BỘ CÔNG THƯƠNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

NGUYỄN PHÁT TÀI

XÂY DỰNG PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH VÀ
MƠ PHỎNG Q TRÌNH DẬP NĨNG DỤNG
CỤ CẮT MĨNG VÀ DA DỰA TRÊN HỆ
THỐNG CAD/CAE
Chuyên ngành: KỸ THUẬT CƠ KHÍ
Mã chuyên ngành: 60520103

LUẬN VĂN THẠC SĨ

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH, NĂM 2018


Cơng trình được hồn thành tại trường đại học cơng nghiệp Tp. Hồ Chí Minh.
Người hướng dẫn khoa học: TS. Đặng Hoàng Minh
Người ph n biện 1: ...................................................................................................
Người ph n biện 2: ...................................................................................................
Luận văn thạc sĩ được b o vệ tại H i đồng ch m b o vệ Luận văn thạc sĩ Trường
Đại học Công nghiệp thành phố Hồ Chí Minh ngày . . . . . tháng . . . . năm . . . . .
Thành phần H i đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:
1. TS. Châu Minh Quang

Chủ tịch H i đồng

2. TS. Nguyễn Hữu Thọ

Ph n biện 1

3. TS. Lê Tu n Phương Nam

Ph n biện 2

4. TS. Đào Thanh Phong

Ủy viên

5. TS. Ao Hùng Linh

Thư ký

CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

TRƯỞNG KHOA CN CƠ KHÍ


BỘ CƠNG THƯƠNG

CỘNG HỊA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP

Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ tên học viên:


Nguyễn Phát Tài

Ngày, tháng, năm sinh: 15/12/1987
Chuyên ngành:

MSHV: 16002651
Nơi sinh: Tiền Giang

Kỹ thuật Cơ khí

Mã chuyên ngành: 60520103

I. TÊN ĐỀ TÀI:
Xây dựng phương pháp phân tích và mơ phỏng q trình dập nóng dụng cụ cắt
móng và da dựa trên hệ thống CAD/CAE
NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:
Nghiên cứu xây dựng quy trình thiết kế, mơ phỏng và phân tích dụng cụ cắt
móng và da. Xây dựng những quy trình thành phần và tổng thể. Từ những quy
trình có được thiết kế mơ hình thực nghiệm số để tìm ra những chế đ dập hợp lý
nh t, dựa trên chương trình đánh giá phân tích kết qu .
II. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: Theo QĐ số 04/QĐ-ĐHCN ngày 03/01/2018.
III. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 03/07/2018
IV. NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. Đặng Hồng Minh.
Tp. Hồ Chí Minh, ngày … tháng … năm 20 …
NGƯỜI HƯỚNG DẪN

CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO

TS. Đặng Hồng Minh


TRƯỞNG KHOA CN CƠ KHÍ


LỜI CẢM ƠN
Luận văn này đã được hoàn thành tại Trường đại học Công Nghiệp Tp. HCM và
được sự hỗ trợ cơng ty Kềm Sài Gịn. Để hồn thành bài luận văn này, em xin được
bày tỏ lòng biết ơn chân thành và sâu sắc nh t tới đến công ty Kềm Sài Gòn đã
giúp đỡ và tạo điều kiện để em thực hiện luận văn này. Nhờ những hướng dẫn quý
giá và chia sẽ kinh nghiệm trong suốt quá trình nghiên cứu, thực nghiệm và hồn
thành đề tài được giao m t cách tốt nh t.
Em xin chân thành c m ơn Thầy hướng dẫn khoa học, TS. Đặng Hồng Minh đã
đóng góp ý kiến q báu và hướng dẫn nhiệt tình trong suốt thời gian thực hiện
luận văn này. Những ý kiến những đánh giá là m t bài học quý giá và sâu sắc cho
b n thân và là hành trang cho tương lai. Qua đó em cũng c m ơn Ban giám hiệu
trường tạo điều kiện cho em thực hiện luận văn này.
Em xin gửi lời c m ơn chân thành đến các Thầy/Cô giáo – Các nhà khoa học đã
trực tiếp gi ng dạy truyền đạt những kiến thức khoa học chuyên ngành bổ ích cho
b n thân em trong suốt thời gian qua.
Mặc dù đã cố gắng nổ lực hết mình để làm luận văn này trong thời gian qua nhưng
cũng không tránh khỏi những thiếu sót em r t mong nhận được sự đóng góp và
nhận xét của q Thầy Cơ và t t c bạn đọc.

i


TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ
Luận văn thạc sĩ với đề tài “Xây dựng phương pháp phân tích và mơ phỏng q
trình dập nóng dụng cụ cắt móng và da dựa trên hệ thống CAD/CAE” được thực
hiện nhằm xây dựng các quy trình thành phần và tổng thể của các khâu, như thiết

kế, mơ phỏng, phân tích q trình dập nóng dụng cụ cắt móng và da. Dựa trên việc
ứng dụng các phần mềm CAD/CAE và phương pháp phần tử hữu hạn, điển hình
là các phần mềm DEFORM-3D, ABAQUS, Geomagic Design X và ANSYS, tác
gi đã xây dựng m t quy trình “thiết kế-mơ phỏng-phân tích” khép kín. Từ đó dự
đốn được q trình dập, xác định lực dập cùng các yếu tố nh hưởng, tính ứng
su t dư, phân tích và xử lý nhiệt, v.v… M t số lượng lớn (60) thực nghiệm số đã
được tiến hành với các yếu tố đầu vào khác nhau như kích thước phơi, nhiệt đ ,
vận tốc của máy dập. Các kết qu mô phỏng thu được cho phép xác định khuyết
tật của s n phẩm, giúp gi m thiểu các sai sót trong q trình thiết kế, chuẩn bị phơi,
lựa chọn trang thiết bị và chế đ dập hợp lý. Cơng trình có ý nghĩa thực tiễn cao
trong lĩnh vực định hình kim loại và các ngành công nghiệp liên quan ở nước ta.

ii


ABSTRACT
The master thesis on "Developing analytical methods and simulating the hot
forging of nail and skin cutting tools based on CAD/CAE system" was conducted
to develop component and overall processes of stages such as design, simulation,
analysis of hot forging tools nail and skin. Based on the application of CAD/CAE
and finite element methods, typically DEFORM-3D, ABAQUS, Geomagic Design
X and ANSYS, the author has developed a closed-loop “design-simulationanalysis". which helps properly to forecast forming process, determine the force
with influence factors, residual stresses, heat analysis and processing, ect. A large
number of numerical experiments (60) were conducted with various input factors
such as workpiece size, temperature, the speed of the forging machine. Simulated
results allow the defect identification process for the products, minimizing errors
in the design process, preparing the workpiece, selection of equipment and the
effective forging parameters. Therefore, the outcome of this study has a high
practical significance in the area of metal forming and related industries in
Vietnam.


iii


LỜI CAM ĐOAN
Tôi tên là Nguyễn Phát Tài, học viên lớp Cao học cơ khí 6A – trường Đại học
Cơng Nghiệp Tp. Hồ Chí Minh. Sau q trình học tập nghiên cứu, được sự giúp
đỡ của các Thầy Cô giáo và đặc biệt là sự hướng dẫn tận tình của TS. Đặng Hồng
Minh đã giúp tơi hồn thành luận văn thạc sĩ đúng theo dự kiến chương trình.
Tơi xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của cá nhân tơi dưới sự hướng dẫn
của TS. Đặng Hồng Minh và chỉ tham kh o các tài liệu đã được nêu trong luận
văn. Các kết qu , số liệu trong luận văn hồn tồn là trung thực, khơng sao chép
cơng trình của các cá nhân khác dưới b t cứ hình thức nào.
Học viên thực hiện

Nguyễn Phát Tài

iv


MỤC LỤC
MỤC LỤC.............................................................................................................. v
DANH MỤC HÌNH ẢNH ................................................................................... vii
DANH MỤC BẢNG BIỂU .................................................................................. ix
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT................................................................................. x
MỞ ĐẦU................................................................................................................ 1
1. Đặt v n đề........................................................................................................... 1
2. Mục tiêu nghiên cứu........................................................................................... 4
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu...................................................................... 4
4. Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu ........................................................ 5

5. Ý nghĩa thực tiễn của đề tài................................................................................ 5
CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ DẬP NÓNG....................................................... 6
1.1 Lịch sử phát triển của dập nóng và mơ phỏng số............................................. 6
1.2 Cơ sở lý thuyết về mơ hình tốn phần tử hữu hạn ......................................... 10
1.2.1 Nền t ng cơ khí: .......................................................................................... 10
1.2.2 Phương pháp số ........................................................................................... 12
1.2.3 M t số phương trình cơ nhiệt...................................................................... 15
1.3 Dụng cụ kềm cắt móng/da tại Việt Nam hiện nay ......................................... 19
1.4 Ứng dụng các s n phẩm liên quan của dập nóng ........................................... 20
1.4.1 Cơng nghiệp ơtơ .......................................................................................... 20
1.4.2 Những dụng cụ cầm tay .............................................................................. 21
1.4.3 Thiết bị đường sắt ....................................................................................... 22
1.4.4 Ngành hàng không ...................................................................................... 22
CHƯƠNG 2 XÂY DỰNG QUY TRÌNH THIẾT KẾ, MƠ PHỎNG, PHÂN TÍCH
CHẾ TẠO KHN DẬP NĨNG DỰA VÀO HỆ THỐNG CAD/CAE........ 23
2.1 Sơ lược về quy trình thiết kế khn dập nóng hiện nay tại cơng ty Kềm Sài
Gịn. Đề xu t phướng pháp thiết kế mô phỏng dựa vào hệ thống CAD/CAE . 23
2.2 Quy trình ứng dụng các hệ thống CAD ......................................................... 30
2.2.1 Thiết kế mẫu kềm........................................................................................ 30
2.2.2 Thiết kế khuôn............................................................................................. 31
2.2.3 Quy trình chỉnh sửa mơ hình sau mơ phỏng ép ngu i ................................ 35
2.3 Mơ phỏng Q trình dập. ............................................................................... 37
2.3.1 Quy trình dập định hình .............................................................................. 38
2.3.2 Quy trình dập cắt bavia: từ dập chuyển qua bước chặt bavia để thu được chi
tiết gần với nguyên mẫu thiết kế ...................................................................... 41
2.3.3 Quy trình dập ép ngu i................................................................................ 45
2.4 Quy trình phân tích phần tử hữu hạn CAE .................................................... 48

v



2.4.1 Phân tích CAE cho mẫu kềm với 2 gọng .................................................... 49
2.4.2 Phân tích CAE cho m t gọng kềm.............................................................. 53
2.5 Kết luận .......................................................................................................... 58
CHƯƠNG 3 XÂY DỰNG QUY TRÌNH KHÉP KÍN: THIẾT KẾ- MƠ PHỎNGPHÂN TÍCH- ĐÁNH GIÁ LỰA CHỌN KẾT QUẢ CHO DỤNG CỤ CẮT
MÓNG VÀ DA. ............................................................................................ 59
3.1 Quy trình tổng thể .......................................................................................... 59
3.2 Thực nghiệm số .............................................................................................. 61
3.2.1 Mơ hình thực nghiệm số ............................................................................. 61
3.2.2 Phương pháp thực nghiệm số ...................................................................... 64
3.2.3 Quy trình lựa chọn kết qu .......................................................................... 65
3.3 Kết luận .......................................................................................................... 74
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ.............................................................................. 76
1. Kết luận ............................................................................................................ 76
2. Kiến nghị .......................................................................................................... 76
DANH MỤC CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ CỦA HỌC VIÊN ....................... 77
TÀI LIỆU THAM KHẢO.................................................................................... 78
LÝ LỊCH TRÍCH NGANG CỦA HỌC VIÊN .................................................... 80

vi


DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 1.1 Chương trình thiết kế và lắp ráp với chương trình CREO ...................... 9
Hình 1.2 Phân tích phần tử hữu hạn với NX ....................................................... 10
Hình 1.3 Kềm cắt da............................................................................................. 20
Hình 1.4 Những chi tiết điển hình từ dập nóng.................................................... 21
Hình 1.5 Dụng cụ cầm tay.................................................................................... 21
Hình 1.6 Đ ng cơ trực thăng................................................................................ 22
Hình 2.1 Quy trình tổng quát thiết kế gia công khuôn tại công ty Kềm Sài Gịn 24

Hình 2.2 Quy trình ứng dụng hệ thống CAD/CAE vào thiết kế và s n xu t....... 26
Hình 2.3 Quy trình thành phần phần riêng lẻ....................................................... 27
Hình 2.4 Tổng quát các quy trình......................................................................... 29
Hình 2.5 Quy trình thiết kế mẫu 3D kềm............................................................. 30
Hình 2.6 Mặt phân khn của khn dưới........................................................... 32
Hình 2.7 Mặt phân khn hồn chỉnh của khn dưới........................................ 32
Hình 2.8 Mặt phân khn khn trên .................................................................. 33
Hình 2.9 Mặt phân khn trên và dưới hồn chỉnh ............................................. 34
Hình 2.10 Quy trình tách khn tổng qt........................................................... 35
Hình 2.11 Chia lại lưới điểm cho phần tử ............................................................ 36
Hình 2.12 Trước và sau sắp xếp lưới phần tử ...................................................... 36
Hình 2.13 Quy trình chỉnh sửa mơ hình CAD 3D của chi tiết sau mô phỏng dập
để phù hợp cho việc tự đ ng phân tích CAE ........................................ 37
Hình 2.14 Quy trình thiết lập q trình mơ phỏng dập ứng dụng phần mềm
Deform 3D. ........................................................................................... 38
Hình 2.15 Trình tự các bước của q trình mơ phỏng dập kềm .......................... 40
Hình 2.16 Phơi nhỏ khơng điền đủ vào lịng khn............................................. 41
Hình 2.17 Phơi thu được sau q trình mơ phỏng dập định hình ........................ 41
Hình 2.18 Các bước thiết lập thơng số mơ phỏng chặt rìa................................... 42
Hình 2.19 Dính bavia xung quanh mép rìa .......................................................... 43
Hình 2.20 Sơ đồ quy trình thiết kế và mơ phỏng chặt rìa .................................... 44
Hình 2.21 Các bước thiết lập thông số mô phỏng ép ngu i................................. 46
vii


Hình 2.22 Sơ đồ quy trình thiết lập thơng số ép ngu i ........................................ 47
Hình 3.1 Quy trình tổng thể ................................................................................. 60
Hình 3.2 Mơ hình thực nghiệm số ....................................................................... 61
Hình 3.3 Dữ liệu kết qu mô phỏng. (a) – hư hỏng; (b) – ứng su t hữu ích (Stress
– Effective MPa); (c) – Biến dạng hữu ích (Strain – Effective mm/mm);

(d) – Ứng su t lớn nh t (Stress – Max Principal MPa); (e) –Vận tốc dập
(mm/s); (f) – Nhiệt đ (ºC) ................................................................... 66
Hình 3.4 Đồ thị thể hiện mối quan hệ giữa 4 đại lượng phân tích: Đường kính
phơi (D), vận tốc dập (mm/s), nhiệt đ phôi (T) và lực dập (F) ........... 67
Hình 3.5 a Đồ thị thể hiện mối quan hệ giữa 4 đại lượng phân tích: Đường kính
phơi (D), vận tốc dập (mm/s), nhiệt đ phơi (T) và ứng su t dư lớn nh t
(S) – Xét các mặt phẳng S-D ................................................................ 68
Hình 3.5 b Đồ thị thể hiện mối quan hệ giữa 4 đại lượng phân tích: Đường kính
phơi (D), vận tốc dập (mm/s), nhiệt đ phôi (T) và ứng su t dư lớn nh t
(S) – Xét các mặt phẳng S-v ................................................................. 69
Hình 3.6 a Dữ liệu kết qu mô phỏng. (a) – hư hỏng; (b)– Ứng su t lớn nh t
(Stress – Max Principal MPa). .............................................................. 71
Hình 3.6 b Dữ liệu kết qu mô phỏng ép ngu i. (a) – hư hỏng; (b) – ứng su t hữu
ích (Stress – Effective MPa); (c) – Biến dạng hữu ích (Strain –
Effective mm/mm); (d) – Ứng su t lớn nh t (Stress – Max Principal
MPa); (e) –Vận tốc dập (mm/s); (f) – Nhiệt đ (ºC) ............................ 72

viii


DANH MỤC BẢNG BIỂU
B ng 3.1 Thông số dẫn nhiệt vật liệu C45 ........................................................... 62
B ng 3.2 Giá trị được xét của các thơng số dập trong mơ hình........................... 63
B ng 3.3 B ng kết qu 8 mẫu từ quá trình dập .................................................... 73
B ng 3.4 B ng số liệu so sánh giữa mẫu thiết kế và mẫu mô phỏng phân tích... 74

ix


DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

CAD: Computer-aided design
CAE: Computer-aided engineering
FEA: Finite Element Analysis
FEM: Finite element method

x


MỞ ĐẦU
1.

Đặt vấn đề

Hiện nay, trong bối c nh h i nhập và cách mạng công nghiệp 4.0, việc áp dụng
khoa học cơng nghệ vào ngành cơng nghiệp cơ khí và việc làm c p thiết. Điển hình
là xây dựng những quy trình s n xu t tự đ ng. Để đạt được điều đó cần ph i đ m
b o tính ổn định và hợp lý của các dây chuyền s n xu t. Ở nước ta hiện nay ngành
cơng nghiệp Cơ khí cịn thơ sơ, chưa áp dụng những thành tựu của khoa học kỹ
thuật vào s n xu t. Những nhà máy Cơ khí s n xu t theo quy trình cũ, lạc hậu vẫn
tồn tại. Để thay đổi và phát triển ngành kỹ thuật Cơ khí thì việc ứng dụng khoa học
máy tính là m t điều r t quan trọng. Cùng với sự phát triển của ngành khoa học
máy tính thì những ứng dụng của CAD/CAE vào trong ngành Cơ khí cũng phát
triển mạnh mẽ. Điển hình là những chương trình thiết kế, mơ phỏng, phân tích của
các hãng hàng đầu thế giới như CREO, SIEMENS NX, ANSYS, DEFORM 3D,
ABAQUS, v.v.. Nhờ đó, những cơng việc trên được thực hiện dễ dàng hơn. Tuy
nhiên hiện nay các nhà máy s n xu t Cơ khí của nước ta còn chậm trễ trong việc
áp dụng và xây dựng những quy trình mới để ứng dụng hệ thống CAD/CAE vào
trong s n xu t, dẫn đến kh năng cạnh tranh của các s n phẩm còn nhiều hạn chế
so với các nước có ngành cơng nghiệp lâu đời.
Gia công kim loại bằng áp lực là m t phương pháp gia cơng cơ b n vì có thể tạo

ra các s n phẩm có hình dạng và kích thước phức tạp, năng su t cao và giá thành
hợp lý. Do đó, gia cơng áp lực (GCAL) có m t vị trí r t lớn trong đời sống và kỹ
thuật, ví dụ như các ngành ơtơ, xe máy, cơ khí chế tạo và cơng nghiệp quốc phịng,
v.v... Trong số các s n phẩm dân dụng được tạo ra bằng GCAL ph i kể đến nhóm
dụng cụ chăm sóc cơ thể, như kềm cắt móng và da, vốn có nhu cầu khá lớn từ phía
người tiêu dùng, nh t là ở giai đoạn nền kinh tế thị trường phát triển và h i nhập
văn hóa thẩm mỹ tồn cầu hiện nay. Các s n phẩm này khi được tạo ra từ GCAL,
cụ thể là phương pháp dập (rèn) nóng, thường có cơ tính và đ tin cậy cao [1] .

1


Cơng nghệ dập khối-nóng vốn được ra đời và khơng ngừng nghiên cứu ở các nước
phát triển [2] . Dập (rèn) nóng là m t q trình gia cơng kim loại, trong đó các phơi
kim loại bị biến dạng trên nhiệt đ tái kết tinh, cho phép vật liệu giữ được hình
dạng bị biến dạng khi ngu i. Rèn nóng được thực hiện bằng cách sử dụng búa thủy
lực hoặc khí nén, máy ép, và các máy móc tương tự khác được sử dụng để nén kim
loại nóng vào hình dạng mong muốn của nó. Điều này thường đạt được bằng cách
sử dụng m t khuôn tùy chỉnh. Khuôn được sử dụng trong rèn nóng được tùy chỉnh
sao cho phù hợp với thiết kế của s n phẩm. Bởi vì kim loại nóng có tính dẻo hơn
nên phương pháp này cho phép định hình các chi tiết phức tạp hơn rèn ngu i. Sau
khi q trình dập khối nóng kết thúc, các b phận được làm mát nhanh chóng để
cố định kim loại trong hình dạng mới của nó [3] , đồng thời tiến hành gia công loại
bỏ các vật liệu thừa (ba via) và c i thiện ch t lượng bề mặt chi tiết.
Tại Việt Nam công nghệ dập nóng vẫn cịn khá hạn chế, tuy nhiên với tay nghề
thủ công khéo léo và tỉ mỉ của người thợ, chúng ta vẫn tạo ra được các s n phẩm
có tính mỹ thuật cao, thậm chí cạnh tranh với s n phẩm của các nước có bề dày về
cơ khí như Đức, Nhật. Nhưng để s n xu t hàng loạt theo quy mô công nghiệp, với
yêu cầu cao về đ bền cơ tính cũng như các chỉ tiêu kỹ thuật khác, thì hiện nay
chúng ta vẫn chưa thể cạnh tranh được với các thương hiệu nổi tiếng trên thế giới.

Việc nhập khẩu những s n phẩm của công nghê này từ nước ngồi thường dẫn tới
những khó khăn như giá thành cao, sự lệ thu c và tình thế bị “chiếm lĩnh” đối với
thị trường trong nước của chúng ta. Theo kh o sát tổng quan của tác gi , số lượng
hạn chế các cơng trình trong nước về dập nóng thể hiện rằng lĩnh vực này đã chưa
được nghiên cứu m t cách thỏa đáng, mà điển hình như là cơng nghệ mơ phỏng số
q trình dập khối-nóng trước khi tiến hành gia công thật [2] .
Trên thực tế thì mơ phỏng số có thể mang lại lợi ích vì tiết kiệm chi phí và thời
gian đáng kể bằng cách cung c p cái nhìn tổng thể cũng như chi tiết về quá trình
dập, trước khi lựa chọn công cụ và quyết định s n xu t ở nhà máy [4] . Chính vì
vậy, việc ứng dụng các phần mềm mô phỏng hiện nay dần trở thành m t xu thế t t
yếu. Tuy nhiên vẫn còn tồn đọng r t nhiều khó khăn khi muốn khai thác và sử dụng

2


chúng. Ví dụ như để xây dựng mơ hình cho dập khối chuyên sâu trong ANSYS và
ABAQUS (các phần mềm thơng dụng hiện nay) là khá khó khăn và tốn nhiều thời
gian. Trong cơng trình [5] tác gi có nghiên cứu mơ phỏng q trình dập t m bằng
PAMP-STAMP. Tuy nhiên phần mềm này lại chỉ thích ứng với việc dập t m chứ
khơng ph i dập khối nóng. Các phần mềm như Transvalor Forge, Qform,
EnginSoft chưa phổ biến ở Việt Nam. Phần mềm DEFORM-3D [6] với giá thành
không quá cao đã bước đầu được sử dụng ở các công ty trong nước. Nhưng việc
xây dựng m t quy trình mơ phỏng cho các dụng cụ có hình dáng phức tạp và đa
dạng hiện vẫn đang cịn nhiều khó khăn. Bởi lẽ nó ph i xu t phát từ nhiều công
đoạn như thiết kế khuôn, phôi trong các phần mềm CAD khác, sau đó dẫn nhập dữ
liệu để tiến hành mơ phỏng. Đồng thời việc phân tích dữ liệu sau mô phỏng (CAE)
là m t yêu cầu chuyên sâu về mặt khoa học, b n ch t vật lý mà đa số các kỹ sư ở
các công ty Việt Nam hiện nay vẫn còn nhiều hạn chế. Thực tế cho th y, chỉ khi
phân tích dữ liệu mơ phỏng m t cách thỏa đáng, thì việc mơ phỏng mới thể hiện
đủ ý nghĩa dự tốn cho q trình s n xu t và gia công thật.

Trên thế giới hiện nay đã có m t số nghiên cứu đi sâu vào lĩnh vực ứng dụng hệ
thống CAD/CAE để thiết kế, mô phỏng, phân tích m t số chi tiết dập nóng. Ví dụ
như ở tài liệu [7] đã nghiên cứu v n đề này để gia cơng vít, bài báo [8] thì hướng
tới việc gia cơng vỏ điện thoại bằng hợp kim magiê. Những cơng trình mà ứng
dụng mơ phỏng để nghiên cứu chuyên sâu hơn về dập nóng, có thể kể đến như ở
tài liệu [9] tác gi đã mô phỏng q trình dập bánh răng cơn. Đáng chú ý là kết qu
mơ phỏng có thể dự đốn kho ng cách cần thiết giữa 2 bề mặt khuôn và xác định
sự thay đổi lực dập hợp lý trong suốt hành trình dập. Tuy nhiên, các cơng trình này
chưa đưa ra m t quy trình rõ ràng và tổng quát để có thể áp dụng cho nhiều s n
phẩm đa dạng khác nhau. Chính vì vậy mà việc áp dụng chúng để chế tạo gia cơng
dập nóng các s n phẩm kềm cắt móng và da cịn gặp nhiều khó khăn. Đa số các
công ty hiện nay ở Việt Nam như Kềm Sài Gịn AAA vẫn cịn thiếu hụt các quy
trình công nghệ ứng dụng CAD/CAE để mô phỏng và xác định thông số gia công
dập phù hợp, dẫn tới ph i m t khá nhiều chi phí cho những hoạt đ ng thử nghiệm

3


trên các thiết bị thật. Trong khi đó thì chỉ cần khi các yêu cầu của khách hàng về
s n phẩm có sự thay đổi, cũng sẽ dẫn tới việc ph i tiến hành lại các thử nghiệm để
xác định thơng số gia cơng mới sao cho thích hợp. Đó là tình trạng nan gi i chung
ở nước ta hiện nay.
Từ những luận điểm nêu trên, đề tài “Xây dựng phương pháp phân tích và mơ
phỏng q trình dập nóng dụng cụ cắt móng và da dựa trên hệ thống CAD/CAE”
được thực hiện nhằm đóng góp m t quy trình “thiết kế-mơ phỏng-phân tích” khép
kín dựa trên việc ứng dụng các phần mềm CAD/CAE, điển hình là các phần mềm
DEFORM-3D, KOMPAS 3D, Geomagic Design X và ANSYS, từ đó cho phép dự
đốn được q trình dập nóng, xác định lực dập cùng các yếu tố nh hưởng, tính
được ứng su t dư, phân tích và xử lý nhiệt, v.v… Quy trình này có thể giúp các
cơng ty s n xu t dụng cụ cắt gọt móng/da của Việt Nam tiết kiệm chi phí thử

nghiệm và gia cơng, đồng thời tạo ra được các s n phẩm có ch t lượng tốt, đáp
ứng các yêu cầu kỹ thuật công nghệ cao và có thể cạnh tranh được với các s n
phẩm nước ngoài.
2.

Mục tiêu nghiên cứu

-

Nghiên cứu tổng quan về quá trình dập khối.

-

Xây dựng quy trình thiết kế, mơ phỏng, phân tích, gia cơng dụng cụ kềm cắt
móng/da dựa trên hệ thống CAD/CAE

-

Đề xu t lực dập và nhiệt đ phôi hợp lý dựa trên kết qu mô phỏng

-

Xây dựng mơ hình thực nghiệm số và quy trình lựa chọn kết qu

3.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

-


Quá trình dập khối kềm

-

Nghiên cứu mơ phỏng và phân tích q trình dập nóng

4


4.
-

Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu
Xây dựng quy trình CAD/CAE để thiết kế, phân tích, mơ phỏng q trình dập
nóng.

-

Xây dựng các quy trình thiết kế, mơ phỏng, phân tích.

-

Phương pháp thực nghiệm số tìm ra thơng số phù hợp cho q trình dập nóng

5.

Ý nghĩa thực tiễn của đề tài

Xây dựng những quy trình thành phần và tổng qt q trình thiết kế, mơ phỏng
và phân tích q trình dập nóng kềm để gi i quyết sự thiếu hụt những quy trình

này tại cơng ty.
Các phương pháp, quy trình phân tích và mơ phỏng đề xu t trong đề tài khi được
áp dụng sẽ giúp nhận biết sự nh hưởng của nhiều yếu tố như nhiệt đ phôi, bôi
trơn khuôn, lực máy, v.v.. lên ch t lượng và tuổi thọ khn. Từ đó có cơ sở để điều
chỉnh và vận hành q trình dập nóng phù hợp nhằm tăng ch t lượng và gi m giá
thành s n xu t cho các công ty chế tạo kềm cắt móng/da.
Sự nh hưởng của các yếu tố nhiệt đ phôi, bôi trơn khuôn, lực máy nh hưởng
đến ch t lượng s n phẩm và tuổi thọ khuôn do vậy áp dụng mơ phỏng phân tích
chỉ ra sự thay đổi của các yếu tố trên là điều r t quan trọng.

5


CHƯƠNG 1
1.1

TỔNG QUAN VỀ DẬP NÓNG

Lịch sử phát triển của dập nóng và mơ phỏng số

Ở nước ta, cơng nghệ dập tạo hình khối đã phát triển tr i dài những năm tháng lịch
sử. Có thể kể đến với những lị rèn thủ cơng ở các vùng q đến các làng nghề
truyền thống s n xu t dụng cụ nông nghiệp, đồ gia dụng. Cho đến ngày nay đã
hình thành các cơ sở s n xu t dạng công nghiệp với các quy mô lớn [1, 3] . Dẫu
vậy, công nghệ dập tạo hình khối ở nước ta vẫn cịn nhiều hạn chế về kh năng
cạnh tranh với các nước có ngành cơng nghiệp hàng đầu trên thế giới như Nhật,
Mỹ, Đức,v.v..
Hiện tại, trên thế giới, công nghệ dập tạo hình đã đạt được những thành tựu cao,
các phân xưởng dần dần được cơ khí hóa và tự đ ng hóa cùng với việc các tay máy
và rơbot được đưa vào s n xu t. Khi thiết kế qui trình công nghệ, họ chú trọng vào

v n đề tiết kiệm, tăng hệ số sử dụng của nguyên vật liệu đồng thời gi m phế liệu
và tăng ch t lượng s n phẩm [10] . Để gi m khối lượng chi tiết, người ta sử dụng
các loại vật liệu mới có cơ tính tốt. Để nâng cao ch t lượng nung và năng su t cao
các lò nung kim loại đã được nghiên cứu và c i tiến. Những loại máy móc chuyên
dùng được ứng dụng nhằm tăng năng su t, ch t lượng và ch t lượng s n phẩm.
Những loại máy dập có kích thước và cơng su t lớn cũng được chế tạo để gia công
những chi tiết có kích thước lớn [1, 3] . Ngồi ra, cịn có các thiết bị c p phơi tự
đ ng được điều khiển theo chương trình với kh năng tự đ ng hóa cao trong q
trình dập [1] .
Từ xưa, những người làm nghề thợ rèn đầu tiên cũng kiêm làm nhiệt luyện, đúc,
hàn và kim khí. Thời gian sau, xu t hiện q trình chun mơn hóa vì nhu cầu phát
triển của công nghiệp. Đầu tiên là các thợ kim khí bắt đầu từng bước tách s n xu t
nơng nghiệp để ra thành thị, phố xá và lập ra các xưởng quy mô nhỏ để thuận tiện
chế tạo nông cụ, đồ gia dụng, vũ khí, áo giáp… Ở kho ng thế ký XV, XVI, nghề
rèn tạo được vị thế của nó, việc chế tạo ra súng và vũ khí khác, cùng m t số b
phận của máy dùng sức đẩy của dòng nước, các chi tiết dùng trong xây dựng đền

6


chùa, cung điện như: cánh cổng, tường rào, ổ khóa và m t số loại súng ngắn, súng
săn được s n xu t. Vào kho ng thế kỷ XVIII, giá trị nghệ thuật của nghề rèn nổi
bật khác biệt đi theo các s n phẩm, có thể được biết đến là: các đồ mỹ nghệ, trang
sức, tiền kim loại, các cơng trình cầu cống, cung điện, dao kiếm [11] , v.v..
Hiện nay, cơng nghệ vật liệu nói riêng được hồn chỉnh và phát triển đã dẫn đến
việc xu t hiện nhiều loại máy móc mới với cơng su t ngày càng lớn. Do đó, phương
pháp cơng nghệ dập tạo hình khối chính xác ở trạng thái nóng đã được áp dụng
r ng rãi. Các phân xưởng dập đã có kh năng chế tạo ra các chi tiết hoàn chỉnh, bỏ
qua giai đoạn gia cơng cơ, song song lại có những ưu điểm đặc biệt với đ bền, đ
nhẵn bóng và đ chính xác cao làm tiết kiệm kim loại [1], hạ giá thành và hơn nữa

là đạt được năng su t khá cao.
Trong những năm gần đây, ngày càng có nhiều nghiên cứu thực hiện việc mơ hình
hóa các q trình hình thành của vật liệu ở trạng thái nóng [7-9, 12-15] . Ngành
công nghiệp dập, rèn đang dần áp dụng mơ phỏng số, những chương trình mơ
phỏng số này được thiết lập để tính tốn biến dạng của các b phận trục hoặc dạng
không gian hai chiều. Nhưng đối với các b phận phức tạp ph i áp dụng mơ hình
khơng gian ba chiều và nó này đang được phát triển r t mạnh [7, 14]. R t nhiều
nghiên cứu đã được tiến hành trên tính tốn phần tử hữu hạn để tính tốn giãn dẻo,
ứng su t và biến dạng [7, 15, 16] . Các phương pháp mô phỏng ba chiều được phát
triển mạnh mẽ và không ngừng c i tiến [6, 17] . M t kỹ thuật tái chia lưới liên tục
đã được nghiên cứu và thử nghiệm cho phép tạo đ mượt và tương thích lưới trong
tồn b q trình. Các tính tốn dập với các quy trình tái chia lưới hồn tồn tự
đ ng đã được phát triển ứng dụng các phần tử hình tam giác và tứ diện [4] . Tuy
nhiên với đối tượng có hình học phức tạp thì việc chia lưới vẫn cịn tồn đọng nhiều
khó khăn. Việc tái chia lưới trong q trình được ứng dụng cho phép mơ phỏng
dập hồn chỉnh bánh răng [18] . Những nỗ lực đầu tiên để mô phỏng biến dạng
dẻo lớn bắt đầu vào những năm 70 với những bài toán hai chiều, nhưng các kết
qu thu được lúc b y giờ chưa để lại nhiều n tượng do hạn chế về hiệu năng làm
việc của máy tính [16] . Từ năm 2000, với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học

7


máy tính, việc tính tốn và mơ phỏng đã dần trở nên hiệu qu và chính xác hơn r t
nhiều. Để từ đó các nhà khoa học hướng tới gi i quyết các bài tốn tối ưu hóa theo
quy trình phức tạp hơn [15] .
Cơng nghệ máy tính phát triển kéo theo sự xu t hiện của những công cụ hỗ trợ
thiết kế, mơ phỏng, phân tích trên máy tính như hệ thống CAD/CAE.
CAD (Computer-aided design) là thuật ngữ r t phổ biến, nó sử dụng máy tính để
phác th o ý tưởng của người thiết kế, mơ hình đơn gi n nh t là họa hình trên khơng

gian hai chiều, nhưng những năm gần đây mơ hình kết c u ba chiều được phát triển
mạnh mẽ các chi tiết được tạo nên từ bề mặt hay khối, hay kết hợp c hai. Các b
phận riêng lẽ được lắp ráp giúp người thiết kế hình dung được các quá trình nên
các bước thiết kế tiếp theo dễ dàng và nhanh chóng hơn (xem Hình. 1.1). Chương
trình thiết kế CAD thường có 3 module chính như sau:
-

Modeling: Dựng mơ hình 3D từ b n vẽ phát th o 2D, có nhiều dạng hình học
3D như solid 3D, Surface 3D, mesh 3D…

-

Assembly: Lắp ráp các chi tiết lại với nhau thành cụm chi tiết lớn với các điều
kiện ràng bu c hình học. Từ những chi tiết lắp ghép lại với nhau có thể mơ
phỏng chuyển đ ng của chi tiết bằng cách gán các điều kiện đ ng học.

-

Drawing: trích xu t từ b n vẽ 3D thành b n vẽ 2D với các thông tin yêu cầu
kỹ thuật như dung sai kích thước, mặt cắt, đ nhám b bóng bề mặt, v.v..
thường dùng làm b ng vẽ chế tạo, người kỹ sư có thể đọc hiểu các thơng tin
trên b ng vẽ và chế tạo chi tiết theo đúng yêu cầu kỹ thuật.

8


Hình 1.1 Chương trình thiết kế và lắp ráp với chương trình CREO [19]
CAE: Computer-Aided Engineering. Dùng hệ thống máy tính để mơ phỏng, phân
tích đối tượng hình học CAD từ đó chỉnh sửa, tối ưu thiết kế CAD. CAE được dựa
trên phương pháp phân tích phần tử (FEA) là mơ hình hóa các s n phẩm và hệ

thống trong m t mơi trường o, với mục đích tìm kiếm và gi i quyết các bài toán
về đ bền, đ cứng, ổn định, dao đ ng, v.v… của các kết c u và phân tích các hiện
tượng vật lý phức tạp (xem hình 1.2). FEA là ứng dụng thực tế của phương pháp
phần tử hữu hạn (FEM) để gi i và phân tích các bài tốn cơ học với các điều kiện
biên b t kỳ mà nghiệm chính mà phương pháp gi i tích khó có thể tìm được hoặc
r t phức tạp [10] . Cơ sở phương pháp này là làm rời rạc hóa miền xác định của
bài tốn, bằng cách chia nó thành nhiều phần tử, các phần tử này được liên kết với
nhau tại điểm nút chung. Trong phạm vi của mỗi phần tử nghiệm được chọn là m t
hàm số nào đó được xác định thơng qua các giá trị chưa biết tại các điểm nút của
phần tử gọi là hàm x p xỉ tho mãn điều kiện cân bằng của phần tử. Tập t t c các
phần tử chú ý đến điều kiện liên tục của sự biến dạng và chuyển vị tại các điểm
nút liên kết giữa các phần tử kết qu dẫn đến m t hệ phương trình đại số tuyến tính
mà ẩn số chính là các giá trị của hàm x p xỉ tại các điểm nút. Gi i hệ phương trình

9


này sẽ tìm được các giá trị của hàm x p xỉ tại các điểm nút của mỗi phần tử, nhờ
đó hàm x p xỉ hồn tồn được xác định trên mỗi m t phần tử [2] .

Hình 1.2 Phân tích phần tử hữu hạn với NX [20]
1.2

Cơ sở lý thuyết về mơ hình tốn phần tử hữu hạn

1.2.1 Nền tảng cơ khí
-

Phương trình c u thành [15] :


Định luật về cơ học thường được sử dụng trong tạo hình kim loại là nhớt đàn hồi
đẳng hướng với sự phân hủy ch t phụ trợ của kho ng biến dạng và định luật b o
toàn năng lượng:
=

(1)

=

2

10

(2)


= 1/ 〈
Trong đó
/

/ 〉

−

là kho ng biến dạng đàn hồi,

là do đạo hàm Jauman,

à


′

(3)

thành phần dẻo hoặc biến dạng dẻo,

là hệ số Lamé , ′ là sai lệch tensor ứng su t,

là ứng su t tương đương, K là sai lệch đ nhạy của kho ng biến dạng.
Có nhiều ứng xử của vật liệu khác nhau:
-

Các định luật phụ thu c vào nhiệt đ

-

Phương trình khơng đẳng hướng (Hill)

-

Đ cứng không đẳng hướng được định nghĩa trong giới hạn của ứng su t mặt
sau X và tensor hạng 4 H:
(4)

=

Phép khai căn của X được điều chỉnh bởi hàm số hóa cứng R và tham số β:
= 2/3
-


R/

̅

(5)

Tiếp xúc và ma sát

M t số điều kiện quan trọng cần tính đến:
Tiếp xúc m t bên với ma sát, giữa phơi m nh và dụng cụ cứng, được mơ hình hóa
bởi định luật Coulomb tổng quát:
τ =

μ

σn Δv/|Δv|

(6)

Với σn là ứng su t pháp và Δv đ chênh lệch vận tốc giữa dụng cụ và chi tiết.
-

Cơng thức tích phân:

11


Đối với m t dịng ch y khơng nén hoặc nén m t nửa, ta có thể sử dụng m t công
thức phức hợp. Trong miền Ω của chi tiết, công thức này được viết cho b t kỳ vận
tốc o v* và trường áp su t p* như sau:

∫ σ : ε∗ dV

∫ pdiv v ∗ dV

-

∗

kdiv v

∫

∫∂

τv ∗ dS = 0

(7)

(8)

dV = 0

Đầu dò nhiệt đ :

Trong quá trình gia nhiệt của phơi, dựa theo định hình nóng kim loại, làm mát và
xử lý nhiệt của chi tiết, việc nghiên cứu về đầu dò nhiệt và khớp nối cơ khí là cần
thiết. Phương trình nhiệt cổ điển cho các biến dạng hình học được viết đơn gi n
như sau:
= div(k ∗ grad T )
Trong đó,


√3 ̅

+

(9)

là hệ số của sự phân tán nhiệt biến dạng dẻo. Phương trình này phụ

thu c vào nhiệt đ . Ta có:
K=K ε

ε

n

exp

β

,

m= m

m T

(10)

Điều kiện bức xạ trên bề mặt tự do ∂Ω có dạng:
k


=ε σ

4

4

(11)

Trong đó: ε là thơng số bức xạ, σ là hằng số Stefan và T là nhiệt đ mơi trường.
1.2.2 Phương pháp số
-

Rời rạc hóa của phần tử hữu hạn:

Ngày nay, m t sự kết hợp hài hịa được dựa trên cơ sở tổng hợp cơng thức vận tốc
và áp lực với các phần tử tứ diện, hàm bọt (bubble function) cho trường vận tốc,

12