3.2.1 Giới thiệu v sản phẩm
Hình 3.1. Sản phẩm khớp nối chữ thập thực tế
Khớp nối trục là một bộ phận cơ khí để nối và truyền momen xoắn giữa hai thành phần chuyển động, thông thƣờng là nối giữa 2 trục. Có rất nhiều ứng dụng của khớp nối, ví dụ dễ thấy nhất là trong ô tô chúng ta có khớp nối các đăng, khớp nối chữ thập, nối truyền từ động cơ tới cầu trục phía sau. Ngoài ra, khớp nối còn có tác dụng nhƣ điều chỉnh tốc độ, ngăn ngừa quá tải hay đóng mở các cơ cấu cơ khí, v.v…
Khớp chữ thập thƣờng đƣợc sử dụng vì nó có cấu tạo đơn giản và chức năng chính xác. Nó có hai nạng, một nạng đƣợc hàn với trục các đăng và nạng khác gắn
40
liền với bích nối hoặc khớp trƣợt, còn trục chữ thập (trục bi chữ thập đƣợc gắn lắp vào giữa chúng qua các vòng bi. Trục chữ thập đƣợc làm từ loại thép cacbon đặc biệt và có bốn cổ trục đƣợc biến cứng bè mặt và có độ bền cao và chống mài mòn.
Sự thay đổi vận tốc góc của khớp nối chữ thập bị loại bỏ bởi hai khớp các đăng đặt tại đầu trục chủ động (bên hộp số và đầu trục bị động (bên bộ vi sai . Hơn nữa trục chủ động và trục bị động đƣợc đặt song song với nhau để ngăn cản sự thay đổi vè tốc độ quay và momen xoắn. Tuy nhiên, có sự khác nhau vè khớp các đăng trƣớc trong một xe tải dùng trục các đăng ba khớp. Với kỹ thuật bố trí lắp đăt này, theo nhƣ biểu diễn của đồ thị thì hình trên ta thấy, lúc khớp nối các đăng thứ nhất tạo ra dao động tối đa thì cùng lúc đó khớp nối thứ hai tạo ra dao động tối thiểu. Điều này giúp duy trì một tốc độ không đổi nơi bánh xe dẫn động ở một vận tốc không đổi của trục khuỷu. Việc duy trì này vẫn bảo đảm tốt ngay cả khi tốc độ của trục truyền nằm giữa hai khớp nối các đăng thay đổi liên tục.
Công dụng của chi tiết
Khớp nối là cơ cấu nối và truyền mômen. Nó đƣợc sử dụng để truyền mômen giữa các cụm không cố định trên cùng một đƣờng trục và các cụm này có thể bị thay đổi vị trí tƣơng đối trong qua trình làm việc. Ví dụ trong hệ thống truyền lực của ôtô các khớp nối đƣợc dùng để nối giữa các trục các đăng, khớp trƣợt tới hộp số với cầu chủ động hoặc để nối giữa cầu chủ động với bánh xe ở hệ thống treo độc lập .
41
Vì đặc điểm trên nên truyền động các khớp nối không những phải bảo đảm động học giữa đầu vào và đầu ra mà còn phải có khả năng dịch chuyển dọc trục để thay đổi tốc độ.
Ngoài ra để truyền mômen với khoảng cách lớn, các khớp nối còn có thể liên kết với các khớp nối khác.
Yêu cầu đối với khớp nối
Do khớp nối là nơi truyền động với công suất tƣơng đối lớn, chịu momen xoắn nên có những yêu cầu sau:
- Chống ăn mòn và có độ bền cao - Ít giãn nở vì nhiệt
- Dễ bảo trì và chống mài mòn - Chịu dao động chu kỳ
42
3.2.2. Mô hình hình học
3.2.2.1. Mô hình sản phẩm
nh 3 3 Kí h thước và mô hình 3D của sản phẩm
Trên hình là kích thƣớc sản phẩm chọn để mô phỏng quá trình ép chảy ngang. Sản phầm đƣợc thiết kế trên phần mềm Solidworks.
3.2.2.2. Mô hình phôi
nh 3 4 Kí h thước và mô hình 3D của phôi
Phôi sử dụng trong bài toán mô phỏng là phôi dạng trụ. Phôi đƣợc tính toán dựa vào điều kiện thể tích không đổi và có kích thƣớc nhƣ hình 3.4
43
3.2.2.3. Mô hình khuôn và chày
Khuôn ép chảy là phận tạo hình sản phẩm đƣợc tính toán dựa trên nguyên lý của quá trình ép chảy và kích thƣớc sản phẩm thiết kế. Các kích thƣớc của khuôn trên và khuôn dƣới đƣợc thể hiện trên hình dƣới đây
44
nh 3 6 Kí h thước và mô hình 3D của khuôn trên
Khuôn ép chảy đƣợc làm từ các mác thép hợp kim, mác thép thƣờng dùng làm khuôn ép chảy là SKD 61. Mác thép này đảm bảo điều kiện cho khuôn ép làm việc với thời gian dài và chịu tác động của nhiệt độ.
Bảng 3.1. Thành phần hoá học của thép SKD 61 TP HH C Si Mn Cr Mo V P S Tỉ lệ (%) 0,32 ~ 0,45 0,80 ~ 1,20 0,20 ~ 0,50 4,75 ~ 5,50 1,10 ~ 1,75 0,8 ~ 1.2 ≤ 0,030 ≤ 0,030
45
Chày ép là 1 bộ phận quan trọng trong quá trình ép. Kích thƣớc của chày đƣợc tính toán dựa trên điều kiện về kích thƣớc sản phẩm, kích thƣớc phôi, kích thƣớc khuôn. Hình dƣới đây là kích thƣớc chày ép đã đƣợc tính toán để phù hợp với bài toán mô phỏng.
Hình 3.7. Kí h thước và mô hình 3D của chày ép
Chày ép đƣợc làm từ thép hợp kim cacbon độ bền cao, chịu ma sát, chịu mài mòn và chịu nhiệt, có tuổi thọ cao. Vật liệu làm chày là thép SKD 11.
Bảng 3.2. Thành phần hoá học của thép SKD 11 TP HH C Si Mn Cr Mo V W P S Tỉ lệ (%) 1,4 ~ 1,6 0,4 max 0,6 max 11 ~ 13 0,8 ~ 1,2 ≤ 0.25 0.2 ~ 0.5 ≤ 0,03 ≤ 0,03
46
3.2.2.4. Mô hình mô phỏng
Theo nguyên lý làm việc và lý thuyết ép chảy đã tìm hiểu ở trên, khuôn và phôi đƣợc ghép nhƣ hình 3.8.
Hình 3.8. Mô hình 3D và mô hình mô phỏng
Bỏ qua bài toán truyền nhiệt, chỉ xét đến bài toán biến dạng của phôi nên chỉ chia lƣới cho phôi. Bài toán có dạng đối xứng trục nên trong các mô phỏng dƣới đây sẽ sử dụng mô phỏng với ¼ mô hình ban đầu. Với kích thƣớc của phôi ở trên, phôi đƣợc chia 20000 phần tử (1/4 phôi). Lựa chọn kiểu phần tử tứ diện.
3.2.3. Vật liệu sử dụng mô phỏng
3.2.3.1. Giới thiệu chung
47
Chì là một nguyên tố hóa học trong bảng tuần hoàn hóa học viết tắt là Pb (Latin: Plumbum) và có số nguyên tử là 82. Đƣợc con ngƣời phát hiện và sử dụng cách đây khoảng 6000 năm.
Chì là loại kim loại có màu sáng xanh, kiểu mạng lập phƣơng diện tâm. Chì thuộc nhóm kim loại màu nặng, khối lƣợng nguyên tử 207,19; khối lƣợng riêng 11,34g/cm3. Nhiệt độ chảy thấp (327,4 0C) trong khi nhiệt độ sôi là 17400 C. Chì chiếm vị trí quan trọng trong công nghiệp. Các đặc tính quan trong của chì là: rất mềm, dẻo, độ bền hóa học trong môi trƣờng axít tốt do tạo đƣợc màng bảo vệ vững chắc. Chì có khả năng tạo hợp kim với nhiều kim loại màu khác.
Hình 3.10. Kim loại chì nguyên chất
Chì dạng bột cháy cho ngọn lửa màu trắng xanh. Giống nhƣ nhiều kim loại, bộ chì rất mịn có khả năng tự cháy trong không khí. Khói độc phát ra khi chì cháy.
3.2.4. Nhận dạng mô hình ứng xử của vật liệu bằng phương pháp nén đơn
3.2.4.1. Thí nghiệm nhận dạng
Sử dụng thí nghiệm thử nén đơn vật liệu Chì để nhận dạng mô hình. Với giả thiết là vật liệu đàn dẻo nhớt hóa bền.
Mẫu thử nén có các kích thƣớc nhƣ hình 3.11. Mẫu nén thực thế nhƣ hình 3.12 Hình 3.13 là nguyên lý thử nén đơn.
48
Hình 3.11. Kí h thước mẫu thử nén
Hình 3.12. Mẫu thử nén thực tế
Hình 3.13. Mô hình thử n n đơn
49
- Vật liệu sử dụng để mô phỏng là Chì nguyên chất (99.9%). Chì có môđun đàn hồi E=16(GPa), hệ số poát xông = 0.44, khối lƣợng riêng, =11340
g/cm3. Sử dụng thí nghiệm thử nén đơn để nhận dạng mô hình. Mẫu thử nén có các kích đƣờng kính d = 14.7mm, chiều cao h = 22.5mm.
- Với giả thiết vật liệu có thuộc tính dẻo nhớt. Đƣờng cong ứng suất, biến dạng của Chì tuân theo quy luật mô hình nhƣ sau:
̇
Trong đó C, m, n, y là các hệ số cần nhận dạng.
- Để nhận dạng các hệ số trong mô hình vật liệu trên, thí nghiệm đƣợc tiến hành tại ba tốc độ biến dạng khác nhau là:
̇= 0.001(s-1) ; ̇= 0.01(s-1); ̇ = 0.1(s-1)
Từ kết quả thí nghiệm, qua xử lý số liệu ta đƣợc đƣờng cong quan hệ giữa ứng suất và biến dạng nhƣ hình 3.14.
50
Hệ số C và n tƣơng ứng là mô đun dẻo và hệ số mũ hóa bền đƣợc xác định
tại tốc độ biến dạng tham chiếu, đƣợc chọn là ̇ = 1s-1. Hai hệ số này nhận đƣợc bằng cách tuyến tính hóa đƣờng cong ứng suất -biến dạng trong miền biến dạng dẻo của vật liệu.
Hệ số m đƣợc nhận dạng dựa vào tỷ số quan hệ giữa ứng suất và tốc độ biến dạng tại một mức độ biến dang xác định, ε =0.5. Nghiên cứu này bỏ qua ảnh hƣởng của hệ số y.
Hình 3.15. Quan hệ giữa ứng suất và tố độ biến dạng tại ε = 0 5
Sau khi tối ƣu hóa các hệ số của mô hình đƣợc cho bởi bảng sau:
Hệ số C n m
Giá trị 27.88 0.244 0.087
Và mối quan hệ giữa ứng suất và biến dạng là:
σ = 27.88ε0.244 ̇
Đây cũng chính là mô hình sẽ đƣợc sử dụng trong mô phỏng bài toán ép chảy ngang khớp nối chữ thập bằng phần mềm Deform3D.
51
3.2.4.2. Điều kiện biên
Các điều kiện dùng trong mô phỏng đƣợc cho bởi bảng 3.3
Bảng 3.3. Điều kiện biên
Điều kiện biên Thông số Giá trị
Nhiệt độ - Nhiệt độ phôi (oC) 20
Tiếp xúc - Hệ số ma sát, f 0.04; 0.08; 0.12 Góc lƣợn khuôn - Góc lƣợn, R (mm) 1; 3; 5
Khuôn trên Khuôn dƣới
- Khuôn cố định và cứng tuyệt đối
Chày ép - Vận tốc chày ép, v (mm/s) - Hành trình chày ép (mm)
0,23; 0.5; 1 32
3.2.5. Kết quả hình dạng sau khi mô phỏng
Dƣới đây là hình ảnh kết quả sau khi mô phỏng. Sản phẩm nhận đƣợc có hình dạng giống với sản phẩm đã đƣợc thiết kế.
52
3.2.5.1. Ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến lực ép
Cũng nhƣ trong tất cả các công nghệ tạo hình khác nhƣ cán, rèn, dập,…lực ép là 1 trong những thông số công nghệ chính. Từ lực ép tìm đƣợc ta sẽ tính toán, thiết kế và nghiệm bền các chi tiết cho máy máy ép, chọn công suất động cơ. Trong nghiên cứu này sẽ xem xét ảnh hƣởng của các thông số nhƣ là hệ số ma sát, vận tốc ép, góc lƣợn trong khuôn, truyền nhiệt đến độ lớn của lực trong quá trình ép.
3.2.5.2. Ảnh hưởng của hệ số ma sát
Ma sát là một yếu tố quan trọng mà trong bất kỳ một phƣơng pháp gia công nào cũng đều phải xét đến. Ảnh hƣởng của nó đối với từng công nghệ là khác nhau. Dƣới đây là kết quả nghiên cứu ảnh hƣởng của hệ số ma sát trong ép chảy ngang.
53
Lực ma sát đƣợc tính theo công thức Culong fp, f là hệ số ma sát, p áp lực ép. Khi kim loại biến dạng dẻo trong khuôn ép chịu ảnh hƣởng của nguyên lý trở lực nhỏ nhất. Theo nguyên lý này, khi trở lực ma sát tăng lên sẽ cản trở biến dạng của phôi.
Từ đồ thị nhận thấy khi ma sát tăng, f =0.040.12 thì lực ép cũng tăng. Điều này phù hợp với lý thuyết về gia công kim loại bằng áp lực. Tuy nhiên trong vùng ban đầu khi phôi xuống nhƣ là quá trình nén mẫu, sau khi qua vùng bán kính lƣợng ảnh hƣởng của ma sát rõ ràng hơn.
3.2.5.3. Ảnh hưởng của vận tốc ép
Vận tốc ép cũng là 1 thông số quan trọng ảnh hƣởng đến quá trình tính toán. Cụ thể nếu vận tốc ép lớn sẽ làm cho tốc độ biến dạng lớn do vật liệu dẻo nhớt. Trong nghiên cứu này khảo sát vận tốc ép tại các giá trị là 0.23 mm/s, 0.5 mm/s, 1 mm/s
54
Kết quả mô phỏng nhận đƣợc phù hợp với những nhận định ban đầu, khi mà vận tốc ép tăng thì lực ép tăng. Điều này đƣợc giải thích nhƣ sau: Khi tăng vận tốc ép thì thời gian tiếp xúc giữa phôi và khuôn là ít đi, trong khi mức độ biến dạng không đổi nên tốc độ biến dạng sẽ tăng. Vì vậy lực ép sẽ tăng.
3.2.5.4. Ảnh hưởng củ bán kính lượn trong khuôn
Góc lƣợn là 1 thông số công nghệ ảnh hƣởng trực tiếp đến lực ép. Trong mô phỏng này khảo sát tại 3 giá trị bán kính lƣợn lần lƣợt là : R=1; R=3; R=5.
Hình 3.19. Ảnh hưởng củ bán kính lượn đến lực ép
Nhận thấy rằng khi tăng bán kính lƣợn thì lực ép có xu hƣớng giảm, đặc biệt trong vùng có kim loại chảy qua phần bán kính lƣợn. Điều này đƣợc giải thích là khi bán kính lƣợn tăng thì kim loại dễ chảy dẻo hơn. Vì vậy lực ép cũng sẽ giảm.
55
3.2.5.5. Ảnh hưởng của truyền nhiệt
Trong quá trình ép chảy có sự thay đổi nhiệt độ là do 1 số nguyên nhân sau: - Truyền nhiệt giữa phôi và khuôn
- Bức xạ nhiệt từ phôi vào môi trƣờng
- Nhiệt tự sinh ra trong quá trình biến dạng dẻo theo các tính toán, năng lƣợng để lệch chuyển động (biến dạng dẻo) bằng 10% tổng năng lƣợng cung cấp, 90% năng lƣợng còn lại là sinh nhiệt ).
Mà vật liệu có thuộc tính dẻo nhớt ̇ , chính vì vậy khi nhiệt độ thay đổi sẽ thay đổi đến cơ tính của vật liệu, điều đó dẫn tới lực ép thay đổi.
Hình 3.20. Ảnh hưởng của truyền nhiệt đến lực ép
Theo đồ thị khi có truyền nhiệt thì lực ép giảm, điều này đƣợc giải thích là nhiệt sinh ra trong quá trình biến dạng sẽ lớn hơn nhiệt mất đi truyền nhiệt + bức xạ), nhiệt độ trong lúc ép sẽ lớn hơn nhiệt độ trƣớc khi ép, kim loại sẽ dễ chảy dẻo hơn, vì vậy lực ép sẽ giảm.
0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 0 5 10 15 20 25 30 35 T = var T = constant Hành trình (mm) L ự c ép (N )
56
3.2.6. Tối ưu hóa các hông số ảnh hưởng đến kết quả mô phỏng v hình dạng của sản phẩm
(a) (b) (c) (d)
Hình 3.21. Kết quả mô phỏng hình dạng sản phẩm khi th y đổi các thông số
- (a) Vận tốc 0.23 (mm/s), Ma sát 0.04, góc lƣợn 5 - (b) Vận tốc 0.23 (mm/s), Ma sát 0.12, góc lƣợn 5 - (c) Vận tốc 1(mm/s) , Ma sát 0.04, góc lƣợn 5 - (d) Vận tốc 0.23 (mm/s), Ma sát 0.04, góc lƣợn 3
Nhận thấy hình (a) là có chất lƣợng bề mặt và hình dạng tốt nhất. Qua nghiên cứu ảnh hƣởng của các thông số, rút ra đƣợc các thông số tối ƣu nhƣ sau:
Vận tốc ép 0.23 mm s , Ma sát = 0.04, góc lƣợn = 5
Và từ những nghiên cứu sau về ứng suất và biến dạng trong quá trình ép chảy thì sẽ dùng bộ thông số trên để mô phỏng.
57
3.2.7. Phân tích ứng suất-biến dạng với bộ thông số hợp lý
3.2.7.1. Trường ứng suất
Ứng suất là thông số đặc trƣng cho quá trình năng lƣợng trong công nghệ ép. Trên những vùng biến dạng có trở kháng biến dạng lớn sẽ phát sinh trƣờng ứng suất lớn. Phân bố trƣờng ứng suất trên thân vật ép đƣợc thể hiện trên hình 3.22.
(a) (b)
Hình 3.22. Ứng suất theo chiều dọc sản phẩm (a) - Ứng suất theo chiều ngang sản phẩm (b)
Trƣờng ứng suất phân bố tập trung trên bề mặt tiếp xúc và có xu hƣớng tập trung về tâm của sản phẩm theo đồ thị phân bố). Giá trị lớn nhất của ứng suất lớn nhất đạt khoảng 52.4 Mpa trên bề mặt tiếp xúc với khuôn .
Vị trí 1: Vị trí điền đầy kim loại và vị trí 2: vị trí bán kính lƣợn của khuôn : xuất hiện ứng suất cục bộ. Ứng suất cục bộ xuất hiện tại đây sẽ ảnh hƣởng đến chất