GIỚI THIỆU
Tính cấp thiết của đề tài
Công nghệ dập tấm là phương pháp tiên tiến trong gia công kim loại, sử dụng lực để biến dạng tấm kim loại, cho phép tạo hình hoặc cắt đứt Sản phẩm từ công nghệ này có chất lượng cao về cơ tính và bề mặt, đồng thời thân thiện với môi trường và tối ưu hóa việc sử dụng vật liệu thừa Đặc biệt, khi tích hợp công nghệ siêu âm, năng suất và chất lượng sản phẩm có thể được nâng cao đáng kể Vậy tích hợp siêu âm là gì?
Siêu âm kim loại hình thành là việc sử dụng sóng siêu âm để tạo ra sai lệch mạng và biến dạng dẻo, giúp khuếch tán, sưởi ấm, biến đổi pha và cải thiện ma sát bề mặt Việc tích hợp siêu âm vào quá trình này giúp nâng cao hiệu quả biến dạng dẻo cho kim loại, đồng thời giảm thiểu mài mòn và lực dập cần thiết, từ đó giảm số lượng nguyên công dập và cải thiện chất lượng bề mặt.
Hiện nay, dập tấm đóng vai trò thiết yếu trong nhiều lĩnh vực quan trọng như chế tạo ôtô, hàng không, hàng hải, xây dựng, hàng tiêu dùng và các lĩnh vực khoa học quân sự quốc phòng.
Thông qua đồ án này, chúng tôi mong muốn cung cấp cái nhìn toàn diện về ngành dập tấm, đồng thời nghiên cứu ứng dụng siêu âm để hỗ trợ cho ngành dập và các lĩnh vực cơ khí khác.
Tổng quan về tình hình nghiên cứu
Đề tài nghiên cứu thiết kế và chế tạo khuôn dập tích hợp siêu âm nhằm cải thiện chất lượng sản phẩm Thay vì gặp phải tình trạng rách và nhăn khi dập vuốt sâu, việc áp dụng công nghệ siêu âm giúp giảm thiểu đáng kể các lỗi này Nghiên cứu của Lewis Balamuth (1960-1970) cho thấy rằng sản phẩm có sử dụng sóng âm có hình dạng tốt hơn và không xảy ra hiện tượng nứt mép như những sản phẩm thông thường.
Nghiên cứu của U.S Navy (1963) chỉ ra rằng siêu âm có tác dụng đáng kể trong việc giảm lực dập Langenecker (1964) cũng đã đóng góp cho lĩnh vực vuốt sâu, cho thấy rằng việc áp dụng siêu âm trong quá trình vuốt giúp tăng độ sâu vuốt gấp đôi và giảm lực vuốt tới 60% so với phương pháp thông thường.
Kết quả dự kiến
Đề tài mang siêu âm vào khuôn dập làm giảm lỗi trên sản phẩm (rách mép),giảm lực dập và nguyên công dập so với bộ khuôn thông thường.
Dựa trên các tài liệu, nghiên cứu và bài báo quốc tế, chúng tôi phát triển và tích hợp bộ siêu âm vào khuôn dập vuốt Đề tài này kết hợp nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm trên mô hình, nhằm tối ưu hóa quy trình sản xuất.
- Nghiên cứu tổng quan về ngành dập nói chung và dập vuốt nói riêng.
- Nghiên cứu tổng quan về siêu âm và ứng dụng của nó.
- Nghiên cứu phần mềm mô phỏng hỗ trợ cho quá trình dập.
- Nghiên cứu tính toán điểm đặt bộ siêu âm cho tối ưu hóa.
- Nghiên cứu, tính toán bộ khuôn dập vuốt.
- Thử nghiệm dập trên bộ khuôn.
Phương pháp nghiên cứu
Dựa trên các tài liệu, nghiên cứu và bài báo quốc tế trước đó, chúng tôi phát triển và tích hợp bộ siêu âm vào khuôn dập vuốt Đề tài này kết hợp nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm trên mô hình để đạt được kết quả tối ưu.
- Nghiên cứu tổng quan về ngành dập nói chung và dập vuốt nói riêng.
- Nghiên cứu tổng quan về siêu âm và ứng dụng của nó.
- Nghiên cứu phần mềm mô phỏng hỗ trợ cho quá trình dập.
- Nghiên cứu tính toán điểm đặt bộ siêu âm cho tối ưu hóa.
- Nghiên cứu, tính toán bộ khuôn dập vuốt.
- Thử nghiệm dập trên bộ khuôn.
CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ CÔNG NGHỆ DẬP TẤM VÀ CÔNG NGHỆ SIÊU ÂM
TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ DẬP TẤM
Giới thiệu về tình hình nghiên cứu công nghệ dập tấm trên thế giới và tại Việt Nam
Hiện nay, ngành công nghiệp dập tấm và chế tạo máy đang trải qua giai đoạn phát triển mạnh mẽ, đặc biệt trong lĩnh vực ôtô với các sản phẩm chất lượng cao được ưa chuộng toàn cầu Ngành dập ôtô chủ yếu sản xuất khung gầm, vỏ xe và các chi tiết máy, nhờ vào công nghệ số trong thiết kế và tính toán, tạo ra những mẫu xe an toàn và chính xác Tại Đông Nam Á, chỉ Thái Lan có khả năng sản xuất vỏ xe ôtô du lịch và vận tải nhẹ Ngoài ra, ngành công nghiệp dập tấm cũng cung cấp các sản phẩm cho hàng không vũ trụ như cánh và vỏ máy bay, đồng thời đóng góp vào sự phát triển của lĩnh vực xây dựng và hàng hải.
Ngành dập tại Việt Nam chủ yếu được biết đến qua các sản phẩm gia dụng như nồi, chảo và muỗng, nhưng việc chế tạo khuôn dập lớn vẫn gặp nhiều khó khăn do yêu cầu về máy móc chính xác Tuy nhiên, nhiều doanh nghiệp đã tiên phong trong việc phát triển công nghệ dập các chi tiết lớn hơn, như vỏ xe du lịch và các sản phẩm từ tấm khác Vinaxuki dự kiến sẽ cho ra mắt chiếc xe du lịch đầu tiên mang thương hiệu Việt vào năm 2013, với vỏ xe được dập trong nước thay vì nhập khẩu Trước đó, một số chi tiết của thân tàu thủy cũng đã được sản xuất trong nước, đánh dấu bước tiến quan trọng trong ngành công nghiệp dập.
Các kỹ sư cần tối ưu hóa quy trình mô phỏng để phản ánh chính xác thực tế Điều này chứng tỏ rằng công nghệ dập tấm tại Việt Nam có khả năng cạnh tranh toàn cầu, nhờ vào việc áp dụng công nghệ tiên tiến và phù hợp với điều kiện trong nước Đội ngũ kỹ sư tương lai cũng được trang bị đầy đủ kiến thức về công nghệ dập, tạo nền tảng vững chắc cho sự phát triển.
2.3 Giới thiệu về công nghệ dập kim loại tấm
Khuôn dập vuốt siêu âm là một công nghệ dập vuốt hiện đại, tập trung vào ứng dụng thực tiễn Bên cạnh đó, các nguyên công khác ngoài công nghệ dập tấm cũng được giới thiệu nhằm cung cấp cái nhìn tổng quan về quy trình sản xuất.
2.3.1 Khái niệm và đặc điểm
Công nghệ dập kim loại tấm là một phương pháp gia công áp lực hiện đại, được sử dụng để chế tạo các sản phẩm từ vật liệu tấm, thép bản hoặc dải cuộn.
Dập tấm có thể tiến hành ở trạng thái nóng hoặc nguội, song chủ yếu gia công ở trạng thái nguội vì vậy còn gọi là dập “nguội”.
Dập tấm là một phương pháp quan trọng và phổ biến trong nhiều ngành công nghiệp, đặc biệt là trong lĩnh vực chế tạo ô tô, máy bay, tàu thủy, thiết bị điện và đồ dùng dân dụng.
Tỷ lệ các chi tiết dập tấm trong một số ngành: Máy điện 60÷70%, ô tô máy kéo 60÷95%, đồ dùng dân dụng 95÷98%.
2.3.2 Đặc điểm của dập nguội
Dập nguội là phương pháp gia công kim loại bằng áp lực, sử dụng các quy trình công nghệ đặc biệt và không tạo ra phoi.
Các dấu hiệu thể hiện những đặc trưng của phương pháp dập nguội:
- Gia công kim loại ở trạng thái nguội.
- Thiết bị sử dụng: máy ép, các máy tự động khác nhau tạo ra lực cần thiết để làm biến dạng vật liệu tấm.
- Dụng cụ sử dụng: những kiểu khuôn khác nhau để trực tiếp thực hiện những nguyên công cần thiết và làm biến dạng kim loại.
- Dạng vật liệu được gia công chủ yếu là kim loại tấm, dải, băng và những vật liệu phi kim loại tấm khác.
Hình dáng và kích thước của chi tiết cần dập phải tương thích chính xác với các bộ phận làm việc của khuôn, bao gồm cối và chày.
Dập nguội là một trong những phương pháp công nghệ tiến bộ nhất của quá
Khả năng công nghệ của dập nguội:
- Thực hiện các nguyên công phức tạp bằng những hành trình đơn giản của máy ép.
- Chế tạo các chi tiết lắp lẫn có độ chính xác cao, phần lớn không cần gia công tiếp theo.
- Lượng tiêu hao vật liệu ít, có thể chế tạo các chi tiết có cơ cấu bền, cứng, nhẹ.
Ưu điểm của dập nguội về mặt kinh tế:
- Khả năng tiết kiệm được nguyên vật liệu, có thể dễ dàng thu gom phế liệu, tận dụng vật liệu thừa.
- Năng suất cao do khả năng tự động hóa cao, nguyên công đơn giản.
- Khả năng sản xuất hàng khối và giảm giá thành sản phẩm.
Để tối ưu hóa hiệu quả ứng dụng công nghệ dập nguội, cần giải quyết các vấn đề kỹ thuật trong các khâu chuẩn bị sản xuất.
- Thiết kế kết cấu, hình dáng của chi tiết hợp lý và có tính công nghệ cao để chế tạo chúng kinh tế nhất.
- Chọn vật liệu phải phù hợp với sản phẩm để đảm bảo cơ tính vật liệu trong quá trình sản xuất.
- Thiết kế một quy trình sản xuất phù hợp quy trình công nghệ dập về kỹ thuật, kinh tế.
- Kết cấu khuôn phải được tính toán hợp lý, đảm bảo khả năng công nghệ, độ bền, độ cứng vững trong quá trình sản xuất.
- Chọn và sử dụng hợp lý kiểu và công suất máy ép.
- Tổ chức môi trường làm việc phù hợp với sản phẩm và qui mô sản xuất.
- Giữa quy trình công nghệ dập và thiết kế khuôn phải có quan hệ mật thiết mặc dù có thể thực hiện độc lập riêng lẻ.
2.3.3 Phân loại các nguyên công cơ bản
Dập nguội gồm nhiều nguyên công khác nhau, việc phân biệt sẽ dựa vào các dấu hiệu sau:
- Theo tính chất và loại biến dạng.
Dựa vào tính chất biến dạng, quá trình dập nguội được phân thành hai nhóm chính: biến dạng cắt tách vật liệu và biến dạng dẻo Nhóm đầu tiên bao gồm các biến dạng có tác dụng chia tách vật liệu.
Nhóm biến dạng dẻo là những biến dạng thay đổi hình dáng hình học của chi tiết và không xảy ra phá hủy vật liệu.
Theo tính chất và loại biến dạng chủ yếu có các hình thức biến dạng sau:
- Cắt tách phần vật liệu này với phần vật liệu khác theo một đường viền kín hoặc hở.
- Uốn: biến đổi phôi phẳng thành chi tiết cong.
Dập vuốt là quá trình chuyển đổi phôi phẳng thành các chi tiết có hình dạng đa dạng Trong bối cảnh này, dập vuốt được coi là nguyên công chính và quan trọng.
Dập thể tích là quá trình thay đổi tiết diện, hình dáng hoặc chiều dày của phôi bằng cách phân bố lại thể tích và dịch chuyển một phần khối lượng vật liệu trên phôi.
Theo nguyên công dập, có hai nhóm chính: dập từng nguyên công đơn lẻ và dập liên hợp Dập đơn lẻ thường được áp dụng cho các nhà xưởng vừa và nhỏ với quy mô sản xuất không lớn, nơi mà chi tiết chỉ cần được dập một lần Trong khi đó, dập liên hợp kết hợp hai hoặc nhiều nguyên công dập khác nhau trong một bộ khuôn, mang lại hiệu quả cao hơn trong sản xuất.
Theo đặc điểm công nghệ dập liên hợp được chia làm 2 nhóm:
- Liên hợp các nguyên công cắt.
- Liên hợp các nguyên công tạo hình.
- Liên hợp các nguyên công cắt và tạo hình tức là kết hợp dập tạo hình và cắt chi tiết trong cùng một bộ khuôn.
Theo phương pháp kết hợp nguyên công, dập liên hợp được chia ra làm ba nhóm:
- Phối hợp: một số nguyên công khác nhau được thực hiện cùng lúc trong một hành trình của máy dập một lần đặt phôi và một bộ khuôn.
Liên hợp là quá trình thực hiện nhiều nguyên công khác nhau trong các hành trình dập của máy, sử dụng những chày riêng biệt Trong quá trình này, phôi sẽ được dịch chuyển từ chày đầu tiên đến chày cuối cùng, với mỗi hành trình tạo ra một sản phẩm hoàn chỉnh.
Dập liên tục phối hợp là sự kết hợp giữa hai phương pháp dập chính và các nguyên công phụ Những nguyên công này bao gồm chuẩn bị phôi, bôi trơn, mài cạnh sản phẩm, khử dầu mỡ và rửa sạch, nhằm đảm bảo chất lượng và hiệu quả trong quá trình sản xuất.
2.4 Biến dạng của vật liệu trong gia công áp lực
2.4.1 Sự biến dạng dẻo kim loại
Sự biến dạng của vật liệu trong quá trình cắt được chia là ba giai đoạn liên tục (Hình 2.1)
Hình 2.1: Đồ thị biến dạng phá hủy kim loại.
TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ SIÊU ÂM
2.7 Tổng quan về tình hình nghiên cứu ở nước ngoài Đầu những năm 1960 -1970, Lewis Balamuth đã có những đóng góp cho việc tạo hình kim loại với những trợ giúp của sóng siêu âm Khi sử dụng một sóng âm tần số 16 kHz kích vào phần chày và sử dụng cối với với dạng lỗ sâu đơn giản, đối với vật liệu , khi so sánh kết quả của việc có và không có kích sóng âm thì hình dạng của sản phẩm có sóng âm có được hình dạng tốt hơn và không có xảy ra hiện tượng bị nứt mép so với sản phẩm còn lại.
Vào năm 1963, Hải quân Hoa Kỳ đã báo cáo về tác động của siêu âm trong quá trình dập vuốt tấm nhôm Ngoài những lợi ích đã được nêu, siêu âm còn giúp giảm lực dập và cải thiện khả năng dập sâu hơn.
Langenecker (1964) đã có những đóng góp quan trọng trong lĩnh vực vuốt sâu, đặc biệt khi áp dụng siêu âm trong quá trình này Sử dụng một bộ khuôn đơn giản để thử nghiệm, kết quả cho thấy rằng việc sử dụng siêu âm có thể tăng gấp đôi độ sâu vuốt so với phương pháp thông thường, đồng thời giảm lực vuốt xuống 60%.
Hình 2.15: Mô hình thí nghiêm dập vuốt siêu âm của Langenecker (1964)
Nghiên cứu của Kristoffy (1969) là một trong những nghiên cứu hoàn thiện nhất về quá trình dập vuốt có siêu âm, trong đó đầu siêu âm được đặt trực tiếp vào chày và xung quanh cối Hình 2.11a minh họa vị trí của đầu siêu âm, trong khi hình 2.11b cho thấy tác dụng rung của đầu siêu âm làm giảm lực dập Mặc dù các giá trị ghi nhận trên thiết bị đo chuyên dụng, nhưng số liệu này vẫn chưa hoàn toàn chính xác do độ chính xác của các thiết bị đo đạc.
Hình 2.11: (a) mô hình dập vuốt có siêu âm thực hiện bởi Kristoffy (1969), (b)
Nghiên cứu của Sansome (1973) về dập sâu cho thấy rằng trong quá trình dập vuốt sâu các sản phẩm như lon nước và ly nước, lực tác dụng lên cối giảm 7%, đồng thời tốc độ dập được tăng nhanh hơn.
Vào năm 1975, Smith và Sansome đã cải tiến mô hình bằng cách tăng gấp đôi số lượng đầu phát siêu âm, dẫn đến việc giảm lực dập đo trên cối tới 25% so với tần số phát ban đầu.
Hình 2.12: Mô hình thí nghiêm dập sâu của Sansome (1973) 2.7.1 Khái niệm siêu âm
Siêu âm là dao động cơ học truyền qua môi trường vật chất, làm cho các phần tử trong môi trường này dao động khỏi vị trí cân bằng Sự tương tác giữa các phân tử khiến chúng ảnh hưởng lẫn nhau, tạo ra sóng lan truyền.
Siêu âm là những dao động đàn hồi có tần số f > 16 KHz, cao hơn tần số âm mà con người nghe được.
Dao động siêu âm được tạo ra từ nhiều nguồn phát khác nhau, bao gồm việc chuyển đổi chuyển động của các dòng thuỷ khí thành dao động siêu âm Ngoài ra, dao động điện cũng có thể được chuyển đổi thành dao động siêu âm thông qua các biến tử.
Siêu âm, về bản chất, tương tự như các dao động cơ học khác và được đặc trưng bởi các đại lượng vật lý như tần số, biên độ và chu kỳ.
Một số khái niêm cơ bản:
- Chu kì (T) là khoảng thời gian thực hiện nén và giãn Đơn vị thường được tính bằng đơn vị đo thời gian (s, ms).
- Biên độ là khoảng cách lớn nhất giữa hai đỉnh cao nhất và thấp nhất.
- Tần số (f) là số chu kì dao động trong một giây, đơn vị đo là Hz.
- Bước sóng ( ) là độ dài của một chu kì giao động.
Tốc độ siêu âm (c) là khoảng cách mà sóng siêu âm di chuyển trong một đơn vị thời gian và không bị ảnh hưởng bởi công suất của máy phát Thay vào đó, tốc độ này phụ thuộc vào tính chất của môi trường truyền âm, trong đó môi trường có mật độ phân tử cao và tính đàn hồi lớn cho phép siêu âm truyền đi với tốc độ nhanh hơn, trong khi môi trường có mật độ phân tử thấp sẽ làm giảm tốc độ truyền của sóng siêu âm.
2.8 Phân loại sóng âm và siêu âm
Tùy theo tính chất của môi trường đàn hồi, có hai loại sóng siêu âm:
- Sóng dọc: gây nên sự co dãn trong môi trường rắn, lỏng, khí.
- Sóng trượt: gây nên sự trượt giũa các lớp môi trường chất rắn.
Tùy vào nguồn phát, hai loại sóng cơ bản trên được chia ra:
- Sóng phẳng: Phát ra từ nguồn phát là mặt phẳng, nó truyền theo phương thẳng góc với nguồn phát.
- Sóng trụ: Phát ra từ nguồn phát là mặt trụ, nó lan truỳen theo phương hướng kính, thẳng góc với mặt trụ.
- Sóng cầu: Phát ra từ nguôn phát là mặt cầu, nó lan truyền theo mọi hướng, thẳng góc với mặt cầu.
Theo công dụng, trong môi trường đàn hồi hạn chế:
- Sóng dọc: Là sóng đàn hồi, co dãn, hướng dao động của các phần tử trùng với hướng truyền sóng.
- Sóng ngang: Là sóng đàn hồi mà hướng dao động của các phần tử thẳng góc với phương truyền sóng.
- Sóng dọc - ngang: Là sóng đàn hồi vừa có dao động dọc vừa có dao động ngang của các phần tử theo phương truyền sóng.
Sóng uốn là loại sóng lan truyền trong thanh, trong đó các phần tử không dao động song song mà có hướng nghiêng so với trục dọc của thanh.
Sóng xoắn là loại sóng trượt mà tại mỗi tiết diện ngang vẫn giữ vị trí cố định nhưng quay quanh trục của thanh, trong khi trục thanh vẫn không thay đổi Hiện tượng này xảy ra khi thanh chịu tác động của mômen xoắn đàn hồi.
2.9 Các thông số trong siêu âm
2.9.1 Phương trình truyền sóng âm và siêu âm
P – Áp lực siêu âm. t– Thời gian truyền sóng.
C – Tốc độ siêu âm. x, y, z – Tọa độ đề các 3d.
2.9.2 Tốc độ âm trong chất rắn
Là sự truyền sóng âm và siêu âm trong môi trường gây nên áp lực âm và được xác định bởi biểu thức:
1 - áp lực tĩnh của môi trường.
2 - áp lực thay đổi do sóng âm gây ra.
0 - biên độ áp lực âm. f – tần số siêu âm.
– tỷ trọng của môi trường. x – tọa độ
Mật độ năng lượng âm có thể xác định theo động năng khi tốc độ dao động đạt cực đại.
− E: mật độ năng lượng âm.
Cường độ âm là năng lượng âm truyền qua một đơn vị diện tích bề mặt đặt thẳng góc với phương truyền sóng sau một đơn vị thời gian.
I = E.c Cường độ âm nghe được < 10-3 W/cm 2
Cường độ âm trung bình từ 0.1 ÷ 2 W/cm 2
Cường độ âm cao > 10-3W/cm 2
Cường độ sóng âm, được đo bằng w/cm², thể hiện mức năng lượng do sóng âm tạo ra trên một đơn vị diện tích Mặc dù cường độ sóng âm suy giảm dần trong quá trình truyền, tần số của nó vẫn không thay đổi Đặc biệt, cường độ của sóng siêu âm là giá trị tương đối, cho phép so sánh sự khác biệt về cường độ siêu âm tại hai vị trí khác nhau trong không gian.
2.10 Tính chất của Siêu âm
− Sự lan tuyền của sóng âm
Trong môi trường đồng nhất, sóng âm di chuyển theo đường thẳng và trải qua hiện tượng suy giảm năng lượng Hiện tượng này tuân theo quy luật nghịch đảo của bình phương khoảng cách, dẫn đến việc âm thanh mất dần năng lượng khi khoảng cách tăng Đồng thời, năng lượng âm cũng bị hấp thụ bởi vật chất, tạo ra nhiệt.
Trong môi trường không đồng nhất, sóng âm phản hồi tạo ra âm dội hay âm vang (echo) khi gặp mặt phẳng thẳng góc với chùm sóng, trong khi phần còn lại tiếp tục lan truyền theo hướng của chùm sóng phát ra Đặc biệt, tại đường ranh giới giữa hai môi trường có trở kháng âm khác nhau, hiện tượng này phụ thuộc vào cấu trúc vật chất và số nguyên tử của chúng.
Tổng trở âm được tính toán theo công thức:
Tổng trở âm = áp suất âm vận tốc phân tử x diện tích bề mặt
Hoặc khi tính toán theo tổng trở âm riêng phần: tổng trở âm riêng phần Tổng trở âm =
− Sự khúc xạ, nhiễu âm: diện tích bề mặt
PHƯƠNG HƯỚNG VÀCÁC GIẢI PHÁP ĐẶT BỘ SIÊU ÂM VÀO KHUÔN DẬP VUỐT
Mục đích, phương pháp đặt siêu âm và những khó khăn
Mục đích: Để siêu âm tác dụng trực tiếp (truyền sóng và rung) vào vị trí đặt phôi.
Phương pháp đặt siêu âm :
Đặt vào dưới phần cối.
Đặt vào ngang phần cối.
Thiết kế khuôn phù hợp với cấu tạo siêu âm.
3.1.1 Đặt siêu âm vào dưới phần cối
Hình 3.1: Đặt bộ siêu âm tiếp xúc dưới phần cối
- Dễ gá đặt, kết cấu khuôn không thay đổi nhiều.
- Lực dập giảm không đáng kể do sóng siêu âm phân tán ra phần đế khuôn chứa cối.
3.1.2 Đặt siêu âm tiếp xúc ngang phần cối
Hình 3.2: Đặt bộ siêu âm tiếp xúc ngang phần khối
- Giảm lực dập tốt hơn (Hình 3.2), do siêu âm tác dụng vào phần cối nhiều hơn.
- Siêu âm tác động lên phôi không đồng đều.
3.1.3 Đặt bộ siêu âm vào phần chày
Hình 3.3: Đặt bộ siêu âm tiếp xúc phần chày
- Giảm lực dập hiệu quả nhất.
- Tạo độ cộng hưởng với khuôn cao, phù hợp với mục đích ban đầu.
- Lực dập lớn dẫn đến nguy cơ vỡ thạch anh trong bộ siêu âm.
Kết luận
Để đảm bảo tính tương thích với cấu tạo bộ siêu âm mà không làm vỡ thạch anh trong quá trình dập, cần thiết kế lại chi tiết khuôn, đặc biệt là phần chày, nhằm thay thế cho chi tiết booster trong bộ siêu âm.
- Lắp chặt phần chày sau thiết kế với chi tiết transducer của bộ siêu âm.
Hình 3.4 Khuôn và siêu âm sau thiết kế
TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ CƠ KHÍ
Tính toán phôi
Để xác định tính phôi phẳng, cần xác định đường kính phôi, bao gồm cả lượng dư để cắt mép Công thức trong hình 2.11 được áp dụng với chiều cao của chi tiết bằng 1.
Theo sổ tay dập nguội, lượng dư cắt mép sau khi dập là 7 mm Với chiều dày thành chi tiết nhỏ hơn 2 mm, có thể tính toán đường kính phôi dựa trên kích thước ngoài của nó.
Hình 4.1: Hình dạng sản phẩm
Đây là chi tiết có tỷ số = 1 và chiều dày tương đối của phôi nhỏ :
100= 1,25-1,5 là không chặn phôi Do vậy không cần phải dập vuốt có chặn phôi.
Mức độ dập vuốt cho phép trong các nguyên công phụ thuộc vào chiều dày tương đối của phôi, bán kính lượn ở đáy phải đủ lớn và chiều dày tương đối của phôi cũng là yếu tố quan trọng.
Ta cần các nguyên công :
Do đó các đường kính trung gian khi dập vuốt d10mm chiều sâu dập 6mm, d 2 mm chiều sâu dập 15mm.
Vì bộ khuôn dập vuốt có sự tích hợp siêu âm để thử nghiệm giảm nguyên công trong quá trình dập nên ta chỉ dập qua một nguyên công.
Thể tích phôi dịch chuyển:
Tính lực dập vuốt
Lực dập bao gồm nhiều lực : lực của biến dạng kim loại, lực của vành ép, lực để thắng lực ma sát giữa vật liệu và chày, cối …
Trong thực tế có thể tính :
• Lực dập gần đúng R : R = P + Q (P là lực biến dạng, Q là lực ép phôi).
• Lực biến dạng chi tiết hình trụ : = 1 1 ( ).
• k 1 - hệ số điều chỉnh lần đập giãn đầu, phụ thuộc m1-hệ số dập cho phép
Bảng 4.1: Bảng tra hệ số k 1 theo m 1
Trị số lực ép của vành được tính: Q = F.q (N).
F - diện tích vành ép tiếp xúc với chi tiết (mm2
Bảng 4.2: Bảng tra áp suất ép q (N/mm 2 ).
Khe hở giữa chày và cối
Khi dập vuốt chi tiết tròn xoay: Z min = (1,0÷1,3)S (S - chiều dày phôi, mm) Khi đó :
Khi dập vuốt chi tiết có kích thước bên ngoài cho trước, người ta lấy khe hở theo chày:
Trong đó: d c, d ch : đường kính của khối chày z : trị số khe hở về 1 phía
D sp : đường kính ngoài của sản phẩm d sp : đường kính trong của sản phẩm
4.4 Bán kính lượn của chày, cối và chiều sâu h
Trị số bán kính lượn của cối có thể xác định theo bảng (trong sổ tay dập nguội) hoặc tính theo công thức sau:
D: đường kính phôi hoặc đường kính bước trước d: đường kính bước tiếp theo sau
S: là chiều dày tấm phôi (mm)
Bán kính lượn cạnh chày cho tất cả các nguyên công, ngoại trừ nguyên công cuối cùng, nên được chọn là ℎ = hoặc bé hơn một chút Đối với nguyên công cuối cùng, bán kính lượn cạnh chày phải bằng bán kính lượn trong của sản phẩm, nhưng không được nhỏ hơn (2÷3)S khi S ≤ 6 mm và nhỏ hơn (1,5÷2)S khi S > 6 mm Trong quá trình tinh chỉnh, có thể giảm bán kính chày, cối từ 2÷5 lần nhưng không được nhỏ hơn 0,5S.
Vì chỉ dập 1 lần duy nhất và bán kính sản phẩm là 7,5 mm nên ta chọn:
Chiều cao phần làm việc: h = (0,3÷2)d c = 0,67.15,05 (mm).
Lập quy trình công nghệ gia công các tấm khuôn
5.1.1 Quy trình gia công tấm đế khuôn (tấm số 6)
Gia công 6 mặt đạt dung sai.
Khoan các lỗ bu lông.
Chu trình gia công công
Gia công phay 2 cạnh của tấm khuôn.
Lật phôi, kẹp chặt ngàm ê tô vào 2 cạnh vừa gia công.
Gia công phay 2 cạnh còn lại của tấm khuôn.
2 Phay tiếp mặt dưới của tấm khuôn.
Bảng 5.1: Quy trình gia công tấm đế khuôn.
5.1.2 Quy trình gia công tấm chặn dưới (tấm số 5)
Gia công 6 mặt đạt dung sai.
Khoan các lỗ bu lông.
Chu trình gia công công
Kẹp phôi bằng ê tô.Gia công phay 2
Lật phôi, kẹp chặt ngàm ê tô vào 2 cạnh vừa gia công.
Gia công phay 2 cạnh còn lại của tấm khuôn.
Bảng 5.2: Quy trình gia công tấm chặn dưới.
5.1.3 Quy trình gia công tấm khuôn dưới (tấm số 4)
Gia công 6 mặt đạt dung sai.
Gia công các hốc, đặc biệt là hốc gá đặt bộ siêu âm.
Khoan các lỗ bu lông.
Chu trình gia công công
Gia công phay 2 cạnh của tấm khuôn.
Phay tiếp mặt trên của tấm khuôn.
1 Phay các hốc khuôn, nhất là hốc chứa bộ siêu âm.
Lật phôi, kẹp chặt ngàm ê tô vào 2 cạnh vừa gia công.
Gia công phay 2 cạnh còn lại của
Bảng 5.3: Quy trình gia công tấm khuôn dưới.
5.1.4 Quy trình gia công tấm khuôn trên (tấm số 1)
Gia công 6 mặt đạt dung sai.
Gia công các hốc, đặc biệt là hốc để gá đặt cối.
Khoan các lỗ bu lông.
Chu trình gia công công
Gia công phay 2 cạnh của tấm khuôn.
Phay tiếp mặt trên của tấm khuôn.
1 Phay các hốc khuôn, nhất là hốc chứa cối.
Lật phôi, kẹp chặt ngàm ê tô vào 2 cạnh vừa gia công.
Gia công phay 2 cạnh còn lại của
Khoan lỗ bắt bu lông.
Bảng 5.4: Quy trình gia công tấm khuôn trên (tấm 1).
5.1.5 Quy trình gia công tấm chặn trên (tấm số 3)
Gia công 6 mặt đạt dung sai.
Khoan các lỗ bu lông.
Lật phôi, kẹp chặt ngàm ê tô vào 2 cạnh vừa gia công.
Gia công phay 2 cạnh còn lại của tấm khuôn.
2 Phay tiếp mặt dưới của tấm khuôn. Phay các hốc khuôn.
Bảng 5.5: Quy trình gia công tấm chặn trên (tấm 3).
5.1.6 Quy trình gia công tấm kẹp (tấm số 2)
Gia công 6 mặt đạt dung sai.
Khoan các lỗ bu lông.
Chu trình gia công công
Gia công phay 2 cạnh của tấm khuôn.
Lật phôi, kẹp chặt ngàm ê tô vào 2 cạnh vừa gia công.
Gia công phay 2 cạnh còn lại của tấm khuôn.
5.1.7 Các chi tiết khuôn gia công thực tế
Tấm khuôn trên chứa cối (tấm số 1)
Tấm gá phôi (tấm số 2)
Tấm khuôn âm (tấm số 4) đã được lắp tấm kẹp trên, dưới vào
Gá đặt chày đã tích hợp siêu âm vào bộ khuôn
Chày có tích hợp siêu âm
Bộ khuôn đã lắp ráp hoàn chỉnh
Thí nghiệm và so sánh kết quả
Bộ khuôn đã gán chày tích hượp siêu âm.
Bộ nguồn cho siêu âm.
Hình 5.3: Bộ nguồn cấp cho siêu âm.
Bộ nguồn kích siêu âm có thông số kỹ thuật gồm nguồn vào 220V và nguồn ra khoảng 1000V, với công suất đạt 800W Tần số dòng điện nguồn vào là 50 Hz, trong khi tần số dòng điện nguồn ra là 20 kHz.
Hình 5.4: Máy dập thủy lực.
Thông số máy dập thủy lực DT100 SERIES 100 tấn , tác động 1 chiều, với hành trình xi lanh 330mm.
Quy trình thí nghiệm dập tiến hành theo sơ đồ:
Chuẩn bị phôi Đo đạt lại kết quả dập trên sản phẩm
Bảng 5.7: Sơ đồ quy trình và đo kết quả thí nghiệm.
Sau khi tiến hành dập sản phẩm với hai trường hợp có và không có siêu âm trên hai loại phôi inox và đồng thau, chúng tôi đã thu được những kết quả đáng chú ý.
A Dập inox 304 với chiều sâu 9mm
Dập không sử dụng chặn phôi
Có siêu âm Vật liệu Inox 304 Chiều sâu dập 9 mm Chiều dày phôi 0,5 mm Tốc độ dập 0.2 mm/s Lực dập 2000 N Dập không sử dụng chặn phôi
Bảng 5.8: So sánh dập inox 9 mm có và không có siêu âm.
B Dập inox 304 với chiều sâu 10 mm
C Dập đồng C2400 với chiều sâu 5 mm
Bảng 5.10: So sánh dập đồng thau có và không có siêu âm.
5.1.11 So sánh kết quả thực nghiệm a So sánh kết quả
− Inox dập ở độ sâu 9mm:
Không có siêu âm: Vành phôi bị nhăn giống lúc mô phỏng.
Có siêu âm: Cải thiện được lỗi nhăn bề mặt sản phẩm rõ rệt.
− Inox dập ở độ sâu 10mm:
Cả 2 sản phẩm đều bị rách, mặc dù chịu tác động của siêu âm nhưng kết quả thu được cho thấy chiều sâu dập chưa được cải thiện.
− Đồng C2400 dập ở độ sâu 5mm:
Không siêu âm: Sản phẩm rách khi đạt đến chiều sâu 5mm.
Có siêu âm: Sản phẩm đạt chiều sâu 5mm, không rách Cải thiện được 1 lượng nhỏ chiều sâu dập.
− Đồng C2400 dập ở độ sâu lớn hơn 5mm:
Cả hai sản phẩm đều bị rách, cho thấy rằng việc tác động siêu âm vẫn chưa cải thiện nhiều về chiều sâu dập như đã dự đoán.
Qua quá trình thí nghiệm dập vuốt có siêu âm cho thấy:
Quy trình thiết kế sử dụng phần mềm mô phỏng quá trình dập vuốt AutoForm đã xác định lực chặn phôi chống nhăn gần nhất với giá trị thực tế, đồng thời dự đoán các vùng có khả năng xảy ra hiện tượng nhăn và rách.
Quá trình dập vuốt kim loại tấm yêu cầu tính toán kỹ lưỡng các thông số công nghệ và kích thước phôi cho các chi tiết phức tạp Việc sử dụng phần mềm mô phỏng số giúp dự đoán hư hỏng và mô phỏng các nguyên công dập với nhiều thông số khác nhau, từ đó tối ưu hóa quy trình dập trước khi chế tạo khuôn thực tế Điều này không chỉ giảm thiểu lãng phí do phế phẩm mà còn rút ngắn thời gian thiết kế và chế tạo khuôn Để nâng cao hiệu quả dập vuốt, cần áp dụng các phương án cải tiến phù hợp.
Để nâng cao tuổi thọ của bộ khuôn, tiến hành tôi, ram chày và cối để chày đạt độ cứng 55-59 HRC, của cối là 57-61 HRC.
Để đảm bảo kích thước chính xác và tránh hiện tượng rách tại các góc bo nhỏ trên chày và cối, cần mài lại các vị trí có bán kính góc bo nhỏ mà quá trình gia công trước đó không đạt yêu cầu.
Do ảnh hưởng của nhiều nguyên nhân: độ chính xác gia công, mài mòn chày, cối, ma sát thay đổi.
Sau khi dập ra sản phẩm,thấy rằng khi có siêu âm sản phẩm ít bị nhăn mép hơn so với khi không có siêu âm.
Khi kích sóng siêu âm tác động lên chày, chày sẽ rung động và tạo ra hiệu ứng siêu âm cục bộ lên bề mặt phôi trong quá trình dập Sự chuyển động nhanh hơn của các phần tử kim loại trong phôi cùng với nhiệt năng sinh ra tại vùng tiếp xúc với chày giúp làm giảm đáng kể hiện tượng nhăn mép, đồng thời thúc đẩy quá trình biến dạng dẻo cục bộ trên phôi trở nên dễ dàng hơn.
CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA LUẬ VĂN
Sau quá trình nghiên cứu ứng dụng siêu âm trong dập vuốt kim loại và thực nghiệm trên sản phẩm thực tế, luận văn đã đạt được những kết quả đáng chú ý.
- Tìm hiểu cơ sở lý thuyết để dập vuốt và cơ sở lý thuyết siêu âm.
- Trình bày cơ sở thiết kế sản phẩm và thiết kế gá đặt bộ siêu âm (transducer ultrasonic).
- Mô phỏng quá trình dập vuốt của sản phẩm với phần mềm AutoForm.
Đánh giá và so sánh kết quả thực nghiệm với kết quả mô phỏng bằng phần mềm là bước quan trọng để xác định thông số công nghệ tối ưu cho quá trình dập vuốt Việc này không chỉ giúp cải thiện hiệu suất sản xuất mà còn đảm bảo chất lượng sản phẩm cuối cùng.
- Thiết kế hoàn chỉnh bộ khuôn dập vuốt tích hợp siêu âm.
Ứng dụng mô phỏng số trong công nghệ dập vuốt kim loại tấm là xu hướng cần thiết, giúp dự đoán nhanh chóng các dạng hư hỏng có thể xảy ra trong giai đoạn thiết kế Việc này giảm thiểu sự phụ thuộc vào kinh nghiệm của người thiết kế, đồng thời hạn chế sai sót có thể dẫn đến tổn thất về thời gian và chi phí.
AI GIỚI HẠN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA LUẬN VĂN
Bài luận này tập trung vào việc ứng dụng bộ phát siêu âm để cải thiện quá trình dập vuốt nắp trên các vật liệu như đồng và inox, đồng thời phân tích và lựa chọn các thông số công nghệ tối ưu cho quy trình dập vuốt này.
Tối ưu hóa các thông số công nghệ trong quá trình dập vuốt bằng phần mềm AutoForm giúp đánh giá sự biến dạng hiệu quả Nghiên cứu so sánh sự biến dạng khi dập vuốt có và không có siêu âm ở cùng một chiều sâu dập nhất định, từ đó nâng cao chất lượng sản phẩm và quy trình sản xuất.
Đánh giá sai lệch giữa kết quả phần mềm và thực tế có thể được cải thiện thông qua các phương pháp nâng cao, bao gồm việc chia lưới chi tiết và thống kê số lượng phần tử bị nhăn, rách Những phương pháp này giúp tăng độ chính xác trong việc so sánh và phân tích dữ liệu, từ đó nâng cao hiệu quả của quy trình đánh giá.
- Nghiên cứu, chế tạo 1 số sản phẩm thực tế dựa trên kết quả nghiên cứu về siêu âm đối với vật liệu kim loại.
Dập đồng thau với chiều sâu 5 mm
5.1.11 So sánh kết quả thực nghiệm a So sánh kết quả
− Inox dập ở độ sâu 9mm:
Không có siêu âm: Vành phôi bị nhăn giống lúc mô phỏng.
Có siêu âm: Cải thiện được lỗi nhăn bề mặt sản phẩm rõ rệt.
− Inox dập ở độ sâu 10mm:
Cả 2 sản phẩm đều bị rách, mặc dù chịu tác động của siêu âm nhưng kết quả thu được cho thấy chiều sâu dập chưa được cải thiện.
− Đồng C2400 dập ở độ sâu 5mm:
Không siêu âm: Sản phẩm rách khi đạt đến chiều sâu 5mm.
Có siêu âm: Sản phẩm đạt chiều sâu 5mm, không rách Cải thiện được 1 lượng nhỏ chiều sâu dập.
− Đồng C2400 dập ở độ sâu lớn hơn 5mm:
Cả hai sản phẩm đều bị rách, cho thấy rằng tác động siêu âm chưa cải thiện đáng kể về chiều sâu dập như đã dự đoán Kết luận này nhấn mạnh sự cần thiết phải xem xét lại phương pháp và điều kiện thực hiện để đạt được hiệu quả tốt hơn.
Qua quá trình thí nghiệm dập vuốt có siêu âm cho thấy:
Quy trình thiết kế sử dụng phần mềm mô phỏng quá trình dập vuốt AutoForm đã cho phép xác định lực chặn phôi chống nhăn chính xác, gần với giá trị thực tế Bên cạnh đó, phần mềm cũng dự đoán được các khu vực có khả năng xảy ra hiện tượng nhăn và rách, từ đó giúp tối ưu hóa quy trình sản xuất.
Quá trình dập vuốt kim loại tấm yêu cầu tính toán các thông số công nghệ và kích thước phôi cho các chi tiết phức tạp Việc ứng dụng phần mềm mô phỏng số giúp dự đoán hư hỏng và mô phỏng các nguyên công dập với nhiều thông số khác nhau, từ đó tối ưu hóa quy trình dập trước khi chế tạo khuôn thực tế Điều này không chỉ giảm thiểu lãng phí do phế phẩm mà còn rút ngắn thời gian thiết kế và chế tạo khuôn Đề xuất cải thiện hiệu quả dập vuốt là cần thiết để nâng cao năng suất và chất lượng sản phẩm.
Để nâng cao tuổi thọ của bộ khuôn, tiến hành tôi, ram chày và cối để chày đạt độ cứng 55-59 HRC, của cối là 57-61 HRC.
Mài lại các vị trí có bán kính góc bo nhỏ trên chày và cối là cần thiết để đảm bảo kích thước chính xác, từ đó tránh tình trạng rách xảy ra tại các góc bo này trong quá trình gia công.
Do ảnh hưởng của nhiều nguyên nhân: độ chính xác gia công, mài mòn chày, cối, ma sát thay đổi.
Sau khi dập ra sản phẩm,thấy rằng khi có siêu âm sản phẩm ít bị nhăn mép hơn so với khi không có siêu âm.
Khi kích sóng siêu âm tác động lên chày, chày sẽ rung động, tạo ra hiệu ứng siêu âm cục bộ trên bề mặt phôi trong quá trình dập Sự chuyển động nhanh hơn của các phần tử kim loại trong phôi cùng với nhiệt năng sinh ra ở vùng tiếp xúc với chày giúp tăng cường khả năng biến dạng dẻo cục bộ, từ đó giảm thiểu hiện tượng nhăn mép một cách đáng kể.
CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA LUẬ VĂN
Sau thời gian nghiên cứu ứng dụng siêu âm trong quá trình dập vuốt kim loại và thực nghiệm trên sản phẩm thực tế, luận văn đã đạt được những kết quả quan trọng.
- Tìm hiểu cơ sở lý thuyết để dập vuốt và cơ sở lý thuyết siêu âm.
- Trình bày cơ sở thiết kế sản phẩm và thiết kế gá đặt bộ siêu âm (transducer ultrasonic).
- Mô phỏng quá trình dập vuốt của sản phẩm với phần mềm AutoForm.
Đánh giá và so sánh kết quả thực nghiệm với kết quả mô phỏng bằng phần mềm là bước quan trọng để xác định thông số công nghệ tối ưu cho quá trình dập vuốt Việc này giúp nâng cao hiệu quả sản xuất và đảm bảo chất lượng sản phẩm.
- Thiết kế hoàn chỉnh bộ khuôn dập vuốt tích hợp siêu âm.
Ứng dụng mô phỏng số trong dập vuốt kim loại tấm là xu hướng cần thiết cho công nghệ này Mô phỏng giúp dự đoán nhanh chóng các dạng hư hỏng có thể xảy ra trong giai đoạn thiết kế, giảm thiểu sự phụ thuộc vào kinh nghiệm của người thiết kế Điều này không chỉ giúp tránh sai sót mà còn tiết kiệm thời gian và chi phí.
AI GIỚI HẠN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA LUẬN VĂN
Nội dung luận văn này tập trung vào việc ứng dụng bộ phát siêu âm để cải thiện quá trình dập vuốt nắp trên các vật liệu như đồng và inox Bài viết cũng phân tích và lựa chọn các thông số công nghệ tối ưu nhằm nâng cao hiệu quả của quá trình dập vuốt.
Tối ưu hóa các thông số công nghệ trong quá trình dập vuốt bằng phần mềm AutoForm là rất quan trọng Bài viết này đánh giá sự biến dạng của vật liệu khi dập vuốt có siêu âm so với không có siêu âm, ở cùng một chiều sâu dập nhất định Việc sử dụng các công cụ của AutoForm giúp cải thiện hiệu suất và chất lượng sản phẩm trong quá trình dập vuốt.
Đánh giá sai lệch giữa kết quả phần mềm và thực tế có thể được cải thiện thông qua các phương pháp nâng cao, bao gồm việc chia lưới chi tiết để tăng độ chính xác Ngoài ra, việc thống kê số lượng phần tử bị nhăn và rách cũng giúp xác định các vấn đề tồn tại trong quá trình phân tích, từ đó nâng cao độ tin cậy của kết quả.
- Nghiên cứu, chế tạo 1 số sản phẩm thực tế dựa trên kết quả nghiên cứu về siêu âm đối với vật liệu kim loại.
