NGHIÊN cứu QUÁ TRÌNH dập VUỐT BIẾN MỎNG THÀNH vật LIỆU KHÓ BIẾN DẠNG

NGHIÊN C ỨU QUÁ TRÌNH DẬP VUỐT BIẾN MỎNG THÀNH V ẬT LIỆU KHÓ BIẾN DẠNG THE STUDY ONIRONING PROCESSES OF HARDLY DEFORMABLEMATERIALS ThS Lê Tr ọng Tấn1a, ThS Nguy ễn Mạnh Tiến1b, TS Nguy

NGHIÊN C ỨU QUÁ TRÌNH DẬP VUỐT BIẾN MỎNG

THÀNH V ẬT LIỆU KHÓ BIẾN DẠNG

THE STUDY ONIRONING PROCESSES OF HARDLY DEFORMABLEMATERIALS

ThS Lê Tr ọng Tấn1a, ThS Nguy ễn Mạnh Tiến1b, TS Nguy ễn Trường An1c

1Học viện Kỹ thuật quân sự

atan.letrong82@gmail.com; bmanhtiennguyen84@gmail.com; ctruonganomd@gmail.com

TÓM T ẮT

Bài báo sử dụng phương pháp mô phỏng số quá trình dập vuốt biến mỏng thành khi tạo hình chi tiết dạng cốc sâu có đáy dày hơn thành từ vật liệu SUS304 Công cụ mô phỏng là phần

mềm DeForm 3D nhằm khảo sát ảnh hưởng của các yếu tố công nghệ như: mức độ biến dạng,

hệ số ma sát tiếp xúc giữa phôi và cối, góc mở cối,… đến khả năng biến dạng của vật liệu Ngoài ra, kết quả mô phỏng cũng cho khuyến cáo về lực tạo hình để chọn thiết bị hợp lý

Từ khóa: dập vuốt, dập vuốt biến mỏng, tạo hình, biến dạng, mô phỏng

ABSTRACT

This paper uses numerical simulation method on ironing process when forming deep cup with a bottom thicker than wall made from material SUS304 The software deform 3D is used to investigate the influence of process parameters as: drawing ratio, the friction coefficient between the workpiece and ironing die, angle of the ironing die, the forming possibility of material In addition, simulation results also provide reference on forming forceto choose the right equipment

Keywords: drawing, ironing, forming, deformation, simulation

1 ĐẶT VẤN ĐỀ

Dập vuốt biến mỏng thành là một phương pháp dập vuốt nhằm tạo hình các chi tiết có chiều dày thành nhỏ hơn chiều dày phôi ban đầu Các sản phẩm của công nghệ này có đặc điểm

là có thành mỏng với chiều sâu lớn hoặc các chi tiết có chiều dày đáy lớn hơn chiều dày thành

Hình 1: Sơ đồ quá trình dập vuốt biến mỏng thành

Trong quá trình tạo hình chi tiết bằng dập vuốt biến mỏng thành, do chịu điều kiện biến

dạng khắc nghiệt (khe hở giữa chày và cối nhỏ hơn chiều dày vật liệu) cho nên thuộc tính vật

liệu là yếu tố hết sức quan trọng Khác với dập các vật liệu mềm thông thường (thép cac bon

thấp, đồng,…), khi tạo hình sản phẩm từ vật liệu có độ bền cao, khó biến dạng như SUS304, thì quá trình dập sẽ khó khăn hơn rất nhiều Bên cạnh đó, các yếu tố như mức độ biến dạng, hệ số

ma sát tiếp xúc giữa phôi và dụng cụ, góc mở cối là các yếu tố cơ bản có ảnh hưởng trực tiếp đến lực dập và khả năng biến dạng của vật liệu [3], [4] Vì thế, cần nghiên cứu mức độ ảnh hưởng của từng yếu tố để làm cơ sở ứng dụng công nghệ này trong thực tế sản xuất một cách

hiệu quả hơn

2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Khi dập vuốt có biến mỏng, ổ biến dạng dẻo là tại vùng giảm chiều dày phôi, ổ biến

dạng tương đối nhỏ so với các kích thước khác của chi tiết và bị hạn chế bởi phần biến dạng đàn hồi ở cả hai phía (hình 1) Dập vuốt có biến mỏng xảy ra trong điều kiện của trạng thái

biến dạng khối Tuy nhiên, do sự giảm tương đối của đường kính là nhỏ so với sự biến dạng theo hướng trục (tăng chiều dài) và theo hướng kính (giảm chiều dày thành) thì có thể coi

dập vuốt có biến mỏng xảy ra trong điều kiện trạng thái biến dạng phẳng đối xứng trục Trong quá trình dập vuốt phôi sẽ trượt tương đối đối với chày (theo hướng lên trên),

do đó sẽ phát sinh lực ma sát tiếp xúc theo hướng chuyển động của chày Đồng thời phôi cũng trượt tương đối đối với cối theo hướng chuyển động của chày, khi đó sẽ xuất hiện lực

ma sát tiếp xúc tác dụng theo hướng ngược với hướng chuyển động của chày Lực ma sát trên bề mặt tiếp xúc giữa phôi và chày sẽ giảm tải cho tiết diện nguy hiểm, giảm ứng suất kéo σρ Lực ma sát trên bề mặt tiếp xúc của phôi với cối có khả năng làm tăng ứng suất kéo σρ

Đặc điểm của trạng thái ứng suất khi dập vuốt có biến mỏng là các ứng suất tiếp τ trên

bề mặt tiếp xúc giữa phôi với cối và chày có hướng ngược nhau, còn ứng suất nén σn có trị

số tuyệt đối lớn hơn nhiều so với các ứng suất τ, σρ,và σθ Đặc điểm của trạng thái ứng suất tại ổ biến dạng dẻo là nguyên nhân chủ yếu tạo nên mức độ biến dạng cho phép khi dập vuốt có biến mỏng lớn hơn so với khi dập vuốt không có biến mỏng thành

Theo [1], [2], ứng suất kéo theo hướng trục khi dập vuốt biến mỏng thành được xác định theo công thức:





















+



















+

=

2 1

2 1

ϕ

µ µ µ σ

σ

r

R ln r R R ln

S Z

(1)

Nếu điều kiện ma sát trên bề mặt cối và chày như nhau thì công thức (1) trở thành:











+ +

=

2 1

1

ϕ ϕ

µ σ

σ

S

S ln

S

Góc mở cối ϕ được tính như sau:

𝜑𝜑𝑡𝑡ố𝑖𝑖 ư𝑢𝑢 =180𝜋𝜋𝑜𝑜�2𝜇𝜇 ln(𝑠𝑠𝑜𝑜⁄ )(𝑠𝑠1 o) (3)

Lực dập vuốt:

S

sin

sin ctg

+

+ +

2 1

1 1

3

4

π ϕ

ϕ ϕ ϕ µ

σ

Góc mở cối ϕ có ảnh hưởng mạnh đến lực dập vuốt Theo [1], góc ϕ có thể lấy trong khoảng từ 8ođến 25o tùy thuộc vào từng loại vật liệu

Trong các công thức trên:

- ϕ: góc nghiêng đường sinh của cối;

- µ1: hệ số ma sát tiếp xúc trên bề mặt cối;

- µ2: hệ số ma sát tiếp xúc trên bề mặt chày;

- R, r: các bán kính cong giới hạn của ổ biến dạng dẻo;

- so: chiều dày phôi ban đầu;

- s1: chiều dày thành chi tiết sau biến mỏng lần 1;

- sn: chiều dày thành chi tiết sau biến mỏng lần n;

- Rchay: bán kính lượn chày

3 MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH BIẾN DẠNG

3.1 Xây d ựng bài toán mô phỏng

Tiến hành mô phỏng quá trình dập vuốt biến mỏng thành chi tiết Vỏ bảo vệ cụm bản

cực bộ nguồn điều khiển tên lửa A72 Chi tiết này có dạng cốc sâu đáy dày (1.2 mm) và thành

mỏng (0.7 mm) Kích thước hình học sản phẩm được chỉ ra trên hình 2a Vật liệu chế tạo chi

tiết là SUS304 có thành phần hóa học và cơ tính như trong bảng 1 và bảng 2

B ảng 1: Thành phần hóa học của thép SUS304

≤ 0,12 ≤ 0,80 ≤ 2,00 ≤ 0,035 ≤ 0,020 ~ 17,0 ~ 8,00 ≤ 0,30 ≤ 0,20 ~ 0,80

B ảng 2: Các chỉ tiêu cơ tính của thép SUS304

SUS304 𝜎𝜎𝑠𝑠 (MPa) 𝜎𝜎𝑏𝑏 (MPa) 𝛿𝛿 (%) Độ cứng HB

ết Vỏ bảo vệ (a) và phôi trước khi dập vuốt biến mỏng (b)

Để tạo hình chi tiết vỏ bảo vệ, về mặt công nghệ phải tiến hành dập vuốt không biến

mỏng từ phôi phẳng để tạo phôi cho quá trình dập vuốt biến mỏng Trong nghiên cứu này các tác giả chỉ khảo sát bước dập vuốt biến mỏng lần đầu Các lần dập tiếp theo được thực hiện

dựa trên kết quả khảo sát này Theo tính toán, hình dáng, kích thước phôi trước khi dập biến

mỏng được chỉ ra như hình 2b

Mô hình hình học và mô hình phần tử hữu hạn được xây dựng như hình 3a và hình 3b

Sử dụng phần mềm DeForm 3D để mô phỏng quá trình biến dạng

Vật liệu sử dụng trong bài toán mô phỏng là SUS304 Mô hình vật liệu như hình 3c

Thực hiện quá trình mô phỏng, khảo sát lần lượt các yếu tố: mức độ biến dạng, hệ số ma sát và góc mở cối với các giá trị khác nhau nhằm mục đích nhận được khả năng biến dạng là

tốt nhất và lực dập là tối ưu nhất

Hình 3: Mô hình mô ph ỏng 3.2 Kết quả mô phỏng

3.2.1 Ảnh hưởng của góc mở cối

Tiến hành mô phỏng với các góc mở cối là 8º, 15º, 20º, 25º và 30º để khảo sát quá trình

biến dạng Bán sản phẩm sau khi mô phỏng được chỉ ra trên hình 4

Hình 4: Bán s ản phẩm sau dập vuốt biến mỏng thành với các góc mở cối khác nhau

Khả năng dập vuốt, chất lượng dập vuốt và các thông số lực dập theo mỗi góc mở cối được cho trong bảng 3

B ảng 3: Kết quả mô phỏng khi thay đổi góc mở cối Góc m ở cối ( o ) P max (T) Chiều cao sản phẩm

(mm) Ch ất lượng mép sản phẩm

Từ các kết quả mô phỏng thấy rằng với các góc mở cối từ 8ºđến 15º thì lực dập vuốt

Pmax (25T) lớn hơn lực dập vuốt Pmax khi dập tại các góc mở lớn hơn 15º (16T) Đồng thời

chất lượng sản phẩm khi dập vuốt tại các giá trị này có mép không đồng đều Sản phẩm đạt yêu cầu khi tạo hình tạigiá trị góc mở cối là 20º Do vậy, cối có góc mở 20º được sử dụng để

khảo sát ảnh hưởng của các yếu tố còn lại đến quá trình biến dạng

3.2.2 Ảnh hưởng của hệ số ma sát

Với cối có góc mở 20º, tiến hành dập biến mỏng với các hệ số ma sát 𝜇𝜇 = 0.16, 0.18, 0.20, 0.25, 0.30 Kết quả mô phỏng quá trình biến dạng được chỉ ra trong hình 5 và bảng 4

Hình 5: Bán s ản phẩm sau dập vuốt với các hệ số ma sát khác nhau

Bảng 4: Kết quả mô phỏng khi thay đổi hệ số ma sát

H ệ số ma sát P max

(T)

Chiều cao

s ản phẩm (mm) Ch ất lượng mép sản phẩm

Các kết quả mô phỏng cho thấy khi dập với hệ số ma sát 𝜇𝜇 = 0.18 thì lực biến mỏng là

nhỏ nhất (16T), chất lượng sản phẩm đạt yêu cầu Giá trị hệ số ma sát tối ưu này được sử

dụng để nghiên cứu ảnh hưởng của mức độ biến dạng tới chất lượng sản phẩm

3.2.3 Ảnh hưởng của mức độ biến dạng

Để nghiên cứu ảnh hưởng của mức độ biến dạng tới chất lượng sản phẩm, các thí nghiệm được thực hiện với góc mở cối là 20º và hệ số ma sát là 0.18 Khảo sát lần lượt các

mức độ biến dạng là 8%, 15%, 25% và 30% Các kết quả mô phỏng được chỉ ra trong hình 6

𝜀𝜀 = 8% 𝜀𝜀 = 15% 𝜀𝜀 = 25% 𝜀𝜀 = 30%

Hình 6: Bán s ản phẩm sau dập với các mức độ biến mỏng khác nhau

Các kết quả mô phỏng cho thấy khi dập với mức độ biến mỏng là 8 và 15% thì chất lượng sản phẩm dập đều đạt yêu cầu Về lực dập, khi dập với giá trị 𝜀𝜀 = 15% cần lực lớn hơn (16T) so với khi dập với 𝜀𝜀 = 8% (14.8T) Tuy nhiên, sự chênh lệch này không lớn cho nên có

thể lấy 𝜀𝜀 = 15% là giá trị tối ưu, bởi vì khi tính toán với giá trị này hoàn toàn có thể giảm bớt được số lần dập vuốt biến mỏng, rút ngắn quy trình công nghệ tạo hình chi tiết

Bảng 5: Kết quả mô phỏng với các mức độ biến mỏng khác nhau

Mức độ biến mỏng

(%)

P max

(T)

Chiều cao

s ản phẩm (mm)

Chất lượng mép sản phẩm

Như vậy, các kết quả mô phỏng đã cho được các giá trị tối ưu: góc mở cối 20º, hệ số ma sát 0.18 và mức độ biến dạng 15% khi dập vật liệu SUS304 Các giá trị này có thể tham khảo

để thiết kế quá trình thực nghiệm dập biến mỏng tạo hình chi tiết vỏ bảo vệ

4 ỨNG DỤNG KẾT QUẢ MÔ PHỎNG TRONG THỰC NGHIỆM DẬP VUỐT BIẾN

M ỎNG THÀNH CHI TIẾT VỎ BẢO VỆ

Từ các kết quả từ nghiên cứu mô phỏng ở trên, các tác giả đã thiết kế, chế tạo dụng cụ

và thực hành dập vuốt biến mỏng thành tạo hình chi tiết vỏ bảo vệ Các thí nghiệm được thực

hiện trên máy ép thủy lực YH 28 tại Phòng thí nghiệm Gia công áp lực – Học viện Kỹ thuật quân sự

Hình 7: Thi ết bị và dụng cụ thí nghiệm

Kết quả dập thử nghiệm được chỉ ra ở hình 8

a Phôi dập b Sản phẩm đạt yêu cầu mép và cao không đều c Sản phẩm bị nhăn

Hình 8: S ản phẩm sau dập vuốt biến mỏng thành

Kết quả thực nghiệm cho thấy, sản phẩm đạt yêu cầu (hình 8b) cần lực tạo hình là gần 17T, chiều cao sản phẩm đạt 119 mm Ngoài ra, khi tăng hệ số ma sát và mức độ biến mỏng,

sản phẩm sau dập bị nhăn mép và độ cao không đồng đều, bề mặt sản phẩm bị xước mạnh (hình 8c) Các kết quả thực nghiệm và mô phỏng gần tương đương nhau Điều này đã phản ánh tính đúng đắn của kết quả mô phỏng tạo hình

5 K ẾT LUẬN

Bằng phương pháp mô phỏng số, các tác giả đã khảo sát ảnh hưởng của các yếu tố công nghệ: góc mở cối, hệ số ma sát và mức độ biến dạng đến quá trình dập biến mỏng vật liệu SUS304 Các nghiên cứu đã đưa ra được các giá trị hợp lý làm cơ sở cho việc thiết kế công nghệ trong thực nghiệm tạo hình chi tiết vỏ bảo vệ Các kết quả đã khẳng định phương pháp nghiên cứu mô phỏng nói chung và mô phỏng quá trình dập vuốt biến mỏng nói riêng là hoàn toàn đúng đắn và hợp lý

TÀI LI ỆU THAM KHẢO

[1] Nguyễn Mậu Đằng, Công nghệ tạo hình kim loại tấm, NXB Đại học Bách Khoa Hà Nội,

2005

[2] Đinh Văn Phong, Công nghệ dập tấm, Học viện Kỹ thuật quân sự, 1997

[3] Luis Fernando Folle, Sergio Eglan Silveira Netto, Lirio Schaeffer, Analysis of the

manufacturing process of beverage cans using aluminum alloy, Journal of Materials

Processing Technology, 2008, Vol.205, p 347–352

[4] Bernd-ArnoBehrens, OlafPosse, Martin Milch, Gabriele Helms, Optimization of ironing

processes by means of DOE and FEA, Prod.Eng.Res.Devel, 2007, Vol 1, p 3–8

THÔNG TIN TÁC GIẢ

1 Lê Trọng Tấn, giảng viên, Bộ môn Gia công áp lực, Học viện Kỹ thuật quân sự

Email: tan.letrong82@gmail.com DĐ: 098.4289.855

2 Nguyễn Mạnh Tiến, giảng viên, Bộ môn Gia công áp lực, Học viện Kỹ thuật quân sự

3 Nguyễn Trường An, Chủ nhiệm Bộ môn Gia công áp lực, Học viện Kỹ thuật quân sự