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 = tK = t ⋅ R0 D0 150
R d 80
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 = 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:
2,25= Mt= Md1 Md2= 1,7 1,32; d1= 88, d2= 67 với M2= 88/ 67 mm= 1,32
- 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 = 42 mm; H2 = H = 67 mm ( 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 µ = 0, 25 ; giữa chặn phôi và phôi µ = 0,125 ÷ 0, 25 ( giả định µ = 0,15 ); giữa cối và phôi µ = 0,125 ÷ 0, 25 (giả định µ = 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 (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
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
75
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)
0,25 0,15 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 5 vị 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 (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
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
�(�1) = �1 exp (− (∗ � 1 �− � 11 2 � 1 − �� 22 2 �
3 ) )
(3 1)
Bảng 3 5 Các h ằng s ố 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
a) b)
Hình 3 18 Sự tiến triển nhiệt độ tại các vị trí đặt cảm biến đối với phôi dập đầu tiên a) Đồ thị nhiệt độ theo thời gian tại các vị trí trên khuôn
b) Đồ thị nhiệt độ theo thời gian trên phôi
Trường hợp 2: Đối với các phôi dập tiếp theo
Trong trường hợp này khuôn đã được gia nhiệt đến 300oC (Ts) Kết quả đo nhiệt tại các vị trí như Hình 3 19a, các cảm biến nhiệt độ tại các vị trí là cối dập vuốt (Ts2), tấm chặn phôi (Ts3), tấm đế cối dập vuốt (Ts4), chày dập vuốt (Ts5) luôn duy trì tại các mức nhiệt độ cố định khi thời gian thay đổi Trong khi đó có nhiệt độ phôi thay đổi từ 250C đến nhỏ hơn 3000C được xác đinh thông qua cảm biến Ts1
a) b)
Hình 3 19 Sự tiến triển nhiệt độ tại các vị trí đặt cảm biến đối với phôi dập tiếp theo a) Đồ thị nhiệt độ theo thời gian tại các vị trí trên khuôn
Để xác định sự thay đổi nhiệt độ theo thời gian trên phôi dập vuốt (Ts1), nghiên cứu đã xây dựng một 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 2)
�(�2) = � ∗ �� + � (3 2)
Trong đó a, b và c là các hệ số của được xác định từ các thực nghiệm Giá trị các hệ số này được xác định lần lượt là -316,1; -0,14; 376,9
Bảng 3 6 Các mức nhiệt độ dùng trong quá trình thực nghiệm
So sánh quá trình truyền nhiệt trong 2 trường hợp cho thấy trong trường hợp 1, nhiệt độ khuôn đạt 300°C sau 1237 giây và chi tiết gia công đạt 250°C sau 2061 giây Đây là một thời gian tương đối dài Trong trường hợp 2, thời gian cho chi tiết gia công đạt 250°C là 300 giây Sự tăng trưởng của nhiệt độ sau đó tăng lên nhưng không đáng kể (<5%)
Vậy khi thực nghiệm dập vuốt tại nhiệt độ khác nhau sẽ sử dụng mô hình toán học được xây dựng trong trường hợp 2, như Phương trình (3 2) với nhiệt độ và thời gian tương ứng như trong Bảng 3 6
3 5 Kiểm chứng độ chính xác của FLC vật liệu SPCC tại các nhiệt độ khác nhauthông qua mô phỏng và thực nghiệm thông qua mô phỏng và thực nghiệm
3 5 1 Kiểm chứng FLC tại nhiệt độ phòng
Đường cong giới hạn tạo hình được xây dựng dựa trên các mô hình Voce, Swift và Kim-Tuan như Bảng 2 8 và Hình 2 15 trong chương 2 lần lượt được khai báo trong phần thuộc tính vật liệu của phần mềm mô phỏng số, các thông số khác của quá trình mô phỏng, thực nghiệm cho trong Bảng 3 4 và các thông số là bán kính cong của chày
RP= 4mm, lực chặn phôi FBH=10 kN được cố định Trong mô phỏng FE về dập vuốt, hiện tượng rách xảy ra khi giá trị tiêu chí phá hủy đạt tới 1 0 Ở đây, chiều cao tạo hình của quá trình dập được đo lường và so sánh với các thực nghiệm tương ứng như Bảng 3 7 và đồ thị Hình 3 21 Để đánh giá độ chính xác FLC xây dựng từ các mô hình vật liệu Voce, Swift, Kim-Tuan, phần trăm sai lệch giữa chiều cao vết rách khi mô phỏng FEM và thực nghiệm được tính toán theo công thức (3 3) dưới đây (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
�� (%) = (|HR-MP – HR-TN |)/ HR-TN (3 3)
0
Mức nhiệt độ ( C) 150 C0 250 C0
a) b) c) d) Hì nh 3 20 Ch iều ca o tạo hìn h củ a chi tiết dạ ng cốc trụ the o các mô hìn h vật liệ u a )
ô hình Voce; b) Mô hình Swift; c) Mô hình Kim – Tuan; d) Thực nghiệm
Bảng 3 7 So sánh chiều cao tạo hình giữa mô phỏng và thực nghiệm
Hình 3 21 Đồ thi so sánh giữa mô phỏng và thực nghiệm chiều cao tạo hình của chi
tiết dạn g cốc trụ
Kết quả mô phỏng dập vuốt chi tiết dạng cốc trụ vật liệu SPCC cho thấy, FLC được xây dựng dựa trên mô hình Kim-Tuan thể hiện dự đoán tốt nhất đối với chiều cao
tạo hình (Hình 3 20c và Bảng 3 7) cho sai lệch 3,67% Tiếp đó là mô hình của Swift cho
thấy dự đoán về chiều cao tạo
độ chính xác thấp hơn với sai lệch là 9,52 % và cuối cùng là mô hình Voce cho thấy dự đoán khôn g chính xác về chiều cao tạo hình (Hình 3 20a và Bảng 7) với sai lệch 16,63 % 80 Chiều cao tạo hình Thực
nghiệm Voce Swift Kim-
Tuan Sai lệch (%) Voce Sai lệch (%) Swift Sai lệch (%) Kim-Tuan Giá trị ��−�� (�� ) �� (�� ) �� (��) ��� (�� ) Δ�� (%) Δ�� (%) Δ��� (%) 33,2 27,68 30,04 34,42 16,63 9,52 3,67
a) b) Hình 3 22 Vị trí các điểm biến dạng chính/ phụ trên chi tiết dạng cốc trụ a) Các vị trí đo trên chi tiết dạng cốc; b) Biến dạng tại các điểm trên chi tiết Từ kết quả mô phỏng dập vuốt chi tiết dạng cốc trụ vật liệu SPCC bằng đường cong FLC xây dựng theo mô hình Kim-Tuan, các điểm biến dạng chính/ phụ trên biên
dạng của chi tiết dạng cốc sau khi mô phỏng dập vuốt được xác định như Hình 3 22
của biến dạng chính-phụ tại theo các phương tại
các điểm đo Nghiên cứu đã tiến hành cắt dọc chi tiết dạng cốc sau mô phỏng và đo 12
điểm phân bố trên vành cốc (P1; P2; P3), Bán kính lượn vị trí cối (P4), thành cốc (P5;
P6), bán kính cong của chày (P7; P8), đáy cốc (P9; P10; P11; P12) như Hình 3 22a Kết
quả cho thấy sự tiến triển biến dạng chính- phụ tại vị trí bán kính cong của chày (P7;
P8) cho biến dạng lớn nhất, gần với FLC và bị phá hủy
3 5 2
Kiểm chứng FLC tại nhiệt độ khác nhau
Trong nghiên cứu về xây dựng đường cong giới hạn tạo hình của vật liệu tấm
SPCC tại nhiệt độ khác nhau theo phương pháp tỷ lệ và phương pháp đề xuất mới từ dữ
liệu dự đoán như Chương 2, các mô phỏng dập vuốt chi tiết dạng cốc trụ lần lượt được
thực hiện để kiểm tra độ chính xác của các FLC thông qua so sánh chiều cao tạo hình
chi tiết dạng cốc thực nghiệm tại 250oC Các thông số khác dùng trong quá trình mô
phỏng, thực nghiệm như trong Bảng 3 4 và các thông số là bán kính cong của chày RP= (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
4mm, lực chặn phôi FBH=10 kN đã được cố định:
a) b) c)
Hình 3 23 Chiều cao tạo hình của chi tiết dạng cốc trụ khi mô phỏng và thực
nghiệm tại nhiệt độ 2500C a) Phương pháp tỷ lệ; b) Phương pháp đề xuất; c) Thực nghiệm
Hình 3 23 trình bày kết quả chiều cao tạo hình chi tiết dạng cốc trụ khi mô phỏng