Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật vật liệu: Nghiên cứu ảnh hưởng của một số thông số công nghệ cơ bản đến quá trình tạo hình chi tiết phức tạp bằng phương pháp ép chảy ngang

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:114

Thêm vào BST

Báo xấu

23
lượt xem 5
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục đích của luận án nhằm nghiên cứu ảnh hưởng của một số thông số công nghệ cơ bản đến quá trình ép chảy ngang để tạo hình các chi tiết có hình dạng phức tạp từ vật liệu đồng chất và vật liệu hai lớp cũng như cơ chế gây phá hủy khi tạo hình vật liệu hai lớp.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật vật liệu: Nghiên cứu ảnh hưởng của một số thông số công nghệ cơ bản đến quá trình tạo hình chi tiết phức tạp bằng phương pháp ép chảy ngang

LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan bản luận án này là công trình nghiên cứu khoa học của tôi và không trùng lặp với bất kỳ công trình khoa học nào khác. Các kết quả và số liệu trình bày trong luận án hoàn toàn trung thực và kết quả nghiên cứu trong luận án chưa từng được công bố trên bất kỳ công trình nào khác ngoài công trình của tác giả. Hà Nội, ngày tháng năm 2020 T/M tập thể hướng dẫn khoa học Nghiên cứu sinh PGS. TS Lê Thái Hùng Đỗ Quang Long i
LỜI CẢM ƠN Tác giả luận án xin chân thành cảm ơn trường Đại học Bách khoa Hà Nội, Phòng Đào tạo, Viện Khoa học và Kỹ thuật Vật liệu và Bộ môn Cơ học vật liệu và Cán kim loại đã tạo mọi điều kiện thuận lợi, động viên khích lệ tôi trong quá trình học tập cũng như thực hiện đề tài nghiên cứu này. Tôi xin chân thành cảm ơn PGS.TS. Lê Thái Hùng và PGS.TS Đinh Văn Hải đã tận tình hướng dẫn và đóng góp những ý kiến quí giá trong quá trình tôi thực hiện luận án. Những kết quả nghiên cứu đạt được là nhờ sự giúp đỡ tận tình của các Thầy cô giáo Viện Khoa học và Kỹ thuật Vật liệu, Bộ môn Cơ học vật liệu và Cán kim loại, Bộ môn Gia công áp lực – Viện Cơ khí, Viện tiêu chuẩn Chất lượng Việt Nam, Viện tên lửa, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam. Tác giả xin gửi lời cảm ơn chân thành tới gia đình, người thân, bạn bè và đồng nghiệp đã giúp đỡ, động viên tinh thần trong suốt quá trình thực hiện luận án này. Hà Nội, ngày tháng năm 2020 Tác giả luận án Đỗ Quang Long ii
MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ............................................................................................................. i LỜI CẢM ƠN .................................................................................................................. ii MỤC LỤC....................................................................................................................... iii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT ..................................................... vi DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ ....................................................................... viii DANH MỤC CÁC BẢNG ............................................................................................ xiv MỞ ĐẦU .......................................................................................................................... 1 CHƯƠNG 1 ..................................................................................................................... 5 TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU ........................................................................ 5 1.1. Giới thiệu chung về ép chảy ..................................................................................... 5 1.2. Công nghệ ép chảy ngang ......................................................................................... 6 1.2.1. Nguyên lý của quá trình công nghệ ép chảy ngang ............................................... 7 1.2.2. Sản phẩm ép chảy ngang ...................................................................................... 8 1.3. Các công trình nghiên cứu về ép chảy ngang .......................................................... 8 1.3.1. Các nghiên cứu về công nghệ ép chảy ngang vật liệu đồng chất............................ 8 1.3.2. Các nghiên cứu về công nghệ ép chảy ngang vật liệu nhiều lớp .......................... 15 1.4. Kết luận chương 1................................................................................................... 20 CHƯƠNG 2 ................................................................................................................... 22 CƠ SỞ LÝ THUYẾT QUÁ TRÌNH ÉP CHẢY ........................................................... 22 2.1. Trường vận tốc khi ép chảy ngang......................................................................... 22 2.2. Lực ép...................................................................................................................... 24 2.3. Các thông số công nghệ chính ảnh hưởng đến quá trình ép chảy......................... 28 2.3.1. Ma sát trong quá trình ép chảy............................................................................ 28 2.3.2. Nhiệt độ ép chảy ................................................................................................ 33 2.3.3. Hệ số ép chảy ..................................................................................................... 34 2.3.4. Ứng suất chảy dẻo của vật liệu ........................................................................... 35 2.3.5. Vận tốc ép chảy .................................................................................................. 35 2.4. Ảnh hưởng của dòng chảy vật liệu ......................................................................... 36 2.5. Các dạng khuyết tật, phá hủy trong quá trình ép chảy......................................... 38 iii
2.5.1. Nứt bề mặt sản phẩm .......................................................................................... 38 2.5.2. Nứt ở tâm ........................................................................................................... 39 2.5.3. Hiện tượng giòn nóng......................................................................................... 40 2.6. Kết luận chương 2................................................................................................... 40 CHƯƠNG 3 ................................................................................................................... 41 NGHIÊN CỨU QUÁ TRÌNH ÉP CHẢY NGANG TRỤC CHỮ THẬP BẰNG MÔ PHỎNG SỐ.................................................................................................................... 41 3.1. Giới thiệu khớp chữ thập ....................................................................................... 41 3.2. Mô phỏng quá trình ép chảy ngang sản phẩm trục chữ thập bằng vật liệu đồng chất ................................................................................................................................. 42 3.2.1. Mô hình hình học ............................................................................................... 42 3.2.2. Mô hình phần tử hữu hạn.................................................................................... 44 3.2.3. Mô hình hành vi cơ – nhiệt của vật liệu .............................................................. 44 3.2.4. Điều kiện biên .................................................................................................... 45 3.2.5. Kết quả mô phỏng quá trình ép trục chữ thập bằng vật liệu đồng chất................. 45 3.3. Mô phỏng số quá trình ép chảy ngang trục chữ thập từ vật liệu hai lớp.............. 53 3.3.1. Mô hình hình học ............................................................................................... 53 3.3.2. Mô hình phần tử hữu hạn.................................................................................... 53 3.3.3. Mô hình vật liệu ................................................................................................. 53 3.3.4. Điều kiện mô phỏng ........................................................................................... 55 3.3.5. Kết quả mô phỏng quá trình ép trục chữ thập từ phôi 02 lớp ............................... 55 3.4. Nghiên cứu cơ chế phá hủy khi ép chảy ngang trục chữ thập từ vật liệu hai lớp nhôm - chì ở trạng thái nguội........................................................................................ 65 3.4.1. Thiết lập bài toán................................................................................................ 65 3.4.2. Mô hình vật liệu nhôm Al-5052.......................................................................... 66 3.4.3. Kết quả mô phỏng cơ chế phá hủy khi ép chảy ngang vật liệu nhiều lớp ............. 72 3.5. Nghiên cứu bài toán ép chảy đối xứng hai chiều trục chữ thập ............................ 77 3.6. Kết luận chương 3................................................................................................... 80 CHƯƠNG 4 ................................................................................................................... 81 THỰC NGHIỆM KIỂM CHỨNG ÉP CHẢY NGANG TRỤC CHỮ THẬP ............. 81 4.1. Ép chảy ngang trục chữ thập từ phôi thép ............................................................ 81 4.1.1. Vật liệu thí nghiệm ............................................................................................. 81 4.1.2. Thiết bị thí nghiệm ............................................................................................. 82 4.1.3. Khuôn – hệ thống gia nhiệt khuôn và chày ép ..................................................... 83 iv
4.1.4. Trình tự thí nghiệm và điều kiện công nghệ ép ................................................... 84 4.1.5. Kết quả thực nghiệm .......................................................................................... 86 4.2. Ép chảy nguội trục chữ thập từ phôi hai lớp nhôm – chì ...................................... 89 4.2.1. Điều kiện thí nghiệm .......................................................................................... 89 4.2.2. Kết quả thực nghiệm .......................................................................................... 90 4.2.3. So sánh kết quả mô phỏng và thực nghiệm ......................................................... 90 4.3. Kết luận chương 4................................................................................................... 91 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ....................................................................................... 92 TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................................. 94 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN ........................ 100 v
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Ký hiệu Tên gọi Thứ nguyên Ff Lực ma sát N P Lực ép Tấn o T Nhiệt độ ép chảy C o T0 Nhiệt độ của phôi ép C o T1 Nhiệt độ của khuôn C ER Hệ số ép chảy 𝝉 Ứng suất trượt MPa f Hệ số ma sát m* Hệ số nhạy cảm với tốc độ biến dạng VR Vận tốc chày ép mm/s VE Vận tốc ép chảy mm/s s Hành trình chày ép mm f Hệ số ma sát N Lực pháp tuyến N n Số lỗ thoát phôi đối xứng K Độ bền cắt của vật liệu MPa AR Diện tích tiếp xúc thực mm2 AC Diện tích mặt cắt ngang của phôi mm2 AE Diện tích mặt cắt ngang của sản phẩm mm2 PD Áp lực yêu cầu cho quá trình biến dạng dẻo N PF Áp lực yêu cầu vượt qua ma sát giữa phôi và buồng ép N pr Áp lực hướng kính N Pr Áp lực để vượt qua ứng suất dư N eeq Biến dạng tương đương von-Mises seq Ứng suất tương đương von-Mises MPa s0 Ứng suất chảy MPa sp Ứng suất chảy dẻo MPa 𝜺#̇ Tốc độ biến dạng tương đương s-1 𝜺#𝟎̇ Tốc độ biến dạng tham chiếu s-1 ef Biến dạng phá hủy vi
ep Biến dạng dẻo 𝜺# Biến dạng tương đương D Đường kính phôi ban đầu mm L(H) Chiều dài (chiều cao) phôi mm L’ Chiều dài vùng thoát phôi mm a Góc ép chảy o Fp Lực của máy ép N Fr Lực yêu cầu cho quá trình ép chảy N p Áp suất thủy tĩnh MPa Ps Áp suất riêng MPa A1 Diện tích mặt cắt xi lanh chính mm2 A2 Diện tích mặt cắt mỗi xi lanh bên mm2 R Bán kính góc lượng khuôn mm A, B, n Các hệ số của mô hình chảy dẻo Johnson-cook D1, D2, D3, Các hệ số của mô hình phá hủy Johnson - Cook D4, D5 𝝈𝒎 Chỉ số ba chiều của ứng suất 𝝈∗ = 𝝈𝒆𝒒 sm, seq Ứng suất thủy tĩnh và ứng suất tương đương von-Mises MPa sxx, syy, szz Các thành phần ứng suất pháp MPa txy, tyz, tzx Các thành phần ứng suất tiếp MPa R, R1 Bán kính mẫu trước và sau khi kéo mm a, a1 Đường kính phần thắt mẫu ban đầu và sau khi đứt mm JCCRT (D) Chỉ số phá hủy vô hướng Johnson-Cook d Chiều dày lớp vỏ của phôi hai lớp mm l Hệ số truyền nhiệt W/m.K t Thời gian s Ux Chuyển vị theo phương x mm Uy Chuyển vị theo phương y mm vx,nh; vx,ch Vận tốc của nhôm và chì theo hướng x mm/s vy,nh; vy,ch Vận tốc của nhôm và chì theo hướng y mm/s vii
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 1.1. Sơ đồ phân loại quá trình công nghệ ép chảy ...................................................... 5 Hình 1.2. Sơ đồ nguyên lý ép chảy nghịch (a), ép chảy thuận – thủy tĩnh (b) và ép chảy ngang (c)...................................................................................................................................... 5 Hình 1.3. Mặt cắt dọc chi tiết trục bậc rỗng chế tạo bằng phương pháp ép chảy ................. 6 Hình 1.4. Hướng tác dụng của lực và hướng chảy của vật liệu trong ép chảy ngang ........... 7 Hình 1.5. Nguyên lý ép chảy ngang, [4]............................................................................. 7 Hình 1.6. Một số sản phẩm của công nghệ ép chảy ngang .................................................. 8 Hình 1.7. So sánh lực ép giữa thực nghiệm và lý thuyết với hai loại thanh chốt 2 và 4 nhánh khi ép chảy ngang, [5]. ...................................................................................................... 9 Hình 1.8. Hiện tượng hư hại khi ép chảy ngang khớp chữ thập rỗng, [6-7]......................... 9 Hình 1.9. So sánh mô phỏng và thực nghiệm chi tiết rãnh then, [8] .................................. 10 Hình 1.10. Ảnh hưởng của số rãnh và đường kính phôi đến lực ép lớn nhất, [8]............... 10 Hình 1.11. Sản phẩm bánh răng trụ răng thẳng, [10] ........................................................ 11 Hình 1.12. a) Đồ thị lực-hành trình ép giữa mô phỏng và thực nghiệm với ma sát 0.04 và đường kính phôi 20mm. b) Phân bố biến dạng trong ba trường hợp khe hở kênh khác nhau, [11] ................................................................................................................................. 11 Hình 1.13. Các dạng sản phẩm ép chảy ngang đã được nghiên cứu [12]........................... 12 Hình 1.14. Thông số hình học cho hai sản phẩm ép chảy ngang, [16] .............................. 13 Hình 1.15. Đồ thị lực ép – mức độ điền đầy khuôn trong hai trường hợp hình dạng rãnh nhọn và rãnh tù, [16] ................................................................................................................ 13 Hình 1.16. Sản phẩm ép chảy nhận được trong 2 trường hợp HD A và HD B, [16] .......... 14 Hình 1.17. So sánh giữa mô phỏng và thực nghiệm trong 02 trường hợp HD A và HD B, [16] ................................................................................................................................. 14 Hình 1.18. Khuôn chế tạo chi tiết bánh răng trụ răng thẳng 2 nhánh và 4 nhánh a) khuôn dập khối, b) khuôn ép chảy ngang, [17].................................................................................. 14 Hình 1.19. Sơ đồ phát triển vi mô liên kết tại ranh giới sau khi ép chảy và ủ khuếch tán giữa thép AISI1020 và thép SUS304. P- peclite, A- austenite, F- ferrite, MxCy - Cr-rich carbides, [40] ................................................................................................................................. 16 Hình 1.20. Mô hình và vật liệu ép chảy nghịch bimetal Al-Fe, [43] ................................. 17 Hình 1.21. a) hình dạng phôi biến dạng trong quá trình ép chảy; b)Mặt cắt ngang phôi với các độ dày lớp vỏ khác nhau, [43].................................................................................... 17 Hình 1.22. Ảnh cấu trúc vùng tiếp xúc giữa nhôm và hợp kim magiê khi nhiệt độ tăng từ 380oC (a) lên 420oC (b), [44] ........................................................................................... 18 viii
Hình 1.23. Mặt cắt dọc mẫu sau các chế độ chồn 15%, 30%, 40%, [45] ........................... 18 Hình 1.24. So sánh mô phỏng và thực nghiệm với lượng ép 40%: a) thép và đồng thau, b) thép và đồng đỏ, [45] ....................................................................................................... 18 Hình 1.25. a) phôi kim loại 02 lớp 41Cr4 và C22.8 đồng trục chế tạo bằng phương pháp ghép hàn; b) bánh răng côn 02 lớp sau khi mô phỏng và c) sau khi dập nóng, [46] ................... 19 Hình 1.26. a) mặt cắt phôi trước khi dập nóng; b) sau khi dập nóng bánh răng côn, [46] .. 19 Hình 1.27. Quá trình dập khối nguội bánh răng lõi chì, vỏ đồng với các chiều dày lớp vỏ khác nhau a)2mm, b)4mm, c)6mm, [47] .......................................................................... 20 Hình 1.28. Các giai đoạn chế tạo chi tiết vật liệu hai lớp vỏ Al, lõi Magiê: a) phôi ép chảy, b) dập tạo đầu, c) dập chính xác chi tiết, [48] ................................................................... 20 Hình 2.1. Sơ đồ quá trình ép chảy ngang dạng khớp bốn nhánh (a), ................................. 22 các vùng biến dạng (b), [4,5] ........................................................................................... 22 Hình 2.2. So sánh áp lực khi ép chảy, [3] ......................................................................... 24 Hình 2.3. Sơ đồ xác định biến dạng dư trong quá trình ép chảy [2] .................................. 26 Hình 2.4. Sơ đồ máy ép chảy thuận, [2] ........................................................................... 27 Hình 2.5. Áp suất riêng phần, [2] ..................................................................................... 27 Hình 2.6. Ảnh hưởng của các thông số chính đến sản phẩm ép chảy, [2].......................... 28 Hình 2.7. Ma sát trong quá trình ép chảy thuận, [2] ......................................................... 29 Hình 2.8. Ma sát trong quá trình ép chảy nghịch [2] ........................................................ 29 Hình 2.9. Ma sát trong quá trình ép chảy ngang ............................................................... 30 Hình 2.10. Sơ đồ ép chảy thuận (a) và ép chảy nghịch (b) với các thành phần lực tác dụng lên phôi và khuôn, [2]...................................................................................................... 31 Hình 2.11. Mô hình ma sát trong quá trình ép chảy thuận. a) AR < AA, b) AR=AA, p=𝝈 [2] ........................................................................................................................................ 32 Hình 2.12. Các thông số công nghệ chính trong ép chảy, [2]............................................ 35 Hình 2.13. Dòng chảy vật liệu trong quá trình ép: a) ép chảy nghịch không có ma sát, b) ép chảy nghịch có bôi trơn, c) ép chảy thuận có bôi trơn, d) ép chảy thuận không bôi trơn-hư hại [1].............................................................................................................................. 37 Hình 2.14. So sánh giữa dòng chảy mô phỏng (a) và thực nghiệm (b) [2] ........................ 37 Hình 2.15. Vết nứt ở bề mặt [3] ....................................................................................... 38 Hình 2.16. Ảnh hưởng của nhiệt độ đến chất lượng bề mặt khi ép chảy ........................... 39 hợp kim nhôm AA2014 [1].............................................................................................. 39 Hình 2.17. Hiện tượng bị nứt ở tâm (Chevron) sản phẩm ép chảy sản phẩm tròn [3] ........ 39 Hình 2.18. Hiện tượng giòn nóng khi ép chảy nhôm [3]................................................... 40 ix
Hình 3.1. Trục chữ thập bằng thép và lắp ghép trong trục các-đăng ................................. 41 Hình 3.2. Kích thước trục chữ thập (a); mô hình trục chữ thập 3D (b).............................. 42 Hình 3.3. Kích thước của khuôn dưới .............................................................................. 42 Hình 3.4. Kích thước của khuôn trên ............................................................................... 43 Hình 3.5. Kích thước của chày ép .................................................................................... 43 Hình 3.6. Mô hình thiết kế 3D (a) và mô hình phần tử hữu hạn (b) .................................. 43 Hình 3.7. Hình dạng sản phẩm nhận được sau mô phỏng số............................................. 45 Hình 3.8. Đồ thị phân bố lực và quá trình biến dạng của phôi khi ép chảy ngang khớp chữ thập với nhiệt độ phôi ban đầu To = 1100 oC, v =5 mm/s, ma sát f = 0.3. ......................... 46 Hình 3.9. Ảnh hưởng của vận tốc ép chảy đến lực ép tại nhiệt độ To = 1100 oC, f = 0.3 ... 47 Hình 3.10. Ảnh hưởng của nhiệt độ ép đến lực ép với ba nhiệt độ khác nhau: .................. 48 To = 900 oC, 1000 oC và 1100 oC, v = 5 mm/s, f = 0.3...................................................... 48 Hình 3.11. Lực ép – hành trình có tính đến ảnh hưởng của truyền nhiệt tại các nhiệt độ khác nhau T = 900 oC, 1000 oC và 1100 oC .............................................................................. 48 Hình 3.12. Sự thay đổi nhiệt độ phôi trong quá trình ép tại T = 900 oC, f = 0.3; v = 5 mm/s ........................................................................................................................................ 49 Hình 3.13. Trường nhiệt độ của phôi trong quá trình ép tại T = 1000oC, f = 0.3; v = 5mm/s ........................................................................................................................................ 49 Hình 3.14. Trường nhiệt độ của phôi trong quá trình ép tại T = 1100oC, f = 0.3; v = 5mm/s ........................................................................................................................................ 50 Hình 3.15. Trường nhiệt độ của khuôn và chày ép ........................................................... 50 Hình 3.16. Trường ứng suất tương đương theo các hành trình.......................................... 51 với điều kiện v = 5 mm/s, To = 1100 oC, f = 0.3 ............................................................... 51 Hình 3.17. Trường biến dạng quá trình điền đầy phôi vào lòng khuôn ............................. 52 với điều kiện v = 5 mm/s, To = 1100 oC, f = 0.3 ............................................................... 52 Hình 3.18. Trường gradient vận tốc theo hành trình ép .................................................... 52 Hình 3.19. Phôi ghép hai lớp với chiều dày lớp vỏ d = 1, 2 và 3 mm................................ 53 Hình 3.20. Mô hình phần tử hữu hạn của bài toán mô phỏng ........................................... 53 sản phẩm trục chữ thập hai lớp ........................................................................................ 53 Hình 3.22. Đường cong lực - hành trình và lưới biến dạng tương đương .......................... 55 của phôi trong trường hợp v=5mm/s, f=0.3, d = 1mm, To = 1100oC................................. 55 Hình 3.23. Trường ứng suất tương đương theo các giai đoạn khác nhau........................... 56 trong trường hợp v =5 mm/s, d =2 mm, f = 0.3, To = 1100 oC .......................................... 56 x
Hình 3.24. Trường biến dạng tương đương theo các giai đoạn khác nhau......................... 57 trong trường hợp v =5 mm/s, d =2 mm, f = 0.3, To = 1100 oC .......................................... 57 Hình 3.25. Dòng chảy của kim loại với véc tơ chuyển vị trong quá trình ép chảy ngang trong trường hợp v =5 mm/s, d = 2 mm, f = 0.3, To = 1100 oC .................................................. 58 Hình 3.26. Dòng chảy của kim loại với véc tơ vận tốc trong quá trình ép chảy ngang ...... 58 trong trường hợp v =5 mm/s, d =2 mm, f = 0.3, To = 1100 oC .......................................... 58 Hình 3.27. Ảnh hưởng của nhiệt độ đến lực ép khi chiều dày lớp vỏ d = 1 mm ................ 59 Hình 3.28. Trường nhiệt độ trong quá trình ép vật liệu hai lớp, ........................................ 60 d = 2 mm, T = 1100 oC, f = 0.3, v = 5 mm/s ................................................................... 60 Hình 3.29. Trường ứng suất trong quá trình ép vật liệu hai lớp, ....................................... 60 d = 2 mm, T = 1100 oC, f = 0.3, v = 5 mm/s .................................................................... 60 Hình 3.30. Nhiệt độ của chày ép và khuôn trong trường hợp ép vật liệu hai lớp, .............. 60 d = 2 mm, T = 1100 oC, f = 0.3, v = 5 mm/s. ................................................................... 60 Hình 3.31. Ảnh hưởng của chiều dày lớp vỏ đến lực ép trong trường hợp To = 1100 oC, f = 0.3, v = 5 mm/s................................................................................................................ 61 Hình 3.32. Biến dạng của phôi khi thay đổi chiều dày lớp vỏ thép C45 ............................ 62 Hình 3.33. Trạng thái ứng suất và chỉ số phá hủy vô hướng J-C khi ép ............................ 62 trục chữ thập hai lớp với d = 1 mm, To = 900 oC, f = 0.3, v =5 mm/s ............................... 62 Hình 3.34. Sản phẩm 3D trục chữ thập ............................................................................ 63 với điều kiện ép To = 900 oC, f = 0.3, v=5 mm/s, d = 1 mm ............................................. 63 Hình 3.35. Chỉ số phá hủy vô hướng theo hành trình ép khi ép chảy trục chữ thập ........... 63 với điều kiện ép To = 900 oC, f = 0.3, v=5 mm/s, d = 2 mm ............................................. 63 Hình 3.36. Chỉ số phá hủy vô hướng (a) và lưới biến dạng (b) khi ép chảy trục chữ thập . 64 chữ thập với điều kiện ép To = 900 oC, f = 0.3, v=5 mm/s, d = 3 mm ............................... 64 Hình 3.37. Chỉ số phá hủy vô hướng khi ép chảy trục chữ thập với điều kiện ép To = 1000 o C, f = 0.3, v=5 mm/s, d = 1, 2 và 3 mm .......................................................................... 64 Hình 3.38. Chỉ số phá hủy vô hướng khi ép chảy trục chữ thập với điều kiện ép To = 1100 o C, f = 0.3, v=5 mm/s, d = 1, 2 và 3 mm .......................................................................... 65 Hình 3.39. Mẫu kéo đơn của nhôm Al-5052 a) trước khi kéo, b) sau khi kéo ................... 66 Hình 3.40. Đường cong ứng suất thực – biến dạng thực của nhôm Al-5052 ..................... 67 Hình 3.41. Sử dụng phần mềm Mathlab để lấy đường tương hợp gần đúng 𝝈𝒑 = 𝝈𝒑 -𝜺𝒑 . 68 xi
Hình 3.42. a) mối quan hệ giữa biến dạng phá hủy 𝜺𝑓 và chỉ số ứng suất ba chiều 𝝈* [70-72]; b) Kích thước mẫu kéo ban đầu (nét đứt) và sau khi biến dạng (nét liền). ........................ 69 Hình 3.43. Mẫu thử kéo để nghiên cứu phá hủy ............................................................... 69 Hình 3.44. Mẫu thử phá hủy sau khi kéo đứt.................................................................... 70 Hình 3.45. Mối quan hệ giữa mức độ biến dạng phá hủy và chỉ số ứng suất ..................... 71 a) Đường thực nghiệm; b) đường tương hợp gần đúng ..................................................... 71 Hình 3.46. Mô hình mô phỏng bài toán ép chảy ngang .................................................... 72 Hình 3.47. Phân bố ứng suất tương đương theo hành trình chày ép .................................. 73 Hình 3.48. Phân bố ứng suất pháp σxx, σyy, σzz trên các phần tử của phôi ......................... 73 khi hành trình chày ép là 16 mm; (đơn vị ứng suất là Pa) ................................................. 73 Hình 3.49. Phân bố ứng suất tiếp τxy, τxz, τyz trên các phần tử của phôi ............................. 73 khi hành trình chày ép là 16 mm; (đơn vị ứng suất là Pa) ................................................. 73 Hình 3.50. Phần tử nghiên cứu phá hủy (phần tử số 3884) ............................................... 74 Hình 3.51. Sự thay đổi vị trí của phần tử cần xét (đánh đấu tròn đỏ) theo hành trình chày ép; (tại thời điểm phá hủy thì phần tử sẽ được phần mềm xóa) .............................................. 75 Hình 3.52. Sự phụ thuộc của các ứng suất pháp vào hành trình chày ép tại phần tử 3884 . 75 Hình 3.53. Trường ứng suất trong các giai đoạn điền đầy của phôi vào lòng khuôn ......... 76 Hình 3.54. Mối quan hệ giữa chỉ số ứng suất ba chiều và hành trình ép ........................... 77 Hình 3.55. Sản phẩm trục chữ thập bị phá hủy lớp đáy .................................................... 77 Hình 3.56. Ứng suất tương đương von-Mise với hành trình ép khác nhau ........................ 78 với To = 1100 oC, f = 0.3, v = 5 mm/s và d = 2 mm.......................................................... 78 Hình 3.57. Chỉ số phá hủy vô hướng với hành trình ép khác nhau .................................... 79 với To = 1100 oC, f = 0.3, v = 5 mm/s và d = 2 mm.......................................................... 79 Hình 3.58. Véc tơ chuyển vị của vật liệu tại giai đoạn trước và sau khi điền đầy .............. 79 Hình 3.59. Hình ảnh 3D ép sản phẩm trục chữ thập: ........................................................ 79 a) chỉ số phá hủy vô hướng J-C; b) Biến dạng tương đương ............................................. 79 Hình 4.1. Phôi thép đồng chất C45 (a) và phôi thép hai lớp C45 - C10s (b)...................... 81 Hình 4.2. Máy ép thủy lực 125 tấn ................................................................................... 82 Hình 4.3. Lò nung công suất 10kW (a) và thiết bị đo nhiệt độ phôi (b) ............................ 83 Hình 4.4. Bộ khuôn có thiết kế hệ thống áo khuôn để gia nhiệt trực tiếp (a) và chày ép (b) ........................................................................................................................................ 83 Hình 4.5. Hệ thống gia nhiệt trực tiếp trên khuôn (a) và tủ điều khiển nhiệt độ (b) ........... 84 xii
Hình 4.6. Hệ thống khuôn, máy ép, lò nung sử dụng để ép trục chữ thập ......................... 84 Hình 4.7. Trình tự thí nghiệm ép trục chữ thập ................................................................ 85 Hình 4.8. Sản phẩm trục chữ thập thép đồng chất C45 (a) và trục chữ thập hai lớp C45-C10s nhận được khi ép 2/3 (b) và kết thúc hành trình (c) với lớp vỏ có chiều dày d = 2 mm ..... 86 Hình 4.9. Dòng chảy của vật liệu sau khi ép 2/3 hành trình, (a) thực nghiệm; (b) mô phỏng ........................................................................................................................................ 87 Hình 4.10. Phân bố lớp vỏ C45 và lõi C10s sau khi ép hết hành trình, (a) thực nghiệm; (b) mô phỏng ........................................................................................................................ 87 Hình 4.11. So sánh lực ép giữa thực nghiệm và mô phỏng khi ép khớp nỗi chữ thập hai lớp với điều kiện T = 1100 oC, v = 5 mm/s, chiều dày lớp vỏ d = 2 mm ................................. 88 Hình 4.12. So sánh chiều dày lớp vỏ d = 2mm biến đổi khi ép trục chữ thập với 2/3 hành trình giữa thực nghiệm (a) và mô phỏng (b) ..................................................................... 89 Hình 4.13. Kích thước phôi hai lớp Al-Pb........................................................................ 90 Hình 4.14. Hình dáng sản phẩm nhận được sau ép, mẫu cắt ¼ để quan sát phân bố.......... 90 chiều dày lớp vỏ .............................................................................................................. 90 Hình 4.15. So sánh giữa mô phỏng và thực nghiệm: a) hình học sản phẩm với biến phá hủy phá hủy J-C; b) hình học sản phẩm thực nghiệm .............................................................. 91 xiii
DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 2.1. Một số hệ số ma sát trong tạo hình khi dùng ma sát trượt ................................. 33 Bảng 3.1. Thành phần hóa học cơ bản của thép C45 ........................................................ 44 Bảng 3.2. Điều kiện biên cho bài toán mô phỏng ép chảy ngang trục chữ thập ................. 45 Bảng 3.3. Thành phần hóa học chính của thép AISI1006 [68] .......................................... 54 Bảng 3.4. Các hệ số của mô hình Johnson-Cook cho thép C45 [67] và AISI1006 [68] ..... 54 Bảng 3.5. Các điều kiện của bài toán mô phỏng ép trục chữ thập hai lớp ......................... 55 Bảng 3.6. Phân bố chiều dày của lớp vỏ phôi tại các vị trí khác nhau trên sản phẩm ép .... 62 Bảng 3.7. Kết quả thí nghiệm phá hủy với 03 bán kính mẫu khác nhau ............................ 70 Bảng 4.1. Thành phần hóa học cơ bản của thép C45 và C10s ........................................... 81 Bảng 4.2. Các thông số kỹ thuật máy ép thủy lực 125 tấn ................................................ 82 Bảng 4.3. Phân bố chiều dày lớp vỏ giữa thực nghiệm và mô phỏng ................................ 89 Bảng 4.4. Kích thước phôi vật liệu nhiều lớp ................................................................... 89 xiv
MỞ ĐẦU 1. Lý do lựa chọn đề tài Cùng với sự tiến bộ của con người, khoa học kỹ thuật cũng không ngừng phát triển, các công nghệ mới luôn được nghiên cứu và hoàn thiện để mang lại năng suất cao hơn. Ngành công nghiệp tạo hình vật liệu cũng không phải ngoại lệ, với những ưu điểm như năng suất cao, tạo được các sản phẩm đa dạng về hình học, chất lượng và cơ tính của sản phẩm cao. Chính vì vậy mà ngành này rất được quan tâm tại hầu hết các nước trên thế giới. Gia công kim loại bằng áp lực là dựa vào tính dẻo của kim loại, dùng ngoại lực tác động làm cho kim loại bị biến dạng theo hình dạng yêu cầu. Với những ưu điểm nổi bật về cơ tính sản phẩm, chất lượng bề mặt, độ chính xác về kích thước, khả năng tự động hoá, năng suất cao và chi phí hợp lý nên gia công kim loại bằng áp lực được sử dụng phổ biến trong hầu hết các lĩnh vực: công nghiệp chế tạo máy, công nghiệp ô tô, tàu thuỷ... cũng như trong nghiên cứu và phát triển. Để chế tạo các chi tiết dạng khối (ví dụ trục truyền động, bánh răng, khớp nối, tay biên, trục khuỷu…), hiện nay thường sử dụng công nghệ dập khối. Với công nghệ dập khối đáp ứng được nhiều tiêu chí của nhà kỹ thuật như sản xuất hàng loạt, đạt được độ chính xác cần thiết, tiết kiệm nguyên vật liệu, năng lượng và hơn nữa là các chi tiết có được tổ chức tế vi, cơ tính đáp ứng được khả năng làm việc dưới các điều kiện tải trọng khắc nghiệt. Trong thời gian gần đây, do yêu cầu tiết kiệm nguyên, vật liệu, năng lượng, giảm chi phí sản xuất, nên các nhà nghiên cứu rất quan tâm giải quyết các vấn đề công nghệ sao cho: - Rút ngắn quá trình công nghệ; - Giảm thiểu các nguyên công chuẩn bị và nguyên công xử lý sau dập; - Tạo hình chính xác, không có vật liệu thừa, tiết kiệm triệt để vật liệu; - Nâng cao cơ tính của sản phẩm. Đối với các chi tiết có hình dạng phức tạp, làm việc trong điều kiện chịu mỏi cao, chịu va đập như chi tiết dạng trục chữ thập, bánh răng… cần phải có phương pháp tạo hình và gia công xử lý đặc biệt để đáp ứng yêu cầu làm việc của chi tiết. Trong công nghiệp đã áp dụng khá rộng rãi các công nghệ tạo hình như dập khối chính xác, ép chảy để chế tạo các chi tiết dạng này. Tuy nhiên, còn có nhiều vấn đề đưa ra cần phải giải quyết như tối ưu chế độ công nghệ để đạt được chất lượng sản phẩm tốt nhất, tiêu hao năng lượng ít nhất, nâng cao tuổi thọ, cải thiện độ bền mỏi, tiết kiệm nguyên, vật liệu và đặc biệt tìm ra các nguyên nhân gây ra sai hỏng và phá hủy chi tiết khi làm việc cần tiếp tục được nghiên cứu và công bố. Trong đó, công nghệ ép 1
chảy ngang có thể tạo ra các chi tiết có hình dạng phức tạp và ép chảy được vật liệu nhiều lớp mà công nghệ dập khối rất khó có thể thực hiện được. Các công trình công bố về ép chảy chủ yếu tập trung vào công nghệ ép chảy thuận và ép chảy nghịch, chưa có nhiều công bố để làm rõ ảnh hưởng của các thông số công nghệ, sự biến đổi của dòng chảy vật liệu cũng như hiện tượng phá hủy mẫu sản phẩm khi ép chảy ngang vật liệu nhiều lớp. Chính vì vậy, đề tài “Nghiên cứu ảnh hưởng của một số thông số công nghệ cơ bản đến quá trình tạo hình chi tiết phức tạp bằng phương pháp ép chảy ngang” là hết sức cần thiết. 2. Mục đích nghiên cứu Mục đích của luận án là: Nghiên cứu ảnh hưởng của một số thông số công nghệ cơ bản đến quá trình ép chảy ngang để tạo hình các chi tiết có hình dạng phức tạp từ vật liệu đồng chất và vật liệu hai lớp cũng như cơ chế gây phá hủy khi tạo hình vật liệu hai lớp. 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu - Đối tượng nghiên cứu là trục chữ thập bằng vật liệu đồng chất và vật liệu hai lớp. Phạm vi nghiên cứu của luận án tập trung các nội dung sau: - Nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số công nghệ gồm nhiệt độ phôi, quá trình truyền nhiệt, vận tốc ép chảy và dòng chảy của vật liệu bằng mô phỏng số và kiểm chứng bằng thực nghiệm khi ép chảy sản phẩm trục chữ thập bằng vật liệu đồng chất. - Nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ phôi, quá trình truyền nhiệt, dòng chảy vật liệu và ảnh hưởng của chiều dày lớp vỏ chi tiết bằng mô phỏng số và kiểm chứng bằng thực nghiệm khi ép chảy sản phẩm trục chữ thập bằng vật liệu hai lớp. - Nghiên cứu hiện tượng phá hủy khi ép chảy ngang đối với vật liệu hai lớp và đề xuất phương án khắc phục. 4. Phương pháp nghiên cứu - Phương pháp nghiên cứu là kết hợp giữa lý thuyết, mô phỏng và thực nghiệm. - Phân tích tổng hợp lý thuyết, đánh giá các kết quả nghiên cứu đã công bố liên quan đến đề tài trong và ngoài nước từ đó đề xuất các nội dung nghiên cứu. - Sử dụng phần mềm có độ tin cậy cao Abaqus để mô phỏng quá trình biến dạng. - Sử dụng phương pháp thực nghiệm để nhận dạng các mô hình vật liệu. - Sử dụng phương pháp đánh giá giữa mô phỏng và thực nghiệm để tìm ra các thông số ảnh hưởng chính đến quá trình ép chảy ngang. 2
5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài - Nghiên cứu tạo hình bằng công nghệ ép chảy ngang các chi tiết có hình dạng phức tạp và có độ chính xác cao, độ bền cao như trục chữ thập cho vật liệu đồng chất và vật liệu hai lớp chưa được phát triển ở Việt Nam nên kết quả nghiên cứu có ý nghĩa khoa học và thực tiễn. - Đánh giá được các thông số công nghệ ảnh hưởng đến quá trình biến dạng bằng ép chảy ngang; Phân tích được trạng thái ứng suất, biến dạng, đường dòng chảy khi ép chảy ngang bằng phương pháp mô phỏng số góp phần làm sáng tỏ quá trình biến dạng, điền đầy khuôn khi ép chảy ngang. - Giải thích được nguyên nhân gây phá hủy khi ép chảy ngang vật liệu hai lớp. - Kết quả nghiên cứu của luận án góp phần đưa công nghệ ép chảy ngang vào chế tạo các chi tiết cơ khí, công nghiệp ô tô, đáp ứng yêu cầu ngày càng cao về chất lượng sản phẩm, tiết kiệm vật liệu và nội địa hóa các chi tiết cơ khí. 6. Các kết quả mới đạt được - Đã nghiên cứu làm rõ ảnh hưởng của một số thông số công nghệ như nhiệt độ - quá trình truyền nhiệt, vận tốc ép chảy đến lực ép khi ép chảy ngang trục chữ thập từ vật liệu đồng chất bằng thép C45 và vật liệu hai lớp C45-C10s. Phân tích trạng thái ứng suất - biến dạng, dòng chảy vật liệu theo các giai đoạn điền đầy khuôn, từ đó chỉ ra các vùng tập trung ứng suất tại phía đáy của nhánh chữ thập, mức độ biến dạng lớn nhất và dòng chảy rối tại vị trí cuối giai đoạn điền đầy vào các nhánh của chữ thập và quá trình biến mỏng tại lớp vỏ phía đáy và biến dày tại lớp vỏ phía trên. Các thông số lựa chọn để nghiên cứu công nghệ gồm: nhiệt độ To = 1100 oC, vận tốc ép chảy v = 5 mm/s và hệ số ma sát f = 0.3. - Nghiên cứu đã luận giải được cơ chế phá hủy khi ép chảy ngang trục chữ thập ở trạng thái nguội từ vật liệu hai lớp nhôm - chì. Nguyên nhân do sự tương thích biến dạng giữa hai lớp vật liệu gây ra trạng thái ứng suất kéo - nén khác nhau và lớp vỏ có ứng suất kéo lớn hơn giá trị giới hạn bền cho phép của vật liệu dẫn đến phá hủy. - Đã thực nghiệm kiểm chứng ép chảy ngang trục chữ thập cho thấy sự tương hợp cao với kết quả mô phỏng gồm: lực ép, dòng chảy vật liệu, quá trình biến mỏng - biến dày lớp vỏ phôi từ vật liệu hai lớp thép C45 và C10s. Thực nghiệm kiểm chứng nguyên nhân gây ra phá hủy giữa hai lớp vật liệu nhôm - chì cho độ tương hợp cao. Kết quả này chứng tỏ việc lựa chọn và nhận dạng mô hình vật liệu, các điều kiện biên mô phỏng và giải thích nguyên nhân gây ra phá hủy là hợp lý. - Đề xuất được giải pháp ngăn ngừa phá hủy lớp vỏ khi thay đổi chiều dày lớp vỏ phôi theo nhiệt độ thích hợp và đề xuất giải pháp công nghệ ép chảy đối 3
xứng hai chiều để nhận được sản phẩm không bị phá hủy và có mức độ độ biến dạng lớp vỏ đồng đều bằng mô phỏng số. 7. Bố cục của luận án Ngoài phần mở đầu, luận án được thực hiện và các nội dung chính được trình bày trong 04 chương. Chương 1: Tổng quan vấn đề nghiên cứu. Chương 2: Cơ sở lý thuyết quá trình ép chảy. Chương 3: Nghiên cứu quá trình ép chảy ngang trục chữ thập bằng mô phỏng số. Chương 4: Thực nghiệm kiểm chứng ép chảy ngang trục chữ thập. Kết luận và kiến nghị. Tài liệu tham khảo. Danh mục các công trình công bố của luận án. 4
CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1. Giới thiệu chung về ép chảy Ép chảy là phương pháp tạo hình sản phẩm bằng cách ép vật liệu qua một khuôn cối với lực đủ lớn để vật liệu chảy qua lỗ hình của khuôn. Ép chảy có thể ứng dụng cho kim loại, chất dẻo, cao su… dạng khối hoặc dạng bột. Thông thường, ép chảy được sử dụng để sản xuất thanh, bình, ống hình trụ đặc hoặc rỗng, được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp chế tạo máy, sản xuất hàng tiêu dùng… Công nghệ ép chảy cũng chế tạo phôi cho các quá trình kéo dây, rèn, dập và gia công phức tạp. Có nhiều cách để phân loại công nghệ ép chảy: theo sản phẩm, theo hướng ép, theo nhiệt độ làm việc, theo thiết bị,… như trên sơ đồ hình 1.1 và 1.2 [1-3]. Trong nghiên cứu này, luận án tập trung nghiên cứu theo nhánh công nghệ ép chảy ngang. Hình 1.1. Sơ đồ phân loại quá trình công nghệ ép chảy Hình 1.2. Sơ đồ nguyên lý ép chảy nghịch (a), ép chảy thuận – thủy tĩnh (b) và ép chảy ngang (c) 5
• Ưu điểm của công nghệ ép chảy - Do ép chảy dựa trên nguyên tắc biến dạng dẻo nên cấu trúc tinh thể kim loại thay đổi, tạo ra hướng, thớ kim loại phù hợp (hình 1.3), do đó làm cho cơ tính của vật liệu tăng lên, chất lượng sản phẩm tốt. - Sản phẩm ép chảy có hình dạng đa dạng và có độ chính xác cao, tiết kiệm được nguyên vật liệu, đặc biệt trong sản xuất hàng loạt với số lượng lớn. Bề mặt có độ bóng cao. - Thao tác đơn giản, dễ dàng cơ khí hóa và tự động hóa trong sản xuất. - Cho phép tạo ra các sản phẩm có hình dạng phức tạp mà các phương pháp truyền thống khó có thể tạo hình được. - Vật liệu sử dụng cho công nghệ ép chảy rất đa dạng: kim loại, gốm, cao su, bột chất dẻo... có thể ép chảy ở các trạng thái khác nhau như nóng, nguội và ấm. - Tạo hình được vật liệu có tính dẻo kém nhờ trạng thái ứng suất thủy tĩnh. Hình 1.3. Mặt cắt dọc chi tiết trục bậc rỗng chế tạo bằng phương pháp ép chảy • Nhược điểm cơ bản - Áp lực lớn gây ảnh hưởng đến tuổi thọ của khuôn và thiết bị - Đối với hầu hết các kim loại, quá trình ép chảy thực hiện trong trạng thái nóng nên rất khó trong thao tác, bề mặt phôi dễ bị oxi hóa và dẫn đến sai số kích thước, ảnh hưởng đến độ chính xác hình học sản phẩm. - Gia tăng hệ số tiêu hao kim loại do phần kim loại thừa sau khi ép. 1.2. Công nghệ ép chảy ngang Ép chảy ngang (lateral extrusion) là công nghệ tạo hình được thực hiện nhờ lực ép để vật liệu điền đầy (chảy) vào lòng khuôn, hướng dòng chảy của vật liệu vuông góc với hướng tác dụng của lực ép (hình 1.4). 6