Ứng dụng mô phỏng số trong nghiên cứu công nghệ cán nêm ngang chế tạo vít đường ray xe lửa

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI PHẠM THANH BÌNH ỨNG DỤNG MÔ PHỎNG SỐ TRONG NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ CÁNNÊM NGANG CHẾ TẠO VÍT ĐƯỜNG RAY XE LỬA LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Chuyên ngành : KỸ THUẬT VẬT LIỆU NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC : TS ĐINH VĂN HẢI Hà Nội – Năm 2010 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận văn thân thực hiện, kết nghiên cứu đưa luận văn thân thực chưa công bố tạp chí khoa học trước Các số liệu kết nghiên cứu thực cách trung thực xác Hà nội, ngày 10 tháng 10 năm 2010 Họ tên tác giả Phạm Thanh Bình MỤC LỤC Trang LỜI CAM ĐOAN MỤC LỤC DANH SÁCH CÁC BẢNG DANH SÁCH CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ LỜI NÓI ĐẦU 11 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN CÔNG NGHỆ CÁN NÊM NGANG VÀ VAI TRÒ CỦA MÔ PHỎNG SỐTRONG TỐI ƯU CÔNG NGHỆ 13 1.1 Công nghệ cán nêm ngang 13 1.2 Thiết bị cán nêm ngang 16 1.3 Chế độ nhiệt cán nêm ngang 21 1.4 Vai trò mô số tối ưu hóa công nghệ 22 1.4.1 Mô số biến dạng tạo hình 22 1.4.2 Phương pháp phần tử hữu hạn 23 1.4.3 Các bước thực mô số 24 25 1.5 Kết luận CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÍ THUYẾT VÀ NHỮNG THÔNG SỐ CÔNG NGHỆ ẢNH HƯỞNG TRONG CÁN NÊM NGANG 26 2.1 Nguyên lý tạo hình 26 2.2 Góc ăn α 28 2.3 Góc mở β 29 2.4.Các dạng khuyết tật thường gặp cán nêm ngang trục phẳng 29 2.4.1 Các dạng khuyết tật 29 2.4.2 Những nguyên nhân hình thành khuyết tật 30 35 2.5 Kết luận CHƯƠNG 3: GIỚI THIỆU CHUNG VỀ PHẦN MỀM DEFORM 36 3.1 Giới thiệu chung DEFORM 36 3.2 Cấu trúc phần mềm DEFORM 38 3.2.1 Tiền xử lý (pre-processing) 38 3.2.2 Module giải (Solver) 43 3.2.3 Hậu xử lý ( post procesing) 44 3.3 Kết luận 45 CHƯƠNG 4: ỨNG DỤNG MÔ PHỎNG SỐ TRONG BÀI TOÁN CHẾ TẠO VÍT ĐƯỜNG RAY XE LỬA 46 47 4.1 Bài toán dập đầu vít 4.1.1 Mô hình hình học 47 4.1.2 Các điều kiện biên toán 50 4.1.3 Chia lưới phần tử hữu hạn cho khuôn phôi 50 4.1.4 Kết mô 51 4.2.Thông số hình học ren vít 54 4.3 Mô toán cán ren 55 4.3.1 Mô hình hình học 55 4.3.2 Mô hình vật liệu 61 4.3.3 Các điều kiện biên 64 4.3.4 Chia lưới phần tử hữu hạn 64 4.4 Kết phân tích 65 4.4.1 Biến dạng 70 4.4.2 Trường ứng suất 76 4.4.3 Xét thay đổi nhiệt độ phôi 79 4.4.4 Tải trọng 83 4.4.5 Phá hủy vật liệu 85 4.4.6 Ảnh hưởng thông số công nghệ 87 4.5 Kết luận 92 KẾT LUẬN 93 TÀI LIỆU THAM KHẢO 94 DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng1.1 Các thông số máy cán nêm trục phẳng Viện hàn lâm khoa học công nghệ Belarus chế tạo 20 Bảng 4.1 Các giá trị điều kiện biên mô 50 Bảng 4.2 Các giá trị điều kiện biên mô 64 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Trang Hình 1.1 Sơ đồ cán nêm – ngang 13 Hình 1.2 Một vài sản phẩm cán nêm ngang 14 Hình.1.3 Một số chi tiết chế tạo từ phôi cán 14 Hình 1.4 Sơ đồ phân bố lực trường hợp cán nêm ngang-phẳng cán ngang trục tròn 15 Hình 1.5 Các loại máy cán nêm 17 Hình 1.6 Dụng cụ nêm phẳng 19 Hình 1.7 Máy cán nêm trục phẳng trục tròn thực tế 19 Hình 1.8 Máy cán nêm ngang trục phẳng PM 5.150 19 Hình 1.9 Các chi tiết chế tạo sử dụng công nghệ cán nêm ngang 21 Hình 1.10 So sánh phương pháp sản xuất cổ điển tiên tiến 23 Hình 1.11 Sơ đồ tiến hành toán mô 24 Hình 2.1 Quá trình tạo hình sản phẩm 27 Hình 2.2 Sơ đồ phân bố lực 27 Hình 2.3 Hệ trục toạ độ minh hoạ phương lực cán 28 Hình 2.4 Các phế phẩm khuyết tật[4) 30 Hình 2.5 Sự hợp lỗ trống ứng suất cắt [4] 32 Hình 2.6 Sự hợp lỗ trống ứng suất kéo [4] 32 Hình 2.7 Mặt cắt có khuyết tật[4] 33 Hình 2.8 Sự xuất lỗ hổng lớn bên [4] 33 Hình 2.9 Mặt cắt theo chiều ngang phôi [4] 33 Hình 2.10 Ứng suất vùng khuyết tật [4] 34 Hình 3.1 Bảng tiếp cặp tiếp xúc DEFORM 3D 42 Hình 3.2 Hộp thoại điều khiển mô DEFORM 3D 43 Hình 3.3 DEFORM 3D hậu sử lý 44 Hình 4.1 Kích thước phôi 47 Hình 4.2 Kích thước khuôn 47 Hình 4.3 Kích thước khuôn 48 Hình 4.4 Mô hình hình học toán 49 Hình 4.5 Mô hình toán sau chia lưới 51 Hình 4.6 Hành trình dập sản phẩm đầu vít 52 Hình 4.7 Sản phẩm đầu vít sau mô 53 Hình 4.8 Đồ thị tải trọng theo phương PZ 53 Hình 4.9 Các thông số ren vít 54 Hình 4.10 Trường hợp1 55 Hình 4.11.Trường hợp 56 Hình 4.12 Trường hợp 57 Hình 4.13 Trường hợp 58 Hình 4.14 Trừờng hợp 59 Hình 4.15 Trường hợp 60 Hình 4.16 Kích thước phôi 61 Hình 4.17 Mô hình toán 61 Hình 4.18 Đường cong ứng suất-biến dạng C45 nhiệt độ biến dạng khác (tốc độ biến dạng =0.1s-1) 62 Hình 4.19 Chia lưới phần tử hữu hạn cho phôi 65 Hình 4.20 Mô hình toán sau chia lưới 65 Hình 4.21 Kết mô trường hợp 66 Hình 4.22 Kết mô trường hợp 66 Hình 4.23 Kết mô trường hợp 66 Hình 4.24 Kết mô trường hợp 67 Hình 4.25 Kết mô trường hợp 67 Hình 4.26 Kết mô trường hợp 67 Hình 4.27 Kích thước khuôn 68 Hình 4.28 Quá trình tạo hình sản phẩm ren 69 Hình 4.29 Phân bố biến dạng trình cán 70 Hình 4.30 Cường độ biến dạng hướng vùng phôi 72 Hình 4.31 Cường độ biến dạng hướng kính độ côn phôi 72 Hình 4.32 Biến dạng mặt cắt ngang 73 Hình 4.33 Biến dạng dọc trục 74 Hình 4.34 Biến dạng theo mặt cắt ngang 75 Hình 4.35 Ứng suất Von Mises phôi 76 Hình 4.36 Ứng suất Von Mises mặt cắt ngang 77 Hình 4.37 Vị trí ba điểm khảo sát 78 Hình 4.38 Đồ thị ứng suất điểm P1P2P3 78 Hình 4.39 Đồ thị ứng suất lớn 79 Hình 4.40 Trường nhiệt độ qua mặt cắt dọc trục(a.b) 80 Hình 4.41 Trường nhiệt độ phôi giai đoạn ổn định kích thước 81 Hình 4.42 Nhiệt độ cán dọc trục cắt 82 Hình 4.43 Nhiệt độ cán phôi 82 Hình 4.44 Đồ thị tải trọng theo Py 84 Hình 4.45 Đồ thị tải trọng theo Pz 84 Hình 4.46 Phân bố ứng suất mặt cắt dọc truc mặt cắt ngang 85 Hình 4.47 Phân bố ứng suất mặt cắt ngang giai đoạn đầu 86 Hình 4.48 Phân bố phá hủy theo mặt cắt dọc trục 86 Hình 4.40 Trường nhiệt độ qua mặt cắt dọc trục(a.b) Có thể thấy rõ sau cán nhiệt nhiệt độ phân bố không theo chiều dọc phôi số vùng nhiệt độ đạt lên đến 11500C - tăng lên 2500C so với nhiệt độ ban đầu Nguyên nhân tăng nhiệt ma sát tiếp xúc phôi khuôn 80 suốt trình tạo hình biến dạng dẻo gây nên Bên tâm phôi nhiệt độ không giảm cấp nhiệt biến dạng dẻo đồng thời trình truyền nhiệt môi trường bị cản trở lớp kim loại phía Phần mũ vít nhiệt độ giảm nhanh tiếp xúc với môi trường bên đồng thời tác động biến dạng dẻo Hình 4.41 Trường nhiệt độ phôi giai đoạn ổn định kích thước 81 Hình 4.42 Nhiệt độ cán dọc trục cắt Hình 4.43 Nhiệt độ cán phôi 82 Nhiệt độ thấp có giá trị 805oC so với nhiệt độ cán ban đầu 900oC Có thể thấy nhiệt độ giảm không nhiều sau biến dạng tạo hình Có thể giải thích thời gian gia công ngắn (4,8 giây) Điều có ý nghĩa đặc biệt quan trọng để ứng dụng vào trình xử lí nhiệt sau cán nhiệt độ kết thúc cán sản phẩm lớn nhiệt độ kết tinh lại (nhiệt độ gây chuyển biến pha xử lí nhiệt) 4.4.4 Tải trọng Tải trọng lớn đặt lên khuôn nêm theo phương cán (Px) vào khoảng 84kN (8,4 tấn) Tải trọng lớn xảy vùng chuyển biến vùng khuôn côn khuôn phẳng Hình 4.45 đồ thị tải trọng theo phương PZ (phương vuông góc với mặt phẳng khuôn nêm), lực PZ lớn đạt giá trị 230 kN (23 tấn) Lực đẩy ngang-lực Py có giá trị không đáng kể Các lực có ý nghĩa quan trọng việc tính toán chế tạo thiết bị cán nêm ngang việc lựa chọn công suất động thích hợp cho máy cán nêm ngang 83 Hình 4.44 Đồ thị tải trọng theo Py Hình 4.45 Đồ thị tải trọng theo Pz 84 4.4.5 Phá hủy vật liệu Khuyết tật rỗng tâm (các lỗ rỗng tâm) sản phẩm cán nêm dạng khuyết tật phổ biến có ảnh hưởng lớn đến tính sản phẩm Do việc nghiên cứu chế hình thành khuyết tật quan trọng Theo số nghiên cứu đưa trước nguyên nhân hình thành lỗ rỗng sản phẩm hiệu ứng Mannesmann Trong trình cán nêm ngang, phôi biến dạng thành chi tiết ren vít nhờ việc di chuyển khuôn tạo hình Quá trình biến dạng dẻo phôi phức tạp kết hợp việc nén hướng kính, mở rộng hướng trục, cắt hướng ngang diễn để đạt hình dạng chi tiết cuối Giá trị độ lớn thành phần biến dạng dẻo phụ thuộc vào hình dạng khuôn tạo hình độ giảm tiết diện chi tiết gia công Điều rằng, khuyết tật bên phôi phát triển phụ thuộc vào đặc tính trình biến dạng dẻo Các lỗ rỗng nhỏ bắt đầu tạo từ trình biến dạng dẻo mãnh liệt sau vết nứt nhỏ mở rộng thành khe nứt xung quanh lỗ rỗng theo hướng trục phôi tạo hình Phụ thuộc vào điều kiện làm việc mà khe nứt sát nhập tạo nên lỗ rỗng lớn tâm sản phẩm Từ kết phân tích thành phần ứng suất thấy rằng, tâm phôi chịu ứng suất kéo tạo động lực cho dạng khuyết tật rỗng tâm phát triển Điều phù hợp với lí thuyết đưa ban đầu Hình 4.46 Phân bố ứng suất mặt cắt dọc truc mặt cắt ngang 85 Hình 4.47 Phân bố ứng suất mặt cắt ngang giai đoạn đầu Hình 4.48 Phân bố phá hủy theo mặt cắt dọc trục 86 Hình 4.49 Phân bố phá hủy Trong trình cán ren việc thiết kế khuôn tối ưu hóa thông công nghệ từ làm giảm nguy gây khuyết tật 4.4.6 Ảnh hưởng thông số công nghệ -Ảnh hưởng góc β Quá trình mô thực với nhiều góc β khác từ β=10o30’ tới β= 12o30’ để xem xét ảnh hưởng góc tạo hình tới trình biến dạng vật liệu Dưới số kết cho trường hợp β=10o30’ β=12o30’ • Trường biến dạng Khi với điều kiện nhiệt độ, ma sát cho kết khác nhau, biến dạng với hệ số góc β = 12030' cho sản phẩm tốt so với góc β = 10030' 87 β = 100.30' β = 120.30' Hình 4.50 Phân bố biến dạng Có thể nhận thấy biến dạng với góc β = 100.30' làm cho phôi dễ bị trượt bề mặt khuôn, tạo phế phẩm kết thúc hành trình Với góc β = 120.30' xất hiện tượng ren bị mờ chân ren biến dạng Vậy qua xét trường hợp biến dạng cho thấy ảnh hưởng lớn góc β định hình thành tạo sản phẩm cuối Nhận thấy rằng, hai trường hợp biểu đồ phân bố cường độ biến dạng khác cường độ phân bố biến dạng, trường hợp có góc β =10030′ biến dạng ban đầu không định hình ren sau phôi bị trượt bề mặt khuôn nêm, biến dạng mãnh liệt xảy bề mặt sản phẩm Trong trình biến dạng trường hợp β = 120.30', kim loại dễ chảy dẻo phần đầu trục có xu hướng chảy dẻo theo phương di chuyển khuôn nêm, điều tạo nếp gấp sản phẩm Chính nếp gấp khuyết tật nêu phần trước 88 β = 100.30' β=120.30' Hình 4.51 Cường độ biến dạng dọc trục • Trường ứng suất β = 100.30' β = 120.30' Hình 4.52 Phân bố ứng suất dọc trục β = 100.30' β = 120.30' Hình 4.53 Phân bố mặt ứng suất 89 β = 100.30' β = 120.30' Hình 4.54 Phân bố biến dạng kết thúc cán Khi thay đổi góc β nhìn chung phân bố ứng suất trường hợp tương đối khác Tuy nhiên giá trị ứng suất với góc β lớn lớn so với góc β nhỏ Giá trị ứng suất có ảnh hưởng tới khuyết tật rỗng tâm sản phẩm trình phá hủy vật liệu Mặt khác, giá trị β lớn làm cho lực cán tăng lên gây tổn thất không đáng có mặt lượng cho trình tạo hình -Ảnh hưởng thông số khác Trong nghiên cứu xét đến ảnh hưởng tốc độ dụng cụ hệ số ma sát Nhận thấy tăng hệ số ma sát biến số khác không thay đổi nhiều cường độ phân bố phôi cán, yếu tố ảnh hưởng đáng kể lực cán (tỉ lệ thuận với hệ số ma sát) Tốc độ dụng cụ thay đổi theo ba giá trị 100mm/s, 200mm/s 300mm/s với thông số khuôn Tốc độ dụng cụ tăng làm ảnh hưởng đến nhiệt độ phôi trình gia công nhiệt độ sản phẩm, phân bố nhiệt độ trình cán khác không đáng kể nhiên giá trị nhiệt độ lại tỉ lệ thuận với tốc độ dụng cụ 90 Hình 4.55 sản phẩm cán sau mô Sau mô phân tích với nhiều mô hình khác nhau, rút kích thước khuôn xác để tạo hình sản phẩm theo yêu cầu với góc β= 11o30’ kích thước khác hình Hình 4.56 Kích thước khuôn 91 4.5 Kết luận Phần mềm DEFORD 3D ứng dụng để mô trình biến dạng tạo hình nói chung toán cán ren vít nói riêng Các kết mô khẳng định dắn mô hình vật liệu áp dụng vào toán cán ren vít, đồng thời khẳng định đắn kết mô so với thực tế Kết mô toán cán ren vít máy cán nêm ngang đáng tin cậy, sử dụng để tối ưu công nghệ 92 KẾT LUẬN Cán nêm ngang loại hình công nghệ gia công kim loại áp lực Đây phương pháp công nghệ có nhiều ưu điểm so với phương pháp truyền thống hệ số sử dụng vật liệu lớn, suất cao tiết kiệm lượng Lý thuyết công nghệ cán nêm ngang nhà khoa học giới phát triển hoàn thiện nhằm mục đích đưa công nghệ ngày phổ biến ngành công nghệ chế tạo máy Trong nghiên cứu lý thuyết, nhiều nhà khoa học chọn mô số phương pháp tiếp cận tối ưu chi phí thấp hiệu cao Trong luận văn này, thông số công nghệ ảnh hưởng tới trình tạo hình vít đường ray xe lửa công nghệ cán nêm ngang phân tích tối ưu phương pháp mô số Xuất phát từ mô hình toán chế tạo vít đường ray xe lửa, sau xem xét thông số ảnh hưởng tới trình tạo hình công nghệ cán nêm ngang, mô hình mô thiết lập với trợ giúp phần mềm mô DEFORM Quá trình tính toán phân tích tiến hành cho nhiều trường hợp với thông số ảnh hưởng khác Thông qua kết tính toán mô đề tài, trình bày thông số tối ưu cho toán tạo hình vít đường ray xe lửa: - Góc mở β = 11o30’ - Góc ăn α ≈ 10 - Hệ số ma sát = 0,4 - Nhiệt độ phôi cán 900oC - Tốc độ khuôn cán 150 mm/s Ngoài thông số công nghệ phục vụ cho toán cán vít ren tàu điện, qua việc phân tích ứng suất, biến dạng…, luận án phần làm rõ chế biến dạng cán nêm ngang, nguyên nhân hình thành phá huỷ khuyết tật sản phẩm Các kết đề tài sở cho việc thiết kế khuôn mẫu tiến hành thực nghiệm giai đoạn nghiên cứu 93 TÀI LIỆU THAM KHẢO Đào Minh Ngừng – Nguyễn Trọng Giảng – “ Lý Thuyết Cán " Nhà xuất Giáo Dục 2007 Lê Công Dưỡng - “ Vật Liệu Học " Nhà suất khoa học Kỹ thuyật- 1997 Nguyễn Trọng Giảng “ Thuộc tính học vật rắn " Đại Học Bách Khoa Hà Nội Qiang Li, Michael R Lovell, William Slaughter, Kaveh Tagavi, Investigation of the morphology of internal defects in cross wedge rolling G Fang, L.P Lei, P.Zeng, Three-dimentional rigid finite element simulation for the two-roll cross-wedge rolling process V.Y Shchukin, G.V Kozhevnikova, Cross-Wedge rolling in Belarus Mink PTI NAS Belaru, Theory and Practice of Cross-wedge Rolling Z.Pater* -Poland, Tools optimisation in cross-wedge rolling User’s manual in DEFORM -3D V6.1 10 Advanced methods and technologies for mateials manufacture and processing 94 ... QUAN CÔNG NGHỆ CÁN NÊM NGANG VÀ VAI TRÒ CỦA MÔ PHỎNG S TRONG TỐI ƯU CÔNG NGHỆ 13 1.1 Công nghệ cán nêm ngang 13 1.2 Thiết bị cán nêm ngang 16 1.3 Chế độ nhiệt cán nêm ngang 21 1.4 Vai trò mô số. .. 1: TỔNG QUAN CÔNG NGHỆ CÁN NÊM NGANG VÀ VAI TRÒ CỦA MÔ PHỎNG SỐ TRONG TỐI ƯU CÔNG NGHỆ 1.1 Công nghệ cán nêm ngang Cán nêm ngang loại hình công nghệ gia công kim loại áp lực sử dụng để sản xuất... thác sử dụng phần mềm để tối ưu thông số công nghệ cán nêm ngang 25 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÍ THUYẾT VÀ NHỮNG THÔNG SỐ CÔNG NGHỆ ẢNH HƯỞNG TRONG CÁN NÊM NGANG 2.1 Nguyên lý tạo hình Quá trình tạo hình