Mô phỏng biến dạng dẻo quá trình dập lon kim loại

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA NGUYỄN HỒNG DIỄN MƠ PHỎNG BIẾN DẠNG DẺO Q TRÌNH DẬP LON KIM LOẠI Chuyên ngành : CƠ HỌC KỸ THUẬT LUẬN VĂN THẠC SĨ TP HỒ CHÍ MINH, tháng 01 năm 2011 - iiCƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH Cán hướng dẫn khoa học: TS NGUYỄN TƯỜNG LONG Cán chấm nhận xét 1: Cán chấm nhận xét 2: Luận văn thạc sĩ bảo vệ Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp.HCM ngày … tháng … năm 2011 Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm: Xác nhận Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV Bộ môn quản lý chuyên ngành sau luận văn sửa chữa (nếu có) Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV Bộ môn quản lý chuyên ngành - iii- ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA - CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc Lập - Tự Do - Hạnh Phúc -o0o - Tp HCM, ngày 02 tháng 07 năm 2010 NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: Nguyễn Hồng Diễn Giới tính: Nam Ngày, tháng, năm sinh: 19/02/1984 Nơi sinh: TP Hải Phòng Chuyên ngành: Cơ học kỹ thuật MSHV: 09230672 Khoá (Năm trúng tuyển): 2009 1- TÊN ĐỀ TÀI: Mô biến dạng dẻo trình dập lon kim loại 2- NHIỆM VỤ LUẬN VĂN: Xây dựng quy trình dập lon kim loại thơng qua mơ ảo (mơ hình hố máy vi tính):  Nghiên cứu tìm hiểu lý thuyết dẻo kim loại gia công dập sâu  Mô số trình dập thân lon đáy lon phương pháp phần tử hữu hạn sử dụng phần mềm Abaqus  Phân tích kết phân bố ứng suất biến dạng từ việc mô số 3- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 25/01/2010 4- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 02/07/2010 5- CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS NGUYỄN TƯỜNG LONG Nội dung đề cương Luận văn thạc sĩ Hội Đồng Chuyên Ngành thông qua CÁN BỘ HƯỚNG DẪN (Họ tên chữ ký) CHỦ NHIỆM BỘ MÔN QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH (Họ tên chữ ký) - iv- LỜI CẢM ƠN Luận văn tốt nghiệp thành mà tơi tích lũy giảng dạy thầy cô Trường Đại học Bách Khoa – Đại học Quốc gia Tp.HCM Tôi xin chân thành cảm ơn đến tất thầy cô Bộ môn Cơ Kỹ Thuật – Khoa Khoa học Ứng dụng truyền đạt kiến thức, kinh nghiệm quý báu hai năm học cao học Tôi xin gởi đến TS Nguyễn Tường Long lời cảm ơn chân thành Thầy giành thời gian quý báu để tận tình hướng dẫn, tạo điều kiện cho tơi hồn thành luận văn Thầy giúp tơi chọn phương pháp nghiên cứu đề tài, giới thiệu tài liệu tham khảo cần thiết, phát sai sót, quan niệm chưa với thực tế,… Tôi xin chân thành cảm ơn đến thầy cô phản biện; người giành thời gian quý báu để xem cho ý kiến, nhận xét, đánh giá luận văn Tôi xin cảm ơn tất bạn bè, đồng nghiệp cho ý kiến đóng góp để luận văn hồn thiện Cuối cùng, tơi xin gửi lời cảm ơn đến tồn thể gia đình, người thân nguồn động viên tinh thần lẫn vật chất giúp tơi hồn thành luận văn Nguyễn Hồng Diễn - v- TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ Trong nghiên cứu trình bày quy trình dập thân lon kim loại (lon nhơm hai mảnh cho bia nước sử dụng nhôm 3014) thông qua mơ ảo (mơ hình hố máy vi tính) Mơ hình hình học lon bia xây dựng dựa kích thước có từ nhà máy VINACAN Quy trình dập thân lon gồm bốn cơng đoạn; dập cốc (drawing), dập sâu (redrawing), dập vuốt (ironing) dập thúc (doming) triển khai mơ hình phương pháp phần tử hữu hạn, sử phần mềm tính tốn mơ Abaqus/Explicit Kết có sau q trình mơ số phân bố ứng suất, biến dạng thân lon giai đoạn trình dập Việc phân tích ứng suất, biến dạng sau trình dập giúp ta hiểu chất tượng, để từ dự đốn hư hỏng phân tích ngun nhân gây vấn đề đề xuất phương pháp xử lý trường hợp cụ thể Từ mơ hình phương pháp số nghiên cứu này, ta xây dựng quy trình dập hồn thiện ứng dụng sản xuất Việc xây dựng quy trình dập thân lon kim loại cần thiết có ý nghĩa thực tiễn - vi- MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ DANH MỤC CÁC BẢNG DANH MỤC CÁC SƠ ĐỒ, HÌNH ẢNH CHƯƠNG TỔNG QUAN 1.1 Mở đầu 1.2 Vấn đề thường gặp trình sản xuất lon nhôm 1.3 Q trình hình thành sản phẩm vỏ lon nhơm 1.3.1 Thân lon (Can body) 1.3.2 Nắp lon (Can End) 1.4 Cụ thể quy trình dập lon CHƯƠNG 2.1 Phương pháp tính biến dạng dẻo 24 2.1.1 2.2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 24 Khái niệm biến dạng dẻo 24 Phân tích lý thuyết q trình thúc sâu (Drawing) ép vuốt (Ironing) 34 2.2.1 Cơ sở lý thuyết trình biến dạng kim loại : 34 2.2.2 Phân tích lý thuyết q trình dập cốc (cup) 54 2.2.3 Quá trình Drawing 62 2.2.4 Quá trình Ironing 63 2.3 Phương pháp Explicit ABAQUS/Explicit 65 CHƯƠNG MƠ HÌNH HỐ BÀI TỐN DẬP LON KIM LOẠI 66 3.1 Mô hình vật liệu nhơm 66 3.2 Mơ hình hình học 68 3.3 Mô ABAQUS 71 3.3.1 Mô thân lon (Drawing, Redrawing Ironing) 71 3.3.2 Mô phần đáy lon (Doming) 74 3.4 Q trình mơ 77 3.4.1 Phần thân lon 77 3.4.2 Phần đáy lon 80 CHƯƠNG 4.1 KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN 81 Kết 81 - vii4.1.1 Thân lon 81 4.1.2 Đáy lon 88 4.2 Kết luận hướng phát triển đề tài 89 LÝ LỊCH TRÍCH NGANG 93 - viii- DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1: Số liệu chiều cao lon trước xén miệng VINACAN 18 Bảng 1.2: Số liệu đo lon sau xén miệng tai VINACAN 19 Bảng 3.1 Thuộc tính vật liệu nhơm 3014 66 Bảng 3.2 Bảng kích thước chày cối, đơn vị tính [mm] 68 Bảng 3.3: Bảng vận tốc hai chày bước [mm/s]: 78 - ix- DANH MỤC CÁC SƠ ĐỒ, HÌNH ẢNH Hình 1.1: Thân lon Hình 1.2: Quy trình chế tạo thân lon Hình 1.3: Nắp lon Hình 1.4.: Quy trình chế tạo nắp lon Hình 1.5: Các thiết bị xếp cuộn nhôm máy cupper Hình 1.6: Một “tool” nhơm trịn 11 Hình 1.7: Các trình biến dạng 12 Hình 1.8: Sự biến dạng qua giai đoạn 13 Hình 1.9 Quá trình redraw iron 14 Hình 1.10: Các lực sinh trình vuốt 16 Hình 1.11: Các lực ma sát sinh q trình tạo đáy vịm 18 Hình 1.12: Bề dày thành lon 19 Hình 2.1: Biểu đồ nguyên tử 24 Hình 2.2: Biểu đồ thử kéo 28 Hình 2.3 Biểu đồ so sánh   31 Hình 2.4: Đường cong biến cứng quan hệ ứng suất chảy độ dãn dài tương đối   l / l0 34 Hình 2.5: Đường cong biến cứng quan hệ ứng suất chảy với độ co thắt  34 Hình 2.6 Hiện tượng Spring Back 35 Hình 2.7: Kéo 35 Hình 2.8: Cán lăn 36 Hình 2.9: Biến dạng đồng 37 Hình 2.10: Sự méo mó 37 Hình 2.11: Tính vật liệu 39 Hình 2.12: Thơng số  số kim loại 40 Hình 2.13: Sự thay đổi  41 Hình 2.14: Vết nứt trình kéo dây 42 Hình 2.15: Tính vật liệu 43 Hình 2.16: Các giai đoạn phát triển lỗ hỏng vi mô 44 Hình 2.17: Trạng thái tới hạn lỗ hỏng vi mơ… ……………………… …………… 44 Hình 2.18: Vết nứt lỗ hỏng vi mô 44 - xHình 2.19: Kéo đơn trục 45 Hình 2.20: Ép hình trụ 45 Hình 2.23: Biểu diễn vị trí điểm nứt q trình gia cơng 47 Hình 2.24: Hiện tượng Springback uốn 48 Hình 2.25: Sự phân bố lực đoạn có spring back 49 Hình 2.26: Ép Lon 50 Hình 2.27: Lực ép lon theo chiều sâu 52 Hình 2.28: Ứng suất riêng (thặng dư) 53 Hình 2.29: Tính bất đẳng hướng 53 Hình 2.30: Lực ma sát mặt bích 54 Hình 2.31 (a) Quá trình dập cốc (b) Lực căng cốc 54 Hình 2.32:Một nhơm ………………………………………………………… 54 Hình 2.33: Một phần tử nhơm rút gọn lại 55 Hình 2.34: Trạng thái ứng suất vector biến dạng điểm khác nhôm 56 Hình 2.35: Một phần nhơm q trình dập điều kiện không ma sát, ứng suất thành ứng suất hướng tâm bán kính  ri 57 Hình 2.36:Ứng suất dập 57 Hình 2.37: Tấm nhơm trượt theo mép khuôn 58 Hình 2.38:Ma sát tăng lên lực giữ nhơm, xem tác dụng biên 58 Hình 2.39:Đường tải thành cốc với tiêu chuẩn chảy dẻo khác 60 Hình 2.40 Tấm nhơm có bán kính ban đầu R0, bề dày t0 dập thành cốc cao 61 Hình 2.41:Quá trình dập tiếp 62 Hình 2.42: Quá trình dập vuốt ( ironing)………………………………………… 63 Hình 2.43: (a) Hình dạng vùng biến dạng (b) Lực tác dụng vùng biến dạng dập vuốt 64 Hình 3.1 Đường cong biến dạng vật liệu nhôm 3104 [6]: 67 Hình 3.2 Quá trình Deep Drawing 69 Hình 3.3: Quá trình Redrawing 69 Hình 3.4: Quá trình Ironing Die 70 Hình 3.5: Quá trình Doming 70 Hình 3.6: Mơ hình FEM trình Deep drawing 72 - 79- Hình 3.16: Giai đoạn dập tiếp redawing Hình 3.17: Giai đoạn dập vuốt ironing - 80- Hình 3.18 Lon sau trình dập thúc 3.4.2 Phần đáy lon Các bước mô tương tự phần thân lon; Chuyển vị chày: 10.6 mm Thời gian mô phỏng: 0.0015s Vận tốc chày: 7000 mm/s Hình ảnh mơ phỏng: Hình 3.19: Mơ hình FEM mơ hình dập đáy lon - 81- CHƯƠNG KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN 4.1 Kết 4.1.1 Thân lon Ứng suất theo phương thứ Hình 4.1 Ứng suất theo phương thứ sau giai đoạn dập cốc Hình 4.2 Ứng suất theo phương thứ sau giai đoạn dập sâu - 82- Hình 4.3 Ứng suất theo phương thứ sau giai đoạn dập vuốt Hình 4.4 Ứng suất theo phương thứ sau giai đoạn dập thúc Như ta thấy rằng, ứng suất theo phương XX lon thay đổi sau trình Có giá trị lớn tăng từ 52 MPa giai đoạn dập cốc đến 219.9 MPa sau giai đoạn dập thúc Các giá trị nằm giới hạn cho phép vật liệu nhôm 3104 (ứng suất phá huỷ 290MPa) Lon giới hạn an toàn chưa bị phá huỷ - 83- Ứng suất theo phương thứ hai: Hình 4.5 Ứng suất theo phương thứ hai sau giai đoạn dập cốc Hình 4.6 Ứng suất theo phương thứ hai sau giai đoạn dập sâu - 84- Hình 4.7 Ứng suất theo phương thứ hai sau giai đoạn dập vuốt Hình 4.8 Ứng suất theo phương thứ hai sau giai đoạn dập thúc Ứng suất lon theo phương thứ hai (YY), có giá trị lớn qua giai đoạn thay đổi đáng kể, giá trị lớn sau giai đoạn dập cốc 211,8 MPa, nhỏ sau giai đoạn dập sau 118MPa Với kết ta thấy lon đảm bảo bền sau trình dập - 85- Ứng suất theo phương thứ ba: Hình 4.9 Ứng suất theo phương thứ ba sau giai đoạn dập sâu Hình 4.10 Ứng suất theo phương thứ ba sau giai đoạn dập thúc Ứng suất theo phương thứ ba (ZZ) có giá trị lớn sau giai đoạn dập thúc 227 MPa, nhỏ sau giai đoạn dập sâu 82 MPa Tương tự lon đảm bảo bền - 86- Ứng suất theo Von Mises Hình 4.11 Ứng suất von Mises sau trình dập cốc Hình 4.12 Ứng suất von Mises sau trình dập thúc Ứng suất von Mises sau giai đoạn thay đổi không đáng kể, giá trị lớn 182 MPa giai đoạn cuối Từ biểu đồ phân bố ứng suất ta nhận thấy vùng chuyển tiếp phần đáy phân thân, có thay đổi lớn giá trị ứng suất - 87- Biểu đồ ứng suất nodes: Node vị trí mép ngồi nhơm: Hình 4.13 Biểu đồ ứng suất node vị trí thành lon Node vị trí đỉnh cung vịm đáy: Hình 4.14 Biểu đồ ứng suất node vị trí đáy lon - 88- Node vị trí đỉnh đế lon: Hình 4.15 Biểu đồ ứng suất node vị trí đế lon 4.1.2 Đáy lon Việc tách lược phần đáy riêng để mơ có thuận lợi mặt xây dựng mơ thời gian mô Tuy nhiên ứng xử vật liệu phần đáy thành lon Việc thực mơ riêng nhằm mục đích khảo sát ứng xử phần đáy vòm Ứng suất Von Mises - 89- Hình 4.16 Ứng suất von Mises sau trình dập đáy lon Ứng suất tấm: Hình 4.17 Ứng suất đáy lon Như vậy, phân bố ứng suất mơ hình tách lược phù hợp với mơ hình hồn chỉnh, giá trị lớn ứng suất vị trí đế lon Giá trị hoàn toàn giới hạn cho phép vật liệu 4.2 Kết luận hướng phát triển đề tài Kết luận Quy trình dập thân lon hai mảnh xây dựng qua bốn bước: dập cốc, dập sâu, dập vuốt, dập thúc rõ chi tiết diễn biến xảy suốt - 90- trình dập lon kim loại Sự thay đổi ứng suất, biên dạng thời điểm khác trình hợp lý mặt lý thuyết thực tế Các kết ứng suất vị trí khác lon bước dập có giá trị lớn 227MPa (theo phương thứ 3) giá trị nhỏ giới hạn phá huỷ 290MPa vật liệu nhôm 3014 Ta nhận thấy sau kết thúc công đoạn dập, vùng chuyển tiếp từ đáy lon lên thành lon vùng nguy hiểm Tại tồn vùng có thay đổi đột ngột ứng suất Điều giải thích cho tượng móp, rách sản phẩm sau q trình dập Về phần đáy vịm, việc mơ chi tiết ứng suất, biến dạng thời điểm khác trình dập thúc đáy Và nhận thấy vùng ứng suất, biến dạng vị trí đế lon (vị trí cung tạo hình đáy lon) lớn nhất, điều giải thích cho tượng thủng thực tế trình dập thúc dáy lon Quy trình dập thân lon gồm bốn bước trình bày bước q trình dập thân lon Việc mơ số với kích thước hình học có cá biệt, kết có chưa so sánh với nghiên cứu khác để có nhìn tương quan Hướng phát triển: Xây dựng quy trình dập lon hồn chỉnh, mơ số q trình bóp cổ lon, dập nắp lon biên dạng hình học khác đáy lon - 91- TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Phan Hùng Chương, Nguyễn Ngọc Cảnh (2008), Mơ biến dạng dẻo q trình dập lon kim loại, Luận văn đại học, Đại học Bách khoa Tp Hồ Chí Minh [2] Nguyễn Lương Dũng (1993), Giáo Trình Biến Dạng Kim Loại [3] Nguyễn Lương Dũng (1993), Giáo Trình Tính Chất Cơ Học Của Vật Liệu [4] Trương Tích Thiện (2007), Lý Thuyết Dẻo, NXB Khoa Học Kỹ Thuật, TP.HCM [5] Đinh Bá Trụ (2000), Cơ sở lý thuyết biến dạng dẻo kim loại, Học Viện Kỹ Thuật Quân S [6] Alankar Chaudhary, “Consititutive Behaviour of Aluminium Alloys AA3104, AA5182 and AA6111 At Below Solidus Temperatures” [7] ABAQUS, Inc Theory Reference [8] ABAQUS Analysis User's Manual [9] Aluminium Beverage Can, United States Patent – 5,645,190 (1997) [10] Magnus Soderberg (2006), Finite Element Simulation of Punching, Master Thesis [11] Marko Vrh, Miroslav Halilovič, Bojan Starman, Boris Štok, (2009) “Modelling of springback in sheet metal forming” Int J Mater Form Vol Suppl 1: 825–828 [12] Mohd Ahmed and G.S Sekhon, Devender Singh, (2005) “Finite Element Simulation of Sheet Metal Forming Processes”, Defence Science Journal, Vol 55, No 4, , pp 389-401 [13] Hakim S Sultan Aljibori, Abdel Magid Hamouda, (2009) “Finite Element Analysis of Sheet Metal Forming Process”, European Journal of Scientific Research, ISSN 1450-216X Vol.33 No.1, pp.57-69 [14] Kunming Mao (2009), “ Aluminium Bottle Forming Simulation With Abaqus”, [15] W.F.Chen, D.J Han,(1988) Plasticity for Structural Engineers Springer – Verlag New York - 92- [16] J.L Duval, C Teodosiu, J Courbon, (1996) “ Microstructure – Based models of the plastic behaviour of 3104 aluminium alloy”, Materials Science Forum Vols 217-222 ,pp 1007-1012 [17] B Haddag, F Abed-Meraim, T Balan, (2008) “Strain localization and damage prediction during sheet metal forming”, Int JMaterForm Suppl 1:229–232 [18] S.J Hu, J.L Duncan, Z Marciniak.(1992) Mechanics of Sheet Metal Forming Edward Arnold, London [19] T Jansson · L Nilsson, (2006) “Minimizing the risk of failure in a sheet metal forming process”, Struct Multidisc Optim 31: 320–332 [20] Soo-Ik Oh, Jong-Kil Lee, Jeong-Jin Kang, and Joo-Pyo Hong, (1998) “Applications of Simulation Techniques to Sheet Metal Forming Processesm”, METALS AND MATERIALS, Vol 4, No 4, pp 583-592 [21] M Strano, (2006 ).“Optimization under uncertainty of sheet metal forming process by the finite element method”, Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers; 220, B8; ProQuest Science Journals, pg 1305 [22] UK Market Report (2010), The Canmakers [23] http://aluminium.matter.org.uk [24] http://www.canmakers.co.uk - 93- LÝ LỊCH TRÍCH NGANG Họ tên: NGUYỄN HỒNG DIỄN Ngày, tháng, năm sinh: 19/02/1984 Nơi sinh: TP Hải Phòng Địa liên lạc: 146/14/28 Vũ Tùng, phường 02, quận Bình Thạnh, TP HCM Q TRÌNH ĐÀO TẠO: Từ năm 2003 đến năm 2008: học đại học trường Đại học Bách khoa Tp.HCM Chuyên ngành: Cơ Kỹ Thuật Từ năm 2008 đến năm 2009: học bồi dưỡng sau đại học trường Đại học Bách khoa Tp.HCM Chuyên ngành: Cơ học ứng dụng Từ năm 2009 đến nay: học cao học trường Đại học Bách khoa Tp.HCM Chuyên ngành: Cơ học ứng dụng Q TRÌNH CƠNG TÁC: Từ năm 2008 đến nay: công tác Viện Cơ học Tin học Ứng dụng TP.HCM LỜI CAM ĐOAN Tôi tên Nguyễn Hồng Diễn, học viên cao học khóa K2009, mã số học viên 09230672, chuyên ngành Cơ học ứng dụng thuộc Bộ môn Cơ kỹ thuật – Khoa Khoa học ứng dụng – Trường Đại học Bách Khoa – Đại học Quốc gia Tp.HCM Tôi xin cam đoan danh dự độ xác chân thực cơng trình khoa học này; có vấn đề khơng đúng, tơi hồn tồn chịu trách nhiệm Ngày 02 tháng 07 năm 2010 Học viên ký tên NGUYỄN HỒNG DIỄN ... TÀI: Mơ biến dạng dẻo q trình dập lon kim loại 2- NHIỆM VỤ LUẬN VĂN: Xây dựng quy trình dập lon kim loại thơng qua mơ ảo (mơ hình hố máy vi tính):  Nghiên cứu tìm hiểu lý thuyết dẻo kim loại gia... CHƯƠNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Phương pháp tính biến dạng dẻo 2.1.1 Khái niệm biến dạng dẻo 2.1.1.1 Biến dạng đàn hồi biến dạng dẻo kim loại Trong kim loại, nguyên tử (iôn) tồn lực tác dụng tương... dịch chuyển nguyên tử tạo biến dạng Người ta chia kiểu biến dạng: biến dạng đàn hồi, biến dạng dẻo, phá huỷ Vật thể tác dụng ngoại lực bị biến dạng Nếu sau cất tải biến dạng bị đi, vật thể trở