Ứng dụng mô phỏng số trong nghiên cứu công nghệ cán nêm ngang chế tạo vít đường ray xe lửa

Công nghệ này được sử dụng để sản xuất các phôi định hình trung gian cho các quá trình gia công tiếp theo như rèn, dập khối….Bên cạnh đó sản phẩm của công nghệ này cũng có thể sử dụng ng

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

-

PHẠM THANH BÌNH

ỨNG DỤNG MÔ PHỎNG SỐ TRONG NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ

CÁNNÊM NGANG CHẾ TẠO VÍT ĐƯỜNG

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC :

TS ĐINH VĂN HẢI

Hà Nội – Năm 2010

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan luận văn này là do bản thân tôi thực hiện, những kết quả nghiên cứu được đưa ra trong luận văn này là bản thân tôi thực hiện và chưa từng được ai công bố trên các tạp chí khoa học trước đây Các số liệu và kết quả nghiên cứu được thực hiện một cách trung thực và chính xác

Hà nội, ngày 10 tháng 10 năm 2010

Họ tên tác giả

Phạm Thanh Bình

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN CÔNG NGHỆ CÁN NÊM NGANG VÀ

VAI TRÒ CỦA MÔ PHỎNG SỐTRONG TỐI ƯU CÔNG NGHỆ 13

1.3 Chế độ nhiệt trong cán nêm ngang 21

1.4 Vai trò của mô phỏng số trong tối ưu hóa công nghệ 22

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÍ THUYẾT VÀ NHỮNG THÔNG SỐ CÔNG

NGHỆ ẢNH HƯỞNG TRONG CÁN NÊM NGANG 26

CHƯƠNG 3: GIỚI THIỆU CHUNG VỀ PHẦN MỀM DEFORM 36

3.1 Giới thiệu chung về DEFORM 36

3.3 Kết luận 45 CHƯƠNG 4: ỨNG DỤNG MÔ PHỎNG SỐ TRONG BÀI TOÁN

CHẾ TẠO VÍT ĐƯỜNG RAY XE LỬA 46

4.1.3 Chia lưới phần tử hữu hạn cho khuôn và phôi 50

4.2.Thông số hình học cơ bản của ren vít 54

4.3 Mô phỏng bài toán cán ren 55

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng1.1 Các thông số chính của máy cán nêm trục phẳng do Viện

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Trang

Hình 1.4 Sơ đồ phân bố lực của 2 trường hợp cán nêm ngang-phẳng

Hình 1.7 Máy cán nêm trục phẳng và trục tròn trong thực tế 19

Hình 1.8 Máy cán nêm ngang trục phẳng PM 5.150 19

Hình 1.9 Các chi tiết chế tạo sử dụng công nghệ cán nêm ngang 21

Hình 1.10 So sánh phương pháp sản xuất cổ điển và tiên tiến 23

Hình 1.11 Sơ đồ tiến hành một bài toán mô phỏng 24

Hình 2.6 Sự hợp nhất các lỗ trống do ứng suất kéo [4] 32

Hình 2.8 Sự xuất hiện của lỗ hổng lớn bên trong [4] 33

Hình 3.1 Bảng tiếp các cặp tiếp xúc trong DEFORM 3D 42

Hình 3.2 Hộp thoại điều khiển mô phỏng DEFORM 3D 43

Hình 4.5 Mô hình của bài toán sau khi đã chia lưới 51

Hình 4.18 Đường cong ứng suất-biến dạng của C45 tại các nhiệt độ

biến dạng khác nhau (tốc độ biến dạng =0.1s -1 ) 62

Hình 4.29 Phân bố biến dạng trong quá trình cán 70

Hình 4.30 Cường độ biến dạng hướng vùng giữa phôi 72 Hình 4.31 Cường độ biến dạng hướng kính tại độ côn của phôi 72

Hình 4.36 Ứng suất Von Mises trên mặt cắt ngang 77

Hình 4.40 Trường nhiệt độ qua mặt cắt dọc trục(a.b) 80

Hình 4.41 Trường nhiệt độ phôi tại giai đoạn ổn định kích thước 81

Hình 4.46 Phân bố ứng suất trên mặt cắt dọc truc và mặt cắt ngang 85

Hình 4.47 Phân bố ứng suất trên mặt cắt ngang ở giai đoạn đầu 86

Hình 4.48 Phân bố phá hủy theo mặt cắt dọc trục 86

Hình 4.54 Phân bố biến dạng khi kết thúc cán 90

LỜI NÓI ĐẦU

Cán nêm-ngang (CWR) là một loại hình công nghệ gia công kim loại bằng áp lực Công nghệ này được sử dụng để sản xuất các phôi định hình trung gian cho các quá trình gia công tiếp theo như rèn, dập khối….Bên cạnh đó sản phẩm của công nghệ này cũng có thể sử dụng ngay sau cán mà không cần thêm bước gia công tạo hình nào tiếp theo Các chi tiết được chế tạo từ công nghệ này thường có dạng trục tròn xoay, từ đơn giản đến phức tạp

Cán nêm ngang có nhiều ưu điểm mà các công nghệ gia công truyền thống tiện, rèn, dập,… không có như hệ số sử dụng vật liệu lớn, năng suất cao và tiết kiệm năng lượng

Với những ưu điểm như vậy nên công nghệ CWR trở nên rất phổ biến ở Mỹ, Đông Âu và Châu Á Tuy nhiên, việc phát triển lí thuyết và tự động hoá quá trình thiết kế công cụ cán nêm ngang vẫn còn nhiều hạn chế Tại Việt Nam, công nghệ cán nêm-ngang hầu như chưa được đưa vào áp dụng trong sản xuất cơ khí mặc dù nguyên lý cán nghiêng, cán ngang đã được áp dụng ở một số cơ sở sản xuất để nắn (uốn) thẳng thép thanh

Cho đến nay, đã có nhiều đề tài nghiên cứu phát triển lý thuyết công nghệ cán nêm ngang được công bố trên thế giới Một trong những phương pháp tiếp cận để nghiên cứu lý thuyết được cho là tối ưu là ứng dụng phương pháp số Cùng với sự phát triển không ngừng của ngành khoa học máy tính, cho đến nay, việc áp dụng phương pháp mô phỏng số để giải các bài toán trong lĩnh vực cơ khí, vật liệu….đã trở nên thuận tiện và phổ biến Trong lĩnh vực cán cán nêm ngang, đã có nhiều công trình công bố về việc ứng dụng mô phỏng số để nghiên lý thuyết và phát triển công nghệ này Tuy vậy, các kết quả đạt được vẫn là chưa đầy đủ

Trọng tâm đề tài này là nghiên cứu cơ sở lí thuyết của quá trình cán nêm ngang

và phân tích kết quả mô phỏng bằng phần mềm Deform nhằm thiết kế công cụ tối

ưu cho việc sản xuất sản phẩm là chi tiết vít ren đường ray xe lửa

Từ các kết quả mô phỏng rút ra những thông số hình học tối ưu cho công cụ tạo

hình sản phẩm và đưa kết quả này áp dụng vào việc chế tạo khuôn trong thực tế

Tôi xin chân thành cám ơn Viện Đào tạo Sau Đại học, Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội đã tạo mọi điều kiện thuận lợi để tôi hoàn thành bản luận văn này

Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đối với TS Đinh Văn Hải, người Thầy đã

hướng dẫn tận tình và giúp đỡ tôi rất nhiều trong quá trình nghiên cứu

Tôi xin trân trọng cảm ơn lãnh đạo khoa Khoa Học và Công Nghệ Vật Liệu, bộ môn Cơ Học Vật liệu và Cán Kim Loại, đã tạo điều kiện thuận lợi để tôi làm việc tại phòng máy tính của bộ môn (C5305) trong thời gian thực hiện luận văn này Tôi xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ, chỉ bảo ân cần, tận tình của thầy, cô trong bộ môn CHVL & Cán KL đã giúp tôi hoàn thành bản luận văn này Do đây là

đề tài mới và kiến thức còn hạn hẹp nên bản luận văn không thể tránh khỏi những sai sót, tôi mong được sự góp ý, chỉ bảo của thầy cô và các đồng nghiệp

Hà Nội, ngày 10 tháng 10 năm 2010

Học viên

Phạm Thanh Bình

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN CÔNG NGHỆ CÁN NÊM NGANG

VÀ VAI TRÒ CỦA MÔ PHỎNG SỐ TRONG

TỐI ƯU CÔNG NGHỆ 1.1 Công nghệ cán nêm ngang

Cán nêm ngang là một loại hình công nghệ gia công kim loại bằng áp lực được sử dụng để sản xuất các phôi định hình trung gian cho các quá trình gia công tiếp theo như rèn, dập khối…Bên cạnh đó một số chi tiết có hình dạng phức tạp cũng được sản xuất trực tiếp từ phương pháp này Các chi tiết được chế tạo thường

có dạng trục tròn xoay, từ đơn giản đến phức tạp Các sản phẩm được sản xuất bằng phương pháp này đáp ứng được yêu cầu cao về mặt cơ, lí tính trong điều kiện làm việc của mỗi chi tiết Nhờ các ưu điểm nổi bật so với các công nghệ tạo hình khác, cán nêm ngang đang được nghiên cứu và ứng dụng rộng rãi Một số sản phẩm đặc trưng của cán nêm ngang như trục răng cho các loại hộp số, mũi khoan, bulông, chốt, vít …Đã và đang được sản xuất tại các nhà máy cán nêm ngang ở nhiều quốc gia trên thế giới như Mỹ, Nhật, Nga, Hàn quốc, Trung quốc Về cơ bản cán nêm ngang dựa trên nguyên lí của công nghệ cán ngang, trong đó trên trục cán có thêm phần hình nêm nhằm gia công định hình chi tiết Nguyên lí cán ngang đã được nghiên cứu và phát triển

Hình 1.1 Sơ đồ cán nêm – ngang

Ngày nay, phương pháp cán nêm ngang được sử dụng chủ yếu để sản xuất với các sản phẩm có trục đối xứng tròn xoay cho tất cả các loại thép chế tạo, các thép công cụ và hợp kim trên cơ sở đồng, titan, niken và các hợp kim nền zirco Hầu hết các hình dạng phức tạp của chúng đều có thể thay đổi như mặt tròn, côn và cầu với các rãnh và profile khác nhau (hình1.1)

Hình 1.2 Một vài sản phẩm cán nêm ngang

Hình.1.3 Một số chi tiết chế tạo từ phôi cán

Hình 1.4 Sơ đồ phân bố lực của 2 trường hợp cán nêm ngang-phẳng và

cán ngang trục tròn

Khi so sánh nguyên lí của cán nêm ngang trục phẳng với cán nêm ngang trục tròn thấy rằng, trong cán ngang trục tròn, áp lực tổng sinh ra trong quá trình cán có phương không đi qua tâm phôi Vì vậy, nó sinh ra một áp lực hướng tang gây ra ứng suất xoắn kích thích sự phát triển của cán khuyêt tật bề mặt Và thông thường loại khuyết tật này rất khó xử lí trong các quá trình cán Đối với cán ngang phẳng, áp lực tổng sinh ra có phương đi qua tâm phôi cán nên không có ứng suất xoắn trên bề mặt phôi gia công và hạn chế phát sinh khuyết tật bề mặt sản phẩm cán do thành phần lực hướng tang trùng với lực ma sát nên chỉ có tác dụng làm quay phôi Vì vậy, cán ngang phẳng được coi là trường hợp tối ưu của cán ngang Ngoài ra, cán nêm ngang

có rất nhiều ưu điểm mà các công nghệ gia công truyền thống khác như hàn, tiện, rèn, dập… không có Một vài ưu điểm chính của công nghệ này đó là:

- Độ bền của sản phẩm cao

- Rút ngắn thời gian sản xuất

- Tiết kiệm vật liệu, hệ số sử dụng vật liệu đạt 0,8 đến 0,98 và tương lai gần

Tại Việt Nam công nghệ cán nêm ngang hầu như chưa được đưa vào áp dụng trong sản xuất cơ khí Trên thực tế có rất ít thông tin về loại hình công nghệ cán nêm ngang mặc dù nguyên lý cán nghiêng, cán ngang đã được áp dụng ở một số cơ

sở sản xuất để nắn (uốn) thẳng thép thanh, sản xuất thép ống Chính vì vậy, lý thuyết về cán ngang, nghiêng mới chỉ được đề cập đến trong các bài giảng trong trường đại học

1.2 Thiết bị cán nêm ngang

Máy cán nêm ngang có nhiều loại khác nhau và có thể được chia thành năm loại cơ bản đó là: (a) Máy cán nêm ngang hai trục, (b) máy cán nêm ngang một trục, (c) máy cán nêm ngang ba trục, (d) máy cán nêm ngang trục phẳng, (e) máy cán nêm ngang trục lõm

Máy cán nêm ngang trên cơ sở các trục cán tròn đặc trưng bởi tốc độ cao, không có các hành trình không tải Tuy nhiên, gia công mặt trục phức tạp và nặng nhọc, độ bền thấp dẫn đến giảm độ chính xác của các chi tiết cán

Xem xét sơ đồ cán nêm-ngang sử dụng bàn nêm phẳng Phôi ban đầu được cắt trên máy ép sau đó được đặt tại phần đầu vào của bàn nêm cố định Bàn nêm phía trên chuyển động tịnh tiến song song với bàn dưới và bàn dưới được giữ cố định, nhấn mũi nêm vào phôi gây ra sự xoay của nó Cả hai dụng cụ nêm có mặt cạnh nghiêng đẩy kim loại chuyển dịch một phần theo chiều dọc của phôi tạo nên kích thước chiều dài cuối cùng sản phẩm Phần kim loại còn lại được định hình

bằng bề mặt của dụng cụ Như vậy, trong quá trình cán, kim loại liên tục dịch chuyển theo bàn nêm từ giữa phôi ra hai phía cho phép hình thành các biên dạng yêu cầu Tại giai đoạn cuối của quá trình tạo hình các dao cắt đặt ở hai bên của dụng cụ cắt bỏ phần thừa khi chi tiết đã hình thành Sau đó chi tiết cán được đẩy ra, bàn nêm trên trở lại vị trí ban đầu

Hình 1.5 Các loại máy cán nêm cơ bản

Máy cán có bàn nêm phẳng có nhiều ưu điểm so với máy cán nêm ngang trên

cơ sở trục tròn đó là:

- Dễ chế tạo, độ chính xác cao và giá thành thấp vì khi chế tạo nó chỉ sử dụng thiết bị phay và thiết bị mài đơn giản

- Phôi cán chuyển động ổn định hơn, trong khi đó quá trình cán giữa hai trục tròn phải có các dẫn hướng

- Dụng cụ nêm phẳng có độ cứng và tuổi thọ cao (nửa triệu sản phẩm/bộ khuôn nêm), có thể chế tạo từ các tấm ghép với các loại thép khác nhau và được xử

lý nhiệt

- Vốn đầu tư thấp

- Giá thành hạ

- Điều khiển và điều chỉnh đơn giản

- Dụng cụ thay thế và chuyển đổi nhanh đối với các chi tiết mới, quá trình tự động hoá hoàn toàn

So sánh kết cấu của máy cán nêm trục tròn và trục phẳng có thể thấy máy cán nêm ngang trục phẳng có kết cấu khá đơn giản và gọn nhẹ do đó việc điều khiển, tháo lắp, thay thế… Cũng đơn giản hơn rất nhiều so với máy cán nêm trục tròn Giá cán nêm trục phẳng cơ bản gồm các bộ phận như khung giá cán, khuôn nêm, cơ cấu thuỷ lực điều chỉnh lượng ép, cơ cấu thuỷ lực đẩy khuôn nêm di chuyển Do việc điều chỉnh vị trí tương đối của phôi cán so với khuôn nêm khá đơn giản nên trong quá trình làm việc của máy có khả năng tự động hoàn toàn và cho năng suất cao (từ 300÷600 sản phẩm/giờ), phụ thuộc vào hình dạng, kích thước của sản phẩm

Máy cán PM 5.150 được ứng dụng tại nhà máy Belcard từ năm 2006 Công nghệ cán nêm ngang thực hiện cán định hình ban đầu và sau đó dập chính xác đầu trục các đăng cũng được thực hiện ở đó

Hình 1.6 Dụng cụ nêm phẳng

Hình 1.7 Máy cán nêm trục phẳng và trục tròn trong thực tế

Hình 1.8 Máy cán nêm ngang trục phẳng PM 5.150

Bảng1.1 Các thông số chính của máy cán nêm trục phẳng do Viện hàn lâm khoa học và công nghệ Belarus chế tạo

Kiểu máy PM

5.135

PM 5.155

PM 5.150

5.117

PM 5.095

1.3 Chế độ nhiệt trong cán nêm ngang

Phụ thuộc vào nhiệt độ nung của phôi, quá trình cán được phân loại thành cán nóng, cán nguội Thép cán nêm ngang với nhiệt độ nung đạt 900oC được gọi là cán nóng Công nghệ cán này là loại phổ biến và ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp Cán nóng đã chứng minh sự kết hợp xử lý nhiệt tiếp theo cho thép kết cấu, titan, đồng thau, thép hợp kim và bao gồm cả thép dụng cụ

Công nghệ này cho phép tránh sử dụng dòng cao tần đắt tiền và để cải thiện đáng kể chất lượng của hệ thống cán so với cán nóng

Tuy nhiên, nhiệt độ cán giảm đặt ra yêu cầu cao hơn cho tính chất, cấu tạo đặc biệt của thiết bị cán nêm Trước tiên cần thiết đảm bảo độ chính xác cao hơn cho sự chuyển động của dụng cụ, làm tăng độ cứng của giá cán

Thông thường cán không nung phôi gọi là cán nguội Tuy vậy phạm vi sử dụng của phương pháp này hạn chế Cán nguội thường được áp dụng để chế tạo các ống lót nhỏ, cán thép và zirco với đường kính 1-5 mm

Do những ưu điểm cả về mặt thiết bị lẫn công nghệ như đã kể trên, công nghệ cán nêm ngang cần được quan tâm nghiên cứu để đưa vào sản suất trong thực

tế nhằm đáp ứng những yêu cầu về khắt khe mặt năng suất và chất lượng sản phẩm như hiện nay Sau đây là các sản phẩm cán nên ngang

Hình 1.9 Các chi tiết chế tạo sử dụng công nghệ cán nêm ngang

1.4 Vai trò của mô phỏng số trong tối ưu hóa công nghệ

1.4.1 Mô phỏng số trong biến dạng tạo hình

Để giải một bài toán cơ học đàn hồi, biến dạng có thể theo hai phương pháp

là phương pháp giải tích và phương pháp số Các phương pháp giải tích gồm phương pháp chính xác và phương pháp gần đúng (các phương pháp biến phân) Các phương pháp số gồm các phương pháp giải phương trình vi phân (phương pháp tích phân số, phương pháp sai phân hữu hạn-SPHH) và phương pháp phần tử hữu hạn (PTHH)

Với sự phát triển không ngừng của khoa học kĩ thuật đặc biệt là công nghệ thông tin cho phép tính toán các phép tính phức tạp, số lượng phép tính lớn trên các máy tính Do đó việc ứng dụng công nghệ số để giải quyết các bài toán kĩ thuật rất phù hợp với xu thế phát triển của khoa học hiện đại Hiện nay, các phương pháp số đặc biệt là phương pháp PTHH ngày càng được phát triển, các gói phần mềm mô phỏng số ra đời để giải các bài toán kĩ thuật lớn ở nhiều ngành công nghiệp khác nhau và ngành gia công biến dạng, tạo hình vật liệu là một ví dụ Mô phỏng số trong các bài toán tạo hình giúp giảm thời gian thiết kế, giảm chi phí cho việc sản xuất thử đồng thời tối ưu được các thông số tạo hình, tối ưu kết cấu của khuôn mẫu nhằm nâng cao chất lượng sản phẩm sản xuất, giảm giá thành sản phẩm Ưu điểm của công nghệ mô phỏng số so với công nghệ gia công truyền thống được thể hiện trên hình 1.10

Với phương pháp tiên tiến không cần diện tích nhà xưởng để tiến hành việc sản xuất thử, các công đoạn trước khi tiến hành sản xuất đều được thực hiện trên máy tính để thực hiện tối ưu hoá công nghệ Do đó không cần chi phí cho việc sản xuất thử sản phẩm

Hình 1.10 So sánh phương pháp sản xuất cổ điển và tiên tiến

1.4.2 Phương pháp phần tử hữu hạn

Như đã đề cập ở trên, hiện nay có nhiều phương pháp số tuy nhiên phương pháp PTHH đang được ứng dụng phổ biến hơn cả Điểm đặc trưng nhất của phương pháp PTHH là có khả năng áp dụng cho các bài toán có mô hình hình học phức tạp

và có điều kiện biên phức tạp nhờ việc rời rạc hoá mô hình tổng thể thành các miền con hữu hạn, trong khi đó phương pháp SPHH về căn bản chỉ áp dụng được trong dạng hình chữ nhật với mối quan hệ đơn giản Bên cạnh đó,sử dụng phương pháp PTHH thường cho kết quả chính xác hơn phương pháp SPHH

Phương pháp PTHH là phương pháp chia đối tượng nghiên cứu thành các phần tử nhỏ ở dạng lưới mà các thông số cơ lí tính ban đầu tập trung tại các nút của phần tử Trong quá trình gia công, các thông số này biến đổi và mang thông tin của trạng thái mới Trạng thái mới của phần tử được tính toán theo các thông số ban đầu dựa trên các dữ kiện của mô hình vật liệu gia công như tính dẻo, tính dẫn nhiệt, mô đun đàn hồi …và các điều kiện gia công như nhiệt độ gia công, tốc độ biến dạng, mức độ biến dạng, hệ số truyền nhiệt, điều kiện tiếp xúc và ma sát…Quá trình tính toán thực hiện cho tất cả các nút phần tử và lặp lại theo từng bước thời gian cho đến khi kết thúc quá trình gia công Dựa trên cơ sở của phương pháp phần tử hữu hạn

người ta đã xây dựng nên nhiều phần mềm tính toán, mô phỏng như Ansys, Deform, LS-Dyna, Abaqus…

1.4.3 Các bước thực hiện mô phỏng số

Hình 1.11 Sơ đồ tiến hành một bài toán mô phỏng

Các bài toán mô phỏng số biến dạng tạo hình nói chung thường được tiến

hành theo trình tự như sơ đồ hình 1.11 và tương ứng là các mô đun cần thiết để thực

hiện theo trình tự sau Xuất pháp từ kiểu dáng sản phẩm người vẽ phải phác thảo hình dáng kích thước phôi và khuôn mẫu để tiến hành gia công Công việc này được thực hiện bằng phần mền thiết kế cơ khí như Catia, Solidworks,….Để tiến hành mô phỏng trước hết phải chọn vật liệu với các thuộc tính xác định (ứng suất và biến dạng) sau đó chia lưới các phần tử (để có thể áp dụng phương pháp tính toán phần

tử hữu hạn) đưa các điều kiện biên ( nhiệt độ, ma sát, tiếp xúc,….) Giải bài toán, máy tính sẽ tính toán quá trình tạo hình sản phẩm và đưa các kết quả thông số của quá trình Qua việc xem xét trường phân bố ứng suất và biến dạng từng thời điểm,

người làm mô phỏng biết được một cách chính xác chi tiết có bị phá hủy trong quá trình biến dạng và kích thước hình học của sản phẩm có đảm bảo hay không từ đó quay lại bước mô hình hình học thay đổi các thông số của quá trình một cách hợp lý sao cho kết quả cuối cùng là tối ưu Tiếp theo có thể gia công khuôn mẫu dựa trên các thông số hình học của khuôn mẫu sau khi mô phỏng và tiến hành sản xuất thử Cuối cùng có thể đưa ra sản xuất hàng loạt

1.5 Kết luận

Công nghệ cán nêm ngang được áp dụng phổ biến ở các nước pháp triển như Nga, Mỹ,… vv để chế tạo các chi tiết phức tạp từ phôi hình trụ trong các ngành cơ khí, bởi phương pháp này có nhiều ưu điểm hơn so với các công nghệ truyền thống khác Ở Việt nam công nghệ này chưa được áp dụng mà chỉ có giảng dạy về lý thuyết trong nhà trường Chính vì vậy, việc nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm để tính toán và tối ưu các thông số công nghệ của quá trình, làm cơ sở thiết kế khuôn mẫu cần được tiến hành phục vụ cho sự pháp triển của các ngành công nghiệp cơ khí trong nước

Mô phỏng số tối ưu công nghệ bằng việc ứng dụng các phần mềm công nghiệp có nhiều ưu điểm và được áp dụng rộng rãi trên thế giới nên nghiên cứu và

áp dụng công nghệ này vào thực tiễn ở nước ta là một vấn đề cấn thiết được đặt ra

Mục đích của bản luận văn là khai thác và sử dụng phần mềm để tối ưu các thông số công nghệ trong cán nêm ngang

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÍ THUYẾT VÀ NHỮNG THÔNG SỐ CÔNG NGHỆ

ẢNH HƯỞNG TRONG CÁN NÊM NGANG

2.1 Nguyên lý tạo hình

Quá trình tạo hình của khuôn nêm như sau: Phôi sau khi được nung nóng đến nhiệt độ biến dạng dẻo thích hợp nhằm giảm trở kháng biến dạng được đặt tiếp xúc với 2 khuôn nêm Hai khuôn nêm có hình dạng, kích thước giống nhau hoàn toàn được đặt đối xứng với nhau, sao cho các vùng tạo hình cùng làm biến dạng phôi đồng thời Một khuôn được giữ cố định, khuôn trên di chuyển theo phương tiếp tuyến với phôi, dọc theo chiều dài khuôn hoặc có thể hai khuôn cùng di chuyển song song ngược chiều nhau

Trong quá trình khuôn nêm di chuyển nhờ vào ma sát giữa bề mặt khuôn và phôi, phôi sẽ di chuyển lăn không trượt trên bề mặt khuôn Phần nêm của cả hai khuôn sẽ “ăn ” vào phôi và tạo hình sản phẩm Phôi ban đầu có đường kính D, sau khi gia công đường kính phần thân trục giảm xuống kích thước d

Lượng giảm tiết diện mặt cắt ngang ∆A được tính theo công thức:

Pпр = PX +µPZ (2.3)

Trong đó µ là hệ số ma sát giữa phôi cán và khuôn cán nêm

Lực tỳ РZ được tập trung tại giá cán và xác định lượng biến dạng đàn hồi của nêm Độ biến dạng đàn hồi của nêm càng cao thì độ chính xác của sản phẩm nhận được là càng thấp

Lực dọc trục РY là nguyên nhân gây ra ứng suất kéo trong tâm phôi cán Trong trường ứng suất của lực này đạt được giới hạn chảy sẽ làm mất tiếp xúc của phôi cán với trục tạo nên sự biến dạng quá mức của phôi Trong trường hợp ứngsuất kéo lớn hơn ứng suất chảy thì phôi bị phá hủy Phôi bị đứt là một trong số nguyên nhân gây nên quá trình cán mất ổn định

Hình 2.3 Hệ trục toạ độ minh hoạ các phương của lực cán

2.2 Góc ăn α

Góc ăn α là góc tạo hình của dụng cụ Góc ăn này giữ giá trị không đổi trong suốt chiều dài của khuôn nêm trong quá trình biến dạng góc ăn α vượt quá giá trị tới hạn sẽ suất hiện tượng cổ trục bị thắt đối với chi tiết trục bậc còn đối với chi tiết cán ren thì sẽ không hình thành ren của sản phẩm

2.3 Góc mở β

Góc mở β là góc áp lực lúc này vật liệu bị nén và bị chảy dẻo mãnh liệt về hai phía và thân và đầu trục được tạo thành, nếu β mà lớn thì luợng biến dạng dẻo trong vùng của phôi là lớn, còn nếu trong bài toán cán ren là thông số quan trọng nhất để hình thành ren cho ra sản phẩm cuối cùng

2.4 Các dạng khuyết tật thường gặp trong cán nêm ngang trục phẳng

- Khuyết tật bên trong sản phẩm

Các khuyết tật này được tạo ra và phát triển trong quá trình tạo hình, ứng với mỗi điều kiện gia công, các thông số công nghệ khác nhau thì mức độ tạo khuyết tật

và phát triển của khuyết tật cũng khác nhau Do đó vấn đề đặt ra là cần phải tìm racác thông số công nghệ tối ưu nhất nhằm hạn chế, loại bỏ các khuyết tật hay nói cách khác là các sai hỏng trong gia công

Những khuyết tật cơ học gặp phải trong cán nêm ngang bị ảnh hưởng trực tiếp của các điều kiện gia công và các thông số cơ bản như góc ăn α, góc mở β và mức độ biến dạng ∆A

bề mặt của khuôn tạo hình Như vậy sự trượt xảy ra gây áp lực lên phôi cán màkhông tạo ra biến dạng quay tròn như được trình bày trên hình 2.3 Sự trượt không mong muốn trong giai đoạn đầu của quá trình cán nêm ngang có thể dẫn tới sự không chính xác hoặc sai lệch hình dạng của sản phẩm Theo những nghiên cứu trước đây lượng trượt ban đầu ở vùng cắt và vùng dẫn là yếu tố quyết định kích thước hình dạng mặt cắt cuối cùng của phôi cán và chi phối chiều dài cần thiết mỗi vùng tạo hình của khuôn nêm

- Khuyết tật bề mặt

Khuyết tật thứ hai thường gặp trong quá trình cán nêm ngang là vấn đề khuyết tật bề mặt Khuyết tật bề mặt bao gồm sự tạo thành các rãnh xoắn ở vùng

biến dạng nhiều nhất hoặc cổ trục được tạo nên do sự biến dạng không đều của phôi cán Sự xuất hiện của các vết rãnh xoắn song song làm mở rộng các vết nứt tồn tại trên bề mặt của phôi Những rãnh xoắn sinh ra nhiều nhất khi hệ số ma sát giữa công cụ và phôi lớn Khuyết tật bao gồm sự méo của phôi thường thấy khi phôi biến dạng khoảng 70%

Trong quá trình biến dạng khi góc α và β vượt quá giá trị tới hạn sẽ xuất hiện hiện tượng bị thắt do sự biến dạng mãnh liệt dọc theo trục của phôi

- Những khuyết tật bên trong

Những khuyết tật cơ học bên trong được tìm thấy trong sản phẩm cán nêm ngang, bao gồm sự hình thành các lỗ hổng và vết nứt bên trong phát triển suốt quá trình cán nêm ngang Những khuyết tật này làm giảm độ cứng của phần được tạo hình và cuối cùng dẫn tới phá huỷ sản phẩm Theo một số tài liệu nghiên cứu [4] các nguyên nhân hình thành nên khuyết tật bên trong cơ bản gồm:

(1) Ứng suất kéo lớn theo hướng trục

(2) Ứng suất cắt quá mức do khuôn nêm tạo ra

(3) Phá huỷ mỏi do chu kì phát triển trong suốt quá trình cán

Sự kết hợp ứng suất cắt (yếu tố chính) và ứng suất kéo (yếu tố phụ) là nguyên nhân tạo ra lỗ hổng trong phôi cán

Những lỗ hổng bên trong phát triển rất nhanh dưới tác dụng của ứng suất kéo thứ cấp được tạo ra do ứng suất nén chu kì của phôi Theo hàng loạt các thí nghiệm cán nêm ngang do các nhà khoa học trên thế giới đã nghiên cứu, những vết nứt trong tâm tạo ra do sự kết hợp giữa ứng suất kéo và ứng suất cắt xảy ratrong vùngtrung tâm của phôi, ứng suất cắt lớn đẩy biến dạng dẻo tới giá trị tới hạn và tạo thành vết nứt

Hình 2.5 Sự hợp nhất các lỗ trống do ứng suất cắt [4]

Hình 2.6 Sự hợp nhất các lỗ trống do ứng suất kéo [4]

Khi quan tâm đến hình dạng của phôi, góc tạo hình α, góc áp lực β và độ giảm tiết ∆A là những yếu tố quan trọng trong công nghệ cán nêm ngang Những yếu tố này không chỉ quyết đinh mức độ biến dạng dẻo mà còn đóng vai trò quyết định nơi xảy ra các khuyết tật, kích thước của khuyết tật Theo nhóm nghiên cứu trong tài liệu [4] đã chỉ ra rằng với cùng một lượng giảm tiết ∆A và góc áp lực β thì khi góc tạo hình α càng nhỏ, kích thước khuyết tật càng lớn Ngược lại nếu với cùng góc tạo hình α và độ giảm tiết ∆A thì khi góc áp lực β càng lớn khuyết tật trong tâm cũng phát triển lớn theo Sự biến dạng dẻo của phôi cán phức tạp vì nó bao gồm nội ứng suất, giãn rộng và quá trình chảy dẻo theo hướng tang làm biến đổi hình dạng phôi ứng với mỗi vùng của nêm tạo hình

Hình 2.7 Mặt cắt của thanh có khuyết tật[4]

Hình 2.8 Sự xuất hiện của lỗ hổng lớn bên trong [4]

Hình 2.9 Mặt cắt theo chiều ngang phôi [4]

Hình 2.10 Ứng suất trên vùng khuyết tật [4]

Để nghiên cứu về vấn đề này, có thể tiến hành một loạt các thí nghiệm cán nêm ngang với những điều kiện khác nhau Sau đó ta kiểm tra những mẫu có sự xuất hiện khuyết tât bên trong

Thực tế là tại vùng trung tâm của phôi hình thành rất nhiều các lỗ hổng, do phôi chịu ứng suất kéo bên trong lớn Những lỗ hổng này sẽ phát triển rồi kết hợp lại tạo thành các lỗ hổng lớn hơn, điều này được kiểm chứng trong hình 2.8 trong

đó có xuất hiện hiện diện của những khuyết tật có dạng những dải băng song song kéo dài trong vùng trung tâm của phôi Để hiểu rõ hơn, ta tiến hành cắt thanh đã được cán theo chiều ngang (hình 2.9) có thể dễ dàng nhận ra lỗ hổng lớn bên trong

có hình chữ thập riêng biệt

Hình dạng này có khả năng phát triển trong suốt quá trình cán nêm ngang bởi

vì phôi cán có xu hướng chảy dẻo khi phôi quay giữa các khuôn tạo hình Hình chữ thập tìm thấy trong mặt cắt ngang của phôi cán, giải thích sự kéo dài của các dải băng Vết nứt kéo dài được sinh ra dưới tác dụng của ứng suất kéo theo các hướng chính Ví dụ như mặt cắt B, một mặt tự do kéo dài của vết nứt, ứng suất tác dụng

lên phân tố biến dạng được biểu diễn bởi ứng suất chính thứ σ2 Chính thành phần ứng suất σ2 này gây nên sự hình thành các vết nứt đối xứng ở giữa phôi cán Hình 2.10 Vết nứt này thường theo hướng chính và sẽ mở rộng trong suốt quá trình quay tròn của phôi cán

Như vậy qua phân tích sự hình thành và những nguyên nhân gây ra khuyết tật của cán nêm ngang để hiểu và phân tích bài toán cán ren vít

2.5.Kết luận

Các thông số cơ bản của công nghệ cán nêm ngang là góc ăn α, góc mở β, mức độ biến dạng ∆A và ảnh hưởng của các khuyết tật trong quá trình cán Các thông số trên cho ta thấy nó có liên quan chặt chẽ với nhau trong quá trình tạo hình sản phẩm

Qua nghiên cứu các thông số ảnh hưởng tới quá trình cán, nhận thấy công nghệ cán nêm ngang là công nghệ tương đối phức tạp Để thực hiện quá trình tạo hình đối với vật liệu cụ thể cần đồng thời tối ưu các thông số công nghệ, góc ăn α, góc mở β, mức độ biến dạng ∆A Phương pháp mô phỏng số được lựa chọn để tối

ưu công nghệ cán nêm ngang là hợp lý bởi những ưu điểm nổi trội của nó so với phương pháp khác Các kết quả nghiên cứu lý thuyết có ý nghĩa thực tế quan trọng phục vụ cho các bước mô phỏng công nghệ tiếp theo

CHƯƠNG 3: GIỚI THIỆU CHUNG VỀ PHẦN MỀM DEFORM

3.1 Giới thiệu chung về DEFORM

DEFORM là nhóm các phần mền mô phỏng số trên cơ sở phương pháp phần

tử hữu hạn (FEM) được sử dụng rộng rãi trong mô phỏng số quá trình tạo hình kim loại và hợp kim, quá trình gia công cơ cũng như phân tích khuôn tạo hình Nhóm các phần mềm này được pháp triển bởi tập đoàn SFTC (Scientific Forming Technologies Corporation) từ năm 1991 Việc thực hiện mô phỏng số sẽ tối ưu và nâng cao chất lượng đồng thời giảm thiểu những chi phí và số lần sản xuất thử trước khi tiến hành sản xuất hàng loạt cho một loại sản phẩm Deform cũng được dùng cho công tác nghiên cứu thăm dò giúp cho việc định hướng chế tạo khuôn mẫu dễ dàng và hiệu quả hơn, dự đoán và giải thích được các nguyên nhân sai hỏng sản phẩm từ đó tiết kiệm được chi phí sản xuất Do đó, trong nhiều thập kỷ qua, đã nhiều công ty lớn cũng các trung tâm đã ứng dụng vào trong sản xuất và pháp triển sản phẩm của mình

DEFEORM đã được ứng dụng nhiều ngành công nghiệp như hàng không, ô

tô, dầu khí và các ngành công nghiệp khác để cần mô phỏng quá trình biến dạng dẻo kim loại và phân tích khuôn Ngay từ những năm 1990, Deform được dùng để giải quyết hàng nghìn bài toán liên quan đến biến dạng dẻo kim loại, tối ưu hóa quá trình, phân tích lực và ứng suất trên khuôn tạo hình

SFTC đưa ra phiên bản DEFORM 2D dùng cho các máy tính vào năm 1989 Vào năm 1993, phiên bản DEFORM 3D được công bố và ứng dụng để giải quyết các bài toán mô phỏng trên mô hình ba chiều

Vào những năm 1980, DEFORM được ứng dụng lần đầu tiên trong mô phỏng số quá trình rèn nóng cho các sản phẩm rèn Các chi tiết rèn đối xứng trục như đĩa tuabin, trục, bánh răng, trục khuỷu, tay biên, piston, thanh truyền vv.Các quá trình biến dạng nguội như, tán rivet, sản xuất các chi tiết cho vòng bi, vỏ ngoài bugi, đã được mô phỏng bằng DEFORM từ những năm 1990 Việc mô phỏng đã giúp loại bỏ khả năng phá hủy khuôn cũng như dụng cụ biến dạng

Ngày nay DEFORM là tiêu chuẩn vàng cho nhiều nhà sản xuất bởi DEFORM có thể mô phỏng được quá trình cắt khi phay, khoan và thậm chí ta rô DEFORM cũng được dùng để mô phỏng quá trình cán tạo hình kim loại như cán nong vành, cán hành tinh, cán ren, vv

Tập đoàn SFTC hiện đang hỗ trợ các sản phẩm :

- DEFORM 3D: Thực hiện mô phỏng quá trình biến dạng trên mô hình 3D

có tính ảnh hưởng của nhiệt độ; phân tích thay đổi cấu trúc hạt trong quá trình biến dạng

- DEFORD 2D: Cũng được dùng để mô phỏng số các quá trình biến dạng của kim loại và hợp kim trên mô hình 2D; quá trình mô phỏng cũng tính ảnh hưởng của nhiệt độ DEFORD 2D cũng được dùng để nghiên cứu, mô phỏng sự thay đổi cấu trúc hạt sau khi ép ở mô hình 2D

- DEFORM F3: Được ứng dụng trong mô phỏng trên mô hình 3D cho quá trình rén, chồn, ép chảy cũng như dập sâu

- DEFORM F2: Cũng giống như DEFORM F3, tuy nhiên việc mô phỏng số các quá trình tạo hình được thực hiện trên mô hình 2D cho các chi tiết đối xứng trục hay trong bài toán biến dạng phẳng

- DEFORM HT: Được dùng nhiều trong mô phỏng quá trình truyền nhiệt, nhiệt luyện như ủ tôi, thấm cácbon cũng như sự thay đổi cấu trúc hạt do nhiệt DEFORM HT cho kết quả về độ cứng, ứng suất dư, biến dạng do nhiệt và các thuộc tính cơ học khác của vật liệu sau khi sử lý nhiệt DEFORM HT cũng được tích hợp với các DEFORM 3D và DEFORM 2D để phân tích sự thay đổi cấu trúc hạt của kim loại và hợp kim trong quá trìng biến dạng

Ngoài ra, để mở rộng khả năng tính toán, mô phỏng và giúp đẩy nhanh quá trình mô phỏng số, SFTC cũng pháp triển nhiều module chuyên dùng, tích hợp trên nền sản phẩm DEFORM 2D, 3D như: cán nong vành (Ring rolling), coogging, các tạo hình, các công cụ cho phép chỉnh sửa mô hình khi đưa được vào DEFORM để

mô phỏng (Geometry Tool) và module cho phép đưa hàm phụ thuộc của hệ số

truyền nhiệt cục bộ và nhiệt độ trên cơ sở dữ liệu thực nghiệm (Inverse Property Extraction(2D))

3.2 Cấu trúc phần mềm DEFORM

Cũng như các phần mềm mô phỏng số khác, phần mền DEFORM 3D có cá module chính như sau:

- Tiền xử lý (Pre-processing)

- Module giải (Solver)

- Hậu xử lý (Post Processing)

3.2.1 Tiền xử lý (pre-processing)

Module này cung cấp các công cụ cho phép người dùng xây dựng mô hình hình học, chia lưới phần tử hữu hạn, chọn loại vật liệu với mô hình thuộc tính biến dạng tương ứng, xác định các điều kiện biên về lực, vận tốc, gia tốc, nhiệt độ, hệ số truyền nhiệt, các điều kiện biên tiếp xúc Và tạo cơ sở dữ liệu phục vụ cho quá trình tính toán ở bước sau (Solver) Người dùng cũng có thể thay đổi các thông số liên quan đến quá trình tính toán (Solver) như kiểu bài toán (bài toán biến dạng, bài toán nhiệt) phương pháp tính (Ơle, Lagrangian), các bước tính toán, các bước lặp cùng với việc chọn module giải (solver) phù hợp

• Mô hình hình học

DEFORM 3D cung cấp một số các công cụ cho phép người dùng xây dựng

mô hình học, tuy nhiên do có nhiều hạn chế cũng như mức độ linh hoạt người dùng thường đưa (improt) các mô hình hình học đã được thiết kế trên các phần mềm CAD chuyên dụng vào Các phần mền CAD chuyên dụng này có thể kể đến là

SOLIDWORK, CATIA, NX hay ProE Dữ liệu CAD đầu vào ở dạng igs hoặc step hoặc.stl DEFORM 3D sẽ chuyển đổi các dữ liệu CAD này thành dữ liệu của

chương trình và cho phép chia lưới cũng như các chức năng khác để dụng mô hình tính

Trên thực tế, phương pháp dựng mô hình hình học bằng cách đưa các mô hình đã được thiết kế trên phần mềm CAD chuyên dụng vào DEFORM 3D được sử nhiều hơn cả Lý do chính là việc tạo mô hình hình học trên DEFORM 3D bị hạn chế và tốn nhiều thời gian khi dựng các mô hình phức tạp, đồng thời hạn chế thời gian thiết kế lại các mô hình hình học có sẵn

Mô hình hình học sau khi đưa vào DEFORM sẽ được kiểm tra và chỉnh sửa (bề mặt khối); xác định các mặt phẳng đối xứng ( khi tính toán cho các bài toán đối xứng trục)

• Chia lưới (meshing)

Quá trình chia lưới được thực hiện một cách tự động DEFORM hỗ trợ hai kiểu phần tử là khối tứ diện (tetrahedra) và khối lập phương (brick) Tùy thuộc vào

mô hình vật liệu cũng như bài toán cần giải mà người dùng chọn kiểu dạng phần tử phù hợp

Ngoài việc cho phép tạo lưới phần tử bằng các công cụ có sẵn trong chương trình, DEFORM 3D cũng cho phép đưa lưới phần tử đã được chia bằng các phần mềm mô phỏng trên cơ sở phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) khác như NATRAN, PATRAN, AMGGEO, IDEAS

Sau khi chia lưới phần tử, người dùng có thể kiểm tra lưới phần tử bằng công

cụ “ check mesh”, tuy nhiên DEFORM không có nhiều công cụ mạnh để chỉnh sửa

lưới phần tử sau khi chia Do kết quả bài toán phụ thuộc khá nhiều vào chất lượng lưới chia lưới phần tử nên việc kiểm tra cũng như hiệu chỉnh sau khi chia lưới là rất cấp thiết Trên thực tế người ta thường sử dụng kết hợp với phần mềm HyperMesh của hãng Altair (Ấn độ) để thực hiện việc chia lưới và chỉnh sửa lưới phần tử, sau

đó lưới phần tử này được đưa vào trong DEFORM 3D để tính toán

Khi chia lưới tự động trong DEFROM 3D, người dùng có thể thay đổi kích thước của phần tử, kích thước càng nhỏ thì số lượng phần tử và số lượng nút càng lớn, kết quả tính càng chính xác Tuy nhiên, khi số lượng phần tử càng lớn, quá trình tính toán càng lâu Như vậy tùy thuộc vào mức độ chính xác cần thiết, cấu hình máy tính được dùng để tính toán mà ta chọn kích thước phần tử phù hợp