Nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến độ giãn rộng trong quá trình cán bằng mô phỏng số nhằm nâng cao độ chính xác tra cứu cho quá trình thiết kế lỗ hình trục cán

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI ĐÀO LIÊN TIẾN ĐÀO LIÊN TIẾN KỸ THUẬT VẬT LIỆU KIM LOẠI NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC THÔNG SỐ CÔNG NGHỆ ĐẾN ĐỘ GIÃN RỘNG TRONG QUÁ TRÌNH CÁN BẰNG MƠ PHỎNG SỐ NHẰM NÂNG CAO ĐỘ CHÍNH XÁC TRA CỨU CHO Q TRÌNH THIẾT KẾ LỖ HÌNH TRỤC CÁN LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC KHĨA:20102012 Hà Nội – Năm 2012 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - ĐÀO LIÊN TIẾN NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC THÔNG SỐ CÔNG NGHỆ ĐẾN ĐỘ GIÃN RỘNG TRONG QUÁ TRÌNH CÁN BẰNG MƠ PHỎNG SỐ NHẰM NÂNG CAO ĐỘ CHÍNH XÁC TRA CỨU CHO QUÁ TRÌNH THIẾT KẾ LỖ HÌNH TRỤC CÁN Chuyên ngành : Khoa học Kỹ thuật Vật liệu kim loại LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC PGS.TS Đào Minh Ngừng Hà Nội – Năm 2012 MỤC LỤC Trang Mục lục Danh mục bảng Danh mục hình MỞ ĐẦU CHƯƠNG I: TỔNG QUAN CÁC PHƯƠNG PHÁP TÍNH TỐN GIÃN RỘNG TRONG Q TRÌNH CÁN 1.1 Phân loại giãn rộng 1.2 Cơ sở lý thuyết tính giãn rộng 1.3 Một số cơng thức tính giãn rộng 10 1.4 Kết luận 31 CHƯƠNG II: NGHIÊN CỨU CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN ĐỘ GIÃN RỘNG CỦA QUÁ TRÌNH CÁN 32 2.1 Ảnh hưởng hệ số ma sát 32 2.2 Ảnh hưởng lượng ép 33 2.3 Ảnh hưởng đường kính trục cán 34 2.4 Ảnh hưởng thành phần kim loại cán 35 2.5 Ảnh hưởng thông số vùng biến dạng l d , h TB b TB 36 2.6 Ảnh hưởng vùng 38 2.7 Ảnh hưởng lực kéo 40 2.8 Ảnh hưởng lượng biến dạng thành phần 40 2.9 Kết luận 42 CHƯƠNG III: NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC YẾU TỐ BẰNG PHẦN MỀM MÔ PHỎNG DEFORM 43 3.1 Phần mềm mô DEFORM 3D 43 3.1.1 Giới thiệu phần mềm 43 3.1.2 Giao diện phần mềm Deform 3D cài đặt thông số 45 3.2 Tính tốn mơ cán thép trịn hệ thống lỗ hình oval-trịn lỗ hình tinh cuối 50 3.2.1 Nguyên lý cán hình 50 3.2.2 Xây dựng mơ hình cán thép trịn 52 3.3 Một số kết mô 54 3.3.1 Ứng suất trình cán 54 3.3.2 Ứng suất tác dụng lên vật cán theo phương 55 3.3.3 Áp lực kim loại tác dụng lên lỗ hình tinh 57 3.4 Kết luận 63 CHƯƠNG IV: ỨNG DỤNG KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU TRONG TÍNH TỐN CƠNG NGHỆ CÁN THÉP 65 4.1 Tính tốn hệ thống lỗ hình oval-trịn 65 4.2 Ứng dụng kết nghiên cứu tính tốn thiết kế hệ thống lỗ hình 68 4.2.1 Ứng dụng tra cứu lượng giãn rộng 68 4.2.2 Những kết tối ưu ứng dụng tính tốn 69 4.3 Giới thiệu phần mềm MTL 72 4.4 Kết ứng dụng tính tốn thép trịn Φ20 78 4.5 Kết luận 82 KẾT LUẬN CHUNG 83 Tài liệu tham khảo 84 DANH MỤC BẢNG Trang Bảng 2.1 Hệ số ảnh hưởng thành phần hóa học 35 Bảng 2.2 Ảnh hưởng số lần cán đến giãn rộng 41 Bảng 3.1 Thành phần hoá học thép Các bon chất lượng AISI 1045 50 Bảng 4.1 Các thông số lựa chọn cho thiết kế lỗ hình trịn tinh sản phẩm Φ20 71 DANH MỤC HÌNH Trang Hình 1.1 Sơ đồ chia vùng biến dạng thành vùng quy ước 10 Hình 1.2 Phân bố thể tích quy ước chuyển động theo hướng giãn rộng 14 Hình 1.3 Ảnh hưởng chiều rộng phôi cán đến hệ số giãn rộng 24 Hình 1.4 Sự phụ thuộc hàm số φ vào lượng ép tương đối 24 Hình 1.5 Sơ đồ xác định thể tích kim loại chuyển động theo hướng giãn rộng 25 Hình 1.6 Sơ đồ xác định lượng giãn rộng cán lỗ hình 27 Hình 1.7 Sự phụ thuộc số điền đầy lỗ hình vào lượng ép độ nghiêng thành bên 28 Hình 1.8 Sự phụ thuộc hệ số điền đầy C vào hệ số chèn ép 30 Hình 2.1 Sự phụ thuộc số giãn rộng vào lượng ép tương đối 33 Hình 2.2 Sơ đồ so sánh chiều dài cung biến dạng trường hợp lượng ép không đổi 34 Hình 2.3 Ảnh hưởng đường kính trục đến số giãn rộng 34 Hình 2.4 Ảnh hưởng tỷ số b0 h tb đến số giãn rộng K 37 ld ld Hình 2.5 Ảnh hưởng tỷ số btb đến số giãn rộng 37 ld Hình 2.6 Sự thay đổi hệ số giãn rộng phụ thuộc vào thơng số ld 38 htb Hình 2.7 Lượng giãn rộng hai đầu phôi 39 Hình 2.8 Sự dịch chuyển vùng giãn rộng quy ước ảnh hưởng vùng cứng 39 Hình 2.9 Vùng co ngang có lực kéo sau T 40 Hình 3.1 Giao diện Deform 3D 45 Hình 3.2 Giao diện mô đun Deform 3D 46 Hình 3.3 Cửa sổ cài đặt thông số 46 Hình 3.4 Thư viện vật liệu 47 Hình 3.5 Cửa sổ cài đặt liên hệ đối tượng 48 Hình 3.6 Tạo tiếp xúc đối tượng 49 Hình 3.7 Kiểm tra bước cài đặt 49 Hình 3.8 Hệ thống lỗ hình oval-trịn 51 Hình 3.9 Kích thước phơi lỗ hình trịn tinh cuối 52 Hình 3.10 Sơ đồ cán thép tròn 52 Hình 3.11 Mơ hình vật liệu 53 Hình 3.12 Trường ứng suất trình cán 54 Hình 3.13 Biểu đồ lực cán theo thời gian 55 Hình 3.14 Phân bố ứng suất vật cán 55 Hình 3.15 Ứng suất tác dụng lên phôi 56 Hình 3.16 Vị trí tiết diện mặt cắt xét lực tác dụng lên lỗ hình 57 Hình 3.17 Hình dạng tiết diện mặt cắt sản phẩm 58 Hình 3.18 Áp lực kim loại tác dụng lên thành bên lỗ hình tiết diện A-A 58 Hình 3.19 Áp lực kim loại tác dụng lên thành bên lỗ hình tiết diện B-B 59 Hình 3.20 Áp lực kim loại tác dụng lên thành bên lỗ hình tiết diện C-C 59 Hình 3.21 Kết mơ hình dạng kích thước mặt cắt ngang phôi xét tới ảnh hưởng ma sát với μ= 1,15, D =250 60 Hình 3.22 Giãn rộng Δb trục cán D = 250 61 Hình 3.23.Giãn rộng Δb trục cán D = 280 61 Hình 3.24 Giãn rộng Δb trục cán D = 320 62 Hình 3.25 Giãn rộng Δb trục cán D = 350 62 Hình 3.26 Giãn rộng Δb trục cán D = 400 63 Hình 4.1 Sơ đồ tính tốn lỗ hình thép trịn 67 Hình 4.2 Kích thước mặt cắt ngang sản phầm cán 68 Hình 4.3 Giãn rộng Δb trục cán D = 250 69 Hình 4.4 Kích thước tiết diện sản phẩm Φ20 trạng thái nóng 69 Hình 4.5 Giãn rộng Δb trục cán D = 280 70 Hình 4.6 Giãn rộng Δb trục cán D = 320 70 Hình 4.7 Giãn rộng Δb trục cán D = 350 71 Hình 4.8 Giãn rộng Δb trục cán D = 400 71 Hình 4.9 Giao diện phần mềm MTL 73 Hình 4.10 Thanh cơng cụ 74 Hình 4.11 Nhập thơng số hình học ban đầu 74 Hình 4.12 Nhập thơng số biến dạng lỗ hình tinh trước tinh 75 Hình 4.13 Nhập thơng số động học q trình 75 Hình 4.14 Nhập thông số thiết bị 76 Hình 4.15 Phân nhóm hệ thống lỗ hình trục cán 77 Hình 4.16 Đồ thị tra cứu lượng giãn rộng 77 LỜI CAM ĐOAN Tác giả cam đoan rằng: Luận văn “Nghiên cứu ảnh hưởng thông số cơng nghệ đến độ giãn rộng q trình cán mơ số nhằm nâng cao độ xác tra cứu cho trình thiết kế hệ thống lỗ hình trục cán” cơng trình nghiên cứu riêng tác giả Các số liệu luận văn sử dụng trung thực Kết nghiên cứu trình bày luận văn chưa công bố cơng trình khác Hà Nội, ngày 17 tháng năm 2012 Tác giả luận văn Đào Liên Tiến LỜI CẢM ƠN Tác giả xin chân thành cảm ơn PGS TS Đào Minh Ngừng thuộc Bộ môn Cơ học vật liệu cán kim loại – Viện Khoa học Kỹ thuật Vật liệu – Trường ĐHBK Hà Nội, tận tình giúp đỡ tác giả hồn thành luận văn Hà nội, ngày 17 tháng năm 2012 Tác giả luận văn Đào Liên Tiến Chênh lệch kích thước sản phẩm,% μ = 1.2 μ = 1.17 μ = 1.15 μ = 1.12 μ = 1.1 -1 -2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 Hệ số ma sát, f 0.5 0.55 Hình 4.5 Giãn rộng Δb trục cán D = 280 Chênh lệch kích thước sản phẩm,% μ = 1.2 μ = 1.17 μ = 1.15 μ = 1.12 μ = 1.1 -1 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 Hệ số ma sát, f 0.5 0.55 Hình 4.6 Giãn rộng Δb trục cán D = 320 70 μ = 1.2 Chênh lệch kích thước sản phẩm,% μ = 1.17 μ = 1.15 μ = 1.12 μ = 1.1 -1 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 Hệ số ma sát, f 0.5 0.55 Hình 4.7 Giãn rộng Δb trục cán D = 350 μ = 1.2 Chênh lệch kích thước sản phẩm,% μ = 1.17 μ = 1.15 μ = 1.12 μ = 1.1 -1 -2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 Hệ số ma sát, f 0.5 0.55 Hình 4.8 Giãn rộng Δb trục cán D = 400 71 Với đồ thị hình 4.5; 4.6; 4.7;4.8 có thơng số thiết kế tối ưu sau Bảng 4.1 Các thông số lựa chọn cho thiết kế lỗ hình trịn tinh sản phẩm Φ20 STT Đường kính Thơng số lựa Kích thước sản phẩm Chênh lệch kích trục (mm) chọn thiết kế đạt (mm) thước (%) 20.24 280 μ = 1.15 0.563 f = 0.3 20.354 20.24 320 μ = 1.12 0.242 f = 0.3 20.289 20.24 350 μ = 1.12 0.297 f = 0.3 20.3 20.24 400 μ = 1.12 0.524 f = 0.3 20.35 4.3 Giới thiệu phần mềm MTL Phần mềm MTL (viết tắt từ Metal) xây dựng Visaul C++ môn Cơ học vật liệu cán kim loại để tính tốn thơng số cơng nghệ cán thép hình, thép tính lực q trình cán theo phương pháp ngược hướng cán 72 chiều dài cung biến dạng chia nhỏ thành n phần, ứng suất tính cho n+1 điểm theo cơng thức giải tích Tập hợp tất giá trị ứng suất điểm ta có biểu đồ phân bố ứng suất Lực cán tính theo phương pháp tích phân gần diện tích biểu đồ phân bố ứng suất sau tính momen cán cho trước hệ số cánh tay đòn đặt lực Phần mềm xây dựng để tính tốn trực tiếp cho trường hợp lý thuyết cán có phần thư viện liên kết động để tính tốn áp dụng trường hợp cán thép hình Thư viện liên kết động xây dựng từ nhiều lớp, lớp có chức riêng lớp khai báo hàm biến; lớp tính tốn lý thuyết; lớp thiết kế trục, lớp tính kinh tế thiết kế xưởng theo sơ đồ thừa kế sử dụng cho việc phát triển hồn thiện Sử dụng phần mềm, ta tính tốn cho trường hợp khác so sánh, xem xét ảnh hưởng yếu tố công nghệ đến q trình cán Kết tính tốn đưa vào mảng, ghi lại lưu trữ thể hình dạng bảng số hay biểu đồ Thư viện liên kết động UNGDUNG.LL phần mềm cho phép tính tốn hệ thống lỗ hình trục cán [3] Hình 4.9 Giao diện phần mềm MTL Sau khởi động phần mềm, hình lên giao diện MTL, có cơng cụ sau 73 Hình 4.10 Thanh cơng cụ 1: tính tốn ứng suất dựng biểu đồ 2: nhập thơng số ban đầu cho tính cơng nghệ cán thép hình 3: phân bố hệ số biến dạng 4: hiệu chỉnh hệ số biến dạng cho cặp lỗ hình 5: tổng hợp phân bố hệ số biến dạng tính lỗ hình trịn 6: tính tốn kích thước cho lỗ hình Các bước nhập thơng số ban đầu: Hình 4.11 Nhập thơng số hình học ban đầu 74 Để bắt đầu cho tốn tính tốn thiết kế, ta cần nhập số liệu ban đầu: đường kính sản phẩm, dung sai sản phẩm, kích thước phơi ban đầu, hệ số biến dạng trung bình nhiệt độ cán Hình 4.12 Nhập thông số biến dạng lỗ hình tinh trước tinh Hình 4.13 Nhập thơng số động học trình 75 Sau nhập thơng số ban đầu hình 4.11, phần mềm tính tốn cho ta số lần cán Tiếp theo cần nhập thơng số khác cho lỗ hình tinh trước tinh: mác thép, hệ số biến dạng tinh, hệ số biến dạng trước tinh lượng giãn rộng lỗ hình tinh (Hình 4.12) Khi nhập lượng giãn rộng tinh, vào mục trợ giúp giao diện phần mềm để tra cứu lượng giãn rộng cho phù hợp dựa vào đồ thị Hình 4.13 bước cho phép nhập thông số điều kiện biên: hệ số ma sát, tốc độ cán giới hạn chảy vật liệu Hình 4.14 Nhập thông số thiết bị Các thông số thiết bị nhập vào phần mềm (Hình 4.13): cách bố trí thiết bị, kích thước đường kính trục cán nhóm cán thơ tinh Bước cuối phần nhập thơng số ban đầu cho tính tốn thép hình phân nhóm hệ thống lỗ hình trục cán (Hình 4.14) Tại bước này, với số lần cán phần mềm tính tốn, cần phân bố cụ thể số lần cán thô số lần cán tinh 76 Hình 4.15 Phân nhóm hệ thống lỗ hình trục cán Sau kết thúc bước tiếp tục phân bố hệ số biến dạng cho lần cán nhập thông số cần thiết lượng giãn rộng chỉnh hệ số biến dạng cho phần tiếp theo, từ STL tính tốn kích thước lỗ hình hệ thống lỗ hình ta chọn theo thơng số nhập vào Trong q trình tính tốn nhập số liệu, dùng phần “Trợ giúp” phần mềm để tra lượng giãn rộng, hệ số biến dạng, góc ăn Hình 4.16 Đồ thị tra cứu lượng giãn rộng 77 4.4 Kết ứng dụng tính tốn thép trịn Φ20 Ứng dụng phần mềm STL tính tốn hệ thống lỗ hình cho sản phẩm thép Φ20: 78 Sau phân bố hệ số giãn dài trên, kết tính tốn thơng số lỗ hình phần mềm STL có sau: 79 80 81 4.5 Kết luận Căn vào kết nghiên cứu lý thuyết mô chương trước, luận văn tiến hành hiệu chỉnh thuật toán cho phần mềm MTL để tính tốn cơng nghệ cán thép hình Luận văn bổ sung sở liệu để phục vụ tra cứu nhập thông số vào phần mềm q trình tính tốn Đã tiến hành ứng dụng kết nghiên cứu cho việc tính tốn cơng nghệ cán thép trịn Φ20 Kết đảm bảo độ xác so với số liệu thực tế sản xuất Điều cho thấy áp dụng kết nghiên cứu cho thực tế sản xuất cho loại thép khác 82 KẾT LUẬN CHUNG Nội dung luận văn nghiên cứu giãn rộng, vấn đề khó lý thuyết cán Giãn rộng chịu ảnh hưởng nhiều yếu tố trình cán đề cập chương I Các yếu tố ảnh hưởng đến giãn rộng nghiên cứu chương II, phân thành hai nhóm: a) thơng số ảnh hưởng đến hệ số biến dạng hệ số ma sát kích thước lỗ đường kính trục cán; b) thơng số ảnh hưởng đến giãn rộng hệ số biến dạng kích thước phơi, đường kính trục cán Sự phụ thuộc qua lại yếu tố dẫn đến việc cần phải thiết lập thuật toán để thực chu trình tính lặp Bằng phương pháp mơ số - thí nghiệm ảo, xác định biểu đồ phụ thuộc hệ số biến dạng giãn rộng vào yếu tố kể để tra cứu trình thực chu trình tính Kết mơ số làm phong phú thêm bổ sung sở liệu để tính tốn cơng nghệ cán Đã xây dựng điều chỉnh thuật tốn cho cơng nghệ cán Kết ứng dụng xây dựng phần mềm MTL thiết kế cơng nghệ cán thép trịn Kết nghiên cứu mơ đun phần mềm thiết kế cán thép trịn, dùng cho việc thực đồ án môn học đào tạo 83 TÀI LIỆU THAM KHẢO Nguyễn Trọng Giảng, Nguyễn Việt Hùng (2003), ANSYS Mô số công nghiệp phẩn tử hữu hạn, Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội Hà Tiến Hồng (2006), Thiết bị khí xưởng cán, Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật Đào Minh Ngừng (2011), Công nghệ thiết bị cán thép hình, Nhà xuất Bách Khoa, Hà Nội Đào Minh Ngừng (2006), Nguyễn Trọng Giảng, Lý thuyết cán , Nhà xuất Giáo dục, Hà Nội Nguyễn Tất Tiến (2004), Lý thuyết biến dạng dẻo, Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật Nguyễn Đắc Trung, Lê Thái Hùng, Nguyễn Như Huynh, Nguyễn Trung Kiên (2011), Mơ số q trình biến dạng, Nhà xuất Bách Khoa, Hà Nội Crisfield M.A (1991), Non-linear Finite Element Analysis of Solids and Structures Volume 1: Essentials, Jonhn Wiley & Sons Durelli A.J., Phillips E.A and Tsao C.H (1958), Introduction to the theoretical and experimental analysis of stress and strain, New York : McGraw-Hill Rao SS (2004), The finite element method in engineering, 4th ed., Elsevier Science & Technology Books 10 Taylor R.L ( 2001), FEAP – A Finite Element Analysis Program: Theory Manual, University of Califonia, Berkeley 11 Zienkiewicz O.C and Taylor R.L (2005), The Finite Element Method for Solid and Structural Mechanics, 6th ed., Elsevier Butterworth-Heinemann 12 William F.Hosford, Robert M.Caddell (2007), Metal forming Mechanics and Metallurgy, Cambridge University Press 84 ... ĐÀO LIÊN TIẾN NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC THÔNG SỐ CÔNG NGHỆ ĐẾN ĐỘ GIÃN RỘNG TRONG Q TRÌNH CÁN BẰNG MƠ PHỎNG SỐ NHẰM NÂNG CAO ĐỘ CHÍNH XÁC TRA CỨU CHO Q TRÌNH THIẾT KẾ LỖ HÌNH TRỤC CÁN Chuyên... ? ?Nghiên cứu ảnh hưởng thông số công nghệ đến độ giãn rộng q trình cán mơ số nhằm nâng cao độ xác tra cứu cho q trình thiết kế hệ thống lỗ hình trục cán? ?? cơng trình nghiên cứu riêng tác giả Các. .. 34 Hình 2.3 Ảnh hưởng đường kính trục đến số giãn rộng 34 Hình 2.4 Ảnh hưởng tỷ số b0 h tb đến số giãn rộng K 37 ld ld Hình 2.5 Ảnh hưởng tỷ số btb đến số giãn rộng 37 ld Hình 2.6