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.
11
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 (Rd) Rd = −(6 10)t Đối với lần dập đầu tiên Bán kính lượn của cối (Rd) Rd = −(6 8)t Đối với các lần dập tiếp theo Bán kính cong của chày (Rp) Rp = −(3 4)t Đối với 6,3mmdp 100mm
(4 5) p R = − t Đối với 100mmdp 200mm (5 7) p R = − t Đối với 200mmdp
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)
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: 0 K p R t t r = (1.2)
Hoặc khi tính đến tính dị hướng của kim loại thì: * 1 0 1 ( ) R K p R t t r + = (1.3)
Trong đó: R0là 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. 0 K R t t R =
12
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. 𝐷02 (1.4)
Do đó đường kính của phôi sẽ là:
D0= 1,13 √𝐹𝑐ℎ𝑖𝑡𝑖𝑒𝑡 (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 2 1 1,13 .... 1,13 n O n i i D F F F F = = + + + = (1.6) 2 ( ) 4 2 d p i p R R F d d h + = + − (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.
13 Hình 1. 12 Trình tự dập vuốt [43] − = − 0 « d Ph i D M Chµy d , (1.8) 0 d D M d = với một lần dập (1.9) 0 1 1 d D M d
= cho lần dập đầu tiên (1.10)
1 2 2 d d M d = cho lần dập thứ hai (1.11) 1 n dn n d M d − = cho lần dập thứ n (1.12) Trong đó: d1là đường kính của phôi sau lần dập đầu tiên; d2 là đường kính của
phôi sâu lần dập thứ hai; dnlà 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:
= 0 t n D M d (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.
1 2 ...
t d d dn
M =M M M (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].
14 2 2 0 4 D d H d − = (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:
( 2 2) t 4 n n n n D d H d t − = (1.16)
Trong đó, dn là đường kính của phôi của trạng thái biến dạng thứ n, tn 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
Thông số vật lý và công nghệ được sử dụng trong dập vuốt gồm: Lực dập vuốt ( )Ft
; lực chặn phôi ( )FBH ; Tốc độ của dụng cụ gây biến dạng (VP); Hệ số ma sát giữa chày và phôi ( )µp ; hệ số ma sát giữa tấm chặn phôi và phôi ( )µh ; hệ số ma sát giữa cối và phôi ( )µd . Hình 1.13 cho thấy các thông số công nghệ và vật lý của quá trình dập vuốt 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
15
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 là µp =0, 25; hệ số ma sát giữa tấm chặn phôi và phôi µh =0,15; hệ số ma sát giữa cối và phôi µd =0,15.
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
16
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]:
(1.17) Khi dập vuốt chi tiết dạng cốc từ phôi phẳng, lực chặn có thể xác định theo công thức: 2 2 0 0, 785 ( 2 ) BH P d F = D − d + R q (1.18) Khi dập vuốt nguyên công trung gian, lực chặn phôi xác định theo công thức:
2 2
1
0, 785 ( 2 )
BH n n n d
F − = d − − d + R q (1.19) Trong đó: n- thứ tự nguyên công dập vuốt; dn-1và 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:
(0,8 4,5)
q= 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-maxđến 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
BH v
17
FBHcó 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