CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT ĐỂ THỰC HIỆN ĐỀ TÀI
3.1. Phương án thiết kế
Chính vì sự đa dạng của cơng nghệ dập tấm nên chúng em đã lên ý tưởng và được sự hướng dẫn của các thầy cơ thì chúng em đã “Thiết kế và chế tạo khn tạo hình kim
loại ống thơng qua vật liệu đàn hồi” mà vật liệu chúng em sử dụng để tạo hình sản
phẩm ở đây là cao su.
Để thiết kế và chế tạo thành công khn ép tạo hình kìm loại tấm thơng qua vật liệu đàn hồi thì nhóm chúng em cũng nghiên cứu, tìm hiểu và sử dụng các thiết bị gồm: Loadcell (cảm biến tải), đầu cân (bộ hiển thị), con đội thủy lực và máy dập con đội thủy lực để phục vụ cho việc ép tạo hình sản phẩm.
Đến cuối cùng chúng em đã lên những phương án thiết kế chế tạo và cũng chọn ra một phương án tốt nhất.
3.1.1. Lựa chọn phương án cấu tạo khuônPhương án 1 Phương án 1
Khuôn được thiết kế theo dạng hình hộp, gồm 6 tấm bao bọc ở mặt ngoài, bên trong là những tấm cố định bằng bu lơng hoặc có thể trượt bằng cách sử dụng ti trượt.
Hình 3.2. Sơ đồ nguyên lý phương án 1
Ưu điểm:
- Khuôn cứng cáp liền lạc
- Khả năng tự động hóa cao
- Cao su khơng bị vung vãi
- Có thể kiểm sốt lượng cao su trong khoang chứa Nhược điểm:
- Khuôn không linh hoạt nếu xảy ra hiện tượng kẹt chày ép hoặc bạc tạo hình do cao su len lỏi vào những khoảng hở của khuôn. Phải tháo khuôn ra hồn tồn mới có thể giải quyết.
- Trong lượng của khn khá lớn, chắc chắn không thể di chuyển dễ dàng bằng sức người.
- Lực sinh ra khi ép cao su chủ yếu là lực dọc trục, nên dù khoang chứa có chứa nhiều cao su thì lượng cao su đó cũng khơng thể được di chuyển vào lịng khn ép, từ
đó áp suất tác dụng lên bề mặt phôi cũng không lớn, nên không thể làm biến dạng phơi.
- Chi phí gia cơng và mua vật liệu tốn kém.
Kết luận: sau khi xem xét những ưu điểm, nhược điểm của phương án 1, nhóm quyết định loại trừ phương án này. Ưu điểm của thiết kế này chủ yếu chỉ là hình dáng bên ngồi của khn, không mang lại nhiều hiệu quả phục vụ cho quá trình ép tạo sản phẩm. Trong khi đó những nhược điểm của phương án này mang tính chí mạng, làm cản trở nghiêm trọng đến quy trình nếu có bất kỳ vấn đề khơng mong muốn xảy ra trong q trình ép, làm tiêu hao thời gian, giảm năng suất, hiệu quả của khn. Do đó những ưu điểm phương án này mang lại không thực sự đáng để ta đánh đổi, chấp nhận những nhược điểm nghiêm trọng này.
Phương án 2:
Sau khi tìm ra được những nhược điểm của phương án 1, nhóm tiến hành cải tiến khn để khắc phục những nhược điểm đó bằng cách kết hợp một số bộ phận của khuôn trực tiếp lên máy ép để tăng tính linh hoạt cho khn. Lúc này khn có thể tháo lắp rời các bộ phận một cách dễ dàng, phòng trong những trường hợp ngồi ý muốn xảy ra trong q trình ép. Ngồi ra để bù đắp cho việc khoang chứa cao su không cịn, dẫn đến lượng cao su có thể bị hao hụt, nhóm đã sử dụng thêm viên chêm nhằm tăng thêm áp suất tác dụng lên phôi cho những mẫu ép vùng biến dạng nằm ở giữa, yêu cầu khả năng tích áp trong lịng phơi nhanh. Tuy nhiên cũng giống như phương án 1, khn cũng tồn tại một số nhược điểm.
Hình 3.5. Sơ đồ nguyên lý phương án 2
Ưu điểm:
- Khn mang tính linh hoạt cao, có thể dễ dàng tháo lắp, đề phịng những vấn đề có thể phát sinh, đặc biệt là giai đoạn lấy phôi ra khỏi sản phẩm
- Việc dùng 2 chày (chày ép ống và chày ép cao su) làm tăng hiệu quả khi ép lên đáng kể.
- Chi phí chế tạo khn rẻ.
- Trọng lượng nhẹ, có thể dễ dàng di chuyển. Nhược điểm:
- Việc loại bỏ cao su khi lấy phôi ra khỏi lịng khn là bắt buộc, dẫn tới vung vãi cao su.
- Khả năng tự động hóa kém.
- Việc tháo lắp khn liên tục sẽ khiến bạc trượt của tấm chặn trên và tấm chặn dưới hoạt động thường xuyên, sau một thời gian nhất định phải thay thế.
Sau khi so sánh những ưu và nhược điểm của phương án 2, đồng thời đắn đo với phương án 1, nhóm đã quyết định lựa chọn phương án 2. Những nhược điểm của loại khuôn này chủ yếu chỉ ảnh hưởng tới những giai đoạn tiền hoặc hậu quá trình ép, ngồi ra khơng ảnh hưởng gì đến sản phẩm. Thêm vào đó phương pháp ép của phương án này mang tính tối ưu cao hơn, giúp nâng cao chất lượng sản phẩm. Do đó việc lựa chọn phương án 2 là hồn tồn hợp lý.
3.1.2. Thiết kế bạc định hình
Hình dạng của bạc định hình được thiết kế dựa theo phần cơ sở lý thuyết gồm 3 mẫu. Bạc định hình khơng phải là 1 chi tiết dài nguyên khối mà được chia thành 3 bạc nhỏ hơn. Điều này giúp cho việc gia công trở nên dễ dàng hơi, đồng thời đảm bảo tính lắp lẫn cho những chi tiết có phần đầu hoặc giữa có thể hốn chuyển cho nhau được. Phần góc nhọn tạo bởi vùng biến dạng và vùng khơng biến dạng đều được thiết kế và gia công vát cạnh, đảm bảo cho phơi có thể biến dạng dễ dàng hơn, hạn chế hiện tượng rách.
Đối với những chi tiết đặc biệt có undercut (mẫu 3) . Việc lấy chi tiết ra khỏi bạc tạo hình sau khi biến dạng là điều khơng thể. Do đó việc cắt đơi bạc tạo hình của những mẫu này là điều cần thiết.
Hình 3.7. Bạc định mẫu 2
3.2. Qui trình thiết kế, gia cơng và lắp ráp khuôn
3.2.1. Thiết kế khuôn bằng phần mềm Autodesk Inventor 2019
Để đảm bảo cho việc thiết kế ra được bộ khn đáp ứng các u cầu kỹ thuật, nhóm đã sử dụng phần mềm Inventor 2019 để hỗ trợ trong việc mơ hình hóa và xuất bản vẽ Autodesk Inventor là phần mềm xây dựng mơ hình 3D, thiết kế, hình mẫu và kiểm tra
ý tưởng các sản phầm. Inventor tạo ra các nguyên mẫu mô phỏng chuẩn xác khối lượng, áp lực, độ ma sát, tải trọng,… của các đối tượng sản phẩm trong môi trường 3D. Các công cụ mô phỏng, phân tích được tích hợp trong Inventor cho phép người dùng thiết kế từ khuôn đúc cơ bản đến nâng cao như thiết kế chi tiết máy, trực quan hóa sản phẩm. Inventor cịn được tích hợp CAD và các cơng cụ giao tiếp thiết kế nhằm nâng cao năng suất làm việc của CAD và giảm thiếu phát sinh lỗi, tiết kiệm thời gian.
Hình 3.9. Phần mềm Inventor Professional 2019
Những người đang hoặc sẽ sử dụng AutoCAD sẽ thừa hưởng được nhiều lợi ích của Inventor. Inventor cũng cấp một môi trường thiết kế và phím tắt tương tự với
AutoCAD, hỗ trợ tập tin DWG, cho phép người dùng chuyển từ vẽ 2D hiện hành sang xây dựng mơ hình 3D. Inventor được sử dụng phổ biến trong tạo nguyên mẫu kỹ thuật số, các mẫu được tạo ra từ bản vẽ 2D AutoCAD được tích hợp và các dữ liệu 3D, hình thành nên sản phẩm ảo. Bằng cách này, các kỹ sư có thể thiết kế, mơ phỏng sản phẩm mà không phải tạo ra các mẫu vật lý. Người dùng có thể sử dụng các cơng cụ thiết kế 3D cơ khí trong Inventor để nghiên cứu và đánh giá mơ hình thuận tiện và hiệu quả hơn. AutoDesk Inventor cịn đưa ra các cơng cụ và tính năng khác nhằm nâng cao năng suất làm việc như: Integrated Data Management, Design Automation, Automatic Drawing Updates and Views, Automatic Bill of Materials,…
Chính vì những lợi ích đó, nhóm đã sử dụng phần mềm Autodesk Inventor làm cơng cụ hỗ trợ. 3.2.1.1. Tấm chặn dưới Hình 3.10. Tấm chặn dưới dạng Wireframe - Vật liệu: Thép C45 - Kích thước: 500x500x22mm - Số lượng: 1
Bảng 3.1 Phiếu cơng nghệ tấm chặn dướiTT Bước TT Bước công nghệ 1 Phay cạnh bên 1 2 Phay cạnh bên 2 3 Phay cạnh bên 3 4 Phay cạnh bên 4 5 Phay 4 hốc ∅20 6 Phay lỗ
∅87×5 7 Phay lỗ ∅47.8 8 Khoan 4 lỗ ∅32 9 Khoan và ta-rơ 16 lỗ M4 3.2.1.2. Tấm chặn trên Hình 3.11. Tấm chặn trên dạng Wireframe - Vật liệu: Thép C45 - Kích thước: 370x370x22 mm
- Số lượng: 1
Bảng 3.2. Phiếu cơng nghệ tấm chặn trên
TT Bước công nghệ 1 Phay cạnh bên 1 2 Phay cạnh bên 2 3 Phay cạnh bên 3 4 Phay cạnh bên 4 5 Phay lỗ bậc ∅87
6 Phay lỗ ∅47.5 7 Khoan 4 lỗ ∅32 8 Khoan và ta-rô 16 lỗ M4 3.2.1.3. Bạc lót ngồi Hình 3.12. Bạc lót ngồi dạng Wireframe
- Vật liệu: Thép C45
- Kích thước: đường kính ngồi 89 mm, đường kính trong 68 mm, dài 252 mm.
- Số lượng: 1
Bảng 3.3. Phiếu cơng nghệ bạc lót ngồi
TT Bước cơng nghệ 1 Vạt mặt đầu 2 Tiện trụ ngồi 3 Tiện trụ trong
3.2.1.4. Bạc tạo hình
Hình 3.13. Bạc tạo hình trơn Ø50 dạng Wireframe
- Vật liệu: Thép C45
- Kích thước: đường kính ngồi 72 mm, đường kính trong 49 mm, dài 71 mm.
- Số lượng: 2
Bảng 3.4. Phiếu cơng nghệ bạc lót ngồi
TT Bước
cơng nghệ
1 Vạt mặt
2 Tiện trụ ngồi 3 Tiện trụ trong Hình 3.14. Bạc tạo hình Ø50 có góc vát dạng Wireframe - Vật liệu: Thép C45
- Kích thước: đường kính ngồi: 71 mm, đường kính trong: 49 mm, dài 77 mm.
- Số lượng: 2
Bảng 3.5. Phiếu cơng nghệ bạc tạo hình Ø50 có góc vát
TT Bước
cơng nghệ
1 Vạt mặt đầu 2 Tiện trụ ngồi 4 Tiện trụ trong 3 Tiện góc vát 22°
Hình 3.15. Bạc tạo hình trơn Ø58 dạng Wireframe
- Vật liệu: Thép C45
- Kích thước: đường kính ngồi: 71 mm, đường kính trong: 49 mm, dài 77 mm.
Bảng 3.6. Phiếu cơng nghệ bạc tạo hình trơn Ø58TT Bước TT Bước cơng nghệ 1 Vạt mặt đầu 2 Tiện trụ ngồi 3 Tiện trụ trong
Hình 3.16. Bạc tạo hình cắt đơi dạng Wireframe
- Vật liệu: Thép C45
- Kích thước: đường kính ngồi 71 mm, đường kính trong 49 mm, dài 71 mm.
Bảng 3.7. Phiếu cơng nghệ bạc tạo hình cắt đơi TT Bước cơng nghệ 1 Vạt mặt đầu 2 Tiện trụ ngồi 3 Tiện trụ trong 4 Cắt đôi chi tiết 3.2.1.5. Chày ép ∅ . Hình 3.17. Chày ép Ø47.8 dạng Wireframe - Vật liệu: Thép C45 - Kích thước: ∅50.5 mm, dài 502 mm. - Số lượng: 1 TT Bước cơng nghệ
đầu và khoan tâm 2 Tiện trụ ngồi 3 Cắt khúc
Bảng 3.8. Phiếu cơng nghệ chày ép Ø47.8
3.2.1.6. . Chày ép ∅
Hình 3.18. Chày ép Ø50 dạng Wireframe
- Vật liệu: Thép C45
- Kích thước: ∅50.5 mm, dài 250 mm.
- Số lượng: 1
Bảng 3.9. Phiếu công nghệ chày ép Ø50
TT Bước công nghệ Loại dao Chế độ cắt f (mm/v) Ghi chú 65 1
2 3.2.1.7. Cây chống Hình 3.19. Cây chống dạng Wireframe - Vật liệu: Thép C45 - Kích thước: ∅20 mm, dài 501 mm. - Số lượng: 4
Bảng 3.10. Phiếu công nghệ cây chống
TT Bước cơng nghệ 1 Vạt mặt đầu 66
3.2.1.8. Viên chêm
Hình 3.20. Viên chêm dạng Wireframe
-Vật liệu: Thép C45
- Kích thước: ∅47.8mm, dài 200mm
- Số lượng: 1
Bảng 3.11. Phiếu công nghệ viên chêm
TT Bước cơng nghệ 1 Cắt khúc 3.2.1.9. Bạc trượt trịn có vai - Số lượng: 8 Hình 3.21. Bạc trượt trịn có vai
3.2.1.10. Gối đỡ ray trượt
- Số lượng: 4
Hình 3.22. Gối đỡ ray trượt 3.2.1.11. Bu lơng lục giác M5 - Số lượng: 40
Hình 3.23. Bu lông lục giác M5
3.2.2. Mô phỏng nguyên lý hoạt động bằng phần mềm Ansys 16 3.2.2.1. Giới thiệu phần mềm Ansys 16
ANSYS là một phần mềm toàn diện và bao quát hầu hết các lĩnh vực vật lý, giúp can thiệp vào thế giới mơ hình ảo và phân tích kỹ thuật cho các giai đoạn thiết kế. Hầu hết các nhà đầu tư rất thích phần mềm phân tích kỹ thuật này so với những gì chúng làm được và số tiền họ phải bỏ ra.
Hình 3.24. Phần mềm Ansys 16
Phần mềm phân tích mạnh này giúp q trình thiết kế kỹ thuật qua một cấp độ mới, không chỉ làm việc với những môi trường, thông số biến động, các hàm nhiều cấp bậc, mà cịn hỗ trợ làm việc mang tính thích nghi với những mơ hình kỹ thuật mới, nhưng cơng cụ CAE nhiều tính năng. Dĩ nhiên Ansys sẽ giúp nâng cao hiệu quả khi thiết kế, nâng cao tính sáng tạo, giảm bớt ràng buộc, hạn chế vật lý, thực hiện các bài kiểm tra mô phỏng mà không thể thực hiện trên những phần mềm khác.
3.2.2.2. Đặt giả thiết
- Phần bạc lót ngồi và bạc tạo hình ta xem như là một khối khơng di chuyển trong suốt q trình tạo hình ống kim loại nên ta đặt những vật này là vật cứng tuyệt đối (Ridgid bodies)
- Ống kim loại chỉ biến dạng theo phương xy và cố định phương z, do trong suốt q trình ép chày trên ln tác dụng một lực vào đầu ống kim loại, làm cho chân ống luôn tiếp xúc với tấm chặn dưới
- Áp suất tác dụng lên thành ống: Giả sử ta dùng lực chày ép tối đa là 22 tấn, tác dụng lên vùng thể tích sao cho, vùng thể tích đó là vừa đủ để cho ống biến dạng hồn tồn.
Hình 3.25. Diện tích mặt tối thiểu để ống biến dạng hồn phần
Khi đó diện tích mặt vùng cần tính là: = 2 2 + 2 ℎ = 2 ∗ 47.82 + 2 ∗ 47.8 ∗ 86.24 = 40257 ( 2)
=
Hình 3.26. Điều kiện ban đầu 3.2.2.3. Kết quả mơ phỏng
Hình 3.28. Sự phân bố biến dạng mẫu 1 (mm)
Hình 3.29. Kết quả mơ phỏng mẫu 2
Hình 3.31. Kết quả mơ phỏng mẫu 3
Hình 3.32. Sự phân bố biến dạng mẫu 3 (mm) Nhận xét:
- Khi áp dụng các điều kiện ban đầu, cả 3 mẫu đều đã biến dạng một cách tương đối.
- Ứng suất tập trung ở những góc vát và tăng dần ở những vùng biến dạng nhiều.
- Khơng có khuyết tật nào được tìm thấy, đặc biệt khơng có hiện tượng bị rách ở những góc vát.
Kết luận: Kết quả mô phỏng thuận lợi chứng tỏ việc thiết kế khn trước đó đã đặt
được hiệu quả nhất định, sản phẩm mơ phỏng ra khơng bị khuyết tật. Do đó nhóm quyết định sử dụng phương án thiết kế này và tiến hành gia công.
3.2.3. Tiến hành gia công và lắp ráp khn
Phần lớn các chi tiết gia cơng đều được nhóm thực hiện. Nhóm đã sử dụng những kiến thức đã học trong suốt 4 năm để tiến hành gia công, từ những nguyên vật liệu thơ sơ, và ngay chính tại khu xưởng Việt Đức, nhóm cảm thấy rất tự hào vì được tự tay vận hành và thực hiện chính đồ án tốt nghiệp của mình. Cảm ơn thầy Cơng đã tạo cơ hội trong việc mượn những trang thiết bị cần thiết cũng như giúp đỡ nhóm trong suốt q trình gia cơng.
Sau đây là một số ảnh trong q trình gia cơng. Ảnh thực tế của những chi tiết khn cũng đã được nhóm sử dụng ở những nội dung trên để tạo ra cái nhìn tổng quan nhất.
Hình 3.33. Phơi thơ khi chưa qua gia cơng
Hình 3. 35. Các bạc tạo hình sau khi đã gia cơng xong
Hình 3.37. Tấm chặn trên
Hình 3.39. Bạc tạo hình trơn Ø50
Hình 3. 41. Bạc tạo hình trơn Ø58
Hình 3.43. Chày ép Ø47.8
Hình 3.44. Chày ép Ø50
Hình 3.45. Cây chống