39Vì v ậ y chuy ể n v ị d ọ c tr ụ c l ấ y b ằ ng
III.1.1 ĐẶC ĐIỂM HÌNH DẠNG CHI TIẾT
43
Hình 3.2 Hình dạng bản vẽ 2D chi tiết
III.1.2 THIẾT LẬP CÁC PHƯƠNG ÁN CÔNG NGHỆ
Chi tiết có hình dạng trụ rỗng và dài, có đáy thắt nhỏở phần dưới. Có rất nhiều phương án để chế tạo ra chi tiết này. Chúng ta hoàn toàn có thể chế tạo bằng phương pháp đúc để ra sản phẩm hoặc bằng gia công cắt gọt. Tuy nhiên các sản phẩm đúc hoặc gia công cắt gọt thường có nhiều nhược điểm như rỗ khí, rạn nứt, tổ chức thớ kim loại
44
không được tốt, vì chi tiết này được sử dụng trong hệ thống truyền lực của ô tô nên cần phải có cơ tính thật tốt để có thểđáp ứng được yêu cầu truyền lực của hệ thống.
Hình 3.3 Vị trí của khớp nối trong ô tô
Đây là một trong các hệ thống trọng yếu của một chiếc xe, trực tiếp ảnh hưởng
đến khả năng di chuyển của xe. Hệ thống này đóng vai trò truyền lực từđộng cơ đến các bánh xe đồng thời còn truyền các tác động điều khiển từ vô lăng đến các bánh xe nhằm thực hiện bẻ lái.
Hệ thống truyền lực bao gồm rất nhiều chi tiết ghép lại với nhau nhờ khớp nối linh hoạt, các hệ thống bánh răng ăn khớp trong cơ cấu vi sai. Trục đầu ra của động cơ được nối với cầu xe, đầu còn lại của cầu xe lại được ăn khớp với cơ cấu vi sai nhờ hệ
thống bánh răng. Chuyển động quay của cầu xe được cơ cấu vi sai chuyển thành chuyển động quay tại các mặt phẳng khác, trên các mặt phẳng này cơ cấu vi sai được gắn với các trục truyền động có trang bị hệ thống khớp nối đồng tốc dẫn bánh xe chuyển động.
Chính vì tính quan trọng của hệ thống cho nên trong luận văn này tối đưa ra phương án gia công bằng phương pháp ép chảy.
Sau đây là một số phương pháp chế tạo ra chi tiết bằng phương pháp ép chảy để
45
1. Phương án 1
Từ phôi trụ (phôi thanh) ta tiến hành ép chảy thành hai nguyên công:
Nguyên công 1: Ép chảy tạo chuôi và tạo hình hoa mai, giảm chiều cao phôi - Chọn phôi ban đầu là phôi thanh có tiết diện tròn đường kính phôi Ф85 sau đó ta dùng cưa điện cắt thành tứng chiếc trên máy cưa. Chiều dài mỗi chiếc sẽ là L=109mm như bản vẽ dưới đây.
46
- Sau khi ép chảy thuận ta được biên dạng chi tiết hình dạng hoa mai, có kích thước chi tiết như bản vẽ sau:
Hình 3.5 Hình dạng phôi sau nguyên công ép chảy
Nguyên công 2: Từ hình hoa mai đã ép được ở nguyên công trên ta sẽ tiến hành ép chảy ngược để ra sản phẩm chi tiết khớp nối.
47
Hình 3.6 Hình dạng chi tiết sau nguyên công ép chảy
2. Phương án 2
Phôi ban đầu được đúc sẵn thành hình hoa mai ta sẽ tiến hành ép chảy thuận nghịch luôn ra sản phẩm và chỉ cần qua một nguyên công.
48
Hình 3.7 Bản vẽ từ phôi đúc
Từ bản vẽ phôi đúc hình hoa mai như trên sau khi ép chảy thuận nghịch ta cũng ra được sản phẩm với hình dạng kích thước như trên hình 4.6
Trong hai phương án ép chảy đã đưa ra, ta sẽ phân tích các quy trình công nghệ để đưa ra được phương án gia công thích hợp từđó có thể chọn được phương án tối ưu và có thể áp dụng vào để gia công sản xuất hàng loạt đạt chất lượng tốt, hiệu quả kinh tế cao và hạ giá thành sản phẩm
49
So sánh, phân tích đánh giá để lựa chọn các phương án hợp lý
Phương án 1 + Ưu điểm
- Phôi trụ dễ mua, dễ chế tạo và rẻ
- Thiết kế khuôn đơn giản - QTCN khả thi - Tiết kiệm được kim loại, - Có độ chính xác và độ bóng cao + Nhược điểm - Tốn nhiều khuôn ép chảy, QTCN dài sẽ gây thất thoát nhiệt trong quá trình ép chảy - Lực ở nguyên công công nghệ
lớn do đó sẽ tốn năng lượng - Áp lực đơn vị cao làm cho lực
tác dụng lên dụng cụ biến dạng lớn, từđó làm cho tuổi thọ của khuôn thấp, chóng hỏng khuôn. Phương án 2 + Ưu điểm - QTCN ngắn gọn - Có thể tận dụng phôi thanh cắt thành từng chiếc, từ đó đúc thành hình hoa mai - Tiết kiệm được kim loại - Có độ chính xác và độ bóng cao - Tổ chức vật liệu của sản phẩm tốt + Nhược điểm - Phải chế tạo hệ thống đúc thành dạng hoa mai để từ đó mới có thể cho vào ép chảy
50
Ta có thể tiến hành mô phỏng quá trình ép chảy bằng phương pháp mô phỏng số
trên phần mềm Deform để có thể phân tích hiểu rõ quá trình biến dạng, lực tác dụng, trạng thái phá hủy và ứng suất để tìm ra phương án tối ưu nhất cho chi tiết khớp nối.
III.2 Ứng dụng mô phỏng số để nghiên cứu công nghệ dập chi tiết khớp nối
đồng tốc
III.2.1 Khái quát chung về mô phỏng số
Trong nền công nghiệp sản xuất truyền thống, quá trình đưa từ bản vẽ thiết kế
công nghệ vào sản xuất tạo ra sản phẩm thường gặp rất nhiều khó khăn. Trên thực tếđể
chế tạo được một sản phẩm thì sau khi thiết kế phải tiến hành sản xuất thử nghiệm. Việc sản xuất thử chiếm rất nhiều thời gian và chi phí lớn vì các ý tưởng thiết kế trên bản vẽ không thểđúng ngay ở lần đầu tiên. Khi tiến hành sản xuất thử mới phát hiện ra những sai sót, những điều không hợp lý trong khâu thiết kế và tiến hành khắc phục. Việc chế tạo thử trên mẫu thật sẽ rất tốn kém, chính vì vậy người ta nghĩ ra cách để
giảm chi phí trong việc chế tạo thử và các phương pháp mô phỏng ra đời nhằm phục vụ
cho mục đích trên.
Trước đây, phương pháp mô phỏng được áp dụng chủ yếu là phương pháp mô phỏng vật lý. Phương pháp này được tiến hành dựa trên những mẫu có tỉ lệ tương tự
như những mẫu thật nhưng có kích thước nhỏ hơn. Vật liệu được dùng trong phương pháp này chủ yếu là sáp hoặc plastic. Khuôn mô phỏng vật lý có thể làm bằng nhôm, thậm chí là bằng gỗ. Để phương pháp mô phỏng được chính xác thì mô hình vật liệu thử nghiệm phải chọn sao cho chúng có thuộc tính chảy tương tự như vật liệu thực trong một khoảng thời gian rộng và có các thông số cơ bản điều chỉnh được. Phương pháp này có ưu điểm là có thể mô phỏng gần giống với quá trình xảy ra trên phôi thực. Tuy nhiên, nhược điểm của phương pháp này là chỉ giúp chúng ta có được những đánh giá định hướng về phân bố dòng chảy của kim loại trong quá trình gia công mà không cho phép tính toán chính xác trạng thái ứng suất và biến dạng trong quá trình.
51
Ngày nay, cùng với sự phát triển của khoa học, đặc biệt là sự phát triển của ngành công nghệ thông tin nhiều công nghệ mới được ra đời giúp ta có thể tính toán chính xác hơn trạng thái ứng suất và biến dạng trong các quá trình công nghệ trong các ngành cơ khí nói chung và trong ngành gia công áp lực nói riêng. Một trong số những công nghệđó là “công nghệảo“, công nghệđược thực hiện chủ yếu trên máy tính. Gắn liền với công nghệ này là phương pháp mô phỏng số. Khác với mô phỏng vật lý, mô phỏng số được thực hiện bằng nhiều phương pháp tính toán khác nhau như: phương pháp PTHH, sai phân hữu hạn, biến phân... Mỗi phương pháp tính toán đều có những mặt mạnh riêng nhưng áp dụng phổ biến nhất để khảo sát các bài toán cơ học nói chung và các bài toán biến dạng nói riêng là phương pháp PTHH. Phương pháp PTHH là một phương pháp rất tổng quát và hữu hiệu cho lời giải số nhiều lớp bài toán kỹ
thuật khác nhau. Từ việc phân tích trạng thái ứng suất, biến dạng trong các kết cấu cơ
khí, ôtô, máy bay, tàu thủy, khung nhà cao tầng... đến những bài toán của lý thuyết trường như: cơ học chất lỏng, thủy đàn hồi, khí đàn hồi ...
Khi thực hiện mô phỏng số, các giai đoạn thiết kế, hiệu chỉnh thiết kếđược thực hiện trên máy tính. Xuất phát từ ý tưởng sản phẩm mẫu, mô hình của sản phẩm được dựng trên máy tính, sau đó việc hiệu chỉnh công nghệ được thực hiện trực tiếp thông qua giao diện người - máy nhằm tối ưu hóa công nghệ nên đã giảm đáng kể thời gian và chi phí cho việc chế thử và hiệu chỉnh. Ngoài ra, mô phỏng số còn góp phần nâng cao chất lượng sản phẩm và cho phép ứng dụng với các vật liệu mới.
Hiện nay, tại các nước công nghiệp phát triển có nhiều phần mềm chuyên dụng mô phỏng số nhằm tối ưu hóa công nghệ tạo hình như DEFORM, PAM_STAMP, AUTOFORM, ANSYS, LS-DYNA.... Khả năng ứng dụng của các phần mềm này hết sức đa dạng và được ứng dụng nhằm phân tích các bài toán đàn hồi hay các bài toán biến dạng dẻo lớn trong gia công áp lực. Một trong số những phần mềm như vậy được áp dụng rộng rãi trong việc tính toán thái ứng suất và biến dạng trong quá trình gia
52
công cơ nói chung cũng như trong gia công áp lực nói riêng là phần mềm DEFORM và trong luận văn này em sẽ sử dụng phần mềm này để mô phỏng chi tiết khớp nối đồng tốc trong ô tô.
III.2.2 Nghiên cứu công nghệ ép chảy bằng phương pháp mô phỏng số
Khi nghiên cứu quá trình biến dạng với đặc điểm chảy phức tạp của vật liệu trong quá trình gia công, để có thể nắm được qui luật chảy dẻo thường phải làm nhiều thí nghiệm, dẫn đến rất tốn kém. Để giảm giá thành và thời gian người ta không tiến hành thực nghiệm với những vật liệu thật theo tỷ lệ 1:1 mà thường tiến hành trên những vật liệu dễ biến dạng có thuộc tính chảy tương tự như vật liệu thực trong một khoảng nhiệt độ nhất định và rẻ tiền hơn vật liệu thật như sáp hay plasticine. Để có thể làm mô phỏng vật lý quá trình biến dạng với vật liệu thí nghiệm, nghiên cứu quy luật chảy dẻo của vật liệu có thể sử dụng những khuôn mẫu đơn giản được làm bằng nhôm hoặc thậm chí bằng gỗ. Thông qua mô phỏng vật lý sẽ có được những đánh giá,
định hướng đúng về thuộc tính chảy của vật liệu cũng như mô hình biến dạng thực tế
của vật liệu.
Mô phỏng số là quá trình mô phỏng những hiện tượng, quá trình xảy ra trong thực tế bằng việc sử dụng các phương pháp số để giải các bài toán thường được biểu diễn dưới dạng các hệ phương trình vi tích phân. Để tính toán có thể dùng nhiều phương pháp khác nhau như phương pháp phần tử hữu hạn, sai phân hữu hạn, biến phân hoặc phần tử biên…Mỗi phương pháp đều có những ưu điểm và nhược điểm khác nhau. Khi khảo sát các bài toán cơ học nói chung người ta thường dùng phương pháp phần tử hữu hạn.
Phương pháp mô phỏng số hay công nghệ “ảo” được áp dụng trong nhiều ngành khoa học như chế tạo máy, công nghiệp ô tô, tàu thuỷ, xây dựng, y học. Phương pháp này được coi là một bước đột phá trong công nghệ, nó đáp ứng được hầu hết các yêu cầu đặt ra của một vấn đề cơ học với thời gian nhanh nhất, chi phí thấp nhất nhờ quá
53
trình thiết kế và tính toán công nghệ được thực hiện một cách linh hoạt trên máy tính với sự trợ giúp của những phần mềm thích hợp.
Mô phỏng số tối ưu hoá công nghệ tạo hình được ứng dụng phổ biến ở các nước có nền công nghệ phát triển như Mỹ, Anh, Đức, Nhật... Thông qua mô phỏng số quá trình biến dạng có thể nhận được hình ảnh vể trường ứng suất, biến dạng, trường vận tốc trong vật thể, từ đó người kỹ sư sẽ có thể rút ra những kết luận đúng đắn về quá trình biến dạng tạo hình sản phẩm mặt khác có thể phân tích những khiếm khuyết trong quá trình trên cơ sở đó sửa lại thiết kế để cuối cùng đưa ra một bộ thông số đầu vào hợp lý nhất cho việc chế tạo sản phẩm.
Để thấy rõ tính ưu việt của phương pháp mô phỏng số trong việc tối ưu công nghệ hãy so sánh phương pháp này với phương pháp thiết kế truyền thống (hình 3.1). Theo phương pháp truyền thống thì sau khi nhận được bản vẽ sản phẩm, người kỹ sư
phải tiến hành thiết kế công nghệ dựa trên những hiểu biết và kinh nghiệm của mình. Tuy nhiên bản thiết kế ấy có bảo đảm tạo ra đựơc sản phẩm như mong muốn hay không và đã tối ưu hay chưa thì còn là một dấu hỏi lớn. Bước tiếp theo là chế tạo khuôn và ép thử. Nếu sản phẩm đạt yêu cầu kỹ thuật thì chứng tỏ thiết kế là đúng đắn và có thể sản xuất hàng loạt.
54
Hình 3.8 Sơđồ so sánh quá trình tối ưu công nghệ giữa phương pháp truyền thống và phương pháp công nghệảo
Nhưng trong thực tế ít gặp trường hợp sản phẩm đạt yêu cầu ngay, nhất là đối với các chi tiết phức tạp, trái lại thường xuất hiện các khuyết tật. Những khuyết tật này có thể khắc phục bằng cách chỉnh sửa khuôn, nhưng nếu nghiêm trọng quá thì có thể
phải thiết kế lại và chế tạo lại khuôn. Quá trình này thường được lặp đi lặp lại nhiều lần gây tốn kém nhiều về thời gian và kinh phí. Còn theo phương pháp thiết kế “ảo” thì toàn bộ khâu tính toán thiết kếđược thực hiện bằng phương pháp mô phỏng số với sự
55
Ứng dụng mô phỏng số quá trình ép chảy cho phép phân tích trạng thái ứng suất, biến dạng, phá hủy, lực và dòng chảy của vật liệu. Qua việc phân tích kết quả mô phỏng cho phép người kỹ sưđánh giá được tổng quát quá trình biến dạng tránh các ảnh hưởng xấu tới chất lượng sản phẩm ngay trên máy tính. Việc tính toán, đánh giá kết quả này được tiến hành nhanh và chính xác hơn nhiều so với các phương pháp tính toán giải tích. Từ đó có thể nhanh chóng tối ưu hoá kết cấu khuôn tạo hình cũng như
thông số của quá trình biến dạng. Ứng dụng mô phỏng số có thể tránh được những thử
nghiệm thực tế phức tạp và tốn kém
III.3 Ứng dụng phần mềm DEFROM để mô phỏng quá trình tạo hình chi tiết khớp nối đồng tốc
III.3.1 Giới thiệu chung về DEFORM
Phần mềm Deform 3D/6.1 là bộ phần mềm phần tử hữu hạn của hãng SFTC áp dụng để mô phỏng các quá trình tạo hình kim loại như: dập, cắt gọt… và mô phỏng các quá trình truyền nhiệt. Bộ phần mềm Deform được đánh giá là có giao diện thân thiện và bố trí các modun một cách hợp lý, dễ dàng làm quen và học chuyên sâu.
Deform có các phiên bản khác nhau phù hợp cho từng công việc cụ thể như
Deform 2D cho các bài toán đối xứng trục và bài toán phẳng. Deform 3D cho phép ta thực hiện với các mô hình đầy đủ và quá trình thực. Mỗi phiên bản đều có ưu nhược
điểm khác nhau. Với Deform 2D ta có thể giảm thiểu đáng kể về mặt thời gian tính toán, chia lưới dễ dàng với mật độ vùng khác nhau, trong khi đó Deform 3D thao tác với mô hình khối đầy đủ và có thể sử dụng hình học của vật thể ở bước này cho các bước sau. Trong các dạng này lại có phiên bản Deform -F2/3 (từ phiên bản 6 trở đi) cho phép tính toán một quá trình tổng thể gồm nhiều nguyên công và Deform – HT phân tích và mô phỏng quá trình truyền nhiệt. Trong Deform còn tích hợp bộ thư viện các mô hình vật liệu thông dụng theo chuẩn AISI và người dùng có thể tùy biến theo ý