Mô hình hóa và mô phỏng số quá trình dập vuốt kết hợp biến mỏng thành nguyên công đầu

Bài viết trình bày mô hình bài toán và kết quả chương trình mô phỏng số quá trình dập vuốt kết hợp với biến mỏng thành nguyên công đầu chi tiết dạng trụ rỗng từ vật liệu tấm.

ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 11(120).2017, QUYỂN 123 MÔ HÌNH HĨA VÀ MƠ PHỎNG SỐ Q TRÌNH DẬP VUỐT KẾT HỢP BIẾN MỎNG THÀNH NGUYÊN CÔNG ĐẦU MODELLING AND SIMULATION IN COMBINED DRAWING OF FIRST STEP Nguyễn Mạnh Tiến1, Trần Đức Hoàn1, Phạm Mạnh Tuân2 Học viện Kỹ thuật Quân sự; manhtiennguyen84@gmail.com Tổng cục Công nghiệp Quốc phịng Tóm tắt - Bài báo trình bày mơ hình tốn kết chương trình mơ số trình dập vuốt kết hợp với biến mỏng thành nguyên công đầu chi tiết dạng trụ rỗng từ vật liệu Phương pháp phần tử hữu hạn công cụ hữu ích mơ ngun cơng dập Q trình mơ số sử dụng phần mềm Deform 2D, phần mềm chuyên dụng mô trình biến dạng tạo hình vật liệu Các kết nghiên cứu thu bao gồm trường ứng suất, trường biến dạng, lực dập nguyên công công nghệ Dựa kết mô số giúp so sánh, kiểm chứng hồn thiện q trình tính tốn cơng nghệ, giảm thiểu thời gian kinh phí bước chế thử, nâng cao tính kinh tế chế tạo sản phẩm Abstract - This paper presents modeling and simulation results of combined drawing process of the first step in fabrication of cylindrical detail from sheet metal Finite element method has been a useful tool in simulating forming operations The simulation program uses Deform 2D software, which is a specialized software for simulation of material deformation The results of the study include effective stress, effective strain, drawing force of technological process The results of numerical simulation help to compare, verify and complete the calculation technology process, reduce the time and cost of testing steps, and improve the economy in manufacturing products Từ khóa - mơ hình hóa; mơ số; dập vuốt kết hợp; biến dạng; nguyên công đầu Key words - modelling; deformation; first step Đặt vấn đề Dập vuốt biến mỏng thành (DVBM) phương pháp để chế tạo chi tiết dạng trụ có thành mỏng đáy từ phơi phẳng ứng dụng rộng rãi sản xuất kinh tế quốc phòng, an ninh Tuy nhiên, quy trình cơng nghệ áp dụng để chế tạo chi tiết thực dập vuốt số ngun cơng, sau thực q trình biến mỏng thành [1] Đối với quy trình cơng nghệ áp dụng, số lượng nguyên công nhiều dẫn đến suất không cao, tăng giá thành sản phẩm Giảm bớt số nguyên công, tăng mức độ biến dạng qua ngun cơng nâng cao độ xác sản phẩm thực phương pháp dập vuốt kết hợp (DVKH) với biến mỏng thành DVKH – trình biến dạng đồng thời giảm chu vi (đường kính) chiều dày thành bán sản phẩm (Hình 1) [2] Xây dựng mơ hình tốn DVKH ngun cơng đầu Việc xây dựng tốn DVKH chia thành giai đoạn: giai đoạn thu nhỏ đường kính phơi giai đoạn biến mỏng chiều dày thành Đối với giai đoạn thu nhỏ, đường kính phơi có sơ đồ trình bày Hình simulation; combined drawing; Hình Giai đoạn thu nhỏ đường kính DVKH Hình Một số sơ đồ dập vuốt kết hợp với biến mỏng thành Trên sở nghiên cứu lý thuyết trình DVKH, báo tiến hành nghiên cứu xây dựng mơ hình tốn ứng dụng phần mêm mô số, mô công nghệ dập vuốt kết hợp nguyên công đầu chế tạo chi tiết dạng trụ từ phôi phẳng Các kết khảo sát bao gồm: trường ứng suất, trường biến dạng, lực công nghệ Dựa kết mô số giúp so sánh, kiểm chứng hoàn thiện q trình tính tốn cơng nghệ, giảm thiểu thời gian kinh phí bước chế thử, nâng cao tính kinh tế chế tạo sản phẩm Khi DVKH, giai đoạn thu nhỏ đường kính chia phơi thành vùng: Ia, Ib, Ic Hình 2, với: Ia: Vùng giới hạn Rk (bán kính lớn phơi thời điểm xét) với Ru (bán kính giới hạn đường ngồi bán kính lượn phơi theo cối) Ib: Vùng giới hạn Ru R1 (bán kính giới hạn trung bình đường bán kính lượn phôi theo cối) Ic: Vùng giới hạn đường biên bán kính lượn phơi (theo chày cối) gần Ứng suất trục hướng kính ổ biến dạng  ứng suất hướng tiếp tuyến ổ biến dạng  tính phương trình vi phân cân ổ biến dạng dẻo: Nguyễn Mạnh Tiến, Trần Đức Hoàn, Phạm Mạnh Tuân 124  d   ds     1       d  sd  (1) Cùng điều kiện dẻo:     (2) (3) Q M R k s0 Với ρ bán kính chất điểm thời điểm xét ( Rk    Ru ), µM hệ số ma sát bề mặt khuôn phôi chỗ tiếp xúc lực ép, Q lực ép biên [3, 4] Sử dụng phương pháp hữu hạn xây dựng phương trình sau: rn  rn 1 (4) n  n 1  rn 1 d   (1  n 11  f   n 1 Sau xác định n tìm n từ điều kiện dẻo (2) với điều kiện biên (3) s   Т   s 1 1 RMC d  cos  ds  cos    sin         0 d s d  a  sin   a  sin  (5) Tại  = 0: ф   Ru (9)   s   Ru  s R MC (10) Xác định phân bố ứng suất vùng I a, mà 1 = ᴨ/2 -  Giá trị biến dạng xác định theo phương trình: d   d  (11) Lượng biến dạng [7] xác định sau:  R(d   d  )  [d  1  R   Rd  ]  3(2R  1) (12)  [d  1  R   Rd  ] 1 / d i  22  R  Sự thay đổi chiều dày phôi thể qua công thức:   vùng Ib xác định biểu thức sau [5]:      ds )    M   s d tg  = R1( = 1),  3(1  R)  Với điều kiện biên:   Rk , d  Cùng với điều kiện dẻo (2) điều kiện biên:  2(2  R)  2R 2  2    i2   1 R   f s  s0e n 1 d  (13) Giai đoạn nguyên công đầu DVKH bắt đầu thực trình biến mỏng (Hình 3) (6) Với  góc đặc trưng cho vị trí biến dạng xét phôi; M hệ số ma sát phần tiếp xúc bề mặt phôi; a = Ru/RMC; RMC=RM + 0,5s0;  giá trị ứng suất tiếp tuyến vùng vành phôi (Ia)  = Ru; s giới hạn chảy vật liệu có tính biến cứng (trở lực biến dạng thực) Ứng suất  u vùng biến dạng côn (không tiếp xúc) xác định phương trình vi phân (1) điều kiện dẻo (2) với điều kiện biên   R1 ,      Т 2   s    s RMC (7) Hình Giai đoạn biến mỏng chiều dày thành DVKH Tại đó, góc 2, tiếp giáp với phần phần phẳng;  = 2; T xác định tính theo  = 2; s = 2 giới hạn chảy vật liệu có tính biến cứng (trở lực biến dạng thực)  = 2 Lực giai đoạn đầu tính biểu thức: (8) P  2r1  RПС  RПС sin s0I sin  Trong giai đoạn biến mỏng tập trung xem xét ứng suất biến dạng khu vực II (khu vực biến mỏng - Hình 3) vật liệu biến dạng với mức độ lớn gây phá hủy Theo Định luật ma sát Coulomb tiếp xúc dụng cụ phôi vùng II (Hình 4) [8]: RПС  RП  0,5s1 ; RПС  RП  0,5s0 ; I ứng suất trục hướng kính khoảng  = R2, xác định theo mối quan hệ (1), (2), điều kiện biên (3), (6) (7), trường hợp phần hình ứng suất khơng tiếp xúc (𝜑 = 𝜑2 ) có tính đến biểu thức (1), (2) thời điểm phôi tiếp xúc tồn cối (𝜑 = 𝜑1 ) với điều kiện biên (3), (6) (7) Các thành phần hướng kính  tiếp tuyến k vùng biến dạng dẻo (Hình 3) xác định theo phương trình gần mô tả phần tử vùng: d  (15)     к 1  M   d Tại vùng Ia, ứng suất phụ thuộc vào ma sát tiếp xúc bề mặt phơi dụng cụ Phương trình vi phân cân [6, 7]  M  M  •;  П   П  к , (14) Và điều kiện chảy dẻo [9, 7]:   к  2 sz 1 c  c sin2 2 Điều kiện biên vùng I II: (16) ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 11(120).2017, QUYỂN  = 1,  = sp (17) Với ρ bán kính tọa độ phần mặt cắt xét hệ tọa độ cực; M    П   М  tg ;  trở lực biến dạng từ vật liệu từ thép 08кп (GOST 1050-88) - Mơ hình vật liệu xác định theo công thức:  i  k in sz dẻo mặt phẳng cắt ρz;    góc  hướng trục x; c đặc tính bất đẳng hướng điều kiện biến dạng phẳng 125 Trong đó: k  750 Mpa, n  0,16 [10] - Mơ hình hình học q trình DVKH ngun cơng đầu với thơng số mơ hình hình học cho Bảng Hình Bảng Thơng số hình học ngun cơng DVKH Thơng số hình học Bước dập Giá trị (đơn vị) Kích thước phơi (Dp) 62 mm Chiều dày phơi (s0) mm Chiều dày thành sau bước 2,4 mm Bán kính cối (Rc) 10 mm Bán kính chày (Rch) mm Góc nghiêng cối () 15° Hình Sơ đồ trạng thái ứng suất phôi vùng biến dạng phẳng Công thức xác định ứng suất trục: 1 c  tg     c sin  (18) Mối quan hệ chiều dày tọa độ cực xác định sau:  x   II   2   sz 1 = s/ 2 = s1/, (19) Với s s1 chiều dày ban đầu phôi chiều dày biến mỏng xét Trong đó, vùng II q trình biến dạng phẳng, tức biến dạng theo hướng tiếp tuyến d, biến dạng hướng kính d biến dạng theo chiều dày thành dz tính sau: d z  d  ds s Hình Mơ hình hình học q trình DVKH ngun cơng đầu (Deform 2D) 3.2 Kết mô Kết mô khảo sát bao gồm: cường độ ứng suất, mức độ biến dạng tương đương, lực dập theo hành trình trình bày Hình 6, 7, (20) Cường độ biến dạng i có tính đến mối quan hệ (20) tính biểu thức (12) Giai đoạn cuối ngun cơng giai đoạn phơi khỏi phần vành cối, thực kết thúc biến mỏng qua cối Giai đoạn sử dụng chung công thức (15), (16), (17), (18) với liên hệ I = Lực hai giai đoạn cuối xác định theo công thức: 2 P  d1s1 x   П d П   k d Hình Ứng suất tương đương lớn DVKH Hình Mức độ biến dạng tương đương DVKH (21) 1 Với dᴨ đường kính chày Mơ số q trình biến dạng q trình DVKH ngun cơng đầu 3.1 Mơ hình tốn mơ - Đối tượng nghiên cứu: ngun cơng DVKH phơi Hình Sự biến thiên lực dập theo hành trình dập Nguyễn Mạnh Tiến, Trần Đức Hoàn, Phạm Mạnh Tuân 126 Các kết thu xác định phương pháp phần tử hữu hạn thơng qua phần mềm mơ q trình biến dạng Deform 2D [11] – phần mềm chuyên dụng lĩnh vực biến dạng tạo hình vật liệu giúp cho q trình tính tốn thơng số cơng nghệ tạo hình nhanh chóng, thuận tiện, có độ tin cậy cao, sở để thực trình thực nghiệm thực tế Thực nghiệm trình biến dạng Thực nghiệm DVKH nguyên công đầu chi tiết dạng trụ trịn xoay với thơng số dụng cụ phơi mơ hình mơ số, thu kết Hình Nhận thấy, kết thực nghiệm tương đồng với tính tốn q trình cơng nghệ Sản phẩm có chất lượng hình dáng bề mặt đảm bảo Lực dập đảm bảo điều kiện trang thiết bị dập Kết luận Bằng việc xây dựng mô hình tốn, sử dụng q trình mơ số thực nghiệm tạo hình chi tiết dạng trụ trịn xoay công nghệ DVKH, báo thu số thông số công nghệ cần thiết cho trình tạo hình như: trường ứng suất, trường biến dạng, lực dập cần thiết Đây thông số giúp đánh giá tính đắn quy trình cơng nghệ tính tốn tính khả thi cho việc ứng dụng vào thực tế sản xuất Bài báo sử dụng phần mềm mơ q trình cơng cụ hữu ích để kiểm nghiệm, so sánh kết tính tốn lý thuyết, đồng thời sở tin cậy cho trình thực nghiệm, giảm bớt bước chế thử, giảm tiêu hao vật liệu, dụng cụ, thiết bị, từ nâng cao suất tính kinh tế TÀI LIỆU THAM KHẢO a) b) Hình Thực nghiệm DVKH nguyên công đầu a) Dụng cụ dập; b) Phơi sản phẩm Với tính tốn lý thuyết mô phỏng, tiến hành thực nghiệm máy ép thủy lực YH32/100T Các sản phẩm thu đạt yêu cầu chất lượng bề mặt không bị phá hủy Các thơng số kích thước sản phẩm lực dập sau Bước cho Bảng Bảng Các kích thước bán thành phẩm Lực dập Chiều cao Đường kính Chiều dày thành P =39,36(Tấn) Htb, mm 28,2 Dtb, mm 36,5 stb, mm 2,4 Trong đó, Htb chiều cao trung bình bán thành phẩm; Dtb đường kính ngồi trung bình bán thành phẩm; stb chiều dày thành trung bình bán thành phẩm; P lực dập thực tế [1] T Altan and A.E Tekkaya, Sheet Metal Forming, Fundamentals, 2005 [2] Валиев С.А., Комбинированная глубокая вытяжка листовых материалов, М.: Машиностроение, 1973, 176 с [3] Ковка и штамповка: Справочник: В т Т Листовая штамповка / Под общ ред С.С Яковлева; ред совет: Е.И Семенов (пред.) и др 2-е изд., перераб и доп М.: Машиностроение, 2010, 732 с [4] Романовский В.П., Справочник по холодной штамповке, Л.: Машиностроение, 1979, 520 с [5] Ашкенази Е.К., Анизотропия машиностроительных материалов, Л.: Машиностроение, 1969, 112 с [6] Попов Е.А., Основы теории листовой штамповки, М.: Машиностроение, 1968, 283 с [7] Яковлев С.С., Кухарь В.Д., Трегубов В.И Теория и технология штамповки анизотропных материалов / под ред, С.С Яковлева М.: Машиностроение, 2012, 400 с [8] [8] Валиев С.А., Яковлев С.С., Технология холодной штамповки Комбинированная вытяжка анизотропного материала Тула: ТулПИ, 1986, 66 с [9] Яковлев С.П., Яковлев С.С., Андрейченко В.А., Обработка давлением анизотропных материалов, Кишинев: Квант, 1997, 331 с [10] Уваров В.В., Носова Е.А., Структура и свойства листовых сталей для холодной штамповки: Учебное пособие/Под общ.ред.Гречникова Ф.В.-Самар.гос.аэрокосм.ун-т Самара, 2003, 74 с [11] DEFORM v10.2 System Manual, Scientific Forming Technologies Corporation, 2014 (BBT nhận bài: 11/9/2017, hoàn tất thủ tục phản biện: 06/10/2017) ... ds s Hình Mơ hình hình học q trình DVKH ngun cơng đầu (Deform 2D) 3.2 Kết mô Kết mô khảo sát bao gồm: cường độ ứng suất, mức độ biến dạng tương đương, lực dập theo hành trình trình bày Hình 6,... thực trình thực nghiệm thực tế Thực nghiệm trình biến dạng Thực nghiệm DVKH nguyên công đầu chi tiết dạng trụ trịn xoay với thơng số dụng cụ phơi mơ hình mơ số, thu kết Hình Nhận thấy, kết thực... hướng điều kiện biến dạng phẳng 125 Trong đó: k  750 Mpa, n  0,16 [10] - Mơ hình hình học q trình DVKH ngun cơng đầu với thơng số mơ hình hình học cho Bảng Hình Bảng Thơng số hình học ngun cơng