NGHIÊN cứu BIẾN DẠNG tạo HÌNH KHỚP nối CHỮ THẬP BẰNG CÔNG NGHỆ ép CHẢY NGANG

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - NGUYỄN TUẤN ANH NGHIÊN CỨU BIẾN DẠNG TẠO HÌNH KHỚP NỐI CHỮ THẬP BẰNG CƠNG NGHỆ ÉP CHẢY NGANG LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Chuyên ngành: Khoa học Kỹ thuật Vật liệu NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: TS LÊ THÁI HÙNG Hà Nội – 2013 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 chƣa đƣợc cơng bố cơng trình nghiên cứu trƣớc Tác giả luận văn Nguyễn Tuấn Anh LỜI CẢM ƠN Tác giả xin chân thành cảm ơn tới TS Lê Thái Hùng trực tiếp hƣớng dẫn, tận tình bảo, giúp đỡ tơi suốt q trình thực luận văn Tác giả xin chân thành cảm ơn tới giúp đỡ tạo điều kiện thuận lợi thầy cô Viện Khoa học Kỹ thuật vật liệu - Đại học Bách Khoa Hà Nội Tác giả xin chân thành cảm ơn tới giúp đỡ tạo điều kiện thuận lợi giúp đỡ cán bộ, giảng viên Bộ môn Cơ học vật liệu Cán kim loại, Viện Đào tạo sau đại học, Trƣờng Đại học Bách Khoa Hà Nội q trình học tập để hồn thành luận văn Hà Nội, ngày 23 tháng 11 năm 2013 Tác giả luận văn Nguyễn Tuấn Anh MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN .2 LỜI CẢM ƠN .3 DANH MỤC CÁC BẢNG DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ .8 LỜI NÓI ĐẦU 11 CHƢƠNG TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ ÉP CHẢY NGANG 13 1.1 Tổng quan công nghệ ép chảy 13 1.1.1 Định nghĩa 13 1.1.2 Phân loại trình ép chảy 13 1.1.3 Nguyên lý làm việc trình ép chảy .19 1.1.4 Ƣu điểm phƣơng pháp ép chảy 20 1.2 Giới thiệu phƣơng pháp ép chảy ngang .20 1.2.1 Đặc điểm phƣơng pháp ép chảy ngang 20 1.2.2 Nguyên lý làm việc trình ép chảy ngang 21 1.2.3 Sản phẩm phƣơng pháp ép chảy ngang 22 1.2.3 Máy ép chảy .23 1.2.4 Quy trình cơng nghệ truyền thống 23 1.2.5 Quy trình cơng nghệ tiên tiến 25 1.3 Các cơng trình nghiên cứu ép chảy ngang giới 28 1.4 Kết luận 29 CHƢƠNG LÝ THUYẾT VỀ ẢNH HƢỞNG CỦA CÁC YẾU TỐ ĐẾN QUÁ TRÌNH ÉP CHẢY 30 2.1 Các yếu tố ảnh hƣởng đến trình tạo hình 30 2.1.1 Ma sát trình ép chảy 30 2.1.2 Hệ số ép chảy 31 2.1.3 Ảnh hƣởng nhiệt độ đến trình ép chảy 31 2.1.4 Ảnh hƣởng dòng chảy vật liệu .33 2.2 Các dạng khuyết tật trình ép chảy 34 2.2.1 Phá vỡ bề mặt 34 2.2.2 Sốc nhiệt 35 2.2.3 Nứt tâm bề mặt 35 2.2.4 Thay đổi cấu trúc tính chất 36 2.3 Kết luận 36 CHƢƠNG PHÂN TÍCH CÁC YẾU TỐ ẢNH HƢỞNG ĐẾN QUÁ TRÌNH ÉP CHẢY NGANG KHỚP NỐI CHỮ THẬP BẰNG PHẦN MỀM DEFORM3D .38 3.1 Giới thiệu phần mềm Deform3D .38 3.2 Mô số 39 3.2.1 Giới thiệu sản phẩm 39 3.2.2 Mơ hình hình học .42 3.2.3 Vật liệu sử dụng mô 46 3.2.4 Nhận dạng mơ hình ứng xử vật liệu phƣơng pháp nén đơn 47 3.2.5 Kết hình dạng sau mơ .51 3.2.6 Tối ƣu hóa thơng số ảnh hƣởng đến kết mơ hình dạng sản phẩm 56 3.2.7 Phân tích ứng suất-biến dạng với thơng số hợp lý 57 3.3 Kết luận 62 CHƢƠNG THỰC NGHIỆM CHẾ TẠO KHỚP NỐI CHỮ THẬP BẰNG PHƢƠNG PHÁP ÉP CHẢY NGANG .63 4.1 Giới thiệu chung .63 4.2 Thực nghiệm chế tạo .63 4.2.1 Chuẩn bị mẫu 63 4.2.2 Chuẩn bị khuôn ép 64 4.2.3 Máy ép 65 4.3 Kết thực nghiệm .66 4.3.1 Hình ảnh sản phẩm thực nghiệm 66 4.3.2 So sánh kết thực nghiệm với mô 68 4.4 Kết luận 74 KẾT LUẬN .75 TÀI LIỆU THAM KHẢO 76 DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 3.1 Thành phần hoá học thép SKD 61 .44 Bảng 3.2 Thành phần hoá học thép SKD 11 .45 Bảng 3.3 Điều kiện biên 51 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 1.1 Ép chảy thuận 14 Hình 1.2 Ép chảy ngƣợc 14 Hình 1.3 Sản phẩm ép chảy hoàn toàn (trái) ép chảy cục (phải) 17 Hình 1.4 Một số hình ảnh ép chảy hình ống 18 Hình 1.5 Một số hình ảnh ép chảy thành mỏng 18 Hình 1.6 Nguyên lý làm việc trình ép chảy 19 Hình 1.7 Nguyên lý làm việc ép chảy ngang 21 Hình 1.8 Sản phẩm ép chảy ngang 22 Hình 1.9 Máy ép chảy 23 Hình 1.10 Các sản phẩm dập khối 24 Hình 1.11 Quy trình cơng nghệ dập khối 24 Hình 1.12 Các sản phẩm ép chảy ngang 26 Hình 1.13 Qui trình công nghệ ép chảy ngang 26 Hình 2.1 Sơ đồ ép chảy xi (a) ép chảy ngƣợc (b) với hệ thống lực tác dụng lên phôi 30 Hình 2.2 Dịng chảy vật liệu q trình ép 33 Hình 2.2 Vết nứt bề mặt 34 Hình 2.3 Sốc nhiệt ép chảy nhôm 35 Hình 2.4 Vết nứt tâm 35 Hình 2.5 Hiện tƣợng lớn hạt gây thay đổi tính chất vật liệu 36 Hình 3.1 Sản phẩm khớp nối chữ thập thực tế 39 Hình 3.2 Khớp nối chữ thập trục các-đăng 40 Hình 3.3 Kích thƣớc mơ hình 3D sản phẩm 42 Hình 3.4 Kích thƣớc mơ hình 3D phôi 42 Hình 3.5 Kích thƣớc mơ hình 3D khn dƣới 43 Hình 3.6 Kích thƣớc mơ hình 3D khn 44 Hình 3.7 Kích thƣớc mơ hình 3D chày ép 45 Hình 3.8 Mơ hình 3D mơ hình mơ 46 Hình 3.9 Vị trí Pb hệ thống tuần hồn hóa học 46 Hình 3.10 Kim loại chì nguyên chất 47 Hình 3.11 Kích thƣớc mẫu thử nén 48 Hình 3.12 Mẫu thử nén thực tế 48 Hình 3.13 Mơ hình thử nén đơn 48 Hình 3.14 Đƣờng cong ứng suất-biến dạng Chì 49 Hình 3.15 Quan hệ ứng suất tốc độ biến dạng ε = 0.5 50 Hình 3.16 Hình ảnh sản phẩm hồn chỉnh sau mơ 51 Hình 3.17 Ảnh hƣởng hệ số ma sát đến lực ép 52 Hình 3.18 Ảnh hƣởng vận tốc ép đến lực ép 53 Hình 3.19 Ảnh hƣởng bán kính lƣợn đến lực ép 54 Hình 3.20 Ảnh hƣởng truyền nhiệt đến lực ép 55 Hình 3.21 Kết mơ hình dạng sản phẩm thay đổi thơng số 56 Hình 3.22 Ứng suất theo chiều dọc sản phẩm (a) - Ứng suất theo chiều ngang sản phẩm (b) 57 Hình 3.23 Phân bố ứng suất trình ép theo lƣợng ép 58 Hình 3.24 Phân bố biến dạng mặt cắt ngang trục (a)- Phân bố biến dạng mặt cắt dọc trục (b) 59 Hình 3.25 Phân bố biến dạng trình ép theo lƣợng ép 60 Hình 3.26 Phân bố cƣờng độ phá hủy theo chiều ngang sản phẩm 61 Hình 3.27 Phân bố tải trọng khuôn 61 Hình 4.1 Mẫu chì dùng thí nghiệm 63 Hình 4.2 Khuôn dƣới (a) khuôn (b) dùng thí nghiệm 64 Hình 4.3 Khn khn dƣới sau lắp ghép dùng thí nghiệm 65 Hình 4.4 Máy ép dùng thí nghiệm 65 Hình 4.5 Kết thực nghiệm 66 Hình 4.6 (a ) : Ép mẫu 1;(b) : Ép mẫu 2; (c) : Ép mẫu 67 Hình 4.7 Hình ảnh sản phẩm sau ép 68 Hình 4.8 Kết mô (a) thực nghiệm (b) 68 Hình 4.9 So sánh đƣờng cong lực mô thực nghiệm 69 Hình 4.10 Mặt cắt dọc phôi trƣớc ép đƣợc vẽ lƣới 70 Hình 4.11 Dịng chảy vật liệu sau ép hành trình, a thực nghiệm; b mô 71 Hình 4.12 Dòng chảy vật liệu sau ép 2/3 hành trình a thực nghiệm; b mơ 72 Hình 4.13 Hƣớng vận tốc dịng chảy vật liệu q trình ép theo lƣợng ép73 10 CHƢƠNG THỰC NGHIỆM CHẾ TẠO KHỚP NỐI CHỮ THẬP BẰNG PHƢƠNG PHÁP ÉP CHẢY NGANG 4.1 Giới thiệu chung Nhƣ giới thiệu chƣơng 2, khớp nối chữ thập phận quan trọng truyền động trục Hiện có nhiều phƣơng pháp chế tạo khớp nối chữ thập, đa phần sử dụng phƣơng pháp dập Ép chảy ngang phƣơng pháp đƣợc sử dụng để chế tạo khớp nối chữ thập Sau sử dụng phƣơng pháp nghiên cứu lý thuyết chƣơng 1, chƣơng kết hợp với mô số chƣơng để nghiên cứu chế nhƣ yếu tố ảnh hƣởng tới công nghệ ép chảy ngang, nhóm nghiên cứu bắt đầu tiến hành thực nghiệm chế tạo đạt đƣợc kết khả quan Sau trình chuẩn bị thực nghiệm chế tạo sản phẩm khớp nối chữ thập 4.2 Thực nghiệm chế tạo 4.2.1 Chuẩn bị mẫu Hình 4.1 Mẫu chì dùng thí nghiệm Mẫu chì đƣợc sử dụng chì nguyên chất 99,99% , có kích thƣớc D = 14,7 mm; H = 45mm Mẫu chì đƣợc cắt từ phơi Chì nhờ máy cắt dây, giữ ngun đƣợc tính chất phơi Chì ban đầu Phơi đƣợc đánh bóng giấy ráp, lau bôi trơn trƣớc ép 63 4.2.2 Chuẩn bị khuôn ép Khuôn khuôn dƣới đƣợc chế tạo theo kích thƣớc đƣợc tính tốn mơ xây dựng phần mềm SolidWorks (a) (b) nh Khu n (a) khuôn (b) dùng thí nghiệm Khn ép làm thép SKD – 61 có kết cấu nhƣ hình 4.2, đảm bảo đƣợc yêu cầu làm việc Sử dụng giấy ráp để vệ sinh lịng khn, nhƣ bề mặt khn, sau bơi trơn ghép nửa khn (hình 4.3 ) Chày ép đƣợc làm thép SKD – 11, độ nhám bề mặt đạt ▼8 Chày ép có kích thƣớc nhƣ hình 3.7 Khi thí nghiệm đƣợc lau nhƣng không bôi trơn để hạn chế việc phôi chảy ngƣợc lên phía 64 nh Khu n khu n sau lắp ghép dùng thí nghiệm Hình 4.3 hình ảnh sau khuôn đƣợc lắp ghép nhờ bulong Các bulong ngồi nhiệm vụ ghép khn với nhau, cịn có nhiệm vụ chống lại lực tách khn 4.2.3 Máy ép Hình 4.4 Máy ép dùng thí nghiệm Máy ép đƣợc sử dụng thí nghiệm máy MTS 809.10 A/T Máy sử dụng thuỷ lực với lực ép lớn 10 65 4.3 Kết thực nghiệm 4.3.1 Hình ảnh sản phẩm thực nghiệm Các nhánh chữ thập đƣợc điền đầy Hình 4.5 Kết thực nghiệm Có thể nhận thấy sản phẩm đạt đƣợc yêu cầu hình dạng, mẫu đƣợc ép hết hành trình, nhánh chữ thập đƣợc điền đầy Dƣới hình ảnh ép lần khác  Thí nghiệm lần (a) 66  Thí nghiệm lần (b)  Thí nghiệm lần (c) Hình 4.6 (a ) : Ép mẫu 1;(b) : Ép mẫu 2; (c) : Ép mẫu 67  So sánh Hình 4.7 Hình ảnh sản phẩm sau ép Trong lần ép, nhận thấy mẫu cho kết tƣơng đƣơng nhau, tức nhận đƣợc hình dạng sản phẩm nhƣ mong muốn 4.3.2 So sánh kết thực nghiệm với mô 4.3.2.1 Hình dạng sản phẩm (a) (b) Hình 4.8 Kết mô (a) thực nghiệm (b) 68 Hình dạng sản phẩm mơ thực nghiệm đảm bảo đƣợc kích thƣớc tƣơng đƣơng Các nhánh đƣợc điền đầy kim loại 4.3.2.2 Lực ép So sánh đƣờng cong lực mô thực nghiệm cho biết q trình thực nghiệm mơ chuẩn xác hay chƣa? Và từ phải điều chỉnh thông số để đạt đƣợc kết nhƣ mong đợi Hình 4.9 đƣờng cong lực thời gian ép nhận đƣợc mô thực nghiệm trƣờng hợp: vận tốc ép v = 0.23mm s, góc lƣợn khn R=5mm, có sử dụng dầu bơi trơn nh So sánh đường cong lực mô thực nghiệm Trong giai đoạn bắt đầu tạo nhánh, đƣờng cong thực nghiệm dốc hơn, điều ma sát điều kiện thực tế khác so với điều kiện mô Tuy nhiên vật liệu vào vùng chảy ổn định đƣờng cong có xu hƣớng hội tụ Và giá trị lực lớn trƣờng hợp không khác xa nhiều - Lực lớn mô : 17 (kN) - Lực lớn thực nghiệm : 15.5 (kN) ( sai lệch 8,9%) 69 4.3.2.3 Dòng chảy vật liệu Khớp nối chữ thập đƣợc chế tạo trình ép chảy Với vận tốc thấp, dịng chảy vật liệu ổn định có xu hƣớng Hình 4.10 Mặt cắt dọ ph i trước ép vẽ lưới Bằng cách vẽ ô lên mặt cắt dọc phôi (nhƣ hình 4.10 cho phép quan sát cách trực quan dòng chảy vật liệu ép chảy khớp nối chữ thập 70 Vùng kim loại biến dạng mạnh (a) (b) Hình 4.11 Dịng chảy vật liệu s u p hành tr nh nghiệm b m 71 thự (a) (b) Hình 4.12 Dịng chảy vật liệu sau ép 2/3 hành trình thự nghiệm b m Hình 4.11 4.12 cho biết dịng chảy vật liệu q trình ép chảy Đầu tiên, phơi giai đoạn chồn xơ lệch lƣới Tuy nhiên phơi vào giai đoạn tạo nhánh biến dạng mãnh liệt hơn, xô lệch, chèn ép lƣới diễn mạnh nhiều Nhận thấy tâm sản phẩm dịng chảy vật liệu mạnh 72 Để quan sát cụ thể nữa, hình 4.13 cho biết hƣớng vận tốc dòng chảy kim loại Khu vực vận tốc dòng chảy chƣa ổn định (20%) nh 13 (30%) (50%) (90%) ướng vận tốc dòng chảy vật liệu tr nh p theo lượng ép Trong giai đoạn đầu, với lƣợng ép nhỏ 20% , phôi giai đoạn chồn, lúc hƣớng vận tốc dòng chảy đƣợc định hình cịn khu vực chƣa ổn định Sau đó, với lƣợng ép tăng dần (30% -> 50% , hƣớng dòng chảy ổn định hơn, phôi đƣợc ép theo hình dạng khn Khi lƣợng ép gần đạt yêu cầu, nhánh đƣợc điền đầy kim loại xuất chảy ngƣợc lại kim loại bề mặt tiếp xúc chày phôi Nếu khơng xử lý vị trí tốt dễ tạo bavia sau kết thúc trình ép 73 4.4 Kết luận Từ kết thấy kết thực nghiệm mô không khác xa nhiều Nhƣ thông số mô đƣa vào thực nghiệm toán ép chảy ngang khớp nối chữ thập hợp lý Dựa vào sở lý thuyết nghiên cứu chƣơng chƣơng 2, nhƣ kết hợp với mô số chƣơng Nghiên cứu ứng dụng chế tạo thành công khớp nối chữ thập phƣơng pháp ép chảy ngang Tuy dừng lại phạm vi phòng thí nghiệm nhƣng nghiên cứu cung cấp tƣ liệu quan trọng cho nghiên cứu ép chảy ngang 74 KẾT LUẬN Qua nghiên cứu đề tài nhận đƣợc kết sau đây: - Đƣa thông số công nghệ hợp lý ảnh hƣởng tới trình ép chảy ngang là: hệ số ma sát f, vận tốc ép v, góc lƣợn R phƣơng pháp mô - Chế tạo đƣợc khuôn khớp nối chữ thập theo kích thƣớc hình dạng mong muốn - Xu hƣớng dòng chảy vật liệu phù hợp với kết đƣợc nghiên cứu trƣớc Với vận tốc ép khác xu hƣớng khác Tại vận tốc chậm dịng chảy ổn định Điều giúp cải thiện thêm tính sản phẩm - Đƣờng cong lực, hình dạng sản phẩm mô thực nghiệm bƣớc đầu cho thấy tƣơng đồng, sai lệch nằm phạm vi cho phép - Đã xây dựng đƣợc quy trình công nghệ ép chảy ngang tiên tiến ướng nghiên cứu tiếp theo: - Tiếp tục thực công nghệ ép chảy ngang vật liệu khác Ví dụ nhƣ: Nhôm, thép, - Chế tạo khuôn khác để ép loại sản phẩm khác - Tìm hiểu ảnh hƣởng trình ép đến cỡ hạt vật liệu 75 TÀI LIỆU THAM KHẢO T Altinbalik and Y Can, An experimental study of lateral extrusion of splines, J Mat Des., 27, 2006, 727 -734 H Jafarzadeh, G Faraji and A F Dizaji (2012), Analysis of lateral extrusion of gear-like form parts, Journal of Mechanical Science and Technology 26 (10) (2012) 3243~3252 M Zadshakoyan and H Jafarzadeh, Numerical study of the die geometry and friction effect on the forming load and ma-terial flow in injection forging process, Journal of Applied Sciences, (2009) 2174-2179 Sanjeeb Kumar Tirkey, Three dimensional analysis of lateral extrusion of some complex forms, Department of Mechanical Engineering, National Institute of Technology, Rourkela MAY, 2007 Nguyễn Đắc Trung, Lê Thái Hùng, Nguyễn Nhƣ Huynh, Nguyễn Trung Kiên (2011), Mơ số q trình biến dạng, Nhà xuất Bách khoa Hà Nội Y Yang and K J Kim, Design of processes and products through simulation of three-dimensional extrusion, J Mater Process Technol 191 (2007) A Buschhausen, K Weinmann, Y J Lee and T Altan, Evaluating of lubrication and friction in cold forging using a double backward extrusion process, J Mater Process Tech-nol33 (1992) 95-108 H -J Choi and Hwachoi, The forming characteristics of radial-backward extrusion, J Mater Process, 113 (2001) 141-147 R Ebrahimi, M Reihanian and M M Moshksar, An analytical approach for raial-forward extrusion process,Matre Des29 (2008) 1694-700 10 A Farhoumand and R Ebrahimi, Analysis of forward-backward-radial extrusion process, Matre Des30 (2009) 2152-2157 76 11 Y S Lee, S K Hwang, Y S Chang and B B Hwang, The forming characteristics of radial-forward extrusion, J Mater Process Technol, 113 (2001) 136-140 12 Y Can, M T Altinbalik and H E.Akata, A study of lateral extrusion of gear like elements and splines, J Mater Process Technol166 (2005) 128-34 13 Y Can and C Misirli, Analysis of spur gear forms with tapered tooth profile, Mater Des29 (2007) 829-38 14 S K Hwang, D H Jang, B D Ko and B B Hwang, The forming characteristics of simultaneous radial- forward ex-trusion processes, Mater Sci Forum4 (2005) 475 479:4171 15 R Balendra, Yi Qin and R Balendra, Computer-aided design of Nettforming by injection forging of engineering components, J Mater Process (76) (1998) 62-68 16 R Balendra and Y Qin, Identification and classification of flow–dependent defects in the injection forging of solid billets, J Mater Process 106 (2000) 199-203 17 DEFORM-3D software user Manual, Scientific Forming technologies Corporation, V5.0, Scientific Forming Columbus, OH 2005 77 Tech-nologies Corporation, ... hợp… Với ƣu điểm công nghệ ép chảy ngang khả ứng dụng rộng rãi vào thực tế sản xuất, tác giả lựa chọn đề tài: ? ?Nghiên cứu biến dạng tạo hình khớp nối chữ thập công nghệ ép chảy ngang? ?? Luận văn đƣợc... vực công nghiệp 27 1.3 Các cơng trình nghiên cứu ép chảy ngang giới Ép chảy ngang công nghệ đƣợc ứng dụng rộng rãi giới Ở trƣờng đại học cơng ty có nhiều công bố nghiên cứu công nghệ Ép chảy ngang. .. Hơn ép chảy cho phép tạo sản phẩm có hình dạng phức tạp mà phƣơng pháp khác tạo đƣợc 1.2 Giới thiệu phƣơng pháp ép chảy ngang Ép chảy ngang phƣơng pháp ép chảy đƣợc sử dụng phổ biến giới Ép chảy