Nghiên cứu công nghệ dập khối chi tiết truyền động từ phôi ống

Chính vì vậy, việc đặt ra mục tiêu nghiên cứu ảnh hưởng của kích thước hìnhhọc phôi ống, hình dạng dụng cụ gia công, điều kiện biến dạng đến khả năng tạohình sản phẩm trong nguyên công c

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi Các số liệu,kết quả trình bày trong luận án này là trung thực và chưa từng được ai công bốtrong bất cứ công trình nào khác!

Hà Nội, ngày … tháng … năm 2020

PGS TS Nguyễn Đắc Trung Phan Thị Hà Linh

i

LỜI CẢM ƠN

Tôi xin trân trọng cảm ơn người dẫn khoa học PGS.TS Nguyễn ĐắcTrung đã tận tình hướng dẫn, tạo điều kiện, động viên trong suốt quá trình họctập, nghiên cứu và hoàn thành luận án

Tôi xin trân trọng cảm ơn Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, Viện Cơkhí, Bộ môn Gia công áp lực, lãnh đạo, chuyên viên cùng các thầy cô của TrườngĐại học Bách khoa Hà Nội, Viện Cơ khí

Tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới các thầy cô trong bộ môn Gia công áplực đã tạo điều kiện thuận lợi, thường xuyên trao đổi, giúp đỡ tôi trong quá trìnhhọc tập, nghiên cứu thực hiện luận án

Tôi xin trân trọng cảm ơn Ban Giám hiệu, lãnh đạo Khoa Cơ khí trườngĐại học Sư phạm kỹ thuật Hưng Yên đã tạo điều kiện về thời gian trong quá trìnhhọc tập và nghiên cứu Cảm ơn các thầy cô trong Khoa Cơ khí cùng các đồngnghiệp đã đóng góp ý kiến, hỗ trợ tôi trong quá trình học tập và nghiên cứu

Tôi xin cảm ơn Công ty Brother Việt Nam, Công ty Goodtech, Phòng thínghiệm Đo lường động học bay - Viện Tên Lửa đã giúp đỡ tôi trong quá trìnhthực nghiệm và đo đạc kết quả của luận án

Cuối cùng, tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới gia đình, bạn bè, nhữngngười đã luôn chia sẻ, động viên, giúp đỡ tôi hoàn thành luận án này

Nghiên cứu sinh

Phan Thị Hà Linh

ii

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN i

LỜI CẢM ƠN ii

MỤC LỤC iii

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT vi

DANH MỤC HÌNH ẢNH VÀ ĐỒ THỊ vii

DANH MỤC BẢNG BIỂU x

MỞ ĐẦU 1

I Tính cấp thiết của đề tài 1

II Mục đích, đối tượng và phạm vi nghiên cứu của đề tài 2

1 Mục đích nghiên cứu 2

2 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 2

III Phương pháp nghiên cứu 2

IV Ý nghĩa của đề tài 3

1 Ý nghĩa khoa học 3

2 Ý nghĩa thực tiễn 3

V Các điểm mới của luận án 3

VI Nội dung chính của luận án 4

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ CHỒN TRONG CÔNG NGHỆ DẬP KHỐI CHI TIẾT TỪ PHÔI ỐNG 5

1.1 Khái quát về các chi tiết truyền động 5

1.2 Khái quát về công nghệ dập khối chế tạo các chi tiết truyền động 6

1.2.1 Dập khối 6

1.2.2 Nguyên công chồn trong công nghệ dập khối 10

1.3 Các nghiên cứu trong và ngoài nước về công nghệ chồn 11

1.3.1 Các nghiên cứu ở nước ngoài 11

1.3.2 Tình hình nghiên cứu trong nước 20

KẾT LUẬN CHƯƠNG 1 23

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT PHÂN TÍCH CÔNG NGHỆ CHỒN TỪ PHÔI ỐNG 24

2.1 Ứng suất và biến dạng trong quá trình chồn 24

2.2 Chồn phôi ở trạng thái nóng 29

2.3 Ma sát trên bề mặt tiếp xúc phôi - khuôn 30

2.4 Khuyết tật trong quá trình chồn ống 34

2.5 Đường cong chảy của vật liệu 39

2.6 Xây dựng mô hình nghiên cứu công nghệ chồn ống 41

iii

KẾT LUẬN CHƯƠNG 2 46

CHƯƠNG 3 NGHIÊN CỨU QUÁ TRÌNH CHỒN CỤC BỘ PHÔI ỐNG NHỜ MÔ PHỎNG SỐ 47

3.1 Ứng dụng mô phỏng số trong nghiên cứu công nghệ dập tạo hình 47

3.2 Các bước thiết lập bài toán mô phỏng số 49

3.3 Mô phỏng số quá trình chồn phôi ống 50

3.3.1 Lựa chọn phần mềm 50

3.3.2 Thiết lập mô hình chồn đầu phôi ống với chày phẳng 50

3.3.3 Thiết lập bài toán mô phỏng số với Deform 3D 51

3.4 Khảo sát xác định thời điểm mất ổn định và hình thành khuyết tật gấp khi chồn 52

3.4.1 Kết quả khảo sát với H0/D = 0,4 58

3.4.2 Kết quả khảo sát với H0/D0 = 0,6 58

3.4.3 Kết quả khảo sát với H0/D0= 0,8 59

3.4.4 Kết quả khảo sát với H0/D0 = 1,0 60

3.4.5 Khảo sát ảnh hưởng của thông số hình học phôi tới mức độ biến dạng và lực tạo hình 60

3.5 Khảo sát quá trình chồn phôi ống với chày côn 63

3.5.1 Kết quả mô phỏng với góc nghiêng chày α = 5 0 .63

3.5.2 Kết quả mô phỏng với góc nghiêng chày α = 10 0 64

3.5.3 Kết quả mô phỏng với góc nghiêng chày α = 15 0 .65

3.5.4 Kết quả mô phỏng với góc nghiêng chày α = 20 0 .66

3.5.5 Khảo sát ảnh hưởng của góc nghiêng chày tới mức độ biến dạng và lực tạo hình 67

KẾT LUẬN CHƯƠNG 3 70

CHƯƠNG 4 THỰC NGHIỆM KIỂM CHỨNG KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 71

4.1 Xây dựng hệ thống thực nghiệm quá trình chồn phôi ống 71

4.1.1 Máy ép trục khuỷu 72

4.1.2 Khuôn thí nghiệm 73

4.1.3 Thiết bị nung và đo nhiệt 74

4.1.4 Hệ thống đo lực, xử lý tín hiệu và hiển thị kết quả 74

4.1.5 Thiết bị đo mức độ biến dạng 76

4.1.6 Kết nối hệ thống thực nghiệm 77

4.2 Thực nghiệm kiểm chứng và kết quả 78

4.2.1 Trình tự tiến hành thực nghiệm 78

4.2.2 Kết quả thực nghiệm và đối sánh 79

KẾT LUẬN CHƯƠNG 4 83

iv

CHƯƠNG 5 XÂY DỰNG MÔ HÌNH TOÁN HỌC THỂ HIỆN ẢNH HƯỞNG CỦA THÔNG SỐ HÌNH HỌC PHÔI VÀ KHUÔN ĐẾN MỨC ĐỘ BIẾN DẠNG

VÀ LỰC TẠO HÌNH TRONG CHỒN ỐNG 84

5.1 Thiết kế thực nghiệm 84

5.2 Phân tích phương sai 86

5.3 Phân tích ảnh hưởng và mức phù hợp của các thông số hình học phôi và khuôn tối mức độ biến dạng và lực tạo hình 88

5.3.1 Phân tích ảnh hưởng, mức phù hợp của các thông số hình học phôi (tỉ số H0/D0; S0/D0) và góc nghiêng chày (α) tới mức độ biến dạng 88

5.3.2 Phân tích ảnh hưởng và mức phù hợp của các thông số hình học phôi (tỉ số H0/D0; S0/D0) và góc nghiêng chày (α) tới lực tạo hình 94

5.4 Ứng dụng dập chi tiết bánh răng từ phôi ống 99

5.4.1 Chi tiết bánh răng 99

5.4.2 Tính toán kích thước phôi ban đầu 99

5.4.3 Xác định các bước công nghệ cơ bản dập bánh răng từ phôi ống 99

5.4.5 Tính toán nguyên công chồn 100

5.4.6 Tính toán nguyên công dập trong khuôn kín 101

5.4.7 Kết quả thực nghiệm dập bánh răng 103

KẾT LUẬN CHƯƠNG 5 104

KẾT LUẬN CHUNG 105

TÀI LIỆU THAM KHẢO 107

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN 112

PHỤ LỤC 113

v

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

1;2;3 Biến dạng theo các phương Z, r, 

εeq Mức độ biến dạng tương đương

µ,m Hệ số ma sát

z,r, Ứng suất theo các phương Z, r,  N/mm2, MPa

k Hằng số dẻo của kim loại

PTHH Phần tử hữu hạn

MPS Mô phỏng số

vi

DANH MỤC HÌNH ẢNH VÀ ĐỒ THỊ

Hình 1.1 Các chi tiết bánh răng, vành răng, bánh răng liền trục 5

Hình 1.2 Sơ đồ công nghệ dập khối 6

Hình 1.3 Dập khối trên khuôn hở và khuôn kín 7

Hình 1.4 Các thiết bị chính sử dụng để đập khối 7

Hình 1.5 Các chi tiết truyền động dạng trục rỗng 8

Hình 1.6 Chi tiết lắp ráp trong thiết bị cơ khí dạng trục rỗng 8

Hình 1.7 Chế tạo các chi tiết truyền động dạng rỗng bằng công nghệ dập khối từ phôi đặc 9

Hình 1.8 Sơ đồ nguyên công chồn phôi đặc không có ma sát và có ma sát 10

Hình 1.9 Sơ đồ nguyên công chồn phôi rỗng a)bôi trơn tốt và b) bôi trơn kém hơn 10 Hình 1.10 Sơ đồ lực, trạng thái ứng suất và biến dạng khi chồn 11

Hình 1.11 Hướng thớ kim loại sau khi chồn 11

Hình 1.12 Chồn cục bộ từ phôi ống 12

Hình 1.13 Các dạng chồn cục bộ từ phôi ống 13

Hình 1.14 Sơ đồ chồn cục bộ từ phôi ống 14

Hình 1.15 Thiết kế mô hình chồn cục bộ của L.M Alves 14

Hình 1.16 Thiết kế mô hình chồn cục bộ của Aydin Tuzun 15

Hình 1.17 Mức độ tăng chiều dày khi chồn ống 15

Hình 1.18 Hình ảnh chồn ống thép có ma sát 17

Hình 1.19 Ảnh hưởng của ma sát tới kích thước lỗ (hay chuyển động của kim loại theo hướng kính) 17

Hình 1.20 Biến dạng của phôi chồn ống khi bôi trơn tốt và không bôi trơn 17

Hình 1.21 Hướng dòng chảy của kim loại khi chồn có ma sát 18

Hình 1.22 Nứt vỡ tế vi trong lòng phôi khi chồn 18

Hình 1.23 Nứt vỡ khi chồn đầu mũ bu lông 18

Hình 1.24 Khuyết tật gấp khi chồn phôi ống trong khuôn có lõi 19

Hình 1.25 Quá trình hành thành và vị trí khuyết tật gấp khi chồn ống 19

Hình 1.26 Phân bố nhiệt độ khi chồn ống có nung nóng bằng cảm ứng 20

Hình 1.27 Mất ổn định khi chồn phôi ống thép 21

Hình 1.28 Khuôn và sản phẩm chồn cục bộ ống nhôm phục vụ công nghiệp quốc phòng 22

Hình 2.1 Sơ đồ chồn ống 24

Hình 2.2 Phân bố ứng suất trên bề mặt tiếp xúc khi chồn phôi ống trong trường hợp không ma sát và có ma sát 24

Hình 2.3 Sơ đồ xác định biến dạng của phôi ống 25

Hình 2.4 Ảnh hưởng của bôi trơn tới biên dạng hình học của sản phẩm 31

Hình 2.5 Chồn phôi ống với hệ số ma sát nhỏ (m<0,15) 31

Hình 2.6 Chồn phôi ống với hệ số ma sát lớn (m>0,2) 31

Hình 2.7 So sánh sự mô hình ma sát Tresca và Coulomb khi chồn phôi ống 31

vii

Hình 2.8 Mối quan hệ giữa mức độ giảm đường kính trong phôi ông với mức độ

giảm độ cao phôi ống ứng với các hệ số ma sát khác nhau 32

Hình 2.9 Độ dày lớp bôi trơn khi chồn 32

Hình 2.10 Phá hủy trên bề mặt và bên trong phôi khi chồn 34

Hình 2.11 Phôi bị cong khi chồn do có sự xuất hiện của lực ma sát 36

Hình 2.12 Mất ổn định và hình thành khuyết tật gấp khi chồn phôi ống 36

Hình 2.13 Khuyết tật gấp khi tạo hình ống 38

Hình 2.14 Xác định khuyết tật gấp nhờ phân tích dòng chảy kim loại 38

Hình 2.15 Khuyết tật gấp khi tạo hình chi tiết khớp nối 39

Hình 2.16 Khuyết tật gấp khi dập khối trong khuôn hở 39

Hình 2.17 Mẫu thí nghiệm chồn phôi dạng vành 40

Hình 2.18 Đường cong chảy của thép C45 tại các nhiệt độ và tốc độ biến dạng khác nhau 41

Hình 2.19 Mô hình chồn đầu ống với chày ép phẳng và côn 41

Hình 2.20 Sản phẩm sau khi chồn 41

Hình 2.21 Bài toán tiếp xúc 43

Hình 2.22 Các điểm khảo sát 45

Hình 3.1 Các bước thiết lập bài toán mô phỏng 49

Hình 3.2 Mô hình bài toán chồn từ phôi ống với chày có đáy phẳng 50

Hình 3.3 Mô hình hình học của phôi và khuôn 51

Hình 3.4 Chia lưới phần tử cho phôi và khuôn 52

Hình 3.5 Quá trình biến dạng của phôi ống khi chồn 53

Hình 3.6 Đồ thị vận tốc của P1, P2, P3, P4, P5 theo phương Z và phương Y 54

Hình 3.7 Đồ thị chuyển vị của các điểm P1, P2, P3, P4, P5 theo phương X và Z 54

Hình 3.8 Đồ thị chuyển vị của các điểm P1, P2, P3, P4, P5 theo phương 55

Hình 3.9 Vị trí các chất điểm P1, P2, P3, P4, P5 theo phương Z 55

Hình 3.10 Đánh giá mức độ phá hủy 56

Hình 3.11 Phân bố biến dạng 56

Hình 3.12 Phân bố ứng suất 56

Hình 3.13 Phân bố nhiệt độ 56

Hình 3.14 Đồ thị lực chồn 57

Hình 3.15 Chồn cục bộ ống có lõi giữa 57

Hình 3.16 Phân bố biến dạng khi H0/D0 = 0,4 58

Hình 3.17 Phân bố biến dạng khi α = 0o; H0/D0 = 0,6 58

Hình 3.18 Phân bố biến dạng khi H0/D0 = 0,8 59

Hình 3.19 Phân bố biến dạng khi H0/D0 = 1,0 60

Hình 3.20 Quan hệ giữa mức độ biến dạng và chiều cao tương đối H0/D0 61

Hình 3.21 Quan hệ giữa lực chồn và chiều cao tương đối phôi ống H0/D0 61

Hình 3.22 Quan hệ giữa mức độ biến dạng và chiều dày tương đối phôi ống S0/D0 62 Hình 3.23 Quan hệ giữa lực chồn và chiều dày tương đối phôi ống S0/D0 62

viii

Hình 3.24 Mô hình bài toán chồn từ phôi ống 63

Hình 3.25 Phân bố biến dạng khi α = 5o; H0/D0 = 0,4 63

Hình 3.26 Phân bố biến dạng khi α = 100; H0/D0 = 0,4 64

Hình 3.27 Sự phân bố biến dạng khi α = 15o; H0/D0 = 0,4 65

Hình 3.28 Phân bố biến dạng khi α = 20o; H0/D0 = 0,4 66

Hình 3.29 Đồ thị biểu diễn ảnh hưởng của góc nghiêng α tới mức độ biến dạng 68

Hình 3.30 Đồ thị biểu diễn ảnh hưởng của góc nghiêng chày tới lực ép 68

Hình 4.1 Sơ đồ hệ thống thực nghiệm 72

Hình 4.2 Máy ép trục khuỷu FCP – 160 72

Hình 4.3 Kết cấu khuôn chồn 73

Hình 4.4 Chày có các góc nghiêng khác nhau 74

Hình 4.5 Thiết bị nung và đo nhiệt độ 74

Hình 4.6 Cảm biến đo lực 75

Hình 4.7 Thiết bị gia công tín hiệu 75

Hình 4.8 Thiết bị đo kích thước chiều cao và chiều dày của phôi 77

Hình 4.9 Hệ thống thực nghiệm 77

Hình 4.10 Phôi và sản phẩm sau chồn 79

Hình 4.11 Sản phẩm khi H0/D0 =1,0; S0/D0 = 0,25 và α = 10 o .80

Hình 4.12 Sản phẩm khi H0/D0 = 1,0; S0/D0 =0,2 và α = 0 o .80

Hình 4.13 Sản phẩm khi H0/D0 =0,6; S0/D0=0,3 và α = 0 o .81

Hình 4.14 Đồ thị lực chồn khi H0/D0 = 1,0; S0/D0 = 0,25 và α = 10 o .81

Hình 4.15 Đồ thị lực chồn khi H0/D0 =1,0; S0/D0 =0,2 và α = 0 o .81

Hình 4.16 Đồ thị lực chồn khi H0/D0 =0,6; S0/D0 =0,3 và α = 0 o 82

Hình 5.1 Biểu đồ phân mức của các yếu tố H0/D0, S0/D0 và α cho mức độ biến dạng 90 Hình 5.2 Biểu đồ mức độ ảnh hưởng của các yếu tố H0/D0, S0/D0 và α tới mức độ biến dạng 90

Hình 5.3 Biểu đồ sự phụ thuộc của mức độ biến dạng tới từng thông số hình học 91 Hình 5.4 So sánh mức độ biến dạng giữa mô phỏng và thực nghiệm 92

Hình 5.5 So sánh mức độ biến dạng giữa hồi quy và thực nghiệm 94

Hình 5.6 Biểu đồ phân mức của các yếu tố H0/D0, S0/D0 và α cho lực tạo hình 95

Hình 5.7 Biểu đồ mức độ ảnh hưởng của các yếu tố H0/D0, S0/D0 và α tới lực tạo hình 95

Hình 5.8 Sự phụ thuộc của lực tới từng thông số hình học 96

Hình 5.9 So sánh lực tạo hình giữa mô phỏng và thực nghiệm 97

Hình 5.10 So sánh giữa lực tạo hình giữa thực nghiệm và hồi quy 98

Hình 5.11 Bánh răng sau khi dập 99

Hình 5.12 Khuôn chồn 101

Hình 5.13 Kết cấu khuôn dập bánh răng 102

Hình 5.14 Kết quả thực nghiệm tạo hình bánh răng từ phôi ống 103

ix

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 3.1 Kết quả mức độ biến dạng và lực ép khi H0/D0 = 0,4 58

Bảng 3.2 Kết quả mức độ biến dạng và lực ép khi H0/D0 = 0,6 59

Bảng 3.3 Kết quả mức độ biến dạng và lực ép khi H0/D0 = 0,8 59

Bảng 3.4 Kết quả mức độ biến dạng và lực ép khi α = 0o; H0/D0 = 1,0 60

Bảng 3.5 Kết quả mức độ biến dạng và lực ép khi α = 5o; H0/D0 = 0,4 63

Bảng 3.6 Kết quả mức độ biến dạng và lực ép khi α = 5o; H0/D0 = 0,6 63

Bảng 3.7 Kết quả mức độ biến dạng và lực ép khi α = 5o; H0/D0 = 0,8 64

Bảng 3.8 Kết quả mức độ biến dạng và lực ép khi α = 5o; H0/D0 = 1,0 64

Bảng 3.9 Kết quả mức độ biến dạng và lực ép khi α = 100; H0/D0 = 0,4 64

Bảng 3.10 Kết quả mức độ biến dạng và lực ép khi α = 10o; H0/D0 = 0,6 64

Bảng 3.11 Kết quả mức độ biến dạng và lực ép khi α = 10o; H0/D0 = 0,8 65

Bảng 3.12 Kết quả mức độ biến dạng và lực ép khi α = 10o; H0/D0 = 1,0 65

Bảng 3.13 Kết quả mức độ biến dạng và lực ép khi α = 15o; H0/D0 = 0,4 65

Bảng 3.14 Kết quả mức độ biến dạng và lực ép khi α = 15o; H0/D0 = 0,6 65

Bảng 3.15 Kết quả mức độ biến dạng và lực ép khi α = 15o; H0/D0 = 0,8 66

Bảng 3.16 Kết quả mức độ biến dạng và lực ép khi α = 15o; H0/D0 = 1,0 66

Bảng 3.17 Kết quả mức độ biến dạng và lực ép khi α = 20o; H0/D0 = 0,4 66

Bảng 3.18 Kết quả mức độ biến dạng và lực ép khi α = 20o; H0/D0 = 0,6 67

Bảng 3.19 Kết quả mức độ biến dạng và lực ép khi α = 20o; H0/D0 = 0,8 67

Bảng 3.20 Kết quả mức độ biến dạng và lực ép khi α = 20o; H0/D0 = 1,0 67

Bảng 4.1 Mẫu thực nghiệm 78

Bảng 4.2 So sánh kết quả thực nghiệm và mô phỏng 82

Bảng 5.1 Các thông số đầu vào và đầu ra 84

Bảng 5.2 Phương án thực nghiệm khi thay giá trị các mức của các thông số 85

Bảng 5.3 Các đặc trưng chất lượng theo Taguchi 86

Bảng 5.4 Các mức và giá trị tương ứng của các yếu tố ảnh hưởng 88

Bảng 5.5 Các trường thực nghiệm, kết quả mức độ biến dạng và tỷ lệ S/N 89

Bảng 5.6 Bảng ANOVA phân tích ảnh hưởng của các yếu tố tới mức độ biến dạng 89 Bảng 5.7 Bảng so sánh mức độ biến dạng giữa mô phỏng và thực nghiệm 92

Bảng 5.8 Bảng phân tích phương sai ANOVA các yêu tố ảnh hưởng tới mức độ biến dạng 93

Bảng 5.9 So sánh mức độ biến dạng giữa hồi quy và thực nghiệm 93

Bảng 5.10 Các trường thực nghiệm, kết quả lực tạo hình và tỷ lệ S/N 94

Bảng 5.11 Bảng ANOVA phân tích ảnh hưởng của các yếu tố tới lực tạo hình 95

Bảng 5.12 So sánh lực tạo hình giữa mô phỏng và thực nghiệm 96

Bảng 5.13 So sánh lực tạo hình giữa hồi quy và thực nghiệm 98

Bảng 5.14 Thứ tự các bước công nghệ cơ bản dập bánh răng từ phôi ống 100

x

MỞ ĐẦU

I Tính cấp thiết của đề tài

Trên thế giới công nghệ dập tạo hình khối được ứng dụng rộng rãi để sản xuấtcác chi tiết cơ khí, đặc biệt là các chi tiết truyền động Bắt đầu từ những năm 1960,công nghệ dập khối được nghiên cứu, phát triển và áp dụng mạnh mẽ trong cácngành công nghiệp cơ khí chế tạo Đến nay, công nghệ dập khối đã phát triển đạtđến đỉnh cao và thực sự chiếm một tỷ trọng lớn trong chế tạo các chi tiết truyềnđộng, trong đó chú trọng tới việc tiết kiệm vật liệu, giảm năng lượng tạo hình vànâng cao cơ tính, chất lượng sản phẩm

Các dạng chi tiết truyền động được chế tạo bằng công nghệ dập khối rất đadạng và phong phú, điển hình như bánh răng, khớp nối, tay biên, trục khuỷu vàđược ứng dụng trong các ngành công nghiệp vận tải như ô tô, máy bay, chế tạo máymóc, thiết bị

Hiện nay, hầu hết các chi tiết truyền động được dập khối từ phôi đặc và trảiqua các nguyên công cơ bản như chuẩn bị phôi, nung phôi, các nguyên công tạohình sơ bộ (chồn, ép tụ, uốn, vuốt, dập thô), các nguyên công dập hoàn thiện (dậptinh trong khuôn hở hoặc dập trong khuôn kín, ép chảy), các nguyên công hoànthiện Nhưng thực tế có rất nhiều chi tiết truyền động có dạng rỗng, sau khi dập khốicần có nguyên công gia công cơ để bỏ đi phần kim loại và tạo ra chi tiết rỗng Nhưvậy, đối với các chi tiết rỗng, nếu tạo hình từ phôi đặc sẽ lãng phí vật liệu và làmtăng thêm qui trình công nghệ khi phải có thêm nguyên công gia công cơ hoặc đột

lỗ Trong thời gian gần đây, nhiều nhà kỹ thuật trên thế giới đưa ra ý tưởng vànghiên cứu công nghệ dập khối các chi tiết từ phôi ống để chế tạo các chi tiết truyềnđộng dạng trục rỗng nhằm tiết kiệm vật liệu và nâng cao hiệu quả sản xuất

Khi dập khối các chi tiết dạng trụ rỗng có bậc, vai, vấu hay răng thường trảiqua các nguyên công sơ bộ như chồn để tạo hình phôi có hình dạng gần nhất với sảnphẩm trước khi dập hoàn thiện Việc chồn phôi ống thường khó khăn vì phôi ống dễ

bị mất ổn định, mức độ biến dạng nhỏ, không tạo được chiều dày và chiều cao phôicần thiết, hay xuất hiện các khuyết tật trong phôi làm ảnh hưởng đến chất lượng sảnphẩm Việc lựa chọn phôi phù hợp cho nguyên công chồn ống thường khó khăn vàcho đến nay vẫn chưa có những nghiên cứu cụ thể nào cho phép lựa chọn kíchthước phôi hợp lý cho nguyên công chồn ống

Chính vì vậy, việc đặt ra mục tiêu nghiên cứu ảnh hưởng của kích thước hìnhhọc phôi ống, hình dạng dụng cụ gia công, điều kiện biến dạng đến khả năng tạohình sản phẩm trong nguyên công chồn rất có ý nghĩa, vừa đóng góp về mặt họcthuật các kiến thức mới về công nghệ chồn, sự hình thành khuyết tật khi chồn, vừa

có ý nghĩa thực tiễn trong việc tiết kiệm vật liệu, năng lượng khi tạo hình, rút ngắnthời gian và qui trình công nghệ chế tạo các chi tiết truyền động trong các thiết bịmáy móc cơ khí

1

II Mục đích, đối tượng và phạm vi nghiên cứu của đề tài

1 Mục đích nghiên cứu

- Xây dựng được phương pháp xác định thời điểm mất ổn định và quá trình hình thành khuyết tật gấp khi chồn phôi ống

- Thiết lập mối quan hệ giữa mức độ biến dạng, lực chồn phụ thuộc vào thông

số hình học phôi và khuôn trong điều kiện phôi không xuất hiện khuyết tật gấp dựatrên mô phỏng số kết hợp với thực nghiệm

- Đánh giá khả năng ứng dụng chồn ống trong công nghệ dập khối để chế tạo bánh răng liền trục rỗng

2 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Luận án nghiên cứu quá trình chồn chi tiết từ phôi ống với đối tượng nghiên cứu cụ thể như sau:

- Nghiên cứu được thực hiện với thép C45

- Miền giá trị các thông số hình học ban đầu của phôi ống (H0/D0 = 0,4 đến 1,0

và S0/D0 = 0,2 đến 0,35; H0 - chiều cao phần phôi ống được chồn, D0 - đường kínhngoài của phôi ống, S0 - chiều dày phôi ống)

- Chày ép có đáy phẳng và côn, góc nghiêng đáy chày α = 0o đến 20o

- Nghiên cứu quá trình biến dạng đảm bảo không xuất hiện khuyết tật gấp dựa trên mô phỏng số được thực hiện với phần mềm Deform3D

- Hệ thống thiết bị thí nghiệm phục vụ nghiên cứu được xây dựng phù hợp vớimục tiêu nghiên cứu (Máy ép trục khuỷu, khuôn chồn, thiết bị đo nhiệt độ, thiết bị đolực, lưu dữ liệu và xử lý dữ liệu trên phần mềm DasyLab)

- Sản phẩm sau khi chồn được thử nghiệm cho nguyên công dập hoàn thiện các chi tiết bánh răng liền trục rỗng

III Phương pháp nghiên cứu

Kết hợp nghiên cứu lý thuyết với mô phỏng và thực nghiệm:

- Khảo sát, tìm hiểu các kết quả nghiên cứu đã công bố liên quan đến đề tài trong và ngoài nước, từ đó xây dựng cơ sở lý thuyết cho công nghệ chồn ống

- Nghiên cứu xác định các thông số hình học của phôi và khuôn dựa trên phân tích mô phỏng số với phần mềm Deform

- Nghiên cứu kiểm chứng kết quả mô phỏng số và xác định ảnh hưởng của cácthông số hình học phôi, khuôn đến quá trình chồn dựa trên hệ thống thực nghiệm đượcxây dựng với máy ép trục khuỷu, các thiết bị đo và các phần mềm đo hiện đại có ởViệt Nam, dữ liệu xử lý số liệu cho kết quả đảm bảo độ tin cậy

- Ứng dụng phần mềm Matlab để xử lý dữ liệu thực nghiệm và xây dựng hàm

số, đồ thị quan hệ giữa các thông số hình học phôi và góc nghiêng chày với mức độbiến dạng và lực tạo hình

2

IV Ý nghĩa của đề tài

1 Ý nghĩa khoa học

- Đã đưa ra phương pháp xác định chính xác thời điểm mất ổn định và sựxuất hiện khuyết tập gấp khi chồn phôi ống Với kết quả đó đã xây dựng được miềngiá trị của mức độ biến dạng và lực chồn phụ thuộc và thông số hình học của phôiống ban đầu (tỉ lệ H/D và S/D) và hình dạng của đầu chày ép (góc nghiêng đáy chàyα)

- Trên cơ sở các kết quả nghiên cứu phân tích nguyên nhân, cũng như lý giảihiện tượng mất ổn định và tạo thành khuyết tật gấp khi chồn phôi ống bằng phươngpháp mô phỏng số, đồng thời ứng dụng quy hoạch thực nghiệm (theo phương phápTaguchi) đã thiết lập được mối quan hệ toán học của mức độ biến dạng và lực chồnvới các thông số hình học của phôi ống ban đầu (tỉ lệ H/D và S/D) và hình dạng củađầu chày ép (góc nghiêng đáy chày α) đảm bảo chất lượng của phôi sau khi chồn (không có khuyết tật)

2 Ý nghĩa thực tiễn

- Kết quả của luận án có thể dùng cho việc xây dựng các hệ thống thiêt bị,khuôn và đồ gá để triển khai ứng dụng công nghệ chồn phôi ống các chi tiết truyềnđộng dạng bánh răng liền trục rỗng phù hợp với điều kiện sản xuất trong thực tế tạiViệt Nam, giảm chi phí thiết kế tối ưu hóa công nghệ và sản xuất thử nghiệm

- Các kết quả nghiên cứu cho phép lựa chọn được các thông số hình học phôiống, hình dạng chày cho nguyên công chồn để tạo hình các sản phẩm trung gian chodập khối các chi tiết truyền động dạng rỗng

- Luận án có thể dùng làm tài liệu tham khảo cho đào tạo và nghiên cứu tiếp theo trong lĩnh vực chuyên ngành kỹ thuật vật liệu và chế tạo máy

V Các điểm mới của luận án.

- Đưa ra bài toán chồn đầu từ phôi ống để phục vụ cho nguyên công dập khốitiếp theo từ vật liệu thép C45, với điều kiện nhiệt độ bắt đầu chồn là 1150oC, tốc độdập là 13,4 mm/s, hệ số ma sát m = 0,3÷0,4, phôi được lựa chọn với các thông số banđầu H0/D0 = 0,4; 0,6; 0,8 và 1,0; S0/D0 = 0,2; 0,25; 0,3 và 0,35; chày ép có góc nghiênđáy chày α = 0o; 50; 10o; 15o và 20o Sử dụng phương pháp mô phỏng số bằng phầnmềm Deform để xác định mức độ biến dạng (ε) và lực chồn (P) đã nhận được kết quả

mô phỏng qua nhiều bước khác nhau, qua đó chỉ ra quá trình biến dạng tạo hình từphôi ống và sự xuất hiện khuyết tật gấp là do sự mất ổn định khi chồn, chỉ ra thời điểmxảy ra mất ổn định trong phôi

- Xây dựng được hệ thống trang thiết bị thí nghiệm đảm bảo cho quá trình thựcnghiệm chồn phôi ống trên máy ép trục khuỷu FCP-160, lò nung phôi, khuôn gắn cảmbiến kết nối trực tiếp với các thiết bị xử lý tín hiệu và máy tính Kết quả thực nghiệmkiểm chứng của các trường hợp điển hình đã được so sánh đối chiếu với kết quả môphỏng số, cho thấy sự phù hợp giữa mô phỏng và thực nghiệm

- Áp dụng phân tích Anova trong quy hoạch thực nghiệm, đã xây dựng đượcbiểu đồ tổng quát về sự ảnh hưởng của các thông số đầu vào: H0/D0, S0/D0 và α tới

3

mức độ biến dạng (ε) và lực chồn (P) Từ các mô hình toán học nhận được khi xử lý

số liệu thực nghiệm (công thức 5.19 và 5.21) đưa ra các đồ thị 3D biểu diễn sự thụthuộc của mức độ biến dạng (ε) và lực chồn (P) vào các thông số H0/D0, S0/D0 và α(Hình 5.3 và Hình 5.8) Ngoài ra đã đưa ra các biểu đồ so sánh kết quả mô phỏng vàthực nghiệm cũng như so sánh kết quả hồi quy và thực nghiệm Đây là những căn

cứ khoa học đáng tin cậy để xây dựng quy trình công nghệ tạo hình các sản phẩmdạng trụ rỗng có bậc, vai vấu, điển hình là bánh răng liền trục rỗng trong truyềnđộng cơ khí, giảm thiểu các chi phí thử nghiệm

VI Nội dung chính của luận án

Tổng quan về công nghệ chồn phôi ống trong dập khối để chế tạo các chi tiếttruyền động được trình bày trong Chương 1, trong đó khảo sát các chi tiết có dạngrỗng được chế tạo bằng công nghệ dập khối, những công nghệ chế tạo từ trước đếnnay, những kết quả nghiên cứu về công nghệ chồn phôi ống trong và ngoài nước

Chương 2 trình bày cơ sở lý thuyết về công nghệ chồn phôi ống, các dạngcông nghệ chồn, các khuyết tật sản phẩm khi chồn Trong chương này cũng trìnhbày các chỉ số cần đạt được khi chồn để đáp ứng yêu cầu công nghệ dập khối Trên

cơ sở phân tích các yếu tố công nghệ cơ bản, đã xây dựng mô hình bài toán chồnphôi ống phù hợp với công nghệ dập các chi tiết dạng trục rỗng

Chương 3 thiết lập mô phỏng số bài toán chồn phôi ống với phần mềmDeform để xác định thời điểm bắt đầu xuất hiện khuyết tật gấp cũng như khả năngtạo hình phôi ống Các kết quả mô phỏng số trong Chương 3 sẽ được kiểm chứngtính khả dụng thông qua thực nghiệm với hệ thống thiết bị được xây dựng phù hợpđược trình bày trong Chương 4

Chương 5 trình bày thực nghiệm và các kết quả khảo sát ảnh hưởng thông sốhình học phôi và khuôn tới mức độ biến dạng và lực tạo hình

Cuối cũng là kết luận chung và hướng phát triển của đề tài, danh mục tài liệutham khảo, danh mục các công trình đã công bố của luận án và các phụ lục kết quảnghiên cứu

4

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ CHỒN TRONG CÔNG NGHỆ DẬP

KHỐI CHI TIẾT TỪ PHÔI ỐNG 1.1 Khái quát về các chi tiết truyền động

Các chi tiết dạng bánh răng, trục truyền lực, khớp nối, trục khuỷu… xuấthiện khá phổ biến trong các hệ thống, thiết bị, hộp số, cụm chi tiết truyền động cơkhí (Hình 1.1) Các chi tiết này có nhiều hình dạng khác nhau nhưng chủ yếu là cácchi tiết dạng đối xứng trục có vai, vấu, răng để truyền mô men xoắn, ăn khớp khilàm việc

Có rất nhiều các chi tiết máy như bánh răng, khớp nối, trục truyền lực códạng rỗng Cho đến những năm 1980, các chi tiết truyền động này được chế tạobằng các công nghệ đúc, gia công cắt gọt, sau đó nhiệt luyện Do đòi hỏi yêu cầu kỹthuật cao khi làm việc như chịu tải trọng động, tải trọng nhiệt, mài mòn… hơn nữa,yêu cầu sản xuất loạt lớn của nền công nghiệp, nên công nghệ dập khối dần thay thếcông nghệ gia công cắt gọt Các chi tiết này được chế tạo bằng công nghệ dập khốinóng, sau đó gia công cơ hoàn thiện và nhiệt luyện

Trong vòng 20 năm trở lại đây, tất cả các chi tiết truyền động trong các thiết

bị truyền lực, hộp số ở các thiết bị máy móc hay ô tô đều được sản xuất bằng côngnghệ dập khối để đem lại những hiệu quả cao về kinh tế và đáp ứng được yêu cầu

kỹ thuật của chi tiết

Hình 1.1 Các chi tiết bánh răng, vành răng, bánh răng liền trục [1,2]

Để đảm bảo được yêu cầu làm việc và độ bền lâu, các chi tiết truyền độngđược chế tạo từ thép hợp kim thấp có chứa nguyên tố Cr và một lượng nhỏ Mn, Mo

5

Những mác vật liệu hay được sử dụng theo TCVN 1765-85 có 15Cr, 20Cr,20CrMo, 18CrMnTi Đối với các chi tiết bánh răng cỡ vừa và nhỏ vật liệu sử dụngthường là thép C40, C45.

Chi tiết sau khi dập khối được công cơ, nhiệt luyện, thấm các bon hay nitơ đểnâng cao khả năng chịu mài mòn

1.2 Khái quát về công nghệ dập khối chế tạo các chi tiết truyền động

1.2.1 Dập khối

Dập khối là một phương pháp công nghệ trong gia công kim loại bằng áp lực(gia công áp lực) dựa trên tính dẻo của vật liệu, trong đó vật liệu kim loại được biếndạng dẻo và điền đầy lòng khuôn và tạo ra chi tiết có kích thước, biên dạng giốngnhư lòng khuôn [1],[2],[3]

Dập khối đã xuất hiện và được áp dụng phổ biến từ rất lâu Bắt đầu từ thế kỷthứ 15 được áp dụng để chế tạo vũ khí, máy móc thiết bị phục vụ nông nghiệp, côngnghiệp Theo thời gian, công nghệ này ngày càng được phát triển và đến nay dậpkhối được thực hiện trên các thiết bị tự động, điều khiển, trong những điều kiệnnhiệt độ khác nhau và phù hợp với tất cả các loại vật liệu có tính dẻo

Hình 1.2 Sơ đồ công nghệ dập khối [2]

Dập khối được thực hiện qua các bước công nghệ (Hình 1.2):

- Chuẩn bị phôi: Phôi được chuẩn bị làm sạch trước với kích thước theo thiết

kế và thường có hình dáng ban đầu đơn giản (dạng trụ, thanh có tiết diện ngang hìnhvuông, chữ nhật)

- Nung phôi: Đối với các loại vật liệu khó biến dạng, phôi được nung đếnnhiệt độ phù hợp (thường là nhiệt độ dập nóng) Việc nung phôi rất quan trong nhằmtăng tính dẻo cho kim loại, nâng cao khả năng biến dạng dẻo, giảm năng lượng dập tạohình Đối với một số trường hợp kim loại dễ biến dạng, hoặc mức độ biến dạng khônglớn, có thể bỏ qua nung phôi và tạo hình ở trạng thái nguội

- Dập khối: Đây là nguyên công chính, có thể được thực hiện qua nhiều bướcnguyên công như tạo hình sơ bộ sau đó dập khối trong khuôn hở (dập thô, dập tinh)hoặc dập trong khuôn kín để tạo hình chi tiết

- Xử lý sau khi dập: Sản phẩm sau khi dập có thể trải qua các công đoạn hoàn thiện như gia công cơ, nhiệt luyện…

- Trong sơ đồ công nghệ dập khối có thể thấy được 2 giai đoạn rất quan trọng, quyết định sự thành công của công nghệ đó là nung phôi và dập khối

Nung phôi đảm bảo cho đạt được nhiệt độ của phôi đến nhiệt độ tạo hình và

ổn định nhiệt độ của phôi trên toàn bộ thể tích Tuỳ vào vật liệu mà nhiệt độ bắt đầu

6

tạo hình có thể khác nhau Thông thường đối với thép nhiệt độ bắt đầu tạo hình là từ

11000C đến 12000C

Dập khối thường chia ra nguyên công dập sơ bộ nhằm đưa hình dạng củaphôi ban đầu đơn giản về gần giống với sản phẩm để đảm bảo cho nguyên công dậptinh cuối cùng được thành công, kim loại điền đầy lòng khuôn, tạo ra sản phẩmchính xác Các nguyên công dập sơ bộ thường được sử dụng đó là chồn, ép tụ, vuốt,uốn, cán chu kỳ… trong đó nguyên công chồn sử dụng khá phổ biến Sau khi tạohình sơ bộ, phôi được đưa vào dập trong lòng khuôn Có 2 dạng khuôn được sửdụng là khuôn hở và khuôn kín [1],[2] Khuôn hở được áp dụng đối với những chitiết có hình dạng phức tạp, nhiều ngóc ngách, khó tính toán chính xác thể tích củasản phẩm Khuôn kín được áp dụng với những sản phẩm có thể tính toán chính xácthể tích chi tiết, khuôn dễ dàng lắp các hệ thống chống quá tải, dễ kết thúc chính xáchành trình dập (Hình 1.3) Hiện nay, trong công nghệ dập khối, với khả năng tínhtoán và đánh giá quá trình biến dạng trước nhờ mô phỏng số, các nhà kỹ thuậtthường thiết kế khuôn kín nhằm tiết kiệm thời gian, vật liệu và năng lượng cho cácnguyên công cắt biên

a) khuôn hở b) khuôn kín Hình 1.3 Dập khối trên khuôn hở và khuôn kín [2]

Nguyên công chồn và các nguyên công khác trong dập khối được thực hiệnphổ biến trên các loại thiết bị thông dụng như máy búa (búa hơi, búa không khí nén,búa thuỷ lực, máy ép trục khuỷu dập nóng, máy ép ma sát trục vít, máy dập cungđiện stator (Hình 1.4)

Máy búa Máy ép ma sát trục vít Máy ép trục khuỷu Hình 1.4

Các thiết bị chính sử dụng để đập khối [2]

Các chi tiết truyền động trong các thiết bị cơ khí nói chung có rất nhiều hìnhdạng khác nhau, hình dạng khối đặc, dạng bậc, có vai, rãnh, gờ, răng để liên kết vàtruyền chuyện động, mô men cho các chi tiết khác (Hình 1.5 và Hình 1.6) Đặc biệttrong các bộ truyền động, hộp số, hộp giảm tốc, hộp chia lực thường sử dụng rấtnhiều bánh răng, khớp nối vấu có dạng trụ, rỗng để lắp lên trục Đến nay, hầu hết

7

các chi tiết này đều được dập khối qua các nguyên công: nung, chồn cục bộ, dậpkhối trong khuôn kín hoặc ép chảy, gia công cơ và gia nhiệt luyện.

Hình 1.5 Các chi tiết truyền động dạng trục rỗng

Hình 1.6 Chi tiết lắp ráp trong thiết bị cơ khí dạng trục rỗng

Các chi tiết truyền động và lắp ráp cơ khí như trên Hình 1.5 và 1.6 dạng trụcrỗng được rất nhiều hãng sản xuất, có thể tìm thấy trong các tài liệu kỹ thuật củahãng và trên internet

Nhiều nhà máy, các cán bộ kỹ thuật vẫn lựa chọn công nghệ để chế tạo cácchi tiết rỗng từ dập khối phôi đặc, sau đó gia công khoan lỗ giữa Để tiết kiệm vậtliệu, tránh gia công cơ phải cắt bỏ đi nhiều vật liệu (đôi khi chiếm tới 35% vật liệuphôi ban đầu), các nhà kỹ thuật lựa chọn nguyên công chồn, sau đó dập khối tạo lỗkhông thấu Màng ngăn lỗ sẽ được đột sau khi dập hoàn thiện chi tiết Tuy nhiên,công nghệ này thường thêm nguyên công đột hoặc cần lực lớn trong nguyên côngdập khối do phải tạo thêm lỗ không thấu

Trong vòng 10 năm qua, cũng có nhiều đề xuất nghiên cứu công nghệ dậpcác chi tiết dạng rỗng này từ phôi ban đầu không phải là phôi đặc mà là phôi rỗng(phôi ống)[4]–[7], bởi nếu dập phôi rỗng sẽ tiết kiệm vật liệu lên tới 35%, nănglượng tạo hình cũng tiết kiệm được tương ứng tới 35% Dập từ phôi rỗng cần cónguyên công chồn để phân bố lại kim loại, tạo ra các tiết diện lớn hơn cho phôitrung gian để phù hợp với nguyên công dập khối chính Tuy nhiên, việc chồn phôi

8

ống không đơn giản, khác hẳn với chồn phôi đặc bởi phôi ống rất dễ bị mất ổn định,đặc biệt ở trạng thái nóng Việc tính toán công nghệ khó khăn, dễ tạo ra khuyết tậtsau khi chồn làm giảm chất lượng sản phẩm cuối cùng Chính vì vậy, đến nay vẫnchưa có những nghiên cứu cụ thể đưa ra công nghệ dập khối chi tiết truyền độngdạng rỗng từ phôi ống và áp dụng thành công trong sản xuất công nghiệp Điều khókhăn nhất trong công nghệ này là phải tính toán được chính xác nguyên công chồn

để tạo sản phẩm trung gian phù hợp mà không bị các khuyết tật do mất ổn định khichồn ống tạo ra

Hình 1.7 Chế tạo các chi tiết truyền động dạng rỗng bằng công nghệ dập khối từ phôi đặc

9

1.2.2 Nguyên công chồn trong công nghệ dập khối Sơ

đồ nguyên công chồn được trình bày như hình dưới đây

Hình 1.8 Sơ đồ nguyên công chồn phôi đặc không có ma sát và có ma sát

Chồn là một nguyên công công nghệ nhằm giảm chiều cao, tăng diện tích tiếtdiện ngang đồng thời nâng cao cơ tính của sản phẩm Phôi chồn có thể ở dạng dải,tiết diện tròn hay các tiết diện vuông, chữ nhật hoặc ống [2],[8],[9] Chồn được coi

là một nguyên công tạo hình sơ bộ và được sử dụng phổ biến trong công nghệ dậpkhối Đối với một số sản phẩm như dạng bu lông, vít, chồn được xem là nguyêncông chính và có khả năng tạo hình sản phẩm hoàn thiện

Chồn chủ yếu được thực hiện trong trạng thái biến dạng tự do với hai khuôntrên, dưới (búa, bệ đe) có dạng phẳng Tuỳ vào trường hợp tạo hình phôi phù hợpvới nguyên công dập khối, chồn có thể thực hiện trên khuôn có biên dạng định hình.Lực tạo hình, ứng suất trong phôi là nén, biến dạng của phôi là biến dạng khối,theo chiều cao là biến dạng nén và theo 2 phương ngang là biến dạng kéo

Hình dạng của phôi sau khi chồn phôi hình trụ có thể là hình trụ (đồng dạng,biến dạng đồng đều) khi không có ma sát trên bề mặt tiếp xúc giữa phôi và khuôn.Trường hợp này khó xảy ra trong thực tế, kể cả trong trường hợp bôi trơn rất tốt thìcũng chỉ có thể giảm thiểu ảnh hưởng của ma sát tiếp xúc Phôi thường bị phìnhtang trống (biến dạng không đồng đều) do sự xuất hiện của ma sát tiếp xúc giữaphôi và dụng cụ gia công Hệ số ma sát càng lớn, phôi sẽ bị phình tang trống càngnhiều

Chồn không chỉ được thực hiện với phôi đặc, phôi rỗng cũng hoàn toàn có thểchồn để tạo phôi trung gian cho các nguyên công tiếp theo và nâng cao cơ tính sảnphẩm

Hình 1.9 Sơ đồ nguyên công chồn phôi rỗng a)bôi trơn tốt và b) bôi trơn kém hơn

Tương tự như chồn phôi đặc, nếu hệ số ma sát giữa phôi và dụng cụ giacông lớn, tiết diện ngang theo chiều dày phôi sẽ có dạng phình tang trống Trong

10

trường hợp bôi trơn tốt (được xem như không có ma sát), phôi có xu hướng biếndạng tăng đường kính ngoài theo đúng định luật trở lực biến dạng nhỏ nhất (Hình1.9) Việc giảm đường kính trong ít hơn do kim loại bị chảy theo hướng kính đi vàotâm làm giảm khó khăn hơn, cản trở lẫn nhau nhiều hơn.

a Sơ đồ lực tác dụng b Sơ đồ trạng thái ứng suất c Sơ đồ trạng thái biến dạng

Hình 1.10 Sơ đồ lực, trạng thái ứng suất và biến dạng khi chồn [8]

Trên Hình 1.10 biểu diễn sơ đồ tác dụng lực, ứng suất và biến dạng trongtrường hợp chồn không có ma sát, tương ứng với trường hợp nén đơn Khi đó lựcnén theo phương chính 1 hay trục z, ứng suất nén đơn σz = σ1 = σeq và biến dạngkhối với biến dạng theo phương z là biến dạng nén, biến dạng theo 2 phương còn lại

là biến dạng kéo, chúng bằng nhau và bằng một nửa biến dạng nén

Trong thực tế tồn tại ma sát giữa phôi và dụng cụ gia công Vì vậy, sơ đồ lựctác dụng sẽ không chỉ có lực theo phương z mà còn xuất hiện lực ma sát hướng vàotâm phôi, cản trở quá trình chảy ngang của kim loại Chính lực ma sát này là nguyênnhân gây phình tang trống trên phôi khi chồn Trạng thái ứng suất cũng theo đó trởthành trạng thái ứng suất nén khối bởi xuất hiện thành phần ứng suất nén do lực masát gây ra Trạng thái biến dạng khối, nhưng sẽ không đồng đều trên toàn bộ mặt cắtngang phôi, mà có sự thay đổi giữa các mặt cắt ngang khác nhau

Hình dưới đây biểu diễn hướng thớ kim loại sau khi chồn Với hướng thớ hìnhvòng cung theo chiều dọc phôi sẽ có tác dụng nâng cao độ bền cho sản phẩm saukhi dập

Hình 1.11 Hướng thớ kim loại sau khi chồn

1.3 Các nghiên cứu trong và ngoài nước về công nghệ chồn

1.3.1 Các nghiên cứu ở nước ngoài

Nguyên công chồn được xem là một trong những bước tạo hình sơ bộ banđầu nên trong công nghệ dập khối chồn luôn được thiết kế đơn giản, không chútrọng vào việc tạo ra hình dạng chính xác, không tính toán cụ thể nếu sau đó còn cónguyên công dập thô và dập tinh trên khuôn hở Chính vì vậy, rất nhiều tài liệu côngnghệ dập khối hay những nghiên cứu mới về công nghệ chỉ đề cập đến nguyên côngchồn chứ không xem đây là một công nghệ [2],[8],[10].Tuy nhiên, cũng có nhiều

11

tác giả coi việc xác định phôi chồn và kích thước sản phẩm sau khi chồn quan trọng,

có thể quyết định rút ngắn các nguyên công dập hoàn thiện Sau khi chồn, phôi đượcdập khối chính xác trong khuôn kín [5],[6],[11] Chính vì vậy, nhiều nhà kỹ thuậtcoi chồn cũng là một công nghệ và cần được thiết kế công nghệ này một cách chínhxác

Nhiều nhà kỹ thuật đã tập trung nghiên cứu loại hình công nghệ, tính toánkích thước phôi, kích thước hình dạng sản phẩm sau chồn, xác định các thông sốcông nghệ, xác định ứng suất, biến dạng, đặc điểm dòng chày kim loại, khuyết tật,lực công nghệ và lựa chọn thiết bị thực hiện

Nhiều tác giả sử dụng phương pháp mô phỏng số để xác định các thông sốcông nghệ phù hợp và đánh giá quá trình chồn cũng như điền đầy lòng khuôn củavật liệu [5],[13],[14],[15]

Một nhóm các tác giả khác cũng nghiên cứu công nghệ chồn cục bộ liên tục

để tạo hình các chi tiết có dạng mũ trên khuôn có hệ thống đàn hồi để khống chếvùng biến dạng luôn ở trong điều kiện tỷ số giữa chiều cao và đường kính thanhkhông vượt quá 2,5 (giới hạn mất ổn định) [16]–[19] Kim loại bổ sung liên tục vàovùng biến dạng để tạo ra phần đầu chồn có tiết diện lớn

Tác giả Aydin Tuzun phát triển công nghệ chồn cho các chi tiết dạng ống[20], tính toán giải tích và mô phỏng để xác định khả năng tạo hình khi chồn ống

Vì phôi ống có thành mỏng nên việc tạo hình phải được tính toán kỹ, chồn quanhiều bước và được thực hiện trong lòng khuôn để tránh hiện tượng mất ổn địnhcho phôi ống

Hình 1.12 Chồn cục bộ từ phôi ống

12

1.3.1.2 Vật liệu

Chồn thường nằm trong một chuỗi nguyên công dập khối nên việc lựa chọnvật liệu phụ thuộc vào yêu cầu chi tiết Tất cả các vật liệu kim loại, hợp kim dùngtrong chế tạo máy, có tính dẻo đều được áp dụng và thích hợp với công nghệ chồn.Trong nhiều nghiên cứu [10], [19], [21], [22], các tác giả sử dụng nhiều loại vật liệuthép (từ thép các bon, thép hợp kim thấp đến thép hợp kim cao), vật liệu màu nhưhợp kim nhôm, titan… Để tính toán các thông số công nghệ, đặc biệt là lực tạo hìnhhay áp dụng mô phỏng số để khảo sát, phân tích quá trình tạo hình, các tác giảthường phải xây dựng mô hình thuộc tính biến dạng của vật liệu trong những điềukiện nhiệt độ khác nhau phù hợp với chế độ công nghệ Các mô hình vật liệu thường

áp dụng mô hình của Ludwig hay Swift [23], [24] Việc xác định, nhận dạng các hệ

số trong mô hình thuộc tính biến dạng, hầu hết đều sử dụng phương pháp nén phôitrụ có bôi trơn tốt giữa phôi và chày cối để đảm bảo ma sát tiếp xúc nhỏ nhất

1.3.1.3 Thiết kế bước công nghệ phụ thuộc vào hình dạng sản phẩm chồn

Đối với các sản phẩm chồn từ phôi đặc (chồn toàn bộ thể tích phôi hoặc chồncục bộ) thì việc xác định kích thước sản phẩm chồn qua các bước chồn được tínhtoán dựa trên định luật bảo toàn thể tích và đảm bảo điều kiện để phôi không bị mất

ổn định Việc xác định các bước chồn đã được nhiều nhà kỹ thuật thiết kế phụ thuộcvào sản phẩm, và chủ yếu quan tâm tới các chi tiết cần có tỷ số chồn tổng cộng lớn.Trường hợp chồn với tỷ số H/D=7 cần 3 bước chồn, với H/D=12 cần 5 bước chồn

và phụ thuộc vào hình dạng chi tiết cuối cùng để xác định nguyên công dập tronglòng khuôn để hoàn thiện

Chế tạo các chi tiết rỗng, nếu sử dụng phôi ống sẽ có lợi và tiết kiệm hơn rấtnhiều, nhưng việc xác định tỷ số chồn lại chưa có công thức tính cụ thể Bước côngnghệ đối với chồn các chi tiết từ thanh hay khối vật liệu đặc thường xác định theo tỷ

số H/D, nhưng đối với các chi tiết dạng ống thì không chỉ tính theo tỷ số H/D đượcbởi còn phụ thuộc vào chiều dày Nếu chiều dày ống nhỏ hay đường kính ống lớnhoặc nén lệch tâm thì ống sẽ bị mất ổn định Như vậy, chồn phôi rỗng khó khăn hơnnhiều

Trong nghiên cứu [20]và các phát minh về phương pháp thiết kế tạo hình cácchi tiết ống [25]–[30]có đưa ra các dạng chồn cục bộ từ phôi ống như hình dướiđây

Hình 1.13 Các dạng chồn cục bộ từ phôi ống

Theo các nghiên cứu này, có 3 dạng thiết kế công nghệ:

- Chồn ngoài: Đường kính bên ngoài của ống được tăng lên trong khi đường kính bên trong không thay đổi

- Chồn trong: Đường kính bên trong của ống được tăng lên trong khi đường kính bên ngoài không thay đổi

- Chồn đồng thời ngoài và trong: Đường kính bên ngoài của ống được tăng lên trong khi đường kính bên trong giảm

13

Chồn cục bộ để tăng tiết diện ngang, chiều dày ống được thực hiện ở bất kỳ

vị trí nào trên phôi Chồn cục bộ các dạng nêu trên cần có khuôn, không thực hiệnđược quá trình chồn tự do bởi khả năng mất ổn định phôi ống rất dễ xảy ra Do đó,công nghệ chồn ống thường bị giới hạn hoặc luôn phải kiểm soát, khống chế biếndạng theo phương chiều dày trong suốt quá trình chồn

Do chưa có lý thuyết cụ thể tính toán về mối quan hệ giữa chiều cao vùng chồn với chiều dày ống, đường kính ống, nên hầu hết các nghiên cứu thiết kế chỉ dựa trên kinh nghiệm và phải có sự hỗ trợ của công cụ mô phỏng trên máy tính Tuỳthuộc vào yêu cầu hình dạng sản phẩm mà người kỹ thuật phải thiết kế khuôn sao cho phù hợp, sản phẩm dập thử phải kiểm tra sự tồn tại của khuyết tật Một vài thiết

kế công nghệ và khuôn đã được nghiên cứu như sau:

Thiết kế của L.M Alves và các cộng sự chỉ ra nếu phôi dày và khuôn có sửdụng lõi thì quá trình biến dạng khá dễ dàng, nhưng nếu phôi ống mỏng, tương quanchiều dày và chiều cao ống chồn không phù hợp, phôi sẽ mất ổn định và bị congngay khi bắt đầu chồn [31], [32]

Hình 1.14 Sơ đồ chồn cục bộ từ phôi ống

Hình 1.15 Thiết kế mô hình chồn cục bộ của L.M Alves

Tiếp đó trong nghiên cứu của mình, L.M Alves đã đưa ra mô hình chồn cục

bộ và thấy rằng nếu lựa chọn giá trị của độ tăng chiều dày vùng chồn cục bộ và

14

chiều dày bị giảm đi của phần trên ống thì sẽ tránh được hiện tượng lỗi do mất ổngđịnh (mô hình 2) hay rách phôi (mô hình 3) Trong nghiên cứu này, việc xác địnhcác giá trị nêu trên phù hợp hoàn toàn dựa trên mô phỏng và thực nghiệm kiểmchứng.

Hình 1.16 Thiết kế mô hình chồn cục bộ của Aydin Tuzun

Nghiên cứu đưa ra việc thiết kế khuôn chồn cục bộ và khảo sát các kích thướccủa khuôn, đặc biệt là các kích thước góc lượn chày, cối sao cho tạo điều kiện thuậnlợi nhất cho biến dạng kim loại ở vùng chồn Tuy nhiên, tính toán chiều dài phôiban đầu và chiều dày đạt được sau khi chồn hoàn toàn phụ thuộc vào kết quả môphỏng số mà chưa đưa ra được cơ sở lý luận cụ thể Kết quả nghiên cứu có giá trịtham khảo cao khi dựa trên phân tích mô phỏng số đã dự tính được điều kiện đểphôi biến dạng không tạo ra mất ổn định, dẫn đến cong, gấp phôi là chiều cao tự docủa ống ban đầu không vượt quá 2,5 lần chiều dày và mức độ tăng chiều chày saukhi chồn và trước khi chồn không vượt quá 1,5 lần Dựa vào tỷ số gia tăng chiềudày này có thể tính toán sơ bộ được số bước chồn phù hợp

Hình 1.17 Mức độ tăng chiều dày khi chồn ống 1.3.1.4 Trạng thái ứng suất, biến dạng và lực

Vấn đề này đã được nhiều nhà kỹ thuật trên thế giới nghiên cứu từ rất lâu và đã đưa

ra các công thức tính toán giải tích cho phân bố ứng suất, biến dạng và lực chồn[33],[34],[35],[36],[37] Bắt đầu từ thế kỷ 21 không còn nghiên cứu cơ bản về trạngthái ứng suất biến dạng nữa, mà hầu hết các nghiên cứu được lồng ghép trong tínhtoán công nghệ cụ thể và sử dụng các phương pháp số để xác định và cho kết quảhình ảnh rõ ràng [38]–[41],[42] Tuy nhiên việc nghiên cứu các bài toán chồn phôiđặc là chủ yếu, không phân tích cụ thể đối với bài toán chồn phôi rỗng

15

1.3.1.5 Ảnh hưởng của ma sát

Ma sát trên bề mặt tiếp xúc giữa phôi và dụng cụ gia công trong quá trìnhchồn rất quan trọng bởi đây là nguyên nhân cơ bản dẫn đến biến dạng không đồngđều trên phôi và làm cho phôi bị phình tang trống

Có rất nhiều các nghiên cứu đã xem xét, đánh giá ảnh hưởng của ma sát đếnphân bố ứng suất trên bề mặt tiếp xúc, đến mức độ phình tang trống và phân bố biếndạng trên phôi [9],[43],[44],[45],[46],[47] Các nghiên cứu với đối tượng chủ yếu làphôi trụ đặc cho thấy nếu không tồn tại ma sát, biến dạng đồng đều và ứng suấtpháp trên bề mặt tiếp xúc bằng ứng suất chảy Nhưng nếu xuất hiện ma sát, phân bốứng suất sẽ có dạng chóp

Việc xác định ảnh hưởng của ma sát tới mức độ phình tang trống trong suốtquá trình biến dạng rất khó có thể xác định bằng giải tích Vì vậy, trong các nghiêncứu [15],[43],[44],[48],[49] đã áp dụng mô phỏng số để xác định ảnh hưởng của masát tới phân bố biến dạng không đồng đều tại từng thời điểm của quá trình ép và xácđịnh mức độ phình tang trống

Để giảm ma sát trong quá trình chồn, trong nghiên cứu [9], [47] đã khảo sátcác chất bôi trơn trong các điều kiện khác nhau, nhiệt độ biến dạng thay đổi

Nếu biến dạng nguội:

- Bôi trơn tốt, hệ số ma sát µ = 0,1-0,12

- Bôi trơn bình thường, µ = 0,25

- Không bôi trơn, bề mặt tiếp xúc khô, µ = 0,3

Nếu biến dạng nóng:

- Bôi trơn tốt, µ = 0,3-0,4

- Nếu bôi trơn bình thường, µ = 0,6-0,7

- Nếu không bôi trơn, bề mặt tiếp xúc có thể xảy ra hiện tượng dính và µ = 0,8-1,0

Để bôi trơn được tốt, các nghiên cứu [34], [47] khuyên sử dụng:

- Ở nhiệt độ phòng bôi trơn bằng parafin

- Đến nhiệt độ 400oC bôi trơn bằng Grapit

- Từ 400oC đến 800oC bôi trơn bằng Bor-Nitrit

- Nhiệt độ cao từ 800oC đến 1200oC bôi trơn bằng bột thuỷ tinh

Kết quả nghiên cứu về chồn phôi ống của A Erman Tekkaya cho thấy, nếu hệ số

ma sát càng tăng, phôi chồn càng phình tang trống và không chỉ tăng đướng kínhngoài mà còn biến dạng cả về phía tâm là đường kính phôi giảm đi [50]

16

b)

Hình 1.20 Biến dạng của phôi chồn ống khi bôi trơn tốt và không bôi trơn

17

1.3.1.6 Dòng chảy kim loại

Việc nghiên cứu dòng chảy của kim loại trong các bài toán gia công áp lựcnói chung và chồn nói riêng thường được tiến hành bằng thực nghiệm với các vậtliệu mẫu, đễ biến dạng như plasticin hay chì [52] Thông qua hình ảnh của lưới biếndạng sau khi chồn, các nhà nghiên cứu có thể xác định được dòng chảy kim loại

Từ khi công nghệ mô phỏng số được ứng dụng rộng rãi, hầu hết các nghiêncứu về dòng chảy kim loại được tính toán mô phỏng [53],[54], qua đó cũng xác địnhđược một loạt các thông số công nghệ khác như ma sát, nhiệt độ, ảnh hưởng củahình dạng khuôn

Hình 1.21 Hướng dòng chảy của kim loại khi chồn có ma sát [55]

1.3.1.7 Các dạng sai hỏng khi chồn

Các dạng khuyết tật khi chồn phôi đặc đã được nghiên cứu và được viết rấtnhiều trong các tài liệu học tập, giáo trình, trong đó kể đến những khuyết tật nứt dọcphôi, ngang phôi, khuyết tật trên bề mặt chủ yếu là do mức độ biến dạng quá lớn,vượt quá giới hạn biến dạng cho phép, ứng suất đạt đến ứng suất phá huỷ trong vậtliệu

Hình 1.22 Nứt vỡ tế vi trong lòng phôi khi chồn

Hình 1.23 Nứt vỡ khi chồn đầu mũ bu lông

18

Minting Wang [56] đã ứng dụng mô phỏng số kết hợp thực nghiệm để xácđịnh phá huỷ trong lòng phôi khi chồn và đã xác định được sự chênh lệch quá lớngiữa biến dạng theo phương dọc và phương ngang đã dẫn đến phá huỷ nảy.

Nghiên cứu về sự mất ổn định khi chồn thanh [15],với tỷ số chồn lớn hơn 2,5

và tạo ra khuyết tật cong, gấp phôi cũng được nhiều nhà khoa học nghiên cứu Khi

tỷ số chồn lớn, phôi có xu hướng biến dạng không đều và chỉ biến dạng chồn đượcmột lượng rất nhỏ sau đó bị cong và bị gập

T Schiemann và M Liewald nghiên cứu quá trình chồn ống trong khuôn và

có lõi để hạn chế kim loại chảy hướng vào tâm [57], [58] Kết quả nghiên cứu cũngcho thấy sự mất ổn định trên vùng chồn và cuối cùng tạo ra vết gập (gọi là khuyết tậtgấp)

Hình 1.24 Khuyết tật gấp khi chồn phôi ống trong khuôn có lõi

Tác giả Shengfa Zhu, Xincun Zhuang cùng các đồng nghiệp đã nghiên cứuchồn ống trong lòng khuôn dựa trên mô phỏng số và thực nghiệm [59] Kết quả môphỏng cũng cho biết sự hình hành khuyết tật gấp trên phôi ứng với các mức độ chồnkhác nhau Nghiên cứu cũng chỉ ra sự ảnh hưởng của hình dạng khuôn đến thờiđiểm mất ổn định và vị trí xuất hiện khuyết tật gấp

Hình 1.25 Quá trình hành thành và vị trí khuyết tật gấp khi chồn ống 1.3.1.8 Ảnh hưởng của nhiệt độ

Dựa vào nhiệt độ, công nghệ dập khối có thể phân ra [60]:

- Biến dạng nóng: nhiệt độ cao, đối với thép thường từ 1100 đến 1200 oC

Nguyên công chồn thường là nguyên công bắt đầu nên nhiệt độ cần đủ cho

19

việc thực hiện tất cả các nguyên công sau và kết thúc quá trình tạo hình

ở 800-850 oC

- Biến dạng nửa nóng (biến dạng ở trạng thái ấm): nhiệt độ tạo hình nằm xung quanh nhiệt độ kết tinh lại Với thép nhiệt độ biến dạng ấm từ 600-750 oC

- Biến dạng nguội: biến dạng ở nhiệt độ phòng

Nhiệt độ của phôi khi chồn làm thay đổi trạng thái tiếp xúc giữa phôi và dụng cụgia công, làm tăng ma sát, tăng biến dạng không đồng đều nhưng lại giảm lực chồnbởi khi nhiệt độ tăng lên, ứng suất chảy của kim loại giảm đáng kể [61]–[63]

Đối với quá trình tạo hình chi tiết phức tạp, mức độ biến dạng lớn thường phải biếndạng ở trạng thái nóng Biến dạng nguội, vật liệu kim loại bị biến cứng, lực chồntăng nhanh nên được áp dụng với những kim loại dễ biến dạng và mức độ biến dạng

1.3.2 Tình hình nghiên cứu trong nước

Các nghiên cứu trong nước về công nghệ dập khối nói chung và công nghệchồn nói riêng cũng rất được quan tâm bởi nhu cầu sản xuất chi tiết dập khối trong

20

nước rất lớn Các doanh nghiệp nước ngoài sản xuất tại thị trường Việt Nam khánhiều sản phẩm phục vụ cho ngành ô tô, xe máy Tuy nhiên hầu hết đề là các chi tiết

cơ khí không truyền động như cần khởi động, nút dầu, càng xe, cổ phốt nên chủ yếu

áp dụng công nghệ dập khối trên khuôn hở Các doanh nghiệp trong nước mongmuốn tham gia vào thị trường sản xuất các phụ tùng thay thế, nhưng khó cạnh tranhvới các doanh nghiệp nước ngoài bởi công nghệ tương đối cũ, chưa có những pháttriển về mặt công nghệ để tiết kiệm vật liệu, năng lượng dập và giảm giá thành đểcạnh tranh

Các nghiên cứu trong nước về công nghệ dập khối chủ yếu dựa trên môphỏng số và minh chứng bằng thực nghiệm Hầu hết các nghiên cứu đều dập khối từphôi đặc và coi chồn chỉ là một nguyên công chuẩn bị đơn giản nên không có tínhtoán cụ thể

Tác giả Nguyễn Trung Kiên có nghiên cứu quá trình chồn phôi nhôm hìnhtrụ bằng mô phỏng và thực nghiệm kiểm chứng Kết quả thu được cho phép phântích phân bố ứng suất, biến dạng và lực chồn phôi [35] Nghiên cứu cũng thửnghiệm quá trình mất ổn định khi chồn phôi nhôm hình trụ với tỷ số chồn H/D>2,5

và thấy rằng, mẫu chỉ biến dạng giảm chiều cao được 10% , sau đó bị mất ổn định

và cong phôi

Tác giả Nguyễn Quang Thắng nghiên cứu về quá trình chồn phôi thép ốngdựa trên mô phỏng số và có kết luận phôi ống có khả năng biến dạng dẻo và quátrình chồn thành công nếu lựa chọn được mối quan hệ giữa các thông số kích thướccủa phôi Ngoài ra phôi sẽ bị mất ổn định, bị cong khi chiều cao lớn, đường kínhống lớn và chiều dày phôi nhỏ [69]

Hình 1.27 Mất ổn định khi chồn phôi ống thép

Tác giả Trịnh Minh Tân nghiên cứu công nghệ chồn cục bộ phôi ống nhôm ởtrạng thái nguội để tạo hình chi tiết ống phóng sử dụng trong quốc phòng [70] Côngnghệ tạo hình được chia 2 giai đoạn: đầu tiên mở rộng ống, kim loại bị ép và chảyxuống phía dưới, tiếp theo phần giữa ống bị chồn, tăng tiết diện ngang và điền đầylòng khuôn Việc chồn trong lòng khuôn sẽ hạn chế được việc mất ổn định gây rakhuyết tật trong sản phẩm Trong nghiên cứu này, tác giả cũng đã phân tích các chỉtiêu kinh tế kỹ thuật với chi tiết được chế tạo theo công nghệ chồn so với công nghệgia công cắt gọt và đã có nhận định chất lượng chi tiết cao hơn, tạo hướng thớ

21

kim loại phù hợp cho quá trình chịu lực và tiết kiệm được 25% vật liệu phôi nhômcũng như giảm thời gian sản xuất hơn 60%.

Hình 1.28 Khuôn và sản phẩm chồn cục bộ ống nhôm phục vụ công nghiệp quốc phòng

Cho đến nay trong nước chưa có những nghiên cứu về công nghệ chồn ống ởtrạng thái nóng và chưa thực sự phát triển nguyên công chồn trở thành một côngnghệ quan trọng trong dập khối

22

KẾT LUẬN CHƯƠNG 1

- Kết quả nghiên cứu, phân tích tài liệu tham khảo về công nghệ dập khối, côngnghệ chồn, thiết bị tạo hình, lý thuyết biến dạng dẻo đã cho thấy ảnh hưởng của hìnhdáng chi tiết, phương pháp thiết kế công nghệ, các thông số công nghệ như nhiệt độ,

ma sát tiếp xúc, mức độ biến dạng đến khả năng chồn phôi ống và chất lượng của sảnphẩm trung gian sau chồn

- Từ kết quả của quá trình nghiên cứu, phân tích tài liệu tham khảo và phân tíchnhu cầu sản xuất các chi tiết truyền động dạng trục rỗng, khả năng công nghệ chồnống, cũng như những vấn đề kỹ thuật chưa được nghiên cứu Nghiên cứu sinh đãxác định được giới hạn và phạm vi nghiên cứu của luận án với các nội dung chínhsau:

1 Nghiên cứu xác định thời điểm mất ổn định của phôi phôi ống để tránh khuyết tật gấp xuất hiện trong phôi

2 Nghiên cứu ảnh hướng của kích thước phôi đến khả năng chồn và hình thànhkhuyết tật gấp do mất ổn định

3 Thiết lập mô hình chồn phôi ống để phù hợp với công nghệ dập khối trong khuôn kín

4 Ứng dụng mô phỏng số và thực nghiệm để khảo sát quá trình chồn ống ở trạng thái nóng

5 Phát triển hình dạng chày chồn để nâng cao hiệu quả tạo hình

Để giải quyết được những vấn đề trên, cần nghiên cứu về cơ sở lý thuyết của côngnghệ chồn ống Cơ sở lý thuyết của công nghệ chồn ống được trình bày tiếp theotrong chương 2

23

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT PHÂN TÍCH CÔNG NGHỆ CHỒN

TỪ PHÔI ỐNG 2.1 Ứng suất và biến dạng trong quá trình chồn

Xem xét ứng suất, biến dạng trong chồn phôi ống có thể dựa trên sơ đồ dướiđây:

Hình 2.1 Sơ đồ chồn ống

Hình 2.1 biểu diễn sơ đồ nguyên lý của nguyên công chồn phôi ống trụkhông có ma sát Phôi ban đầu có kích thước đường kính ngoài D0 và chiều cao H0được đặt trên khuôn dưới cố định Khuôn trên chuyển động đi xuống theo phương z,

ép phôi với lực F làm biến dạng phôi trở thành sản phẩm có kích thước đường kínhngoài D1 và chiều cao H1 (trường hợp không có ma sát giữa phôi và khuôn, phôi saukhi chồn có dạng trụ, đường kính trong của phôi hầu như không có sự thay đổi).Nếu khi chồn có ma sát, sản phẩm sau khi chồn có dạng tang trống, chiều cao phôigiảm đi, tiết diện ngang tăng lên và tuân theo định luật thể tích không đổi (Vsản phẩm

để lựa chọn thiết bị phù hợp Việc xác định phân bố ứng suất, biến dạng có thể dựatrên kết quả tham khảo của bài toán chồn phôi đặc

Khi chồn không có ma sát, ứng suất trên bề mặt tiếp xúc chỉ có ứng suấtpháp, trị số bằng ứng suất chảy, phân bố đều Nhưng khi hệ số ma sát lớn, biến dạngphôi phụ thuộc rất nhiều vào chiều dày ban đầu, chiều cao của phôi ban đầu, mức độbiến dạng (tỷ số chồn), nên việc phân bố ứng suất không có dạng đối xứng theo

24

đường trung bình của chiều dày Biến dạng kéo làm tăng đường kính ngoài thườnglớn hơn biến dạng kéo làm giảm đường kính trong của ống Vì vậy, để xác định mộtcách chính xác và tính toán được kích thước của phôi sau khi chồn, ta sẽ sử dụngphân tích mô phỏng số.

Vì phôi hình trụ nên ta sử dụng hệ tọa độ trụ Z, r,  cho đơn giản trong quátrình tính toán Các biến dạng chính 1; 2; 3 sẽ trùng với các biến dạng theo cácphương tương ứng Z, r, 

Ứng suất trong bài toán chồn không ma sát là ứng suất nén đơn do lực néngây ra, còn trong bài toán chồn có ma sát thì trạng thái ứng suất là khối với 3 thànhphần ứng suất nén (ứng suất z do lực chồn theo phương z gây ra, r và  do lực

ma sát trên bề mặt tiếp xúc phôi-khuôn chồn gây ra)

Biến dạng trong bài toán chồn luôn có trạng thái khối, z là biến dạng nén, 2biến dạng còn lại r và  là biến dạng kéo Các giá trị biến dạng sẽ khác nhau giữabài toán chồn có ma sát và không ma sát trên bề mặt tiếp xúc phôi-khuôn

Chồn là một trong những bài toán cổ điển nên việc xác định phân bố ứng suất

có thể bằng giải tích Hiện nay, việc xác định đơn giản có thể thực hiện nhờ môphỏng số kể cả những bài toán chồn ở trạng thái nóng có xảy ra quá trình truyềnnhiệt, hoặc hình dạng phôi phức tạp hay có ma sát trên bề mặt tiếp xúc phôi -khuôn

Khảo sát sơ đồ chồn ống (Hình 2.3) với các thông số: chiều cao H, bán kínhngoài R, bán kính trong Rn Khi chồn, phôi biến dạng một lượng ΔH theo chiều cao,H theo chiều cao,tiết diện ngang tăng lên, có nghĩa là bán kính ngoài sẽ tăng lên một lượng ΔH theo chiều cao,R và bánkính trong giảm đi một lượng ΔH theo chiều cao,Rn

Theo định luật thể tích không đổi và đặc điểm phân bố biến dạng trong phôichồn, ta có thể giả định tồn tại một mặt có bán kính RK song song với đường sinhcủa phôi ống là ranh giới phân tách phôi thành hai vùng 1 và 2 Trong đó vùng 1 sẽbiến dạng ra phía đường kính ngoài và vùng 2 biến dạng vào bên trong

Để xác định phân bố ứng suất, biến dạng từng vùng, cần phải xác định được

vị trí mặt có bán kính RK này

Hình 2.3 Sơ đồ xác định biến dạng của phôi ống [55]

Do tồn tại ma sát trên bề mặt tiếp xúc giữa phôi và khuôn khi chồn, nên phân

bố ứng suất trên bề mặt tiếp xúc phụ thuộc vào hệ số ma sát μ và tỷ lệ giữa chiều

25

dày và chiều cao phôi S/H Ứng suất tiếp trên bề mặt tiếp xúc τ=ψτs, trong đó τs ứngsuất tiếp chảy, ψ là hệ só phụ thuộc vào hệ số ma sát, chiều dày phôi S và chiều caophôi H.

hàm chuyển vị:

(2.2)

(2.3)trong phần I và II, ta có

Dựa vào cân bằng công để xác định bán kính RK:

Công biến dạng vùng I và II:

A= A1+ A2+ A3+ A4Trong đó A1, A2 là công biến dạng thể tích vùng I và

Như vậy, vị trí mặt trung hòa biến dạng có bán kính RK phụ thuộc hệ số kể

đến ảnh hưởng của ma sát, các tỉ lệ kích thước tương đối của phôi

Từ (2.14) có thể nhận thấy nếu hệ số ma sát giảm thì giá trị RK giảm, kim

loại có xu hướng biến dạng ra phía bán kính ngoài phôi Ngược lại, khi hệ số ma sát

tăng, RK tăng, kim loại có sự biến dạng về phía tâm của phôi là đường kính trong

giảm đi

Trong công thức 2.14 có các tỷ số H/D và S/D Việc xác định ảnh hưởng của

các tỷ số này đến vị trí RK quan trọng trong miền khảo sát S/D ≤ 0,5 và H/D≤1,0

Dựa vào tương quan hình học, xác định được quan hệ giữa biến dạng theo

phương dọc trục và hướng kính Với vùng I ta có:

  1 

(2.15)

Kết hợp (2.15) và (2.14) kết luận được tỷ lệ biến dạng trong vùng I là hàm

của các yếu tố ma sát và tỷ lệ kích thước phôi

Xác định biến dạng dựa trên chuyển vị của các điểm trong vùng I và II, kết hợp với

điều kiện thể tích không đổi như sau:



h