TOM TAT LUAN VAN THAC SI - BUI ANH PHI - KI THUAT CO KHI - 2014B

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH BÙI ANH PHI NGHIÊN CỨU ẢNH HƢỞNG CỦA CÁC THÔNG SỐ CÔNG NGHỆ ĐẾN KHẢ NĂNG BIẾN DẠNG VẬT LIỆU KIM LOẠI TẤM TRONG GIA CÔNG BẰNG PHƢƠNG PHÁP TẠO HÌNH GIA TĂNG (SPIF) Ở NHIỆT ĐỘ CAO NGÀNH: KĨ THUẬT CƠ KHÍ MÃ SỐ: 128520103 TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KĨ THUẬT CƠ KHÍ Tp Hồ Chí Minh, tháng 05/2015 CÔNG TRÌNH ĐƢỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH Cán hƣớng dẫn khoa học : TS LÊ VĂN SỸ Cán chấm nhận xét 1: TS NGUYỄN HUY BÍCH Cán chấm nhận xét 2: PGS.TS ĐẶNG THIỆN NGÔN Luận văn thạc sĩ đƣợc bảo vệ trƣớc HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN THẠC SĨ TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KỸ THUẬT, Ngày 18 tháng 05 năm 2015 ii MỤC LỤC Chƣơng TỔNG QUAN CHUNG VỀ LĨNH VỰC NGHIÊN CỨU 1.1 SPIF 1.2 TPIF 1.3 Khả biến dạng SPIF góc biến dạng 1.4 SPIF nhiệt độ cao 1.5 Mục đích đề tài 1.6 Nhiệm vụ phạm vi nghiên cứu 1.7 Phƣơng pháp nghiên cứu Chƣơng CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Lý thuyết biến dạng 2.2 Ma sát bôi trơn 2.3 Lí thuyết truyền nhiệt 2.4 Lý thuyết quy hoạch thực nghiệm Taguchi 2.5 Lý thuyết phần tử hữu hạn – tích phân tƣờng minh (Explicit) Chƣơng ĐỒ GÁ VÀ HỆ THỐNG GIA NHIỆT 10 3.1 Cấu tạo đồ gá 10 3.2 Hệ thống gia nhiệt 11 Chƣơng THỰC NGHIỆM 14 i 4.1 Vật liệu thí nghiệm 14 4.2 Hình dạng chi tiết khảo sát .17 4.3 Đƣờng chạy dao .17 4.4 Máy công cụ 19 4.5 Dụng cụ tạo hình .19 4.6 Bôi trơn 20 4.7 Ma trận thực nghiệm 20 4.8 Tiến hành thí nghiệm .21 4.9 Kết phân tích 22 Chƣơng MÔ PHỎNG 31 5.1 Mục đích 31 5.2 Mô hình phân tích Abaqus 31 5.3 Kết 33 Chƣơng KẾT LUẬN VÀ KHUYẾN NGHỊ 35 6.1 Kết luận 35 6.2 Khuyến nghị 37 ii Chƣơng TỔNG QUAN CHUNG VỀ LĨNH VỰC NGHIÊN CỨU ISF kỹ thuật tạo hình không khuôn cho vật liệu ISF sử dụng dụng cụ đầu tròn chạy theo quỹ đạo xác định đƣợc điều khiển chƣơng trình số làm biến dạng kim loại đƣợc kẹp chặt bàn máy đồ gá để tạo hình dáng sản phẩm mong muốn Vật liệu kim loại polymer Dụng cụ đƣợc gắn máy điều khiển số Từng lớp vật liệu biến dạng dẻo cục liên tục suốt trình gia công để hình thành nên hình dạng cuối sản phẩm Bề dày lớp bƣớc tiến theo phƣơng thẳng đứng ∆z quỹ đạo dụng cụ Hình 1.1 Nguyên lí ISF [1] Các bƣớc quy trình ISF đƣợc mô tả (Hình 1.1): 1)Phôi đƣợc kẹp chặt đồ gá 2)Dụng cụ xuống tiếp xúc với phôi 3)Dụng cụ chuyển động theo quỹ đạo để tạo hình lớp 4)Dụng cụ lặp lại chuyển động để tạo hình lớp hết quỹ đạo 1.1 SPIF SPIF đƣợc mô tả Hình 1.2 Đây phƣơng pháp tạo hình gia tăng dùng dụng cụ tác dụng lực lên mặt vật liệu đƣợc kẹp chặt xung quanh mặt để biến dạng tự Dụng cụ vừa quay quanh trục vừa tịnh tiến theo quỹ đạo đƣợc lập trình sẵn Hình 1.2 SPIF Trong trình tạo hình, dụng cụ vật liệu tiếp xúc với theo điểm có chất bôi trơn để giảm ma sát Phƣơng pháp không cần dùng khuôn có hình dáng sản phẩm mà cần đỡ dƣới có hình dáng chu vi sản phẩm kẹp để cố định phôi cần tạo hình Dụng cụ tạo hình có dạng hình trụ, đầu hình bán cầu Toàn bô trình đƣợc thực máy điều khiển số ba trục 1.2 TPIF TPIF (Hình 1.3) có lực tạo hình tác dụng hai mặt (tƣơng tự công nghệ miết có khuôn nhƣng không xoay tròn mà chuyển động dụng cụ tạo hình tạo hình cách miết lên mặt tựa hay dƣỡng tạo phần lồi) Hình 1.3 TPIF a)Trước gia công, b) Đang gia công Phƣơng pháp tựa dƣới nhƣ SPIF cần phải dùng thêm dƣỡng tạo phần lồi cố định Toàn đồ gá tựa dƣới di chuyển xuống theo đầu dụng cụ tạo hình dƣỡng tạo phần lồi cố định bàn máy  SPIF không dùng khuôn, kết cấu đồ gá chuyển động đơn giản, giá thành hạ nhƣng bị giới hạn tạo chi tiết vừa lõm vừa có vùng lồi  TPIF phải dùng thêm dƣỡng, kết cấu đồ gá cần chuyển động hạ xuống, nâng lên với đầu dụng cụ tạo hình, giá thành cao nhƣng phạm vi tạo hình rộng tạo hình chi tiết vừa lõm vừa có vùng lồi 1.3 Khả biến dạng SPIF góc biến dạng Khả biến dạng SPIF đƣợc đặc trƣng góc biến dạng lớn αmax Góc biến dạng α góc hợp tiếp tuyến bề mặt gia công với phƣơng ngang điểm xét Góc biến dạng lớn αmax góc biến dạng vị trí chi tiết bị rách biến dạng Hình 1.4 Biên dạng chi tiết khảo sát [2] Việc xác định góc biến dạng yêu cầu quan trọng vấn đề chủ yếu nghiên cứu SPIF nhằm định hƣớng cho thiết kế chế tạo chi tiết phƣơng pháp gia công (Hình 1.4) ( ) ( 1-1) ( 1-2) Bề dày chi tiết đƣờng sinh không đồng mà giảm dần đƣờng sinh ứng với tăng dần góc biến dạng α Mối quan hệ bề dày góc biến dạng đƣợc mô tả qua biểu thức ( 1-3) Trong đó: t (mm) – bề dày vị trí khảo sát ứng với góc biến dạng α t0 (mm) – bề dày ban đầu Nếu góc α = 900 t =0 Phƣơng pháp SPIF không tạo hình đƣợc vách thẳng đứng Nó gặp khó khăn bề mặt bậc Độ xác hình học chất lƣợng bề mặt không cao phƣơng pháp dập 1.4 SPIF nhiệt độ cao Phƣơng pháp tạo hình gia tăng vật liệu có gia nhiệt gọi phƣơng pháp tạo hình gia tăng nhiệt độ cao Vấn đề quan trọng SPIF nhiệt độ cao phƣơng pháp gia nhiệt kiểm soát nhiệt độ chi tiết trình gia công Tính chất vật liệu khả biến dạng phụ thuộc nhiều vào nhiệt độ Một tăng nhiệt độ kiểm soát ảnh hƣởng lớn đến chất lƣợng nhƣ độ xác chi tiết 1.5 Mục đích đề tài Nghiên cứu ảnh hƣởng thông số công nghệ đến khả biến dạng vật liệu kim loại gia công phƣơng pháp tạo hình gia tăng nhiệt độ cao Đồng thời đề xuất áp dụng phƣơng pháp gia nhiệt có phạm vi ứng dụng rộng thí nghiệm thực tế sản xuất 1.6 Nhiệm vụ phạm vi nghiên cứu Đề tài tập trung nghiên cứu ảnh hƣởng năm thông số công nghệ chính: nhiệt độ T(0C), tốc độ chạy dụng cụ Vxy(mm/phút), bƣớc tiến theo phƣơng z dụng cụ ∆z (mm), đƣờng kính dụng cụ D (mm) tốc độ trục n (vòng/phút) đến góc tạo hình α (0) vật liệu SUS 304 thực thực nghiệm; Mô FEM so sánh dự đoán kết quả; Thiết kế chế tạo hệ thống gia nhiệt gián tiếp lò điện trở lớn Tốc độ trục lớn vảy rõ rệt Nguyên nhân ma sát dụng cụ chi tiết độ nhám dụng cụ Để khắc phục tƣợng này, nên chọn tốc độ trục cho dụng cụ lăn không trƣợt chi tiết Công thức tính tốc độ trục trƣờng hợp là: ( 4-1) √ Với: r bán kính dụng cụ Hoặc theo V.Fanzen dùng dao lắp ổ bi tự lăn chi tiết trình gia công (Hình 4.11) Hình 4.11 Dụng cụ tạo hình V.Fanzen Bảng 4-4 Các mẫu đạt sau chạy thực nghiệm Mẫu Mẫu 24 Mẫu Mẫu Mẫu Mẫu Mẫu Mẫu 4.9.2 So sánh biên dạng thực nghiệm CAD Biên dạng thực nghiệm có sai lệch so với biên dạng CAD Ứng với giá trị x, giá trị z biên dạng thực nghiệm nhỏ Nguyên nhân đàn hồi vật liệu Mặc dù dụng cụ theo biên dạng CAD làm biến 25 dạng nhƣng rời đi, kim loại bị đàn hồi ngƣợc trở lại Để biên dạng thực trùng với biên dạng thiết kế, cần xác định lƣợng đàn hồi để bù vào đƣờng chạy dao lúc gia công Việc cần thêm nhiều nghiên cứu chuyên sâu 70 60 50 40 30 20 10 0 10 20 30 Thực nghiệm 40 50 CAD Hình 4.12 So sánh biên dạng thực nghiệm với biên dạng CAD 4.9.3 Phân tích ANOVA Góc biến dạng lớn đạt đƣợc thí nghiệm đƣợc xem khả tạo hình lớn phƣơng pháp SPIF với vật liệu cho SUS 304 Giá trị đƣợc ghi bảng 4-6 26 Bảng 4-5 Góc biến dạng đạt thực nghiệm TN T ∆z Vxy D n α 100 0,2 500 500 100 0,2 500 12 1000 100 0,5 1500 500 100 0,5 1500 12 1000 400 0,2 1500 1000 68,52 72,80 400 0,2 1500 12 500 70,54 400 0,5 500 1000 71,64 400 0,5 500 12 500 63,90 61,23 60,49 70,73 Theo Bảng 4-6, giá trị R-Squared 0,9880 (R2 = 98,8% > 80%) Adj R-Squared (R2hiệu chỉnh = 91,59%) chứng tỏ năm thông số công nghệ đƣợc chọn có liên hệ chặt chẽ với có ý nghĩa thống kê Tức mô hình tuyến tính phù hợp cho thực nghiệm Bảng 4-6 Phân tích ANOVA Source Sum of df Squares Mean F p-value Square Value Prob > F Model 165,34 27,56 13,71 0,2038 T 40,1 40,1 19,95 0,1402 ∆z 11,83 11,83 5,89 0,2489 27 Vxy 80,2 80,2 39,9 0,1 D 20,96 20,96 10,43 0,1912 n 6,21 6,21 3,09 0,3292 ∆z.D 6,04 6,04 0,3332 Residual 2,01 2,01 Cor Total 167,35 Std Dev 1,42 R-Squared 0,9880 Mean 67,48 Adj R-Squared 0,9159 C.V % 2,1 Pred R-Squared 0,2313 PRESS 128,64 Adeq Precision 9,4800 Thông số Adeq Precision đo tỉ số S/N Giá trị mong muốn lớn Giá trị Adeq Precision mô hình 9,48 >4 nên mô hình sử dụng đƣợc Hình 4.13 Ảnh hưởng thông số đến góc α theo tỉ số S/N 28 Ảnh hƣởng yếu tố đến góc biến dạng đƣợc thể biểu đồ (Hình 4.13) theo tỉ số S/N với góc α lớn tốt Vì thí nghiệm không xét đến nhiễu nên tỉ số S/N giá trị trung bình α đồng dạng với Góc α tỉ lệ thuận với nhiệt độ chi tiết, bƣớc tiến ∆z, tốc độ chạy dụng cụ tạo hình, tốc độ trục tỉ lệ nghịch đƣờng kính dụng cụ Hình 4.14 Ảnh hưởng cặp tương tác ∆z-D Bảng 4-7 Phần trăm ảnh hưởng thông số đến góc biến dạng STT Thông số % ảnh hƣởng Nhiệt độ T 23,96 Bƣớc tiến ∆z 7,07 29 Tốc độ chạy dụng cụ Vxy 47,92 Đƣờng kính dụng cụ D 12,53 Tốc độ trục 3,71 ∆z.n 1,2 ∆z.D 3,61 Phƣơng trình hồi quy: α Giá trị dự đoán ( 4-2) Giá trị thực α Hình 4.15 Đồ thị quan hệ giá trị thực dự đoán α Bảng 4-8 Bộ thông số công nghệ tối ưu ∆z Vxy D ( C) (mm) (mm/ph) (mm) 400 0,5 1500 T 30 n (v/ph) α (O) 1000 77,4713 ZM1 (mm) 52,6 Nhƣ vậy, trình thực nghiệm xác định đƣợc thông số công nghệ tối ƣu để có đƣợc góc biến dạng vật liệu SUS 304 lớn Việc sử dụng phƣơng pháp quy hoạch thực nghiệm Taguchi giúp giảm đáng kể số lần thí nghiệm, thời gian chi phí Thực nghiệm cho thấy trình gia nhiệt mang lại hiệu việc gia công SUS 304 phƣơng pháp SPIF Chƣơng MÔ PHỎNG 5.1 Mục đích Mục đích mô FEM dự đoán kết so sánh với thực nghiệm 5.2 Mô hình phân tích Abaqus Hình 5.1 Mô hình phân tích Abaqus 31 5.2.1 Kiểu, kích thƣớc phần tử hình dạng mô hình Luận văn dùng kiểu phần tử vỏ S4RT Kích thƣớc phần tử 2,5mm Mặc dù mô hình phân tích có hai trục đối xứng nhƣng dung dạng đầy đủ nhƣ thực nghiệm trình SPIF bất đối xứng 5.2.2 Thông số vật liệu Abaqus Ngoài thông số nhƣ (Bảng 4-2), Abaqus yêu cầu định nghĩa vùng biến dạng dẻo (Bảng 5-1) Bảng 5-1 Ứng suất biến dạng vùng dẻo theo nhiệt độ STT σ (MPa) ε (%) T (0C) σ (MPa) ε (%) T (0C) 154,7 100 101,39 400 200 0,025 100 138,81 0,025 400 236,37 0,05 100 172,99 0,05 400 285,8 0,1 100 225,00 0,1 400 325 0,15 100 268,20 0,15 400 359,99 0,2 100 305,11 0,2 400 387,5 0,25 100 336,89 0,25 400 4125 0,3 100 362,50 0,3 400 429,82 0,35 100 382,98 0,35 400 10 443,81 0,4 100 400,00 0,4 400 11 453,66 0,45 100 409,69 0,45 400 12 461,45 0,5 100 411,54 0,5 400 13 466,1 0,55 100 - - - 14 469,5 0,6 100 - - - 32 5.2.3 Điều kiện biên a Của đế: Toàn đế đƣợc cố định không gian (hạn chế bậc tự do) Tấm đế đƣợc định nghĩa cứng tuyệt đối b Của chi tiết: Bốn cạnh chi tiết đƣợc cố định không gian (hạn chế bậc tự do) Chi tiết đƣợc định nghĩa biến dạng đƣợc Toàn chi tiết có thêm tải nhiệt (temperature) với mức nhiệt độ 1000C 4000C tùy phân tích c Của dụng cụ: Dụng cụ cho phép di chuyển theo phƣơng x, phƣơng y, phƣơng z theo quỹ đạo xoắn ốc Dụng cụ đƣợc định nghĩa cứng tuyệt đối 5.3 Kết Với thông số công nghệ tối ƣu (Bảng 4-8) đƣợc chọn để thực mô Kết nhƣ (Hình 5.2) Hình 5.2 Biến dạng đạt thông số tối ưu 33 Chiều sâu lúc z = - 52,2 mm, tƣơng đƣơng với góc biến dạng α = 77,140 Đặc điểm giống với thực tế vòng đầu quỹ đạo, chi tiết nhƣ bị biến dạng lớn làm xuất vết lồi (Hình 5.3) Hình 5.3 Vết lồi mẫu thực FEM Mặc dù chƣa thấy đƣợc vết rách nhƣng từ z = -52,2 mm trở đi, lƣới bị xô lệch mạnh, không xếp đặn nhƣ trƣớc (Hình 5.4) Hình 5.4 Vùng lưới bị biến dạng Biểu đồ Hình 5.5 cho thấy biên dạng FEM cách xa biên dạng thực CAD biên dạng thực nghiệm 34 Tuy mô hình FEM có sai số hình dạng hình học lớn vết rách chƣa xuất nhƣng dựa vào mô hình để xác định góc biến dạng dựa vào mức độ xô lệch mạnh lƣới Chiều sâu đến vị trí xô lệch mạnh tƣơng đƣơng với thực tế 70 60 50 40 30 20 10 0 10 20 Thực nghiệm 30 CAD 40 50 FEM Hình 5.5 So sánh biên dạng CAD, FEM thực nghiệm Chƣơng KẾT LUẬN VÀ KHUYẾN NGHỊ 6.1 Kết luận Đề tài nghiên cứu thông số ảnh hƣởng đến khả biến dạng Inox 304 gia công phƣơng pháp gia tăng đơn điểm SPIF nhiệt độ cao Các 35 kết đạt đƣợc nhƣ sau: a Thiết kế chế tạo sử dụng đƣợc thiết bị gia nhiệt dùng điện trở đốt nóng để gia nhiệt cho kim loại dùng cho trình thực nghiệm Nhiệt độ đạt đƣợc 4000C Thiết bị đơn giản thiết bị gia nhiệt nghiên cứu trƣớc đây, phù hợp áp dụng thực tế sản xuất b Thực nghiệm xác định đƣợc thông số công nghệ ảnh hƣởng gia công SUS 304 nhiệt độ cao phƣơng pháp SPIF Thông số đáp ứng mô tả khả biến dạng góc biến dạng α Có năm yếu tố ảnh hƣởng đến α nhiệt độ chi tiết, bƣớc phƣơng z, tốc độ chạy dụng cụ, đƣờng kính dụng cụ tốc độ trục Thực nghiệm rằng, hai thông số ảnh hƣởng lớn lần lƣợt tốc độ chạy dụng cụ nhiệt độ chi tiết Góc biến dạng lớn đạt đƣợc 77,470 Nếu nhƣ nghiên cứu trƣớc gia công vật liệu nhƣ hợp kim nhôm, đồng, thép hợp kim thấp, hợp kim titan, … nghiên cứu thực với SUS 304 c Mô FEM trình SPIF sử dụng dạng tích phân tƣờng minh để dự đoán hƣ hỏng tạo hình 36 Quỹ đạo dụng cụ đƣờng xoắn ốc Mô hình FEM xây dựng có khả dự đoán đƣợc giới hạn tạo hình độ xác hình dạng thấp 6.2 Khuyến nghị Tuy đề tài thực hết nội dung cần có, song nhiều tồn cần tiếp tục nghiên cứu: a Phƣơng pháp gia nhiệt kiểu lò điện trở đơn giản nhƣng có chênh lệch nhiệt độ theo độ sâu Càng xuống sâu nhiệt độ tăng khoảng cách với điện trở giảm Cho nên phải làm để nhiệt độ chi tiết sai lệch nhỏ tốt b Thiết bị dùng điều khiển PID nên thời gian ổn định lớn, độ vọt lố cao Có thể nghiên cứu điều khiển khác nhƣ PID mờ, … để khắc phục hạn chế c Quá trình gia công gia công lần nên chất lƣợng bề mặt độ xác hình dạng không cao Có thể đề xuất quy trình gia công tinh giúp nâng cao chất lƣợng chi tiết d Hiện tại, SPIF gia công đƣợc phần hình dạng mà chƣa xử lí đƣợc phần rìa dƣ thừa gấp mép để nâng độ cứng vững 37 Phƣơng pháp đƣợc nghiên cứu đầy đủ hoàn chỉnh khả ứng dụng cao, thời đại ngày – thời đại mà linh hoạt hóa trình sản xuất yêu cầu cấp thiết 38