6. Cấu trúc của nội dung luận án
3.2.5 Thiết bị gia nhiệt và bộ thu thập dữ liệu về nhiệt độ
3.2.5.1 Điều khiển nhiệt độ
Tủ điều khiển sử dụng bộ điều khiển nhiệt độ REX-C100 + SSR 40DA, điều khiển PID thông minh, nhiệt độ của bộ điều khiển theo tín hiệu đo của cặp nhiệt điện (điện trở nhiệt) và đặt giá trị độ lệch của người dùng đối với hoạt động của PID, đưa ra lệnh cho các hành động chuyển tiếp để đạt được điều khiển tự động, hiệu ứng nhiệt độ tự động. Bộ điều khiển nhiệt độ cũng có chức năng báo động và đầu ra nhiệt độ giới hạn trên.
3.2.5.2 Thanh nhiệt điện trở một đầu.
Điện trở một đầu là loại điện trở sử dụng tính chất phát nhiệt của điện trở, điện năng chạy qua điện trở chuyển thành nhiệt năng. Hầu hết dây điện trở đốt nóng sử dụng nichrome 80/20 (80% niken, 20% crom).
+ Đây là loại vật liệu lý tưởng, chịu nhiệt tương đối cao và tạo thành một lớp dính của crom oxit khi nó được làm nóng ở nhiệt độ cao.
+ Chất liệu bên dưới lớp này sẽ ngăn ngừa oxi hóa, ngăn các dây bị vỡ hoặc cháy ra ngoài.
+ Có kích thước nhỏ gọn, lắp ráp vào các lỗ khuôn, sử dụng cho điện áp 220VAC. + Thân làm bằng SUS 304 hoặc SUS 316
+ Chiều dài và đường kính tùy chọn theo yêu cầu. + Lớp vỏ bọc ngoài
+ Lớp cách điện dẫn nhiệt + Dây điện trở
Ưu điểm:
+Nhiệt độ gia nhiệt phụ thuộc vào công suất của thanh nhiệt điện trở ( phụ thuộc vào đường kính và chiều dài thanh nhiệt điện trở)
+ Thời gian làm nóng nhanh, hiệu quả cao, ổn định thích hợp trong điều khiển nhiệt độ công nghiệp
+ Sử dụng Vật liệu inox, độ bền cao + Đơn giản dễ lắp đặt và vận hành
Ứng dụng:
+ Điện trở đốt cho các loại khuôn, máy ép nhựa, hay còn gọi là điện trở ra một đầu. Theo như yêu cầu về sản phẩm dập và bộ khuôn thiết kế để đạt được nhiệt độ gia
nhiệt trong quá trình dập vuốt. Thanh nhiệt điện trở được tính toán sơ bộ là 16 thanh, với đường kính 18 mm và chiều dài 90 mm. Hình ảnh về thanh nhiệt điện trở một đầu như Hình 3.9.
Hình 3. 9 Thanh nhiệt điện trở một đầu. 3.2.5.3 Bộ thu thập dữ liệu về nhiệt độ
Cảm biến đo nhiệt được gắn trên các vị trí trên khuôn như Hình 3.10 với mục đích đo nhiệt độ tại các một số vị trí, các cảm biến được định vị nhờ bắng dính chịu nhiệt (Nitto No.973UL-S). Cảm biến đo nhiệt độ loại K được sử dụng trong nghiên cứu này. Tín hiệu đo từ các cảm biến nhiệt được kết nối với bộ thu dữ liệu sau đó truyền về máy tính lưu trữ. Bộ thu thập dữ liệu này là USB-4718 đo được tối đa 8 điểm đồng thời. Việc kết nối thông qua cổng USB thông dụng, đơn giản trong kết nối.
Máy tính Bộ USB-4718 Bộ khuôn gắn sensor nhiệt
Hình 3. 10 Kết nối giữa máy tính với bộ thu thập dữ liệu USB- 4718 3.2.6 Thiết bị đo
3.2.6.1. Thiết bị và sơ đồ đo chiều cao tạo hình của chi tiết dạng cốc trụ
1. Thiết bị đo chiều cao tạo hình chi tiết dạng cốc trụ
Để xác định chiều cao rách của chi tiết dạng cốc trụ sau khi dập cần độ chính xác nên nghiên cứu sử dụng thước đo độ cao Mitutoyo 192-132 của Nhật Bản tại Khoa cơ khí -Trường Đại học sư phạm kỹ thuật Hưng Yên như Hình 3.11. Thước đo độ cao Mitutoyo đảm bảo đầy đủ các chức năng cần thiết, thông qua các thông số kỹ thuật như sau.
- Kết quả đo sẽ được hiển thị thông qua màn hình điện tử, giúp quá trình làm việc đảm bảo nhanh chóng hơn.
- Thước đo độ cao đồng hồ Mitutoyo 192-132 giúp đo độ sâu chi tiết với phạm vi lên đến 600mm và độ chính xác là ± 0,05mm.
- Cho phép người sử dụng thay đổi kích thước dễ dàng vì được chế tạo trục đôi. Thang chia tỷ lệ đúng tuyệt đối. Hiển thị giá trị đo là hệ metric.
2. Sơ đồ đo chiều cao tạo hình (HR) chi tiết dạng cốc trụ
Hình 3. 12 Sơ đồ đo chiều cao tạo hình chi tiết dạng cốc trụ
Để đảm bảo độ tin cậy trong quá trình đo chiều cao tạo hình của chi tiết dạng cốc trụ. Nghiên cứu tiến hành đo mẫu theo sơ đồ như Hình 3.12 như sau: Chi tiết dạng cốc được đặt trên bàn máp, vị trí đo chiều cao sẽ ngược chiều với vị trí vết rách. 3.2.6.2 Thiết bị đo chiều dày của chi tiết dạng cốc trụ
Để đo chiều dày của chi tiết dạng cốc trụ sau khi dập vuốt có một số phương pháp đo như:
- Đo chiều dày bằng thước kẹp điện tử, đối với phương pháp này chi tiết dạng cốc trụ được cắt theo biên dạng để đo tại các vị trí đánh dấu. Do chi tiết có chiều dày nhỏ nên khi đo với lực kẹp khác nhau dẫn đến độ tin cậy không cao.
- Đo chiều dày bằng thiết bị siêu âm, chi tiết dạng cốc có hai vị trí có bán kính nhỏ (bán kính cong của chày và bán kính lượn của cối) dẫn đến đầu siêu âm không tiếp xúc được tại các vị trí bán kính cong này.
- Đo chiều dày bằng thiết bị kính hiểm vi. Đối với phương pháp này cho phép phân tích nguyên tố trong vùng có kích thước micromet.
Trong nghiên cứu này đã sử dụng thiết kính hiểm vi Axiovert 40 MAT (Hình 3.13) thuộc Viện hàn lâm khoa học và Công nghệ Việt Nam để đo chiều dày của chi tiết dạng cốc. Các mẫu trước khi đo được chuẩn bị như Hình 3.14.
Hình 3. 13 Thiết bị đo (kính hiểm vi Axiovert 40 MAT)
Cắt mẫu Đúc mẫu Mài mẫu
Hình 3. 14 Các bước chuẩn bị mẫu trước khi đo chiều dày 3.3. Mô phỏng số trong gia công dập vuốt
Các thông tin về mô hình phân tích như kích thước hình học, đặc trưng vật liệu, điều kiện tương tác, lực tác dụng, chia lưới phần tử … được xây dựng thông qua các công cụ của ABAQUS/CAE gồm GUI, comment line interface CLI, scripts. Tất cả các thông tin đó được đưa vào bộ Python Interface để tạo file relay và đưa vào lõi CAE kernel. Từ đây ABAQUS tạo ra file input chính là dữ liệu vào của bộ phân tích ABAQUS/ Standard hoặc ABAQUS/Explicit. Sau khi phân tích, kết quả yêu cầu dược đưa ra file output database giúp người dùng có thể quan sát, đo đạc các kết quả phân tích yêu cầu.
Luận án sử dụng phần mềm ABAQUS để nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số công nghệ, hình học, vật lý của quá trình dập vuốt phôi tấm tại nhiệt khác nhau, từ đó xác định mức độ ảnh hưởng của gia nhiệt đến quá trình dập vuốt và làm cơ sở cho quá trình thực nghiệm.
3.3.1 Mô hình phần tử hữu hạn (FEM).
Trong nghiên cứu này, quá trình dập vuốt tạo hình chi tiết dạng cốc trụ được mô phỏng với phần mềm ABAQUS 6.13. Mô hình 3D FEM cho quy trình dập vuốt được hiển thị trong Hình 3.15, trong đó chày được cố định và chặn phôi và cối được di chuyển theo hướng dọc để đạt được độ sâu của chi tiết dạng cốc tạo hình thông qua trạng thái biến dạng. Mô hình cứng tuyệt đối được sử dụng để phân tích chày, chặn phôi và cối,
chuyển vị của chúng được thể hiện bằng các điểm tham chiếu. Phôi được mô hình hóa sử dụng các yếu tố biến dạng và mô hình vỏ tích hợp giảm S4R.
Cối Phôi Chặn phôi
Chày
Hình 3. 15 Mô hình 3D của phần tử hữu hạn trong phần mềm ABAQUS.
Trạng thái dị hướng của vật liệu, biến dạng đàn hồi và dẻo của thép tấm SPCC được mô phỏng dựa trên tiêu chí ứng suất của Hill'48 và cho kết quả về tỷ số dị hướng được trình bày trong chương 2. Giá trị tỷ số dị hướng này được khai báo vào mô hình vật liệu để khảo sát hiện tượng rách thông qua mô phỏng FEM.
3.3.2 Thiết lập các thông số mô phỏng và thực nghiệm.
3.3.2.1 Xác định các thông số mô phỏng và thực nghiệm.
Trong nghiên cứu này, một mô hình bộ khuôn dập vuốt chi tiết dạng cốc trụ với các tham số chung được hiển thị tại Chương 1, Hình 1.10 và kích thước chi tiết dạng cốc trụ như Hình 3.6:
D0=150mm; d= 80mm, dp= 67mm, t= 0,6 mm
a) Thông số hình học của khuôn.
- Bán kính lượn của cối: Rd = 10 t = 10 0, 6 = 6mm
- Bán kính cong của chày được sử dụng làm đầu vào để khảo sát ảnh hưởng đến chiều cao tạo hình của chi tiết dạng cốc trụ: Rd = (4 8)mm
- Khe hở giữa chày vào cối: WC =t K =t
Dựa vào tính toán khe hở giữa chày- cối
WC= 1 mm
R =t D = 0,6 150= 0,822mm
0 0
R d 80
và dữ liệu tra bảng sổ tay dập nguội: - Mức độ dập vuốt: Đường kính phôi D0 =150 mm ; thay vào phương trình (1.8)- (1.9) được giá trị M t = 2, 25 . Do đó, số lần dập có thể được chia ra làm hai lần thay đổi trạng thái tạo hình cho phương pháp dập thông thường với thông số được tính như dưới đây:
- Chiều cao chi tiết dạng cốc trụ: Theo như tính toán trong Phương trình (1.10), (1.11), chiều cao của chi tiết dạng cốc được xác định thông qua 2 lần dập với kích thước như sau:H = 42 mm; H 2=H = 67 mm ( chiều cao lớn nhất).
1
Trong nghiên cứu này với mục đích giảm tối thiểu các nguyên công và nghiên cứu khả năng tạo hình của vật liệu tấm SPCC, khi đó phôi được gia nhiệt đến nhiệt độ cần thiết trước khi dập. Ngoài ra chi tiết dạng cốc được dập trên máy ép thủy lực song động nên việc điều chỉnh về lực dập, lực chặn phôi, tốc độ dập rất thuận tiện và chính xác. Do đó trong nghiên cứu này đã thiết kế bộ khuôn dập qua một lần dập với
Mt=2,25, để đạt được chiều cao lớn nhất (Hmax) của chi tiết dạng cốc trụ. b) Thông số vật lý và công nghệ
- Hệ số ma sát: Trong nghiên cứu này, giả định hệ số ma sát giữa chày và phôi = 0, 25 ; giữa chặn phôi và phôi = 0,125 0, 25 ( giả định = 0,15 ); giữa cối và phôi
= 0,125 0, 25 (giả định = 0,15 ) [42], [86], [87].
- Lực chặn phôi được khảo sát bằng mô phỏng và thực nghiệm kiểm chứng bằng quá trình dập vuốt chi tiết dạng cốc trụ với giới hạn: FBH = (7, 5 17, 5)KN
- Tốc độ của dụng cụ gây biến dạng được lựa chọn theo điều kiện của thực nghiệm của thiết bị máy ép thủy lực song động, tốc độ này sẽ được khai báo vào dữ liệu đầu vào của quá trình mô phỏng dập vuốt. Giá trị tốc độ của dụng cụ gây biến dạng khi thực nghiệm và mô phỏng: VP= 10 mm/s
3.3.2.2 Các thông số của quá tình dập vuốt chi tiết dạng cốc trụ
Các thông số công nghệ, hình học và vật lý như trong Bảng 3.4 được sử dụng trong nghiên cứu mô phỏng và thực nghiệm.
Bảng 3. 4 Các thông số hình học và công nghệ, vật lý cố định của quá tình dập vuốt chi tiết dạng cốc trụ
Tham số
Đường kính phôi (D0) 150 mm
Chiều dày phôi (t) 0,6 mm
Đường kính chày (dp) 67 mm
Bán kính lượn của cối (Rd) 6 mm
Khe hở giữa chày và cối ( wc) 1mm
Tốc độ của dụng cụ gây biến dạng (Vp) 10 mm/s
Bán kính cong của chày (Rp) 4÷8 mm
Lực chặn phôi (FBH) 7,5÷17,5 kN
Hệ số ma sát giữa chày ép và phôi giả định (µp) 0,25 Hệ số ma sát giữa tấm chặn phôi với phôi giả định (µh) 0,15 Hệ số ma sát giữa cối ép và phôi giả định (µd) 0,15
3.4 Nghiên cứu về quá trình gia nhiệt trong dập vuốt bằng thực nghiệm
Trong quá trình thực nghiệm dập vuốt chi tiết dạng cốc trụ trên máy ép thủy lực, việc kết nối, tích hợp các cảm biến để xác định thời gian và nhiệt độ dập là rất phức tạp. Nó ảnh hưởng tới thời gian, năng suất, các thao tác và vận hành điều khiển quá trình dập vuốt. Chính vì vậy trong nghiên cứu dưới đây, với mục đích xác định nhiệt độ và thời gian khi dập chi tiết dạng cốc là hết sức cần thiết.
3.4.1 Sơ đồ thực nghiệm
Mô hình thực nghiệm nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ và thời gian gia nhiệt như sơ đồ Hình 3.16 và thực nghiệm trên Hình 3.17. Mô hình thực nghiệm được thiết kế và bố trí gồm đầy đủ các chi tiết giống như trong quá trình dập trên máy ép thủy lực. Bộ khuôn dập vuốt được chế tạo và gắn các thanh nhiệt điện trở một đầu, các thanh nhiệt điện trở một đầu này được làm nóng thông qua tủ điều khiển khi thay đổi công suất nhiệt. Cảm biến nhiệt (Ts) được gắn trên cối như Hình 3.16 và kết nối với tủ điều khiển, cảm biến nhiệt này dùng để đo nhiệt độ và đặt nhiệt độ giới hạn trên phôi thông qua tủ điều khiển.
Để xác định nhiệt độ tại một số vị trí đặc biệt trên khuôn các cảm biến đo nhiệt độ loại K được sử dụng trong nghiên cứu này. Tín hiệu đo từ các cảm biến nhiệt được kết nối với bộ thu dữ liệu sau đó truyền về máy tính lưu trữ. Bộ thu thập dữ liệu này là USB-4718 đo được tối đa 8 điểm đồng thời. Trong nghiên cứu này các sensor nhiệt bố trí tại
5vị trí như trên phôi (Ts1), cối dập vuốt (Ts2), tấm chặn phôi (Ts3), tấm đế cối dập vuốt (Ts4), chày dập vuốt (Ts5), nhiệt độ thay đổi theo thời gian sẽ được thu thập. Dữ liệu đo sau đó sẽ được sử dụng để vẽ các biểu đồ nhiệt độ thay đổi theo thời gian.
Hình 3. 17 Sơ đồ thực nghiệm gia nhiệt và đo nhiệt cho bộ khuôn dập vuốt.
3.4.2 Xây dựng mô hình toán học thể hiện mối quan hệ giữa thời gian gia nhiệt vànhiệt độ phôi khi dập vuốt nhiệt độ phôi khi dập vuốt
Trong một nghiên cứu trước đó của tác giả, mối quan hệ giữa nhiệt độ khuôn được truyền sang phôi gia công đã được nghiên cứu, khi cần nhiệt độ của phôi dập duy trì ở 250°C thì nhiệt độ tối đa trên khuôn tại vị trí của cảm biến Ts là 300°C (vị trí của cảm biến như trong Hình 3.16).
Tuy nhiên, để xác định nhiệt độ phôi dập trong các trường hợp gia nhiệt khác, cần thiết lập mối quan hệ giữa thời gian gia nhiệt và nhiệt độ trên phôi thông qua mô hình toán học. Từ đó dễ dàng tính toán nhiệt độ phôi tại thời điểm nhất định.
Như vậy, trong nghiên cứu này, nhiệt độ được thiết lập và duy trì thông qua tủ điều khiển với Ts = 300°C để làm nóng khuôn. Quá trình truyền nhiệt từ khuôn đến chi tiết gia công được xác định thông qua hai trường hợp như sau:
Trường hợp 1: Đối với phôi dập đầu tiên
Trong trường hợp này, khuôn bắt đầu được gia nhiệt, phôi và khuôn được gia nhiệt cùng nhau (nhiệt độ gia nhiệt cho khuôn từ 25 0C÷ 3000C). Các cảm biến nhiệt độ được bố trí như Hình 3.16. Kết quả về nhiệt độ và thời gian tương ứng được thể hiện như trong đồ thị Hình 3.18a. Như trong đồ thị, các cảm biến nhiệt độ trên cối dập vuốt (Ts2), tấm chặn phôi (Ts3) duy trì nhiệt độ 300 0C bắt đầu từ thời gian 1237S, các cảm biến nhiệt độ trên tấm đế cối dập vuốt (Ts4), chày dập vuốt (Ts5) duy trì ở nhiệt độ nhỏ hơn 120 0C. Trong khi đó cảm biến trên phôi (Ts1) có nhiệt độ thay đổi từ 250C đến nhỏ hơn 3000C.
Để xác định sự thay đổi của nhiệt độ trên phôi (Ts1) và thời gian gia nhiệt tương ứng khi dập vuốt tại nhiệt độ 1500C và 2500C, một mô hình toán học được xây dựng dựa trên dữ liệu nhiệt độ và thời gian tương ứng đo được trên phôi (Ts1) được thể hiện như Hình 3.18b. Mô hình toán học về mối quan hệ giữa nhiệt độ và thời gian gia nhiệt được xây dựng bằng công cụ (Curve fitting tool) trên phần mềm Matlab như Phương trình (3.1) và các hằng số như Bảng 3.5. − 2 − 2 − 2 ( ) = ∗ exp (− ( 1 1 ) ) + ∗ exp (− ( 1 2 ) ) + 3 ∗ exp (− ( 1 3 ) ) 1 1 1 2 2 3 (3.1 ) 77
Bảng 3. 5 Các hằng số của Phương trình 3.1
Hằng số a1 b1 c1 a2 b2 c2 a3 b3 c3
Giá trị 213.2 4164 1166 197.6 2523 1189 135.6 1250 909.8