Mô số trình dập thuỷ chi tiết đối xứng trục Phạm Văn Nghệ, Nguyễn Đắc Trung Bộ môn Gia công áp lực - Đại học Bách Khoa Hà Nội Tóm Tắt Phơng pháp dập thuỷ tạo hình chi tiết vỏ mỏng có hình dạng phức tạp ngày đợc ứng dụng rộng rãi ngành công nghiệp hàng không, ô tô đồ gia dụng nhờ u điểm bật nh tăng khả biến dạng vật liệu, nâng cao độ xác nh chất lợng bề mặt sản phẩm Nhng việc tính toán công nghệ dập thuỷ cha đợc nghiên cứu cách tổng quát Việt Nam Trong phần nghiên cứu này, tác giả ứng dụng phần mềm ANSYS vào việc mô số trình dập thuỷ chi tiết đối xứng trục nhằm tối u hoá công nghệ, giảm giá thành sản phẩm tiết kiệm thời gian thử nghiệm Giới thiệu Khác với phơng pháp dập thông thờng (chày cứng cối cứng), phơng pháp dập thuỷ đợc thực nhờ nguồn chất lỏng có áp suất cao, liên tục tác dụng vào bề mặt chi tiết kết hợp với chuyển đông khí khuôn máy tạo (hình 1) Với đặc điểm này, phơng pháp dập thuỷ cho phép dập hoàn chỉnh chi tiết sau lần dập nhờ biến dạng vật liệu đồng giảm tợng biến mỏng cục Ngoài ra, phơng pháp dập thuỷ cho phép nâng cao độ xác chất lợng bề mặt chi tiết dập bề mặt phôi kh«ng trùc tiÕp xóc víi dơng gia c«ng Qua tăng tuổi thọ chày cối giảm mòn Nhờ đặc điểm bật trên, phơng pháp dập thuỷ đợc ứng dụng nớc công nghiệp phát triển nh Mỹ, Nhật, Nga, Đức việc chế tạo chi tiết vỏ mỏng có hình dạng phức tạp nh vỏ ô tô, ống xả, vỏ đạn pháo Một phơng pháp nghiên cứu nhằm tối u hóa công nghệ dập thuỷ công nghệ ảo dựa vào mô số (hình 2) Phơng pháp công nghệ ảo đợc ứng dụng rộng rãi nghiên cứu nhờ u điểm bật nh giảm chi phí thử nghiệm, nâng cao chất lợng sản phẩm cho phép phát triển, áp dụng vật liệu Mô hình hoá mô số trình dập thuỷ phần mềm ANSYS Để tính toán mô trình dập thuỷ áp dụng nhiều phần mềm chuyên dụng nh PAM-STAMP, AutoForm hay Forg Tuy nhiên, phần mềm cha đợc phổ biến Việt Nam Để mô số trình dập thuỷ cơ, nhóm tác giả tập trung khai thác ứng dụng phần mềm vạn ANSYS Tuy phần mềm tồn số hạn chế việc xây dựng mô hình, nhng giúp cho việc phân tích trạng thái ứng suất biến dạng vật liệu cách xác, cho phép khảo sát thông số công nghệ đánh giá tổng quát trình dập tạo hình Các bớc tiến hành mô trình dập thuỷ nhờ phần mềm ANSYS đợc tiến hành nh hình 2.1 Mô hình hoá trình dập thuỷ Quá trình mô hình hoá đợc tiến hành qua việc xây dng mô hình tơng ứng nh: mô hình vật liệu, mô hình hình học, mô hình tiếp xúc 2.1.1 Mô hình vật liệu Việc đa mô hình xác thể ứng xử vật liệu phôi trình biến dạng mang ý nghĩa định kết trình mô Một mô hình vật liệu đợc áp dụng có hiệu toán biến dạng nguội mô hình dẻo tức thời tuyến tính đẳng hớng Von Mises với hàm dẻo có dạng: = J2 Trong đó: - hàm dẻo von Mises σ y2 (1) J2 - bÊt biÕn bËc hai tenxơ ứng suất lệch, đợc định nghĩa nh sau: J2 = sij sij víi sij – øng suất lệch [N/m2] y - ứng suất chảy [N/m2], hàm biến dạng dẻo (2) effp y = σ + E p ε effp (3) Trong đó: Ep- mô đun dẻo [N/m ] ứng suất d trình biến dạng trớc [N/m2] Biến dạng dẻo effp đợc tính nh sau: t effp = d effp (4) t thời gian biến dạng [s] d effp = p d eff d effp (5) Mô đun dẻo Ep đợc xác định qua biến Et (tagent modulus) Ep = EEt E − Et (6) víi E lµ Mô đun đàn hồi [N/m2] Nh vậy, thông số vật liệu phôi cần thiết cho việc thiết lập mô hình vật liệu theo von Mises thép SAE 1018 (h×nh 4) bao gåm: E = 200.103 MPa Mô đun đàn hồi = 0.27 Hệ số Poisson = 7850 kg/m3 Khối lợng riêng ứng suất chảy σy = 310 MPa Et = 763 MPa Tangent modulus Quá trình gia công đợc thực dụng cụ gia công nên việc đa vào thông số vật liệu cho dụng cụ gia công cần thiết trình mô Tuy nhiên coi chày cối bị biến dạng đàn hồi Các thông số vật liệu cho chày cối toán m« pháng bao gåm: E = 210.103 MPa, ν = 0.27 = 7850 kg/m3 2.1.2 Mô hình hình học Mô hình hình học bao gồm dụng cụ gia công phôi đợc xây dựng dựa yêu cầu xác hình dạng kích thớc sản phẩm Hình thể mô hình 3D toán dập thuỷ chi tiết trụ tròn xoay với kích thớc chiều dày phôi ban đầu D0 = 200 mm, S0 = mm Để giảm bớt thời gian tính toán mà đản bảo kết xác, ta xây dựng 1/4 mô hình tính đối xứng trục chi tiết Khe hở chày cối trình dập thuỷ thông số quan trọng việc xây dng mô hình hình học, đợc xác định theo công thức: (7) Z = ks0 + δ0 Trong ®ã: s0 – chiỊu dày phôi ban đầu (mm) thông số phụ thuộc vào kích thớc hình dang chày cối k hệ số tính đến biến dày vật liệu trình dập Tính toán theo công thức (7), khe hở chày cối mm 2.1.3 Mô hình toán tiếp xúc Trong trình dập thuỷ có tiếp xúc bề mặt vật liệu phôi với dụng cụ gia công nên việc thiết lập mô hình tiếp xúc thiếu đợc trình mô số Một mô hình tiếp xúc toán biến dạng nguội mô hình tiếp xúc Coulomb = pn (8) đó: - lực ma sát [N] (hay øng suÊt ma s¸t [N/m2]) pn.- lùc ph¸p tuyến [N] (hoặc áp suất tiếp xúc [N/m2]) à- hệ số ma sát Ma sát trình dập thuỷ ma sát thuỷ động Bởi hệ số ma sát toán nhỏ (à = 0.005 ữ 0.05) Đây môt u điểm trình dập thuỷ 2.2 Mô số trình dập thuỷ nhờ phần mềm ANSYS Để tiến hành mô số nhờ phơng pháp phần tử hữu hạn, trớc hết phải chia lới phần tử cho mô hình hình học Do đặc điểm mô hình có nhiều mặt cong nên ta sử dụng kiểu phần tử cho toán Solid 92 với 10 nút (hình 6) Đối với toán dập thuỷ phải xác định áp suất cần thiết cho trình dập áp suất cần thiết phụ thuộc vào vật liệu chiều dày phôi đợc tính theo công thức Иcаченко Е И: qmax = K σ σ b ( Rn + s ) s RM ( Rn + s + 0,5 RM ) (9) ¸p dơng toán dập chi tiết trụ tròn xoay ta cã: - VËt liƯu nh«m qmax = 25 – 35 MPa - ThÐp c¸c bon thÊp qmax = 60 – 80 MPa - ThÐp kh«ng gØ qmax = 90–100 MPa Để đơn giản cho việc tính toán coi áp suất trình số Điều kiện chuyển vị toán đợc xây dựng nh sau: - Cối chặn phôi đứng yên Uchăn, Ucối = - Chày xuống khoảng h ứng với chiều sâu dập Uchày = h Dới trình bầy vài kết mô số trình dập thuỷ vật liệu thép SAE 1018 Hình thể trình dập thuỷ với ¸p st P = 60 MPa, qóa tr×nh dËp thuỷ phôi ôm sát vào chày dập điều tạo điều kiện thuận lợi cho trình dập đảm bảo cho xác hình dạng kích thớc sản phẩm Hình Dập thuỷ P = 60 MPa Hình hình thể phân bố ứng suất tơng đơng trình dập thuỷ ứng với chiều sâu dập vuốt khác Tại góc lợn phôi tiếp xúc với mÐp chµy vµ mÐp cèi øng st rÊt lín trình biến dạng xảy chủ yếu góc lợn Điều phù hợp với kết phân bố biến dạng hình 10 11 Hình Phân bố ứng suất tơng đơng von Mises, h = 40.529 mm P = 60 MPa, σeqv max = 631 MPa Hình Phân bố ứng suất tơng đơng von Mises, h = 56.861 mm P = 60 MPa, eqv max = 731 MPa Hình 10 Phân bố tổng biến dạng tơng đơng von Mises, h = 40.529 mm P = 60 MPa, εeqv max = 0.394121 H×nh 11 Phân bố tổng biến dạng tơng đơng von Mises, h = 56.861 mm P = 60 MPa, , εeqv max = 0.548301 DƠ dµng nhËn thÊy r»ng, øng st lín xuất vật liệu tăng nhanh với tăng chiều sâu dập vuốt cuối trình dập, ứng suất lớn đạt 731 MPa øng víi chiỊu s©u dËp vt h = 56.861 mm cha đạt tới giới hạn phá huỷ vật liệu Rm = 750 MPa Điều chứng tỏ trình biến dạng không gây rách chi tiết Kiểm tra đánh giá kết mô thực nghiệm Tuy mô hình hình học, mô hình vật liệu, mô hình tiếp xúc điều kiện biên đợc xây dựng dựa thực tế, nhng trình tính toán mô áp dụng phơng pháp phần tử hữu hạn đem lại kết gần đúng, nên việc đánh giá độ xác mô hình nh kết mô phải đợc kiểm nghiệm thực tế Sơ đồ thí nghiệm đợc trình bày hình 12 Mô hình thí nghiệm gồm mô đun chính: - Thiết bị: máy ép thuỷ lực 125 METL - 125 - Khuôn thí nghiệm thiết bị thuỷ lực - Hệ thống đo áp suất chất lỏng hành trình đợc ghép nối với máy tính Hình 13 thể vài kết cấu chày dập thử nghiệm Các sản phẩm tơng ứng với kết cấu chày dập đợc trình bày hình 14 Kích thớc hình dạng sản phẩm thực nghiệm hoàn toàn phù hợp với kết trình mô pháng Víi chiỊu s©u dËp vt h = 56 mm thực nghiệm chi tiết hoàn toàn không bị phá huỷ Điều khẳng định mô hình dập thuỷ kết mô số hoàn toàn xác Kết luận Da vào mô số thực nghiệm khảng định u điểm quan trọng trình dập thuỷ nh: vật liệu biến dạng dần, không tồn biến dạng cục lớn, chi tiết ôm sát vào chày dập Điều cho phép nâng cao độ xác sản phẩm Ngoài ma sát trình dập thuỷ nhỏ so với phơng pháp dập vuốt cổ điển Việc tạo ma sát thuỷ động trình dập thuỷ tạo điều kiện thuận lợi cho trình kéo phôi vào lòng cối Kết mô số trình dập thuỷ nhờ phần mềm ANSYS cho phép đánh giá tổng quát trình tạo hình, dự đoán trớc đợc chất lợng sản phẩm, nhanh chóng tối u thông số công nghệ ảnh hởng đến trình tạo hình nhằm tạo sản phẩm có chất lợng cao Tài liệu tham khảo [1] Phạm Văn Nghệ (1998) Công nghệ dập thủy tĩnh §HBK Hµ Néi [2] Иcаченко Е И (1967) Машиностроение, Москва [3] Hallquist, John O (1998) LS – DYNA Theoretical Manual, Livermore Software Technology Corporation, Livermore [4] ANSYS Incorporated (2002) Structural Analysis Guide ANSYS Release 6.1 [5] H L Xing, T Fujimoto and A Makinouchi Static-explicit FE modeling of 3-d large deformation multibody contact problems on parallel computer Materials Fabrication Lab., The Institute of Physical & Chemical Research (RIKEN), Hirosawa 2-1, Wako-shi, Saitama, Japan Địa liên hệ: TS Nguyễn Đắc Trung Bộ môn Gia Công áp Lực Khoa Cơ Khí Trờng Đại Học Bách Khoa Hà Nội Tel 04-8692430 резиной и жидкостью ... khảo sát thông số công nghệ đánh giá tổng quát trình dập tạo hình Các bớc tiến hành mô trình dập thuỷ nhờ phần mềm ANSYS đợc tiến hành nh hình 2.1 Mô hình hoá trình dập thuỷ Quá trình mô hình hoá... với chiều sâu dập Uchày = h Dới trình bầy vài kết mô số trình dập thuỷ vật liệu thép SAE 1018 Hình thể trình dập thuỷ với áp suất P = 60 MPa, qúa trình dập thuỷ phôi ôm sát vào chày dập điều tạo... ống xả, vỏ đạn pháo Một phơng pháp nghiên cứu nhằm tối u hóa công nghệ dập thuỷ công nghệ ảo dựa vào mô số (hình 2) Phơng pháp công nghệ ảo đợc ứng dụng rộng rãi nghiên cứu nhờ u điểm bật nh giảm