Đang tải... (xem toàn văn)
Bài báo nh ằm ứng dụng phần mềm DEFORM vào vi ệc nghi ên c ứu ảnh hưởng của một s ố thông s ố như hình dạng khuôn, kích thước phôi ban đầu, t ốc độ bi ến dạng, kích thước và hình d [r]
(1)TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 5(34).2009
NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG MỘT SỐ THÔNG SỐ ĐẾN LỰC DẬP
VÀ KHẢ NĂNG ĐIỀN ĐẦYKHUÔN KHI DẬP PHÔI BÁNH RĂNG NÓN
AN INVESTIGATION INTO THE INFLUENCE OF SOME PARAMETERS ON STAMPING FORCE AND DIE FILLING CAPACITY
IN A CONIC GEAR FORGING PROCESS
Lê Cung
Trường Đại học Bách khoa, Đại học Đà Nẵng
Lê Phước Hồng
Trường Cao đẳng Cơng nghiệp, Huế TÓM TẮT
Bài báo nhằm ứng dụng phần mềm DEFORM vào việc nghiên cứu ảnh hưởng số thơng số hình dạng khn, kích thước phơi ban đầu, tốcđộ biến dạng, kích thước hình dạng bavia, hệ số ma sát kim loại khuôn, nhiệt độ sấy khuôn… đến lực dập, lượng tiêu tốn trình điền đầy kim loại khuôn Các mô số áp dụng cụ thể cho trường hợp dập nóng phơi bánh nón khuôn Kết mô giúp người thiết kế khuôn qui trình cơng nghệ dập lựa chọn hợp lý hình dạng hình học khn, phơi ban đầu cũng thơng số q trình dập nóng phơi bánh nón
ABSTRACT
The article deals with the application of DEFORM software to studying the influence of some parameters such as die shapes, initial workpiece dimensions, strain velocity, flash dimensions and shapes, frictional coefficient between metal and die, initial die temperature… on stamping force, consumed energy and die filling process of metal The digital simulations are applied to the case of hot forging of a conic gear in die The simulation results help the designer of dies and forging technical processes choose the appropriate dimensions and geometrical shapes of dies and initial workpiece as well as the basic parameters of the conic gear hot stamping process
1 Tổng quan
Lực dập và khả điền đầy khuôn dập nóng chịu ảnh hưởng của khá nhiều thông số hình dạng hì nh học của khuôn, phôi ban đầu , góc lượn của khn, hình dạng bavia, sự bơi trơn và hệ số ma sát , tốc độ biến dạng, nhiệt độ sấy khuôn…
Trước đây, để nghiên cứu lực dập và khả điền đầy khuôn , khuyết tật chi tiết sau dập,…người ta thường tiến hành thí nghiệm mô phỏng quá trình dập các phôi bằng
vật liệu thay thế, dễ biến dạng, có tính chất đồng dạng với kim loại làm phôi dập như plasticine…[4] Ngày , với sự hỗ trợ của máy tính , nhiều phần mềm mô phỏ ng sử
dụng phương pháp phần tử hữu hạn đời , cho phép mô phỏng số quá trình biến dạng
khi dập nóng khuôn, nhờ đó dễ dàng lựa chọn hợp lý và tối ưu các thông số của
quá trình dập, giảm thời gian và công sức thiết kế khuôn và qui trình dậ p, giảm
(2)TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 5(34).2009
mềm sử dụn g phương pháp tổng kết thực nghiệm FORGEROND đời [4], [5]
Khác với các phần mềm đây , FORGEROND cho phép mô phỏng nhanh quá trình
dập nóng các chi tiết dạng tròn xoay , nhằm giúp người thiết kế khuôn và qui trình dập
nhanh chóng chọn máy, hình dạng phơi, khn, cũng các thơng sớ hợp lý cho quá
trình dập, xây dựng nhanh bảng chiết tính giá thành… nhằm đáp ứng nhanh chóng yêu
cầu đặt hàng của khách hàng
Bài báo nhằm nghiên cứu ứng dụng phần mềm DEFORM-2D vào việc mô
phỏng số quá trình dập nóng phôi bánh nón, đồng thời nghiên cứu ảnh hưởng của một số thông số hình dạng của khuôn, phôi ban đầu, bavia, việc bôi trơn và hệ số ma sát , việc sấy khuôn, tốc độ biến dạng… đến lực dập và khả năng điền đầy khuôn
trong quá trình dập nóng phôi bánh nón khuôn Kết quả mô phỏng giúp
người thiết kế khn và qui trình cơng nghệ dập lựa chọn hợp lý hình dạng hình học của khuôn, phôi ban đầu các thông số bản của quá trình dập nóng phôi bánh
răng nón.
2 Môi trường làm việc của phần mềm DEFORM-2D
Phần mềm DEFORM (Design Environment for FORMing) của hãng Scientific Forming Technology Corporation (Mỹ) cho phép mô phỏng số quá trình biến dạng kim loại dựa phương pháp phần tử hữu hạn [2], [6] DEFORM có nhiều chức
phong phú, cho phép quan sát trường ứng suất, biến dạng, nhiệt độ kim loại, mơ phỏng
q trình biến dạng chi tiết dập nóng, cho phép xác định lực dập, lượng cần thiết dập…
Lưu đồ mô phỏng quá trình dập nóng khuôn mô tả hình Dữ
liệu ban đầu cần thiết cho quá trình mô phỏng bao gồm: Thông sớ hình học: thơng sớ hình học của phơi và khuôn, Thông số qúa trình: nhiệt độ môi trường, nhiệt độ phơi và
Thơng số hình học Thơng số q trình Thơng số vật liệu Mơ hình
q trình
Dịng kim loại chi tiết (sự điền đầy khn, hình thành khuyết tật…)
Yêu cầu điều khiển thiết bị (tải trọng, hành trình/thời gian, vận tốc) Quá trình nhiệt chi
tiết (ứng suất, biến dạng, tốc độ biến dạng…)
Các tính chất cấu trúc tế vi (cỡ hạt, tỷ lệ kết tinh lại…)
Cấu trúc tế vi
Các tham số tối ưu trình giới hạn điều khiển
(3)TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 5(34).2009
khuôn, hệ số trao đổi nhiệt phôi-khuôn, khuôn-môi trường, thời gian chuyển phôi từ lò
đến khuôn, hệ số ma sát phôi -khuôn, vận tốc chày,… Thông số vật liệu : nhiệt dung riêng, giới hạn đàn hồi, giới hạn dẻo… Dữ liệu thu nhận của quá t rình mơ phỏng rất phong phú: dòng kim loại, sự phân bố và quá trình biến thiên của các biến trạng thái
như biến dạng, tốc độ biến dạng, nhiệt độ chi tiết và khuôn…, các yêu cầu điều khiển
thiết bị tải trọng, hành trình, tốc độ biến dạng, khuyết tật sản phẩm dập… Từ các tham số đầu của quá trình biến dạng, người thiết kế qui trình công nghệ dập dễ dàng chọn các tham số tối ưu cho quá trình dập nóng chi tiết
3 Ảnh hưởng của số thơng số đến q trình rèn dập nóngphơi bánh răng nón
3.1 Dữ liệu mơ phỏng số
Chúng tiến hành các mô phỏng số sử dụng phần mềm DEFORM 2D cho trình rèn dập nóng phơi bánh nón khn Thông số hình học của phôi bánh
răng nón, của khuôn dập và của phôi dập ban đầu mơ tả hình Các dữ liệu
ban đầu sử dụng mô phỏ ng sau: Vật liệu phôi: thép C45 (E = 210.290N/mm2, ν=0,3); vật liệu khuôn: carbide (15% Cobalt, E = 524.002N/mm2, ν = 0,23); kích thước phôi ban đầu: chiều cao H = 65mm, đường kính 33,14mm; kiểu mô phỏng: đẳng nhiệt; nhiệt độ ban đầu của phôi: khoảng 9000C, nhiệt độ ban đầu của khuôn: khoảng 2000
3.2 Nghiên cứu khả điền đầy kim loại hốc khuôn
C ; khoảng dịch chuyển của chày: 35 mm; máy nén thủy lực: tốc độ dịch chuyển của chày: 2mm/s; máy búa: năng lượng búa 17.500 KNmm; máy ép kiểu vít: lượng chày: 10.000 KNmm Các mô phỏng số từ đoạn 3.2 đến 3.6 thực hiện máy ép thủy lực.
Hình hình mô tả quá trình điền đầy kim loại khuôn dập tùy theo
đường kính ban đầu D của phôi Khảo sát ba trường hợp khác nhau: D=33mm, D=33,1mm D=33,14mm, ta thấy rằng D=33,14mm, kim loại điền đầy hoàn
35
φ37
φ62
φ33,14
φ34
φ44
φ62
65
100
R3
R2
R3
25
φ27
R3 R3
φ34
16
25
30 35
R2
φ37
φ27
φ62
φ44
(4)TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 5(34).2009
tồn hớc khn Thể tích phôi giảm dần quá trình dập nóng từ
V=56.067m3 ÷ V= 55.734m3 cho trường hợp D = 31,14mm, ứng với khoảng dịch chuyển của chày ép từ 0÷ 35 mm (hình 4) Như vậy, trường hợp không sử dụng
bavia, phôi ban đầu hình trụ, đường kính phôi có thể chọn D = 33,14mm, đó kim
loại điền đầy hoàn toàn trong khuôn
3.3 Ảnh hưởng ma sát giữa khuôn phôi dập
Để nghiên cứu ảnh hưởn g của h ệ số ma sát giữa
khuôn chi tiết đến lực dập và khả điền đầy kim loại trong khuôn, tiến hành mô phỏng cho các trường hợp h ệ số ma sát k h ác nhau giữa phôi dập và khuôn: m = 0,08; 0,12; 0,25; 0,3; 0,7 Dựa
vào đồ thị lực dập hình 6,
ứng với các hệ số ma sát phôi-khuôn khác nhau, ta thấy ở giai đoạn đầu kim loại
chưa tiếp xúc nhiều với thành khuôn nên chưa có sự khác biệt lớn về lực dập; chày
dập dịch chuyển khoảng 31,5mm, lực dập biến thiên mạnh hơn, phân bố khoảng từ 281.658 ÷ 292.228N Ở giai đoạn điền đầy các hốc khuôn, lực dập tăng lên
Hình Quá trình biến dạng
điền đầy kim loại khn
Hình Sự thay đổi thể tích phơi dập ứng với
D=33, D =33,1 D=33,14mm a) H =65mm; D =33mm
b) H =65mm; D=33,1mm
c) H = 65mm; D=33,14mm
Hình Ảnh hưởng D đến khả điền
đầy kim loại hốc khuôn
0 500000 1000000 1500000 2000000 2500000 3000000 3500000 4000000
0 35
10
5 14
17
5 21
24
5 28
31
5 35
Hành trình [m m ]
Tả
i
trọ
ng
[N
]
m=0,08 m=0,12 m=0,25 m=0,3 m=0,7
(5)TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 5(34).2009
rất nhanh và có sự khác biệt lớn hệ số ma sát m=0,7 (lực dập 1.678.566N) và m=0,08 (lực dập: 5.448.916N).
3.4 Ảnh hưởng kích thước hình dạng bavia:
Bavia sử dụng nhằm giảm lực dập kim loại chuẩn bị điền đầy các hớc
khn [7] Hình dạng và kích thước bavia ảnh hưởng lớn đến lực dập kim lo ại bắt
đầu điền đầy các hốc khuôn Ứng với kích thước ban đầu của phôi: H=75mm D=33,14mm, sử dụng bavia hình dạng chữ nhật, so sánh ba trường hợp hình 8, ta thấy lực dập nhỏ chiều cao ε của bavia lớn và chiều rộng λ nhỏ Tuy nhiên chiều cao bavia lớn, chi phí gia công chi tiết tăng Có thể tạo mép vát
để thoát kim loại bavia (hình 9), sẽtăng chiều cao ε Mô phỏng số cho trường hợp có mép vát thoát kim loại bavia (hình 10) cho thấy lực dập giảm đáng kểở
giai đoạn kim loại điền đầy hốc khuôn.
Tải trọng [N]
0 200000 400000 600000 800000 1000000 1200000 1400000 1600000 1800000 2000000 17 21 29 38
Hành trình [mm]
1 2 3
1 ε =2,50mm; λ=2,13mm
2 ε=2,31mm; λ=2,40mm
3 ε=2,29mm; λ=2,60mm
Hình Ảnh hưởng ε λđến lực dập
Hình Kích thước cơ
bavia
λ ε
ε
λ
Hình Mép vát
thốt kim loại trên bavia
Hình 11 Góc lượn
mép vát khuôn R C1
C2 Vát mép Vê tròn 200000 400000 600000 800000 1000000 1200000 1400000 1600000 1800000 2000000 12 17 18 21 25 29 34 38 42 4 3
3 ε = 2,29 mm; λ = 2,60 mm, không vát
4 ε = 2,73 mm;
λ = 1,74 mm, có mép vát
Tải trọng [N]
Hành trình [mm]
Hình 10 Ánh hưởng mép vát
(6)TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 5(34).2009
Hình 13 Ảnh hưởng việc sấy khuôn đến
lực dập: (1) Tkhuôn/Tphôi = 200/700 0
C, (2) Tkhuôn/Tphôi=250/7000C
0 200000 400000 600000 800000 1000000 1200000 1400000 1600000 1800000 2000000
0
3
5
10
5 14
17
5
1
Tải trọng [N] 3.5 Ảnh hưởng củagóc lượn mép vát khuôn
Khi dập kín khuôn, góc lượn có bán kính nhỏ ở các mép khuôn (hình 11)
làm tăng đáng kể lực dập kim loại bắt đầu điền đầy các hốc khuôn Khi bán kính góc lượn R quá nhỏ, phôi dễ bị khuyết tật quá trình dập Khi bán kính góc lượn R lớn, kim loại dễ biến dạng hơn, dễ tạo nếp nhăn sản phẩm Vì vậy, cần lựa chọn
góc lượn hợp lý Kết quả mô phỏng hình 12 cho thấy sử dụng góc lượn R3, lực dập lớn góc lượn R3,5 Với diện tích tiết diện phần kim loại bỏ đi, thì nếu dùng mép vát dạng chữ nhật C1xC2, lực dập bé dùng góc lượn R (hình 12).
3.6 Ảnh hưởng việc sấy khuôn
Việc sấy khuôn ảnh hưởng nhiều đến nhiệt độ phôi dập, giúp nhiệt độ phôi tăng lên trình dập, ma sát giảm xuống, từ đó giảm lực dập Quá trình điền đầy kim loại các hốc khuôn dễ dàng Rõ ràng nhiệt độ sấy khuôn tăng lên, lực dập giảm xuống, khả điền đầy kim loại khuôn tăng theo (hình 13).
3.7 Ảnh hưởng tốc độ biến dạng
Tốc độ biến dạng có ảnh hưởng lớn đến lực dập và lượng tiêu hao dập Kết quả mô phỏng (hình 14) cho thấy: so với máy ép thủy lực và máy ép kiểu vít năng lượng tiêu hao dập máy búa lớn gần gấp đôi.
4 Kết luận
Việc ứng dụng các phần mềm mô phỏng quá trình rèn dập nóng, sử dụng phần tử hữu hạn DEFORM cung cấp cho người thiết kế qui trình cơng nghệ và khuôn dập nhiều thông tin bổ ích, dễ dàng lựa chọn các thông số tối ưu của quá trình, hình dạng và kích thước hợp lý của phôi, khuôn,… nhằm giảm tối đa lực và lượng dập.Đồng thời thông qua việc quan sát quá trình mô phỏng biến dạng nóng khuôn,
người thiết kế có thể tránh các khuyết tật, nâng cao chất lượng sản phẩm dập. Hình 12 Ảnh hưởng kích thước góc
lượng mép vát khuôn đến lực dập
500000 1000000 1500000 2000000
0
14 21 28 35
Hành trình [mm]
C1=2;C2=3 C1=1;C2=2,2
R=3,5 C1=C2=2
R=3 Tải trọng [N]
(7)TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 5(34).2009
Kết quả mô phỏng áp dụng cụ thể cho việc dập nóng phôi bánh nón cho phép ta chọn lựa các thông
số hợp lý của quá trình dập: chọn hệ số ma sát khuôn-phôi hợp lý bằng cách chọn khn có độ bóng cao, có bơi trơn dập, nên sử dụng khuôn có vát mép thay góc lượn, nên có mép vát thoát kim loại bavia nhằm tăng chiều cao bavia, có thể chọn nhiệt độ sấy khuôn phù hợp nhằm bổ sung lượng nhiệt thích hợp cho phơi, giúp giảm lực và lượng dập,
nâng cao khả điền đầy kim loại, tránh các khuyết tật của chi tiết sau dập
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] J N Majerus, K P Jen, H Gong, Quantitive comparison between precision closed-die forging force data and computation simulations, Journal of Engineering for Technology, Oct 1992
[2] Matthew O’Cornell, Brett Painter, Gary Maul, Taylan Altan, Flashless closed-die upset forging-load estimation for optimal cold header selection, Journal of Materials Processing Technology, 1996.
[3] Action concertée de Recherche “Modélisation du Forgeage”, Bilan des travaux de la première année, CETIM Saint-Etienne, Oct 1996
[4] Ph Marin, Simulation rapide de la déformation d’un lopin matrices, Application l’estampage dans l’optique de la conception intergrée, Thèse de Doctorat, INPG Grenoble 1995
[5] Philippe Marin, Cung Le, Serge Tichkiewitch, Taking into account thermal effects in ForgeRond, a fast hot-forging simulation tool, Procedings of the 5th
[6] T Altan, G Ngaile, G Shen, Cold and Hot Forging: Fundamentals and Applications, ASM Publication, 2004
International Conference on Technology of Plasticity, Columbus, Ohio, USA, 1996
[7] A Chamouard (1996), Statique et Dynamique Appliquée aux Déformations Chaud, Estampage et Forge, Tomes I, II, Edition Dunod, 1964, 1966
0 2000000 4000000 6000000 8000000 10000000 12000000 14000000 16000000
3.5 10.5 14 17.5 21 24.5 28 31.5 35
Hành trình [mm]
N
ăng
lư
Máy ép thủy lực
Máy ép vít Máy búa
Hình 14 Năng lượng tiêu tốn sử dụng máy ép