Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật cơ khí: Nghiên cứu ảnh hưởng của một số thông số hình học khuôn và thông số công nghệ đến chất lượng sản phẩm khi ép chảy hợp kim nhôm

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:150

Thêm vào BST

Báo xấu

21
lượt xem 4
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục tiêu của đề tài nhằm nghiên cứu ảnh hưởng một số thông số hình học của khuôn đến độ chính xác về hình dáng hình học thanh hợp kim nhôm, độ nhám bề mặt sản phẩm ép chảy và áp lực ép; qua đó xác định được bộ thông số hình học của khuôn hợp lý đáp ứng yêu cầu về hình dáng hình học thanh hợp kim nhôm, nâng cao chất lượng bề mặt sản phẩm thanh hợp kim nhôm và hiệu quả sử dụng thiết bị.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật cơ khí: Nghiên cứu ảnh hưởng của một số thông số hình học khuôn và thông số công nghệ đến chất lượng sản phẩm khi ép chảy hợp kim nhôm

BỘ CÔNG THƢƠNG TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI NGUYỄN TRỌNG MAI NGHIÊN CỨU ẢNH HƢỞNG CỦA MỘT SỐ THÔNG SỐ HÌNH HỌC KHUÔN VÀ THÔNG SỐ CÔNG NGHỆ ĐẾN CHẤT LƢỢNG SẢN PHẨM KHI ÉP CHẢY HỢP KIM NHÔM LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ Hà Nội – Năm 2021
BỘ CÔNG THƢƠNG TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI NGUYỄN TRỌNG MAI NGHIÊN CỨU ẢNH HƢỞNG CỦA MỘT SỐ THÔNG SỐ HÌNH HỌC KHUÔN VÀ THÔNG SỐ CÔNG NGHỆ ĐẾN CHẤT LƢỢNG SẢN PHẨM KHI ÉP CHẢY HỢP KIM NHÔM Chuyên ngành : Kỹ thuật cơ khí Mã số : 9.52.01.03 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC : 1. PGS.TS. TRẦN ĐỨC QUÝ 2. PGS.TS. PHẠM VĂN NGHỆ Hà Nội – Năm 2021
i LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi dƣới sự hƣớng dẫn của PGS.TS. Trần Đức Quý và PGS.TS. Phạm Văn Nghệ. Các số liệu, kết quả nêu trong luận án là trung thực và chƣa từng đƣợc ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Hà Nội, ngày 10 tháng 3 năm 2021 Tác giả luận án Nguyễn Trọng Mai
ii LỜI CẢM ƠN Trƣớc tiên, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành và sâu sắc tới PGS.TS. Trần Đức Quý và PGS.TS. Phạm Văn Nghệ, những ngƣời thầy đã tận tình hƣớng dẫn và động viên tôi trong quá trình học tập, nghiên cứu để hoàn thành luận án. Tôi xin trân trọng cảm ơn các Thầy Cô trong Khoa Cơ khí, các vị lãnh đạo và các nhà khoa học của Trƣờng Đại học Công nghiệp Hà nội đã luôn quan tâm, giúp đỡ cũng nhƣ đóng góp các ý kiến để tôi hoàn thành luận án. Tôi xin trân trọng cảm ơn các Thầy Cô, các nhà khoa học trong Viện Cơ khí - Trƣờng Đại học Bách khoa Hà nội, Khoa Cơ khí - Học viện Kỹ thuật Quân sự, Viện nghiên cứu cơ khí NARIME …đã đóng góp các ý kiến để tôi hoàn thành luận án. Tôi xin bày tỏ sự biết ơn chân thành tới nhà máy nhôm EUROHA, công ty cổ phần Huyndai Aluminum Vina, hãng phần mềm Qform Extrusion đã giúp đỡ tôi tiến hành thực nghiệm cho nội dung nghiên cứu của luận án. Tôi xin chân thành cảm ơn gia đình tôi đã luôn quan tâm, động viên giúp đỡ tôi vƣợt qua mọi khó khăn trong quá trình học tập và hoàn thành bản luận án này. Hà nội, ngày 10 tháng 3 năm 2021 Tác giả luận án Nguyễn Trọng Mai
iii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ............................................................................................................ i LỜI CẢM ƠN ................................................................................................................. ii MỤC LỤC ..................................................................................................................... iii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ TỪ VIẾT TẮT....................................................... vi DANH MỤC BẢNG BIỂU ......................................................................................... viii DANH MỤC HÌNH VẼ ..................................................................................................x MỞ ĐẦU .........................................................................................................................1 CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ ÉP CHẢY HỢP KIM NHÔM ...........4 1.1. Quá trình công nghệ ép chảy thanh hợp kim nhôm..................................................4 1.2. Vật liệu hợp kim nhôm .............................................................................................5 1.3. Các yếu tố đặc trƣng của công nghệ ép chảy hợp kim nhôm ...................................8 1.3.1. Quá trình ép chảy phôi liên tục..............................................................................8 1.3.2. Tỷ lệ ép chảy........................................................................................................10 1.3.3. Dòng kim loại trong quá trình ép chảy ................................................................10 1.3.4. Biến dạng dẻo trong quá trình ép chảy ................................................................13 1.3.5. Áp lực ép .............................................................................................................15 1.3.6. Lực ép ..................................................................................................................17 1.3.7. Vận tốc ép ............................................................................................................18 1.3.8. Nhiệt động lực học trong quá trình ép chảy ........................................................19 1.4. Khuôn ép chảy ........................................................................................................21 1.4.1. Cấu tạo khuôn ......................................................................................................21 1.4.2. Cửa khuôn............................................................................................................22 1.4.3. Vật liệu chế tạo khuôn .........................................................................................23 1.5. Tình hình nghiên cứu trên thế giới và trong nƣớc về ép chảy hợp kim nhôm .......24 1.5.1. Tình hình nghiên cứu trên thế giới ......................................................................24 1.5.2. Tình hình nghiên cứu trong nƣớc ........................................................................28 Kết luận chƣơng 1 .........................................................................................................30 CHƢƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT ẢNH HƢỞNG CỦA MỘT SỐ YẾU TỐ ĐẾN CHẤT LƢỢNG SẢN PHẨM KHI ÉP CHẢY HỢP KIM NHÔM ..............................31
iv 2.1. Chất lƣợng sản phẩm khi ép chảy thanh hợp kim nhôm ........................................31 2.1.1. Các yếu tố đặc trƣng của chất lƣợng thanh hợp kim nhôm ép chảy ...................31 2.1.2. Phƣơng pháp đánh giá chất lƣợng thanh hợp kim nhôm ép chảy .......................34 2.1.3. Xác định các chỉ tiêu chính đánh giá chất lƣợng thanh hợp kim nhôm ép chảy .35 2.2. Ảnh hƣởng của một số yếu tố đến độ chính xác về hình dáng hình học sản phẩm ....39 2.2.1. Vị trí cửa khuôn so với tâm khuôn ......................................................................44 2.2.2. Thông số hình học cửa khuôn .............................................................................44 2.2.3. Thông số hình học vùng dẫn ...............................................................................46 2.3. Ảnh hƣởng của một số yếu tố đến độ nhám bề mặt sản phẩm ...............................47 2.3.1. Ảnh hƣởng của phôi ............................................................................................49 2.3.2. Ảnh hƣởng của khuôn .........................................................................................50 2.3.3. Ảnh hƣởng của chế độ ép ....................................................................................53 Kết luận chƣơng 2. ........................................................................................................55 CHƢƠNG 3: NGHIÊN CỨU ẢNH HƢỞNG CỦA THÔNG SỐ HÌNH HỌC KHUÔN ĐẾN ĐỘ CHÍNH XÁC HÌNH DÁNG HÌNH HỌC SẢN PHẨM BẰNG MÔ PHỎNG SỐ ................................................................................................... 56 3.1. Xây dựng mô hình mô phỏng số ............................................................................56 3.1.1. Mô phỏng số ........................................................................................................56 3.1.2. Phần mềm mô phỏng số quá trình ép chảy Qform Extrusion .............................57 3.1.3. Xây dựng bài toán mô phỏng số quá trình ép chảy hợp kim nhôm.....................58 3.2. Khảo sát ảnh hƣởng của các thông số hình học khuôn đến vận tốc dòng chảy kim loại bằng mô phỏng số. ..................................................................................................61 3.2.1. Vị trí cửa khuôn so với tâm khuôn ......................................................................61 3.2.2. Thông số hình học cửa khuôn .............................................................................63 3.2.3. Thông số hình học vùng dẫn nhôm .....................................................................73 3.3. Nghiên cứu ảnh hƣởng của độ dài cửa khuôn và độ rộng vùng dẫn đến độ chính xác hình dáng hình học của sản phẩm. ..........................................................................80 3.3.1. Nghiên cứu ảnh hƣởng của độ dài cửa khuôn .....................................................81 3.3.2. Nghiên cứu ảnh hƣởng của độ rộng vùng dẫn.....................................................83 Kết luận chƣơng 3. ........................................................................................................86
v CHƢƠNG 4: NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM ẢNH HƢỞNG CỦA ĐỘ DÀI CỬA KHUÔN, CHẾ ĐỘ ÉP ĐẾN ĐỘ NHÁM BỀ MẶT SẢN PHẨM VÀ ÁP LỰC ÉP.........87 4.1. Mục đích nghiên cứu thực nghiệm .........................................................................87 4.2. Mô hình và thiết bị thực nghiệm ............................................................................88 4.2.1. Máy ép thủy lực ...................................................................................................89 4.2.2. Phôi hợp kim nhôm .............................................................................................90 4.2.3. Khuôn thực nghiệm .............................................................................................90 4.2.4. Thiết bị đo áp lực ép ............................................................................................91 4.2.5. Thiết bị đo nhiệt độ phôi .....................................................................................92 4.2.6. Thiết bị đo độ nhám .............................................................................................92 4.3. Quy hoạch và tổ chức thực nghiệm ........................................................................93 4.3.1. Xác định các thông số thực nghiệm ....................................................................93 4.3.2. Phƣơng pháp thực nghiệm ...................................................................................94 4.4. Kết quả thực nghiệm và bàn luận khoa học ...........................................................99 4.4.1. Ảnh hƣởng độ dài cửa khuôn đến độ nhám bề mặt sản phẩm và áp lực ép ........99 4.4.2. Ảnh hƣởng của vận tốc ép, nhiệt độ phôi đến độ nhám bề mặt sản phẩm và áp lực ép ...........................................................................................................................101 4.4.3. Ảnh hƣởng của vận tốc ép, nhiệt độ phôi và tỉ lệ độ dài cửa khuôn/độ rộng cửa khuôn đến độ nhám bề mặt sản phẩm và áp lực ép .....................................................105 4.5. Tối ƣu hóa các thông số thực nghiệm...................................................................112 4.5.1. Thuật toán tối ƣu................................................................................................112 4.5.2. Tối ƣu hóa vận tốc ép, nhiệt độ phôi ép, tỉ lệ độ dài cửa khuôn/độ rộng cửa khuôn đảm bảo chỉ tiêu độ nhám bề mặt sản phẩm.....................................................113 4.5.3. Tối ƣu hóa vận tốc ép, nhiệt độ phôi ép, tỉ lệ độ dài cửa khuôn/độ rộng cửa khuôn đảm bảo đồng thời 2 chỉ tiêu độ nhám bề mặt sản phẩm và áp lực ép .............115 Kết luận chƣơng 4 .......................................................................................................117 KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN CỦA LUẬN ÁN ......................................119 TÀI LIỆU THAM KHẢO ...........................................................................................121 CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC CỦA TÁC GIẢ ...................................................127 PHỤ LỤC ....................................................................................................................128
vi DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ TỪ VIẾT TẮT Ký hiệu Ý nghĩa Đơn vị AA Hiệp hội nhôm Mỹ (Aluminium Association) CAD Thiết kế có trợ giúp của máy tính (Computer Aided Design) CNC Gia công có có trợ giúp của máy tính (Computer Numerical Controlled) CAD/CAM Thiết kế/chế tạo có trợ giúp của máy tính (Computer aided design/computer aided manufacturing) CAE Phân tích kỹ thuật có trợ giúp của máy tính(Computer aided engineering) GA Giải thuật di truyền (Genetic Algorithm) PSO Tối ƣu hóa bầy đàn (Particle Swarm Optimization) GRG Thuật toán giảm Gradient tổng quát (Generalized Reduced Gradient) TCVN Tiêu chuẩn Việt nam ER Tỷ lệ ép chảy σ Ứng suất σ̅ Ứng suất giới hạn μ Hệ số ma sát m Hệ số ma sát giữa phôi và buồng ép m‟ Hệ số ma sát giữa phôi và cửa khuôn m‟‟ Hệ số ma sát giữa phôi và vùng kim loại đứng yên Độ dài phôi mm l Độ dài sản phẩm mm ε Mức độ biến dạng ̅ Biến dạng thực (biến dạng logarit) ̇̅ Tốc độ biến dạng Diện tích tiết diện nòng buồng ép mm2 AE Diện tích tiết diện sản phẩm mm2 D Đƣờng kính phôi mm
vii Đƣờng kính nòng buồng ép mm Đƣờng kính sản phẩm mm Lực ma sát N Diện tích bề mặt tiếp xúc thực tế mm2 Diện tích bề mặt cửa khuôn mm2 Ứng suất ma sát k Ứng suất cắt PT Áp lực ép bar PD Áp lực biến dạng dẻo của vật liệu bar PF Áp lực ma sát bar PR Áp lực biến dạng đàn hồi của vật liệu bar Fr Lực ép chảy N Fp Lực tác dụng của píttông thủy lực máy ép N p Áp suất thủy lực tác dụng lên xi lanh máy ép bar P Áp lực ép bên trong buồng ép bar Vep Vận tốc chày ép (vận tốc ép) mm/s VE Vận tốc ra của sản phẩm m/p 0 qf Nhiệt sinh ra do ma sát trên một đơn vị diện tích C /mm2 0 Tp Nhiệt độ của phôi C Vm,j Tốc độ vật liệu tại các điểm nút bề mặt kim loại chết mm/s J Đƣơng lƣợng công của nhiệt J n Số cửa khuôn H Độ sâu vùng dẫn nhôm mm B Độ rộng vùng dẫn nhôm mm b Độ rộng cửa khuôn mm e Khoảng cách từ cửa khuôn đến tâm khuôn mm L Độ dài cửa khuôn mm α Góc nghiêng của cửa khuôn so với đƣờng tâm khuôn độ r Bán kính góc lƣợn cửa khuôn mm L‟ Độ dài phôi ép mm
viii DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1. Ký hiệu hợp kim nhôm theo tiêu chuẩn AA của Mỹ .................................................. 7 Bảng 1.2. Nhiệt độ phôi và vận tốc ra của một số hợp kim nhôm điển hình .............................. 8 Bảng 1.3. Thành phần hóa học vật liệu thép SKD61 ................................................................. 24 Bảng 2.1. Các nguyên nhân chính ảnh hƣởng đến chất lƣợng sản phẩm ................................. 36 Bảng 3.1. Thông số cài đặt quá trình mô phỏng ......................................................................... 60 Bảng 3.2. Kết quả vận tốc ra của sản phẩm tại các cửa khuôn ở các vị trí khác nhau ............. 62 Bảng 3.3. Kết quả vận tốc ra của sản phẩm tại các cửa khuôn có độ dài khác nhau................ 64 Bảng 3.4. Kết quả vận tốc ra của sản phẩm tại các cửa khuôn có độ rộng khác nhau ............. 66 Bảng 3.5. Kết quả vận tốc ra của sản phẩm tại các cửa khuôn có góc nghiêng (+) khác nhau ..................................................................................................................................... 68 Bảng 3.6. Kết quả vận tốc ra của sản phẩm tại các cửa khuôn có góc nghiêng (-) khác nhau 69 Bảng 3.7. Kết quả vận tốc ra của sản phẩm tại các cửa khuôn có góc lƣợn cửa khuôn khác nhau72 Bảng 3.8. Kết quả vận tốc ra của sản phẩm tại các cửa khuôn có độ rộng vùng dẫn khác nhau .. 74 Bảng 3.9. Kết quả vận tốc ra của sản phẩm tại các cửa khuôn có độ sâu vùng dẫn khác nhau ..... 76 Bảng 3.10. Thông số cài đặt quá trình mô phỏng sản phẩm 70x5 ............................................ 81 Bảng 3.11. Kết quả sai lệch dòng chảy khi thay đổi độ dài cửa khuôn..................................... 82 Bảng 3.12. Kết quả sai lệch dòng chảy kim loại khi thay đổi độ rộng vùng dẫn nhôm........... 84 Bảng 4.1. Thành phần hóa học vật liệu phôi ép AA6061 .......................................................... 90 Bảng 4.2. Bảng giá trị thực nghiệm thay đổi tỷ lệ độ dài/độ rộng cửa khuôn (L/b)................. 95 Bảng 4.3. Bảng thực nghiệm ảnh hƣởng của chế độ ép đến độ nhám sản phẩm ..................... 96 Bảng 4.4. Bảng quy hoạch thực nghiệm ảnh hƣởng của vận tốc chày ép, nhiệt độ phôi, tỉ lệ giữa độ dài /độ rộng cửa khuôn đến độ nhám sản phẩm............................................................ 98 Bảng 4.5. Kết quả thí nghiệm thay đổi độ dài cửa khuôn đến Ra và P ..................................... 99 Bảng 4.6. Kết quả thí nghiệm ảnh hƣởng của chế độ ép đến Ra và P .................................... 101 Bảng 4.7. Kết quả số liệu mô hình hồi quy và phân tích phƣơng sai quan hệ Ra với Vep, Tp trên Minitab16 ............................................................................................................................. 103 Bảng 4.8. Kết quả số liệu mô hình hồi quy và phân tích phƣơng sai quan hệ P với Vep, Tp trên Minitab16 .................................................................................................................................... 104 Bảng 4.9. Kết quả thí nghiệm ảnh hƣởng của Vep, Tp, L/b đến Ra, và P ................................ 106
ix Bảng 4.10. Kết quả xử lý số liệu quan hệ Ra với Vep, Tp, L/b trên Minitab ........................... 107 Bảng 4.11. Kết quả xử lý số liệu quan hệ P với Vep, Tp, L/b trên Minitab.............................. 110 Bảng 4.12. Thông tin tối ƣu hóa hàm mục tiêu nhám bề mặt Ra ........................................... 114 Bảng 4.13. Kết quả thí nghiệm kiểm chứng giá trị tối ƣu hàm mục tiêu Ra...............115 Bảng 4.14. Thông tin tối ƣu hóa đồng thời 2 mục tiêu Ra và P...............................................116 Bảng 4.15. Kết quả thí nghiệm kiểm chứng giá trị tối ƣu hàm mục tiêu Ra, và P…..117
x DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1. Quá trình sản xuất thanh hợp kim nhôm định hình ..............................4 Hình 1.2. Nguyên lý quá trình ép chảy hợp kim nhôm .........................................5 Hình 1.3. Giản đồ pha – hợp kim nhôm ...............................................................6 Hình 1.4. Sử dụng phôi côn để thoát khí trong buồng ép khi bắt đầu ép chảy ....9 Hình 1.5. Phƣơng pháp hàn nối phôi trong vùng hàn của tấm dẫn ......................9 Hình 1.6. Phƣơng pháp hàn nối phôi trực tiếp trong buồng ép ..........................10 Hình 1.7. Các mô hình dòng chảy kim loại trong ép chảy .................................11 Hình 1.8. Mối quan hệ giữa góc và độ dài vùng kim loại đứng yên với tỷ lệ ép ....12 Hình 1.9. Mối quan hệ giữa độ dài vùng kim loại cuối hành trình và vùng kim loại đứng yên ......................................................................................................13 Hình 1.10. Vùng biến dạng khi ép ......................................................................14 Hình 1.11. Biểu đồ áp lực ép chảy thuận theo hành trình ép ..............................15 Hình 1.12. Tổ chức kim loại thay đổi trong quá trình ép ....................................16 Hình 1.13. Sơ đồ hệ thống thiết bị và khuôn ép chảy .........................................17 Hình 1.14. Hình ảnh khuôn ép chảy hợp kim nhôm ..........................................21 Hình 1.15. Cấu tạo khuôn ép thanh hợp kim nhôm ............................................21 Hình 1.16. Cấu tạo khuôn ép chảy ống hợp kim nhôm. ......................................22 Hình 1.17. Các dạng cửa khuôn trong khuôn ép chảy hợp kim nhôm ................23 Hình 1.18. Mô hình biến dạng tại bề mặt cửa khuôn khi ép (kiểu thắt lại) ........23 Hình 2.1. Độ nhám bề mặt trên sản phẩm thanh hợp kim nhôm .......................32 Hình 2.2. Vệt xám dọc và ngang trên sản phẩm ép.............................................32 Hình 2.3. Vết phồng rộp trên bề mặt sản phẩm...................................................32 Hình 2.4. Sản phẩm bị rỗ bề mặt .........................................................................33 Hình 2.5. Sản phẩm bị nứt ...................................................................................33 Hình 2.6. Sản phẩm xuất hiện hạt bám dính trên bề mặt ....................................33 Hình 2.7. Miền giới hạn vùng ép ........................................................................38 Hình 2.8. Sản phẩm bị gợn sóng, méo do vận tốc ra không đồng đều ...............40 Hình 2.9. Ma sát trong quá trình ép chảy thuận .................................................40 Hình 2.10. Mô hình ma sát bề mặt buồng ép .....................................................41 Hình 2.11. Ma sát bề mặt ở vùng cửa khuôn .....................................................42 Hình 2.12. Dòng chảy kim loại tại cửa khuôn ...................................................45
xi Hình 2.13. Bám dính hợp kim nhôm trên bề mặt cửa khuôn .............................47 Hình 2.14. Cơ chế hình thành các hạt bám dính ................................................48 Hình 2.15. Ảnh hƣởng của vật liệu phôi đến độ nhám bề mặt sản phẩm ..........50 Hình 2.16. Ảnh hƣởng của độ nhám bề mặt cửa khuôn đến độ nhám bề mặt sản phẩm 51 Hình 2.17. Ảnh hƣởng của phƣơng pháp gia công tinh bề mặt cửa khuôn đến độ nhám bề mặt sản phẩm ép chảy ..........................................................................52 Hình 2.18. Ảnh hƣởng của lớp phủ bề mặt cửa khuôn đến độ nhám bề mặt sản phẩm52 Hình 2.19. Ảnh hƣởng của vận tốc ép đến nhiệt độ bề mặt sản phẩm ...............54 Hình 3.1. Mô hình bài toán mô phỏng ảnh hƣởng của thông số hình học khuôn đến tốc độ ra của sản phẩm .................................................................................58 Hình 3.2. Sơ đồ thực hiện bài toán mô phỏng số ................................................59 Hình 3.3. Bản vẽ khuôn 6 lỗ có vị trí các cửa khuôn khác nhau .........................61 Hình 3.4. Kết quả mô phỏng khuôn 6 lỗ có vị trí các cửa khuôn khác nhau ......62 Hình 3.5. Mối quan hệ giữa vị trí cửa khuôn với vận tốc ra ở cửa khuôn ..........63 Hình 3.6. Bản vẽ khuôn 6 lỗ có độ dài cửa khuôn khác nhau .............................63 Hình 3.7. Kết quả mô phỏng vận tốc ra của sản phẩm ở các vị trí cửa khuôn có độ dài cửa khuôn khác nhau ................................................................................64 Hình 3.8. Mối quan hệ giữa tỉ lệ độ dài cửa khuôn/độ rộng cửa khuôn (L/b) với vận tốc ra sản phẩm .............................................................................................65 Hình 3.9. Bản vẽ khuôn 6 lỗ có độ rộng cửa khuôn khác nhau ..........................65 Hình 3.10. Kết quả mô phỏng vận tốc ra của sản phẩm ở các vị trí cửa khuôn có độ rộng cửa khuôn khác nhau..............................................................................66 Hình 3.11. Mối quan hệ giữa vận tốc ra của sản phẩm với độ rộng cửa khuôn..67 Hình 3.12. Bản vẽ khuôn 6 lỗ có góc nghiêng (+) cửa khuôn khác nhau ...........67 Hình 3.13. Kết quả mô phỏng vận tốc ra của sản phẩm ở các vị trí cửa khuôn có góc nghiêng (+) khác nhau ..................................................................................68 Hình 3.14. Bản vẽ khuôn 6 lỗ có góc nghiêng (-) cửa khuôn khác nhau ............69 Hình 3.15. Kết quả mô phỏng vận tốc ra của sản phẩm ở các vị trí cửa khuôn có góc nghiêng (-) cửa khuôn khác nhau .................................................................70 Hình 3.16. Mối quan hệ giữa góc cửa khuôn với vận tốc ra của sản phẩm ........70 Hình 3.17. Bản vẽ khuôn 6 lỗ có bán kính góc lƣợn cửa khuôn khác nhau........71
xii Hình 3.18. Kết quả mô phỏng vận tốc ra của sản phẩm ở các cửa khuôn có góc lƣợn cửa khuôn khác nhau...................................................................................72 Hình 3.19. Ảnh hƣởng của góc lƣợn cửa khuôn đến vận tốc ra của sản phẩm ...73 Hình 3.20. Bản vẽ khuôn 6 lỗ có độ rộng vùng dẫn khác nhau ..........................73 Hình 3.21. Kết quả mô phỏng vận tốc ra của sản phẩm ở các cửa khuôn có độ rộng vùng dẫn khác nhau.....................................................................................74 Hình 3.22. Mối quan hệ giữa tỉ lệ độ rộng vùng dẫn/độ rộng cửa khuôn với vận tốc 75 ra sản phẩm ..........................................................................................................75 Hình 3.23. Bản vẽ khuôn 6 lỗ có độ sâu vùng dẫn khác nhau ............................75 Hình 3.24. Kết quả mô phỏng vận tốc ra của sản phẩm ở các cửa khuôn có độ sâu vùng dẫn khác nhau.......................................................................................76 Hình 3.25. Mối quan hệ giữa tỉ lệ độ sâu /độ rộng vùng dẫn với vận tốc ra sản phẩm 77 Hình 3.26. Hiệu chỉnh độ rộng vùng dẫn tại các vị trí cửa khuôn để cân bằng dòng chảy ............................................................................................................79 Hình 3.27. Biên dạng thanh hợp kim nhôm ........................................................80 Hình 3.28. Bản vẽ khuôn thay đổi độ dài cửa khuôn ..........................................81 Hình 3.29. Mô phỏng số quá trình ép sản phẩm trên phần mềm Qform Extrusion .82 Hình 3.30. Kết quả mô phỏng số quá trình ép sản phẩm trên phần mềm Qfrom82 Hình 3.31. Biểu đồ mối quan hệ giữa sai lệch tốc độ dòng chảy kim loại Δh với với sự thay đổi độ dài cửa khuôn theo bán kính R ..............................................83 Hình 3.32. Bản vẽ khuôn thay đổi độ rộng vùng dẫn. ........................................84 Hình 3.33. Biểu đồ mối quan hệ giữa sai lệch tốc độ dòng chảy kim loại Δh với sự thay đổi bán kính độ rộng vùng dẫn nhôm. ....................................................85 Hình 4.1. Sơ đồ nghiên cứu thực nghiệm ...........................................................87 Hình 4.2. Mô hình quá trình ép chảy thanh hợp kim nhôm . ..............................88 Hình 4.3. Máy ép chảy hợp kim nhôm SAMWOO.............................................89 Hình 4.4. Cấu tạo của máy ép thuận ..................................................................89 Hình 4.5. Phôi hợp kim nhôm ép chảy ................................................................90 Hình 4.6. Khuôn thí nghiệm ................................................................................91 Hình 4.7. Hình ảnh hiển thị kết quả đo áp lực ép ................................................91 Hình 4.8. Hình ảnh hiển thị kết quả đo nhiệt độ phôi .........................................92 Hình 4.9. Máy đo nhám Mitutoyo SJ-400 ...........................................................92
xiii Hình 4.10. Mẫu sản phẩm thí nghiệm 1 ..............................................................99 Hình 4.11. Mối quan hệ giữa độ nhám bề mặt với tỷ lệ độ dài/độ rộng cửa khuôn. 100 Hình 4.12. Mối quan hệ giữa áp lực ép với tỷ lệ độ dài/độ rộng cửa khuôn.....101 Hình 4.13. Mẫu sản phẩm thí nghiệm 2 ............................................................102 Hình 4.14. Đồ thị quan hệ giữa Ra với các thông số Vep, Tp ............................103 Hình 4.15. Đồ thị quan hệ giữa P với các thông số Vep, Tp ..............................105 Hình 4.16. Mẫu sản phẩm thí nghiệm 3 ............................................................106 Hình 4.17. Đồ thị quan hệ giữa Ra với các thông số Vep và L/b khi Tp = 445 0C..108 Hình 4.18. Đồ thị quan hệ giữa Ra với các thông số Vep và Tp khi L/b = 2......108 Hình 4.19. Đồ thị quan hệ giữa Ra với các thông số Tp và L/b khi Vep = 5 mm/s ... 108 Hình 4.20. Đồ thị quan hệ giữa P với các thông số Vep và L/b khi Tp = 445 0C....... 111 Hình 4.21. Đồ thị quan hệ giữa P với các thông số Vep và Tp khi L/b = 2 ........111 Hình 4.22. Đồ thị quan hệ giữa P với các thông số Tp và L/b khi Vep = 5 mm/s...... 111 Hình 4.23. Đồ thị tối ƣu hóa hàm mục tiêu nhám bề mặt Ra............................114 Hình 4.24. Đồ thị tối ƣu hóa đồng thời 2 mục tiêu Ra và P ..............................116
1 MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài Thanh hợp kim nhôm định hình ngày càng đƣợc sử dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp nhƣ: vật liệu xây dựng, công nghiệp ô tô, tầu điện, hàng không, điện tử,…Vì vật liệu hợp kim nhôm có nhiều ƣu điểm nhƣ độ bền cao, khối lƣợng riêng nhỏ, không bị ôxi hóa... Một trong những công đoạn quan trọng nhất quyết định đến hình dáng và chất lƣợng của sản phẩm thanh hợp kim nhôm đó là công đoạn ép chảy phôi qua khuôn để tạo thành thanh định hình. Quá trình ép chảy, vật liệu phôi nằm trong trạng thái ứng suất nén 3 chiều nên sản phẩm đạt đƣợc chất lƣợng cao về mặt cơ tính. Vì vậy công nghệ ép chảy đƣợc sử dung rộng rãi trong thời gian gần đây để sản xuất các chi tiết dạng thanh, ống. Trong công nghệ ép chảy, khuôn đóng một vai trò rất quan trọng, đặc biệt là thông số hình học cửa khuôn ảnh hƣởng trực tiếp đến độ chính xác về kích thƣớc, vị trí tƣơng quan, hình dáng hình học cũng nhƣ chất lƣợng bề mặt sản phẩm. Bên cạnh đó các thông số công nghệ của quá trình ép nhƣ vận tốc ép, nhiệt độ phôi...cũng ảnh hƣởng trực tiếp đến chất lƣợng sản phẩm, tuổi bền của khuôn, năng suất, giá thành sản phẩm. Trên thế giới đã có nhiều công trình nghiên cứu các vấn đề về khuôn ép chảy nhƣ: Vật liệu khuôn, thiết kế khuôn, chế tạo khuôn, xử lý bề mặt khuôn, sửa khuôn...Nhƣng các công trình công bố nghiên cứu chuyên sâu đánh giá ảnh hƣởng của các thông số hình học của khuôn đến chất lƣợng sản phẩm trong một số trƣờng hợp cụ thể còn chƣa đầy đủ. Các nghiên cứu về ảnh hƣởng của chế độ ép gồm nhiệt độ phôi và vận tốc ép đến chất lƣợng bề mặt sản phẩm vẫn ít đƣợc công bố, đặc biệt là ở Việt nam. Do đó nghiên cứu ảnh hƣởng của thông số hình học của khuôn và chế độ ép đến chất chất lƣợng sản phẩm là cần thiết góp phần tạo ra các bộ khuôn có chất lƣợng tốt hơn, xác định chế độ ép hợp lý hơn để nâng cao hơn nữa chất lƣợng sản phẩm ép chảy. Vì vậy, tác giả lựa chọn đề tài luận án „Nghiên cứu ảnh hưởng của một số thông số hình học khuôn và thông số công nghệ đến chất lượng sản phẩm khi ép chảy hợp kim nhôm‟.
2 2. Mục đích nghiên cứu của luận án - Nghiên cứu ảnh hƣởng một số thông số hình học của khuôn đến độ chính xác về hình dáng hình học thanh hợp kim nhôm, qua đó xác định đƣợc bộ thông số hình học của khuôn hợp lý đáp ứng yêu cầu về hình dáng hình học thanh hợp kim nhôm. - Nghiên cứu ảnh hƣởng của một số thông số hình học khuôn và thông số công nghệ đến độ nhám bề mặt sản phẩm ép chảy và áp lực ép, qua đó xác định đƣợc thông số hình học khuôn và thông số công nghệ ép chảy hợp lý để nâng cao chất lƣợng bề mặt sản phẩm thanh hợp kim nhôm và hiệu quả sử dụng thiết bị. 3. Đối tƣợng, phạm vi nghiên cứu * Đối tƣợng nghiên cứu - Công nghệ ép chảy hợp kim nhôm (sản phẩm ép dạng thanh có mặt cắt 70x5 mm, vật liệu AA6061) trên máy ép chảy thuận. - Khuôn ép chảy làm bằng vật liệu SKD61. * Phạm vi nghiên cứu - Nghiên cứu ảnh hƣởng của một số thông số hình học khuôn đến độ chính xác về hình dáng hình học thanh hợp kim nhôm bằng mô phỏng số trên phần mềm Qform Extrusion. - Nghiên cứu ảnh hƣởng của vận tốc ép, nhiệt độ phôi, độ dài cửa khuôn đến độ nhám bề mặt sản phẩm và áp lực ép. 4. Phƣơng pháp nghiên cứu Sử dụng phƣơng pháp nghiên cứu lý thuyết kết hợp thực nghiệm: - Nghiên cứu lý thuyết ảnh hƣởng của một số yếu tố đến độ chính xác hình dáng hình học và độ nhám bề mặt sản phẩm thanh hợp kim nhôm ép chảy. - Nghiên cứu mô phỏng số xác định ảnh hƣởng một số thông số hình học của khuôn đến độ chính xác về hình dáng hình học thanh hợp kim nhôm ép chảy. - Nghiên cứu thực nghiệm xác định mối quan hệ: độ dài cửa khuôn, chế độ ép với độ nhám bề mặt sản phẩm thanh hợp kim nhôm và áp lực ép. - Quá trình nghiên cứu sử dụng máy đo nhám để đo kết quả độ nhám bề mặt sản phẩm, ứng dụng phần mềm mô phỏng số Qform Extrusion để phân tích quá trình ép chảy, phần mềm Excel, Minitab để xử lý dữ liệu…
3 5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn - Ứng dụng mô phỏng số làm sáng tỏ quy luật ảnh hƣởng của một số thông số hình học khuôn đến dòng chảy kim loại của quá trình ép chảy, là cơ sở cho quá trình thiết kế khuôn đảm bảo cân bằng dòng chảy kim loại nhằm đạt đƣợc độ chính xác về hình dáng hình học sản phẩm và giảm số lần phải sửa khuôn trong sản xuất. - Tiến hành thực nghiệm xây dựng đƣợc hàm quan hệ phụ thuộc giữa của độ dài cửa khuôn và thông số công nghệ ép đến độ nhám bề mặt của sản phẩm và áp lực ép, từ đó xác định đƣợc bộ thông số độ dài cửa khuôn, chế độ ép hợp lý để nâng cao chất lƣợng bề mặt sản phẩm và hiệu quả sử dụng thiết bị. - Kết quả nghiên cứu có thể làm tài liệu tham khảo cho quá trình thiết kế khuôn và lựa chọn thông số công nghệ ép để nâng cao chất lƣợng sản phẩm ép chảy hợp kim nhôm tại các cơ sở sản xuất. 6. Những đóng góp mới của luận án - Đánh giá đƣợc ảnh hƣởng của các thông số hình học khuôn bao gồm: vị trí, độ dài, độ rộng, góc nghiêng, bán kính góc lƣợn cửa khuôn; độ sâu, độ rộng vùng dẫn đến vận tốc dòng chảy kim loại ra khỏi cửa khuôn bằng kỹ thuật mô phỏng số, làm cơ sở cho quá trình cân bằng dòng chảy kim loại khi thiết kế khuôn nhằm đảm bảo độ chính xác hình dáng hình học của sản phẩm ép chảy. - Sử dụng phƣơng pháp thực nghiệm, xây dựng đƣợc hàm quan hệ phụ thuộc giữa vận tốc chày ép, nhiệt độ phôi và tỉ lệ độ dài/độ rộng cửa khuôn đến độ nhám bề mặt thanh hợp kim nhôm và áp lực ép khi ép chảy hợp kim nhôm. - Giải bài toán tối ƣu hoá đơn mục tiêu, xác định đƣợc bộ thông số vận tốc chày ép, nhiệt độ phôi, tỷ lệ độ dài/độ rộng cửa khuôn tối ƣu đảm bảo chỉ tiêu độ nhám bề mặt nhỏ nhất. - Giải bài toán tối ƣu hoá đa mục tiêu, xác định bộ thông số: vận tốc ép, nhiệt độ phôi, tỷ lệ độ dài/độ rộng cửa khuôn đảm bảo đồng thời 2 chỉ tiêu độ nhám bề mặt sản phẩm và áp lực ép là nhỏ nhất góp phần nâng cao chất lƣợng sản phẩm và hiệu quả sử dụng thiết bị. 7. Bố cục của luận án Bố cục của luận án ngoài phần mở đầu, kết luận, gồm 4 chƣơng: Chƣơng 1: Tổng quan về công nghệ ép chảy hợp kim nhôm. Chƣơng 2: Cơ sở lý thuyết ảnh hƣởng của một số yếu tố đến chất lƣợng sản phẩm khi ép chảy hợp kim nhôm. Chƣơng 3: Nghiên cứu ảnh hƣởng của thông số hình học khuôn đến độ chính xác hình dáng hình học sản phẩm bằng mô phỏng số. Chƣơng 4: Nghiên cứu thực nghiệm ảnh hƣởng của độ dài cửa khuôn, chế độ ép đến độ nhám bề mặt sản phẩm và áp lực ép.
4 CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ ÉP CHẢY HỢP KIM NHÔM 1.1. Quá trình công nghệ ép chảy thanh hợp kim nhôm Các thanh hợp kim nhôm ngày càng đƣợc sử dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp nhƣ: vật liệu xây dựng, ô tô, tầu điện, hàng không, điện tử,…vì vật liệu hợp kim nhôm có nhiều ƣu điểm nhƣ độ bền cao, khối lƣợng riêng nhỏ, không bị ôxi hóa... Để sản xuất thanh hợp kim nhôm phải qua nhiều quá trình công nghệ nhƣ: chế tạo phôi (nhôm thỏi dài), cắt thành thỏi ngắn, gia nhiệt, ép ra nhôm thanh, làm nguội, xử lý nhiệt, xử lý bề mặt…(hình 1.1) [12]. Hình 1.1. Quá trình sản xuất thanh hợp kim nhôm định hình [12]. Một trong những quá trình công nghệ quan trọng quyết định đến hình dáng và chất lƣợng của sản phẩm thanh hợp kim nhôm đó là công đoạn ép chảy phôi qua khuôn (ép ra nhôm thanh) để tạo thành thanh hợp kim nhôm định hình [12]. Ép chảy là một quá trình biến dạng dẻo phôi kim loại đƣợc ép đùn qua cửa khuôn có diện tích mặt cắt ngang nhỏ hơn so với tiết diện phôi (hình 1.2). Để quá trình ép
5 chảy diễn ra dễ dàng, phôi hợp kim nhôm phải đƣợc nung nóng đến nhiệt độ cần thiết ở trạng thái gia công nóng nhằm giảm trở lực biến dạng [16,17,18, 33,58]. Hình 1.2. Nguyên lý quá trình ép chảy hợp kim nhôm [16,17,18, 33,58] 1. Chày ép; 2. buồng ép ; 3. Phôi; 4. Khuôn; 5. Sản phẩm Ép chảy hợp kim nhôm là phƣơng pháp chế tạo ra các sản phẩm dạng ống, thanh có mặt cắt phức tạp với độ dài tùy ý. Quá trình ép chảy có trạng thái ứng suất nén 3 chiều nên sản phẩm đạt đƣợc chất lƣợng cao về mặt cơ tính. Đó là ƣu điểm nổi bật của phƣơng pháp ép chảy so với các phƣơng pháp chế tạo khác [58]. Tuy nhiên, quá trình ép chảy cần một áp lực ép lớn đòi hỏi thiết bị phải có lực ép danh nghĩa lớn. Phần lớn các vật liệu khi ép đều cần phải có thiết bị gia nhiệt, vì vậy hệ thống thiết bị cho quá trình ép chảy cũng khá phức tạp. 1.2. Vật liệu hợp kim nhôm Ép chảy sản phẩm từ hợp kim nhôm chiếm tỷ trọng cao trong lĩnh vực ép chảy. Hợp kim nhôm là hỗn hợp của nhôm với các nguyên tố khác: Cu, Mn, Si, Mg, Zn. Hợp kim nhôm chia ra 2 loại: hợp kim nhôm biến dạng và hợp kim nhôm đúc. - Hợp kim nhôm biến dạng: là hợp kim nhôm có thành phần với hàm lƣợng thấp nguyên tố hợp kim (bên trái điểm C, C` nhƣ hình 1.3). Hợp kim nhôm biến dạng đƣợc dùng khá phổ biến. Biến dạng với 2 mục đích: biến dạng tạo hình và biến dạng làm thay đổi tổ chức dẫn tới làm thay đổi tính chất của hợp kim. Hợp kim nhôm biến dạng lại đƣợc chia làm 2 loại: + Hợp kim nhôm biến dạng hóa bền bằng nhiệt luyện: là loại chứa nhiều nguyên tố hợp kim hơn (từ điểm F tới điểm C, C` nhƣ hình 1.3), có sự chuyển pha khi