72
Hình 4.4. Thanh nhôm sau khi ép chảy
Mô hình hình học bao gồm dụng cụ gia công và phôi được xây dựng dựa trên yêu cầu chính xác về hình dạng và kích thước của sản phẩm. Trong quá trình biến dạng dẻo, tham gia vào quá trình gồm có dụng cụ gia công (gồm khuôn trên, khuôn dưới) và vật liệu phôi dạng trục đặc. Chính vì vậy, ta phải xây dựng được mô hình hình học khuôn trên, khuôn dưới và phôi đúng theo thực tế của bài toán.
Hình 4.8 thể hiện mô hình hình học 3D của sản phẩm sau ép chảy. Mô hình hình học có thể được xây dựng và tính toán trong hệ toạ độ trụ do tính đối xứng trục. Nhưng để thuận tiện cho việc thiết kế hình học trong DEFORM, ta lựa chọn luôn hệ toạđộ mặc định của phần mềm có nghĩa là hệ toạđộđề các.
Các thông số kích thước cơ bản của mô hình :
73
- Chiều dài phôi L = 100 mm
- Đường kính phôi ban đầu ∅ =245 mm
- Góc thoát cối 2α = 90°. Cối Chày Phôi Hình 4.5. Mô hình 3D của mô hình hình học 4.4.2. Mô hình lưới phần tử
Để tính toán bằng phương pháp phần tử hữu hạn phải chia lưới phần tử cho mô hình hình học đã xây dựng ở trên. Trước hết để mô phỏng tiến hành chia lưới phần tử, chia phôi thành 70000 phần tử, còn chày và cối ta chia 20000 phần tử. Sau khi chia và chọn các thông sốđầu vào theo điều kiện của bài toán thì tiến hành mô phỏng. Thời gian để kết thúc các mô phỏng này khoảng 12 giờ.
74
4.4.3 Mô hình vật liệu
Trong lĩnh vực gia công áp lực, vật liệu luôn là yếu tố đầu vào hết sức quan trọng và quyết định tính chính xác cũng như độ tin cậy của một quá trình công nghệ. Trong mô phỏng số cũng vậy, mô hình vật liệu đóng vai trò quan trọng vì nó thể hiện ứng xử của vật liệu trong quá trình gia công. Trong quá trình ép chảy thuận có sự tha gia của dụng cụ gia công và vật liệu cho dụng cụ gia công và vật liệu biến dạng nên cần thiết phải đưa ra mô hình vật liệu cho dụng cụ gia công và phôi.
a. Mô hình vật liệu cho dụng cụ gia công
Trong quá trình gia công, chày và cối sẽ chịu tải trọng nhiệt và tải trọng do lực ép gây ra. Trong thực tế người ta phải tránh không cho khôn bị biến dạng dẻo vì
ảnh hưởng đến hình dạng hình học của sản phẩm. Khuôn trong quá trình tạo hình có thể coi chỉ biến dạng đàn hồi. Đối với mô phỏng số ta coi vật liệu chày và cối là vật liệu thép thép bên nhiệt không bị biến dạng hay chỉ bị biến dạng đàn hồi trong quá trình ép chảy.
Các thông số của vật liệu dùng làm dụng cụ gia công (Thép chịu nhiệt) như
sau :
- Khôi lượng riêng : 7800 Kg/m3 - Mô đun đàn hồi : 1.93.1011 N/m2
- Hệ số Poisson : 0.29
- Nhiệt dung riêng : 502 J/kg.k - Hệ số dẫn nhiệt : 16,3 W/m.k
- Hệ số nở nhiệt: 1,78.10-5
Cả chày và cối ta đều chia số phần tử của chày ép ra làm 20000 phần tử, và ta ra nhiệt trước cho chày và cối lên khoảng 4200để trành thoát nhiệt của phôi trong quá trình ép (nhiệt độ chày và cối bằng khoảng 0.7Tnc của nhôm).
75
Hình 4.7. Hình ảnh chia lưới của chày Hình 4.8.Hình ảnh chia lưới của cối
b. Mô hình vật liệu dùng cho phôi
Vật liệu trong quá trình gia công sẽ bị biến dạng dẻo ngoài các thông số về
cơ học và lý học cần thiết phải đưa vào đường cong chảy của vật liệu. Các thông số
cơ lý của vật liệu phôi (hợp kim nhôm A356) bao gồm: - Khối lượng riêng: 2700 Kg/m3
- Mô đun đàn hồi: 72.4Gpa - Hệ số Poisson: 0.33 (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
- Nhiệt dung riêng: 953J/Kg.K - Hệ số dẫn nhiệt: 167 W/m.k
Quá trình ép chảy được thực hiện ở trạng thái nóng nên quan hệ giữa ứng suất và biến dạng của vật liệu phải được thể hiện ở các nhiệt độ khác nhau như trên hình 4.10
76
Hình 4.9. Hình ảnh chia lưới của phôi
Hình 4.10. Đường cong chảy của vật liệu ở các nhiệt độ khác nhau
Khi nhiệt độ biến dạng cao (T=5000C) dễ dàng nhận thấy quan hệ ứng suất và biến dạng là một đường nằm ngang song song với trục hoành, như vậy hoàn toàn không suất hiện biến cứng trong quá trình biến dạng, vật liệu có thể coi mang thuộc tính dẻo, nhớt và mối quan hệ giữa ứng suất và tốc độ biến dạng thuân theo công
77
thức 3.24. Ở nhiệt độ thấp, vật liệu sẽ có thuộc tính dẻo tức thời và biến cứng đẳng hướng. Mức độ biến cứng phụ thuộc vào nhiệt độ được đặc trưng bởi thông số mô
đun tiếp (tangential modul).
4.4.4 Mô hình tiếp xúc
Trong quá trình gia công luôn có sự tiếp xúc giữa dụng cụ và vật liệ, tức là có xuất hiện ma sát tiết xúc. Ma sát có ảnh hưởng trực tiếp đến các thông số công nghệ của quá trình, đến chất lượng sản phẩm, tuổi thọ của dụng cụ gia công cũng như làm tiêu hao năng lượng của quá trình. Trong một số trường hợp ma sát đóng vai trò tích cực trợ giúp trong quá trình gia công. Khi thiết lập mô hình tiếp xúc trong DEFORM ta có thể chọn mô hình tiếp xúc mặt với mặt và chỉ có bền mặt của vật liệu bị iến dạng còn bền mặt của dụng cụ gia công coi như tuyệt đối cứng.
Khi thiết lập mô hình bài toán tiếp xúc ta lấy ma sát trên bền mặt tiếp xúc theo định luật ma sát Tresca ở trạng thái nóng có µ = 0,3.
Hình 4.11. hình ảnh tiếp xúc
4.4.5. Tiến hành mô phỏng
Giai đoạn đầu tiên khi chày ép đi vào buồng ép, ép kim loại theo hướng trục, kim loại bị giới hạn bởi thành buồng ép có xu hướng chảy theo hướng trục và bắt
đầu thoát qua khe hở giữa cối giữa cối tuân theo định luật lực biến dạng nhỏ nhất Kết quả mô phỏng thu được như sau:
78
79
Hình 4.12. Mô phỏng quá trình ép chảy thuận thanh nhôm định hình qua các giai đoạn
Kết quả sau khi ép:
Hình 4.13. hình ảnh sản phẩm sau khi ép
Qua các quá trình mô phỏng trên ta thấy, trong quá trình ép thì tiết diện ngang của sản phẩm khác nhau nên tốc độ chảy tại các vị trí khác nhau. Do đó trong quá trình khi ép thì sản phẩm nó có xu hướng bị cong về phía có tiết diện ngang nho nhất. Để khắc phục tình trạng này thì trong quá trình ép ngường ta phải có thêm một máy kéo thanh nhôm. Máy kéo này thường có tốc độ bằng tốc độ chảy của sản phẩm.
Các kết quả mô phỏng. a. Biểu đồ lực ép
80
Hình 4.14. Biểu đồ lực trong ép chảy thanh nhôm định hình
Qua biểu đồ lực trong quá trình ép thì ta thấy lực cần để ép sản phẩm này cần
khoảng 400 tấn, nên trong sản xuất thì ta chọn máy ép thủy lực nằm ngang có lực ép 550 tấn là có thểđáp ứng được quá trình sản xuất (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
b. Hình ảnh phân bố phá hủy vật liệu
`
Hình 4.15. hình ảnh phân bố phá hủy vật liệu
Từ kết quả thu được từ việc xuất kết quả mô phỏng trên phần mềm DEFORM ta thấy vật liệu bị phá hủy mạnh nhất tại các cạnh của chi tiết do tại vị trí này có ma sát lớn nên các vị trí này dễ bị phá hủy quá trình ép. Tuy nhiên mức độ
phá hủy lớn nhất ởđây mới chỉ đạt 0.5 lên sản phẩm sau khi ép vẫn đảm bảo yêu cầu về chất lượng.
c. Hình ảnh phân bố biến dạng
81
Ta thấy các điểm ở góc của chi tiết bị biến dạng nhiều nhất do tại vị trí đó quyết định đến hình dáng của sản phẩm sau ép.
d. Hình ảnh phân bốứng suất
Hình 4.17. hình ảnh phân bốứng suất
Ứng suất chủ tập chung ở góc thoát của khuôn do khi ép ở đây chính là chỗ
thoát duy nhất của vật liệu và là nơi ổn định hình thành profile của chi tiết. Nên trong quá trình ép thì tại góc thoát của phôi thường bị mài mòn do nhiệt và ma sát tiếp xúc. Khi tính toán thiết kế khuôn thì người ta quan tầm nhiều đến lỗ thoát phôi.
e. Véc tơ chyển vị của vật liệu
Hình 4.18. hình ảnh vec tơ chuyển vị
Hình 4.18. thể hiện phân bố dòng chảy của vật liệu kim loại. Vật liệu trong miền có xu hướng chảy theo hướng trục, song song với trục của khuôn ép. Ta thấy
82
sự dịch chuyển tại các vị trí có sự khác nhau rất lớn. Ởđáy khuôn thì kim loại có sự
dịch chuyển ít, còn ở ngoài buồng ép thì có sự dich chuyển mạnh do tại đó vật liệu không bị cản trở nào.
f. Nhiệt độ trong quá trình ép
Hình 4.19. hình ảnh nhiệt độ phôi trong quá trình ép
83
Hình 4.21 hình ảnh nhiệt độ của cối trong quá trình ép
Qua các hình 4.20, hình 4.21 ta thấy nhiệt độ của chày và cối ép tăng cao do nhiệt của phôi và nhiệt sinh ra trong quá trình ép sinh ra nên sau khi ép xong thì khuôn ép phải được làm nguội để tăng tuổi thọ cho khuôn. Ngoài ra ở hình 4.19 ta thấy nhiệt độ của phôi trong buồng ép không có sự thay đổi mấy (do ta đã nâng nhiệt độ buồng ép lên gần bằng nhiệt độ của phôi ép) nên trong suốt quá trình ép thì nhiệt độ của phôi hầu như không thay đổi. Còn nhiệt độ của phần kim loại sau ép thì cao hơn phần trong buồng ép là nhiệt phát sinh do ma sát trong quá trình ép.
Như vậy, thông qua đánh giá kết quả mô phỏng người thiết kế có thể thay đổi các thông số dầu vào để xác định phương án công nghệ tối ưu. Khi phân tích, người kỹ sư công nghệ hoàn toàn có thể dựa vào phân bố ứng suất, biến dạng cũng như
dòng chảy của kim loại để tránh các vùng tập chung ứng suất, vùng vật liệu khó biến dạng sẽ làm cho chất lượng sản phẩm không cao. Trong trường hợp này chỉ
cần thay đổi các kích thước hình học của dụng cụ gia công cũng như các điều kiện biến dạng sao cho phù hợp.
4.5. Kết luận
Ép chảy là một trong những phương pháp công nghệ đực biệt áp dụng cho việc sản xuất các sản phẩm, ban sản phẩm dạng thanh có profile định hình và được
ứng dụng rất phổ biến trong các ngành xây dựng, trang trí ngoại thất, công nghiệp ô tô, máy bay…
84 (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Đối với quá trình ép chảy ở trạng thái nóng, các thông số lực, công biến dạng, ứng suất, phá hủy, nhiệt độ... và một số yếu tố quan trọng khác cần được xác
định chính xác mà với những phương pháp truyền thồng thì không thể đáp ứng
được yêu cầu trên.
Qua tính toán ở trên ta thấy để tối ưu công nghệ ép chảy phải tối ưu các thông số của khuôn mẫu đặc biệt là góc mở α, hệ số ma sát µ, nhiệt độ ép chảy, mức độ biến dạng lớn nhất, tốc độ biến dạng... Để có thể tối ưu một cách nhanh chóng, ít tốn hơn côngnghệ ép chảy, người ta sử dụn công nghệ “ảo“ hay mô phỏng số với sự trợ giúp của máy tính. Đặc biệt là phần mềm DEFORM nó có thểđáp ứng những tốt những yêu cầu cơ bản của quá trình mô phỏng số hiện nay.
Dựa vào kết quảđã nghiên cứu được và ứng dụng phần mềm DEFORM mô phỏng số quá trình ép chảy thuận thanh nhôm định hình ở trạng thái nóng. Cho phép người kỹ sư các kết cũng như các thông số cơ bản của một bộ khuôn và cho phép ta chạy thửđể kiểm nghiệm kết quả trước khi cho sản xuất hàng thật. Các kết quả về
trạng thái úng suất, biến dạng và dòng chảy của vật liệu… Qua việc phân tích kết quả mô phỏng cho phép người kỹ sư công nghệ đánh giá được tổng quát quá trình biến dạng tạo hình.
85
KẾT LUẬN
Xuất phát từ yêu cầu thực tiễn của ngành công nghiệp cơ khí nói chung và ngành gia công áp lực nói riêng về việc giảm chi phí đầu vào cho quá trình sản xuất (năng lượng, vật liệu, nhân công...). Với mục đích nhằm tạo ra các sản phẩm có chất lượng về mặt kĩ thuật, song bên cạnh đó người thiết kế còn mong muốn tạo ra một sản phẩm có tính cạnh tranh cao về mặt kinh tế. Xét thấy trong thực tếđã có rất nhiều cơ sở sản xuất nhôm trong nước đã quan tâm và đầu tư những dây truyền sản xuất nhôm hiện đại, nhưng khâu thiết kế và chế tạo khuôn cho ngành sản xuất nhôm thanh định hình thì vẫn dựa trên phương pháp truyền thống. Nên chất lượng cũng như hiệu quả kinh tế chưa cao, như vậy sẽ làm tăng thêm rất nhiều chi phí và thời gian.
Nhằm tối ưu hóa công nghệ, trong phần nghiên cứu của luân văn tác giả đã nghiên cứu công nghệ ép chảy, qua nghiên cứu tính toán các thống số ảnh hưởng
đến qua trình tạo hình khi ép chảy như: Ảnh hưởng của ứng suất, lực ép, nhiệt độ
ép… Tìm hiều và phát triển công nghệ mô phỏng số vào trong quá trình ép chảy. việc tính toán thiết kế được thực hiện trên phần mềm DEFORM và phân tích bằng phương pháp phần tử hữu hạn
Để tiến hành mô phỏng số trước hết phải xây dựng mô hình bài toán ép chảy thuận trong DEFORM bao gồm mô hình hình, mô hình vật liệu, mô hình tiếp xúc và các điều kiện biên liên quan đến quá trình ép chảy thuận ở trạng thái nóng. Các mô hình này càng gần với thực tế bao nhiêu thì kết quả mô phỏng càng chính xác bấy nhiếu. Trong phần nghiên cứu của luận văn, tác giả đã thiết lập được mô hình cơ
nhiệt và các điều kiện biên có liên quan để mô tả sát thực quá trình ép thanh nhôm
định hình ở trạng thái nóng. Mô hình này đã được ứng dụng triển khai thực hiện mô phỏng số với sự trợ giúp của phần mềm DEFORM trên máy tính.
Qua việc phân tích kết quả của quá trình mô số thì các kỹ sư có thể nhanh chóng tối ưu hóa được công nghệ. Từ các kết quả của quá trình mô phỏng sẽ được
86
ứng dụng trong sản xuất, để trong quá trình sản xuất khi phải thay đổi một sản phẩm mới thì không mất nhiều chi phí cho việc sản xuất khuôn ép cũng như quá trình ép.
Với những lý do trên chúng ta phải nghiên cứu công nghệ ép chảy, tron luận văn này đã khảo sát và đưa ra được công nghệ ép chảy thuận thanh nhôm định hình phù hợp với quá trình sản xuất thực tế. Đặc biệt là quá trình sản xuất khuôn ép chảy.
Các kết quả nghiên cứu mô phỏng số chỉ dừng lại ở lý thuyết. Thông qua phần mềm DEFORM để chúng ta xây dựng mô hình bài toán ép chảy thuận thanh nhôm định có profile phức tạp. Và từ kết quả ta thu được sau quá trình mô phỏng đó ta áp dụng vào thực tế để chế tạo khuôn ép chảy ngoài thực tế mà không mất thời gian. Nhờ thế chúng ta có thể tạo ra được những sản phẩm chất lượng cao với chi phí hợp lí để từđó năng cao được tính cạnh tranh.
Trong phần nghiên cứu tiếp theo của luận văn sẽ triển khai thí nghiệm ép chảy trong thực tếđể chứng minh tính đúng đắn của kết quả mô phỏng số cũng như
87
LỜI CẢM ƠN
Để hoàn thành luận văn này tôi đã nhận được sự hướng dẫn, giúp đỡ nhiệt tình của quý thầy cô Trường Đại học Bách khoa Hà Nội.
Trước hết, tôi xin chân thành cảm ơn đến quý thầy cô Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, đặc biệt là các thầy cô đã dạy bảo tôi trong suốt thời gian học tập tại