Nghiên cứu sự hình thành khuyết tật do mất ổn định trong dập khối

Chương 2 trình bày các kết quả nghiên cứu về sự hình thành mất ổn định trong kết cấu, các dạng khuyết tật của sản phẩm trong dập khối, nghiên cứu và chỉ ra các nguyên nhân gây nên khuyết

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

LỜI CAM ĐOAN

Tôi là Nguyễn Quang Thắng, 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 sự hình thành khuyết tật do mất ổn định trong dập khối”

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 10 năm 2011

Tác giả

Nguyễn Quang Thắng

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 5

MỞ ĐẦU 9

Chương 1 - TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ DẬP KHỐI 9

1.1Khái niệm chung về tạo hình khối 9

1.1.1 Định nghĩa 9

1.1.2 Đặc điểm chung của công nghệ 9

1.1.3 Các dạng sản phẩm điển hình 12

1.1.4 Thiết bị thực hiện 14

1.2 Các nguyên công trong nghệ trong dập khối 17

1.2.1 Nguyên công chồn 17

1.2.2 Nguyên công vuốt 18

1.2.3 Nguyên công dập khối trong khuôn hở 19

1.2.4 Nguyên công dập khối trong khuôn kín 21

1.2.5 Nguyên công ép chảy 21

Chương 2 - NGHIÊN CỨU SỰ MẤT ỔN ĐỊNH VÀ SỰ HÌNH THÀNH KHUYẾT TẬT “GẤP” 24

2.1 Sự mất ổn định trong kết cấu 25

2.1.1 Khái niệm về mất ổn định thanh 25

2.1.2 Một số ví dụ về mất ổn định trong kết cấu 25

2.2 Sự mất ổn định trong công nghệ tạo hình vật liệu 29

2.2.1 Sự hình thành khuyết tật gấp trong nguyên công chồn 29

2.2.2 Sự hình thành khuyết tật trong nguyên công dập khối 35

2.2.3 Sự hình thành khuyết tật trong nguyên công ép chảy 41 Chương 3 - THIẾT LẬP MÔ HÌNH TÍNH TOÁN

QUÁ TRÌNH BIẾN DẠNG DẺO TRONG BÀI TOÁN CHỒN 48

3.1 Các phương trình cơ bản 48

3.1.1 Phương trình liên tục 48

3.1.2 Phương trình cân bằng 49

3.1.3 Phương trình quan hệ giữa ứng suất và biến dạng 50

3.1.4 Phương trình điều hòa 50

3.2 Thiết lập mô hình bài toán chồn phôi ống 51

3.2.1 Mô hình hình học 51

3.2.2 Mô hình vật liệu 52

3.2.2.1 Mô hình vật liệu cho dụng cụ gia công 53

3.2.2.2 Mô hình vật liệu dùng cho phôi 53

3.2.3 Mô hình lưới phần tử 54

3.2.4 Mô hình tiếp xúc 56

3.3 Nghiên cứu khảo sát quá trình biến dạng mất ổn định gây khuyết tật "Gấp" trong bài toán chồn phôi ống 57

3.3.1 Mô phỏng quá trình chồn phôi ống 57

3.3.2 Tiến hành mô phỏng số 57

3.3.3 Các trường hợp mô phỏng 58

3.3.3.1 Trường hợp 1 59

3.3.3.2 Trường hợp 2 61

3.3.3.3 Trường hợp 3 63

3.3.4 Kết quả mô phỏng 64

3.4 Kết luận 68

Chương 4 - NGHIÊN CỨU BÀI TOÁN DẬP KHỐI CHI TIẾT ỐNG NỐI VÀ BÁNH RĂNG CÔN RĂNGTHẲNG 69

4.1 Mô hình hóa quá trình dập chi tiết ống nối 70

4.1.1 Mô hình hình học 70

4.1.2 Mô hình lưới phần tử 71

4.1.3 Kết quả mô phỏng số quá trình chồn phôi ống ở trạng thái nguội với phần mềm DEFORM 72

4.1.4 Đánh giá kết quả sau khi mô phỏng quá trình chồn chi tiết ống nối 74

4.2 Mô hình hóa quá trình dập chi tiết bánh răng côn răng thẳng với phần mềm DEFORM 75

4.2.1 Mô hình hình học 75

4.2.2 Mô hình lưới phần tử 76

4.2.3 Kết quả mô phỏng 77

4.2.4 Đánh giá kết quả sau khi dập chi tiết bánh răng côn răng thẳng 77

4.3 Kết luận 77

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 79

LỜI CẢM ƠN 81

TÀI LIỆU THAM KHẢO 82

BẢNG CÁC KÝ HIỆU

kfm Ứng suất chảy trung bình N/mm2

l0 Chiều dài của phôi ban đầu mm

l Chiều dài của phôi sau ép mm

−

T Ten xơ ứng suất

DANH MỤC BẢNG, HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

1.1 Sơ đồ khối của quá trình dập khối 11

1.3 Các sản phẩm dập khối điển hình 13,14

1.8 Sơ đồ bài toán ép chảy thuận phôi có tiết diện ngang tròn 22

2.5 kết quả sau các quá trình chồn phôi 30

2.6 Phôi bị cong do mất ổn định trong quá trình chồn 31

2.7 Sản phẩm Bu lông bị khuyết tật sau khi chồn 31

2.9 khi tỷ số chồn l/d = 7 thì cần thiết phải chồn 3 bước 32

2.10 khi tỷ số chồn l/d = 12 thì cần thiết phải chồn 5 bước 33

2.11 Khuôn trên có dạng côn để tránh mất ổn định khi chồn 34

2.12 Chi tiết bánh răng sau khi cắt 35

2.13÷2.15 Hình ảnh mô phỏng quá trình dập chi tiết 36÷38

2.16 Hình ảnh mô phỏng dập chi tiết dạng hình trụ 39

2.17 Hình 2.17 Khuôn được tối ưu hóa trong quá trình dập 40

2.18 Các khuyết tật của chi tiết trong nguyên công ép chảy thuận 41

2.19 Mô hình bài toán ép chảy ngược 42

2.20 Mô hình lưới phần tử chia cho phôi 42

2.21 Biến dạng của phôi qua các quá trình 43 2.22 Phân bố ứng suất trên phôi ở cuối quá trình 45 2.23 Kết quả mô phỏng số ép chảy thuận nghịch với

bộ khuôn thiết kế chưa chính xác

3.1 Mô hình hình học bài toán chồn phôi ống 52

3.3 Phần tử solid với 10 nút và solid với 8 nút 55 3.4 Mô hình lưới phần tử bài toán chồn phôi ống 55 3.5 Cặp tiếp xúc giữa khuôn và phôi 56 3.6 Mô hình 2D bài toán chồn phôi ống 58 3.7÷3.18 Hình ảnh phôi mất ổn định trong quá trình chồn 59÷64 3.19 Bảng kết quả của quá trình chồn phôi ống 65 3.20 Đồ thị mối quan hệ giữa chiều dày phôi và mất ổn định khi

chiều cao phôi thay đổi

66

3.21 Đồ thị mối quan hệ giữa chiều cao phôi và mất ổn định khi

chiều dày phôi thay đổi

67

4.1 Mô hình 3D của mô hình hình học

4.2 Mô hình lưới của bài toán

4.3 Hình dáng phôi ban đầu

4.4 Mô phỏng quá trình chồn phôi ống qua các giai đoạn

4.5 Sản phẩm cuối cùng sau khi chồn dạng 3D

4.6 Kết cấu khuôn khi dập bánh răng côn răng thẳng

4.7 Đồ thị lực trong dập tạo hình bánh răng côn răng thẳng

LỜI MỞ ĐẦU

Trong những năm gần đây, cùng với sự phát triển mạnh mẽ của nền kinh tế, chất lượng sản phẩm yêu cầu ngày càng cao, đa dạng về mẫu mã, chủng loại và phải đáp ứng nhanh chóng về mặt thời gian Do vậy, 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 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 trợ 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 còn là một vấn đề mới mẻ, 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 tối ưu hoá công nghệ nhờ mô phỏng số và thúc đẩy ứng dụng kết quả tối ưu vào sản xuất công nghiệp, luận văn này tập chung nghiên cứu khuyết tật

“Gấp” là khuyết tật hay xảy ra trong công nghệ dập khối và ứng dụng phương pháp

mô phỏng số nhờ phần mềm DEFORM nhằm tối ưu hoá công nghệ dập khối để tránh được khuyết tật này

Luận văn được trình bày trong 4 chương

Chương 1 giới thiệu tổng quan về công nghệ dập khối, mô hình quá trình dập khối, đặc điểm, các dạng sản phẩm của quá trình dập khối, ngoài ra còn giới thiệu

về các khuyết tật xảy ra ở các nguyên công trong quá trình dập khối

Chương 2 trình bày các kết quả nghiên cứu về sự hình thành mất ổn định trong kết cấu, các dạng khuyết tật của sản phẩm trong dập khối, nghiên cứu và chỉ

ra các nguyên nhân gây nên khuyết tật đó và các biện pháp khắc phục

Vấn đề về xây dựng mô hình bài toán chồn phôi ống được trình bày trong chương 3 Đây là một dạng phôi chưa được sử dụng nhiều trong dập khối, nhưng lai rất phù hợp với các sản phẩm có lỗ lắp ghép Tuy nhiên khi dập khối, phôi rỗng thường dẫn đến mất ổn định và gây ra khuyết tật nên cần được xem xét khảo sát một cách cơ bản nhất Dựa trên lý thuyết cơ bản và qua các mô phỏng các trường hợp khác nhau của phôi ống để từ đó tìm ra qui luật biến dạng mất ổn định khi chồn phôi ống bằng phần mềm DEFORM

Chương 4 nghiên cứu khảo sát bài toán dập tạo hình chi tiết khớp nối và bánh răng có áp dụng những kết quả nghiên cứu trong chương 3 để tránh xảy ra khuyết tật gấp trong sản phẩm, đồng thời nâng cao chất lượng chi tiết dập

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

Hà nội, tháng 09 năm 2011

Tác giả

CHƯƠNG 1:

TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ DẬP KHỐI

1.1 Khái niệm chung về tạo hình khối

1.1.1 Định nghĩa

Dập khối là quá trình tạo hình kim loại dạng khối nhờ biến dạng dẻo trong lòng khuôn (dụng cụ gia công) ở nhiệt độ thích hợp

1.1.2 Đặc điểm chung của công nghệ

Dập khối là một trong những phương pháp gia công bằng áp lực nhớ lợi dụng tính dẻo của kim loại tạo ra một sản phẩm hoặc bán thành phẩm có hình dạng và kích thước theo mong muốn bằng cách làm cho kim loại chảy dẻo và điền đầy vào long khuôn hay chảy qua lỗ thoát hoặc bị biến dạng toàn phần thể tích phôi

Dập khối nhiều ưu nhược điểm, cụ thể như sau:

- Các chi tiết được gia công bằng phương pháp tạo hình khối có độ bền độ cứng tăng, đồng thời trong quá trình tạo hình tạo ra được những thớ kim loại phù hợp nên có thể làm được các chi tiết vừa và nhỏ gọn nhưng lại bền chắc có vai trò quan trọng trong công nghiệp chế tạo máy

- 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 của sản phẩm để làm chi tiết khác

- 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 rất nhỏ (như cây kim) đến những chi tiết rất lớn (khoảng 500 tấn) mà dập khối sử dụng rộng rãi trong mại lĩnh vực: Dân dụng, công nghiệp nặng – nhẹ, Quốc phòng

Tuy nhiên dập khối cũng có những nhược điểm riêng:

- Quá trình tạo hình cần sử dụng lực công nghệ lớn nên hầu hết phải thực hiện với phôi ở trạng thái nóng (10000C-12000C) do vậy chất lượng bề mặt sản phẩm thấp và độ chính xác không cao (hiện tượng cháy và thoát các bon bề mặt) khó

- Ngày nay do sự phát triển của khoa học kĩ thuật người ta đã tạo ra được các thiết

bị tạo hình khối với kim loại ở trạng thái nguội nên độ bóng và độ chính xác của chi tiết cao nhưng chỉ áp dụng phương pháp dập nguội đối với các chi tiết nhỏ

và trung bình

- Trong quá trình dập khối tùy theo hình dạng và kích thước của từng loại chi tiết người ta sử dụng các loại phôi khác nhau: Phôi đúc thép, phôi thép cán định hình, phôi thép tấm cán, phôi cán chu kỳ Tương ứng với mỗi loại phôi lại có một quá trình chuẩn bị phôi khác nhau, chất lượng phôi cũng vì thế mà khác nhau Thường quá trình Dập khối có 3 giai đoạn:

¾ Giai đoạn chuẩn bị, trong giai đoạn này có thể tạo hình sơ bộ cho phôi

¾ Giai đoạn nguyên công tạo hình chính

¾ Giai đoạn các nguyên công riên lẻ để hoàn chỉnh sản phẩm

Quá trình dập khối có thể được coi là một công đoạn của quá trình sản xuất cơ khí và cũng có thể là một quá trình sản xuất hoàn chỉnh Để nghiên cứu một quá trình dập khối, ta coi đây là một quá trình liên tục có đầu vào (input), xử lý (process) và đầu

ra (output): đầu vào là phôi, quá trình xử lý phôi là các nguyên công dập khối và sản phẩm hoặc bán thành phẩm đầu ra gọi là vật dập Các đối tượng của quá trình dập khối được thể hiện ở bảng dưới đây

Phôi Æ Rèn, Dập khối Æ Phôi dập

- Phôi cán chu kỳ, định hình - Vuốt, kéo - Chi tiết

- Vật liệu, cơ tính - Rát - Chế độ làm nguội

Bảng 1.1 Đối tượng nghiên cứu của dập khối

Thông qua việc mô tả quá trình và các nguyên công của quá trình dập khối ta hiểu rõ hơn về quá trình tạo thành sản phẩm nhờ công nghệ này

Hình 1.1 Sơ đồ khối của quá trình dập khối

Trong sơ đồ trên gù đúc, thỏi đúc và các loại thép càn chu kỳ là phôi đầu vào cho quá trình rèn và dập khối Phôi được nung đạt một nhiệt độ thích hợp trước khi chuyển sang các nguyên công chuẩn bị (rèn tự do) hoặc các nguyên công tạo hình (dập trong khuôn) Sau khi dập xong phôi dập sẽ được tiến hành các nguyên công xử lý sau

Phôi Nung phôi

Rèn tự do

Dập khối

Sản phẩm

Xử lý sau dập

dập như cắt biên, làm nguội và tiến hành gia công cơ nếu cần

Dập khối là một trong những công nghệ thuộc công nghệ dập tạo hình, trong đó còn phải kể đến công nghệ dập tấm Tuy nhiên dập khối là một trong những công nghệ điểm hình và được ứng dụng nhiều trong thực tế sản xuất để tạo ra các chi tiết và sản phẩm điểm hình của ngành Quá trình dạp khối để làm ra sản phẩm cũng cần phải qua một vài giai đoạn và một vài nguyên công, sơ đồ phần loại sau đây cho ta hiểu rõ hơn

về công nghệ dập tạo hình, đặc biệt là công nghệ dập khối

Hình 1.2 Phân loại dập khối

Trong công nghệ dập tạo hình, hai lĩnh vực chủ yếu là dập tấm và dập khối Dập tấm là quá trình tạo hình và xử lý phôi dạng tấm (chiều dày có kích thước nhỏ hơn rất nhiều so với hai chiều còn lại và không tính đến biến dạng của chiều dày), trong dập khối thì đối tượng phôi cần tạo hình ở dạng khối Do đặc điểm phôi khác nhau nên quá trình công nghệ, thiết bị tạo lực và bản chất các quá trình cũng khác nhau

Các dạng sản phẩm dập khối rất đa dạng và phong phú, ví dụ như: Sản phẩm đáp ứng các ngành công nghiệp vận tải như ô tô, máy bay hay phục vụ ngành công nghệ chế tạo máy và dân dụng Chi tiết dập khối có trong máy móc và thiết bị yêu cầu

cơ tính cao, hình dạng phức tạp và sản xuất hàng loạt lớn Hình 1.3 là các dạng sản phẩm dập khối điển hình như bánh răng, khớp nối, tay biên, trục khuỷu, vỏ đạn, vành răng, ổ lăn … và đồng tiền xu dập khối nguội

- Máy búa hơi có trọng lượng phần rơi đến G = 25 tấn

- Máy búa không bệ đe có năng lượng và đập đạt đến Le = 1,5 MJ

- Máy ép trục khuỷu dập nóng có lực ép danh nghĩa đến P = 130MN (13000tấn)

- Máy ép thủy lực có lực ép danh nghĩa đến P = 750MN (75000 tấn)

- Máy ép ma sát trục vít có danh nghĩa đến P = 16MN (1600 tấn)

- Máy rèn ngang có danh nghĩa đến P = 31,5 MN (3150 tấn)

Ngoài ra còn có các máy búa cao tốc, búa thủy lực có lực dập lớn, có hiệu suất sử dụng cao trong quá trình dập khối Các thiết bị đó được mô tả ở các hình dưới đây

15

Hình 1.4 Các loại thiết bị

Chồn là một quá trình nén (Hình 1.1) Biến dạng theo phương lực tác dụng là âm (nén), hai phương còn lại là dương (kéo) Chồn có thể được thực hiện ở trạng thái tự

do, có ma sát, không có ma sát hoặc chồn cưỡng bức trong khuôn kín

Hình 1.5 Sơ đồ bài toán chồn (a) Sơ đồ lực tác dụng (b) Sơ đồ trạng thái ứng suất (c) Sơ đồ trạng thái biến dạng

Khi chồn có thể xảy ra hai trường hợp:

- Lượng biến dạng kéo bằng nhau và bằng một nửa lượng biến dạng nén theo phương của lực tác dụng Trường hợp này được gọi là nén đơn giản

- Nếu một trong hai lượng biến dạng kéo bằng không, ta có biến dạng phẳng

Qua nghiên cứu về các dạng khuyết tật trong quá trình chồn phôi nguời ta thấy rằng sau khi chồn phôi, chi tiết có thể mắc những khuyết tật sau:

- Chi tiết sau khi chồn có thể bị cong, nứt, vỡ

- Chi tiết bị ngậm xỉ, gấp nếp

Sở dĩ chi tiết bị những khuyết tật như vậy là vì:

- Do nhiệt độ trong quá trình gia công không phù hợp, quá trình truyền nhiệt này càng nhanh thì sự biến dạng không đồng đều giữa các vùng càng thể hiện rõ rệt chi tiết sẽ bị phình tang trống

- Do ma sát giữa phôi và khuôn không đồng đều

- Do tỉ số giữa đường kình và chiều cao của phôi ( do/ho) không thích hợp

Để khắc phục những khuyết tật đó người ta thường làm:

- Chồn nóng phôi không xảy ra quá trình truyền nhiệt từ phôi sang dụng cụ gia công và từ phôi cũng như dụng cụ gia công ra môi trường nên tính dẻo của phôi gần như được giữ nguyên như vậy vật thể sẽ biến dạng đồng đều

- Nếu không có ảnh hưởng của ma sát thì chắc chắn biến dạng sẽ đồng đều và sau quá trình chồn, phôi sẽ có hình trụ mà không bị phình tang trống

- Thay đổi kích thước phôi cho phù hợp

1.2.2 Nguyên công vuốt

Rèn vuốt là một nguyên công công nghệ tạo hình khối nhằm tăng chiều dài của

phôi bằng cách giảm tiết diện ngang

a

l0

Hình 1.6 Phôi rèn vuốt (khi l 0 /a lớn)

Rèn vuốt được thực hiện bằng cách đập tuần tự vào phôi và lật phôi sau mỗi lần đập Hai lần đập và một lần lật phôi gọi là một bước rèn vuốt Đoạn trực tiếp chịu tác dụng của đầu búa sẽ tác dụng lên các đoạn tự do tiếp giáp với nó làm cho ở những vùng quá độ xuất hiện biến dạng dẻo Kích thước của vùng biến dạng dẻo phụ thuộc vào những yếu tố sau:

- Tỷ số giữa các kích thước phôi,

- Phôi biến dạng không đồng đều do ta phải lật phôi trong quá trình rèn vuốt

- Có hiện tượng nứt theo chiều trục

Sở dĩ phôi xuất hiện những khuyết tật đó vì:

- Do tỉ số l0/a lớn nên làm tăng quá trình biến dạng không đồng đều ta xử lý bằng cách làm giảm tỉ số l0/a

- Do rèn vuốt bằng đầu búa phẳng dễ xảy ra hiện tượng nứt dọc trục để xử lỹ hiện tượng này người ta dùng loại đầu búa lõm

1.2.3 Nguyên công dập khối trong khuôn hở

Trước hết ta xem xét sơ đồ nguyên công của công nghệ dập khối trong lòng khuôn hở sau đây:

Hình 1.7 Dập khối trong khuôn hở I-Phần lòng khuôn; II- Phần vành biên

- Chi tiết bị cong vênh

- Chi tiết bị nứt, gãy

- Chi tiết bị mất ổn định, nếp gấp

- Chi tiết bị ngậm sỉ, dỗ

Sở dĩ chi tiết sau quá trình dập bị các khuyết tật như vậy là do:

- Hình dáng kích thước của phôi không phù hợp

- Hình dáng kích thước của dụng cụ gia công chưa hợp lý (khuôn)

- Nhiệt độ nung phôi không đều

- Ma sát tiếp xúc giữa phôi và lòng khuôn lớn

- Tốc độ truyền nhiệt của phôi ra khuôn và môi trường cao

Để khắc phục những hiện tượng đó, người ta làm khuôn dập có các góc nghiêng thành lòng khuôn, đối với những chi tiết có hình dáng phức tạp ta lấy phôi lớn hơn vật dập một chút khi có lượng dư sẽ chảy tràn ra khe hở giữa chày và cối

Bán kính góc lượn r có ảnh hưởng lớn tới trị số lực Thực nghiệm đã chứng minh nếu giảm r thì lực biến dạng cần thiết tăng mạnh để đảm bảo điển đầy vào các góc Lực dập trong khuôn kín còn phụ thuộc vào mức độ phức tạp của hình dạng vật dập, phụ thuộc vào đặc tính điền đầy lòng khuôn (chồn hay ép chảy) Lực dập bắt đầu tăng đột ngột trong trường hợp tiếp tục tác dụng ngoại lực sau khi điền đầy lòng khuôn,

bởi lúc này kim loại chỉ có thể chảy vào các khe hẹp giữa hai nửa khuôn

Từ đó, có thể tối ưu các thông số đầu vào sao cho vật liệu dễ biến dạng, dễ điền đầy lòng khuôn nhất, lực biến dạng nhỏ nhất, đồng thời đánh giá được tải trọng khi dập tác động vào khuôn gây hỏng, mòn khuôn Dựa vào kết quả phân tích nhờ mô phỏng số

ta cũng có thể thay đổi qui trình công nghệ sao cho hợp lý nhất

1.2.4 Nguyên công dập khối trong khuôn kín

Dập khối trên khuôn kín cũng tương tự như dập khối trên khuôn hở ở quá trình công nghệ và các dạng khuyết tật nhưng khác ở chỗ là dập trong khuôn hở không có rãnh thoát vật liệu do đó thể tích phôi phải xác định chính xác hoặc không thay đổi nhiều lắm, tốt nhất là Vphôi = Vvật dập; vật dập thu được có kích thước không đều nhau Thớ kim loại vật dập không bị gián đoạn do không phải cắt biên nên chất lượng sản phẩm tốt, hệ số sử dụng vật liệu cao Tuy nhiên vật dập thường khó lấy ra khỏi lòng khuôn hơn so với dập trên khuôn hở nên phải thiết kế góc nghiêng thành lòng khuôn và

bố trí hệ thống ty đẩy

Chính vì vậy, khi tiến hành dập trong khuôn kín với máy ép thuỷ lực hay máy ép cơ khí thì dễ xảy ra kẹt máy hay hỏng các cơ cấu máy Khi dập trên máy búa cũng rất khó xác định thời điểm điền đầy lòng khuôn nên hay đánh búa thừa làm lực tăng đột ngột, làm tăng ứng suất trong kết cấu khuôn và máy Lượng gia tăng lực sẽ lớn nếu trọng lượng phần rơi của máy lớn Để hạn chế hiện tượng này, các nhà công nghệ đưa ra gới hạn:

G = (3,5÷5)Fvd

Trong đó: G - Khối lượng phần rơi của máy (Kg)

Fvd - Diện tích mặt cắt ngang của vật dập (cm2)

1.2.5 Nguyên công ép chảy

Ép chảy là một phương pháp công nghệ tạo hình vật liệu, trong đó kim loại chảy ra

từ buồng ép qua lỗ thoát dưới tác dụng của lực ép Hình dạng lỗ thoát quyết định tiết diện ngang của sản phẩm (sơ đồ công nghệ ép chảy được minh họa bằng hình vẽ dưới đây)

Hình 1.8 Sơ đồ bài toán ép chảy thuận phôi thanh có tiết diện ngang tròn

Quan sát trên hình 1.8 thể hiện rõ rệt 3 giai đoạn khác nhau của lực ép Trong giai đoạn 1 lực ép bắt đầu tăng, phôi bị biến dạng và điền đầy lòng cối chứa Khi vật liệu bắt đầu chảy qua lỗ thoát thì lực biến dạng đạt giá trị lớn nhất và kết thức giai đoạn 1 Giai đoạn 2 được xem là giai đoạn ổn định, bởi trong giai đoạn này lực ép chỉ cần đủ

để biến dạng vật liệu và khắc phục ảnh hưởng của ma sát Cuối giai đoạn 2 khi vật liệu trong cối chứa đã biến dạng gần hết, lực ép bắt đầu tăng mạnh để đẩy kim loại còn lại qua lỗ thoát Tuy nhiên do vật liệu nằm trong buồng ép không biến dạng được, tạo ra vùng chết, nên lực ép tăng rất nhanh đến cuối quá trình ép

- Công dụng: 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 trụ, côn, bậc, kiểu bulông, hay các chi tiết rỗng có chiều dài hữu hạn

- Phân loại: theo công nghệ, ép chảy được chia thành ép chảy thuận, ép chảy

ngược, ép chảy ngang, và ép chảy hỗn hợp

Sở dĩ chi tiết bị những khuyết tật như vậy là do:

- Do khuôn thiết kế chưa được phù hợp: góc lượn và độ nghiêng của thành lòng luôn đã cản trở việc chảy đều của kim loại lên các ngóc ngách của lòng khuôn

Sự chảy không đều này đã tạo ra nếp gấp vật liệu ở tại vị trí góc lượn

- Do ma sát tăng và tính dẻo không đồng đều thì quá trình biến dạng dẻo lại càng xảy ra không đồng nhất.Biến dạng trong điều kiện như vậy sẽ gây nên sự khác biệt về độ hạt, đặc biệt đối với kim loại màu và tồn tại ứng suất dư lớn

Để khắc phục hiện tượng tạo thành nếp gấp ở trên phôi, ta chỉ cần thay đổi kích thước của lòng khuôn trên bằng cách tạo cho thành lòng khuôn một độ côn nhỏ, có góc

nghiêng phù hợp và bán kính góc lượn cũng tăng lên

- Bề mặt bị cháy, ô xy hóa do tạo hình ở nhiệt độ cao

- Bề mặt vật dập bị cào xước do ma sát lớn giữa phôi và lòng khuôn

- Sản phẩm bị cong vênh do ứng suất lớn

- Sản phẩm có vết nứt tê vi

Khi tính toán công nghệ, người kỹ sư cần phải xem xét sao cho tránh được các khuyết tật có thể xuất hiện trong vật dập Tuy nhiên, một trong các dạng khuyết tật rất khó phát hiện khi tính toán công nghệ đó là trường hợp ngậm xỉ trong vật liệu do khi biến dạng phôi bị gấp và không thể loại bỏ được khi đã hoàn thành sản phẩm Những khuyết tật này rất khó phát hiện bằng mắt thường, chỉ khi siêu âm sản phẩm thì mới phát hiện được Tác hại của khuyết tật “gấp” này là khi chịu tải trọng động sẽ rất nhanh chóng dẫn đến ứng suất tập chung gây phá hủy vật liệu

Chính vì vậy, để hiểu sâu hơn về dạng khuyết tật gấp, ta sẽ xem xét chúng trong những trường hợp cụ thể Đa phần khuyết tật gấp xuất hiện là do khi chịu tải trọng, vật liệu biến dạng không đồng đều, vùng bị biến dạng, vùng không bị biến dạng Trong kết cấu do sự sai khác về kích thước, hình dạng vật thể chịu lực cũng có thể gây nên mất

ổn định Vì vậy ta khảo sát trướt hết mất ổn định trong kết cấu, sau đó sẽ xem xét đến từng nguyên công công nghệ cụ thể

2.1 Sự mất ổn định trong kết cấu

2.1.1 Khái niệm về mất ổn định thanh

Các thanh đảm bảo độ bền, độ cứng có thể bị phá hủy do mất ổn định Các thanh chịu lực bị mất ổn định khi tải trọng tác dụng P vượt qua giá trị tải trọng tới hạn

Pth

Trạng thái cân bằng của thanh hoặc của hệ thanh ứng với tải trọng giới hạn gọi

là trạng thái cân bằng bất định Để hiểu rõ hơn về sự mất ổn định của thanh trong các kết cấu và trong quá trình chịu lực chúng ta sẽ nghiên cứu một số ví dụ sau đây

2.1.2 Một số ví dụ về mất ổn định trong kết cấu

a, Trường hợp thanh bị kéo, nén

Hình 2.1: Hình a) Thanh chịu kéo; hình b, c) Thanh chịu nén

Trong ba trường hợp thanh bị kéo nén trên hình vẽ với K là lực tác động Ta thấy ở trường hợp c thanh bị nén sẽ mất ổn định do tải trọng P vượt quá giá trị tải trọng tới hạn Pth (P>Pth) Để thanh làm việc ổn định người ta nghiên cứu và đưa ra kết quả sau:

Điều kiện ổn định là: P < Ptk/Ko

Với Ko: là hệ số an toàn về ổn định (chọn tùy theo điều kiện làm việc của thanh hoặc của kết cấu)

b, Thanh chịu xoắn

Hình 2.2: Hình a) Thanh chịu uốn ngang phẳng; Hình b) Thanh chịu xoắn

Cũng tương tự như trường hợp thanh chịu kéo, nén khi thanh bị xoắn (hình a) cũng xảy ra hiện tượng mất ổn định khi P>Pth Mất ổn đinh làm cho thanh biến quá quá ngưỡng đàn hồi dẫn đến phá hủy Để thanh làm việ ổn định người ta nghiên cứu và đưa

ra kết quả sau:

Điều kiện ổn định là: P < Ptk/Ko

Với Ko: là hệ số an toàn về ổn định (chọn tùy theo điều kiện làm việc của thanh hoặc của kết cấu)

c, Với trường hợp là uốn dọc:

Giả sử khi mất ổn định thanh vẫn còn tính chất đàn hồi tuyến tính

l

Hình 2.3 Thanh chịu uốn dọc

Trước hết ta đi tìm lực tối hạn Ta sử dụng và thừa nhận công thức Ơle về lực tới hạn ta được công thức tổng quát về lực tới hạn trong trường hợp uốn dọc như

2 min 2

th

EJ p

l

π

µ

=

Trong đó E là mô đun đàn hồi Young; µ là hệ số tỉ lệ poatxông

Bằng thực nghiệm và tính toán ta thu được các kết quả như bốn hình vẽ dưới đây lần lượt ứng với µ và m = 1/ µ :

Với λ là độ mảnh của thanh

Công thức Ơle trên áp dụng với các thanh có ứng suất trong thanh nhở hơn σtl

Tương đương với σth ≤ σtl ;

Từ những kết quả và tính toán ở trên ta đi đến nhận xét:

- Những thanh có λ > λ0 gọi là thanh có độ mảnh lớn và áp dụng được công thức Ơle

- Những thanh có λ < λ0 gọi là thanh có độ mảnh vừa và bé

- Thanh ổn định khi : σ0 = ≤P F [ ] σ 0

- Nói tóm lại qua ba ví dụ trên ta thấy:

¾ Khi thanh chịu tải trọng tác dụng lớn hơn tải trọng tới hạn khi đó thanh sẽ bị mất

ổn định Nếu trong quá trình làm việc thanh bị mất ổn định sẽ dẫn đến cong vênh và mất ổn định trong kết cấu Nếu mất ổn định tiếp tục diễn ra sẽ xảy ra hiện tượng phá hủy kết cấu Đây là một trong những điều thường xuyên gặp phải trong kỹ thuật dù chúng ta không bao giờ mong muốn nó xảy ra

¾ Để khắc phục sự mất ổn định trong kết cấu khi thiết kế chúng ta cần tính toán độ bền sao cho hợp lí để tải trọng không lớn hơn tải trọng tới hạn, tuy nhiên chúng

ta cũng phải tính toán làm sao cho kết cấu đó còn phải thỏa mãn về mặt kinh tế Đây là một bài toán khó được đặt ra và yêu cầu người kỹ sư luôn luôn phải giải quyết một cách hiệu quả nhất Và sau đây chúng ta sẽ cùng đi nghiên cứu và giải quyết bài toán về sự mất ổn định trong công nghệ dập khối Để tìm ra một trong những phương án hữu hiệu để giải quyết bài toán khó đó

2.2 Sự mất ổn định trong công nghệ tạo hình vật liệu

2.2.1 Sự hình thành khuyết tật gấp trong nguyên công chồn

Nguyên công chồn thường thực hiện với 2 dạng phôi điển hình đó là phôi đặc và phôi rỗng Sơ đồ nguyên công được biểu diễn bằng hình dưới đây

Chồn phôi đặc Chồn phôi rỗng

Hình 2.4 Sơ đồ nguyên công chồn phôi

Thực tế khi nghiên cứu về nguyên công chồn có khả năng mất ổn định khi: Khi tỉ lệ chiều cao phôi với đường kính phôi quá lớn sẽ dẫn đến hiện tượng mất ổn định, ngoài ra còn do bề mặt của chi tiết ngậm xỉ hày còn do chi tiết là chi tiết rỗng thành quá mỏng mà vì thế khi chồn có thể xảy ra khuyết tật “gấp” Dưới đây là hình ảnh về chồn một chi tiết hình trụ có chiều cao ban đầu là 100mm Quá trình chồn được tiến hành qua 6 bước để phôi đạt chiều cao sau cùng là 41mm

Kết quả cuối cùng của quá trình chồn đó chúng ta thấy sản phẩm có dạng hình tang trống không bị cong vênh nứt vỡ, thỏa mãn các điều kiện về chồn tức là chiều cao của chi tiết giảm đi và đường kính của chi tiết tăng lên

Hình 2.5 kết quả sau các quá trình chồn phôi

Ngược lại khi ta tiến hành chồn phôi có đường kính tương tự nhưng với chiều cao là 150mm Khi chồn chi tiết xuống độ cao còn 118mm Ta thấy đường kính của chi tiết tăng không đáng kể và chi tiết bị cong và đây cũng chính là một trong những khuyết tật khi chồn phôi do tỉ số giữa chiều cao và đường kính của chi tiết quá lớn Nếu

ta tiếp tục chồn chi tiết đó phôi sẽ tiếp tục bị cong và sẽ xảy ra hiện tượng chi tiết bị khuyết tật “gấp”

Hình 2.6 Phôi bị cong do mất ổn định trong quá trình chồn

Chúng ta càng thấy rõ hơn khi chồn một chi tiết bu lông với đường kình bé và chiều cao lớn (tỉ số giữa đường kình và chiều cao rất nhỏ) Sau khi chồn xong Bu lông

bị cong, trên phần mũ của Bu lông do chịu lực lớn trong quá trình ép bị nứt do kim loại biến dạng không đều dồn nén cục bộ gây nên

Hình 2.7 Sản phẩm Bu lông bị khuyết tật sau khi chồn

Để khắc phục hiện tượng này khi chồn Bu lông người ta sẽ tiến hành chồn qua từng bước và chồn cục bộ Cụ thể là người ta tiến hành chồn phần mũ của Bu lông trước nhờ các khuôn hình côn để tạo ra các dòng chảy kim loại đồng đều, lực ép nhỏ nhờ thế mà sự biến dạng của kim loại ở các vùng là gần như nhau Kết quả chi tiết không bị khuyết tật như hình dưới

Hình 2.8 Quá trình dập Bu lông

Qua nghiên cứu về nguyên công chồn người ta thấy rằng việc chồn cục bộ chi tiết tức là khi chồn ta tiến hành theo từng bước sẽ tránh được hiện tượng mất ổn định trong chi tiết được thể hiện rất rõ qua hai trường hợp sau đây: Với trường hợp một ta tiến hành chồn đai ốc với chiều cao l/d = 7 thì ta phải tiến hành chồn qua 3 bước ta thấy sản phẩm thu được không có khuyết tật

Hình 2.9 khi tỷ số chồn l/d = 7 thì cần thiết phải chồn 3 bước

Với trường hợp hai khi chồn chi tiết là đinh tán để tạo ra sản phẩm không khuyết tật ta phải tiến hành chồn qua 5 bước

Hình 2.10 khi tỷ số chồn l/d = 12 thì cần thiết phải chồn 5 bước

Tóm lại để khắc phục hiên tượng mất ổn đinh khi chồn phôi trụ đặc hoặc rống bằng việc mô phỏng và qua sự nghiên cứu người ta thấy rằng:

¾ Chồn nóng phôi không xảy ra quá trình truyền nhiệt từ phôi sang dụng cụ gia công và từ phôi cũng như dụng cụ gia công ra môi trường nên tính dẻo của phôi gần như được giữ nguyên như vậy vật thể sẽ biến dạng đồng đều

¾ Nếu không có ảnh hưởng của ma sát thì chắc chắn biến dạng sẽ đồng đều và sau quá trình chồn, phôi sẽ có hình trụ mà không bị phình tang trống

¾ Nếu ho/do ≤ 2,5 thì khi chồn phôi không xảy ra hiện tượng phôi bị mất ổn định

và chi tiết không bị khuyết tật

¾ Nếu ho/do > 2,5 Khi chồn phôi sẽ xảy ra hiện tượng mất ổn đinh và xuất hiện các khuyết tật trong đó các khuyết tật gấp Để khắc phục hiện tượng đó khi thiết

kế khuông người ta sẽ tạo ra các phần khuôn có dạng hình côn để làm đều dòng chảy kim loại và phôi biến dạng ở các phần là tương đương Việc chế tạo khuôn tối ưu được thể hiện bằng hình vẽ và các thông số của khuôn ứng với các trường hợp được tra theo bảng ở dưới

để thấy rõ điều đó chúng ta sẽ cùng tìm hiểu trong chương sau của luận văn

2.2.2 Sự hình thành khuyết tật trong nguyên công dập khối

Như chúng ta đã biết ở trong chương 1, công nghệ dập khối được phân loại thành hai dạng: Dập khối trong lòng khuôn kín và dập khối trong lòng khuôn hở Một trong những yếu tố chúng ta quan tâm nhất trong công nghệ này là sự hình thành khuyết tật của chi tiết sau khi gia công Tuy nhiên việc xác định những khuyết tật đó thì không hề đơn giản bởi lẽ những khuyết tật đó được hình thành bên trong lòng vật thể Ví dụ như khuyết tật “Gấp” Chúng ta muốn xác định được những khyết tật đó chúng ta phải dùng biện pháp siêu âm để kiểm tra Nếu sản phẩm nào chúng ta cũng phải làm như vậy thì sẽ rất tốn kém và lãng phí Để khắc phục hiện tượng đó chúng ta

có thể tối ưu hóa các yếu tố đầu vào như: hình dáng vật thể, thông số của khuôn, nhiệt

độ dập thông qua quá trình mô phỏng số mô phỏng số

Trước hết chúng ta sẽ đi tìm hiểu về các dạng khuyết tật có thể xảy ra trong công nghệ này Dưới đây (hình )là chi tiết bánh răng, sản phẩm này được tạo ra bởi hai quá trình công nghệ khác nhau: Một chi tiết được tạo ra bằng phương pháp dập khối và chi tiết còn lại được tạo ra bằng phương pháp cắt gọt

Hình 2.12 Chi tiết bánh răng sau khi cắt

Để kiểm tra chất lượng sản phẩm được tạo bởi hai phương pháp đó ta tiến hành cắt dọc theo trục của chi tiết như hình vẽ trên ta thấy: với chi tiết được dập, trong quá trình dập do kim loại biến dạng khác nhau và dòng chảy kim loại không đều nên tạo thành xoáy kim loại trong lòng chi tiết bánh răng Như vậy dập bánh răng trong khuôn

hở xảy ra hiện tượng mất ổn định còn khi cắt gọt thì bánh răng không xảy ra hiện tượng

đó Tuy nhiên cái khuyết tật đó không chỉ riêng chi tiết bánh răng mắc phải khi dập mà

ta còn thấy trong rất nhiều chi tiết khác cũng bị khi được gia công bằng phương pháp này Điều đó chúng ta thấy rất rõ qua các trường hợp sau đây:

Thứ nhất Nguyên công dập khối trong khuôn hở có vành biên chi tiết có dạng hốc lõm Khi kim loại bị ép xuống do đường kính của chày lớn và chi tiết lại có thành mỏng nên kim loại bị ép theo các hướng khác nhau tạo thành sóng kim loại Phần kim loại đặc do không bị nén nên biến dạng ít còn phần rỗng bị biến dạng nhiều khi chảy dồn lên phần kim loại còn lại tạo nên khuyết tật “gấp” Khuyết tật đó được đánh dấu bằng mầu đỏ trêm hình mô phỏng dưới đây

Hình 2.13 Hình ảnh mô phỏng quá trình dập chi tiết hốc lõm

Thứ hai nguyên công dập khối trong khuôn hở có vành biên với phôi ban đầu dạng hình trụ được dập để tạo thành chi tiết có hốc lõm, thành mỏng Qua quá trình mô phỏng chúng ta thấy rằng kim loại bị biến dạng rất nhiều tuy nhiên có những vùng kim

loại lại ít bị biến dạng Trong giai đoạn cuối của quá trình biến dạng phần kim loại bị biến dạng nhiều chảy đè lên phần kim loại biến dạng ít do phôi mất ổn định nên tạo ra khuyết tật “gấp” như ở trường hợp trên

Hình 2.14 Hình ảnh mô phỏng quá trình quá trình dập trong khuôn hở

Thứ ba là nguyên công dập khối trong khuôn hở có vành biên, chi tiết là khớp nối Ta thấy sau khi dập xong chi tiết có các khuyết tật “gấp” là do: tỉ số giữa chiều cao phôi và đường kính phôi lớn nên khi ép xuống phôi bị cong do mất ổn định, bên cạnh

đó do chi tiết chỉ biến dạng một phần do phần dưới cố định và hơn thế nữa chi tiết lại

có thành mỏng nên sản phẩm được tạo ra có khuyết tật “gấp”

Hình 2.15 Hình ảnh mô phỏng nguyên công dập khối trong khuôn hở

Cuối cùng là nguyên công dập khối trong khuôn hở có vành biên với chi tiết dạng hình trụ Thông qua quá trình mô phỏng ta thấy khi chày ép đi xuống kim loại bị

ép chảy ngược Tuy nhiên do chi tiết có thành mỏng và do khuôn không có độ nghiêng nên trên phần vành biên chi tiết bị gấp nếp Khuyết tật đó được đánh dấu bằng màu đỏ trên hình vẽ