Đang tải... (xem toàn văn)
Bài viết này nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ nung phôi, bán kính chày uốn và lực chặn phôi đến lực uốn khi tạo hình chữ U cho vật liệu thép tấm SS400 bằng phương pháp phần tử hữu hạn.
CHÀO MỪNG KỶ NIỆM NGÀY NHÀ GIÁO VIỆT NAM 20/11 NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA NHIỆT ĐỘ, BÁN KÍNH CHÀY VÀ LỰC CHẶN PHƠI ĐẾN LỰC TẠO HÌNH KHI UỐN CHI TIẾT HÌNH CHỮ U THÉP TẤM SS400 BẰNG PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN STUDY ON THE EFFECTS OF TEMPERATURE, PUNCH RADIUS AND BLANK HOLDER FORCE ON FORMING FORCE DURING U-BENDING SS400 STEEL PLATE BY FINITE ELEMENT METHOD VƯƠNG GIA HẢI1,2*, NGUYỄN THỊ HỒNG MINH1, NGUYỄN ĐỨC TOÀN1 Đại học Bách khoa Hà Nội, Số 1, Đại Cồ Việt, Hai Bà Trưng, Hà Nội 2Trường Đại học Hải Phòng, Số 171 Phan Đăng Lưu, Kiến An, Hải Phòng Email liên hệ: vuonghai84@gmail.com 1Trường Tóm tắt Biến dạng tạo hình kim loại phương pháp gia công lĩnh vực khí Trong đó, gia cơng biến dạng uốn phương pháp gia công phổ biến ứng dụng rộng rãi để tạo hình chi tiết làm từ kim loại như: công nghiệp hàng khơng, đóng tàu, tơ, Khi biến dạng tạo hình uốn kim loại, lực tạo hình thông số quan trọng cần xác định để đảm bảo khả đủ tải thiết bị gia công Giá trị lực thay đổi tùy theo điều kiện gia công khác nhau, dạng chi tiết khác nhau, vật liệu dùng để gia công, Bài báo nghiên cứu ảnh hưởng nhiệt độ nung phơi, bán kính chày uốn lực chặn phơi đến lực uốn tạo hình chữ U cho vật liệu thép SS400 phương pháp phần tử hữu hạn Từ khóa: Nhiệt độ nung phơi, thép SS400, Taguchi, gia công biến dạng uốn Abstract Sheet metal forming process is a basic deformation method in the mechanical field In particular, bending deformation processing is a universal processing method which is widely used to form sheet metal parts such as aviation industry, shipbuilding, automotive and so on During sheet metal bending process, the forming force is a very important output parameter that needs to be determined to ensure the load capacity of a machining equipment This forming force magnitude will vary according to machining conditions, Geometric shapes of products, sheet materials, etc This study examines the influence of technological and geometric parameters such as: workpiece temperature, punch radius and blankholder force to bending force when forming U-shape of SS400 sheet material Keywords: Workpiece temperatureb SS400 steel sheet, Taguchi, bending process Mở đầu Hiện thép sử dụng rộng rãi gia công kết cấu thép tầu thuyền Có nhiều cơng nghệ gia công khác ứng dụng gia công như: Cắt gọt, hàn, lốc, uốn, sấn, [1], [2] Trong sản phẩm làm từ thép chi tiết có biên dạng cong gia cơng công nghệ uốn chiếm tỷ trọng lớn Lực tạo hình chi tiết gia cơng phương pháp uốn thường chịu ảnh hưởng lớn từ thơng số cơng nghệ như: Bán kính chày uốn, lực chặn phôi, chiều dày chi tiết, vận tốc chày uốn, nhiệt độ gia nhiệt uốn,… Việc xác định thông số công nghệ phù hợp cần thiết, giúp cho nhà sản xuất tiết kiệm tối đa chi phí sản xuất mà đem lại hiệu kinh tế cao Để xác định ảnh hưởng thông số cơng nghệ đó, nhiều nghiên cứu áp dụng phương pháp Taguchi [3], [4], [5] đem lại hiệu tốt Trong nghiên cứu này, phương pháp quy hoạch Taguchi sử dụng nhằm khảo sát ảnh hưởng thông số công nghệ như: Nhiệt độ nung phơi, bán kính chày uốn lực chặn phơi đến lực tạo hình uốn chi tiết hình chữ U làm từ thép SS400 Với mục đích giảm lực tạo hình uốn, nghiên cứu sử dụng phần mềm Abaqus để mô thí nghiệm uốn theo ba cấp độ cho yếu tố thông qua mảng trực giao Taguchi L9 (3 ^ 3)[6] Vật liệu mơ hình vật liệu 2.1 Thiết lập thí nghiệm Thí nghiệm xác định hệ số mô hình vật liệu Voce’s [9] để làm đầu vào cho thí nghiệm mơ xác định lực uốn tạo hình Vật liệu sử dụng cho nghiên cứu thép SS400, theo tiêu chuẩn JISG 3101[7] có thành phần hóa học Bảng Bảng Thành phần hóa học thép SS400 40 C Si Mn P S Cr 0,19-0,21 0,05-0,17 0,4-0,6 0,04 0,05 ≤0,3 Tạp chí Khoa học Công nghệ Hàng hải Số 60 - 11/2019 CHÀO MỪNG KỶ NIỆM NGÀY NHÀ GIÁO VIỆT NAM 20/11 Trong nghiên cứu tính vật liệu xác định điều kiện nhiệt độ khác là: nhiệt độ phòng (320C), 3000C 6000C Các mẫu thử kéo gia công cắt dây theo hướng cán thép dầy mm Sau cắt dây mẫu thử kéo xử lý qua giấy giáp Kích thước mẫu thử kéo theo tiêu chuẩn nhà nước TCVN 197-85(197-2000) [8], mẫu có kích thước hình dạng Hình (a) Hình (b) (c) tương ứng mẫu thử kéo gia công cắt dây CNC sau xử lý bề mặt giấy ráp 15 22 172 182 55 65 237 (a) (b) (c) Hình Mẫu thử kéo thiết kế (a), gia công máy cắt dây CNC (b) sau xử lý bề mặt (c) Thử nghiệm kéo cho mẫu thực điều kiện nhiệt độ khác máy kéo nén Hung Ta H-200A (Hình 2a) Để xác định nhiệt độ mẫu kéo, quan hệ phụ thuộc thời gian gia nhiệt nhiệt độ tiến hành trước kéo (Hình 2b) Kết phụ thuộc thời gian nhiệt độ gia nhiệt cho mẫu thể Hình cho thấy mức độ ổn định thời gian gia nhiệt đến nhiệt độ phôi sau nung Q trình thử kéo có gia nhiệt gá đặt gia nhiệt thiết bị thể Hình 2a b ) a ) Hình Hệ thống thử kéo có gia nhiệt (a), Thiết bị gia nhiệt (b) 2.2 Nhận dạng thông số mô hình vật liệu Kết thực nghiệm thử kéo điều kiện nhiệt độ khác thể Hình Để nhận dạng thơng số mơ hình vật liệu tương thích phù hợp với liệu sau thử kéo theo quy luật hóa bền Voce’s [9], đường cong ứng suất - biến dạng công thức (1) sử dụng Phần mềm Excel 2013 với công cụ SOLVER dựa phương pháp tổng bình phương sai lệch nhỏ dễ dàng tìm hệ số phương trình (1) trình bày Bảng Các hệ Tạp chí Khoa học Công nghệ Hàng hải Số 60 - 11/2019 41 CHÀO MỪNG KỶ NIỆM NGÀY NHÀ GIÁO VIỆT NAM 20/11 số thu sử dụng để khai báo mơ hình vật liệu đầu vào thực mô số phần mềm Abaqus 𝐩𝐥 (1) 𝛔̄ = 𝛔𝐘 + 𝐀(𝟏 − 𝐞𝐱𝐩( − 𝐁𝛆𝐞𝐪 )) Trong đó: y giới hạn chảy, A B tham số hóa bền vật liệu, 𝜎̄ ứng suất tương 𝑝𝑙 đương, 𝜀𝑒𝑞 biến dạng tương đương Các tham số khác sử dụng cho mô dự đốn lực tạo hình uốn điều kiện khác thể Bảng Hình Biểu đồ quan hệ nhiệt độ thời gian gia nhiệt Hình Biểu đồ ứng suất - biến dạng nhiệt độ khác cho vật mẫu Bảng Các tham số hóa bền vật liệu mức nhiệt độ khác theo quy luật Voce’s Nhiệt độ (0C) A B y 32 348 188,86 28,3293 300 199,3 171,56 3,452 600 72,43 36,89 6,0145 Bảng Các tham số thuộc tính vật liệu dùng cho mơ số 42 Thông số Nhiệt độ (0C) Tốc độ uốn (mm/s) Các mức 32 300 600 1 Độ dầy phôi (mm) 6 Hệ số Poiss on’s 0,3 0,3 0,3 Khối lượng riêng (kg/m3) 7.850 7.850 7.850 Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Hàng hải Hệ số mô đun đàn hồi (MPa) 213.000 184.410 107.640 Số 60 - 11/2019 CHÀO MỪNG KỶ NIỆM NGÀY NHÀ GIÁO VIỆT NAM 20/11 Mô quy hoạch theo mảng trực giao Taguchi 3.1 Mơ hình phần tử hữu hạn Mơ hình thí nghiệm uốn chi tiết hình chữ U (Hình 6a,b), chày, cối chặn mô yếu tố bề mặt cứng R3D4 yếu tố vỏ S4R sử dụng cho Trong mơ hình mơ này, yếu tố kích thước trung bình 300mm (chiều dài) x 32 mm (chiều rộng) Hình Khe hở chày cối 9mm, mô dày t=6mm 32 300 t=6 Hình Chi tiết dùng mơ (a) (b) (c) Hình Mơ hình phần tử hữu hạn uốn chi tiết chữ U dạng 2D (a), dạng 3D (b), chi tiết sau mô (c) Để dự đoán ảnh hưởng nhiệt độ, bán kính chày uốn lực chặn phơi đến lực tạo hình uốn SS400, liệu thu từ kết thí nghiệm kéo tính tốn sử dụng làm liệu đầu vào cho q trình mơ số phương pháp phần tử hữu hạn qua phần mềm (ABAQUS/Explicit) Mơ hình biến dạng tạo hình uốn thể Hình 6c Khi mô phỏng, khuôn cố định khuôn di chuyển theo phương thẳng đứng Hệ số ma sát mơ hình hóa cách sử dụng luật ma sát Coulomb Để mô đàn hồi sau trình biến dạng tạo hình, trình biến dạng chữ U thực theo hai bước với Abaqus/Explicit Lực chặn áp dụng bước việc phân tích Các lực đẩy chày tăng lên để giảm thiểu hiệu ứng quán tính Trong bước thứ hai việc phân tích chày di chuyển xuống 55mm theo phương thẳng đứng (phương Y) Phân tích đàn hồi sau biến dạng tạo hình sau mơ với Abaqus/Standard Các kết từ hình thành mơ Abaqus/Explicit nhập vào Abaqus/Standard, phân tích tĩnh tính tốn đàn hồi ngược Trong bước trạng thái ứng suất nhân tạo làm cân trạng thái ứng suất nhập vào áp dụng tự động Abaqus/Standard bị loại bỏ bước Sự thay đổi hình dạng sản phẩm thu vào cuối bước đàn hồi sau biến dạng tạo hình Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Hàng hải Số 60 - 11/2019 43 CHÀO MỪNG KỶ NIỆM NGÀY NHÀ GIÁO VIỆT NAM 20/11 3.2 Quy hoạch theo mảng trực giao Taguchi Mục đích nghiên cứu điều chỉnh thơng số đầu vào để kiểm sốt thơng số đầu theo mong muốn Do đó, phương pháp Taguchi lựa chọn sử dụng cho phép tối thiểu thí nghiệm cần thiết để để nghiên cứu ảnh hưởng thông số lên đặc tính đầu nhanh chóng điều chỉnh thơng số đầu vào tiến đến tối ưu nhanh giá trị đầu [6] Nghiên cứu khảo sát ảnh hưởng tham số: Nhiệt độ nung phôi ( 0C), bán kính chày uốn (mm) lực chặn phơi (N) đến lực tạo hình uốn có gia nhiệt Bộ ba thông số lựa chọn với ba mức giá trị khác cho Bảng Tỉ lệ nhiễu S/N lựa chọn theo điều kiện nhỏ tốt phương trình (2) S/N = -10Log10(MSD) (2) 𝑀𝑆𝐷 = (𝑦12 +𝑦22 + +𝑦𝑛2 ) (3) 𝑛 Trong MSD độ lệch bình phương trung bình so với giá trị đích đặc tính chất lượng; y1, y2…yn, n kết đo số thí nghiệm tương ứng Sau thiết lập điều kiện cho mơ thí nghiệm tương ứng, nghiên cứu tiến hành mơ thí nghiệm Kết đo đạc cho mẫu thí nghiệm mơ theo Taguchi L9 (33) cho Bảng Ảnh hưởng tham số: Nhiệt độ (A(T)), bán kính chày (B(Rch)) lực chặn phôi (C(F)) đến lực uốn tính tốn phân tích phương sai (Anova) Bảng TT Bảng Các thông số công nghệ dùng cho mô Các mức Thông số Mức Mức T- Nhiệt độ (0C) (A) 32 300 Rch - Bán kính chày (mm) (B) 10 18 F - Lực chặn phôi (N) (C) 12.000 18.000 STT Tham số A (T) B (Rch) C (F) Err Tổng Bảng Kết đo tỷ số S/N theo L9 A(T) B(Rch) C(F) PMP (N) 32 10 12.000 60.138,2 32 18 18.000 62.315,3 32 26 24.000 66.267,8 300 10 18.000 38.948,3 300 18 24.000 39.480,3 300 26 12.000 35.046,1 600 10 24.000 21.691,2 600 18 12.000 15.859,6 600 26 18.000 17.999,9 Mức 600 26 24.000 S/NMP -95,583 -95,8919 -96,4261 -91,8098 -91,9276 -90,8928 -86,7257 -84,0058 -85,1054 Bảng Phân tích ANOVA cho ảnh hưởng tham số Giá trị S/N trung bình mức Tổng bình Phân bố phương -95,97 -91,54 -85,28* 173,045 97,33 -91,37 -90,61* -90,81 0,943 0,53 -90,16* -90,94 -91,69 3,523 1,98 0,283 0,16 177,794 100 Nghiên cứu tiến hành xử lý số liệu thực nghiệm phần mềm MINITAB17 Với thông số nhiệt độ nung phôi A(T), bán kính chày B(Rch) lực chặn phơi C(F) Mỗi thơng số có mức tác động sau: Nhiệt độ (32oC, 300oC, 600oC); Bán kính chày (10mm, 18mm, 26mm); Lực chặn phôi (12.000N, 18.000N, 24.000N) Phần mềm cho phép lựa chọn quy hoạch Taguchi L9 (33) với thí nghiệm mơ (Bảng 5) quy hoạch chuẩn Phân tích phương sai Anova (bảng 6) cho ta kết sau: Ảnh hưởng nhiệt độ tới lực uốn chiếm 97,33%, ảnh hưởng bán kính chày 0,53%, ảnh hưởng lực chặn phơi 1,98% 0,16% nhiễu Kết cho ta hai nhận xét quan trọng sau: (1) Khi xét yếu tố ảnh hưởng tới lực uốn (A(T), B(R ch), C(F)) ảnh hưởng nhiễu đến kết nhỏ (chỉ 0,16%) (2) Ảnh hưởng nhiệt độ tới lực uốn lớn (chiếm 97,33%), tức ảnh hưởng hai thơng số lại (B(R ch), C(F)) nhỏ không làm thay đổi giá trị lực uốn, nhiệt độ lớn giá trị lực uốn nhỏ Điều hoàn toàn với lý thuyết kiểm nghiệm thực tế 44 Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Hàng hải Số 60 - 11/2019 CHÀO MỪNG KỶ NIỆM NGÀY NHÀ GIÁO VIỆT NAM 20/11 Hình Ảnh hưởng tham số đến lực uốn Sau xây dựng mô theo quy hoạch Taguchi L9 (3 3), ta thu kết (Hình 7) Ứng với kết theo công thức (3) xét theo yếu tố đơn lẻ ta thấy rằng: Giá trị nhiệt độ A(T) = 6000C có lực uốn nhỏ nhất; giá trị bán kính B(Rch)=18mm cho giá trị lực uốn nhỏ giá trị lực chặn phôi C(F)=12.000N lực uốn nhỏ Do thông số lựa chọn theo thông số A(T), B(Rch) C(F) đưa (9 thông số) là: (A(T), B(Rch) C(F))=(6000C, 18mm, 12.000N) Đây thông số tối ưu thu từ thơng số đưa (thí nghiệm số Bảng 5) Kết luận Nghiên cứu tiến hành xây dựng hệ thống thử kéo có gia nhiệt thực nghiệm kéo mẫu thép SS400 ba điều kiện nhiệt độ khác (32oC, 300oC, 600oC) Đã xây dựng biểu đồ so sánh ứng suất - biến dạng ba điều kiện nhiệt độ khác (Hình 4) Xây dựng mơ thực nghiệm Taguchi L9 (33) với thông số công nghệ: nhiệt độ nung phơi, bán kính chày, lực chặn phơi thay đổi tiến hành để đánh giá ảnh hưởng tham số đầu vào đến lực tạo hình uốn chữ U phương pháp phần tử hữu hạn Kết mơ phân tích số liệu điều kiện gia công: nhiệt độ nung phơi 6000C, bán kính chày 18mm lực chặn phơi 12.000N cho giá trị lực tạo hình uốn nhỏ P=15.859,6N Phân tích Anova cho thấy ba tham số công nghệ A(T), B(Rch) C(F) tham số A(T) có ảnh hưởng lớn tới lực tạo hình (97,33%), hai tham số lại có ảnh hưởng nhỏ khơng đáng kể TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] S J H Z Marciniak, J.L Ducan, Mechanics of Sheet Metal Forming 2002 [2] N M Đằng, ‘Cơng nghệ tạo hình kim loại tấm’ NXB Khoa học Kỹ thuật Hà Nội, 2006 [3] K Li and Q Kh, ‘Áp dụng phương pháp quy hoạch thực nghiệm nghiên cứu chế tạo vật liệu Blend ba cấu tử s Nbr - Pvc - Cr’, vol 49, no 6, pp 39-45, 2011 [4] B Ng and V Hoàng, ‘Effect of feed rate , toolpath and step over on geometric accuracy of freeform suface when axis CNC milling’, vol 9, no May, pp 576-584, 2018 [5] N Duc-Toan, Y Seung-Han, J Dong-Won, B Tien-Long, and K Young-Suk, ‘A study on material modeling to predict spring-back in V-bending of AZ31 magnesium alloy sheet at various temperatures’, International Journal of Advanced Manufacturing Technology, vol 62, no 5-8, pp 551-562, 2012 [6] G Taguchi, On-line quality control during production, 1981 (Japan Standard Association, Tokyo) [7] G Jis and G Jis, ‘JIS G3101 SS400 steel plate sheet for g eneral purpose structural steels’, pp 86011881 [8] M M.-T T P 1-2 TCVN 197: 2002, ‘TCVN 197’ [9] E Voce, ‘The relationship between stress and strain for homogeneous deformation’, J Inst Met, 1948 Ngày nhận bài: 21/8/2019 Ngày nhận sửa: 24/9/2019 Ngày duyệt đăng: 29/10/2019 Tạp chí Khoa học Công nghệ Hàng hải Số 60 - 11/2019 45 ... phần tử h u hạn u n chi tiết chữ U dạng 2D (a), dạng 3D (b), chi tiết sau mô (c) Để dự đoán ảnh hưởng nhiệt độ, bán kính chày u n lực chặn phơi đến lực tạo hình u n SS400, li u thu từ kết thí nghiệm... đánh giá ảnh hưởng tham số đ u vào đến lực tạo hình u n chữ U phương pháp phần tử h u hạn Kết mơ phân tích số li u đi u kiện gia công: nhiệt độ nung phơi 6000C, bán kính chày 18mm lực chặn phôi 12.000N... kết sau: Ảnh hưởng nhiệt độ tới lực u n chi m 97,33%, ảnh hưởng bán kính chày 0,53%, ảnh hưởng lực chặn phôi 1,98% 0,16% nhi u Kết cho ta hai nhận xét quan trọng sau: (1) Khi xét y u tố ảnh hưởng