BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
NGUYỄN THỊ THU
Nghiên cứu ảnh hưởng của một số thông số công nghệ và kích thước hình học cối đến khả năng tạo hình trong dập thủy tĩnh phôi tấm Ngành: Kỹ thuật vật liệu Mã số: 9520309
TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT VẬT LIỆU
Hà Nội – 2018
Công trình được hoàn thành tại:
Trường Đại học Bách khoa Hà Nội
Người hướng dẫn khoa học:
PGS.TS. NGUYỄN ĐẮC TRUNG
Phản biện 1:
Phản biện 2:
Phản biện 3:
Luận án được bảo vệ trước Hội đồng đánh giá luận án tiến sĩ cấp Trường họp tại Trường Đại học Bách khoa Hà Nội
Vào hồi …….. giờ, ngày ….. tháng ….. năm ………
Có thể tìm hiểu luận án tại thư viện:
1. Thư viện Tạ Quang Bửu - Trường ĐHBK Hà Nội
2. Thư viện Quốc gia Việt Nam
1
A. MỞ ĐẦU 1. Lý do lựa chọn đề tài
Dập thủy tĩnh (DTT) phôi tấm là một hướng nghiên cứu trong công nghệ dập tạo hình bằng chất lỏng cao áp. Công nghệ này cho phép dập các chi tiết rỗng, đặc biệt chi tiết có hình dạng phức tạp ngay cả đối với các vật liệu khó biến dạng. Ở Việt Nam, đã có một số công trình nghiên cứu về công nghệ DTT, tuy nhiên để có thể ứng dụng vào thực tiễn sản xuất cần phải có những nghiên cứu chuyên sâu để có thể làm chủ công nghệ này. Do vậy “Nghiên cứu ảnh hưởng của một số thông số công nghệ và kích thước hình học cối đến khả năng tạo hình trong dập thủy tĩnh phôi tấm” sẽ là trọng tâm và mục tiêu nghiên cứu của luận án 2. Mục đích, đối tượng và phạm vi nghiên cứu của luận án • Mục đích của luận án
Nghiên cứu ảnh hưởng của một số thông số công nghệ và kích thước hình học cối đến khả năng tạo hình trong dập thủy tĩnh phôi tấm. • Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của luận án Đối tượng cụ thể: chi tiết dạng trụ như hình 1.26 Phạm vi nghiên cứu được giới hạn trong miền: - Vật liệu thép tấm DC04 - Chiều dày phôi: So = (0.8; 1.0; 1.2) mm ứng với chiều dày tương đối S* = 0.73; 0.91; 1.09 (với đường kính phôi ban đầu Do = 110 mm)
- Chiều sâu tương đối của cối: H*= h/d*100 = 23; 26; 29 (Tương ứng với các chiều sâu h = 16; 18; 20 mm và đường kính cối d = 70 mm)
- Áp suất tạo hình (áp suất lòng cối) Pth = 0÷600 bar - Áp suất chặn (lực đóng khuôn) Qch= 0 ÷150 bar 3. Phương pháp nghiên cứu
Phương pháp nghiên cứu được sử dụng là kết hợp giữa nghiên cứu phân tích lý thuyết, mô phỏng số với nghiên cứu thực nghiệm. 4. Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn • Ý nghĩa khoa học
- Xây dựng và phát triển cơ sở khoa học để giải thích ảnh hưởng của thông số hình học của khuôn; thông số hình học của
2
-
phôi và thông số công nghệ cơ bản trong dập thủy tĩnh phôi tấm. Xây dựng được mối quan hệ giữa lực chặn phôi, chiều sâu tương đối của cối và chiều dày tương đối của phôi với áp suất chất lỏng tạo hình, bán kính đáy sản phẩm và mức độ biến mỏng. • Ý nghĩa thực tiễn
- Kết quả nghiên cứu của luận án có thể định hướng cho triển khai áp dụng trong thực tiễn sản xuất. Có thể áp dụng vào sản xuất các sản phẩm dạng tấm tương tự với dải kích thước phù hợp. Ngoài ra, với các sản phẩm có kích thước lớn hơn, phương pháp nghiên cứu của luận án cũng có thể được áp dụng để nghiên cứu và sản xuất trong thực tiễn.
- Góp phần xây dựng hệ thống thí nghiệm dập thủy tĩnh phục vụ cho nghiên cứu và đào tạo. Hệ thống thí nghiệm của luận án có thể được dùng để nghiên cứu và phát triển các vấn đề khác trong DTT phôi tấm. Ngoài ra, hệ thống cũng có thể được sử dụng như một thiết bị thí nghiệm phục vụ cho sinh viên đại học và học viên cao học để hiểu hơn về công nghệ DTT. 5. Các đóng góp mới của luận án
- Xác định được mối quan hệ giữa áp suất chặn, chiều sâu tương đối của cối, chiều dày tương đối của phôi với áp suất tạo hình, mức độ biến mỏng lớn nhất của sản phẩm, bán kính đáy sản phẩm làm cơ sở tiến hành tối ưu hóa các thông số công nghệ khi dập chi tiết dạng trụ; -
Phân tích và xác định ảnh hưởng của các thông số công nghệ, kích thước hình học cối tới việc hình thành bán kính đáy sản phẩm và mức độ biến mỏng của sản phẩm 6. Bố cục của luận án Luận án thể hiện đầy đủ các mục theo quy định chung, bao gồm các phần chính sau: - Chương 1. Tổng quan về công nghệ dập tạo hình bằng chất lỏng cao áp
- Chương 2. Mô phỏng số quá trình dập thủy tĩnh phôi tấm - Chương 3. Hệ thống thực nghiệm - Chương 4. Nghiên cứu quá trình dập thủy tĩnh phôi tấm bằng phương pháp quy hoạch thực nghiệm - Kết luận chung và hướng phát triển của đề tài.
3
B. NỘI DUNG CHÍNH CỦA LUẬN ÁN
Chương 1. TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ DẬP TẠO HÌNH BẰNG CHẤT LỎNG CAO ÁP 1.1. Khái quát công nghệ dập bằng chất lỏng cao áp
Dập tạo hình bằng chất lỏng cao áp (HPF – High Pressure Forming) là một quá trình tạo hình vật liệu bằng việc sử dụng chất lỏng có áp suất cao tác dụng trực tiếp vào bề mặt phôi, làm biến dạng dẻo phôi theo biên dạng của cối (Dập thủy tĩnh) hoặc biên dạng của chày kết hợp với một số chuyển động của khuôn (Dập thủy cơ). 1.1.1 Công nghệ dập thủy cơ
Dập thủy cơ (DTC) là phương pháp tạo hình vật liệu nhờ nguồn chất lỏng cao áp được sinh ra do chuyển động cơ khí của dụng cụ tạo hình. 1.1.2. Công nghệ dập thủy tĩnh
Dập thủy tĩnh (DTT) là công nghệ sử dụng nguồn chất lỏng công tác có áp suất cao (dầu, nước) có chức năng như chày dập tạo hình, tác dụng trực tiếp vào bề mặt phôi tấm hoặc phôi ống làm biến dạng phôi theo biên dạng của lòng cối để tạo hình chi tiết.
Hình 1. 3 Sơ đồ quá trình tạo hình thủy tĩnh phôi tấm [65] 1.2. Tổng quan về kết quả nghiên cứu về công nghệ dập thủy tĩnh phôi tấm 1.2.1. Trên thế giới Qua khảo sát các tài liệu, bài báo công bố trong vòng 30 năm qua và đặc biệt trong 5 năm trở lại đâu có thể tổng kết, các nhà khoa học trên thế giới tập cung vào các vấn đề sau: - Công nghệ và các thông số cơ bản - Các phương pháp tạo hình - Phát triển thiết bị và khuôn
4
- Vật liệu sử dụng cho DTT 1.2.2 Tại Việt nam
Với những ưu điểm nổi trội so với công nghệ GCAL truyền thống, công nghệ dập bằng chất lỏng cao áp đã được các nhà khoa học tại Việt Nam quan tâm từ khoảng hơn 10 năm trở lại đây, các nghiên cứu chủ yếu tập trung vào khảo sát quá trình DTT phôi ống, quá trình DTC. Tuy nhiên, nghiên cứu riêng về công nghệ DTT để chế tạo các chi tiết từ phôi tấm tại Việt Nam vẫn còn mới, những nghiên mới chỉ ở giai đoạn tìm hiểu công nghệ ban đầu. 1.3. Phân tích đánh giá các nghiên cứu hiện nay Những vấn đề đã được các tác giả trong nước và trên thế giới thực hiện bao gồm:
- Đã có những nghiên cứu cơ sở lý thuyết, ứng suất, các nghiên cứu về trạng thái phá hủy trong DTT phôi tấm; đã nghiên cứu về các phương pháp DTT nhằm làm tăng năng suất cũng như khả năng tạo hình như dập cặp chi tiết, DTT kết hợp dập vuốt thuông thường, DTT kết hợp DTC; phương pháp gia nhiệt trong quá trình DTT phôi tấm...;
- Xây dựng được hệ thống chặn thông minh, điều khiển theo hành trình, hệ thống chặn đàn hồi nhằm làm tăng mức độ kéo phôi trong quá trình DTT; Những vấn đề chưa được khai thác rõ hoặc chưa được nghiên cứu bao gồm:
- Đối với chi tiết dạng trụ, cơ chế tạo hình khác so với chi tiết dạng cầu, tuy nhiên chưa có nghiên cứu nào làm rõ vấn đề này; - Chưa có công trình nào làm rõ mối quan hệ giữa các yếu tố về thông số công nghệ, hình dạng hình học cối tới khả năng tạo hình sản phẩm trụ một cách khái quát, cụ thể giữa các yếu tố áp suất chặn, chiều sâu tương đối của cối, chiều dày tương đối của phôi tới việc chất lượng sản phẩm (cụ thể là bán kính đáy sản phẩm và mức độ biến mỏng lớn nhất).
- Tại Việt Nam, việc thiết kế, xây dựng, chế tạo hệ thống khuôn dập tích hợp với hệ thống đo có khả năng triển khai thực tiễn là vấn đề rất quan trọng để nghiên cứu công nghệ DTT, tuy nhiên cũng chưa có hệ thống thiết bị phù hợp cho DTT chi tiết trụ;
5
Luận án sẽ tập trung nghiên cứu xác định mối quan hệ giữa các thông số công nghệ và thông số hình học khuôn để tạo hình khi DTT phôi tấm, từ đó xác định chế độ công nghệ hợp lý nhằm đạt được độ chính xác sản phẩm cao nhất. 1.4 Cơ sở lý thuyết về dập thủy tĩnh phôi tấm 1.4.1 Quá trình DTT phôi tấm Quá trình DTT phôi tấm có thể chia thành 3 giai đoạn chính:
- Giai đoạn 1: đóng khuôn. Phôi tấm được định vị và kẹp chặt giữa vành cối và tấm chặn nhờ lực chặn, sau đó chất lỏng được bơm vào khuôn, tác dụng vào bề mặt phôi tấm.
- Giai đoạn 2: tạo hình tự do. Phôi tấm bị kéo vào lòng cối dưới tác dụng của áp suất chất lỏng, phôi phồng lên và hình thành dạng chỏm cầu.
- Giai đoạn 3: điền đầy lòng khuôn. Áp suất chất lỏng tăng cao, đủ lớn để ép phôi kim loại biến dạng vào các vị trí góc lượn đáy cối và tạo ra hình dạng sản phẩm. 1.4.2 Giai đoạn biến dạng tự do Giai đoạn biến dạng tự do được bắt đầu từ khi phôi bị phồng dưới tác dụng của áp suất chất lỏng cho đến khi phôi chạm vào đáy cối. 1.4.3 Giai đoạn điền đầy lòng khuôn Khi điền đầy lòng khuôn, áp suất chất lỏng sẽ tăng cao hơn nhiều so với giai đoạn biến dạng tự do. 1.5. Xác định mục tiêu và đối tượng nghiên cứu của luận án + Mục tiêu nghiên cứu cụ thể bao gồm: - Xác định ảnh hưởng của áp suất chặn Qch, chiều sâu tương đối của cối H* và chiều dày tương đối của phôi S* tới áp suất chất lỏng tạo hình cần thiết. - Xác định ảnh hưởng của các thông số Qch, H*, S* tới việc hình thành bán kính đáy sản phẩm Rd. - Xác định ảnh hưởng của các thông số Qch, H*, S* tới mức độ biến mỏng lớn nhất của sản phẩm γmax. - Xây dựng hệ thống khuôn, thiết bị phù hợp với điều kiện nghiên cứu và ứng dụng. + Đối tượng nghiên cứu: - Chi tiết có dạng trụ, kích thước như hình 1.26 - Vật liệu: DC04 với dải chiểu dày (0.8 ÷ 1.2) mm
6
Hình 1. 26 Chi tiết lựa chọn để nghiên cứu Kết luận chương 1
Qua phân tích về các nghiên cứu về công nghệ DTT trong nước và trên thế giới cho thấy công nghệ này có nhiều ưu điểm trong việc tạo hình các chi tiết từ phôi tấm. Thông qua nghiên cứu tổng quan, luận án xác định được nội dung, mục tiêu và đối tượng cần nghiên cứu.
Từ nghiên cứu lý thuyết cho thấy, chưa có mô hình toán học để xác định mối quan hệ giữa các thông số (Qch, H*, S*) với các thông số (Rd, γmax, Pth). Do vậy cần thiết phải sử dụng mô phỏng số để xác định xu hướng ảnh hưởng cũng như giới hạn vùng làm việc của các thông số công nghệ, phục vụ nghiên cứu thực nghiệm
Chương 2. NGHIÊN CỨU BẰNG MÔ PHỎNG SỐ QUÁ TRÌNH DẬP THỦY TĨNH PHÔI TẤM 2.1. Mô phỏng số trong Gia công áp lực Có hai phương pháp mô phỏng được sử dụng có hiệu quả
trong ngành Gia công áp lực là mô phỏng vật lý và MPS. 2.2 Nghiên cứu quá trình dập thủy tĩnh phôi tấm với phần mềm Dynaform 2.2.1 Lựa chọn chi tiết
𝑑 𝐷𝑜
Chi tiết cần khảo sát được lựa chọn như hình 1.33 Với kích thước sản phẩm lựa chọn ta có: - Đường kính phôi: Do = 110 mm - Hệ số dập vuốt m = = 0.63
2.2.2. Vật liệu phôi Vật liệu sử dụng để nghiên cứu thực nghiệm là thép DC04
Mn(%) C (%) P(%) S(%)
có chiều dày So = 0.8; 1.0; 1.2 mm Bảng 2. 1 Thành phần hóa học của thép DC04 [46] Mác thép DC04 max 0.08 max 0.4 max 0.03 max 0.03
7
Vật liệu DC04 đang xét có hệ số dập vuốt tới hạn [m] = 0.53, như vậy việc lựa chọn kích thước sản phẩm và phôi có hệ số dập vuốt m=0.63 là hợp lý để sản phẩm được tạo hình trong một lần dập. Bảng 2. 2 Đặc tính kỹ thuật của thép DC04 [46] Cơ tính Mác thép
δ (%) Re (Mpa) Mác thép tương đương Russia- GOST 08kp DC04 ρ (kg/cm3) 7.8*10-3
Rm (Mpa) 314-412 210-280 38 2.2.3. Thiết lập bài toán quá trình tạo hình a) Xây dựng mô hình hình học b) Mô hình vật liệu biến dạng.
Vật liệu DC04 được cán nguội, sau đó được ủ. Nên khi kéo theo các phương thì sự sai lệch về ứng suất không nhiều. Do vậy giả thiết vật liệu đẳng hướng. Đường cong ứng suất- biến dạng khi kéo vật liệu như hình 2.3.
Hình 2.3 Đường cong ứng suất – biến dạng của vật liệu DC04 c) Thiết lập điều kiện biên - Điều kiện tiếp xúc: nên hệ số ma sát giữa phôi và bề mặt cối cũng như giữa phôi là tấm chặn lựa chọn là µ = 0.2
- Điều kiện biên chuyển vị: Cối đứng yên; Phôi bị kéo vào lòng cối dưới tác dụng của áp
suất chất lỏng; Quá trình kết thúc khi phôi điền đầy cối. - Điều kiện biên áp suất chặn và áp suất tạo hình: Áp suất chặn: Việc lựa chọn giá trị áp suất chặn đưa vào phần mềm dựa vào các nghiên cứu trên thế giới [57, 86] cho sản phẩm
8
có kích thước tương tự và khảo sát cụ thể miền giá trị phù hợp bằng mô phỏng thử nghiệm.
Áp suất chất lỏng: Lựa chọn giá trị áp suất chất lỏng tạo hình dựa trên các nghiên cứu cho sản phẩm có kích thước tương tự [57, 86] và quá trình thử nghiệm mô phỏng. d) Chọn bài toán
Mô hình sau khi được thiết lập vào Dynaform có thể tiến hành tính toán mô phỏng. Mô hình bài toán được lựa chọn là DTT tấm đơn. 2.2.4 Các thông số đầu vào và đầu ra của bài toán mô phỏng Bảng 2.4 Thông số phôi
DC04 110 mm 0.8 mm; 1.0 mm; 1.2 mm 0.73; 0.91; 1.09
∗ 100 Vật liệu Đường kính phôi Chiều dày So Chiều dày tương đối S* = 𝑆𝑜 𝐷𝑜 Bảng 2.5 Thông số đầu vào của cối chất lỏng
dc = 70 mm Hc = 16, 18, 20, 22 mm Rmc = 5 mm Rdc = 6 mm H* = 23; 26; 29
ℎ𝑖 𝑑𝑜
Đường kính lòng cối Chiều sâu lòng cối Bán kính miệng cối Rmc Bán kính đáy cối Rdc Chiều cao tương đối của cối H*= ∗ 100
Bảng 2.6 Thông số công nghệ số đầu vào Qch = 25÷ 125 (bar)
Pth (bar) Rd (mm) γmax (%) Áp suất chặn phôi Qch Bảng 2.7 Các thông số mục tiêu đầu ra trong quá trình tạo hình Áp suất chất lỏng tạo hình Bán kính đáy sản phẩm Mức độ biến mỏng lớn nhất của sản phẩm 2.2.5 Xác định miền áp suất chặn thích hợp Áp suất chặn được coi là thích hợp khi đảm bảo được các yêu cầu đối với sản phẩm như: - Chiều sâu tương đối H* phải đảm bảo theo thiết kế
9
- Tạo hình được sản phẩm phải có dạng hình trụ với bán
S* 0.73
0.91
1.09
kính đáy Rd Bảng 2.7 Các miền giá trị khảo sát của áp suất chặn và áp suất tạo hình H* 23 26 29 23 26 29 23 26 29 Qch (bar) 60÷125 65÷120 70÷115 65÷130 70÷125 75÷120 70÷135 75÷130 80÷125
550
500
) r a b ( h t
450
H*=29
400
H*=23
350
H*=26
300
P h n ì h o ạ t t ấ u s
60
80
100
120
p Á
Áp suất chặn phôi Qch (bar)
Hình 2. 8 Đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa Qch và Pth khi S* =0.73
Tổng hợp từ bảng 2.7, miền áp suất được lựa chọn thích hợp để khảo sát cả 3 loại chiều dày tương đối của phôi và 3 loại chiều sâu tương đối của cối là Qch = (80 ÷ 115) bar. 2.2.6 Khảo sát quan hệ giữa áp suất chặn Qch và áp suất tạo hình Pth Từ kết quả khảo sát miền giá trị mô phỏng trên, mối quan hệ giữa áp suất chặn và áp suất tạo hình được thiết lập.
550
500
) r a b (
450
H*=29
400
H*=23
350
H*=26
300
h t P h n ì h o ạ t t ấ u s
60
80
100
120
p Á
Áp suất chặn phôi Qch (bar)
Hình 2. 9 Đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa Qch và Pth khi S* =0.91
H*=29
) r a b (
H*=23
h t P h n ì h o ạ t t ấ u s
H*=26
600 550 500 450 400 350 300
p Á
60
80
100
120
Áp suất chặn phôi Qch (bar)
10
Hình 2. 10 Đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa Qch và Pth khi S* =1.09 Nhận xét chung: Qua các đồ thị hình 2.8, 2.9, 2.10 cho thấy xu hướng áp suất chặn tăng thì áp suất chất lỏng tạo hình cũng tăng lên. Qua khảo sát, dải áp suất tạo hình phù hợp cho cả 3 loại chiều dày phôi được lựa chọn là Pth = (350 ÷ 550) bar. 2.2.7 Khảo sát quan hệ áp suất chặn Qch với bán kính sản phẩm Rd
Qua khảo sát đã xây dựng được đồ thị quan hệ của áp suất tạo hình Pth và bán kính bán kính đáy sản phẩm Rd như sau:
m ẩ h p
)
H*=23
m m
H*=29
(
n ả s y á đ
d R
H*=26
6,70 6,60 6,50 6,40 6,30 6,20 6,10 6,00 5,90
120
100
80
h n í k n á B
60 Áp suất chặn phôi Qch (bar)
Hình 2.13 Mối quan hệ giữa Qch và Rd khi chiều dày tương đối của phôi S* = 0.73
8,50
)
8,00
m m
(
n ả s y á đ
H*=29
7,50
H*=23
7,00
d R m ẩ h p
H*=26
6,50
h n í k n á B
60
80
100
120
Áp suất chặn Qch (bar)
Hình 2. 14 Mối quan hệ giữa Qch và Rd khi chiều dày tương đối của phôi S* = 0.91
13,00
)
H*=29
12,00
m m
(
11,00
n ả s y á đ
H*=23
10,00
H*=26
9,00
d R m ẩ h p
h n í k n á B
60
80
100
120
Áp suất chặn Qch (bar)
Hình 2. 15 Mối quan hệ giữa Qch và Rd khi chiều dày tương đối của phôi S* = 1.09
11
Tổng hợp từ 3 đồ thị hình 2.13; 2.14; 2.15 cho thấy:
12
- Các dạng đường đồ thị thể hiện quan hệ giữa áp suất chặn phôi Qch và bán kính đáy Rd ở các trường hợp chiều dày tương đối thay đổi và chiều sâu tương đối thay đổi là tương tự như nhau. - Ảnh hưởng của áp suất chặn Qch đến bán kính đáy sản phẩm Rd chia làm 2 giai đoạn:
Giai đoạn 1: áp suất chặn tăng thì bán kính đáy giảm thể hiện ở nửa đường đồ thị bên trái các hình 2.13; 2.14; 2.15. Nguyên nhân do lực chặn hợp lý khi tăng dần, phôi dễ kéo vào lòng cối nên ngày càng áp sát theo biên dạng đáy cối.
Giai đoạn 2: áp suất chặn tăng thì bán kính đáy tăng lên, thể hiện ở nửa đường đồ thị bên phải các hình 2.13; 2.14; 2.15. Ở đây, nguyên nhân do áp suất chặn tăng, phôi khó kéo vào hơn nên việc áp sát biên dạng lòng cối cũng khó hơn. 2.2.8. Khảo sát ảnh hưởng của áp suất chặn Qch đến mức độ biến mỏng của sản phẩm dập Xét trong miền áp suất chặn khảo sát: Qch = (80 ÷ 115) bar
Hình 2.16 Phân bố biến mỏng biến dày tại Qch= 90 bar - Từ kết quả mô phỏng cho thấy, chi tiết bị biến mỏng lớn nhất tại vùng đáy sản phẩm (vùng màu đỏ).
- Chi tiết bị tăng dày phần ngoài biên vành, điểm này
giống với công nghệ dập vuốt truyền thống.
- Dựa vào ảnh đồ, xác định được vùng có mức độ biến mỏng lớn nhất, và giá trị biến mỏng cao nhất thể hiện trên cột chỉ màu. Đây cũng là giá trị được sử dụng để xác định mức độ biến mỏng lớn nhất γmax.
16
15
t ấ h n
14
)
13
%
12
( x a m γ
11
S* = 0.73
10
S* = 0.91
S* =1.09
9
n ớ l g n ỏ m n ế i b ộ đ c ứ M
8
70
80
90
100
110
120
Áp suất chặn Qch (bar)
13
16
15
t ấ h n
14
)
13
%
(
12
x a m γ
11
S* =0.73
10
S*=0.91
9
n ớ l g n ỏ m n ế i b ộ đ c ứ M
S* = 1.09
8
70
80
90
100
110
120
Áp suất chặn Qch (bar)
Hình 2.18 Mối quan hệ giữa biến mỏng lớn nhất γmax và áp suất chặn Qch khi S*=0.91
t ấ h n
)
%
(
x a m γ
S* = 0.73 S*= 0.91 S* = 1.09
17 16 15 14 13 12 11 10 9 8
n ớ l g n ỏ m n ế i b ộ đ c ứ M
70
80
90
100
110
120
Áp suất chặn Qch (bar
Hình 2. 19 Mối quan hệ giữa biến mỏng lớn nhất γmax và áp suất chặn Qch khi S*=1.09
Hình 2. 17 Mối quan hệ giữa biến mỏng lớn nhất γmax và áp suất chặn Qch khi S*=0.73
14
Từ các đồ thị hình 2.17, 2.18, 2.19 cho thấy mức độ biến mỏng lớn nhất γmax phụ thuộc vào áp suất chặn phôi Qch, áp suất chặn phôi tăng thì mức độ biến mỏng lớn nhất sẽ tăng.
Ở cùng chiều sâu tương đối của cối H*, cùng áp suất chặn Qch, mức độ biến mỏng lớn nhất γmax phụ thuộc vào chiều dày tương đối S* của phôi. Chiều dày tương đối của phôi S* càng lớn thì mức độ biến mỏng lớn nhất γmax càng giảm.
Ở cùng chiều dày tương đối S* được xét, cùng áp suất chặn Qch, mức độ biến mỏng lớn nhất γmax phụ thuộc vào chiều sâu tương đối của cối H*. Chiều sâu tương đối H* tăng thì mức độ biến mỏng lớn nhất γmax cũng tăng lênChiều sâu tương đối tăng thì mức độ biến mỏng cũng tăng. Kết luận chương 2
- Kết quả MPS cho thấy được xu hướng mối quan hệ giữa các yếu tố được xét (Qch, H*, S*) với các yếu tố mục tiêu (Rd, γmax, Pth). Điều này giúp định hướng việc đánh giá kết quả về mức độ cũng như ảnh hưởng của các yếu tố khảo sát sau này.
- Miền áp suất chặn hợp lý tìm được là Qch = (80 ÷ 115) bar, tương ứng với miền giá trị áp suất tạo hình Pth = (350 ÷ 550) bar sẽ làm cơ sở quan trọng cho việc xây dựng hệ thống thí nghiệm và khảo sát thực nghiệm ở các chương sau. Chương 3. HỆ THỐNG THỰC NGHIỆM 3.1 Xây dựng hệ thống thực nghiệm
Căn cứ vào các nghiên cứu về hệ thống thiết bị trong công nghệ dập thủy tĩnh và yêu cầu của các thông số công nghệ cần khảo sát, hệ thống thực nghiệm bao gồm 04 môđun được xây dựng như trên sơ đồ hình 3.1 Các thành phần của hệ thống bao gồm:
- Máy ép thủy lực (METL) 125 Tấn - Khuôn thực nghiệm. - Hệ thống đo thông số áp suất – hành trình, kết nối với
máy tính.
- Bộ cấp chất lỏng cao áp Pmax =700 bar
Máy ép thủy lực
Khuôn thủy tĩnh
Bộ đo thông số
Bộ cấp chất lỏng cao áp
15
Hình 3. 1 Các thành phần của hệ thống thực nghiệm 3.1.1. Khuôn thực nghiệm Cối được chế tạo với các chiều sâu khác nhau để phục vụ
việc khảo sát ảnh hưởng của chiều sâu khuôn tới chất lượng sản phẩm. 3.1.2. Bộ cấp chất lỏng cao áp 3.1.3. Máy ép thủy lực 3.1.4 Hệ thống đo thông số công nghệ
Hình 3. 12 Hệ thống đo áp suất – hành trình.
Hệ thống đo lường đảm bảo độ nhạy, độ ổn định khi vận hành. Hệ thống này có thể khảo sát được các thông số công nghệ trong quá trình tạo hình dập thủy tĩnh vật liệu tấm. Thiết bị đo bán kính Việc đo bán kính sản phẩm sau khi dập tạo hình được tiến
hành trên máy đo quang học µM21. Thiết bị đo chiều dày Tiến hành trên máy chụp mẫu đo độ cứng tế vi FM700, Hãng
Future Tech. 3.2. Lắp ráp kết nối hệ thống thực nghiệm
Sau khi các module của hệ thống thực nghiệm được tính toán, thiết kế, lựa chọn; đã tiến hành kết nối, lắp ráp các modul với nhau
16
Hình 3. 18 Hệ thống thực nghiệm được lắp ráp 3.3. Các chỉ tiêu đánh giá chất lượng sản phẩm
+ Mức độ biến mỏng: mức độ biến mỏng γ ≤ 20% + Sai số kích thước: dung sai cho phép nhỏ hơn 5% + Chất lượng bề mặt sản phẩm (không bị cào xước…) + Sai số về hình dạng: không nhăn, rách.
3.4 Các chỉ tiêu đánh giá chất lượng sản phẩm
Yêu cầu đối với chi tiết thực nghiệm đạt chất lượng:
+ Mức độ biến mỏng lớn nhất: dựa vào các chỉ tiêu cho các sản phẩm dập tấm ứng dụng trong dập chi tiết vỏ mỏng như vỏ xe oto, nên yêu cầu cho sản phẩm dập không bị biến mỏng quá mức dẫn đến hư hỏng chi tiết trong quá trình làm việc, hoặc phân bố chiều dày trên sản phẩm phải đồng đều theo yêu cầu kỹ thuật của chi tiết chế tạo, cụ thể mức độ biến mỏng γi ≤ 20% [81].
+ Sai số kích thước: đạt được các kích thước theo bản vẽ chi tiết dập với các sai số nằm trong vùng dung sai kích thước cho phép nhỏ hơn 5%.
+ Chất lượng bề mặt sản phẩm (không bị xước…)
+ Sai số về hình dạng, sản phẩm dập thủy tĩnh đạt yêu cầu chất lượng: không nhăn, rách, không biến mỏng quá mức cho phép (nhỏ hơn 20%), biến dày không quá mức cho phép là 25% [81].
Sau khi dập sản phẩm không đạt các yêu cầu kỹ thuật trên sẽ phải loại bỏ (phế phẩm). Các chi tiết dập không nằm trong các dạng hỏng trên thì được coi là đạt yêu cầu chất lượng, đây là căn cứ để đánh giá kết quả mẫu thực nghiệm.
3.5. Thử nghiệm và so sánh với kết quả mô phỏng số
17
Để kiểm chứng các kết quả MPS phù hợp với thực tế, cần phải so sánh kết quả thực nghiệm với MPS. Xét một trường hợp cụ thể của quá trình mô phỏng như bảng
dưới đây: Bảng 3. 2 Thông số đầu vào trường hợp mô phỏng kiểm chứng
Chiều sâu cối thủy tĩnh Đường kính cối Bán kính miệng cối Bán kính đáy cối Chiều dày phôi Đường kính phôi Áp suất chặn Áp suất chất lỏng cần thiết hc =16.0 mm dc =70.0 mm Rmc = 5.0 mm Rdc = 6.0 mm So = 0.8 mm Do = 110 mm Qch = 95 bar Pth = 450 bar
Sau khi tiến hành tính toán mô phỏng, kết quả sản phẩm được thể hiện trên hình 3.19 với các kích thước sản phẩm được cho trong bảng 3.3: Bảng 3. 3 Thông số đầu ra của sản phẩm
Chiều cao sản phẩm Đường kính sản phẩm Bán kính miệng sản phẩm Bán kính đáy sản phẩm h =16.0 mm d =70.0 mm Rm = 5.0 mm Rd = 6.08 mm Như vậy, sản phẩm đã đạt được các thông số hình học như thiết kế ban đầu.
Hình 3. 19 Mô tả các vùng biến dạng của sản phẩm So sánh kết quả thí nghiệm với kết quả MPS trong bảng 3.5 ta có: Bảng 3. 5 Kết quả so sánh giữa MPS và thực nghiệm γmax (%) TT
S0 (mm) 0.8 Qch (bar) 95 Pth (bar) 456.8 Rd (mm) 6.146 10.956 Kết quả thí nghiệm
18
0.8 95 450 6.08 10.63
2.98 0 0 1.5 1.08 Kết quả mô phỏng Sai số trung bình (%)
Qua so sánh quá trình DTT giữa mô phỏng và thực nghiệm cho thấy có sự tương đồng cao giữa mô phỏng và thực nghiệm. Như vậy có thể kết luận được, các mô hình được xây dựng đảm bảo yêu cầu về độ chính xác, mô hình vật liệu phù hợp, các điều kiện biên thiết lập phù hợp với thực tế, kết quả MPS tin cậy, có khả năng làm cơ sở để khảo sát ảnh hưởng của các thông số công nghệ tới quá trình tạo hình DTTvà độ chính xác của sản phẩm. Kết luận chương 3
Hệ thống thực nghiệm công nghệ DTT phôi tấm được xây dựng gồm 4 mô-đun chính: máy ép thủy lực 125 tấn; khuôn thủy tĩnh; bơm cao áp CP 700; hệ thống đo kết nối máy tính.
Kết quả thực nghiệm được so sánh với kết quả của trường hợp MPS và cho thấy các sai số về hình dạng, thông số công nghệ đều nhỏ hơn 5%. Như vậy, mô hình bài toán với các điều kiện biên mô phỏng đạt yêu cầu, hệ thống thực nghiệm đã xây dựng có độ tin cậy cao và được sử dụng để khảo sát ảnh hưởng của các yếu tố công nghệ và hình học khuôn ở chương sau
Chương 4. NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ DẬP THỦY TĨNH PHÔI TẤM BẰNG PHƯƠNG PHÁP QUY HOẠCH THỰC NGHIỆM
Rd = f(Qch,H*,S*)
ℎ
H* = 22; 23; 26; 29 30
Thông số đầu ra Bán kính đáy sản phẩm (mm)
∗ 100
𝑑
γmax = f(Qch,H*,S*)
S* = 0.7; 0.73; 0.91; 1.09; 1.12
Thông số đầu vào Chiều sâu tương đối của cối H* = Chiều dày tương đối của phôi 𝑆𝑜 ∗ 100 S*= 𝐷𝑜
Mức độ biến mỏng lớn nhất của sản phẩm
4.1 Giới thiệu về phương pháp quy hoạch thực nghiệm 4.2 Xác định các yếu tố đầu vào và đầu ra của bài toán thực nghiệm Bảng 4. 1 Các yếu tố đầu vào và đầu ra của bài toán
Pth = f(Qch,H*,S*)
Áp suất chặn phôi Qch (bar)
Áp suất chất lỏng tạo hình Pth (bar)
Qch = 76, 80, 85, 90, 95, 100, 105, 110, 115, 119 bar
19
Một số hình ảnh sản phẩm thực nghiệm:
Hình 4.1 15 thí nghiệm theo bảng ma trận thực nghiệm Sau khi thí nghiệm, tiến hành đo ta được kết quả sau: Bảng 4. 3 Bảng kết quả đo
No 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 Rd (mm) 6.31 6.35 6.36 6.84 10.21 8.49 7.6 7.59 8.23 8.20 6.95 9.15 6.34 7.59 8.23 Pth (bar) 360 500 350 486 392 519 383 517 480 523 388 468 490 505 445 ɛ (%) 10.00 15.00 11.25 16.25 8.33 11.67 13.33 18.33 14.00 21.00 12.50 15.35 12.90 12.50 15.15
20
- Áp suất chặn – Qch (bar) ∈ {76; 80; 97.5; 115; 119} được mã hóa trong ma trận thực nghiệm bởi x1
- Chiều sâu tương đối của cối H*- ∈ {22; 23; 26; 29; 30} (tương ứng với chiều sâu cối h = 16, 18, 20) được mã hóa trong ma trận thực nghiệm bởi x2
2
- Chiều dày tương đối S*- ∈ {0.7; 0.73; 0.91; 1.09; 1.12} (tương ứng với các chiều dày So = 0.8; 1.0; 1.2 mm) được mã hóa trong ma trận thực nghiệm bởi x3 Sử dụng quy hoạch trực giao cấp 2 để nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số công nghệ. 4.3 Xây dựng mối quan hệ toán học giữa các thông số (Qch, H*, S*) và (Rd, γmax, Pth) 4.3.1. Nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số (Qch, H*, S*) đến bán kính đáy Rd của sản phẩm
2 + 0.19 x2
2 Y1(x1,1,1) = 10,1 – 0,96x1 + 0,42x1 2 Y2(1, x2,1) = 8,68 +0,69x2 + 0,19x2 2 Y3(1, 1, x3) = 7,96 + 1,29x3 + 0,31x3 Dựa vào các hệ số trong các phương trình trên, nhận thấy bán kính đáy Rd phụ thuộc nhiều nhất vào x3 (chiều dày tương đối của phôi), sau đó đến x2 (chiều sâu tương đối của cối) và cuối cùng là x1 (áp suất chặn)
Sau khi tính toán, hàm hồi quy với biến mã hóa có dạng: y= 7.31-0.39x1 + 0.43x2 + 1.6x3 - 0.57 x1x3 + 0.26 x2x3 + 0.42 2 + 0.31x3 x1 (4.11) Để đánh giá ảnh hưởng của các yếu tố đầu vào, xét các hàm số sau:
2+0.0211H*2+9.568S*2–0.1306Qch–1.392H*– Rd = 0.0014 Qch 3.962S*–0.181QchS*+ 0.4815H*S* + 28.496 (4.1*)
Chuyển sang biến thực, thu được phương trình như sau:
Xét từng trường hợp cố định một biến đầu vào, sử dụng Matlab vẽ được các đồ thị và đường bình độ trong từng trường hợp đó. Đồ thị và đường bình độ được biểu diễn như hình 4.5. Các đồ thị và đường bình độ khác được trình bày trong toàn văn luận án.
21
a) b) Hình 4. 5 Bán kính đáy sản phẩm khi áp suất chặn Qch = 80bar a- Đồ thị 3D; b- Đường bình độ
Nhận xét: Bán kính góc lượn tại đáy sản phẩm Rd đều phụ thuộc vào ba yếu tố được xét (Qch, H*, S*). Chiều dày tương đối của phôi S* tăng thì bán kính Rd cũng tăng lên đáng kể.
Bán kính đáy Rd không phụ thuộc vào áp suất chặn một cách đồng biến.Tồn tại giá trị Qch tối ưu để đạt được Rd là nhỏ nhất trong từng trường hợp. Chiều sâu tương đối H* tăng, bán kính đáy sản phẩm Rd cũng
2
tăng lên. 4.3.2 Nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số (Qch, H*, S*) đến mức độ biến mỏng lớn nhất của sản phẩm γmax Xác định được phương trình hồi quy cho mức độ biến mỏng
2
(4.12) lớn nhất như sau: γ max = y = 14.91 +2.62x1 + 1.57x2+ 1.46x2x3 – 1.47x3 Đánh giá sự ảnh hưởng của các yếu tố đầu vào, xét:
y1(x1,1,1) = 16.47 + 2.62 x1 y2(1,x2,1) = 16,06 + 3,03 x2 y3(1,1,x3) = 19,1 + 1.46 x3 - 1.47 x3 Dựa vào các hệ số của ba phương trình trên, yếu tố chiều sâu tương đối của cối H* ảnh hưởng nhiều nhất tới γmax, sau đó đến áp suất chặn Qch và cuối cùng là chiều dày tương đối của phôi S*. Chuyển sang biến thực (Qch, H*, S*) thu được kết quả sau: γmax = 13.08+0.15Qch-1.94H*+2.7H*S*-45.37S*2+12.37S*
22
(4.2*) Xét trong từng trường hợp cố định một biến như trên, có những nhận xét sau: - Mức độ biến mỏng lớn nhất γmax phụ thuộc vào các yếu tố được xét (Qch, H*, S*). - Mức độ biến mỏng lớn nhất γmax đồng biến với chiều sâu tương đối của cối H* - Mức độ biến mỏng lớn nhất γmax tăng khi áp suất chặn Qch tăng - Mức độ biến mỏng lớn nhất γmax bị ảnh hưởng bởi chiều dày
2
tương đối của phôi S*. 4.3.2 Nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số đầu vào đến áp suất chất lỏng tạo hình Pth Xác định được phương trình hồi quy cho thông số áp suất
2 - 9.96x2
2 -2.66x3 (4.13)
chất lỏng tạo hình Pth như sau: Pth = y = 489.1 +64x1 -5.64x2+ 17.x3 -25.87x1
2 Y1(x1,1,1) = 477.84 + 64x1 – 25.87 x1 2 Y2(1,x2,1) = 531,57 – 5.64 x2 – 9.96 x2 2 Y3(1,1,x3) = 511,63 + 17 x3 – 12.66 x3
Đánh giá sự ảnh hưởng của các yếu tố đầu vào, xét:
2 + 19.26 Qch -390.74S*2 + 817.31 S* - 1.11 H*2 +
Nhận thấy áp suất tạo hình phụ Pth thuộc nhiều nhất vào áp suất chặn (x1), sau đó đến chiều dày tương đối của phôi (x3) và cuối cùng là chiều sâu tương đối của cối (x2). Chuyển sang các biến thực (Qch, H*, S*) ta được phương
trình sau: Pth = -0.08 Qch 55.84 H* - 1739.98 (4.3*) Xét trong từng trường hợp cố định như trên, có những nhận xét sau: - Áp suất tạo hình Pth phụ thuộc vào cả ba yếu tố được xét (Qch, H*, S*)
- Áp suất tạo hình Pth tăng khi áp suất chặn Qch tăng. - Nhìn chung áp suất tạo hình Pth tăng khi chiều dày tương đối S* tăng.
- Nhìn chung chiều sâu tương đối của cối tăng lên nhiều thì áp suất tạo hình Pth giảm, bởi diện tích vành phôi ở khuôn có
23
chiều sâu cao sẽ nhỏ hơn khuôn có chiều sâu thấp.
Kết luận chương 4 - Các phương trình (4.1*), (4.2*) và (4.3*) cho phép đánh giá sự ảnh hưởng của các yếu tố đầu vào (Qch, H*, S*) đến giá trị các yếu tố đầu ra (Pth, Rd, γmax). Mức độ ảnh hưởng của từng yếu tố đầu vào tới từng yếu tố đầu ra là khác nhau. Các phương trình cho phép lựa chọn bộ thông số hợp lý nhất để sản phẩm đạt bán kính nhỏ nhất, mức độ biến mỏng nằm trong khoảng cho phép và áp suất tạo hình phù hợp nhất. KẾT LUẬN CHUNG VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN Kết luận chung:
1. Đã xác định được miền giá trị của áp suất chặn phôi Qch = (80 ÷ 115) bar để đảm bảo tạo hình chi tiết cốc trụ với kích thước chiều sâu tương đối của cối H* = 23; 26; 29 và chiều dày tương đối của phôi S* = 0.73; 0.91; 1.09, đồng thời xây dựng được mối quan hệ giữa Qch và các thông số khác như áp suất chất lỏng tạo hình Pth, mức độ biến mỏng lớn nhất của phôi γmax và bán kính góc lượn đáy sản phẩm Rd . Miền giá trị áp suất chặn đảm bảo không xảy ra nhăn, rách sản phẩm và các nhận định về miền làm việc của áp suất tạo hình là cơ sở quan trọng trong việc xây dựng hệ thống thí nghiệm phù hợp;
2. Xây dựng thành công hệ thống thực nghiệm đảm bảo độ tin cậy, phù hợp với điều kiện thực tế tại Việt Nam; Kết quả kiểm chứng cho thấy sự phù hợp giữa kết quả mô phỏng và thực quá trình thực nghiệm. Điều đó chứng tỏ các dữ liệu sử dụng trong quá trình MPS là hợp lý; đồng thời hệ thống thực nghiệm được xây dựng đảm bảo tin cậy.
2+0.0211H*2+9.568S*2–0.1306Qch–1.392H*– Rd = 0.0014 Qch 3.962S*–0.181QchS*+ 0.4815H*S* + 28.496 (4.1*)
3. Dựa vào quy hoạch thực nghiệm, xác định được quy luật ảnh hưởng của các yếu tố áp suất chặn Qch, chiều sâu tương đối của cối H* và chiều dầy tương đối của phôi S* tới các yếu tố áp suất tạo hình Pth, bán kính đáy sản phẩm Rd và mức độ biến mỏng của sản phẩm γmax thông qua các phương trình toán học:
13.08+0.15Qch-1.94H*+2.7H*S*-45.37S*2+12.37S* γmax = (4.2*)
2 + 19.26 Qch -390.74S*2 + 817.31 S* - 1.11 H*2 + (4.3*)
24
Pth = -0.08 Qch 55.84 H* - 1739.98 Qua các phương trình hồi quy (4.1*, 4.2*, 4.3*) cho thấy:
- Yếu tố chiều dày tương đối của phôi S* có ảnh hưởng nhiều nhất tới việc hình thành bán kính đáy sản phẩm Rd, tiếp đó đến yếu tố chiều sâu tương đối của cối H*, và cuối cùng là áp suất chặn Qch. Bán kính đáy Rd sẽ càng nhỏ khi chiều dày tương đối của phôi giảm, chiều sâu tương đối của cối cũng giảm và áp suất chặn phôi đạt giá trị hợp lý.
- Mức độ biến mỏng lớn nhất γmax phụ thuộc nhiều nhất vào yếu tố chiều sâu tương đối của cối H*, sau đó đến yếu tố áp suất chặn Qch và cuối cùng là chiều dày tương đối của phôi S*.
- Yếu tố áp suất chặn Qch ảnh hưởng nhiều nhất tới giá trị áp suất chất lỏng tạo hình Pth, tiếp theo là yếu tố chiều dày tương đối của phôi S* và cuối cùng là chiều sâu tương đối của cối H*.
4. Kết quả của luận án đã đóng góp vào cơ sở khoa học của chuyên ngành Gia công áp lực nói chung và công nghệ DTT phôi tấm nói riêng. Phương pháp nghiên cứu kết hợp giữa lý thuyết, mô phỏng số và thực nghiệm có thể áp dụng cho các nghiên cứu khác đạt độ tin cậy cao. Các kết quả nghiên cứu từ MPS và thực nghiệm tạo cơ sở và tiền đề cho việc áp dụng và triển khai công nghệ DTT phôi tấm trong công nghiệp ôtô, sản xuất hàng tiêu dùng, dụng cụ y tế, quốc phòng, … Với phương pháp này, các nhà kỹ thuật có thể lựa chọn được bộ thông số công nghệ hợp lý, phù hợp với yêu cầu sản xuất một cách nhanh nhất. Hướng phát triển của đề tài: 1. Mở rộng nghiên cứu công nghệ DTT cho nhiều loại vật liệu khác nhau. 2. Nghiên cứu ảnh hưởng của các dạng cối tạo hình phức tạp khác tới khả năng tạo hình vật liệu như cối nhiều tầng đáy, biên dạng miệng cối có nhiều góc lượn lồi lõm. 3, Nghiên cứu ảnh hưởng của ma sát và các phương pháp mới nhằm lực ma sát trên vành phôi. 4. Nghiên cứu phát triển hệ thống chặn có điều khiển để đảm bảo phôi kéo vào lòng cối phù hợp với mức độ và tốc độ biến dạng.
