Nghiên cứu ứng dụng công nghệ ép thuỷ cơ chế tạo các chi tiết trong thiết bị chế biến nông sản, có sử dụng phần mềm ansys lsdyna

luận văn, tiến sĩ, thạc sĩ, báo cáo, khóa luận, đề tài

Bộ giáo dục và đào tạo Trường đại học nông nghiệp hà nội

-*** -

đỗ văn tựa

Nghiên cứu ứng dụng công nghệ ép thuỷ cơ Chế tạo các chi tiết trong thiết bị chế biến Nông sản, có sử dụng phần mềm ansys-lsdyna

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

Chuyên ngành: Kỹ thuật máy và thiết bị cơ giới hoá

nông, nông nghiệp Mã số : 60.52.14

Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS đinh bá trụ

hà nội - 2010

Lêi cam ®oan

T«i xin cam ®oan ®©y lµ c«ng tr×nh nghiªn cøu cña riªng t«i C¸c sè

liÖu, kÕt qu¶ nªu trong luËn v¨n lµ trung thùc vµ ch−a tõng ®−îc ai c«ng bè

trong bÊt kú c«ng tr×nh nµo kh¸c

T«i xin cam ®oan r»ng c¸c th«ng tin trÝch dÉn trong luËn v¨n ®2 ®−îc

chØ râ nguån gèc

Hµ Néi, ngµy 12 th¸ng12 n¨m 2010 T¸c gi¶ luËn v¨n

ðỗ Văn Tựa

Lời cám ơn

Trước hết, tác giả bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới thầy giáo hướng dẫn

khoa học PGS.TS Đinh Bá Trụ đ2 tận tình hướng dẫn, nghiêm khắc chỉ bảo

trong suốt quá trình làm luận văn, đ2 định hướng giải quyết các vấn đề khoa

học cho luận văn Đồng thời chỉnh sửa cấu trúc luận văn, để luận văn hoàn

thành đúng thời hạn

Tôi xin cản ơn trường ĐH Nông nghiệp Hà Nội, Viện sau đại học, Khoa

Cơ Điện, đ2 tạo điều kiện giúp đỡ tác giả trong quá trình làm luận văn Tôi xin

bày tỏ lòng cám ơn thầy Chủ nhiệm bộ môn cùng các thầy trong Bộ mụn gia

cụng ỏp lực Trường ðại học Bỏch khoa Hà Nội ủó tạo ủiều kiện ủể tỏc giả

hoàn thành thớ nghiệm gia cụng ộp thuỷ cơ, để cho luận văn đi đúng hướng và

đảm bảo tiến độ

Tác giả bày tỏ lòng biết ơn các đồng nghiệp, đ2 góp ý kiến xây dựng để

luận văn có chất lượng cao

Hà Nội, ngày 12 tháng12 năm 2010

Tác giả luận văn

ðỗ Văn Tựa

mục lục

Trang

Lời cam đoan .i

Lời cám ơn ii

Mục lục iii

Danh mục bảng vi

Danh mục hình………vii

LỜI NểI ðẦU 1

1 Cơ sở khoa học và tính thực tiễn của đề tài: 1

2 Mục tiêu của đề tài: 2

3 Phương pháp nghiên cứu: 2

4 Nội dung nghiên cứu: 2

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ CễNG NGHỆ ẫP THUỶ CƠ 3

1.1 Cỏc khỏi niệm về ộp bằng nguồn chất lỏng cao ỏp 3

1.1.1 Khỏi niệm ộp thủy tĩnh và thủy cơ 3

1.1.2 Chất lỏng dựng trong gia cụng thuỷ tĩnh 5

1.1.3 Lực tỏc dụng trong ộp thủy cơ 7

1.2 ðặc ủiểm của phương phỏp ộp thuỷ cơ 8

1.2.1 ðặc ủiểm về ộp thuỷ cơ 8

1.2.2.Ưu nhược ủiểm của ộp thủy cơ 8

1.3 Cỏc phương phỏp ộp thuỷ cơ 10

1.4 Ứng suất và biến dạng khi ộp thủy cơ 12

1.5 Tớnh toỏn cỏc thụng số cụng nghệ ộp thủy cơ 14

1.5.1 Tớnh ỏp suất chất lỏng 14

1.5.2 Lực chặn phôi: 20

1.5.3 Khe hở cho quá trình dập thuỷ cơ: 21

1.5.4 Lực cản của phôi lên chày: 22

1.5.5.Lực dập vuốt: 22

1.5.6.Lùc m¸y: 22

1.6 Ma sát và bôi trơn trong ép thuỷ cơ: 22

1.7 Sự phát triển và ứng dụng công nghệ ép thuỷ cơ hiện nay 24

KẾT LUẬN CHƯƠNG 1 27

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ TÍNH TOÁN BIẾN DẠNG TẠO HÌNH ÉP THỦY CƠ BẰNG PHẦN TỬ HỮU HẠN 28

2.1 Khái niệm phần tử hữu hạn và phân loại phần tử 28

2.2 Các phương trinh cơ bản ứng dụng giải bài toán biến dạng 29

2.2.1 Phương trình cân bằng 29

2.2.2 Quan hệ biến dạng - chuyển vị 29

2.2.3 Quan hệ biến dạng - chuyển vị của tấm: 30

2.2.4 Quan hệ ứng suất – biến dạng 31

2.2.5 Phương trình năng lượng của phần tử: 32

2.4 Giải bài toán ép thủy cơ - biến dạng dẻo tấm 37

2.4.1 Các biểu thức cơ bản 37

2.4.2 Các quan hệ khi sử dụng phần tử tấm phẳng 39

KẾT LUẬN CHƯƠNG 2 43

CHƯƠNG 3 MÔ PHỎNG SỐ QUÁ TRÌNH ÉP THỦY CƠ 44

3.1 Mô hình thuật toán mô phỏng ANSYS 44

3.2 Xây dựng bài toán 45

3.2.1 Mô hình hình học CAD 45

3.2.2 ðịnh nghĩa kiểu phần tử 45

3.2.3 Lựa chọn vật liệu 46

3.2.4 Chia lưới cho phần tử chày, cối, phôi, ép biên 47

3.2.5 ðặt ñiều kiên tiếp xúc 47

3.2.6 ðặt ñiều kiên biên ràng buộc 48

3.2.7 Giải bài toán – Run Solution 49

3.2.8 Khảo sát kết quả - Read Results 49

3.3 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 50

3.3.1 Khảo sát ảnh hưởng của áp suất chất lỏng thay ñổi 50

3.3.2 Khảo sát ảnh hưởng chiều sâu vuốt (khi áp suất chất lỏng không ñổi, ma sát µ = 0,05, ñường kính phôi = 200mm) 51

3.3.3 Khảo sát ảnh hưởng vật liệu nhôm 54

3.3.5 Khảo sát ảnh hưởng ma sát 58

3.3.6 Ảnh hưởng ñường kính phôi .62

KẾT LUẬN CHƯƠNG 3 63

CHƯƠNG 4 THÍ NGHIỆM ÉP THỦY CƠ 64

4.1.Thiết bị và khuôn ép thủy cơ 64

4.2 Phương án thí nghiệm 66

4.3 Phân tích kết quả thí nghiệm 75

KẾT LUẬN CHƯƠNG 4 80

KẾT LUẬN 81

DANH MỤC BẢNG

Bảng 4.1 Bảng thành phần và cơ tính của vật liệu 67 Bảng 4.2 Bảng áp suất, hành trình chày khi ép phôi nhôm Ao 69 Bảng 4.3 Bảng áp suất, hành trình chày khi ép phôi C08s 71

DANH MỤC HÌNH

Hình 1.1 Ép thủy tĩnh phôi tấm và ép thủy tĩnh phôi ống 4

Hình 1.2 Sơ ñồ quá trình ép thủy cơ 4

Hình 1.3 Tạo thành gân vuốt bằng chất lỏng khi ép thủy cơ 5

Hình 1.4 Lực tác dụng khi ép thủy cơ 7

Hình 1.5 Ép thủy cơ phôi phẳng 11

Hình 1.6 Ép thủy cơ 3D 11

Hình 1.7 Sơ ñồ phân loại các phương pháp ép thuỷ cơ 12

Hình 1.10 Các sản phẩm ép thủy cơ 26

Hình 2.1 Phần tử và các kiểu phần tử: Phần tử 1 chiều 1D, Phần tử 2 chiều 2D, Phần tử 3 chiều 3D 28

Hình 2.2 Mô hình tác dụng lực của bài toán biến dạng tấm 37

Hình 2.3 Mô hình phân bố ứng suất trên tấm……….37

Hình 2.4 Phần tử tấm 4 nút 39

Hình 3.1 Thuật toán mô phỏng ép thủy cơ bằng phần mềm ANSYS 44

Hình 3.2 Mô hình hình học 45

Hình 3.3 Mô hình phần tử solid 92 với 10 nút 45

Hình 3.4.Mô hình chia lưới chày, cối, ép biên 47

Hình 3.5 Mô hình cặp tiếp xúc cối và phôi 48

Hình 3.6 Mô hình cặp tiếp xúc ép biên và phôi 48

Hình 3.7 Mô hình ñặt ñối xứng……… 49

Hình 3.8 Mô hình áp lực lên phôi 49

Hình 3.9 Khi áp lực chất lỏng là 40 MPα, phôi chưa có hiện tượng phồng lên ……… 50

Hình 3.10 Khi áp lực chất lỏng là 65 MPα, bắt ñầu xuất hiện hiện tượng phóng phồng phôi tại vùng góc lượn của cối ………50

Hình 3.11 Khi áp lực chất lỏng là 90 MPα, phôi có hiện tượng phồng lên

mạnh mẽ tại vùng góc lượn của cối………50 Hình 3.12 Phân bố ứng xuất tương ñương Von Mises H = 30mm P = 65

H = 60 mm P=65MPa σeqv = 709 MPa < giới hạn phá huỷ của

Hình 3.23 Dập vuốt thông thường H = 45mm P=45MPa σeqv = 794 MPα >

giới hạn phá huỷ của vật liệu Rm = 780 MPa 54

Hình 3.24 Phân bố ứng suất tương ñương Von Mises H = 5mm P=30MPa

σeqv = 152 54

Hình 3.25 Phân bố ứng suất tương ñương Von Mises H = 10mm P=30MPa

σeqv = 162 54 Hình 3.26 Phân bố ứng suất tương ñương Von Mises H = 15mm P=30MPa

Hình 3.39 Phân bố ứng suất tương ñương Von Mises H = 30mm P=65MPa

σeqv =525Mpa……… ……… 58

Hình 3.40 Phân bố ứng suất tương ñương Von Mises H = 40mm P=65MPa

σeqv =591Mpa……… 58

Hình 3.41 Phân bố ứng suất tương ñương Von Mises H = 50mm P=65MPa

σeqv =646Mpa……… 59

Hình 3.42 Phân bố ứng suất tương ñương Von Mises H = 60mm P=65MPa

σeqv =682Mpa……… 59

Hình 3.43 Phân bố biến dạng tương ñương Von Mises H = 30mm P=65MPa

εeqv = 0.27………59

Hình 3.44 Phân bố biến dạng tương ñương Von Mises H = 40mm P=65MPa

εeqv = 0.36………59

Hình 3.45 Phân bố biến dạng tương ñương Von Mises H = 50mm P=65MPa

εeqv = 0.42……… ……….….60

Hình 3.46 Phân bố biến dạng tương ñương Von Mises H = 60mm P=65MPa

εeqv = 0.47……… ……….….60

Hình 3.47 ðồ thị mối quan hệ ứng suất và chiều sâu dập vuốt ………… 61

Hình 3.48 Phân bố ứng suất tương ñương Von Mises H = 140mm P=65MPa

σeqv =771Mpa……… ……… ….62

Hình 4.1 Stand ép thuỷ cơ trên METL YH-32 64

Hình 4.2 Bộ khuôn thí nghiệm ép thủy cơ 65

Hình 4.3 Hệ thống xử lý số liệu ño 66

Hình 4.4 Sản phẩm ñạt yêu cầu về kỹ thuật 68

Hình 4.5 Sản phẩm bị nhăn 68

Hình 4.6 Sản phẩm bị rách 69

Hình 4.7 ðồ thị áp suất, ñường kính phôi và hành trình với S=0,8 72

Hình 4.8 ðồ thị áp suất, ñường kính phôi và hành trình với S=0,9 72

Hình 4.9 ðồ thị áp suất, ñường kính phôi và hành trình với S=1,0 73

Hình 4.10 ðồ thị áp suất, ñường kính phôi và hành trình với S=1,1 73

Hình 4.11 ðồ thị áp suất, ñường kính phôi và hành trình với S=1,2 73

Hình 4.12 ðồ thị áp suất, ñường kính phôi và hành trình với S=0,8 74

Hình 4.13 ðồ thị áp suất, ñường kính phôi và hành trình với S=0,9 74

Hình 4.14 ðồ thị áp suất, ñường kính phôi và hành trình với S=1,0 74

Hình 4.15 ðồ thị áp suất, ñường kính phôi và hành trình với S=1,1 75

Hình 4.16 ðồ thị áp suất, ñường kính phôi và hành trình với S=1,2 75

Hình 4.17 ðồ thị áp suất hành trình ép phôi nhôm ( S=0,8mm, D=160mm) bị nhăn và rách 76

Hình 4.18 ðồ thị áp suất, hành trình với phôi C08s (D=160, S=1,2mm) 77

Hình 4.19 Phôi nhôm bị nhăn rách khi áp lực tác dụng lên vành ép biên là 10KG/mm2 78

Hinh 4.20 ðồ thị áp suất hành trình trong thí nghiệm phôi nhôm bị rách 78

LỜI NểI ðẦU

Hiện nay công nghệ ép thủy cơ được ứng dụng rộng r2i trên thế giới và

đ2 bắt đầu được nghiên cứu ở Việt Nam ép thủy cơ

cho phép chế tạo được các chi tiết dạng rỗng, có hình dạng phức tạp không thể chế tạo được bằng cách ép dập thông thường Đây là một công nghệ hiện đại, được ứng dụng nhiều trong sản xuất cơ khí, nhất là sử dụng nhiều chi tiết dạng tấm được dùng trong các máy chế biến nông sản

Trước tình hình đó, để góp phần tăng trưởng kinh tế của Thái Bình, đưa công nghệ mới vào sản xuất, đồng thời đưa kiến thức mới vào giảng dạy và nghiên cứu tại Đại học Công nghiệp TP Hồ Chí Minh - Cơ sở Thái Bình, cần thiết phải nghiên cứu các công nghệ mới Đây là một công nghệ mang tính khả thi cao, có nhiều bí quyết kỹ thuật, có thể góp phần giảm giá thành sản phẩm và tăng chủng loại tạo thế cạnh tranh cao cho các doanh nghiệp

Đề tài “ Nghiên cứu ứng dụng công nghệ ép thủy cơ chế tạo các chi tiết trong chế biến nông sản, có sử dụng phần mềm Ansys-LS Dyna” mong muốn làm rõ các vấn đề cơ sở khoa học về công nghệ ép thủy cơ, khảo sát quy luật ảnh hưởng của một số yếu tố công nghệ đến chất lượng sản phẩm sau dập

1 Cơ sở khoa học và tính thực tiễn của đề tài:

- Cơ sở khoa học: Đề tài nghiên cứu cơ sở lý thuyết ép thủy cơ, các yêu cầu công nghệ khi ép thủy cơ Đồng thời cần khảo sát mô phỏng quá trình ép

để tối ưu hóa biến dạng tấm

- Tính thực tiễn: Đề tài có thể sử dụng để tạo ra các sản phẩm phức tạp chế tạo bằng công nghệ dập trong các máy và thiết bị phục vụ sản xuất và chế biến nông sản, có thể mở rộng áp dụng công nghệ mô phỏng số để phân tích quá trình biến dạng khi tính toán thiết kế nói chung và trong giảng dạy tại Thái bình Đây là một công nghệ thiết kế hiện đại, tiết kiệm giai đoạn chế thử

và mang lại tính cạnh trạnh cao cho sản phẩm Nắm được công nghệ này có

ích cho việc đưa công nghệ cao vào đào tạo tại ĐHCN TP Hồ Chí Minh - Cơ

sở Thái Bình và đưa KHCN của Thái Bình lên một bước

2 Mục tiêu của đề tài:

Mục tiêu đề tài nghiên cứu ứng dụng công nghệ ép thủy cơ và công nghệ mô phỏng để ép các chi tiết trong thiết bị chế biến nông sản làm cơ sở ứng dụng công nghệ trong thực tế

- Về lý thuyết: Nghiên cứu tổng quan tài liệu về ép thủy cơ;

- Về thực nghiệm: mô phỏng biến dạng bằng phần mềm ANSYS Dyna

và thực hành thí nghiệm trên máy của Trường ðại học Bách khoa Hà Nội

4 Nội dung nghiên cứu:

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ ÉP THUỶ CƠ

Ép hay dập thuỷ cơ là phương pháp tạo hình vật liệu có sử dụng nguồn chất lỏng áp suất cao kết hợp với chuyển ñộng cơ khí của chày do máy tạo ra Bản chất của phương pháp là, dưới tác dụng của môi trường chất lỏng thủy tĩnh áp suất cao kết hợp với dụng cụ cứng (chày và cối) gây biến dạng vật liệu

và tạo ñiều kiện thuận lợi cho sự biến dạng, nhất là những chi tiết có hình dáng phức tạp và tấm vật liệu làm bằng kim loại khó biến dạng

1.1 Các khái niệm về ép bằng nguồn chất lỏng cao áp

1.1.1 Khái niệm ép thủy tĩnh và thủy cơ

Trong ép bằng chất lỏng cao áp có thể phân thành các nhóm chính sau:

- Ép thủy tĩnh: là dạng ép (dập) tạo hình sử dụng áp lực chất lỏng làm

chày, biến dạng phôi ñể có hình dáng kích thước như của cối Trong ép thủy

tĩnh còn có thể phân thành: ép thủy tĩnh tấm và ép thủy tĩnh ống

Ép thủy tĩnh tấm (hình 1.1a): Khi chịu áp lực của chất lỏng, tấm kim loại bị biến dạng, sau ñó, khi chạm vào thành ñáy cối, chúng hình thành hình dáng sản phẩm

Ép thủy tĩnh ống (hình 1.1b): tương tự, phôi có dạng ống, khi chịu áp lực cao bên trong, ống biến dạng và hình thành sản phẩm theo hình dáng của khuôn

- Ép thủy cơ: là dạng ép tạo hình sử dụng chày cứng, vành cối và

buồng thủy lực ñối áp

Khi ñóng mạch ñiều khiển, chày và vòng chặn phôi dịch chuyển xuống, phôi ñược kẹp chặt Không gian ép tạo thành ở phần dưới của khuôn ñược che

và bịt kín hoàn toàn bằng phôi và tấm chặn Khi chày vuốt tiếp tục ñi xuống làm tăng áp suất chất lỏng chứa trong buồng chứa, trị số của áp suất này ñược ñiều chỉnh bởi van ñiều chỉnh áp

a

b

Hình 1.1 Ép thủy tĩnh phôi tấm và ép thủy tĩnh phôi ống

Hình 1.2 Sơ ñồ quá trình ép thủy cơ

1 Kết cấu khuôn gồm: Chày-tấm chặn phôi- phôi – vành cối – buồng

chứa chất lỏng có ống thoát và van ñiều tiết áp suất; 2 Chày ñi xuống; áp

suất thủy tĩnh nén phôi làm phôi áp sát chày, tấm chặn giữ phôi tạo lực căng ;

3.Khi chày ñi xuống, phôi tấm ñược biến dạng phồng lên và bọc áp vào chày;

4 Cuối cùng phôi tấm biến dạng theo ñúng hình dáng kích thước của chày ép

Hình 1.3 Tạo thành gân vuốt bằng chất lỏng khi ép thủy cơ

Dưới tác dụng của áp suất chất lỏng, phôi bị áp sát chặt vào chày vuốt

và vùng khe hở chày và cối bị phình lên trên tạo thành gân vuốt mềm, quá trình vuốt xảy ra không phải qua mép vuốt cứng mà qua gân chất lỏng Chiều cao phần gân ra phụ thuộc vào áp suất của chất lỏng công tác

Quá trình ép có thể chia làm các giai ñoạn như sau:

Giai ñoạn 1: ðưa phôi vào khuôn ép

Giai ñoạn 2:

- Phôi ñược kẹp chặt nhờ cơ cấu chặn phôi

- Không gian ép ñược hình thành giữa phôi và lòng cối

- Chất lỏng ñược bơm vào trong lòng cối

- Phôi ép vào chày

Giai ñoạn 3: Chày ñi xuống thực hiện quá trình ép Áp suất chất lỏng

ñủ ñể phôi biến dạng, tách phôi khỏi miệng cối, tạo hình phồng lên làm giảm

ma sát tiếp xúc khi vuốt sâu

Giai ñoạn 4: Phôi ñược hình thành theo ñúng biên dạng của chày Hết hành trình lấy phôi ra ñược sản phẩm

1.1.2 Chất lỏng dùng trong gia công thuỷ tĩnh

Chất lượng sản phẩm và ñộ ổn ñịnh của quá trình phụ thuộc rất nhiều vào thành phần và tính chất lý hoá của chất lỏng công tác

Khi gia công thuỷ tĩnh phải chọn ñúng chất lỏng và phải thoả mãn các yêu cầu cơ bản sau:

- ðảm bảo ñộ nhớt cần thiết và không hoá rắn ở áp suất công tác

- Có ñộ nén nhỏ nhất dưới tác ñộng của áp suất cao

- ðảm bảo tính chống mài mòn cần thiết

- Không tương tác với kim loại biến dạng

- Tính kinh tế rẻ và không có ñộc hại

ðộ nhớt của chất lỏng biểu hiện khi nó chuyển ñộng và liên quan tới sự xuất hiện ứng suất tiếp Chất lỏng có ñộ nhớt cao thì chảy kém và ngược lại, chất lỏng có ñộ nhớt thấp thì có ñộ chảy lớn ðặc tính quan trọng này của chất lỏng thay ñổi tuỳ thuộc vào nhiệt ñộ và áp suất Khi tăng áp suất thì ñộ nhớt tăng lên và sự thay ñổi của ñộ nhớt phụ thuộc vào áp suất tuân theo quy luật hàm số mũ:

η = η0 eP.β (1.1) Trong ñó: η0 - ñộ nhớt của chất lỏng ở áp suất khí quyển và nhiệt ñộ 20 0C;

p - áp suất; β - hệ số, nó phụ thuộc vào chất lỏng và nhiệt ñộ

Sự thay ñổi ñộ nhớt của chất lỏng theo nhiệt ñộ tuân theo quy luật hàm

số mũ dưới dạng: ηt = η0 t t )

e λ − 0 (1.2) Trong ñó: λ - hệ số, phụ thuộc vào chất lỏng ở nhiệt ñộ 20 0C; t - nhiệt ñộ của chất lỏng; η0- ñộ nhớt của chất lỏng ở nhiệt ñộ phòng (20 0C)

ðể quá trình ép thuỷ tĩnh thực hiện bình thường, tính nén ñược của chất lỏng công tác dưới tác dụng của áp suất cao có ý nghĩa quan trọng ðối với chất lỏng, sự thay ñổi thể tích khi áp suất tăng ñược xác ñịnh theo công thức:

−

'

p ln

1 (1.3) Trong ñó: V0 - thể tích chất lỏng ở áp suất khí quyển (1 at = 0,1 MPa);

A, π' - các hệ số

ðộ nén ñược gia tăng của chất lỏng công tác dưới tác dụng của áp suất cao là yếu tố bất lợi vì nó làm giảm hiệu suất của thiết bị do một phần năng lượng cần tiêu hao cho việc nén chất lỏng Năng lượng ñàn hồi của chất lỏng

công tác tích luỹ trong quá trình ép có thể biến thành công tích cực theo chu

kỳ gây ra sự ñưa phôi không ñều và sự dao ñộng áp suất không mong muốn Ngoài ra, do có sự tích trữ thế năng lớn khi nén chất lỏng nên sản phẩm ép khi

ra khỏi buồng ép có tốc ñộ lớn ñòi hỏi phải có thiết bị ñặc biệt ñể khống chế tốc ñộ của sản phẩm nhằm tránh không cho sản phẩm bị phá huỷ

Ngoài hai yếu tố kể trên ñối với chất lỏng công tác, thì tính bôi trơn, tính chống bắt lửa cũng như tính không sinh ra khí ñộc hại và tác dụng với phôi ép và dụng cụ của chất lỏng công tác cũng có ý nghĩa quan trọng trong quá trình gia công thuỷ tĩnh

1.1.3 Lực tác dụng trong ép thủy cơ

Khi ép thủy cơ, có 3 lực tác dụng:

- Áp suất thủy lực ñể ép phôi áp sát chày, tạo hình theo biên dạng chày,

áp lực tăng khi chiều sâu ép tăng Cần khống chế ñến một áp lực nhất ñịnh ñủ

ñể áp phôi vào bề mặt chày và giữ ổn ñịnh trong quá trình biến dạng;

Hình 1.4 Lực tác dụng khi ép thủy cơ

- Lực nén của chày ñể ép phôi tạo hình, hay lực ép vuốt; lực do pitton máy

ép, lực nén cân bằng với lực do áp suất thủy tĩnh theo phương ñứng tạo nên;

- Lực ép biên, ñể giữ phôi, chống nhăn – rách Nếu lớn quá sẽ gây rách, nhỏ quá sẽ gây nhăn

1.2 ðặc ñiểm của phương pháp ép thuỷ cơ

1.2.1 ðặc ñiểm về ép thuỷ cơ

ðiểm khác biệt ñặc trưng của quá trình ép thuỷ cơ là sự cần thiết phải tạo ra ñược áp suất thuỷ tĩnh biến ñổi tác dụng vào phôi từ phía cối lỏng Giá trị áp suất này, phải ñủ lớn ñể ép chặt phôi vào bề mặt của chày và ngăn sự nhăn của phôi, nhưng không ñược quá lớn, sao cho lực ma sát và ứng suất uốn xuất hiện khi ñó sẽ không làm ñứt phôi

Giá trị áp suất thuỷ tĩnh cần thiết từ phía cối lỏng phụ thuộc vào các yếu tố chính sau: Tính chất cơ lí của vật liệu phôi; chiều dày của tấm vật liệu bán thành phẩm và ñặc tính hình học của chi tiết ép

Phương pháp ép thuỷ cơ cho phép ép hoàn chỉnh chi tiết sau một lần

ép nhờ biến dạng vật liệu ñồng ñều và giảm hiện tượng biến mỏng cục bộ Ngoài ra, phương pháp ép thuỷ cơ còn cho phép nâng cao ñộ chính xác và chất lượng bề mặt chi tiết ép do bề mặt của phôi không trực tiếp xúc với dụng

cụ gia công Qua ñó có thể tăng tuổi thọ của chày và cối do giảm mòn

Hình dạng của sản phẩm phụ thuộc chủ yếu vào hình dạng của chày

ép nên ña dạng hoá sản phẩm mà chỉ sử dụng một loại cối ép

Ép thuỷ cơ chủ yếu ñược thực hiện trên máy ép thuỷ lực do có thể ñiều chỉnh ñược tốc ñộ ép, hành trình của chày, lực chặn và áp suất chất lỏng phù hợp với từng chủng loại sản phẩm ñiều này ñảm bảo ñộ chính xác về hình dạng của chi tiết cũng như nâng cao cơ tính của vật liệu

1.2.2.Ưu nhược ñiểm của ép thủy cơ

Ưu ñiểm của phương pháp ép thuỷ cơ:

- Giảm ñáng kể lực ma sát có hại giữa phôi và dụng cụ

- Tăng lực ma sát có ích giữa chày và phôi ñược tạo ra bởi sự ép mạnh vào bề mặt chày bằng áp suất thuỷ tĩnh từ phía cối lỏng, do vậy nó loại bỏ ñược sự trượt của phôi ñối với chày và sự kéo căng của phôi, nhờ vậy mà hệ

số ép vuốt ñược nâng cao hơn nhiều so với ép trong khuôn kim loại: ñến 0,4

ñối với thép thấp cacbon, còn khi sử dụng gân vuốt có thể giảm hệ số ép vuốt ñến 0,3 Số lượng các nguyên công cũng ñược giảm Nếu như ép vuốt các chi tiết hình nón hoặc parabol bằng phương pháp thông thường ñòi hỏi phải mất một số nguyên công ép vuốt trung gian thì bằng phương pháp ép thủy cơ, thì chỉ cần một nguyên công ép

- Có áp suất thuỷ tĩnh tương ñối ñồng ñều từ phía cối lỏng tác dụng lên trên bề mặt của phôi ðiều này sẽ làm tăng khả năng biến dạng dẻo của kim loại và ñộ ñồng ñều về cơ lý tính của sản phẩm và ép các chi tiết có hình dáng phức tạp

- Do sự thay ñổi không ñáng kể của chiều dày kim loại chỗ chuyển tiếp từ ñáy ñến thành chi tiết (khu vực nguy hiểm nhất khi ép vuốt thông thường) nên có thể dùng những vật liệu mỏng hơn và với bán kính chày rất nhỏ ðồng thời, do ảnh hưởng hưởng của khe hở giữa chày và cối không nhạy cảm như ép vuốt thông thường nên có thể ép trong một lần các chi tiết có chiều dày khác nhau và từ các vật liệu khác nhau

- Sự tiêu tốn vật liệu dụng cụ cũng tương ñối thấp do sự ñơn giản hóa kết cấu ép và giảm thiểu sự mài mòn dụng cụ Hơn nữa, khi chuyển sang ép các chi tiết gần giống chỉ cần thay ñổi chày, ñồ gá và vòng chặn phôi

- Chất lượng bề mặt của chi tiết ép rất cao do quá trình vuốt không xảy ra qua mép cạnh kim loại của khuôn vuốt, vì vậy giảm thiểu các nguyên công chỉnh sửa

Các nhược ñiểm:

- Có thể xảy ra sự mất ổn ñịnh ở phần mặt bích của phôi và phần bán kính cong của phần chuyển tiếp giữa mặt bích với thành vỏ thẳng ñứng của chi tiết ðiều này có thể gây ra các phế phẩm như hiện tượng nhăn, co, móp…

ở phần vành phôi

- Phải tạo ra nguồn chất lỏng áp suất cao và ñiều chỉnh ñược giá trị áp suất trong quá trình ép vuốt

- Có thể xảy ra sự biến mỏng của phôi, nếu lượng biến mỏng này là lớn và

không ñồng ñều, dễ xảy ra tình trạng làm rách, ñứt phôi ở tiết diện nguy hiểm

Mặc dù vậy phương pháp ép thuỷ cơ vẫn ñược áp dụng một cách rộng

rãi trong công nghiệp, ñặc biệt trong các trường hợp sau:

- Gia công các chi tiết có hình dáng phức tạp, không ñối xứng như các

chi tiết có hình côn, parabol, cầu, các chi tiết vỏ mỏng…

- Gia công các chi tiết có mức ñộ biến dạng lớn và ñòi hỏi cơ tính ñồng

ñều cao;

- Gia công các chi tiết làm từ vật liệu khó biến dạng, vật liệu ña lớp…

1.3 Các phương pháp ép thuỷ cơ

Có nhiều cách khác nhau phân loại các phương pháp ép thuỷ cơ như

dựa vào ñặc ñiểm của phôi, dựa vào ñường thoát chất lỏng, dựa vào hình dạng

của sản phẩm Một trong những cách phân loại ñược ứng dụng nhiều nhất là

dựa vào ñặc ñiểm của phôi, theo cách phân loại này có các phương pháp ép

thuỷ cơ cơ bản sau:

- Ép thuỷ cơ từ phôi phẳng

- Ép thuỷ cơ từ phôi không gian

- Ép thuỷ cơ thuận nghịch

- Ép thuỷ cơ phôi phẳng: Phôi ñược sử dụng là tấm phẳng Căn cứ

vào ñặc ñiểm biến dạng có: ép có ép biên hoặc không ép biên Căn cứ vào

cách thoát ra ngoài của chất lỏng khi chịu nén: ép thủy cơ chất lỏng thoát ra

ngoài bằng van tiết lưu hoặc bằng khe hở giữa phôi và dụng cụ

- Ép vuốt các phôi không gian: Có hai loại là ép xuôi (b) và ép thuận

nghịch Cũng tương tự như trong trường hợp ép thuỷ cơ phôi phẳng mà có các

phương pháp pháp như trên

- Ép thủy cơ thuận nghịch: là phương pháp ép tạo hình 2 mặt xuôi và

ngược ñể tạo sản phẩm có ñộ lồi lõm khác nhau

Ngoài ra, còn có thể căn cứ vào hình dáng của sản phẩm ñược chế tạo

ñể phân loại Theo cách này có ép thuỷ cơ các chi tiết ñơn giản, có thể có ñối xứng hoặc không và ép thuỷ cơ các chi tiết có hình dáng phức tạp…

Ép thuỷ cơ từ phôi phẳng ñươc ứng dụng trong ngành công nghiệp ô tô, hàng không và ñồ dân dụng Nó ứng dụng tạo hình các chi tiết có kích thước lớn, hình dạng phức tạp

Ép thuỷ cơ từ phôi không gian ứng dụng tạo hình các chi tiết có hình dạng phức tạp, các chi tiết gồm nhiều mặt trụ có kích thước khác nhau, mặt trụ và mặt cong, mặt trụ và mặt nón Ép thuỷ cơ thuận nghịch ứng dụng trong việc tạo hình các chi tiết yêu cầu chiều sâu ép vuốt lớn mà phương pháp ép thuỷ cơ

từ phôi tấm không thực hiện ñược

Hình 1.5 Ép thủy cơ phôi phẳng

Hình 1.6 Ép thủy cơ 3D

Hình 1.7 Sơ ñồ phân loại các phương pháp ép thuỷ cơ

1.4 Ứng suất và biến dạng khi ép thủy cơ

Phân tích sự phân bố ứng suất trong quá trình ép thuỷ cơ, nhận thấy phôi chịu một trạng thái ứng suất - biến dạng phức tạp, có nhiều ñiểm khác biệt so với ép vuốt thông thường (chày cứng cối cứng) ðặc biệt là khi ép vuốt thuỷ

cơ có thêm thành phần ứng suất nén σ3 của chất lỏng, chúng luôn có hướng vuông góc với bề mặt phôi làm cho vật liệu biến dạng nén Thành phần ứng

a

b

c

a Từ phôi tấm

b Phôi không gian ép thuận

c Phôi không gian ép thuận nghịch

suất σ3 này có ảnh hưởng lớn ñến tính dẻo của kim loại, làm thay ñổi sơ ñồ trạng thái ứng suất - biến dạng trong phôi (xem hình 1.8 và hình 1.9)

* Phần vành phôi nằm trong trạng thái ứng suất khối (một chiều kéo,

hai chiều nén) giống như trường hợp khi ép vuốt bình thường có chặn Trạng thái biến dạng là biến dạng khối (hai chiều kéo và một chiều nén) Chính sự xuất hiện của thành phần biến dạng ε3 có dấu (+) làm cho phôi trên phần vành bị biến dày, dễ gây ra sự mất ổn ñịnh làm xuất hiện nhăn, rách phôi Vì vậy, ñối với ép vuốt thuỷ cơ, cần thiết phải có chặn Khi ñó, chặn ngoài tác dụng bịt kín khe hở giữa phôi và vành cối còn có tác dụng chống nhăn ñồng thời tăng sự ổn ñịnh của phôi Tuy nhiên, lực chặn phải có ñộ lớn hợp lí, nếu không sẽ xảy ra kéo ñứt phôi do ma sát quá lớn giữa vành phôi và dụng cụ

* Phần chuyển tiếp giữa vành phôi và dụng cụ (bán kính góc lượn của

cối) nằm trong trạng thái ứng suất - biến dạng khối phức tạp ðiểm khác biệt

cơ bản so với ép vuốt bình thường là có sự xuất hiện thêm thành phần ứng suất nén σ3 do áp lực q của chất lỏng chịu nén gây ra ðiều này làm gia tăng ñáng kể tính ổn ñịnh của phôi cũng như khả năng biến dạng dẻo của vật liệu, ñồng thời giảm thiểu tác hại của ma sát như trong trường hợp ép vuốt trên chày cứng, cối cứng Khi ép vuốt thông thường, xảy ra sự biến mỏng phôi trên phần bán kính lượn của cối, do vậy có thể dẫn ñến sự kéo ñứt phôi trong quá trình vuốt Với sự xuất hiện của thành phần ứng suất nén σ3 trong ép thuỷ

cơ và không có sự kéo căng phôi trên bán kính lượn của cối sẽ làm giảm ảnh hưởng xấu nêu ở trên

* Phần thành trụ (phôi tiếp xúc với mặt trụ của chày) có trạng thái ứng

suất hai chiều (một chiều kéo, một chiều nén) Thành phần ứng suất theo hướng tiếp tuyến σ2 rất nhỏ có thể coi bằng không Qua thực nghiệm cho thấy phôi hầu như không bị biến dạng, tức là không xảy ra sự biến mỏng phôi như trong trường

hợp ộp vuốt thụng thường Do khụng cú sự tiếp xỳc trực tiếp giữa phụi và bề mặt của cối nờn chất lượng bề mặt của sản phẩm ủược tăng lờn

* Phần bỏn kớnh lượn ủầu chày trong trường hợp ộp vuốt thụng

thường (chày cứng cối cứng), ủõy là phần nguy hiểm nhất do cú sự biến mỏng ủỏng kể của phụi, hơn nữa khi ủú phụi nằm trong trạng thỏi ứng suất kộo hai chiều, làm giảm tớnh dẻo của vật liệu, vỡ vậy ủõy là vựng nguy hiểm nhất, phụi dễ bị kộo ủứt Trong trường hợp ộp vuốt thuỷ cơ, do cú tỏc dụng của chất lỏng nờn phụi nằm trong trạng thỏi ứng suất nộn một chiều, cũn cỏc thành phần biến dạng ủều cú giỏ trị rất nhỏ (cú thể coi bằng khụng) Chớnh vỡ vậy, tớnh dẻo của vật liệu trong vựng này tăng lờn phụi hoàn toàn khụng bị phỏ hủy trong phần này

* Phần ủỏy chày (phụi tiếp xỳc với ủỏy của chày ộp vuốt) nằm trong

trạng thỏi ứng suất ủơn, cú thành phần σ3 = q Cỏc thành phần ứng suất chớnh khỏc cú giỏ trị nhỏ hơn rất nhiều so với thành phần σ3 nờn cú thể coi bằng khụng Phụi trong phần này hầu như khụng biến dạng

Như vậy, khi ộp thuỷ cơ, do cú tỏc dụng của ỏp suất thuỷ tĩnh chất lỏng

ủó làm thay ủổi sơ ủồ cơ học ứng suất - biến dạng của phụi ộp, phụi chủ yếu nằm trong trạng thỏi ứng suất nộn Nhờ ủú, khả năng biến dạng dẻo của vật liệu ủược tăng lờn và ủặc biệt xuất hiện thành phần ứng suất σ3 luụn ộp phụi vào bề mặt của chày làm giảm sự trượt tương ủối giữa phụi và chày

1.5 Tớnh toỏn cỏc thụng số cụng nghệ ộp thủy cơ

1.5.1 Tớnh ỏp suất chất lỏng

Giá trị áp suất chất lỏng cần thiết trong dập thuỷ cơ là một trong những thông số công nghệ cơ bản, có ảnh hưởng rất lớn đến quá trình biến dạng của kim loại

áp suất làm việc trung bình của chất lỏng công tác tạo hình chi tiết trong dập thuỷ cơ được tính như sau (theo [9]):

( 1.4 ) Trong đó:

Pw: áp suất làm việc trung bình

YS: Giới hạn chảy

rmin: Bán kính cong nhỏ nhất của chi tiết

Trên cơ sở phân tích trạng thái ứng suất biến dạng khi được dập thuỷ cơ

và căn cứ vào điều kiện đảm bảo cho phôi không bị kéo đứt tại tiết diện nguy hiểm khi dập, theo Иcаченко [9] điều kiện để dập vuốt thuỷ cơ là:

φ τ ω

α ω

σ σ σ σ σ

ε σ π

σ

ư + +

=

=

≤ +

=

g q

b n

q

A s

s d

P

).

σ : thành phần ứng suất ở tiết diện nguy hiểm do ma sát giữa vành phôi

và dụng cụ (ép biên và vành cối)

φ

σ : ứng suất tạo ra tại tiết diện nguy hiểm do tác động của áp suất chất lỏng tác động lên vành phôi

b

σ : Giới hạn bền của vật liệu

A,ε: Các hằng số của vật liệu trong đường cong thử kéo

s0: Chiều dày ban đầu của phôi tấm

Pq: Lực công nghệ cần thiết để biến dạng phôi và thắng được sự tác

động của chất lỏng lên phôi

Thành phần ứng suất σg do sự uốn quanh mặt bích, theo Shopman, có thể xác định theo công thức:

0

0

2

.

s R

s

M

b g

+

σ ( 1.6 )

Trong đó RM : bán kính lượn của vành cối

Biểu thức này có thể viết dưới dạng:

A s

M

i g

+

=

α ε

2 2

s R R

s A s

M

M g

[ ]

cp n

A M

s s R h

R R

ν η

).

2 2

η Độ nhớt động lực của chất lỏng thuỷ tĩnh

vcp: Vận tốc chuyển động của lớp bôi trơn

Thành phần ứng suất σ φđược tạo ra do sự tác động của áp suất qM lên mặt bích phôi có thể được xác định theo công thức:

0

0 ) (

.

s s R

q s R

n

M i H

0 0

1

R

a s

s i

ψ ( 1.11 ) Trong đó R0 bán kính phôi ban đầu

=

0

1 ψ

σφ ( 1.12 ) Thành phần ứng suất σ∂do trở lực biến dạng dẻo thể tích được xác định

từ việc xem xét các điều kiện biến dạng dẻo của phôi ở phần mặt bích phôi Theo đó điều kiện cân bằng của phần tử mặt bích phôi được biểu thị bằng công thức:

0 2

sin 2

2 )

ư +

+

σ θ σ

θ σ

σ d R dR s ds d R s d s ds i dR i d

i i

i i i

RH,Ri-Bán kính của phôi và bán kính của phần tử nào đó

Thành phần biến dạng ε1 trong phương trình là biến dạng chính có giá trị lớn nhất, có thể được xác định theo công thức :

H

i H

H i i

R

a R

R R

Khi đó, biểu thức trở thành:

i

H H

i

R

R R

a

1

α β

Víi Ri= RA vµ R = RH, ta cã:

A

H H

A

R

R R

R

1

α β

A H cp M

M i

H

R

a K

s s R h

R R v s R R

s A s R

R R

− +

0

2 2

0

0 0

1 )

( 2

2

α β

A H cp M

M i

H A

R

a K

s s R h

R R v s R R

s A s R

R R

R R

− +

0

2 2

0

0 0

) (

0 0

0

) 2

(

) 5 , 0 (

s s R

R s

R qR

n

M n

M

+

+ +

A H cp M

M i

H A

A

n

M n

M

q R

a K

s s R h

R R v s R R

s A s R

R R

R R

A

s s R

R s

− +

+ +

0 0

0

2 2

0

0 0 0

0 0 0

1 )

( 2

2 ln

) 2

(

) 5 , 0 (

ψ η

− +

+ +

− +

0 0

0 0

0

2 2

0

0 0 0

1 )

2 (

) 5 , 0 (

1 )

( 2

2 ln

R

a K

s s R

R s

R qR

q R

a K

s s R h

R R v s R R

s A s R

R R

R R

A

q

n

M n

M

M n

A H cp M

M i

H A

A

M

ψ

ψ η

β

α

( 1.22 )

Giá trị áp suất qMT cần thiết để thực hiện biến dạng phần chuyển tiếp giữa vành phôi và thành trụ có thể được xác định theo Иcаченко [ 9 ] với công thức sau:

2 2

2 2 2 0 0

2 2

0 2 2 /

cos 1 2

ln cos

2 cos

cos 3

2 2

ϕ ϕ

ϕ ϕ

ϕ β

α α

α

ư +

ư

=

M x

x

x A

M x

x A

i MT

R R

R R

R

R R

R R

s A

Như vậy giá trị áp suất cần thiết từ phía chất lỏng trong trường hợp dập vuốt thuỷ cơ được xác định bằng tổng các giá trị áp suất cần thiết biến dạng phần vành phôi và áp suất cần thiết biến dạng phần chuyển tiếp giữa vành phôi

và phần thành trụ hay:

= +

ư +

+ +

ư +

0 0

0 0

0

2 2

0

0 0 0

1 )

2 (

) 5 , 0 (

1 )

( 2

2 ln

R

a K

s s R

R s

R qR

q R

a K

s s R h

R R v s R R

s A s R

R R

R R A q

n

M n

M

M n

A H cp M

M i

H A

A

M

ψ

ψ η

2 2 2 0 0

2 2

0

2 2 /

cos 1 2

ln cos

2 cos

cos 3

2 2

ϕ ϕ

ϕ ϕ

ϕ β

α α

α

ư +

ư

=

M x

x

x A

M x

x A

i MT

R R

R R

R

R R

R R

s A

Khi tính gần đúng với sai số cho phép trong thực tế, theo Иcаченко giá trị áp suất của chất lỏng cần thiết để đảm bảo điều kiện biến dạng phôi trong trường hợp dập vuốt thuỷ cơ chi tiết hình trụ từ phôi tấm có thể xác định theo công thức:

qmax =

) 5 , 0 (

) (

0

0 0

M n

M

n b

R s

R R

s s R K

+ +

+ σ

σ ( 1.25 )

Trong đó: Kσ - Hệ số, bằng tỉ số giữa giới hạn bền khi thử kéo các mẫu hình ống và mẫu phẳng (cùng một loại vật liệu) σb - giới hạn bền của vật liệu

RM - Bán kính lượn của cối Rn – Bán kính của chày tại vị trí n S0 chiều dày vật liệu

Để xác định giá trị qmax ta đạo hàm theo Rn thấy rằng qmax khi Rn max Việc tính toán áp suất cần thiết của chất lỏng theo các công thức trên là khá phức tạp Trong thực tế, người ta thường sử dụng các kết quả thực nghiệm Theo Иcаченко Giá trị áp suất chất lỏng cần thiết khi dập thuỷ cơ với các vật liệu thép và nhôm có thể được lấy như sau:

Khi dập vuốt các chi tiết hình trụ, với vật liệu là nhôm: q = 25 - 35 MPa, thép các bon thấp (C08s, C10) thì q = 60 - 80 MPa; thép không rỉ X18H9T thì

q = 90 - 100 MPa Các giá trị nhỏ đối với hệ số dập vuốt lớn và ngược lại

Khi dập vuốt các chi tiết có hình dáng phức tạp, áp suất chất lỏng cần thiết có thể xác định gần đúng như sau: p* = k p với k - hệ số, k = 1,1 - 1,3 Tuy nhiên, giá trị áp suất này không phải là hằng số trong suốt quá trình biến dạng, bởi vì các áp suất cao ban đầu sẽ dẫn tới tăng mức độ biến dạng cục bộ

ở phần chuyển tiếp giữa thành trụ với bán kính lượn của cối, điều này gây ra

sự biến mỏng chiều dày phôi ở đó, có thể gây ra sự kéo đứt phôi ở tiết diện đó 1.5.2 Lực chặn phôi:

Tính toán lực chặn phôi:

Lực chặn phôi có thể được xác định theo công thức

Pch =F.q Trong đó:

F – Diện tích phôi dưới tấm chặn, m2

q - áp lực chặn, Mpa

Biết được giá trị lực chặn phôi, ta có thể xác định kích thước và số lượng của các xi lanh chặn phôi

1.5.3 Khe hở cho quá trình dập thuỷ cơ:

Theo Иcаченко Е И độ dày tối ưu của lớp bôi trơn có thể xác định

theo một trong những công thức sau:

- Với chi tiết có vành hẹp hoặc không có vành:

0

0 0

3

1

s

r R

u b

π σ

2

1

s

r R

u b

π σ

η

δ = ( 1.27 )

Trong đó: v0 - vận tốc dập trung bình; Ru - bán kính chày; rM - bán kính lượn của vành cối; σb - giới hạn bền của vật liệu; s0 - chiều dày

ban đầu của phôi; η - độ nhớt động lực của chất bôi trơn (trong dập thuỷ cơ,

chất lỏng thuỷ tĩnh đóng vai trò là chất bôi trơn),

η =

ρ ν

trong đó: ν - độ nhớt động học; ρ - Mật độ của chất bôi trơn

Khi biết được chiều dày tối ưu lớp bôi trơn, ta xác định được khe hở hợp

lí giữa chày và vành cối theo công thức:

z = ks0 + δ0 ( 1.28 )

Trong đó: k - hệ số, tính đến sự biến dày của vật liệu trong quá trình

dập; thường k = 1,1 - 1,2

Ma sát tiếp xúc và khe hở tối ưu giữa chày và vành cối là hàm của độ

nhớt chất bôi trơn, của vận tốc dập, của độ bền kim loại làm phôi và hình

dáng, kích thước của phôi và sản phẩm Do đó, đối với từng chế độ dập vuốt

thuỷ cơ cụ thể, sẽ có những giá trị cụ thể của các đại lượng này

1.5.4 Lực cản của phôi lên chày:

* Tính toán lực cản của phôi lên chày

Diện tích tiếp xúc của phôi với chất lỏng chiếu theo phương thẳng đứng

là F(m2)

Với áp suất chất lỏng là q (Mpa)

Vậy lực cản của phôi lên chày là:

Pc=q.F ( 1.29 ) 1.5.5.Lực dập vuốt:

Lực dập vuốt có giá trị lớn hơn lực cản của phôi lên chày

Pdv > Pc1.5.6.Lực máy:

Lực máy là tổng lực dập vuốt và lực chặn phôi

P = Pdv + Pch

1.6 Ma sỏt và bụi trơn trong ộp thuỷ cơ:

Ma sát tiếp xúc giữa phôi và dụng cụ gia công có ảnh hưởng tới khả năng biến dạng của vật liệu, chất lượng của sản phẩm cũng như độ bền của dụng cụ gia công Ảnh hưởng của ma sát có thể làm thay đổi hoàn toàn sơ đồ trạng thái ứng suất biến dạng, sự phân bố lực, nâng cao hoặc làm giảm cường

độ của quá trình dập Trong quá trình dập thuỷ cơ, phụ thuộc vào sơ đồ công nghệ, vai trò của ma sát tiếp xúc có thể là hỗ trợ cho quá trình dập, hay là cản trở quá trình dập

Chất bôi trơn trong dập thuỷ cơ nằm giữa sản phẩm và dụng cụ chịu áp suất rất lớn, do vậy chúng chuyển động với tốc độ cao Điều này cho phép tạo ra một chế độ bôi trơn thuỷ động Do vậy hệ số ma sát trong bài toán là rất nhỏ ( à

= 0,005 – 0,05 ) Đây là một ưu điểm nổi bật của quá trình dập thuỷ cơ

Ma sát tiếp xúc trong quá trình dập thuỷ cơ chịu ảnh hưởng đáng kể của

độ nhớt chất bôi trơn, tốc độ dập vuốt, kích thước hình dạng của sản phẩm , khe hở giữa phôi và vành cối, độ lớn của lực công nghệ

Phần tử lực ma sát τ tác dụng trên phần tử bề mặt tiếp xúc của thành chi tiết và chày có thể biểu thị bằng bất đẳng thức:

τ = q.à.dl.dh ( 1.30 )

ở đây : q - áp suất trên thành của chày từ phía cối dẻo, thành phần áp suất này bằng áp suất chung trừ đi áp suất dùng để biến dạng phôi, có nghĩa là:

q = qM - qδ

à : hệ số ma sát trên biên của chày và chi tiết

dl : chiều dài của phần tử vỏ quay trong hướng tiếp tuyến

dl = Rl.dα dh’ : Chiều dài của phần tử vỏ trong hướng kinh tuyến

cos 2

β π

α β à

0

cos

.

α β β

à β

π

( 1.32 ) Còn độ giảm của thành phần kinh tuyến của ứng suất vuông góc của ma sát ngoài tại mặt cắt đ2 cho có thể xác định theo biểu thức:

∫

∫

=

0 2

0 cos

2

.

β

π

β

β α π

à

σr h q d d ( 1.33 ) Với β = 0 (tạo hình vỏ hình trụ) thì biểu thức lực ma sát F4 có dạng:

F4 = 2π.R1.h.q.à Thành phần ứng suất của lực ma sát có dạng:

i r

Cộng gẵn tắi phÝa ệịy ( phẵn nguy hiÓm) cựa phềi thừ trỡ sè cựa thộnh phẵn ụng suÊt vuềng gãc cựa lùc ma sịt tiạp xóc cộng giờm ệi

Vắi cịc giị trỡ nhÊt ệỡnh cựa q, h vộ Si thừ ụng suÊt vuềng gãc σr cã thÓ bỪng 0 Trong tr−êng hĩp nộy vỉng nguy hiÓm sỳ dỡch chuyÓn tắi gẵn mẳt bÝch phềi, cã nghỵa lộ tắi vỉng ệ−ĩc tẽng bÒn hển vộ cã trỡ sè Si lắn hển

D−ắi tịc dông cựa lùc ma sịt thừ cịc ụng suÊt trong tiạt diỷn nguy hiÓm cựa phềi cã thÓ cao hển tắi 30 Ờ 40% so vắi ụng suÊt cã Ých ệÓ biạn dỰng dĨo thÓ tÝch, vộ ệiÒu nộy sỳ ờnh h−ẻng xÊu tắi khờ nẽng cềng nghỷ cựa quị trừnh

1.7 Sự phát triển và ứng dụng công nghệ ép thuỷ cơ hiện nay

Ngày nay, nhiều nước trên thế giới ựã áp dụng hiệu quả phương pháp ép thuỷ cơ ựể gia công các chi tiết rỗng có hình dạng phức tạp Nhiều phát minh trên thế giới ựược công bố, nó chứng minh cho một khuynh hướng phát triển về nghiên cứu và ứng dụng của ép thủy cơ Tại các nước phát triển như : đức, Nhật,

Mỹ, Anh, Thuỵ điển, Pháp, Nga phương pháp ép thuỷ cơ ựược nghiên cứu và phát triển nhằm mục ựắch ựáp ứng các yêu cầu của công nghiệp ựể sản xuất các chi tiết kim loại dạng tấm một cách kinh tế với nhiều ựặc ựiểm riêng với các kắch

cỡ nhỏ Kiểu ép sâu truyền thống các chi tiết trên ô tô mà có diện tắch mặt ngoài lớn ( như mui xe, các cánh cửa hoặc nắp máy) thường tạo cho chúng khả năng chống lại vết lồi lõm kém đó là do ở phần giữa của chi tiết có ựộ biến dạng thấp

độ cứng thành phần thấp gây ra ảnh hưởng tiêu cực tới khả năng chống va ựập của các phương tiện Khắc phục các hiện tượng này dùng công nghệ tạo hình thuỷ

cơ thì các chi tiết sẽ có khả năng phân bố ứng suất tạo hình ựồng nhất và do ựó sẽ nâng cao ựược ựộ bền của chi tiết

Như vậy, ép thuỷ cơ là một giải pháp hữu hiệu ựể chế tạo các chi tiết máy hoặc trong lĩnh vực chế tạo mẫu Các chi tiết ựược sản xuất bằng công nghệ này rất ựa dạng bao gồm từ những chi tiết dạng khung, dầm làm bằng thép chịu lực cao, cho tới các chi tiết bằng nhôm có diện tắch mặt ngoài lớn

Phương pháp ép thuỷ cơ ñặc biệt hữu hiệu trong trường hợp ép vuốt các chi tiết có hình dáng phức tạp không ñối xứng và ép vuốt sâu các chi tiết ñối xứng như trụ, cầu, parabol.v.v… Các dạng chi tiết ñặc trưng và dụng cụ ñược

sử dụng ñể tiến hành nghiên cứu thực nghiệm

Hình 1.10 Các sản phẩm ép thủy cơ

KẾT LUẬN CHƯƠNG 1

Chương 1 ñã trình bày một cách tổng quan về phương pháp tạo hình có

sử dụng chất lỏng thuỷ tĩnh cao áp và phương pháp ép thuỷ cơ Phương pháp

ép thuỷ cơ là một trong những công nghệ cơ bản của phương pháp tạo hình có

sử dụng nguồn chất lỏng thuỷ tĩnh cao áp - phương pháp gia công thuỷ tĩnh Dưới tác ñộng của áp suất cao của chất lỏng công tác, kết hợp với phần cứng của chày sẽ tạo ñiều kiện thuận lợi cho quá trình biến dạng của phôi, ñồng thời cho phép tạo ñược sự ñồng ñều về tính chất cơ lý trong sản phẩm ép mà phương pháp ép truyền thống không hoặc khó có thể ñạt ñược Chính vì vậy, phương pháp gia công thuỷ tĩnh nói chung, phương pháp ép thuỷ cơ nói riêng, ngày càng ñược ứng dụng hết sức rộng rãi trong công nghiệp, trong chế tạo các chi tiết cho máy móc, thiết bị chế biến nông sản, là giải pháp hữu hiệu nhất trong gia công chế tạo, nhất là các chi tiết có hình dáng phức tạp, có mức

ñộ biến dạng lớn Những nghiên cứu này ñã cho thấy những triển vọng và khả năng của phương pháp gia công thuỷ tĩnh và phương pháp ép thuỷ cơ

CHƯƠNG 2

CƠ SỞ TÍNH TOÁN BIẾN DẠNG TẠO HÌNH

ÉP THỦY CƠ BẰNG PHẦN TỬ HỮU HẠN

2.1 Khái niệm phần tử hữu hạn và phân loại phần tử

ðể giải các bài toán ứng suất biến dạng của các vật thể phức tạp người

ta ñã ñưa ra phương pháp phần tử hữu hạn, ñó là một phương pháp rời rác hóa kết cấu và từ ñó có thể ñưa máy tính ñể tính theo phương pháp số

Bản chất của phương pháp phần tử hữu hạn là chia miền khảo sát thành một số hữu hạn các miền con - gọi là các phần tử Các phần tử này liên kết với nhau ở một số ñiểm ñịnh trước trên biên phần tử gọi là nút Trong phạm

vi mỗi phần tử, ñại lượng cần tìm ñược xấp xỉ dưới dạng một hàm ñơn giản - ñược gọi là hàm xấp xỉ Các hàm xấp xỉ ñược biểu diễn thông qua các giá trị của hàm tại các nút trên biên phần tử Các giá trị ñó ñược gọi là bậc tự do của phần tử và là ẩn cần tìm Với số bậc tự do hữu hạn, từ ñó thay các phương trình vi phân cân bằng, hệ phương trình ñaị số tuyến tính, các quan hệ vật lý ñược biểu diễn dưới dạng ma trận phù hợp với ngôn ngữ máy tính Trường chuyển vị, biến dạng, ứng suất của vật thể ñược xác ñịnh trong giới hạn từng miền con riêng rẽ Trong từng miền con, hàm của ñại lượng phải tìm ñược biểu diễn gần ñúng theo giá trị của các hàm ẩn tại các ñiểm chỉ ñịnh trên biên của miền con

Hình 2.1 Phần tử và các kiểu phần tử: Phần tử 1 chiều 1D, Phần tử 2 chiều

2D, Phần tử 3 chiều 3D