Trong bài báo này, ứng dụng mô hình cứng-dẻo nhớt của Jonhson-Cook và phần mềm mô phỏng Deform 3D để nghiên cứu về công nghệ cán vành cho vòng bi tang trống đã được đề xuất.
Study on the thermal-mechanical behavior of ring rolling process for barrel roller bearings by 3D-FE numerical simulation
Lê Thái Hùng
Trường Đại học Bách khoa Hà Nội
Đỗ Quang Long
Viện Tiêu chuẩn chất lượng Việt Nam
TÓM TẮT
Cán vành là quá trình biến dạng tạo hình tiên tiến được sử dụng để tạo vành liền chính xác. Cán vành có nhiều ưu điểm như chất lượng sản phẩm cao, đồng nhất, bề mặt nhẵn, tiết kiệm vật liệu và sử dụng nhiều trong các lĩnh vực công nghiệp như hàng không, vũ trụ và ôtô. Trong nghiên cứu này, mô hình ứng xử cơ nhiệt cứng-dẻo nhớt của Johnson-Cook cho cán vành nóng được sử dụng trên cơ sở phần mềm Deform 3D. Phân bố nhiệt và dòng chảy vật liệu của vành trong quá trình cán nóng được mô phỏng cho vòng bi tang trống và các tác động của thông số công nghệ cũng được phân tích. Kết quả cho thấy biến dạng không đồng nhất của phôi chịu tác động bởi tốc độ quay của trục chính, tốc độ dài của trục ép, hệ số ma sát và nhiệt độ ban đầu của phôi. Kết quả nhận được có thể cung cấp một định hướng cho tối ưu các thông số tạo hình vòng bi.
ABSTRACT
Ring rolling is an advanced plastic forming process which is used to produce precise seamless rings. Ring rolling has many advantages such as high productivity, uniform quantity, smooth surface, material saving, and it has been used in many industry fields, including aeronautics, astronautics and automobile etc. In this study, a 3D rigid-plastic and coupled thermo-mechanical FE model of Johnson-Cook for hot ring rolling was used based on DEFORM 3D software. Then material flow and temperature distribution of the ring in hot ring rolling were simulat- ed for barrel roller bearings and the effects of process parameters on them were too analysed. The results show that the deformation non-uniformity of ring blank was effected by the rotational speed of main roll, the feed rate of mandrel, the friction factor and the initial temperature of ring blank. The results obtained can provide a guide for forming parameters optimization for bearings.
Đặt vấn đề
Cán vành là phương pháp tạo hình các chi tiết dạng vành trụ bằng cách làm giảm chiều dày và tăng đường kính từ phôi hình trụ rỗng. Trên cơ sở tiết diện phôi bị nén theo hướng kính tạo ứng suất kéo theo phương tiếp tuyến để làm tăng đường kính sản phẩm.
Hình 1. Nguyên lý cán vành
Trên hình 1 mô tả nguyên lý và các thành phần chính của cán vành. Phôi bị biến dạng và quay được nhờ ma sát dưới tác động của hai trục cán quay là trục ép tạo hình và trục quay chính, ngoài ra còn hai trục dẫn đỡ để giới hạn chiều cao và đỡ cho phôi cán ổn định. Tiết diện sản phẩm nhận được nhờ hình dạng của trục cán. Phương pháp cán vành làm tăng cơ tính của chi tiết nhờ tổ chức thớ của kim loại theo phương tiếp tuyến của vành tròn.
Ngoài ra, các chi tiết nhận được từ phương pháp này có thể đạt được kích thước và khối lượng lớn, khả năng tự động hóa cao, thiết bị không quá phức tạp, tiết kiệm vật liệu, thời gian chế tạo ngắn nên năng suất rất cao.
Hạn chế của phương pháp này chính là giới hạn chiều dài của sản phẩm. Do đó cán vành rất phù hợp để chế tạo các chi tiết như các loại vòng bi, các chi tiết ghép ống dẫn, bạc đỡ, bánh răng cỡ lớn… ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp chế tạo máy, công nghiệp ôtô, hàng không…
Trước kia do nhu cầu thực tế còn thấp, mặt khác do điều kiện hạn chế về thiết bị nên việc đi sâu vào lĩnh vực này chưa được chú trọng đầu tư đúng mức. Hơn nữa, việc nghiên cứu ứng xử cơ-nhiệt, tối ưu công nghệ này chưa được đầy đủ [1]. Đối với chi tiết vòng bi làm việc trong điều kiện khắc nghiệt vừa phải đảm bảo khả năng chịu mài mòn, độ dẻo dai cao, đôi khi còn chịu cả nhiệt độ cao nên để đưa ra được các thông số công nghệ tối ưu là rất cần thiết.
Trong bài báo này, ứng dụng mô hình cứng-dẻo nhớt của Jonhson-Cook và phần mềm mô phỏng Deform 3D để nghiên cứu về công nghệ cán vành cho vòng bi tang trống đã được đề xuất. Bài báo sẽ làm rõ ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến tạo hình chi tiết vòng bi.
2. Xây dựng mô hình cán vòng bi
2.1. Vật liệu
Vật liệu phôi nghiên cứu là thép hợp kim AISI 4340 tương ứng với hàm lượng (%) các nguyên tố: C 0,38-0,43, Mn 0,6-0,8, Mo 0,2-0,3, Ni 1,65-2, P 0,035 (max), S 0,04 (max).
Hình 2. Ứng xử của vật liệu AISI4340 với các tốc độ biến dạng khác nhau.
Trên hình 2 là quan hệ giữa ứng suất và biến dạng của vật liệu AISI4340 nhận được với các tốc độ biến dạng khác nhau.
2.2. Mô hình hình học
Các kích thước chính của vòng bi được chọn như trên hình 3. Vòng bi được cấu tạo bởi vòng trong, vòng ngoài và các viên bi. Trong khuôn khổ bài báo này chỉ giới thiệu mô phỏng tạo hình vòng trong của vòng bi.
Hình 3. Kích thước vòng bi
Trên cơ sở các kích thước của vòng bi, các kích thước hình học phôi (a) và trục cán (b) được thiết kế cho vành trong như trên hình 4. Quá trình cán được mô tả như trên hình 5.
Hình 4. Kích thước phôi (a) và trục cán (b)
Hình 5. Sơ đồ cán vành vòng bi
