CHƯƠNG 5: MÔ PHỎNG, THỰC NGHIỆM
5.1 Ảnh hưởng của khe hở chày cối đến quá trình biến dạng của phôi khi dập cắt
5.1.1 Nguyên công cắt hình
a. Ảnh hưởng của khe hở đến lực tác động lên chày cắt hình
Hình 5.1: Kết quả mô phỏng nguyên công cắt hình với các khe hở a) 4%, b) 6%, c) 8%, d) 10%, e) 12% và f) 14%
Hình 5.2: Biều đồ ảnh hưởng của khe hở đến lực tác động lên chày với a) là biểu đồ ảnh hưởng của hành trình đến lực tác động với các khe hở khác nhau và b) là biểu đồ lực dập
lớn nhất ứng với từng khe hở
Quá trình biến dạng cắt phải thực hiện bởi một lực có giá trị lớn hơn giới hạn bền của vật liệu. Vì lý do này, lực dập là yếu tố chính trong quá trình gia công kim loại tấm [38]. Từ kết quả mô phỏng Hình 5.1 ta thu được kết quả lực dập của nguyên công dập cắt hình (Hình 5.2a) kết quả cho thấy khe hở khác nhau lực tác động lên phôi cũng có sự khác nhau. Tuy nhiên mức độ khác nhau không đáng kể từ 12964.2 N đến 13665.9 N, giá trị lớn nhất ở 6%
a) b)
e)
c)
f) d)
a) b)
72
và nhỏ nhất ở 10% (Hình 5.2b). Khe hở càng lớn thì quá trình biến dạng của phôi càng nhiều, ở 4%, 6%, 8% thấy rằng các bước cuối lực tác động bằng không tại bước thứ 55, trong khi đó các khe hở ở 10%, 12% và 14% thấy rằng lực chưa về không, điều đó có nghĩa phôi vẫn còn biến dạng và có khả năng tạo thành bavia. Quá trình dập được chia thành ba giai đoạn theo chiều tăng hành trình dập, giai đoạn đầu lực tăng nhanh dần, giai đoạn thứ hai lực tăng chậm đi cho đến khi đạt đến giá trị lớn nhất, giai đoạn ba lực bắt đầu giảm dần. Nguyên do của các giai đoạn thay đổi trên là vì ở giai đoạn đầu chày bắt đầu tác dụng vào phôi lúc này vật liệu bắt đầu chuyển trạng thái biến dạng đàn hồi, giai đoạn hai vật liệu từ trạng thái đàn hồi chuyển sang trạng thái biến dạng dẻo nên quá trình hóa bền biến dạng xảy ra [39],[40],[41] lực bắt đầu tăng đạt giá trị cực đại và giai đoạn cuối sau khi lực tác động đủ lớn vượt qua giới hạn bền của vật liệu, vật liệu từ trạng thái biến dạng dẻo chuyển sang trạng thái phá hủy nên giai đoạn này lực bắt đầu giảm [42]. Từ kết quả mô phỏng trên thấy rằng khi tăng khe hở giữa chày và cối thì lực cắt tăng và đạt cực đại ở 6-8%, sau đó khi tăng khe hở lực cắt giảm đạt cực tiểu tại 10% và gần như bão hòa, điều này là do sự tương tác của giữa ứng suất cắt, biến dạng dẻo và độ cứng biến dạng trong vùng vật liệu bị cắt gây nên. Cụ thể, việc giảm khe dẫn đến ứng suất cắt cao hơn, dẫn đến biến dạng dẻo tăng lên và độ cứng biến dạng được tăng cường trong vật liệu kim loại tấm trong vùng này. Khi vật liệu bị biến dạng dẻo, cấu trúc bên trong của nó thay đổi, các tinh thể bị trượt lên nhau tạo ra các khuyết tật mạng. Các khuyết tật này cản trở sự chuyển động của nhau, khiến cho việc tiếp tục biến dạng dẻo trở nên khó khăn hơn kết quả là vật liệu trở nên cứng hơn đây là độ cứng biến dạng. Độ cứng biến dạng tăng lên sau đó tạo ra áp lực lớn hơn lên chày và cối từ vật liệu mép cắt. Do đó, lực ma sát cao hơn phát triển giữa mép cắt chày với loại tấm và mép cắt cối với kim loại tấm trong giai đoạn cắt. Do đó, việc giảm khe hở đòi hỏi lực cắt cao hơn để khắc phục các lực ma sát tăng lên này [42].
73
Hình 5.3: Biểu đồ so sánh lực dập mô phỏng và thực nghiệm
Quan sát kết quả thực nghiệm thu được ở Hình 5.3a, từ đó thu đưa ra kết quả so sánh kết quả mô phỏng với thực nghiệm ở Hình 5.3b. Thấy rằng lực dập giảm dần khi khe hở tăng dần cho cả mô phỏng và thực nghiệm (tuy nhiên thực nghiệm có phần lớn hơn so với mô phỏng có thể là do sai số khi chế tạo khuôn), khi ta tăng khe hở chày cối thì lực dập sẽ giảm nhưng không nhiều (chênh nhau 701.7N). Kết quả này cũng tương đồng với các nghiên cứu [38], [42], [43]. Ngoài ra khe hở là thông số quan trọng ảnh hưởng lớn đến chất lượng mép cắt được thể hiện qua các nghiên cứu [12], [44], [45], độ mài mòn của khuôn cũng được đề cập ở công trình [15].
b. Ảnh hưởng của khe hở chày cối đến biến dạng (strain) và ứng suất (stress) tác dụng lên phôi của nguyên công cắt hình
Hình 5.4: Ứng suất (Stress) của phôi trong mô phỏng nguyên công cắt hình
4% 6% 8%
10% 12% 14%
74
Hình 5.5: Biến dạng (Strain) của phôi trong mô phỏng nguyên công cắt hình
Hình 5.6: Biểu đồ thể hiện ảnh hưởng của khe hở đến giá trị của Strain max và Stress max tác động lên phôi của nguyên công cắt hình
Trong quá trình dập chất lượng sản phẩm chịu ảnh hưởng bởi quá trình biến dạng, quá trình biến dạng của phôi do lực tác dụng và khe hở giữa chày và cối. Trong nghiên cứu này sẽ nghiên cứu ảnh hưởng của khe hở giữa chày và cối tác động lên phôi trong quá trình biến dạng. Khe hở được khảo sát từ 4-14% cho vật liệu Đồng thau.
Từ Hình 5.4 và Hình 5.5 thu được kết quả mô phỏng thể hiện qua biểu đồ Hình 5.6 rằng khe hở có ảnh hưởng đến biến dạng, ứng suất tác dụng lên phôi trong quá trình dập. Số liệu biểu đồ thể hiện ứng với việc tăng khe hở thì ứng suất và biến dạng có xu hướng giảm sau đó tăng lên lại. Ứng suất từ 1900 MPa ở trường hợp 4% sau đó giảm xuống 1360 MPa ở 10%
khe hở sau đó lại tăng lên 1660 MPa ở 14% khe hở. Về biến dạng nhận thấy cũng có quy luật chung tương tự ứng suất, cũng đều giảm dần rồi tăng lên theo chiều tăng khe hở chày cối, ở
4% 6%
10%
8%
12% 14%
75
4% biến dạng mô phỏng thu được là 44.6 mm/mm sau đó giảm còn 7.59 mm/mm ở 10% và sau đó tăng lên đến cuối cùng là 18.1mm/mm ở 14% và ứng suất, biến dạng có xu hướng đạt cực tiểu tại 10% khe hở chày cối. Khi khe hở nhỏ lực dập lớn hơn khi đó phôi phải chịu lực ép lớn hơn để đi qua được khe hở, dẫn dến gây ra các hiện tượng biến dạng, hư hỏng, rạn nứt trên phôi. Do khi khe hở chày cối nhỏ thì diện tích vùng vật liệu chịu biến dạng cắt giảm, ứng suất được trình bày theo công thức 𝜎 = F
A [11], trong đó F: tải trọng, A: diện tích bề mặt tiếp xúc. Từ công thức cho thấy với cùng lực dập thì với khe hở nhỏ diện tích tiếp xúc nhỏ dẫn đến áp lực lớn tập trung vào diện tích vùng cắt nhỏ dẫn đến tạo nên ứng suất tăng cao ở cạnh cắt của phôi. Khi khe hở tăng, vùng biến dạng dẻo của vật liệu được trải ra rộng hơn, giúp phân bố ứng suất đều hơn, giảm ứng suất cục bộ tại các mép cắt điều này thể hiện rõ qua Hình 5.7 khi tăng khe hở vùng Sheared Zone giảm dần từ 150μm xuống 75μm ứng với khe hở từ 6%-10%.
Hình 5.7: Hình chụp cấu trúc mặt căt sản phẩm với a) 6% khe hở, b) 8% khe hở, c) 10%
khe hở
Điều này cũng cho thấy ứng suất tỉ lệ nghịch với diện tích tiếp xúc, diện tích tiếp xúc tức khe hở chày cối càng nhỏ thì ứng suất sinh ra quanh vùng cắt càng sinh ra lớn hơn. Khe hở lớn hơn cho phép vật liệu bị uốn cong nhiều hơn trước khi bị cắt đứt hoàn toàn, sự uốn cong này làm giảm bớt biến dạng tập trung tại vùng cắt, dẫn đến biến dạng tổng thể giảm. Kết quả này tương đương với kết quả ở công trình [46]. Ngoài ra ứng suất, biến dạng tác dụng lên phôi trong quá trình cắt đứt cũng ảnh hưởng đến quá trình giãn dài vật liệu càng cao dẫn đến độ dài bavia càng lớn ảnh hưởng đến độ hoàn thiện, tính thẩm mĩ, chất lượng của sản phẩm.
76
c. Ảnh hưởng của khe hở đến độ cao bavia của nguyên công cắt hình
Hình 5.8: a ) Hình ảnh bavia mô phỏng, b) Hình ảnh bavia thực nghiệm của nguyên công cắt hình
Hình 5.9: Chiều cao bavia mô phỏng, thực nghiệm của nguyên công cắt hình
Chiều cao bavia là một trong những thông số để đánh giá chất lượng sản phẩm [47].
Trong nghiên cứu này đánh giá ảnh hưởng của khe hở chày cối đến chiều cao bavia. Khe hở được chọn từ 4-14% bề dày vật liệu. Kết quả mô phỏng ở Hình 5.8 và biểu đồ Hình 5.9 cho thấy khe hở càng lớn chiều cao bavia càng tăng (0,236 – 0,704mm). Hình 5.10 giải thích cho
77
việc khi tăng khe hở thì giữa chày và cối có khoảng hở lớn tạo ra moment uốn làm kéo vật liệu. Khi khe hở cắt nhỏ, vùng biến dạng cắt bị thu hẹp dẫn đến với cùng một biến dạng dẻo sẽ tập trung vào một vùng diện tích nhỏ hơn do đó mật độ lệnh mạng trong vùng cắt cũng tăng lên đáng kể. Độ lệch mạng là những khuyết tật trong cấu trúc tinh thể của vật liệu, đóng vai trò quan trọng trong quá trình biến dạng dẻo, khi độ lệch mạng tăng cao chúng bắt đầu cản trở nhau gây khó khăn cho các chuyển động lệch mạng khác hiện tượng này gọi là độ cứng hóa biến dạng. Độ cứng hóa biến dạng của vật liệu tăng cao khiến vật liệu trong vùng cắt trở nên giòn hơn tạo nên hiện tượng gãy giòn thay vì gãy dẻo, trong gãy dẻo vật liệu bị kéo giãn giãn đáng kể trước khi gãy tạo vùng biến dạng dẻo lớn xung quanh mép cắt, vùng biến dạng này bị chày kéo xuống tạo thành bavia cao. Còn gãy giòn vùng biến dạng dẻo thấp hơn dẫn đến tạo bavia thấp hơn.
Hình 5.10: Mô hình lực tác động lên phôi
Qua kết quả thực nghiệm với việc thay đổi khe hở để đánh giá bavia nhận thấy với dự đoán của việc mô phỏng là chiều cao bavia sẽ tăng theo chiều tăng của khe hở chày cối điều này là đúng. Ở 6% khe hở chày cối với vật liệu là C36500 (Đồng thau) ta thu được chiều cao bavia sau khi dập của sản phẩm là 0.037mm, 8% thì thu được là 0.039mm còn với 10% thì lại là 0.04mm. Số liệu này thể hiện sự nhất quán giữa lý thuyết, mô phỏng với thực nghiệm là khi tăng dần khe hở thì chiều cao bavia của sản phẩm dập cũng tăng dần. Tuy nhiên số liệu mô phỏng và thực nghiệm có phần chênh lệnh, sự khác biệt giữa kết quả thực nghiệm và mô phỏng một phần xuất phát từ sự khác biệt giữa tính chất cơ học thực tế của vật liệu và các yếu tố chế tạo khuôn dập so với điều kiện lý tưởng của mô phỏng. Trên thực tế, các thông số như giới hạn bền, độ giãn dài, hay độ cứng không phải là giá trị cố định tuyệt đối, mà có thể dao động trong một khoảng nhất định tùy thuộc vào nhiều yếu tố như điều kiện môi trường, sự khác biệt trong quá trình sản xuất vật liệu, sai số do người vận hành gá đặt phôi dập cũng dẫn
78
đến sự chênh lệch trên. Đối chiếu với các công trình nghiên cứu tương tự cũng chỉ ra rằng khi khe hở chày cối tăng lên chiều cao bavia cũng tăng lên [38], [48].
Kết luận: Qua kết quả nghiên cứu ảnh hưởng của các yếu tố trên nhận thấy khe hở tối ưu cho nguyên công này là 10%.