LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP THIẾT KẾ CÔNG NGHỆ TẠO PHÔI KẸP ĐÀN HỒI W CHO PHỤ KIỆN LIÊN KẾT RAY

TỔNG QUAN

Giới thiệu hệ thống kẹp chặt đường ray

Hệ thống kẹp đường ray là tập hợp các bộ phận thiết kế để cố định đường sắt và thanh giằng, đảm bảo đường sắt giữ đúng kích thước và ngăn chuyển động ngang Có nhiều loại hệ thống kẹp đường ray phù hợp với các ứng dụng khác nhau, bao gồm loại E, SKL, Nabala, KPO và hệ thống kẹp nhanh.

1.1.1 Lịch sử của hệ thống kẹp chặt đường sắt

Chi tiết kẹp ray, hay còn gọi là chốt hoặc đinh, được sử dụng để cố định ray gỗ và tà vẹt đường sắt bằng gỗ lần đầu tiên xuất hiện Đến thế kỷ 18, đường sắt gang được áp dụng và dễ dàng được cố định bằng ốc vít Cùng thời điểm này, gối tựa đường ray đầu tiên cũng đã được áp dụng trong ngành đường sắt.

Vào thập niên 1830, Robert L Stevens đã phát minh ra đường ray 'tee' có mặt bích, một loại đường ray hình dầm chữ I bị méo mà không cần hỗ trợ từ gối tựa.

Cuối cùng, đường sắt T mặt bích trở nên phổ biến trên thế giới, đòi hỏi hệ thống kẹp đường ray để hỗ trợ

1.1.2 Mục đích sử dụng các chi tiết kẹp ray:

 Giữ chắc chắn đường ray vào đúng vị trí

 Hạn chế sự quay của thanh ray về các mép ngoài của chân ray

 Giảm thiểu chuyển động dọc của đường ray thông qua lực tác động và nhiệt

 Hỗ trợ duy trì khổ đường ray

1.1.3 Yêu cầu tương thích của các thành phần

Các thành phần như giá đỡ đường ray, kẹp, thanh ray, miếng đệm và chất cách điện chân ray cần phải tương thích với nhau Sự không tương thích giữa các bộ phận này có thể dẫn đến các vấn đề nghiêm trọng trong quá trình sử dụng.

Hệ thống kẹp không hoạt động hiệu quả khi có 2 tiết bị lỏng lẻo và dễ hư hỏng Do đó, việc lựa chọn các thành phần của hệ thống cần được xem xét kỹ lưỡng để đảm bảo chức năng tối ưu.

 Tốc độ sử dụng đường ray

 Tải trọng phát sinh từ phanh và gia tốc của tàu hỏa

 Cấu tạo, cấu trúc cơ bản hỗ trợ đường ray

 Hình thức xây dựng đường ray

1.1.4 Các đặc tính của kẹp ray

 Đảm bảo độ bền và hiệu suất chống phá vỡ tốt

 Khả năng điều chỉnh kích thước

 Độ đàn hồi giảm chấn tốt

 Khả năng tương thích và thay thế cho nhau

 Khả năng chống gỉ cao.

Phân loại các hệ thống kẹp chặt đường ray

1.2.1 Phân loại theo vật liệu

Hệ thống kẹp tà vẹt được phân loại dựa trên tính chất của vật liệu làm tà vẹt, bao gồm hai loại chính: vật liệu có tính đàn hồi như tà vẹt gỗ và tà vẹt thép tấm dập, và vật liệu có tính chất cứng như tà vẹt bê tông Tà vẹt có tính chất đàn hồi mang lại khả năng hấp thụ lực tốt hơn, giúp cải thiện độ ổn định và độ bền cho hệ thống đường sắt.

Tà vẹt có tính chất đàn hồi cao giúp khử rung động khi tàu chạy trên đường ray, do đó hệ thống kẹp chặt không cần độ đàn hồi lớn Các hệ thống kẹp như kẹp đinh ngoạm, kẹp chặt đường ray KPO và kẹp ray Nabala đều được áp dụng hiệu quả trong trường hợp này.

Hệ thống kẹp đinh ngoạm

Hình 1 1 Hệ thống kẹp dinh ngoạm [1]

Hệ thống kẹp đơn giản với cây đinh ngoạm giữ ray và tấm đệm, được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như mỏ than, mỏ vàng, đồn điền, công viên giải trí và các ứng dụng đường sắt hạng nặng.

Hệ thống kẹp đường ray KPO

Hệ thống kẹp thanh ray KPO bao gồm các thành phần như kẹp KPO, đinh vít, bu lông HS, đai ốc Hex và đệm lò xo hai vòng Ứng dụng của hệ thống này rất đa dạng, phù hợp với nhiều loại đường ray như UIC54, UIC60, 50KG, 60KG và S49, đặc biệt phổ biến trên thị trường Châu Âu.

Hình 1 2 Thành phần và vị trí hệ thống kẹp ray KPO [5]

Hệ thống kẹp đường ray Nabala

Thành phần : Hệ thống kẹp chặt Nabala thường bao gồm các kẹp Nabala, vít 2 đầu, tấm cách điện, lò xo, lông đền và đai ốc

Hình 1 3 Thành phần và vị trí hệ thống kẹp ray Nabala [4]

Tà vẹt bê tông có tính chất cứng, mang lại khả năng cố định đường ray tốt, nhưng lại hạn chế trong việc khử rung động Để cải thiện khả năng này, cần sử dụng hệ thống kẹp đường ray với độ đàn hồi cao như hệ thống kẹp E hoặc SKL, nhằm đảm bảo hiệu suất hoạt động tối ưu cho đường ray.

Hệ thống kẹp đường ray E

Hệ thống kẹp E-clip bao gồm các thành phần chính như kẹp E, vai, thanh ray và tấm cách điện Với đường kính thanh ray 20mm, hệ thống này có khả năng tạo ra lực kẹp danh nghĩa lên đến 1250kgf, rất phù hợp cho các ứng dụng trên trục vận tải nặng, tối đa lên đến 40 tấn.

Hình 1 4 Thành phần và vị trí của của các bộ phận của hệ thống kẹp ray E [5]

Hệ thống kẹp đường ray SKL

Hình 1 5 Thành phần và vị trí của của các bộ phận của hệ thống kẹp ray SKL [5]

Hệ thống kẹp ray SKL bao gồm các thành phần như kẹp SKL, đinh vít, long đền, chốt nhựa, tấm dẫn hướng và tấm lót ray Sản phẩm này có khả năng tương thích với nhiều loại đường ray khác nhau, mang lại sự linh hoạt và tiện lợi trong ứng dụng.

Hệ thống kẹp ray nhanh (Rail Fast Clip)

Hình 1 6 Thành phần và vị trí của hệ thống kẹp ray nhanh [3]

Thành phần của sản phẩm bao gồm kẹp ray hình “W”, đầu cách điện, tấm cách điện bên, tấm vai có khóa và tấm đệm Sản phẩm này được thiết kế đặc biệt cho các tàu có vận tốc vận hành cao từ 250-350 km/h, mang lại khả năng lắp đặt nhanh chóng và dễ dàng.

Hệ thống kẹp ray loại I,II

Các bộ phận của hệ thống kẹp ray loại I, II: đai ốc, long đền, kẹp đàn hồi loại I (loại

A, loại B), vách ngăn định mức, tấm điện bằng nhựa đường ray, đinh vít và tấm đệm đường ray Nhưng hệ thống kẹp ray loại I khác với hệ thống kẹp ray loại II về thành phần vật liệu Trong khi, vật liệu làm hệ thống kẹp ray loại 1 là 60SiMn, 50Si2Mn thì hệ thống kẹp ray loại II được làm từ vật liệu có thành phần là 60SiCrVA Ứng dụng:

 Phù hợp với đường sắt tiêu chuẩn, đường ray thép 50kg/m, 60kg/m, đường ray có bán kính đường cong lớn hơn 300m

 Chỉ áp dụng đối với đường sắt vận hành với vận tốc nhỏ hơn 120km/h

Hệ thống kẹp chặt loại III

Thành phần: Kẹp loại III, khóa cố định kích thước cách điện, đệm cao su và tà vẹt loạt III Ứng dụng

 Phù hợp với đường sắt khổ tiêu chuẩn, dạng đường thẳng hoặc đường cong bán kính không nhỏ hơn 350m

 Khả năng vận hành đối với tàu có tốc độ từ 120 km/h đến 200km/h

Hệ thống kẹp ray kiểu IV

Thành phần : Kẹp loại IV, vai, khóa cố định ray cách điện và tấm đệm cao su Ứng dụng:

 Phù hợp để lắp đặt các đường ray 60kg/m trên đường sắt tốc độ cao

 Đường sắt với tốc độ lên đến 350km/h (trọng lượng trục tối đa 170kN)

Đường sắt tốc độ cao đạt 250km/h với trọng lượng trục tối đa 170kN cho phép vận chuyển một số lượng nhỏ phương tiện chở khách thông thường (đầu máy tối đa 230kN) và một số lượng nhỏ tàu chở hàng (cũng với trọng lượng trục tối đa 230kN).

Hệ thống kẹp ray kiểu WJ-7

Hệ thống dây kẹp WJ-7 là giải pháp tối ưu cho đường ray chở khách, được thiết kế đặc biệt cho các loại đường ray không vai Hệ thống này phát triển dựa trên các công nghệ tiên tiến từ WJ-1 và WJ-2, nhằm đáp ứng các yêu cầu kỹ thuật khắt khe trong ngành đường sắt.

Thành phần của hệ thống bao gồm bu lông ray chữ T, đai ốc, long đền, kẹp W, ống bọc cách điện, miếng đệm sắt, tấm đệm cách điện, miếng đệm dưới ray, bu lông neo, vòng đệm lò xo và các thiết bị định vị trên tà vẹt Những thành phần này được ứng dụng rộng rãi trong việc lắp đặt và bảo trì đường ray, đảm bảo an toàn và hiệu suất cho hệ thống giao thông đường sắt.

 Sử dụng cho ray 60kg/m

 Tàu khách tốc độ cao 350km/h, tải trọng trục không quá 170kN

 Tàu vừa chở khách và hàng, tàu hàng với tốc độ 250km/h, tải trọng trục không quá 230kN

Hệ thống kẹp ray cao tốc WJ-8

Hệ thống kẹp ray WJ-8 là một giải pháp kẹp ray không có dằn, được thiết kế đặc biệt để đáp ứng các tiêu chuẩn kỹ thuật cao của tàu du lịch Đức.

Hình 1 7 Thành phần của hệ thống kẹp ray cao tốc WJ-8[7]

Thành phần bao gồm đinh vít, long đền, khóa giữ cách thước cách điện, kẹp kẹp, đệm lót dưới ray, tấm chắn định hình, tấm lót bằng sắt, tấm đệm đàn hồi dưới, tấm sắt có thể điều chỉnh kích thước và chốt nhựa Các thành phần này được ứng dụng rộng rãi trong các hệ thống điện và cơ khí, đảm bảo tính ổn định và an toàn cho các thiết bị.

 Hệ thống kẹp ray WJ-8 thường được sử dụng cho các ray 60kg/m

 Tàu khách với vận tốc 350km/h, tải trọng trục không quá 170kN (có thể xem xét tải trọng trục tăng 10%)

 Tàu chở khách, tàu hàng với vận tốc 250km/h, tải trọng trục không quá 230kN

1.2.2 Phân loại theo liên kết a Kiểu đơn giản: Liên kết ray với tấm đệm và tà vẹt bằng đinh như hệ như hệ thống đinh ngoạm b Kiểu chung: Liên kết giữ ray với tấm đệm bằng kẹp cứng hay kẹp đàn hồi, sau đó liên kết riêng tấm đệm với tà vẹt như hệ thống kẹp đường ray kiểu E, hệ thống kẹp ray kiểu KPO, hệ thống kẹp ray nhanh (Rail Fast Clip)

Đặt vấn đề

Hiện nay, sự thiếu hụt nguyên liệu gỗ đã dẫn đến sản lượng tà vẹt gỗ không đủ đáp ứng nhu cầu sử dụng Theo xu hướng phát triển, tà vẹt bê tông đang dần thay thế tà vẹt gỗ nhờ vào độ cứng và độ bền cao Tuy nhiên, tà vẹt bê tông thiếu khả năng đàn hồi, khiến nó dễ bị nứt nếu không có hệ thống khử rung động hiệu quả Do đó, kẹp đường ray cho tà vẹt bê tông cần có khả năng khử rung động tốt, và kẹp đàn hồi là một giải pháp phù hợp Hai loại kẹp đàn hồi được quan tâm hiện nay là kẹp hình E và hình W.

Tính đến tháng 3 năm 2020, tổng chiều dài đường sắt Việt Nam đạt 4161 km, trong đó tuyến đường chính nối 21 tỉnh thành dài 2651 km Sự phát triển mạnh mẽ của các dự án Metro đang được triển khai đã tạo ra nhu cầu lớn về lắp đặt và thay thế kẹp đường ray.

Trên thị trường Việt Nam, kẹp ray đàn hồi hiện hoàn toàn phải nhập khẩu từ nước ngoài, vì chưa có đơn vị nào sản xuất trong nước Do đó, việc phát triển sản xuất kẹp ray đàn hồi tại Việt Nam để đáp ứng nhu cầu nội địa là rất cần thiết.

Hiện nay, nhiều hệ thống sử dụng kẹp đàn hồi kiểu W như SKL, hệ thống kẹp chặt I, II, WJ-7, WJ-8 Đặc biệt, đường ray loại P50 có thể kết hợp với cóc W của hệ thống kẹp chặt II Do đó, đề tài “Thiết kế công nghệ tạo phôi kẹp đàn hồi W cho phụ kiện liên kết ray” sẽ đáp ứng nhu cầu nghiên cứu và chế tạo hệ thống kẹp ray đàn hồi cho thị trường Việt Nam.

Mục tiêu luận văn

 Thiết kế công nghệ tạo phôi kẹp đàn hồi W cho phụ kiện liên kết ray

 Sử dụng phần mềm DEFORM-3D để kiểm định và điều chỉnh thiết kế

Nội dung cơ bản của luận văn

 Tìm hiểu hệ thống kẹp chặt ray và các loại kẹp ray tương ứng

 Lập bản vẽ 2D, xây dựng mô hình 3D cho kẹp đàn hồi W cho hệ ray 50 kg/m

 Thiết kế quy trình dập và khuôn dập cho chi tiết kẹp đàn hồi W

 Mô phỏng khuôn trên phần mềm Deform-3D

 Đánh giá, điều chỉnh lại thiết kế.

ĐẠI CƯƠNG VỀ RÈN DẬP

Giới thiệu về công nghệ rèn dập

Rèn là quá trình biến dạng vật liệu, trong đó phôi được nén giữa hai khuôn bằng lực mạnh hoặc áp suất dần dần để tạo ra sản phẩm Quy trình này được thực hiện thông qua các thiết bị như máy ép, búa va đập và khuôn dập Rèn đóng vai trò quan trọng trong ngành công nghiệp, cung cấp nhiều linh kiện bền vững cho ô tô, hàng không vũ trụ và các ứng dụng khác.

Hình 2 1 Sản phẩm rèn dập nóng [7]

Phân loại

Gia công nóng là phương pháp gia công áp lực diễn ra ở nhiệt độ cao hơn nhiệt độ kết tinh lại, thường khoảng 0.7 lần nhiệt độ nóng chảy Trong thực tế, nhiệt độ kết thúc của quá trình gia công nóng luôn cao hơn nhiệt độ kết tinh lại.

Gia công nóng có các ưu và nhược điểm sau: Ưu điểm:

 Tính dẻo luôn luôn được phục hồi trong quá trình biến dạng nên có thể biến dạng kim loại với một lượng lớn trong một lần nung

Kim loại có độ dẻo cao giúp dễ dàng trong quá trình gia công Điều này cho phép gia công nóng được áp dụng cho các kim loại có độ cứng và đàn hồi lớn.

 Các tính chất cơ, lý, hóa được hồi phục do hiện tượng kết tinh lại

 Tốn năng lượng để nung nóng kim loại

 Khó gia công những chi tiết nhỏ, mỏng (có đường kính, chiều dày nhỏ hơn 2mm) vì dễ bị hỏng do oxi hóa

 Độ chính xác không cao

 Một số kim loại giòn nóng khó gia công ở nhiệt độ cao

 Bị ảnh hưởng do oxi hóa bề mặt

Gia công nguội là quá trình gia công áp lực diễn ra ở nhiệt độ không gây kết tinh lại, dẫn đến tổ chức kim loại có dạng thớ và tính chất định hướng Phương pháp này thường được sử dụng để gia công các chi tiết như tấm mỏng, kéo dây và uốn.

Gia công nguội có những ưu, nhược điểm sau: Ưu điểm:

 Gia công nguội có độ chính xác, độ bóng và chất lượng bề mặt cao hơn gia công nóng

 Gia công nguội kim loại không bị oxi hóa, thoát C bề mặt

 Tổ chức bị vỡ vụn nên cơ tính tốt

 Không gia công được các kim loại có độ cứng và đàn hồi cao

Chương 2: Đại cương về rèn dập

 Kim loại dễ bị biến cứng, tính dẻo giảm, trở lực biến dạng tăng (có thể gây nứt gãy)

 Yêu cầu khuôn có độ cứng cao

2.2.2 Mức độ biến dạng phôi dập

Dựa vào mức độ biến dạng của phôi dập ta có thể chia thành 2 loại:

Dập tấm là quá trình sử dụng nhiều công nghệ khác nhau để biến dạng kim loại tấm có đường kính hoặc chiều dày nhỏ hơn 4mm, nhằm tạo ra các chi tiết với hình dạng và kích thước chính xác Quá trình này đảm bảo rằng chiều dày của vật liệu chỉ thay đổi một cách tối thiểu và không tạo ra phế phẩm dưới dạng phôi.

Một số khuôn dập tấm điển hình như: khuôn cắt, khuôn uốn, khuôn dập vuốt, miết kim loại

Dập khối là một phương pháp gia công kim loại sử dụng áp lực để khai thác tính dẻo, giúp biến dạng kim loại và lấp đầy khuôn, từ đó tạo ra sản phẩm với hình dạng và kích thước theo yêu cầu, cho phép thay đổi kích thước một cách đáng kể.

Dựa vào loại khuôn rèn dập khối người ta có thể phân thành 3 loại: rèn tự do, rèn khuôn dập có bavia và rèn không bavia

Hình 2 2 Các loại khuôn rèn (a) Khuôn rèn tự do (b) Khuôn rèn có bavia (c) Khuôn rèn không có bavia

Rèn tự do là quá trình nén khối gia công có mặt cắt hình trụ giữa hai khuôn phẳng

Hoạt động này không chỉ làm giảm chiều cao của phôi mà còn tăng đường kính của nó Rèn tự do, còn được gọi là chồn, mang lại nhiều ưu điểm đáng chú ý.

 Khuôn dập đơn giản và rẻ tiền

 Có thể áp dụng nhiều loại kích thước

 Chỉ áp dụng hình dạng đơn giản

 Độ chính xác không cao và rất khó để xác định dung sai chính xác

Rèn có bavia là quá trình nén khuôn đi ngược với hình dạng của chi tiết mong muốn

Khi khuôn đạt đến vị trí cuối, bavia sẽ thoát ra từ khe hở nhỏ giữa hai khuôn Mặc dù bavia sẽ bị loại bỏ sau đó, nhưng nó đóng vai trò quan trọng trong quá trình điền đầy khuôn.

 Có thể dập được các chi tiết phức tạp

 Năng suất dập cao hơn

Chương 2: Đại cương về rèn dập

 Hao hụt kim loại thấp

 Chi tiết sau khi gia công phải trải qua quá trình cắt và gia công lại

 Dung sai không chính xác

Hình 2 3 Khuôn rèn có bavia [8]

Khuôn rèn không bavia là một quá trình rèn chính xác, trong đó chi tiết được đặt trong hốc giữa hai khuôn trên và dưới Quá trình này yêu cầu độ chính xác cao và rất phù hợp cho các chi tiết có dạng đối xứng.

Hình 2 4 Khuôn dập không bavia [8]

Thiết bị cho quá trình rèn

Máy rèn búa sử dụng tải trọng tác dụng lên bộ phận làm việc, tạo ra lực đột ngột Hiện nay, máy rèn búa được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực.

Có 2 loại máy rèn búa:

 Búa trọng lực - năng lượng tác dụng chủ yếu từ một ram nặng

 Búa sử dụng năng lượng - Tăng tốc ram bằng sức ép không khí hoặc hơi nước

Quá trình sử dụng lực nén từ từ để hoàn thành sản phẩm

Các loại máy rèn áp lực:

 Máy ép cơ - chuyển đổi chuyển động quay thành chuyển động thẳng của ram

 Máy ép thủy lực - piston thủy lực chuyển động ram

 Máy trục vít - cơ cấu trục vít truyền động ram.

Các yếu tố ảnh hưởng đến cấu tạo kim loại trong rèn và dập nóng

2.4.1 Ảnh hưởng các trạng thái ứng suất

Khi kim loại bị nén, các hạt trong khối kim loại sẽ bị ép chặt vào nhau, dẫn đến việc mỗi hạt chịu áp lực từ mọi phía Hình ảnh minh họa cho hạt thép có thể được biểu diễn dưới dạng một khối vuông với ba cặp lực tác động (F1, F2, F3).

- F1, F2, F3 là ngoại lực biến dạng khối thép trên tiết diện

- σ Tỷ số giữa lực tác dụng và diện tích tiết diện gọi là ứng suất nén

Chương 2: Đại cương về rèn dập

Trị số σ cho biết mức độ nén của các hạt trong kim loại, với trạng thái ứng suất bị nén đồng đều từ mọi phía là lý tưởng cho cấu trúc kim loại Tuy nhiên, không phải tất cả các hạt thép đều có cùng trị số ứng suất khi kim loại bị nén.

Khi kim loại trải qua biến dạng không đồng đều, các hạt ở vùng biến dạng nhiều sẽ kéo theo các hạt ở vùng biến dạng ít, tạo ra lực kéo dư bên trong khối kim loại Điều này dẫn đến tình trạng ứng suất kéo, khiến kim loại trở nên giòn và dễ bị nứt Để cải thiện tính chất của kim loại, cần phải nén kim loại ở mọi hướng thông qua các phương pháp ép hoặc dập trong khuôn kín.

2.4.2 Ảnh hưởng của độ biến dạng a) Tính chất của thép sau khi rèn dập

Khi tiến hành vuốt thép theo chiều dọc, việc tăng độ dài Y từ 2 đến 10 dẫn đến sự gia tăng độ dẻo của thép từ 10-20% Đáng chú ý, độ dẻo này gần như được duy trì ổn định nếu tiếp tục tăng độ rèn sau đó.

Nếu vuốt hoặc dàn mỏng thép theo chiều ngang thì độ rèn Y tăng đến 10 thì tính chất cơ học của thép có thể giảm 40-50%, riêng độ bền giảm 15%

Khi tiến hành rèn dập, việc xác định độ rèn cho phép cho từng loại thép là rất quan trọng, đặc biệt là đối với rèn tự do Để đảm bảo chất lượng vật rèn tốt nhất, nên thực hiện quá trình rèn theo chiều dọc thớ thép.

Hình 2 5 Biểu diễn của hạt thép khi bị ngoại lực tác dụng [18]

Khi vuốt dài, người ta lấy tiết diện ban đầu bằng 1.3-2 tiết diện vật rèn b) Ảnh hưởng độ biến dạng đến kích thước hạt của kim loại

Như đã biết, kích thước của hạt kim loại càng bé thì cơ tính càng tốt, các yếu tố phụ thuộc vào độ biến dạng và nhiệt biến dạng

Sau đây, ta xét kích thước độ hạt thép 40 trong quá trình biến dạng

Trên hình 2.6a cho ta thấy ảnh hưởng độ biến dạng đến kích thước của hạt thép ở nhiệt độ 850°C

 Nếu rèn thép ở nhiệt độ biến dạng dưới 6% thì hạt thép bé nhất

Rèn thép ở độ biến dạng từ 6-20% dẫn đến sự hình thành hạt thép lớn, đặc biệt là ở mức biến dạng 10-13% Trong khoảng biến dạng này, các hạt thép có khả năng liên kết với nhau, tạo thành hạt lớn Do đó, việc rèn thép trong khoảng biến dạng 6-20% là không được khuyến khích.

 Rèn thép với độ biến dạng lớn hơn 20% thì hạt bé

Trên hình 2.6b cho thấy kích thước của hạt phụ thuộc nhiều vào nhiệt độ biến dạng Nghiên cứu biểu đồ cho thấy:

Khi nhiệt độ tăng, kích thước hạt thép cũng lớn hơn và đỉnh đường biểu diễn di chuyển gần trục đứng Để rèn thép ở nhiệt độ cao, cần đạt độ biến dạng lớn hơn 25% Thông thường, trong khoảng nhiệt độ rèn thép với độ biến dạng trên 25%, kích thước hạt thép sẽ tương đối nhỏ.

 Với nhiệt độ dưới 900°C, có thể rèn thép với độ biến dạng nhỏ hơn 6% Trường hợp này ứng dụng để sửa vật rèn

Chương 2: Đại cương về rèn dập

Hình 2 6 Sự phụ thuộc của kích thước hạt thép vào độ biến dạng và nhiệt độ biến dạng của thép 40

2.4.3 Ảnh hưởng của tốc độ biến dạng

Khi rèn dập nóng, các hạt kim loại chịu biến dạng từ nhiều phía, dẫn đến việc kim loại trở nên chai cứng hơn và có khả năng chống lại biến dạng tốt hơn Khi kim loại nguội, nó sẽ kết tinh trở lại Tuy nhiên, nếu tốc độ biến dạng nhanh hơn tốc độ kết tinh, các hạt kim loại sẽ không kịp trở về trạng thái ban đầu, gây ra ứng suất lớn trong khối kim loại, làm cho hạt kim loại trở nên giòn và có nguy cơ nứt.

Khi nung hai khối kim loại giống nhau đến nhiệt độ nhất định và rèn chúng bằng máy búa và máy ép với cùng một công, tốc độ biến dạng trên máy búa sẽ cao hơn, trong khi độ biến dạng tổng cộng trên máy ép lại lớn hơn.

Tăng tốc độ biến dạng trong quá trình rèn kim loại sẽ tạo ra nhiệt lượng do ma sát bên trong, dẫn đến việc nhiệt không kịp tỏa ra, làm tăng nhiệt độ của kim loại Tuy nhiên, việc rèn ở nhiệt độ 800-900°C là không có lợi Do đó, trong ngành công nghiệp, thép thường được rèn và dập với tốc độ biến dạng từ 0.1m/s đến 8m/s để đảm bảo hiệu quả và chất lượng sản phẩm.

2.4.4 Ảnh hưởng của nhiệt độ biến dạng

Rèn dập kim loại đồng nhất giúp đảm bảo kích thước và tính chất đồng đều, từ đó giảm thiểu sự biến dạng tại các vùng khác nhau và giảm ứng suất bên trong vật liệu.

Theo đồ thị trạng thái hợp kim sắt cacbon (hình

Các hạt thép đồng nhất về tính chất và kích thước tồn tại trong trạng thái austenit, nằm ở khu vực phía trên đường GSE Khi rèn dưới nhiệt độ tới hạn bắt đầu nóng chảy (đường IE) khoảng 150-200°C, nếu vượt quá nhiệt độ này, các hạt thép sẽ trở nên rất lớn, dẫn đến hiện tượng quá lửa.

Chọn nhiệt độ biến dạng tối ưu cho quá trình rèn và dập không chỉ dựa vào hai điểm chính mà còn cần mở rộng khoảng nhiệt độ Điều này giúp kéo dài thời gian từ lúc bắt đầu rèn đến khi kết thúc, cho phép thực hiện quy trình rèn trong một khoảng thời gian nhất định.

Thép cacbon có hàm lượng cacbon dưới 0.3% cho phép rèn dưới đường GS do sự tương đồng về tính chất giữa hạt ferit và austenit Nhiệt độ rèn thích hợp là 800°C.

Các loại thép cacbon có hàm lượng cacbon > 0.83% khi rèn trên đường SE sẽ có khoảng nhiệt độ rèn rất thấp do nhiệt độ tới hạn (Act) tăng theo hàm lượng cacbon Mặc dù các hạt thép không đồng nhất, nhưng hạt xementit nhỏ và phân bố đều giúp giảm ứng suất bên trong, ngăn ngừa tình trạng giòn và nứt của thép Do đó, nhiệt độ rèn thích hợp cho các loại thép này là từ 825-850°C Hình 2.7 minh họa khu vực nghiêng, thể hiện khoảng nhiệt độ rèn cho các loại thép cacbon.

Các định luật cơ bản của biến dạng dẻo

2.5.1 Khái niệm về biến dạng dẻo

Sự thay đổi cấu tạo hoặc hình dạng của kim loại do tác dụng của lực bên ngoài hay nội lực bên trong là sự biến dạng

Khi nhiệt độ của kim loại thay đổi, ứng suất lực bên trong sẽ xuất hiện, dẫn đến việc chuyển đổi giữa các dạng tinh thể khi lực ngừng tác dụng Trong quá trình gia công áp lực, lực bên ngoài tác động lên kim loại, khiến nó có thể xảy ra biến dạng dẻo hoặc biến dạng đàn hồi.

Biến dạng đàn hồi là hiện tượng khi ngừng tác dụng của ngoại lực, vật thể trở về hình dạng ban đầu Ngược lại, biến dạng dẻo làm thay đổi hình dạng của vật thể, và khi ngừng tác dụng, vật thể vẫn giữ hình dạng đã thay đổi Mặc dù mọi biến dạng dẻo đều bao gồm biến dạng đàn hồi, nhưng biến dạng đàn hồi thường rất nhỏ so với biến dạng dẻo Do đó, trong quá trình rèn dập nóng, biến dạng đàn hồi có thể coi là không đáng kể Biến dạng dẻo trong quá trình rèn kim loại không được phá hủy, nghĩa là không vượt quá giới hạn bền.

2.5.2 Định luật về lực cản tối thiểu Định luật về lực cản tối thiểu được ứng dụng nhiều trong biến dạng dẻo

Khi các phần tử của vật thể bị biến dạng, sự dịch chuyển chủ yếu sẽ diễn ra theo hướng có lực cản tối thiểu, mặc dù có thể xảy ra nhiều hướng khác nhau.

2.5.3 Định luật về thể tích không đổi

Thể tích của vật thể trước và sau khi biến dạng bằng nhau

Trong đó: Vo: Thể tích trước khi biến dạng

V1: Thể tích sau khi biến dạng

Trong quá trình biến dạng nóng, thể tích kim loại giảm nhẹ do nén chặt và loại bỏ bọt khí từ các vùng rỗng giữa các tinh thể, nhưng sự thay đổi này rất nhỏ, do đó trọng lượng riêng của thép có thể coi là không thay đổi.

2.5.4 Định luật về ứng suất trượt

Sự biến dạng dẻo xảy ra khi ứng suất trượt vượt quá giới hạn chảy của kim loại, dẫn đến sự chuyển dịch của các tinh thể trong vật thể.

Người ta dùng định luật này để xác định công suất của thiết bị, nhiệt độ nung và điều kiện cần thiết trong quá trình rèn.

Các yếu tố quan trọng đến các hiệu suất của sản phẩm

 Hành vi chảy của vật liệu trong quá trình rèn

 Hình dạng khuôn và vật liệu

 Ma sát và bôi trơn

 Biến dạng và ứng suất

 Các đặc điểm của rèn và trang thiết bị

 Hình dạng, dung sai và các đặc tính quá trình rèn

 Ảnh hưởng của môi trường đến quá trình rèn.

Chi phí sản xuất

Tuổi thọ của khuôn trong quá trình rèn ảnh hưởng lớn đến chi phí sản xuất và chất lượng sản phẩm Các yếu tố như mỏi nhiệt, biến dạng dẻo và khả năng chịu nhiệt cao đều tác động đến tuổi thọ khuôn, trong đó khả năng chống mài mòn bề mặt chiếm 70% vai trò Đặc biệt, độ dày của từng phần trong chi tiết rất quan trọng; chi tiết càng mỏng thì khi ngừng gia nhiệt, hiện tượng mất nhiệt nhanh sẽ xảy ra, làm giảm khả năng chảy của kim loại trong khuôn và tăng mài mòn khuôn Do đó, các phần mỏng cần được biến dạng nhanh để giảm thiểu mất mát nhiệt.

Chương 2: Đại cương về rèn dập

Để nâng cao hiệu suất và tiết kiệm chi phí đầu tư trong sản xuất, việc tối ưu thiết kế trước khi triển khai là rất quan trọng, đặc biệt trong bối cảnh cạnh tranh gay gắt hiện nay Sử dụng mô phỏng giúp dự đoán chính xác dòng chảy kim loại, phân bố biến dạng và nhiệt độ cần thiết trong quá trình sản xuất.

THIẾT KẾ CÔNG NGHỆ TẠO HÌNH CHO KẸP W

Bản vẽ và yêu cầu đối với kẹp W

Bản vẽ 2D (xem chi tiết ở phần phụ lục):

Hình 3 1 Bản vẽ 2D Chi tiết kẹp W

Chương 3: Thiết kế công nghệ tạo hình w

Hình 3 2 Mô hình 3d của kẹp W

Thể tích của sản phẩm: VV381.64 (mm3)

Yêu cầu đối với kẹp W:

 Đường kính tiết diện của phôi phải đảm bảo (13±0.3mm) vì liên quan đến độ bền của kẹp

 Kích thước lắp ráp giữa kẹp và bu lông (12±1mm)

 Độ lệch chiều cao hai vị trí tiếp xúc của kẹp với ray không quá lớn (B≥H2+H

Vì 60/H2=1.2 < 2 nên bán kính góc bo được xác định theo công thức:

Hình 3 22 Các thông số yêu cầu khuôn rèn trên (khuôn 2)

3.6.3 Thiết kế sơ bộ khuôn rèn bước 3

 Vị trí định vị: Điều chỉnh sau khi mô phỏng vì chưa biết chính xác vị trí

Chương 3: Thiết kế công nghệ tạo hình w

 Mặt tạo hình là mặt phẳng (không khoét)

 Mối liên hệ các kích thước:

Mối liên hệ các thông số H2, L2, R2 là : L2 > R1 >H2 min

Mối liên hệ khuôn dưới: L1 > R2 > H1

Hình 3 24 Mối liên hệ các kích thước thiết kế khuôn 3

MÔ PHỎNG KHUÔN BẰNG PHẦN MỀM DEFORM-3D VÀ ĐIỀU CHỈNH THIẾT KẾ

Giới thiệu phần mềm Deform

Deform là phần mềm mô phỏng gia công vật liệu dựa trên phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) nổi tiếng của hãng Scientific Forming, Hoa Kỳ Phần mềm này bao gồm ba sản phẩm chính: Deform 2D, Deform 3D và Deform HT, cùng với hai phiên bản bổ sung là F2 và F3 Deform 2D và 3D chuyên dùng để mô phỏng các quá trình gia công áp lực như cán, kéo, dập ép, đồng thời cũng hỗ trợ mô phỏng các quá trình cắt, khoan Phiên bản Deform HT là công cụ hỗ trợ cho Deform 2D và 3D, cho phép mô hình hóa các ảnh hưởng của xử lý nhiệt, bao gồm độ cứng, kích thước hạt kim loại, biến dạng, ứng suất dư và hàm lượng cacbon.

Giao diện phần mềm Deform rất thân thiện và dễ sử dụng, với cột bên phải chứa các lệnh cần thiết cho quá trình mô phỏng, bao gồm tiền xử lý (pre-processor), mô phỏng (simulator) và hậu xử lý (post processor).

Hình 4 1 Giao diện của phần mềm deform-3D

Chương 4: Mô phỏng bằng phần mềm deform-3D và điều chỉnh thiết kế

Các bước cơ bản trong quá trình mô phỏng:

Cách nhập thông số mô phỏng trên phần mềm DEFORM-3D

4.2.1 Cách tạo một chương trình mô phỏng mới

Để tạo mô phỏng mới trong phần mềm Deform-3D, bạn cần mở giao diện làm việc và thực hiện các bước sau: chọn File, sau đó chọn New problem, nhấn Next, chọn vị trí lưu, đặt tên file và nhập thông số mô phỏng.

4.2.2 Thiết lập mô hình hình học, cách chèn mô hình hình học vào phần mềm

Thiết kế mô hình hình học trên Solidwork

Để mô phỏng chính xác ý đồ thiết kế, có thể sử dụng phần mềm khác để thiết kế khuôn, phôi và vị trí tương đối của chúng, sau đó lưu dưới dạng file như *.DB, *.STL, hoặc *.KEY Trong bài luận văn này, phần mềm Solidworks sẽ được dùng để thiết kế khuôn Các phần của khuôn sẽ được thiết kế và đặt tên thích hợp, sau đó sắp xếp vị trí bằng hệ thống file Assembly của Solidworks và lưu lại dưới định dạng file *.STL.

Lưu ý: Mô hình hình học cũng có thể thiết kế trực tiếp trên phần mềm mô phỏng

Deform-3D nhưng dành cho chi tiết đơn giản, trong bài luận văn này để cho mô phỏng có độ tin cậy cao hơn nên dùng phần mềm Solidwork

Nhập mô hình hình học vào phần mềm:

Chọn thẻ Geometry  Import geometry  Đến vị trí file đã được tạo trên Solidwork

Hình 4 2 Thiết lập mô hình hình học

Thứ tự nhập file trong quá trình mô phỏng cần tuân theo thứ tự khuôn: đầu tiên là Workpiece (phôi), tiếp theo là Top die (khuôn trên) và cuối cùng là Bottom die (khuôn dưới) Ngoài ba đối tượng cơ bản này, mô phỏng còn có thể bao gồm thêm một hoặc nhiều đối tượng khác.

Chương 4: Mô phỏng bằng phần mềm deform-3D và điều chỉnh thiết kế

52 đối tượng mà có thể thao tác thêm hay bớt bằng cách nhấp vào biểu tượng Insert object, Delete object

4.2.3 Thiết lập điều kiện biên cho mô phỏng:

- Nhập vật liệu và nhiệt độ

Chọn đối tượng cần nhập vật liệu như: Workpiece (phôi), Top die (khuôn trên),

Bottom die (khuôn dưới) để tiến hành nhập vật liệu và nhiệt độ

 General  Assign temperature  Nhập nhiệt độ

 General  Load material from library  Chọn vật liệu từ thư viện

Chọn hộp thoại General  Plastics đối với phôi (phôi biến dạng dẻo) và Rigid đối với khuôn (cứng)

Hình 4 3 Thiết lập nhiệt độ và vật liệu

- Chia lưới và thiết lập thông số ép của khuôn dập

Chọn hộp thoại Mesh và nhập số lượng phần tử để chia lưới Việc chia lưới cần căn cứ vào cấu hình máy tính, vì lưới càng mịn sẽ mang lại kết quả mô phỏng chính xác hơn.

53 phỏng có kết quả chính xác càng cao)  Generate  Check mesh (hoàn thành việc chia lưới)

Để thiết lập di chuyển khuôn dập, đối tượng di chuyển chủ yếu là Top die, mặc dù trong một số trường hợp có thể là đối tượng khác Phần mềm hỗ trợ hai chế độ di chuyển: tịnh tiến và xoay Để sử dụng chế độ tịnh tiến, người dùng cần chọn hộp thoại Movement và sau đó chọn Translation.

 Chọn “Direction” để chọn hướng di chuyển (X, Y, Z)

To set a constant speed for movement, select "Constant value" for a fixed speed or a "Function of time" for a variable speed For rotating molds, navigate to the Movement section and choose Rotation.

 Tốc độ góc (Angular Velocity): được xác định bằng hằng số hoặc theo hàm theo góc hoặc theo thời gian (Function of time)

 Xác định trục quay (Axis)

- Thiết lập số bước mô phỏng

Chọn hộp thoại Simulation controls  Step  Tiến hành thiết lập thông số

 “With die displacement”: để nhập khoảng cách di chuyển của mỗi bước

 “Numbers of simulations steps”: để nhập số bước mô phỏng

 “Step inclement to save”: Nhập số bước mô phỏng lưu 1 lần để hiển thị kết quả

- Thiết lập điều kiện dừng

Để điều chỉnh hộp thoại Simulation controls, bạn chọn Stop và Primary Die displacement, sau đó nhập khoảng cách di chuyển của khuôn Tùy thuộc vào hướng di chuyển của khuôn, bạn cần nhập thông số vào các vị trí XYZ tương ứng Ví dụ, nếu khuôn di chuyển theo phương -Y với khoảng cách 30mm, bạn sẽ nhập -30mm vào phần mềm, và làm tương tự cho các vị trí khác.

- Thiết lập thông số ma sát và truyền nhiệt của khuôn

Chọn hộp thoại Inter-Object để xuất hiện hộp thoại tương tác giữa các đối tượng

Chương 4: Mô phỏng bằng phần mềm deform-3D và điều chỉnh thiết kế

 Thiết lập hệ số ma sát: Chọn đối tượng cần thiết lập (khuôn trên - phôi)  Chọn Edit  Chọn Deformation  chọn Friction  Nhập hệ số ma sát

 Thiết lập hệ số truyền nhiệt: Chọn đối tượng cần thiết lập (khuôn trên - phôi)

 chọn Edit  Chọn Thermal  Chọn Heat transfer coefficient  Nhập hệ số truyền nhiệt

- Thiết lập thông số nhiệt độ và hệ số trao đổi nhiệt với môi trường

Chọn Simulation controls  Process condition  Heat transfer  Nhập thông số:

 Environment temperature: Nhập nhiệt độ môi trường

 Convection coefficient; Nhập hệ số trao đổi nhiệt với môi trường

- Thiết lập Thông số thể tích

Quá trình mô phỏng thể tích của phôi không đổi Vì vậy, ta thiết lập trên phần mềm bằng cách chọn Properties  Active in Fem  Volume  Yes

4.2.4 Kiểm tra và tạo cơ sở dữ liệu:

Chọn vào hộp thoại Database Generation  Chọn lệnh check để kiểm tra lỗi (nếu có thì sửa lỗi)  Chọn lệnh Generation (Tạo cơ sở dữ liệu)

Hình 4 4 Kiểm tra và tạo cơ sở dữ liệu

Chạy phần dữ liệu mô phỏng và xem kết quả mô phỏng

Quay về giao diện ban đầu mở máy, chọn file đã tạo dữ liệu  Chọn Start để chạy chương trình

Khi chương trình hoàn thành chạy dữ liệu thì chọn Deform 3D- Post góc phải màn hình để xem kết quả mô phỏng

Hình 4 5 Chạy phần mềm mô phỏng

Mô phỏng khuôn bước 1

4.4.1 Điều kiện mô phỏng (Thông số đầu vào)

Kích thước của phôi sau khi nung: 385.7×13.15mm

Xác định nhiệt độ của phôi trước mô phỏng

Nhiệt độ ban đầu của phôi sẽ là: 1200°C sau khi ra khỏi lò và mất 5s để thao tác bỏ vào khuôn bước 1, nhiệt độ môi trường là 35°C

Chương 4: Mô phỏng bằng phần mềm deform-3D và điều chỉnh thiết kế

Hình 4 6 Nhiệt độ của phôi khi mô phỏng

Nhiệt độ trung bình khi phôi bắt đầu rèn là :1130°C

Bảng 4 1 Các thông số khác của mô phỏng khuôn thứ nhất Điều kiện Phôi Khuôn trên Khuôn dưới

Vật liệu SUP3 SKD61 SKD61

Hệ số ma sát với phôi Rèn nóng, có bôi trơn: 0.3

Rèn nóng, có bôi trơn: 0.3

Hệ số truyền nhiệt với phôi

Hệ số truyền nhiệt với môi trường (N/sec/mm/s) 0.02

Tốc độ di chuyển (mm/s) 5

Khoảng cách di chuyển so với khuôn dưới (mm) 77.85

Kích thước phôi sau khi mô phỏng:

Hình 4 7 Kích thước tổng thể của chi tiết

Kích thước mô phỏng không hở cho thấy phôi ngắn hơn 15mm so với kích thước dự tính ban đầu Do đó, cần điều chỉnh kích thước phôi ban đầu lên 400mm để đảm bảo sự chính xác trong quá trình sản xuất.

Nguyên nhân: Tính toán ban đầu bị sai (chủ yếu) cộng thêm sự giảm kích thước của phôi do co bởi nhiệt

Chương 4: Mô phỏng bằng phần mềm deform-3D và điều chỉnh thiết kế

Hình 4 8 Kích thước chênh lệch của phôi sau mô phỏng so với phôi thiết kế

Phôi gặp vấn đề hở ở một số vị trí, gây khó khăn trong việc dựng lại phôi để tiếp tục mô phỏng Do đó, cần tiến hành điều chỉnh phôi và hình dạng khuôn cho phù hợp.

Hình 4 9 Một số vị trí không điền đầy của khuôn

Thay đổi kích thước phôi ban đầu và kiểu phôi sau bước 1

 Tăng kích thước phôi ban đầu lên 15mm như hình 4.8

 Thay đổi hình dạng phôi sau bước dập 1 như hình 4.10

Hình 4 10 Kích thước phôi sau điều chỉnh

Kết quả mô phỏng sau khi điều chỉnh

 Kích thước tổng thể: Chiều dài phôi 374.72mm gần bằng với kích thước mong muốn điều chỉnh là 374.06mm

Hình 4 11 Kích thước của phôi sau mô phỏng (phôi điều chỉnh)

 Đường kính của phôi sau khi biến dạng

Hình 4 12 Một số vị trí cắt của phôi sau bước 1

Chương 4: Mô phỏng bằng phần mềm deform-3D và điều chỉnh thiết kế

Bảng 4 2 Kích thước của phôi tại một số vị trí cắt

Hệ số co giãn theo phương OY Đường kính phôi (OY)

Hệ số co giãn theo phương

 Kích thước chung của phôi hợp lý, chiều dài đúng với dự kiến

Trong bước mô phỏng thứ hai, kích thước của phôi tại vị trí 3-4 gần như không thay đổi Để thuận tiện cho việc dựng lại phôi, kích thước trung bình của phôi trong bước này được xác định là 13.1 mm trên toàn bộ phôi.

Mô phỏng bước 2

4.5.1 Điều kiện mô phỏng (Thông số đầu vào)

Kích thước của phôi: kích thước phôi được lấy như mô phỏng 1, đường kính được lấy trung bình trên toàn phôi là 13.1mm

Nhiệt độ ban đầu trước mô phỏng:

Trước khi tiến hành mô phỏng bước 2, nhiệt độ ban đầu của phôi được ghi nhận là 1010°C Giả sử thời gian chuyển giao từ bước 1 sang mô phỏng bước 2 là 5 giây, thì nhiệt độ trung bình của phôi trong khoảng thời gian này sẽ giảm xuống còn 928°C.

Hình 4 13 Nhiệt độ của phôi trong giai đoạn chuyển tiếp bước 1, 2

Bảng 4 3 Điều kiện mô phỏng của khuôn 2 Điều kiện Phôi Khuôn trên Khuôn dưới

Vật liệu SUP3 SKD61 SKD61

Hệ số ma sát với phôi Rèn nóng, có bôi trơn: 0.3

Rèn nóng, có bôi trơn: 0.3

Hệ số truyền nhiệt với phôi (N/sec/mm/s) 11 11

Hệ số truyền nhiệt môi trường (N/sec/mm/s) 0.02

Cắt phôi theo mặt phẳng sau khi hoàn thành xong bước 1 tại các vị trí 1, 2, 3, ta có:

Chương 4: Mô phỏng bằng phần mềm deform-3D và điều chỉnh thiết kế

Kích thước phôi theo phương ox và oz như bảng dưới: (vì phôi có tính đối xứng nên các kích thước chỉ xét 1 phần của kết quả mô phỏng):

Hình 4 14 Một số vị trí cắt của phôi Bảng 4 4 Kích thước của phôi tại một số vị ví cắt Đường thẳng thứ nhất Đường thẳng thứ 2

Vị trí cắt Theo phương ox

Vị trí 1 11.69mm 12.33mm 12.79mm 12.80mm

Vị trí 2 10.72mm 11.5mm 12.86mm 12.98mm

Vị trí 3 11.69mm 12.2mm 13.03mm 12.95mm

Kết quả mô phỏng cho thấy phôi chảy quá nhiều, dẫn đến việc đường kính phôi giảm đáng kể Điều này không đáp ứng được yêu cầu chất lượng, do đó cần thay đổi thiết kế cho bước này.

Hình 4 15 Hình dạng của khuôn dưới 2

Chiều cao tại vị trí tạo hình ảnh hưởng nhiều đến việc chảy của phôi, chiều cao vị trí

Khi phôi có kích thước quá bé, việc tạo hình theo phương ngang không đạt yêu cầu Chiều cao của phôi càng lớn, khi bị uốn bởi khuôn trên và di chuyển xuống, phôi sẽ bắt đầu tạo hình giữa hai vị trí, dẫn đến sự xuất hiện của lực căng T trên đường thẳng thứ nhất Khi phôi di chuyển xuống, lực kéo T càng tăng, khiến cho việc chuyển đổi từ đường thẳng thứ nhất sang đường thẳng thứ hai trở nên khó khăn hơn Do đó, khi khuôn trên tiếp tục di chuyển xuống, lực tác dụng lên đường thẳng thứ nhất cũng gia tăng, dẫn đến hiện tượng thắt lại của tiết diện phôi.

Hệ số ma sát cũng ảnh hưởng đến quá trình phần kim loại di chuyển từ đường thứ 2 sang đường thứ nhất

Vì vậy, thiết kế khuôn dưới cần có giải pháp để giảm chiều cao 1 tối đa nhưng vẫn đảm bảo kích thước không bị giảm quá nhiều

4.5.3 Thay đổi thiết kế và mô phỏng lại:

Phần 2 sẽ được cải tiến với thiết kế cánh tay có khả năng xoay, cho phép trục xoay khi chịu tác động của lực từ khuôn.

- Thiết kế và tính toán thời gian xoay của trục xoay dựa vào mô phỏng

- Kích thước sơ bộ từ tâm xoay đến phôi của tay là 250mm và tạo góc nghiêng 10° so với mặt phẳng nằm ngang (như hình dưới)

Chương 4: Mô phỏng bằng phần mềm deform-3D và điều chỉnh thiết kế

Hình 4 16 Điều chỉnh thiết kế khuôn 2 Bảng 4 5 Thông số mô phỏng khuôn 2 điều chỉnh Điều kiện Phôi Khuôn trên Khuôn dưới Tay quay

Vật liệu SUP3 SKD61 SKD61 SKD61

Hệ số ma sát với phôi Rèn nóng, có bôi trơn: 0.3

Rèn nóng, có bôi trơn: 0.3

Rèn nóng có bôi trơn: 0.3

Hệ số truyền nhiệt với phôi (N/sec/mm/s) 11 11 11

Hệ số truyền nhiệt môi trường

Khoảng cách di chuyển (mm) 71

Tốc độ di chuyển 5mm/s 0.166 rad/s

So sánh kích thước phôi với các kết cấu tạo hình khuôn trên khác nhau

Khuôn trên có hệ số ma sát là 0.3 (Vị trí tạo hình không xoay được)

Hình 4 17 Thiết kế đầu tạo hình khuôn trên phương án 1

Kết quả: Kích thước mặt cắt của phôi theo các phương của khu vực nhỏ nhất: (11.60,

Hình 4 18 Tiết diện nhỏ nhất theo phương án 1

Chương 4: Mô phỏng bằng phần mềm deform-3D và điều chỉnh thiết kế

Khuôn khoét được thiết kế với độ sâu 1mm để đảm bảo việc lấy phôi sau khi hoàn thiện, tránh việc khoét sâu hơn có thể gây khó khăn Hệ số ma sát được áp dụng theo kiểu ổ trượt nửa ướt với giá trị 0.15, giúp tối ưu hóa quá trình gia công.

Hình 4 19 Thiết kế đầu tạo hình phương án 2

Kết quả: Kích thước mặt cắt của phôi theo các phương của khu vực nhỏ nhất: (11.68,

Hình 4 20 Tiết diện nhỏ nhất của phôi theo phương án 2 Phương án điều chỉnh 3:

Kết cấu điều chỉnh dạng tròn trơn, thiết kế dạng ổ trượt nửa ướt (hệ số ma sát 0.15mm)

Hình 4 21 Thiết kế đầu tạo hình theo phương án 3

Kết quả mô phỏng: Kích thước mặt cắt của phôi theo các phương của khu vực nhỏ nhất: (9 11.90, 12.97mm)

Chương 4: Mô phỏng bằng phần mềm deform-3D và điều chỉnh thiết kế

Hình 4 22 Tiết diện nhỏ nhất theo phương án 3

Dựa trên ba kết quả điều chỉnh hình dạng và hệ số ma sát của khuôn, phương án 3 cho thấy kích thước phôi chảy ít và tiết diện đảm bảo nhất.

Kết quả mô phỏng của khuôn theo phương án 3 là tốt nhất:

Kết quả chi tiết mô phỏng bước 2 (theo phương án 3)

Nhiệt độ: Nhiệt độ trung bình của phôi sau hoàn thiện bước 2 là 779°C

Hình 4 23 Nhiệt độ của phôi sau bước dập 2

Nhận xét : Nhiệt độ trung bình của phôi 779°C nhỏ hơn nhiệt độ cho phép để rèn tiếp bước tiếp theo (850°C) nên xem xét đến nâng nhiệt của phôi

Hình 4 24 Kích thước bên ngoài của phôi

Nhận xét: Kích thước phôi theo phương Z có độ lệch không quá lên (1.49mm) nên xem như phôi nằm ngang

Hình 4 25 Vị trí cắt phân tích phôi sau bước 2

Chương 4: Mô phỏng bằng phần mềm deform-3D và điều chỉnh thiết kế

Bảng 4 6 Kích thước tiết diện của chi tiết tại một số chi tiết Đường thẳng thứ nhất Đường thẳng thứ 2

Nhận xét cho thấy rằng, qua các mặt cắt của phôi sau khi dập, kích thước của phương án này đã được cải thiện đáng kể, với kích thước phôi nhỏ nhất là 11.92mm Mặc dù vậy, tiết diện theo phương vuông góc vẫn được đảm bảo ở mức 12.75mm.

Vậy phôi dập bước 3 được dựng trên solidwork dựa trên tiết diện các mặt cắt

Hình 4 26 Phôi cho bước dập 3

Mô phỏng bước 3

4.6.1 Điều kiện mô phỏng (Thông số đầu vào)

Kích thước của phôi: lấy từ mô phỏng 2

Nhiệt độ của bước 2 giảm thấp hơn nhiệt độ cho phép (850°C) để dập nóng nên cần nung lên nhiệt độ 900°C

Bảng 4 7 Điều kiện vào của khuôn dập bước 3 Điều kiện Phôi Khuôn trên Khuôn dưới

Vật liệu SUP3 SKD61 SKD61

Hệ số ma sát với phôi Rèn nóng, có bôi trơn: 0.3

Rèn nóng, có bôi trơn: 0.3

Hệ số truyền nhiệt với phôi 11 11

Hệ số truyền nhiệt với môi trường 0.02

Tốc độ di chuyển (mm/s) 5mm/s

Khoảng cách di chuyển so với khuôn dưới 25.01mm

Kết quả mô phỏng cho thấy sự khác biệt rõ rệt giữa hai thiết kế khuôn: một khuôn không khoét rãnh tạo hình và một khuôn có rãnh Mặc dù hai phôi hoàn thiện có tiết diện nhỏ nhất tương đương nhau, nhưng khuôn có rãnh tạo ra phôi với tiết diện tròn đều hơn, cho thấy tính hợp lý cao hơn trong thiết kế.

Chương 4: Mô phỏng bằng phần mềm deform-3D và điều chỉnh thiết kế

Hình 4 27 Kích thước nhỏ nhất khuôn trên không rãnh tạo hình

Hình 4 28 Kích thước nhỏ nhất của khuôn trên có rãnh tạo hình Kết quả mô phỏng khuôn tạo rãnh

Bảng 4 8 So sánh một số kích thước so với sản phẩm mục tiêu

Kích thước Chiều rộng Chiều dài Chiều cao Khoảng cách giữa hai đầu tiếp xúc ray

Thiết kế 140±2mm 82+2mm 30±1mm 55±2mm

Sau khi rèn 140.46mm 82.64mm 30.43mm 55.56mm Đánh giá Đạt Đạt Đạt Đạt

Kích thước của phôi tại nữa chi tiết bị thiếu 1 đoạn 2.51mm nên điều chỉnh kích thước phôi tại vị trí này tăng thêm đến kích thước tương ứng

Hình 4 29 Thiếu kích thước trong khuôn

Kích thước của phôi hầu như phù hợp với thiết kế ban đầu, tuy nhiên phần cong bên trong thiếu 2.51mm, không đạt yêu cầu về sai số Do đó, cần điều chỉnh cung cong thêm 2.5mm để đảm bảo đúng theo thiết kế.

Bảng 4 9 Kích thước của của chi tiết cuối cùng

Kích thước đường 1 Kích thước đường 2

Vị trí Theo phương ox

Vị trí 1 _ 12.02mm 12.09mm _ 12.03mm 12.98mm

Vị trí 2 _ 12.89mm 12.15mm 13.03mm 12.90mm

Chương 4: Mô phỏng bằng phần mềm deform-3D và điều chỉnh thiết kế

Hình 4 30 Vị trí cắt sản phẩm

Dựa vào bảng 4.9, đường kính tại một số vị trí mặt cắt đã giảm quá mức mong muốn so với kích thước yêu cầu (13±0.3mm) Cần thực hiện điều chỉnh hình dạng phôi ban đầu để đạt được kích thước tiêu chuẩn.

Hình 4 31 Phôi dập yêu cầu sau bước 1

Hình 4 32 Kích thước phôi yêu cầu sau bước 2

Đánh giá thiết kế

Qua nhiều lần mô phỏng, chúng tôi nhận thấy rằng việc thay đổi mô hình hình học hoặc điều kiện biên sẽ dẫn đến những kết quả khác nhau Do đó, quá trình lựa chọn phương án tối ưu để thiết kế khuôn và thực hiện mô phỏng tốn khá nhiều thời gian.

Trong quá trình gia công, tiết diện phôi không chỉ bị chảy do uốn cong mà còn bị ảnh hưởng bởi lực ma sát giữa khuôn và phôi Ma sát lớn sẽ dẫn đến việc phôi bị chảy nhiều hơn Hơn nữa, khi phần tiết diện tiếp xúc với phôi nhỏ, kích thước của phôi sẽ giảm đi đáng kể.

So với các kích thước sản phẩm sau dập, hầu hết đều nằm trong khoảng sai số cho phép Tuy nhiên, đường kính phôi ở một số khu vực giảm xuống dưới mức mong muốn ban đầu (13±0.3mm) Mặc dù đã điều chỉnh thiết kế khuôn và tối ưu hóa các thông số để giảm sai lệch kích thước, nhưng vẫn chưa đạt hiệu quả như kỳ vọng Đặc biệt, kích thước đường kính tại khu vực nhỏ nhất chỉ đạt khoảng 12.03mm.

Việc sử dụng phần mềm mô phỏng đã chứng minh là một bước đi đúng đắn trong việc kiểm tra thiết kế công nghệ Nhờ vào công cụ này, chúng ta có thể dự đoán khả năng thực hiện của quá trình, từ đó đề xuất các phương pháp xử lý và khắc phục kịp thời.

Chương 4: Mô phỏng bằng phần mềm deform-3D và điều chỉnh thiết kế

Phần mềm mô phỏng giúp giảm chi phí xây dựng và thử nghiệm công nghệ mới, cho phép phát hiện các phương án bất khả thi ngay từ đầu, từ đó tiết kiệm thời gian và tiền bạc.

Hình 4 33 Kích thước chiếu cạnh thiết kế ban đầu

Bán kính dưới 15mm nhỏ hơn hai cung còn lại là 120mm và 40mm, dẫn đến diện tích tiếp xúc nhỏ và làm cho phôi bị lún sâu hơn Tại vị trí này, phôi chịu lực kéo, gây ra sự giảm kích thước do ma sát, làm cho tiết diện khu vực này giảm nhiều so với các khu vực khác.