Bài viết trình bày nghiên cứu mô phỏng số quá trình dập thủy tĩnh phôi ống chi tiết cút nối chữ T với sơ đồ có ép dọc trục không có đối áp. Mô phỏng số trên phần mềm Deform 3D để lựa chọn các thông số công nghệ phù hợp: áp lực chất lỏng tạo hình, tốc độ chày ép dọc trục.
Cơ kỹ thuật & Kỹ thuật khí động lực NGHIÊN CỨU MƠ PHỎNG SỐ Q TRÌNH DẬP THỦY TĨNH CHI TIẾT CÚT NỐI CHỮ T TỪ PHÔI ỐNG Lương Văn Giới, Trần Đức Hồn, Nguyễn Mạnh Tiến* Tóm tắt: Bài báo trình bày nghiên cứu mơ số q trình dập thủy tĩnh phơi ống chi tiết cút nối chữ T với sơ đồ có ép dọc trục khơng có đối áp Mơ số phần mềm Deform 3D để lựa chọn thông số công nghệ phù hợp: áp lực chất lỏng tạo hình, tốc độ chày ép dọc trục Trên sở mô số, đánh giá ảnh hưởng thông số công nghệ đến trình tạo hình sản phẩm Các kết thu cho phép khuyến cáo cho thiết kế công nghệ giải tốn tối ưu hóa Từ khóa: Tạo hình kim loại; Dập thủy tĩnh; Áp lực tạo hình; Mơ số; Ống ĐẶT VẤN ĐỀ Dập thủy tĩnh phơi ống q trình tạo hình chi tiết hai nửa khn đóng kín áp lực thủy tĩnh cao tác dụng bên lịng ống Cơng nghệ ứng dụng rộng rãi nhiều lĩnh vực sản xuất ô-tô, xe máy, hàng không, để chế tạo chi tiết dạng ống có hình dạng phức tạp Phương pháp dập thủy tĩnh phôi ống cho phép giảm đáng kể giá thành sản phẩm, chi phí dụng cụ, tiết kiệm vật liệu, tăng suất tính sản phẩm đáng kể so với các phương pháp truyền thống đúc, hàn, gia công cơ, [1, 2] Chi tiết cút nối chữ T dạng chi tiết phức tạp chế tạo công nghệ dập thủy tĩnh Sơ đồ trạng thái ứng suất – biến dạng tạo hình chi tiết cút nối chữ T phương pháp dập thủy tĩnh phức tạp [7, 8] Điều làm cho chất lượng sản phẩm thu có không đồng chiều dày, đặc biệt phần biến dạng lớn để tạo vấu chữ T có xu hướng biến mỏng chủ yếu Có nhiều sơ đồ dập thủy tĩnh chi tiết dạng chữ T, đó, sử dụng phổ biến sơ đồ dập có ép dọc trục khơng có đối áp có ép dọc trục kết hợp với đối áp [1-3], tạo trạng thái ứng suất thuận lợi làm tăng khả biến dạng dẻo phôi ống Nghiên cứu [4] ảnh hưởng số thông số công nghệ hệ số ma sát, áp lực tạo hình, tốc độ ép dọc trục đến chiều cao phân bố chiều dày vấu dập thủy tĩnh chi tiết chữ T với sơ đồ ép dọc trục kết hợp đối áp Nghiên cứu [5] phù hợp thực nghiệm mô số dập thủy tĩnh chi tiết dạng chữ T, chữ X, đồng thời đưa ảnh hưởng số yếu tố bán kính lượn cối, ma sát áp lực tạo hình (tải thay đổi theo hành trình ép dọc trục) đến chiều cao chiều dày thành vấu Tuy nhiên, nghiên cứu chưa lý giải việc lựa chọn sơ đồ dập thủy tĩnh, khoảng nghiên cứu thông số Trong [6] đưa việc khảo sát tốc độ chày ép dọc trục từ đến 10 mm/s, chưa lại lựa chọn khoảng giá trị Việc đưa khoảng thơng số cơng nghệ tốn quan trọng để khuyến cáo cho thiết kế tối ưu hóa công nghệ chế tạo Hiện nay, với phát triển mơ số, thí nghiệm ảo xây dựng để dần thay cho công việc chế thử tốn chi phí, đồng thời thiết lập giải tốn tối ưu hóa Trong báo này, ứng dụng phần mềm mô số Deform 3D để đưa khoảng biến thiên thông số công nghệ phù hợp để nhận chi tiết dạng chữ T MƠ HÌNH BÀI TỐN MƠ PHỎNG SỐ 2.1 Lựa chọn sơ đồ dập thủy tĩnh Bài tốn mơ số thực phần mềm Deform 3D Mơ hình hình học tốn xây dựng cho chi tiết cút nối chữ T với u cầu hình dáng kích thước hình 1, đó, chiều dày thành vấu chi tiết cho phép biến mỏng đến 20%; độ chênh lệch chiều dày thành phần vấu đến 20% 202 L V Giới, T Đ Hoàn, N M Tiến, “Nghiên cứu mơ số q trình … từ phơi ống.” Nghiên cứu khoa học cơng nghệ Hình Chi tiết cút nối chữ T Với kích thước danh nghĩa chiều dày phần vấu phần ống 1,8 mm u cầu nói trên, để nghiên cứu tốn mô số lựa chọn loại phôi ống với chiều dày khác nhau, đường kính ngồi với đường kính chi tiết, cụ thể kích thước thể bảng Bảng Các kích thước phơi ống Phơi ống Đường kính Chiều dày, mm Chiều dài, mm Chiều dày ngồi, mm tương đối, % Phơi 33,4 1,7 170 5,1 Phôi 33,4 1,8 170 5,4 Phôi 33,4 1,9 170 5,7 Vật liệu phôi thép cacbon mác AISI 1010 có đặc trưng tính bảng Bảng Các đặc trưng tính AISI 1010 σs σb Độ giãn dài Độ giảm diện Độ cứng C MPa MPa % tích % HB % 0,1 304 365 20 40 100 Áp lực chất lỏng lịng phơi phụ thuộc vật liệu, chiều dày thành vấu Áp lực chất lỏng nhỏ gây biến dạng tính theo cơng thức [1]: Pmin s 2T D T (1) Áp lực chất lỏng lớn phá hủy vấu [1]: Pmax b 4T D T (2) Trong đó: T chiều dày thành sản phẩm, D đường kính sản phẩm Tuy nhiên, thực tế có tượng biến cứng kim loại bị biến dạng sai số đồng trục hai chày ép dọc trục với nửa khuôn nửa khuôn nên áp lực tạo hình sản phẩm cần phải lớn nhiều so với Pmin Theo [1] áp lực tạo hình cần thiết để tạo hình sản phẩm tính theo công thức: T (3) D Theo công thức (1), (2) (3), áp lực tạo hình chi tiết nghiên cứu tính cho loại phơi có giá trị bảng P 0,13. S 1,15. S Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 68, - 2020 203 Cơ kỹ thuật & Kỹ thuật khí động lực Bảng Áp lực tạo hình Phơi ống P , MPa Pmax , MPa Pmin , MPa Phôi 33 78 57 Phôi 35 83 58 Phôi 37 88 59 Trong sơ đồ dập thủy tĩnh, cung cấp nguồn áp lực tạo hình cố định trình dập, khơng nên chọn giá trị q lớn, trình dập chiều dày vấu chi tiết chữ T giảm dần, dẫn đến phá hủy nhanh chóng áp lực thủy tĩnh trì mức cao Áp lực tạo hình khơng nên chọn q 90% áp lực lớn Pmax Từ đó, đưa khoảng lựa chọn áp lực tạo hình an tồn để nghiên cứu loại phơi xét từ 60 đến 70 MPa Theo [1], sơ đồ dập thủy tĩnh có ép dọc trục có đối áp để giảm ứng suất kéo đính vấu làm giảm nguy phá hủy đó, đồng thời làm giảm ứng suất kéo thành vấu, điều dẫn đến làm giảm chiều cao vấu Lực đối áp tính tốn theo cơng thức [1]: P ( D 2T ) (4) (0, 0, 7) b ( D T ).T Sơ đồ trình dập thủy tĩnh chi tiết cút nối chữ T có ép dọc trục khơng có đối áp trình bày hình FS Hình Sơ đồ dập thủy tĩnh chi tiết cút nối chữ T có ép dọc trục khơng có đối áp Phơi đặt vào lịng cối, hai chày dọc trục chuyển động vào, làm kín khoang lịng phơi Nửa khn xuống theo chốt định vị, ép lên nửa khuôn với lực đóng khn đủ lớn Chất lỏng bơm đầy vào lòng ống tăng áp lực đến giá trị đặt trước, đồng thời hai chày ép dọc trục tiếp tục vào với tốc độ đặt trước Phơi bị biến dạng theo hình dạng lịng cối đến dừng q trình dập 2.2 Mơ hình hình học tốn dập thủy tĩnh có ép dọc trục Mơ hình hình học khn dập thủy tĩnh toán nghiên cứu xây dựng dạng 3D theo sơ đồ lựa chọn thể hình Hình Mơ hình hình học khn dập thủy tĩnh chi tiết cút nối chữ T 2.3 Các điều kiện mô số Khi mô số giả thiết hệ số ma sát tiếp xúc phôi dụng cụ khơng đổi Trong q trình biến dạng, áp lực tạo hình lịng phơi khơng thay đổi, hai chày ép dọc trục chuyển động với tốc độ khơng đổi Phơi chia lưới kích thước phần tử đủ nhỏ, đảm bảo kết tính toán hội tụ Với chi tiết nghiên cứu, số lượng khoảng 220.000 phần tử 204 L V Giới, T Đ Hồn, N M Tiến, “Nghiên cứu mơ số q trình … từ phơi ống.” Nghiên cứu khoa học cơng nghệ Mơ hình vật liệu AISI 1010 lấy thư viện phần mềm Deform 3D Bài toán thiết lập với điều kiện dừng mô đặt cho hai chày ép dọc trục dịch chuyển 40 mm theo hướng chuyển động Áp lực tạo hình giữ cố định trình dập thủy tĩnh, lựa chọn phù hợp với loại phôi nghiên cứu từ 60 đến 70 MPa Tốc độ chuyển động hai chày ép dọc trục thông số cơng nghệ quan trọng, ảnh hưởng đến giá trị ứng suất nén theo trục phơi, đó, ảnh hưởng đến trình biến dạng Nếu tốc độ lớn, gây việc ổn định phôi, tạo khuyết tật giống q trình chồn phơi với chiều cao tương đối lớn 2,5 Nếu tốc độ q nhỏ lại khơng có tác dụng ép dọc trục, giống sơ đồ dập thủy tĩnh khơng có ép dọc trục KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN Khi mơ số q trình dập thủy tĩnh khơng có ép dọc trục với áp lực tạo hình 70 MPa, phơi có chiều dày 1,7 mm phơi bị phá hủy chiều dày phần vấu chữ T bị biến mỏng lớn Tuy nhiên, thời điểm trước phá hủy quan sát vận tốc chảy vật liệu theo trục vấu chữ T (hình 4) có giá trị lớn 3,22 mm/s Điều khẳng định rằng, phải sử dụng sơ đồ dập thủy tĩnh có ép dọc trục tạo hình chi tiết nghiên cứu Hình Dập thủy tĩnh chi tiết cút nối chữ T ép dọc trục với phơi P=70 Mpa a) b) Hình Dập thủy tĩnh chi tiết cút nối chữ T với phôi P=60 MPa tốc độ chày ép dọc trục: a) mm/s; b) mm/s Tiếp tục mơ số với trường hợp có ép dọc trục với tốc độ chày ép dọc trục thay đổi khoảng rộng từ đến 30 mm/s, với phơi có chiều dày 1,7 mm áp lực tạo hình 60 MPa Cắt lấy chiều cao vấu chi tiết cút chữ T, chiều dày thành vấu Tx (mặt cắt có pháp tuyến trục X) Ty (mặt cắt có pháp tuyến trục Y) khác Xu hướng chung Tx < Ty tốc độ lớn chiều dày thành vấu Tx Ty lớn chí lớn chiều dày ban đầu 1,7 mm Trạng thái ứng suất – biến dạng dập thủy tĩnh chi tiết cút nối chữ T phức tạp, không chiều dày phần vấu không đồng mà chiều dày phần ống sau biến dạng không đồng (hình 5b) Tạp chí Nghiên cứu KH&CN qn sự, Số 68, - 2020 205 Cơ kỹ thuật & Kỹ thuật khí động lực Mơ số thực với phôi với chiều dày tương ứng 1,8 1,9 mm áp lực tạo hình cố định tường ứng 65 70 MPa Kết cụ thể bảng Bảng Kết mô số T=1,7 mm; p=60 MPa T=1,8 mm; p=65 MPa T=1,9 mm; p=70 MPa Vch, mm/s Tx Ty Tx Ty Tx Ty 1,213 1,6145 1,3554 1,6275 1,3832 1,7046 1,218 1,568 1,373 1,595 1,4656 1,676 1,412 1,6436 1,4563 1,699 1,516 1,720 10 1,431 1,6514 1,457 1,668 1,4939 1,6709 Từ bảng kết thấy rằng, dập thủy tĩnh tạo hình chi tiết cút nối chữ T, độ không đồng chiều dày thành vấu tránh khỏi Độ không đồng chiều dày thành tính theo cơng thức: 100 Ty Tx T (5) Ty Sự không đồng giảm tăng tốc độ chày ép dọc trục khoảng từ đến 10 mm/s áp lực tạo hình 60 MPa, nhiên, giảm khơng nhiều với áp lực tạo hình lớn (p=65 đến 70 MPa) (đồ thị hình 6a) Như vậy, xét đến chiều dày thành vấu chữ T, coi giá trị chiều dày giá trị trung bình Tx Ty Khi đó, mức độ biến mỏng chiều dày phần vấu so với chiều dày phôi ban đầu tính theo cơng thức: 100 T0 0,5 Ty Tx (6) T0 T0 Trong đó, T0 chiều dày ban đầu phơi ống Trên đồ thị hình 6b, rõ ràng mức độ biến mỏng tăng lên áp lực tạo hình tăng giảm tăng tốc độ chày ép dọc trục Khi áp lực tạo hình mức cao (p=65; 70 MPa) mức độ biến mỏng lớn, cịn áp lực thấp (p=60 MPa) mức độ biến mỏng nhỏ Điều cho thầy nên lựa chọn vùng áp lực tạo hình gần với cận theo công thức (3) Trong khoảng tốc độ chày ép dọc trục từ đến 10 mm/s, mức độ biến mỏng nhỏ 20% Ở mức áp lực tạo hình, mức độ biến mỏng nhỏ tốc độ chày ép dọc trục từ đến 10 mm/s a) b) Hình Đồ thị phụ thuộc yếu tố chiều dày thành vấu vào tốc độ chày ép dọc trục a) Độ không đồng chiều dày; b) Sự biến mỏng chiều dày Trong miền áp lực tạo hình chọn từ 60 đến 70 MPa, lựa chọn tốc độ chày ép dọc trục lớn tốt, áp lực tạo hình gần cận tốt Tuy nhiên, từ yêu cầu cho phép chiều dày độ chênh lệch chiều dày thành vấu chi tiết lựa chọn khoảng nghiên cứu tốc độ chày ép dọc trục từ đến 10 mm/s 206 L V Giới, T Đ Hoàn, N M Tiến, “Nghiên cứu mơ số q trình … từ phơi ống.” Nghiên cứu khoa học công nghệ KẾT LUẬN Như vậy, mô số kết hợp với lý thuyết báo giới hạn miền thông số công nghệ dập thủy tĩnh chi tiết cút nối chữ T; cụ thể, áp lực tạo hình khoảng 60 đến 70 MPa, tốc độ chày ép dọc trục từ đến 10 mm/s, phơi lựa chọn chiều dày 1,7 đến 1,9 mm Đồng thời, nghiên cứu ảnh hưởng áp lực tạo hình tốc độ chày ép dọc trục đến mức độ biến mỏng, độ đồng chiều dày thành vấu chi tiết chữ T Trên sở kết này, tiếp tục tiến hành nghiên cứu giải tốn tối ưu hóa thông số công nghệ để thu sản phẩm với chất lượng đáp ứng tốt yêu cầu kỹ thuật TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Phạm Văn Nghệ, “Công nghệ dập thủy tĩnh,” NXB ĐHBK Hà Nội (2006) [2] Muammer Koc, “Hydroforming for Advanced Manufacturing” Woodhead Publishing in Materials (2008) [3] Bathina Sreenivasulu, “Development of Empirical Model for Tube Hydroforming Process using RSM” International Journal of Applied Engineering Research, Volume 12, Number 12 (2017) [4] Bathina sreenivasulu, G Prasanthi, “FEA Simulation analysis of tube hydroforming process using DEFORM-3D”, 12th Global congress on manufacturing and management, Procedia Engineering 97 (2014) [5] P Ray, B.J Mac Donald, “Experimental study and finite element analysis of simple Xand T-branch tube hydroforming processes”, International Journal of Mechanical Sciences 47 (2005) [6] Vishnu P Sharma, Kamlesh Kushwaha, et al., “Effect on finite element simulation of tube hydroforming process”, International Journal of Science & Technology Vol Issue (2015) [7] Богоявленский К.Н., Вагин В.А., Мамутов B.C., Рис В.В., Чалев Д.И., и др “Гидропластическая обработка металлов”, Л.: Машиностроение, София: Техника (1988) [8] Богоявленский К.Н., Серяков Е.И., Кобышев А.Н., Воронина Н.Ф.; под ред Богоявленского К.Н “Изготовление полых сложных деталей”, Л.: Машиностроение (1979) ABSTRACT A STUDY ON NUMERICAL SIMULATION OF T - SHAPE TUBE HYDROFORMING PROCESS In this article, the study of tube hydroforming process with axial feed and noncounter pressure to make detail of connecting T by using numerical simulation Numerical simulation on Deform 3D software to select appropriate technology parameters: forming fluid pressure, axial compression speed Based on numerical simulation, evaluate the influence of technology parameters on the process of forming detail The results obtained allow recommendations for technology design and optimization problems Keywords: Metal forming; Hydrostatic; Forming pressure; Numerical simulation; Tube Nhận ngày 19 tháng năm 2020 Hoàn thiện ngày 25 tháng năm 2020 Chấp nhận đăng ngày 03 tháng năm 2020 Địa chỉ: Khoa Cơ khí, Học viện Kỹ thuật quân *Email: manhtiennguyen84@gmail.com Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 68, - 2020 207 ... đồ dập thủy t? ?nh có ép dọc trục t? ??o hình chi ti? ?t nghiên cứu Hình Dập thủy t? ?nh chi ti? ?t c? ?t nối chữ T khơng có ép dọc trục với phơi P=70 Mpa a) b) Hình Dập thủy t? ?nh chi ti? ?t c? ?t nối chữ T với... học t? ??n dập thủy t? ?nh có ép dọc trục Mơ hình hình học khn dập thủy t? ?nh toán nghiên cứu xây dựng dạng 3D theo sơ đồ lựa chọn thể hình Hình Mơ hình hình học khuôn dập thủy t? ?nh chi ti? ?t c? ?t nối chữ. .. 1,6709 T? ?? bảng k? ?t thấy rằng, dập thủy t? ?nh t? ??o hình chi ti? ?t c? ?t nối chữ T, độ không đồng chi? ??u dày thành vấu tránh khỏi Độ không đồng chi? ??u dày thành t? ?nh theo cơng thức: 100 Ty Tx ? ?T