Mục đích nghiên cứu của luận án Nghiên cứu ảnh hưởng của một số thông số công nghệ và kích thước hình học cối đến khả năng tạo hình trong dập thủy tĩnh phôi tấm nhằm nghiên cứu ảnh hưởng của một số thông số công nghệ và kích thước hình học cối đến khả năng tạo hình trong dập thủy tĩnh phôi tấm.
Trang 1BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
Trang 2Công trình được hoàn thành tại:
Trường Đại học Bách khoa Hà Nội
Người hướng dẫn khoa học:
Hà Nội
Vào hồi …… giờ, ngày … tháng … năm ………
Có thể tìm hiểu luận án tại thư viện:
1 Thư viện Tạ Quang Bửu - Trường ĐHBK Hà Nội
2 Thư viện Quốc gia Việt Nam
Trang 3A MỞ ĐẦU
1 Lý do lựa chọn đề tài
Dập thủy tĩnh (DTT) phôi tấm là một hướng nghiên cứu trong công nghệ dập tạo hình bằng chất lỏng cao áp Công nghệ này cho phép dập các chi tiết rỗng, đặc biệt chi tiết có hình dạng phức tạp ngay cả đối với các vật liệu khó biến dạng Ở Việt Nam,
đã có một số công trình nghiên cứu về công nghệ DTT, tuy nhiên
để có thể ứng dụng vào thực tiễn sản xuất cần phải có những nghiên cứu chuyên sâu để có thể làm chủ công nghệ này Do vậy
“Nghiên cứu ảnh hưởng của một số thông số công nghệ và kích thước hình học cối đến khả năng tạo hình trong dập thủy tĩnh phôi tấm” sẽ là trọng tâm và mục tiêu nghiên cứu của luận án
2 Mục đích, đối tượng và phạm vi nghiên cứu của luận án
• Mục đích của luận án
Nghiên cứu ảnh hưởng của một số thông số công nghệ và kích thước hình học cối đến khả năng tạo hình trong dập thủy tĩnh phôi tấm
• Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của luận án
Đối tượng cụ thể: chi tiết dạng trụ như hình 1.26
Phạm vi nghiên cứu được giới hạn trong miền:
- Vật liệu thép tấm DC04
- Chiều dày phôi: So = (0.8; 1.0; 1.2) mm ứng với chiều dày tương đối S* = 0.73; 0.91; 1.09 (với đường kính phôi ban đầu Do = 110 mm)
- Chiều sâu tương đối của cối: H*= h/d*100 = 23; 26; 29 (Tương ứng với các chiều sâu h = 16; 18; 20 mm và đường kính cối d = 70 mm)
- Áp suất tạo hình (áp suất lòng cối) Pth = 0÷600 bar
- Áp suất chặn (lực đóng khuôn) Qch= 0 ÷150 bar
3 Phương pháp nghiên cứu
Phương pháp nghiên cứu được sử dụng là kết hợp giữa nghiên cứu phân tích lý thuyết, mô phỏng số với nghiên cứu thực nghiệm
4 Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn
• Ý nghĩa khoa học
- Xây dựng và phát triển cơ sở khoa học để giải thích ảnh hưởng của thông số hình học của khuôn; thông số hình học của
Trang 4phôi và thông số công nghệ cơ bản trong dập thủy tĩnh phôi tấm
- Xây dựng được mối quan hệ giữa lực chặn phôi, chiều sâu tương đối của cối và chiều dày tương đối của phôi với áp suất chất lỏng tạo hình, bán kính đáy sản phẩm và mức độ biến mỏng
• Ý nghĩa thực tiễn
- Kết quả nghiên cứu của luận án có thể định hướng cho triển khai áp dụng trong thực tiễn sản xuất Có thể áp dụng vào sản xuất các sản phẩm dạng tấm tương tự với dải kích thước phù hợp Ngoài ra, với các sản phẩm có kích thước lớn hơn, phương pháp nghiên cứu của luận án cũng có thể được áp dụng để nghiên cứu và sản xuất trong thực tiễn
- Góp phần xây dựng hệ thống thí nghiệm dập thủy tĩnh phục vụ cho nghiên cứu và đào tạo Hệ thống thí nghiệm của luận
án có thể được dùng để nghiên cứu và phát triển các vấn đề khác trong DTT phôi tấm Ngoài ra, hệ thống cũng có thể được sử dụng như một thiết bị thí nghiệm phục vụ cho sinh viên đại học
và học viên cao học để hiểu hơn về công nghệ DTT
5 Các đóng góp mới của luận án
- Xác định được mối quan hệ giữa áp suất chặn, chiều sâu tương đối của cối, chiều dày tương đối của phôi với áp suất tạo hình, mức độ biến mỏng lớn nhất của sản phẩm, bán kính đáy sản phẩm làm cơ sở tiến hành tối ưu hóa các thông số công nghệ khi dập chi tiết dạng trụ;
- Phân tích và xác định ảnh hưởng của các thông số công nghệ, kích thước hình học cối tới việc hình thành bán kính đáy sản phẩm và mức độ biến mỏng của sản phẩm
Trang 5B NỘI DUNG CHÍNH CỦA LUẬN ÁN
Chương 1 TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ DẬP TẠO HÌNH BẰNG CHẤT LỎNG CAO ÁP
1.1 Khái quát công nghệ dập bằng chất lỏng cao áp
Dập tạo hình bằng chất lỏng cao áp (HPF – High Pressure Forming) là một quá trình tạo hình vật liệu bằng việc sử dụng chất lỏng có áp suất cao tác dụng trực tiếp vào bề mặt phôi, làm biến dạng dẻo phôi theo biên dạng của cối (Dập thủy tĩnh) hoặc biên dạng của chày kết hợp với một số chuyển động của khuôn (Dập thủy cơ)
1.1.1 Công nghệ dập thủy cơ
Dập thủy cơ (DTC) là phương pháp tạo hình vật liệu nhờ nguồn chất lỏng cao áp được sinh ra do chuyển động cơ khí của dụng cụ tạo hình
1.1.2 Công nghệ dập thủy tĩnh
Dập thủy tĩnh (DTT) là công nghệ sử dụng nguồn chất lỏng công tác có áp suất cao (dầu, nước) có chức năng như chày dập tạo hình, tác dụng trực tiếp vào bề mặt phôi tấm hoặc phôi ống làm biến dạng phôi theo biên dạng của lòng cối để tạo hình chi tiết
Hình 1 3 Sơ đồ quá trình tạo hình thủy tĩnh phôi tấm [65]
1.2 Tổng quan về kết quả nghiên cứu về công nghệ dập thủy tĩnh phôi tấm
1.2.1 Trên thế giới
Qua khảo sát các tài liệu, bài báo công bố trong vòng 30 năm qua
và đặc biệt trong 5 năm trở lại đâu có thể tổng kết, các nhà khoa học trên thế giới tập cung vào các vấn đề sau:
- Công nghệ và các thông số cơ bản
- Các phương pháp tạo hình
- Phát triển thiết bị và khuôn
Trang 6- Vật liệu sử dụng cho DTT
1.2.2 Tại Việt nam
Với những ưu điểm nổi trội so với công nghệ GCAL truyền thống, công nghệ dập bằng chất lỏng cao áp đã được các nhà khoa học tại Việt Nam quan tâm từ khoảng hơn 10 năm trở lại đây, các nghiên cứu chủ yếu tập trung vào khảo sát quá trình DTT phôi ống, quá trình DTC Tuy nhiên, nghiên cứu riêng về công nghệ DTT để chế tạo các chi tiết từ phôi tấm tại Việt Nam vẫn còn mới, những nghiên mới chỉ ở giai đoạn tìm hiểu công nghệ ban đầu
1.3 Phân tích đánh giá các nghiên cứu hiện nay
Những vấn đề đã được các tác giả trong nước và trên thế giới thực hiện bao gồm:
- Đã có những nghiên cứu cơ sở lý thuyết, ứng suất, các nghiên cứu về trạng thái phá hủy trong DTT phôi tấm; đã nghiên cứu về các phương pháp DTT nhằm làm tăng năng suất cũng như khả năng tạo hình như dập cặp chi tiết, DTT kết hợp dập vuốt thuông thường, DTT kết hợp DTC; phương pháp gia nhiệt trong quá trình DTT phôi tấm ;
- Xây dựng được hệ thống chặn thông minh, điều khiển theo hành trình, hệ thống chặn đàn hồi nhằm làm tăng mức độ kéo phôi trong quá trình DTT;
Những vấn đề chưa được khai thác rõ hoặc chưa được nghiên cứu bao gồm:
- Đối với chi tiết dạng trụ, cơ chế tạo hình khác so với chi tiết dạng cầu, tuy nhiên chưa có nghiên cứu nào làm rõ vấn đề này;
- Chưa có công trình nào làm rõ mối quan hệ giữa các yếu tố
về thông số công nghệ, hình dạng hình học cối tới khả năng tạo hình sản phẩm trụ một cách khái quát, cụ thể giữa các yếu tố áp suất chặn, chiều sâu tương đối của cối, chiều dày tương đối của phôi tới việc chất lượng sản phẩm (cụ thể là bán kính đáy sản phẩm và mức độ biến mỏng lớn nhất)
- Tại Việt Nam, việc thiết kế, xây dựng, chế tạo hệ thống khuôn dập tích hợp với hệ thống đo có khả năng triển khai thực tiễn là vấn đề rất quan trọng để nghiên cứu công nghệ DTT, tuy nhiên cũng chưa có hệ thống thiết bị phù hợp cho DTT chi tiết trụ;
Trang 7Luận án sẽ tập trung nghiên cứu xác định mối quan hệ giữa các thông số công nghệ và thông số hình học khuôn để tạo hình khi DTT phôi tấm, từ đó xác định chế độ công nghệ hợp lý nhằm đạt được độ chính xác sản phẩm cao nhất
1.4 Cơ sở lý thuyết về dập thủy tĩnh phôi tấm
1.4.1 Quá trình DTT phôi tấm
Quá trình DTT phôi tấm có thể chia thành 3 giai đoạn chính:
- Giai đoạn 1: đóng khuôn Phôi tấm được định vị và kẹp chặt giữa vành cối và tấm chặn nhờ lực chặn, sau đó chất lỏng được bơm vào khuôn, tác dụng vào bề mặt phôi tấm
- Giai đoạn 2: tạo hình tự do Phôi tấm bị kéo vào lòng cối dưới tác dụng của áp suất chất lỏng, phôi phồng lên và hình thành dạng chỏm cầu
- Giai đoạn 3: điền đầy lòng khuôn Áp suất chất lỏng tăng cao, đủ lớn để ép phôi kim loại biến dạng vào các vị trí góc lượn đáy cối và tạo ra hình dạng sản phẩm
1.4.2 Giai đoạn biến dạng tự do
Giai đoạn biến dạng tự do được bắt đầu từ khi phôi bị phồng dưới tác dụng của áp suất chất lỏng cho đến khi phôi chạm vào đáy cối
1.4.3 Giai đoạn điền đầy lòng khuôn
Khi điền đầy lòng khuôn, áp suất chất lỏng sẽ tăng cao hơn nhiều
so với giai đoạn biến dạng tự do
1.5 Xác định mục tiêu và đối tượng nghiên cứu của luận án
+ Mục tiêu nghiên cứu cụ thể bao gồm:
- Xác định ảnh hưởng của áp suất chặn Qch, chiều sâu tương đối của cối H* và chiều dày tương đối của phôi S* tới áp suất chất lỏng tạo hình cần thiết
- Xác định ảnh hưởng của các thông số Qch, H*, S* tới việc hình thành bán kính đáy sản phẩm Rd
- Xác định ảnh hưởng của các thông số Qch, H*, S* tới mức độ biến mỏng lớn nhất của sản phẩm γmax
- Xây dựng hệ thống khuôn, thiết bị phù hợp với điều kiện nghiên cứu và ứng dụng
+ Đối tượng nghiên cứu:
- Chi tiết có dạng trụ, kích thước như hình 1.26
- Vật liệu: DC04 với dải chiểu dày (0.8 ÷ 1.2) mm
Trang 8Hình 1 26 Chi tiết lựa chọn để nghiên cứu
Kết luận chương 1
Qua phân tích về các nghiên cứu về công nghệ DTT trong nước và trên thế giới cho thấy công nghệ này có nhiều ưu điểm trong việc tạo hình các chi tiết từ phôi tấm
Thông qua nghiên cứu tổng quan, luận án xác định được nội dung, mục tiêu và đối tượng cần nghiên cứu
Từ nghiên cứu lý thuyết cho thấy, chưa có mô hình toán học
để xác định mối quan hệ giữa các thông số (Qch, H*, S*) với các thông số (Rd, γmax, Pth) Do vậy cần thiết phải sử dụng mô phỏng
số để xác định xu hướng ảnh hưởng cũng như giới hạn vùng làm việc của các thông số công nghệ, phục vụ nghiên cứu thực nghiệm
Chương 2 NGHIÊN CỨU BẰNG MÔ PHỎNG SỐ QUÁ
TRÌNH DẬP THỦY TĨNH PHÔI TẤM
2.1 Mô phỏng số trong Gia công áp lực
Có hai phương pháp mô phỏng được sử dụng có hiệu quả trong ngành Gia công áp lực là mô phỏng vật lý và MPS
2.2 Nghiên cứu quá trình dập thủy tĩnh phôi tấm với phần mềm Dynaform
2.2.1 Lựa chọn chi tiết
Chi tiết cần khảo sát được lựa chọn như hình 1.33
Với kích thước sản phẩm lựa chọn ta có:
Trang 9Vật liệu DC04 đang xét có hệ số dập vuốt tới hạn [m] = 0.53, như vậy việc lựa chọn kích thước sản phẩm và phôi có hệ số dập vuốt m=0.63 là hợp lý để sản phẩm được tạo hình trong một lần dập
ρ (kg/cm3)
GOST 08kp 314-412 210-280 38 7.8*10-3
Russia-2.2.3 Thiết lập bài toán quá trình tạo hình
a) Xây dựng mô hình hình học
b) Mô hình vật liệu biến dạng
Vật liệu DC04 được cán nguội, sau đó được ủ Nên khi kéo theo các phương thì sự sai lệch về ứng suất không nhiều Do vậy giả thiết vật liệu đẳng hướng Đường cong ứng suất- biến dạng khi kéo vật liệu như hình 2.3
Hình 2.3 Đường cong ứng suất – biến dạng của vật liệu DC04
c) Thiết lập điều kiện biên
- Điều kiện tiếp xúc: nên hệ số ma sát giữa phôi và bề mặt cối cũng như giữa phôi là tấm chặn lựa chọn là µ = 0.2
- Điều kiện biên chuyển vị:
Cối đứng yên; Phôi bị kéo vào lòng cối dưới tác dụng của áp suất chất lỏng; Quá trình kết thúc khi phôi điền đầy cối
- Điều kiện biên áp suất chặn và áp suất tạo hình:
Áp suất chặn: Việc lựa chọn giá trị áp suất chặn đưa vào phần mềm dựa vào các nghiên cứu trên thế giới [57, 86] cho sản phẩm
Trang 10có kích thước tương tự và khảo sát cụ thể miền giá trị phù hợp bằng mô phỏng thử nghiệm
Áp suất chất lỏng: Lựa chọn giá trị áp suất chất lỏng tạo hình dựa trên các nghiên cứu cho sản phẩm có kích thước tương tự [57, 86] và quá trình thử nghiệm mô phỏng
d) Chọn bài toán
Mô hình sau khi được thiết lập vào Dynaform có thể tiến hành tính toán mô phỏng Mô hình bài toán được lựa chọn là DTT tấm đơn
2.2.4 Các thông số đầu vào và đầu ra của bài toán mô phỏng
Bảng 2.6 Thông số công nghệ số đầu vào
Áp suất chặn phôi Qch Qch = 25÷ 125 (bar)
Bảng 2.7 Các thông số mục tiêu đầu ra trong quá trình tạo hình
Áp suất chất lỏng tạo hình Pth (bar)
Trang 11- Tạo hình được sản phẩm phải có dạng hình trụ với bán kính đáy Rd
Bảng 2.7 Các miền giá trị khảo sát của áp suất chặn và áp suất
chiều sâu tương đối của cối là Q ch = (80 ÷ 115) bar
2.2.6 Khảo sát quan hệ giữa áp suất chặn Q ch và áp suất tạo hình P th
Từ kết quả khảo sát miền giá trị mô phỏng trên, mối quan
hệ giữa áp suất chặn và áp suất tạo hình được thiết lập
Trang 12Hình 2 9 Đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa Q ch và P th khi S* =0.91
Nhận xét chung: Qua các đồ thị hình 2.8, 2.9, 2.10 cho thấy
xu hướng áp suất chặn tăng thì áp suất chất lỏng tạo hình cũng tăng lên Qua khảo sát, dải áp suất tạo hình phù hợp cho cả 3 loại chiều dày phôi được lựa chọn là Pth = (350 ÷ 550) bar
2.2.7 Khảo sát quan hệ áp suất chặn Q ch với bán kính sản phẩm R d
Qua khảo sát đã xây dựng được đồ thị quan hệ của áp suất tạo hình Pth và bán kính bán kính đáy sản phẩm Rd như sau:
Trang 13Hình 2.13 Mối quan hệ giữa Qch và Rd khi chiều dày tương đối của
9,00 10,00
Trang 14- Các dạng đường đồ thị thể hiện quan hệ giữa áp suất chặn phôi Qch và bán kính đáy Rd ở các trường hợp chiều dày tương đối thay đổi và chiều sâu tương đối thay đổi là tương tự như nhau
- Ảnh hưởng của áp suất chặn Qch đến bán kính đáy sản phẩm
Rd chia làm 2 giai đoạn:
Giai đoạn 1: áp suất chặn tăng thì bán kính đáy giảm thể hiện
ở nửa đường đồ thị bên trái các hình 2.13; 2.14; 2.15 Nguyên nhân do lực chặn hợp lý khi tăng dần, phôi dễ kéo vào lòng cối nên ngày càng áp sát theo biên dạng đáy cối
Giai đoạn 2: áp suất chặn tăng thì bán kính đáy tăng lên, thể hiện ở nửa đường đồ thị bên phải các hình 2.13; 2.14; 2.15 Ở đây, nguyên nhân do áp suất chặn tăng, phôi khó kéo vào hơn nên việc áp sát biên dạng lòng cối cũng khó hơn
2.2.8 Khảo sát ảnh hưởng của áp suất chặn Q ch đến mức độ biến mỏng của sản phẩm dập
Xét trong miền áp suất chặn khảo sát: Qch = (80 ÷ 115) bar
Hình 2.16 Phân bố biến mỏng biến dày tại Q ch = 90 bar
- Từ kết quả mô phỏng cho thấy, chi tiết bị biến mỏng lớn nhất tại vùng đáy sản phẩm (vùng màu đỏ)
- Chi tiết bị tăng dày phần ngoài biên vành, điểm này giống với công nghệ dập vuốt truyền thống
- Dựa vào ảnh đồ, xác định được vùng có mức độ biến mỏng lớn nhất, và giá trị biến mỏng cao nhất thể hiện trên cột chỉ màu Đây cũng là giá trị được sử dụng để xác định mức độ biến mỏng lớn nhất γmax
Trang 15Hình 2 17 Mối quan hệ giữa biến mỏng lớn nhất γ max và
Trang 16Từ các đồ thị hình 2.17, 2.18, 2.19 cho thấy mức độ biến mỏng lớn nhất γmax phụ thuộc vào áp suất chặn phôi Qch, áp suất chặn phôi tăng thì mức độ biến mỏng lớn nhất sẽ tăng
Ở cùng chiều sâu tương đối của cối H*, cùng áp suất chặn
Qch, mức độ biến mỏng lớn nhất γmax phụ thuộc vào chiều dày tương đối S* của phôi Chiều dày tương đối của phôi S* càng lớn thì mức độ biến mỏng lớn nhất γmax càng giảm
Ở cùng chiều dày tương đối S* được xét, cùng áp suất chặn
Qch, mức độ biến mỏng lớn nhất γmax phụ thuộc vào chiều sâu tương đối của cối H* Chiều sâu tương đối H* tăng thì mức độ biến mỏng lớn nhất γmax cũng tăng lênChiều sâu tương đối tăng thì mức độ biến mỏng cũng tăng
Kết luận chương 2
- Kết quả MPS cho thấy được xu hướng mối quan hệ giữa các yếu tố được xét (Qch, H*, S*) với các yếu tố mục tiêu (Rd,
γmax, Pth) Điều này giúp định hướng việc đánh giá kết quả về mức
độ cũng như ảnh hưởng của các yếu tố khảo sát sau này
- Miền áp suất chặn hợp lý tìm được là Qch = (80 ÷ 115) bar, tương ứng với miền giá trị áp suất tạo hình Pth = (350 ÷ 550) bar
sẽ làm cơ sở quan trọng cho việc xây dựng hệ thống thí nghiệm
và khảo sát thực nghiệm ở các chương sau
Chương 3 HỆ THỐNG THỰC NGHIỆM
3.1 Xây dựng hệ thống thực nghiệm
Căn cứ vào các nghiên cứu về hệ thống thiết bị trong công nghệ dập thủy tĩnh và yêu cầu của các thông số công nghệ cần khảo sát, hệ thống thực nghiệm bao gồm 04 môđun được xây
dựng như trên sơ đồ hình 3.1