6. Cấu trúc của nội dung luận án
4.3.3 Phân tích mối quan hệ của các thông số (FBH, Rp, T) đến chiều dày phân bố (tP)
(tP) của chi tiết dạng cốc trụ trong dập vuốt.
Theo như nghiên cứu trong Chương 3 về ảnh hưởng của các thông số như nhiệt độ, bán kính cong của chày, lực chặn phôi đến chiều dày phân bố của chi tiết dạng cốc. Mỗi thông số được nghiên cứu đều dẫn đến sự biến đổi về độ đồng đều của chi tiết. Vì vậy nghiên cứu mối quan giữa các thông số (FBH, Rp, T) đến độ đồng đều về chiều dày (tP)
của chi tiết dạng cốc là hết sức cần thiết. Các ảnh hưởng của lực chặn phôi (FBH), bán kích cong của chày (Rp), nhiệt độ của phôi tấm (T) đến chiều dày phân bố chi tiết dạng cốc sẽ được phân tích. Các thông số được dùng trong mô phỏng, thực nghiệm như trong Bảng 3.5 (chương 3) và với mức độ dập vuốt (Mt=2,1), chiều sâu tạo hình (HR=40 mm).
Trong quá trình mô phỏng có 3 cấp độ của từng hệ số được lựa chọn nên mảng trực giao L9 sẽ được dùng để thiết kế quy hoạch thực nghiệm. Khi đó tối thiểu 9 thực nghiệm là cần thiết cho việc kiểm tra ảnh hưởng của các tham số thay đổi trong quá trình mô phỏng. Việc sử dụng thuật toán trực giao Taguchi sẽ giảm số lượng thiết kế thực nghiệm từ 27 xuống còn 9 thực nghiệm. Các mức và ma trận thí theo phương pháp Taguchi được liệt kê trong Bảng 4.11 và Bảng 4.13.
Kết quả về chiều dày (t) của 9 mẫu như trong Bảng 4.22, Hình 4.15 và tỷ số S/N mỗi thực nghiệm được trình bày như Bảng 4.23. Trong đó tỷ số S/N với đặc tính về chiều dày của chi tiết là trung bình thì tốt hơn được xác định theo công thức (4. 1) và (4. 4).
Bảng 4. 22 Kết quả đo phân bố chiều dày tại 8 điểm của chi tiết dạng cốc trụ tại 9 thực nghiệm Vị trí đo chiều dày (mm) Taguchi L9 L1 L2 L3 L4 L5 L6 L7 L8 L9 1 0,692 0,691 0,675 0,688 0,675 0,697 0,695 0,686 0,682 2 0,657 0,665 0,647 0,631 0,643 0,651 0,659 0,645 0,643 3 0,610 0,617 0,608 0,605 0,607 0,615 0,612 0,602 0,604 4 0,584 0,596 0,597 0,594 0,593 0,598 0,581 0,581 0,596 5 0,562 0,551 0,557 0,558 0,558 0,561 0,551 0,564 0,563 6 0,570 0,560 0,569 0,561 0,574 0,568 0,570 0,572 0,567 7 0,570 0,562 0,581 0,582 0,585 0,568 0,573 0,576 0,571 8 0,574 0,573 0,582 0,584 0,587 0,569 0,574 0,580 0,579 TB 0,602 0,602 0,602 0,600 0,603 0,603 0,602 0,601 0,601
117
Hình 4. 15 Phân bố chiều dày của chi tiết dạng cốc trụ từ mô phỏng FEA Bảng 4. 23 Kết quả nghiên cứu mối quan hệ giữa các thông số (FBH, Rp, T) đến chiều dày của chi tiết dạng cốc trụ khi dập vuốt
Thực nghiệm số FBH (kN) Rp (mm) T (0C) S/N S N/ 1 6 4 25 22,022 22.571 2 6 6 150 21,263 3 6 8 250 23,485 4 8 4 150 23,005 5 8 6 250 23,906 6 8 8 25 21,841 7 10 4 250 21,564 8 10 6 25 22,940 9 10 8 150 23,109
Bảng 4. 24 Kết quả ANOVA cho phân bố chiều dày của chi tiết dạng cốc trụ
Tham số Tỷ số S/N cho mỗi mức độ Tổng bình phương Phần trăm ảnh hưởng (%) 1 2 3 M (FBH) 22,257 22,918* 22,538 0,220 30,96% N (RP) 22,197 22,703 22,812* 0,192 27,01% P (T) 22,268 22,459 22,985* 0,276 38,79% Nhiễu 0,023 3,24% Tổng 0,711 100% *) Giá trị phù hợp
Nghiên cứu mô phỏng sử dụng kỹ thuật Taguchi trong dập vuốt để xác định về phân bố chiều dày của chi tiết dạng cốc. Hình 4.16 cho thấy tỷ lệ S/N thay đổi ở các mức khác nhau đối với từng thông số như lực chặn phôi, bán kính cong của chày và nhiệt độ. Bất kể loại đặc tính hiệu suất nào, giá trị S/N cao hơn tương ứng với hiệu suất
118
tốt hơn. Do đó, mức phù hợp của các thông số tạo hình là mức có giá trị cao hơn như trong Bảng 4.24. Mức phù hợp của ba yếu tố được trình bày ở trên, để có được sự phân bố đồng đều chiều dày của cốc được thể hiện trong Hình 4.16 với các thông số phù hợp là:
M2N3P3 tương ứng với FBH = 8 kN, Rp=8 mm, T=250 0C.
Phương pháp của Taguchi được sử dụng để có thể xác định ảnh hưởng tương đối của từng tham số của quá trình được xem xét trong nghiên cứu này. Chất lượng sản phẩm dập vuốt phụ thuộc vào các điều kiện biến dạng và vào giá trị tối ưu của ba thông số được xem xét trong quá trình phân tích, và sự kết hợp của chúng rất quan trọng đối với quá trình dập vuốt. ANOVA được sử dụng để định lượng ảnh hưởng của các thông số hình thành đến đặc tính chất lượng. Kết quả ANOVA được hiển thị trong Bảng 4.24 cho thấy lực chặn phôi, bán kính cong của chày và nhiệt độ ảnh hưởng như thế nào đến chiều dày của chi tiết dạng cốc. Có thể nhận thấy rằng ảnh hưởng lớn nhất (38,79%) thuộc về nhiệt độ, tiếp theo là lực chặn phôi (30,96%), ảnh hưởng của bán kính cong của chày (27,01%) là nhỏ nhất, ảnh hưởng của yếu tố nhiễu là 3,24%. Tỷ lệ phần trăm ảnh hưởng của các thông số được thể hiện như trong biểu đồ Hình 4.17.
Hình 4. 16 Tỷ lệ S / N thay đổi ở các mức khác nhau
Hình 4. 17 Biểu đồ mức độ ảnh hưởng các tham số đến chiều dày phân bố tp của chi tiết dạng cốc trụ
119
Kết quả dập chi tiết dạng cốc với bộ tham số hợp lý được sử dụng mô phỏng và thực nghiệm cho mẫu như Hình 4.18. Kết quả chiều dày phân bố chi tiết như trong Bảng 4.25, Hình 4.19. Sai lệch chiều dày chi tiết giữa điểm mỏng nhất và chiều dày trung bình được tính theo công thức (3.7). Chiều dày tại vị trí đo mỏng nhất trên mô hình mô phỏng so với giá trị đo trung bình mỏng hơn 4,16%, còn khi đo chiều dày trên sản phẩm thực nghiệm thì vị trí đo mỏng nhất với giá trị đo trung bình mỏng hơn 5,78 %. Từ dữ liệu sai lệch giữa các điểm đo cho thấy độ biến mỏng của chi tiết gần với chiều dày trung bình của chi tiết và cho sự đồng thuận tốt giữa mô hình FE và kết quả thực nghiệm tương ứng với sai lệch về chiều dày lớn nhất là 1,62%.
a) b)
Hình 4. 18 Chi tiết dạng cốc trụ khi dập sâu với bộ thông số hợp lý a) Mô phỏng; b) Thực nghiệm
Bảng 4. 25 Sai lêch về phân bố chiều dày của chi tiết dạng cốc trụ với bộ thông số hợp lý. Vị trí đo chiều dày (mm) tP (mm) Sai lệch %tP Thực nghiệm Mô phỏng 1 0,686 0,676 1,46 2 0,642 0,638 0,62 3 0,618 0,608 1,62 4 0,584 0,583 0,17 5 0,571 0,576 0,88 6 0,576 0,578 0,35 7 0,583 0,582 0,17 8 0,585 0,588 0,51 TB 0,606 0,601 0,83
120
121
KẾT LUẬN CHƯƠNG 4
- Đánh giá được mức độ ảnh hưởng của các tham số đầu vào (lực chặn phôi, bán kính cong của chày, mức độ dập vuốt, nhiệt độ) đến các thông số đầu ra (chiều cao tạo hình, phân bố chiều dày) khi dập vuốt chi tiết dạng cốc trụ vật liệu SPCC.
+ Khi dập vuốt tại nhiệt độ phòng: Mức độ dập vuốt Mtcó ảnh hưởng lớn nhất 86,2% đến chiều cao tạo hình của chi tiết dạng cốc trụ; ảnh hưởng của lực chặn phôi FBH, bán kính cong của chày Rp thấp hơn với giá trị lần lượt là 9,4% và 3,6 %.
+ Khi dập vuốt có gia nhiệt: Nhiệt độ có ảnh hưởng lớn nhất đến chiều cao tạo hình chi tiết với phần trăm ảnh hưởng là 56,3 %; ảnh hưởng của lực chặn phôi FBH và bán kính cong của chày Rp lần lượt là 32,2% và 11,2 %. Đối với đầu ra là chiều dày phân bố chi tiết dạng cốc trụ thì nhiệt độ cũng có ảnh hưởng lớn nhất 38,79%, ảnh hưởng của lực chặn phôi FBHvà bán kính cong của chày Rp theo thứ tự là 30,96% và 27,01%.
- Giải quyết bài toán tối ưu hóa đơn thông số cho từng đầu ra cụ thể như sau: + Mục tiêu chiều cao tạo hình tại nhiệt độ phòng: FBH=10 kN, Rp= 8 mm, Mt=2,1
+ Mục tiêu chiều cao tạo hình tại nhiệt độ khác nhau: FBH= 10 kN, Rp= 8 mm, T= 2500C
+ Mục tiêu chiều dày phân bố chi tiết dạng cốc trụ: FBH=8 kN, Rp= 8 mm, T=2500C
- Các phương trình toán học thể hiện mối quan hệ giữa các tham số đầu vào và chiều cao tạo hình chi tiết dạng cốc khi dập vuốt thông thường và dập vuốt gia nhiệt đã được xây dựng. Các mô hình toán học này được được thực nghiệm kiểm chứng và cho độ chính xác cao. 0.486 0.203 4.201 1 2242.61 R PT BH p t H − = F− R M− 0,795 0,229 0,194 2 84,586 R PT BH p H − = F− R T
122
KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO
KẾT LUẬN
Từ các kết quả nghiên cứu đã trình bày, luận án đưa ra những kết luận sau đây:
1. Xác định được cơ tính của vật liệu SPCC (JIS-G3141) tại các nhiệt độ khác nhau bằng thực nghiệm;
2. Đã phân tích và làm rõ hiệu quả của phương pháp gia công gia nhiệt đến quá trình dập vuốt chi tiết dạng tấm nói chung và xây dựng được mô hình hệ thống thực nghiệm dập vuốt chi tiết dạng cốc trụ gồm (máy ép thủy lực, khuôn dập tích hợp gia nhiệt điện trở, hệ thống điều khiển nhiệt độ và hệ thống đo);
3. Xây dựng được đường cong giới hạn tạo hình của vật liệu tấm SPCC tại nhiệt độ phòng dựa trên tiêu chuẩn trở lực tối đa được sửa đổi (MMFC) và đường cong giới hạn tạo hình (FLC) tại nhiệt độ khác nhau bằng hai phương pháp tỷ lệ và đề xuất mới. Các đường cong giới hạn tạo hình được đánh giá độ chính xác thông qua mô phỏng và thực nghiệm kiểm chứng;
4. Quá trình gia nhiệt cho khuôn dập vuốt được khảo sát. Các mô hình toán học của nhiệt độ phôi dập theo thời gian được xây dựng, dùng để xác định các mức nhiệt độ tương ứng với các thời điểm nhất định trong thực nghiệm quá trình dập vuốt chi tiết dạng cốc trụ;
5. Sự ảnh hưởng của các thông số công nghệ, nhiệt độ đến chiều cao tạo hình và chiều dày phân bố của chi tiết dạng cốc trụ khi dập vuốt được phân tích. Đồng thời, các bộ tham số công nghệ tối ưu được xây dựng cho các chỉ tiêu đánh giá đầu ra khác nhau;
6. Mô hình toán học miêu tả ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến chiều cao tạo hình của chi tiết dạng cốc trụ khi dập vuốt thông thường và khi dập vuốt có hỗ trợ bởi nhiệt độ đối với vật liệu SPCC được xây dựng dựa trên hình thức mô phỏng số và được kiểm chứng bằng thực nghiệm với các tham số khác nhau;
HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO
1. Nghiên cứu ảnh hưởng của khe hở chày – cối, Bán kính lượn của cối, ma sát, tốc độ của dụng cụ gây biến dạng đến chiều cao tạo hình khi dập vuốt chi tiết dạng cốc tại nhiệt độ khác nhau.
2. Thiết kế, tính toán công suất gia nhiệt trên bộ khuôn để giảm thời gian và tăng năng suất khi dập vuốt.
3. Nghiên cứu về gia nhiệt cục bộ khi dập vuốt chi tiết có biên dạng phức tạp và khó tạo hình.
4. Nghiên cứu ảnh hưởng của một số thông số đến độ biến mỏng của chi tiết dạng cốc bằng phương pháp dập vuốt thuận và ngược.
5. Nghiên cứu về hệ thống, thiết bị thực nghiệm để xác định đường cong giới hạn tạo hình của vật liệu tấm.
123
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Phạm Văn Nghệ, Nguyễn Đắc Trung, Lê Trung Kiên, Nguyễn Trường An, Nguyễn Trung Kiên, Nguyễn Thị Thu, Nguyễn Mậu Đằng (2016), ‘Công nghệ gia công áp lực’, NXB Bách khoa Hà Nội.
[2] Phạm Văn Nghệ, Đinh Văn Duy, Lại Đăng Giang (2020), ‘Công nghệ gia công áp lực và thiết kế khuôn dập’, NXB Giáo dục Việt Nam.
[3] Nguyễn Tất Tiến ‘Lý thuyết biến dạng dẻo kim loại.’ Nhà xuất bản giáo dục, 2004. [4] Nguyễn Minh Vũ, Nguyễn Tất Tiến, Nguyễn Đắc Trung ‘Lý thuyết dập tạo hình.’
NXB Bách khoa Hà Nội, 2009.
[5] Đỗ Minh Nghiệp, Trần Quốc Thắng ‘Độ dẻo và độ bền kim loại.’ Nhà xuất bản Khoa học kỹ thuật, 2011.
[6] F. Ozturk, I. Kacar, and F. Jarrar, “Defects and Remedies in Stamping of Advanced High Strength Steels,” J. Mod. Mech. Eng. Technol., vol. 1, no. 2, pp. 68–74, 2015, doi: 10.15377/2409-9848.2014.01.02.4.
[7] B. Watcharasresomroeng, “Investigation on Forming Behaviour of Sheet Metal by Test Using Cylindrical Cup with Hole,” Key Eng. Mater., vol. 789, pp. 51–58, 2018, doi: 10.4028/www.scientific.net/kem.789.51.
[8] A. S. Takalkar and L. B. Mailan Chinnapandi, “Deep drawing process at the elevated temperature: A critical review and future research directions,” CIRP J. Manuf. Sci. Technol., vol. 27, pp. 56–67, 2019, doi: 10.1016/j.cirpj.2019.08.002. [9] H. Blala, L. Lang, L. Li, and S. Alexandrov, “Deep drawing of fiber metal
laminates using an innovative material design and manufacturing process,”
Compos. Commun., vol. 23, no. December 2020, p. 100590, 2021, doi: 10.1016/j.coco.2020.100590.
[10] S. Kitayama and S. Yamada, “Simultaneous optimization of blank shape and variable blank holder force of front side member manufacturing by deep drawing,”Int. J. Adv. Manuf. Technol., vol. 91, no. 1–4, pp. 1381–1390, 2017, doi: 10.1007/s00170-016-9837-0.
[11] A. Mostafapour, A. Akbari, and M. R. Nakhaei, “Application of response surface methodology for optimization of pulsating blank holder parameters in deep drawing process of Al 1050 rectangular parts,” Int. J. Adv. Manuf. Technol., vol. 91, no. 1–4, pp. 731–737, 2017, doi: 10.1007/s00170-016-9781-z.
[12] S. Yuan, W. Cheng, W. Liu, and Y. Xu, “A novel deep drawing process for aluminum alloy sheets at cryogenic temperatures,” J. Mater. Process. Technol., vol. 284, no. October 2019, p. 116743, 2020, doi: 10.1016/j.jmatprotec.2020.116743.
[13] G. Cai, J. lin Yang, Y. Yuan, X. Yang, L. Lang, and S. Alexandrov, “Mechanics analysis of aluminum alloy cylindrical cup during warm sheet hydromechanical deep drawing,” Int. J. Mech. Sci., vol. 174, no. February, p. 105556, 2020, doi: 10.1016/j.ijmecsci.2020.105556.
[14] K. Mori et al., “Hot stamping of ultra-high strength steel parts,” CIRP Ann. - Manuf. Technol., vol. 66, no. 2, pp. 755–777, 2017, doi: 10.1016/j.cirp.2017.05.007.
[15] P. Hetz, S. Suttner, and M. Merklein, “Investigation of the Springback Behaviour of High-strength Aluminium Alloys Based on Cross Profile Deep Drawing Tests,”
Procedia Manuf., vol. 47, no. 2019, pp. 1223–1229, 2020, doi: 10.1016/j.promfg.2020.04.187.
124
[16] H. Zhang, S. Qin, L. Cao, L. Meng, Q. Zhang, and C. Li, “Research on Deep Drawing Process Using Radial Segmental Blank Holder based on Electro- permanent Magnet Technology,” J. Manuf. Process., vol. 59, no. October, pp. 636–648, 2020, doi: 10.1016/j.jmapro.2020.09.071.
[17] Z. M. Yue, H. Badreddine, T. Dang, K. Saanouni, and A. E. Tekkaya,
“Formability prediction of AL7020 with experimental and numerical failure criteria,” J. Mater. Process. Technol., vol. 218, pp. 80–88, 2015, doi: 10.1016/j.jmatprotec.2014.11.034.
[18] Z. Marciniak and K. Kuczyński, “Limit strains in the processes of stretch-forming sheet metal,” Int. J. Mech. Sci., vol. 9, no. 9, pp. 609–620, 2003, doi: 10.1016/0020-7403(67)90066-5.
[19] R. Hill, “On discontinuous plastic states, with special reference to localized necking in thin sheets,”J. Mech. Phys. Solids, vol. 1, no. 1, pp. 19–30, 1952, doi: 10.1016/0022-5096(52)90003-3.
[20] Q. T. Pham, B. H. Lee, K. C. Park, and Y. S. Kim, “Influence of the post-necking prediction of hardening law on the theoretical forming limit curve of aluminium sheets,” Int. J. Mech. Sci., vol. 140, pp. 521–536, 2018, doi: 10.1016/j.ijmecsci.2018.02.040.
[21] K. S. Jhajj, S. R. Slezak, and K. J. Daun, “Inferring the specific heat of an ultra high strength steel during the heating stage of hot forming die quenching, through inverse analysis,” Appl. Therm. Eng., vol. 83, pp. 98–107, 2015, doi: 10.1016/j.applthermaleng.2015.03.013.
[22] E. Lee, J. Hwang, C. Lee, D. Yang, and W. Yang, “Journal of Materials Processing Technology A local heating method by near-infrared rays for forming of non-quenchable advanced high-strength steels,” J. Mater. Process. Tech., vol. 214, no. 4, pp. 784–793, 2014, doi: 10.1016/j.jmatprotec.2013.11.023.
[23] E. H. Lee, D. Y. Yang, and W. H. Yang, “Numerical modeling and experimental validation of focused surface heating using near-infrared rays with an elliptical reflector,” Int. J. Heat Mass Transf., vol. 78, pp. 240–250, 2014, doi: 10.1016/j.ijheatmasstransfer.2014.06.073.
[24] R. Kolleck, R. Veit, M. Merklein, J. Lechler, and M. Geiger, “Investigation on induction heating for hot stamping of boron alloyed steels,”CIRP Ann. - Manuf. Technol., vol. 58, no. 1, pp. 275–278, 2009, doi: 10.1016/j.cirp.2009.03.090. [25] Y. T. K. Mori, S. Maki, “Warm and hot stamping of ultra high tensile strength
steel sheets using resistance heating,”CIRP Ann. - Manuf. Technol., vol. 54, no. 1, pp. 209–212, 2005, doi: 10.1016/S0007-8506(07)60085-7.
[26] K. Mori, T. Maeno, and S. Nakamoto, “Hot Spline Forming of Ultra-High Strength Steel Gear Drum Using Resistance Heating,”Key Eng. Mater., vol. 622– 623, pp. 201–206, 2014, doi: 10.4028/www.scientific.net/kem.622-623.201. [27] K. Mori and Y. Okuda, “Tailor die quenching in hot stamping for producing ultra-
high strength steel formed parts having strength distribution,” CIRP Ann. -