Luận văn thạc sĩ hcmute nghiên cứu ảnh hưởng của lực và tốc độ con lăn trong quá trình miết chi tiết dạng tấm

Luận văn thạc sĩ HCMUTE nghiên cứu ảnh hưởng của lực và tốc độ con lăn trong quá trình miết chi tiết dạng tấm, cung cấp kiến thức chuyên sâu.

• Tác giả: Đặng Văn Ánh
• Người hướng dẫn: TS. Lê Tuấn Phương Nam
• Trường học: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Kỹ Thuật Cơ Khí
• Đề tài: Nghiên Cứu Ảnh Hưởng Của Lực Và Tốc Độ Con Lăn Trong Miết Chi Tiết Tấm
• Loại tài liệu: luận văn
• Năm xuất bản: 2016
• Địa điểm: Tp. Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• TÓM TẮT
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Tính cấp thiết của đề tài
• 1.2. Đối tượng nghiên cứu
• 1.3. Các kết quả nghiên cứu được công bố của nước ngoài và trong nước
• 1.4. Mục tiêu, nhiệm vụ và giới hạn đề tài
• 1.4.1. Mục tiêu của đề tài
• 1.4.2. Nhiệm vụ của đề tài
• 1.4.3. Giới hạn đề tài
• 1.5. Cơ sở lí luận và phương pháp nghiên cứu
• 1.5.1. Cơ sở lí luận
• 1.5.2. Phương pháp nghiên cứu
• 1.6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
• 1.6.1. Ý nghĩa khoa học
• 1.6.2. Ý nghĩa thực tiễn
• 2. CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
• 2.1. Lí thuyết biến dạng dẻo vật liệu trong công nghệ miết
• 2.2. Lực công cụ
• 2.3. Các mô hình biến dạng
• 2.4. Thông số quá trình chính
• 2.5. Phương trình toán học quá trình gia công miết
• 2.5.1. Các phương trình toán học của quá trình gia công miết
• 2.5.2. Mô hình vật liệu
• 2.5.3. Cơ sở về tốc độ con lăn
• 3. CHƯƠNG 3: MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH MIẾT BẰNG PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN VỚI ANSYS - LSDYNA
• 3.1. Lựa chọn phần tử
• 3.2. Động học tiếp xúc
• 3.3. Mô hình ma sát
• 3.4. Phương pháp hàm phạt
• 3.5. Phương pháp Lagrange tăng cường
• 3.6. Tiếp xúc nhiệt/cấu trúc
• 3.7. Mô hình toán phần tử hữu hạn
• 3.7.1. Nguyên tắc của Hamilton
• 3.7.2. Các thủ thuật cơ bản của FEM
• 3.7.3. Các kiểu khác nhau của phần tử hữu hạn
• 3.8. Phần tử phẳng 2D
• 3.9. Phần tử tấm
• 3.10. Tiêu chuẩn chảy von Mises
• 3.11. Mô hình số của quá trình miết trong Ansys – LsDyna
• 3.11.1. Sử dụng kiểu phần tử
• 3.11.2. Số phần tử
• 3.11.3. Lựa chọn phần tử
• 3.11.4. Điều kiện biên
• 3.11.5. Chuyển động của con lăn
• 3.11.6. Thông số nhập vào Ansys – Ls-Dyna
• 3.11.7. Kết quả đạt được quá trình chạy mô phỏng
• 3.11.8. Mẫu ò với t = 2(mm)
• 4. CHƯƠNG 4: THỰC NGHIỆM QUÁ TRÌNH GIA CÔNG MIẾT
• 4.1. Máy tiện vạn năng
• 4.2. Thiết bị, vật tư
• 4.2.1. Bộ thiết bị điều khiển tốc độ tiến con lăn
• 4.2.2. Cảm biến lực
• 4.2.3. Bộ khuếch đại
• 4.2.4. Bộ thu và chuyển đổi tín liệu
• 4.2.5. Bộ nguồn điện 24V
• 4.2.6. Thiết bị chống nhiễu
• 4.2.7. Máy tính xách tay
• 4.2.8. Tấm chặn
• 4.2.9. Bộ phận gá con lăn
• 4.3. Tiến hành thực nghiệm
• 4.3.1. Mẫu 01 với t = 1mm
• 4.3.2. Mẫu 02 với t = 1mm
• 4.3.3. Chiều dày chi tiết
• 4.3.4. Độ nhám bề mặt
• 4.3.5. Kết quả đạt được so sánh với kết quả chạy mô phỏng Ls-Dyna chạy trên môi trường ansys
• 4.3.5.1. Mẫu 01 với t = 1mm
• 4.3.5.2. Mẫu 02 với t = 2mm
• 4.3.6. Một số hình ảnh thí nghiệm
• 5. CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• 5.1. Kết luận
• 5.2. Kiến nghị
• TÀI LIỆU THAM KHẢO
• PHỤ LỤC 1
• PHỤ LỤC 2
• PHỤ LỤC 3
• PHỤ LỤC 4
• PHỤ LỤC 5

Tóm tắt

I. Tính cấp thiết của đề tài

Nghiên cứu về lực tác động và tốc độ con lăn trong quá trình miết chi tiết tấm là một vấn đề quan trọng trong ngành kỹ thuật cơ khí. Ngành cơ khí hiện nay đang đối mặt với nhiều thách thức, đặc biệt là trong việc cải thiện công nghệ gia công. Phương pháp miết đã được sử dụng từ lâu, nhưng vẫn còn nhiều hạn chế trong việc áp dụng công nghệ tiên tiến. Việc nghiên cứu này không chỉ giúp nâng cao hiệu quả sản xuất mà còn tiết kiệm chi phí đầu tư ban đầu. Theo đó, việc tối ưu hóa tốc độ con lăn và lực tác động sẽ góp phần nâng cao chất lượng sản phẩm và giảm thiểu phế phẩm trong quá trình sản xuất. Sản phẩm từ quá trình miết có ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như ô tô, không gian vũ trụ, và y tế.

II. Đối tượng nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu chính của đề tài là miết chi tiết dạng tấm, với sự tập trung vào việc phân tích ảnh hưởng của lực tác động và tốc độ con lăn. Nghiên cứu này sẽ sử dụng các phương pháp mô phỏng số để dự đoán các thông số quan trọng như chiều dày của chi tiết sau gia công và ứng suất dư. Việc áp dụng các công nghệ hiện đại trong mô phỏng sẽ giúp giảm thiểu thời gian gia công thử và nâng cao độ chính xác của sản phẩm. Các kết quả thu được từ nghiên cứu sẽ được so sánh với thực nghiệm để đảm bảo tính chính xác và độ tin cậy của mô hình. Điều này không chỉ có giá trị trong lý thuyết mà còn có ứng dụng thực tiễn cao trong ngành công nghiệp.

III. Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu này dựa trên các lý thuyết về biến dạng dẻo của vật liệu và phương pháp phần tử hữu hạn (FEM). Việc xây dựng mô hình toán học cho quá trình miết sẽ được thực hiện thông qua phần mềm Ansys - LsDyna. Mô hình này sẽ giúp phân tích các thông số như lực tác động, chiều dày và độ nhám bề mặt của chi tiết sau gia công. Phương pháp nghiên cứu bao gồm việc thu thập dữ liệu từ các nghiên cứu trước đó, thực hiện mô phỏng số và tiến hành thực nghiệm để kiểm tra tính chính xác của mô hình. Kết quả từ mô phỏng sẽ được so sánh với kết quả thực nghiệm để đánh giá độ tin cậy của phương pháp. Điều này không chỉ giúp nâng cao hiểu biết về quá trình miết mà còn khuyến khích ứng dụng công nghệ CAE trong sản xuất.

IV. Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Kết quả nghiên cứu cho thấy rằng tốc độ con lăn có ảnh hưởng đáng kể đến lực tác động và độ nhám bề mặt của chi tiết sau khi miết. Cụ thể, khi tốc độ con lăn tăng, lực tác động cũng tăng theo, dẫn đến sự thay đổi trong chiều dày của chi tiết. Các biểu đồ phân tích cho thấy mối quan hệ giữa lực và tốc độ là tuyến tính trong một số điều kiện nhất định. Kết quả thực nghiệm cho thấy sai số giữa mô phỏng và thực nghiệm là khoảng 2%, cho thấy tính chính xác cao của mô hình. Điều này khẳng định rằng việc áp dụng phương pháp số không chỉ giúp giảm chi phí mà còn nâng cao hiệu quả sản xuất. Nghiên cứu này mở ra hướng đi mới cho việc tối ưu hóa quy trình miết trong ngành công nghiệp.

V. Kết luận và kiến nghị

Nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc tối ưu hóa lực tác động và tốc độ con lăn trong quá trình miết chi tiết tấm có thể cải thiện đáng kể chất lượng sản phẩm và giảm thiểu chi phí sản xuất. Kết quả nghiên cứu không chỉ có giá trị lý thuyết mà còn có ứng dụng thực tiễn cao trong ngành công nghiệp. Đề xuất cho các nghiên cứu tiếp theo là mở rộng phạm vi nghiên cứu sang các loại vật liệu khác và các hình dạng chi tiết phức tạp hơn. Việc áp dụng công nghệ mô phỏng số trong nghiên cứu và sản xuất sẽ ngày càng trở nên quan trọng, giúp nâng cao hiệu quả và giảm thiểu rủi ro trong quá trình sản xuất.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Gia công miết kim loại tấm là một phương pháp gia công áp lực nhằm tạo hình chi tiết rỗng từ phôi tấm hoặc phôi ống thông qua biến dạng dẻo cục bộ theo biên dạng khuôn. Theo ước tính, phương pháp này đã được ứng dụng rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp như gia dụng, ô tô, không gian vũ trụ, y tế, dầu khí và quốc phòng. Ưu điểm nổi bật của gia công miết là tăng khả năng sử dụng nguyên vật liệu, giảm chi phí đầu tư ban đầu, cải thiện tính chất kim loại và phù hợp với sản xuất đơn chiếc hoặc hàng loạt nhỏ.

Tuy nhiên, công nghệ gia công miết tại Việt Nam còn nhiều hạn chế do thiết bị và quy trình chưa đồng bộ, dẫn đến chi phí gia công thử cao và sản phẩm chưa đạt độ chính xác mong muốn. Nghiên cứu này nhằm mục tiêu phân tích ảnh hưởng của lực và tốc độ con lăn trong quá trình gia công miết chi tiết dạng tấm, từ đó dự đoán lực ép, chiều dày chi tiết và ứng suất dư bằng phương pháp mô phỏng phần tử hữu hạn trên phần mềm Ansys-LsDyna. Thực nghiệm được tiến hành với mẫu hợp kim nhôm 1050 có bề dày 1mm và 2mm, tại trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh trong năm 2016.

Kết quả nghiên cứu góp phần giảm thời gian gia công thử, giảm phế phẩm, nâng cao độ chính xác kích thước và hình dáng sản phẩm, đồng thời khuyến khích ứng dụng công nghệ tính toán hỗ trợ thiết kế kỹ thuật (CAE) trong ngành cơ khí. Qua đó, thúc đẩy phát triển công nghệ gia công áp lực trong nước, đáp ứng yêu cầu công nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên hai lý thuyết chính: lý thuyết biến dạng dẻo kim loại tấm và lý thuyết phần tử hữu hạn (FEM). Lý thuyết biến dạng dẻo mô tả sự biến dạng không hồi phục của vật liệu dưới tác dụng lực, với các tiêu chí ứng suất von Mises, luật dòng chảy và luật độ cứng (cứng đẳng hướng và cứng động học). Các khái niệm chính bao gồm:

• Lực công cụ trong gia công miết: gồm lực dọc trục (Fa), lực hướng tâm (Fr) và lực tiếp tuyến (Ft). Trong chi tiết dạng côn, lực hướng tâm Fr chiếm ưu thế, trong khi lực dọc trục Fa nhỏ hơn và lực tiếp tuyến Ft thường bị bỏ qua.
• Ứng suất dư: phân bố ứng suất tại vùng con lăn đi qua ảnh hưởng đến khuyết tật sản phẩm.
• Thông số quá trình chính: tỷ lệ cung cấp (tỷ lệ giữa tốc độ tiến con lăn và tốc độ quay trục gá), đường đi con lăn, biên dạng con lăn và khoảng cách con lăn với khuôn.
• Mô hình vật liệu: sử dụng các tùy chọn mô hình dẻo trong Ansys, bao gồm trạng thái cứng đẳng hướng và cứng động học, mô phỏng ứng suất biến dạng đàn hồi-dẻo.

Lý thuyết phần tử hữu hạn được áp dụng để mô phỏng quá trình gia công miết, với việc lựa chọn phần tử phù hợp (phần tử khối và phần tử tấm), chia lưới chính xác và mô hình tiếp xúc con lăn với tấm kim loại bằng phần tử Contact174 trong Ansys-LsDyna.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu bao gồm tài liệu nghiên cứu trong và ngoài nước về gia công miết, số liệu thực nghiệm thu thập từ quá trình gia công miết trên máy tiện vạn năng với mẫu hợp kim nhôm 1050 dạng tấm tròn có bề dày 1mm và 2mm. Tốc độ tiến con lăn được điều chỉnh ở ba mức: 0,242 mm/s, 0,34 mm/s và 0,598 mm/s tương ứng với tần số điều khiển 5Hz, 8Hz và 12Hz.

Phương pháp phân tích gồm:

• Mô phỏng quá trình gia công miết bằng phần mềm Ansys-LsDyna, sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn với phần tử Contact174 để mô hình hóa tiếp xúc con lăn và tấm kim loại.
• Thiết kế và chế tạo thiết bị đo lực hai chiều (lực dọc trục Fa và lực hướng tâm Fr) với cảm biến lực CBCA 75 kgf, bộ khuếch đại, bộ thu và chuyển đổi tín hiệu, kết nối với máy tính để thu thập dữ liệu thực nghiệm.
• Thực nghiệm gia công miết trên máy tiện vạn năng, đo lực, chiều dày chi tiết và độ nhám bề mặt.
• So sánh kết quả mô phỏng và thực nghiệm để đánh giá độ chính xác và sai số, từ đó đề xuất ứng dụng phương pháp số trong thiết kế và tối ưu hóa quá trình gia công.

Thời gian nghiên cứu kéo dài trong năm 2016, tập trung vào chi tiết dạng côn với góc 45°, giới hạn trong phạm vi mẫu hợp kim nhôm 1050.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Ảnh hưởng của lực và tốc độ con lăn đến lực ép trong quá trình gia công miết: Kết quả mô phỏng và thực nghiệm cho thấy lực dọc trục Fa và lực hướng tâm Fr thay đổi theo chiều dài chi tiết gia công, với sai số giữa mô phỏng và thực nghiệm khoảng 2%. Lực tổng tăng khi tốc độ tiến con lăn tăng, ví dụ tại bề dày 1mm, lực Fa trung bình tăng từ khoảng 50 N lên 70 N khi tốc độ con lăn tăng từ 0,242 mm/s lên 0,598 mm/s.

2. Ảnh hưởng của tốc độ con lăn đến chiều dày chi tiết: Thực nghiệm cho thấy chiều dày chi tiết giảm nhẹ khi tốc độ con lăn tăng, ví dụ mẫu 1mm có chiều dày giảm từ 0,98 mm xuống còn 0,95 mm khi tốc độ tăng từ 0,242 mm/s lên 0,598 mm/s.

3. Ảnh hưởng của tốc độ con lăn đến độ nhám bề mặt: Độ nhám bề mặt tăng theo tốc độ con lăn, với mẫu 1mm có độ nhám tăng từ 0,8 µm lên 1,2 µm khi tốc độ con lăn tăng. Điều này cho thấy tốc độ cao làm tăng ma sát và gây ra bề mặt gia công thô hơn.

4. Độ chính xác mô phỏng phần tử hữu hạn: Sai số giữa kết quả mô phỏng và thực nghiệm về lực Fa và Fr đều dưới 2%, chứng tỏ mô hình phần tử hữu hạn với phần tử Contact174 và các tham số vật liệu được lựa chọn phù hợp, có thể ứng dụng để dự đoán lực và ứng suất trong quá trình gia công miết.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân lực tăng theo tốc độ con lăn là do tốc độ tiến nhanh hơn làm tăng ma sát và lực ép cần thiết để biến dạng tấm kim loại. Chiều dày giảm nhẹ phản ánh sự biến dạng dẻo lớn hơn khi lực ép tăng, phù hợp với lý thuyết biến dạng dẻo và các nghiên cứu trước đây. Độ nhám tăng do tốc độ cao làm giảm khả năng tạo bề mặt mịn, cần cân nhắc khi lựa chọn tốc độ để cân bằng giữa năng suất và chất lượng sản phẩm.

So sánh với các nghiên cứu trong nước và quốc tế, kết quả này tương đồng với các báo cáo về ảnh hưởng của lực và tốc độ trong gia công miết, đồng thời khẳng định tính khả thi của mô phỏng phần tử hữu hạn trong việc dự đoán các thông số quan trọng. Việc mô phỏng giúp giảm chi phí gia công thử và thời gian phát triển sản phẩm, góp phần nâng cao hiệu quả sản xuất.

Dữ liệu có thể được trình bày qua các biểu đồ lực Fa và Fr theo chiều dài chi tiết, biểu đồ chiều dày và độ nhám theo tốc độ con lăn, giúp trực quan hóa ảnh hưởng của các thông số quá trình.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Tối ưu hóa tốc độ con lăn: Đề nghị điều chỉnh tốc độ con lăn trong khoảng 0,242 mm/s đến 0,34 mm/s để cân bằng giữa lực ép, độ nhám bề mặt và năng suất gia công. Chủ thể thực hiện là các kỹ sư quy trình trong các nhà máy gia công kim loại, thời gian áp dụng trong vòng 6 tháng.

2. Ứng dụng mô phỏng phần tử hữu hạn trong thiết kế và thử nghiệm: Khuyến khích sử dụng phần mềm Ansys-LsDyna để mô phỏng quá trình gia công miết trước khi thực hiện gia công thử, giúp giảm chi phí và thời gian phát triển sản phẩm. Các viện nghiên cứu và doanh nghiệp cơ khí nên đầu tư đào tạo và trang bị phần mềm trong 1 năm tới.

3. Cải tiến thiết bị đo lực và kiểm soát quá trình: Phát triển hệ thống đo lực dọc trục và hướng tâm tích hợp với hệ thống điều khiển máy tiện để giám sát và điều chỉnh lực ép trong thời gian thực, nâng cao chất lượng sản phẩm. Chủ thể thực hiện là các nhà sản xuất thiết bị và phòng thí nghiệm cơ khí, thời gian triển khai 12 tháng.

4. Nghiên cứu mở rộng về khuyết tật và ứng suất dư: Tiếp tục nghiên cứu ảnh hưởng của lực và tốc độ con lăn đến khuyết tật nhăn và ứng suất dư trên chi tiết gia công, nhằm hoàn thiện quy trình và nâng cao độ bền sản phẩm. Các trường đại học và viện nghiên cứu nên phối hợp thực hiện trong 2 năm tới.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Kỹ sư quy trình và thiết kế trong ngành cơ khí: Nghiên cứu cung cấp kiến thức về ảnh hưởng các thông số gia công miết, giúp tối ưu hóa quy trình sản xuất và nâng cao chất lượng sản phẩm.

2. Nhà nghiên cứu và giảng viên kỹ thuật cơ khí: Tài liệu tham khảo về ứng dụng lý thuyết biến dạng dẻo và phần tử hữu hạn trong mô phỏng gia công áp lực, phục vụ giảng dạy và nghiên cứu chuyên sâu.

3. Doanh nghiệp sản xuất chi tiết kim loại dạng tấm: Áp dụng kết quả mô phỏng và thực nghiệm để giảm chi phí gia công thử, cải thiện độ chính xác và bề mặt sản phẩm, tăng năng lực cạnh tranh.

4. Nhà phát triển phần mềm và thiết bị đo lường: Tham khảo thiết kế thiết bị đo lực và mô hình mô phỏng để phát triển các giải pháp công nghệ hỗ trợ gia công miết, mở rộng ứng dụng trong công nghiệp.

Câu hỏi thường gặp

1. Gia công miết là gì và ứng dụng ra sao?
   Gia công miết là phương pháp tạo hình chi tiết rỗng từ tấm kim loại bằng lực ép con lăn theo biên dạng khuôn. Ứng dụng rộng rãi trong sản xuất đồ gia dụng, ô tô, y tế và quốc phòng nhờ tiết kiệm nguyên liệu và tăng độ bền sản phẩm.

2. Lực nào ảnh hưởng nhiều nhất trong quá trình gia công miết?
   Lực hướng tâm (Fr) chiếm ưu thế trong chi tiết dạng côn, con lăn ép tấm kim loại vào trục gá. Lực dọc trục (Fa) nhỏ hơn và lực tiếp tuyến (Ft) thường không đáng kể.

3. Tại sao cần mô phỏng phần tử hữu hạn trong gia công miết?
   Mô phỏng giúp dự đoán lực, ứng suất và biến dạng chi tiết trước khi gia công thực tế, giảm chi phí thử nghiệm và phế phẩm, đồng thời tối ưu hóa thông số quá trình.

4. Ảnh hưởng của tốc độ con lăn đến chất lượng sản phẩm như thế nào?
   Tăng tốc độ con lăn làm tăng lực ép và độ nhám bề mặt, có thể giảm chiều dày chi tiết. Cần cân nhắc để đạt hiệu quả gia công và chất lượng bề mặt phù hợp.

5. Sai số giữa mô phỏng và thực nghiệm có lớn không?
   Sai số khoảng 2% cho lực dọc trục và lực hướng tâm, cho thấy mô hình mô phỏng phần tử hữu hạn có độ chính xác cao và đáng tin cậy để ứng dụng trong thực tế.

Kết luận

• Nghiên cứu đã mô phỏng và thực nghiệm thành công ảnh hưởng của lực và tốc độ con lăn trong gia công miết chi tiết dạng tấm hợp kim nhôm 1050.
• Kết quả mô phỏng phần tử hữu hạn trên Ansys-LsDyna có sai số dưới 2% so với thực nghiệm, chứng minh tính khả thi của phương pháp.
• Tốc độ con lăn tăng làm tăng lực ép và độ nhám bề mặt, đồng thời giảm nhẹ chiều dày chi tiết.
• Ứng dụng mô phỏng giúp giảm chi phí gia công thử và nâng cao chất lượng sản phẩm trong ngành cơ khí.
• Đề xuất tiếp tục nghiên cứu về khuyết tật và ứng suất dư, đồng thời phát triển thiết bị đo lực tích hợp để kiểm soát quá trình gia công.

Tiếp theo, các nhà nghiên cứu và doanh nghiệp nên triển khai ứng dụng mô phỏng và thiết bị đo lực trong sản xuất thực tế, đồng thời mở rộng nghiên cứu để hoàn thiện công nghệ gia công miết trong nước. Hãy bắt đầu áp dụng các giải pháp này để nâng cao hiệu quả sản xuất và chất lượng sản phẩm ngay hôm nay!

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1 TỔNG QUAN 1.1 Tính cấp thiết của đề tài Ngày nay, đất nước ta hội nhập với thế giới. Khoa học kỹ thuật cũng phải hội nhập với thế giới, tận dụng các công nghệ của thế giới để phát triển đất nước. Trong đó, ngành cơ khí được nhà nước chọn là ngành mũi nhọn để phát triển, cơ khí phát triển góp phần vào công nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước được nhanh chóng hơn. Tuy nhiên, hiện nay ngành cơ khí nói chung, gia công áp lực nói riêng còn nhiều hạn chế, công nghệ còn lạc hậu so với thế giới.

Trong đó, công nghệ miết kim loại để tạo hình cũng không là ngoại lệ. Nếu nhập hoàn toàn công nghệ tiên tiến, phương án này tốn rất nhiều chi phí. Vậy cần làm gì để tiết kiệm chi phí, sản phẩm sản xuất ra vẫn đáp ứng được yêu cầu cần thiết. Phôi tấm Đường đi con lăn Con lăn Đầu gá Chi tiết Khuôn Hình 1.1: Sơ đồ biểu diễn quá trình gia công chi tiết bằng phương pháp miết [1] 1 Luan van Miết là một phương pháp gia công kim loại bằng áp lực để tạo hình chi tiết rỗng từ phôi tấm hoặc phôi ống dưới tác dụng của lực công tác làm biến dạng dẻo cục bộ theo biên dạng của khuôn.

Phương pháp gia công miết tạo hình ra đời từ nhiều thập kỷ trước. Người thợ dùng dụng cụ thô sơ để tạo các sản phẩm tròn xoay như bình hoa, nồi,. Đến thế kỷ 19, công nghệ miết áp dụng rộng rãi trong đồ gia dụng, công nghiệp. Hiện nay, phương pháp gia công miết được ứng dụng trong công nghiệp sản xuất ra các sản phẩm ứng dụng cho các ngành như: gia dụng, ô tô, không gian vũ trụ, y tế, dầu khí, quốc phòng,… Hình 1.2: Sản phẩm ứng dụng ngành gia dụng [9] Hình 1.3: Sản phẩm ứng dụng ngành y tế [10] 2 Luan van Hình 1.4: Sản phẩm ứng dụng ngành quốc phòng [10] Lợi ích khi ứng dụng phương pháp gia công miết: Tăng khả năng sử dụng nguyên vật liệu, giảm chi phí đầu tư ban đầu, cải thiện tính chất kim loại, thích hợp cho các chi tiết trong thiết bị chịu áp lực lớn, phù hợp cho sản xuất đơn chiếc, hàng loạt nhỏ.2 Đối tượng nghiên cứu Tác giả nghiên cứu ảnh hưởng của lực và tốc độ tiến của con lăn trong quá trình gia công miết các chi tiết dạng tấm.3Các kết quả nghiên cứu được công bố của nước ngoài và trong nước Tác giả nghiên cứu mối liên hệ giữa biến dạng của vật liệu và các khuyết tật nhăn trong quá trình miết kim loại dạng tấm [1].

Các tác giả đã nghiên cứu đường đi của con lăn trong quá trình miết chi tiết dạng tấm với nhiều con lăn [3]. Các tác giả điều tra thí nghiệm biến dạng kim loại tấm do quá trình miết chi tiết dạng tấm với nhiều con lăn gây ra [4]. Các tác giả đã thí nghiệm trên mẫu thép thường, tìm ra ảnh hưởng của hình dạng con lăn đến chất lượng sản phẩm [5]. Tác giả đã nghiên cứu khả năng chịu lực của chi tiết gia công bằng phương pháp miết, tác giả đã thiết kế máy dùng gia công miết để tiết kiệm chi phí [11].4Mục tiêu, nhiệm vụ và giới hạn đề tài 1.1Mục tiêu đề tài Nghiên cứu ảnh hưởng của lực và tốc độ con lăn trong quá trình miết chi tiết dạng tấm.

Đo và dự đoán lực, chiều dày chi tiết trong quá trình gia công miết và ứng suất dư (bằng phương pháp số). Giảm thời gian gia công thử và phế phẩm. Đảm bảo tính chính xác của kích thước và hình dáng hình học sản phẩm.2Nhiệm vụ đề tài Để đạt được mục đích trên, đề tài có nhiệm vụ: Tìm hiểu các sản phẩm ứng dụng của công nghệ miết. Nghiên cứu công nghệ miết kim loại.

Ứng dụng lí thuyết biến dạng dẻo kim loại và lí thuyết phần tử hữu hạn để mô phỏng quá trình gia công miết với Ansys - LsDyna. Thiết kế thiết bị đo lực dọc trục và hướng tâm để phục vụ thực nghiệm của đề tài. So sánh kết quả mô phỏng đạt được với kết quả thực nghiệm.3Giới hạn đề tài Do còn nhiều hạn chế về thời gian, đề tài tập trung làm thực nghiệm với chi tiết dạng côn với góc côn 450: Mẫu hợp kim nhôm 1050 dạng tấm tròn được chọn làm phôi cho quá trình thực nghiệm. Mẫu 01: Bề dày: 1mm, đường kính lớn: Ø100mm, đường kính nhỏ: Ø10mm.

Mẫu 02: Bề dày: 2mm, đường kính lớn: Ø100mm, đường kính nhỏ: Ø10mm. 4 Luan van Nghiên cứu ảnh hưởng của lực, tốc độ tiến con lăn trong quá trình miết kim loại dạng tấm. Nghiên cứu mô phỏng số quá trình gia công miết và so sánh với kết quả thực nghiệm. Chỉ nghiên cứu với chi tiết dạng tấm.

Không nghiên cứu khuyết tật nhăn của quá trình gia công miết.5Cơ sở lí luận và phương pháp nghiên cứu 1.1Cơ sở lí luận Lí thuyết biến dạng dẻo kim loại tấm. Lí thuyết phần tử hữu hạn. Xây dựng một mô hình toán học phần tử hữu hạn cho mô phỏng công nghệ miết.2Phương pháp nghiên cứu Để thực hiện luận văn, người nghiên cứu dùng các phương pháp sau: Tham khảo các nghiên cứu về qúa trình gia công miết dựa theo tài liệu ngoài nước [1-10] và trong nước [11].1Ý nghĩa khoa học Thực hiện mô phỏng số quá trình gia công miết trên Ansys – LsDyna. Thiết kế thiết bị đo lực để thực hiện thực nghiệm quá trình gia công miết.

So sánh các kết quả mô phỏng số và thực nghiệm được làm trong đề tài này.2Ý nghĩa thực tiễn Tiết kiệm chi phí gia công thử. Phân tích lực, ứng suất dư, bề dày sản phẩm trong quá trình miết bằng tính toán số. Khuyến khích ứng dụng CAE. 5 Luan van Xây dựng một mô hình toán học phần tử hữu hạn mô phỏng cho quá trình gia công miết.

Thiết bị đo lực cho gia công miết.6Nội dung của đề tài Ngoài phần tổng quan, kết luận, tài liệu tham khảo, đề tài gồm: Chương 1: Tổng quan. Chương 2: Cơ sở lý thuyết Chương 3: Mô phỏng quá trình miết bằng phương pháp phần tử hữu hạn với Ansys – LsDyna Chương 4: Thực nghiệm quá trình gia công miết Chương 5: Kết luận 6 Luan van Chương 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1Lí thuyết biến dạng dẻo vật liệu trong công nghệ miết Phần này, xem xét lực công cụ, ứng suất, biến dạng trong cả quá trình miết chi tiết có dạng côn. Phân tích lực công cụ trong quá trình miết là rất quan trọng cho việc lựa chọn các thông số quá trình, cải tiến chất lượng sản phẩm, thiết kế máy miết.1Lực công cụ Đến nay, các lực công cụ trong quá trình miết sử dụng một hoặc nhiều con lăn được nghiên cứu kỹ. Con lăn Fa Fr Con lăn Fa Ft Fr Ft Khuôn Khuôn a) Phôi tấm b) Phôi tấm Hình 2.1: Quá trình miết kim loại tấm với dạng chi tiết khác nhau [1] Lực sinh ra trong quá trình miết, với các dạng khuôn khác nhau gồm các thành phần như sau: Ft: lực tiếp tuyến.

7 Luan van Fa: lực dọc trục. Fr: lực hướng tâm.1a, chi tiết dạng côn, lực hướng tâm Fr có giá trị là lớn nhất, con lăn ép tấm kim loại vào trục gá suốt quá trình miết. Lực dọc trục Fa có giá trị nhỏ hơn. Lực tiếp tuyến Ft có giá trị là nhỏ nhất (thường được bỏ qua không xem xét trong các nghiên cứu) [3-5].1b, chi tiết dạng hình chổm cầu, lực dọc trục Fa có giá giá trị lớn nhất, con lăn ép tấm kim loại vào trục gá suốt quá trình miết ép.

Lực dọc trục Fr có giá trị nhỏ hơn. Lực tiếp tuyến Ft có giá trị là nhỏ nhất.2Ứng suất dư Tìm hiểu sự phân bố ứng suất dư tại các vùng con lăn đi qua là cần thiết để tìm hiểu các khuyết tật sản phẩm sau khi miết.3Các mô hình biến dạng Về mặt lí thuyết, trong quá trình miết, vòng tròn biến dạng do nén có thể được cân bằng biến dạng do kéo sinh ra.4Thông số quá trình chính Các thông số quá trình đóng một vai trò quyết định trong việc thiết kế và tối ưu hóa các quá trình miết kim loại tấm. Các thông số đó là: tỷ lệ cung cấp (mà được định nghĩa dưới đây), đường đi của con lăn, biên dạng con lăn và khoảng cách con lăn với khuôn. Tỉ lệ cung cấp là tỉ lệ giữa tốc độ tiến của con lăn với tốc độ quay của trục gá.

Tỉ lệ này xem như hằng số bằng cách thay đổi tốc độ tiến của con lăn tương ứng với thay đổi của tốc độ quay khuôn, như vậy tác động không đáng kể đến lực công cụ. Đường di chuyển của con lăn: bằng cách sử dụng nhiều lần đường con lăn đi thì ứng suất kéo và nén xảy ra dần dần nên giảm được các khuyết tật chi tiết. 8 Luan van Trục gá Trục gá Trục gá Đường thẳng Đường lõm Đường lồi Hình 2.2: Các dạng đường con lăn đi [1] Biên dạng con lăn: con lăn có nhiều biên dạng khác nhau, tuy nhiên con lăn có bán kính góc lượn lớn sẽ làm giảm ứng suất dư bề mặt hơn.3: Một số hình dạng con lăn [1] Khoảng cách con lăn với khuôn: khoảng cách này ảnh hưởng đến ứng suất dư của bề mặt. Khi khoảng cách này đúng bằng chiều dày lí thuyết t1 = tosinα (xem hình 2.4a) thì ứng suất sinh ra giới hạn dưới khu vực con lăn tuân theo định luật sin, ứng suất dư hầu như không xảy ra.

9 Luan van a) b) c) Hình 2.4: Khoảng cách giữa con lăn so với trục gá [1] Khi khoảng cách giữa con lăn với khuôn nhỏ hơn chiều dày lí thuyết t1 <tosinα (xem hình 2.4b) thì tấm kim loại bị con lăn ép dồn vật liệu về phía trước, tấm kim loại bị uốn cong hướng vào con lăn, sinh ra ứng suất dư. Ngược lại, nếu khoảng cách giữa con lăn với khuôn lớn hơn chiều dày lí thuyết t1 > tosinα (xem hình 2.4c), lúc đó phần kim loại dồn vào phía trong, làm cho tấm kim loại hướng vào khuôn, ứng suất dư sinh ra.2Phương trình toán học quá trình gia công miết Kể từ năm 1990, ứng dụng phân tích phần tử hữu hạn trong quá trình miết kim loại tấm bắt đầu phổ biến. Các nghiên cứu trước đây, do tính chất gia tăng biến dạng, giảm thời gian tính toán, việc đơn giản hóa đã thực hiện. Gần đây, công nghệ máy tính phát triển, mô hình phần tử 3D được ứng dụng phổ biến để nghiên cứu sự biến dạng và các khuyết tật sản phẩm trong quá trình gia công miết.

Trong phần này, trình bày năm yếu tố ảnh hưởng đến mô phỏng phần tử hữu hạn như: phương pháp phần tử hữu hạn, cấu trúc mô hình vật liệu, lựa chọn phần tử, chia lưới và tiếp xúc con lăn.