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

Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV NGHIÊN CỨU QUÁ TRÌNH DẬP VUỐT BIẾN MỎNG THÀNH VẬT LIỆU KHÓ BIẾN DẠNG THE STUDY ONIRONING PROCESSES OF HARDLY DEFORMABLEMATERIALS ThS Lê Trọng Tấn1a, ThS Nguyễn Mạnh Tiến1b, TS Nguyễn Trường An1c Học viện Kỹ thuật quân a b tan.letrong82@gmail.com; manhtiennguyen84@gmail.com; ctruonganomd@gmail.com TÓM TẮT Bài báo sử dụng phương pháp mô số trình dập vuốt biến mỏng thành tạo hình chi tiết dạng cốc sâu có đáy dày thành từ vật liệu SUS304 Công cụ mô phần mềm DeForm 3D nhằm khảo sát ảnh hưởng yếu tố công nghệ như: mức độ biến dạng, hệ số ma sát tiếp xúc phôi cối, góc mở cối,… đến khả biến dạng vật liệu Ngoài ra, kết mô cho khuyến cáo lực tạo hình để chọn thiết bị hợp lý Từ khóa: dập vuốt, dập vuốt biến mỏng, tạo hình, biến dạng, mô 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 ĐẶT VẤN ĐỀ Dập vuốt biến mỏng thành phương pháp dập vuốt nhằm tạo hình chi tiết có chiều dày thành nhỏ chiều dày phôi ban đầu Các sản phẩm công nghệ có đặc điểm có thành mỏng với chiều sâu lớn chi tiết có chiều dày đáy lớn chiều dày thành Hình 1: Sơ đồ trình dập vuốt biến mỏng thành 482 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV Trong trình tạo hình chi tiết dập vuốt biến mỏng thành, chịu điều kiện biến dạng khắc nghiệt (khe hở chày cối nhỏ chiều dày vật liệu) thuộc tính vật liệu yếu tố quan trọng Khác với dập vật liệu mềm thông thường (thép cac bon thấp, đồng,…), tạo hình sản phẩm từ vật liệu có độ bền cao, khó biến dạng SUS304, trình dập khó khăn nhiều Bên cạnh đó, yếu tố mức độ biến dạng, hệ số ma sát tiếp xúc phôi dụng cụ, góc mở cối yếu tố có ảnh hưởng trực tiếp đến lực dập khả biến dạng vật liệu [3], [4] Vì thế, cần nghiên cứu mức độ ảnh hưởng yếu tố để làm sở ứng dụng công nghệ thực tế sản xuất cách hiệu CƠ SỞ LÝ THUYẾT Khi dập vuốt có biến mỏng, ổ biến dạng dẻo vùng giảm chiều dày phôi, ổ biến dạng tương đối nhỏ so với kích thước khác chi tiết bị hạn chế phần biến dạng đàn hồi hai phía (hình 1) Dập vuốt có biến mỏng xảy điều kiện trạng thái biến dạng khối Tuy nhiên, giảm tương đối đường kính nhỏ so với biến dạng theo hướng trục (tăng chiều dài) theo hướng kính (giảm chiều dày thành) coi dập vuốt có biến mỏng xảy điều kiện trạng thái biến dạng phẳng đối xứng trục Trong trình dập vuốt phôi trượt tương đối chày (theo hướng lên trên), phát sinh lực ma sát tiếp xúc theo hướng chuyển động chày Đồng thời phôi trượt tương đối cối theo hướng chuyển động chày, xuất lực ma sát tiếp xúc tác dụng theo hướng ngược với hướng chuyển động chày Lực ma sát bề mặt tiếp xúc phôi chày giảm tải cho tiết diện nguy hiểm, giảm ứng suất kéo σ ρ Lực ma sát bề mặt tiếp xúc phôi với cối có khả làm tăng ứng suất kéo σ ρ Đặc điểm trạng thái ứng suất dập vuốt có biến mỏng ứng suất tiếp τ bề mặt tiếp xúc phôi với cối chày có hướng ngược nhau, ứng suất nén σ n có trị số tuyệt đối lớn nhiều so với ứng suất τ, σ ρ ,và σ θ Đặc điểm trạng thái ứng suất ổ biến dạng dẻo nguyên nhân chủ yếu tạo nên mức độ biến dạng cho phép dập vuốt có biến mỏng lớn so với dập vuốt biến mỏng thành Theo [1], [2], ứng suất kéo theo hướng trục dập vuốt biến mỏng thành xác định theo công thức:   µ + (µ − µ ).ln R   1 R ϕ  (1)  R r  ln + σ Z = σ S  +   r 2 ϕ      Nếu điều kiện ma sát bề mặt cối chày công thức (1) trở thành:  S ϕ σ Z = σ S 1 + (µ ϕ).ln O +  S1   (2) Góc mở cối ϕ tính sau: Lực dập vuốt: 𝜑𝜑𝑡𝑡ố𝑖𝑖 ư𝑢𝑢 = Ρn = 180𝑜𝑜 𝜋𝜋 �2𝜇𝜇 ln(𝑠𝑠𝑜𝑜 ⁄𝑠𝑠1 )(o) 4σ S ( ) (1 + µ.ctgϕ) + ϕ sin ϕ π S n 2.Rchay + S n + sin ϕ [ ( (3) )] (4) Góc mở cối ϕ có ảnh hưởng mạnh đến lực dập vuốt Theo [1], góc ϕ lấy khoảng từ 8o đến 25o tùy thuộc vào loại vật liệu 483 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV Trong công thức trên: - ϕ: góc nghiêng đường sinh cối; - µ : hệ số ma sát tiếp xúc bề mặt cối; - µ : hệ số ma sát tiếp xúc bề mặt chày; - R, r: bán kính cong giới hạn ổ biến dạng dẻo; - s o : chiều dày phôi ban đầu; - s : chiều dày thành chi tiết sau biến mỏng lần 1; - s n : chiều dày thành chi tiết sau biến mỏng lần n; - R chay : bán kính lượn chày MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH BIẾN DẠNG 3.1 Xây dựng toán mô Tiến hành mô trình dập vuốt biến mỏng thành chi tiết Vỏ bảo vệ cụm cực nguồn điều khiển tên lửa A72 Chi tiết có dạng cốc sâu đáy dày (1.2 mm) thành mỏng (0.7 mm) Kích thước hình học sản phẩm hình 2a Vật liệu chế tạo chi tiết SUS304 có thành phần hóa học tính bảng bảng Bảng 1: Thành phần hóa học thép SUS304 Mác thép Thành phần hóa học, % C SUS304 Si Mn P S Cr Ni Mo W Ti ≤ 0,12 ≤ 0,80 ≤ 2,00 ≤ 0,035 ≤ 0,020 ~ 17,0 ~ 8,00 ≤ 0,30 ≤ 0,20 ~ 0,80 Mác thép SUS304 Bảng 2: Các tiêu tính thép SUS304 Chỉ tiêu tính 𝜎𝜎𝑠𝑠 (MPa) 240 𝜎𝜎𝑏𝑏 (MPa) 520 a Độ cứng HB 𝛿𝛿 (%) 38 88 b Hình 2: Chi tiết Vỏ bảo vệ (a) phôi trước dập vuốt biến mỏng (b) 484 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV Để tạo hình chi tiết vỏ bảo vệ, mặt công nghệ phải tiến hành dập vuốt không biến mỏng từ phôi phẳng để tạo phôi cho trình dập vuốt biến mỏng Trong nghiên cứu tác giả khảo sát bước dập vuốt biến mỏng lần đầu Các lần dập thực dựa kết khảo sát Theo tính toán, hình dáng, kích thước phôi trước dập biến mỏng hình 2b Mô hình hình học mô hình phần tử hữu hạn xây dựng hình 3a hình 3b Sử dụng phần mềm DeForm 3D để mô trình biến dạng Vật liệu sử dụng toán mô SUS304 Mô hình vật liệu hình 3c Thực trình mô phỏng, khảo sát yếu tố: mức độ biến dạng, hệ số ma sát góc mở cối với giá trị khác nhằm mục đích nhận khả biến dạng tốt lực dập tối ưu a Mô hình hình học b Mô hình phần tử hữu hạn c Mô hình vật liệu Hình 3: Mô hình mô 3.2 Kết mô 3.2.1 Ảnh hưởng góc mở cối Tiến hành mô với góc mở cối 8º, 15º, 20º, 25º 30º để khảo sát trình biến dạng Bán sản phẩm sau mô hình 𝜑𝜑 = 8𝑜𝑜 𝜑𝜑 = 15𝑜𝑜 𝜑𝜑 = 20𝑜𝑜 𝜑𝜑 = 25𝑜𝑜 𝜑𝜑 = 30𝑜𝑜 Hình 4: Bán sản phẩm sau dập vuốt biến mỏng thành với góc mở cối khác Khả dập vuốt, chất lượng dập vuốt thông số lực dập theo góc mở cối cho bảng 485 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV Bảng 3: Kết mô thay đổi góc mở cối Chiều cao sản phẩm Góc mở cối (o) P max (T) Chất lượng mép sản phẩm (mm) 25.00 - Độ cao mép không 15 23.50 - Độ cao mép không 20 16.00 118 Phẳng, đồng 25 17.00 117.5 Nhăn mép 30 17.5 117 Nhăn Từ kết mô thấy với góc mở cối từ 8ºđến 15º lực dập vuốt P max (25T) lớn lực dập vuốt P max dập góc mở lớn 15º (16T) Đồng thời chất lượng sản phẩm dập vuốt giá trị có mép không đồng Sản phẩm đạt yêu cầu tạo hình tạigiá trị góc mở cối 20º Do vậy, cối có góc mở 20º sử dụng để khảo sát ảnh hưởng yếu tố lại đến trình biến dạng 3.2.2 Ảnh hưởng hệ số ma sát Với cối có góc mở 20º, tiến hành dập biến mỏng với hệ số ma sát 𝜇𝜇 = 0.16, 0.18, 0.20, 0.25, 0.30 Kết mô trình biến dạng hình bảng 𝜇𝜇 = 0.16 𝜇𝜇 = 0.18 𝜇𝜇 = 0.20 𝜇𝜇 = 0.25 𝜇𝜇 = 0.30 Hình 5: Bán sản phẩm sau dập vuốt với hệ số ma sát khác Hệ số ma sát Bảng 4: Kết mô thay đổi hệ số ma sát P max Chiều cao Chất lượng mép sản phẩm (T) sản phẩm (mm) 0.16 16.90 117.5 Phẳng, có nhấp nhô 0.18 16.00 118 Phẳng, đồng 0.20 20.40 118 Phẳng, đồng 0.25 24.80 - Độ cao mép không 0.30 26.00 - Độ cao mép không Các kết mô cho thấy dập với hệ số ma sát 𝜇𝜇 = 0.18 lực biến mỏng nhỏ (16T), chất lượng sản phẩm đạt yêu cầu Giá trị hệ số ma sát tối ưu sử dụng để nghiên cứu ảnh hưởng mức độ biến dạng tới chất lượng sản phẩm 3.2.3 Ảnh hưởng mức độ biến dạng Để nghiên cứu ảnh hưởng mức độ biến dạng tới chất lượng sản phẩm, thí nghiệm thực với góc mở cối 20º hệ số ma sát 0.18 Khảo sát mức độ biến dạng 8%, 15%, 25% 30% Các kết mô hình bảng 486 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV 𝜀𝜀 = 8% 𝜀𝜀 = 15% 𝜀𝜀 = 25% 𝜀𝜀 = 30% Hình 6: Bán sản phẩm sau dập với mức độ biến mỏng khác Các kết mô cho thấy dập với mức độ biến mỏng 15% chất lượng sản phẩm dập đạt yêu cầu Về lực dập, dập với giá trị 𝜀𝜀 = 15% cần lực lớn (16T) so với dập với 𝜀𝜀 = 8% (14.8T) Tuy nhiên, chênh lệch không lớn lấy 𝜀𝜀 = 15% giá trị tối ưu, tính toán với giá trị hoàn toàn giảm bớt số lần dập vuốt biến mỏng, rút ngắn quy trình công nghệ tạo hình chi tiết Bảng 5: Kết mô với mức độ biến mỏng khác Chiều cao Chất lượng mép sản phẩm Mức độ biến mỏng P max (%) (T) sản phẩm (mm) 14.80 117 Phẳng 15 16.00 118 Phẳng 25 25.0 ≈120 Độ cao mép không đều, nhăn 30 30.00 ≈120 Độ cao mép không đều, nhăn Như vậy, kết mô cho giá trị tối ưu: góc mở cối 20º, hệ số ma sát 0.18 mức độ biến dạng 15% dập vật liệu SUS304 Các giá trị tham khảo để thiết kế trình thực nghiệm dập biến mỏng tạo hình chi tiết vỏ bảo vệ ỨNG DỤNG KẾT QUẢ MÔ PHỎNG TRONG THỰC NGHIỆM DẬP VUỐT BIẾN MỎNG THÀNH CHI TIẾT VỎ BẢO VỆ Từ kết từ nghiên cứu mô trên, tác giả thiết kế, chế tạo dụng cụ thực hành dập vuốt biến mỏng thành tạo hình chi tiết vỏ bảo vệ Các thí nghiệm thực máy ép thủy lực YH 28 Phòng thí nghiệm Gia công áp lực – Học viện Kỹ thuật quân b Chày cối dập biến mỏng a Máy ép thủy lực YH28 Hình 7: Thiết bị dụng cụ thí nghiệm 487 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV Kết dập thử nghiệm hình b Sản phẩm đạt yêu cầu a Phôi dập c Sản phẩm bị nhăn mép cao không Hình 8: Sản phẩm sau dập vuốt biến mỏng thành Kết thực nghiệm cho thấy, sản phẩm đạt yêu cầu (hình 8b) cần lực tạo hình gần 17T, chiều cao sản phẩm đạt 119 mm Ngoài ra, tăng hệ số ma sát mức độ biến mỏng, sản phẩm sau dập bị nhăn mép độ cao không đồng đều, bề mặt sản phẩm bị xước mạnh (hình 8c) Các kết thực nghiệm mô gần tương đương Điều phản ánh tính đắn kết mô tạo hình KẾT LUẬN Bằng phương pháp mô số, tác giả khảo sát ảnh hưởng yếu tố công nghệ: góc mở cối, hệ số ma sát mức độ biến dạng đến trình dập biến mỏng vật liệu SUS304 Các nghiên cứu đưa giá trị hợp lý làm sở cho việc thiết kế công nghệ thực nghiệm tạo hình chi tiết vỏ bảo vệ Các kết khẳng định phương pháp nghiên cứu mô nói chung mô trình dập vuốt biến mỏng nói riêng hoàn toàn đắn hợp lý TÀI LIỆU 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 Lê Trọng Tấn, giảng viên, Bộ môn Gia công áp lực, Học viện Kỹ thuật quân Email: tan.letrong82@gmail.com DĐ: 098.4289.855 Nguyễn Mạnh Tiến, giảng viên, Bộ môn Gia công áp lực, Học viện Kỹ thuật quân Email: Manhtiennguyen84@gmail.com DĐ: 097.7817.623 Nguyễn Trường An, Chủ nhiệm Bộ môn Gia công áp lực, Học viện Kỹ thuật quân Email: Truonganomd@gmail.com DĐ: 097.5280.976 488