Nghiên cứu công nghệ ghép nối các chi tiết tấm vật liệu khác nhau dựa trên biến dạng dẻo ứng dụng trong công nghệ ô tô

Trình bày tổng quan về các phương pháp ghép nối. Tổng quan về các phương pháp ghép nối dựa trên biến dạng dẻo của kim loại và sử dụng đinh tán không xuyên. Nghiên cứu ứng dụng mô phỏng số trong công nghệ dập khối. Mô phỏng tính toán trên phần mềm Deform. Tính toán thiết kế và tối ưu hóa kết cấu khuôn.

DỤNG TRONG CÔNG NGHỆ Ô TÔ

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT NGÀNH: CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

TS NGUYỄN ĐẮC TRUNG

LỜI CAM ĐOAN

-*** -

Tôi xin cam đoan luận văn thạc sỹ kỹ thuật “Nghiên cứu công nghệ ghép nối các chi tiết tấm vật liệu khác nhau dựa trên biến dạng dẻo ứng dụng trong nghiệp ô tô” là công trình nghiên cứu của riêng tôi, các số liệu sử dụng được chỉ

rõ nguồn trích dẫn trong mục tài liệu tham khảo Kết quả nghiên cứu của luận văn này chưa từng được công bố ở một công trình nào khác

Tác giả

MỤC LỤC

L ỜI NÓI ĐẦU 4

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÁC PHƯƠNG PHÁP GHÉP NỐI 6

1.1 Khái quát chung 6

1.2 Các phương pháp ghép nối 7

1.2.1 Ghép nối bằng phương pháp hàn 7

1.2.2 Ghép nối bằng đinh tán 10

1.2.3 Ghép nối dựa trên biến dạng dẻo 14

1.3 M ục đích nghiên cứu của luận văn 20

CHƯƠNG 2: NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ GHÉP NỐI DỰA TRÊN BIẾN D ẠNG DẺO CỦA KIM LOẠI VÀ SỬ DỤNG ĐINH TÁN KHÔNG XUYÊN 22

2.1 Ghép n ối trên khuôn cối lõm 22

2.1.1 Sơ đồ công nghệ 22

2.1.2 Các thông số cơ bản ảnh hưởng đến quá trình ghép nối 25

2.1.3 Xác định lực ghép nối 27

2.2 So sánh phương pháp ghép nối trên khuôn đáy cối lồi và bằng 31

2.3 K ết luận 32

CHƯƠNG 3: NGHIÊN CỨU- ỨNG DỤNG MÔ PHỎNG SỐ TRONG CÔNG NGH Ệ DẬP KHỐI……… ………… ….……… 33

3.1 Gi ới thiệu phương pháp mô phỏng số……… …….33

3.1.1 Mô phỏng số - “công nghệ ảo”………33

3.1.2 Vai trò và ưu điểm của mô phỏng số trong thiết kế và tối ưu công nghệ … ……… 34

3 1.3.Tiến trình mô phỏng………36

3.2 Giới thiệu phần mềm mô phỏng DEFORM……… 39

3.2.1 Giao diện và vận hành phần mềm……… ….32

3.2.1.1 Mô đun tiền xử lý………42

3.2.1.2 Mô đun giải ……….45

3.1.3.3 Mô đun hậu xử lý ……… 46

CHƯƠNG 4: MÔ PHỎNG TÍNH TOÁN TRÊN PHẦN MỀM DEFORM …… 49

CHƯƠNG 5: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ VÀ TỐI ƯU HÓA KẾT CẤU KHUÔN 69

5.1 Thi ết kế và chế tạo khuôn theo các thong số hình học tối ưu ………69

5.1.1 Thi ết kế khuôn ……….…… 71

5.1.2 Ch ế tạo khuôn ……….…… 63

5.2 Thực nghiệm ……….……….…… 74

K ẾT LUẬN……….…76

TÀI LI ỆU THAM KHẢO………78

LỜI NÓI ĐẦU

Trong những năm gần đây, sự phát triển mạnh mẽ của ngành công nghiệp đặc biệt là ôtô và máy bay đã đặt ra cho các nhà vật liệu học một vấn đề là nghiên cứu và ứng dụng các loại vật liệu mới có thể giảm trọng lượng của sản phẩm nhưng vẫn đảm bảo được độ bền của kết cấu Đã có nhiều loại vật liệu nhẹ được tìm ra và áp dụng vào hai ngành công nghiệp ôtô và máy bay như hợp kim nhôm, magiê hay composit Để ghép nối các chi tiết dạng tấm trong công nghiệp ô tô, chế tạo vỏ hộp thiết bị điện hay đồ gia dụng, từ trước tới nay vẫn hay ứng dụng phương pháp hàn điểm hay ghép bu lông hoặc vít Tuy nhiên, khi những loại vật liệu nhẹ này được đưa vào sử dụng thì những phương pháp trên không còn hiệu quả bởi vì đối với việc ghép nối chi tiết tấm bằng hợp kim nhôm hay magiê khó thực hiện được bằng hàn điểm Đặc biệt, trong một số ngành như công nghiệp ô

tô, hàng không, vũ trụ, điện tử…sự kết hợp những vật liệu tấm mềm, nhẹ đã mang lại rất nhiều thành công và hiệu quả.Tuy nhiên, một vấn đề đặt ra ở đây là

sự ghép nối các tấm vật liệu Do vật liệu khác nhau thì có cơ tính, hóa tính khác nhau, nên không thể dùng phương pháp hàn, dán thông thường.Người ta đã đưa

ra rất nhiều các phương pháp khác nhau để tạo ra những mối ghép giữa hai hoặc nhiều tấm kim loại khác nhau này, và một trong số đó là phương pháp mối ghép

nối cơ học biến dạng (Clinch) Mặc dù đã được ứng dụng rất nhiều trên thế giới nhưng lại chưa được ứng dụng tại Việt Nam Do đó, đây là một lĩnh vực cần được nghiên cứu và triển khai ứng dụng tại nước ta

Đề tài “Nghiên cứu công nghệ ghép nối các chi tiết tấm vật liệu khác nhau dựa trên biến dạng dẻo ứng dụng trong nghiệp ô tô” là một lĩnh vực khá

mới ở Việt nam kể cả về mặt lý thuyết lẫn thực tiễn Giải quyết được các vấn đề trong công nghệ này, ta có thể làm chủ được công nghệ ghép nối và có thể đưa vào sản xuất tạo ra các sản phẩm có chất lượng cao

Chính vì vậy, luận văn này tập trung giải quyết các vấn đề cả lý thuyết lẫn thực nghiệm nhằm tập hợp những khái niệm, kiến thức tổng quan nhất về công nghệ ghép nối dựa trên biến dạng dẻo kim loại và nghiên cứu khả năng của công nghệ này trong việc ghép nối các chi tiết tấm từ hợp kim nhôm với tấm thép Luận văn được trình bày trong 5 chương chính Chương 1 giới thiệu tổng quan về các phương pháp ghép nối Những vấn đề cơ bản của công nghệ ghép nối dựa trên biến dạng dẻo kim loại với các khái niệm cơ bản về lý thuyết, nguyên lý ghép nối, các phương pháp ghép nối được trình bày trong chương 2 Chương 3 trình bày việc nghiên cứu ứng dụng phần mềm DEFORM vào mô phỏng số quá trình ghép nối Chương 4 tiến hành thiết kế khuôn dập ghép nối Trong chương 5, tác giả đã xây dựng mô hình và tiến hành thực nghiệm để khẳng định những kiến thức lý thuyết được trình bày trong chương nêu trên là hoàn toàn đúng đắn và có khả năng áp dụng một cách hiệu quả trong thực tiễn Phần kết luận đưa ra một vài tổng kết quan trọng và hướng phát triển tiếp theo của đề tài

Để hoàn thành đồ án này em xin cảm ơn PGS.TS Nguyễn Đắc Trung đã

tận tình chỉ bảo, hướng dẫn trong suốt quá trình làm đồ án Tuy đã có nhiều cố

gắng nhưng không thể tránh khỏi những thiếu sót, mong được thầy cô và các bạn góp ý để đề tài này được hoàn thiện và mang ý nghĩa thực tiễn hơn

Hà N ội, ngày 15 tháng 3 năm 2013

Học viên

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÁC PHƯƠNG PHÁP GHÉP NỐI

1.1 Khái quát chung

Trong vòng 10 năm trở lại đây, nhu cầu sử dụng vật liệu dạng tấm ngày càng rộng rãi trong hầu hết các ngành công nghiệp như : đóng tàu, ôtô, máy bay, sản xuất đồ hộp, đồ dân dụng, điện lạnh Với vật liệu dạng tấm có thể tạo ra các dạng kết cấu vỏ không gian với nhiều hình dạng khác nhau từ đơn giản đến phức tạp Các dạng kết cấu không gian phức tạp thường được tạo ra bằng cách ghép nối các chi tiết tấm có hình dạng đơn giản hoặc các chi tiết tấm sau khi đã được dập tạo hình có hình dạng tương đối phức tạp Các vật liệu tấm rất phong phú, có thể là hợp kim nhôm, thép, tấm tôn mạ Do đòi hỏi về yêu cầu kỹ thuật, chỉ tiêu kinh tế và mỹ thuật thì việc ghép nối các tấm mỏng từ nhiều loại vật liệu khác nhau đang được các nhà kỹ thuật rất quan tâm Vấn đề đặt ra là làm thế nào để ghép nối nhanh chóng được các tấm có hình dạng khác nhau, vật liệu khác nhau

mà vẫn đảm bảo được các điều kiện kỹ thuật

Cho đến nay, có rất nhiều phương pháp ghép nối tấm đã và đang được ứng dụng phổ biến trong lĩnh vực cơ khí sản xuất các sản phẩm từ tấm như hàn, ghép nối bằng đinh tán, dán tấm

Hàn là một phương pháp ghép nối truyền thống có thể áp dụng cho nhiều dạng vật liệu khác nhau có chiều dày từ 0,2 ÷ 10mm hoặc dày hơn nữa Hàn rất thích hợp cho ghép nối thép tấm và được ứng dụng nhiều trong công nghiệp đóng tàu; công nghiệp sản xuất ống; công nghiệp ôtô; điện lạnh và đồ dân dụng

Ghép nối bằng đinh tán cũng là một trong phương pháp ghép nối truyền thống dùng nhiều cho vật liệu dạng tấm, đặc biệt là trong các kết cấu dầm cầu, kết cấu khung vỏ ôtô hay máy bay

Với sự phát triển nhanh chóng của công nghiệp, nhu cầu sử dụng các loại vật liệu nhẹ và bền ngày càng cao Do đó, đã có rất nhiều loại vật liệu mới và được ứng dụng rộng rãi vào sản xuất Để ghép nối các loại vật liệu mới này (chủ yếu là hợp kim nhẹ như của nhôm, magiê, titan ) các phương pháp truyền thống không thể thực hiện được hoặc nếu có thì rất khó khăn Chính vì vậy, nhiều nhà

kỹ thuật trên thế giới đã phát triển một phương pháp ghép nối mới, đó là phương pháp ghép nối dựa trên liên kết thông qua biến dạng dẻo của vật liệu Phương pháp này đang thử nghiệm để ứng dụng trong công nghiệp ôtô và máy bay

1.2 Các phương pháp ghép nối

1.2.1 Ghép nối bằng phương pháp hàn

Hàn là phương pháp được ứng dụng khá phổ biến trong hầu hết các ngành công nghiệp để chế tạo các kết cấu từ tấm như thùng chứa, két chứa, vỏ bọc, lớp ốp

mặt , hoặc từ ống và vật thể định hình như các kết cấu khung, giàn, tháp trụ

Trong công nghệ chế tạo máy, hàn cũng được sử dụng nhiều để chế tạo các chi tiết thân và đế máy, trong số đó có cả những chi tiết rất lớn và chịu áp lực cao (ví

dụ bệ máy ép, bệ thân máy búa ) Để đơn giản hoá việc chế tạo các chi tiết lớn, người ta thường chia nhỏ các chi tiết này thành những phần riêng biệt, đơn giản hơn và ghép nối chúng bằng phương pháp hàn Trên hình 1.1 thể hiện một loại

sản phẩm được tạo ra từ việc ghép nối bằng hàn các chi tiết, cụm chi tiết đơn lẻ

Hình 1.1: Ghép nối các chi tiết vỏ ôtô bằng phương pháp hàn

Sở dĩ hàn được sử dụng rộng rãi trong hầu hết các ngành công nghiệp như vậy là do khả năng công nghệ của hàn có thể thực hiện được nhiều dạng kết cấu

và sử dụng được cho nhiều loại vật liệu kim loại, cũng như khả năng linh hoạt của phương pháp Bên cạnh đó, các kết cấu được ghép nối bằng phương pháp hàn

có độ bền cũng tương đối cao Trên hình 1.2 thể hiện việc sản xuất ống từ phôi tấm bằng phương pháp uốn lốc ống và hàn hồ quang

Tuy bên cạnh những ưu điểm kể trên phương pháp hàn cũng tồn tại nhiều nhược điểm như:

- Độ bền các mối hàn thấp hơn so với độ bền vật liệu cơ bản do cấu trúc đúc của mối hàn với các tinh thể dạng nhánh cây và ở những phần kế cận của mối hàn (vùng bị ảnh hưởng nhiệt) nên hình thành cấu trúc tinh thể hạt lớn

Hình 1.2: Sản xuất ống từ phôi tấm bằng

phương pháp hàn hồ quang

- Độ bền và độ dai của vật liệu mối hàn giảm xuống do sự lắng xỉ, sự hình thành các lỗ xốp bọt khí, và cũng do sự thay đổi thành phần hoá học và sự thay đổi cấu trúc trong vật liệu mối hàn do các nguyên tố hợp kim hóa bị cháy và hình thành cacbua, oxit nitrua) Hàm lượng nitơ có trong mối hàn, dù chỉ một lượng nhỏ, cũng làm giảm rõ rệt tính dẻo mối hàn và làm mối hàn bị giòn

- Trong mối hàn và vùng ảnh hưởng nhiệt xuất hiện các nội ứng suất do vật liệu co ngót khi nguội, tạo ra sự cong vênh của sản phẩm Sự cong vênh này càng lớn nếu vùng ảnh hưởng nhiệt và tiết diện ngang mối hàn lớn Để ngăn ngừa hiện tượng cong vênh này, người ta thường phải sử dụng các đồ gá cứng, áp dụng các phương pháp đặc như hàn ngắt quãng, hàn nhiều lớp, hàn nhiều đường, hàn bậc, hàn bậc ngược và phải xử lý nhiệt sau khi hàn

Hàn cho đến nay chủ yếu thực hiện với vật liệu thép và các loại vật liệu khác như hợp kim nhôm, đồng, magiê, titan Tuy nhiên, hàn nóng chảy chỉ thực hiện được khi các vật liệu hàn có nhiệt độ nóng chảy xấp xỉ nhau Việc thực hiện hàn các vật liệu có khoảng nhiệt độ nóng chảy khác nhau như thép và nhôm vẫn còn là một vấn đề rất khó khăn và đôi khi không thực hiện được

Để khắc phục những hạn chế đó của phương pháp hàn, trong nhiều trường hợp người ta sử dụng phương pháp ghép nối bằng đinh tán Hiện nay, các mối ghép đinh tán được sử dụng chủ yếu:

- Trong các mối ghép cần loại trừ tác động nhiệt, giảm thiểu sự cong vênh sản phẩm

- Trong các mối ghép sử dụng các chi tiết làm bằng hợp kim không thích hợp với gia công hàn, cũng như trong các mối ghép có các chi tiết làm bằng những kim loại khác nhau (ví dụ thép - kim loại màu)

- Trong các mối ghép sản phẩm kim loại với những vật liệu phi kim (gỗ,

da, chất dẻo )

Ghép nối bằng đinh tán có hai loại chủ yếu: Tán đinh nóng và tán đinh nguội

1.2.2.1 Tán đinh nóng

Tán đinh nóng được dùng trong các mối ghép chịu lực và bền chặt với đường kính đinh tán lớn hơn 8-10mm, chi tiết ghép nối thường có chiều dày lớn hơn 6mm Đinh tán có mũi tạo hình trước (mũi sẵn) được nung nóng đến nhiệt độ

từ 900 – 1000oC và được đưa vào lỗ khoan sẵn trong các chi tiết cần ghép, sau đó

đỡ mũi đinh (mũi sẵn) và tán đầu đối diện như trên hình 1.3 Khi nguội, đinh tán

co lại, ép khít các chi tiết cần ghép Độ bền mối ghép hầu như được quyết định bởi các lực ma sát phát sinh trên bề mặt nối các chi tiết do đinh tán co ngót và độ bền của bản thân đinh tán

Trong giai đoạn nguội ban đầu, khi vật liệu đinh tán ở trạng thái dẻo, thân đinh tán giãn ra, do đó đường kính thân đinh giảm bớt trong thời gian đó đinh tán không làm tăng áp lực tác động lên các chi tiết ghép Cùng với sự giảm nhiệt

độ, vật liệu đinh tán từ từ chắc lại và bắt đầu có sức cản co ngót Lực siết (căng) được quyết định bởi lực nén đinh tán trong giai đoạn nguội lại từ nhiệt độ mà ở

đó biến dạng dẻo của vật liệu đinh tán được thay bằng biến dạng đàn hồi, đến nhiệt độ nguội hoàn toàn Lực ép đó cũng quyết định các ứng suất kéo bên trong thân đinh tán

1.2.2.2 Tán nguội

Trong tán nguội không xuất hiện sự co ngót đinh tán do tác động của nhiệt

độ Lực dọc trục siết căng các chi tiết ghép trong tán nguội nhỏ hơn lực siết căng trong tán nóng và không phụ thuộc vào mức biến dạng dẻo của các đinh, mức biến dạng đó có thể biến động trong những giới hạn đáng kể và ít nhiều có trị số không đổi chỉ trong việc tán đinh bằng máy

Ngược với mối ghép tán đinh nóng, độ bền mối ghép tán nguội được quyết định chủ yếu bởi độ bền cắt của các đinh tán Lực ma sát trên chỗ nối có khả năng làm cho các đinh tán không bị cắt và ép lún

90°

Hình 1.4 : C ác dạng đinh tán sử dụng trong ghép nối tấm

Khi tán nguội, sự hóa bền vật liệu có tác động tốt tới độ bền mối ghép Trong ngành chế tạo máy chủ yếu áp dụng tán nguội vì việc tán nguội loại trừ được tác động nhiệt và tạo được các mối ghép chắc mà không làm sai lệch độ chính xác kích thước của các chi tiết và sự bố trí tương tác của chúng Bằng đinh tán có thể gia cố các đối trọng vào các má trục khuỷu, các tấm ốp vào các chi tiết

to lớn, các tấm đệm vào các đĩa ly hợp và vào các guốc phanh Ghép các kết cấu tấm nhẹ bằng đinh tán, ví dụ các vòng cách dập của các ổ bi

Do không có tác động nhiệt, lại đơn giản và năng suất cao nên tán nguội trong nhiều trường hợp đã thay thế tán nóng ngay cả khi ghép các tấm và các chi tiết có tiết diện lớn

Hình 1.4 trình bày một số dạng đinh tán sử dụng trong tán nguội Khi bố trí các đinh tán có các độ hở thì biến dạng dẻo nhất định phải đủ để siết căng các chi tiết ghép và đảm bảo sự dàn phẳng thân đinh cho đạt độ hở đã chọn và đảm bảo

sự áp khít thân đinh vào thành lỗ và đặc biệt ở mặt phẳng nối các chi tiết ghép, vì vậy không nên dùng các đinh có lỗ phẳng và mũ cầu (hình 1.4a, 1.4b) tì lên bề mặt các chi tiết cần tán mà nên dùng các đinh có mũ chìm vào (hình 1.4c, 1.4d), khi đó lực tán sẽ được truyền nhiều vào thân đinh làm cho nó nở ra theo hướng ngang

1.2.2.3 Vật liệu đinh tán

Đối với mối ghép tán nóng, vật liệu làm đinh tán thường là thép cacbon C30, C35, C45 Trong các mối ghép đặc biệt, tuỳ theo điều kiện làm việc, các đinh tán được chế tạo bằng thép chống ăn mòn, bằng các hợp kim bền nhiệt và chịu nhiệt

Đối với các mối ghép tán nguội người ta dùng đinh tán làm từ thép dẻo C10, C20, còn trong các mối ghép quan trọng thì dùng thép 15X, 20X Những thép này ngoài độ dẻo còn có độ bền cao

Để ghép nối các kim loại màu cũng như ghép các vật liệu mềm vào các chi tiết kim loại người ta dùng đinh tán làm bằng đồng, đồng thau, đồng thanh, nhôm

và hợp kim nhôm Để tán các mối ghép chịu lực làm bằng hợp kim nhôm người

ta dùng đinh tán nhôm đura Đ1, Đ16 Nếu đòi hỏi mối ghép phải có độ chống ăn mòn thì đinh tán đựơc chế tạo bằng thép chống gỉ, hợp kim titan và hợp kim niken

1.2.3 Ghép nối dựa trên biến dạng dẻo

Phương pháp ghép nối bằng đinh tán ngày nay được sử dụng rông rãi trong hầu hết các lĩnh vực công nghiệp.Tuy nhiên, nhược điểm lớn nhất của phương pháp ghép nối này là phải gia công lỗ trước khi dập đinh tán, chiều dày chi tiết ghép bị hạn chế (khó áp dụng được cho vật liệu ghép có chiều dày mỏng).Ngoài

ra, mối ghép bị lồi về hai phía làm cho mặt ngoài của tấm không được phẳng.Phương pháp ghép nối bằng biến dạng dẻo là một phương pháp có thể khắc phục được những nhược điểm đó

Nguyên lý của phương pháp ghép nối dựa trên biến dạng dẻo là tận dụng khả năng biến dạng dẻo của kim loại được ghép để cấy đinh ghép vào giữa các chi tiết cần ghép tạo ra sự liên kết giữa các chi tiết, hoặc có thể dùng lực cơ học làm biến dạng chi tiết ghép, tạo ra mối ghép giữa chúng mà thậm chí không cần

sử dụng đinh tán Phương pháp này được sử dụng rộng rãi trong lĩnh vực lắp ghép khung vỏ máy móc, ôtô, máy bay và đặc biệt thích hợp với các vật liệu hợp kim nhôm, magiê, titan và cả thép

Ưu điểm nổi bật của phương pháp ghép nối này là:

- Tính kinh tế cao, phạm vi ứng dụng rộng rãi, không gây hại cho môi trường

- Có thể ứng dụng rộng rãi để ghép các vật liệu cùng loại và khác loại như : nhôm, hợp kim nhôm, hợp kim magiê, ghép nối hợp kim nhôm với thép Đây

là những ưu điểm lớn nhất của phương pháp ghép nối bằng biến dạng dẻo

- Mối ghép có tính thẩm mỹ công nghiệp cao, đảm bảo tính năng kỹ thuật như: độ cứng vững, bền và truyền nhiệt tốt

- Thiết bị nhỏ gọn, kết cấu đơn giản, thao tác nhanh trên mọi vị trí, dễ tự động hoá quá trình làm việc

- Không cần xử lý bề mặt ghép nối, không bị ảnh hưởng nhiệt như các phương pháp khác

- Có khả năng kín khít cao

Tuy nhiên, phương pháp này cũng tồn tại các nhược điểm sau:

- Kết cấu đinh tán phức tạp

- Tại mối ghép có thể xảy ra hiện tượng ăn mòn

- Chiều dày chi tiết ghép bị hạn chế (khó áp dụng cho các chi tiết có chiều dày lớn hơn 3mm)

Phương pháp ghép nối bằng biến dạng dẻo chia thành hai loại : Ghép nối

sử dụng đinh và ghép nối không dùng đinh dựa vào sự biến dạng dẻo

1.2.3.1 Ghép nối sử dụng đinh tán đâm xuyên

Phương pháp ghép nối dựa trên cơ sở biến dạng dẻo có sử dụng đinh tán cũng được tiến hành tương tự như ghép nối đinh tán nhưng có điểm khác biệt là không cần phải khoan lỗ trước trên tấm ghép nối mà ta có thể tán đinh trực tiếp vào các tấm ghép nối Chính vì vậy, phương pháp này chỉ thích hợp đối với việc ghép nối các tấm mỏng và có tính dẻo cao (ví dụ như ghép nối các chi tiết vỏ xe ôtô, cánh máy bay hay vỏ hộp của các thiết bị điện, đồ gia dụng)

Trong phương pháp này đinh tán có cấu tạo đặc biệt Sau khi ghép nối đinh tán cũng nằm lại trên các chi tiết cần ghép Có hai loại đinh tán thường được sử

dụng là đinh tán đâm xuyên qua vật liệu và đinh tán không đâm xuyên

Quá trình ghép nối có sử dụng đinh tán đâm xuyên được thể hiện trên hình 1.5 Trong đó, đinh tán có kết cấu đặc biệt như rỗng và có chân sắc nhọn Khi thực hiện ghép nối cần phải có dụng cụ tạo hình như cối và chày Cối có biên dạng đặc biệt để tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình biến dạng dẻo của kim loại

và hình thành mối ghép chặt Khi thực hiện, đinh tán sẽ được tán vào vật liệu tấm nhờ chày tán, đinh tán xuyên qua lớp vật liệu thứ nhất và tạo biến dạng dẻo ở lớp vật liệu thứ hai Do cối tán có biên dạng đặc biệt làm cho đinh tán cũng bị biến dạng theo biên dạng của cối tán và liên kết chặt hai lớp vật liệu cần tán Đinh tán phải xuyên qua vật liệu nên ngoài kết cấu đặc biệt, chúng còn được làm bằng các vật liệu có độ bền cao như thép không gỉ hoặc hợp kim nhôm Phương pháp này

được ứng dụng rất phổ biến để liên kết các vật liệu dễ biến dạng như hợp kim Al,

Mg và được sử dụng trong công nghiệp ôtô, máy bay (hình 1.7) và công nghiệp

đồ hộp

Hình 1.5: Quá trình tạo mối ghép sử dụng đinh tán đâm xuyên

Ưu điểm của phương pháp này là có thể tạo ra mối ghép có chất lượng cao tuy nhiên, phải chế tạo cối tán và đinh tán có kết cấu phức tạp Thông thường đinh tán có dạng trụ tròn rỗng ở trong và có chân nhọn, sắc như trên hình 1.6

Hình 1.6: Đinh tán đâm xuyên và kết cấu của chúng

1.2.3.2 Ghép nối sử dụng đinh tán đâm xuyên

Quá trình ghép nối dựa trên biến dạng dẻo sử dụng đinh tán không đâm xuyên cũng thực hiện hoàn toàn tương tự như trường hợp sử dụng đinh tán đâm xuyên Nhưng trong trường hợp này đinh tán không đâm xuyên qua vật liệu mà chỉ bị biến dạng dẻo cùng với vật liệu tấm để tạo thành mối ghép với sự trợ giúp của hệ thống cối di động

a) Ghép nối các chi tiết vỏ ôtô

b) ghép nối các chi tiết cánh máy bay Hình 1.7 : Dùng đinh tán ghép nối các chi tiết vỏ ôtô và cánh máy bay

Hình 1.8 mô tả quá trình tạo mối ghép sử dụng đinh tán không đâm xuyên Ban đầu (trạng thái a), tấm được đặt trên cối ghép di động, khoảng cách giữa đinh tán và cối di động nhỏ hơn tổng chiều dày của vật liệu ghép nối Khi chày

ép đinh tán xuống vật liệu, cối di động sẽ bị ép nở ra và tạo thành biên dạng đặc biệt để kim loại biến dạng vào các khe hở tạo ra sự liên kết giữa đinh tán và vật liệu tấm ở cuối quá trình khi đinh tán bị biến dạng dẻo và bị ép vào tấm Phương pháp này được ứng dụng rất có hiệu quả trong công nghiệp máy bay và đồ hộp để ghép nối các vật liệu tấm dễ biến dạng như hợp kim Al, Mg

1 Chày 4 Cối di động

2 Đinh tán không đâm xuyên 5 Kẹp đàn hồi

3 Tấm được ghép nối 6 Bệ đe

Hình 1.8: Quá trình tạo mối ghép sử dụng đinh tán không đâm xuyên

Cũng giống như việc sử dụng đinh tán

đâm xuyên, việc sử dụng đinh tán

không đâm xuyên cũng cho mối ghép

chất lượng

Hình 1.9 thể hiện một số loại

đinh tán không đâm xuyên Hình 1.9 : Đinh tán không đâm xuyên

1.2.3.3 Ghép nối không dùng đinh tán

Khi nghiên cứu quá trình ghép nối dựa trên biến dạng dẻo có sử dụng đinh tán không đâm xuyên ta nhận thấy rằng kim loại tấm liên kết đã bị móc vào nhau đồng thời bị đinh tán ép chặt Độ bền của mối ghép tăng do kim loại ít bị biến mỏng hơn so với không dùng đinh tán

Dựa trên những nhận định đó ta có thể phát triển một loại phương pháp ghép nối mới dựa trên biến dạng dẻo dùng đinh tán đặc, không đâm xuyên

Hình 1.10: Mối ghép không sử dụng đinh tán

Đối với phương pháp này được ứng dụng cho các loại vật liệu có khả năng biến dạng dẻo ở trạng thái nguội cao

Hiện nay, phương pháp phương pháp ghép nối sử dụng đinh tán đang được nghiên cứu, ứng dụng tại một số nước công nghiệp phát triển đối với một số chi tiết trong vỏ ôtô, ống dẫn chất lỏng, khí, vỏ hộp

1.3 Mục đích nghiên cứu của luận văn

Để ghép nối các chi tiết dạng tấm trong công nghiệp ô tô, chế tạo vỏ hộp thiết bị điện hay đồ gia dụng, từ trước tới nay vẫn hay ứng dụng phương pháp hàn điểm hay ghép bu lông hoặc vít Trong vòng 5 năm trở lại đây, đa phần các chi tiết dạng tấm trước khi đem ghép nối đã được phủ sơn, nhựa hoặc mạ kẽm để bảo vệ và chống ăn mòn Việc ghép nối các chi tiết thép tấm có phủ bằng phương pháp hàn điểm không kinh tế, bởi lẽ khi hàn các lớp phủ sẽ bị hỏng do ảnh hưởng của nhiệt độ khi hàn, sau khi hàn phải xử lý lại vị trí mối hàn Hơn nữa, do yêu cầu kết cấu phải nhẹ để tiết kiệm nhiên liệu khi vận hành, nên các nhà kỹ thuật đã lựa chọn vật liệu hợp kim nhôm để thay thế các vỏ thép Đối với việc ghép nối chi tiết tấm bằng hợp kim nhôm khó có thể thực hiện được bằng hàn điểm bởi sự khác biệt quá lớn về nhiệt độ nóng chảy của lớp oxít bên ngoài là vật liệu nhôm bên trong Chính vì vậy, phương pháp ghép nối bằng biến dạng dẻo đã mở ra một hướng nghiên cứu mới cho phép ghép nối các chi tiết vỏ mỏng đặc biệt là các loại hợp kim nhôm, magiê, titan Trong phương pháp ghép nối bằng biến dạng dẻo ta cần quan tâm tới công nghệ ghép nối dùng đinh tán không đâm xuyên Ưu điểm lớn nhất của công nghệ này là không phải chế tạo đinh tán phức tạp như phương pháp dùng đinh tán đâm xuyên, vừa đảm bảo chất lượng mối ghép về tính bền cũng như thẩm mỹ, đồng thời ứng dụng được cho tất cả các loại vật liệu khác nhau dùng trong công nghiệp ô tô cũng như dân dụng Nhược điểm của phương pháp là đòi hỏi thiết bị phức tạp hơn so với hai phương pháp còn lại Mặt khác, ta phải có công đoạn chuẩn bị đinh tán trước Tuy nhiên xử lý những nhược điểm này không phải là vấn đề khó khăn đối với công nghệ hiện đại ngày nay Một nhược điểm của phương pháp ghép nối bằng đinh tán là có sự đâm xuyên đinh tán qua lớp vật liệu ghép tạo ra sự phá huỷ kim loại ghép làm giảm độ bền của mối ghép Mặt khác, khi đó sẽ tạo ra khe hở giữa đinh tán và vật liệu ghép Trong quá trình sử dụng, mối ghép sẽ bị ăn mòn điện hoá Để khắc phục người ta

đã sử dụng loại đinh tán không đâm xuyên Nhưng loại này chỉ có thể khắc phục

được nhược điểm thứ nhất, còn khả năng bị ăn mòn điện hoá vẫn có thể xảy ra Chính vì vậy, phương pháp ghép nối không sử dụng đinh tán cần thiết được nghiên cứu để khắc phục những nhược điểm trên

Từ những phân tích, nhận định ở trên, trong phần nghiên cứu của luận văn

sẽ tập trung vào nghiên cứu phương pháp, quá trình hình thành mối ghép, mô phỏng quá trình biến dạng dẻo của kim loại khi ghép nối để có thể đưa ra một cơ

sở cho ghép nối dựa trên biến dạng của vật liệu sử dụng đinh tán không đâm xuyên Sau đó sẽ tiến hành thí nghiệm ghép nối để chứng minh khả năng công nghệ của phương pháp

CHƯƠNG 2: NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ GHÉP NỐI DỰA TRÊN BIẾN DẠNG DẺO CỦA KIM LOẠI VÀ SỬ DỤNG ĐINH

là đáy cối lồi và đáy cối lõm

Hình 2.1 : Sơ đồ công nghệ ghép nối trên khuôn đáy cối lồi

Hình 2.2 : Sơ đồ công nghệ ghép nối trên khuôn đáy cối bằng

Ban đầu, tấm đặt trên bề mặt cối ghép Khoảng cách giữa chày và cối nhỏ hơn tổng chiều dày của vật liệu ghép nối Khi chày ép đi xuống, vật liệu sẽ bị biến dạng tương tự như quá trình dập vuốt Nhưng do khe hở chày-cối nhỏ hơn tổng chiều dày hai lớp vật liệu nên vật liệu sẽ bị biến mỏng Do cối được chế tạo

có biên dạng lõm đặc biệt nên trong quá trình bị nén ép, vật liệu tấm trên có xu hướng chảy dồn về phía biên dạng lõm đồng thời đẩy vật liệu tấm dưới điền đầy phần biên dạng lõm Khi điền đầy đáy cối lõm, dưới tác dụng của lực ép xuống vật liệu tấm dưới có xu thế chuyển động ngược lên trên dọc theo thành lòng cối nén ép vật liệu tấm trên tạo ra mối liên kết hình chữ “S” 3 lớp, tấm kim loại dưới,

tấm kim loại trên và đinh tán Quá trình này tương tự như quá trình dập vuốt có biến mỏng thành Đồng thời phần đáy của mối ghép chủ yếu chịu nén do đó tại phần tiếp xúc giữa các lớp vật liệu ghép có sự khuyếch tán nguyên tử sang nhau (tương tự mối hàn ép) làm cho mối ghép bền chắc

Hình 2.3 : Biên dạng mối ghép sử dụng phương pháp đế lồi

Trong phương pháp này, để có thể tạo ra được sự ghép nối phải chế tạo chày và cối với biên dạng hợp lý Có hai loại cối được sử dụng là cối cố định và cối trượt Mối ghép sau khi được tạo ra sẽ có biên dạng như hình 2.3

Khi phân tích sự liên kết trong mối ghép hình 2.3, ta nhận thấy có các liên kết sau được hình thành:

- Liên kết hình dạng với sự hình thành chữ “S” là do hai lớp vật liệu khi biến dạng bị móc vào nhau và không tháo dời được Nếu chữ “S” này được tạo ra

rõ nét thì khả năng liên kết giữa hai lớp vật liệu càng cao, có nghĩa là độ bền mối

ghép càng lớn Sự hình thành mối ghép dạng chữ “S” này là do biên dạng đặc biệt của cối

- Liên kết có xuất hiện lực Fk giữa các lớp vật liệu khi bị nén ép Lực này

sẽ có tác dụng như trong mối ghép căng, tạo khả năng liên kết tốt giữa hai lớp vật liệu

- Liên kết có sự khuyếch tán nguyên tử giữa các lớp vật liệu ở đáy của mối ghép do sự nén của chày vào vật liệu ở cuối quá trình ghép nối rất lớn Vật liệu tấm khi đó chịu trạng thái ứng suất nén khối với các thành phần ứng suất rất lớn

Nhược điểm của phương pháp này là phải chế tạo cối với biên dạng phức tạp và phải tính toán hành trình ép của chày hợp lý

2.1.2 Các thông số cơ bản ảnh hưởng đến quá trình ghép nối

Các thông số công nghệ ảnh hưởng đến quá trình ghép nối gồm có:

- Vật liệu của tấm ghép : Đây là yếu tố ảnh hưởng đến lực ép Khi ghép các chi tiết có khả năng biến dạng lớn (ví dụ như nhôm, hợp kim nhôm …) với nhau thì lực ép không cần lớn, tuy nhiên khi ghép các vật liệu khác nhau và có độ biến dạng khác nhau (ví dụ như thép và nhôm) thì vị trí giữa các tấm ghép cũng cần phải được quan tâm Khi ghép các loại vật liệu có khả năng biến dạng khác nhau thì thông thường loại vật liệu có độ biến dạng lớn sẽ được xếp dưới (trên cối) còn vật liệu có độ biến dạng nhỏ sẽ xếp trên (dưới chày)

-Vật liệu đinh tán: Đây là yếu tố có ảnh hưởng rất lớn đến lực ép, khả năng hình thành liên kết mối ghép và độ bền mối ghép theo thời gian

- Lực ép và lực chặn : Tuỳ thuộc vào loại vật liệu ghép mà lực ép lớn hay nhỏ Với cấu tạo đặc biệt của cối vật liệu có xu hướng chảy xuôi như khi ép chảy,

do đó nói chung lực ép trong trường hợp này không cần lớn lắm Lực chặn vật liệu chỉ cần đủ để vật liệu không bị nhăn

- Chiều dày vật liệu ban đầu t1, t2 : Các thông số này ảnh hưởng đến chiều sâu của chày đi vào vật liệu ghép và chiều sâu của cối

- Hành trình chày ép lsf : Thông số này quyết định đến việc có tạo được sự ghép nối hình dạng hay không Nếu hành trình này không đủ lớn sẽ không làm cho vật liệu ghép biến dạng hết theo biên dạng cối và không tạo ra được sự ghép nối hình dạng, cũng như không có sự khuyếch tán nguyên tử giữa các vật liệu ghép Thông số này phụ thuộc vào chiều dày vật liệu ghép Thông thường chiều sâu này bằng tổng chiều dày ages của lớp vật liệu ghép

- Biên dạng cối : Đây là yếu tố cơ bản quyết định nhiều nhất đến mối ghép tạo thành Biên dạng cối bao gồm các thông số: chiều sâu cối (h), đường kính cối (D), góc lượn đáy cối… Đây là những thông số chính cần xác định khi tính toán biên dạng cối, chúng có ảnh hưởng lớn đến việc tạo thành mối ghép cũng như độ bền của mối ghép.Hình 2.4 là biên dạng chày và cối cho trường hợp cối cố định

Chiều sâu cối h : Thông số này ảnh hưởng đến chiều sâu chày đi vào vật liệu và mức độ dập vuốt, từ đó ảnh hưởng đến khả năng tạo liên kết hình học và

sự khuyếch tán nguyên tử giữa các lớp vật liệu ghép Nếu chiều sâu h lớn trong khi chiều sâu chày đi vào vật liệu không đủ lớn thì vật liệu ghép sẽ không chịu biến dạng nén dẫn đến không tạo ra sự liên kết giữa các lớp vật liệu nhờ sự khuyếch tán nguyên tử Chiều sâu h được tính toán sao cho khi chày đi hết hành trình của nó thì khoảng cách giữa chày và đáy cối phải đảm bảo sao cho chi tiết ghép chịu lực nén Thông thường chiều sâu cối bằng 2/3 tổng chiều dày ages của lớp vật liệu ghép

Đường kính D của cối cũng ảnh hưởng nhiều đến quá trình tạo mối ghép Thông số này phải vừa đủ để tạo sự biến dạng cho lớp vật liệu ghép Nếu đường kính D lớn quá sẽ tạo khe hở lớn giữa chày và cối dẫn đến kim loại vật liệu ghép

sẽ không biến dạng để tạo thành mối ghép hình học được Ngược lại, nếu D quá

bé sẽ dẫn đến khe hở giữa chày và cối cũng nhỏ làm cho vật liệu không thể biến dạng qua khe hở giữa chày và cối Thông thường đường kính D được chọn sao

cho khe hở giữa chày và cối bằng 2/3 tổng chiều dày ages của lớp vật liệu ghép Lúc đó khi tạo mối ghép kim loại sẽ không có hiện tượng chảy ngược

Một thông số không kém phần quan trọng trong việc tính toán chế tạo biên dạng cối là góc lượn đáy cối r Thông số này quyết định lớn đến việc tạo thành mối liên kết hình dạng ở hai bên thành mối ghép Khi không có góc lượn này kim loại ghép sẽ chỉ tạo ra mối ghép có dạng hình trụ Khi có thêm góc lượn này kim loại bị nén sẽ có xu hướng chảy về chỗ góc lượn làm cho kim loại bị dồn về phía thành cối tạo ra mối ghép hình dạng có hình chữ “S” rất bền vững

Trong quá trình ghép nối, đinh tán bị chày ép xuống gây ra biến dạng trên phôi Phản lực từ tấm ghép tác dụng ngược trở lại chồn đinh tán lấp kín lỗ trên mặt tấm ghép

2.1.3 Xác định lực ghép nối

Việc tính toán lực ghép nối P thường khó khăn bởi phải xác định chính xác quá trình biến dạng của từng tấm vật liệu và vùng trên tấm Để đảm bảo cho việc tính toán, xác đinh lực ghép nối ban đầu, ta đặt ra một số giả thiết sau:

- Quá trình ghép nối sẽ được tách ra làm hai quá trình nhỏ: Trước hết vật liệu sẽ bị vuốt qua góc lượn của cối sau đó phần vật liệu nằm giữa đáy chày sẽ tiếp xúc với đáy cối và bị chồn

- Khi bị vuốt qua mép cối, do khe hở giữa chày và cối nhỏ hơn tổng chiều dày của vật liệu tấm ghép nên ta coi quá trình này là dập vuốt biến mỏng thành

- Vật liệu ghép nối cùng loại và có ứng suất chảy là kf (trong trường hợp 2 tấm khác loại vật liệu thì ta phải tính toán biến dạng của từng tấm chứ không lấy được ứng suất chảy tương đương của hai loại vật liệu này)

Như vậy, việc tính toán lực sẽ tách thành 3 bài toán đơn giản là dập vuốt biến mỏng thành, chồn ở vùng giữa đáy chày và cối và lực chồn đinh tán

P = Pdv + Pchồn phôi + Pchồn đinh tán (2.1)

Trong đó:

Pdv : Lực dập vuốt

Pchồnphôi : Lực chồn tấm ghép

Pchồn đinh tán : Lực chồn đinh tán

Hình 2 5: Sơ đồ tính toán lực ghép nối

D : Đường kính trong của cối D1 : Đường kính ngoài của chặn

d : Đường kính của chày t1; t2 : Chiều dày vật liệu ghép nối

P : Lực ghép nối Q : Lực chặn

h1 : Chiều dày vật liệu sau khi ghép, thông thường h1=2/3(t1+t2)

σρ : Ứng suất theo phương hướng kính

* Xác định lực dập vuốt:

Lực dập vuốt biến mỏng thành có thể được xác định theo lý thuyết dập tạo hình như sau:

Pdv = 2Π.r.s.σρmax (2.2) Trong đó:

r : Bán kính trung bình của phôi khi bị vuốt qua mép cối

s r

s k

s R

Q r

R

c

.

ln

σρmax =

) 6 , 1 1 ( 15 , 0 1

) 6 , 1 1 )(

2 (ln

µµ

µ+

−

+ +

+

s r

s r

R k

c f

Như vậy ta có:

Pdv = 2Π.r.s

) 6 , 1 1 ( 15 , 0 1

) 6 , 1 1 )(

2 (ln

µµ

µ+

−

+ +

+

s r

s r

R k

c f

.

h d

µ

* Xác định lực chồn phôi:

Sau khi đã bị vuốt qua góc lượn của cối, vật liệu ở phần đáy của chày bị biến dạng chồn Quá trình chồn được thực hiện làm cho vật liệu có chiều dày ban đầu là (t1+t2) giảm xuống chỉ còn là h1 Thông thường h1 = 2/3(t1+t2) Như vậy

là vật liệu bị giảm 1/3 chiều dày và phần vật liệu này sẽ bị chảy vào phần rãnh ở đáy cối

Để đơn giản hóa cho việc xác định lực Pchồn, ta có thể coi phân bố ứng suất pháp σz trên bề mặt tiếp xúc giữa đáy đinh tán và vật liệu như hình 2.6 Trong đó:

- Nếu coi không tồn tại ma sát trên bề mặt tiếp xúc thì σz = kf

- Trong trường hợp tồn tại ma sát µ thì phần tam giác mặt cắt abc sẽ thể hiện ảnh hưởng của ma sát

c

d

Hình 2.6 : Phân bố ứng suất trên bề mặt tiếp xúc với đáy chày

Lực chồn theo lý thuyết dập tạo hình sẽ được tính như sau:

Pchồn phôi = kf

4 d2

π +

3

1

kf 1

.

h d

µ

4 d2

π

⇒ Pchồn phôi = kf

4 d2

π(1 +

3

1

.1

.

h d

µ

* Xác định lực chồn đinh tán:

Tương tự như tính lực chồn cho phôi, ta có:

Pchồn đinh tán = kf

4 d2

π(1 +

3

1

.1

.

h d

µ

) Như vậy, sau khi tính được lực cần thiết cho quá trình dập vuốt biến mỏng thành và chồn ta có thể xác định được lực ghép nối theo công thức (2.1), còn lực chặn Q được xác định theo công thức (2.4)

2.2 So sánh phương pháp ghép nối trên khuôn đáy cối lồi và đáy cối bằng

Từ những phân tích ở trên có thể thấy rằng phương pháp ghép nối không

sử dụng đinh tán mà cụ thể là phương pháp ghép nối không đinh tán với đế lồi và

đế bằng là một phương pháp có nhiều ưu điểm Về cơ bản mối ghép đế bằng và mối ghép đế lồi cùng tạo ra được sự liên kết hình học dạng chữ “S”, mối ghép căng và sự khuyếch tán nguyên tử giữa các lớp vật liệu Tuy nhiên, trong trường hợp đế lồi đáy cối có biên dạng cong nên vật liệu sẽ làm cho vật liệu dễ bị biến dạng hơn, lực sử dụng là nhỏ hơn Nhưng cũng vì thế mà độ khuyếch tán nguyên

tử ở phần đáy cối sẽ thấp hơn Còn trong phương pháp sử dụng đế bằng do cối là mặt phẳng nên kim loại sẽ khó biến dạng và ta phải ép với lực lớn Nhưng như vậy sẽ làm cho sự khuyếch tán nguyên tử giữa các vật liệu xảy ra mãnh liệt hơn làm cho mối ghép chắc chắn hơn Để sự khuyếch tán này xảy ra hiệu quả thì vật liệu trước khi ghép nên được xử lý bề mặt tốt Bên cạnh đó với phương pháp ghép nối đế lồi ta thường phải xử lý phần lồi của mối ghép sau khi ghép nối Phần này sẽ chiếm một số thời gian không nhỏ trong quá trình gia công Còn đối với phương pháp ghép ghép nối đế bằng do có sẵn một mặt phẳng nên việc xử lý chỉ là phần lõm do chày để lại Như thế sẽ tiết kiệm được rất nhiều thời gian trong gia công trong khi chất lượng mối ghép đảm bảo tốt Từ những phân tích này ta nhận thấy rằng phương pháp ghép nối đế bằng có nhiều ưu điểm hơn so

với phương pháp ghép nối đế lồi Phương pháp ghép nối dựa trên biến dạng dẻo với khuôn đế phẳng cần đựơc nghiên cứu và đưa vào ứng trong các ngành công nghiệp ôtô, máy bay, đặc biệt là khi ghép nối các chi tiết tấm hợp kim nhôm hay magiê

2.4 Kết luận

Khi nghiên cứu quá trình ghép nối dựa trên biến dạng dẻo ta có thể thấy rõ kết quả của mối ghép phụ thuộc vào rất nhiều vào các thông số công nghệ khác nhau mà các thông số này rất khó có thể lựa chọn một cách hợp lý trong quá trình thực hiện Nhưng các thông số này lại ảnh hưởng trực tiếp tới độ bền liên kết như:

- Tạo ra ghép nối hình dạng (chữ S)

- Tạo ra liên kết vật liệu (khuyếch tán nguyên tử giữa các tấm)

- Tạo ra liên kết ghép căng (lực ép giữa các tấm vật liệu)

Một trong những phương pháp lựa chọn được các thông số công nghệ hợp

lý là ứng dụng phương pháp mô phỏng số quá trình Đây là một trong các phương pháp hiện đại nhất cho phép nghiên cứu quá trình biến dạng của vật liệu khi ghép nối một cách nhanh chóng, chính xác và đang được quan tâm tại rất nhiều các trường đại học, viện nghiên cứu trên thế giới Trong chương tiếp theo của luận văn sẽ đề cập đến việc ứng dụng các phần mềm chuyên dụng để nghiên cứu mô phỏng bài toán ghép nối

CHƯƠNG 3: NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG MÔ PHỎNG SỐ TRONG

THI ẾT KẾ CÔNG NGHỆ

3.1 GI ỚI THIỆU PHƯƠNG PHÁP MÔ PHỎNG SỐ

Phương pháp mô phỏng nhằm mục đích nghiên cứu, phân tích và giải thích các quá trình xảy ra khi tạo hình vật liệu Mô phỏng cho thấy được nhiều kết quả rõ ràng, qua đó có thêm những hiểu biết, nhận xét đúng đắn để góp phần tìm ra các giải pháp công nghệ phù hợp trong quá trình sản xuất

Hiện nay, cùng với sự phát triển của xã hội, các phần mềm mô phỏng được ứng dụng rất nhiều như: ANSYS, MARC, ABAQUS, PAM-STAMP, LARSTRAN/SHAPE, I-DEAS, Catia, dynaform, deform…các phần mềm mô phỏng sẽ được ứng dụng ở các lĩnh vực sản xuất khác nhau, tuỳ vào thế mạnh của từng phần mềm

3.1.1 Mô ph ỏng số - “công nghệ ảo”

Mô phỏng số là sự kết hợp giữa mô hình quá trình và các phương pháp

số giải mô hình quá trình đó Gắn kết quả mô phỏng số với những điều kiện công nghệ cụ thể nhằm thực hiện tối ưu hóa quá trình công nghệ ta sẽ nhận được công nghệ ảo

Mô phỏng số được thực hiện bằng nhiều phương pháp tính khác nhau như: phương pháp phần tử hữu hạn, sai phân hữu hạn, biến phân hoặc phần tử biên…Mỗi một phương pháp tính toán đều có những mặt mạnh riêng nhưng áp dụng phổ biến nhất để khảo sát các bài toán cơ học nói chung và các bài toán biến dạng tạo hình nói riêng là phương pháp phần tử hữu hạn bởi nó có thể giải quyết các bài toán với miền xác định bất kỳ và điều kiện biên phức tạp

3.1.2 Vai trò và ưu điểm của mô phỏng số trong thiết kế và tối ưu công ngh ệ

Khi thực hiện mô phỏng số, các giai đoạn thiết kế, hiệu chỉnh đều được thực hiện trên máy tính Xuất phát từ ý tưởng hay sản phẩm mẫu, mô hình của sản phẩm được dựng trên máy tính, sau đó việc hiệu chỉnh công nghệ được thực hiện trực tiếp thông qua giao diện người - máy nhằm tối ưu hóa công nghệ nên đã giảm đáng kể thời gian và chi phí Mô phỏng số còn góp phần nâng cao chất lượng sản phẩm và cho phép áp dụng các vật liệu mới

Hình 3.1 Ưu điểm của mô phỏng số

Theo phương pháp công nghệ truyền thống, để chế tạo một sản phẩm thì sau khi thiết kế phải tiến hành sản xuất thử Khâu này thường phải làm đi làm lại nhiều lần cho tới khi sản phẩm đạt yêu cầu.Với phương pháp này việc thiết

kế và chế tạo khuôn phải lặp đi lặp lại nhiều lần, gây tốn kém về thời gian và tiền của.Với mô phỏng số và công nghệ ảo, toàn bộ quá trình từ thiết kế, hiệu chỉnh đến tối ưu công nghệ đều được thực hiện trên máy tính Do đó không

phải tốn nhiều thời gian và tài chính, tăng hiệu suất tính toán thiết kế, chất lượng sản phẩm và khả năng cạnh tranh

Mô phỏng được coi là một hướng phát triển của công nghệ cao bởi:

- Mô phỏng cho kết quả chính xác với sai số cho phép

- Giảm thời gian tính toán thiết kế

- Giảm chi phí sản xuất

- Lựa chọn các loại nguyên vật liệu hợp lý

- Thuận tiện trong việc thay đổi mẫu mã, hình dáng sản phẩm

Hình 3.2 Quá trình tối ưu hóa công nghệ nhờ mô phỏng

Ngoài những ưu điểm trên, mô phỏng số còn cho ta nhiều kết quả mà bằng thử nghiệm khó biết được như trường phân bố ứng suất,biến dạng …Cũng như có thể dự đoán được các dạng hỏng có thể xảy ra để từ đó có những thay đổi hợp lý nhằm thực hiện tối ưu hóa quá trình Đó là lý do vì sao ngày nay phương pháp

mô phỏng số được xem là một công cụ tối ưu công nghệ phổ biến, hữu hiệu và được ưu tiên phát triển trong thiết kế phục vụ sản xuất cũng như trong nghiên cứu lý thuyết

3.1.3 Ti ến trình mô phỏng

Xuất phát từ yêu cầu về kiểu dáng, kích thước sản phẩm, ta đi xây dựng

mô hình, hình học của phôi và khuôn mẫu để tiến hành gia công Công việc này thường được thực hiện theo hai phương pháp:

Phương pháp 1: Xây dựng trực tiếp

Phương pháp 2: Xây dựng gián tiếp

* Phương pháp 1

Xây dựng trực tiếp mô hình hình học dựa trên giao diện đồ hoạ của phần mềm mô phỏng thông qua các lệnh dựng mô hình Nếu mô hình bao gồm các khối đơn giản thì có thể dựng trực tiếp mô hình bằng các khối cơ sở, sau đó sử dụng các phép toán logic để có thể tạo ra những mô hình phức tạp hơn Nếu

mô hình phức tạp hơn thì bắt đầu dựng từ các điểm cơ sở (keypoint), từ đó dựng thành đường, miền và khối thông qua các lệnh xử lý về đồ hoạ

Ưu điểm của phương pháp này là toàn bộ dữ liệu của mô hình hình học của bài toán được đưa vào trực tiếp nên không có sai lệch khi chuyển đổi dữ

liệu.Tuy nhiên đây là phần mềm tính toán chứ không phải là phần mềm chuyên dùng về đồ hoạ nên khi tạo những mô hình hình học phức tạp thường khó khăn hơn rất nhiều so với khi tạo mô hình này trong các phần mềm đồ hoạ chuyên dùng

* Phương pháp 2

Xây dựng mô hình hình học từ những phần mềm thiết kế đồ hoạ chuyên dùng như SolidWork, Cad, Pro/Engineer, Catia…, rồi xuất sang phần mềm mô phỏng

Phương pháp thứ 2 cho phép dựng được những mô hình rất phức tạp, nhưng trong quá trình chuyển đổi lại gây ra một số sai khác nhất định có thể do khả năng tương thích giữa các phần mềm đặc biệt rất khó điều khiển toạ độ cũng như tương quan vị trí

Để tiến hành mô phỏng trước hết phải chia lưới các phần tử, thuộc tính vật liệu, đưa vào các điều kiện biên (chuyển vị, ma sát, nhiệt độ …) Máy sẽ tính toán quá trình tạo hình sản phẩm và đưa ra kết quả

Qua việc xem xét trường phân bố ứng suất và biến dạng tại từng thời điểm, ta biết được một cách tương đối chính xác chi tiết có bị phá hủy trong quá trình biến dạng và kích thước hình học của sản phẩm có đảm bảo với yêu cầu hay không, từ đó thay đổi các thông số của quá trình một cách hợp lý sao cho kết quả cuối cùng là tối ưu Tiếp theo có thể gia công khuôn mẫu dựa trên các thông

số hình học sau khi mô phỏng và tiến hành sản xuất thử Nếu thấy được mới đưa

ra sản xuất hàng loạt

Hình 3.3 Quá trình mô ph ỏng

Với mục tiêu là dập tạo hình chi tiết khớp nối chữ thập, nên có thể chọn

phần mềm mô phỏng quá trình dập là phần mềm Deform

Để có thể thực hiện việc mô phỏng được thuận lợi trước hết ta tìm hiểu phần mềm Deform