Thiết kế quy trình công nghệ chế tạo chi tiết quả đấm trong cơ cấu tự động nối toa xe

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - TRẦN NGỌC KHÁNH THIẾT KẾ QUY TRÌNH CƠNG NGHỆ CHẾ TẠO CHI TIẾT "QUẢ ĐẤM" TRONG CƠ CẤU TỰ ĐỘNG NỐI TOA XE LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT KỸ THUẬT CƠ KHÍ Hà Nội – Năm 2017 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - TRẦN NGỌC KHÁNH THIẾT KẾ QUY TRÌNH CƠNG NGHỆ CHẾ TẠO CHI TIẾT "QUẢ ĐẤM" TRONG CƠ CẤU TỰ ĐỘNG NỐI TOA XE LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT KỸ THUẬT CƠ KHÍ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS PHẠM VĂN NGHỆ Hà Nội – Năm 2017 MỤC LỤC Trang Lời cam đoan Lời cảm ơn Danh mục hình vẽ, đồ thị, bảng biểu Tóm tắt luận văn Lời mở đầu CHƯƠNG : TỔNG QUAN VỀ CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ CÔNG NGHỆ DẬP TẠO HÌNH 1.1 Tổng quan cơng nghệ gia công áp lực 1.1.1 Khái niệm gia công áp lực 1.1.2 Ưu nhược điểm công nghệ gia công áp lực 1.1.3 Một số phương pháp gia cơng áp lực điển hình 1.2 Lý thuyết biến dạng dẻo kim loại 15 1.3 Cơ học trình biến dạng 19 1.3.1 Ứng suất 19 1.3.2 Biến dạng 21 1.3.3 Quan hệ ứng suất biến dạng 22 1.4 Các định luật sở gia công áp lực 1.4.1 1.5 Định luật biến dạng đàn hồi tồn biến dạng dẻo 24 24 1.4.2 Định luật ứng suất dư 24 1.4.3 Định luật bảo tồn thể tích 25 1.4.4 Định luật trở lực biến dạng nhỏ Kết luận 25 CHƯƠNG 2: CÔNG NGHỆ DẬP KHỐI VÀ PHẠM VI ÁP DỤNG 2.1 Sơ lược cơng nghệ dập tạo hình khối 27 2.1.1 Các sản phẩm dập khối điển hình 27 2.1.2 Đặc điểm phân loại 29 2.1.3 2.2 2.3 2.4 Ưu nhược điểm công nghệ dập khối Công nghệ dập khuôn hở 31 32 2.2.1 Mặt phân khuôn 35 2.2.2 Vành biên rãnh thoát biên 37 2.2.3 Góc nghiêng thành lịng khn 41 2.2.4 Bán kính góc lượn 45 Cơng nghệ dập khn kín 46 2.3.1 Sơ đồ cơng nghệ dập khối xác 46 2.3.2 Thiết bị dập khối xác 47 Kết luận 52 CHƯƠNG : CƠNG NGHỆ CHẾ TẠO CHI TIẾT CHÍNH CỦA ĐẦU NỐI TOA XE GOONG 3.1 Thiết bị vận tải mỏ than hầm lò 52 3.2 Cơ cấu móc nối sử dụng cho xe goong 54 3.3 3.2.1 Cơ cấu móc nối dây xích 54 3.2.2 Cơ cấu móc nối tự động 54 Chi tiết trỏ cài công nghệ chế tạo 58 3.3.1 Tính tốn lượng dư gia cơng dung sai vật dập 3.3.2 3.4 Tính tốn phơi Kết luận 59 60 62 CHƯƠNG : MÔ PHỎNG SỐ VÀ TỐI ƯU THƠNG SỐ TẠO HÌNH CHI TIẾT TRONG CƠ CẤU NỐI TOA XE 4.1 Giới thiệu phần mềm Deform 3D 63 4.1.1 Phương pháp phần tử hữu hạn 63 4.1.2 Phần mềm Deform 3D 63 4.1.3 Các sản phẩm hệ thống Deform 63 4.1.4 Một số sản phẩm kết mô phần mềm Deform 64 4.1.5 Các tính 4.2 Thiết lập tốn mơ q trình tạo hình chi tiết 66 67 4.2.1 Mơ hình hình học 67 4.2.2 Mơ hình vật liệu 70 4.2.3 Thiết lập mơ hình điều kiện biên 73 4.2.4 Phân tích kết mơ dập xác chi tiết 76 4.3 Kết luận 82 KẾT LUẬN CHUNG Tài liệu tham khảo 84 85 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan rằng: Số liệu kết nghiên cứu luận văn trung thực chưa sử dụng để bảo vệ học vị Tôi xin cam đoan rằng: Mọi giúp đỡ việc thực luận văn tốt nghiệp cảm ơn thông tin sử dụng luận văn nêu phần tài liệu tham khảo Hà Nội, tháng 01 năm 2017 Tác giả luận văn: Trần Ngọc Khánh LỜI CẢM ƠN Tôi xin trân trọng cảm ơn Phó giáo sư – Tiến sỹ Phạm Văn Nghệ người trực tiếp hướng dẫn, thầy, cô giáo môn Gia công áp lực– Viện Cơ khí – Trường Đại học Bách Khoa - Hà Nội Đã bảo tận tình giúp đỡ tơi q trình thực luận văn tốt nghiệp Tơi xin trân trọng cảm ơn thầy, cô thuộc Viện đào tạo sau đại học Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, bạn bè đồng nghiệp tạo nhiều điều kiện thuận lợi để tơi hồn thành luận văn Hà Nội, tháng 01 năm 2017 Tác giả luận văn: Trần Ngọc Khánh DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Ý nghĩa Hình Trang 1.1 Các phương pháp gia công vật liệu 1.2 Sản phẩm công nghệ gia công áp lực 1.3 Sơ đồ phân loại gia công áp lực 1.4 Công nghệ cán kim loại 1.5 Công nghệ kéo kim loại 1.6 Công nghệ ép kim loại 1.7 Công nghệ rèn tự 1.8 Cơng nghệ dập thể tích khuôn hở 1.9 Công nghệ dập khuôn kín 1.10 Cơng nghệ dập 1.11 Sơ đồ công nghệ dập 1.12 Sơ đồ nguyên công đột lỗ 1.13 Một số nguyên công uốn 1.14 Sơ đồ nguyên lý nguyên công uốn 10 1.15 Sơ đồ công nghệ dập vuốt 11 1.16 Dập vuốt có chặn phơi khơng có chặn phơi 12 1.17 Sơ đồ nguyên lý dập vuốt 12 1.18 Kết cấu khuôn dập vuốt 13 1.19 Công nghệ dập thủy tĩnh 13 1.20 Quan hệ lực biến dạng 14 1.21 Quá trình dịch chuyển lệch mạng 15 1.22 Mạng tinh thể trước sau song tinh 15 1.23 Nội lực ứng suất vật thể 18 1.24 Ứng suất kĩ thuật ứng suất thực tế 18 1.25 Biểu diễn ứng suất tỏng hệ tọa độ Đề Các 19 1.26 Biến dạng dài biến dạng góc mặt phẳng Z 20 1.27 Quan hệ ứng suất biến dạng 21 1.28 Định luật bảo tồn thể tích 22 1.29 Sơ đồ chảy hướng kính kim loại chồn 23 2.1 Trục khuỷu động 26 2.2 Chi tiết bánh truyền động 26 2.3 Sơ đồ trình tự ngun cơng dập thể tích 27 2.4 Sơ đồ phân loại dập khối 27 2.5 Sơ đồ dập khuôn hở 28 2.6 Sơ đồ dập thể tích khn kín 28 2.7 Dập khuôn hở 31 2.8 Mặt phân khuôn với mặt dập đơn giản 33 2.9 Ảnh hưởng vị trí mặt phân khn tới chất lượng 35 2.10 Vành biên rãnh thoát biên 36 2.11 Các kiểu rãnh thoát biên 37 2.12 Các kiểu rãnh thoát biên khuôn dập máy ép 39 2.13 Sơ đồ tính lực đẩy vật dập khỏi lịng khn 40 2.14 Quan hệ ma sát góc nghiên thành lịng khn 41 2.15 Góc nghiên ngồi thành lịng khn 42 2.16 Bán kính góc lượn 43 2.17 Sơ đồ cơng nghệ dập khối xác khn kín 44 2.18 Sơ đồ cơng nghệ để chế tạo chi tiết khớp nối chữ thập 45 2.19 Sơ đồ khn kín dập máy ép trục khuỷu 47 2.20 Sơ đồ khn kín có cấu đối áp 48 2.21 Sơ đồ khn kín cấu đẩy theo ngun tắc địn bẩy cấu đối áp lị xơ 49 3.1 Xe goong viện máy mỏ thiết kế 52 3.2 Cơ cấu móc nối dây xích 53 3.3 Cơ cấu móc nối tự động 54 3.4 Cấu tạo chi tiết móc nối toa xe goong 55 3.5 Chi tiết trỏ cài 56 3.6 Mơ hình hóa chi tiết 57 3.7 Thể tích khối lượng chi tiết trỏ cài 59 4.1 Mô dập khối phần mềm Deform 3D 63 4.2 Mơ q trình cán 63 4.3 Sơ đồ tốn mơ 65 4.4 Mơ hình phơi 66 4.5 Mơ hình chày ép 66 4.6 Mơ hình khn 67 4.7 Mơ hình khn 67 4.8 Thư viện vật liệu 68 4.9 Thông tin vật liệu 69 4.10 Lựa chọn vật liệu cho phôi 70 4.11 Các đường cong chảy vật liệu 70 4.12 Mơ hình chia lưới 72 4.13 Mơ hình inter object 72 4.14 Modul Database Generation 73 4.15 Quá trình tạo hình 76 4.16 Mức độ biến dạng 77 4.17 Lực dập lên chày dập nóng 78 4.18 Lực dập tác dụng lên cối dập nóng 78 4.19 Trạng thái ứng suất dập nóng 79 4.20 Sản phẩm sau dập 80 DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 4.1 Ý nghĩa Bảng thơng số dập nóng Trang 74 Thơng tin vật liệu Hình 4.9 Thơng tin vật liệu - Mơ hình vật liệu cho chày cối Trong trình dập, chày cối chịu tải trọng lực ép gây Trong thực tế, dập phải tránh không cho khuôn bi biến dạng dẻo ảnh hưởng đến hình dạng hình học sản phẩm Khn q trình tạo hình coi bị biến dạng đàn hồi Đối với mô số ta coi vật liệu chày cối không bị biến dạng dẻo mà bị biến dạng đàn hồi q trình ghép nối - Mơ hình vật liệu cho phơi Phơi làm từ vật liệu ISO C45( 900-1200), loại thép thơng dụng có hợp kim với 0.45%C Ở ta quan tâm đến thông số đặc trưng loại thép Độ bền kéo : Ứng suất chảy : 71 Hình 4.10 Lựa chọn vật liệu cho phơi Hình 4.11 Các đường cong chảy vật liệu (Đường cong quan hệ ứng suất- biến dạng) 72 4.2.3 Thiết lấp mơ hình điều kiện biên Đây điều kiện để gia cơng tạo hình vật liệu, xử lí nhiệt cho vật liệu ma sát, điều kiện công nghệ (lực, tốc độ biến dạng, tố độ dụng cụ ), điều kiện nhiệt đặt vào toán cho gần với thực tế Các toán khác có điều kiện biên khác Đây bước quan trọng tốn mơ người làm phải hiểu biết, nắm rõ cơng nghệ đặt điều kiện biên xác Chia lưới cho đối tượng DEFORM ( Meshing) Sau nhập đối tượng vào DEFORM cần chia lưới hữu hạn cho đối tượng Tức chia đối tượng lớn thành phần tử nhỏ (element) với số lượng hữu hạn Số phần tử đối tượng ảnh hưởng nhiều đến độ xác tốn thời gian giải Do tùy vào tốn, vị trí vùng đối tượng mà lấy số phần tử cho phù hợp (cái tùy thuộc vào kinh nghiệm trực quan người dùng) Phần tử có nhiều dạng thông thường phổ biến loại phần tử khối sáu mặt (hexahedral) khối bốn mặt (Tetrahedral) - Với tốn dập khối có thành phần dụng cụ chày, cối phôi Mỗi thành phần có điều kiện làm việc khác ta chia lưới cho phần tử khác Điều làm cho toán đơn giản đưa điều kiện vào phần tử cho toán - Đối với chày cối ta coi cứng tuyệt đối nên không cần chia lưới - Chia lưới : Phơi q trình dập từ phơi trụ bị biến dạng ta chia kiểu hình lưới cho bao kín phơi khơng bị gấp khúc Với phôi dập chi tiết ta chia 50000 phần tử 73 Hình 4.12 Mơ hình chia lưới - Điều kiện tiếp xúc : Điều kiện tiếp xúc tạo modul Inter-object Các toán tạo tiếp xúc đối tượng thường thực từ đầu để tránh sai lệch khơng có Deform tự động tạo tiếp xúc q trình tính tốn đơi khơng xác số trường hợp tốn khơng hội tụ Ở ta chọn Hệ số truyền nhiệt đối lưu : 0.02 N/s.m.oC Hệ số ma sát : k=0.1 Hình 4.13 Modul Inter Object Các thông số chuyển động : 74 Tốc độ dập :50 mm/s Hành trình : 154 mm Số bước : 150 - Kiểm tra cài đặt khởi tạo liệu Sau cài đặt xong tất liệu cho toán ta bấm vào biểu tượng “ General database “ chọn đường dẫn lưu vào database vào ổ cứng máy tính, kết thúc bước đầu xử lý Hình 4.14 Modul Database Generation Đây khâu cuối để kiểm tra cài đặt toán có thành cơng hay khơng Nếu hợp lệ ta chạy mơ tốn modul Simulator - Kiểm tra kết Sau giải xong tốn, phần hậu xử lí (Post-Processor) kiểm tra kết Nếu tất bước xác mà kết xa với thực tế vấn đề chia lưới q thơ, cần chia lại lưới giải lại 4.2.4 Phân tích kết mơ dập xác chi tiết Các kế mơ q trình gia cơng trình bày bảng * Dập nóng, T= 1200 oC 75 DẬP NĨNG Bước dập ( Khoảng dịch chuyển chày Lực dập P Step No) ép ( Stroke-mm) (Load- ) 10 10,3 11,4 20 20,6 30,6 30 30,9 35,7 40 41,2 37,8 50 51,5 41 60 61,8 45,2 70 72,1 48,5 80 82,4 51,3 90 92,7 55,1 100 103 56,9 110 113,3 60,9 120 123,6 63 130 133,9 65 140 144,2 66,5 150 154 74,3 Bảng 4.1 Bảng thơng số dập nóng Để phân tích kĩ q trình gia cơng chi tiết ta sâu vào đánh giá yếu tố gây ảnh hưởng tới chất lượng chi tiết sau gia cơng : - Q trình tạo hình, biến dạng, mức độ biến dạng, lực biến dạng trạng thái ứng suất * Quá trình tạo hình 76 Bước Bước 20 Bước 40 Bước 60 77 Bước 80 Bước 100 Bước 130 Bước 160 Hình 4.15 Q trình tạo hình 78 Vì kích thước đầu vào phơi kích thước u cầu sản phẩm nên trình tạo hình gần giống Hình 4.15 thể số bước điển hình từ phơi tạo hình thành sản phẩm Hình 4.16 Mức độ biến dạng Hình 4.16 cho thấy mức độ biến dạng dập nóng Mức độ biến dạng thể vùng màu: Vùng màu xanh đậm thể độ biến dạng vùng ít, vùng màu đỏ cam thể mức độ biến dạng nhiều Trên hình vẽ thể mức độ biến dạng tập trung phần đáy chi tiết phần đầu gần không bị biến dạng nhiều * Lực biến dạng 79 Hình 4.17 Lực dập lên chày dập nóng Hình 4.18 Lực dập tác dụng lên cối dập nóng Khi dập tạo hình trạng thái nhiệt độ khác lực biến dạng khác nhau, dập tạo hình nhiệt độ cao lực biến dạng thấp Lực biến 80 dạng thay đổi theo bước dập ( trình bày mục 4.2.1) với lực dập lớn Pmax=74,3 * Trạng thái ứng suất Hình 4.19 Trạng thái ứng suất dập nóng Thơng qua biểu đồ trạng thái ứng suất trình biến dạng ta thấy ứng suất điểm sản phẩm sau biến dạng đồng Điều phù hợp với lý thuyết q trình biến dạng trạng thái nóng Kết q trình mơ dập tạo hình ta sản phẩm hình 4.20 81 Hình 4.20 Sản phẩm sau dập 4.3 KẾT LUẬN Luận văn tốt nghiệp mục tiêu giới thiệu trình dập nóng Đồng thời minh họa thơng qua q trình mơ biến dạng chi tiết chỏ cài cấu đầu đấm sử dụng để nối toa xe goong với Nhằm tối ưu hóa công nghệ, trng phần nghiên cứu văn nghiên cứu cơng nghệ dập khối xác, qua nghiên cứu tính tốn thơng số ảnh hưởng đến q trình tạ hình dập khối : Trạng thái ứng suất, trang thái biến dạng, lực dập, nhiệt độ dập Ứng dụng phương pháp mô số với trợ giúp phần mềm DEFORM-3D phân tích tính toán phương pháp phần tử hữu hạn 82 Để tiến hành mô số trước hết cần xây dựng mơ hình tốn Deform-3D bao gồm mơ hình hình học, mơ hình vật liệu, điều kiên biên liên quan đến trình dập trạng thái nhiệt độ khác Các mơ hình gần với thực tế kết mơ q trình xác Các kết nghiên cứu mô luận văn dừng lại lý thuyết, phần nghiên cứu luận văn triển khai thí nghiệm dập khối chi tiết thực tế để chứng tính đừng đắn kết mô khả ngứ dụng mơ tính tốn thiết kế khn 83 KẾT LUẬN CHUNG Luận văn tốt nghiệp mục tiêu giới thiệu trình dập tạo hình khối Đồng thời minh họa thơng qua q trình mơ biến dạng chi tiết trỏ cài cấu đầu đấm tự động nối toa xe goong Nhằm tối ưu hóa cơng nghệ, trng phần nghiên cứu ln văn nghiên cứu cơng nghệ dập khối xác, qua nghiên cứu tính tốn thơng số ảnh hưởng đến trình tạ hình dập khối : Trạng thái ứng suất, trang thái biến dạng, lực dập, nhiệt độ dập Ứng dụng phương pháp mô số với trợ giúp phần mềm DEFORM-3D phân tích tính tốn phương pháp phần tử hữu hạn Để tiến hành mô số trước hết cần xây dựng mơ hình tốn Deform-3D bào gồm mơ hình hình học, mơ hình vật liệu, điều kiên biên liên quan đến trình dập trạng thái nhiệt độ khác Các mơ hình gần với thực tế kết mơ q trình xác Các kết nghiên cứu mô luận văn dừng lại lý thuyết, phần nghiên cứu luận văn triển khai thí nghiệm dập khối chi tiết thực tế để chứng tính đừng đắn kết mô khả ứng dụng mơ tính tốn thiết kế khn 84 Tài liệu tham khảo Phm Vn Ngh, inh Văn Phong, Nguyễn Mậu Đằng, Trần Văn Cứu, Nguyễn Trung Kiên (2008), Cơng nghệ dập tạo hình khối, Nhà xuất bn Bỏch khoa, H Ni Phạm Văn Nghệ, Nguyễn Nh- Huynh (2005), Ma sát bôi trơn gia công áp lực, Nhà xuất Đại học Quốc gia Hà Nội Nguyễn Tất Tiến, Nguyễn Đắc Trung (2006), Lý thuyết dập tạo hình, Nhà xuất Bách Khoa Hà Nội Nguyễn Đắc Trung, Lê Thái Hùng, Nguyễn Nh- Huynh, Nguyễn Trung Kiên (2011), Mô số trình biến dạng, Nhà xuất Bách Khoa Hà Nội Nguyễn Đắc Trung, Phạm Văn Nghệ, Nguyn Mu ng, Nguyễn Trung Kiên, Lê Trung Kiên Lê Gia Bảo (2010), Công nghệ gia công áp lực, Bộ môn gia công áp lực-Đại học Bách Khoa Hà Nội Phạm Văn Nghệ (Chủ biên) (2005), Máy búa máy ép thuỷ lực, Nhà xuất Giáo dục Phạm Văn Nghệ, Đỗ Văn Phúc (2005), Máy ép khí, Nhà xuất Khoa học kỹ thuật, Hà Nội Nguyn Mậu Đằng,Cơng nghệ tạo hình kim loại tấm, Nhà xuất bảnkhoa học kĩ thuật, 2006 Vật liệu học sở - Nghiêm Hùng – NXB Khoa Học Kỹ Thuật, 2002 85 ... GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - TRẦN NGỌC KHÁNH THIẾT KẾ QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO CHI TIẾT "QUẢ ĐẤM" TRONG CƠ CẤU TỰ ĐỘNG NỐI TOA XE LUẬN VĂN THẠC... khn kín cấu đẩy theo ngun tắc địn bẩy cấu đối áp lị xơ 49 3.1 Xe goong viện máy mỏ thiết kế 52 3.2 Cơ cấu móc nối dây xích 53 3.3 Cơ cấu móc nối tự động 54 3.4 Cấu tạo chi tiết móc nối toa xe goong... thuyết cơng nghệ dập tạo hình Chương : Tổng quan công nghệ dập khối phạm vi ứng dụng Chương : Công nghệ chế tạo chi tiết đầu nối toa xe goong Chương : Mô số tối ưu thông số tạo hình chi tiết cấu nối