Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật vật liệu: Nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số công nghệ và hình học đến độ chính xác của chi tiết khi dập khối trong khuôn kín

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:136

Thêm vào BST

Báo xấu

38
lượt xem 5
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục tiêu của luận án nhằm xác định quy luật ảnh hưởng của các thông số hình học phôi, thông số hình học dụng cụ gia công và thông số công nghệ đến độ chính xác của sản phẩm khi dập tạo hình trong khuôn kín; thiết lập mối quan hệ giữa mức độ điền đầy ở vị trị vành mặt bích sản phẩm-bán kính góc lượng và lực tạo hình, phụ thuộc vào thông số hình học phôi, dụng cụ gia công và thông số công nghệ của quá trình dập dựatrên mô phỏng số kết hợp với thực nghiệm; đánh giá khả năng ứng dụng của kết quả nghiên cứu chế tạo chi tiết khớp nối đạt độ chính xác cao.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật vật liệu: Nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số công nghệ và hình học đến độ chính xác của chi tiết khi dập khối trong khuôn kín

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, ngày .... tháng 5 năm 2021 Giáo viên hướng dẫn 1 Giáo viên hướng dẫn 2 Nghiên cứu sinh PGS.TS. Phạm Văn Nghệ TS. Lê Trung Kiên Nguyễn Quang Thắng i
LỜI CẢM ƠN Tôi xin chân thành cảm ơn Ban giám hiệu Trường Đại học Bách khoa Hà Nội đã cho phép tôi thực hiện luận án tại Trường Đại học Bách khoa Hà Nội. Tôi xin cảm ơn Ban giám hiệu Trường Đại học Công nghiệp Dệt May Hà Nội đã tạo điều kiện tốt nhất cho tôi thực hiện nhiệm vụ nghiên cứu của luận án. Tôi xin cảm ơn Phòng Đào tạo, 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 TS. Lê Trung Kiên đã tận tình hướng dẫn tôi về chuyên môn để tôi thực hiện và hoàn thành luận án. Tôi xin cảm ơn Công ty CP Dụng cụ Cơ khí xuất khẩu, Công ty TNHH MTV Diesel Sông Công đã tạo điều kiện giúp đỡ và cho phép sử dụng máy móc, thiết bị đo, vật tư, trong quá trình thực nghiệm. 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 đóng 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, đồng nghiệp 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 Quang Thắng ii
MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ............................................................................................................ I LỜI CẢM ƠN ................................................................................................................. II MỤC LỤC .....................................................................................................................III DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT .................................................. VI DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU................................................................................ VII DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ ............................................................... VIII MỞ ĐẦU .........................................................................................................................1 1. Tính cấp thiết của đề tài...............................................................................................1 2. Mục đích, đối tượng và phạm vi nghiên cứu của đề tài ..............................................2 2.1 Mục đích nghiên cứu .............................................................................................2 2.2 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu .........................................................................2 3. Phương pháp nghiên cứu .............................................................................................3 4. Ý nghĩa của đề tài ........................................................................................................3 4.1 Ý nghĩa khoa học ...................................................................................................3 4.2 Ý nghĩa thực tiễn ....................................................................................................4 5. Các điểm mới của luận án ...........................................................................................4 6. Các nội dung chính trong luận án ................................................................................4 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ DẬP KHỐI TRONG KHUÔN KÍN ..6 1.1 Khái quát công nghệ dập tạo hình khối .....................................................................6 1.1.1 Dập khối ..............................................................................................................6 1.2.2 Dập khối trong khuôn kín ...................................................................................9 1.2 Các nghiên cứu trong và ngoài nước về nâng cao độ chính xác khi dập trong khuôn kín ..................................................................................................................................12 1.2.1 Các nghiên cứu ở nước ngoài ...........................................................................12 1.2.2 Tình hình nghiên cứu trong nước .....................................................................21 1.3 Xác định các vấn đề nghiên cứu của luận án...........................................................22 KẾT LUẬN CHƯƠNG 1 ..............................................................................................24 CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ CÔNG NGHỆ DẬP KHỐI TRONG KHUÔN KÍN ................................................................................................................................25 2.1 Cơ sở lý thuyết tính toán về đặc tính điền đầy khi dập khối trong khuôn kín ........25 iii
2.1.1 Đặc điểm chung ................................................................................................25 2.1.2 Các giả thiết tính toán .......................................................................................26 2.1.3 Tính toán các trường vận tốc trong quá trình biến dạng ...................................27 2.1.4 Tính toán kích thước góc sản phẩm dập trong khuôn kín ................................31 2.2 Tính toán các thông số ảnh hưởng đến quá trình dập khối trong khuôn kín ...........33 2.2.1 Tính toán lực dập ..............................................................................................33 2.2.2 Tính toán góc nghiêng thành lòng khuôn .........................................................34 2.2.3 Bán kính góc lượn .............................................................................................36 2.2.4 Lỗ chưa thấu và màng ngăn lỗ ..........................................................................37 2.2.5 Biến dạng đàn hồi của máy ép trục khuỷu ........................................................38 2.3 Các dạng khuyết tật khi dập khối trong khuôn kín..................................................40 2.3.1 Nứt ở bề mặt sản phẩm .....................................................................................40 2.3.2 Khuyết tật gấp trong sản phẩm .........................................................................42 2.3.3 Khuyết tật vết xước sâu tạo rãnh trên bề mặt ...................................................43 2.3.4 Khuyết tật không điền đầy khuôn .....................................................................43 KẾT LUẬN CHƯƠNG 2 ..............................................................................................44 CHƯƠNG 3. NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC YẾU TỐ ĐẾN ĐỘ CHÍNH XÁC CỦA CHI TIẾT KHỚP NỐI KHI DẬP TRONG KHUÔN KÍN BẰNG MÔ PHỎNG SỐ ...................................................................................................................45 3.1 Ứng dụng mô phỏng số trong gia công áp lực ........................................................45 3.2 Trình tự xây dựng bài toán mô phỏng số ................................................................46 3.3 Thiết lập bài toán mô phỏng số với Deform 3D ......................................................47 3.3.1 Mô hình hình học ..............................................................................................47 3.3.2 Mô hình phần tử hữu hạn ..................................................................................48 3.3.3 Mô hình hành vi cơ - nhiệt của vật liệu ...........................................................49 3.3.4 Điều kiện biên ...................................................................................................49 3.2.5 Chọn miền khảo sát cho các thông số đầu ra ....................................................50 3.4 Nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số công nghệ và hình học đến độ chính xác của chi tiết khớp nối khi dập trong khuôn kín ...............................................................53 3.4.1 Nghiên cứu ảnh hưởng của H/D tới bán kính r và lực tạo hình Pmax ................53 3.4.2 Nghiên cứu ảnh hưởng của hệ số ma sát µ tới bán kính r và lực tạo hình Pmax 58 iv
3.4.3 Nghiên cứu ảnh hưởng của góc nghiêng chày α tới bán kính r và lực tạo hình Pmax .............................................................................................................................62 KẾT LUẬN CHƯƠNG 3 ..............................................................................................66 CHƯƠNG 4. NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM KIỂM CHỨNG DẬP CHI TIẾT KHỚP NỐI TRONG KHUÔN KÍN ..............................................................................67 4.1 Thiết kế các thực nghiệm mô phỏng .......................................................................67 4.2 Phân tích phương sai ...............................................................................................70 4.3 Phân tích ảnh hưởng và mức phù hợp của thông số hình học phôi, góc nghiêng chày α và hệ số ma sát tới bán kính r và lực tạo hình Pmax ............................................72 4.3.1 Phân tích ảnh hưởng, mức phù hợp của các thông số hình học phôi (H/D), góc nghiêng chày (α) và hệ số ma sát (µ) tới bán kính r ..................................................73 4.3.2 Phân tích ảnh hưởng, mức phù hợp của các thông số hình học phôi ( H/D), góc nghiêng chày (α) và hệ số ma sát (µ) tới lực tạo hình Pmax........................................78 4.4 Ứng dụng kết quả nghiên cứu để dập chi tiết khớp nối trong khuôn kín ................81 4.4.1 Vật liệu thí nghiệm ...........................................................................................82 4.4.2 Thiết bị thí nghiệm ............................................................................................82 4.4.3 Bộ khuôn dập ....................................................................................................84 4.4.4 Trình tự thí nghiệm và điều kiện công nghệ dập ..............................................85 4.4.5 Kết quả thực nghiệm .........................................................................................89 4.4.6 So sánh kết quả mô phỏng và thực nghiệm ......................................................94 KẾT LUẬN CHƯƠNG 4 ..............................................................................................95 KẾT LUẬN CHUNG ....................................................................................................96 TÀI LIỆU THAM KHẢO .............................................................................................99 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN .............................106 PHỤ LỤC ....................................................................................................................107 v
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Kí hiệu Diễn giải Đơn vị H Chiều cao phôi mm D Đường kính phôi mm H/D Thông số hình học của phôi σx Ứng suất theo phương x trong hệ tọa độ MPa σy Ứng suất theo phương y trong hệ tọa độ MPa σz Ứng suất theo phương z trong hệ tọa độ MPa VP Thế tích phôi cm3 μ Hệ số ma sát α Góc nghiêng chày dập Độ (0) r Bán kính góc lượn vành mặt bích của sản phẩm (bán kính r) mm Pmax Lực dập lớn nhất Tấn A Công J  Ứng suất tương đương N/mm2 σb Giới hạn bền MPa kf Giới hạn chảy MPa σf0 Ứng suất chảy tại thời điểm mức độ biến dạng bằng 0 N/mm2 σf1 Ứng suất chảy tại thời điểm cuối quá trình ( P  max ) N/mm2 σfm Ứng suất chảy trung bình N/mm2 C Ứng suất cắt N/mm2  Mức độ biến dạng thực ε Mức độ biến dạng kỹ thuật Tm Nhiệt độ nóng chảy 0 C u Khe hở một phía chày cối mm z Khe hở hai phía chày cối mm E Mô đun đàn hồi N/mm2 e Hệ số logarit ν Hệ số Poisson S/N Tỷ lệ tín hiệu/ nhiễu METKDN Máy ép trục khuỷu dập nóng PTHH Phần tử hữu hạn vi
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng 3. 1 Các kích thước hình học của phôi dùng để mô phỏng ..................................48 Bảng 3. 2 Các bước mô phỏng quá trình tạo hình chi tiết khớp nối..............................48 Bảng 3. 3 Thành phần hóa học của thép C45 ................................................................49 Bảng 3. 4 Các thông số của thép C45 ............................................................................49 Bảng 3. 5 Điều kiện biên và thông số cho bài toán mô phỏng dập chi tiết khớp nối ....50 Bảng 3. 6 Kết quả khảo sát bán kính r và lực dập Pmax khi µ=0,3 và α = 60 .................54 Bảng 3. 7 Kết quả khảo sát bán kính r và lực dập Pmax khi µ=0,4 và α = 60 ................54 Bảng 3. 8 Kết quả khảo sát bán kính r và lực dập Pmax khi µ=0,5 và α = 60 .................55 Bảng 3. 9 Kết quả khảo sát bán kính r và lực dập Pmax khi µ=0,6 và α = 60 .................55 Bảng 3. 10 Kết quả khảo sát bán kính r và lực dập Pmax khi H/D=1,4 và α = 60 ..........58 Bảng 3. 11 Kết quả khảo sát bán kính r và lực dập Pmax khi H/D=1,6 và α = 60 ..........58 Bảng 3. 12 Kết quả khảo sát bán kính r và lực dập Pmax khi H/D=1,8 và α = 60 ..........59 Bảng 3. 13 Kết quả khảo sát bán kính r và lực dập Pmax khi H/D=2,0 và α = 60 ..........59 Bảng 3. 14 Kết quả khảo sát bán kính r và lực dập Pmax khi µ=0,3 và H/D =1,4..........62 Bảng 3. 15 Kết quả khảo sát bán kính r và lực dập Pmax khi µ=0,4 và H/D =1,4..........62 Bảng 3. 16 Kết quả khảo sát bán kính r và lực dập Pmax khi µ=0,5 và H/D =1,4..........62 Bảng 3. 17 Kết quả khảo sát bán kính r và lực dập Pmax khi µ=0,6 và H/D =1,4..........63 Bảng 4. 1 Các thông số đầu vào và đầu ra.....................................................................67 Bảng 4. 2 Phương án mô phỏng khi thay giá trị các mức của các thông số ..................69 Bảng 4. 3 Các đặc trưng chất lượng theo Taguichi .......................................................69 Bảng 4. 4 Các mức và giá trị tương ứng của các yếu tố ảnh hưởng ..............................73 Bảng 4. 5 Các trường thực nghiệm mô phỏng, kết quả mức độ bán kính r và tỷ lệ S/N .......................................................................................................................................74 Bảng 4. 6 Bảng ANOVA phân tích ảnh hưởng của các yếu tố tới bán kính r ..............74 Bảng 4. 7 So sánh bán kính r giữa hồi quy và thực nghiệm mô phỏng.........................77 Bảng 4. 8 Các trường thực nghiệm, kết quả lực tạo hình và tỷ lệ S/N ..........................78 Bảng 4. 9 Bảng ANOVA phân tích ảnh hưởng của các yếu tố tới lực tạo hình............79 Bảng 4. 10 Bảng so sánh lực tạo hình giữa hồi quy và thực nghiệm mô phỏng ...........81 Bảng 4. 11 Thông số kỹ thuật của máy ép trục khuỷu dập nóng ..................................83 Bảng 4. 12 Các bước tạo hình sản phẩm .......................................................................86 Bảng 4. 13 Bảng so sánh giữa kích thước thiết kế và sản phẩm thực tế ......................90 Bảng 4. 14 Bảng so sánh kết quả giữa mô phỏng và thực nghiệm................................94 vii
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ Hình 1. 1 Xưởng rèn ở thế kỷ 13 .....................................................................................6 Hình 1. 2 Máy búa sử dụng thủy năng và máy búa hơi nước .........................................6 Hình 1. 3 Xưởng dập tại CHLB Đức...............................................................................7 Hình 1. 4 Sơ đồ công nghệ dập khối [1] ..........................................................................7 Hình 1. 5 Sơ đồ dập khối trên khuôn hở và khuôn kín [7] ..............................................9 Hình 1. 6 Các thiết bị chính sử dụng để dập khối [9]......................................................9 Hình 1. 7 Dập khối có thể tiết kiệm đến 75% nguyên vật liệu ......................................10 Hình 1. 8 Các yếu tố của công nghệ dập trong khuôn kín [10] .....................................10 Hình 1. 9 Sơ đồ dập khối trong khuôn hở và khuôn kín [1] ..........................................11 Hình 1. 10 So sánh sản phẩm dập giữa (a) khuôn hở và (b) khuôn kín [11].................11 Hình 1. 11 Các chi tiết truyền động được dập khối trong khuôn kín từ phôi trụ đặc....11 Hình 1. 12 Sơ đồ khuôn dập trong khuôn kín ...............................................................13 Hình 1. 13 Các dạng chày được sử dụng để gia công chi tiết [21]................................13 Hình 1. 14 Các hình dạng của chày gia công [21] ........................................................13 Hình 1. 15 Kết cấu khuôn không phù hợp có thể gây ra các dạng khuyết tật [25] .......14 Hình 1. 16 Tối ưu hóa các giai đoạn dập trong khuôn kín [25] ....................................14 Hình 1. 17 Kết cấu khuôn [26] ......................................................................................15 Hình 1. 18 Khuôn được thiết kế để tăng mức độ điền đầy khi dập [27] .......................15 Hình 1. 19 Phôi qua các bước tạo hình [28] ..................................................................16 Hình 1. 20 Các kiểu hình dáng phôi được lựa chọn [29] ..............................................16 Hình 1. 21 Phôi để thí nghiệm [29] ...............................................................................16 Hình 1. 22 Sản phẩm dập từ các dạng phôi khác nhau [29] ..........................................16 Hình 1. 23 Biến dạng của phôi hình trụ bị định vị lệch tâm .........................................17 Hình 1. 24 Ảnh hưởng của nhiệt độ và vật liệu đến độ chính xác sản phẩm khi dập [43] .......................................................................................................................................19 Hình 1. 25 Biểu đồ mối quan hệ giữa lực dập và tốc độ dập ........................................20 Hình 1. 26 Bề mặt sản phẩm tạo thành ở 3 trường hợp tương ứng ...............................20 Hình 1. 27 So sánh chi tiết giữa mô phỏng và thực tế [52] ...........................................21 Hình 2. 1 Góc không điền đầy khi dập trong khuôn kín ...............................................26 Hình 2. 2 Biến dạng kiểu 1 ............................................................................................27 viii
Hình 2. 3 Biến dạng kiểu 2 ............................................................................................27 Hình 2. 4 Biến dạng kiểu 3 ............................................................................................27 Hình 2. 5 Thành phần lực tác dụng lên vật dập .............................................................35 Hình 2. 6 Đồ thị tính góc nghiêng thành lòng khuôn ....................................................36 Hình 2. 7 Bán kính lượn trên khuôn ..............................................................................37 Hình 2. 8 Các dạng lỗ chưa thấu và màng ngăn lỗ ........................................................37 Hình 2. 9 Vết nứt ở bề mặt ............................................................................................41 Hình 2. 10 Khuyết tật gấp trong sản phẩm và mô phỏng [61] ......................................42 Hình 2. 11 Dòng chảy liên tục và dòng chảy xuất hiện điểm chết ................................42 Hình 2. 12 Trường hợp a, sản phẩm không có khuyết tật; b, sản phẩm có khuyết tật ..42 Hình 2. 13 Các vết xước sâu trên bề mặt răng ..............................................................43 Hình 2. 14 Vật dập không được điền đầy ......................................................................43 Hình 3. 1 Các bước thiết lập bài toán mô phỏng [62] ...................................................46 Hình 3. 2 (a) kích thước khớp nối; (b) mô hình khớp nối 3D .......................................47 Hình 3. 3 Mô hình 3D bài toán dập chi tiết khớp nối ....................................................47 Hình 3. 4 Chia lưới phần tử cho phôi ............................................................................49 Hình 3. 5 Kết quả hình dáng sản phẩm qua các bước dập bằng mô phỏng ..................50 Hình 3. 6 Mô phỏng phá hủy ........................................................................................51 Hình 3. 7 Phân bố biến dạng .........................................................................................51 Hình 3. 8 Ứng suất tương đương ...................................................................................51 Hình 3. 9 Nhiệt độ tạo hình ...........................................................................................51 Hình 3. 10 Hướng chảy vật liệu ....................................................................................52 Hình 3. 11 Lưới biến dạng trong lòng phôi ...................................................................52 Hình 3. 12 Đồ thị lực tạo hình .......................................................................................52 Hình 3. 13 Các vị trí khó điền đầy khi dập trong khuôn kín .........................................52 Hình 3. 14 Bán kính sản phẩm tại vành mặt bích được đo trên phần mềm Autocad ....54 Hình 3. 15 Đồ thị lực dập Pmax và r với µ=0,3 và α = 60 ...............................................54 Hình 3. 16 Đồ thị biễu diễn ảnh hưởng của H/D đến bán kính r...................................56 Hình 3. 17 Đồ thị biễu diễn ảnh hưởng của H/D đến lực dập Pmax ...............................57 Hình 3. 18 Đồ thị lực dập Pmax và r với α = 60, H/D=1,4 ..............................................58 Hình 3. 19 Đồ thị biễu diễn ảnh hưởng của hệ số ma sát đến bán kính r ......................60 ix
Hình 3. 20 Đồ thị biễu diễn ảnh hưởng của hệ số ma sát đến lực dập Pmax .................61 Hình 3. 21 Đồ thị lực dập Pmax và r với µ=0,3 và H/D =1,4 .........................................62 Hình 3. 22 Đồ thị biễu diễn quan hệ của góc nghiêng chày đến bán kính r ..................63 Hình 3. 23 Đồ thị biễu diễn ảnh hưởng của góc nghiêng chày đến mức lực dập Pmax ..64 Hình 4. 1 Biểu đồ phân mức của các yếu tố H/D, µ và α cho bán kính r ......................75 Hình 4. 2 Biểu đồ mức độ ảnh hưởng của các yếu tố H/D, µ và α tới bán kính r ........75 Hình 4. 3 Biểu đồ phụ thuộc của bán kính sản phẩm tới từng thông số H/D, µ và α ...77 Hình 4. 4 Biểu đồ phân mức của các yếu tố H/D, µ và α cho lực tạo hình Pmax ...........79 Hình 4. 5 Biểu đồ mức độ ảnh hưởng của các yếu tố H/D, µ, α tới lực tạo hình Pmax ..79 Hình 4. 6 Sự phụ thuộc của lực tạo hình vào các thông số H/D, µ và α .......................80 Hình 4. 7 Phôi thí nghiệm..............................................................................................82 Hình 4. 8 Máy ép trục khuỷu 1000T-FP1000G.............................................................83 Hình 4. 9 Lò nung trung tần ..........................................................................................83 Hình 4. 10 Kết cấu khuôn chồn .....................................................................................84 Hình 4. 11 Kết cấu khối khuôn dập thô .........................................................................84 Hình 4. 12 Kết cấu khuôn dập tinh và chày dập tinh ....................................................85 Hình 4. 13 Lắp bộ khuôn dập trên máy .........................................................................85 Hình 4. 14 Trình tự thực nghiệm ...................................................................................87 Hình 4. 15 Các sản phẩm đạt yêu cầu ...........................................................................88 Hình 4. 16 Các sản phẩm bị sai hỏng khi thực nghiệm .................................................88 Hình 4. 17 Máy đo tọa độ 3 chiều Mitutoyo 544 ..........................................................89 Hình 4. 18 Máy đo biên dạng Mitutoyo CV-2100 ........................................................89 Hình 4. 19 (a) Chi tiết thiết kế; (b) sản phẩm thực tế ....................................................89 Hình 4. 20 Máy đo tọa độ 3 chiều Mitutoyo 544 đo kích thước sản phẩm ...................91 Hình 4. 21 Các vị trí lấy mẫu để soi dòng chảy ............................................................91 Hình 4. 22 Tổ chức tế vi và dòng chảy trên mẫu M1 theo phương vuông góc trục ......92 Hình 4. 23 Tổ chức tế vi và dòng chảy trên mẫu M2 theo phương dọc trục .................92 Hình 4. 24 Tổ chức tế vi và dòng chảy trên mẫu M3 theo phương dọc trục .................92 Hình 4. 25 Bảng hiển thị lực dập trên METKDN .........................................................93 x
MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Công nghệ dập khối là phương pháp gia công kim loại bằng áp lực với phôi dạng khối để nhận được các chi tiết có hình dạng và kích thước mong muốn. Công nghệ dập khối được ứng dụng rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp khác nhau, đặc biệt là trong các lĩnh vực về cơ khí chế tạo, công nghiệp ô tô, tàu thủy, hàng không, công nghiệp quân sự, công nghiệp sản xuất hàng tiêu dùng, y tế...với các sản phẩm đa dạng về chủng loại, có nhiều ưu điểm nổi bật so với các loại công nghệ khác như tiết kiệm vật liệu, năng suất cao, cải thiện cơ tính, khả năng tự động hóa sản xuất, sản phẩm có độ phức tạp và chính xác cao. Việt Nam trong xu thế hội nhập ngày một sâu rộng như hiện nay. Một trong các lĩnh vực được ưu tiên là công nghiệp ô tô. Chính phủ cũng đã ban hành những chiến lược, chính sách phát triển nhằm hỗ trợ ngành công nghiệp ô tô trong nước, trong đó đặc biệt chú trọng đến phát triển công nghiệp hỗ trợ, với các mục tiêu cụ thể về sản lượng, tỷ lệ nội địa hóa và các sản phẩm công nghiệp hỗ trợ ưu tiên phát triển như bộ truyền động, hộp số, động cơ, thân vỏ xe... Tuy nhiên, với sản lượng ô tô sản xuất, lắp ráp trong nước khá lớn (đạt trên 235.000 xe trong năm 2018, giảm 1,3% so với 2017), cho đến nay các nhà sản xuất ô tô trong nước mới chỉ nội địa hóa được một số chi tiết đơn giản, hàm lượng công nghệ thấp như gương, kính, ghế ngồi, dây điện, ắc quy, săm lốp…các chi tiết có độ phức tạp, yêu cầu kỹ thuật cao vẫn phải nhập từ nước ngoài như động cơ, khung gầm, vỏ, các bộ phận truyền động như hộp số, cầu xe, khớp nối,…Vì vậy nghiên cứu, áp dụng kết quả nghiên cứu mới để sản xuất chế tạo phụ tùng, linh phụ kiện phục vụ cho ngành công nghiệp ô tô trong nước không chỉ là nhu cầu của các nhà sản xuất lắp ráp ô tô mà còn của các doanh nghiệp cơ khí muốn tham gia vào ngành công nghiệp hỗ trợ. Hiện nay, hầu hết các chi tiết truyền động được dập tạo hình khối ở trạng thái nóng và trải qua các nguyên công cơ bản như chuẩn bị phôi, nung phôi, các nguyên công tạo hình sơ bộ, dập thô, dập tinh, các nguyên công hoàn thiện. Tuy 1
nhiên việc làm chủ công nghệ dập để nâng cao năng suất, chất lượng sản phẩm, tạo hình các chi tiết phức tạp với độ chính xác cao là vấn đề khó đang được quan tâm của ngành gia công áp lực. Việc tính toán chính xác hình dạng phôi, biên dạng lòng khuôn và kiểm soát được các thông số công nghệ trong quá trình dập tạo hình để đảm bảo độ chính xác chính xác chi tiết dập thường khó khăn và cho đến nay chưa có nghiên cứu cụ thể nào cho phép tính toán lựa chọn đồng thời các yếu tố kể trên để nâng cao độ chính xác chi tiết dập. Chính vì vậy, việc đặt ra mục tiêu nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số công nghệ và hình học đến độ chính xác của chi tiết khi dập khối trong khuôn kín, có ý nghĩa khoa học và thực tiễn như tiết kiệm vật liệu, năng lượng khi tạo hình, rút ngắn thời gian chế tạo các dạng chi tiết truyền động tương tự trong các thiết bị máy móc cơ khí. 2. Mục đích, đối tượng và phạm vi nghiên cứu của đề tài 2.1 Mục đích nghiên cứu - Xác định quy luật ảnh hưởng của các thông số hình học phôi, thông số hình học dụng cụ gia công và thông số công nghệ đến độ chính xác của sản phẩm khi dập tạo hình trong khuôn kín. - Thiết lập mối quan hệ giữa mức độ điền đầy ở vị trị vành mặt bích sản phẩm - bán kính góc lượn r (bán kính r) và lực tạo hình, phụ thuộc vào thông số hình học phôi, dụng cụ gia công và thông số công nghệ của quá trình dập dựa trên mô phỏng số kết hợp với thực nghiệm. - Đánh giá khả năng ứng dụng của kết quả nghiên cứu chế tạo chi tiết khớp nối đạt độ chính xác cao. 2.2 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu - Đối tượng: + Chi tiết khớp nối trong hệ thống truyền động của xe ô tô; + Vật liệu thép C45; + Công nghệ dập trong khuôn kín để nâng cao độ chính xác cho chi tiết; + Phần mềm mô phỏng số Deform3D ứng dụng để nghiên cứu ảnh hưởng 2
của các thông số công nghệ và hình học đến độ chính xác chi tiết khi dập khối trong khuôn kín. - Phạm vi nghiên cứu: + Miền giá trị các thông số hình học ban đầu của phôi (H/D = 1,4 đến 2,0; H - chiều cao phôi, D - đường kính phôi) trong điều kiện thể tích phôi không đổi. + Chày dập có góc nghiêng α = 60 đến 90. + Hệ số ma sát µ trong dập nóng từ 0,3 đến 0,6. + Đánh giá độ chính xác kích thước, khả năng tạo hình là mức độ điền đầy sản phẩm thông qua thông số bán kính góc lượn r trên vành mặt bích và lực dập tạo hình lớn nhất Pmax. - Hệ thống thiết bị thực nghiệm phục vụ nghiên cứu. 3. Phương pháp nghiên cứu Kết hợp nghiên cứu lý thuyết với mô phỏng và thực nghiệm: - Khảo sát, phân tích các kết quả nghiên cứu đã công bố liên quan đến đề tài ở trong và ngoài nước, từ đó làm cơ sở xác định các vấn đề cần thực hiện của luận án. - Nghiên cứu xác định các thông số hình học của phôi, dụng cụ (thông số hình học chày) và thông số công nghệ quá trình dập dựa trên phân tích mô phỏng số bằng phần mềm Deform 3D. - Nghiên cứu kiểm chứng kết quả mô phỏng số và xác định ảnh hưởng của các thông số hình học phôi, thông số hình học của chày và thông số công nghệ đến quá trình dập trong khuôn kín dựa trên hệ thống thực nghiệm được xây dựng đảm bảo tin cậy. - Ứng dụng phần mềm Matlab để xử lý dữ liệu thực nghiệm mô phỏng và xây dựng hàm số, đồ thị quan hệ giữa các thông số hình học phôi, thông số hình học của chày và hệ số ma sát với bán kính góc r và lực tạo hình Pmax. 4. Ý nghĩa của đề tài 4.1 Ý nghĩa khoa học - Phân tích đánh giá ảnh hưởng của các thông số hình học phôi (H/D), hệ 3
số ma sát (μ), thông số hình học chày (α) đến độ chính xác và lực tạo hình chi tiết khớp nối khi dập trong khuôn kín; - Bằng mô phỏng số đã khảo sát, qua đó tìm ra quy luật, dự báo và giải thích được xu hướng dòng chảy kim loại khi dập trong khuôn kín; - Các kết quả nghiên cứu đóng góp thêm vào cơ sở khoa học cho các hướng nghiên cứu chuyên sâu tiếp theo và có thể sử dụng làm tài liệu tham khảo trong đào tạo chuyên ngành tạo hình biến dạng. 4.2 Ý nghĩa thực tiễn - Dựa trên mối quan hệ giữa các thông số được khảo sát, có thể lựa chọn thông số công nghệ hợp lý và định hướng cho triển khai áp dụng vào thực tiễn khi sản xuất các chi tiết tương tự, đòi hỏi độ chính xác cao. - Xây dựng được hệ thống thực nghiệm phù hợp với điều kiện sẵn có, làm cơ sở để định hướng khi triển khai trong công nghiệp phục vụ chủ động sản xuất trong nước. 5. Các điểm mới của luận án - Xây dựng được miền giá trị H/D, thông số hình học chày, hệ số ma sát dựa trên mô phỏng số để đảm bảo mức độ điền đầy lòng khuôn và lực tạo hình; - Xây dựng mô hình toán học biểu diễn ảnh hưởng đồng thời của các thông số công nghệ và hình học đến mức độ điền đầy và lực tạo hình. - Đánh giá độ chính xác khi dập chi tiết đầu khớp nối thông qua thực nghiệm và so sánh với mô phỏng. Kết quả chi tiết đạt độ chính xác yêu cầu, khẳng định tính công nghệ là phù hợp. 6. Các nội dung chính trong luận án Luận án ngoài các mục quy định và phần Mở đầu được trình bày trong 04 Chương: Chương 1. Tổng quan về công nghệ dập khối trong khuôn kín Chương 2. Cơ sở lý thuyết công nghệ dập khối trong khuôn kín Chương 3. Nghiên cứu ảnh hưởng của các yếu tố đến độ chính xác chi tiết khớp nối khi dập trong khuôn kín bằng mô phỏng số 4
Chương 4. Nghiên cứu thực nghiệm kiểm chứng dập chi tiết khớp nối trong khuôn kín. Kết luận chung và hướng phát triển của đề tài. Danh mục tài liệu tham khảo. Danh mục các công trình đã công bố của luận án. Phụ lục luận án. 5
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ DẬP KHỐI TRONG KHUÔN KÍN 1.1 Khái quát công nghệ dập tạo hình khối 1.1.1 Dập khối Dập khối là phương pháp gia công kim loại bằng áp lực, phôi dạng khối (ở trạng thái nóng hoặc nguội) dưới tác dụng của ngoại lực để đạt được hình dáng, kích thước mong muốn mà không có sự phá hủy liên kết trong vật liệu và được bảo toàn thể tích. Trong đó vật liệu kim loại được biến dạng dẻo và điền đầy lòng khuôn và tạo ra chi tiết có kích thước, biên dạng giống như lòng khuôn [1-4]. Từ hàng nghìn năm trước, tới thế kỷ 13-14 luyện kim và rèn dập đã trở nên rất phổ biến với nhiều ứng dụng trong chế tác nông cụ, đồ gia dụng, vũ khí, áo giáp, trang sức… Hình 1. 1 Xưởng rèn ở thế kỷ 13 Hình 1. 2 Máy búa sử dụng thủy năng và máy búa hơi nước 6
Vào thế kỷ 16 người ta đã chế tạo được máy búa sử dụng thủy năng, máy búa thủy lực và tới thế kỷ 19, máy búa hơi nước đầu tiên ra đời. Vào thời đại công nghiệp nặng, nền cơ khí phát triển mạnh, các nhà máy mở ra ồ ạt, sản xuất chế tạo tăng nhanh, kéo theo sự phát triển của ngành rèn dập cả về chất và lượng, đóng vai trò quan trọng trong ngành công nghiệp chế tạo. Hiện nay, bằng việc ứng dụng các thành tựu công nghệ thông tin và tự động hóa đã phát triển những công nghệ dập khối tiên tiến, kiểm soát hoàn toàn quá trình tạo hình, tạo nên những sản phẩm có kích thước và độ phức tạp hình học cao, đạt cơ tính và chất lượng bề mặt tốt, thậm chí không cần qua gia công cơ để được sản phẩm cuối cùng [1, 3]. Hình 1. 3 Xưởng dập tại CHLB Đức Sơ đồ quá trình dập khối được thực hiện qua các bước công nghệ Hình 1. 4 Sơ đồ công nghệ dập khối [1] 7
- Chuẩn bị phôi: Phôi được chuẩn bị với kích thước theo tính toán và thường có hình dạng ban đầu là thanh có tiết diện ngang hình tròn, vuông, chữ nhật. - Nung phôi: Việc nung phôi rất quan trọng nhằm tăng tính dẻo cho kim loại, nâng cao khả năng biến dạng dẻo, giảm năng lượng dập tạo hình. Đối với một số trường hợp kim loại dễ biến dạng, hoặc mức độ biến dạng nhỏ, chi tiết có thể được dập tạo hình ở trạng thái nguội. - Dập tạo hình: có thể là rèn hoặc dập khối trong khuôn hở hoặc dập trong khuôn kín để tạo hình chi tiết. - Xử lý sau khi dập: Sản phẩm sau khi dập có thể trải qua các công đoạn hoàn thiện như gia công cơ, nhiệt luyện… - Trong sơ đồ công nghệ dập khối có thể thấy được 2 giai đoạn rất quan trọng, quyết định sự thành công của công nghệ đó là nung phôi và dập tạo hình. Nung phôi đảm bảo cho đạt được nhiệt độ của phôi đến nhiệt độ tạo hình và ổn định nhiệt độ của phôi đồng đều trên toàn bộ thể tích. Tuỳ vào vật liệu mà nhiệt độ bắt đầu tạo hình có thể khác nhau. Thông thường đối với thép cacbon nhiệt độ bắt đầu tạo hình là từ 10000C đến 12000C [1]. Dập khối bao gồm các nguyên công dập sơ bộ, nhằm đưa hình dạng của phôi ban đầu về gần giống với sản phẩm để đảm bảo cho nguyên công dập tinh cuối cùng được thành công, thuận lợi cho kim loại điền đầy lòng khuôn, cải thiện điều kiện làm việc, nâng cao tuổi thọ cho lòng khuôn tinh, tạo ra sản phẩm có độ chính chính xác theo yêu cầu [5]. Các nguyên công dập sơ bộ thường được sử dụng đó là chồn, ép tụ, vuốt, uốn, rèn cán. Sau khi tạo hình sơ bộ, phôi được đưa vào dập trong lòng khuôn. Có 2 dạng khuôn được sử dụng là khuôn hở và khuôn kín. Khuôn hở được áp dụng đối với những chi tiết có hình dạng phức tạp, nhiều vấu, nhánh, khó chuẩn bị phôi chính xác để kim loại phân bố đồng đều trên mặt cắt ngang của lòng khuôn khi dập. Khuôn kín được áp dụng với những sản phẩm có thể tính toán chính xác thể tích phôi [6], không đòi hỏi mức độ tạo hình sơ bộ phôi cao như dập trong khuôn hở. Hiện nay, trong công nghệ dập khối, nhờ mô phỏng số chúng ta có thể xem 8
xét đánh giá được ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến sản phẩm một cách nhanh chóng. a) khuôn hở b) khuôn kín Hình 1. 5 Sơ đồ dập khối trên khuôn hở và khuôn kín [7] Các nguyên công trong dập khối được thực hiện trên các loại thiết bị thông dụng như máy búa (máy búa hơi nước không khí nén, búa thuỷ lực), máy ép trục khuỷu dập nóng, máy ép ma sát trục vít, máy ép cung điện stator,... [1, 8, 9]. Máy búa thủy lực Máy ép trục khuỷu dập nóng Máy ép ma sát trục vít Hình 1. 6 Các thiết bị chính sử dụng để dập khối [9] 1.2.2 Dập khối trong khuôn kín Dập khối trong khuôn kín là phương pháp công nghệ có nhiều ưu điểm nổi bật so với các loại hình công nghệ khác như: tiết kiệm nguyên vật liệu (hình 1.7), hiệu quả về mặt kinh tế, năng suất cao. Công nghệ dập khối trong khuôn kín là phương pháp tạo hình bằng áp lực để tạo ra các sản phẩm có độ chính xác về hình dáng kích thước cũng như chất lượng bề mặt theo các yêu cầu thiết kế. 9
Hình 1. 7 Dập khối có thể tiết kiệm đến 75% nguyên vật liệu Các khía cạnh nghiên cứu về công nghệ dập khối trong khuôn kín có thể kể đến như: thông số công nghệ quá trình dập; thông số hình học của phôi; độ chính xác của thiết bị và khuôn. Việc nghiên cứu sâu về công nghệ này giúp: nâng cao độ chính xác của chi tiết dập, tiết kiệm vật liệu, giảm thời gian gia công cơ. Một số nghiên cứu đã chỉ ra rằng trong dập khối trong khuôn kín phôi trước khi đưa vào dập phải được tính toán chính xác. Với các vật dập dọc thì cần độ chính xác về thể tích phôi, với vật dập ngang thì đòi hỏi cả về mức độ hình dáng của phôi [10]. Hình 1. 8 Các yếu tố của công nghệ dập trong khuôn kín [10] Dập khối với độ chính xác cao thường được tiến hành trong lòng khuôn kín (khuôn dập không có vành biên) [6]. Tuỳ thuộc vào hình dáng, kích thước, yêu 10