Nghiên cứu hiện tượng đàn hồi trong quá trình tạo hình thép tấm dự đoán, mô phỏng hiện tượng đàn hồi sử dụng phần mềm fem ứng dụng cho chi tiết thép tấm dạng u bằng vật liệu spcc 1
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (5.91 MB, 144 trang )
Đại Học Quốc Gia Tp. Hồ Chí Minh
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
--------------------
HUỲNH MINH GIẢI
NGHIÊN CỨU HIỆN TƯỢNG ĐÀN HỒI TRONG Q
TRÌNH TẠO HÌNH THÉP TẤM – DỰ ĐỐN, MƠ PHỎNG
HIỆN TƯỢNG ĐÀN HỒI SỬ DỤNG PHẦN MỀM FEM
ỨNG DỤNG CHO CHI TIẾT THÉP TẤM DẠNG U BẰNG
VẬT LIỆU SPCC-1
CHUYÊN NGÀNH : CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY.
LUẬN VĂN THẠC SĨ
TP. HỒ CHÍ MINH, THÁNG 12/2007
CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH
Cán bộ hướng dẫn khoa học : .........................................................................
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký)
Cán bộ chấm nhận xét 1 : ...............................................................................
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký)
Cán bộ chấm nhận xét 2 : ...............................................................................
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký)
Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN
THẠC SĨ
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA, ngày . . . . . tháng . . . . năm . . . . .
ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HCM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
----------------
CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHIÃ VIỆT NAM
Độc Lập - Tự Do - Hạnh Phúc
---oOo--Tp. HCM, ngày . . . . . tháng . . . . . năm . . . . . .
NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ và tên học viên:
HUỲNH MINH GIẢI
Giới tính : Nam
Ngày, tháng, năm sinh :
28 – 12 1979
Nơi sinh : Qui Nhơn - Bình Định
Chun ngành : CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY.
Khố (Năm trúng tuyển) : K15 (2004) .
1- TÊN ĐỀ TÀI:
NGHIÊN CỨU HIỆN TƯỢNG ĐÀN HỒI TRONG QUÁ TRÌNH
TẠO HÌNH THÉP TẤM – DỰ ĐỐN, MƠ PHỎNG HIỆN TƯỢNG ĐÀN HỒI SỬ
DỤNG PHẦN MỀM FEM ỨNG DỤNG CHO CHI TIẾT THÉP TẤM DẠNG U
BẰNG VẬT LIỆU SPCC -1.
2- NHIỆM VỤ LUẬN VĂN: - Nghiên cứu các vấn đề về hiện tượng đàn hồi sau quá trình tạo
hình sản phẩm kim loại tấm.
- Nghiên cứu hiện tượng đàn hồi sau quá trình tạo hình cho chi tiết thực nghiệm dạng U
bằng vật liệu thép tấm SPCC – 1; sử dụng phần mềm EFM (eta/DYNAFORM) trong việc
phân tích, mơ phỏng và dự đốn hiện tượng đàn hồi sau quá trình tạo hình đối với mơ hình
chi tiết thực nghiệm.
3- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ :
27 – 2 – 2007.
4- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ : 10 – 12 – 2007.
5- HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN :
TS. LƯU PHƯƠNG MINH.
Nội dung và đề cương Luận văn Thạc sĩ đã được Hội Đồng Chuyên Ngành thông qua.
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN
(Họ tên và chữ ký)
CHỦ NHIỆM BỘ MÔN
QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH
(Họ tên và chữ ký)
Lời nói đầu
Lời nói đầu
Công nghệ tạo hình kim loại hiện nay trên thế giới đã và đang được nghiên cứu, phát
triển và ứng dụng rộng rãi. Bên cạnh các kỹ thuật tạo hình truyền thống như đúc, rèn, dập,
uốn, cán, cùng với các phương pháp tạo hình mới như tạo hình bằng lazer, tạo hình bằng
điện từ, . . với sự kết hợp, hỗ trợ của máy tính trong việc tính toán, mô phỏng quá trình tạo
hình sản phẩm, giúp cho việc tạo ra các chi tiết sản phẩm có các hình dạng phức tạp, đạt
được độ chính xác cao. Tạo hình chi tiết sản phẩm kim loại tấm là một phần trong lónh vực
tạo hình kim loại. Các chi tiết sản phẩm kim loại tấm đóng vai trò quan trọng và được sử
dụng rất phổ biến trong đời sống và trong kỹ thuật sản suất như các nghành sản xuất đồ
gia dụng, thực phẩm, đóng gói, điện tử, điện máy, kỹ thuật giao thông. . .Việc tạo hình
chính xác cho sản phẩm kim loại nói chung và sản phẩm tấm nói riêng có ý nghóa rất quan
trọng, đáp ứng nhu cầu về độ chính xác sản phẩm của nhiều nghành kỹ thuật-sản xuất
khác nhau.
Hiện tượng đàn hồi (springback) sau quá trình tạo hình là một trong những tác động
trong quá trình tạo hình chính xác kim loại tấm. Hiện tượng đàn hồi có ảnh hưởng nhiều
đến hình dáng và chất lượng của chi tiết sản phẩm đòi hỏi độ chính xác cao sau khi tạo
hình. Với ý nghóa thực tiễn và nhu cầu đạt được chất lượng và độ chính xác cho sản phẩm,
hiện tượng đàn hồi đã và đang nhận được sự quan tâm của các nhà khoa học, các trung
tâm nghiên cứu trên thế giới vớ những nghiên cứu và ứng dụng được đưa ra trong một số
hội thảo, các báo cáo nghiên cứu này này phần nào cũng nêu lên những tác động, ảnh
hưởng của hiện tượngï đàn hồi đối với chi tiết sản phẩm sau khi tạo hình về hình dạng hình
học cũng như chất lượng sản phẩm, cùng với những biện pháp hạn chế, bù đàn hồi khác
nhau và qua đó cũng thấy được ý nghóa và sự cần thiết trong việc tìm hiểu, nghiên cứu về
hiện tượng này.
Lời nói đầu
Luận văn Thạc só được thực hiện với đề tài “Phân tích ảnh hưởng của hiện tượng đàn
hồi trong quá trình tạo hình kim loại tấm-Mô phỏng, dự đoán hiện tượng đàn hồi bằng FEM
ứng dụng cho chi tiết thép tấm dạng u bằng vật liệu SPCC-1”, với mục tiêu nghiên cứu, tìm
hiểu về hiện tượng đàn hồi sau quá trình tạo hình thép tấm, cũng như các thông số tác
động đến sự hình thành hiện tượng đàn hồi như cơ học vật vật liệu tấm, các thông số hình
học và thông số của quá trình, trong đó đề tài sẽ thực hiện việc nghiên cứu hiện tượng
tượng đàn hồi trên một chi tiết cụ thể dạng U bằng vật liệu thép tấm SPCC-1 với các tính
toán, phân tích kết hợp với phần mềm mô phỏng eta/DynaForm, từ đó có có nêu ra các dự
đoán, các biện pháp hạn chế, và bù đàn hồi cho quá trình tạo hình chi tiết thực nghiệm.
Em xin rất chân thành cảm ơn thầy TS. LƯU PHƯƠNG MINH đã đặt vấn đề nội
dung nghiên cứu cho đề tài và sự hướng dẫn tận tình, chu đáo của Thầy từ khi thực hiện Đề
cương luận văn cho tới khi hoàn thành Luận văn Thạc Só. Quá trình thực hiện đề tài, em đã
tham khảo rất nhiều tài liệu khác nhau nhằm tìm hiểu, rút ra những phân tích thích hợp
liên quan tới nội dung nghiên cứu, và cũng như tự tìm hiểu về cách sử dụng phần mềm mô
phỏng nhằm hỗ trợ tốt hơn cho việc nghiên cứu trên chi tiết thực nghiệm. Nội dung đề tài
chắc chắn sẽ không tránh khỏi nhiều thiếu sót, không rõ ràng, mạch lạc trong cách trình
bày sắp xếp, và cũng như chưa thể hiện hết các ý tưởng, nội dung một cách cô đọng, chính
xác về vấn đề trình bày, em rất mong được sự nhận xét, đánh giá và các ý kiến q báu từ
các q thầy cô về nội dung của luận văn không những giúp em có những ý tưởng và hiểu
biết tốt hơn về vấn đề nghiên cứu, mà đồng thời đó cũng là những ý kiến rất có ích giúp
cho công việc về nghiên cứu khoa học, cũng như trong công việc thực tế của em sau này.
Em xin chân thành cảm ơn và xin được chúc sức khỏe tới các q thầy cô.
Mục lục
Mục lục
Mở đầu
Mục lục hình vẽ
Bảng các ký hiệu
Chương 1: TỔNG QUAN................................................................................................ 1
1.1. Tổng quan về quá trình tạo hình thép tấm. ............................................................... 1
1.2. Vấn đề đàn hồi sau quá trình tạo hình (springback)và mục tiêu nghiên cứu trong đề
tài...................................................................................................................................... 4
1.2.1. Vấn đề đàn hồi sau quá trình tạo hình. .................................................................. 4
1.2.2. Một số báo cáo nghiên cứu về hiện tượng đàn hồi sau quá trình tạo hình kim loại
tấm.................................................................................................................................... 7
1.2.3. Mục tiêu nghiên cứu trong đề tài ....................................................................... 25
1.3. Kết luận.................................................................................................................... 27
Chương 2. CÁC THÔNG SỐ CƠ HỌC VẬT LIỆU TẤM VÀ ẢNH HƯỞNG CỦA
CHÚNG ĐẾN HIỆN TƯNG ĐÀN HỒI SAU QUÁ TRÌNH TẠO HÌNH. .............. 28
2.1. Các yếu tố ảnh hưởng tới tính cơ học của vật liệu tấm........................................... 28
2.1.1. Mối liên hệ của ứng suất và biến dạng trong quá trình tạo hình kim loại tấm .... 29
2.1.2. Mối liên hệ giữa Độ bền uốn - Tổng độ giãn dài của thép tấm độ bền cao........ 32
2.1.3. Mối liên hệ giữa Độ bền kéo – Tổng độ giãn dài trong thép tấm độ bền cao .... 33
2.1.4. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình tạo hình ...................................................... 33
2.2. Kết luận................................................................................................................... 40
Chương 3. QUÁ TRÌNH TẠO HÌNH KIM LOẠI TẤM VÀ SỰ ẢNH HƯỞNG CỦA
CÁC THÔNG SỐ CỦA QUÁ TRÌNH TỚI SỰ HÌNH THÀNH HIỆN TƯNG ĐÀN
HỒI SAU QUÁ TRÌNH TẠO HÌNH............................................................................ 42
3.1. Các yếu tố trong quá trình tạo hình......................................................................... 42
3.1.1. Biến dạng trong quá trình tạo hình....................................................................... 43
Mục lục
3.1.2. Ứng suất trong quá trình tạo hình. ........................................................................ 44
3.1.3. Các phương thức biến dạng. ................................................................................. 49
3.2. Đường cong giới hạn tạo hình (FLC – Forming Limit Curves). .............................. 52
3.3. Hiện tượng đàn hồi trong quá trình tạo hình. .......................................................... 53
3.3.1. Nguyên nhân và sự hình thành hiện tượng đàn hồi.............................................. 54
3.3.2. Các loại sai lệch chủ yếu do hiện tượng đàn hồi sau quá trình tạo hình.............. 57
A. Thay đổi góc. ............................................................................................................. 57
B. Cong thành bên của chi tiết. ...................................................................................... 58
C. Cong vênh.................................................................................................................. 62
D. Thay đổi hình dáng tổng thể. ..................................................................................... 63
E. Sự xáo trộn bề mặt..................................................................................................... 64
3.6. Kết luận................................................................................................................... 64
Chương 4. PHÂN TÍCH HIỆN TƯNG ĐÀN HỒI SAU QUÁ TRÌNH TẠO HÌNH
UỐN TẤM – DỰ ĐOÁN, KIỂM SOÁT VÀ BÙ ĐÀN HỒI. ...................................... 66
4.1. Quá trình uốn tấm.................................................................................................... 66
4.1.1. Các thông số của quá trình uốn tấm..................................................................... 66
4.1.2. Hiện tượng đàn hồi sau quá trình uốn. ................................................................. 70
4.2. Phân tích các yếu tố tác động đến hiện tượng đàn hồi trong quá trình tạo hình..... 72
4.2.1.Các yếu tố vật liệu. ............................................................................................... 72
4.2.1.1. Độ bền của vật liệu. .......................................................................................... 72
4.2.1.2. Module đàn hồi vật liệu. ................................................................................... 74
4.2.1.3. Hệ số biến dạng – biến cứng. ........................................................................... 75
4.2.1.4. Tính đẳng hướng................................................................................................ 76
4.2.2. Các thông số hình học .......................................................................................... 77
4.2.2.1. Độ dày của tấm. ................................................................................................ 77
4.2.2.2. Bán kính uốn. .................................................................................................... 78
4.2.2.3. Hình dáng hình học của chi tiết thiết kế và khuôn............................................ 78
4.2.3. Các thông số của quá trình tạo hình. .................................................................... 79
Mục lục
4.2.3.1. Lực tạo hình....................................................................................................... 79
4.2.3.2. Nhiệt độ của quá trình và các điều kiện bôi trơn.............................................. 80
4.3. Dự đoán và kiểm soát hiện tượng đàn hồi trong quá trình tạo hình thép tấm – Vấn
đề bù đàn hồi.................................................................................................................. 81
4.3.1. Từ các yếu tố vật liệu........................................................................................... 81
4.3.2. Từ các thông số hình học...................................................................................... 82
4.3.3. Từ các thông số quá trình tạo hình ....................................................................... 82
4.3.4. Vấn đề bù đàn hồi trong quá trình tạo hình. ........................................................ 83
4.4. Kết luận và đưa ra mô hình thực nghiệm cho quá trình nghiên cứu hiện tượng đàn
hồi sau quá trình tạo hình. .............................................................................................. 83
Chương 5. PHÂN TÍCH HIỆN TƯNG ĐÀN HỒI TRÊN MẪU CHI TIẾT THÉP
TẤM VẬT LIỆU SPCC-1 DẠNG U–MÔ PHỎNG, DỰ ĐOÁN SỬ DỤNG
eta/DYNAFORM –PHƯƠNG PHÁP BÙ ĐÀN HỒI. ................................................. 96
5.1. Nghiên cứu. xác định ảnh hưởng của hiện tượng đàn hồi đến sự thay đổi của góc
uốn và bán kính uốn sau quá trình dập chi tiết dạng U.................................................. 96
5.1.1. Các thông số quá trình.......................................................................................... 96
5.1.2. Các kết quả tính toán. .......................................................................................... 98
A. Các tính toán theo công thức thực nghiệm. ............................................................... 99
B. Các tính toán từ các thông số của chi tiết tạo hình thực tế. ..................................... 101
C. Các tính toán từ kết quả mô phỏng mô hình chi tiết bằng eta/DynaForm. ............ 107
5.3. Nhận xét kết quả. .................................................................................................. 116
5.4. Dự đoán và hạn chế sự hình thành hiện tượng đàn hồi đối với mô hình chi tiết thực
nghiệm dạng U và phương pháp bù đàn hồi. ............................................................... 117
5.5. Kết luận................................................................................................................. 118
Chương6. KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI. ...................... 121
6.1. Kết luận................................................................................................................. 121
6.2. Hướng phát triển của đề tài.................................................................................. 122
Tài liệu tham khảo .........................................................................................................
Mục lục hình
Mục lục các hình và các bảng trong thuyết minh.
Chương 1.................................................................................................................................. 1
Hình 1.1. Một số bộ phận trên thân xe ôtô sử dụng thép tấm được tạo hình........................... 2
Hình 1.2. Một số khuyết tật trong tạo hình tấm do hiện tượng đàn hồi ................................... 5
Hình 1.3. Minh họa hiện tượng đàn hồi sau quá trình uốn tấm ................................................ 6
Hình 1.4. Minh họa hiện tượng đàn hồi ngược và biểu đồ Biến dạng-Ứng suất ..................... 8
Hình 1.5. Mô hình tấm nhôm (Ford Aluminum Decklid) ......................................................... 10
Hình 1.6. Các mô hình dầm thép chịu lực cao (DCX/DCAG) và thanh lan cang thép (GM)... 11
Hình 1.7. Mô hình uốn tấm dạng L và sự phân bố sức căng trong tấm uốn trước khi rời khỏi
dụng cụ tạo hình ....................................................................................................................... 12
Hình 1.8. Phân bố sức căng trong vùng II và phân bố sức căng trong vùng III với các bán
kính uốn khác nhau .................................................................................................................. 13
Hình 1.9. Mối liên hệ giữa góc đàn hồi và cường độ uốn của vật liệu .................................... 14
Hình 1.10. a). Mối liên hệ giữa góc đàn hồi và tỉ số R/t.
b). Mối liên hệ giữa bán kính uốn tối thiểu và độ giãn dài tới hạn ........................ 15
Hình 1.11. Các biên dạng chủ yếu trong gập mép cho tấm ..................................................... 17
Chương 2.................................................................................................................................. 22
Hình 2.1. Biểu đồ đường cong ứng suất – biến dạng thực của một số loại vật liệu ................ 25
Hình 2.2. Biểu đồ logaric ứng suất – biến dạng thực ............................................................... 26
Hình 2.3. Mối liên hệ giữa Độ bền uốn - Tổng giãn dài trong thép tấm độ bền cao............... 27
Hình 2.4. Mối liên hệ giữa Độ bền kéo - Tổng giãn dài trong thép tấm độ bền cao............... 27
Hình 2.5. Các đường cong Ứng suất – Biến dạng của thép độ bền cao hợp kim thấp (HSLA) .... 29
Hình 2.6. Ảnh hưởng của nhiệt độ trong quá trình tạo hình ..................................................... 31
Hình 2.7. Ảnh hưởng của tốc độ biến dạng trong quá trình tạo hình ....................................... 33
Mục lục hình
Hình 2.8. Ảnh hưởng của số mũ biến dạng – biến cứng .......................................................... 34
Chương 3.................................................................................................................................. 36
Hình 3.1. Phần tử trong mẫu kiểm tra kéo tấm ........................................................................ 36
Hình 3.2. Biểu đồ ứng suất chảy tức thời trong một phần tử vật liệu sau khi biến dạng trong
thí nghiệm kéo ......................................................................................................................... 39
Hình 3.3. Ứng suất trong các mặt phẳng biến dạng ................................................................. 40
Hình 3.4. Phần tử ứng suất thể hiện trạng thái ứng suất chính có thể được chia
thành các thành phần ứng suất lệch và ứng suất thủy tónh ...................................................... 41
Hình 3.5. Biểu đồ biểu diễn các thành phần số gia biến dạng đối với các trạng thái
ứng suất khác nhau quanh q đạo đường cong von-Mises ...................................................... 43
Hình 3.6. Hình 3.6. Biểu đồ biến dạng thể hiện các phương thức biến dạng khác nhau
tương ứng với các tỉ số biến dạng khác nhau ........................................................................... 43
Hình 3.7. Hình 3.7. Các qui tắc thể hiện ứng suất-biến dạng tương ứng với
đường cong thực nghiệm .......................................................................................................... 44
Hình 3.8. Quá trình được thể hiện trong không gian biến dạng ............................................... 45
Hình 3.9. Các FLC thực nghiệm của các loại thép mềm, HLSA và DP với cùng độ dày
1,2mm....................................................................................................................................... 47
Hình 3.10. Biểu đồ ứng suất – biến dạng với hiện tượng đàn hồi ........................................... 49
Hình 3.11. Sự thay đổi góc của chi tiết sau tạo hình ................................................................ 51
Hình 3.12.Thành bên chi tiết bị cong của chi tiết sau tạo hình ................................................ 52
Hình 3.13. Biểu đồ minh họa sự hình thành độ cong thành bên của chi tiết sau khi tạo hình . 53
Hình 3.14. Biểu đồ minh họa sự ảnh hưởng của tính chất hóa bền tới sự hình thành hiện
tượng đàn hồi sau tạo hình ....................................................................................................... 54
Hình 3.15. Mối liên hệ giữa góc uốn (bán kính uốn) với độ bền kéo ...................................... 54
Hình 3.16. Mối liên hệ giữa độ bền kéo và độ cong thành bên ............................................... 55
Hình 3.17. Các moment xoắn được tạo ra bởi các ứng suất dư đối với
Mục lục hình
thành (mép) của chi tiết ........................................................................................................... 56
Chương 4.................................................................................................................................. 60
Hình 4.1. Các thông số trong mặt phẳng uốn tấm .................................................................... 60
Hình 4.2. Các thông số của góc uốn ......................................................................................... 61
Hình 4.3. Biểu đồ đường cong ứng suất – biến dạng ............................................................... 62
Hình 4.4. Biểu đồ phân bố ứng suất – biến dạng trong mặt cắt ngang trong quá trình uốn
tấm............................................................................................................................................ 63
Hình 4.5. Biểu đồ liên hệ giữa độ bền kéo và độ giãn dài của một số vật liệu thép độ bền
cao ............................................................................................................................................ 67
Hình 4.6. Hiện tượng đàn hồi trong thép độ bền cao được nghiên cứu tại Mittal Steel.......... 68
Hình 4.7. Biểu đồ thể hiện đường biên an toàn giữa đường cong FLC cho phép đối với các
giá trị của số mũ hóa bền n ...................................................................................................... 69
Hình 4.8. Đường cong thực nghiệm giữa giá trị số mũ n (đo trong khoảng 10~20% biến
dạng) và giới hạn chảy danh nghóa của một số loại thép độ bền cao HSS.............................. 70
Hình 4.9. Mối liên hệ giữa sự thay đổi góc đàn hồi với độ bền vật liệu và tỉ số
bán kính uốn trên độ dày tấm R/t............................................................................................. 71
Hình 4.10. Giảm khe hở hợp lý trong quá trình uốn sẽ giảm hiện tượng đàn hồi,
đạt được độ chính xác cho biên dạng của sản phẩm hơn ......................................................... 73
Hình 4.11. Ảnh hưởng của nhiệt độ đến tốc độ biến dạng....................................................... 74
Hình 4.12. Sự thay đổi khi có hỗ trợ kéo căng ........................................................................ 79
Hình 4.13. Thay đổi tiết diện ngang phù hợp ........................................................................... 80
Hình 4.14. Minh họa cho việc tăng mức uốn cho q trình tạo hình thép tấm ............................ 81
Hình 4.15. Sơ đồ minh họa quá trình làm phẳng đáy của chi tiết tấm nhằm hạn chế sự thay
đổi góc do tái đàn hồi ............................................................................................................... 82
Hình 4.16. Minh họa các quá trình tạo thành bên khác nhau nhằm kiểm soát các mức ứng
suất đàn hồi và việc tái đàn hồi ............................................................................................... 82
Mục lục hình
Hình 4.17. Minh họa cho việc thay đổi tiết nhằm giảm hiện tượng đàn hồi sau quá trình tạo
hình........................................................................................................................................... 85
Hình 4.18. Một số phương pháp tăng cứng cơ khí nhằm hạn chế các ứng suất đàn hồi............... 86
Chương 5.................................................................................................................................. 90
Hình 5.1. Thông số kích thước thiết kế của tấm sau khi được tạo hình ................................... 92
Hình 5.2. Chi tiết được tạo hình M1 ......................................................................................... 95
Hình 5.3. Chi tiết được tạo hình M2 ......................................................................................... 95
Hình 5.4. Chi tiết được tạo hình M3 ......................................................................................... 96
Hình 5.5. Chi tiết được tạo hình M4 ......................................................................................... 96
Hình 5.6. Chi tiết được tạo hình M5 ......................................................................................... 86
Hình 5.8. Qui trình thực hiện quá trình mô phỏng trên eta/DYNAFORM ............................... 100
Hình 5.9. Tạo lưới cho tấm được mô phỏng tạo hình ............................................................... 101
Hình 5.10. Các thông số và biểu đồ tải trọng trong mô phỏng ................................................ 101
Hình 5.11. Các thông số đường cong giới hạn tao hình (FLC) trong mô phỏng....................... 102
Hình 5.12. Mô hình khung lưới của các thành phần trong quá trình mô phỏng tạo hình ......... 102
Hình 5.13. Các thành phần trong quá trình mô phỏng ............................................................. 103
Hình 5.14. Phân bố lực trong một bước tạo hình của mô phỏng .............................................. 103
Hình 5.15. Phân bố biến dạng trong một bước tạo hình của mô phỏng ................................... 104
Hình 5.16. Phân bố biến dạng thể hiện trên đường cong giới hạn tạo hình FLC..................... 104
Hình 5.17. Phân bố ứng suất trong một bước tạo hình của mô phỏng...................................... 105
Hình 5.18. Mô hình chi tiết sau khi được tạo hình.................................................................... 105
Hình 5.19. Mặt cắt ngang của mô phỏng chi tiết ..................................................................... 105
Hình 5.20. Mặt cắt ngang thể hiện hiện tượng đàn hồi sau quá trình tạo hình của các chi
tiết trong mô phỏng .................................................................................................................. 106
Hình 5.21. a). Biểu đồ quan hệ giữa chiều dày tấm và góc đàn hồi.
b). Biểu đồ quan hệ giữa bán kính uốn và góc đàn hồi .......................................... 109
Bảng ký hiệu
Bảng các ký hiệu:
Ký hiệu
Hệ số, đại lượng
Đơn vị
l
Chiều dài tấm
mm
w
Chiều rộng tấm
mm
t
Chiều dày tấm
mm
A
Tiết diện ngang
mm2
r0
Bán kính uốn theo thiết kế
mm
ru
Bán kính uốn sau khi tạo hình
mm
rtr
Bán kính uốn phía bên trong
mm
rng
Bán kính uốn sau phía bên ngoài
mm
α0
Góc uốn theo thiết kế
độ
αu
Góc uốn sau khi tạo hình
độ
∆α
Góc tái đàn hồi
độ
E
Module đàn hồi Young
MPa
E’
Module đàn hồi biến dạng phẳng
MPa
G
Module đàn hồi trượt
MPa
P
Tải tác dụng
ε0
Biến dạng dang nghóa
mm
σ0
Ứng suất danh nghóa
MPa
ε
Biến dạng thực
mm
ε&
Tốc độ biến dạng
1/s
σ
Ứng suất thực
MPa
σh
Ứng suất thủy tónh
MPa
σ x0, 0
Ứng suất thớ ngoài theo phương x
MPa
σr,x,dh
Ứng suất dư đàn hồi
MPa
N
Bảng ký hiệu
σy, Y
Giới hạn chảy
MPa
σt
Giới hạn bền
MPa
τ
Ứng suất trượt
MPa
Mđh
Momen uốn đàn hồi
N/mm
Md
Momen uốn dẻo
N/mm
M
Momen uốn
N/mm
mY
Momen uốn đơn vị
N/mm
W
Công uốn
N.mm
k
Hệ số tái đàn hồi
ν
Hệ số Poisson
f
Hệ số ma sát
C
Hệ số bền của vật liệu
[D]
Ma trận đàn hồi chứa các hằng số vật liệu
[K]
Ma trận độ cứng vật liệu
n
Số mũ biến dạng – biến cứng
m
Số mũ tốc độ biến dạng
Chương 1
Chương 1:
TỔNG QUAN
1.1. Tổng quan về quá trình tạo hình thép tấm:
Với những thành tựu và sự phát triển trong nghiên cứu các quá trình tạo hình kim loại
nói chung và cho kim loại tấm nói riêng hiện nay trên thế giới, được áp dụng trong việc
tạo ra các sản phẩm không những có hình dạng phức tạp, mà còn có độ chính xác với chất
lượng cao, đáp ứng được nhu cầu lớn cho các lónh vực kỹ thuật – sản xuất khác nhau và
cho đời sống xã hội. Các sản phẩm tạo ra từ vật liệu kim loại tấm rất đa dạng và ứng dụng
rộng rãi nhiều trong thực tế như các đồ gia dụng, nắp vỏ bảo vệ các thiết bị điện – điện tử,
tạo khung, ống, bồn chứa. . ., đặc biệt chúng được ứng dụng và nghiên cứu nhiều trong lónh
vực hàng không – vũ trụ và phương tiện giao thông trong đó với ứng dụng chủ yếu là các
nắp, vỏ, khung của thiết bị làm việc với vận tốc cao và áp lực va chạm lớn.
Ngành kỹ thuật ôtô là một trong những ngành sản xuất có sự quan tâm nghiên cứu và
ứng dụng các sản phẩm tạo hình từ kim loại tấm rất lớn. Bên cạnh các vật liệu tấm hợp
kim như hợp kim nhôm, hợp kim titan . . . và các loại vật liệu tấm composite thì vật liệu
thép tấm vẫn chiếm vai trò quan trọng và có ý nghóa lớn trong việc tạo hình các sản phẩm,
chi tiết được ứng dụng trong ôtô. Hiện nay, ngoài các viện, các trường đại học, các tập
đoàn sản xuất thép thì ở các tập đoàn sản xuất ôtô trên thế giới đều có trung tâm nghiên
cứu về vật liệu thép tấm nhằm đưa ra các vật liệu thép mới với các tính chất cơ lí và khả
năng ứng dụng cao, trong đó chủ yếu là các chủng loại thép có độ bền cao vì một số đặc
điểm sau:
- Có cơ tính về độ bền, độ cứng và khả năng chịu va đập cao.
- Với cùng kích thước, trọng lượng thép tấm độ bền cao nhẹ hơn so với thép tấm thông
thường.
Trang 1
Chương 1
- Mang tính kinh tế cao, tiết kiệm chi phí vật liệu và chi phí sản xuất.
Bảng 1.1. Thống kê một số vật liệu thay thế mới cho việc giảm khối lượng chi tiết và tiết
kiệm chi phí sản xuất của Viện Năng lượng Mỹ: (AHSS Report Final 2006) [36]
Độ giảm
khối lượng (%)
10 – 25
Mức tiết kiệm
(vật liệu+sản xuất)
1
Vật liệu khối lượng nhẹ
Vật liệu được thay thế
Thép độ bền cao
Thép cacbon thấp
Hợp kim nhôm
Thép, gang
40 – 60
1.3 – 2
Magiê
Thép hoặc gang
60 – 75
1.5 – 2.5
Magiê
Nhôm
25 – 35
1.0 – 1.5
Composite thủy tinh
Thép
25 – 35
1.0 – 1.5
Composite cacbon
Thép
50 – 60
2.0 – 10+
Composite nhôm
Thép hoặc gang
50 – 65
1.5 – 3+
Titan
Thép hợp kim nhôm
40 – 55
1.5 – 10+
Thép không gỉ
Thép cacbon
20 - 45
1.2 – 1.7
Hình 1.1. Một số bộ phận trên thân xe ôtô sử dụng thép tấm được tạo hình.
Trang 2
Chương 1
Bảng 1.2. Một số loại thép được nghiên cứu và sử dụng trong kỹ thuật sản suất ôtô:[16]
Giới hạn chảy
(Mpa)
170Min
Giới hạn kéo
(Mpa)
300Min
Tổng độ giãn
dài (%)
38-43
Giá trị số mũ
hóa bền n
0,23
BH 260/370
260Min
370Min
29-34
0,13
IF 300/420
300Min
420Min
29-36
0,20
HSLA 350/450
350Min
450Min
23-27
0,17
DP 350/600
350Min
600Min
24-30
0,17
TRIP 400/600
400Min
600Min
28-34
0,23
DP 500/800
500min
800Min
14-20
0,14
CP 700/800
700Min
800Min
10-15
0,13
MS 1150/1400
1150Min
1400Min
4,0-5,0
N.A.
Loại thép
Thép mềm 170/300
Vấn đề đặt ra khi nghiên cứu về các loại thép tấm độ bền cao là khả năng tạo hình của
chúng, khi nâng cao cơ tính cho vật liệu thép về độ bền, độ cứng thì đồng thời cũng sẽ làm
giảm đi độ dẻo của vật liệu thép tấm, do đó biến dạng dẻo của quá trình tạo hình trở nên
khó khăn và phứùc tạp hơn, từ đó cũng đặt ra nhiều vấn đề cần giải quyết cả trước, trong và
sau khi quá trình tạo hình cho sản phẩm tấm, trong khi các yêu cầu về thiết kế kỹ thuật và
hình dáng cho chi tiết sản phẩm đặt ra càng cao. Một trong những vấn đề quan trọng đã và
đang được sự quan tâm nhiều đối với quá trình tạo hình cho thép tấm độ bền cao là sự xuất
hiện hiện tượng đàn hồi – springback – sau quá trình tạo hình và đây cũng là nội dung
chính sẽ được nghiên cứu trong đề tài.
Ở nước ta hiện nay, ngoài các cơ sở sản xuất sản phẩm từ thép tấm chủ yếu cho các
sản phẩm gia dụng thì với sự đầu tư ngày càng nhiều của các công ty trong và ngoài nước
cho các ngành sản suất - kỹ thuật công nghệ cao, chi tiết sản phẩm tạo hình từ thép tấm
càng lúc được quan tâm và phát triển nhiều hơn, nhất là các sản phẩm phục vụ cho các
ngành sản xuất điện tử, máy tính (nắp, vỏ, thùng máy . . .), và ngành sản xuất ôtô. Đối với
Trang 3
Chương 1
các sản phẩm được tạo hình từ thép tấm, vật liệu thường sử dụng phổ biến là thép cacbon
thường (CT3, SS400 . . .) và thép không gỉ. Các sản phẩm tấm từ thép cacbon thông thường
thường được sửû dụng tạo các sản phẩm gia dụng, tấm lợp, ống công nghiệp, khung kết cấu
tự tạo . . ., với tính chất vật liệu có độ cứng không cao, độ dẻo dai lớn nên chúng chủ yếu
được tạo hình từ các phương pháp uốn, dập, cán. Còn các sản phẩm tấm từ thép không gỉ
ngoài các sản phẩm gia dụng, có thể thấy nhiều trong các thiết bị ngành y tế, thiết bị chế
biến thực phẩm . . ., với các đặc tính có tính chất cơ học về độ bền, độ cứng cao, chịu được
nhiệt độ cao, cũng như các điều kiện môi trường ẩm ướt, nhưng do trọng lượng lớn, giá
thành vật liệu và khó gia công do đó giá thành sản phẩm lớn. Đối với các loại thép tấm độ
bền cao trên thị trường hiện nay chỉ có chủ yếu là các loại tấm với độ dày từ 8 ~ 30 mm,
nhưng cũng không phổ biến do nhu cầu sử dụng không nhiều, còn các loại thép tấm với độ
dày <5mm thì rất ít gặp, nhưng đây là loại vật liệu được sử dụng nhiều trong các cơ sở sản
suất ống, bồn chịu áp lực cao, trong các công ty chế tạo ôtô và một số sản phẩm chi tiết
điện – điện tử.
Nghiên cứu về vấn đề tạo hình chính xác đối với các sản phẩm thép tấm là một trong
những vấn đề đang được quan tâm ở nước ta, do nhu cầu về sản phẩm tấm chính xác đang
ngày cao cho các ngành sản xuất, chế tạo kỹ thuật cao, đặc biệt trong ngành chế tạo ôtô.
Nghiên cứu về hiện tượng đàn hồi sau quá trình tạo hình – springback của sản phẩm thép
tấm nói chung, cũng như đối với thép tấm độ bền cao là một trong những nghiên cứu nhằm
tìm hiểu và nâng cao độ chính xác và chất lượng cho quá trình tạo hình.
1.2. Vấn đề đàn hồi sau quá trình tạo hình (springback) và mục tiêu nghiên cứu trong
đề tài:
1.2.1. Vấn đề đàn hồi sau quá trình tạo hình:
• Khái niệm về hiện tượng đàn hồi sau quá trình tạo hình:
Là hiện tượng trong đó vật liệu của sản phẩm được tạo hình có xu hướng trở lại hình
dạng ban đầu sau khi không còn tác động của các lực tạo hình.
Trang 4
Chương 1
• Những ảnh hưởng của hiện tượng đàn hồi đối với sản phẩm sau khi tạo hình:
+ Gây ra các sai lệch về hình dáng hình học so với thiết kế ban đầu, chủ yếu là các sai lệch
như:
-
Làm thay đổi góc uốn, cũng như bán kính uốn của chi tiết sản phẩm.
-
Làm cong các thành bên đối các chi tiết có tiết diện ngang dạng rãnh.
-
Gây ra hiện tượng vênh, xoắn, đặc biệt đối với chi tiết có độ dài lớn.
+ Làm giảm chất lượng của sản phẩm sau khi tạo hình, do sự tạo thành các khuyết tật như
các vết nhăn, nứt, đứt gẫy trong cấu trúc vật liệu.
(a) Vết đứt gẫy.
(b) Vênh.
(c) Vết nứt gẫy.
(d) Vết nhăn.
(e) Góc uốn thay đổi.
(f) Vết nứt.
Hình 1.2. Một số khuyết tật trong tạo hình tấm do hiện tượng đàn hoài.
Trang 5
Chương 1
• Các yếu tố ảnh hưởng đến hiện tượng đàn hồi:
+ Tính chất cơ học của vật liệu được tạo hình như mun đàn hồi, giới hạn chảy, tính đẳng
hướng, độ giãn dài.
+ Các thông số hình học như độ dày của tấm, bán kính uốn và góc uốn.
+ Các lực tác động, cường độ ứng suất trong quá trình tạo hình.
Ngoài ra còn có sự ảnh hưởng của một số yếu tố như nhiệt độ, áp suất,. . . và các điều
kiện, qui trình kỹ thuật tạo hình khác nhau.
• Tỉ số đàn hồi:
Xét một quá trình tạo hình uốn một tấm kim loại như Hình 1.3. Với t là độ dày của tấm.
R, α là bán kính và góc uốn mong muốn (của khuôn)
R’, α’ là bán kính và góc uốn sau khi xảy ra hiện tượng đàn hồi.
Tỉ số đàn hồi K là tỉ số giữa bán kính uốn mong muốn (của khuôn) chia cho bán kính uốn
R
t
α
cuối cùng đạt được của chi tiết sau quá trình tạo hình.
t
α'
(a)
R
'
(b)
Hình 1.3. Minh họa hiện tượng đàn hồi sau quá trình uốn tấm.
(a) Biên dạng mong muốn .
(b) Biên dạng khi bị đàn hồi ngược
Trang 6
Chương 1
K=
R
R'
(1.1)
Công thứùc (2.1) có thể tính tương đương theo Hosford vaø Caddels:
3
Rσ 0
Rσ 0
K ≈ 1+4.
− 3
E 't
E 't
(1.2)
Trong đó, σ0 là ứng suất uốn lớn nhất để đạt giá bán kính uốn mong muốn.
E’ là mô đun đàn hồi trong trường hợp uốn được xác định;
E’ =
E
1 −ν 2
(
)
(1.3)
E- mô đun đàn hồi của vật liệu.
ν-hệ số Poisson của vật liệu.
Trong trường hợp độ dài cung uốn cuối cùng không thay đổi nhiều so với độ dài cung
uốn mong muốn, tỉ số đàn hồi có thể được xác định:
K=
α'
α
(1.4)
1.2.2. Một số báo cáo nghiên cứu về hiện tượng đàn hồi sau quá trình tạo hình kim loại
tấm:
1.2.2.1. Nghiên cứu của Mike Gedeon thuộc Trung tâm Kỹ thuật Vật liệu về hiện
tượng đàn hồi trong quá trình tạo hình kim loại tấm. [29]
Khi tạo hình cho một sản phẩm, mong muốn của các nhà sản suất là sản phẩm sẽ có
hình dạng hình học như thiết kế. Nhưng đối với hầu hết các vật liệu, trong quá trình tạo
hình sản phẩm, khi không còn tác dụng của các lực tạo hình, chi tiết được tạo hình không
có được hình dáng như mong muốn do hiện tượng đàn hồi xảy ra.
Theo hình vẽ minh họa cho thí nghiệm được đề cập trong nghiên cứu, góc uốn mong
muốn của sản phẩm sẽ là góc uốn tương ứng với bán kính uốn theo thiết kế khuôn rs.
Nhưng khi được tháo ra khỏi khuôn, do ảnh hưởng của hiện tượng đàn hồi, góc uốn mở
Trang 7
Chương 1
rộng và bán kính uốn tăng lên thành rF. Do đó, có thể xác định tỉ số đàn hồi là tỉ số giữa
góc uốn cuối cùng sau khi đàn hồi với góc uốn mong muốn của dụng cụ.
Tỉ số đàn hồi =
rF
rs
Hình 1.4. Minh họa hiện tượng đàn hồi ngược và biểu đồ Biến dạng-Ứng suất.
Để hiểu thêm về hiện tượng đàn hồi, [29] cũng đề cập đến đường cong ứng suất của
vật liệu trong quá trình tạo hình. Qua đó, vật liệu có độ cứng cao sẽ cho tỉ số đàn hồi- biến
dạng dẻo cao hơn sẽ thể hiện hiện tượng đàn hồi lớn hơn so với vật liệu có độ cứng thấp.
Theo biểu đồ minh họa, đường cong ứng suất không tải sẽ thay đổi theo hướng ít xuất hiện
đàn hồi hơn nếu nó có độ dốc cao. Hơn nữa, tỉ số giữa bán kính uốn và độ dày vật liệu r/t
trong quá trình uốn lớn liên tục sẽ tập trung ứng suất nhiều hơn quá trình uốn từ từ, kết quả
theo đường cong biến dạng dẻo trên biểu đồ. Do đó, tỉ số r/t nhỏ thì hiện tượng đàn hồi
cũng ít xuất hiện.
Nghiên cứu cũng đề cập một số phương pháp liên quan tới việc giảm hiện tượng đàn
hồi trong quá trình tạo hình. Trước hết là xác định theo thực nghiệm, quá trình tạo hình uốn
phải được thực hiện một các chặc chẽ, làm thế nào để vật liệu ít xuất hiện đàn hồi với góc
uốn mong muốn. Một hướng giải quyết theo tính cơ học, là tạo ra một ứng suất bên ngoài
lớn hơn nhằm kiểm soát, cân bằng với ứng suất được tạo ra trong quá trình uốn. Tuy nhiên,
Trang 8
Chương 1
trong một số trường hợp, cách này thường tạo ra sự nứt, gẫy của vật liệu trong quá trình tạo
hình.
Theo nghiên cứu, có bốn yếu tố ảnh hưởng đến hiện tượng đàn trong quá trình tạo
hình, và có thể sử dụng các yếu tố này để kiểm soát hiện tượng đàn hồi.
+ Vật liệu với mô đun đàn hồi cao có thể làm giảm hiện tượng đàn hồi.
+ Tăng các lực tạo hình tiếp xúc.
+ Vật liệu có độ uốn thấp có thể được sử dụng, nhưng độ bền vững của chi tiết sản phẩm
không cao, do đó chỉ xem xét giới hạn trong một số bán kính uốn cần thiết.
+ Độ dày của chi tiết được tạo hình. Nhưng điều cần thiết là xác định chi tiết sử dụng
nhằm vào mục đích gì, nếu yêu cầu cho chi tiết sản phẩm chỉ cần mỏng, nhưng sử dụng
chiều dày lớn là không phù hợp và trong nhiều trường hợp phải xem xét lại góc uốn tạo
hình chi tiết.
1.2.2.2. Nghiên cứu về “Bù đàn hồi trong vật liệu tạo hình tấm tiên tiến” của Dr. ChungYeh Sa và Dr. Edmund Chu thuộc Trung Tâm Tạo Hình và Ứng Dụng CAE. [17]
Nghiên cứu đề cập về Vật liệu nhẹ trong kỹ thuật giao thông với một số vấn đề
liên quan tới hiện tượng đàn hồi trong quá trình tạo hình, chứng minh được một số vấn đề
mang tính khả thi:
• Sử dụng một dụng cụ giao diện đồ họa để có thể hiệu chỉnh cục bộ hoặc tổng thể mặt
lưới của khuôn trong việc dự đoán các kết quả đàn hồi.
• Các kết quả mô hình mô phỏng số biểu diễn độ lệch được giảm thiểu nhỏ nhất bằng
cách sử dụng phương pháp bù đàn hồi mới.
Mô hình mô phỏng của nghiên cứu được thực hiện với ba loại vật liệu khác nhau:
+ GM: ký hiệu cho mô hình bù đàn hồi đối với một thanh lan can thép (Hình 1.5).
+ Ford: ký hiệu cho mô hình bù đàn hồi đối với một tấm nhôm (Hình 1.6a).
+ DCX/DCAG: ký hiệu cho mô hình bù đàn hồi đối với một dầm thép chịu lực cao (Hình
1.6b).
Trang 9
Chương 1
Tất cả các mô hình, dự đoán đàn hồi ở các vị trí đo tới hạn trong các khuôn mô phỏng
được tính toán bù lại ở trong sai số chỉ định ±2mm. Phần mềm FEM được sử dụng là
DYNAFORM.
Kết quả thực hiện được báo cáo:
+ Đối với GM: các mô phỏng số được lặp lại nhiều lần thử cho vật liệu dày 1.8mm và đạt
được kết quả tương ứng với quá trình thực hiện mẫu thử thực tế, độ bù đàn hồi đáp ứng
thành công trong giới hạn ±0.5 mm.
+ Đối với Ford: vật liệu được sử dụng có độ dày 0.9mm, với dự định chủ yếu là đánh giá
sự khác nhau của đàn hồi tại 10 vị trí khác nhau trên bề mặt khuôn.
+ Đối với DCX/DCAG: vật liệu được sử dụng là hợp kim thép kẽm có độ dày 1.4mm.
- Sử dụng các mô phỏng FEM chỉ ra được các vị trí tạo nếp nhăn và gợn sóng đáng kể xảy
ra ở một vài vị trí.
- Quá trình mô phỏng có thể kiểm soát và bù lại ở trên 90% vị trí bề mặt khuôn với độ
lệch ±0.5mm.
- Qua quá trình mô phỏng phát hiện ra, các độ lệch do đàn hồi ngược cục bộ lớn hơn
0.5mm là nguyên nhân gây ra các vết nhăn trong thời gian tạo hình dập.
- Từ đó có thể sử dụng các biện pháp để giảm đến mức thấp nhất các vết nhăn trong
khuôn dập cho các quá trình tạo hình lặp lại tiếp theo.
Hình 1.5. Mô hình tấm nhôm (Ford Aluminum Decklid).
Trang 10
Chương 1
a).
b).
Hình 1.6. a). Mô hình dầm thép chịu lực cao (DCX/DCAG).
b). Mô hình thanh lan cang thép (GM).
Các kết luận của nghiên cứu:
- Giảm thời gian và chi phí cho dụng cụ so sới các phương pháp truyền thống.
- Thúc đẩy việc ứng dụng các hợp kim tiên tiến nhằm làm giảm trọng lượng sản phẩm như
thép chịu lực cao, hợp kim nhôm, nghiên cứu còn sẽ được phát triển đối với việc tạo hình
tấm cho hợp kim magiê và hợp kim titan.
- Đẩy mạnh việc phát triển và đưa ra các sáng kiến trong sản suất các sản phẩm mới.
Các kế hoạch phát triển trong tương lai:
- Với mục đích ứng dụng các kỹ thuật khả thi, báo cáo nhấn mạnh sự quan trọng của việc
phát triển các phần mềm trong mô phỏng và tính toán.
- Phát triển và ước lượng các kế hoạch phân tích bù đàn hồi trên toàn bộ các phần khác
nhau của chi tiết.
- Xác định được vị trí các vết nhăn, có kế hoạch giảm bớt hoặc loại bỏ chúng trước khi
thực hiện quá trình tạo hình.
- Sử dụng các phần mềm và phương pháp mới trong việc tạo lại khuôn cho các thử nghiệm
bù đàn hồi.
1.2.2.3. Nghiên cứu về: “Phân tích sự biến dạng của hiện tượng đàn hồi khi uốn dạng L
cho kim loại tấm” của Fuh-Kuo Chen và Shen-Fu Ko thuộc khoa Cơ khí trường Đại
học Quốc gia Đài Bắc - Đài Loan. [22]
Trang 11
