TỐI ưu hóa các THÔNG số CÔNG NGHỆ KHI dập VUỐT THÉP 1x18h9t

T ỐI ƯU HÓA CÁC THÔNG SỐ CÔNG NGHỆ KHI DẬP VUỐT THÉP 1X18H9T OPTIMIZATION OF PROCESS PARAMETERS ON THE DRAWING OF 1X18H9T STEEL ThS Lê Tr ọng Tấn1a, ThS Nguy ễn Mạnh Tiến1b, TS Nguy ễn

T ỐI ƯU HÓA CÁC THÔNG SỐ CÔNG NGHỆ KHI DẬP VUỐT THÉP 1X18H9T

OPTIMIZATION OF PROCESS PARAMETERS ON THE DRAWING OF 1X18H9T STEEL

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 quy hoạch thực nghiệm nghiên cứu ảnh hưởng của các

yếu tố công nghệ: áp lực ép biên, chiều dày tương đối của vật liệu và hệ số ma sát tiếp xúc đến khả năng biến dạng của vật liệu khi dập vuốt thép 1X18H9T Trên cơ sở nghiên cứu

nhằm tối ưu hóa các thông số công nghệ, góp phần hoàn thiện công nghệ dập vuốt thép 1X18H9T nói riêng và vật liệu khó biến dạng nói chung, phục vụ phát triển kinh tế và an ninh

quốc phòng

Từ khóa: dập vuốt, thực nghiệm, quy hoạch thực nghiệm, thép không rỉ, thông số công nghệ

ABTRACT

This paperuses experimental planning method to study on influence of process parameters on the drawing: blank holder force, the relative thickness of material, contact friction coefficient to ability deformation on drawing of 1X18H9T steel This study implemented an optimization of process parameters, contribute to improving in drawing technology of 1X18H9T steel and high – strength materials, serve economic development and national security

Keywords: drawing, experimental, experimental planning, stainless steel, process parameters

1 ĐẶT VẤN ĐỀ

Dập vuốt là một phương pháp gia công kim loại bằng áp lực nhằm biến đổi phôi

phẳng hoặc phôi rỗng để tạo ra các chi tiết rỗng có hình dạng và kích thước theo yêu cầu (hình 1) Quá trình dập vuốt nói chung phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố như: mức độ dập

vuốt, áp lực ép biên, bán kính lượn cối, hệ số ma sát tiếp xúc, chiều dày vật liệu phôi,…Tùy thuộc vào từng loại vật liệu thì các yếu tố công nghệ có mức độ ảnh hưởng khác nhau đến quá trình biến dạng

Hình 1: Sơ đồ quá trình dập vuốt từ phôi phẳng (a) và dập vuốt ở nguyên công sau (b)

1) Cối dập, 2) Chày dập, 3) Ép biên, 4) Phôi

Thép 1X18H9T (ΓOCT 56312-61) là một loại thép không rỉ, có độ bền cao, có

mức độ hóa bền do biến dạng lớn cho nên khi dập vật liệu này các yếu tố công nghệ như: chiều dày tương đối của vật liệu, áp lực ép biên và ma sát tiếp xúc có ảnh hưởng

lớn đến khả năng biến dạng và lực dập Vì thế, cần nghiên cứu quy luật ảnh hưởng của các yếu tố này đến quá trình dập làm cơ sở cho việc ứng dụng trong thực tế sản xuất

2 ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC YẾU TỐ ĐẾN KHẢ NĂNG BIẾN DẠNG KHI TẠO HÌNH 2.1 Ảnh hưởng của áp lực ép biên

Áp lực ép biên có ảnh hưởng lớn đến lực dập vuốt và chất lượng sản phẩm Áp lực

ép biên làm tăng lực dập vuốt Sự có mặt của áp lực ép biên sẽ làm tăng ứng suất kéo và làm giảm ứng suất nén ở phần vành phôi dẫn tới loại bỏ các nếp nhăn Nhưng khi tăng quá

mức sẽ làm cho ứng suất kéo lớn gây đứt phôi

Lực ép biên có thể được tính theo công thức [1]:

𝑄𝑄 = 0,785[𝐷𝐷2− (𝑑𝑑 + 2 𝑟𝑟𝑐𝑐)2] 𝑞𝑞𝑒𝑒𝑒𝑒 (1)

Trong đó:

+ D: đường kính phôi ban đầu,

+ d: đường kính sản phẩm,

+ rc: bán kính lượn của cối,

+ qeb: áp lực ép đơn vị

Theo [1], áp lực đơn vị qeb = (0,8 – 4,5) MPa cho vật liệu thông thường Khi dập thép có độ bền cao, khó biến dạng thì qeb có thể lấy gấp 2,5 lần (tức là khoảng qeb = 2 – 12MPa)

2.2 Ảnh hưởng của chiều dày tương đối của vật liệu

Theo [1], chiều dày tương đối (∆𝑠𝑠 = 𝐷𝐷𝑠𝑠 100%) của vật liệu có ảnh hưởng mạnh đến giá trị áp lực ép biên và mức độ dập vuốt Các công trình nghiên cứu cho thấy, khi tăng chiều dày tương đối của vật liệu, mức độ biến dạng của vật liệu khi dập vuốt sẽ tăng và áp lực ép biên có thể giảm Khi chiều dày phôi rất mỏng thì mức độ dập vuốt tới hạn bị ảnh hưởng mạnh vào hệ số ma sát

2.3 Ảnh hưởng của ma sát tiếp xúc

Lực ma sát giữa phôi và cối dập là ma sát có hại Sự xuất hiện ma sát tại các vùng

tiếp xúc này cản trở quá trình kéo phôi vào trong lòng cối Đặc biệt, khi dập các loại thép không rỉ, có độ bền cao, ma sát làm nhiệt độ tại các vùng tiếp xúc tăng mạnh gây ra hiện tượng bám dính vật liệu phôi vào cối dập Điều này làm cho bề mặt phôi bị xước, ảnh hưởng tới chất lượng sản phẩm và tuổi thọ dụng cụ Do vậy, cần thiết phải có chế độ bôi trơn hợp lý Theo [3],[4], hệ số ma sát𝜇𝜇 khi dập vuốt được lấy trong khoảng 0,03 – 0,2

3 T ỐI ƯU HÓA CÁC THÔNG SỐ CÔNG NGHỆ KHI DẬP VUỐT THÉP 1X18H9T

Để đánh giá sự ảnh hưởng của các thông số trên tới quá trình dập vuốt thép 1X18H9T, các tác giả sử dụng phương pháp quy hoạch thực nghiệm trực giao bậc 2 Hàm mục tiêu lựa chọn là chiều sâu dập vuốt tương đối lớn nhất (được mã hóa là y1, %) và lực dập vuốt lớn nhất (được mã hóa là y2, Tấn)

3.1 L ựa chọn các khoảng thông số công nghệ và thiết bị thí nghiệm

Vật liệu thí nghiệm là thép 1X18H9T có thành phần hóa học và các chỉ tiêu cơ tính cho trong bảng 1 và bảng 2

B ảng 1: Thành phần hóa học của thép 1X18H9T

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

Bảng 2: Các chỉ tiêu cơ tính của thép 1X18H9T

1X18H9T 𝜎𝜎𝑠𝑠 (MPa) 𝜎𝜎𝑒𝑒 (MPa) 𝛿𝛿 (%) Độ cứng HB

Các yếu tố khảo sát là áp lực ép biên qeb, chiều dày tương đối của vật liệu ∆𝑠𝑠 và hệ số

ma sát 𝜇𝜇 Khoảng biến thiên của các thông số, căn cứ vào cơ sở trình bày trong mục 2, được

chọn như sau:

- Áp lực ép biên được mã hóa x1 với mức biến đổi: mức dưới (-) là 2 và mức trên (+) là

12 MPa;

- Chiều dày tương đối của vật liệu được mã hóa là x2 Căn cứ vào điều kiện thực tế có thể chọn với mức biến đổi: mức dưới (-) là 0,8% và mức trên (+) là 1,5 %

- Hệ số ma sát được mã hóa là x3 với mức biến đổi: mức dưới (-) là 0,03 và mức trên (+) là 0,2

Thực nghiệm được tiến hành tại Phòng thí nghiệm Gia công áp lực theo ma trận bảng 3 trên các dụng cụ và thiết bị trình bày trên hình 2

Bảng 3: Ma trận thực nghiệm phần các biến số

N0 x0 x1 x2 x3 x1x2 x1x3 x2x3 x1x2x3 x1’ x2’ x3’

1 + + - - - - + + 0,27 0,27 0,27

2 + + + - + - - - 0,27 0,27 0,27

3 + + - + - + - - 0,27 0,27 0,27

4 + + + + + + + + 0,27 0,27 0,27

5 + - - + + - - + 0,27 0,27 0,27

6 + - + + - - + - 0,27 0,27 0,27

7 + - - - + + + - 0,27 0,27 0,27

8 + - + - - + - + 0,27 0,27 0,27

9 + 0 0 0 0 0 0 0 -0,73 -0,73 -0,73

10 + +ω 0 0 0 0 0 0 0,75 -0,73 -0,73

11 + -ω 0 0 0 0 0 0 0,75 -0,73 -0,73

12 + 0 +ω 0 0 0 0 0 -0,73 0,75 -0,73

13 + 0 -ω 0 0 0 0 0 -0,73 0,75 -0,73

14 + 0 0 +ω 0 0 0 0 -0,73 -0,73 0,75

15 + 0 0 -ω 0 0 0 0 -0,73 -0,73 0,75

a b c

Hình 2: Sơ đồ khuôn thí nghiệm (a), METL YH32 (b)

và thiết bị thu thập & xử lý số liệu Kyowa (c) 3.2 Kết quả thí nghiệm và bàn luận

a) K ết quả thí nghiệm

Các tác giả tiến hành đo chiều sâu vuốt tương đối sau mỗi lần dập tại ba vị trí khác nhau

và lấy giá trị trung bình (hình 3) Lực dập thu được nhờ thiết bị thu thập xử lý số liệu Kyowa Các số liệu thực nghiệm được ghi vào bảng 4

Bảng 4: Các kết quả thí nghiệm

N0 x0 x1 x2 x3 x1x2 x1x3 x2x3 x1x2x3 x1’ x2’ x3’ y1(%) y2

(Tấn)

1 + + - - - - + + 0,27 0,27 0,27 63 8

2 + + + - + - - - 0,27 0,27 0,27 65 9,5

3 + + - + - + - - 0,27 0,27 0,27 64 9

4 + + + + + + + + 0,27 0,27 0,27 62,5 11

5 + - - + + - - + 0,27 0,27 0,27 66 10

6 + - + + - - + - 0,27 0,27 0,27 65,5 9

7 + - - - + + + - 0,27 0,27 0,27 59 7,5

8 + - + - - + - + 0,27 0,27 0,27 62 7,8

9 + 0 0 0 0 0 0 0 -0,73 -0,73 -0,73 64 8,5

10 + +ω 0 0 0 0 0 0 0,75 -0,73 -0,73 61 9,3

11 + -ω 0 0 0 0 0 0 0,75 -0,73 -0,73 58 7,6

12 + 0 +ω 0 0 0 0 0 -0,73 0,75 -0,73 65 8,6

13 + 0 -ω 0 0 0 0 0 -0,73 0,75 -0,73 58,5 9,2

14 + 0 0 +ω 0 0 0 0 -0,73 -0,73 0,75 57 11,2

15 + 0 0 -ω 0 0 0 0 -0,73 -0,73 0,75 66 8,2

Bằng các tính toán theo lý thuyết quy hoạch thực nghiệm [2], các hàm mục tiêu của bài toán được xây dựng có dạng sau:

𝑦𝑦1 = 60,5 + 0,99𝑥𝑥2 − 1,5𝑥𝑥1𝑥𝑥3− 0,875𝑥𝑥2𝑥𝑥3+ 1,4𝑥𝑥22+ 1,23𝑥𝑥32 (2)

𝑦𝑦2 = 8,56 + 0,48𝑥𝑥1 + 0,9𝑥𝑥3+ 0,525𝑥𝑥1𝑥𝑥2+ 0,55𝑥𝑥32 (3)

Các hàm trên đã được kiểm tra, đáp ứng được tính hữu dụng của hàm hồi quy

Hình 3: S ản phẩm sau dập vuốt (a) và vị trí đo chiều sâu dập (b)

b) Bàn luận kết quả thí nghiệm

* Ảnh hưởng của các thông số công nghệ tới chiều sâu dập vuốt tương đối

Từ phương trình 2, ta sẽ xem xét sự ảnh hưởng của từng yếu tố đến chiều sâu dập vuốt tương đối Ta có:

y1(x1, 1, 1) = 63,25 – 1,5x1 (2a)

y1(1, x2, 1) = 60,23 + 0,115x2 + 1,4𝑥𝑥22 (2b)

y1(1, 1, x3) = 62,89 – 2,375x3 + 1,23𝑥𝑥32 (2c)

Các phương trình 2a, 2b và 2c cho chúng ta thấy yếu tố có ảnh hưởng lớn nhất đến chiều sâu dập vuốt tương đối là chiều dày tương đối ∆𝑠𝑠 của vật liệu (do mã x2 có hệ số đều dương và lớn nhất), tiếp đến là hệ số ma sát (mã x3 có một hệ số mang dấu âm và

một hệ số mang dấu dương) Áp lực ép biên có ảnh hưởng ít hơn (hệ số của mã x1 mang

dấu âm)

Bài báo sử dụng phương pháp leo dốc Box – Wilson tìm được giá trị tối ưu theo

mô tả của hàm mục tiêu 2 là y1 = 66,5% khi (x1, x2, x3) = (-1,215, 1,215, 1,215) Tức là: (peb, ∆𝑠𝑠, 𝜇𝜇) = (1MPa, 1,57%, 0,22)

* Ảnh hưởng của các thông số công nghệ tới lực dập vuốt

Từ phương trình 3 ta có:

y2(x1, 1, 1) = 10 + x1 (3a)

y2(1, x2, 1) = 10,49 + 0,525x2 (3b)

y2(1, 1, x3) = 9,565 + 0,9x3 + 0,55𝑥𝑥32 (3c)

Các phương trình 3a, 3b, 3c cho chúng ta thấy rằng hệ số ma sát có ảnh hưởng lớn

nhất đến lực dập vuốt (do các hệ số của mã x3 đều mang dấu dương và tổng các hệ số là

lớn nhất), thứ đến là áp lực ép biên (hệ số của mã x1 dương và có giá trị trung bình) Chiều dày tương đối của phôi có ảnh hưởng ít nhất tới lực dập vuốt (do hệ số của mã x2

dương và có giá trị nhỏ nhất)

Bài báo sử dụng phương pháp leo dốc Box – Wilson tìm được giá trị tối ưu theo

mô tả của hàm mục tiêu 3 là y2 = 11,8 Tấn khi (x1, x2, x3) = (1,215, 1,215, 1,215) Tức là: (peb, ∆𝑠𝑠, 𝜇𝜇) = (13,1MPa, 1,57%, 0,22)

4 K ẾT LUẬN

Bằng phương pháp quy hoạch thực nghiệm, các tác giả đã xây dựng được các hàm

mục tiêu mô tả sự ảnh hưởng phối hợp của các yếu tố công nghệ: áp lực ép biên, chiều dày tương đối của vật liệu và hệ số ma sát đến chiều sâu dập vuốt tương đối và lực dập vuốt

lớn nhất khi tạo hình thép 1X18H9T Các phương trình hồi quy cũng cho biết mức độ ảnh hưởng của từng yếu tố đến hàm mục tiêu và cho phép xác định các giá trị tối ưu của các

yếu tố này khi dập vuốt

TÀI LI ỆU THAM KHẢO

[1] Đinh Văn Phong, Nguyễn Trường An, Tạ Đình Xuân Công nghệ tạo hình kim loại tấm,

NXB Quân đội nhân dân, 2015

[2] Nguyễn Minh Tuyển Quy hoạch thực nghiệm, NXB Khoa học và kỹ thuật, 2005

[3] T Altan, A.E Tekkaya Sheet Metal Forming—Fundamentals, ASM International, 2012.

[4] R Padmanabhan, M.C Oliveira, J.L Alves, L.F Menezes Influence of process parameters on the deep drawing of stainless steel, Finite Elements in Analysis and

Design, 2007, Vol 43, p 1062 – 1067

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

Email: Manhtiennguyen84@gmail.com DĐ: 097.7817.623

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

Email: Truonganomd@gmail.com DĐ: 097.5280.976