Xây dựng phương pháp phân tích và mô phỏng quá trình dập nóng dụng cụ cắt móng và da dựa trên hệ thống CAD CAE

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH NGUYỄN PHÁT TÀI XÂY DỰNG PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH VÀ MƠ PHỎNG Q TRÌNH DẬP NĨNG DỤNG CỤ CẮT MÓNG VÀ DA DỰA TRÊN HỆ THỐNG CAD/CAE Chuyên ngành: KỸ THUẬT CƠ KHÍ Mã chuyên ngành: 60520103 LUẬN VĂN THẠC SĨ THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH, NĂM 2018 Cơng trình hồn thành trường đại học cơng nghiệp Tp Hồ Chí Minh Người hướng dẫn khoa học: TS Đặng Hoàng Minh Người ph n biện 1: Người ph n biện 2: Luận văn thạc sĩ b o vệ H i đồng ch m b o vệ Luận văn thạc sĩ Trường Đại học Công nghiệp thành phố Hồ Chí Minh ngày tháng năm Thành phần H i đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm: TS Châu Minh Quang Chủ tịch H i đồng TS Nguyễn Hữu Thọ Ph n biện TS Lê Tu n Phương Nam Ph n biện TS Đào Thanh Phong Ủy viên TS Ao Hùng Linh Thư ký CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG TRƯỞNG KHOA CN CƠ KHÍ BỘ CƠNG THƯƠNG CỘNG HỊA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP Độc lập - Tự - Hạnh phúc THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: Nguyễn Phát Tài Ngày, tháng, năm sinh: 15/12/1987 Chuyên ngành: MSHV: 16002651 Nơi sinh: Tiền Giang Kỹ thuật Cơ khí Mã chuyên ngành: 60520103 I TÊN ĐỀ TÀI: Xây dựng phương pháp phân tích mơ q trình dập nóng dụng cụ cắt móng da dựa hệ thống CAD/CAE NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: Nghiên cứu xây dựng quy trình thiết kế, mơ phân tích dụng cụ cắt móng da Xây dựng quy trình thành phần tổng thể Từ quy trình có thiết kế mơ hình thực nghiệm số để tìm chế đ dập hợp lý nh t, dựa chương trình đánh giá phân tích kết qu II NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: Theo QĐ số 04/QĐ-ĐHCN ngày 03/01/2018 III NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 03/07/2018 IV NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS Đặng Hồng Minh Tp Hồ Chí Minh, ngày … tháng … năm 20 … NGƯỜI HƯỚNG DẪN CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO TS Đặng Hoàng Minh TRƯỞNG KHOA CN CƠ KHÍ LỜI CẢM ƠN Luận văn hồn thành Trường đại học Công Nghiệp Tp HCM hỗ trợ cơng ty Kềm Sài Gịn Để hoàn thành luận văn này, em xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành sâu sắc nh t tới đến cơng ty Kềm Sài Gịn giúp đỡ tạo điều kiện để em thực luận văn Nhờ hướng dẫn quý giá chia kinh nghiệm suốt trình nghiên cứu, thực nghiệm hoàn thành đề tài giao m t cách tốt nh t Em xin chân thành c m ơn Thầy hướng dẫn khoa học, TS Đặng Hoàng Minh đóng góp ý kiến quý báu hướng dẫn nhiệt tình suốt thời gian thực luận văn Những ý kiến đánh giá m t học quý giá sâu sắc cho b n thân hành trang cho tương lai Qua em c m ơn Ban giám hiệu trường tạo điều kiện cho em thực luận văn Em xin gửi lời c m ơn chân thành đến Thầy/Cô giáo – Các nhà khoa học trực tiếp gi ng dạy truyền đạt kiến thức khoa học chuyên ngành bổ ích cho b n thân em suốt thời gian qua Mặc dù cố gắng nổ lực để làm luận văn thời gian qua khơng tránh khỏi thiếu sót em r t mong nhận đóng góp nhận xét quý Thầy Cô t t c bạn đọc i TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ Luận văn thạc sĩ với đề tài “Xây dựng phương pháp phân tích mơ q trình dập nóng dụng cụ cắt móng da dựa hệ thống CAD/CAE” thực nhằm xây dựng quy trình thành phần tổng thể khâu, thiết kế, mơ phỏng, phân tích q trình dập nóng dụng cụ cắt móng da Dựa việc ứng dụng phần mềm CAD/CAE phương pháp phần tử hữu hạn, điển hình phần mềm DEFORM-3D, ABAQUS, Geomagic Design X ANSYS, tác gi xây dựng m t quy trình “thiết kế-mơ phỏng-phân tích” khép kín Từ dự đốn q trình dập, xác định lực dập yếu tố nh hưởng, tính ứng su t dư, phân tích xử lý nhiệt, v.v… M t số lượng lớn (60) thực nghiệm số tiến hành với yếu tố đầu vào khác kích thước phơi, nhiệt đ , vận tốc máy dập Các kết qu mô thu cho phép xác định khuyết tật s n phẩm, giúp gi m thiểu sai sót q trình thiết kế, chuẩn bị phôi, lựa chọn trang thiết bị chế đ dập hợp lý Cơng trình có ý nghĩa thực tiễn cao lĩnh vực định hình kim loại ngành công nghiệp liên quan nước ta ii ABSTRACT The master thesis on "Developing analytical methods and simulating the hot forging of nail and skin cutting tools based on CAD/CAE system" was conducted to develop component and overall processes of stages such as design, simulation, analysis of hot forging tools nail and skin Based on the application of CAD/CAE and finite element methods, typically DEFORM-3D, ABAQUS, Geomagic Design X and ANSYS, the author has developed a closed-loop “design-simulationanalysis" which helps properly to forecast forming process, determine the force with influence factors, residual stresses, heat analysis and processing, ect A large number of numerical experiments (60) were conducted with various input factors such as workpiece size, temperature, the speed of the forging machine Simulated results allow the defect identification process for the products, minimizing errors in the design process, preparing the workpiece, selection of equipment and the effective forging parameters Therefore, the outcome of this study has a high practical significance in the area of metal forming and related industries in Vietnam iii LỜI CAM ĐOAN Tôi tên Nguyễn Phát Tài, học viên lớp Cao học khí 6A – trường Đại học Cơng Nghiệp Tp Hồ Chí Minh Sau trình học tập nghiên cứu, giúp đỡ Thầy Cô giáo đặc biệt hướng dẫn tận tình TS Đặng Hồng Minh giúp tơi hồn thành luận văn thạc sĩ theo dự kiến chương trình Tơi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu cá nhân tơi hướng dẫn TS Đặng Hoàng Minh tham kh o tài liệu nêu luận văn Các kết qu , số liệu luận văn hồn tồn trung thực, khơng chép cơng trình cá nhân khác b t hình thức Học viên thực Nguyễn Phát Tài iv MỤC LỤC MỤC LỤC v DANH MỤC HÌNH ẢNH vii DANH MỤC BẢNG BIỂU ix DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT x MỞ ĐẦU 1 Đặt v n đề Mục tiêu nghiên cứu Đối tượng phạm vi nghiên cứu 4 Cách tiếp cận phương pháp nghiên cứu 5 Ý nghĩa thực tiễn đề tài CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ DẬP NÓNG 1.1 Lịch sử phát triển dập nóng mơ số 1.2 Cơ sở lý thuyết mơ hình tốn phần tử hữu hạn 10 1.2.1 Nền t ng khí: 10 1.2.2 Phương pháp số 12 1.2.3 M t số phương trình nhiệt 15 1.3 Dụng cụ kềm cắt móng/da Việt Nam 19 1.4 Ứng dụng s n phẩm liên quan dập nóng 20 1.4.1 Cơng nghiệp ôtô 20 1.4.2 Những dụng cụ cầm tay 21 1.4.3 Thiết bị đường sắt 22 1.4.4 Ngành hàng không 22 CHƯƠNG XÂY DỰNG QUY TRÌNH THIẾT KẾ, MƠ PHỎNG, PHÂN TÍCH CHẾ TẠO KHN DẬP NÓNG DỰA VÀO HỆ THỐNG CAD/CAE 23 2.1 Sơ lược quy trình thiết kế khn dập nóng cơng ty Kềm Sài Gịn Đề xu t phướng pháp thiết kế mô dựa vào hệ thống CAD/CAE 23 2.2 Quy trình ứng dụng hệ thống CAD 30 2.2.1 Thiết kế mẫu kềm 30 2.2.2 Thiết kế khuôn 31 2.2.3 Quy trình chỉnh sửa mơ hình sau mơ ép ngu i 35 2.3 Mơ Q trình dập 37 2.3.1 Quy trình dập định hình 38 2.3.2 Quy trình dập cắt bavia: từ dập chuyển qua bước chặt bavia để thu chi tiết gần với nguyên mẫu thiết kế 41 2.3.3 Quy trình dập ép ngu i 45 2.4 Quy trình phân tích phần tử hữu hạn CAE 48 v 2.4.1 Phân tích CAE cho mẫu kềm với gọng 49 2.4.2 Phân tích CAE cho m t gọng kềm 53 2.5 Kết luận 58 CHƯƠNG XÂY DỰNG QUY TRÌNH KHÉP KÍN: THIẾT KẾ- MƠ PHỎNGPHÂN TÍCH- ĐÁNH GIÁ LỰA CHỌN KẾT QUẢ CHO DỤNG CỤ CẮT MÓNG VÀ DA 59 3.1 Quy trình tổng thể 59 3.2 Thực nghiệm số 61 3.2.1 Mơ hình thực nghiệm số 61 3.2.2 Phương pháp thực nghiệm số 64 3.2.3 Quy trình lựa chọn kết qu 65 3.3 Kết luận 74 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 76 Kết luận 76 Kiến nghị 76 DANH MỤC CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ CỦA HỌC VIÊN 77 TÀI LIỆU THAM KHẢO 78 LÝ LỊCH TRÍCH NGANG CỦA HỌC VIÊN 80 vi DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1 Chương trình thiết kế lắp ráp với chương trình CREO Hình 1.2 Phân tích phần tử hữu hạn với NX 10 Hình 1.3 Kềm cắt da 20 Hình 1.4 Những chi tiết điển hình từ dập nóng 21 Hình 1.5 Dụng cụ cầm tay 21 Hình 1.6 Đ ng trực thăng 22 Hình 2.1 Quy trình tổng quát thiết kế gia cơng khn cơng ty Kềm Sài Gịn 24 Hình 2.2 Quy trình ứng dụng hệ thống CAD/CAE vào thiết kế s n xu t 26 Hình 2.3 Quy trình thành phần phần riêng lẻ 27 Hình 2.4 Tổng quát quy trình 29 Hình 2.5 Quy trình thiết kế mẫu 3D kềm 30 Hình 2.6 Mặt phân khn khn 32 Hình 2.7 Mặt phân khn hồn chỉnh khn 32 Hình 2.8 Mặt phân khn khn 33 Hình 2.9 Mặt phân khn hồn chỉnh 34 Hình 2.10 Quy trình tách khuôn tổng quát 35 Hình 2.11 Chia lại lưới điểm cho phần tử 36 Hình 2.12 Trước sau xếp lưới phần tử 36 Hình 2.13 Quy trình chỉnh sửa mơ hình CAD 3D chi tiết sau mô dập để phù hợp cho việc tự đ ng phân tích CAE 37 Hình 2.14 Quy trình thiết lập trình mô dập ứng dụng phần mềm Deform 3D 38 Hình 2.15 Trình tự bước trình mơ dập kềm 40 Hình 2.16 Phơi nhỏ khơng điền đủ vào lịng khn 41 Hình 2.17 Phơi thu sau q trình mơ dập định hình 41 Hình 2.18 Các bước thiết lập thơng số mơ chặt rìa 42 Hình 2.19 Dính bavia xung quanh mép rìa 43 Hình 2.20 Sơ đồ quy trình thiết kế mơ chặt rìa 44 Hình 2.21 Các bước thiết lập thông số mô ép ngu i 46 vii Hình 2.6 Mặt phân khn khn Từ mơ hình 3D dựng mặt phân khn dưới, vị trí định vị phơi tạo để định vị cho phơi q trình chặt rìa Cắt phần rỗng từ biên dạng cho mặt phân khn khn Hình 2.7 Mặt phân khn hồn chỉnh khn Do chi tiết có hình dạng nhỏ nên tạo nhiều lịng khn m t khuôn để tăng hiệu qu sử dụng khn, gi m chi phí chế tạo - Khn Từ sở mặt phân khuôn ta sử dụng chúng làm t ng mặt phân khn Có vị trí chịu lực tác dụng lực nhiều dễ hư hỏng trước vị trí khác ta tăng kho ng cách mặt phân khn vị trí để đ m b o đ bền Việc 32 mơ phát vị trí nguy hiểm khn từ điều chỉnh c i thiện, việc mơ trình bày phần sau luận văn Hình 2.8 Mặt phân khn khn Tạo mặt khn cách offset biên dạng bao toàn b thân kềm tạo phần nhô lên, biên dạng khuôn lúc phần nhô lên xung quanh biên dạng kềm (xem hình 2.8), có tác dụng làm tăng tuổi thọ khuôn Khi khuôn tác đ ng vào phôi lúc lực tác dụng lớn làm phơi biến dạng tràn theo hướng, nhờ thiết kế kiểu lối thoát làm gi m đáng kể lực tác dụng lên mặt khuôn 33 - Tách khn Hình 2.9 Mặt phân khn hồn chỉnh Từ hai mặt phân khuôn hỗ trợ việc tách khuôn phần riêng biệt Trích xu t liệu b n vẽ định dạng stl cho bước mô định dạng khác cho q trình gia cơng 34 Hình 2.10 Quy trình tách khuôn tổng quát a) Biên dạng mặt phân khuôn tạo từ chi tiết thiết kế b) Biên dạng mặt phân khuôn tạo từ chi tiết đường b n khuôn c) Kết hợp mặt phân khuôn vào khối chung tổng thể d) Phân tách từ khối chung với mặt phân khuôn tạo khuôn e) Phân tách từ khối chung với mặt phân khuôn tạo khn 2.2.3 Quy trình chỉnh sửa mơ hình sau mơ ép nguội Sau q trình mơ thu mơ hình dạng lưới, phần tử m t dạng lưới hỗn đ n, chỉnh sửa mơ hình lưới quy trình nhằm xếp lưới trật tự tạo vật thể khối rắn thuận lợi cho q trình phân tích phần tử hữu hạn (đặt điều kiện biên t i trọng) 35 Hình 2.11 Chia lại lưới điểm cho phần tử Sắp xếp phần tử lưới trật tự công việc bắt bu c ph i thực trước trình phân tử hữu hạn, khơng thực bước q trình phân tích phần tử hữu hạn khơng thể gán vị trí lực, vị trí tiếp xúc vị trí chịu t i m t cách xác Hình 2.12 Trước sau xếp lưới phần tử Sau trình xếp cắc phần tử lưới xếp trật tự lại với có c u trúc hình học đơn gi n vị trí quan trọng cần thiết cho việc phân tích phần tử hữu hạn ý đến phần cán lưỡi cắt Từ mơ hình phần tử khối ta chuyển sang chương trình phân tích phần tử hữu hạn để gi i tốn ứng xử học 36 Hình 2.13 Quy trình chỉnh sửa mơ hình CAD 3D chi tiết sau mô dập để phù hợp cho việc tự đ ng phân tích CAE 2.3 Mơ Q trình dập Cơng cụ mơ phát triển mạnh mẽ với bùng nỗ công nghệ thông tin đem lại hiệu qu cao rút ngắn thời gian thử nghiệm đánh giá kết qu [4] Hiện nay, có r t nhiều chương trình hỗ trợ cho việc mơ kể đến như: ANSYS, ABAQUS, PAM STAMP… Mỗi phần mềm có m t vị m t mạnh khác nhau, dập nóng khơng thể khơng nhắc đến DEFORM 3D DEFORM m t hệ thống mơ theo mơ hình phần tử hữu hạn (FEM) thiết kế để phân tích quy trình hình thành ứng xử kim loại ứng dụng cho lĩnh vực định hình kim loại phân tích kim loại [4, 6] Bằng cách mơ quy trình máy tính, cơng cụ cho phép chuyên gia kỹ sư thực công việc sau: - Gi m thử nghiệm thực tế gây tốn nhà máy - Giúp thiết kế khuôn thuận lợi dễ dàng để gi m chi phí s n xu t - Rút ngắn thời gian việc đưa s n phẩm thị trường 37 Ưu điểm bật ứng dụng vào việc mô kềm: - Tìm khuyết điểm trình thiết kế - Tìm vị trí nguy hiểm khn - Quan sát biến dạng, ứng xử kim loại suốt q trình mơ - Khơng tốn thời gian cơng sức thu mơ hình 3D sau q trình dập từ đo kiểm máy tính, sử dụng cơng nghệ in 3D để tạo s n phẩm mẫu 2.3.1 Quy trình dập định hình Quy trình mơ có bước sau: + Tiền xử lý: Nhập t t c liệu, thông số, điều kiện trình + Sau xử lý: Chạy chương trình thu thập liệu Hình 2.14 Quy trình thiết lập q trình mơ dập ứng dụng phần mềm Deform 3D 38 Sơ đồ bước mô dập kềm mơ t hình 2.14 Đầu tiên, ta cần nhập liệu 3D phôi (1) Tham số quan trọng đường kính d phơi Khi đường kính nhỏ có kh dập phơi khơng điền đầy lịng khn có tượng thiếu hụt vật liệu, khơng thu hình dạng kềm mong muốn Nếu đường kính q lớn lực dập cần mạnh, gây nên hao tổn lượng đồng thời phát sinh nhiều bavia, cần ph i loại bỏ nhiều sau dập Do đó, việc mơ dập m t cơng cụ quan trọng để tìm giá trị d phù hợp Các bước (2)-(3) nhập liệu khuôn tương ứng Ở mục 2.2 ta xu t định dạng 3D cho khuôn Khn ta đặt phơi vào vị trí thích hợp hình Sau đó, đến bước (4) ta xác định tọa đ vị trí tương quan khn, chuẩn bị cho hành trình dập xác Sau đó, bước (5) ta cần dẫn nhập liệu nhiệt đ nung, vận tốc dập, số bước mô phỏng, hệ số ma sát, co rút vật liệu Trong phần mềm mô chủ yếu sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn [2, 4] Cũng bước (6) ta cần chọn phần tử hữu hạn số lượng chúng Trong DEFORM 3D ta chọn phần tử tứ diện nút (Tetrahedral) với phương pháp pháp dò-thử để xác định số lượng lưới hợp lý Nghĩa sau số lượng phần tử xác định (ví dụ 150000), với số lượng phần tử lớn 150000 mà cho kết qu giống cũ ta gọi h i tụ Tiếp theo q trình mơ chương trình Đối với DEFORM-3D, trung bình thực nghiệm m t trung bình kho ng để chạy mô Sau chạy xong đến bước (7) – phân tích kết qu , diễn t mục 3.2 39 Hình 2.15 Trình tự bước q trình mơ dập kềm 40 Hình 2.16 Phơi nhỏ khơng điền đủ vào lịng khn Hình 2.17 Phơi thu sau q trình mơ dập định hình 2.3.2 Quy trình dập cắt bavia: từ dập chuyển qua bước chặt bavia để thu chi tiết gần với nguyên mẫu thiết kế Cắt bavia trình sau dập định hình nhằm cắt bỏ phần dư thừa q trình dập trước tạo ra, phương pháp dập nóng thơng thường ph i qua bước dập cắt rìa Khn cắt rìa kềm có b phận chính: chày, cối, t m chặn phơi Đối với q trình mơ chặt rìa để đơn gi n hóa q trình bỏ qua t m chặn phôi sử dụng chày cối để mô t q trình cắt rìa khơng nh hưởng đến kết qu thu sau mơ 41 Hình 2.18 Các bước thiết lập thơng số mơ chặt rìa 1) Dữ liệu thu phôi liệu thu từ mô dập bước 1, liệu chày cối liệu tạo từ phần mềm thiết kế với định dạng stl 2) Xác định vị trí tương quan chày, cối phơi Khai báo hành trình chày 42 3) Khai báo thông số nhiệt đ , đ cứng phôi khuôn, vận tốc, hệ số ma sát, chia lưới, biến dạng đàn hồi vật liệu 4) Chạy xử lý liệu 5) Thu thập phân tích kết qu Hình 2.19 Dính bavia xung quanh mép rìa Đ hở chày cối nh hưởng đến trình cắt rìa, đ hở phụ thu c vào đ dày phôi Nếu đ hở lớn gây dính bavia gây khó khăn cho bước mài tiếp theo, đ hở q nhỏ khn cần chế tạo xác để đ m b o khơng va đập hoạt đ ng, q trình mơ giúp ta phát lỗi đồng thời phương pháp thử giúp ta tìm thiết kế thích hợp cho trình chặt rìa 43 Hình 2.20 Sơ đồ quy trình thiết kế mơ chặt rìa 44 Dữ liệu thiết kế khn trích xu t nhập vào Deform với định dạng stl, với phôi trích xu t từ q trình mơ dập định hình trước Các bước thiết lập thơng số cho mơ trình bày hình 2.15 2.18 Dựa vào kết qu mơ ta quan sát vị trí cắt khơng đứt hồn tồn, cịn dính bavia (hình 2.19) nguy dễ hư hỏng khn phát tồn b q trình mơ 2.3.3 Quy trình dập ép nguội Q trình với mục đích định hình chi tiết trình biến dạng chặt rìa gây nên Đồng thời tăng đ cứng c u trúc vật liệu ổn định, tăng tính s n phẩm Thiết lập quy trình mơ ép ngu i mơ t hình 2.15 2.18, Với bước (1) tương tự bước trình chặt rìa, liệu phôi liệu thu từ q trình chặt rìa, khn sử dụng khn trình dập định hình, bước (2) tương tự bước nêu trình đập định hình chặt rìa, bước (3) lưu ý vận tốc trình chậm so với vận tốc dập chặt rìa, khai báo theo thơng số máy thủy lực có xưởng, bước (4) (5) thông số cách làm tương tự bước 45 Hình 2.21 Các bước thiết lập thông số mô ép ngu i 46 ... TÀI: Xây dựng phương pháp phân tích mơ q trình dập nóng dụng cụ cắt móng da dựa hệ thống CAD/ CAE NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: Nghiên cứu xây dựng quy trình thiết kế, mơ phân tích dụng cụ cắt móng da Xây. .. ? ?Xây dựng phương pháp phân tích mơ q trình dập nóng dụng cụ cắt móng da dựa hệ thống CAD/ CAE? ?? thực nhằm xây dựng quy trình thành phần tổng thể khâu, thiết kế, mô phỏng, phân tích q trình dập nóng. .. điểm nêu trên, đề tài ? ?Xây dựng phương pháp phân tích mơ q trình dập nóng dụng cụ cắt móng da dựa hệ thống CAD/ CAE? ?? thực nhằm đóng góp m t quy trình “thiết kế-mơ phỏng -phân tích? ?? khép kín dựa việc