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

Ý nghĩa khoa học - Đã đưa ra phương pháp xác định chính xác thời điểm mất ổn định và sự xuất hiện khuyết tập gấp khi chồn phôi ống, xây dựng được miền giá trị của mức độ biến dạng và l

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

Công trình được hoàn thành tại TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

Người hướng dẫn khoa học:

Có thể tìm hiểu luận án tại thư viện:

1 Thư viện Tạ Quang Bửu – Trường ĐHBK Hà Nội

2 Thư viện Quốc gia Việt Nam

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 xuất các chi tiết cơ khí, đặc biệt là các chi tiết truyền động.Các dạng chi tiết truyền động được chế tạo bằng công nghệ dập khối rất đa dạng và phong phú như bánh răng, khớp nối,

Hiện nay, hầu hết các chi tiết truyền động được dập khối từ phôi đặc Nhưng thực tế nhiều chi tiết có dạng rỗng Như vậy, đối với các chi tiết rỗng, nếu tạo hình từ phôi đặc sẽ lãng phí vật liệu, có thể dập khối chi tiết từ phôi ống

Khi dập khối các chi tiết dạng trụ rỗng thường qua các nguyên công sơ bộ như chồn Việc chồn phôi ống thường khó khăn vì phôi ống dễ bị mất ổn định, mức độ biến dạng nhỏ Vì vậy, việc đặt ra mục tiêu nghiên cứu ảnh hưởng của kích thước hình học phôi ống, hình dạng dụng cụ gia công đến khả năng tạo hình sản phẩm trong nguyên công

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 dựa trên 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 nghiên cứu

- 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 kính ngoài 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,

III Phương pháp nghiên cứu

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

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 sự xuất hiện khuyết tập gấp khi chồn phôi ống, xây dựng được miền giá trị của mức độ biến dạng và lực chồn phụ thuộc và thông số hình học của phôi ống ban đầu (tỉ lệ H0/D0; S0/D0) và hình dạng của đầu chày ép (góc nghiêng đáy chày α)

- Ứng dụng quy hoạch thực nghiệm đã thiết lập được mối quan

hệ toán học của mức độ biến dạng và lực chồn với các thông số hình học của phôi ống ban đầu (tỉ lệ H0/D0; S0/D0) và hình dạng của đầu 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 truyền động dạng bánh răng liền trục rỗng phù hợp với điều kiện sản xuất trong thực tế tại Việt Nam, giảm chi phí thiết kế tối ưu hóa công nghệ và sản xuất thử nghiệm

- 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 khối tiếp theo Sử dụng phương pháp mô phỏng số bằng phần mềm Deform để xác định mức độ biến dạng (ε) và lực chồn (P), qua

đó chỉ ra quá trình biến dạng tạo hình từ phôi ống và sự xuất hiện khuyết tật gấp là do sự mất ổn định khi chồn

- Xây dựng được hệ thống trang thiết bị thí nghiệm đảm bảo cho quá trình thực nghiệm chồn phôi ống Kết quả thực nghiệm kiểm chứng của các trường hợp điển hình đã được so sánh đối chiếu với kết quả mô phỏng số, cho thấy sự phù hợp giữa mô phỏng và thực nghiệm

- Xây dựng mô hình toán học thể hiện sự ảnh hưởng của các thông số đầu vào: H0/D0, S0/D0 và α tới mức độ biến dạng (ε) và lực chồn (P) Đưa ra các đồ thị 3D biểu diễn sự thụ thuộc của mức độ biến dạng (ε) và lực chồn (P) vào các thông số H0/D0, S0/D0 và α

VI Nội dung chính của luận án

Chương 1: Tổng quan về chồn trong công nghệ dập khối chi tiết từ phôi ống

Chương 2: Cơ sở lý thuyết phân tích công nghệ chồn từ phôi ống

Chương 3: Nghiên cứu quá trình chồn cục bộ phôi ống nhờ

mô phỏng số

Chương 4: Thực nghiệm kiểm chứng kết quả mô

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

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… xuất hiện khá phổ biến trong các hệ thống, thiết bị, hộp số,

cụm chi tiết truyền động cơ khí

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

1.2.1 Dập khối

Hình 1.1 Các chi tiết truyền động dạng trục rỗng

Để tiết kiệm vật liệu và năng lượng, đề xuất nghiên cứu công nghệ dập các chi tiết dạng rỗng từ phôi rỗng.Tuy nhiên, việc chồn phôi ống không đơn giản bởi phôi ống rất dễ bị mất ổn định, đặc biệt ở trạng thái nóng

1.2.2 Nguyên công chồn trong công nghệ dập khối

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

Hình 1.2 Sơ đồ nguyên công chồn phôi rỗng a)bôi trơn tốt và b) bôi trơn kém hơn

Ứng suất và biến dạng trong trường hợp chồn không có ma sát, tương ứng với trường hợp nén đơn.Trong thực tế tồn tại ma sát giữa phôi và dụng cụ gia công Trạng thái ứng suất cũng theo đó trở thành trạng thái ứng suất nén khối.Với hướng thớ hình vòng cung theo chiều dọc phôi sẽ có tác dụng nâng cao độ bền cho sản phẩm sau khi dập.

Hình 1.3 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

Tất cả các vật liệu kim loại, hợp kim dùng trong chế tạo máy,

có tính dẻo đều được áp dụng và thích hợp với công nghệ chồn

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

chồn

Trong nghiên cứu [20]và các phát minh về phương pháp thiết

kế tạo hình các chi tiết ống [25]–[30]có đưa ra các dạng chồn cục bộ

từ phôi ống như hình dưới đây

Hình 1.6 Hình ảnh chồn ống thép có ma sát

1.3.1.6 Dòng chảy kim loại

Từ khi công nghệ mô phỏng số được ứng dụng rộng rãi, hầu hết các nghiên cứu về dòng chảy kim loại được tính toán mô phỏng [53],[54],

Hình 1.7 Hướng dòng chảy của kim loại khi chồn có ma sát[55]

và cuối cùng tạo ra vết gập (gọi là khuyết tật gấp)

Hình 1 10 Khuyết tật gấp khi chồn phôi ống trong khuôn có lõi

1.3.1.8 Ảnh hưởng của nhiệt độ

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

1.3.1.9 Thiết bị, khuôn chồn

Các nghiên cứu [28],[29],[68] chỉ ra rằng việc sử dụng khuôn có biên dạng lõm hay lỗi sẽ làm thay đổi dòng chảy kim loại và có tác dụng tạo hướng chảy thuận lợi, tránh được sự mất ổn định trên phôi

1.3.2 Tình hình nghiên cứu trong nước

Tác giả Nguyễn Quang Thắng nghiên cứu về quá trình chồn phôi thép ống dựa trên mô phỏng số [69]

Hình 1.11 Mất ổn định khi chồn phôi ống thép

Tác giả Trịnh Minh Tân nghiên cứu công nghệ chồn cục bộ phôi ống nhôm ở trạng thái nguội để tạo hình chi tiết ống phóng sử dụng trong quốc phòng

Hình 1.12 Khuôn và sản phẩm chồn cục bộ ống nhôm phục vụ công nghiệp

quốc phòng

KẾT LUẬN CHƯƠNG 1

- Kết quả nghiên cứu, phân tích tài liệu tham khảo đã cho thấy ảnh hưởng của hình dáng 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 sản phẩm trung gian sau chồn

Xác định được giới hạn và phạm vi nghiên cứu của luận án với các nội dung chính sau: Nghiên cứu xác định thời điểm mất ổn định của phôi phôi ống để tránh khuyết tật gấp xuất hiện trong phôi Nghiên cứu ảnh hướng của kích thước phôi đến khả năng chồn và hình thành khuyết tật gấp do mất ổn định.Thiết lập mô hình chồn phôi ống để phù hợp với công nghệ dập khối trong khuôn kín Ứng dụng mô phỏng số

và thực nghiệm để khảo sát quá trình chồn ống ở trạng thái nóng Phát triển hình dạng chày chồn

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 dưới đây:

Hình 2.1 Sơ đồ chồn ống

Hình 2.1 biểu diễn sơ đồ nguyên lý của nguyên công chồn phôi ống trụ không có ma sát Nếu khi chồn có ma sát, sản phẩm sau khi chồn có dạng tang trống

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

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

Khảo sát sơ đồ chồn ống (Hình 2.3), giả định tồn tại một mặt

có bán kính RK là ranh giới phân tách phôi thành hai vùng 1 và 2 Trong đó vùng 1 sẽ biến dạng ra phía đường kính ngoài và vùng 2 biến dạng vào bên trong

Hình 2.3 Sơ đồ xác định biến dạng của phôi ống

Biến dạng tại vùng I và được tính như sau:

4 3

4 3 1 4

K r

2

2 2

1 3

n K

R R

Đối với vật liệu thép, thường chồn ở trạng thái nóng, trên nhiệt

độ kết tinh lại và ở nhiệt độ bắt đầu chồn từ 1100oC đến 1200oC, bởi sau khi kết thúc quá trình chồn, phôi cần đủ nhiệt độ để tiếp tục được tạo hình với các nguyên công hoàn thiện như dập khối

2.3 Ma sát trên bề mặt tiếp xúc phôi - khuôn

Nếu bôi trơn tốt khi chồn, hệ số ma sát nhỏ hơn 0,2 thì phôi ống bị chồn có xu hướng biến dạng theo chiều hướng tăng đường kính ngoài và đường kính trong không giảm đi Nếu bôi trơn không tốt số

ma sát lớn hơn 0,2 phôi khi chồn sẽ không chỉ tăng đường kính ngoài

mà còn giảm đường kính trong

Hình 2.4 Chồn phôi ống với hệ số ma sát nhỏ (m<0,15)

Hình 2.5 Chồn phôi ống với hệ số ma sát lớn (m>0,2)

Việc giảm ma sát trên bề mặt tiếp xúc cần thiết để đảm bảo phôi biến dạng đồng đều Trong quá trình chồn có thể sử dụng chất bôi trơn là graphit hoặc bột thủy tinh nhằm giảm ma sát [9]

2.4 Khuyết tật trong quá trình chồn ống

Có rất nhiều dạng khuyết tật khác nhau có thể xuất hiện trong sản phẩm chồn như: Ngậm than,bề mặt bị cháy,bề mặt vật dập bị cào xước, sản phẩm bị cong vênh, sản phẩm có vết nứt tế vi, Sản phẩm có khuyết tật gấp

Hình 2.6 Mất ổn định và hình thành khuyết tật gấp khi chồn phôi ống

Khuyết tật gấp khi chồn phôi ống phụ thuộc vào nhiều yếu tố như kích thước ban đầu của phôi, tỷ số tương quan giữa các kích thước của vùng chồn (vùng biến dạng), hình dạng của khuôn…

Theo tác giả Jun Lu và Zhongjin Wan [78], ma sát tăng tỷ số chồn sẽ giảm, phôi khó biến dạng sẽ mất ổn định và hình thành khuyết tật gấp

Để xác định thời điểm mất ổn định có thể sử dụng phân tích dòng chảy kim loại trong mô phỏng số để dự đoán trước

Hình 2.7 Xác định khuyết tật gấp nhờ phân tích dòng chảy kim loại

Dựa trên phân tích kết quả mô phỏng lưới biến dạng cũng xác định được vị trí xuất hiện khuyết tật

Hình 2.8 Khuyết tật gấp khi dập khối trong khuôn hở

2.5 Đường cong chảy của vật liệu

Trong nghiên cứu thực nghiệm xây dựng đường cong chảy vật liệu biến dạng ở các nhiệt độ khác nhau dựa trên thí nghiệm nén phôi dạng vành, Taylan Altan cùng cộng sự [24] đã đưa ra bảng đường cong

chảy của các vật liệu thép thông dụng ở các điều kiện nhiệt độ biến dạng nguội và biến dạng nóng phù hợp với các nguyên công dập khối

Hình 2.9 Đường cong chảy của thép C45 tại các nhiệt độ và tốc độ biến dạng khác

nhau

2.6 Xây dựng mô hình nghiên cứu công nghệ chồn ống

Hình 2.10 Mô hình chồn đầu ống với chày ép phẳng và côn

Hình 2.11 Sản phẩm sau khi chồn

Để đạt được mức độ biến dạng lớn nhất trong điều kiện không

bị mất ổn định, không tạo ra khuyết tật gấp, ta đưa ra các tiêu chí đạt được của phôi sau khi chồn như sau:

- S1/S0 ≥ 1,4

- d1/d0 ≥ 0,8

Xác định phôi khi chồn tại thời điểm mất ổn định dựa trên phân

bố lưới biến dạng và phân bố dòng chảy kim loại nhờ mô phỏng số

Cách xác định 1: Dựa vào dòng chảy kim lại

Xác định khuyết tật từ phân tích lỗi dòng chảy không đều, hoặc tại một vị trí trên phôi biến dạng có sự thay đổi đột ngột về hướng chảy, hoặc nhiều dòng chảy có hướng chảy ngược nhau đi đến cùng một điểm, một đường trên phôi Tại những vị trí như vậy có thể là nơi bắt đầu xuất hiện khuyết tật Nếu tiếp tục biến dạng, điểm có sự đột biến về hướng dòng chảy sẽ lan sang các điểm xung quanh, tạo thành một đường và cuối cùng hình thành khuyết tật gấp trong sản phẩm

Cách xác định 2: Dựa vào phân tích bài toán cơ học trên biên

Dựa vào phân tích bài toán cơ học, phân tích phần tử hữu hạn, tính toán mô phỏng số sẽ cho phép xác định được thời điểm xuât hiện mất ổn định gây khuyết tật và năng lượng tạo hình tương ứng tại thời điểm đó

Hình 2.12 Bài toán tiếp xúc

Thuật toán được xây dựng để xác định thông số quá trình bằng cách tìm ra biến véc tơ b tại thời điểm xuất hiện mất ổn định như sau: Φ(𝑏) = 𝜆1Φ𝑚𝑎𝑡 𝑜𝑛 𝑑𝑖𝑛ℎ+ 𝜆2Φ𝑏𝑑𝑑𝑒𝑜 đạt giá trị nhỏ nhất

Dựa trên các đặc điểm biến dạng của phôi ông (phân bố dòng chảy, véc tơ vận tốc hay lưới biến dạng) có thể thiết lập điều kiện để xác định thời điểm mất ổn định của phôi ống gây nên khuyết tật gấp

Việc xác định quá trình biến dạng ổn định phôi ống từ thời điểm bắt đầu ép đến thời điểm bắt đầu xuất hiện mất ổn định sẽ cho phép người thiết kế công nghệ lựa chọn phôi, số nguyên công phù hợp,

để từ đó tối ưu được cả qui trình công nghệ

Dựa trên yêu cầu phôi trung gian đối với dạng chi tiết bánh răng liền trục rỗng, trong chương này cũng xây dựng mô hình bài toán chồn ống với các thông sô công nghệ đặc trưng của dập khối ở trạng thái nóng như nhiệt độ, hệ số ma sát tiếp xúc…

CHƯƠNG 3 NGHIÊN CỨU QUÁ TRÌNH CHỒN CỤC BỘ

PHÔI ỐNG NHỜ MÔ PHỎNG SỐ

Dải kích thước phôi và tỷ lệ về kích thước được chia theo các mức sau: H0/D0 =0,4 ; 0,6 ; 0,8 ; 1,0và S0/D0 = 0,2 ; 0,25 ; 0,3 ; 0,35 Dải kích thước chày (độ nghiêng đáy chày) = 00 ; 50 ; 100 ; 150 ; 200Kết quả tính toán mô phỏng là xác định được mức độ biến dạng (tỷ số chồn)  và lực chồn P

3.1 Ứng dụng mô phỏng số

3.2 Các bước thiết lập bài toán mô phỏng số

3.3 Mô phỏng số quá trình chồn phôi ống

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

Một số thời điểm biến dạng quan trọng khi chồn phôi ống theo hành trình của chày được thể hiện trên Hình 3.5 Như vậy, dựa trên lưới biến dạng, có thể xác định được thời điểm bắt đầu xuất hiện khuyết tật gấp,Vị trí gấp tiếp tục lớn dần và đường sinh phía bên trên, bên dưới của phôi ông chập vào nhau hình thành khuyết tật gấp

Hình 3.1 Quá trình biến dạng của phôi ống khi chồn

Việc xác định thời điểm phôi bắt đầu mất ổn định dựa trên phân bố lưới biến dạng và phân bố dòng chảy kim

Hình 3.2 Đồ thị vận tốc của P1, P2, P3, P4, P5 theo phương Z và phương Y