43
Điều kiện biên
DEFORM 3D cung cấp giao diện hiệu quả và dễ sử dụng. Người dùng có thể đưa các điều kiện biên phù hợp với yêu cầu đặt ra. Việc thiết lập điều kiện biên càng chính xác và sát với thực tế thì sẽ giúp cho các kết quả mơ phỏng càng chính xác.
Các điều kiện biên quan trọng cần kể đến đó là: điều kiện biên về nhiệt độ, về vận tốc, về gia tốc cũng như lực. Các thông số đi kèm với các điều kiện biên này có thể là hằng số hay là hàm của thời gian, khoảng dịch chuyển của dụng cụ và vị trí tương đối giữa các đối tượng hình học trong mơ hình.
Bên cạnh đó DEFORM 3D cũng xác định các thơng số điều kiện biên cho máy búa (khi mơ phỏng q trình rèn), máy ép trục vít (mơ phỏng ép trên máy ép trục vít), lực ép cơ học dùng cơ cấu tay biên – thanh truyền, máy cán (khi mơ phỏng q trình cán).
Số lượng các điều kiện biên là do người dùng lựa chọn. Cùng một bài tốn có người sẽ chọn nhiều điều kiện biên, có người sẽ chọn ít hơn. Tuỳ thuộc vào mức độ mong muốn kết quả cuối cùng sẽ thế nào. Nhiều trường hợp không hẳn cứ đưa nhiều điều kiện biên vào là tốt. Vì lúc ấy bài toán sẽ trở nên phức tạp và khối lượng tính tốn sẽ tăng lên rất nhiều, trong khi đó kết quả mang lại cũng chưa hẳn là tối ưu. Vì vậy tất cả đều do mong muốn chủ quan của người điều khiển.
44 Tiếp xúc (Inter-object)
Việc đặt số liệu cho các cặp tiếp xúc cũng có ảnh hưởng đáng kể đến kết quả mơ phỏng. DEFORM 3D hỗ trợ công việc này một cách tự động hoặc do người dùng đặt. Khái niệm “master” và “slave” được dùng trong việc xác định các cặp tiếp xúc. Các cặp tiếp xúc được liệt kê ở dạng bảng (hình 2.3).
Hình 3.5. Bảng các cặp tiếp xúc trong DEFORM 3D
DEFORM 3D hỗ trợ các mơ hình ma sát:
- Mơ hình Coulomb: Thường được dùng trong mơ phỏng số quá trình tạo hình kim loại và tấm kim loại. Mơ hình này được dựa trên cở sở lý thuyết ma sát dính
fs = µ.p (3.1)
Trong đó: fs là ứng suất ma sát µ là hệ số ma sát
45
p là áp suất bề mặt ở vùng tiếp xúc
- Mơ hình ma sát Tresca (Shear) được xác định qua công thức: fs = m.k (3.2) Trong đó: fs là ứng suất ma sát
m là hệ số ma sát
k là ứng suất cắt của vật liệu
- Mơ hình hybrid là mơ hình ma sát tổ hợp của mơ hình coulomb và mơ hình ma sát khơ.
Các hệ số ma sát tương ứng với các mơ hình ma sát có thể là hằng số hoặc là của hàm áp suất tiếp xúc, nhiệt độ … Tùy thuộc vào chất bơi trơn và điều kiện tiếp xúc. Có thể nói DEFORM 3D đáp ứng được hầu hết các yêu cầu của người dùng về xác định điều kiện biên tiếp xúc.
Modul giải (Solver)
Trên cơ sở dữ liệu đầu vào đã được xác định trong phần “tiền xử lý” DEFORM 3D sẽ tiến hành tính tốn. Trước khi đi vào tính tốn DEFORM 3D hỗ trợ người sử dụng kiểm tra lỗi trong quá trình nhập dữ liệu ở phần tiền xử lý.
46
Q trình tính có thể thực hiện ở dạng batch-mode hoặc tính tốn song song trên máy tính. Trong q trình tính tốn người dùng có thể quan sát được tiến trình xử lý cùng các kết quả trung gian. Kết quả tính sẽ được đưa ra ở phần “hậu xử lý”.
Hậu xử lý (Post Processing)
Modul này được sử dụng để hiển thị và lấy kết quả của quá trình mơ phỏng như hình 3.6
Hình 3.6. Xuất kết quả trong DEFORM3D
Phôi kim loại bị biến dạng dẻo cùng với sự phân bố ứng suất biến dạng, phân bố nhiệt độ, tốc độ biến dạng.
Trường phân bố biến dạng, ứng suất, nhiệt độ, tốc độ… được hiển thị dưới dạng contour hay vecter.
Biểu đồ hiển thị sự thay đổi của lực tác dụng, của thể tích hay của một điểm (một phần tử) trong suốt q trình biến dạng.
3.5 Các bước mơ phỏng q trình cán trục bậc bằng Deform
Cán nêm ngang có thể cán các chi tiết từ đơn giản đến phức tạp phục vụ cho các ngành cơ khí nói riêng và trong các ngành cơng nghiệp nói chung. Cán nêm ngang có rất nhiều ưu điểm khi chế tạo các chi tiết cơ khí đồng dạng so với các
47
phương pháp chế tạo truyền thống. Thơng qua việc mơ phỏng và phân tích q trình tạo hình, các trường ứng suất, biến dạng, nhiệt độ nhằm làm rõ cơ chế biến dạng dẻo.
Bài tốn mơ phỏng số biến dạng tạo hình nói chung thường được tiến hành theo trình tự như sơ đồ dưới đây và tương ứng là các mô đun cần thiết trong Deform để thực hiện theo trình tự đó. Và bài tốn trục bậc cũng khơng ngoại lệ. Bài toán sẽ đi đủ các bước như bên dưới
48
3.6 Kết luận
Ứng dụng mô phỏng trong sản xuất tuy mới xuất hiện chưa được lâu nhưng hiệu quả của nó mang lại thì đã được khẳng định. Hiện nay, trong tất cả các ngành sản xuất đều đã sử dụng mô phỏng trong các công việc liên quan đến thiết kế. Tuỳ theo tình hình cụ thể của mỗi một cơng nghệ mà ứng dụng ít hay nhiều mơ phỏng. Phần mềm Deform3D là một phần mềm được phát triển riêng để chuyên mô phỏng quá trình tạo hình vật liệu. Ứng dụng của phần mềm này là rất rộng rãi. Việc hiểu chuyên sâu phần mềm để có thể sử dụng và khai thác hữu hiệu kết quả của phần mềm là việc hết sức quan trọng
Chương 3 đã đề cập đến những phần cơ bản nhất trong phần mềm Deform3D. Những phần cơ bản này sẽ được sử dụng để mơ phỏng bài tốn cán nêm ngang. Từ đó đưa ra được các kết quả để phân tích và đánh giá. Chương 4 là chương áp dụng các lý thuyết từ chương 1, chương 2 kết hợp với phần mềm Deform3D được giới thiệu và tìm hiểu tại chương 3.
49
CHƯƠNG IV
MƠ PHỎNG Q TRÌNH CÁN VÀ NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC THÔNG SỐ CÔNG NGHỆ ĐẾN CHÂT LƯỢNG SẢN PHẨM 4.1 Mơ hình hình học
4.1.1 Mơ hình sản phẩm
Hình 4.1. Kích thước và hình ảnh sản phẩm trục bậc
Phôi được thiết kế bằng phần mềm SolidWords, với kích thước như trên hình 4.1. Đây là hình ảnh một trục bậc đơn giản nhất.
50
4.1.2 Phôi
Phơi được tính tốn dựa trên điều kiện bảo tồn thể tích như hình 4.2
Hình 4.2. Phơi dạng trụ trịn xoay
4.1.3 Khuôn
Khuôn cán ngang là bộ phận quan trong giúp tạo hình sản phẩm. Khn cán được thiết kế dựa trên lý thuyết và các điều kiện về sản phẩm, kích thước như hình 4.3 .
Hình 4.3. Kích thước hình học và mơ hình 3D khn cán nêm ngang
51
Khn cán nêm ngang được thiết kế như sau: kích thước bao của khuôn: LxBxH = 440x200x28 mm. Chiều dài thân khuôn chia làm ba phần cho ba miếng ghép nhỏ theo chiều ngang đảm bảo kích thước cho bốn vùng: a) vùng ăn phơi; b) vùng định vị; c) vùng ép; c) vùng định kích thước. Đối với phơi nhỏ, vùng ăn phôi kết hợp với vùng định vị đảm bảo quá trình dẫn hướng, ổn định ban đầu giữ nguyên định dạng của vùng ép được kéo dài, có mặt nhám để tăng ma sát chống trượt và xoay ngang khi ăn phôi.
Với mục đích nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số đến quá trình cán, khn được thiết kế cho phơi ban đầu có đường kính D=25 mm, chiều dài L=100 mm, sản phẩm sau cán có đường kính nhỏ nhất d = 16 mm. Sản phẩm đặc trưng của quá trình cán nêm ngang là trục bậc với lượng ép được thiết kế rmax = r0 – r1 = 3, 5 và 7 mm tương ứng =r/r0= 20%, 33,3% và 46,6%. Lượng ép tương đối phụ thuộc vào các góc , và , trong đó = 15÷ 450, góc = 30, 40, 50, 70, 90và 110 và góc nâng chỉ thay đổi tại phần mũi cắt theo góc và , =0 trong tồn miền biến dạng cịn lại. Chiều dài vùng định kích thước lấy bằng 1,32 chu vi phôi và bằng 100 mm. Để thuận tiện cho việc thiết kế nói chung, các góc tạo hình , góc ép và góc nâng được tính chuyển đổi theo các khoảng cách vát mép cạnh tương ứng với lệnh vẽ “chamfer” của phần mềm autoCAD. Như vậy, lệnh vát mép với cạnh đứng r mm, cạnh bằng c mm, ta sẽ có góc ép =atan(r/c), suy ra c=r/tan(). Để có thể đánh giá ảnh hưởng của các yếu tố, bộ thông số là đặc trưng kỹ thuật của các phương án khuôn mô phỏng được thiết kế, thể hiện trong bảng 1.
Bảng 1. Đặc tính kỹ thuật các loại khuôn
Số TT 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11
r,mm 5 5 7 3 3 4 4 5 5 6 6
52
, độ 3 3,5 4,5 5,5 5,5 6,5 6,5 7,5 7,5 8,5 8,5
, độ 25 35 30 20 30 20 30 20 30 20 30
c, mm 10,73 7,15 12,13 8,25 5,20 11,0 6,93 13,7 8,67 16,5 10,0 Bàn khuôn dưới được thiết kế thành 2 miếng ghép đối xứng qua trục dọc nhằm xác định lực dọc trục tác dụng lên phơi cán.
4.1.4 Mơ hình mơ phỏng
Mơ hình mơ phỏng được lắp ghép như hình 4.4 dưới đây.
Hình 4.4. Mơ hình 3D để mơ phỏng q trình cán nêm ngang trục bậc
Ký hiệu Tên gọi
1 Phôi
2 Khuôn dưới
3 Khn trên
4.2 Mơ hình phần tử hữu hạn
Hình 4.5 (a) là mơ hình hình học được sử dụng để mơ phỏng trong phần mềm Deform3D.
3 1
53
Bỏ qua bài toán truyền nhiệt,chỉ xét đến bài toán biến dạng của phôi nên chỉ chia lưới cho phơi. Chọn độ chính xác cao với dự kiến ban đầu 55000 phần tử, đảm bảo đủ điều kiện cho q trình mơ phỏng biến dạng có độ mịn nhất định, thực tế phần mềm tạo số lượng 61880 phần tử với 13820 nút mạng. Q trình chia lưới cho phơi là rất quan trọng. Chia sao cho số phần tử phù hợp. Nếu chia lưới nhỏ quá sẽ gây khó khăn trong tính tốn. Cịn khi chia lưới lớn q thì bài tốn khơng được tính chính xác.
(a)
(b)
54
4.3 Mơ hình vật liệu
Vật liệu được sử dụng là vật liệu thép ct45. Nhiệt độ làm việc 1000oC.
Giả thiết vật liệu có thuộc tính dẻo –nhớt. Sự phụ thuộc giữa ứng suất, biến dạng, tốc độ biến dạng và nhiệt độ theo công thức và theo hình dưới đây:
σ = K (ε0 + ε )n .𝜺̇m . exp (𝜷
𝑻) (4.1)
Trong đó K, n, m, β là các hệ số phụ thuộc vào vật liệu. Bằng thực nghiệm đã xác định được các hệ số như công thức (4.2)
σ = 133 (ε0 + ε )0.252 .𝜺̇0.143 . exp (𝟎.𝟎𝟎𝟐𝟓 𝑻 ) (4.2) 0 5 10 15 20 25 Giới hạn chảy , kG/m m 2 Nhiệt độ Biến dạng 10% Biến dạng 20% Biến dạng 30%
55 0 5 10 15 20 25 30 G iới h ạ n c hả y, k G /m m 2 Nhiệt độ Tốc độ BD 10/s Tốc độ BD 20/s Tốc độ BD 30/s Tốc độ BD 90/s 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 Giới hạn chảy , kG/m m 2 Biến dạng % Tốc độ BD 10/s Tốc độ BD 20/s Tốc độ BD 30/s Tốc độ BD 90/s
Hình 4.7. Giới hạn chảy của Ct45 khi mức độ biến dạng 10%
56
Ta cũng có đường cong ứng suất – biến dạng của thép ct45 như hình 4.10 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 1 10 20 30 40 50 60 70 80 90 Trở lự c, kG /mm 2 Tốc độ biến dạng, 1/s Mức độ BD 10% Mức độ BD 20% Mức độ BD 30% Mức độ BD 50%
Hình 4.9. Trở lực biến dạng của Ct45 khi nhiệt độ là 1000 độ C
57
4.4 Điều kiện biên
Điều kiện biên trong bài tốn mơ phỏng là rất quan trọng. Các điều kiện biên ảnh hưởng trực tiếp đến kết quả mô phỏng. Số lượng các điều kiện biên là do chính người thiết kế lựa chọn, phù hợp với mục đích mong muốn của mỗi cá nhân.
Các điều kiện dùng trong mô phỏng được cho bởi bảng 4.1
Bảng 4.1. Điều kiện biên
Điều kiện biên Thông số Giá trị
Nhiệt độ Nhiệt độ phôi (oC) 1000
Tiếp xúc - Hệ số ma sát 0.45, 0.55, 0.65
Khuôn trên - Vận tốc khn (mm/s) - Hành trình khn (mm) 200, 300, 400 750 Khuôn dưới - Vận tốc khn (mm/s) - Hành trình khn (mm) 0 0 4.5 Kết quả mô phỏng
Kết quả mô phỏng đầu tiên là phải quan tâm đến hình dạng của sản phẩm. Hình 4.11 là kết quả mơ phỏng bài tốn trục bậc. Có thể nhận thấy mơ phỏng đã đảm bảo được về hình dạng sản phẩm.
58
Để có thể xem xét ảnh hưởng của chế độ ép đến chất lượng sản phẩm bằng phương pháp mô phỏng, ta sẽ nghiên cứu qua đại lượng trung gian là lực ép. Vì lực ép cũng là một chỉ tiêu mà qua đó ta có thể đánh giá được một phần chất lượng sản phẩm. Qua các bước thay đổi điều kiện biên, ta sẽ xem ảnh hưởng của sự thay đổi này đến lực ép và chất lượng sản phẩm như thế nào.
4.5.1 Phân tích trường ứng suất và biến dạng trên sản phẩm
4.5.1.1 Trường ứng suất
Ứng suất là thông số đặc trưng cho quá trình biến dạng vật liệu. Trên những vùng biến dạng có trở kháng biến dạng lớn sẽ phát sinh trường ứng suất lớn. Phân tích trạng thái ứng suất và trang thái biến dạng trên đường cắt ngang và cắt dọc của tâm phơi.Có thể nhận thấy ứng suất được phân bố không giống nhau theo chiều dọc vật cán. Tại tâm vật cán thì ứng suất phân bố lớn nhất. Tại hai đầu trục cũng có ứng suất lớn .
59
Hình 4.12. Phân tích trạng thái ứng suất và trang thái biến dạng trên đường cắt ngang và cắt dọc của tâm phôi
Trường phân bố ứng suất tập trung tại mặt tiếp xúc giữa phơi và khn.
Hình 4.13. Q trình phá hủy của 2 loại phơi phơi ngắn và phôi dài theo thời gian
60
Hình 4.14. Ứng suất thủy tĩnh tại tâm phơi ln lớn hơn 0. Tăng cường q trình phá hủy (a) và Ứng suất dư tồn tại sau khi đã tạo hình (b).
(a)
61
(c)
Chúng là các ứng suất chính, các giá trị cực trị của trạng thái ứng suất trong đó ứng suất ép theo hướng X là biến đổi nhiều nhất.
4.5.1.2 Trường biến dạng.
Phân tích trường biến dạng sẽ cho biết các vị trí chịu sự biến dạng nhiều nhất. Những vị trí này có nguy cơ xuất hiện các khuyết tật nhiều nhất.
Hình 4.15. (a,b,c) Phân tích ứng suất tác dụng theo các hướng Z, X, Y tại tâm phơi.
62
(a)
63
(c)
(d)
Hình 4.16. (a,b,c,d) Các giá trị biến dạng lớn nhất thay đổi theo thời gian
Phân bố biến dạng chủ yếu tập trung tại tâm, điều này đã giải thích một phần
64
Quá trình xoắn, co kéo kim loại diễn ra với mức độ cao đã tạo điều kiện để phát triển các khuyết tật cả bên trong và bên ngoài của sản phẩm cán nêm ngang
(a)
65
(c)
Hình 4.17. (a,b,c) Các giá trị biến dạng theo hư ớng X, Y, Z là các hướng biến dạng chính.
4.5.1.3 Phá hủy
66
- Ảnh trên và dưới bên trái : Nguy cơ phá hủy ở tâm phôi là lớn nhất. - Ảnh trên bên Phải: Biến dạng xung quan lớn ở tâm nhỏ(chuyển dịch lớn) - Ảnh bên dưới phải: Ứng suất ở tâm nhỏ nhất, ứng suất ngoại biên lớn → Gây ra ứng suất dư lớn tạo ra trạng thái kéo dẫn đến phá hủy ở tâm.