Tóm tắt luận án: Nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số công nghệ và hình học đến độ chính xác của chi tiết khi dập khối trong khuôn kín.

Nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số công nghệ và hình học đến độ chính xác của chi tiết khi dập khối trong khuôn kín.Nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số công nghệ và hình học đến độ chính xác của chi tiết khi dập khối trong khuôn kín.Nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số công nghệ và hình học đến độ chính xác của chi tiết khi dập khối trong khuôn kín.Nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số công nghệ và hình học đến độ chính xác của chi tiết khi dập khối trong khuôn kín.Nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số công nghệ và hình học đến độ chính xác của chi tiết khi dập khối trong khuôn kín.

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

NGUYỄN QUANG THẮNG

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC THÔNG SỐ CÔNG NGHỆ VÀ HÌNH HỌC ĐẾN ĐỘ CHÍNH XÁC CỦA CHI TIẾT KHI DẬP KHỐI TRONG KHUÔN KÍN

Ngành: Kỹ thuật vật liệu

Mã số: 9520309

TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT VẬT LIỆU

Hà Nội – 2021

Công trình được hoàn thành tại TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

Người hướng dẫn khoa học:

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

MỞ ĐẦU

1.Tính cấp thiết của đề tài

Hiện nay, hầu hết các chi tiết truyền động được dập tạo hình từphôi đặc và trải qua các nguyên công cơ bản như chuẩn bị phôi, nungphôi, các nguyên công tạo hình sơ bộ, dập thô, dập tinh, các nguyêncông hoàn thiện Tuy nhiên việc làm chủ công nghệ để nâng caonăng suất, chất lượng sản phẩm, tạo hình các chi tiết phức tạp, với độchính xác là vấn đề khó đang được quan tâm của ngành gia công áplực Việc tính toán chính xác hình dạng phôi, dụng cụ gia công vàkiểm soát được các thông số trong quá trình gia công khi tiến hànhdập tạo hình chính xác chi tiết thường khó khăn và cho đến nay chưa

có nghiên cứu cụ thể nào cho phép tính toán lựa chọn đồng thời cácyếu tố kể trên để nâng cao độ chính xác chi tiết dập

Chính vì vậy, việc đặt ra mục tiêu nghiên cứu ảnh hưởng củakích thước hình học phôi, hình dạng dụng cụ gia công, thông số côngnghệ rất có ý nghĩa, vừa đóng góp về mặt học thuật các kiến thứcmới về công nghệ dập tạo hình khối, vừa có ý nghĩa thực tiễn trongviệc tiết kiệm vật liệu, năng lượng khi tạo hình, rút ngắn thời gian vàqui trình công nghệ nâng cao chất lượng chế tạo các chi tiết truyềnđộng trong các thiết bị máy móc cơ khí

2.Mục đích, đối tượng và phạm vi nghiên cứu của đề tài

2.1Mục đích nghiên cứu

-Xác định quy luật ảnh hưởng của các thông số hình học phôi,thông số hình học dụng cụ gia công và thông số công nghệ đến độchính xác của sản phẩm khi dập tạo hình trong khuôn kín

-Thiết lập mối quan hệ giữa mức độ điền đầy ở vị trị vành mặtbích sản phẩm - bán kính góc lượn r (bán kính r) và lực tạo hình, phụthuộc vào thông số hình học phôi, dụng cụ gia công và thông số côngnghệ của quá trình dập dựa trên mô phỏng số kết hợp với thựcnghiệm

-Đánh giá khả năng ứng dụng của kết quả nghiên cứu chế tạochi tiết khớp nối đạt độ chính xác cao

2.2Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

-Đối tượng:

+ Chi tiết khớp nối trong hệ thống truyền động của xe ô tô;+ Công nghệ dập khối trong khuôn kín để nâng cao độ chính xáccho chi tiết;

+ Ứng dụng phần mềm mô phỏng số Deform3D để nghiên cứuảnh hưởng của các thông số công nghệ và hình học đến độ chính xácchi tiết khi dập khối trong khuôn kín.

-Phạm vi nghiên cứu:

+ Miền giá trị các thông số hình học ban đầu của phôi (H/D = 1,4đến 2,0; chày dập có góc nghiêng α = 60 đến 90; hệ số ma sát µ trongdập nóng từ 0,3 đến 0,6

+ Đánh giá độ chính xác kích thước, khả năng tạo hình điền đầysản phẩm thông qua thông số bán kính góc lượn r (trên vành mặtbích) và lực dập tạo hình

3.Phương pháp nghiên cứu

Kết hợp nghiên cứu lý thuyết với mô phỏng và thực nghiệm:

4.Ý nghĩa của đề tài

4.1Ý nghĩa khoa học

-Phân tích đánh giá ảnh hưởng của các thông số hình học phôi(H/D), hệ số ma sát (μ), thông số hình học chày (α) đến độ chính xác

và lực tạo hình chi tiết khớp nối khi dập khối trong khuôn kín;

-Bằng mô phỏng số đã khảo sát, qua đó tìm ra quy luật, dự báo

và giải thích được xu hướng dòng chảy kim loại khi dập trong khuônkín;

-Các kết quả nghiên cứu đóng góp thêm vào cơ sở khoa học chocác hướng nghiên cứu chuyên sâu tiếp theo và có thể sử dụng làm tàiliệu tham khảo trong đào tạo chuyên ngành tạo hình biến dạng

4.2Ý nghĩa thực tiễn

-Dựa trên mối quan hệ giữa các thông số được khảo sát, có thểlựa chọn thông số công nghệ hợp lý và định hướng cho triển khai ápdụng vào thực tiễn khi sản xuất các chi tiết tương tự, đòi hỏi độ chínhxác cao

-Xây dựng được hệ thống thực nghiệm phù hợp với điều kiệnsẵn có, làm cơ sở để định hướng khi triển khai trong công nghiệpphục vụ chủ động sản xuất trong nước

5.Các điểm mới của luận án

-Xây dựng được miền giá trị H/D, thông số hình học chày, hệ số

ma sát dựa trên mô phỏng số để đảm bảo mức độ điền đầy lòngkhuôn và lực tạo hình

-Xây dựng mô hình toán học biểu diễn ảnh hưởng đồng thời củacác thông số công nghệ và hình học đến mức độ điền đầy và lực tạo

hình.

-Đánh giá độ chính xác khi dập chi tiết đầu khớp nối thông quathực nghiệm và so sánh với mô phỏng Kết quả chi tiết đạt độ chínhxác yêu cầu, khẳng định tính công nghệ là phù hợp.

6.Các nội dung chính trong luận án

Luận án ngoài các mục quy định và phần Mở đầu được trình bàytrong 04 Chương:

Chương 1 Tổng quan về công nghệ dập khối trong khuôn kín Chương 2 Cơ sở lý thuyết công nghệ dập khối trong khuôn kín Chương 3 Nghiên cứu ảnh hưởng của các yếu tố đến độ chính xác

chi tiết khớp nối khi dập trong khuôn kín bằng mô phỏng số

Chương 4 Thực nghiệm kiểm chứng

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ DẬP KHỐI

1.2.2 Dập khối trong khuôn kín

Dập khối trong khuôn kín là phương pháp công nghệ có nhiều ưuđiểm nổi bật so với các loại hình công nghệ khác như: tiết kiệmnguyên vật liệu, hiệu quả về mặt kinh tế, năng suất cao

Hình 1 1 Dập khối có thể tiết kiệm đến từ 30 - 75% nguyên vật liệu

Hình 1 2 Các yếu tố của công nghệ dập trong khuôn kín

Các khía cạnh nghiên cứu về công nghệ dập khối trong khuônkín có thể kể đến như (hình 1.2): thông số công nghệ quá trình dập;thông số hình học của phôi; độ chính xác của thiết bị và khuôn.Dập khối trong khuôn kín thường được ứng dụng để chế tạo các

bộ truyền động, thường có dạng tròn xoay đối xứng Hiện nay, hầuhết các chi tiết này đều được dập khối qua các nguyên công: nung,chồn cục bộ, dập khối trong khuôn kín hoặc ép chảy, gia công cơ vànhiệt luyện

1.2Các nghiên cứu trong, ngoài nước về dập khối trong khuôn kín

1.2.1Các nghiên cứu ở nước ngoài

Đầu tiên có thể kế đến các nghiên cứu về khuôn dập, các tác giảMurai, E và Gronostajski cùng các cộng sự đã công bố các công trìnhnghiên cứu tính toán chính xác dụng cụ gia công trong dập khốitrong khuôn kín

Hình 1 3 Các dạng chày được sử dụng để gia công chi tiết

Ngoài ra độ chính xác của sản phẩm trong công nghệ dập khốitrong khuôn kín còn phụ thuộc vào hình dáng của chày dập

Hình 1.4 các hình dạng của chày gia công

Thứ hai, các công trình nghiên cứu về yếu tố tính toán về phôidập Tác giả Brito, L.M.H đã công bố các công trình nghiên cứu

trong quy trình dập trong khuôn kín dập chất lượng của phôi rất quantrọng vì nó quyết định đến độ chính xác của chi tiết.

Hình 1.5 Phôi qua các bước tạo hình

Như đã trình bày ở phía trên, mối quan hệ giữa thể tích của phôi

và khối lượng vật dập là rất quan trọng Trong dập khối trong khuônkín, dung sai khối lượng phôi cho phép ± 0,5 và ± 1%, nếu phôi quálớn có thể gây quá tải phá hủy kết cấu khuôn, nếu bề mặt phôi đượcgia công có độ chính xác không cao thì chất lượng vật dập cũngkhông cao

Hình 1 6 Các kiểu hình dáng phôi được lựa chọn

Nếu hình dạng của phôi là phức tạp, phân phối thể tích trongphôi cũng quan trọng để đảm bảo dòng chảy kim loại phù hợp trongquá trình dập Phôi càng gần với hình dạng chi tiết khi dập độ chínhxác càng cao Bên cạnh đó việc định vị phôi cũng quyết định đến độchính xác của vật dập cũng như độ bền của khuôn và sự phân bốđồng đều của dòng chảy kim loại khi dập

Hình 1 7 Biến dạng của phôi hình trụ bị định vị lệch tâm

Thứ ba, các nghiên cứu cũng chỉ ra ảnh hưởng của bôi trơn trongquá trình dập khối trong khuôn kín Tác giả Gronostajski, Z, M.Hawryluk và M Irani, R.A.N., T Dallali Isfahani đã công bố cáccông trình nghiên cứu tính toán về ảnh hưởng của chất bôi trơn đến

quá trình dập, đây là yếu tố khó tính toán nhất Tuy nhiên, bôi trơn làmột trong

những yếu tố quan trọng đối với quá trình dập khối trong khuôn kín.Bôi trơn ảnh hưởng đến tải trọng dập, mức độ mà kim loại điền đầylòng khuôn, tính đồng nhất của cấu trúc và chất lượng bề mặt của vậtdập sản phẩm.

Thứ tư, các tác giả cũng công bố các nghiên cứu về ảnh hưởngcủa nhiệt độ đến dập khối trong khuôn kín Tác giả B A Behrens,D.O hay nhóm tác giả N Ogawa, M Shiomi *, K Osakada đã công

bố các kết quả nghiên cứu tính toán nhiệt độ của phôi là một biến sốquan trọng trong dập khối trong khuôn kín Tức là yêu cầu việc kiểmsoát nhiệt độ trong toàn bộ quá trình dập Vì thế việc tính toán nhiệt

độ phôi trong quá trình dập là yêu cầu bắt buộc

Thứ năm, yếu tố ảnh hưởng đến dập khối trong khuôn kín được

kể đến là thiết bị dập Không có một loại thiết bị dập nào là tốt nhấtcho tất cả các ứng dụng dập khối trong khuôn kín Máy ép trụckhuỷu dập nóng được cho là phù hợp hơn cả để tiến hành dập khốitrong khuôn kín Lực tác động nhanh, dụng cụ ít bị ảnh hưởng bởiquá trình truyền nhiệt của phôi

Thứ sáu, theo kết quả nghiên cứu của tác giả Senyong Chen chothấy, với sự gia tăng tốc độ dập, yêu cầu lực dập tăng đáng kể Tốc

độ dập cao dẫn đến trầy xước nghiêm trọng trên bề mặt sản phẩm

Do lực dập rất lớn, ứng suất cắt giữa phôi và khuôn cao Ứng suất cắtnày đã phá vỡ sự bám dính giữa lớp phủ phốt phát trên các bề mặt

Nó còn chỉ ra rằng ứng suất cắt trong phần này không ảnh hưởng

Hình 1 8 Biểu đồ mối quan hệ giữa lực dập và tốc độ dập

1.2.2Tình hình nghiên cứu trong nước

Tác giả Nguyễn Trung Kiên có nghiên cứu, thiết kế công nghệ vàkhuôn dập khối khối trong khuôn kín chi tiết bánh răng côn bằng môphỏng hay tác giả Lý Thị Thanh Huyền có nghiên cứu công nghệ dậptạo hình chính xác ở trạng thái nửa nóng Kết quả nghiên cứu mớidừng lại ở việc mô phỏng

Hình 1 9 Hình ảnh mô phỏng chi tiết chữ thập

Trong công nghệ dập khối trong khuôn kín cần phải tính toán chính xác các yếu tố bao gồm: thể tích phôi; nhiệt độ phôi và thiết bị tạo hình; tốc độ dập; định vị phôi trong lòng khuôn, bôi trơn trong quá tình dập; độ chính xác của dụng cụ gia công; đàn hồi của máy, Tuy vậy, đến nay trên thế giới và Việt Nam vẫn chưa có những nghiêncứu nào đánh giá đầy đủ ảnh hưởng đồng thời của các yếu tố kể trên đến việc dập tạo hình các chi tiết trong khuôn kín, để từ đó tối ưu các thông số đầu vào nhằm nâng cao độ chính xác của chi tiết khi tạo hìnhbằng phương pháp này và có thể áp dụng thành công trong sản xuất công nghiệp Điều khó khăn nhất trong công nghệ này là phải tính toán được chính xác về hình dáng phôi ban đầu, thông số của dụng cụtạo hình cũng như kiểm soát được các yếu tố công nghệ trong quá

trình dập KẾT LUẬN CHƯƠNG 1

Qua nghiên cứu tổng quan về công nghệ dập khối trong khuônkín có thể thấy trên thế giới có nhiều công trình được công bố, tuynhiên ở Việt Nam các nghiên cứu về lĩnh vực này còn chưa nhiều đểgiải quyết các vấn đề trên Luận án sẽ tập trung vào những nội dungnghiên cứu sau đây:

-Cơ sở lý thuyết của công nghệ dập khối trong khuôn kín

-Thiết lập mô hình bài toán dập khối trong khuôn kín

-Mô phỏng số dập chi tiết khớp nối bằng phần mềm Deform 3D

-Nghiên cứu ảnh hưởng của thông số hình học của phôi (H/D), masát trong quá trình dập (µ), thông số hình học của dụng cụ (gócnghiêng chày α) đến bán kính góc lượn r (mức độ điền đầy sảnphẩm) và lực dập tạo hình

-Xây dựng mô hình toán học biểu diễn mối quan hệ giữa các thông

số H/D, µ, α đến bán kính góc lượn r và lực dập tạo hình

-Đưa ra bộ thông số tối ưu phối hợp các yếu tố ảnh hưởng đến bánkính góc lượn r và lực dập tạo hình để tiến hành thực nghiệm kiểmchứng

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ CÔNG NGHỆ DẬP

KHỐI TRONG KHÔN KÍN

2.1Cơ sở lý thuyết tính toán về đặc tính điền đầy về dập khối

trong khuôn kín

2.1.1Đặc điểm chung

Khi dập việc lấp đầy các hốc khi trong dập trong khuôn kín đã

được tính toán Các thí nghiệm cho thấy ảnh hưởng của các dạng

hình học phôi khác nhau và sự bôi trơn ảnh hưởng đến mức độ điền

đầy các góc trong khuôn dập

2.1.2Các giả thiết tính toán

Mô hình phôi được dập trong khuôn bao gồm chày dập, đối áp

và khoang chứa

Hình 2 1 Góc không điền đầy khi dập chính xác trong khuôn kín

2.1.3 Tính toán các trường vận tốc trong quá trình biến dạng

Ba dạng biến dạng được giả định như hình vẽ

Hình 2.2 Giả thiết về các kiểu biến dạng khi dập trong khuôn kín

2.1.4Tính toán kích thước góc sản phẩm dập trong khuôn kín

2.1.5

Vận tốc chày dập được tính U 

U

t

(2.1)

Trong hình 2.2a, vùng I hoặc III biến dạng ở bất kỳ giai đoạnbiến dạng nào với tham số a là 0 hoặc 1 Đối với chuyển động của

ΔU, sự giảm kích thước góc DJ, JE, FK và KG tương ứng

P I

2

SbR

2.2.1Tính toán về lực dập

Tỉsố

2

b

 2

 1 , 5 l n

 2,16 n91

 5

n

về gó

c ng hiê

ng thà

nh lòn g khu ôn

b n

X

Thàn

H ì n h 2 4 Đ ồ t h ị t í n h g ó c n g h i ê n g t h

ành lòng khu





2.2.3Bán kính góc lượn

Bán kính góc lượn là phần bán kính chuyển tiếp giữa hai bề mặttrên khuôn Bán kính lượn hợp lý tạo thuận lợi cho quá trình chảy

dẻo kim loại và điền đầy lòng khuôn

Hình 2 5 Bán kính lượn trên khuôn

2.2.4Lỗ chưa thấu và màng ngăn lỗ

Lỗ chưa thấu được tạo thành khi dập khối để giúp tạo lỗ trên vậtdập về sau Trong lỗ chưa thấu còn chứa màng ngăn lỗ Phần nàythường được đột cùng với nguyên công cắt biên Màng ngăn lỗ: Phần

kim loại công nghệ còn lại trong lỗ sau khi dập

Hình 2 6 Các dạng lỗ chưa thấu và màng ngăn lỗ

2.2.5Biến dạng đàn hồi của máy ép trục khuỷu

2.3Các dạng khuyết tật trong quá trình dập khối trong khuôn kín

2.3.1Nứt ở bề mặt sản phẩm

2.3.2Khuyết tật gấp trong sản phẩm

2.3.3Khuyết tật vết xước sâu tạo rãnh trên bề mặt

2.3.4Khuyết tật không điền đầy khuôn

KẾT LUẬN CHƯƠNG 2

- Nghiên cứu cơ sở lý thuyết về biến dạng dẻo kim loại trongkhuôn kín, các yếu tố ảnh hưởng đến mức độ điền đầy lòng khuôn,

các giả thiết tính toán về kích thước góc của sản phẩm dập, làm cơ

sở cho việc nghiên cứu, tính toán, xây dựng bài toán mô phỏng vàthực nghiệm dập chi tiết khớp nối trong khuôn kín với vật liệu thépC45

-Nhiệt độ quá trình dập thép C45 được xác định từ cơ sở nghiêncứu của vật liệu học và thực tế sản xuất (T = 11500C), ngoài ra việcxác định nhiệt độ dập phù hợp nhất để đạt độ chính xác sản phẩm cóthể xác định bằng mô phỏng số.

-Cơ sở lý thuyết cho phép tính toán một số thông số như lựcdập, nhiệt độ phôi, bán kính góc lượn khuôn, góc nghiêng thành lòngkhuôn, biến dạng đàn hồi khung thân máy Tuy nhiên để giải quyếtbài toán cần sử dụng phối hợp phần mềm mô phỏng số và phân tích

lý thuyết kết hợp thực nghiệm là giải pháp phù hợp mang lại hiệuquả cao trong quá trình thực hiện

- Qua nghiên cứu về các khuyết tật thường gặp trong dập khốitrong khuôn kín có thể thấy được sự cần thiết phải tính toán chínhxác các thông số công nghệ, thông số hình học dụng cụ, đặc biệt độchính xác hình học của phôi dập, từ đó để tiến hành mô phỏng vàkiểm chứng bằng thực nghiệm

CHƯƠNG 3: NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC YẾU

TỐ ĐẾN ĐỘ CHÍNH XÁC CỦA CHI TIẾT KHỚP NỐI KHI DẬP TRONG KHUÔN KÍN BẰNG MÔ PHỎNG SỐ

3.1Ứng dụng mô phỏng số trong gia công áp lực

3.2Trình tự xây dựng bài toán mô phỏng số

3.3Thiết lập bài toán mô phỏng số với Deform 3D

3.3.1Mô hình hình học

Trên cơ sở tham khảo một số loại khớp nối truyền động, luận án

đã lựa chọn chi tiết khớp nối với kích thước cụ thể như hình 3.1

Hình 3 1 (a) kích thước khớp nối; (b) mô hình khớp nối 3D

Phôi sử dụng trong bài toán mô phỏng là dạng trụ tròn Kích thước phôi được xác định dựa vào điều kiện thể tích không đổi

Bảng 3 1 Các kích thước hình học của phôi dùng để mô phỏng