Nghiên cứu công nghệ sản xuất chi tiết tấm trao đổi nhiệt

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

PHẠM ĐẮC HỒNG

NGHIÊN CỨU CƠNG NGHỆ SẢN XUẤT CHI TIẾT
TẤM TRAO ĐỔI NHIỆT
Chuyên ngành: Gia Công Áp Lực

LUẬN VĂN THẠC SỸ CƠNG NGHỆ CƠ KHÍ

Người hướng dẫn khoa học: TS. NGUYỄN ĐẮC TRUNG

HÀ NỘI - 2008


-1-

MỤC LỤC

Trang
MỤC LỤC

1

LỜI NÓI ĐẦU

4

B

6
2

B
7
2

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ THIẾT BỊ TRAO ĐỔI NHIỆT
DẠNG TẤM VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP CÔNG NGHỆ TẠO
HÌNH TẤM
1.1. Tổng quan về thiết bị trao đổi nhiệt dạng tấm

6

6

1.1.1. Khái niệm và phân loại thiết bị trao đổi nhiệt

6

1.1.2. Thiết bị trao đổi nhiệt dạng tấm

6

1.1.3. Các dạng kết cấu gân/ rãnh của tấm trao đổi nhiệt

10

1.2. Công nghệ dập tấm mỏng

12

2.2.1. Khái niệm

12

2.2.2. Đặc điểm
2.2.3. Dập liên hợp và tình hình nghiên cứu, ứng dụng phương

12
13

pháp dập liên hợp trong dập tấm kim loại
CHƯƠNG 2. NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT TẤM
TRAO ĐỔI NHIỆT
2.1. Cơ sở lý thuyết về biến dạng tấm mỏng
B
0
3

17
17

2.1.1. Khái niệm về tấm mỏng

17

2.1.2. Trạng thái ứng suất và biến dạng

17

2.2. Thiết kế q trình cơng nghệ chế tạo tấm trao đổi nhiệt

28

2.2.1. Phân tích tính cơng nghệ của chi tiết

29

2.2.2. Xác định hình dáng và các kích thước của phơi

31

2.2.3. Xác lập q trình cơng nghệ hợp lý
2.2.4. Tính tốn cơng nghệ

36
46

2.2.5. Lựa chọn máy

65

CHƯƠNG 3. MƠ HÌNH HĨA Q TRÌNH DẬP

68


-2-

3.1. Vai trị và ưu điểm của mơ phỏng số trong thiết kế, tối ưu

68

công nghệ
3.1.1. Giới thiệu các phương pháp mô phỏng

69

3.1.2. Ứng dụng của mô phỏng số

72

3.2. Giới thiệu về phần mềm eta/DYNAFORM

74

3.3. Phương pháp tính tốn trong eta/DYNAFORM

76

3.4. Mơ hình vật liệu trong eta/DYNAFORM

78

3.5. Điều kiện biên

79

3.6. Thuật toán tiếp xúc và va chạm

79

3.7. Các phần tử trong eta/DYNAFORM/LS-DYNA

81

3.8. Kết luận

82

CHƯƠNG 4. MƠ PHỎNG SỐ Q TRÌNH DẬP TẤM
TRAO ĐỔI NHIỆT
4.1. Tiền xử lý mô phỏng

83

4.1.1. Xây dựng mơ hình hình học- Nhập phơi và dụng cụ

85

4.1.2. Chia lưới phôi và dụng cụ gia công

87

4.2. Thiết lập các điều kiện biên – Giải bài toán

88

4.2.1. Các thiết lập ban đầu

89

4.2.2. Giao diện chung của mô phỏng dập tạo hình

89

4.2.3. Định nghĩa phơi

90

4.2.4. Định nghĩa vật liệu và đặc tính của phơi

90

4.2.5. Định nghĩa dụng cụ tạo hình

93

4.2.6. Định vị dụng cụ tạo hình

95

4.2.7. Định nghĩa quá trình công nghệ

96

4.2.8. Kiểm tra chuyển động mô phỏng

97

4.2.9. Giải bài tốn tạo hình trên máy

98

B
0

B
1

B
2

B
3

B
4

B
5

B
6

B
7

B

8

B
9

85


-3-

4.3. Hậu xử lý – Khai thác kết quả

99

4.3.1. Phân tích biểu đồ giới hạn tạo hình

99

4.3.2. Phân tích biến dày và biến mỏng trong tạo hình

100

4.3.3. Dịch chuyển các cạnh của phơi trong mặt phẳng vng góc

102

với phương dập trong q trình tạo hình
4.3.4. Phân tích ứng suất trong tạo hình

103

4.3.5. Vị trí và dịch chuyển của dụng cụ trong q trình tạo hình

104

4.3.6. Phân tích lực tác dụng trong tạo hình

106

5.3.7. Phân tích năng lượng trong q trình tạo hình

107

4.4. Kết luận

108

4.4.1. Phân tích khe hở z giữa Chày và Cối

108

4.4.2. Tốc độ dập

109

4.4.3. Lực chặn

111

4.4.4. Vấn đề bôi trơn và yêu cầu độ nhẵn bề mặt chày, cối

112

4.4.6. Kết luận

113

KẾT LUẬN

114

TÀI LIỆU THAM KHẢO

115

TÓM TẮT NỘI DUNG BẰNG TIẾNG VIỆT

116

TÓM TẮT NỘI DUNG BẰNG TIẾNG ANH

117

B
2
3

PHỤ LỤC : BẢN VẼ CHẾ TẠO KHUÔN DẬP

-4-

LỜI NÓI ĐẦU
Thiết bị trao đổi nhiệt dạng tấm được sử dụng trong hơn 60 năm qua. Với
những ưu điểm vượt trội so với các thiết bị trao đổi nhiệt khác như: truyền
nhiệt có hiệu suất cao, gọn nhẹ, kết cấu mơ đun linh hoạt…đến nay nó được
sử dụng ngày càng rộng rãi trong các quá trình gia nhiệt, làm mát, thu hồi
nhiệt của hầu hết mọi lĩnh vực như: Sản xuất hố chất, phát điện, sản xuất
bơng và giấy, công nghiệp thực phẩm, luyện cán thép, chế tạo máy, điều hồ
khơng khí…Tấm trao đổi nhiệt, trên bề mặt nó có các gân/ rãnh phức tạp với
mục đích làm tăng diện tích bề mặt trao đổi nhiệt và tạo ra chế độ dịng chảy
rối, tấm có các lỗ dẫn hai loại lưu thể đi qua từ hai phía của nó và truyền nhiệt
cho nhau là chi tiết chính của thiết bị.
Việc tạo hình các chi tiết có kết cấu gân/ rãnh như tấm trao đổi nhiệt
mà đề tài hướng tới tuy không mới nhưng các nghiên cứu về lý thuyết và đặc
biệt là công nghệ chế tạo chưa thực sự phổ biến như các chi tiết điển hình
khác. Cũng theo như tìm hiểu của tác giả, các sản phẩm trao đổi nhiệt dạng
tấm lớn xuất hiện rất nhiều trên thị trường nhờ tính ưu việt của nó vì xu thế
chung trên toàn cầu là tiết kiệm năng lượng, tuy nhiên tại Việt Nam chưa có
một nhà máy hay cơ sở sản suất nào chế tạo ra nó. Tác giả thực hiện đề tài với
tham vọng một ngày nào đó có thể tạo ra được các sản phẩm tương tự các
thiết bị ngoại nhập rất đắt tiền này. Nhưng vì năng lực và thời gian có hạn, đề
tài vẫn chưa thực sự được như mong muốn, tác giả rất mong nhận được sự chỉ
bảo của các thầy, cô và các bạn đồng nghiệp. Trong luận văn này tác giả đã
tính tốn, thiết kế cơng nghệ cho các q trình: cắt, đột bằng khn dập phối
hợp; tạo hình rãnh/ gân bằng bộ khuôn chày-cối cứng trên máy ép thủy lực
vạn năng và ứng dụng phần mềm mô phỏng số eta/Dynaform vào việc mô


-5-

phỏng quá trình tạo hình các rãnh/ gân để đưa ra được thông số công nghệ tối
ưu.
Từ những mục tiêu trên, luận văn này gồm những nội dung sau:
- Nghiên cứu cơ sở lý thuyết của quá trình biến dạng tấm mỏng áp dụng
cho việc tạo hình các rãnh/ gân của tấm tản nhiệt. Tính tốn, thiết kế các bước
cơng nghệ và xây dựng bản vẽ chế tạo khn.
- Tìm hiểu về phần mềm mô phỏng eta/Dynaform và thực hiện mơ phỏng
q trình dập tạo hình. Từ kết quả mơ phỏng đối chiếu với lý thuyết rút ra các
kết luận cần thiết để tối ưu cơng nghệ lựa chọn.
Phần trình bày trong luận văn của đề tài được thể hiện qua nội dung các
chương sau:
 Chương 1 – Tổng quan về thiết bị trao đổi nhiệt dạng tấm và các phương
pháp công nghệ sản xuất các sản phẩm dạng tấm
 Chương 2 – Nghiên cứu công nghệ sản xuất tấm trao đổi nhiệt
 Chương 3 – Mơ hình hóa q trình dập
 Chương 4 – Mơ phỏng số q trình dập tạo hình rãnh/ gân của tấm trao đổi
nhiệt
 Kết luận và hướng nghiên cứu tiếp theo của đề tài.
Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn về sự giúp đỡ tận tình của các thầy cơ giáo
trong khoa và của các bạn đồng nghiệp, đặc biệt là sự chỉ bảo của thầy hướng
dẫn trực tiếp T.S Nguyễn Đắc Trung trong quá trình thực hiện luận văn này.
Hà Nội, ngày
10B

tháng năm 200

Học viên
14B

Phạm Đắc Hoàng
23B


-6-

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ THIẾT BỊ TRAO ĐỔI NHIỆT DẠNG
TẤM VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP CƠNG NGHỆ TẠO HÌNH TẤM
1.1. Tổng quan về thiết bị trao đổi nhiệt dạng tấm
1.1.1. Khái niệm và phân loại thiết bị trao đổi nhiệt
Thiết bị trao đổi nhiệt (TBTDN) là thiết bị trong đó thực hiện sự trao đổi
nhiệt giữa chất cần gia công nhiệt với mơi chất là nguồn nhiệt (nóng hoặc
lạnh).
Chất cần gia công nhiệt và môi chất là nguồn nhiệt thường ở pha lỏng, khí
hoặc hơi nên ta gọi chung là lưu thể.
Phụ thuộc vào phạm vi, lĩnh vực nghiên cứu người ta đã đưa ra rất nhiều
cách phân loại TBTDN: Phân loại theo kiểu tiếp xúc giữa hai loại lưu thể (tiếp
xúc trực tiếp hay gián tiếp), theo hình dáng cấu tạo của mặt trao đổi nhiệt
(hình kim, hình xoắn ốc, hình ống ruột gà, hình ống, hình tấm…), theo cơng
dụng (đun nóng hay làm lạnh), theo chiều chảy của lưu thể (thuận chiều,
ngược chiều, trái chiều, hỗn hợp), theo trạng thái nhiệt độ (trạng thái bất ổn
hay ổn định), theo dạng pha của lưu thể (hơi, khí, lỏng) .v.v.
TBTDN dạng tấm thuộc loại thiết bị có sự tiếp xúc gián tiếp giữa hai lưu
thể thông qua vách ngăn rắn là mặt truyền nhiệt có dạng hình tấm, bản. Ở hai
phía của vách ngăn các lưu thể được bố trí chảy ngược chiều nhau.
1.1.2. Thiết bị trao đổi nhiệt dạng tấm
Thiết bị trao đổi nhiệt dạng tấm (PHE _ Plate Heat Exchanger) được
phát minh cách đây hơn 60 năm và ngày càng được sử dụng rộng rãi trong
mọi lĩnh vực công nghiệp do hiệu suất trao đổi nhiệt tối ưu của nó. Ngày nay
thiết bị trao đổi nhiệt được sử dụng trong hầu hết mọi lĩnh vực như: Sản xuất

hoá chất; Sản xuất giấy; Công nghiệp thực phẩm; Luyện cán thép, chế tạo
máy; Điều hồ khơng khí…


-7-

Hình 1.1: Thiết bị trao đổi nhiệt dạng tấm
Cấu tạo:
Thiết bị PHE có cấu tạo từ nhiều tấm kim loại bề mặt gấp nếp định hình có
chừa sẵn các lỗ dành cho hai loại môi chất khác nhau đi qua để tiến hành trao
đổi nhiệt với nhau. Các tấm kim loại này được ép thành một khối nhờ 2 tấm
thép khung dầy thông qua các thanh bu lông giằng. Độ kín giữa các tấm được
đảm bảo nhờ các lớp gioăng, đệm kín đặc biệt.
Số lượng và kích thước các tấm kim loại được xác định bởi lưu lượng của
môi chất, tính chất vật lý, tổn hao áp suất, nhiệt độ vào/ ra của môi chất…


-8-

Hình 1.2: Các bộ phận của một thiết bị trao đổi nhiệt dạng tấm điển hình
Bề mặt gấp nếp trên tấm kim loại của thiết bị PHE có tác dụng nâng cao
hiệu suất truyền nhiệt (tăng diện tích trao đổi nhiệt, phân bố đều và tạo chế độ
dòng chảy hợp lý của dịng mơi chất) và tăng cứng cho bản thân chống lại sự
chênh lệch áp suất từ 2 phía.
Các tấm kim loại trao đổi nhiệt của thiết bị PHE được định vị chính xác
nhờ 2 thanh dẫn hướng bắt dọc theo chiều dài. Thiết bị PHE được nối với các
đường ống dẫn mơi chất nhờ các lỗ bắt bích phân bố ở 2 tấm thép khung
ngoài.
Vật liệu chế tạo:
Yêu cầu đối với vật liệu chế tạo các tấm trao đổi nhiệt là phải có hệ số dẫn

nhiệt cao, khả năng chống bám cáu cặn, khơng bị ăn mịn trong mơi trường
làm việc và có chỉ tiêu cơ tính tốt để thích ứng với điều kiện làm việc và gia
cơng, chế tạo. Trong thực tế người ta thường sử dụng một số loại thép sau:
Thép không rỉ (AISI 304, 304L, 316, 321...); Hợp kim Titanium; Thép hợp


-9-

kim Platindium… Với phần gioăng/ đệm dùng để làm kín, hình thành nên
buồng chứa mơi chất giữa các vách ngăn (tấm trao đổi nhiệt). Do tiếp xúc trực
tiếp với môi chất nên ngoài yêu cầu vật liệu làm gioăng phải có độ đàn hồi
lớn nó cần phải khơng bị ăn mịn trong mơi trường làm việc. Thực tế người ta
thường sử dụng một số dạng vật liệu sau: Neoprene; Cao su Nitrile; Hypalon,
PTFE .v.v.
Ưu điểm của thiết bị trao đổi nhiệt dạng tấm:
Hệ số truyền nhiệt cao:
So với các thiết bị trao đổi nhiệt khác, hệ số truyền nhiệt của PHE cao hơn
tới 5 lần nhờ cấu tạo đặc biệt của tấm kim loại bề mặt gấp định hình.
- Bề mặt gấp dạng sóng làm thay đổi liên tục cả hướng lẫn vận tốc của
dịng mơi chất đi qua nó.
- Bề mặt gấp dạng xương cá tạo ra chuyển động xốy của dịng mơi chất.
- Kết hợp cả hai biên dạng sẽ cho ta một hiệu suất truyền nhiệt tối ưu.
Tiết kiệm diện tích lắp đặt:
Trên quan điểm kinh tế, tiết kiệm diện tích lắp đặt chính là tiết kiệm tiền.
Diện tích lắp đặt của thiết bị PHE so với một thiết bị bay hơi dạng ống chùm
có cùng cơng suất thường chỉ chiếm khoảng từ 20 ÷ 50% diện tích. Đặc biệt
trong trường hợp nhà máy muốn nâng cơng suất thiết bị thì việc thay đổi cơng
suất thiết bị PHE bằng cách lắp thêm vào các tấm kim loại trao đổi nhiệt là
công việc cực kỳ đơn giản mà nếu sử dụng thiết bị trao đổi nhiệt dạng khác
thì câu trả lời là không thể hoặc phải thay mới hoàn toàn.

An toàn sự cố:
Với thiết bị PHE, người ta có thể dễ dàng phát hiện nếu có sự cố rị rỉ tại
các mối lắp ghép nhờ đó loại trừ được sự tiếp xúc trực tiếp giữa hai môi chất.
Ở loại TBTDN có bề mặt truyền nhiệt dạng khác như thiết bị ống chùm, ống


- 10 -

lồng ống… thì sự cố rị rỉ nếu có sẽ thường xảy ra bên trong rất khó phát hiện
và khắc phục.
1.1.3. Các dạng kết cấu gân/ rãnh của tấm trao đổi nhiệt
Ta biết rằng khi hai môi chất có nhiệt độ chênh lệch, được ngăn cách bởi
một vách ngăn trao đổi nhiệt cho nhau thì quá trình truyền nhiệt thực hiện qua
ba bước: đối lưu - dẫn nhiệt _ đối lưu (Xem hình 1.3).

Hình 1.3: Truyền nhiệt qua vách ngăn
Như vậy bản chất của quá trình truyền nhiệt trong thiết bị trao đổi nhiệt
dạng tấm là trao đổi nhiệt hỗn hợp. Người ta đã xác định rằng, dòng nhiệt của
quá trình trao đổi nhiệt hỗn hợp tỉ lệ thuận với diện tích truyền nhiệt, hiệu
nhiệt độ của nguồn nóng và nguồn lạnh và phụ thuộc vào hệ số truyền nhiệt k.
Q = k .F .(t1 − t2 ) , W

Trong đó:
Q _ Nhiệt lượng truyền qua, W;
F _ Diện tích bề mặt trao đổi nhiệt, m2;
t1 _ Nhiệt độ nguồn nóng, °C;
t2 _ Nhiệt độ nguồn lạnh, °C;
k _ Hệ số truyền nhiệt, W/ m2. °K.
Dựa trên cơ sở lý luận này và phụ thuộc vào tính chất của các lưu thể (đặc
biệt là khả năng đóng bám cáu cặn) người ta đã tạo ra nhiều dạng tấm trao đổi

nhiệt (vách ngăn) dạng tấm mỏng, có kết cấu gân/rãnh khác nhau để tăng


- 11 -

cường tối đa diện tích bề mặt truyền nhiệt, hệ số truyền nhiệt, đảm bảo tính
cứng vững với mục đích đạt được hiệu quả kinh tế cao nhất.

Hình 1.4: Các dạng kết cấu gân/ rãnh của tấm trao đổi nhiệt


- 12 -

1.2. Công nghệ dập tấm mỏng
1.2.1. Khái niệm
Dập tấm là một phần của q trình cơng nghệ bao gồm nhiều nguyên công
công nghệ khác nhau nhằm làm biến dạng kim loại tấm (băng hoặc dải) để
nhận được các chi tiết có hình dạng và kích thước cần thiết với sự thay đổi
không đáng kể chiều dày của vật liệu và khơng có phế liệu ở dạng phoi.
Dập tấm mỏng (từ đây ta gọi là dập tấm và phân biệt với dập tấm dày bằng
dập khối) thường được tiến hành ở trạng thái nguội (T 0bd < 1/4 T 0ch ) do vậy
nó cũng là một hình thức của dập nguội.
Dập tấm có nhiều cơng việc khác nhau, có thể phân loại chúng theo các
dấu hiệu sau đây:
- Theo tính chất và loại biến dạng;
- Theo từng ngun cơng riêng biệt.
1.2.2. Đặc điểm của dập tấm
Dập tấm mang theo những đặc điểm và ưu nhược điểm của quá trình dập
nguội nói chung. Q trình sản xuất dập tấm được đặc trưng bởi những dấu
hiệu sau:

- Phương pháp sản xuất: Gia công kim loại tấm bằng áp lực ở trạng thái
nguội;
- Loại thiết bị sử dụng: Máy ép và máy tự động các kiểu khác nhau tạo ra
lực công tác cần thiết để làm biến dạng vật liệu dập;
- Dạng dụng cụ sử dụng: Những kiểu khuôn khác nhau trực tiếp làm biến
dạng kim loại và thực hiện những nguyên công cần thiết;
- Dạng phôi liệu: Chủ yếu bao gồm kim loại tấm, dải, băng và cả vật liệu
phi kim loại tấm;


- 13 -

Hình dáng và kích thước của vật dập phù hợp tương đối chính xác với hình
dáng và kích thước của các bộ phận làm việc của khuôn (chày và cối).
Dập tấm có một số ưu việt so với các hình thức gia cơng kim loại khác
khác cả về mặt kỹ thuật lẫn kinh tế.
Về mặt kỹ thuật, dập tấm cho phép:
Thực hiện những nguyên công phức tạp bằng những hành trình đơn giản
của máy ép và chế tạo những chi tiết hình dáng rất phức tạp mà bằng những
phương pháp gia công khác không thể hoặc chế tạo rất khó khăn;
Chế tạo những chi tiết lắp lẫn với độ chính xác kích thước tương đối cao,
phần lớn khơng cần gia công cơ tiếp theo;
Chế tạo các chi tiết có kết cấu bền, cứng, nhẹ với lượng tiêu hao vật liệu
khơng lớn;
Về mặt kinh tế, nó có những ưu việt sau đây:
Tiết kiệm nguyên vật liệu, phế liệu tương đối ít;
Năng suất của thiết bị rất cao nhờ sử dụng cơ khí hóa và tự động hóa q
trình sản xuất;
Thao tác trên máy ép đơn giản, không cần công nhân có trình độ chun
mơn cao;

Sản xuất hàng khối và giá thành của sản phẩm chế tạo thấp.
1.2.3. Dập liên hợp và tình hình nghiên cứu, ứng dụng phương pháp dập
liên hợp trong dập tấm kim loại
Đa số trường hợp dập chi tiết bằng cách thực hiện một số nguyên cơng
riêng biệt thì khơng có lợi về kinh tế, do đó người ta thường ứng dụng những
phương pháp dập liên hợp, trong đó đồng thời kết hợp hai hoặc một số biến
dạng và nguyên công riêng biệt đã giới thiệu. Ngồi ra, trong sản xuất cịn
ứng dụng ngun cơng dập ghép, dựa trên việc sử dụng biến dạng uốn, tạo
hình hoặc dập thể tích.


- 14 -

Dập liên hợp là sự kết hợp hai hoặc một số nguyên công công nghệ dập
khác nhau trong một bộ khuôn.
Theo đặc điểm công nghệ, nguyên công dập liên hợp có thể chia ra làm 3
nhóm:
Liên hợp là những nguyên công cắt tức là kết hợp những dạng ngun
cơng cắt khác nhau (cắt hình, cắt đột, cắt rời);
Liên hợp những ngun cơng thay đổi hình dáng tức là kết hợp những
dạng ngun cơng biến đổi hình dáng khác nhau (dập vuốt, dập nổi, dập lên
vành… );
Liên hợp những ngun cơng cắt và thay đổi hình dáng tức là kết hợp
những nguyên công cắt với những nguyên công biến đổi hình dáng ví dụ kết
hợp một số ngun cơng cắt hình – dập vuốt, tạo hình và cắt đột.
Theo phương pháp kết hợp nguyên công, dập liên hợp được chia làm 3 nhóm:
Phối hợp; Liên tục; và kết hợp cả phối hợp và liên tục.
Khi dập phối hợp, một số nguyên công khác nhau được đồng thời thực
hiện trong một hành trình của máy dập và cùng một lần đặt phôi trong khuôn.
Khi dập liên tục, một số nguyên công (bước) khác nhau được thực hiện

liên tục trong một số hành trình của máy dập bằng những chày riêng biệt khi
dịch chuyển phôi từ chày này sang chày khác; mỗi hành trình của máy dập
cho ta một chi tiết thành phẩm.
Khi dập phối hợp – liên tục, một số nguyên công khác nhau được thực
hiện bằng cách kết hợp dập phối hợp và dập liên tục trong một bộ khuôn.
Do khả năng kết hợp của các nguyên công riêng biệt khác nhau rất lớn, cho
nên trong thực tế có rất nhiều kiểu dập và khuôn liên hợp, không thể phân loại
hồn tồn đầy đủ được.
Về khn mẫu nói chung và khn liên hợp nói riêng ở các nước có nền
công nghiệp tiên tiến như: Nhật Bản, Hàn Quốc, Đài Loan… đã hình thành


- 15 -

mơ hình liên kết tổ hợp, để sản xuất khuôn mẫu chất lượng cao, cho từng lĩnh
vực công nghệ khác nhau:
- Chuyên thiết kế chế tạo các cụm chi tiết tiêu chuẩn, phục vụ chế tạo
khuôn mẫu như: các bộ đế khuôn tiêu chuẩn, các khối khuôn tiêu chuẩn, trụ
dẫn hướng, lò so, cao su ép nhăn, các loại cơ cấu cấp phôi tự động…
- Chuyên thực hiện các dịch vụ nhiệt luyện cho các công ty chế tạo khuôn;
- Chuyên cung cấp các loại dụng cụ cắt gọt để gia công khuôn mẫu;
- Chuyên cung cấp các phần mềm chuyên dụng CAD /CAM/CAE…
- Chuyên thực hiện các dịch vụ đo lường, kiểm tra chất lượng khuôn…
Ở những nước này khuôn liên hợp được sử dụng rất rộng rãi trong nhiều
lĩnh vực như: Điện, Điện tử, Điện lạnh, Cơng nghiệp Hố chất, sản xuất máy
tính... vì những ưu điểm như năng suất rất cao, chất lượng và độ đồng đều
giữa các sản phẩm, độ tin cậy vận hành cao, và hiện nay trên thế giới có rất
nhiều các Công ty chuyên sản xuất các loại khuôn liên tục để cung cấp cho thị
trường trong nước cũng như xuất khẩu sang các nước khác như: Công ty
LAYANA (Đài loan), Cơng ty Oak Japan (Nhật), tuy nhiên giá thành cịn rất

cao.
Tại Việt Nam, do hạn chế về năng lực thiết kế và trang thiết bị chế tạo, các
doanh nghiệp hiện mới chỉ đáp ứng được một phần sản xuất khuôn mẫu phục
vụ cho chế tạo các sản phẩm cơ khí tiêu dùng và một phần cho các công ty
liên doanh nước ngồi. Với những sản phẩm có u cầu kỹ thuật cao (điện,
điện tử, điều hồ, ơ tơ, xe máy…) hầu hết phải nhập bán thành phẩm hoặc
nhập khuôn từ nước ngoài vào sản xuất.
Ở Việt Nam hiện nay một số đơn vị đã sử dụng khuôn dập liên tục trên các
máy dập cao tốc như: Công ty Điện Cơ Thống Nhất, Công ty Hà Nội
Chinghai, Công ty MAP... cho đến nay ở trong nước chưa tự chế tạo được
các bộ khn dập liên tục chính xác cao vì độ phức tạp của khuôn cũng như


- 16 -

độ chính xác và chất lượng khn u cầu rất cao. Các bộ khuôn dập bước
liên tục đang được sử dụng tại Việt Nam đều phải nhập từ Trung Quốc, Đài
loan hay Châu Âu với giá thành rất cao (100.000-:-250.000 USD). Giá thành
khuôn cao như vậy hạn chế rất nhiều hiệu quả kinh tế trong sản xuất và khả
năng đầu tư, và đặc biệt đối với sản phấm tấm tản nhiệt điều hồ khơng khí
thì chúng ta vẫn phải nhập các sản phẩm này từ nước ngồi (Ví dụ: Cơng ty
Hồ Phát, Cơng ty Cổ phần Thiết bị lạnh DIREA...).
Việc nghiên cứu chế tạo khuôn dập liên hợp là hết sức cần thiết và cấp
bách đối với sản xuất trong nước. Bởi nếu chúng ta tự nghiên cứu, chế tạo
được với giá thành phù hợp thì chẳng những đảm bảo nâng cao năng suất và
chất lượng sản phẩm mà còn mở ra khả năng phát triển và đa dạng hoá sản
phẩm, thay thế dần việc nhập khẩu, nâng cao giá trị gia tăng, tạo sức cạnh
tranh của các sản phẩm trong nước trên thị trường. Nhận thức được điều này
khi thực hiện đề tài nghiên cứu công nghệ chế tạo tấm trao đổi nhiệt, tác giả
sẽ hướng tới phương án thiết kế một bộ khuôn dập phối hợp cho ngun cơng

cắt hình + đột lỗ để nắm bắt được sâu hơn về thiết kế khuôn dập phối hợp.


- 17 -

CHƯƠNG 2. NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT
TẤM TRAO ĐỔI NHIỆT
2.1. Cơ sở lý thuyết về biến dạng tấm mỏng
2.1.1. Khái niệm về tấm mỏng
Vỏ là vật thể có kích thước theo một phương rất bé so với 2 phương kia.
Kích thước bé đó được gọi là chiều dày của vỏ. Quỹ tích các điểm cách đều
hai mặt giới hạn của vỏ được gọi là mặt trung gian. Nếu mặt trung gian là một
mặt phẳng thì ta gọi là tấm. Tuỳ theo hình dạng của mặt trung gian mà ta có
tấm trịn, tấm chữ nhật, tấm hình thang…Tấm còn được phân loại theo bề dày
t : Khi 1/80 ≤ t / lmin ≤ 1/8 (t _ Chiều dày tấm; lmin _ kích thước nhỏ nhất của
mặt tấm) thì được gọi là tấm mỏng.
2.1.2. Trạng thái ứng suất và biến dạng
Trong cơng nghệ tạo hình kim loại, chúng ta cần xác định biến dạng sẽ
liên hệ với trạng thái ứng suất như thế nào và ngược lại. Chúng ta đã nhận
thức được điều này khi nghiên cứu ở biến dạng đàn hồi, ứng suất được xác
định bởi biến dạng gauses, nhưng điều này là không thể trong miền dẻo. Ứng
suất của một phân tố vật liệu có thể đã vợt qua ngưỡng dẻo nhưng nó vẫn
chưa bị biến đổi hình dáng. Hoặc có khi ứng suất của phân tố vẫn trong trạng
thái đàn hồi nhưng đã diễn ra sự chuyển dịch nhỏ của biến dạng mà ta có thể
xác định được tại đường biên. Lý thuyết dẻo ứng dụng trong tạo hình tấm
kim loại cho phép ta dự đốn được giá trị của ứng suất mà phân tố vật liệu
nhận được khi bị biến dạng dẻo, nó cho ta mối liên hệ giữa ứng suất trên bề
mặt tấm với ứng suất chảy của vật liệu mà ta đã biết.
Phần tiếp theo đây tác giả xin trình bày các dẫn giải để tìm ra mối liên
hệ đó trong việc tạo hình các gân/ rãnh ở đề tài dập tấm tản nhiệt của mình.

- 18 -

Thơng thường để giải bài tốn trong biến dạng nguội, ta cần thiết lập một
trường các phương trình sau:
- Phương trình hình học Cauchy: Phương trình quan hệ tuyến tính giữa
biến dạng và chuyển vị:
ε ij =

1 ∂u i ∂u j
(
)
+
2 ∂x j ∂x i

(2.1)

- Phương trình cân bằng tĩnh
div(σ ) = 0

(2.2)

- Điều kiện biên _ Công thức Nanson;
t i = σ ij .n j

- Phương trình liên tục
→

div( v ) = 0

(2.3)

- Phương trình ứng xử (thuộc tính): Phương trình quan hệ giữa các thành
phần ứng suất với các thành phần biến dạng:
σ = σ (ε e , ε p , α i )

(2.4)

Tuy nhiên trong thực tế việc nhận diện, thiết lập được phương trình thuộc
tính của vật liệu trong tạo hình và giải bài tốn gặp rất nhiều khó khăn. Ở đây
tác giả xin đưa ra cách giải gần đúng nhờ đưa ra các giả thiết nhằm đơn giản
hóa nó.
2.1.2.1. Giả thiết
- Vì chiều dày tấm phôi t là rất nhỏ so với bán kính R của chày, áp lực tiếp
xúc giữa tấm và chày nhỏ hơn rất nhiều so với giới hạn chảy của vật liệu nên
thành phần ứng suất vng góc với bề mặt tấm là rất nhỏ so với hai thành
phần ứng suất còn lại trên bề mặt tấm. Ta giả thiết nó bằng 0, như vậy chỉ cần
xem xét tạo hình trong trạng thái ứng suất phẳng.
- Mặt khác vì chiều dài, l, của các rãnh/ gân có mà ta xét lớn hơn rất nhiều
so với chiều rộng, b, của nó. Như vậy biến dạng theo phương chiều dài của


- 19 -

rãnh/ gân là rất nhỏ do trở kháng biến dạng của vật liệu rất lớn, ta cũng coi nó
bằng 0 và trạng thái tạo hình là biến dạng phẳng.
- Vật liệu là đẳng hướng, độ tăng của biến dạng chính ở mọi vị trí là trơn
đều và theo cùng một hướng.
Quy ước như thường lệ để định nghĩa các phương chính là sao cho σ1 > σ2,

thành phần σ3 vng góc với bề mặt tấm . Tương ứng ta có các thành phần
biến dạng ε1, ε2, ε3.
ε 1 = ln

b
l
t
; ε 2 = ln ; ε 3 = ln
b0
l0
t0

Để thuận tiện trong việc mô tả biến dạng tạo hình của một phần tử ta đưa
ra khái niệm về tỉ số biến dạng β và tỉ số ứng suất α.
Ứng suất tác động lên một phân tố rắn có thể phân ra làm 2 thành phần:
Ứng suất lệch và ứng suất cầu. Nếu như vật rắn là không nén được thì thành
phần ứng suất cầu sẽ khơng gây lên sự biến đổi hình dáng của phân tố và sự
thay đổi hình dạng là liên quan đến thành phần ứng suất lệch. Đây là giả
thuyết của định luật chảy dẻo Levy – Mises. Ở trạng thái này các độ lệch của
số gia biến dạng tỷ lệ thuận với các độ lệch của ứng suất tức:
dε 1

σ

hay:

'
1

=

dε 2

σ

'
2

=

dε 3

σ 3'

dε 3
dε 1
dε 2
=
=
2 − α 2α − 1 − (1 + α )

(2.5)
(2.6)

Nếu phân tố vật liệu được tạo hình trong trạng thái ứng suất phẳng, ta có
thể lấy tích phân và diễn tả thông qua biến dạng thực, tức:
dε 3
ε1
ε2
βε 1

− (1 + β )ε 1
=
=
=
=
− (1 + α )
2 − α 2α − 1 2α − 1 − (1 + α )

(2.7)

Từ đây ta có thể rút ra được mối liên hệ giữa tỉ số ứng suất và tỉ số biến
dạng:


- 20 -

α=

2α − 1
2β + 1
và β =
2+β
2 −α

(2.8)

Xét một phân tố vật liệu đang trong quá trình biến dạng dẻo ở trạng thái
ứng suất phẳng, gọi σ là ứng suất tương đương, theo Von Mises thì σ phải
bằng với ứng suất chảy σf . Với giả thiết vật liệu đẳng hướng:
σ =

{

1
(σ 1 − σ 2 ) 2 + (σ 2 − σ 3 ) 2 + (σ 3 − σ 1 ) 2
2

}

Ở trạng thái ứng suất phẳng σ3 = 0 nên:
σ = σ 12 − σ 1σ 2 + σ 22 = ( 1 − α + α 2 ).σ 1

(2.9)

Hàm biểu diễn số gia của biến dạng tương đương (hiệu dụng), dε , ở trạng
thái ứng suất phẳng là:
dε = df 2 (ε 1 , ε 2 , ε 3 ) =

4
(1 + β + β 2 ) dε 1
3

Tạo hình đơn điệu, tỉ lệ phương trình trên có thể tích phân chuyển về biến
dạng thực ε thay cho số gia biến dạng, và được viết dưới dạng:
ε =

4
(1 + β + β 2 ) .dε 1 =
3

ε =

2
(ε 1 − ε 2 ) 2 + (ε 2 − ε 3 ) 2 + (ε 3 − ε 1 ) 2
9

{

2 2
(ε 1 + ε 22 + ε 32 )
3

(2.10)

}

khi ở trạng thái ứng suất nói chung; ε được gọi là biến dạng tương đương.
2.1.2.2. Mơ hình hóa

Hình 2.1. Các rãnh/ gân được bố trí kế tiếp nhau


- 21 -

Trong đề tài tạo hình tấm tản nhiệt này, tại mỗi vùng gân có các rãnh/ gân
giống nhau được bố trí kế tiếp (hình 2.1) nên ta chỉ cần xem xét cơ chế tạo
hình của một rãnh/ gân.
Xét việc tạo hình của một rãnh/gân, vì rãnh/ gân là đối xứng chúng ta chỉ
cần xem xét 1 nửa của nó như chỉ ra trên hình 2.2. Coi như đã biết kích thước
ban đầu của phơi, biết hình dạng chi tiết, các tính chất cơ học của vật liệu

phơi.

θ

θ

σ1 ε1

σ2 = σ1 /2
ε2 = 0

Hình 2.2.
Do ở đây các gân/ rãnh bố trí kế tiếp nhau, bước của gân bằng 2 lần chiều
rộng của nó nên khi chày đi xuống lực nén mà đỉnh chày tác động nên phơi
cũng chính bằng lực đỉnh cối tác động. Gọi h là khoảng dịch chuyển nào đó
của Chày, các vùng khác nhau được chỉ ra trên hình 2.2 như sau:
OB _ Vật liệu tiếp xúc với chày;
BC _ Vùng tấm không được đỡ bởi thành bên;
CD _ Tấm tiếp xúc với cối ở góc lượn;
Chúng ta cũng giả thiết rằng vật liệu tại tất cả các vùng từ đường tâm O
đến đỉnh E của cối đều bị biến dạng dẻo (thực tế điều này sẽ khơng đúng vì
một vài vùng có thể ngừng biến dạng mặc dù chày vẫn ép xuống). Từ tâm O


- 22 -

đến điểm tiếp tuyến B với tấm bị kéo và trượt theo hướng ra phía đỉnh cối để
chống lại ma sát và lực ma sát trên mặt tấm tác động hướng tới O. Từ điểm
tiếp xúc với cối C đến E trên tấm bị trượt hướng vào đỉnh chày và lực ma sát
tác động lên tấm hướng ra. Nếu biến dạng tại tâm xác định được thì có khả

năng xác định được các tham số khác trong công nghệ tạo hình ở trạng thái
ứng suất và biến dạng phẳng.
Biến dạng của một phân tố
Tại một thời điểm nào đó trong q trình dập, chiều dày cũng như ứng suất
sẽ biến đổi khác nhau trên toàn bộ chi tiết. Nếu chúng ta xem xét phân tố rất
nhỏ như chỉ ra trên hình 2.2. Các điều kiện tại điểm đó sẽ như sau:
Hướng chính ,1, là trong mặt cắt và hướng 2 là vng góc với nó. Vì cơng
nghệ được giả thiết là trạng thái biến dạng phẳng, β=0, trạng thái biến dạng
là:
ε1; ε2 = βε1 = 0; ε3 = -(1 + β ) ε1 = - ε1

(2.11)

Từ phương trình 2.10 ta có:
ε =

4
{1 + β + β 2 }ε 1 = 2 ε 1
3
3

(2.12)

Chiều dày của phân tố
Từ điều kiện thể tích khơng đổi, ta có thể rút ra được phương trình biểu
diễn chiều dày hiện thời của phân tố thông qua biến dạng ε1:
t = t 0 exp(ε 3 ) = t 0 exp[− (1 + β )ε 1 ] = t 0 exp(−ε 1 )

(2.13)

Ứng suất trên phân tố
Trạng thái ứng suất trên phân tố là:
σ1; σ2 = ασ1; σ3 = 0
và vì β = 0, từ phương trình 2.8 ta có α = 1/2

(2.14)


- 23 -

Một quy luật ứng suất – biến dạng hiệu dụng cần được chọn, trong trường hợp
này ta chọn luật Krupskowsky:
σ = K (ε 0 + ε ) n

(2.15)

Kết hợp phương trình này với (2.12) ta được:
σ = K ε 0 + ( 2 )ε 1 
3 


n

(2.16)

Từ phương trình 2.9, ta xác định được ứng suất chính σ1:
σ1 = σ

1 − α + α 2 = 2σ

(2.17)

3

Xác định lực kéo đơn vị tại một điểm
Như chỉ ra trên hình 2.2, với vật liệu và chiều dày ban đầu xác định, lực
trên một đơn vị chiều dài gân tại một điểm có thể biểu diễn thơng qua biến
dạng tại điểm đó:
T1 = σ 1t =

[

K ε 0 + (4 / 3)(1 + β + β 2 )ε 1
1−α +α 2

] t exp(−ε )
n

0

1

(2.18)

Do ở trạng thái biến dạng phẳng nên β = 0 và α =1/2, và:
T1 =

2 Kt 0
3

[ε

]

n

0

+ (2 / 3 )ε 1 . exp(−ε 1 )

và T2 = T1/2

(2.19)
(2.20)

Phương trình 2.19 chỉ ra rằng lực kéo đơn vị sẽ đạt đến giá trị max tại biến
dạng :
ε 1∗ = n −

3
ε0
2

(2.21)

Trong đó dấu * chỉ biến dạng giới hạn của công nghệ. Rõ ràng khi lực kéo
đơn vị đạt đến giá trị lớn nhất tại một điểm, tấm sẽ liên tục bị biến dạng đến
khi bị nứt hỏng tại điểm đó.

- 24 -

Phương trình cân bằng của phân tố trượt trên mặt cong
θ

µ

θ
µ

µ

θ

θ

θ

Hình 2.3. a). Phân tố trượt trên bề mặt dụng cụ; b). Chiều dày phân tố
c). Các lực tác động lên phân tố; d). Hợp lực tác động theo hướng kính
Bây giờ chúng ta xem xét một phân tố lớn hơn của chiều dài cung ds như
chỉ ra trên hình 2.3. Nếu bề mặt dụng cụ là cong, ở đây sẽ tồn tại một áp suất
tiếp xúc p và nếu tấm bị trượt dọc theo bề mặt , sẽ có một ứng suất cắt ma sát
µp (µ là hệ số ma sát). Cả ứng suất kéo và chiều dày sẽ thay đổi do ảnh hưởng
của lực ma sát.
Chiều dài của phân tố: ds = R.dθ
và diện tích bề mặt trên một đơn vị chiều rộng tấm là: R.dθ.1
Lực tác động lên phân tố theo phương hướng kính là: p.R.dθ
Lực tiếp tuyến với tấm gây nên bởi ma sát là: µ.p.R.dθ
ứng suất kéo là T1 và T1+dT1. Vì hướng của ứng suất kéo chênh lệch một góc

dθ, nên có 1 thành phần lực hướng kính, T1 dθ, như chỉ ra trên hình 2.3d