Chương 3: Thiết kế cơng nghệ tạo hình w
Biến dạng tạo hình W: Hệ thống ép sẽ từ từ đi xuống kết hợp với khn 2 tạo hình dạng 2D cho kẹp đàn hồi W.
Hình 3. 12 Ý tưởng thiết kế khn bước 2
1. Bộ phận dập khn trên; 2. Bộ phận cố định vị trí của chi tiết; 3. Bộ phận định hình và cố định vị trí khn dưới
Bước 3 : Tạo hình dạng 3D tương tự như phương án 1 (Hình 3.8) Ưu điểm:
Thiết kế khuôn đơn giản. Thiết kế chọn thiết bị dễ dàng. Thay thế đơn giản.
Nhược điểm:
Như hình miêu tả các bước trên thì cần tính tốn tốc độ phù hợp để có kích thước 2D chính xác.
Sử dụng nhiều nhân cơng (tốn kém chi phí vận hành). Năng xuất thấp hơn.
Nhận xét: Phương án 1 và 2 đều có ưu và nhược điểm riêng
Tuy nhiên xét về tổng thể thì phương án 2 có khả năng lắp và cố định phơi đơn giản hơn sơ với phương án 1.
3.5. Tính tốn kích thước phơi
3.5.1 Điều kiện thiết kế
Bỏ qua sự đàn hồi trở lại của phôi sau mỗi bước dập do nhiệt độ dập cao kết hợp với dập ép.
Trong quá trình dập xảy ra quá trình nén hoặc chảy ra của vật liệu nên cần phải tính tốn đến q trình này để được chi tiết mong muốn.
Tính tốn đến chuyện giãn nở nhiệt của phơi trong q trình rèn.
3.5.2 Tính tốn kích thước phơi
Tính tốn chiều dài của chi tiết qua từng công đoạn:
Chiều dài của chi tiết bước 3
Dựa trên chi tiết dựng 3D trên phần mềm Solidwork ta xác định được: Thể tích của phơi cần dập là: V=56381.64 (mm3).
Bán kính của chi tiết là: 6.5mm.
Chiều dài của chi tiết tính gần đúng là: L=V/S=55347/(6.5×6.5×ᴨ) ≈ 424.7 (mm).
Vậy: Chọn chiều dài sơ bộ của chi tiết sau khi dập sẽ là: 425mm.
Chiều dài của phôi ở bước dập 2:
Xét thay đổi chiều dài trên hình chiếu cạnh 1 phần đối xứng của chi tiết: (Công thức trang 79, 80 tài liệu [11])
Chương 3: Thiết kế cơng nghệ tạo hình w
Hình 3. 13 Kích thước của phơi bước 3
Quá trình rèn bước thứ 3 tạo hình 3D cho chi tiết chỉ thay đổi kích thước theo một phương uốn nên xét theo phương này để tính tốn chiều dài của chi tiết thay đổi:
Hình 3. 14 Ký hiệu các cung uốn trên kẹp
Tính tốn sự thay đổi phơi theo cung uốn thứ nhất
Cung uốn thứ nhất của chi tiết được tạo bởi 3 cung uốn lần lượt là: r=40 mm, chắn cung có góc φ1=37°
r=120mm, chắn cung có góc φ3=16° - Với góc β1=133°, r= 40 mm, s=13mm (Trong đó: β=180° -φ) K=0.65+1 2×log 𝑟 𝑠 =0.65+ 1 2×log 40 13=0.894 υ1= ᴨ×(180−β 180 )×(r+𝑠 2.K)-2(r+s)×tan( 180− β 2 )=-5.88mm - Với góc β2 =149°, r=15mm, s=13mm K =0.65+1 2×log 𝑟 𝑠 =0.65+ 1 2×log 15 13=0.681 υ2= ᴨ×(180−β 180 ) ×(r+𝑠 2.K)-2(r+s)×tan( 180− β 2 )=-5.02mm - Với góc β3 =164°, r =120mm, s =13mm K=1 (𝑅 𝑆 = 120 13 =9 .23>5) υ3= ᴨ×(180−β 180 ) ×(R+𝑠 2.K)-2(R+s)×tan(180− β 2 )=-2.06mm
Vậy: Chiều dài phơi theo cung thứ nhất chưa biến dạng là:
L= a1+a2+a3+a4+υ1+ υ2+v4=19.00+26.47+24.38+17.04-5.88-5.02-2.06=73.95mm
Tính tốn sự thay đổi phơi theo cung uốn thứ 2
Cung uốn thứ hai của chi tiết được tạo bởi 3 cung uốn và 1 đường thẳng lần lượt là: r=40mm, chắn cung có góc φ1=37° r=15mm, chắn cung có góc φ2=26° - Với góc β4=154°, R=15mm, s=13 K=0.65+1 2×log 𝑟 𝑠 =0.65+1 2×log 15 13 = 0.681 υ4= ᴨ×(180−β 180 )×(R+ 𝑠 2.K)-2(R+s)×tan( 180− β 2 )=-4.11mm
Vậy: Chiều dài phơi theo cung thứ 2 chưa biến dạng:
Chương 3: Thiết kế cơng nghệ tạo hình w
Các kích thước của phơi trước khi dập bước 3 thể hiện như hình 3.15.
Hình 3. 15 Kích thước của phơi bước 2
Tính tốn thay đổi kích thước phơi dập bước 2:
Bước dập thứ 2 chủ thay đổi kích thước trên 1 cung cong bán kính r=12mm và 2 cung cong bán kính r=16mm.
- Với góc β =0°, R=16mm, s=13mm (Chiều dày/đường kính của phơi) K=0.65+1 2×log 𝑟 𝑠 =0.65+1 2×log 16 13= 0.679 υ5=ᴨ×(180−β 180 ) ×(R+𝑠 2.K)-2(R+s)×tan180− β 2 =6.45mm. - Với góc β =0°, R=12mm, s=13mm (Chiều dày của phơi)
K=0.65+1 2×log 𝑟 𝑠 =0.65+ 1 2×log 12 13= 0.616 υ6=ᴨ×(180−β 180 ) ×(R+𝑠 2.K)-2(R+s)= 0.62mm. Vậy:
Chiều dài đoạn x của phôi trước khi dập bước 2 là:
Chiều dài đoạn y của phôi trước khi dập bước 2 là:
Y=82.61+v6=82.6+0.62=83.10mm
Các kích thước của phơi trước khi dập bước 2 thể hiện như hình vẽ 3.16:
Hình 3. 16 Kích thước của phơi bước sau bước 1
Sự thay đổi chiều dài của chi tiết sau bước dập 1
Hình 3. 17 Kích thước tính tốn phơi ban đầu
- Với góc β =101°, r =6.5mm, s =13 (Chiều dày của phôi) K=0.65+1 2×log 𝑟 𝑠 =0.65+ 1 2×log 8.5 13= 0.558 υ1=ᴨ×(180−β 180 )×(r+𝑠 2.K)-2(r+s)×tan( 180− β 2 ) = -23.57mm - Với góc β =165°, R =23.5mm, s=13 (Chiều dày của phơi)
K=0.65+1 2×log𝑟 𝑠 =0.65+ 1 2×log 30 13= 0.778
Chương 3: Thiết kế cơng nghệ tạo hình w υ2=ᴨ×(180−β 180 ) ×(r+𝑠 2.K)-2(r+s)×tan( 180− β 2 )= -2.10mm
Vậy: Chiều dài phơi ban đầu là
L=2a +2b +2c+2v=(40.46+130.95+44.76)×2+(-23.57-2.1)×2=381.00mm
Kết luận: Vậy theo tính tốn như trên thì chiều dài phơi ban đầu là 381.00mm
3.5.3 Sự thay đổi kích thước của phơi do oxi hóa
Nhiệt độ rèn
Bảng 3. 3 Nhiệt độ cho phép của rèn nóng [14]
Theo bảng 3.3 thì nhiệt độ rèn cho phép với thép cacbon và hợp kim thấp thì nhiệt độ rèn nằm trong khoảng nhiệt độ là 850-1150°C. Chi tiết dập phải trải qua khá nhiều bước nên nhiệt độ giảm khá nhanh. Vậy nên chọn nhiệt độ ban đầu 1150°C để tối đa được nhiều bước dập mà không phải nung quá nhiều lần.
Kết luận: Vậy nhiệt độ bắt đầu rèn của chi tiết sẽ là 1150°C Thay đổi kích thước của phơi do oxi hóa
Do các q trình dập khơng có bavia nên thể tích của vật dập không thay đổi do gia công mà chủ yếu thay đổi do cháy hao của q trình oxi hóa kim loại.
Số bước dập của q trình là 3 như đã giải thích ở trên. Giả sử mỗi bước dập tốn thời gian là 5 giây; thời gian nâng và giữ nhiệt đến nhiệt độ rèn là 1 phút (nhiệt độ rèn là 1000 °C). Vậy thời gian mẫu nóng là: 1020 (s)
Kích thước cháy hao bề mặt của phôi là
𝑑𝑜𝑥 = √6. 𝑡. 𝑒−23092𝑇 (cm) [12] Trong đó:
t là thời gian giữ nhiệt (s) T là nhiệt độ (K).
Giả sử nhiệt độ trung bình của cả quá trình là hằng số: T = 1000°C = 1137 K - Thay vào cơng thức ta tính được chiều dày lớp cháy hao là: Dox = 0.02 (mm)
Kích thước của phơi là: D =Dct +2×D = 13+2×0.02 = 13.04 (mm)
Kết luận: Do kích thước của phơi thay đổi khơng đáng kể nên chọn phơi có D=13mm;
chiều dài L là 384mm.
3.6. Thiết kế sơ bộ khuôn dập
3.6.1 Thiết kế khuôn bước 1: a) Giản nở nhiệt của phôi dập a) Giản nở nhiệt của phôi dập
Khi nung nóng phơi chịu tác động của nhiệt nên sẽ thay đổi kích thước do giãn nở nhiệt:
Kích thước phơi thay đổi theo giãn nở nhiệt là:
L=L0×(1+φt)=381×(1+11×10-6×(1150-25))=385,70mm Trong đó: Phơi ban đầu chiều dài là 381mm và có đường kính 13mm. Hệ số giãn nở nhiệt là: φ=11×10-6 m/°C [15].
Chương 3: Thiết kế cơng nghệ tạo hình w
Vậy kích thước phơi sau khi nung nóng là 13.15mm (Dùng kích thước này để thiết kế).
b) Thiết kế khuôn rèn bước 1
Thiết kế khuôn rèn dưới Yêu cầu thiết kế:
Đảm bảo cố định phôi trước khi dập. Đảm bảo nhiệt độ không giảm quá nhiều. Có vị trí để đảm bảo lấy được phơi sau khi dập.
Hình 3. 18 Các kích thước sơ bộ khn rèn dưới Kích thước hốc khn h Kích thước hốc khn h
Phơi được đặt trong khuôn dập lấy theo dung sai lắp lỏng A10, nên khe hở giữa phôi và khuôn dưới là 0.15/2mm.
Kích thước rộng t và b
-Ta có độ sau của hốc khn h=6.65<16mm nên tmin để đảm bảo bền khn là tmin = 2h=2×6.65=13.3mm
bmin= 2t+13.3=2×13.3+13.3=39.9mmChọn b= 50mm
Kích thước H:
Hmin để đảm bảo cứng vững: Hmin=10h =66.5 mmChọn H =80mm
Mối liên hệ giữa b, h1, L
Với kích thước phơi ban đầu dài 385mm. Theo [14] ta nhận thấy phơi thuộc nhóm 321 nên kích thước b, h1, L phải đảm bảo điều kiện sau: b ≥ h1, L=8÷16b
Chọn h1≤50mm; L=400÷800mm.
Hình 3. 19 Mối liên hệ các kích thước khn u cầu [14] Kích thước đế khn:
Kích thước dài rộng của đế khn được chỉnh sau khi mô phỏng kết thúc
Chương 3: Thiết kế cơng nghệ tạo hình w
Yêu cầu cần thiết nhằm lấy được phôi sau khi dập (đồng thời giảm thời gian dập của mô phỏng).
Khoét tại tâm khuôn sang hai bên rộng 30mm và sâu 20mm và khoét suốt như hình 3.19.
c) Thiết kế sơ bộ khuôn rèn trên
Các thông số cần lưu ý:
Kích thước đế khn: D, L, H đảm bảo bền tương đối với khuôn dưới (tham khảo hình
4.7)
Chọn bộ số D,L, H là : 200, 460, 50mm (điều chỉnh khi mô phỏng nếu phơi tăng kích thước.
Hx≥ 50mm: Đảm bảo đế khn trên khơng chạm với khn dưới.
Rãnh tạo hình của khn được xác định bằng kích thước phơi cộng với hệ số lắp lỏng A10: Rx=13.3mm.
Chiều dày thành D1 đảm bảo khn bền khi dập : (D1-2 ×Rx)/2 ≥ 2Rx. Chọn D1= 50mm
Kích thước L1 (được điều chỉnh trong mơ phỏng):
Kích thước L1 càng lớn thì phơi sau khi dập càng có kích thước đúng với dự kiến của thiết kế. Tuy nhiên nó cũng làm giảm nhiệt độ cả phôi sau khi dập càng nhiều.
Bán kính góc bo để tránh nứt do ứng suất nhiệt khi nhiệt luyện
Hình 3. 20 Thiết kế hình dạng sơ bộ khn rèn trên
3.6.2 Thiết kế sơ bộ của khuôn rèn thứ 2
Yêu cầu thiết kế:
Độ chảy của chi tiết khi dập phải nằm trong mức có thế chấp nhận được. Có vị trí định vị và cố định phơi dập.
Thành khuôn đảm bảo độ bền.
Kích thước của phơi dập xem như 13.15mm. Lấy được sản phẩm dễ dàng sau khi rèn.
a)Thiết kế sơ bộ khn rèn dưới
Kích thước hốc khn (rãnh tạo hình)
Chi tiết được đạt trong khuôn dập lấy theo dung sai lắp lỏng được lấy theo A10, nên khe hở giữa phôi và khuôn dưới là 0.15/2mm h=6.65mm.
Chiều dày khn tạo hình: b=50mm.
Chiều dày khn H: Hmin =10h=6.65×10=65.5mm
Chương 3: Thiết kế cơng nghệ tạo hình w
Mối liên hệ H1, L, B:
Để đảm bảo cho khn cứng vững khó bị lật thì: L>B≥H1 (Tham khảo hình 3.19) Chọn: L×B×H1 =460×200×50mm.
Bán kính góc bo R1: Bo góc nhằm tránh ứng suất nhiệt khi nhiệt luyện và làm việc.
Vì b/H2=1 < 2 nên bán kính góc bo được xác định theo công thức: R=0.1( H +D1) = 0.1( 50+50) =10mm.
Hình 3. 21 Các thơng số u cầu khuôn rèn dập dưới 2
b) Thiết kế sơ bộ khn rèn trên
Kích thước h: h=6.65 (xác định tương tự khn trên).
Kích thước b, H1 đảm bảo cho phơi có thể lấy được ra khỏi khn: B= 32mm, H1≤ 56.1-6.65=49.35mm
Chọn H1 = 40mm.
Kích thước H: Đủ lớn để phơi khơng đụng vào đế khuôn gây biến dạng Chọn 130 mm ( điều chỉnh trong mơ phỏng).
Kích thước để khn L×B×H2: u cầu khn đứng vững thì L>B≥H2+H Chọn 460×200×50mm .
Kích thước góc bo R:
Vì 60/H2=1.2 < 2 nên bán kính góc bo được xác định theo công thức: R=0.1(60 + H2 ) = 0.1( 60+50)=11mm.
Hình 3. 22 Các thơng số u cầu khn rèn trên (khuôn 2)
3.6.3 Thiết kế sơ bộ khuôn rèn bước 3
Vị trí định vị: Điều chỉnh sau khi mơ phỏng vì chưa biết chính xác vị trí
Chương 3: Thiết kế cơng nghệ tạo hình w
Mặt tạo hình là mặt phẳng (khơng kht) Mối liên hệ các kích thước:
Mối liên hệ các thông số H2, L2, R2 là : L2 > R1 >H2 min Mối liên hệ khuôn dưới: L1 > R2 > H1.
Chương 4 MÔ PHỎNG KHUÔN BẰNG PHẦN MỀM DEFORM-3D VÀ ĐIỀU CHỈNH THIẾT KẾ
4.1 Giới thiệu phần mềm Deform
Deform là phần mềm mơ phỏng các q trình gia cơng vật liệu dựa trên phương pháp phần tử hữu hạn (Finite Element Method-Fem) rất nổi tiếng của hãng Scientific Forming, Hoa Kỳ. Deform có 3 sản phẩm phổ biến là Deform 2D, Deform 3D và Deform HT, ngồi ra cịn có F2 và F3. Hai phiên bản đầu dùng mô phỏng các q trình gia cơng vật liệu áp lực: cán, kéo, dập ép... Cũng có thể sử dụng các phiên bản này để mơ phỏng q trình gia cơng như cắt, khoan.. Phiên bản Deform HT là chương trình hỗ trợ cho Deform 2D, 3D, nó có thể mơ hình hóa các ảnh hưởng xử lý nhiệt (thường hóa, tơi, ram...) bao gồm: Độ cứng, kích thước hạt của tổ chức kim loại, biến dạng, ứng suất dư, hàm lượng cacbon...
Giao diện phần mềm Deform đơn giản và dễ sử dụng. Cột bên phải là các lệnh tương ứng quá trình mơ phỏng: tiền xử lý (pre-processor), mơ phỏng (simulator) và hậu xử lý (post processor).
Chương 4: Mô phỏng bằng phần mềm deform-3D và điều chỉnh thiết kế
Các bước cơ bản trong q trình mơ phỏng:
4.2 Cách nhập thông số mô phỏng trên phần mềm DEFORM-3D
4.2.1 Cách tạo một chương trình mơ phỏng mới
Sau khi mở giao diện làm việc của phần mềm Deform-3D, để tạo ra một mơ phỏng mới có thể chọn : File New problem Next Chọn vị trí lưu Đặt tên file Nhập thơng số mơ phỏng.
4.2.2 Thiết lập mơ hình hình học, cách chèn mơ hình hình học vào phần mềm
Để mơ phỏng chính xác với ý đồ mong muốn của người thiết kế thì có thể thiết kế khn, phơi và vị trí tương đối của chúng trên phần mềm khác và lưu dưới dạng file mà phần mềm đọc được như *.DB, *. STL, *.KEY... Trong bài luận văn, Phần mềm Solidwork sẽ được sử dụng để thiết kế khuôn. Khuôn sau được thiết kế từng phần và đặt tên thích hợp thì sẽ được sắp xếp vị trí bằng hệ thống file Assembly của Solidworks rồi lưu dưới dạng file có đi *.STL.
Lưu ý: Mơ hình hình học cũng có thể thiết kế trực tiếp trên phần mềm mô phỏng
Deform-3D nhưng dành cho chi tiết đơn giản, trong bài luận văn này để cho mơ phỏng có độ tin cậy cao hơn nên dùng phần mềm Solidwork.
Nhập mơ hình hình học vào phần mềm:
Chọn thẻ Geometry Import geometry Đến vị trí file đã được tạo trên Solidwork.
Hình 4. 2 Thiết lập mơ hình hình học
Thứ tự nhập file như thứ tự khuôn: Workpiece (phôi), Top die (khuôn trên), Bottom die (khuôn dưới). Ngồi 3 đối tượng cơ bản nêu trên, mơ phỏng có thể có thêm 1 hay nhiều
Chương 4: Mô phỏng bằng phần mềm deform-3D và điều chỉnh thiết kế
đối tượng mà có thể thao tác thêm hay bớt bằng cách nhấp vào biểu tượng Insert object, Delete object.
4.2.3 Thiết lập điều kiện biên cho mô phỏng:
- Nhập vật liệu và nhiệt độ
Chọn đối tượng cần nhập vật liệu như: Workpiece (phôi), Top die (khuôn trên),
Bottom die (khuôn dưới)... để tiến hành nhập vật liệu và nhiệt độ. General Assign temperature Nhập nhiệt độ.
General Load material from library Chọn vật liệu từ thư viện.
Chọn hộp thoại General Plastics đối với phôi (phôi biến dạng dẻo) và Rigid đối với khuôn (cứng).
Hình 4. 3 Thiết lập nhiệt độ và vật liệu
- Chia lưới và thiết lập thông số ép của khuôn dập
Chia lưới
Chọn hộp thoại Mesh Number of element Nhập thông số chia lưới (Việc chia lưới phụ thuộc vào cấu hình máy tính đang sử dụng. Chia lưới càng mịn thì kết quả mơ
phỏng có kết quả chính xác càng cao) Generate Check mesh (hoàn thành việc chia lưới).
- Thiết lập di chuyển khuôn dập
Đối tượng di chuyển thơng thường là Top die. Một số trường hợp có thể là đối tượng