TIỂU LUẬN MA sát TRONG GCAL

Đặc điểm của công nghệ dập thuỷ cơ Lực tác dụng khi ép thuỷ cơ Lực tác dụng: Khi dập thuỷ cơ, có 3 lực tác dụng: - Áp suất thuỷ lực để ép phôi sát chày, tạo hình theo biên dạng chày, áp

ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

TRƯỜNG CƠ KHÍ

TIỂU LUẬN

MA SÁT TRONG GCAL

GVHD: PGS.TS Phạm Văn Nghệ

Họ và tên sinh viên: Vũ Nguyễn Minh Hiếu – 20184857

Phạm Văn Lai – 20184943 Khổng Gia Huy – 20184909 Hoàng Thế Hùng – 20184887

Mã lớp học: 132900

Hà Nội, 7-2022

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN GIỚI THIỆU VỀ GIA CÔNG ÁP LỰC

I Tổng quan về gia công áp lực:

1 Vai trò của GCAL trong sản xuất cơ khí:

Gia công áp lực hay Công nghệ tạo hình vậ liệu kim loại bằng áp lực là phương pháp gia công vật liệu dựa trên sự biến dạng dẻo, luôn thay đổi hình dạng trong suốt quá trình gia công để đạt được hình dáng, kích thước cuối cùng theo mong muốn, không có sự phá hủy liên kết và bảo toàn thể tích của mình Gia công

áp lực chiếm một vị trí quan trọng với một tỷ trọng ngày càng tăng trong sản xuất

cơ khí và luyện kim

Những ưu điểm nổi bật của gia công áp lực:

- Tiết kiệm nguyên vật liệu do gia công không phoi

- Năng suất cao, hạ giá thành sản phẩm

- Tạo ra sản phẩm có hình dáng, kích thước mong muốn

- Cải thiện cơ tính của vật liệu thông qua biến dạng

Nhược điểm của GCAL so với các phương pháp gia công khác:

- Độ chính xác và độ bóng bề mặt thấp hơn gia công cắt gọt

- Không phù hợp với sản xuất đơn chiếc nếu phải chế tạo khuôn

- Thiết bị và khuôn dập đắt tiền

- Môi trường làm việc có tiếng ồn, rung động, nóng, khả năng mất an toàn lao động cao nếu sản xuất thủ công

- Cấn phải tự động hóa khi sản xuất loạt lớn

- Cần có thiết bị nâng chuyển, phụ trợ phù hợp khi tạo hình các chi tiết lớn, trọng lượng lớn

2 Phân loại các phương pháp GCAL:

 Căn cứ vào ứng suất có tác dụng chủ yếu đối với quá trình biến dạng, có thể phân chia các phương pháp biến dạng thành 5 nhóm lớn sau đây:

- Biến dạng nén: Trạng thái dẻo được gây nên bởi ứng suất nén một hoặc nhiều chiều, phương pháp cán, rèn tự do, rèn khuôn, ép chảy

- Biến dạng kéo – nén: Trạng thái dẻo được gây nên bởi ứng suất kéo và nén, phương pháp dập vuốt, uốn vành, miết

- Biến dạng kéo: Trạng thái dẻo được gây nên bởi ứng suất kéo một hoặc nhiều chiều, phương pháp kéo dãn dập phình, dập định hình

- Biến dạng uốn: Trạng thái dẻo được gây nên bởi trọng tải uốn

- Biến dạng cắt: Trạng thái dẻo được gây nên bởi tải trọng cắt Thuộc nhóm này có các phương pháp trượt, xoắn

 Phân loại theo công nghệ: dập tấm, dập khối và tạo hình đặc biệt

 Phân loại theo nhiệt độ gia công

- Biến dạng nóng (trên nhiệt độ kết tinh lại)

- Biến dạng nguội (dưới nhiệt độ kết tinh lại, nhiệt độ thường)

- Biến dạng nửa nóng (đối với thép biến dạng ở 680 – 800oC)

II Tổng quan về quá trình dập thủy cơ:

i

thiệu dập vuốt thuỷ cơ

Về cơ bản phương pháp dập thủy cơ hoàn toàn giống với phương pháp dập vuốt thông thường, chỉ khác là có thêm đối áp trong lòng khuôn tạo ra sự bôi trơn thủy động Có 2 cách để tạo ra đối áp: chất lỏng được đổ đầy vào lòng khuôn, khi đầu trượt đi xuống chất lỏng sẽ bị nén lại và tạo ra đối áp; cách thứ 2 là bơm trực tiếp chất lỏng có áp suất vào lòng cối, giá trị áp suất sẽ được điều khiển bởi van giảm áp sao cho phù hợp Đối áp làm tăng ma sát giữa phôi và chày (tránh được hiện tượng mất ổn định), giảm ma sát giữa phôi và cối (chất lỏng ở đây có tác dụng bôi trơn luôn), phôi không tiếp xúc với góc lượn cối nên chất lượng bề mặt tốt hơn, đồng thời chiều dày thành cũng đồng đều hơn

Quá trình dập thuỷ cơ

- Hình 1: Kết cấu khuôn gồm: Chày – tấm chặn – phôi – vành cối – buồng

chứa chất lỏng có ống thoát và van điều tiết áp suất

- Hình 2: Chày đi xuống, áp suất thuỷ tĩnh nén phôi làm phôi áp sát vầo bề

mặt chày, tấm chặn giữ phôi tạo lực căng

- Hình 3: Khi chày đi xuống, phôi tấm được biến dạng phồng lên và bọc vào

chày, đây là hiện tượng phồng phôi

- Hình 4: Cuối cùng, phôi tấm biến dạng theo đúng hình dạng và kích thước

của chày

2 Đặc điểm của công nghệ dập thuỷ cơ

Lực tác dụng khi ép thuỷ cơ

Lực tác dụng: Khi dập thuỷ cơ, có 3 lực tác dụng:

- Áp suất thuỷ lực để ép phôi sát chày, tạo hình theo biên dạng chày, áp lực

tăng khi chiều sâu ép tăng Cần khống chế đến một áp lực nhất định, đủ để

áp phôi vào bề mặt chày, giữ ổn định trong quá trình biến dạng

- Lực nén của chày: để ép phôi tạo hình, hay lực ép vuốt, do pitton máy ép,

lực nén cân bằng với lực do áp suất thuỷ tĩnh theo phương đứng tạo nên

- Lực ép biên: để giữ phôi, chống nhăn – rách

Đặc điểm:

- Điểm khác biệt đặc trưng của quá trình dập thuỷ cơ là sự cần thiết phải tạo ra

được áp suất thuỷ tĩnh biến đổi tác dụng vào phôi từ lòng cối Giá trị áp suất này phải đủ lớn để ép chặt phôi vào bề mặt của chày và ngăn sự nhăn của phôi nhưng không được quá lớn sao cho lực ma sát và ứng suất uốn xuất hiện khi đó không làm đứt phôi

- Giá trị áp suất thuỷ tĩnh cần thiết từ phía cối phụ thuộc vào các yếu tố sau:

Tính chất cơ lý của vật liệu phôi, chiều dày của tấm vật liệu, và đặc tính hình học của chi tiết tạo hình

- Hình dạng của sản phẩm phụ thuộc vào hình dáng của chày ép nên có thể đa

dạng hoá sản phẩm mà chỉ sử dụng một cối ép

- Ép thuỷ cơ được thực hiện chủ yếu trên máy ép thuỷ lực, do có thể điều

chỉnh được tốc độ ép, hành trình của chày, lực chặn và áp suất chất lỏng phù

hợp với từng loại sản phẩm Điều này đảm bảo được độ chính xác về hình dạng chi tiết và nâng cao cơ tính của vật liệu

Ưu điểm:

- Giảm đáng kể lực ma sát có hại giữa phôi và dụng cụ

- Tăng lực ma sát có ích giữa chày và phôi được tạo ra từ sự ép mạnh vào bề

mặt chày bằng áp suất thuỷ tĩnh, do đó loại bỏ được sự trượt của phôi đối với chày và sự kéo căng của phôi Nhờ vậy mà hệ số dập vuốt được nâng cao nhiều hơn đáng kể so với khuôn dập vuốt truyền thống Số lượng các nguyên công giảm

- Có áp suất thuỷ tĩnh tương đối đồng đều từ phía lòng cối tác dụng lên bề mặt

của phôi Điều này làm tăng khả năng biến dạng dẻo của kim loại và độ đồng đều về cơ tính xủa sản phẩm và dập các chi tiết phức tạp

- Do sự thay đổi không đáng kể của chiều dày kim loại chỗ chuyển tiếp từ đáy

lên thành chi tiết (vị trí nguy hiểm khi dập vuốt truyền thống) nên có thể sử dụng những vật liệu mỏng hơn và bán kính chày rất nhỏ Đồng thời do ảnh hưởng của khe hở giữa chày và cối không nhạy cảm như dập vuốt truyền thống nên có thể dập một lần các chi tiết có chiều dày khác nhau và từ các vật liệu khác nhau

- Sự tiêu tốn vật liệu dụng cụ cũng tương đối thấp do sự đơn giản hoá kết cấu

dập và giảm thiểu sự mài mòn của dụng cụ tạo hình

- Chất lượng bề mặt của chi tiết dập rất cao do quá trình vuốt không xảy ra

qua mép cạnh kim loại của khuôn vuốt, vì vậy có thể giảm các nguyên công tinh chỉnh

Nhược điểm:

- Có thể xảy ra sự mất ổn định ở phần mặt bich của phôi và phần bán kính

cong của phần chuyển tiếp giữa mặt bích với thành vỏ thẳng đứng của chi tiết gây ra các phế phẩm như nhăn, co, rách… ở phần vành phôi

- Phải tạo ra nguồn chất lỏng cao áp và điều chỉnh được giá trị áp suất trong

quá trình ép vuốt

- Có thể xảy ra sự biện mỏng của phôi, nếu lượng biến mỏng này là lớn không

đồng đều thì sẽ dễ xảy ra tình trạng rách, đứt phôi ở tiết diện nguy hiểm

-CHƯƠNG II: NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA MA SÁT TỚI DẬP THỦY

CƠ, TÍNH LỰC CÔNG NGHỆ, LỰC MA SÁT KHI TẠO HÌNH

I Ma sát tiếp xúc trong quá trình dập thủy cơ

Như đã biết, khả năng biến dạng của vật liệu, chất lượng sản phẩm, độ bền của dụng cụ… chịu ảnh hưởng rất lớn của ma sát tiếp xúc giữa phôi và dụng cụ Không thể điều khiển được quá trình công nghệ nếu không tính đến ảnh hưởng của

ma sát ngoài Ma sát có ảnh hưởng rất lớn đến quá trình và có thể làm thay đôit hoàn toàn sơ đô trạng thái ứng suất – biến dạng, sự phân bố lực, nâng cao hoặc làm giảm cường độ quá trình dập… Trong quá trình dập tấm cũng như dập thủy cơ, phụ thuộc vào sơ đồ công nghệ cũng như quá trình công nghệ, vai trò của ma sát tiếp xúc có thể là tích cực (tạo thuận lợi quá trình dập) hoặc tiêu cực (cản trở quá trình dập)

Khác với dập vuốt trong khuôn cứng, trong quá trình dập thủy cơ, chất bôi trơn nẳm giữa sản phẩm và dụng cụ chịu áp suất rất lớn, do vậy chúng chuyển động với tốc độ lớn (có thể lên tới 500 m/phút hoặc cao hơn) Điều này cho phép tạo ra một chế độ ma sát thủy động, kể cả trong trường hợp sử dụng chất bôi trơn

có độ nhớt không cao

Các nghiên cứu liên quan cho thấy, ma sát tiếp xúc trong quá trình dập thủy

cơ chịu ảnh hưởng đáng kể của độ nhớt chất bôi trơn, tốc độ dập vuốt, kích thước, hình dáng của sản phẩm, khe hở giữa phôi và vành cối, độ lớn của lực ép biên… Ảnh hưởng của các yếu tố này có thể được nghiên cứu bằng cách xem xét chuyển động của lớp bôi trơn trong khe hở giữa sản phẩm và vành cối

Chuyển động của chất bôi trơn được chia ra làm 4 phần: Phần đáy (I), phần thành trụ (II), phần bán kính lượn của vành cối (III) và vành (IV) Ta có kết quả của sự phân bố lực ma sát trên bề mặt phôi như sau:

+ Phần đáy sản phẩm: Lực ma sát trong phần này có thể xác định như sau:

Trong đó:

– vận tốc dập

h – chiều dày của lớp bôi trơn – độ nhớt động lực của chất bôi trơn

+ Phần thành trụ: Lực ma sát giữa phôi và cành cối:

Trong đó:

Ru – bán kính của chày – chiều dày lớp bôi trơn

+ Phần bán kính lượn của vành cối: Lực ma sát có thể được xác định theo công thức:

+ Phần vành phôi: Lực ma sát tiếp xúc giữa vành phôi và cối:

Xác định chiều dày lớp bôi trơn tối ưu khi dập vuốt thủy cơ:

Trên cơ sở phân tích ma sát tiếp xúc giữa phôi và dụng cụ trong quá trình dập thủy cơ, có thể xác định độ dày tối ưu của lớp bôi trơn Điều này đặc biệt có ý nghĩa trong việc xác định khe hở tối ưu giữa phôi và vành cối cứng Nếu lớp bôi trơn hợp lý, sẽ tạo ra những điều kiện tối ưu cho việc đặt tải trọng lên phôi trong quá trình dập vuốt thủy cơ Để lớp bôi trơn là hợp lý cần có sự kết hợp giữa độ nhớt của chất bôi trơn, vận tốc dập và hình dáng, kích thước của dụng cụ Nếu chiều dày lớp bôi trơn không hợp lý, sẽ làm tăng ma sát tiếp xúc, tăng trở lực biến dạng của kim loại và làm giảm chất lượng của chi tiết dập

Độ dày tối ưu của lớp bôi trơn có thể xác định theo một trong những công thức sau:

- Với chi tiết có vành hẹp hoặc không có vành:

- Với chi tiết có vành rộng:

Trong đó:

v0 – vận tốc dập trung bình

Ru – bán kính chày

rM – bán kính lượn của vành cối – giới hạn bền của vật liệu gia công

s0 – chiều dày ban đầu của phôi – độ nhớt động lực của chất bôi trơn (trong dập thủy cơ, chất lỏng thủy tĩnh đóng vai trò là chất bôi trơn),

v – độ nhớt động học

– mật độ của chất bôi trơn

Khi biết được chiều dày tối ưu lớp bôi trơn, ta xác định được khe hở hợp lý giữa chày và vành cối theo công thức:

Trong đó: k – hệ số tính đến sự biến dày của vật liệu trong quá trình dập; thường k = 1,1 – 1,2

II Tính toán phôi, lực công nghệ

Chi tiết tạo hình

1 Tính toán phôi

- Tính toán dựa trên công thức trải phôi ta có:

2 Tính toán công nghệ

a Tính áp suất chất lỏng

- Giá trị áp suất chất lỏng cần thiết trong dập thuỷ cơ là một trong những thông

số cơ bản, có hảnh hưởng rất lớn đến quá trình biến dạng của kim loại

- Khi tính gần đúng với sai số cho phép trong thực tế, giá trị áp suất chất lỏng cần thiết để đảm bảo điều kiện biến dạng phôi trong trường hợp dập vuốt thuỷ cơ chi tiết hình trụ từ phôi tấm có thể xác định dựa trên công thức:

Trong đó:

- hệ số, bằng tỉ số giữa giới hạn bền thử kéo các mẫu hình ống mẫu phẳng (cùng một loại vật liệu),

- giới hạn bền của vật liệu, với thép SUS304,

- bán kính góc lượn của cối,

- bán kính góc lượn của chày tại vị trí n,

- chiều dày vật liệu,

Thay số vào công thức đã cho ta có được áp suất chất lỏng cần thiết để tạo hình:

Vậy áp suất cần thiết trong dập thuỷ cơ có thể lấy là:

b Lực dập vuốt

- Lực dập:

- Trong đó:

F: là diện tích hình chiếu của bề mặt tiếp xúc giữa dụng cụ và phôi

q: áp lực riêng, tra bảng 12/260 sổ tay dập tấm ta có đối với chiều dày s > 0,5 mm thì q nằm trong khoảng 22,5 N/, chọn q = 2,5

- Vậy giá trị lực dập cần thiết để tạo hình chi tiết:

c Lực chặn phôi

- Lực chặn:

- Trong đó:

F: diện tích của phôi dưới tấm chặn

q: áp suất chặn, đối với thép không gỉ, , chọn

- Vậy lực chặn cần thiết:

3 Chọn máy

Với các thông số về lực công nghệ đã tính toán ở mục 2, ta chọn gia công chi tiết bằng máy ép thủy lực RTP-50 C có các thông số:

- Kích thước máy Dài x Rộng x Cao (mm): 1170 x 740 x 2080

- Trọng lượng máy: 1480 kg

- Công suất máy: 4 Kw

- Lực ép tối đa: 50 tấn

- Kích thước bàn máy (mm): 450 x 450

- Hành trình máy: 250 mm

- Chiều cao bể chất lỏng: 265 mm

- Tốc độ ép (vận tốc dập): 6,3 mm/s

III Tính toán lực ma sát và chiều dày lớp bôi trơn tối ưu khi dập vuốt thủy cơ

1 Chọn loại máy gia công

Thông số máy ép thủy lực RTP-50 C đã chọn:

- Kích thước máy Dài x Rộng x Cao (mm): 1170 x 740 x 2080

- Trọng lượng máy: 1480 kg

- Công suất máy: 4 Kw

- Lực ép tối đa: 50 tấn

- Kích thước bàn máy (mm): 450 x 450

- Hành trình máy: 250 mm

- Chiều cao bể chất lỏng: 265 mm

- Tốc độ ép (vận tốc dập): 6,3 mm/s

2 Xác định chiều dày lớp bôi trơn và khe hở tối ưu:

Theo đề bài, chi tiết là chi tiết có vành nên chiều dày lớp bôi trơn tối ưu được tính theo công thức:

Trong đó:

Trong đó:

v0 – vận tốc dập trung bình, chọn v0 = 6,3 mm/s

Ru – bán kính chày, chọn Ru = 70 mm

rM – bán kính lượn của vành cối, chọn rM = 10 mm – giới hạn bền của vật liệu gia công, vật liệu là SUS 304

=> = 520 N.mm2

s0 – chiều dày ban đầu của phôi, s0 = 5mm – độ nhớt động lực của chất bôi trơn,

Thay vào công thức, ta có:

Khe hở tối ưu giữa chày và vành cối:

Trong đó: k: là hệ số tính đến sự biến dày của vật liệu trong quá trình dập, lấy k = 1,2

Vậy khe hở tối ưu sẽ là: z = 5 (mm)

3 Lực ma sát ở phần đáy phôi

Ta có công thức:

Trong đó:

+ v0 – vận tốc dập, v0 = 6,3 mm/s

+ h – chiều dày chất bôi trơn, h = 265 – 80 = 185

mm

+ Ru – bán kính của chày: chọn Ru = r = 70 (mm)

+ – độ nhớt động lực:

Chất lỏng ở đây chọn là dầu => = 6,8 cSt = 6,8 mm2/s

Thay vào công thức ta có:

4 Lực ma sát ở phần thành trụ

Ta có công thức:

Trong đó:

Ru – bán kính của chày, Ru = 70 mm

– chiều dày lớp bôi trơn ,

=>

z: độ dài đoạn thành trụ: z = 50 mm

Lực ma sát ở phần thành trụ:

5 Lực ma sát ở phần bán kính lượn của thành cối:

Trong đó:

rM – bán kính góc lượn: chọn rM = 10 mm

a = 75 mm

δ – chiều dầy của lớp bôi trơn, chọn = 3 mm

η – độ nhớt động lực học, = 6,8 mm2/s

v0 – vận tốc dập, v0 = 6,3 mm/s

θ = 45o = π/4

A3, chọn A3 = 10

6 Lực ma sát ở phần vành phôi:

Downloaded by nhung nhung (nhungnguyen949595@gmail.com)

Trong đó:

ri – bán kính phần vành phôi, ri = D/2 = 90 mm

Ru – bán kính của chày, Ru = 70 mm

δ – độ dày lớp bôi trơn, chọn δ = 1 mm

rM – bán kính góc lượn, chọn rM = 10 mm

t0 – độ dày ban đầu của phôi – t0 = 5 mm

r – bán bính chảy, chọn r = 150 mm

v0 – vận tốc trung bình, v0 = 6,3 mm/s

η – độ nhớt động lực học, = 6,8 mm2/s

Ta có lực ma sát của quá trình dập thủy cơ:

IV Thiết kế kết cấu bộ khuôn và mô phỏng thực nghiệm

1 Thiết kế sơ bộ sơ đồ khuôn

2 Mô phỏng thực nghiệm

Downloaded by nhung nhung (nhungnguyen949595@gmail.com)

- Với số liệu về phôi và áp suất đã tính toán ở mục 2 , tiến hành mô phỏng trên phần mềm ETA Dynaform để khảo sát lực dập, lực chặn, và mức độ biến dạng của chi tiết

- Kết quả sản phẩm

- Sản phẩm biến dạng tương đối tốt, các vùng màu tím là nơi xảy ra hiện tượng nhăn

Downloaded by nhung nhung (nhungnguyen949595@gmail.com)