Tài liệu Nghiên cứu ứng dụng công nghệ ép thủy cơ chế tạo các chi tiết trong chế biến nông sản, có sử dụng phần mềm ansys-ls dyna

Bé gi¸o dôc vµ ®µo t¹o Tr−êng ®¹i häc n«ng nghiÖp hµ néi -------------***------------- ®ç v¨n tùa Nghiªn cøu øng dông c«ng nghÖ Ðp thuû c¬ ChÕ t¹o c¸c chi tiÕt trong thiÕt bÞ chÕ biÕn N«ng s¶n, cã sö dông phÇn mÒm ansys-lsdyna LuËn v¨n th¹c sÜ kü thuËt Chuyªn ngµnh: Kü thuËt m¸y vµ thiÕt bÞ c¬ giíi ho¸ n«ng, n«ng nghiÖp M· sè : 60.52.14 Ng−êi h−íng dÉn khoa häc: PGS.TS. ®inh b¸ trô hµ néi - 2010 Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ kỹ thuật..... ........... 1 Lêi cam ®oan T«i xin cam ®oan ®©y lµ c«ng tr×nh nghiªn cøu cña riªng t«i. C¸c sè liÖu, kÕt qu¶ nªu trong luËn v¨n lµ trung thùc vµ ch−a tõng ®−îc ai c«ng bè trong bÊt kú c«ng tr×nh nµo kh¸c. T«i xin cam ®oan r»ng c¸c th«ng tin trÝch dÉn trong luËn v¨n ®2 ®−îc chØ râ nguån gèc. Hµ Néi, ngµy 12 th¸ng12 n¨m 2010 T¸c gi¶ luËn v¨n ðỗ Văn Tựa Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ kỹ thuật..... ........... i Lêi c¸m ¬n Tr−íc hÕt, t¸c gi¶ bµy tá lßng biÕt ¬n s©u s¾c tíi thÇy gi¸o h−íng dÉn khoa häc PGS.TS §inh B¸ Trô ®2 tËn t×nh h−íng dÉn, nghiªm kh¾c chØ b¶o trong suèt qu¸ tr×nh lµm luËn v¨n, ®2 ®Þnh h−íng gi¶i quyÕt c¸c vÊn ®Ò khoa häc cho luËn v¨n. §ång thêi chØnh söa cÊu tróc luËn v¨n, ®Ó luËn v¨n hoµn thµnh ®óng thêi h¹n T«i xin c¶n ¬n tr−êng §H N«ng nghiÖp Hµ Néi, ViÖn sau ®¹i häc, Khoa C¬ §iÖn, ®2 t¹o ®iÒu kiÖn gióp ®ì t¸c gi¶ trong qu¸ tr×nh lµm luËn v¨n. T«i xin bµy tá lßng c¸m ¬n thÇy Chñ nhiÖm bé m«n cïng c¸c thÇy trong Bộ môn gia công áp lực Trường ðại học Bách khoa Hà Nội ñã tạo ñiều kiện ñể tác giả hoàn thành thí nghiệm gia công ép thuỷ cơ, ®Ó cho luËn v¨n ®i ®óng h−íng vµ ®¶m b¶o tiÕn ®é. T¸c gi¶ bµy tá lßng biÕt ¬n c¸c ®ång nghiÖp, ®2 gãp ý kiÕn x©y dùng ®Ó luËn v¨n cã chÊt l−îng cao. Hµ Néi, ngµy 12 th¸ng12 n¨m 2010 T¸c gi¶ luËn v¨n ðỗ Văn Tựa Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ kỹ thuật..... ........... ii môc lôc Trang Lêi cam ®oan ...................................................................................................i Lêi c¸m ¬n........................................................................................................ii Môc lôc............................................................................................................iii Danh môc b¶ng................................................................................................vi Danh môc h×nh………………………………………………………………vii LỜI NÓI ðẦU ..............................................................................................1 1. C¬ së khoa häc vµ tÝnh thùc tiÔn cña ®Ò tµi:...............................................1 2. Môc tiªu cña ®Ò tµi:....................................................................................2 3. Ph−¬ng ph¸p nghiªn cøu: ...........................................................................2 4. Néi dung nghiªn cøu:.................................................................................2 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ ÉP THUỶ CƠ ................3 1.1. Các khái niệm về ép bằng nguồn chất lỏng cao áp................................3 1.1.1. Khái niệm ép thủy tĩnh và thủy cơ..................................................3 1.1.2. Chất lỏng dùng trong gia công thuỷ tĩnh ........................................5 1.1.3. Lực tác dụng trong ép thủy cơ........................................................7 1.2. ðặc ñiểm của phương pháp ép thuỷ cơ...................................................8 1.2.1. ðặc ñiểm về ép thuỷ cơ..................................................................8 1.2.2.Ưu nhược ñiểm của ép thủy cơ........................................................8 1.3. Các phương pháp ép thuỷ cơ ...............................................................10 1.4. Ứng suất và biến dạng khi ép thủy cơ...................................................12 1.5. Tính toán các thông số công nghệ ép thủy cơ.......................................14 1.5.1. Tính áp suất chất lỏng .................................................................. 14 1.5.2. Lùc chÆn ph«i: ................................................................................20 1.5.3. Khe hë cho qu¸ tr×nh dËp thuû c¬:..................................................21 1.5.4. Lùc c¶n cña ph«i lªn chµy: .............................................................22 1.5.5.Lùc dËp vuèt: ...................................................................................22 Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ kỹ thuật..... ........... iii 1.5.6.Lùc m¸y: ..........................................................................................22 1.6. Ma sát và bôi trơn trong ép thuỷ cơ: .....................................................22 1.7. Sự phát triển và ứng dụng công nghệ ép thuỷ cơ hiện nay..................24 KẾT LUẬN CHƯƠNG 1 ........................................................................... 27 CHƯƠNG 2 CƠ SỞ TÍNH TOÁN BIẾN DẠNG TẠO HÌNH ÉP THỦY CƠ BẰNG PHẦN TỬ HỮU HẠN............................................................. 28 2.1. Khái niệm phần tử hữu hạn và phân loại phần tử .................................28 2.2. Các phương trinh cơ bản ứng dụng giải bài toán biến dạng.................29 2.2.1. Phương trình cân bằng ................................................................. 29 2.2.2. Quan hệ biến dạng - chuyển vị ..................................................... 29 2.2.3. Quan hệ biến dạng - chuyển vị của tấm:....................................... 30 2.2.4. Quan hệ ứng suất – biến dạng ...................................................... 31 2.2.5. Phương trình năng lượng của phần tử: ......................................... 32 2.4. Giải bài toán ép thủy cơ - biến dạng dẻo tấm .......................................37 2.4.1. Các biểu thức cơ bản.................................................................... 37 2.4.2. Các quan hệ khi sử dụng phần tử tấm phẳng ............................... 39 KẾT LUẬN CHƯƠNG 2 ........................................................................... 43 CHƯƠNG 3 MÔ PHỎNG SỐ QUÁ TRÌNH ÉP THỦY CƠ .................. 44 3.1. Mô hình thuật toán mô phỏng ANSYS.................................................44 3.2. Xây dựng bài toán ................................................................................45 3.2.1. Mô hình hình học CAD................................................................ 45 3.2.2. ðịnh nghĩa kiểu phần tử ............................................................... 45 3.2.3. Lựa chọn vật liệu ......................................................................... 46 3.2.4. Chia lưới cho phần tử chày, cối, phôi, ép biên.............................. 47 3.2.5. ðặt ñiều kiên tiếp xúc .................................................................. 47 3.2.6 ðặt ñiều kiên biên ràng buộc........................................................ 48 3.2.7. Giải bài toán – Run Solution ........................................................ 49 3.2.8. Khảo sát kết quả - Read Results ................................................... 49 Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ kỹ thuật..... ........... iv 3.3. KẾT QUẢ MÔ PHỎNG .......................................................................50 3.3.1. Khảo sát ảnh hưởng của áp suất chất lỏng thay ñổi ...................... 50 3.3.2. Khảo sát ảnh hưởng chiều sâu vuốt (khi áp suất chất lỏng không ñổi, ma sát µ = 0,05, ñường kính phôi = 200mm) .................................. 51 3.3.3. Khảo sát ảnh hưởng vật liệu nhôm .............................................. 54 3.3.5. Khảo sát ảnh hưởng ma sát .......................................................... 58 3.3.6. Ảnh hưởng ñường kính phôi. ....................................................... 62 KẾT LUẬN CHƯƠNG 3 ........................................................................... 63 CHƯƠNG 4 THÍ NGHIỆM ÉP THỦY CƠ............................................. 64 4.1.Thiết bị và khuôn ép thủy cơ................................................................ 64 4.2. Phương án thí nghiệm ...........................................................................66 4.3. Phân tích kết quả thí nghiệm.................................................................75 KẾT LUẬN CHƯƠNG 4 ............................................................................80 KẾT LUẬN................................................................................................. 81 Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ kỹ thuật..... ........... v DANH MỤC BẢNG Bảng 4.1. Bảng thành phần và cơ tính của vật liệu ....................................... 67 Bảng 4.2. Bảng áp suất, hành trình chày khi ép phôi nhôm Ao..................... 69 Bảng 4.3. Bảng áp suất, hành trình chày khi ép phôi C08s ........................... 71 Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ kỹ thuật..... ........... vi DANH MỤC HÌNH Hình 1.1. Ép thủy tĩnh phôi tấm và ép thủy tĩnh phôi ống...............................4 Hình 1.2. Sơ ñồ quá trình ép thủy cơ ..............................................................4 Hình 1.3. Tạo thành gân vuốt bằng chất lỏng khi ép thủy cơ ..........................5 Hình 1.4. Lực tác dụng khi ép thủy cơ............................................................7 Hình 1.5. Ép thủy cơ phôi phẳng .................................................................. 11 Hình 1.6 Ép thủy cơ 3D............................................................................... 11 Hình 1.7. Sơ ñồ phân loại các phương pháp ép thuỷ cơ ................................ 12 Hình 1.10. Các sản phẩm ép thủy cơ............................................................. 26 Hình 2.1. Phần tử và các kiểu phần tử: Phần tử 1 chiều 1D, Phần tử 2 chiều 2D, Phần tử 3 chiều 3D................................................................ 28 Hình 2.2. Mô hình tác dụng lực của bài toán biến dạng tấm ......................... 37 Hình 2.3. Mô hình phân bố ứng suất trên tấm……………………………….37 Hình 2.4 Phần tử tấm 4 nút .......................................................................... 39 Hình 3.1. Thuật toán mô phỏng ép thủy cơ bằng phần mềm ANSYS ........... 44 Hình 3.2. Mô hình hình học.......................................................................... 45 Hình 3.3. Mô hình phần tử solid 92 với 10 nút ............................................ 45 Hình 3.4.Mô hình chia lưới chày, cối, ép biên .............................................. 47 Hình 3.5. Mô hình cặp tiếp xúc cối và phôi .................................................. 48 Hình 3.6.. Mô hình cặp tiếp xúc ép biên và phôi.......................................... 48 Hình 3.7. Mô hình ñặt ñối xứng……………………………………………..49 Hình 3.8. Mô hình áp lực lên phôi ............................................................... 49 Hình 3.9. Khi áp lực chất lỏng là 40 MPα, phôi chưa có hiện tượng phồng lên ………………………………………………………...50 Hình 3.10. Khi áp lực chất lỏng là 65 MPα, bắt ñầu xuất hiện hiện tượng phóng phồng phôi tại vùng góc lượn của cối ……………………50 Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ kỹ thuật..... ........... vii Hình 3.11. Khi áp lực chất lỏng là 90 MPα, phôi có hiện tượng phồng lên mạnh mẽ tại vùng góc lượn của cối………………………………50 Hình 3.12. Phân bố ứng xuất tương ñương Von Mises H = 30mm P = 65 MPα σeqv = 531 MPα……………………………………………..51 Hình 3.13. Phân bố ứng suất tương ñương Von Mises H = 40mm P = 65 MPα σeqv = 610 MPα……………………………………………..51 Hình 3.14. Phân bố ứng suất tương ñương Von Mises H = 50mm P = 65 MPα σeqv = 666 MPα……………………………………………..52 Hình 3.15. Phân bố ứng suất tương ñương Von Mises H = 60mm P = 65 MPα σeqv = 709 MPα……………………………………………..52 Hình 3.16. Phân bố biến dạng tương ñương Von Mises H = 30mm P = 65 MPα εeqv = 0,28 …………………………………………………..52 Hình 3.17. Phân bố biến dạng tương ñương Von Mises H = 40mm P = 65 MPα εeqv = 0,38 …………………………………………………..52 Hình 3.18. Phân bố biến dạng tương ñương Von Mises H = 50mm P = 65 MPα εeqv = 0,4 …………………………………………………....52 Hình 3.19. Phân bố biến dạng tương ñương Von Mises H = 60mm P = 65 MPα εeqv = 0,5 ……………………………………….…………..52 Hình 3.20. Sự phụ thuộc của σeqvmax vào chiều sâu dập vuốt ……………… 53 Hình 3.21. Sự phụ thuộc của εeqvmax vào chiều sâu dập vuốt ……………… 53 Hình 3.22. Dập vuốt thuỷ cơ phân bố ứng suất tương ñương Von Mises H = 60 mm P=65MPa σeqv = 709 MPa < giới hạn phá huỷ của vật liệu Rm = 780 MPa……………………………………………...54 Hình 3.23. Dập vuốt thông thường H = 45mm P=45MPa σeqv = 794 MPα > giới hạn phá huỷ của vật liệu Rm = 780 MPa .......................................... 54 Hình 3.24. Phân bố ứng suất tương ñương Von Mises H = 5mm P=30MPa σeqv = 152 ................................................................................................. 54 Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ kỹ thuật..... ........... viii Hình 3.25. Phân bố ứng suất tương ñương Von Mises H = 10mm P=30MPa σeqv = 162 ................................................................................................. 54 Hình 3.26. Phân bố ứng suất tương ñương Von Mises H = 15mm P=30MPa σeqv = 169Mpa...…………………………………………………..55 Hình 3.27. Phân bố biến dạng tương ñương Von Mises H = 5mm P=30MPa εeqv = 0,3 ……………...…………………………………………..55 Hình 3.28. Phân bố biến dạng tương ñương Von Mises H = 10mm P=30MPa εeqv = 0,68…...…………………………………………………….55 Hình 3.29. Phân bố biến dạng tương ñương Von Mises H = 15mm P=30MPa εeqv = 1,08..……………………………………………………….55 Hình 3.30. Phân bố ứng suất tương ñương Von Mises H = 30mm P=65MPa σeqv = 544Mpa……………..……………………………………..56 Hình 3.31. Phân bố ứng suất tương ñương Von Mises H = 40mm P=65MPa σeqv = 615Mpa……..……………………………………………..56 Hình 3.32. Phân bố ứng suất tương ñương Von Mises H = 50mm P=65MPa σeqv = 667Mpa…………………..………………………………..56 Hình 3.33. Phân bố ứng suất tương ñương Von Mises H = 60mm P=65MPa σeqv = 716Mpa……………..……………………………………..56 Hình 3.34. Phân bố biến dạng tương ñương Von Mises H = 30mm P=65MPa εeqv = 0.3…………………………..……………………………...57 Hình 3.35. Phân bố biến dạng tương ñương Von Mises H = 40mm P=65MPa εeqv = 0.38………………………………..……………………….57 Hình 3.36. Phân bố biến dạng tương ñương Von Mises H = 50mm P=65MPa εeqv = 0.44……………………………..………………………….57 Hình 3.37. Phân bố biến dạng tương ñương Von Mises H = 60mm P=65MPa εeqv = 0.5………………………………..………………………...57 Hình 3.38. ðồ thị mối quan hệ ứng suất và chiều sâu dập vuốt..…………....58 Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ kỹ thuật..... ........... ix Hình 3.39. Phân bố ứng suất tương ñương Von Mises H = 30mm P=65MPa σeqv =525Mpa………………...…………………………………...58 Hình 3.40. Phân bố ứng suất tương ñương Von Mises H = 40mm P=65MPa σeqv =591Mpa……………………………………………………..58 Hình 3.41. Phân bố ứng suất tương ñương Von Mises H = 50mm P=65MPa σeqv =646Mpa……………………………………………………..59 Hình 3.42. Phân bố ứng suất tương ñương Von Mises H = 60mm P=65MPa σeqv =682Mpa……………………………………………………..59 Hình 3.43. Phân bố biến dạng tương ñương Von Mises H = 30mm P=65MPa εeqv = 0.27…………………………………………………………59 Hình 3.44. Phân bố biến dạng tương ñương Von Mises H = 40mm P=65MPa εeqv = 0.36…………………………………………………………59 Hình 3.45. Phân bố biến dạng tương ñương Von Mises H = 50mm P=65MPa εeqv = 0.42……………………………..……………………….….60 Hình 3.46. Phân bố biến dạng tương ñương Von Mises H = 60mm P=65MPa εeqv = 0.47……………………………..……………………….….60 Hình 3.47. ðồ thị mối quan hệ ứng suất và chiều sâu dập vuốt..…………....61 Hình 3.48. Phân bố ứng suất tương ñương Von Mises H = 140mm P=65MPa σeqv =771Mpa……………………...…………………………..….62 Hình 4.1. Stand ép thuỷ cơ trên METL YH-32 .................................................... 64 Hình 4.2. Bộ khuôn thí nghiệm ép thủy cơ ................................................... 65 Hình 4.3. Hệ thống xử lý số liệu ño .............................................................. 66 Hình 4.4. Sản phẩm ñạt yêu cầu về kỹ thuật ................................................. 68 Hình 4.5. Sản phẩm bị nhăn.......................................................................... 68 Hình 4.6. Sản phẩm bị rách .......................................................................... 69 Hình 4.7. ðồ thị áp suất, ñường kính phôi và hành trình với S=0,8 .............. 72 Hình 4.8. ðồ thị áp suất, ñường kính phôi và hành trình với S=0,9 .............. 72 Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ kỹ thuật..... ........... x Hình 4.9. ðồ thị áp suất, ñường kính phôi và hành trình với S=1,0 .............. 73 Hình 4.10. ðồ thị áp suất, ñường kính phôi và hành trình với S=1,1 ............ 73 Hình 4.11. ðồ thị áp suất, ñường kính phôi và hành trình với S=1,2 ............ 73 Hình 4.12. ðồ thị áp suất, ñường kính phôi và hành trình với S=0,8 ............ 74 Hình 4.13. ðồ thị áp suất, ñường kính phôi và hành trình với S=0,9 ............ 74 Hình 4.14. ðồ thị áp suất, ñường kính phôi và hành trình với S=1,0 ............ 74 Hình 4.15. ðồ thị áp suất, ñường kính phôi và hành trình với S=1,1 ............ 75 Hình 4.16. ðồ thị áp suất, ñường kính phôi và hành trình với S=1,2 ............ 75 Hình 4.17. ðồ thị áp suất hành trình ép phôi nhôm ( S=0,8mm, D=160mm) bị nhăn và rách................................................................................. 76 Hình 4.18. ðồ thị áp suất, hành trình với phôi C08s (D=160, S=1,2mm)..... 77 Hình 4.19. Phôi nhôm bị nhăn rách khi áp lực tác dụng lên vành ép biên là 10KG/mm2................................................................................... 78 Hinh 4.20. ðồ thị áp suất hành trình trong thí nghiệm phôi nhôm bị rách..... 78 Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ kỹ thuật..... ........... xi LỜI NÓI ðẦU HiÖn nay c«ng nghÖ Ðp thñy c¬ ®−îc øng dông réng r2i trªn thÕ giíi vµ ®2 b¾t ®Çu ®−îc nghiªn cøu ë ViÖt Nam. Ðp thñy c¬ cho phÐp chÕ t¹o ®−îc c¸c chi tiÕt d¹ng rçng, cã h×nh d¹ng phøc t¹p kh«ng thÓ chÕ t¹o ®−îc b»ng c¸ch Ðp dËp th«ng th−êng. §©y lµ mét c«ng nghÖ hiÖn ®¹i, ®−îc øng dông nhiÒu trong s¶n xuÊt c¬ khÝ, nhÊt lµ sö dông nhiÒu chi tiÕt d¹ng tÊm ®−îc dïng trong c¸c m¸y chÕ biÕn n«ng s¶n. Tr−íc t×nh h×nh ®ã, ®Ó gãp phÇn t¨ng tr−ëng kinh tÕ cña Th¸i B×nh, ®−a c«ng nghÖ míi vµo s¶n xuÊt, ®ång thêi ®−a kiÕn thøc míi vµo gi¶ng d¹y vµ nghiªn cøu t¹i §¹i häc C«ng nghiÖp TP Hå ChÝ Minh - C¬ së Th¸i B×nh, cÇn thiÕt ph¶i nghiªn cøu c¸c c«ng nghÖ míi. §©y lµ mét c«ng nghÖ mang tÝnh kh¶ thi cao, cã nhiÒu bÝ quyÕt kü thuËt, cã thÓ gãp phÇn gi¶m gi¸ thµnh s¶n phÈm vµ t¨ng chñng lo¹i t¹o thÕ c¹nh tranh cao cho c¸c doanh nghiÖp. §Ò tµi “ Nghiªn cøu øng dông c«ng nghÖ Ðp thñy c¬ chÕ t¹o c¸c chi tiÕt trong chÕ biÕn n«ng s¶n, cã sö dông phÇn mÒm Ansys-LS Dyna” mong muèn lµm râ c¸c vÊn ®Ò c¬ së khoa häc vÒ c«ng nghÖ Ðp thñy c¬, kh¶o s¸t quy luËt ¶nh h−ëng cña mét sè yÕu tè c«ng nghÖ ®Õn chÊt l−îng s¶n phÈm sau dËp. 1. C¬ së khoa häc vµ tÝnh thùc tiÔn cña ®Ò tµi: - C¬ së khoa häc: §Ò tµi nghiªn cøu c¬ së lý thuyÕt Ðp thñy c¬, c¸c yªu cÇu c«ng nghÖ khi Ðp thñy c¬. §ång thêi cÇn kh¶o s¸t m« pháng qu¸ tr×nh Ðp ®Ó tèi −u hãa biÕn d¹ng tÊm. - TÝnh thùc tiÔn: §Ò tµi cã thÓ sö dông ®Ó t¹o ra c¸c s¶n phÈm phøc t¹p chÕ t¹o b»ng c«ng nghÖ dËp trong c¸c m¸y vµ thiết bÞ phôc vô s¶n xuÊt vµ chÕ biÕn n«ng s¶n, cã thÓ më réng ¸p dông c«ng nghÖ m« pháng sè ®Ó ph©n tÝch qu¸ tr×nh biÕn d¹ng khi tÝnh to¸n thiÕt kÕ nãi chung vµ trong gi¶ng d¹y t¹i Th¸i b×nh. §©y lµ mét c«ng nghÖ thiÕt kÕ hiÖn ®¹i, tiÕt kiÖm giai ®o¹n chÕ thö vµ mang l¹i tÝnh c¹nh tr¹nh cao cho s¶n phÈm. N¾m ®−îc c«ng nghÖ nµy cã Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ kỹ thuật..... ........... 1 Ých cho viÖc ®−a c«ng nghÖ cao vµo ®µo t¹o t¹i §HCN TP Hồ ChÝ Minh - C¬ së Th¸i B×nh vµ ®−a KHCN cña Th¸i B×nh lªn một b−íc. 2. Môc tiªu cña ®Ò tµi: Môc tiªu ®Ò tµi nghiªn cøu øng dông c«ng nghÖ Ðp thñy c¬ vµ c«ng nghÖ m« pháng ®Ó Ðp c¸c chi tiÕt trong thiÕt bÞ chÕ biÕn n«ng s¶n lµm c¬ së øng dông c«ng nghÖ trong thùc tÕ. C¸c kÕt qu¶ ph¶i ®−îc: a. N¾m ch¾c c¸c ®Æc tÝnh biÕn d¹ng khi Ðp thñy c¬; b. N¾m ®−îc ph−¬ng ph¸p phÇn tö h÷u h¹n; c. Sö dông phÇn mÒm c«ng nghiÖp m« pháng biÕn d¹ng tÊm b»ng AnsysLS Dyna. d. N¾m ®−îc c«ng nghÖ dËp thñy c¬ vµ hÖ thèng thÝ nghiÖm. 3. Ph−¬ng ph¸p nghiªn cøu: - VÒ lý thuyÕt: Nghiªn cøu tæng quan tµi liÖu vÒ Ðp thñy c¬; - VÒ thùc nghiÖm: m« pháng biÕn d¹ng b»ng phÇn mÒm ANSYS Dyna vµ thùc hµnh thÝ nghiÖm trªn m¸y cña Trường ðại học B¸ch khoa Hà Nội . 4. Néi dung nghiªn cøu: Më ®Çu Ch−¬ng 1. Tæng quan vÒ c«ng nghÖ Ðp thñy c¬ Ch−¬ng 2. C¬ së tÝnh to¸n biÕn d¹ng khi Ðp thñy c¬ b»ng phÇn tö h÷u h¹n Ch−¬ng 3. M« pháng sè qu¸ tr×nh Ðp thuû c¬ b»ng ANSYS Ch−¬ng 4. ThÝ nghiÖm Ðp thñy c¬ KÕt luËn Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ kỹ thuật..... ........... 2 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ ÉP THUỶ CƠ Ép hay dập thuỷ cơ là phương pháp tạo hình vật liệu có sử dụng nguồn chất lỏng áp suất cao kết hợp với chuyển ñộng cơ khí của chày do máy tạo ra. Bản chất của phương pháp là, dưới tác dụng của môi trường chất lỏng thủy tĩnh áp suất cao kết hợp với dụng cụ cứng (chày và cối) gây biến dạng vật liệu và tạo ñiều kiện thuận lợi cho sự biến dạng, nhất là những chi tiết có hình dáng phức tạp và tấm vật liệu làm bằng kim loại khó biến dạng. 1.1. Các khái niệm về ép bằng nguồn chất lỏng cao áp 1.1.1. Khái niệm ép thủy tĩnh và thủy cơ Trong ép bằng chất lỏng cao áp có thể phân thành các nhóm chính sau: - Ép thủy tĩnh: là dạng ép (dập) tạo hình sử dụng áp lực chất lỏng làm chày, biến dạng phôi ñể có hình dáng kích thước như của cối. Trong ép thủy tĩnh còn có thể phân thành: ép thủy tĩnh tấm và ép thủy tĩnh ống. Ép thủy tĩnh tấm (hình 1.1a): Khi chịu áp lực của chất lỏng, tấm kim loại bị biến dạng, sau ñó, khi chạm vào thành ñáy cối, chúng hình thành hình dáng sản phẩm. Ép thủy tĩnh ống (hình 1.1b): tương tự, phôi có dạng ống, khi chịu áp lực cao bên trong, ống biến dạng và hình thành sản phẩm theo hình dáng của khuôn. - Ép thủy cơ: là dạng ép tạo hình sử dụng chày cứng, vành cối và buồng thủy lực ñối áp. Khi ñóng mạch ñiều khiển, chày và vòng chặn phôi dịch chuyển xuống, phôi ñược kẹp chặt. Không gian ép tạo thành ở phần dưới của khuôn ñược che và bịt kín hoàn toàn bằng phôi và tấm chặn. Khi chày vuốt tiếp tục ñi xuống làm tăng áp suất chất lỏng chứa trong buồng chứa, trị số của áp suất này ñược ñiều chỉnh bởi van ñiều chỉnh áp. Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ kỹ thuật..... ........... 3 a. b. Hình 1.1. Ép thủy tĩnh phôi tấm và ép thủy tĩnh phôi ống Hình 1.2. Sơ ñồ quá trình ép thủy cơ 1. Kết cấu khuôn gồm: Chày-tấm chặn phôi- phôi – vành cối – buồng chứa chất lỏng có ống thoát và van ñiều tiết áp suất; 2. Chày ñi xuống; áp suất thủy tĩnh nén phôi làm phôi áp sát chày, tấm chặn giữ phôi tạo lực căng ; 3.Khi chày ñi xuống, phôi tấm ñược biến dạng phồng lên và bọc áp vào chày; 4. Cuối cùng phôi tấm biến dạng theo ñúng hình dáng kích thước của chày ép. Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ kỹ thuật..... ........... 4 Hình 1.3. Tạo thành gân vuốt bằng chất lỏng khi ép thủy cơ Dưới tác dụng của áp suất chất lỏng, phôi bị áp sát chặt vào chày vuốt và vùng khe hở chày và cối bị phình lên trên tạo thành gân vuốt mềm, quá trình vuốt xảy ra không phải qua mép vuốt cứng mà qua gân chất lỏng. Chiều cao phần gân ra phụ thuộc vào áp suất của chất lỏng công tác. Quá trình ép có thể chia làm các giai ñoạn như sau: Giai ñoạn 1: ðưa phôi vào khuôn ép Giai ñoạn 2: - Phôi ñược kẹp chặt nhờ cơ cấu chặn phôi - Không gian ép ñược hình thành giữa phôi và lòng cối - Chất lỏng ñược bơm vào trong lòng cối - Phôi ép vào chày Giai ñoạn 3: Chày ñi xuống thực hiện quá trình ép. Áp suất chất lỏng ñủ ñể phôi biến dạng, tách phôi khỏi miệng cối, tạo hình phồng lên làm giảm ma sát tiếp xúc khi vuốt sâu. Giai ñoạn 4: Phôi ñược hình thành theo ñúng biên dạng của chày. Hết hành trình lấy phôi ra ñược sản phẩm. 1.1.2. Chất lỏng dùng trong gia công thuỷ tĩnh Chất lượng sản phẩm và ñộ ổn ñịnh của quá trình phụ thuộc rất nhiều vào thành phần và tính chất lý hoá của chất lỏng công tác. Khi gia công thuỷ tĩnh phải chọn ñúng chất lỏng và phải thoả mãn các yêu cầu cơ bản sau: Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ kỹ thuật..... ........... 5 - ðảm bảo ñộ nhớt cần thiết và không hoá rắn ở áp suất công tác - Có ñộ nén nhỏ nhất dưới tác ñộng của áp suất cao - ðảm bảo tính chống mài mòn cần thiết - Không tương tác với kim loại biến dạng - Tính kinh tế rẻ và không có ñộc hại ðộ nhớt của chất lỏng biểu hiện khi nó chuyển ñộng và liên quan tới sự xuất hiện ứng suất tiếp. Chất lỏng có ñộ nhớt cao thì chảy kém và ngược lại, chất lỏng có ñộ nhớt thấp thì có ñộ chảy lớn. ðặc tính quan trọng này của chất lỏng thay ñổi tuỳ thuộc vào nhiệt ñộ và áp suất. Khi tăng áp suất thì ñộ nhớt tăng lên và sự thay ñổi của ñộ nhớt phụ thuộc vào áp suất tuân theo quy luật hàm số mũ: η = η0. eP.β (1.1) Trong ñó: η0 - ñộ nhớt của chất lỏng ở áp suất khí quyển và nhiệt ñộ 20 0C; p - áp suất; β - hệ số, nó phụ thuộc vào chất lỏng và nhiệt ñộ. Sự thay ñổi ñộ nhớt của chất lỏng theo nhiệt ñộ tuân theo quy luật hàm số mũ dưới dạng: Trong ñó: ηt = η0. e −λ( t − t 0 ) (1.2) λ - hệ số, phụ thuộc vào chất lỏng ở nhiệt ñộ 20 0C; t - nhiệt ñộ của chất lỏng; η0- ñộ nhớt của chất lỏng ở nhiệt ñộ phòng (20 0C). ðể quá trình ép thuỷ tĩnh thực hiện bình thường, tính nén ñược của chất lỏng công tác dưới tác dụng của áp suất cao có ý nghĩa quan trọng. ðối với chất lỏng, sự thay ñổi thể tích khi áp suất tăng ñược xác ñịnh theo công thức: p   V = V0 . 1 − A. ln 1 +  π'    (1.3) Trong ñó: V0 - thể tích chất lỏng ở áp suất khí quyển (1 at = 0,1 MPa); A, π' - các hệ số. ðộ nén ñược gia tăng của chất lỏng công tác dưới tác dụng của áp suất cao là yếu tố bất lợi vì nó làm giảm hiệu suất của thiết bị do một phần năng lượng cần tiêu hao cho việc nén chất lỏng. Năng lượng ñàn hồi của chất lỏng Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ kỹ thuật..... ........... 6 công tác tích luỹ trong quá trình ép có thể biến thành công tích cực theo chu kỳ gây ra sự ñưa phôi không ñều và sự dao ñộng áp suất không mong muốn. Ngoài ra, do có sự tích trữ thế năng lớn khi nén chất lỏng nên sản phẩm ép khi ra khỏi buồng ép có tốc ñộ lớn ñòi hỏi phải có thiết bị ñặc biệt ñể khống chế tốc ñộ của sản phẩm nhằm tránh không cho sản phẩm bị phá huỷ. Ngoài hai yếu tố kể trên ñối với chất lỏng công tác, thì tính bôi trơn, tính chống bắt lửa cũng như tính không sinh ra khí ñộc hại và tác dụng với phôi ép và dụng cụ của chất lỏng công tác cũng có ý nghĩa quan trọng trong quá trình gia công thuỷ tĩnh. 1.1.3. Lực tác dụng trong ép thủy cơ Khi ép thủy cơ, có 3 lực tác dụng: - Áp suất thủy lực ñể ép phôi áp sát chày, tạo hình theo biên dạng chày, áp lực tăng khi chiều sâu ép tăng. Cần khống chế ñến một áp lực nhất ñịnh ñủ ñể áp phôi vào bề mặt chày và giữ ổn ñịnh trong quá trình biến dạng; Hình 1.4. Lực tác dụng khi ép thủy cơ - Lực nén của chày ñể ép phôi tạo hình, hay lực ép vuốt; lực do pitton máy ép, lực nén cân bằng với lực do áp suất thủy tĩnh theo phương ñứng tạo nên; - Lực ép biên, ñể giữ phôi, chống nhăn – rách. Nếu lớn quá sẽ gây rách, nhỏ quá sẽ gây nhăn. Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ kỹ thuật..... ........... 7 1.2. ðặc ñiểm của phương pháp ép thuỷ cơ 1.2.1. ðặc ñiểm về ép thuỷ cơ ðiểm khác biệt ñặc trưng của quá trình ép thuỷ cơ là sự cần thiết phải tạo ra ñược áp suất thuỷ tĩnh biến ñổi tác dụng vào phôi từ phía cối lỏng. Giá trị áp suất này, phải ñủ lớn ñể ép chặt phôi vào bề mặt của chày và ngăn sự nhăn của phôi, nhưng không ñược quá lớn, sao cho lực ma sát và ứng suất uốn xuất hiện khi ñó sẽ không làm ñứt phôi. Giá trị áp suất thuỷ tĩnh cần thiết từ phía cối lỏng phụ thuộc vào các yếu tố chính sau: Tính chất cơ lí của vật liệu phôi; chiều dày của tấm vật liệu bán thành phẩm và ñặc tính hình học của chi tiết ép. Phương pháp ép thuỷ cơ cho phép ép hoàn chỉnh chi tiết sau một lần ép nhờ biến dạng vật liệu ñồng ñều và giảm hiện tượng biến mỏng cục bộ. Ngoài ra, phương pháp ép thuỷ cơ còn cho phép nâng cao ñộ chính xác và chất lượng bề mặt chi tiết ép do bề mặt của phôi không trực tiếp xúc với dụng cụ gia công. Qua ñó có thể tăng tuổi thọ của chày và cối do giảm mòn. Hình dạng của sản phẩm phụ thuộc chủ yếu vào hình dạng của chày ép nên ña dạng hoá sản phẩm mà chỉ sử dụng một loại cối ép. Ép thuỷ cơ chủ yếu ñược thực hiện trên máy ép thuỷ lực do có thể ñiều chỉnh ñược tốc ñộ ép, hành trình của chày, lực chặn và áp suất chất lỏng phù hợp với từng chủng loại sản phẩm ñiều này ñảm bảo ñộ chính xác về hình dạng của chi tiết cũng như nâng cao cơ tính của vật liệu. 1.2.2.Ưu nhược ñiểm của ép thủy cơ Ưu ñiểm của phương pháp ép thuỷ cơ: - Giảm ñáng kể lực ma sát có hại giữa phôi và dụng cụ. - Tăng lực ma sát có ích giữa chày và phôi ñược tạo ra bởi sự ép mạnh vào bề mặt chày bằng áp suất thuỷ tĩnh từ phía cối lỏng, do vậy nó loại bỏ ñược sự trượt của phôi ñối với chày và sự kéo căng của phôi, nhờ vậy mà hệ số ép vuốt ñược nâng cao hơn nhiều so với ép trong khuôn kim loại: ñến 0,4 Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ kỹ thuật..... ........... 8