6. Cấu trúc của nội dung luận án
1.2.2 Xác định các thông số của quá trình dập vuốt
1.2.2.1 Thông số hình học của khuôn
Để thiết kế khuôn dập vuốt chi tiết dạng cốc trụ có vành, các thông số hình học như trong Hình 1.10. Trong đó: Rd là bán kính lượn của cối, Rp là bán kính cong của chày, t là chiều dày phôi và Wc là khe hở giữa chày và cối.
Hình 1. 10 Các thông số hình học cơ bản của khuôn dập vuốt chi tiết dạng cốc trụ có vành.
a) Bán bính lượn của cối Rd và bán kính cong của chày RP
Bán kính lượn của cối Rd có thể thay đổi với nhiều kích thước khác nhau. Tuy nhiên, bán kính cong của cối quá lớn thì thường tăng xu hướng nhăn, gấp của vật liệu, còn khi bán kính lượn của cối quá nhỏ sẽ làm tăng ma sát với phôi khi dập vuốt và thường sẽ không đạt được kích thước tạo hình như mong muốn. Bán kính cong của chày RP xác định dựa trên chiều cao tạo hình chi tiết, mức độ dập và vật liệu dập vuốt. Các kích thước cơ bản được đề xuất cho bán kính lượn của cối và bán kính cong của chày như trong Bảng 1.1:
Bảng 1. 1 Các tham số trích dẫn [42-43]
Bán kính lượn của cối ( R ) R = (6 −10)t Đối với lần dập đầu tiên
d d
Bán kính lượn của cối ( Rd ) R
d= (6 −8)t Đối với các lần dập tiếp theo Bán kính cong của chày ( Rp ) R p= (3 − 4)t Đối với 6, 3mm d p100mm
R p= (4 − 5)t Đối với 100 mm dp200mm R p= (5 − 7)t Đối với 200mm dp
b) Khe hở giữa chày và cối WC
Nếu khe hở giữa chày và cối quá rộng, vật liệu sẽ không tiếp xúc đồng thời với cả hai bộ phận của khuôn, vì vậy khi dập vuốt thường xảy ra hiện tượng nhăn trên chi tiết. Khe hở giữa chày và cối nhỏ, khi dập vuốt xuất hiện nén vật liệu và gây biến mỏng trên chi tiết.
Khe hở giữa chày và cối được tính toán dựa trên chiều dày lớn nhất tK của phần vành tại ổ biến dạng như công thức dưới đây [39]:
(1.1)
t K =t R0
R
Trong trường hợp khi toàn bộ phôi dập được kéo vào trong cối thì phần vành sẽ không có, tương ứng R=rp: Do đó: t =t R 0 K r p (1.2) Hoặc khi tính đến tính dị hướng của kim loại thì:
t =t ( R0 ) +1 *
1 R
Krp (1.3)
Trong đó: R0 là bán kính của phôi tấm; R là bán kính của vành chi tiết sau khi dập vuốt; t là chiều dày của phôi tấm; tK là chiều dày lớn nhất của phần vành tại ổ biến dạng; rp là bán kính chày dập vuốt.
Đối với kim loại đẳng hướng, hệ số dị hướng R*=1. Khe hở WC giữa chày và cối của khuôn dập vuốt có thể tính gần đúng WC= tK. Giá trị chính xác hơn của khe hở WC
được xác định theo bảng trong sổ tay dập nguội.
1.2.2.2 Đường kính của phôi tấm ban đầu D0
Khi dập vuốt không biến mỏng, chúng ta có thể coi rằng: diện tích bề mặt của chi tiết đã được dập vuốt cân bằng với diện tích bề mặt của phôi:
Fchi tiết= Fphôi
Đối với các chi tiết có dạng tròn xoay thì phôi đương nhiên có dạng hình tròn, vì vậy điều kiện cân bằng diện tích bề mặt giữa phôi và chi tiết khi chiều dày phôi không
đổi có dạng sau:
Fchi tiết= 0,785. 2 (1.4)
0
Do đó đường kính của phôi sẽ là:
D0= 1,13 √
ℎ (1.5) Diện tích bề mặt chi tiết: Fchi tiết được xác định bằng tổng diện tích của các phần tử hình học đơn giản tạo thành chi tiết (Hình 1.11) và Phương trình (1.7). Đường kính phôi được xác định như Phương trình (1.6)
Hình 1. 11 Sơ đồ phân chia bề mặt chi tiết thành các phần tử hình học đơn giản.
=1,13 F +F +....+ F =1,13 n D F O 1 2 n i i =1 F = d + 4d h − ( R +R ) 2 d p i p 2 (1.6) (1.7) Trong đó: F1, F2...., Fn - diện tích hình học của các phần từ hình học đơn giản tạo thành chi tiết; Fi là diện tích bề mặt (Hình 1.11) và Do là đường kính của phôi ban đầu.
1.2.2.3 Mức độ dập vuốt Mt
Trong quá trình dập chi tiết dạng cốc trụ cần xác định mức độ dập vuốt, mức độ dập vuốt được xác định theo tỷ lệ giữa đường kính của phôi ban đầu với đường kính của phần được dập. Mức độ dập vuốt được xác định theo công thức dưới đây.
Hình 1. 12 Trình tự dập vuốt [43] M =Ph «i − D , 0 d Chµy − d M =D d d0 với một lần dập M = D
d1 d0 cho lần dập đầu tiên
1 M =d d 2 d1 cho lần dập thứ hai 2 M =dn−1 cho lần dập thứ n dn dn (1.8) (1.9) (1.10) (1.11) (1.12) Trong đó: d1 là đường kính của phôi sau lần dập đầu tiên; d2 là đường kính của phôi sâu lần dập thứ hai; dn là đường kính của phôi cho các lần dập thứ n.
Tổng số lần dập vuốt Mt được tính bằng tỷ lệ giữa đường kính của phôi ban đầu với đường kính cuối cùng của quá trình dập vuốt và được hiển thị như công thức sau:
M =D
0
t dn (1.13)
Với một số lần dập vuốt, tổng mức độ dập vuốt trở thành một tích các tỷ lệ của các lần dập riêng biệt.
M t = M d 1 M d 2 ... Mdn (1.14)
1.2.2.4 Chiều cao của chi tiết dạng cốc trụ
Có thể đạt được chiều cao tối đa từ kích thước của phôi ban đầu để tính gần đúng. Trong đó bán kính cong của chày dập vuốt và chiều dày của cốc dập bằng chiều dày của phôi. Dưới đây là chiều cao của chi tiết dạng cốc cho trạng thái biến dạng đầu tiên [43].
H =D2− d 2 0 4d (1.15)
Trong đó: h là chiều cao của chi tiết dạng cốc trong trường hợp dập một lần, D là đường kính phôi, d là đường kính trung bình của chi tiết dạng cốc trong trường hợp dập một lần
Chiều cao của chi tiết dạng cốc tại lần dập thứ n được tính như sau:
t (D 2−d n )
2
Hn = 4d t (1.16)
n n
Trong đó, d n là đường kính của phôi của trạng thái biến dạng thứ n,t n là chiều dày của cốc sau khi dập, t là chiều dày ban đầu của phôi.
1.2.2.5 Xác định các thông số vật lý và công nghệ
F
Thông số vật lý và công nghệ được sử dụng trong dập vuốt gồm: Lực dập vuốt (t )
F ); Tốc độ của dụng cụ gây biến dạng (VP); Hệ số ma sát giữa chày ; lực chặn phôi (BH
µ
và phôi (µp ) ; hệ số ma sát giữa tấm chặn phôi và phôi (h ) ; hệ số ma sát giữa cối và
µ . Hình 1.13 cho thấy các thông số công nghệ và vật lý của quá trình dập vuốt phôi (d )
chi tiết dạng cốc.
Hình 1. 13 Các khu vực ma sát khi dập vuốt chi tiết dạng cốc [42, 44-45]
Trong đó (A) khu vực ma sát giữa phôi, tấm chặn phôi và cối ; (B) khu vực ma sát giữa phôi và bán kính lượn của cối; (C ) khu vực ma sát giữa phôi và chày.
a) Ma sát trong khi dập vuốt chi tiết dạng cốc
Trong quá trình dập vuốt, lực ma sát [46] vừa có lợi, vừa có hại đến khả năng tạo hình của bán thành phẩm. Khi dập vuốt trong khuôn cứng, lực ma sát ngoài giữa cối, tấm chặn phôi với phôi có tác dụng xấu, trong khi lực ma sát ngoài giữa chày và phôi lại có tác dụng thúc đẩy quá trình tạo hình. Để tăng khả năng tạo hình cho đa số quy
trình công nghệ dập tấm đến mức cao nhất, phải tìm kiếm những phương thức để tăng (khi cần) hoặc hạn chế ảnh hưởng của ma sát ngoài.
Để giảm ma sát ngoài, cách hiệu quả nhất trong dập tấm là sử dụng các chất bôi trơn khác nhau như chất khí, lỏng hay dẻo – nhớt làm môi trường, cũng có khi dùng huyền phù hỗn hợp gồm các phần tử rắn có độ phân tán cao ở dạng bột pha trong chất lỏng và các môi trường dẻo –nhớt khác. Trong nghiên cứu này, dầu công nghiệp được dùng trong thực nghiệm dập vuốt chi tiết dạng cốc. Các hệ số ma sát trong khi dập vuốt sử dụng trong mô phỏng số được tham khảo theo các nghiên cứu [42, 47-48] với ma sát
giữa chày và phôi làµp = 0, 25 ; hệ số ma sát giữa tấm chặn phôi và phôi µh = 0,15; hệ số ma sát giữa cối và phôi µ = 0,15 .
d b) Thông số về lực chặn phôi FBH
Lực chặn phôi cần phải đảm bảo thỏa mãn hai điều kiện: một là trị số của nó không quá lớn để có thể gây đứt đáy khi dập vuốt, hai là không quá nhỏ để xảy ra hiện tượng nhăn. Các hiện tượng này được giải thích như sau:
Quá trình dập vuốt là quá trình chày kéo chảy phôi vào trong lòng cối. Nghiên cứu quá trình biến dạng khi dập vuốt một sản phẩm hình trụ có đường kính ngoài là d và chiều cao là h được trình bày như Hình 1.14.
Hình 1. 14 Hình trụ rỗng khai triển và các tam giác xen kẽ [2]
Giả sử dùng một tấm vật liệu tròn có đường kính D’=d+2h, đem cắt đi các phần tam giác gạch chéo như Hình 1.14, rồi uốn các cạnh dựng lên, ta sẽ được một hình trụ có đường kính đáy là d và chiều cao là h. Nhưng, thực tế trong quá trình dập vuốt, không có phần kim loại được cắt bỏ đi. Điều đó chứng tỏ trong quá trình biến dạng, phần vật liệu trên hình vành khăn (D’-d) đã biến thành hình trụ trên khoảng chiều cao là h1 lớn hơn chiều cao hình vành khăn là h. Phần tam giác sẽ bị dồn ra phía ngoài khi dập vuốt
và kéo dọc theo chiều cao của hình trụ rỗng, giữa khe hở của chày và cối. Phần thể tích của những tam giác đó là nguyên nhân tạo thành nếp nhăn. Để ngăn ngừa sự tạo thành nếp nhăn, người ta dùng tấm chặn vành phôi. Chính vì vậy việc xác định lực chặn phôi trong quá trình dập vuốt là rất quan trọng.
Lực chặn phôi có thể được xác định một cách gần đúng bằng tích số của áp lực chặn riêng trung bình q với diện tích phần vành chi tiết: Fv nằm dưới tấm chặn ở thời điểm bắt đầu dập vuốt [39]:
FBH =q Fv (1.17)
Khi dập vuốt chi tiết dạng cốc từ phôi phẳng, lực chặn có thể xác định theo công thức:
FBH = 0, 785 D0− ( dP + 2 Rd ) 2 q (1.18) 2
Khi dập vuốt nguyên công trung gian, lực chặn phôi xác định theo công thức:
F = 0, 785 d2 − ( dn +2R)2 q (1.19)
BH −n n −1 d
Trong đó: n- thứ tự nguyên công dập vuốt; dn-1 và dn – đường kính của phôi trước và sau khi dập vuốt; D0- đường kính phôi dập; dP – đường kính chày dập vuốt; Rd- bán kính cối dập vuốt; q- áp lực chặn riêng trung bình; Fv- diện tích phần vành chi tiết nằm dưới tấm chặn
Áp lực chặn riêng q phụ thuộc chủ yếu vào tính chất cơ học của vật liệu, chiều dày của phôi và mức độ biến dạng:
q= (0,8 4, 5)MPa
Tùy thuộc vào các yếu tố, nếu chiều dày của phôi và mức độ dập vuốt Mt=D0/d
càng lớn thì áp lực chặn riêng q cũng càng lớn như đồ thị Hình 1.15
Hình 1. 15 Sự phụ thuộc của áp lực riêng vào chiều dày của phôi ứng với các mức độ dập vuốt Mt
Khi dập vuốt, lực chặn có thể thay đổi trong khoảng nhất định từ FBH-max đến
FBH-min. Khoảng thay đổi (FBH-max- FBH-min) này tùy thuộc vào mức độ biến dạng của phôi. Nếu mức độ biến dạng càng lớn thì khoảng thay đổi của lực chặn FBH càng nhỏ như Hình 1.16. Chỉ khi dập vuốt với mức độ biến dạng trong giới hạn cho phép thì lực chặn
FBH có thể là một số xác định. Trong quá trình dập vuốt, lực chặn cần phải đảm bảo sao cho phôi không bị nhăn và thay đổi cùng với sự giảm dần chiều rộng của phần vành, nó phụ thuộc vào mức độ biến dạng tổng cộng, chiều dày và đặc tính cơ học của vật liệu.
FBH-min < FBH < FBH-max
Hình 1. 16 Vùng làm việc của lực chặn phôi trong dập vuốt 1.2.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm dập vuốt
Khi nghiên cứu sự sai hỏng sản phẩm dập tấm có thể dễ dàng nhận thấy các dạng phế phẩm sau đây: ❖ Sản phẩm dập bị nhăn trên vành và bị rách Rách Rách a) Rách b) Hình 1. 17 Sản phẩm dập bị rách [6]
a) Chi tiết dạng cốc b) Chi tiết phức tạp không đối xứng
Nhăn
Hình 1. 18 Sản phẩm dập bị nhăn vành [7]
Hiện tượng rách ( Hình 1.17) trên chi tiết dập xảy ra có thể do nhiều nguyên nhân mà trong dó chủ yếu là do mức độ biến dạng vượt quá mức độ biến dạng tới hạn, lực chặn phôi quá lớn, bán kính lượn của cối không hợp lý. Để hạn chế mức độ biến dạng quá lớn cần lựa chọn hệ số dập phù hợp hay chia thành các nhiều nguyên công trung gian. Bán kính lượn của cối cũng hoàn toàn có thể điều chỉnh được, thay đổi góc lượn phù hợp hơn. Nhưng lực chặn phôi là một thông số công nghệ rất quan trọng bởi nếu điều chỉnh lực chặn phôi không đủ thì phôi lại có hiện tượng nhăn trên phần vành như Hình 1.18.
❖ Chiều cao sản phẩm không đồng đều
Hiện tượng chiều cao của sản phẩm dập vuốt không đồng đều như Hình 1.19 rất hay xảy ra do vật liệu tấm bất đẳng hướng và đẳng hướng. Trong quá trình biến dạng, các hạt kim loại và tạp chất phi kim loại có dạng bị kéo dài, do đó tạo thành cấu trúc dạng chuỗi được xác định trước bởi tính dị hướng khác nhau là không giống nhau, có thể làm cho phôi theo hướng này dễ dàng bị kéo dài ra, còn theo hướng khác lại khó biến dạng. Khi xuất hiện sự biến dạng không đồng đều này thì sản phẩm cần thêm một nguyên công cắt mép một lượng H. Khi tính toán phôi dập cần thêm vào kích thước theo các phương một lượng dư hợp lý. Nhưng điều sẽ làm cho bề mặt tiếp xúc giữa phôi và mặt vành cối thay đổi, hệ số dập vuốt thay đổi và làm cho lực chặn cũng thay đổi theo.
Vành cốc không đều
Để giảm ảnh hưởng của tính dị hướng kim loại đến sự không đồng đều chiều cao chi tiết khi dập vuốt, ngoài việc sử dụng phôi có hình dạng phức tạp, người ta còn sử dụng cối với mép lượn có độ cong thay đổi (dọc theo đường bao của lỗ cối) hoặc nung nóng không đều phần vành phôi hoặc thay đổi áp lực chặn theo đường bao cối.
❖ Bề mặt bị cào xước
Hiện tượng sản phẩm bị cào xước như Hình 1.20 là do ma sát giữa bề mặt phôi và phần vành chặn, góc lượn của cối quá lớn, cũng có thể do lực chặn trên vành phôi lớn. Hiện tượng này không những làm giảm chất lượng của sản phẩm dập mà còn gây ra phế phẩm nếu dập những vật liệu tấm có lớp sơn, mạ bảo vệ trên bề mặt. Khi đó các lớp phủ trên bề mặt sẽ bị cào xước và phá huỷ. Để giảm hiện tượng này cần giảm ma sát bằng cách bôi trơn hoặc có thể sử dụng lực chặn phôi hợp lý.
Cào xước bề mặt
Hình 1. 20 Bề mặt cốc trụ bị cào xước sau khi dập [14]
❖ Sản phẩm không đạt được kích thước chính xác do độ đàn hồi ngược
Một trong những hiện tượng thường xuyên xảy ra đối với các quá trình uốn tấm, dập các chi tiết có bán kính cong lớn, đặc biệt là tấm mỏng, đó là đàn hồi lại như Hình 1.21. Hiện tượng này có nghĩa là sau khi biến dạng phôi bị đàn hồi lại và làm cho các góc bị sai lệch (lớn hơn) so với góc sản phẩm tính toán ban đầu. Để giảm hiện tượng đàn hồi ngược, có thể tính toán góc thực tế nhỏ hơn, làm cho vật liệu phôi vừa bị biến dạng kéo theo phương này và biến dạng nén ngay theo phương ngược lại.
Đàn hồi ngược
Hình 1. 21 Sản phẩm không đạt được kích thước chính xác do hiện tượng đàn hồi ngược [14]
❖ Chiều dày của sản phẩm biến mỏng không đồng đều
Biến mỏng thành
a) b
)
Hình 1. 22 Chiều dày thành sản phẩm biến mỏng không đồng đều a) Chi tiết cốc trụ dập vuốt sâu; b) Chi tiết cốc dập vuốt thông thường
Các dạng sai hỏng của sản phẩm này có liên quan trực tiếp tới việc thiết kế quy trình công nghệ, khuôn, chế tạo khuôn, vật liệu phôi và đặc biệt nhất là các thông số công nghệ của quá trình dập vuốt.