Báo cáo nghiên cứu khoa học: " NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG MỘT SỐ THÔNG SỐ ĐẾN LỰC DẬP VÀ KHẢ NĂNG ĐIỀN ĐẦY KHUÔN KHI DẬP PHÔI BÁNH RĂNG NÓN" ppsx

TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 5(34).2009 30 NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG MỘT SỐ THÔNG SỐ ĐẾN LỰC DẬP VÀ KHẢ NĂNG ĐIỀN ĐẦY KHUÔN KHI DẬP PHÔI BNH RĂNG NN AN INVESTIGATION INTO THE INFLUENCE OF SOME PARAMETERS ON STAMPING FORCE AND DIE FILLING CAPACITY IN A CONIC GEAR FORGING PROCESS Lê Cung Trường Đại học Bách khoa, Đại học Đà Nẵng Lê Phước Hoàng Trường Cao đẳng Công nghiệp, Huế TÓM TẮT Bài báo nhằm ứng dụng phần mềm DEFORM vào việc nghiên cứu ảnh hưởng của một số thông số như hình dạng khuôn, kích thước phôi ban đầu, tốc độ biến dạng, kích thước và hình dạng bavia, hệ số ma sát giữa kim loại và khuôn, nhiệt độ sấy khuôn… đến lực dập, năng lượng tiêu tốn và quá trình điền đầy kim loại trong khuôn. Các mô phỏng số được áp dụng cụ thể cho trường hợp dập nóng phôi bánh răng nón trong khuôn. Kết quả mô phỏ ng giúp người thiết kế khuôn và qui trình công nghệ dập lựa chn hợp l hình dạng hình hc của khuôn , phôi ban đầu cng như các thông số cơ bản của quá trình dập nóng phôi bánh răng nón. ABSTRACT The article deals with the application of DEFORM software to studying the influence of some parameters such as die shapes, initial workpiece dimensions, strain velocity, flash dimensions and shapes, frictional coefficient between metal and die, initial die temperature… on stamping force, consumed energy and die filling process of metal. The digital simulations are applied to the case of hot forging of a conic gear in die. The simulation results help the designer of dies and forging technical processes choose the appropriate dimensions and geometrical shapes of dies and initial workpiece as well as the basic parameters of the conic gear hot stamping process. 1. Tng quan Lc dp v kh năng đin đy khuôn khi dp nng chu nh hưng ca kh nhiu thông s như hnh dng h nh hc ca khuôn , phôi ban đu , gc lượn ca khuôn , hình dng bavia, s bôi trơn v h s ma st , tc độ biến dng, nhit độ sấy khuôn… Trưc đây, đ nghiên cu lc dp v kh năng đin đy khuôn , khuyết tt chi tiết sau dp,… ngưi ta thưng tiến hnh th nghim mô phng qu trnh dp trên cc phôi bng vt liu thay thế , d biến dng , có tính chất đồng dng vi kim loi lm phôi dp như plasticine…[4]. Ngày nay, vi s h trợ ca my tnh , nhiu phn mm mô ph ng s dng phương php phn t hu hn ra đi , cho php mô phng s qu trnh biến dng khi dp nng trong khuôn , nh đ d dng la chn hợp l v ti ưu cc thông s ca qu trnh dp , gim được thi gian v công sc thiết kế khuôn v qui trnh d p, gim được gi thnh ,… như cc phn mm ALPID [1], DEFORM [2], FORGE2, FORGE3 [3]… Bên cnh cc phn mm s dng phương php phn t hu hn , một s phn TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 5(34).2009 31 mm s dn g phương php tng kết thc nghim như FORGEROND ra đi [4], [5]. Khc vi cc phn mm trên đây , FORGEROND cho php mô phng nhanh qu trnh dp nng cc chi tiết dng trn xoay , nhm gip ngưi thiết kế khuôn v qui trnh dp nhanh chng chn my , hình dng phôi, khuôn, cũng như cc thông s hợp l cho quá trnh dp, xây dng nhanh bng chiết tnh gi thnh… nhm đp ng nhanh chng yêu cu đt hng ca khch hng. Bài báo nhm nghiên cu ng dng phn mm DEFORM-2D vào vic mô phng s qu trnh dp nng phôi bnh răng nn , đồng thi nghiên cu nh hưng ca một s thông s như hnh dng ca khuôn, phôi ban đu , bavia, vic bôi trơn v h s ma sát, vic sấy khuôn, tc độ biến dng… đến lc dp v kh năng đin đy khuôn trong qu trnh dp nng phôi bnh răng nn trong khuôn. Kết qu mô phng gip ngưi thiết kế khuôn v qui trình công ngh dp la chn hợp l hnh dng hnh hc ca khuôn, phôi ban đu cũng như cc thông s cơ bn ca qu trnh dp nng phôi bnh răng nn. 2. Môi trưng lm vic ca phn mm DEFORM-2D Phn mm DEFORM (Design Environment for FORMing) ca hãng Scientific Forming Technology Corporation (Mỹ) cho phép mô phng s qu trnh biến dng kim loi da trên phương php phn t hu hn [2], [6]. DEFORM có nhiu chc năng phong ph, cho php quan st trưng ng suất, biến dng, nhit độ kim loi, mô phng quá trình biến dng chi tiết khi dp nng, cho php xc đnh lc dp, năng lượng cn thiết khi dp… Lưu đồ mô phng qu trnh dp nng trong khuôn được mô t trên hnh 1. D liu ban đu cn thiết cho qu trnh mô phng bao gồm: Thông s hnh hc: thông s hình hc ca phôi v khuôn, Thông s qa trnh: nhit độ môi trưng, nhit độ phôi và Thông số hình hc Thông số quá trình Thông số vật liệu Mô hình quá trình Dòng kim loại của chi tiết (sự điền đầy khuôn, sự hình thành khuyết tật…) Yêu cầu điều khiển thiết bị (tải trng, hành trình/thời gian, vận tốc) Quá trình cơ nhiệt của chi tiết (ứng suất, biến dạng, tốc độ biến dạng…) Các tính chất cấu trúc tế vi (cỡ hạt, tỷ lệ kết tinh lại…) Cấu trúc tế vi Các tham số tối ưu của quá trình và các giới hạn điều khiển Hình 1. Lưu đồ mô phỏng quá trình dập nóng trong khuôn TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 5(34).2009 32 khuôn, h s trao đi nhit phôi -khuôn, khuôn-môi trưng, thi gian chuyn phôi từ l đến khuôn, h s ma st phôi -khuôn, vn tc chy ,… Thông s vt liu : nhit dung riêng, gii hn đn hồi , gii hn do… D liu thu nhn được ca qu t rình mô phng rất phong ph: dng kim loi, s phân b v qu trnh biến thiên ca cc biến trng thi như biến dng, tc độ biến dng, nhit độ chi tiết v khuôn…, cc yêu cu điu khin thiết b như ti trng, hnh trnh, tc độ biến dng, khuyết tt sn phẩm khi dp… Từ các tham s đu ra ca qu trnh biến dng, ngưi thiết kế qui trnh công ngh dp d dàng chn được cc tham s ti ưu cho qu trnh dp nng chi tiết. 3. Ảnh hưởng ca một số thông số đến quá trình rèn dập nóng phôi bánh răng nón 3.1. D liu mô phng số Chúng tôi tiến hnh cc mô phng s s dng phn mm DEFORM 2D cho quá trình rèn dp nng phôi bnh răng nn trong khuôn . Thông s hnh hc ca phôi bnh răng nn, ca khuôn dp v ca phôi dp ban đu được mô t trên hình 2. Các d liu ban đu s dng trong mô ph ng như sau: Vt liu phôi: thép C45 (E = 210.290N/mm 2 , ν=0,3); vt liu khuôn: carbide (15% Cobalt, E = 524.002N/mm 2 , ν = 0,23); kch thưc phôi ban đu: chiu cao H = 65mm, đưng knh 33,14mm; kiu mô phng: đẳng nhit; nhit độ ban đu ca phôi: khong 900 0 C, nhit độ ban đu ca khuôn: khong 200 0 3.2. Nghiên cứu khả năng điền đầy kim loại trong các hốc khuôn C ; khong dch chuyn ca chày: 35 mm; máy nén thy lc: tc độ dch chuyn ca chy: 2mm/s; máy búa: năng lượng ba 17.500 KNmm; my p kiu vt: năng lượng chy: 10.000 KNmm. Các mô phng s từ đon 3.2 đến 3.6 được thc hin trên my p thy lc. Hình 3 và hình 5 mô t qu trnh đin đy kim loi trong khuôn dp tùy theo đưng knh ban đu D ca phôi. Kho st ba trưng hợp khc nhau: D=33mm, D=33,1mm và D=33,14mm, ta thấy rng khi D=33,14mm, kim loi được đin đy hon 35 φ37 φ62 φ33,14 φ34 φ44 φ62 65 100 R3 R2 R3 25 φ 27 R3 R3 φ34 16 25 30 35 R2 φ37 φ27 φ62 φ44 Hình 2. Thông số hình học của phôi và bánh răng TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 5(34).2009 33 toàn trong các hc khuôn. Th tch phôi gim dn trong qu trnh dp nng từ V=56.067m3 ÷ V= 55.734m3 cho trưng hợp D = 31,14mm, ng vi khong dch chuyn ca chy p từ 0 ÷ 35 mm (hình 4). Như vy, trong trưng hợp không s dng bavia, phôi ban đu hnh tr, đưng knh phôi c th chn D = 33,14mm, khi đ kim loi được đin đy hon ton trong khuôn. 3.3. Ảnh hưởng của ma sát gia khuôn và phôi dập Đ nghiên cu nh hưng ca h s ma st gia khuôn và chi tiết đến lc dp v kh năng đin đy kim loi trong khuôn, chúng tôi tiến hành mô phng cho cc trưng hợp h s ma st khc nhau gia phôi dp v khuôn: m = 0,08; 0,12; 0,25; 0,3; 0,7. Da vo đồ th lc dp trên hnh 6, ng vi cc h s ma st phôi-khuôn khác nhau, ta thấy  giai đon đu do kim loi chưa tiếp xc nhiu vi thnh khuôn nên chưa c s khc bit ln v lc dp; khi chy dp dch chuyn một khong 31,5mm, lc dp biến thiên mnh hơn, phân b trong khong từ 281.658 ÷ 292.228N. Ở giai đon đin đy cc hc khuôn, lc dp tăng lên Hình 5. Quá trình biến dạng và điền đầy kim loại trong khuôn Hình 4. Sự thay đổi thể tích phôi dập ứng với D=33, D =33,1 và D=33,14mm a) H =65mm; D =33mm b) H =65mm; D=33,1mm c) H = 65mm; D=33,14mm Hình 3. Ảnh hưởng của D đến khả năng điền đầy kim loại trong các hốc khuôn 0 500000 1000000 1500000 2000000 2500000 3000000 3500000 4000000 0 35 7 10.5 14 17.5 21 24.5 28 31.5 35 Hành trình [mm] Tải trng [N] m=0,08 m=0,12 m=0,25 m=0,3 m=0,7 Hình 6. Ảnh hưởng của hệ số ma sát đến lực dập TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 5(34).2009 34 rất nhanh v có s khc bit ln khi h s ma st m=0,7 (lc dp 1.678.566N) v m=0,08 (lc dp: 5.448.916N). 3.4. Ảnh hưởng của kích thước và hình dạng bavia: Bavia được s dng nhm gim lc dp khi kim loi chuẩn b đin đy cc hc khuôn [7]. Hình dng v kch thưc bavia nh hưng ln đến lc dp khi kim lo i bắt đu đin đy cc hc khuôn. Ứng vi kch thưc ban đu ca phôi: H=75mm và D=33,14mm, khi s dng bavia hnh dng ch nht, so snh ba trưng hợp trên hnh 8, ta thấy lc dp nh nhất khi chiu cao ε ca bavia ln nhất v chiu rộng λ nh nhất. Tuy nhiên khi chiu cao bavia ln, chi ph gia công chi tiết sẽ tăng. C th to mép vát đ thot kim loi trên bavia (hnh 9), sẽ tăng được chiu cao ε. Mô phng s cho trưng hợp c mp vt thot kim loi trên bavia (hnh 10) cho thấy lc dp gim đi đng k  giai đon kim loi đin đy hc khuôn. Tải trng [N] 0 200000 400000 600000 800000 1000000 1200000 1400000 1600000 1800000 2000000 0 8.5 17 21.4 29.9 38.4 Hành trình [mm] 1 2 3 1. ε =2,50mm; λ=2,13mm 2. ε=2,31mm; λ=2,40mm 3. ε=2,29mm; λ=2,60mm Hình 8. Ảnh hưởng của ε và λ đến lực dập Hình 7. Kích thước cơ bản của bavia λ ε ε λ Hình 9. Mép vát thoát kim loại trên bavia Hình 11. Góc lượn và mép vát trên khuôn R C 1 C 2 V¸t mÐp Vª trßn 0 200000 400000 600000 800000 1000000 1200000 1400000 1600000 1800000 2000000 0 4.3 8.5 12.8 17 18.8 21.4 25.6 29.9 34.2 38.4 42.7 4 3 3. ε = 2,29 mm; λ = 2,60 mm, không vát 4. ε = 2,73 mm; λ = 1,74 mm, có mép vát Tải trng [N] Hành trình [mm] Hình 10. Ánh hưởng của mép vát trên bavia đến lực dập TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 5(34).2009 35 Hình 13. Ảnh hưởng của việc sấy khuôn đến lực dập: (1) T khuôn /T phôi = 200/700 0 C, (2) T khuôn /T phôi =250/700 0 C 0 200000 400000 600000 800000 1000000 1200000 1400000 1600000 1800000 2000000 0 3.5 7 10.5 14 17.5 1 2 Tải trng [N] 3.5. Ảnh hưởng của góc lượn và mép vát trên khuôn Khi dp kn trong khuôn, gc lượn c bn knh nh  cc mp khuôn (hnh 11) lm tăng đng k lc dp khi kim loi bắt đu đin đy cc hc khuôn. Khi bn knh gc lượn R qu nh, phôi d b khuyết tt trong qu trnh dp. Khi bán knh gc lượn R ln, kim loi d biến dng hơn, nhưng d to nếp nhăn trên sn phẩm. V vy, cn la chn gc lượn hợp l. Kết qu mô phng trên hnh 12 cho thấy khi s dng gc lượn R3, lc dp sẽ ln hơn khi gc lượn R3,5. Vi cùng din tch tiết din phn kim loi b đi, th nếu dùng mp vt dng ch nht C1xC2, lc dp b hơn khi dùng gc lượn R (hnh 12). 3.6. Ảnh hưởng của vic sấy khuôn Vic sấy khuôn nh hưng nhiu đến nhit độ phôi dp, gip nhit độ phôi tăng lên trong quá trình dp, ma st gim xung, từ đ gim được lc dp. Qu trnh đin đy kim loi trong cc hc khuôn cũng d dng hơn. Rõ rng khi nhit độ sấy khuôn tăng lên, lc dp gim xung, kh năng đin đy kim loi trong khuôn tăng theo (hnh 13). 3.7. Ảnh hưởng của tốc độ biến dạng Tc độ biến dng cũng c nh hưng ln đến lc dp v năng lượng tiêu hao khi dp. Kết qu mô phng (hnh 14) cho thấy: nếu so vi my p thy lc v my p kiu vít thì năng lượng tiêu hao khi dp trên máy búa ln gn gấp đôi. 4. Kết luận Vic ng dng cc phn mm mô phng qu trnh rèn dp nng, s dng phn t hu hn như DEFORM cung cấp cho ngưi thiết kế qui trình công ngh v khuôn dp nhiu thông tin b ch, d dng la chn cc thông s ti ưu ca qu trnh, hnh dng v kch thưc hợp l ca phôi, khuôn,… nhm gim ti đa lc v năng lượng khi dp. Đồng thi thông qua vic quan st qu trnh mô phng biến dng nng trong khuôn, ngưi thiết kế c th trnh được cc khuyết tt, nâng cao chất lượng sn phẩm dp. Hình 12. Ảnh hưởng của kích thước góc lượng và mép vát trên khuôn đến lực dập 0 500000 1000000 1500000 2000000 0 7 14 21 28 35 Hành trình [mm] C1=2;C2=3 C1=1;C2=2,2 R=3,5 C1=C2=2 R=3 Tải trng [N] Thời gian [s] TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 5(34).2009 36 Kết qu mô phng p dng c th cho vic dp nng phôi bnh răng nn cho phép ta chn la cc thông s hợp l ca qu trnh dp: chn được h s ma st khuôn-phôi hợp l bng cách chn khuôn c độ bng cao, có bôi trơn khi dp, nên s dng khuôn c vt mp thay vì góc lượn, nên c mép vát thoát kim loi trên bavia nhm tăng chiu cao bavia, có th chn được nhit độ sấy khuôn phù hợp nhm b sung lượng nhit thích hợp cho phôi, gip gim lc v năng lượng dp, nâng cao kh năng đin đy kim loi, trnh cc khuyết tt ca chi tiết sau khi dp. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] J. N. Majerus, K. P. Jen, H. Gong, Quantitive comparison between precision closed- die forging force data and computation simulations, Journal of Engineering for Technology, Oct. 1992. [2] Matthew O’Cornell, Brett Painter, Gary Maul, Taylan Altan, Flashless closed-die upset forging-load estimation for optimal cold header selection, Journal of Materials Processing Technology, 1996. [3] Action concertée de Recherche “Modélisation du Forgeage”, Bilan des travaux de la première année, CETIM Saint-Etienne, Oct. 1996. [4] Ph. Marin, Simulation rapide de la déformation d’un lopin matrices, Application à l’estampage dans l’optique de la conception intergrée, Thèse de Doctorat, INPG Grenoble 1995. [5] Philippe Marin, Cung Le, Serge Tichkiewitch, Taking into account thermal effects in ForgeRond, a fast hot-forging simulation tool, Procedings of the 5 th [6] T. Altan, G. Ngaile, G. Shen, Cold and Hot Forging: Fundamentals and Applications, ASM Publication, 2004. International Conference on Technology of Plasticity, Columbus, Ohio, USA, 1996. [7] A. Chamouard (1996), Statique et Dynamique Appliquée aux Déformations à Chaud, Estampage et Forge, Tomes I, II, Edition Dunod, 1964, 1966. 0 2000000 4000000 6000000 8000000 10000000 12000000 14000000 16000000 3.5 7 10.5 14 17.5 21 24.5 28 31.5 35 Hành trình [mm] Năng lư Máy ép thủy lực Máy ép vít Máy búa Hình 14. Năng lượng tiêu tốn khi sử dụng máy ép thủy lực, máy ép vít, máy búa . TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 5(34).2009 30 NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG MỘT SỐ THÔNG SỐ ĐẾN LỰC DẬP VÀ KHẢ NĂNG ĐIỀN ĐẦY KHUÔN KHI DẬP PHÔI BNH RĂNG NN AN INVESTIGATION. 10. Ánh hưởng của mép vát trên bavia đến lực dập TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 5(34).2009 35 Hình 13. Ảnh hưởng của việc sấy khuôn đến lực dập: (1) T khuôn /T phôi . kích thước phôi ban đầu, tốc độ biến dạng, kích thước và hình dạng bavia, hệ số ma sát giữa kim loại và khuôn, nhiệt độ sấy khuôn đến lực dập, năng lượng tiêu tốn và quá trình điền đầy kim loại