TRƯƠNG MINH ĐỨC

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

TRƯƠNG MINH ĐỨC

CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY

NGHIÊN CỨU, TỐI ƯU CÔNG NGHỆ DẬP KHỐI
CHI TIẾT KHỚP NỐI ĐỒNG TỐC TRONG Ô TÔ

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
NGÀNH: CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY

2009-2011

Hà nội 2012


LÝ LỊCH KHOA HỌC
(Dùng cho học viên cao học)

I. Sơ lược lý lịch:
Họ và tên: Trương Minh Đức
Giới tính:Nam
ảnh 4x6
Sinh ngày:08 tháng 06 năm 1982
Nơi sinh(Tỉnh mới): Trực Ninh Nam Định
Quê quán: Trực Nội Trực Ninh Nam Định

Công ty VMEP
Cán bộ kỹ thuật
10/2009 đến nay
ĐH Kinh tế kỹ thuật công nghiệp
Giáo viên
IV. Các công trình khoa học đã công bố: không
Tôi cam đoan những nội dung viết trên đây là đúng sự thật.
Ngày 28 tháng 03 năm 2012
NGƯỜI KHAI KÝ TÊN


MỤC LỤC
Danh mục hình vẽ

3

Lời cam đoan

6

Lời nói đầu

7

Bảng các ký hiệu

9

Chương 1 – TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ DẬP KHỐI VÀ CÔNG 11
NGHỆ ÉP CHẢY

20

1.4 Nhiệm vụ tối ưu công nghệ dập khối gia công chi tiết khớp nối

21

Chương 2 – NGHIÊN CỨU CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA CÔNG NGHỆ ÉP 22
CHẢY TRONG QUÁ TRÌNH BIẾN DẠNG
2.1.

Tính toán công nghệ trong ép chảy thuận

22

2.1.1 Vùng thoát hình trụ I

22

2.1.2 Vùng thoát hình côn II

23

2.1.3 Vùng chứa phôi hình trụ III

29

2.1.4 Áp lực riêng đối với các dạng khuôn khác nhau

31



3.1.1

Đặc điểm hình dạng chi tiết

42

3.1.2

Thiết lập các phương án công nghệ

43

3.2

Ứng dụng mô phỏng số để nghiên cứu công nghệ dập chi tiết khớp 50
nối đồng tốc
3.2.1

Khái quát chung về mô phỏng số

3.2.2

Nghiên cứu công nghệ ép chảy bằng phương pháp mô phỏng 52

50

số
3.3


Ứng dụng mô phỏng trên phần mềm Deform

Kết luận

63
72

Chương 4 MÔ PHỎNG SỐ TỐI ƯU CÔNG NGHỆ ÉP CHẢY CHI TIẾT 74
KHỚP NỐI ĐỒNG TỐC TRONG Ô TÔ
4.1

Mô phỏng và đánh giá kết quả

74

4.1.1 Nhận xét ban đầu

74

4.1.2 Mô phỏng số trong quá trình ép chảy gia công chi tiết khớp nối

74

4.2

Kết luận

84
85



17

Hình 1.7 Sơ đồ ép chảy hỗn hợp

18

Hình 1.8 Sơ đồ ép chảy ngược

19

Hình 1.9 Sự thay đổi hình dạng và kích thước của phôi trong trong ép chảy 19
ngược phụ thuộc vào tỉ số D/d
Hình 1.10 Lực ép chảy ngược phụ thuộc vào tỉ số D/d

20

Hình 2.1 Sơ đồ bài toán ép chảy thuận phôi thanh có tiết diện ngang tròn

22

Hình 2.2 Sơ đồ tính toán vùng biến dạng

23

Hình 2.3 Phân bố áp lực tiếp xúc giữa phôi và thành buồng ép

29

Hình 2.4 Hình dạng hình học vùng biến dạng của một số khuôn khác nhau


Hình 3.5 Hình dạng phôi sau nguyên công ép chảy

46

Hình 3.6 Hình dạng chi tiết sau nguyên công ép chảy

47

3


Hình 3.7 Bản vẽ từ phôi đúc

48

Hình 3.8 Sơ đồ so sánh quá trình tối ưu công nghệ giữa phương pháp 54
truyền thống và phương pháp công nghệ ảo
Hình 3.9. Các bước thực hiện bài toán mô phỏng trên Deform 3D

56

Hình 3.10 Giao diện chính của Deform 3D

57

Hình 3.11 Giao diện modun DEFORM-3D Pre

58


64

Hình 3.20 Mô hình chày

64

Hình 3.21 Mô hình cối

65

Hình 3.22 Mô hình ép chảy

65

Hình 3.23 Hình học phôi sau khi đã chia lưới

66

Hình 3.24 Mô hình vật liệu

66

Hình 3.25 Giao diện Deform đang tính toán và cập nhật lưới

67

Hình 3.26 Hình ảnh một số bước tạo hình

68



Hình 4.2 Biểu đố trạng thái lực lúc kết thúc

77

Hình 4.3 Biểu đồ trạng thái phá hủy lúc kết thúc

77

Hình 4.4 Phân bố biến dạng lúc kết thúc

78

Hình 4.5 Phân bố ứng suất lúc kết thúc

78

Hình 4.6 Biểu đồ trạng thái lực lúc kết thúc

79

Hình 4.7 Biểu đồ trạng thái phá hủy lúc kết thúc

80

Hình 4.8 Phân bố biến dạng lúc kết thúc

80

Hình 4.9 Phân bố ứng suất lúc kết thúc

thực.
Tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm nếu điều đó không đúng sự thật

Học viên thực hiện

Trương Minh Đức

6


LỜI NÓI ĐẦU

Trong những năm gần đây, cùng với sự phát triển mạnh mẽ của nền kinh tế, chất
lượng sản phẩm yêu cầu ngày càng cao, đa dạng về mẫu mã, chủng loại và phải đáp
ứng nhanh chóng về mặt thời gian. Do vậy, tối ưu hoá công nghệ nhằm nâng cao chất
lượng, giảm chi phí thiết kế, sản xuất và hạ giá thành sản phẩm luôn là tiêu chí hàng
đầu cho tất cả các nhà sản xuất.
Trước đây, khi công nghệ chưa phát triển, tối ưu hoá công nghệ thường dựa trên
kinh nghiệm sản xuất và tối ưu dần trong quá trình sản xuất mà không có tính tổng quát
nên hiệu quả thường không cao. Trong những năm gần đây, cùng với sự phát triển
mạnh mẽ của công nghệ thông tin, điện tử, tự động hoá đã trợ giúp quá trình tối ưu hoá
công nghệ một cách đơn giản, nhanh chóng và chính xác bằng phương pháp mô phỏng
số trên máy tính đem lại hiệu quả cao trong nghiên cứu khoa học cũng như trong sản
xuất.
Ở nước ta hiện nay, mô phỏng số vẫn còn là một vấn đề mới mẻ, hầu như chưa
được ứng dụng phổ biến vào sản xuất mà chỉ được nghiên cứu ở một số trường đại học
cũng như các viện nghiên cứu. Để góp phần vào sự phát triển chung của việc nghiên
cứu tối ưu hoá công nghệ nhờ mô phỏng số và thúc đẩy ứng dụng kết quả tối ưu vào
sản xuất công nghiệp, luận văn này tôi đã tập chung nghiên cứu và ứng dụng phương
pháp mô phỏng số nhờ phần mềm DEFORM nhằm tối ưu hoá công nghệ ép chảy trong

Ý nghĩa

Đơn vị đo

A0

Diện tích mặt cắt ngang phôi ban đầu

mm2

A1

Diện tích mặt cắt ngang sản phẩm

mm2

C

Nhiệt dung riêng

d0

Đường kính ban đầu của phôi

mm

E

Mô đun đàn hồi


Chiều dài của phôi ban đầu

mm

l

Chiều dài của phôi sau ép

mm

T

Nhiệt độ tuyệt đối

°K

Tf

Nhiệt độ nóng chảy

°K

−

T
Wges

Ten xơ ứng suất
Công biến dạng cần thiết


9


ϕmax
λ

Mức độ biến dạng chính lớn nhất
Hệ số nhân dẻo

Ký hiệu

Ý nghĩa

µ

Hệ số ma sát

ρ

Mật độ khối lượng

Đơn vị đo
l
kg

Ứng suất chính

N/mm2

σe

cứng tăng, đồng thời trong quá trình tạo hình tạo ra được những thớ kim loại
phù hợp nên có thể làm được những chi tiết vừa nhỏ gọn nhưng lại bền chắc
có vai trò quan trọng trong công nghiệp ô tô, máy bay…
• Tiết kiệm được nhiều kim loại nhất là trong sản xuất loạt lớn hoặc hàng khối
nên giá thành sản xuất giảm.
• Có thể tận dụng phế liệu của sản phẩm này để làm chi tiết khác.

11


Với những ưu việt về năng suất, chất lượng sản phẩm cao, giá thành hạ, thao tác
sản xuất đơn giản không đòi hỏi thợ bậc cao lại có thể chế tạo những chi tiết từ rất nhỏ
đến những chi tiết rất lớn (khoảng 500 tấn) mà dập khối được sử dụng rộng rãi trong
mọi lĩnh vực công nghiệp như: Dân dụng, công nghiệp nặng, công nghiệp nhẹ, quốc
phòng.
Tuy nhiên dập khối cũng có những nhược điểm riêng:
• Quá trình tạo hình cần sử dụng lực công nghệ rất lớn nên hầu hết phải
thực hiện với phôi ở trạng thái nóng (15000C) do vậy chất lượng bề mặt
sản phẩm thấp và độ chính xác không cao (hiện tượng cháy và thoát
cacbon bề mặt) khó cơ khí hóa và tự động hóa.
• Công nhân (nhất là ở nước ta) làm việc nặng nhọc và trong môi trường
độc hại, tiếng ồn nên tai nạn lao động hay xảy ra.
• Không thể tạo ra được những chi tiết có hình dạng và kết cấu phức tạp
như công nghệ đúc.
Ngày nay do sự phát triển của khoa học kỹ thuật người ta đã ra được các thiết bị
tạo hình khối với kim loại ở trạng thái nguội nên độ bóng và độ chính xác của chi tiết
cao nhưng chỉ áp dụng phương pháp dập nguội đối với chi tiết nhỏ và trung bình.
Trong quá trình dập khối tùy theo hình dạng, kích thước của từng loại chi tiết
người ta sử dụng các loại phôi khác nhau: Phôi thép đúc, phôi thép cán định hình, phôi
thép tấm cán, phôi cán chu kỳ. Tương ứng với mỗi loại phôi lại có một quá trình chuẩn

Hình 1.2 Quá trình điền đầy lòng khuôn dập hở ở giai đoạn I

13


Kim loại biến dạng theo nguyên tắc chồn tự do, bắt đầu từ đầu cho đến khi kim loại
tiếp xúc với thành bên của lòng khuôn, tức là khi chiều cao phôi giảm đi một lượng là
∆H1. Ở một số vật phức tạp thì trong giai đoạn này có thể kết hợp giữa chồn và đột lỗ
hoặc ép chảy. Áp lực lực đơn vị ở giai đoạn này thấp, chỉ có các lực P và lực ma sát T
tác dụng trên bề mặt tiếp xúc.
2) Giai đoạn II:

Hình 1.3 Quá trình điền đầy lòng khuôn dập hở ở giai đoạn II
Bắt đầu từ khi kim loại tiếp xúc với các mặt bên của lòng khuôn cho đến khi cửa
khuôn bị đóng lại (bắt đầu cấu tạo vành biên). Chiều cao phôi giảm đi một lượng ∆H2.
Trong giai đoạn này tại các bề mặt tiếp xúc có các lực P tác dụng từ đáy lòng khuôn lên
phôi; lực Q tác dụng từ các mặt bên của lòng khuôn, và vì các góc của lòng khuôn “C”
còn chưa điền đầy cho nên vẫn còn có các lực ma sát T và T1 cản trở sự chảy của kim
loại vào các góc “C”. Đến cuối giai đoạn này vì cửa khuôn bị đóng lại bằng vành biên
cho nên tại cửa khuôn có các lực pháp tuyến Pb và lực ma sát T2 tác dụng lên kim loại.
Vì có thêm một số thành phần lực tiếp xúc cho nên áp lực đơn vị tác dụng lên kim loại
cũng tăng lên nhanh hơn so với giai đoạn I.

14


3) Giai đoạn III:

Hình 1.4 Quá trình điền đầy lòng khuôn dập hở ở giai đoạn III
Giai đoạn này bắt đầu từ khi cửa khuôn bị đóng lại cho đến khi kim loại điền đầy

trong một vật dập không cùng một lúc, không đồng đều, có chỗ chuyển giai đoạn sau.
Chỉ có đối với các vật dập dọc trục, hình dạng tròn xoay thì sự chuyển giai đoạn trên
toàn bộ vật dập xảy ra cùng một lúc.
I.2 Dập khối theo phương pháp ép chảy.

16


Bản chất của công nghệ ép chảy là: Phôi được đặt vào trong cối chế tạo gần
giống như khuôn kín nhưng có lỗ thoát kim loại. Dưới tác dụng của lực công nghệ thì
kim loại bị biến dạng điền đầy lòng khuôn tạo thành phần thân trong lòng cối có hình
dạng giống với hình dáng của lòng cối và mặt chày, phần kim loại còn lại chảy ra ngoài
lòng khuôn qua lỗ thoát thoát tạo thành phần chân có hình dáng và tiết diện ngang
không đổi.
Ép chảy đặc biệt thích hợp trong việc sản xuất các bán thành phẩm dạng thanh,
ống và các profin định hình. Chủng loại sản phẩm ép chảy rất đa dạng, chủ yếu được
chế tạo từ kim loại và hợp kim màu, đặc biệt từ nhôm và hợp kim nhôm. Tùy theo các
điều kiện sản xuất và yêu cầu đối với sản phẩm mà có thể áp dụng các phương pháp ép
chảy khác nhau, phổ biến nhất là ép chảy thuận và ép chảy ngược. Ngoài ra còn có ép
chảy hỗn hợp, ép chảy ống và ép chảy với hành trình ngắn, ép chảy đặc biệt như ép
chảy ngang, ép chảy thủy tĩnh…
I.2.1 Ép chảy thuận
Trong quá trình ép chảy thuận, phôi dịch chuyển tương đối với thành buồng ép và
hướng chảy của kim loại trùng với hướng chuyển động của chày ép.
Chày

Phôi

Cối
Hình 1.6 Sơ đồ ép chảy thuận



Hình 1.8 Sơ đồ ép chảy ngược
• Đặc điểm khi ép chảy ngược:
-

Nếu D/d càng nhỏ thì sau khi đột lỗ, chiều cao phôi càng tăng.

-

Ép chảy ngược thường tiến hành khi tỷ số D/d < 2.

-

Chiều cao của phôi có thể dễ dàng xác định được dựa vào định luật thể
tích không đổi.

Hình 1.9 thể hiện sự thay đổi hình dáng, kích thước phôi khi ép chảy ngược. Khi
đường kính của chày đột thay đổi sẽ làm cho hình dạng và kích thước của phôi thay đổi
theo.

Hình 1.9 Sự thay đổi hình dạng và kích thước của phôi trong trong ép chảy ngược phụ
thuộc vào tỉ số D/d

19


Nhận xét:
• Nếu tỷ số D/d càng lớn thì hình
dáng sản phẩm sau đột lỗ sẽ

20


Dựa vào mô phỏng số ứng dụng trên phần mềm Deform để tối ưu quy trình công
nghệ. Từ đó có thể nâng cao được chất lượng và giảm giá thành sản phẩm.
Từ những phân tích, nhận định ở trên, trong phần nghiên cứu của luận văn sẽ tập
trung vào nghiên cứu tính toán các thông số công nghệ đầu vào và ứng dụng phần mềm
DEFORM mô phỏng quá trình biến dạng dẻo của kim loại khi ép chảy chi tiết khớp
nối, để có thể đưa ra các thông số kỹ thuật tối ưu phục vụ cho việc thiết kế khuôn và
chọn thiết bị công nghệ phù hợp.
Những thông số công nghệ rút ra được nhờ mô phỏng có thể coi là tối ưu và là
dữ liệu cơ bản để thiết kế, chế tạo khuôn. Bởi vậy bộ khuôn chế tạo ra chắc chắn có thể
ép ra sản phẩm đạt yêu cầu, nếu có phải chỉnh sửa thì cũng ở mức độ nhẹ và khối
lượng công việc không nhiều. Với việc áp dụng phương pháp thiết kế “ảo”, thời gian
thiết kế cũng như chi phí chế tạo khuôn giảm đáng kể. Điều này có ý nghĩa rất quan
trọng, nhất là đối với những chi tiết phức tạp, kích thước lớn.
I.4 Nhiệm vụ tối ưu công nghệ dập khối gia công chi tiết khớp nối đồng tốc trong ô
tô
Phương pháp gia công bằng dập khối ép chảy chi tiết có rất nhiều ưu điểm: Gia
công các chi tiết cơ khí với hệ số sử dụng vật liệu cao nhất, tạo ra chi tiết có cơ tính tốt,
chất lượng sản phẩm tốt, năng suất cao. Chính vì vậy trong luận văn này tôi sẽ chọn
phương pháp gia công bằng phương pháp ép chảy để gia công chi tiết khớp nối.
Bài toán đặt ra khi gia công chi tiết khớp nối là phải tìm ra được tối ưu về hình
dáng, kích thước của sản phẩm. Quá trình công nghệ gia công chi tiết có số nguyên
công nhỏ nhất có thể, và phải tối ưu được các thông số về nhiệt độ, lực tác dụng và
mức độ biến dạng khi gia công trong quá trình ép chảy

21




d

- Vùng chứa phôi hình trụ III

Hình 2.1 Sơ đồ bài toán ép chảy thuận phôi thanh có tiết diện ngang tròn
II.1.1 Vùng thoát hình trụ
Kim loại chảy qua vùng này không bị biến dạng, sự biến dạng đã kết thúc ở cuối
giai đoạn trước. Theo định luật tồn tại biến dạng đàn hồi khi biến dạng dẻo, nên kim
loại ở vùng này nằm trong trạng thái ứng suất đàn hồi. Vì vậy giá trị tuyệt đối ứng suất

22


hướng kính cực đại σρ ở thành cối không thể lớn hơn giới hạn chảy σsl. Thực tế, ứng
suất đó nhỏ hơn vì cối không phải là vật tuyệt đối cứng mà chính là vật đàn hồi.
Tuy nhiên, chúng ta coi như trị số ứng suất tuyệt đối σsl bằng giới hạn chảy

|σρl|= σslkfl
Sự chuyển động của kim loại bị cản trở bởi ma sát tiếp xúc trên thành cối. Lực
ma sát có thể tính theo phương trình sau:
P1 = µ1. |σρl|π.d.l = µ1. σρlπ.d.l

(2.1)

Áp lực riêng để khắc phục lực ma sát:
q1 = P1/F1 =

µ1. σρlπ.d.l
2

b

n

m’
a

f’

k

z

n
D

d

n’

A

d
2α
a’
O

Hình 2.2 Sơ đồ tính toán vùng biến dạng

23