NGHIÊN cứu BIẾN DẠNG tạo HÌNH KHỚP nối CHỮ THẬP BẰNG CÔNG NGHỆ ép CHẢY NGANG

Trong thời gian gần đây, do yêu cầu tiết kiệm nguyên vật liệu năng lượng, giảm chi phí sản xuất, tránh ảnh hưởng tới môi trường, nên các nhà nghiên cứu rất chú trọng công nghệ sao cho: -

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

-

NGUYỄN TUẤN ANH

NGHIÊN CỨU BIẾN DẠNG TẠO HÌNH KHỚP NỐI CHỮ THẬP BẰNG

CÔNG NGHỆ ÉP CHẢY NGANG

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu luận văn khoa học của tôi Các số liệu, kết quả nghiên cứu trong luận văn này là trung thực và chưa từng được

ai công bố trong bất kỳ công trình nghiên cứu nào trước đây

Tác giả luận văn

Nguyễn Tuấn Anh

Tác giả xin chân thành cảm ơn tới sự giúp đỡ tạo điều kiện thuận lợi và giúp

đỡ của các cán bộ, giảng viên Bộ môn Cơ học vật liệu và Cán kim loại, Viện Đào tạo sau đại học, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội trong quá trình học tập để hoàn

thành luận văn

Hà Nội, ngày 23 tháng 11 năm 2013

Tác giả luận văn

Nguyễn Tuấn Anh

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN 2

LỜI CẢM ƠN 3

DANH MỤC CÁC BẢNG 7

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ 8

LỜI NÓI ĐẦU 11

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ ÉP CHẢY NGANG 13

1.1 Tổng quan về công nghệ ép chảy 13

1.1.1 Định nghĩa 13

1.1.2 Phân loại quá trình ép chảy 13

1.1.3 Nguyên lý làm việc của quá trình ép chảy 19

1.1.4 Ưu điểm của phương pháp ép chảy 20

1.2 Giới thiệu về phương pháp ép chảy ngang 20

1.2.1 Đặc điểm của phương pháp ép chảy ngang 20

1.2.2 Nguyên lý làm việc của quá trình ép chảy ngang 21

1.2.3 Sản phẩm của phương pháp ép chảy ngang 22

1.2.3 Máy ép chảy 23

1.2.4 Quy trình công nghệ truyền thống 23

1.2.5 Quy trình công nghệ tiên tiến 25

1.3 Các công trình đã nghiên cứu về ép chảy ngang trên thế giới 28

1.4 Kết luận 29

CHƯƠNG 2 LÝ THUYẾT VỀ ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC YẾU TỐ ĐẾN QUÁ

TRÌNH ÉP CHẢY 30

2.1 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình tạo hình 30

2.1.1 Ma sát trong quá trình ép chảy 30

2.1.2 Hệ số ép chảy 31

2.1.3 Ảnh hưởng của nhiệt độ đến quá trình ép chảy 31

2.1.4 Ảnh hưởng của dòng chảy vật liệu 33

2.2 Các dạng khuyết tật trong quá trình ép chảy 34

2.2.1 Phá vỡ bề mặt 34

2.2.2 Sốc nhiệt 35

2.2.3 Nứt ở tâm hoặc ngoài bề mặt 35

2.2.4 Thay đổi cấu trúc và tính chất 36

2.3 Kết luận 36

CHƯƠNG 3 PHÂN TÍCH CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN QUÁ TRÌNH ÉP CHẢY NGANG KHỚP NỐI CHỮ THẬP BẰNG PHẦN MỀM DEFORM3D 38

3.1 Giới thiệu về phần mềm Deform3D 38

3.2 Mô phỏng số 39

3.2.1 Giới thiệu về sản phẩm 39

3.2.2 Mô hình hình học 42

3.2.3 Vật liệu sử dụng mô phỏng 46

3.2.4 Nhận dạng mô hình ứng xử của vật liệu bằng phương pháp nén đơn 47

3.2.5 Kết quả hình dạng sau khi mô phỏng 51

3.2.6 Tối ưu hóa các thông số ảnh hưởng đến kết quả mô phỏng về hình dạng của sản phẩm 56

3.2.7 Phân tích ứng suất-biến dạng với bộ thông số hợp lý 57

3.3 Kết luận 62

CHƯƠNG 4 THỰC NGHIỆM CHẾ TẠO KHỚP NỐI CHỮ THẬP BẰNG PHƯƠNG PHÁP ÉP CHẢY NGANG 63

4.1 Giới thiệu chung 63

4.2 Thực nghiệm chế tạo 63

4.2.1 Chuẩn bị mẫu 63

4.2.2 Chuẩn bị khuôn ép 64

4.2.3 Máy ép 65

4.3 Kết quả thực nghiệm 66

4.3.1 Hình ảnh sản phẩm thực nghiệm 66

4.3.2 So sánh kết quả thực nghiệm với mô phỏng 68

4.4 Kết luận 74

KẾT LUẬN 75

TÀI LIỆU THAM KHẢO 76

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 3.1 Thành phần hoá học của thép SKD 61 44 Bảng 3.2 Thành phần hoá học của thép SKD 11 45 Bảng 3.3 Điều kiện biên 51

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Hình 1.1 Ép chảy thuận 14

Hình 1.2 Ép chảy ngƣợc 14

Hình 1.3 Sản phẩm ép chảy hoàn toàn (trái) và ép chảy cục bộ (phải) 17

Hình 1.4 Một số hình ảnh về ép chảy hình ống 18

Hình 1.5 Một số hình ảnh về ép chảy thành mỏng 18

Hình 1.6 Nguyên lý làm việc của quá trình ép chảy 19

Hình 1.7 Nguyên lý làm việc của ép chảy ngang 21

Hình 1.8 Sản phẩm ép chảy ngang 22

Hình 1.9 Máy ép chảy 23

Hình 1.10 Các sản phẩm dập khối 24

Hình 1.11 Quy trình công nghệ dập khối 24

Hình 1.12 Các sản phẩm ép chảy ngang 26

Hình 1.13 Qui trình công nghệ ép chảy ngang 26

Hình 2.1 Sơ đồ ép chảy xuôi (a) và ép chảy ngƣợc (b) với hệ thống lực tác dụng lên phôi 30

Hình 2.2 Dòng chảy vật liệu trong quá trình ép 33

Hình 2.2 Vết nứt ở bề mặt 34

Hình 2.3 Sốc nhiệt ở ép chảy nhôm 35

Hình 2.4 Vết nứt ở tâm 35

Hình 2.5 Hiện tƣợng lớn hạt gây ra thay đổi về tính chất vật liệu 36

Hình 3.1 Sản phẩm khớp nối chữ thập thực tế 39

Hình 3.2 Khớp nối chữ thập trong trục các-đăng 40

Hình 3.3 Kích thước và mô hình 3D của sản phẩm 42

Hình 3.4 Kích thước và mô hình 3D của phôi 42

Hình 3.5 Kích thước và mô hình 3D của khuôn dưới 43

Hình 3.6 Kích thước và mô hình 3D của khuôn trên 44

Hình 3.7 Kích thước và mô hình 3D của chày ép 45

Hình 3.8 Mô hình 3D và mô hình mô phỏng 46

Hình 3.9 Vị trí của Pb trong hệ thống tuần hoàn hóa học 46

Hình 3.10 Kim loại chì nguyên chất 47

Hình 3.11 Kích thước mẫu thử nén 48

Hình 3.12 Mẫu thử nén thực tế 48

Hình 3.13 Mô hình thử nén đơn 48

Hình 3.14 Đường cong ứng suất-biến dạng của Chì 49

Hình 3.15 Quan hệ giữa ứng suất và tốc độ biến dạng tại ε = 0.5 50

Hình 3.16 Hình ảnh sản phẩm hoàn chỉnh sau mô phỏng 51

Hình 3.17 Ảnh hưởng của hệ số ma sát đến lực ép 52

Hình 3.18 Ảnh hưởng của vận tốc ép đến lực ép 53

Hình 3.19 Ảnh hưởng của bán kính lượn đến lực ép 54

Hình 3.20 Ảnh hưởng của truyền nhiệt đến lực ép 55

Hình 3.21 Kết quả mô phỏng hình dạng sản phẩm khi thay đổi các thông số 56

Hình 3.22 Ứng suất theo chiều dọc sản phẩm (a) - Ứng suất theo chiều ngang sản phẩm (b) 57

Hình 3.23 Phân bố ứng suất trong quá trình ép theo lượng ép 58

Hình 3.24 Phân bố biến dạng trên mặt cắt ngang trục (a)- Phân bố biến dạng trên

mặt cắt dọc trục (b) 59

Hình 3.25 Phân bố biến dạng trong quá trình ép theo lượng ép 60

Hình 3.26 Phân bố cường độ phá hủy theo chiều ngang sản phẩm 61

Hình 3.27 Phân bố tải trọng trên khuôn 61

Hình 4.1 Mẫu chì dùng trong thí nghiệm 63

Hình 4.2 Khuôn dưới (a) và khuôn trên (b) dùng trong thí nghiệm 64

Hình 4.3 Khuôn trên và khuôn dưới sau khi lắp ghép dùng trong thí nghiệm 65

Hình 4.4 Máy ép dùng trong thí nghiệm 65

Hình 4.5 Kết quả thực nghiệm 66

Hình 4.6 (a ) : Ép mẫu 1;(b) : Ép mẫu 2; (c) : Ép mẫu 3 67

Hình 4.7 Hình ảnh 3 sản phẩm sau ép 68

Hình 4.8 Kết quả mô phỏng (a) và thực nghiệm (b) 68

Hình 4.9 So sánh đường cong lực mô phỏng và thực nghiệm 69

Hình 4.10 Mặt cắt dọc phôi trước khi ép được vẽ lưới 70

Hình 4.11 Dòng chảy của vật liệu sau khi ép 1 3 hành trình, a thực nghiệm; b mô phỏng 71

Hình 4.12 Dòng chảy của vật liệu sau khi ép 2/3 hành trình a thực nghiệm; b mô phỏng 72 Hình 4.13 Hướng của vận tốc dòng chảy vật liệu trong quá trình ép theo lượng ép73

LỜI NÓI ĐẦU

Cùng với sự tiến bộ của con người, khoa học kỹ thuật cũng không ngừng phát triển Các công nghệ mới luôn được phát triển và hoàn thiện để mang lại năng suất cao hơn Ngành công nghiệp tạo hình vật liệu cũng không phải ngoại lệ Với những ưu điểm của mình như năng suất cao, tạo được các sản phẩm đặc thù, chất lượng và cơ tính của sản phẩm cao Chính vì vậy mà ngành này rất được quan tâm tại hầu hết các nước

Để chế tạo các chi tiết dạng khối (ví dụ trục truyền động, bánh răng, khớp nối, tay biên, trục khuỷu… , hiện nay thường sử dụng công nghệ dập khối Với công nghệ dập khối đáp ứng được nhiều tiêu chí của nhà kỹ thuật như sản xuất hàng loạt, đạt được độ chính xác cần thiết, tiết kiệm nguyên vật liệu, năng lượng và hơn nữa là các chi tiết có được tổ chức tế vi, cơ tính đáp ứng được khả năng làm việc dưới các điều kiện tải trọng khắc nghiệt

Trước đây, các nhà kỹ thuật thường đi theo con đường dập khối nóng trên khuôn hở Nhưng đi theo con đường này thường phải có các nguyên công chuẩn bị, các thiết bị ngoại vi phục vụ quá trình sản xuất tự động, cần có các nguyên công xử

lý vật dập sau khi dập khối, bởi sản phẩm chỉ đạt được độ chính xác nhất định Trong khi đó, các chi tiết thường cần độ chính xác kích thước cao, độ nhám bề mặt thấp Vì vậy, quá trình sản xuất không kinh tế

Trong thời gian gần đây, do yêu cầu tiết kiệm nguyên vật liệu năng lượng, giảm chi phí sản xuất, tránh ảnh hưởng tới môi trường, nên các nhà nghiên cứu rất chú trọng công nghệ sao cho:

- Rút ngắn quá trình công nghệ

- Giảm thiểu các nguyên công chuẩn bị và nguyên công xử lý sau dập

- Tạo hình chính xác, không có vật liệu thừa, tiết kiệm triệt để vật liệu

- Nâng cao cơ tính của sản phẩm

Các công nghệ mới vì thế đã được nghiên cứu phát triển thêm một bước tiến mới như dập tạo hình ở trạng thái nguội hay nửa nóng Phát triển công nghệ dập, ép chảy chính xác với quá trình gia nhiệt cục bộ ngay trong khuôn, điều khiển các thông số công nghệ ngay trong quá trình tạo hình sao cho khả năng điền đầy sản phẩm tốt nhất, tiết kiệm năng lượng nhất

Đối với các chi tiết dạng khớp nối, yêu cầu về cơ tính rất cao, đặc biệt là tại các vị trí giao nhau giữa các tiết diện thay đổi đòi hỏi hướng thớ kim loại liên tục, tổ chức tế vi của chi tiết cũng cần thiết đạt được những yêu cầu nhất định để nâng cao tuổi thọ của chi tiết Có nhiều công trình nghiên cứu đưa ra để chế tạo các dạng chi tiết này như dập khối chính xác, ép chảy ngang và kết quả cũng đã được áp dụng trong thực tiễn sản xuất Tuy nhiên, còn có rất nhiều vấn đề đưa ra cần phải giải quyết tiếp như tối ưu chế độ nhiệt để đạt được chất lượng sản phẩm tốt nhất độ hạt mịn , đồng thời năng lượng tạo hình ổn định và nhỏ nhất, mức độ biến dạng cần thiết phải tối ưu qua từng nguyên công để quá trình công nghệ ngắn nhất, kết cấu khuôn mẫu, tốc độ biến dạng, thiết bị dập, ép phù hợp…

Với những ưu điểm của công nghệ ép chảy ngang và khả năng ứng dụng

rộng rãi vào trong thực tế sản xuất, chính vì vậy tác giả đã lựa chọn đề tài: “Nghiên

cứu biến dạng tạo hình khớp nối chữ thập bằng công nghệ ép chảy ngang”

Luận văn được kết cấu thành 4 chương.Chương 1 giới thiệu tổng quan về công nghệ ép chảy, qua đó biết được nguyên lý hoạt động và ưu nhược điểm của phương pháp Chương 2 trình bày lý thuyết về ảnh hưởng của các yếu tố đến quá trình ép Chương 3 phân tích các yếu tố ảnh hưởng tới quá trình ép chảy bằng phần mềm Deform3D Thực nghiệm chế tạo khớp nối chữ thập bằng phương pháp ép chảy ngang được trình bày trong chương 4 Cuối cùng là các kết luận

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ ÉP CHẢY NGANG

1.1 Tổng quan về công nghệ ép chảy

1.1.1 Định nghĩa

Ép chảy là phương pháp chế tạo sản phẩm bằng cách ép vật liệu qua một khuôn cối với lục đủ lớn để vật liệu chảy qua lỗ hình của khuôn Ép chảy có thể ứng dụng cho kim loại, chất dẻo, cao su… dạng khối hoặc dạng bột

Thông thường, ép chảy được sử dụng để sản xuất thanh, bình, ống hình trụ đặc hoặc rỗng, được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp chế tạo máy, sản xuất hàng tiêu dùng… Công nghệ ép chảy cũng chế tạo phôi cho các quá trình kéo dây, rèn, dập và gia công phức tạp

1.1.2 Phân loại quá trình ép chảy

Có nhiều cách để phân loại công nghệ ép chảy: theo sản phẩm, theo hướng ép, theo nhiệt độ làm việc, theo thiết bị,…

1.1.2.1 Phân loại theo hướng tác dụng

Căn cứ vào hướng của tác dụng người ta phân ép chảy thành nhiều loại: ép chảy ngược, ép chảy thuận, ép chảy nghiêng và ép chảy hỗn hợp Cách phân loại này chủ yếu căn cứ vào chiều chảy tương đối của kim loại so với chiều chuyển động của chày hoặc chiều lực tác dụng

Nếu chiều chảy kim loại trùng với chiều lực tác dụng thì gọi là ép chảy thuận Nếu chiều chảy của kim loại ngược với chiều của lực tác dụng (chiều chuyển động của chiều chảy) thì gọi là ép chảy ngược

Mỗi công nghệ đều có ưu điểm của nó, và sản phẩm từ các công nghệ này đều

có đặc trưng riêng

Hình 1.1 Ép chảy thuận

Hình 1.2 Ép chảy ngược

Nếu chiều chảy của kim loại làm với chiều lực tác dụng một góc nào đó khác 0 thì gọi là ép chảy nghiêng Trong thực tế thường gặp các trường hợp ép chảy với nhiều chiều chảy của kim loại khác nhau, có dòng chảy trùng với chiều của lực tác dụng, có dòng ngược chiều và có khi có cả dòng chảy không song song với chiều của lực tác dụng - trường hợp này gọi là ép chảy hỗn hợp

1.1.2.2 Phân loại theo nhiệt độ làm việc

Căn cứ vào nhiệt độ làm việc người ta chia làm hai loại: ép chảy nóng và ép chảy nguội

a) Ép chảy nguội

Ép chảy nguội là quá trình ép được thực hiện trong nhiệt độ phòng hoặc cao hơn một chút Quá trình này có thể được áp dụng cho hầu hết các vật liệu để thiết kế các công cụ thiết yếu mà có thể chịu được ứng suất trong quá trình ép

Các vật liệu có thể ép nguội là chì, hợp kim nhôm, đồng, titan, thiếc, molipden, vanadi… Các sản phẩm của quá trình ép nguôi là ống trụ, bình nhôm, ông cuộn…

Ưu điểm:

 Hạn chế xảy ra oxi hóa

 Tính chất cơ học của vật liệu tốt hơn do trong quá trình ép nguội xảy ra hiện tượng kết tinh lại

Do nhiệt độ cao và áp lực trong quá trình làm việc ảnh hưởng tới tuổi thọ của khuôn cũng như các thành phần khác Chính vì vậy chế độ bôi trơn tốt là rất cần thiết Dầu và graphit được sử dụng ở nhiệt độ thấp còn đối với nhiệt độ cao hơn thì người ta thường sử dụng bột thủy tinh

1.1.2.3 Phân loại theo thiết bị

Trong quá trình ép theo thiết bị thì thiết bị ép gồm có: Máy ép, chày và dụng

cụ ép

Và trong thực tế hầu hết các quá trình ép đều thực hiện với máy ép thủy lực, chính vì thế mà quá trình ép được phân loại dựa trên hướng đi của lực ép đó là: Ép chảy ngang và ép chảy dọc

 Ép chảy ngang được thực hiện ép cho các chi tiết lớn dạng khối Và quá trình

ép là quá trình tác dụng lực để kim loại chảy vào khuôn, hướng chảy của kim loại vuông góc lực tác dụng

Lực ép khoảng 15-50MN hoặc có thể lên tới 140MN

Thường được sử dụng cho ép thanh và ép hình

Nhược điểm của quá trình này là biến dạng không đồng đều do chênh lệch nhiệt

độ giữa hai đầu của phôi

 Ép chảy dọc là quá trình được sử dụng trong quá trình sản xuất ống nóng

+ Chiều dài cho không gian ép là lớn

+ Cần một không gian để làm sàn, hố làm nguội

+ Điều chỉnh hành trình khó khăn

+ Yêu cầu cao về đảm bảo nhiệt độ trong quá trình ép

1.1.2.4 Phân loại theo sản phẩm

Sản phẩm của ép chảy có đặc biệt so với các sản phẩm của các phương pháp công nghệ khác Vì trong ép chảy bao giờ kim loại cũng phải chảy qua cửa khuôn (lỗ thoát hình) cho nên bao giờ cũng phải có một bộ phận (hoặc toàn bộ) chi tiết có tiết diện ngang không đổi Căn cứ vào sản phẩm ép chảy người ta chia ép chảy ra làm hai loại: ép chảy hoàn toàn và ép chảy cục bộ Sản phẩm của ép chảy hoàn toàn

là các chi tiết có tiết diện ngang không đổi như ống, thanh thép định hình… gần giống như sản phẩm cán định hình Sản phẩm của ép chảy cục bộ bao giờ cũng gồm hai phần: Phần thân có hình dáng tùy ý và phần chân có tiết diện ngang không đổi

Hình 1.3 Sản phẩm ép chảy hoàn toàn (trái) và ép chảy cục bộ (phải)

Ngoài ra, người ta còn có thể phân loại theo hình dạng sản phẩm, chẳng hạn ép chảy hình ống, ép chảy thành mỏng, ép chảy để bó cáp…

Chi tiết hình ống được chế tạo với thiết bị ép lớn, có chiều dài chày, khuôn phù hợp chiều dài ống Khe hở giữa chày và khuôn là độ dày của thành ống Sau ép chảy người ta sẽ cắt ống thành từng đoạn để tạo ra sản phẩm cuối cùng

Để ra được một sản phẩm không phải chỉ ép một lần là ra mà có thể phải ép rất nhiều lần

Các sản phẩm được ép ra đều có cơ tính tốt, đảm bảo được yêu cầu làm việc Cách phân loại này cũng chỉ mang tính chất tương đối Tuỳ theo yêu cầu của sản phẩm cũng như chủ ý của nhà sản xuất mà lựa chọn các công nghệ phù hợp

Hình 1.4 Một số hình ảnh về ép chảy hình ống

Ép chảy thành mỏng dùng để chế tạo các chi tiết rỗng, ngắn, mỏng thành nhƣ bình phun, bình đựng thực phẩm, hóa chất,… Công nghệ này yêu cầu vật liệu mềm nhƣ nhôm, đồng, chì, thiếc và tốc độ ép chảy cao

Hình 1.5 Một số hình ảnh về ép chảy thành mỏng

1.1.3 Nguyên lý làm việc của quá trình ép chảy

Hình 1.6 Nguyên lý làm việc của quá trình ép chảy

Nguyên lý làm việc của quá trình ép tương đối đơn giản Hình mô tả nguyên lý làm việc của quá trình ép Chày ép đi xuống, đẩy kim loại vào khuôn và lỗ định hình, kim loại sẽ chảy qua lỗ theo nguyên lý trở lực biến dạng nhỏ nhất Tùy theo từng dạng ép cũng như hình dạng lỗ hình mà ta thu được sản phẩm riêng biệt

Dụng cụ gây biến dạng chính trong quá trình ép chảy là chày và cối

Lòng khuôn là phần không gian giới hạn bởi các bề mặt trong của cối và mặt chày Trong quá trình biến dạng chày chạy vào trong lòng cối làm giảm dần thể tích trong lòng khuôn

Nếu ta quy ước chia lòng khuôn thành hai phần:

Phần thụ động được cấu tạo bởi thành lòng khuôn và đáy tĩnh của nó

Phần chủ động được cấu tạo bởi thành lòng khuôn và đáy động của nó thường

là đáy chày , ở đây đáy lòng khuôn được coi là tĩnh khi nó không chuyển động tương đối với thành lòng khuôn Khi lỗ thoát kim loại đặt trong phần thụ động của lòng khuôn thì gọi là ép chảy thuận Ngược lại, khi ở phần chủ động của lòng khuôn

có lỗ thoát thì gọi là ép chảy ngược Nếu ở cả hai phần đều có lỗ thoát thì gọi là ép chảy hỗn hợp

1.1.4 Ưu điểm của phương pháp ép chảy

Sản phẩm ép chảy có độ chính xác cao, hệ số sử dụng vật liệu cao Hơn nữa ép chảy còn cho phép tạo ra các sản phẩm có hình dạng phức tạp mà các phương pháp khác không thể tạo ra được

1.2 Giới thiệu về phương pháp ép chảy ngang

Ép chảy ngang là một trong các phương pháp ép chảy được sử dụng phổ biến trên thế giới Ép chảy ngang được thực hiện ép cho các chi tiết lớn dạng khối Và quá trình ép là quá trình tác dụng lực để kim loại chảy vào khuôn, hướng chảy của kim loại vuông góc lực tác dụng

1.2.1 Đặc điểm của phương pháp ép chảy ngang

Ép chảy ngang mang đầy đủ các đặc trưng của phương pháp ép chảy Ngoài ra

1.2.2 Nguyên lý làm việc của quá trình ép chảy ngang

Hình 1.7 Nguyên lý làm việc của ép chảy ngang

Quá trình ép chảy ngang xảy ra trong ba giai đoạn:

Giai đoạn thứ nhất xảy ra từ đầu cho đến khi phôi bị phình ra chạm vào thành lòng khuôn Giai đoạn này mang tính chất của nguyên công chồn nhiều hơn

Giai đoạn thứ hai là giai đoạn bắt đầu từ khi chỗ phình trống của phôi chạm vào thành lòng khuôn cho đến khi cả lòng khuôn được điền đầy

Giai đoạn ba bắt đầu từ khi lòng khuôn được điền đầy cho đến khi kim loại được

ép chảy ra lỗ thoát ra ngoài đủ khối lượng cần thiết và kết thúc quá trìnhép chảy Quan sát tỉ mỉ hơn ta thấy rằng các giai đoạn kể trên có thể xảy ra và kết thúc sớm hoặc muộn hơn trong quá trình biến dạng, tùy thuộc và kích thước tương đối là giai đoạn sau có thể bắt đầu ngay khi giai đoạn trước chưa kết thúc, thậm chí có khi

cả 3 giai đoạn cùng đồng thời xảy ra, hoặc quá trình biến dạng có thể kết thúc ngay trước khi kết thúc giai đoạn hai

Trong một số trường hợp, giai đoạn hai kéo dài quá mức, không thể kết thúc được, vì trở lực biến dạng tại lỗ thoát kim loại nhỏ hơn ở các ngõ nghách khác của khuôn, làm cho lòng khuôn khó điền đầy Muốn khắc phục hiện tượng này ta có thể dùng đối áp để tăng trở lực biến dạng tại lỗ thoát kim loại

1.2.3 Sản phẩm của phương pháp ép chảy ngang

Sản phẩm của phương pháp ép chảy ngang rất đa dạng Với những ưu điểm của

mình, phương pháp này đang được ứng dụng rộng rãi trong lĩnh vực tạo hình khối,

cũng như trong các ngành công nghiệp ôtô, xe máy, máy công cụ Hình 1.8 là hình

ảnh các sản phẩm thực tế của phương pháp ép chảy ngang Có thể thấy là các sản

phẩm bánh răng, trục truyền động, khớp nối,…

Các sản phẩm được sử dụng ngay mà không cần gia công tiếp theo

Hình 1.8 Sản phẩm ép chảy ngang

Đa số các sản phẩm ép chảy ngang đều đạt được kích thước và hình dạng như

chi tiết cần dùng, không cần phải qua phương pháp gia công khác

1.2.3 Máy ép chảy

Máy ép chảy chủ yếu sử dụng thuỷ lực có điều khiển hành trình, lực ép tuỳ theo kích thước sản phẩm, ép nóng hay ép nguội mà lực ép của máy từ vài tấn đến hang trăm tấn Dưới đây là hình ảnh máy ép chảy đang được sử dụng trên thế giới

Hình 1.9 Máy ép chảy

1.2.4 Quy trình công nghệ truy n hống

Công nghệ dập khối ở Việt Nam đã được ứng dụng từ rất lâu, song cho tới nay, hầu như công nghệ dập khối mới chỉ dừng lại ở qui trình công nghệ đơn giản như sơ đồ sau:

Phôi  Rèn, dập khối  Phôi dập Dập khối chủ yếu được thực hiện ở trạng thái nóng để tiết kiệm năng lượng biến dạng và tăng tính dẻo của vật liệu Đi theo trình tự này, phôi ban đầu được lựa chọn sao cho phù hợp nhất với sản phẩm dập, sau đó sẽ được nung tới nhiệt độ tạo hình cần thiết (ví dụ từ 1100oC đến 1200oC đối với thép), tiếp đến phôi sẽ được tạo hình qua nhiều nguyên công như chồn, ép tụ, vuốt, uốn, ép chảy, dập thô, dập tinh, đột lỗ, cắt biên… cuối cùng ta sẽ có được sản phẩm dập Các sản phẩm này thường chỉ đạt được độ chính xác nhất định, nên trước khi sử dụng còn qua các nguyên công gia công cơ và nhiệt luyện Ít có trường hợp sau khi dập sau chỉ cần hoàn thiện sản phẩm

Các phương pháp tạo hình chính xác như dập trong khuôn kín, ép chảy rất ít được sử dụng, đặc biệt là trong trạng thái nửa nóng hay trạng thái nguội thì hầu như chưa được nghiên cứu cũng như ứng dụng Vật liệu phôi đầu vào cũng chủ yếu là thép Trong công nghệ gia công áp lực thì tạo hình khối chỉ chiếm tỷ trọng bằng một nửa tạo hình tấm

Hình 1.10 Các sản phẩm dập khối

Hiện nay, nhu cầu sản xuất các chi tiết máy bằng công nghệ dập khối phục

vụ cho các ngành công nghiệp khác nhau như công nghiệp ô tô, tàu thủy, chế tạo máy… đang ngày càng tăng cao Sự cần thiết phải có những công nghệ phù hợp cho phép nâng cao chất lượng sản phẩm, giảm thiểu nhập khẩu đang rất được quan tâm (nhất là đối với ngành chế tạo ô tô, hầu như các chi tiết trong bộ truyền động đều phải nhập ngoại)

Để chế tạo các chi tiết dạng khối (ví dụ trục truyền động, bánh răng, khớp nối, tay biên, trục khuỷu… , hiện nay trên thế giới thường sử dụng công nghệ dập khối đi theo trình tự như hình sau:

Hình 1.11 Quy trình công nghệ dập khối

Với công nghệ dập khối đáp ứng được nhiều tiêu chí của nhà kỹ thuật như sản xuất hàng loạt, đạt được độ chính xác cần thiết, tiết kiệm nguyên vật liệu, năng lượng và hơn nữa là các chi tiết có được tổ chức tế vi, cơ tính đáp ứng được khả năng làm việc dưới các điều kiện tải trọng khắc nghiệt

Nhưng đi theo con đường này thường phải có các nguyên công chuẩn bị, các thiết bị ngoại vi phục vụ quá trình sản xuất tự động, cần có các nguyên công xử lý vật dập sau khi dập khối, bởi sản phẩm chỉ đạt được độ chính xác nhất định Trong khi đó, các chi tiết thường cần độ chính xác kích thước cao, độ nhám bề mặt thấp

Vì vậy, quá trình sản xuất không kinh tế

Trong nghiên cứu đã xuất hiện rất nhiều loại hình công nghệ khác nhau cho phép chế tạo các sản phẩm chính xác, chất lượng cao như ép chảy, dập khối trong khuôn kín, dập thủy tĩnh phôi bột, dập tốc độ cao… Nhưng không phải với bất kỳ chi tiết nào cũng có thể áp dụng loại hình công nghệ như nhau hay trình tự công nghệ, các thông số công nghệ tương tự, mà mỗi loại sản phẩm lại cần có công nghệ phù hợp Bản thân mỗi công nghệ cũng cần phải nghiên cứu, xác định các thông số ảnh hưởng một cách chính xác sao cho quá trình công nghệ tối ưu nhất

1.2.5 Quy trình công nghệ i n iến

Đối với các chi tiết dạng khớp nối, yêu cầu về cơ tính rất cao, đặc biệt là tại các vị trí giao nhau giữa các tiết diện thay đổi đòi hỏi hướng thớ kim loại liên tục, tổ chức tế vi của chi tiết cũng cần thiết đạt được những yêu cầu nhất định để nâng cao tuổi thọ của chi tiết Ép chảy ngang đã được áp dụng trong thực tiễn sản xuất Tuy nhiên, còn có rất nhiều vấn đề đưa ra cần phải giải quyết tiếp như tối ưu chế độ nhiệt để đạt được chất lượng sản phẩm tốt nhất độ hạt mịn , đồng thời năng lượng tạo hình ổn định và nhỏ nhất, mức độ biến dạng cần thiết phải tối ưu qua từng nguyên công để quá trình công nghệ ngắn nhất, kết cấu khuôn mẫu, tốc độ biến dạng, thiết bị ép phù hợp…

Thực nghiệm

ép chảy

Xử lý sau ép

Mô hình hóa

Mô phỏng số

Qui trình công nghệ nếu xuất phát theo nhánh (b) là theo qui trình ép truyền thống Như vậy sẽ xuất phát từ vật liệu, sau đó tiến hành ép và hiệu chỉnh nhiều lần khuôn và các điều kiện công nghệ sau đó mới đưa ra được sản phẩm đạt chất lượng Phương pháp này tốn rất nhiều thời gian và tiền bạc Không còn phù hợp với xu hướng phát triển công nghệ

Qui trình tiên tiến kết hợp với mô phỏng số quá trình gia công cho ta nhiều

ưu điểm nổi bật Các bước tiếp cận từ lý thuyết đến mô phỏng không tốn kém mà hiệu quả mang lại rất cao Hạn chế được tối đa sai số khi vào thực nghiệm Giúp tiết kiệm thời gian và tiền bạc

Khi thực hiện mô phỏng số, toàn bộ các khâu của quá trình sản xuất thử từ thiết kế, hiệu chỉnh đều được thực hiện trên máy tính Xuất phát từ ý tưởng hay sản phẩm mẫu, mô hình của sản phẩm sẽ được dựng trên máy tính, mọi hiệu chỉnh công nghệ đều được thực hiện trực tiếp thông qua giao diện người-máy từ đó có những hiệu chỉnh hợp lý nhằm tối ưu qúa trình công nghệ Hình 1.13 là qui trình tối ưu hóa công nghệ nhờ mô phỏng số

Do tất cả các thao tác hiệu chỉnh nhằm tối ưu công nghệ đều được thực hiện trên máy tính cho đến khi đạt kết quả mong muốn nên để thực hiện một quá trình công nghệ cụ thể nào đó không phải tốn nhiều thời gian cũng như tài chính cho việc chế thử và hiệu chỉnh Điều này làm tăng tối đa hiệu suất tính toán, thiết kế, chất lượng sản phẩm và khả năng cạnh tranh

Ngoài hiệu quả về kinh tế và thời gian, mô phỏng số quá trình biến dạng còn giúp trả lời nhiều câu hỏi mà bằng thực nghiệm trong thực tế khó thỏa mãn được

Có thể biết trước được trường phân bố ứng suất và biến dạng trong quá trình tạo hình, các dạng hỏng hóc có thể xảy ra từ đó có những quyết định công nghệ hợp lý nhằm tối ưu hóa quá trình Đó là lý do vì sao ngày nay mô phỏng số ngày càng được sử dụng rộng rãi trong mọi lĩnh vực công nghiệp

1.3 Các công trình đã nghiên cứu về ép chảy ngang trên thế giới

Ép chảy ngang là công nghệ đã được ứng dụng rộng rãi trên thế giới Ở các trường đại học và các công ty đã có nhiều các công bố nghiên cứu về công nghệ này Ép chảy ngang không phải là công nghệ mới, vì vậy các công trình nghiên cứu

về nó cũng rất nhiều

T Altinbalik, (2006) [1] nghiên cứu ép chảy ngang ống trụ tạo vành Vật liệu ép

là thép AISI 1006, với 2 trường hợp ép tạo vành khác nhau thì tác giả đã thu được đường cong lực giữa mô phỏng và thực nghiệm Mặc dù vậy thí nghiệm lại chưa xét đến ảnh hưởng của vận tốc ép và nhiệt độ ép đến lực trong qúa trình ép

H Jafarzadeh et al, (2012) [2] trong nghiên cứu ép chảy ngang các chi tiết bánh răng của mình cũng đã đưa ra đường cong lực giữa mô phỏng và thực nghiệm Với vật liệu ép là chì nguyên chất và đường kính phôi là 20 mm, chiều cao phôi là 55mm, hệ số ma sát 0.04 Thí nghiệm này xét chì có thuộc tính đàn dẻo

M Zadshakoyan, (2009) [3] đã nghiên cứu ép chảy ngang trên vật liệu thép AISI 1006, tuy nhiên tác giả cũng chưa xét đến ảnh hưởng của yếu tố nhiệt độ đến quá trình ép

Sanjeeb Kumar Tirkey, (2007) [4] đã nghiên cứu chế tạo các trục bánh răng bằng công nghệ ép chảy ngang Tuy nhiên thí nghiệm dùng chì làm thí nghiệm và các thí nghiệm cũng coi chì là vật liệu đàn dẻo Các thí nghiệm cũng chưa xét đến ảnh hưởng của nhiệt độ

Hai tác giả H Jafarzadeh và Sanjeeb Kumar Tirkey là hai tác giả có nhiều nghiên cứu về ép chảy ngang mà kết hợp được cả mô phỏng và thực nghiệm Tuy nhiên các nghiên cứu của tác giả trên cũng như đa số các tác giả khác mới chỉ dừng lại nghiên cứu về kim loại có thuộc tính đàn dẻo và chưa xét đến ảnh hưởng của truyền nhiệt đến lực ép trong quá trình gia công

Thời gian gần đây các nghiên cứu về lý thuyết và thực nghiệm quá trình ép chảy nói chung và quá trình ép chảy ngang vẫn tiếp tục được nghiên cứu, [6-16]

1.4 Kết luận

Chương 1 đã cung cấp cơ sở lý thuyết cơ bản về công nghệ ép chảy ngang Nghiên cứu tổng quan cho thấy, công nghệ ép chảy ngang đang được ứng dụng rộng rãi vào trong thực tế sản suất Các công trình nghiên cứu, các báo cáo khoa học

về công nghệ này tương đối nhiều Tuy nhiên các công trình đảm bảo được mối quan hệ giữa mô phỏng và thực nghiệm lại ít Như đã trình bày ở bên trên, quá trình kết hợp mô phỏng và thực nghiệm với nhau đã được công nhận là mang lại hiệu quả rất lớn, giúp giảm đáng kể chi phí sản xuất Chính vì vậy với bất kỳ công nghệ nào, quá trình tìm ra được mối quan hệ giữa mô phỏng và thực tế đều được ưu tiên Nội dung của luận văn này cũng đi theo con đường kết hợp giữa mô phỏng và thực tế Tác giả đã kết hợp giữa mô phỏng và thực nghiệm để đánh giá một cách khách quan về ảnh hưởng của các yếu tố công nghệ đến quá trình ép

CHƯƠNG 2 LÝ THUYẾT VỀ ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC YẾU TỐ ĐẾN QUÁ

TRÌNH ÉP CHẢY 2.1 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình tạo hình

2.1.1 Ma sát trong quá trình ép chảy

Biết rằng khi kim loại bị biến dạng trong lòng khuôn thì chiều của lực ma sát bị biến dạng theo chiều dịch chuyển của kim loại Ta sẽ so sánh ma sát trong hai quá trình ép ngược và ép xuôi

Ma sát ảnh hưởng rất nhiều đến hình dáng và kích thước của vùng biến dạng chính (vùng tập trung nhiều ứng suất nhất), từ đó ảnh hưởng đến năng suất và chất lượng của sản phẩm

đối với ép chảy nhôm

Ta cũng có hệ số giảm tiết diện,

Vận tốc ép chảy = Vận tốc chày

Lực ép :

Với là hằng số ép chảy

2.1.3 Ảnh hưởng của nhiệ độ đến quá trình ép chảy

Khi tăng nhiệt độ thì ứng suất chảy dẻo của vật liệu giảm và khả năng cản trở biến dạng cũng giảm

Nhiệt độ làm việc phải đủ nhỏ để đảm bảo cho kim loại có độ dẻo thích hợp

Nhiệt độ làm việc phải thấp hơn nhiệt độ nóng chảy và giới hạn giòn nóng của vật liệu

Nhiệt độ cao làm tăng khả năng oxi hóa phôi và dụng cụ; hóa mềm chày, khuôn Khó điều chỉnh độ bôi trơn thích hợp

Nhiệt độ làm việc trong ép chảy thường cao hơn trong rèn, cán do ứng suất nén lớn và để giảm thiểu nguy cơ nứt vỡ phôi

Nhiệt độ của phôi phụ thuộc vào:

 Nhiệt độ ban đầu của dụng cụ, bản chất của vật liệu

 Nhiệt phát sinh do biến dạng dẻo

 Nhiệt phát sinh do ma sát giữa phôi và khuôn

 Khả năng truyền nhiệt ra môi trường bên ngoài của phôi và khuôn

Nhiệt độ làm việc trong ép chảy thường cao hơn trong rèn, cán do ứng suất nén lớn và để giảm thiểu nguy cơ nứt vỡ phôi

Nếu ta bỏ qua gradient nhiệt độ, nhiệt độ tức thời trung bình của vật liệu biến dạng tại thời điểm được xác định theo công thức:

(

) : nhiệt độ phôi

: nhiệt độ của khuôn : hệ số truyền nhiệt giữa khuôn và vật liệu : chiều dày vật liệu giữa khuôn, chày Nếu nhiệt độ tăng do biến dạng và ma sát, thì nhiệt độ trung bình của vật liệu tại thời điểm là:

: nhiệt phát sinh do biến dạng : nhiệt do ma sát

Nếu tăng nhiệt ép chảy , thì hệ số ép chảy và lực ép cũng tăng

Nếu tăng tốc độ biến dạng, độ phân tán nhiệt giảm Ngược lại, tốc độ biến dạng giảm, nhiệt độ sẽ phân bố đồng đều trong phôi và cho phép hệ số ép chảy lớn hơn

2.1.4 Ảnh hưởng của dòng chảy vật liệu

Ưu điểm của quá trình ép chảy là tạo được dòng chảy vật liệu theo xu hướng tích cực Chính sự ổn định của dòng chảy đã giúp chi tiết tăng được thêm cơ tính Trong quá trình ép chảy, các thông số công nghệ khác đều ảnh hưởng đến việc hình thành dòng chảy ổn định này Hình 2.2 là hình ảnh trực quan về dòng chảy vật liệu trong quá trình ép

Hình 2.2 Dòng chảy vật liệu trong quá trình ép

Có thể nhận thấy khi phôi đi qua vùng biến dạng của khuôn là lúc này dòng kim loại bị biến dạng mãnh liệt nhất Nếu như tốc độ ép quá lớn sẽ rất dễ gây khuyết tật lúc này Như vậy các yếu tố công nghệ đều ảnh hưởng tương hỗ với nhau Việc quan trọng nhất là tìm ra được mối quan hệ của các thông số này

2.2 Các dạng khuyết tật trong quá trình ép chảy

2.2.1 Phá vỡ b mặt

Sau gia công, kim loại có bề mặt gồ ghề, xuất hiện các vết nứt ngang, được gọi

là vết nứt nhánh cây Nguyên nhân của hiện tượng này là do phát sinh ứng suất kéo theo chiều dọc khi phôi bị ép qua khuôn

Trường hợp phổ biến nhất là tốc độ chày quá cao so với điều kiện nhiệt độ cho trước

Ở nhiệt độ thấp hơn, dính khuôn và thay đổi áp lực đột ngột là nguyên nhân gây

ra phá vỡ bề mặt, có thể gây ra đứt đoạn

Hình 2.2 Vết nứt ở bề mặt

Nứt bề mặt sẽ làm cho bề mặt của chi tiết không đảm bảo được điều kiện làm việc Nguy hiểm hơn trong quá trình làm việc sẽ rất dễ phát sinh các khuyết tật lớn hơn Gây hỏng hóc, tai nạn sản xuất

2.2.2 Sốc nhiệt

Nhiệt độ cao phát sinh do kim loại bắt đầu nóng chảy, gây ra phá vỡ

Hình 2.3 Sốc nhiệt ở ép chảy nhôm

Đây cũng chính là nguyên nhân gây hƣ hỏng sản phẩm khi ép nóng, tuy lực ép nóng có giảm nhƣng yêu cầu phải điều chỉnh tốt nhiệt độ ép

2.2.3 Nứt ở tâm hoặc ngoài b mặt

Hình 2.4 Vết nứt ở tâm

200µm

Nứt ở tâm hoặc ngoài bề mặt sản phẩm (center burst or chevron cracking) có thể xảy ra ở điều kiện hệ số ép chảy thấp do điều kiện ma sát thấp ở vùng biến dạng trong khuôn ép chảy

Nếu ma sát giữa phôi và công cụ lớn, sản phẩm hoàn thiện Ma sát nhỏ sẽ gây ra nứt ở tâm

2.2.4 Thay đổi cấu trúc và tính chất

Hình 2.5 Hiện tượng lớn hạt gây r th y đổi về tính chất vật liệu

Trong trường hợp ép chảy với biến dạng không đồng đều, biến dạng nhiều hướng (cả phía trước cũng như phía sau đều có biến dạng theo cả chiều ngang và chiều dọc), dẫn đến thay đổi cấu trúc và tính chất

Do nhiệt độ làm việc quá cao, gây ra hiện tượng lớn hạt, có thể nhìn thấy những vùng hạt lớn quá mức hình bên

2.3 Kết luận

Quá trình nghiên cứu lý thuyết ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến quá trình gia công là hết sức cần thiết Các lý thuyết đã cung cấp một cách nhìn trực quan, giúp các nhà nghiên cứu thu hẹp được các thông số cần nghiên cứu để từ đó giúp quá trình nghiên cứu dễ dàng hơn

Cụ thể trong luận văn này Với quá trình ép chảy ngang, có rất nhiều các thông số ảnh hưởng đến quá trình ép Tuy nhiên chỉ có một vài thông số có ảnh hưởng quyết định đến tính hiệu quả của công nghệ Trong đó có thể kể đến ảnh hưởng của yếu tố ma sát, vận tốc ép, hình dạng khuôn ép, chế độ nhiệt trong quá trình ép Các yếu tố này lại có mối quan hệ qua lại với nhau Việc thay đổi yếu tố này đều có ảnh hưởng nhất định đến các yếu tố còn lại Các yếu tố ảnh hưởng này được nghiên cứu trong chương 3 sử dụng phương pháp mô phỏng số

CHƯƠNG 3 PHÂN TÍCH CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN QUÁ TRÌNH

ÉP CHẢY NGANG KHỚP NỐI CHỮ THẬP BẰNG PHẦN MỀM

DEFORM3D

3.1 Giới thiệu về phần mềm Deform3D

Deform là một nhóm phần mềm mô phỏng số trên phương pháp phần tử hữu hạn được sử dụng rộng rãi trong các quá trình mô phỏng số các quá trình tạo hình kim loại và hợp kim, các quá trình gia công cơ cũng như phân tích khuôn tạo hình Nhóm các phần mềm này được xây dựng bới tập đoàn SFTC Science Forming Technologies Corporation), [17]

Mô phỏng số giúp làm giảm thời gian thiết kế, tối ưu và nâng cao chất lượng đồng thời làm giảm chi phí cho số lần sản xuất thử trước khi đưa vào sản xuất hàng loạt sản phẩm Bên cạnh đó Deform còn có khả năng lựa chọn tìm kiếm hình dạng tối ưu nhất trong quá trình gia thiết kế khuôn gia công kim loại chính xác và dễ dàng hơn Những năm gần đây, phần mềm này đã được sử dụng rộng rãi tại các công ty lớn, các trung tâm nghiên cứu với mục đích phát triển chất lượng sản phẩm của mình Deform được ứng dụng nhiều nhất trong các ngành gia công biến dạng dẻo kim loại bằng áp lực như công nghiệp hàng không, ô tô dầu khí và các ngành công nghiệp khác có liên quan đến gia công biến dạng dẻo kim loại với mục đich tạo hình chính xác và nâng cao chất lượng sản phẩm qua việc phân tích kết cấu khuôn tạo hình, ảnh hưởng của các thông số của khuôn và phân tích các biến số trong quá trình gia công tạo hình như nhiệt độ, ứng suất, mức độ biến dạng, tốc độ biến dạng, phá huỷ… nhằm rút ra các giá trị tối ưu cho các thông số của khuôn tạo hình cũng như chế độ, điều kiện gia công , [5]

Nhóm sản phẩm Deform bao gồm các mô hình mô phỏng 3 chiều như: Deform 3D, Deform F3, phân tích ứng suất khuôn 3D, cán vòng, phân tích hình dạng công

cụ, mô phỏng cơ khí và phần mô phỏng đa chức năng Ngoài ra Deform còn có mô hình 2 chiều sử dụng khi các bài toán không nhất thiết phải mô phỏng trên không gian 3 chiều như biến dạng phẳng và đối xứng tròn xoay Vào những năm 1990,