Ứng dụng FEM mô phỏng số quá trình dập vuốt ngược thuỷ cơ

Trong những năm gần dây, phương pháp dập thuỷ cơ được ứng dụng rộng rãi trong việc tạo hình các chi tiết vỏ mỏng có hình dạng phức tạp trong các ngành công nghiệp hàng không và ô tô bởi nó có nhiều ưu điểm so với các phương pháp dập vuốt thông thường. Tuy nhiên, ở Việt nam cho đến nay việc thiết kế công nghệ dập thuỷ cơ vẫn chủ yếu dựa vào kinh nghiệm. Với việc ứng dụng phương pháp tính phần tử hữu hạn (FEM) cho phép quá trình thiết kế công nghệ nhanh, chính xác và hiệu quả hơn. Bài báo dưới đây sẽ trình bày việc thiết lập mô hình bài toán dập thuỷ cơ trên cơ sở ứng dụng phương pháp FEM và mô phỏng số với phần mềm Ansys nhằm tối ưu hoá quá trình dập thuỷ cơ.

Giới thiệu

Phương pháp dập thuỷ cơ có xu hướng  thay thế dần các phương pháp tạo hìnhthông thường (chày cứng ư cối cứng) trong việc chế tạo các chi tiết vỏ mỏng có hình dạng phức tạp nhờ ưu điểm trong quá trình tạo hình xuất hiện chất lỏng có áp suất cao, tác dụng vào bề mặt phôi (hình 1) làm cho biến dạng vật liệu đồng đều, giảm hiện tượng biến mỏng cục bộ, tăng khả năng biến dạng của vật liệu, đặc biệt do hình thành màng dầu bôi trơn thuỷ động giữa phôi và dụng cụ gia công (cối), và nâng cao độ chính xác cũng như chất lượng bề mặt của sản phẩm. Dập thuỷ cơ cũng được ứng dụng để dập vuốt ngược phôi có dạng cốc vì trong trong quá trình này phôi không bị mất ổn định trên phần thành trụ của phôi do phôi luôn có xu hướng bám vào bề mặt ngoài của cối, như vậy không cần chặn phôi.

Nếu quá trình dập vuốt ngược được thực hiện đến khi phôi trên thành trụ không còn nữa mới xảy ra mất ổn định trên vành phôi và lúc đó cần có chặn phôi. Chiều sâu tương đối dập vuốt ngược phụ thuộc rất nhiều vào kích thước hình học của cối. Nếu góc lượn của cối quá nhỏ sẽ ảnh hưởng đến sự chảy của vật liệu, đồng thời làm cho hướng chảy của vật liệu bị thay đổi đột ngột gây ra tập trung ứng suất rất lớn và dẫn tới hiện tượng rách chi tiết.

Trong quá trình dập vuốt ngược thuỷ cơ xuất hiện quá trình bôi trơn thuỷ động do chất lỏng (dầu) trong lòng cối bị nén khi chày đi xuống sẽ trào qua khe hở giữa bề mặt phôi và cối, làm cho ma sát trong quá trình này rất nhỏ. Do tồn tại nhiều yếu tố ảnh hưởng đến quá trình biến dạng của vật liệu nên việc tính toán công nghệ dập vuốt ngược thuỷ cơ đến nay vẫn chưa được nghiên cứu một cách tổng quát tại ViệtNam. Khó khăn trong tính toán chính là xuất hiện các điều kiện tải trọng do chất lỏng gây ra và bài toán tiếp xúc giữa phôi và chày, cối.

Một trong những phương pháp nghiên cứu nhằm tối ưu hóa công nghệ là “công nghệ ảo” dựa vào mô phỏng số (hình 2). Phương pháp “công nghệ ảo” được ứng dụng rộng rãi trong nghiên cứu nhờ những ưu điểm nổi bật như giảm chi phí thử nghiệm, nâng cao chất lượng sản phẩm và cho phép phát triển, áp dụng các vật liệu mới. Quan trọng nhất trong khâu mô phỏng số là phải xây dựng được mô hình và ứng dụng phương pháp tính phần tử hữu hạn (FEM) trong tính toán mô phỏng.