Nghiên cứu ảnh hưởng của một số thông số công nghệ cơ bản trong dập thủy cơ vật liệu tấm

74 5.1 Nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số công nghệ tới quá trình tạo hình chi tiết cốc trụ……….. MỞ ĐẦU đã tạo ra những chi tiết, cụm chi tiết và sản phẩm ngày càng có hình dáng phức

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

T RƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

HÀ NỘI – NĂM 2012

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là đề tài nghiên cứu của riêng tôi Các số liệu kết quả nêu

Nguyễn Văn Thành

LỜI CẢM ƠN

đã tận tình hướng dẫn tôi về chuyên môn để tôi có thể thực hiện và hoàn thành Luận án

động viên khuyến khích tôi trong suốt thời gian tôi tham gia nghiên cứu và thực hiện công trình này

M ỤC LỤC

MỞ ĐẦU 1

i Mục đích, đối tượng và phạm vi nghiên cứu của đề tài 2

ii Phương pháp nghiên cứu 2

iii Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn 2

iv Các nội dung chính trong luận án 3

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ DẬP THỦY CƠ 5

1.1 Những nét cơ bản về DTC 5

1.1.1 Khái niệm 5

1.1.2 So sánh phương pháp DTC với dập vuốt truyền thống (chày cứng, cối cứng) 7

1.1.3 Một số sản phẩm DTC điển hình 8

1.1.4 Một số phương pháp tạo hình khác sử dụng nguồn chất lỏng cao áp 9

1.2 Các nghiên cứu về DTC 12

1.2.1 Trên thế giới 12

1.2.2 Trong nước: 22

Kết luận chương 1: 23

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ DẬP THỦY CƠ 26

2.1 Trạng thái ứng suất, biến dạng trong DTC 27

2.2 Ma sát ướt khi DTC 29

2.3 Mô hình vật liệu tấm sử dụng trong DTC 30

2.4 Áp suất chất lỏng, lực dập và lực chặn trong DTC 33

2.5 Tiêu chí đánh giá sản phẩm dập tấm 35

Kết luận chương 2: 39

CHƯƠNG 3: CÁC KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU BẰNG MÔ PHỎNG SỐ 40

3.1 Mô phỏng số trong gia công áp lực 40

3.2 Nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số công nghệ trong quá trình DTC bằng mô phỏng số 42

3.2.1 Thiết lập mô hình mô phỏng 42

3.2.2 Khảo sát ảnh hưởng của các thông số công nghệ 45

3.2.2.1 Ảnh hưởng của lực chặn 45

3.2.2.2 Ảnh hưởng của áp suất chất lỏng trong lòng cối 49

3.2.2.3 Ảnh hưởng của khe hở Z 51

3.2.2.4 Xác định miền làm việc của áp suất chất lỏng lòng cối phụ thuộc khe hở

Z (miền làm việc DTC)……… 55

Kết luận chương 3: 56

CHƯƠNG 4: XÂY DỰNG HỆ THỐNG THỰC NGHIỆM 57

4.1 Máy ép thủy lực 58

4.2 Hệ thống khuôn thí nghiệm 59

4.2.1 Chày DTC……… 59

4.2.2 Cối DTC 61

4.3 Hệ thống chặn thủy lực vạn năng 62

4.4 Hệ thống cấp chất lỏng cao áp 66

4.5 Hệ thống đo áp suất – hành trình 68

4.6 Thiết bị đo lường 72

Kết luận chương 4: 73

CHƯƠNG 5: THỰC NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ 74

5.1 Nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số công nghệ tới quá trình tạo hình chi tiết cốc trụ……… 74

5.1.1 Ảnh hưởng của lực chặn 75

5.1.2 Ảnh hưởng của áp suất chất lỏng lòng cối 79

5.1.3 Ảnh hưởng của khe hở Z 81

5.1.4 Xác định miền làm việc của áp suất chất lỏng lòng cối phụ thuộc khe hở Z (miền làm việc DTC thực nghiệm) 84

5.2 Ảnh hưởng của các thông số công nghệ tới độ chính xác hình học sản phẩm 86

5.2.1 Ảnh hưởng của lực chặn 87

5.2.2 Ảnh hưởng của áp suất chất lỏng lòng cối 89

5.2.3 Ảnh hưởng của khe hở Z 93

5.2.4 Ảnh hưởng tổng hợp của áp suất chất lỏng lòng cối và khe hở Z 95

Kết luận chương 5: 96

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI 98

Kết luận chung 98

Những vấn đề cần được nghiên cứu tiếp: 99

TÀI LIỆU THAM KHẢO 100

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ 111

PHỤ LỤC 112

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

σα Ứng suất theo phương dập MPa

max

p

min

p

Q

α

p

εp

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ

Hình 1.28 Đàn hồi ngược phụ thuộc mức độ biến dạng dẻo 22

Hình 3.23 Sản phẩm mô phỏng với pc = 70 bar, Z = 3.0 mm 53

Hình 5.2 Sản phẩm dập với áp suất pxl = 70 bar 76

MỞ ĐẦU

đã tạo ra những chi tiết, cụm chi tiết và sản phẩm ngày càng có hình dáng phức tạp, độ

đến nay, dập bằng nguồn chất lỏng áp lực cao phát triển mạnh mẽ và thu hút được sự quan

Phương pháp DTC nhằm tạo hình các chi tiết vỏ mỏng có hình dạng phức tạp ngày càng được ứng dụng rộng rãi tại các nước công nghiệp phát triển trong các ngành công

đầu thế kỷ 21, nhưng chủ yếu mới chỉ dừng ở khảo sát khả năng ứng dụng của công nghệ, chưa triển khai một cách hữu hiệu trong sản xuất công nghiệp bởi chưa có một lý thuyết cũng như phương pháp tính toán cụ thể nào cho phép xác định chính xác các thông số công

i Mục đích, đối tượng và phạm vi nghiên cứu của đề tài

Điểm đặc biệt của phương pháp tạo hình vật liệu trong DTC là nhờ chất lỏng có áp

*) Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

trường Đại học Công nghiệp Hà Nội và ở các doanh nghiệp sản xuất cơ khí

định hướng nghiên cứu cho Luận án;

suất chất lỏng lòng cối và khe hở chày - cối, xác định miền làm việc và ảnh hưởng của các

phương pháp DTC cũng như ứng dụng kết quả vào trong sản xuất công nghiệp

phương pháp thiết kế và tối ưu quá trình nhờ công nghệ ảo

chương 1 cũng trình bày về định hướng nghiên cứu và mục tiêu nghiên cứu cũng như các

Để đáp ứng được những yêu cầu đặt ra trong nghiên cứu công nghệ DTC, cần thiết

để khảo sát ảnh hưởng của các thông số công nghệ tới quá trình DTC Trong chương 3, lần lượt các bước thực hiện được đưa ra một cách có hệ thống từ lập mô hình hình học, mô

động của các thông số công nghệ tới quá trình tạo hình, xác định miền làm việc DTC Phương pháp mô phỏng số cho phép tiết kiệm tối đa chi phí sản xuất thử nghiệm bởi các

Chương 4 trình bày hệ thống thực nghiệm được thiết kế và chế tạo cho việc đánh

chương 5

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ DẬP THỦY CƠ

1.1 Những nét cơ bản về DTC

đã giảm được sự tập trung ứng suất gây ra các vết nứt tế vi trong vật liệu Dựa trên các kết

1.1.1 Khái niệm

Các phương pháp DTC:

điểm của phôi, đường cấp thoát chất lỏng, hình dạng của sản phẩm, Một trong những

P

P

P

cách phân loại được ứng dụng nhiều nhất là dựa vào đặc điểm của phôi, theo cách phân

đồ dân dụng, chúng là các chi tiết có kích thước lớn, hình dạng phức tạp

thường có nhiều mặt cong với biên dạng bất kỳ (hình 1.3)

Ngoài ra, căn cứ vào áp suất chất lỏng được hình thành trong quá trình dập, ta chia thành hai phương pháp DTC:

giai đoạn đầu tiên (hình 1.1) làm chi tiết phồng lên ôm sát vào chày

Đối áp làm tăng ma sát giữa phôi và chày, giảm ma sát giữa phôi và cối, thay đổi trạng thái ứng suất – biến dạng, thay đổi lực tạo hình cũng như làm tăng chất lượng sản phẩm, giảm

* Ưu điểm của phương pháp DTC so với phương pháp dập vuốt truyền thống [40]

* Nhược điểm của phương pháp DTC:

Nhưng bằng công nghệ DTC, việc chỉ phải chế tạo duy nhất chi tiết chày chính xác sẽ làm

lớn Nhưng với DTC thì những chi tiết vỏ két chứa nhiên liệu được thực hiện 1 cách dễ dàng, đơn giản

đa lớp Công nghệ DTC rất thích hợp để sản xuất ra những sản phẩm có chất lượng cao,

1.1.4 Một số phương pháp tạo hình khác sử dụng nguồn chất lỏng cao áp

* Phương pháp dập xung điện thủy lực (Electro - Hydraulic Forming)

được gia tốc do sự phóng điện của các cung lửa điện trong chất lỏng, làm cho phôi biến

năng lượng cơ học, gây ra sự biến dạng dẻo của phôi Ưu điểm của phương pháp này là

được các chi tiết có độ chính xác kích thước cao; không yêu cầu phải sử dụng những thiết

* Phương pháp dập thủy tĩnh (Internal high pressure forming and high pressure sheet metal forming - Hydrostatic forming)

không đồng đều theo chiều dài của thành chi tiết là đáng kể [8]

c)

P

P

1.2 Các nghiên cứu về DTC

năm 60 của thế kỷ 20 Song, đến những năm 80 mới bắt đầu được nghiên cứu và áp dụng

Nga và các nước khác… Tại Đức, nhiều nhà nghiên cứu cũng đã thành công và đưa vào áp

Âu Đã có hàng trăm bài báo và phát minh được công bố từ năm 1996 ~ 2003 Điều này đã

lĩnh vực tạo hình bằng thủy lực như Giáo sư Klaus Siegert người Đức nói “Công nghệ tạo

hướng tạo hình từ các vật liệu nhẹ ngày càng tăng và công nghệ dập bằng chất lỏng vật liệu

ưu điểm nổi trội của nó trong việc tạo hình những chi tiết có khả năng biến dạng kém, hình

Cho đến nay, đối với công nghệ DTC, các nhà khoa học tập trung vào nghiên cứu

đồ công nghệ DTC khá đơn giản chỉ bao gồm chày, cối, chất lỏng và phôi Đến nay, sơ đồ

hưởng của các thông số công nghệ tới quá trình tạo hình của vật liệu, chất lượng của sản

đã tạo ra sự khác biệt cơ bản giữa DTC và dập vuốt truyền thống là khả năng biến dạng của

Ngược lại, áp suất chất lỏng quá thấp, phôi sẽ tỳ vào miệng cối, áp lực chất lỏng không đủ đẩy phôi bám sát vào mặt chày, hiện tượng nhăn thành sẽ xảy ra Ứng với mỗi vật liệu, mỗi

rách (hình 1.13) [38], [53], [61], [67], [78], [83], [89], [98]

vành Do đó lực chặn có ảnh hưởng lớn đến lực công nghệ và các chỉ tiêu chất lượng sản

dập đồng thời tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình kéo vật liệu vào lòng khuôn Khi lực

Hamed Ziaeipoor đưa ra kết luận, sử dụng lực chặn thay đổi sẽ giảm thiểu biến mỏng trên

Rách do lực chặn cao

Các nghiên cứu về phồng (sự phồng lên của vật liệu dưới tác dụng của áp suất chất

[97], [102]

ban đầu đã đưa ra kết quả về sự phân bố chiều dày chi tiết dập phụ thuộc nhiều vào áp suất

Khoảng cách từ tâm chi tiết (mm)

Nghiên cứu cũng chỉ ra rằng, phồng làm cho vùng kim loại xung quanh mép chày

Khi áp suất gây phồng quá cao, vật liệu chỗ phồng sẽ bị rách do ứng suất kéo tại đây quá lớn hoặc độ bền của tấm tại vùng quanh mép chày không đủ để kéo chỗ phồng đi xuống cối, rách sẽ xảy ra quanh mép chày Khi chiều cao chỗ phồng quá cao sẽ dẫn đến rách tại chỗ phồng do vật liệu bị biến mỏng quá nhiều hoặc khi chày đi xuống phần phồng

ở xung quanh mép chày sẽ bị đẩy vào trong khe hở giữa chày và tấm chặn sẽ gây rách tại vùng này (hình 1.18)

Nghiên cứu về hệ số dập vuốt trong DTC, các tác giả đã đưa ra kết luận về ảnh hưởng của mức độ dập vuốt K tới độ nhám bề mặt chi tiết và mức độ biến mỏng thành sản

ra [53]

cũng tăng lên nhưng sẽ để lại sai số hình dạng sản phẩm (ví dụ tạo ra độ côn sản phẩm)

Mức độ dập vuốt: 2.61

M ức độ dập vuốt: 3.04

Hình 1.21 Khe h ở chày cối thay đổi theo hành trình dập

phôi đến mức độ dập vuốt khi hệ số ma

sát khác nhau [64]

Khi chiều dày vật liệu tăng, áp suất tối thiểu để tạo hình sản phẩm sẽ tăng (hình 1.24) [42]

độ dập vuốt 2.5 [42]

ban đầu thường gặp nhiều khó khăn [27]

D ập vuốt truyền thống có gia nhiệt:

Vật liệu: MgAl3Zn1 (AZ31) Chiều dày tấm: 1.0 mm

Mức độ dập vuốt tới hạn: 2.8 Chiều sâu dập vuốt: 45 mm Nhi ệt độ: 225 0

C

Theo [13] hợp kim nhôm nhiệt độ dập nóng từ 2250

30 - 80 (bar)

ưu hệ thống khuôn, chặn, và các thiết bị hỗ trợ nhằm đáp ứng khả năng công nghệ một

bán kính góc lượn, độ nhám bề mặt để nâng cao khả năng tạo hình và chất lượng sản phẩm

để tạo ra sự đồng đều về chiều dày trên vành chi tiết [27]; ứng dụng sơ đồ chặn theo tọa độ điểm để tạo hình chi tiết dạng hộp tạo ra sự biến dạng đồng đều trên mặt vành phôi [63];

lượng chi tiết dập [23], [25], [34], [88]

Do ưu điểm của DTC là tạo hình sản phẩm chỉ sau một lần dập nên hầu hết trong DTC người ta sử dụng phôi ban đầu là vật liệu tấm phẳng Các nghiên cứu tập trung chủ yếu vào

được nghiên cứu, ứng dụng ngày càng rộng rãi nhất là trong ngành ô tô, hàng không vũ trụ

đồng đều Tính dị hướng của vật liệu ảnh hưởng rất lớn tới sự sai khác hình dạng và phân

cao thấp trên miệng sản phẩm Sự biến dạng không đồng đều có thể gây ra hiện tượng phá

(hình 1.26) [9], [102]

xác định bằng sự phụ thuộc của ứng suất chảy vào mức độ biến dạng Mức độ dập vuốt tới hạn tăng khi hệ số biến cứng tăng (hình 1.27)

Đàn hồi ngược làm thay đổi hình dạng, kích thước của chi tiết sau khi dập Đàn hồi ngược phụ thuộc vào nhiều thông số khác nhau nhưng trong đó là bản thân vật liệu Bởi

dạng dẻo tăng (hình 1.28)

tác động tích cực, ma sát giữa bề mặt cối và phôi, giữa tấm chặn và phôi là ma sát có tác động tiêu cực Ảnh hưởng quan trọng nhất của ma sát đến quá trình dập vuốt là làm thay đổi sơ đồ trạng thái ứng suất – biến dạng do đó làm thay đổi sự phân bố biến dạng dẫn đến thay đổi các thông số công nghệ của quá trình và chất lượng sản phẩm

đàn hồi ngược giảm [59]

Phương pháp dập bằng chất lỏng đã và đang được nghiên cứu ở Việt Nam do tính

ưu việt nổi trội của nó Một số nghiên cứu khảo sát về công nghệ dập thủy lực được đề cập trong các đề tài nghiên cứu cấp Nhà nước, cấp Bộ và Thành phố [7], [8], [114], [115],

[117] Dựa trên nghiên cứu lý thuyết và mô phỏng số, các nghiên cứu đã khẳng định những

ưu điểm của công nghệ dập bằng chất lỏng và định hướng nghiên cứu, phát triển công nghệ

như thực nghiệm để kiểm chứng kết quả mô phỏng khẳng định tính đúng đắn của phương pháp [114]

[117]

[119]

hình, tác động tương hỗ giữa các thông số hay các miền giá trị của các thông số để tạo hình

DTC như điều khiển chặn, điều khiển áp suất chất lỏng công tác, tối ưu chày cối,… Các

được thế giới quan tâm,… cũng chưa được nghiên cứu

Kết luận chương 1:

được Qua nghiên cứu tổng quan ta thấy, có nhiều thông số ảnh hưởng tới quá trình tạo

bước đầu khảo sát ảnh hưởng của các yếu tố công nghệ, chưa có được bất cứ triển khai ứng

thành, đàn hồi ngược và có các nhận định sau:

đến các vùng biến dạng khác nhau trên sản phẩm trở nên đồng đều hơn

lượn hay diện tích chặn phôi để tạo ra biến dạng một cách tối ưu nhất trên sản phẩm

được đề cập một cách cụ thể Vì thế, trong phần nghiên cứu của Luận án, tác giả chủ yếu

đến chất lượng sản phẩm DTC và xác định miền làm việc cho tạo hình sản phẩm dạng

Qua con đường mô phỏng số sẽ cho ta những nhận định, đánh giá ảnh hưởng của các thông

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ DẬP THỦY CƠ

Sơ đồ nguyên lý của quá trình DTC được trình bày trên hình 2.1

2.1 Trạng thái ứng suất, biến dạng trong DTC

Để nghiên cứu trạng thái ứng suất và biến dạng trong DTC, ta có thể xuất phát từ

DTC

Để khảo sát trạng thái ứng suất và biến dạng ta chia thành 5 vùng khác nhau: phần

hình trụ, phần bán kính góc lượn chày và vùng tiếp xúc với đáy chày

a) Vùng vành phôi:

đi vào lòng cối nên trạng thái ứng suất và biến dạng trong DTC trên phần vành cũng hoàn toàn tương tự như dập vuốt truyền thống đó là ứng suất theo phương z (do lực chặn gây

lượn của cối do phôi bị vuốt, tiếp xúc, trượt qua góc lượn cối do đó có thể dẫn đến sự kéo

xước khi vuốt qua góc lượn cối, phôi bị biến mỏng dẫn đến hiện tượng rách

lượng bề mặt của sản phẩm được tăng lên

khi đó phôi nằm trong trạng thái ứng suất kéo hai chiều, tạo ra vùng nguy hiểm, phôi dễ bị

đứt Với DTC, do có tác dụng của chất lỏng ép phôi vào chày làm giảm biến mỏng của vật

Đối với dập vuốt truyền thống, vùng kim loại tiếp xúc với đáy chày nằm trong

Nhưng đối với DTC có tác dụng của áp suất chất lỏng tác dụng vào phôi nên vật liệu nằm

đều giống nhau (1nén, 2 kéo) nhưng trong DTC thì các thành phần biến dạng gần như bằng

2.2 Ma sát ướt khi DTC [9]

nâng cao, đồng thời làm giảm hệ số dập vuốt cho chi tiết Đây là một ưu điểm nổi bật của

Để tạo ra những điều kiện thuận lợi trong DTC cần phải đảm bảo sao cho phôi trên

trơn, vận tốc dập và độ dày của lớp bôi trơn, nếu không sẽ làm tăng lực dập vuốt hoặc làm

điều chỉnh phối hợp các yếu tố này Chính vì trong điều kiện sản xuất, thay đổi độ dày của

được mối liên hệ giữa độ dày lớp bôi trơn với độ nhớt của lớp chất bôi trơn và vận tốc dập

Độ dày tối ưu của lớp bôi trơn trong DTC được xác định như sau: