- LÊ THỌ TIỆP NGÀNH CHẾ TẠO MÁY NGHIÊN CỨU TỐI ƢU CÔNG NGHỆ DẬP KHỐI TRÊN KHUÔN HỞ ĐỂ CHẾ TẠO CHI TIẾT TRỤC KHUỶU ĐỘNG CƠ Ô TÔ LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT NGÀNH CHẾ TẠO MÁY KHOÁ 2012B Hà Nội – Năm 2014 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI. - LÊ THỌ TIỆP NGHIÊN CỨU TỐI ƢU CÔNG NGHỆ DẬP KHỐI TRÊN KHUÔN HỞ ĐỂ CHẾ TẠO CHI TIẾT TRỤC KHUỶU ĐỘNG CƠ Ô TÔ Chuyên ngành : CHẾ TẠO MÁY LUẬN VĂN THẠC SĨ NGÀNH CHẾ TẠO MÁY NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC : PGS.TS. - NGUYỄN ĐẮC TRUNG Hà Nội – Năm 2014 MỤC LỤC Trang Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt 4 Danh mục các hình vẽ, đồ thị, bảng 7 Lời mở đầu 10 Chƣơng 1 - TỔNG QUAN CÔNG NGHỆ DẬP TẠO HÌNH CÁC CHI TIẾT DẠNG KHỐI 1.1 Sơ lược về công nghệ dập khối 12 1.2 Các dạng sản phẩm điển hình 16 1.3 Các thiết bị chính để thực hiện công nghệ dập khối 19 1.4 Các nguyên công trong công nghệ dập khối 21 1.4.1 Nguyên công chồn 21 1.4.2 Rèn vuốt 22 1.4.3 Ép chảy 22 1.4.4 Dập khối trong khuôn hở 23 1.4.5 Dập khối trong khuôn kín 24 1.4.6 So sánh dập trên khuôn kín và khuôn hở 24 1.5 Nhiệt độ trong công nghệ dập khối 25 1.6 Kết luận chương 1 30 CHƢƠNG 2 - NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ DẬP KHỐI TRÊN KHUÔN HỞ 2.1 Sơ lược về công nghệ dập khối trên khuôn hở (có vành biên) 31 2.2 Vành biên và rãnh thoát biên 34 2.2.1 Vành biên 34 2.2.2 Rãnh thoát biên 34 2.2.3 Các kiểu rãnh thoát biên và kích thước của nó 34 2.3 Góc nghiêng thành lòng khuôn 37 2.4 Biện pháp nâng cao hiệu quả sử dụng vật liệu 40 2.5 Thiết bị dập khối trên khuôn hở 42 2.5.1 Dập khối khuôn hở trên máy búa 42 2.5.2 Dập khối khuôn hở trên máy ép 43 2.5.3 Ưu điểm và nhược điểm của máy ép trục khuỷu so với máy búa 43 2.5.4 Đặc điểm của quá trình dập trên máy ép trục khuỷu dập nóng 44 2.6 Ưu điểm, nhược điểm của dập khối trên khuôn hở 44 2.7 Các sản phẩm dập khối trên khuôn hở điển hình 45 2.8 Yếu tố công nghệ ảnh hưởng đến quá trình dập khối trên khuôn hở 47 2.9 Kết luận chương 2 48 CHƢƠNG 3 - NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ DẬP TRỤC KHUỶU 3.1 Trục khuỷu 49 3.1.1 Nhiệm vụ, điều kiện làm việc và yêu cầu đối với trục khuỷu 49 3.1.2 Đặc điểm kết cấu trục khuỷu 49 3.1.3 Các phương pháp chế tạo trục khuỷu 53 3.2 Xây dựng quy trình công nghệ dập trục khuỷu 54 3.2.1 Quy trình công nghệ dập 54 3.2.2 Mô hình trục khuỷu 58 3.2.3 Tính toán kích thước phôi 58 3.3 Tính toán kích thước rãnh thoát biên – thiết kế khuôn dập trục khuỷu 60 3.3.1 Tính toán kích thước rãnh thoát biên 60 3.3.2 Thiết kế sơ bộ khuôn dập 61 3.4 Kết luận chương 3 62 CHƢƠNG 4 - MÔ PHỎNG SỐ QUÁ TRÌNH TẠO HÌNH CHI TIẾT TRỤC KHUỶU 4.1 Thiết lập bài toán mô phỏng quá trình tạo hình 63 4.1.1 Giới thiệu phần mền ABAQUS Thiết lập mô hình hình học 64 4.1.3 Lựa chọn mô hình vật liệu 65 4.1.4 Điều kiện biên 67 4.1.5 Giải bài toán 67 4.2 Phân tích các kết quả mô phỏng 68 4.2.1 Thay đổi kích thước phôi để điền đầy lòng khuôn 68 4.2.2 Thay đổi kích thước phôi để thu hẹp vành biên nhỏ dưới Hình dạng vành biên trong trường hợp a = 68, L = 180, R Trạng thái ứng suất trong trường hợp a = 68, L = 180, R Mức độ biến dạng trong trường hợp a = 68, L = 180, R Đồ thị lực dập 78 4.3 Kết luận chương 4 78 KẾT LUẬN 79 Tài liệu tham khảo 81 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT Ký hiệu Ý nghĩa Đơn vị đo Tn Nhiệt độ nung ºC T Nhiệt độ dập ºC t Thời gian nung s t1÷t2 Thời gian giữ nhiệt s G Trọng lượng KN Le Năng lượng va đập MJ P Lực ép KN Pmax Lực ép cực đại KN Ứng suất chính N/mm² max Ứng suất cực đại N/mm Biến dạng chính DK Đường kính chi tiết mm HK Chiều cao chi tiết mm DHK Đường kính lòng khuôn mm HHK Chiều sâu lòng khuôn mm Vph Thể tích phôi mm3 Vkh Thể tích lòng khuôn mm3 Dk Đường kính sau ép mm Hk Chiều cao sau ép mm a Chiều dài cầu vành biên mm b Chiều dài túi chứa kim loại vành biên mm h Chiều cao cầu vành biên mm Sv Diện tích tiết diện ngang của rãnh thoát biên mm² An Kích thước cạnh vật dập hình vuông mm Dn Đường kính vật dập hình tròn mm FVd Diện tích hình chiếu vật dập trên mặt phân khuôn mm² P Lực tác dụng vuông góc bề mặt vật dập KN T Lực ma sát tiếp xúc tổng cộng KN Q Tổng hợp các lực tác dụng lên vật dập KN Góc nghiêng thành lòng khuôn o Hệ số ma sát 1 Góc nghiêng trong của thành lòng khuôn o 2 Góc nghiêng ngoài của thành lòng khuôn o Vmin Thể tích vành biên tối thiểu mm3 Vtt Thể tích vành biên thực tế mm3 ∆V Thể tích phế liệu mm3 D0 Đường kính phôi mm L0 Chiều dài phôi mm Dmin Đường kính phôi nhỏ nhất mm Lmin Chiều dài phôi nhỏ nhất mm Dmax Đường kính phôi lớn nhất mm Lmax Chiều dài phôi lớn nhất mm V1 Thể tích thành phần thứ nhất phế liệu mm3 V2 Thể tích thành phần thứ hai phế liệu mm3 V3 Thể tích thành phần thứ ba phế liệu mm3 Vvb Thể tích vành biên mm3 Sr Diện tích tiết diện ngang rãnh thoát biên mm² L Chiều dài chu vi vật dập trên mặt phân khuôn mm φ Hệ số điền đầy rãnh thoát biên Vct Thể tích chi tiết mm3 Vph Thể tích phôi mm3 Vsp Thể tích sản phẩm mm3 R Bán kính lượn ở góc phôi mm a Kích thước cạnh hình vuông mm L Chiều dài phôi mm ∆V Lượng dư của phôi (thể tích vành biên) mm3 K Hệ số tỉ lệ vật liệu Tmelt Nhiệt độ nóng chảy ºC do/dt Tốc độ biến dạng s-1 Các phần mềm mô phỏng, thiết kế đồ hoạ: ANSYS, MARC, ABAQUS, PAM-STAMP, LARSTRAN/SHAPE, I-DEAS, CATIA, DYNAFORM, DEFORM, SOLIDWORK, CAD, PRO/ENGINEER DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình Ý nghĩa Trang 1.1 Các phương pháp gia công vật liệu 12 1.2 Sơ đồ phân loại gia công áp lực 13 1.3 Sơ đồ quá trình dập khối 15 1.4 Phân loại dập khối 16 1.5 Các dạng sản phẩm dập khối 18 1.6 Hướng thớ của sản phẩm sau khi dập tạo hình 18 1.7 So sánh hướng thớ kim loại giữa đúc, cắt gọt và dập 18 1.8 Thiết bị cho nguyên công dập khối 20 1.9 Sơ đồ bài toán chồn 21 1.10a Khuôn chồn đầu bulông 22 1.10b Sản phẩm chồn 22 1.11 Sơ đồ bài toán vuốt 22 1.12 Ép chảy 23 1.13 Kết cấu khuôn dập trong lòng khuôn hở 23 1.14 Dập trong lòng khuôn kín 24 1.15 So sánh dập trên khuôn hở và khuôn kín 25 1.16 Giản đồ trạng thái Fe-C và các nhiệt độ giới hạn 26 1.17 Khoảng nhiệt độ tạo hình cho phép (Tcp) 27 1.18 Các nguyên nhân và vị trí hỏng khuôn khi dập khối 29 2.1 Sơ đồ công nghệ dập trên khuôn hở 32 2.2 Kích thước cơ bản của rãnh thoát biên 34 2.3 Các loại rãnh thoát biên thường gặp 35 2.4 Sơ đồ cấu tạo vành biên đúng và sai 37 2.5 Sơ đồ tính lực đẩy vật dập ra khỏi lòng khuôn 38 2.6 Đồ thị tính góc nghiêng thành lòng khuôn 39 2.7 Góc nghiêng trong và ngoài của thành lòng khuôn 40 2.8 Sản phẩm dập khối trên khuôn hở 46 2.9 Dập khối trên khuôn hở các sản phẩm lớn 47 2.10 Quy trình công nghệ dập khối và khuôn dập tay biên 47 3.1 Kết cấu các dạng má khuỷu 52 3.2 Kết cấu tổng thể trục khuỷu 53 3.3 Phôi nung nóng với nhiệt độ ban đầu 1150oC 55 3.4 Sản phẩm dập tạo hình lần 1 55 3.5 Sản phẩm dập tạo hình lần 2 56 3.6 Vành biên 56 3.7 Chi tiết trước bẻ khuỷu 57 3.8 Chi tiết dập hoàn thiện 57 3.9 Mô hình chi tiết trục khuỷu 58 3.10 Hình dáng của phôi 59 3.11 Kết cấu sơ bộ của vành biên 61 3.12 Mô hình khuôn trên 61 3.13 Mô hình khuôn dưới 62 4.1 Mô hình chia lưới phần tử 65 4.2 Các đường cong chảy của vật liệu (Đường cong quan hệ giữa ứng suất- biến dạng) 67 4.3 Kết quả điền đầy lòng khuôn (a – không đạt, b - đạt) 68 4.4 Kết quả mô phỏng trường hợp 1 69 4.5 Kết quả mô phỏng trường hợp 2 70 4.6 Kết quả mô phỏng trường hợp 3 71 4.7 Kết quả mô phỏng trường hợp 4 72 4.8 Hình dạng vành biên tại các mặt cắt trong trường hợp 4 74 4.9 Trạng thái ứng suất 76 4.10 Mức độ biến dạng 77 4.11 Đồ thị lực dập tạo hình trục khuỷu 78 DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng Ý nghĩa Trang 1.1 Các dạng phôi, các nguyên công công nghệ và các dạng sản phẩm dập khối 15 2.1 Kích thước rãnh thoát biên kiểu III của khuôn dập trên máy búa 35 3.1 Các kí hiệu dùng để tính toán 59 4.1 Thông số của vật liệu làm phôi 66 LỜI 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 đã được quan tâm nhiều, nhưng chủ yếu là ở một số trường đại học cũng như các viện nghiên cứu, trong thực tiễn sản xuất hầu như chưa được ứng dụng. - 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 và ứng dụng phương pháp mô phỏng số nhờ phần mềm ABAQUS nhằm tối ưu hoá công nghệ dâp khối. - Ngoài ra luận văn này cũng bước đầu nghiên cứu và đề cập đến công nghệ dập khối trên khuôn hở ở trạng thái nóng nhằm nâng cao hiệu quả dập và chất lượng sản phẩm. - Chương 1: Tổng quan công nghệ dập tạo hình các chi tiết dạng khối. - Chương 2: Nghiên cứu công nghệ dập khối trên khuôn hở. - Chương 3: Nghiên cứu công nghệ dập trục khuỷu. - Chương 4: Mô phỏng số tạo hình chi tiết trục khuỷu. - Ứng dụng mô phỏng số với sự trợ giúp của phần mềm mô phỏng ABAQUS, sẽ cho phép nhanh chóng tối ưu được thông số công nghệ cơ bản và hình dáng kích thước của khuôn dập. - CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN CÔNG NGHỆ DẬP TẠO HÌNH CÁC CHI TIẾT DẠNG KHỐI 1.1. - Sơ lƣợc về công nghệ dập khối Hà Nội, tháng 5 năm 2014 Học viên Lê Thọ Tiệp Lĩnh vực cơ khí ngày càng phát triển, thì các yêu cầu về các sản phẩm cơ khí ngày càng cao, đặc biệt là yêu cầu về: Độ bền, độ chính xác, tiết kiệm vật liệu, năng lượng cho quá trình sản xuất, nâng cao hiệu quả kinh tế, giảm giá thành và nâng cao chất lượng sản phẩm. - Trong công nghệ chế tạo máy, có nhiều phương pháp để gia công được các sản phẩm đáp ứng các yêu cầu trên. - Tuỳ vào từng trường hợp sản xuất cụ thể mà có thể sử dụng linh hoạt các phương pháp gia công dưới đây: Hình 1.1. - Các phương pháp gia công vật liệu Đối với các chi tiết truyền động trong các thiết bị, máy móc, không có một phương pháp nào hiệu quả hơn là phương pháp gia công áp lực. - Gia công kim loại bằng áp lực là phương pháp tạo hình vật liệu dựa trên tính dẻo của vật liệu, thông qua dụng cụ, thiết bị tạo lực làm vật liệu biến dạng dẻo để tạo thành sản phẩm có hình dáng, kích thước theo yêu cầu. - Ngoại lực là yếu tố cơ bản trong gia công áp lực, góp phần tạo ra hình dáng của vật thể và tạo ra cơ tính cao hơn, giảm tiêu hao vật liệu… Nhiệt độ là yếu tố quan trọng trong gia công áp lực. - Nhiệt độ cao làm tăng tính dẻo của kim loại do đó dễ biến dạng dẻo vật liệu và làm giảm trở lực biến dạng, giảm sức lao động, tăng năng suất… So với các phương pháp chế tạo khác, gia công áp lực tạo ra sản phẩm có độ bền cao hơn, khả năng chịu lực tốt hơn, độ chính xác và độ nhẵn mặt ngoài cao hơn, tiết kiệm kim loại, năng suất cao hơn nhưng cần thiết bị tạo lực phức tạp và đắt tiền. - Sản phẩm gia công áp lực dùng chủ yếu trong các chi tiết máy, cơ cấu chịu tải trọng cao, tải trọng động hay va đập. - Vật liệu dùng gia công áp lực là các loại thép C, thép hợp kim, kim loại màu, hợp kim màu… Gia công áp lực tạo ra nhiều dạng sản phẩm khác nhau. - Có những sản phẩm đem dùng ngay gọi là chi tiết, có những sản phẩm phải qua gia công cơ tiếp theo gọi là phôi. - Để sản xuất các chi tiết dạng khối người ta thường sử dụng các phương pháp truyền thống như ép, rèn hay dập khối (dập thể tích. - Ép kim loại Ép là phương pháp làm biến dạng dẻo kim loại qua lỗ hình của khuôn ép dưới tác dụng của lực ép. - Phôi ép có thể là thỏi cán hay sản phẩm rèn dập. - Ép tạo sản phẩm có tiết diện không thay đổi theo chiều dài, độ bong bề mặt và độ chính xác cao. - Sản phẩm ép có thể là các thỏi đặc, các loại ống với nhiều tiết diện khác nhau. - Nhược điểm là thiết bị ép cần độ cứng vững cao, lượng kim loại thừa không biến dạng trong khuôn cò nhiều. - Rèn tự do Rèn tự do là một quá trình biến dạng tự do của kim loại dưới tác dụng của các dụng cụ đơn giản hoặc các thiết bị tạo lực. - Việc tạo hình nhờ bề mặt dụng cụ và trình độ tay nghề của người rèn. - Rèn tự do chất lượng không cao, độ bóng bề mặt thấp, hao phí nhiều kim loại, cường độ lao động lớn, thường dùng trong sản xuất đơn chiếc, hàng loạt nhỏ, trong sửa chữa…nhưng có khả năng tạo ra được sản phẩm có kích thước từ rất nhỏ đến rất lớn…Vật liệu thường dùng là phôi đúc, thỏi cán. - Dập khối Gia công áp lực Cán Dập tấm Dập thể tích Rèn tự do Ép kim loại Kéo Hình 1.2. - Sơ đồ phân loại gia công áp lực Công nghệ dập tạo hình khối là một trong những phương pháp gia công kim loại bằng áp lực, khai thác tính dẻo của kim loại để làm biến dạng và điền đầy vào lòng khuôn để tạo hình sản phẩm có hình dạng và kích thước theo yêu cầu. - Lịch sử của dập tạo hình khối + Phương pháp cổ điển nhất: chế tạo nông cụ, giáo mác. - Thế kỷ XVI: Nga chế tạo máy búa truyền động cơ khí chạy bằng sức nước. - Ngày nay: trục khuỷu, khớp nối, tuốc-bin, trục truyền lớn, chi tiết máy nâng chuyển. - Hiện nay trên thế giới, công nghệ dập tạo hình khối đã phát triển đến trình độ cao. - Các phân xưởng rèn dập đã có thể chế tạo các chi tiết hoàn chỉnh không cần phải qua gia công cơ, đồng thời lại có những ưu điểm như: độ bền cao, tiết kiệm kim loại, giá thành hạ và đặc biệt là năng suất cao. - Quá trình dập khối là một công đoạn của quá trình sản xuất cơ khí hoàn chỉnh, mọi quá trình đều có thể chia làm ba phần chính: đầu vào (input) là phôi, quá trình xử lý (process) phôi đầu vào (dập khối) và đầu ra (output) là sản phẩm hoặc bán thành phẩm (vật dập). - Các dạng phôi đầu vào, các phương pháp dập khối và dạng sản phẩm khối được trình bày như bảng sau: Phôi Rèn, Dập khối 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. - Các dạng phôi, các nguyên công công nghệ và các dạng sản phẩm dập khối * Sơ đồ khối công nghệ tổng quát của quá trình dập khối Hình 1.3. - Sơ đồ 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 đầu vào sẽ được nung lên một nhiệt độ thích hợp trước khi chuyển sang các nguyên công chuẩn bị (rèn phôi) hoặc dập trong khuôn. - Tại đây kim loại sẽ được tạo hình theo yêu cầu. - Sau khi dập xong phôi dập sẽ được xử lý sau dập ( cắt biên, xử lý nhiệt…) và tiến hành các nguyên công gia công cơ nếu cần để tạo ra sản phẩm hoàn thiện. - Phân loại các nguyên công trong công nghệ dập tạo hình khối Công nghệ dập khối được chia thành 2 dạng công nghệ cơ bản. - Dập tạo hình trong lòng khuôn gồm dập trong khuôn hở, dập trong khuôn kín, ép chảy… 1.2. - Các dạng sản phẩm điển hình Sản phẩm trong dập khối rất đa dạng và phong phú, được sử dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau như: lĩnh vực chế tạo máy, công nghiệp đóng tàu, xây dựng, dân dụng… và có các kích cỡ khác nhau. - Dập khối có thể sản xuất ra những chi tiết nhỏ và chính xác như các bánh răng của đồng hồ đến các chi tiết có kích thước lớn trong lĩnh vực công nghiệp nặng: trục truyền động…, hay các chi tiết cần độ chính xác bề mặt cao: đồng tiền xu, bánh răng…Hình dưới đây là các dạng sản phẩm dập khối điển hình: CN DẬP TẠO HÌNH Dập tấm Dập tạo hình khối … Rèn phôi Dập khối Chồn Vuốt Uốn … Dập trong khuôn hở Dập trong khuôn kín Ép chảy … Thiết bị tạo lực (Máy dập) Hình 1.4. - Phân loại dập khối
Xem thử không khả dụng, vui lòng xem tại trang nguồn hoặc xem
Tóm tắt