Nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số công nghệ và nhiệt độ đến biến dạng tạo hình khi dập vuốt chi tiết dạng cốc từ vật liệu SPCC

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠOTRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT HƯNG YÊN LUYỆN THẾ THẠNH NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC THÔNG SỐ CÔNG NGHỆ VÀ NHIỆT ĐỘ ĐẾN BIẾN DẠNG TẠO HÌNH KHI DẬP VUỐT CHI TIẾT DẠ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT HƯNG YÊN

LUYỆN THẾ THẠNH

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC THÔNG SỐ CÔNG NGHỆ

VÀ NHIỆT ĐỘ ĐẾN BIẾN DẠNG TẠO HÌNH KHI DẬP VUỐT

CHI TIẾT DẠNG CỐC TỪ VẬT LIỆU SPCC

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ

Hưng Yên - 2022

download by : skknchat@gmail.com

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT HƯNG YÊN

LUYỆN THẾ THẠNH

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC THÔNG SỐ CÔNG NGHỆ

VÀ NHIỆT ĐỘ ĐẾN BIẾN DẠNG TẠO HÌNH KHI DẬP VUỐT

CHI TIẾT DẠNG CỐC TỪ VẬT LIỆU SPCC

Chuyên ngành: Kỹ thuật cơ khí

Mã số: 9520103

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

LỜI CÁM ƠN

Tôi xin gửi lời cám ơn chân thành và sâu sắc nhất tới GS TSKH NGND BànhTiến Long và GS.TS Nguyễn Đức Toàn, những người Thầy đã tận tình hướng dẫn, độngviên, giúp đỡ tôi vượt qua những khó khăn để hoàn thành luận án này

Tôi xin chân thành cám ơn Công ty TNHH Cơ khí Ô tô Đức Hòa đã tạo mọi điềukiện thuận lợi giúp đỡ tôi hoàn thành thực nghiệm luận án

Tôi xin gửi lời cám ơn tới Ban lãnh đạo Trường, Khoa Cơ khí, Bộ môn Tự độnghóa thiết kế công nghệ cơ khí, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Hưng Yên đã tạo mọiđiều kiện và giúp đỡ tôi hoàn thành luận án

Cuối cùng tôi xin gửi lời cám ơn chân thành đến tất cả đồng nghiệp, bạn bè, gia đình

và người thân đã luôn ở bên động viên khích lệ và mong muốn tôi hoàn thành luận án này

Nghiên cứu sinh

(đã ký)

Luyện Thế Thạnh

i

download by : skknchat@gmail.com

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan nội dung luận án là công trình nghiên cứu của riêng tôi Tất cảcác số liệu và kết quả nghiên cứu trong luận án là trung thực và chưa từng được công bốtrong bất kỳ công trình nghiên cứu nào khác

(đã ký)

(đã ký)

MỤC LỤC

MỤC LỤC iii

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT vi

DANH MỤC CÁC BẢNG ix

DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH, ĐỒ THỊ xii

MỞ ĐẦU 1

1 Tính cấp thiết của đề tài nghiên cứu 1

2 Mục đích, đối tượng và phạm vi nghiên cứu 2

2.1 Mục đích nghiên cứu 2

2.2 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 2

3 Phương pháp nghiên cứu 3

4 Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn của đề tài 3

5 Những đóng góp mới của đề tài 4

6 Cấu trúc của nội dung luận án 4

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ DẬP VUỐT CÓ GIA NHIỆT 5

1.1 Công nghệ dập tấm trong sản xuất cơ khí 5

1.2 Công nghệ dập vuốt và những yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm dập vuốt……… ……6

1.2.1 Khái quát về công nghệ dập vuốt………6

1.2.2 Xác định các thông số của quá trình dập vuốt……… ….………10

1.2.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm dập vuốt 17

1.3 Các phương pháp gia nhiệt trong dập vuốt 20

1.3.1 Các mô hình gia nhiệt trên phôi dập vuốt………20

1.3.2 Mô hình gia nhiệt trên khuôn dập vuốt………24

1.4 Tổng quan tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước về gia công tạo hình vật liệu tấm có gia nhiệt 25

1.4.1 Tình hình nghiên cứu ở trong nước……… 25

1.4.2 Tình hình nghiên cứu ở ngoài nước 26

KẾT LUẬN CHƯƠNG 1 34

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ PHÁ HỦY VẬT LIỆU VÀ XÂY DỰNG ĐƯỜNG CONG GIỚI HẠN TẠO HÌNH CỦA VẬT LIỆU SPCC TẠI CÁC NHIỆT ĐỘ KHÁC NHAU 35

2.1 Mô hình thuộc tính và phá huỷ vật liệu 35

iii

download by : skknchat@gmail.com

2.1.1 Phá huỷ dẻo vật liệu……… 35

2.1.2 Mô hình phá hủy vật liệu……… 37

2.1.3 Mô hình thuộc tính vật liệu 44

2.1.4 Xác định cơ tính vật liệu SPCC sử dụng trong nghiên cứu 45

2.2 Xây dựng FLC của vật liệu tấm SPCC tại nhiệt độ phòng và nhiệt độ gia nhiệt độ khác nhau 49

2.2.1 Xây dựng FLC của vật liệu tấm SPCC tại nhiệt độ phòng 50

2.2.2 Xây dựng FLC của vật liệu tấm SPCC tại nhiệt độ gia nhiệt độ khác nhau……… …….55

KẾT LUẬN CHƯƠNG 2 63

CHƯƠNG 3 NGHIÊN CỨU MÔ PHỎNG VÀ THỰC NGHIỆM ẢNH HƯỞNG CỦA MỘT SỐ THÔNG SỐ ĐẾN CHIỀU CAO TẠO HÌNH VÀ CHIỀU DÀY PHÂN BỐ CỦA CHI TIẾT DẠNG CỐC TRỤ KHI DẬP VUỐT 64

3.1 Sơ đồ hệ thống thực nghiệm 64

3.2 Thiết lập thực nghiệm 66

3.2.1 Vật liệu thực nghiệm……….66

3.2.2 Phôi và dụng cụ phục vụ trong thực nghiệm………66

3.2.3 Máy thực nghiệm……… 67

3.2.4 Bộ khuôn thực nghiệm……… 68

3.2.5 Thiết bị gia nhiệt và bộ thu thập dữ liệu về nhiệt độ……….69

3.2.6 Thiết bị đo 71

3.3 Mô phỏng số trong gia công dập vuốt 73

3.3.1 Mô hình phần tử hữu hạn (FEM)……… 73

3.3.2 Thiết lập các thông số mô phỏng và thực nghiệm………74

3.4 Nghiên cứu về quá trình gia nhiệt trong dập vuốt bằng thực nghiệm 76

3.4.1 Sơ đồ thực nghiệm………76

3.4.2 Xây dựng mô hình toán học thể hiện mối quan hệ giữa thời gian gia nhiệt và nhiệt độ phôi khi dập vuốt 77

3.5 Kiểm chứng độ chính xác của FLC vật liệu SPCC tại các nhiệt độ khác nhau thông qua mô phỏng và thực nghiệm 79

3.5.1 Kiểm chứng FLC tại nhiệt độ phòng 79

3.5.2 Kiểm chứng FLC tại nhiệt độ khác nhau……….81

3.6 Nghiên cứu ảnh hưởng của lực chặn phôi, mức độ dập vuốt, bán kính cong của chày và nhiệt độ đến chiều cao tạo hình và chiều dày phân bố của chi tiết dạng cốc trụ 82

3.6.1 Nghiên cứu ảnh hưởng của lực chặn phôi (FBH) đến chiều cao tạo hình của chi

tiết dạng cốc trụ 82

3.6.2 Nghiên cứu ảnh hưởng của mức độ dập vuốt (Mt) đến chiều cao tạo hình chi tiết dạng cốc trụ 85

3.6.3 Nghiên cứu ảnh hưởng của bán kính cong của chày Rp đến chiều cao tạo hình chi tiết dạng cốc trụ 87

3.6.4 Nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ phôi T (0C) đến chiều cao tạo hình chi tiết dạng cốc trụ 89

3.7 Nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ đến chiều dày phân bố của chi tiết dạng cốc trụ khi dập vuốt 91

3.7.1 Nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ đến chiều dày phân bố chi tiết dạng cốc trụ tại nhiệt độ phòng 93

3.7.2 Nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ đến chiều dày phân bố chi tiết dạng cốc trụ tại nhiệt độ khác nhau 95

3.7.3 So sánh phân bố chiều dày của chi tiết dạng cốc trụ thông qua mô phỏng tại các nhiệt độ khác nhau 97

KẾT LUẬN CHƯƠNG 3 99

CHƯƠNG 4 XÂY DỰNG MÔ HÌNH TOÁN THỂ HIỆN ẢNH HƯỞNG CỦA MỘT SỐ THÔNG SỐ ĐẾN CHIỀU CAO TẠO HÌNH VÀ CHIỀU DÀY PHÂN BỐ CHI TIẾT DẠNG CỐC TRỤ KHI DẬP VUỐT 100

4.1 Thiết kế thực nghiệm 100

4.2 Điều kiện thực nghiệm 104

4.3 Nghiên cứu mối quan hệ giữa các thông số đầu vào và các thông số đầu ra 105

4.3.1 Phân tích mối quan hệ của các thông số (FBH, Rp, Mt) đến chiều cao tạo hình (HR) của chi tiết dạng cốc trụ trong dập vuốt 105

4.3.2 Phân tích mối quan hệ của các thông số (FBH, Rp, T) đến chiều cao tạo hình (HR2) của chi tiết dạng cốc trụ trong dập vuốt 110

4.3.3 Phân tích mối quan hệ của các thông số (FBH, Rp, T) đến chiều dày phân bố (tP) của chi tiết dạng cốc trụ trong dập vuốt 116

KẾT LUẬN CHƯƠNG 4 121

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO 122

TÀI LIỆU THAM KHẢO 123

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN 129

PHỤ LỤC 1

v

download by : skknchat@gmail.com

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

FLC Forming Limit Curve – Đường cong giới hạn tạo hình

FLD Forming Limit Diagram – Sơ đồ đường cong giới hạn

FFLD Fracture Forming Limit Diagram – Sơ đồ giới hạn tạo hình

phá hủy

FEM Finite Element Method – Mô phỏng bằng phương pháp

phần tử hữu hạn

MMFC Modified Maximum Force Criterion – Tiêu chuẩn trở lực

tối đa được sửa đổi

SPCC Steel – Plate – Cold rolled – Carbon – Thép tấm cán nguội

J-C Mô hình Johnson – Cook

B-W Mô hình Bao-Wierzbicki

P.S Plane Strain – Biến dạng phẳng

U.T Uniaxial Tension – Biến dạng kéo đơn trục

B.T Equibiaxial Tension – Biến dạng kéo đều đồng thời theo

hai phương

S.F Stretch Forming – Biến dạng tạo hình kéo

S.P Pure Shear – Biến dạng cắt thuần túy

U.C Uniaxial Compression – Biến dạng nén đơn trục

H R Chiều cao tạo hình khi chi tiết bắt đầu xuất hiện rách mm

(Gọi tắt là “chiều cao tạo hình”)

H R-TN Chiều cao tạo hình của chi tiết dạng cốc trụ khi thực mm

nghiệm

H R-MP Chiều cao tạo hình của chi tiết dạng cốc trụ khi mô phỏng mm

H v Chiều cao tạo hình của chi tiết dạng cốc trụ (sử dụng FLC mm

download by : skknchat@gmail.com

H s Chiều cao tạo hình của chi tiết dạng cốc trụ (sử dụng FLC mm

được xây dựng dựa trên mô hình của Swift trong môphỏng số)

H kt Chiều cao tạo hình của chi tiết dạng cốc trụ (sử dụng FLC mm

được xây dựng dựa trên mô hình của Kim-Tuan trong môphỏng số)

∆ ; ∆ ; ∆ Sai lệch về chiều cao tạo hình chi tiết dạng cốc trụ khi sử %

dụng mô hình tương ứng Voce; Swift; Kim-Tuan

H FLC Chiều cao tạo hình của chi tiết dạng cốc trụ khi sử dụng mm

FLC khác nhau

H STL Chiều cao tạo hình của chi tiết dạng cốc trụ khi sử dụng mm

FLC theo phương pháp tỷ lệ

H SDX Chiều cao tạo hình của chi tiết dạng cốc trụ khi sử dụng mm

FLC theo phương pháp đề xuất mới

∆ ; ∆ Sai lệch về chiều cao tạo hình chi tiết dạng cốc trụ khi sử %

dụng FLC theo phương pháp tỷ lệ và phương pháp đề xuấtmới

∆ Sai lệch về chiều cao tạo hình chi tiết dạng cốc trụ khi thay %

đổi mức độ dập vuốt

∆ Sai lệch về chiều cao tạo hình chi tiết dạng cốc trụ khi thay %

đổi bán kính cong của chày

∆ Sai lệch về chiều cao tạo hình chi tiết dạng cốc trụ khi thay %

đổi lực chặn phôi

∆ Sai lệch về chiều cao tạo hình chi tiết dạng cốc trụ khi thay %

đổi nhiệt độ

từ mô hình tại nhiệt độ phòng

từ mô hình tại nhiệt độ khác nhau

t k Chiều dày lớn nhất của phần vành tại ổ biến dạng mm

∆ Sai lệch về phân bố chiều dày của chi tiết dạng cốc trụ %

t MP Chiều dày chi tiết dạng cốc trụ khi mô phỏng mm

t TN Chiều dày chi tiết dạng cốc trụ khi thực nghiệm mm

t min Chiều dày nhỏ nhất của chi tiết dạng cốc trụ mm

t TB Chiều dày trung bình của chi tiết dạng cốc trụ mm

y0

S u

Sll

F

Tốc độ của dụng cụ gây

biến dạng

m m /s

-Biến dạng hướng tiếp

Ứng suất theo các

phương

M P a

Tỷ lệ biến dạng

Ứng suất tương đương

M P a

Ứng suất thủy tĩnh

M P a

Ứng suất tương đương

Von Mises

M P a

Các tham số bất đẳng

hướng Hill

Hệ số dị hướng theo phương cán, phương ngang vuông

góc với hướng cán và theo phương 450

Tỷ lệ ứng suất theo hai phương chính

Biểu thị độ dốc của đường cong cứng hóa MPa

Giá trị LankfordChỉ số ứng suất theo ba phươngCác hệ số trong phương trìnhCác hệ số trong phương trình

Cảm biến nhiệt độ trên cối dập vuốt 0 C

Cảm biến nhiệt độ trên tấm chặn phôi 0 C

Cảm biến nhiệt độ trên tấm đế cối dập vuốt 0 C

Cảm biến nhiệt độ trên chày dập vuốt 0 C

Analysis of Variance – Phân tích phương saiSignal – to – Nooise ratio – Tỷ số tín hiệu trên nhiễuBình phương độ lệch

Các giá trị kiểm tra của các thực nghiệm rGiá trị tiêu chuẩn hoặc giá trị mục tiêuPhương sai dư

Phương sai lặp

Hệ số Fisher

viii

download by : skknchat@gmail.com

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1 1 Các tham số trích dẫn [42-43] 11

Bảng 1 2 Các tính năng của phương pháp gia nhiệt được sử dụng để dập nóng 23

Bảng 2 1 Mô hình phá hủy vật liệu kim loại 38

Bảng 2 2 Mô hình thuộc tính vật liệu 44

Bảng 2 3 Thuộc tính của SPCC tại nhiệt độ phòng 48

Bảng 2 4 Thuộc tính của SPCC tại nhiệt độ khác nhau 49

Bảng 2 5 Các thông số của phương trình Swift, Voce và Kim-Tuan cho vật liệu SPCC 51 Bảng 2 6 Các hệ số được xác định ở ba chế độ tạo hình, dựa trên hàm ứng suất Hill’s 1948 53 Bảng 2 7 Biến dạng phá hủy tương đương với các mô hình vật liệu 54

Bảng 2 8 Biến dạng chính – phụ với các mô hình vật liệu 54

Bảng 2 9 Biến dạng tương đương và chỉ số ứng suất theo 3 phương 58

Bảng 2 10 Biểu thị chỉ số ứng suất theo 3 phương và tỷ số biến dạng 58

Bảng 2 11 Các thông số thu được bằng cách giải hệ phi tuyến phương trình 58

Bảng 2 12 Giá trị phá hủy tại các nhiệt độ khác nhau của vật liệu SPCC 59

Bảng 2 13 Biến dạng chính – phụ tại các nhiệt độ khác nhau 60

Bảng 2 14 Biến dạng tương đương tại các nhiệt độ và chỉ số ứng suất theo 3 phương của các mẫu dập bởi mô hình chày dập kéo dài Hecker’s 61

Bảng 2 15 Các thông số thu được bằng cách giải hệ phi tuyến phương trình 61

Bảng 3 1 Bảng thành phần hóa học của vật liệu SPCC ( tiêu chuẩn JIS-G3141) 66

Bảng 3 2 Thông số của máy ép thủy lực bốn trụ đôi Y28-200 67

Bảng 3 3 Tính chất của vật liệu chế tạo khuôn 68

Bảng 3 4 Các thông số hình học và công nghệ, vật lý cố định của quá tình dập vuốt chi tiết dạng cốc trụ 75

Bảng 3 5 Các hằng số của Phương trình 3.1 78

Bảng 3 6 Các mức nhiệt độ dùng trong quá trình thực nghiệm 79

Bảng 3 7 So sánh chiều cao tạo hình giữa mô phỏng và thực nghiệm 80

Bảng 3 8 Kết quả so sánh về chiều cao tạo hình của chi tiết dạng cốc trụ khi mô phỏng và thực nghiệm 82

ix

download by : skknchat@gmail.com

Bảng 3 9 Tên thực nghiệm và tham số quá trình khi nghiên cứu về lực chặn phôi 83

Bảng 3 10 Sai lệch giữa mô phỏng và thực nghiệm về chiều cao tạo hình của chi tiết dạng cốc trụ khi thay đổi lực chặn phôi 85

Bảng 3 11 Tên thực nghiệm và các tham số quá trình khi thay đổi mức độ dập vuốt 86

Bảng 3 12 Ảnh hưởng của mức độ dập vuốt đến chiều cao tạo hình của cốc trụ thông qua thực nghiệm và mô phỏng 87

Bảng 3 13 Tên thực nghiệm và các tham số quá trình khi thay đổi bán kính cong của chày dập vuốt 87

Bảng 3 14 Sai lệch giữa mô phỏng và thực nghiệm về chiều cao tạo hình chi tiết dạng cốc trụ khi thay đổi bán kính cong của chày 88

Bảng 3 15 Tên thực nghiệm và tham số quá trình khi nghiên cứu về nhiệt độ 89

Bảng 3 16 Ảnh hưởng của nhiệt độ đến chiều cao tạo hình chi tiết thông qua mô phỏng và thực nghiệm 90

Bảng 3 17 Ảnh hưởng của lực chặn phôi đến sự phân bố chiều dày của chi tiết dạng cốc 92 Bảng 3 18 Sai lệch giữa mô phỏng FE và thực nghiệm về phân bố chiều dày của chi tiết dạng cốc trụ tại nhiệt độ phòng 94

Bảng 3 19 Sai lệch giữa mô phỏng và thực nghiệm về phân bố chiều dày của chi tiết dạng cốc trụ tại nhiệt độ khác nhau 96

Bảng 3 20 So sánh giữa kết quả mô phỏng về phân bố chiều dày của chi tiết dạng cốc trụ tại các nhiệt độ 97

Bảng 4 1 Các thông số đầu vào (FBH, Rp, Mt) và đầu ra (HR1) 100

Bảng 4 2 Các thông số đầu vào (FBH, Rp, T) và đầu ra (HR2) 100

Bảng 4 3 Các thông số đầu vào (FBH, Rp, T) và đầu ra (tp) 100

Bảng 4 4 Kiểu đặc tính chất lượng các chỉ tiêu đánh giá chi tiết dạng cốc trụ 102

Bảng 4 5 Tham số và các mức độ tại nhiệt độ phòng 102

Bảng 4 6 Mảng trực giao L9 khi gia công dập vuốt tại nhiệt độ phòng 102

Bảng 4 7 Ma trận thực nghiệm khi gia công thông thường tại nhiệt độ phòng 102

Bảng 4 8 Tham số và các mức độ tại nhiệt độ khác nhau 103

Bảng 4 9 Mảng trực giao L9 khi dập vuốt có gia nhiệt khi nghiên cứu đầu ra là chiều cao tạo hình 103

Bảng 4 10 Ma trận thực nghiệm dập vuốt có gia nhiệt khi nghiên cứu đầu ra là chiều caotạo hình 103Bảng 4 11 Tham số và các mức độ tại nhiệt độ khác nhau 104Bảng 4 12 Mảng trực giao L9 khi dập vuốt có gia nhiệt khi thông số đầu ra là chiều dàyphân bố của chi tiết dạng cốc trụ 104Bảng 4 13 Ma trận thực nghiệm dập vuốt có gia nhiệt khi thông số đầu ra là chiều dàyphân bố của chi tiết dạng cốc trụ 104Bảng 4 14 Kết quả mô phỏng mối quan hệ giữa các thông số (FBH, Rp, Mt) đến chiều caotạo hình của chi tiết dạng cốc trụ trong dập vuốt 106Bảng 4 15 Kết quả ANOVA cho chiều cao tạo hình HR-MP 106Bảng 4 16 Bảng phân tích phương sai ANOVA các yếu tố ảnh hưởng tới chiều cao tạohình 108Bảng 4 17 So sánh chiều cao tạo hình giữa hồi quy và thực nghiệm 109Bảng 4 18 Kết quả mô phỏng mối quan hệ giữa các thông số (FBH, Rp, T) đến chiều caotạo hình của chi tiết dạng cốc trụ trong dập vuốt 111Bảng 4 19 Kết quả ANOVA cho chiều cao tạo hình HR-MP 111Bảng 4 20 Bảng phân tích phương sai ANOVA các yếu tố ảnh hưởng tới chiều cao tạohình 114Bảng 4 21 So sánh chiều cao tạo hình giữa hồi quy và thực nghiệm 115Bảng 4 22 Kết quả đo phân bố chiều dày tại 8 điểm của chi tiết dạng cốc trụ tại 9 thựcnghiệm 116Bảng 4 23 Kết quả nghiên cứu mối quan hệ giữa các thông số (FBH, Rp, T) đến chiều dàycủa chi tiết dạng cốc trụ khi dập vuốt 117Bảng 4 24 Kết quả ANOVA cho phân bố chiều dày của chi tiết dạng cốc trụ 117Bảng 4 25 Sai lêch về phân bố chiều dày của chi tiết dạng cốc trụ với bộ thông số hợp lý.119

xi

download by : skknchat@gmail.com

DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH, ĐỒ THỊ

Hình 1 1 Sơ đồ phân loại trong dập tấm [39] 6

Hình 1 2 Các chi tiết dạng tròn xoay 6

Hình 1 3 Các chi tiết dạng hộp và dạng cốc 6

Hình 1 4.Các chi tiết khung, vỏ ô tô được chế tạo bằng công nghệ dập tấm 7

Hình 1 5 Sơ đồ các nguyên công trong dập vuốt [39] 7

Hình 1 6 Sơ đồ dập vuốt xuôi với cối cố định 9

Hình 1 7 Sơ đồ dập vuốt xuôi với chày cố định 9

Hình 1 8 Sơ đồ quá trình dập vuốt ngược trên máy ép thủy lực 9

Hình 1 9 Các thiết bị chính sử dụng để dập vuốt 10

Hình 1 10 Các thông số hình học cơ bản của khuôn dập vuốt chi tiết dạng cốc trụ có vành 10

Hình 1 11 Sơ đồ phân chia bề mặt chi tiết thành các phần tử hình học đơn giản 12

Hình 1 12 Trình tự dập vuốt [43] 13

Hình 1 13 Các khu vực ma sát khi dập vuốt chi tiết dạng cốc [42, 44-45] 14

Hình 1 14 Hình trụ rỗng khai triển và các tam giác xen kẽ [2] 15

Hình 1 15 Sự phụ thuộc của áp lực riêng vào chiều dày của phôi ứng với các mức độ dập vuốt Mt 16

Hình 1 16 Vùng làm việc của lực chặn phôi trong dập vuốt 17

Hình 1 17Sản phẩm dập bị rách [6] 17

Hình 1 18Sản phẩm dập bị nhăn vành [7] 18

Hình 1 19Chiều cao sản phẩm không đồng đều 18

Hình 1 20Bề mặt cốc trụ bị cào xước sau khi dập [14] 19

Hình 1 21 Sản phẩm không đạt được kích thước chính xác do hiện tượng đàn hồi ngược [14] 19

Hình 1 22 Chiều dày thành sản phẩm biến mỏng không đồng đều 20

Hình 1 23 (a) Lò nung con lăn được sử dụng chủ yếu trong dập nóng [21] và (b) lò nhiều buồng, nhiều tầng nhỏ gọn để dập nóng 21

Hình 1 24 Phôi được gia nhiệt bằng lò nung [21] 21

Hình 1 25 (a) Thiết bị nung hồng ngoại (b) Tấm uốn cong với nhiệt độ nung khác nhau [22] 21

Hình 1 26 Nguyên lý gia nhiệt cảm ứng và (b) Phôi gia nhiệt cảm ứng cho dập nóng [24] 22

Hình 1 27 Phôi gia nhiệt điện trở được bố trí tách rời với khuôn dập [27] 22

Hình 1 28 Phôi được gia nhiệt bằng điện trở tích hợp cùng khuôn [27] 23

Hình 1 29 Gia nhiệt tiếp xúc [14] 23

Hình 1 30 Mô hình gia nhiệt trên khuôn dập vuốt 24

Hình 1 31 Mô hình gia nhiệt bằng tủ gia nhiệt lắp cùng bộ khuôn và máy dập [41] 24

Hình 1 32 Ảnh chụp mẫu vật dập cho các Mt khác nhau; (a) có rung siêu âm và (b) không có rung siêu âm 26

Hình 1 33 Biểu đồ về lực dập và mức độ dập vuốt 26

Hình 1 34 Kết quả phân tích FE; (a) hình dạng biến dạng (b) sơ đồ so sánh 27

Hình 1 35 Dự đoán hệ số ma sát; (a) mối quan hệ giữa hệ số ma sát và lực dập lớn nhất (b) các hệ số ma sát dự đoán và % chênh lệch 27

Hình 1 36 Sơ đồ của trình tự quá trình dập vuốt khi gia nhiệt ấm 29

Hình 1 37 Thay đổi Mt với nhiệt độ cối và nhiệt độ tấm chặn phôi 29

Hình 1 38 Sơ đồ thiết lập thực nghiệm quá trình dập vuốt gia nhiệt ấm 30

Hình 1 39 Xác định chiều cao của chi tiết dạng cốc: (a) đẳng nhiệt và (b) không đẳng nhiệt trong dập vuốt 30

Hình 1 40 Mô hình thực nghiệm Erichsen [62] 31

Hình 1 41 Mô hình thực nghiệm Marciniak và Nakazima [18] 31

Hình 1 42 Mẫu thực nghiệm xác định các điểm giới hạn tạo hình 32

Hình 1 43 Đường cong giới hạn tạo hình được xây dựng từ thực nghiệm [64] 32

Hình 2 1 Đường cong ứng suất biến dạng của vật liệu giòn và vật liệu dẻo [68] 35

Hình 2 2 Sự hình thành mầm, phát triển và hợp nhất lỗ trống trong vật liệu dẻo a) sự xâm nhập trong ma trận dẻo, b) sự tạo mầm các lỗ trống, c) sự phát triển lỗ trống, d) biến dạng trong vùng giữa các lỗ trống e) sự thắt hẹp giữa các lỗ trống, f) sự liên kết giữa các lỗ trống và phá hủy [68] 36

Hình 2 3 Sơ đồ cho thấy sự biến đổi giữa ba thành phần: Thành phần hỗn hợp của biến dạng tương đương và ứng suất theo 3 phương; biến dạng chính; ứng suất chính 40 Hình 2 4 Vị trí phá hủy BW biến đổi vào không gian của các biến dạng chính phá hủy 42

xiii

download by : skknchat@gmail.com

Hình 2 5 Sự biến đổi mô hình phá hủy BW trong không gian của các biến dạng chính(nhánh I) 42Hình 2 6 Đường cong ứng suất biến dạng của thép 44Hình 2 7 (a) Sơ đồ minh họa các hướng của ba mẫu được cắt từ tấm ban đầu và (b) kíchthước của mẫu thực nghiệm kéo đơn trục theo tiêu chuẩn ISO 6892 (Đơn vị: mm) 46Hình 2 8 Mẫu thực nghiệm kéo theo 3 hướng; a, song song với phương cán (RD-00); .46Hình 2 9 Thí nghiệm kéo mẫu ở nhiệt độ phòng trên máy kéo nén 47Hình 2 10 Thí nghiệm kéo mẫu ở nhiệt độ khác nhau trên máy kéo nén 47Hình 2 11 Đồ thị quan hệ giữa ứng suất và biến dạng tại nhiệt độ phòng theo 3 hướng:

RD-0 0 ; RD-45 0 ; TD-90 0 48Hình 2 12 Đồ thị quan hệ giữa ứng suất và biến dạng theo nhiệt độ phòng và nhiệt độ khácnhau 48Hình 2 13 Sơ đồ các bước xây dựng FLC tại các nhiệt độ khác nhau 49Hình 2 14 Phương pháp hoạ đồ để đự đoán đường cong giới hạn tạo hình của kim loại tấmSPCC 54Hình 2 15 FLC được tính toán dựa trên phương pháp họa đồ cho vật liệu tấm SPCC 55Hình 2 16 Kích thước của mẫu thử FLD của vật liệu SPCC 56Hình 2 17 Mô hình phần tử hữu hạn dùng trong mô phỏng trong ABAQUS 56Hình 2 18 Kết quả mô phỏng FE khi sử dụng phương pháp họa đồ để dự đoán FLC 56Hình 2 19 Mối quan hệ giữa chỉ số ứng suất theo 3 phương với biến dạng tương đương57

Hình 2 20 So sánh giới hạn tạo hình của mô hình Hecker’s và dự đoán FLC bằng phươngpháp họa đồ 57Hình 2 21 Đường cong chỉ số ứng suất theo 3 phương với tỷ số biến dạng 59Hình 2 22 Đồ thị đường cong về biến dạng phá hủy và chỉ số ứng suất theo 3 phương 59Hình 2 23 FLC tại nhiệt độ khác nhau của vật liệu SPCC theo phương pháp tỷ lệ 60Hình 2 24 Đường cong phá hủy với các điểm phá hủy từ mô phỏng tại các nhiệt độ 61Hình 2 25 Đường cong giới hạn tạo hình tại nhiệt độ khác nhau được dự đoán theo phươngpháp đề xuất mới 62Hình 3 1 Sơ đồ khối hệ thống các mô đun chính 64Hình 3 2 Sơ đồ thực nghiệm dập vuốt có gia nhiệt trên máy ép thủy lực 65

Hình 3 3 Hình ảnh thực nghiệm dập vuốt có gia nhiệt trên máy ép thủy lực 150T 65

Hình 3 4 Phôi tấm vật liệu SPCC chiều dày t=0,6mm 66

Hình 3 5 Bộ dụng cụ thực nghiệm và các sản phẩm dập 67

Hình 3 6 Mô hình sản phẩm nghiên cứu 68

Hình 3 7 Bộ khuôn dập vuốt chi tiết dạng cốc trụ 69

Hình 3 8 Các chi tiết của bộ khuôn dập vuốt 69

Hình 3 9 Thanh nhiệt điện trở một đầu 70

Hình 3 10 Kết nối giữa máy tính với bộ thu thập dữ liệu USB-4718 71

Hình 3 11 Thước đo độ cao Mitutoyo 192-132 71

Hình 3 12 Sơ đồ đo chiều cao tạo hình chi tiết dạng cốc trụ 72

Hình 3 13 Thiết bị đo (kính hiểm vi Axiovert 40 MAT) 73

Hình 3 14 Các bước chuẩn bị mẫu trước khi đo chiều dày 73

Hình 3 15 Mô hình 3D của phần tử hữu hạn trong phần mềm ABAQUS 74

Hình 3 16 Mô hình gia nhiệt và đo nhiệt cho bộ khuôn dập vuốt 76

Hình 3 17 Sơ đồ thực nghiệm gia nhiệt và đo nhiệt cho bộ khuôn dập vuốt 77

Hình 3 18 Sự tiến triển nhiệt độ tại các vị trí đặt cảm biến đối với phôi dập đầu tiên 78

Hình 3 19 Sự tiến triển nhiệt độ tại các vị trí đặt cảm biến đối với phôi dập tiếp theo 78

Hình 3 20 Chiều cao tạo hình của chi tiết dạng cốc trụ theo các mô hình vật liệu 80

Hình 3 21 Đồ thi so sánh giữa mô phỏng và thực nghiệm chiều cao tạo hình của chi tiết dạng cốc trụ 80

Hình 3 22 Vị trí các điểm biến dạng chính/ phụ trên chi tiết dạng cốc trụ 81

Hình 3 23 Chiều cao tạo hình của chi tiết dạng cốc trụ khi mô phỏng và thực nghiệm tại nhiệt độ 2500C 81

Hình 3 24 Đồ thị so sánh về chiều cao tạo hình của chi tiết dạng cốc trụ khi mô phỏng và thực nghiệm 82

Hình 3 25 Phân phối ứng suất tương đương tại các lực chặn phôi thông qua mô phỏng (a) FBH =7,5 kN và (b) FBH =17,5 kN 83

Hình 3 26 Chi tiết dập vuốt ở các lực chặn phôi khác nhau: 83

Hình 3 27 Chiều cao tạo hình của cốc trụ khi thay đổi lực chặn phôi a) Mô phỏng số; b) Thực nghiệm 84

Hình 3 28 Biểu đồ ảnh hưởng của lực chặn phôi đến chiều cao tạo hình của chi tiết dạng cốc trụ 85

xv

download by : skknchat@gmail.com

Hình 3 29 Chiều cao tạo hình của cốc trụ khi thay đổi mức độ dập vuốt 86

Hình 3 30 Ảnh hưởng của mức độ dập vuốt đến chiều cao tạo hình của chi tiết dạng cốc trụ trong dập vuốt vật liệu SPCC 87

Hình 3 31 Chiều cao tạo hình của chi tiết dạng cốc trụ khi thay đổi bán kính cong của chày a) Mô phỏng số; b) Thực nghiệm 88

Hình 3 32 Biểu đồ ảnh hưởng của bán kính cong của chày đến chiều cao tạo hình của chi tiết dạng cốc trụ 89

Hình 3 33 Chiều cao tạo hình của chi tiết khi thay đổi nhiệt độ 90

Hình 3 34 Ảnh hưởng của nhiệt độ đến chiều cao tạo hình của chi tiết dạng cốc trụ trong dập vuốt vật liệu SPCC 90

Hình 3 35 Chiều cao tạo hình của chi tiết dạng cốc trụ khi mô phỏng dập vuốt tại các nhiệt độ từ 25 0C đến 4000C 91

Hình 3 36 Xác định chiều dày phân bố chi tiết dạng cốc trụ 92

Hình 3 37 Phân bố chiều dày của chi tiết dạng cốc trụ với lực lực chặn phôi khác nhau 93 Hình 3 38 Chi tiết dạng cốc trụ khi dập sâu tại nhiệt độ khác nhau 94

Hình 3 39 Đồ thị sai lệch về phân bố chiều dày của chi tiết dạng cốc trụ tại nhiệt độ phòng 95 Hình 3 40 Đồ thị sai lệch về phân bố chiều dày của chi tiết dạng cốc trụ tại nhiệt 1500C 96 Hình 3 41 Đồ thị sai lệch về phân bố chiều dày của chi tiết dạng cốc tại nhiệt 2500C 96

Hình 3 42 Đồ thị sai lệch về chiều dày phân bố của chi tiết dạng cốc trụ khi mô phỏng tại các nhiệt độ 98

Hình 4 1 Hình ảnh chiều cao tạo hình của chi tiết dạng cốc trụ khi mô phỏng với bộ thông số (FBH, Rp, Mt) 105

Hình 4 2 Biểu đồ phân mức các tham số đến chiều cao tạo hình HR-MP 106

Hình 4 3 Biểu đồ mức độ ảnh hưởng các tham số đến chiều cao tạo hình HR-MP 107

Hình 4 4 Hình ảnh kết quả mô phỏng và thực nghiệm với bộ tham số phù hợp 107

Hình 4 5 Biểu đồ ảnh hưởng của các thông số đến chiều cao tạo hình 109

Hình 4 6 Hình ảnh các mẫu thực nghiệm kiểm chứng mô hình toán phương trình (4.6) 109 Hình 4 7 Đồ thị so sánh chiều cao tạo hình xác định từ hàm hồi quy và thực nghiệm 110

Hình 4 8 Kết quả chiều cao tạo hình của chi tiết dạng cốc trụ khi mô phỏng với bộ thông

số (FBH, Rp, T) 111

Hình 4 9 Kết quả tỷ lệ S/N của từng tham số ảnh hưởng đến HR-MP 112

Hình 4 10 Biểu đồ mức độ ảnh hưởng các tham số đến chiều cao tạo hình HR-MP 112

Hình 4 11 Kết quả mô phỏng với bộ tham số tối ưu 113

Hình 4 12 Ảnh hưởng của các thông số (FBH, Rp, T) đến chiều cao tạo hình của chi tiết dạng cốc trụ 114

Hình 4 13 Hình ảnh các mẫu thực nghiệm kiểm chứng mô hình toán phương trình (4.8) 115 Hình 4 14 Đồ thị so sánh chiều cao tạo hình giữa hồi quy và thực nghiệm 115

Hình 4 15 Phân bố chiều dày của chi tiết dạng cốc trụ từ mô phỏng FEA 117

Hình 4 16 Tỷ lệ S / N thay đổi ở các mức khác nhau 118

Hình 4 17 Biểu đồ mức độ ảnh hưởng các tham số đến chiều dày phân bố tp của 118

Hình 4 18 Chi tiết dạng cốc trụ khi dập sâu với bộ thông số hợp lý 119

Hình 4 19 Phân bố chiều dày của chi tiết dạng cốc trụ với bộ thông số hợp lý 120

xvii

download by : skknchat@gmail.com

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài nghiên cứu

Lĩnh vực sản xuất phụ tùng ô tô giữ vai trò quan trọng đối với sự phát triển côngnghiệp và thúc đẩy tích cực những ngành có liên quan như: kim loại, điện tử, cơ khí,hóa chất, v.v Điều này góp phần tạo động lực để Việt Nam xây dựng công nghiệp hóa

- hiện đại hóa và phát triển nền kinh tế

Trong công nghệ sản xuất ô tô, các chi tiết khung và vỏ chiếm số lượng lớn, các chitiết này thường được chế tạo bằng phương pháp dập tấm [1-5] với nhiều loại vật liệu khácnhau Một số doanh nghiệp trong nước sản xuất các chi tiết phụ trợ cho ngành côngnghiệp ô tô ví dụ như chi tiết cốc lọc nhiên liệu dùng cho xe ô tô đã được nhiều doanhnghiệp trong nước sản xuất với số lượng lớn, cốc lọc này được làm từ vật liệu tấm SPCC(tiêu chuẩn JIS G3141) Trong quá trình chế tạo chi tiết cốc lọc thường xảy ra các sai hỏngtại nguyên công dập vuốt, sản phẩm bị nhăn và rách [6-11] như Hình 1 Ngoài ra trongdập vuốt, kích thước về chiều cao của sản phẩm không đồng đều [12-13], sản phẩm khôngđạt được kích thước chính xác do độ đàn hồi ngược [14-15], chiều dày của sản phẩm biếnmỏng không đồng đều [16], bề mặt sản phẩm bị cào xước [14]

a) Chi tiết bị nhăn vành b) Chi tiết bị rách

Hình 1 Hiện tượng phế phẩm xảy ra trong dập vuốt cốc lọc nhiên liệu

vật liệu SPCC (tiêu chuẩn JIS-G3141)

Để giảm thiểu những sai hỏng và tăng chất lượng sản phẩm dập, yêu cầu các nhànghiên cứu phải tìm ra những giải pháp công nghệ mới hỗ trợ cho quá trình dập như:tối ưu các thông số công nghệ, hình học, vật lý cuả quá trình dập bằng mô phỏng số để

dự đoán khả năng tạo hình của sản phẩm trước khi chế tạo Đồng thời trong mô phỏng

số, để dự báo các hiện tượng rách, nứt trên chi tiết dập thì đường cong giới hạn tạohình FLC [17-20] của vật liệu là dữ liệu đầu vào rất quan trọng

Hiện nay khi dập vuốt các vật liệu có độ cứng cao, việc gia nhiệt để tăng khả năngtạo hình của vật liệu cũng là một giải pháp để nâng cao chất nượng sản phẩm Gia côngdập vuốt có hỗ trợ nhiệt là một phương pháp gia công tiên tiến được áp dụng trong cácnghiên cứu với những phương pháp gia nhiệt khác nhau sử dụng lò gia nhiệt bằng điện

pháp cảm ứng điện từ [24], gia nhiệt bằng thanh nhiệt điện trở [24-30], gia nhiệt tiếpxúc [14] Bên cạnh đó, các nghiên cứu cơ nhiệt [31-36] được thực hiện để đánh giá quátrình biến dạng dẻo dưới tác dụng của nhiệt độ.

Có rất nhiều các nghiên cứu ở nước ngoài về phương pháp gia nhiệt trong gia côngtạo hình vật liệu tấm, đối với các phương pháp gia nhiệt khác nhau và các vật liệu khácnhau Đây là phương pháp gia công được ứng dụng hiệu quả trong nền sản xuất hiện đạivới sự phát triển của các loại vật liệu mới Các nghiên cứu tập trung đi sâu vào nghiên cứuảnh hưởng của các thông số công nghệ, hình học, vật lý, đường cong giới hạn tạo hình(FLC) của vật liệu tấm, quá trình gia nhiệt tới tạo hình của vật liệu tấm thông qua môphỏng và thực nghiệm Tuy nhiên việc nghiên cứu về ảnh hưởng của các thông số này đốivới vật liệu SPCC [37-38] đến các thông số đầu ra như chiều cao tạo hình khi chi tiết bắt

đầu xuất hiện rách H R và chiều dày phân bố chi tiết cốc trụ t P trong dập vuốt có hỗ trợ gianhiệt còn rất hạn chế Đặc biệt là việc tối ưu hóa các tham số cho các chỉ tiêu đánh giákhác nhau cần được nghiên cứu để xây dựng các bộ tham số phù hợp phục vụ cho quátrình thiết kế, chế tạo bộ khuôn Từ đó ứng dụng vào gia công dập vuốt chi tiết dạng cốcvật liệu SPCC Đây là nhiệm vụ quan trọng, để nâng cao chất lượng, giảm sai hỏng trong

gia công dập vuốt Vì vậy, đề tài “Nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số công nghệ

và nhiệt độ đến biến dạng tạo hình khi dập vuốt chi tiết dạng cốc từ vật

liệu SPCC” là hết sức cần thiết đối với sự phát triển của ngành công nghiệp cơ khí nói

chung và công nghiệp gia công tấm nói riêng

2 Mục đích, đối tượng và phạm vi nghiên cứu

2.2 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

+ Đối tượng nghiên cứu:

2

download by : skknchat@gmail.com

Chi tiết dạng cốc trụ, vật liệu SPCC (tiêu chuẩn JIS-G3141) có kích thước nhưHình 2 Chi tiết được dập vuốt tại nhiệt độ phòng và nhiệt độ khác nhau trên máy épthuỷ lực.

Hình 2 Kích thước chi tiết dạng cốc trụ

Thông số đầu ra trong dập vuốt

bắt đầu xuất hiện rách

dạng cốc trụ

3 Phương pháp nghiên cứu.

Thực hiện phương pháp lý thuyết kết hợp với mô phỏng, thực nghiệm, so sánh đánhgiá giữa mô phỏng và thực nghiệm

4 Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn của đề tài + Ý nghĩa khoa học

- Khắc phục được những sai hỏng (rách, nhăn, biến mỏng) xảy ra khi dập vuốt chi tiết chi tiết cốc trụ vật liệu SPCC bằng giải pháp gia công có hỗ trợ nhiệt độ;

- Xây dựng đường cong giới hạn tạo hình (FLC) của vật liệu SPCC tại các nhiệt độ khác nhau, đáp ứng độ chính xác cao trong mô phỏng số;

- Xây dựng mô hình toán học để xác định nhiệt độ phôi dập bằng thực nghiệm;

- Phân tích được ảnh hưởng của lực chặn phôi, bán kính cong của chày, mức độ dập

vuốt, nhiệt độ phôi đến chiều cao tạo hình H R và chiều dày phân bố t P của chi tiết dạngcốc;

- Xây dựng các mô hình toán học thể hiện ảnh hưởng của các thông số đầu vào gồm

có lực chặn phôi, bán kính chày, mức độ dập vuốt, nhiệt độ phôi đến chỉ tiêu đánh giá

đầu ra là chiều cao tạo hình H R của chi tiết dạng cốc

5 Những đóng góp mới của đề tài

- Đã phân tích và làm rõ hiệu quả của quá trình gia nhiệt đến chiều cao tạo hìnhkhi dập vuốt nói chung và xây dựng được mô hình hệ thống thực nghiệm dập vuốt chi tiếtcốc trụ;

- Đã xây dựng được mô hình toán học của nhiệt độ phôi dập theo thời gian, đểxác định các mức nhiệt độ tương ứng với các thời điểm nhất định trong thực nghiệm quátrình dập vuốt chi tiết dạng cốc trụ;

- Đã xây dựng được đường cong giới hạn tạo hình FLC của vật liệu SPCC tại nhiệt

độ phòng dựa trên tiêu chuẩn trở lực tối đa được sửa đổi MMFC; qua đó đề xuấtđược phương pháp dự đoán đường cong giới hạn tạo hình tại nhiệt độ cao;

- Đã phân tích được ảnh hưởng của các thông số công nghệ, nhiệt độ đến chiềucao tạo hình và chiều dày phân bố của chi tiết dạng cốc trụ khi dập vuốt Đồng thời, các

bộ tham số công nghệ tối ưu được xây dựng cho các chỉ tiêu đánh giá đầu ra khác nhau;

- Đã xây dựng được mô hình toán học miêu tả ảnh hưởng của các thông số côngnghệ đến chiều cao tạo hình của chi tiết cốc trụ vật liệu SPCC khi dập vuốt thông thường

và khi dập vuốt có hỗ trợ bởi nhiệt độ dựa trên phương pháp mô phỏng số và được kiểmchứng bằng thực nghiệm

6 Cấu trúc của nội dung luận án

Các nội dung nghiên cứu của luận án được trình bày trong 4 chương như sau:Chương 1 Tổng quan về công nghệ dập vuốt có gia nhiệt

Chương 2 Cơ sở lý thuyết về phá hủy vật liệu và xây dựng đường cong giới hạn tạo hình của vật liệu SPCC tại các nhiệt độ khác nhau

Chương 3 Nghiên cứu mô phỏng và thực nghiệm ảnh hưởng của một số thông số đến chiều cao tạo hình và chiều dày phân bố của chi tiết dạng cốc trụ khi dập vuốt Chương

4 Xây dựng mô hình toán thể hiện ảnh hưởng của một số thông số đến chiều cao tạo hình và chiều dày phân bố chi tiết dạng cốc trụ khi dập vuốt

4

download by : skknchat@gmail.com

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ DẬP VUỐT CÓ GIA NHIỆT

1.1 Công nghệ dập tấm trong sản xuất cơ khí

Ngày nay, các phương pháp gia công kim loại dựa trên sự biến dạng của vật liệuchiếm một vị trí quan trọng với một tỷ trọng ngày càng tăng trong sản xuất cơ khí Chủngloại sản phẩm hết sức phong phú, đa dạng và được ứng dụng trong hầu hết các lĩnh vựccủa nền kinh tế và đời sống xã hội như xây dựng, giao thông vận tải, kỹ thuật điện và điện

tử, hoá chất, hàng kim khí gia dụng, quân sự, v.v Bên cạnh những phương pháp mangtính truyền thống chuyên sản xuất bán thành phẩm và tạo phôi như cán, rèn, ép, đã xuấthiện những phương pháp gia công cho phép chế tạo ra sản phẩm là những chi tiết hoànchỉnh không cần phải gia công tiếp theo, đặc biệt là những sản phẩm dập tấm

Công nghệ tạo hình kim loại tấm (dập tấm) là một sản phẩm của công nghệ gia côngkim loại bằng áp lực nhằm làm biến dạng kim loại tấm để nhận được các chi tiết có hìnhdạng và kích thước mong muốn Dập tấm được ứng dụng rộng rãi như vậy là do nó cónhiều ưu điểm nổi bật so với các loại hình công nghệ khác như: có thể cơ khí hoá và tựđộng hoá cao, năng suất rất cao, giá thành sản phẩm hạ, tiết kiệm nguyên vật liệu, đặc biệt

do quá trình biến dạng dẻo nguội làm cho độ bền của chi tiết tăng lên, v.v

Công nghệ dập tấm có những ưu điểm nổi bật như sau:

- Có thể thực hiện những công việc phức tạp bằng những động tác đơn giản của thiết bị

- Tiết kiệm được nguyên liệu, thuận lợi cho quá trình cơ khí hoá và tự động hoá do

đó năng suất lao động cao, hạ giá thành sản phẩm;

- Tận dụng được phế liệu, hệ số sử dụng vật liệu cao;

- Dập tấm không chỉ gia công những vật liệu là kim loại mà còn gia công những vậtliệu phi kim như: Tectolit (chất dẻo lớp), hêtinac (nhựa cách điện) và các loại chất dẻo

Dập tấm thường được thực hiện với phôi ở trạng thái nguội (nên còn được gọi

là dập nguội) khi chiều dày của phôi nhỏ (thường t < 4 mm) hoặc có thể dập phôi ở

trạng thái nóng khi chiều dày của vật liệu lớn

Tuỳ theo đặc điểm biến dạng, đặc điểm công nghệ, phương pháp tiến hành, v.v… dập tấm được phân loại như sơ đồ (Hình 1.1)

Hình 1 1 Sơ đồ phân loại trong dập tấm [39]

1.2 Công nghệ dập vuốt và những yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm dập vuốt

1.2.1 Khái quát về công nghệ dập vuốt

Dập vuốt là một trong những nguyên công nhằm biến đổi phôi phẳng hoặc phôi rỗng để tạo ra các chi tiết rỗng có hình dạng và kích thước cần thiết

Các chi tiết được dập vuốt thường có hình dạng rất khác nhau và được chia thành cácnhóm như sau:

- Nhóm các chi tiết có hình dạng tròn xoay Ví dụ như: các chi tiết dạng cốc; các loại thiết bị chiếu sáng như vỏ đèn, chụp đèn, v.v (Hình 1.2)

Hình 1 2 Các chi tiết dạng tròn xoay

- Nhóm các chi tiết có hình dạng hình hộp Ví dụ như: các thùng nhiên liệu, các loại vỏhộp, các thiết bị vỏ bọc trong các thiết bị điện tử, thiết bị đo, v.v…(Hình 1.3)

Hình 1 3 Các chi tiết dạng hộp và dạng cốc

6

download by : skknchat@gmail.com

- Nhóm các chi tiết có hình dạng phức tạp có trục đối xứng hoặc không đối xứng Ví

dụ như Hình 1.4: các chi tiết từ khung, vỏ ô tô, các chi tiết của máy kéo, máy bay v.v…

Hình 1 4.Các chi tiết khung, vỏ ô tô được chế tạo bằng công nghệ dập tấm

Các phương pháp dập vuốt được thực hiện qua nhiều nguyên công và được thể hiện như sơ đồ (hình 1.5)

Hình 1 5 Sơ đồ các nguyên công trong dập vuốt [39]

Theo đặc điểm công nghệ dập vuốt được chia thành hai loại [1]:

- Dập vuốt không biến mỏng thành có đặc điểm là chỉ giảm đường kính của phôi cònchiều dày thành của chi tiết hầu như không đổi Trong trường hợp này khe hở giữa chày

và cối của khuôn dập vuốt có trị số bằng hoặc lớn hơn chiều dày phôi: w c t

- Dập vuốt có biến mỏng, chiều dày của thành chi tiết sẽ bị giảm đi so với chiều dàycủa phôi ban đầu và đường kính của phôi cũng sẽ giảm đi một chút nhưng không đáng

kể Khi dập vuốt có biến mỏng, khe hở giữa chày và cối có trị số nhỏ hơn chiều dày phôi:

wC t

Theo phương pháp dập: Dập vuốt được chia ra làm hai loại đó là dập vuốtkhông có hệ thống chặn phôi và dập vuốt có sử dụng hệ thống chặn phôi [2] Trongquá trình dập vuốt không biến mỏng, phần mép vành của phôi có thể không kéo hếtvào trong cối đồng thời xuất hiện các ứng suất kéo và ứng suất nén Thành phầnứng suất nén sẽ tác động theo hướng tiếp tuyến (hướng vòng), vì vậy với một tỷ sốgiữa của đường kính chi tiết dập vuốt và đường kính phôi nhất định có thể gây rahiện tượng nhăn ở phần vành (hiện tượng mất ổn định ở phần vành) Điều đó sẽdẫn đến việc kéo các sóng nhăn này vào trong khe hở giữa chày và cối với ứng suấtkéo rất lớn gây ra phế phẩm hàng loạt do bị đứt đáy hoặc bị rách Để ngăn ngừa sựtạo nếp nhăn, trong các khuôn dập vuốt người ta thường sử dụng tấm chặn vật liệu,tấm chặn này có tác dụng ép phần vành của phôi vào bề mặt cối, chống lại sự tạonếp nhăn của vành phôi Do vậy, trong quá trình dập vuốt không biến mỏng người

ta còn chia làm hai dạng: dập vuốt có chặn phôi và không có chặn phôi

Dập vuốt được tiến hành trong các khuôn chuyên dùng bao gồm các bộ phậnlàm việc như: Cối có mép làm việc được bo cung, chày dập vuốt và tấm chặn vậtliệu Khi dập vuốt các chi tiết có chiều dày tương đối của phôi S/D lớn thì có thểkhông cần chặn vật liệu Trong dập vuốt có các kiểu khuôn dập như dập vuốt xuôi

sơ đồ Hình 1.6 có cối cố định, chày và tấm chặn phôi di chuyển theo phương thẳngđứng, sơ đồ dập vuốt Hình 1.7 có chày cố định, cối và chặn phôi di chuyển theophương thẳng đứng Còn như trong Hình 1.8 là sơ đồ dập vuốt ngược, mặt ngoàicủa phôi được kéo vào cùng phía với chày, mặt trong của phôi lộn ra ngoài.Phương pháp này tăng mức độ biến dạng sau một lần dập

Từ những nghiên cứu về khuôn dập vuốt, đề tài lựa chọn mô hình dập vuốt như

sơ đồ Hình 1.7 Từ đó thiết kế và gia công bộ khuôn phù hợp với định hướngnghiên cứu

8

download by : skknchat@gmail.com

Hình 1 6 Sơ đồ dập vuốt xuôi với cối cố định.

Hình 1 7 Sơ đồ dập vuốt xuôi với chày cố định

Hình 1 8 Sơ đồ quá trình dập vuốt ngược trên máy ép thủy lực

song động có đẩy dưới [2]

Nguyên công dập vuốt thực hiện phổ biến trên các loại thiết bị [40-41] như máy ép 2trục khuỷu (tác động kép), máy song động (mô hình 1.9a) hoặc máy tam động và máy épdập sâu có cơ cấu thực hiện được hành trình lớn Có nhiều dấu hiệu để phân loại máy ép

Theo cách này có hai nhóm máy ép: máy ép dập tấm và máy ép dập khối Máy ép trụckhuỷu dập tấm thường là máy vạn năng có không gian dập và số hành trình tương đốilớn Máy ép thủy lực tùy vào yêu cầu công nghệ mà có nhiều dạng khác nhau Ngàynay, do yêu cầu về năng suất, hành trình của máy lớn nên để tiết kiệm thời gian người

ta thiết kế các máy ép có tốc độ làm việc trong 1 chu trình là khác nhau như chế độkhông tải, chế độ xuống nhanh, chế độ ép, chế độ lên nhanh của đầu trượt Chính vìvậy trong nghiên cứu này đã sử dụng máy ép thủy lực phục vụ thực nghiệm dập vuốtchi tiết dạng cốc như mô hình 1.9b

Hình 1 9 Các thiết bị chính sử dụng để dập vuốt a) Mô hình máy ép trục khuỷu song động; b) Mô hình máy ép thủy lực song động

1.2.2 Xác định các thông số của quá trình dập vuốt

1.2.2.1 Thông số hình học của khuôn

Để thiết kế khuôn dập vuốt chi tiết dạng cốc trụ có vành, các thông số hình học

như trong Hình 1.10 Trong đó: R d là bán kính lượn của cối, R p là bán kính cong của

chày, t là chiều dày phôi và W c là khe hở giữa chày và cối

Hình 1 10 Các thông số hình học cơ bản của khuôn dập vuốt chi tiết dạng cốc trụ có

vành.

10

download by : skknchat@gmail.com

a) Bán bính lượn của cối R d và bán kính cong của chày R P

Bán kính lượn của cối R d có thể thay đổi với nhiều kích thước khác nhau Tuynhiên, bán kính cong của cối quá lớn thì thường tăng xu hướng nhăn, gấp của vật liệu,còn khi bán kính lượn của cối quá nhỏ sẽ làm tăng ma sát với phôi khi dập vuốt vàthường sẽ không đạt được kích thước tạo hình như mong muốn Bán kính cong của

chày R P xác định dựa trên chiều cao tạo hình chi tiết, mức độ dập và vật liệu dập vuốt

Các kích thước cơ bản được đề xuất cho bán kính lượn của cối và bán kính cong của

chày như trong Bảng 1.1:

Bảng 1 1 Các tham số trích dẫn [42-43]

Bán kính lượn của cối ( R ) R = (6 −10)t Đối với lần dập đầu tiên

Bán kính lượn của cối ( R d ) R

Bán kính cong của chày ( R p ) R p = (3 − 4)t Đối với 6, 3mm d p 100mm

R p = (4 − 5)t Đối với 100 mm d p 200mm

R p = (5 − 7)t Đối với 200mm d p b) Khe hở giữa chày và cối W C

Nếu khe hở giữa chày và cối quá rộng, vật liệu sẽ không tiếp xúc đồng thời với

cả hai bộ phận của khuôn, vì vậy khi dập vuốt thường xảy ra hiện tượng nhăn trên chitiết Khe hở giữa chày và cối nhỏ, khi dập vuốt xuất hiện nén vật liệu và gây biếnmỏng trên chi tiết

Khe hở giữa chày và cối được tính toán dựa trên chiều dày lớn nhất tK của phầnvành tại ổ biến dạng như công thức dưới đây [39]:

download by : skknchat@gmail.com

Đối với kim loại đẳng hướng, hệ số dị hướng R * =1 Khe hở W C giữa chày và cối

của khuôn dập vuốt có thể tính gần đúng W C = t K Giá trị chính xác hơn của khe hở W C

được xác định theo bảng trong sổ tay dập nguội

1.2.2.2 Đường kính của phôi tấm ban đầu D 0

Khi dập vuốt không biến mỏng, chúng ta có thể coi rằng: diện tích bề mặt của chitiết đã được dập vuốt cân bằng với diện tích bề mặt của phôi:

F chi tiết = F phôi

Đối với các chi tiết có dạng tròn xoay thì phôi đương nhiên có dạng hình tròn, vìvậy điều kiện cân bằng diện tích bề mặt giữa phôi và chi tiết khi chiều dày phôi không

đổi có dạng sau:

F chi tiết = 0,785. 2 (1.4)0

Do đó đường kính của phôi sẽ là:

Diện tích bề mặt chi tiết: F chi tiết được xác định bằng tổng diện tích của các phần

tử hình học đơn giản tạo thành chi tiết (Hình 1.11) và Phương trình (1.7) Đường kínhphôi được xác định như Phương trình (1.6)

Hình 1 11 Sơ đồ phân chia bề mặt chi tiết thành các phần tử hình học đơn giản.

Trong đó: F 1 , F 2 , F n - diện tích hình học của các phần từ hình học đơn giản tạo thành chi tiết; Fi là diện tích bề mặt (Hình 1.11) và D o là đường kính của phôi ban đầu

1.2.2.3 Mức độ dập vuốt M t

Trong quá trình dập chi tiết dạng cốc trụ cần xác định mức độ dập vuốt, mức độdập vuốt được xác định theo tỷ lệ giữa đường kính của phôi ban đầu với đường kínhcủa phần được dập Mức độ dập vuốt được xác định theo công thức dưới đây

(1.8)(1.9)

Với một số lần dập vuốt, tổng mức độ dập vuốt trở thành một tích các tỷ lệ của các lầndập riêng biệt

1.2.2.4 Chiều cao của chi tiết dạng cốc trụ

Có thể đạt được chiều cao tối đa từ kích thước của phôi ban đầu để tính gần đúng.Trong đó bán kính cong của chày dập vuốt và chiều dày của cốc dập bằng chiều dày củaphôi Dưới đây là chiều cao của chi tiết dạng cốc cho trạng thái biến dạng đầu tiên [43]

Trong đó: h là chiều cao của chi tiết dạng cốc trong trường hợp dập một lần, D là

đường kính phôi, d là đường kính trung bình của chi tiết dạng cốc trong trường hợpdập một lần

Chiều cao của chi tiết dạng cốc tại lần dập thứ n được tính như sau:

Trong đó, d

n là đường kính của phôi của trạng thái biến dạng thứ n,t

n là chiều dàycủa cốc sau khi dập, t

là chiều dày ban đầu của phôi

Hình 1 13 Các khu vực ma sát khi dập vuốt chi tiết dạng cốc [42, 44-45]

Trong đó (A) khu vực ma sát giữa phôi, tấm chặn phôi và cối ; (B) khu vực ma sátgiữa phôi và bán kính lượn của cối; (C ) khu vực ma sát giữa phôi và chày

a) Ma sát trong khi dập vuốt chi tiết dạng cốc

Trong quá trình dập vuốt, lực ma sát [46] vừa có lợi, vừa có hại đến khả năng tạohình của bán thành phẩm Khi dập vuốt trong khuôn cứng, lực ma sát ngoài giữa cối,tấm chặn phôi với phôi có tác dụng xấu, trong khi lực ma sát ngoài giữa chày và phôilại có tác dụng thúc đẩy quá trình tạo hình Để tăng khả năng tạo hình cho đa số quy

14

download by : skknchat@gmail.com

trình công nghệ dập tấm đến mức cao nhất, phải tìm kiếm những phương thức để tăng(khi cần) hoặc hạn chế ảnh hưởng của ma sát ngoài.

Để giảm ma sát ngoài, cách hiệu quả nhất trong dập tấm là sử dụng các chất bôi trơnkhác nhau như chất khí, lỏng hay dẻo – nhớt làm môi trường, cũng có khi dùng huyền phùhỗn hợp gồm các phần tử rắn có độ phân tán cao ở dạng bột pha trong chất lỏng và cácmôi trường dẻo –nhớt khác Trong nghiên cứu này, dầu công nghiệp được dùng trong thựcnghiệm dập vuốt chi tiết dạng cốc Các hệ số ma sát trong khi dập vuốt sử dụng trong môphỏng số được tham khảo theo các nghiên cứu [42, 47-48] với ma sát

giữa chày và phôi là µ p = 0, 25 ; hệ số ma sát giữa tấm chặn phôi và phôi µh = 0,15;

hệ số ma sát giữa cối và phôi µ d = 0,15

b) Thông số về lực chặn phôi F BH

Lực chặn phôi cần phải đảm bảo thỏa mãn hai điều kiện: một là trị số của nókhông quá lớn để có thể gây đứt đáy khi dập vuốt, hai là không quá nhỏ để xảy ra hiệntượng nhăn Các hiện tượng này được giải thích như sau:

Quá trình dập vuốt là quá trình chày kéo chảy phôi vào trong lòng cối Nghiên cứu

quá trình biến dạng khi dập vuốt một sản phẩm hình trụ có đường kính ngoài là d và chiều cao là h được trình bày như Hình 1.14.

Hình 1 14 Hình trụ rỗng khai triển và các tam giác xen kẽ [2]

Giả sử dùng một tấm vật liệu tròn có đường kính D’=d+2h, đem cắt đi các phần tam

giác gạch chéo như Hình 1.14, rồi uốn các cạnh dựng lên, ta sẽ được một hình trụ có

đường kính đáy là d và chiều cao là h Nhưng, thực tế trong quá trình dập vuốt, không có

phần kim loại được cắt bỏ đi Điều đó chứng tỏ trong quá trình biến dạng, phần vật liệu

trên hình vành khăn (D’-d) đã biến thành hình trụ trên khoảng chiều cao là h 1 lớn hơn

chiều cao hình vành khăn là h Phần tam giác sẽ bị dồn ra phía ngoài khi dập vuốt

và kéo dọc theo chiều cao của hình trụ rỗng, giữa khe hở của chày và cối Phần thể tíchcủa những tam giác đó là nguyên nhân tạo thành nếp nhăn Để ngăn ngừa sự tạo thànhnếp nhăn, người ta dùng tấm chặn vành phôi Chính vì vậy việc xác định lực chặn phôitrong quá trình dập vuốt là rất quan trọng.

Lực chặn phôi có thể được xác định một cách gần đúng bằng tích số của áp lực

chặn riêng trung bình q với diện tích phần vành chi tiết: F v nằm dưới tấm chặn ở thờiđiểm bắt đầu dập vuốt [39]:

Trong đó: n- thứ tự nguyên công dập vuốt; d n-1 và d n – đường kính của phôi trước

và sau khi dập vuốt; D 0 - đường kính phôi dập; d P – đường kính chày dập vuốt; R d- bán

kính cối dập vuốt; q- áp lực chặn riêng trung bình; F v- diện tích phần vành chi tiết nằmdưới tấm chặn

Áp lực chặn riêng q phụ thuộc chủ yếu vào tính chất cơ học của vật liệu, chiều

dày của phôi và mức độ biến dạng:

Khi dập vuốt, lực chặn có thể thay đổi trong khoảng nhất định từ F BH-max đến

F BH-min Khoảng thay đổi (F BH-max - F BH-min ) này tùy thuộc vào mức độ biến dạng của phôi.

Nếu mức độ biến dạng càng lớn thì khoảng thay đổi của lực chặn F BH càng nhỏ như Hình1.16 Chỉ khi dập vuốt với mức độ biến dạng trong giới hạn cho phép thì lực chặn

16

download by : skknchat@gmail.com