Nghiên cứu phương pháp xác định độ chính xác gia công cơ trên máy công cụ

Nguyễn văn hiến Bộ giáo dục v đo tạo Trờng đại học bách khoa h nội - luận văn thạc sĩ khoa học ngành : gia công ¸p lùc gia c«ng ¸p lùc m« pháng sè qu¸ trình ép chảy thuận ống nhôm đối xứng trục trạng tháI nóng 2005 - 2007 Nguyễn văn hiến Hà Nội 10/2007 Hà Nội 2007 Bộ giáo dục v đo tạo Trờng đại học bách khoa h nội luận văn thạc sĩ khoa học mô số trình ép chảy thuận ống nhôm đối xứng trục trạng tháI nóng Chuyên ngành: Gia công áp lực M số: Nguyễn văn hiến Hớng dẫn khoa học: TS nguyễn Đắc trung Hà Nội - 10/2007 Lời cảm ơn Sau hai năm học tập nghiên cứu Bộ môn Gia công áp lực - Khoa Cơ khí - Trờng Đại học Bách Khoa Hà Nội, với dẫn tận tình Thầy, Cô giáo, giúp đỡ nhiệt tình bạn bè nỗ lực cố gắng thân, đà hoàn thành luận văn Tốt nghiệp Cao học đạt kết mong muốn Nhân dịp hoàn thành luận văn Cao học, xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới tất Thầy, Cô giáo Bộ môn, Khoa Trờng đà tận tình giúp đỡ, động viên, tạo điều kiện tốt cho hoàn thành khoá học Tôi xin chân thành cảm ơn Thầy giáo TS Nguyễn Đắc Trung, PGS - TS Phạm Văn Nghệ, đà nhiệt tình hớng dẫn giúp đỡ việc thực luận văn Tôi xin chân thành cám ơn thầy giáo phản biện đà đọc luận văn đóng góp cho ý kiến quý báu bổ ích Nhân đây, xin gửi lời cám ơn chân thành tới Cha, Mẹ, gia đình bạn bè thân thiết đà giúp đỡ, động viên, học tập nh trong cc sèng NÕu kh«ng cã sù đng không đạt đợc kết tốt đẹp nh ngày hôm Xin kính tặng luận văn cho Cha, Mẹ gia đình Tác giả Nguyễn Văn Hiến Mục lục Lời nói đầu Bảng ký hiệu Chơng I: Tổng quan công nghệ ép chảy I.1 Khái quát chung I.2 Các phơng pháp ép chảy 10 I.2.1 ép chảy thuận 10 I.2.2 ép chảy ngợc 11 I.2.3 ép chảy hỗn hợp 12 I.2.4 ép chảy ống 13 I.2.5 ép chảy với hành trình ngắn 14 I.3 Các bớc công nghệ trình ép chảy 15 I.4 Mục đích nghiên cứu luận văn 18 Chơng II: Nghiên cứu trạng thái ứng suất, biến dạng, lực công trình ép chảy II.1 II.2 Trạng thái ứng suất, lực công biến dạng ép chảy 19 19 II.1.1 Trạng thái ứng suất 19 II.1.2 Lực công biến dạng 19 II.1.3 Quan hệ lực hành trình chày ép 23 II.1.4 Đặc điểm chảy kim loại ép chảy 24 Tính toán công nghệ ép chảy 27 II.2.1 Vùng thoát hình trụ I 28 II.2.2 Vùng hình côn II II.2.3 Vùng chứa phôi hình trụ III 29 35 II.2.4 áp lực riêng dạng khuôn khác II.3 II.4 37 Nghiên cứu công nghệ ép chảy phơng pháp mô số 38 Kết luận 48 Chơng III: Nghiên cứu, ứng dụng phần mềm ANSYS vào mô số trình biến dạng tạo hình 49 III.1 Khái quát chung mô số 49 III.2 Nghiên cứu ứng dụng phần mềm ANSYS vào mô số trình biến dạng tạo hình 51 III.2.1 Giới thiệu chung phần mềm ANSYS 51 III.2.2 Các bớc tiến hành mô số ANSYS 52 III.3 Kết luận 72 Chơng IV: Mô hình hoá trình ép chảy thuận ống đối xứng trạng thái nóng, ứng dụng cho vật liệu nhôm 73 IV.1 Các giả thuyết 73 IV.2 Mô hình biến dạng kim loại hợp kim trạng thái nóng 75 IV.2.1 Phơng trình liên tục 75 IV.2.2 Phơng trình cân 75 IV.2.3 Phuơng trình truyền nhiệt 76 IV.2.4 Phơng trình thuộc tính 77 IV.2.5 Phơng trình chảy dÃo 80 IV.2.6 Tóm tắt mô hình 82 IV.3 áp dụng hợp kim nhôm A356 83 IV.4 Thiết lập toán biên nhiệt 84 IV.5 Giải toán biên - nhiệt IV.5.1 Giải toán biên học 86 IV.5.2 Giải toán biên nhiệt 90 IV.5.3 áp dụng toán ép chảy thuận ống đối xứng trạng thái nóng 91 IV.5.3.1 Điều kiện biên nhiệt toán ép chảy ống 91 IV.5.3.2 Bài toán biên học 93 IV.5.3.3 Bài toán biên nhiệt 95 IV.6 Kết luận Chơng V: Mô số trình ép chảy thuận ống đối xứng trạng thái nóng, ứng dụng cho vật liệu nhôm V.1 86 Nghiên cứu tối u dòng chảy trình ép chảy ống V.2 Mô hình hóa trình ép chảy ống 97 98 99 103 V.2.1 Mô hình hình học 103 V.2.2 Mô hình lới phần tử 105 V.2.3 Mô hình vật liệu 106 V.2.4 Mô hình tiếp xúc 108 V.3 Tiến hành mô số 109 V.4 Kết mô số 110 V.5 KÕt ln 120 KÕt ln 121 Tµi liƯu tham khảo 123 Lời nói đầu Trong năm gần đây, với phát triển mạnh mẽ kinh tế, chất lợng sản phẩm yêu cầu ngày cao, đa dạng mẫu mÃ, chủng loại phải đáp ứng nhanh chóng mặt thời gian Do vậy, tối u hoá công nghệ nhằm nâng cao chất lợng, giảm chi phí thiết kế, sản xuất hạ giá thành sản phẩm tiêu chí hàng đầu cho tất nhà sản xuất Trớc đây, công nghệ cha phát triển, tối u hoá công nghệ thờng dựa kinh nghiệm sản xuất tối u dần trình sản xuất mà tính tổng quát nên hiệu thờng không cao Trong năm gần đây, với phát triển mạnh mẽ công nghệ thông tin, điện tử, tự động hoá đà trợ giúp trình tối u hoá công nghệ cách đơn giản, nhanh chóng xác phơng pháp mô số máy tính đem lại hiệu cao nghiên cứu khoa học nh sản xuất nớc ta nay, mô số vấn đề mẻ, hầu nh cha đợc ứng dụng phổ biến vào sản xuất mà đợc nghiên cứu số trờng đại học nh viện nghiên cứu Để góp phần vào phát triển chung việc nghiên cứu tối u hoá công nghệ nhờ mô số thúc đẩy ứng dụng kết tối u vào sản xuất công nghiệp, luận văn tập chung nghiên cứu ứng dụng phơng pháp mô số nhờ phần mềm ANSYS nhằm tối u hoá công nghệ ép chảy thuận ống nhôm đối xứng trục trạng thái nóng Luận văn đợc trình bày chơng Chơng giới thiệu tổng quan công nghệ ép chảy, phơng pháp ép chảy, u nhợc điểm phơng pháp ứng dụng Chơng Trình bày vấn đề trạng thái ứng suất, biến dạng, lực công trình ép chảy Trong chơng trình bày dạng dòng chảy kim loại trình ép chảy Cách tính toán thông số công nghệ trình ép chảy theo phơng pháp truyền thống, khả ứng dụng phần mềm ANSYS vào mô trình biến dạng tạo hình kim loại Chơng Trình bày việc nghiên cứu ứng dụng phần mềm ANSYS vào mô số trình biến dạng tạo hình kim loại, đồng thời giới thiệu khả ứng dụng phần mềm ANSYS Chơng Trong chơng trình bày mô hình biến dạng vật liệu trạng thái nóng dới dạng hệ phơng trình toán lý tổng quát Cách thiết lập toán biên nhiệt, cách giải toán biên nhiệt ứng dụng cho toán ép chảy thuận ống đối xứng trục vật liệu nhôm Chơng 5, tác giả đà tiến hành mô hình hóa mô số trình ép chảy dựa trên biến dạng dẻo kim loại nhờ phần mềm ANSYS Đa mô hình hình học, mô hình vật liệu, mô hình phần tử lới phần tử, mô hình mặt tiếp xúc Phần kết luận đa vài tổng kết quan trọng hớng phát triển đề tài Hà nội, tháng 10 năm 2007 Tác giả Bảng ký hiệu Ký hiệu ý nghĩa Đơn vị đo A0 Diện tích mặt cắt ngang phôi ban đầu mm2 A1 Diện tích mặt cắt ngang sản phẩm mm2 C Nhiệt dung riêng d0 Đờng kính ban đầu phôi mm E Mô đun đàn hồi Pa Fges J/kg.K Lực biến dạng cần thiết KN.m G Mô ®un c¾t MPa K HƯ sè dÉn nhiƯt W/m.K kfm ứng suất chảy trung bình N/mm2 l0 Chiều dài phôi ban đầu mm l Chiều dài phôi sau Ðp mm T NhiƯt ®é tut ®èi °K Tf NhiƯt độ nóng chảy K T Wges Ten xơ ứng suất Công biến dạng cần thiết KN.m V Thể tích biến dạng mm3 Góc thoát cối ép 1, 2, Biến dạng i Cờng độ biến dạng Tốc độ biến dạng Mức độ biến dạng max Mức độ biến dạng lớn Hệ số nhân dẻo độ Ký hiệu ý nghĩa Hệ số ma sát Mật độ khối lợng 1, 2, Đơn vị đo l kg ứng suất N/mm2 e ứng suất tơng đơng N/mm2 Ma sát Tresca ν HƯ sè poisson 110 to¸n mang tÝnh qut định Nếu số lợng phần tử nhiều đem lại độ xác cao cho kết tính toán, nhng làm cho trình tính toán nhiều thời gian Ngợc lại, mô hình hình học với phần tử trình tính toán nhanh, song kết tính toán lại độ xác cao Chính vậy, cần thiết phải xác định số phần tử hợp lý cho mô hình Số lợng phần tử số nút đợc tối u cách tăng dần số lợng phần tử mô hình lên kết toán hầu nh không thay đổi Đối với toán ép chảy thuận, số phần tử mô hình 6653 phần tử 11832 nút thời gian tính toán toán khoảng từ ữ 1.5 hợp lý Khi nghiên cứu toán ta xây dựng phần t mô hình tính đối xứng trục Điều đà tiết kiệm rÊt nhiỊu thêi gian tÝnh to¸n cịng nh− bé nhí máy tính Khi trình giải toán tính toán phần tử hữu hạn kết thúc, kết toán đợc lấy từ mô đun hậu xử lý - postprocessing Dựa phân tích kết mô cho phép khẳng định trình tạo hình thực tế có tiến hành đợc hay không nh đánh giá đợc thông số ảnh hởng đến trình ép chảy thuận V.4 Kết mô số trình ép chảy thuận trạng thái nóng với phần mềm ANSYS Dới trình bày số kết mô số trình ép chảy thuận vật liệu hợp kim nhôm A356 Dựa vào kết mô số, ta phân tích trình ép chảy thuận cách xác Quá trình ép chảy thuận ống chia trình thành giai đoạn đợc trình bày duới Giai đoạn chày ép vào buồng ép, ép kim loại theo hớng trục, kim loại bị giới hạn thành buồng ép có xu hớng chảy theo hớng trục 111 bắt đầu thoát qua khe hở cối trục tâm tuân theo định luật trở lực biến dạng nhỏ (hình 5.13) Hình 5.13 Véc tơ chuyển vị Hình 5.13 biểu diễn phân bố dòng chảy vật liƯu kim lo¹i VËt liƯu miỊn cã xu h−íng chảy theo hớng trục, song song với trục nòng Trong giai đoạn cha xuất hai miền biến dạng nh đà trình bày điều kiện biên chơng IV Vật liệu vùng biến dạng hoàn toàn không ổn định Trong giai đoạn này, mức độ biến dạng vật liệu cha lớn, điều nhận thấy thông qua lới biến dạng không bị xô lệch nhiều hình 5.14 112 Hình 5.14 Lới biến dạng trình ép chảy thuận bắt đầu xuất thoát vật liệu thoát qua khe hở cối cốt Cấu tạo cối ép có hình dạng côn tạo cho khe hở cối trục tâm bị thu hẹp dần, vật liệu ban đầu chảy dễ dàng khe hở lớn, sau khã dÇn khe hë thu hĐp VËt liƯu vùng chịu nén, biến dạng chủ yếu xảy vùng ứng suất tơng đơng theo Von Mises đạt giá trị 123N/mm2 lớn vùng (hình 5.15) Dễ dạng nhận thấy vïng lín d−íi chµy Ðp vËt liƯu chØ n»m miền đàn hồi ứng suất vùng không đạt tới ứng suất chảy sau bị dịch chuyển cứng từ vị ban đầu xuống vị trí tiếp xúc với đáy cối Kết thúc giai đoạn ứng với dịch chuyển chày ép theo phơng dọc trục (hình 5.16) mức độ biến dạng lớn xuất vùng thoát cối ép đạt giá trị 1.207 Trong giai đoạn này, lực ép tăng dần đạt trị số cực đại cuối giai đoạn xt hiƯn sù ch¶y cđa vËt liƯu qua khe hë cối trục tâm 113 Hình 5.15 Phân bố ứng suất tơng đơng trình ép chảy thuận bắt đầu xuất thoát vật liệu qua khe hở cối trục tâm Hình 5.16 Phân bố biến dạng tơng đơng trình ép chảy thuận bắt đầu xuất thoát vật liệu qua khe hở cối trục tâm 114 Hình 5.17 Chuyển vị theo phơng trục đối xứng bắt đầu xuất thoát vật liệu qua khe hở cối trục tâm Hình 5.18 Chuyển vị theo phơng trục X bắt đầu xuất thoát vật liệu qua khe hở cối trục tâm 115 Hình 5.19 Chuyển vị tổng bắt đầu xuất thoát vật liệu qua khe hở cối trục tâm Giai đoạn coi giai đoạn chảy ổn định Trong giai đoạn này, mức độ biến dạng vật liệu lớn, lới biến dạng bị xô lệch nhiều hình 5.20 Hình 5.16 Phân bố dòng chảy kim loại Hình 5.20 Lới biến dạng trình ép chảy thuận giai đoạn ổn định 116 Hình 5.21 Phân bố ứng suất tơng đơng trình ép chảy thuận giai đoạn ổn định Hình 5.22 Phân bố biến dạng tơng đơng theo phơng X giai đoạn ổn định 117 Hình 5.23 Phân bố biến dạng tơng đơng theo phơng Y giai đoạn ổn định Hình 5.24 Phân bố biến dạng tơng đơng trình ép chảy thuận giai đoạn ổn định 118 Hình 5.25 Chuyển vị theo phơng X giai đoạn ổn định Hình 5.26 Chuyển vị theo phơng Y (trục đối xứng) giai đoạn ổn định 119 Hình 5.27 Chuyển vị tổng giai đoạn ổn định Khi kim loại đà thoát khe hở cối trục tâm, lực ép ổn định, dòng chảy ổn định, biến dạng ứng suất ổn định Giai đoạn ứng suất lớn đạt giá trị: 164N/mm2 (hình 5.21), biến dạng lớn đạt giá trị: 1.578 (hình 5.22) Nh vậy, thông qua đánh giá kết mô ngời thiết kế thay đổi thông số đầu vào để xác định phơng án công nghệ tối u Khi phân tích, ngời kỹ s công nghệ hoàn toàn dựa vào phân bố ứng suất, biến dạng nh dòng chảy kim loại để tránh vùng tập chung ứng suất, vùng vật liệu khó biến dạng làm cho chất lợng sản phẩm không cao Trong trờng hợp cần thay đổi kích thớc hình học dụng cụ gia công nh điều kiện biến dạng cho phù hợp 120 V.6 Kết luận ứng dụng phần mềm ANSYS mô số trình ép chảy thuận ống đối xứng trục trạng thái nóng cho phép phân tích trạng thái ứng suất, biến dạng dòng chảy vật liệu Qua việc phân tích kết mô cho phép ngời kỹ s công nghệ đánh giá đợc tổng quát trình biến dạng tránh ảnh hởng xấu tới chất lợng sản phẩm Từ nhanh chóng tối u hoá kết cấu khuôn tạo hình nh thông số trình biến dạng tạo hình 121 kÕt ln Cïng víi sù ph¸t triĨn cđa nỊn kinh tế, nhu cầu sản phẩm có chất lợng cao đa dạng mẫu mà ngày lớn Các sản phẩm nhôm, ống nhôm có biên dạng từ đơn giản đến phức tạp, có yêu cầu kỹ thuật cao đợc thị trờng nớc quan tâm Hiện có nhiều sở nớc sản xuất sản phẩm Một số sở đà đầu t dây chuyền sản xuất đại Tuy nhiên việc tính toán thông số công nghệ đầu vào dựa nhiều vào kinh nghiệm kỹ s công nghệ Do vậy, việc thiết kế, thay đổi mÉu m· s¶n phÈm míi mÊt rÊt nhiỊu thêi gian Nhằm tối u hoá công nghệ, phần nghiên cứu luận văn tác giả đà nghiên cứu công nghệ ép chảy, thiết bị thực công nghệ ép chảy, qua nghiên cứu tính toán thông số ảnh hởng đến trình tạo hình ép chảy nh trạng thái ứng suất, trạng thái biến dạng, lực công biến dạng, tìm hiểu phát triển phơng án ứng dụng công nghệ ảo (Mô số) tơng tự nh công nghệ ép chảy Việc thiết kế công nghệ đợc thực với trợ giúp phần mềm ANSYS phân tích tính toán phơng pháp phần tử hữu hạn Để thực mô số với phần mềm ANSYS, tác giả đà tập chung nghiên cứu tổng hợp kiến thức nh trình tự tiến hành toán biến dạng lớn Để tiến hành mô số trớc hết phải xây dựng mô hình toán ép chảy thuận ANSYS bao gồm mô hình hình học, mô hình vật liệu, mô hình tiếp xúc điều kiện biên liên quan đến trình ép chảy thuận trạng thái nóng Các mô hình gần với thực tế kết mô xác nhiêu Trong phần nghiên cứu luận văn, tác giả đà thiết lập đợc mô hình nhiệt điều kiện biên có liên quan để mô tả sát thực trình ép chảy ống hợp kim nhôm trạng thái nóng Mô 122 hình đà đợc øng dơng triĨn khai thùc hiƯn m« pháng sè víi trợ giúp phần mềm ANSYS Qua phân tích đánh giá kết mô đà giúp cho ngời thiết kế không phát triển mặt lý thuyết mà nhanh chóng tối u công nghệ Các kết tối u nhờ mô số đợc ứng dụng thực tế sản xuất Các kết nghiên cứu mô số luận văn dừng lại lý thuyết, phần nghiên cứu luận văn triển khái thí nghiệm ép chảy thực tế để chứng minh tính đắn kết mô số nh khả ứng dụng mô số tính toán, thiết kế khuôn mÉu thùc tÕ 123 Tμi liƯu tham kh¶o Nguyễn Trọng Giảng (2004), Thuộc tính học vật rắn, Nhà xuất Khoa học kỹ thuật, Hà nội Nguyễn Tất Tiến, Lý thuyết biến dạng dẻo, Nhà xuất Giáo dục, Hà nội 2004 Nguyễn Trọng Giảng, Nguyễn Việt Hùng (2003), ANSYS Mô số công nghiệp phần tử hữu hạn, Nhà xuất Khoa học kỹ thuật, Hà nội Nguyễn Tất Tiến, Nguyễn Đắc Trung (2006), Lý thuyết dập tạo hình, Nhà xuất Bách Khoa Hà Nội, Hà Nội Phạm Văn Nghệ, Nguyễn Nh Huynh, (2005), Ma sát bôi trơn gia công áp lực, Nhà xuất Đại học Quốc gia Hà nội, Hà nội Nguyen Trong Giang; Nguyen Dac Trung; Nguyen Tat Tien, (1998): Modeling of hot tube extrusion process Journal of Science & Technology 16, pp 55-62 Nguyen Trong Giang; Nguyen Dac Trung; Nguyen Tat Tien (November 1996) : Deformation model of metals and alloys at high temperatures Fifth national conference on solid mechanics, 29.-30 Nguyen Dac Trung (27.-28.8.2004): Modeling and simulation of backwards extrusion process for manufacturing of high pressure bottle for gas National mechanical conference VII Volume 2, pp 861-865 Grama R Bhashyam (September 2002), ANSYS Mechanical – A Powerful Nonlinear Simualtion tool Corporate Fellow, Development Manager Mechanics and Simulation Support Group 124 10 Saeed Moaveni (1999) Finite Element analysys theory and application with ANSYS, by PRENTICE HALL, Upper saddle River, New Jersey 07458 11 Proceedings of the 6th International Conference on Numerical Methods in Industrial Forming Processes, J HuÐtink & F.P.T Baaijens (eds.), Balkema, Rotterdam, ISBN 90-5410970X, 1998 12 Nguyen Dac Trung (2006): Application drawbead by forming of complicated parts, Journal of Science & Technology N0 56, pp 74-78 13 Nguyen Dac Trung (2007): Research the new method for manufacturing of high pressure bottle for gas Vietnam mechanical journal, N0 120, March, pp.42-44 14 Nguyen Dac Trung (2006): Research on contact problem during hydroforming by FE-method, Journal of Science & Technology N0 55, pp 69-72 15 Nguyen Dac Trung (27.-28.8.2004): FE-Simulation of hydro deep drawing process National mechanical conference VII Volume 2, pp 641-648 16 ANSYS Incorporated Theory reference, ANSYS Release 10.0 17 ANSYS Incorporated Basic Analysis Procedures Guide ANSYS Release 10.0 18 ANSYS Incorporated Structural Analysis Guide ANSYS Release 10.0 19 Hallquist, John O (1998): LS – DYNA Theoretical Manual, Livermore Software Technology Corporation, Livermore ... có độ xác cao hình dáng nh kích thớc với hệ số sử dụng vật liệu lớn, hầu nh vật liệu bỏ sau gia công nh phơng pháp gia công cơ, ép chảy cho phép tạo sản phẩm có hình dạng phức tạp mà phơng pháp. .. khoảng thời gian định mà vật liệu biến dạng không bị giảm nhiệt độ nhiệt dụng cụ gia công môi trờng, thuộc tính dẻo nhớt vật liệu đợc đảm bảo, điều kiện tiếp xúc với dụng cụ gia công không đổi... Nghiên cứu công nghệ ép chảy phơng pháp mô số 38 Kết luận 48 Chơng III: Nghiên cứu, ứng dụng phần mềm ANSYS vào mô số trình biến dạng tạo hình 49 III.1 Khái quát chung mô số 49 III.2 Nghiên cứu