Nghiên cứu tối ưu công nghệ dập khối chi tiết khớp nối đồng tốc trong ô tô

I.1.1 Đặc diểm của công nghệ dập khối Dập khối là một trong những phương pháp gia công kim loại bằng áp lực nhờ lợi dụng tính dẻo của kim loại tạo ra một thành phẩm có hình dạng và kích

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

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

NGÀNH: CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY

Hà nội 2012

LÝ LỊCH KHOA HỌC

(Dùng cho học viên cao học)

I Sơ lược lý lịch:

Họ và tên: Trương Minh Đức Giới tính:Nam

Sinh ngày:08 tháng 06 năm 1982

Nơi sinh(Tỉnh mới): Trực Ninh Nam Định

Quê quán: Trực Nội Trực Ninh Nam Định

Chức vụ: Giáo viên

Đơn vị công tác: Khoa Cơ khí Trường Đại học Kinh tế kỹ thuật Công nghiệp

Chỗ ở riêng hoặc địa chỉ liên lạc: P603 Khoa Cơ khí Trường Đại học Kinh tế kỹ thuật Công nghiệp

Điện thoại CQ: Điện thoại NR: Điện thoại di động: 0912370199 Fax: E-mail : minhduc0608@yahoo.com

II Quá trình đào tạo:

1 Trung học chuyên nghiệp (hoặc cao đẳng):

- Hệ đào tạo(Chính quy, tại chức, chuyên tu) : Thời gian đào tạo: từ / đến

- Trường đào tạo

- Ngành học: Bằng tốt nghiệp đạt loại:

2 Đại học:

- Hệ đào tạo(Chính quy,tại chức, chuyên tu) : Chính quy Thời gian đào tạo: từ 2001 đến 2006

- Trường đào tạo: Đại học Bách Khoa Hà Nội

- Ngành học: Công nghệ chế tạo máy Bằng tốt nghiệp đạt loại: TBK

3 Thạc sĩ:

- Hệ đào tạo: Chính quy Thời gian đào tạo: từ 10/2009 đến 2011

- Chuyên ngành học: Công nghệ chế tạo máy

- Tên luận văn: Nghiên cứu, tối ưu công nghệ dập khối chi tiết khớp nối đồng tốc trong ô tô

- Người hướng dẫn Khoa học: PGS.TS Nguyễn Đắc Trung

4 Trình độ ngoại ngữ (Biết ngoại ngữ gì, mức độ nào): B tiếng anh

III Quá trình công tác chuyên môn kể từ khi tốt nghiệp đại học:

Thời gian Nơi công tác Công việc đảm nhận 07/2006 đến 9/2009 Công ty VMEP Cán bộ kỹ thuật

10/2009 đến nay ĐH Kinh tế kỹ thuật công nghiệp Giáo viên

IV Các công trình khoa học đã công bố: không

Tôi cam đoan những nội dung viết trên đây là đúng sự thật

Ngày 28 tháng 03 năm 2012

NGƯỜI KHAI KÝ TÊN

ảnh 4x6

1

MỤC LỤC

Chương 2 – NGHIÊN CỨU CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA CÔNG NGHỆ ÉP

CHẢY TRONG QUÁ TRÌNH BIẾN DẠNG

22

2.1 Tính toán công nghệ trong ép chảy thuận 22 2.1.1 Vùng thoát hình trụ I 22 2.1.2 Vùng thoát hình côn II 23 2.1.3 Vùng chứa phôi hình trụ III 29 2.1.4 Áp lực riêng đối với các dạng khuôn khác nhau 31 2.2 Tính toán công nghệ trong ép chảy nghịch 32 2.2.1 Áp lực riêng khi chày lún vào phôi kim loại 34 2.2.2 Lực biến dạng khi ép chảy ngược 34

2

Chương 3 NGHIÊN CỨU QTCN CHẾ TẠO ỨNG DỤNG PHẦN MỀM

DEFORM VÀO MÔ PHỎNG SỐ QUÁ TRÌNH BIẾN DẠNG TẠO HÌNH

42

3.1 Thiết lập quy trình công nghệ 42

3.1.1 Đặc điểm hình dạng chi tiết 42

3.1.2 Thiết lập các phương án công nghệ 43

3.2 Ứng dụng mô phỏng số để nghiên cứu công nghệ dập chi tiết khớp

nối đồng tốc

50

3.2.1 Khái quát chung về mô phỏng số 50

3.2.2 Nghiên cứu công nghệ ép chảy bằng phương pháp mô phỏng

3.3.1 Giới thiệu chung về Deform 55

3.3.2 Các bước tiến hành mô phỏng số trong Deform 56

3.3.2.1 Các bước cài đặt 57

3.3.2.2 Giao diện Deform 3D và cài đặt thông số 57

3.3.3 Ứng dụng mô phỏng trên phần mềm Deform 63

Chương 4 MÔ PHỎNG SỐ TỐI ƯU CÔNG NGHỆ ÉP CHẢY CHI TIẾT

KHỚP NỐI ĐỒNG TỐC TRONG Ô TÔ 74

4.1 Mô phỏng và đánh giá kết quả 74 4.1.1 Nhận xét ban đầu 74

4.1.2 Mô phỏng số trong quá trình ép chảy gia công chi tiết khớp nối 74

3

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Các dạng sản phẩm của dập khối 11

Hình 1.2 Quá trình điền đầy lòng khuôn dập hở ở giai đoạn I 13

Hình 1.3 Quá trình điền đầy lòng khuôn dập hở ở giai đoạn 14

Hình 1.4 Quá trình điền đầy lòng khuôn dập hở ở giai đoạn II 15

Hình 1.5 Quá trình điền đầy lòng khuôn dập hở ở giai đoạn IV 16

Hình 1.6 Sơ đồ ép chảy thuận 17 Hình 1.7 Sơ đồ ép chảy hỗn hợp 18

Hình 1.9 Sự thay đổi hình dạng và kích thước của phôi trong trong ép chảy

ngược phụ thuộc vào tỉ số D/d

19

Hình 1.10 Lực ép chảy ngược phụ thuộc vào tỉ số D/d 20

Hình 2.1 Sơ đồ bài toán ép chảy thuận phôi thanh có tiết diện ngang tròn 22

Hình 2.2 Sơ đồ tính toán vùng biến dạng 23

Hình 2.3 Phân bố áp lực tiếp xúc giữa phôi và thành buồng ép 29

Hình 2.4 Hình dạng hình học vùng biến dạng của một số khuôn khác nhau 31

Hình 2.5 Hệ đường trượt khi chày bắt đầu lún vào phôi 32

Hình 2.6 Hệ đường trượt khi chày đã lún vào phôi 32

Hình 2.7 Sơ đồ xác định áp lực khi ép chảy ngược 34

Hình 3.1Mô hình 3D của chi tiết 42 Hình 3.2 Hình dạng bản vẽ 2D chi tiết 43

Hình 3.3 Vị trí của khớp nối trong ô tô 44

Hình 3.4 Hình dạng phôi sau khi đã cưa 45

Hình 3.5 Hình dạng phôi sau nguyên công ép chảy 46

Hình 3.6 Hình dạng chi tiết sau nguyên công ép chảy 47

4

Hình 3.7 Bản vẽ từ phôi đúc 48 Hình 3.8 Sơ đồ so sánh quá trình tối ưu công nghệ giữa phương pháp

truyền thống và phương pháp công nghệ ảo

54

Hình 3.9 Các bước thực hiện bài toán mô phỏng trên Deform 3D 56

Hình 3.10 Giao diện chính của Deform 3D 57

Hình 3.11 Giao diện modun DEFORM-3D Pre 58

Hình 3.12 Cửa sổ cài đặt thông số điều khiển phần mềm 59

Hình 3.13 Thư viện vật liệu của Deform 3D 59

Hình 3.14 Hiệu chỉnh vị trí các đối tượng 60

Hình 3.15 Tạo tiếp xúc giữa các đối tượng 61

Hình 3.16 Giao diện của Database generation 62

Hình 3.17 Cửa sổ Deform 3D-Post 62

Hình 3.18 Giao diện Deform 3D 63

Hình 3.19 Mô hình phôi 64

Hình 3.20 Mô hình chày 64

Hình 3.21 Mô hình cối 65 Hình 3.22 Mô hình ép chảy 65 Hình 3.23 Hình học phôi sau khi đã chia lưới 66

Hình 3.24 Mô hình vật liệu 66 Hình 3.25 Giao diện Deform đang tính toán và cập nhật lưới 67

Hình 3.26 Hình ảnh một số bước tạo hình 68

Hình 3.27 Lực tác dụng của chày ép 69

Hình 3.28 Trạng thái phá hủy 69

Hình 3.29 Trạng thái biến dạng 70

Hình 3.30 Trạng thái phân bố ứng suất 70

Hình 3.31 Sự thay đổi tốc độ trong ép chảy thuận nghịch 71

Hình 3.32 Sự biến đổi trạng thái nhiệt độ 71

Hình 4.12 Phân bố biến dạng lúc kết thúc 83

Hình 13 Phân bố ứng suất lúc kết thúc 83

6

LỜI CAM ĐOAN

Tôi là: Trương Minh Đức

Sinh ngày 08/06/1982

Lớp CMT Khóa 2009

Trường Đại học Bách khoa Hà Nội

Tôi xin cam đoan bản luận văn với đề tài: “Nghiên cứu, tối ưu công nghệ dập

khối chi tiết khớp nối đồng tốc trong ô tô” do tôi tự thực hiện dưới sự hướng dẫn

khoa học của PGS TS Nguyễn Đắc Trung Các số liệu và kết quả hoàn toàn trung

thực

Tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm nếu điều đó không đúng sự thật

Học viên thực hiện

Trương Minh Đức

7

LỜI NÓI 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 tôi đã tập chung nghiên cứu và ứng dụng phương pháp mô phỏng số nhờ phần mềm DEFORM nhằm tối ưu hoá công nghệ ép chảy trong chi tiết khớp nối đồng tốc trong ô tô

Luận văn được trình bày trong 4 chương

Chương 1 Giới thiệu tổng quan về công nghệ dập khối từ đó nghiên cứu về

công nghệ ép chảy, các phương pháp ép chảy, từ đó đưa ra mục đích của việc nghiên cứu của luận văn áp dụng để gia công chi tiết khớp nối

8

Chương 2 Nghiên cứu về cơ sở lý thuyết của công nghệ ép chảy Trong chương

này tập chung tính toán khảo sát bài toán ép chảy tại từng vùng riêng biệt, từ đó tổ hợp lại để xác định lực biến dạng và áp lực riêng phần

Chương 3 Nghiên cứu QTCN chế tạo gia công chi tiết khơp nối đồng tốc trong

ô tô từ đó ứng dụng phần mềm mô phỏng số để mô phỏng quá trình biến dạng

Chương 4 Mô phỏng só tối ưu công nghệ ép chảy chi tiết khớp nối đồng tốc

trong ô tô Đưa ra kết quả và lựa chọn phương án tối ưu để từ đó có thể dựa vào kết quả

mô phỏng ứng dụng trong sản xuất hàng loạt

Kết luận của luận văn : Đưa ra kết luận và tổng kết khi làm luận văn và

hướng phát triển tiếp theo của đề tài

9

BẢNG CÁC KÝ HIỆU

A0 Diện tích mặt cắt ngang phôi ban đầu mm2

A1 Diện tích mặt cắt ngang sản phẩm mm2

C Nhiệt dung riêng J/kg.K

d0 Đường kính ban đầu của phôi mm

Fges Lực biến dạng cần thiết KN.m

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 Nhiệt độ tuyệt đối °K

Tf Nhiệt độ nóng chảy °K

−

T Ten xơ ứng suất

Wges Công biến dạng cần thiết KN.m

11

CHƯƠNG I:

TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ DẬP KHỐI VÀ CÔNG NGHỆ ÉP CHẢY I.1 Vài nét về công nghệ dập khối

I.1.1 Đặc diểm của công nghệ dập khối

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

Hình 1.1 Các dạng sản phẩm của dập khối

Dập khối có nhiều ưu điểm, cụ thể như:

• 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 những chi tiết vừa nhỏ gọn nhưng lại bền chắc

có vai trò quan trọng trong công nghiệp ô tô, máy bay…

• 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 phế liệu của sản phẩm này để làm chi tiết khác

12

Với những ưu việt về năng suất, chất lượng sản phẩm cao, giá thành hạ, thao tác sản xuất đơn giản không đòi hỏi thợ bậc cao lại có thể chế tạo những chi tiết từ rất nhỏ đến những chi tiết rất lớn (khoảng 500 tấn) mà dập khối được sử dụng rộng rãi trong mọi lĩnh vực công nghiệp như: Dân dụng, công nghiệp nặng, công nghiệp nhẹ, quốc phòng

Tuy nhiên dập khối cũng có những nhược điểm riêng:

• Quá trình tạo hình cần sử dụng lực công nghệ rất lớn nên hầu hết phải thực hiện với phôi ở trạng thái nóng (15000C) do vậy chất lượng bề mặt sản phẩm thấp và độ chính xác không cao (hiện tượng cháy và thoát cacbon bề mặt) khó cơ khí hóa và tự động hóa

• Công nhân (nhất là ở nước ta) làm việc nặng nhọc và trong môi trường độc hại, tiếng ồn nên tai nạn lao động hay xảy ra

• Không thể tạo ra được những chi tiết có hình dạng và kết cấu phức tạp như công nghệ đúc

Ngày nay do sự phát triển của khoa học kỹ thuật người ta đã 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 chi tiết nhỏ và trung bình

Trong quá trình dập khối tùy theo hình dạng, kích thước của từng loại chi tiết người ta sử dụng các loại phôi khác nhau: Phôi thép đúc, 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 qua 3 giai đoạn:

1 Giai đoạn nguyên công chuẩn bị, trong giai đoạn này có thể tạo hình sơ

bộ cho phôi

2 Giai đoạn các nguyên công tạo hình chính

3 Giai đoạn các nguyên công riêng lẻ để hoàn chỉnh sản phẩm

13

Thiết bị dung để dập khối là các máy búa, máy ép trục khuỷu dập nóng, máy ép

ma sát trục vít, máy ép thủy lực, máy rèn ngang, một số máy chuyên dùng và sử dụng các trang bị kèm theo như khuôn dập Hình dạng của chi tiết thu được hoàn toàn phụ thuộc vào các lòng khuôn dập này

Sự biến dạng của kim loại trong lòng khuôn dập (khuôn kín, khuôn hở, khuôn

ép chảy) trong quá trình dập là khác nhau dẫn đến chất lượng sản phẩm và độ bền khuôn cũng khác nhau

Ở các nước công nghiệp phát triển trên thế giới các nhà máy dập khối được đầu

tư lớn cả về công nghệ và thiết bị, sản phẩm của các nhà máy này chiếm đến trên 50% tổng số khối lượng sản phẩm công nghiệp chế tạo máy nói chung

Hiện nay ở nước ta dập khối chưa được phát triển lắm, tuy nhiên với tốc độ phát triển của nền công nghiệp hiện nay Nhà nước ta đang chú ý nhiều đến việc đẩy mạnh phát triển công nghệ này

I.1.2 Một số đặc điểm kỹ thuật trong dập khối:

Dập khối là quá trình phân bố lại kim loại phôi một cách cưỡng bức làm điền đầy các khoảng trống trong lòng khuôn Có 3 loại lòng khuôn dập khối là: Khuôn dập

hở, khuôn dập kín, khuôn ép chảy và sự điền đầy của kim loại vào các lòng khuôn này

có thể chia thành 4 giai đoạn sau đây:

1) Giai đoạn I:

Hình 1.2 Quá trình điền đầy lòng khuôn dập hở ở giai đoạn I

2) Giai đoạn II:

Hình 1.3 Quá trình điền đầy lòng khuôn dập hở ở giai đoạn II

Bắt đầu từ khi kim loại tiếp xúc với các mặt bên của lòng khuôn cho đến khi cửa khuôn bị đóng lại (bắt đầu cấu tạo vành biên) Chiều cao phôi giảm đi một lượng ∆H2 Trong giai đoạn này tại các bề mặt tiếp xúc có các lực P tác dụng từ đáy lòng khuôn lên phôi; lực Q tác dụng từ các mặt bên của lòng khuôn, và vì các góc của lòng khuôn “C” còn chưa điền đầy cho nên vẫn còn có các lực ma sát T và T1 cản trở sự chảy của kim loại vào các góc “C” Đến cuối giai đoạn này vì cửa khuôn bị đóng lại bằng vành biên cho nên tại cửa khuôn có các lực pháp tuyến Pb và lực ma sát T2 tác dụng lên kim loại

Vì có thêm một số thành phần lực tiếp xúc cho nên áp lực đơn vị tác dụng lên kim loại cũng tăng lên nhanh hơn so với giai đoạn I

15

3) Giai đoạn III:

Hình 1.4 Quá trình điền đầy lòng khuôn dập hở ở giai đoạn III

Giai đoạn này bắt đầu từ khi cửa khuôn bị đóng lại cho đến khi kim loại điền đầy toàn bộ lòng khuôn Vành biên cũng đã cấu tạo xong và vì lòng khuôn đã được điền đầy cho nên vai trò công nghệ của vành biên đã hoàn thành Trong giai đoạn III số lực tác dụng lên phôi vẫn còn như trong giai đoạn II chỉ khác là chiều các lực tác dụng lên vành biên được thay đổi Các lực Pb tác dụng cùng phương với lực P Các lực T2

chuyển hướng thành lực Tb là lực ma sát chống lại chiều chạy của kim loại ra vành biên, khi kết thúc giai đoạn III là lúc lòng khuôn đã được điền đầy cho nên không còn dòng chảy kim loại và các góc “C” của lòng khuôn Vì vậy lúc này các lực ma sát T và

T1 không còn nữa Tuy số lượng lực tác dụng lên phôi vẫn thế hoặc đến cuối cùng của giai đoạn III giảm đi được hai lực ma sât, nhưng tính chung áp lực đơn vị trong giai đoạn III lớn hơn nhiều so với giai đoạn II

Hành trình của giai đoạn III là ∆H3 thường nhỏ hơn hành trình của các giai đoạn I

và II

4) Giai đoạn IV:

16

Hình 1.5 Quá trình điền đầy lòng khuôn dập hở ở giai đoạn IV

Là giai đoạn cuối cùng của quá trình dập, nhiệm vụ của nó là đẩy nốt lượng kim loại thừa ra khỏi lòng khuôn vào rãnh thoát biên để biến dạng nốt một lượng ∆H4 làm cho vật dập đạt kích thước về chiều cao Đặc điểm cơ bản của giai đoạn này là áp lực đơn vị rất cao, do đó lực dập tăng lên rất nhiều và áp lực tác dụng lên khuôn cũng rất lớn cho nên dễ phá vỡ khuôn Các lực ma sát tác dụng lên lòng khuôn không còn nữa

mà chỉ còn có lực ma sát tác dụng tại cầu vành biên mà thôi

Thực ra giai đoạn IV hoàn toàn không cần thiết và lại còn có hại nữa, nhưng trong sản xuất bao giờ cũng không tránh khỏi giai đoạn này vì bao giờ cũng có kim loại thừa trong phôi Sự tồn tại của giai đoạn này sẽ làm hao tổn kim loại, hại khuôn, giảm năng suất lao động, tốn năng lượng v.v…Do vậy chúng ta nên tránh và càng giảm được giai đoạn này càng tốt

Sự chuyển giai đoạn trong quá trình dập thể tích trên khuôn hở này có thể xảy ra trong một vật dập không cùng một lúc, không đồng đều, có chỗ chuyển giai đoạn sau Chỉ có đối với các vật dập dọc trục, hình dạng tròn xoay thì sự chuyển giai đoạn trên toàn bộ vật dập xảy ra cùng một lúc

I.2 Dập khối theo phương pháp ép chảy

17

Bản chất của công nghệ ép chảy là: Phôi được đặt vào trong cối chế tạo gần giống như khuôn kín nhưng có lỗ thoát kim loại Dưới tác dụng của lực công nghệ thì kim loại bị biến dạng điền đầy lòng khuôn tạo thành phần thân trong lòng cối có hình dạng giống với hình dáng của lòng cối và mặt chày, phần kim loại còn lại chảy ra ngoài lòng khuôn qua lỗ thoát thoát tạo thành phần chân có hình dáng và tiết diện ngang không đổi

Ép chảy đặc biệt thích hợp trong việc sản xuất các bán thành phẩm dạng thanh, ống và các profin định hình 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 Tùy theo các điều kiện sản xuất và yêu cầu đối với sản phẩm mà có thể áp dụng các phương pháp ép chảy khác nhau, phổ biến nhất là ép chảy thuận và ép chảy ngược Ngoài ra còn có ép chảy hỗn hợp, ép chảy ống và ép chảy với hành trình ngắn, ép chảy đặc biệt như ép chảy ngang, ép chảy thủy tĩnh…

I.2.1 Ép chảy thuận

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

Hình 1.6 Sơ đồ ép chảy thuận

Phôi

Cối Chày

18

Sản phẩm của quá trình ép chảy thuận thường có dạng thanh, ống hay profil định hình

có chiều dài vô hạn Trong quá trình ép chảy thuận, chiều tác dụng lực trùng với chiều thoát sản phẩm

Đối với ép chảy thuận hay sử dụng cối có góc thoát 2α = 180° (Cối phẳng) hoặc góc thoát 2α < 1800

I.2.2 Ép chảy hỗn hợp

Để nâng cao chất lượng sản phẩm ép, người ta sử dụng phương pháp ép chảy có vỏ Đây thực chất là ép chảy hỗn hợp nhưng phần kim loại chảy ngược qua khe hở giữa chày và cối ép rất ít… Trường hợp ép có vỏ sẽ cho chất lượng của sản phẩm tốt hơn bởi lẽ tránh được những khuyết tật xấu của vật đúc vào sản phẩm ép Điều này thường được áp dụng với đồng và hợp kim của 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 = 1800khi ép có vỏ

Hình 1.7 Sơ đồ ép chảy hỗn hợp

I.2.3 Ép chảy ngược

• Ép chảy ngược được thực hiện khi phôi nằm trong cối và đường kính ngoài của phôi là đường kính trong của cối

Phôi

Cối Chày

19

Hình 1.8 Sơ đồ ép chảy ngược

• Đặc điểm khi ép chảy ngược:

- Nếu D/d càng nhỏ thì sau khi đột lỗ, chiều cao phôi càng tăng

- Ép chảy ngược thường tiến hành khi tỷ số D/d < 2

- Chiều cao của phôi có thể dễ dàng xác định được dựa vào định luật thể tích không đổi

Hình 1.9 thể hiện sự thay đổi hình dáng, kích thước phôi khi ép chảy ngược Khi đường kính của chày đột thay đổi sẽ làm cho hình dạng và kích thước của phôi thay đổi theo

Hình 1.9 Sự thay đổi hình dạng và kích thước của phôi trong trong ép chảy ngược phụ

thuộc vào tỉ số D/d

20

Nhận xét:

• Nếu tỷ số D/d càng lớn thì hình

dáng sản phẩm sau đột lỗ sẽ

không có sự phân biệt rõ ràng

giữa ép chảy ngược hay đột hở

• Khi D/d≥5 thì sự khác nhau

giữa đột hở và ép chảy ngược sẽ

không thể nhận biết được và cả

hai trường hợp đều trở thành bài

toán một chày hình trụ ấn vào một

bán không gian vô hạn

• Khi đột phôi có đường kính như

nhau thì với cùng đường kính

chày đột, lực và áp lực riêng khi

ép chảy ngược luôn lớn hơn khi

đột hở (hình 1.10)

• Khi D/d tăng thì sự khác nhau về

lực giữa hai trường hợp sẽ giảm

dần và hầu như bằng nhau khi D/d

≈5

Hình 1.10 Lực ép chảy ngược phụ

thuộc vào tỉ số D/d

I.3 Mục đích nghiên cứu của luận văn

Nghiên cứu về công nghệ ép chảy để sản xuất chi tiết khớp nối đồng tốc trong ô

tô, từ đó có thể nghiên cứu để tạo ra các chi tiết có hình dạng bất kỳ, từ đơn giản đến phức tạp phục vụ cho các ngành công nghiệp ô tô, máy bay, xây dựng, trang trí nội thất

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

ép ra sản phẩm đạt yêu cầu, nếu có phải chỉnh sửa thì cũng ở mức độ nhẹ và khối 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 giảm đáng kể Điều này có ý nghĩa rất quan trọng, nhất là đối với những chi tiết phức tạp, kích thước lớn

I.4 Nhiệm vụ tối ưu công nghệ dập khối gia công chi tiết khớp nối đồng tốc trong ô

tô

Phương pháp gia công bằng dập khối ép chảy chi tiết có rất nhiều ưu điểm: Gia công các chi tiết cơ khí với hệ số sử dụng vật liệu cao nhất, tạo ra chi tiết có cơ tính tốt, chất lượng sản phẩm tốt, năng suất cao Chính vì vậy trong luận văn này tôi sẽ chọn phương pháp gia công bằng phương pháp ép chảy để gia công chi tiết khớp nối

Bài toán đặt ra khi gia công chi tiết khớp nối là phải tìm ra được tối ưu về hình dáng, kích thước của sản phẩm Quá trình công nghệ gia công chi tiết có số nguyên công nhỏ nhất có thể, và phải tối ưu được các thông số về nhiệt độ, lực tác dụng và mức độ biến dạng khi gia công trong quá trình ép chảy

22

CHƯƠNG II:

NGHIÊN CỨU CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA CÔNG NGHỆ ÉP CHẢY TRONG

QUÁ TRÌNH BIẾN DẠNG II.1 TÍNH TOÁN CÔNG NGHỆ TRONG ÉP CHẢY THUẬN

Để nghiên cứu bài toán ép chảy, ta khảo sát bài toán ép chảy thuận phôi dạng thanh, cối hình côn và chày phẳng (Hình 2.1)

Đặc tính công nghệ như sau:

Để giải bài toán có thể dùng các phương pháp kỹ sư, phương pháp đường trượt, phương pháp cân bằng công, phương pháp định trị trên hay phương pháp biến phân

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 biến dạng và áp lực riêng toàn phần

Hình 2.1 Sơ đồ bài toán ép chảy thuận phôi thanh có tiết diện ngang tròn

II.1.1 Vùng thoát hình trụ

Kim loại chảy qua vùng này không bị biến dạng, sự biến dạng đã kết thúc ở cuối giai đoạn trước Theo định luật tồn tại biến dạng đàn hồi khi biến dạng dẻo, nên kim loại ở vùng này nằm trong trạng thái ứng suất đàn hồi Vì vậy giá trị tuyệt đối ứng suất

LD

ld

Chày

Cối

III

III

Sự chuyển động của kim loại bị cản trở bởi ma sát tiếp xúc trên thành cối Lực

ma sát có thể tính theo phương trình sau:

II.1.2 Vùng hình côn II ( vùng biến dạng)

Hình 2.2 Sơ đồ tính toán vùng biến dạng

D

P2f

24

+ Để tính toán trong vùng này, ta dùng tọa độ cầu

+ Áp lực riêng tại m’f’n’đã biết giá trị q1, cần phải xác định giá trị q2

+ Chuyển vị theo tọa độ φ và θ không có:

Uρ = U0 = 0 Dùng phương pháp công để giải:

A2 = ABD+Ams+ A1 (a)

Trong đó:

- A2: công của lực P2 tác dụng tại mặt ranh giới phía trên của ổ biến dạng

- Ams: Công ma sát tại bề mặt côn

2 3 2

2 2

2 ρ

2

1(ε)εε2

ρ

2

ε2

3ε

= +

(ρ = b) chuyển vị tại ϕ = 0 có giá trị uρ = uz Bởi vậy tại điểm ρ = b và ϕ = 0 ta có:

uz.b2 = f(0) = f(ϕ)

Giả thiết này rằng ở tất cả các điểm tại ranh giới trên của ổ biến dạng chuyển vị

uz không phụ thuộc vào ϕ và uz.b2 không thay đổi, ta sẽ nhận được:

2 z ρ

2 z

2

buub

uρ

dρcos

1bπu4k

* Công ma sát được xác định bởi:

F kρ k

A

trong đó τk : ứng suất tiếp xúc tại bề mặt tiếp xúc

ukρ: chuyển vị uρtrên bề mặt tiếp xúc, nó chính bằng uρ

ραπρ

=ρπ

= Dρd 2 sin ddF

Giả thiết τklà hằng số nên để ra ngoài dấu tích phân

> = α ∫b

a k

2 z ms

ρ

dρτb2ππsin

* Công cản phần trụ I:

2 1

4

π.dq

A =

Trong đó: u1 = uρ = a Do đó: u1 = uz b2/a2

2 2 1 1

a

b 4

π.d q

Thay (b), (c), (d) vào (a), nhận được:

a k

2 z b

a

2 z f2 z

b u 4

πd q ρ

dρ τ b 2ππsin ρ

dρ cos

1 b 4ππ.

k u

2 2

f2

2 k 2

a

b 4

π.d q a

b ln cos 1 πb 2k sin

πb τ

2 2

2

cos 1 4

D b

4

D cos

1 b

Tương tự ta có: = ( − 2α )

2 2

cos 1 4

d a

Theo tính toán đồng dạng của tam giác:

F cos

1 4 d

cos 1 4 D a

b

2 2

2 2

2

2

= α

πD F

2 2

=

=

Fln.cos1

1.4

πD2kcos

1

sin

4

πDτ

2 f2 2

2 k

+α

+α

12k

cos1

sinτ

FP

+α

f

Flncos1

12k

sin

1τF

28

Áp lực riêng :

f2 k

2

f

Flncos1

2ksin

τF

+α

=

Khi sử dụng công thức (2.31) cần phải giả thiết giá trị nào đó của τk Thực tế chỉ

rõ rằng τk thay đổi dọc theo bề mặt tiếp xúc, véc tơ bán kính ρ càng nhỏ thì τk càng tăng Vì ứng suất σϕ lớn hơn σρ nên trị số của σϕ ở của thoát (cuối phần hính côn) không nhỏ hơn kf2, điều này được giải thích như sau: do σρ = σθ nên điều kiện dẻo có dạng: σϕ - σρ = kf Ở tại cửa thoát (cuối phần hình côn) có σρ = 0 nên σϕ = kf2 Vì vậy

f

Flncos1

2sin

µk

+α

2

α+ do biến dạng kim loại

Trong thực tế không nên lấy góc 2α lớn hơn góc chảy thực tế Trong trường hợp góc 2α lớn hơn góc chảy thực tế sẽ tạo thành “góc chết’’ hay vùng cứng mà tại đó kim loại không biến dạng Khi 2α <110Οsẽ không tạo thành góc chết, thậm chí trong trường hợp đặc biệt 2α =130Οcũng không xuất hiện góc chết

29

Trường hợp ép chảy thanh, ống và các dạng profil, phần vật liệu dư nằm trong buồng ép sẽ trở thành phế liệu, vì vậy để tiết kiệm vật liệu nên lấy 2α lớn hơn góc chảy thực tế Khi ép chảy hợp kim nhôm, do lực ép không lớn lắm, vả lại để tránh những khuyết tật bề mặt cho sản phẩm do tạp chất, trên bề mặt phôi bị ép vào nên thường chọn góc thoát lỗ cối 2α =120Ο ÷180Ο

II.1.3 Vùng chứa phôi hình trụ III

Thực tế khi ép chảy vì thường được bôi trơn cẩn thận, trong trường hợp như vậy kim loại coi như chỉ nằm trong trạng thái thành nén đàn hồi ba chiều Vì vậy, một số nhà nghiên cứu đã cho rằng áp lực vào thành lớn hơn áp lực dọc trục, tức là σρ >σz

nhưng thực tế không phải như vậy Bởi vì tại đầu phôi trụ coi như áp lực phân bố đều

và tại thành bên cũng như vậy, như thế phôi hình trụ bị nén khối εz <0;ερ =εθ >0

Hình 2.3 Phân bố áp lực tiếp xúc giữa phôi và thành buồng ép

Từ điều kiện cân bằng cho thấy trong điều kiện tải trọng như vậy các thành phần ứng suất không phụ thuộc vào hệ trục toạ độ, nên

q

σz = − và σρ =σθ =−q′

q’

Z

νσσ

ν1

Do đó σz > σρ khi ν = 0.5 thì σρ =σz (trạng thái dẻo)

Prozorob đã chứng minh nếu như bôi trơn tốt thì áp lực chiều trục luôn lớn hơn

áp lực thành cối mà chỉ khi không bôi trơn thì σρ ≈ σz

q3 = 2 + f3 (2.6)

II.1.4 Áp lực riêng đối với các dạng khuôn khác nhau

Hình 2.4 Hình dạng hình học vùng biến dạng của một số khuôn khác nhau

Khuôn theo hình 2.4.a dùng để sản xuất các chi tiết có chuôi Để tính áp lực riêng ta sử dụng công thức tính áp lực riêng tại từng vùng I, II và III

l4kD

L2kf

Flncos1

2sin

5,0k

1 f 3

f

2 2 f

µ++

+α

+µ

LD

l

d

LD

ld

d

lD

L

32

Khuôn theo hình 2.6.b khác so với khuôn 2.6.a ở chỗ vùng biến dạng hình côn dài hơn Như vậy vật liệu chảy sẽ biến dạng từ từ hơn từ đường kính D xuống đường kính d Khuôn như hình 2.6.b dùng để sản xuất các trục bậc có mặt côn quá độ giữa các đoạn Khi α ≤30Οcó thể coi sinα≈α và cosα ≈1

d

l4µkD

2Lkf

Fln2

0,5µ1k

f1 f3

2Lkf

f'ln2

0,5µ

1f'

Flncos1

22sin

0,5µ

k

f1 f3

2 2

+α

+

II.2 TÍNH TOÁN CÔNG NGHỆ TRONG ÉP CHẢY NGHỊCH

II.2.1 Áp lực riêng khi chày lún vào phôi kim loại

Để xác định áp lực riêng khi chày lún vào phôi kim loại (trong trường hợp phôi

là bán không gian vô hạn) có thể sử dụng phương pháp đường trượt (hình 2.5 và hình 2.6)

Hình 2.5 Hệ đường trượt khi chày bắt đầu

• Hai bên ngoài chày là các mặt tự do, do đó các đường trượt cũng nghiêng một góc π/4 (vùng nằm giữa hai đường bb’ và ee’) Như vậy, điểm a và b là hai điểm đặc biệt

• Như vậy ta có mạng đường trượt được giới hạn bởi d’dcee’

Áp lực riêng σzB :

Xét hai điểm A và B:

+ Góc quay từ A ( mặt tự do) đến B: ωAB = π/2

+ Trên bề mặt tự do σZA = 0; σXA là ứng suất nén và là ứng suất pháp chính

+ Theo điều kiện dẻo:

σ1- σ3 = ± kf*

0 - σXA = kf* > σXA = - kf* = -2k Như vậy ứng suất trung bình: σtbA = -k

Theo tính chất của đường trượt ta có:

> σtbB = σZB + k

> σZB = -2k( 1 + ωAB)

Áp lực riêng q = -σZB vậy khi ωAB = π/2 thì:

34

q = 2k(1 + ωAB) = 2k(1+π/2) ≈ 2,6kf*

Trong trường hợp góc quay ωAB = π :

q = 2k(1+3.14) = 4.14kf*

II.2.2 Lực biến dạng khi ép chảy ngược

Xác định áp lực riêng khi ép chảy ngược trong cối hình trụ là một bài toán phức tạp Cho đến nay vẫn chưa có một lời giải phù hợp để ứng dụng trong thực tế và có tính chặt chẽ về mặt lý thuyết dẻo cũng như về mặt toán học

Tính phức tạp của bài toán thể hiện ở chỗ biến dạng hướng kính và tiếp tuyến hoàn toàn khác nhau, do đó dẫn đến hiện tượng biến dạng không đồng đều theo hướng biến dạng chính

Khi ép chảy ngược kim loại chảy qua vòng bao hở giữa chày (1) và cối (3)

Hình 2.7 Sơ đồ xác định áp lực khi ép chảy ngược

Xét hình b)

Vùng 1: Chồn hình trụ d =2r, chiều cao h

Vùng 2: Có dạng vành khăn đường kính trong (2r), ngoài (2R), chiều cao h

Vùng 3: Vùng không biến dạng

U0 là chuyển vị của chày trong một khoảng thời gian vô cùng nhỏ

U là chuyển vị của “kim loại chồn” lên trên

2 2

0 2

4 U ) d D (

4

Vậy:

1 r R

1 U r R

r U

U

2

2 0 2 2

2 0

36

2 q1 q2 q3 q4 q5 q6

4 d

q4: áp lực do trượt giữa bề mặt phân cách hình trụ (1) và vành khăn (2)

q5: áp lực do ma sát giữa chày và vùng (1) và do trượt giữa (1) và (4)

q6: áp lực do trượt giữa vùng (2) và vùng (3), (4)

* Ma sát giữa vùng (3) và cối rất nhỏ nên bỏ qua

* Trong tất cả các trường hợp, ứng suất tiếp do ma sát τk và ứng suất tiếp do trượt τc

1 k h

d 6

dU d

ρ ρ

U

Theo định luật thể tích không đổi: ερ+ εz + εθ = 0

h

U

h 2

U 2

R h

U 2

h

U U

2 2 2

+

ρ ρ

R

U U

2 2 0

2 2

0 2

R 1 r R

1 h 2

U U

= ε

∂

∂

= ε

ρ θ

ρ ρ

1 r R

1 h U

)

R 1 ( 1 r R

1 h 2

U U

)

R 1 ( 1 r R

1 h 2

U U

2 2

0 2

z

2 2

2 2 0 2

2

2 2

2 2 0 2

2

38

Vì R2 1

2

≥

ρ nên εz 2và εθ2 dương còn ερ 2 âm nhưng có trị số tuyệt đối lớn nhất

Phương trình cân bằng công có dạng:

dv k U r

.

q

v i f 0

2 3 2

2 2 1

=

1 r

R

1 h 2

U

k U

r

.

2

2 2 R

r

0 f

0

2

2 R

R ln R

r 1

1 5

, 0 ( k q

2

2 f

2

−

+ β

=

d

D ln D

d 1

1 5

, 0 ( k q

2

2 f

2

−

+ β

=

Áp lực q 3 và q 4 :

- Chuyển vị tại giới hạn trên của vùng (2) bằng U

- Chuyển vị tại giới hạn dưới của vùng (2) bằng 0