- NGUYỄN QUANG THẮNG NGHIÊN CỨU SỰ HÌNH THÀNH KHUYẾT TẬT DO MẤT ỔN ĐỊNH TRONG DẬP KHỐI Chuyên ngành : CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGÀNH: CÔNG NGHỆ CƠ KHÍ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC : PGS.TS. - NGUYỄN ĐẮC TRUNG Hà Nội – Năm 2011 LỜI CAM ĐOAN Tôi là Nguyễn Quang Thắng, học viên lớp Cao học Công nghệ chế tạo máy – Khoá 2009, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội. - Tôi đã quyết định chọn đề tài tốt nghiệp là: “Nghiên cứu sự hình thành khuyết tật do mất ổn định trong dập khối”. - Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của cá nhân tôi dưới sự hướng dẫn của PGS.TS. - Hà Nội, ngày 16 tháng 10 năm 2011 Tác giả Nguyễn Quang Thắng 1MỤC LỤC Trang bìa phụ Lời cam đoan Mục lục Danh mục các kí hiệu và chữ viết tắt Danh mục bảng, hình vẽ và đồ thị MỞ ĐẦU Chương 1 - TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ DẬP KHỐI Khái niệm chung về tạo hình khối Định nghĩa Đặc điểm chung của công nghệ Các dạng sản phẩm điển hình Thiết bị thực hiện Các nguyên công trong nghệ trong dập khối Nguyên công chồn Nguyên công vuốt Nguyên công dập khối trong khuôn hở Nguyên công dập khối trong khuôn kín Nguyên công ép chảy Chương 2 - NGHIÊN CỨU SỰ MẤT ỔN ĐỊNH VÀ SỰ HÌNH THÀNH KHUYẾT TẬT “GẤP Sự mất ổn định trong kết cấu Khái niệm về mất ổn định thanh Một số ví dụ về mất ổn định trong kết cấu Sự mất ổn định trong công nghệ tạo hình vật liệu Sự hình thành khuyết tật gấp trong nguyên công chồn Sự hình thành khuyết tật trong nguyên công dập khối Sự hình thành khuyết tật trong nguyên công ép chảy Chương 3 - THIẾT LẬP MÔ HÌNH TÍNH TOÁN 2QUÁ TRÌNH BIẾN DẠNG DẺO TRONG BÀI TOÁN CHỒN Các phương trình cơ bản Phương trình liên tục . - Phương trình quan hệ giữa ứng suất và biến dạng . - Thiết lập mô hình bài toán chồn phôi ống Mô hình hình học Mô hình vật liệu Mô hình vật liệu cho dụng cụ gia công Mô hình vật liệu dùng cho phôi . - Mô hình lưới phần tử . - Mô hình tiếp xúc Nghiên cứu khảo sát quá trình biến dạng mất ổn định gây khuyết tật "Gấp" trong bài toán chồn phôi ống . - Mô phỏng quá trình chồn phôi ống . - Tiến hành mô phỏng số Các trường hợp mô phỏng Trường hợp Trường hợp Trường hợp . - Kết quả mô phỏng . - Kết luận Chương 4 - NGHIÊN CỨU BÀI TOÁN DẬP KHỐI CHI TIẾT ỐNG NỐI VÀ BÁNH RĂNG CÔN RĂNGTHẲNG . - Mô hình hóa quá trình dập chi tiết ống nối Mô hình hình học Mô hình lưới phần tử Kết quả mô phỏng số quá trình chồn phôi ống ở trạng thái nguội với phần mềm DEFORM Đánh giá kết quả sau khi mô phỏng quá trình chồn chi tiết ống nối Mô hình hóa quá trình dập chi tiết bánh răng côn răng thẳng với phần mềm DEFORM Mô hình hình học Mô hình lưới phần tử Kết quả mô phỏng Đánh giá kết quả sau khi dập chi tiết bánh răng côn răng thẳng Kết luận KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ LỜI CẢM ƠN TÀI LIỆU THAM KHẢO BẢNG CÁC KÝ HIỆU Ký hiệu Ý nghĩa Đơn vị đo E Mô đun đàn hồi Pa G Mô đun cắt MPa kfm Ứng suất chảy trung bình N/mm2 l0 Chiều dài của phôi ban đầu mm l Chiều dài của phôi sau ép mm T Nhiệt độ tuyệt đối °K Tf Nhiệt độ nóng chảy °K −T Ten xơ ứng suất Wges Công biến dạng cần thiết KN.m V Thể tích biến dạng mm3 ε1, ε2, ε3 Biến dạng chính εi Cường độ biến dạng ε Tốc độ biến dạng ϕ Mức độ biến dạng chính ϕmax Mức độ biến dạng chính lớn nhất λ Hệ số nhân dẻo µ Hệ số ma sát l ρ Mật độ khối lượng kg σ1, σ2, σ3 Ứng suất chính N/mm2 σe Ứng suất tương đương N/mm2 τ Ma sát Tresca ν Hệ số poisson 5DANH MỤC BẢNG, HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình Ý nghĩa Trang1.1 Sơ đồ khối của quá trình dập khối 11 1.2 Phân loại dập khối 12 1.3 Các sản phẩm dập khối điển hình 13,14 1.4 Các loại thiết bị 15,16 1.5 Sơ đồ bài toán chồn 17 1.6 Phôi rèn vuốt (khi l0/a lớn) 18 1.7 Dập khối trong khuôn hở 19 1.8 Sơ đồ bài toán ép chảy thuận phôi có tiết diện ngang tròn 22 2.1 Thanh chịu kéo nén 25 2.2 Thanh chịu xoắn 26 2.3 Thanh chịu uốn dọc 27 2.4 Sơ đồ nguyên công chồn phôi 29 2.5 kết quả sau các quá trình chồn phôi 30 2.6 Phôi bị cong do mất ổn định trong quá trình chồn 31 2.7 Sản phẩm Bu lông bị khuyết tật sau khi chồn 31 2.8 Quá trình dập Bu lông 32 2.9 khi tỷ số chồn l/d = 7 thì cần thiết phải chồn 3 bước 32 2.10 khi tỷ số chồn l/d = 12 thì cần thiết phải chồn 5 bước 33 2.11 Khuôn trên có dạng côn để tránh mất ổn định khi chồn 34 2.12 Chi tiết bánh răng sau khi cắt Hình ảnh mô phỏng quá trình dập chi tiết Hình ảnh mô phỏng dập chi tiết dạng hình trụ 39 2.17 Hình 2.17 Khuôn được tối ưu hóa trong quá trình dập 40 2.18 Các khuyết tật của chi tiết trong nguyên công ép chảy thuận 41 2.19 Mô hình bài toán ép chảy ngược 42 2.20 Mô hình lưới phần tử chia cho phôi 42 6Hình Ý nghĩa Trang2.21 Biến dạng của phôi qua các quá trình 43 2.22 Phân bố ứng suất trên phôi ở cuối quá trình 45 2.23 Kết quả mô phỏng số ép chảy thuận nghịch với bộ khuôn thiết kế chưa chính xác 46 2.24 Mẫu thử nghiệm với bộ khuôn thiết kế chưa chính xác 47 2.25 Kết quả mô phỏng số ép chảy thuận nghịch với bộ khuôn đã tối ưu 47 3.1 Mô hình hình học bài toán chồn phôi ống 52 3.2 Đường cong chảy của vật liệu 54 3.3 Phần tử solid với 10 nút và solid với 8 nút 55 3.4 Mô hình lưới phần tử bài toán chồn phôi ống 55 3.5 Cặp tiếp xúc giữa khuôn và phôi 56 3.6 Mô hình 2D bài toán chồn phôi ống Hình ảnh phôi mất ổn định trong quá trình chồn Bảng kết quả của quá trình chồn phôi ống 65 3.20 Đồ thị mối quan hệ giữa chiều dày phôi và mất ổn định khi chiều cao phôi thay đổi 66 3.21 Đồ thị mối quan hệ giữa chiều cao phôi và mất ổn định khi chiều dày phôi thay đổi 67 4.1 Mô hình 3D của mô hình hình học 4.2 Mô hình lưới của bài toán 4.3 Hình dáng phôi ban đầu 4.4 Mô phỏng quá trình chồn phôi ống qua các giai đoạn 4.5 Sản phẩm cuối cùng sau khi chồn dạng 3D 4.6 Kết cấu khuôn khi dập bánh răng côn răng thẳng 4.7 Đồ thị lực trong dập tạo hình bánh răng côn răng thẳng 7LỜI MỞ ĐẦU Trong những năm gần đây, cùng với sự phát triển mạnh mẽ của nền kinh tế, chất lượng sản phẩm yêu cầu ngày càng cao, đa dạng về mẫu mã, chủng loại và phải đáp ứng nhanh chóng về mặt thời gian. - Do vậy, tối ưu hoá công nghệ nhằm nâng cao chất lượng, giảm chi phí thiết kế, sản xuất và hạ giá thành sản phẩm luôn là tiêu chí hàng đầu cho tất cả các nhà sản xuất. - Trước đây, khi công nghệ chưa phát triển, tối ưu hoá công nghệ thường dựa trên kinh nghiệm sản xuất và tối ưu dần trong quá trình sản xuất mà không có tính tổng quát nên hiệu quả thường không cao. - Trong những năm gần đây, cùng với sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ thông tin, điện tử, tự động hoá đã trợ giúp quá trình tối ưu hoá công nghệ một cách đơn giản, nhanh chóng và chính xác bằng phương pháp mô phỏng số trên máy tính đem lại hiệu quả cao trong nghiên cứu khoa học cũng như trong sản xuất. - Ở nước ta hiện nay, mô phỏng số vẫn còn là một vấn đề mới mẻ, hầu như chưa được ứng dụng phổ biến vào sản xuất mà chỉ được nghiên cứu ở một số trường đại học cũng như các viện nghiên cứu. - Để góp phần vào sự phát triển chung của việc nghiên cứu tối ưu hoá công nghệ nhờ mô phỏng số và thúc đẩy ứng dụng kết quả tối ưu vào sản xuất công nghiệp, luận văn này tập chung nghiên cứu khuyết tật “Gấp” là khuyết tật hay xảy ra trong công nghệ dập khối và ứng dụng phương pháp mô phỏng số nhờ phần mềm DEFORM nhằm tối ưu hoá công nghệ dập khối để tránh được khuyết tật này. - Chương 1 giới thiệu tổng quan về công nghệ dập khối, mô hình quá trình dập khối, đặc điểm, các dạng sản phẩm của quá trình dập khối, ngoài ra còn giới thiệu về các khuyết tật xảy ra ở các nguyên công trong quá trình dập khối 8Chương 2 trình bày các kết quả nghiên cứu về sự hình thành mất ổn định trong kết cấu, các dạng khuyết tật của sản phẩm trong dập khối, nghiên cứu và chỉ ra các nguyên nhân gây nên khuyết tật đó và các biện pháp khắc phục. - Vấn đề về xây dựng mô hình bài toán chồn phôi ống được trình bày trong chương 3. - Đây là một dạng phôi chưa được sử dụng nhiều trong dập khối, nhưng lai rất phù hợp với các sản phẩm có lỗ lắp ghép. - Tuy nhiên khi dập khối, phôi rỗng thường dẫn đến mất ổn định và gây ra khuyết tật nên cần được xem xét khảo sát một cách cơ bản nhất. - Dựa trên lý thuyết cơ bản và qua các mô phỏng các trường hợp khác nhau của phôi ống để từ đó tìm ra qui luật biến dạng mất ổn định khi chồn phôi ống bằng phần mềm DEFORM. - Chương 4 nghiên cứu khảo sát bài toán dập tạo hình chi tiết khớp nối và bánh răng có áp dụng những kết quả nghiên cứu trong chương 3 để tránh xảy ra khuyết tật gấp trong sản phẩm, đồng thời nâng cao chất lượng chi tiết dập. - Hà nội, tháng 09 năm 2011 Tác giả 9CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ DẬP KHỐI 1.1 Khái niệm chung về tạo hình khối 1.1.1 Định nghĩa Dập khối là quá trình tạo hình kim loại dạng khối nhờ biến dạng dẻo trong lòng khuôn (dụng cụ gia công) ở nhiệt độ thích hợp. - 1.1.2 Đặc điểm chung của công nghệ Dập khối là một trong những phương pháp gia công bằng áp lực nhớ lợi dụng tính dẻo của kim loại tạo ra một sản phẩm hoặc bán thành phẩm có hình dạng và kích thước theo mong muốn bằng cách làm cho kim loại chảy dẻo và điền đầy vào long khuôn hay chảy qua lỗ thoát hoặc bị biến dạng toàn phần thể tích phôi. - Dập khối nhiều ưu nhược điểm, cụ thể như sau. - Các chi tiết được gia công bằng phương pháp tạo hình khối có độ bền độ cứng tăng, đồng thời trong quá trình tạo hình tạo ra được những thớ kim loại phù hợp nên có thể làm được các chi tiết vừa và nhỏ gọn nhưng lại bền chắc có vai trò quan trọng trong công nghiệp chế tạo máy. - Tiết kiệm được nhiều kim loại nhất là trong sản xuất loạt lớn hoặc hàng khối nên giá thành sản xuất giảm. - Có thể tận dụng được phế liệu của sản phẩm để làm chi tiết khác. - Với những ưu điểm về năng xuất, chất lượng sản phẩm cao, giá thành hạ, thao tác sản xuất đơn giản không đòi hỏi bặc thợ cao lại có thể chế tạo được những chi tiết rất nhỏ (như cây kim) đến những chi tiết rất lớn (khoảng 500 tấn) mà dập khối sử dụng rộng rãi trong mại lĩnh vực: Dân dụng, công nghiệp nặng – nhẹ, Quốc phòng. - 10Tuy nhiên dập khối cũng có những nhược điểm riêng. - Quá trình tạo hình cần sử dụng lực công nghệ lớn nên hầu hết phải thực hiện với phôi ở trạng thái nóng (10000C-12000C) do vậy chất lượng bề mặt sản phẩm thấp và độ chính xác không cao (hiện tượng cháy và thoát các bon bề mặt) khó cơ khí và tự động hóa. - Không tạo ra được những chi tiết có hình dáng và kết cấu phức tạp như công nghệ của các nước phát triển. - Ngày nay do sự phát triển của khoa học kĩ thuật người ta đã tạo ra được các thiết bị tạo hình khối với kim loại ở trạng thái nguội nên độ bóng và độ chính xác của chi tiết cao nhưng chỉ áp dụng phương pháp dập nguội đối với các chi tiết nhỏ và trung bình - Trong quá trình dập khối tùy theo hình dạng và kích thước của từng loại chi tiết người ta sử dụng các loại phôi khác nhau: Phôi đúc thép, phôi thép cán định hình, phôi thép tấm cán, phôi cán chu kỳ. - Tương ứng với mỗi loại phôi lại có một quá trình chuẩn bị phôi khác nhau, chất lượng phôi cũng vì thế mà khác nhau. - Thường quá trình Dập khối có 3 giai đoạn: ¾ Giai đoạn chuẩn bị, trong giai đoạn này có thể tạo hình sơ bộ cho phôi. - ¾ Giai đoạn nguyên công tạo hình chính. - ¾ Giai đoạn các nguyên công riên lẻ để hoàn chỉnh sản phẩm. - Quá trình dập khối có thể được coi là một công đoạn của quá trình sản xuất cơ khí và cũng có thể là một quá trình sản xuất hoàn chỉnh. - Để nghiên cứu một quá trình dập khối, ta coi đây là một quá trình liên tục có đầu vào (input), xử lý (process) và đầu ra (output): đầu vào là phôi, quá trình xử lý phôi là các nguyên công dập khối và sản phẩm hoặc bán thành phẩm đầu ra gọi là vật dập. - Các đối tượng của quá trình dập khối được thể hiện ở bảng dưới đây. - 11 Phôi Æ Rèn, Dập khối Æ Phôi dập - Phôi đúc, gù đúc - Chồn - Bán thành phẩm - Phôi cán chu kỳ, định hình - Vuốt, kéo - Chi tiết - Chế độ nhiệt - Uốn - Dung sai vật dập - Vật liệu, cơ tính - Rát - Chế độ làm nguội - Ép chảy - Đột lỗ - Vặn xoắn - Hàn cháy - Chặt phôi - Dập trong khuôn hở - Dập trong khuôn kín Bảng 1.1 Đối tượng nghiên cứu của dập khối Thông qua việc mô tả quá trình và các nguyên công của quá trình dập khối ta hiểu rõ hơn về quá trình tạo thành sản phẩm nhờ công nghệ này. - Hình 1.1 Sơ đồ khối của quá trình dập khối Trong sơ đồ trên gù đúc, thỏi đúc và các loại thép càn chu kỳ là phôi đầu vào cho quá trình rèn và dập khối. - Phôi được nung đạt một nhiệt độ thích hợp trước khi chuyển sang các nguyên công chuẩn bị (rèn tự do) hoặc các nguyên công tạo hình (dập trong khuôn). - Sau khi dập xong phôi dập sẽ được tiến hành các nguyên công xử lý sau Phôi Nung phôi Rèn tự do Dập khối Sản phẩm Xử lý sau dập 12dập như cắt biên, làm nguội và tiến hành gia công cơ nếu cần. - Dập khối là một trong những công nghệ thuộc công nghệ dập tạo hình, trong đó còn phải kể đến công nghệ dập tấm...Tuy nhiên dập khối là một trong những công nghệ điểm hình và được ứng dụng nhiều trong thực tế sản xuất để tạo ra các chi tiết và sản phẩm điểm hình của ngành. - Quá trình dạp khối để làm ra sản phẩm cũng cần phải qua một vài giai đoạn và một vài nguyên công, sơ đồ phần loại sau đây cho ta hiểu rõ hơn về công nghệ dập tạo hình, đặc biệt là công nghệ dập khối. - Hình 1.2 Phân loại dập khối Trong công nghệ dập tạo hình, hai lĩnh vực chủ yếu là dập tấm và dập khối. - Dập tấm là quá trình tạo hình và xử lý phôi dạng tấm (chiều dày có kích thước nhỏ hơn rất nhiều so với hai chiều còn lại và không tính đến biến dạng của chiều dày), trong dập khối thì đối tượng phôi cần tạo hình ở dạng khối. - Do đặc điểm phôi khác nhau nên quá trình công nghệ, thiết bị tạo lực và bản chất các quá trình cũng khác nhau. - 1.1.3 Các dạng sản phẩm điển hình CN DẬP TẠO HÌNH Dập tấm Dập khối … Rèn tự do Dập khối Chồn Vuốt Uốn … Dập trong khuôn hở Dập trong khuôn kín Ép chảy … Thiết bị dập tạo hình 13Các dạng sản phẩm dập khối rất đa dạng và phong phú, ví dụ như: Sản phẩm đáp ứng các ngành công nghiệp vận tải như ô tô, máy bay hay phục vụ ngành công nghệ chế tạo máy và dân dụng. - Chi tiết dập khối có trong máy móc và thiết bị yêu cầu cơ tính cao, hình dạng phức tạp và sản xuất hàng loạt lớn. - Hình 1.3 là các dạng sản phẩm dập khối điển hình như bánh răng, khớp nối, tay biên, trục khuỷu, vỏ đạn, vành răng, ổ lăn … và đồng tiền xu dập khối nguội. - 14 Hình 1.3 Các sản phẩm dập khối điển hình 1.1.4 Thiết bị thực hiện Đến nay do những thành tựu khoa học, kỹ thuật ngày càng cao, các nước công nghiệp phát triển đã chế tạo các thiết bị dập tạo hình cỡ lớn và hiện đại, các thiết bị phục vụ công nghệ dập thể tích khác nhau như. - Máy rèn ngang có danh nghĩa đến P = 31,5 MN (3150 tấn) Ngoài ra còn có các máy búa cao tốc, búa thủy lực có lực dập lớn, có hiệu suất sử dụng cao trong quá trình dập khối. - Các thiết bị đó được mô tả ở các hình dưới đây.
Xem thử không khả dụng, vui lòng xem tại trang nguồn hoặc xem
Tóm tắt