Chương 3: Thiết kế cơng nghệ tạo hình w
Mặt tạo hình là mặt phẳng (khơng kht) Mối liên hệ các kích thước:
Mối liên hệ các thông số H2, L2, R2 là : L2 > R1 >H2 min Mối liên hệ khuôn dưới: L1 > R2 > H1.
Chương 4 MÔ PHỎNG KHUÔN BẰNG PHẦN MỀM DEFORM-3D VÀ ĐIỀU CHỈNH THIẾT KẾ
4.1 Giới thiệu phần mềm Deform
Deform là phần mềm mơ phỏng các q trình gia cơng vật liệu dựa trên phương pháp phần tử hữu hạn (Finite Element Method-Fem) rất nổi tiếng của hãng Scientific Forming, Hoa Kỳ. Deform có 3 sản phẩm phổ biến là Deform 2D, Deform 3D và Deform HT, ngồi ra cịn có F2 và F3. Hai phiên bản đầu dùng mô phỏng các q trình gia cơng vật liệu áp lực: cán, kéo, dập ép... Cũng có thể sử dụng các phiên bản này để mơ phỏng q trình gia cơng như cắt, khoan.. Phiên bản Deform HT là chương trình hỗ trợ cho Deform 2D, 3D, nó có thể mơ hình hóa các ảnh hưởng xử lý nhiệt (thường hóa, tơi, ram...) bao gồm: Độ cứng, kích thước hạt của tổ chức kim loại, biến dạng, ứng suất dư, hàm lượng cacbon...
Giao diện phần mềm Deform đơn giản và dễ sử dụng. Cột bên phải là các lệnh tương ứng quá trình mơ phỏng: tiền xử lý (pre-processor), mơ phỏng (simulator) và hậu xử lý (post processor).
Chương 4: Mô phỏng bằng phần mềm deform-3D và điều chỉnh thiết kế
Các bước cơ bản trong q trình mơ phỏng:
4.2 Cách nhập thông số mô phỏng trên phần mềm DEFORM-3D
4.2.1 Cách tạo một chương trình mơ phỏng mới
Sau khi mở giao diện làm việc của phần mềm Deform-3D, để tạo ra một mơ phỏng mới có thể chọn : File New problem Next Chọn vị trí lưu Đặt tên file Nhập thông số mô phỏng.
4.2.2 Thiết lập mơ hình hình học, cách chèn mơ hình hình học vào phần mềm
Để mơ phỏng chính xác với ý đồ mong muốn của người thiết kế thì có thể thiết kế khn, phơi và vị trí tương đối của chúng trên phần mềm khác và lưu dưới dạng file mà phần mềm đọc được như *.DB, *. STL, *.KEY... Trong bài luận văn, Phần mềm Solidwork sẽ được sử dụng để thiết kế khuôn. Khuôn sau được thiết kế từng phần và đặt tên thích hợp thì sẽ được sắp xếp vị trí bằng hệ thống file Assembly của Solidworks rồi lưu dưới dạng file có đi *.STL.
Lưu ý: Mơ hình hình học cũng có thể thiết kế trực tiếp trên phần mềm mô phỏng
Deform-3D nhưng dành cho chi tiết đơn giản, trong bài luận văn này để cho mơ phỏng có độ tin cậy cao hơn nên dùng phần mềm Solidwork.
Nhập mơ hình hình học vào phần mềm:
Chọn thẻ Geometry Import geometry Đến vị trí file đã được tạo trên Solidwork.
Hình 4. 2 Thiết lập mơ hình hình học
Thứ tự nhập file như thứ tự khuôn: Workpiece (phôi), Top die (khuôn trên), Bottom die (khuôn dưới). Ngồi 3 đối tượng cơ bản nêu trên, mơ phỏng có thể có thêm 1 hay nhiều
Chương 4: Mô phỏng bằng phần mềm deform-3D và điều chỉnh thiết kế
đối tượng mà có thể thao tác thêm hay bớt bằng cách nhấp vào biểu tượng Insert object, Delete object.
4.2.3 Thiết lập điều kiện biên cho mô phỏng:
- Nhập vật liệu và nhiệt độ
Chọn đối tượng cần nhập vật liệu như: Workpiece (phôi), Top die (khuôn trên),
Bottom die (khuôn dưới)... để tiến hành nhập vật liệu và nhiệt độ. General Assign temperature Nhập nhiệt độ.
General Load material from library Chọn vật liệu từ thư viện.
Chọn hộp thoại General Plastics đối với phôi (phôi biến dạng dẻo) và Rigid đối với khn (cứng).
Hình 4. 3 Thiết lập nhiệt độ và vật liệu
- Chia lưới và thiết lập thông số ép của khuôn dập
Chia lưới
Chọn hộp thoại Mesh Number of element Nhập thông số chia lưới (Việc chia lưới phụ thuộc vào cấu hình máy tính đang sử dụng. Chia lưới càng mịn thì kết quả mơ
phỏng có kết quả chính xác càng cao) Generate Check mesh (hoàn thành việc chia lưới).
- Thiết lập di chuyển khuôn dập
Đối tượng di chuyển thơng thường là Top die. Một số trường hợp có thể là đối tượng khác. Phần mềm có hai chế độ di chuyển là tịnh tiến và xoay:
Đối với chế độ tịnh tiến: Chọn hộp thoại Movement Translation Chọn “Direction” để chọn hướng di chuyển (X, Y, Z).
Chọn “Constant value” để nhập tốc độ di chuyển nếu là hằng số hoặc hàm theo thời gian (Function of time).
Đối với khuôn xoay: Chọn hộp thoại Movement Rotation
Tốc độ góc (Angular Velocity): được xác định bằng hằng số hoặc theo hàm theo góc hoặc theo thời gian (Function of time).
Xác định trục quay (Axis). - Thiết lập số bước mô phỏng
Chọn hộp thoại Simulation controls Step Tiến hành thiết lập thông số “With die displacement”: để nhập khoảng cách di chuyển của mỗi bước. “Numbers of simulations steps”: để nhập số bước mô phỏng.
“Step inclement to save”: Nhập số bước mô phỏng lưu 1 lần để hiển thị kết quả.
- Thiết lập điều kiện dừng
Chọn hộp thoại Simulation controls Stop Primary Die displacement Nhập khoảng cách di chuyển của khuôn vào. Tùy theo hướng khuôn đi theo phương nào mà nhập thơng số vào vị trí XYZ tương ứng. Ví dụ: khuôn trên di chuyển theo phương -Y một khoảng 30mm thì nhập vào phần mềm là -30mm, tương tự cho các vị trí khác.
- Thiết lập thơng số ma sát và truyền nhiệt của khuôn
Chương 4: Mô phỏng bằng phần mềm deform-3D và điều chỉnh thiết kế
Thiết lập hệ số ma sát: Chọn đối tượng cần thiết lập (khuôn trên - phôi) Chọn Edit Chọn Deformation chọn Friction Nhập hệ số ma sát. Thiết lập hệ số truyền nhiệt: Chọn đối tượng cần thiết lập (khuôn trên - phôi)
chọn Edit Chọn Thermal Chọn Heat transfer coefficient Nhập hệ số truyền nhiệt.
- Thiết lập thông số nhiệt độ và hệ số trao đổi nhiệt với môi trường
Chọn Simulation controls Process condition Heat transfer Nhập thông số: Environment temperature: Nhập nhiệt độ môi trường.
Convection coefficient; Nhập hệ số trao đổi nhiệt với môi trường. - Thiết lập Thơng số thể tích
Q trình mơ phỏng thể tích của phơi khơng đổi. Vì vậy, ta thiết lập trên phần mềm bằng cách chọn Properties Active in Fem Volume Yes.
4.2.4 Kiểm tra và tạo cơ sở dữ liệu:
Chọn vào hộp thoại Database Generation Chọn lệnh check để kiểm tra lỗi (nếu có thì sửa lỗi) Chọn lệnh Generation (Tạo cơ sở dữ liệu).
4.3 Chạy phần dữ liệu mô phỏng và xem kết quả mô phỏng
Quay về giao diện ban đầu mở máy, chọn file đã tạo dữ liệu Chọn Start để chạy chương trình.
Khi chương trình hồn thành chạy dữ liệu thì chọn Deform 3D- Post góc phải màn hình để xem kết quả mơ phỏng.
Hình 4. 5 Chạy phần mềm mơ phỏng
4.4 Mô phỏng khuôn bước 1
4.4.1 Điều kiện mô phỏng (Thơng số đầu vào)
Kích thước của phơi sau khi nung: 385.7×13.15mm. Xác định nhiệt độ của phơi trước mô phỏng.
Nhiệt độ ban đầu của phôi sẽ là: 1200°C sau khi ra khỏi lò và mất 5s để thao tác bỏ vào khuôn bước 1, nhiệt độ môi trường là 35°C.
Chương 4: Mô phỏng bằng phần mềm deform-3D và điều chỉnh thiết kế
Hình 4. 6 Nhiệt độ của phơi khi mơ phỏng
Nhiệt độ trung bình khi phôi bắt đầu rèn là :1130°C.
Bảng 4. 1 Các thông số khác của mô phỏng khuôn thứ nhất
Điều kiện Phôi Khuôn trên Khuôn dưới
Vật liệu SUP3 SKD61 SKD61
Nhiệt độ (°C) 1130 35 35
Chia lưới 50000 100000 100000
Hệ số ma sát với phơi __ Rèn nóng, có bơi trơn: 0.3
Rèn nóng, có bơi trơn: 0.3 Hệ số truyền nhiệt với phôi
(N/sec/mm/s) __ 11 11
Hệ số truyền nhiệt với môi
trường (N/sec/mm/s) 0.02 __ __
Khoảng cách di chuyển so
với khuôn dưới (mm) __ 77.85 __
Số bước mô phỏng 88
Nhiệt độ môi trường (°C) 35
4.4.2 Kết quả mơ phỏng
Kích thước phơi sau khi mơ phỏng:
Hình 4. 7 Kích thước tổng thể của chi tiết
Nhận xét: Từ kích thước mơ phỏng xem như không hở và dựng lại trên mơ phỏng thì
kích thước phơi ngắn hơn kích thước phơi dự tính ban đầu là 15mm (như hình dưới) nên điều chỉnh lại kích thước phơi ban đầu lên là 400mm.
Nguyên nhân: Tính tốn ban đầu bị sai (chủ yếu) cộng thêm sự giảm kích thước của
Chương 4: Mô phỏng bằng phần mềm deform-3D và điều chỉnh thiết kế
Hình 4. 8 Kích thước chênh lệch của phơi sau mơ phỏng so với phôi thiết kế
Điền đầy khuôn
Phôi bị hở một số vị trí như hình dưới nên khó dựng lại phơi để tiến hành mô phỏng bước tiếp theo. Cần điều chỉnh phơi và hình dạng khn.
Hình 4. 9 Một số vị trí khơng điền đầy của khn
4.4.3 Điều chỉnh thiết kế
Thay đổi kích thước phơi ban đầu và kiểu phôi sau bước 1
Thay đổi hình dạng phơi sau bước dập 1 như hình 4.10.
Hình 4. 10 Kích thước phơi sau điều chỉnh
Kết quả mơ phỏng sau khi điều chỉnh
Kích thước tổng thể: Chiều dài phôi 374.72mm gần bằng với kích thước mong
muốn điều chỉnh là 374.06mm.
`
Hình 4. 11 Kích thước của phơi sau mơ phỏng (phơi điều chỉnh)
Đường kính của phơi sau khi biến dạng.
Chương 4: Mô phỏng bằng phần mềm deform-3D và điều chỉnh thiết kế
Bảng 4. 2 Kích thước của phơi tại một số vị trí cắt
Vị trí cắt Hệ số co giãn theo phương OY Đường kính phơi (OY) Hệ số co giãn theo phương OZ Kích thước phơi (OZ) Vị trí 1 -0.00382 13.100mm -0.00374 13.101mm Vị trí 2 -0.00259 13.116mm -0.00514 13.082mm Vị trí 3 -0.00539 13.079mm -0.0168 12.92mm Vị trí 4 -0.0457 12.549mm -0.0184 13.126mm Nhận xét:
Kích thước chung của phơi hợp lý, chiều dài đúng với dự kiến.
Bước mơ phỏng thứ 2 thì kích thước phơi tạo vị trí 3-4 gần như khơng đổi nên để dễ dàng dựng lại phơi thì ta lấy kích thước trung bình của phơi bước là: 13.1 mm trên tồn bộ phơi.
4.5 Mơ phỏng bước 2
4.5.1 Điều kiện mô phỏng (Thông số đầu vào)
Kích thước của phơi: kích thước phơi được lấy như mơ phỏng 1, đường kính được lấy
trung bình trên tồn phơi là 13.1mm.
Nhiệt độ ban đầu trước mô phỏng:
Nhiệt độ ban đầu của phôi trước khi mô phỏng bước 2 là: 1010°C, giả sử thời gian chuyển từ bước 1 sang mơ phỏng bước 2 là 5 giây thì nhiệt độ trung bình của phơi trước khi mơ phỏng bước 2 là: 928°C.
Hình 4. 13 Nhiệt độ của phôi trong giai đoạn chuyển tiếp bước 1, 2
Bảng 4. 3 Điều kiện mô phỏng của khuôn 2
Điều kiện Phôi Khuôn trên Khuôn dưới
Vật liệu SUP3 SKD61 SKD61
Nhiệt độ 928°C 35°C 35°C
Chia lưới 50000 100000 100000
Hệ số ma sát với phơi __ Rèn nóng, có bơi trơn: 0.3
Rèn nóng, có bơi trơn: 0.3 Hệ số truyền nhiệt với
phôi (N/sec/mm/s) __ 11 11
Hệ số truyền nhiệt môi
trường (N/sec/mm/s) 0.02 __ __
Khoảng cách di chuyển
(mm) __ 90 __
Số bước mô phỏng 90
Nhiệt độ môi trường 35°C
4.5.2 Kết quả mô phỏng
Chương 4: Mô phỏng bằng phần mềm deform-3D và điều chỉnh thiết kế
Kích thước phơi theo phương ox và oz như bảng dưới: (vì phơi có tính đối xứng nên các kích thước chỉ xét 1 phần của kết quả mơ phỏng):
Hình 4. 14 Một số vị trí cắt của phơi
Bảng 4. 4 Kích thước của phơi tại một số vị ví cắt
Đường thẳng thứ nhất Đường thẳng thứ 2 Vị trí cắt Theo phương ox Theo phương oz Theo phương ox Theo phương oz Vị trí 1 11.69mm 12.33mm 12.79mm 12.80mm Vị trí 2 10.72mm 11.5mm 12.86mm 12.98mm Vị trí 3 11.69mm 12.2mm 13.03mm 12.95mm Nhận xét:
Từ kết quả mô phỏng: Ta thấy phôi chảy quá nhiều, làm đường kính phơi giảm rất nhiều nên không đảm bảo yêu cầu chất lượng cần thay đổi thiết kế bước này.
Hình 4. 15 Hình dạng của khn dưới 2
Chiều cao tại vị trí tạo hình ảnh hưởng nhiều đến việc chảy của phôi, chiều cao vị trí 1 q bé thì phơi theo phương ngang khơng đúng kích thước; chiều cao càng cao thì khi phơi bị uốn bởi khuôn trên và đi xuống, phôi sẽ bắt đầu tạo hình giữa vị trí 2 sẽ làm cho lực căng T bên đường thẳng thứ 1 xuất hiện. Càng đi xuống lực kéo T càng tăng làm cho việc phôi di chuyển từ đường thẳng thứ 1 sang đường thẳng 2 càng khó khăn. Vì vậy, khn trên càng đi xuống thì lực tác dụng lên đường thẳng thứ nhất càng lớn nên sinh ra đường tiết diện bị thắt lại như hình.
Hệ số ma sát cũng ảnh hưởng đến quá trình phần kim loại di chuyển từ đường thứ 2 sang đường thứ nhất.
Vì vậy, thiết kế khn dưới cần có giải pháp để giảm chiều cao 1 tối đa nhưng vẫn đảm bảo kích thước khơng bị giảm q nhiều.
4.5.3 Thay đổi thiết kế và mô phỏng lại:
- Việc tạo hình của phần 2 sẽ được thay đổi bằng những cánh tay có thể xoay. Khi có tác động của lực của khuôn trên đi xuống và làm xoay trục.
- Thiết kế và tính tốn thời gian xoay của trục xoay dựa vào mơ phỏng
- Kích thước sơ bộ từ tâm xoay đến phơi của tay là 250mm và tạo góc nghiêng 10° so với mặt phẳng nằm ngang (như hình dưới).
Chương 4: Mơ phỏng bằng phần mềm deform-3D và điều chỉnh thiết kế
Hình 4. 16 Điều chỉnh thiết kế khuôn 2
Bảng 4. 5 Thông số mô phỏng khuôn 2 điều chỉnh
Điều kiện Phôi Khuôn trên Khuôn dưới Tay quay
Vật liệu SUP3 SKD61 SKD61 SKD61 Nhiệt độ 928°C 35°C 35°C 35°C Chia lưới 50000 100000 100000 100000 Hệ số ma sát với phôi __ Rèn nóng, có bơi trơn: 0.3 Rèn nóng, có bơi trơn: 0.3 Rèn nóng có bơi trơn: 0.3 Hệ số truyền nhiệt với
phôi (N/sec/mm/s) __ 11 11 11 Hệ số truyền nhiệt môi trường (N/sec/mm/s) 0.02 __ __ __ Khoảng cách di chuyển (mm) __ 71 __ __ Số bước mô phỏng 71 __ __ Tốc độ di chuyển __ 5mm/s __ 0.166 rad/s
Nhiệt độ mơi trường 35°C
So sánh kích thước phơi với các kết cấu tạo hình khn trên khác nhau
Phương án điều chỉnh 1:
Khn trên có hệ số ma sát là 0.3 (Vị trí tạo hình khơng xoay được).
Hình 4. 17 Thiết kế đầu tạo hình khn trên phương án 1
Kết quả: Kích thước mặt cắt của phôi theo các phương của khu vực nhỏ nhất: (11.60,
12.77mm).
Chương 4: Mô phỏng bằng phần mềm deform-3D và điều chỉnh thiết kế
Phương án điều chỉnh 2:
Phần khn kht tại vị trí sâu 1mm (Nếu kht sâu hơn sẽ khơng lấy được phơi sau khi hồn thiện), hệ số ma sát được thiết kế theo kiểu ổ trượt nửa ướt (hệ số ma sát: 0.15):
Hình 4. 19 Thiết kế đầu tạo hình phương án 2
Kết quả: Kích thước mặt cắt của phôi theo các phương của khu vực nhỏ nhất: (11.68,
Hình 4. 20 Tiết diện nhỏ nhất của phôi theo phương án 2 Phương án điều chỉnh 3: Phương án điều chỉnh 3:
Kết cấu điều chỉnh dạng tròn trơn, thiết kế dạng ổ trượt nửa ướt (hệ số ma sát 0.15mm).
Hình 4. 21 Thiết kế đầu tạo hình theo phương án 3
Kết quả mơ phỏng: Kích thước mặt cắt của phơi theo các phương của khu vực nhỏ nhất: (9 11.90, 12.97mm).
Chương 4: Mô phỏng bằng phần mềm deform-3D và điều chỉnh thiết kế
Hình 4. 22 Tiết diện nhỏ nhất theo phương án 3
Nhận xét: Dựa vào 3 kết quả điều chỉnh hình dạng và hệ số ma sát của khn trên thì
phương án 3 đảm bảo kích thước phơi chảy ít, tiết diện đảm bảo nhất. Kết quả mơ phỏng của khuôn theo phương án 3 là tốt nhất:
Kết quả chi tiết mô phỏng bước 2 (theo phương án 3)
Nhiệt độ: Nhiệt độ trung bình của phơi sau hồn thiện bước 2 là 779°C.