Nghiên cứu phương pháp xác định độ chính xác gia công cơ trên máy công cụ

Nguyễn văn hiến

Bộ giáo dục v đo tạo
Trờng đại học bách khoa h nội

---------------------------

luận văn thạc sĩ khoa học
ngành : gia công áp lực

gia công áp lực

mô phỏng số quá trình ép chảy thuận
ống nhôm đối xứng trục ở
trạng tháI nóng

2005 - 2007

Nguyễn văn hiến

Hà Nội 10/2007
Hà Nội
2007


Bộ giáo dục v đo tạo
Trờng đại học bách khoa h nội

----------------------------

luận văn thạc sĩ khoa học

mô phỏng số quá trình ép chảy thuận ống
nhôm đối xứng trục ở trạng tháI nóng

Chuyên ngành: Gia công áp lực
M số:

Nguyễn văn hiến

Hớng dẫn khoa học: TS. nguyễn Đắc trung

Hà Nội - 10/2007


Lời cảm ơn

Sau hai năm học tập và nghiên cứu tại Bộ môn Gia công áp lực - Khoa
Cơ khí - Trờng Đại học Bách Khoa Hà Nội, với sự chỉ dẫn tận tình của các
Thầy, Cô giáo, sự giúp đỡ nhiệt tình của bạn bè và sự nỗ lực cố gắng của bản
thân, tôi đà hoàn thành luận văn Tốt nghiệp Cao học và đạt những kết quả
mong muốn.
Nhân dịp hoàn thành luận văn Cao học, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu
sắc tới tất cả các Thầy, Cô giáo trong Bộ môn, Khoa và Trờng đà tận tình
giúp đỡ, động viên, tạo điều kiện tốt nhất cho tôi hoàn thành khoá học của
mình.
Tôi xin chân thành cảm ơn Thầy giáo TS. Nguyễn Đắc Trung, PGS - TS.
Phạm Văn Nghệ, đà nhiệt tình hớng dẫn và giúp đỡ tôi trong việc thực hiện
luận văn này.
Tôi xin chân thành cám ơn các thầy giáo phản biện đà đọc luận văn và
đóng góp cho tôi những ý kiến quý báu và bổ ích.

Nhân đây, tôi cũng xin gửi lời cám ơn chân thành tới Cha, Mẹ, gia đình
và các bạn bè thân thiết đà giúp đỡ, động viên, tôi trong häc tËp cịng nh−
trong trong cc sèng. NÕu kh«ng cã sự ủng hộ này thì tôi cũng không đạt
đợc kết quả tốt đẹp nh ngày hôm nay.
Xin kính tặng luận văn cho Cha, Mẹ và gia đình tôi.

Tác giả
Nguyễn Văn HiÕn


1

Mục lục

Lời nói đầu

4

Bảng các ký hiệu

6

Chơng I: Tổng quan về công nghệ ép chảy

8

I.1

Khái quát chung

I.2

Các phơng pháp ép chảy

8
10

I.2.1

ép chảy thuận

10

I.2.2

ép chảy ngợc

11

I.2.3

ép chảy hỗn hợp

12

I.2.4

ép chảy ống

13

I.2.5

ép chảy với hành trình ngắn

14

I.3

Các bớc công nghệ của quá trình ép chảy

15

I.4

Mục đích nghiên cứu của luận văn

18

Chơng II: Nghiên cứu trạng thái ứng suất, biến dạng, lực và
công trong quá trình ép chảy
II.1

II.2

Trạng thái ứng suất, lực và công biến dạng khi ép
chảy

19
19

II.1.1

Trạng thái ứng suất

19

II.1.2

Lực và công biến dạng

19

II.1.3

Quan hệ giữa lực và hành trình chày ép

23

II.1.4

Đặc điểm chảy của kim loại trong ép chảy

24

Tính toán công nghệ khi ép chảy

27

II.2.1

Vùng thoát hình trụ I

28

II.2.2

Vùng hình côn II

II.2.3

Vùng chứa phôi hình trụ III

29
35


2

II.2.4 áp lực riêng đối với các dạng khuôn khác
nhau
II.3
II.4

37

Nghiên cứu công nghệ ép chảy bằng phơng pháp mô
phỏng số

38

Kết luận

48

Chơng III: Nghiên cứu, ứng dụng phần mềm ANSYS vào mô
phỏng số quá trình biến dạng tạo hình

49

III.1 Khái quát chung về mô phỏng số

49

III.2 Nghiên cứu ứng dụng phần mềm ANSYS vào mô
phỏng số quá trình biến dạng tạo hình.

51

III.2.1 Giới thiệu chung về phần mềm ANSYS

51

III.2.2 Các bớc tiến hành mô phỏng số trong
ANSYS

52

III.3 Kết luận

72

Chơng IV: Mô hình hoá quá trình ép chảy thuận ống đối

xứng ở trạng thái nóng, ứng dụng cho vật liệu nhôm

73

IV.1 Các giả thuyết cơ bản

73

IV.2 Mô hình biến dạng của kim loại và hợp kim ở trạng
thái nóng

75

IV.2.1

Phơng trình liên tục

75

IV.2.2

Phơng trình cân bằng

75

IV.2.3

Phuơng trình truyền nhiệt

76

IV.2.4

Phơng trình thuộc tính

77

IV.2.5

Phơng trình chảy dÃo

80

IV.2.6

Tóm tắt mô hình

82

IV.3 áp dụng đối với hợp kim nhôm A356.

83

IV.4 Thiết lập bài toán biên cơ nhiệt

84

3

IV.5 Giải các bài toán biên cơ - nhiệt
IV.5.1 Giải các bài toán biên cơ học

86

IV.5.2 Giải bài toán biên nhiệt

90

IV.5.3 áp dụng đối với bài toán ép chảy thuận ống
đối xứng ở trạng thái nóng

91

IV.5.3.1 Điều kiện biên cơ nhiệt của bài
toán ép chảy ống

91

IV.5.3.2 Bài toán biên cơ học

93

IV.5.3.3 Bài toán biên nhiệt

95

IV.6 Kết luận
Chơng V: Mô phỏng số quá trình ép chảy thuận ống đối xứng ở
trạng thái nóng, ứng dụng cho vật liệu nhôm
V.1

86

Nghiên cứu tối u dòng chảy trong quá trình ép chảy
ống.

V.2 Mô hình hóa quá trình ép chảy ống

97

98
99
103

V.2.1 Mô hình hình học

103

V.2.2 Mô hình lới phần tử

105

V.2.3 Mô hình vật liệu

106

V.2.4 Mô hình tiếp xúc

108

V.3 Tiến hành mô phỏng số

109

V.4 Kết quả mô phỏng số

110

V.5 Kết luận

120

Kết luận

121

Tài liệu tham khảo

123


4

Lời nói đầu

Trong những năm gần đây, cùng với sự phát triển mạnh mẽ của nền kinh
tế, chất lợng 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 u hoá công
nghệ nhằm nâng cao chất lợng, 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.
Trớc đây, khi công nghệ cha phát triển, tối u hoá công nghệ thờng
dựa trên kinh nghiệm sản xuất và tối u dần trong quá trình sản xuất mà
không có tính tổng quát nên hiệu quả thờng không cao. Trong những năm
gần đây, cùng với sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ thông tin, điện tử, tự
động hoá đà trợ giúp quá trình tối u hoá công nghệ một cách đơn giản, nhanh
chóng và chính xác bằng phơng pháp mô phỏng số trên máy tính đem lại
hiệu quả cao trong nghiên cứu khoa häc cịng nh− trong s¶n xt.
ë n−íc ta hiƯn nay, mô phỏng số vẫn còn là một vấn đề mới mẻ, hầu
nh cha đợc ứng dụng phổ biến vào sản xuất mà chỉ đợc nghiên cứu ở một
số trờng đại học cũng nh các viện nghiên cứu. Để góp phần vào sự phát
triển chung của việc nghiên cứu tối u hoá công nghệ nhờ mô phỏng số và
thúc đẩy ứng dụng kết quả tối u vào sản xuất công nghiệp, luận văn này tập
chung nghiên cứu và ứng dụng phơng pháp mô phỏng số nhờ phần mềm
ANSYS nhằm tối u hoá công nghệ ép chảy thuận ống nhôm đối xứng trục ở
trạng thái nóng.
Luận văn đợc trình bày trong 5 chơng.
Chơng 1 giới thiệu tổng quan về công nghệ ép chảy, các phơng pháp
ép chảy, u nhợc điểm của từng phơng pháp và ứng dụng.


5

Chơng 2 Trình bày những vấn đề cơ bản về trạng thái ứng suất, biến
dạng, lực và công trong quá trình ép chảy. Trong chơng này còn trình bày
các dạng dòng chảy của kim loại trong quá trình ép chảy. Cách tính toán các

thông số công nghệ của quá trình ép chảy theo phơng pháp truyền thống, khả
năng ứng dụng phần mềm ANSYS vào mô phỏng quá trình biến dạng tạo hình
kim loại.
Chơng 3 Trình bày việc nghiên cứu ứng dụng phần mềm ANSYS vào
mô phỏng số quá trình biến dạng tạo hình kim loại, đồng thời giới thiệu khả
năng ứng dụng của phần mềm ANSYS.
Chơng 4 Trong chơng này trình bày mô hình biến dạng của vật liệu ở
trạng thái nóng dới dạng một hệ phơng trình toán lý tổng quát. Cách thiết
lập bài toán biên cơ nhiệt, cách giải bài toán biên cơ nhiệt. ứng dụng cho bài
toán ép chảy thuận ống đối xứng trục đối với vật liệu bằng nhôm.
Chơng 5, tác giả đà tiến hành mô hình hóa và mô phỏng số quá trình
ép chảy dựa trên trên biến dạng dẻo kim loại nhờ phần mềm ANSYS. Đa ra
các mô hình hình học, mô hình vật liệu, mô hình phần tử và lới phần tử, mô
hình mặt tiếp xúc. Phần kết luận đa ra một vài tổng kết quan trọng và hớng
phát triển tiếp theo của đề tài.

Hà nội, tháng 10 năm 2007
Tác giả


6

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

Đờng 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



Góc thoát cối ép

1, 2, 3

Biến dạng chính

i

Cờng độ biến dạng



Tốc ®é biÕn d¹ng

ϕ

Møc ®é biÕn d¹ng chÝnh

ϕmax
λ

Møc ®é biÕn d¹ng chính lớn nhất
Hệ số nhân dẻo

độ

7

Ký hiệu

ý nghĩa



Hệ số ma sát



Mật độ khối lợng

1, 2, 3

Đơn vị đo
l
kg

ứng suất chính

N/mm2

e

ứng suất tơng đơng

N/mm2



Ma sát Tresca



Hệ sè poisson


8

Chơng I
Tổng quan về công nghệ ép chảy
I.1. Khái quát chung
ép chảy là quá trình gia công kim loại bằng áp lực trong đó vật liệu dới
tác dụng của chày ép đợc ép qua lỗ cối tạo ra sản phẩm dạng thanh đặc hoặc
rỗng, có biên dạng mặt cắt ngang từ đơn giản đến phức tạp (hình 1.1). Ngoài
ra, ép chảy cũng có thể tạo ra các sản phẩm dới dạng chi tiết. Sản phẩm của
quá trình ép chảy có độ chính xác cao về hình dáng cũng nh kích thớc với
hệ số sử dụng vật liệu lớn, vì hầu nh không có vật liệu bỏ đi sau khi gia công
nh các phơng pháp gia công cơ, hơn nữa ép chảy còn cho phép tạo ra các
sản phẩm có hình dạng phức tạp mà các phơng pháp khác không thể tạo ra
đợc. Hình dạng lỗ thoát quyết định tiết diện ngang của sản phẩm.

Hình 1.1 Các dạng sản phẩm ép ch¶y


9

ép chảy đợc ứng dụng để chế tạo các loại phôi dạng thanh profil định
hình, ống có chiều dài vô hạn hoặc các chi tiết hoàn chỉnh hình trụ, côn, bậc,
kiểu bu lông, hay các chi tiết rỗng có chiều dài hữu hạn.
Chủng loại sản phẩm ép chảy rất đa dạng, chủ yếu đợc chế tạo từ kim
loại và hợp kim màu, đặc biệt từ nhôm và hợp kim nhôm. Các sản phẩm ép
chảy đợc sử dụng rộng rÃi trong các lĩnh vực khác nhau của nền kinh tế quốc
dân nh: Ngành thiết bị công nghiệp, quân sự, giao thông vận tải, xây dựng và
trang trí nội thất...
Ưu điểm của ép chảy:
So với dập trên khuôn kín và khuôn hở thì ép chảy có nhiều u việt hơn nh:
+ Độ chính xác và độ bóng bề mặt của chi tiết cao.
+ Không sợ quá tải khuôn nh dập trên khuôn.
+ Sản xuất nhanh chóng, dễ dàng, năng suất cao với các dạng sản phẩm
thanh có profil có chiều dài vô hạn mà các phơng pháp khác không thể gia
công đợc.
Nhợc điểm của ép chảy:
+ áp lực đơn vị cao nên lực tác dụng lên dụng cụ biến dạng lớn, làm
giảm tuổi thọ khuôn, nhất là ở phần lỗ thoát kim loại khuôn rất nhanh mòn.
+ Vật liệu khuôn phải làm bằng vật liệu tốt, chịu nhiệt và có tính chống
mài mòn cao. Tiêu hao năng lợng cho quá trình biến dạng lớn.
Các đặc điểm của phơng pháp ép chảy:
+ Thể tích kim loại trong khuôn luôn giảm đi trong quá trình ép.
+ Tuy không tính toán đến phế liệu, nhng trong quá trình cắt phôi, nếu
thể tích phôi thừa thì phần chân sẽ dài hơn tính toán. Có thể cắt bỏ phần thừa
bằng khuôn cắt, máy cắt hoặc cắt bằng máy công cụ trong khi gia công cơ


10

+ Sản phẩm ép chảy có chất lợng cao, không bị nứt rạn, không có rỗ
khí.

I.2. Các phơng pháp ép chảy
Tuỳ theo các điều kiện sản xuất và yêu cầu đối với sản phẩm mà có thể
chia ra các phơng pháp ép chảy khác nhau, trong đó phơng pháp chủ yếu và
phổ biến nhất là ép chảy thuận và ép chảy ngợc bằng chày cối cứng.

I.2.1 ép chảy thuận
Trong quá trình ép chảy thuận, phôi dịch chuyển tơng đối với thành
buồng ép và hớng chảy của kim loại trùng với hớng chuyển động của chày
ép.

Buồng ép
Phôi ép
Cối ép
Thớt đỡ
Chày ép
Đĩa ép
Thanh sản phẩm

Hình 1.2 Sơ đồ ép chảy thuận


11

Sản phẩm của quá trình ép chảy thuận thờng 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 của sản phẩm.
Đối với ép chảy thn hay sư dơng cèi cã gãc tho¸t 2α = 180 (cối

phẳng) hoặc góc thoát 2 < 180. Đối với những kim loại và hợp kim dễ ép
nh nhôm thì th−êng sư dơng cèi cã gãc tho¸t 2α = 180°.

I.2.2 ép chảy ngợc
Khác với ép chảy thuận, trong quá trình ép chảy ngợc không có sự dịch
chuyển tơng đối của phôi với buồng ép, dòng chảy của kim loại ngợc với
hớng chuyển động của chày ép.
Phôi ép
Cối ép
Chày ép

Thanh sản phẩm

Hình 1.3 Sơ đồ ép chảy ngợc

Buồng ép


12

I.2.3 ép chảy hỗn hợp
Để năng cao chất lợng sản phẩm ép, ngời ta sử dựng phơng pháp ép
chảy có vỏ. Đây thực chất là ép chảy hỗn hợp nhng phần kim loại chảy
ngợc qua khe hở giữa chày và cèi Ðp rÊt Ýt... Tr−êng hỵp Ðp cã vá sÏ cho chất
lợng của sản phẩm tốt hơn bởi lẽ tránh đợc những khuyết tật xấu của vật
đúc vào trong sản phẩm ép. Điều này thờng đợc áp dụng với đồng và hợp
kim của đồng. Đối với những kim loại khó Ðp th× th−êng thùc hiƯn víi cèi Ðp
cã 2α < 180, có bôi trơn trong quá trình ép hoặc 2 = 180 khi ép có vỏ.

Chày ép

Phôi ép
Cối ép

Thớt đỡ

Đĩa ép
Thanh sản phẩm

Buồng ép

Hình 1.4 Sơ đồ ép chảy hỗn hợp (ép chảy thuận có vỏ)


13

I.2.4 ép chảy ống
ép chảy ống hoàn toàn giống nh ép chảy thuận hoặc ngợc các sản
phẩm dạng thanh, chỉ có điểm khác là phôi có dạng rỗng và ép có trục tâm
(lõi).
Chày ép

Phôi ép
Cối ép

Thớt đỡ

Lõi
Đĩa ép
Thanh sản phẩm

Buồng ép

Hình 1.5 Sơ đồ ép chảy ống


14

I.2.5 ép chảy với hành trình ngắn
Quá trình ép chảy này tơng tự nh ép chảy ngợc (hình 1.6) cũng tạo
ra sản phẩm dạng cốc. Tuy nhiên, ép chảy đợc thực hiện trên những máy ép
tốc độ cao, chày ép chun ®éng víi tèc ®é rÊt lín vỊ h−íng vËt thể. Chiều
dày của thành sản phẩm sau khi ép chính là khe hở giữa chày và cối.
Quá trình này đợc dùng trong biến dạng nguội, và thờng đợc ứng
dụng để gia công những kim loại có độ cứng không cao nh đồng, chì, kẽm.

Chặn phôi
Chày
ép

Phôi

Sản
phẩm

Cối
Hình 1.6 Sơ đồ ép chảy với hành trình ngắn
Ngoài các phơng pháp ép chảy thuận, ngợc có vỏ và không có vỏ,
ngời ta còn sử dụng các phơng pháp ép chảy đặc biệt khác nh ép chảy
ngang, ép chảy thuỷ tĩnh...

Thông thờng quá trình ép chảy đợc tiến hành với mức độ biến dạng
rất lớn, ®èi víi nh÷ng vËt liƯu dƠ Ðp møc ®é biÕn dạng có thể đạt tới = 7,
= ln(A0/A1) mức độ biến dạng logarit, A0: diện tích mặt cắt ngang phôi


15

ban đầu, A1: diện tích mặt cắt ngang sản phẩm. øng st lín nhÊt cã thĨ gÊp
10 lÇn øng st chảy của kim loại.
Bằng phơng pháp ép chảy có thể ép chảy các chi tiết hoặc các bán
thành phẩm. Thông thờng, ép các chi tiết đợc tiến hành ở nhiệt độ thờng
hoặc ở trạng thái nửa nóng còn ép bán thành phẩm đợc tiến hành ở trạng thái
nóng tức là trên nhiệt độ kết tinh lại và thực hiện trên các máy ép thuỷ lực
ngang.
ứng dụng công nghệ ép chảy tại Việt Nam
Với sự phát triển nhanh chóng của các ngành công nghiệp, hiện nay việc
sử dụng các sản phẩm, đồ dùng bằng ống (thanh) nhôm hợp kim đà trở nên
phổ biến và ngày càng tăng, mặt khác vật liệu gỗ ngày càng khan hiếm cũng
dẫn đến sự lên ngôi của nhôm trong lĩnh vực xây dựng nhà ở, trang trí nội thất,
giao thông vận tải...
Qua 15 năm xây dựng và phát triển, ngành công nghiệp sản xuất ống
(thanh) nhôm định hình đà có những bớc phát triển vợt bậc. Từ việc nhập
khẩu các sản phẩm của nớc ngoài vào những năm 1990, đến nay trong cả
nớc đà có hàng trục cơ sở sản xuất công nghiệp, không chỉ đáp ứng cho nhu
cầu trong nớc mà còn hớng tới xuất khẩu.
Quy trình sản xuất thanh nhôm định hình đợc xây dựng trên cơ sở công
nghệ gia công áp lực bằng phơng pháp ép chảy.

I.3. Các bớc công nghệ của quá trình ép chảy
Quy trình công nghệ ép chảy gồm những giai đoạn sau:

Chuẩn bị phôi Nung phôi ép Nhiệt luyện và tinh chỉnh sản
phẩm.


16

Chuẩn Bị Phôi

ép
Lò nung
Cắt đoạn

450 - 550C

Nắn thẳng

đóng gói

Xử lý bề mặt

Xủ lý Nhiệt

Làm nguội

Hình 1.7 Sơ đồ quy trình công nghệ ép chảy thuận ống nhôm
ở trạng thái nóng
- Chuẩn bị phôi:
Phôi ban đầu đợc cho vào lò nung, nung tới nhiệt độ cần thiết sau đó
chuyển sang buồng ép của máy ép.
Kích thớc của phôi có nhiều kích cỡ, phụ thuộc vào kích thớc buồng

ép của máy ép.
Chất lợng của sản phẩm ép chảy phụ thuộc vào chất lợng sản phẩm
của phôi, độ đồng nhất về thành phần hoá học, chất lợng bề mặt, độ sạch...
Nhiệt độ ép có ảnh hởng trực tiếp đến chất lợng, cấu trúc của vật liệu.
- ép sản phẩm:
Các sản phẩm ép chảy hầu hết đợc ép bằng máy ép thuỷ lực nằm
ngang, cũng có khi sử dụng máy ép đứng, phơng pháp chủ yếu là ép chảy
thuận và ép chảy ngợc.


17

Hình 1.8 Máy ép thuỷ lực nằm ngang
- Xử lý nhiệt: Để đảm bảo cơ, lý, hoá tính của sản phẩm, sau khi ép cần
thiết phải tiến hành nhiệt luyện (ủ, tôi và hoá già). Dạng nhiệt luyện phổ biến
các bán thành phẩm ép chảy là hoá già, hiệu quả của quá trình phụ thuộc vào
nhiệt độ và trị số bÃo hoà của dung dịch rắn.

- Xử lý bề mặt: thanh nhôm sau khi ép đợc anod hoá bề mặt bằng ôxy
hoá dơng cực, tạo màng ôxít nhân tạo bền vững. Chiều dày lớp màng ôxít
hoá từ 8 25m. Sau đó có thể nhuộm màu, sơn bóng bề mặt hoặc sơn tĩnh
điện để giảm rỗ và khuyết tật trên bề mặt sản phẩm và tăng độ bền màu với
môi trờng tự nhiên.

- Đóng gói: thanh nhôm định hình đợc đóng gói bằng màng co PE
hoặc cuốn giấy trên từng thanh sản phẩm, sau đó bó lại thành bó có d¸n nh·n
m¸c.


18

I.4. Mục đích nghiên cứu của luận văn.
Để tạo ra các thanh nhôm có profil 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... ngời ta sử dụng công nghệ ép chảy nằm ngang.
Chất lợng và giá thành sản phẩm tạo ra phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố,
trong đó tính toán công nghệ và thiết kế khuôn ép giữ một vai trò rất quan
trọng.
Khuôn ép ống nhôm định hình làm việc trong điều kiện chịu tải trọng
khắc nghiệt, dới tác động của nhiều yếu tố nh áp lực, lực va đập, ma sát,
mài mòn và mỏi nhiệt Vì vậy khuôn ép phải đợc chế tạo từ thép hợp kim
làm khuôn dập nóng.
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 ANSYS mô phỏng quá trình biến dạng dẻo của kim loại
khi ép chảy ống nhôm, để có thể đa ra các th«ng sè kü tht tèi −u phơc vơ
cho viƯc thiÕt kế khuôn và chọn thiết bị công nghệ phù hợp.
Những thông số công nghệ rút ra đợc nhờ mô phỏng có thể coi là tối
u 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 lợng công việc không nhiều. Với việc áp dụng phơng
pháp thiết kế ảo, thời gian thiết kế cũng nh 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 thớc lín.


19

Chơng II

Nghiên cứu trạng tháI ứng suất, biến dạng, lực v
công trong quá trình ép chảy
II.1. Trạng thái ứng suất, lực và công biến dạng khi ép chảy
II.1.1. Trạng thái ứng suất
Phân tích trạng thái ứng suất trong vùng biến dạng sẽ giúp ta đánh giá
đợc hành vi của vật liệu khi biến dạng và cơ tính đạt đợc của sản phẩm.
Việc phân tích này cũng cần thiết trong việc xác định lực và công biến dạng.
Khi ép chảy trong vùng biến dạng sẽ xuất hiện trạng thái ứng suất nén khối.
Với giả thiết biến dạng là đồng đều và trạng thái biến dạng là đối xứng trục thì
cả ba thành phần ứng suất z, r, t đều là ứng suất chính. Trong ép chảy, ứng
suất hớng trục z gây nên bởi ngoại lực luôn luôn là ứng suất chính lớn nhất.
Trong điều kiện biến dạng đồng đều và đối xứng trục do thể tích không đổi
nên ứng suất chính h−íng kÝnh vµ øng st tiÕp tun b»ng nhau nghÜa là r =
1

t.

1
3

3

2

2

Hình 2.1 Sơ đồ trạng thái ứng suất và biến dạng trong ép chảy thuận
II.1.2. Lực và công biến dạng
Trị số ứng suất trong vùng biến dạng có ý nghĩa quan trọng đối vối việc
thiết kế khuôn mẫu. Để lựa chọn một cách hợp lý các thiết bị cho quá trình

biến dạng thì nhất thiết phải xác định đợc lực và công biến dạng cần thiết.


20

Công biến dạng cần thiết bao gồm công thuần tuý để biến dạng vật liệu
phôi và công để khắc phục những tổn thất do ma sát ngoài cũng nh sự trợt
và uốn của các phần trong vật liệu gây nên. Nh− vËy ta cã:
Wges = Wid +WR + WSch + WB
B

Trong đó:

(2.1)

Wges - công biến dạng cần thiết
Wid - công biến dạng thuần tuý
WR - công để khắc phục tổn thất do ma sát ngoài gây nên
WSch - công để khắc phục tổn thất do sự trợt gây nên
WB - công để khắc phục tổn thất do uốn gây nên.

Trong ép chảy nói chung tổn thất do uốn gây nên cã thÓ bá qua bëi vËy
tõ (2.1) ta cã
Wges = Wid +WR + WSch

(2.2)

Tơng tự nh tính toán công ta cũng có thể tính toán lực cần thiết là
tổng của nhiều thành phần hợp lại
Fges = Fid + FR + FSch

(2.3)

Với giả thiết dòng chảy tầng, các trục ứng suất chính và phơng biến
dạng trùng với các cạnh của phân tố vật liệu, ta có:
Công biến dạng thuần tuý một phôi ép có tiết diện ban đầu là A0 và tiết
diện cuối cùng là A1 có tính đến hoá bền sÏ lµ
Wid = V

ϕ1 = ϕ max

∫

kfdϕ = Vkfmϕmax

(2.4)

ϕ0 =0

Trong ®ã:

V - thĨ tÝch biÕn d¹ng

1ϕ
kfm = ∫ kfdϕ - ứng suất chảy trung bình trong miền 0<
1

0

21

0 - mức độ biến dạng chính nhỏ nhất
- mức độ biến dạng chính
max = ln(A0/A1) là mức độ biến dạng chính lớn nhất
Khi ép chảy thuận thanh đặc thì công ma sát WR là tổng của công ma
sát trên mặt côn của cối ép WRS và ma sát trên thành buồng ép WRW.
WR = WRS +WRW

(2.5)

Công ma sát trên mặt côn của cối ép WRS đợc tính theo công thức
WRS = Vkfmmax 2
sin2

(2.6)

Dễ dàng nhận thấy khi góc thoát 2 = 90 thì công ma sát trên mặt côn
WRS đạt giá trị nhỏ nhất.
Công ma sát trên thành buồng ép WRW tính theo công thức
WRW =
Trong đó,

1
d 0 μk f0 (l 02 − l 2 )
2

(2.7)

d0 - ®−êng kính ban đầu của phôi.
- hệ số ma sát
l0 - chiều dài ban đầu của phôi
l chiều dài của phôi sau ép.

Với giả thiết góc thoát của cối 2 nhỏ, công trợt toàn bộ đợc tính
WSch =

2
Vkfm
3

(2.8)

Nh vậy, công biến dạng trong ép chảy thuận thanh đặc đợc tÝnh nh− sau

1
2
Wges = V kfm [ α + (1+ 2μ ) ϕmax] + πd 0 μk f0 (l 02 − l 2 ) (2.9)
3
2
sin2α


22

Đối với quá trình ép giả ổn định trong vùng biến dạng thì
W/V = F*/A0

(2.10)

F* = Fid + FSch + FRS

(2.11)

Do ®ã lùc Ðp

hay

2
3

F* = A0 kfm [ α + (1+

2 ) ]
max
sin2

(2.12)

Lực ma sát trên thành buồng ép tính đợc theo công thức

1
d 0 l k f0
2
Nh vậy, lực ép tổng cộng khi ép chảy thuận thanh đặc sẽ lµ
FRW =

(2.13)

Fges = F* + FRW
2
3

Fges = kfm [ α + (1+

2μ )ϕ ] + πd l μk
max
0
f0
sin2α

(2.14)

Khi Ðp ch¶y thuận thanh đặc dạng bán thành phẩm thờng sử dụng cối
ép có góc thoát 2 = 180, bởi vậy tạo nên một vùng chết mà trên bề mặt ranh
giới giữa nó và vùng biến dạng tồn tại ứng suất tiếp lớn - vùng cắt. Vùng cắt
này có góc giả 2 thay cho góc thoát thật 2. Thông thờng 2 có gí trị 90.
Đối với ép chảy ống ta cũng có các tính toán lực và công biến dạng
tơng tự nh ép chảy thuận thanh đặc. Tuy nhiên các hệ số sẽ khác và trong ép
chảy ống còn phải tính tới lực ma sát sinh ra giữa vật liệu và trục t©m.

2
Fges = kfm [ α + (1+ 2μ )ϕmax] + d 0 l k f0 + FRD
3
sin2

(2.15)

Trong đó FRD là lực ma sát sinh ra giữa trục tâm và vật liÖu

FRD =

−
k fm ϕ max A1 μ
+ πd 2 l r μ p r
tanα

(2.16)