Nghiên cứu thiết kế, chế tạo hệ thống thí nghiệm ép chảy thuận hợp kim nhôm sử dụng nguồn động lực máy kéo nén

Bài báo trình bày một nghiên cứu thiết kế, chế tạo hệ thống thí nghiệm ép chảy thuận thanh hợp kim nhôm sử dụng nguồn động lực của máy kéo nén BESTUTM - 2000HH. Thực hiện ép thử nghiệm sản phẩm trên hệ thống thí nghiệm cho thấy hệ thống hoạt động đảm bảo yêu cầu kỹ thuật của quá trình ép chảy. Có thể sử dụng hệ thống thí nghiệm này để tiến hành các nghiên cứu về quá trình ép chảy thanh hợp kim nhôm.

SCIENCE - TECHNOLOGY P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619 NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ, CHẾ TẠO HỆ THỐNG THÍ NGHIỆM ÉP CHẢY THUẬN HỢP KIM NHÔM SỬ DỤNG NGUỒN ĐỘNG LỰC MÁY KÉO NÉN RESEARCH DESIGN AND MANUFACTURING SYSTEM OF ALUMINUM EXTRUSION EXPERIMENTAL USE MOTIVATION OF STRESS MACHINE Nguyễn Văn Thiện, Nguyễn Trọng Mai*, Hoàng Tiến Dũng, Nguyễn Tuấn Linh, Lê Ngọc Duy TĨM TẮT Bài báo trình bày nghiên cứu thiết kế, chế tạo hệ thống thí nghiệm ép chảy thuận hợp kim nhôm sử dụng nguồn động lực máy kéo nén BESTUTM - 2000HH Thực ép thử nghiệm sản phẩm hệ thống thí nghiệm cho thấy hệ thống hoạt động đảm bảo yêu cầu kỹ thuật q trình ép chảy Có thể sử dụng hệ thống thí nghiệm để tiến hành nghiên cứu q trình ép chảy hợp kim nhơm Hệ thống thí nghiệm ép chảy thuận hợp kim nhơm giúp cho sinh viên, nhà khoa học chủ động thực nghiên cứu trình ép chảy hợp kim nhơm với chi phí thấp so với q trình nghiên cứu hệ thống ép chảy cơng nghiệp Từ khố: Hệ thống ép chảy; hợp kim nhơm; máy kéo nén BESTUTM - 2000HH ABSTRACT The paper presents a research on designing and manufacturing experimental systems for extruding aluminum alloy bars using the power source of BESTUTM - 2000HH compressors Implementation of the product test extrusion on the experimental system shows that the operation model ensures the required technical requirements The aluminum alloy bar extrusion test system can be used to conduct research on the extrusion process of aluminum alloy bars The experimental system of extruding aluminum alloy bars helps students and scientists actively conduct research on the extrusion process of aluminum alloy bars at a lower cost than the research process on industrial extrusion systems Keywords: Experimental extrusion system; aluminum alloy; machine pull compression BESTUTM - 2000HH Khoa Cơ khí, Trường Đại học Cơng nghiệp Hà Nội * Email: trongmai85@gmail.com Ngày nhận bài: 10/7/2019 Ngày nhận sửa sau phản biện: 16/8/2019 Ngày chấp nhận đăng: 24/4/2020 KÝ HIỆU Ký hiệu R A0 Đơn vị mm2 Ý nghĩa Tỉ lệ ép Diện tích tiết diện phơi Website: https://tapchikhcn.haui.edu.vn Af Vchày Vra mm2 m/ph m/ph Diện tích tiết diện sản phẩm Vận tốc chày ép Vận tốc sản phẩm GIỚI THIỆU Quá trình ép chảy hợp kim nhơm q trình dùng lực tác động vào chày ép để ép chảy phôi hợp kim nhôm qua cửa khuôn trạng thái nhiệt độ chảy dẻo phơi tạo thành hợp kim nhơm (hình 1) [1,6] Chày ép; phôi; khuôn; sản phẩm Hình Nguyên lý trình ép chảy nhơm định hình [6] Ép chảy q trình công nghệ sử dụng rộng rãi để sản xuất hợp kim nhơm định hình phục vụ cho ngành công nghiệp xây dựng, ô tô, tàu hỏa, hàng khơng…[6,8] Q trình ép chảy bao gồm ép chảy thuận, ép chảy nghịch ép chảy ngang, ép chảy thuận sử dụng phổ biến [6] Để nghiên cứu ảnh hưởng yếu tố trình ép chảy đến chất lượng sản phẩm hợp kim nhơm, suất q trình ép ta tiến hành thực nghiệm Các thực nghiệm tiến hành hệ thống ép chảy cơng nghiệp có chi phí tốn hệ thống đắt tiền phải dừng sản xuất Do cần thiết phải tính tốn, thiết kế chế tạo hệ thống thí nghiệm ép chảy thuận đảm bảo yêu cầu kỹ thuật trình ép chảy CƠ SỞ LÝ THUYẾT Theo nguyên lý trình ép chảy hợp kim nhơm (hình 1) diễn nhiệt độ chảy dẻo phơi Do Vol 56 - No (Apr 2020) ● Journal of SCIENCE & TECHNOLOGY 67 KHOA HỌC CƠNG NGHỆ P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619 phơi hợp kim nhơm nung nóng đến nhiệt độ chảy dẻo vật liệu trước đưa vào ép, với hợp kim nhơm AA6063 khoảng 4200C ÷ 4900C [6,8] Buồng chứa phơi khn nung nóng đến nhiệt độ 4200C ÷ 4900C để trì nhiệt độ phơi trước ép Q trình ép chảy hợp kim nhơm có tỷ lệ ép R khoảng từ 10 ÷ 100 [6,8] R A0 Af q trình ép Có thể sử dụng máy kéo nén BESTUTM 2000HH làm nguồn động lực cho mơ hình ép chảy Trên sở phân tích lý thuyết, tiến hành xây dựng sơ đồ nguyên lý làm việc hệ thống ép chảy hình (1) Trong đó: A0: diện tích tiết diện phơi; Af: diện tích tiết diện hợp kim nhơm Tốc độ sản phẩm hợp kim nhôm ép chảy qua cửa khuôn nằm khoảng vận tốc định, với vật liệu AA6063 khoảng 10 ÷ 20m/p để đảm bảo chất lượng sản phẩm [6,8] Do vậy, tốc độ chày phải đảm bảo tốc độ dịch chuyển theo yêu cầu Vchay = Vra/R (2) Đầu máy ép; chày ép; buồng chứa phôi; cách nhiệt; phôi; Bộ phận gia nhiệt; Khuôn; áo chứa khuôn; đỡ; 10 vỏ hệ thống; 11 sản phẩm; 12 chuyển hướng; 13 bàn máy; 14 cảm biến đo lực Hình Nguyên lý làm việc hệ thống thí nghiệm KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN Hình Máy kéo nén BESTUTM - 2000HH Thông số kỹ thuật máy kéo nén BESTUTM - 2000HH (hình 2) có lực ép danh nghĩa 500kN, tốc độ dịch chuyển đầu chày trạng thái làm việc ÷ 10mm/p, khoảng hành trình di chuyển đầu ép 150mm Khoảng cách mặt bàn máy với mặt đầu lắp chày ép lớn 500 mm Các thơng số hiển thị máy tính: Lực, ứng suất, biến dạng tuyệt đối, biến dạng tương đối, thời gian, tốc độ biến dạng [3] Do máy kéo nén đáp ứng yêu cầu kỹ thuật 68 Tạp chí KHOA HỌC & CƠNG NGHỆ ● Tập 56 - Số (4/2020) Hình Bản vẽ hệ thống ép chảy máy kéo nén BESTUTM - 2000HH Website: https://tapchikhcn.haui.edu.vn SCIENCE - TECHNOLOGY P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619 R 50±0.1 43±0.1 30±0.1 20±0.1 15±0.1 26±0.1 12±0.1 6±0.1 23±0.1 A0  A  R.A f  A  30 30  900 (mm ) Af Ø2 7±0.1 Chọn phơi ép hình trụ nên diện tích mặt cắt sau: 5±0.1 R5 10±0.1 Thiết kế buồng chứa phơi Với sản phẩm đùn thử có tiết diện hình chữ nhật 2x15±0,02, diện tích tiết diện sản phẩm: Af = x 15 = 30 (mm2) Với HK nhôm 6063, tỷ lệ ép R ~ 20:100, chọn hệ số R = 30 Từ công thức (1): Buồng chứa phôi làm việc môi trường áp lực lớn nhiệt độ cao, chọn vật liệu SKD61, nhiệt luyện 48 50HRC Bản vẽ thiết kế buồng chứa phôi thể hình 12±0.1 Dựa nguyên lý hoạt động hệ thống ép chảy hợp kim nhôm thiết kế hệ thống ép chảy hợp kim nhôm sử dụng máy kéo nén làm nguồn sinh lực, đo lực, kiểm soát tốc độ ép cho trình ép hình Hệ thống gồm phận phận khí phận trì nhiệt độ cho trình ép Bộ phận khí có chi tiết quan trọng khuôn, buồng chứa phôi chày ép Do ba chi tiết sau tính tốn thiết kế cần phải kiểm tra điều kiện bền: A  r π  900 (mm ) 900  286, 48(mm2 ) π  r  17(mm)  r2  Chọn đường kính phơi 34mm, đường kính buồng chứa phơi Ø34 Để đảm bảo an tồn ép, chọn buồng chứa phơi có độ dày 30mm Vậy đường kính ngồi buồng chứa phơi Ø104 Hành trình max máy 150mm, chọn chiều dài phơi L = 100mm, chiều dài buồng chứa phơi có L = 117mm Hình Bản vẽ khn Buồng chứa phôi chịu áp lực hướng từ tâm ống chứa phôi ngồi chày ép tác dụng vào phơi Buồng chứa phơi làm việc điều kiện nung nóng khoảng 450 ÷ 4600C Để đảm bảo an tồn cho trình làm việc trình ép, tiến hành kiểm nghiệm độ bền ống chứa phôi phần mềm Ansys, kết phân tích hình Qua kết phân tích cho thấy buồng chứa phơi đảm bảo an tồn làm việc Hình Chuyển vị ống chứa phôi làm việc Hình Buồng chứa phơi Website: https://tapchikhcn.haui.edu.vn Hình Yếu tố an tồn ống chứa phơi làm việc Vol 56 - No (Apr 2020) ● Journal of SCIENCE & TECHNOLOGY 69 KHOA HỌC CÔNG NGHỆ P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619 Trong đó: σ: ứng suất chày ép F : lực ép max tác dụng vào chày (500kN) S: tiết diện chày [σ] ứng suất cho phép vật liệu làm chày ép (598N/mm2) Ta có: σ = 500000/π.17.17 = 550N/mm2 < [σ] Như chày ép đảm bảo điều kiện bền ép Thiết kế khuôn Tiết diện sản phẩm đùn thử hình chữ nhật 2x15mm, tiến hành thiết kế vùng dẫn nhơm, thiết kế vùng sản phẩm ta vẽ khn (hình 6) Chọn đường kính ngồi khn ∅60mm chiều dài khn 50mm Khn làm vật liệu SKD61, nhiệt luyện đạt 48÷50 HRC Mơ q trình ép chảy để kiểm tra lực ép phần mềm Qform Kết mô sản phẩm trình ép hình [2,7] 195 45 20 Ø16,5 Ø34-0.2 Ø31 Ø75 Ø50 1,5 10 20 10 130 ty le 3:1 Hình Mơ trình ép thử Hình 11 Bản vẽ chày ép Các chi tiết khí phận lại thiết kế dựa vào kết cấu ba chi tiết chính: khn, buồng chứa phơi, chày ép Kích thước cụ thể chi tiết khí lại hệ thống thể vẽ lắp hình Thiết kế phần gia nhiệt điều khiển nhiệt Với yêu cầu đầu vào gia nhiệt giữ ổn định nhiệt độ cho phôi khuôn làm việc với ngưỡng 400 ÷ 6000C, sử dụng điều khiển nhiệt độ vòng kín đảm bảo khả giữ ổn định nhiệt độ với sai số cho phép Tổng quát sơ đồ hệ thống gia nhiệt trì nhiệt độ máy thực hình 12 [5] Hình 10 Biểu đồ lực trình ép thử Qua mơ q trình ép thử, sản phẩm ép đạt yêu cầu hình dáng hình học Như kết cấu khuôn đảm bảo yêu cầu kỹ thuật Kết lực ép trình ép thể hình 10 Qua biểu đồ lực kiểm tra trình ép thử, lực ép khoảng 260kN nằm giới hạn làm việc máy ép 500kN Như với kết cấu thiết kế khuôn đảm bảo an toàn cho máy kéo nén làm việc Thiết kế chày ép Chày ép phần gắn trực tiếp với đầu kẹp máy kéo nén, có chức đẩy phôi qua cửa khuôn tạo thành sản phẩm Chày ép thiết kế hình 11 Để chày ép làm việc an toàn, cần kiểm tra độ bền chày ép lực ép có giá trị lớn máy kéo nén: σ = F/S ≤ [σ] (3) 70 Tạp chí KHOA HỌC & CƠNG NGHỆ ● Tập 56 - Số (4/2020) Hình 12 Sơ đồ hệ thống gia nhiệt ổn định nhiệt độ Nhiệt độ cài đặt thông qua điều khiển TK4S điều khiển đóng cơng tắc tơ gia nhiệt cho hệ thống Khi nhiệt độ đạt ngưỡng làm việc cài đặt, điều khiển ngắt điện để trì nhiệt độ làm việc Sau thời gian trao đổi nhiệt với môi trường nhiệt độ hạ xuống nhiệt độ cài đặt, phần cặp nhiệt điện thông báo để điều khiển đóng thiết bị gia nhiệt tiếp tục nung nóng đối tượng tới nhiệt độ cài đặt Tính tốn dây điện trở nhiệt làm nóng ống chứa phơi có đường kính dây d = 1,4mm, chiều dài dây L = 3826mm Website: https://tapchikhcn.haui.edu.vn SCIENCE - TECHNOLOGY P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619 [4] Dây quấn lại thành dạng trụ bao quanh ống chứa phôi Bộ phận gia nhiệt ống chứa phơi sau lắp ráp thể hình 13 Hình 13 Bộ phận gia nhiệt ống chứa phơi sau lắp Hình 15 Hình ảnh cấu tạo công tắc tơ Bộ phận điều khiển nhiệt độ Để hoạt động cách ổn định điều khiển toàn hệ thống cần điều khiển nhiệt độ điều khiển nhiệt độ TK4S hình 16 [5] Hình 14 Bộ phận gia nhiệt khn sau lắp Tính tốn dây điện trở nhiệt làm nóng ống chứa phơi có đường kính dây d = 1,4mm, chiều dài dây L = 1916mm [4] Dây quấn lại thành dạng trụ bao quanh ống chứa phôi Bộ phận gia nhiệt ống chứa phôi sau lắp ráp thể hình 14 Bộ phận cách nhiệt Bơng Gốm Ceramic hay gọi Ceramic Fiber có thành phần Alumino Silic đioxyt (hợp chất silic sợi sa thạch thạch anh) Bông gốm cách nhiệt ceramic 1260 chịu nhiệt 1000 - 16000C Phần cách nhiệt cho toàn hệ thống “ khn đùn” có tác dụng ngăn nhiệt độ bên lò nung bên ngồi khơng khí làm tiêu hao lượng Bộ phận đo nhiệt Trong hệ thống ép thường xuyên phải trì nhiệt độ khuôn buồng chứa phôi nên hệ thống sử dụng cảm biến nhiệt độ (Temperature sensor) Ở dùng cặp nhiệt độ (Thermocouples) [5] Lựa chọn công tắc tơ đóng ngắt điện cấp cho dây gia nhiệt Để thực việc cấp điện cho dây mai so dùng công tắc tơ để đóng ngắt điện hình 15 [5] Website: https://tapchikhcn.haui.edu.vn Hình 16 Sơ đồ kết nối hệ thống điều khiển nhiệt Lắp ráp mơ hình Sau hồn thành chế tạo chi tiết khí hệ thống, tiến hành lắp ráp chi tiết hệ thống khí lắp ráp phận gia nhiệt, phận cách nhiệt, phận đo nhiệt, kết nối điều khiển nhiệt ta mơ hình hệ thống hình 17 18 Vol 56 - No (Apr 2020) ● Journal of SCIENCE & TECHNOLOGY 71 KHOA HỌC CÔNG NGHỆ P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619 Sản phẩm q trình ép chảy hợp kim nhơm có tiết diện hình chữ nhật có kích thước thực tế 1,98x14,98mm hình 20 Như vậy, dung sai kích thước sản phẩm đảm bảo yêu cầu kỹ thuật sản phẩm Hình 17 Thử nghiệm điều khiển nhiệt hệ thống ép chảy Hình 21 Đồ thị lực ép thử sản phẩm hệ thống Lực ép trình ép hiển thị áp lực đo máy ép 230kN hình 21, lực ép trình mô 260kN Như kết lực ép thực tế tương đồng so với mô 230/260 = 88,5% Hình 18 Lắp đặt hệ thống ép chảy chế tạo máy kéo nén Thử nghiệm hệ thống Hệ thống thử nghiệm hình 19 với thơng số sau: - Buồng chứa phôi gia nhiệt: 4600C - Khuôn gia nhiệt: 4800C - Phôi hợp kim nhôm 6063, ∅34, dài 70mm, nung nóng: 4800C - Tốc độ dịch chuyển chày ép: mm/phút Hình 19 Hệ thống ép chảy máy kéo nén ép thử sản phẩm Hình 20 Sản phẩm hợp kim nhơm sau ép 72 Tạp chí KHOA HỌC & CƠNG NGHỆ ● Tập 56 - Số (4/2020) KẾT LUẬN VÀ KHUYẾN NGHỊ Từ kết nghiên cứu cho thấy tính tốn, thiết kế, chế tạo, chạy thử thành cơng hệ thống thí nghiệm ép chảy hợp kim nhơm sử dụng nguồn động lực máy kéo nén Hệ thống đảm bảo yêu cầu kỹ thuật trình ép chảy, cho phép thực nghiên cứu thực nghiệm q trình ép chảy hợp kim nhơm Tuy nhiên, giới hạn lực ép máy kéo nén BESTUTM - 2000HH 500kN nên hệ thống thí nghiệm phù hợp thực q trình ép chi tiết có kích thước tiết diện biên dạng sản phẩm nhỏ 90% đường kính phơi [6]: 90*34/100 = 30,6mm Phơi có đưa vào ép có đường kính ∅34mm, chiều dài phôi nhỏ Lmax = 100mm TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Phạm Văn Nghệ, Nguyễn Đắc Trung, Lê Trung Kiên, 2016 Công nghệ gia công áp lực NXB Bách khoa [2] Nguyễn Đắc Trung, Lê Thái Hùng, Nguyễn Như Huynh, Nguyễn Trung Kiên, 2011 Mô số trình biến dạng NXB Bách khoa [3] Tài liệu kỹ thuật máy kéo nén BESTUTM - 2000HH, Khoa Cơ khí, Đại học Công nghiệp Hà Nội [4] Bùi Hải, Trần Thế Sơn, 2013 Kỹ thuật nhiệt NXB KHKT [5] Hoàng Minh Công, 2012 Cảm biến công nghiệp NXB Xây dựng [6] Pradip K Saha, 2000 Aluminum Extrusion Technology ASM International [7] Isaac Flitta Simulation of Aluminium Extrusion Process Bournemouth University [8] Bauser, 2006 Extrusion second edition ASM International AUTHORS INFORMATION Nguyen Van Thien, Nguyen Trong Mai, Hoang Tien Dung, Nguyen Tuan Linh, Le Ngoc Duy Facutly of Mechanical Engineering, Hanoi University of Industry Website: https://tapchikhcn.haui.edu.vn ... nguyên lý hoạt động hệ thống ép chảy hợp kim nhôm thiết kế hệ thống ép chảy hợp kim nhôm sử dụng máy kéo nén làm nguồn sinh lực, đo lực, kiểm soát tốc độ ép cho trình ép hình Hệ thống gồm phận... nghiên cứu cho thấy tính tốn, thiết kế, chế tạo, chạy thử thành cơng hệ thống thí nghiệm ép chảy hợp kim nhôm sử dụng nguồn động lực máy kéo nén Hệ thống đảm bảo yêu cầu kỹ thuật trình ép chảy, ... ép chảy, cho phép thực nghiên cứu thực nghiệm trình ép chảy hợp kim nhôm Tuy nhiên, giới hạn lực ép máy kéo nén BESTUTM - 2000HH 500kN nên hệ thống thí nghiệm phù hợp thực q trình ép chi tiết có