích sản phẩm - bán kính góc lượn r (bán kính r) và lực tạo hình, phụ thuộc vào thông số hình học phôi, dụng cụ gia công và thông số công nghệ của quá trình dập dựa trên mô phỏng số kết hợp với thực nghiệm. - Đánh giá khả năng ứng dụng của kết quả nghiên cứu chế tạo chi tiết khớp nối đạt độ chính xác cao. 2.2 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu - Đối tượng: + Chi tiết khớp nối trong hệ thống truyền động của xe ô tô; + Công nghệ dập khối trong khuôn kín để nâng cao độ chính xác cho chi tiết; 1
4. + Ứng dụng phần mềm mô phỏng số Deform3D để nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số công nghệ và hình học đến độ chính xác chi tiết khi dập khối trong khuôn kín. - Phạm vi nghiên cứu: + Miền giá trị các thông số hình học ban đầu của phôi (H/D = 1,4 đến 2,0; chày dập có góc nghiêng α = 60 đến 90; hệ số ma sát µ trong dập nóng từ 0,3 đến 0,6. + Đánh giá độ chính xác kích thước, khả năng tạo hình điền đầy sản phẩm thông qua thông số bán kính góc lượn r (trên vành mặt bích) và lực dập tạo hình. 3. Phương pháp nghiên cứu Kết hợp nghiên cứu lý thuyết với mô phỏng và thực nghiệm: 4. Ý nghĩa của đề tài 4.1 Ý nghĩa khoa học - Phân tích đánh giá ảnh hưởng của các thông số hình học phôi (H/D), hệ số ma sát (μ), thông số hình học chày (α) đến độ chính xác và lực tạo hình chi tiết khớp nối khi dập khối trong khuôn kín; - Bằng mô phỏng số đã khảo sát, qua đó tìm ra quy luật, dự báo và giải thích được xu hướng dòng chảy kim loại khi dập trong khuôn kín; - Các kết quả nghiên cứu đóng góp thêm vào cơ sở khoa học cho các hướng nghiên cứu chuyên sâu tiếp theo và có thể sử dụng làm tài liệu tham khảo trong đào tạo chuyên ngành tạo hình biến dạng. 4.2 Ý nghĩa thực tiễn - Dựa trên mối quan hệ giữa các thông số được khảo sát, có thể lựa chọn thông số công nghệ hợp lý và định hướng cho triển khai áp dụng vào thực tiễn khi sản xuất các chi tiết tương tự, đòi hỏi độ chính xác cao. - Xây dựng được hệ thống thực nghiệm phù hợp với điều kiện sẵn có, làm cơ sở để định hướng khi triển khai trong công nghiệp phục vụ chủ động sản xuất trong nước. 5. Các điểm mới của luận án - Xây dựng được miền giá trị H/D, thông số hình học chày, hệ số ma sát dựa trên mô phỏng số để đảm bảo mức độ điền đầy lòng khuôn và lực tạo hình. - Xây dựng mô hình toán học biểu diễn ảnh hưởng đồng thời của các thông số công nghệ và hình học đến mức độ điền đầy và lực tạo hình. 2
5. - Đánh giá độ chính xác khi dập chi tiết đầu khớp nối thông qua thực nghiệm và so sánh với mô phỏng. Kết quả chi tiết đạt độ chính xác yêu cầu, khẳng định tính công nghệ là phù hợp. 6. Các nội dung chính trong luận án Luận án ngoài các mục quy định và phần Mở đầu được trình bày trong 04 Chương: Chương 1. Tổng quan về công nghệ dập khối trong khuôn kín Chương 2. Cơ sở lý thuyết công nghệ dập khối trong khuôn kín Chương 3. Nghiên cứu ảnh hưởng của các yếu tố đến độ chính xác chi tiết khớp nối khi dập trong khuôn kín bằng mô phỏng số Chương 4. Thực nghiệm kiểm chứng CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ DẬP KHỐI TRONG KHUÔN KÍN 1.1 Khái quát công nghệ dập tạo hình khối 1.1.1 Dập khối Dập khối là phương pháp gia công kim loại bằng áp lực, phôi dạng khối dưới tác dụng của ngoại lực để đạt được hình dáng, kích thước mong muốn mà không có sự phá hủy liên kết trong vật liệu và được bảo toàn thể tích. 1.2.2 Dập khối trong khuôn kín Dập khối trong khuôn kín là phương pháp công nghệ có nhiều ưu điểm nổi bật so với các loại hình công nghệ khác như: tiết kiệm nguyên vật liệu, hiệu quả về mặt kinh tế, năng suất cao. Hình 1. 1 Dập khối có thể tiết kiệm đến từ 30 - 75% nguyên vật liệu Hình 1. 2 Các yếu tố của công nghệ dập trong khuôn kín 3
6. Các khía cạnh nghiên cứu về công nghệ dập khối trong khuôn kín có thể kể đến như (hình 1.2): thông số công nghệ quá trình dập; thông số hình học của phôi; độ chính xác của thiết bị và khuôn. Dập khối trong khuôn kín thường được ứng dụng để chế tạo các bộ truyền động, thường có dạng tròn xoay đối xứng. Hiện nay, hầu hết các chi tiết này đều được dập khối qua các nguyên công: nung, chồn cục bộ, dập khối trong khuôn kín hoặc ép chảy, gia công cơ và nhiệt luyện. 1.2 Các nghiên cứu trong, ngoài nước về dập khối trong khuôn kín 1.2.1 Các nghiên cứu ở nước ngoài Đầu tiên có thể kế đến các nghiên cứu về khuôn dập, các tác giả Murai, E và Gronostajski cùng các cộng sự đã công bố các công trình nghiên cứu tính toán chính xác dụng cụ gia công trong dập khối trong khuôn kín. Hình 1. 3 Các dạng chày được sử dụng để gia công chi tiết Ngoài ra độ chính xác của sản phẩm trong công nghệ dập khối trong khuôn kín còn phụ thuộc vào hình dáng của chày dập. Hình 1.4 các hình dạng của chày gia công Thứ hai, các công trình nghiên cứu về yếu tố tính toán về phôi dập. Tác giả Brito, L.M.H đã công bố các công trình nghiên cứu trong quy trình dập trong khuôn kín dập chất lượng của phôi rất quan trọng vì nó quyết định đến độ chính xác của chi tiết. 4
7. Hình 1.5 Phôi qua các bước tạo hình Như đã trình bày ở phía trên, mối quan hệ giữa thể tích của phôi và khối lượng vật dập là rất quan trọng. Trong dập khối trong khuôn kín, dung sai khối lượng phôi cho phép ± 0,5 và ± 1%, nếu phôi quá lớn có thể gây quá tải phá hủy kết cấu khuôn, nếu bề mặt phôi được gia công có độ chính xác không cao thì chất lượng vật dập cũng không cao. Hình 1. 6 Các kiểu hình dáng phôi được lựa chọn Nếu hình dạng của phôi là phức tạp, phân phối thể tích trong phôi cũng quan trọng để đảm bảo dòng chảy kim loại phù hợp trong quá trình dập. Phôi càng gần với hình dạng chi tiết khi dập độ chính xác càng cao. Bên cạnh đó việc định vị phôi cũng quyết định đến độ chính xác của vật dập cũng như độ bền của khuôn và sự phân bố đồng đều của dòng chảy kim loại khi dập. Hình 1. 7 Biến dạng của phôi hình trụ bị định vị lệch tâm Thứ ba, các nghiên cứu cũng chỉ ra ảnh hưởng của bôi trơn trong quá trình dập khối trong khuôn kín. Tác giả Gronostajski, Z, M. Hawryluk và M. Irani, R.A.N., T. Dallali Isfahani đã công bố các công trình nghiên cứu tính toán về ảnh hưởng của chất bôi trơn đến quá trình dập, đây là yếu tố khó tính toán nhất. Tuy nhiên, bôi trơn là một trong 5
8. những yếu tố quan trọng đối với quá trình dập khối trong khuôn kín. Bôi trơn ảnh hưởng đến tải trọng dập, mức độ mà kim loại điền đầy lòng khuôn, tính đồng nhất của cấu trúc và chất lượng bề mặt của vật dập sản phẩm. Thứ tư, các tác giả cũng công bố các nghiên cứu về ảnh hưởng của nhiệt độ đến dập khối trong khuôn kín. Tác giả B. A. Behrens, D.O hay nhóm tác giả N. Ogawa, M. Shiomi *, K. Osakada đã công bố các kết quả nghiên cứu tính toán nhiệt độ của phôi là một biến số quan trọng trong dập khối trong khuôn kín. Tức là yêu cầu việc kiểm soát nhiệt độ trong toàn bộ quá trình dập. Vì thế việc tính toán nhiệt độ phôi trong quá trình dập là yêu cầu bắt buộc. Thứ năm, yếu tố ảnh hưởng đến dập khối trong khuôn kín được kể đến là thiết bị dập. Không có một loại thiết bị dập nào là tốt nhất cho tất cả các ứng dụng dập khối trong khuôn kín. Máy ép trục khuỷu dập nóng được cho là phù hợp hơn cả để tiến hành dập khối trong khuôn kín. Lực tác động nhanh, dụng cụ ít bị ảnh hưởng bởi quá trình truyền nhiệt của phôi. Thứ sáu, theo kết quả nghiên cứu của tác giả Senyong Chen cho thấy, với sự gia tăng tốc độ dập, yêu cầu lực dập tăng đáng kể. Tốc độ dập cao dẫn đến trầy xước nghiêm trọng trên bề mặt sản phẩm. Do lực dập rất lớn, ứng suất cắt giữa phôi và khuôn cao. Ứng suất cắt này đã phá vỡ sự bám dính giữa lớp phủ phốt phát trên các bề mặt. Nó còn chỉ ra rằng ứng suất cắt trong phần này không ảnh hưởng. Hình 1. 8 Biểu đồ mối quan hệ giữa lực dập và tốc độ dập 1.2.2 Tình hình nghiên cứu trong nước Tác giả Nguyễn Trung Kiên có nghiên cứu, thiết kế công nghệ và khuôn dập khối khối trong khuôn kín chi tiết bánh răng côn bằng mô phỏng hay tác giả Lý Thị Thanh Huyền có nghiên cứu công nghệ dập tạo hình chính xác ở trạng thái nửa nóng. Kết quả nghiên cứu mới dừng lại ở việc mô phỏng. 6
9. Hình 1. 9 Hình ảnh mô phỏng chi tiết chữ thập Trong công nghệ dập khối trong khuôn kín cần phải tính toán chính xác các yếu tố bao gồm: thể tích phôi; nhiệt độ phôi và thiết bị tạo hình; tốc độ dập; định vị phôi trong lòng khuôn, bôi trơn trong quá tình dập; độ chính xác của dụng cụ gia công; đàn hồi của máy, Tuy vậy, đến nay trên thế giới và Việt Nam vẫn chưa có những nghiên cứu nào đánh giá đầy đủ ảnh hưởng đồng thời của các yếu tố kể trên đến việc dập tạo hình các chi tiết trong khuôn kín, để từ đó tối ưu các thông số đầu vào nhằm nâng cao độ chính xác của chi tiết khi tạo hình bằng phương pháp này và có thể áp dụng thành công trong sản xuất công nghiệp. Điều khó khăn nhất trong công nghệ này là phải tính toán được chính xác về hình dáng phôi ban đầu, thông số của dụng cụ tạo hình cũng như kiểm soát được các yếu tố công nghệ trong quá trình dập. KẾT LUẬN CHƯƠNG 1 Qua nghiên cứu tổng quan về công nghệ dập khối trong khuôn kín có thể thấy trên thế giới có nhiều công trình được công bố, tuy nhiên ở Việt Nam các nghiên cứu về lĩnh vực này còn chưa nhiều. để giải quyết các vấn đề trên Luận án sẽ tập trung vào những nội dung nghiên cứu sau đây: - Cơ sở lý thuyết của công nghệ dập khối trong khuôn kín. - Thiết lập mô hình bài toán dập khối trong khuôn kín. - Mô phỏng số dập chi tiết khớp nối bằng phần mềm Deform 3D. - Nghiên cứu ảnh hưởng của thông số hình học của phôi (H/D), ma sát trong quá trình dập (µ), thông số hình học của dụng cụ (góc nghiêng chày α) đến bán kính góc lượn r (mức độ điền đầy sản phẩm) và lực dập tạo hình. - Xây dựng mô hình toán học biểu diễn mối quan hệ giữa các thông số H/D, µ, α đến bán kính góc lượn r và lực dập tạo hình. - Đưa ra bộ thông số tối ưu phối hợp các yếu tố ảnh hưởng đến bán kính góc lượn r và lực dập tạo hình để tiến hành thực nghiệm kiểm chứng. 7
10. CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ CÔNG NGHỆ DẬP KHỐI TRONG KHÔN KÍN 2.1 Cơ sở lý thuyết tính toán về đặc tính điền đầy về dập khối trong khuôn kín 2.1.1 Đặc điểm chung Khi dập việc lấp đầy các hốc khi trong dập trong khuôn kín đã được tính toán. Các thí nghiệm cho thấy ảnh hưởng của các dạng hình học phôi khác nhau và sự bôi trơn ảnh hưởng đến mức độ điền đầy các góc trong khuôn dập. 2.1.2 Các giả thiết tính toán Mô hình phôi được dập trong khuôn bao gồm chày dập, đối áp và khoang chứa. Hình 2. 1 Góc không điền đầy khi dập chính xác trong khuôn kín 2.1.3 Tính toán các trường vận tốc trong quá trình biến dạng Ba dạng biến dạng được giả định như hình vẽ a, Biến dạng kiểu 1 b, Biến dạng kiểu 2 c, Biến dạng kiểu 3 Hình 2.2 Giả thiết về các kiểu biến dạng khi dập trong khuôn kín 2.1.4 Tính toán kích thước góc sản phẩm dập trong khuôn kín U Vận tốc chày dập được tính U (2.1) t 8
11. Trong hình 2.2a, vùng I hoặc III biến dạng ở bất kỳ giai đoạn biến dạng nào với tham số a là 0 hoặc 1. Đối với chuyển động của ΔU, sự giảm kích thước góc DJ, JE, FK và KG tương ứng. 1 S DJ (1 a ) t U (2.2) 2 ht JE a U (2.3) FK a U (2.4) 1 S KG ab U (2.5) 2 hb Kích thước phôi mới thu được ' Stt S DJ (2.6) ' htt h JE (2.7) ' hbb h FK (2.8) ' Sbb S FG (2.9) HHU ' (2.10) L H () htb h (2.11) ' ' ' ' Trong đó St , ht , hb , Sb , H' là các kích thước trước đó. Trong hình 2.2b, việc giảm kích thước góc là 1 S Cl t U (2.12) 2 H 11 St LK 1 bL hb L (1 b ) U (2.13) HRS 2 t 11 Sb IM hb bL(1 ) U (2.14) HRS 2 b 1 S MH b U (2.15) 2 H Trong hình 2.2c kích thước giảm là. 1 S DN (1 e ) t U (2.16) 2 H 9
12. 11 St (2.17) NM (1 e ) 1 cLd (1 )  LcLdh (1 ) b  U HRS 2 t 1 JP f S U (2.18) 2 b 1 Sb PI f() dL hb dL U (2.19) 2 RS b 2.2 Tính toán các thông số ảnh hưởng đến quá trình dập khối trong khuôn kín 2.2.1 Tính toán về lực dập H - Tỉ số n 0.5 , lực dập được xác định bằng biểu thức: d 2 2  1  1 (2.20) p ss .  1,48ln 5,06 2,162 2,22 1,71( 1)   H - Khi tỷ số n 0.2 , lực dập được tính: d 2 1,5 1  1 H H2 d p  .  2 1,5ln 5,06 2,16 4,5n 1,91 n b 1,5 ss 1,71( 1)   22d d 6 H b b n 2.2.2 Tính toán về góc nghiêng thành lòng khuôn Q P T Hình 2. 3 Thành phần lực tác dụng lên vật dập Hình 2. 4 Đồ thị tính góc nghiêng thành lòng khuôn 10
13. 2.2.3 Bán kính góc lượn Bán kính góc lượn là phần bán kính chuyển tiếp giữa hai bề mặt trên khuôn. Bán kính lượn hợp lý tạo thuận lợi cho quá trình chảy dẻo kim loại và điền đầy lòng khuôn. Hình 2. 5 Bán kính lượn trên khuôn 2.2.4 Lỗ chưa thấu và màng ngăn lỗ Lỗ chưa thấu được tạo thành khi dập khối để giúp tạo lỗ trên vật dập về sau. Trong lỗ chưa thấu còn chứa màng ngăn lỗ. Phần này thường được đột cùng với nguyên công cắt biên. Màng ngăn lỗ: Phần kim loại công nghệ còn lại trong lỗ sau khi dập. Hình 2. 6 Các dạng lỗ chưa thấu và màng ngăn lỗ 2.2.5 Biến dạng đàn hồi của máy ép trục khuỷu 2.3 Các dạng khuyết tật trong quá trình dập khối trong khuôn kín 2.3.1 Nứt ở bề mặt sản phẩm 2.3.2 Khuyết tật gấp trong sản phẩm 2.3.3 Khuyết tật vết xước sâu tạo rãnh trên bề mặt 2.3.4 Khuyết tật không điền đầy khuôn KẾT LUẬN CHƯƠNG 2 - Nghiên cứu cơ sở lý thuyết về biến dạng dẻo kim loại trong khuôn kín, các yếu tố ảnh hưởng đến mức độ điền đầy lòng khuôn, các giả thiết tính toán về kích thước góc của sản phẩm dập, làm cơ sở cho việc nghiên cứu, tính toán, xây dựng bài toán mô phỏng và thực nghiệm dập chi tiết khớp nối trong khuôn kín với vật liệu thép C45. 11
14. - Nhiệt độ quá trình dập thép C45 được xác định từ cơ sở nghiên cứu của vật liệu học và thực tế sản xuất (T = 11500C), ngoài ra việc xác định nhiệt độ dập phù hợp nhất để đạt độ chính xác sản phẩm có thể xác định bằng mô phỏng số. - Cơ sở lý thuyết cho phép tính toán một số thông số như lực dập, nhiệt độ phôi, bán kính góc lượn khuôn, góc nghiêng thành lòng khuôn, biến dạng đàn hồi khung thân máy. Tuy nhiên để giải quyết bài toán cần sử dụng phối hợp phần mềm mô phỏng số và phân tích lý thuyết kết hợp thực nghiệm là giải pháp phù hợp mang lại hiệu quả cao trong quá trình thực hiện. - Qua nghiên cứu về các khuyết tật thường gặp trong dập khối trong khuôn kín có thể thấy được sự cần thiết phải tính toán chính xác các thông số công nghệ, thông số hình học dụng cụ, đặc biệt độ chính xác hình học của phôi dập, từ đó để tiến hành mô phỏng và kiểm chứng bằng thực nghiệm. CHƯƠNG 3: NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC YẾU TỐ ĐẾN ĐỘ CHÍNH XÁC CỦA CHI TIẾT KHỚP NỐI KHI DẬP TRONG KHUÔN KÍN BẰNG MÔ PHỎNG SỐ 3.1 Ứng dụng mô phỏng số trong gia công áp lực 3.2 Trình tự xây dựng bài toán mô phỏng số 3.3 Thiết lập bài toán mô phỏng số với Deform 3D 3.3.1 Mô hình hình học Trên cơ sở tham khảo một số loại khớp nối truyền động, luận án đã lựa chọn chi tiết khớp nối với kích thước cụ thể như hình 3.1 (a) (b) Hình 3. 1 (a) kích thước khớp nối; (b) mô hình khớp nối 3D Phôi sử dụng trong bài toán mô phỏng là dạng trụ tròn. Kích thước phôi được xác định dựa vào điều kiện thể tích không đổi. Bảng 3. 1 Các kích thước hình học của phôi dùng để mô phỏng 12
15. Thể tích phôi Chiều vào phôi Đường kính H/D V(mm3) H(mm) phôi D (mm) 74,00 52 1,4 157078.5 80,04 50 1,6 86,85 48 1,8 94,57 46 2,0 Mô hình hình học bài toán dập chi tiết khớp nối trong khuôn kín Hình 3. 2 Mô hình 3D bài toán dập chi tiết khớp nối Trong các mô phỏng hành trình dập của các bước trong mỗi mô phỏng như nhau, yếu tố đầu vào của bước sau là kết quả đầu ra của bước trước, điều đó đảm bảo độ chính xác trong mô phỏng và thực tế. Quá trình mô phỏng tạo hình chi tiết khớp nối bằng phần mềm Deform 3D bao gồm ba bước liên tục. Bước một là chồn, bước thứ hai là dập thô, cuối cùng là dập tinh sử dụng lòng khuôn kín để tạo hình. 3.3.2 Mô hình phần tử hữu hạn 3.3.3 Mô hình hành vi cơ - nhiệt của vật liệu 3.3.4 Điều kiện biên Điều kiện biên Thông số Giá trị - Nhiệt độ phôi ban đầu, (0C) 1150 Nhiệt độ - Có xét đến bài toán nhiệt là hằng số (Tp) và 5 truyền nhiệt, (T) Hệ số ma sát trong điều kiện biến dạng nóng Ma sát 0.3–0,6 có bôi trơn µ - Khuôn cố định và cứng tuyệt đối Chày dập - Khuôn gia nhiệt, (0C) 300 - Bán kính góc lượn khuôn R(mm) 6 Khuôn dưới - Tốc độ máy dập trục khuỷu: hành trình/ phút 40 3.2.5 Chọn miền khảo sát cho các thông số đầu ra Luận án đã tiến hành nghiên cứu khảo sát bán kính góc lượn r phần vành biên và lực biến dạng lớn nhất (Pmax) khi tạo hình sản phẩm thông 13
16. qua mô phỏng số, từ các kết quả khảo sát ở trên các thông số đầu vào được tính toán và lựa chọn gồm: - H/D với các giá trị: H/D = 1,4; 1,6; 1,8; 2,0, tương ứng các phôi có đường kính lần lượt là 52; 50; 48; 46 mm. - Hệ số ma sát µ thay đổi với các trị số là: 0,3; 0,4; 0,5; 0,6. - Góc nghiêng α chày với các giá trị: 60, 70, 80, 90. 3.4 Nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số đến độ chính xác của chi tiết khớp nối khi dập trong khuôn kín 3.4.1 Nghiên cứu ảnh hưởng của H/D tới bán kính góc lượn r và lực tạo hình Pmax Để xác định r, sau khi kết thúc quá trình mô phỏng quá trình dập bằng phần mềm Deform 3D, hình ảnh của sản phẩm được chuyển sang phần mềm Autocad để đo bán kính r. Hình 3.3 Bán kính tại vành mặt bích đo trên phần mềm Autocad 3.4.1.1 Kết quả nghiên cứu ảnh hưởng của tỉ số H/D đến bán kính góc lượn r và lực tạo hình Pmax 0 Hình 3. 4 Đồ thị lực dập Pmax và r với µ=0,3 và α = 6 0 Bảng 3. 2 Khảo sát bán kính r và lực dập Pmax khi µ=0,3 và α = 6 TT H/D H D µ αo r (mm) Pmax (tấn) 1 1,4 74 52 0,3 6 1.45 580 2 1,6 80 50 0,3 6 1.37 571 3 1,8 86,85 48 0,3 6 1.39 565 4 2,0 94,57 46 0,3 6 1.46 560 14
17. 3.4.1.2 Khảo sát ảnh hưởng của thông số hình học phôi H/D tới bán kính góc lượn r và lực tạo hình Pmax Hình 3. 5 Đồ thị biễu diễn ảnh hưởng của H/D đến bán kính r 3.4.2 Nghiên cứu ảnh hưởng của hệ số ma sát tới bán kính góc lượn r và lực tạo hình 3.4.2.1 Kết quả nghiên cứu ảnh hưởng của hệ số ma sát µ đến bán kính góc lượn r và lực tạo hình Pmax 3.4.2.2 Khảo sát ảnh hưởng của hệ số ma sát tới bán kính góc lượn r và lực tạo hình Pmax 3.4.3 Nghiên cứu ảnh hưởng của góc nghiêng chày α tới bán kính góc lượn r và lực tạo hình 3.4.3.1 Kết quả nghiên cứu với ảnh hưởng của góc nghiêng chày α tới bán kính góc lượn r và lực tạo hình Pmax 3.4.3.2 Khảo sát ảnh hưởng của hệ số ma sát tới bán kính góc lượn r và lực tạo hình Pmax Hình 3. 6 Đồ thị biễu diễn quan hệ của góc nghiêng chày đến bán kính góc lượn r KẾT LUẬN CHƯƠNG 3 - Với cùng phân mức α, ma sát tăng, mức độ điền đầy giảm và ngược lại. Ở mỗi mức ma sát, phôi có kích thước H/D=1,6, sảm phẩm có r nhỏ nhất, tức là với phôi có H/D=1,6 khi dập ta được chi tiết có độ chính xác cao nhất. 15
18. - Với cùng phân mức của góc nghiêng chày α và hệ số ma sát µ, khi H/D tăng thì lực dập Pmax giảm, có nghĩa là chiều cao vật dập tăng, lực dập giảm. - Với mỗi phân mức của H/D và µ, khi góc α tăng thì bán kính r càng giảm (mức độ điền đầy tăng), mức độ điền đầy tốt nhất khi α=90. Tương tự với lực dập Pmax tăng khi góc nghiêng α của chày tăng. Từ các kết quả nghiên cứu mô phỏng này sẽ tạo tiền đề cho việc tính toán, lựa chọn tối ưu các thông số hình học của phôi, khuôn và thông số công nghệ áp dụng vào việc thực nghiệm dập chính xác chi tiết khớp nối trong khuôn kín. CHƯƠNG 4. NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM KIỂM CHỨNG DẬP CHI TIẾT KHỚP NỐI TRONG KHUÔN KÍN 4.1 Thiết kế các mô phỏng thực nghiệm Bảng 4.1 Thông số đầu vào và đầu ra Thông số đầu ra Thông số đầu Miền giá trị khảo vào sát Bán kính r Lực tạo hình Pmax H/D 1,4; 1,6; 1,8; 2,0 o 0 0 0 0 α 6 ; 7 ; 8 ; 9 r (mm) Pmax (Tấn) µ 0,3; 0,4; 0,5; 0,6 4.2 Phân tích phương sai 4.3 Phân tích ảnh hưởng và mức phù hợp của các thông số hình học phôi và khuôn tối mức độ điền đầy và lực tạo hình Pmax 4.3.1 Phân tích ảnh hưởng, mức phù hợp của các thông số hình học phôi (H/D), góc nghiêng chày (α) và hệ số ma sát (µ) tới bán kính góc lượn r 4.3.1.1 Xác định ảnh hưởng và mức phù hợp của các thông số hình học phôi ( H/D), góc nghiêng (α) và hệ số ma sát (µ) tới r Hình 4. 1 Biểu đồ phân mức của các yếu tố H/D, µ và α cho r 16
19. Hình 4. 2 Biểu đồ mức độ ảnh hưởng của H/D, µ và α tới bán kính r Từ biểu đồ mức độ ảnh hưởng của các yếu tố ta thấy yếu tố ảnh hưởng lớn nhất tới bán kính r là H/D (53%), tiếp đến là µ (29%) yếu tố ít ảnh hưởng tới bán kính r là góc α (18%). 4.3.1.2 Xây dựng mô hình toán học biểu diễn mối quan hệ giữa các thông số H/D, µ, α và bán kính góc lượn r Theo cơ sở lý thuyết của phương pháp bình phương nhỏ nhất để xây dựng mô hình toán học giữa hàm mục tiêu là bán kính r với các thông số ảnh hưởng tới nó là H/D, µ và α. Với các hệ số a1, a2, a3, ,a15 là các ẩn cần tìm. H/D, µ và α là các thông số nghiên cứu. 3 2 2 HHHH 3 3 2 2 r mm a1 a 2  a 3 a 4  a 5  a 6 a 7 DDDD 2 2HHH 2 2 a8  a 9 a 10  a 11 a 12 a 13  a 14 a 15 DDD Giải phương trình bằng phần mềm Matlab với 15 ẩn a1, a2, a3, a4, a5, a6, a7, a8, a9, a10, a11, a12, a13, a14, a15 ta được nghiệm. Với các hệ số tìm được ta có phương trình hồi quy như sau: 32 HH 3 3 2 r mm 2,3646 2,9064  0,01 0,0302  0,3944  DD 22 2HHHH 2 2 0,0664 0.2785 0.0904  14,9897. 0,8065  DDDD 2 H 0,0969. 26.7278. 1,0637  0,7234 19,0607 D Với phương trình hồi quy trên ta xây dựng các đồ thị biểu thị ảnh hưởng của từng thông số tới bán kính r như Hình 4.3 Hình 4. 3 Biểu đồ sự phụ thuộc của r tới từng thông số H/D, µ và α 17
20. 4.3.2 Phân tích ảnh hưởng, mức phù hợp của các thông số hình học phôi ( H/D), góc nghiêng chày (α) và hệ số ma sát (µ) tới tới Pmax 4.3.2.1 Xác định ảnh hưởng và mức phù hợp của các thông số hình học phôi ( H/D), góc nghiêng chày (α) và hệ số ma sát (µ) tới Pmax Để định lượng ảnh hưởng của các yếu tố H/D, µ, α tới lực dập Pmax, ta thiết lập biểu đồ tỷ lệ phần trăm ảnh hưởng của các yếu tố. Hình 4. 4 Biểu đồ phân mức của các yếu tố H/D, µ, α cho Pmax Hình 4. 5 Biểu đồ mức độ ảnh hưởng của yếu tố H/D, µ, α tới Pmax Từ biểu đồ mức độ ảnh hưởng của các yếu tố ta thấy yếu tố ảnh hưởng lớn nhất tới lực tạo hình là H/D (60%) tiếp đến là µ (21%) và yếu tố ít ảnh hưởng tới lực tạo hình là α (19%). 4.3.2.2 Xây dựng mô hình toán học biểu diễn mối quan hệ giữa các thông số H/D, µ, α và lực tạo hình Pmax Tương tự như xây dựng hàm toán học đối với mức độ điền đầy, ta lựa chọn hàm hồi quy là đa thức bậc 3. Với 15 hệ số ai là các ẩn cần tìm và các thông số H/D, hệ số ma sát µ và góc nghiêng chày tinh α là các thông số nghiên cứu. 3 2 2 HHHH 3 3 2 2 P a1 a 2  a 3 a 4  a 5  a 6 a 7 DDDD 2 2HHH 2 2 a8  a 9 a 10  a 11 a 12 a 13  a 14 a 15 DDD Theo phương pháp bình phương nhỏ nhất, điều kiện cực trị cần xác định, và giải phương trình bằng phần mềm Matlab, ta có được 15 hệ số của hàm hồi qui lực như sau: 18
21. 32 HH 3 3 2 Pmax (T) 235,6504 . 1708,9 .  2,0069 . 37,4482 . .  57,2845 .  . DD 22 2HHHH 2 2 13,9747 54,4815 195,8764  1581,1 2210,4  DDDD 2 H 18,5233 2679,7 1113,3  148,1471 1464,1 D Với phương trình hồi quy trên ta xây dựng các đồ thị biểu thị ảnh hưởng của từng thông số tới bán kính r như Hình 4.6 Hình 4. 6 Sự phụ thuộc của lực tạo hình vào các thông số H/D,µ, α 4.4 Ứng dụng kết quả nghiên cứu để dập chi tiết khớp nối trong khuôn kín Qua phân tích mô phỏng cùng với mức ưu tiên điền đầy ta chọn được các phân mức: H/D = 1,6; α = 90; µ = 0,3 để tiến hành thực nghiệm dập tạo hình chi tiết khớp nối. 4.4.1 Vật liệu thí nghiệm Chi tiết khớp nối được chế tạo bằng thép C45. Số lượng 20 phôi, phôi được chọn có kích thước HxD là 80x50mm. 4.4.2 Thiết bị thí nghiệm Máy ép trục khuỷu dập nóng; Lò nung trung tần, các thiết bị đo kiểm. 4.4.3 Bộ khuôn dập Hình 4. 7 Lắp bộ khuôn dập trên máy 4.4.4 Trình tự thí nghiệm và điều kiện công nghệ dập 19
22. Bước 1 phôi được nung đảm bảo nhiệt độ ép là 11500C, bước 2 là gia nhiệt cho khuôn lần đầu; bước 3, phôi được đưa vào lòng khuôn chồn, dập thô, dập tinh, quá trình dập là dập liên tục, thời gian dập là 6s; bước 4 lấy sản phẩm kiểm tra. Hình 4. 8 Các sản phẩm sau khi dập đạt yêu cầu Hình 4. 9 Các sảnh phẩm bị lỗi hoặc hư hỏng 4.4.5 Kết quả thực nghiệm 4.4.5.1 Về độ chính xác kích thước, hình học của sản phẩm Các thiết bị được sử dụng là máy đo tọa độ 3 chiều Mitutoyo 544 và máy đo biên dạng Mitutoyo CV-2100. Bằng việc sử dụng các thiết bị đo hiện đại, chính xác để đo kích thước của chi tiết sau khi dập và so sánh với yêu cầu của các kích thước thiết kế, thấy rằng các kích thước đều nằm trong dung sai cho phép theo yêu cầu chế tạo, qua đó có thể khẳng định chi tiết đạt độ chính xác sau khi dập. 20
23. Hình 4. 10 Máy đo tọa độ 3 chiều Mitutoyo 544 và máy biên dạng Mitutoyo CV-2100 4.4.5.2 Dòng chảy kim loại và tổ chức tế vi Hình 4. 11 Các vị trí lấy mẫu để soi dòng chảy Vị trí M1 Vị trí M2 Vị trí M3 Hình 4.12 Tổ chức tế vi và dòng chảy trên mẫu M1, M2, M3 4.4.5.3 Lực ép Kết quả lực ép giữa mô phỏng và thực nghiệm là tương đồng, kết quả thực nghiệm lực ép là 566 tấn, kết quả mô phỏng dập là 577 tấn, như vậy sai lệch là 1.9% có thể thấy kết quả giữa mô phỏng và thực nghiệm khá tương đồng. 4.4.6 So sánh kết quả mô phỏng và thực nghiệm So sánh kết quả mô phỏng và thực nghiệm khi dập chi tiết khớp nối bằng thép C45 trong khuôn kín. Kết quả này cho phép kiểm chứng các điều kiện mô phỏng, đánh giá được các yếu tố ảnh hưởng và chỉ 21
24. ra nguyên nhân gây ra khuyết tật và các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình điền đầy khi dập khối trong khuôn kín là hợp lý. Bảng 4. 2 Bảng so sánh kết quả giữa mô phỏng và thực nghiệm TT Mô Phỏng Thực nghiệm Dập thô Dập tinh Dòng chảy KẾT LUẬN CHƯƠNG 4 Kết quả cho thấy mức độ ảnh hưởng của các yếu tố đến bán kính góc lượn r sản phẩm: yếu tố ảnh hưởng lớn nhất tới mức độ điền đầy là H/D (53%), tiếp đến là µ (29%) yếu tố ít ảnh hưởng tới mức độ điền đầy là góc nghiêng chày α (18%); ảnh hưởng đến lực dập tạo hình Pmax, yếu tố ảnh hưởng lớn nhất là H/D (60%) tiếp đến là µ (21%) và yếu tố ít ảnh hưởng tới lực tạo hình là α (19%). Để từ đó ta xác định được bộ thông số đầu vào tối ưu để tiến hành thực nghiệm kiểm chứng đó là: H/D=1,6, góc nghiêng chày α=90, µ=0,3. Việc thực nghiệm kiểm chứng độ tương hợp và tính chính xác của các kết quả mô phỏng đã được tiến hành thông qua thực nghiệm và tiến hành dập tạo hình với các trường hợp phôi có kích thước hình học H/D=1,6, góc nghiêng chày α=90, µ=0,3. Hệ thống thực nghiệm được bao gồm MDTKDN, khuôn và các thiết bị đo, không chỉ phục vụ cho mục tiêu nghiên cứu mà còn phù hợp với thực tế sản xuất. 22
25. Với các kết quả so sánh giữa mô phỏng số và thực nghiệm về kích thước, hình dạng sản phẩm, dòng chảy, tổ chức kim loại và lực tạo hình cho thấy độ tương hợp giữa mô phỏng và thực nghiệm. Như vậy, việc thiết lập mô phỏng số với các điều kiện biên đưa ra hoàn toàn phù hợp với thực tế. Kết quả mô phỏng là đáng tin cậy hoàn toàn có thể áp vào sản xuất. KẾT LUẬN CHUNG 1. Thiết lập và phát triển mô hình dập chi tiết chính xác trong khuôn kín, từ đó nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số hình học phôi, góc nghiêng chày, hệ số ma sát đến bán kính góc lượn r, lực biến dạng bằng mô phỏng số ứng với các điều kiện biên phù hợp thực tiễn như nhiệt độ dập 11500C, hệ số ma sát trong biến dạng nóng ở nhiệt độ cao µ = 0,3-0,6, góc nghiêng chày α0 (từ 6-9). Dựa vào kết quả mô phỏng ta thấy ma sát càng tăng thì mức độ điền đầy giảm đồng thời lực dập tăng; tỉ số H/D tang, lực dập giảm, với H/D=1.6 có mức độ điền đầy tốt nhất; góc nghiêng α tăng thì mức độ điền đầy và lực dập cùng tăng. 2. Xây dựng mô hình thực nghiệm với bộ khuôn gồm nhiều lòng khuôn dập trên máy ép trục khuỷu 1000 tấn có bảng hiển thị lực dập để kiểm chứng các kết quả mô phỏng số. Qua so sánh kết quả về hình dạng sản phẩm giữa mô phỏng và thực nghiệm có sự tương đồng cao (kích thước và lực dập). Như vậy, mô hình mô phỏng với các điều kiện biên đã xây dựng hoàn toàn tin cậy và được định hướng cho khảo sát và nghiên cứu thực nghiệm. Hệ thống thực nghiệm không chỉ phù hợp với điều kiện nghiên cứu mà còn có khả năng ứng dụng ngay trong thực tế sản xuất. 3. Xây dựng mối quan hệ hàm số thực nghiệm giữa các thông số đầu vào là kích thước hình học phôi, góc nghiêng của chày, hệ số ma sát với các thông số đầu ra là bán kính góc lượn r và lực dập. - Hàm số xác định bán kính góc lượn r: 32 HH 3 3 2 r mm 2,3646 2,9064  0,01 0,0302  0,3944  DD 22 2HHHH 2 2 0,0664 0.2785 0.0904  14,9897. 0,8065  DDDD 2 H 0,0969. 26.7278. 1,0637  0,7234 19,0607 D 23
26. - Hàm xác định lực dập Pmax: 32 HH 3 3 2 PTmax () 235,6504 1708,9.  2,0069 37,4482  57,2845  DD 22 2HHHH 2 2 13,9747 54,4815 195,8764  1581,1 2210,4  DDDD 2 H 18,5233 2679,7 1113,3  148,1471 1464,1 D Các kết quả quy hoạch cho thấy mức độ ảnh hưởng của các thông số hình học tới bán kính góc lượn r là: H/D chiếm 53%, µ chiếm 29% và α chiếm 18%; ảnh hưởng đến lực dập tạo hình là: H/D chiếm 60%, µ chiếm 21% và α chiếm 19%. Các hàm số quy hoạch thực nghiệm giúp các nhà thiết kế công nghệ nhanh chóng lựa chọn được kích thước hình học phôi ban đầu, kích thước hình học khuôn (góc nghiêng chày α), ma sát để lựa chọn được bộ thông số phù hợp nhất cho quá trình dập. 4. Đã tính toán lựa chọn được thông số hình học phôi, bước tạo hình sơ bộ, thiết kế khuôn phù hợp, trong điều kiện ma sát đã xác định để dập chi tiết khớp nối và minh chứng hiệu quả công nghệ dập khối trong khuôn kín trong thực tế thử nghiệm tại nhà máy như tiết kiệm vật liệu, thời gian gia công cơ, thời gian nung phôi cũng như lực tạo hình. 5. Các kết quả nghiên cứu có giá trị tham khảo tốt khi dập các chi tiết tròn xoay dạng bậc trong khuôn kín. Và kết quả nghiên cứu làm tài liệu có giá trị trong giảng dạy, đào tạo khối ngành gia công áp lực. Hướng nghiên cứu tiếp theo: - Nghiên cứu ảnh hưởng của tốc độ biến dạng đến khả năng khả năng điền đầy khi dập khối trong khuôn kín. - Nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ khi dập khối trong khuôn kín. - Nghiên cứu đối với các kim loại khác. 24
27. DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN 1. Nguyễn Quang Thắng, Phạm Văn Nghệ, Lê Trung Kiên: Nghiên cứu ảnh hưởng của một số thông số công nghệ đến khả năng tạo hình chính xác chi tiết trong dập khối. Hội nghị KHCN Toàn quốc về Cơ khí - Động lực 2017, Ngày 14, tháng 10, 2017. 2. Phạm Văn Nghệ, Hoàng Minh Tuấn, Nguyễn Quang Thắng: Nghiên cứu công nghệ dập bán tinh bánh răng côn xoắn trong bộ vi sai xe tải. Hội nghị KHCN Toàn quốc về Cơ khí - Động lực 2017, Ngày 14, tháng 10, 2017. 3. Phan Thị Hà Linh, Nguyễn Đắc Trung, Nguyễn Quang Thắng, Trần Anh Sơn, Bùi Khắc Khánh: Nghiên cứu ảnh hưởng của tỉ số H/D và S/D đến lực chồn và mức độ biến dạng khi chồn cục bộ từ phôi ống. Tạp chí cơ khí Việt Nam, số 1+2/ tháng 02 năm 2020, ISSN: 0866 – 7056. Tr. 79-83. 4. Le Trung Kien, Nguyen Quang Thang: Experimental and FEM simulation analysis of closed-die forging process on Companion Flange in the driving Automotive system. Internatonal journal of mechanical and production engineering research and development (IJMPERD); ISSN (Online): 2249-8001; ISSN (Print): 2249-6890; Vol - 10, Issue - 3; Edition: JUN2020. 5. Nguyen Quang Thang, Le Trung Kien, Dinh Van Duy, Phan Thi Ha Linh: Research of net shape forging process of flange companion in closed-die using numerical simulation. VietNam Mechanical Engineering Journal, number 10 of the year 2020, ISSN: 2615 – 9910. P. 79-83.