Đề tài nghiên cứu nghiên cứu lý thuyết uốn và cắt kim loại tấm

Hình 3: Các phương pháp gia công biến dạng dẻo kim loại dạng tấmNhóm 6 sẽ đi vào trình bày biến dạng kim loại dạng tấm bằng phương pháp uốn.. Uốn có bán kính R ở góc Ứng suất uốn tác dụ

2 Trương Minh Thông -10405007

3 Cao Quốc Túy – 00405083

4 Nguyễn Việt Hà – 00405056

5 Hùynh Tiến Dũng – 00405053 GVHD : TS Lưu Phương Minh

MỤC LỤC

I Phương pháp uốn:

II. Phương pháp kéo giật:

III Phương pháp miết:

IV Phương pháp biến dạng bằng năng lượng nổ:

V Phương pháp biến dạng bằng năng lượng từ trường:

PHẦN II LÝ THUYẾT UỐN TẤM

1 Định nghĩa

2 Đặc điểm

3 Quá trình biến dạng

4 Bán kính uốn cho phép

5 Tính chiều dài phôi uốn

6 Sự đàn hồi trong quá trình uốn

7 Hiện tượng tập trung ứng suất sau khi uốn

8 Chiều cao thành để đảm bảo uốn được.

PHẦN III LỰC UỐN VÀ PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN

• 1 Giới thiệu

• 2 Các thông số trong uốn tấm liên tục

• 3 Các điều kiện cân bằng

• 4 Chọn lựa mô hình vật liệu

• 5 Uốn không tenxơ

• 6 Không tải đàn hồi và sự giãn ngược

• 7 Uốn bán kính nhỏ

• 8 Đường uốn

• 9 Uốn một tấm trong khuôn V.

PHẦN IV LÝ THUYẾT CẮT KIM LOẠI DẠNG TẤM

I Định nghĩa

II Phân loại

III Cắt vật liệu tấm bằng dao cắt:

IV Cắt vật liệu tấm trong khuơn dập

V Ưu điểm và nhược điểm so với các phương pháp cắt tấm khác

Tổng quan các phương pháp biến dạng

dẻo KL

Hình 1: Các phương pháp gia công biến dạng dẻo kim loại

Từ hình 1, ta thấy có 2 loại vật liệu kim loại mà phương pháp biến dạng dẻo tập trung vào đó là vật liệu kim loại dạng khối và dạng tấm Đối với kim

loại dạng khối, ta có 4 phương pháp biến dạng cơ bản là:

1 Phương pháp cán

2 Phương pháp ép

3 Phương pháp dập

4 Phương pháp kéo

Hình 2: Các phương pháp gia công biến dạng dẻo kim loại dạng khối

Đối với kim loại dạng tấm, ta có 5 phương pháp biến dạng cơ bản là:

Hình 3: Các phương pháp gia công biến dạng dẻo kim loại dạng tấm

Nhóm 6 sẽ đi vào trình bày biến dạng kim loại dạng tấm bằng phương pháp uốn Có các dạng cơ bản sau:

- biến dạng bằng năng lượng nổ

- biến dạng bằng năng lượng từ trường

I Phương pháp uốn: là một trong những nguyên công thường gặp nhất trong dập nguội Uốn là biến phôi phẳng ( tấm), dây hay ống thành những chi tiết có hình cong đều hay gấp khúc.

1 Uốn trên 2 gối tựa:

Trong phương pháp uốn trên 2 gối tựa, không cần thay đổi thiết bị

để tạo góc uốn cần thiết vì góc uốn do hành trình của chày quyết định, lực tác dụng của chày nhỏ

Hình 4: Uốn trên 2 gối tựa

2 Uốn khuôn V Khe hở giữa chày và khuôn là hằng số ( bằng chiều dày của tấm kim loại) Phương pháp này được sử dụng phổ biến nhất

Chiều dày của tấm kim loại có thể từ 0.5 mm đến 25 mm

Hình 5: Uốn khuôn V

3 Uốn khuôn chữ U:

Có 2 trục song song tác động đồng thời, sử dụng gối đỡ thêm phía dưới

để tác động thêm lực vào tấm kim loại từ phía dưới

Lực tác động lên đế bằng 30% lực của chày khuôn

Hình 6: Uốn khuôn chữ U

4 Uốn gócUốn tương tự khuôn có 2 gối đỡ, góc uốn thay đổi do tùy thuộc vào hành trình của chày.

Hình 7: Uốn góc

5 Uốn có bán kính R ở góc

Ứng suất uốn tác dụng lên vùng uốn làm tăng khả năng biến dạng dẻo, giảm ứng suất tập trung vì làm giảm góc đàn hồi của tấm kim loại sau khi uốn

Hình 8: Uốn có bán kính R ở góc

6 Uốn góc hành trình kép

Uốn 2 lần trong 1 hành trình của chày

Có thể làm tăng khả năng biến dạng dẻo nên làm giảm góc đàn hồi

Hình 9: Uốn góc hành trình kép

Hình 11: Các phương pháp biến dạng khác bằng phương pháp uốn

II Phương pháp kéo giật:

Là phương pháp biến dạng dẻo tấm kim loại bằng cách kéo 2 đầu tấm kim loại đến trạng thái biến dạng dẻo, sau đó đẩy khuôn có hình dáng mong muốn vào bề mặt tấm kim loại, sau khi thu hồi khuôn, ta

có được hình dáng mong muốn

Hình 13: Giai đoạn 2, kéo căng tấm kim loại đến trạng thái biến dạng dẻo.

Hình 14: Giai đoạn 3, đẩy khuôn vào tấm kim loại

Hình 15: Giai đoạn 4, tháo khuôn, ta được tấm kim loại có hình dáng

mong muốn

Hình 16: các dạng mặt cong mà phương pháp kéo giật có thể đạt được.

III Phương pháp miết:

Miết là phương pháp tác dụng con lăn lên tấm kim loai mỏng, với tấm kim loại mỏng được ép chặt trên trục chính và xoay theo trục chính, bằng cách này ta có được các dạng bề mặt mong muốn như hình vẽ bên dưới

Hình 18: Phương pháp miết và các sản phẩm của phương pháp miết

Hình 19: Phương pháp miết với chi tiết hình nón

Hình 19: Phương pháp miết trong và miết ngoài với chi tiết hình

ống

IV Phương pháp biến dạng bằng năng lượng nổ:

Là phương pháp dùng năng lượng nổ tạo ra áp lực biến dạng thay thế cho chày Năng lượng dùng trong phương pháp này lấy từ áp lực do thuốc nổ gây ra

Hình 20: Phương pháp biến dạng bằng năng lượng nổ

Hình 20: Phương pháp biến dạng bằng năng lượng nổ bằng áp lực nước.

V Phương pháp biến dạng bằng năng lượng từ trường:

Là phương pháp dùng lực đẩy của từ trường tác động lên chi tiết làm biến dạng bề mặt theo bề mặt khuôn

(a)

Hình 21: Phương pháp biến dạng bằng năng lượng từ trường.

PHẦN II LÝ THUYẾT UỐN TẤM

Uốn đã được biết đến từ xa xưa nhưng với cơng nghệ thơ sơ và những sản phẩm đơn giản, sản lượng nhỏ Ngày nay uốn được quan tâm rất nhiều, ngày càng phát triển về kỹ thuật và cơng nghệ với sản lượng lớn, hình dáng ngày càng phức tạp hơn, độ chính xác cao Ở đây chỉ đề cặp đến quá trình uốn tấm Trong phần này trình bày các vấn đề sau :

1 Định nghĩa

2 Đặc điểm

3 Quá trình biến dạng

4 Bán kính uốn cho phép

5 Tính chiều dài phôi uốn

6 Sự đàn hồi trong quá trình uốn

7 Hiện tượng tập trung ứng suất sau khi uốn

8 Chiều cao thành để đảm bảo uốn được

• - Chỉ uốn được những sản phẩm cĩ bề dày nhỏ, thường nhỏ hơn 6mm.

• - Sản phẩm thông thường là uốn nguội, nhưng trong một số trường hợp ta có thể uốn nóng để giảm lực uốn, tăng khả năng uốn cho vật liệu

• - Khơng uốn được sản phẩm đã qua xi mạ vì các gĩc biến dạng làm phá vở lớp

xi mạ

• - Sản phẩm cĩ độ bền cao, kết cấu gọn nhẹ, sử dụng tốt trong các ngành hàng khơng và những ngành yêu cầu kết cấu gọn nhẹ

• - Uốn qua hệ thống trục cĩ thể cho sản phẩm co chiều dài lớn và lien tục

• - Quá trình uốn tuân theo định luật hook

 Vị trí của lớp trung hòa được xác định:

• Công thức tính bán kính đường trung hòa

•

•

•

• r : là bán kính uốn phía trong

• S : chiều dày của tấm

• α = S S1 : hệ số biến mỏng

S1 : chiều dày vật liệu tại điểm giữa cung uốn

2

2

1 B B B

Btb = +

: Hệ số nở rộng

• B : chiều rộng phơi ban đầu

• B1, B2 : chiều rộng lớn nhất và nhỏ nhất của tiết diện uốn

• - Trong thực tế người ta có thể tính gần đúng theo công thức sau:

• Khi thiết kế trị số của k người ta thường tra bảng

4 Bán kính uốn cho phép :

r k

σ 2

max =

• E : mô đun đàn hồi của vật liệu

• S : Chiều dày của tấm phôi

σch :Ứng suất chảy của vật liệu

rmin = K S

K : là hệ số phụ thuộc vào vật liệu, bề dày, được tra bảng + Cơ tính của vật liệu và phương pháp nhiệt luyện, vật liệu có tính dẻo tốt hoặc đã qua ủ thì rmin có trị số bé hơn

+ Cùng một bán kính uốn như nhau nếu góc uốn càng nhỏ thì vùng biến dạng càng lớn vì mức độ biến dạng của vùng lớn

+ Góc tạo thành bởi đường uốn và hướng cán (thớ kim lọai) Kim lọai chịu kéo và nén theo chiều dọc của thớ kim lọai thì tốt hơn nhiều so với chiều ngang Nên khi đường uốn vuông góc với hướng cán thì rmin cho phép nhỏ hơn so với đường uốn dọc hướng cán từ 1.5 đến 2 lần

+ Bán kính nhỏ nhất thường được sử dụng phổ biến rmin≥ 0.5S

Đường uốn Hướng cán

5 Tính chiều dài phôi uốn : để đơn giản trong quá trình tính tóan chiều dài những

chi tiết phức tạp người ta thực hiện như sau :

• - Chia kết cấu uốn thành những đoạn thẳng và đọan cong đơn giản

• - Xác định vị trí lớp trung hòa, chiều dài lớp trung hòa ở vùng biến dạng

• - Cộng chiều dài các đoạn lại

• Khi uốn bán kính r ≥ 0.5S chiếu dài tại đoạn cong uốn được tính như sau:

• ϕ = 180 - α

• ϕ : là góc của đọan uốn cong

(r k S) (r k S)

l 0.017 180

+

≈+

Một số công thức xác định chiều dài phôi uốn theo các hình dạng cơ bản

Trong quá trình biến dạng dẻo tồn tại biến dạng đàn hồi Nên sau khi biến dạng xong cất tải, chi tiết uốn sẽ đàn hồi trở lại 1 góc gọi là góc đàn hồi Do đó khi uốn để có đượ góc α can thiết ta phải uốn α0 < α

Góc đàn hồi được tính như sau:

2

0

αα

l

tgβ =0.375 σT

Ta có công thức tính tóan gần đúng khi uốn hình chữ U như sau :

E KS

l

tgβ σT

75.0

=

β - góc đàn hồi một phía

k – hệ số xác định vị trí lớp trung hòa phụ thuộc vào r/S

l – khỏang cách giữa các gối tựa ( khỏang cách giữa các mép cối )

σT - giới hạn chảy

E – môđun đàn hồi của vật liệu uốn

- Trị số hồi phục phụ thuộc chủ yếu vào : tính chất đàn hồi của vật liệu, mức độ biến dạng khi uốn ( tỉ số r/s ), góc uốn và phương pháp uốn Một số vật liệu và góc uốn, phương pháp uốn góc đàn hồi được thống kê thành bảng, khi thiết kế ta chỉ cần tra bảng Khi uốn với bán kính lớn ( r ≥ 10S) tính đàn hồi không chỉ làm thay đổi góc uốn mà cả bán kính uốn

Giản đồ để xác định bán kính của chày uốn như sau :

Xác định góc đàn hồi ta cũng có giản đồ sau

Ví dụ : Xác định bán kính uốn của chày để uốn dãy thép CT5 dày 5mm, bán kính uốn của chi tiết là 80mm (R ≥ 10S)

*15

=Bán kính của chày uốn R =75 mm,

còn bán kính của cối Rc = R + S = 75 + 5 = 80mm

Để xác định góc đàn hồi khi uốn với bán kính R ≥ 10S, α = 850.

β = 6.50, như vậy góc của chày uốn sẽ bằng

Biểu đồ mối quan hệ giữa bán kính uốn và vùng biến dạng.

Sơ đồ biểu diễn các thông số cơ bản trong quá trình uốn

Sơ đồ mô tả các vùng trong quá trình biến dạng

Trong thực tế ranh giới giữa các vùng không được xác định rõ ràng nhưng sự biến dạng trên phôi uốn được chia thành các vùng như trên

Rigid plastic zone : Vùng dẻo cứng

Elastic plastic zone : vùng đàn hồi dẻo

Elastic zone : vùng đàn hồi

Rigid zone : vùng cứng

7 Hiện tương tập trung ứng suất dư sau khi uốn

Trong quá trình uốn kim lọai không phải dẻo hòan tòan, nên sau khi uốn vẫn còn tồn tại ứng suất hồi phục gọi là ứng suất dư Ứng suất này chỉ tập trung trong vùng biến dạng và ảnh hưởng xấu đến tính năng của chi tiết Vì vậy sau khi uốn người ta tìm cách ủ khử ứng suất đó Khi uốn với bán kính càng nhỏ thì vùng biến dạng càng lớn ứng suất dư càng nhiều Ngòai ra ứng suất dư còn phụ thuộc vào vật liệu uốn, chiều dày phôi uốn, điều kiện uốn, phương pháp uốn,…

8 Chiều cao thành uốn phải đảm bảo

Trong quá trình uốn cần phải có điểm tựa, chặn phôi, vì vậy để đảm bảo quá trình uốn xảy ra được thì chiếu cao thành uốn phải đảm bảo điều kiện H ≥ 2S H chiều cao tối thiểu của thành uốn, S chiều dày tấm phôi uốn

S

R

LỰC UỐN VÀ PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN

2 Các thông số trong uốn tấm liên tục

Như trên hình 1, ta tính toán cho một đơn vị chiều rộng của một tấm liên tục, trong

miền uốn cong bán kính ρ bởi một mặt biên phẳng Tác dụng với góc uốn θ , một moment

M và một lực kéo T (tính trên một đơn vị chiều rộng) Ta chú ý rằng lực kéo T được tác

dụng ngay tại mặt trung hòa của tấm Đơn vị của M là [lực][chiều dài]/[chiều dài] và của T là [lực]/[chiều dài]

Hình 1.1: Một đơn vị chiều dài tấm mỏng uốn dọc theo một biên thẳng

Thông thường, một đường CD0 ở mặt trung hòa sẽ có thể biến thành chính đường CD nếu như tấm bị kéo dãn trong suốt quá trình uốn, nghĩa là chiều dài ban đầu l0 trở thành:

=

ρρ

ρθρ

Độ biến dạng logarit dọc trục của thớ AB là:

b a

l

l l

ρ

ε =ln 0 =ln 0 +ln +1 = +

trong đó, εa là độ biến dạng logarit tại mặt trung hòa hay còn là “màng biến dạng” và

εb là độ biến dạng logarit uốn Khi bán kính uốn cong lớn hơn nhiều so với bề dày tấm, εb

có thể được xấp xỉ :

ρρ

εb =ln +1 y≈ y (1.4)Sự phân bố biến dạng này được xấp xỉ tuyến tính như trình bày trên hình 1.3

Hình 1.3: Giả thuyết phân bố biến dạng logarit trong uốn

2.2 Biến dạng uốn phẳng

Nếu xét tấm phẳng không bị biến dạng theo mặt phẳng khác phương với mặt phẳng uốn, nó sẽ không đè nén vật liệu trong quá trình uốn và trở thành biến dạng phẳng, nghĩa là biến dạng song song với đường sinh uốn bằng không Quá trình biến dạng trong uốn một tấm đẳng hướng được viết :

0

;2

;

;0

;

3 1

2 1

1 3 2

σσ

εεε

ε

(1.5)Theo các phương trình trong biến dạng phẳng:

2 2

2 2 1

2

1 σσ σ 1 α α σσ

σ = − + = − +

2 3 2

2 2 1

2 3

2 2

2 1

1

92323

εεε

εε

ε

εεε

εββε

−+

−+

−

=

++

=

++

Trong đó S là ứng suất chảy biến dạng phẳng (plane strain flow stress) (Công thức trên

xây dựng theo điều kiện dẻo Mises, nếu theo tiêu chuẩn điều kiện dẻo Tresca thì giả thiết:

>> t), sự biến dạng phẳng được giả thiết với ứng suất phụ dọc theo trục uốn này là bằng không

Hình 1.4: Trạng thái ứng suất trên tiết diện ngang tấm trong biến dạng uốn phẳng

3 Các điều kiện cân bằng

Ta xét một sự phân bố ứng suất thông thường trên một tiết diện vuông góc vớiù một đơn vị chiều rộng của tấm trong quá trình uốn, như hình 1.5

Hình 1.5: Biểu đồ cân bằng (a) trên một tiết diện ngang qua một đơn vị chiều rộng và (b)

Sự phân bố ứng suất điển hình

Lực tác động trên một vi phân chiều dày dy trên một đơn vị diện tích là σ1×dy×1 Lực căng T trên tiết diện này cân bằng với tích phân các lực thành phần này, nghĩa là:

y

t/2 d

2 / 1

2 / 2 / 1d 1 t d

t

t

4 Chọn lựa mô hình vật liệu

Theo sự phân bố biến dạng đã biết, sự phân bố ứng suất trên một tiết diện có thể được xác định nếu như quy luật ứng suất – biến dạng được biết Thông thường, vật liệu sẽ có vùng biến dạng đàn hồi, vùng biến dạng dẻo hóa bền như trên hình 1.6(a) Trong nhiều trường hợp, xấp xỉ theo quy luật này thật sự hữu ích Việc chọn mô hình vật liệu phụ thuộc vào cường độ biến dạng trong quá trình uốn Cường độ biến dạng sẽ phụ thuộc chủ yếu

vào hệ số uốn, được tính bằng tỉ lệ bán kính uốn cong với bề dày tấm, ρ/t

Hình 1.6: Các mô hình vật liệu cho lý thuyết uốn(a) Đường cong ứng suất – biến dạng thực tế

(b) Mô hình đàn hồi, dẻo hoàn toàn

(c) Mô hình cứng, dẻo hoàn toàn(d) Mô hình biến dạng dẻo biến cứng

4.1 Mô hình đàn hồi, dẻo hoàn toàn

trọng và mô hình vật liệu có thể như trên hình 1.6(b) Chia làm hai phần, nghĩa là, nếu ứng suất nhỏ hơn ứng suất đàn hồi biến dạng phẳng, S

−

= E

trong đó ν là hệ số Poisson.

Đối với các biến dạng lớn hơn biến dạng đàn hồi:

4.2 Mô hình cứng, dẻo hoàn toàn

Dùng cho bán kính uốn nhỏ hơn, và ở đây ta không quan tâm đến hiện tượng giãn ngược đàn hồi, và cũng có thể bỏ qua cả biến dạng đàn hồi và sự biến cứng Mô hình cứng, dẻo hoàn toàn được trình bày trên hình 1.6(c), ở đây:

S

=

1

và S là giá trị trung bình các biến dạng.

4.3 Mô hình biến dạng biến cứng

Ở đây, các biến dạng khá lớn, các biến dạng đàn hồi có thể bỏ qua và mô hình biến dạng biến cứng được sử dụng:

Mô hình được biểu diễn trên hình 1.6(d)

5 Uốn không tenxơ

Ở đó, tấm được uốn chỉ bằng moment mà không có bất cứ tenxơ nào tác dụng, trục không sẽ ở ngay tại chính giữa bề dày Hình thức uốn này được xem xét ở đây để áp dụng cho một số loại ứng xử của vật liệu Trong các trường hợp này, giả thiết rằng biến dạng phân bố tuyến tính như trên hình 1.3 và các công thức cân bằng 1.7, 1.8 được áp dụng

5.1 Uốn đàn hồi

Mô hình vật liệu này được trình bày trên hình 1.7(a), trong đó S là ứng suất đàn hồi Quan hệ ứng suất – biến dạng theo phương trình σ1 =E'ε1và ta có phân bố biến dạng, phân bố

ứng suất như trên hình 1.7(b), 1.7(c) Ứng suất tại nơi cách trục không một khoảng y, theo công thức ε ρ

y

b ≈ và σ =1 K'ε1n, được tính:

ρε

σ1=E' b =E' y (1.15)Suy ra E' σy1

ρ =

Moment trên toàn tiết diện:

12

''

2'

3 2

/ 0 2 2

/ 2 /

t E dy y

E ydy

y E

( ρ là độ cong

Giới hạn của uốn đàn hồi là khi thớ ngoài (tại y=t/2) đạt đến giá trị ứng suất đàn hồi biến

dạng phẳng S Giới hạn moment đàn hồi được tính bằng: