Ứng dụng mô phỏng số nghiên cứu quá trình dập nóng chế tạo bánh răng từ phôi ống

Bài viết nghiên cứu đề xuất phương án công nghệ dập nóng chế tạo chi tiết bánh răng từ phôi ống và ứng dụng mô phỏng số để xác định kích thước phôi, các thông số công nghệ, phân tích trạng thái ứng suất, biến dạng, dòng chảy vật liệu, quá trình điền đầy khuôn để nhận định về khả năng xuất hiện khuyết tật trong sản phẩm.

ISSN 2354-0575 ỨNG DỤNG MÔ PHỎNG SỐ NGHIÊN CỨU QUÁ TRÌNH DẬP NĨNG CHẾ TẠO BÁNH RĂNG TỪ PHƠI ỐNG Phan Thị Hà Linh1, 2, Nguyễn Đắc Trung2 Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Hưng Yên Viện Cơ khí, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội Ngày tòa soạn nhận báo: 18/04/2019 Ngày phản biện đánh giá sửa chữa: 20/05/2019 Ngày báo duyệt đăng: 03/06/2019 Tóm tắt: Hiện nay, nhiều loại bánh truyền động chế tạo phương pháp truyền thống dập khối từ phôi đặc, sau gia cơng cắt gọt Phương pháp thường gây lãng phí vật liệu đáng kể phải cắt bỏ lượng dư gia công lớn khoảng 30% Để tiết kiệm vật liệu, nâng cao hiệu sản xuất, phơi dạng ống cho q trình dập khối lựa chọn thích hợp Tuy nhiên, việc dập khối từ phơi ống cần tính tốn kỹ để tránh phơi bị ổn định hình thành khuyết tật trình tạo hình Trong báo phương pháp mô số ứng dụng để phân tích q trình dập nóng bánh từ phơi ống khn kín Dịng vật liệu, nguy phá hủy, biến dạng ứng suất dự đốn Kết cho thấy dập thành cơng bánh phương pháp dập nóng khn kín từ phơi ống Từ khóa: Dập khối, Dập nóng, Mơ số trình dập tạo hình, Bánh răng, Khuyết tật sản phẩm dập khối Đặt vấn đề Bánh chi tiết máy phổ biến dùng để truyền lực chuyển động trục Truyền động bánh dùng rộng rãi chúng có ưu điểm khả truyền lực lớn, đảm bảo tỷ số truyền ổn định, hệ số có ích lớn (hiệu suất cao) truyền động êm Bánh có nhiều kiểu khác nhau, sử dụng phổ biến truyền động bánh trục rỗng (Hình 1) Do yêu làm việc nên bánh phải chịu tải trọng va đập, rung động, mơ men xoắn lớn, địi hỏi vật liệu có độ bền cao nên chúng khơng chế tạo phương pháp đúc mà thường chế tạo phương pháp dập khối, sau gia cơng cắt gọt để đảm bảo độ xác lắp ghép [1,2] Các chi tiết bánh trục rỗng thường rỗng, có bậc vai nên dập khối từ phối đặc để tạo hình chi tiết cách làm truyền thống dẫn đến lãng phí vật liệu gia cơng cắt gọt, đặc biệt khoan lỗ rỗng Hiệu suất sử dụng vật liệu đạt 60-65% Hơn nữa, dập khối từ phôi đặc cần lực lớn, phôi phải biến dạng tồn thể tích tiêu hao lượng máy lớn tuổi thọ khuôn giảm Một hướng nghiên cứu nhằm tiết kiệm lượng, thời gian tạo giảm thiểu tiêu hao vật liệu phôi đề xuất triển khai thực dập khối từ phôi ống [3] Bài báo nghiên cứu đề xuất phương án cơng nghệ dập nóng chế tạo chi tiết bánh từ 18 phôi ống ứng dụng mô số để xác định kích thước phơi, thơng số cơng nghệ, phân tích trạng thái ứng suất, biến dạng, dịng chảy vật liệu, q trình điền đầy khn để nhận định khả xuất khuyết tật sản phẩm Kết mô cho phép xác định lực dập để từ người kỹ thuật lựa chọn thiết bị tạo hình phù hợp Hình Bánh trục rỗng [4] Nghiên cứu công nghệ dập nóng bánh từ phơi ống Bánh Hình có đặc điểm rỗng giữa, phần đầu có đường kính lớn phần Như vậy, áp dụng phương pháp dập khn kín q trình cơng nghệ đơn giản cần nguyên công Tuy nhiên việc tính tốn cần xác để tránh khuyết tật gấp hình thành trình tạo hình với mức độ biến dạng lớn [5] Khoa học & Công nghệ - Số 22/Tháng - 2019 Journal of Science and Technology ISSN 2354-0575 Trong trường hợp chi tiết bánh này, lựa chọn phương án tạo hình qua ngun cơng; ngun cơng chồn cục để tăng kích thước phần bậc nguyên công thứ dập khối trạng thái nóng khn kín để tạo hình bánh Sơ đồ chồn cục (chồn đầu) trình bày Hình Phơi dùng cho ngun cơng chồn đầu xác định dựa định luật thể tích khơng đổi Như vậy, phơi dạng ống có kích thước đường kính ngồi 40 mm, đường kính 20 mm chiều cao 60 mm Chi tiết chế tạo từ vật liệu thép C45 Các thông số công nghệ đầu vào bao gồm: Nhiệt độ nung phôi 1150 oC, hành trình đầu trượt từ đầu chày tiếp xúc với phôi đạt mm sản phẩm áp dụng mơ số q trình tạo hình Hình Ngun cơng dập khối khn kín Hình Ngun cơng chồn cục Ngun cơng dập khối khn kín tạo hình bánh trình bày Hình Phơi dành cho ngun cơng sản phẩm nguyên công chồn cục Q trình dập khối tiến hành sau: Phơi trung gian (được nung tới 1150 o C) đặt lịng khn di động trục định tâm tỳ lõi khn Lịng khn liên kết với đế khn qua hệ thống bu lơng treo lị xo Đế khn bắt lên bàn máy nhờ kẹp Khuôn (chày) lắp với đầu trượt thực trình dập tạo hình Khi chày xuống, tác dụng vào lịng khn, hai xuống hành trình (lịng khn trượt lõi khn) phơi bị ép chồn đầu phía dưới, biến dạng phình to dần điền đầy vào lịng khn theo hành trình xuống chày Khi chày, lịng khn thực hết hành trình 15 mm kể từ vị trí ban đầu tiếp xúc với mặt đầu phơi, q trình tạo hình chi tiết kết thúc Khn chuyển động khứ hồi, lịng khn trở lại vị trí ban đầu, sản phẩm đẩy khỏi lịng khn nhờ hệ thống chốt đẩy Sản phẩm lấy kết thúc trình dập Để xác định lực dập dự đoán khả xảy ổn định, hình thành khuyết tật gấp Khoa học & Cơng nghệ - Số 22/Tháng - 2019 Mô số q trình dập tạo hình bánh từ phơi ống 3.1 Các bước mơ phịng tốn tạo hình Deform 3D Để mơ q trình dập khối chi tiết khớp bánh khn kín trạng thái nóng, sử dụng phần mềm Deform 3D Các bước tiến hành mơ số trình bày Hình Hình Các bước thực tốn mơ [6] Mơ hình hình học phơi ống xây dựng dựa kích thước phơi xác định tính tốn cơng nghệ Mơ hình khn thiết kế, xây dựng dựa kích thước, hình dạng sản phẩm bánh Để đảm bảo độ xác kết mơ phỏng, phơi chia 80.000 phần tử (Hình 5) Journal of Science and Technology 19 ISSN 2354-0575 Hình Lưới phần tử phơi Điều kiện biên tốn trạng thái nóng xác định sau: - Đường cong chảy vật liệu C45 phụ thuộc vào nhiệt độ (Hình 6) Các thông số vật liệu khác mô đun đàn hồi E, hệ số poission, hệ số giãn nở nhiệt… lấy từ thư viện vật liệu phần mềm Deform 3D - Nhiệt độ ban đầu khuôn nhiệt độ môi trường: 20 oC - Nhiệt độ ban đầu phôi: 1150 oC - Chuyển vị chày: mm 15 mm ứng với ngun cơng Hệ số ma sát phơi lịng khn biến dạng trạng thái nóng: 0.4 [7] Bài toán xây dựng cho trường hợp biến dạng trạng thái nóng, có kể đến ảnh hưởng truyền nhiệt phôi, dụng cụ gia công môi trường Q trình mơ số thực máy tính (Intel® Core™ i5-3360M CPU 3.20 GHz Ram 8GB) với thời gian tính tốn Hình Quan hệ ứng suất biến dạng nhiệt độ khác vật liệu C45(AISI-1045) 3.2 Phân tích kết mô Kết mô nguyên cơng chồn cục (Hình 7) bước tạo hình thấy phơi ban đầu bị chồn, tăng tiết diện ngang có xu hướng bị phình tang chống ngồi nhiên thấy mước độ xô lệch mạng không lớn Giai đoạn chồn cục kết thúc chày hết hành trình mm (Step 72) Biến dạng phôi step Biến dạng phôi step 20 Biến dạng phôi step 48 Biến dạng phôi step 72 Hình Quá trình biến dạng nguyên công chồn cục 20 Khoa học & Công nghệ - Số 22/Tháng - 2019 Journal of Science and Technology ISSN 2354-0575 Kết mô bước tạo hình bánh (Hình 8) thấy phơi trung gian tiếp tục bị chồn, phình to Giai đoạn chồn kết thúc phôi tiếp xúc với mặt lịng khn bắt đầu bị ép chảy cục kim loại biến dạng vào vùng tạo Tại thời điểm đạt 25% hành trình phơi bắt đầu tiếp xúc với cối kim loại bị đẩy ngược vào phía chạm vào phần định vị phơi từ tạo biên dạng ống thẳng Kết thúc giai đoạn ép chảy cục bộ, kim loại điền đầy vào góc lượn để tạo hình dạng xác chi tiết Hình Q trình biến dạng tạo hình chi tiết bánh Với việc thiết kế khuôn tạo điều kiện thuận lợi cho biến dạng vật liệu dựa hình ảnh lưới biến dạng giai đoạn tạo phân bố tốc độ biến dạng cho thấy phôi ống không bị ổn định không xuất khuyết tật gấp sản phẩm Đồ thị quan hệ lực - thời gian Hình hồn tồn phù hợp với giai đoạn biến dạng lực tăng chậm giai đoạn chồn, tăng nhanh giai đoạn ép chảy để tạo tăng nhanh kim loại điền đầy vào hốc tạo lịng khn Lực lớn cuối q trình dập đạt 141 Kết phân tích hình ảnh lưới biến dạng thời điểm kết thúc mô số (Step 80), tức kim loại biến dạng xong, cho thấy kim loại điền đầy vào hốc lịng khn Như vậy, độ xác biên dạng hình học sản phẩm đảm bảo yêu cầu Hình 10 Phân bố nguy phá hủy vật liệu Hình Biểu đồ lực tạo hình Khoa học & Công nghệ - Số 22/Tháng - 2019 Hình 10 trình bày biểu đồ phân bố nguy phá huỷ vật liệu Có thể thấy rằng, tồn chi tiết khơng xuất phá huỷ hay khuyết tật giá trị nguy phá huỷ thấp (nhỏ 1) Chỉ có vị trí góc lượn khn, vật liệu kim loại khó điền đầy, dòng chảy kim loại bị đổi hướng thay đổi đột ngột tốc độ chảy (Hình Journal of Science and Technology 21 ISSN 2354-0575 10) dễ gây khuyết tật bề mặt Tuy nhiên, với giá trị mức độ phá huỷ vật liệu lớn 5.97 không gây khuyết tật vị trí khó biến dạng khn kín khơng gây phá huỷ vật liệu thép C45 Hình 13 Phân bố ứng suất Hình 11 Phân bố biến dạng Hình 12 Phân bố dịng chảy vật liệu Hình 11 12 biểu diễn phân bố biến dạng ứng suất tương đương tương đương chi tiết thời điểm kết thúc trình dập tạo hình Giá trị ứng suất biến dạng lớn vị trí góc lượn cối Dịng chảy vật liệu tập trung chủ yếu phần bánh nơi kim loại ép xuống để điền đầy khuôn bánh Tuy nhiên, với mức độ biến dạng lớn góc khn 29.4 mm tương ứng với ứng suất lớn 1200 MPa tạo hình trạng thái nóng Qua phân tích số kết mơ số dựa hình ảnh phân bố dịng chảy, nguy phá huỷ vật liệu, ứng suất, biến dạng cho ta đánh giá chất lượng sản phẩm đạt u cầu mặt hình dạng khơng xuất khuyết tật dập khối từ phôi ống Kết luận Việc nghiên cứu, lựa chọn công nghệ dập khối từ phơi ống để tạo hình bánh cho thấy hồn tồn tạo hình dạng chi tiết rỗng, có vai tiết diện ngang thay đổi nhằm giảm chi phí sản xuất, tiết kiệm vật liệu Với việc áp dụng mô số để phân tích q trình tạo hình cho ta xác định thông số công nghệ dập khối trạng thái nóng khn kín hình dạng, kích thước phơi ống phù hợp đồng thời đánh giá khả tạo xuất khuyết tật sản phẩm khuyết tật gấp Sử dụng công nghệ tạo hình từ phơi ống chế tạo chi tiết khớp nối vấu tiết kiệm tới 44%, vật liệu, đồng thời nâng cao tính sản phẩm thơng qua tổ chức thớ kim loại liên tục Những kết nghiên cứu mô áp dụng, triển khai thực tiễn sản xuất để minh chứng hiệu kinh tế kỹ thuật phương pháp công nghệ dập khối từ phôi rỗng Tài liệu tham khảo [1] Nguyễn Minh Vũ, Nguyễn Tất Tiến, Nguyễn Đắc Trung, Lý thuyết dập tạo hình, NXB Bách khoa Hà Nội, 2009 [2] Nguyễn Mậu Đằng, Phạm Văn Nghệ, Nguyễn Trung Kiên, Đinh Văn Phong, Trần Đức Cứu, Công nghệ tạo hình khối, NXB Bách khoa Hà Nội, 2008 [3] Trịnh Minh Tân, Nguyễn Đắc Trung, Phan Thị Hà Linh, Nghiên cứu công nghệ chồn ống để chế 22 Khoa học & Công nghệ - Số 22/Tháng - 2019 Journal of Science and Technology ISSN 2354-0575 tạo chi tiết phục vụ cơng nghiệp quốc phịng Tuyển tập Hội nghị Khoa học toàn quốc Cơ học Vật rắn biến dạng lần thứ XII, Đại học Duy Tân, TP Đà Nẵng, 7/8/2015 ISBN 978-604-913-459-3, tr 1218-1223 [4] Nguyễn Văn Yến, Giáo trình Chi tiết máy, NXB Giao thơng Vận tải, 2011 [5] Phan Thị Hà Linh, Nguyễn Đắc Trung, Xác định kích thước hình học phù hợp phơi ống cho nguyên công chồn nhờ mô số Hội nghị khoa học cơng nghệ tồn quốc khí – động lực 2016, Hà Nội, ngày 13 tháng 10 năm 2016 ISBN 978-604-95-0040-4, tr 418-424 [6] Nguyễn Đắc Trung, Lê Thái Hùng, Nguyễn Như Huynh, Nguyễn Trung Kiên, Mô số trình biến dạng, NXB Bách khoa Hà Nội, 2011 [7] Boroomand, B., Parvizian, J and Pishevar, A.R., “Contact Modeling in Forging Simulation” Journal of Materials Processing, 2002, Vol 125/126, pp 583-587 APPLICATION OF NUMERICAL SIMULATION STUDY TO HOT FORMING PROCESS FOR MANUFACTURING OF SPUR GEAR BY USING TUBE WORKPIECE Abstract: Currently, most gear in the actuator are made by traditional methods such as bulk forming from block billet and then cutting for finishing Such manufacturing methods often lead to material wastes due to cutting out of a large about 30% amount of excess processing To save material and improve production efficiency, we can choose tube billet for bulk forming However, when using bulk forming with tube billet, it should be calculated carefully to avoid being of instability and appearing of folding defects in workpiece This article presents the research on forming process of the coupling detail using methods numerical simulation and based on obtained results to determine the suitable geometry of tube billet for the forming in closed die Keywords: Bulk foming, Hot foming, Numerical simulation of forming process, Spur gear, Defect in bulk formed product Khoa học & Công nghệ - Số 22/Tháng - 2019 Journal of Science and Technology 23 ... nghệ - Số 22/Tháng - 2019 Mơ số q trình dập tạo hình bánh từ phơi ống 3.1 Các bước mơ phịng tốn tạo hình Deform 3D Để mơ q trình dập khối chi tiết khớp bánh khn kín trạng thái nóng, sử dụng phần... mặt hình dạng khơng xuất khuyết tật dập khối từ phôi ống Kết luận Việc nghiên cứu, lựa chọn công nghệ dập khối từ phôi ống để tạo hình bánh cho thấy hồn tồn tạo hình dạng chi tiết rỗng, có vai... tiết chế tạo từ vật liệu thép C45 Các thông số công nghệ đầu vào bao gồm: Nhiệt độ nung phơi 1150 oC, hành trình đầu trượt từ đầu chày tiếp xúc với phôi đạt mm sản phẩm áp dụng mơ số q trình tạo