Luận văn Nghiên cứu ảnh hưởng của lực và tốc độ con lăn trong quá trình miết chi tiết dạng tấm (Phần 1)

Nội dung text: Luận văn Nghiên cứu ảnh hưởng của lực và tốc độ con lăn trong quá trình miết chi tiết dạng tấm (Phần 1)

1. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC Sĩ ÐẶNG VĂN ÁNH NGHIÊN CỨU ẢNH HUỞNG CỦA LỰC VÀ TỐC ÐỘ CON LĂN TRONG QUÁ TRÌNH MIẾT CHI TIẾT DẠNG TẤM NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ – 60520103 S K C0 0 5 1 2 1 Tp. Hồ Chí Minh, tháng 4/2016
2. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ ĐẶNG VĂN ÁNH NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA LỰC VÀ TỐC ĐỘ CON LĂN TRONG QUÁ TRÌNH MIẾT CHI TIẾT DẠNG TẤM NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ - 60520103 Tp. Hồ Chí Minh, tháng 04/2016
3. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ ĐẶNG VĂN ÁNH NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA LỰC VÀ TỐC ĐỘ CON LĂN TRONG QUÁ TRÌNH MIẾT CHI TIẾT DẠNG TẤM NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ - 60520103 Hướng dẫn khoa học: TS.LÊ TUẤN PHƯƠNG NAM Tp. Hồ Chí Minh, tháng 04/2016
4. LÝ LỊCH KHOA HỌC I. LÝ LỊCH SƠ LƯỢC: Họ & tên: Đặng Văn Ánh Giới tính: Nam Ngày, tháng, năm sinh: 04/01/1976 Nơi sinh: Quảng Nam Quê quán: Quảng Nam Dân tộc: Kinh Chỗ ở riêng hoặc địa chỉ liên lạc: Điện thoại cơ quan: Điện thoại nhà riêng: 0936360463 Fax: Email: dangvananh76@yahoo.com.vn II. QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO: 1. Trung học chuyên nghiệp: Hệ đào tạo: Thời gian đào tạo từ / đến / Nơi học (trường, thành phố): Ngành học: 2. Đại học: Hệ đào tạo: Chính qui Thời gian đào tạo từ 09/1997 đến 07/ 2002 Nơi học (trường, thành phố): Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật thành phố Hồ Chí Minh Ngành học: Thiết Kế Máy Tên đồ án, luận án hoặc môn thi tốt nghiệp: Ngày & nơi bảo vệ đồ án, luận án hoặc thi tốt nghiệp: tại trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật thành phố Hồ Chí Minh. Người hướng dẫn: ThS.Trương Minh Trí i
5. III. QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC CHUYÊN MÔN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC: Thời gian Nơi công tác Công việc đảm nhiệm 2002 đến nay Đại học Công Nghiệp tp.HCM Giảng viên ii
6. LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi. Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác Tp. Hồ Chí Minh, ngày 17 tháng 05 năm 2016 (Ký tên và ghi rõ họ tên) Đặng Văn Ánh iii
7. LỜI CẢM ƠN Trong thời gian học cao học tại trường đại học Sư Phạm Kỹ Thuật thành phố Hồ Chí Minh, tôi đã được ban lãnh đạo khoa Cơ Khí, tập thể Thầy, Cô giảng viên của khoa Cơ Khí đã tạo điều kiện, giúp đỡ tôi có điều kiện học tập, nghiên cứu nâng cao trình độ phục vụ cho công việc của mình. Tôi xin trong trọng gửi đến quí Thầy, Cô của trường lời cảm ơn chân thành. Để hoàn thành khóa học, tôi đã được TS.Lê Tuấn Phương Nam hướng dẫn thực hiện luận văn cuối khóa cao học. Tôi xin được gửi lời cảm ơn đến TS.Lê Tuấn Phương Nam đã tận tình chỉ dẫn giúp cho tôi hoàn thành luận văn cuối khóa học cao học. Trong quá trình thực hiện nghiên cứu làm luận văn, tôi đã được sự giúp đỡ của các đồng nghiệp tại cơ quan làm việc như: PGS.TS.Nguyễn Quốc Hưng, ThS.Đinh Văn Bằng, ThS.Huỳnh Công Hảo, NCS.ThS.Diệp Bảo Trí, KS.Nguyễn Ngọc Quí, KS.Trần Công Hùng, KS.Hoàng Long Vương đã tạo điều kiện cho tôi được mượn dụng cụ, thiết bị, gia công cơ khí, góp ý trong quá trình thực nghiệm tại xưởng thực hành cắt gọt cơ khí, phòng đo lường cơ khí của khoa Cơ Khí, trường đại học Công Nghiệp tp.HCM. Tôi xin trân trọng cảm ơn các quí đồng nghiệp. iv
8. TÓM TẮT 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. Sản phẩm gia công theo phương pháp này có ưu điểm là có độ bền, chịu được áp lực cao hơn so với gia công theo các phương pháp khác, tiết kiệm được nguyên vật liệu, giảm chi phí đầu tư ban đầu, thích hợp cho sản xuất đơn chiếc, hàng loạt nhỏ. Sản phẩm sản xuất theo phương pháp miết ứng dụng rộng rãi cho các ngành như: gia dụng, ô tô, không gian vũ trụ, y tế, dầu khí, quốc phòng, Để giảm chi phí cho gia công thử, ứng dụng phương pháp số để mô phỏng quá trình gia công miết bằng phần mềm trên máy tính trước khi gia công chi tiết. Ở đây, ứng dụng phần mềm Ansys – LsDyna chạy mô phỏng quá trình gia công miết, phân tích ứng suất, chiều dày của bề mặt chi tiết và dự đoán lực ép. Thực nghiệm để kiểm tra lại kết quả tính toán bằng phương pháp số, người nghiên cứu đã thực hiện các công việc: Thiết kế được thiết bị bị đo lực hai chiều theo chiều lực Fr và Fa, sử dụng thiết bị khuyếch đại, thu nhận và xử lí tín hiệu kết nối với máy tính từ thiết bị đo lực. Bên cạnh đó, dùng thiết bị chống nhiễu để khử bớt nguồn gây nhiễu đến tín hiệu của thiết bị đo lực. Qua thực nghiệm thu được dữ liệu về lực, chiều dày chi tiết sau gia công, độ nhám bề mặt mà thể hiện cụ thể qua các biểu đồ về: lực trên chiều dài chi tiết gia công, ảnh hưởng sự thay đổi tốc độ con lăn đến chiều dày chi tiết, ảnh hưởng sự thay đổi tốc độ con lăn đến độ nhám bề mặt. Như vậy, tính toán dựa trên phương pháp số và thực nghiệm thu được kết quả biểu thị qua các biểu đồ về lực trên suốt chiều dài gia công miết, do đó dễ dàng có sự so sánh các giá trị lực trên chiều dài gia công miết giữa tính toán số so với thực v
9. nghiệm vào khoảng 2.55%. Sai số này không lớn nên khuyến khích sử dụng phương pháp tính toán số để giảm chi phí ban đầu, góp phần giảm giá thành sản phẩm. vi
10. SUMMARY Sheet metal spinning process on the lathe is an excellent approach for quickly prototyping the round hollow metal forms. A levered force is uniformly applied to the sheet metal by rotating the metal and its intended form (mandrel) at very high speeds, thus the sheet metal is deformed evenly without any wrinkling or warble. The spinning process allows for the rapid production of multiple parts since only the mandrel needs to be modified. Depending on the complexity of the part being spun, spinning can be highly demanding physically. The interior surface against the mandrel should be as smooth as the mandrel surface. Today, spinning techniques are being applied for the production of many key components, especially for the automotive and aerospace industries, and defense In the present work the simulation of the spinning process was undertaken with the software Ansys-LsDyna to predict the residual stresses, thickness of the workpiece and the forces. These simulation results are used to assist for selecting the force sensors in designing the measurement equipments that serve the experiment of the spinning process. By the way experiment was also carried out on the lathe to valid the simulation results. The tasks of the experiment consist of the design of the 2D force measurement equipment and measure the forces, thickness of the workpiece and its surface roughness. Both of the simulation and experiment were done for the thickness t = 1 and 2 mm of the sheet metal, and with three different feed ratios of the roller. Aluminum 1050 is chosen as the working sheet metal for our tests. Experimental results of the measured forces, the workpiece thickness and surface roughness of all cases considered are presented in this thesis. vii
11. They figured out that the increase of the feed ratio of the roller will increase the total force and the surface roughness of the workpiece. Simulation and experimental results of forces give good agreement together with the error about 2.55%. viii
12. MỤC LỤC Trang tựa TRANG Quyết định giao đề tài Lý lịch cá nhân i Lời cam đoan iii Lời cảm tạ iv Tóm tắt v Mục lục ix Danh sách các chữ viết tắt xiii Danh sách các hình xvi Danh sách các bảng xx Chương 1. TỔNG QUAN 1 1.1 Tính cấp thiết của đề tài 1 1.2 Đối tượng nghiên cứu 3 1.3 Các kết quả nghiên cứu được công bố của nước ngoài và trong nước 3 1.4 Mục tiêu, nhiệm vụ và giới hạn đề tài 4 1.4.1 Mục tiêu của đề tài 4 1.4.2 Nhiệm vụ của đề tài 4 1.4.3 Giới hạn đề tài 4 1.5 Cơ sở lí luận và phương pháp nghiên cứu 5 1.5.1 Cơ sở lí luận 5 1.5.2 Phương pháp nghiên cứu 5 1.6 Nội dung của đề tài 6 Chương 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT 7 ix
13. 2.1 Lí thuyết biến dạng dẻo vật liệu trong công nghệ miết 7 2.1.1 Lực công cụ 7 2.1.2 Ứng suất dư 8 2.1.3 Các mô hình biến dạng 8 2.1.4 Thông số quá trình chính 8 2.2 Phương trình toán học quá trình gia công miết 10 2.2.1 Các phương trình toán học của quá trình gia công miết 10 2.2.2 Mô hình vật liệu 10 2.3 Cơ sở về tốc độ con lăn 22 Chương 3: MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH MIẾT BẰNG PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN VỚI ANSYS - LSDYNA 23 3.1 Lựa chọn phần tử 23 3.2 Chia lưới 23 3.3 Tiếp xúc con lăn 23 3.3.1 Động học tiếp xúc 24 3.3.2 Mô hình ma sát 27 3.3.3 Phương pháp hàm phạt 29 3.3.4 Phương pháp Lagrange tăng cường 31 3.3.5 Tiếp xúc nhiệt/cấu trúc 31 3.4 Mô hình toán phần tử hữu hạn 32 3.4.1 Nguyên tắc của Hamilton 32 3.4.2 Các thủ thuật cơ bản của FEM 34 3.5 Các kiểu khác nhau của phần tử hữu hạn 39 3.5.1 Cấu trúc 3D 39 3.5.2 Phần tử phẳng 2D 39 3.5.3 Phần tử tấm 41 x
14. 3.6 Tiêu chuẩn chảy von Mises 44 3.7 Mô hình số của quá trình miết trong Ansys – LsDyna 46 3.1.1 Sử dụng kiểu phần tử 46 3.1.2 Số phần tử 46 3.1.3 Lựa chọn phần tử 46 3.1.4 Điều kiện biên 47 3.1.5 Tốc độ con lăn 47 3.1.6 Chuyển động của con lăn 48 3.1.7 Thông số nhập vào Ansys – Ls-Dyna 50 3.8 Kết quả đạt được quá trình chạy mô phỏng 50 3.8.1 Mẫu 01 với t = 1(mm) 50 3.8.2 Mẫu ò với t = 2(mm) 53 Chương 4: THỰC NGHIỆM QUÁ TRÌNH GIA CÔNG MIẾT 55 4.1 Sơ đồ thực nghiệm 55 4.2 Thiết bị, vật tư 56 4.2.1 Máy tiện vạn năng 56 4.2.2 Bộ thiết bị điều khiển tốc độ tiến con lăn 57 4.2.3 Cảm biến lực 59 4.2.4 Bộ khuếch đại 60 4.2.5 Bộ thu và chuyển đổi tín liệu 60 4.2.6 Bộ nguồn điện 24V 62 4.2.7 Thiết bị chống nhiễu 62 4.2.8 Máy tính xách tay 63 4.2.9 Phôi 63 4.2.10 Khuôn 64 4.2.11 Tấm chặn 65 xi
15. 4.2.12 Vít 65 4.2.13 Con lăn 65 4.2.14 Bộ phận gá con lăn 66 4.3 Tiến hành thực nghiệm 69 4.3.1 Mẫu 01 với t = 1mm 69 4.3.2 Mẫu 02 với t = 1mm 72 4.3.3 Chiều dày chi tiết 74 4.3.4 Độ nhám bề mặt 76 4.4 Kết quả đạt được so sánh với kết quả chạy mô phỏng Ls-Dyna chạy trên môi trường ansys. 79 4.4.1 Mẫu 01 với t = 1mm 79 4.4.2 Mẫu 02 với t = 2mm 81 4.5 Một số hình ảnh thí nghiệm 82 Chương 5: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 85 5.1 Kết luận 85 5.2 Kiến nghị 86 TÀI LIỆU THAM KHẢO 87 PHỤ LỤC 1 89 PHỤ LỤC 2 90 PHỤ LỤC 3 91 PHỤ LỤC 4 92 PHỤ LỤC 5 93 xii
16. DANH SÁCH CHỮ VIẾT TẮT B: ma trận biến dạng hệ tọa độ địa phương C: tham số vật liệu CAE: tính toán, thiết kế kỹ thuật với sự hổ trợ của máy tính. de: véctơ chuyển hệ tọa độ địa phương 2D: mặt phẳng 3D: không gian D: ma trận của các hằng số vật liệu. E: mô đun đàn hồi EXP: thực nghiệm fe: véctơ lực ở hệ tọa độ địa phương fb: véctơ nội lực fs: véctơ lực tiếp tuyến. FE: phần tử hữu hạn FEM: phương pháp phần tử hữu hạn F: véctơ ngoại lực/bức tiến Fr: lực hướng tâm Fa: lực dọc G: mô đun trượt. h: Mô đun cứng dẻo I: véctơ nội lực của phần tử ke: ma trận độ cứng hệ tọa độ địa phương K: ma trận độ cứng hệ tọa độ toàn cục L: hàm Lagrangian me: ma trận khối lượng hệ tọa độ địa phương xiii
17. M: ma trận khối lượng hệ tọa độ toàn cục nd: số nút nf: số bậc tự do N: hàm dạng Ni: ma trận con của các hàm dạng r0: bán kính lỗ phôi nhôm rm: bán kính đáy nhỏ của khuôn Sf: diện tích t: bề dày tấm nhôm tt: bề dày phần tử tf: tốc độ di chuyển con lăn tm: bề dày phần tử t1, t2: thời gian T: động năng. T: ma trận biến dạng hệ tọa độ địa phương u: véctơ chuyển hệ tọa độ toàn cục U: vận tốc v: bề mặt bị võng V: khối lượng Wf: công thực hiện bởi các ngoại lực Π: năng lượng biến dạng δ: góc mặt côn β: góc nghiêng của con lăn so với trục x ε: biến dạng. σ: ứng suất. σy: ứng suất chảy σ1: ứng suất chính xiv
18. σ2: ứng suất chính σ3: ứng suất chính ρ: mật độ vật liệu ν: hệ số Poisson χ: độ cong của tấm γ: giá trị lớn nhất của độ cong bề mặt ξ: tọa độ tự nhiên của phần tử θ: góc giữa hệ tọa độ địa phương và hệ tọa độ toàn cầu. xv
19. DANH SÁCH CÁC HÌNH Hình 1.1: Sơ đồ biểu diễn quá trình gia công chi tiết bằng phương pháp miết 01 Hình 1.2: Sản phẩm ứng dụng ngành gia dụng 02 Hình 1.3: Sản phẩm ứng dụng ngành y tế 02 Hình 1.4: Sản phẩm ứng dụng ngành quốc phòng 03 Hình 2.1: Quá trình miết kim loại tấm với dạng chi tiết khác nhau 07 Hình 2.2: Các dạng đường con lăn đi 08 Hình 2.3: Một số hình dạng con lăn 08 Hình 2.4: Khoảng cách giữa con lăn so với trục gá 10 Hình 2.5: Trạng thái ứng suất – biến dạng của mỗi tùy chọn dẻo 12 Hình 2.6: Các bề mặt ứng suất khác nhau 13 Hình 2.7: Các kiểu của luật độ cứng 14 Hình 2.8: Trạng thái đơn trục 20 Hình 3.1: Các dạng chia lưới khác nhau 23 Hình 3.2: Mô tả đặc điểm Contact174 24 Hình 3.3: Xác định điểm tiếp xúc tại điểm Gauss 25 Hình 3.4: Điểm xâm nhập 26 xvi
20. Hình 3.5: Làm mượt cạnh góc 26 Hình 3.6: Mô hình ma sát 28 Hình 3.7: Phần tử lục giác và hệ tọa độ 39 Hình 3.8: Tấm phẳng hình chữ nhật 2D 40 Hình 3.9: Cấu trúc phần tử Shell163 có 4 nút 44 Hình 3.10: Đường cong ứng suất – biến dạng tuyến tính 45 Hình 3.11: Mô hình mô phỏng số 46 Hình 3.12: Mô hình thực nghiệm quá trình miết chi tiết côn 48 Hình 3.13: Đường đi của con lăn trong mô phỏng số 48 Hình 3.14: Mô hình hóa mô phỏng 49 Hình 3.15: Ứng suất xảy ra trong quá trình miết 51 Hình 3.16: Ảnh hưởng của lực dọc Fa trên chiều dài chi tiết 51 Hình 3.17: Ảnh hưởng của lực hướng tâm Fr trên chiều dài chi tiết 52 Hình 3.18: Ảnh hưởng của lực dọc Fa trên chiều dài chi tiết 53 Hình 3.19: Ảnh hưởng của lực hướng tâm Fr trên chiều dài chi tiết 54 Hình 4.1: Sơ đồ thực nghiệm 55 Hình 4.2: Máy tiện vạn năng 56 Hình 4.3: Bộ điều khiển tốc độ con lăn 57 Hình 4.4: Thiết bị kiểm tra số vòng quay động cơ hiệu Hioki 58 xvii