Luận án tiến sĩ kỹ thuật vật liệu nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số công nghệ và hình học đến độ chính xác của chi tiết khi dập khối trong khuôn kín

Luận án tiến sĩ kỹ thuật phân tích kỹ thuật vật liệu nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số công nghệ và hình học đến độ chính xác của, xây dựng cơ sở lý luận, kiểm chứng thực

• Tác giả: Nguyễn Quang Thắng
• Người hướng dẫn: PGS. Phạm Văn Nghệ
• Trường học: Trường Đại học Bách khoa Hà Nội
• Chuyên ngành: Công nghệ chế tạo
• Đề tài: Nghiên Cứu Ảnh Hưởng Của Thông Số Công Nghệ Và Hình Học Đến Độ Chính Xác Khi Dập Khối Trong Khuôn Kín
• Loại tài liệu: luận án
• Năm xuất bản: 2021
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Tổng quan về công nghệ dập khối trong khuôn kín

Công nghệ dập khối là một phương pháp gia công kim loại bằng áp lực, cho phép tạo ra các chi tiết có hình dạng và kích thước mong muốn từ phôi dạng khối. Phương pháp này được ứng dụng rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp, đặc biệt là trong cơ khí chế tạo và công nghiệp ô tô. Thông số công nghệ và hình học đóng vai trò quan trọng trong việc xác định độ chính xác của sản phẩm. Việc nghiên cứu và tối ưu hóa các thông số này không chỉ giúp tiết kiệm nguyên liệu mà còn nâng cao năng suất và chất lượng sản phẩm. Theo các nghiên cứu trước đây, việc kiểm soát các yếu tố như hệ số ma sát, góc nghiêng chày, và tỷ lệ H/D có thể ảnh hưởng lớn đến quá trình dập và độ chính xác của chi tiết. Những nghiên cứu này đã chỉ ra rằng việc tối ưu hóa các thông số này có thể dẫn đến việc cải thiện đáng kể hiệu suất sản xuất.

1.1 Khái quát công nghệ dập tạo hình khối

Công nghệ dập tạo hình khối đã có lịch sử lâu dài và phát triển mạnh mẽ từ những thế kỷ trước. Phương pháp này không chỉ giúp tạo ra các sản phẩm có độ chính xác cao mà còn tiết kiệm nguyên liệu. Nguyên liệu dập thường được sử dụng là các loại thép có độ bền cao như thép C45. Việc nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số như hình học phôi và công nghệ chế tạo đến độ chính xác của sản phẩm là rất cần thiết. Các nghiên cứu hiện tại đã chỉ ra rằng việc tối ưu hóa các thông số này có thể giúp nâng cao hiệu suất và chất lượng sản phẩm, đồng thời giảm thiểu lãng phí trong quá trình sản xuất.

II. Cơ sở lý thuyết về công nghệ dập khối trong khuôn kín

Cơ sở lý thuyết về công nghệ dập khối trong khuôn kín bao gồm các nguyên lý cơ bản về biến dạng vật liệu và các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình dập. Biến dạng vật liệu là quá trình mà trong đó vật liệu bị thay đổi hình dạng dưới tác dụng của lực. Các yếu tố như lực dập, góc nghiêng chày, và hệ số ma sát đều có ảnh hưởng lớn đến quá trình này. Việc tính toán chính xác các thông số này là rất quan trọng để đảm bảo độ chính xác của sản phẩm. Các mô hình toán học và mô phỏng số đã được phát triển để dự đoán hành vi của vật liệu trong quá trình dập, từ đó giúp tối ưu hóa quy trình sản xuất.

2.1 Cơ sở lý thuyết tính toán về đặc tính điền đầy khi dập khối trong khuôn kín

Đặc tính điền đầy là một trong những yếu tố quan trọng trong quá trình dập khối. Việc tính toán chính xác các thông số như bán kính góc lượn và lực tạo hình là cần thiết để đảm bảo rằng vật liệu có thể điền đầy lòng khuôn mà không gặp phải các khuyết tật. Các giả thiết tính toán thường được sử dụng để mô phỏng quá trình này, giúp dự đoán được các vấn đề có thể xảy ra trong thực tế. Nghiên cứu này không chỉ giúp cải thiện độ chính xác của sản phẩm mà còn giúp tiết kiệm thời gian và chi phí trong quá trình sản xuất.

III. Nghiên cứu ảnh hưởng của các yếu tố đến độ chính xác của chi tiết khớp nối khi dập trong khuôn kín

Nghiên cứu này tập trung vào việc xác định ảnh hưởng của các thông số công nghệ và hình học đến độ chính xác của chi tiết khớp nối khi dập trong khuôn kín. Các yếu tố như hệ số ma sát, góc nghiêng chày, và tỷ lệ H/D đã được khảo sát để đánh giá tác động của chúng đến bán kính r và lực tạo hình Pmax. Kết quả cho thấy rằng việc tối ưu hóa các thông số này có thể dẫn đến việc cải thiện đáng kể độ chính xác của sản phẩm. Các mô phỏng số đã được thực hiện để xác định mối quan hệ giữa các thông số này và độ chính xác của chi tiết khớp nối.

3.1 Nghiên cứu ảnh hưởng của H D tới bán kính r và lực tạo hình Pmax

Nghiên cứu đã chỉ ra rằng tỷ lệ H/D có ảnh hưởng lớn đến bán kính r và lực tạo hình Pmax. Khi tỷ lệ H/D tăng, bán kính r cũng có xu hướng tăng theo, điều này cho thấy rằng việc điều chỉnh tỷ lệ này có thể giúp cải thiện độ chính xác của sản phẩm. Các mô phỏng số đã được thực hiện để xác định mối quan hệ này, từ đó đưa ra các khuyến nghị cho quy trình sản xuất. Việc tối ưu hóa tỷ lệ H/D không chỉ giúp nâng cao độ chính xác mà còn tiết kiệm nguyên liệu trong quá trình sản xuất.

IV. Nghiên cứu thực nghiệm kiểm chứng dập chi tiết khớp nối trong khuôn kín

Nghiên cứu thực nghiệm được thực hiện để kiểm chứng các kết quả mô phỏng và đánh giá độ chính xác của chi tiết khớp nối khi dập trong khuôn kín. Các thí nghiệm đã được thiết kế để khảo sát ảnh hưởng của các thông số hình học phôi, góc nghiêng chày và hệ số ma sát đến bán kính r và lực tạo hình Pmax. Kết quả thực nghiệm cho thấy rằng các thông số này có ảnh hưởng đáng kể đến độ chính xác của sản phẩm. Việc so sánh giữa kết quả mô phỏng và thực nghiệm đã xác nhận tính chính xác của các mô hình đã được xây dựng.

4.1 Thiết kế các thực nghiệm mô phỏng

Thiết kế thực nghiệm là một phần quan trọng trong nghiên cứu này. Các thí nghiệm được thực hiện để xác định ảnh hưởng của các thông số hình học và công nghệ đến độ chính xác của chi tiết khớp nối. Các thiết bị thí nghiệm hiện đại đã được sử dụng để đảm bảo tính chính xác và độ tin cậy của kết quả. Kết quả từ các thí nghiệm này sẽ được sử dụng để điều chỉnh và tối ưu hóa quy trình sản xuất, từ đó nâng cao chất lượng sản phẩm.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1. Tổng quan về công nghệ dập khối trong khuôn kín Chương 2. Cơ sở lý thuyết công nghệ dập khối trong khuôn kín Chương 3. Nghiên cứu ảnh hưởng của các yếu tố đến độ chính xác chi tiết khớp nối khi dập trong khuôn kín bằng mô phỏng số 4 Chương 4.

Nghiên cứu thực nghiệm kiểm chứng dập chi tiết khớp nối trong khuôn kín. Kết luận chung và hướng phát triển của đề tài. Danh mục tài liệu tham khảo. Danh mục các công trình đã công bố của luận án.

Phụ lục luận án. TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ DẬP KHỐI TRONG KHUÔN KÍN 1.1 Khái quát công nghệ dập tạo hình khối 1.1 Dập khối Dập khối là phương pháp gia công kim loại bằng áp lực, phôi dạng khối (ở trạng thái nóng hoặc nguội) dưới tác dụng của ngoại lực để đạt được hình dáng, kích thước mong muốn mà không có sự phá hủy liên kết trong vật liệu và được bảo toàn thể tích. Trong đó vật liệu kim loại được biến dạng dẻo và điền đầy lòng khuôn và tạo ra chi tiết có kích thước, biên dạng giống như lòng khuôn [1-4]. Từ hàng nghìn năm trước, tới thế kỷ 13-14 luyện kim và rèn dập đã trở nên rất phổ biến với nhiều ứng dụng trong chế tác nông cụ, đồ gia dụng, vũ khí, áo giáp, trang sức… Hình 1.

1 Xưởng rèn ở thế kỷ 13 Hình 1. 2 Máy búa sử dụng thủy năng và máy búa hơi nước 6 Vào thế kỷ 16 người ta đã chế tạo được máy búa sử dụng thủy năng, máy búa thủy lực và tới thế kỷ 19, máy búa hơi nước đầu tiên ra đời. Vào thời đại công nghiệp nặng, nền cơ khí phát triển mạnh, các nhà máy mở ra ồ ạt, sản xuất chế tạo tăng nhanh, kéo theo sự phát triển của ngành rèn dập cả về chất và lượng, đóng vai trò quan trọng trong ngành công nghiệp chế tạo. Hiện nay, bằng việc ứng dụng các thành tựu công nghệ thông tin và tự động hóa đã phát triển những công nghệ dập khối tiên tiến, kiểm soát hoàn toàn quá trình tạo hình, tạo nên những sản phẩm có kích thước và độ phức tạp hình học cao, đạt cơ tính và chất lượng bề mặt tốt, thậm chí không cần qua gia công cơ để được sản phẩm cuối cùng [1, 3].

3 Xưởng dập tại CHLB Đức Sơ đồ quá trình dập khối được thực hiện qua các bước công nghệ Hình 1. 4 Sơ đồ công nghệ dập khối [1] 7 - Chuẩn bị phôi: Phôi được chuẩn bị với kích thước theo tính toán và thường có hình dạng ban đầu là thanh có tiết diện ngang hình tròn, vuông, chữ nhật. - Nung phôi: Việc nung phôi rất quan trọng nhằm tăng tính dẻo cho kim loại, nâng cao khả năng biến dạng dẻo, giảm năng lượng dập tạo hình. Đối với một số trường hợp kim loại dễ biến dạng, hoặc mức độ biến dạng nhỏ, chi tiết có thể được dập tạo hình ở trạng thái nguội.

- Dập tạo hình: có thể là rèn hoặc dập khối trong khuôn hở hoặc dập trong khuôn kín để tạo hình chi tiết. - Xử lý sau khi dập: Sản phẩm sau khi dập có thể trải qua các công đoạn hoàn thiện như gia công cơ, nhiệt luyện… - Trong sơ đồ công nghệ dập khối có thể thấy được 2 giai đoạn rất quan trọng, quyết định sự thành công của công nghệ đó là nung phôi và dập tạo hình. Nung phôi đảm bảo cho đạt được nhiệt độ của phôi đến nhiệt độ tạo hình và ổn định nhiệt độ của phôi đồng đều trên toàn bộ thể tích. Tuỳ vào vật liệu mà nhiệt độ bắt đầu tạo hình có thể khác nhau.

Thông thường đối với thép cacbon nhiệt độ bắt đầu tạo hình là từ 10000C đến 12000C [1]. Dập khối bao gồm các nguyên công dập sơ bộ, nhằm đưa hình dạng của phôi ban đầu về gần giống với sản phẩm để đảm bảo cho nguyên công dập tinh cuối cùng được thành công, thuận lợi cho kim loại điền đầy lòng khuôn, cải thiện điều kiện làm việc, nâng cao tuổi thọ cho lòng khuôn tinh, tạo ra sản phẩm có độ chính chính xác theo yêu cầu [5]. Các nguyên công dập sơ bộ thường được sử dụng đó là chồn, ép tụ, vuốt, uốn, rèn cán. Sau khi tạo hình sơ bộ, phôi được đưa vào dập trong lòng khuôn.

Có 2 dạng khuôn được sử dụng là khuôn hở và khuôn kín. Khuôn hở được áp dụng đối với những chi tiết có hình dạng phức tạp, nhiều vấu, nhánh, khó chuẩn bị phôi chính xác để kim loại phân bố đồng đều trên mặt cắt ngang của lòng khuôn khi dập. Khuôn kín được áp dụng với những sản phẩm có thể tính toán chính xác thể tích phôi [6], không đòi hỏi mức độ tạo hình sơ bộ phôi cao như dập trong khuôn hở. Hiện nay, trong công nghệ dập khối, nhờ mô phỏng số chúng ta có thể xem 8 xét đánh giá được ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến sản phẩm một cách nhanh chóng.

a) khuôn hở b) khuôn kín Hình 1. 5 Sơ đồ dập khối trên khuôn hở và khuôn kín [7] Các nguyên công trong dập khối được thực hiện trên các loại thiết bị thông dụng như máy búa (máy búa hơi nước không khí nén, búa thuỷ lực), máy ép trục khuỷu dập nóng, máy ép ma sát trục vít, máy ép cung điện stator,. Máy búa thủy lực Máy ép trục khuỷu dập nóng Máy ép ma sát trục vít Hình 1. 6 Các thiết bị chính sử dụng để dập khối [9] 1.2 Dập khối trong khuôn kín Dập khối trong khuôn kín là phương pháp công nghệ có nhiều ưu điểm nổi bật so với các loại hình công nghệ khác như: tiết kiệm nguyên vật liệu (hình 1.7), hiệu quả về mặt kinh tế, năng suất cao.

Công nghệ dập khối trong khuôn kín là phương pháp tạo hình bằng áp lực để tạo ra các sản phẩm có độ chính xác về hình dáng kích thước cũng như chất lượng bề mặt theo các yêu cầu thiết kế. 7 Dập khối có thể tiết kiệm đến 75% nguyên vật liệu Các khía cạnh nghiên cứu về công nghệ dập khối trong khuôn kín có thể kể đến như: thông số công nghệ quá trình dập; thông số hình học của phôi; độ chính xác của thiết bị và khuôn. Việc nghiên cứu sâu về công nghệ này giúp: nâng cao độ chính xác của chi tiết dập, tiết kiệm vật liệu, giảm thời gian gia công cơ. Một số nghiên cứu đã chỉ ra rằng trong dập khối trong khuôn kín phôi trước khi đưa vào dập phải được tính toán chính xác.

Với các vật dập dọc thì cần độ chính xác về thể tích phôi, với vật dập ngang thì đòi hỏi cả về mức độ hình dáng của phôi [10]. 8 Các yếu tố của công nghệ dập trong khuôn kín [10] Dập khối với độ chính xác cao thường được tiến hành trong lòng khuôn kín (khuôn dập không có vành biên) [6]. Tuỳ thuộc vào hình dáng, kích thước, yêu 10 cầu cơ tính… của từng chi tiết mà ta có thể lựa chọn được kiểu lòng khuôn dập phù hợp. 1 và 2 – nửa khuôn trên và nửa khuôn dưới của khuôn hở 3 và 4 – nửa khuôn trên và nửa khuôn dưới của khuôn hở 5- cần đẩy Hình 1.

9 Sơ đồ dập khối trong khuôn hở và khuôn kín [1] Xu thế hiện nay trong kỹ thuật là tập trung nghiên cứu đẩy mạnh phương pháp dập khối trong khuôn kín vì nó có các ưu việt cơ bản là chất lượng sản phẩm tốt, hệ số sử dụng vật liệu cao so với dập trên khuôn hở [7, 11] (hình 1. Tuy nhiên, dập trong khuôn kín dễ bị quá tải nếu tính toán các thông số công nghệ, thể tích phôi không chính xác dẫn đến hỏng khuôn và máy. 10 So sánh sản phẩm dập giữa (a) khuôn hở và (b) khuôn kín [11] Dập khối trong khuôn kín thường được ứng dụng để chế tạo các bộ truyền động, thường có dạng tròn xoay, đối xứng. Hiện nay, hầu hết các chi tiết này đều được dập khối qua các nguyên công: nung, chồn cục bộ, dập khối trong khuôn kín hoặc ép chảy, gia công cơ và nhiệt luyện.

11 Các chi tiết truyền động được dập khối trong khuôn kín từ phôi trụ đặc 11 Các chi tiết truyền động và lắp ráp cơ khí như trên hình 1.11 được nhiều hãng sản xuất. Để tiết kiệm vật liệu, tránh gia công cơ phải cắt bỏ đi nhiều vật liệu (đôi khi chiếm tới 35% vật liệu phôi ban đầu) [12, 13], các nhà kỹ thuật lựa chọn nguyên công chồn, sau đó dập khối tạo lỗ không thấu. Màng ngăn lỗ sẽ được đột sau khi dập hoàn thiện chi tiết.2 Các nghiên cứu trong và ngoài nước về nâng cao độ chính xác khi dập trong khuôn kín 1.1 Các nghiên cứu ở nước ngoài Dập khối trong khuôn kín là phương pháp là tạo ra sản phẩm có độ chính xác về kích thước, hình dạng bề mặt theo yêu cầu của chi tiết được thiết kế. Sản phẩm sau khi dập có thể giảm tối đa các nguyên công gia công cơ.

Để nâng cao độ chính xác khi dập cần xem xét nhiều yếu tố như: loại thiết bị tạo hình, độ chính xác của dụng cụ tạo hình và kích thước của phôi, điều kiện nung phôi và các yếu tố công nghệ khác. Đầu tiên có thể kế đến các nghiên cứu về khuôn dập, với sơ đồ dập khối trong khuôn kín (hình 1. Tác giả Mladomir Milutinović (2008), Douglas, R và các cộng sự (2007) đã tính toán và đưa ra yêu cầu dung sai các kích thước của khuôn nằm trong khoảng 0,01mm [7, 13, 16, 17]. Dụng cụ phải được điều chỉnh sao cho độ lệch tâm của chày dập và cối là nhỏ nhất (hình 1.

Khi sử dụng một lòng khuôn để dập, yêu cầu trung tâm áp lực phải trùng với tâm đối xứng của chi tiết [18]. Sau khi khuôn dập được gia công chính xác, cần phải được kiểm tra để đảm bảo rằng khuôn đã đáp ứng các yêu cầu thiết kế. Nếu dụng cụ không được kiểm tra, sẽ khó khăn để xác định nguyên nhân của sự quá tải trong quá trình dập. Để tối ưu hóa quá trình thiết kế khuôn đảm bảo các yêu cầu về độ chính xác cũng như độ bền của khuôn, phương pháp phần tử hữu hạn, mô phỏng số quá trình dập trong khuôn kín được sử dụng để hỗ trợ thiết kế 12 [19, 20], bên cạnh đó những phương pháp này còn cho phép lựa chọn được các thông số đầu vào của quá trình dập để phục vụ cho các yêu cầu tính toán.

12 Sơ đồ khuôn dập trong khuôn kín Hình 1. 13 Các dạng chày được sử dụng để gia công chi tiết [21] Tác giả Ducloux, R (2014) đã công bố các công trình nghiên cứu về khả năng làm việc của dụng cụ.