Nghiên cứu ảnh hưởng một số thông số đến lực dập và khả năng điền đầy khuôn khi dập phôi bánh răng nón

<span class='text_page_counter'>(1)</span><div class='page_container' data-page=1>

TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 5(34).2009

<b>NGHIÊN C</b>

<b>ỨU ẢNH HƯỞNG</b>

<b> M</b>

<b>ỘT SỐ THÔNG</b>

<b> S</b>

<b>Ố ĐẾN LỰC DẬP</b>

<b>VÀ KH</b>

<b>Ả NĂNG ĐIỀN ĐẦY</b>

<b>KHUÔN KHI DẬP PHÔI BÁNH RĂNG NÓN</b>

AN INVESTIGATION INTO THE INFLUENCE OF SOME PARAMETERS

ON STAMPING FORCE AND DIE FILLING CAPACITY

IN A CONIC GEAR FORGING PROCESS

<i><b>Lê Cung </b></i>

<i>Trường Đại học Bách khoa, Đại học Đà Nẵng</i>

<i><b>Lê Phước Hoàng</b></i>

<i>Trường Cao đẳng Cơng nghiệp, Huế</i>
<b>TĨM TẮT</b>

Bài báo nhằm ứng dụng phần mềm DEFORM vào việc nghiên cứu ảnh hưởng của một
số thơng số như hình dạng khn, kích thước phơi ban đầu, tốcđộ biến dạng, kích thước và
hình dạng bavia, hệ số ma sát giữa kim loại và khuôn, nhiệt độ sấy khuôn… đến lực dập, năng
lượng tiêu tốn và q trình điền đầy kim loại trong khn. Các mô phỏng số được áp dụng cụ
thể cho trường hợp dập nóng phơi bánh răng nón trong khn. Kết quả mô phỏng giúp người
thiết kế khuôn và qui trình cơng nghệ dập lựa chọn hợp lý hình dạng hình học của khn, phơi
ban đầu cũng như các thơng số cơ bản của q trình dập nóng phơi bánh răng nón.

<b>ABSTRACT </b>

The article deals with the application of DEFORM software to studying the influence of

some parameters such as die shapes, initial workpiece dimensions, strain velocity, flash
dimensions and shapes, frictional coefficient between metal and die, initial die temperature… on
stamping force, consumed energy and die filling process of metal. The digital simulations are
applied to the case of hot forging of a conic gear in die. The simulation results help the designer
of dies and forging technical processes choose the appropriate dimensions and geometrical
shapes of dies and initial workpiece as well as the basic parameters of the conic gear hot
stamping process.

<b>1. </b>

<b>Tổng quan</b>

Lực dập và khả năng điền đầy khuôn khi dập nóng chịu ảnh hưởng

của khá

nhiều thông số như hình dạng hì nh học của khuôn

,

phôi ban đầu , góc lượn của khn

,

hình d

ạng

bavia, s

ự bôi trơn và hệ số ma sát

, t

ốc độ biến dạng, nhiệt độ sấy khuôn…

Trước đây

,

để nghiên cứu lực dập và khả năng điền đầy khuôn

, khuy

ết tật chi tiết sau

d

ập,…

người ta thường tiến hành thí nghiệm mô phỏng quá trình dập trên các phôi bằng

vật liệu thay thế

,

dễ biến dạng

, có tính ch

ất đồng dạng với kim loại làm phôi dập

như

plasticine…[4]. Ngày nay ,

với sự hỗ trợ của máy tính

,

nhiều phần mềm mô phỏ ng sử

dụng phương pháp phần tử hữu hạn ra đời

,

cho phép mô phỏng số quá trình biến dạng

khi dập nóng trong khuôn

,

nhờ đó

d

ễ dàng lựa chọn hợp lý và tối ưu các thông số của

quá trình dập

,

giảm được thời gian và công sức thiết kế khuôn và qui trình dậ

p,

giảm

</div>
<span class='text_page_counter'>(2)</span><div class='page_container' data-page=2>

TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 5(34).2009

mềm sử dụn g phương pháp tổng kết thực

ng

hiệm như FORGEROND ra đời

[4], [5].

Khác với các phần mềm trên đây

,

FORGEROND cho phép mô phỏng nhanh quá trình

dập nóng các chi tiết dạng tròn xoay

,

nhằm giúp người thiết kế khuôn và qui trình dập

nhanh chóng chọn máy

, hình

dạng

phơi, khn, c

ũng như các thông số hợp lý cho

quá

trình dập

,

xây dựng

nhanh

bảng chiết tính giá thành… nhằm đáp ứng nhanh chóng yêu

cầu đặt hàng của khách hàng

.

Bài báo nh

ằm nghiên cứu ứng dụng

ph

ần mềm

DEFORM-2D vào vi

ệc

mô

phỏng

s

ố quá trình dập nóng phôi bánh răng nón

,

đồng thời nghiên cứu ảnh hưởng của

m

ột số thô

ng s

ố như hình dạng của khuôn

,

phôi ban đầu

, bavia, vi

ệc bôi trơn và hệ số

ma sát , vi

ệc sấy khuôn

, t

ốc độ biến dạng… đến lực dập và khả năng

điền đầy khuôn

trong quá trình dập nóng phôi bánh răng nón

trong khuôn. K

ết quả mô phỏng giúp

người thiết kế khuôn và qui tr

ình cơng ngh

ệ dập lựa chọn hợp lý hình dạng hình học của

khuôn,

phôi ban đầu cũng như các thông số cơ bản của quá trình dập nóng phôi bánh

răng nón

.

<b>2. </b>

<b>Môi trường làm việc của phần mềm DEF</b>

<b>ORM-2D </b>

Ph

ần mềm

DEFORM (Design Environment for FORMing) c

ủa hãng

Scientific

Forming Technology Corporation (M

ỹ

) cho phép mô ph

ỏng số quá trình biến dạng kim

lo

ại

d

ựa trên phương pháp phần

t

ử hữu hạn [2], [6]

. DEFORM có nhi

ều chức năng

phong phú, cho phép quan sát trường ứng suất, biến dạng, nhiệt độ kim loại, mơ phỏng

q trình bi

ến dạng chi tiết khi dập nóng, cho phép xác định lực dập, năng lượng cần

thi

ết khi dậ

p…

Lưu đồ mô phỏng quá trình dập nóng trong khuôn được mô tả trên hình 1. Dữ

li

ệu ban đầu cần thiết cho quá trình mô phỏng bao gồm: Thông số hình học: thông số

hình h

ọc của phơi và khn, Thơng sớ qúa trình: nhiệt độ môi trường, nhiệt độ phôi v

à

Thông số hình học Thơng số q trình Thơng số vật liệu
Mơ hình

q trình

Dịng kim loại của chi tiết
(sự điền đầy khn, sự
hình thành khuyết tật…)

u cầu điều khiển thiết
bị (tải trọng, hành
trình/thời gian, vận tốc)
Quá trình cơ nhiệt của chi

tiết (ứng suất, biến dạng,
tốc độ biến dạng…)

Các tính chất cấu trúc tế vi
(cỡ hạt, tỷ lệ kết tinh lại…)

Cấu trúc

tế vi

Các tham số tối ưu của quá trình
và các giới hạn điều khiển

</div>
<span class='text_page_counter'>(3)</span><div class='page_container' data-page=3>

TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 5(34).2009

khn,

hệ số trao đổi nhiệt phôi

-khuôn, khuôn-

môi trường

, th

ời gian chuyển phôi từ lò

đến khuôn

,

hệ số ma sát phôi

-khuôn,

vận tốc chày

,… Thông s

ố vật liệu

: nhi

ệt dung

riêng,

giới hạn đàn hồi

,

giới hạn dẻo… Dữ liệu thu nhận được của quá t

rình mô ph

ỏng

r

ất phong phú: dòng kim loại, sự phân bố và quá trình biến thiên của các biến trạng thái

như biến dạng, tốc độ biến dạng, nhiệt độ chi tiết và khuôn…, các yêu cầu điều khiển

thi

ết bị như tải trọng, hành trình, tốc độ biến dạng, khuyết tật sản

ph

ẩm khi dập… Từ

các tham s

ố đầu ra của quá trình biến dạng, người thiết kế qui trình công nghệ dập dễ

dàng ch

ọn được các tham số tối ưu cho quá trình dập nóng chi tiết

.

<b>3. </b>

<b>Ả</b>

<b>n</b>

<b>h hưởng của một số thông số đến q </b>

<b>trình rèn d</b>

<b>ập nóng</b>

<b>phơi bánh răng</b>

<b> nón </b>

<i><b>3.1. </b></i>

<i><b>Dữ liệu mô phỏng số</b></i>

Chúng tôi ti

ến hành các mô phỏng số sử dụng phần mềm DEFORM

2D cho quá

trình rèn d

ập nóng phơi bánh răng nón trong khn

. Thông s

ố hình học của phôi bánh

răng nón

,

của

khuôn d

ập và của phôi dập ban đầu được mơ tả

trên hình 2. Các d

ữ liệu

ban đầu sử dụng trong mô phỏ ng như sau

: V

ật liệu phôi: t

hép C45 (E = 210.290N/mm

2

,

ν

=0,3); v

ật liệu khuôn: carbide (

15% Cobalt, E = 524.002N/mm

2

,

ν

= 0,23); k

ích thước

phôi

ban đầu

: chi

ều cao H = 65mm, đường kính 33,14mm; kiểu

mô ph

ỏng: đẳn

g nhi

ệt;

nhi

ệt độ ban đầu của phôi: khoảng 900

0

C, nhi

ệt độ ban đầu của khuôn: khoảng 200

0

<i><b>3.2. Nghiên c</b></i>

<i><b>ứu khả năng điền đầy kim loại trong các hốc khuôn</b></i>

C...;

kho

ảng dịch chuyển

c

ủa

chày: 35 mm; máy nén th

ủy lực: tốc độ dịch chuyển của chày:

2mm/s; máy búa: n

ăng

lượng búa 17.500 KNmm; máy ép kiểu vít: năng lượng chày:

10.000 KNmm. Các mô ph

ỏng số từ đoạn 3.2 đến 3.6 được thực hiện trên máy ép thủy

l

ực.

Hình 3 và hình 5 mơ t

ả quá trình điền đầy kim loại trong khuôn dập tùy theo

đường kính ban đầ

u D c

ủa phôi. Khảo sát ba trường hợp khác nhau: D=33mm,

D=33,1mm và D=33,14mm, ta th

ấy rằng khi D=33,14mm, kim loại được điền đầy hoàn

35

φ37

φ62

φ33,14

φ34

φ44

φ62

65

100

R3

R2

R3

25

φ27

R3
R3

φ34

16

25

30 35

R2

φ37

φ27

φ62

φ44

</div>
<span class='text_page_counter'>(4)</span><div class='page_container' data-page=4>

TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 5(34).2009

tồn trong các h

ớc khn. Thể tích phôi giảm dần trong quá trình dập nóng từ

V=56.067m3 ÷ V= 55.734m3 cho trư

ờng hợp D =

31,14mm,

ứng với khoảng dịch

chuy

ển của chày ép từ

0

÷ 35 mm (hình 4). Nh

ư vậy, trong trường hợp không sử dụng

bavia, phôi ban đầu hình trụ, đường kính phôi có thể chọn D = 33,14mm, khi đó kim

lo

ại được điền đầy hoàn toàn trong

khuôn.

<i><b>3.3. </b></i>

<i><b>Ảnh hưởng của ma sát giữa khuôn và phôi dập</b></i>

Để nghiên cứu ảnh

hưởn g của h ệ số ma sát giữa

khuôn và chi ti

ết đến lực dập và

kh

ả năng điền đầy kim loại

trong khuôn, chúng tôi ti

ến

hành mô ph

ỏng cho các trường

h

ợp h ệ số ma sát k h á

c n

hau

gi

ữa ph

ôi d

ập và khuôn:

m =

0,08; 0,12; 0,25; 0,3; 0,7. D

ựa

vào đồ thị lực dập trên hình 6,

ứng với các hệ số ma sát phôi

-khuôn khác nhau, ta th

ấy ở giai đoạn đầu do kim loại

chưa tiếp xúc nhiều với thành khuôn nên chưa có sự khác biệt lớn về lực dập; khi chày

d

ậ

p d

ịch chuyển một khoảng

31,5mm, l

ực dập biến thiên mạnh hơn,

phân b

ớ trong

kho

ảng từ

281.658 ÷ 292.228N.

Ở giai đoạn điền đầy các hốc khuôn, lực dập tăng lên

<i><b>Hình 5. Quá trình bi</b>ến dạng và </i>

<i>điền đầy kim loại trong khn</i>

<i><b>Hình 4. S</b>ự thay đổi thể tích phơi dập ứng với </i>

<i>D=33, D =33,1 và D=33,14mm </i>
a) H =65mm; D =33mm

b) H =65mm; D=33,1mm

c) H = 65mm; D=33,14mm

<i><b>Hình 3. </b>Ảnh hưởng của D đến khả năng điền </i>

<i>đầy kim loại trong các hốc khuôn </i>

0
500000
1000000
1500000
2000000

2500000
3000000
3500000
4000000

0 ₃₅ 7

10.

5 ₁₄

17.

5 ₂₁

24.

5 ₂₈

31.

5 ₃₅

Hành trình [m m ]

Tả

i

trọ

ng

[N

]

m=0,08 m=0,12 m=0,25 m=0,3 m=0,7

</div>
<span class='text_page_counter'>(5)</span><div class='page_container' data-page=5>

TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 5(34).2009

r

ất nhanh và

có s

ự khác biệt lớn khi hệ số ma sát m=0,7 (lực dập 1.678.566N) và

m=0,08 (l

ực dập: 5.448.916N).

<i><b>3.4. </b></i>

<i><b>Ảnh hưởng của kích thước và hình dạng bavia:</b></i>

Bavia được sử dụng nhằm giảm lực dập khi kim loại chuẩn bị điền đầy các hốc

khuôn [7]. Hình d

ạng và kích thước bavia ảnh hưởng lớn đến lực dập khi kim lo ại bắt

đầu điền đầy các hốc khuôn. Ứng với kích thước ban đầu của phôi:

H=75mm và

D=33,14mm, khi s

ử dụng bavia hình dạng chữ nhật, so sánh ba trường hợp trên hình 8,

ta th

ấy lực dập nhỏ nhất khi chiều cao

ε

c

ủa bavia lớn nhất và chiều rộng

λ

nh

ỏ nhất.

Tuy nhiên khi chi

ều cao bavia lớn, chi phí

gia công chi ti

ết sẽ tăng. Có thể tạo

mép vát

để thoát kim loại trên bavia (hình 9),

s

ẽ

tăng được chiều cao

ε

. Mô ph

ỏng số cho trường

h

ợp có mép vát thoát kim loại trên bavia (hình 10) cho thấy lực dập giảm đi đáng kể

ở

giai đoạn kim loại điền đầy hốc khuôn.

Tải trọng [N]

0
200000
400000
600000
800000
1000000
1200000
1400000
1600000
1800000
2000000
0
8.
5
17
21.
4
29.
9
38.
4

Hành trình [mm]

<i><b>1</b></i> <i><b>2</b></i> <i><b>3</b></i>

<i><b>1. </b></i>ε =2,50mm; λ=2,13mm

<i><b>2. </b></i>ε=2,31mm; λ=2,40mm

<i><b>3. </b></i>ε=2,29mm; λ=2,60mm

<i><b>Hình 8. </b></i>

<i>Ảnh hưởng của </i>

ε

<i> và </i>

λ

<i>đến lực dập</i>

<i><b>Hình 7. </b></i>

<i>Kích thước </i>

<i>cơ bản của </i>

<i>bavia </i>

λ ε

ε

λ

<i><b>Hình 9. Mép vát </b></i>

<i>thốt kim lo</i>

<i>ại </i>

<i>trên bavia </i>

<i><b>Hình 11. </b></i>

<i>Góc lượn và </i>

<i>mép vát trờn khuụn </i>

R C1

C2
<i><b>Vát mép</b></i>

<i><b>Vê tròn</b></i>
0
200000
400000
600000
800000
1000000
1200000
1400000
1600000
1800000
2000000
0
4.
3
8.
5
12.
8
17
18.
8
21.
4
25.
6
29.
9
34.
2

38.
4
42.
7
<i><b>4</b></i> <i><b>3</b></i>

<i><b>3. </b></i> = 2,29 mm; λ = 2,60 mm,
không vát

<i><b>4. </b></i>ε = 2,73 mm;

λ = 1,74 mm, có mép vát

Tải trọng [N]

Hành trình [mm]

<i><b>Hình 10. </b></i>

<i>Ánh hưởng của mép vát trên </i>

</div>
<span class='text_page_counter'>(6)</span><div class='page_container' data-page=6>

TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 5(34).2009

<i><b>Hình 13. </b>Ảnh hưởng của việc sấy khn đến </i>

<i>lực dập: (1) Tkhuôn/Tphôi = 200/700</i>
<i>0</i>

<i>C, (2) </i>
<i>Tkhuôn/Tphôi=250/7000C </i>

0

200000
400000
600000
800000
1000000
1200000
1400000
1600000
1800000
2000000

0

3.

5 7

10.

5 ₁₄

17.

5

1
2

Tải trọng [N]

<i><b>3.5. </b></i>

<i><b>Ảnh hưởng của</b></i>

<i><b>góc lượn và mép vát trên khuôn</b></i>

Khi d

ập kín trong khuôn, góc lượn có bán kính nhỏ ở các mép khuôn (hình 11)

làm tăng đáng kể lực dập khi kim loại bắt đầu điền đầy các hốc khuôn. Khi bán kính góc

lượn R quá nhỏ

, phôi d

ễ bị

khuy

ết tật trong quá trình dập. Khi

bán

kính góc lượn R lớn,

kim lo

ại dễ biến dạng hơn, nhưng

d

ễ tạo nếp nhăn

trên s

ản phẩm. Vì vậy

, c

ần lựa chọn

góc lượn hợp lý. Kết quả mô phỏng trên hình 12 cho thấy khi sử dụng góc lượn R3, lự

c

d

ập sẽ lớn hơn khi góc lượn R3,5. Với cùng diện tích tiết diện phần kim loại bỏ đi, thì

n

ếu dùng mép vát dạng chữ nhật C1xC2, lực dập bé hơn khi dùng góc lượn R (hình 12).

<i><b>3.6. </b></i>

<i><b>Ảnh hưởng của việc sấy khuôn</b></i>

Vi

ệc sấy khuôn ảnh hưởng nhiều đế

n nhi

ệt độ phôi dập, giúp nhiệt độ phôi tăng

lên trong q trình d

ập, ma sát giảm x́ng, từ đó giảm được lực dập. Quá trình điền đầy

kim lo

ại trong các hốc khuôn cũng dễ dàng hơn. Rõ ràng khi nhiệt độ sấy khuôn tăng lên,

l

ực dập giảm xuống, khả năng điền đầy kim loại trong khuôn tăng theo (hình 13).

<i><b>3.7. </b></i>

<i><b>Ảnh hưởng của tốc độ biến dạng</b></i>

T

ốc độ biến dạng cũng có ảnh hưởng lớn đến lực dập và năng lượng tiêu hao khi

d

ập. Kết quả mô phỏng (hình 14) cho thấy: nếu s

o v

ới máy ép thủy lực và máy ép

ki

ểu

vít thì n

ăng lượng

tiêu hao khi d

ập trên

máy búa l

ớn

g

ần gấp đôi.

<b>4. </b>

<b>Kết luận</b>

Vi

ệc ứng dụng các phần mềm mô phỏng quá trình rèn dập nóng, sử dụng phần

t

ử hữu hạn như DEFORM cung cấp cho người thiết

k

ế

qui trình cơng ngh

ệ và khn

d

ập nhiều thơng tin bổ ích, dễ dàng

l

ựa chọn các thông số tối ưu của quá trình, hình

d

ạng và kích thước hợp lý của phôi

, khuôn,… nh

ằm giảm tối đa lực và năng lượng khi

d

ập.

Đồng thời thông qua việc quan sát quá trình mô phỏng biến dạng nóng trong khuôn,

người thiết kế có thể tránh được các k

huy

ết tật, nâng cao chất lượng sản phẩm dập.

<i><b>Hình 12. </b>Ảnh hưởng của kích thước góc </i>

<i>lượng và mép vát trên khn đến lực dập</i>
0

500000
1000000
1500000
2000000

0 7

14 21 28 35

Hành trình [mm]

C1=2;C2=3 C1=1;C2=2,2

R=3,5 C1=C2=2

R=3
Tải trọng [N]

</div>
<span class='text_page_counter'>(7)</span><div class='page_container' data-page=7>

TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 5(34).2009

K

ết quả mô phỏng áp dụng cụ thể cho việc dập nóng phôi bánh răng nón cho

phép ta ch

ọn lựa các thông

s

ố hợp lý của quá trình dập:

ch

ọn được hệ số ma sát

khuôn-phôi h

ợp lý bằng

cách ch

ọn khn có độ bóng

cao, có

bơi trơn khi dập, nên

s

ử dụng khuôn có vát mép

thay vì góc l

ượn, nên có

mép vát thoát kim lo

ại trên

bavia nh

ằm tăng chiều cao

bavia, có th

ể chọn được

nhi

ệt độ sấy khuôn phù hợp

nh

ằm bở sung lượng nhiệt

thích h

ợp cho phôi, giúp

gi

ảm lực và năng lượng dập,

nâng cao kh

ả năng điền đầy kim loại, tránh các khuyết tật của chi tiết sau khi dập

.

<b>TÀI LI</b>

<b>ỆU THAM KHẢO</b>

[1]

J. N. Majerus, K. P. Jen, H. Gong,

<i>Quantitive comparison between precision </i>

<i>closed-die forging force data and computation simulations</i>

, Journal of Engineering for

Technology, Oct. 1992.

[2]

Matthew O’Cornell, Brett Painter, Gary Maul, Taylan Altan,

<i>Flashless closed-die </i>

<i>upset forging-load estimation for optimal cold header selection</i>

, Journal of

Materials Processing Technology, 1996

<i>.</i>

[3]

<i>Action concertée de Recherche “Modélisation du Forgeage”</i>

, Bilan des travaux de

la première année, CETIM Saint-Etienne, Oct. 1996.

[4]

Ph. Marin,

<i>Simulation rapide de la déformation d’un lopin matrices</i>

,

<i>Application à </i>

<i>l’estampage dans l’optique de la conception intergrée</i>

, Thèse de Doctorat, INPG

Grenoble 1995.

[5]

Philippe Marin, Cung Le, Serge Tichkiewitch,

<i>Taking into account thermal effects </i>

<i>in ForgeRond, a fast hot-forging simulation tool</i>

, Procedings of the 5

th

[6]

T. Altan, G. Ngaile, G. Shen,

<i>Cold and Hot Forging: Fundamentals and </i>

<i>Applications</i>

, ASM Publication, 2004.

International

Conference on Technology of Plasticity, Columbus, Ohio, USA, 1996.

[7]

A. Chamouard (1996),

<i>Statique et Dynamique Appliquée aux Déformations à </i>

<i>Chaud</i>

, Estampage et Forge, Tomes I, II, Edition Dunod, 1964, 1966.

0
2000000
4000000
6000000
8000000
10000000
12000000
14000000
16000000

3.5 7 10.5 14 17.5 21 24.5 28 31.5 35

Hành trình [mm]

N

ăng

lư

Máy ép thủy lực

Máy ép vít
Máy búa

<i><b>Hình 14. </b>Năng lượng tiêu tốn khi sử dụng máy ép </i>

</div>

<!--links-->