Báo cáo đề tài cấp bộ B2007 01 131 TẠP CHÍ KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ CÁC TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT SỐ 70 2009 43 NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ GHÉP NỐI CÁC TẤM VẬT LIỆU KHÁC NHAU BẰNG ĐINH TÁN RỖNG RESEARCHING ON[.]
TẠP CHÍ KHOA HỌC & CƠNG NGHỆ CÁC TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT SỐ 70 - 2009 NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ GHÉP NỐI CÁC TẤM VẬT LIỆU KHÁC NHAU BẰNG ĐINH TÁN RỖNG RESEARCHING ON JOINING TECHNOLOGY OF DIFERRENT SHEET METALS USING HOLLOW RIVET Nguyễn Đắc Trung, Nguyễn Trung Kiên Trường Đại học Bách khoa Hà Nội TÓM TẮT Để giảm thiểu trọng lượng máy móc, thiết bị, nhà kỹ thuật thường sử dụng chi tiết, kết cấu máy làm từ vật liệu nhẹ hợp kim nhôm, magiê Các chi tiết lắp ráp với chi tiết khác làm từ vật liệu thép hồn tồn khơng đơn giản phương pháp ghép nối truyền thống hàn điểm không thực khơng có hiệu cao Bài báo trình bày kết nghiên cứu cơng nghệ ghép nối có sử dụng đinh tán rỗng Công nghệ đặc biệt phù hợp ghép nối chi tiết mỏng từ vật liệu khác dùng công nghiệp ô tô, hàng không hay dân dụng Với việc ứng dụng phương pháp mô số q trình ghép nối cho phép phân tích đánh giá trình hình thành mối ghép tối ưu thơng số cơng nghệ, hình dạng kích thước dụng cụ ghép nối Độ xác kết mơ số tính khả dụng phương pháp ghép nối chứng minh qua thực nghiệm ghép nối hai loại vật liệu hợp kim nhôm thép ABSTRACT In order To reduce the weight of machines and equipments, the technicians are often using the parts made of materials like aluminum, magnesium and their alloys It is not easy to join those parts with another made of steel alloys, because the conventional welding methods are not suitable or restrictively to joint them together Therefore, this article presents a new joining method using hollow rivet based on deformation of metals This technology is applied effectively for joining different thin sheets in the light constructions such as in automobile industry, aerospace and house wares The using numerical simulation of joining process enables to analyse the taking shape of joints as well as to optimize technological parameters, extension of procedural boundaries, form and geometry of riveting tools The accuracy of simulation results and application of this riveting method could be demonstrated by experiments for joining of two sheet metals form aluminum alloy and steel nhôm không thực hàn điểm Phương pháp dán kim loại khác có nhiều nhược điểm mà chủ yếu độ bền mối ghép không cao khơng có khả chịu nhiệt [1] Chính vậy, việc nghiên cứu phương pháp ghép nối dựa biến dạng dẻo kim loại cần thiết để đáp ứng nhu cầu ghép nối vật liệu có tính chất lý khác I ĐẶT VẤN ĐỀ Để ghép nối chi tiết dạng hay vỏ mỏng công nghiệp ô tô, chế tạo vỏ hộp thiết bị điện hay đồ gia dụng, từ trước tới hay ứng dụng phương pháp hàn điểm hay ghép bu lơng vít Trong vịng năm trở lại đây, đa phần chi tiết dạng trước đem ghép nối phủ sơn, nhựa mạ kẽm để bảo vệ chống ăn mòn Việc ghép nối chi tiết thép có phủ phương pháp hàn điểm khơng kinh tế, lẽ hàn lớp phủ bị hỏng ảnh hưởng nhiệt độ hàn, sau hàn phải xử lý lại mối hàn Hơn nữa, yêu cầu kết cấu máy phải nhẹ để tiết kiệm nhiên liệu vận hành, nên nhà kỹ thuật lựa chọn vật liệu hợp kim nhôm hay magiê để làm chi tiết khung, vỏ máy Đối với việc ghép nối chi tiết hợp kim Theo tài liệu cơng bố, nay, có nhiều phương pháp ghép nối khác dựa biến dạng dẻo kim loại để ghép nối chi tiết mỏng từ vật liệu khác hợp kim nhơm thép phương pháp ghép nối có khơng có đinh tán quan tâm nghiên cứu ứng dụng công nghiệp Phương pháp ghép nối khơng có đinh tán có nhiều ưu điểm đặc biệt 43 TẠP CHÍ KHOA HỌC & CƠNG NGHỆ CÁC TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT SỐ 70 - 2009 việc ghép nối vật liệu từ hợp kim nhơm, magiê có chiều dày lớn 1,0 mm Nhưng việc ghép nối chi tiết mỏng từ vật liệu có đặc tính dẻo khác phương pháp có nhiều hạn chế [2] Phương pháp ghép nối có đinh tán đặc, thường sử dụng có khả ghép nối chi tiết mỏng từ vật liệu khác nhau, lại có nhược điểm độ bền mối ghép không cao mức độ biến dạng vật liệu khác ảnh hưởng nhiều đến chế hình thành mối ghép Để khắc phục nhược điểm phương pháp ghép nối hành, bào này, đề xuất phương pháp ghép nối sử dụng đinh tán rỗng để ghép nối chi tiết từ vật liệu khác - xử lý vị trí mối ghép trước, - độ bền mối ghép lớn, - khơng có tác dụng nhiệt độ làm thay đổi thuộc tính học vật liệu, - lực ghép nối khơng cao có khả thích ứng với việc ghép nối chi tiết vỏ mỏng từ vật liệu khác Tuy nhiên, phương pháp ghép nối có nhược điểm phải chế tạo đinh tán đâm xuyên có độ bền lớn có hình dạng phức tạp Để khảo sát trình ghép nối đánh giá chất lượng mối ghép cần phải tối ưu thông số công nghệ lực ghép nối, lực chặn phơi, tốc độ biến dạng, kích thước hình học đinh tán Việc tính tốn tối ưu cơng nghệ khó thực phương pháp giải tích, song với việc sử dụng cơng nghệ tính tốn mơ số cho phép nhanh chóng tối ưu cơng nghệ, khảo sát trực quan trình hình thành mối ghép đánh giá thông số ảnh hưởng đến chất lượng, độ bền mối ghép II NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ GHÉP NỐI BẰNG ĐINH TÁN RỖNG Sơ đồ bước thực ghép nối trình bày hình III MƠ PHỎNG SỐ Q TRÌNH GHÉP NỐI CĨ ĐINH TÁN RỖNG Để thiết lập q trình mơ số cần thiết lập mơ hình toán với đầy đủ điều kiện biên tương ứng Hình Phương pháp ghép nối sử dụng đinh tán rỗng 3.1 Thiết lập mơ hình hình học tốn Mơ hình hình học bao gồm vật liệu ghép nối, đinh tán dụng cụ gia công (chày tán, cối ghép nối chặn) Mơ hình đinh tán với kích thước hình học thể hình Có nhiều dạng đinh tán rỗng ứng dụng thực tế Ở phần mô chọn dạng đinh tán chuẩn kích thước hình học lấy từ nhà sản xuất [3], [4] Để thực việc ghép nối cần có đinh tán, dụng cụ ghép nối gồm chày tán cối ghép nối Đầu tiên chi tiết tấm, vỏ mỏng đặt cối ghép vị trí cần ghép nối Chày tán mang đinh tán rỗng vào cối ghép làm biến dạng vật liệu theo biên dạng lòng cối Khi chày tán hết hành trình làm việc, đinh tán găm nằm lại bên vật liệu hai hình thành mối ghép (hình 1) Điểm đặc biệt trình ghép nối đinh tán dạng rỗng, có độ bền cao làm biến dạng hai vật liệu, gây phá hủy thứ tiếp tục chèn ép làm thứ thứ hai biến dạng ôm chặt lấy đinh tán Sau ghép nối, đinh tán không tháo hai vật liệu dính chặt với Phương pháp ghép nối có ưu điểm bật sau: Hình Hình dạng kích thước đinh tán rỗng 44 TẠP CHÍ KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ CÁC TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT SỐ 70 - 2009 Cối ghép nối có hình dạng trịn xoay, đáy phẳng Độ sâu cối bán kính lượn ảnh hưởng tới trình biến dạng vật liệu phải thiết kế cho phù hợp với đinh tán kích thước, hình dạng mối ghép Chày tán đóng vai trị truyền lực từ thiết bị tới đinh tán có hình dạng đơn giản hình trụ, đáy phẳng Tấm chặn có tác dụng giữ phơi ổn định q trình kéo phơi cắt phơi Kết cấu hình học chặn có dạng vành trụ trịn bị phá hủy cục Chính vậy, tính tốn cần thiết phải đưa vào thơng số ứng suất chảy ứng suất bền vật liệu Đối với dụng cụ ghép nối (chày tán, cối ghép chặn) coi bị biến dạng đàn hồi q trình ghép nối Như vậy, mơ hình hình học tổng thể trình ghép nối thể hình Mối ghép đinh tán rỗng có dạng đối xứng trục, để đơn giản hố tốn ta khảo sát tốn hệ tọa độ đối xứng trục 3.2 Các thông số vật liệu Các thông số vật liệu đinh tán, ghép nối dụng cụ trình bày bảng Trong trình ghép nối, đinh tán bị biến dạng dẻo, vật liệu vừa bị biến dạng dẻo Hình Mơ hình hình học toán ghép nối đinh tán rỗng Bảng Các thông số vật liệu chi tiết tham gia vào q trình ghép nối Chi tiết Thơng số Ký hiệu Mô đun đàn hồi (GPa) Hệ số poission Ứng suất chảy (MPa) Ứng suất bền (MPa) Đinh tán AISI 1060 206,754 0,3 415 595 Tấm nhôm (dày 1,2 mm) Al 1100 68,9 0,33 183 274 Tấm thép (dày 1,0 mm) AISI 1010 199,948 0,3 325 457 Dụng cụ ghép nối AISI D2 210 0,3 phôi nhôm (tấm dưới) có 975 phần tử tứ giác nút, đinh tán có 1033 phần tử tứ giác nút Mơ hình lưới phần tử thể hình Đối với dụng cụ gia công coi biến dạng đàn hồi trình ghép nối nên không cần phải chia lưới phần tử 3.3 Thiết lập mơ hình phần tử hữu hạn Q trình thiết lập mơ hình phần tử hữu hạn thực với trợ giúp phần mềm DEFORM Độ xác kết việc giải tốn mơ số phụ thuộc nhiều vào việc chia lưới phần tử cho chi tiết Số lượng phần tử nhiều, độ xác kết cao, nhiên thời gian tính tồn mơ dài Đối với việc giải tốn ghép nối, thơng số trình hàm số thay đổi theo thời gian Chính vậy, vừa tiết kiệm thời gian tính tốn, vừa nâng cao độ xác kết mô số ta ứng dụng phương pháp cập nhật lưới biến dạng phụ thuộc vào thời gian mức độ biến dạng Như vậy, số lượng phần tử chi tiết trình ghép nối có đinh tán rỗng lấy ban đầu sau: phơi thép (tấm trên) Hình Mơ hình lưới phần tử hữu hạn 45 TẠP CHÍ KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ CÁC TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT SỐ 70 - 2009 nút mặt tiếp xúc Như cần phải đưa vào điều kiện biên động học tốc độ ép chày tán tính theo tốc độ đầu trượt máy ép thủy lực có v=100mm/s Hành trình chày tán 4.0 mm 3.4 Điều kiện biên toán Các điều kiện biên trình ghép nối bao gồm điều kiện biên tiếp xúc điều kiện biên động học Trong trình ghép nối, ln có tiếp xúc gữa dụng cụ gia công phôi tiếp xúc thân phơi Trong q trình này, điều kiện tiếp xúc thay đổi phụ thuộc vào điều kiện biến dạng cụ thể vật liệu Ở áp dụng mơ hình ma sát Coulomb Lực ma sát trường hợp có trượt tương đối mặt tiếp xúc tính sau: F = .fn 3.5 Kết mơ Thời gian tính tốn mơ q trình ghép nối phần mềm DEFORM Số lượng phần tử cập nhật kết thúc trình ghép nối: đinh tán 2556 phần tử, phôi nhôm 3140 phần tử phôi thép 3157 phần tử Hình biểu diễn phân bố ứng suất tương đương thời điểm bắt đầu xuất phá hủy phôi thép vị trí tiếp xúc với đầu đinh tán (ứng suất phôi thép 457 MPa đạt giá trị ứng suất bền vật liệu) thời điểm kết thúc q trình ghép nối Kể từ phơi thép bị cắt đắt, đinh tán tiếp tục vào vật liệu làm cho vật liệu phần bên đinh tán chịu nén Vì vậy, mũi đinh tán chịu nén bị loe phía ngồi tạo liên kết hình học mối ghép đảm bảo cho chi tiết đinh tán không bị tách rời khỏi (1) Trong đó, hệ số ma sát điều kiện biến dạng nguội ( = 0.1) [3] Nếu đặt uj chuyển vị nút lưới phần tử lực tiếp xúc nút mơ tả sau: fi Gij u j (2) với Gij ma trận ma sát tiếp xúc Khi tiến hành mô số giải toán tiếp xúc, cần thiết phải xác định lực tiếp xúc fi lực ma sát F thông qua chuyển vị, tốc độ chuyển vị Hình Phân bố ứng suất tương đương vật liệu thời điểm phôi thép bắt đàu bị phá hủy (a) kết thúc trình ghép nối (b) loại biến dạng vào lòng cối ghép, lực chặn giảm dần Hình biểu diễn lực ghép nối thay đổi phụ thuộc vào hành trình chày tán Ban đầu lực tăng dần đạt lớn 8.5 kN thời điểm phơi thép bị cắt đứt Sau lực ghép nối giảm dần lực cần thiết để biến dạng phơi nhơm Đến cuối hành trình chày tán, lực ghép nối đạt cực đại 15 kN kim loại bị nén điền đầy vào lòng cối ghép Lực chặn thay đổi phụ thuộc vào hành trình chày tán lớn 3.6 kN, đảm bảo cho phơi khơng bị phồng ngược lên Khi kim Hình Biểu đồ lực ép lực chặn thay đổi theo hành trình chày tán 46 TẠP CHÍ KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ CÁC TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT SỐ 70 - 2009 IV KIỂM NGHIỆM QUÁ TRÌNH GHÉP BẰNG ĐINH TÁN RỖNG BẰNG THỰC NGHIỆM Khuôn thực nghiệm để ghép nối đinh tán rỗng hai vật liệu hợp kim nhôm – thép thể hình 7, ngồi chi tiết gồm chày tán (1), chặn, đinh tán (2), vật liệu ghép nối (3,4), cối ghép (5) cịn có cụm chi tiết khác dẫn hướng, khối khuôn để lắp khuôn lên đầu trượt, khối khuôn để lắp nửa khuôn lên bàn máy a) Mặt Hình Bản vẽ lắp ghép khn ghép nối đinh tán rỗng b) Mặt c) Mặt cắt ngang Hình Mẫu thực nghiệm ghép nối hợp kim nhôm – thép đinh tán rỗng cối Do kim loại bên đinh tán bị nén nên Hình biểu diễn hình ảnh mối ghép chèn ép lên chân đinh tán làm cho đinh tán bị thép AISI 1010 hợp kim nhôm Al loe bên Cơ chế biến dạng vật liệu 1100 Qua phân tích hình dạng bên ngồi tạo thơng số hình học mối ghép mối ghép mặt cắt ngang mối ghép bảng Qua so sánh thông số khẳng định chi tiết liên kết với thông hình học khẳng định tương đồng qua biến dạng dẻo phôi đinh tán kết tính tốn mơ với thực tế hồn tồn phù hợp với kết mơ Điều khẳng định mơ hình tính tốn Bảng trình bày kết so sánh hình xác, phương pháp ghép nối hồn tồn dạng hình học mối ghép mô số khả thi thực tế thực nghiệm Đinh tán sau đâm xuyên qua phôi thép ép phôi nhôm sát vào lịng Bảng So sánh hình dạng hình học mối ghép thực nghiệm tính tốn mơ Thơng số hình học mối ghép Độ khóa u (mm) 0.37 0.34 Độ lồi mũ đinh tán K (mm) 0.09 0.04 Độ mỏng (mm) 0.46 0.42 Độ loe chân đinh tán (mm) 5.5 6.0 47 TẠP CHÍ KHOA HỌC & CƠNG NGHỆ CÁC TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT SỐ 70 - 2009 số cơng nghệ kích thước hình dạng khn mẫu qua chứng tỏ tính ưu việt phương pháp Cơng nghệ ghép nối triển khai vào thực tế sản xuất số nhà máy lắp ráp ô tô Việt Nam để khẳng định thêm tính hiệu phương pháp V KẾT LUẬN Phương pháp ghép nối chi tiết từ vật liệu, chiều dày khác đinh tán rỗng dựa biến dạng dẻo kim loại phương pháp mới, chưa ứng dụng Việt nam Việc nghiên cứu phương pháp, thiết lập mơ hình tính tốn xây dựng mơ hình thực nghiệm cho phép nhanh chóng tối ưu thơng TÀI LIỆU THAM KHẢO U Fuessel, J Kalich; Verfahrenvorstellung fuer Hybridfuegen, Institut fuer Produktionstechnik; TU-Dresden; 1.2005 Nguyen Trung Kien; Masterarbeit Untersuchungen zum Niederhalterkinematik auf Verbindungsausbildung und Halbhohlstanznietverbindung; TU-Dresden; September 2006 Einfluss einer steuerbaren Festigkeitsverhalten von DVS/EFB-Merkblatt 3410 Stanznieten mit Halbhohl- und Vollstanzniet; 11.8.2003 U Füssel, J Kalich, F Liebrecht; Mechanische und Hybridfügetechnik – Stand von Forschung und Entwicklung, TU Dresden / Institut für Produktionstechnik; 28.9.2005 Địa liên hệ: Nguyễn Đắc Trung - Tel: (04) 3869.2430, Mobile 0913.059.227 Bộ môn Gia công áp lực, Khoa Cơ khí Trường Đại học Bách khoa Hà Nội 48 ... hưởng nhiều đến chế hình thành mối ghép Để khắc phục nhược điểm phương pháp ghép nối hành, bào này, đề xuất phương pháp ghép nối sử dụng đinh tán rỗng để ghép nối chi tiết từ vật liệu khác - xử lý... pháp, thiết lập mơ hình tính tốn xây dựng mơ hình thực nghiệm cho phép nhanh chóng tối ưu thơng TÀI LIỆU THAM KHẢO U Fuessel, J Kalich; Verfahrenvorstellung fuer Hybridfuegen, Institut fuer Produktionstechnik;... Produktionstechnik; 28.9.2005 Địa liên hệ: Nguyễn Đắc Trung - Tel: (04) 3869.2430, Mobile 0913.059.227 Bộ môn Gia cơng áp lực, Khoa Cơ khí Trường Đại học Bách khoa Hà Nội 48