Tài liệu Nghiên cứu tối ưu các thông số công nghệ khi tạo hình chi tiết dạng côn bằng phương pháp dập thủy cơ tt

BỘ QUỐC PHÒNG HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ LÊ TRỌNG TẤN NGHÊN CỨU TỐI ƢU CÁC THÔNG SỐ CÔNG NGHỆ KHI TẠO HÌNH CHI TIẾT DẠNG CÔN BẰNG PHƢƠNG PHÁP DẬP THỦY CƠ Ngành: Kỹ thuật cơ khí Mã số: 9 52 01 03 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI – NĂM 2019 CÔNG TRÌNH ĐƢỢC HOÀN THÀNH TẠI HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ - BỘ QUỐC PHÒNG Người hướng dẫn khoa học: PGS. TS Phạm Văn Nghệ TS Đào Văn Lƣu Phản biện 1: PGS. TS Đinh Văn Chiến – Đại học Mỏ - Địa chất Phản biện 2: PGS. TS Đinh Văn Phong – Học viện Kỹ thuật quân sự Phản biện 3: PGS. TS Trần Ngọc Thanh – Viện KH & CNQS Luận án được bảo vệ tại Hội đồng đánh giá luận án cấp Học viện theo Quyết định số 1152/QĐ-HV, ngày 17 tháng 4 năm 2019 của Giám đốc Học viện Kỹ thuật quân sự, họp tại Học viện Kỹ thuật quân sự vào hồi……giờ…ngày….tháng….năm 2019. Có thể tìm hiểu luận án tại: - Thư viện Học viện Kỹ thuật quân sự - Thư viện Quốc gia 1 MỞ ĐẦU Tạo hình kim loại nhờ chất lỏng áp suất cao là một trong những công nghệ tạo hình tiên tiến, là hướng nghiên cứu và ứng dụng hi ệu quả. Bản chất của phương pháp này là sử dụng chất lỏng áp suất cao kết hợp với các điều kiện khác tạo cho vật liệu trong ổ biến dạng một trạng thái ứng suất nén thủy tĩnh làm tăng mức độ biến dạng khi tạo hình chi tiết. Dập thủy cơ là phương pháp có những ưu điểm vượt trội trong các phương pháp gia công thủy tĩnh. Trên thế giới, dập thủy cơ đã được ứng dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp sản xuất ôtô, hàng không, đóng tàu, trang bị quân sự để chế tạo các chi tiết có hình dạng phức tạp khác nhau như: hình côn, parabol, cầu, hình hộp, vỏ mỏng, không đối xứng; các chi tiết đòi hỏi mức độ biến dạng lớn và cơ tính đồng đều; các chi tiết làm từ vật liệu khó biến dạng. Ở Việt Nam trong khoảng gần hai chục năm trở lại đây, công nghệ dập tạo hình bằng môi trường chất lỏng nói chung và công nghệ dập thủy cơ nói riêng mới chỉ đề cập đến khả năng công nghệ, chưa cho phép áp dụng quy mô sản xuất công nghiệp. Trong các nghiên cứu đã thực hiện đều chỉ ra rằng khó khăn lớn nhất trong công nghệ dập bằng chất lỏng áp suất cao là việc kiểm soát các thông số công nghệ. Chính vì vậy mà để áp dụng được công nghệ này vào thực tiễn sản xuất tại nước ta thì cần phải có những nghiên cứu, khảo sát các yếu tố ảnh hưởng cũng như quy luật tác động của chúng đến chất lượng sản phẩm. Mặt khác, các sản phẩm được tạo hình rất đa dạng về hình dáng, đặc biệt là các chi tiết vũ khí đạn. Trong các công trình đã nghiên cứu mới chủ yếu xem xét đến hình dạng đặc trưng là trụ, còn các hình dạng mang tính phức tạp như: hình cầu, hình côn, parapol…lại chưa được đề cập đến. Với các lý do nêu trên, đề tài Nghiên cứu tối ưu các thông số công nghệ khi tạo hình chi tiết dạng côn bằng phương pháp dập thủy cơ được lựa chọn nhằm đóng góp một phần vào việc làm chủ công nghệ này, hướng tới ứng dụng vào thực tế sản xuất. 1. Mục tiêu nghiên cứu của luận án - Mục tiêu nghiên cứu: Nghiên cứu thực nghiệm tạo hình chi tiết dạng côn bằng dập thủy cơ để thu được sản phẩm có mức độ biến mỏng thành tại vị trí nguy hiểm là nhỏ nhất và chiều cao tương đối của sản phẩm là lớn nhất. - Nội dung nghiên cứu + Nghiên cứu ảnh hưởng của một số thông số công nghệ cơ bản: Áp suất chất lỏng, áp lực chặn và chiều dày tương đối của phôi đến mức độ biến mỏng của chiều dày thành và chiều cao tương đối của sản phẩm khi dập thủy cơ chi tiết dạng côn từ các vật liệu khác nhau. + Tối ưu hóa các tham số quá trình bằng phương pháp quy hoạch thực nghiệm. 2 2. Đối tƣợng nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu là các yếu tố cơ bản của quá trình dập thủy cơ chi tiết dạng côn như: Áp suất chất lỏng, áp lực chặn, chiều dày tương đối của phôi; nghiên cứu mối quan hệ của chúng đến khả năng tạo hình và chất lượng sản phẩm dập; 3. Phạm vi nghiên cứu - Nghiên cứu bài toán dập thủy cơ cho chi tiết dạng côn; - Vật liệu nghiên cứu là Cu99.97, C08s và 08Cr18Ni10. - Giới hạn nghiên cứu của các yếu tố phù hợp với điều kiện trang thiết bị của phòng Thí nghiệm Gia công áp lực, Học viện Kỹ thuật quân sự. 4. Phƣơng pháp nghiên cứu - Kết hợp nghiên cứu lý thuyết, mô phỏng và thực nghiệm kiểm chứng. - Công cụ nghiên cứu: + Máy ép thủy lực YH-32, bộ Stand dập thủy cơ và các thiết bị thu thập xử lý số liệu tại phòng Thí nghiệm Gia công áp lực, Học viện Kỹ thuật quân sự. + Phần mềm tính toán MathCAD (hoặc Matlab) và mô phỏng biến dạng eta/DynaForm. + Phương pháp quy hoạch thực nghiệm để xác định ảnh hưởng các tham số đến chất lượng sản phẩm. + Phần mềm xử lý số liệu Modde 5 để giải quyết bài toán tối ưu khi dập. 5. Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn * Ý nghĩa khoa học Đề tài luận án xác định miền làm việc của các thông số công nghệ và phân tích ảnh hưởng của chúng tới quá trình t ạo hình, tới chất lượng sản phẩm góp phần hoàn thiện việc nghiên cứu về công nghệ dập thủy cơ nói chung, dập thủy cơ chi tiết côn nói riêng. * Ý nghĩa thực tiễn + Trang thiết bị đề tài xây dựng có thể hữu ích cho các nghiên cứu khác nhau về dập thủy cơ. + Các kết quả thu được có thể giúp cho các cơ sở dập thủy cơ lựa chọn được các thông số công nghệ phù hợp để triển khai sản xuất. 6. Các đóng góp mới của luận án - Là luận án đầu tiên ở Việt Nam nghiên cứu về ảnh hưởng của một số thông số công nghệ tới quá trình tạo hình chi tiết dạng côn cao bằng công nghệ dập thủy cơ. - Đã thiết lập được mối quan hệ giữa 3 thông số công nghệ bao gồm: Áp suất chất lỏng, áp lực chặn và chiều dày tương đối tới sự biến mỏng vật liệu và chiều cao tương đối khi dập thủy cơ chi tiết hình côn từ 3 loại vật liệu khác nhau. 3 - Đã xác định được chế độ công nghệ tối ưu khi dập thủy cơ hình côn với chiều cao tương đối lớn nhất và mức độ biến mỏng ít nhất tại tiết diện nguy hiểm. 7. Bố cục của luận án Bố cục của luận án bao gồm các phần chính sau: Mở đầu Chương 1: Tổng quan công nghệ dập thủy cơ Chương 2: Cơ sở lý thuyết dập thủy cơ chi tiết dạng côn Chương 3: Mô phỏng số quá trình dập thủy cơ chi tiết dạng côn Chương 4: Thực nghiệm dập thủy cơ chi tiết dạng côn Kết luận chung và hướng phát triển của đề tài Tài liệu tham khảo Phụ lục luận án. Chƣơng 1 TỔNG QUAN CÔNG NGH Ệ DẬP THỦY CƠ 1.1. Những vấn đề chung về dập thủy cơ Dập thủy cơ là phương pháp gia công kim loại bằng áp lực trong đó vật liệu bị biến dạng bởi sự kết hợp áp suất thủy tĩnh cao của chất lỏng và chuyển động của phần cứng của dụng cụ. Sơ đồ nguyên lý cơ bản của quá trình dập vuốt thủy cơ từ phôi phẳng được thể hiện trên hình 1.1. Hình 1. 1. Sơ đồ nguyên lý của quá trình dập vuốt thủy cơ 1. Chày, 2. Chặn phôi, 3. Phôi, 4. Cối, 5. Vòng bịt kín, 6. Buồng áp, 7. Van điểu khiển, 8. Van điều khiển điện từ, 9. Bình tích áp. * Nguyên lý tạo hình: Phôi ban đầu 3 được đặt trên bề mặt trên của cối 4 và được ép bởi cơ cấu chặn phôi 2. Chất lỏng với áp suất nhất định được cấp vào buồng áp 6. Tiếp theo, chày 1 đi xuống làm áp suất chất lỏng trong buồng áp 6 tăng dần ép chặt phôi vào chày để tạo hình sản phẩm. 1.2. Quá trình phát triển của công nghệ dập thủy cơ 1.3. Tình hình nghiên cứu công nghệ dập thủy cơ 1.3.1. Nghiên cứu trên thế giới Với những ưu việt nổi bật của công nghệ dập vuốt thủy cơ, các nhà khoa học trên thế giới đã thực hiện rất nhiều nghiên cứu nhằm không 4 ngừng hoàn thiện và phát triển công nghệ này. Các nghiên cứu tập trung vào một số hướng cơ bản sau: - Nghiên cứu hoàn thiện sơ đồ nguyên lý của dập thủy cơ; - Nghiên cứu lý thuyết dập thủy cơ; - Nguyên cứu các yếu tố cơ bản trong dập thủy cơ; 1.3.1.1. Nghiên cứu hoàn thiên sơ đồ nguyên lý dập thủy cơ Với mục đích nâng cao khả năng biến dạng của vật liệu và chất lượng sản phẩm, các nhà khoa học đã đưa ra các sơ đồ nguyên lý như sau: Hình 1.7. Dập thủy lực Hình 1.8. Dập thủy cơ (Hydromechanical) Hình 1.9. Dập thủy cơ có bôi trơn thủy động Hình 1.10. Dập vuốt có Hình 1.11. Dập vuốt có Hình 1.12. Dập vuốt có đẩy vành vành chặn phôi nhám gờ chặn và zoăng bịt kín 1.3.1.2. Nghiên cứu lý thuyết dập thủy cơ Hình 1.13. Trạng thái ứng suất – biến dạng 5 Trạng thái ứng suất – biến dạng là vấn đề quan trọng nhất khi nghiên cứu về công nghệ dập thủy cơ. Các nhà khoa học đã chỉ ra rằng sự có mặt của áp suất chất lỏng làm xuất hiện thành ph ần ứng suất nén 3 luôn có hướng vuông góc với bề mặt phôi làm cho vật liệu biến dạng chủ yếu nằm trong trạng thái ứng suất nén. Chính thành phần 3 này có ảnh hưởng lớn đến tính dẻo của kim loại, tăng ma sát có ích giữa phôi và chày, giảm đáng kể ma sát có hại giữa phôi và cối, làm thay đổi sơ đồ trạng thái ứng suất – biến dạng trong phôi (hình 1.13). 1.3.1.3. Nghiên cứu các yếu tố cơ bản trong dập thủy cơ - Nghiên cứu áp suất chất lỏng tạo hình: Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng áp suất chất lỏng là một trong những thông số công nghệ cơ bản nhất của dập thủy cơ. Áp suất chất lỏng là tác nhân chính tạo ra trạng thái ứng suất nén thủy tĩnh, tạo điều kiện thuận lợi cho sự biến dạng kim loại. Đường cong áp suất chất lỏng trong quá trình tạo hình được thay đổi theo 3 vùng (hình 1.15): Áp suất ban đầu, áp suất tạo hình, áp suất bắt đầu giảm. Hình 1.15. Đường cong áp lực tối ưu khi dập vuốt thủy cơ chi tiết côn - Nghiên cứu áp suất chất lỏng ban đầu: Áp suất ban đầu có 2 chức năng chính: Một là, nâng phôi lên khỏi bề mặt cối (nhằm tránh xước bề mặt), hai là, thay đổi trạng thái ứng suất xung quanh mũi chày nhằm làm cho phôi ép chặt vào chày ngay từ ban đầu, tăng cường sự ổn định của phôi. a) b) Hình 1.18. Mô hình sử dụng áp suất ban đầu khi dập thủy cơ 6 Áp lực chặn là một yếu tố có ảnh hưởng quan trọng đến hiện tượng nhăn, biến mỏng và rách của sản phẩm. a) b) Hình 1.19. Ảnh hưởng của lực chặn khi dập thủy cơ Khi áp lực chặn quá nhỏ sẽ gây ra hiện tượng nhăn, nhưng quá lớn sẽ gây hiện tượng rách phôi trong quá trình dập vuốt nói chung và dập thủy cơ nói riêng. Các kết quả nghiên cứu chỉ ra rằng khi dập với lực chặn thay đổi sẽ tạo hình được chi tiết có độ sâu lớn hơn so với lực chặn cố định (khoảng 9%). Chiều dày vật liệu phôi có ảnh hưởng mạnh đến giá trị chặn phôi và mức độ dập vuốt K. Lực chặn để loại bỏ nhăn sẽ phải tăng lên khi mà chiều dày phôi giảm. Về quan hệ giữa chiều dày vật liệu phôi với áp suất chất lỏng tạo hình và sự phân bố chiều dày thành sản phẩm, Kurmar chỉ ra rằng khi chiều dày vật liệu tăng thì áp suất tối thiểu để tạo hình cũng tăng và mức độ biến mỏng chiều dày thành chi tiết càng lớn (hình 1.20). a) b) Hình 1.20. Ảnh hưởng của chiều dày phôi đến sự thay đổi chiều dày thành Ngoài các vấn đề cơ bản trên, các nhà khoa học trên thế giới cũng đã tiến hành nghiên cứu một số hướng như: Giải pháp nâng cao mức độ biến dạng củ a vật liệu; hình dạng sản phẩm…. Điển hình như phương pháp dập vuốt có gân vuốt nông, dập có nung nóng cục bộ ở phần vành. 1.3.2. Nghiên cứu trong nước Tại Việt Nam, công nghệ dập thủy cơ mới bắt đầu được xem xét và nghiên cứu khoảng hơn chục năm trở lại đây. Các công trình nghiên cứu 7 ban đầu chủ yếu mang tính thăm dò, khảo sát nhằm khẳng định tính ưu việt của phương pháp dập thủy cơ, thông qua một số đề tài cấp Nhà nước, cấp Bộ, một s ố Luận án tiến sĩ, luận văn Thạc sĩ. Công nghệ dập thủy cơ hiện nay đang được nghiên cứu và giảng dạy sau đại học tại một số trường đại học lớn: Đại học Bách khoa Hà Nội, Học viện Kỹ thuật quân sự, Đại học Nông nghiệp Hà Nội… 1.4. Xác định vấn đề nghiên cứu Từ việc xem xét các vấn đề nghiên cứu về dập thủy cơ trên thế giới và trong nước cho thấy các nhà khoa học đã giải quyết những vấn đề sau: - Phát triển, hoàn thiện sơ đồ nguyên lý quá trình dập vuốt thủy cơ; phân tích làm rõ trạng thái ứng suất, biến dạng khi tạo hình; - Nghiên cứu, xác định rõ vai trò, ảnh hưởng của áp suất chất lỏng (áp suất chất lỏng ban đầu và áp suất chất lỏng tạo hình), áp lực chặn đến quá trình dập thủy cơ trên cơ sở khảo sát chi tiết có hình dạng đặc trưng là hình trụ; - Nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số hình học dụng cụ như bán kính lượn chày, bán kính lượn vành cối; khe hở giữa chày và vành cối; - Nghiên cứu ảnh hưởng của chiều dày phôi ban đầu đến sự phân bố chiều dày thành sản phẩm sau khi dập bằng phương pháp thủy cơ; - Nghiên cứu ảnh hưởng của vật liệu phôi đến quá trình tạo hình; - Nghiên cứu một số giải pháp công nghệ nhằm nâng cao khả năng biến dạng của vật liệu trong dập thủy cơ như dập có gân vuốt nông; dập có nung nóng cục bộ… * Các vấn đề cần được tiếp tục làm rõ: - Xác định mối quan hệ tương quan giữa các yếu tố công nghệ, kích thước phôi đến khả năng biến dạng và chất lượng sản phẩm dập thủy cơ; - Các công trình được công bố đã nghiên cứu ảnh hưởng của chiều dày phôi (tuyệt đối) nhưng chưa nghiên cứu ảnh hưởng của chiều dày tương đối đến sự phân bố chiều dày thành sản phẩm. Điều này có thể làm hạn chế phạm vi ứng dụng trong thực tế sản xuất khi dập các chiều dày khác nhau; - Các công trình nghiên cứu trên thế giới chủ yếu nghiên cứu mô phỏng dập thủy cơ trên đối tượng là chi tiết hình trụ, các chi tiết có hình dạng khác như hình cầu, hình côn, hình parapol… chưa đi sâu vào nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến quá trình tạo hình; Xuất phát từ những vấn đề trên, luận án xác định một số nội dung cần xem xét nghiên cứu như sau: - Nghiên cứu dập thủy cơ chi tiết có dạng hình côn. Với công nghệ dập vuốt thông thường, chi tiết dạng côn là chi tiết tuy không phức tạp về mặt hình dáng nhưng lại phức tạp về mặt tạo hình đặc biệt là chi tiết côn trung bình và chi tiết côn cao như: Phôi kém ổn định ở giai đoạn đầu cho nên dễ dẫn tới nhăn thành chi tiết; phải dập qua nhiều nguyên công (đặc 8 biệt với dập truyền thống còn làm cho bề mặt chi tiết bị hằn vết và xước bề mặt). Cho nên, việc lựa chọn chi tiết dạng côn để nghiên cứu nhằm khẳng định ưu điểm vượt trội của dập thủy cơ so với d ập thông thường về tăng khả năng biến dạng của vật liệu (từ đó làm giảm số nguyên dập) và nâng cao chất lượng tạo hình sản phẩm. - Nghiên cứu ảnh hưởng của áp suất chất lỏng (bao gồm cả áp suất chất lỏng ban đầu pbđ và áp suất chất lỏng tạo hình pth) trong quá trình dập vuốt thủy cơ. Qua khảo sát các công trình công bố trên thế giới và thực tế nghiên cứu của nghiên cứu sinh cho thấy, ứng với mỗi giá trị áp suất chất lỏng ban đầu thì sản phẩm dập thành công tại một giá trị áp suất chất lỏng tạo hình nhất định. Khi tăng áp suất chất lỏng ban đầu thì áp suất chất lỏng tạo hình cũng phải tăng lên. Tuy nhiên mức độ thay đổi áp suất chất lỏng ban đầu khác với mức độ thay đổi của áp suất chất lỏng tạo hình cho nên tỷ số áp suất chất lỏng ban đầu và áp suất chất lỏng tạo hình không phải là hằng số. Vì thế luận án lựa chọn tỷ số áp suất chất lỏng K q (Kq = pbđ/pth) để nghiên cứu với danh nghĩa là đại lượng đặc trưng cho áp suất chất lỏng trong tạo hình thủy cơ. - Nghiên cứu ảnh hưởng của các yếu tố: Tỷ số áp suất chất lỏng, áp * lực chặn qc và chiều dày tương đối của phôi s khi dập thủy cơ. Đồng thời xác định chế độ công nghệ tối ưu với mục tiêu chung là khả năng biến dạng lớn nhất (thông qua chiều sâu dập tương đối) với sự phân bố chiều dày thành sản phẩm hợp lý. - Khảo sát khả năng biến dạng tạo hình khi dập các loại vật liệu khác nhau với các chiều dày tương đối khác nhau. Luận án chọn 03 loại vật liệu là Cu99.97, thép C08s và 08Cr18Ni10 để nghiên cứu. Ba vật liệu này đại diện cho 3 nhóm vật liệu cơ bản trong tạo hình kim loại tấm nhằm khảo sát khả năng biến dạng của chúng trong quá trình tạo hình thủy cơ chi tiết dạng côn. Kết quả nghiên cứu của luận án có ý nghĩa khi ứng dụng các mác vật liệu khác nhau nằm trong 03 nhóm vật liệu cơ bản như trên trong thực tế nghiên cứu và thử nghiệm. 1.5. Kết luận chƣơng 1 Qua việc phân tích, đánh giá các kết quả nghiên cứu của các nhà khoa học trên thế giới và trong nước về dập thủy cơ, cho thấy đây là một phương pháp tạo hình kim loại tiên tiến có nhiều ưu điểm nổi trội so với các phương pháp dập thông thường. Qua đó, tác giả cũng đã xác định được vấn đề nghiên cứu của luận án, đó là nghiên cứu ảnh hưởng của các yếu tố công nghệ dập thủy cơ chi tiết dạng côn như: Tỷ số của áp suất chất lỏng ban đầu và áp suất chất lỏng tạo hình K q, áp lực chặn qc và chiều dày tương đối * của phôi s đến quá trình dập thủy cơ chi tiết dạng côn từ ba loại vật liệu cơ bản Cu99.97, thép C08s và 08Cr18Ni10. Để giải quyết vấn đề trên, trong chương tiếp theo tác giả sẽ tập chung nghiên cứu cơ sở lý thuyết bài toán dập thủy cơ và phân tích làm rõ ảnh hưởng của các yếu tố 9 cơ bản đến quá trình dập. Đồng thời đưa ra cơ sở tính toán các yếu tố chính phục vụ cho việc nghiên cứu mô phỏng và thực nghiệm của luận án. Chƣơng 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT DẬP THỦY CƠ CHI TIẾT DẠNG CÔN 2.1. Đặc điểm chi tiết dạng côn Trong gia công áp lực, chi tiết dạng côn được chia làm ba loại dựa vào góc côn và chiều cao tương đối của chi tiết: - Chi tiết côn thấp: Chiều cao tương đối h/d = 0,1 ÷ 0,25 và góc giữa o o đường sinh với phương thẳng đứng (góc côn) là α = 50 ÷ 80 . - Chi tiết côn trung bình: h/d = 0,3 ÷ 0,7; α = 25o ÷ 45o. - Chi tiết côn cao: h/d ≥ 0,8; α = 10o ÷ 30o. 2.2. Trạng thái ứng suất – biến dạng khi dập thủy cơ chi tiết dạng côn 2.2.1. Đặc điểm biến dạng khi dập thủy cơ chi tiết dạng côn. a) Giai đoạn đầu b) Giai đoạn tiếp theo Hình 2.3. Đặc điểm biến dạng phôi khi dập thủy cơ Trong dập thuỷ cơ có hai tiết diện nguy hiểm là phần chuyển tiếp giữa phần đáy với phần trụ phôi (A) và phần chuyển tiếp giữa phần trụ và phần bán kính lượn quy ước của cối (B). Việc dập thành công khi loại bỏ được hai tiết diện nguy hiểm này, điều này có thể thực hiện khi chọn các thông số công nghệ hợp lý. 2.2.2. Trạng thái ứng suất – biến dạng khi dập thủy cơ fBH fP fBH Hình 2.4. Sơ đồ trạng thái ứng suất biến dạng của phôi khi dập thủy cơ chi tiết hình côn 10 2.2.2.1. Trạng thái ứng suất trên vành a) b) Hình 2.6. Sơ đồ trạng thái ứng suất tại ổ biến dạng trên vành Ứng suất hướng kính trên vành được tính theo công thức: I    s ln Rh   R     R   Qf  Rh     ln h  R 2  R 2 h s  1 2   R12 ln h R (2.17)  1  2.2.2.2. Trạng thái ứng suất của phôi trên đoạn đi vào cối a) b) Hình 2.7. Sơ đồ trạng thái ứng suất phôi ở ổ biến dạng đối với chi tiết hình côn trong dập vuốt thủy cơ Ứng suất hướng kính lớn nhất được tính theo công thức:   II  max R  s  ln rh   k s    2r    R1  R1 ln R  R Qf    u s   h h R2 h R2 2  R1  1  R12 R  ln (2.24)  h R 1  2.3. Xác định các thông số lực và năng lƣợng trong dập thủy cơ 2.3.1. Áp suất chất lỏng Áp suất chất lỏng ban đầu được tính theo công thức: p  4dsob , MPa (2.26) bd  3 D 2  d 2  11 Trong đó: pbđ – Áp suất chất lỏng ban đầu, MPa; s - Giới hạn bền của vật liệu phôi, MPa; so – Chiều dày ban đầu của phôi, mm; D – Đường kính ban đầu của phôi, mm; d – đường kính nhỏ nhất của chi tiết, mm; β – hệ số phụ thuộc vào hình dạng tiết diện sản phẩm; với tiết diện tròn thì: 1 ≤ β ≤ 2. 2.3.2. Áp suất chất lỏng tạo hình Áp suất chất lỏng tạo hình được xác định từ điều kiện đảm bảo biến dạng phôi như sau: p  s . (2.27) th max  max o r  so c Trong đó 2.3.3. Áp lực chặn 2 được tính theo công thức 2.24. Áp lực chặn tốối ưu theo kinh nghiệm khi dập vuốốt chi tếốt cốn đ ược tnh như sau: q s   tu   0, 093 0,1  tg   1  o  m D b (2.29) d Trong đó: m  Dtb – hệ số dập vuốt. 2.4. Kết luận chƣơng 2 Chương 2 đã trình bày những vấn đề cơ bản sau: - Khảo sát đặc điểm quá trình biến dạng khi dập thủy cơ chi tiết dạng côn cũng như sự thay đổi của trạng thái ứng suất khi dập tại các vùng biến dạng đặc trưng là vùng vành và phần chuyển tiếp giữa vùng vành và vùng thành côn. Điều này rất quan trọng khi tiến hành khảo sát quá trình dập thủy cơ bằng mô phỏng và thực nghiệm. - Đưa ra được cơ sở tính toán các thông số công nghệ như áp suất chất lỏng ban đầu pbđ, áp suất chất lỏng tạo hình pth, áp lực chặn qc. Các kết quả tính toán sơ bộ giá trị của các yếu tố là số liệu tham khảo quan trọng khi đặt các tham số trong các bài toán mô phỏng và thực nghiệm ở các chương tiếp theo. Chƣơng 3 MÔ PHỎNG SỐ QUÁ TRÌNH DẬP THỦY CƠ CHI TIẾT DẠNG CÔN Mô phỏng bài toán dập thủy cơ chi tiết dạng côn nhằm giải quyết một số vấn đề sau: - Khảo sát ảnh hưởng của một số yếu tố cơ bản như: Tỷ số áp suất * * chất lỏng Kq, áp lực chặn qc, chiều dày tương đối của phôi s (s = so/D) đến khả năng tạo hình (thông qua chiều cao tương đối của sản phẩm) và chất lượng sản phẩm (thông qua sự thay đổi chiều dày thành sản phẩm) khi dập thủy cơ với ba loại vật liệu cơ bản: Cu99.97, C08s và thép không gỉ 08Cr18Ni10. 12 - Xác định giới hạn tạo hình của mỗi thông số công nghệ, làm cơ sở cho việc tiến hành nghiên cứu thực nghiệm ở chương tiếp theo. 3.1. Nghiên cứu quá trình dập thủy cơ bằng phần mềm eta/DynaForm 3.1.1. Chi tiết và vật liệu mô phỏng 3.1.1.1. Chi tiết nghiên cứu Hình 3.1. Chi tiết nghiên cứu 3.1.1.2. Vật liệu nghiên cứu Ba loại vật liệu cơ bản, đặc trưng cho 03 nhóm vật liệu được chọn để nghiên cứu là: Cu99.97 (tương đương đồng M1), C08s (tương đương thép 08ΚΠ) và 08Cr18Ni10 (tương đương thép không gỉ 1X18H9T) với các loại chiều dày so là 0,8, 1,0 và 1,3 mm. Đường kính phôi D được tính toán dựa trên các kích thước của chi tiết cho trên hình 3.1 là 130 mm. Từ đó, ta * xác định được chiều dày tương đối của phôi s là: 0,6%, 0,8% và 1,0%. 3.1.2. Xây dựng mô hình bài toán mô phỏng a) b) c) Hình 3.2. Mô hình mô phỏng a – Mô hình 2D, b – Mô hình 3D, c – Mô hình phần tử hữu hạn 3.2. Các kết quả nghiên cứu bằng mô phỏng số 3.2.1. Xác định khoảng làm việc của áp lực chặn và áp suất chất lỏng Sử dụng phương pháp tiếp cận Ơle mô phỏng xác định các giới hạn của các thông số công nghệ. qc = 2,5 MPa qc = 4,5 MPa qc = 7 MPa * Hình 3.6. Ảnh hưởng của áp lực chặn đến quá trình biến dạng khi s = 0,6% 13 Các kết quả mô phỏng cho thấy: - Tại một giá trị chiều dày tương đối xác định của phôi, khi khảo sát mô phỏng tạo hình chi tiết dạng côn cho thấy, khoảng giá trị làm việc của áp lực chặn đối với vật liệu Cu99,97 là nhỏ nhất, tiếp đến là vật liệu C08s. Thép 08Cr18Ni10 đòi hỏi áp lực chặn là lớn nhất. - Chiều dày tương đối của phôi càng lớn thì áp lực chặn cần thiết để tạo hình có xu hướng càng giảm. - Từ các kết quả mô phỏng đã xác định được miền làm việc của áp lực chặn như sau: Với Cu99.97:+ Khi s* = 0,6 % thì qc = (3 ÷ 6,5) MPa * + Khi s = 0,8 % thì qc = (2,5 ÷ 7) MPa * + Khi s = 1,0 % thì qc = (2 ÷ 7,5) MPa * = 0,6 % thì qc = (5,5 ÷ 8,5) MPa * = 0,8 % thì qc = (5 ÷ 10) MPa * = 1,0 % thì qc = (5,5 ÷ 10,5) MPa * = 0,6 % thì qc = (12 ÷ 22) MPa * = 0,8 % thì qc = (10 ÷ 23) MPa +Khis+Khis+Khis * = 1,0 % thì qc = (10 ÷ 24) MPa VớithépC08s: Vớithép08Cr18Ni10:+Khis+Khis+Khis 3.2.1.2. Xác định khoảng làm việc của tỷ số áp suất chất lỏng Kq a) Kq = 0 b) Kq = 0,14 c) Kq = 0,53 Hình 3.8. Sự phân bố chiều * dày sản phẩm khi dập đồng với s = 0,6% Các kết quả mô phỏng cho thấy: - Chiều dày tương đối của phôi ít ảnh hưởng đến khoảng giá trị làm việc của tỷ số áp suất chất lỏng Kq. Chi ều dày tương đối ảnh hưởng rõ rệt nhất đến Kq là khi dập vật liệu Cu99,97. - Theo thứ tự dập các vật liệu từ Cu99,97, thép C08s đến 08Cr18Ni10, giá trị làm việc của tỷ số áp suất chất lỏng có xu hướng giảm dần. Điều này cho thấy khoảng cách giữa áp suất chất lỏng ban đầu và áp suất chất lỏng tạo hình là càng lớn. Vật liệu có độ bền càng cao đòi hỏi áp suất chất lỏng ban đầu càng lớn và áp suất chất lỏng tạo hình càng lớn. - Từ các kết quả mô phỏng đã xác định được miền làm việc của tỷ số áp * suất chất lỏng Kq như sau : + Khi s = 0,6 % thì Kq = (0,14 Với Cu99.97: ÷ 0,4) * + Khi s = 0,8 % thì Kq = (0,14 ÷ 0,53) * + Khi s = 1,0 % thì Kq = (0,4 ÷ 0,53) Với thép C08s: Kq = (0,06 ÷ 0,26) Với 08Cr18Ni10: Kq = (0,1 ÷ 0,26) 14 3.2.2. Nghiên cứu ảnh hưởng của áp lực chặn qc và chiều dày tương đối * của phôi s đến sự phân bố chiều dày thành sản phẩm. 3.2.2.1. Ảnh hưởng của áp lực chặn Hình 3.9. Vị trí đo mức độ biến mỏng chiều dày thành sản phẩm Mức độ biến % mỏng, 32 30 28 26 24 22 20 18 16 14 12 10 Cu99.97 C08s 08Cr18Ni10 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 Áp lực chặn, MPa Hình 3.16. Ảnh hưởng của áp lực chặn đến mức độ biến mỏng tại vị trí * nguy hiểm khi s = 0,6% - Chiều dày thành sản phẩm tạo hình bị biến mỏng mạnh nhất là ở vùng bán kính lượn chuyển tiếp giữa phần đáy và vùng thành côn; biến dày xảy ra trên vùng vành với giá trị lớn nhất là ở mép vành. - Với cùng một mức độ biến dạng, khi áp lực chặn càng lớn thì mức độ biến mỏng tại vùng bán kính lượn đầu chày càng lớn và ngược lại. - Vật liệu cũng có ảnh hưởng mạnh đến khả năng thay đổi chiều dày thành. Từ đồ thị hình 3.16 cho thấy, Cu99,97 có mức độ biến mỏng lớn nhất, 08Cr18Ni10 có mức độ biến mỏng nhỏ nhất. Vật liệu C08s có mức độ biến mỏng trung bình. 3.2.2.2. Ảnh hưởng của chiều dày tương đối Chiều dày tương đối của phôi có ảnh hưởng rất lớn đến sự phân bố * chiều dày thành sản phẩm. Khi s càng tăng thì mức độ biến mỏng tại vùng chuyển tiếp giữa đáy và thành côn càng tăng. Đồng thời, mức độ biến dày thành sản phẩm từ vùng giữa côn đến mép vành tăng mạnh hơn. Như vậy có thể thấy, khi dập vật liệu càng dày thì mức độ đồng đều chiều dày thành sản phẩm càng giảm (hình 3.22). 15 Mức độ biến mỏng, % 32 30 28 26 24 22 20 Cu99.97 C08s 08Cr18Ni10 18 16 14 12 0.6 0.7 0.8 0.9 1 Chiều dày tƣơng đối, % Hình 3.22. Ảnh hưởng của chiều dày tương đối của phôi đến mức độ biến mỏng thành sản phẩm 3.2.3. Nghiên cứu ảnh hưởng của tỷ số áp suất lỏng K q đến khả năng biến dạng của vật liệu Tồn tại một khoảng giá tr ị Kq có tác độ ng tích c ực làm giả m liên tục sự biến mỏng thành sản phẩm. Mỗi loại vật liệu với chiều dày tương đối khác nhau đều có khoảng giá trị tỷ số áp suất chất lỏng K q khác nhau để có thể nhận được mức độ phân bố chiều dày thành sản phẩm hợp lý. 3.3. Kết luận chƣơng 3 Chương 3 đã thực hiện quá trình mô phỏng số quá trình dập vuốt thủy cơ chi tiết hình côn cho 03 loại vật liệu cơ bản là: Cu99,97, C08s và 08Cr18Ni10 với các kết quả như sau: - Đã xác định được vị trí biến mỏng nhiều nhất khi dập thủy cơ chi tiết dạng côn (vị trí nguy hiểm). Đó là vùng chuyển tiếp giữa đáy và thành côn. - Đã xác định được miền làm việc của các thông số công nghệ là: Áp lực chặn qc và tỷ số áp suất chất lỏng K q. Theo đó, áp lực chặn qc có thể lấy trong khoảng từ 2 đến 7,5 MPa đối với Cu99.97, từ 5 đến 10,5 MPa đối với C08s và từ 10 đến 24 MPa đối với thép 08Cr18Ni10. Tương tự đối với tỷ số áp suất chất lỏng, Kq có thể lấy từ 0,14 đến 0,53 cho Cu99.97, từ 0,06 đến 0,26 cho C08s và từ 0,10 đến 0,26 cho thép 08Cr18Ni10. - Xác định được ảnh hưởng của tỷ số áp suất chất lỏng K q, áp lực * chặn qc và chiều dày tương đối của phôi s đến khả năng biến dạng và sự phân bố chiều dày thành sản phẩm trong các trường hợp khác nhau. Điều này rất quan trọng trong việc điều khiển quá trình thực nghiệm để thu được kết quả tốt nhất. Các kết quả nghiên cứu bằng mô phỏng trong chương 3 là cơ sở cho việc xác định các thông số thực nghiệm trong chương tiếp theo. Chƣơng 4 THỰC NGHI ỆM VÀ PHÂN TÍCH KẾT QUẢ 4.1. Mục tiêu và nội dung nghiên cứu 4.1.1. Mục tiêu nghiên cứu 16 Nghiên cứu thực nghiệm tạo hình chi tiết dạng côn bằng dập thủy cơ để thu được sản phẩm có mức độ biến mỏng thành tại vị trí nguy hiểm là nhỏ nhất và chiều cao tương đối của sản phẩm là lớn nhất. 4.1.2. Nội dung nghiên cứu - Nghiên cứu ảnh hưởng của một số thông số công nghệ cơ bản: Tỷ * số áp suất chất lỏng Kq, áp lực chặn qc và chiều dày tương đối của phôi s đến mức độ biến mỏng của chiều dày thành và chiều cao tương đối của sản phẩm khi dập thủy cơ chi tiết dạng côn. - Tối ưu hóa các tham số công nghệ. 4.2. Thực nghiệm tạo hình 4.2.1. Mô hình thực nghiệm Hình 4.1. Mô hình thực nghiệm 1 – Chày, 2 – Vành chặn phôi, 3 – Buồng áp chất lỏng, 4 – Sản phẩm, 5 – Chất lỏng công tác 4.2.2. Thiết bị và dụng cụ thí nghiệm Hình 4.2. Bộ khuôn thí nghiệm Thiết bị thí nghiệm được sử dụng là máy ép thủy lực YH-32 100 t ấn và thiết bị đo EDX-2000 tại phòng Thí nghiệm Bộ môn Gia công áp lực. 17 4.2.3. Vật liệu thực nghiệm Vật liệu nghiên cứu là Cu99.97, thép C08s và thép không gỉ 08Cr18Ni10. 4.2.4. Xây dựng bài toán thực nghiệm 4.2.4.1. Cơ sở quy hoạch thực nghiệm Sử dụng quy hoạch trực giao cấp 2 để xây dựng mô hình toán học miêu tả phương trình hồi quy và quan hệ hàm giữa các nhân tố ảnh hưởng đối với các đại lượng cần đạt được. 4.2.4.2. Lựa chọn khoảng biến thiên của các thông số + Các yếu tố đầu vào: Tỷ số áp suất chất lỏng Kq, áp lực chặn qc, chiều * dày tương đối của phôi s . + Các yếu tố đầu ra: Mức độ biến mỏng chiều dày thành lớn nhất ε * và chiều cao tương đối của sản phẩm h (hình 4.5). Hình 4.5. Các vị trí đo yếu tố đầu ra Khoảng biến thiên của các yếu tố đầu vào được chọn như sau: - Tỷ số áp suất chất lỏng Kq: + Với Cu99.97: Kq = (0,14 ÷ 0,40) + Với thép C08s: Kq = (0,06 ÷ 0,26) + Với 08Cr18Ni10: Kq = (0,10 ÷ 0,26) - Áp lực chặn qc: + Với Cu99.97: qc = (3 ÷ 7) MPa + Với thép C08s: qc = (5 ÷ 9) MPa + Với 08Cr18Ni10: qc = (12 ÷ 22) MPa - Chiều dày tương đối của vật liệu : s* = (0,6 ÷ 1,0)% 4.2.4.3. Xây dựng ma trận thực nghiệm - Tỷ số áp suất chất lỏng (Kq) được mã hóa trong ma trận thực nghiệm bởi biến x1. - Áp lực chặn (qc) được mã hóa trong ma trận thực nghiệm bởi biến x2. * - Chiều dày tương đối c ủa vật liệu (s = so/D) được mã hóa trong ma trận thực nghiệm bởi biến x3. Mục tiêu nghiên cứu là mức độ biến mỏng ε của vật liệu được mã hóa * bằng hàm Yi (%) và chiều cao tương đối của sản phẩm h được mã hóa 18 * bằng hàm Zj (h = h/d). Ở đây: i, j = 1, 2, 3 (tương ứng với các vật liệu Cu99.97, C08s và 08Cr18Ni10). 4.4. Kết quả thực nghiệm Các sản phẩm thu được như trong hình 4.8, 4.9, 4.10. Hình 4.8. Một số sản phẩm khi dập C08s Hình 4.9. Một số sản phẩm khi dập 08Cr18Ni10 Hình 4.10. Một số sản phẩm khi dập Cu99.97 Thực hiện cắt sản phẩm bằng máy cắt dây và làm sạch tiết diện mặt cắt. Tiến hành scan tiết diện mặt cắt theo tỷ lệ 1:1 và đo chiều dày thành sản phẩm nhờ phần mềm corel12 (hình 4.11) Hình 4.11. Sản phẩm sau cắt bổ và đo chiều dày bằng Corel12 Các kết quả đo thực nghiệm sau khi tính toán được đưa trong bảng 4.7. Bảng 4.7. Kết quả thực nghiệm N0 1 2 3 4 5 6 x1 + + + + - x2 + + + x3 + + + + Cu99.97 Y1(%) 27,72 29,78 28,56 30,86 30,18 31,08 Z1 0,75 0,65 0,89 0,80 0,85 0,70 C08s Y2 (%) 17,92 20,23 19,25 24,57 23,11 25,27 08Cr18Ni10 Z2 0,76 0,70 0,90 0,82 0,87 0,75 Y3 (%) 20,37 22,62 23,97 25,86 25,21 26,90 Z3 0,82 0,75 1,20 0,92 0,97 0,85