Luận văn thạc sĩ Kỹ thuật cơ khí: Nghiên cứu biên dạng chuyển tiếp phôi trong công nghệ rèn chính xác

− Thiết kế thực nghiệm thiết kế và chế tạo khuôn, thực hiện rèn chi tiết bánh răng côn răng thẳng Dựa vào sản phẩm sau rèn để đánh giá độ điền đầy của phôi trong khuôn, tỷ lệ biến dạng c

TỔNG QUAN

Tổng quan về rèn trong khuôn kim loại

Công nghệ tạo hình kim loại có một vị trí đặc biệt trong lĩnh vực kỹ thuật chế tạo vì nó giúp sản xuất các chi tiết máy có tính chất cơ học cao và hình học phức tạp Trong quá trình tạo hình kim loại, vật liệu ban đầu có hình dạng tương đối đơn giản sau một hoặc nhiều lần biến dạng dẻo sẽ tạo ra sản phẩm có hình dạng phức tạp hơn Việc chế tạo các chi tiết máy có kích thước gần đúng hoặc đúng sẽ làm giảm đáng kể các yêu cầu loại bỏ kim loại (phoi), dẫn đến tiết kiệm đáng kể vật liệu và năng lượng Trong các phương pháp biến dạng dẻo tạo hình vật liệu thì rèn là phương pháp có lịch sử phát triển lâu đời nhất và tới nay vẫn là một trong những phương pháp chính để tạo hình vật liệu bằng phương pháp biến dạng

Trong phương pháp rèn, vật liệu bị biến dạng dẻo để tạo ra hình dạng của sản phẩm mong muốn Phôi kim loại chịu ảnh hưởng chủ yếu bởi hình học của dụng cụ, điều kiện ma sát, đặc tính của vật liệu kim loại và các điều kiện nhiệt độ tồn tại trong vùng biến dạng Dòng chảy kim loại trong quá trình rèn ảnh hưởng đến chất lượng và tính chất của sản phẩm được hình thành và yêu cầu về lực tác dụng và năng lượng của quá trình Các dạng biến dạng cơ học ví dụ như dòng chảy kim loại, tạo hình trước, tỷ lệ ứng suất và áp lực, có thể được nghiên cứu bằng cách sử dụng một trong các phương pháp phân tích gần đúng (ví dụ phân tích phần tử hữu hạn, phương pháp phôi tấm, tấm, giới hạn trên )

Hiện nay chủ yếu có hai loại quy trình rèn là rèn khuôn hở và rèn khuôn kín

Rèn khuôn hở là tạo hình kim loại bằng cách đập hoặc ép phôi giữa các búa Hình 1.1 quá trình rèn khuôn mở

Luận văn Thạc sĩ GVHD: TS.Phạm Quang Trung

Hình.1.1 Thao tác rèn khuôn hở [1]

Rèn khuôn kín là quá trình rèn phổ biến nhất chiếm phần lớn sản xuất rèn

Trong quá trình rèn khuôn kín, hai khuôn được ghép lại với nhau và phôi trải qua biến dạng dẻo cho đến khi chạm vào thành khuôn Sau đó, một lượng vật liệu bắt đầu chảy ra ngoài khuôn, tạo thành bavia (hình.1.2) Bavia nguội đi nhanh chóng và tăng khả năng chống biến dạng Bavia tạo ra áp lực lớn bên trong khuôn làm cản trở vật liệu điền đầy lòng khuôn [1]

Hình.1.2 Các hoạt động rèn khuôn kín [1]

Mục tiêu chính của việc rèn khuôn kín là để đảm bảo dòng kim loại chảy được điền đầy trong lòng khuôn để có được hình dạng thành phẩm mong muốn mà không có bất kỳ khuyết tật nào và đạt được các tính chất cơ tính mong muốn

Một trong những yêu cầu quan trọng nhất của công nghệ rèn khuôn kín là thiết

Luận văn Thạc sĩ GVHD: TS.Phạm Quang Trung rèn kín có bavia, phương pháp này gây ra một lượng tổn thất vật liệu do việc tạo thành bavia và yêu cầu phải có nguyên công cắt bavia tiếp theo Ngoài ra, lực tác dụng lớn trong gia công chi tiết có bavia có thể dẫn đến ảnh hưởng xấu trên khuôn Các chi tiết được rèn khuôn kín không có bavia có độ chính xác cao hơn do không hoặc chỉ cần nguyên công mài tiếp theo Do đó, rèn khuôn kín không có bavia là phương pháp đáp ứng được các yêu cầu trên và được nghiên cứu rất nhiều trong những thập niên gần đây

1.1.2 Rèn khuôn kín không có bavia – rèn chính xác

Trong rèn khuôn kín có bavia, thể tích phôi sẽ bằng thể tích chi tiết và thể tích của bavia

Rèn chính xác được định nghĩa là phương pháp rèn tạo hình dạng chi tiết đúng hoặc gần đúng tạo ra các chi tiết có độ chính xác với chất lượng bề mặt và kích thước chính xác cao Các sản phẩm của rèn chính xác hình dạng đúng được sử dụng trực tiếp mà không cần nguyên công gia công tiếp theo Mặt khác, các sản phẩm rèn chính xác tạo hình gần đúng đòi hỏi các nguyên công gia công tiếp theo đơn giản hơn (ví dụ như chỉ cần mài bóng) Do vậy so với rèn khuôn kín có bavia, rèn chính xác có tổng thời gian chế tạo ngắn hơn

Việc hao phí vật liệu do bavia và nguyên công sau rèn để loại bỏ bavia làm giảm cơ tính của sản phẩm, giảm năng suất và làm tăng chi phí sản xuất Do đó, rèn khuôn kín không có bavia hay còn gọi là rèn chính xác với thể tích vật liệu gần bằng với thể tích chi tiết là phương pháp hiệu quả để loại bỏ bavia cho sản phẩm sau rèn

Công thức (1) trở thành công thức (2)

Hình 1.3 trình bày phương pháp rèn khuôn kín có và không có bavia [2]

(a) Khuôn kín có bavia (b) Khuôn kín không có bavia Trước đây, các phương pháp rèn chính xác đã sử dụng trong công nghiệp để chế tạo các chi tiết có dạng đối xứng trục, ví dụ: bánh răng và bánh lái [1]

Sau đó công nghệ rèn phát triển và có thể chế tạo các chi tiết phức tạp hơn, ví dụ: bánh răng xoắn ốc, thanh nối và trục khuỷu Hình.1.4 cho thấy sự đa dạng của các bộ phận được rèn chính xác tại Viện Máy tạo hình kim loại và Máy tạo hình kim loại của Đại học Hannover và IPH, Đức [1]

Hình.1.4 Một số chi tiết rèn chính xác [1]

Sự khác biệt quan trọng đầu tiên giữa rèn chính xác và khuôn kín thông thường là hình thành bavia Trong quá trình rèn chính xác, phôi được bao kín hoàn toàn trong lòng khuôn do đó rất ít hoặc không hình thành bavia Hai loại chi tiết dạng thanh kết nối được rèn bằng hai phương pháp khác nhau là rèn chính xác và rèn khuôn kín thông thường được thể hiện trong hình 1.5 s

Hình1.5 Thanh kết nối rèn chính xác và rèn khuôn kín thông thường [1]

Rèn chính xác đã được nghiên cứu và công bố trên các tạp chí uy tín trên thế giới, Vazquez và Altan [3] đã xử lý thiết kế khuôn-phôi để rèn một thanh kết nối và đưa ra một khái niệm công cụ mới để rèn các bộ phận phức tạp với lượng bavia được kiểm soát Hình 1.6 thể hiện khuôn và chi tiết thanh kết nối sau quá trinh rèn Hình 1.7 là dụng cụ bằng nhôm để mô hình hóa rèn không bavia thanh kết nối

Hình 1.6 Khuôn kín không bavia chi tiết thanh kết nối [3]

Hình 1.7 Dụng cụ bằng nhôm để mô hình hóa rèn không bavia thanh kết nối [3]

Douglas và Kuhlmann [4] đã nghiên cứu để tạo ra quá trình rèn có độ chính xác cao mà chỉ có thể đạt được bằng cách rèn nguội (hình 1.8 và hình 1.9)

Hình 1.8 Bánh răng thẳng được rèn bằng phương pháp rèn chính xác [4]

Hình 1.9 Rèn chính xác bánh răng côn răng thẳng [4]

BehDR, Doege, Reinsch, Telkamp, Daehndel, Specker [5] đã mô tả các phương pháp và quy trình phát triển được áp dụng của một quá trình rèn (hình 1.10 và hình 1.11)

Hình 1.10 Các bánh răng được rèn chính xác [5]

Hình 1.11 Trình tự rèn chính xác của một trục khuỷu ba xi lanh [5]

Yoshimura và Tanaka [5] đã mô tả phác thảo của một thiết bị rèn khuôn kín Sau đó, họ đưa ra một số ví dụ hình dạng gần đúng của hợp kim thép và nhôm (hình 1.12 và hình 1.13)

Hình 1.12 Các bánh răng côn được rèn trong khuôn kín [6]

Hình 1.13 Các sản phẩm nhôm khác nhau được rèn chính xác [6]

Shan, Xu và Lu [7] chủ yếu mô tả các vấn đề chính trong việc rèn chính xác các thành phần hợp kim nhẹ có hình dạng lớn và phức tạp (hình 1.14) Bằng phương pháp phát triển, một số vật liệu hợp kim magiê và hợp kim nhôm đã được sản xuất thành công

Hình 1.14 Ảnh chụp ba vật rèn hợp kim nhẹ có hình dạng phức tạp: (a) vỏ trên bằng hợp kim magiê; (b) vỏ hình trụ bằng hợp kim nhôm; (c) rôto hợp kim nhôm [7] Đã có nhiều nghiên cứu khoa học được công bố trên các tạp chí uy tín về rèn chính xác để chế tạo bánh răng [8], Dean [9] đã hoàn thành nhiều nghiên cứu về rèn chính xác bánh răng Tác giả đưa ra nền tảng của nghiên cứu về việc rèn các dạng bánh răng xoắn đặc biệt để sản xuất các bánh răng chất lượng cao cho ứng dụng giao thông đường bộ (hình 1.15 và hình 1.16)

Hình 1.16 Rèn bánh răng nghiêng trong khuôn kín [9]

Ứng dụng của rèn chính xác không bavia để tạo hình bánh răng côn răng thẳng

Chi tiết bánh răng côn răng thẳng là chi tiết cơ khí khá phổ biến, nhất là trong hệ thống truyền động của ô tô Bánh răng nón dùng truyền chuyển động giữa hai trục nằm trên cùng một mặt phẳng nhưng có đường tâm chéo nhau với góc từ 40 - 120 0 nhưng phổ biến nhất là 90 0 Hình 1.27 các dạng bánh răng côn răng thẳng trong bộ vi sai ô tô

Hình 1.27 Chi tiết bánh răng côn răng thẳng xuất hiện nhiều trong bộ vi sai ô tô

[17] Đối với sản xuất số lượng nhỏ, bánh răng côn răng thẳng thường được gia công bằng phương pháp cắt gọt trên các máy công cụ Các răng được gia công bằng các phương pháp như:

 Cắt bằng dao phay mô đun đĩa

 Cắt bằng hai dao bào răng

 Cắt bằng hai dao phay đĩa

Bánh răng côn răng thẳng có nhiều thông số phức tạp, việc gia công đòi hỏi chính xác nên khi cắt gọt cần có những đồ gá chuyên dùng, thợ có tay nghề cao để kiểm soát quá trình Thêm vào đó, khi cắt gọt, bánh răng sẽ không còn giữ được các thớ kim loại liên tục từ phôi ban đầu, dẫn đến giảm độ bền cho sản phẩm

Do nhu cầu ngày càng tăng về số lượng và chất lượng cho chi tiết bánh răng côn răng thẳng, ta cần tìm phương pháp thay thế cho gia công cắt gọt để tăng năng suất và chất lượng sản xuất Nhận thấy công nghệ rèn khuôn kín không bavia, còn gọi là rèn chính xác đang ngày càng được áp dụng rộng rãi nhờ vào những ưu điểm vượt trội so với cắt gọt truyền thống là chi tiết sau rèn không cần thêm bất ký nguyên công gia công nào hoặc chỉ cần nguyên công mài (hình 1.28)

Hình 1.28 Bánh răng nón được rèn (a) và được gia công cơ khí (b) [17]

Có nhiều nghiên cứu rèn chính xác chi tiết bánh răng côn răng thẳng trong và ngoài nước Năm 2012 trong nghiên cứu của mình, tác giả Nguyễn Trung Kiên cho thấy ưu điểm của công nghệ rèn chính xác là độ chính xác của bánh răng cao, thời gian tạo bánh răng ngắn, cơ tính của bánh răng tăng, thao tác đơn giản, thiết bị đơn giản Bên cạnh đó nghiên cứu cũng có nhược điểm là kết cấu khuôn phức tạp, chế độ dập nóng khó khăn, thiết bị tạo lực lớn, chỉ phù hợp với bánh răng nhỏ Năm 2011, Saman Khalipourazary và các cộng sự đã thiết kế và sản xuất bánh răng côn răng thẳng trong rèn nóng chính xác [18] Sử dụng phương pháp thể tích hữu hạn (FVM) và kỹ thuật CAD/CAE, tác giả đã nghiên cứu về lực rèn cần thiết để rèn bánh răng công răng thẳng Thông qua khuôn tạo hình và khuôn chính xác để tạo hình thành công bánh răng Nghiên cứu đã đưa ra phương pháp ứng lượng lực rèn để đạt độ cứng chi tiết, ít hao tốn vật liệu qua đó giảm giá thành trong sản xuất Hình 1.29 trình bày quá trình hình thành phôi trong khuôn theo từng đoạn hành trình của máy ép Hình (a) phôi biến dạng tại 20% hành trình máy ép, lúc này phôi được tạo hình côn Hình (b) phôi biến dạng

Luận văn Thạc sĩ GVHD: TS.Phạm Quang Trung tại 40% hành trình máy ép, lúc này răng bắt đầu xuất hiện trên phôi Hình (c), (d) và (e) phôi biến dạng tại 60%, 80% và 90% hành trình máy ép, lúc này răng đã xuất hiện rõ hơn và chiều cao phôi giảm dần Hình (e) phôi biến dạng tại 100% hành trình máy ép, bánh răng côn hoàn chỉnh

Hình 1.29 Trình tự hình thành phôi trong khuôn: a = 20%, b = 40%, c 60%, d = 80%, e = 90% và f = 100% chiều dài hành trình của máy ép [18]

Năm 2013, Feng Kang và các cộng sự đã nghiên cứu rèn nguội bánh răng côn răng thẳng [19] Trong nghiên cứu của mình, tác giả đã sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn (FEM), quy tắc dòng chảy của kim loại trong quá trình rèn nguội để phân tích ép đùn hai hướng và cách làm đầy khuôn Kết quả cho thấy, mỗi khu vực của khoang khuôn được lấp đầy hoàn toàn vào cuối quá trình rèn, không bị nứt Nghiên cứu của tác giả cho thấy đối với rèn nguội bánh răng côn răng thẳng không chỉ đảm bảo độ chính xác mà còn cải thiện khả năng của thiết bị và giảm tiêu hao vật liệu Hình 1.30 cho thấy quá trình biến dạng và điền đầy hốc khuôn của phôi Hình (a) phôi bắt đầu biến dạng Hình (b) phôi biến dạng và dần điền đầy hốc khuôn Hình (c) phôi đã điền đầy hốc khuôn

Hình 1.30 Trạng thái dòng chảy vật liệu trong suốt quá trình rèn [19]

Mục tiêu và nội dung nghiên cứu

Quá trình rèn chính xác chịu ảnh hưởng của nhiều thông số, việc phân tích để xác định đúng các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng rèn chính xác là rất quan trọng Vì vậy, nghiên cứu này nhằm mục tiêu xác định biên dạng phôi trong quá trình rèn chính xác cụ thể là biên dạng phôi rèn bánh răng côn răng thẳng

Nguyên cứu cơ sở lý thuyết của rèn chính xác

Quá trình biến dạng dẻo tạo ra biên dạng phôi trong khuôn, do vậy cần phải tiến hành mô phỏng trên máy tính

Chế tạo khuôn và tiến hành thực nghiệm rèn chi tiết bánh răng côn răng thẳng để kiểm nghiệm độ điền đầy khuôn của phôi.

Tóm tắt chương 1

Chương này trình bày tổng quan về các phương pháp rèn chính xác, các phương pháp chế tạo bánh răng côn răng thẳng, các nghiên cứu của các tác giả về công nghệ rèn chính xác và chế tạo bánh răng côn răng thẳng

CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Quy tắc dòng chảy

Khi ứng suất ở một giá trị nhất định, như được quy định bởi nguyên lý biến dạng dẻo (Tresca hoặc von Mises), gây ra biến dạng dẻo của kim loại [20]

Tương tự như định luật Hooke, quan hệ giữa ứng suất và biến dạng đàn hồi tương ứng thể hiện qua quan hệ giữa các ứng suất trong các trục chính và tốc độ biến dạng:

Trong đó   1,   2 và   3 là tỷ lệ biến dạng theo ứng suất của trục chính;  1

,  2 và  3 ứng suất theo từng trục;  m là ứng suất chính trung bình;

Các phương trình 2.1a, 2.1b, và 2.1c được gọi là "phương trình dẻo" [20]

Các phương trình dẻo - ví dụ, phương trình 2.1 (a) - cũng có thể được thể hiện dưới dạng:

Trong đó  và và biểu thị biến dạng và hiệu quả biến dạng Do đó, phương trình 2.1 có thể được biểu diễn dưới dạng:

Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình rèn

Mối quan hệ của các yếu tố quan trọng trong quá trình rèn được thể hiện trong hình 2.1 [20] Nhận thấy rằng, với vật liệu và hình dạng phôi cho trước, tốc độ của đầu búa sẽ ảnh hưởng đến tốc độ biến dạng và ứng suất của phôi Tốc độ của đầu búa, hình dạng phôi, nhiệt độ khuôn ảnh hưởng đến sự phân bố nhiệt

Luận văn Thạc sĩ GVHD: TS.Phạm Quang Trung độ của vật rèn Cuối cùng, ứng suất, ma sát, hình dạng phôi xác định hướng biến dạng, khối lượng vật rèn, năng lượng biến dạng ảnh hưởng đến việc thiết kế khuôn Như vậy, có 3 nhóm yếu tố ảnh hưởng đến quá trình rèn (hình 2.1):

 Đặc điểm của phôi ban đầu, ứng suất và khả năng gia công với các điều kiện biến dạng, độ biến dạng, nhiệt độ gia công, khuôn mẫu…

 Các yếu tố liên quan đến dụng cụ và ma sát bôi trơn: vật liệu búa dụng cụ, khuôn, nhiệt độ, bản thảo các góc bo thiết kế các bản phác thảo và đường bán kính, hình dạng, thiết kế lượng dư, điều kiện ma sát, lực rèn rèn ứng suất…

 Đặc tính của các thiết bị: trọng tải, năng suất năng lượng, đơn hay đa tác động, độ cứng, vận tốc khi có tải, tốc độ sản xuất, cấp phôi…

Hình 2.1 Các yếu tố ảnh hưởng trong nguyên công rèn [20]

Vật liệu rèn

Bảng 2.1 thể hiện liệt kê danh sách các kim loại và hợp kim khác nhau với theo thứ tự khả năng khó rèn tương ứng [20] Vật liệu rèn ảnh hưởng đến thiết kế của chi tiết cũng như toàn bộ thông số quá trình rèn Ví dụ: hình 2.2 cho thấy hợp kim niken tạo hình khó hơn hợp kim nhôm

Bảng 2.1 Nhiệt độ rèn của một số kim loại và hợp kim [20]

Kim loại & hợp kim Khoảng nhiệt độ oF o C

Hợp kim nhôm (dễ tạo hình nhất) 750-1020 400-550

Thép không gỉ Martensit 2010-2280 1100-1250 Thép Martensit hoá già 2010-2280 1100-1250 Thép không gỉ Austenit 2010-2280 1100-1250

Thép không gỉ semiaustenitic thấm tôi 2010-2280 1100-1250

Siêu hợp kim nền Sắt 1920-2160 1050-1180

Siêu hợp kim nền Coban 2160-2280 1180-1250

Siêu hợp kim nền Niken 1920-2190 1050-1200 Hợp kim Tungsten (khó tạo hình nhất) 2190-2370 1200-1300

Hình 2.2 So sánh cơ bản giới hạn cấu trúc thiết kế khi rèn (a) hợp kim nhôm, (b) siêu hợp kim với kim loại nền là niken (mm) [20]

Thực tế hầu hết trong quá trình, rèn nóng yêu cầu nhiệt độ phôi cao hơn nhiệt độ khuôn Kim loại bị biến dạng và điền vào khuôn phần lớn được xác định bởi:

 Tính chống gỉ của vật liệu và khả năng biến dạng

 Ảnh hưởng của ma sát, làm mát ở khuôn và bề mặt vật liệu tại bề mặt khuôn/vật liệu

 Độ phức tạp của hình dạng vật rèn Đối với vật liệu là kim loại, ứng suất biến dạng và khả năng rèn chịu ảnh hưởng bởi đặc tính luyện kim là thành phần hoá học, nhiệt độ Ứng suất và biến dạng xuất hiện khi tạo hình kim loại Ứng suất biến dạng xác định tính kháng biến dạng bao gồm yêu cầu về lực, ứng suất, năng lượng Khả năng rèn được sử dụng một cách gần đúng trong tài liệu để thể hiện sự kết hợp của cả hai tính kháng biến dạng và khả năng biến dạng mà không có vết nứt Một sơ đồ minh hoạ cho điều này được trình bày trong hình 2.3

Hình 2.3 Sơ đồ tổng quát minh hoạ ảnh hưởng của khả năng rèn và ứng suất của dòng kim loại [20]

Nói chung, tính rèn của kim loại tăng khi nhiệt độ càng tăng Tuy nhiên, khi tăng nhiệt độ, hạt thường to ra, và với một số hợp kim, khả năng rèn giảm khi kích thước hạt tăng lên Tính rèn của kim loại ở mỗi tỷ lệ biến dạng và nhiệt độ khác nhau có thể được phỏng đoán bằng cách sử dụng các thí nghiệm khác nhau chẳng hạn như xoắn, kéo và nén Trong các thí nghiệm này, giá trị biến dạng trước khi hỏng của mẫu biểu thị tính rèn tại nhiệt độ đó và độ biến dạng tỉ đối được sử dụng trong suốt các thí nghiệm cụ thể.

Ma sát và bôi trơn

Kim loại bị biến dạng bởi áp truyền từ khuôn; do đó, điều kiện ma sát tại bề mặt tiếp xúc giữa vật liệu và thành khuôn là vô cùng quan trọng và ảnh hưởng đến các ứng suất khuôn, lực rèn cũng như tuổi thọ của khuôn [20] Để lựa chọn chất bôi trơn và để có thể dự đoán được lực rèn, thì việc xác định bề mặt ma sát, phản lực và hệ số ma sát là hết sức cần thiết Trong rèn, ứng suất tiếp thường được biểu hiện như sau:

√3𝜎̅ (2.4) Trong đó: 𝜏 – ứng suất tiếp

𝑓 – hệ số ma sát 𝑚 – hệ số ma sát trượt (0 ≤ 𝑚 ≤ 1)

Trong mỗi điều kiện biến dạng khác nhau, hệ số m sẽ khác nhau:

 𝑚 = 0,05 ÷ 0,15 khi rèn nguội thép, hợp kim nhôm, đồng, sử dụng chất bôi trơn photphat truyền thống hoặc dầu

 𝑚 = 0,2 ÷ 0,4 khi rèn nóng thép, đồng, hợp kim nhôm với chất bôi trơn nền graphite

 𝑚 = 0,1 ÷ 0,3 khi rèn nóng titan và hợp kim có nhiệt độ nóng chảy cao với chất bôi trơn thuỷ tinh

 𝑚 = 0,7 ÷ 1khi không sử dụng chất bôi trơn, ví dụ như cán tấm hoặc ép hợp kim nhôm.

Nhiệt và trao đổi nhiệt

Trao đổi nhiệt giữa vật rèn và khuôn ảnh hưởng đến điều kiện bôi trơn, độ bền khuôn, tính chất của vật rèn và khả năng tạo hình [20] Thông thường, nhiệt độ phôi trong suốt quá trình rèn là thông số quan trọng nhất ảnh hưởng đến tính kinh tế Độ lớn và sự phân bộ nhiệt độ phụ thuộc:

 Nhiệt độ ban đầu của khuôn và phôi

 Nhiệt độ phát sinh do biến dạng dẻo và do ma sát

 Truyền nhiệt giữa phôi và khuôn cũng như giữa khuôn và môi trường (không khí, chất làm mát, chất bôi trơn) Ảnh hưởng của thời gian tiếp xúc và lực rèn được minh họa trong hình 2.4, trong đó các đường cong lực - chuyển vị sử dụng trong rèn nóng một chi tiết bằng thép bằng các thiết bị rèn khác nhau [20] Những đường cong này chỉ ra rằng, do tỷ lệ biến dạng và ảnh hưởng của nhiệt độ, cùng một quá trình rèn, lực rèn và năng lượng khác nhau yêu cầu bởi các thiết bị khác nhau Đối với máy

Luận văn Thạc sĩ GVHD: TS.Phạm Quang Trung thấp hơn dùng thuỷ lực và vít ép Lý do của sự khác nhau này là do bavia nguội nhanh khi sử dụng thiết bị thuỷ lực hay vít ép, trong khi với máy búa thì nhiệt độ bavia không biến động nhiều, gần như bằng nhiệt độ ban đầu Như vậy, trong biến dạng nóng, không chỉ vật liệu và hình dạng phôi mà cả thiết bị sử dụng (tỷ lệ biến dạng và ảnh hưởng của làm lạnh khuôn) cũng ảnh hưởng đến sự biến dạng của kim loại, năng lượng và lực cần thiết cho cả quá trình Việc bề mặt vật liệu bị tróc, nứt hình thành lớp có thể được giải thích bởi sự lạnh nhanh khi tiếp xúc với thành khuôn

Hình 2.4 Đường cong lực – chuyển vị của cùng một chi tiết rèn nhưng thực hiện trên ba loại thiết bị khác nhau với ba vận tốc khác nhau (đơn vị inch, nhiệt độ ban đầu = 2012 o F ~ 1100 o C) [20]

Dự đoán ứng suất và lực rèn trong khuôn

Việc dự đoán lực và áp suất trong rèn khuôn kín và khuôn áp lực là rất khó Rèn là nguyên công khó xác định trạng thái chính xác về dòng kim loại, ứng suất và nhiệt độ, nghĩa là tất cả các yếu tố này đều thay đổi liên tục trong suốt quá trình gia công Ngoài ra, vật rèn có số lượng rất lớn các dạng hình học và vật liệu, yêu cầu khác nhau, mặc dù giống nhau các kỹ thuật phân tích Do những khó khăn gặp phải trong thực tiễn, lực rèn thường được ước tính dựa trên

Luận văn Thạc sĩ GVHD: TS.Phạm Quang Trung các quy trình thực nghiệm sử dụng các công thức được phát triển theo kinh nghiệm

2.6.1 Phương pháp thực nghiệm để dự đoán ứng suất và lực rèn Để ước tính lực rèn thực tế, diện tích bề mặt của vật rèn rèn, kể cả vùng bavia, được nhân với áp suất rèn trung bình được biết từ kinh nghiệm Áp suất rèn trong thực tế dao động từ 20 đến 70 tấn / in 2 tùy thuộc vào vật liệu và dạng hình học của chi tiết Neuberger và Pannasch [20] đã tiến hành các thí nghiệm rèn với các loại thép cacbon khác nhau (lên đến 0,6% C) và thép hợp kim thấp sử dụng tỉ số w/t (trong đó w là độ rộng và t là độ dày của khe hở chứa bavia), từ 2 đến 4 (hình 2.5) [20] Tác giả phát hiện ra rằng yếu tố ảnh hưởng nhất đến áp lực rèn, 𝑃 𝑎 , là chiều cao trung bình, 𝐻 𝑎 , của vật rèn Đường cong bên dưới liên quan đến các chi tiết tương đối đơn giản, trong khi đường cong phía trên đối với những chi tiết phức tạp

Hình 2.5 Áp suất rèn và chiều cao trung bình (𝐻 𝑎 ) đối với thép cacbon và thép hợp kim thấp ở tỉ lệ w/t từ 2 đến 4 [20]

2.6.2 Phương pháp ước tính lực rèn

Trong rèn khuôn áp lực, lực rèn là lớn nhất ở cuối hành trình, có bốn phương pháp được sử dụng rộng rãi để ước lượng lực rèn tối đa trong rèn nóng:

 Kinh nghiệm: Lực rèn được ước tính dựa trên dữ liệu có sẵn từ lần rèn trước đó của các chi tiết tương tự Những ước tính này không linh hoạt và dẫn đến những sai sót đáng kể

 Các phương pháp thực nghiệm: Sử dụng các công thức và đồ thị thực nghiệm đơn giản để xác định lực cho các nguyên công rèn đơn giản

Những phương pháp này nhanh chóng nhưng giới hạn về tính chính xác và không linh hoạt cho nhiều loại chi tiết và vật liệu

 Các phương pháp phân tích: Một vật rèn có thể được chia thành nhiều phần tử Lực và ứng suất được tính cho mỗi đơn vị phần tử và sau đó tổng hợp lại để tính tổng lực rèn và ứng suất Phương pháp slab là kỹ thuật được biết đến rộng rãi nhất để thực hiện loại phân tích này Nó được sử dụng thành công để dự đoán tính chịu lực và ứng suất với độ chính xác chấp nhận được

 Các phương pháp số: Phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) là phương pháp được sử dụng rộng rãi nhất Ưu điểm chính của phương pháp này là khả năng khái quát hóa tính ứng dụng của nó đối với các vấn đề khác nhau mà ít giới hạn về hình học phôi FEM có thể phân tích dòng chảy kim loại trong quá trình rèn nóng và có khả năng dự báo các dòng, áp suất, và nhiệt độ tức thời trong quá trình biến dạng Bất lợi của FEM là thời gian tính toán lâu và yêu cầu hệ thống đắt tiền

Lợi thế của phương pháp Slab là môt vật rèn phức tạp có thể được chia thành các đơn vị biến dạng cơ bản hoặc các khối và chúng có thể được phân tích riêng Sau đó, bằng cách đặt các đơn vị biến dạng lại với nhau, có thể xác định lực cho bất kỳ hình dạng phức tạp nào Dòng chảy kim loại trong các đơn vị biến dạng được giả định là đối xứng trục hoặc tạo thành mặt phẳng biến dạng Dòng kim loại tạo thành mặt phẳng biến dạng xảy ra trong các vật rèn tương đối dài, nơi sự biến dạng dọc theo chiều dài tương đối nhỏ và có thể bỏ qua Dòng kim loại đối xứng trục được phát hiện trong rèn các vật tròn xoay và khi kết thúc quá

Luận văn Thạc sĩ GVHD: TS.Phạm Quang Trung chứa bavia Hình 2.6 cho thấy các ví dụ về mặt phẳng biến dạng và dòng chảy đối xứng trục trong vật rèn phức tạp

Hình 2.6 Mặt phẳng và hướng dòng kim loại của 2 chi tiết đơn giản (a) Mặt phẳng dòng kim loại (b) Vật rèn hoàn thiện (c) Hướng dòng kim loại [20]

2.6.3 Phương pháp dự đoán lực rèn đơn giản

Phương pháp Slab – phương pháp phôi tấm đã được sử dụng thành công để dự đoán lực rèn và ứng suất với độ chính xác có thể chấp nhận được Với mục đích này, một vật rèn được chia thành các mặt phẳng biến dạng và trục đối xứng khác nhau, sau đó các phương trình đơn giản được sử dụng để dự đoán áp suất và lực trung bình cho mỗi phần trước khi tất cả các thành phần này được tổng hợp với nhau Phương pháp này được thể hiện trong hình 2.7 [20] Trong thí nghiệm này, giả sử rằng lòng khuôn có hình chữ nhật và hình dạng bavia được minh họa trong hình 2.7 Trên thực tế, lòng khuôn không phải là hình chữ nhật, mặt cắt được đơn giản hóa để phù hợp với mô hình này

Hình 2.7 Sơ đồ rèn khuôn kín đơn giản và phân bố ứng suất [20]

Như hình 2.7, chiều cao lòng khuôn được ký hiệu H, bán kính (hoặc một nửa chiều rộng của khoang) r, độ dày của khe chứa bavia bằng t, và chiều rộng bằng w Các ứng suất ở các vị trí khác nhau của mặt cắt do đó lực tác động trên mặt cắt có thể được ước tính như sau

Với áp lực của kim loại trong vùng bavia được biểu diễn bởi 𝜎 𝑓 và hệ số ma sát 𝑚, áp lực tại khe chứa của một mặt cắt trục đối xứng, 𝜎 𝑒𝑎 , được tính:

√3𝑚𝑤 𝑡 + 1) 𝜎 𝑓 (2.5) Do tốc độ nguội nhanh và tỷ lệ biến dạng cao nên áp lực dòng kim loại trong khe chứa với áp lực dòng kim loại trong hốc khuôn Tổng lực (𝑃 𝑡𝑎 ) trên mặt cắt là tổng của 2 lực đang tác động lên khe chứa và hốc khuôn:

2 ] (2.6) Trong đó 𝑅 = 𝑟 + 𝑤, 𝜎 𝑓 là áp lực dòng kim loại trong khe chứa bavia và 𝜎 𝑐 là áp lực của dòng kim loại trong hốc khuôn Đối với mặt cắt biến dạng, các phương trình để tính áp lực của kim loại trong vùng bavia và tổng lực (Ptp) trên mặt cắt là tổng của 2 lực đang tác động lên khe chứa và hốc khuôn là:

√3𝜎 𝑐 ) 𝐿 (2.8) Trong đó 𝐿 là độ rộng hốc khuôn, tức là 𝐿 = 2𝑟 trong hình 2.7 Các phương trình trên tương đối đơn giản và có thể được sử dụng trong thực tế Để thực hiện những phương trình này, yêu cầu phải có các thông tin sau:

 Dạng hình học của chi tiết

 Áp lực dòng kim loại trong hốc khuôn và khe chứa bavia trong suốt các trạng thái cuối cùng của vật rèn

 Ma sát bề mặt khuôn, vật rèn

Phương pháp Slab có thể không chính xác như FEM về phương pháp toán học nhưng nó phát triển vì nó không cần nhiều thời gian tính toán và không đòi hỏi phải đào tạo cho người sử dụng Ngoài ra, phương pháp Slab có thể cho quá trình thay đổi trong việc tính lực rèn trong khi FEM chỉ cung cấp kết quả tính toán cuối cùng

Trong chương này trình bày nội dung về quy tắc dòng chảy, các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình rèn, vật liệu rèn, ma sát bôi trơn, nhiệt và trao đổi nhiệt và dự đoán ứng suất và lực rèn trong khuôn

THIẾT KẾ MÔ HÌNH THÍ NGHIỆM

Các thiết kế tham khảo

3.1.1 Thiết kế của Fraz Schober và cộng sự

Rèn chính xác là lĩnh vực được nghiên cứu từ rất lâu trên thế giới và có rất nhiều bằng sáng chế cho lĩnh vực này Năm 1963, Fraz Schober và cộng sự đã nghiên cứu phương pháp và kết cấu để tạo ra biên dạng bánh răng côn [21], thiết kế của khuôn được trình bày trong hình 3.1

Hình 3.1 Kết cấu tạo ra biên dạng bánh răng côn [21]

Phương pháp này của ưu nhược điểm là: Ưu điểm:

- Cấu tạo khuôn và hệ thống ép đơn giản

- Độ chỉnh xác của sản phẩm không cao, cần xử lí và gia công lại nhiều

- Bánh răng không yêu cầu quá phức tạp về hình dáng

Lượng dư kim loại nằm ở đỉnh răng

3.1.2 Thiết kế của Fritz Dohmann và cộng sự

Năm 1970, Fritz Dohmann và các cộng sự đã nghiên cứu cách tạo ra bánh răng côn [22], thiết kế của khuôn được trình bày trong hình 3.2

Hình 3.2 Phương pháp tạo ra bánh răng côn [22]

- Độ chính xác khá cao, tỷ lệ sử dụng kim loại cao, lượng bavia thấp

- Hệ thống khuôn ép khá phức tạp

- Phải có thêm khâu xử lí bavia

- Kim loại khó điền đầy vào đỉnh răng – lực ép lớn

3.1.3 Thiết kế của Mọrten Burgdorf và cộng sự

Năm 1971, Mọrten Burgdorf và cộng sự đó nghiờn cứu phương phỏp tạo bỏnh răng có lỗ với trục đặc hoặc trục có lỗ [23], thiết kế của khuôn được trình bày

Hình 3.3 Phương pháp tạo bánh răng có lỗ với trục đặc hoặc trục có lỗ [23]

- Độ chính xác cao, tỷ lệ sử dụng kim loại cao, có thể rèn được lỗ cho bánh răng

- Hệ thống khuôn ép khá phức tạp

- Kim loại khó điền đầy vào đỉnh răng – lực ép lớn

3.1.4 Thiết kế của Herbert Leykamm và cộng sự

Năm 1979, Herbert Leykamm và cộng sự đã nghiên cứu phương pháp tạo ra bánh răng côn [24], thiết kế của khuôn được trình bày trong hình 3.4

Hình 3.4 Phương pháp tạo ra bánh răng côn [24]

- Độ chính xác cao, đảm bảo điền đầy vào các đỉnh răng

- Mức dung sai không quá 20%

- Lực rèn không quá lớn

- Lượng dư của kim loại nằm ở bề mặt không quan trọng của sản phẩm

- Hệ thống khuôn ép và máy ép phức tạp

3.1.5 Thiết kế của Katsunori Noda và cộng sự

Năm 1992, Katsunori Noda và cộng sự đã nghiên cứu phương pháp sản xuất bánh răng côn có ty lối [25], thiết kế của khuôn được trình bày trong hình 3.5

Hình 3.5 Phương pháp sản xuất bánh răng côn có ty lối [25]

- Tạo lỗ trục cho bánh răng côn mà không làm mất đi cơ tính của bánh răng như khi dùng các phương pháp gia công khác

- Hệ thống khuôn ép và máy ép phức tạp

3.1.6 Thiết kế của Tetsuo Tsukamoto và cộng sự

Năm 1993, Tetsuo Tsukamoto và cộng sự đã nghiên cứu phương pháp và thiết bị sản xuất bánh răng có lỗ ở giữa [26], thiết kế của khuôn được trình bày trong hình 3.6

- Phương pháp cho phép rèn chính xác cao bánh răng kèm với lỗ

- Độ chính xác cao, vật rèn có cơ tính tốt

- Lực rèn lớn - Kim loại rèn phải được nung nóng và bôi trơn trước khi rèn

- Chi phí khuôn và hệ thống ép cao

3.1.7 Thiết kế của Stephen L.Prucher và cộng sự

Năm 2003, Stephen L.Prucher và cộng sự đã nghiên cứu phương pháp sản xuất bánh răng gần chính xác cho nhiều lắp ráp khác nhau [27], thiết kế của khuôn được trình bày trong hình 3.7

Hình 3.7 Phương pháp sản xuất bánh răng gần chính xác cho nhiều lắp ráp khác nhau [27]

- Rèn bánh răng côn từ thép dạng ống, giảm giá thành và năng xuất cao hơn so với các phương pháp trên

- Sử dụng kim loại hiệu quả làm giảm chi phí cho các bước gia công sau

- Chỉ phù hợp rèn các chi tiết tròn, bánh răng…

3.1.8 Thiết kế của Zhang Qingping và cộng sự

Năm 2010, Zhang Qingping và cộng sự đã nghiên cứu quá trình thiết kế cho rèn nguội chính xác của bánh răng côn [28], thiết kế của khuôn được trình bày trong hình 3.8

Hình 3.8 Kết cấu khuôn rèn nguội chính xác bánh răng côn [28]

- Rèn nguội tăng khả năng cơ tính và chất lượng bề mặt của sản phẩm

- Hệ thống khuôn và máy ép phức tạp, giá thành cao - Không gia công được các chi tiết quá lớn

3.1.9 Thiết kế khuôn của Nguyễn Trung Kiên

Hình 3.9 Kết cấu khuôn rèn chính xác bánh răng côn [12]

Thiết kế khuôn rèn chính xác

3.2.1 Xác định màng phân khuôn

Chi tiết có một lỗ suốt nhưng không thể tạo hình trong quá trình rèn chính xác trên máy nên phôi cần có màng ngăn lỗ để dễ ép hơn Màng này sẽ được gia công sau khi phôi lấy ra khỏi khuôn ép

Tính toán chiều dày màng lỗ ngăn được xác định theo công thức:

Với d = 10 mm; h = 3.5 mm, suy ra S = 2 mm

3.2.2 Tính toán thể tích phôi trung gian

Dùng phần mềm Inventor, ta xác định được thể tích vật rèn ở trạng thái nguội:

Vsp = 11762.114 mm 3 Theo định luật bảo toàn thể tích áp dụng cho rèn chính xác ta có thể tích phôi trung gian ở trạng thái nguội là:

Vphôi trung gian = Vsp = 11762.114 mm 3 Thể tích phôi trung gian cho phép sai lệch so với yêu cầu khoảng 5% đối với rèn chính xác

3.2.3 Tính toán phôi trụ ban đầu

Do ta tiến hành trên vật liệu chì nên phôi trung gian được tiến hành ép theo bước của quá trình mô phỏng Đường kính phôi trụ ban đầu có thể chọn bằng đường kính nhỏ nhất trên phôi trung gian [28] Ta chọn Dphôi trụ = 24mm Từ đó tính được chiều cao phôi trụ:

Chọn phôi trụ ban đầu có kích thước DxH$mm x 26mm

3.2.4 Tính toán biến dạng trên phôi phụ

Do đó có thể biến dạng cục bộ 1 lần mà không cần qua bước trung gian

Từ các thiết kế tham khảo ở mục 3.1, quy trình công nghệ rèn chính xác bánh răng côn và thiết kế khuôn cho rèn chính xác bánh răng côn răng thẳng sẽ được nghiên cứu và trình bày ở mục này

3.2.5.1 Hình thành bản vẽ lòng khuôn

Từ mô phỏng và tính toán phôi ban đầu, ta hình thành bản vẽ lòng khuôn và tách khuôn thành ba phần gồm chày ép, nửa khuôn trên và nửa khuôn dưới

3.2.5.2 Một số kết cấu khuôn rèn chính xác bánh răng côn

Do yêu cầu đặc biệt của quá trình rèn chính xác và gần chính xác, kết cấu khuôn rèn sẽ có sự khác biệt so với thông thường Một số kết cấu được ứng dụng cho công nghệ này được giới thiệu trong các hình sau:

Hình 3.11 Kết cấu khuôn có khâu liên kết [29]

Kết cấu khuôn 1 được dùng trên máy ép thuỷ lực Dưới tác dụng của áp suất thuỷ lực, phần áo khuôn trên và khuôn dưới sẽ được đóng lại Các phần của khuôn sẽ hoạt động nhờ vào vận tốc tương đối với nhau Kết cấu này được phát

Luận văn Thạc sĩ GVHD: TS.Phạm Quang Trung triển bở nhà sản xuất Nichidai của Nhật Bản, một nhà sản xuất lớn về các thiết bị và sản phẩm gia công áp lực (hình 3.11)

Hình 3.12 Kết cấu khuôn kiểm soát bavia [3]

Trong kết cấu khuôn 2, phần khuôn gồm có chày ép, nửa khuôn trên và nửa khuôn dưới Ban đầu, khuôn được mở để ta đưa phôi trung gian đã tạo trước đó vào lòng nửa khuôn dưới Sau đó, hệ thống gồm nửa khuôn trên và chày ép di chuyển xuống để đóng kín khuôn Ở bước này, chày ép chưa tác dụng lên phôi, không có sự biến dạng nào được thực hiện Sau bước này, chày ép bắt đầu dịch chuyển xuống và ép Nửa khuôn trên vẫn được đóng kín với nửa khuôn dưới nhờ 2 xi lanh giữ (hình 3.12)

Hình 3.13 Kết cấu khuôn dạng côn [30]

Kết cấu khuôn dạng côn có áo khuôn côn, khi đóng khuôn, mặt nón định bị ở phía ngoài sẽ tác dụng lực lên mặt nón của áo khuôn, làm áo khuôn dịch chuyển vào trong theo phương ngang và đóng kín lại Khi mở khuôn, do không còn lực tác dụng của vòng định vị, áo khuôn dưới tác dụng của các lò xo sẽ bị đẩy trở lại vị trí ban đầu Chi tiết có dạng tròn xoay và đối xứng nên được bố trí hai chày ép để tăng khả năng điền đầy khuôn và làm hướng thớ bên trong sản phẩm đồng đều hơn (hình 3.13)

Hình 3.14 Kết cấu khuôn có áo lòng [12]

Kết cấu 4 là kết cấu khuôn rèn chính xác chi tiết bánh răng nón răng thẳng ở trạng thái nóng đã được thực nghiệm tại Bộ môn Gia công áp lực, Viện Cơ Khí Đại học Bách Khoa Hà Nội Ta thấy khuôn có kết cấu đơn giản (hình 3.14)

Ta thấy kết cấu khuôn có khâu liên kết tương đối phức tạp, đòi hỏi tính toán các khâu liên kết để đạt chuyển động chính xác Kết cấu khuôn kiểm soát bavia đơn giản nhưng giá thành khuôn cao Kết cấu khuôn có áo côn, mặt côn trên áo khuôn và trên vòng định vị cần được gia công với độ chính xác cao để đảm bảo độ kín khít khi đóng khuôn Trong phạm vi nghiên cứu với thời gian có hạn, ta chọn kết cấu khuôn áo lòng – kết cấu 4 khá đơn giản về mặt nguyên lý để

3.2.5.3 Thiết kế kết cấu khuôn rèn chính xác

Từ nguyên lí khuôn đã chọn, ta thiết kế kết cấu khuôn cho chi tiết bánh răng nón răng thẳng như hình trên

Nguyên lí hoạt động của khuôn:

+ Khuôn ở trạng thái chưa ép sẽ có khoảng cách giữa hai nửa khuôn là 147.5mm để ta đặt phôi vào lòng nửa khuôn dưới

+ Sau khi cho phôi vào, phần trên của khuôn được gắn với đầu trượt của máy sẽ chuyển động xuống để đóng khuôn

+ Sau khi khuôn đóng, đầu trượt mang tấm giữ chày ép sẽ chuyển động xuống dưới, khi đó chày ép có thể dịch chuyển xuống dưới

Hình 3.15 cho thấy khuôn ở trạng thái chưa rèn, lúc này khoảng cách giữa tấm trên và tấm dưới khuôn là 147.4mm Hình 3.16 cho thấy khuôn ở trạng thái đã rèn, lúc này khoảng cách giữa tấm trên và tấm dưới khuôn là 124.5mm Hình 3.17 đến hình 3.20 là bản vẽ các chi tiết cối, chày, khuôn trên và khuôn dưới

Hình 3.16 Khuôn ở trạng thái đã rèn

Hình 3.18 Chi tiết chày trên

Hình 3.20 Chi tiết khuôn dưới

Tóm tắt nội dung chương 3

Trong chương này, các thiết kế khuôn tham khảo trên thế giới và trong nước được xem xét ưu, nhược điểm của các thiết kế đó để tìm ra thiết kế khuôn phù hợp nhất cho luận văn Chương 3 cũng trình bày một số kết cấu khuôn như kết cấu khuôn có khâu bản lề, kết cấu khuôn kiểm soát bavia, kết cấu khuôn dạng côn và kết cấu khuôn có áo lòng Từ đó đưa ra quy trình thiết kế khuôn rèn chính xác và bản vẽ hoàn chỉnh của các chi tiết khuôn

NGHIÊN CỨU MÔ PHỎNG TẠO HÌNH BÁNH RĂNG

Vật liệu chế tạo bánh răng côn

Việc lựa chon vật liệu chế tạo bánh răng phụ thuộc vào điều kiện làm việc

Mỗi loại vật liệu đều thỏa mãn những yêu cầu riêng, nhất là đối với các bánh răng dùng trong ô tô, máy kéo, máy bay, máy công cụ…

 Các nhóm bánh răng truyền lực thường được chế tạo bằng thép hợp kim crom như: 5Cr, 15CrA, 20CrA, 40Cr, 45Cr; crom – niken; crom – molipden như 40CrNi, 35CrMoA, 18CrMnTi

 Các bánh răng chịu tải trọng trung bình và nhỏ được chế tạo bằng thép cacbon như: C40, C45

 Các bánh răng làm việc với tốc độ cao và cần giảm tiếng ồn được làm từ chất dẻo

 Hiện nay, công nghệ luyện kim tiến bộ rất nhiều nên bánh răng còn có thể được chế tạo từ vật liệu kim loại bột

Trong phạm vi nghiên cứu, ta sẽ chọn vật liệu chì Chì ở nhiệt độ thường đồng dạng với thép ở nhiệt độ 1100 o C Hơn nữa do tính chất biến dạng dẻo tốt của chì, ta sẽ dễ dàng tiến hành thực nghiệm ở nhiệt độ thường mà không cần phải gia nhiệt cho phôi và khuôn như rèn thép

Tính toán sơ bộ cho thiết lập mô phỏng

Hình 4.1 Chi tiết bánh răng côn răng thẳng Bảng 4.1 Bảng thông số cơ bản của bánh răng côn

Góc côn vòng chia 45 0 Góc ở đỉnh 53,14 o

Mô phỏng quá trình biến dạng phôi trụ ở trạng thái nguội

Ta dùng phần mềm Deform 3D để mô phỏng quá trình rèn chi tiết bánh răng côn Mô phỏng này giúp ta xác định được trạng thái biến dạng của phôi trong khuôn, xác định được lực cần thiết để thực hiện Mô hình hình học đối với bánh răng côn trong nghiên cứu này gồm chày, phôi, khuôn trên và khuôn dưới (hình 4.1)

Hình 4.2 Mô hình các chi tiết tham gia quá trình mô phỏng Các thành phần được thiết lập theo hình học của bánh răng côn với thế tích phôi ban đầu xấp xỉ với thể tích thành phần có tỉ lệ sai lệch thể tích nằm trong khoảng ±0.5 ~ ±1% Phôi ban đầu được chia lưới với số nút là 100000 nút (hình 4.2) và với vật liệu là chì được chọn trong thư viện Deform (hình 4.3)

Hình 4.3 Mô hình phôi trụ sau khi chia lưới

Hình 4.4 Chọn vật liệu chì trong thư viện Deform

4.3.2 Thiết lập vật liệu khuôn Đối với bộ khuôn, ta sử dụng thép SKD61, loại thép chuyên dùng làm khuôn rèn nóng Vật liệu này cũng có sẵn trong thư viện của Deform (hình 4.4)

Hình 4.5 Chọn vật liệu khuôn trong thư viện Deform

4.3.3 Thiết lập mô hình tiếp xúc và ma sát

Hệ số ma sát được sử dụng trong mô phỏng là 0.3 (hình 4.5)

Hình 4.6 Thiết lập hệ số ma sát trong Deform

Nhiệt độ phôi ban đầu đối với biến dạng nguội là 35 o C

Nhiệt độ của khuôn được thiết lập bằng với nhiệt độ thường là 35 o C

Vận tốc của chày được thiết lập là 10 mm/phút

Hành trình giới hạn của chày là 23mm

Số bước trong bài toán là 100 bước

Với thông số được thiết lập như trên, với máy tính có CPU intel core i7 3687U, ổ cứng 256 GB, ram 8 GB thời gian xử lý khoảng hơn 8 tiếng

Mô phỏng bài toán kết thúc ở bước 140 Tải tác dụng theo phần mềm cho quá trình biến dạng theo biểu đồ dự đoán lực là khoảng 25 tấn (hình 4.6)

Hình 4.7 Sản phẩm sau khi được mô phỏng

Phôi bắt đầu biến dạng tạo hình ở bước thứ 80 (hình 4.7)

Hình 4.8 Phôi ở bước thứ 80 của mô phỏng Phôi có hình tang trống của răng côn tại bước thứ 90 (hình 4.8)

Hình 4.9 Phôi biến dạng tạo hình bánh răng côn tại bước thứ 90 Biên dạng răng được hình thành tại bước thứ 100 (hình 4.9)

Hình 4.10 Biên dạng răng được hình thành tại bước thứ 100 Bánh răng có hình dạng hoàn chỉnh tại bước thứ 140 (hình 4.10)

Hình 4.11 Bánh răng có hình dạng hoàn chỉnh tại bước thứ 140

Trong chương này, quá trình điền đầy khuôn được nghiên cứu bằng mô hình mô phỏng dùng phần mềm DEFORM 3D Kết quả cho thấy khả năng điền đầy của phôi đạt yêu cầu, biên dạng phôi sau mô phỏng hoàn chỉnh cho thấy được tính khả thi của thực nghiệm

THỰC NGHIỆM VÀ SO SÁNH VỚI MÔ PHỎNG

Thực nghiệm

Sau khi tiến hành mô phỏng và ra được bản vẽ chi tiết khuôn, bộ khuôn được chế tạo theo yêu cầu kỹ thuật thiết kế Hình 5.1 là trình bày bộ khuôn ở chế độ lắp ban đầu sau khi mới chế tạo xong

Hình 5.1 Khuôn thực nghiệm Ta tiến hành ép trên máy Instron của Mỹ với lực rèn 200 tấn (hình 5.2)

Ta tiến hành lắp khuôn vào máy rèn được trình bày trong hình 5.3

Hình 5.3 Khuôn được lắp vào máy rèn

Ta tiến hành cắt kích thước phôi như kích thước đã tính trong chương 3 với đường kính d$mm và chiều cao là h&mm như hình 5.4

Hình 5.4 Kích thước phôi ban đầu, d $mm và h = 26mm

Bảng 5.1 Trình bày về các thông số công nghệ thực nghiệm của quá trình rèn chế tạo bánh răng côn răng thẳng STT Tên chi tiết

Tốc độ ép (mm/phút)

Sau khi tiến hành làm thực nghiệm các phôi theo bảng 5.1 ta có kết quả là quá trình tạo hình bánh răng khi vật liệu bị rèn điền đầy vào khuôn Cụ thể được trình bày trong bảng 5.2

Kết quả cho thấy khi hành trình rèn là 10 mm thì phôi mới bắt đầu bị biến dạng ở 2 đầu Khi hành trình rèn là 12,5 mm thì phôi bắt đầu tạo răng Khi hành trình rèn là 15 mm, 16 mm và 17 mm thì phôi có biên dạng bánh răng và răng được tạo hình rõ hơn Khi hành trình rèn là 18 mm thì cơ bản vật liệu đã điền đầy khuôn ở các vị trí quan trọng tuy nhiên vẫn chưa hoàn toàn ở vị trí đỉnh răng biên dạng răng chưa hoàn chỉnh Khi hành trình ép là 20,2 mm thì vật liệu đã

Tuy nhiên, khi hành trình vượt quá 20,2 mm cụ thể là khi rèn với hành trình chày là 20,5 mm thì đã xuất hiện các bavia ở chân răng, lúc này vật liệu đã điền đầy vào khuôn vì hành trình chày vẫn tiếp tục nên vật liệu sẽ bị ép chảy ra phía ngoài của rãnh khuôn (nơi lắp ghép các chi tiết khuôn lại với nhau để tạo thành bavia) Lúc này lực rèn trên máy sẽ tăng lên đáng kể vì phải ép kim loại chảy vào các rãnh khuôn rất nhỏ này

Như vậy trong thí nghiệm này, hành trình tối đa của chày rèn được xác định là 20,2 mm

Kết quả thực nghiệm còn cho thấy, khi tốc độ chày tăng từ 10 mm/phút lên 15 mm/phút ta có biên dạng răng được điền đầy tốt hơn nhưng vẫn có bavia ở chân răng Khi tăng tốc độ chày lên 20 mm/phút thì bavia ở chân răng xuất hiện nhiều hơn Do đó kết luận, khi ở tốc độ 10mm/phút và hành trình rèn 20,2mm là tối ưu nhất

Bảng 5.2 Kết quả thực nghiệm khi rèn bánh răng côn răng thẳng

STT Tên sản phẩm Kết quả

So sánh thực nghiệm với mô phỏng

Quá trình điền đầy kim loại trong khuôn rèn kín được nghiên cứu trên mô phỏng và trên thực nghiệm, bảng 5.3 trình bày sự so sánh về kết quả mô phỏng và thực nghiệm

Bảng 5.3 So sánh kết quả mô phỏng và thực nghiệm

STT Tên chi tiết Hành trình chày (mm)

Kết quả mô phỏng Kết quả thực nghiệm

So sánh kết quả mô phỏng và kết quả thực nghiệm ta thấy cả hai nghiên

Luận văn Thạc sĩ GVHD: TS.Phạm Quang Trung kim loại Cụ thể khi hành trình rèn là 10 mm thì chỉ mới tạo hình được hai lỗ công nghệ, khi hành trình 15 mm thì biên dạng răng bắt đầu hình thành và khi hành trình là 20,2 mm thì biên dạng răng là hoàn chỉnh

Hình 5.5 trình bày sơ đồ lực của chày thực nghiệm khi hành trình tăng dần từ 0 mm đến 20,2 mm Đồ thị này cho ta thấy, khi hành trình rèn từ 0 mm đến 10 mm thì lực tăng dần đều nhưng nhỏ, vì giai đoạn này chỉ hình thành hai lỗ công nghệ ở hai đầu của bánh răng Tiếp theo ta thấy lực tăng lên đáng kể khi hành trình rèn tăng dần tương ứng với quá trình rèn kim loại vào khuôn, lực càng ngày càng tăng lên bởi vì kim loại bắt đầu bị ép chảy vào các vị trí khó trong khuôn kín Khi hành trình là 20,2 thì kim loại đã điền đầy khuôn, nếu tiếp tục rèn thì lực rèn sẽ tăng lên đáng kể vì kim loại thoát ra ở các vị trí khe hở của các chi tiết làm khuôn

Hình 5.5 Biểu đồ tải trọng tác dụng theo hành trình rèn trong thực nghiệm

Hình 5.6 trình bày sơ đồ lực rèn tác dụng lên chi tiết theo thời gian rèn được thực hiện trong mô phỏng

T ải t rọ ng t ác du ng ( kg )

Hình 5.6 Sơ đồ tải trọng tác dụng theo thời gian rèn khi mô phỏng

Hình 5.7 trình bày sơ đồ tải trọng tác dụng theo hành trình rèn được thực hiện trong mô phỏng

T ải t rọ ng t ác dụ ng ( kg )

Kết quả mô phỏng so sánh với tốc độ rèn 10mm/phút với lực rèn là khoảng

19 tấn khi hành trình rèn trên 20,2mm Khi tiến hành thực nghiệm, khi ta tiến hành với tốc độ 10mm/phút với hành trình là 20,2mm phôi được điền đầy rất tốt vào hốc khuôn với lực khoảng 20 tấn Ta thấy lực giữa mô phỏng và thực nghiệm không chênh lệch nhiều, khả năng phôi điền đầy vào hốc khuôn tốt Khi ta tiến hành với tốc độ 15 mm/phút và 20mm/phút với hành trình 20,2mm thì phôi vẫn điền đầy tốt hốc khuôn và kết quả không cho thấy sự khác biệt có thể phân biệt được bằng mắt thường với tốc độ hành trình 10 mm/phút Do đó, sau khi thực nghiệm ta thấy phôi được điền đầy tốt nhất với hành trình 20,2mm và chọn ở tốc độ 10mm/phút để bảo vệ khuôn và chày

Chương 5 trình bày kết quả của quá trình thực nghiệm và so sánh với kết quả mô phỏng Kết quả thực nghiệm chỉ ra rằng phôi có khả năng biến dạng đồng đều Khi ta tiến hành với hành trình vượt quá hành trình 20,2 mm phôi bắt đầu xuất hiện bavia ở chân răng Kết quả so sánh với mô phỏng cho ta thấy rằng kết quả mô phỏng với thực nghiệm là tương đương nhau, cho thấy được khả năng điền đầy của phôi trong hốc khuôn

Tiêu đề	Nghiên cứu biên dạng chuyển tiếp phôi trong công nghệ rèn chính xác
Tác giả	Nguyễn Hoàng Dũng
Người hướng dẫn	TS. Phạm Quang Trung
Trường học	Đại Học Quốc Gia Tp.HCM
Chuyên ngành	Kỹ Thuật Cơ Khí
Thể loại	Luận Văn Thạc Sĩ
Năm xuất bản	2019
Thành phố	Tp. Hồ Chí Minh

Định dạng
Số trang	94
Dung lượng	2,59 MB