Ảnh hưởng tính dị hướng của vật liệu tấm tới chất lượng sản phẩm dập vuốt

giáo dục đào tạo trường đại học bách khoa hà nội - PHẠM CƠNG DIỆN ẢNH HƯỞNG TÍNH DỊ HƯỚNG CỦA VẬT LIỆU TẤM TỚI CHẤT LƯỢNG SẢN PHẨM DẬP VUỐT INFLUENCE OF ANISOTROPY OF SHEET METAL ON QUALITY OF STAMPING PRODUCT Chuyên ngành : CH TO MY luận văn thạc sĩ Ngành công nghệ khí người h­íng dÉn khoa häc : PGS.TS NGUYỄN ĐẮC TRUNG Hà Nội – Năm 2012 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng tơi Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực chưa công bố công trình khác HỌC VIÊN CAO HỌC Phạm Cơng Diện LỜI CẢM ƠN Sau năm học tập nghiên cứu, giúp đỡ tận tình Thầy Cơ giáo Viện Cơ khí, Bộ mơn Gia Cơng Áp Lực hướng dẫn khoa học tận tình PGS TS Nguyễn Đắc Trung tơi hồn thành khóa học, luận văn Tốt nghiệp Cao học đạt kết mong muốn Nhân dịp hoàn thành luận văn Cao học, tơi xin bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc tới tất Thày, Cô giáo Bộ môn, Viện Cơ khí Trường tận tình giúp đỡ, động viên, tạo điều kiện tốt cho tơi hồn thành khố học Tơi xin chân thành cảm ơn Thầy giáo PGS TS Nguyễn Đắc Trung nhiệt tình hướng dẫn giúp đỡ tơi việc thực luận văn Xin chân thành cám ơn thầy giáo phản biện đọc luận văn đóng góp cho tơi ý kiến q báu bổ ích Tác giả Phạm Cơng Diện LỜI NĨI ĐẦU Như biết, phần lớn sản phẩm ngành công nghiệp làm từ vật liệu kim loại chúng sản xuất phng phỏp chớnh ú gia công cắt gọt (gia công có phoi) gia công áp lực (gia công không phoi) Trong gia công kim loại áp lực dập phương pháp mà tạo hình thực nhờ tác động kết cấu khuôn gây nên biến dạng dẻo kim loại Dập cho phép tạo chi tiết có hình dáng đa dạng suất cao, thể cụ thể tỉ trọng sản phẩm dập nghành sau: Trong chế tạo máy thiết bị điện chiếm (60 - 70)% Trong chế tạo thiết bị đo chiếm Trong sản xuất hàng tiêu dùng chiếm (70 - 75)% (95 - 98)% Trong sản suất ôtô máy kéo chiếm (65 - 75)% chi tiết ôtô (35 40)% chi tiết máy kéo Tuy nhiên chất lượng sản phẩm làm từ công nghệ lại phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác tính dị hướng vật liệu yếu tố điển hình Trờn c s ú, tụi ó định theo đuổi đề tài: “Nghiên cứu ảnh hưởng tính dị hướng vật liệu đến chất lượng sản phẩm dập tạo hình” đề xuất mơ hình có xét tới tính dị hướng vật liệu với thông số dị hướng Lankford L0, L45, L90 xác định từ thực nghiệm đưa vào điều kiện dẻo Von Mise Mơ hình ứng dụng để nghiên cứu ảnh hưởng tính dị hướng tới trình biến dạng vật liệu chất lượng sản phẩm Tính đắn mơ hình vật liệu dị hướng chứng minh qua kết so sánh mô thực nghiệm trình dập vuốt chi tiết hình cốc trụ Việc ứng dụng mơ hình cho phép đánh giá xác khả biến dạng vật liệu cán, chất lượng sản phẩm để từ đưa phương án tối ưu thơng số cơng nghệ phù hợp với q trình dập tạo hỡnh Mục Lục Trang Trang bìa phụ Lời cảm ơn Lời nói đầu Chương Vấn đề chung thiết kế công nghệ tạo hình 1.1 Giới thiệu chung 1.2 Quy trình nghiên cứu, thiết kế, chế tạo chi tiết dạng 1.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm dập 10 1.4 Những vấn đề cần quan tâm thiết kế công nghệ tạo hình 12 Chương công nghệ dập vuốt 17 2.1 Định nghĩa phân loại 17 2.2 Tính toán công nghƯ 19 2.2.1 Lùc dËp vt 22 2.2.1 Lùc chỈn 22 2.3 Khuôn dập vuốt 23 Chương mô hình vật liệu ứng dụng mô 27 số 3.1 Mô hình vật liệu đẳng hướng 27 3.2 Mô hình vật liệu đàn hồi dị hướng 29 3.3 Mô hình vật liệu dẻo dị hướng 31 3.4 Mô hình vật liệu đàn dẻo dị hướng ngang 35 3.5 Thiết lập mô hình mô tả tính dị hướng vËt liƯu 37 3.6 KÕt ln 40 Ch­¬ng – mô số trình dập tạo hình 42 4.1 Phần mềm Dynaform 42 4.2 Các bước thực toán mô 48 4.3 Mô trình dập tạo hình 50 4.4 Kết mô số 52 4.4.1 VËt liÖu tÊm BH 210 52 4.4.2 VËt liÖu tÊm BH 180 59 4.4.3 VËt liÖu tÊm BH 250 63 4.4.4 VËt liƯu tÊm DDQ 67 4.5 So s¸nh víi c¸c chi tiÕt thùc tÕ 70 4.6 KÕt ln 71 CHƯƠNG I VẤN ĐỀ CHUNG KHI THIẾT KẾ CÔNG NGHỆ TẠO HÌNH TẤM 1.1 Giíi thiƯu chung DËp tÊm nói riêng hay gia công kim loại áp lực nói chung phương pháp gia công phổ biến nghành công nghệ chế tạo máy Có điều hoàn toàn nhờ vào ưu điểm trội mà phương pháp gia công khác không làm như: - Năng suất lao động cao, dẫn đến giá thành sản phẩm giảm - Hệ số sư dơng vËt liƯu cao, tiÕt kiƯm vËt t­ - Có thể sử dụng công nhân bậc thợ thấp - Có khả tạo chi tiết có độ bền, độ cứng vững cao - Đảm bảo tính lắp ghép cho chi tiết dập độ xác vật dập cao - Dễ có khả khí hoá tự động hoá Khi chiều dày cđa ph«i nhá (th­êng s  mm), dËp tÊm thường thực với phôi trạng thái nguội hay gọi dập nguội phải dập với phôi trạng thái nóng chiều dày cđa vËt liƯu lín Mét chi tiÕt s¶n xt b»ng c«ng nghƯ dËp tÊm cã thĨ thùc hiƯn qua rÊt nhiều nguyên công công nghệ như: cắt hình, đột lỗ, dập vuốt, uốn, lên vành, tóp miệng, cắt trích v.v Một nguyên công quan trọng để tạo hình sản phẩm công nghệ dập dập vuốt Dập vuốt nguyên công nhằm biến đổi phôi phẳng phôi rỗng để tạo chi tiết rỗng có hình dạng kích thước cần thiết Khi nghiên cứu trình dập vuốt chi tiÕt cèc nh­ h×nh 1.1, ta thÊy dËp vuèt tiến hành khuôn bao gồm phận làm việc như: cối có mép làm việc lượn tròn, chày dập vuốt chặn vật liệu Khi dập chi tiết có chiều dày tương đối s/D lớn khuôn dập vuốt không cần dùng chặn Giữa chày cối dập vuốt có mét khe hë z, trÞ sè khe hë z tuú thuộc vào phương pháp dập Khi dập vuốt chặn, ngoại lực truyền qua chày, tác dụng vào phần đáy chi tiết dập vuốt phần vành phôi tự không chịu tác dụng ngoại lực Phôi phẳng nằm vành cối vuốt qua góc lượn cối tạo thành chi tiết dạng cốc Chiều sâu chi tiết phụ thuộc vào hành trình chày xuống, vậy, chiều sâu lớn so với đường kính cốc để đảm bảo ứng suất vật liệu không vượt ứng suất phá huỷ gây rách vật liệu Sản phẩm Hình 1.1 Sơ đồ dập vuốt chi tiết cốc Khi dập vuốt chi tiết có biên dạng phức tạp ví dụ chi tiết vỏ động ôtô, chày cối thường thiết kế, tính toán dựa biên dạng sản phẩm Phôi ban đầu đặt vành cối dần biến dạng tạo hình dạng sản phẩm chày vào lòng cối Tại thời điểm kết thúc, chày ép sát vật liệu lấm vào lòng cối tạo hình dạng xác sản phẩm Đối với chi tiết phức tạp việc thiết kế công nghệ không giống chi tiết cốc trụ (có hình dạng đơn giản) vị trí khác nhau, độ nông sâu sản phẩm khác mức độ biến dạng phôi hoàn toàn khác nhau, có chỗ dập vuốt, có chỗ bị uốn Hình 1.2 Mô hình khuôn dập chi tiết vỏ két chứa nhiên liệu xe ôtô 1.2 Qui trình nghiên cứu, thiết kế, chế tạo, sản xuất chi tiết dạng Hiện nay, Việt Nam, lĩnh vực gia công áp lực nói chung dập nói riêng chưa phát triển mà dừng lại quy mô nhỏ manh mún, sản phẩm nhỏ có độ phức tạp chưa cao Công nghệ chế tạo khuôn non kém, hầu hết chế tạo khuôn nhỏ đơn giản với chất lượng không cao Trang thiết bị đà lạc hậu so với giới hầu hết tài trợ mua nước từ thập kỷ 70 80 kỷ trước Hơn nữa, nước thiếu nhân lực phần mềm thiết kế, mô cần thiết đáp ứng yêu cầu thực tiễn Quy trình thiết kế chế tạo sản phẩm dập nước thường tiến hành theo sơ đồ hình 1.3 Quá trình thiết kế công nghệ, chế tạo khuôn sản xuất mang tính chất kinh nghiệm Chính vậy, chi tiết có hình dạng đơn giản (dạng cốc, hộp, côn) theo đường tính toán công nghệ, chế tạo khuôn dập thử, hiệu chỉnh khuôn đạt chất lượng sản phẩm theo yêu cầu đưa sản xuất loạt lớn Nhưng gặp tiết có hình dạng không đối xứng trục, phức tạp trình thiết kế theo trình tự hình 1.3 không thực tốn nhiều thời gian tiền bạc vào việc sản xuất khuôn mẫu, dập thử chỉnh sửa Mặc dù vậy, không cho sản phẩm có chất lượng theo yêu cầu Hình 1.3 Quá trình thiết kế, chế tạo sản xuất chi tiết dạng nước nước có ngành công nghiệp phát triển Mỹ, Nhật, Đức, Anh việc thiết kế qui trình công nghệ sản xuất chi tiết có hình dạng phức tạp thực với tính khoa học độ chuyên môn hoá cao Sơ đồ thiết kế chế tạo tiến hành sơ đồ hình 1.4 Theo phương pháp thiết kế công nghệ chế tạo cho phép tiết kiệm thời gian, nguyên vật liệu cho sản xuất thử nghiệm, nâng cao chất lượng sản phẩm dập, nhanh chóng thay đổi mẫu mà sản phẩm sử dụng cụm chi tiết khuôn vạn Điểm việc thiết kế công nghệ theo phương pháp Công nghệ ảo, mô số trình tạo hình chi tiết máy tính với trợ giúp phần mềm thiết kế mô Hình 4.32 Phân bố biến dạng sản phẩm Hình 4.33 Phân bố chiều dày sản phẩm 61 TH 3: Thay i h s Lankford Hình 4.34 Phân bố biến dạng sản phẩm Hình 4.35 Phân bố chiều dày s¶n phÈm 62 4.4.3 VËt liƯu tÊm BH 250 TH 1: Vật liệu đẳng hướng Hình 4.36 Đường cong chảy vật liệu Hình 4.37 Phân bố biến dạng sản phẩm 63 Hình 4.38 Phân bố chiều dày sản phẩm TH 2: Hệ số Lankford cho hình vẽ: Hình 4.39 Đường cong chảy vật liệu 64 Hình 4.40 Phân bố biến dạng sản phẩm Hình 4.41 Phân bố chiều dày sản phẩm 65 TH 3: Thay đổi hệ số Lankford hình vẽ: Hình 4.42 Đường cong chảy vật liệu Hình 4.43 Phân bố biến dạng sản phẩm 66 Hình 4.44 Phân bố chiều dày sản phẩm 4.4.4 Vật liệu Tấm DDQ TH 1: Vật liệu đẳng hướng Hình 4.45 Phân bố chiều dày sản phẩm 67 TH 2: Hệ số Lankford cho hình vẽ: Hình 4.46 Đường cong chảy vật liệu Hình 4.47 Phân bố biến dạng sản phẩm 68 Hình 4.48 Phân bố chiều dày sản phẩm TH 3: Thay đổi hệ số Lankford Hình 54.49 Phân bố biến dạng sản phẩm 69 Hình 4.50 Phân bố chiều dày sản phẩm Từ kết mô cho thấy tính dị hướng vật liệu ảnh hưởng lớn đến chất lượng sản phẩm dập vuốt Điều thể rõ thay đổi hệ số dị hướng chúng Khi vật liệu đẳng hướng ta thấy sơ đồ phân bố biến dạng sản phẩm gần lượn sóng phần vành Khi thay đổi hệ số dị hướng mức độ không lớn (tương ứng với trường hợp vật liệu thực đà sử lý nhiệt) thấy nhăn bắt đầu xuất hiện, xuất ngày nhiều nguyên công Khi ta thay đổi hệ số dị hướng mức độ lớn (tương ứng với trường hợp vËt liƯu thùc ch­a xư lý nhiƯt) th× thÊy hiƯn tượng nhăn rách phần vành lượn sóng rõ Qua cho phép người kỹ sư đánh giá lựa chọn phương án công nghệ tối ưu cho sản phẩm thực tiễn 4.5 So sánh với chi tiết thực tế 70 Hình 4.51 Sản phẩm dập vuốt từ vật liệu đà xử lý nhiệt tốt Hình 4.52 Sản phẩm dập vuốt từ vật liệu đà xử lý nhiệt không tốt Hình 4.53 Sản phẩm dập vuốt từ vật liệu không xử lý nhiƯt 4.6 Kết luận Ứng dụng mơ số vào việc thiết kế khuôn chế tạo sản phẩm cho phÐp gi¶m thiĨu thêi gian thiÕt kÕ, chØnh sưa khuôn mẫu, nhanh chóng thay đổi mẫu mà sản phẩm, đồng thời giảm thiểu chi phí cho chế tạo dập thử Thông qua mô số, người kỹ sư nhanh chóng tối ưu thông số công nghệ khuôn mẫu cho tránh khuyết tật nhăn, rách sản phẩm, đồng thời tạo công nghệ hợp lý vừa tiết kiệm đảm bảo chất lượng sản phẩm 71 KếT LUậN Sau thời gian làm việc nghiêm túc, tích cực khẩn trương, luận văn đà hoàn thành tiến độ Những nội dung thực luận văn nhằm nâng cao chất lượng cho sản phẩm chế tạo công nghệ dập tạo hình bao gồm: - Những vấn đề công nghệ tạo hình - Công nghệ dập vuốt - Mô hình vật liệu ứng dụng mô số - Tìm hiểu mô số phần mềm Dynaform - Mô số trình dập tạo hình Kết nghiên cứu đề tài cho phộp ngi k s ỏnh giá khả biến dạng chất lượng sản phẩm dập có phương án tối ưu thông số công nghệ cho đạt cht lng sn phm mt cỏch cao nht Luận văn đưa phương pháp thiết kế công nghệ chế tạo khuôn mẫu nhanh chóng, hiệu quả, độ tin cậy cao mang tính công nghiệp tối ưu hoá công nghệ nhanh sử dụng phần mềm chuyên dụng mô số trình biến dạng; thiết kế kết cấu; gia công chế tạo Điều có ý nghĩa đặc biệt quan trọng công nghiệp thiết kế, chế tạo khuôn dập chi tiết có kích thước lớn, hình dáng phức tạp Với thành công đề tài, tác giả hy vọng sớm ứng dụng kết đạt phương pháp thiết kế đại nhanh chóng áp dụng doanh nghiệp Việt Nam, ®ång thêi việc đưa thông số dị hướng L0 , L45 , L90 L vào điều kiện dẻo vật liệu tiến hành mô số nhanh chóng ứng dụng thực tế để chứng minh tính khả thi hiệu kinh tế 72 TÀI LIỆU THAM KHẢO Nguyễn Mậu Đằng: Công nghệ dập tạo hình kim loại tấm, Nhà xuất KHKT, Hà Nội 2006 Nguyễn Trọng Giảng: Thuộc tính học vật rắn, Nhà xuất Khoa học kỹ thuật, Hà nội 2004 Nguyễn Trọng Giảng, Nguyễn Việt Hùng: ANSYS Mô số công nghiệp phần tử hữu hạn, Nhà xuất Khoa học kỹ thuật, Hà nội 2003 Nguyễn Đắc Trung : “Ảnh hưởng tính dị hướng vật liệu tới chất lượng sản phẩm dập vuốt”; Influence of anisotropy of sheet metal on quality of stamping product; Tạp chí Khoa học & Công nghệ trường đại học số 68/2008, ISSN 0868-3980, Tr 35-38 Nguyễn Tất Tiến: Lý thuyết biến dạng dẻo kim loại, Nhà xuất Giáo dục, Hà Nội 2004 Nguyễn Tất Tiến, Nguyễn Đắc Trung: Lý thuyết dập tạo hình, Nhà xuất Bách Khoa Hà Nội, Hà Nội 2006 Nguyễn Tất Tiến: Nghiên cứu, thiết kế công nghệ chế tạo khuôn dập chi tiết vỏ xe ô tô Báo cáo tổng kết khoa học đề tài cấp nhà nước KC.05.16 Nguyễn Đắc Trung, Trần Thanh Thủy: Nghiên cứu biện pháp nâng cao chất lượng sản phẩm dập vỏ ô tơ nhờ mơ số Tạp chí Cơ khí Việt Nam, Số 6, tháng 6/2011 ISSN:0866-7056 Besdo, d.; et al.: simulation von blechumformprozessen mit der methode der finiten elemente in: fortschritte in der werkzeugtechnik, verlag meisenbach,bamberg (1995) 73 10 Nguyễn Đắc Trung, Nguyễn Trung Kiên: “Nghiên cứu ứng dụng phương pháp cập nhật lưới biến dạng nhằm tối ưu thời gian tính tốn mơ số q trình dập tạo hình”, using an adaptive meshing method to optimize the computational time by simulation of forming processes; Tạp chí Khoa học & Công nghệ trường đại học số 69/2009, ISSN 0868-3980, Tr 61-65 11 Nguyễn Đắc Trung, Nguyễn Trung Kiên: “Nguyên cứu trình truyền nhiệt dập nóng”, Tuyển tập hội nghị học tồn quốc, 30 năm viện Cơ học Tạp chí Cơ học, Hà Nội 8.-9./4/2009 12 Nguyễn Đắc Trung, Lê Trung Kiên, Nguyễn Trung Kiên, Phạm Tiến Trung, Nguyễn Văn Thành: “Phương pháp nghiên cứu cơng nghệ dập tấm”, Tạp chí KHCN Kim loại, ISSN Số 67/GP BVHTT, ngày 3/6/2005, số 23, tháng 4/2009, trang 35-38 13 Nguyễn Đắc Trung: Nghiên cứu mô công nghệ dập vuốt sử dụng hệ thống chặn gân vuốt, Tạp chí Cơ khí Việt Nam ISSN 0866-7056, Tr 33-36, số 03, tháng năm 2010 14 Nguyễn Đắc Trung, Phạm Văn Nghệ, Phạm Hà Dương: Ứng dụng gân vuốt cơng nghệ dập tạo hình chi tiết phức tạp, Application drawbead by forming of complicated parts, Tạp chí Khoa học & Cơng nghệ trường đại học số 56/2006, ISSN 0868-3980, Tr 74-78 15 A Selman, T Meinders, A.H van den Boogaard and J Huétink: Adaptive Numerical Analysis of Wrinkling in Sheet Metal Forming, báo cáo khoa học Netherlands Institute for Metals Research University of Twente - Department of Mechanical Engineering 16 Arbtip Dheeravongkit and Kenji Shimada: Inverse pre-deformation of finite element mesh for large deformation analysis, Báo cáo khoa học The Department of Mechanical Engineering, 74 Carnegie Mellon University 17 Mohd Ahmed and G.S Sekhon: Adaptive Meshing for Deep-drawing Process, Defence Science Journal, Vol 53, No 1, January 2003, pp 5156 O 2003, DESIWC 18 Mohd Ahmed1, G.S Sekhon1, Devender Singh: Parametric study of the Sheet Metal Forming Processes using Adaptive Refinement Techniques, Proceedings of the International Conference on Mechanical Engineering 2003 (ICME2003) 26- 28 December 2003, Dhaka, Bangladesh 19 L Giraud-Moreau, H Borouchaki, A Cherouat: Adaptive remeshing for sheet metal forming in large plastic deformations with damage, báo cáo khoa học Charles Delaunay Institute – University of Technology of Troyes – France 20 Høa Ph¸t ViƯt Sỉ tay thiết kế chế tạo khuôn, NXB Cơ Khí, 2001 V P RÔMANÔVXKI Sổ tay Dập nguội, NXB KH & KT, 1972 75 ... dạng sản phẩm dập vuốt sâu từ thép không gỉ dùng CN thực phẩm Qua số hình ảnh sản phẩm thực tế ta thấy rằng, tính dị hướng vật liệu cán ảnh hưởng lớn đến chất lượng sản phẩm dập vuốt (đặc biệt dập. .. bảo chất lượng sản phẩm 1.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm dập Khi nghiên cứu sai hỏng sản phẩm dập dễ dàng nhận thấy dạng phế phẩm sau đây: - Sản phẩm dập bị nhăn vành - Sản phẩm. .. theo đuổi đề tài: “Nghiên cứu ảnh hưởng tính dị hướng vật liệu đến chất lượng sản phẩm dập tạo hình” đề xuất mơ hình có xét tới tính dị hướng vật liệu với thông số dị hướng Lankford L0, L45, L90