6. Cấu trúc của nội dung luận án
3.2 Thiết lập thực nghiệm
3.2.1 Vật liệu thực nghiệm.
3.2.1.1 Thành phần hóa học vật liệu SPCC
Trong nghiên cứu này, các thực nghiệm được thực hiện trên tấm kim loại vật liệu SPCC theo tiêu chuẩn của Nhật JIS G3141 để có được dữ liệu cần thiết để phát triển mô hình dự đoán khả năng tạo hình khi dập chi tiết dạng cốc trụ. Thành phần hóa học của vật liệu được trình bày trong Bảng 3.1 dưới đây.
Bảng 3. 1 Bảng thành phần hóa học của vật liệu SPCC ( tiêu chuẩn JIS-G3141)
Thành phần hóa học Vật liệu
C Mn P S
SPCC < 0,12% <0,5% <0,04% <0,045%
3.2.1.2 Tính chất của vật liệu SPCC
Các tính chất của vật liệu SPCC được xác định bằng thực nghiệm đã được trình bày trong Chương 2.
3.2.2 Phôi và dụng cụ phục vụ trong thực nghiệm.
3.2.2.1 Phôi dùng trong thực nghiệm.
Phôi tấm vật liệu SPCC có chiều dày t =0,6mm được cắt trên máy đột dập với các đường kính D0 = 140mm; D0 = 150mm; D0 = 160mm như Hình 3.4.
a) b) c)
Hình 3. 4 Phôi tấm vật liệu SPCC chiều dày t=0,6mm a) D0=140 mm; b) D0=150 mm; c) D0=160 mm. 3.2.2.2 Dụng cụ phục vụ thực nghiệm.
Một số dụng cụ phục vụ thực nghiệm như trong Hình 3.5 gồm có: - Thiết bị đo nhiệt laser;
- Thước đo độ sâu, thước kẹp điện tử, thước lá; - Gang tay cách nhiệt, dụng cụ gắp phôi nam châm; - Băng keo chịu nhiệt;
67
- Một số loại dụng cụ khác để tháo lắp khuôn và chỉnh máy ép thủy lực.
Hình 3. 5 Bộ dụng cụ thực nghiệm và các sản phẩm dập
3.2.3 Máy thực nghiệm
Máy dùng trong thực nghiệm dập chi tiết dạng cốc trụ là máy ép thủy lực bốn cột Y28-200 như Hình 3.3 và với các thông số như trong Bảng 3.2.
Bảng 3. 2 Thông số của máy ép thủy lực bốn trụ đôi Y28-200
TT Mô tả Đơn vị Y28-200
1 Lực ép danh nghĩa Tấn 200
2 Lực đẩy xi lanh chính Tấn 150
3 Lực đẩy xi lanh dưới Tấn 50
4 Hành trình cực đại của bàn trượt mm 550
5 Hành trình xilanh dưới mm 280
6 Chiều cao vùng làm việc mm 950
7 Tốc độ tiến nhanh của bàn trượt mm/s 150
8 Tốc độ ở hành trình công tác mm/s 25
9 Tốc độ lùi nhanh của bàn trượt mm/s 180
10 Kích thước bàn máy trái-phải mm 700
11 Kích thước bàn máy trước-sau mm 900
12 Công suất động cơ (kW) kW 22
13 Kích thước bao trái-phải mm 1800
14 Kích thước bao trước sau mm 1600
15 Kích thước bao chiều cao mm 3700
16 Trọng lượng kg 8500
68
3.2.4 Bộ khuôn thực nghiệm
Căn cứ vào mô hình chi tiết nghiên cứu như Hình 3.6. Bộ khuôn dập vuốt được thiết kế như Hình 3.7 và được gia công, lắp ráp như Hình 3.8 với các tính chất của vật liệu như Bảng 3.3. Bộ khuôn gồm các bộ phận: 1- Chày dập vuốt; 2- Tấm chặn phôi; 3- Phôi tấm; 4 – Cối dập vuốt; 5- Đế cối dập vuốt; 6-Thanh chống cối dập vuốt, 7- Các ty đẩy, 8- Bàn máy, 9- tấm đẩy.
Các chi tiết như chày dập vuốt, tấm chặn phôi, cối dập vuốt được chế tạo từ vật liệu SKD11 [85](tiêu chuẩn nhật), tôi nhiệt luyện để đạt độ cứng 50-55 HRC, độ bóng các bề mặt tạo hình Ra = 0,63 𝜇𝑚. Còn các chi tiết còn lại của bộ khuôn được chế tạo từ vật liệu S50C (tiêu chuẩn nhật).
Tấm chặn phôi và cối dập vuốt được gia công 8 lỗ đường kính ∅18 mm để lắp các thanh nhiệt điện trở một đầu. Các bộ phận khuôn như cối dập vuốt, tấm chặn phôi, chày dập vuốt được gia công đảm bảo về hình dáng, kích thước, độ nhẵn bóng bề mặt, độ cứng sau khi tôi đảm bảo yêu cầu kỹ thuật. Bộ khuôn này được thiết kế để dập sản phẩm có chiều dày t = 0,6 mm và đường kính ∅67 mm.
Hình 3. 6 Mô hình sản phẩm nghiên cứu Bảng 3. 3 Tính chất của vật liệu chế tạo khuôn Tên chi tiết Cối, chày, chặn
phôi Đế cối dập vuốt; Thanh chống cối dập vuốt, ty đẩy, tấm đỡ Tên vật liệu SKD11 S50C
Khối lượng riêng (kg/m3) 8400 7850
Hệ số dẫn nhiệt W/(mK) 20,5 50,2
Nhiệt dung riêng kJ/(kgK) 461 490
Module đàn hồi (GPa) 208 208
69
Hình 3. 7 Bộ khuôn dập vuốt chi tiết dạng cốc trụ
a) b) c)
Hình 3. 8 Các chi tiết của bộ khuôn dập vuốt
a) Cối dập vuốt; b) Tấm chặn phôi; c) Chày dập vuốt
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.
70
+ 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. Cấu tạo điện trở đốt nóng thường bao gồm 3 lớp cơ bản: + 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.
71
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.
Hình 3. 11 Thước đo độ cao Mitutoyo 192-132
72
- 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.
73
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,
74
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.
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: 0 0 150
W 0, 6 0,822 80 C K R D t t t mm R d = = = = =
Dựa vào tính toán khe hở giữa chày- cối và dữ liệu tra bảng sổ tay dập nguội:
WC= 1 mm
- Mức độ dập vuốt: Đường kính phôi D0 =150mm; thay vào phương trình (1.8)- (1.9) được giá trị Mt =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:
2,25= Mt= Md1. Md2= 1,7. 1,32; d1= 88, d2= 67 với M2= 88/ 67 mm= 1,32
Chày Cối
Phôi Chặn phôi
75
- 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: H1 =42mm H; 2 =H =67mm ( chiều cao lớn nhất).
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)
Hệ số ma sát giữa tấm chặn phôi với phôi giả định (µh)
Hệ số ma sát giữa cối ép và phôi giả định (µd)