Nghiên cứu ảnh hưởng một số thông số đến lực dập và khả năng điền đầy khuôn khi dập phôi bánh răng nón

TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 5(34).2009 
 30 
NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG MỘT SỐ THÔNG SỐ ĐẾN LỰC DẬP 
VÀ KHẢ NĂNG ĐIỀN ĐẦY KHUÔN KHI DẬP PHÔI BÁNH RĂNG NÓN 
AN INVESTIGATION INTO THE INFLUENCE OF SOME PARAMETERS 
ON STAMPING FORCE AND DIE FILLING CAPACITY 
IN A CONIC GEAR FORGING PROCESS 
Lê Cung 
Trường Đại học Bách khoa, Đại học Đà Nẵng 
Lê Phước Hoàng 
Trường Cao đẳng Công nghiệp, Huế 
TÓM TẮT 
Bài báo nhằm ứng dụng phần mềm DEFORM vào việc nghiên cứu ảnh hưởng của một 
số thông số như hình dạng khuôn, kích thước phôi ban đầu, tốc độ biến dạng, kích thước và 
hình dạng bavia, hệ số ma sát giữa kim loại và khuôn, nhiệt độ sấy khuôn đến lực dập, năng 
lượng tiêu tốn và quá trình điền đầy kim loại trong khuôn. Các mô phỏng số được áp dụng cụ 
thể cho trường hợp dập nóng phôi bánh răng nón trong khuôn. Kết quả mô phỏ ng giúp người 
thiết kế khuôn và qui trình công nghệ dập lựa chọn hợp lý hình dạng hình học của khuôn , phôi 
ban đầu cũng như các thông số cơ bản của quá trình dập nóng phôi bánh răng nón. 
ABSTRACT 
 The article deals with the application of DEFORM software to studying the influence of 
some parameters such as die shapes, initial workpiece dimensions, strain velocity, flash 
dimensions and shapes, frictional coefficient between metal and die, initial die temperature on 
stamping force, consumed energy and die filling process of metal. The digital simulations are 
applied to the case of hot forging of a conic gear in die. The simulation results help the designer 
of dies and forging technical processes choose the appropriate dimensions and geometrical 
shapes of dies and initial workpiece as well as the basic parameters of the conic gear hot 
stamping process. 
1. Tổng quan 
 Lực dập và khả năng điền đầy khuôn khi dập nóng chịu ảnh hưởng của khá 
nhiều thông số như hình dạng hì nh học của khuôn , phôi ban đầu , góc lượn của khuôn , 
hình dạng bavia, sự bôi trơn và hệ số ma sát , tốc độ biến dạng, nhiệt độ sấy khuôn 
Trước đây , để nghiên cứu lực dập và khả năng điền đầy khuôn , khuyết tật chi tiết sau 
dập, người ta thường tiến hành thí nghiệm mô phỏng quá trình dập trên các phôi bằng 
vật liệu thay thế , dễ biến dạng , có tính chất đồng dạng với kim loại làm phôi dập như 
plasticine[4]. Ngày nay , với sự hỗ trợ của máy tính , nhiều phần mềm mô phỏ ng sử 
dụng phương pháp phần tử hữu hạn ra đời , cho phép mô phỏng số quá trình biến dạng 
khi dập nóng trong khuôn , nhờ đó dễ dàng lựa chọn hợp lý và tối ưu các thông số của 
quá trình dập , giảm được thời gian và công sức thiết kế khuôn và qui trình dậ p, giảm 
được giá thành , như các phần mềm ALPID [1], DEFORM [2], FORGE2, FORGE3 
[3] Bên cạnh các phần mềm sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn , một số phần 
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 5(34).2009 
 31 
mềm sử dụn g phương pháp tổng kết thực nghiệm như FORGEROND ra đời [4], [5]. 
Khác với các phần mềm trên đây , FORGEROND cho phép mô phỏng nhanh quá trình 
dập nóng các chi tiết dạng tròn xoay , nhằm giúp người thiết kế khuôn và qui trình dập 
nhanh chóng chọn máy , hình dạng phôi, khuôn, cũng như các thông số hợp lý cho quá 
trình dập, xây dựng nhanh bảng chiết tính giá thành nhằm đáp ứng nhanh chóng yêu 
cầu đặt hàng của khách hàng. 
 Bài báo nhằm nghiên cứu ứng dụng phần mềm DEFORM-2D vào việc mô 
phỏng số quá trình dập nóng phôi bánh răng nón , đồng thời nghiên cứu ảnh hưởng của 
một số thông số như hình dạng của khuôn , phôi ban đầu , bavia, việc bôi trơn và hệ số 
ma sát , việc sấy khuôn , tốc độ biến dạng đến lực dập và khả năng điền đầy khuôn 
trong quá trình dập nóng phôi bánh răng nón trong khuôn. Kết quả mô phỏng giúp 
người thiết kế khuôn và qui trình công nghệ dập lựa chọn hợp lý hình dạng hình học của 
khuôn, phôi ban đầu cũng như các thông số cơ bản của quá trình dập nóng phôi bánh 
răng nón. 
2. Môi trường làm việc của phần mềm DEFORM-2D 
 Phần mềm DEFORM (Design Environment for FORMing) của hãng Scientific 
Forming Technology Corporation (Mỹ) cho phép mô phỏng số quá trình biến dạng kim 
loại dựa trên phương pháp phần tử hữu hạn [2], [6]. DEFORM có nhiều chức năng 
phong phú, cho phép quan sát trường ứng suất, biến dạng, nhiệt độ kim loại, mô phỏng 
quá trình biến dạng chi tiết khi dập nóng, cho phép xác định lực dập, năng lượng cần 
thiết khi dập 
Lưu đồ mô phỏng quá trình dập nóng trong khuôn được mô tả trên hình 1. Dữ 
liệu ban đầu cần thiết cho quá trình mô phỏng bao gồm: Thông số hình học: thông số 
hình học của phôi và khuôn, Thông số qúa trình: nhiệt độ môi trường, nhiệt độ phôi và 
Thông số hình học Thông số quá trình Thông số vật liệu 
Mô hình 
quá trình 
Dòng kim loại của chi tiết 
(sự điền đầy khuôn, sự 
hình thành khuyết tật) 
Yêu cầu điều khiển thiết 
bị (tải trọng, hành 
trình/thời gian, vận tốc) 
Quá trình cơ nhiệt của chi 
tiết (ứng suất, biến dạng, 
tốc độ biến dạng) 
Các tính chất cấu trúc tế vi 
(cỡ hạt, tỷ lệ kết tinh lại) 
Cấu trúc 
tế vi 
Các tham số tối ưu của quá trình 
và các giới hạn điều khiển 
Hình 1. Lưu đồ mô phỏng quá trình dập nóng trong khuôn 
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 5(34).2009 
 32 
khuôn, hệ số trao đổi nhiệt phôi -khuôn, khuôn-môi trường, thời gian chuyển phôi từ lò 
đến khuôn , hệ số ma sát phôi -khuôn, vận tốc chày , Thông số vật liệu : nhiệt dung 
riêng, giới hạn đàn hồi , giới hạn dẻo Dữ liệu thu nhận được của quá t rình mô phỏng 
rất phong phú: dòng kim loại, sự phân bố và quá trình biến thiên của các biến trạng thái 
như biến dạng, tốc độ biến dạng, nhiệt độ chi tiết và khuôn, các yêu cầu điều khiển 
thiết bị như tải trọng, hành trình, tốc độ biến dạng, khuyết tật sản phẩm khi dập Từ 
các tham số đầu ra của quá trình biến dạng, người thiết kế qui trình công nghệ dập dễ 
dàng chọn được các tham số tối ưu cho quá trình dập nóng chi tiết. 
3. Ảnh hưởng của một số thông số đến quá trình rèn dập nóng phôi bánh răng nón 
3.1. Dữ liệu mô phỏng số 
 Chúng tôi tiến hành các mô phỏng số sử dụng phần mềm DEFORM 2D cho quá 
trình rèn dập nóng phôi bánh răng nón trong khuôn . Thông số hình học của phôi bánh 
răng nón , của khuôn dập và của phôi dập ban đầu được mô tả trên hình 2. Các dữ liệu 
ban đầu sử dụng trong mô phỏ ng như sau: Vật liệu phôi: thép C45 (E = 210.290N/mm2, 
 ν=0,3); vật liệu khuôn: carbide (15% Cobalt, E = 524.002N/mm2, ν = 0,23); kích thước 
phôi ban đầu: chiều cao H = 65mm, đường kính 33,14mm; kiểu mô phỏng: đẳng nhiệt; 
nhiệt độ ban đầu của phôi: khoảng 9000C, nhiệt độ ban đầu của khuôn: khoảng 2000
3.2. Nghiên cứu khả năng điền đầy kim loại trong các hốc khuôn 
C...; 
khoảng dịch chuyển của chày: 35 mm; máy nén thủy lực: tốc độ dịch chuyển của chày: 
2mm/s; máy búa: năng lượng búa 17.500 KNmm; máy ép kiểu vít: năng lượng chày: 
10.000 KNmm. Các mô phỏng số từ đoạn 3.2 đến 3.6 được thực hiện trên máy ép thủy 
lực. 
Hình 3 và hình 5 mô tả quá trình điền đầy kim loại trong khuôn dập tùy theo 
đường kính ban đầu D của phôi. Khảo sát ba trường hợp khác nhau: D=33mm, 
D=33,1mm và D=33,14mm, ta thấy rằng khi D=33,14mm, kim loại được điền đầy hoàn 
35
φ37
φ62
φ33,14
φ34
φ44
φ62
65
10
0
R3
R2R3
25
φ27
R3
R3
φ34
16
253
0 35
R2
φ37
φ27
φ62
φ44
Hình 2. Thông số hình học của phôi và bánh răng 
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 5(34).2009 
 33 
toàn trong các hốc khuôn. Thể tích phôi giảm dần trong quá trình dập nóng từ 
V=56.067m3 ÷ V= 55.734m3 cho trường hợp D = 31,14mm, ứng với khoảng dịch 
chuyển của chày ép từ 0 ÷ 35 mm (hình 4). Như vậy, trong trường hợp không sử dụng 
bavia, phôi ban đầu hình trụ, đường kính phôi có thể chọn D = 33,14mm, khi đó kim 
loại được điền đầy hoàn toàn trong khuôn. 
3.3. Ảnh hưởng của ma sát giữa khuôn và phôi dập 
Để nghiên cứu ảnh 
hưởn g của h ệ số ma sát giữa 
khuôn và chi tiết đến lực dập và 
khả năng điền đầy kim loại 
trong khuôn, chúng tôi tiến 
hành mô phỏng cho các trường 
hợp h ệ số ma sát k h ác nhau 
giữa phôi dập và khuôn: m = 
0,08; 0,12; 0,25; 0,3; 0,7. Dựa 
vào đồ thị lực dập trên hình 6, 
ứng với các hệ số ma sát phôi-khuôn khác nhau, ta thấy ở giai đoạn đầu do kim loại 
chưa tiếp xúc nhiều với thành khuôn nên chưa có sự khác biệt lớn về lực dập; khi chày 
dập dịch chuyển một khoảng 31,5mm, lực dập biến thiên mạnh hơn, phân bố trong 
khoảng từ 281.658 ÷ 292.228N. Ở giai đoạn điền đầy các hốc khuôn, lực dập tăng lên 
Hình 5. Quá trình biến dạng và 
điền đầy kim loại trong khuôn 
Hình 4. Sự thay đổi thể tích phôi dập ứng với 
D=33, D =33,1 và D=33,14mm 
a) H =65mm; D =33mm 
b) H =65mm; D=33,1mm 
c) H = 65mm; D=33,14mm 
Hình 3. Ảnh hưởng của D đến khả năng điền 
đầy kim loại trong các hốc khuôn 
0
500000
1000000
1500000
2000000
2500000
3000000
3500000
4000000
0 35 7 10
.5 14 17
.5 21 24
.5 28 31
.5 35
Hành trình [mm]
Tả
i tr
ọn
g [
N]
m=0,08 m=0,12 m=0,25 m=0,3 m=0,7
Hình 6. Ảnh hưởng của hệ số ma sát đến lực dập 
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 5(34).2009 
 34 
rất nhanh và có sự khác biệt lớn khi hệ số ma sát m=0,7 (lực dập 1.678.566N) và 
m=0,08 (lực dập: 5.448.916N). 
3.4. Ảnh hưởng của kích thước và hình dạng bavia: 
Bavia được sử dụng nhằm giảm lực dập khi kim loại chuẩn bị điền đầy các hốc 
khuôn [7]. Hình dạng và kích thước bavia ảnh hưởng lớn đến lực dập khi kim lo ại bắt 
đầu điền đầy các hốc khuôn. Ứng với kích thước ban đầu của phôi: H=75mm và 
D=33,14mm, khi sử dụng bavia hình dạng chữ nhật, so sánh ba trường hợp trên hình 8, 
ta thấy lực dập nhỏ nhất khi chiều cao ε của bavia lớn nhất và chiều rộng λ nhỏ nhất. 
Tuy nhiên khi chiều cao bavia lớn, chi phí gia công chi tiết sẽ tăng. Có thể tạo mép vát 
để thoát kim loại trên bavia (hình 9), sẽ tăng được chiều cao ε. Mô phỏng số cho trường 
hợp có mép vát thoát kim loại trên bavia (hình 10) cho thấy lực dập giảm đi đáng kể ở 
giai đoạn kim loại điền đầy hốc khuôn. 
Tải trọng [N] 
0
200000
400000
600000
800000
1000000
1200000
1400000
1600000
1800000
2000000
0
8.
5 17
21
.4
29
.9
38
.4
Hành trình [mm]
1 2 3
1. ε =2,50mm; λ=2,13mm 
2. ε=2,31mm; λ=2,40mm 
3. ε=2,29mm; λ=2,60mm 
Hình 8. Ảnh hưởng của ε và λ đến lực dập 
Hình 7. 
Kích thước 
cơ bản của 
bavia 
λ
ε
ε
λ
Hình 9. Mép vát 
thoát kim loại 
trên bavia 
Hình 11. Góc lượn và 
mép vát trên khuôn 
R C
1
C2
V¸t mÐpVª trßn
0
200000
400000
600000
800000
1000000
1200000
1400000
1600000
1800000
2000000
0
4.
3
8.
5
12
.8 17
18
.8
21
.4
25
.6
29
.9
34
.2
38
.4
42
.7
4 3
3. ε = 2,29 mm; λ = 2,60 mm, 
không vát 
4. ε = 2,73 mm; 
λ = 1,74 mm, có mép vát 
Tải trọng [N] 
Hành trình [mm] 
Hình 10. Ánh hưởng của mép vát trên 
bavia đến lực dập 
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 5(34).2009 
 35 
Hình 13. Ảnh hưởng của việc sấy khuôn đến 
lực dập: (1) Tkhuôn/Tphôi = 200/7000C, (2) 
Tkhuôn/Tphôi=250/7000C 
0
200000
400000
600000
800000
1000000
1200000
1400000
1600000
1800000
2000000
0
3.
5 7
10
.5 14
17
.5
1
2
Tải trọng [N] 
3.5. Ảnh hưởng của góc lượn và mép vát trên khuôn 
Khi dập kín trong khuôn, góc lượn có bán kính nhỏ ở các mép khuôn (hình 11) 
làm tăng đáng kể lực dập khi kim loại bắt đầu điền đầy các hốc khuôn. Khi bán kính góc 
lượn R quá nhỏ, phôi dễ bị khuyết tật trong quá trình dập. Khi bán kính góc lượn R lớn, 
kim loại dễ biến dạng hơn, nhưng dễ tạo nếp nhăn trên sản phẩm. Vì vậy, cần lựa chọn 
góc lượn hợp lý. Kết quả mô phỏng trên hình 12 cho thấy khi sử dụng góc lượn R3, lực 
dập sẽ lớn hơn khi góc lượn R3,5. Với cùng diện tích tiết diện phần kim loại bỏ đi, thì 
nếu dùng mép vát dạng chữ nhật C1xC2, lực dập bé hơn khi dùng góc lượn R (hình 12). 
3.6. Ảnh hưởng của việc sấy khuôn 
Việc sấy khuôn ảnh hưởng nhiều đến nhiệt độ phôi dập, giúp nhiệt độ phôi tăng 
lên trong quá trình dập, ma sát giảm xuống, từ đó giảm được lực dập. Quá trình điền đầy 
kim loại trong các hốc khuôn cũng dễ dàng hơn. Rõ ràng khi nhiệt độ sấy khuôn tăng lên, 
lực dập giảm xuống, khả năng điền đầy kim loại trong khuôn tăng theo (hình 13). 
3.7. Ảnh hưởng của tốc độ biến dạng 
Tốc độ biến dạng cũng có ảnh hưởng lớn đến lực dập và năng lượng tiêu hao khi 
dập. Kết quả mô phỏng (hình 14) cho thấy: nếu so với máy ép thủy lực và máy ép kiểu 
vít thì năng lượng tiêu hao khi dập trên máy búa lớn gần gấp đôi. 
4. Kết luận 
 Việc ứng dụng các phần mềm mô phỏng quá trình rèn dập nóng, sử dụng phần 
tử hữu hạn như DEFORM cung cấp cho người thiết kế qui trình công nghệ và khuôn 
dập nhiều thông tin bổ ích, dễ dàng lựa chọn các thông số tối ưu của quá trình, hình 
dạng và kích thước hợp lý của phôi , khuôn, nhằm giảm tối đa lực và năng lượng khi 
dập. Đồng thời thông qua việc quan sát quá trình mô phỏng biến dạng nóng trong khuôn, 
người thiết kế có thể tránh được các khuyết tật, nâng cao chất lượng sản phẩm dập. 
Hình 12. Ảnh hưởng của kích thước góc 
lượng và mép vát trên khuôn đến lực dập 
0
500000
1000000
1500000
2000000
0 7 14 21 28 35
Hành trình [mm]
C1=2;C2=3 C1=1;C2=2,2
R=3,5 C1=C2=2
R=3
Tải trọng [N] 
Thời gian [s] 
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 5(34).2009 
 36 
Kết quả mô phỏng áp dụng cụ thể cho việc dập nóng phôi bánh răng nón cho 
phép ta chọn lựa các thông 
số hợp lý của quá trình dập: 
chọn được hệ số ma sát 
khuôn-phôi hợp lý bằng 
cách chọn khuôn có độ bóng 
cao, có bôi trơn khi dập, nên 
sử dụng khuôn có vát mép 
thay vì góc lượn, nên có 
mép vát thoát kim loại trên 
bavia nhằm tăng chiều cao 
bavia, có thể chọn được 
nhiệt độ sấy khuôn phù hợp 
nhằm bổ sung lượng nhiệt 
thích hợp cho phôi, giúp 
giảm lực và năng lượng dập, 
nâng cao khả năng điền đầy kim loại, tránh các khuyết tật của chi tiết sau khi dập. 
TÀI LIỆU THAM KHẢO 
[1] J. N. Majerus, K. P. Jen, H. Gong, Quantitive comparison between precision closed-
die forging force data and computation simulations, Journal of Engineering for 
Technology, Oct. 1992. 
[2] Matthew O’Cornell, Brett Painter, Gary Maul, Taylan Altan, Flashless closed-die 
upset forging-load estimation for optimal cold header selection, Journal of 
Materials Processing Technology, 1996. 
[3] Action concertée de Recherche “Modélisation du Forgeage”, Bilan des travaux de 
la première année, CETIM Saint-Etienne, Oct. 1996. 
[4] Ph. Marin, Simulation rapide de la déformation d’un lopin matrices, Application à 
l’estampage dans l’optique de la conception intergrée, Thèse de Doctorat, INPG 
Grenoble 1995. 
[5] Philippe Marin, Cung Le, Serge Tichkiewitch, Taking into account thermal effects 
in ForgeRond, a fast hot-forging simulation tool, Procedings of the 5th
[6] T. Altan, G. Ngaile, G. Shen, Cold and Hot Forging: Fundamentals and 
Applications, ASM Publication, 2004. 
 International 
Conference on Technology of Plasticity, Columbus, Ohio, USA, 1996. 
[7] A. Chamouard (1996), Statique et Dynamique Appliquée aux Déformations à 
Chaud, Estampage et Forge, Tomes I, II, Edition Dunod, 1964, 1966. 
0
2000000
4000000
6000000
8000000
10000000
12000000
14000000
16000000
3.5 7 10.5 14 17.5 21 24.5 28 31.5 35
Hành trình [mm]
N
ăn
g 
lư
Máy ép thủy lực
Máy ép vít
Máy búa
Hình 14. Năng lượng tiêu tốn khi sử dụng máy ép 
thủy lực, máy ép vít, máy búa