Nghiên cứu tối ưu công nghệ dập khối chi tiết khớp nối đồng tốc trong ô tô

TRƯƠNG MINH ĐỨC

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

TRƯƠNG MINH ĐỨC

CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY

NGHIÊN CỨU, TỐI ƯU CÔNG NGHỆ DẬP KHỐI
CHI TIẾT KHỚP NỐI ĐỒNG TỐC TRONG Ô TÔ

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
NGÀNH: CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY

2009-2011

Hà nội 2012


LÝ LỊCH KHOA HỌC
(Dùng cho học viên cao học)

I. Sơ lược lý lịch:
Họ và tên: Trương Minh Đức
Giới tính:Nam
ảnh 4x6
Sinh ngày:08 tháng 06 năm 1982
Nơi sinh(Tỉnh mới): Trực Ninh Nam Định
Quê quán: Trực Nội Trực Ninh Nam Định

Chức vụ: Giáo viên
Đơn vị công tác: Khoa Cơ khí Trường Đại học Kinh tế kỹ thuật Công nghiệp
Chỗ ở riêng hoặc địa chỉ liên lạc: P603 Khoa Cơ khí Trường Đại học Kinh tế kỹ thuật Công
nghiệp
Điện thoại CQ: .............................. Điện thoại NR:
Điện thoại di động: 0912370199
Fax: ................................................ E-mail :
II. Quá trình đào tạo:
1. Trung học chuyên nghiệp (hoặc cao đẳng):
- Hệ đào tạo(Chính quy, tại chức, chuyên tu) : Thời gian đào tạo: từ. . . . /. . . . .. đến.
- Trường đào tạo. ..............................................................................................................................
- Ngành học: ..................................................... Bằng tốt nghiệp đạt loại:
2. Đại học:
- Hệ đào tạo(Chính quy,tại chức, chuyên tu) : Chính quy
Thời gian đào tạo: từ. 2001 đến 2006.
- Trường đào tạo: Đại học Bách Khoa Hà Nội
- Ngành học: Công nghệ chế tạo máy
Bằng tốt nghiệp đạt loại: TBK
3. Thạc sĩ:
- Hệ đào tạo: Chính quy
Thời gian đào tạo: từ 10/2009 đến 2011
- Chuyên ngành học: Công nghệ chế tạo máy
- Tên luận văn: Nghiên cứu, tối ưu công nghệ dập khối chi tiết khớp nối đồng tốc trong ô tô
- Người hướng dẫn Khoa học: PGS.TS Nguyễn Đắc Trung
4. Trình độ ngoại ngữ (Biết ngoại ngữ gì, mức độ nào): B tiếng anh
III. Quá trình công tác chuyên môn kể từ khi tốt nghiệp đại học:
Thời gian
Nơi công tác
Công việc đảm nhận
07/2006 đến 9/2009

Công ty VMEP
Cán bộ kỹ thuật
10/2009 đến nay
ĐH Kinh tế kỹ thuật công nghiệp
Giáo viên
IV. Các công trình khoa học đã công bố: không
Tôi cam đoan những nội dung viết trên đây là đúng sự thật.
Ngày 28 tháng 03 năm 2012
NGƯỜI KHAI KÝ TÊN


MỤC LỤC
Danh mục hình vẽ

3

Lời cam đoan

6

Lời nói đầu

7

Bảng các ký hiệu

9

Chương 1 – TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ DẬP KHỐI VÀ CÔNG 11
NGHỆ ÉP CHẢY

1.1 Vài nét về công nghệ dập khối

11

1.1.1 Đặc điểm của công nghệ dập khối

11

1.1.2 Một số đặc diểm kỹ thuật trong dập khối

13

1.2 Dập khối theo phương pháp ép chảy

16

1.2.1 Ép chảy thuận

17

1.2.2 Ép chảy hỗn hợp

18

1.2.3 Ép chảy nghịch

18

1.3 Mục đích của nghiên cứu luận văn

20

1.4 Nhiệm vụ tối ưu công nghệ dập khối gia công chi tiết khớp nối

21

Chương 2 – NGHIÊN CỨU CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA CÔNG NGHỆ ÉP 22
CHẢY TRONG QUÁ TRÌNH BIẾN DẠNG
2.1.

Tính toán công nghệ trong ép chảy thuận

22

2.1.1 Vùng thoát hình trụ I

22

2.1.2 Vùng thoát hình côn II

23

2.1.3 Vùng chứa phôi hình trụ III

29

2.1.4 Áp lực riêng đối với các dạng khuôn khác nhau

31

2.2

Tính toán công nghệ trong ép chảy nghịch

32

2.2.1 Áp lực riêng khi chày lún vào phôi kim loại

34

2.2.2 Lực biến dạng khi ép chảy ngược

34

2.3

Kết luận

41

1


Chương 3 NGHIÊN CỨU QTCN CHẾ TẠO ỨNG DỤNG PHẦN MỀM 42
DEFORM VÀO MÔ PHỎNG SỐ QUÁ TRÌNH BIẾN DẠNG TẠO HÌNH
3.1

Thiết lập quy trình công nghệ

42

3.1.1

Đặc điểm hình dạng chi tiết

42

3.1.2

Thiết lập các phương án công nghệ

43

3.2

Ứng dụng mô phỏng số để nghiên cứu công nghệ dập chi tiết khớp 50
nối đồng tốc
3.2.1

Khái quát chung về mô phỏng số

3.2.2

Nghiên cứu công nghệ ép chảy bằng phương pháp mô phỏng 52

50

số
3.3

Ứng dụng phần mềm Deform để mô phỏng quá trình tạo hình chi 55
tiết khớp nối đồng tốc

3.3.1

Giới thiệu chung về Deform

55

3.3.2

Các bước tiến hành mô phỏng số trong Deform

56

3.3.3
3.4

3.3.2.1

Các bước cài đặt

57

3.3.2.2

Giao diện Deform 3D và cài đặt thông số

57

Ứng dụng mô phỏng trên phần mềm Deform

Kết luận

63
72

Chương 4 MÔ PHỎNG SỐ TỐI ƯU CÔNG NGHỆ ÉP CHẢY CHI TIẾT 74
KHỚP NỐI ĐỒNG TỐC TRONG Ô TÔ
4.1

Mô phỏng và đánh giá kết quả

74

4.1.1 Nhận xét ban đầu

74

4.1.2 Mô phỏng số trong quá trình ép chảy gia công chi tiết khớp nối

74

4.2

Kết luận

84
85

Kết luận của luận văn
Tài liệu tham khảo

88

2


DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1 Các dạng sản phẩm của dập khối

11

Hình 1.2 Quá trình điền đầy lòng khuôn dập hở ở giai đoạn I

13

Hình 1.3 Quá trình điền đầy lòng khuôn dập hở ở giai đoạn

14

Hình 1.4 Quá trình điền đầy lòng khuôn dập hở ở giai đoạn II

15

Hình 1.5 Quá trình điền đầy lòng khuôn dập hở ở giai đoạn IV

16

Hình 1.6 Sơ đồ ép chảy thuận

17

Hình 1.7 Sơ đồ ép chảy hỗn hợp

18

Hình 1.8 Sơ đồ ép chảy ngược

19

Hình 1.9 Sự thay đổi hình dạng và kích thước của phôi trong trong ép chảy 19
ngược phụ thuộc vào tỉ số D/d
Hình 1.10 Lực ép chảy ngược phụ thuộc vào tỉ số D/d

20

Hình 2.1 Sơ đồ bài toán ép chảy thuận phôi thanh có tiết diện ngang tròn

22

Hình 2.2 Sơ đồ tính toán vùng biến dạng

23

Hình 2.3 Phân bố áp lực tiếp xúc giữa phôi và thành buồng ép

29

Hình 2.4 Hình dạng hình học vùng biến dạng của một số khuôn khác nhau

31

Hình 2.5 Hệ đường trượt khi chày bắt đầu lún vào phôi

32

Hình 2.6 Hệ đường trượt khi chày đã lún vào phôi

32

Hình 2.7 Sơ đồ xác định áp lực khi ép chảy ngược

34

Hình 3.1Mô hình 3D của chi tiết

42

Hình 3.2 Hình dạng bản vẽ 2D chi tiết

43

Hình 3.3 Vị trí của khớp nối trong ô tô

44

Hình 3.4 Hình dạng phôi sau khi đã cưa

45

Hình 3.5 Hình dạng phôi sau nguyên công ép chảy

46

Hình 3.6 Hình dạng chi tiết sau nguyên công ép chảy

47

3


Hình 3.7 Bản vẽ từ phôi đúc

48

Hình 3.8 Sơ đồ so sánh quá trình tối ưu công nghệ giữa phương pháp 54
truyền thống và phương pháp công nghệ ảo
Hình 3.9. Các bước thực hiện bài toán mô phỏng trên Deform 3D

56

Hình 3.10 Giao diện chính của Deform 3D

57

Hình 3.11 Giao diện modun DEFORM-3D Pre

58

Hình 3.12 Cửa sổ cài đặt thông số điều khiển phần mềm

59

Hình 3.13 Thư viện vật liệu của Deform 3D

59

Hình 3.14 Hiệu chỉnh vị trí các đối tượng

60

Hình 3.15 Tạo tiếp xúc giữa các đối tượng

61

Hình 3.16 Giao diện của Database generation

62

Hình 3.17 Cửa sổ Deform 3D-Post

62

Hình 3.18 Giao diện Deform 3D

63

Hình 3.19 Mô hình phôi

64

Hình 3.20 Mô hình chày

64

Hình 3.21 Mô hình cối

65

Hình 3.22 Mô hình ép chảy

65

Hình 3.23 Hình học phôi sau khi đã chia lưới

66

Hình 3.24 Mô hình vật liệu

66

Hình 3.25 Giao diện Deform đang tính toán và cập nhật lưới

67

Hình 3.26 Hình ảnh một số bước tạo hình

68

Hình 3.27 Lực tác dụng của chày ép

69

Hình 3.28 Trạng thái phá hủy

69

Hình 3.29 Trạng thái biến dạng

70

Hình 3.30 Trạng thái phân bố ứng suất

70

Hình 3.31 Sự thay đổi tốc độ trong ép chảy thuận nghịch

71

Hình 3.32 Sự biến đổi trạng thái nhiệt độ

71

4


Hình 4.1 Quá trình tạo hình chi tiết

75

Hình 4.2 Biểu đố trạng thái lực lúc kết thúc

77

Hình 4.3 Biểu đồ trạng thái phá hủy lúc kết thúc

77

Hình 4.4 Phân bố biến dạng lúc kết thúc

78

Hình 4.5 Phân bố ứng suất lúc kết thúc

78

Hình 4.6 Biểu đồ trạng thái lực lúc kết thúc

79

Hình 4.7 Biểu đồ trạng thái phá hủy lúc kết thúc

80

Hình 4.8 Phân bố biến dạng lúc kết thúc

80

Hình 4.9 Phân bố ứng suất lúc kết thúc

81

Hình 4.10 Biểu đồ trạng thái lực

82

Hình 4.11 Biểu đồ trạng thái phá hủy lúc kết thúc

82

Hình 4.12 Phân bố biến dạng lúc kết thúc

83

Hình 13 Phân bố ứng suất lúc kết thúc

83

5


LỜI CAM ĐOAN
Tôi là: Trương Minh Đức
Sinh ngày 08/06/1982
Lớp CMT Khóa 2009
Trường Đại học Bách khoa Hà Nội
Tôi xin cam đoan bản luận văn với đề tài: “Nghiên cứu, tối ưu công nghệ dập
khối chi tiết khớp nối đồng tốc trong ô tô” do tôi tự thực hiện dưới sự hướng dẫn
khoa học của PGS. TS Nguyễn Đắc Trung. Các số liệu và kết quả hoàn toàn trung

thực.
Tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm nếu điều đó không đúng sự thật

Học viên thực hiện

Trương Minh Đức

6


LỜI NÓI ĐẦU

Trong những năm gần đây, cùng với sự phát triển mạnh mẽ của nền kinh tế, chất
lượng sản phẩm yêu cầu ngày càng cao, đa dạng về mẫu mã, chủng loại và phải đáp
ứng nhanh chóng về mặt thời gian. Do vậy, tối ưu hoá công nghệ nhằm nâng cao chất
lượng, giảm chi phí thiết kế, sản xuất và hạ giá thành sản phẩm luôn là tiêu chí hàng
đầu cho tất cả các nhà sản xuất.
Trước đây, khi công nghệ chưa phát triển, tối ưu hoá công nghệ thường dựa trên
kinh nghiệm sản xuất và tối ưu dần trong quá trình sản xuất mà không có tính tổng quát
nên hiệu quả thường không cao. Trong những năm gần đây, cùng với sự phát triển
mạnh mẽ của công nghệ thông tin, điện tử, tự động hoá đã trợ giúp quá trình tối ưu hoá
công nghệ một cách đơn giản, nhanh chóng và chính xác bằng phương pháp mô phỏng
số trên máy tính đem lại hiệu quả cao trong nghiên cứu khoa học cũng như trong sản
xuất.
Ở nước ta hiện nay, mô phỏng số vẫn còn là một vấn đề mới mẻ, hầu như chưa
được ứng dụng phổ biến vào sản xuất mà chỉ được nghiên cứu ở một số trường đại học
cũng như các viện nghiên cứu. Để góp phần vào sự phát triển chung của việc nghiên
cứu tối ưu hoá công nghệ nhờ mô phỏng số và thúc đẩy ứng dụng kết quả tối ưu vào
sản xuất công nghiệp, luận văn này tôi đã tập chung nghiên cứu và ứng dụng phương
pháp mô phỏng số nhờ phần mềm DEFORM nhằm tối ưu hoá công nghệ ép chảy trong

chi tiết khớp nối đồng tốc trong ô tô.
Luận văn được trình bày trong 4 chương.
Chương 1 Giới thiệu tổng quan về công nghệ dập khối từ đó nghiên cứu về
công nghệ ép chảy, các phương pháp ép chảy, từ đó đưa ra mục đích của việc nghiên
cứu của luận văn áp dụng để gia công chi tiết khớp nối

7


Chương 2 Nghiên cứu về cơ sở lý thuyết của công nghệ ép chảy. Trong chương
này tập chung tính toán khảo sát bài toán ép chảy tại từng vùng riêng biệt, từ đó tổ hợp
lại để xác định lực biến dạng và áp lực riêng phần.
Chương 3 Nghiên cứu QTCN chế tạo gia công chi tiết khơp nối đồng tốc trong
ô tô từ đó ứng dụng phần mềm mô phỏng số để mô phỏng quá trình biến dạng
Chương 4 Mô phỏng só tối ưu công nghệ ép chảy chi tiết khớp nối đồng tốc
trong ô tô. Đưa ra kết quả và lựa chọn phương án tối ưu để từ đó có thể dựa vào kết quả
mô phỏng ứng dụng trong sản xuất hàng loạt

Kết luận của luận văn: Đưa ra kết luận và tổng kết khi làm luận văn và
hướng phát triển tiếp theo của đề tài
Hà nội, ngày tháng năm 2012
Tác giả

8


BẢNG CÁC KÝ HIỆU

Ký hiệu

Ý nghĩa

Đơn vị đo

A0

Diện tích mặt cắt ngang phôi ban đầu

mm2

A1

Diện tích mặt cắt ngang sản phẩm

mm2

C

Nhiệt dung riêng

d0

Đường kính ban đầu của phôi

mm

E

Mô đun đàn hồi

Pa

Fges

J/kg.K

Lực biến dạng cần thiết

KN.m

G

Mô đun cắt

MPa

K

Hệ số dẫn nhiệt

W/m.K

kfm

Ứng suất chảy trung bình

N/mm2

l0

Chiều dài của phôi ban đầu

mm

l

Chiều dài của phôi sau ép

mm

T

Nhiệt độ tuyệt đối

°K

Tf

Nhiệt độ nóng chảy

°K

−

T
Wges

Ten xơ ứng suất
Công biến dạng cần thiết

KN.m

V

Thể tích biến dạng

mm3

α

Góc thoát cối ép

ε1, ε2, ε3

Biến dạng chính

εi

Cường độ biến dạng

ε

Tốc độ biến dạng

ϕ

Mức độ biến dạng chính

độ

9


ϕmax
λ

Mức độ biến dạng chính lớn nhất
Hệ số nhân dẻo

Ký hiệu

Ý nghĩa

µ

Hệ số ma sát

ρ

Mật độ khối lượng

Đơn vị đo
l
kg

Ứng suất chính

N/mm2

σe

Ứng suất tương đương

N/mm2

τ

Ma sát Tresca

ν

Hệ số poisson

σ1, σ2, σ3

10


CHƯƠNG I:
TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ DẬP KHỐI VÀ CÔNG NGHỆ ÉP CHẢY
I.1 Vài nét về công nghệ dập khối.
I.1.1 Đặc diểm của công nghệ dập khối
Dập khối là một trong những phương pháp gia công kim loại bằng áp lực nhờ
lợi dụng tính dẻo của kim loại tạo ra một thành phẩm có hình dạng và kích thước theo
mong muốn bằng cách làm cho kim loại chảy dẻo và điền đầy vào lòng khuôn hay chảy
qua lỗ thoát hoặc bị biến dạng toàn phần thể tích phôi.

Hình 1.1 Các dạng sản phẩm của dập khối
Dập khối có nhiều ưu điểm, cụ thể như:
• Các chi tiết được gia công bằng phương pháp tạo hình khối có độ bền độ

cứng tăng, đồng thời trong quá trình tạo hình tạo ra được những thớ kim loại
phù hợp nên có thể làm được những chi tiết vừa nhỏ gọn nhưng lại bền chắc
có vai trò quan trọng trong công nghiệp ô tô, máy bay…
• Tiết kiệm được nhiều kim loại nhất là trong sản xuất loạt lớn hoặc hàng khối
nên giá thành sản xuất giảm.
• Có thể tận dụng phế liệu của sản phẩm này để làm chi tiết khác.

11


Với những ưu việt về năng suất, chất lượng sản phẩm cao, giá thành hạ, thao tác
sản xuất đơn giản không đòi hỏi thợ bậc cao lại có thể chế tạo những chi tiết từ rất nhỏ
đến những chi tiết rất lớn (khoảng 500 tấn) mà dập khối được sử dụng rộng rãi trong
mọi lĩnh vực công nghiệp như: Dân dụng, công nghiệp nặng, công nghiệp nhẹ, quốc
phòng.
Tuy nhiên dập khối cũng có những nhược điểm riêng:
• Quá trình tạo hình cần sử dụng lực công nghệ rất lớn nên hầu hết phải
thực hiện với phôi ở trạng thái nóng (15000C) do vậy chất lượng bề mặt
sản phẩm thấp và độ chính xác không cao (hiện tượng cháy và thoát
cacbon bề mặt) khó cơ khí hóa và tự động hóa.
• Công nhân (nhất là ở nước ta) làm việc nặng nhọc và trong môi trường
độc hại, tiếng ồn nên tai nạn lao động hay xảy ra.
• Không thể tạo ra được những chi tiết có hình dạng và kết cấu phức tạp
như công nghệ đúc.
Ngày nay do sự phát triển của khoa học kỹ thuật người ta đã ra được các thiết bị
tạo hình khối với kim loại ở trạng thái nguội nên độ bóng và độ chính xác của chi tiết
cao nhưng chỉ áp dụng phương pháp dập nguội đối với chi tiết nhỏ và trung bình.
Trong quá trình dập khối tùy theo hình dạng, kích thước của từng loại chi tiết
người ta sử dụng các loại phôi khác nhau: Phôi thép đúc, phôi thép cán định hình, phôi
thép tấm cán, phôi cán chu kỳ. Tương ứng với mỗi loại phôi lại có một quá trình chuẩn

bị phôi khác nhau, chất lượng phôi cũng vì thế mà khác nhau. Thường quá trình dập
khối qua 3 giai đoạn:
1. Giai đoạn nguyên công chuẩn bị, trong giai đoạn này có thể tạo hình sơ
bộ cho phôi
2. Giai đoạn các nguyên công tạo hình chính.
3. Giai đoạn các nguyên công riêng lẻ để hoàn chỉnh sản phẩm.

12


Thiết bị dung để dập khối là các máy búa, máy ép trục khuỷu dập nóng, máy ép
ma sát trục vít, máy ép thủy lực, máy rèn ngang, một số máy chuyên dùng và sử dụng
các trang bị kèm theo như khuôn dập. Hình dạng của chi tiết thu được hoàn toàn phụ
thuộc vào các lòng khuôn dập này.
Sự biến dạng của kim loại trong lòng khuôn dập (khuôn kín, khuôn hở, khuôn
ép chảy) trong quá trình dập là khác nhau dẫn đến chất lượng sản phẩm và độ bền
khuôn cũng khác nhau.
Ở các nước công nghiệp phát triển trên thế giới các nhà máy dập khối được đầu
tư lớn cả về công nghệ và thiết bị, sản phẩm của các nhà máy này chiếm đến trên 50%
tổng số khối lượng sản phẩm công nghiệp chế tạo máy nói chung.
Hiện nay ở nước ta dập khối chưa được phát triển lắm, tuy nhiên với tốc độ phát
triển của nền công nghiệp hiện nay Nhà nước ta đang chú ý nhiều đến việc đẩy mạnh
phát triển công nghệ này.
I.1.2 Một số đặc điểm kỹ thuật trong dập khối:
Dập khối là quá trình phân bố lại kim loại phôi một cách cưỡng bức làm điền
đầy các khoảng trống trong lòng khuôn. Có 3 loại lòng khuôn dập khối là: Khuôn dập
hở, khuôn dập kín, khuôn ép chảy và sự điền đầy của kim loại vào các lòng khuôn này
có thể chia thành 4 giai đoạn sau đây:
1) Giai đoạn I:

Hình 1.2 Quá trình điền đầy lòng khuôn dập hở ở giai đoạn I

13


Kim loại biến dạng theo nguyên tắc chồn tự do, bắt đầu từ đầu cho đến khi kim loại
tiếp xúc với thành bên của lòng khuôn, tức là khi chiều cao phôi giảm đi một lượng là
∆H1. Ở một số vật phức tạp thì trong giai đoạn này có thể kết hợp giữa chồn và đột lỗ
hoặc ép chảy. Áp lực lực đơn vị ở giai đoạn này thấp, chỉ có các lực P và lực ma sát T
tác dụng trên bề mặt tiếp xúc.
2) Giai đoạn II:

Hình 1.3 Quá trình điền đầy lòng khuôn dập hở ở giai đoạn II
Bắt đầu từ khi kim loại tiếp xúc với các mặt bên của lòng khuôn cho đến khi cửa
khuôn bị đóng lại (bắt đầu cấu tạo vành biên). Chiều cao phôi giảm đi một lượng ∆H2.
Trong giai đoạn này tại các bề mặt tiếp xúc có các lực P tác dụng từ đáy lòng khuôn lên
phôi; lực Q tác dụng từ các mặt bên của lòng khuôn, và vì các góc của lòng khuôn “C”
còn chưa điền đầy cho nên vẫn còn có các lực ma sát T và T1 cản trở sự chảy của kim
loại vào các góc “C”. Đến cuối giai đoạn này vì cửa khuôn bị đóng lại bằng vành biên
cho nên tại cửa khuôn có các lực pháp tuyến Pb và lực ma sát T2 tác dụng lên kim loại.
Vì có thêm một số thành phần lực tiếp xúc cho nên áp lực đơn vị tác dụng lên kim loại
cũng tăng lên nhanh hơn so với giai đoạn I.

14


3) Giai đoạn III:

Hình 1.4 Quá trình điền đầy lòng khuôn dập hở ở giai đoạn III
Giai đoạn này bắt đầu từ khi cửa khuôn bị đóng lại cho đến khi kim loại điền đầy

toàn bộ lòng khuôn. Vành biên cũng đã cấu tạo xong và vì lòng khuôn đã được điền
đầy cho nên vai trò công nghệ của vành biên đã hoàn thành. Trong giai đoạn III số lực
tác dụng lên phôi vẫn còn như trong giai đoạn II chỉ khác là chiều các lực tác dụng lên
vành biên được thay đổi. Các lực Pb tác dụng cùng phương với lực P. Các lực T2
chuyển hướng thành lực Tb là lực ma sát chống lại chiều chạy của kim loại ra vành
biên, khi kết thúc giai đoạn III là lúc lòng khuôn đã được điền đầy cho nên không còn
dòng chảy kim loại và các góc “C” của lòng khuôn. Vì vậy lúc này các lực ma sát T và
T1 không còn nữa. Tuy số lượng lực tác dụng lên phôi vẫn thế hoặc đến cuối cùng của
giai đoạn III giảm đi được hai lực ma sât, nhưng tính chung áp lực đơn vị trong giai
đoạn III lớn hơn nhiều so với giai đoạn II.
Hành trình của giai đoạn III là ∆H3 thường nhỏ hơn hành trình của các giai đoạn I
và II.
4) Giai đoạn IV:

15


Hình 1.5 Quá trình điền đầy lòng khuôn dập hở ở giai đoạn IV
Là giai đoạn cuối cùng của quá trình dập, nhiệm vụ của nó là đẩy nốt lượng kim
loại thừa ra khỏi lòng khuôn vào rãnh thoát biên để biến dạng nốt một lượng ∆H4 làm
cho vật dập đạt kích thước về chiều cao. Đặc điểm cơ bản của giai đoạn này là áp lực
đơn vị rất cao, do đó lực dập tăng lên rất nhiều và áp lực tác dụng lên khuôn cũng rất
lớn cho nên dễ phá vỡ khuôn. Các lực ma sát tác dụng lên lòng khuôn không còn nữa
mà chỉ còn có lực ma sát tác dụng tại cầu vành biên mà thôi.
Thực ra giai đoạn IV hoàn toàn không cần thiết và lại còn có hại nữa, nhưng trong
sản xuất bao giờ cũng không tránh khỏi giai đoạn này vì bao giờ cũng có kim loại thừa
trong phôi. Sự tồn tại của giai đoạn này sẽ làm hao tổn kim loại, hại khuôn, giảm năng
suất lao động, tốn năng lượng v.v…Do vậy chúng ta nên tránh và càng giảm được giai
đoạn này càng tốt.
Sự chuyển giai đoạn trong quá trình dập thể tích trên khuôn hở này có thể xảy ra

trong một vật dập không cùng một lúc, không đồng đều, có chỗ chuyển giai đoạn sau.
Chỉ có đối với các vật dập dọc trục, hình dạng tròn xoay thì sự chuyển giai đoạn trên
toàn bộ vật dập xảy ra cùng một lúc.
I.2 Dập khối theo phương pháp ép chảy.

16


Bản chất của công nghệ ép chảy là: Phôi được đặt vào trong cối chế tạo gần
giống như khuôn kín nhưng có lỗ thoát kim loại. Dưới tác dụng của lực công nghệ thì
kim loại bị biến dạng điền đầy lòng khuôn tạo thành phần thân trong lòng cối có hình
dạng giống với hình dáng của lòng cối và mặt chày, phần kim loại còn lại chảy ra ngoài
lòng khuôn qua lỗ thoát thoát tạo thành phần chân có hình dáng và tiết diện ngang
không đổi.
Ép chảy đặc biệt thích hợp trong việc sản xuất các bán thành phẩm dạng thanh,
ống và các profin định hình. Chủng loại sản phẩm ép chảy rất đa dạng, chủ yếu được
chế tạo từ kim loại và hợp kim màu, đặc biệt từ nhôm và hợp kim nhôm. Tùy theo các
điều kiện sản xuất và yêu cầu đối với sản phẩm mà có thể áp dụng các phương pháp ép
chảy khác nhau, phổ biến nhất là ép chảy thuận và ép chảy ngược. Ngoài ra còn có ép
chảy hỗn hợp, ép chảy ống và ép chảy với hành trình ngắn, ép chảy đặc biệt như ép
chảy ngang, ép chảy thủy tĩnh…
I.2.1 Ép chảy thuận
Trong quá trình ép chảy thuận, phôi dịch chuyển tương đối với thành buồng ép và
hướng chảy của kim loại trùng với hướng chuyển động của chày ép.
Chày

Phôi

Cối
Hình 1.6 Sơ đồ ép chảy thuận

17


Sản phẩm của quá trình ép chảy thuận thường có dạng thanh, ống hay profil định hình
có chiều dài vô hạn. Trong quá trình ép chảy thuận, chiều tác dụng lực trùng với chiều
thoát sản phẩm.
Đối với ép chảy thuận hay sử dụng cối có góc thoát 2α = 180° (Cối phẳng)
hoặc góc thoát 2α < 1800.
I.2.2 Ép chảy hỗn hợp
Để nâng cao chất lượng sản phẩm ép, người ta sử dụng phương pháp ép chảy có vỏ.
Đây thực chất là ép chảy hỗn hợp nhưng phần kim loại chảy ngược qua khe hở giữa
chày và cối ép rất ít… Trường hợp ép có vỏ sẽ cho chất lượng của sản phẩm tốt hơn
bởi lẽ tránh được những khuyết tật xấu của vật đúc vào sản phẩm ép. Điều này thường
được áp dụng với đồng và hợp kim của đồng. Đối với những kim loại khó ép thì
thường thực hiện với cối ép có 2α < 1800, có bôi trơn trong quá trình ép hoặc 2α = 1800
khi ép có vỏ.

Chày

Phôi

Cối

Hình 1.7 Sơ đồ ép chảy hỗn hợp
I.2.3 Ép chảy ngược
• Ép chảy ngược được thực hiện khi phôi nằm trong cối và đường kính ngoài của
phôi là đường kính trong của cối.

18

Hình 1.8 Sơ đồ ép chảy ngược
• Đặc điểm khi ép chảy ngược:
-

Nếu D/d càng nhỏ thì sau khi đột lỗ, chiều cao phôi càng tăng.

-

Ép chảy ngược thường tiến hành khi tỷ số D/d < 2.

-

Chiều cao của phôi có thể dễ dàng xác định được dựa vào định luật thể
tích không đổi.

Hình 1.9 thể hiện sự thay đổi hình dáng, kích thước phôi khi ép chảy ngược. Khi
đường kính của chày đột thay đổi sẽ làm cho hình dạng và kích thước của phôi thay đổi
theo.

Hình 1.9 Sự thay đổi hình dạng và kích thước của phôi trong trong ép chảy ngược phụ
thuộc vào tỉ số D/d

19


Nhận xét:
• Nếu tỷ số D/d càng lớn thì hình
dáng sản phẩm sau đột lỗ sẽ

không có sự phân biệt rõ ràng
giữa ép chảy ngược hay đột hở.
• Khi D / d ≥ 5 thì sự khác nhau
giữa đột hở và ép chảy ngược sẽ
không thể nhận biết được và cả
hai trường hợp đều trở thành bài
toán một chày hình trụ ấn vào một

Hình 1.10 Lực ép chảy ngược phụ

bán không gian vô hạn.

thuộc vào tỉ số D/d

• Khi đột phôi có đường kính như
nhau thì với cùng đường kính
chày đột, lực và áp lực riêng khi
ép chảy ngược luôn lớn hơn khi
đột hở (hình 1.10).
• Khi D/d tăng thì sự khác nhau về
lực giữa hai trường hợp sẽ giảm
dần và hầu như bằng nhau khi D/d

≈ 5.
I.3. Mục đích nghiên cứu của luận văn.
Nghiên cứu về công nghệ ép chảy để sản xuất chi tiết khớp nối đồng tốc trong ô
tô, từ đó có thể nghiên cứu để tạo ra các chi tiết có hình dạng bất kỳ, từ đơn giản đến
phức tạp phục vụ cho các ngành công nghiệp ô tô, máy bay, xây dựng, trang trí nội
thất...

20


Dựa vào mô phỏng số ứng dụng trên phần mềm Deform để tối ưu quy trình công
nghệ. Từ đó có thể nâng cao được chất lượng và giảm giá thành sản phẩm.
Từ những phân tích, nhận định ở trên, trong phần nghiên cứu của luận văn sẽ tập
trung vào nghiên cứu tính toán các thông số công nghệ đầu vào và ứng dụng phần mềm
DEFORM mô phỏng quá trình biến dạng dẻo của kim loại khi ép chảy chi tiết khớp
nối, để có thể đưa ra các thông số kỹ thuật tối ưu phục vụ cho việc thiết kế khuôn và
chọn thiết bị công nghệ phù hợp.
Những thông số công nghệ rút ra được nhờ mô phỏng có thể coi là tối ưu và là
dữ liệu cơ bản để thiết kế, chế tạo khuôn. Bởi vậy bộ khuôn chế tạo ra chắc chắn có thể
ép ra sản phẩm đạt yêu cầu, nếu có phải chỉnh sửa thì cũng ở mức độ nhẹ và khối
lượng công việc không nhiều. Với việc áp dụng phương pháp thiết kế “ảo”, thời gian
thiết kế cũng như chi phí chế tạo khuôn giảm đáng kể. Điều này có ý nghĩa rất quan
trọng, nhất là đối với những chi tiết phức tạp, kích thước lớn.
I.4 Nhiệm vụ tối ưu công nghệ dập khối gia công chi tiết khớp nối đồng tốc trong ô
tô
Phương pháp gia công bằng dập khối ép chảy chi tiết có rất nhiều ưu điểm: Gia
công các chi tiết cơ khí với hệ số sử dụng vật liệu cao nhất, tạo ra chi tiết có cơ tính tốt,
chất lượng sản phẩm tốt, năng suất cao. Chính vì vậy trong luận văn này tôi sẽ chọn
phương pháp gia công bằng phương pháp ép chảy để gia công chi tiết khớp nối.
Bài toán đặt ra khi gia công chi tiết khớp nối là phải tìm ra được tối ưu về hình
dáng, kích thước của sản phẩm. Quá trình công nghệ gia công chi tiết có số nguyên
công nhỏ nhất có thể, và phải tối ưu được các thông số về nhiệt độ, lực tác dụng và
mức độ biến dạng khi gia công trong quá trình ép chảy

21

CHƯƠNG II:
NGHIÊN CỨU CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA CÔNG NGHỆ ÉP CHẢY TRONG
QUÁ TRÌNH BIẾN DẠNG
II.1 TÍNH TOÁN CÔNG NGHỆ TRONG ÉP CHẢY THUẬN
Để nghiên cứu bài toán ép chảy, ta khảo sát bài toán ép chảy thuận phôi dạng
thanh, cối hình côn và chày phẳng (Hình 2.1).
Đặc tính công nghệ như sau:
Để giải bài toán có thể dùng các phương pháp kỹ sư, phương pháp đường trượt,
phương pháp cân bằng công, phương pháp định trị trên hay phương pháp biến phân.
Để tính toán lực và công biến dạng có thể tính toán khảo sát bài toán ép chảy tại
từng vùng riêng biệt, sau đó tổ hợp lại để xác định lực biến dạng và áp lực riêng toàn
phần.
Chày
D
III

L

Ba vùng khảo sát:
Cối

II

- Vùng thoát hình trụ I

l

I

- Vùng biến dạng hình côn II

d

- Vùng chứa phôi hình trụ III

Hình 2.1 Sơ đồ bài toán ép chảy thuận phôi thanh có tiết diện ngang tròn
II.1.1 Vùng thoát hình trụ
Kim loại chảy qua vùng này không bị biến dạng, sự biến dạng đã kết thúc ở cuối
giai đoạn trước. Theo định luật tồn tại biến dạng đàn hồi khi biến dạng dẻo, nên kim
loại ở vùng này nằm trong trạng thái ứng suất đàn hồi. Vì vậy giá trị tuyệt đối ứng suất

22


hướng kính cực đại σρ ở thành cối không thể lớn hơn giới hạn chảy σsl. Thực tế, ứng
suất đó nhỏ hơn vì cối không phải là vật tuyệt đối cứng mà chính là vật đàn hồi.
Tuy nhiên, chúng ta coi như trị số ứng suất tuyệt đối σsl bằng giới hạn chảy

|σρl|= σslkfl
Sự chuyển động của kim loại bị cản trở bởi ma sát tiếp xúc trên thành cối. Lực
ma sát có thể tính theo phương trình sau:
P1 = µ1. |σρl|π.d.l = µ1. σρlπ.d.l

(2.1)

Áp lực riêng để khắc phục lực ma sát:
q1 = P1/F1 =

µ1. σρlπ.d.l
2

πd /4

= µ1.

4σρl.l

(2.2)

d

Giả thiết ranh giới phía trên của ổ biến dạng là mặt mfn của chỏm cầu có bán
kính b và góc ở đỉnh là 2γ, còn ranh giới phía dưới của ổ biến dạng là mặt m’f’n’ của
chỏm cầu có bán kính a và góc ở đỉnh cũng là 2γ.
Giả thiết các chất điểm trong ổ biến dạng di chuyển dọc theo bán kính ρ, bởi vậy
các chuyển vị theo phương của các tọa độ φ và θ bằng 0 tức là Uρ = U0 = 0
II.1.2 Vùng hình côn II ( vùng biến dạng)
P2

f
D

m

f

m

h

b

n

m’
a

f’

k

z

n
D

d

n’

A

d
2α
a’
O

Hình 2.2 Sơ đồ tính toán vùng biến dạng

23