Nghiên cứu ứng dụng công nghệ ép thuỷ cơ chế tạo các chi tiết trong thiết bị chế biến nông sản, có sử dụng phần mềm Ansys-Lsdyna

Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ kỹ thuật..... ........... 1 Bé gi¸o dôc vµ ®µo t¹o Tr−êng ®¹i häc n«ng nghiÖp hµ néi -------------***------------- ®ç v¨n tùa Nghiªn cøu øng dông c«ng nghÖ Ðp thuû c¬ ChÕ t¹o c¸c chi tiÕt trong thiÕt bÞ chÕ biÕn N«ng s¶n, cã sö dông phÇn mÒm ansys-lsdyna LuËn v¨n th¹c sÜ kü thuËt Chuyªn ngµnh: Kü thuËt m¸y vµ thiÕt bÞ c¬ giíi ho¸ n«ng, n«ng nghiÖp M· sè : 60.52.14 Ng−êi h−íng dÉn khoa häc: PGS.TS. ®inh b¸ trô hµ néi - 2010 Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ kỹ thuật..... ........... i Lêi cam ®oan T«i xin cam ®oan ®©y lµ c«ng tr×nh nghiªn cøu cña riªng t«i. C¸c sè liÖu, kÕt qu¶ nªu trong luËn v¨n lµ trung thùc vµ ch−a tõng ®−îc ai c«ng bè trong bÊt kú c«ng tr×nh nµo kh¸c. T«i xin cam ®oan r»ng c¸c th«ng tin trÝch dÉn trong luËn v¨n ®2 ®−îc chØ râ nguån gèc. Hµ Néi, ngµy 12 th¸ng12 n¨m 2010 T¸c gi¶ luËn v¨n ðỗ Văn Tựa Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ kỹ thuật..... ........... ii Lêi c¸m ¬n Tr−íc hÕt, t¸c gi¶ bµy tá lßng biÕt ¬n s©u s¾c tíi thÇy gi¸o h−íng dÉn khoa häc PGS.TS §inh B¸ Trô ®2 tËn t×nh h−íng dÉn, nghiªm kh¾c chØ b¶o trong suèt qu¸ tr×nh lµm luËn v¨n, ®2 ®Þnh h−íng gi¶i quyÕt c¸c vÊn ®Ò khoa häc cho luËn v¨n. §ång thêi chØnh söa cÊu tróc luËn v¨n, ®Ó luËn v¨n hoµn thµnh ®óng thêi h¹n T«i xin c¶n ¬n tr−êng §H N«ng nghiÖp Hµ Néi, ViÖn sau ®¹i häc, Khoa C¬ §iÖn, ®2 t¹o ®iÒu kiÖn gióp ®ì t¸c gi¶ trong qu¸ tr×nh lµm luËn v¨n. T«i xin bµy tá lßng c¸m ¬n thÇy Chñ nhiÖm bé m«n cïng c¸c thÇy trong Bộ môn gia công áp lực Trường ðại học Bách khoa Hà Nội ñã tạo ñiều kiện ñể tác giả hoàn thành thí nghiệm gia công ép thuỷ cơ, ®Ó cho luËn v¨n ®i ®óng h−íng vµ ®¶m b¶o tiÕn ®é. T¸c gi¶ bµy tá lßng biÕt ¬n c¸c ®ång nghiÖp, ®2 gãp ý kiÕn x©y dùng ®Ó luËn v¨n cã chÊt l−îng cao. Hµ Néi, ngµy 12 th¸ng12 n¨m 2010 T¸c gi¶ luËn v¨n ðỗ Văn Tựa Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ kỹ thuật..... ........... iii môc lôc Trang Lêi cam ®oan ...................................................................................................i Lêi c¸m ¬n........................................................................................................ii Môc lôc............................................................................................................iii Danh môc b¶ng................................................................................................vi Danh môc h×nh………………………………………………………………vii LỜI NÓI ðẦU ..............................................................................................1 1. C¬ së khoa häc vµ tÝnh thùc tiÔn cña ®Ò tµi:...............................................1 2. Môc tiªu cña ®Ò tµi: ....................................................................................2 3. Ph−¬ng ph¸p nghiªn cøu: ...........................................................................2 4. Néi dung nghiªn cøu:.................................................................................2 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ ÉP THUỶ CƠ ................3 1.1. Các khái niệm về ép bằng nguồn chất lỏng cao áp................................3 1.1.1. Khái niệm ép thủy tĩnh và thủy cơ..................................................3 1.1.2. Chất lỏng dùng trong gia công thuỷ tĩnh ........................................5 1.1.3. Lực tác dụng trong ép thủy cơ........................................................7 1.2. ðặc ñiểm của phương pháp ép thuỷ cơ...................................................8 1.2.1. ðặc ñiểm về ép thuỷ cơ..................................................................8 1.2.2.Ưu nhược ñiểm của ép thủy cơ........................................................8 1.3. Các phương pháp ép thuỷ cơ ...............................................................10 1.4. Ứng suất và biến dạng khi ép thủy cơ...................................................12 1.5. Tính toán các thông số công nghệ ép thủy cơ.......................................14 1.5.1. Tính áp suất chất lỏng ..................................................................14 1.5.2. Lùc chÆn ph«i: ................................................................................20 1.5.3. Khe hë cho qu¸ tr×nh dËp thuû c¬:..................................................21 1.5.4. Lùc c¶n cña ph«i lªn chµy: .............................................................22 1.5.5.Lùc dËp vuèt: ...................................................................................22 Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ kỹ thuật..... ........... iv 1.5.6.Lùc m¸y: ..........................................................................................22 1.6. Ma sát và bôi trơn trong ép thuỷ cơ: .....................................................22 1.7. Sự phát triển và ứng dụng công nghệ ép thuỷ cơ hiện nay..................24 KẾT LUẬN CHƯƠNG 1 ...........................................................................27 CHƯƠNG 2 CƠ SỞ TÍNH TOÁN BIẾN DẠNG TẠO HÌNH ÉP THỦY CƠ BẰNG PHẦN TỬ HỮU HẠN.............................................................28 2.1. Khái niệm phần tử hữu hạn và phân loại phần tử .................................28 2.2. Các phương trinh cơ bản ứng dụng giải bài toán biến dạng .................29 2.2.1. Phương trình cân bằng .................................................................29 2.2.2. Quan hệ biến dạng - chuyển vị .....................................................29 2.2.3. Quan hệ biến dạng - chuyển vị của tấm:.......................................30 2.2.4. Quan hệ ứng suất – biến dạng ......................................................31 2.2.5. Phương trình năng lượng của phần tử: .........................................32 2.4. Giải bài toán ép thủy cơ - biến dạng dẻo tấm .......................................37 2.4.1. Các biểu thức cơ bản....................................................................37 2.4.2. Các quan hệ khi sử dụng phần tử tấm phẳng ...............................39 KẾT LUẬN CHƯƠNG 2 ...........................................................................43 CHƯƠNG 3 MÔ PHỎNG SỐ QUÁ TRÌNH ÉP THỦY CƠ ..................44 3.1. Mô hình thuật toán mô phỏng ANSYS.................................................44 3.2. Xây dựng bài toán ................................................................................45 3.2.1. Mô hình hình học CAD................................................................45 3.2.2. ðịnh nghĩa kiểu phần tử ...............................................................45 3.2.3. Lựa chọn vật liệu .........................................................................46 3.2.4. Chia lưới cho phần tử chày, cối, phôi, ép biên..............................47 3.2.5. ðặt ñiều kiên tiếp xúc ..................................................................47 3.2.6 ðặt ñiều kiên biên ràng buộc........................................................48 3.2.7. Giải bài toán – Run Solution ........................................................49 3.2.8. Khảo sát kết quả - Read Results ...................................................49 Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ kỹ thuật..... ........... v 3.3. KẾT QUẢ MÔ PHỎNG .......................................................................50 3.3.1. Khảo sát ảnh hưởng của áp suất chất lỏng thay ñổi ......................50 3.3.2. Khảo sát ảnh hưởng chiều sâu vuốt (khi áp suất chất lỏng không ñổi, ma sát µ = 0,05, ñường kính phôi = 200mm) ..................................51 3.3.3. Khảo sát ảnh hưởng vật liệu nhôm ..............................................54 3.3.5. Khảo sát ảnh hưởng ma sát ..........................................................58 3.3.6. Ảnh hưởng ñường kính phôi. .......................................................62 KẾT LUẬN CHƯƠNG 3 ...........................................................................63 CHƯƠNG 4 THÍ NGHIỆM ÉP THỦY CƠ.............................................64 4.1.Thiết bị và khuôn ép thủy cơ................................................................64 4.2. Phương án thí nghiệm ...........................................................................66 4.3. Phân tích kết quả thí nghiệm.................................................................75 KẾT LUẬN CHƯƠNG 4 ............................................................................80 KẾT LUẬN.................................................................................................81 Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ kỹ thuật..... ........... vi DANH MỤC BẢNG Bảng 4.1. Bảng thành phần và cơ tính của vật liệu .......................................67 Bảng 4.2. Bảng áp suất, hành trình chày khi ép phôi nhôm Ao.....................69 Bảng 4.3. Bảng áp suất, hành trình chày khi ép phôi C08s ...........................71 Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ kỹ thuật..... ........... vii DANH MỤC HÌNH Hình 1.1. Ép thủy tĩnh phôi tấm và ép thủy tĩnh phôi ống...............................4 Hình 1.2. Sơ ñồ quá trình ép thủy cơ ..............................................................4 Hình 1.3. Tạo thành gân vuốt bằng chất lỏng khi ép thủy cơ ..........................5 Hình 1.4. Lực tác dụng khi ép thủy cơ ............................................................7 Hình 1.5. Ép thủy cơ phôi phẳng ..................................................................11 Hình 1.6 Ép thủy cơ 3D...............................................................................11 Hình 1.7. Sơ ñồ phân loại các phương pháp ép thuỷ cơ ................................12 Hình 1.10. Các sản phẩm ép thủy cơ.............................................................26 Hình 2.1. Phần tử và các kiểu phần tử: Phần tử 1 chiều 1D, Phần tử 2 chiều 2D, Phần tử 3 chiều 3D................................................................28 Hình 2.2. Mô hình tác dụng lực của bài toán biến dạng tấm .........................37 Hình 2.3. Mô hình phân bố ứng suất trên tấm……………………………….37 Hình 2.4 Phần tử tấm 4 nút ..........................................................................39 Hình 3.1. Thuật toán mô phỏng ép thủy cơ bằng phần mềm ANSYS ...........44 Hình 3.2. Mô hình hình học..........................................................................45 Hình 3.3. Mô hình phần tử solid 92 với 10 nút ............................................45 Hình 3.4.Mô hình chia lưới chày, cối, ép biên ..............................................47 Hình 3.5. Mô hình cặp tiếp xúc cối và phôi ..................................................48 Hình 3.6.. Mô hình cặp tiếp xúc ép biên và phôi..........................................48 Hình 3.7. Mô hình ñặt ñối xứng……………………………………………..49 Hình 3.8. Mô hình áp lực lên phôi ...............................................................49 Hình 3.9. Khi áp lực chất lỏng là 40 MPα, phôi chưa có hiện tượng phồng lên ………………………………………………………...50 Hình 3.10. Khi áp lực chất lỏng là 65 MPα, bắt ñầu xuất hiện hiện tượng phóng phồng phôi tại vùng góc lượn của cối ……………………50 Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ kỹ thuật..... ........... viii Hình 3.11. Khi áp lực chất lỏng là 90 MPα, phôi có hiện tượng phồng lên mạnh mẽ tại vùng góc lượn của cối………………………………50 Hình 3.12. Phân bố ứng xuất tương ñương Von Mises H = 30mm P = 65 MPα σeqv = 531 MPα……………………………………………..51 Hình 3.13. Phân bố ứng suất tương ñương Von Mises H = 40mm P = 65 MPα σeqv = 610 MPα……………………………………………..51 Hình 3.14. Phân bố ứng suất tương ñương Von Mises H = 50mm P = 65 MPα σeqv = 666 MPα……………………………………………..52 Hình 3.15. Phân bố ứng suất tương ñương Von Mises H = 60mm P = 65 MPα σeqv = 709 MPα……………………………………………..52 Hình 3.16. Phân bố biến dạng tương ñương Von Mises H = 30mm P = 65 MPα εeqv = 0,28 …………………………………………………..52 Hình 3.17. Phân bố biến dạng tương ñương Von Mises H = 40mm P = 65 MPα εeqv = 0,38 …………………………………………………..52 Hình 3.18. Phân bố biến dạng tương ñương Von Mises H = 50mm P = 65 MPα εeqv = 0,4 …………………………………………………....52 Hình 3.19. Phân bố biến dạng tương ñương Von Mises H = 60mm P = 65 MPα εeqv = 0,5 ……………………………………….…………..52 Hình 3.20. Sự phụ thuộc của σeqvmax vào chiều sâu dập vuốt ……………… 53 Hình 3.21. Sự phụ thuộc của εeqvmax vào chiều sâu dập vuốt ……………… 53 Hình 3.22. Dập vuốt thuỷ cơ phân bố ứng suất tương ñương Von Mises H = 60 mm P=65MPa σeqv = 709 MPa < giới hạn phá huỷ của vật liệu Rm = 780 MPa……………………………………………...54 Hình 3.23. Dập vuốt thông thường H = 45mm P=45MPa σeqv = 794 MPα > giới hạn phá huỷ của vật liệu Rm = 780 MPa .......................................... 54 Hình 3.24. Phân bố ứng suất tương ñương Von Mises H = 5mm P=30MPa σeqv = 152 ................................................................................................. 54 Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ kỹ thuật..... ........... ix Hình 3.25. Phân bố ứng suất tương ñương Von Mises H = 10mm P=30MPa σeqv = 162 ................................................................................................. 54 Hình 3.26. Phân bố ứng suất tương ñương Von Mises H = 15mm P=30MPa σeqv = 169Mpa...…………………………………………………..55 Hình 3.27. Phân bố biến dạng tương ñương Von Mises H = 5mm P=30MPa εeqv = 0,3 ……………...…………………………………………..55 Hình 3.28. Phân bố biến dạng tương ñương Von Mises H = 10mm P=30MPa εeqv = 0,68…...…………………………………………………….55 Hình 3.29. Phân bố biến dạng tương ñương Von Mises H = 15mm P=30MPa εeqv = 1,08..……………………………………………………….55 Hình 3.30. Phân bố ứng suất tương ñương Von Mises H = 30mm P=65MPa σeqv = 544Mpa……………..……………………………………..56 Hình 3.31. Phân bố ứng suất tương ñương Von Mises H = 40mm P=65MPa σeqv = 615Mpa……..……………………………………………..56 Hình 3.32. Phân bố ứng suất tương ñương Von Mises H = 50mm P=65MPa σeqv = 667Mpa…………………..………………………………..56 Hình 3.33. Phân bố ứng suất tương ñương Von Mises H = 60mm P=65MPa σeqv = 716Mpa……………..……………………………………..56 Hình 3.34. Phân bố biến dạng tương ñương Von Mises H = 30mm P=65MPa εeqv = 0.3…………………………..……………………………...57 Hình 3.35. Phân bố biến dạng tương ñương Von Mises H = 40mm P=65MPa εeqv = 0.38………………………………..……………………….57 Hình 3.36. Phân bố biến dạng tương ñương Von Mises H = 50mm P=65MPa εeqv = 0.44……………………………..………………………….57 Hình 3.37. Phân bố biến dạng tương ñương Von Mises H = 60mm P=65MPa εeqv = 0.5………………………………..………………………...57 Hình 3.38. ðồ thị mối quan hệ ứng suất và chiều sâu dập vuốt..…………....58 Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ kỹ thuật..... ........... x Hình 3.39. Phân bố ứng suất tương ñương Von Mises H = 30mm P=65MPa σeqv =525Mpa………………...…………………………………...58 Hình 3.40. Phân bố ứng suất tương ñương Von Mises H = 40mm P=65MPa σeqv =591Mpa……………………………………………………..58 Hình 3.41. Phân bố ứng suất tương ñương Von Mises H = 50mm P=65MPa σeqv =646Mpa……………………………………………………..59 Hình 3.42. Phân bố ứng suất tương ñương Von Mises H = 60mm P=65MPa σeqv =682Mpa……………………………………………………..59 Hình 3.43. Phân bố biến dạng tương ñương Von Mises H = 30mm P=65MPa εeqv = 0.27…………………………………………………………59 Hình 3.44. Phân bố biến dạng tương ñương Von Mises H = 40mm P=65MPa εeqv = 0.36…………………………………………………………59 Hình 3.45. Phân bố biến dạng tương ñương Von Mises H = 50mm P=65MPa εeqv = 0.42……………………………..……………………….….60 Hình 3.46. Phân bố biến dạng tương ñương Von Mises H = 60mm P=65MPa εeqv = 0.47……………………………..……………………….….60 Hình 3.47. ðồ thị mối quan hệ ứng suất và chiều sâu dập vuốt..…………....61 Hình 3.48. Phân bố ứng suất tương ñương Von Mises H = 140mm P=65MPa σeqv =771Mpa……………………...…………………………..….62 Hình 4.1. Stand ép thuỷ cơ trên METL YH-32 .................................................... 64 Hình 4.2. Bộ khuôn thí nghiệm ép thủy cơ ...................................................65 Hình 4.3. Hệ thống xử lý số liệu ño ..............................................................66 Hình 4.4. Sản phẩm ñạt yêu cầu về kỹ thuật .................................................68 Hình 4.5. Sản phẩm bị nhăn..........................................................................68 Hình 4.6. Sản phẩm bị rách ..........................................................................69 Hình 4.7. ðồ thị áp suất, ñường kính phôi và hành trình với S=0,8 ..............72 Hình 4.8. ðồ thị áp suất, ñường kính phôi và hành trình với S=0,9 ..............72 Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ kỹ thuật..... ........... xi Hình 4.9. ðồ thị áp suất, ñường kính phôi và hành trình với S=1,0 ..............73 Hình 4.10. ðồ thị áp suất, ñường kính phôi và hành trình với S=1,1 ............73 Hình 4.11. ðồ thị áp suất, ñường kính phôi và hành trình với S=1,2 ............73 Hình 4.12. ðồ thị áp suất, ñường kính phôi và hành trình với S=0,8 ............74 Hình 4.13. ðồ thị áp suất, ñường kính phôi và hành trình với S=0,9 ............74 Hình 4.14. ðồ thị áp suất, ñường kính phôi và hành trình với S=1,0 ............74 Hình 4.15. ðồ thị áp suất, ñường kính phôi và hành trình với S=1,1 ............75 Hình 4.16. ðồ thị áp suất, ñường kính phôi và hành trình với S=1,2 ............75 Hình 4.17. ðồ thị áp suất hành trình ép phôi nhôm ( S=0,8mm, D=160mm) bị nhăn và rách.................................................................................76 Hình 4.18. ðồ thị áp suất, hành trình với phôi C08s (D=160, S=1,2mm).....77 Hình 4.19. Phôi nhôm bị nhăn rách khi áp lực tác dụng lên vành ép biên là 10KG/mm2...................................................................................78 Hinh 4.20. ðồ thị áp suất hành trình trong thí nghiệm phôi nhôm bị rách.....78 Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ kỹ thuật..... ........... 1 LỜI NÓI ðẦU HiÖn nay c«ng nghÖ Ðp thñy c¬ ®−îc øng dông réng r2i trªn thÕ giíi vµ ®2 b¾t ®Çu ®−îc nghiªn cøu ë ViÖt Nam. Ðp thñy c¬ cho phÐp chÕ t¹o ®−îc c¸c chi tiÕt d¹ng rçng, cã h×nh d¹ng phøc t¹p kh«ng thÓ chÕ t¹o ®−îc b»ng c¸ch Ðp dËp th«ng th−êng. §©y lµ mét c«ng nghÖ hiÖn ®¹i, ®−îc øng dông nhiÒu trong s¶n xuÊt c¬ khÝ, nhÊt lµ sö dông nhiÒu chi tiÕt d¹ng tÊm ®−îc dïng trong c¸c m¸y chÕ biÕn n«ng s¶n. Tr−íc t×nh h×nh ®ã, ®Ó gãp phÇn t¨ng tr−ëng kinh tÕ cña Th¸i B×nh, ®−a c«ng nghÖ míi vµo s¶n xuÊt, ®ång thêi ®−a kiÕn thøc míi vµo gi¶ng d¹y vµ nghiªn cøu t¹i §¹i häc C«ng nghiÖp TP Hå ChÝ Minh - C¬ së Th¸i B×nh, cÇn thiÕt ph¶i nghiªn cøu c¸c c«ng nghÖ míi. §©y lµ mét c«ng nghÖ mang tÝnh kh¶ thi cao, cã nhiÒu bÝ quyÕt kü thuËt, cã thÓ gãp phÇn gi¶m gi¸ thµnh s¶n phÈm vµ t¨ng chñng lo¹i t¹o thÕ c¹nh tranh cao cho c¸c doanh nghiÖp. §Ò tµi “ Nghiªn cøu øng dông c«ng nghÖ Ðp thñy c¬ chÕ t¹o c¸c chi tiÕt trong chÕ biÕn n«ng s¶n, cã sö dông phÇn mÒm Ansys-LS Dyna” mong muèn lµm râ c¸c vÊn ®Ò c¬ së khoa häc vÒ c«ng nghÖ Ðp thñy c¬, kh¶o s¸t quy luËt ¶nh h−ëng cña mét sè yÕu tè c«ng nghÖ ®Õn chÊt l−îng s¶n phÈm sau dËp. 1. C¬ së khoa häc vµ tÝnh thùc tiÔn cña ®Ò tµi: - C¬ së khoa häc: §Ò tµi nghiªn cøu c¬ së lý thuyÕt Ðp thñy c¬, c¸c yªu cÇu c«ng nghÖ khi Ðp thñy c¬. §ång thêi cÇn kh¶o s¸t m« pháng qu¸ tr×nh Ðp ®Ó tèi −u hãa biÕn d¹ng tÊm. - TÝnh thùc tiÔn: §Ò tµi cã thÓ sö dông ®Ó t¹o ra c¸c s¶n phÈm phøc t¹p chÕ t¹o b»ng c«ng nghÖ dËp trong c¸c m¸y vµ thiết bÞ phôc vô s¶n xuÊt vµ chÕ biÕn n«ng s¶n, cã thÓ më réng ¸p dông c«ng nghÖ m« pháng sè ®Ó ph©n tÝch qu¸ tr×nh biÕn d¹ng khi tÝnh to¸n thiÕt kÕ nãi chung vµ trong gi¶ng d¹y t¹i Th¸i b×nh. §©y lµ mét c«ng nghÖ thiÕt kÕ hiÖn ®¹i, tiÕt kiÖm giai ®o¹n chÕ thö vµ mang l¹i tÝnh c¹nh tr¹nh cao cho s¶n phÈm. N¾m ®−îc c«ng nghÖ nµy cã Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ kỹ thuật..... ........... 2 Ých cho viÖc ®−a c«ng nghÖ cao vµo ®µo t¹o t¹i §HCN TP Hồ ChÝ Minh - C¬ së Th¸i B×nh vµ ®−a KHCN cña Th¸i B×nh lªn một b−íc. 2. Môc tiªu cña ®Ò tµi: Môc tiªu ®Ò tµi nghiªn cøu øng dông c«ng nghÖ Ðp thñy c¬ vµ c«ng nghÖ m« pháng ®Ó Ðp c¸c chi tiÕt trong thiÕt bÞ chÕ biÕn n«ng s¶n lµm c¬ së øng dông c«ng nghÖ trong thùc tÕ. C¸c kÕt qu¶ ph¶i ®−îc: a. N¾m ch¾c c¸c ®Æc tÝnh biÕn d¹ng khi Ðp thñy c¬; b. N¾m ®−îc ph−¬ng ph¸p phÇn tö h÷u h¹n; c. Sö dông phÇn mÒm c«ng nghiÖp m« pháng biÕn d¹ng tÊm b»ng Ansys- LS Dyna. d. N¾m ®−îc c«ng nghÖ dËp thñy c¬ vµ hÖ thèng thÝ nghiÖm. 3. Ph−¬ng ph¸p nghiªn cøu: - VÒ lý thuyÕt: Nghiªn cøu tæng quan tµi liÖu vÒ Ðp thñy c¬; - VÒ thùc nghiÖm: m« pháng biÕn d¹ng b»ng phÇn mÒm ANSYS Dyna vµ thùc hµnh thÝ nghiÖm trªn m¸y cña Trường ðại học B¸ch khoa Hà Nội . 4. Néi dung nghiªn cøu: Më ®Çu Ch−¬ng 1. Tæng quan vÒ c«ng nghÖ Ðp thñy c¬ Ch−¬ng 2. C¬ së tÝnh to¸n biÕn d¹ng khi Ðp thñy c¬ b»ng phÇn tö h÷u h¹n Ch−¬ng 3. M« pháng sè qu¸ tr×nh Ðp thuû c¬ b»ng ANSYS Ch−¬ng 4. ThÝ nghiÖm Ðp thñy c¬ KÕt luËn Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ kỹ thuật..... ........... 3 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ ÉP THUỶ CƠ Ép hay dập thuỷ cơ là phương pháp tạo hình vật liệu có sử dụng nguồn chất lỏng áp suất cao kết hợp với chuyển ñộng cơ khí của chày do máy tạo ra. Bản chất của phương pháp là, dưới tác dụng của môi trường chất lỏng thủy tĩnh áp suất cao kết hợp với dụng cụ cứng (chày và cối) gây biến dạng vật liệu và tạo ñiều kiện thuận lợi cho sự biến dạng, nhất là những chi tiết có hình dáng phức tạp và tấm vật liệu làm bằng kim loại khó biến dạng. 1.1. Các khái niệm về ép bằng nguồn chất lỏng cao áp 1.1.1. Khái niệm ép thủy tĩnh và thủy cơ Trong ép bằng chất lỏng cao áp có thể phân thành các nhóm chính sau: - Ép thủy tĩnh: là dạng ép (dập) tạo hình sử dụng áp lực chất lỏng làm chày, biến dạng phôi ñể có hình dáng kích thước như của cối. Trong ép thủy tĩnh còn có thể phân thành: ép thủy tĩnh tấm và ép thủy tĩnh ống. Ép thủy tĩnh tấm (hình 1.1a): Khi chịu áp lực của chất lỏng, tấm kim loại bị biến dạng, sau ñó, khi chạm vào thành ñáy cối, chúng hình thành hình dáng sản phẩm. Ép thủy tĩnh ống (hình 1.1b): tương tự, phôi có dạng ống, khi chịu áp lực cao bên trong, ống biến dạng và hình thành sản phẩm theo hình dáng của khuôn. - Ép thủy cơ: là dạng ép tạo hình sử dụng chày cứng, vành cối và buồng thủy lực ñối áp. Khi ñóng mạch ñiều khiển, chày và vòng chặn phôi dịch chuyển xuống, phôi ñược kẹp chặt. Không gian ép tạo thành ở phần dưới của khuôn ñược che và bịt kín hoàn toàn bằng phôi và tấm chặn. Khi chày vuốt tiếp tục ñi xuống làm tăng áp suất chất lỏng chứa trong buồng chứa, trị số của áp suất này ñược ñiều chỉnh bởi van ñiều chỉnh áp. Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ kỹ thuật..... ........... 4 a. b. Hình 1.1. Ép thủy tĩnh phôi tấm và ép thủy tĩnh phôi ống Hình 1.2. Sơ ñồ quá trình ép thủy cơ 1. Kết cấu khuôn gồm: Chày-tấm chặn phôi- phôi – vành cối – buồng chứa chất lỏng có ống thoát và van ñiều tiết áp suất; 2. Chày ñi xuống; áp suất thủy tĩnh nén phôi làm phôi áp sát chày, tấm chặn giữ phôi tạo lực căng ; 3.Khi chày ñi xuống, phôi tấm ñược biến dạng phồng lên và bọc áp vào chày; 4. Cuối cùng phôi tấm biến dạng theo ñúng hình dáng kích thước của chày ép. Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ kỹ thuật..... ........... 5 Hình 1.3. Tạo thành gân vuốt bằng chất lỏng khi ép thủy cơ Dưới tác dụng của áp suất chất lỏng, phôi bị áp sát chặt vào chày vuốt và vùng khe hở chày và cối bị phình lên trên tạo thành gân vuốt mềm, quá trình vuốt xảy ra không phải qua mép vuốt cứng mà qua gân chất lỏng. Chiều cao phần gân ra phụ thuộc vào áp suất của chất lỏng công tác. Quá trình ép có thể chia làm các giai ñoạn như sau: Giai ñoạn 1: ðưa phôi vào khuôn ép Giai ñoạn 2: - Phôi ñược kẹp chặt nhờ cơ cấu chặn phôi - Không gian ép ñược hình thành giữa phôi và lòng cối - Chất lỏng ñược bơm vào trong lòng cối - Phôi ép vào chày Giai ñoạn 3: Chày ñi xuống thực hiện quá trình ép. Áp suất chất lỏng ñủ ñể phôi biến dạng, tách phôi khỏi miệng cối, tạo hình phồng lên làm giảm ma sát tiếp xúc khi vuốt sâu. Giai ñoạn 4: Phôi ñược hình thành theo ñúng biên dạng của chày. Hết hành trình lấy phôi ra ñược sản phẩm. 1.1.2. Chất lỏng dùng trong gia công thuỷ tĩnh Chất lượng sản phẩm và ñộ ổn ñịnh của quá trình phụ thuộc rất nhiều vào thành phần và tính chất lý hoá của chất lỏng công tác. Khi gia công thuỷ tĩnh phải chọn ñúng chất lỏng và phải thoả mãn các yêu cầu cơ bản sau: Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ kỹ thuật..... ........... 6 - ðảm bảo ñộ nhớt cần thiết và không hoá rắn ở áp suất công tác - Có ñộ nén nhỏ nhất dưới tác ñộng của áp suất cao - ðảm bảo tính chống mài mòn cần thiết - Không tương tác với kim loại biến dạng - Tính kinh tế rẻ và không có ñộc hại ðộ nhớt của chất lỏng biểu hiện khi nó chuyển ñộng và liên quan tới sự xuất hiện ứng suất tiếp. Chất lỏng có ñộ nhớt cao thì chảy kém và ngược lại, chất lỏng có ñộ nhớt thấp thì có ñộ chảy lớn. ðặc tính quan trọng này của chất lỏng thay ñổi tuỳ thuộc vào nhiệt ñộ và áp suất. Khi tăng áp suất thì ñộ nhớt tăng lên và sự thay ñổi của ñộ nhớt phụ thuộc vào áp suất tuân theo quy luật hàm số mũ: η = η0. eP.β (1.1) Trong ñó: η0 - ñộ nhớt của chất lỏng ở áp suất khí quyển và nhiệt ñộ 20 0C; p - áp suất; β - hệ số, nó phụ thuộc vào chất lỏng và nhiệt ñộ. Sự thay ñổi ñộ nhớt của chất lỏng theo nhiệt ñộ tuân theo quy luật hàm số mũ dưới dạng: ηt = η0. )tt(e 0−λ− (1.2) Trong ñó: λ - hệ số, phụ thuộc vào chất lỏng ở nhiệt ñộ 20 0C; t - nhiệt ñộ của chất lỏng; η0- ñộ nhớt của chất lỏng ở nhiệt ñộ phòng (20 0C). ðể quá trình ép thuỷ tĩnh thực hiện bình thường, tính nén ñược của chất lỏng công tác dưới tác dụng của áp suất cao có ý nghĩa quan trọng. ðối với chất lỏng, sự thay ñổi thể tích khi áp suất tăng ñược xác ñịnh theo công thức: V = V0 .             pi +− ' p ln.A 11 (1.3) Trong ñó: V0 - thể tích chất lỏng ở áp suất khí quyển (1 at = 0,1 MPa); A, pi' - các hệ số. ðộ nén ñược gia tăng của chất lỏng công tác dưới tác dụng của áp suất cao là yếu tố bất lợi vì nó làm giảm hiệu suất của thiết bị do một phần năng lượng cần tiêu hao cho việc nén chất lỏng. Năng lượng ñàn hồi của chất lỏng Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ kỹ thuật..... ........... 7 công tác tích luỹ trong quá trình ép có thể biến thành công tích cực theo chu kỳ gây ra sự ñưa phôi không ñều và sự dao ñộng áp suất không mong muốn. Ngoài ra, do có sự tích trữ thế năng lớn khi nén chất lỏng nên sản phẩm ép khi ra khỏi buồng ép có tốc ñộ lớn ñòi hỏi phải có thiết bị ñặc biệt ñể khống chế tốc ñộ của sản phẩm nhằm tránh không cho sản phẩm bị phá huỷ. Ngoài hai yếu tố kể trên ñối với chất lỏng công tác, thì tính bôi trơn, tính chống bắt lửa cũng như tính không sinh ra khí ñộc hại và tác dụng với phôi ép và dụng cụ của chất lỏng công tác cũng có ý nghĩa quan trọng trong quá trình gia công thuỷ tĩnh. 1.1.3. Lực tác dụng trong ép thủy cơ Khi ép thủy cơ, có 3 lực tác dụng: - Áp suất thủy lực ñể ép phôi áp sát chày, tạo hình theo biên dạng chày, áp lực tăng khi chiều sâu ép tăng. Cần khống chế ñến một áp lực nhất ñịnh ñủ ñể áp phôi vào bề mặt chày và giữ ổn ñịnh trong quá trình biến dạng; Hình 1.4. Lực tác dụng khi ép thủy cơ - Lực nén của chày ñể ép phôi tạo hình, hay lực ép vuốt; lực do pitton máy ép, lực nén cân bằng với lực do áp suất thủy tĩnh theo phương ñứng tạo nên; - Lực ép biên, ñể giữ phôi, chống nhăn – rách. Nếu lớn quá sẽ gây rách, nhỏ quá sẽ gây nhăn. Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ kỹ thuật..... ........... 8 1.2. ðặc ñiểm của phương pháp ép thuỷ cơ 1.2.1. ðặc ñiểm về ép thuỷ cơ ðiểm khác biệt ñặc trưng của quá trình ép thuỷ cơ là sự cần thiết phải tạo ra ñược áp suất thuỷ tĩnh biến ñổi tác dụng vào phôi từ phía cối lỏng. Giá trị áp suất này, phải ñủ lớn ñể ép chặt phôi vào bề mặt của chày và ngăn sự nhăn của phôi, nhưng không ñược quá lớn, sao cho lực ma sát và ứng suất uốn xuất hiện khi ñó sẽ không làm ñứt phôi. Giá trị áp suất thuỷ tĩnh cần thiết từ phía cối lỏng phụ thuộc vào các yếu tố chính sau: Tính chất cơ lí của vật liệu phôi; chiều dày của tấm vật liệu bán thành phẩm và ñặc tính hình học của chi tiết ép. Phương pháp ép thuỷ cơ cho phép ép hoàn chỉnh chi tiết sau một lần ép nhờ biến dạng vật liệu ñồng ñều và giảm hiện tượng biến mỏng cục bộ. Ngoài ra, phương pháp ép thuỷ cơ còn cho phép nâng cao ñộ chính xác và chất lượng bề mặt chi tiết ép do bề mặt của phôi không trực tiếp xúc với dụng cụ gia công. Qua ñó có thể tăng tuổi thọ của chày và cối do giảm mòn. Hình dạng của sản phẩm phụ thuộc chủ yếu vào hình dạng của chày ép nên ña dạng hoá sản phẩm mà chỉ sử dụng một loại cối ép. Ép thuỷ cơ chủ yếu ñược thực hiện trên máy ép thuỷ lực do có thể ñiều chỉnh ñược tốc ñộ ép, hành trình của chày, lực chặn và áp suất chất lỏng phù hợp với từng chủng loại sản phẩm ñiều này ñảm bảo ñộ chính xác về hình dạng của chi tiết cũng như nâng cao cơ tính của vật liệu. 1.2.2.Ưu nhược ñiểm của ép thủy cơ Ưu ñiểm của phương pháp ép thuỷ cơ: - Giảm ñáng kể lực ma sát có hại giữa phôi và dụng cụ. - Tăng lực ma sát có ích giữa chày và phôi ñược tạo ra bởi sự ép mạnh vào bề mặt chày bằng áp suất thuỷ tĩnh từ phía cối lỏng, do vậy nó loại bỏ ñược sự trượt của phôi ñối với chày và sự kéo căng của phôi, nhờ vậy mà hệ số ép vuốt ñược nâng cao hơn nhiều so với ép trong khuôn kim loại: ñến 0,4 Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ kỹ thuật..... ........... 9 ñối với thép thấp cacbon, còn khi sử dụng gân vuốt có thể giảm hệ số ép vuốt ñến 0,3. Số lượng các nguyên công cũng ñược giảm. Nếu như ép vuốt các chi tiết hình nón hoặc parabol bằng phương pháp thông thường ñòi hỏi phải mất một số nguyên công ép vuốt trung gian thì bằng phương pháp ép thủy cơ, thì chỉ cần một nguyên công ép. - Có áp suất thuỷ tĩnh tương ñối ñồng ñều từ phía cối lỏng tác dụng lên trên bề mặt của phôi. ðiều này sẽ làm tăng khả năng biến dạng dẻo của kim loại và ñộ ñồng ñều về cơ lý tính của sản phẩm và ép các chi tiết có hình dáng phức tạp. - Do sự thay ñổi không ñáng kể của chiều dày kim loại chỗ chuyển tiếp từ ñáy ñến thành chi tiết (khu vực nguy hiểm nhất khi ép vuốt thông thường) ._.nên có thể dùng những vật liệu mỏng hơn và với bán kính chày rất nhỏ. ðồng thời, do ảnh hưởng hưởng của khe hở giữa chày và cối không nhạy cảm như ép vuốt thông thường nên có thể ép trong một lần các chi tiết có chiều dày khác nhau và từ các vật liệu khác nhau. - Sự tiêu tốn vật liệu dụng cụ cũng tương ñối thấp do sự ñơn giản hóa kết cấu ép và giảm thiểu sự mài mòn dụng cụ. Hơn nữa, khi chuyển sang ép các chi tiết gần giống chỉ cần thay ñổi chày, ñồ gá và vòng chặn phôi. - Chất lượng bề mặt của chi tiết ép rất cao do quá trình vuốt không xảy ra qua mép cạnh kim loại của khuôn vuốt, vì vậy giảm thiểu các nguyên công chỉnh sửa. Các nhược ñiểm: - Có thể xảy ra sự mất ổn ñịnh ở phần mặt bích của phôi và phần bán kính cong của phần chuyển tiếp giữa mặt bích với thành vỏ thẳng ñứng của chi tiết. ðiều này có thể gây ra các phế phẩm như hiện tượng nhăn, co, móp… ở phần vành phôi. - Phải tạo ra nguồn chất lỏng áp suất cao và ñiều chỉnh ñược giá trị áp suất trong quá trình ép vuốt. Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ kỹ thuật..... ........... 10 - Có thể xảy ra sự biến mỏng của phôi, nếu lượng biến mỏng này là lớn và không ñồng ñều, dễ xảy ra tình trạng làm rách, ñứt phôi ở tiết diện nguy hiểm. Mặc dù vậy phương pháp ép thuỷ cơ vẫn ñược áp dụng một cách rộng rãi trong công nghiệp, ñặc biệt trong các trường hợp sau: - Gia công các chi tiết có hình dáng phức tạp, không ñối xứng như các chi tiết có hình côn, parabol, cầu, các chi tiết vỏ mỏng… - Gia công các chi tiết có mức ñộ biến dạng lớn và ñòi hỏi cơ tính ñồng ñều cao; - Gia công các chi tiết làm từ vật liệu khó biến dạng, vật liệu ña lớp… 1.3. Các phương pháp ép thuỷ cơ Có nhiều cách khác nhau phân loại các phương pháp ép thuỷ cơ như dựa vào ñặc ñiểm của phôi, dựa vào ñường thoát chất lỏng, dựa vào hình dạng của sản phẩm. Một trong những cách phân loại ñược ứng dụng nhiều nhất là dựa vào ñặc ñiểm của phôi, theo cách phân loại này có các phương pháp ép thuỷ cơ cơ bản sau: - Ép thuỷ cơ từ phôi phẳng - Ép thuỷ cơ từ phôi không gian - Ép thuỷ cơ thuận nghịch - Ép thuỷ cơ phôi phẳng: Phôi ñược sử dụng là tấm phẳng. Căn cứ vào ñặc ñiểm biến dạng có: ép có ép biên hoặc không ép biên. Căn cứ vào cách thoát ra ngoài của chất lỏng khi chịu nén: ép thủy cơ chất lỏng thoát ra ngoài bằng van tiết lưu hoặc bằng khe hở giữa phôi và dụng cụ. - Ép vuốt các phôi không gian: Có hai loại là ép xuôi (b) và ép thuận nghịch. Cũng tương tự như trong trường hợp ép thuỷ cơ phôi phẳng mà có các phương pháp pháp như trên. - Ép thủy cơ thuận nghịch: là phương pháp ép tạo hình 2 mặt xuôi và ngược ñể tạo sản phẩm có ñộ lồi lõm khác nhau. Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ kỹ thuật..... ........... 11 Ngoài ra, còn có thể căn cứ vào hình dáng của sản phẩm ñược chế tạo ñể phân loại. Theo cách này có ép thuỷ cơ các chi tiết ñơn giản, có thể có ñối xứng hoặc không và ép thuỷ cơ các chi tiết có hình dáng phức tạp… Ép thuỷ cơ từ phôi phẳng ñươc ứng dụng trong ngành công nghiệp ô tô, hàng không và ñồ dân dụng. Nó ứng dụng tạo hình các chi tiết có kích thước lớn, hình dạng phức tạp. Ép thuỷ cơ từ phôi không gian ứng dụng tạo hình các chi tiết có hình dạng phức tạp, các chi tiết gồm nhiều mặt trụ có kích thước khác nhau, mặt trụ và mặt cong, mặt trụ và mặt nón. Ép thuỷ cơ thuận nghịch ứng dụng trong việc tạo hình các chi tiết yêu cầu chiều sâu ép vuốt lớn mà phương pháp ép thuỷ cơ từ phôi tấm không thực hiện ñược. Hình 1.5. Ép thủy cơ phôi phẳng Hình 1.6 Ép thủy cơ 3D Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ kỹ thuật..... ........... 12 Hình 1.7. Sơ ñồ phân loại các phương pháp ép thuỷ cơ 1.4. Ứng suất và biến dạng khi ép thủy cơ Phân tích sự phân bố ứng suất trong quá trình ép thuỷ cơ, nhận thấy phôi chịu một trạng thái ứng suất - biến dạng phức tạp, có nhiều ñiểm khác biệt so với ép vuốt thông thường (chày cứng cối cứng). ðặc biệt là khi ép vuốt thuỷ cơ có thêm thành phần ứng suất nén σ3 của chất lỏng, chúng luôn có hướng vuông góc với bề mặt phôi làm cho vật liệu biến dạng nén. Thành phần ứng a. b. c. a. Từ phôi tấm b. Phôi không gian ép thuận c. Phôi không gian ép thuận nghịch Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ kỹ thuật..... ........... 13 suất σ3 này có ảnh hưởng lớn ñến tính dẻo của kim loại, làm thay ñổi sơ ñồ trạng thái ứng suất - biến dạng trong phôi (xem hình 1.8 và hình 1.9). * Phần vành phôi nằm trong trạng thái ứng suất khối (một chiều kéo, hai chiều nén) giống như trường hợp khi ép vuốt bình thường có chặn. Trạng thái biến dạng là biến dạng khối (hai chiều kéo và một chiều nén). Chính sự xuất hiện của thành phần biến dạng ε3 có dấu (+) làm cho phôi trên phần vành bị biến dày, dễ gây ra sự mất ổn ñịnh làm xuất hiện nhăn, rách phôi. Vì vậy, ñối với ép vuốt thuỷ cơ, cần thiết phải có chặn. Khi ñó, chặn ngoài tác dụng bịt kín khe hở giữa phôi và vành cối còn có tác dụng chống nhăn ñồng thời tăng sự ổn ñịnh của phôi. Tuy nhiên, lực chặn phải có ñộ lớn hợp lí, nếu không sẽ xảy ra kéo ñứt phôi do ma sát quá lớn giữa vành phôi và dụng cụ. * Phần chuyển tiếp giữa vành phôi và dụng cụ (bán kính góc lượn của cối) nằm trong trạng thái ứng suất - biến dạng khối phức tạp. ðiểm khác biệt cơ bản so với ép vuốt bình thường là có sự xuất hiện thêm thành phần ứng suất nén σ3 do áp lực q của chất lỏng chịu nén gây ra. ðiều này làm gia tăng ñáng kể tính ổn ñịnh của phôi cũng như khả năng biến dạng dẻo của vật liệu, ñồng thời giảm thiểu tác hại của ma sát như trong trường hợp ép vuốt trên chày cứng, cối cứng. Khi ép vuốt thông thường, xảy ra sự biến mỏng phôi trên phần bán kính lượn của cối, do vậy có thể dẫn ñến sự kéo ñứt phôi trong quá trình vuốt. Với sự xuất hiện của thành phần ứng suất nén σ3 trong ép thuỷ cơ và không có sự kéo căng phôi trên bán kính lượn của cối sẽ làm giảm ảnh hưởng xấu nêu ở trên. * Phần thành trụ (phôi tiếp xúc với mặt trụ của chày) có trạng thái ứng suất hai chiều (một chiều kéo, một chiều nén). Thành phần ứng suất theo hướng tiếp tuyến σ2 rất nhỏ có thể coi bằng không. Qua thực nghiệm cho thấy phôi hầu như không bị biến dạng, tức là không xảy ra sự biến mỏng phôi như trong trường Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ kỹ thuật..... ........... 14 hợp ép vuốt thông thường. Do không có sự tiếp xúc trực tiếp giữa phôi và bề mặt của cối nên chất lượng bề mặt của sản phẩm ñược tăng lên. * Phần bán kính lượn ñầu chày trong trường hợp ép vuốt thông thường (chày cứng cối cứng), ñây là phần nguy hiểm nhất do có sự biến mỏng ñáng kể của phôi, hơn nữa khi ñó phôi nằm trong trạng thái ứng suất kéo hai chiều, làm giảm tính dẻo của vật liệu, vì vậy ñây là vùng nguy hiểm nhất, phôi dễ bị kéo ñứt. Trong trường hợp ép vuốt thuỷ cơ, do có tác dụng của chất lỏng nên phôi nằm trong trạng thái ứng suất nén một chiều, còn các thành phần biến dạng ñều có giá trị rất nhỏ (có thể coi bằng không). Chính vì vậy, tính dẻo của vật liệu trong vùng này tăng lên phôi hoàn toàn không bị phá hủy trong phần này. * Phần ñáy chày (phôi tiếp xúc với ñáy của chày ép vuốt) nằm trong trạng thái ứng suất ñơn, có thành phần σ3 = q. Các thành phần ứng suất chính khác có giá trị nhỏ hơn rất nhiều so với thành phần σ3 nên có thể coi bằng không. Phôi trong phần này hầu như không biến dạng. Như vậy, khi ép thuỷ cơ, do có tác dụng của áp suất thuỷ tĩnh chất lỏng ñã làm thay ñổi sơ ñồ cơ học ứng suất - biến dạng của phôi ép, phôi chủ yếu nằm trong trạng thái ứng suất nén. Nhờ ñó, khả năng biến dạng dẻo của vật liệu ñược tăng lên và ñặc biệt xuất hiện thành phần ứng suất σ3 luôn ép phôi vào bề mặt của chày làm giảm sự trượt tương ñối giữa phôi và chày. 1.5. Tính toán các thông số công nghệ ép thủy cơ 1.5.1. Tính áp suất chất lỏng Gi¸ trÞ ¸p suÊt chÊt láng cÇn thiÕt trong dËp thuû c¬ lµ mét trong nh÷ng th«ng sè c«ng nghÖ c¬ b¶n, cã ¶nh h−ëng rÊt lín ®Õn qu¸ tr×nh biÕn d¹ng cña kim lo¹i. ¸p suÊt lµm viÖc trung b×nh cña chÊt láng c«ng t¸c t¹o h×nh chi tiÕt trong dËp thuû c¬ ®−îc tÝnh nh− sau (theo [9]): Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ kỹ thuật..... ........... 15 Pw = min . r tYS ( 1.4 ) Trong ®ã: Pw: ¸p suÊt lµm viÖc trung b×nh YS: Giíi h¹n ch¶y rmin: B¸n kÝnh cong nhá nhÊt cña chi tiÕt Trªn c¬ së ph©n tÝch tr¹ng th¸i øng suÊt biÕn d¹ng khi ®−îc dËp thuû c¬ vµ c¨n cø vµo ®iÒu kiÖn ®¶m b¶o cho ph«i kh«ng bÞ kÐo ®øt t¹i tiÕt diÖn nguy hiÓm khi dËp, theo Иcаченко [9] ®iÒu kiÖn ®Ó dËp vuèt thuû c¬ lµ: φτω α ω σσσσσ εσ pi σ −++= =≤ + = gq b n q A ssd P .)..( 00 ( 1.5 ) Trong ®ã: ωσ : øng suÊt trong ph«i ë tiÕt diÖn nguy hiÓm qσ : thµnh phÇn øng suÊt ë tiÕt diÖn nguy hiÓm do biÕn d¹ng dÎo thÓ tÝch gσ : thµnh phÇn øng suÊt ë tiÕt diÖn nguy hiÓm do uèn quanh b¸n kÝnh cña dông cô. τσ : thµnh phÇn øng suÊt ë tiÕt diÖn nguy hiÓm do ma s¸t gi÷a vµnh ph«i vµ dông cô (Ðp biªn vµ vµnh cèi). φσ : øng suÊt t¹o ra t¹i tiÕt diÖn nguy hiÓm do t¸c ®éng cña ¸p suÊt chÊt láng t¸c ®éng lªn vµnh ph«i. bσ : Giíi h¹n bÒn cña vËt liÖu A,ε : C¸c h»ng sè cña vËt liÖu trong ®−êng cong thö kÐo s0: ChiÒu dµy ban ®Çu cña ph«i tÊm Pq: Lùc c«ng nghÖ cÇn thiÕt ®Ó biÕn d¹ng ph«i vµ th¾ng ®−îc sù t¸c ®éng cña chÊt láng lªn ph«i. Thµnh phÇn øng suÊt gσ do sù uèn quanh mÆt bÝch, theo Shopman, cã thÓ x¸c ®Þnh theo c«ng thøc: Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ kỹ thuật..... ........... 16 0 0 .2 . sR s M b g + = σ σ ( 1.6 ) Trong ®ã RM : b¸n kÝnh l−în cña vµnh cèi BiÓu thøc nµy cã thÓ viÕt d−íi d¹ng: 0 0 2 . sR As M i g + = αε σ ( 1.7 ) ë ®©y iε = s0/2RM, do vËy ta cã: α σ 0 0 0 2 2 . sR R s As M M g +       = ( 1.8 ) Thµnh phÇn øng suÊt trªn tiÕt diÖn nguy hiÓm do ma s¸t gi÷a ph«i víi vµnh cèi vµ Ðp biªn τσ cã thÓ ®−îc x¸c ®Þnh theo c«ng thøc ma s¸t thuû ®éng (do gi÷a ph«i vµ mÆt bÝch cã mét líp mµng máng cña chÊt láng thuû tÜnh vµ chÊt b«i tr¬n theo c«ng thøc : [ ] cp n AM ssRh RR νησ τ .)..( 00 22 + − = ( 1.9 ) Trong ®ã: :η §é nhít ®éng lùc cña chÊt láng thuû tÜnh v cp : VËn tèc chuyÓn ®éng cña líp b«i tr¬n. Thµnh phÇn øng suÊt φσ ®−îc t¹o ra do sù t¸c ®éng cña ¸p suÊt qM lªn mÆt bÝch ph«i cã thÓ ®−îc x¸c ®Þnh theo c«ng thøc: 00 )( . ssR qsR n MiH + =φσ ( 1.10 ) Trong ®ã s i : chiÒu dµy cña ph«i øng t¹i vÞ trÝ cã b¸n kÝnh R i Ta thÊy K sR R n H = + 0 -HÖ sè dËp vuèt ; ®ång thêi gi¶ thiÕt khi dËp vuèt sù thay ®æi cña ®é dµy vµnh ph«i sÏ theo quy luËt tuyÕn tÝnh, hay: Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ kỹ thuật..... ........... 17       += 00 1 R a s si ψ ( 1.11 ) Trong ®ã R0 b¸n kÝnh ph«i ban ®Çu Khi ®ã biÓu thøc trªn trë thµnh: MqR aK       += 0 1 ψσ φ ( 1.12 ) Thµnh phÇn øng suÊt ∂σ do trë lùc biÕn d¹ng dÎo thÓ tÝch ®−îc x¸c ®Þnh tõ viÖc xem xÐt c¸c ®iÒu kiÖn biÕn d¹ng dÎo cña ph«i ë phÇn mÆt bÝch ph«i. Theo ®ã ®iÒu kiÖn c©n b»ng cña phÇn tö mÆt bÝch ph«i ®−îc biÓu thÞ b»ng c«ng thøc: 0 2 sin 2 2))()(( 21111 =      ++−+++ θ σθσθσσ ddRdssdsRddssdRRd iiiiiiii ( 1.13 ) §Ó gi¶i ph−¬ng tr×nh ta lÊy xÊp xØ biÓu ®å øng suÊt theo quy luËt hµm sè mò, cïng kÕt hîp víi ph−¬ng tr×nh ®µn håi ta ®−îc: i H R RA ln11 αεβσσ =≈∂ ( 1.14 ) Trong ®ã αβ ,, A : C¸c h»ng sè trong ph−¬ng tr×nh mò cña ®−êng cong øng suÊt- biÕn d¹ng khi thö kÐo mÉu. R H ,R i -B¸n kÝnh cña ph«i vµ b¸n kÝnh cña phÇn tö nµo ®ã. Thµnh phÇn biÕn d¹ng 1ε trong ph−¬ng tr×nh lµ biÕn d¹ng chÝnh cã gi¸ trÞ lín nhÊt, cã thÓ ®−îc x¸c ®Þnh theo c«ng thøc : H i H Hi i R a R RR −= − =ε ( 1.15 ) Víi a i = Hi RR − chÝnh lµ ®é gi¶m gi¸ trÞ ®−êng kÝnh khi ép Khi ®ã, biÓu thøc trë thµnh: i H H i R R R a A ln1 α βσ       = ( 1. 16 ) Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ kỹ thuật..... ........... 18 Víi R i = R A vµ R = R H , ta cã: A H H A R R R RA ln11 α βσσ       −=≈∂ ( 1.17 ) Do vËy thay vµo c«ng thøc ta ®−îc: M n AH cp M M i Hi q R aK ssRh RR v sR R s As R R R A       ++ + − + +       +      = 000 22 0 0 0 1)(2 2 ln ψηαβσ α ω ( 1.18) Khi R=R A thay vµo ta ®−îc: M n AH cp M M i H A A q R aK ssRh RR v sR R s As R R R RR A       ++ + − + +       +      − = 000 22 0 0 0 0 1)(2 2 ln ψηβσ α ω ( 1.19) BiÓu thøc trªn chÝnh lµ gi¸ trÞ øng suÊt ë tiÕt diÖn nguy hiÓm do ¸p suÊt qM cña chÊt láng t¸ c dông lªn ph«i. Theo Иcаченко [ 9 ],gi¸ trÞ ¸ p suÊt nµy ë tiÕt diÖn nguy hiÓm I-I xuÊt hiÖn trong vËt dËp cã thÓ x¸c ®Þnh theo c«ng thøc: 00 0 )2( )5,0( ssR RsRqR n MnM + ++ =ωσ ( 1.20 ) Tõ 1.19 vµ 1.20 ta ®−îc: M n AH cp M M i H A A n MnM q R aK ssRh RR v sR R s As R R R RR A ssR RsRqR       ++ + − + +       +      − = + ++ 000 22 0 0 0 0 00 0 1)(2 2 ln )2( )5,0( ψηβ α ( 1.21 ) Gi¶i ph−¬ng tr×nh ta ®−îc gi¸ trÞ ¸p suÊt cÇn thiÕt cña chÊt láng t¸c dông lªn ph«i xuÊt ph¸t tõ ®iÒu kiÖn biÕn d¹ng phÇn vµnh ph«i:       +− + ++       ++ + − + +       +      − = 000 0 000 22 0 0 0 0 1)2( )5,0( 1)(2 2 ln R aK ssR RsRqR q R aK ssRh RR v sR R s As R R R RR A q n MnM M n AH cp M M i H A A M ψ ψηβ α ( 1.22 ) Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ kỹ thuật..... ........... 19 Gi¸ trÞ ¸p suÊt qMT cÇn thiÕt ®Ó thùc hiÖn biÕn d¹ng phÇn chuyÓn tiÕp gi÷a vµnh ph«i vµ thµnh trô cã thÓ ®−îc x¸c ®Þnh theo Иcаченко [ 9 ] víi c«ng thøc sau: ( ) ( )00222 2 2 0022 0 2 2/ cos12 ln cos2cos cos 3 22 ϕϕϕϕ ϕβ α α α −+ ×         − +− = Mx x xA M x xA i MT RR R RR R R RR sA q ( 1.23 ) Nh− vËy gi¸ trÞ ¸p suÊt cÇn thiÕt tõ phÝa chÊt láng trong tr−êng hîp dËp vuèt thuû c¬ ®−îc x¸c ®Þnh b»ng tæng c¸c gi¸ trÞ ¸p suÊt cÇn thiÕt biÕn d¹ng phÇn vµnh ph«i vµ ¸p suÊt cÇn thiÕt biÕn d¹ng phÇn chuyÓn tiÕp gi÷a vµnh ph«i vµ phÇn thµnh trô hay: =+=∑ MTMM qqq φ       +− + ++       ++ + − + +       +      − = 000 0 000 22 0 0 0 0 1)2( )5,0( 1)(2 2 ln R aK ssR RsRqR q R aK ssRh RR v sR R s As R R R RR A q n MnM M n AH cp M M i H A A M ψ ψηβ α + + ( ) ( )00222 2 2 0022 0 2 2/ cos12 ln cos2cos cos 3 22 ϕϕϕϕ ϕβ α α α −+ ×         − +− = Mx x xA M x xA i MT RR R RR R R RR sA q ( 1.24 ) Khi tÝnh gÇn ®óng víi sai sè cho phÐp trong thùc tÕ, theo Иcаченко gi¸ trÞ ¸p suÊt cña chÊt láng cÇn thiÕt ®Ó ®¶m b¶o ®iÒu kiÖn biÕn d¹ng ph«i trong tr−êng hîp dËp vuèt thuû c¬ chi tiÕt h×nh trô tõ ph«i tÊm cã thÓ x¸c ®Þnh theo c«ng thøc: qmax = )5,0( )( 0 00 MnM nb RsRR ssRK ++ +σσ ( 1.25 ) Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ kỹ thuật..... ........... 20 Trong ®ã: Kσ - HÖ sè, b»ng tØ sè gi÷a giíi h¹n bÒn khi thö kÐo c¸c mÉu h×nh èng vµ mÉu ph¼ng (cïng mét lo¹i vËt liÖu). σb - giíi h¹n bÒn cña vËt liÖu. RM - B¸n kÝnh l−în cña cèi. Rn – B¸n kÝnh cña chµy t¹i vÞ trÝ n. S0 chiÒu dµy vËt liÖu. §Ó x¸c ®Þnh gi¸ trÞ qmax ta ®¹o hµm theo Rn thÊy r»ng qmax khi Rn max ViÖc tÝnh to¸n ¸p suÊt cÇn thiÕt cña chÊt láng theo c¸c c«ng thøc trªn lµ kh¸ phøc t¹p. Trong thùc tÕ, ng−êi ta th−êng sö dông c¸c kÕt qu¶ thùc nghiÖm. Theo Иcаченко. Gi¸ trÞ ¸p suÊt chÊt láng cÇn thiÕt khi dËp thuû c¬ víi c¸c vËt liÖu thÐp vµ nh«m cã thÓ ®−îc lÊy nh− sau: Khi dËp vuèt c¸c chi tiÕt h×nh trô, víi vËt liÖu lµ nh«m: q = 25 - 35 MPa, thÐp c¸c bon thÊp (C08s, C10) th× q = 60 - 80 MPa; thÐp kh«ng rØ X18H9T th× q = 90 - 100 MPa. C¸c gi¸ trÞ nhá ®èi víi hÖ sè dËp vuèt lín vµ ng−îc l¹i. Khi dËp vuèt c¸c chi tiÕt cã h×nh d¸ng phøc t¹p, ¸p suÊt chÊt láng cÇn thiÕt cã thÓ x¸c ®Þnh gÇn ®óng nh− sau: p* = k . p víi k - hÖ sè, k = 1,1 - 1,3. Tuy nhiªn, gi¸ trÞ ¸p suÊt nµy kh«ng ph¶i lµ h»ng sè trong suèt qu¸ tr×nh biÕn d¹ng, bëi v× c¸c ¸p suÊt cao ban ®Çu sÏ dÉn tíi t¨ng møc ®é biÕn d¹ng côc bé ë phÇn chuyÓn tiÕp gi÷a thµnh trô víi b¸n kÝnh l−în cña cèi, ®iÒu nµy g©y ra sù biÕn máng chiÒu dµy ph«i ë ®ã, cã thÓ g©y ra sù kÐo ®øt ph«i ë tiÕt diÖn ®ã. 1.5.2. Lùc chÆn ph«i: TÝnh to¸n lùc chÆn ph«i: Lùc chÆn ph«i cã thÓ ®−îc x¸c ®Þnh theo c«ng thøc Pch =F.q Trong ®ã: F – DiÖn tÝch ph«i d−íi tÊm chÆn, m2 q - ¸p lùc chÆn, Mpa BiÕt ®−îc gi¸ trÞ lùc chÆn ph«i, ta cã thÓ x¸c ®Þnh kÝch th−íc vµ sè l−îng cña c¸c xi lanh chÆn ph«i. Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ kỹ thuật..... ........... 21 1.5.3. Khe hë cho qu¸ tr×nh dËp thuû c¬: Theo Иcаченко Е. И. ®é dµy tèi −u cña líp b«i tr¬n cã thÓ x¸c ®Þnh theo mét trong nh÷ng c«ng thøc sau: - Víi chi tiÕt cã vµnh hÑp hoÆc kh«ng cã vµnh: 0 0 0 3 1 s r R v M u b pi σ ηδ = ( 1.26 ) - Víi chi tiÕt cã vµnh réng: 0 0 0 2 1 s r R v M u b pi σ ηδ = ( 1.27 ) Trong ®ã: v0 - vËn tèc dËp trung b×nh; Ru - b¸n kÝnh chµy; rM - b¸n kÝnh l−în cña vµnh cèi; σb - giíi h¹n bÒn cña vËt liÖu; s0 - chiÒu dµy ban ®Çu cña ph«i; η - ®é nhít ®éng lùc cña chÊt b«i tr¬n (trong dËp thuû c¬, chÊt láng thuû tÜnh ®ãng vai trß lµ chÊt b«i tr¬n), η = ρ ν trong ®ã: ν - ®é nhít ®éng häc; ρ - MËt ®é cña chÊt b«i tr¬n Khi biÕt ®−îc chiÒu dµy tèi −u líp b«i tr¬n, ta x¸c ®Þnh ®−îc khe hë hîp lÝ gi÷a chµy vµ vµnh cèi theo c«ng thøc: z = ks0 + δ0 ( 1.28 ) Trong ®ã: k - hÖ sè, tÝnh ®Õn sù biÕn dµy cña vËt liÖu trong qu¸ tr×nh dËp; th−êng k = 1,1 - 1,2. Ma s¸t tiÕp xóc vµ khe hë tèi −u gi÷a chµy vµ vµnh cèi lµ hµm cña ®é nhít chÊt b«i tr¬n, cña vËn tèc dËp, cña ®é bÒn kim lo¹i lµm ph«i vµ h×nh d¸ng, kÝch th−íc cña ph«i vµ s¶n phÈm. Do ®ã, ®èi víi tõng chÕ ®é dËp vuèt thuû c¬ cô thÓ, sÏ cã nh÷ng gi¸ trÞ cô thÓ cña c¸c ®¹i l−îng nµy. Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ kỹ thuật..... ........... 22 1.5.4. Lùc c¶n cña ph«i lªn chµy: * TÝnh to¸n lùc c¶n cña ph«i lªn chµy. DiÖn tÝch tiÕp xóc cña ph«i víi chÊt láng chiÕu theo ph−¬ng th¼ng ®øng lµ F(m2) Víi ¸p suÊt chÊt láng lµ q (Mpa) VËy lùc c¶n cña ph«i lªn chµy lµ: Pc=q.F ( 1.29 ) 1.5.5.Lùc dËp vuèt: Lùc dËp vuèt cã gi¸ trÞ lín h¬n lùc c¶n cña ph«i lªn chµy Pdv > Pc 1.5.6.Lùc m¸y: Lùc m¸y lµ tæng lùc dËp vuèt vµ lùc chÆn ph«i P = Pdv + Pch 1.6. Ma sát và bôi trơn trong ép thuỷ cơ: Ma s¸t tiÕp xóc gi÷a ph«i vµ dông cô gia c«ng cã ¶nh h−ëng tíi kh¶ n¨ng biÕn d¹ng cña vËt liÖu, chÊt l−îng cña s¶n phÈm còng nh− ®é bÒn cña dông cô gia c«ng. Ảnh h−ëng cña ma s¸t cã thÓ lµm thay ®æi hoµn toµn s¬ ®å tr¹ng th¸i øng suÊt biÕn d¹ng, sù ph©n bè lùc, n©ng cao hoÆc lµm gi¶m c−êng ®é cña qu¸ tr×nh dËp. Trong qu¸ tr×nh dËp thuû c¬, phô thuéc vµo s¬ ®å c«ng nghÖ, vai trß cña ma s¸t tiÕp xóc cã thÓ lµ hç trî cho qu¸ tr×nh dËp, hay lµ c¶n trë qu¸ tr×nh dËp. ChÊt b«i tr¬n trong dËp thuû c¬ n»m gi÷a s¶n phÈm vµ dông cô chÞu ¸p suÊt rÊt lín, do vËy chóng chuyÓn ®éng víi tèc ®é cao. §iÒu nµy cho phÐp t¹o ra một chÕ ®é b«i tr¬n thuû ®éng. Do vËy hÖ sè ma s¸t trong bµi to¸n lµ rÊt nhá ( µ = 0,005 – 0,05 ). §©y lµ một −u ®iÓm næi bËt cña qu¸ tr×nh dËp thuû c¬. Ma s¸t tiÕp xóc trong qu¸ tr×nh dËp thuû c¬ chÞu ¶nh h−ëng ®¸ng kÓ cña ®é nhít chÊt b«i tr¬n, tèc ®é dËp vuèt, kÝch th−íc h×nh d¹ng cña s¶n phÈm , khe hë gi÷a ph«i vµ vµnh cèi, ®é lín cña lùc c«ng nghÖ. Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ kỹ thuật..... ........... 23 PhÇn tö lùc ma s¸t τ t¸c dông trªn phÇn tö bÒ mÆt tiÕp xóc cña thµnh chi tiÕt vµ chµy cã thÓ biÓu thÞ b»ng bÊt ®¼ng thøc: τ = q.µ.dl.dh ( 1.30 ) ë ®©y : q - ¸p suÊt trªn thµnh cña chµy tõ phÝa cèi dÎo, thµnh phÇn ¸p suÊt nµy b»ng ¸p suÊt chung trõ ®i ¸p suÊt dïng ®Ó biÕn d¹ng ph«i, cã nghÜa lµ: q = qM - qδ µ : hÖ sè ma s¸t trªn biªn cña chµy vµ chi tiÕt. dl : chiÒu dµi cña phÇn tö vá quay trong h−íng tiÕp tuyÕn dl = Rl.dα dh’ : ChiÒu dµi cña phÇn tö vá trong h−íng kinh tuyÕn dh’ = dh/cosβ Khi ®ã αββ µ τ dddhRq l .. cos ... = Trong tr−êng hîp nµy th× vi ph©n cña øng suÊt trªn thµnh chi tiÕt do phÇn tö lùc ma s¸t τ t¹o ra lµ: iS ddqdhd .cos.2 .... βpi αβµ σ τ = ( 1.31 ) Khi ®ã lùc ma s¸t F4 t¸c dông trªn biªn tiÕp xóc cña chi tiÕt víi chµy cã thÓ ®−îc biÓu thÞ: ∫∫∫ h ddqdhR 0 02 0 .. cos ... αββ µ β pi ( 1.32 ) Cßn ®é gi¶m cña thµnh phÇn kinh tuyÕn cña øng suÊt vu«ng gãc cña ma s¸t ngoµi t¹i mÆt c¾t ®2 cho cã thÓ x¸c ®Þnh theo biÓu thøc: ∫∫= 02 0 cos . 2 .. β pi β βα pi µ σ ddqh r ( 1.33 ) Víi β = 0 (t¹o h×nh vá h×nh trô) th× biÓu thøc lùc ma s¸t F4 cã d¹ng: F4 = 2pi.R1.h.q.µ Thµnh phÇn øng suÊt cña lùc ma s¸t cã d¹ng: i r S hq .. µσ = ( 1.33 ) Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ kỹ thuật..... ........... 24 Cµng gÇn tíi phÝa ®¸y ( phÇn nguy hiÓm) cña ph«i th× trÞ sè cña thµnh phÇn øng suÊt vu«ng gãc cña lùc ma s¸t tiÕp xóc cµng gi¶m ®i. Víi c¸c gi¸ trÞ nhÊt ®Þnh cña q, h vµ Si th× øng suÊt vu«ng gãc σr cã thÓ b»ng 0. Trong tr−êng hîp nµy vïng nguy hiÓm sÏ dÞch chuyÓn tíi gÇn mÆt bÝch ph«i, cã nghÜa lµ tíi vïng ®−îc t¨ng bÒn h¬n vµ cã trÞ sè Si lín h¬n. D−íi t¸c dông cña lùc ma s¸t th× c¸c øng suÊt trong tiÕt diÖn nguy hiÓm cña ph«i cã thÓ cao h¬n tíi 30 – 40% so víi øng suÊt cã Ých ®Ó biÕn d¹ng dÎo thÓ tÝch, vµ ®iÒu nµy sÏ ¶nh h−ëng xÊu tíi kh¶ n¨ng c«ng nghÖ cña qu¸ tr×nh. 1.7. Sự phát triển và ứng dụng công nghệ ép thuỷ cơ hiện nay Ngày nay, nhiều nước trên thế giới ñã áp dụng hiệu quả phương pháp ép thuỷ cơ ñể gia công các chi tiết rỗng có hình dạng phức tạp. Nhiều phát minh trên thế giới ñược công bố, nó chứng minh cho một khuynh hướng phát triển về nghiên cứu và ứng dụng của ép thủy cơ. Tại các nước phát triển như : ðức, Nhật, Mỹ, Anh, Thuỵ ðiển, Pháp, Nga phương pháp ép thuỷ cơ ñược nghiên cứu và phát triển nhằm mục ñích ñáp ứng các yêu cầu của công nghiệp ñể sản xuất các chi tiết kim loại dạng tấm một cách kinh tế với nhiều ñặc ñiểm riêng với các kích cỡ nhỏ. Kiểu ép sâu truyền thống các chi tiết trên ô tô mà có diện tích mặt ngoài lớn ( như mui xe, các cánh cửa hoặc nắp máy) thường tạo cho chúng khả năng chống lại vết lồi lõm kém. ðó là do ở phần giữa của chi tiết có ñộ biến dạng thấp. ðộ cứng thành phần thấp gây ra ảnh hưởng tiêu cực tới khả năng chống va ñập của các phương tiện. Khắc phục các hiện tượng này dùng công nghệ tạo hình thuỷ cơ thì các chi tiết sẽ có khả năng phân bố ứng suất tạo hình ñồng nhất và do ñó sẽ nâng cao ñược ñộ bền của chi tiết. Như vậy, ép thuỷ cơ là một giải pháp hữu hiệu ñể chế tạo các chi tiết máy hoặc trong lĩnh vực chế tạo mẫu. Các chi tiết ñược sản xuất bằng công nghệ này rất ña dạng bao gồm từ những chi tiết dạng khung, dầm làm bằng thép chịu lực cao, cho tới các chi tiết bằng nhôm có diện tích mặt ngoài lớn. Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ kỹ thuật..... ........... 25 Phương pháp ép thuỷ cơ ñặc biệt hữu hiệu trong trường hợp ép vuốt các chi tiết có hình dáng phức tạp không ñối xứng và ép vuốt sâu các chi tiết ñối xứng như trụ, cầu, parabol.v.v… Các dạng chi tiết ñặc trưng và dụng cụ ñược sử dụng ñể tiến hành nghiên cứu thực nghiệm Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ kỹ thuật..... ........... 26 Hình 1.10. Các sản phẩm ép thủy cơ Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ kỹ thuật..... ........... 27 KẾT LUẬN CHƯƠNG 1 Chương 1 ñã trình bày một cách tổng quan về phương pháp tạo hình có sử dụng chất lỏng thuỷ tĩnh cao áp và phương pháp ép thuỷ cơ. Phương pháp ép thuỷ cơ là một trong những công nghệ cơ bản của phương pháp tạo hình có sử dụng nguồn chất lỏng thuỷ tĩnh cao áp - phương pháp gia công thuỷ tĩnh. Dưới tác ñộng của áp suất cao của chất lỏng công tác, kết hợp với phần cứng của chày sẽ tạo ñiều kiện thuận lợi cho quá trình biến dạng của phôi, ñồng thời cho phép tạo ñược sự ñồng ñều về tính chất cơ lý trong sản phẩm ép mà phương pháp ép truyền thống không hoặc khó có thể ñạt ñược. Chính vì vậy, phương pháp gia công thuỷ tĩnh nói chung, phương pháp ép thuỷ cơ nói riêng, ngày càng ñược ứng dụng hết sức rộng rãi trong công nghiệp, trong chế tạo các chi tiết cho máy móc, thiết bị chế biến nông sản, là giải pháp hữu hiệu nhất trong gia công chế tạo, nhất là các chi tiết có hình dáng phức tạp, có mức ñộ biến dạng lớn. Những nghiên cứu này ñã cho thấy những triển vọng và khả năng của phương pháp gia công thuỷ tĩnh và phương pháp ép thuỷ cơ. Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ kỹ thuật..... ........... 28 CHƯƠNG 2 CƠ SỞ TÍNH TOÁN BIẾN DẠNG TẠO HÌNH ÉP THỦY CƠ BẰNG PHẦN TỬ HỮU HẠN 2.1. Khái niệm phần tử hữu hạn và phân loại phần tử ðể giải các bài toán ứng suất biến dạng của các vật thể phức tạp người ta ñã ñưa ra phương pháp phần tử hữu hạn, ñó là một phương pháp rời rác hóa kết cấu và từ ñó có thể ñưa máy tính ñể tính theo phương pháp số. Bản chất của phương pháp phần tử hữu hạn là chia miền khảo sát thành một số hữu hạn các miền con - gọi là các phần tử. Các phần tử này liên kết với nhau ở một số ñiểm ñịnh trước trên biên phần tử gọi là nút. Trong phạm vi mỗi phần tử, ñại lượng cần tìm ñược xấp xỉ dưới dạng một hàm ñơn giản - ñược gọi là hàm xấp xỉ. Các hàm xấp xỉ ñược biểu diễn thông qua các giá trị của hàm tại các nút trên biên phần tử. Các giá trị ñó ñược gọi là bậc tự do của phần tử và là ẩn cần tìm. Với số bậc tự do hữu hạn, từ ñó thay các phương trình vi phân cân bằng, hệ phương trình ñaị số tuyến tính, các quan hệ vật lý ñược biểu diễn dưới dạng ma trận phù hợp với ngôn ngữ máy tính. Trường chuyển vị, biến dạng, ứng suất của vật thể ñược xác ñịnh trong giới hạn từng miền con riêng rẽ. Trong từng miền con, hàm của ñại lượng phải tìm ñược biểu diễn gần ñúng theo giá trị của các hàm ẩn tại các ñiểm chỉ ñịnh trên biên của miền con. Hình 2.1. Phần tử và các kiểu phần tử: Phần tử 1 chiều 1D, Phần tử 2 chiều 2D, Phần tử 3 chiều 3D. Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ kỹ thuật..... ........... 29 Phân loại theo mô hình hình học: Phân theo các thuộc tính: Phần thử thanh dây (Link), Phần tử thanh dầm (Beam), Phần tử ñặc: phần tử tam giác, phần tử tứ giác, phần tử khối. Mỗi phần tử ñược giới hạn bằng các nút, hay nút là ñiểm nối kết giữa các phần tử. Một nút có thể thuộc nhiều phần tử. Nút ñược ñánh số thứ tự, ñịnh nghĩa một phần tử có thể ñịnh nghĩa theo số thứ tự nút, ñược tính theo chiều ngược kim ñồng hồ. Mọi tải trọng, chuyển vị ñều ñặt trên nút. Mỗi thông số vật lý tác ñộng ñược gọi là biến hoặc bậc tự do. Giữa các nút có quan hệ thông qua hàm dạng - hàm nội suy. 2.2. Các phương trinh cơ bản ứng dụng giải bài toán biến dạng ðể giải bài toán biến dạng dẻo tấm khi ép thủy cơ bằng phương pháp PTHH, cần dựa trên các giả thiết sau: - Tấm ñược làm bằng vật liệu ñồng nhất, ñẳng hướng và liên tục; - Tấm chỉ chịu các loại tải trọng: - áp lực ép luôn vuông góc với mặt phẳng trung hoà; Các mô men có thành phần (mx, my, 0). - Ứng suất pháp σzz≈ 0 (trong hệ toạ ñộ ñịa phương) 2.2.1. Phương trình cân bằng Theo [4] phương trình vi phân chuyển ñộng, suy ra từ ñiều kiện cân bằng năng lượng ñộng học, có dạng: 0 0 0 =+++ =+++ =+++ Z zyx Y zyx X zyx zzyxz yzyxy xzxyx ∂ ∂σ ∂ ∂τ ∂ ∂τ ∂ ∂τ ∂ ∂σ ∂ ∂τ ∂ ∂τ ∂ ∂τ ∂ ∂σ ( 2.1 ) 2.2.2. Quan hệ biến dạng - chuyển vị Theo [4] ta có: Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ kỹ thuật..... ........... 30                 ∂ ∂ + ∂ ∂ = ∂ ∂ + ∂ ∂ = ∂ ∂ + ∂ ∂ = ∂ ∂ = ∂ ∂ = ∂ ∂ = x zyxu z zyxu z zyxu y zyxu y zyxu x zyxu z zyxu y zyxu x zyxu zx yz xy zz yy xx ),,(),,(2 ),,(),,(2 ),,(),,(2 ),,( ),,( ),,( ε ε ε ε ε ε ( 2.2 ) 2.2.3. Quan hệ biến dạng - chuyển vị của tấm:                               ∂ ∂ +− ∂ ∂ +−       ∂ ∂ + ∂ ∂ − ∂ ∂ − ∂ ∂ − =                   x w y w yx z y z x z x x yx x y zx yz xy zz yy xx θ θ θθ θ θ ε ε ε ε ε ε 0 2 2 2 ( 2.3 ) Theo lý thuyết Kirchoff bỏ qua ảnh hưởng của hiện tượng trượt ngang , tức là εyz = 0; εzx = 0. Thay hai ñẳng thức này vào hai thành phần cuối cùng của (2-2), ta nhận ñược các quan hệ:       ∂ ∂ = ∂ ∂ = x w y w y x θ θ Lúc này quan hệ biến dạng - chuyển vị (2.3) trở thành: Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ kỹ thuật..... ........... 31           === ∂∂ ∂ −= ∂ ∂ −= ∂ ∂ −= 0 2 2 2 2 2 2 zxyzzx xy yy xx yx w z y w z x w z εεε ε ε ε ( 2.4 ) 2.2.4. Quan hệ ứng suất – biến dạng Theo [4] ta có quan hệ sau: ( )[ ] ( )[ ] ( )[ ] ( ) ( ) ( )                = + = = + = = + = +−= +−= +−= zxzxzx yzyzyz xyxyxy yyxxzzzz zzzzyyyy zzyyxxxx GE GE GE E E E σσ ν ε σσ ν ε σσ ν ε σσνσε σσνσε σσνσε 1122 1122 1122 1 1 1 ( 2.5 ) ðưa εzz = 0 vào ñẳng thức thứ 3 của quan hệ trên ta ñuợc: σzz = v(σxx+σyy). Thay σzz vào 5 ñẳng thức còn lại của , ta có một hệ 5 phương trình 5 ẩn là các thành phần ứng suất (σxx, σyy, σxy, σyz, σzx). Giải hệ phương trình này ta tìm ñược quan hệ ứng suất – biến dạng trong trường hợp này.                                     − − − − =     ._.