a) Khuyết tật bên trong
Những khuyết tật bên trong bao gồm sự biến dạng của các lỗ trống, các vết nứt...các khuyết tật này tồn tại trong suốt quá trình cán nêm ngang. Đây là nguyên nhân làm giảm độ bền và dẫn đến phá hủy chi tiết. Sự tồn tại các loại khuyết tật này là do:
Ten xơ ứng suất lớn xuất hiện ở vị trí tâm phơi cán. Ứng suất cắt vượt quá giá trị tới hạn.
Giới hạn mỏi của vật liệu giảm trong suốt quá trình cán Vết nứt tế vi trong vật liệu phát triển
Khuyết tật thường thấy trong công nghệ cán nêm ngang là sự biến dạng của các lỗ trống trong tâm phôi (Hiệu ứng Mannesmann). Sự biến dạng dọc theo một trục khi sử dụng máy cán nêm 2 trục và cán nêm ngang có bàn khn phẳng. Các khuyết tật hình vành khuyên thường xuất hiện trong cán nêm 3 trục.
29
Hình 2.4: Khuyết tật trong tâm phôi cán.
b) Khuyết tật bề mặt
Khuyết tật bề mặt bao gồm những rãnh xoắn, nứt, bavia. Sự xuất hiện các rãnh xoắn trong công nghệ cán nêm ngang là nguyên nhân sinh ra các vết nứt tồn tại trên bề mặt của sản phẩm khi gấn kết thúc quá trình biến dạng.
Sai hỏng ở chố thắt bao gồm sự méo mó và giảm đường kính của phơi so với thiết kế, loại khuyết tật này thường xảy ra khi phần trăm sự giảm diện tích lớn(lớn hơn 70%). Khi sử dụng các khn nêm có cạnh sắc nhọn những ba via sẽ hình thành trên phơi trong q trình biến dạng.
a) Khuyết tật mặt b)Sản phẩm không khuyết
30 c) Khuyết tật hình dạng
Loại khuyết tật này xuất hiện là do biến dạng của phôi không đúng mặt cắt thiết kế nó gây ra sự sai lệnh hình dạng và nứt gãy phôi. Khuyết tật dạng uốn đôi khi cũng xuất hiện trong phôi cán. Khuyết tật loại này tồn tại thường do sự trượt của phôi trên bề mặt khn. Theo những thí nghiệm biến dạng cơ học nếu lực tiếp tuyến Px trên phôi lớn hơn lực ma sát quay phôi, sự quay này sẽ dừng lại và phôi sẽ trượt giữa bề mặt của hai khuôn. Đây là nguyên nhân phơi bị nén giữa hai khn mà khơng có biến dạng dọc trục đi kèm trong trường hợp này hoặc máy cán dừng hẳn hoặc phơi cán bị phá hủy.
Hình 2.6: Khuyết tật hình dạng trong cơng nghệ cán nêm ngang
Nguyên nhân hình thành khuyết tật dạng mặt cắt khơng đúng hình dạng thiết kế là do sự trượt q mức giữa khn tạo hình và phơi. Lực tiếp tuyến và pháp tuyến trên bề mặt chung của dụng cụ và phơi hình thành các cặp lực trực đối. Nếu cặp lực tiếp tuyến trên phôi lớn hơn cặp lực pháp tuyến, sự lăn phôi sẽ không xảy ra, phôi sẽ trượt trên bề mặt của khn tạo hình. Như vậy sự trượt xảy ra gây áp lực lên phôi cán mà không tạo ra biến dạng quay trịn. Sự trượt khơng mong muốn trong giai đoạn đầu của q trình cán có thể dẫn đến sự khơng chính xác hoặc sai lệch hình dạng của sản phẩm. Theo một số kết quả nghiên cứu lượng trượt ban đầu ở vùng dẫn và vùng cắt là
31
yếu tố quyết định hình dạng mặt cắt cuối cùng của phôi cán và chi phối chiều dài cần thiết mỗi vùng tạo hình của khn nêm.
Đa số các kết quả nghiên cứu đều kết luận rằng” Thành phần ứng suất lớn nhất trong tâm phôi cán là ứng suất kéo, ứng suất tiếp lớn vượt quá giá trị cho phép gây ra bởi q trình cắt của khn tạo hình, phá hủy do mỏi trong suốt quá trình biến dạng. Và các kết quả mô phỏng số cho thấy thành phần ứng suất chính lớn nhất trong phơi là ứng suất kéo và có giá trị lớn nhất ở tất cả các vùng trên khuôn nêm. Nếu đủ lớn thành phần ứng suất này có thể làm phá hủy tâm phơi hoặc có thể tác động làm mở rộng thêm các lỗ rỗng tế vi và hợp nhất các lỗ rỗng nhỏ thành lỗ rỗng lớn.
2.3 Kết luận
Chương 2 đã cung cấp cơ sở lý thuyết về công nghệ cán nêm ngang. Các thông số công nghệ cơ bản nhất cần phải nghiên cứu và xem xét đến. Chương này là tiền đề cho q trình mơ phỏng của chương 4.
Với mục đích nghiên cứu ảnh hưởng của các thơng số cơng nghệ đến chất lượng hình dạng sản phẩm. Vì vậy việc nghiên cứu các khuyết tật có thể xảy ra trong q trình cán là rất quan trọng. Các khuyết tật này sẽ cho biết q trình cán có thành cơng hay khơng?. Với các cơng nghệ khác nhau thì các dạng khuyết tật cũng khác nhau. Nhưng dù ở dạng nào thì đây cũng là điều khơng mong muốn trong sản suất. Việc điều chỉnh các thơng số cơng nghệ chính là giải pháp giải quyết vấn đề trên.
Với q trình mơ phỏng sẽ biết được phân bố của ứng suất, biến dạng trong cả quá trình cán. Cùng với việc thay đổi các thông số công nghệ sẽ cung cấp những thơng tin q giá để từ đó có thể đánh giá được mức độ ảnh hưởng của các thông số cơng nghệ này đến q trình cán.
32
CHƯƠNG III
ỨNG DỤNG PHẦN MỀM DEFORM3D MƠ PHỎNG Q TRÌNH CÁN 3.1 Giới thiệu bài tốn mơ phỏng số
Mô phỏng số là phương pháp dùng các phần mềm chuyên dụng để mô phỏng lại các điều kiện tác động vào một mơ hình, từ đó rút ra các nhận xét và đưa ra các hướng giải quyết cho mơ hình để áp dụng vào thực tế hoặc nghiên cứu.
Độ chính xác của kết quả mơ phỏng được quyết định bởi độ chính xác của mơ hình và độ chính xác của thuật tốn. Tuy nhiên nó cịn phụ thuộc vào kinh nghiệm của người làm mô phỏng.
Để giải một bài tốn cơ học đàn hồi, biến dạng có thể theo hai phương pháp là phương pháp giải tích và phương pháp số. Các phương pháp giải tích gồm phương pháp chính xác và phương pháp gần đúng (các phương pháp biến phân). Các phương pháp số gồm các phương pháp giải phương trình vi phân (phương pháp tích phân số, phương pháp sai phân hữu hạn-SPHH) và phương pháp phần tử hữu hạn (PTHH).
Với sự phát triển không ngừng của khoa học kĩ thuật đặc biệt là cơng nghệ thơng tin cho phép tính tốn các phép tính phức tạp, số lượng phép tính lớn trên các máy tính. Do đó việc ứng dụng cơng nghệ số để giải quyết các bài toán kĩ thuật rất phù hợp với xu thế phát triển của khoa học hiện đại. Hiện nay, các phương pháp số đặc biệt là phương pháp PTHH ngày càng được phát triển, các gói phần mềm mơ phỏng số ra đời để giải các bài tốn kĩ thuật lớn ở nhiều ngành cơng nghiệp khác nhau và ngành gia cơng biến dạng, tạo hình vật liệu là một ví dụ. Mơ phỏng số trong các bài tốn tạo hình giúp giảm thời gian thiết kế, giảm chi phí cho việc sản xuất thử đồng thời tối ưu được các thơng số tạo hình, tối ưu kết cấu của khn mẫu nhằm nâng cao chất lượng sản phẩm sản xuất, giảm giá thành sản phẩm. Ưu điểm của công nghệ mô phỏng số so với công nghệ gia công truyền thống được thể hiện qua sơ đồ dưới đây.
33 - Phương pháp cổ điển: Hình 3.1. Quy trình sản xuất cũ Sản phẩm Thiết kế Sản xuất thử Sản phẩm mẫu Sản xuất hàng loạt Không đạt
34 - Phương pháp tiên tiến:
Hình 3.2. Quy trình sản xuất tiên tiến
Kết quả mô phỏng số cho phép tối ưu các điều kiện của bài tốn ngay trên máy tính, lựa chọn vật liệu một cách hợp lí và thay đổi mẫu mã, chủng loại sản phẩm nhanh, giảm thời gian và chi phí cho thiết kế và chế tạo. Ngồi ra mơ phỏng số cịn giúp trả lời nhiều câu hỏi mà bằng thực nghiêm trong thực tế khó mà thỏa mãn được. Sản phẩm Thiết kế Mô phỏng Sản phẩm mẫu Sản xuất hàng loạt Đánh giá
35
Qui trình cơng nghệ theo hình 3.1 là theo qui trình truyền thống. Như vậy sẽ xuất phát từ vật liệu, sau đó tiến hành cán và hiệu chỉnh nhiều lần khuôn và các điều kiện cơng nghệ sau đó mới đưa ra được sản phẩm đạt chất lượng. Phương pháp này tốn rất nhiều thời gian và tiền bạc. Khơng cịn phù hợp với xu hướng phát triển cơng nghệ.
Qui trình tiên tiến theo hình 3.2 kết hợp với mơ phỏng số q trình gia cơng cho ta nhiều ưu điểm nổi bật. Các bước tiếp cận từ lý thuyết đến mô phỏng không tốn kém mà hiệu quả mang lại rất cao. Hạn chế được tối đa sai số khi vào thực nghiệm. Giúp tiết kiệm thời gian và tiền bạc.
Các phần mềm mô phỏng số được dùng rất phổ biến hiện nay như Deform 2D, Deform 3D, Ansys, Dynaform… Mỗi phần mềm đều có một điểm mạnh riêng, một ưu thế riêng có thể giúp ta giải quyết dễ dàng những vấn đề khó trong việc mơ phỏng một bài tốn.
Với phương pháp tiên tiến khơng cần diện tích nhà xưởng để tiến hành việc sản xuất thử, các công đoạn trước khi tiến hành sản xuất đều được thực hiện trên máy tính để thực hiện tối ưu hố cơng nghệ. Do đó khơng cần chi phí cho việc sản xuất thử sản phẩm.
3.2 Phương pháp phần tử hữu hạn
Như đã đề cập ở trên, hiện nay có nhiều phương pháp số tuy nhiên phương pháp PTHH đang được ứng dụng phổ biến hơn cả. Điểm đặc trưng nhất của phương pháp PTHH là có khả năng áp dụng cho các bài tốn có mơ hình hình học phức tạp và có điều kiện biên phức tạp nhờ việc rời rạc hố mơ hình tổng thể thành các miền con hữu hạn, trong khi đó phương pháp SPHH về căn bản chỉ áp dụng được trong dạng hình chữ nhật với mối quan hệ đơn giản. Bên cạnh đó, sử dụng phương pháp PTHH thường cho kết quả chính xác hơn phương pháp SPHH.
Phương pháp PTHH là phương pháp chia đối tượng nghiên cứu thành các phần tử nhỏ ở dạng lưới mà các thơng số cơ lí tính ban đầu tập trung tại các nút của
36
phần tử. Trong q trình gia cơng, các thông số này biến đổi và mang thông tin của trạng thái mới. Trạng thái mới của phần tử được tính tốn theo các thơng số ban đầu dựa trên các dữ kiện của mơ hình vật liệu gia cơng như tính dẻo, tính dẫn nhiệt, mơ đun đàn hồi …và các điều kiện gia công như nhiệt độ gia công, tốc độ biến dạng, mức độ biến dạng, hệ số truyền nhiệt, điều kiện tiếp xúc và ma sát…Q trình tính tốn thực hiện cho tất cả các nút phần tử và lặp lại theo từng bước thời gian cho đến khi kết thúc q trình gia cơng. Dựa trên cơ sở của phương pháp phần tử hữu hạn người ta đã xây dựng nên nhiều phần mềm tính tốn, mơ phỏng như Ansys, Deform, LS-Dyna, Abaqus…
3.3 Giới thiệu chung về DEFORM 3D
DEFORM là nhóm các phần mềm mô phỏng số trên cơ sở phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) nhằm phân tích các q trình tạo hình và sử lí nhiệt khi tạo hình kim loại, hợp kim, q trình gia cơng cơ cũng như phân tích khn tạo hình và nhiều cơng nghệ liên quan. Nhóm các phần mềm này được phát triển bởi tập đoàn Scientific Forming Technologies Corporation (SFTC), Mỹ. Việc thực hiện mô phỏng số sẽ tối ưu và nâng cao chất lượng, đồng thời giảm thiểu những chi phí và số lần sản xuất thử trước khi tiến hành sản xuất hàng loạt cho một loại sản phẩm. Deform cũng được dùng cho công tác nghiên cứu thăm dò giúp cho việc định hướng chế tạo khuôn mẫu dễ dàng và hiệu quả hơn, dự đốn và giải thích các nguyên nhân sai hỏng sản phẩm, từ đó tiết kiệm được các chi phí cho sản xuất. Do đó trong nhiều năm qua có rất nhiều các cơng ty cũng như các trung tâm lớn đã ứng dụng phần mềm DEFORM vào trong sản xuất và phát triển sản phẩm của mình.
Vào những năm 1980, DEFORM được ứng dụng lần đầu tiên trong mô phỏng số q trình rèn nóng cho các sản phẩm rèn. Các chi tiết rèn đối xứng trục như đĩa tuabin, trục, bánh răng, trục khuỷu, tay biên, piston, thanh truyền… Các quá trình biến dạng nguội như: tán rivet, sản xuất các chi tiết cho vịng bi, vỏ ngồi bugi… Việc mô phỏng đã giúp loại bỏ các khả năng khuôn bị phá hủy cũng như dụng cụ bị biến dạng. DEFORM còn được ứng dụng nhiều trong các ngành công
37
nghiệp như hàng khơng, ơ tơ, dầu khí và các ngành cơng nghiệp khác cần mơ phỏng q trình biến dạng dẻo kim loại và phân tích khn. Ngay từ những năm 1990, DEFORM được dùng để giải quyết rất nhiều các bài toán liên quan đến biến dạng dẻo kim loại, tối ưu hóa q trình, phân tích lực và ứng suất trên khn tạo hình.
Ngày nay DEFORM là tiêu chuẩn vàng cho nhiều nhà sản xuất bởi DEFORM có thể mơ phỏng được quá trình cắt khi phay, khoan, taro. DEFORM cũng được dùng để mơ phỏng q trình cán tạo hình kim loại như cán phơi trục bậc dùng để chế tạo bánh răng phục vụ các ngành cơ khí, cán vành, cán hành tinh, cán ren, cán bi…
Phần mềm DEFORM hiện đang có các loại:
- DEFORM 3D: Thực hiện mơ phỏng q trình biến dạng trên mơ hình 3D có tính ảnh hưởng của nhiệt độ; phân tích thay đổi cấu trúc hạt trong q trình biến dạng - DEFORM 2D: Mơ phỏng các q trình biến dạng của kim loại và hợp kim trên
mơ hình 2D, q trình mơ phỏng cũng tính ảnh hưởng của nhiệt độ.
- DEFORM F3: Được ứng dụng để mơ phỏng trên mơ hình 3D cho q trình rèn, chồn, ép chảy và dập sâu.
- DEFORM F2: Cũng giống như DEFORM F3, tuy nhiên việc mơ phỏng số các q trình tạo hình được thực hiện trên mơ hình 2D cho các chi tiết đối xứng trục hay bài toán biến dạng phẳng.
- DEFORM HT: Được dùng nhiều trong mơ phỏng q trình truyền nhiệt, nhiệt luyện như ủ tôi, thấm cacbon cũng như sự thay đổi cấu trúc hạt do nhiệt. DEFORM HT cho kết quả về độ cứng, ứng suất dư, biến dạng do nhiệt và các thuộc tính cơ học khác của vật liệu sau khi xử lý nhiệt.
Ngoài ra, để mở rộng và giúp đẩy nhanh q trình tính tốn, mơ phỏng số, SFTC cũng phát triển nhiều modul chuyên dùng, tích hợp trên nền DEFORM 2D, 3D như: cán nong vành (Ring rolling), cán tạo hình (cogging). Các cơng cụ cho phép chỉnh sửa mơ hình khi đưa vào DEFORM để mô phỏng (Geometry Tool) và
38
modul cho phép đưa hàm phụ thuộc của hệ số truyền nhiệt, nhiệt độ trên cơ sở thực nghiệm.
3.4 Cấu trúc phần mềm DEFORM
Phần mềm DEFORM 3D có các modul chính sau: - Tiền xử lý (Pre – processing)
- Modul giải (Solver)
39
Tiền xử lý ( Pre – processing )
Modul này cung cấp các công cụ cho phép người dùng xây dựng mơ hình hình học, chia lưới phần tử hữu hạn, chon loại vật liệu với các thuộc tính biến dạng tương ứng, xác định các điều kiện biên về lực, vận tốc, gia tốc, nhiệt độ, hệ số truyền nhiệt, các điều kiện biên tiếp xúc… Tạo cơ sở dữ liệu phục vụ cho q trình tính tốn ở bước sau (Solver). Người dùng cũng có thể thay đổi các thơng số liên quan đến q trình tính tốn như kiểu bài toán biến dạng, bài toán nhiệt, các phương pháp tính (Ơ le, Lagrangian), các bước lặp, chọn modul giải phù hợp.
Điều chỉnh q trình mơ phỏng
Modul tiền xử lý bao gồm các tùy chỉnh cho phép người dùng chọn hệ đơn vị, phương pháp mô phỏng (theo Lagrange, Ơ Le hay Lagrange cập nhật), hiệu chỉnh các bước lặp cũng như phương pháp lặp, cho thuật toán (Solver) phù hợp, điều kiện kết thúc bài toán, chia lại lưới (Remesh Criterial).
DEFORM 3D sử dụng hai hệ thống đơn vị là hệ đơn vị SI và hệ đơn vị IN. DEFORM 3D chủ yếu dựa vào phương pháp Lagrange cập nhật. Phương pháp này được dùng chủ yếu khi mơ phỏng các q trình biến dạng kim loại, quá trình truyền nhiệt, chuyển pha trong kim loại khi cán, ép, rèn…