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 lƣợng sản phẩm sau khi ép.
1
58
So sánh phân bố ứng suất trong quá trình ép chảy
(30%) (50%) (90%)
Hình 3.23. Phân bố ứng suất trong quá tr nh p theo lượng ép
Phôi đƣợc dùng mô phỏng có chiều dài là 45 (mm), yêu cầu ép phôi 30 (mm). Vậy gọi lƣợng ép tƣơng ứng với ép đƣợc 30 (mm) là 100%. Khảo sát phân bố ứng suất tại 3 lƣợng ép là : 30%, 50%, 90%.
Trong quá trình ép, biết đƣợc phân bố ứng suất nhƣ thế nào là hết sức quan trọng. Nhƣ ta đã biết :
σ = (N/mm2) Trong đó σ : Ứng suất (N/mm2)
F: Lực ép (N)
S : Diện tích tiếp xúc (mm2)
Vì vậy phân bố ứng suất cũng liên quan đến phân bố lực trong quá trình ép. Nhƣ trên hình 3.23, giai đoạn đầu, với lƣợng ép nhỏ (30%), phân bố ứng suất tập trung chủ yếu tại tâm. Giai đoạn tiếp theo, khi lƣợng ép tăng lên 50% , thì miền phân bố
59
ứng suất đã phát triển cả về phạm vi và độ lớn. Với giai đoạn cuối cùng lƣợng ép 90% , quá trình điền đầy kim loại vào nhanh đang diễn ra, có thể thấy ứng suất đã đạt đến giới hạn lớn nhất, miền phân bố đã gần hết sản phẩm, tập trung chủ yếu tại tâm và bề mặt tiếp xúc giữa phôi và khuôn. Nhƣ vậy, càng về sau, lực ép càng tăng lên.
3.2.7.2. Trường biến dạng
Trong bài toán biến dạng dẻo, thông số quan trọng cần phân tích là biến dạng của vật liệu.
Quá trình biến dạng là hoạt động tạo hình dạng, kích thƣớc mong muốn và đồng thời cũng là nguyên nhân chính hình thành và phát triển các khuyết tật bên trong vật liệu.
Trên hình 3.24 thể hiện phân bố biến dạng dọc và ngang theo chiều trục của vật ép sau ép.
(a) (b)
Hình 3.24. Phân bố biến dạng trên mặt cắt ngang trục (a)- Phân bố biến dạng trên mặt cắt dọc trục (b)
Biến dạng nhiều nhất tập trung ở tâm vật ép, ngoài ra còn xuất hiện cục bộ tại góc lƣợn, nơi tiếp xúc giữa phôi và khuôn. Điều này sẽ đƣợc làm rõ hơn trong phần thực nghiệm.
1
60
So sánh phân bố biến dạng trong quá trình ép chảy
(30%) (50%) (90%)
Hình 3.25. Phân bố biến dạng trong quá tr nh p theo lượng ép
Có thể thấy rất rõ ràng quá trình phân bố mức độ biến dạng trong quá trình ép ngang. Đầu tiên với lƣợng ép nhỏ (30%), mức độ biến dạng ít, phần đầu phôi chƣa xuất hiện biến dạng mà tập trung chủ yếu tại tâm (vị trí 1 . Sau đó với lƣợng ép tăng lên (50%) thì mức độ biến dạng cũng tăng lên, vẫn tập trung tại tâm và có xu hƣớng phân bố ra nhánh. Và với lƣợng ép gần đạt đến yêu cầu (90%) thì phân bố mức độ biến dạng đã phân bố gần hết sản phẩm, lúc này tại các nhánh, quá trình điền đầy đang diễn ra và mức độ biến dạng đạt cao nhất. Giai đoạn cuối có vai trò lớn đến chất lƣợng bề mặt sản phẩm sau ép. Nhƣ trên hình 3.24, với lƣợng ép 90% thì tại bề mặt tiếp xúc giữa phôi và khuôn có mức biến dạng cao. Vì vậy giai đoạn này phải đƣợc quan tâm và theo dõi.
Tập trung biến dạng
61
3.2.7.3. Phá hủy
Hình 3.26. Phân bố ường độ phá hủy theo chiều ngang sản phẩm
Cƣờng độ phá hủy tập trung trên bề mặt sản phẩm. Chỗ tiếp xúc của phôi và khuôn (vị trí 2 . Đặc biệt là vị trí nhánh điền đầy (vị trí 1 . Đây cũng là nơi phải chú ý vì dễ xảy ra vết nứt, gây hỏng sản phẩm.
3.2.7.4. Tải trọng
Hình 3.27. Phân bố tải trọng trên khuôn
1 2
62
Hình 3.27 biểu diễn mối quan hệ giữa tải trọng của khuôn ép trên theo thời gian trong quá trình ép. Có thể nhận thấy rõ ràng rằng, lực ép tăng dần theo thời gian ép đồng nghĩa với việc khi phôi ép càng xuống sâu vào khuôn ép thì lực ép càng tăng. Khi phôi ép đã chảy ổn định trong lòng khuôn ép thì lực ép không thay đổi nhiều và khi phôi chạm vào thành ngoài cùng các nhánh thì tải trọng tăng đột ngột. Vì lúc này xuất hiện phản lực của khuôn. Tải trọng lớn nhất tác động lên khuôn (tính cho ¼ khuôn) là 4.25 kN.
3.3. Kết luận
Với mục tiêu là nghiên cứu ảnh hƣởng của các yếu tố công nghệ đến quá trình ép, các kết quả đã trình bày bên trên đã đạt đƣợc yêu cầu đặt ra.
Các yếu tố ma sát, vận tốc ép, bán kính góc lƣợn khuôn, ảnh hƣởng của truyền nhiệt của bài toán đã đƣợc nghiên cứu thông qua quá trình mô phỏng. Các kết quả đạt đƣợc tƣơng đồng với các lý thuyết đƣợc đƣa ra và các kết quả mà các tác giả khác đã công bố.
Trên cơ sở xem xét ảnh hƣởng của các thông số công nghệ đã trình bày, chƣơng này đã đƣa ra các thông số công nghệ cần thiết và thiết kế bộ khuôn ép làm cơ sở để tiến hành thực nghiệm. Chƣơng 4 sẽ trình bày các kết quả thực nghiệm và so sánh với kết quả mô phỏng.
63
CHƢƠNG 4. THỰC NGHIỆM CHẾ TẠO KHỚP NỐI CHỮ THẬP BẰNG PHƢƠNG PHÁP ÉP CHẢY NGANG
4.1. Giới thiệu chung
Nhƣ đã giới thiệu tại chƣơng 2, khớp nối chữ thập là 1 bộ phận quan trọng trong truyền động của trục. Hiện nay có khá nhiều phƣơng pháp chế tạo khớp nối chữ thập, đa phần là sử dụng phƣơng pháp dập. Ép chảy ngang cũng là 1 phƣơng pháp đƣợc sử dụng để chế tạo khớp nối chữ thập. Sau khi sử dụng các phƣơng pháp nghiên cứu lý thuyết chƣơng 1, chƣơng 2 kết hợp với mô phỏng số chƣơng 3 để nghiên cứu cơ chế cũng nhƣ các yếu tố ảnh hƣởng tới công nghệ ép chảy ngang, nhóm nghiên cứu bắt đầu tiến hành thực nghiệm chế tạo và đạt đƣợc những kết quả khả quan. Sau đây là các quá trình chuẩn bị và thực nghiệm chế tạo sản phẩm khớp nối chữ thập.
4.2. Thực nghiệm chế tạo
4.2.1. Chuẩn bị mẫu
Hình 4.1. Mẫu chì dùng trong thí nghiệm
Mẫu chì đƣợc sử dụng là chì nguyên chất 99,99% , có kích thƣớc D = 14,7 mm; H = 45mm. Mẫu chì đƣợc cắt từ phôi Chì nhờ máy cắt dây, do đó giữ nguyên