THUYẾT MINH BIẾN DẠNG TẤM II môn học cơ sở biến dạng tạo hình kim loại

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ♦♦♦ THUYẾT MINH BIẾN DẠNG TẤM II Mơn học: Cơ sở biến dạng tạo hình kim loại Giảng viên: TS Lưu Phương Minh Học viên: Lê Trung Hữu – 1611481 Võ Đình Thái – 1613164 MỤC LỤC PHẦN 1: QUÁ TRÌNH UỐN I Khái niệm trình uốn: II Hình dáng vật uốn thường gặp: .1 III Máy móc q trình: .2 IV Nguyên lý trình: 4.1 Định nghĩa: 4.2 Các giai đoạn trình: V Các thơng số q trình uốn: VI Sơ đồ tác dụng lực: VII Phân bố ứng suất: VIII Quá trình biến dạng: 10 8.1 Các giai đoạn trình biến dạng: 10 8.2 Lớp trung hòa biến dạng: 10 8.3 Biến dạng đàn hồi trình uốn: 11 8.4 Các phương pháp giảm biến dạng đàn hồi trình uốn: 12 8.5 Kích thước q trình biến dạng 13 8.6 Lực uốn moment uốn: 14 IX Quan hệ lực biến dạng: 16 X Các trình uốn thường gặp: 17 10.1 Uốn profile ống: .17 10.2 Uốn máy có bàn quay .18 10.3 Uốn có kéo 20 10.4 Uốn ống 21 10.5 Uốn có nung nóng cục 21 I QUÁ TRÌNH DẬP SÂU 23 GIỚI THIỆU DẬP SÂU 23 1.1 Khái niệm 23 1.2 Hệ số dập sâu .25 PHÂN TÍCH ỨNG SUẤT VÀ BIẾN DẠNG 26 2.1 Phân tích biến dạng khu vực vành (Flange Area) .28 2.2 Phân tích ứng suất khu vực vành (Flange Area) 30 LỰC TRONG QUÁ TRÌNH DẬP SÂU 33 3.1 Lực dập 33 3.2 Lực giữ phôi .33 Ảnh hưởng tính bất đẳng hướng .34 Sự ma sát bôi trơn .35 CÁC KHUYẾT TẬT TRONG DẬP SÂU 35 PHẦN 3: TÀI LIỆU THAM KHẢO 36 PHẦN 1: QUÁ TRÌNH UỐN I Khái niệm trình uốn: - Quá trình uốn trình phổ biến gia cơng kim loại Q trình uốn q trình biến đổi phơi có trục thẳng thành phơi có trục cong, cịn làm tăng độ cứng nhờ biến cứng vật liệu trình gia cơng Q trình uốn có nhiều ứng dụng tự động hóa, cơng nghiệp hàng khơng vũ trụ, cơng nghiệp ô tô, … - Nguyên công uốn thực máy ép trục khuỷu, máy ép thủy lực, máy uốn nhiều trục (máy lốc tấm), máy uốn profile chuyên dụng,… II Hình dáng vật uốn thường gặp: III Máy móc q trình: Máy uốn Máy dập Máy uốn ống IV Nguyên lý trình: 4.1 Định nghĩa: Quá trình uốn trình sử dụng chày (có thể lưỡi dao, lăn, cấu) tạo moment uốn lên phôi kim loại đặt cối Khi có moment uốn, hình dạng kim loại tạo thành 4.2 Các giai đoạn trình: - Giai đoạn I: giai đoạn uốn tự từ lúc bắt đầu uốn phôi tiếp xúc với dụng cụ điểm - Giai đoạn II: giai đoạn tiếp xúc phôi nằm khe hở chày cối - Giai đoạn III: giai đoạn chày tiếp tục xuống, ép phơi giảm bán kính uốn phơi - Giai đoạn IV: giai đoạn phơi tiếp xúc hồn tồn với chày cối tất phần bề mặt tiếp xúc V Các thông số trình uốn: Hầu hết trình uốn có thơng số đặc trưng sau: Các thơng số trình bày hình, bao gồm có: - Bán kính uốn Ri - Góc uốn φ - Giới hạn uốn - Chiều dài uốn VI Sơ đồ tác dụng lực: - Phản lực P Q lực trực tiếp tạo moment uốn gây biến dạng phơi Trong q trình uốn, độ cong phần phôi bị biến dạng tăng lên vùng biến dạng xảy trình biến dạng phức tạp lớp kim loại phía mặt ngồi thị bị kéo, phía bị nén, giảm bán kính uốn, biến dạng dẻo xảy tồn bề dày phơi động từ bánh trung tâm, uốn đồng thời với lốc, … Những phương pháp trình bày tài liệu kỹ thuật chuyên ngành I QUÁ TRÌNH DẬP SÂU GIỚI THIỆU DẬP SÂU 1.1 Khái niệm Dập sâu nguyên công nhằm biến đổi phôi phẳng phôi rỗng để tạo chi tiết rỗng có hình dạng kích thước cần thiết điều kiện dập sâu tỷ lệ gữi chiều sâu sản phẩm với đường kính lớn 1[7] Hình 2.1 Sơ đồ trình dập sâu Các chi tiết dập sâu có hình dạng khác nhau, chia làm nhóm:  Các chi tiết có hình dạng trịn xoay  Các chi tiết có hình dạng hộp  Các chi tiết có hình dạng phức tạp có trục đối xứng không đối xứng  Các chi tiết trụ có chiều dày đáy lớn chiều dày thành 23 Các chi tiết dập sâu với phôi trạng thái nguội mà không cần phải nung phôi Trừ chi tiết từ kim loại dày 20mm phải nung phôi để giảm trở lực biến dạng Dập sâu tiến hành khuôn chuyên dùng gồm phận làm việc : cối có mép làm việc lượn trịn (Die), chày dập (Punch) chặn (Blank holder) Giữa chày cối dập sâu có khe hở z, trị số khe hở tùy vào phương pháp dập, chiều dày S0 vật liệu phơi thứ tự ngun cơng Hình 2.2 Dập sâu chi tiết dạng trụ [3] Phân loại dập sâu:[6]  Dập sâu không biến mỏng: Dập sâu không chủ định làm giảm chiều dày vật liệu, giảm đường kính phơi Trị số khe hở z≥S0  Dập sâu có biến mỏng: Dập sâu có chủ định làm thay đổi chiều dày phơi, đường kính giảm Trị số khe hở z1 nguyên công dập sâu thường phải ủ kết tinh lại bán thành phẩm để khử bỏ hóa bền phục hồi tính dẻo kim loại Kích thước hình dạng phơi ban đầu chọn dựa vào hình dạng kích thước sản phẩm cần tạo hình Nếu giả thiết chiều dày phôi không đổi trình biến dạng sản phẩm dạng trụ đơn giản đường kính phơi ban đầu tính:[3] với Az diện tích bề mặt sản phẩm cần tạo hình Đối với sản phẩm phức tạp, chia nhỏ bề mặt sử dụng theo Hình 2.2 1.2 Hệ số dập sâu Hệ số dập sâu β: tỷ lệ đường kính phơi ban đầu d đường kính sản phẩm d1, β= d0/d1 Khi β lớn tức mức độ biến dạng lớn Suốt trình biến dạng, hệ số β thay đổi việc thay đổi đường kính phơi ban đầu, đường kính phơi ban đầu lớn hệ số β lớn, tạo điều kiện cho trình biến dạng Đồng thời tăng đường kính phơi ban đầu dẫn đến nếp nhăn khu vực vành ứng suất nén hình thành q trình biến dạng Khi có lực giữ phơi khơng xuất tình trạng này.[4] Khi β tiếp tục tăng, trình biến dạng gián đoạn xuất đứt gãy vị trí chuyển tiếp mặt đáy thành bên ≫ Giới hạn hệ số dập βmax phụ thuộc vào nhiều yếu tố vật liệu phôi, lực giữ phôi, điều kiện ma sát, hình dạng chày, cối… 25 PHÂN TÍCH ỨNG SUẤT VÀ BIẾN DẠNG Hình 2.3 Ứng suất biến dạng trình dập sâu [7] Khi chày xuống phơi vào cối tạo thành khu vực chính: Phần đáy (bottom), thành bên (side wall) phần vành (flange) Ngoại lực truyền qua chày tác dụng vào phần đáy chi tiết, phần vành chi tiết dập tự khơng chịu tác dụng ngoại lực Trong q trình phần vành chịu ứng suất kéo ứng suất nén, gây gia tăng bề dày Do đó, hầu hết biến dạng dập sâu diễn góc lượn, nơi mà vật liệu lướt qua để tạo thành bên 26 Hình 2.4 Ứng suất biến dạng khu vực trình dập sâu Trong trình biến dạng kim loại có nhiều vùng ứng suất khác nên ứng suất thực phân bố không đồng sản phẩm Ngay sau chày tác dụng lực trình biến dạng bị giới hạn khe hở chày cối, chày đáy sản phẩm Chiều dày S0 trì phần tâm đáy sản phẩm, giá trị giảm đáng kể xa tâm đáy đạt giá trị nhỏ bán kính cong chày cối, điều dẫn đến xu hướng hình thành vết nứt 27 Hình 2.5 Sự phân bố biến dạng thực kim loại.[3] Có thể thấy bề dày kim loại tùy thuộc vào dấu ứng suất φ3 Bề dày tâm A không thay đổi, giảm dần từ A đến D Để mô tả mức độ biến dạng trình dập sâu người ta dùng đại lượng hệ số dập ( Drawing ratio) Khi hệ số dập tăng, lực chày tăng, lực làm phần mép đáy bị đứt 2.1 Phân tích biến dạng khu vực vành (Flange Area) Vật liệu phần vành phôi phải chịu ứng suất nén theo hướng tiếp tuyến ứng suất kéo hướng kính Sự phân bố biến dạng xác định phương pháp trực tiếp sản phẩm sau dập: vẽ hệ lưới bao gồm số vịng trịn có đường kính giống phơi trước dập, sau tính tốn giá trị biến dạng εr , εθ, εt sở kích thước thay đổi sản phẩm 28 Hình 2.6 Phân bố biến dạng khu vực vành.[4] Biến dạng tiếp tuyến εθ (circumferential strain) biến dạng hướng kính εr (radial strain) tăng từ mép phơi đến phần trung tâm Các phần biến dạng phần vành cho thấy gia tăng bề dày bên ngồi phơi sau hiệu ứng dày lên giảm dần từ bên vào bên Biến dạng tiếp tuyến εθ (circumferential strain) thường coi biến dạng εmax ,với giá trị lớn nhất, biến dạng tiếp tuyến phôi phần vành đặc trưng cho mức độ biến dạng Khi bán kính ngồi phơi thay đổi từ R0 sang Rt giai đoạn dập định, biến dạng tiếp tuyến tính tốn dựa định luật bảo tồn khối lượng: [4] Hình 2.7 Thay đổi bán kính q trình dập sâu.[4] 29 2.2 Phân tích ứng suất khu vực vành (Flange Area) Ngược với phân bố biến dạng, ứng suất xác định trực tiếp Sự phân bố ứng suất xác định thơng qua suy luận lý thuyết Ứng suất nén σz chặn gây q trình dập sâu bỏ qua có lực giữ phơi tác dụng lên mặt phơi Chỉ cịn ứng suất cịn lại cần xác định ứng suất kéo σr ứng suất nén σθ Hình 2.8 Phân bố ứng suất trình dập sâu.[3] Nếu khơng có giữ phơi độ bền uốn kim loại bị vượt qua ứng suất nén tiếp tuyến khuyết tật nếp nhăn hình thành phần vành Tấm giữ phơi tạo ứng suất nén theo hướng dọc trục σz chống lại trình hình thành nếp nhăn Tuy nhiên ứng suất dọc trục σz tạo ma sát kim loại giữ phôi, kim loại phần cối Trong hành trình dập xác định, bán kính phần vành thay đổi từ R0 sang Rt, điều kiện cân ứng suất xác định: Ứng suất kéo σr xem ứng suất lớn khu vực vành ứng suất nén σθ ứng suất nhỏ nhất: σr + σθ = 1,1Y Với ứng suất chảy Y số:  Ứng suất kéo 30  Ứng suất nén Hình 2.9 Sai lệch ứng suất σr , σθ trình dập sâu.[4] 2.3 Phân tích ứng suất-biến dạng khu vực thành bên mặt đáy Ở khu vực thành bên ứng suất σ2 theo chiều dày 0, vùng trạng thái biến dạng phẳng Do ứng suất tiếp tuyến σ (ứng suất trung gian) nửa ứng suất dọc trục (Hình 2.10)  Ứng suất kéo σr (σ1)  Ứng suất nén σθ (σ3) = σ1 /2  Ứng suất nén σz (σ2) =  Biến dạng tiếp tuyến εθ (ε3) = Các vật liệu khu vực đáylà trạng thái kéo Do ma sát nên ứng suất biến dạng vật liệu vùng nhỏ Sự thay đổi độ dày trước sau dập thường khoảng ~ 3% bỏ qua.(Hình 2.11)  Ứng suất kéo σr (σ1)  Ứng suất kéo σθ (σ3) 31  Ứng suất nén σz (σ2) = Hình 2.10 Sơ đồ phân tích ứng suất- biến dạng thành bên Hình 2.11 Sơ đồ phân tích ứng suất- biến dạng khu vực đáy 32 LỰC TRONG QUÁ TRÌNH DẬP SÂU 3.1 Lực dập Khi dập sâu chi tiết dạng trụ, lực dập phụ thuộc vào đường kính chày, đường kính kim loại bề dày tấm, giới hạn chảy,… Cơng thức tính lực dập: [3]  dm đường kính ngồi sản phẩm hình trụ, dm=d1 + S0  S0 bề dày phôi kim loại ban đầu,  kfm ứng suất chảy dẻo phần vành, kfm≈1,3.Rm (độ bền kéo)  ηF hiệu suất biến dạng, 0,5-0,7 lớn độ dày thành lớn Hình 2.12 Sơ đồ lực dập theo thời gian.[3] Theo sơ đồ ta thấy lúc chày bắt đầu xuống lực dập tăng nhanh, tỷ lệ với độ cứng vật liệu, lực dập đạt giá trị cực đại khoảng 25% biến dạng, bán kính ngồi của sán phẩm tương ứng 0,75d0 theo cơng thức tính lực Fzmax 3.2 Lực giữ phôi Lực giữ phôi giúp tránh khuyết tật nếp nhăn phần vành, nhiên lực không lớn, lực giữ phôi lơn tăng lực ma sát, gây rách phôi phần đáy 33 Áp lực giữ phôi cần thiết để không xảy khuyết tật nấp nhăn phần vành tính theo cơng thức cùa Siebel Beisswanger: [3]  d1 đường kính chày  d0 đường kính kim loại ban đầu  S0 bề dày kim loại  β =d0/d1  Rm độ bền kéo Lực giữ phơi FN tính tốn theo áp lực giữ phơi diện tích AN : FN = pN.AN, với AN tính theo cơng thức: [3] Ảnh hưởng tính bất đẳng hướng Giá trị r thị trạng thái bất đẳng hướng kim loại định nghĩa tỷ số tức thời biến dạng chiều rộng biến dạng chiều dày trình cán Trong r0, r90 r45 phương cán, đường chéo phương ngang Giá trị r tăng làm giảm lực làm biến dạng phơi tăng độ bền thành cốc Tính bất đẳng hướng r ảnh hưởng đến "tai" chi tiết hình trụ, định nghĩa là: ∆r= r 0+ r 90−2 r 45 Hình 2.13 Chi tiết tạo tai q trình dập[5] 34 Sự ma sát bơi trơn Điều kiện ma sát ảnh hưởng lớn đến sản phẩm dập sâu, đặc biệt sản phẩm lớn hay bề dày sản phẩm vô nhỏ Sự ma sát dụng cụ phôi chia làm vùng khác nhau: Hình 2.14 Ảnh hưởng ma sát trình dập sâu  (1) Trên bề mặt nằm cối hay bề mặt tiếp xúc giữ phơi  (2) Trên phần bán kính cong cối  (3) Trên phần bán kính cong chày Ma sát vùng (1) (2) có ảnh hưởng quan trọng đến lực dập yêu cầu, giảm ma sát vùng dẫn đến giảm lực dập, đồng thời biến dạng thực phần vành cao đạt hệ số dập βmax Chất bôi trơn lớp phủ bảo vệ dùng để ngăn chặn khuyết tật dập Đồng thời giảm hao mòn dụng cụ, tăng chất lượng bề mặt sản phẩm Chất bơi trơn thường dùng dầu hay chất phun được,… CÁC KHUYẾT TẬT TRONG DẬP SÂU Một số khuyết tật hay xảy ra: 35 Hình 2.15 Các khuyết tật thường gặp dập sâu.[7] - - - Đứt đáy khuyết tật hay xảy ra, nguyên nhân chủ yếu hệ số dập vật liệu hình dáng dụng cụ khơng phù hợp Trong trường hợp chày hay cối có bán kính cong bé, khe hở chày cối nhỏ, tốc độ dập lớn lực giữ phôi lớn, lúc chày đóng vai trị dụng cụ cắt, cắt đứt phôi Một tượng tránh khỏi xảy với tất có tính dị hướng phẳng co rúm phần vành Chiều cao sản phẩm không đạt, đồng thời phần vành có dạng lượn sóng Do vật liệu có tính dị hướng có khả kéo dài theo hướng khác Sự tạo môi Khi dập sâu chi tiết dạng hộp chữ nhật, hốc chi tiết có hình dạng khác nhau, độ dày phôi không đều, bơi trơn khơng phù hợp, chày bị mịn… Nếp nhăn, thường xảy phần đáy, khơng có giữ phôi PHẦN 3: TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Z Marciniak, J.L Duncan, S.J Hu, 2002, Mechanics of Sheet Metal Forming [2] William F Hosford, Robert M Caddell, 2011, Metal Forming, Mechanics and Metallurgy [3] Fritz Klocke, 2013, Manufacturing Processes - Metal Forming [4] Wang, Zhongren-Wiley,2018, Engineering Plasticity - Theory and applications in metal forming [5] Taylan Altan and Erman Tekkaya , 2012, Sheet Metal Forming [6] Nguyễn Mậu Đằng, 2006, Cơng Nghệ Tạo Hình Kim Loại Tấm 36 [7] Amit Bhaduri ,2018, Mechanical Properties and Working of Metals and Alloys 37 ...MỤC LỤC PHẦN 1: QUÁ TRÌNH UỐN I Khái niệm trình uốn: II Hình dáng vật uốn thường gặp: .1 III Máy móc q trình: .2 IV Nguyên lý trình: 4.1 Định... V Các thơng số q trình uốn: VI Sơ đồ tác dụng lực: VII Phân bố ứng suất: VIII Quá trình biến dạng: 10 8.1 Các giai đoạn trình biến dạng: ... máy ép thủy lực, máy uốn nhiều trục (máy lốc tấm), máy uốn profile chuyên dụng,… II Hình dáng vật uốn thường gặp: III Máy móc q trình: Máy uốn Máy dập Máy uốn ống IV Nguyên lý trình: 4.1 Định nghĩa: