Xuất phát từ yêu cầu về kiểu dáng, kích thước sản phẩm, ta đi xây dựng mô hình, hình học của phôi và khuôn mẫu để tiến hành gia công. Công việc này thường được thực hiện theo hai phương pháp:
Phương pháp 1: Xây dựng trực tiếp . Phương pháp 2: Xây dựng gián tiếp .
hình phức tạp hơn thì bắt đầu dựng từ các điểm cơ sở (keypoint), từ đó dựng thành đường, miền và khối thông qua các lệnh xử lý về đồ hoạ.
Ưu điểm của phương pháp này là toàn bộ dữ liệu của mô hình hình học của bài toán được đưa vào trực tiếp nên không có sai lệch khi chuyển đổi dữ liệu. Tuy nhiên đây là phần mềm tính toán chứ không phải là phần mềm chuyên dùng về đồ hoạ nên khi tạo những mô hình hình học phức tạp thường khó khăn hơn rất nhiều so với khi tạo mô hình này trong các phần mềm đồ hoạ chuyên dùng.
* Phương pháp 2
Xây dựng mô hình hình học từ những phần mềm thiết kế đồ hoạ chuyên dùng như SolidWork, Cad, Pro/Engineer, Catia…, rồi xuất sang phần mềm mô phỏng.
Phương pháp thứ 2 cho phép dựng được những mô hình rất phức tạp, nhưng trong quá trình chuyển đổi lại gây ra một số sai khác nhất định có thể do khả năng tương thích giữa các phần mềm đặc biệt rất khó điều khiển toạ độ cũng như tương quan vị trí.
Để tiến hành mô phỏng trước hết phải chia lưới các phần tử, thuộc tính vật liệu, đưa vào các điều kiện biên (chuyển vị, ma sát, nhiệt độ …). Máy sẽ tính toán quá trình tạo hình sản phẩm và đưa ra kết quả.
Qua việc xem xét trường phân bố ứng suất và biến dạng tại từng thời điểm, ta biết được một cách tương đối chính xác chi tiết có bị phá hủy trong quá trình biến dạng và kích thước hình học của sản phẩm có đảm bảo với yêu cầu hay không, từ đó thay đổi các thông số của quá trình một cách hợp lý sao cho kết quả cuối cùng là tối ưu. Tiếp theo có thể gia công khuôn mẫu dựa trên các thông số hình học sau khi mô phỏng và tiến hành sản xuất thử. Nếu thấy được mới đưa ra sản xuất hàng loạt.
Hình 5.3. Quá trình mô phỏng
Với mục tiêu là dập tạo hình chi tiết khớp nối chữ thập, nên có thể chọn phần mềm mô phỏng quá trình dập là phần mềm Deform.
Để có thể thực hiện việc mô phỏng được thuận lợi trước hết ta tìm hiểu phần mềm Deform.
(cán, kéo, dập, ép…) nhưng cũng có khả năng mô phỏng quá trình truyền nhiệt và đang được hoàn thiện thêm.
Deform cho phép nhập dạng thực hình học của các vật thể dưới dạng file *.STL ( với Deform 3D) và *.IGES ( với Deform 2D) là những dạng đuôi được tạo bởi những chương trình như SolidWorks hay Catia. Model của Deform có thể được tạo bởi SolidWorks, Catia hoặc convert từ Autocad. Định vị các phần tử trong mô hình Deform có thể thực hiện trực tiếp trên cửa sổ thao tác của chương trình này hoặc thông qua phần mềm trung gian Hypermesh của hãng Altair.
Giao diện Deform dễ sử dụng, chức năng phong phú (xem mặt cắt bất kỳ, xem ứng suất, biến dạng, xem quá trình xảy ra…) và mô phỏng sát thực tế. Vì vậy, Deform đã trở thành phần mềm được sử dụng rộng rãi nhất trong ngành vật liệu. Sử dụng Deform phục vụ cho công tác nghiên cứu, thăm dò, giúp cho việc định hướng chế tạo khuôn mẫu dễ dàng và hiệu quả hơn, dự đoán và giải thích được nguyên nhân sai hỏng sản phẩm, tiết kiệm chi phí sản xuất.
5.2.1. Giao diện và vận hành phần mềm
Sau khi khởi động phần mềm, ta vào cửa sổ chính của phần mềm, cửa sổ này cũng là môi trường để cài đặt, hiển thị bài toán mô phỏng.
Hình 5.4. Giao diện chính của phần mềm Deform.
Thành phần hệ thống
Vùng đồ
Trên thanh công cụ có các nút lệnh hỗ trợ mô phỏng như:
Nút lệnh File: Bao gồm các thao tác với file dữ liệu và hỗ trợ chụp lại các ảnh. Nút lệnh Step: Cho ta xem lại các bước dập và quá trình mô phỏng.
Nút lệnh Display: Bao gồm các chức năng đo kích thước, thay đổi các chế độ quan sát mô hình.
Nút lệnh Tools: Cho ta biết các thông số về các bước dập, thời gian dập, lực dập, đồ thị biến dạng, đồ thị lực dập…
Sau đây, ta sẽđi tìm hiểu trình tự mô phỏng của phầm mềm
Cấu trúc phổ biến nhất của phần mềm DEFORM gồm 3 mô đun lớn:
- Tiền xử lý (preprocessing): Trong môđun này chúng ta tiến hành các bước như xây dựng mô hình cho phôi, chày cối, chọn kiểu phần tử, chọn mô hình vật liệu, chia lưới và điều khiển lưới, xác định kiểu tiếp xúc, cặp tiếp xúc.
- Giải bài toán/xử lý (Solution/Analysis): Trong môđun này chúng ta tiến hành đặt điều kiện biên và giải.
- Hậu xử lý (Postprocessing): Lấy và phân tích kết quả ở dạng tổng quát, phân bố ứng suất, biến dạng, chuyển vị…
a. Mô đun tiền xử lý
Kích hoạt phần mềm Deform 3D V6.1 sau đó chọn mô đun tạo hình forming
(hình 5.6)và đặt tên cho chương trình chạy mô phỏng
Hình 5.6.Giao diện ban đầu của phần mềm Deform.
Dòng lệnh process Type: Cho ta các lựa chon chế độ nhiệt khi dập: chế độ dập nguội, dập nửa nóng, dập nóng và sự truyền nhiệt. (Hình 5.7).
Tiếp đến là các lựa chọn về mức độ phức tạp của hình dạng mô phỏng - Shape Complexity, lựa chọn thể hiện cả mô hình (Whole part) hoặc một nửa đối xứng của mô hình ( Symmetry).
Number of objects: cho phép chọn đến một phôi và nhiều khuôn/ chày ép
(Hình 5.8).
Nhập thông số nhiệt độ cho phôi dập (Tremperature): thông số này phải tương ứng với lựa chọn chếđộ nhiệt khi dập từ đầu.
Nhập mô hình, hình học cho phôi (Import geometry) từ file đã được lưu sẵn từ trước dưới dạng đuôi .stl (Hình 5.9).
Định kiểu phần tử và chia lưới phần tử: để tính toán trường phân bố ứng suất, biến dạng, chuyển vị hay nhiệt độ bằng phương pháp phần tử phần tử hữu hạn cần thiết phải chia lưới phần tử hữu hạn. DEFORM có khả năng chia lưới và điều khiển lưới một cách dễ dàng sau khi xây dựng mô hình hình học. Có hai cách thường được sử dụng để chia lưới trong DEFORM :
- Chia lưới theo kiểu tứ diện (tetrahedral mesh). - Chia lưới theo kiểu xếp gạch (brick mesh).
Ta có thể lựa chon số phần tử tuỳ vào kích cỡ phôi, phần mềm cho phép chia từ 1000÷100.000 phần tử. Khi chon số phần tử xong, ta chon Advanced để biết kích cỡ nhỏ nhất của một phần tử và xem bề mặt lưới để biết chọn số phần tử như vậy đã thích hợp haychưa.
Nhập vật liệu cho phôi: DEFORM cung cấp một thư viện các mô hình vật liệu ứng dụng trong các bài toán khác nhau và các thông số để cài đặt mô hình vật liệu mới.(Hình 5.10).
Hình 5.10. Thư viện các loại vật liệu của phần mềm.
Bài toán tiếp xúc: Trong quá trình thực hiện biến dạng luôn có sự tiếp xúc giữa vật liệu và dụng cụ gia công. Vì vậy phải nghiên cứu các mô hình tiếp xúc có trong phần mềm DEFORM.
Một điều quan trọng trong đặt các thông số tiếp xúc là các điều kiện biên, bài toán chỉ được giải chính xác khi ta đặt các điều kiện biên đúng với thực tế.
b. Mô đun giải
Mô đun này cho phép giải bài toán mà ta đã cài đặt trong tiền xử lý. Quá trình giải bài toán hoàn toàn được thực hiện với sự trợ giúp của máy tính.
Mô đun hậu xử lý cho phép hiển thị kết quả dưới dạng:
- Các đường mức (thể hiện sự thay đổi ứng suất, biến dạng, nhiệt độ…)
Hình 5.11. Biểu đồ lực dập
- Biến dạng (mức độ và phân bố biến dạng dưới tác dụng của tải trọng).
Hình 5.12.Phân bố lưới biến dạng
- Véc tơ (véc tơ chuyển vị, xoay, dòng chảy kim loại..) +Phản lực.
Trong quá trình dập, dưới tác dụng của lực dập kim loại sẽ được điền đầy vào lòng khuôn dập, hướng chảy của kim loại được thể hiện bằng các mũi tên trên hình 3.13. Những vị trí tập trung nhiều mũi tên thể hiện kim loại bị dồn chảy nhiều vào đó.
Hình 5.13. Dòng chảy của kim loại
Sau khi mô phỏng ta có thể lấy ra được các giá trị để phân tích và so sánh phương pháp nào là tối ưu nhất khi nhập các thông số đầu vào là khác nhau. Từ đó ta có thể áp dụng vào thực tế sản xuất.
Mở phần mềm, File New Next Browse chọn đường dẫn NextĐặt tên file Finish.
Giao diện Deform hiện lên như sau:
Hình 5.14. Giao diện Cài đặt Deform
Chọn Geometry sau đó chọn Import GEO, chọn đường dẫn đến file *.DXF để nhập phần tử mô hình vào.
Mô hình gồm có chày( Top Die), cối ( Bottom Die), chặn ( Holder), phôi (Workpice) Sau khi nhập các phần tử ta có mô hình mô phỏng như sau:
Hình 5.15. Nhập mô hình 3D cho phôi
Các thông số ban đầu: Temperature 7000C, phôi chọn Plastic còn die, punch và binder chọn rigid (cứng tuyệt đối).
Sau khi nhập mô hình ta cần kiểm tra hình học của các phần tử trong mô hình.Phần mềm sẽ giúp ta sửa những lỗi trên các phần tử nhập vào. Mỗi lần nhập một phần tử vào ta sẽ chọn check Geo sau đó chọn Check&Correct Geometry.
Bước 2: Ta chia lưới các phần tử. Việc chia lưới các phần tử có thể chia tự động hoặc là do cài đặt của người sử dụng. Ở đây, để thuận lợi cho việc quan sát sự biến dạng của kim loại ta sử dụng userdefine.
Hình 5.16. Chia lưới cho Phôi
Sau khi chia lưới ta chọn vật liệu.
Vật liệu được sử dụng để mô phỏng là AISI-1045 [1650-2200F(900-1200C)]. Các thông số về cơ tính của vật liệu được phần mềm Deform cung cấp trong Material Properties. Ứng suất tương đương phụ thuộc vào biến dạng tương đương ,tốc độ biến dạng tương đương và nhiệt độ
Hình 5.17. Đồ thị đường cong chảy của AISI-1045
Bước 3: Sau khi chọn vật liệu ta cài đặt điều kiện tiêp xúc (Inter – Object). Ở đấy có sáu cặp tiếp xúc là: Chày – Phôi, Phôi – Cối, Phôi – Chặn.
Hình 5.18. Điều kiện tiếp xúc
Dung sai tiếp xúc là 0,0002 mm. Sau khi chọn Generate All thì các tiếp xúc phải hiện lên. Trong một số trường hợp khi mô hình ban đầu không đúng thì sẽ không đặt được điều kiện tiếp xúc. Trong trường hợp này, ta cần phải kiểm tra lại mô hình đã nhập vào, để xem phẩn tử nào nhập vào không đúng. Sau khi tìm ra phần tử không đúng cần sửa lại trong mô hình ban đầu trước khi xuất ra file *.IGS. Sau đó nhập lại phần tử này và tiến hành đặt lại điều kiện tiếp xúc.
Hệ số ma sát: 0.6
Bước 4: Sau khi cài đặt xong, ta chuyển sang phần Database Generation
Ấn nút check để phần mềm kiểm tra xem cài đặt đã đạt chưa. Nếu tất cả đều đánh dấu màu xanh có nghĩa là những cài đặt được chấp nhận trong trường hợp mà vẫn còn những giá trị đánh dấu màu đỏ thì cần phải kiểm tra lại. Ta quay lại bước
cài đặt còn đánh dấu đỏ để hoàn thành hoặc đặt lại. Khi tất cả các thông số cài đặt đã được phần mềm chấp nhận ta ấn nút Generate.
Đóng cửa sổ này lại và thoát.Trở lại giao diện ban đầu của Deform, chọn File cài đặt và chon run hoặc nút Play để chạy chương trình.
b. Các kết quả mô phỏng
Trong quá trình chạy chương trình, ta có thể xem các bước chạy mô phỏng nhờ ứng dụng Simulation Graphics. Ứng dụng này cho phép người sử dụng có cái nhìn trực quan hơn về quá trình mô phỏng, qua từng bước chạy ta sẽ biết kết quả tính toán bằng hình ảnh. Ứng dụng Process Monitor cho phép người sử dụng lựa chọn quan sát các phần tử trong quá trình mô phỏng diễn ra. Ta có thể quan sát riêng lẻ từng phần tử biến dạng trong quá trình dập tạo hình bánh răng côn.
Hình 5.20. Ứng suất
Hình 5.22. Chuyển vị
Kết thực chương trình, ta chọn Deform3D-post để xem kết quả. Chương trình cho phép người sử dụng theo dõi trực quan toàn bộ quá trình mô phỏng, kèm theo là các trường ứng suất tương đương, biến dạng tương đương, tốc độ biến dạng,… qua mỗi bước. Bên cạnh đó, chương trình cũng cho ta biết các thông số về lực (Lực công nghệ, lực chặn) trong quá trình biến dạng như thế nào thông qua các đồ thị.
Hình 5.23. Kết thúc quá trình dập tạo hình
Hình 5.27. Ứng suất
Hình 5.29. Vận tốc chảy
Sau khi chương trình chạy xong cho ta một số kết quả ở giai đoạn kết thúc chương trình như sau:
Ta thấy rằng, khi kết thúc quá trình dập thì vật liệu bị phá hủy lớn nhất nằm ở mép răng. Bởi vì trên vành này, kim loại bị cưỡng bức điền đầy vào túi chứa nên phải chịu kéo rất lớn. Vì vậy, ứng suất phá hủy tại những điểm trên vành này là lớn. Nếu vật liệu giòn sẽ bị nứt tại những vị trí này.
Ta thấy rằng tốc độ kéo ở đây lớn nhất là vùng mép răng. Đến giai đoạn này thì những vùng này hầu như ít biến dạng. Phần kim loại trong túi chứa vẫn có thể tiếp tục đi vào nữa, do đó tốc độ kéo kim loại ở vùng này sẽ tăng lên theo nguyên lý trở
5.4 Dập thử nghiệm trên máy ép ma sát
Sau khi đã chế tạo xong bộ khuôn, ta tiến hành gá đặt và dập thử trên máy ép ma sát 63 tấn.
Trước tiên ta phải chuẩn bị phôi có kích thước d = 40 mm, và h = 26 mm.
Hình 5.30. Phôi để dập thử
Tiếp theo ta gá khuôn lên máy ép ma sát để chuẩn bị dập
Sau khi dập xong ta thu được mẫu bánh răng côn hoàn toàn chuẩn xác so với mô phỏng và đáp ứng đầy đủ các thông số, yêu cầu cần thiết so với mẫu bánh răng tham khảo.
a. Mẫu bánh răng tham khảo b. Bánh răng sau khi dập
KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI
Công nghệ dập khối trong khuôn kín chế tạo chi tiết bánh răng côn răng thẳng cỡ nhỏ và trung bình rất có triển vọng ở Việt Nam. Với những nghiên cứu này chúng ta hoàn toàn làm chủ được công nghệ không chỉ với bánh răng côn răng thẳng cỡ nhỏ và trung bình mà với các loại vật liệu và các mô hình bánh răng hoặc chi tiết khác trong khả năng công nghệ.
Trong quá trình thực hiện đồ án, em đã tìm hiểu và tối ưu các thông số công nghệ của dập khối trong khuôn kín, đồng thời mô hình hóa quá trình công nghệ bằng công nghệ mô phỏng số. Trong suốt quá trình làm luận văn dưới sự hướng dẫn tận tình của thầy giáo PGS.TS Đỗ Hữu Quyết và PGS.TS Phạm Văn Nghệ, đến nay tác giả đã hoàn thành luận văn của mình với các nội dung:
- Ứng dụng phần mềm Defrom 3D mô phỏng và tối ưu công nghệ để dập bánh răng côn thẳng.
- Thiết kế, chế tạo bộ khuôn dập.
- Nghiên cứu và thiết kế quy trình công nghệ gia công chi tiết của bộ khuôn và ứng dụng gia công trên trung tâm gia công CNC.
- Chứng minh tính khả dụng và ưu điểm của phương pháp dập khối so với phương pháp gia công cắt gọt khi chế tạo bánh răng cỡ nhỏ và trung bình. - Thiết kế, chế tạo bộ khuôn có thể đưa vào sản xuất hàng loạt trong công
nghiệp.
Hướng phát triển của đề tài: Tiếp tục nghiên cứu sâu hơn các thông số công nghệ trong dập thể tích, dần tiến tới chế tạo các chi tiết phức tạphơn.