Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu ảnh hưởng của một số thông số công nghệ cơ bản trong dập thủy cơ vật liệu tấm

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:145

Thêm vào BST

Báo xấu

21
lượt xem 4
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục tiêu nghiên cứu của đề tài là nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số công nghệ cơ bản đến khả năng tạo hình sản phẩm; Xác định miền làm việc của DTC, được thể hiện bởi quan hệ của áp suất chất lỏng lòng cối phụ thuộc khe hở chày – cối; Xác định ảnh hưởng của các thông số công nghệ cơ bản đến độ chính xác hình học của sản phẩm.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu ảnh hưởng của một số thông số công nghệ cơ bản trong dập thủy cơ vật liệu tấm

BỘ BỘ GIÁO GIÁO DỤC DỤC VÀ VÀ ĐÀO ĐÀO TẠO TẠO TRƯỜNG TRƯỜNG ĐẠI ĐẠI HỌC HỌC BÁCH BÁCH KHOA KHOA HÀ HÀ NỘI NỘI NGUYỄN VĂN THÀNH NGUYỄN VĂN THÀNH NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA MỘT SỐ THÔNG SỐ NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA MỘT SỐ THÔNG SỐ CÔNG NGHỆ CƠ BẢN TRONG DẬP THỦY CƠ CÔNG NGHỆ CƠ BẢN TRONG DẬP THỦY CƠ VẬT LIỆU TẤM VẬT LIỆU TẤM LUẬN LUẬN ÁN ÁN TIẾN TIẾN SĨ SĨ KỸ KỸ THUẬT THUẬT HÀ NỘI – NĂM 2012 HÀ NỘI – NĂM 2012
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ GIÁO TRƯỜNG DỤCBÁCH ĐẠI HỌC VÀ ĐÀO TẠO KHOA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC*** BÁCH KHOA HÀ NỘI *** NGUYỄN VĂN THÀNH NGUYỄN VĂN THÀNH NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC THÔNG SỐ CÔNG NGHIÊN NGHỆ CƠCỨU BẢN ẢNH HƯỞNG TRONG CỦA MỘT QUÁ TRÌNH DẬPSỐ THÔNG THỦY SỐ CƠ VẬT CÔNG NGHỆ CƠ BẢN LIỆU TRONG TẤM DẬP THỦY CƠ VẬT LIỆU TẤM Chuyên ngành: Công nghệ Tạo hình vật liệu Chuyên ngành: Công nghệ Tạo hình vật liệu Mã số: 62520405 Mã số: 62.52.04.05 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT NGƯỜI HƯỚNG NGƯỜI DẪN HƯỚNG KHOA DẪN HỌC: KHOA HỌC: PGS.TS 1. 1. PHẠM PGS.TS VĂN PHẠM NGHỆ VĂN NGHỆ PGS.TS 2. 2. NGUYỄN PGS.TS ĐẮC NGUYỄN TRUNG ĐẮC TRUNG HÀ NỘI – NĂM 2012 HÀ NỘI – NĂM 2012
I LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là đề tài nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu kết quả nêu trong Luận án là trung thực và chưa từng được ai công bố trong các công trình nào khác! Hà Nội, tháng năm 2012 Nghiên cứu sinh Nguyễn Văn Thành
II LỜI CẢM ƠN Tôi xin chân thành cảm ơn GS.TS. Nguyễn Trọng Giảng - Hiệu trưởng Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội và Ban giám hiệu Trường Đại học Bách khoa Hà Nội đã cho phép tôi có thể thực hiện Luận án tại Trường Đại học Bách khoa Hà Nội. Tôi xin cảm ơn Viện Đào tạo Sau đại học, Viện Cơ khí và Bộ môn gia công áp lực đã luôn tạo điều kiện thuận lợi nhất trong suốt quá trình tôi làm Luận án. Tôi xin chân thành cảm ơn PGS.TS. Phạm Văn Nghệ và PGS.TS. Nguyễn Đắc Trung đã tận tình hướng dẫn tôi về chuyên môn để tôi có thể thực hiện và hoàn thành Luận án. Tôi xin cảm ơn Ban Giám hiệu trường Đại học Công nghiệp Hà Nội, Ban giám đốc trung tâm Việt Hàn và các Thầy Cô trong Trung tâm đã tạo điều kiện về thời gian, cơ sở vật chất và động viên tôi trong suốt quá trình nghiên cứu học tập. Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến các Thầy phản biện, các Thầy trong hội đồng chấm luận án đã bớt chút thời gian đọc và góp những ý kiến quý báu để tôi có thể hoàn chỉnh Luận án và định hướng nghiên cứu trong trương lai. Cuối cùng tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới gia đình và bạn bè, những người đã động viên khuyến khích tôi trong suốt thời gian tôi tham gia nghiên cứu và thực hiện công trình này. Nghiên cứu sinh Nguyễn Văn Thành
III MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ................................................................................................................... I LỜI CẢM ƠN........................................................................................................................II DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT........................................................... V DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU.......................................................................................VII DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ ..................................................................... VIII MỞ ĐẦU ............................................................................................................................... 1 i. Mục đích, đối tượng và phạm vi nghiên cứu của đề tài ............................................... 2 ii. Phương pháp nghiên cứu.............................................................................................. 2 iii. Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn ......................................................................... 2 iv. Các nội dung chính trong luận án ................................................................................ 3 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ DẬP THỦY CƠ ............................................................... 5 1.1 Những nét cơ bản về DTC ............................................................................................ 5 1.1.1 Khái niệm ............................................................................................................. 5 1.1.2 So sánh phương pháp DTC với dập vuốt truyền thống (chày cứng, cối cứng).... 7 1.1.3 Một số sản phẩm DTC điển hình ......................................................................... 8 1.1.4 Một số phương pháp tạo hình khác sử dụng nguồn chất lỏng cao áp .................. 9 1.2 Các nghiên cứu về DTC ............................................................................................. 12 1.2.1 Trên thế giới ....................................................................................................... 12 1.2.2 Trong nước: ........................................................................................................ 22 Kết luận chương 1: ........................................................................................................... 23 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ DẬP THỦY CƠ .................................................. 26 2.1 Trạng thái ứng suất, biến dạng trong DTC ................................................................. 27 2.2 Ma sát ướt khi DTC .................................................................................................... 29 2.3 Mô hình vật liệu tấm sử dụng trong DTC................................................................... 30 2.4 Áp suất chất lỏng, lực dập và lực chặn trong DTC..................................................... 33 2.5 Tiêu chí đánh giá sản phẩm dập tấm .......................................................................... 35 Kết luận chương 2: ........................................................................................................... 39 CHƯƠNG 3: CÁC KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU BẰNG MÔ PHỎNG SỐ ........................ 40 3.1 Mô phỏng số trong gia công áp lực ............................................................................ 40 3.2 Nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số công nghệ trong quá trình DTC bằng mô phỏng số............................................................................................................................... 42 3.2.1 Thiết lập mô hình mô phỏng .............................................................................. 42 3.2.2 Khảo sát ảnh hưởng của các thông số công nghệ .............................................. 45 3.2.2.1 Ảnh hưởng của lực chặn ................................................................................. 45 3.2.2.2 Ảnh hưởng của áp suất chất lỏng trong lòng cối ............................................ 49
IV 3.2.2.3 Ảnh hưởng của khe hở Z................................................................................. 51 3.2.2.4 Xác định miền làm việc của áp suất chất lỏng lòng cối phụ thuộc khe hở Z (miền làm việc DTC)………………………………………………………….....55 Kết luận chương 3: ........................................................................................................... 56 CHƯƠNG 4: XÂY DỰNG HỆ THỐNG THỰC NGHIỆM ............................................... 57 4.1 Máy ép thủy lực .......................................................................................................... 58 4.2 Hệ thống khuôn thí nghiệm ........................................................................................ 59 4.2.1 Chày DTC……………………………………………………………………...59 4.2.2 Cối DTC ............................................................................................................. 61 4.3 Hệ thống chặn thủy lực vạn năng ............................................................................... 62 4.4 Hệ thống cấp chất lỏng cao áp .................................................................................... 66 4.5 Hệ thống đo áp suất – hành trình ................................................................................ 68 4.6 Thiết bị đo lường ........................................................................................................ 72 Kết luận chương 4: ........................................................................................................... 73 CHƯƠNG 5: THỰC NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ ............................................. 74 5.1 Nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số công nghệ tới quá trình tạo hình chi tiết cốc trụ………. ............................................................................................................................ 74 5.1.1 Ảnh hưởng của lực chặn .................................................................................... 75 5.1.2 Ảnh hưởng của áp suất chất lỏng lòng cối ......................................................... 79 5.1.3 Ảnh hưởng của khe hở Z.................................................................................... 81 5.1.4 Xác định miền làm việc của áp suất chất lỏng lòng cối phụ thuộc khe hở Z (miền làm việc DTC thực nghiệm) ................................................................................. 84 5.2 Ảnh hưởng của các thông số công nghệ tới độ chính xác hình học sản phẩm ........... 86 5.2.1 Ảnh hưởng của lực chặn .................................................................................... 87 5.2.2 Ảnh hưởng của áp suất chất lỏng lòng cối ......................................................... 89 5.2.3 Ảnh hưởng của khe hở Z.................................................................................... 93 5.2.4 Ảnh hưởng tổng hợp của áp suất chất lỏng lòng cối và khe hở Z...................... 95 Kết luận chương 5: ........................................................................................................... 96 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI ................................................... 98 Kết luận chung .................................................................................................................. 98 Những vấn đề cần được nghiên cứu tiếp: ......................................................................... 99 TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................................. 100 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ ......................................................... 111 PHỤ LỤC .......................................................................................................................... 112
V DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Kí hiệu Diễn giải Đơn vị DTC Dập thủy cơ D Đường kính phôi mm D1 Giá trị đường kính đo ở miệng chi tiết dập mm D2 Giá trị đường kính đo ở đáy chi tiết dập mm FLC Forming Limit Curve – Đường cong biến dạng tới hạn FLD Forming Limit Diagram- Giản đồ biến dạng tới hạn K Mức độ dập vuốt m Hệ số dập vuốt PTHH Phần tử hữu hạn pc Áp suất chất lỏng trong lòng cối bar p0 Áp suất chất lỏng ban đầu bar pxl Áp suất xi lanh chặn bar pmax Áp suất chất lỏng lòng cối tối đa bar pmin Áp suất chất lỏng lòng cối tối thiểu bar P Lực dập kN Q Lực chặn kN Rc Bán kính miệng cối mm Rch Bán kính chày mm rc Bán kính góc lượn miệng cối mm rch Bán kính góc lượn đỉnh chày mm rM Bán kính góc lượn miệng cối thủy lực mm R0 Thông số dị hướng Lankford theo phương cán R45 Thông số dị hướng Lankford theo phương 450 so với phương cán R90 Thông số dị hướng Lankford theo phương vuông góc phương cán R Thông số dị hướng Lankford trung bình s Chiều dày phôi mm Z Khe hở giữa chày và cối mm α Độ côn sản phẩm cốc trụ (dạng tỉ lệ 1:L) σ Ứng suất tương đương MPa σb Ứng suất bền MPa σf Ứng suất chảy MPa
VI σα Ứng suất theo phương dập MPa σz Ứng suất theo phương z trong hệ tọa độ trụ MPa σθ Ứng suất theo phương tiếp tuyến trong hệ tọa độ trụ MPa σρ Ứng suất theo phương hướng kính theo hệ tọa độ trụ MPa ∆p max Sai số trung bình áp suất chất lỏng lòng cối tối đa giữa kết quả thực và kết quả tính toán từ hàm nội suy bar ∆p min Sai số trung bình áp suất chất lỏng lòng cối tối thiểu giữa kết quả thực và kết quả tính toán từ hàm nội suy bar ∆Q Sai số trung bình lực chặn phôi giữa kết quả thực và kết quả tính toán từ hàm nội suy kN ∆α Sai số trung bình độ côn sản phẩm giữa kết quả thực và kết quả tính toán từ hàm nội suy % ∆p Sai số trung bình áp suất chất lỏng lòng cối giữa thực nghiệm và mô phỏng bar ∆Z Sai số khe hở Z giữa thực nghiệm và mô phỏng mm ∆R Sai số kích thước bán kính giữa miệng và đáy của sản phẩm dập mm εz Mức độ biến dạng dẻo logarit theo phương z trong hệ tọa độ trụ εθ Mức độ biến dạng dẻo logarit theo phương tiếp tuyến trong hệ tọa độ trụ ερ Mức độ biến dạng dẻo logarit theo phương hướng kính trong hệ tọa độ trụ ε0 Mức độ biến dạng logarit tại thời điểm vật liệu chuyển từ trạng thái đàn hồi sang trạng thái dẻo εp Mức độ biến dạng dẻo logarit η Độ nhớt động lực P (N.s/m2) μ Hệ số ma sát
VII DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng 2.1 Trị số Lankford trung bình phụ thuộc vào vật liệu 33 Bảng 3.1 Giá trị lực chặn ứng với các sản phẩm đạt chất lượng 48 Bảng 3.2 Giá trị áp suất chất lỏng lòng cối ứng với các sản phẩm đạt chất lượng 51 Bảng 3.3 Giá trị áp suất chất lỏng lòng cối ứng các khe hở Z cho sản phẩm đạt chất lượng 54 Bảng 4.1 Thông số kỹ thuật máy YH32, Hãng Hefei Metalforming Machine Tool Limited 59 Bảng 4.2 Đường kính chày và khe hở Z tương ứng 60 Bảng 4.3 Thông số kỹ thuật của máy đo 3D QMM-333 73 Bảng 5.1 Thành phần hóa học và cơ tính của thép C08 74 Bảng 5.2 Giá trị lực chặn ứng với các sản phẩm đạt chất lượng 78 Bảng 5.3 Giá trị áp suất chất lỏng lòng cối ứng với các sản phẩm đạt chất lượng 81 Bảng 5.4 Giá trị áp suất chất lỏng lòng cối ứng với mỗi khe hở Z dập ra sản phẩm đạt yêu cầu. 84 Bảng 5.5 Độ côn sản phẩm ứng với các giá trị lực chặn 88 Bảng 5.6 Độ côn sản phẩm theo áp suất chất lỏng lòng cối ứng với các khe hở Z khác nhau 89
VIII DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ Hình 1.1 Sơ đồ các bước DTC 5 Hình 1.2 Sơ đồ phân loại các phương pháp DTC 6 Hình 1.3 Phôi không gian được sử dụng trong DTC 7 Hình 1.4 Phương pháp dập vuốt truyền thống 7 Hình 1.5 Các chi tiết vỏ ô tô 8 Hình 1.6 Các loại két chứa nhiên liệu 9 Hình 1.7 Các sản phẩm gia dụng 9 Hình 1.8 Các chi tiết chế tạo bằng DTC 9 Hình 1.9 Sơ đồ dập xung điện thủy lực 10 Hình 1.10 Các sản phẩm dập xung điện thủy lực 10 Hình 1.11 Các sơ đồ dập thủy tĩnh 11 Hình 1.12 Các sản phẩm dập thủy tĩnh 11 Hình 1.13 Các vùng thể hiện chất lượng sản phẩm phụ thuộc vào áp suất chất lỏng 14 Hình 1.14 Ảnh hưởng của lực chặn và áp suất chất lỏng tới quá trình tạo hình sản phẩm 14 Hình 1.15 Phân bố chiều dày theo khoảng cách từ tâm cốc khi áp suất lòng cối 270 bar và áp suất tạo phồng ban đầu khác nhau 15 Hình 1.16 Áp suất biến thiên khi có tạo phồng và không tạo phồng 15 Hình 1.17 Phân bố biến dạng dẻo khi tạo phồng 16 Hình 1.18 Trạng thái ứng suất khi chiều cao phồng quá lớn 16 Hình 1.19 Độ nhám bề mặt chi tiết dập từ vật liệu nhôm Al1050 17 Hình 1.20 Tỉ lệ biến mỏng thành chi tiết khi dập từ vật liệu nhôm Al 1050-HO 17 Hình 1.21 Khe hở chày cối thay đổi theo hành trình dập 18 Hình 1.22 Ảnh hưởng độ nhám bề mặt chày tới áp suất tạo hình khi DTC chi tiết cốc trụ có chiều dày 1.2 mm, mức độ dập vuốt 2.6 18 Hình 1.23 Ảnh hưởng của chiều dày phôi đến mức độ dập vuốt khi hệ số ma sát khác nhau 18 Hình 1.24 Ảnh hưởng của chiều dày vật liệu tới áp suất tối thiểu tạo hình chi tiết với mức độ dập vuốt 2.5 19 Hình 1.25 Khả năng tạo hình tăng khi DTC có gia nhiệt 19 Hình 1.26 Sản phẩm dập từ tấm dị hướng 21 Hình 1.27 Sự phụ thuộc của hệ số dập vuốt vào hệ số biến cứng 21
IX Hình 1.28 Đàn hồi ngược phụ thuộc mức độ biến dạng dẻo 22 Hình 2.1 Sơ đồ nguyên lý của phương pháp DTC 26 Hình 2.2 Sơ đồ trạng thái ứng suất, biến dạng dập vuốt thông thường 27 Hình 2.3 Sơ đồ trạng thái ứng suất, biến dạng DTC 27 Hình 2.4 Các hệ tọa độ khảo sát trên phôi tấm cán 31 Hình 2.5 Bề mặt dẻo đẳng hướng và dị hướng 32 Hình 2.6 Các dạng khuyết tật do rách và do nhăn khi dập 35 Hình 2.7 Trạng thái biến dạng tại các vị trí khác nhau trên sản phẩm 36 Hình 2.8 Giản đồ biến dạng tới hạn 36 Hình 2.9 Phân vùng trạng thái biến dạng 37 Hình 2.10 Đàn hồi ngược khi DTC sản phẩm cốc trụ 38 Hình 3.1 Những ưu điểm của mô phỏng 40 Hình 3.2 Quá trình tối ưu hóa công nghệ nhờ mô phỏng 41 Hình 3.3 Mô hình sản phẩm 42 Hình 3.4 Mô hình hình học và mô hình lưới PTHH 43 Hình 3.5 Thông số vật liệu mô phỏng 43 Hình 3.6 Điều kiện tiếp xúc giữa phôi và dụng cụ gia công 44 Hình 3.7 Thiết lập quá trình dập vuốt 44 Hình 3.8 Sản phẩm mô phỏng với Q = 80 kN 46 Hình 3.9 Sản phẩm mô phỏng với Q = 130 kN 46 Hình 3.10 Sản phẩm mô phỏng với Q = 140 kN 46 Hình 3.11 Phân bố mức độ biến dạng với Q = 140 kN 47 Hình 3.12 Sản phẩm mô phỏng với Q = 160 kN 47 Hình 3.13 Phân bố mức độ biến dạng với Q = 160 KN 47 Hình 3.14 Sản phẩm mô phỏng với Q = 230 kN 48 Hình 3.15 Sản phẩm mô phỏng với Q = 260 kN 48 Hình 3.16 Sản phẩm mô phỏng với pc = 30 bar 49 Hình 3.17 Sản phẩm mô phỏng với pc = 45 bar 50 Hình 3.18 Sản phẩm mô phỏng với pc = 85 bar 50 Hình 3.19 Sản phẩm mô phỏng với pc = 110 bar 50 Hình 3.20 Sản phẩm mô phỏng vớit pc = 120 bar 51 Hình 3.21 Sản phẩm mô phỏng với pc = 20 bar, Z = 0.9 mm 52 Hình 3.22 Sản phẩm mô phỏng với pc= 115 bar, Z = 0.9 mm 52
X Hình 3.23 Sản phẩm mô phỏng với pc = 70 bar, Z = 3.0 mm 53 Hình 3.24 Sản phẩm mô phỏng với pc = 105 bar, Z = 3.0 mm 53 Hình 3.25 Sản phẩm mô phỏng với pc = 80 bar, Z = 3.2 mm 53 Hình 3.26 Sản phẩm mô phỏng với pc = 105 bar, Z = 3.2 mm 54 Hình 3.27 Đồ thị quan hệ áp suất chất lỏng lòng cối và khe hở Z 55 Hình 4.1 Sơ đồ hệ thống thực nghiệm 57 Hình 4.2 Máy ép thuỷ lực 200 tấn 58 Hình 4.3 Bộ khuôn DTC 59 Hình 4.4 Chày và giá chày 60 Hình 4.5 Giá chày và chày chế tạo 60 Hình 4.6 Miệng cối thủy cơ 61 Hình 4.7 Kết cấu thân cối thủy cơ 62 Hình 4.8 Kết quả kiểm nghiệm thân cối 62 Hình 4.9 Sơ đồ kết cấu hệ thống chặn vạn năng 63 Hình 4.10 Xi lanh thuỷ lực 63 Hình 4.11 Chi tiết đế trên của hệ thống chặn thủy lực 64 Hình 4.12 Chi tiết tấm chặn của hệ thống chặn thủy lực 64 Hình 4.13 Ứng suất Von Mises 65 Hình 4.14 Chuyển vị tổng 65 Hình 4.15 Hệ thống chặn thủy lực chế tạo 65 Hình 4.16 Sơ đồ điều khiển thủy lực 66 Hình 4.17 Trạm nguồn thủy lực thiết kế 67 Hình 4.18 Trạm nguồn thủy lực chế tạo 67 Hình 4.19 Sơ đồ hệ thống đo áp suất - hành trình 68 Hình 4.20 Cấu trúc cảm biến đo áp suất 69 Hình 4.21 Sơ đồ khối của cảm biến điện trở tiếp xúc 69 Hình 4.22 Sơ đồ mạch gia công tín hiệu đo áp suất 70 Hình 4.23 Sơ đồ ghép nối card thu thập số liệu với hệ thống 70 Hình 4.24 Hệ thống đo áp suất – hành trình 70 Hình 4.25 Lưu đồ thuật toán chương trình đo và lưu giữ kết quả 71 Hình 4.26 Chương trình đo áp suất - hành trình 72 Hình 4.27 Máy đo 3D QMM-333, Hãng Mitutoyo-Nhật Bản 73 Hình 5.1 Sản phẩm dập với áp suất pxl = 25 bar 75
XI Hình 5.2 Sản phẩm dập với áp suất pxl = 70 bar 76 Hình 5.3 Sản phẩm dập với áp suất pxl = 75 bar 76 Hình 5.4 Sản phẩm dập với áp suất pxl = 83 bar 76 Hình 5.5 Sản phẩm dập với áp suất pxl = 121 bar 77 Hình 5.6 Sản phẩm dập với áp suất pxl = 126 bar 77 Hình 5.7 Sản phẩm dập với áp suất pxl = 137 bar 78 Hình 5.8 Sản phẩm dập với áp suất pc = 40 bar 79 Hình 5.9 Sản phẩm dập với áp suất pc = 45 bar 79 Hình 5.10 Sản phẩm dập với áp suất pc = 86 bar 80 Hình 5.11 Sản phẩm dập với áp suất pc = 116 bar 80 Hình 5.12 Sản phẩm dập với áp suất pc = 130 bar 80 Hình 5.13 Sản phẩm dập với áp suất pc = 25 bar, khe hở Z = 1.2 mm 82 Hình 5.14 Sản phẩm dập với áp suất pc = 119 bar, khe hở Z = 1.2 mm 82 Hình 5.15 Sản phẩm dập với áp suất pc = 70 bar, khe hở Z = 3.0 mm 82 Hình 5.16 Sản phẩm dập với áp suất pc = 114 bar, khe hở Z = 3.0 mm 83 Hình 5.17 Sản phẩm dập với áp suất pc = 90 bar, khe hở Z = 3.2 mm 83 Hình 5.18 Sản phẩm dập với áp suất pc = 90 bar, khe hở Z = 3.4 mm 83 Hình 5.19 Đồ thị quan hệ áp suất chất lỏng lòng cối và khe hở Z (thực nghiệm) 85 Hình 5.20 Miền làm việc DTC thực nghiệm và mô phỏng 85 Hình 5.21 Độ côn của sản phẩm DTC 86 Hình 5.22 Sơ đồ đo đường kính sản phẩm dập 87 Hình 5.23 Đồ thị quan hệ độ côn và lực chặn 88 Hình 5.24 Đồ thị quan hệ độ côn và áp suất chất lỏng lòng cối 92 Hình 5.25 Đồ thị quan hệ độ côn và áp suất chất lỏng lòng cối theo khe hở Z 93 Hình 5.26 Đồ thị quan hệ độ côn và khe hở Z theo áp suất chất lỏng lòng cối 94 Hình 5.27 Đồ thị 3D quan hệ độ côn với áp suất chất lỏng lòng cối và khe hở Z 95 Hình 5.28 Bình đồ phân bố độ côn theo áp suất chất lỏng lòng cối và khe hở Z 96
1 MỞ ĐẦU Cùng với tiến bộ về khoa học kỹ thuật nói chung, các công nghệ sản xuất sản phẩm ngành Cơ khí cũng ngày càng phát triển. Những phát minh mới và các công nghệ tiên tiến đã tạo ra những chi tiết, cụm chi tiết và sản phẩm ngày càng có hình dáng phức tạp, độ chính xác và chất lượng cao, được làm từ những vật liệu khó gia công, đáp ứng được những yêu cầu kỹ thuật khắt khe. Điều đó thúc đẩy nền sản xuất thế giới ngày càng phát triển, hiệu quả kinh tế ngày càng cao hơn. Công nghệ dập tạo hình cũng phát triển mạnh mẽ trong những thập kỷ qua, từ công nghệ tạo hình cổ điển chày cứng, cối cứng với những hạn chế nhất định trong quá trình gia công, đến nay đã phát triển thành ngành công nghệ lớn mạnh với nhiều phương pháp tạo hình tiên tiến, góp phần không nhỏ vào sự phát triển của các lĩnh vực sản xuất cơ khí. Một trong những phương pháp dập tạo hình tiên tiến đó là dập bằng nguồn chất lỏng có áp lực cao (Hydroforming) được nghiên cứu và ứng dụng từ rất sớm vào những năm 60 của thế kỷ 20. Công nghệ này cho phép tạo ra những sản phẩm có độ chính xác cao, hình dạng phức tạp mà bằng các công nghệ dập truyền thống khó có thể hoặc không tạo ra được. Cho đến nay, dập bằng nguồn chất lỏng áp lực cao phát triển mạnh mẽ và thu hút được sự quan tâm của nhiều nhà khoa học trên thế giới [8], [114]. Dập bằng nguồn chất lỏng áp lực cao gồm 2 phương pháp chính: dập thủy tĩnh (Hydrostastic Forming) và dập thủy cơ (DTC) (Hydromechanical Forming). Phương pháp DTC nhằm tạo hình các chi tiết vỏ mỏng có hình dạng phức tạp ngày càng được ứng dụng rộng rãi tại các nước công nghiệp phát triển trong các ngành công nghiệp hàng không, ô tô, đồ gia dụng nhờ những ưu điểm nổi bật như tăng khả năng biến dạng của vật liệu, nâng cao độ chính xác cũng như chất lượng bề mặt của sản phẩm, tiết kiệm chi phí chế tạo khuôn. Công nghệ DTC đã được đưa vào nghiên cứu ở Việt Nam từ đầu thế kỷ 21, nhưng chủ yếu mới chỉ dừng ở khảo sát khả năng ứng dụng của công nghệ, chưa triển khai một cách hữu hiệu trong sản xuất công nghiệp bởi chưa có một lý thuyết cũng như phương pháp tính toán cụ thể nào cho phép xác định chính xác các thông số công nghệ hay tối ưu công nghệ DTC. Trong những năm gần đây, nhiều doanh nghiệp Việt Nam đã không ngừng đầu tư phát triển công nghệ sản xuất. Nhiều lĩnh vực sản xuất hiện tại cần có sự ứng dụng của công nghệ DTC. Vì vậy, việc nghiên cứu có hệ thống và chuyên sâu hơn về công nghệ DTC là vấn đề cấp thiết nhằm nhanh chóng làm chủ được công nghệ, sớm đưa công nghệ DTC vào phục vụ sản xuất công nghiệp, phát triển kinh tế đất nước.
2 i. Mục đích, đối tượng và phạm vi nghiên cứu của đề tài *) Mục đích của đề tài Điểm đặc biệt của phương pháp tạo hình vật liệu trong DTC là nhờ chất lỏng có áp suất cao tác dụng trực tiếp vào phôi làm cho phôi biến dạng theo hình dạng của dụng cụ gia công. Chất lỏng áp suất cao xuất hiện do bị nén khi dụng cụ gia công chuyển động trong quá trình tạo hình vật liệu. Đề tài “Nghiên cứu ảnh hưởng của một số thông số công nghệ cơ bản trong dập thủy cơ vật liệu tấm” được đề xuất với mục đích: - Nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số công nghệ cơ bản đến khả năng tạo hình sản phẩm; - Xác định miền làm việc của DTC, được thể hiện bởi quan hệ của áp suất chất lỏng lòng cối phụ thuộc khe hở chày – cối; - Xác định ảnh hưởng của các thông số công nghệ cơ bản đến độ chính xác hình học của sản phẩm. *) Đối tượng và phạm vi nghiên cứu - Đối tượng nghiên cứu: sản phẩm dạng cốc trụ, vật liệu thép các bon thấp sử dụng cho dập vuốt. - Phạm vi nghiên cứu: ảnh hưởng của 3 thông số công nghệ cơ bản bao gồm lực chặn, áp suất chất lỏng công tác trong lòng cối và khe hở chày - cối. Các nội dung nghiên cứu của Luận án được tiến hành tại phòng thí nghiệm Bộ môn Gia công áp lực - viện Cơ khí - trường Đại học Bách khoa Hà Nội, Trung tâm Việt Nhật - trường Đại học Công nghiệp Hà Nội và ở các doanh nghiệp sản xuất cơ khí. ii. Phương pháp nghiên cứu - Tổng hợp, phân tích tài liệu, các kết quả nghiên cứu trong và ngoài nước, từ đó định hướng nghiên cứu cho Luận án; - Nghiên cứu lý thuyết kết hợp kinh nghiệm chuyên gia dập tạo hình vật liệu bằng công nghệ dập truyền thống; - Sử dụng phương pháp nghiên cứu hiện đại: mô phỏng số kết hợp với thực nghiệm khoa học để đánh giá ảnh hưởng của các thông số công nghệ và khả năng ứng dụng công nghệ DTC vào thực tế sản xuất; - Sử dụng thiết bị đo và các phần mềm hiện đại hiện có ở Việt Nam để đo và xử lý số liệu cho kết quả đảm bảo độ tin cậy. iii. Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn - Nghiên cứu, đánh giá ảnh hưởng của 3 thông số công nghệ cơ bản: lực chặn, áp
3 suất chất lỏng lòng cối và khe hở chày - cối, xác định miền làm việc và ảnh hưởng của các thông số đến độ chính xác hình học của sản phẩm, xây dựng quan hệ giữa các thông số bằng các mô hình toán, qua đó góp phần vào sự phát triển hệ thống kiến thức nền tảng của phương pháp DTC cũng như ứng dụng kết quả vào trong sản xuất công nghiệp. - Kết hợp phương pháp nghiên cứu mô phỏng số với thực nghiệm nhằm nâng cao hiệu quả nghiên cứu và tiết kiệm chi phí, qua đó góp phần vào sự phát triển của các phương pháp thiết kế và tối ưu quá trình nhờ công nghệ ảo. - Xây dựng hệ thống thực nghiệm phù hợp với thực tế có ý nghĩa quan trọng trong việc phát triển hệ thống thiết bị nghiên cứu, đo đạc và đánh giá ảnh hưởng của các thông số công nghệ. - Kết quả của Luận án sẽ phục vụ cho sản xuất DTC chi tiết từ vật liệu tấm, làm cơ sở cho các nghiên cứu tiếp theo và nhất là cho đào tạo chuyên ngành gia công áp lực. Với sản phẩm cốc trụ, có thể ứng dụng ngay tại các doanh nghiệp sản xuất đồ dân dụng. Luận án được tiến hành nghiên cứu sát với điều kiện thực tế ở Việt Nam nên rất thuận lợi trong triển khai ứng dụng công nghệ tiên tiến này vào sản xuất công nghiệp. iv. Các nội dung chính trong luận án Các kết quả, thành tựu đã đạt được trong nghiên cứu và ứng dụng công nghệ DTC trên thế giới cũng như trong nước được khảo sát và trình bày trong chương 1. Đây là cơ sở quan trọng để tìm ra những điểm mạnh về công nghệ DTC nhưng cũng chỉ ra những tồn tại trong công nghệ mà những nghiên cứu trước đây chưa giải quyết một cách đầy đủ. Trong chương 1 cũng trình bày về định hướng nghiên cứu và mục tiêu nghiên cứu cũng như các kết quả mong muốn thu được. Để đáp ứng được những yêu cầu đặt ra trong nghiên cứu công nghệ DTC, cần thiết phải được trang bị các kiến thức nền tảng về công nghệ tạo hình, những kiến thức cơ sở về biến dạng dẻo của vật liệu cũng như vật liệu kim loại được sử dụng trong sản xuất công nghiệp. Vì vậy, chương 2 sẽ nghiên cứu và tổng hợp kiến thức cơ bản nhất phục vụ cho tính toán, thiết kế và khảo sát công nghệ một cách hệ thống bằng mô phỏng số kết hợp với thực nghiệm. Một trong những phương pháp nghiên cứu hiệu quả đó là áp dụng công nghệ ảo – Mô phỏng số. Chương 3 trình bày phương pháp nghiên cứu nhờ trợ giúp của mô phỏng số để khảo sát ảnh hưởng của các thông số công nghệ tới quá trình DTC. Trong chương 3, lần lượt các bước thực hiện được đưa ra một cách có hệ thống từ lập mô hình hình học, mô hình hóa quá trình biến dạng, thiết lập bài toán biên và giải bài toán nhằm đánh giá tác
4 động của các thông số công nghệ tới quá trình tạo hình, xác định miền làm việc DTC. Phương pháp mô phỏng số cho phép tiết kiệm tối đa chi phí sản xuất thử nghiệm bởi các thông số công nghệ được xác định và đánh giá mức độ ảnh hưởng trực tiếp trên máy tính. Chương 4 trình bày hệ thống thực nghiệm được thiết kế và chế tạo cho việc đánh giá ảnh hưởng của các thông số công nghệ trong điều kiện thực tế. Với hệ thống thực nghiệm được xây dựng dựa trên cơ sở phù hợp nhất với sản xuất công nghiệp ở Việt Nam sẽ khẳng định thêm khả năng triển khai của công nghệ trong thực tế. Các kết quả thực nghiệm và những phân tích đánh giá sẽ được trình bày trong chương 5. Cuối cùng, những kết luận quan trọng nhất của Luận án và những vấn đề cần nghiên cứu tiếp theo sẽ được trình bày trong kết luận chung và hướng phát triển của đề tài.
5 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ DẬP THỦY CƠ 1.1 Những nét cơ bản về DTC Kết quả nghiên cứu quá trình dập các chi tiết tấm ở trạng thái nguội cho thấy tính dẻo của vật liệu tăng lên khi xuất hiện áp suất thuỷ tĩnh tác dụng lên bề mặt của phôi trong quá trình biến dạng. Quá trình tạo hình biến dạng vật liệu tấm có sử dụng áp suất thuỷ tĩnh đã giảm được sự tập trung ứng suất gây ra các vết nứt tế vi trong vật liệu. Dựa trên các kết luận quan trọng này, ý tưởng về DTC đã hình thành từ giữa thế kỷ 20. Trong hơn 50 năm qua, DTC tiếp tục được nghiên cứu và phát triển cả lý thuyết lẫn thực nghiệm đối với việc tạo hình vật liệu thép, nhôm, kim loại mầu và các loại vật liệu khác [114]. 1.1.1 Khái niệm DTC là phương pháp tạo hình vật liệu nhờ nguồn chất lỏng cao áp kết hợp với lực nén của chày. Chất lỏng cao áp tạo thành là do trong quá trình làm việc, chày chuyển động nén chất lỏng trong lòng cối. Phương pháp này được ứng dụng để tạo hình các chi tiết vỏ mỏng phức tạp. Sơ đồ các bước DTC được thể hiện trên hình 1.1. P P P Q Q Q Q Q Q Hình 1.1 Sơ đồ các bước DTC [13] Quá trình DTC có thể được chia thành các bước sau: - Đưa phôi vào khuôn dập. - Phôi được cố định và kẹp chặt nhờ cơ cấu chặn phôi: không gian ép được hình thành giữa phôi và lòng cối. - Chất lỏng được bơm vào trong lòng cối với áp suất ban đầu p0 làm phôi bị phồng lên. - Chày chuyển động đi vào trong cối: áp suất chất lỏng trong lòng cối tăng tỷ lệ thuận với hành trình của chày, đẩy phôi áp vào bề mặt của chày. - Lấy sản phẩm dập ra khỏi khuôn. Các phương pháp DTC: Có nhiều cách khác nhau để phân loại các phương pháp DTC như dựa vào đặc điểm của phôi, đường cấp thoát chất lỏng, hình dạng của sản phẩm,... Một trong những
6 cách phân loại được ứng dụng nhiều nhất là dựa vào đặc điểm của phôi, theo cách phân loại này có các phương pháp DTC cơ bản như dập tạo hình phôi phẳng, phôi không gian, dập thuận nghịch (hình 1.2). a. b. c. Hình 1.2 Sơ đồ phân loại các phương pháp DTC [114] a. Phôi phẳng b. Phôi không gian dập vuốt thuận c. Phôi không gian thuận nghịch 1. Cối; 2. Chày; 3. Chặn; 4. Doăng làm kín; 5. Van tràn DTC từ phôi phẳng được ứng dụng trong ngành công nghiệp ô tô, hàng không và đồ dân dụng, chúng là các chi tiết có kích thước lớn, hình dạng phức tạp. DTC từ phôi không gian ứng dụng tạo hình các chi tiết có hình dạng phức tạp, thường có nhiều mặt cong với biên dạng bất kỳ (hình 1.3).
7 Hình 1.3 Phôi không gian được sử dụng trong DTC [114] DTC thuận nghịch ứng dụng trong việc tạo hình các chi tiết yêu cầu chiều sâu dập vuốt lớn mà phương pháp DTC từ phôi tấm không thực hiện được. Ngoài ra, căn cứ vào áp suất chất lỏng được hình thành trong quá trình dập, ta chia thành hai phương pháp DTC: - DTC chủ động là quá trình dập có sự kết hợp của chất lỏng có áp suất cao trong giai đoạn đầu tiên (hình 1.1) làm chi tiết phồng lên ôm sát vào chày. - DTC bị động được thực hiện do chất lỏng có áp suất cao được tạo ra khi chịu nén trong lòng cối do chày đi vào lòng cối.. So với phương pháp DTC bị động, phương pháp DTC chủ động còn có sự kết hợp của dập vuốt thuận nghịch ở giai đoạn đầu. Vì vậy, DTC chủ động cho phép nâng cao chiều sâu dập vuốt [114]. 1.1.2 So sánh phương pháp DTC với dập vuốt truyền thống (chày cứng, cối cứng) Về cơ bản, phương pháp DTC được phát triển từ phương pháp dập vuốt truyền thống (hình 1.4) với việc sử dụng thêm đối áp trong lòng cối. Khi chày đi vào lòng cối nén chất lỏng làm tăng áp suất và ép phôi bám sát vào bề mặt chày tạo ra hình dạng sản phẩm. Đối áp làm tăng ma sát giữa phôi và chày, giảm ma sát giữa phôi và cối, thay đổi trạng thái ứng suất – biến dạng, thay đổi lực tạo hình cũng như làm tăng chất lượng sản phẩm, giảm mòn chày, cối [8], [40]. P Q Q Hình 1.4 Phương pháp dập vuốt truyền thống