Ảnh hưởng tính dị hướng của vật liệu tấm tới chất lượng sản phẩm dập vuốt

bộ giáo dục và đào tạo trường đại học bách khoa hà nội --- PHẠM CễNG DIỆN ẢNH HƯỞNG TÍNH DỊ HƯỚNG CỦA VẬT LIỆU TẤM TỚI CHẤT LƯỢNG SẢN PHẨM DẬP VUỐT INFLUENCE OF ANISOTROPY OF SHEET META

bộ giáo dục và đào tạo trường đại học bách khoa hà nội

- PHẠM CễNG DIỆN

ẢNH HƯỞNG TÍNH DỊ HƯỚNG CỦA VẬT LIỆU TẤM TỚI CHẤT LƯỢNG SẢN PHẨM DẬP VUỐT INFLUENCE OF ANISOTROPY OF SHEET METAL

ON QUALITY OF STAMPING PRODUCT

Chuyên ngành : CHẾ TẠO MÁY

luận văn thạc sĩ Ngành công nghệ cơ khí

người hướng dẫn khoa học :

PGS.TS NGUYỄN ĐẮC TRUNG

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa được công bố trong các công trình khác

HỌC VIÊN CAO HỌC

Phạm Công Diện

LỜI CẢM ƠN

Sau 2 năm học tập và nghiên cứu, được sự giúp đỡ tận tình của Thầy

Cô giáo trong Viện Cơ khí, Bộ môn Gia Công Áp Lực cùng sự hướng dẫn khoa học tận tình của PGS TS Nguyễn Đắc Trung tôi đã hoàn thành khóa học, luận văn Tốt nghiệp Cao học và đạt những kết quả mong muốn

Nhân dịp hoàn thành luận văn Cao học, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới tất cả các Thày, Cô giáo trong Bộ môn, Viện Cơ khí và Trường đã tận tình giúp đỡ, động viên, tạo điều kiện tốt nhất cho tôi hoàn thành khoá học của mình

Tôi xin chân thành cảm ơn Thầy giáo PGS TS Nguyễn Đắc Trung đã nhiệt tình hướng dẫn và giúp đỡ tôi trong việc thực hiện luận văn này

Xin chân thành cám ơn các thầy giáo phản biện đã đọc luận văn và đóng góp cho tôi những ý kiến quý báu và bổ ích

Tác giả

Phạm Công Diện

LỜI NểI ĐẦU

Như chỳng ta đó biết, phần lớn cỏc sản phẩm trong ngành cụng nghiệp hiện nay đều được làm từ vật liệu kim loại và chỳng được sản xuất ra bằng 2 phương phỏp chớnh đú là gia công cắt gọt (gia công có phoi) và gia công bằng áp lực (gia công không phoi) Trong gia công kim loại bằng áp lực thì dập tấm là một phương pháp cơ bản mà sự tạo hình được thực hiện nhờ tác động của các kết cấu khuôn gây nên biến dạng dẻo trong tấm kim loại Dập tấm cho phép tạo ra các chi tiết có hình dáng đa dạng và năng suất cao, nó được thể hiện cụ thể về tỉ trọng của sản phẩm dập tấm trong các nghành như sau:

Trong chế tạo máy và thiết bị điện chiếm (60 - 70)%

Trong chế tạo thiết bị đo chiếm (70 - 75)%

Trong sản xuất hàng tiêu dùng chiếm (95 - 98)%

Trong sản suất ôtô máy kéo chiếm (65 - 75)% các chi tiết của ôtô và (35 - 40)% chi tiết của máy kéo

Tuy nhiên chất lượng sản phẩm được làm ra từ công nghệ này lại phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố khác nhau trong đó tính dị hướng của vật liệu là một yếu tố điển hình

Trờn cơ sở đú, tụi đó quyết định theo đuổi đề tài: “Nghiờn cứu ảnh hưởng tớnh dị hướng của vật liệu tấm đến chất lượng sản phẩm dập tạo hỡnh” và đề xuất mụ hỡnh cú xột tới tớnh dị hướng của vật liệu tấm với cỏc thụng số dị hướng Lankford

L0, L45, L90 được xỏc định từ thực nghiệm và được đưa vào điều kiện dẻo của Von Mise Mụ hỡnh này được ứng dụng để nghiờn cứu ảnh hưởng của tớnh dị hướng tới quỏ trỡnh biến dạng của vật liệu cũng như chất lượng của sản phẩm Tớnh đỳng đắn của mụ hỡnh vật liệu dị hướng được chứng minh qua cỏc kết quả so sỏnh giữa mụ phỏng và thực nghiệm đối với quỏ trỡnh dập vuốt chi tiết hỡnh cốc trụ Việc ứng dụng mụ hỡnh này cho phộp đỏnh giỏ chớnh xỏc khả năng biến dạng của vật liệu tấm cỏn, chất lượng của sản phẩm để từ đú đưa ra những phương ỏn tối ưu cỏc thụng số cụng nghệ phự hợp với quỏ trỡnh dập tạo hỡnh

Mục Lục

Trang Trang bìa phụ

Chương 1 – Vấn đề chung khi thiết kế công nghệ tạo

hình tấm

4

1.2 Quy trình nghiên cứu, thiết kế, chế tạo các chi tiết dạng tấm 6 1.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm dập tấm 10 1.4 Những vấn đề cần quan tâm khi thiết kế công nghệ tạo hình tấm 12

4.2 Các bước thực hiện bài toán mô phỏng 48

CHƯƠNG I VẤN ĐỀ CHUNG KHI THIẾT KẾ CễNG NGHỆ

TẠO HèNH TẤM

1.1 Giới thiệu chung

Dập tấm nói riêng hay gia công kim loại bằng áp lực nói chung là phương pháp gia công phổ biến nhất trong nghành công nghệ chế tạo máy hiện nay Có được

điều này là hoàn toàn nhờ vào những ưu điểm nổi trội mà các phương pháp gia công khác không làm được như:

- Năng suất lao động cao, dẫn đến giá thành sản phẩm giảm

- Hệ số sử dụng vật liệu cao, tiết kiệm vật tư

- Có thể sử dụng công nhân bậc thợ thấp

- Có khả năng tạo được các chi tiết có độ bền, độ cứng vững cao

- Đảm bảo được tính lắp ghép cho các chi tiết dập do độ chính xác của vật dập cao

- Dễ có khả năng cơ khí hoá và tự động hoá

Khi chiều dày của phôi nhỏ (thường s  4 mm), dập tấm thường được thực hiện với phôi ở trạng thái nguội hay còn gọi là dập nguội hoặc có thể phải dập với phôi ở trạng thái nóng khi chiều dày của vật liệu lớn Một chi tiết sản xuất bằng công nghệ dập tấm có thể thực hiện qua rất nhiều nguyên công công nghệ như: cắt hình, đột lỗ, dập vuốt, uốn, lên vành, tóp miệng, cắt trích v.v Một trong những nguyên công quan trọng nhất để tạo hình sản phẩm trong công nghệ dập tấm đó là dập vuốt

Dập vuốt là một 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 Khi nghiên cứu một quá trình dập vuốt chi tiết cốc như hình 1.1, ta thấy dập vuốt được tiến hành trên khuôn bao gồm các bộ phận làm việc như: cối có mép làm việc được lượn tròn, chày dập vuốt và tấm chặn vật liệu Khi dập các chi tiết có chiều dày tương đối s/D lớn thì khuôn dập vuốt thì có thể không cần dùng tấm chặn Giữa chày và cối dập vuốt có một khe hở z, trị số khe hở z tuỳ thuộc vào phương pháp dập Khi dập vuốt không có

chặn, ngoại lực được truyền qua chày, tác dụng vào phần đáy của chi tiết dập vuốt còn phần vành của phôi vẫn được tự do và không chịu tác dụng của ngoại lực Phôi phẳng nằm trên vành cối được vuốt qua góc lượn cối và tạo thành chi tiết dạng cốc Chiều sâu của chi tiết phụ thuộc vào hành trình chày đi xuống, tuy vậy, chiều sâu không thể quá lớn so với đường kính cốc để đảm bảo ứng suất trong vật liệu không vượt quá ứng suất phá huỷ gây rách vật liệu

Sản phẩm

Hình 1.1 Sơ đồ dập vuốt chi tiết cốc

Khi dập vuốt chi tiết có biên dạng phức tạp ví dụ chi tiết vỏ động cơ ôtô, chày

và cối thường được thiết kế, tính toán dựa trên biên dạng của sản phẩm Phôi tấm ban đầu được đặt trên vành cối và dần biến dạng và tạo ra hình dạng sản phẩm khi chày đi vào lòng cối Tại thời điểm kết thúc, chày sẽ ép sát vật liệu lấm vào lòng cối

và tạo ra hình dạng chính xác của sản phẩm Đối với các chi tiết phức tạp thì việc thiết kế công nghệ không giống như đối với chi tiết cốc trụ (có hình dạng đơn giản) vì tại các vị trí khác nhau, độ nông sâu của sản phẩm khác nhau thì mức độ biến dạng trên phôi cũng hoàn toàn khác nhau, có chỗ dập vuốt, có chỗ chỉ bị uốn

Hình 1.2 Mô hình khuôn dập chi tiết vỏ két chứa nhiên liệu xe ôtô

1.2 Qui trình nghiên cứu, thiết kế, chế tạo, sản xuất các chi tiết dạng

Quy trình thiết kế chế tạo các sản phẩm dập tấm trong nước thường được tiến hành theo sơ đồ như hình 1.3

Quá trình thiết kế công nghệ, chế tạo khuôn và sản xuất mang tính chất kinh nghiệm Chính vì vậy, đối với các chi tiết có hình dạng đơn giản (dạng cốc, hộp, côn) thì đi theo con đường tính toán công nghệ, chế tạo khuôn rồi dập thử, hiệu chỉnh khuôn cho đến khi đạt được chất lượng sản phẩm theo yêu cầu thì đưa ra sản xuất loạt lớn Nhưng khi gặp phải các chi tiết có hình dạng không đối xứng trục, phức tạp thì quá trình thiết kế theo trình tự như hình 1.3 không thực hiện được bởi tốn rất nhiều thời gian và tiền bạc vào việc sản xuất khuôn mẫu, dập thử và chỉnh sửa Mặc dù vậy, đôi khi không cho ra sản phẩm có chất lượng theo yêu cầu

H×nh 1.3 Qu¸ tr×nh thiÕt kÕ, chÕ t¹o s¶n xuÊt c¸c chi tiÕt d¹ng tÊm trong

Hình 1.4 Sơ đồ thiết kế CN chế tạo các chi tiết dập tấm tại các nước tiên tiến

Căn cứ vào kết quả mô phỏng số, ta sẽ xác định được qui trình công nghệ tối

ưu như số lần dập tạo hình, các thông số của quá trình biến dạng như lực dập, lực chặn, ma sát và sẽ có được kích thước hình học, biên dạng của dụng cụ gia công một cách hợp lý

Hình 1.5 biểu diễn quá trình tính toán thiết kế khuôn và tối ưu công nghệ dựa trên mô phỏng số Đầu tiên, sản phẩm mẫu sẽ được số hoá dưới dạng mô hình 3D Mô hình số ban đầu là tập hợp của nhiều điểm trong không gian hoặc có thể là mô hình lưới Sau đó mô hình sẽ được dựng ở dạng mặt Đây sẽ là mô hình cơ sở cho việc thiết kế mô hình hình học của khuôn (chày, cối, chặn) và phôi

Hình 1.5 Tính toán thiết kế khuôn dập vỏ ô tô dựa trên mô phỏng số

Sau khi có mô hình hình học của cả bài toán bao gồm mô hình chày, cối, tấm chặn, phôi, ta sẽ tiến hành mô phỏng số bao gồm các bước:

- Xây dựng mô hình thuộc tính biến dạng của phôi và dụng cụ gia công

- Chia lưới phần tử cho mô hình bài toán

- Thiết lập mô hình tiếp xúc giữa phôi và dụng cụ gia công

- Xây dựng mô hình điều kiện biên của bài toán như ràng buộc chuyển vị, lực, nhiệt độ

- Giải bài toán nhờ tính toán phần tử hữu hạn

Qua quá trình mô phỏng, ta không chỉ có được các kết quả để đánh giá một quá trình tạo hình vật liệu mà một ưu điểm khác nữa của quá trình mô phỏng số là ta

có thể thay đổi được điều kiện biên ảnh hưởng trực tiếp đến quá trình biến dạng của phôi như vật liệu, lực ép, lực chặn, điều kiện bôi trơn hay hình dạng hình học của khuôn, kết cấu khuôn Các yếu tố ảnh hưởng trực tiếp này đôi khi khảo sát thực tế rất khó khăn vì chúng phụ thuộc vào mức độ biến dạng hay hành trình chày dập Nhưng với việc mô phỏng số hoàn toàn có thể giải quyết được vấn đề khó khăn này Qua đó, ta có thể chọn ra điều kiện tốt nhất cho quá trình biến dạng và cố gắng tạo

ra các điều kiện mô phỏng số giống như trong môi trường thực tế

Sau khi chọn được phương án công nghệ phù hợp thì bước tiếp theo là chế tạo sản phẩm mẫu và kiểm chứng độ chính xác của sản phẩm mẫu so với thiết kế Nếu chất lượng đạt yêu cầu thì có thể cho sản xuất loạt lớn, nếu còn có nhưng sai sót ta

có thể thay đổi điều kiện biên như lực chặn, tốc độ biến dạng hay ma sát để đạt được kết quả tốt hơn Nhưng chắc chắn sự thay đổi này không lớn, bởi kết quả mô phỏng

đã đánh giá một cách kỹ lưỡng Trong suốt thời gian sản xuất loạt, ta vẫn phải kiểm tra lại, đánh giá sản phẩm để đảm bảo độ chính xác và đánh giá ảnh hưởng của các thông số công nghệ

Việc gia công khuôn phải được tiến hành trên các thiết bị gia công hiện đại như máy phay điều khiển CNC, gia công tia lửa điện, gia công khuôn bằng tia laze, các thiết bị này có thể gia công những lòng khuôn hết sức phức tạp với chất lượng và năng suất cao hơn Hơn thế nữa, công nghệ xử lý bề mặt khuôn cũng có các bước tiến về kỹ thuật ngoài những phương pháp nhiệt luyện thông thường như thấm

cacbon, nitơ để tăng độ bền, ngày nay còn dùng công nghệ phủ để tạo ra bề mặt, laser hoá bề mặt có chất lượng cao hơn hẳn, đồng thời có thể tạo ra các bề mặt ma sát hợp lý cho quá trình tạo hình sản phẩm

Tóm lại, nghiên cứu thiết kế khuôn dập dựa trên mô phỏng số quá trình biến dạng cho phép giảm thiểu thời gian thiết kế, chỉnh sửa khuôn mẫu, nhanh chóng thay đổi mẫu mã sản phẩm, đồng thời giảm thiểu các chi phí cho chế tạo và dập thử Thông qua mô phỏng số, người kỹ sư nhanh chóng tối ưu các thông số công nghệ và khuôn mẫu sao cho tránh được các khuyết tật như nhăn, rách sản phẩm, đồng thời tạo ra công nghệ hợp lý nhất vừa tiết kiệm nhưng vẫn đảm bảo được chất lượng sản phẩm

1.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm dập tấm

Khi nghiên cứu sự sai hỏng sản phẩm dập tấm có thể dễ dàng nhận thấy các dạng phế phẩm sau đây:

- Sản phẩm dập bị nhăn trên vành

- Sản phẩm bị rách

- Chiều cao sản phẩm không đồng đều

- Bề mặt chi tiết bị cào xước

- Sản phẩm không đạt được kích thước chính xác do đàn hồi lại

Các dạng hỏng hóc của sản phẩm này có liên quan trực tiếp tới việc thiết kế qui trình công nghệ, khuôn, chế tạo khuôn, các thông số công nghệ và tính dị hướng của vật liệu

Hiện tượng rách phôi xảy ra có thể do nhiều nguyên nhân mà trong đó chủ yếu là do: mức độ biến dạng vượt quá mức độ biến dạng tới hạn, lực chặn phôi quá lớn, góc lượn cối nhỏ Để hạn chế mức độ biến dạng quá lớn, có thể chọn hệ số dập vuốt phù hợp hay chia thành các nhiều nguyên công trung gian Góc lượn của cối cũng hoàn toàn có thể điều chỉnh được, thay đổi góc lượn phù hợp hơn Nhưng lực chặn phôi là một thông số công nghệ rất quan trọng bởi nếu điều chỉnh lực chặn phôi không đủ thì phôi lại có hiện tượng nhăn trên phần vành Đối với việc dập vuốt các chi tiết có hình dạng phức tạp, nếu không điều khiển lực chặn hợp lý thì sẽ không thể tìm ra một giá trị lực chặn nào thích hợp vì trên sản phẩm đồng thời xuất

hiện cả nhăn lẫn rách Trong những trường hợp như vậy buộc phải có những phương pháp đặc biệt như chặn theo vị trí và lực chặn thay đổi

Hiện tượng chiều cao của sản phẩm dập vuốt không đồng đều rất hay xảy ra

do vật liệu tấm không đồng nhất và đẳng hướng Tính dị hướng ban đầu của các tấm cán nguội (từ đó cắt thành các tấm phôi) sẽ tạo thành các thớ Trong quá trình biến dạng, các hạt kim loại và tạp chất phi kim loại có dạng bị kéo dài, do đó tạo thành cấu trúc dạng chuỗi được xác định trước bởi tính dị hướng của kim loại Tính dị hướng của tấm cán sẽ làm cho biến dạng theo các hướng khác nhau là không giống nhau, có thể làm cho phôi theo hướng này dễ dàng bị kéo dài ra, còn theo hướng khác lại rất khó biến dạng Sự biến dạng không đồng đều này sẽ làm cho quá trình công nghệ dài hơn, tốn kém hơn, bởi ta phải thêm một nguyên công cắt mép một lượng H Khi tính toán phôi dập vuốt ta phải thêm vào kích thước theo các phương một lượng dư hợp lý Nhưng điều này sẽ làm cho bề mặt tiếp xúc giữa phôi và mặt vành cối thay đổi, hệ số dập vuốt thay đổi và làm cho lực chặn cũng thay đổi theo

Hình 1.6 Sản phẩm có chiều cao không đồng đều

Để giảm sự ảnh hưởng của tính dị hướng kim loại đến sự không đều chiều cao chi tiết khi dập vuốt, ngoài việc sử dụng phôi có hình dạng phức tạp (bởi phải tính đến mức độ biến dạng theo các phương khác nhau), người ta còn sử dụng cối với mép lượn có độ cong thay đổi (dọc theo đường bao của lỗ cối) hoặc nung nóng không đều phần vành phôi, hoặc thay đổi áp lực chặn theo đường bao của cối

Hiện tượng bề mặt sản phẩm bị cào xước, không nhẵn là do ma sát giữa bề mặt phôi và phần vằnh chặn, góc lượn cối quá lớn, cũng có thể do lực chặn phôi trên phần vành lớn Hiện tượng này không những làm giảm chất lượng của sản phẩm dập

mà còn gây ra phế phẩm nếu ta dập nhưng vật liệu tấm có lớp sơn, mạ bảo vệ trên bề

mặt, bởi các lớp phủ trên bề mặt sẽ bị cào xước và phá huỷ Để giảm hiện tượng này

ta có thể giảm ma sát bằng cách bôi trơn hoặc có thể tạo ra lực chặn phôi hợp lý

Hình 1.7 Sản phẩm bị đàn hồi lại

Một trong những hiện tượng thường xuyên xảy ra đối với các quá trình uốn tấm, dập các chi tiết có bán kính cong lớn, đặc biệt là tấm mỏng, đó là đàn hồi lại Hiện tượng này có nghĩa là sau khi biến dạng, phôi bị đàn hồi lại và làm cho các góc

bị sai lệch (lớn hơn) so với góc sản phẩm tính toán ban đầu Để giảm hiện tượng đàn hồi lại, có thể tính toán góc thực tế nhỏ hơn, làm cho vật liệu phôi vừa bị biến dạng theo phương này là kéo thì lại biến dạng nén ngay theo phương đó hoặc ngược lại Trong nhiều trường hợp người ta có thể dử dụng công nghệ chặn có gân vuốt

1.4 Những vấn đề cần quan tâm khi thiết kế công nghệ dập tấm

Sau khi khái quát về sản phẩm dập tấm, các bước khi tiến hành thiết kế công nghệ và các dạng sai hỏng của sản phẩm khi dập tạo hình, các vấn đề có liên quan

đến thiết kế đó là người thiết kế công nghệ phải nắm được các yếu tố:

Hiện nay, chủ yếu để thiết kế công nghệ, các nhà kỹ thuật thường sử dụng công cụ mô phỏng số với sự trợ giúp của các phần mềm công nghiệp Để thực hiện mô phỏng số cần thiết phải thiết lập được mô hình mô tả quá trình biến dạng của vật liệu Mô hình này bao gồm tất cả các yếu tố có liên quan đó là:

- Vật liệu phôi tấm: các thông số vật liệu, đường cong chảy, vật liệu có khuyết tật, không đồng nhất, tính dị hướng của vật liệu tấm, chiều dày vật liệu, biên dạng phôi, trạng thái bề mặt phôi

- Hình dạng, kết cấu, kích thước hình học của khuôn mẫu

- Thông số công nghệ: mức độ biến dạng, tốc độ biến dạng, lực dập vuốt, lực chặn, ma sát giữa dụng cụ gia công và vật liệu, trạng thái bề mặt dụng cụ gia công

Nghiờn cứu cỏc yếu tố ảnh hưởng đến đến chất lượng của sản phẩm đó được nờu ở trờn được chia thành 3 nhúm yếu tố chớnh: vật liệu, hỡnh dỏng và kớch thước hỡnh học của phụi cũng như dụng cụ gia cụng và cỏc thụng số cụng nghệ.Trờn thế giới cũng như ở Việt Nam, việc nghiờn cứu ảnh hưởng của hỡnh dỏng, kớch thước khuụn, ảnh hưởng của cỏc thụng số cụng nghệ tới quỏ trỡnh dập vuốt và chất lượng sản phẩm đó được tiến hành khỏ nhiều và kết quả cũng đó được triển khai một cỏch

cú hiệu quả trong thực tiễn

Vật liệu là một yếu tố ảnh hưởng cú tớnh quyết định đến mức độ biến dạng (tớnh dẻo), ảnh hưởng đến khả năng tạo hỡnh và đến chất lượng của sản phẩm Như

đó trỡnh bày ở trờn, vật liệu tấm sử dụng trong dập vuốt thường là tấm cỏn nguội nờn

cú tớnh dị hướng Điều này sẽ làm ảnh hưởng đến độ nhăn, súng trờn mộp sảm phẩm sau dập vuốt Dẫn đến chất lượng sản phẩm khụng đảm bảo Để cú thể loại trừ được những nhăn súng khụng mong muốn, nhà kỹ thuật thường phải thiết kế thờm nguyờn cắt mộp, như vậy sẽ làm tăng số nguyờn cụng và làm tăng chi phớ sản xuất Mặt khỏc, khi tăng kớch thước phụi ban đầu để bự vật liệu tấm vào vị trớ bị cắt bỏ đi

sẽ làm cho hệ số dập vuốt thay đổi, dẫn đến khụng tạo hỡnh được những chi tiết cú

độ sõu lớn

Dưới đõy trỡnh bày một số hỡnh ảnh về sản phẩm dập vuốt từ phụi tấm:

Hình 1.8 Phôi ban đầu và sản phẩm dập chi tiết chụp đèn của nhà máy

quân đội

Hình 1.9 Vỏ đồ hộp được dập từ vật liệu hợp kim nhôm

Hình 1.10 So sánh sản phẩm dập giữa phôi tấm cán không ủ và phôi tấm

được xử lý nhiệt sau khi cán

Hình 1.11 Vỏ bình xăng xe máy

Hình 1.12 Các dạng sản phẩm dập vuốt sâu từ thép không gỉ dùng trong CN thực

phẩm

Qua một số hình ảnh sản phẩm thực tế ta thấy rằng, tính dị hướng của vật liệu tấm cán ảnh hưởng rất lớn đến chất lượng sản phẩm dập vuốt (đặc biệt là dập vuốt sâu) Vì vậy, trong khuôn khổ nghiên cứu của luận văn này tác giả sẽ tập trung khảo sát ảnh hưởng của tính dị hướng của một số vật liệu tấm thường sử dụng trong dập vuốt Nội dung chính của luận văn tập trung vào các mục:

- Nghiên cứu công nghệ dập vuốt và các yếu tố ảnh hưởng đến công nghệ dập vuốt

- Các loại mô hình vật liệu được ứng dụng trong dập vuốt

- Ứng dụng mô phỏng số để khảo sát ảnh hưởng của tính dị hướng với một

số vật liệu tấm thông dụng

- So sánh kết quả mô phỏng với các sản phẩm dập thực tế

CHƯƠNG II CễNG NGHỆ DẬP VUỐT

2.1 Định nghĩa và phõn loại

Dập vuốt là một 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 các nhóm như sau:

- Nhóm các chi tiết có hình dạng tròn xoay, ví dụ như: các chi tiết của thiết bị chiếu sáng như pha đèn, vỏ đèn, chụp đèn v.v

- Nhóm các chi tiết có hình dạng hình hộp: ví dụ như các thùng nhiên liệu của

động cơ, các loại vỏ hộp, các chi tiết vỏ bọc trong các thiết bị điện tử, thiết bị đo v.v

- Nhóm các chi tiết có hình dạng phức tạp có một trục đối xứng hoặc không đối xứng Ví dụ như các chi tiết xe máy, vỏ ôtô, cánh cửa ôtô, các chi tiết của máy kéo, các chi tiết của máy bay v.v

Tuỳ theo chiều cao tương đối của chi tiết, người ta có thể dập một hay nhiều nguyên công để tạo ra chi tiết ở nguyên công đầu, phôi phẳng có đường kính D0 được dập vuốt để tạo thành phôi rỗng (hình 2.1a) có đường kính d1 và chiều cao h1 ở các nguyên công sau phôi rỗng đựơc tiếp tục dập vuốt để nhằm mục đích tăng chiều cao và giảm đường kính (hoặc giảm tiết diện ngang) của phôi (hình 2.1b)

Hình 2.1 Các bước dập vuốt

a.Nguyên công đầu, b.Nguyên công tiếp theo

Để chế tạo các chi tiết dập vuốt, người ta sử dụng các tấm kim loại có tính dẻo cao như thép các bon thấp chất lượng và thép kết cấu hợp kim thấp, nhôm và hợp kim nhôm, đồng, đồng thau và các kim loại khác

Dập vuốt được tiến hành trong các khuôn chuyên dùng bao gồm các bộ phận làm việc như: cối 1 có mép làm việc được lượn tròn, chày dập vuốt 2 và tấm chặn vật liệu 3 (hình 2.2b) Khi dập vuốt các chi tiết có chiều dày tương đối của phôi S/D lớn thì có thể không cần chặn vật liệu (hình 2.2a) Người ta thường sử dụng hai phương pháp dập vuốt sau:

1 Dập vuốt không chủ định làm giảm chiều dày vật liệu được gọi là dập vuốt không biến mỏng (hay gọi tắt là dập vuốt)

2 Dập vuốt có chủ định làm giảm chiều dày của phôi ( chủ yếu là chiều dầy thành chi tiết ) được gọi là dập vuốt có biến mỏng vật liệu (hay dập vuốt có biến mỏng) Đa số các trường hợp dập vuốt có biến mỏng được thực hiện với phôi đã được dập vuốt lần

đầu không biến mỏng (từ phôi phẳng)

Hình 2.2 Sơ đồ khuôn để dập vuốt lần đầu

a Không có chặn phôi, b Có chặn phôi

1-cối ; 2-chày ; 3-chặn

Ở mỗi phương pháp trên dập vuốt lại được chia thành: Dập vuốt không có chặn

phôi và dập vuốt có chặn phôi

Trong điều kiện biến dạng thực tế có rất nhiều yếu tố ảnh hưởng đến đặc tính phân bố ứng suất khi dập vuốt như: sự hoá bền của kim loại; lực ma sát tiếp xúc; sự uốn

và nắn thẳng các phần tử của phôi khi bị kéo vào trong cối; sự dị hướng về cơ tính của

kim loại v.v Khi lực chặn quá lớn sẽ làm cho chi tiết bị đứt, rách; còn khi lực chặn nhỏ

sẽ làm cho phần vành bị nhăn và không thể thực hiện được quá trình dập vuốt

Hình 2.3 Chi tiết bị đứt, rách và nhăn khi dập vuốt

2.2 Tính toán công nghệ

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

Fchi tiết = Fphôi (2.1)

Sau khi dập vuốt chiều cao của chi tiết thường không đồng đều do ảnh hưởng cơ tính của kim loại, do vậy cần phải tiến hành cắt mép

Hình 2.4 Sự hình thành các “ tai “ khi dập vuốt

Trị số lượng dư chiều cao để cắt mép H tuỳ thuộc vào tỷ số giữa đường kính và chiều cao của chi tiết, chiều dày S của phôi Qua kinh nghiệm thực tế thì H(5 20)% so với chiều cao chi tiết Nếu chiều cao tương đối h/d và chiều dày S của phôi càng lớn thì lượng dư để cắt mép càng lớn

Hình 2.5 Các phương pháp cắt mép

a, b: cắt vành sau đó dập vuốt tiếp, c: cắt mép bằng khuôn Việc cắt mép được thực hiện bởi chày bậc bao gồm phần làm việc và phần định vị Phần định vị có đường kính nhỏ hơn (0,2  0,3)mm so với đường kính của chi tiết Nếu chúng ta biết được mức độ dập vuốt cho phép ở các nguyên công bằng phương pháp tính toán hoặc theo số liệu thực nghiệm thì chúng ta có thể dễ dàng xác

định được đường kính của bán thành phẩm ở các nguyên công:

1

0 1

K

D

d  ,

2 1 0 2

1 2

.K

K

D K

K

d

3 2 1

0

K K K

D

n

n n

Nếu chúng ta coi rằng khi dập vuốt không qua ủ trung gian, mức độ dập vuốt ở các nguyên công sau thay đổi không đáng kể, nghĩa là:

D

(2.6) trong đó: n là số nguyên công dập vuốt

K là mức độ dập vuốt trung bình ở các nguyên công sau:

K =

1

3 2

lg lg

n n

d

d D H

4

2 2

0 

 (2.9) Trong đó dn là bán kính của bán thành phẩm ở nguyên công thứ n

2.2.1 Lực dập vuốt

Cho đến nay, để xác định lực dập vuốt các nhà kỹ thuật thường sử dụng phương pháp tính toán giải tích hoặc mô phỏng số Trong thực tế, xác định lực dập vuốt phục vụ việc chọn thiết bị đập phù hợp ta có thể xác định theo công thức sau:

Lực chặn phù hợp có thể được tính theo phương pháp giải tích và kinh nghiệm

đối với một chi tiết hình trụ như sau:

0 0

0

PD

s.1

1611

điểm bắt đầu dập vuốt:

0 (d 2.r )

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:

2.3 Khuôn dập vuốt

Khuôn dập vuốt có kết cấu rất khác nhau tuỳ thuộc vào thứ tự nguyên công và thiết bị thực hiện, hình dạng chi tiết và phương pháp dập v.v Chúng ta có thể khảo sát một số khuôn dập vuốt sau:

Hình 2.7 Khuôn dập vuốt lần đầu có chặn phôi

a) trên máy ép tác động đơn; b) trên máy ép tác động kép Hầu hết các trường hợp dập vuốt đều cần phải chặn phôi, do vậy các khuôn dập vuốt cần phải có hệ thống chặn phôi để chống nhăn.Trên hình 2.7a đã chỉ ra kết cấu cơ bản của một bộ khuôn dập vuốt lần đầu có chặn phôi Phôi tấm hình tròn được đặt lên

bề mặt tấm chặn 6 và được định vị bằng cữ phôi 15 Khi đầu trượt của máy ép đi xuống cùng với nửa khuôn trên, cối vuốt 1 sẽ ép phôi trên tấm chặn nhờ lực nén của lò xo 10 thông qua các chốt đẩy 7, đồng thời chày dập vuốt 5 sẽ kéo phần vành phôi trên tấm chặn đó vào cối tạo thành mặt trụ Khi đầu trượt đi lên, chi tiết sau khi dập được đẩy ra khỏi chày nhờ hệ thống chặn 6 và được đẩy ra khỏi cối nhờ tấm đẩy 4 thông qua hệ thống đẩy của máy ép

Trên hình 2.7b là khuôn dập vuốt trên máy ép song động ( cơ khí hoặc thuỷ lực) Phôi được đặt lên cối 4 và được ép bởi vòng chặn 2 lắp với đầu trượt ngoài của máy ép, sau đó chày vuốt 1 lắp với đầu trượt trong sẽ kéo phôi vào cối khi đầu trượt trong đi xuống Chi tiết được đẩy ra khỏi cối nhờ tấm đẩy 5

Hình 2.8 Khuôn dập vuốt lần hai có chặn phôi

Hình 2.8 là khuôn dập vuốt lần hai có chặn phôi Phôi được úp lên chày 1 và vòng chặn 3 khi vòng chặn ở vị trí ngang với mặt đầu của chày Khi đầu trượt đi xuống, cối vuốt 2 sẽ ép phôi lên vòng chặn và chày vuốt 1 kéo phôi vào trong cối tạo thành chi tiết Với nguyên công dập vuốt lần 2 này, khi kết thúc quá trình dập vuốt mà chưa kéo hết phôi vào trong cối chúng ta sẽ nhận được chi tiết hình trụ bậc

Để giảm bớt số nguyên công, giảm số lượng khuôn, nâng cao độ chính xác và mức độ biến dạng người ta đã kết hợp hai hay nhiều nguyên công trên cùng một khuôn

Đó là những khuôn phối hợp hay khuôn liên tục

Hình 2.9 Khuôn cắt phôi và dập vuốt phối hợp

Hình 2.10 Sơ đồ dập vuốt liên tục trên phôi băng( a ) và khuôn dập ( b )

Tóm lại, với mục đích nhắc lại những kiến thức cơ bản của công nghệ dập vuốt, chương này đã trình bày những điểm chính như các dạng dập vuốt, các thông số công nghệ chính như lực dập, lực chặn và khuôn dập vuốt Đây sẽ là nền tẳng để ta lựa chọn bài toán phù hợp cho việc mô phỏng số nhằm nghiên cứu ảnh hưởng của tính dị hướng vật liệu tấm sẽ được trình bày trong các chương tiếp theo

Chương III mô hình vật liệu ứNG DụNG trong MÔ PHỏNG Số

Để mô phỏng số quá trình dập vuốt nghiên cứu ảnh hưởng của tính dị hướng vật liệu, trước hết phải khảo sát và đưa ra được các mô hình mô tả ứng xủa của vật liệu tấm Mô hình ứng xủa của vật liệu luôn là yếu tố đầu vào hết sức quan trọng và quyết

định tính chính xác cũng như độ tin cậy của mô phỏng số Dưới dây sẽ trình bày những mô hình vật liệu thường được sử dụng trong vật liệu tấm và bài toán dập vuốt

3.1 Mô hình vật liệu đẳng hướng

Vật liệu phôi tấm sẽ bị biến dạng trong quá trình gia công Nếu mức độ biến dạng mà dưới 3 % ta có thể coi quá trình biến dạng nhỏ Trong phần nghiên cứu này các quá trình biến dạng đều là biến dạng lớn

Việc đưa ra mô hình chính xác thể hiện ứng xử của vật liệu phôi trong quá trình biến dạng mang một ý nghĩa quyết định đối với kết quả của quá trình mô phỏng Một trong những mô hình vật liệu được áp dụng có hiệu quả đối với bài toán biến dạng nguội là mô hình dẻo tức thời tuyến tính đẳng hướng của Von Mises với hàm dẻo có dạng:

0 3

2

J  y

Trong đó:  - hàm dẻo von Mises

J2 - bất biến bậc hai của tenxơ ứng suất lệch, được định nghĩa như sau:

ij

ij s s J

2

1

2 

với sij – ten xơ ứng suất lệch [N/m2]

y - ứng suất chảy [N/m2], là hàm của biến dạng dẻo

p eff



p eff p

  0 

(3.3)

Trong đó: Ep- mô đun dẻo [N/m]

0 – ứng suất dư của quá trình biến dạng trước [N/m2]

Biến dạng dẻo

p eff

E E

EE E





với E là mô đun đàn hồi [N/m2]

Như vậy, các thông số vật liệu của phôi cần thiết cho việc thiết lập mô hình vật liệu theo von Mises đối với thép SAE 1018 (hình 3.1) bao gồm:

0

Hình 3.1 Mô hình vật liệu SAE 1018

 = 0.27 Hệ số Poisson

Các thông số vật liệu của phôi cần thiết cho việc thiết lập mô hình vật liệu theo von Mises đối với nhôm 5182 bao gồm:

Et = 25 MPa Tangent modulus

3.2 Mô hình vật liệu đàn hồi dị hướng

Mô hình vật liệu có tính đàn hồi theo các phương hoàn toàn khác nhau được gọi

là đàn hồi dị hướng Nếu tính đàn hồi dị hướng của vật liệu được mô tả đầy đủ thì tổng

số có 21 thông số độc lập cần đưa vào ma trận vật liệu [C]:

46 45 44

36 35 34 33

26 25 24 23 22

16 15 14 13 12 11

c

cc

ccc

cccc

ccccc

cccccc

]C[

xứngdối

dọc Ev, hệ số Poisson hv, hh theo hướng dọc và ngang và Mô đun cắt Ghv

Có thể giả thuyết năng lượng biến dạng trên một đơn vị thể tích là hàm bậc hai:

 = (1/2){}T[C]{} Hàm bậc hai này có giá trị dương vì đây là năng lương tiêu hao cho quá trình biến dạng Điều kiện cần và đủ để  có giá trị dương là tất cả các định thức con chính của [C] đều dương

h

E

D1  1 ;

h h hv h

hh

h hv v

h hv

h hh h

hv h

EEE

EE

E

EE

ED

11

DD

100

0

10

00

3

v h

hv

h hv h

EE

EE

E

GD

00

00

00

10

00

0

3

h hh hv

hv

h h

hv h

hh

h hv v

h hv

h hh h

hv h

E

) (

G G

E E

E

E E

E

E E

0 0

0

1 0

0 0

0

0 0

1 0

0 0

0 0

0 1

0 0

0 1

0 0

0 1

trong đó: [C] ma trận thể hiện tính dị hướng ngang

3.3 Mô hình vật liệu dẻo dị hướng

Trong mô đun LS-DYNA/DYNAFORM/LS-DYNA có nhiều mô hình dẻo của vật liệu dị hướng theo Hill 1984; Bassani 1977; Gotoh 1977; Hill 1979; Hosford; Hosford 1985; Barlat and Lian 1989; Barlat 1991 Trong đó một số điều kiện dẻo mô tả ứng xử dị hướng của vật liệu được trình bày trong bảng 3.1

Bảng 3.1 Một số điều kiện dẻo dị hướng

1 2

2 2

) (

) (

) (

2

2 2

2

2 2

yz

yy xx xx

zz zz

yy

N M

L

H G

F f

hướng Quan hệ giữa tenxơ ứng suất và tenxơ biến dạng được xây dựng dựa trên lý thuyết của von Mises

Năm 1979, Hill đã đưa ra hàm dẻo áp dụng cho vật liệu có mức độ biến dạng cao như nhôm có dạng:

m m m

m m

m m

c b

a h

g f

3 2

3 2 1 2

1 1

3 3

2

2 2

2

với: f,g,h,a,b và c là hằng số vật liệu

Hosford (1979) đã phát triển điều kiện dẻo cho trường hợp ứng suất phẳng, dựa trên cơ sở hàm dẻo của Hill 1948:

M M

2 1 M 2 M

1    r     r  1 ) Y

ở đây: r- thông số dị hướng tiêu chuẩn, Y ứng suất dẻo và M thông số mô tả hình dạng bề mặt dẻo Giá trị r có thể xác định từ thí nghiệm kéo nhưng để xác định M cần một chuỗi các thí nghiệm phức tạp Wagoner (1980) đã đưa ra một phương pháp nhận dạng M bằng cách so sánh ảnh hưởng của ứng suất – biến dạng đơn với đường cong ứng suất biến dạng Khi số mũ M = 1 và r = 1 điều kiện dẻo này trở thành thành hàm dẻo của Tresca, khi M=2, r = 1 nó trở thành điều kiện dẻo của von Mises

Điều kiện dẻo của Hill 1979 và của Hosford 1979 đã mở rộng phạm vi ứng dụng

đối với vật liệu dị hướng Tuy nhiện điều kiện dẻo này chỉ xem xét các thành phần ứng suất chính

Barlat và Lian (1989) đưa ra điều kiện dẻo của vật liệu di hướng ứng dụng cho bài toán phẳng có dạng:

m m

m m

K)a(K

KaK

2

yy xx

Với K1 và K2 – Tenxơ ứng suất rút gọn;

a, h, p, m hằng số vật liệu

 ứng suất tương đương

Hàm dẻo dị hướng này được xây dựng dựa trên hai hàm lồi,

m m

KKaK

K

tính của ứng suất Hàm dẻo hoàn toàn phù hợp lý thuyết dẻo đa tinh thể của Taylor/Bishop và Hill Lege (1989) kết luận rằng hàm này mô tả của ứng xử vật liệu tấm hợp kim nhôm 2008-T4

Barlat còn phát triển điều kiện dẻo dị hướng cho biến dạng dẻo với 6 thông số (năm 1991) Điều kiện dẻo được định nghĩa như sau:

543

2 2

2 2

2 2

2

)aAbB()bBcC()cCaA()hH()gG()fF

( ) )(

( ) )(

(

54

) )(

)(

(

2 2

2

2 3

hH aA bB fF

bB cC gG

cC aA

fghFGH aA

bB bB cC cC aA

3 /

i

Iarccos



m m

m m

/

m

coscos

cos)

6

322

6

22

2

(3.17) Với a, b, c, f, g, h các hằng số

Điều kiện dẻo dị hướng sẽ trở thành đẳng hướng khi các hệ số a, b, c, f, g, h bằng 1

Đây là một hàm dẻo tổng quát và có thể ứng dụng cho các vật liệu dị hướng với nhiều trạng thái ứng suất, 3 trong 6 hệ số dị hướng có thể xác định từ 3 ứng suất dẻo

đơn

Điều kiện dẻo này có biểu thức toán học đơn giản và phù hợp với bề mặt dẻo tính toán với mô hình dẻo đa tinh thể Hàm này có thể ứng dụng làm mẫu để tìm ra giữa kết quả thích hợp giữa lý thuyết và thực nghiệm trong các điều kiện đặt tải khác nhau

Mô hình dẻo 3 thông số của Barlat(1991) được phát triển dựa trên mô hình Barlat và Lian [1989] và áp dụng cho các vật liệu tấm trong điều kiện ứng suất phẳng

Điều kiện dẻo dị hướng trong bài toán ứng suất phẳng có dạng:

m Y m

2 m

2 1 m

00

R1

RR1

R22a

00

R

R1R1

2R

y x

m Y

ở đây:  - ứng suất theo hướng 

Đối với vật liệu có ô mạng tinh thể là lập phương diện tâm thì lấy m=8 còn vật liệu có ô mạng tinh thể là lập phương thể tâm lấy m=6 ứng suất hóa bền của vật liệu

được biểu diễn dưới dạng

n p yp n

Y k k(  )

Với: yp biến dạng đàn hồi, p biến dạng dẻo tương đương

3.4 Mô hình vật liệu đàn - dẻo dị hướng ngang

Mô hình này chỉ áp dụng cho các vật liệu tấm và vỏ mỏng Các thông số đầu vào của mô hình này bao gồm: môđun đàn hồi; hệ số Poisson ; ứng suất dẻo; môđun tiếp

ET; thông số biến cứng dị hướng R

Hill [1948] đã đề xuất hàm dẻo có dạng:

01N

2M

2L

2)(

H)(

G)(

F 22 33 2  33 11 2  11 22 2  223  312  122  

(3.26) Trong đó: y1, y2, y3 ứng suất dẻo và y12, y23, y31 là các ứng suất dẻo cắt Các hằng số vật liệu F, G, H, L, M và N có quan hệ với các ứng suất dẻo như sau:

2 23

1L2

y12

1N2



2 y1 2

y3 2

y2

111F2

y1 2

y3

111G2

y2 2

y1

111H2

2

1HGF







2 y

2

1NML

y

2 3 2 y

2 3

12

12N

12H2

1G2F2

31 2 23 2

22 11 2 22

11 33 2 2 33 2 2 22 2 11

2

1 2 2 ) (

2

) 2 ( ) (

K K

K F

11 2

22 2 11

1R

1R221

R

R2)