Mô phỏng số quá trình cán vành tạo hình cho chi tiết vòng bi

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - ĐỖ QUANG LONG MÔ PHỎNG SỐ Q TRÌNH CÁN VÀNH TẠO HÌNH CHO CHI TIẾT VỊNG BI Chuyên ngành: KHOA HỌC VÀ KỸ THUẬT VẬT LIỆU KIM LOẠI LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC KỸ THUẬT VẬT LIỆU NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS LÊ THÁI HÙNG Hà Nội – 2011 MỤC LỤC   LỜI CAM ĐOAN 5  DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ CÁI VIẾT TẮT 6  DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ 8  LỜI NÓI ĐẦU 10  CHƯƠNG 13  TỔNG QUAN CÁC PHƯƠNG PHÁP TẠO HÌNH SẢN PHẨM VÀNH 13  1.1  Giới thiệu phương pháp tạo hình chi tiết dạng vành 13  1.1.1 Phương pháp đúc 13  1.1.2 Phương pháp dập 14  1.1.3 Phương pháp rèn 15  1.1.4 Phương pháp gia công cắt gọt 16  1.1.5 Phương pháp ép chảy 17  1.1.6 Công nghệ cán vành 18  1.2  Một số cơng trình nghiên cứu cán vành 19  1.3  Sản phẩm cán vành ứng dụng 23  1.4  Kết luận 23  CHƯƠNG 25  CƠ SỞ QUÁ TRÌNH CÁN VÀNH 25  2.1  Nguyên lý cán vành 25  2.2  Các thông số cán vành 26  2.2.1 Góc ăn kim loại vào trục cán 26  2.2.2 Chiều dài vùng biến dạng 27  2.2.3 Lượng ép 28  2.2.4 Áp lực cán 30  2.3  Quy trình cơng nghệ 33  2.4  Mô tả công nghệ 34  2.4.1  Trục dẫn động 35  2.4.2  Trục áp lực 35  2.4.3  Cặp trục hướng tâm 35  2.4.4  Phôi 35  2.5  Phân loại 35  2.5.1  Phân loại theo giá cán 36  2.5.2  Phân loại theo nhiệt độ cán 37  2.5.3  Phân loại theo qúa trình giãn rộng 39  2.6  Kết luận 39  CHƯƠNG 40  CƠ SỞ BIẾN DẠNG TẠO HÌNH VÀ MƠ HÌNH ỨNG XỬ VẬT LIỆU 40  3.1  Một số khái niệm sử dụng mơ hình vật liệu 40  3.1.1  Ứng suất tương đương 40  3.1.2  Biến dạng tương đương 40  3.1.3  Điều kiện dẻo 41  3.2  Ảnh hưởng số thơng số cơng nghệ đến q trình cán vành nóng 43  3.2.1  Ảnh hưởng ma sát 43  3.2.2  Ảnh hưởng nhiệt độ 45  3.2.3  Ảnh hưởng tốc độ biến dạng 46  3.3  Giới thiệu mơ hình ứng xử cơ-nhiệt ứng dụng tốn biến dạng nóng 47  3.4  Kết luận 56  CHƯƠNG 57  ỨNG DỤNG PHẦN MỀM DEFORM3D 57  MÔ PHỎNG SỐ TỐI ƯU BÀI TỐN CÁN VỊNG BI 57  4.1  Mục đích vai trị mơ số 57  4.2  Giới thiệu phần mềm DEFORM3D 60  4.2.1  Thuật toán phần mềm 60  4.2.2  Modun cán vành (Ring rolling) 60  4.3  Áp dụng cho toán cán vòng bi cầu tự lựa dãy 63  4.3.1  Mơ hình hình học 63  4.3.2  Mơ hình vật liệu (Johnson-Cook) 64  4.3.3  Chia lưới phần tử 67  4.3.4  Các điều kiện biên 68  4.4  Kết luận 68  CHƯƠNG 69  PHÂN TÍCH KẾT QUẢ BÀI TỐN CÁN VỊNG BI 69  5.1  Đường cong quan hệ ứng suất biến dạng nhận 69  5.2  Ảnh hưởng ma sát 72  5.3  Ảnh hưởng vận tốc quay 73  5.4  Ảnh hưởng nhiệt độ 75  5.5  Ảnh hưởng tốc độ ép 77  5.6  Kết luận 78  KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 79  TÀI LIỆU THAM KHẢO 80  PHỤ LỤC 84  LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu luận văn khoa học Các số liệu, kết nghiên cứu luận văn trung thực chưa cơng bố cơng trình nghiên cứu trước Tác giả luận văn Đỗ Quang Long DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ CÁI VIẾT TẮT Ký hiệu JC Tên Johnson – Cook Thứ nguyên - SCGL Steinberg – Cochran – Guinan – Lund - ZA Zerilli – Armstrong - MTS Mechanical Threshold Stress - PTN Preston – Tonks – Wallace - n1 Tốc độ quay trục r.min-1 vf Tốc độ tịnh tiến trục mm.s-1 na Tốc độ quay trục hướng tâm r.min-1 vw Tốc độ tịnh tiến trục hướng tâm mm.s-1 α1 Góc ăn phơi vào trục dẫn động rad α2 Góc ăn phơi vào trục áp lực rad ∆h1 Lượng ép gây trục dẫn động mm ∆h2 Lượng ép gây trục áp lực mm R1 Bán kính trục dẫn động mm R2 Bán kính trục áp lực mm Rn Bán kính ngồi phơi mm rt Bán kính phơi mm R Bán kính ngồi sản phẩm mm r Bán kính sản phẩm mm f Hệ số ma sát l1 Chiều dài vùng bd gây trục dẫn động mm l2 Chiều dài vùng bd gây trục áp lực mm σ Ứng suất tương đương ε Biến dạng tương đương - MPa mm/mm DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 2.1 - Các vùng nhiệt độ cho số kim loại điển hình Bảng 3.1 - Một số hệ số ma sát tạo hình dùng ma sát trượt Bảng 4.1 - Hệ số mơ hình Jonhson-Cook DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 1.1- Mô tả công nghệ đúc chế tạo chi tiết dạng vành Hình 1.2 - Mơ tả cơng nghệ dập chế tạo chi tiết dạng vành Hình 1.3 - Mơ tả cơng nghệ rèn chế tạo chi tiết dạng vành Hình 1.4 - Mô tả công nghệ gia công cắt gọt chế tạo chi tiết dạng vành Hình 1.5 - Mơ tả công nghệ ép chảy chế tạo chi tiết dạng vành Hình 1.6 - Mơ tả ngun lý cán vành Hình 1.7 - Các chi tiết dạng vành có kích thước lớn Hình 2.1 - Nguyên lý cán vành Hình 2.2 - Mơ hình tính tốn góc ăn cán vành Hình 2.3 - Mơ hình tính tốn chiều dài vùng biến dạng Hình 2.4 - Mơ hình tính tốn học cán vành Hình 2.5 - Mơ hình tính tốn lực mơ men cán vành (cán nguội) Hình 2.6 - Điều kiện cân phân tố abcd Hình 2.7 - Quy trình cơng nghệ cán vành Hình 2.8- Thiết bị cán vành Hình 2.9 - Giá cán trục nằm Hình 2.10 - Giá cán trục đứng sản phẩm Hình 2.11 - Máy cán lỗ hình kín (a) máy cán lỗ hình hở Hình 4.1 - Quy trình thực mơ số Hình 4.2 - Q trình tối ưu hóa cơng nghệ nhờ mơ số Hình 4.3 - Những ưu điểm mơ Hình 4.4 - Giao diện Mođun cán vành (Ring rolling) Hình 4.5 - Các bước thực tốn cán vành Hình 4.6 - Hình học sản phẩm (a) phơi (b) Hình 4.7 - Hình học khn ngồi Hình 4.8 - Ứng xử vật liệu AISI4340 với tốc độ biến dạng khác Hình 4.9 - Đồ thị xác định số A, B n Hình 4.10 - Đồ thị xác định số C Hình 4.11 - Lưới phần tử phơi trụ Hình 5.1 - Đường cong ứng suất biến dạng nhận cán vành vòng bi, với f = 0.7, ω = 20 rad/s, v = 1mm/s T0=10000C Hình 5.2 - Phân bố biến dạng nhiệt độ vành trịn Hình 5.3 - Phân bố biến dạng tương đương theo trình cán vị trí P1, P2 P3 Hình 5.4 - Phân bố ứng suất nhận mặt cắt theo chiều cao phơi Hình 5.5 - Phân bố ứng suất nhận mặt cắt theo chiều dày phơi Hình 5.6 - Mức độ biến dạng nhận thay đổi hệ số ma sát f = 0.3, 0.5, 0.7 T0=10000C v = mm/s Hình 5.7 - Biến dạng tương đương lớn phụ thuộc vào tốc độ quay trục quay ω = 20, 30, 50 rad/s T0 =10000C, f=0.7 v = mm/s Hình 5.8 - Biến dạng tương đương lớn phụ thuộc vào tốc độ quay trục quay ω = 20, 30, 50 rad/s T0 =10000C, f=0.7 v = mm/s Hình 5.9 - Ảnh hưởng nhiệt độ Hình 5.10 - Nhiệt độ kết thúc cán tương ứng với nhiệt độ phôi ban đầu với T0 = 900, 1000 11000C, f=0.7 v = mm/s Hình 5.11 - Quá trình tăng nhiệt theo chiều cao phơi (a), chiều dày phơi (b) theo vị trí P1, P2 P3 Hình 5.12 - Ảnh hưởng tốc độ trục ép v=1 2mm/s T0 =10000C, f=0.7 ω = 20 rad/s LỜI NÓI ĐẦU Tạo hình chi tiết dạng vành nước ta nhà chuyên môn quan tâm nghiên cứu chủ yếu sử dụng phương pháp truyền thống đúc, tiện, phay … Tuy nhiên phương pháp cịn có nhiều điểm hạn chế tính Các chi tiết sau đúc, tiện phải có chế độ xử lý nhiệt phù hợp có tính chất mong muốn Các chi tiết dạng vành có kích thước đường kính lớn bánh răng, vịng bi, bạc lót, vịng đai địi hỏi phải chịu điều kiện làm việc ngặt nghèo, có nhiều thiết bị máy móc cỡ lớn thuộc lĩnh vực cơng nghiệp nặng đóng tàu, khai thác khống sản, sản xuất xi măng, quốc phịng, luyện cán thép Để sản xuất chi tiết dạng vành trịn có kích thước lớn này, áp dụng phương pháp đúc, nhiên nhược điểm tính thấp khiến cho phương pháp sử dụng để chế tạo Nhằm khắc phục nhược điểm phương pháp gia công truyền thống việc sản xuất chi tiết vành cỡ lớn, nhiều nhà kỹ thuật giới nghiên cứu phát triển phương pháp cơng nghệ “cán vành” cho phép nâng cao suất, chất lượng, dễ dàng đa dạng hóa sản phẩm thiết bị phù hợp với loạt sản xuất từ nhỏ đến lớn Cán vành phương pháp tạo hình chi tiết dạng vành trụ cách làm giảm chiều dày tăng đường kính từ phơi hình trụ rỗng Trên sở tiết diện phơi bị nén theo hướng kính tạo ứng suất kéo theo phương tiếp tuyến để làm tăng đường kính sản phẩm Phương pháp cán vành làm tăng tính chi tiết nhờ tổ chức thớ kim loại theo phương tiếp tuyến vành trịn Ngồi ra, chi tiết nhận từ phương pháp đạt kích thước khối lượng lớn, khả tự động hóa cao, thiết bị không phức tạp, tiết kiệm vật liệu, thời gian chế tạo ngắn nên suất cao 10 T0 =9000C T0=10000C T0 =11000C Hình 5.10 - Nhiệt độ kết thúc cán tương ứng với nhiệt độ phôi ban đầu với T0 = 900, 1000 11000C, f=0.7 v = mm/s 76 Nhiệt độ cán, (0C) a) Nhiệt độ cán, (0C) b) Thời gian cán (s) Hình 5.11 - Quá trình tăng nhiệt theo chiều cao phôi (a), chiều dày phôi (b) theo vị trí P1, P2 P3 5.5 Ảnh hưởng tốc độ ép Trên hình 5.11 cho thấy tốc độ trục ép ảnh hưởng lớn đến áp lực cán Điều giải thích việc sử dụng mơ hình Johnson-Cook hợp lý, nghĩa ứng xử vật liệu dẻo nhớt phụ thuộc vào tốc độ biến dạng hay thời gian cán Khi tăng tốc độ ép áp lực cán tăng gây biến dạng không đồng phơi Phơi bị phá hủy tốc độ trục ép vận tốc quay trục dẫn động không phù hợp với 77 40 Lực ép (tấn) 35 30 25 20 15 10 2mm/s 1mm/s 0 Thời gian cán (s) Hình 5.12 - Ảnh hưởng tốc độ trục ép v=1 2mm/s T0 =10000C, f=0.7 ω = 20 rad/s 5.6 Kết luận Mơ hình ứng xử cứng dẻo nhớt Jonhson-Cook áp dụng cho tốn cán vành biến dạng nóng Qua nghiên cứu làm rõ ảnh hưởng thông số công nghệ, cụ thể sau: - Tốc độ quay trục dẫn động tăng làm tăng khả biến dạng đồng phôi - Ma sát làm biến dạng không đồng tăng nhiệt cho q trình cán - Nhiệt độ phơi ban đầu ảnh hưởng mạnh đến khả biến dạng phôi - Tốc độ ép trục áp lực nên nhỏ Qua nghiên cứu ta chọn thơng số tối ưu cho q trình cán vịng bi sau: T0=1000-11000C, f=0.5, v=1mm/s,ω=20rad/s 78 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Đề tài cán vành, cán nêm ngang, cán nghiêng đề tài hay khó nhà cơng nghệ cán nói riêng nhà học vật liệu nói chung Việc tính tốn để đưa kết xác khơng đơn giản Các vấn đề nhà công nghệ quan tâm tới từ lâu, chí sản phẩm cơng nghệ có từ kỉ trước Nhưng để giải thích cho hiên tượng xảy q trình cơng nghệ nói vấn đề tiếp tục nghiên cứu Ngày với phát triển khoa học cơng nghệ phát triển máy tính trợ giúp nhiều cho nhà nghiên cứu hiểu thấu đáo vấn đề chuyên môn: phân tích ứng suất, biến dạng v.v… Trong đề tài nghiên cứu đạt kết sau: − Xây dựng quy trình cơng nghệ, hệ thống hóa sở lý thuyết chung cán vành − Tổng hợp lựa chọn mơ hình vật liệu cho cán nóng vành − Đưa thơng số cơng nghệ tối ưu vận tốc trục ép, tốc độ quay trục chính, nhiệt độ ma sát cho tốn tạo hình vịng bi cầu tự lựa dãy Hướng nghiên cứu tiếp theo: − Nghiên cứu giãn rộng trình cán vành − Thiết kế chế tạo thiết bị thực nghiệm 79 TÀI LIỆU THAM KHẢO Johnson, W., Macleod, I., Needham, G., "An Experimental Investigation into Process of Ring or Metal Type Rolling", International Journal of Mechanical Sciences, Vol 10, 1968 pp.455-468 Johnson, W., Needham, G., "Experiments on Ring Rolling", International Journal of Mechanical Sciences, Vol 10, 1967 pp.95-113 Johnson, W., Needham, G., "Plastic Hinges in Ring Indentation in Relation to Ring Rolling ", International Journal of Mechanical Sciences, Vol 10, 1968 pp.487-490 Yang, D., Lee, C., Cho, H., Lee, C., Cho, N., Ryoo, J., "Development of a New Computer-Aided Manufacturing System for the Hot Ring Rolling Process", Proceeding of the 3rd International Conference on Metalworking Processes, Kyoto 1984, pp.229-23 Gengusamy, S., Gunasekera, J., Srivatsa, S., "Analysis of Ring Rolling with Material Modeling", Proceedings of the 1'' International Conference on Ring Rolling, Ohio University, 1988 Joun, M., Chung, J., Shivpuri, R., "An Axisymmetric Forging Approch to Preform Design in Ring Rolling Using a Rigid-Viscoplastic Finite Element Method", International Journal of Machine Tools and Manufacturing, Vol 38, 1998, pp.1183-1191 Sun Zhi-chao et al, Thermo-mechanical coupled analysis of hot ring rolling process, Transaction of nonferrous metals society of China, vol 18, 2008, 1216-1222 Youngsoo Yea et al, Prediction of spread, pressure distribution and roll force in ring rolling process using rigid–plastic finite element method, Journal of Materials Processing Technology, vol 140, 2003, pp.478-486 80 M.R Forouzan et al, Three-dimensional FE analysis of ring rolling by employing thermal spokes method, International Journal of Mechanical Sciences, vol 45, 2003, pp.1975-1998 10 M.R Forouzan et al, Guide roll simulation in FE analysis of ring rolling, Journal of Materials Processing Technology, vol 142, 2003, pp.213-223 11 Nassir Anjami, Ali Basti, Investigation of rolls size effects on hot ring rolling process by coupled thermo-mechanical 3D-FEA, Journal of Materials Processing Technology, vol 210, 2010, 1364-1377 12 Hua Lin *, Zhao Zhong Zhin, The extremumparameters in ring rolling, Journal of Materials Processing Technology 69, 273–276, 1997 13 Kluge,Y.-H Lee, H Wiegels, R Kopp, Control of Strain and Temperature Distribution in the Ring Rolling Process, Journal of Materials Processing Technology, 45, 137-141, 1994 14 http://www.deform.com/products/deform-3d/ 15 Wang, Z.W.; Zeng, S.Q.; Yang, X.H.; Cheng, C.: The key technology and realization of virtual ring rolling, Journal of Materials Processing Technology 182 (2007) 374–381 16 Lim, T.; Pillinger, I.; Hartley, P.: A finite-element simulation of profile ring rolling using a hybrid mesh model, Journal of Materials Processing Technology 80–81 (1998) 199–205 17 Wen, J.; Petty, D.M.: A novel method for prediction of rolled cross section shape, Journal of Materials Processing Technology 80–81 (1998) 356–360 18 Yan, F.-L.; Hua, L.; Wu, Y.-Q.: Planning feed speed in cold ring rolling, International Journal of Machine Tools & Manufacture 47 (2007) 1695–1701 19 Song, J.L.; Dowson, A.L.; Jacobs, M.H.; Brooks, J.; Beden, I.: Coupled thermo-mechanical finite-element modelling of hot ring rolling process, Journal of Materials Processing Technology 121 (2002) 332–340 81 20 Alfozan, A.K.; Gunasekera, J.S.: Development of an Experimental Ring Rolling Mill and Associated Instrumentation, Journal of Materials Processing Technology (2007), doi:10.1016/j.jmatprotec.2007.03.090 21 Wang, M.; Yang, H.; Sun, Z.; Guo, L.; Ou, X.: Dynamic explicit FE modeling of hot ring rolling process, Trans Nonferrous Met SOC China 16(2006) 1274-1280 22 Utsunomiya, H.; Saito, Y.; Shinoda, T.; Takasu, I.: Elastic–plastic finite element analysis of cold ring rolling process, Journal of Materials Processing Technology 125–126 (2002) 613–618 23 Boman, R.; Ponthot, J.-P.: Finite element simulation of lubricated contact in rolling using the arbitrary Lagrangian–Eulerian formulation, Comput Methods Appl Mech Engrg 193 (2004) 4323–4353 24 Szabo, Z.J.; Dittrich, E.: Manufacturing systems for the production of seamless-rolled rings, Journal of Materials Processing Technology 60 (1996) 67-72 25 Tiedemann, I.; Hirt, G.; Kopp, R.; Michl, D.; Khanjari, N.: Material flow determination for radial flexible profile ring rolling, Prod Eng Res Devel DOI 10.1007/s11740-007-0030-z 26 Casotto, S.; Pascon, F.; Habraken, A.M.; Bruschi, S.: Thermo-mechanicalmetallurgical model to predict geometrical distortions of rings during cooling phase after ring rolling operations, International Journal of Machine Tools & Manufacture 45 (2005) 657–664 27 Ken ichiro Mori, Theory Simulation of materials processing: thoery, methods and applications 28 Lin H, ZhiZZ the extremum parameter in ring rolling, Journal of Materials Processing Technology 1997; 69 29 Nguyễn Tất Tiến, Lý thuyết biến dạng dẻo kim loại, nhà xuất giáo dục, 2004 82 30 Nguyễn Trọng Giảng, Thuộc tính học vật rắn, Nhà xuất khoa học kỹ thuật, 2004 31 Lê Thái Hùng, Đỗ Quang Long, Nghiên cứu ứng xử nhiệt q trình cán vành vịng bi tang trống tự lựa mơ số, Tạp chí khoa học cơng nghệ kim loại, số 35, 40-45, 2011 32 Đào Minh Ngừng, Nguyễn Trọng Giảng, Lý thuyết cán, Nhà xuất giáo dục, 2006 33 [33]http://www.tradekorea.com/sell-leads-detail/S00016343/D51800%20Ring% 20Rolling%20Machine.html 34 Johnson R G and Cook H.W, Fracture characteristics of three metals subjected to various strains, strain rates, temperatures and presures, vol21 N1, pp31-48, 1985 83 PHỤ LỤC TÍNH THỂ TÍCH CHO PHƠI CÁN VÀNH VỊNG BI Tính thể tích vịng ngồi y R s y1 a D x0 x x1 Hình 1.H  Kích thước vịng ngồi vịng bi tự lựa dãy Thể tích vịng ngồi tính sau: Trong đó: Ta tính: Phương trình đường trịn tâm bán kính R là: Suy ra: √ √ 84 2 , Đặt cos  1 2 Suy ra: cos  2 Suy ra: Vậy: 2 Thể tích vịng vịng bi y R R s y1 a d D x h H Hình Kích thước vịng vịng bi tự lựa dãy 85 Thể tích vịng tính sau: Trong đó: 2 4 Tính tốn Phương trình đường trịn tâm bán kính R là: Suy ra: √ √ Trong đó: Tính thể tích 2 Vậy: 4 86 Kết tính tốn thể tích sở tính tốn kích thước vịng bi Bảng Thể tích vịng ngồi D  H  20 0  38      x0  x1  ‐19  19      R    40    y1  85    15    a  49.80         Vn 1193805.21 Vt 929790.59     V  264014.62    Bảng Thể tích vịng D  13 0        x0  ‐11  d  11 0        x1  H  38  h  s 22      R 1.5                        y1  a  V1 V2 V3  V 120962 63 11  5  101.957769 269717.163 106185.832 361126.08  87 40    Bản vẽ vịng bi Hình Bản vẽ chi tiết Hình Bản vẽ khối 88 Mơ cán vành ngồi vịng bi Hình Sơ đồ cán-trạng thái ban đầu Hình Kết thúc trình cán 89 Hình Kết mơ trường biến dạng Hình Kết mô trường ứng suất 90 ... nghệ cán vành chưa có cơng trình nghiên cứu cán vành Việt Nam, tác giả lựa chọn đề tài: ? ?Mô số trình cán vành tạo hình cho chi tiết vịng bi? ?? nhằm làm chủ tối ưu cơng nghệ cán vành chi tiết vịng bi. .. dạng vành Hình 1.5 - Mơ tả cơng nghệ ép chảy chế tạo chi tiết dạng vành Hình 1.6 - Mơ tả nguyên lý cán vành Hình 1.7 - Các chi tiết dạng vành có kích thước lớn Hình 2.1 - Ngun lý cán vành Hình. .. Mơ hình tính tốn góc ăn cán vành Hình 2.3 - Mơ hình tính tốn chi? ??u dài vùng bi? ??n dạng Hình 2.4 - Mơ hình tính tốn học cán vành Hình 2.5 - Mơ hình tính tốn lực mơ men cán vành (cán nguội) Hình