Báo cáo nghiên cứu khoa học: " NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG MỘT SỐ THÔNG SỐ ĐẾN LỰC DẬP VÀ KHẢ NĂNG ĐIỀN ĐẦY KHUÔN KHI DẬP PHÔI BÁNH RĂNG NÓN" ppsx

TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 5(34).2009

30
NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG MỘT SỐ THÔNG SỐ ĐẾN LỰC DẬP
VÀ KHẢ NĂNG ĐIỀN ĐẦY KHUÔN KHI DẬP PHÔI BNH RĂNG NN
AN INVESTIGATION INTO THE INFLUENCE OF SOME PARAMETERS
ON STAMPING FORCE AND DIE FILLING CAPACITY
IN A CONIC GEAR FORGING PROCESS

Lê Cung
Trường Đại học Bách khoa, Đại học Đà Nẵng
Lê Phước Hoàng
Trường Cao đẳng Công nghiệp, Huế

TÓM TẮT
Bài báo nhằm ứng dụng phần mềm DEFORM vào việc nghiên cứu ảnh hưởng của một
số thông số như hình dạng khuôn, kích thước phôi ban đầu, tốc độ biến dạng, kích thước và
hình dạng bavia, hệ số ma sát giữa kim loại và khuôn, nhiệt độ sấy khuôn… đến lực dập, năng
lượng tiêu tốn và quá trình điền đầy kim loại trong khuôn. Các mô phỏng số được áp dụng cụ
thể cho trường hợp dập nóng phôi bánh răng nón trong khuôn. Kết quả mô phỏ ng giúp người
thiết kế khuôn và qui trình công nghệ dập lựa chn hợp l hình dạng hình hc của khuôn , phôi
ban đầu cng như các thông số cơ bản của quá trình dập nóng phôi bánh răng nón.
ABSTRACT
The article deals with the application of DEFORM software to studying the influence of
some parameters such as die shapes, initial workpiece dimensions, strain velocity, flash
dimensions and shapes, frictional coefficient between metal and die, initial die temperature… on
stamping force, consumed energy and die filling process of metal. The digital simulations are
applied to the case of hot forging of a conic gear in die. The simulation results help the designer
of dies and forging technical processes choose the appropriate dimensions and geometrical
shapes of dies and initial workpiece as well as the basic parameters of the conic gear hot
stamping process.

1. Tng quan
Lc dp v kh năng đin đy khuôn khi dp nng chu nh hưng ca kh
nhiu thông s như hnh dng h nh hc ca khuôn , phôi ban đu , gc lượn ca khuôn ,
hình dng bavia, s bôi trơn v h s ma st , tc độ biến dng, nhit độ sấy khuôn…
Trưc đây, đ nghiên cu lc dp v kh năng đin đy khuôn , khuyết tt chi tiết sau
dp,… ngưi ta thưng tiến hnh th nghim mô phng qu trnh dp trên cc phôi bng
vt liu thay thế , d biến dng , có tính chất đồng dng vi kim loi lm phôi dp như
plasticine…[4]. Ngày nay, vi s h trợ ca my tnh , nhiu phn mm mô ph ng s
dng phương php phn t hu hn ra đi , cho php mô phng s qu trnh biến dng
khi dp nng trong khuôn , nh đ d dng la chn hợp l v ti ưu cc thông s ca
qu trnh dp , gim được thi gian v công sc thiết kế khuôn v qui trnh d p, gim
được gi thnh ,… như cc phn mm ALPID [1], DEFORM [2], FORGE2, FORGE3
[3]… Bên cnh cc phn mm s dng phương php phn t hu hn , một s phn
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 5(34).2009

31
mm s dn g phương php tng kết thc nghim như FORGEROND ra đi [4], [5].
Khc vi cc phn mm trên đây , FORGEROND cho php mô phng nhanh qu trnh
dp nng cc chi tiết dng trn xoay , nhm gip ngưi thiết kế khuôn v qui trnh dp
nhanh chng chn my , hình dng phôi, khuôn, cũng như cc thông s hợp l cho quá
trnh dp, xây dng nhanh bng chiết tnh gi thnh… nhm đp ng nhanh chng yêu
cu đt hng ca khch hng.
Bài báo nhm nghiên cu ng dng phn mm DEFORM-2D vào vic mô
phng s qu trnh dp nng phôi bnh răng nn , đồng thi nghiên cu nh hưng ca
một s thông s như hnh dng ca khuôn, phôi ban đu , bavia, vic bôi trơn v h s
ma sát, vic sấy khuôn, tc độ biến dng… đến lc dp v kh năng đin đy khuôn
trong qu trnh dp nng phôi bnh răng nn trong khuôn. Kết qu mô phng gip
ngưi thiết kế khuôn v qui trình công ngh dp la chn hợp l hnh dng hnh hc ca
khuôn, phôi ban đu cũng như cc thông s cơ bn ca qu trnh dp nng phôi bnh

răng nn.
2. Môi trưng lm vic ca phn mm DEFORM-2D
Phn mm DEFORM (Design Environment for FORMing) ca hãng Scientific
Forming Technology Corporation (Mỹ) cho phép mô phng s qu trnh biến dng kim
loi da trên phương php phn t hu hn [2], [6]. DEFORM có nhiu chc năng
phong ph, cho php quan st trưng ng suất, biến dng, nhit độ kim loi, mô phng
quá trình biến dng chi tiết khi dp nng, cho php xc đnh lc dp, năng lượng cn
thiết khi dp…











Lưu đồ mô phng qu trnh dp nng trong khuôn được mô t trên hnh 1. D
liu ban đu cn thiết cho qu trnh mô phng bao gồm: Thông s hnh hc: thông s
hình hc ca phôi v khuôn, Thông s qa trnh: nhit độ môi trưng, nhit độ phôi và
Thông số hình hc
Thông số quá trình
Thông số vật liệu
Mô hình
quá trình
Dòng kim loại của chi tiết
(sự điền đầy khuôn, sự
hình thành khuyết tật…)

Yêu cầu điều khiển thiết
bị (tải trng, hành
trình/thời gian, vận tốc)

Quá trình cơ nhiệt của chi
tiết (ứng suất, biến dạng,
tốc độ biến dạng…)
Các tính chất cấu trúc tế vi
(cỡ hạt, tỷ lệ kết tinh lại…)
Cấu trúc
tế vi
Các tham số tối ưu của quá trình
và các giới hạn điều khiển
Hình 1. Lưu đồ mô phỏng quá trình dập nóng trong khuôn
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 5(34).2009

32
khuôn, h s trao đi nhit phôi -khuôn, khuôn-môi trưng, thi gian chuyn phôi từ l
đến khuôn, h s ma st phôi -khuôn, vn tc chy ,… Thông s vt liu : nhit dung
riêng, gii hn đn hồi , gii hn do… D liu thu nhn được ca qu t rình mô phng
rất phong ph: dng kim loi, s phân b v qu trnh biến thiên ca cc biến trng thi
như biến dng, tc độ biến dng, nhit độ chi tiết v khuôn…, cc yêu cu điu khin
thiết b như ti trng, hnh trnh, tc độ biến dng, khuyết tt sn phẩm khi dp… Từ
các tham s đu ra ca qu trnh biến dng, ngưi thiết kế qui trnh công ngh dp d
dàng chn được cc tham s ti ưu cho qu trnh dp nng chi tiết.

3. Ảnh hưởng ca một số thông số đến quá trình rèn dập nóng phôi bánh răng nón
3.1. D liu mô phng số
Chúng tôi tiến hnh cc mô phng s s dng phn mm DEFORM 2D cho quá
trình rèn dp nng phôi bnh răng nn trong khuôn . Thông s hnh hc ca phôi bnh
răng nn, ca khuôn dp v ca phôi dp ban đu được mô t trên hình 2. Các d liu
ban đu s dng trong mô ph ng như sau: Vt liu phôi: thép C45 (E = 210.290N/mm
2
,
ν=0,3); vt liu khuôn: carbide (15% Cobalt, E = 524.002N/mm
2
, ν = 0,23); kch thưc
phôi ban đu: chiu cao H = 65mm, đưng knh 33,14mm; kiu mô phng: đẳng nhit;
nhit độ ban đu ca phôi: khong 900
0
C, nhit độ ban đu ca khuôn: khong 200
0
3.2. Nghiên cứu khả năng điền đầy kim loại trong các hốc khuôn
C ;
khong dch chuyn ca chày: 35 mm; máy nén thy lc: tc độ dch chuyn ca chy:
2mm/s; máy búa: năng lượng ba 17.500 KNmm; my p kiu vt: năng lượng chy:
10.000 KNmm. Các mô phng s từ đon 3.2 đến 3.6 được thc hin trên my p thy
lc.
Hình 3 và hình 5 mô t qu trnh đin đy kim loi trong khuôn dp tùy theo
đưng knh ban đu D ca phôi. Kho st ba trưng hợp khc nhau: D=33mm,
D=33,1mm và D=33,14mm, ta thấy rng khi D=33,14mm, kim loi được đin đy hon

35
φ37
φ62
φ33,14
φ34
φ44
φ62
65
100
R3
R2
R3
25
φ
27
R3
R3
φ34
16
25
30
35
R2
φ37
φ27
φ62
φ44
Hình 2. Thông số hình học của phôi và bánh răng
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 5(34).2009

33
toàn trong các hc khuôn. Th tch phôi gim dn trong qu trnh dp nng từ
V=56.067m3 ÷ V= 55.734m3 cho trưng hợp D = 31,14mm, ng vi khong dch
chuyn ca chy p từ 0 ÷ 35 mm (hình 4). Như vy, trong trưng hợp không s dng
bavia, phôi ban đu hnh tr, đưng knh phôi c th chn D = 33,14mm, khi đ kim
loi được đin đy hon ton trong khuôn.














3.3. Ảnh hưởng của ma sát gia khuôn và phôi dập
Đ nghiên cu nh
hưng ca h s ma st gia
khuôn và chi tiết đến lc dp v
kh năng đin đy kim loi
trong khuôn, chúng tôi tiến
hành mô phng cho cc trưng
hợp h s ma st khc nhau
gia phôi dp v khuôn: m =
0,08; 0,12; 0,25; 0,3; 0,7. Da

vo đồ th lc dp trên hnh 6,
ng vi cc h s ma st phôi-khuôn khác nhau, ta thấy  giai đon đu do kim loi
chưa tiếp xc nhiu vi thnh khuôn nên chưa c s khc bit ln v lc dp; khi chy
dp dch chuyn một khong 31,5mm, lc dp biến thiên mnh hơn, phân b trong
khong từ 281.658 ÷ 292.228N. Ở giai đon đin đy cc hc khuôn, lc dp tăng lên
Hình 5. Quá trình biến dạng và
điền đầy kim loại trong khuôn

Hình 4. Sự thay đổi thể tích phôi dập ứng với
D=33, D =33,1 và D=33,14mm

a) H =65mm; D =33mm
b) H =65mm; D=33,1mm

c) H = 65mm; D=33,14mm

Hình 3. Ảnh hưởng của D đến khả năng điền
đầy kim loại trong các hốc khuôn

0
500000
1000000
1500000
2000000
2500000
3000000
3500000
4000000
0
35

7
10.5
14
17.5
21
24.5
28
31.5
35
Hành trình [mm]
Tải trng [N]
m=0,08 m=0,12 m=0,25 m=0,3
m=0,7
Hình 6. Ảnh hưởng của hệ số ma sát đến lực dập
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 5(34).2009

34
rất nhanh v có s khc bit ln khi h s ma st m=0,7 (lc dp 1.678.566N) v
m=0,08 (lc dp: 5.448.916N).
3.4. Ảnh hưởng của kích thước và hình dạng bavia:

Bavia được s dng nhm gim lc dp khi kim loi chuẩn b đin đy cc hc
khuôn [7]. Hình dng v kch thưc bavia nh hưng ln đến lc dp khi kim lo i bắt
đu đin đy cc hc khuôn. Ứng vi kch thưc ban đu ca phôi: H=75mm và
D=33,14mm, khi s dng bavia hnh dng ch nht, so snh ba trưng hợp trên hnh 8,
ta thấy lc dp nh nhất khi chiu cao ε ca bavia ln nhất v chiu rộng λ nh nhất.
Tuy nhiên khi chiu cao bavia ln, chi ph gia công chi tiết sẽ tăng. C th to mép vát
đ thot kim loi trên bavia (hnh 9), sẽ tăng được chiu cao ε. Mô phng s cho trưng
hợp c mp vt thot kim loi trên bavia (hnh 10) cho thấy lc dp gim đi đng k 
giai đon kim loi đin đy hc khuôn.
Tải trng [N]
0
200000
400000
600000
800000
1000000
1200000
1400000
1600000
1800000
2000000

0
8.5
17
21.4
29.9
38.4
Hành trình [mm]
1 2 3
1. ε =2,50mm; λ=2,13mm
2. ε=2,31mm; λ=2,40mm
3. ε=2,29mm; λ=2,60mm

Hình 8. Ảnh hưởng của
ε
và
λ
đến lực dập
Hình 7.
Kích thước
cơ bản của
bavia

λ
ε
ε
λ
Hình 9. Mép vát
thoát kim loại
trên bavia

Hình 11. Góc lượn và
mép vát trên khuôn
R
C
1
C
2
V¸t mÐp
Vª trßn
0
200000
400000
600000
800000
1000000
1200000
1400000
1600000
1800000
2000000
0
4.3
8.5
12.8
17
18.8
21.4
25.6
29.9
34.2

38.4
42.7
4 3
3. ε = 2,29 mm; λ = 2,60 mm,
không vát
4. ε = 2,73 mm;
λ = 1,74 mm, có mép vát

Tải trng [N]
Hành trình [mm]
Hình 10. Ánh hưởng của mép vát trên
bavia đến lực dập
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 5(34).2009

35
Hình 13. Ảnh hưởng của việc sấy khuôn đến
lực dập: (1) T
khuôn
/T
phôi
= 200/700
0
C, (2)
T
khuôn
/T
phôi
=250/700
0
C

0
200000
400000
600000
800000
1000000
1200000
1400000
1600000
1800000
2000000
0
3.5
7
10.5
14
17.5
1
2
Tải trng [N]
3.5. Ảnh hưởng của góc lượn và mép vát trên khuôn
Khi dp kn trong khuôn, gc lượn c bn knh nh  cc mp khuôn (hnh 11)
lm tăng đng k lc dp khi kim loi bắt đu đin đy cc hc khuôn. Khi bn knh gc
lượn R qu nh, phôi d b khuyết tt trong qu trnh dp. Khi bán knh gc lượn R ln,
kim loi d biến dng hơn, nhưng d to nếp nhăn trên sn phẩm. V vy, cn la chn
gc lượn hợp l. Kết qu mô phng trên hnh 12 cho thấy khi s dng gc lượn R3, lc
dp sẽ ln hơn khi gc lượn R3,5. Vi cùng din tch tiết din phn kim loi b đi, th
nếu dùng mp vt dng ch nht C1xC2, lc dp b hơn khi dùng gc lượn R (hnh 12).

3.6. Ảnh hưởng của vic sấy khuôn
Vic sấy khuôn nh hưng nhiu đến nhit độ phôi dp, gip nhit độ phôi tăng
lên trong quá trình dp, ma st gim xung, từ đ gim được lc dp. Qu trnh đin đy
kim loi trong cc hc khuôn cũng d dng hơn. Rõ rng khi nhit độ sấy khuôn tăng lên,
lc dp gim xung, kh năng đin đy kim loi trong khuôn tăng theo (hnh 13).
3.7. Ảnh hưởng của tốc độ biến dạng
Tc độ biến dng cũng c nh hưng ln đến lc dp v năng lượng tiêu hao khi
dp. Kết qu mô phng (hnh 14) cho thấy: nếu so vi my p thy lc v my p kiu
vít thì năng lượng tiêu hao khi dp trên máy búa ln gn gấp đôi.
4. Kết luận
Vic ng dng cc phn mm mô phng qu trnh rèn dp nng, s dng phn
t hu hn như DEFORM cung cấp cho ngưi thiết kế qui trình công ngh v khuôn
dp nhiu thông tin b ch, d dng la chn cc thông s ti ưu ca qu trnh, hnh
dng v kch thưc hợp l ca phôi, khuôn,… nhm gim ti đa lc v năng lượng khi
dp. Đồng thi thông qua vic quan st qu trnh mô phng biến dng nng trong khuôn,
ngưi thiết kế c th trnh được cc khuyết tt, nâng cao chất lượng sn phẩm dp.

Hình 12. Ảnh hưởng của kích thước góc
lượng và mép vát trên khuôn đến lực dập

0
500000
1000000
1500000
2000000
0
7
14
21
28
35
Hành trình [mm]
C1=2;C2=3
C1=1;C2=2,2
R=3,5 C1=C2=2
R=3
Tải trng [N]
Thời gian [s]
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 5(34).2009

36
Kết qu mô phng p dng c th cho vic dp nng phôi bnh răng nn cho
phép ta chn la cc thông
s hợp l ca qu trnh dp:
chn được h s ma st
khuôn-phôi hợp l bng
cách chn khuôn c độ bng
cao, có bôi trơn khi dp, nên
s dng khuôn c vt mp

thay vì góc lượn, nên c
mép vát thoát kim loi trên
bavia nhm tăng chiu cao
bavia, có th chn được
nhit độ sấy khuôn phù hợp
nhm b sung lượng nhit
thích hợp cho phôi, gip
gim lc v năng lượng dp,
nâng cao kh năng đin đy kim loi, trnh cc khuyết tt ca chi tiết sau khi dp.

TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] J. N. Majerus, K. P. Jen, H. Gong, Quantitive comparison between precision closed-
die forging force data and computation simulations, Journal of Engineering for
Technology, Oct. 1992.
[2] Matthew O’Cornell, Brett Painter, Gary Maul, Taylan Altan, Flashless closed-die
upset forging-load estimation for optimal cold header selection, Journal of
Materials Processing Technology, 1996.
[3] Action concertée de Recherche “Modélisation du Forgeage”, Bilan des travaux de
la première année, CETIM Saint-Etienne, Oct. 1996.
[4] Ph. Marin, Simulation rapide de la déformation d’un lopin matrices, Application à
l’estampage dans l’optique de la conception intergrée, Thèse de Doctorat, INPG
Grenoble 1995.
[5] Philippe Marin, Cung Le, Serge Tichkiewitch, Taking into account thermal effects
in ForgeRond, a fast hot-forging simulation tool, Procedings of the 5
th
[6] T. Altan, G. Ngaile, G. Shen, Cold and Hot Forging: Fundamentals and
Applications, ASM Publication, 2004.
International
Conference on Technology of Plasticity, Columbus, Ohio, USA, 1996.
[7] A. Chamouard (1996), Statique et Dynamique Appliquée aux Déformations à

Chaud, Estampage et Forge, Tomes I, II, Edition Dunod, 1964, 1966.
0
2000000
4000000
6000000
8000000
10000000
12000000
14000000
16000000
3.5 7 10.5 14 17.5 21 24.5 28 31.5 35
Hành trình [mm]
Năng lư

Máy ép thủy lực
Máy ép vít
Máy búa
Hình 14. Năng lượng tiêu tốn khi sử dụng máy ép
thủy lực, máy ép vít, máy búa