nghiên cứu công nghệ ép chảy thuận thanh nhôm định hình

Các vấn đề nghiên cứu trong luận văn được trình bày trong 4 chương: Chương 1 giới thiệu tổng quan về công nghệ ép chảy, mô hình quá trình ép chảy, đực điểm, các dạng sản phẩm của quá trì

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

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

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

LỜI CAM ĐOAN

Tôi là Tạ Văn Thu, học viên lớp Cao học Công nghệ chế tạo máy – Khoá 2009, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Sau hai năm học tập nghiên cứu, được sự giúp đỡ của các thầy cô giáo và đặc biệt là sự giúp đỡ của PGS.TS Nguyễn Đắc Trung, tôi đã

đi đến cuối chặng đường để kết thúc khoá học Tôi đã quyết định chọn đề tài tốt nghiệp

là: “Nghiên cứu công nghệ ép chảy thuận thanh nhôm định hình ”

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của cá nhân tôi dưới sự hướng dẫn của PGS.TS Nguyễn Đắc Trung và chỉ tham khảo các tài liệu đã được liệt kê, ngoại trừ các số liệu, các bảng biểu, đồ thị, công thức đã được trích dẫn trong tài liệu tham khảo, nội dung công bố còn lại trong luận văn là của chính tác giả đưa ra Nếu sai, tác giả xin hoàn toàn chịu trách nhiệm

Hà Nội, ngày 16 tháng 03 năm 2012

Tác giả

Tạ Văn Thu

MỤC LỤC

Trang bìa phụ

Lời cam đoan

Mục lục 1

Danh mục các kí hiệu và chữ viết tắt 4

Danh mục bảng, hình vẽ và đồ thị 6

MỞ ĐẦU 9

Chương 1 - TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ ÉP CHẢY 11

1.1 Khái niệm chung về ép chảy 11

1.1.1 Định nghĩa 11

1.1.2 Đặc điểm chung của công nghệ 11

1.2 Các phương pháp ép chảy……… 13

1.2.1 Ép chảy thuận 14

1.2.2 Ép chảy ngược 15

1.2.3 Ép chảy hỗn hợp 15

1.2.4 Ép chảy với hành trình ngắn 16

1.3 Các phương pháp công nghệ của quá trình ép chảy……….17

1.3.1 Chuẩn bị phôi 18

1.3.2 Nung phôi 19

1.3.3 Quá trình ép 19

1.3.4 Xử lý sau ép 20

1.4 Ứng dụng công nghệ ép chảy ở Việt Nam……… …… 22

1.5 Mục đích nghiên cứu của luận văn……….………… 22

Chương 2 - NGHIÊN CỨU TRẠNG THÁI ỨNG SUẤT, BIẾN DẠNG, LỰC VÀ CÔNG TRONG QUÁ TRÌNH ÉP CHẢY 24

2.1 Trạng thái ứng suất, lực và công biến dạng khi ép chảy……… 24

2.1.1 Trạng thái ứng suất 24

2.1.2 Lực và công biến dạng 24

2.1.3 Quan hệ giữa lực và hành trình ép……… 27

2.1.4 Đặc điểm của kim loại ép chảy 28

2.2 Cơ sở tính toán 31

2.2.1 Vùng thoát hình trụ I 32

2.2.2 Vùng thoát hình trụ II 32

2.2.3 Vùng chứa phôi hình trụ III 38

2.2.4 Áp lực riêng đối với các dạng khuôn khác nhau 40

Chương 3 - NGHIÊN CỨU, ỨNG DỤNG PHẦN MỀM DEFORM – 3D VÀO MÔ PHỎNG SỐ QUÁ TRÌNH BẾN DẠNG TẠO HÌNH 43

3.1 Các phương pháp nghiên cứu 43

3.1.1 Phương pháp số 43

3.1.2 Phương pháp mô phỏng số 43

3.2 Phần mềm Deform 3D 48

3.2.1Giới thiệu chung và phạm vi ứng dụng 48

3.2.2 Giao diện phần mềm Deform 3D và cài đặt các thông số 50

3.3 Kết luận 56

Chương 4 - MÔ HÌNH HÓA QUÁ TRÌNH ÉP CHẢY THUẬN THANH NHÔM ĐỊNH HÌNH Ở TRẠNG THÁI NÓN 59

4.1 Các giả thuyết cơ bản 59

4.2 Mô hình biến dạng của kim loại và hợp kim ở trạng thái nóng 60

4.2.1 Phương trình liên tục 60

4.2.2 Phương trình cân bằng 61

4.2.3 Phương trình truyền nhiệt 61

4.2.4 Phương trình thuộc tính 63

4.2.5 Phương trình chảy dão 66

4.2.6 Tóm tắt mô hình 67

4.3 Nghiên cứu tối quá trình ép chảy thanh nhôm định hình 68

4.4 Mô hình hóa quá trình ép chảy thuận thanh nhôm định hình 71

4.4.1 Mô hình hình học 71

4.4.2 Mô hình lưới phần tử……….……… 73

4.4.3 Mô hình vật liệu……….74

4.4.4 Mô hình tiếp xúc……… ……… 77

4.4.5 Tiến hành mô phỏng……….………77

4.5 Kết luận……….….……….…83

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 85

LỜI CẢM ƠN 87

TÀI LIỆU THAM KHẢO 88

BẢNG CÁC KÝ HIỆU

−

Ký hiệu Ý nghĩa Đơn vị đo

DANH MỤC BẢNG, HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

1.3 Sơ đồ ép chảy thuận thanh đặc 14

1.5 Sơ đồ ép chảy hỗn hợp 16 1.6 Sơ đồ ép chảy với hành trình ngắn 17

1.7 Sơ đồ quy trình công nghệ ép chảy thuận thanh nhôm định

2.1 Sơ đồ trạng thái ứng suất và biến dạng trong ép chảy thuận 24

2.4 Sơ đồ bài toán ép chảy thuận phôi thanh có tiết diện ngang

tròn

31

nhau

41

3.1

Sơ đồ so sánh quá trình tối ưu hóa công nghệ giữa

phương pháp truyền thống và phương pháp công nghệ

mô phỏng số(công nghệ ảo)

47

Hình Ý nghĩa Trang

3.7 Tạo tiếp xúc giữa các đối tượng 55

Hình Ý nghĩa Trang

LỜI MỞ ĐẦU

Trong những năm gần đây, cùng với sự phát triển mạnh mẽ của nền kinh tế, sản phẩm có yêu cầu chất lượng ngày càng cao, đa dạng về mẫu mã, chủng loại và phải đáp ứng nhanh chóng về gần đây, cùng với sự phát triển mạnh mẽ của nền kinh

tế, sản phẩm có yêu cầu chất lượng mặt thời gian sản xuất và cung cấp Do vậy, việc tối ưu hoá công nghệ nhằm nâng cao chất lượng, giảm chi phí thiết kế, sản xuất và

hạ giá thành sản phẩm luôn là tiêu chí hàng đầu cho tất cả các nhà sản xuất

Trước đây, khi công nghệ thông tin chưa phát triển, tối ưu hoá công nghệ thường dựa trên kinh nghiệm sản xuất và tối ưu dần trong quá trình sản xuất mà không có tính tổng quát nên hiệu quả thường không cao Trong những năm gần đây, cùng với sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ thông tin, điện tử, tự động hoá đã giúp quá trình tối ưu hoá công nghệ một cách đơn giản, nhanh chóng và chính xác bằng phương pháp mô phỏng số trên máy tính đem lại hiệu quả cao trong nghiên cứu khoa học cũng như trong sản xuất

Ở nước ta hiện nay, mô phỏng số vẫn là một vấn đề hầu như chưa được ứng dụng phổ biến vào sản xuất mà chỉ được nghiên cứu ở một số trường đại học cũng như các viện nghiên cứu Để góp phần vào sự phát triển chung của việc nghiên cứu công nghệ nhờ mô phỏng số và thúc đẩy kết quả tính toán mô phỏng số vào sản xuất công nghiệp, luận văn này tập chung nghiên công nghệ ép chảy thuận thanh nhôm định hình nhờ ứng dụng phần mềm DEFORM nhằm đưa ra được công nghệ

ép chảy tối ưu nhất nhằm giảm chi phí thời gian và chi phí kinh tế khi sản xuất và chạy thử khuôn ép

Các vấn đề nghiên cứu trong luận văn được trình bày trong 4 chương:

Chương 1 giới thiệu tổng quan về công nghệ ép chảy, mô hình quá trình ép chảy, đực điểm, các dạng sản phẩm của quá trình ép chảy, ngoài ra còn giới thiệu về các phương pháp công nghệ trong ép chảy

Chương 2 Nghiên cứu trạng thái ứng suất, biến dạng, lực và công trong qua trình

ép chảy, đó là cơ sỏ lý thuyết để áp dụng vào quá trình tính toán cho các quá trình công nghệ

Vấn đề về nghiên cứu, ứng dụng phẩn mềm DEFORM và mô phỏng số quá trình biến dạng tạo hình được trình bầy trong chương 3 Ngoài ra trong chương này còn trình bày các kết quả nghiên cứu về ép chảy trong thực tế

Chương 4 nghiên cứu mô hình hóa quá trình ép chảy thuận thanh nhôm định hinh có profile phức tạp ta bằng phần mềm DEFORM

Phần kết luận đưa ra một vài tổng kết quan trọng và hướng phát triển tiếp theo của đề tài

Hà nội, tháng 03 năm 2012

Tác giả

LỜI MỞ ĐẦU

Trong những năm gần đây, cùng với sự phát triển mạnh mẽ của nền kinh tế, sản phẩm có yêu cầu chất lượng ngày càng cao, đa dạng về mẫu mã, chủng loại và phải đáp ứng nhanh chóng về gần đây, cùng với sự phát triển mạnh mẽ của nền kinh

tế, sản phẩm có yêu cầu chất lượng mặt thời gian sản xuất và cung cấp Do vậy, việc tối ưu hoá công nghệ nhằm nâng cao chất lượng, giảm chi phí thiết kế, sản xuất và

hạ giá thành sản phẩm luôn là tiêu chí hàng đầu cho tất cả các nhà sản xuất

Trước đây, khi công nghệ thông tin chưa phát triển, tối ưu hoá công nghệ thường dựa trên kinh nghiệm sản xuất và tối ưu dần trong quá trình sản xuất mà không có tính tổng quát nên hiệu quả thường không cao Trong những năm gần đây, cùng với sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ thông tin, điện tử, tự động hoá đã giúp quá trình tối ưu hoá công nghệ một cách đơn giản, nhanh chóng và chính xác bằng phương pháp mô phỏng số trên máy tính đem lại hiệu quả cao trong nghiên cứu khoa học cũng như trong sản xuất

Ở nước ta hiện nay, mô phỏng số vẫn là một vấn đề hầu như chưa được ứng dụng phổ biến vào sản xuất mà chỉ được nghiên cứu ở một số trường đại học cũng như các viện nghiên cứu Để góp phần vào sự phát triển chung của việc nghiên cứu công nghệ nhờ mô phỏng số và thúc đẩy kết quả tính toán mô phỏng số vào sản xuất công nghiệp, luận văn này tập chung nghiên công nghệ ép chảy thuận thanh nhôm định hình nhờ ứng dụng phần mềm DEFORM nhằm đưa ra được công nghệ

ép chảy tối ưu nhất nhằm giảm chi phí thời gian và chi phí kinh tế khi sản xuất và chạy thử khuôn ép

Các vấn đề nghiên cứu trong luận văn được trình bày trong 4 chương:

Chương 1 giới thiệu tổng quan về công nghệ ép chảy, mô hình quá trình ép chảy, đực điểm, các dạng sản phẩm của quá trình ép chảy, ngoài ra còn giới thiệu về các phương pháp công nghệ trong ép chảy

Chương 2 Nghiên cứu trạng thái ứng suất, biến dạng, lực và công trong qua trình

ép chảy, đó là cơ sỏ lý thuyết để áp dụng vào quá trình tính toán cho các quá trình công nghệ

Vấn đề về nghiên cứu, ứng dụng phẩn mềm DEFORM và mô phỏng số quá trình biến dạng tạo hình được trình bầy trong chương 3 Ngoài ra trong chương này còn trình bày các kết quả nghiên cứu về ép chảy trong thực tế

Chương 4 nghiên cứu mô hình hóa quá trình ép chảy thuận thanh nhôm định hinh có profile phức tạp ta bằng phần mềm DEFORM

Phần kết luận đưa ra một vài tổng kết quan trọng và hướng phát triển tiếp theo của đề tài

Hà nội, tháng 03 năm 2012

Tác giả

CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ ÉP CHẢY 1.1 Khái niệm chung về ép chảy

1.1.1 Định nghĩa

Ép chảy là quá trình gia công kim loại bằng áp lực trong đó vật liệu dưới tác dụng của chày ép được ép qua lỗ cối tạo ra sản phẩm dạng thanh hoặc rỗng, có biên dạng mặt cắt ngang từ đơn giản đến phức tạp

1.1.2 Đặc điểm chung của công nghệ

Phương pháp ép chảy là một trong những phương pháp gia công áp lực nhờ lợi dụng tính dẻo của kim loại tạo ra các sản phẩm có hình dạng thanh hoặc rỗng có mặt cắt ngang bất kỳ, cũng có thể tạo ra các sản phẩm dạng chi tiết Trong đó hình dạng lỗ thoát quyết định tiết diện ngang của sản phẩm

Ép chảy có nhiều ưu điểm cụ thể như sau:

- Có thể áp dụng với các chi tiết có mặt cắt ngang phức tạp

- Sản xuất nhanh chóng, đơn giản, dễ dàng, tiết kiệm được nhiều kim loại nhất là trong sản xuất loạt lớn hoặc hàng khối nên giá thành sản xuất giảm

- Có thể tận dụng được phế liệu để chế tạo phôi cho việc tái sản xuất

- Khối lượng phôi có thể không chính xác nhưng cũng chỉ làm thay đổi chiều dài phần thân sản phẩm, chứ không ảnh hưởng đến các kích thước cũng như hình dạng khác của sản phẩm Do đó có thể cắt bỏ đi trong quá trình gia công cơ chứ không sợ quá tải khuôn như dập trên khuôn kín và chiều cao phần thân chi tiết vẫn được đảm bảo đúng kích thước

- Với những ưu điểm về năng xuất, chất lượng sản phẩm cao, giá thành hạ, thao tác sản xuất đơn giản không đòi hỏi bặc thợ cao lại có thể chế tạo được những chi tiết có biên dạng mặt cắt ngang phức tạp và có thể tạo ra các sản phẩm có độ dài tùy ý mà các phương pháp khác không đáp ứng được nên phương pháp ép chảy ngày càng được áp dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực: Dân dụng, công nghiệp nặng – nhẹ, Quốc phòng đặc biệt

là các ngành sản xuất nhôm thanh định hình

Tuy nhiên ép chảy cũng có những nhược điểm riêng:

- Quá trình tạo hình cần sử dụng lực ép lớn nên hầu hết phải thực hiện với phôi ở trạng thái nóng (450 – 5500C) dẫn tốn nhiên liệu và gây mòn các dụng cụ máy móc

- Do áp lực đơn vị cao nên lực tác dụng lên dụng cụ biến dạng lớn, làm giảm tuổi thọ của khuôn, nhất là lỗ thoát kim loại khuôn rất nhanh mòn

- Vật liệu khuôn phải làm bằng vật liệu tốt, chịu nhiệt và có tính chống mài mòn cao Tiêu hao năng lượng cho quá trình biến dạng lớn

Hình 1.1: Các dạng sản phẩm cơ bản của ép chảy

Các đặc điểm chính của ép chảy

- Thể tích kim loại luôn giảm trong quá trình ép

- Sản phẩm ép chảy có chất lượng cao, không bị rạn nứt, không có rỗ khí

- Tất cả các sản phẩm ép xong đều được qua nguyên công sử lý bề mặt để tăng cơ tính của sản phẩm và làm tăng tính thẩm mỹ cho sản phẩm

Phạm vi ứng dụng của phương pháp

- Ép chảy được ứng dụng để chế tạo các loại phôi dạng thanh profil định hình, ống có chiều dài vô hạn hoặc các chi tiết hoàn chỉnh hình trụ, côn, bậc, kiểu bulông hay các chi tiết rỗng có chiều dài theo yêu cầu sử dụng

- Chủng loại sản phẩm ép chảy rất đa dạng, chủ yếu được chế tạo từ kim loại

và hợp kim màu, đặc biệt từ nhôm và hợp kim nhôm Các sản phẩm ép chảy được

sử dụng rộng rãi trong các lĩnh vực khác nhau của nền kinh tế quốc dân như: Ngành thiết bị công nghiêp, giao thông vận tải, xây dựng, quân sự, trang trí nội thất

1.2 Các phương pháp ép chảy

Tùy theo các điều kiện sản suất và yêu cầu đối với sản phẩm mà có thể chia ra các phương pháp ép chảy khác nhau, trong đó phương pháp chủ yếu và phổ biến nhất là ép chảy thuận và ép chảy ngược bằng chày cối

Hình1.2: Mô hình ép chảy

1.2.1 Ép chảy thuận

Trong ép chảy thuận phôi dịch chuyển tương đối với thành ép và hướng chảy của kim loại trùng với hướng chuyển động của chày ép

Dươi đây là một số sơ đồ ép chảy thuận :

Hình1.3: Sơ đồ ép chảy thuận thanh đặc

Sản phẩm của quá trình ép chảy thuận thường có dạng thanh, ống hay profil định hình có chiều dài tùy vào mục đích sử dụng

Đối với ép chảy thuận hay sử dụng cối có góc thoát 2α = 1800 (cối phẳng) hoặc góc thoát 2α < 1800 , Đối với những kim loại và hợp kim dễ ép như nhôm thường sử dụng cối có góc thoát 2α = 1800

Dưới đây là một số sơ đồ ép chảy ngược:

Hình 1.4: Ép chảy ngược thanh đặc

1.2.3 Ép chảy hỗn hợp

Để nâng cao chất lượng sản phẩm ép, người ta sử dụng phương pháp ép chảy hỗn hợp Ép chảy hỗn hợp thì dòng chảy của kim loại chảy theo hai chiều cùng chiều và ngược chiều chuyển động của chày ép

Điều này thường được áp dụng với đồng và hợp kim đồng Đối với những kim loại khó ép thì thường thực hiện với cối ép có 2α < 1800, có bôi trơn trong quá trình ép hoặc 2α = 1800 khi ép có vỏ

Hình 1.5: Sơ đồ ép chảy hỗn hợp

1.2.3 Ép chảy với hành trình ngắn

Ép chảy với hành trình ngắn tương tự như ép chảy ngược và được thực hiện trên máy ép tốc độ cao, chày ép chuyển động với tốc độ rất lớn về phía vật thể Chiều dày của sản phẩm sau khi ép chính là khe hở giữa chày và cối

Quá trình này được dung trong biến dạng nguội, và thường ứng dụng để gia côngnhững kim loại có độ cứng không cao như đồng, chì kẽm

Hình 1.6: Sơ đồ ép chảy với hành trình ngắn

Ngoài các phương pháp trên người ta còn sử dụng các phương pháp ép chảy

đặc biệt khác như ép chảy ngang, ép chảy thủy tĩnh

Thông thường quá trình ép chảy được tiến hành với mức độ biến dạng rất

lớn, đối với những vật liệu dễ ép mức độ biến dạng có thể đạt tới ϕ = 7,

ϕ = ln(A0/A1) – mức độ biến dạng logarit, A0: diện tích mặt cắt ngang phôi ban đầu,

A1: diện tích mặt căt ngang sản phẩm Ứng suất lớn nhất có thể gấp 10 lần ứng suất

chảy của kim loại

Bằng phương pháp ép chảy có thể ép chảy được các sản phẩm hoàn thiện

hoặc bán thành phẩm Thông thường, ép các chi tiết được tiến hành ở nhiệt độ

thường hoặc ở trạng thái nửa nóng còn ép bán thành phẩm được tiến hành ở trạng

thái nóng tức là trên nhiệt độ kết tinh lại và thực hiện trên các máy ép thủy lực

ngang

1.3 Các phương pháp công nghệ của quá trình ép chảy

Quá trình ép thường trải qua các giai đoạn sau:

Chuẩn bị phôi → Nung phôi → Ép → Nhiệt luyện và chỉnh sửa lại sản phẩm

Hình 1.7 : Sơ đồ quy trình công nghệ ép chảy thuận thanh nhôm định hình ở

trạng thái nóng

1.3.1 Chuẩn bị phôi :

Chất lượng sản phẩm ép phụ thuộc vào chất lượng của vật đúc và độ chính xác của quá trình công nghệ sản xuất các vật đúc việc chuẩn bị bao gồm các thao tác cơ bản như sau:

• Nấu chảy kim loại và tinh luyện

Để đạt được cấu trúc tinh thể chất lượng cao của vật đúc người ta thường dùng phương pháp khuấy từ trường Cấu trúc và tinh thể của vật đúc được đồng nhất hóa bằng nhiệt luyện trong thời gian 20 đến 40 giờ giữ trong lò điện chuyên dùng để đồng đề ứng suất và làm nguội tiếp trong không khí

Chất lượng của sản phẩm ép phụ thuộc vào chất lượng sản phẩm của phôi, độ đồng nhất về thành phần hóa học, chất lượng bề mặt, độ sạch của phôi…

ÉP

Phôi ban đầu có dạng hình trụ tròn có nhiều loại kích thước khác nhau tùy thuộc vào buồng ép của máy ép

1.3.2 Nung phôi:

Chất lượng sản phẩm ép chảy ở từng mức độ khác nhau phụ thuộc vào độ đồng đều nhiệt của phôi ép, nhiệt độ ép có ảnh hưởng trực tiếp chất lượng, cấu trúc của vật liệu, các hợp kim nhôm rất nhạy với sự thay đổi nhiệt độ Hơn nữa việc ép chảy ta thường tiến hành ở nhiệt độ qua nhiệt độ kết tinh lại Thông thường ta lấy khoảng( 0,7 đến 0,75) Tnc (Nhiệt độ nóng chảy của nhôm là 6600C) Hay nhiệt độ nung vào khoảng 4500C – 5000C

Sau đó phôi được chuyển sang buồng ép của máy ép Nhằm đảm bảo nhiệt

độ của phôi luôn đồng nhất thì buông ép cũng được gia nhiệt trước và nó được giữ nhiệt bằng lớp bông cách nhiệt

1.3.3 Quá trình ép :

Như đã trình bày ở phần trên chúng ta có nhiều phương pháp ép chảy khác nhau: như ép thuận, ép nghịch, ép hỗn hợp nhưng đối với hợp kim nhôm hầu hết là

ép chảy thuận trên máy ép thủy lực nằm ngang

Phôi được nung đến nhiệt độ ép(450-500C)

Buồn nhiệt được nâng nhiệt độ lên 400-450C Buồng nhiệt có mục đích là làm hạn chế sự thất thoát nhiệt của phôi trong quá trình ép giúp phôi giữ được nhiệt

độ ổn định trong quá trình ép

Phôi được đưa vào buồng ép và tiến hành ép với áp lực theo tính toán

Tốc độ của quá trình ép phụ thuộc vào áp suất và lưu lượng của bơm vì thế khi sử dụng với lưu lượng bơm khác nhau ta sẽ thu được các vận tốc ép khác nhau

Lực ép phụ thuộc vào hình dạng sản phẩm , phôi, nhiệt độ ép, và tốc độ ép Tốc độ ép thay đổi làm thay đổi trở lực biến dạng nên dẫn đến thay đổi lực ép

Sự thay đổi trở lực biến dạng của nhôm theo tốc độ ép và nhiệt độ được biểu diễn trong giản đồ sau:

Hình 1.8 Sự phụ thuộc của ứng suất vào nhiệt độ, Tốc độ và mức độ biến dạng của Al 99.8

1.3.4 Xữ lí sau ép:

Quá trình này gồm có hai công đoạn là xử lý nhiệt sản phẩm và gia công ( nếu có)

Gia công cơ:

Sản phẩm sau khi ép thường cong vênh lên việc xử lý sau ép là điều bắt buộc cần thiết

Để tránh cong vênh ta bố trí các con lăn trên giàn thoát sản phẩm để ổn định kích thước của sản phẩm s

Sản phẩm sau ép được đẩy trên hệ thống con lăn và được cắt chia bằng đá mài

Sau khi sản phẩm được cắt chia sản phẩm được chuyển qua sàng nguội để làm nguội

Sau đó ta phải tiến hành kéo thẳng sản phẩm khi kéo sản phâm có thể dài thêm khoảng khoảng 5% chiều dài sản sản phẩm Quá trình nắn sản phẩm được nắn trên máy chuyên dụng ( hiện tại công ty đã trang bị một máy nắn chuyên dụng mua của nước ngoài)

Một số sản phẩm yêu cầu có lỗ trên thanh( mà ép chảy không thể đáp ứng) ta phải tiến hành đột lỗ, hóa già, Anot hóa, sơn tĩnh điện, đóng gói sản phẩm

Hình 1.9 Máy ép thủy lực nằm ngang

- Xử lý nhiệt: Để đảm bảo cơ, lý, hóa tính của sản phẩm, sau khi ép cần thiết

phải tiến hành nhiệt luyện (Ủ, tôi, hóa già) Dạng nhiệt luyện phổ biến các bán thành phẩm ép chảy là hóa già, hiệu quả của quá trình phụ thuộc vào nhiệt độ và trị

số bão hòa của dung dich rắn

Thanh nhôm định hình được đóng gói bằng màng co PE hoặc cuộn giấy trên từng thanh sản phẩm, sau đó bó lại thành bó có dàn nhãn mác của đơn vị sản xuất

1.4 Ứng dụng công nghệ ép chảy tại Việt Nam

Với sựg phát triển nhânh chóng của các ngành công nghiệp, hiện nay việc sử dụng các sản phẩm, đồ dùng bằng thành nhôm định hình đã trỏ nên phổ biến và ngày càng tăng, mặt khác vật liệu gỗ ngày càng khan hiếm cũng dẫn đến sự lên ngôi của nhôm trong lĩnh vực xây xây dựng nhà ở, trang trí nội thất

Qua 20 năm xây dựng và phát triển, ngành công nghiệp sản xuất nhôm định hình đã có những bước phát triển vượt bậc Từ việc nhập khẩu các sản phẩm của nước ngoài vào những năm 1990, đến nay trong cả nước đã có hàng chục cơ sở sản xuất công nghiệp sản xuất nhôm không chỉ đáp ứng nhu cầu trong nước mà còn hướng tới xuất khẩu

Quy trình sản xuất nhôm thanh định hình được xây dựng trên cơ sở công nghệ gia công áp lực bằng phương pháp ép chảy

1.5 Mục đích nghiên cứu cảu luận văn

Với mục đích tạo ra các thanh nhôm có profil bất kỳ, từ đơn giản đến phức tạp để phục vụ cho các ngành công nghiệp ôtô, máy bay, xây dựng, trang trí nội, ngoại thất Người ta sử dụng công nghệ ép chảy nằm ngang

Chất lượng và giá thành sản phẩm tạo ra phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố, trong đó tính toán công nghệ và thiết kế khuôn ép giữ một vai trò rất quan trọng

Khuôn ép thanh nhôm định hình làm việc trong điều kiện chịu tải trọng khắc nghiệt, dưới tác động của nhiều yếu tố như áp lực, lực va đập, ma sát, mài mòn và mỏi nhiệt Vì vậy khuôn ép phải được chế tạo từ thép hợp kim làm khuôn dập nóng (thường là thép hợp kim SKD61)

Từ những phân tích , nhận định ở trên, trong phần nghiên cứu của luận văn

sẽ tâph trung vào nghiên cứu tính toán các thông số công nghệ đầu vàovà ứng dụng phần mềm Deform – 3D mô phỏng quá trình biến dạng dẻo của kim loại khi ép chảy thuận thanh nhôm định hình, để có thể đưa ra các thông số kỹ thuật tối ưu phục vụ cho việc thiết kế khuôn và chọn thiết bị công nghệ phù hợp

Những thông số công nghệ rút ra được nhờ mô phỏng có thể coi là tối ưu và

là dữ liệu cơ bản để thiết kế, chế tạo khuôn Bởi vậy bộ khuôn chế tạo ra chắc chắn

có thể cho ra sản phẩm đạt yêu cầu, nếu có phải chỉnh sửa thì cũng ở mức độ nhỏ và khôi lượng công việc không nhiều Với việc áp dụng phương pháp thiết kế “ảo”, thời gian thiết kế cũng như chi phí chế tạo khuôn dadngs kể Điều này có ý nghĩa rất quan trọng, nhất là đối với những chi tiết phức tạp, kích thước lớn

CHƯỜNG II:

NGHIÊN CỨU TRẠNG THÁI ỨNG SUẤT, BIẾN DẠNG, LỰC

VÀ CÔNG TRONG QUÁ TRÌNH ÉP CHẢY 2.1 Trạng thái ứng suất, lực và công biến dạng khi ép chảy

2.1.1 Trạng thái ứng suất

Việc phân tích trạng thái ứng suất trong vùng biến dạng sẽ giúp ta đánh giá được hành vi của vật liệu khi biến dạng và cơ tính đạt được của sản phẩm Việc phân tích này cũng cần thiết trong xác định lực và công biến dạng

Khi ép chảy trong vùng biến dạng sẽ xuất hiện trạng thái ứng suất nén khối Với giả thiết biến dạng là đồng đều và trạng thái biến dạng là đối xứng trục thì cả ba thành phần ứng suất σz, σr, σt đều là ứng suất chính Trong ép chảy, ứng suất hướng trục σz gây nên bởi ngoại lực luôn luôn là ứng suất chính lớn nhất Trong điều kiện biến dạng đồng đều và đối xứng trục do thể tích không đổi nên ứng suất chính hướng kính σr và ứng suất tiết tuyến σt bằng nhau, nghĩa là: σr = σt

Hình 2.1: Sơ đồ trạng thái ứng suất và biến dạng trong ép chảy thuận

2.1.2 Lực và công biến dạng

Trị số ứng suất trong vùng biến dạng có ý nghĩa quan trọng đối với việc thiết

kế khuôn mẫu Để lựa chọn một cách hợp lý các thiết bị cho quá trình biến dạng thì nhất thiết phải xác định được lực và công biến dạng cần thiết

Công biến dạng cần thiết bao gồm công thuần túy để biến dạng vật liệu phôi

và công để khắc phục những tổn thất do ma sát ngoài sát cũng như sự trượt và uốn của các phần trong vật liệu gây nê Như vậy ta có:

Wges = Wid +WR + WSch + WB (2.1) Trong đó: Wges -Công biến dạng cần thiết

Wid – Công biến dạng thuần túy

WR – Công để khắc phục tổn thất do ma sát ngoài gây nên

WSch – Công để khắc phục tổn thất do sự trượt gây nên

WB – Công để khắc phục tổn thất uốn gây nên

Trong ép chảy nói chung tổn thất do uốn gây nên là rất nhỏ có thể bỏ qua bởi vậy từ (2.1) ta có:

Wges = Wid +WR + WSch (2.2) Tương tự như tính toán công ta cũng có thể tính toán lực cần thiết là tổng của nhiều lực thành phần hợp lại

max 1

ϕ0 – Mức độ biến dạng chính nhỏ nhất

ϕmax = ln(A0/A1) là mức độ biến dạng chính lớn nhất

Khi ép chảy thuân thanh đặc thì công ma sát WR là tổng của công ma sát trên mặt côn của cối ép WRS và ma sát trên thành buồng ép WRW

Công ma sát trên mặt côn của cối ép WRS được tính theo công thức:

Trong đó:

d0 – Đường kính ban đầu của phôi

l0 – Chiều dài phôi ban đầu

l – Chiều dài phôi sau khi ép

Với giả thiết góc thoát của cối 2α nhỏ, công trượt toàn bộ được tính như sau:

Lực ma sát trên thành bường ép được tính theo công thức

2.1.3 Quan hệ giữa lực và hành trình chày ép

Qua hệ giữa lực cần thiết cho ép chảy và dịch chuyển đầu chày được thể hiện trên hình 2.2

Hình 2.2 Biểu đồ quan hệ giữa lực ép và hành trình chày

Đường cong biểu diễn có 3 vùng khác nhau Trong vùng I (giai đoạnkhông

ổn định), lực ép chảy bắt đầu tăng dần từ 0 vì trong vùng này đường kính phôi ép nhỏ hơn so với đường kính trong cối chứa Vì vậy, phải có lực làm cho phôi ban đầu điền đầy buồng ép Tuy nhiên lực chưa tăng tới điểm A Lực bắt đầu tăng mạnh bởi kim loại bị dồn nén trong cối chứa chưa thoát được ra ngoài Lực sẽ tăng tới giá trị lớn nhất tại điểm A cũng là lúc vật liệu bắt đầu chảy ra lỗ cối Sau đó bắt đầu giảm dần tới điểm B Vùng II (giai đoạn ép ổn định) lực giảm từ điểm B tới điểm C Lực ép giảm dần là do lực phụ thuộc cả vào ma sát giữa phôi và thành buồng ép, lực

ép ma sát này phụ thuộc tuyến tính vào chiều dài của phôi và thành buồng ép, lực ép

ma sát này phụ thuộc tuyến tính vào chiều dài của phôi kim loại Trong quá trình ép chiều phôi phụ thuộc giảm dần Tại C lực đạt nhỏ nhất sau đó tới vùng III không ổn định, lực tăng mạnh do suất hiện ứng “đáy“ tức là chày ép đã ở cuối hành trình và kim loại ở vùng chết không chảy qua kỗ cối Đối với ép chảy các vật liệu có trở lực biến dạng lớn, người ta thường đặt trước phôi một đĩa thủy tinh bôi trơn Khi ép đĩa thủy tinh này nóng chảy và điền đầy vào vùng chết cho phép không có vùng chết

2.1.4 Đặc điểm của kim loại ép chảy

Dòng chảy của kim loại phản ánh qua sự phân bố biến dạng trong quá trình

ép chảy Nó là cơ sở để xác định trường hợp phân bố ứng suất, biến dạng, các thông

số về lực và công biến dạng Ngoài ra, dựa vào dòng chảy của kim loại ta có thể rút

ra kết luận về sự xuất hiện của khuyết tật trên sản phẩm ép Để nghiên cứu dòng chảy của kim loại có thể áp dụng nhiều phương pháp khác nhau, ví dụ phương pháp thí nghiệm trên mô hình vật liệu sáp và plastic,phương pháp thí nghiệm ép những kim loại dễ biến dạng như chì, thiếc ở nhiệt độ thường, phương pháp thí nghiệm

ép trong điều kiện sản xuất

Những nhân tố ảnh hưởng quan trọng nhất đến dòng chảy của kim loại phải

kể đến ma sát giữa vật liệu biến dạng và thanh thành buồng ép, cối và chày ép cũng như thuộc tính của vật liệu Đặc biệt sự phân bố tính dẻo không đồng đều trên tiết diện cũng như chiều dài của phôi của phôi ép gây nên bởi tổ chức thớ trong phôi ép(dạng thiên tích nhánh cây đối với phôi đúc và thớ dọc đối với phôi cán) cũng như bởi sự phân bố nhiệt độ khác nhau giữa các vùng sẽ làm ảnh hưởng đến sự chảy của kim loại trong quá trình biến dạng Tất cả sự tác động của những yếu tố ảnh hưởng đó đã dẫn đến sự xuất hiện của các dạng dòng chảy khác nhau sau đây khi ép chảy thuận thanh đặc với cối phẳng (2α = 180°):

Các dạng dòng chảy và những điều kiện hình thành chúng được thể hiện trong bảng 2.3

Hình 2.3 Các dạng dòng chảy và những điều kiện hình dòng chảy

Trong trường hợp ép chảy các profil có tiết diện phắc tạp hoặc đồng thời có nhiều dòng qua lỗ thoát thì dòng chảy của kim loại trở lên phức tạp hơn Trong cả hai trường hợp sẽ xuất hiện vùng chết không đều và những vùng của phôi ép có mức độ biến dạng khác nhau Trong vùng biến dạng do có sự chảy nhanh chậm khác nhau giữa các vùng biến dạng do có sự chảy nhanh chậm khác nhau giữa các

vùng lân cận nên sẽ dẫn đến tổn thất tương đối lớn về công suất Sự tổn thất này nhiều hay ít là tùy thuộc vào mức độ phức tạp về hình dạng profil và số lượng của

lỗ thoát trên cối ép

Dòng chảy của kim loại khi ép chảy thuận thanh đặc trong trường hợp dùng cối ép có góc thoát (2α < 180°) thuận lợi hơn so với cối ép phẳng (2α = 180°) do đó thường dùng để gia công những vật liệu khó biến dạng, ví dụ thép Bên cạnh ưu điểm này, khi sử dụng cối ép có mặt côn lại thường phải chất bôi trơn Đối với những sản phẩm yêu cầu chất lượng bề mặt ở độ thông thường thì dùng cối ép phẳng sẽ đơn giản hơn nhiều Mặt khác dùng cối ép phẳng cho phép dễ dàng cắt bỏ phần thừa sau khi ép

Để tính toán lực và công biến dạng có thể tính toán khảo sát bài toán ép chảy tại từng vùng riêng biệt, sau đó tổ hợp lại để xác định lực biên dạng và áp lực riêng toàn phần

Hình 2.4: Sơ đồ bài toán ép chảy thuận phôi thanh có tiết diện ngang tròn

2.2.1 Vùng thoát hình trụ I

Kim loại chảy qua vùng này không bị biến dạng nữa, sự biến dạng đã kết thúc ở vùng II Kim loại ở vùng này nằm trong trạng thái ứng suất đàn hồi Vì vậy,giá trị tuyệt đối ứng suất hướng kính cực đại σp1 ở thành cối không thể lớn hơn ứng suất chảy kf1 Thực tế, ứng suất đó nhỏ hơn vì cối không phải là vật tuyệt đối cứng mà cũng có tính đàn hồi

Tuy nhiên, có thể coi như trị số tuyệt đối ứng suất σp1 bằng ứng suất chảy:

| σρ | = kf

Kf1 - ứng suất chảy của vật liệu trong vùng I

Sự chuyển động của kim loai chỉ bị cản trở bởi ma sát tiếp xúc trên thành cối Lực ma sát có thể tính theo phương trình sau:

2.2.2 Vùng thoát hình trụ II (Vùng biến dạng)

Giả thiết ranh giới trên của ổ biến dạng là mặt phẳn mfn của chổm cầu có bán kính b và goc ở đỉnh là 2α, cong ranh giới phía dưới của ổ biến dạng là mặt m’f’n’ của chỏm cấ

CHƯƠNG III

NGHIÊN CỨU, ỨNG DỤNG PHẦN MỀM DEFORM – 3D VÀO

MÔ PHỎNG SỐ QUÁ TRÌNH BẾN DẠNG TẠO HÌNH

3.1 Phương pháp nghiên cứu

Để nghiên cứu các bài toán ép chảy ta thường có hai phương pháp chính là:

để thực hiện công nghệ ( các công thức thực nghiệm đã bao gồm các hệ số an toàn ,

và các hệ số ảnh hưởng của điều kiện môi trường) Với phương pháp này thì độ chính xác không cao Do nó phụ thuộc vào kinh nghiệm của kỹ sư, bên cạnh đó thì quá trình giải bài toán mất nhiều thời gian Phương pháp này hiện giờ ít được áp dụng trong thực tế

3.1.2 Phương pháp mô phỏng số

Khái quát chung về mô phỏng số

Trong nền công nghiệp sản xuất truyền thống, quá trình đưa từ bản vẽ thiết

kế công nghệ vào sản xuất tạo ra sản phẩm thừng gặp rất nhiều khó khăn Trên thực

tế để chế tạo được một ản phẩm thì sau khi thiết kế phải tiến hành sản xuất thử nghiệm Việc sản xuất chiếm rất nhiều thời gian và chi phí lớn vì các ý tưởng thiết

kế trên bản vẽ không thể đúng ngay ở lần đầu tiên Khi tiến hành sản xuất thử mới phát hiện ra những sai sót, những điều không hợp lý trong khâu thiết kế và tiến hành khắc phục Việc chế tạo thử trên mẫu sẽ thật tốn kém, chính vì vậy người ta nghĩ ra cách để giảm chi phí trong việc chế tạo thử và các phương pháp mô phỏng ra đời nhằm phục vụ cho các mục đích trên

Trước đây, phương pháp mô phỏng được áp dụng chủ yếu là phương pháp

mô phỏng vật lý Phương pháp này được tiến hành dựa trên những mẫu có tỷ lệ

tương tự như mẫu thật nhưng có kích thước nhỏ hơn Vật liệu được dùng trong phương pháp này chủ yếu là sáp hoặc plastic Khuôn mô phỏng vật lý có thể làm bằng nhôm, thậm chí là gỗ Để phương pháp mô phỏng được chính xác thì mô hình vật liệu thử nghiệm phải chọn sao cho chúng có thuộc tính chảy tương tự như vật liệu thực trong một khoảng thời gian rộng và có các thông số cơ bản điều chỉnh được Phương pháp này có ưu điểm là có thể mô phỏng gần với quá trình xảy ra trên phôi thực tế Tuy nhiên, nhược điểm của phương pháp này là chỉ giúp ta có được đánh giá định hướng về phân bố dòng chảy của kim loại trong quá trình gia công

mà không cho phép tính toán chính xác trạng thái ứng suất và biến dạng trong quá trình

Ngày nay, cùng với sự phát triện của khoa học, đặc biệt là sự phát triển của ngành công nghệ thông tin nhiều công nghệ mới được ra đời giúp ta có thể tính toán chính xác hơn trạng thái ứng suất và biến dạng trong các quá trình công nghệ trong các ngành cơ khí nói chung và trong ngành gia công áp lực nói riêng Một trong số những công nghệ đó là công nghệ “ảo”, công nghệ được thực hiện chủ yếu trên máy tính Gắn liền với công nghệ này là phương pháp mô phỏng số Khác với mô phỏng vật lý, mô phỏng số được thực hiện bằng nhiều phương pháp tính toán khác nhau như: Phương pháp PTHH, sai phân hưu hạn, biến phân… Mỗi phương pháp tính toán đều có những mặt mạnh riêng nhưng áp dụng phổ biến nhất để khảo sát các bài toán cơ học nói chung và các bài toán biến dạng nói riêng là phương pháp PTHH Phương pháp PTHH là một phương pháp rất tổng quát và hữu hiệu cho lời giải số nhiều lớp bài toán kỹ thuật khác nhau Từ việc phân tích trạng thái ứng suất, biến dạng trong các kết cấu cơ khí, ôtô, máy bay, tàu thủy, khung nhà cao tầng… đến những bài toán của lý thuyết trường như: Cơ học chất lỏng, thủy đàn hồi, khí đàn hồi…

Khi thực hiện mô phỏng số, các giai đoạn thiết kế, hiệu chỉnh thiết kế được thực hiện trên máy tính Xuất pháp từ ý tưởng sản phẩm mẫu, mô hình của sản phẩm được dựng trên máy tính, sau đó việc hiệu chỉnh công nghệ được thực hiện trực tiếp thông qua giao diện người – máy nhằm tối ưu hóa công nghệ nên đã giảm