Ứng dụng cae phân tích quá trình dập vuốt kim loại tấm

Trang PHẦN A : XÁC LẬP CHỈ TIÊU ĐÁNH GIÁ CÁC DẠNG HỎNG CHÍNH TRONG GIA CÔNG DẬP VUỐT KIM LOẠI TẤM Chương 1 : Tổng quan về công nghệ dập vuốt kim loại tấm KLT 3 1.2 Phân loại công nghệ

Đại Học Quốc Gia Tp Hồ Chí Minh

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

X W

BÙI LƯƠNG TRẠCH

ỨNG DỤNG CAE PHÂN TÍCH QUÁ TRÌNH DẬP VUỐT

KIM LOẠI TẤM

Chuyên ngành : CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP HỒ CHÍ MINH, 08 / 2006

CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH

Cán bộ hướng dẫn khoa học: PGS TS Đoàn Thị Minh Trinh , Khoa Cơ Khí,

Trường Đại học Bách Khoa

Cán bộ chấm nhận xét 1 : TS Nguyễn Hữu Lộc

Cán bộ chấm nhận xét 2 : TS Lưu Phương Minh

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN THẠC SĨ, TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA, ngày tháng năm

PHÒNG ĐÀO TẠO SĐH ĐỘC LẬP – TỰ DO – HẠNH PHÚC

Tp HCM, ngày 15 tháng 08 năm 2006

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ tên học viên : BÙI LƯƠNG TRẠCH Phái : Nam

Ngày, tháng, năm sinh: 25/12/1974 Nơi sinh: BÌNH ĐỊNH Chuyên ngành: CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY MSHV: 00404092

I TÊN ĐỀ TÀI:

“Ứng dụng CAE phân tích quá trình dập vuốt kim loại tấm”

II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

1 Nghiên cứu cơ sở lý thuyết của quá trình dập vuốt kim loại tấm (KLT)

2 Tìm hiểu khả năng của các phần mềm CAE phân tích quá trình dập vuốt KLT

3 Xác lập chỉ tiêu đánh giá các dạng hư hỏng chính của quá trình dập vuốt KLT

4 Xây dựng qui trình thiết kế khuôn dập vuốt với sự hỗ trợ của phần mềm CAE

5 Áp dụng qui trình thiết kế cho 01 sản phẩm dập vuốt cụ thể

III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 16/01/2006

IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 15/08/2006

V CÁN BỘ HƯỚNG DẪN :

PGS.TS ĐOÀN THỊ MINH TRINH

Nội dung và đề cương luận văn thạc sĩ đã được Hội đồng chuyên ngành thông qua

TRƯỞNG PHÒNG ĐT- SĐH TRƯỞNG KHOA QUẢN LÝ NGÀNH

LỜI CÁM ƠN

Trong suốt quá trình nghiên cứu thực hiện luận văn này, tôi đã nhận được sự giúp đỡ tận

tình của Thầy, Cô và các bạn đồng nghiệp Đến nay luận văn đã hoàn thành, tôi xin chân thành gửi lời cảm ơn sâu sắc đến:

Cán bộ hướng dẫn: PGS.TS Đoàn Thị Minh Trinh đã tận tình hướng dẫn tôi

hoàn thành luận văn

Cán bộ chấm nhận xét 1: TS Nguyễn Hữu Lộc

Cán bộ chấm nhận xét 2: TS Lưu Phương Minh

Đã dành thời gian quí báu duyệt và cho ý kiến đóng góp giúp luận văn được hoàn thiện

Quí Thầy, Cô dạy các môn học trong suốt chương trình học đã giúp tôi mở rộng được kiến thức và phương pháp nghiên cứu, vô cùng hữu dụng không chỉ cho luận văn này mà còn cho công tác thực tế đòi hỏi nhiều nổ lực phiá trước

Trong thời gian dài thực hiện luận văn này điều làm tôi cảm thấy tự tin và có niềm đam mê chính là điều kiện sản xuất thực tế đang có nhu cầu về một qui trình thiết

kế khuôn dập vuốt bài bản có ứng dụng CAE của Cty TNHH HỮU TOÀN Xin cám ơn

công ty đã tạo điều kiện cho tôi hoàn thành luận văn này

Xin gửi lời cám ơn đến gia đình và những người thân đã không ngừng động viên và khích lệ tinh thần cho tôi trong học tập, làm việc Đó là nguồn lực tinh thần không thể thiếu đối với bản thân tôi

Sau cùng xin kính chúc quý Thầy - Cô, các bạn đồng nghiệp có nhiều sức khoẻ và sự

thành công

Thành phố Hồ Chí Minh, tháng 8 năm 2006

Bùi Lương Trạch

SUMMARY OF THE THESIS

“ Applying CAE to analyse deep drawing process”

Contents of the thesis concentrate on studying the basic theory, setting up evaluation criteria of the main failures in deep drawing process, since then build up the deep drawing die design process with CAE (CAE design process), and apply this CAE design process to a real product -

“ muffler cover”

In the CAE design process, a “CAE circle” will analyse and predict the result after a deep drawing process, therefore designer can realize unreasonable points and adjust them before applying to manufacture All the thesis includes three main parts as follows

FAILURES IN DEEP DRAWING

Dealing with overview of deep drawing, situation about study and application of the CAE analysing ability at home and abroad, principle and the stress-strain relationship of deep drawing and setting up evaluation criteria of the main failures in deep drawing

PART B : BUILD UP THE DEEP DRAWING DIE DESIGN PROCESS

WITH CAE

Mention about the method how to calculate and select technical parameter for deep drawing die and CAE design process, at the same time functions of the CAE software- eta/DYNAFORM version 5.2 also mention on this part

This part mention about applying the CAE design process to manufacture Through that experience affirm this process having lots of advantages (compared with traditional way), possible to apply to all deep drawing products with blank holder and to all CAE solfwares specializing on deep drawing

Trang

PHẦN A : XÁC LẬP CHỈ TIÊU ĐÁNH GIÁ

CÁC DẠNG HỎNG CHÍNH TRONG GIA CÔNG DẬP VUỐT KIM LOẠI TẤM

Chương 1 : Tổng quan về công nghệ dập vuốt kim loại tấm (KLT) 3

1.2 Phân loại công nghệ dập vuốt KLT 6 1.3 Các dạng hỏng chính trong gia công dập vuốt và nguyên nhân 7

1.4 Tình hình nghiên cứu ứng dụng phân tích CAE trong gia công dập vuốt 9 1.5 Khả năng phân tích dập vuốt của các phần mềm CAE 10 1.6 Giới thiệu phần mềm eta/DYNAFORM version 5.2 10

2.1 Cơ sở cơ học quá trình biến dạng 15

Chương 3 : Xác lập chỉ tiêu đánh giá các dạng hỏng chính

3.2 Biểu đồ giới hạn biến dạng (Biểu đồ FLD) 40

PHẦN B : XÂY DỰNG QUI TRÌNH THIẾT KẾ

KHUÔN DẬP VUỐT KLT VỚI SỰ HỖ TRỢ CỦA PHẦN MỀM CAE Chương 4 : Xây dựng qui trình thiết kế khuôn dập vuốt KLT với sự hỗ trợ của

4.1 Cơ sở tính toán thiết kế khuôn dập vuốt KLT 44

PHẦN C : ÁP DỤNG QUI TRÌNH THIẾT KẾ CAE

cho sản phẩm “Áo Bô Lửa” 83

5.1 Chi tiết dập vuốt “ Áo Bô Lửa” 83

5.2 Thiết kế các bước công nghệ gia công 84

5.3 Xác định các bán kính lượn khuôn 87

5.4 Xây dựng mô hình CAD 3D sau bước công nghệ dập vuốt 87

5.5 Xác định kích thước và vật liệu phôi tấm 87

5.6 Tách kết cấu khuôn 89 5.7 Xác định lực chặn phôi 90

5.8 Phân tích CAE 90 5.9 Kết quả phân tích CAE 100

Chương 6 : Thực nghiệm gia công dập vuốt sản phẩm “ Áo Bô Lửa” 109

6.1 Chế tạo khuôn 109

6.2 Cài đặt và điều chỉnh lực chặn phôi 111

6.3 Ép thử khuôn 113

6.4 Kiểm tra mẫu ép 114

6.5 Xác định tính phù hợp của lực chặn phôi (Lực chặn phôi chưa phù hợp ?) 114

6.6 Thực hiện các bước công nghệ tiếp theo 116

6.7 Kết luận thực nghiệm 120

Đánh giá – Kết luận 121

Tài liệu tham khảo 122

Lời nói đầu

-oOo -

Dập vuốt là một trong năm hình thức cơ bản của công nghệ dập nguội (dập cắt,

uốn, dập vuốt, tạo hình, ép chảy) được ứng dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp sản xuất : Ôtô, Thiết bị gia dụng, Đóng gói, Dập vuốt là công nghệ gia công vật liệu tấm theo nguyên lý biến dạng dẻo – quá trình gia công phức tạp, thường phải xử lý các dạng hư hỏng như nhăn, rách vật liệu,

Ở các cơ sở sản xuất cơ khí của Việt Nam, việc thiết kế chế tạo đối với công nghệ gia công biến dạng dẻo nói chung và dập vuốt nói riêng thường được thực hiện chủ yếu theo kinh nghiệm, tức là thử - sai rồi chỉnh sửa lại nhiều lần Công nghệ thiết kế truyền thống chủ yếu dựa vào kinh nghiệm gây lãng phí thời gian, công sức; trong một số trường hợp có thể không thể khắc phục được hư hỏng dẫn đến phế phẩm; và rất hạn chế đối với việc thiết kế phát triển sản phẩm mới có độ phức tạp cao

Với sự phát triển của các ngành khoa học và kỹ thuật máy tính, phương pháp

phân tích kỹ thuật với sự hỗ trợ của máy tính (Computer Aided Engineering – CAE)

được xem là công cụ tính toán mô phỏng không thể thiếu để giải quyết các vấn đề kỹ thuật phức tạp như lĩnh vực gia công biến dạng dẻo kim loại Ở các nước có ngành công nghiệp chế tạo phát triển, việc ứng dụng công cụ phân tích CAE trong thiết kế – chế tạo nhằm nâng cao chất lượng sản phẩm, rút ngắn thời gian và giảm chi phí sản xuất đã trở thành thông dụng vì đây cũng là khuynh hướng tất yếu của mọi doanh nghiệp trên con đường cải thiện vị thế trên thương trường

Nghiên cứu cơ sở lý thuyết của quá trình dập vuốt và ứng dụng phần mềm phân tích kỹ thuật (Computer Aided Engineering – CAE) trên cơ sở phương pháp phần tử hữu hạn để phân tích ứng xử của vật liệu, nhằm dự đoán, xử lý hư hỏng và xác định chế độ gia công phù hợp cho chi tiết dập vuốt là yêu cầu bức thiết của các nhà sản xuất Đây chính là mục tiêu của đề tài luận văn:

“Ứng dụng CAE phân tích quá trình dập vuốt kim loại tấm”

Mục tiêu của luận văn: Nghiên cứu cơ sở lý thuyết của quá trình dập vuốt và ứng dụng phần mềm phân tích kỹ thuật (Computer Aided Engineering – CAE) trên cơ sở phương pháp phần tử hữu hạn để phân tích ứng xử của vật liệu, nhằm dự đoán, xử lý hư hỏng và xác định chế độ gia công phù hợp cho chi tiết dập vuốt

Để thực hiện mục tiêu trên, nhiệm vụ chính thực hiện trong luận văn bao gồm:

1 Nghiên cứu cơ sở lý thuyết của quá trình dập vuốt kim loại tấm (KLT)

2 Tìm hiểu khả năng của các phần mềm CAE phân tích quá trình dập vuốt KLT

3 Xác lập chỉ tiêu đánh giá các dạng hư hỏng chính của quá trình dập vuốt KLT

4 Xây dựng qui trình thiết kế khuôn dập vuốt với sự hỗ trợ của phần mềm CAE

5 Áp dụng qui trình thiết kế cho 01 sản phẩm dập vuốt cụ thể

Nội dung nghiên cứu được chia làm ba phần như sau:

Phần A: Xác lập chỉ tiêu đánh giá các dạng hỏng chính trong gia công dập vuốt

kim loại tấm

Đề cập đến tổng quan về công nghệ dập vuốt, tình hình nghiên cứu ứng dụng khả năng phân tích CAE trong nước và trên thế giới, cơ chế dập vuốt kim loại tấm và xây dựng chỉ tiêu đánh giá các dạng hỏng chính trong dập vuốt

Phần B: Xây dựng qui trình thiết kế khuôn dập vuốt KLT với sự hỗ trợ của

Đề cập đến phương cách tính, chọn các thông số công nghệ và qui trình thiết kế khuôn dập vuốt với sự hỗ trợ của phần mềm CAE đồng thời một số chức năng của phần mềm CAE DYNAFORM cũng được đề cập ở phần này

Phần C: Áp dụng qui trình thiết kế CAE

Đây là phần áp dụng qui trình vào thực tế sản xuất Qua thực tế đó khẳng định qui trình có nhiều ưu điểm, áp dụng được cho mọi chi tiết dập vuốt không biến mỏng thành có chặn phôi chống nhăn

PHẦN A : XÁC LẬP CHỈ TIÊU ĐÁNH GIÁ

CÁC DẠNG HỎNG CHÍNH TRONG GIA CÔNG DẬP VUỐT KIM LOẠI TẤM

Chương 1 : Tổng quan về công nghệ dập vuốt kim loại tấm (KLT)

1.1 Giới thiệu chung

1.2 Phân loại công nghệ dập vuốt KLT

1.3 Các dạng hỏng chính trong gia công dập vuốt và nguyên nhân

1.4 Tình hình nghiên cứu ứng dụng phân tích CAE trong gia công dập vuốt 1.5 Khả năng phân tích dập vuốt của các phần mềm CAE

Nội dung chương này nghiên cứu tổng quan về công nghệ dập vuốt KLT, từ khái niệm, các dạng hư hỏng, đến tình hình nghiên cứu ứng dụng phân tích CAE trong gia công trong nước và trên thế giới Đồng thời cũng nêu lên một số khả năng phân tích của các phần mềm CAE chuyên dùng cho phân tích dập vuốt KLT,trong đó eta/DYNAFORM là một trong số các phần mềm này

1.1 Giới thiệu chung

Dập nguội là một công nghệ mới so với lịch sử phát triển công nghiệp thế giới Công nghệ dập nguội là bước phát triển của công nghệ gò Đó là quá trình gia công kim loại bằng áp lực, biến kim loại tấm hay khối thành sản phẩm có hình dáng mong muốn Dập vuốt là một trong 5 hình thức cơ bản của công nghệ dập nguội (dập cắt, uốn, dập vuốt, tạo hình, ép chảy) Mỗi hình thức của dập nguội lại chia làm nhiều công việc riêng biệt Mỗi công việc có đặc điểm, nhiệm vụ và khuôn hay dụng cụ điển hình

Dập vuốt là nguyên công dập biến vật liệu tấm mỏng thành vật rỗng , hở miệng

Sơ đồ nguyên lý như Hình 1-1a

Hình 1-1a: Nguyên lý dập vuốt

(Phôi tấm)

(Chày)

(Tấm chặn phôi chống nhăn) (Cối)

Hình 1-1c: Máy ép dùng trong dập vuốt

Đầu tiên vật liệu tấm phẳng được cắt hình bao trước (Hình 1-1b), tấm vật liệu ấy (phôi) được kẹp giữa mặt cối khuôn và tấm chặn phôi chống nhăn Tấm chặn phôi được cung cấp lực kẹp trong suốt quá trình dập vuốt, điều này hết sức cần thiết để chống nhăn và để kiểm soát dòng vật liệu vào trong lòng khuôn Sau đó chày được đẩy vào trong lòng khuôn, đồng thời truyền hình dáng riêng của chày, cối cho tấm phôi đó để tạo hình sản phẩm

Hình 1-1b: Quá trình dập vuốt

(1) Vật liệu phôi - KLT (2) Các bộ phận khuôn dập vuốt (3) Chi tiết sau dập vuốt

(4) Quá trình dập vuốt

Dập vuốt có thể tạo ra được những sản phẩm có hình dáng và có những đường cong phức tạp Ngày nay dập vuốt được sử dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp :

Ô tô , công nghiệp đóng gói, công nghiệp thiết bị gia dụng Theo thống kê vào năm

1998 có 265 triệu tấn thép tấm và 9 triệu tấn mhôm tấm được sản xuất ra trên khắp thế giới chiếm khoảng 35% tổng sản lượng nhôm, thép toàn cầu Các sản phẩm dập vuốt có thể chia làm 3 nhóm cơ bản (xem một số sản phẩm minh hoạ hình 1-1d):

- Các sản phẩm có hình dáng tròn xoay

- Các sản phẩm có dạng hình hộp

- Các sản phẩm có hình dáng phức tạp

Các sản phẩm đầu tiên bao gồm các dạng hình trụ, hình trụ có bậc, hình côn , hình bán cầu ,có thể có vành hay không có vành có đáy phẳng hoặc không phẳng

Các sản phẩm hình hộp có các sản phẩm hình hộp vuông, hình hộp chữ nhật, hình hộp ô van , có vành hay không có vành có đáy phẳng hay không phẳng

Các sản phẩm có hình dáng phức tạp có thể đối xứng hay không đối xứng (mui ô tô, cánh cửa ôtô )

Hình 1-1d: Một số sản phẩm trong công nghệ dập vuốt kim loại tấm

1.2 Phân loại công nghệ dập vuốt KLT

Về đặc điểm biến dạng kim loại, có thể phân loại:

- Dập vuốt không biến mỏng thành

- Dập vuốt có biến mỏng thành

Dập vuốt không biến mỏng thành có nghĩa là khe hở giữa chày và cối lớn hơn hoặc bằng chiều dày vật liệu Dập vuốt có biến mỏng thành có nghĩa là khe hở giữa chày và cối nhỏ hơn chiều dày vật liệu

Trong dập vuốt không biến mỏng thành Về phương pháp dập người ta chia ra dập có chống nhăn và dập không có chống nhăn Về hình dáng sản phẩm người ta chia

ra dập sản phẩm có vành và không có vành

Dập vuốt có biến mỏng thành có hai phương pháp tiến hành:

- Làm thay đổi đường kính xong mới làm biến mỏng thành

- Vừa thay đổi đường kính vừa biến mỏng thành cùng một lúc Với phương pháp này thì kim loại biến dạng mãnh liệt hơn

Ngoài ra còn có các trường hợp dập vuốt đặt biệt gồm:

- Dập bằng chày cứng trong cối cao su

- Dập vuốt có đốt nóng vành

- Dập vuốt nhiều lớp

- Dập thuỷ tĩnh cối cứng hoặc chày cứng kết hợp với chất lỏng hoặc khí nén có áp lực cao

1.3 Các dạng hỏng chính trong gia công dập vuốt và nguyên nhân

Các dạng hỏng chính trong gia công dập vuốt có thể tổng hợp như trình bày trong bảng 1- 1

Bảng 1-1: Các dạng hỏng chính trong gia công dập vuốt [10]

1 Nhăn ở thành

vật dập Phân bố đều: - Lực ép chặn chống nhăn không đủ

- Khe hở giữ chày và cối lớn quá

- Bán kính lượn ở miệng cối lớn quá

Phân bố chỉ một phần:

- Lực ép chặn chống nhăn không đều

- Chày cối lắp lệch (khe hở không đồng đều)

- Chày, cối đã bị mòn không

(Hình1-2a)

2 Rách đáy ở tiết

diện nguy hiểm - Hệ số dập vuốt lấy nhỏ hơn khả năng cho phép

- Tính dẻo của vật liệu kém hoặc kim loại bị biến cứng;

- Lực ép chặn quá lớn hoặc không đều

- Khe hở chày, cối quá nhỏ hoặc lắp lệch

- Chày, cối lắp không đồng tâm hay chéo tâm, hoặc sai lệch này là do từ chế tạo khuôn

- Chất bôi trơn không đạt yêu cầu hoặc độ nhẵn của khuôn thấp

- Bán kính lượn ở miệng cối quá nhỏ

(Hình1-2b)

3 Chiều cao

không đều và

thành dày mỏng

không đều

- Khe hở giữa chày, cối không đều

- Lực ép chặn phân bố không đều

- Định vị phôi liệu không chính xác

- Chiều dày vật liệu không đồng đều

(Hình1-2c)

múi cao tạo điều kiện để hình thành những vết nứt ngầm, dọc theo

thân từ miệng vật dập Đồng thời nó gây nên lãng phí vật liệu vì phải chứa lượng dư để cắt mép lớn, hoặc cắt mép nhiều lần Hiện tượng này rất thường gặp khi dập vuốt

Người ta cho rằng do tính đẳng hướng của vật liệu gây nên (vật liệu có xu hướng biến dạng theo hướng nhất định),

Nguyên nhân gây nên tính đẳng hướng của vật liệu là

do quá trình cán mỏng Vật liệu được cán theo hướng nhất định Hạt tinh thể của kim loại đã bị biến dạng có tính đẳng hướng Người ta có thể hạn chế chiều cao của các múi tạo thành bằng các biện pháp:

- Ủ kết tinh lại vật liệu

- Chọn mức độ biến dạng bé (lấy hệ số dập vuốt lớn)

- Lấy trị số khe hở giữa chày, cối lớn trong phạm vi cho phép

Trong đó ủ kết tinh lại là hiệu quả nhất

5 Nứt dọc theo

thành Vết nứt thường xuất phát từ miệng và ăn sâu xuống

Nguyên nhân chính là:

- Biến dạng không đồng đều, do tạo thành múi cao

- Có vết cào xước sâu từ trước

- Có nếp nhăn gấp lại khi dập vuốt

- Có vết nứt ngầm từ vật liệu (phôi)

- Vật liệu bị biến cứng

(Hình1-2e)

6 Nứt ngang thân

vật dập Vết nứt ngang thường mở rộng và to do:

- Hệ số dập vuốt lấy quá nhỏ

- Lực ép chặn lớn và không đều

- Bán kính lượn miệng cối quá nhỏ

(Hình1-2g)

7 Có vân sóng

hay còn gọi là

xếp vảy ở thành

Nhìn ở thành vật dập thấy có những vân sóng như vẩy cá nguyên nhân do :

- Khuyết tật do cán tấm để lại, kim loại có lẫn tạp chất hay lớp ôxyt bề mặt Khi cán có hiện tượng xếp lớp

- Kim loại bị biến cứng

(Hình1-2h)

8 Vừa nhăn vừa

rách ở gần

miệng

Chủ yếu là nguyên nhân gây nên nhăn Khi có nhiều nếp nhăn, bề dày vật liệu lớn lên không đi qua được khe hở giữa chày và cối nên lại rách

(Hình 1-2i)

9 Thành bị cào

xước Chủ yếu là do bẩn , cát bụi oxyt sắt lẫn vào trong chất

bôi trơn, bám vào vật dập hay bề mặt làm việc của chày cối Khắc phục hiện tượng này phải thực hiện ba sạch:

- Sạch sản phẩm và chất bôi trơn

- Sạch dụng cụ, khuôn, máy

- Sạch nơi làm việc

10 Vật dập khó lấy

ra ở chày, cối - Chày không có lỗ thoát hơi hoặc lỗ thoát hơi bị tắc

- Chày không có độ côn khi dập vuốt sâu

- Chất bôi trơn kém

Cối bị côn ngược (đường kính miệng thu nhỏ)

Trong các dạng hư hỏng trên nếu không xét nguyên nhân do lỗi chế tạo, do vật liệu thì phần lớn các dạng hỏng rơi vào các dạng: nhăn , rách (hoặc vừa nhăn vừa rách) Nhăn xảy ra ở vùng có ứng suất nén lớn, rách xảy ra ở vùng có ứng suất kéo lớn

1.4 Tình hình nghiên cứu ứng dụng phân tích CAE trong gia công dập vuốt

Ngày nay trong nước tại các doanh nghiệp khi thiết kế chế tạo các sản phẩm theo công nghệ dập vuốt hầu như chỉ dựa vào khả năng kinh nghiệm Việc thiết kế dựa trên các công thức thực nghiệm sau đó triển khai chế tạo khuôn và thử sai trên mô hình thực rồi quay lại chỉnh sửa và cứ thế lặp lại cho đến khi sản phẩm đạt yêu cầu Với cách làm này tốn khá nhiều tiền, thời gian, công sức Đôi khi thất bại phải thiết kế và làm lại từ đầu

Trên thế giới cùng với sự phát triển mạnh mẽ của máy tính về tốc độ xử lý, các phần mềm phân tích CAE theo phương pháp phân tích phần tử hữu hạn (FEA) cũng không ngừng được cải thiện và đang được ứng dụng rộng rãi trong việc phân tích mô phỏng những quá trình phức tạp của thực tế mà ở đó không thể hoặc rất khó giải quyết được bằng các phương pháp tính toán thông thường Dập vuốt là một trong trong số các quá trình rất phức tạp cần phải được giải quyết thông qua công cụ phân tích CAE

Mục tiêu chính của việc phân tích là hỗ trợ trong thiết kế sản phẩm, khuôn mẫu và chọn thiết bị phù hợp Về cơ bản việc phân tích CAE cho công nghệ dập vuốt cho phép :

- Đánh giá dòng vật liệu (material flow)

- Xác định khả năng tạo hình của vật liệu (khả năng hình thành hư hỏng trên chi tiết, thí dụ hiện tượng nhăn, rách vật liệu)

- Xác định lực và ứng suất cần thiết để thực hiện nguyên công tạo hình

Hiện tại, độ chính xác và độ tin cậy của phương pháp mô phỏng số cho quá trình tạo hình kim loại tấm vẫn chưa thỏa mãn hết những yêu cầu công nghiệp Một trong số những giới hạn của phương pháp mô phỏng là thời gian tính toán còn cao đối với những chi tiết phức tạp Mặc dù có sự phát triển của những giải pháp lặp, những thuật toán tiếp xúc nhanh và sự phát triển không ngừng của phần cứng máy tính Một giới hạn khác là sự thiếu những tri thức chi tiết về vật lý vật liệu như: Ứng xử vật liệu về ứng xử tiếp xúc biến dạng lớn Vì vậy việc nghiên cứu sâu rộng hơn trong lĩnh vực tạo hình kim loại tấm

Hình 1-3: Các dạng hỏng nhăn, rách

nói chung và trong dập vuốt kim loại tấm nói riêng sẽ là hết sức cần thiết để giảm khoảng cách tồn tại giữa quá trình vuốt thực tế và những đánh giá đạt được từ việc mô phỏng số

Tại Việt Nam xét trong lĩnh vực dập vuốt kim loại tấm tại các đơn vị sản xuất hầu như rất ít được trang bị phần mềm mô phỏng Điều này do đâu? Có lẽ các nghiên cứu trong nước cũng như thông tin về vấn đề này đến với các doanh nghiệp còn ít, chưa sát với điều kiện sản xuất

1.5 Khả năng phân tích dập vuốt của các phần mềm CAE

Những phần mềm phân tích CAE được ứng dụng cho việc mô phỏng quá trình tạo hình kim loại tấm ngày nay là:

1.6 Giới thiệu phần mềm eta/DYNAFORM version 5.2

Phần mềm Eta/DYNAFORM Version 5.2 là gói giải pháp phần mềm mô phỏng quá trình tạo hình kim loại tấm dựa trên cơ sở LS-DYNA được phát triển bởi Engineering Technology Associate Phần mềm CAE đặc trưng này kết hợp với năng lực phân tích của LS-DYNA version 960 và 970 với những chức năng tiền xử lý và hậu xử lý được sắp xếp một cách hợp lý của eta/DYNAFORM Những qui tắc phân tích này và các hàm tương tác là một tích hợp thống nhất để phục vụ công nghệ tạo hình kim loại tấm, trong việc phát triển và thiết kế khuôn Thông qua phần mềm CAE để giảm chi phí tạo mẫu, thời gian chu kỳ cho việc phát triển sản phẩm

Năng lực phân phân tích của Eta/DYNAFORM là LS-DYNA, nó được phát triển và hiện tại được hỗ trợ bởi tập đoàn kỹ thuật phần mềm Livermore, California Nó là phần mềm phân tích phần tử hữu hạn , động, phi tuyến, đa năng, sử dụng giải pháp tường minh và không tường minh tiếp cận cho những vấn đề cấu trúc rắn, lỏng Phần

mềm này đã được phát triển cho các ứng dụng như va chạm xe ô tô, An toàn cho người sử dụng, nổ dưới nước, tạo hình kim loại tấm

Điểm thắc của chu kỳ phát triển tạo hình kim loại là việc thiết kế khuôn mẫu, hết sức khó khăn và tốn nhiều thời gian Phần mềm eta/DYNAFORM có khả năng mô phỏng quá trình trong công tác thiết kế khuôn mẫu do đó giảm được thời gian, chi phí cho việc thử khuôn eta/DYNAFORM mô phỏng hiệu quả liên quan đến bốn vấn đề chính trong vấn đề thiết kế khuôn: Chặn phôi chống nhăn (Binder Wrap), khuôn vuốt (Draw die), sự phục hồi (Spring Back) và khuôn đa trạng thái (Multiple Stage Tooling) Việc mô phỏng này cho phép kỹ sư nghiên cứu tính khả thi của việc thiết kế sản phẩm sớm trong chu kỳ thiết kế

Những đặc trưng của Eta/DYNAFORM là dữ liệu bề mặt dụng cụ được xác định rõ để dự đoán trước các khả năng xảy ra trong vùng dập như: Rách (Cracking), nhăn (wrinkling) và bị mỏng (thinning) và ngoài ra còn đánh giá được những ảnh hưởng của sự phục hồi vật liệu

a Các chức năng của phần mềm eta/DYNAFORM

Phần mềm phân tích CAE này bao gồm các môđun chính như sau:

- FILE MANAGER : dùng để xuất nhập dữ liệu cho phần mềm eta/DYNAFORM

- PART CONTROL : Dùng để tổ chức các chi tiết (hoặc các lớp)

- PREPROCESS : Chứa Menu của những chức năng tiền xử lý, các đường, các điểm, các phần tử, các nút, các chức năng kiểm tra và các điều kiện biên

- DFE DIE FACE ENGINEERING: bao gồm chức năng modified-one-step (MSTEP)trên

cơ sở chức năng khai triển, chức năng triển khai phôi tấm, và chức năng tạo lưới phôi tấm

- QUICKSETUP: Menu quicksetup cung cấp chuỗi công việc dễ dàng nhanh chóng thiết lập những mô phỏng dập tấm tiêu chuẩn nào đó

- TOOLS: Tạo ra, xác định, và chỉnh sửa việc xác định dụng cụ ( các thành phần khuôn)

- OPTION MENU Chứa những chọn lựa khác nhau để điều khiển lưới và file kiểu Window

- UTILITIES bao gồm nhiều chức năng phụ thêm để nhận dạng các đối tượng

- VIEW OPTION Để điều chỉnh sự hiển thị của các hạng mục và góc nhìn trên màng

b) Cấu trúc tổng quan của giao diện phần mềm eta/DYNAFORM

Hình H 5-1 Như được giới thiệu trên hình H 5-1 cấu trúc tổng thể phần mềm gồm 06 vùng:

1) Graphic , Display window: Mô hình và phần đồ hoạ được biểu hiện ở vùng của sổ này

2) Menu Bar chứa các lệnh (commands) và các chọn lựa (option) được thể hiện trong vùng này

3) ICON BAR: Cung cấp cho người dùng sự truy cập dễ dàng tới những chức năng được dùng chung trong chương trình

4) CONTROL WINDOW AREA Khi người dùng chọn một lệnh từ MENU BAR hoặc ICON BAR Một cửa sổ hộp thoại tương ứng cùng với những chức năng tương tự được thể hiện trong vùng này

5) DISPLAY OPTIONS Những chọn lựa trong nhóm này được dùng để kiểm soát mô hình được hiển thị trong cửa sổ hiển thị đồ hoạ (Graphic) Những chọn lựa này luôn được kiểm tra, chọn lựa này luôn được hiển thị và có thể được sử dụng tại mọi thời điểm trong suốt phần eta/DYNAFORM

6) PROMPT AREA eta/Post hiển thị những thông báo , thông điệp cho người sử dụng

c) Các bước phân tích dập vuốt trên eta/DYNAFORM 5.2

Để phân tích một chi tiết dập vuốt, đối với phần mềm CAE này cần phải qua các bước như mô tả dưới đây:

Các bước để phân tích của phần mềm được mô tả chi tiết trong phần C

Kết luận

Sản phẩm dập vuốt ngày nay được ứng dụng rộng rãi và đang có nhu cầu rất lớn trong các ngành công nghiệp: Ô tô , công nghiệp đóng gói, công nghiệp thiết bị gia dụng Dập vuốt kim loại tấm là một quá trình ứng suất biến dạng phức tạp có nhiều nguyên nhân dẫn tới hư hỏng sản phẩm sau dập vuốt, để giảm thời gian và chi phí cho công tác thiết kế khuôn dập vuốt cần thiết phải có qui trình thiết kế có ứng dụng phần mềm phân tích CAE

Trong chương tiếp theo chúng ta sẽ nghiên cứu cơ sở lý thuyết quá trình dập vuốt đó là cơ sở cơ học quá trình biến dạng và cơ chế dập vuốt kim loại tấm

Chương 2 : Cơ sở lý thuyết gia công dập vuốt KLT

2.1 Cơ sở cơ học quá trình biến dạng 2.2 Cơ chế dập vuốt kim lọai tấm

Mục đích nghiên cứu cơ sở lý thuyết quá trình dập vuốt KLT ở đây là tìm hiểu các mối quan hệ giữa ứng suất và biến dạng trong biến dạng dẻo và thông qua trường hợp phân tích dập vuốt chi tiết dạng cốc tròn xoay (cup) để khái quát hóa cơ chế dập vuốt KLT

2.1 Cơ sở cơ học của quá trình biến dạng [11 ]

2.1.1 Tenxơ ứng suất

Đối với đại lượng vô hướng (ví dụ nhiệt độ trong vật thể ) thì mỗi điểm trong không gian được mô tả bằng một số, đối với đại lượng véctơ ( ví dụ lực tác dụng lên một vật thể) thì mỗi điểm trong không gian được mô tả bằng ba số, còn đối với trạng thaí ứng suất trong không gian được mô tả bằng 9 số , đó là một tenxơ ứng suất Vậy trạng thái ứng suất tại một điểm được mô tả bằng một Tenxơ ứng suất:

yz yy yx

xz xy xx ij

T

σσσ

σσσ

σσσσ

z

z

T

σττ

τστ

ττσ

θ ρ

θ θ θρ

ρ ρθ ρ

σ : Ứng suất hướng trục

Trong trạng thái ứng suất đối xứng trục các thành phần ứng suất không phụ thuộc vào toạ độ θ , bởi vậy tất cả các đạo hàm theo toạ độ đó trong phương trình vi phân cân bằng bằng 0 Ngoài ra trên mặt kinh tuyến (mặt chứa z hoặc vuông góc với trục θ ) thì không tồn tại ứng suất tiếp vì sự đối xứng của vật thể và sự đối xứng của tải trọng bên ngoài , điều đó có nghiã là :

Vì vậy σθ luôn là ứng suất chính và trục ρ có thể nhận phương bất kỳ trong mặt phẳng

Z Vậy trong trạng thái ứng suất đối xứng trục chỉ còn tồn tại các thành phần ứng suất sau đây:

z

στ

σ

τσ

ρ θ

ρ ρ

0

0 0

0

(2-4)

2.1.2 Quan hệ giữa ứng suất và biến dạng trong biến dạng đàn hồi

Trong biến dạng đàn hồi quan hệ giữa ứng suất và biến dạng có dạng:

kk m

m ij ij

ij

E G

σσ

σδ

νσ

ε

3 1

2 1 2

1 '

=

− +

=

Trong đó:

E – Môđun đàn hồi dọc

n – hệ số Poisson

G – môđun đàn hồi trượt , giữa E và G tồn tại mối quan hệ E=2G(1+n)

x

2.1.3 Quan hệ giữa ứng suất và biến dạng trong biến dạng dẻo

Dựa vào những kết quả đã được xác định bằng thực nghiệm người ta rút ra mối quan hệ giữa ứng suất và biến dạng trong biến dạng dẻo Điều đó dựa trên những tiền đề sau đây:

- Phương của biến dạng dài chính luôn luôn trùng với phương của ứng suất chính

- Vòng tròn Mohr biến dạng (vẽ trên trục ε và γ) đồng dạng với vòng tròn Mohr ứng suất (vẽ trên hệ trục σ và τ )

Hình 2-1 Vòng tròn Mohr ứng suất và vòng tròn Mohr biến dạng

Ngoài ra còn thoả mãn điều kiện thể tích không đổi

0

3 2

1 3 2 1

3 2 2 1

2 1

εε

σσεε

σσεε

Trong đó: 3G′=D ; D: môđun dẻo

Ta có thể hình dung điều này bằng hình 2-2 Trong biến dạng đàn hồi E=tanα =const, còn trong biến dạng dẻo D = tanα′ mà α′thì luôn luôn thay đổi trong quá trình biến dạng Do vậy D, G′ thay dổi trong suốt quá trình biến dạng

Hình 2-2 Môđun đàn hồi và môđun dẻo

Ta có thể giải thích ý nghĩa của môdun dẻo như sau: Nếu tại một thời điểm nào đó của quá trình biến dạng môđun dẻo có một trị số xác định thì ứng suất gây nên trong vật thể một biến dạng ε ở thời điểm đó sẽ có độ lớn bằng Dε Nếu σ1=σ2, thế vào (2-8) ta có:

Vậy nếu hai ứng suất bằng nhau thì hai biến dạng tương ứng cũng bằng nhau Trạng thái biến dạng phẳng có một biến dạng bằng 0, giả sử ε2=0, thế vào phương trình thứ hai trong (2-8) ta có:

2

1

1 3

2.1.4 Phương trình Prandtl – Reuss:

Phương trình Prandtl – Reuss biểu thị một cách tổng quát mối quan hệ giữa gia số biến dạng với tenxơ lệch ứng suất

e ij

p ij

' ij

' ij

E

2ν 1 σ 2G

1 dλ σ

Trong đó có thể viết

dλτ

dγτ

dγτ

dγσ

dεσ

dεσ

dε

zx

p zx yz

p yz xy

p xy '

z

p z '

y

p y '

p yz

xy

p xy

y x z

p z

x z y

p y

z y x

p x

dλdγ

dλdγ

dλdγ

σσ2

1σdλ3

2dε

σσ2

1σdλ3

2dε

σσ2

1σdλ3

2dε

τττ

Hoặc biểu diễn bằng các ứng suất chính

dλσ

σ

dεdεσ

σ

dεdεσ

σ

dεdε

1 3

p 1

p 3 3

2

p 3

p 2 2

1

p 2

2

Xét về mặt ý nghĩa cũng là một hình thức biểu diễn của mô đun dẻo

Nếu tách biến dạng tổng thành biến dạng thể tích và biến dạng hình dạng thì ( 2-15 ) có thể viết dưới dạng:

' ij

' ij

' ij

σ E

2ν 1 dε

σ 2G

1 dλ σ dε

ij ij

dγτ

dγσ

dεσ

dεσ

dε

zx

zx yz

yz xy

xy '

z

z '

y

y '

x

Nếu lấy đạo hàm theo thời gian ta được:

σλ

2.1.5 Điều kiện dẻo và những tiền đề cơ bản để phân tích quá trình biến dạng

a Điều kiện dẻo

Là điều kiện để kim loại quá độ từ trạng thái đàn hồi sang trạng thái dẻo Điều kiện dẻo là một hàm cuả tất cả các thành phần của Tenxơ ứng suất và được biểu diễn bằng một ứng suất tương đương để khi nó đạt tới một giá trị tới hạn nào đó thì kim loại chuyển từ trạng thái đàn hồi sang trạng thái dẻo

Const Const Const

3 2

2 1

σσ

σσ

σσ

(2-29)

Trong 3 biểu thức này biểu thức nào có trị số lớn nhất đạt tới giá trị tới hạn thì sẽ phát sinh biến dạng dẻo Giá trị tới hạn ấy là tuỳ thuộc vào vật liệu và điều kiện biến dạng Một dạng hàm khác cũng có thể thoã mãn điều kiện (2-28) là :

Const

=

− +

− +

1 3

2 3 2

2 2

K K

K K

f f f

2 2 2

1 3

3 2

2 1

σσ

σσ

σσ

(2-31)

1 3

2 3 2

2 2

1 ) ( ) ( ) 2 6(σ −σ + σ −σ + σ −σ = K f = K (2-32) Trong đó:

K ứng suất tiếp chảy

f

K giới hạn chảy

(2-31) gọi là điều kiện dẻo Tresca-Saintvenant

(2-32) gọi là điều kiện dẻo Huber- Mises

điều kiện dẻo trong toạ độ bất kỳ

2 2

2 2 2 2

2 ( ) ( ) 6( ) 2)

(σx −σy + σy −σz + σz −σx + τxy +τyz +τzx = K f (2-33) Điều kiện dẻo trong trạng thái ứng suất đối xứng trục τρθ =τθz = 0

2 2

2 2

2 ( ) ( ) 6 2)

(σρ −σθ + σθ −σz + σz−σρ + τzρ = K f (2-34) Ghi chú: Y =K f =σ1 Giới hạn chảy

b Điều kiện dẻo trong trạng thái ứng suất phẳng, biến dạng phẳng

Trạng thái ứng suất phẳng khi đó

0 τ τ

Thay vào (2-33) ta được điều kiện dẻo Von Mise trong hệ toạ độ bất kỳ

2 2 2

Điều kiện dẻo Von Mise trong toạ độ trụ

2 2 2

2.2 Cơ chế dập vuốt kim loại tấm [4]

Quá trình gia công tạo hình từ kim loại tấm để tạo ra các sản phẩm dạng hình cốc

đặc trưng bởi chày, cối, phôi kim loại tấm được kéo hướng kính thông qua biên dạng khuôn và chày Dập vuốt là quá trình trạng thái không ổn định trong đó sự phân bố ứng suất và biến dạng là rất phức tạp

Để nghiên cứu cơ chế quá trình dập vuốt, chúng ta đi sâu vào phân tích quá trình dập vuốt một sản phẩm đơn giản điển hình đó là dập vuốt chi tiết hình cốc tròn xoay từ phôi kim loại tấm hình tròn Ở trường hợp này ta xem là biến dạng ứng suất phẳng Với giả thiết biến dạng ứng suất phẳng của vành và đồng thời nguyên lý chồng chất được áp dụng cho các ảnh hưởng riêng biệt được xem xét đến

2.2.1 Các giai đoạn diễn tiến trong dập vuốt chi tiết hình cốc tròn xoay

Với cấu trúc chày cối truyền thống việc sản xuất cốc tròn xoay từ tấm kim loại phẳng như được chỉ ra ở Hình 2-3

Đầu chày dạng phẳng , tròn xoay với biên dạng có góc lượn Khuôn dạng lỗ trống tròn có góc lượn và có chặn phôi chống nhăn Lực cung cấp cho tấm chặn phôi từ áp lực khí nén hoặc thuỷ lực Hình 2-3 phôi kim loại tấm tròn xoay được chia làm ba vùng X,Y,Z

(b)

Hình 2-3 [4]

Vùng ngoài X vật liệu tiếp xúc với cả khuôn và chặn phôi, vùng trong Y lúc đầu chúng không tiếp xúc với cả chày và cối Vùng Z tiếp xúc với đầu chày

Khi dập vuốt diễn ra theo cách được chỉ ra ở Hình 2-3b và ở đó thể hiện cốc được vuốt một phần , vật liệu vùng X được kéo một cách liên tục vào biên dạng khuôn dưới tác dụng của ứng suất kéo hướng kính và ảnh hưởng của việc giảm bán kính một cách liên tục trong vùng này gây ra ứng suất nén hướng tiếp tuyến điều này gây ra sự tăng bề dày vật liệu Trừ phi có tác dụng của lực chặn phôi , ứng suất nén này sẽ gây ra nhăn trên vành Nhăn là sự mất ổn định do ứng suất nén gây ra đó là sự mất ổn định mặt của vành Sự bùng phát nhăn xảy ra tại giai đoạn đầu vuốt hướng kính của vành

Khi vùng vật liệu X qua biên dạng khuôn nó bị biến mỏng bởi việc uốn dẻo dưới ứng suất kéo Việc duỗi thẳng dẻo cùng xảy ra với tác dụng kéo khi tấm cong được kéo thẳng để tạo vách tròn xoay thẳng đứng của cốc giữa chày và miệng khuôn Cuối cùng phần trong của vùng X bị biến mỏng thêm bởi sức căng giữa cối và chày Kết quả vùng ngoài của vùng X có sự gia tăng chiều dày vật liệu

Vùng Y chịu uốn và trượt qua biên dạng khuôn, bị kéo giãn dưới tác dụng kéo căng của chày cối và bị uốn và trượt qua biên dạng chày

Vùng Z bị kéo giãn và trượt qua đầu chày Lượng biến dạng tuỳ thuộc vào hình dáng hình học của đầu chày và điều kiện ma sát

Các quá trình khác nhau liên quan trong suốt những giai đoạn tiến triển của dập vuốt cốc tròn xoay đáy bằng có thể được tóm tắt như sau:

1 Vuốt hướng kính của vành giữa khuôn và chặn phôi với sự có mặt của sức cản

ma sát trên các bề mặt tiếp xúc

2 Uốn và trượt qua biên dạng khuôn dưới sức căng với sự hiện diện của sức cản

ma sát tại các bề mặt tiếp xúc

3 Duỗi thẳng để tạo ra vách tròn xoay thẳng đứng của cốc

4 Kéo giãn giữa chày và cối

5 Uốn và trượt qua biên dạng chày

6 Kéo giãn và trượt qua đầu chày và sức cản ma sát trên điều kiện cho trước tại bề mặt giao diện

Sự thay đổi chiều dày của phần tử tấm tại vành ban đầu, ở bán kính R có chiều dày t0

được thể hiện ở Hình 2-4a khi bán kính hiện hành của phần tử là r, chiều dày của kim loại tăng lên t, do vuốt hướng kính Tại điểm A tương ứng với việc bắt đầu của góc

lượn biên dạng khuôn, sự biến mỏng xảy ra do uốn dưới sức căng khi vật liệu trượt qua biên dạng khuôn chiều dày giảm từ '

A

t → Sau đó tiếp tục bề dày tăng lên tới t B khi vật liệu chịu kéo hướng kính thêm trong suốt quá trình uốn và trượt qua biên dạng khuôn từ AỈ B Tuy nhiên biến mỏng thêm tới giá trị '

B

t xảy ra bởi vì sự duỗi thẳng dưới sức căng để tạo vách thẳng đứng của cốc tròn xoay Việc biến mỏng tăng thêm đến một giá trị cuối cùng nào đó t C sẽ xảy ra nếu vật liệu trong vùng B và C bị kéo giãn dẻo

Vùng Y hình 2-4 có một phần không chịu uốn và kéo qua biên dạng khuôn nhưng

phải chịu kéo Vùng vật liệu đặc biệt này kéo và biến mỏng dưới sức căng

(a)

(b)

Hình 2-4 [4]

Vùng dày hơn A do đó tồn tại giữa hai điểm thắt chính N1 và N2như hình 2-4b Ở

đây sự thay đổi chiều dày bị khuếch đại Mất ổn định trong trong sức căng giống như xảy ra tại điểm này hay điểm khác dẫn đến vết nứt đầu tiên của kim loại và sinh ra xung quanh vách cốc Nứt thường xảy ra tại điểm gần đỉnh đầu chày nhất

2.2.2 Vuốt hướng kính của vành

Hình 2-5a biểu diễn hình chiếu bằng của tấm kim loại phẳng tròn, đường kính 2R0và chiều dày ban đầu t0 Ứng suất tác dụng trên một phần tử của tấm trong suốt quá trình vuốt hướng kính của vành tại bán kính hiện hành bất kỳ r được biểu diễn ở Hình 2-5b

Hình 2-5 (a) Hình chiếu bằng của hình tròn phôi vật liệu tấm ; (b) Ứng suất tác động trên phần tử của phôi tại bán kính hiện hành bất kỳ, r, trong suốt quá trình kéo hướng kính của phôi tấm [4]

các ứng suất hướng kính và hướng tiếp tuyến lần lượt là σr và σθ, p là áp suất được tác dụng bởi tấm chặn phôi và ứng suất ma sát tại phôi tấm – chặn phôi và phôi tấm - mặt khuôn là τ =µP ở đây µ: Hệ số ma sát Điều kiện vật lý mà σrsẽ là ứng suất kéo trong khi P và σθ là nén Giả sử tất cả lực chặn phôi được tập trung vào mép vành và các vị trí khác còn lại p = 0 Nếu có sử dụng tấm chặn phôi , có ít sự tăng chiều dày mà chủ yếu do sự biến dạng đàn hồi của dụng cụ vì vậy tấm chặn phôi có khuynh hướng tạo ứng suất nén chỉ tại mép của tấm Trong trường hợp này , quá trình vuốt hướng kính có thể xem là một dạng biến dạng ứng suất phẳng

Phân tích lực tác dụng vào phần tử theo hướng hướng kính rồi cho cân bằng theo hướng này ta có:

0 2

2 sin 2

) )(

+ +d r r dr t dt d r rtd tdr d prd dr

dr

Trong trường hợp chỉ kéo đơn thuần không bao gồm ma sát thì

0 )

Ứng suất hướng kính và hướng tiếp tuyến phải thõa mãn điều kiện dẻo Giả sử phù hợp điều kiện dẻo tresca được điều chỉnh

Y m

r

R

2.2.3 Sức cản ma sát tại vành

Nếu F là lực chặn phôi, thì ứng suất hướng kính yêu cầu để khắc phục sức cản ma sát tại mặt tiếp xúc chặn phôi-vành; vành – khuôn được cho bởi:

0 0 )

(

2

2

t R

Do đó ứng suất hướng kính tại A trong hình 2-6 yêu cầu vuốt hướng kính của vành và

khắc phục sức cản ma sát tại mặt tiếp xúc giữa tấm chặn phôi chống nhăn và mặt khuôn là:

0 0

0 )

( )

t R

F r

R Y m

A A

f A r

µσ

εεε

1 0

d Y

n n

hoặc

) 1 ( +

=

n

A Y

n

2.2.4 Uốn dẻo của tấm dưới sức căng qua biên dạng khuôn

Khi những phần tử kim loại trong vành phẳng tới điểm A (hình 2-6) tương ứng với bắt đầu biên dạng khuôn Chúng được tạo hình bởi sự uốn dưới sức căng Kim loại rồi được duỗi thẳng tại B trở thành phần thẳng đứng của vách cốc sau khi qua biên dạng khuôn Giả sử uốn và duỗi thẳng chỉ xảy ra tức thời, các phần tử kim loại không có bậc tự do biến dạng theo hướng tiếp tuyến, do vậy biến dạng hướng tiếp tuyến εθ = 0

Hình 2-6 [4]

Như giả thiết gần đúng đầu tiên, phôi tấm chịu uốn phẳng dưới sức căng Phân bố ứng suất và biến dạng dọc theo chiều dày của phôi tấm khi nó chịu uốn dưới sức căng do ứng suất kéo hướng kính, σA , tại A nơi bắt đầu của biên dạng khuôn được minh họa Hình 2-7 (a)

Hình 2-7 (a) Phân bố ứng suất và biến dạng trong suốt quá trình uốn dưới lực căng khi qua biên dạng cối; (b) Phân bố biến dạng trong suốt quá trình duỗi thẳng dưới lực căng [4]

Có thể giả thiết rằng mặt cắt phẳng vẫn duy trì phẳng sau khi uốn Phân bố của biến dạng dọc chiều dày tấm là tuyến tính, mặt trung tính của sự uốn NN được biểu diễn

từ mặt trung tâm CC bởi một lượng λ mà nó được tính từ phương trình lực tác dụng lên mặt cắt vuông góc bất kỳ bằng không

Giả sử vật liệu là hoá bền biến dạng (strain-hardening) có giới hạn chảy trung

bình Y và ứng suất kéo tại vị trí bắt đầu của biên dạng khuôn làσAvì vậy x

t Y x dy

do đó:

0 2

dy d y d

Y

dy d y d

ε

θρε

2

1

3 2

Công trung bình trên đơn vị rộng của tấm trong suốt quá trình uốn qua biên dạng dưới sức căng là:

1

3

ydy ydy

d Y

2 2

2 2

3

2 2 1

2 2

2 1

x t d Y

t t

d Y

λλ

Để cho phần ứng suất kéo được đòi hỏi để tạo ra việc uốn với sức căng là σb, thì công trên đơn vị rộng của tấm bởi ứng suất tác dụng qua khoảng cách trung bình

θθ

x t Y

b

2 3 2

) 1 (

2 1

≈

2 3

2

1

0 2

1

2 0

t r

Y t

Nếu thay đổi chiều dày vật liệu trong suốt quá trình uốn được bỏ qua

2.2.5 Kéo hướng kính tăng thêm khi vật liệu qua biên dạng khuôn

Đồng thời với vật liệu chịu uốn dẻo dưới sức căng khi qua biên dạng khuôn từ A đến B Nó cũng chịu thêm phần kéo hướng kính khi bán kính của phần tử giảm từ r A tới

r p = p + và 2r plà đường kính chày

Sự gia tăng ứng suất yêu cầu để tạo ra kéo hướng kính này khi vật liệu đi qua biên dạng khuôn từ A đến B:

r Y

Ta có:

) exp(µθ

Đối với bán kính khuôn r d nhỏ, diện tích mặt cắt của tấm tại các bán kính r A vàr p là xấp

xỉ bằng nhau vì vậy:

+

2 exp

)

σσ

σσ

σ

b A

B A f b

µπσ

σ

2.2.7 Duỗi thẳng của kim loại tấm tại biên dạng khuôn

Phân tích chính xác cho duỗi thẳng sau khi vật liệu qua biên dạng khuôn thậm chí là phức tạp hơn khi uốn vì lịch sử biến dạng khác nhau của các phần tử ngang qua chiều dày của vật liệu do quá trình uốn dẻo

Sự phân bố biến dạng của các phần tử trong suốt quá trình uốn và duỗi thẳng dưới tác dụng của lực căng được mô tả hình 2-7b Mặt trung tính trong suốt quá trình uốn là

NN và N’N’ là cho duỗi thẳng Lớp ngoài của vật liệu phải chịu biến dạng lớn hơn lớp trong và chúng còn tăng thêm sự thay đổi trong biến dạng do có sự gia tăng kéo hướng kính khi vật liệu qua biên dạng khuôn từ A->B Tuy nhiên nó được xem xét đủ chính xác để sử dụng phương trình (2-65) khi giá trị xấp xỉ đầu tiên cho ứng suất uốn,σu, được lấy là σB - ứng suất kéo yêu cầu trước duỗi thẳng, được thay thế cho σA vì vậy:

≈

2 3

2

1

0 2

1

2 0

t r

Y t

Ở đây ứng suất kéo trước duỗi thẳng :

) ( ) ( )

( ) (A f A b r A B f A B r

2.2.8 Dự đoán ứng suất vách yêu cầu để vuốt một cốc hình trụ

Giả sử rằng các ảnh hưởng khác nhau tuân theo nguyên lý chồng chất, nên ứng suất vách tổng trong cốc được vuốt tại bán kính r p là:

u B A r B A f b A f A r

ra “ủi” ( ironing) mỏng thành, do ở đây chỉ xét quá trình dập vuốt không biến mỏng thành

• Ứng suất thêm vào khi uốn qua biên dạng chày, tương tự như lý luận khi uốn qua biên dạng cốc:

=

2 3

2

1

0 2

1

2 0

)

(

t r

Y t

( ) (

0 σr A σf A σb σf A B σr A B σb C

2.2.9 Xác định lực chặn phôi

Như chúng ta đã biết , chặn phôi chống nhăn là cần thiết trong dập vuốt kim loại tấm Nhăn thường xảy ra trên vành chi tiết dập vuốt do ứng suất nén hướng tiếp tuyến gây ra Lực chặn phôi chống nhăn thường được tạo ra từ bộ xylanh thuỷ lực hoặc khí nén kết hợp với van tiết lưu điều chỉnh được bằng tay để có thể điều chỉnh lực chặn phôi

Khi tăng lực chặn phôi sẽ dẫn tới tăng lực ma sát giữa vành với khuôn hoặc tấm chặn phôi Vì vậy đặc biệt với hệ số dập vuốt β lớn, lực chặn phôi F bh phải được thiết

lập một cách tối ưu Nếu lực chặn phôi nhỏ thì sẽ xuất hiện nhăn trên bề mặt còn nếu quá lớn rách sẽ xảy ra trên chi tiết dập vuốt hình 2-8 Nó có thể được tính toán theo công thức sau: [ 9 ]

1

200

1 1 400

.

t

d S

P

A P

F

u bh

bh bh

bh

Ở đây:

F bh : Lực chặn phôi

P bh : Aùp suất trên bề mặt chặn phôi

A bh : Diện tích mặt chặn phôi

S u : Giới hạn bền kéo

β1 : Hệ số dập vuốt

d1 : Đường kính cốc sau lần dập vuốt đầu tiên

Áp suất trên bề mặt chặn phôi còn có thể chọn theo giá trị kinh nghiệm cho ở bảng 2-1

Bảng 2-1 Áp suất nén trên bề mặt chặn phôi [10]

Duyara ủ mềm

Thép không gỉ, thép hàm lượng mănggan

0.25 ÷0.30 0.20 ÷ 0.25 0.15 ÷ 0.20 0.12 ÷ 0.18 0.08 ÷ 0.12 0.15 ÷ 0.20 Hình 2-8 [9]