Xây dựng phương pháp phân tích và mô phỏng quá trình dập nóng dụng cụ cắt móng và da dựa trên hệ thống cad

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨLuận văn thạc sĩ với đề tài “Xây dựng phương pháp phân tích và mô phỏng quátrình dập nóng dụng cụ cắt móng và da dựa trên hệ thống CAD/CAE” được thựchiện nhằm xây

Công trình được hoàn thành tại trường đại học công nghiệp Tp Hồ Chí Minh.Người hướng dẫn khoa học: TS Đặng Hoàng Minh

Người ph n biện 1: Người ph n biện 2: Luận văn thạc sĩ được b o vệ tại H i đồng ch m b o vệ Luận văn thạc sĩ TrườngĐại học Công nghiệp thành phố Hồ Chí Minh ngày tháng năm Thành phần H i đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ tên học viên: Nguyễn Phát Tài MSHV: 16002651

Ngày, tháng, năm sinh: 15/12/1987 Nơi sinh: Tiền Giang

Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ khí Mã chuyên ngành: 60520103

I TÊN ĐỀ TÀI:

Xây dựng phương pháp phân tích và mô phỏng quá trình dập nóng dụng cụ cắtmóng và da dựa trên hệ thống CAD/CAE

NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

Nghiên cứu xây dựng quy trình thiết kế, mô phỏng và phân tích dụng cụ cắt

móng và da Xây dựng những quy trình thành phần và tổng thể Từ những quy

trình có được thiết kế mô hình thực nghiệm số để tìm ra những chế đ dập hợp lý

nh t, dựa trên chương trình đánh giá phân tích kết qu

II NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: Theo QĐ số 04/QĐ-ĐHCN ngày 03/01/2018.III NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ:03/07/2018

IV NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS Đặng Hoàng Minh

Tp Hồ Chí Minh, ngày … tháng … năm 20 …NGƯỜI HƯỚNG DẪN

TS Đặng Hoàng Minh

CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO

TRƯỞNG KHOA CN CƠ KHÍ

LỜI CẢM ƠN

Luận văn này đã được hoàn thành tại Trường đại học Công Nghiệp Tp HCM vàđược sự hỗ trợ công ty Kềm Sài Gòn Để hoàn thành bài luận văn này, em xin đượcbày tỏ lòng biết ơn chân thành và sâu sắc nh t tới đến công ty Kềm Sài Gòn đãgiúp đỡ và tạo điều kiện để em thực hiện luận văn này Nhờ những hướng dẫn quýgiá và chia sẽ kinh nghiệm trong suốt quá trình nghiên cứu, thực nghiệm và hoànthành đề tài được giao m t cách tốt nh t

Em xin chân thành c m ơn Thầy hướng dẫn khoa học, TS Đặng Hoàng Minh đãđóng góp ý kiến quý báu và hướng dẫn nhiệt tình trong suốt thời gian thực hiệnluận văn này Những ý kiến những đánh giá là m t bài học quý giá và sâu sắc cho

b n thân và là hành trang cho tương lai Qua đó em cũng c m ơn Ban giám hiệutrường tạo điều kiện cho em thực hiện luận văn này

Em xin gửi lời c m ơn chân thành đến các Thầy/Cô giáo – Các nhà khoa học đãtrực tiếp gi ng dạy truyền đạt những kiến thức khoa học chuyên ngành bổ ích cho

b n thân em trong suốt thời gian qua

Mặc dù đã cố gắng nổ lực hết mình để làm luận văn này trong thời gian qua nhưngcũng không tránh khỏi những thiếu sót em r t mong nhận được sự đóng góp vànhận xét của quý Thầy Cô và t t c bạn đọc

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ

Luận văn thạc sĩ với đề tài “Xây dựng phương pháp phân tích và mô phỏng quátrình dập nóng dụng cụ cắt móng và da dựa trên hệ thống CAD/CAE” được thựchiện nhằm xây dựng các quy trình thành phần và tổng thể của các khâu, như thiết

kế, mô phỏng, phân tích quá trình dập nóng dụng cụ cắt móng và da Dựa trên việcứng dụng các phần mềm CAD/CAE và phương pháp phần tử hữu hạn, điển hình

là các phần mềm DEFORM-3D, ABAQUS, Geomagic Design X và ANSYS, tác

gi đã xây dựng m t quy trình “thiết kế-mô phỏng-phân tích” khép kín Từ đó dựđoán được quá trình dập, xác định lực dập cùng các yếu tố nh hưởng, tính ứng

su t dư, phân tích và xử lý nhiệt, v.v… M t số lượng lớn (60) thực nghiệm số đãđược tiến hành với các yếu tố đầu vào khác nhau như kích thước phôi, nhiệt đ ,vận tốc của máy dập Các kết qu mô phỏng thu được cho phép xác định khuyếttật của s n phẩm, giúp gi m thiểu các sai sót trong quá trình thiết kế, chuẩn bị phôi,lựa chọn trang thiết bị và chế đ dập hợp lý Công trình có ý nghĩa thực tiễn caotrong lĩnh vực định hình kim loại và các ngành công nghiệp liên quan ở nước ta

X and ANSYS, the author has developed a closed-loop analysis" which helps properly to forecast forming process, determine the force with influence factors, residual stresses, heat analysis and processing, ect A large number of numerical experiments (60) were conducted with various input factors such as workpiece size, temperature, the speed of the forging machine Simulated results allow the defect identification process for the products, minimizing errors

“design-simulation-in the design process, prepar“design-simulation-ing the workpiece, selection of equipment and the effective forging parameters Therefore, the outcome of this study has a high practical significance in the area of metal forming and related industries in Vietnam

LỜI CAM ĐOAN

Tôi tên là Nguyễn Phát Tài, học viên lớp Cao học cơ khí 6A – trường Đại họcCông Nghiệp Tp Hồ Chí Minh Sau quá trình học tập nghiên cứu, được sự giúp

đỡ của các Thầy Cô giáo và đặc biệt là sự hướng dẫn tận tình của TS Đặng HoàngMinh đã giúp tôi hoàn thành luận văn thạc sĩ đúng theo dự kiến chương trình.Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của cá nhân tôi dưới sự hướng dẫncủa TS Đặng Hoàng Minh và chỉ tham kh o các tài liệu đã được nêu trong luậnvăn Các kết qu , số liệu trong luận văn hoàn toàn là trung thực, không sao chép công trình của các cá nhân khác dưới b t cứ hình thức nào

Học viên thực hiện

Nguyễn Phát Tài

MỤC LỤC

MỤC LỤC v

DANH MỤC HÌNH ẢNH vii

DANH MỤC BẢNG BIỂU ix

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT x

MỞ ĐẦU 1

1.Đặt v n đề 1

2.Mục tiêu nghiên cứu 4

3.Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 4

4.Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu 5

5.Ý nghĩa thực tiễn của đề tài 5

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ DẬP NÓNG 6

1.1 Lịch sử phát triển của dập nóng và mô phỏng số 6

1.2 Cơ sở lý thuyết về mô hình toán phần tử hữu hạn 10

1.2.1 Nền t ng cơ khí: 10

1.2.2 Phương pháp số 12

1.2.3 M t số phương trình cơ nhiệt 15

1.3 Dụng cụ kềm cắt móng/da tại Việt Nam hiện nay 19

1.4 Ứng dụng các s n phẩm liên quan của dập nóng 20

1.4.1 Công nghiệp ôtô 20

1.4.2 Những dụng cụ cầm tay 21

1.4.3 Thiết bị đường sắt 22

1.4.4 Ngành hàng không 22

CHƯƠNG 2 XÂY DỰNG QUY TRÌNH THIẾT KẾ, MÔ PHỎNG, PHÂN TÍCH CHẾ TẠO KHUÔN DẬP NÓNG DỰA VÀO HỆ THỐNG CAD/CAE 23

2.1 Sơ lược về quy trình thiết kế khuôn dập nóng hiện nay tại công ty Kềm Sài Gòn Đề xu t phướng pháp thiết kế mô phỏng dựa vào hệ thống CAD/CAE 23 2.2 Quy trình ứng dụng các hệ thống CAD 30

2.2.1 Thiết kế mẫu kềm 30

2.2.2 Thiết kế khuôn 31

2.2.3 Quy trình chỉnh sửa mô hình sau mô phỏng ép ngu i 35

2.3 Mô phỏng Quá trình dập 37

2.3.1 Quy trình dập định hình 38

2.3.2 Quy trình dập cắt bavia: từ dập chuyển qua bước chặt bavia để thu được chi tiết gần với nguyên mẫu thiết kế 41

2.3.3 Quy trình dập ép ngu i 45

2.4 Quy trình phân tích phần tử hữu hạn CAE 48

2.4.1 Phân tích CAE cho mẫu kềm với 2 gọng 49

2.4.2 Phân tích CAE cho m t gọng kềm 53

2.5 Kết luận 58

CHƯƠNG 3 XÂY DỰNG QUY TRÌNH KHÉP KÍN: THIẾT KẾ- MÔ PHỎNG-PHÂN TÍCH-ĐÁNH GIÁ LỰA CHỌN KẾT QUẢ CHO DỤNG CỤ CẮT MÓNG VÀ DA 59

3.1 Quy trình tổng thể 59

3.2 Thực nghiệm số 61

3.2.1Mô hình thực nghiệm số 61

3.2.2 Phương pháp thực nghiệm số 64

3.2.3 Quy trình lựa chọn kết qu 65

3.3 Kết luận 74

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 76

1 Kết luận 76

2 Kiến nghị 76

DANH MỤC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA HỌC VIÊN 77

TÀI LIỆU THAM KHẢO 78

LÝ LỊCH TRÍCH NGANG CỦA HỌC VIÊN 80

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1.1 Chương trình thiết kế và lắp ráp với chương trình CREO 9

Hình 1.2 Phân tích phần tử hữu hạn với NX 10

Hình 1.3 Kềm cắt da 20

Hình 1.4 Những chi tiết điển hình từ dập nóng 21

Hình 1.5 Dụng cụ cầm tay 21

Hình1.6 Đ ng cơ trực thăng 22

Hình 2.1 Quy trình tổng quát thiết kế gia công khuôn tại công ty Kềm Sài Gòn 24 Hình 2.2 Quy trình ứng dụng hệ thống CAD/CAE vào thiết kế và s n xu t 26

Hình 2.3 Quy trình thành phần phần riêng lẻ 27

Hình 2.4 Tổng quát các quy trình 29

Hình 2.5 Quy trình thiết kế mẫu 3D kềm 30

Hình 2.6 Mặt phân khuôn của khuôn dưới 32

Hình 2.7 Mặt phân khuôn hoàn chỉnh của khuôn dưới 32

Hình 2.8 Mặt phân khuôn khuôn trên 33

Hình 2.9 Mặt phân khuôn trên và dưới hoàn chỉnh 34

Hình 2.10 Quy trình tách khuôn tổng quát 35

Hình 2.11 Chia lại lưới điểm cho phần tử 36

Hình 2.12 Trước và sau sắp xếp lưới phần tử 36

Hình 2.13 Quy trình chỉnh sửa mô hình CAD 3D của chi tiết sau mô phỏng dập để phù hợp cho việc tự đ ng phân tích CAE 37

Hình 2.14 Quy trình thiết lập quá trình mô phỏng dập ứng dụng phần mềm Deform 3D 38

Hình 2.15 Trình tự các bước của quá trình mô phỏng dập kềm 40

Hình 2.16 Phôinhỏ không điền đủ vào lòng khuôn 41

Hình 2.17 Phôi thu được sau quá trình mô phỏng dập định hình 41

Hình 2.18 Các bước thiết lập thông số mô phỏng chặt rìa 42

Hình 2.19 Dính bavia xung quanh mép rìa 43

Hình 2.20 Sơ đồ quy trình thiết kế và mô phỏng chặt rìa 44

Hình 2.21 Các bước thiết lập thông số mô phỏng ép ngu i 46

Hình 2.22 Sơ đồ quy trình thiết lập thông số ép ngu i 47Hình 3.1 Quy trình tổng thể 60Hình 3.2 Mô hình thực nghiệm số 61Hình 3.3 Dữ liệu kết qu mô phỏng (a) – hư hỏng; (b) – ứng su t hữu ích (Stress

– Effective MPa); (c) – Biến dạng hữu ích (Strain – Effective mm/mm); (d) – Ứng su t lớn nh t (Stress – Max Principal MPa); (e) –Vận tốc dập(mm/s); (f) – Nhiệt đ (ºC) 66Hình 3.4 Đồ thị thể hiện mối quan hệ giữa 4 đại lượng phân tích: Đường kính

phôi (D), vận tốc dập (mm/s), nhiệt đ phôi (T) và lực dập (F) 67Hình 3.5 a Đồ thị thể hiện mối quan hệ giữa 4 đại lượng phân tích: Đường kính

phôi (D), vận tốc dập (mm/s), nhiệt đ phôi (T) và ứng su t dư lớn nh t(S) – Xét các mặt phẳng S-D 68Hình 3.5 b Đồ thị thể hiện mối quan hệ giữa 4 đại lượng phân tích: Đường kính

phôi (D), vận tốc dập (mm/s), nhiệt đ phôi (T) và ứng su t dư lớn nh t(S) – Xét các mặt phẳng S-v 69Hình 3.6 a Dữ liệu kết qu mô phỏng (a) – hư hỏng; (b)– Ứng su t lớn nh t

(Stress – Max Principal MPa) 71Hình 3.6 b Dữ liệu kết qu mô phỏng ép ngu i (a) – hư hỏng; (b) – ứng su t hữu

ích (Stress – Effective MPa); (c) – Biến dạng hữu ích (Strain –

Effective mm/mm); (d) – Ứng su t lớn nh t (Stress – Max Principal MPa); (e) –Vận tốc dập (mm/s); (f) – Nhiệt đ (ºC) 72

DANH MỤC BẢNG BIỂU

B ng 3.1 Thông số dẫn nhiệt vật liệu C45 62

B ng 3.2 Giá trị được xét của các thông số dập trong mô hình 63

B ng 3.3 B ng kết qu 8 mẫu từ quá trình dập 73

B ng 3.4 B ng số liệu so sánh giữa mẫu thiết kế và mẫu mô phỏng phân tích 74

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

CAD: Computer-aided design

CAE: Computer-aided engineering

FEA: Finite Element Analysis

FEM: Finite element method

MỞ ĐẦU

1. Đặt vấn đề

Hiện nay, trong bối c nh h i nhập và cách mạng công nghiệp 4.0, việc áp dụngkhoa học công nghệ vào ngành công nghiệp cơ khí và việc làm c p thiết Điển hình

là xây dựng những quy trình s n xu t tự đ ng Để đạt được điều đó cần ph i đ m

b o tính ổn định và hợp lý của các dây chuyền s n xu t Ở nước ta hiện nay ngànhcông nghiệp Cơ khí còn thô sơ, chưa áp dụng những thành tựu của khoa học kỹthuật vào s n xu t Những nhà máy Cơ khí s n xu t theo quy trình cũ, lạc hậu vẫntồn tại Để thay đổi và phát triển ngành kỹ thuật Cơ khí thì việc ứng dụng khoa họcmáy tính là m t điều r t quan trọng Cùng với sự phát triển của ngành khoa họcmáy tính thì những ứng dụng của CAD/CAE vào trong ngành Cơ khí cũng pháttriển mạnh mẽ Điển hình là những chương trình thiết kế, mô phỏng, phân tích củacác hãng hàng đầu thế giới như CREO, SIEMENS NX, ANSYS, DEFORM 3D,ABAQUS, v.v Nhờ đó, những công việc trên được thực hiện dễ dàng hơn Tuy nhiên hiện nay các nhà máy s n xu t Cơ khí của nước ta còn chậm trễ trong việc

áp dụng và xây dựng những quy trình mới để ứng dụng hệ thống CAD/CAE vàotrong s n xu t, dẫn đến kh năng cạnh tranh của các s n phẩm còn nhiều hạn chế

so với các nước có ngành công nghiệp lâu đời

Gia công kim loại bằng áp lực là m t phương pháp gia công cơ b n vì có thể tạo

ra các s n phẩm có hình dạng và kích thước phức tạp, năng su t cao và giá thànhhợp lý Do đó, gia công áp lực (GCAL) có m t vị trí r t lớn trong đời sống và kỹthuật, ví dụ như các ngành ôtô, xe máy, cơ khí chế tạo và công nghiệp quốc phòng,v.v Trong số các s n phẩm dân dụng được tạo ra bằng GCAL ph i kể đến nhómdụng cụ chăm sóc cơ thể, như kềm cắt móng và da, vốn có nhu cầu khá lớn từ phíangười tiêu dùng, nh t là ở giai đoạn nền kinh tế thị trường phát triển và h i nhậpvăn hóa thẩm mỹ toàn cầu hiện nay Các s n phẩm này khi được tạo ra từ GCAL,

cụ thể là phương pháp dập (rèn) nóng, thường có cơ tính và đ tin cậy cao [1]

Công nghệ dập khối-nóng vốn được ra đời và không ngừng nghiên cứu ở các nướcphát triển [2] Dập (rèn) nóng là m t quá trình gia công kim loại, trong đó các phôikim loại bị biến dạng trên nhiệt đ tái kết tinh, cho phép vật liệu giữ được hìnhdạng bị biến dạng khi ngu i Rèn nóng được thực hiện bằng cách sử dụng búa thủylực hoặc khí nén, máy ép, và các máy móc tương tự khác được sử dụng để nén kimloại nóng vào hình dạng mong muốn của nó Điều này thường đạt được bằng cách

sử dụng m t khuôn tùy chỉnh Khuôn được sử dụng trong rèn nóng được tùy chỉnhsao cho phù hợp với thiết kế của s n phẩm Bởi vì kim loại nóng có tính dẻo hơnnên phương pháp này cho phép định hình các chi tiết phức tạp hơn rèn ngu i Saukhi quá trình dập khối nóng kết thúc, các b phận được làm mát nhanh chóng để

cố định kim loại trong hình dạng mới của nó [3] , đồng thời tiến hành gia công loại

bỏ các vật liệu thừa (ba via) và c i thiện ch t lượng bề mặt chi tiết

Tại Việt Nam công nghệ dập nóng vẫn còn khá hạn chế, tuy nhiên với tay nghềthủ công khéo léo và tỉ mỉ của người thợ, chúng ta vẫn tạo ra được các s n phẩm

có tính mỹ thuật cao, thậm chí cạnh tranh với s n phẩm của các nước có bề dày về

cơ khí như Đức, Nhật Nhưng để s n xu t hàng loạt theo quy mô công nghiệp, vớiyêu cầu cao về đ bền cơ tính cũng như các chỉ tiêu kỹ thuật khác, thì hiện naychúng ta vẫn chưa thể cạnh tranh được với các thương hiệu nổi tiếng trên thế giới.Việc nhập khẩu những s n phẩm của công nghê này từ nước ngoài thường dẫn tớinhững khó khăn như giá thành cao, sự lệ thu c và tình thế bị “chiếm lĩnh” đối vớithị trường trong nước của chúng ta Theo kh o sát tổng quan của tác gi , số lượnghạn chế các công trình trong nước về dập nóng thể hiện rằng lĩnh vực này đã chưađược nghiên cứu m t cách thỏa đáng, mà điển hình như là công nghệ mô phỏng sốquá trình dập khối-nóng trước khi tiến hành gia công thật [2]

Trên thực tế thì mô phỏng số có thể mang lại lợi ích vì tiết kiệm chi phí và thờigian đáng kể bằng cách cung c p cái nhìn tổng thể cũng như chi tiết về quá trìnhdập, trước khi lựa chọn công cụ và quyết định s n xu t ở nhà máy [4] Chính vì vậy, việc ứng dụng các phần mềm mô phỏng hiện nay dần trở thành m t xu thế t tyếu Tuy nhiên vẫn còn tồn đọng r t nhiều khó khăn khi muốn khai thác và sử dụng

chúng Ví dụ như để xây dựng mô hình cho dập khối chuyên sâu trong ANSYS vàABAQUS (các phần mềm thông dụng hiện nay) là khá khó khăn và tốn nhiều thờigian Trong công trình [5]tác gi có nghiên cứu mô phỏng quá trình dập t m bằngPAMP-STAMP Tuy nhiên phần mềm này lại chỉ thích ứng với việc dập t m chứkhông ph i dập khối nóng Các phần mềm như Transvalor Forge, Qform,EnginSoftchưa phổ biến ở Việt Nam Phần mềm DEFORM-3D [6] với giá thành không quá cao đã bước đầu được sử dụng ở các công ty trong nước Nhưng việcxây dựng m t quy trình mô phỏng cho các dụng cụ có hình dáng phức tạp và đadạng hiện vẫn đang còn nhiều khó khăn Bởi lẽ nó ph i xu t phát từ nhiều côngđoạn như thiết kế khuôn, phôi trong các phần mềm CAD khác, sau đó dẫn nhập dữliệu để tiến hành mô phỏng Đồng thời việc phân tích dữ liệu sau mô phỏng (CAE)

là m t yêu cầu chuyên sâu về mặt khoa học, b n ch t vật lý mà đa số các kỹ sư ởcác công ty Việt Nam hiện nay vẫn còn nhiều hạn chế Thực tế cho th y, chỉ khiphân tích dữ liệu mô phỏng m t cách thỏa đáng, thì việc mô phỏng mới thể hiện

đủ ý nghĩa dự toán cho quá trình s n xu t và gia công thật

Trên thế giới hiện nay đã có m t số nghiên cứu đi sâu vào lĩnh vực ứng dụng hệthống CAD/CAE để thiết kế, mô phỏng, phân tích m t số chi tiết dập nóng Ví dụnhư ở tài liệu [7] đã nghiên cứu v n đề này để gia công vít, bài báo [8] thì hướngtới việc gia công vỏ điện thoại bằng hợp kim magiê Những công trình mà ứngdụng mô phỏng để nghiên cứu chuyên sâu hơn về dập nóng, có thể kể đến như ởtài liệu [9] tác gi đã mô phỏng quá trình dập bánh răng côn Đáng chú ý là kết qu

mô phỏng có thể dự đoán kho ng cách cần thiết giữa 2 bề mặt khuôn và xác định

sự thay đổi lực dập hợp lý trong suốt hành trình dập Tuy nhiên, các công trình nàychưa đưa ra m t quy trình rõ ràng và tổng quát để có thể áp dụng cho nhiều s nphẩm đa dạng khác nhau Chính vì vậy mà việc áp dụng chúng để chế tạo gia côngdập nóng các s n phẩm kềm cắt móng và da còn gặp nhiều khó khăn Đa số cáccông ty hiện nay ở Việt Nam như Kềm Sài Gòn AAA vẫn còn thiếu hụt các quytrình công nghệ ứng dụng CAD/CAE để mô phỏng và xác định thông số gia côngdập phù hợp, dẫn tới ph i m t khá nhiều chi phí cho những hoạt đ ng thử nghiệm

trên các thiết bị thật Trong khi đó thì chỉ cần khi các yêu cầu của khách hàng về

s n phẩm có sự thay đổi, cũng sẽ dẫn tới việc ph i tiến hành lại các thử nghiệm đểxác định thông số gia công mới sao cho thích hợp Đó là tình trạng nan gi i chung

ở nước ta hiện nay

Từ những luận điểm nêu trên, đề tài “Xây dựng phương pháp phân tích và môphỏng quá trình dập nóng dụng cụ cắt móng và da dựa trên hệ thống CAD/CAE”được thực hiện nhằm đóng góp m t quy trình “thiết kế-mô phỏng-phân tích” khépkín dựa trên việc ứng dụng các phần mềm CAD/CAE, điển hình là các phần mềmDEFORM-3D, KOMPAS 3D, Geomagic Design X và ANSYS, từ đó cho phép dựđoán được quá trình dập nóng, xác định lực dập cùng các yếu tố nh hưởng, tínhđược ứng su t dư, phân tích và xử lý nhiệt, v.v… Quy trình này có thể giúp cáccông ty s n xu t dụng cụ cắt gọt móng/da của Việt Nam tiết kiệm chi phí thử

nghiệm và gia công, đồng thời tạo ra được các s n phẩm có ch t lượng tốt, đápứng các yêu cầu kỹ thuật công nghệ cao và có thể cạnh tranh được với các s nphẩm nước ngoài

2. Mục tiêu nghiên cứu

- Nghiên cứu tổng quan về quá trình dập khối

- Xây dựng quy trình thiết kế, mô phỏng, phân tích, gia công dụng cụ kềm cắtmóng/da dựa trên hệ thống CAD/CAE

- Đề xu t lực dập và nhiệt đ phôi hợp lý dựa trên kết qu mô phỏng

- Xây dựng mô hình thực nghiệm số và quy trình lựa chọn kết qu

3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

- Quá trình dập khối kềm

- Nghiên cứu mô phỏng và phân tích quá trình dập nóng

4. Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu

- Xây dựng quy trình CAD/CAE để thiết kế, phân tích, mô phỏng quá trình dậpnóng

- Xây dựng các quy trình thiết kế, mô phỏng, phân tích

- Phương pháp thực nghiệm số tìm ra thông số phù hợp cho quá trình dập nóng

5. Ý nghĩa thực tiễn của đề tài

Xây dựng những quy trình thành phần và tổng quát quá trình thiết kế, mô phỏng

và phân tích quá trình dập nóng kềm để gi i quyết sự thiếu hụt những quy trìnhnày tại công ty

Các phương pháp, quy trình phân tích và mô phỏng đề xu t trong đề tài khi được

áp dụng sẽ giúp nhận biết sự nh hưởng của nhiều yếu tố như nhiệt đ phôi, bôitrơn khuôn, lực máy, v.v lên ch t lượng và tuổi thọ khuôn Từ đó có cơ sở để điềuchỉnh và vận hành quá trình dập nóng phù hợp nhằm tăng ch t lượng và gi m giáthành s n xu t cho các công ty chế tạo kềm cắt móng/da

Sự nh hưởng của các yếu tố nhiệt đ phôi, bôi trơn khuôn, lực máy nh hưởngđến ch t lượng s n phẩm và tuổi thọ khuôn do vậy áp dụng mô phỏng phân tíchchỉ ra sự thay đổi của các yếu tố trên là điều r t quan trọng

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ DẬP NÓNG

1.1 Lịch sử phát triển của dập nóng và mô phỏng số

Ở nước ta, công nghệ dập tạo hình khối đã phát triển tr i dài những năm tháng lịch

sử Có thể kể đến với những lò rèn thủ công ở các vùng quê đến các làng nghềtruyền thống s n xu t dụng cụ nông nghiệp, đồ gia dụng Cho đến ngày nay đãhình thành các cơ sở s n xu t dạng công nghiệp với các quy mô lớn [1, 3] Dẫuvậy, công nghệ dập tạo hình khối ở nước ta vẫn còn nhiều hạn chế về kh năngcạnh tranh với các nước có ngành công nghiệp hàng đầu trên thế giới như Nhật,

Mỹ, Đức,v.v

Hiện tại, trên thế giới, công nghệ dập tạo hình đã đạt được những thành tựu cao,các phân xưởng dần dần được cơ khí hóa và tự đ ng hóa cùng với việc các tay máy

và rôbotđược đưa vào s n xu t Khi thiết kế qui trình công nghệ, họ chú trọng vào

v n đề tiết kiệm, tăng hệ số sử dụng của nguyên vật liệu đồng thời gi m phế liệu

và tăng ch t lượng s n phẩm [10] Để gi m khối lượng chi tiết, người ta sử dụngcác loại vật liệu mới có cơ tính tốt Để nâng cao ch t lượng nung và năng su t caocác lò nung kim loại đã được nghiên cứu và c i tiến Những loại máy móc chuyêndùng được ứng dụng nhằm tăng năng su t, ch t lượng và ch t lượng s n phẩm

Những loại máy dập có kích thước và công su t lớn cũng được chế tạo để gia côngnhững chi tiết có kích thước lớn [1, 3] Ngoài ra, còn có các thiết bị c p phôi tự

đ ng được điều khiển theo chương trình với kh năng tự đ ng hóa cao trong quátrình dập [1]

Từ xưa, những người làm nghề thợ rèn đầu tiên cũng kiêm làm nhiệt luyện, đúc,hàn và kim khí Thời gian sau, xu t hiện quá trình chuyên môn hóa vì nhu cầu pháttriển của công nghiệp Đầu tiên là các thợ kim khí bắt đầu từng bước tách s n xu tnông nghiệp để ra thành thị, phố xá và lập ra các xưởng quy mô nhỏ để thuận tiệnchế tạo nông cụ, đồ gia dụng, vũ khí, áo giáp… Ở kho ng thế ký XV, XVI, nghềrèn tạo được vị thế của nó, việc chế tạo ra súng và vũ khí khác, cùng m t số bphận của máy dùng sức đẩy của dòng nước, các chi tiết dùng trong xây dựng đền

chùa, cung điện như: cánh cổng, tường rào, ổ khóa và m t số loại súng ngắn, súngsăn được s n xu t Vào kho ng thế kỷ XVIII, giá trị nghệ thuật của nghề rèn nổibật khác biệt đi theo các s n phẩm, có thể được biết đến là: các đồ mỹ nghệ, trangsức, tiền kim loại, các công trình cầu cống, cung điện, dao kiếm [11] , v.v

Hiện nay, công nghệ vật liệu nói riêng được hoàn chỉnh và phát triển đã dẫn đếnviệc xu t hiện nhiều loại máy móc mới với công su t ngày càng lớn Do đó, phươngpháp công nghệ dập tạo hình khối chính xác ở trạng thái nóng đã được áp dụng

r ng rãi Các phân xưởng dập đã có kh năng chế tạo ra các chi tiết hoàn chỉnh, bỏqua giai đoạn gia công cơ, song song lại có những ưu điểm đặc biệt với đ bền, đnhẵn bóng và đ chính xác cao làm tiết kiệm kim loại [1], hạ giá thành và hơn nữa

là đạt được năng su t khá cao

Trong những năm gần đây, ngày càng có nhiều nghiên cứu thực hiện việc mô hình hóa các quá trình hình thành của vật liệu ở trạng thái nóng [7-9, 12-15] Ngành công nghiệp dập, rèn đang dần áp dụng mô phỏng số, những chương trình môphỏng số này được thiết lập để tính toán biến dạng của các b phận trục hoặc dạngkhông gian haichiều Nhưng đối với các b phận phức tạp ph i áp dụng mô hìnhkhông gianba chiều và nó này đang được phát triển r t mạnh [7, 14] R t nhiềunghiên cứu đã được tiến hành trên tính toán phần tử hữu hạn để tính toán giãn dẻo,ứng su t và biến dạng [7, 15, 16] Các phương pháp mô phỏng ba chiều được pháttriển mạnh mẽ và không ngừng c i tiến [6, 17] M t kỹ thuật tái chia lưới liên tục

đã được nghiên cứu và thử nghiệm cho phép tạo đ mượt và tương thích lưới trongtoàn b quá trình Các tính toán dập với các quy trình tái chia lưới hoàn toàn tự

đ ng đã được phát triển ứng dụng các phần tử hình tam giác và tứ diện [4] Tuy nhiên với đối tượng có hình học phức tạp thì việc chia lưới vẫn còn tồn đọng nhiềukhó khăn Việc tái chia lưới trong quá trình được ứng dụng cho phép mô phỏngdập hoàn chỉnh bánh răng [18] Những nỗ lực đầu tiên để mô phỏng biến dạngdẻo lớn bắt đầu vào những năm 70 với những bài toán hai chiều, nhưng các kết

qu thu được lúc b y giờ chưa để lại nhiều n tượng do hạn chế về hiệu năng làmviệc của máy tính [16] Từ năm 2000, với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học

máy tính, việc tính toán và mô phỏng đã dần trở nên hiệu qu và chính xác hơn r tnhiều Để từ đó các nhà khoa học hướng tới gi i quyết các bài toán tối ưu hóa theoquy trình phức tạp hơn [15]

Công nghệ máy tính phát triển kéo theo sự xu t hiện của những công cụ hỗ trợthiết kế, mô phỏng, phân tích trên máy tính như hệ thống CAD/CAE

CAD (Computer-aided design)là thuật ngữ r t phổ biến, nó sử dụng máy tính đểphácth o ý tưởng của người thiết kế, mô hình đơn gi n nh t là họa hình trên khônggian hai chiều, nhưng những năm gần đây mô hình kết c u ba chiều được phát triểnmạnh mẽ các chi tiết được tạo nên từ bề mặt hay khối, hay kết hợp c hai Các bphận riêng lẽ được lắp ráp giúp người thiết kế hình dung được các quá trình nêncác bước thiết kế tiếp theo dễ dàng và nhanh chóng hơn (xem Hình 1.1) Chươngtrìnhthiết kế CAD thường có 3 module chính như sau:

- Modeling: Dựng mô hình 3D từ b n vẽ phát th o 2D, có nhiều dạng hình học3Dnhư solid 3D, Surface 3D, mesh 3D…

- Assembly: Lắp ráp các chi tiết lại với nhau thành cụm chi tiết lớn với các điềukiện ràng bu c hình học Từ những chi tiết lắp ghép lại với nhau có thể môphỏng chuyển đ ng của chi tiết bằng cách gán các điều kiện đ ng học

- Drawing: trích xu t từ b n vẽ 3D thành b n vẽ 2D với các thông tin yêu cầu

kỹ thuật như dung sai kích thước, mặt cắt, đ nhám b bóng bề mặt, v.v thường dùng làm b ng vẽ chế tạo, người kỹ sư có thể đọc hiểu các thông tintrên b ng vẽ và chế tạo chi tiết theo đúng yêu cầu kỹ thuật

Hình 1.1Chương trình thiết kế và lắp ráp với chương trình CREO [19]

CAE: Computer-Aided Engineering Dùng hệ thống máy tính để mô phỏng, phântích đối tượng hình học CAD từ đó chỉnh sửa, tối ưu thiết kế CAD CAE được dựatrên phương pháp phân tích phần tử (FEA) là mô hình hóa các s n phẩm và hệthống trong m t môi trường o, với mục đích tìm kiếm và gi i quyết các bài toán

về đ bền, đ cứng, ổn định, dao đ ng, v.v… của các kết c u và phân tích các hiệntượng vật lý phức tạp (xem hình 1.2) FEA là ứng dụng thực tế của phương phápphần tử hữu hạn (FEM) để gi i và phân tích các bài toán cơ học với các điều kiệnbiên b t kỳ mà nghiệm chính mà phương pháp gi i tích khó có thể tìm được hoặc

r t phức tạp [10] Cơ sở phương pháp này là làm rời rạc hóa miền xác định củabài toán,bằng cách chia nó thành nhiều phần tử, các phần tử này được liên kết vớinhau tại điểm nút chung Trong phạm vi của mỗi phần tử nghiệm được chọn là m thàm số nào đó được xác định thông qua các giá trị chưa biết tại các điểm nút củaphần tử gọi là hàm x p xỉ tho mãn điều kiện cân bằng của phần tử Tập t t c cácphần tử chú ý đến điều kiện liên tục của sự biến dạng và chuyển vị tại các điểmnút liên kết giữa các phần tử kết qu dẫn đến m t hệ phương trình đại số tuyến tính

mà ẩn số chính là các giá trị của hàm x p xỉ tại các điểm nút Gi i hệ phương trình

này sẽ tìm được các giá trị của hàm x p xỉ tại các điểm nút của mỗi phần tử, nhờ

đó hàm x p xỉ hoàn toàn được xác định trên mỗi m t phần tử [2]

Hình 1.2Phân tích phần tử hữu hạn với NX [20]

1.2 Cơ sở lý thuyết về mô hình toán phần tử hữu hạn

- Phương trình c u thành [15] :

Định luật về cơ học thường được sử dụng trong tạo hình kim loại là nhớt đàn hồiđẳng hướng với sự phân hủy ch t phụ trợ của kho ng biến dạng và định luật b otoàn năng lượng:

= 1/ 〈 / 〉 − ′ (3)Trong đó là kho ng biến dạng đàn hồi, thành phần dẻo hoặc biến dạng dẻo,/ là do đạo hàm Jauman, à là hệ số Lamé , ′ là sai lệch tensor ứng su t,

là ứng su t tương đương, K là sai lệch đ nhạy của kho ng biến dạng

Có nhiều ứng xử của vật liệu khác nhau:

- Các định luật phụ thu c vào nhiệt đ

- Phương trình không đẳng hướng (Hill)

- Đ cứng không đẳng hướng được định nghĩa trong giới hạn của ứng su t mặtsau X và tensor hạng 4 H:

Phép khai căn của X được điều chỉnh bởi hàm số hóa cứng R và tham số β:

- Tiếp xúc và ma sát

M t số điều kiện quan trọng cần tính đến:

Tiếp xúc m t bên với ma sát, giữa phôi m nh và dụng cụ cứng, được mô hình hóabởi định luật Coulomb tổng quát:

Với σnlà ứng su t pháp và Δv đ chênh lệch vận tốc giữa dụng cụ và chi tiết

- Công thức tích phân:

Đối với m t dòng ch y không nén hoặc nén m t nửa, ta có thể sử dụng m t côngthức phức hợp Trong miền Ω của chi tiết, công thức này được viết cho b t kỳ vậntốc o v* và trường áp su t p* như sau:

∫ σ : ε∗dV ∫ pdiv v∗ dV ∫ τv∂ ∗dS= 0 (7)

- Đầu dò nhiệt đ :

Trong quá trình gia nhiệt của phôi, dựa theo định hình nóng kim loại, làm mát và

xử lý nhiệt của chi tiết, việc nghiên cứu về đầu dò nhiệt và khớp nối cơ khí là cầnthiết Phương trình nhiệt cổ điển cho các biến dạng hình học được viết đơn gi nnhư sau:

- Rời rạc hóa của phần tử hữu hạn:

Ngày nay, m t sự kết hợp hài hòa được dựa trên cơ sở tổng hợp công thức vận tốc

và áp lực với các phần tử tứ diện, hàm bọt (bubble function) cho trường vận tốc,

để làm ổn định c u trúc của vật liệu không thể nén hoặc bán nén Trường vận tốcđược phân tách bằng các hàm dạng , trong các vectơ vận tốc nút của :

Công thức tích phân tổng hợp rời rạc cho v n đề cơ học được biểu diễn dưới dạng

đ tăng sai lệch ứng su t ∆σ’ và đ tăng áp ∆p:

Phương pháp tích phân được sử dụng r ng rãi nh t cho công thức vận tốc là lược

đồ Euler đơn gi n Nó tương tự như phương pháp chuyển vị gia tăng, nơi mà chuyển vị được viết dưới dạng: ∆u = v∆t Nó thường được gi i bằng hai phươngpháp Runge và Kutta, đó là khi ta mong muốn phôi bị quay với tốc đ r t lớn, ví

dụ như trong vòng bi

- Sự tiếp xúc và khớp nối nhiều vật:

Mối liên hệ giữa các công cụ và b phận hoặc giữa m t số vật liệu biến dạng cóthể được đặt ở mức nút hoặc với phương pháp tiếp cận bề mặt Ngoài ra chúng ta cần có m t công thức đối xứng khi các vật liệu có đ cứng tương tự nhau Khi vùng tiếp xúc bị gi m về kích thước thành phần, công thức chính xác hơn cần thiếtđược đưa ra bằng cách làm mịn bề mặt được gi i phóng của vật c n với phép n isuy bậc cao hơn

- Chia khối, tái chia khối và kh năng thích ứng:

Việc tự đ ng chia lưới trong mô phỏng toàn b quá trình tạo hình luôn luôn là cầnthiết, vì các yếu tố tr i qua sự biến dạng lớn có thể là nguồn gốc của sự hưhỏng Trước quá trình nguy hại này, việc gi m ch t lượng phần tử ph i được đánhgiá và mô-đun tái tạo lưới ph i được chạy định kỳ để phục hồi ch t lượng phần tửthích hợp Lưới toàn cục có thể được tái tạo hoàn toàn, bằng cách sử dụng địnhluật Delaunay hoặc b t kỳ phương pháp dò tìm, nhưng phương pháp tương tác để

c i thiện lưới, với sự thay đổi cục b về c u trúc phần tử và liên kết có hiệu qu tốthơn

- Lời gi i lặp và song song:

Đối với các ứng dụng công nghiệp, sự phức tạp với đ trễ ngắn, thời gian tính toán

có thể gi m đáng kể bằng cách sử dụng vài hoặc vài chục b vi xử lý Điều này đòi hỏi ph i sử dụng m t phương pháp lặp và để xác định m t phân vùng của miền,mỗi miền phụ được liên kết với m t b xử lý Nhưng gi i pháp song song đượcthực hiện phức tạp hơn do sự tái chia lưới và quá trình tái chia lưới b n thân nó

ph i được thực hiện song song

- Phương pháp đa lưới:

Trong phương pháp đa lưới nguyên tắc có sự khác biệt: m t vài lưới với sự sàn lọckhác nhau được xác định, nhưng mục tiêu là ph i tìm được lời gi i tốt nh t Điềunày đạt được do lặp đi lặp lại bằng cách sử dụng các toán tử khác nhau: làm mịn,giới hạn và mở r ng, cho phép tính toán gi i pháp nhanh hơn so với các phươngthức lặp thông thường Hiệu qu của phương pháp là thể hiện trên dập rèn kín

∅ = 1 √3 ̅ + (20)Sao cho

Đ nhạy biến dạng m=1 nếu có tính ch t của ch t lỏng Newton, bằng 0 nếu có tính

ch t cứng dẻo Von Mises; bằng 0.1- 0.3 đối với kim loại nóng

Nhiệt đ và đ cứng đẳng hướng dễ dàng được tính bằng các mối quan hệ giữa đcứng K, ứng su t tương đương ̅ và nhiệt đ T:

- Các điều kiện biên cơ học:

M t định luật ma sát phù hợp với phương trình c u thành nhớt dẻo được xây dựng

từ m t kh năng ma sát ∅ ∆ , trong đó ∆ là đ chênh lệch vận tốc của chi tiết

và tiết diện khuôn Và ∆ là thành phần tiếp tuyến:

∆ =

(23)Ứng su t ma sát cắt có công thức:

Hệ số ma sát theo Norton-Hoff có dạng:

Sao cho