Nghiên cứu công nghệ tạo hình chi tiết dạng vỏ mỏng bằng phương pháp dập thủy tĩnh

- Cơ sở lựa chọn đề tài luận án Công nghệ dập thủy tĩnh (DTT) được nghiên cứu và ứng dụng sản xuất các chi tiết dạng tấm và ống với đặc điểm sử dụng chất lỏng cáo áp tác dụng trực tiếp lên bề mặt của phôi biến dạng vật liệu.
- Nghiên cứu sinh chọn đề tài nghiên cứu về vấn đề “Nghiên cứu công nghệ tạo hình chi tiết dạng vỏ mỏng bằng phương pháp dập thủy tĩnh” nhằm xác lập cơ sở khoa học cho việc thành lập công nghệ chế tạo sản phẩm điển hình dạng tấm có hình dáng điển hình.
- Dựa trên những kết luận thu được từ kết quả phân tích, luận án này sẽ đề cập nghiên cứu xây dựng miền làm việc và hàm quan hệ của bộ thông số công nghệ hợp lý, phù hợp với điều kiện thiết bị hiện có tại Phòng thí nghiệm Bộ môn Gia công áp lực, Viện Cơ khí, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, khả năng ứng dụng cao nhất vào sản xuất thực tế trong điều kiện của Việt Nam, đáp ứng được yêu cầu kỹ thuật, yêu cầu làm việc của chi tiết có hình dạng phức tạp, là rất cấp thiết và có ý nghĩa khoa học.
- Mục đích nghiên cứu - Nghiên cứu ảnh hưởng các thông số công nghệ đến khả năng tạo hình chi tiết tấm.
- Xây dựng miền làm việc, hàm quan hệ các thông số công nghệ chính.
- Xác định ảnh hưởng của các thông số công nghệ cơ bản đến độ chính xác hình học sản phẩm đáp ứng yêu cầu chế tạo các chi tiết trong ôtô, xe máy.
- Đối tượng nghiên cứu ứng dụng - Đối tượng nghiên cứu: sản phẩm dạng cầu đường kính 50mm, vật liệu đồng CDA260 chế tạo bằng công nghệ DTT nhằm xác định bộ thông số công nghệ hợp lý.
- Phạm vi nghiên cứu: ảnh hưởng và hàm quan hệ của 3 thông số công nghệ cơ bản bao gồm lực chặn, áp suất chất lỏng chất lỏng cần thiết, chiều cao tương đối sản phẩm (Hi/D) trong hai trường hợp có đối áp N = 0.4kN và không đối áp N = 0 kN.
- Phương pháp nghiên cứu: Kết hợp nghiên cứu mô phỏng với thực nghiệm - Để thực hiện đề tài, một số phương pháp sau được sử dụng.
- Sử dụng phương pháp mô phỏng số nhằm định lượng các thông số công nghệ, các kết quả mô phỏng sau đó làm cơ sở cho thiết lập các thông số khi thực nghiệm để đánh giá ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến quá trình tạo hình.
- Sử dụng các thiết bị có sẵn phù hợp với điều kiện thực nghiệm tại Phòng thí nghiệm Bộ môn Gia công áp lực, Viện Cơ khí, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội để thiết kế và chế tạo hệ thống thiết bị phục vụ thực nghiệm đảm bảo độ chính xác, độ tin cậy thu thập và xử lý các thông số công nghệ.
- Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài luận án a) Ý nghĩa khoa học - Hệ thống hóa được cơ sở lý thuyết về các công nghệ tạo hình kim loại bằng chất lỏng cao áp.
- Xây dựng được mô hình toán học thực nghiệm phản ánh mối quan hệ giữa các thông số công nghệ chính tới khả năng tạo hình tương ứng từ đó lựa chọn miền điều chỉnh phù hợp, đảm bảo tạo hình chi tiết và ứng dụng vào 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.
- 2 b) Ý nghĩa thực tiễn - Góp phần nâng cao năng lực chuyên môn cho đội ngũ cán bộ làm khoa học thuộc lĩnh vực công nghệ tạo hình.
- Nghiên cứu đáp ứng điều kiện thực tế tại Việt Nam, dễ triển khai ứng dụng.
- Thiết bị phục vụ cho đào tạo, nghiên cứu chuyên ngành gia công áp lực.
- Các điểm mới của luận án 1) Xây dựng được bộ các thông số công nghệ có xem xét ảnh hưởng của độ biến mỏng khi tạo hình các chi tiết dạng tấm.
- 2) Xác định được mức độ biến mỏng theo từng vị trí của chi tiết trong 2 trường hợp có và không có đối áp.
- 3) Đưa ra mô hình toán học dạng hàm mục tiêu, hàm thông số công nghệ 2D, 3D.
- Kết cấu của luận án Luận án ngoài các mục quy định và phần Mở đầu được trình bày trong 05 Chương: Chương 1: Tổng quan về công nghệ dập thủy tĩnh.
- Chương 2: Cơ sở lý thuyết công nghệ dập thủy tĩnh.
- Chương 3: Các kết quả nghiên cứu bằng phương pháp mô phỏng số.
- Kết luận quan trọng 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.
- TỔNG QUAN CÔNG NGHỆ DẬP THỦY TĨNH 1.1.
- Những nét cơ bản tạo hình kim loại bằng công nghệ DTT - Công nghệ DTT nằm trong nhóm công nghệ tạo hình bằng chất lỏng cao áp (hình 1.1).
- Các dạng sản phẩm của công nghệ dập thủy tĩnh bao gồm các chi tiết trong dân dụng và công nghiệp: Mặt đồng hồ Ống chữ T Khung xe ô tô Ống giảm thanh Hình 1.2 Khả năng công nghệ của phương pháp dập bằng chất lỏng cao áp 1.1.1.
- Ưu điểm của tạo hình bằng CLCA.
- Nhược điểm của tạo hình bằng CLCA.
- Hình 1.1 Phân loại các dạng tạo hình bằng CLCA 3 1.2.
- Các phương pháp tạo hình bằng chất lỏng cao áp (CLCA).
- Dập thủy tĩnh phôi tấm: Dập thủy tĩnh phôi tấm là phương pháp dùng nguồn chất lỏng cao áp để biến dạng các tấm có hình dạng không gian phức tạp, mức độ dập vuốt lớn, hoặc các chi tiết có vật liệu khó biến dạng bằng các phương pháp dập vuốt truyền thống.
- Công nghệ này được ứng dụng phổ biến theo hai nguyên lý là tấm đơn và kép Các sản phẩm được ứng dụng bằng công nghệ dập thủy tĩnh phôi tấm.
- Các chi tiết vỏ xe trong công nghiệp ôtô: Các chi tiết này biên dạng phức tạp, hoặc mức độ biến dạng nhỏ (sự đàn hồi lại lớn) rất cần thiết sử dụng công nghệ dập thủy tĩnh phôi tấm nhằm giảm mức độ đàn hồi lại.
- Hình 1.27 Các chi tiết vỏ xe ô tô (capo, tai xe, nóc xe) [11.
- Các chi tiết bình, không gian rỗng trong công nghiệp ôtô: Các chi tiết bình chứa hoặc có hình dạng không gian rỗng được sản xuất theo công nghệ DTT cặp phôi tấm.
- Các nghiên cứu về dập thủy tĩnh phôi tấm.
- Trên thế giới Công nghệ dập thủy tĩnh phôi tấm được bắt đầu nghiên cứu từ đầu thập niên 60 và được ứng dụng vào sản xuất cơ khí những năm 80 của thế kỷ 20 [5].
- Nga là nước đi tiên phong trong lĩnh vực nghiên cứu, ứng dụng công nghệ dập thủy tĩnh trong đó nghiên cứu nhiều nhất là Đại học tổng hợp quốc gia Tula, Đại học Bách khoa Leningrat và các nhà máy sản xuất công nghiệp.
- Kết quả của các nghiên cứu này đã được nêu trong sách giáo trình của Nga : Dập bằng cao su và chất lỏng tác giả E.I.
- Các giáo trình đưa ra các nguyên lý, cơ chế và tính toán công nghệ cho tạo hình bằng thủy lực.
- Tại Châu Á, điển hình là Nhật và Hàn Quốc, Trung Quốc đang đi đầu trong nghiên cứu và ứng dụng công nghệ dập thủy tĩnh nhằm biến dạng các vật liệu khó biến dạng như Titan, Magie với sự hỗ trợ công cụ mô phỏng số cho phép dự đoán trước sự hình thành, phá hủy trong quá trình biến dạng vật liệu.
- Các hướng chính nghiên cứu hiện nay chủ yếu tập trung vào các vấn đề như sau: Công nghệ dập thủy tĩnh.
- Thông số điều khiển và thông số quá trình (áp suất, lực, tốc độ.
- Ứng suất và biến dạng trong quá trình tạo hình - Các dạng hỏng trong quá trình tạo hình - Mô phỏng số để xác định và tối ưu thông số Hình 1.18 Nguyên lý cơ bản dập thủy tĩnh phôi tấm 4 Thiết bị và thí nghiệm dập thủy tĩnh.
- Ma sát và bôi trơn - Khuôn mẫu và thiết bị thí nghiệm Công nghệ vật liệu biến dạng, vật liệu khuôn mẫu.
- Xác định đường cong giới hạn tạo hình FLD - Nhận dạng mô hình vật liệu, mô hình hình học.
- 1.3.2 Trong nước: Một số nghiên cứu khảo sát về công nghệ DTT được đề cập trong các đề tài tốt nghiệp đại học, luận văn thạc sỹ và các đề tài nghiên cứu khoa học các cấp (cấp Nhà nước, cấp Bộ.
- Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, Học viện kỹ thuật Quân sự là hai cơ sở duy nhất tại Việt Nam đang đào tạo lĩnh vực Gia công áp lực đã đưa vào giảng dạy và nghiên cứu về công nghệ dập thủy tĩnh trong môn học “Công nghệ tạo hình đặc biệt, Công nghệ tạo hình tiên tiến”.
- Hiện nay, các nghiên cứu mới chỉ mang tính khảo sát, thống kê về công nghệ DTT, khả năng ứng dụng của công nghệ này vào sản xuất.
- Qua thu thập tài liệu cho thấy, vẫn chưa có nghiên cứu chuyên sâu nào về DTT.
- Các thông số, quá trình, vật liệu, hệ thống, quan hệ tương hỗ giữa các thông số, miền làm việc các thông số tạo hình chưa hệ thống hóa và nêu ra quy luật cụ thể.
- Chính vì vậy, việc nghiên cứu về DTT tại Việt Nam sẽ là nền móng cho việc áp dụng công nghệ tiên tiến này vào sản xuất nhằm tăng chất lượng sản phẩm, giảm số lượng nguyên công, tăng khả năng tạo hình các chi tiết có hình dạng phức tạp.
- Kết luận chương 1 Qua các nội dung đã trình bày ở trên cho thấy, DTT là công nghệ dập tiên tiến có nhiều ưu điểm nổi bật trong tạo hình vật liệu tấm mỏng, chi tiết lớn có hình dạng phức tạp mà các phương pháp khác gia công rất khó khăn hoặc không thể gia công được.
- Công nghệ DTT cho phép giảm số lượng nguyên công, giảm biến dạng đàn hồi, độ chính xác hình học và mức độ biến dạng đồng nhất, tính chất bề mặt tốt hơn so với công nghệ dập vuốt truyền thống.
- Đã có rất nhiều nghiên cứu liên quan đến quá trình DTT được công bố, nhiều thông số ảnh hưởng tới quá trình tạo hình vật liệu trong công nghệ DTT như áp suất chất lỏng cần thiết trong lòng cối, lực chặn, góc lượn cối, lực đối áp, ma sát….
- Các thông số này có những tác động khác nhau tới quá trình tạo hình nhưng chưa có công trình nào xây dựng sự quan hệ giữa các thông số và miền làm việc của các thông số công nghệ đến hình thành chi tiết một cách cụ thể.
- Tuy công nghệ DTT đã được ứng dụng trên thế giới và tạo ra nhiều sản phẩm thương mại nhưng vấn đề cơ sở khoa học, các quy luật tác động của các thông số và các yếu tố kỹ thuật vẫn cần có sự đóng góp tiếp theo của các nhà khoa học nhằm tối ưu các thông số công nghệ, xây dựng bộ thông số để áp dụng cho các dạng chi tiết có hình dạng tương đồng nhau về hình dáng hình học, vật liệu chế tạo.
- Ở Việt Nam, các nghiên cứu mới chỉ dừng ở việc chỉ ra tính ưu việt của DTT và bước đầu khảo sát ảnh hưởng của các yếu tố công nghệ, chưa có được bất cứ triển khai ứng dụng nào vào trong thực tiễn sản xuất.
- Hơn nữa, kiến thức cơ bản về một quá trình tạo hình cụ thể cho vật liệu đồng CDA260 không có sẵn.
- Chính vì thế, trong phần nghiên cứu của Luận án, tác giả chủ yếu tập trung vào việc phân tích ảnh hưởng của một số thông số công nghệ cơ bản 5 quyết định quá trình DTT và xác định miền làm việc cho tạo hình sản phẩm dạng cầu đường kính D = 50mm vật liệu tấm đồng CDA260 chiều dày 0.8mm, bởi trong thực tế sản phẩm dạng cầu là một chi tiết không khó tạo hình, tuy nhiên, các chi tiết có hình dạng phức tạp thường được quy về tổng hợp của nhiều chi tiết đơn giản, chính vì thế việc nghiên cứu và xác định bộ thông số tạo hình của chi tiết cầu sẽ là cơ sở khoa học cho thiết lập các thông số tạo hình các chi tiết có hình dạng phức tạp khác trong sản xuất công nghiệp là cần thiết.
- Trạng thái ứng suất, biến dạng trong DTT Để làm rõ sự khác biệt và cơ chế biến dạng trong dập thủy tĩnh, ta nghiên cứu trạng thái ứng suất, biến dạng trong DTT và so sánh với nguyên công dập vuốt thông thường, dập thủy cơ.
- Sơ đồ trạng thái ứng suất, biến dạng Hình 2.1 dập vuốt thông thường Hình 2.2 dập vuốt thủy cơ Hình 2.3 dập vuốt thủy tĩnh Ta nghiên cứu trạng thái ứng suất và biến dạng trong quá trình DTT có đối áp cứng với các vùng khác nhau: a) Phần vành phôi: Phần vành phôi được tấm chặn ép trong quá trình tạo hình nhằm mục đích chống nhăn đồng thời để chất lỏng không lọt qua khe hở giữa tấm chặn và phôi, trạng thái ứng suất và biến dạng trong DTT trên phần vành tương tự dập vuốt truyền thống.
- Áp suất chất lỏng cần thiết P0 Lực từ phía chày có trị số bằng tích của áp suất thuỷ tĩnh với diện tích hình chiếu ngang (theo x-x) của mặt phẳng tự do của phôi có ý nghĩa là: .q n npP q F (2.1) Pq là lực công nghệ tạo hình trong quá trình dập.
- Áp suất cần thiết để dập chi tiết dạng cầu là SpR.
- Lực chặn.
- Miền làm việc của các thông số công nghệ chính khi DTT chi tiết tấm Bộ thông số công nghệ nằm trong miền làm việc DTT sẽ cho ra các sản phẩm đạt yêu cầu chất lượng.
- Chọn bộ thông số nằm bên ngoài miền làm việc DTT, sản phẩm sẽ không đạt yêu cầu chất lượng, sẽ bị nhăn (miền nhăn), rách (miền rách), lệch.
- Hình 2.9 Miền làm việc và quan hệ các thông số tạo hình khi DTT Kết luận chương 2 Chương 2 đã đề cập các kiến thức cơ sở của công nghệ DTT như: trạng thái ứng suất, trạng thái biến dạng, các thông số công nghệ như lực chặn, áp suất chất lỏng cần thiết trong lòng cối.
- Trong chương tiếp theo, ta sử dụng phương pháp thiết kế ảo để xác định các thông số công nghệ, trạng thái ứng suất, trạng thái biến dạng khi dập tạo hình bằng công nghệ DTT.
- Bằng mô phỏng số sẽ xác định miền làm việc của lực chặn trong hai trường hợp không sử dụng đối áp và có sử dụng đối áp khi dập tạo hình chi tiết chỏm cầu đường kính 50mm.
- KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU BẰNG MÔ PHỎNG SỐ 3.1.
- Vật liệu thí nghiệm Vật liệu nghiên cứu thí nghiệm là đồng CDA260 là hợp kim hệ đơn giản của đồng với kẽm các thành phần gồm 70% đồng và 30% kẽm: Vật liệu thí nghiệm được nghiên cứu, khảo sát mô hình mô tả xem vật liệu mang tính dị hướng hay đẳng hướng là hết sức cần thiết để từ đó lựa chọn mô hình vật liệu cho hợp lý.
- 3.2 Mô phỏng số và phần mềm mô phỏng số trong gia công áp lực Luận án sử dụng phần mềm DYNAFORM để nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số công nghệ trong quá trình DTT, làm cơ sở cho quá trình thực nghiệm.
- 3.3 Nghiên cứu ảnh hưởng của thông số công nghệ tới quá trình DTT bằng mô phỏng số 3.3.1 Thiết lập bài toán mô phỏng Khi tiến hành mô phỏng số với phần mềm Dynaform, ta tiến hành theo các bước.
- Mô hình chia lưới mô phỏng dập thủy tĩnh chỏm cầu 3.3.2 Khảo sát ảnh hưởng của các thông số công nghệ 3.3.2.1 Ảnh hưởng của lực chặn đến áp suất chất lỏng tạo hình lòng cối P0 Bằng phương pháp tiệm cận ơle, sản phẩm tạo hình đạt yêu cầu hình dạng, kích thước, tác giả tìm ra được miền tạo hình ổn định của lực chặn Q = 49 kN  63 kN.
- Xét trường hợp đạt đủ chiều cao H = 25 mm (chiều cao tương đối Hi/D = X1 = 0.5) Ta có bảng kết quả như sau: Bảng 3.3 Quan hệ giữa lực chặn và áp suất chất lỏng tạo hình với X1 = 0.5 TT Chiều dầy S0 (mm) Chiều cao tương đối X1 Lực đối áp N (kN) Lực chặn Q (kN) Áp suất cần thiết trong lòng cối P0 (bar) Kết quả Nhăn Hình 3.3 Thí nghiệm kéo mẫu trên máy kéo nén MTS – 809 Axial / Torsional Test System, hệ thống đo lực – biến dạng Đạt Đạt Đạt Đạt Đạt Đạt Đạt Đạt rách Với lực chặn Q 68 kN, lực chặn Q ép chặt phôi cản trở kéo phôi vào trong cối, đối áp có tác dụng hạn chế sự biến mỏng cục bộ tại điểm nguy hiểm, phôi bị kéo vào trong cối cả phần vật liệu nằm trong vùng vành phôi, vì thế vành phôi cũng bị biến mỏng.
- Kết luận chương 5: Chương 5 đã trình bày kết quả đánh giá ảnh hưởng của các thông số công nghệ: lực chặn, áp suất chất lỏng cần thiết trong lòng cối và chiều cao tương đối sản phẩm (X1) tới quá trình tạo hình vật liệu trên hệ thống thiết bị thực nghiệm đã được thiết kế, chế tạo ở chương 4.
- Xác định được mối quan hệ của áp suất chất lỏng cần thiết trong lòng cối P0: lực chặn Q và chiều cao tương đối sản phẩm tới quá trình tạo hình sản phẩm dạng cầu đường kính 50 mm, vật liệu từ đồng CDA260.
- Xác định được miền làm việc của từng thông số trong hai trường hợp không sử dụng đối áp và có đối áp (N = 0.4 kN.
- Đánh giá được ảnh hưởng tương hỗ giữa 3 thông số quan trọng trong DTT là áp suất chất lỏng cần thiết trong lòng cối, lực chặn Q và chiều cao tương đối sản phẩm (X1).
- Đánh giá được ảnh hưởng của thông số lực chặn tới độ chính xác hình học độ biến mỏng ε của sản phẩm tại các điểm khảo sát đặc trưng.
- Kết quả nghiên cứu giúp các nhà kỹ thuật nhanh chóng đưa ra quyết định khi lựa chọn bộ thông số công nghệ DTT phù hợp để dập ra các sản phẩm đảm bảo yêu cầu chất lượng tốt nhất.
- KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI Kết luận chung Luận án đã được thực hiện theo đúng mục tiêu nghiên cứu đề ra.
- Các kết quả nghiên cứu chính của luận án đạt được: 1.
- Từ các nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm đã đưa ra phương pháp xác định mô hình vật liệu sử dụng cho mô phỏng số.
- Sử dụng mô phỏng số để xác định các giá trị thông số công nghệ cơ bản để cài đặt hệ thống khi tiến hành thực nghiệm.
- Thiết kế, chế tạo được hệ thống thiết bị thí nghiệm như khuôn dập thủy tĩnh chuyên dùng thực hiện trên máy ép thủy lực 125 tấn, nguồn chất lỏng cao áp, hệ thống đo các thông số công nghệ kết nối máy tính phù hợp với điều kiện phòng thí nghiệm ở Việt Nam.
- Hệ thống thiết bị này cho phép thí nghiệm, xác định các thông số công nghệ dập thủy tĩnh một cách chính xác và tin cậy.
- Hệ thống đo có xử lý kết quả bằng phần mềm Dasy Lab 7.0 có khả năng thu thập các thông số áp suất trong xilanh chặn, áp suất trong xilanh đối áp, áp suất chất lỏng trong lòng cối, hành trình tạo hình.
- Sử dụng phần mềm Maple 14 để xử lý các số liệu, từ đó đưa ra quan hệ toán học giữa các thông số công nghệ.
- Xây dựng được bộ các thông số công nghệ có xem xét ảnh hưởng của mức độ biến mỏng khi tạo hình chi tiết dạng tấm.
- Đưa ra mô hình toán học dạng hàm mục tiêu, hàm thông số công nghệ dạng 2D và 3D ảnh hưởng của các thông số công nghệ, từ đó xác định được miền làm việc của các thông số khi DTT thể hiện bởi quan hệ của áp suất chất lỏng cần thiết trong 24 lòng cối phụ thuộc lực chặn, chiều cao tương đối sản phẩm (X1) trong hai trường hợp.
- Trường hợp có đối áp (N = 0.4 kN): Đã xây dựng được đồ thị 3D mối quan hệ giữa các thông số áp suất cần thiết lòng cối P0, lực chặn Q, chiều cao tương đối sản phẩm (X1) trong cả hai trường hợp có đối áp và không đối áp, các giá trị có sự sai khác nằm trong giới hạn cho phép.
- Xác định được mức độ biến mỏng phụ thuộc vào lực chặn tại các vị trí khác nhau của chi tiết trong 2 trường hợp có và không có đối áp.
- Nhờ mối quan hệ trên, có thể nhanh chóng xác định được bộ thông số công nghệ phù hợp để dập được sản phẩm đạt mức độ biến mỏng ε tại các điểm cần tính toán.
- Phương pháp nghiên cứu kết hợp lý thuyết - mô phỏng và thực nghiệm bảo đảm độ chính xác cho các kết luận của Luận án.
- Kết quả của Luận án có thể sử dụng phục vụ tính toán,thiết kế công nghệ chế tạo các chi tiết dạng vỏ mỏng bằng công nghệ DTT, làm cơ sở cho các hướng nghiên cứu tiếp theo chuyên ngành kỹ thuật gia công vật liệu.
- Những vấn đề cần được nghiên cứu tiếp: 1.
- Mở rộng bài toán tối ưu, chọn thông số công nghệ cho các vật liệu khác nhau, chiều dày khác nhau: 3

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