Nghiên cứu ảnh hưởng của lực và tốc độ con lăn trong quá trình miết chi tiết dạng tấm

Nội dung text: Nghiên cứu ảnh hưởng của lực và tốc độ con lăn trong quá trình miết chi tiết dạng tấm

1. NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA LỰC VÀ TỐC ĐỘ CON LĂN TRONG QUÁ TRÌNH MIẾT CHI TIẾT DẠNG TẤM Đặng Văn Ánh*, Lê Tuấn Phương Nam Khoa Cơ Khí, trường Đại học Công Nghiệp Thành Phố Hồ Chí Minh *dangvananh76@yahoo.com.vn Tóm tắt Sản phẩm gia công theo phương pháp miết 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, Trong nghiên cứu này, 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 ở cùng điều kiện để kiểm tra lại kết quả tính toán bằng phương pháp số. Trong bài báo này các công việc được thực hiện: 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, thu được dữ liệu về lực, chiều dày chi tiết sau gia công, độ nhám bề mặt mà thể hiện 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 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. 1
2. 1. Giới thiệu Tác giả nghiên cứu mối liên hệ giữa biến dạng của vật liệu và các khuyết tật nhăn trong quá trình miết kim loại dạng tấm [1]. Các tác giả đã nghiên cứu đường đi của con lăn trong quá trình miết chi tiết dạng tấm với nhiều con lăn [2]. Các tác giả điều tra thí nghiệm biến dạng kim loại tấm do quá trình miết chi tiết dạng tấm với nhiều con lăn gây ra [3]. Các tác giả đã thí nghiệm trên mẫu thép thường, tìm ra ảnh hưởng của hình dạng con lăn đến chất lượng sản phẩm [4]. Các tác giả đã nghiên cứu tốc độ tiến của con lăn được tính theo tốc độ của trục chính động cơ mà nó được điều khiển bằng biến tần có tần số từ 3Hz đến 12Hz [5, 6] Ngoài ra, tác giả đã nghiên cứu khả năng chịu lực của chi tiết gia công bằng phương pháp miết, tác giả đã thiết kế máy dùng gia công miết để tiết kiệm chi phí [7]. Bài báo này, nghiên cứu ảnh hưởng của lực và tốc độ con lăn trong quá trình miết chi tiết dạng tấm. Để nghiên cứu, bài báo đã thực hiện các công việc là thiết kế thiết bị bị đo lực hai chiều theo chiều lực hướng tâm Fr và lực dọc trục Fa, sử dụng bộ 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, thu nhận và sử lí số liệu, chiều dày chi tiết sau gia công, độ nhám bề mặt. Ngoài ra, quá trình gia công miết được mô phỏng bằng phương pháp phần tử hữu hạn trên phần mềm Ansys – Ls Dyna để dự đoán lực và các ứng suất dư. Các kết quả tính toán số sẽ được so sánh với kết quả thực nghiệm. 2. Thực nghiệm quá trình gia công miết Quá trình gia công miết được thực hiện trên máy tiện vạn năng Bemat, bộ thiết bị điều khiển tốc độ tiến con lăn, cảm biến lực đơn CBCA 75 kgf, bộ khuếch đại KM-02A 4~20mA, bộ thu và chuyển đổi tín hiệu FTezDAQ đời MF – 28, phần mềm kèm theo: FTezDAQ-2.0, bộ nguồn có: gõ vào 220V – 1 pha, ngõ ra: 24V – DC, ổn áp cách li, bộ lọc nhiễu nguồn điện, nối đất, máy tính xách tay Dell. 2
3. Phôi hợp kim nhôm dạng tấm loại 1050, dạng tròn, có kích thước Ø100mm, ở tâm có lỗ Ø10mm để gá phôi vào khuôn và bề dày của phôi: mẫu 01 là 1mm và mẫu 02 là 2mm được chọn cho quá trình gia công miết. Dựa theo các nghiên cứu đã được công bố [5, 6]. Trong các nghiên cứu này, tốc độ tiến của con lăn được tính theo tốc độ của trục chính động cơ mà nó được điều khiển bằng biến tần có tần số từ 3Hz đến 12Hz. Như vậy, tốc độ tiến f của con lăn từ 0,146mm/s đến 0,598mm/s. Như vậy, trong đề tài này, tốc độ tiến con lăn được chọn ở ba tốc độ f = 0,242; 0,34; 0,598mm/s tương ứng với tần số điều khiển là 5Hz, 8Hz và 12Hz. Bảng 1: Tốc độ tiến con lăn Tần số Thiết bị đếm vòng Tỉ số Số vòng trục công Tốc độ con STT (Hz) (vòng/phút) truyền tác(vòng/phút) lăn(mm/s) 1 5 145,52 30:1 4,850 0,242 2 8 236,1 30:1 7,870 0,393 3 12 359 30:1 11,966 0,598 3. Mô phỏng số quá trình gia công miết Quá trình gia công miết được mô phỏng bằng phương pháp phần tử hữu hạn trên phần mềm Ansys – Lsdyna ở cùng điều kiện thực nghiệm. Số phần tử và lưới của mô hình được trình bày trên hình 1. Tấm kim loại được chia 3500 phần tử, khuôn được chia 3500 phần tử, con lăn 200 phần tử. Điều kiện biên cho mô hình số được thực hiện như sau: Toàn bộ các phần tử thuộc tâm phôi chi tiết ở vị trí mặt đáy khuôn bị chặn 6 bậc tự do gồm 3 tịnh tiến và 3 chuyển động quay theo 3 trục x, y và z. Khuôn và con lăn được xem như cứng tuyệt đối. 3
4. Điều kiện biên chặn 6 Con lăn bậc tự do Tấm chi tiết Khuôn Hình 1: Mô hình mô phỏng số 4. Kết quả 4.1. Độ nhám bề mặt Theo hình 2, chiều dày phôi gia công tăng lên thì độ nhám của chi tiết giảm. Khi tăng tốc độ tiến của con lăn thì độ nhám giảm nhanh, chiều dày phôi càng tăng thì độ nhám bề mặt chi tiết giảm càng nhanh. Như vậy, phải kết hợp giữa tốc độ tiến của con lăn, thời gian gia công để chọn ra chế độ gia công phù hợp với năng suất gia công. Ở đây, tốc độ tiến của con lăn f = 0,598(mm/s) thì thời gian gia công giảm, tuy nhiên chất lượng bề mặt chấp nhận được. Với tấm hợp kim nhôm 1050 có chiều dày 1(mm), sử dụng tiêu chuẩn đo ISO97, chiều dài đo chuẩn 0,8mm với 3 lần đo, tiêu chuẩn đánh giá độ nhám Rz thì kết quả đo là: Tốc độ tiến của con lăn f = 0,242(mm/s) thì độ nhám bề mặt tương ứng Rz2,47(μm). Tốc độ tiến của con lăn f = 0,393(mm/s) thì độ nhám bề mặt tương ứng Rz3,83(μm). Và tốc độ tiến của con lăn f = 0,598(mm/s) thì độ nhám bề mặt tương ứng Rz7,39(μm), thể hiện ở hình 2. Với tấm hợp kim nhôm 1050 có chiều dày 2(mm), sử dụng tiêu chuẩn đo ISO97, chiều dài đo chuẩn 0,8mm với 3 lần đo, tiêu chuẩn đánh giá độ nhám là Rz thì kết quả đo là: Tốc độ tiến của con lăn f = 0,242(mm/s) thì độ nhám bề 4
5. mặt tương ứng Rz4,37(μm). Tốc độ tiến của con lăn f = 0,393(mm/s) thì độ nhám bề mặt tương ứng Rz5,88(μm). Hình 2: Sự thay đổi độ nhám khi tốc độ tiến của con lăn thay đổi Và tốc độ tiến của con lăn f = 0,598(mm/s) thì độ nhám bề mặt tương ứng Rz11,85(μm) như. Như vậy, khi tốc độ tiến của con lăn tăng từ f = 0,242(mm/s) đến f = 0,598(mm/s) thì độ nhám bề mặt giảm. Chiều dày phôi tăng, độ nhám cũng tăng thì chất lượng bề mặt giảm, thể hiện ở hình 2. Như vậy, có thể ảnh hưởng bởi do rung động gây ra, trong trường hợp này lực lớn hơn phôi có bề dày mỏng hơn. 4.2. Chiều dày chi tiết Khi gia công chi tiết dạng côn bằng phương pháp miết, theo lí thuyết thì chiều dày phần chi tiết được gia công tuân theo định luật hình sin theo hình. Tuy nhiên, trong quá trình thực nghiệm gia công miết chi tiết dạng côn với góc mặt côn là 450 chiều dày chi tiết có sự thay đổi trên chiều dài bề mặt gia công, thay đổi tốc độ tiến của con lăn chiều dày cũng thay đổi. Để thuận tiện kiểm tra 5
6. chiều dày chi tiết, sau khi gia công xong chi tiết được cắt làm hai rồi kiểm tra bằng thước cặp điện tử có độ chia nhỏ nhất 0,01mm, kết quả thu được thể hiện trên hình 3. Hình 3: Ảnh hưởng của sự thay đổi tốc độ tiến của con lăn đến chiều dày chi tiết Kiểm tra chiều dày chi tiết của bề mặt gia công miết trên chiều dài gia công có sự biến đổi như hình 3. Chiều dày chi tiết của bề mặt sau gia công miết tăng dần từ vị trí bắt đầu gia công đến vị trí kết thúc gia công miết. Ở vị trí đầu tuân theo định luật hình sin, vị trí kế tiếp sau thì chiều dày tăng lên vì vận tốc dài của con lăn tăng do đó biến dạng dẻo giảm. Chiều dày phôi miết tăng lên (2mm), chiều dày chi tiết sau gia công miết thay đổi lớn hơn khi gia công miết chi tiết có phôi mỏng hơn. Cụ thể: Phôi tấm nhôm có t = 1(mm) lượng biến đổi chiều dày trên chiều dài gia công là: ℓ = 0,763 – 0,730 = 0,033 = 3,3%. Phôi tấm nhôm có t = 2(mm) lượng biến đổi chiều dày trên chiều dài gia công là: ℓ = 1,556 –1,506 = 0,05 = 5%. 6
7. 4.3. Kết quả thực nghiệm và mô phỏng của lực ép trên suốt chiều dài chi tiết Mẫu 01 với t = 1(mm) Từ kết quả mô phỏng trên phần mềm Ls – Dyna chạy trên môi trường Ansys 14.5 so với kết quả thực nghiệm ở xưởng, kết quả có sự chênh lệch. Sự sai khác do chạy mô phỏng trên phần mềm thì điều kiện lí tưởng hơn so với thực nghiệm. Tuy nhiên có sự tương đồng về mặt thay đổi lực trong suốt quá trình miết, thể hiện ở hình 4 và hình 5 Hình 4: So sánh kết quả lực Fa giữa FEM với kết quả EXP Trong quá trình gia công miết, lực dọc trục Fa giữa mô phỏng lớn hơn so với thực nghiệm. Tuy nhiên giá trị đổi không lớn, thể hiện ở hình 4. Theo hình 5, giá trị lực hướng tâm của quá trình chạy mô phỏng so với giá trị lực hướng tâm đo trong quá trình thực nghiệm có tính tương đồng, giá trị lực hướng tâm của mô phỏng có giá trị lớn hơn giá trị đo ở thực nghiệm do môi trường thực nghiệm bị tác động bởi nhiễu, thiết bị chưa có tính đồng nhất cao. 7
8. Hình 5: So sánh kết quả lực Fr giữa FEM với kết quả EXP. Từ kết quả thực nghiệm mô phỏng trên phần mềm Ansys – Ls Dyna chạy trên môi trường Ansys 14.5 với kết quả thực nghiệm ở xưởng, kết quả có sự khác biệt không nhiều. 332,109 330,056 F 100% 0,6% 0,242 332,109 363,379 356,666 F 100% 1,84% 0,393 363,379 370,534 364,713 F 100% 1,57% 0,598 370,534 Mẫu 02 với t = 2(mm) Khi con lăn ở tốc độ cao hơn thì lực tổng tăng lên, tuy nhiên lượng tăng này không lớn lắm. Nhưng đổi lại thời gian gia công giảm đáng kể. Tốc độ tiến của con lăn tăng đồng nghĩa với chiều dày chi tiết sau khi gia công cũng tăng theo, làm cho sai số về kích thước chiều dày tăng lên không tuân thủ theo định luật hình sin. Tốc độ tiến của con lăn tăng lên làm cho độ nhám bề mặt tăng lên, như vậy bề mặt sẽ xấu hơn, theo hình 2. 8
9. Hình 6: So sánh kết quả lực Fa giữa FEM với kết quả EXP Hình 7: So sánh kết quả lực Fr giữa FEM với kết quả EXP Từ kết quả thực nghiệm mô phỏng trên phần mềm Ansys – Ls Dyna chạy trên môi trường Ansys 14.5 với kết quả thực nghiệm ở xưởng, kết quả có sự khác biệt không nhiều, thể hiện hình 6 và hình 7. 638,961 622,616 F 100% 2,558% 0,242 638,961 9
10. 695,635 678,590 F 100% 2,45% 0,393 695,635 728,804 712,876 F 100% 2,185% 0,598 728,804 Khi tăng chiều dày phôi lên 2mm, giá trị lực tổng tăng lên đáng kể. Khi con lăn ở tốc độ cao hơn thì lực tổng tăng lên, tuy nhiên lượng tăng này không lớn lắm, thể hiện ở hình 6 và hình 7. Nhưng đổi lại thời gian gia công giảm đáng kể. Tốc độ tiến của con lăn tăng đồng nghĩa với chiều dày chi tiết sau khi gia công cũng tăng theo, làm cho sai số về kích thước chiều dày tăng lên không tuân thủ theo định luật hình sin, thể hiện hình 3. Tốc độ tiến của con lăn tăng lên làm cho độ nhám bề mặt tăng lên, như vậy bề mặt sẽ xấu hơn, thể hiện hình2. 5. Kết luận Trong bài báo này đã nghiên cứu thực nghiệm quá trình gia công miết, kết quả đã đạt được: các biểu đồ về mối quan hệ lực và chiều dài gia công miết, biểu đồ về sự biến đổi chiều dày khi tốc độ tiến của con lăn thay đổi, biểu đồ độ nhám Đồng thời quá trình gia công miết cũng được mô phỏng trên phần mềm Ansys – Lsdyna để dự đoán lực và các ứng suất dư trong chi tiết. Kết quả mô phỏng số được so sánh với kết quả thực nghiệm với sai số giá trị lực tổng trung bình là 2,56%. Tài liệu tham khảo [1] Wang, Lin, 2012. Analysis of material deformation and wrinkling failure in conventional metal spinning process, Durham theses, Durham University, UK. [2] Lin Wang, Hui Long, 2013. Roller path design by tool compensation in multi-pass conventional spinning. Materials and Design, 46, 645–653. [3] Wang, L., Long, H., 2011. Investigation of material deformation in multi- pass conventional metal spinning. Materials & Design, 32, 2891-2899. [4] Sandeep Kamboj, Bharat Atray, Neeraj Kumar. Analysis the effects of different types of tool on metal spinning process. International Journal of Research in Engineering and Technology eISSN: 2319-1163/eISSN: 2321- 7308, 02/Feb-2014, India. 10
11. [5] B.Moetakef Imani, F.Sajajid, 2010. An ExperimentalInvestigation of Hybrid Position/Force Control for Metal Spinning Process. AnnualInternational Conference on Mechanical ISME2010 – 2214. [6] Matthias Kleiner, Roland Ewers, Joachim Kunert, Nadine Henkenjohann, Corinna Auer, 2005. Optimisation of the shear forming process by means of multivariate statistical methods. University of Dortmund, Department of Statistics University of Dortmund, Institute of Forming Technology and Lightweight Construction. SFB – 475, tr23-05. [7] Trần Việt Thắng, Nghiên cứu công nghệ miết ép phục vụ chế tạo các chi tiết có kết cấu đặc biệt, chịu áp lực cao trong sản xuất vũ khí, 2007, Hà Nội. 11
12. BÀI BÁO KHOA HỌC THỰC HIỆN CÔNG BỐ THEO QUY CHẾ ĐÀO TẠO THẠC SỸ Bài báo khoa học của học viên có xác nhận và đề xuất cho đăng của Giảng viên hướng dẫn B n ti ng Vi t ©, T NG I H C S PH M K THU T TP. H CHÍ MINH và TÁC GI Bản quếy n táệc ph mRƯ ãỜ cĐ bẠ o hỌ b Ưi Lu tẠ xu t Ỹb n vàẬ Lu t S hỒ u trí tu Vi t Nam. NgẢhiêm c m m i hình th c xu t b n, sao ch p, phát tán n i dung khi c a có s ng ý c a tác gi và ả ng ề i h ẩ pđh đưm ợK thuả tộ TP.ở H ậChí Mấinh.ả ậ ở ữ ệ ệ ấ ọ ứ ấ ả ụ ộ hư ự đồ ủ ả Trườ Đạ ọCcÓ Sư BÀI BạÁO KHỹ OA ậH C T ồT, C N CHUNG TAY B O V TÁC QUY N! ĐỂ Ọ Ố Ầ Ả Ệ Ề Th c hi n theo MTCL & KHTHMTCL h c 2017-2018 c a T vi n ng i h c S ph m K thu t Tp. H Chí Minh. ự ệ Năm ọ ủ hư ệ Trườ Đạ ọ ư ạ ỹ ậ ồ