Tap chi ky 33

Tap chi Ky 33 pdf Tạp chí Khoa học và Công nghệ, Số 33, 2018 © 2018 Trường Đại học Công nghiệp Thành phố Hồ Chí Minh MỘT PHƯƠNG PHÁP TIẾP CẬN MỚI TRONG PHÂN TÍCH VÀ MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH DẬP NÓNG DỤNG CỤ[.]

Tạp chí Khoa học Cơng nghệ, Số 33, 2018 MỘT PHƯƠNG PHÁP TIẾP CẬN MỚI TRONG PHÂN TÍCH VÀ MƠ PHỎNG Q TRÌNH DẬP NĨNG DỤNG CỤ CẮT GỌT MĨNG/DA DỰA TRÊN HỆ THỐNG CAD/CAE ĐẶNG HỒNG MINH(1), NGUYỄN PHÁT TÀI(2), NGUYỄN VIỆT ĐỨC(3) (1) Khoa Công nghệ Cơ khí, Trường Đại học Cơng nghiệp Thành Phố Hồ Chí Minh; (2) Khoa Kỹ thuật, Trường Đại học Việt Đức; (3) Khoa Cơng trình, Trường Đại học Thủy Lợi; danghoangminh@iuh.edu.vn, tai.np@vgu.edu.vn, ducnv@tlu.edu.vn Tóm tắt Bài báo đề xuất quy trình thiết kế, mơ q trình dập khối nóng dụng cụ kềm cắt móng da, vốn có nhu cầu sử dụng cao thị trường nhóm sản phẩm chăm sóc thể Dựa việc ứng dụng phần mềm CAD/CAE với phương pháp phần tử hữu hạn, điển hình phần mềm DEFORM3D, KOMPAS 3D, Geomagic Design X ANSYS, tác giả xây dựng quy trình “thiết kế-mơ phỏng-phân tích” khép kín Từ dự đốn q trình dập, xác định lực dập yếu tố ảnh hưởng, tính ứng suất dư, phân tích xử lý nhiệt, v.v… Một số lượng lớn (60) thực nghiệm số tiến hành với yếu tố đầu vào khác kích thước phôi, nhiệt độ, vận tốc máy dập Các kết mô thu cho phép xác định khuyết tật sản phẩm, giúp giảm thiểu sai sót q trình thiết kế, chuẩn bị phơi, lựa chọn trang thiết bị chế độ dập hợp lý Cơng trình có ý nghĩa thực tiễn cao lĩnh vực định hình kim loại ngành cơng nghiệp liên quan nước ta Từ khóa Dập khối nóng, dập/rèn nóng, định hình kim loại, CAD/CAE, phương pháp phần từ hữu hạn (FEM), DEFORM-3D A NEW APPROACH TO SIMULATION AND ANALYSIS OF HOT DIE FORMING PROCESS FOR MANUFACTURING CUTICLE NIPPER BASED ON CAD/CAE SYSTEM Abstract This paper presents simulation and analysis of hot die forming process for manufacturing cuticle nipper, which is a very useful tool with high demand in the body-care product maket Based on the application of the CAD/CAE system with finite element method (FEM) including the softwares DEFORM-3D, KOMPAS 3D, Geomagic Design X and ANSYS, the authors developed a closed-loop process “design-simulation-analysis”, which helps properly to forecast forming process, determine the force with influence factors, residual stresses, heat analysis and processing, ect Sixty numerical experiments with different input data including shape of workpieces, temperature and velocity of forging machine were carried out The obtained simulation results allowed for indicating product defects, reducing design error, selecting hot metal preparation, machines and forging procedure suitably Therefore, the outcome of this study has a high practical significance in the area of metal forming and related industries in Vietnam Keywords Hot blocker forging, hot die-forging, metal forming, CAD/CAE, finite element method (FEM), DEFORM-3D GIỚI THIỆU CHUNG Gia công kim loại áp lực phương pháp gia công tạo sản phẩm có hình dạng kích thước phức tạp, suất cao giá thành hợp lý Do đó, gia cơng áp lực (GCAL) có vị trí lớn đời sống kỹ thuật (Hình 1), ví dụ ngành ơtơ, xe máy, khí chế tạo cơng nghiệp quốc phịng, v.v Trong số sản phẩm dân dụng tạo GCAL phải kể đến nhóm dụng cụ chăm sóc thể, kềm cắt móng da (Hình 1.d), vốn có nhu cầu lớn từ phía người tiêu dùng, giai đoạn kinh tế thị trường phát triển hội nhập văn hóa thẩm mỹ tồn © 2018 Trường Đại học Cơng nghiệp Thành phố Hồ Chí Minh MỘT PHƯƠNG PHÁP TIẾP CẬN MỚI TRONG PHÂN TÍCH VÀ MƠ PHỎNG Q TRÌNH DẬP NĨNG DỤNG CỤ CẮT GỌT MĨNG/DA DỰA TRÊN HỆ THỐNG CAD/CAE 33 cầu Các sản phẩm tạo từ GCAL, cụ thể phương pháp dập (rèn) nóng, thường có tính độ tin cậy cao [1] Cơng nghệ dập khối-nóng vốn đời khơng ngừng nghiên cứu nước phát triển [2] Dập (rèn) nóng q trình gia cơng kim loại, phôi kim loại bị biến dạng nhiệt độ tái kết tinh, cho phép vật liệu giữ hình dạng bị biến dạng nguội (Hình 2) Rèn nóng thực cách sử dụng búa thủy lực khí nén, máy ép, máy móc tương tự khác sử dụng để nén kim loại nóng vào hình dạng mong muốn [2] Điều thường đạt cách sử dụng khuôn tùy chỉnh Khn sử dụng rèn nóng tùy chỉnh cho phù hợp với thiết kế sản phẩm Bởi kim loại nóng có tính dẻo nên phương pháp cho phép định hình chi tiết phức tạp rèn nguội Sau trình dập khối nóng kết thúc, phận làm mát nhanh chóng để cố định kim loại hình dạng [3], đồng thời tiến hành gia cơng loại bỏ vật liệu thừa (ba via) cải thiện chất lượng bề mặt chi tiết Tại Việt Nam cơng nghệ dập nóng cịn hạn chế, nhiên với tay nghề thủ công khéo léo tỉ mỉ người thợ, tạo sản phẩm có tính mỹ thuật cao, chí cạnh tranh với sản phẩm nước có bề dày khí Đức, Nhật Nhưng để sản xuất hàng loạt theo quy mô công nghiệp, với yêu cầu cao độ bền tính tiêu kỹ thuật khác, chưa thể cạnh tranh với thương hiệu tiếng giới Việc nhập sản phẩm cơng nghê từ nước ngồi thường dẫn tới khó khăn giá thành cao, lệ thuộc tình bị “chiếm lĩnh” thị trường nước Theo khảo sát tổng quan tác giả, số lượng hạn chế cơng trình nước dập nóng thể lĩnh vực chưa nghiên cứu cách thỏa đáng, mà điển cơng nghệ mơ số q trình dập khối-nóng trước tiến hành gia công thật [2] a.Phuộc với bánh khớp nối b Mặt bích, địn bẩy, nối, giá đỡ, móc c Các bánh d Các dụng cụ cắt móng da Hình 1: Các sản phẩm tạo từ phương pháp gia cơng áp lực © 2018 Trường Đại học Cơng nghiệp Thành phố Hồ Chí Minh 34 MỘT PHƯƠNG PHÁP TIẾP CẬN MỚI TRONG PHÂN TÍCH VÀ MƠ PHỎNG Q TRÌNH DẬP NĨNG DỤNG CỤ CẮT GỌT MĨNG/DA DỰA TRÊN HỆ THỐNG CAD/CAE Hình Ngun lý dập (rèn) khối nóng Trên thực tế mơ số mang lại lợi ích tiết kiệm chi phí thời gian đáng kể cách cung cấp nhìn tổng thể chi tiết q trình dập, trước lựa chọn cơng cụ định sản xuất nhà máy [4] Chính vậy, việc ứng dụng phần mềm mơ dần trở thành xu tất yếu Tuy nhiên cịn tồn đọng nhiều khó khăn muốn khai thác sử dụng chúng Ví dụ để xây dựng mơ hình cho dập khối chuyên sâu ANSYS [5] ABAQUS [6] (các phần mềm thơng dụng nay) khó khăn tốn nhiều thời gian Trong cơng trình [7] tác giả có nghiên cứu mơ q trình dập PAMP-STAMP Tuy nhiên phần mềm lại thích ứng với việc dập khơng phải dập khối nóng Các phần mềm Transvalor Forge [8], Qform [9], EnginSoft [10] đắt đỏ chưa phổ biến Việt Nam Phần mềm DEFORM-3D [11] với giá thành không cao bước đầu sử dụng công ty nước Nhưng việc xây dựng quy trình mơ cho dụng cụ có hình dáng phức tạp đa dạng cịn nhiều khó khăn Bởi lẽ phải xuất phát từ nhiều cơng đoạn thiết kế khuôn, phôi phần mềm CAD khác, sau dẫn nhập liệu để tiến hành mơ Đồng thời việc phân tích liệu sau mô (CAE) yêu cầu chuyên sâu mặt khoa học, chất vật lý mà đa số kỹ sư công ty Việt Nam nhiều hạn chế [12] Thực tế cho thấy, phân tích liệu mơ cách thỏa đáng, việc mơ thể đủ ý nghĩa dự tốn cho q trình sản xuất gia công thật Trên giới có số nghiên cứu sâu vào lĩnh vực ứng dụng hệ thống CAD/CAE/CAM để thiết kế, mô phỏng, chế tạo số chi tiết dập nóng Ví dụ tài liệu [13] nghiên cứu vấn đề để gia cơng vít, báo [14] hướng tới việc gia công vỏ điện thoại hợp kim magiê Những cơng trình mà ứng dụng mơ để nghiên cứu chuyên sâu dập nóng, kể đến tài liệu [15] tác giả mơ thực nghiệm dập nóng sử dụng khn có biên dạng hình chữ nhật hình lá, với điều kiện có khơng có ma sát để phân tích quy luật thay đổi tính chất vật liệu Trong tài liệu [16] tác giả mơ q trình dập bánh Đáng ý kết mơ dự đốn khoảng cách cần thiết bề mặt khn xác định thay đổi lực dập hợp lý suốt hành trình dập Tuy nhiên, cơng trình chưa đưa quy trình rõ ràng tổng quát để áp dụng cho nhiều sản phẩm đa dạng khác Chính mà việc áp dụng chúng để chế tạo gia cơng dập nóng sản phẩm kềm cắt móng da cịn gặp nhiều khó khăn Đa số cơng ty Việt Nam Kềm Sài Gòn AAA [12] cịn thiếu hụt quy trình cơng nghệ ứng dụng CAD/CAE để mô xác định thông số gia công dập phù hợp, dẫn tới phải nhiều chi phí cho hoạt động thử nghiệm thiết bị thật Trong cần yêu cầu khách hàng sản phẩm có thay đổi, dẫn tới việc phải tiến hành lại thử nghiệm để xác định thông số gia cơng cho thích hợp Đó tình trạng nan giải chung nước ta Từ luận điểm nêu trên, báo đề xuất quy trình “thiết kế-mơ phỏng-phân tích” khép kín dựa việc ứng dụng phần mềm CAD/CAE, điển hình phần mềm DEFORM-3D, © 2018 Trường Đại học Cơng nghiệp Thành phố Hồ Chí Minh MỘT PHƯƠNG PHÁP TIẾP CẬN MỚI TRONG PHÂN TÍCH VÀ MƠ PHỎNG Q TRÌNH DẬP NĨNG DỤNG CỤ CẮT GỌT MĨNG/DA DỰA TRÊN HỆ THỐNG CAD/CAE 35 KOMPAS 3D, Geomagic Design X ANSYS, từ cho phép dự đốn q trình dập nóng, xác định lực dập yếu tố ảnh hưởng, tính ứng suất dư, phân tích xử lý nhiệt, v.v… Quy trình giúp công ty sản xuất dụng cụ cắt gọt móng/da Việt Nam tiết kiệm chi phí thử nghiệm gia công, đồng thời tạo sản phẩm có chất lượng tốt, đáp ứng yêu cầu kỹ thuật cơng nghệ cao cạnh tranh với sản phẩm nước ngồi QUY TRÌNH PHÂN TÍCH VÀ MƠ PHỎNG DẬP KHỐI NĨNG ỨNG DỤNG HỆ THỐNG CAD/CAE Như trình bày trên, đa số công ty sản xuất kềm cắt gọt móng/da nước ta hoạt động theo phương thức, quy trình thiết kế kiểu truyền thống (Hình 3) Xuất phát từ yêu cầu, mong muốn khách hàng, nhà sản xuất thiết kế nên mơ hình vẽ sản phẩm theo phương pháp kế thừa kinh nghiệm có sẵn Dựa mơ hình sản phẩm đầu để tiếp tục thiết kế khuôn (trên, dưới) phơi Sau q trình gia cơng, chế tạo khuôn phôi, dập tạo mẫu, đánh giá chất lượng sản phẩm thu tiêu chuẩn chất lượng ứng suất dư, độ bền học, mức độ xác hình dạng, kích thước, ba via, v.v… Nếu chất lượng sản phẩm mẫu chưa đạt yêu cầu, quy trình cần lặp lại nhiều lần tìm thơng số, chế độ dập hợp lý, đáp ứng tiêu chất lượng Trên sở tiến hành sản xuất hàng loạt Tuy nhiên việc thử nghiệm nhiều lần thường gây tốn mặt chi phí Chính vậy, báo tác giả đề xuất quy trình mới, mà ý tưởng nằm việc thêm vào quy trình truyền thống cơng đoạn mô phỏng, ứng dụng hệ thống CAD/CAE để phân tích dự đốn trước q trình dập nóng máy tính (Hình 4) Trên sở tiến hành thực nghiệm số nhiều lần mà không gây tốn Dựa kết tốt thu sau mô phỏng, nhà sản xuất tiến hành công đoạn gia công, chế tạo khuôn mẫu Việc thử nghiệm mẫu sản phẩm thật không cần tiến hành, tùy vào chất lượng thu Nếu kết mô sát với thực tế việc thử nghiệm mẫu sản phẩm giản lược, từ tiết kiệm nhiều chi phí sản xuất Cụ thể công đoạn “ứng dụng hệ thống CAD/CAE” hình mơ tả chi tiết sơ đồ hình Theo đó, cần sử dụng hệ thống CAD để thiết kế mơ hình sản phẩm theo u cầu khách hàng (1) Dựa vào hình học sản phẩm ta thiết mơ hình khn (2) Sau xuất định dạng phù hợp, ta dẫn nhập chúng vào phần mềm mơ dập nóng để tiến hành q trình (3) Sau hồn thành, ta tiến hành phân tích kết sản phẩm sau dập (4) ứng suất dư, phân bố nhiệt độ, biến dạng, v.v Về nguyên tắc chúng tiêu chí để đánh giá chất lượng sản phẩm sau mơ phỏng, phù hợp thông số dập Bên cạnh đó, mơ hình chi tiết sau dập tự động hình thành phần mềm mơ (5) Việc phân tích tính trước đưa vào sử dụng tương lai cần phải trải qua cơng đoạn tính tốn CAE phần mềm ứng dụng phần tử hữu hạn (7) Tuy nhiên để trích nhập mơ hình chi tiết cần phải trải qua cơng đoạn trung gian (6), chuyển tiếp mơ hình vật thể sau mơ thành mơ hình vật thể phù hợp mặt hình học, cấu trúc phần tử hữu hạn Như vậy, cơng đoạn với trình tự kể tạo thành quy trình khép kín, cho phép nhà sản xuất tạo sản phẩm dập nóng dụng cụ cắt móng da có chất lượng Các phần mềm CAD sử dụng KOMPAS-3D, Pro-Engineer, SolidWork, Inventor, v.v Quy trình thiết kế 2D 3D chi tiết khn, phần mềm kể khơng có khác biệt đáng kể Cơng đoạn quan trọng quy trình mơ dập khối nóng ((3) hình 5) Mặc dù phần mềm mô (như Transvalor Forge, QForm, EnginSoft, v.v.) ln có hướng dẫn sử dụng, nhiên quy trình thực cho tốn cụ thể, với tính chất, đặc trưng đa dạng vấn đề cần phải xây dựng cho phù hợp đáp ứng yêu cầu phức tạp Trong hình tác giả đề xuất quy trình mơ dập chi tiết với phần mềm DEFORM-3D, cho có giao diện dễ hiểu với đầy đủ tính cần thiết © 2018 Trường Đại học Cơng nghiệp Thành phố Hồ Chí Minh 36 MỘT PHƯƠNG PHÁP TIẾP CẬN MỚI TRONG PHÂN TÍCH VÀ MƠ PHỎNG Q TRÌNH DẬP NÓNG DỤNG CỤ CẮT GỌT MÓNG/DA DỰA TRÊN HỆ THỐNG CAD/CAE Khách hàng Khách hàng Yêu cầu sản phẩm đầu Yêu cầu sản phẩm đầu Thiết kế mơ hình 3D sản phẩm Thiết kế mơ hình 3D sản phẩm Thiết kế khuôn (trên dưới) phôi Thiết kế khuôn (trên dưới) phôi Ứng dụng hệ thống CAD/CAE Không đạt Đạt Gia công khuôn phôi Gia công khuôn phôi Dập tạo mẫu Dập tạo mẫu Không đạt Kiểm tra chất lượng với tiêu chuẩn Kiểm tra chất lượng với tiêu chuẩn Không đạt Đạt Đạt Các thông số dập phù hợp Các thông số dập phù hợp Tiến hành sản xuất Tiến hành sản xuất Hình 4: Đề xuất quy trình thiết kế, mơ phỏng, phân tích dựa hệ thống CAD/CAE Hình 3: Quy trình thiết kế truyền thống (7) (4) (1) CAE CAD (2) (3) (6) (5) Hình 5: Các công đoạn ứng dụng hệ thống CAD/CAE quy trình thiết kế, mơ phỏng, phân tích dập (rèn) khối nóng Mơ hình tốn phần tử hữu hạn sử dụng DEFORM-3D hệ phương trình phức tạp, mơ tả nhiều tượng cơ-nhiệt q trình dập nóng phương trình cân bằng, đặc trưng vật liệu có xét tới qn tính, trọng trường, vận tốc, ma sát, biến dạng dẻo, truyền nhiệt điều kiện biên Chúng miêu tả chi tiết tài liệu [17-18] © 2018 Trường Đại học Cơng nghiệp Thành phố Hồ Chí Minh MỘT PHƯƠNG PHÁP TIẾP CẬN MỚI TRONG PHÂN TÍCH VÀ MƠ PHỎNG Q TRÌNH DẬP NĨNG DỤNG CỤ CẮT GỌT MÓNG/DA DỰA TRÊN HỆ THỐNG CAD/CAE Tiền xử lý (PreProcessor) ƒ Xác lập thông số: Đơn vị, bước dập ƒ Trích nhập (Import) mơ hình khn phôi: Chọn tọa độ , phôi, khuôn trên, khuôn ƒ Chọn thông số: Nhiệt độ, vật liệu, chia lưới, phôi, khuôn, độ cứng khuôn ƒ Chọn máy dâp, hành trình, vận tốc Sau xử lý (PostProcessor) ƒ Chạy chương trình mơ ƒ Lấy kết quả, phân tích DEFORM-3D 37 Hình 6: Quy trình mơ dập DEFORM-3D Với quy trình đề xuất này, sau mơ phỏng, liệu quan trọng biến dạng vật liệu, áp suất, áp lực nhiệt độ dễ thu thập người dùng bước (step) nào, vị trí q trình mơ dập Các khiếm khuyết tiềm ẩn xếp phơi khơng điền đầy vào lịng khn dễ dàng xác định sửa chữa trước bắt đầu sản xuất Ngồi ra, dễ dàng định lượng đánh giá ảnh hưởng điều kiện q trình bơi trơn định hình Q trình gia cơng dập xác mơ phương pháp khối lượng hữu hạn thiết kế hỗ trợ cơng nghệ máy tính Lực bắt buộc cho trình dập, hình dạng cuối cùng, xác định thông qua ước lượng số [16] Các kết mơ có thơng qua việc so sánh với liệu thực nghiệm theo tiêu chuẩn Tiếp đến, sau mơ q trình dập DEFORM-3D, cơng đoạn quan trọng cần phân tích độ bền học chi tiết kềm đưa vào sử dụng để biết khả chịu tải, hệ số an toàn độ bền mỏi Tuy nhiên phần mềm mơ dập thường khơng có sẵn tính này, nên giải pháp cần xuất mơ hình chi tiết sau dập để đưa vào phần mềm tự động tính tốn CAE Vấn đề khó khăn đặt mơ hình chi tiết sau dập tạo DEFORM-3D Những mơ hình sau dập trích xuất dạng CAD thường cac mơ hình hỗn độn gồm đoạn thẳng, bề mặt vật thể khối, tạo nên q trình phân tích biến dạng phần tử hữu hạn Số lượng phần tử khác lên đến hàng trăm ngàn nên khó xử lý để kết nối điểm nút hay đồng phần tử quy trình phân tích FEM Đồng thời tồn nhiều lỗi thừa, thiếu phần tử khiến cho mơ hình vật thể chi tiết sau dập sử dụng khâu tính tốn Chính cần phải giải cơng đoạn trung gian, chuyển tiếp từ mơ hình sau dập để trở thành mơ hình CAD hồn chỉnh dạng vật thể khối với bề mặt chia lưới cách hợp lý, thuận lợi cho trình đặt tải trọng điều kiện biên Trong hình tác giả đề xuất quy trình chỉnh sửa CAD mơ hình chi tiết sau dập để phù hợp cho cơng đoạn phân tích học CAE, sử dụng chương trình trung gian Geomagic Design X [19] Quy trình phân tích CAE ứng xử học chi tiết hồn tồn giống quy trình chuẩn (Hình 8): Lựa chọn vật liệu, loại phần tử hữu hạn (do chi tiết vật thể khối, ta chọn phần tử tứ diện), thuộc tính phần tử, chia lưới, đặt tải trọng, điều kiện biên, tính tốn hậu xử lý để phân tích kết Sau giải hệ phương trình tuyến tính theo phương pháp phần tử hữu hạn, có dạng kết mà giá trị chúng coi tiêu chí đánh giá chất lượng sản phẩm sau dập: - Hệ số an tồn vị trí nguy hiểm (có giá trị nhỏ nhất) Ỉ Cần phải cực đại hóa max - Chuyển vị lớn Æ Cần phải cực tiểu hóa - Số lần làm việc vị trí nguy hiểm trước rơi vào trạng thái mỏi Ỉ Cần phải cực đại hóa max © 2018 Trường Đại học Cơng nghiệp Thành phố Hồ Chí Minh 38 MỘT PHƯƠNG PHÁP TIẾP CẬN MỚI TRONG PHÂN TÍCH VÀ MƠ PHỎNG Q TRÌNH DẬP NĨNG DỤNG CỤ CẮT GỌT MĨNG/DA DỰA TRÊN HỆ THỐNG CAD/CAE - Ứng suất tương đương (Von Mises) lớn Ỉ Cần phải cực tiểu hóa Chỉ sau q trình phân tích mơ ứng xử học, độ bền, độ tin cậy sản phẩm sau dập cách chi tiết, tìm thơng số nhiệt độ, kích thước phơi, hành trình, vận tốc dập, v.v… phù hợp Từ sản xuất gia cơng hàng loạt Mơ hình sau dập từ DEFORM (*.stl) Các phần mềm CAD Phân tích CAE ứng xử học, độ bền, độ cứng chi tiết Xóa phần tử thừa (đoạn thẳng, đa giác) mơ hình sau dập Sau lại save dạng *.stl Xuất định dạng vật thể khối với lưới bề mặt mới: -> Solid Bodies -> Export *.iges Geomagic Design X Khỏa lấp lỗ thủng bề mặt (nếu có) đa giác: POLYGONS ->Fill Holes Chia lại lưới bề mặt: SURFACING -> Auto Surface -> Mechanical Nâng cao hình dạng: POLYGONS ->Enhance Shape (Max) Sharpness (Max) Có thể thực nhiều lần Tối ưu lưới có sẵn (đồng hóa kích thước) POLYGONS -> Optimize Mesh Tăng số lượng đa giác lưới có sẵn để nâng cao độ cong cần thiêt hình dạng vật thể: POLYGONS -> Subdivide -> Method 4x -> Low Curvature only Hình 7: Quy trình chỉnh sửa mơ hình CAD 3D chi tiết sau mô dập để phù hợp cho việc tự động phân tích CAE Nhập mơ hình 3D sau chỉnh sửa Chọn vật liệu Đặt điều kiện biên Chia lưới Hệ số an toàn Đặt tải trọng Chuyển vị Số lần làm việc Hình 8: Quy trình phân tích CAE ứng xử học chi tiết sau dập THỰC NGHIỆM, KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1 Mô hình thực nghiệm số © 2018 Trường Đại học Cơng nghiệp Thành phố Hồ Chí Minh Ứng suất MỘT PHƯƠNG PHÁP TIẾP CẬN MỚI TRONG PHÂN TÍCH VÀ MƠ PHỎNG Q TRÌNH DẬP NĨNG DỤNG CỤ CẮT GỌT MĨNG/DA DỰA TRÊN HỆ THỐNG CAD/CAE 39 Với quy trình khép kín “thiết kế-mơ phỏng-phân tích” đề xuất mục 2, tiến hành thực mô số để kiểm nghiệm chúng Mơ hình thực nghiệm số miêu tả hình ? F Khn v T >300; 400;500@ mm s Phôi >700;750;800;850@ qC D Khn >7.0; 7.5; 8.0; 8.5; 9.0@ mm Hình 9: Mơ hình thực nghiệm số Trong khn khổ báo này, thông số dập xem xét để lựa chọn sau phân tích thực nghiệm, vận tốc dập (v), nhiệt độ nung phôi (T), đường kính phơi (D) với giá trị cần xét thể bảng Ký tự “–” bảng thể khơng có giá trị xét Những giá trị đại lượng có dựa kinh nghiệm có sẵn chuyên gia lĩnh vực rèn nóng Với giá trị xem xét bảng, ta có tổ hợp 60 thực nghiệm cần tiến hành mơ phân tích Bảng 1: Giá trị xét thơng số dập mơ hình STT Thông số v (mm/s) T (ºC) D (mm) 300 700 400 750 7.5 500 800 – 850 8.5 – – Vật liệu làm khn Thép SKD61 (JIS-Nhật) hay cịn gọi 40Cr5MoV (ISO), thép H13 (AISI-Mỹ), loại thép chuyên dụng để chế tạo khn dập nóng, khn đúc với độ cứng khoảng 44-55 HRC Loại thép có mặt ngày nhiều thị trường Việt Nam nên lựa chọn để sử dụng Vật liệu kềm hay phôi thép C45 Các tính chất cơ-lý vật liệu mơ hình dễ dàng trích xuất từ phần mềm DEFORM-3D giai đoạn tiền xử lý (hình 6) Trong nghiên cứu ta giả định khuôn cứng tuyệt đối nên không chia lưới độ cứng vật liệu làm nên chúng lớn nhiều so với phôi sau nung Phôi chia lưới phần tử tứ diện nút (Tetrahedral) với số lượng phần tử 150000 Sự lựa chọn số lượng phần tử chia lưới 150000 theo phương pháp dò thử với số lượng 80000, 100000, 120000, 140000, 150000, 160000, 180000, 200000 Nhận thấy từ sau 140000 kết hội tụ, nên nhóm tác giả lựa chọn 150000 mức chia lưới phù hợp Điều kiện biên xác định sau: Khuôn cố định; bề mặt khuôn với phôi, phôi với khuôn dạng tiếp xúc mặt 3.2 Phương pháp thực nghiệm số Thực 60 thực nghiệm với thông số dập vừa nêu máy tính cá nhân có cấu hình CORE i7, RAM 16 GB Mỗi thực nghiệm tiến hành khoảng cách nối tiếp, Thời gian thu thập liệu để phân tích khoảng 20’ Như tổng chi phí thời gian cho 60 thí nghiệm nói khoảng 80 © 2018 Trường Đại học Cơng nghiệp Thành phố Hồ Chí Minh 40 MỘT PHƯƠNG PHÁP TIẾP CẬN MỚI TRONG PHÂN TÍCH VÀ MƠ PHỎNG Q TRÌNH DẬP NÓNG DỤNG CỤ CẮT GỌT MÓNG/DA DỰA TRÊN HỆ THỐNG CAD/CAE Các thực nghiệm đánh số thứ tự từ đến 60 Sau mô xong, kết hợp với cơng đoạn chỉnh sửa CAD phân tích độ bền học CAE, có giá trị kết sau: - Lực dập F - Ứng suất dư lớn (S) - Biến dạng - Xếp phôi - Mật độ - Độ cứng vật liệu - Hệ số an toàn chịu tải - Chuyển vị lớn chịu tải - Số lần làm việc trước lúc mỏi chịu tải - Ứng suất tương đương lớn chịu tải - v.v… Đó tiêu chí mà chun gia nhà sản xuất cần kiểm tra để phân tích, lựa chọn thơng số mơ hình ban đầu Trong khuôn khổ báo, xem xét tiêu chuẩn lực dập F ứng suất dư lớn S sau mô dập, để tìm quy trình phân tích định lựa chọn thông số sản xuất hợp lý Trước hết, cần xác định rõ chất định hướng tiêu chí đánh giá thông số dập: - Vận tốc (v): Xét tính, vận tốc dập thấp cấu trúc vật liệu phôi thay đổi chậm q trình biến dạng Từ chi tiết sau dập có độ bền học tốt trình làm việc Tuy nhiên, vận tốc dập chậm khiến trình diễn lâu hơn, giảm hiệu suất gia cơng - Đường kính (D): Về mặt lý thuyết, sử dụng phơi có kích thước nhỏ tiết kiệm vật liệu Tuy nhiên, có nhược điểm vật liệu khó điền vào đầy lịng khn Điều địi hỏi người thợ phải đặt phơi vào khn cách xác Ngược lại, đường kính phơi lớn gây hao tốn vật liệu, nhiệt lượng nung lượng để chuyển đổi thành lực dập đủ mạnh - Nhiệt độ (T): Về mặt lý thuyết, cần nhiệt lượng vừa đủ để vật liệu phơi dễ định hình theo khn q trình dập Tuy nhiên nhiệt độ cao gây nên lãng phí lượng, đồng thời gây nên tình trạng biến dạng chảy, ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm Vì vậy, mong muốn nhiệt độ có giá trị nhỏ - Lực dập (F): Cần lực dập đủ để định hình vật liệu Lực dập lớn gây hao tốn lượng, giảm độ bền khuôn, v.v… - Ứng suất dư lớn (S): Là ứng suất xuất lớp vật liệu/2 loại vật sát nhau/liên kết với mà chúng có khơng đồng cấu trúc kích thước độ hạt tính (các khn phơi) Nhìn chung ứng suất khơng có lợi cho độ bền chi tiết, ln mong giá trị lớn xuất sản phẩm đạt giá trị nhỏ 3.3 Kết thực nghiệm thảo luận Kết sau mô lực dập F ứng suất dư lớn S thể đồ thị hình 10 11 Đây coi đồ thị 4D với thơng số thể hình Mỗi điểm hình cầu/tứ diện/lục diện/hoa thị tương ứng với thực nghiệm số Quan sát đồ thị hình 10, ta rút số nhận xét sau: - Đường kính phơi lực dập tỉ lệ thuận với nhau, khơng có ngoại lệ nhiệt độ - Giữa lực dập vận tốc nhìn chung mối quan hệ tỉ lệ thuận: Khi lực dập lớn đẩy nhanh trình dập Tuy nhiên có số điểm đặc biệt khơng tn theo quy luật này, ví dụ nhiệt độ 700ºC với đường kính 7.5 mm; nhiệt độ 750ºC với đường kính mm; nhiệt độ 800ºC với đường kính mm; đặc biệt nhiệt độ 850ºC mối tương quan tỉ lệ thuận khơng rõ ràng © 2018 Trường Đại học Cơng nghiệp Thành phố Hồ Chí Minh MỘT PHƯƠNG PHÁP TIẾP CẬN MỚI TRONG PHÂN TÍCH VÀ MƠ PHỎNG Q TRÌNH DẬP NĨNG DỤNG CỤ CẮT GỌT MĨNG/DA DỰA TRÊN HỆ THỐNG CAD/CAE 41 Hình 10: Đồ thị thể mối quan hệ đại lượng phân tích: Đường kính phơi (D), vận tốc dập (mm/s), nhiệt độ phơi (T) lực dập (F) Hình 11.a: Đồ thị thể mối quan hệ đại lượng phân tích: Đường kính phơi (D), vận tốc dập (mm/s), nhiệt độ phôi (T) ứng suất dư lớn (S) – Xét mặt phẳng S-D © 2018 Trường Đại học Cơng nghiệp Thành phố Hồ Chí Minh 42 MỘT PHƯƠNG PHÁP TIẾP CẬN MỚI TRONG PHÂN TÍCH VÀ MƠ PHỎNG Q TRÌNH DẬP NĨNG DỤNG CỤ CẮT GỌT MĨNG/DA DỰA TRÊN HỆ THỐNG CAD/CAE Hình 11.b: Đồ thị thể mối quan hệ đại lượng phân tích: Đường kính phơi (D), vận tốc dập (mm/s), nhiệt độ phôi (T) ứng suất dư lớn (S) – Xét mặt phẳng S-v Về mặt thực tiễn, chuyên gia dập quan tâm đến điểm 41, 56, 1, 16 có đường kính nhỏ D=7 mm Nếu cần sản phẩm với chất lượng cao (vận tốc dập nhỏ nhất) có điểm đáng ý 41 56, nhiệt độ điểm 41 nhỏ (700ºC) lực dập lớn (1660 kN) nhiệt độ điểm 56 lớn (850ºC) lực dập nhỏ (1310 kN) Nếu chất lượng sản phẩm không cần cao ưu tiên suất (vận tốc dập lớn = 500 mm/s) điểm đáng ý 16, nhiệt độ điểm nhỏ (700ºC) lực dập lớn (1810 kN) nhiệt độ điểm 16 lớn (850ºC) lực dập nhỏ (1320 kN) Tuy nhiên, lựa chọn ưu tiên tiêu chuẩn lực dập, cịn ví dụ tiêu chuẩn ứng suất dư tối đa 56 điểm cịn lại lựa chọn tốt Tương tự đồ thị hình 11 xét mối tưởng quan ứng suất dư lớn S với thơng số cịn lại, ta thu số nhận xét sau: - Mối quan hệ đường kính phơi ứng suất dư lớn (hình 11.a, mặt phẳng S-D) phức tạp, không tuân theo logic thông thường đường kính lớn ứng suất dư lớn Khơng đại lượng có ảnh hưởng lên mà chúng bị chi phối tốc độ dập nhiệt độ Cụ thể, ta thấy với tốc độ dập 300 400 mm/s mối tương quan đại lượng phức tạp, nhiên tốc độ nhanh 500 mm/s, với nhiệt độ thấp 700ºC 750ºC tạm thời mối tương quan S-D rõ ràng nhất, gần quy luật - Mối quan hệ vận tốc dập ứng suất dư lớn (hình 11.b, mặt phẳng S-v) phức tạp khơng có quy luật Tuy nhiên mặt thực tiễn nhà sản xuất quan tâm tới điểm 20, 22, 28, 42 (Hình 11.a) xét tiêu chí ứng suất dư để đảm bảo độ bền sản phẩm Điểm 20 tương ứng với đường kính D=9 mm, v=500 mm/s nhiệt độ nung lớn T=850ºC, nhiên lại cho ứng suất dư nhỏ S=636 MPa So với điểm 20, điểm 38 có ứng suất dư lớn S=874 MPa, bù lại vận tốc dập đường kính lại nhỏ (D=8mm, v=400 mm/s) Hai điểm 22 42 có ứng suất dư đường kính S=962 MPa, D=7.5 mm,về ứng suất lớn điểm 20, 38, nhiên, chúng lại có lợi vận tốc đường kính © 2018 Trường Đại học Cơng nghiệp Thành phố Hồ Chí Minh MỘT PHƯƠNG PHÁP TIẾP CẬN MỚI TRONG PHÂN TÍCH VÀ MƠ PHỎNG Q TRÌNH DẬP NĨNG DỤNG CỤ CẮT GỌT MÓNG/DA DỰA TRÊN HỆ THỐNG CAD/CAE 43 Ta thấy rằng, tiêu chí, lực dập ứng suất dư, nhà sản xuất lựa chọn điểm đáng ý nêu Dựa vào kết mô đồ thị trực quan chọn chế độ dập hợp lý Tương tự, việc phân tích mở rộng xét thêm tiêu chuẩn khác (biến dạng, xếp phôi, độ cứng, mật độ, v.v…) Chúng ta thấy rằng, tiêu chí có ý nghĩa quan trọng khác nhau, tùy vào thời điểm nhu cầu người tiêu dùng bối cảnh cụ thể khác Do quy trình mơ phân tích mà báo đề xuất ln giúp cho nhà sản xuất lựa chọn định phù hợp thời điểm khác KẾT LUẬN Phương pháp gia công dập khối nóng phương pháp quan trọng ngành gia công áp lực nước ta Trong báo tác giả đã: - Đề xuất quy trình trình thiết kế, mơ phỏng, phân tích khép kín dập nóng khối dựa ứng dụng hệ thống CAD/CAE Các quy trình áp dụng cho lĩnh vực gia công áp lực khác, giúp tiết kiệm chi phí thực nghiệm chế tạo nhiều loại sản phẩm đa dạng khác - Tiến hành thực 60 thực nghiệm số với quy trình đề xuất, từ xây dựng đồ thị trực quan để đánh giá mối quan hệ, ảnh hưởng qua lại thông số dập Kết cho thấy mối quan hệ cặp thông số phức tạp chúng bị ảnh hưởng qua lại thơng số khác Do gia cơng dập nóng, khó dự đốn việc tang-giảm thơng số dựa suy luận kinh nghiệm thông thường, mà cần phải tiến hành mơ để phân tích đưa định sản xuất - Dựa ví dụ tiêu chuẩn lực dập ứng suất dư lớn lựa chọn điểm tốt nhất, tương ứng với thông số dập áp dụng để gia cơng thật sau Phương pháp áp dụng xét tới nhiều tiêu chuẩn chất lượng khác biến dạng, xếp phôi, độ cứng, mật độ, v.v…Và xét tiêu chuẩn điểm tốt số 52 điểm lại Nên đồ thị trực quan giúp nhà sản xuất lựa chọn phương án dập phù hợp, từ tạo sản phẩm theo yêu cầu khác từ phía thị hiếu khách hàng, bối cảnh sản xuất cụ thể Bên cạnh đó, số hướng phát triển tương lai áp dụng hệ thống CAM để xuất chương trình gia công CNC cho khuôn, nghiên cứu ảnh hưởng tiêu chuẩn cịn lại để tìm chế độ dập hợp lý xác nữa, cần xây dựng thiết bị thực nghiệm để đánh giá kết mô phỏng, thực mô nhiều phần mềm khác để kiểm chứng tính xác chúng TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Lê Nhương, Kỹ thuật Rèn Dập nóng, Nhà xuất công nhân kỹ thuật, 1978, 228 tr [2] Ming Wang Fu, Design and Development of Metal-Forming Processes and Products Aided by Finite Element Simulation, Department of Mechanical EngineeringThe Hong Kong Polytechnic University, 2017, 258 p [3] Nghệ, P.V., Cơng nghệ dập tạo hình khối Nhà xuất Bách Khoa, 2008, 276 p [4] Fluhrer, J., Deform 2D 8.1 version uer's manual, Scientific Forming Technologies Corporation, 2004, 288p [5] https://www.ansys.com/, (truy cập ngày 23/02/2018) [6] https://www.3ds.com/products-services/simulia/products/abaqus/, (truy cập ngày 23/02/2018) [7] Nguyễn Hữu Phước, Nghiên cứu ảnh hưởng tốc độ chày lực dập trình gia công dập tấm, Luận văn Thạc sĩ Trường Đại học Công nghiệp TPHCM, 90 tr 2017 [8] http://www.transvalor.com/en/cmspages/forge-nxt.32.html, (truy cập ngày 23/02/2018) [9] http://www.qform3d.com/, (truy cập ngày 23/02/2018) [10] http://www.enginsoft.com/about-us/, (truy cập ngày 23/02/2018) [11] https://www.deform.com/products/deform-3d/, (truy cập ngày 23/02/2018) © 2018 Trường Đại học Cơng nghiệp Thành phố Hồ Chí Minh 44 MỘT PHƯƠNG PHÁP TIẾP CẬN MỚI TRONG PHÂN TÍCH VÀ MƠ PHỎNG Q TRÌNH DẬP NÓNG DỤNG CỤ CẮT GỌT MÓNG/DA DỰA TRÊN HỆ THỐNG CAD/CAE [12] http://ksg.com.vn/index.php?route=product/category&path=33, (truy cập ngày 23/02/2018) [13] Kao, Y.-C., H.-Y Cheng, and C.-H She, Development of an integrated CAD/CAE/CAM system on tapertipped thread-rolling die-plates Journal of Materials Processing Technology, 2006 177(1-3): p 98-103 [14] Lin, B.-T and C.-C Kuo, Application of an integrated RE/RP/CAD/CAE/CAM system for magnesium alloy shell of mobile phone Journal of Materials Processing Technology, 2009 209(6): p 2818-2830 [15] Misirli, C., Can, Y., An experimental study and designing process by using cad/cae: In combined open die forging-extrusion process of different shaped geometries from aluminum alloy samples International Journal of Modern Manufacturing Technologies ISSN 2067–3604, Vol II, No / 2010 [16] Khalilpourazary, S., et al., Design and manufacturing of a straight bevel gear in hot precision forging process using finite volume method and CAD/CAE technology The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 2011 56(1-4): p 87-95 [17] Coupez, T., et at., 3-D finite element modelling of the forging process with automatic remeshing Journal of Materials Processing Technology, 27 (1991) 119-133 [18] Loup Chenot, J., et at., Finite element modelling of forging and other metal forming processes https://halmines-paristech.archives-ouvertes.fr/hal-00573831, (truy cập ngày 17/05/2018) [19] https://www.3dsystems.com/software/geomagic-design-x., (truy cập ngày 23/02/2018) Ngày nhận bài: 14/05/2018 Ngày chấp nhận đăng: 09/06/2018 © 2018 Trường Đại học Công nghiệp Thành phố Hồ Chí Minh ... khơng chia lưới độ cứng vật liệu làm nên chúng lớn nhiều so với phôi sau nung Phôi chia lưới phần tử tứ diện nút (Tetrahedral) với số lượng phần tử 150000 Sự lựa chọn số lượng phần tử chia lưới... việc thử nghiệm mẫu sản phẩm giản lược, từ tiết kiệm nhiều chi phí sản xuất Cụ thể cơng đoạn “ứng dụng hệ thống CAD/CAE” hình mơ tả chi tiết sơ đồ hình Theo đó, cần sử dụng hệ thống CAD để thiết... tích độ bền học chi tiết kềm đưa vào sử dụng để biết khả chịu tải, hệ số an toàn độ bền mỏi Tuy nhiên phần mềm mơ dập thường khơng có sẵn tính này, nên giải pháp cần xuất mô hình chi tiết sau dập