(Luận văn thạc sĩ) nghiên cứu công nghệ tạo hình ống kim loại khi sử dụng vật liệu nén đàn hồi

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ VŨ ĐÌNH LÂM NGHIÊN CỨU CƠNG NGHỆ TẠO HÌNH ỐNG KIM LOẠI KHI SỬ DỤNG VẬT LIỆU NÉN ĐÀN HỒI NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ – 8520103 SKC00668 Tp Hồ Chí Minh, tháng 05/2020 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ VŨ ĐÌNH LÂM NGHIÊN CỨU CƠNG NGHỆ TẠO HÌNH ỐNG KIM LOẠI KHI SỬ DỤNG VẬT LIỆU NÉN ĐÀN HỒI NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ – 8520103 Tp Hồ Chí Minh, tháng 05 năm 2020 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ VŨ ĐÌNH LÂM NGHIÊN CỨU CƠNG NGHỆ TẠO HÌNH ỐNG KIM LOẠI KHI SỬ DỤNG VẬT LIỆU NÉN ĐÀN HỒI NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ – 8520103 Hướng dẫn khoa học: PGS.TS PHẠM SƠN MINH Tp Hồ Chí Minh, tháng 05 năm 2020 5.2 Nhận xét Ưu điểm công nghệ này: - Linh hoạt cơng nghệ, thực máy ép thủy lực thông thường, không cần phải máy móc chuyên dùng, phù hợp cho việc sản xuất chế tạo chi tiết nhỏ lẻ Có thể tạo hình biên dạng phức tạp, vị trí tạo hình phức tạp mà phương pháp truyền thống khó làm - Phương pháp sử dụng cao su dạng hạt băm nhỏ Khi kết thúc trình ép tạo hình, hạt cao su đàn hồi trở lại trạng thái ban đầu, giúp việc lấy sản phẩm cách dễ dàng Và phần cao su sử dụng nhiều lần ép Đây ưu điểm so với sử dụng vật liệu nén cao su dạng khối Bởi sử dụng cao su dạng khối, ép lực nén, lực căng bề mặt khối cao su ứng suất tạo khơng đồng tồn thể tích khối cao su Kết hợp với nhiệt sinh ma sát lịng khn, nên khối cao su dễ bị vỡ, phá hủy Nhược điểm cơng nghệ này: - Khó tạo hình cho ống kim loại có đường kính nhỏ - Biên dạng tạo hình cịn hạn chế độ sắc nét bề mặt 5.3 Khuyến nghị Do đề tài nghiên cứu mới, chưa có nhiều cơng trình nghiên cứu công bố nước giới Nên tác giả chưa có nhiều sở tảng cho nghiên cứu Trong trình nghiên cứu làm thực nghiệm nhiều hạn chế, chi phí tốn kém, trang thiết bị có hạn Phải cải tiến, thay đổi trang thiết bị, khuôn ép nhiều lần để ép thành cơng mẫu sản phẩm Nên chưa thể thực khảo sát yếu tố như: - Khảo sát ảnh hưởng lực ép tác dụng lên khối cao su so với lực nén đầu ống kim loại theo chiều dọc trục, tỉ lệ chiều dài nén tốc độ nén hai đại lượng Khảo sát ảnh hưởng lượng cao su, độ mịn hạt lòng ống kim loại - Khảo sát tính sản phẩm sau ép tạo hình 49 TÀI LIỆU THAM KHẢO TIẾNG VIỆT [1] Lê Văn Cương, Vật liệu kỹ thuật, Đại học Hàng hải, (2006) [2] Hồng Tùng, Giáo trình Vật Liệu Cơ Khí Và Cơng Nghệ Cơ Khí, NXB Giáo Dục, 2006 [3]Phạm Sơn Minh, Trần Minh Thế Uyên, Giáo trình Cơng nghệ gia cơng tấm, Nhà xuất Đại học Quốc gia - Tp.HCM [4]Nguyễn Tác Ánh, Giáo trình cơng nghệ kim loại, Đại học Sư phạm Kỹ Thuật Tp HCM [5] Phan Văn Nghệ, Giáo trình Cơng nghệ dập thủy tĩnh, Nhà xuất Bách Khoa - Hà Nội, (2006) TIẾNG NƯỚC NGOÀI [6] M Jansson, Hydro-mechanical forming of aluminium tubes – On constitutive modelling and process design PhD Thesis Linkoping University (2006) [7] Masaaki MIZUMURA, Tohru YOSHIDA… Development of Hydroforming Technology, Nippon Steel Technical Report No 90 July 2004 [8] Muamar Benisa, Bojan Babic… Computer-aided Modeling of the Rubber-pad Forming Process, (2012) [9] Maziar Ramezani, Tube bulging using rubber rods [10] Ahmetoglu, M., Altan, T (2000) Tube hydroforming: stateof-the- art and future trends Journal of Materials Processing Technology [11] S.S Ghorpade, S.H Gawande, Mathematical Model for Estimation of Hydroform Pressure & Coefficient of Friction in Tube Hydroformed Parts”, Department of Mechanical Engineering, M.E.S College of Engineering, S.P Pune University, India [12] Front Cover Ulrich Fischer, Mechanical and Metal trades Handbook, Verlag Europa-Lehrmittel, 2010 - Mechanical engineering 50 [13] Vasile Ceclan Sorin Grozav, Determination of the force required for the hydroforming of al 99,5, Technical University of Cluj Napoca, Faculty of Machine Building, Blv Muncii 103-105, Cluj Napoca, Romania INTERNET Cao su, https://vi.wikipedia.org/wiki/Cao_su , truy cập ngày 10/02/2020 [14] [15] Polyurethane, https://en.wikipedia.org/wiki/Polyurethane, truy cập ngày 10/02/2020 [16] Cao su silicone, http://vn.gh-material-es.com/news/what-is-the- difference-between-rubber-and-sili-8442752.html , truy cập ngày 10/02/2020 [17] Con độ thủy lực total, https://www.trungtamthietbi.com/20-tan- con-doi-total-tht109202-18041.html, truy cập ngày 15/02/2020 [18] Loadcell, http://loadcell.com.vn/tin-tuc/loadcell-la-gi.html, truy cập ngày 10/12/2019 [19] Bộ hiển thị cho loadcell, https://cambienbaomuc.com/bo-hien-thi-gia-trican-loadcell/, truy cập ngày 10/12/2019 51 NGHIÊN CỨU CƠNG NGHỆ TẠO HÌNH ỐNG KIM LOẠI KHI SỬ DỤNG VẬT LIỆU NÉN ĐÀN HỒI RESEARCH ON FORMING METAL TUBE TECHNOLOGY WHEN USING ELASTIC PRESSURE MATERIAL Vũ Đình Lâm Trường đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM TÓM TẮT Trong thời đại khoa học kỹ thuật phát triển không ngừng Những sản phẩm ống kim loại có biên dạng phức tạp, khơng thể thực biện pháp tạo dập thông thường, trọng nghiên cứu phát triển phục vụ cho nhu cầu ngành cơng nghiệp đóng tàu, dầu khí, cơng nghiệp dân dụng… Một số phương pháp tạo hình kim loại tiên tiến mẻ phát triển, nhằm mục đích để giảm chi phí sản xuất tối ưu hóa công nghệ sản xuất, phù hợp với dạng sản xuất đơn Bài báo trình bày kết nghiên cứu cơng nghệ tạo hình ống kim loại sử dụng vật liệu nén chất đàn hồi – cao su dạng hạt Có phương pháp tạo hình cho ống kim loại nghiên cứu tính tốn, thiết kế thử nghiệm: nong rộng đầu ống, ép phồng ống, ép tạo hình biên dạng nhánh thân ống Kết thử nghiệm cho thấy công nghệ có khả tạo hình cho ống kim loại Từ khóa: Cao su tạo hình cho ống kim loại, tạo hình phồng ống, nong rộng đầu ống, tạo hình nhánh ABSTRACT In the era of constantly scientific and technological development Metal tubes products with complex profiles, it cannot be done by forming methods such as stamping, conventional forming, is an issue that is being researched to delelop further to provide for the demand of some industries in shipbuilding, oil and gas, civil industry … A number of advanced and new metal forming methods have been developed, in order to reduce production costs and optimize production technology, suitable for single production form The paper presents the research results of metal tube forming technology, when using elastic material - granular rubber There are methods of metal tube forming that have been studied, calculated, designed and tested: tube end bulging, bulging at the middle of a tube, T-branch forming Experiment results show this method demonstrates the ability to shape metal tubes Keywords: rubber forming for metal tube; bulge forming; end bulging; branch forming ĐẶT VẤN ĐỀ Trong thời đại khoa học kỹ thuật phát triển không ngừng Nhu cầu ngành cơng nghiệp đóng tàu, dầu khí, cơng nghiệp dân dụng…, ngày nhiều địi hỏi chất lượng kỹ thuật, tính mỹ cao Để có ống có biên dạng phức tạp khơng thể thực biện pháp tạo dập, nong thơng thường Một số phương pháp tạo hình ống kim loại tiên tiến giới thiệu thập kỷ qua, sử dụng dụng cụ độc đáo chất lỏng, khí ga, mơi trường nhớt miếng đệm đàn hồi… Như tác nhân mang áp lực để thực việc tạo hình sản 52 phẩm Trong có phương pháp Hydroforming, sử dụng áp lực mơi trường chất lỏng, thay chày đột dập thơng thường để dập tạo hình biên dạng mong muốn cho sản phẩm theo khuôn dập Hiện công nghệ phát triển mạnh mẽ áp dụng rộng rãi Tuy nhiên để áp dụng công nghệ vào sản xuất cơng nghiệp, địi hỏi phải có máy móc chun dùng, chi phí đầu tư máy móc, chi phí sản xuất lớn, phù hợp cho sản xuất hàng loạt Một số chi tiết dạng ống có biên dạng phức tạp Hình 1.1 + Để phù hợp với chi phí tiến hành thí nghiệm, dễ dàng tìm mua thị trường, tạp chất, tính với chất Tác giả chọn loại ống kim loại để tiến hành làm thí nghiệm ống Đồng (CuZn28) [5], có đường kính ngồi Ø50mm, bề dày 1mm, chiều dài ống 200mm Hình 2.1 Hình 1.1: Một số sản phẩm ống kim loại có biên dạng phức tạp Vấn đề đặt để sản xuất chi tiết ống có hình dạng phức tạp, khơng thể thực phương pháp dập truyền thống, có kích thước lớn, số lượng hay sản xuất mẫu Nếu áp dụng công nghệ Hydroforming [2] chi phí đầu tư q lớn, cần cơng nghệ có chi phí đầu tư máy móc, thiết bị thấp, phù hợp với dạng sản xuất Công nghệ tạo hình cho ống kim loại sử dụng vật liệu nén đàn hồi – cao su dạng hạt băm nhỏ, nghiên cứu, thiết kế làm thí nghiệm khảo sát với dạng mơ hình tạo hình ống: nong rộng đầu ống, làm phồng ống tạo hình biên dạng nhánh thân ống Để chứng minh công nghệ có khả tạo hình cho ống kim loại MƠ HÌNH LÀM THÍ NGHIỆM KHẢO SÁT 2.1 Chọn vật liệu làm thí nghiệm Hình 2.1: Bản vẽ ống kim loại Đồng + Vật liệu nén đàn hồi: tác giả chọn loại cao su thiên nhiên, cắt nhỏ dạng hạt Hình 2.2 Hình 2.2: Cao su băm nhỏ dạng hạt 2.2 Xây dựng mơ hình, thí nghiệm khảo sát 2.2.1 Nong rộng đầu ống Để tiến hành thí nghiệm phương pháp này, mơ hình xây dựng Hình 2.3 Hình 2.4 53 Ngun lý hoạt động: Hình 2.3: Mơ hình nong rộng đầu ống Hình 2.5: Nguyên lý phương pháp nong rộng đầu ống Chày ép mang lực ép từ máy ép thủy lực tác dụng lên khối cao su, lúc cao su chịu lực nén theo phương thẳng đứng, tạo áp lực theo phương ngang, bên lòng ống kim loại Làm cho ống kim loại bị biến dạng, phình rộng định hình theo biên dạng khn Hình 2.5 Khi q trình kết thúc, chày ép tịnh tiến lên, tiến hành mở khuôn Lúc phần hạt cao su đàn hồi trở lại trạng thái ban đầu Mở khuôn, đổ phần cao su ngồi ta thu lấy sản phẩm ống kim loại nong rộng đầu ống Kết thúc chu trình làm việc Hình 2.4: Bản vẽ khuôn ép nong rộng đầu ống Trong mơ hình Hình 2.3 gồm thành phần sau: 2.2.2 Ép phồng ống Để tiến hành thí nghiệm, Mơ hình xây dựng Hình 2.6 Hình 2.7 Với chày ép theo hai đầu ống kim loại Ống kim loại sử dụng ống Đồng (CuZn28) với bề dày mm - Cao su cắt nhỏ, dạng hạt Khuôn tạo hình ghép lại phần insert Chày ép để truyền lực ép từ máy ép thủy lực vào khối cao su, tạo lực nén lòng ống, tạo hình cho ống kim loại Hình 2.6: Mơ hình thí nghiệm ép phồng ống 54 trình thao tác ép chày chày phiên xen kẽ Nhưng hành trình ép chày nhiều để tạo lực nén lòng ống kim loại Còn chày hành trình hơn, có nhiệm vụ nén đầu ống kim loại phía trên, để nén chiều dài ống Kết hợp với lực ép lịng khn chày dưới, để định hình biên dạng ống kim loại, tạo hình theo biên dạng mong muốn lịng khn Kết thúc q trình ép, chày ép tịnh tiến khỏi lịng khn, khối cao su đàn hồi trở lại trạng thái ban đầu Sau mở khn ta lấy sản phẩm ống tạo hình ngồi Kết thúc chu trình làm việc Hình 2.7: Bản vẽ khn ép tạo hình phồng ống kim loại Nguyên lý hoạt động: 2.2.3 Ép tạo hình biên dạng nhánh cho ống kim loại Để tiến hành thí nghiệm, mơ hình xây dựng Hình 2.9 Hình 2.10 Hình 2.8: Mơ hình ép phồng ống Gá đặt khuôn chày máy dập thủy lực, chỉnh vị trí xác Ống kim loại đặt vào lịng khn, điền đầy hạt cao su vào lòng ống kim loại Ép chày cho nén khối cao su chạm vào mặt phơi ống kim loại Sau ép chày vào phần thể tích cao su với lực định để tạo biến dạng Lúc khối cao su chịu lực nén lịng khn từ chày ép, tạo áp lực nén theo phương ngang lòng ống kim loại Làm cho ống kim loại phồng lên theo biên dạng rỗng tạo sẵn khuôn Hình 2.18 Trong q Hình 2.9: Mơ hình thí nghiệm tạo hình nhánh thân ống Trong mơ hình gồm thành phần sau: Ống kim loại sử dụng ống Đồng (CuZn28) với bề dày mm Cao su cắt nhỏ, dạng hạt Khuôn tạo hình với biên dạng nhánh T Hình 2.9 Ở khuôn ép ghép lại nửa đối xứng - Chày ép phía để truyền lực ép từ máy ép thủy lực vào khối cao su, tạo lực nén, tạo hình cho ống kim loại 55 biên dạng nhánh T Hình 2.11 Kết thúc chu trình ép, chày ép tịnh tiến lên, cao su đàn hồi trở lại trạng thái ban đầu Sau mở khn ta lấy sản phẩm ống tạo hình ngồi KẾT QUẢ 3.1 Kết thí nghiệm nong rộng đầu ống Hình 2.10: Biên dạng khn ép biên dạng sản phẩm tạo hình nhánh ống Sau nhiều lần tiến hành ép thử, với lực ép thay đổi tăng dần, tương ứng: 6T, 8T, 10T, 12T,14T… Tác giả có sản phẩm nong rộng đầu ống, sử dụng vật liệu nén đàn hồi - cao su dạng hạt Hình 3.1 Bảng 3.1 Nguyên lý hoạt động: Hình 3.1: Sản phẩm Nong rộng đầu ống Trong trình thực nghiệm có nhiều lần khơng thành cơng, lỗi Như sản phẩm sau ép Hình 3.2 Hình 3.2: Sản phấm lỗi Nong rộng đầu ống Hình 2.11: Nguyên lý phương pháp tạo hình nhánh thân ống Gá đặt khuôn ép chày trên, chày máy dập thủy lực, chỉnh vị trí Ống kim loại đặt vào lịng khn, cao su điền đầy vào lòng ống kim loại Chày ép đồng thời tịnh tiến truyền lực ép lên khối cao su lòng ống kim loại Hình 2.11 Trong trường hợp hành trình ép chày Lúc cao su chịu lực nén từ chày ép, tạo áp lực lòng ống kim loại Làm cho ống kim loại biến dạng, phồng lên tạo thành Bảng 3.1: Kết biên dạng ống sau ép nong rộng đầu, với lực ép thay đổi 56 Hình 3.3: Biểu đồ so sánh đường kính ống sau Nong rộng đầu ống với lực ép thay đổi 3.2 Kết thí nghiệm ép phồng ống Tiến hành ép thử, với lực ép thay đổi tăng dần qua lần ép: 14T, 16T, 18T, 20T, 22T, Tác giả có sản phẩm ép phồng ống Hình 3.4 Bảng 3.2 Hình 3.6: Biểu đồ so sánh đường kính ống kim loại sau ép phồng ống, với lực ép thay đổi Trong trình thực nghiệm có nhiều lần khơng thành cơng, lỗi Như sản phẩm sau ép Hình 3.5 Hình 3.4: Sản phẩm sau thực nghiệm Ép phồng ống kim loại Hình 3.5: Sản phẩm lỗi ép phồng ống 3.2 Kết thí nghiệm ép phồng ống Sau nhiều lần tiến hành ép thử, tương ứng với lực ép: 18T, 19T, 20T, 21T, 22T Tác giả có sản phẩm ép phồng nhánh thân ống kim loại Hình 3.7 Bảng 3.3 Bảng 3.2: Kết biên dạng ống sau ép phồng ống, với lực ép thay đổi Hình 3.7: Sản phẩm sau thực nghiệm ép tạo hình biên dạng nhánh cho ống kim loại 57 Bảng 3.3: Kết biên dạng lồi lên ống sau ép phồng biên dạng nhánh ống, với lực ép thay đổi - Thí nghiệm ép phồng ống kim loại Đồng (CuZn28) dày 1mm, cần lực ép khoảng 22 lực Ngoài lực nén khối cao su, tạo áp lực lịng ống kim loại, cần thêm lực nén đầu ống kim loại theo chiều dọc trục Nén chiều dài ống, bù cho khoảng biến dạng phình ống Chiều dài nén dọc trục cần tương thích, nhịp nhàng, với tốc độ định so với chiều dài khoảng nén khối cao su lòng ống kim loại Tuy nhiên điều kiện chưa đủ trang thiết bị nên tác giả chưa khảo sát tỉ lệ hai khoảng - Thí nghiệm ép tạo hình biên dạng nhánh cho ống kim loại Đồng (CuZn28) dày 1mm, cơng suất máy ép làm thí nghiệm lớn đạt khoảng 22 lực, nên biên dạng tạo hình chưa mong muốn Chỉ khảo sát kết Hình 3.7; Hình 3.8 Phương pháp cần lực ép lớn phương pháp tạo hình nêu Hình 3.8: Đồ thị biên dạng lồi lên ống sau ép phồng biên dạng nhánh ống, với lực ép thay đổi KẾT LUẬN - Hướng nghiên cứu tiếp tục tương lai cần khảo sát thêm ảnh hưởng độ mịn hạt cao su, chiều dài nén khối cao su, ma sát, nhiệt độ đến độ xác kích thước, hình dáng hình học sản phẩm Cũng khảo sát thêm phần tính sản phẩm sau tạo hình Qua kết thực nghiệm thực cho thấy: - Chứng minh công nghệ sử dụng vật liệu nén đàn hồi - cao su dạng hạt, có khả tạo hình cho ống kim loại Đồng - Thí nghiệm tạo hình nong rộng đầu ống kim loại Đồng (CuZn28) dày 1mm, để đạt biên dạng, độ xác hình dáng hình học, cần lực ép khoảng 14 lực Lực ép tác dụng lên khối cao su, tạo áp lực nén lịng ống, tạo dược biên dạng sản phẩm mong muốn mà không cần lực nén đầu ống kim loại theo phương dọc trục 58 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Phan Văn Nghệ, Giáo trình Cơng nghệ dập thủy tĩnh, Nhà xuất Bách Khoa - Hà Nội, (2006) [2] M Jansson, Hydro-mechanical forming of aluminium tubes – On constitutive modelling and process design, PhD Thesis Linkoping University (2006) Tác giả chịu trách nhiệm viết: Họ tên: Vũ Đình Lâm Điện thoại: 0976876025 Email: vudinhlamckc@gmail.com [3] Masaaki MIZUMURA, Tohru YOSHIDA… Development of Hydroforming Technology, Nippon Steel Technical Report No 90 July 2004 [4] Vasile Ceclan Sorin Grozav, Determination of the force required for the hydroforming of al 99,5, Technical University of Cluj Napoca, Faculty of Machine Building, Blv Muncii 103-105, Cluj Napoca, Romania [5] Front Cover Ulrich Fischer, Mechanical and Metal trades Handbook, Verlag Europa-Lehrmittel, 2010 Mechanical engineering 59 ... đầu ống, sử dụng vật liệu nén đàn hồi 21 3.4.2.2 Ép phồng ống kim loại sử dụng vật liệu nén đàn hồi 24 3.4.2.3 Ép tạo hình biên dạng nhánh cho ống kim loại, sử dụng vật liệu nén đàn hồi. .. nghiên cứu tạo hình cho ống kim loại thông qua vật liệu nén chất đàn hồi 1.1.2 Các nghiên cứu nước Trên giới có cơng trình nghiên cứu cơng nghệ tạo hình ống kim loại, sử dụng vật liệu nén đàn hồi. .. nghiệm chứng minh khả tạo hình cho ống kim loại Khi sử dụng vật liệu nén đàn hồi cao su dạng hạt Hình 3.4 Hình 4: Cao su dạng hạt, sử dụng làm vật liệu nén tạo hình ống kim loại ban đầu 17 - Quy