Mô phỏng số quá trình cán vành tạo hình cho chi tiết vòng bi

- ĐỖ QUANG LONG MÔ PHỎNG SỐ QUÁ TRÌNH CÁN VÀNH TẠO HÌNH CHO CHI TIẾT VÒNG BI Chuyên ngành: KHOA HỌC VÀ KỸ THUẬT VẬT LIỆU KIM LOẠI LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC KỸ THUẬT VẬT LIỆU NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS.
- 13TỔNG QUAN CÁC PHƯƠNG PHÁP TẠO HÌNH SẢN PHẨM VÀNH.
- 131.1 Giới thiệu về các phương pháp tạo hình chi tiết dạng vành.
- 131.1.1 Phương pháp đúc.
- 131.1.2 Phương pháp dập.
- 141.1.3 Phương pháp rèn.
- 151.1.4 Phương pháp gia công cắt gọt.
- 161.1.5 Phương pháp ép chảy.
- 171.1.6 Công nghệ cán vành.
- 181.2 Một số công trình nghiên cứu về cán vành.
- 191.3 Sản phẩm của cán vành và ứng dụng.
- 25CƠ SỞ QUÁ TRÌNH CÁN VÀNH.
- 252.1 Nguyên lý cán vành.
- 252.2 Các thông số cơ bản trong cán vành.
- 262.2.2 Chiều dài vùng biến dạng.
- 302.3 Quy trình công nghệ.
- 332.4 Mô tả công nghệ.
- 352.5 Phân loại.
- 40CƠ SỞ BIẾN DẠNG TẠO HÌNH VÀ MÔ HÌNH ỨNG XỬ VẬT LIỆU.
- 403.1 Một số khái niệm sử dụng trong mô hình vật liệu.
- 403.1.2 Biến dạng tương đương.
- 413.2 Ảnh hưởng của một số thông số công nghệ đến quá trình cán vành nóng.
- 433.2.1 Ảnh hưởng của ma sát.
- 433.2.2 Ảnh hưởng của nhiệt độ.
- 453.2.3 Ảnh hưởng của tốc độ biến dạng.
- 463.3 Giới thiệu mô hình ứng xử cơ-nhiệt ứng dụng trong bài toán biến dạng nóng.
- 604.2.2 Modun cán vành (Ring rolling.
- 634.3.1 Mô hình hình học.
- 634.3.2 Mô hình vật liệu (Johnson-Cook.
- 695.1 Đường cong quan hệ giữa ứng suất và biến dạng nhận được.
- 695.2 Ảnh hưởng của ma sát.
- 725.3 Ảnh hưởng của vận tốc quay.
- 735.4 Ảnh hưởng của nhiệt độ.
- 755.5 Ảnh hưởng của tốc độ ép.
- Tác giả luận văn Đỗ Quang Long 6DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ CÁI VIẾT TẮT Ký hiệu Tên Thứ nguyên JC Johnson – Cook - SCGL Steinberg – Cochran – Guinan – Lund - ZA Zerilli – Armstrong - MTS Mechanical Threshold Stress - PTN Preston – Tonks – Wallace - n1 Tốc độ quay của trục ngoài r.min-1 vf Tốc độ tịnh tiến của trục trong mm.s-1 na Tốc độ quay của trục hướng tâm r.min-1 vw Tốc độ tịnh tiến của trục hướng tâm mm.s-1 α1 Góc ăn phôi vào trục dẫn động rad α2 Góc ăn phôi vào trục áp lực rad ∆h1 Lượng ép gây ra bởi trục dẫn động mm ∆h2 Lượng ép gây ra bởi trục áp lực mm R1 Bán kính trục dẫn động mm R2 Bán kính trục áp lực mm Rn Bán kính ngoài của phôi mm rt Bán kính trong của phôi mm R Bán kính ngoài của sản phẩm mm r Bán kính trong của sản phẩm mm f Hệ số ma sát - l1 Chiều dài vùng bd gây ra bởi trục dẫn động mm l2 Chiều dài vùng bd gây ra bởi trục áp lực mm σ Ứng suất tương đương MPa ε Biến dạng tương đương mm/mm 7DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 2.1 - Các vùng nhiệt độ cho một số kim loại điển hình Bảng 3.1 - Một số hệ số ma sát trong tạo hình khi dùng ma sát trượt Bảng 4.1 - Hệ số của mô hình Jonhson-Cook 8DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 1.1- Mô tả công nghệ đúc chế tạo chi tiết dạng vành Hình 1.2 - Mô tả công nghệ dập chế tạo chi tiết dạng vành Hình 1.3 - Mô tả công nghệ rèn chế tạo chi tiết dạng vành Hình 1.4 - Mô tả công nghệ gia công cắt gọt chế tạo chi tiết dạng vành Hình 1.5 - Mô tả công nghệ ép chảy chế tạo chi tiết dạng vành Hình 1.6 - Mô tả nguyên lý cán vành Hình 1.7 - Các chi tiết dạng vành có kích thước lớn Hình 2.1 - Nguyên lý cán vành Hình 2.2 - Mô hình tính toán góc ăn trong cán vành Hình 2.3 - Mô hình tính toán chiều dài vùng biến dạng Hình 2.4 - Mô hình tính toán cơ học của cán vành Hình 2.5 - Mô hình tính toán lực và mô men cán vành (cán nguội) Hình 2.6 - Điều kiện cân bằng của phân tố abcd Hình 2.7 - Quy trình công nghệ cán vành Hình 2.8- Thiết bị cán vành Hình 2.9 - Giá cán trục nằm Hình 2.10 - Giá cán trục đứng và sản phẩm Hình 2.11 - Máy cán lỗ hình kín (a) và máy cán lỗ hình hở Hình 4.1 - Quy trình thực hiện mô phỏng số Hình 4.2 - Quá trình tối ưu hóa công nghệ nhờ mô phỏng số Hình 4.3 - Những ưu điểm của mô phỏng Hình 4.4 - Giao diện Mođun cán vành (Ring rolling) Hình 4.5 - Các bước thực hiện bài toán cán vành Hình 4.6 - Hình học sản phẩm (a) và phôi (b) Hình 4.7 - Hình học khuôn trong và ngoài Hình 4.8 - Ứng xử của vật liệu AISI4340 với các tốc độ biến dạng khác nhau Hình 4.9 - Đồ thị xác định hằng số A, B và n 9Hình 4.10 - Đồ thị xác định hằng số C Hình 4.11 - Lưới phần tử của phôi và trụ Hình 5.1 - Đường cong ứng suất biến dạng nhận được khi cán vành vòng bi, với f = 0.7, ω = 20 rad/s, v = 1mm/s và T0=10000C Hình 5.2 - Phân bố biến dạng và nhiệt độ trên vành tròn Hình 5.3 - Phân bố biến dạng tương đương theo quá trình cán tại vị trí P1, P2 và P3 Hình 5.4 - Phân bố ứng suất nhận được tại mặt cắt theo chiều cao của phôi Hình 5.5 - Phân bố ứng suất nhận được tại mặt cắt theo chiều dày của phôi Hình 5.6 - Mức độ biến dạng nhận được khi thay đổi hệ số ma sát f tại T0=10000C và v = 1 mm/s Hình 5.7 - Biến dạng tương đương lớn nhất phụ thuộc vào tốc độ quay của trục quay ω rad/s tại T0 =10000C, f=0.7 và v = 1 mm/s Hình 5.8 - Biến dạng tương đương lớn nhất phụ thuộc vào tốc độ quay của trục quay ω rad/s tại T0 =10000C, f=0.7 và v = 1 mm/s Hình 5.9 - Ảnh hưởng của nhiệt độ Hình 5.10 - Nhiệt độ kết thúc cán tương ứng với nhiệt độ phôi ban đầu với T và 11000C, f=0.7 và v = 1 mm/s Hình 5.11 - Quá trình tăng nhiệt theo chiều cao phôi (a), chiều dày phôi (b) theo 3 vị trí P1, P2 và P3 Hình 5.12 - Ảnh hưởng của tốc độ trục ép v=1 và 2mm/s tại T0 =10000C, f=0.7 và ω = 20 rad/s 10LỜI NÓI ĐẦU Tạo hình các chi tiết dạng vành ở nước ta cũng đã được các nhà chuyên môn quan tâm nghiên cứu nhưng chủ yếu sử dụng các phương pháp truyền thống như đúc, tiện, phay … Tuy nhiên các phương pháp này còn có nhiều điểm hạn chế về cơ tính.
- Các chi tiết sau khi đúc, tiện phải có một chế độ xử lý cơ nhiệt phù hợp mới có được những tính chất mong muốn.
- Các chi tiết dạng vành có kích thước đường kính lớn như bánh răng, vòng bi, bạc lót, vòng đai.
- Để sản xuất những chi tiết dạng vành tròn có kích thước lớn này, chỉ có thể áp dụng được phương pháp đúc, tuy nhiên nhược điểm cơ tính thấp khiến cho phương pháp này ít được sử dụng để chế tạo.
- Nhằm khắc phục những nhược điểm của các phương pháp gia công truyền thống trong việc sản xuất các chi tiết vành cỡ lớn, nhiều nhà kỹ thuật trên thế giới đã nghiên cứu và phát triển một phương pháp công nghệ mới đó là “cán vành” cho phép nâng cao năng suất, chất lượng, dễ dàng đa dạng hóa sản phẩm trên cùng một thiết bị và phù hợp với mọi loạt sản xuất từ nhỏ đến lớn.
- Cán vành là phương pháp tạo hình các chi tiết dạng vành trụ bằng cách làm giảm chiều dày và tăng đường kính từ phôi hình trụ rỗng.
- Trên cơ sở tiết diện phôi bị nén theo hướng kính tạo ứng suất kéo theo phương tiếp tuyến để làm tăng đường kính sản phẩm.
- Phương pháp cán vành làm tăng cơ tính của chi tiết nhờ tổ chức thớ của kim loại theo phương tiếp tuyến của vành tròn.
- Ngoài ra, các chi tiết nhận được từ phương pháp này có thể đạt được kích thước và khối lượng lớn, khả năng tự động hóa cao, thiết bị không quá phức tạp, tiết kiệm vật liệu, thời gian chế tạo ngắn nên năng suất rất cao.
- Hơn nữa, việc nghiên cứu ứng xử cơ nhiệt, tối ưu công nghệ này chưa được quan tâm đầy đủ.
- Đối với chi tiết vòng bi làm việc trong điều kiện khắc nghiệt vừa phải đảm bảo khả năng chịu mài mòn, độ dẻo dai cao, đôi khi còn chịu cả nhiệt độ cao nên để đưa ra được các thông số công nghệ tối ưu là rất cần thiết.
- Với những ưu điểm nổi trội của công nghệ cán vành và hiện nay chưa có công trình nghiên cứu nào về cán vành ở Việt Nam, chính vì vậy tác giả đã lựa chọn đề tài: “Mô phỏng số quá trình cán vành tạo hình cho chi tiết vòng bi” nhằm làm chủ và tối ưu công nghệ cán vành chi tiết vòng bi bằng mô phỏng số.
- Chương 1 giới thiệu tổng quan các phương pháp tạo hình sản phẩm dạng vành qua đó cho thấy vai trò và ý nghĩa khi ứng dụng công nghệ cán vành.
- Chương 2 trình bày cơ sở quá trình cán vành từ nguyên lý, các thông số chính, qui trình công nghệ và phân loại quá trình cán vành.
- Giới thiệu các mô hình vật liệu dẻo nhớt trong quá trình tạo hình nóng và ứng dụng mô hình cứng dẻo nhớt của Jonhson-Cook được trình bày trong chương 3.
- Chương 4 ứng dụng phần mềm DEFORM3D để mô phỏng tối ưu bài toán cán vành vòng bi tang trống tự lựa một dãy.
- Cuối cùng trong chương 5 đã đưa ra phân tích các kết quả qua đó làm rõ ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến quá trình tạo hình chi tiết vòng bi.
- 12LỜI CẢM ƠN Tác giả xin chân thành cảm ơn tới TS Lê Thái Hùng đã trực tiếp hướng dẫn, tận tình chỉ bảo, giúp đỡ tôi trong suốt quá trình thực hiện luận văn này.
- Tác giả xin chân thành cảm ơn tới sự giúp đỡ tạo điều kiện thuận lợi của các thầy cô Viện Khoa học và kỹ thuật vật liệu Đại học Bách Khoa Hà Nội trong quá trình học tập.
- Tác giả xin chân thành cảm ơn tới sự giúp đỡ tạo điều kiện thuận lợi của các cán bộ Bộ môn Cơ học vật liệu và cán kim loại, PTN Công nghệ vật liệu kim loại, Đại học Bách Khoa Hà Nội trong quá trình học tập và thực nghiệm để hoàn thành luận văn.
- Tác giả Đỗ Quang Long 13CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN CÁC PHƯƠNG PHÁP TẠO HÌNH SẢN PHẨM VÀNH 1.1 Giới thiệu về các phương pháp tạo hình chi tiết dạng vành Để chế tạo các chi tiết dạng vành có thể áp dụng nhiều biện pháp công nghệ như đúc, dập, rèn, gia công cắt gọt, ép chảy, cán vành.
- Dưới đây sẽ giới thiệu nguyên lý và ưu nhược điểm của các công nghệ này.
- 1.1.1 Phương pháp đúc Hình 1.1- Mô tả công nghệ đúc chế tạo chi tiết dạng vành Nguyên lý: Đúc là một phương pháp chế tạo chi tiết bằng cách rót kim loại lỏng vào khuôn đúc như mô tả trong hình 1.1.
- Hình dáng của lòng khuôn giống hình dáng của chi tiết cần chế tạo.
- Khuôn dễ chế tạo, có thể sử dụng được nhiều lần.
- Có thể xác định thành phần thông qua phối liệu.
- Nhược điểm.
- Khó đúc những chi tiết thành mỏng và biên dạng phức tạp.
- Sản phẩm chứa nhiều ứng suất dư, chứa nhiều rỗ khí - Khó tự động hóa, chi phí sản xuất lớn 14Nhận xét: Phương pháp này có thể chế tạo được hầu hết các chi tiết tuy nhiên độ phức tạp của việc làm khuôn tăng theo độ phức tạp của chi tiết.
- Các chi tiết có yêu cầu cao về cơ lý tính thì đúc khó có thể đáp ứng được yêu cầu do đặc thù của công nghệ.
- 1.1.2 Phương pháp dập Hình 1.2 - Mô tả công nghệ dập chế tạo chi tiết dạng vành bánh răng Nguyên lý: Dưới tác dụng của chày ép, phôi bị biến dạng, điền đầy vào lòng khuôn để tạo ra chi tiết có hình dạng và kích thước theo yêu cầu.
- Trên hình 1.2 a) mô tả nguyên lý dập chi tiết dạng vành và trên hình 1.2 b) là sản phẩm bánh răng nhận được sau quá trình dập.
- Năng suất lao động cao do có thể cơ khí hóa và tự động hóa quá trình sản xuất.
- Có thể tạo được các chi tiết kích thước từ rất nhỏ đến những chi tiết có kích thước lớn.
- Chất lượng bề mặt chi tiết thấp, độ chính xác không cao.
- a) b) Chày Cối Phôi Sản phẩm 15- Không thể tạo được những chi tiết có hình dạng và kết cấu phức tạp.
- Dập tạo hình khối thường phải sử dụng các thiết bị lớn đắt tiền do vậy chỉ thích hợp với sản xuất hàng loạt lớn.
- Nhận xét: Có thể chế tạo được nhiều chi tiết nhưng với những chi tiết càng lớn thì càng khó thực hiện.
- Công nghệ dập hầu hết chỉ áp dụng cho những chi tiết mỏng, số lượng lớn.
- Với những chi tiết dạng vành cỡ lớn, phương pháp này gần như là không khả thi.
- 1.1.3 Phương pháp rèn Hình 1.3 - Mô tả công nghệ rèn chế tạo chi tiết dạng vành Nguyên lý: Rèn là phương pháp biến dạng khối với lực động hoặc tĩnh để tạo ra sản phẩm.
- Trên hình 1.3 mô tả quá trình rèn để chế tạo chi tiết dạng vành.
- Chất lượng sản phẩm tốt do có quá trình làm nhỏ hạt và biến dạng.
- Nhược điểm: 16- Độ chính xác, độ bóng bề mặt chi tiết không cao.
- Chất lượng sản phẩm phụ thuộc nhiều vào tay nghề công nhân.
- Nhận xét: Là một phương pháp khá thủ công, có thể áp dụng được cho những chi tiết lớn tuy nhiên phương pháp này cho độ chính xác không cao.
- Với những chi tiết lớn, thiết bị là một vấn đề vô cùng nan giải.
- 1.1.4 Phương pháp gia công cắt gọt Hình 1.4 - Mô tả công nghệ gia công cắt gọt chế tạo chi tiết dạng vành Nguyên lý: Dùng các thiết bị chuyên dụng như máy tiện, phay để cắt gọt phôi tới khi tạo thành sản phẩm.
- Trên hình 1.4 là mô tả công nghệ tiện và phay chi tiết dạng vành.
- Gia công chế tạo một cách chính xác.
- Bề mặt sản phẩm tốt.
- Có thể tự động hóa, sản xuất hàng loạt Nhược điểm.
- Chất lượng sản phẩm phụ thuộc nhiều vào chất lượng của phôi.
- Sản phẩm có kích thước lớn khó gia công

Xem thử không khả dụng, vui lòng xem tại trang nguồn
hoặc xem Tóm tắt