Ảnh hưởng tính dị hướng của vật liệu tấm tới chất lượng sản phẩm dập vuốt
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (2.96 MB, 78 trang )
bộ giáo dục và đào tạo
trường đại học bách khoa hà nội
---------------------------------------
PHM CễNG DIN
NH HNG TNH D HNG CA VT LIU
TM TI CHT LNG SN PHM DP VUT
INFLUENCE OF ANISOTROPY OF SHEET METAL
ON QUALITY OF STAMPING PRODUCT
Chuyên ngành : CH TO MY
luận văn thạc sĩ Ngành công nghệ cơ khí
người hướng dẫn khoa học :
PGS.TS. NGUYN C TRUNG
H Ni Nm 2012
LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết
quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa được công bố trong các công trình
khác.
HỌC VIÊN CAO HỌC
Phạm Công Diện
LỜI CẢM ƠN
Sau 2 năm học tập và nghiên cứu, được sự giúp đỡ tận tình của Thầy
Cô giáo trong Viện Cơ khí, Bộ môn Gia Công Áp Lực cùng sự hướng dẫn
khoa học tận tình của PGS. TS. Nguyễn Đắc Trung tôi đã hoàn thành khóa
học, luận văn Tốt nghiệp Cao học và đạt những kết quả mong muốn.
Nhân dịp hoàn thành luận văn Cao học, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu
sắc tới tất cả các Thày, Cô giáo trong Bộ môn, Viện Cơ khí và Trường đã tận
tình giúp đỡ, động viên, tạo điều kiện tốt nhất cho tôi hoàn thành khoá học
của mình.
Tôi xin chân thành cảm ơn Thầy giáo PGS. TS. Nguyễn Đắc Trung đã
nhiệt tình hướng dẫn và giúp đỡ tôi trong việc thực hiện luận văn này.
Xin chân thành cám ơn các thầy giáo phản biện đã đọc luận văn và
đóng góp cho tôi những ý kiến quý báu và bổ ích.
Tác giả
Phạm Công Diện
LI NểI U
Nh chỳng ta ó bit, phn ln cỏc sn phm trong ngnh cụng nghip
hin nay u c lm t vt liu kim loi v chỳng c sn xut ra bng 2
phng phỏp chớnh ú là gia công cắt gọt (gia công có phoi) và gia công bằng áp
lực (gia công không phoi). Trong gia công kim loại bằng áp lực thì dập tấm là một
phương pháp cơ bản mà sự tạo hình được thực hiện nhờ tác động của các kết cấu
khuôn gây nên biến dạng dẻo trong tấm kim loại. Dập tấm cho phép tạo ra các chi
tiết có hình dáng đa dạng và năng suất cao, nó được thể hiện cụ thể về tỉ trọng của
sản phẩm dập tấm trong các nghành như sau:
Trong chế tạo máy và thiết bị điện chiếm (60 - 70)%
Trong chế tạo thiết bị đo chiếm
Trong sản xuất hàng tiêu dùng chiếm
(70 - 75)%
(95 - 98)%
Trong sản suất ôtô máy kéo chiếm (65 - 75)% các chi tiết của ôtô và (35 40)% chi tiết của máy kéo.
Tuy nhiên chất lượng sản phẩm được làm ra từ công nghệ này lại phụ thuộc
vào rất nhiều yếu tố khác nhau trong đó tính dị hướng của vật liệu là một yếu tố điển
hình.
Trờn c s ú, tụi ó quyt nh theo ui ti: Nghiờn cu nh hng
tớnh d hng ca vt liu tm n cht lng sn phm dp to hỡnh v xut mụ
hỡnh cú xột ti tớnh d hng ca vt liu tm vi cỏc thụng s d hng Lankford
L0, L45, L90 c xỏc nh t thc nghim v c a vo iu kin do ca Von
Mise. Mụ hỡnh ny c ng dng nghiờn cu nh hng ca tớnh d hng ti
quỏ trỡnh bin dng ca vt liu cng nh cht lng ca sn phm. Tớnh ỳng n
ca mụ hỡnh vt liu d hng c chng minh qua cỏc kt qu so sỏnh gia mụ
phng v thc nghim i vi quỏ trỡnh dp vut chi tit hỡnh cc tr. Vic ng
dng mụ hỡnh ny cho phộp ỏnh giỏ chớnh xỏc kh nng bin dng ca vt liu tm
cỏn, cht lng ca sn phm t ú a ra nhng phng ỏn ti u cỏc thụng s
cụng ngh phự hp vi quỏ trỡnh dp to hỡnh.
Mục Lục
Trang
Trang bìa phụ
Lời cảm ơn
2
Lời nói đầu
3
Chương 1 Vấn đề chung khi thiết kế công nghệ tạo
4
hình tấm
1.1 Giới thiệu chung
4
1.2 Quy trình nghiên cứu, thiết kế, chế tạo các chi tiết dạng tấm
6
1.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm dập tấm
10
1.4 Những vấn đề cần quan tâm khi thiết kế công nghệ tạo hình tấm
12
Chương 2 công nghệ dập vuốt
17
2.1 Định nghĩa và phân loại
17
2.2 Tính toán công nghệ
19
2.2.1 Lực dập vuốt
22
2.2.1 Lực chặn
22
2.3 Khuôn dập vuốt
23
Chương 3 mô hình vật liệu ứng dụng trong mô
27
phỏng số
3.1 Mô hình vật liệu đẳng hướng
27
3.2 Mô hình vật liệu đàn hồi dị hướng
29
3.3 Mô hình vật liệu dẻo dị hướng
31
3.4 Mô hình vật liệu đàn dẻo dị hướng ngang
35
3.5 Thiết lập mô hình mô tả tính dị hướng của vật liệu
37
3.6 Kết luận
40
Chương 4 mô phỏng số quá trình dập tạo hình
42
4.1 Phần mềm Dynaform
42
4.2 C¸c bíc thùc hiÖn bµi to¸n m« pháng
48
4.3 M« pháng qu¸ tr×nh dËp t¹o h×nh
50
4.4 KÕt qu¶ m« pháng sè
52
4.4.1 VËt liÖu tÊm BH 210
52
4.4.2 VËt liÖu tÊm BH 180
59
4.4.3 VËt liÖu tÊm BH 250
63
4.4.4 VËt liÖu tÊm DDQ
67
4.5 So s¸nh víi c¸c chi tiÕt thùc tÕ
70
4.6 KÕt luËn
71
CHNG I
VN CHUNG KHI THIT K CễNG NGH
TO HèNH TM
1.1. Giới thiệu chung
Dập tấm nói riêng hay gia công kim loại bằng áp lực nói chung là phương
pháp gia công phổ biến nhất trong nghành công nghệ chế tạo máy hiện nay. Có được
điều này là hoàn toàn nhờ vào những ưu điểm nổi trội mà các phương pháp gia công
khác không làm được như:
- Năng suất lao động cao, dẫn đến giá thành sản phẩm giảm.
- Hệ số sử dụng vật liệu cao, tiết kiệm vật tư.
- Có thể sử dụng công nhân bậc thợ thấp
- Có khả năng tạo được các chi tiết có độ bền, độ cứng vững cao.
- Đảm bảo được tính lắp ghép cho các chi tiết dập do độ chính xác của vật
dập cao.
- Dễ có khả năng cơ khí hoá và tự động hoá.
Khi chiều dày của phôi nhỏ (thường s 4 mm), dập tấm thường được thực
hiện với phôi ở trạng thái nguội hay còn gọi là dập nguội hoặc có thể phải dập với
phôi ở trạng thái nóng khi chiều dày của vật liệu lớn. Một chi tiết sản xuất bằng
công nghệ dập tấm có thể thực hiện qua rất nhiều nguyên công công nghệ như: cắt
hình, đột lỗ, dập vuốt, uốn, lên vành, tóp miệng, cắt trích v.v... Một trong những
nguyên công quan trọng nhất để tạo hình sản phẩm trong công nghệ dập tấm đó là
dập vuốt.
Dập vuốt là một nguyên công nhằm biến đổi phôi phẳng hoặc phôi rỗng để
tạo ra các chi tiết rỗng có hình dạng và kích thước cần thiết. Khi nghiên cứu một quá
trình dập vuốt chi tiết cốc như hình 1.1, ta thấy dập vuốt được tiến hành trên khuôn
bao gồm các bộ phận làm việc như: cối có mép làm việc được lượn tròn, chày dập
vuốt và tấm chặn vật liệu. Khi dập các chi tiết có chiều dày tương đối s/D lớn thì
khuôn dập vuốt thì có thể không cần dùng tấm chặn. Giữa chày và cối dập vuốt có
một khe hở z, trị số khe hở z tuỳ thuộc vào phương pháp dập. Khi dập vuốt không có
4
chặn, ngoại lực được truyền qua chày, tác dụng vào phần đáy của chi tiết dập vuốt
còn phần vành của phôi vẫn được tự do và không chịu tác dụng của ngoại lực. Phôi
phẳng nằm trên vành cối được vuốt qua góc lượn cối và tạo thành chi tiết dạng cốc.
Chiều sâu của chi tiết phụ thuộc vào hành trình chày đi xuống, tuy vậy, chiều sâu
không thể quá lớn so với đường kính cốc để đảm bảo ứng suất trong vật liệu không
vượt quá ứng suất phá huỷ gây rách vật liệu.
Sản phẩm
Hình 1.1 Sơ đồ dập vuốt chi tiết cốc
Khi dập vuốt chi tiết có biên dạng phức tạp ví dụ chi tiết vỏ động cơ ôtô, chày
và cối thường được thiết kế, tính toán dựa trên biên dạng của sản phẩm. Phôi tấm
ban đầu được đặt trên vành cối và dần biến dạng và tạo ra hình dạng sản phẩm khi
chày đi vào lòng cối. Tại thời điểm kết thúc, chày sẽ ép sát vật liệu lấm vào lòng cối
và tạo ra hình dạng chính xác của sản phẩm. Đối với các chi tiết phức tạp thì việc
thiết kế công nghệ không giống như đối với chi tiết cốc trụ (có hình dạng đơn giản)
vì tại các vị trí khác nhau, độ nông sâu của sản phẩm khác nhau thì mức độ biến
dạng trên phôi cũng hoàn toàn khác nhau, có chỗ dập vuốt, có chỗ chỉ bị uốn.
5
Hình 1.2 Mô hình khuôn dập chi tiết vỏ két chứa nhiên liệu xe ôtô
1.2. Qui trình nghiên cứu, thiết kế, chế tạo, sản xuất các chi tiết dạng
tấm
Hiện nay, ở Việt Nam, lĩnh vực gia công áp lực nói chung và dập tấm nói
riêng chưa phát triển mà chỉ dừng lại ở quy mô nhỏ và manh mún, các sản phẩm nhỏ
có độ phức tạp chưa cao. Công nghệ chế tạo khuôn cũng còn non kém, hầu hết chỉ
chế tạo được các khuôn nhỏ và đơn giản với chất lượng không cao. Trang thiết bị đã
rất lạc hậu so với thế giới vì hầu hết là được tài trợ hoặc mua của nước ngoài từ
những thập kỷ 70 hoặc 80 của thế kỷ trước. Hơn nữa, trong nước còn thiếu cả nhân
lực cũng như các phần mềm thiết kế, mô phỏng cần thiết đáp ứng yêu cầu thực tiễn.
Quy trình thiết kế chế tạo các sản phẩm dập tấm trong nước thường được tiến
hành theo sơ đồ như hình 1.3.
Quá trình thiết kế công nghệ, chế tạo khuôn và sản xuất mang tính chất kinh
nghiệm. Chính vì vậy, đối với các chi tiết có hình dạng đơn giản (dạng cốc, hộp,
côn) thì đi theo con đường tính toán công nghệ, chế tạo khuôn rồi dập thử, hiệu
chỉnh khuôn cho đến khi đạt được chất lượng sản phẩm theo yêu cầu thì đưa ra sản
xuất loạt lớn. Nhưng khi gặp phải các chi tiết có hình dạng không đối xứng trục,
phức tạp thì quá trình thiết kế theo trình tự như hình 1.3 không thực hiện được bởi
tốn rất nhiều thời gian và tiền bạc vào việc sản xuất khuôn mẫu, dập thử và chỉnh
sửa. Mặc dù vậy, đôi khi không cho ra sản phẩm có chất lượng theo yêu cầu.
6
Hình 1.3 Quá trình thiết kế, chế tạo sản xuất các chi tiết dạng tấm trong
nước
những nước có ngành công nghiệp phát triển như Mỹ, Nhật, Đức, Anh thì
việc thiết kế qui trình công nghệ sản xuất các chi tiết tấm có hình dạng phức tạp
được thực hiện rất bài bản với tính khoa học và độ chuyên môn hoá rất cao. Sơ đồ
thiết kế chế tạo được tiến hành như sơ đồ hình 1.4.
Theo phương pháp thiết kế công nghệ và chế tạo như vậy cho phép tiết kiệm
thời gian, nguyên vật liệu cho sản xuất thử nghiệm, nâng cao chất lượng sản phẩm
dập, nhanh chóng thay đổi mẫu mã sản phẩm và có thể sử dụng các cụm chi tiết
trong bộ khuôn vạn năng. Điểm cơ bản trong việc thiết kế công nghệ theo phương
pháp này là Công nghệ ảo, mô phỏng số quá trình tạo hình chi tiết trên máy tính
với sự trợ giúp của các phần mềm thiết kế mô phỏng.
7
Hình 1.4 Sơ đồ thiết kế CN chế tạo các chi tiết dập tấm tại các nước tiên tiến
Căn cứ vào kết quả mô phỏng số, ta sẽ xác định được qui trình công nghệ tối
ưu như số lần dập tạo hình, các thông số của quá trình biến dạng như lực dập, lực
chặn, ma sát và sẽ có được kích thước hình học, biên dạng của dụng cụ gia công một
cách hợp lý.
Hình 1.5 biểu diễn quá trình tính toán thiết kế khuôn và tối ưu công nghệ
dựa trên mô phỏng số. Đầu tiên, sản phẩm mẫu sẽ được số hoá dưới dạng mô hình
3D. Mô hình số ban đầu là tập hợp của nhiều điểm trong không gian hoặc có thể là
mô hình lưới. Sau đó mô hình sẽ được dựng ở dạng mặt. Đây sẽ là mô hình cơ sở
cho việc thiết kế mô hình hình học của khuôn (chày, cối, chặn) và phôi.
Hình 1.5 Tính toán thiết kế khuôn dập vỏ ô tô dựa trên mô phỏng số
8
Sau khi có mô hình hình học của cả bài toán bao gồm mô hình chày, cối, tấm
chặn, phôi, ta sẽ tiến hành mô phỏng số bao gồm các bước:
-
Xây dựng mô hình thuộc tính biến dạng của phôi và dụng cụ gia công.
-
Chia lưới phần tử cho mô hình bài toán.
-
Thiết lập mô hình tiếp xúc giữa phôi và dụng cụ gia công.
-
Xây dựng mô hình điều kiện biên của bài toán như ràng buộc chuyển vị, lực,
nhiệt độ.
-
Giải bài toán nhờ tính toán phần tử hữu hạn.
Qua quá trình mô phỏng, ta không chỉ có được các kết quả để đánh giá một
quá trình tạo hình vật liệu mà một ưu điểm khác nữa của quá trình mô phỏng số là ta
có thể thay đổi được điều kiện biên ảnh hưởng trực tiếp đến quá trình biến dạng của
phôi như vật liệu, lực ép, lực chặn, điều kiện bôi trơn hay hình dạng hình học của
khuôn, kết cấu khuôn. Các yếu tố ảnh hưởng trực tiếp này đôi khi khảo sát thực tế
rất khó khăn vì chúng phụ thuộc vào mức độ biến dạng hay hành trình chày dập.
Nhưng với việc mô phỏng số hoàn toàn có thể giải quyết được vấn đề khó khăn này.
Qua đó, ta có thể chọn ra điều kiện tốt nhất cho quá trình biến dạng và cố gắng tạo
ra các điều kiện mô phỏng số giống như trong môi trường thực tế.
Sau khi chọn được phương án công nghệ phù hợp thì bước tiếp theo là chế tạo
sản phẩm mẫu và kiểm chứng độ chính xác của sản phẩm mẫu so với thiết kế. Nếu
chất lượng đạt yêu cầu thì có thể cho sản xuất loạt lớn, nếu còn có nhưng sai sót ta
có thể thay đổi điều kiện biên như lực chặn, tốc độ biến dạng hay ma sát để đạt được
kết quả tốt hơn. Nhưng chắc chắn sự thay đổi này không lớn, bởi kết quả mô phỏng
đã đánh giá một cách kỹ lưỡng. Trong suốt thời gian sản xuất loạt, ta vẫn phải kiểm
tra lại, đánh giá sản phẩm để đảm bảo độ chính xác và đánh giá ảnh hưởng của các
thông số công nghệ.
Việc gia công khuôn phải được tiến hành trên các thiết bị gia công hiện đại
như máy phay điều khiển CNC, gia công tia lửa điện, gia công khuôn bằng tia laze,
các thiết bị này có thể gia công những lòng khuôn hết sức phức tạp với chất lượng và
năng suất cao hơn. Hơn thế nữa, công nghệ xử lý bề mặt khuôn cũng có các bước
tiến về kỹ thuật ngoài những phương pháp nhiệt luyện thông thường như thấm
9
cacbon, nitơ để tăng độ bền, ngày nay còn dùng công nghệ phủ để tạo ra bề mặt,
laser hoá bề mặt có chất lượng cao hơn hẳn, đồng thời có thể tạo ra các bề mặt ma
sát hợp lý cho quá trình tạo hình sản phẩm.
Tóm lại, nghiên cứu thiết kế khuôn dập dựa trên mô phỏng số quá trình biến
dạng cho phép giảm thiểu thời gian thiết kế, chỉnh sửa khuôn mẫu, nhanh chóng
thay đổi mẫu mã sản phẩm, đồng thời giảm thiểu các chi phí cho chế tạo và dập thử.
Thông qua mô phỏng số, người kỹ sư nhanh chóng tối ưu các thông số công nghệ và
khuôn mẫu sao cho tránh được các khuyết tật như nhăn, rách sản phẩm, đồng thời
tạo ra công nghệ hợp lý nhất vừa tiết kiệm nhưng vẫn đảm bảo được chất lượng sản
phẩm.
1.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm dập tấm
Khi nghiên cứu sự sai hỏng sản phẩm dập tấm có thể dễ dàng nhận thấy các
dạng phế phẩm sau đây:
-
Sản phẩm dập bị nhăn trên vành
-
Sản phẩm bị rách
-
Chiều cao sản phẩm không đồng đều
-
Bề mặt chi tiết bị cào xước
-
Sản phẩm không đạt được kích thước chính xác do đàn hồi lại
Các dạng hỏng hóc của sản phẩm này có liên quan trực tiếp tới việc thiết kế
qui trình công nghệ, khuôn, chế tạo khuôn, các thông số công nghệ và tính dị hướng
của vật liệu.
Hiện tượng rách phôi xảy ra có thể do nhiều nguyên nhân mà trong đó chủ
yếu là do: mức độ biến dạng vượt quá mức độ biến dạng tới hạn, lực chặn phôi quá
lớn, góc lượn cối nhỏ... Để hạn chế mức độ biến dạng quá lớn, có thể chọn hệ số dập
vuốt phù hợp hay chia thành các nhiều nguyên công trung gian. Góc lượn của cối
cũng hoàn toàn có thể điều chỉnh được, thay đổi góc lượn phù hợp hơn. Nhưng lực
chặn phôi là một thông số công nghệ rất quan trọng bởi nếu điều chỉnh lực chặn
phôi không đủ thì phôi lại có hiện tượng nhăn trên phần vành. Đối với việc dập vuốt
các chi tiết có hình dạng phức tạp, nếu không điều khiển lực chặn hợp lý thì sẽ
không thể tìm ra một giá trị lực chặn nào thích hợp vì trên sản phẩm đồng thời xuất
10
hiện cả nhăn lẫn rách. Trong những trường hợp như vậy buộc phải có những phương
pháp đặc biệt như chặn theo vị trí và lực chặn thay đổi.
Hiện tượng chiều cao của sản phẩm dập vuốt không đồng đều rất hay xảy ra
do vật liệu tấm không đồng nhất và đẳng hướng. Tính dị hướng ban đầu của các tấm
cán nguội (từ đó cắt thành các tấm phôi) sẽ tạo thành các thớ. Trong quá trình biến
dạng, các hạt kim loại và tạp chất phi kim loại có dạng bị kéo dài, do đó tạo thành
cấu trúc dạng chuỗi được xác định trước bởi tính dị hướng của kim loại. Tính dị
hướng của tấm cán sẽ làm cho biến dạng theo các hướng khác nhau là không giống
nhau, có thể làm cho phôi theo hướng này dễ dàng bị kéo dài ra, còn theo hướng
khác lại rất khó biến dạng. Sự biến dạng không đồng đều này sẽ làm cho quá trình
công nghệ dài hơn, tốn kém hơn, bởi ta phải thêm một nguyên công cắt mép một
lượng H. Khi tính toán phôi dập vuốt ta phải thêm vào kích thước theo các phương
một lượng dư hợp lý. Nhưng điều này sẽ làm cho bề mặt tiếp xúc giữa phôi và mặt
vành cối thay đổi, hệ số dập vuốt thay đổi và làm cho lực chặn cũng thay đổi theo.
Hình 1.6 Sản phẩm có chiều cao không đồng đều
Để giảm sự ảnh hưởng của tính dị hướng kim loại đến sự không đều chiều
cao chi tiết khi dập vuốt, ngoài việc sử dụng phôi có hình dạng phức tạp (bởi phải
tính đến mức độ biến dạng theo các phương khác nhau), người ta còn sử dụng cối
với mép lượn có độ cong thay đổi (dọc theo đường bao của lỗ cối) hoặc nung nóng
không đều phần vành phôi, hoặc thay đổi áp lực chặn theo đường bao của cối ...
Hiện tượng bề mặt sản phẩm bị cào xước, không nhẵn là do ma sát giữa bề
mặt phôi và phần vằnh chặn, góc lượn cối quá lớn, cũng có thể do lực chặn phôi trên
phần vành lớn. Hiện tượng này không những làm giảm chất lượng của sản phẩm dập
mà còn gây ra phế phẩm nếu ta dập nhưng vật liệu tấm có lớp sơn, mạ bảo vệ trên bề
11
mặt, bởi các lớp phủ trên bề mặt sẽ bị cào xước và phá huỷ. Để giảm hiện tượng này
ta có thể giảm ma sát bằng cách bôi trơn hoặc có thể tạo ra lực chặn phôi hợp lý.
Hình 1.7 Sản phẩm bị đàn hồi lại
Một trong những hiện tượng thường xuyên xảy ra đối với các quá trình uốn
tấm, dập các chi tiết có bán kính cong lớn, đặc biệt là tấm mỏng, đó là đàn hồi lại.
Hiện tượng này có nghĩa là sau khi biến dạng, phôi bị đàn hồi lại và làm cho các góc
bị sai lệch (lớn hơn) so với góc sản phẩm tính toán ban đầu. Để giảm hiện tượng đàn
hồi lại, có thể tính toán góc thực tế nhỏ hơn, làm cho vật liệu phôi vừa bị biến dạng
theo phương này là kéo thì lại biến dạng nén ngay theo phương đó hoặc ngược lại.
Trong nhiều trường hợp người ta có thể dử dụng công nghệ chặn có gân vuốt.
1.4 Những vấn đề cần quan tâm khi thiết kế công nghệ dập tấm
Sau khi khái quát về sản phẩm dập tấm, các bước khi tiến hành thiết kế công
nghệ và các dạng sai hỏng của sản phẩm khi dập tạo hình, các vấn đề có liên quan
đến thiết kế đó là người thiết kế công nghệ phải nắm được các yếu tố:
- Công nghệ tạo hình
- Thiết kế và chế tạo khuôn
- Thiết bị thực hiện công nghệ
- Vật liệu
Trong vấn đề công nghệ tạo hình thì quan trọng nhất đó là làm sao nhà kỹ
thuật phải thiết kế nhanh, chính xác, tối ưu, các thông số công nghệ hợp lý nhất để
đảm bảo chất lượng sản phẩm cao, giá thành hạ và tiết kiệm nguyên vật liệu, năng
lượng.
12
Hiện nay, chủ yếu để thiết kế công nghệ, các nhà kỹ thuật thường sử dụng
công cụ mô phỏng số với sự trợ giúp của các phần mềm công nghiệp. Để thực hiện
mô phỏng số cần thiết phải thiết lập được mô hình mô tả quá trình biến dạng của vật
liệu. Mô hình này bao gồm tất cả các yếu tố có liên quan đó là:
- Vật liệu phôi tấm: các thông số vật liệu, đường cong chảy, vật liệu có
khuyết tật, không đồng nhất, tính dị hướng của vật liệu tấm, chiều dày vật liệu, biên
dạng phôi, trạng thái bề mặt phôi.
- Hình dạng, kết cấu, kích thước hình học của khuôn mẫu.
- Thông số công nghệ: mức độ biến dạng, tốc độ biến dạng, lực dập vuốt, lực
chặn, ma sát giữa dụng cụ gia công và vật liệu, trạng thái bề mặt dụng cụ gia công.
Nghiờn cu cỏc yu t nh hng n n cht lng ca sn phm ó c
nờu trờn c chia thnh 3 nhúm yu t chớnh: vt liu, hỡnh dỏng v kớch thc
hỡnh hc ca phụi cng nh dng c gia cụng v cỏc thụng s cụng ngh.Trờn th
gii cng nh Vit Nam, vic nghiờn cu nh hng ca hỡnh dỏng, kớch thc
khuụn, nh hng ca cỏc thụng s cụng ngh ti quỏ trỡnh dp vut v cht lng
sn phm ó c tin hnh khỏ nhiu v kt qu cng ó c trin khai mt cỏch
cú hiu qu trong thc tin.
Vt liu l mt yu t nh hng cú tớnh quyt nh n mc bin dng
(tớnh do), nh hng n kh nng to hỡnh v n cht lng ca sn phm. Nh
ó trỡnh by trờn, vt liu tm s dng trong dp vut thng l tm cỏn ngui nờn
cú tớnh d hng. iu ny s lm nh hng n nhn, súng trờn mộp sm phm
sau dp vut. Dn n cht lng sn phm khụng m bo. cú th loi tr c
nhng nhn súng khụng mong mun, nh k thut thng phi thit k thờm
nguyờn ct mộp, nh vy s lm tng s nguyờn cụng v lm tng chi phớ sn xut.
Mt khỏc, khi tng kớch thc phụi ban u bự vt liu tm vo v trớ b ct b i
s lm cho h s dp vut thay i, dn n khụng to hỡnh c nhng chi tit cú
sõu ln.
Di õy trỡnh by mt s hỡnh nh v sn phm dp vut t phụi tm:
13
Hình 1.8 Phôi ban đầu và sản phẩm dập chi tiết chụp đèn của nhà máy
quân đội
Hình 1.9 Vỏ đồ hộp được dập từ vật liệu hợp kim nhôm
14
Hình 1.10 So sánh sản phẩm dập giữa phôi tấm cán không ủ và phôi tấm
được xử lý nhiệt sau khi cán
Hình 1.11 Vỏ bình xăng xe máy
15
Hình 1.12 Các dạng sản phẩm dập vuốt sâu từ thép không gỉ dùng trong CN thực
phẩm
Qua một số hình ảnh sản phẩm thực tế ta thấy rằng, tính dị hướng của vật
liệu tấm cán ảnh hưởng rất lớn đến chất lượng sản phẩm dập vuốt (đặc biệt là dập
vuốt sâu). Vì vậy, trong khuôn khổ nghiên cứu của luận văn này tác giả sẽ tập trung
khảo sát ảnh hưởng của tính dị hướng của một số vật liệu tấm thường sử dụng trong
dập vuốt. Nội dung chính của luận văn tập trung vào các mục:
- Nghiên cứu công nghệ dập vuốt và các yếu tố ảnh hưởng đến công nghệ
dập vuốt.
- Các loại mô hình vật liệu được ứng dụng trong dập vuốt
- Ứng dụng mô phỏng số để khảo sát ảnh hưởng của tính dị hướng với một
số vật liệu tấm thông dụng.
- So sánh kết quả mô phỏng với các sản phẩm dập thực tế.
16
CHNG II
CễNG NGH DP VUT
2.1. nh ngha v phõn loi
Dập vuốt là một nguyên công nhằm biến đổi phôi phẳng hoặc phôi rỗng để tạo ra
các chi tiết rỗng có hình dạng và kích thước cần thiết.
Các chi tiết được dập vuốt thường có hình dạng rất khác nhau và được chia thành
các nhóm như sau:
-
Nhóm các chi tiết có hình dạng tròn xoay, ví dụ như: các chi tiết của thiết bị
chiếu sáng như pha đèn, vỏ đèn, chụp đèn .v.v...
-
Nhóm các chi tiết có hình dạng hình hộp: ví dụ như các thùng nhiên liệu của
động cơ, các loại vỏ hộp, các chi tiết vỏ bọc trong các thiết bị điện tử, thiết bị đo .v.v...
-
Nhóm các chi tiết có hình dạng phức tạp có một trục đối xứng hoặc không đối
xứng. Ví dụ như các chi tiết xe máy, vỏ ôtô, cánh cửa ôtô, các chi tiết của máy kéo, các
chi tiết của máy bay .v.v...
Tuỳ theo chiều cao tương đối của chi tiết, người ta có thể dập một hay nhiều
nguyên công để tạo ra chi tiết. ở nguyên công đầu, phôi phẳng có đường kính D0 được
dập vuốt để tạo thành phôi rỗng (hình 2.1a) có đường kính d1 và chiều cao h1. ở các
nguyên công sau phôi rỗng đựơc tiếp tục dập vuốt để nhằm mục đích tăng chiều cao và
giảm đường kính (hoặc giảm tiết diện ngang) của phôi (hình 2.1b).
Hình 2.1. Các bước dập vuốt
a.Nguyên công đầu, b.Nguyên công tiếp theo
17
Để chế tạo các chi tiết dập vuốt, người ta sử dụng các tấm kim loại có tính dẻo cao
như thép các bon thấp chất lượng và thép kết cấu hợp kim thấp, nhôm và hợp kim
nhôm, đồng, đồng thau và các kim loại khác.
Dập vuốt được tiến hành trong các khuôn chuyên dùng bao gồm các bộ phận làm
việc như: cối 1 có mép làm việc được lượn tròn, chày dập vuốt 2 và tấm chặn vật liệu 3
(hình 2.2b). Khi dập vuốt các chi tiết có chiều dày tương đối của phôi S/D lớn thì có thể
không cần chặn vật liệu (hình 2.2a). Người ta thường sử dụng hai phương pháp dập vuốt
sau:
1. Dập vuốt không chủ định làm giảm chiều dày vật liệu được gọi là dập vuốt không
biến mỏng (hay gọi tắt là dập vuốt).
2. Dập vuốt có chủ định làm giảm chiều dày của phôi ( chủ yếu là chiều dầy thành chi
tiết ) được gọi là dập vuốt có biến mỏng vật liệu (hay dập vuốt có biến mỏng). Đa số
các trường hợp dập vuốt có biến mỏng được thực hiện với phôi đã được dập vuốt lần
đầu không biến mỏng (từ phôi phẳng).
Hình 2.2 Sơ đồ khuôn để dập vuốt lần đầu
a. Không có chặn phôi, b. Có chặn phôi
1-cối ; 2-chày ; 3-chặn.
mi phương pháp trên dập vuốt lại được chia thành: Dập vuốt không có chặn
phôi và dập vuốt có chặn phôi.
Trong điều kiện biến dạng thực tế có rất nhiều yếu tố ảnh hưởng đến đặc tính
phân bố ứng suất khi dập vuốt như: sự hoá bền của kim loại; lực ma sát tiếp xúc; sự uốn
và nắn thẳng các phần tử của phôi khi bị kéo vào trong cối; sự dị hướng về cơ tính của
18
kim loại v.v.. Khi lực chặn quá lớn sẽ làm cho chi tiết bị đứt, rách; còn khi lực chặn nhỏ
sẽ làm cho phần vành bị nhăn và không thể thực hiện được quá trình dập vuốt.
Hình 2.3 Chi tiết bị đứt, rách và nhăn khi dập vuốt
2.2. Tính toán công nghệ
Khi dập vuốt không biến mỏng, chúng ta có thể coi rằng: diện tích bề mặt của chi
tiết đã được dập vuốt cân bằng với diện tích bề mặt của phôi :
Fchi tiết = Fphôi
(2.1)
Sau khi dập vuốt chiều cao của chi tiết thường không đồng đều do ảnh hưởng cơ
tính của kim loại, do vậy cần phải tiến hành cắt mép.
Hình 2.4 Sự hình thành các tai khi dập vuốt.
19
Trị số lượng dư chiều cao để cắt mép H tuỳ thuộc vào tỷ số giữa đường kính và
chiều cao của chi tiết, chiều dày S của phôi. Qua kinh nghiệm thực tế thì H (5
20)% so với chiều cao chi tiết. Nếu chiều cao tương đối h/d và chiều dày S của phôi
càng lớn thì lượng dư để cắt mép càng lớn.
Hình 2.5 Các phương pháp cắt mép
a, b: cắt vành sau đó dập vuốt tiếp, c: cắt mép bằng khuôn
Việc cắt mép được thực hiện bởi chày bậc bao gồm phần làm việc và phần định vị.
Phần định vị có đường kính nhỏ hơn (0,2 0,3)mm so với đường kính của chi tiết.
Nếu chúng ta biết được mức độ dập vuốt cho phép ở các nguyên công bằng
phương pháp tính toán hoặc theo số liệu thực nghiệm thì chúng ta có thể dễ dàng xác
định được đường kính của bán thành phẩm ở các nguyên công:
d1
d3
D0
K1
,
d2
d1
D0
K 2 K1.K 2
D0
d2
d
D0
=
..... d n n 1 =
K 3 K1 .K 2 .K 3
K n K1.K 2 ...K n
Hình 2.6 Sơ đồ xác định số nguyên công dập vuốt
20
(2.2)
(2.3)
Nếu chúng ta coi rằng khi dập vuốt không qua ủ trung gian, mức độ dập vuốt ở
các nguyên công sau thay đổi không đáng kể, nghĩa là:
K2 = K3 = K4 =...Kn = K
Khi đó chúng ta có:
d2 =
d1
D0
=
K2
K 1 .K
(2.4)
d3 =
d2
D0
=
K3
K 1 .K 2
(2.5)
d n 1
D0
=
Kn
K 1 .K n 1
(2.6)
...
dn =
trong đó:
n
là số nguyên công dập vuốt.
K là mức độ dập vuốt trung bình ở các nguyên công sau:
K=
K 2 K 3 ... K n
n 1
(2.7)
Để xác định số nguyên công n chúng ta có thể sử dụng đẳng thức trên, bằng cách
logarit cả hai vế:
lgdn = lg(
D0
)
K 1 .K n 1
lg d n lg
n = 1+
lg
D0
K1
(2.8)
1
K
Nếu xác định được đường kính của các bán thành phẩm sau mỗi nguyên công
dập vuốt và các bán kính lượn của đáy (rđ ) chúng ta có thể xác định được chiều cao của
các bán thành phẩm: H1, H2.... Hn từ điều kiện cân bằng diện tích bề mặt giữa phôi và
chi tiết.
21
D02 d n2
Hn
4.d n
(2.9)
Trong đó d n là bán kính của bán thành phẩm ở nguyên công thứ n.
2.2.1 Lực dập vuốt
Cho đến nay, để xác định lực dập vuốt các nhà kỹ thuật thường sử dụng phương pháp
tính toán giải tích hoặc mô phỏng số. Trong thực tế, xác định lực dập vuốt phục vụ việc
chọn thiết bị đập phù hợp ta có thể xác định theo công thức sau:
P=k.3,14.D.s.b
(2.10)
2.2.2 Lực chặn
Mục đích của lực chặn để hạn chế ứng suất tiếp tuyến trên phần vành phôi gây ra
hiện tượng nhăn phôi. Nếu lực chặn phôi quá lớn sẽ dẫn đến kim loại trên vành không
chảy vào được lòng cối và bị đứt ngay tại mép của góc lượn cối. Nhưng nếu lực chặn
quá nhỏ sẽ dẫn đến hiện tượng nhăn trên vành.
Lực chặn phù hợp có thể được tính theo phương pháp giải tích và kinh nghiệm
đối với một chi tiết hình trụ như sau:
16 0 s 2
Q 0,11
. 0 Pmax
1
D0
0
(2.11)
Khi dập vuốt một chi tiết hình cốc trụ, thông thường ta hay tính toán lực chặn một
cách gần đúng dựa vào thực nghiệm.
Lực chặn phôi có thể xác định một cách gần đúng bằng tích số của áp lực chặn
riêng trung bình q với diện tích phần vành của chi tiết: Fv nằm dưới tấm chặn ở thời
điểm bắt đầu dập vuốt:
Q = q.F v
(2.12)
Khi dập vuốt chi tiết hình trụ từ phôi phẳng, lực chặn có thể xác định theo công
thức:
Q = 0,785. D 20 (d 2.rc ) 2 . q
(2.13)
22
