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

Ứng suất σ

Ứng suất giới hạn σ̅

Hệ số ma sát μ

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

Diện tích tiết diện sản phẩm mm2 mm2 AE

D Đƣờng kính phôi mm

vii

Đƣờng kính nòng buồng ép mm

Đƣờng kính sản phẩm mm

Lực ma sát

Diện tích bề mặt tiếp xúc thực tế

Diện tích bề mặt cửa khuôn N mm2 mm2

Ứng suất ma sát

k Ứng suất cắt

Áp lực ép bar PT

Áp lực biến dạng dẻo của vật liệu bar PD

Áp lực ma sát bar PF

Áp lực biến dạng đàn hồi của vật liệu bar PR

Lực ép chảy N Fr

Fp Lực tác dụng của píttông thủy lực máy ép N

p Áp suất thủy lực tác dụng lên xi lanh máy ép bar

Áp lực ép bên trong buồng ép bar P

Vận tốc chày ép (vận tốc ép) mm/s Vep

Vận tốc ra của sản phẩm VE

Nhiệt sinh ra do ma sát trên một đơn vị diện tích qf

Nhiệt độ của phôi m/p 0C /mm2 0C Tp

Tốc độ vật liệu tại các điểm nút bề mặt kim loại chết mm/s Vm,j

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 3.7. Kết quả vận tốc ra của sản phẩm tại các cửa khuôn có góc lƣợn cửa khuôn khác nhau 72

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 3.6. Kết quả vận tốc ra của sản phẩm tại các cửa khuôn có góc nghiêng (-) khác nhau 69

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 Qfrom 82

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

6

ở nhiệt độ cao ( pha thứ 2 chuyển hết thành pha rắn) nên ngoài biến dạng nguội có thể

hóa bền bằng nhiệt luyện (có thể tôi + hóa già).

+ Hợp kim nhôm biến dạng không hóa bền đƣợc bằng nhiệt luyện là loại chứa ít

nguyên tố hợp kim hơn, ở mọi nhiệt độ chỉ có tổ chức là dung dịch rắn, không có

chuyển biến pha nên không hóa bền đƣợc bằng nhiệt luyện, chỉ có thể hóa bền bằng

biến dạng nguội hoặc tạo pha nhỏ mịn.

Hình 1.3. Giản đồ pha – hợp kim nhôm [11]

- Hợp kim nhôm đúc là hợp kim nhôm có nhiều nguyên tố hợp kim hơn (bên

phải điểm C, C`trên hình 1.3), có nhiệt độ nóng chảy thấp hơn, trong tổ chức có cùng

tinh, tính đúc cao. Do có nhiều pha thứ 2 (thƣờng là hợp chất hóa học) hợp kim giòn

hơn, không thể biến dạng dẻo đƣợc. Khả năng nhiệt luyện của nhóm này nếu có cũng

không cao vì không có sự biến đổi mạnh của tổ chức khi nung nóng.

Theo TCVN1659-75 quy định ký hiệu hợp kim nhôm bắt đầu bằng chữ Al và

tiếp theo lần lƣợt ký hiệu hóa học nguyên tố hợp kim cùng chỉ số % của nó. Nếu là

hợp kim nhôm đúc thì sau cùng có chữ Đ. Ví dụ: AlCu4Mg là hợp kim nhôm có chứa

4% Cu, 1% Mg.

Theo tiêu chuẩn của hiệp hội nhôm AA (Aluminium Association) của Mỹ. Hợp

kim nhôm biến dạng ký hiệu AAxxxx, hợp kim nhôm đúc ký hiệu AA xxx.x, với số x

7

đầu tiên có nghĩa nhƣ bảng 1.1, ba số xxx tiếp theo chỉ thành phần các nguyên tố kim

loại [11],[33],[58].

Bảng 1.1. Ký hiệu hợp kim nhôm theo tiêu chuẩn AA của Mỹ [33]

Hợp kim nhôm biến dạng Hợp kim nhôm đúc

1xxx Al sạch (>99%) 1xx.x Al thỏi

2xxx Al-Cu hoặc Al-Cu-Mg 2xx.x Al-Cu

3xxx Al-Mn 3xx.x Al-Si-Mg hoặc Al-Si-Cu

4xxx Al-Si 4xx.x Al-Si

5xxx Al-Mg 5xx.x Al-Mg

6xxx Al-Mg-Si 6xx.x Không có

7xxx Al-Zn-Mg hoặc Al-Zn-Mg-Cu 7xx.x Al-Zn

8xxx Al-các nguyên tố khác 8xx.x Al-Sn

Nhóm hợp kim biến dạng đƣợc sử dụng rộng rãi trong ép chảy do có các đặc

tính kinh tế và kỹ thuật tốt, bao gồm: dễ ép chảy thành các hình dạng rỗng và phức tạp,

đơn giản trong xử lý nhiệt, dẫn điện tốt, tính chất cơ học đạt yêu cầu, chất lƣợng bề

mặt hoàn thiện tốt, chống ăn mòn cao...cho nhiều ứng dụng khác nhau.

Trong đó nhóm 6xxx đƣợc sử dụng rộng rãi nhất trong ép chảy với sản lƣợng

vài triệu tấn đƣợc sản xuất hàng năm. Các ứng dụng bao gồm các thanh và ống nhƣ

khung cửa, trang trí ô tô, cấu trúc tòa nhà, bộ trao đổi nhiệt, v.v.

Một số hợp kim 6xxx có hàm lƣợng nguyên tố hợp kim cao hơn để đạt đƣợc độ

bền cao hơn cho các ứng dụng cấu trúc và bán cấu trúc. Nói chung, 6061 (Al-Mg-Si-

Cu) và 6082 (Al-Si-Mg-Mn) là hợp kim phổ biến cung cấp các tính chất cơ học cao

hơn cho các ứng dụng kết cấu. Hợp kim 6061 cải thiện độ bền dẻo, một yếu tố quan

trọng trong các ứng dụng kết cấu cụ thể. Các hợp kim này dễ xử lý nhiệt và có các đặc

tính tốt kể cả trong các khu vực mối hàn. Cả 6061 và 6082 đều chống ăn mòn tốt.

Đối với hợp kim nhôm 6061 có nhiệt độ chuyển biến pha nóng chảy trong

khoảng nhiệt độ từ 5800C ÷ 6500C [33].

Khả năng ép chảy của hợp kim nhôm có thể đƣợc đánh giá bằng tốc độ ép chảy

tối đa, là một trong những yếu tố quan trọng nhất ảnh hƣởng đến chi phí và hiệu quả

8

của quá trình ép chảy. Các thông số nhiệt độ và tốc độ ép, cùng với trạng thái ứng suất

trong vùng biến dạng ở khu vực khuôn, đóng vai trò quan trọng trong việc cải thiện

khả năng ép chảy của một hợp kim nhôm nhất định. Nhiệt độ phôi và vận tốc ra của

một số mác hợp kim nhôm điển hình đƣợc thể hiện trên bảng 1.2 [58].

Bảng 1.2. Nhiệt độ phôi và vận tốc ra của một số hợp kim nhôm điển hình [58]

Hợp kim nhôm Nhiệt độ phôi (0C) Tốc độ ra (m/phút)

1060 420 50÷100

1100 430 50÷80

3003 450 30÷70

5052 450 5÷10

5154,5254,5454 460 6÷15

6061 420÷470 17÷25

6063 430÷480 35÷80

6066 425÷460 25÷35

6101 480÷500 35÷80

6463 480÷500 35÷80

7003 440÷525 5÷21

7005 440÷525 5÷14

1.3. Các yếu tố đặc trƣng của công nghệ ép chảy hợp kim nhôm

1.3.1. Quá trình ép chảy phôi liên tục

Quá trình ép chảy phôi liên tục là một phƣơng pháp đặc biệt mà các phôi có thể

dễ dàng đƣợc liên kết lại với nhau ở nhiệt độ và áp lực ép cao. Sử dụng quá trình này,

độ dài của sản phẩm đƣợc tạo ra là tùy ý.

Sự liên kết giữa phôi với phôi (hàn nối phôi) diễn ra trong khuôn hay ở vùng

nhiệt độ biến dạng dẻo của kim loại. Để mối hàn nối phôi đƣợc tốt cần thực hiện tốt

các yêu cầu sau đây [58]:

Có thể hàn nối phôi ở vùng nhiệt độ biến dạng dẻo của phôi. 

Làm sạch bề mặt phôi. 

9

Thoát khí ra khỏi bộ phận buồng ép lúc bắt đầu ép chảy nhƣ sử dụng phôi côn 

đƣợc nung nóng thể hiện trong hình 1.4 để tránh rỗ khí và những khuyết tật khác.

Hình 1.4. Sử dụng phôi côn để thoát khí trong buồng ép khi bắt đầu ép chảy [58]

1. Thân chày ép; 2. đầu chày ép; 3. buồng ép; 4. phôi; 5. khuôn; 6. sản phẩm

Hai phƣơng pháp hàn nối phôi liên tục đã đƣợc phát triển:

Phƣơng pháp 1: Một lƣợng kim loại xấu ở cuối chu kỳ ép đƣợc loại bỏ và những

phôi tiếp theo đƣợc hàn nối với phôi trƣớc đó trong vùng hàn của khuôn nhƣ hình 1.5.

Hình 1.5. Phương pháp hàn nối phôi trong vùng hàn của tấm dẫn [58]

1.Chày; 2.phôi; 3.buồng ép; 4.vùng kim loại bỏ; 5.tấm dẫn; 6.khuôn; 7.sản phẩm

Phƣơng pháp 2: Không cần loại bỏ một lƣợng vỏ phôi xấu ở cuối chu kỳ, phôi

tiếp theo đƣợc ép trực tiếp lên trên phôi trƣớc đó trong buồng ép nhƣ đƣợc chỉ ra trong

hình 1.6. Khối đầu chày gắn với thân chày đƣợc thiết kế để loại bỏ phần kim loại xấu

bám dính vào thành buồng ép sau mỗi một hành chày di chuyển ngƣợc lại.

10

Hình 1.6. Phương pháp hàn nối phôi trực tiếp trong buồng ép [58]

1.Chày; 2.Phôi; 3.buồng ép; 4.vùng hàn phôi; 5.khuôn; 6.sản phẩm

1.3.2. Tỷ lệ ép chảy

Tỷ lệ ép chảy ER của của quá trình ép đƣợc định nghĩa bởi [16,33,58]:

(1.1) ER=

Trong đó: n là số cửa khuôn, AC là diện tích tiết diện buồng ép, AE là diện tích

tiết diện cửa khuôn.

Khi tỷ lệ ép chảy thấp, quá trình biến dạng dẻo cũng thấp, cấu trúc kim loại sẽ

tƣơng tự nhƣ quá trình đúc hợp kim nhôm. Cấu trúc kim loại này không tốt và kết quả

các sản phẩm ép với tỷ lệ ép nhỏ hơn 10 có thể không đƣợc đảm bảo chất lƣợng để đáp

ứng các thông số đặc tính cơ-lý của vật liệu.

Khi tỷ lệ ép chảy cao, quá trình biến dạng dẻo diễn ra mạnh mẽ. Yêu cầu áp lực

ép để đẩy kim loại qua cửa khuôn sẽ cao hơn. Phạm vi tỷ lệ ép chảy phổ biến trong

thực tiễn công nghiệp đối với hợp kim nhôm cứng là từ 10 ÷ 35 và đối với kim loại

mềm từ 10 ÷100. [33,58]

1.3.3. Dòng kim loại trong quá trình ép chảy

Trong ép chảy đơn giản đồng nhất, kim loại chảy dẻo khi có ứng suất σ đạt tới

giá trị ứng suất giới hạn σ̅. Dòng chảy vật liệu hợp kim nhôm khi ép chảy là dòng chảy

chịu ứng suất nén. Sự khác biệt đáng kể trong dòng chảy vật liệu hợp kim nhôm so với

những kim loại khác chịu ứng suất nén là trung tâm của phôi đƣợc nén đầu tiên và tiếp

theo là những vùng xa tâm của phôi, gây ra ứng suất nén cao hơn.

11

Dòng chảy kim loại trong quá trình ép chảy phụ thuộc vào nhiều yếu tố: Vật liệu

phôi, nhiệt độ phôi, lực ma sát ở bề mặt của buồng ép và khuôn, tỷ lệ ép chảy [58].

Nhiều nghiên cứu về đặc điểm dòng chảy kim loại trong quá trình ép chảy hợp

kim nhôm đƣa ra các dạng dòng chảy điển hình nhƣ trong hình 1.7 [33,58].

Hình 1.7. Các mô hình dòng chảy kim loại trong ép chảy [58]

Trong ép chảy vật liệu đồng nhất, dạng dòng chảy S (hình 1.7) hình thành khi

không có lực ma sát tại mặt tiếp xúc với buồng ép và khuôn. Những đặc tính của ép

chảy đƣợc đồng nhất ở cả chiều ngang và chiều dọc một cách tƣơng ứng. Có thể có

đƣợc dạng dòng chảy này trong điều kiện bôi trơn hoàn toàn ở cả buồng ép và khuôn.

Dạng dòng chảy A (hình 1.7) hình thành khi ép chảy vật liệu đồng nhất với sự

tồn tại của lực ma sát ở khuôn, không có lực ma sát ở buồng ép. Dòng chảy này xuất

hiện khi ép chảy nghịch. Kim loại ở trung tâm của phôi di chuyển nhanh hơn kim loại

nằm ở các phần bên ngoài. Ở góc của buồng ép và khuôn, một vùng kim loại tách biệt

đƣợc hình thành giữa mặt khuôn và thành buồng ép nhƣ một vùng kim loại không di

chuyển (vùng chết). Vật liệu nằm ở trên bề mặt chịu biến dạng cắt và nó chảy chéo qua

cửa khuôn.

Dạng dòng chảy B (hình 1.7) hình thành trong những vật liệu đồng nhất khi có

lực ma sát ở buồng ép, khuôn. Dòng chảy này xuất hiện khi ép chảy thuận. Một vùng

kim loại không di chuyển rộng hơn đƣợc hình thành ở góc. Trong trƣờng hợp này, có

nhiều biến dạng cắt hơn so với dạng dòng chảy A.

Dạng dòng chảy C (hình 1.7) hình thành với phôi có đặc tính vật liệu không đồng

nhất hoặc với nhiệt độ phân bố không đều trong phôi. Những vật liệu này chịu biến

dạng cắt mạnh hơn tại thành của buồng ép và cũng hình thành một vùng kim loại

không di chuyển rộng hơn.

12

Kết cấu của khuôn có thể làm thay đổi tác động cơ học của vật liệu phôi trong

khi ép. Khuôn ép chảy sản phẩm dạng ống thể hiện tác động cơ học trên vật liệu nhiều

hơn trên những khuôn ép sản phẩm có hình dạng thanh thông thƣờng.

*Vùng kim loại đứng yên (vùng kim loại chết)

Một vùng kim loại không di chuyển đƣợc tích lại ở góc khuôn đều là lớp vỏ oxit

nhôm trên bề mặt ngoài của phôi. Vật liệu có thể tiếp tục đƣợc ép qua vùng phát sinh

này, nó hoạt động giống nhƣ một bề mặt khuôn hình côn. Những khuyết tật bề mặt có

thể xảy ra trên sản phẩm nếu lớp vỏ oxit nhôm trên bề mặt ngoài của phôi không đƣợc

đƣợc giữ lại.

Góc hợp bởi vùng kim loại chết với đƣờng tâm của phôi thể hiện trong công thức

hàm số [58]: α = f(ER,σ̅,m,m‟)

Trong đó: ER là tỷ lệ ép chảy, σ̅ là ứng suất giới hạn; m là hệ số ma sát giữa phôi

và buồng ép; m‟ là hệ số ma sát giữa dòng chảy kim loại và bề mặt khuôn.

Với cùng điều kiện ma sát ở bề mặt buồng ép, góc kim loại chết (α) thay đổi với

tỷ lệ ép ER (hình 1.8). Khi tỷ lệ ép tăng lên thì α tăng và khi α tăng, độ dài vùng kim

loại đứng yên Z giảm xuống.

Trong hình 1.8, là tỷ lệ ép cho khuôn (1) có cửa khuôn lớn hơn, là tỷ lệ

ép của khuôn (2) có cửa khuôn nhỏ hơn. Góc , tƣơng ứng với , .

Hình 1.8. Mối quan hệ giữa góc và độ dài vùng kim loại đứng yên với tỷ lệ ép [58]

13

* Vùng kim loại cuối hành trình:

Hình 1.9. Mối quan hệ giữa độ dài vùng kim loại cuối hành trình và

vùng kim loại đứng yên [58]

Trong ngành công nghiệp sản xuất ép chảy nhôm, tiêu chuẩn độ dài vùng kim

loại cuối hành trình cho ép chảy thuận đƣợc giữ trong khoảng 10 tới 15% độ dài phôi.

Độ dài vùng này có thể có chức năng nhƣ một vùng kim loại đứng yên, nó cũng có

chức năng nhƣ hệ số ép, loại khuôn, nhiệt độ phôi, điều kiện ma sát buồng ép và ứng

suất giới hạn của vật liệu phôi.

Trên hình 1.9 chỉ ra mối quan hệ giữa độ dài vùng kim loại cuối hành trình ép

và bề mặt hình nón của vùng kim loại đứng yên. Việc dừng quá trình ép ở một vùng

giới hạn an toàn giúp ngăn chặn oxit và những tạp chất kim loại, phi kim khác từ dòng

chảy vào sản phẩm trong quá trình ép.

1.3.4. Biến dạng dẻo trong quá trình ép chảy

Để đánh giá dòng chảy kim loại một cách có định lƣợng, cần xác định mức độ

biến dạng và tỉ lệ ép chảy. Trong lí thuyết biến dạng dẻo kim loại, sự thay đổi về độ

dãn dài liên quan tới biến dạng logarit đƣợc xác định bởi [17,20,21,25,33,58] :

̅ ∫

(1.2) ̅

là độ dài phôi ban đầu, l là độ dài sản phẩm cuối cùng.

Khối lƣợng vật liệu không đổi: AE.l = AC.l0 (1.3)

14

Do đó biến dạng logarit:

(1.4) ̅

là diện tích tiết diện buồng ép, AE là diện tích tiết diện sản phẩm

Vì thế, biến dạng logarit đƣợc xác định trong trƣờng hợp khi ép:

̅ √ (1.5)

là đƣờng kính bên trong của buồng ép, là đƣờng kính của sản phẩm thanh

hợp kim nhôm và ER là tỷ lệ ép.

Hình 1.10. Vùng biến dạng khi ép

Trong việc xác định biến dạng logarit, dạng dòng chảy hỗn hợp trong khu vực

biến dạng tạo ra một vấn đề là vật liệu chịu một gia tốc lớn khi nó xuyên qua vùng

biến dạng và vì thế một tỉ lệ biến dạng đúng nghĩa phải đƣợc ƣớc tính để xác định ứng

suất giới hạn. Vùng biến dạng đƣợc giả định là hình nón đơn giản nhƣ trong hình 1.10.

Từ hình 1.10, độ dài của vùng biến dạng đƣợc đƣa ra bởi:

Z = (1.6)

Với α là góc vùng kim loại chết với phƣơng ép.

Tỷ lệ ép của khuôn đơn lỗ đƣợc xác định bởi:

(1.7) ER=

Vì vậy đƣờng kính sản phẩm thanh hợp kim nhôm ép chảy là:

√

(1.8) DE =

15

Tốc độ biến dạng:

(1.9) ̇ ̅

Với Vep là vận tốc chày ép.

1.3.5. Áp lực ép

Trong quá trình ép chảy thuận, áp lực ép đạt tối đa khi sản phẩm bắt đầu ra khỏi

cửa khuôn. Một đƣờng cong áp lực ép đặc trƣng đƣợc chỉ ra trên hình 1.11

[17,58,62,63]

Hình 1.11. Biểu đồ áp lực ép chảy thuận theo hành trình ép

Quá trình này đƣợc miêu tả theo 3 giai đoạn: [58]

I. Áp lực ép tăng nhanh lên tới giá trị cực đại khi phôi bắt đầu bị nén đến khi

điền đầy dòng kim loại vào khu vực cửa khuôn.

II. Áp lực ép giảm dần khi dòng chảy kim loại bắt đầu thoát ra khỏi cửa khuôn

tạo thành sản phẩm.

III. Áp lực ép đạt giá trị tối thiểu và theo sau là một sự gia tăng mạnh khi một

phần vỏ phôi bị dồn nén lại ở khu vực góc buồng ép ở cuối hành trình.

Áp lực ép chảy bao gồm [58]:

PT = PD + PF + PR (1.10)

Trong đó:

- PD là áp lực cần thiết để biến dạng dẻo vật liệu, đƣợc xác định bởi dạng hàm số:

(1.11) ̅ ̅

Với ứng suất giới hạn, ̅ thì đƣợc định nghĩa bởi:

̅ ̅ ̅ ̇ (1.12)

16

Biến dạng thực và tốc độ biến dạng đƣợc định nghĩa:

̅

(1.13) ̅

(1.14) ̇ ̅

T là nhiệt độ của vật liệu phôi.

- PF là áp lực yêu cầu để vƣợt qua ma sát bề mặt tại thành buồng ép, vùng kim

loại chết và cửa khuôn.

) (1.15) Trong đó: pr là áp lực hƣớng tâm, m là hệ số ma sát giữa phôi và thành buồng ép,

m‟ là hệ số ma sát giữa vật liệu ép chảy và cửa khuôn, m‟‟ là hệ số ma sát tại vùng kim

loại chết, D là đƣờng kính phôi, l0 là độ dài phôi, L là độ dài cửa khuôn.

- PR là áp lực để vƣợt qua sự biến dạng đàn hồi (Redundant work) đƣợc đƣa ra

trong dạng hàm số sau:

̅ (1.16)

Trong đó α là góc vùng kim loại chết nhƣ là 1 hàm số của hệ số ép chảy .

Pradip K. Saha [58] đã nhắc đến nghiên cứu của Dieter đƣa ra giải thích hợp lý

về sự biến dạng đàn hồi. Các phần tử tại tâm của phôi trải qua sự kéo dài thuần túy cơ

bản trong thanh ép chảy, tƣơng ứng với sự thay đổi trong mặt cắt ngang từ phôi tới sản

phẩm ép. Các phần tử đƣợc thể hiện trên hình 1.12, gần với thành của buồng ép, trải

qua biến dạng cắt lớn do ma sát bề mặt giữa phôi và buồng ép.

Hình 1.12. Tổ chức kim loại thay đổi trong quá trình ép

17

Các yếu tố tại giao diện vùng đứng yên cũng trải qua biến dạng cắt lớn, xảy ra rất

nhiều trên mặt cắt ngang của thanh ép chảy, đòi hỏi phải sử dụng năng lƣợng. Sự tiêu

hao năng lƣợng này không liên quan tới sự thay đổi kích thƣớc từ phôi tới sản phẩm

ép. Biến dạng đàn hồi giữ vai trò làm rõ sự khác nhau giữa áp lực ép chảy thực tế và

áp lực ép chảy tính toán trên cơ sở của sự biến dạng dẻo.

Kích thƣớc cho trƣớc của phôi ép dƣới các điều kiên đặc biệt, sẽ có một giới hạn

với tỷ lệ ép chảy có thể đạt đƣợc. Nhiệt độ và vận tốc ép đóng vai trò quan trọng trong

quá trình ép chảy. Tuy nhiên, sự gia tăng độ dài của phôi cũng có tác động trong việc

làm tăng áp lực ép yêu cầu cho quá trình ép chảy. Việc tăng áp lực ép này là do lực ma

sát giữa phôi và thành buồng ép, nó lớn hơn đối với các phôi dài hơn. Thông thƣờng

độ dài lớn nhất của phôi bằng 4 lần đƣờng kính của phôi.

Trong quá trình ép chảy kim loại, có mối tƣơng quan nhất định giữa lực ép chảy,

nhiệt độ ép chảy, tỷ lệ ép chảy và vận tốc ép chảy [58]:

+ Tăng nhiệt độ phôi làm giảm áp lực yêu cầu cần thiết cho quá trình ép chảy

+ Tỷ lệ ép chảy cao hơn, áp lực ép chảy cao hơn

+ Tăng độ dài phôi, áp lực ép chảy cao hơn.

+ Áp lực ép chảy bị ảnh hƣởng không nhiều khi vận tốc ép chảy đƣợc gia tăng.

Áp suất dầu

1.3.6. Lực ép

Hình 1.13. Sơ đồ hệ thống thiết bị và khuôn ép chảy

18

Lực yêu cầu cho quá trình ép chảy phụ thuộc vào ứng suất giới hạn của vật liệu

phôi, tỷ lệ ép chảy, điều kiện ma sát tại bề mặt buồng ép và bề mặt khuôn, các thông

số quá trình ép nhƣ nhiệt độ phôi ban đầu và vận tốc ép chảy.

Lực ép chảy yêu cầu Fr, đƣợc cho bởi [58]: (1.17)

Trong đó Ac là diện tích tiết diện bên trong buồng ép.

Lực ép chảy là cần thiết trong việc xác định lực ép danh nghĩa của máy ép. Quá

trình ép chảy diễn ra khi lực tác dụng bởi hệ thống thủy lực (Fp) cân bằng với lực ép

chảy yêu cầu (Fr) [58]: Fp = Fr

Lực quá trình ép đƣợc xây dựng bởi [58]:

(1.18)

Trong đó A1 là diện tích tiết diện xi lanh chính, A2 là diện tích tiết diện xi lanh

phụ, và p là áp suất dầu tác dụng vào các xi lanh máy ép nhƣ thể hiện trong hình 1.13.

Áp lực ép bên trong buồng ép đƣợc đƣa ra trong hình 1.13 là [58]:

= PT (1.19)

1.3.7. Vận tốc ép

Do thể tích kim loại ép không đổi, mối quan hệ giữa vận tốc chày ép và vận tốc

(1.20)

ra của sản phẩm đƣợc xác định bởi:

Vep.AC = VE.AE

Trong đó Vep là vận tốc chày ép, AC là diện tích tiết diện bên trong buồng ép, VE

là vận tốc ra của sản phẩm, AE là diện tích tiết diện sản phẩm ép chảy.

Nếu khuôn có số cửa khuôn là n, mối quan hệ sẽ có thể bị thay đổi theo số cửa

trên khuôn, đƣợc cho bởi :

Vep.AC = VE.(n.AE) (1.21)

Do đó, vận tốc ép chảy thì đƣợc cho bởi:

(1.22)

Vận tốc ép chảy cũng có thể dƣợc viết dƣới dạng :

VE = Vep .ER (1.23)

Trong đó ER là tỷ lệ ép chảy.

19

1.3.8. Nhiệt động lực học trong quá trình ép chảy

Trong quá trình ép chảy, nhiệt sinh ra bởi ma sát và công của sự biến dạng dẻo

vật liệu. Trong quá trình biến dạng dẻo gây phát sinh nhiệt. Sự tăng nhiệt độ do biến

dạng dẻo có thể đến vài trăm độ C. Lực ma sát ở thành buồng ép, vùng kim loại đứng

yên và bề mặt khuôn ảnh hƣởng đến sự thay đổi nhiệt độ dòng chảy kim loại cũng nhƣ

sản phẩm ép chảy và khuôn.

Nhiệt độ là một trong những thông số quan trọng trong quá trình ép chảy. Ứng

suất chảy đƣợc giảm bớt nếu nhiệt độ tăng lên và do đó biến dạng dễ dàng hơn. Bên

cạnh đó vận tốc ép chảy cũng làm thay đổi nhiệt độ của dòng chảy kim loại.

Sự thay đổi nhiệt độ trong quá trình ép chảy phụ thuộc vào các yếu tố nhƣ sau:

Nhiệt độ phôi ban đầu. -

Ứng suất chảy của vật liệu. -

- Mức độ biến dạng, tốc độ biến dạng.

- Ma sát tại thành buồng ép, vùng kim loại chết, cửa khuôn.

Quá trình truyền nhiệt. -

Từ thực tiễn sản xuất, sự trao đổi nhiệt độ rất phức tạp ngay sau khi phôi đƣợc

nung nóng lấy ra từ lò nung rồi đƣa vào buồng ép (đã đƣợc gia nhiệt) và sau khi ép ra

sản phẩm.

Sự trao đổi nhiệt trong quá trình ép chảy bao gồm:

- Truyền nhiệt từ phôi ra ngoài không khí khi lấy phôi ra khỏi lò nung.

- Truyền nhiệt từ phôi vào buồng ép, khuôn và chày ép.

- Truyền nhiệt từ khuôn, chày ép, sản phẩm ép vào không khí

- Nhiệt sinh ra do quá trình biến dạng dẻo vật liệu.

- Nhiệt sinh ra do ma sát với thành buồng ép, vùng kim loại chết và khuôn

* Quá trình sinh nhiệt do ma sát với bề mặt buồng ép.

Ngƣời ta cho rằng trƣợt sẽ xảy ra dọc theo toàn bộ độ dài của phôi. Trong thời

gian chịu nén, toàn bộ phôi tiếp xúc đầy đủ với buồng ép dƣới áp suất cao trƣớc khi

bắt đầu qúa trình ép chảy diễn ra. Nhiệt sinh ra do ma sát trên mỗi đơn vị diện tích,

mỗi đơn vị thời gian đƣợc cho bởi [58] :

20

̅

√

(1.24)

Trong đó, V là vận tốc của vật liệu tại bề mặt thành buồng ép, đƣợc giả định nó

bằng vận tốc chày ép Vep và J là đƣơng lƣợng công của nhiệt.

* Quá trình sinh nhiệt do ma sát bề mặt dòng kim loại và vùng kim loại chết.

Nhiệt lƣợng ma sát trên mỗi đơn vị diện tích trên một đơn vị thời gian là đƣợc

cho bởi [58]:

̅ √

(1.25)

Trong đó Vm,j là vận tốc của vật liệu tại các điểm nút bề mặt. Vm,j thì đƣợc tính

toán xấp xỉ theo mối quan hệ sau:

(1.26)

Trong đó Vep là vận tốc chày ép ; là góc vùng kim loại chết.

* Quá trình sinh nhiệt do ma sát với bề mặt cửa khuôn.

Trong trƣờng hợp của ma sát trƣợt, nhiệt ma sát trên một đơn vị diện tích, mỗi

đơn vị thời gian đƣợc cho bởi:

(1.27)

Trong đó τf là ứng suất ma sát.

VE là vận tốc vật liệu thoát ra khỏi khuôn và có thể đƣợc tính toán bằng cách sử

dụng các mối quan hệ:

VE = Vep.ER (1.28)

Trong đó Vep là vận tốc chày ép và ER là tỷ lệ ép chảy.

Nhiệt độ ép chảy có ảnh hƣởng đến chất lƣợng sản phẩm và tuổi thọ khuôn [58].

- Về chất lƣợng sản phẩm, nhiệt độ sản phẩm khi ép ra ảnh hƣởng đến quy trình

xử lý nhiệt sản phẩm sau khi ép, sự ổn định kích thƣớc và gây ra khuyết tật sản phẩm.

- Về tuổi thọ của khuôn, nhiệt độ truyền vào khuôn là một vấn đề quan trọng đối

với tuổi thọ, mòn và hiệu suất làm việc của khuôn. Bám dính bề mặt khuôn và quá

trình hình thành bám dính phụ thuộc vào nhiệt độ sản phẩm ép ra tại cửa khuôn.

21

1.4. Khuôn ép chảy

1.4.1. Cấu tạo khuôn

Theo nguyên lý quá trình ép chảy thanh hợp kim nhôm, khuôn đóng vài trò rất

quan trọng quyết định trực tiếp đến hình dạng, chất lƣợng sản phẩm thanh hợp kim

nhôm.

Có hai loại khuôn ép chảy hợp kim nhôm là khuôn ép thanh (hình 1.14 a) và

khuôn ép ống hợp kim nhôm (hình 1.14 b).

a. Khuôn ép sản phẩm thanh b. Khuôn ép sản phẩm ống

Hình 1.14. Hình ảnh khuôn ép chảy hợp kim nhôm [58]

Mặt cắt ngang của khuôn ép thanh hợp kim nhôm đƣợc thể hiện trong hình 1.15.

Mặt cắt ngang của khuôn ép ống hợp kim nhôm đƣợc thể hiện trong hình 1.16.

Hình 1.15. Cấu tạo khuôn ép thanh hợp kim nhôm

1. Vùng dẫn nhôm; 2. Cửa khuôn; 3. Vùng thoát

B: Độ rộng vùng dẫn; H: độ sâu vùng dẫn; b:độ rộng cửa khuôn; L: độ dài cửa

khuôn; e: vị trí cửa khuôn so với tâm khuôn; : góc nghiêng cửa khuôn.

22

Hình 1.16. Cấu tạo khuôn ép chảy ống hợp kim nhôm.

1.Nửa lõi khuôn; 2. Nửa lòng khuôn; 3. Vùng hợp dòng chảy nhôm; 4. Vùng cửa thoát;

5. Lỗ dẫn nhôm; 6. Cầu khuôn; B: Độ rộng vùng dẫn; H: độ sâu vùng dẫn; b:độ rộng

cửa khuôn; L: độ dài cửa khuôn; : góc nghiêng cửa khuôn.

Thông số hình học của khuôn bao gồm:

 Kích thƣớc đƣờng kính và chiều dài khuôn.

 Số cửa khuôn trên khuôn: n

 Vị trí cửa khuôn trên khuôn: e

 Kích thƣớc vùng dẫn: độ rộng (B), độ sâu (H)

 Kích thƣớc cửa khuôn: độ dài (L), độ rộng (b), góc nghiêng cửa khuôn ( ).

1.4.2. Cửa khuôn

Trong các thông số hình học của khuôn, cửa khuôn ảnh hƣởng trực tiếp đến kích

thƣớc, hình dạng và chất lƣợng bề mặt sản phẩm, vận tốc ép và tuổi bền của khuôn vì

nó có tác dụng kiểm soát cân bằng dòng chảy kim loại thoát ra của vật liệu.

Khi giảm diện tích tiếp xúc giữa dòng chảy vật liệu với bề mặt cửa khuôn dẫn

đến giảm lực cản dòng chảy bằng cách cắt nghiêng (-) một góc α ở mặt sau của cửa

khuôn (hình 1.17c). Khi tăng diện tích tiếp xúc giữa dòng chảy vật liệu với bề mặt cửa

khuôn dẫn đến giảm lực cản dòng chảy bằng cách cắt nghiêng (+) một góc α ở mặt

trƣớc của cửa khuôn (hình 1.17 b) [33].

23

a) Cửa khuôn song song b) Cửa khuôn (+) c) Cửa khuôn (-)

Hình 1.17. Các dạng cửa khuôn trong khuôn ép chảy hợp kim nhôm

Biến dạng cửa khuôn khi ép

Hình 1.18. Mô hình biến dạng tại bề mặt cửa khuôn khi ép (kiểu thắt lại)[57].

Dƣới áp lực ép, bề mặt cửa khuôn bị biến dạng, bề mặt của cửa khuôn (+) có

thể trở thành thẳng đứng làm thay đổi vận tốc thoát của sản phẩm thực tế so với lý

thuyết (hình 1.18). Đây là vấn đề khá phức tạp ảnh hƣởng đến cân bằng dòng kim loại

chảy ra của sản phẩm. Do vậy giảm đƣợc lực ép sẽ giúp giảm biến dạng khuôn, nâng

cao tuổi bền khuôn và đồng thời nâng cao độ chính xác cho sản phẩm ép chảy.

1.4.3. Vật liệu chế tạo khuôn

Vì quá trình ép nhôm là một quá trình làm việc nóng trong khoảng nhiệt độ trung

bình 580°C, vật liệu khuôn đƣợc sử dụng thƣờng là thép SKD11, SKD12, SKS3,

SKS31, SKS91, SKS94... nhƣng phổ biến nhất là SKD61 (theo tiêu chuẩn Nhật) [11].

24

Tuổi bền của khuôn ép thƣờng bị hạn chế bởi các yếu tố: mòn nóng, biến dạng dẻo và

nứt. Vì vậy vật liệu khuôn nên có các thuộc tính sau:

 Độ cứng nóng cao (độ bền nhiệt lớn).

 Chịu mài mòn tốt (thấm nitơ và các lớp phủ cứng mỏng)

 Tính dẻo dai tốt.

Thành phần hóa học của thép hợp kim SKD61 đƣợc thể hiện nhƣ trong bảng 1.3 [12].

Bảng 1.3. Thành phần hóa học vật liệu thép SKD61

Thành phần các nguyên tố (%)

Thép C Si Mn P S Ni Cr Mo V Fe

SKD61 0,4 1,0 0,4 0,03 0,02 0,25 5,0 1,2 1,0 Còn

lại

1.5. Tình hình nghiên cứu trên thế giới và trong nƣớc về ép chảy hợp kim nhôm

1.5.1. Tình hình nghiên cứu trên thế giới

Phƣơng pháp ép chảy đƣợc Joseph Bramah phát minh năm 1797 khi tiến hành

ép chảy thành công các ống dài không cần hàn bằng vật liệu chì và kim loại mềm [33].

Ép chảy bắt đầu phát triển mạnh mẽ ở các nƣớc Châu Âu và Mỹ từ những năm

1960 khi các máy ép có lực ép cỡ lớn lên đến 125 MN đƣợc chế tạo. Bắt đầu từ

khoảng thời gian này rất nhiều các công trình các nghiên cứu về quá trình ép chảy

thanh hợp kim nhôm đƣợc công bố.

Trong khoảng 60 năm qua, các mô hình toán học và mô phỏng số quá trình ép

chảy hợp kim nhôm đã đƣợc công bố cùng với sự phát triển mạnh mẽ của lĩnh vực

máy tính. Công việc ban đầu chủ yếu liên quan đến mô phỏng vấn đề ép chảy 2D hoặc

hình học 3D đơn giản với tỉ lệ ép chảy thấp. Nhƣng với sự phát triển của máy tính

trong khoảng 20 năm gần đây, mô phỏng số quá trình ép chảy đã thực hiện đƣợc các

mô phỏng 3D phức tạp hơn đƣợc sử dụng để phân tích quá trình ép chảy.

Năm 2000, Các mối quan hệ nhiệt động lực học và ma sát quá trình ép chảy của

hợp kim nhôm đƣợc phân tích bởi Saha [58]. Ông nghiên cứu ma sát của phôi với

buồng ép, khu vực kim loại chết và khuôn. Ông kết luận rằng độ chính xác của hình

dạng và bề mặt sản phẩm trong quá trình ép chảy phụ thuộc vào ma sát và mòn trong

25

quá trình ép chảy. Quá trình mài mòn trong khuôn phụ thuộc vào nhiệt động lực học

của quá trình ép chảy, mà trong đó có sự ảnh hƣởng lớn của các thông số công nghệ

quá trình ép nhƣ vận tốc, nhiệt độ, tỷ lệ ép. Saha [58] đề cập đến một chủ đề quan

trọng của thiết kế khuôn ép chảy là kết quả nghiên cứu của Ulysse. Trong nghiên cứu

này ông đã thiết kế cửa khuôn cho một khuôn có hai lỗ vuông. Phƣơng pháp phân tích

gần đúng kết hợp với các kỹ thuật lập trình toán học đƣợc sử dụng trong việc xác định

độ dài cửa khuôn nhằm giảm thiểu sự thay đổi vận tốc thoát ra ở cửa khuôn (cân bằng

dòng chảy kim loại thoát ra). Saha [58] đã trình bày nghiên cứu của Rodriguez về

khuôn với cửa khuôn có độ dài cửa khuôn nhỏ. Với loại khuôn này, thiết kế của vùng

dẫn là biện pháp duy nhất để điều chỉnh vận tốc ra của sản phẩm tại các vị trí trên cửa

khuôn. Loại khuôn này có những ƣu điểm cho phép vận tốc ép chảy cao và chất lƣợng

bề mặt tốt. Tuy nhiên, khi một sản phẩm thành mỏng phức tạp về mặt hình học, độ dài

cửa khuôn nhỏ có thể không hiệu quả để kiểm soát dòng chảy kim loại. Chanda [39]

thực hiện việc xác định sự biến dạng và nhiệt độ của hợp kim nhôm (AA6061) trong

quá trình ép bằng cách sử dụng phƣơng pháp mô phỏng phần tử hữu hạn 3D. Trong

công trình này, đã xem xét ép sản phẩm hình vuông và hình tròn tại tỉ lệ ép 20: 1 và

60: 1 và phát hiện ra rằng: Khi tỷ lệ ép là 20:1, sản phẩm ép hình tròn có nhiệt độ lớn

hơn so với sản phẩm ép hình vuông ở trạng thái ổn định của quá trình ép chảy. Trong

sản phẩm ép hình vuông, sự phân bố nhiệt độ không đồng nhất, các góc có xu hƣớng

có nhiệt độ cao hơn đặc biệt là khi tỉ lệ ép giảm thấp. Sản phẩm ép hình vuông có

khuynh hƣớng bị rách nhiều hơn, đặc biệt ở tỷ lệ ép cao do thành phần của ứng suất

giới hạn ở bề mặt của sản phẩm ép hình vuông cao gấp 3 lần so với bề mặt của sản

phẩm ép hình tròn. Sự phân bố của ứng suất ở phía trƣớc cửa khuôn hình vuông và

hình tròn là khác nhau. Ứng suất giới hạn trong ép chảy sản phẩm vuông nhỏ hơn sản

phẩm tròn do vận tốc chảy vật liệu trong khuôn ép sản phẩm hình vuông chậm hơn.

Năm 2002, Geun-An Lee [42] đã nghiên cứu ứng dụng mô phỏng số để xác định

độ dài cửa khuôn cho 2 bộ khuôn ép chảy sản phẩm tiết diện dạng U và dạng V. Arif

cùng cộng sự [31] đã công bố lỗi sản phẩm trong ép chảy hợp kim nhôm và tác động

của chúng đến chi phí sản xuất.

Năm 2004, Flitta và cộng sự [46] đã nghiên cứu bản chất của ma sát trong quá trình

26

ép chảy và ảnh hƣởng của nó đối với lƣu lƣợng dòng chảy kim loại. Nghiên cứu này

tập trung vào việc mô phỏng quá trình ép và đặc biệt là ảnh hƣởng của nhiệt độ phôi

ban đầu đến ma sát và hậu quả của nó đối với dòng chảy kim loại. Tất cả các mô

phỏng đƣợc thực hiện với các mã số là FORGE2 và FORGE3. Ngƣời ta thấy rằng: Các

giá trị ma sát không liên tục đối với tất cả nhiệt độ ép và gia tăng xấp xỉ với tăng nhiệt

độ phôi ban đầu. Để mô phỏng chính xác quá trình ép chảy, hệ số ma sát phải đƣợc

xác định liên tục trong suốt quá trình chu trình ép. Sự gia tăng ma sát sẽ làm tăng lực

ép ban đầu. Tomislav R. Marinković [66] đã nghiên cứu đƣa ra công thức tính áp lực

ép chảy khi ép chảy sản phẩm ống tròn.

Năm 2005, Zhi Peng và Terry Sheppard [70] đã nghiên cứu ảnh hƣởng kết cấu

vùng dẫn trên khuôn có nhiều cửa đến nhiệt độ của sản phẩm ép chảy.

Năm 2006, Milan terčelj [54] đã nghiên cứu phƣơng pháp đo lƣờng nhiệt độ trên

bề mặt cửa khuôn bằng phƣơng phƣơng đo tiếp xúc trực tiếp.

Năm 2007, S. Bingöl và M.S. Keskin [34] đã nghiên cứu ảnh hƣởng của vận tốc ép

và nhiệt độ phôi đến chất lƣợng mối hàn hợp dòng trên sản phẩm ép chảy. S.Z. Qamar

[59] đã nghiên cứu ứng dụng mô phỏng số dự đoán tuổi bền của khuôn.

Năm 2009, A.J. Koopman [47] đã công bố nghiên cứu về công cụ phân tích mô

phỏng số trong thiết kế khuôn ép chảy hợp kim nhôm.

Sau đó, trong năm 2010, G.Fang và cộng sự [40] trình bày một loạt các mô phỏng

sử dụng phần mềm DEFORM 3D để mô phỏng ép chảy một biên dạng nhôm mỏng

rộng . G.Fang dự đoán vận tốc và sự phân bố nhiệt độ và chứng minh rằng thông số

hình học của vùng dẫn nhôm có thể đƣợc sử dụng để cân bằng dòng chảy kim loại. Độ

sâu vùng dẫn nhôm cũng ảnh hƣởng đáng kể trong vận tốc dòng chảy. W. A. Assaad

[32] đã công bố nghiên cứu về biến dạng khuôn trong quá trình ép chảy bằng mô

phỏng số. LIU Jian [51] đã công bố ảnh hƣởng của thông số công nghệ, độ dài buồng

hàn, độ rộng mặt sau chân cầu khuôn đến chất lƣợng mối hàn hợp dòng trong quá trình

ép chảy ống hợp kim nhôm bằng mô phỏng số.

Năm 2011, Yuan [69] đề xuất một thiết kế khuôn với góc cửa khuôn hợp lý nhằm

giảm khuyết tật bề mặt sản phẩm. Yuan đã chứng minh bằng cách sử dụng một loạt

các mô phỏng số dòng chảy kim loại là đồng nhất hơn. Yuan cũng chứng minh rằng áp

27

lực trên cửa khuôn giảm và do đó tránh đƣợc các vết nứt bề mặt gây ra bởi ứng suất.

Sayyad Zahid Qamar [60] đƣa ra dự đoán tuổi bền của khuôn bằng mô phỏng số. Yan

Xu [68] đã tiến hành mô phỏng số quá trình hàn hợp dòng kim loại trong quá trình ép

chảy hợp kim nhôm. Cunsheng Zhang [37] đã nghiên cứu ảnh hƣởng của vận tốc ép

đến sự thay đổi nhiệt độ và sai lệch vận tốc ra ra tại cửa khuôn.

Năm 2012, Cunsheng Zhang [38] công bố ảnh hƣởng của đƣờng kính phôi, vận tốc

chày ép và nhiệt độ ép đến lực ép và sai lệch vận tốc ra tại cửa khuôn bằng mô phỏng

số. Năm 2012, Liliang Wang[62] đã công bố mô hình ma sát trong ép chảy hợp kim

nhôm ở nhiệt độ cao.

Năm 2013, Yahya Mahmoodkhani [52] đã công bố mô hình toán học dòng chảy

vật liệu hợp kim nhôm AA3003. R. Mayavaram [53] đã tiến hành ứng dụng mô phỏng

số xác định độ dài cửa khuôn ép chảy sản phẩm phức tạp. Padmanathan

Kathirgamanathan [56] tiến hành tối ƣu hóa tham số ép chảy hợp kim nhôm 6xxx và

7xxx bằng mô phỏng số. Bên cạnh đó, O.P.Gbenebor cùng cộng sự [41] đã nghiên cứu

ảnh hƣởng của góc vùng dẫn kim loại đến ứng suất và lực ép với hợp kim nhôm 6063.

Năm 2014, Guoqun Zhao [43] đã công bố thiết kế vùng dẫn hợp lý cho sản phẩm

sàn tàu điện bằng mô phỏng số.

Năm 2015, Liang Chen và cộng sự [49] đã công bố nghiên cứu ảnh hƣởng của vận

tốc chày ép đến các thông số đầu ra nhƣ nhiệt độ ra, vận tốc ra cửa sản phẩm ống hợp

kim nhôm hình vuông.

Năm 2016, Ab Rahim [28] đã công bố nghiên cứu về ảnh hƣởng của vận tốc ép và

nhiệt độ phôi ép chảy đến quá trình ép chảy hợp kim nhôm 6061 bằng mô phỏng số.

Bên cạnh đó một số nghiên cứu khác theo hƣớng thực nghiệm nhƣ: năm 2012,

Hanliang Zhu [44] đã nghiên cứu ảnh hƣởng của phôi, khuôn đến vệt xám dọc sản

phẩm ép. Ratnakar Das [61], đã nghiên cứu tỷ lệ ép và bôi trơn đến nhám bề mặt sản

phẩm ép chảy hợp kim nhôm. Bombač [35] đã công bố nghiên cứu quá trình mòn cửa

khuôn đƣợc thấm nitơ vào năm 2013.

Năm 2014, Adeosun [29] nghiên cứu ảnh hƣởng của góc nghiêng cửa khuôn đến

lực ép. Apostolos Chondronasios [30] công bố ứng dụng kỹ thuật ảnh để kiểm soát lỗi

phồng rộp bề mặt sản phẩm ép chảy hợp kim nhôm vào năm 2015.

28

Qua đây cho thấy, các nghiên cứu về dòng chảy kim loại, ma sát, nhiệt động lực

học trong quá trình ép chảy thanh hợp kim nhôm; nghiên cứu về khuôn, thông số công

nghệ ép và chất lƣợng sản phẩm ép chảy vẫn đang là xu hƣớng tiếp tục tập trung

nghiên cứu hiện nay.

Tuy nhiên, chƣa thấy công trình nghiên cứu nào đánh giá ảnh hƣởng đồng thời của

thông số hình học khuôn và chế độ ép đến độ nhám bề mặt sản phẩm và áp lực ép chảy

hợp kim nhôm.

1.5.2. Tình hình nghiên cứu trong nƣớc

Công nghệ ép chảy thanh hợp kim nhôm ở trong nƣớc bắt đầu phát triển trong

thời gian khoảng 20 năm gần đây với việc đƣa các nhà máy sản xuất thanh hợp kim

nhôm đi vào hoạt động nhƣ nhà máy nhôm Sông Hồng năm 1998, Đông Anh

2005, Huyndai Aluminum Vina năm 2006, EUROHA năm 2010 …

Ở trong nƣớc, Công nghệ ép chảy đã đƣợc trình bày về nguyên lý hoạt động và

các thông số cơ bản của quá trình ép chảy trong các giáo trình về lĩnh vực gia công áp

lực [8, 16, 17, 18, 20, 21, 27] giúp cho các kỹ sƣ tiếp cận ban đầu với công nghệ ép

chảy hợp kim nhôm.

Một số công trình nghiên cứu về các giải pháp nâng cao chất lƣợng khuôn ép

chảy hợp kim nhôm bằng phƣơng pháp nhiệt luyện, thấm nitơ của Lê Thị Chiều: Nâng

cao chất lƣợng khuôn đùn ép khung nhôm xây dựng bằng công nghệ nhiệt luyện công

bố năm 2005 [2]. Khảo sát và phân tích nguyên nhân các sai hỏng phổ biến khi sử

dụng khuôn ép chảy khung nhôm xây dựng công bố năm 2006 [4]. Công nghệ thấm

nitơ cho khuôn mới và khuôn ép chảy nhôm định hình đã qua sử dụng công bố năm

2013 [3]. Năm 2014, Lê Minh Ngọc và Phùng Thị Tố Hằng công bố nghiên cứu Ảnh

hƣởng của lớp phosphat hóa trung gian đến tổ chức và độ cứng của lớp thấm nitơ trên

thép SKD11 làm khuôn đùn ép nhôm [19]. Các nghiên cứu này đã góp phần nâng cao

tuổi bền của khuôn ép chảy hợp kim nhôm cho các nhà máy nhôm tại Việt nam.

Bên cạnh đó một số công trình nghiên cứu về xây dựng quy trình công nghệ chế

tạo khuôn ép chảy nhằm phục vụ nội địa hóa quá trình chế tạo khuôn trong nƣớc:

Nghiên cứu thiết kế, chế tạo khuôn ép chảy nhôm định hình thay thế khuôn nhập khẩu

của Chu Văn Toàn công bố năm 2007 [22]. Nghiên cứu cải tiến khuôn ép chảy nhôm

phù hợp với quá trình gia công trên máy gia công CNC của Lê Quốc Huỳnh công bố

29

năm 2011 [13]. Hoàn thiện công nghệ nhiệt luyện và quy trình chế tạo khuôn ép chảy

nhôm thanh định hình trong ngành xây dựng và công nghiệp của Đặng Văn Chung

công bố năm 2014 [5]. Các công trình nghiên cứu này đã góp phần giúp các nhà máy

nhôm Việt nam chế tạo đƣợc các bộ khuôn có kết cấu đơn giản thay thế cho nhập

khẩu, giảm chi phí nhập khẩu khuôn cho các nhà máy sản xuất thanh hợp kim nhôm.

Ngoài ra, trong lĩnh vực đào tạo có một số nghiên cứu về quá trình ép chảy hợp

kim nhôm nhƣ: “Nghiên cứu công nghệ ép chảy thuận thanh hợp kim nhôm định

hình,” của Tạ Văn Thu [24] công bố năm 2012 đã nghiên cứu ứng dụng phần mềm

DEFORM để mô phỏng số quá trình ép chảy thuận hợp kim nhôm. Năm 2014, Nghiên

cứu sử dụng phần mềm CAD/CAM để thiết kế khuôn ép áp lực thanh nhôm định hình

của Nguyễn Đăng Lƣơng [15] đã nghiên cứu ứng dụng phần mềm PTC Creo vào thiết

kế khuôn ép chảy hợp kim nhôm. Năm 2015, các tác giả Đỗ Quang Long, Nguyễn

Tuấn Anh, Đinh Văn Hải, Lê Thái Hùng công bố bài báo nghiên cứu “Mô phỏng và

phân tích dòng chảy kim loại trong quá trình ép chảy ngang khớp nối chữ thập”[14].

Các nghiên cứu này đã bƣớc đầu tiếp cận làm rõ kết cấu khuôn và các yếu tố cơ bản

trong quá trình ép chảy hợp kim nhôm, ứng dụng phần mềm CAE mô phỏng số về quá

trình ép chảy.

Một số nhà máy sản xuất thanh hợp kim nhôm nhƣ EUROHA, Huyndai

Alumium Vina sau một vài năm hoạt động sản xuất cũng tự biên tập các tài liệu nội bộ

về kỹ thuật khuôn mẫu [12] và các tài liệu khác nhằm đảm bảo chất lƣợng của quá

trình sản xuất thanh hợp kim nhôm.

Theo đánh giá của một số kỹ sƣ, lãnh đạo của một số nhà máy sản xuất thanh hợp

kim nhôm trong nƣớc (nhƣ EUROHA, Đông Anh), hiện nay trong nƣớc vẫn còn tồn

tại một số vấn đề nhƣ: Các công trình nghiên cứu chuyên sâu về quá trình ép chảy hợp

kim nhôm vẫn còn hạn chế. Các dây chuyền máy móc sản xuất thanh hợp kim nhôm

đều phải nhập khẩu từ nƣớc ngoài. Phôi hợp kim nhôm phục vụ cho quá trình ép chảy

chủ yếu vẫn phải nhập khẩu. Khuôn ép chảy đƣợc sử dụng với số lƣợng lớn nhƣng vẫn

phải nhập khẩu một phần từ nƣớc ngoài hoặc liên doanh với nƣớc ngoài. Công nghệ

chế tạo khuôn trong nƣớc chƣa tối ƣu nên chi phí chế tạo khuôn còn cao, độ chính xác

và tuổi bền của khuôn còn thấp so với các khuôn do nƣớc ngoài chế tạo. Các vấn đề về

chất lƣợng sản phẩm gặp phải trong quá trình sản xuất nhƣ độ chính xác hình dáng

30

hình học (sản phẩm ép ra bị xoắn, cong do thiết kế khuôn không đảm bảo cân bằng

dòng chảy kim loại) và chất lƣợng bề mặt rất khó xử lý, vì có rất ít các tài liệu tiếng

việt hay công trình nghiên cứu trong nƣớc về lĩnh vực này.

Qua phân tích trên cho thấy tình hình nghiên cứu trong nƣớc về lĩnh vực công nghệ

ép chảy hợp kim nhôm hiện nay vẫn chƣa nhiều, chƣa có công trình nghiên cứu nào về

đánh giá mức độ ảnh hƣởng của các thông số hình học khuôn đến dòng chảy kim loại

trong quá trình ép chảy làm cơ sở cho quá trình cân bằng dòng chảy nhằm đảm bảo độ

chính xác hình dáng học của sản phẩm khi thiết kế khuôn. Các nghiên cứu về ảnh

hƣởng của một số thông số hình học khuôn và chế độ ép đến độ nhám bề mặt sản

phẩm và áp lực ép chảy cũng chƣa đƣợc nghiên cứu.

Kết luận chƣơng 1

Nhƣ vậy, qua phân tích tổng quan về quá trình ép chảy hợp kim nhôm, các công

trình nghiên cứu trong và ngoài nƣớc đã cho thấy hiện nay các nghiên cứu về sự ảnh

hƣởng đồng thời của thông số hình học khuôn và thông số chế độ ép đến độ chính xác

hình dáng hình học, độ nhám bề mặt sản phẩm và áp lực ép vẫn chƣa đƣợc làm rõ để

nâng cao hơn nữa chất lƣợng sản phẩm thanh hợp kim nhôm ép chảy.

Do vậy, cần thiết phải tiến hành nghiên cứu về ảnh hƣởng của một số thông số

hình học của khuôn và chế độ ép đến độ chính xác hình dáng hình học, độ nhám bề

mặt sản phẩm thanh hợp kim nhôm và áp lực ép.

Để thực hiện đƣợc nghiên cứu trên cần định hƣớng thực hiện các bƣớc nhƣ sau:

- Trên cơ sở nghiên cứu lý thuyết, tiến hành nghiên cứu ảnh hƣởng của các

thông số hình học khuôn đến vận tốc ra của sản phẩm bằng mô phỏng số làm cơ sở

cho quá trình cân bằng dòng chảy khi thiết kế khuôn (sản phẩm có tiết diện 70x5 mm,

vật liệu 6061) để đảm bảo độ chính xác hình dáng hình học của sản phẩm và giảm

thiểu quá trình phải sửa khuôn trong sản xuất.

- Nghiên cứu thực nghiệm ảnh hƣởng đồng thời một số thông số hình học của

khuôn và chế độ ép đến độ nhám bề mặt sản phẩm và áp lực ép. Trên cơ sở đó giải bài

toán tối ƣu đồng thời 2 chỉ tiêu để xác định kích thƣớc một số thông số hình học của

khuôn và chế độ ép hợp lý, nâng cao chất lƣợng bề mặt sản phẩm ép chảy và sử dụng

hiệu quả thiết bị, dụng cụ ép.

31

CHƢƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT ẢNH HƢỞNG CỦA MỘT SỐ YẾU TỐ

ĐẾN CHẤT LƢỢNG SẢN PHẨM KHI ÉP CHẢY HỢP KIM NHÔM

2.1. Chất lƣợng sản phẩm khi ép chảy thanh hợp kim nhôm

2.1.1. Các yếu tố đặc trƣng của chất lƣợng thanh hợp kim nhôm ép chảy

Chất lƣợng sản phẩm có ảnh hƣởng quyết định đến thƣơng hiệu, sự tồn tại và sự

phát triển của doanh nghiệp. Chất lƣợng chế tạo sản phẩm thanh hợp kim nhôm ép

chảy chịu ảnh hƣởng của nhiều quá trình công nghệ: quá trình chế tạo phôi, quá trình

ép chảy, quá trình xử lý nhiệt và quá trình mạ hay sơn tĩnh điện bề mặt…

Trong khuôn khổ giới hạn nghiên cứu của luận án chỉ tập trung vào nghiên cứu

một số yếu tố ảnh hƣởng đến chất lƣợng sản phẩm trong nguyên công ép chảy định

hình thanh hợp kim nhôm.

Chất lƣợng thanh hợp kim nhôm trong nguyên công ép chảy đƣợc đánh giá

thông qua độ chính xác chế tạo các chi tiết máy nói chung bao gồm các yếu tố đặc

trƣng [8,9,58]:

- Độ chính xác kích thước (kích thƣớc thẳng, kích thƣớc góc) đánh giá bằng sai

số của kích thƣớc chế tạo đƣợc so với kích thƣớc lý tƣởng trên bản vẽ và đƣợc thể hiện

bằng dung sai của kích thƣớc đó.

- Độ chính xác vị trí tương quan giữa hai bề mặt thực chất là sự xoay đi một góc

nào đó của bề mặt này so với bề mặt kia (dùng làm chuẩn) nhƣ độ không đối xứng, độ

không song song, độ không vuông góc …

- Độ chính xác hình dạng hình học là mức độ phù hợp lớn nhất của chi tiết với

hình dạng hình học lý tƣởng của nó nhƣ: độ côn, độ ô van, độ đa cạnh ... khi gia công

mặt trụ và độ phẳng khi gia công mặt phẳng.

- Chất lượng bề mặt bao gồm độ độ nhám, độ sóng bề mặt và tính chất cơ lý lớp

bề mặt của sản phẩm chế tạo ra.

Hình ảnh độ nhám bề mặt sản phẩm thanh hợp kim nhôm sau quá trình ép chảy

đƣợc thể hiện trên hình 2.1 [67].

32

Hình 2.1. Độ nhám bề mặt trên sản phẩm thanh hợp kim nhôm [67]

Ngoài các đặc trƣng về chất lƣợng của một chi tiết máy nói chung, chất lƣợng

các sản phẩm quá trình ép chảy thanh hợp kim nhôm còn đƣợc đặc trƣng bởi một số

chỉ tiêu khác [30,31,33,67].

- Các vệt xám ở mặt cắt ngang và theo chiều dọc sản phẩm tạo thành một vùng

có đặc tính cơ học xấu do quá trình hợp dòng chảy và lớp oxit nhôm bề mặt phôi gây

ra gây ra (hình 2.2).

Hình 2.2. Vệt xám dọc và ngang trên sản phẩm ép

- Các nốt phồng rộp xuất hiện trong suốt quá trình ép do không khí hoặc các

chất bôi trơn dễ bay hơi hình thành trên bề mặt sản phẩm (hình 2.3).

Hình 2.3. Vết phồng rộp trên bề mặt sản phẩm

33

- Sản phẩm bị rỗ bề mặt do tổ chức kim loại của phôi không đồng nhất gây ra

các hạt thô không mong muốn Mg2Si làm giảm khả năng ép chảy và chất lƣợng sản

phẩm (hình 2.4) [33].

Hình 2.4. Sản phẩm bị rỗ bề mặt

- Sản phẩm bị nứt hoặc rách bề mặt (hình 2.5) thƣờng xảy ra khi thực hiện quá

trình ép chảy vƣợt quá mức độ biến dạng cho phép của vật liệu.

Hình 2.5. Sản phẩm bị nứt

- Các hạt bám dính trên bề mặt sản phẩm thì đƣợc quan sát qua các vết xƣớc

không liên tục trên bề mặt và cuối mỗi vết xƣớc có hạt bám dính nhô lên (hình 2.6).

Các vệt bám dính thƣờng có độ dài khoảng vài chục đến vài trăm μm.

Hình 2.6. Sản phẩm xuất hiện hạt bám dính trên bề mặt

34

2.1.2. Phƣơng pháp đánh giá chất lƣợng thanh hợp kim nhôm ép chảy

Để đánh giá đƣợc các yếu tố đặc trƣng của chất lƣợng bề mặt trên ngƣời ta tiến

hành nhƣ sau [8,12,33,67]:

- Độ chính xác về kích thước của sản phẩm đƣợc xác định bằng phƣơng pháp đo

kích thƣớc sử dụng các thiết bị, dụng cụ đo nhƣ panme, thƣớc cặp, thƣớc đo cao, thƣớc

đo góc...Các kích thƣớc quan trọng đạt độ chính xác cấp 6†8.

Độ chính xác về kích thƣớc ảnh hƣởng đến khối lƣợng trên một đơn vị độ dài

của sản phẩm, do đó có thể đánh giá độ chính xác về kích thƣớc của sản phẩm bằng

cách đo các kích thƣớc quan trọng kết hợp với đo khối lƣợng sản phẩm trên một đơn vị

độ dài. Sai lệch khối lƣợng cho phép thƣờng nhỏ hơn 0,05kg/6m độ dài.

- Độ chính xác vị trí tương quan giữa hai bề mặt của sản phẩm đƣợc xác định

bằng phƣơng pháp đo thông số vị trí tƣơng quan sử dụng các thiết bị, dụng cụ đo nhƣ

đồng hồ so... Sai số về vị trí tƣơng quan cho phép thƣờng nhỏ hơn 0,05/100 mm.

- Độ chính xác hình dạng hình học của sản phẩm đƣợc xác định bằng phƣơng

pháp đo thông số sai số hình dáng bề mặt sử dụng các thiết bị, dụng cụ đo nhƣ panme,

đồng hồ so... Sai số về hình dáng hình học đại quan cho phép của sản phẩm thường

nhỏ hơn 0,05/100 mm.

- Chất lượng bề mặt đƣợc đánh giá thông qua các chỉ tiêu về độ nhám bề mặt,

số lƣợng hạt bám dính bề mặt, độ cứng bề mặt, chiều sâu lớp biến cứng và ứng suất dƣ

lớp bề mặt.

+ Đo độ nhám bề mặt thƣờng dùng 3 phƣơng pháp:

 Dùng phƣơng pháp mặt cắt ánh sáng.

 Dùng phƣơng pháp giao thoa ánh sáng nhƣ kính hiển vi quang học.

 Dùng phƣơng pháp đầu dò tiếp xúc hoặc không tiếp xúc bằng máy đo

nhám nhƣ Mitutoyo Surftest SJ-400 machine của Nhật bản.

Độ nhám bề mặt của sản phẩm thanh hợp kim nhôm thƣờng nằm trong khoảng:

0,5 ≤ Ra ≤ 5 μm và tốt nhất trong khoảng 1 ≤ Ra ≤ 3 μm để đảm bảo về mặt thẩm mỹ

sản phẩm, chất lƣợng sản phẩm cũng nhƣ khả năng xử lý nhiệt và mạ ở quá trình công

nghệ tiếp theo.

35

+ Các hạt bám dính trên bề mặt sản phẩm đƣợc đánh giá bằng số lƣợng hạt và

kích thƣớc hạt trên một đơn vị diện tích bề mặt (độ dài sản phẩm ứng với 1 phôi ép x

1mm bề ngang), sử dụng kính hiển vi để quan sát [67]. Các hạt bám dính có kích thƣớc

độ dài phần hạt ≥50 μm và phần xƣớc bề mặt không có hạt ≥ 200 μm đƣợc coi là

những hạt bám dính gây ảnh hƣởng xấu đến chất lƣợng bề mặt sản phẩm thanh hợp

kim nhôm.

+ Độ cứng bề mặt đo bằng các máy đo độ cứng bề mặt, sử dụng phƣơng pháp

đo brinell, rockwell, wickker.

+ Chiều sâu lớp biến cứng và ứng suất dư đo bằng phƣơng pháp phân tích cấu

trúc mạng tinh thể sử dụng tia rơnghen.

+ Các vệt xám bề mặt đƣợc đánh giá bằng kích thƣớc độ rộng vệt xám, số

lƣợng các vệt xám [33,67]. Các sản phẩm ép chảy xuất hiện các vệt xám mờ, mà quá

trình tiếp theo sản phẩm đƣợc sơn bề mặt thì có thể chấp nhận đƣợc với sản phẩm

không yêu cầu chất lƣợng cao. Nếu sản phẩm không đƣợc sơn bề mặt ở quá trình tiếp

theo thì sẽ bị coi là phế phẩm.

+ Các nốt phồng rộp bề mặt đƣợc đánh giá trực tiếp bằng kích thƣớc nốt phồng

rộp, số lƣợng các nốt phồng rộp trên bề mặt [67].

+ Rỗ bề mặt bề mặt đƣợc đánh giá trực tiếp bằng kích thƣớc hạt rỗ, độ rộng mặt

rỗ [67].

+ Nứt hoặc rách bề mặt đƣợc đánh giá trực tiếp bằng kích thƣớc, số lƣợng các

vết nứt hay rách bề mặt [67].

Các sản phẩm ép chảy xuất hiện các nốt phồng rộp bề mặt, rỗ bề mặt và nứt, rách

bề mặt đều bị coi là phế phẩm.

2.1.3. Xác định các chỉ tiêu chính đánh giá chất lƣợng thanh hợp kim nhôm ép

chảy

Chất lƣợng sản phẩm của quá trình ép chảy thanh hợp kim nhôm chịu ảnh hƣởng

của nhiều yếu tố sau [33,58,67]:

1. Phôi ép

- Thành phần hóa học, khả năng biến dạng dẻo của phôi

- Độ dài phôi

36

- Đƣờng kính phôi (tỷ lệ ép)

2. Khuôn ép chảy

- Thông số hình học khuôn

- Hệ thống dụng cụ gá lắp khuôn (độ cứng vững của hệ thống)

- Trạng thái bề mặt cửa khuôn

3. Máy ép

- Trạng thái đầu chày ép

- Vận tốc chày ép

4. Quá trình ép

- Bôi trơn (ma sát)

- Nhiệt độ của buồng ép

- Nhiệt độ của khuôn

- Nhiệt độ phôi

- Nhiệt độ ép

- Vận tốc ép

5. Băng tải và đầu kéo sản phẩm

- Quá trình làm nguội sản phẩm ở băng tải

- Tỷ lệ kéo căng sản phẩm

Các nguyên nhân chính ảnh hƣởng đến các chỉ tiêu đánh giá chất lƣợng sản phẩm

quá trình ép chảy thanh hợp kim nhôm đƣợc thể hiện trong bảng 2.1 [58]:

Bảng 2.1. Các nguyên nhân chính ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm

Chỉ tiêu đánh giá chất lƣợng sản Các nguyên nhân ảnh hƣởng chính

phẩm ép chảy thanh hợp kim nhôm

Độ chính xác về kích thƣớc - Độ chính xác kích thƣớc cửa khuôn

- Mòn cửa khuôn

- Nhiệt độ ép

Độ chính xác vị trí tƣơng quan - Độ chính xác vị trí tƣơng quan các khe hở

cửa khuôn

- Mòn cửa khuôn

37

Bảng 2.1. Các nguyên nhân chính ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm (tiếp)

Độ chính xác hình dạng hình học - Mòn cửa khuôn

- Dòng chảy hợp kim nhôm không cân bằng

(vùng dẫn, cửa khuôn)

Độ nhám bề mặt, các hạt bám dính - Vật liệu phôi ép

trên bề mặt sản phẩm - Vận tốc ép

- Nhiệt độ ép

- Độ dài cửa khuôn

- Góc nghiêng cửa khuôn

- Trạng thái bề mặt cửa khuôn

- Tỷ lệ ép

Tính chất cơ lý lớp bề mặt: - Phôi ép

- Độ cứng bề mặt bằng - Vận tốc ép

- Chiều sâu lớp biến cứng - Nhiệt độ ép

- Ứng suất dƣ - Độ dài cửa khuôn

- Góc nghiêng cửa khuôn

- Trạng thái bề mặt cửa khuôn

- Áp lực ép

Các vệt xám - Quá trình hợp dòng chảy kim loại trong

khuôn ép ống hợp kim nhôm rỗng

Các phồng rộp - Không khí hoặc các chất bôi trơn dễ bay

hơi hình thành

Rỗ bề mặt - Tổ chức kim loại của phôi không đồng nhất

Nứt hoặc rách bề mặt - Nhiệt độ ép, vận tốc ép nằm ngoài miền xác

định cho phép.

Qua bảng 2.1 cho thấy, trong các chỉ tiêu đánh giá chất lƣợng sản phẩm trên thì

độ chính xác về kích thƣớc và độ chính xác vị trí tƣơng quan có thể khắc phục các

nguyên nhân gây ra sai số một cách dễ dàng bằng cách nâng cao độ chính xác chế tạo

38

khuôn. Khi thiết kế khuôn có tính đến biến dạng nhiệt và tỷ lệ phần trăm giãn dài của

sản phẩm.

Tính chất cơ lý lớp bề mặt sản phẩm sẽ đƣợc kiểm soát ở quá trình công nghệ xử

lý nhiệt sau quá trình ép. Nên trong quá trình ép việc kiểm soát các nguyên nhân ảnh

hƣởng đến tính chất cơ lý bề mặt ít đƣợc chú trọng hơn.

Các vệt xám bề mặt thƣờng xuất hiện trên các sản phẩm rỗng, có sự tách và hợp

dòng chảy trong quá trình ép. Bên cạch đó yếu tố về vận tốc ép và nhiệt độ ép cũng

ảnh hƣởng đến sự hình thành vệt xám bề mặt [33]. Có thể khắc phục vệt xám bề mặt

bằng cách thay đổi thiết kế kích thƣớc cầu khuôn, vùng hợp dòng chảy trong khuôn và

chế độ ép.

Các phồng rộp bề mặt do không khí hay chất bôi trơn tạo ra nên cần tránh không

khí và hơi chất bôi trơn bị tích lại bên trong khu vực vùng dẫn nhôm trƣớc cửa khuôn.

Bề mặt sản phẩm bị rỗ thƣờng liên quan đến tổ chức kim loại của phôi không

đồng nhất, để khắc phục khuyết tật này phải tiến hành đồng nhất hóa lại phôi.

Các vết nứt bề mặt xảy ra do quá trình ép với nhiệt độ ép, vận tốc ép nằm ngoài

miền xác định cho phép. Do đó cần phải thực hiện quá trình ép trong miền giới hạn

nhiệt độ và vận tốc quá trình ép nhƣ hình 2.7.

Miền giới hạn đƣợc xây dựng bởi các đƣờng cong [33,48,55,58,67]

1) Giới hạn áp lực ép của máy (đƣờng cong A);

2) Bề mặt bị hƣ hỏng, rách (đƣờng cong B).

3) Cấu trúc vi mô - tính chất cơ học của sản phẩm (đƣờng cong C)

Hình 2.7. Miền giới hạn vùng ép [58]

39

Độ nhám bề mặt và số lƣợng các hạt bám dính trên bề mặt sản phẩm cũng phụ

thuộc vào rất nhiều yếu tố đã đƣợc liệt kê trong bảng 2.1. Trong đó nghiên cứu về quá

trình hình thành của các hạt bám dính trên bề mặt cửa khuôn và các nguyên nhân ảnh

hƣởng đến chúng đã đƣợc Ximao thể hiện trong tài liệu [67]. Độ nhám bề mặt đã đƣợc

một số tác giả nghiên cứu ảnh hƣởng của một số thông số đơn lẻ đƣợc thể hiện trong

tài liệu [33]. Nó đƣợc trình bày khá sơ lƣợc, do đó cần đƣợc nghiên cứu sâu và cụ thể

hơn nữa.

Độ chính xác về hình dáng hình học sản phẩm là chỉ tiêu quan trọng phụ thuộc

rất lớn vào quá trình cân bằng dòng chảy kim loại. Quá trình cân bằng dòng chảy kim

loại hiện nay vẫn là một bài toán phức tạp, phụ thuộc chủ yếu vào thiết kế kết cấu của

khuôn [58]. Việc nghiên cứu các thông số hình học khuôn ảnh hƣởng đến quá trình

cân bằng dòng chảy kim loại là hết sức cần thiết.

Qua phân tích trên cho thấy độ chính xác về hình dáng hình học và độ nhám bề

mặt sản phẩm là 2 chỉ tiêu quan trọng của chất lượng sản phẩm thanh hợp kim nhôm

ép chảy. Do vậy cần thiết phải tập trung đi sâu vào nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng

đến 2 chỉ tiêu quan trọng này.

2.2. Ảnh hƣởng của một số yếu tố đến độ chính xác về hình dáng hình học sản phẩm

* Cơ sở lý thuyết:

Độ chính xác về hình dáng hình học của sản phẩm chịu ảnh hƣởng một phần vào

trạng thái mòn cửa khuôn không đều gây ra sản phẩm bị méo và chịu ảnh hƣởng một

phần ở công đoạn kéo căng sản phẩm sau khi sản phẩm ép ra, giúp làm tăng độ chính

xác về hình dáng hình học cho sản phẩm.

Tuy nhiên mức độ ảnh hƣởng đƣợc coi là lớn nhất đến độ chính xác về hình dáng

hình học của sản phẩm là việc cân bằng dòng chảy kim loại trong quá trình ép chảy

thanh hợp kim nhôm (vận tốc dòng chảy sản phẩm ra khỏi cửa khuôn phải bằng nhau).

Dòng chảy kim loại không đƣợc cân bằng sẽ làm cho sản phẩm ép chảy ra bị xoắn,

gợn sóng hay méo làm ảnh hƣởng đến độ chính xác về hình dáng hình học của sản

phẩm (hình 2.8) và đôi khi không thể thực hiện đƣợc quá trình ép chảy [57].

40

a) Sản phẩm bị gợn sóng b) Sản phẩm bị méo

Hình 2.8. Sản phẩm bị gợn sóng, méo do vận tốc ra không đồng đều [57].

Quá trình cân bằng dòng chảy kim loại chịu ảnh hƣởng chủ yếu vào ma sát của

dòng chảy kim loại đƣợc thể hiện trên hình 2.9 [58].

Hình 2.9. Ma sát trong quá trình ép chảy thuận [58]

1. Ma sát phôi-buồng ép; 2. ma sát phôi-vùng kim loại chết; 3. ma sát phôi-khuôn

Trong suốt quá trình ép chảy, lực ma sát của vật liệu phôi với bề mặt buồng ép,

vùng kim loại đứng yên và khuôn ảnh hƣởng đến vận tốc dòng chảy vật liệu ra tại các

vị trí khác nhau trên cửa khuôn. Qua đó ảnh hƣởng đến độ chính xác về hình dáng

hình học và chất lƣợng bề mặt thanh hợp kim nhôm ép chảy (hình 2.10) [58].

Mô hình lực ma sát của Amontons – Coulomb đƣợc Saha [58] đƣa ra:

= μ.N (2.1)

Trong đó: μ là hệ số ma sát, N là lực pháp tuyến, là lực ma sát.

41

Mô hình này áp dụng cho những tiếp xúc chịu tải tƣơng đối nhẹ và tiếp xúc bề mặt ít

đỉnh nhấp nhô. Mô hình này chƣa hoàn toàn đúng trong quá trình biến dạng dẻo nhƣ quá

trình ép chảy, nơi mà diện tích tiếp xúc nhiều hơn và áp lực ép cao hơn đáng kể.

- Ma sát ở bề mặt buồng ép

Khu vực tiếp xúc thực tế giữa phôi và bề mặt buồng ép tăng lên với áp lực tiếp

xúc đƣợc chỉ ra trong hình 2.10. Saha [58] trình bày theo nghiên cứu của Bowden và

Tabor, lực ma sát sử dụng thuyết bám dính thì phù hợp với khu vực tiếp xúc thực tế.

Trong trƣờng hợp ép chảy thuận, khu vực tiếp xúc thực tế dần trở nên bằng với khu

vực tiếp xúc toàn bộ , khi ép phôi trong buồng ép (hình 2.11).

a) AR < AA ; b) AR = AA

Hình 2.10. Mô hình ma sát bề mặt buồng ép [58]

Trong ép chảy hợp kim nhôm, điều kiện ma sát ở bề mặt buồng ép đƣợc coi nhƣ

ma sát trƣợt khi lớp vỏ phôi đƣợc giữ lại trong thành buồng ép. Saha trình bày theo

nghiên cứu của Schey [58] sử dụng hệ số ma sát m, trong quá trình ép chảy kim loại có

áp lực tiếp xúc cao. Mô hình ma sát, đôi khi đƣợc coi nhƣ mô hình ma sát tĩnh là:

(2.2)

Ở đây, m là hệ số ma sát, k là ứng suất cắt vật liệu, là khu vực tiếp xúc thực tế

và là lực ma sát. Trong trƣờng hợp bám dính toàn phần m = 1, trong điều kiện màng

̅

bôi trơn tốt m tiến dần tới 0. Vì thế ứng suất ma sát, đƣợc đƣa ra bởi:

√

(2.3)

k tƣơng đƣơng với σ̅/√ theo tiêu chuẩn Von Mises và σ̅ là ứng suất giới hạn

của vật liệu.

42

- Ma sát ở bề mặt vùng kim loại chết (vùng kim loại đứng yên)

Lực ma sát giữa vùng kim loại chết và dòng chảy kim loại thì không lớn hơn ứng

suất cắt của vật liệu. Ứng suất ma sát cũng đƣợc đƣa ra bởi công thức (2.3) với yếu tố

ma sát bằng với phần tử đơn vị.

- Ma sát ở bề mặt khuôn

Dựa vào quan sát của bề mặt khuôn sau vài chu trình ép cho thấy lực ma sát

trong khuôn có thể thay đổi theo một cách phức tạp khi dòng kim loại chảy qua cửa

khuôn. Nó đƣợc quan sát nhƣ một lớp chất bám dính đƣợc phát triển do sự bám dính

mạnh của vật liệu hợp kim nhôm với khuôn. Quá trình xử lý bề mặt nhƣ là thấm nitơ

hay lớp phủ làm cho bề mặt khuôn cứng hơn, có thể làm giảm lƣợng hợp kim nhôm

bám dính trên bề mặt khuôn.

Mô hình lực ma sát đƣợc phát triển bởi Abtahi đƣợc Saha đƣa ra [58] dựa vào độ

dài trƣợt và dính trên bề mặt cửa khuôn. Mô hình này hầu hết chỉ ra lực ma sát liên tục

ở vùng dính, tuy nhiên trong vùng trƣợt, lực ma sát thay đổi với góc cửa khuôn.

Hình 2.11. Ma sát bề mặt ở vùng cửa khuôn [58]

Trong nghiên cứu gần đây, Saha [58] đã gợi ý mô hình lực ma sát ở trên bề mặt

khuôn. Hình 2.11 là một mô hình bề mặt cửa khuôn dựa trên hình thái bám dính của

hợp kim nhôm ở cửa khuôn. Hình 2.11 chỉ ra vùng dính và trƣợt của cửa khuôn đƣợc

sử dụng để phát triển mô hình lực ma sát ở trên bề mặt cửa khuôn. Hình 2.11(a) vùng

dính và trƣợt một phần và hình 2.11(b) bề mặt bám dính hoàn toàn. Sau một vài chu

trình ép, một bề mặt dính hoàn toàn đƣợc phát triển trên mặt khuôn.

43

Trong khi ép, áp lực pháp tuyến lên bề mặt cửa khuôn rất cao. Áp lực này đƣợc

giả định cân bằng với áp lực ép, bằng hoặc lớn hơn ứng suất giới hạn của vật liệu. Dựa

trên định nghĩa của yếu tố ma sát, lực ma sát trên khuôn đƣợc đƣa ra bởi [58]:

(2.4) Ở đây chỉ số 1 là vùng dính, 2 là vùng trƣợt, m là hệ số ma sát, là diện tích tiếp xúc

thực, k là ứng suất cắt vật liệu, ứng suất ma sát đƣợc đƣa ra bởi:

(2.5)

là diện tích toàn bộ bề mặt và đƣợc đặt cố định với phần tử đơn vị để phản lực

lại lực ma sát trƣợt.

Trong trƣờng hợp bám dính hoàn toàn (ma sát trƣợt) trên cửa khuôn, =1; theo

̅

đó ứng suất ma sát sẽ đƣợc thay đổi thành:

√

(2.6)

Ma sát ảnh hƣởng đến sự cân bằng dòng chảy kim loại khi ép chảy, từ đó ảnh đến

độ chính xác hình dáng hình học sản phẩm ép chảy và chất lƣợng sản phẩm. Ma sát

còn ảnh hƣởng đến năng lƣợng tiêu hao trong quá trình ép chảy (lực ép) và tuổi bền

của khuôn.

Qua các phƣơng trình tính toán lực ma sát cho thấy lực ma sát tỷ lệ thuận với

diện tích tiếp xúc giữa dòng chảy kim loại với bề mặt buồng ép, vùng kim loại chết,

khuôn. Do vậy, có thể thay đổi diện tích tiếp xúc giữa dòng chảy kim loại với bề mặt

khuôn bằng các thiết kế khuôn phù hợp để thay đổi lực ma sát, từ đó làm thay đổi vận

tốc dòng chảy kim loại để có thể cân bằng đƣợc vận tốc ra của sản phẩm tại các vị trí

khác nhau trên cửa khuôn.

Nhƣ vậy, ma sát đóng vai trò quan trọng trong quá trình cân bằng dòng chảy kim

loại, là cơ sở để phân tích mức độ ảnh hƣởng của các thông số hình học của khuôn đến

tốc độ ra của sản phẩm, từ đó ảnh hƣởng đến độ độ chính xác về hình dáng hình học

sản phẩm. Các thông số hình học khuôn đƣợc thể hiện trên hình 1.15 bao gồm [58]:

- Vị trí mở cửa khuôn: Khoảng cách từ vị trí mở cửa khuôn đến tâm khuôn e.

- Vùng dẫn nhôm: Độ rộng vùng dẫn nhôm B; độ sâu vùng dẫn nhôm H.

44

- Cửa khuôn: Độ dài của cửa khuôn L; độ rộng của cửa khuôn b; góc nghiêng

của cửa khuôn hợp với phƣơng ép α.

Dựa trên cơ sở lý thuyết trên có thể phân tích các thông số hình học khuôn có sự

ảnh hƣởng đến tốc độ ra của sản phẩm, từ đó ảnh hƣởng đến sự cân bằng dòng chảy

kim loại, độ chính xác về hình dáng hình học sản phẩm ép chảy nhƣ sau:

2.2.1. Vị trí cửa khuôn so với tâm khuôn

Trong quá trình ép chảy thuận trên khuôn ép sản phẩm dạng thanh với trƣờng

hợp độ dài cửa khuôn L không đổi, vận tốc ra của sản phẩm tại các vị trí khác nhau

trên cửa khuôn là khác nhau.

Vận tốc dòng chảy kim loại tại khu vực tâm khuôn có vận tốc cao hơn khu vực

xa tâm khuôn do khu vực mặt trụ ngoài phôi có hiện tƣợng ma sát giữa phôi với thành

buồng ép và với khu vực vùng kim loại chết [58].

2.2.2. Thông số hình học cửa khuôn

a) Độ dài cửa khuôn

Tăng độ dài cửa khuôn L (hình 1.15) tại một vị trí nào đó trên cửa khuôn sẽ làm

tăng diện tích tiếp xúc giữa dòng chảy với khuôn, từ đó làm tăng ma sát giữa dòng kim

loại với bề mặt cửa khuôn. Do đó làm giảm vận tốc ra của sản phẩm và làm tăng áp

lực ép. Vì vậy ngƣời ta thƣờng tăng độ dài cửa khuôn tại khu vực có vận tốc ra của sản

phẩm nhanh hơn và ngƣợc lại để có thể cân bằng dòng chảy kim loại [58].

b) Độ rộng cửa khuôn

Tại vị trí sản phẩm có độ rộng cửa khuôn b (hình 1.15) lớn sẽ giúp lƣu lƣợng kim

loại chảy qua nhiều hơn làm cho vận tốc đi ra của dòng kim loại nhanh hơn và ngƣợc

lại. Vì vậy cần phải có biện pháp để làm giảm vận tốc dòng chảy tại các vị trí này.

c) Góc nghiêng cửa khuôn

Góc của cửa khuôn hợp với phƣơng ép chảy ( ) cũng có tác dụng thay đổi vận

tốc thoát của sản phẩm. Các dạng cửa khuôn nhƣ thể hiện trên nhƣ hình 1.17.

Cửa khuôn (+) (hình 1.17.b) sẽ làm chậm vận tốc ra so với cửa khuôn dạng

song song (hình 1.17.a), do diện tích tiếp xúc giữa dòng kim loại với cửa khuôn tăng

làm tăng lực ma sát. Cửa khuôn dạng (-) (hình 1.17.c) sẽ làm vận tốc ra trở nên nhanh

hơn so với dạng cửa khuôn song song (hình 1.17.a) do diện tích tiếp xúc giữa dòng

45

kim loại với cửa khuôn giảm làm giảm lực ma sát.

Thay đổi góc của cửa khuôn đƣợc sử dụng khi việc thay đổi độ dài cửa khuôn

không đáp ứng đƣợc trong việc kiểm soát vận tốc ra không đổi của dòng chảy.

Thay đổi góc cửa khuôn cũng đƣợc sử dụng trong quá trình sửa khuôn vì chỉ

cần gia công một lƣợng nhỏ kim loại đã có thể thay đổi đƣợc vận tốc ra của sản phẩm.

Ảnh hƣởng của góc cửa khuôn đến vận tốc dòng chảy của sản phẩm đƣợc sử

dụng trong việc dự đoán vận tốc ra của sản phẩm khi khuôn bị biến dạng dƣới tác dụng

của lực ép, làm cho góc cửa khuôn thay đổi trong quá trình ép chảy nhƣ trên hình 2.12.

Trong thực tế ngƣời ta thƣờng thiết kế cửa khuôn dạng song song. Tuy nhiên do

quá trình chế tạo khuôn có sai số và do khuôn có thể bị biến dạng đàn hồi (võng giữa)

trong quá trình làm việc dẫn tới vận tốc ra tại cửa khuôn là khác nhau, việc này là rất

khó dự đoán trƣớc.

a) Cửa khuôn dạng thắt b) Cửa khuôn dạng loe

Hình 2.12. Dòng chảy kim loại tại cửa khuôn [58]

Vì vậy, nếu muốn sử dụng góc cửa khuôn để kiểm soát dòng chảy thì góc cửa

khuôn dạng (+) hay song song nên đƣợc sử dụng vì chúng có thể hiệu chỉnh vận tốc

dòng chảy.

Cửa khuôn dạng (-) cho áp lực ép chảy thấp, tuy nhiên chúng không thể hiệu

chỉnh đƣợc vận tốc dòng chảy. Thƣờng chỉ sử dụng loại cửa khuôn dạng (-) trong

trƣờng hợp nó không ảnh gì đến vận tốc thoát tại các điểm khác nhau trên cửa khuôn

nhƣ sản phẩm dạng đối xứng hay trong trƣờng hợp vấn đề cân bằng dòng chảy không

bị ảnh hƣởng bởi góc nghiêng cửa khuôn.

d) Bán kính góc lƣợn cửa khuôn

Bán kính góc lƣợn cửa khuôn r khác nhau sẽ ảnh hƣởng đến diện tích tiếp xúc

của dòng chảy kim loại với bề mặt cửa khuôn khác nhau. Từ đó làm thay đổi lực ma

46

sát, do đó ảnh hƣởng đến vận tốc ra của sản phẩm.

2.2.3. Thông số hình học vùng dẫn

a) Độ rộng vùng dẫn

Độ rộng vùng dẫn B (hình 1.15) tăng sẽ làm tăng lƣu lƣợng dòng kim loại, từ

đó làm tăng vận tốc dòng chảy ra tại cửa khuôn. Vì vậy để cân bằng dòng chảy, độ

rộng vùng dẫn nhôm ở khu vực tâm khuôn phải nhỏ hơn ở khu vực xa tâm khuôn.

Độ rộng vùng dẫn nhôm ở khu vực có độ rộng cửa khuôn lớn phải nhỏ hơn độ

rộng vùng dẫn nhôm ở khu vực có độ rộng cửa khuôn nhỏ.

b) Độ sâu vùng dẫn

Khi tăng độ sâu vùng dẫn nhôm H (hình 1.15) tại một vị trí nào đó sẽ làm tăng

quãng đƣờng di chuyển của dòng chảy kim loại từ mặt đầu khuôn đến cửa khuôn ở vị

trí đó, dẫn tới vận tốc dòng chảy kim loại ra tại vị trí đó chậm hơn so với các vị trí

khác. Tuy nhiên việc thay đổi độ sâu vùng dẫn nhôm tại các vị trí khác nhau trên cửa

khuôn sẽ gây khó khăn trong quá trình chế tạo khuôn. Vì vậy cần hạn chế thiết kế

khuôn có sự thay đổi độ sâu vùng dẫn nhôm tại các vị trí khác nhau.

Như vậy, qua phân tích trên cho ta thấy vận tốc ra của dòng chảy kim loại phụ

thuộc vào các thông số hình học của khuôn. Để đảm bảo độ chính xác về hình dáng

hình học của sản phẩm thì dòng chảy kim loại ra khỏi cửa khuôn phải đƣợc cân bằng

(vận tốc dòng chảy kim loại tại các vị trí trên cửa khuôn phải bằng nhau).

Hiện nay cân bằng dòng chảy của sản phẩm vẫn dựa chủ yếu vào kinh nghiệm

của ngƣời thiết khuôn và chế tạo khuôn. Mỗi bộ khuôn thƣờng phải chỉnh sửa thiết kế

sau một vài lần thử khuôn mới đạt đƣợc sự cân bằng dòng chảy. Do đó chi phí cho chế

tạo khuôn trong quá trình ép thƣờng cao.

Nhƣng với việc ứng dụng các phần mềm chuyên dụng mô phỏng số vào quá trình

ép chảy sẽ tìm ra quy luật xác định đƣợc vận tốc dòng chảy ra tại các vị trí khảo sát

trên cửa khuôn trong các trƣờng hợp biên dạng cụ thể. Căn cứ vào kết quả mô phỏng

số, ngƣời thiết kế khuôn có thể hiệu chỉnh các thông số hình học của khuôn để đạt

đƣợc sự cân bằng dòng chảy kim loại thoát ra khỏi cửa khuôn.

47

Vì vậy cần thiết phải ứng dụng phần mềm mô phỏng số để tìm ra kết cấu khuôn

hợp lý cho mỗi biện dạng sản phẩm khác nhau đảm bảo cân bằng dòng chảy kim loại.

Từ đó đảm bảo độ chính xác về hình dáng hình học của sản phẩm.

2.3. Ảnh hƣởng của một số yếu tố đến độ nhám bề mặt sản phẩm

* Cơ sở lý thuyết:

Độ nhám bề mặt là một chỉ tiêu đánh giá chất lƣợng sản phẩm ép chảy về mặt

thẩm mỹ cũng nhƣ khả năng xử lý nhiệt hay mạ của sản phẩm thanh hợp kim nhôm

[58,67].

Độ nhám sản phẩm ép chảy có thể đƣợc phân loại thành các độ nhám vĩ mô và vi

mô. Độ nhám vĩ mô đƣợc hình thành bên trong các khu vực quá trình ép chảy và liên

quan chặt chẽ đến độ nhám của bề mặt cửa khuôn, độ nhám vi mô nhỏ hơn do sự liên

kết tuyến tính của xâm thực xen kẽ với các kết tủa pha kim loại.

Độ nhám bề mặt gây ra bởi nguyên nhân chủ yếu là hiện tƣợng bám dính hợp

kim nhôm vào bề mặt cửa khuôn nhƣ trên hình 2.13 [50]. Lớp bám dính này không

bằng phẳng, do vậy nó sẽ in dập hình dạng của nó lên bề mặt sản phẩm thanh hợp kim

nhôm tạo ra nhám bề mặt sản phẩm.

Hình 2.13. Bám dính hợp kim nhôm trên bề mặt cửa khuôn [50]

48

Sự phát triển của một lớp bám dính trên bề mặt cửa khuôn phụ thuộc vào nhiều

yếu tố: nhiệt độ ở cửa khuôn, vận tốc ra, độ dài cửa khuôn, độ nhám của bề mặt cửa

khuôn, vật liệu chế tạo khuôn, vật liệu hợp kim nhôm [58].

Bên cạnh hiện tƣợng bám dính lớp oxit nhôm trên bề mặt cửa khuôn, còn xuất

hiện quá trình hình thành các hạt bám dính cào xƣớc lên bề mặt sản phẩm thanh hợp

kim nhôm gây ra độ nhám bề mặt sản phẩm [67].

Sự hình thành hạt bám dính phụ thuộc vào các yếu tố chính: Nhiệt độ ép, vận tốc

ép, áp lực ép và lớp mặt bám dính tại cửa khuôn [67].

Quá trình hình thành hạt bám dính đƣợc chia làm 4 giai đoạn (hình 2.14) [67]

Hình 2.14. Cơ chế hình thành các hạt bám dính [67]

(a) giai đoạn khởi đầu; (b) tăng trưởng; (c) tách rời; (d) giai đoạn bám dính

1. Giai đoạn khởi đầu.

Lớp Oxit nhôm ở trạng thái chảy dẻo dƣới nhiệt độ và áp lực ép chúng bắt

đầu bám dính vào bề mặt thép trên cửa khuôn tạo thành các hạt bám dính nhỏ

đƣợc thể hiện trên hình 2.14a.

2. Giai đoạn tăng trƣởng.

Tiếp sau đó các lớp kim loại liên tiếp bám dính vào hạt đã hình thành ở giai

đoạn thứ nhất, các lớp bám dính kết tinh lại, bề mặt của hạt bị ôxi hóa khá

nhanh. Một số hạt có thể sớm bị tách ra khỏi bề mặt cửa khuôn và tan chảy vào

49

sản phẩm khi chúng còn nhỏ. Một số hạt tiếp tục lớn lên có thể đạt hàng trăm

μm ở cuối giai đoạn này nhƣ thể hiện trên hình 2.14b.

3. Tách mảng.

Khi một số hạt bám dính lớn dần trên bề mặt cửa khuôn đạt chiều cao

khoảng 10†30μm, chúng bắt đầu tách ra khỏi bề mặt cửa khuôn, khi đó nó cào

xƣớc vào bề mặt sản phẩm, tạo ra vệt nhám trên bề mặt sản phẩm sâu khoảng

1†5 μm. Có hiện tƣợng tăng dần về kích thƣớc từ khi nó bắt đầu tách đến khi

chúng tách rời bề mặt cửa khuôn nhƣ thể hiện trên hình 2.14c.

4. Giai đoạn bám dính vào bề mặt sản phẩm.

Sau khi tách khỏi bề mặt cửa khuôn, các hạt bám dính chìm một phần vào

bề mặt sản phẩm ở cuối mỗi vệt cào xƣớc và một phần nhô lên khỏi bề mặt sản

phẩm thanh hợp kim nhôm đƣợc thể hiện nhƣ trên hình 2.14d. Kích thƣớc độ

rộng của đầu hạt bám dính thƣờng là 100 ~ 200 μm; độ cao của đầu hạt bám

dính là 30 ~ 140 μm và độ cao của phần thấp của hạt thƣờng dƣới 30 μm.

Các hạt bám dính bề mặt này ảnh hƣởng xấu đến thẩm mỹ cũng nhƣ chất lƣợng

bề mặt của sản phẩm. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng sự gia tăng giá trị độ nhám bề mặt

sản phẩm trong quá trình ép chảy có liên quan đến số lƣợng các hạt bám dính bề mặt

và chất lƣợng bề mặt cửa khuôn [67].

Nhƣ vậy, qua phân tích trên có thể thấy rằng độ nhám bề mặt sản phẩm ép chảy

chủ yếu gây ra bởi lớp bám dính và sự hình thành các hạt bám dính trên bề mặt cửa

khuôn. Cả 2 yếu tố này phụ thuộc vào các yếu tố chính nhƣ nhiệt độ ép, vận tốc ép, áp

lực ép, bề mặt cửa khuôn và vật liệu hợp kim nhôm.

Dựa trên các cơ sở lý thuyết trên có thể phân tích các yếu tố ảnh hƣởng đến độ

nhám bề mặt sản phẩm ép chảy nhƣ sau:

2.3.1. Ảnh hƣởng của phôi

* Vật liệu phôi

Các vật liệu phôi khác nhau cũng ảnh hƣởng đến quá trình hình thành lớp bám

dính và các hạt bám dính trên bề mặt cửa khuôn khác nhau. Từ đó ảnh hƣởng đến độ

nhám bề mặt của sản phẩm đƣợc thể hiện trên hình 2.15.

50

Theo nhƣ đồ thị ta thấy khi các vật liệu đƣợc bổ sung các nguyên tố Mg, Si, Fe

đều làm gia tăng độ nhám bề mặt của sản phẩm. Nguyên tố Si làm tăng độ nhám bề

mặt của sản phẩm lớn hơn so với nguyên tố Mg. Đặc biệt vật liệu đƣợc bổ sung

nguyên tố Fe làm tăng độ nhám bề mặt của sản phẩm lớn hơn nhiều so với các vật liệu

bổ sung nguyên tố Mg, Si [33].

Hình 2.15. Ảnh hưởng của vật liệu phôi đến độ nhám bề mặt sản phẩm [33]

2.3.2. Ảnh hƣởng của khuôn

* Độ dài cửa khuôn

Độ dài cửa khuôn tăng làm tăng ma sát giữa dòng chảy kim loại với bề mặt cửa

khuôn, dẫn tới làm tăng độ dài lớp bám dính và làm tăng nhiệt độ tại cửa khuôn, đồng

thời làm thay đổi quá trình hình thành các hạt bám dính, do đó làm thay đổi độ nhám

bề mặt sản phẩm.

Khi độ dài cửa khuôn giảm gần bằng 0 (khi bề mặt cửa khuôn nghiêng (-)) thì

toàn bộ sai số về hình dáng hình học tế vi của bề mặt cửa khuôn sẽ tác động trực tiếp

vào bề mặt sản phẩm và làm tăng độ nhám bề mặt sản phẩm [58].

Tuy nhiên, mức độ ảnh hƣởng cụ thể của độ dài cửa khuôn đến độ nhám bề mặt

của sản phẩm vẫn ít đƣợc công bố. Do vậy cần thiết phải tiến hành nghiên cứu thực

nghiệm thực tế để đánh giá ảnh hƣởng của độ dài cửa khuôn đến độ nhám bề mặt của

sản phẩm.

51

* Góc nghiêng cửa khuôn

Góc nghiêng cửa khuôn có ảnh hƣởng đến độ nhám bề mặt. Ximao [67] thử nghiệm với góc nghiêng cửa khuôn nhỏ hơn 00 (dạng cửa khuôn (-)), khi đó độ dài cửa

khuôn gần bằng 0, đã nhận thấy sự gia tăng nhanh số lƣợng các hạt bám dính trên bề

mặt sản phẩm và đồng thời độ nhám bề mặt sản phẩm cũng tăng nhanh.

* Độ nhám bề mặt cửa khuôn

Độ nhám bề mặt cửa khuôn ảnh hƣởng đến sự hình thành lớp bám dính trên bề

mặt cửa khuôn, cũng nhƣ quá trình hình thành các hạt bám dính bề mặt. Độ nhám bề

mặt cửa khuôn lớn sẽ làm tăng độ nhám bề mặt sản phẩm khi mới ép ra khỏi cửa

khuôn. Sau đó, do hình thành lớp oxit bám dính trên bề mặt cửa khuôn làm cho độ

nhám bề mặt sản phẩm ít bị ảnh hƣởng bởi độ nhám ban đầu của cửa khuôn. Ảnh

hƣởng của độ nhám bề mặt cửa khuôn đƣợc thể hiện hình 2.16 với hai trƣờng hợp độ

nhám cửa khuôn Ra = 0,5†0,75μm và Ra =1,5÷1,75 [33].

Hình 2.16. Ảnh hưởng của độ nhám bề mặt cửa khuôn đến

độ nhám bề mặt sản phẩm[33].

Nhìn vào đồ thị hình 2.16 cho thấy độ nhám bề mặt cửa khuôn chỉ ảnh hƣởng

đến độ nhám đoạn đầu của sản phẩm. Nhƣng sau đó mức độ ảnh hƣởng của độ nhám

bề mặt cửa khuôn đến độ nhám bề mặt sản phẩm là rất nhỏ.

* Hƣớng nhám bề mặt cửa khuôn

Phƣơng pháp gia công tinh ảnh hƣởng đến hƣớng nhám bề mặt cửa khuôn, từ đó

ảnh hƣởng đến sự hình thành lớp bám dính trên bề mặt cửa khuôn, cũng nhƣ quá trình

hình thành các hạt bám dính bề mặt, dẫn đến ảnh hƣởng đến độ nhám bề mặt của sản

52

phẩm nhƣ thể hiện trên hình 2.17 với ba trƣờng hợp: bề mặt cửa khuôn đƣợc đánh

bóng, bề mặt cửa khuôn đƣợc mài theo phƣơng ngang và theo phƣơng dọc với hƣớng

ra của sản phẩm [33].

Nhìn vào hình 2.17 cho thấy đánh bóng bề mặt cửa khuôn dọc theo hƣớng dòng

chảy làm tăng chiều dài lớp bám dính, từ đó làm tăng độ nhám bề mặt sản phẩm.

Ngƣợc lại đánh đánh bóng bề mặt cửa khuôn theo hƣớng ngang với dòng chảy giúp

giảm chiều dài lớp bám dính từ đó giúp làm giảm độ nhám bề mặt sản phẩm.

Hình 2.17. Ảnh hưởng của phương pháp gia công tinh bề mặt cửa khuôn đến độ

nhám bề mặt sản phẩm ép chảy [33].

* Vật liệu phủ bề mặt cửa khuôn

Hình 2.18. Ảnh hưởng của lớp phủ bề mặt cửa khuôn đến độ nhám bề mặt sản phẩm

53

Đặc tính lớp phủ bề mặt cũng ảnh hƣởng lớn đến độ nhám bề mặt sản phẩm khi

ép chảy thanh hợp kim nhôm nhƣ đƣợc thể hiện trên hình 2.18 [33] với hai trƣờng

hợp: bề mặt cửa khuôn không có lớp phủ và bề mặt cửa khuôn đƣợc phủ lớp thấm

nitơ. Các vật liệu phủ lớp bề mặt cửa khuôn khác nhau sẽ ảnh hƣởng đến ma sát giữa

bề mặt sản phẩm với bề mặt cửa khuôn, đồng thời cũng ảnh hƣởng đến lớp bám dính

oxit trên bề mặt cửa khuôn. Từ đó ảnh hƣởng đến độ nhám bề mặt sản phẩm. Bề mặt

đƣợc phủ sẽ giúp làm giảm ma sát, tăng khả năng chống mài mòn cửa khuôn.

Hình 2.18 cho thấy bề mặt cửa khuôn đƣợc thấm nitơ sẽ làm giảm sự bám dính

trên mặt cửa khuôn so với bề mặt cửa khuôn thông thƣờng, do đó làm giảm độ nhám

bề mặt sản phẩm.

2.3.3. Ảnh hƣởng của chế độ ép

* Nhiệt độ phôi

Khi thay đổi nhiệt độ phôi ép là một thông số quan trọng làm thay đổi lực ma sát

cũng nhƣ áp lực ép lên bề mặt cửa khuôn, làm ảnh hƣởng đến quá trình hình thành lớp

bám dính bề mặt cũng nhƣ các hạt bám dính bề mặt. Vì vậy độ nhám bề mặt sản phẩm

thay đổi [58,67].

Tuy nhiên, do sự ảnh hƣởng phức tạp của nhiệt độ lên quá trình hình thành lớp

bám dính trên mặt cửa khuôn cũng nhƣ sự hình thành hạt bám dính. Do vậy, cần thiết

phải tiến hành các thực nghiệm thực tế để đánh giá đƣợc quy luật ảnh hƣởng của nhiệt

độ ép đến độ nhám bề mặt sản phẩm.

* Vận tốc ép

Tăng vận tốc ép làm tăng nhiệt dòng chảy đƣợc thể hiện nhƣ trên hình 2.19 dẫn

đến làm thay đổi lực ma sát cũng nhƣ áp lực ép lên bề mặt cửa khuôn, làm ảnh hƣởng

đến quá trình hình thành lớp bám dính bề mặt cũng nhƣ các hạt bám dính bề mặt nhƣ

phân tích ở trên.

Đồng thời thay đổi vận tốc ép làm thay đổi đến quá trình hình thành lớp bám

dính bề mặt cũng nhƣ các hạt bám dính bề mặt. Từ đó làm thay đổi độ nhám bề mặt

sản phẩm.

Đây là quá trình phức tạp, cần thiết phải tiến hành các thực nghiệm thực tế để

đánh giá đƣợc quy luật ảnh hƣởng của vận tốc ép đến độ nhám bề mặt sản phẩm.

54

Hình 2.19. Ảnh hưởng của vận tốc ép đến nhiệt độ bề mặt sản phẩm [58]

Như vậy qua những phân tích trên cho ta thấy được mức độ ảnh hưởng khác

nhau của các yếu tố đến độ nhám bề mặt sản phẩm của quá trình ép:

Đối với phôi trong quá trình ép: vật liệu phôi thƣờng đƣợc lựa chọn theo yêu cầu

kỹ thuật của sản phẩm do đó phải chấp nhận mức độ ảnh hƣởng của vật liệu phôi đến

độ nhám bề mặt sản phẩm. Độ dài phôi đƣợc xác định theo độ dài sản phẩm và giới

hạn của độ dài buồng ép của máy ép, do vậy sự thay đổi độ dài phôi trong sản xuất

thực tế là rất ít. Đƣờng kính phôi phụ thuộc vào các kích thƣớc đƣờng kính tiêu chuẩn

của nhà máy sản xuất phôi và đƣờng kính buồng ép, do vậy thực tế ngƣời ta ít thay đổi

đƣờng kính phôi trong quá trình ép. Vì vậy tác giả không đi sâu nghiên cứu về ảnh

hƣởng của phôi đến độ nhám bề mặt sản phẩm.

Đối với khuôn ép: góc nghiêng cửa khuôn trong quá trình chế tạo khuôn thực tế thƣờng là góc 0o để dễ chế tạo trong quá trình cắt dây tia lửa điện cửa khuôn và đảm

bảo vấn đề có thể sửa khuôn khi có sai số trong quá trình chế tạo nhằm cân bằng dòng

chảy kim loại. Quá trình chế tạo khuôn thực tế, bề mặt cửa khuôn chủ yếu phải đánh

bóng với độ nhám bề mặt rất nhỏ, do đó độ nhám bề mặt cửa khuôn và hƣớng độ nhám

bề mặt cửa khuôn ít thay đổi. Sử dụng các vật liệu phủ bề mặt cửa khuôn khác nhau sẽ

ảnh hƣởng đến độ nhám bề mặt sản phẩm khác nhau, nhƣng giá thành chế tạo khuôn

cũng khác nhau. Nhà sản xuất phải cân nhắc lựa chọn vật liệu phủ đảm bảo giá thành

với chất lƣợng bề mặt sản phẩm.

55

Thông số độ dài cửa khuôn là dễ thay đổi khi thiết kế và chế tạo khuôn, do vậy

cần đi sâu nghiên cứu thực nghiệm sự ảnh hƣởng độ dài cửa khuôn đến độ nhám bề

mặt sản phẩm để xác định đƣợc độ dài cửa khuôn hợp lý.

Đối với chế độ ép: Cả 2 thông số nhiệt độ phôi ép, vận tốc ép đều có thể thay đổi

trong quá trình ép, do vậy cần phải đi sâu nghiên cứu thực nghiệm ảnh hƣởng của 2

thống số này đến độ nhám bề mặt sản phẩm để từ đó lựa chọn đƣợc chế độ ép hợp lý

của quá trình ép.

Cả 3 thông số nhiệt độ phôi, vận tốc ép và độ dài cửa khuôn đều có sự hảnh

hƣởng đến lực ma sát dòng chảy với bề mặt cửa khuôn, từ đó ảnh hƣởng đến áp lực ép.

Áp lực ép lên bề mặt cửa khuôn là một yếu tố ảnh hƣởng đến quá trình hình thành lớp

bám dính và hạt bám dính bề mặt [67], do đó có sự ảnh hƣởng đến độ nhám bề mặt sản

phẩm ép chảy. Mặt khác áp lực ép cũng gây ra biến dạng cửa khuôn [50], làm ảnh

hƣởng đến tuổi bền của khuôn, lực ép của máy ép, độ chính xác tiết diện sản phẩm. Do

vậy cần thiết phải tiến hành nghiên cứu ảnh hƣởng của 3 thống số này đến áp lực ép.

Kết luận chƣơng 2.

Qua phân tích nội dung chƣơng 2 rút ra một số kết luận sau:

1. Độ chính xác về hình dáng hình học và độ nhám bề mặt là những chỉ tiêu quan

trọng đánh giá chất lƣợng thanh hợp kim nhôm ép chảy.

2. Các thông số hình học của khuôn có sự ảnh hƣởng đến tốc độ ra của sản phẩm.

Do đó cần tiến hành nghiên cứu ứng dụng mô phỏng số để đánh giá đƣợc mức độ ảnh

hƣởng của từng thông số hình học khuôn đến vận tốc dòng chảy kim loại, làm cơ sở để

cân bằng dòng chảy khi thiết kế khuôn cho sản phẩm hợp kim nhôm cụ thể (tiết diện

70x5 mm, vật liệu 6061) đảm bảo độ chính xác về hình dáng hình học sản phẩm.

Đây là bƣớc cần thiết trƣớc khi tiến hành chế tạo khuôn để thực hiện các nghiên

cứu tiếp theo trong quá trình ép chảy sản phẩm thực tế. Nội dung này đƣợc trình bày

trong chƣơng 3 của luận án.

3. Có 3 thông số ảnh hƣởng lớn đến độ nhám bề mặt sản phẩm thanh hợp kim

nhôm và áp lực ép. Do vậy cần tiến hành nghiên cứu thực nghiệm ảnh hƣởng của 3

thông số này đến độ nhám bề mặt sản phẩm ép và áp lực ép để xác định chế độ ép và

chiều dài cửa khuôn hợp lý nhằm đảm bảo độ nhám bề mặt sản phẩm và hiệu quả sử

dụng thiết bị. Nội dung này đƣợc trình bày trong chƣơng 4 của luận án.

56

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

3.1. Xây dựng mô hình mô phỏng số

3.1.1. Mô phỏng số

Mô phỏng số là quá trình giải mô hình cơ lý của bài toán đƣợc biểu diễn dƣới các

phƣơng trình vi phân toán học kết hợp với các điều kiện biên cụ thể bằng các phƣơng

pháp số (phƣơng pháp phần tử hữu hạn). Mục đích của phƣơng pháp là nhà thiết kế

công nghệ có thể sử dụng máy tính để xác định các thông số, phân tích đánh giá quá

trình và hiệu chỉnh kết quả tối ƣu ngay trong quá trình thiết kế, giảm thử nghiệm và

chế thử. Mô phỏng số cũng cho phép xác định đƣợc các giá trị mà bằng thử nghiệm

thực tế khó xác định nhƣ trƣờng phân bố ứng suất - biến dạng, tốc độ biến dạng theo

các trục tọa độ… cũng nhƣ có thể dự đoán đƣợc các dạng hỏng có thể xảy ra để từ đó

có những thay đổi hợp lý nhằm thực hiện tối ƣu hóa quá trình. Điều này giúp nâng cao

chất lƣợng sản phẩm. [26].

Mô phỏng số đƣợc thực hiện nhờ trợ giúp của máy tính: Xây dựng mô hình hình

học, hình dáng kích thƣớc khuôn, phôi, chày; cài đặt đúng vật liệu (đƣa các thuộc tính

vật liệu) vào các đối tƣợng của mô hình đã xây dựng; Sử dụng các thuật toán để tính

toán quá trình biến dạng của vật liệu, theo các lý thuyết, các tính toán công nghệ đã

đƣợc tiến hành trƣớc đây (từ tất cả các cơ sở lý thuyết đến các kết quả nghiên cứu thực

nghiệm). Các tính toán trên đƣợc đƣa thành thuật toán máy tính, nhờ tích hợp thành

phần mềm tính toán với các công cụ tính toán hiện đại nhƣ phƣơng pháp PTHH, sai

phân hữu hạn hoặc phần tử biên. Khi thực hiện mô phỏng số, các giai đoạn thiết kế,

hiệu chỉnh thiết kế đƣợc thực hiện trên máy tính, nên có khả năng tính toán với nhiều

biến khác nhau, đƣa đƣợc đầy đủ các điều kiện biên, các thuộc tính vật liệu, kể cả các

thuộc tính biến đổi theo các hàm nào đó. Theo phƣơng pháp công nghệ truyền thống,

để chế tạo một sản phẩm thì sau khi thiết kế phải tiến hành sản xuất thử. Khâu này

thƣờng phải làm đi làm lại một số lần cho tới khi sản phẩm đạt yêu cầu, gây tốn kém

về thời gian và tiền bạc. Với phƣơng pháp “mô phỏng số”, toàn bộ quá trình từ thiết

kế, hiệu chỉnh thiết kế, hiệu chỉnh thông số công nghệ đƣợc thực hiện trên máy tính.

57

Nhƣ vậy mô phỏng số góp phần giảm thời gian thiết kế, chi phí thử nghiệm và

nâng cao chất lƣợng sản phẩm.

3.1.2. Phần mềm mô phỏng số quá trình ép chảy Qform Extrusion

Hiện nay, có nhiều phần mềm chuyên dụng mô phỏng số nhằm mô phỏng quá

trình tạo hình sản phẩm ép chảy nhƣ: Qform Extrusion, Altair HyperXtrude,

DEFORM-3D, PressForm,...

Tuy nhiên, theo hãng phần mềm Qform, mô đun Qform Extrusion là phần mềm

chuyên dụng mô phỏng quá trình ép chảy hợp kim nhôm, chƣơng trình duy nhất trên

thị trƣờng có thể thực hiện các mô phỏng của dòng chảy vật liệu, nhiệt độ kết hợp với

biến dạng của khuôn, ngay cả với các sản phẩm có biên dạng phức tạp và thành mỏng.

Chƣơng trình có tính năng đại diện tham số của hình học cửa khuôn và thuật toán

chia lƣới tự động tiên tiến chuyên dụng cho ép chảy hợp kim nhôm. Bằng cách giữ

hình dạng cửa khuôn nhƣ một bề mặt tham số, QForm Extrusion có thể xem xét các

trƣờng hợp khi biến dạng của khuôn gây ra ở từng khu vực có độ nghiêng cửa khuôn

thay đổi rất nhỏ. Kết quả mô phỏng và sản xuất thực tế cũng nhƣ các thực nghiệm

trong phòng thí nghiệm đã chỉ ra rằng, mặc dù sự thay đổi góc cửa khuôn nhỏ nhƣ vậy

có thể ảnh hƣởng đáng kể đến vận tốc dòng chảy vật liệu.

* Đặc điểm của QForm Extrusion:

· Mô phỏng các bài toán cơ học và nhiệt của dòng chảy vật liệu kết hợp biến

dạng của khuôn.

. Tốc độ mô phỏng cao nhờ vào phƣơng pháp kết hợp Lagrange-Euler đƣợc phát

triển bởi các chuyên gia QFX Simulations Ltd.

. Kết quả mô phỏng chính xác nhờ chia lƣới tự động đƣợc phát triển đặc biệt.

· Quá trình mô phỏng hoàn toàn tự động.

· Xem và phân tích kết quả mô phỏng trong quá trình tính toán.

· Kết hợp mô phỏng biến dạng vật liệu và sự thay đổi về nhiệt độ.

· Dự báo phân bố nhiệt độ, ứng suất, biến dạng, vận tốc, áp lực ép.

· Dự đoán trƣớc hình dạng sản phẩm ép ra.

· Công cụ hỗ trợ hiệu chỉnh độ dài cửa khuôn mà không phải thiết kế lại.

· Dự đoán mối hàn dọc và ngang của sản phẩm.

58

*QForm Extrusion đã đạt nhiều tiêu chuẩn kể từ năm 2005:

· Tiêu chuẩn 2005 Zurich, Thụy Sĩ

· Tiêu chuẩn 2007, 2011, ICEB, Bologna, Ý

· Tiêu chuẩn 2009, 2013, ICEB, Dortmund, Đức

· Tiêu chuẩn 2015, ICEB, Florence, Ý

Tiến hành khảo sát ảnh hƣởng của các thông số hình học của khuôn đến vận tốc

ra của sản phẩm với phần mêm mô phỏng Qform Extrusion giúp dự đoán trƣớc kết quả

quá trình ép: hình dáng sản phẩm, vận tốc và nhiệt độ ra của sản phẩm tại các vị trí

trên cửa khuôn,...từ đó giúp nhà thiết kế khuôn và ngƣời vận hành máy ép hiệu chỉnh

các thông số hợp lý.

3.1.3. Xây dựng bài toán mô phỏng số quá trình ép chảy hợp kim nhôm

Để đánh giá đƣợc sự ảnh hƣởng của từng thông số hình học của khuôn: Vị trí, độ

dài, độ rộng, góc nghiêng, bán kính góc lƣợn cửa khuôn, độ rộng và độ sâu vùng dẫn

đến vận tốc ra của sản phẩm tại cửa khuôn cần tiến hành các thực nghiệm mô phỏng số

với các bộ khuôn khác nhau. Mỗi khuôn có sự thay đổi về từng thông số hình học cần

khảo sát đánh giá nhƣ hình 3.1.

Thông số khảo sát (đầu vào)

Mô phỏng

Kết quả (đầu ra) số trên

phần mềm Vận tốc ra của sản

Qform phẩm tại cửa khuôn

Extrusion - Vị trí cửa khuôn - Độ dài cửa khuôn - Độ rộng cửa khuôn - Góc nghiêng cửa khuôn - Bán kính góc lƣợn cửa khuôn

- Độ rộng vùng dẫn - Độ sâu vùng dẫn

Hình 3.1. Mô hình bài toán mô phỏng ảnh hưởng của thông số hình học khuôn đến

tốc độ ra của sản phẩm

Các khuôn thực nghiệm mô phỏng đƣợc thiết kế với 6 cửa khuôn ∅8 có tiết diện

tròn (đây là tiết diện cơ bản nhất), đảm bảo tỷ lệ ép chảy hợp kim nhôm từ 10÷100

59

[58]. Các cửa khuôn trên mỗi khuôn thay đổi 1 thông số hình học khuôn cần khảo sát

ảnh hƣởng của thông số hình học đó đến tốc độ ra của sản phẩm tại cửa khuôn:

 Khuôn 1: Thay đổi vị trí các cửa khuôn so với tâm khuôn.

 Khuôn 2: Thay đổi độ dài các cửa khuôn.

 Khuôn 3: Thay đổi độ rộng các cửa khuôn.

 Khuôn 4: Thay đổi góc nghiêng các cửa khuôn.

 Khuôn 5: Thay đổi bán kính góc lƣợn các cửa khuôn.

 Khuôn 6: Thay đổi độ rộng các vùng dẫn.

 Khuôn 7: Thay đổi độ sâu các vùng dẫn.

Căn cứ kết quả mô phỏng các khuôn trên Qform Extrusion, có thể đánh giá đƣợc

mức độ ảnh hƣởng của từng thông số hình học khuôn đến tốc độ ra của sản phẩm.

Các bƣớc thực hiện quá trình mô phỏng số:

Bắt đầu

1. Xây dựng mô hình hình học khuôn

2. Xây dựng lƣới cho khuôn 3D

3. Xây dựng lƣới hệ thống ép

4. Cài đặt các thông số mô phỏng

6. Kết quả mô phỏng

5. Thực hiện quá trình mô phỏng

Hình 3.2. Sơ đồ thực hiện bài toán mô phỏng số

Các bƣớc hiện bài toán mô phỏng số đƣợc thể hiện trên hình 3.2

Bƣớc 1: Xây dựng mô hình hình học khuôn.

60

Các bộ khuôn thực nghiệm mô phỏng đƣợc thiết kế 3D trên phầm mềm CAD 3D

nhƣ Solidword, Catia, NX....

Bƣớc 2: Mô hình lƣới cho khuôn 3D

Đƣa mô hình hình học khuôn 3D vào phần mềm Qform Extrusion. Tiến hành

chia lƣới cho mô hình hình học khuôn 3D, sử dụng chức năng chia lƣới tự động

chuyên dùng cho ép chảy tích hợp trên phầm mềm Qform Extrusion.

Bƣớc 3: Xây dựng mô hình lƣới hệ thống ép chảy

Nhập kích thƣớc và vật liệu: phôi, buồng ép,...để xây dựng mô hình lƣới tự động

cho hệ thống ép lấy theo thực tế sản xuất tại nhà máy nhƣ trên bảng 3.1.

Bảng 3.1. Thông số cài đặt quá trình mô phỏng

Ghi chú STT

L (mm) 690 1 Buồng ép

L (mm) L (mm) Phôi Khuôn 2 3 500 120

L (mm) 180 4 Áo khuôn

L (mm) 30 5 Đệm khuôn Các thông số mô phỏng d (mm) D (mm) ⌀ (mm) ⌀ (mm) d (mm) D (mm) d(mm) D(mm) ∅127 ∅295 ∅127 ∅180 ∅180 ∅320 ∅160 ∅320

6

7

8

9 Vật liệu phôi Nhiệt độ đầu chày khuôn (°C) Nhiệt độ buồng ép (°C) Nhiệt độ phôi (°C) Nhiệt độ khuôn (°C) Vận tốc chày ép (mm/s) A6061 200 0C 420 0C 450 0C 490 0C 5

Bƣớc 4: Cài đặt các thông số mô phỏng

Nhập các thông số mô phỏng: Nhiệt độ đầu chày ép là 2000C, nhiệt độ buồng ép

là 4200C, nhiệt độ khuôn là 4900C lấy theo thực tế sản xuất tại nhà máy.

Hệ số ma sát theo cặp vật liệu phôi 6061– hệ thống dụng cụ SKD61 là 0,6 [50].

Căn cứ vào cơ sở lý thuyết về nhiệt độ phôi ép đối với vật liệu 6061 (bảng 1.2) là 420÷4700C và thực tế sản xuất tại nhà máy, chọn nhiệt độ phôi mô phỏng là 4500C,

vận tốc chày ép là 5 mm/s nhƣ trên bảng 3.1.

61

Bƣớc 5. Thực hiện quá trình mô phỏng

Tiến hành chạy phần mềm mô phỏng

Bƣớc 6. Kết quả mô phỏng

Dựa trên kết quả mô phỏng để đánh giá mức độ ảnh hƣởng của từng số thông số

hình học của khuôn đến vận tốc ra của sản phẩm, làm cơ sở cho quá trình cân bằng

dòng chảy khi thiết kế khuôn để đảm bảo độ chính xác hình dáng hình học sản phẩm.

3.2. Khảo sát ảnh hƣởng của các thông số hình học khuôn đến vận tốc dòng chảy

kim loại bằng mô phỏng số.

3.2.1. Vị trí cửa khuôn so với tâm khuôn

Để đánh giá ảnh hƣởng vị trí cửa khuôn đến vận tốc ra của sản phẩm, tiến hành

thực nghiệm mô mỏng với khuôn đƣợc thiết kế 6 lỗ Ø8 có sự thay đổi vị trí các cửa

khuôn đƣợc thể hiện nhƣ trên hình 3.3.

Hình 3.3. Bản vẽ khuôn 6 lỗ có vị trí các cửa khuôn khác nhau

Thực hiện qúa trình mô phỏng dòng chảy trên phần mềm Qform Extrusion với

các thông số đầu vào mô phỏng trong bảng 3.1 ta đƣợc kết quả thể hiện nhƣ hình 3.4.

62

Hình 3.4. Kết quả mô phỏng khuôn 6 lỗ có vị trí các cửa khuôn khác nhau

Kết quả vận tốc ra của sản phẩm ở 6 cửa khuôn đƣợc thể hiện trên bảng 3.2.

Bảng 3.2. Kết quả vận tốc ra của sản phẩm tại các cửa khuôn ở các vị trí khác nhau

Cửa khuôn 1 2 3 5 6 4

Vị trí cửa khuôn so với 6,75 13,5 20,25 40,5 47,25 27

tâm khuôn e (mm)

Tỉ lệ (2e/D) 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,7

Vận tốc ra 0,2553 0,2474 0,2366 0,2293 0,2156 0,189

sản phẩm (m/s)

Dựa trên bảng 3.2 tiến hành xây dựng đồ thị mối quan hệ giữa vận tốc ra của

sản phẩm VE với sự thay đổi tỉ lệ 2e/D nhƣ thể hiện trên hình 3.5.

Đồ thị cho thấy sự thay đổi vị trí cửa khuôn có ảnh hƣởng đến vận tốc ra của

sản phẩm tại cửa khuôn. Vận tốc ra của sản phẩm ở gần tâm của khuôn là ra nhanh

hơn các vị trí cửa khuôn ở xa tâm khuôn. Nguyên nhân của sự ảnh hƣởng này là do

dòng kim loại ở xa tâm khuôn chịu ảnh hƣởng của lực ma sát giữa dòng chảy kim loại

với thành buồng ép, vùng kim loại chết.

Tuy nhiên sự thay đổi vận tốc ra của sản phẩm ở đây là không lớn.

63

0.3

VE (m/s)

0.25

0.2

0.15

0.1

0.05

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.7

2e/D

Hình 3.5. Mối quan hệ giữa vị trí cửa khuôn với vận tốc ra ở cửa khuôn

3.2.2. Thông số hình học cửa khuôn

a) Độ dài cửa khuôn

Để đánh giá ảnh hƣởng độ dài cửa khuôn đến vận tốc ra của sản phẩm, tiến hành

thực nghiệm mô mỏng với khuôn đƣợc thiết kế 6 lỗ Ø8 có sự thay đổi độ dài cửa

khuôn đƣợc thể hiện nhƣ trên hình 3.6.

Hình 3.6. Bản vẽ khuôn 6 lỗ có độ dài cửa khuôn khác nhau

64

Thực hiện qúa trình mô phỏng dòng chảy trên phần mềm Qform Extrusion với

các thông số đầu vào mô phỏng trong bảng 3.1 ta đƣợc kết quả thể hiện nhƣ hình 3.7.

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

Kết quả vận tốc ra của sản phẩm ở 6 cửa khuôn đƣợc thể hiện trên bảng 3.3

Bảng 3.3. Kết quả vận tốc ra của sản phẩm tại các cửa khuôn có độ dài khác nhau

Cửa khuôn 1 2 3 4 5 6

Độ dài cửa khuôn (mm) 2 4 8 16 24 32

Tỉ lệ độ dài/độ rộng cửa 1/4 1/2 1 2 3 4

khuôn (L/b)

Vận tốc ra sản phẩm (m/s) 0,3383 0,2992 0,2636 0,2137 0,1758 0,1256

Dựa trên bảng 3.3 tiến hành xây dựng đồ thị mối quan hệ giữa vận tốc ra của

sản phẩm với sự thay đổi tỉ lệ L/b nhƣ thể hiện trên hình 3.8. Đồ thị cho thấy sự thay

đổi độ dài cửa khuôn ảnh hƣởng rất lớn đến vận tốc ra của sản phẩm tại cửa khuôn.

Khi tăng độ dài cửa khuôn L so với độ rộng b cửa khuôn thì vận tốc thoát ra của sản

phẩm giảm. Vì khi tăng độ dài cửa khuôn, làm tăng diện tích tiếp xúc giữa dòng chảy

kim loại thoát ra với bề mặt cửa khuôn, từ đó làm tăng lực ma sát của dòng chảy kim

loại thoát ra với bề mặt cửa khuôn, dẫn đến vận tốc sản phẩm ra chậm hơn. Vì vậy

việc thay đổi độ dài L cửa khuôn sẽ tác động đến vận tốc ra của sản phẩm.

65

0.35

0.3

0.25

0.2

0.15

0.1

0.05

0

0.25

0.5

1

2

3

4

L/b

VE (m/s) 0.4

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

b) Độ rộng cửa khuôn

Để đánh giá ảnh hƣởng độ rộng cửa khuôn đến vận tốc ra của sản phẩm, tiến

hành thực nghiệm mô phỏng với khuôn đƣợc thiết kế 6 lỗ có sự thay đổi độ rộng cửa

khuôn đƣợc thể hiện nhƣ trên hình 3.9.

Hình 3.9. Bản vẽ khuôn 6 lỗ có độ rộng cửa khuôn khác nhau

66

Thực hiện qúa trình mô phỏng dòng chảy trên phần mềm Qform Extrusion với

các thông số đầu vào mô phỏng trong bảng 3.1 ta đƣợc kết quả thể hiện nhƣ hình 3.10.

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

Kết quả vận tốc ra của sản phẩm ở 6 cửa khuôn đƣợc thể hiện trên bảng 3.4

Bảng 3.4. Kết quả vận tốc ra của sản phẩm tại các cửa khuôn có độ rộng khác nhau

Cửa khuôn 1 2 3 4 5 6

Độ rộng cửa khuôn b 2 4 6 8 10 12

(mm)

Vận tốc ra 0,018 0,094 0,121 0,130 0,157 0,169

sản phẩm (m/s)

Thực hiện mô phỏng trên phần mềm QFROM cho ta thấy rõ mối quan hệ độ rộng

cửa khuôn với vận tốc ra của sản phẩm nhƣ trên hình 3.11.

Đồ thị cho thấy sự thay đổi độ rộng cửa khuôn ảnh hƣởng rất lớn đến vận tốc ra

của sản phẩm tại cửa khuôn. Nguyên nhân do khi tăng độ rộng cửa khuôn b sẽ làm

tăng lƣu lƣợng của dòng chảy vật liệu, giúp dòng chảy thoát ra nhanh hơn. Vì vậy, khi

độ rộng cửa khuôn thay đổi (đối với các sản phẩm có độ dày mặt cắt sản phẩm thay

đổi) ở các vị trí khác nhau sẽ làm thay đổi vận tốc ra của sản phẩm ở các vị trí cửa

khuôn có độ rộng khác nhau.

67

0.18

0.16

0.14

0.12

0.1

0.08

0.06

0.04

0.02

0

2

4

6

8

10

12

VE (m/s)

Hình 3.11. Mối quan hệ giữa vận tốc ra của sản phẩm với độ rộng cửa khuôn

c) Góc nghiêng cửa khuôn

* Góc nghiêng (+)

Hình 3.12. Bản vẽ khuôn 6 lỗ có góc nghiêng (+) cửa khuôn khác nhau

68

Để đánh giá ảnh hƣởng góc nghiêng (+) cửa khuôn đến vận tốc ra của sản

phẩm, tiến hành thực nghiệm mô mỏng với khuôn đƣợc thiết kế 6 lỗ Ø8 có sự thay đổi

góc nghiêng cửa khuôn đƣợc thể hiện nhƣ trên hình 3.12.

Thực hiện qúa trình mô phỏng dòng chảy trên phần mềm Qform Extrusion với

các thông số đầu vào mô phỏng trong bảng 3.1 ta đƣợc kết quả thể hiện nhƣ hình 3.13.

Hình 3.13. Kết quả mô phỏng vận tốc ra của sản phẩm ở các vị trí cửa khuôn có góc

nghiêng (+) khác nhau

Kết quả vận tốc ra của sản phẩm ở 6 cửa khuôn đƣợc thể hiện trên bảng 3.5.

Bảng 3.5. Kết quả vận tốc ra của sản phẩm tại các cửa khuôn có góc nghiêng (+)

khác nhau

2 3 4 5 6 Cửa khuôn 1

1 2 3 4 5 Góc nghiêng cửa 0

khuôn (độ)

Vận tốc ra 0,6221 0,1137 0,1603 0,1734 0,1777 0,1623

sản phẩm (m/s)

Dựa trên bảng 3.5 tiến hành xây dựng đồ thị mối quan hệ giữa vận tốc ra của

sản phẩm với sự thay đổi góc nghiêng (+) cửa khuôn nhƣ thể hiện trên hình 3.16a.

69

* Góc nghiêng (-)

Để đánh giá ảnh hƣởng góc nghiêng (-) cửa khuôn đến vận tốc ra của sản phẩm,

tiến hành thực nghiệm mô mỏng với khuôn đƣợc thiết kế 6 lỗ Ø8, có sự thay đổi độ

nghiêng (-) cửa khuôn đƣợc thể hiện nhƣ trên hình 3.14.

Hình 3.14. Bản vẽ khuôn 6 lỗ có góc nghiêng (-) cửa khuôn khác nhau

Thực hiện qúa trình mô phỏng dòng chảy trên phần mềm Qform Extrusion với

các thông số đầu vào mô phỏng trong bảng 3.1 ta đƣợc kết quả thể hiện nhƣ hình 3.15.

Kết quả vận tốc ra của sản phẩm ở 6 cửa khuôn đƣợc thể hiện trên bảng 3.6

Bảng 3.6. Kết quả vận tốc ra của sản phẩm tại các cửa khuôn có góc nghiêng (-)

khác nhau

Cửa khuôn 1 2 3 4 5 6

Góc nghiêng cửa khuôn (độ) 0 -1 -2 -3 -4 -5

Vận tốc ra 0,1989 0,2361 0,2360 0,2344 0,2366 0,2335

sản phẩm (m/s)

70

Dựa trên bảng 3.6 tiến hành xây dựng đồ thị mối quan hệ giữa vận tốc ra của

sản phẩm với sự thay đổi góc nghiêng (-) cửa khuôn nhƣ thể hiện trên hình 3.16b.

Hình 3.15. Kết quả mô phỏng vận tốc ra của sản phẩm ở các vị trí cửa khuôn có góc

0.7

0.24

VE (m/s)

VE (m/s)

0.6

0.23

0.5

0.22

0.4

0.21

0.3

0.2

0.2

0.1

0.19

α (độ)

0

0.18

0

1

2

3

4

5

0

-1

-2

-3

-4

-5

nghiêng (-) cửa khuôn khác nhau

a. Khi góc > 0 (nghiêng thắt) b. Khi góc < 0 (nghiêng loe)

Hình 3.16. Mối quan hệ giữa góc cửa khuôn với vận tốc ra của sản phẩm

sang 10

Đồ thị 3.16a cho thấy khi tăng góc nghiêng (+) cửa khuôn thì vận tốc ra của sản

, vận tốc sang -10 (hình 3.16b). Nguyên nhân

phẩm giảm. Vận tốc giảm rất nhanh khi góc cửa khuôn thay đổi từ 00 cũng tăng rất nhanh khi thay đổi góc khuôn từ 00

là do có sự thay đổi nhanh diện tích tiếp xúc giữa dòng chảy kim loại và bề mặt khuôn

71

khi thiết kế nghiêng bề mặt cửa khuôn từ 00

sang 10 và từ 00

sang -10, làm lực ma sát

thay đổi nhanh, tƣơng ứng ảnh hƣởng đến vận tốc ép ra.

Sau đó sự ảnh hƣởng của góc nghiêng cửa khuôn đến vận tốc ra của sản phẩm là chậm khi góc cửa khuôn tăng dần từ 10 trở lên và giảm dần từ -10 trở xuống. Nguyên

nhân do diện tích tiếp xúc giữa dòng chảy và bề mặt cửa khuôn thay đổi chậm, ít ảnh

hƣởng đến lực ma sát. Do đó vận tốc ra cũng thay đổi chậm.

d) Bán kính góc lƣợn cửa khuôn

Để đánh giá ảnh hƣởng bán kính góc lƣợn cửa khuôn đến vận tốc ra của sản

phẩm, tiến hành thực nghiệm mô mỏng khuôn đƣợc thiết kế 6 lỗ Ø8 có sự thay đổi góc

lƣợn cửa khuôn đƣợc thể hiện nhƣ trên hình 3.17.

Hình 3.17. Bản vẽ khuôn 6 lỗ có bán kính góc lượn cửa khuôn khác nhau

Thực hiện qúa trình mô phỏng dòng chảy trên phần mềm Qform Extrusion với

các thông số đầu vào mô phỏng trong bảng 3.1 ta đƣợc kết quả thể hiện nhƣ hình 3.18

72

Hình 3.18. Kết quả mô phỏng vận tốc ra của sản phẩm ở các cửa khuôn có góc lượn

cửa khuôn khác nhau

Kết quả vận tốc ra của sản phẩm ở 6 cửa khuôn đƣợc thể hiện trên bảng 3.7

Bảng 3.7. Kết quả vận tốc ra của sản phẩm tại các cửa khuôn có góc lượn cửa

khuôn khác nhau

1 2 3 4 5 6 Cửa khuôn

0 0,4 0,6 0,8 1 1,2 Bán kính góc lƣợn

cửa khuôn r (mm)

Vận tốc ra 0,2515 0,2416 0,2343 0,2334 0,2304 0,2242

sản phẩm (m/s)

Dựa trên bảng 3.7 tiến hành xây dựng đồ thị mối quan hệ giữa vận tốc ra của

sản phẩm với sự thay đổi góc lƣợn cửa khuôn nhƣ thể hiện trên hình 3.19.

Nhìn vào đồ thị trên hình 3.19 ta thấy khi tăng bán kính góc lƣợn r cửa khuôn

sẽ làm giảm vận tốc ra của sản phẩm. Nguyên nhân do tăng bán kính góc lƣợn cửa

khuôn sẽ làm tăng diện tích tiếp xúc dòng chảy kim loại với bề mặt khuôn, từ đó làm

tăng lực ma sát, dẫn đến làm giảm vận tốc ra tại cửa khuôn.

73

VE (m/s)

0.255

0.25

0.245

0.24

0.235

0.23

0.225

0.22

0.215

0.21

0.4

0.6

1.2

0.8

0

1

r(mm) Hình 3.19. Ảnh hưởng của góc lượn cửa khuôn đến vận tốc ra của sản phẩm

3.2.3. Thông số hình học vùng dẫn nhôm

a) Độ rộng vùng dẫn nhôm

Để đánh giá ảnh hƣởng độ rộng vùng dẫn nhôm đến vận tốc ra của sản phẩm,

tiến hành thực nghiệm mô mỏng khuôn đƣợc thiết kế 6 lỗ Ø8 có sự thay đổi độ rộng

vùng dẫn nhôm cửa khuôn đƣợc thể hiện nhƣ trên hình 3.20.

Hình 3.20. Bản vẽ khuôn 6 lỗ có độ rộng vùng dẫn khác nhau

74

Thực hiện qúa trình mô phỏng dòng chảy trên phần mềm Qform Extrusion với

các thông số đầu vào mô phỏng trong bảng 3.1 ta đƣợc kết quả thể hiện nhƣ hình 3.21

Hình 3.21. Kết quả mô phỏng vận tốc ra của sản phẩm ở các cửa khuôn có độ rộng

vùng dẫn khác nhau

Kết quả vận tốc ra của sản phẩm ở 6 cửa khuôn đƣợc thể hiện trên bảng 3.8

Bảng 3.8. Kết quả vận tốc ra của sản phẩm tại các cửa khuôn có độ rộng vùng dẫn

khác nhau

2 3 1 4 5 6 Cửa khuôn

Độ rộng vùng dẫn 20 24 16 28 32 36

nhôm B (mm)

Tỷ lệ B/b 2 2,5 3 3,5 4 4,5

Vận tốc ra 0,1086 0,1786 0,2208 0,2602 0,2926 0,3561

sản phẩm (m/s)

Dựa trên bảng 3.8 tiến hành xây dựng đồ thị mối quan hệ giữa vận tốc ra của

sản phẩm với sự thay đổi độ rộng vùng dẫn cửa khuôn nhƣ thể hiện trên hình 3.22.

75

0.4

VE (m/s)

0.35

0.3

0.25

0.2

0.15

0.1

0.05

0

2

2.5

3

3.5

4

4.5

B/b

Hình 3.22. Mối quan hệ giữa tỉ lệ độ rộng vùng dẫn/độ rộng cửa khuôn với vận tốc

ra sản phẩm

Thực hiện mô phỏng trên phần mềm Qform Extrusion ta thấy khi tăng độ rộng

vùng dẫn B của khuôn so với độ rộng b cửa khuôn sẽ làm tăng vận tốc ra của sản

phẩm. Mức độ ảnh hƣởng độ rộng của vùng dẫn nhôm đến vận tốc ra của sản phẩm là

khá lớn nhƣ thể hiện trên hình 3.22. Nguyên nhân là do khi tăng độ rộng vùng dẫn sẽ

làm tăng lƣu lƣợng dòng kim loại, tăng áp lực đẩy dòng kim loại ra với vận tốc lớn

hơn. Do đó để điều chỉnh nhanh vận tốc ra của sản phẩm có thể sử dụng thay đổi độ

rộng vùng dẫn nhôm là khá hiệu quả.

b) Độ sâu vùng dẫn nhôm

Hình 3.23. Bản vẽ khuôn 6 lỗ có độ sâu vùng dẫn khác nhau

76

Để đánh giá ảnh hƣởng độ sâu vùng dẫn nhôm đến vận tốc ra của sản phẩm,

tiến hành thực nghiệm mô mỏng khuôn đƣợc thiết kế 6 lỗ Ø8 có sự thay đổi độ sâu

vùng dẫn nhôm cửa khuôn đƣợc thể hiện nhƣ trên hình 3.23.

Thực hiện qúa trình mô phỏng dòng chảy trên phần mềm Qform Extrusion với

các dữ liệu đầu vào mô phỏng trong bảng 3.1 ta đƣợc kết quả thể hiện nhƣ hình 3.24.

Hình 3.24. Kết quả mô phỏng vận tốc ra của sản phẩm ở các cửa khuôn có độ sâu

vùng dẫn khác nhau

Kết quả vận tốc ra của sản phẩm ở 6 cửa khuôn đƣợc thể hiện trên bảng 3.9

Bảng 3.9. Kết quả vận tốc ra của sản phẩm tại các cửa khuôn có độ sâu vùng dẫn

khác nhau

2 3 1 4 5 6 Cửa khuôn

14 21 7 28 35 42 Độ sâu vùng dẫn

nhôm H (mm)

Tỷ lệ H/B 0,25 0,5 0,75 1 1,25 1,5

Vận tốc ra 0,269 0,183 0,139 0,109 0,087 0,063

sản phẩm (m/s)

Dựa trên bảng 3.9 tiến hành xây dựng đồ thị mối quan hệ giữa vận tốc ra của

sản phẩm với sự thay đổi độ sâu vùng dẫn nhôm cửa khuôn nhƣ thể hiện trên hình 3.25

77

VE (m/s)

0.3

0.25

0.2

0.15

0.1

0.05

0

0.25

0.5

0.75

1

1.25

1.5

H/B

Hình 3.25. Mối quan hệ giữa tỉ lệ độ sâu /độ rộng vùng dẫn với vận tốc ra sản phẩm

Qua đồ thị ta thấy khi tăng độ sâu vùng dẫn H của khuôn sẽ làm giảm vận tốc ra

của sản phẩm. Nguyên nhân là do khi tăng độ sâu vùng dẫn sẽ làm tăng quãng đƣờng

dòng chảy kim loại phải di chuyển từ mặt đầu khuôn đến cửa khuôn, tăng lực ma sát

do tăng diện tích tiếp xúc giữa dòng chảy với bề mặt khuôn. Sự ảnh hƣởng này là khá

lớn nhƣ thể hiện trên hình 3.25, tuy nhiên do khó khăn trong quá trình chế tạo khuôn

việc thay đổi độ sâu vùng dẫn nhôm ít đƣợc khuyến khích sử dụng.

Nhƣ vậy, qua phân tích trên cho ta thấy vận tốc ra của dòng chảy kim loại phụ

thuộc vào các thông số hình học của khuôn. Để đảm bảo độ chính xác về hình dáng

hình học của sản phẩm thì dòng chảy kim loại ra khỏi cửa khuôn phải đƣợc cân bằng.

Vị trí và số lƣợng cửa khuôn phải đƣợc xác định trƣớc tiên khi thiết kế khuôn,

do đó đối với mỗi khuôn cụ thể có thể coi thông số vị trí cửa khuôn là không đổi.

Độ rộng cửa khuôn phụ thuộc vào biên dạng sản phẩm ép chảy đã đƣợc xác

định và là thông số không thay đổi đƣợc.

Góc nghiêng cửa khuôn thƣờng đƣợc sử dụng là góc 00 nhằm dễ dàng cho quá

trình cắt dây tia lửa điện cửa khuôn khi chế tạo khuôn. Góc cửa khuôn chỉ thay đổi nhỏ

ở một vài vị trí ở cửa khuôn trong trƣờng hợp cần phải chỉnh sửa để đảm bảo cần bằng dòng chảy kim loại. Do đó khi thiết kế khuôn hiện nay thƣờng coi thông số này là 00.

Độ sâu vùng dẫn cũng có sự ảnh đến vận tốc dòng chảy dòng kim loại, nhƣng

thay đổi độ sâu vùng dẫn tại các vị trí khác nhau trên cửa khuôn sẽ gây khó khăn trong

78

quá trình chế tạo khuôn. Do vậy thực tế độ sâu vùng dẫn nhôm thƣờng đƣợc thiết kế

có độ sâu không thay đổi tại các vị trí khác nhau trên cửa khuôn.

Bán kính góc lƣợn cửa khuôn khác nhau cũng làm thay đổi vận tốc dòng chảy

kim loại. Nếu thay đổi bán kính góc lƣợn tại các vị trí cửa khuôn khác nhau để cân

bằng dòng chảy kim loại cũng gây khó khăn cho quá trình chế tạo khuôn. Do đó, bán

kính góc lƣợn cửa khuôn đƣợc coi nhƣ thông số có tác dụng cân bằng dòng chảy trong

trƣờng hợp sửa khuôn. Trong quá trình thiết kế, chế tạo khuôn hiện tại coi nhƣ bán kính góc lƣợn cửa khuôn không đổi và bằng 00.

Nhƣ vậy chỉ còn lại 2 thông số hình học của khuôn: độ rộng vùng dẫn và độ dài

cửa khuôn là dễ dàng thay đổi trong cả quá trình thiết kế và chế tạo khuôn. Do đó chủ

yếu sử dụng 2 thông số này khi thiết kế, chế tạo khuôn nhằm đảm bảo sự cần bằng

dòng chảy kim loại khi ép. Từ đó nâng cao độ chính xác hình dáng hình học của sản

phẩm.

* Cân bằng dòng chảy kim loại khi thiết kế khuôn

Thay đổi độ dài cửa khuôn:

Tăng độ dài L của cửa khuôn làm tăng ma sát với dòng kim loại và do đó làm

giảm vận tốc thoát và ngƣợc lại [58]. Độ dài cửa khuôn L sẽ phải tăng tại các vị trí

dòng chảy kim loại chảy nhanh và ngƣợc lại. Do vậy:

- Độ dài cửa khuôn nên tăng tỉ lệ thuận với độ rộng cửa khuôn.

- Độ dài cửa khuôn nên tỷ lệ nghịch với khoảng cách vị trí mở cửa khuôn e.

Thay đổi độ rộng vùng dẫn:

Độ rộng vùng dẫn tạo ra sự thay đổi áp lực dòng chảy tại các điểm trên cửa

khuôn từ đó làm thay đổi vận tốc dòng chảy ra của kim loại. Phƣơng pháp này điều

khiển dòng chảy kim loại là ít bị ảnh hƣởng với những tác động của lệch khuôn, sai số

trong chế tạo khuôn hoặc chỉnh sửa khuôn thiếu chính xác.

Độ rộng vùng dẫn tăng sẽ làm tăng lƣu lƣợng dòng kim loại từ đó làm tăng vận

tốc dòng chảy. Vì vậy độ rộng vùng dẫn nhôm ở khu vực tâm khuôn phải nhỏ hơn ở

khu vực xa tâm khuôn. Độ rộng vùng dẫn ở khu vực có độ rộng cửa khuôn lớn phải

nhỏ hơn độ rộng vùng dẫn ở khu vực có độ rộng cửa khuôn nhỏ.

Ở phƣơng pháp này, do độ dài cửa khuôn L nhỏ và không thay đổi dẫn tới lực ép

79

của máy cũng đƣợc giảm đi so với phƣơng pháp thay đổi độ dài cửa khuôn.

Việc sử dụng vùng dẫn nhôm để kiểm soát dòng chảy có ƣu điểm là áp lực ép

thấp do sử dụng độ dài cửa khuôn nhỏ. Nó ít bị ảnh hƣởng bởi sai số trong quá trình

chế tạo khuôn, chỉnh sửa khuôn và biến dạng đàn hồi của khuôn dƣới tác dụng của lực

ép làm thay đổi góc của cửa khuôn. Tuy nhiên, đối với các sản phẩm có tiết diện phức

tạp việc chỉ sử dụng hình học vùng dẫn để kiểm soát dòng chảy gặp phải một số khó

khăn.

Hình 3.26. Hiệu chỉnh độ rộng vùng dẫn tại các vị trí cửa khuôn để cân bằng dòng

chảy

Theo hình 3.26, điểm B có độ rộng cửa khuôn lớn hơn điểm A, C do đó để cân

bằng dòng chảy thì độ rộng vùng dẫn nhôm của điểm A, C là 2 vòng tròn lớn số 1 và

3. Độ rộng vùng dẫn nhôm cho điểm B là vòng tròn nhỏ số 2. Điều này dẫn đến việc

kiểm soát vận tốc dòng chảy của điểm B liên quan tới việc hiệu chỉnh độ rộng vùng

dẫn nhôm là không thể thực hiện đƣợc.

Để khắc phục hiện tƣợng trên là kết hợp với việc tăng thêm độ dài cửa khuôn tại

điểm B. Phƣơng án này đƣợc xem là kết hợp đƣợc các ƣu điểm của cả 2 phƣơng pháp

thay đổi độ dài cửa khuôn và thay đổi độ rộng vùng dẫn nhôm nhƣ giảm áp lực ép,

giảm ảnh hƣởng của sai số chế tạo khuôn, giảm ảnh hƣởng của biến dạng đàn hồi gây

thay đổi góc cửa khuôn và giảm sự biến thiên độ dài cửa khuôn quá lớn tại các vị trí

trên cửa khuôn có thể gây ra các vệt màu xám trên bề mặt sản phẩm.

Vì vậy khi thiết kế khuôn phải thay đổi độ rộng vùng dẫn nhôm hoặc độ dài cửa

khuôn sau đó ứng dụng phần mềm mô phỏng số để tìm ra kết cấu khuôn hợp lý cho

80

mỗi biện dạng sản phẩm khác nhau đảm bảo cân bằng dòng chảy kim loại. Từ đó nâng

cao độ chính xác về hình dáng hình học của sản phẩm và hạn chế chỉnh sửa khuôn.

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.

Hiện nay, các phần mềm mô phỏng số quá trình ép chảy thanh hợp kim nhôm ra

đời có thể hỗ trợ quá trình cân bằng dòng chảy kim loại. Từ đó có biện pháp hiệu

chỉnh, hoàn thiện thiết kế khuôn để có đƣợc bộ khuôn có kết cấu hợp lý.

Ứng dụng phần mềm mô phỏng số Qform Extrusion vào việc hoàn thiện kết cấu

khuôn đảm bảo cân bằng dòng chảy loại cho sản phẩm thanh hợp kim nhôm xác định.

Tiến hành mô phỏng số để cân bằng dòng chảy trong khuôn ép chảy thanh hợp

kim nhôm có tiết diện mặt cắt ngang 70x5 mm nhƣ hình 3.27, làm bằng vật liệu 6061.

Do sản phẩm không có sự thay đổi độ dày nên chỉ cần cân bằng dòng chảy theo 2

phƣơng pháp: điều chỉnh độ dài cửa khuôn hoặc điều chỉnh độ rộng vùng dẫn nhôm

trên phần mềm mô phỏng Qform Extrusion.

Hình 3.27. Biên dạng thanh hợp kim nhôm

Thông số cài đặt khi mô phỏng:

- Phôi có kích thƣớc ∅178, dài 500 mm [12], vật liệu sản phẩm là hợp kim nhôm 6061 thì cần nhiệt độ phôi trong khoảng 420÷4700C [58], chọn nhiệt độ phôi là 4500C [12]. - Khuôn có kích thƣớc ∅230x145 mm, vật liệu SKD61, nhiệt độ 4900C [12].

- Buồng ép có kích thƣớc đƣờng kính nòng: ∅178, dài 740 mm, vật liệu SKD61, nhiệt độ 4200C [12].

- Tỷ lệ ép chảy ER = = 71. Vận tốc ra của sản phẩm 17÷25 m/p [12], [58].

Do vậy vận tốc chày ép trong khoảng 4÷6 mm/s, chọn vận tốc chày 5 mm/s [12].

- Hệ số ma sát giữa dòng vật liệu 6061 với hệ thống buồng ép, khuôn SKD61 chọn là

0,6 [50].

Toàn bộ các thông số của quá trình ép đƣợc giữ cố định theo bảng 3.10.

81

Bảng 3.10. Thông số cài đặt quá trình mô phỏng sản phẩm 70x5

STT Các thông số mô phỏng

1 Vật liệu phôi A6061

2 Kích thƣớc phôi: Độ dài L‟= 500 mm; Đƣờng kính ∅ = 178 mm

3 Vật liệu chế tạo khuôn

4 Nhiệt độ buồng ép, (°C)

5 Nhiệt độ phôi, (°C)

6 Nhiệt độ khuôn, (°C) SKD61 420 0C 450 0C 490 0C

7 Vận tốc của chày ép, (mm/s) 5 mm/s

3.3.1. Nghiên cứu ảnh hƣởng của độ dài cửa khuôn

Do vận tốc dòng chảy ở tâm khuôn chảy nhanh hơn khu vực xa tâm khuôn nên

độ dài cửa khuôn tại khu vực tâm khuôn phải lớn khu vực xa tâm khuôn. Càng xa tâm

khuôn độ dài cửa khuôn càng phải giảm, do đó việc thay đổi độ dài cửa khuôn đƣợc

thiết kế theo dạng cong với bán kính R nhƣ hình 3.28 là cần thiết. Độ dài cửa khuôn tại

vị trí xa tâm khuôn nhất lấy L = 5 mm. Vùng dẫn nhôm đƣợc thiết kế cố định có độ

rộng B = 30 mm, độ sâu H = 15 mm.

Kết quả mô phỏng số trên phần mềm Qform Extrusion dự đoán hình dạng sản

phẩm ép ra nhƣ hình 3.29:

Hình 3.28. Bản vẽ khuôn thay đổi độ dài cửa khuôn

82

I

Δh

Hình 3.29. Mô phỏng số quá trình ép chảy sản phẩm trên phần mềm Qform Extrusion

Sai lệch dòng chảy kim loại

Hình 3.30. Kết quả mô phỏng số quá trình ép chảy sản phẩm trên phần mềm Qfrom

Extrusion

Kết qủa đánh giá mức độ ảnh hƣởng các thông số hình học của khuôn đến cân

bằng dòng chảy kim loại thông qua sai lệch dòng chảy kim loại Δh giữa vị trí vận tốc

sản phẩm ra nhanh nhất với vị trí tốc sản phẩm ra chậm nhất nhƣ hình 3.30.

Thay đổi độ dài cửa khuôn ta thu đƣợc kết quả sai lệch dòng chảy chảy kim loại

nhƣ bảng 3.11.

Bảng 3.11. Kết quả sai lệch dòng chảy khi thay đổi độ dài cửa khuôn

STT 1 2 3 4 5 R (mm) 80 70 60 50 40 Sai lệch dòng chảy kim loại Δh (mm ) 0,3 0,27 0,22 0,18 0,05

83

Từ kết quả bảng 3.11, sử dụng phần mềm Excel ta vẽ đƣợc biểu đồ mối quan hệ

giữa sai lệch độ dòng chảy kim loại Δh với sự thay đổi độ dài cửa khuôn theo bán kính

R nhƣ hình 3.30 với phƣơng trình quan hệ sau:

∆h = 0,348.ln(R) – 1,2139 (3.1)

Theo kết quả mô phỏng ta thấy, khi tăng dần độ dài cửa khuôn ở khu vực tâm

khuôn (bán kính R giảm dần) thì dòng chảy kim loại ra khỏi cửa khuôn càng đƣợc cân

bằng. Thiết kế khuôn theo phƣơng án 5 (R = 40 mm) có vận tốc ra của dòng chảy kim

loại đồng đều nhất (với sai lệch dòng chảy kim loại ∆h=0,05).

Qua kết quả mô phỏng cho thấy sự thay đổi độ dài cửa khuôn ảnh hƣởng chậm

đến quá trình cân bằng dòng chảy kim loại nhƣ trên hình 3.31.

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

3.3.2. Nghiên cứu ảnh hƣởng của độ rộng vùng dẫn

Do vận tốc dòng chảy ở tâm khuôn chảy nhanh hơn khu vực xa tâm khuôn nên

độ rộng vùng dẫn nhôm tại khu vực tâm khuôn phải nhỏ hơn khu vực xa tâm khuôn.

Càng xa tâm khuôn độ rộng vùng dẫn nhôm càng phải tăng, do đó việc thay đổi độ

rộng vùng dẫn nhôm đƣợc thiết kế thay đổi theo cung R1 nhƣ hình 3.32 là cần thiết.

Độ rộng vùng dẫn nhôm tại vị trí cửa khuôn xa tâm khuôn nhất lấy B = 30 mm. Độ sâu

vùng dẫn nhôm lấy cố định H = 15 mm. Độ dài cửa khuôn lấy cố định L = 5 mm.

84

Hình 3.32. Bản vẽ khuôn thay đổi độ rộng vùng dẫn.

Thay đổi độ rộng vùng dẫn nhôm ta thu đƣợc kết quả sai lệch dòng chảy kim loại

tại các vị trí trên cửa khuôn nhƣ bảng 3.12.

Bảng 3.12. Kết quả sai lệch dòng chảy kim loại khi thay đổi độ rộng vùng dẫn nhôm

STT R1 (mm) Sai lệch dòng chảy kim loại Δh (mm )

1 70 8

2 75 2,5

3 80 0,5

4 85 1

5 90 1,5

Từ kết quả bảng 3.12, sử dụng Excel vẽ đƣợc biểu đồ mối quan hệ giữa sai lệch

dòng chảy kim loại Δh với sự thay đổi độ rộng vùng dẫn nhôm theo bán kính R1 nhƣ

hình 3.33 với phƣơng trình quan hệ sau:

2 – 6,9186.R1 +288,97

(3.2) ∆h = 0,0414.R1

85

Δ

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.

Theo biểu đồ kết quả mô phỏng ta thấy ban đầu khi độ lệch độ rộng vùng dẫn

nhôm ở tâm khuôn so với khu vực xa tâm khuôn lớn (cung R1 nhỏ) thì dòng chảy kim

loại ở tâm khuôn chảy chậm hơn so với ở phía xa tâm khuôn. Khi giảm dần độ lệch độ

rộng vùng dẫn nhôm (cung R1 tăng dần) thì dòng chảy kim loại ra khỏi cửa khuôn dần

đƣợc cân bằng và đạt đƣợc mức cân bằng nhỏ nhất khi R1 = 83,5 mm, với sai lệch

dòng chảy ∆h đạt cực tiểu ∆h = 0,08. Tiếp tục giảm độ lệch độ rộng vùng dẫn nhôm

ΔB (cung R1 tăng tiếp) thì lại làm tăng vận tốc dòng chảy kim loại ở tâm khuôn so với

khu vực ở xa tâm khuôn, dó đó lại làm tăng sự mất cân bằng dòng chảy.

Nhƣ vậy, dựa vào mô phỏng số trên phần mềm Qform Extrusion đã tìm ra kết

cấu khuôn hợp lý đảm bảo cân bằng dòng chảy cho sản phẩm thanh hợp kim nhôm

thành mỏng theo 2 phƣơng pháp thay đổi độ dài cửa khuôn và thay đổi độ rộng vùng

dẫn nhôm.

Kết quả mô phỏng số cho thấy mức độ ảnh hƣởng của độ rộng vùng dẫn nhôm

của khuôn đến cân bằng dòng chảy kim loại lớn hơn nhiều so với độ dài cửa khuôn.

Do đó việc thay đổi độ rộng vùng dẫn nhôm giúp cân bằng dòng chảy kim loại

nhanh hơn. Khi thiết khuôn ép sản phẩm có mặt cắt 70x5, phƣơng án thay đổi độ rộng

vùng dẫn nhôm với độ dài cửa khuôn không đổi sẽ hợp lý hơn so với phƣơng án thay

86

đổi độ dài cửa khuôn với độ rộng vùng dẫn không đổi. Nhƣ vậy, để ép chảy sản phẩm

có tiết điện 5x70 nên thiết kế khuôn có độ dài cửa khuôn không thay đổi, độ rộng vùng

dẫn nhôm thay đổi với R1 = 83,5 mm, độ sâu vùng dẫn nhôm H = 15 mm.

Kết luận chƣơng 3.

Qua nội dung nghiên cứu chƣơng 3, rút ra một số kết luận sau:

1. Ứng dụng mô phỏng số trên phần mềm Qform Extrusion đánh giá đƣợc ảnh

hƣởng của các thông số hình học khuôn đến vận tốc dòng chảy kim loại qua cửa khuôn

đƣợc thể hiện trên các hình từ hình 3.3 đến 3.25. Kết quả mô phỏng làm cơ sở để thiết

kế, hiệu chỉnh các thông số hình học trên khuôn nhằm đảm bảo cân bằng dòng chảy

kim loại ra khỏi cửa khuôn trong quá trình ép chảy. Từ đó đảm bảo độ chính xác về

hình dáng hình học của sản phẩm và giảm thiểu quá trình sửa khuôn.

2. Có 2 thông số thƣờng đƣợc sử dụng trong quá trình cân bằng dòng chảy kim

loại khi thiết kế khuôn để đảm bảo độ chính xác hình dáng hình học sản phẩm là độ

rộng vùng dẫn và độ dài cửa khuôn. Độ rộng cửa khuôn ảnh hƣởng nhiều hơn đến vận

tốc ra của sản phẩm so với độ dài cửa khuôn.

3. Xác định đƣợc kết cấu hợp lý của khuôn ép chảy sản phẩm có tiết diện 70x5

mm, đảm bảo sự cân bằng dòng chảy kim loại, từ đó đạt đƣợc độ chính xác về hình

dáng hình học sản phẩm: Khuôn có độ rộng vùng dẫn nhôm thay đổi với bán kính R1 =

83,5 mm, độ sâu vùng dẫn nhôm H = 15 mm, độ dài cửa khuôn bằng nhau ở các vị trí

trên cửa khuôn. Kết quả là cơ sở để tiến hành chế tạo khuôn thực hiện hiện các nghiên

cứu tiếp theo trong quá trình ép chảy sản phẩm thực tế.

4. Cần tiếp tục nghiên cứu thực nghiệm thực tế ảnh hƣởng độ dài cửa khuôn, chế

độ ép đến độ nhám bề mặt sản phẩm và áp lực ép để xác định đƣợc độ dài cửa khuôn

và chế độ ép hợp lý. Nội dung này đƣợc thực hiện trong chƣơng tiếp theo của luận án.

87

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

4.1. Mục đích nghiên cứu thực nghiệm

Trong chƣơng 3 đã ứng dụng mô phỏng số để phân tích ảnh hƣởng của các thông

số hình học khuôn đến vận tốc ra của sản phẩm, làm cơ sở cho quá trình cân bằng

dòng chảy khi thiết kế khuôn để đảm bảo độ chính xác về hình dáng hình học sản

phẩm (áp dụng vào trƣờng hợp cụ thể với sản phẩm có tiết diện 70x5 mm), là điều

kiện để có thể ép chảy ra đƣợc sản phẩm thanh hợp kim nhôm. Tuy nhiên, mô phỏng

số lại khá khó khăn trong việc dự đoán độ nhám bề mặt sản phẩm ép chảy.

Do đó, cần thiết phải tiến hành nghiên cứu thực nghiệm thực tế để đánh giá đƣợc

sự ảnh hƣởng của các yếu tố chính trong quá trình ép chảy đến độ nhám bề mặt sản

phẩm cũng nhƣ áp lực ép. Nhƣ phân tích cơ sở lý thuyết trong chƣơng 2, các thông số

chính ảnh hƣởng ảnh hƣởng đến độ nhám bề mặt sản phẩm bao gồm: vận tốc ép, nhiệt

độ phôi và độ dài cửa khuôn.

Mục đích của quá trình nghiên cứu bằng thực nghiệm là xây dựng mối quan hệ

giữa các chỉ tiêu đầu ra Y với các thông số đầu vào X dƣới dạng các mô hình toán học

sao cho vừa nhận đƣợc thông tin chính xác, đầy đủ về đối tƣợng nghiên cứu vừa đảm

bảo tính hiệu quả. Các mô hình toán học là cơ sở để giải bài toán xác định thông số

đầu vào phù hợp.

Sơ đồ nghiên cứu thực nghiệm đƣợc thể hiện ở hình 4.1.

Thông số đầu ra Thông số đầu vào

- Độ nhám bề mặt - Vận tốc chày ép

sản phẩm ép chảy - Nhiệt độ phôi

- Tỷ lệ độ dài/độ - Áp lực ép chảy

rộng cửa khuôn

Hình 4.1. Sơ đồ nghiên cứu thực nghiệm [6]

Trong sơ đồ hình 4.1:

X - Các yếu tố đầu vào (thông số đầu vào), X ở đây gồm 3 thông sô: Vận tốc ép, nhiệt

độ phôi, tỷ lệ độ dài/độ rộng cửa khuôn.

88

Z - Các yếu tố điều khiển đƣợc (cố định trong quá trình thí nghiệm)

E - Các yếu tố không điều khiển đƣợc, còn đƣợc gọi là các “nhiễu‟‟ trong nghiên cứu

thực nghiệm.

Y - Các chỉ tiêu đầu ra để đánh giá đối tƣợng nghiên cứu, Y ở đây là độ nhám bề mặt

sản phẩm ép chảy và áp lực ép chảy.

4.2. Mô hình và thiết bị thực nghiệm

Tiến hành thực nghiệm theo mô hình ép chảy thuận nhƣ trên hình 4.2. Phôi đƣợc

nung nóng trong lò nung đạt nhiệt độ yêu cầu. Sau đó phôi đƣợc đƣa vào buồng ép của

máy để tiến hành ép chảy tạo thành sản phẩm.

Hình 4.2. Mô hình quá trình ép chảy thanh hợp kim nhôm [58].

1. Đầu chày; 2, 3. Hai nửa khuôn; 4,6,7. Đệm khuôn; 5,9. Áo khuôn; 8. Bàn máy;

Hệ thống thí nghiệm phải thỏa mãn những yêu cầu cơ bản sau:

- Máy thí nghiệm có khả năng thực hiện quá trình ép chảy thuận, cho phép điều

chỉnh các thông số đầu vào theo kế hoạch thực nghiệm định trƣớc, độ chính xác phù

hợp với điều kiện ép chảy trong thực tế sản xuất;…

- Mẫu phôi thí nghiệm là loại vật liệu đƣợc dùng trong thực tế sản

xuất; các mẫu có hình dáng, kích thƣớc thống nhất và nằm trong phạm vi về

khả năng công nghệ của máy thí nghiệm; phải đƣợc kiểm tra trƣớc khi tiến hành thí

nghiệm.

89

- Khuôn thí nghiệm đƣợc chế tạo đảm bảo độ chính xác theo yêu cầu kỹ thuật,

vật liệu chế tạo khuôn là SKD61.

- Thiết bị đo đảm bảo độ chính xác, ổn định.

4.2.1. Máy ép thủy lực

Quá trình thực nghiệm đƣợc thực hiện trên máy ép thuận SAMWOO tại nhà

máy sản xuất nhôm thanh định hình Huyndai Aluminum Vina nhƣ hình 4.3.

Hình 4.3. Máy ép chảy hợp kim nhôm SAMWOO

Cấu tạo của một máy ép thuận đƣợc thể hiện trong hình 4.4.

Hình 4.4. Cấu tạo của máy ép thuận [58]

1, Tấm chặn; 2, cụm lắp khuôn; 3, xi lanh cắt phôi; 4, buồng ép;

5, đầu pít tông; 6, chày ép; 7, xi lanh phụ; 8, bể chứa dầu

90

Nguyên lý hoạt động của máy nhƣ sau:

Phôi hợp kim nhôm dạng trụ có độ dài thích hợp, sau khi đƣợc nung nóng đến

nhiệt độ cần thiết đƣợc đƣa vào buồng ép 4. Hệ thống bơm trên bể chứa dầu 8 sẽ bơm

dầu vào xi lanh chính làm đầu pít tông 5 di chuyển sang bên trái, đẩy chày ép 6 ép

vào phôi. Dòng chảy kim loại đi qua cửa khuôn tạo thành sản phẩm.

Sau khi ép hết hành trình ép (phần vỏ phôi xấu bị dồn lại). Xi lanh phụ 7 kéo

buồng ép 4 ngƣợc trở lại, chày ép 6 rút ra, sau đó xi lanh 3 đẩy chày cắt xuống cắt bỏ

phần kim loại chết rơi xuống. Khi xi lanh 3 rút lên cao, xi lanh phụ 7 lại đẩy buồng ép

4 tỳ vào cụm lắp khuôn 2, chuẩn bị cho lần ép tiếp theo.

4.2.2. Phôi hợp kim nhôm

Phôi thực nghiệm có kích thƣớc Ø178 mm, dài 500 mm nhƣ hình 4.5, vật liệu

AA6061 có thành phần hóa học nhƣ trên bảng 4.1.

Bảng 4.1. Thành phần hóa học vật liệu phôi ép AA6061 [12]

Thành phần nguyên tố (%) Phôi

Si Fe Cu Mg Cr Zn Al Mn

0,5 0,7 0,3 0,9 0,12 0,25 Còn lại 6061 0,15

Hình 4.5. Phôi hợp kim nhôm ép chảy

4.2.3. Khuôn thực nghiệm

Khuôn có cấu tạo thiết kế nhƣ trình bày trong chƣơng 3 và đƣợc thể hiện trên

hình 4.6 với tỷ lệ ép chảy:

ER = = (3,14.89.89)/(70.5) = 71 (4.1)

91

Trong đó ER: tỷ lệ ép; AC: diện tích tiết diện buồng ép; AE: diện tích tiết diện sản

phẩm; n: số cửa khuôn.

a) Bản vẽ khuôn b) Hình ảnh khuôn thực tế

Hình 4.6. Khuôn thí nghiệm

4.2.4. Thiết bị đo áp lực ép

Trên máy ép tích hợp thiết bị đo áp lực ép của quá trình ép. Áp lực ép đƣợc hiển

Thông số áp lực ép

Thông số vận tốc ép

thị trực tiếp trên màn hình điều khiển của máy ép (Container pressure) nhƣ hình 4.7.

Hình 4.7. Hình ảnh hiển thị kết quả đo áp lực ép

92

4.2.5. Thiết bị đo nhiệt độ phôi

Phôi đƣợc nung nóng đến nhiệt độ cần thiết trong hệ thống nung phôi. Hệ thống

nung phôi có thiết bị đo nhiệt độ phôi hiển thị trên màn hình của hệ thống nung phôi

nhƣ hình 4.8

Hình 4.8. Hình ảnh hiển thị kết quả đo nhiệt độ phôi

4.2.6. Thiết bị đo độ nhám

Máy đo nhám Mitutoyo SJ-402 đƣợc thể hiện trên hình 4.9 để đo độ nhám của

sản phẩm.

- Hiển thị LCD, tiêu chuẩn DIN, ISO, JIS, ANSI

- Thông số đo đƣợc: Ra, Rz, Rt, Rq...

- Độ phân giải: 0.032 m

- Bộ chuyển đổi A/D: RS - 232

- Phần mềm điều khiển và xử lý số liệu: MSTATw324.0

- Thiết bị hiển thị: máy tính, máy in.

Hình 4.9. Máy đo nhám Mitutoyo SJ-400

93

4.3. Quy hoạch và tổ chức thực nghiệm

4.3.1. Xác định các thông số thực nghiệm

a) Xác định chỉ tiêu đánh giá (thông số đầu ra)

Chỉ tiêu đánh giá bao gồm:

- Chỉ tiêu trực tiếp là các đại lƣợng nhận đƣợc ở mỗi điểm thí nghiệm bằng cách

cân, đo trực tiếp trong quá trình thí nghiệm.

- Chỉ tiêu gián tiếp (chỉ tiêu tổng hợp) là các đại lƣợng không lấy trực tiếp mà

phải xác định thông qua các liên hệ toán học giữa chúng với các chỉ tiêu trực tiếp.

Nhƣ đã phân tích trong chƣơng 2:

Độ nhám bề mặt sản phẩm Ra có ảnh hƣởng lớn đến khả năng làm việc và thẩm

mỹ của sản phẩm.

Áp lực ép P có ảnh hƣởng đến sự biến dạng cửa khuôn, gây ảnh hƣởng đến độ

chính xác kích thƣớc tiết diện sản phẩm và tuổi bền của khuôn. Áp lực ép P cũng ảnh

hƣởng đến sự hình thành hạt bám dính và lớp bám dính trên bề mặt cửa khuôn gây ảnh

hƣởng đến độ nhám bề mặt sản phẩm.

Do đó, trong nghiên cứu này, P và Ra đƣợc chọn làm hai chỉ tiêu đánh giá.

b) Xác định thông số đầu vào

Việc chọn các thông số đầu vào thƣờng phải thỏa mãn một số yêu cầu và dựa

trên một số cơ sở sau [6]:

* Một số yêu cầu khi chọn thông số đầu vào

Các thông số đầu vào cần đảm bảo một số yêu cầu sau:

- Là các biến độc lập, điều chỉnh đƣợc, điều này cho phép nhận đƣợc các ƣớc

lƣợng riêng biệt của các hệ số hồi quy.

- Là các thông số định lƣợng.

- Có ảnh hƣởng đến các hàm mục tiêu lớn hơn nhiều so với mức độ ảnh hƣởng

của nhiễu.

* Một số cơ sở để chọn thông số đầu vào

Việc lựa chọn các thông số đầu vào dựa vào một số cơ sở sau đây:

- Thông tin tiên nghiệm lấy từ quan sát thực tế hoặc tài liệu tham khảo (các mô

hình nghiên cứu bằng lý thuyết, nghiên cứu mô phỏng hoặc thực nghiệm đã công bố).

94

- Ý kiến chuyên gia: khi thông tin về các tài liệu rất ít và không toàn diện.

- Kết quả nghiên cứu lý thuyết: từ lý thuyết khoa học cơ sở để sơ bộ xác định

miền tối ƣu lý thuyết và mức cơ sở các thông số cần đƣa vào nghiên cứu thực nghiệm.

- Tiến hành thực nghiệm thăm dò, thực nghiệm sàng lọc để kiểm tra những yếu tố

ảnh hƣởng nghi ngờ.

* Các thông số đầu vào

Có nhiều thông số đầu vào ảnh hƣởng đến các chỉ tiêu đánh giá khi ép chảy:

- Chế độ công nghệ: vận tốc ép, nhiệt độ ép.

- Thông số hình học của khuôn: độ dài cửa khuôn, góc nghiêng cửa khuôn, độ

nhám bề mặt cửa khuôn, vị trí cửa khuôn, …

- Vật liệu khuôn, lớp phủ bề mặt khuôn.

- Vật liệu phôi, độ dài phôi.

- Tỉ lệ ép chảy.

Với tập hợp lớn các thông số ảnh hƣởng nhƣ trên, khó có thể đƣa vào cùng một

kế hoạch thực nghiệm.

Từ những phân tích ở chƣơng 2 cho thấy có 3 thông số đầu vào ảnh hƣởng đáng

kể đến áp lực ép P và độ nhám bề mặt Ra của sản phẩm gồm:

- Độ dài cửa khuôn

- Vận tốc chày ép

- Nhiệt độ phôi

4.3.2. Phƣơng pháp thực nghiệm

Tiến hành 3 thực nghiệm nhƣ sau:

Thực nghiệm 1:

Xác định mối quan hệ giữa tỷ lệ độ dài cửa khuôn/độ rộng cửa khuôn (L/b) đến

độ nhám bề mặt sản phẩm Ra = f(L/b) và áp lực ép P = f(L/b). Từ đó xác định đƣợc

miền xác định tỉ lệ độ dài/độ rộng cửa khuôn hợp lý nhằm đảm bảo giảm độ nhám bề

mặt và giảm áp lực ép.

Kết quả thực nghiệm 1 sẽ làm cơ sở để xác định miền giới hạn hợp lý của tỷ lệ độ

dài/độ rộng cửa khuôn trong thực nghiệm 2 và 3.

95

Sử dụng khuôn đƣợc thiết kế cân bằng dòng chảy kim loại bằng phƣơng pháp

thay đổi kích thƣớc vùng dẫn nhôm, với trƣờng hợp R1 = 83,5 mm (chƣơng 3) để thí

nghiệm xác định ảnh hƣởng của độ dài cửa khuôn L đến độ nhám bề mặt sản phẩm.

- Độ dài cửa khuôn L của các bộ khuôn thí nghiệm thay đổi lần lƣợt với tỷ lệ độ

dài/độ rộng cửa khuôn L/b ≤ 4 [58,12], do đó chọn L/b = 0; 1; 2; 3; 4 (b là độ rộng

cửa khuôn: b = 5 mm), các thông số khác của khuôn đƣợc giữ cố định. Thông số vận

tốc chày ép và nhiệt độ phôi cài đặt theo thực tế thƣờng sử dụng tại nhà máy.

- Vận tốc chày ép: Vep = 5 mm/s [12]; - Nhiệt độ phôi: Tp = 450 0C [12].

Trƣớc khi chế tạo các bộ khuôn thí nghiệm, tiến hành mô phỏng kiểm tra quá

trình cân bằng dòng chảy kim loại trên phần mềm Qform Extrusion (phụ lục hình P1 ÷

P5) cho thấy khi thay đổi độ dài cửa khuôn, dòng chảy kim loại vẫn đƣợc cân bằng, sự

thay đổi về cân bằng dòng chảy là không đáng kể.

Tiến hành đƣa lần lƣợt các khuôn thí nghiệm đã chế tạo vào thực hiện quá trình

ép, sau đó lấy mẫu sản phẩm để tiến hành đo độ nhám và đồng thời ghi lại áp lực ép

trên bảng điều khiển của máy ép.

Dựa vào các điểm lấy mẫu thí nghiệm theo quy hoạch thực nghiệm, xây dựng

đƣợc bảng giá trị thực nghiệm nhƣ sau:

Bảng 4.2. Bảng giá trị thực nghiệm thay đổi tỷ lệ độ dài/độ rộng cửa khuôn (L/b)

Khuôn 1 Khuôn 2 Khuôn 3 Khuôn 4 Khuôn 5 STT

0 1 2 3 4 L/b

Thực nghiệm 2:

Xác định mối quan hệ giữa vận tốc chày ép và nhiệt độ phôi ép đến độ nhám bề

mặt sản phẩm Ra và áp lực ép P để từ đó xác định đƣợc mức độ ảnh hƣởng của vận tốc

chày ép, nhiệt độ phôi ép đến độ nhám bề mặt sản phẩm và áp lực ép, làm cơ sở xác

định giá trị vận tốc chày ép, nhiệt độ phôi ép hợp lý đảm bảo chất lƣợng sản phẩm và

giảm áp lực ép (giảm biến dạng của khuôn, giúp nâng cao tuổi bền cho khuôn, tăng độ

chính xác kích thƣớc mặt cắt của sản phẩm ép chảy).

Thực nghiệm với khuôn có bán kính vùng dẫn nhôm R1 = 83,5 mm và độ dài cửa

khuôn hợp lý nhất ở kết quả thí nghiệm 1 với L = 11,35 mm (khi tỉ lệ L/b = 2,27).

96

Mối quan hệ giữa độ nhám bề mặt, áp lực ép với thông số chế độ ép là:

Ra = f(Vep,Tp) và P = f(Vep,Tp).

Để xác định mối quan hệ giữa vận tốc ép và nhiệt độ phôi với độ nhám bề mặt

sản phẩm và áp lực ép, tiến hành thực nghiệm với các chế độ ép khác nhau theo phƣơng pháp quy hoạch thực nghiệm hai mức đầy đủ dạng 2k và bổ sung thêm 2 điểm

trung tâm nhằm xác định miền thí nghiệm đã đạt cực trị hay chƣa [6]. Với số biến đầu vào k = 2, số điểm thí nghiệm cho mỗi lần lặp là 22 = 4 và bổ sung thêm 2 điểm trung tâm, tổng cộng là 22 + 2 = 6 điểm thí nghiệm. Với mỗi mẫu thí nghiệm sau khi ép, tiến

hành đo độ nhám bề mặt sản phẩm và ghi lại áp lực ép trên máy. Sau khi có kết quả thí

nghiệm, tiến hành xử lý số liệu để tìm phƣơng trình hồi quy mối quan hệ giữa độ nhám

bề mặt sản phẩm với vận tốc chày ép và nhiệt độ phôi ép [1,6,9].

Căn cứ vào thông số kỹ thuật của máy, phạm vi cho phép của quá trình ép về vận

tốc và nhiệt độ phôi [12,58]. Các thông số công nghệ quá trình ép đƣợc chọn trong

miền xác định sau:

- Vận tốc chày ép: Với vật liệu phôi hợp kim nhôm 6061, vận tốc ra VE nên nằm

trong khoảng 17≤ VE ≤ 25 m/p [58]. Với tỷ lệ ép chảy ER = 71. Nhƣ vậy vận tốc chày

ép nên nằm trong khoảng 4 ≤ Vep ≤ 6 mm/s.

- Nhiệt độ phôi: Đối với phôi 6061, nhiệt độ phôi đƣợc nung nóng: 4200C ≤ Tp ≤ 4700C [12,58]

Thông số chế độ ép đƣợc thể hiện trên bảng quy hoạch thực nghiệm (bảng 4.3).

Bảng 4.3. Bảng thực nghiệm ảnh hưởng của chế độ ép đến độ nhám sản phẩm

Biến mã hóa Biến thực nghiệm

STT Vep (mm/s) Tp(oC) x1 x2

1 -1 -1 420 4

2 1 -1 420 6

3 -1 1 470 4

4 1 1 470 6

5 0 0 445 5

6 0 0 445 5

Kết quả thực nghiệm 2 sẽ làm cơ sở để mở rộng nghiên cứu thực nghiệm 3.

97

Trƣớc khí chế tạo các bộ khuôn phục vụ thí nghiệm 2, tiến hành mô phỏng số

kiểm tra sản phẩm ép thử trên phần mềm Qform Extrusion (phần phụ lục, hình P6÷

hình P11) cho thấy sản phẩm ép thử ra đều đạt yêu cầu về cân bằng dòng chảy.

Chuyển các biến từ tự nhiên sang các biến mã hóa không thứ nguyên. Với thực

nghiệm 2 biến đầu vào thay đổi dạng 2 mức đầy đủ và bổ sung 2 điểm trung tâm, cần

tiến hành 6 thí nghiệm tại 4 đỉnh đơn hình đều và 2 thí nghiệm ở tâm [6].

Trong quá trình ép chảy sản phẩm, ghi lại áp lực ép trên bảng điều khiển của

máy. Sau khi ép xong, tiến hành lấy mẫu để đo độ nhám bề mặt trên máy đo nhám

Mitutoyo SJ-400.

Thực nghiệm 3:

Trên cơ sở thực nghiệm 1 và 2, tiếp tục mở rộng phạm vi nghiên cứu xác định

mối quan hệ giữa vận tốc chày ép (Vep), nhiệt độ phôi ép (Tp) và tỉ lệ độ dài cửa

khuôn/độ rộng cửa khuôn (L/b) đến độ nhám bề mặt sản phẩm Ra và áp lực ép P để từ

đó xác định đƣợc mức độ ảnh hƣởng của vận tốc chày ép, nhiệt độ phôi ép, độ dài cửa

khuôn đến độ nhám bề mặt sản phẩm và áp lực ép, làm cơ sở xác định giá trị vận tốc

chày ép, nhiệt độ phôi, độ dài cửa khuôn hợp lý đảm bảo độ nhám bề mặt sản phẩm,

giảm áp lực ép cho máy nhằm nâng cao tuổi bền của khuôn và máy ép.

Thực nghiệm với khuôn có bán kính vùng dẫn nhôm R = 83,5 mm.

Mối quan hệ giữa thông số chế độ ép và tỉ lệ độ dài/độ rộng cửa khuôn với độ

nhám bề mặt, áp lực ép là: Ra = f (Vep,Tp, L/b) và P = f (Vep,Tp, L/b).

Để xác định mối quan hệ này, tiến hành thực nghiệm với các chế độ ép, tỷ lệ độ

dài/độ rộng cửa khuôn khác nhau theo phƣơng pháp quy hoạch thực nghiệm 2 mức đầy đủ dạng 2k và bổ sung thêm 3 điểm trung tâm nhằm xác định miền thí nghiệm đã

đạt cực trị hay chƣa [6]. Với số biến đầu vào k = 3, số điểm thí nghiệm cho mỗi lần lặp là 23 + 3 = 11. Với mỗi mẫu thí nghiệm sau khi ép tiến hành đo độ nhám bề mặt sản

phẩm và ghi lại áp lực ép trên máy. Sau khi có kết quả thí nghiệm, tiến hành xử lý số

liệu để tìm phƣơng trình biểu diễn mối quan hệ giữa độ nhám bề mặt sản phẩm, áp lực

ép với vận tốc chày ép, nhiệt độ phôi ép, tỉ lệ độ dài/độ rộng cửa khuôn [1,6,9].

98

Căn cứ vào thông số kỹ thuật của máy, phạm vi cho phép của quá trình ép về vận

tốc ép và nhiệt độ phôi [12,58], tỷ lệ độ dài/độ rộng cửa khuôn. Các thông số công

nghệ quá trình ép và thông số độ dài cửa khuôn đƣợc chọn trong miền xác định sau:

+ Vận tốc chày ép: 4 ≤ Vep ≤ 6 mm/s (nhƣ thí nghiệm 2). + Nhiệt độ phôi ép: 420 ≤ Tp ≤ 470 0C (nhƣ thí nghiệm 2).

+ Tỉ lệ độ dài/độ rộng cửa khuôn: 1 ≤ L/b ≤ 3 (kết quả của thí nghiệm 1).

Thông số thí nghiệm đƣợc thể hiện trên bảng quy hoạch thực nghiệm (bảng 4.4).

Bảng 4.4. Bảng quy hoạch thực nghiệm ảnh hưởng của vận tốc chày ép, nhiệt độ

phôi, tỉ lệ giữa độ dài /độ rộng cửa khuôn đến độ nhám sản phẩm

STT Biến mã hóa Biến thực nghiệm

STT Vep L/b Tp(oC) x1 x2 x3 (mm/s)

1 -1 -1 -1 420 1 4

2 1 -1 -1 420 1 6

3 -1 1 -1 470 1 4

4 1 1 -1 470 1 6

5 -1 -1 1 420 3 4

6 1 -1 1 420 3 6

7 -1 1 1 470 3 4

8 1 1 1 470 3 6

9 0 0 0 445 2 5

10 0 0 0 445 2 5

11 0 0 0 445 2 5

Trƣớc khí chế tạo các bộ khuôn phục vụ thí nghiệm 3, tiến hành mô phỏng số

kiểm tra sản phẩm ép thử trên phần mềm Qform Extrusion (hình P12÷ hình P22) cho

thấy sản phẩm ép thử ra đều đạt yêu cầu về cân bằng dòng chảy.

Chuyển các biến từ tự nhiên sang các biến mã hóa không thứ nguyên. Với thực

nghiệm 3 biến đầu vào thay đổi dạng 2 mức đầy đủ và bổ sung 3 điểm trung tâm, tiến

hành 8 thí nghiệm tại 8 đỉnh đơn hình đều và 3 thí nghiệm ở tâm [6]. Trong quá trình

99

ép ghi lại áp lực ép trên bảng điều khiển của máy. Sau khi ép xong các mẫu, tiến hành

đo độ nhám bề mặt mẫu trên máy đo nhám MitutoyoSJ-400. Bảng quy hoạch thực

nghiệm thể hiện ở bảng 4.4.

4.4. Kết quả thực nghiệm và bàn luận khoa học

4.4.1. Ảnh hƣởng độ dài cửa khuôn đến độ nhám bề mặt sản phẩm và áp

lực ép

a) Ảnh hƣởng đến độ nhám bề mặt

Dựa vào bảng kết quả thí nghiệm đo nhám và áp lực ép trên bảng 4.5, sử dụng

phần mềm Excel ta xây dựng đƣợc đồ thị nhƣ trên hình 4.11 và phƣơng trình biểu diễn

mối quan hệ giữa độ nhám bề mặt với tỷ lệ độ dài/độ rộng cửa khuôn nhƣ sau:

Ra = 0,2607.(L/b)2 – 1,1839.(L/b) + 4,2734 (4.2)

Bảng 4.5. Kết quả thí nghiệm thay đổi độ dài cửa khuôn đến Ra và P

STT Khuôn 1 Khuôn 2 Khuôn 3 Khuôn 4 Khuôn 5

L/b 0 1 2 3 4

4,37 3,16 2,94 3,27 3,61 Ra (μm)

P (bar) 198 200 204 207 212

Hình ảnh các mẫu sản phẩm sau khi thí nghiệm đƣợc thể hiện trên hình 4.10

Hình 4.10. Mẫu sản phẩm thí nghiệm 1

Nhìn vào đồ thị trên hình 4.11 ta thấy độ nhám bề mặt sản phẩm lớn nhất khi cửa

khuôn có độ dài L = 0 hay (L/b) = 0 (khi bề mặt cửa khuôn bị cắt nghiêng (-)). Nguyên

nhân do cửa khuôn không hình thành khu vực oxit bám dính trƣợt, các hạt bám dính

hành thành ở cửa khuôn sẽ nhanh chóng bị rời ra, tác động lên bề mặt sản phẩm làm

cho bề mặt sản phẩm trở nên nhám lớn. Khi tăng dần độ dài cửa khuôn giúp hình

100

thành nên khu vực trƣợt cửa bề mặt cửa khuôn, các hạt bám dính bị tách rời giảm làm

cho độ nhám bề mặt sản phẩm giảm đạt giá trị nhỏ nhất Ra = 2,9 μm khi L/b = 2,27

(L = 11,35 mm). Sau giai đoạn này, nếu tiếp tục tăng độ dài cửa khuôn lại làm tăng ma

sát và gia tăng nhiệt độ ép. Các hạt bám dính đƣợc hình thành tăng lên dẫn đến độ

nhám bề mặt sản phẩm tăng. Nhƣ vậy, độ nhám bề sản phẩm đạt giá trị nhỏ nhất khi

độ dài cửa khuôn L = 11,35 mm.

Ra(m)

5

4

y = 0.2607x2 - 1.1839x + 4.2734 R² = 0.9228

3

2

1

0

0 1 2 3 4 5 L/b

Hình 4.11. Mối quan hệ giữa độ nhám bề mặt với tỷ lệ độ dài/độ rộng cửa khuôn

Qua đồ thị trên hình 4.11 cho thấy để đảm bảo độ nhám bề mặt sản phẩm ép nên

chọn tỉ lệ độ dài cửa khuôn/độ rộng cửa khuôn giới hạn trong khoảng 1 ≤ L/b ≤ 3.

Khoảng giá trị này là miền xác định về tỷ lệ độ dài/độ rộng cửa khuôn L/b cho thí

nghiệm 3.

b) Ảnh hƣởng độ dài cửa khuôn đến áp lực ép

Dựa vào bảng kết quả trên bảng 4.5, sử dụng phần mềm Excel ta xây dựng đƣợc

đồ thị nhƣ trên hình 4.12 và phƣơng trình biểu diễn mối quan hệ giữa áp lực ép với tỷ

lệ độ dài/độ rộng cửa khuôn nhƣ sau:

P = 0,3571.(L/b)2 + 2,0714.(L/b) + 197,91 (4.3)

Nhìn vào đồ thị 4.12 ta thấy áp lực ép tăng tỷ lệ thuận với độ dài của cửa khuôn.

Khi độ dài cửa khuôn tăng trong khoảng từ 0 đến L/b = 1 thì áp lực ép tăng chậm do

diện tích bề mặt cửa khuôn nhỏ, lớp bám dính ít, làm lực ma sát tăng chậm hơn khi tỷ

L/b ≥ 1 vì khi tỷ lệ L/b ≥ 1 làm diện tích bề mặt cửa khuôn tăng nhanh dẫn đến lực ma

101

sát của dòng chảy kim loại với bề mặt cửa khuôn tăng theo, đồng thời lớp bám dính bề

214

P (bar)

212

y = 0.3571x2 + 2.0714x + 197.91 R² = 0.9959

210

208

206

204

202

200

198

196

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

4

4.5 L/b

mặt cửa khuôn cũng tăng nhanh theo độ dài cửa khuôn từ đó tác động đến áp lực ép.

Hình 4.12. Mối quan hệ giữa áp lực ép với tỷ lệ độ dài/độ rộng cửa khuôn

4.4.2. Ảnh hƣởng của vận tốc ép, nhiệt độ phôi đến độ nhám bề mặt sản phẩm và

áp lực ép

a) Ảnh hƣởng đến độ nhám bề mặt

Sau khi thí nghiệm xong các mẫu, tiến hành đo độ nhám bề mặt mẫu trên máy đo

nhám Mitutoyo SJ-400. Ghi lại kết quả Áp lực ép hiển thị trên máy trong quá trình thí

nghiệm. Kết quả thực nghiệm ở bảng 4.6.

Bảng 4.6. Kết quả thí nghiệm ảnh hưởng của chế độ ép đến Ra và P

STT Biến mã hóa Biến thực nghiệm Độ nhám Áp lực ép

Vep P (bar) Tp(oC) Ra (µm) x1 x2 (mm/s)

-1 -1 4 1 420 3,48 207

1 -1 6 2 420 3,16 210

-1 1 4 3 470 2,37 198

1 1 6 4 470 3,51 202

0 0 5 5 445 2,95 204

0 0 5 6 445 2,94 205

102

Hình ảnh các mẫu sản phẩm sau khi thí nghiệm đƣợc thể hiện trên hình 4.13

Hình 4.13. Mẫu sản phẩm thí nghiệm 2

Sử dụng phần mềm Minitab16 [10] xử lý số liệu thu đƣợc phƣơng trình hồi quy

biến mã hóa biểu diễn mối quan hệ giữa độ nhám bề mặt sản phẩm với vận tốc ép và

nhiệt độ phôi nhƣ sau:

2 + 0,365.x1.x2 (4.4)

Ra = 2,945 + 0,205.x1 – 0,19.x2 + 0,185.x1

Chuyển sang biến thực ta đƣợc phƣơng trình:

2 + 0,0146.Vep.Tp (4.5)

Ra = 42,412 - 8,142.Vep - 0,0806.Tp + 0,185.Vep

Kết quả số liệu mô hình hồi quy và phân tích phƣơng sai quan hệ Ra với Vep, Tp

trên Minitab16 đƣợc thể hiện trên bảng 4.7 cho thấy hàm hồi quy có độ tin cậy hàm hồi quy đạt R2 = 99,99 %.

Sử dụng phần mềm Minitab16 xây dựng đƣợc đồ thị mô tả mối quan hệ giữa độ

nhám bề mặt sản phẩm với vận tốc ép và nhiệt độ phôi nhƣ trên hình 4.14.

Nhìn vào phƣơng trình (4.4) cho thấy mức độ ảnh hƣởng của nhiệt độ đến độ

nhám bề mặt là lớn hơn so với vận tốc ép. Tuy nhiên mức ảnh hƣởng của nhiệt độ phôi

đến độ nhám bề mặt lớn hơn không nhiều so với mức độ ảnh hƣởng của vận tốc ép đến

độ nhám bề mặt.

Nhìn vào đồ thị (hình 4.14) cho thấy độ nhám bề mặt sản phẩm giảm khi giảm

vận tốc ép và tăng nhiệt độ của phôi, do nó làm chậm quá trình hình thành các hạt bám

dính. Khi kích thƣớc hạt bám dính phát triển chậm, sẽ làm giảm kích thƣớc vết cào

xƣớc trên bề mặt sản phẩm, do đó độ nhám bề mặt sản phẩm giảm.

103

Kết quả nghiên cứu giúp cho việc tính toán, lựa chọn thông số công nghệ ép chảy

hợp lý nhằm nâng cao chất lƣợng bề mặt sản phẩm.

Bảng 4.7. Kết quả số liệu mô hình hồi quy và phân tích phương sai quan hệ

Ra với Vep, Tp trên Minitab16

Hình 4.14. Đồ thị quan hệ giữa Ra với các thông số Vep, Tp

104

b) Ảnh hƣởng đến áp lực ép

Khi quá trình ép diễn ra ở trạng thái ổn định về áp lực ép, tiến hành ghi lại kết

quả áp lực ép trên màn hình hiển thị áp lực ép của máy đƣợc ghi trên bảng 4.6

Sử dụng phần mềm Minitab16 xử lý số liệu thu đƣợc phƣơng trình mã hóa biểu

diễn mối quan hệ giữa áp lực ép với vận tốc ép và nhiệt độ phôi nhƣ sau:

2 + 0,25.x1.x2 (4.6)

P = 204,5 + 1,75.x1 – 4,25.x2 – 0,25.x1

Chuyển sang biến thực đƣợc phƣơng trình sau:

2 + 0,01.Vep.Tp (4.7)

P = 287,4 - 0,2.Vep - 0,22.Tp – 0,25.Vep

Với độ tin cậy R2 = 99,41 % đƣợc thể hiện ở bảng kết quả số liệu mô hình hồi

quy và phân tích phƣơng sai quan hệ P với Vep, Tp trên Minitab16 (bảng 4.8).

Bảng 4.8. Kết quả số liệu mô hình hồi quy và phân tích phương sai quan hệ

P với Vep, Tp trên Minitab16

105

Sử dụng phần mềm Minitab xây dựng đƣợc đồ thị mô tả mối quan hệ giữa áp lực

ép với vận tốc ép Vep và nhiệt độ phôi Tp nhƣ trên hình 4.15.

Hình 4.15. Đồ thị quan hệ giữa P với các thông số Vep, Tp

Nhìn vào đồ thị trên hình 4.15 cho thấy giá trị áp lực ép giảm khi giảm vận tốc ép

và tăng nhiệt độ của phôi. Nguyên nhân, khi tăng nhiệt độ phôi ép làm phôi mềm hơn

dẫn đến giảm áp lực ép. Khi giảm vận tốc ép, làm giảm lực ma sát của dòng chảy kim

loại với buồng ép, vùng kim loại chết, cửa khuôn từ đó làm giảm áp lực ép. Nhiệt độ

phôi ảnh hƣởng nhiều hơn đến áp lực ép so với vận tốc ép chảy.

Kết quả nghiên cứu giúp cho việc tính toán, lựa chọn thông số công nghệ ép hợp

lý nhằm giảm áp lực ép của máy ép, giúp nâng cao tuổi bền của khuôn.

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

a) Ảnh hƣởng đến độ nhám bề mặt

Sau khi ép xong các mẫu, tiến hành đo độ nhám bề mặt mẫu trên máy đo nhám

Mitutoyo SJ-400. Ghi lại kết quả áp lực ép hiển thị trên máy trong quá trình thí

nghiệm. Kết quả thực nghiệm ở bảng 4.9.

106

Bảng 4.9. Kết quả thí nghiệm ảnh hưởng của Vep, Tp, L/b đến Ra và P

STT Độ Áp lực Biến mã hóa Biến thực nghiệm nhám ép

Vep L/b Tp(oC) Ra (µm) P (bar) x1 x2 x3 (mm/s)

1 -1 -1 -1 4 420 1 3,72 205

2 1 -1 -1 6 420 1 3,4 215

3 -1 1 -1 4 470 1 2,95 176

4 1 1 -1 6 470 1 3,24 183

5 -1 -1 1 4 420 3 3,85 208

6 1 -1 1 6 420 3 3,49 217

7 -1 1 1 4 470 3 3,02 178

8 1 1 1 6 470 3 3,36 188

9 0 0 0 5 445 2 2,94 204

10 0 0 0 5 445 2 2,94 205

11 0 0 0 5 445 2 2,93 204

Hình ảnh các mẫu sản phẩm sau khi thí nghiệm đƣợc thể hiện trên hình 4.16.

Hình 4.16. Mẫu sản phẩm thí nghiệm 3

Sử dụng phần mềm Minitab16 xử lý kết quả thu đƣợc phƣơng trình biến mã hóa

mối quan hệ giữa độ nhám bề mặt Ra với vận tốc chày ép, nhiệt độ phôi, tỉ lệ độ dài

cửa khuôn/độ rộng cửa khuôn nhƣ sau:

2 + 0,16375.x1.x2 +

Ra = 2,93667 - 0,00625.x1 - 0,23625.x2 + 0,05125.x3 + 0,44208.x1

0,00125.x1.x3 - 0,00375.x2.x3 (4.8)

107

Chuyển sang biến thực đƣợc phƣơng trình sau:

2 + 0,0065.Vep.Tp + 0,0012.Vep.(L/b) - 0,0001.Tp.(L/b). (4.9)

Ra = 32,5755 - 7,3443.Vep - 0,0419.Tp + 0,1118.(L/b) + 0,4421.Vep

Với độ tin cậy R2 = 99,9 % đƣợc thể hiện ở bảng kết quả số liệu mô hình hồi quy

và phân tích phƣơng sai quan hệ P với Vep, Tp trên Minitab16 (bảng 4.10).

Bảng 4.10. Kết quả xử lý số liệu quan hệ Ra với Vep, Tp, L/b trên Minitab

Đồ thị quan hệ giữa các thông số đầu vào vận tốc chày ép, nhiệt độ phôi, tỉ lệ độ

dài cửa khuôn/độ rộng cửa khuôn đến độ nhám bề mặt Ra của thanh hợp kim nhôm

đƣợc xây dựng trên phần mềm minitab16 thể hiện trên hình 4.17; 4.18; 4.19.

108

Hình 4.17. Đồ thị quan hệ giữa Ra với các thông số Vep và L/b khi Tp = 445 0C

Hình 4.18. Đồ thị quan hệ giữa Ra với các thông số Vep và Tp khi L/b = 2

Hình 4.19. Đồ thị quan hệ giữa Ra với các thông số Tp và L/b khi Vep = 5 mm/s

109

Nhìn vào đồ thị (hình 4.17; 4.18; 4.19) cho thấy ảnh hƣởng của nhiệt độ phôi đến

độ nhám bề mặt sản phẩm lớn hơn so với vận tốc chày ép và độ dài cửa khuôn. Mức

độ ảnh hƣởng của vận tốc ép và chiều dài cửa khuôn đến độ nhám bề mặt sản phẩm là

tƣơng đƣơng nhau.

Theo đồ thị trên hình 4.17, khi cố định nhiệt độ phôi thì độ nhám bề mặt có xu

hƣớng giảm khi tăng chiều dài cửa khuôn trong khoảng 1 ≤ L/b ≤ 2 và tăng vận tốc

chày ép trong khoảng 4 ≤ Vep ≤ 5. Sau giai đoạn này nếu tiếp tục tăng độ dài cửa

khuôn và tăng vận tốc chày ép thì độ nhám bề mặt sản phẩm lại có xu hƣớng tăng.

Nếu cố định độ dài cửa khuôn theo đồ thị thể hiện hình 4.18 cho thấy là khi nhiệt

độ phôi tăng và giảm vận tốc chày ép thì độ nhám bề mặt sản phẩm có xu hƣớng giảm.

Bên cạnh đó nhìn vào đồ thị trên hình 4.19 cho thấy khi cố định vận tốc chày ép,

tăng chiều dài cửa khuôn trong khoảng 1 ≤ L/b ≤ 2 sẽ làm độ nhám bề mặt sản phẩm

có xu hƣớng giảm, ngƣợc lại khi độ dài cửa khuôn tiếp tục tăng với tỷ lệ L/b ≥ 2 sẽ

làm cho độ nhám bề mặt có xu hƣớng tăng. Nhiệt độ phôi tăng sẽ giúp giảm độ nhám

bề mặt sản phẩm.

Kết quả nghiên cứu giúp cho việc tính toán, lựa chọn chế độ ép và thiết kế độ dài

cửa khuôn hợp lý nhằm giảm độ nhám bề mặt của sản phẩm.

b) Ảnh hƣởng đến áp lực ép

Khi quá trình ép diễn ra ở trạng thái ổn định về áp lực ép, tiến hành ghi lại kết

quả áp lực ép trên màn hình hiển thị áp lực ép của máy, đƣợc ghi trên bảng 4.9.

Sử dụng phần mềm Minitab16 xử lý kết quả thu đƣợc phƣơng trình mã hóa mối

quan hệ giữa áp lực ép với vận tốc chày ép, nhiệt độ phôi, tỉ lệ độ dày cửa khuôn/độ

rộng cửa khuôn nhƣ sau:

2-0,25.x1.x2+0,25.x1.x3+0,25.x2.x3 (4.10)

P = 204,333+4,5.x1-15.x2+1,5.x3-8,083.x1

Chuyển sang biến thực đƣợc phƣơng trình sau:

2 - 0,01.Vep.Tp + 0,25.Vep.(L/b)

P = 232,9 + 89,283.Vep - 0,57.Tp - 4,2.(L/b) - 8,083.Vep

+ 0,01.Tp.(L/b) (4.11) Với độ tin cậy R2 =99.87% đƣợc thể hiện ở bảng kết quả xử lý số liệu quan hệ P với

Vep, Tp, L/b trên Minitab16 (bảng 4.11)

110

Bảng 4.11. Kết quả xử lý số liệu quan hệ P với Vep, Tp, L/b trên Minitab16

Đồ thị quan hệ giữa các thông sô đầu vào vận tốc chày ép, nhiệt độ phôi, tỉ lệ độ

dài/độ rộng cửa khuôn đến áp lực ép khi ép thanh ép hợp kim nhôm đƣợc xây dựng

trên phần mềm minitab16 thể hiện trên hình 4.20; 4.21; 4.22.

Nhìn vào đồ thị trên hình 4.20; 4.21; 4.22 cho thấy nhiệt độ phôi ảnh hƣởng đến

áp lực ép nhiều hơn so với vận tốc chày ép và độ dài cửa khuôn. Mức độ ảnh hƣởng

của vận tốc chày ép đến áp lực ép là tƣơng đƣơng với mức độ ảnh hƣởng của độ dài

cửa khuôn đến áp lực ép.

111

Hình 4.20. Đồ thị quan hệ giữa P với các thông số Vep và L/b khi Tp = 445 0C

Hình 4.21. Đồ thị quan hệ giữa P với các thông số Vep và Tp khi L/b = 2

Hình 4.22. Đồ thị quan hệ giữa P với các thông số Tp và L/b khi Vep = 5 mm/s

112

Theo đồ thị thể hiện trên hình 4.20 cho thấy khi cố định nhiệt độ phôi thì áp lực

ép có xu hƣớng tăng khi tăng vận tốc chày ép và tăng độ dài cửa khuôn. Tuy nhiên

mức độ ảnh hƣởng của vận tốc chày ép và độ dài cửa khuôn đến áp lực ép là không

nhiều.

Bên cạnh đó khi cố định độ dài cửa khuôn thì áp lực ép có xu hƣớng giảm khi

tăng nhiệt độ phôi và giảm vận tốc chày ép. Điều này đƣợc đƣợc thể hiện trên đồ thì

hình 4.21.

Trên hình 4.22 thể hiện đồ thị ảnh hƣởng của độ dài cửa khuôn và nhiệt độ phôi

đến áp lực ép khi cố định vận tốc chày ép cho thấy áp lực ép có xu hƣớng giảm khi

giảm độ dài cửa khuôn và tăng nhiệt độ phôi ép.

Kết quả nghiên cứu giúp cho việc tính toán, lựa chọn chế độ ép và thiết kế độ dài

cửa khuôn hợp lý nhằm giảm áp lực ép của máy ép, giúp nâng cao tuổi bền của khuôn.

4.5. Tối ƣu hóa các thông số thực nghiệm

4.5.1. Thuật toán tối ƣu

Nhìn chung bản chất tối ƣu hóa là quá trình giải bài toán cực đại hoặc cực tiểu

giá trị tham số chỉ tiêu cần tối ƣu, trong miền các điều kiện biên giới hạn của bài toán

với điều kiện gia công cụ thể [1].

Trong sự phát triển của khoa học kỹ thuật luôn gắn liền với những bài toán tối ƣu

nhằm mục đích đạt đƣợc chất lƣợng sản phẩm tốt với chi phí thấp. Hay nói cách khác

các bài toán tối ƣu có thể đƣợc xem nhƣ bài toán tìm kiếm giải pháp tốt nhất trong

không gian vô cùng lớn các giải pháp.

Các bài toán tối ƣu thƣờng có mục tiêu là một trong ba loại sau đây [1,6]:

1. Tối thiểu hóa (Minimization): hàm mục tiêu càng nhỏ càng tốt;

2. Tối đa hóa (Maximization): hàm mục tiêu càng lớn càng tốt;

3. Hạn mức (Target): hàm mục tiêu đạt đƣợc một giá trị nào đó.

Bài toán tối ƣu đa mục tiêu đặt ra khi cần thỏa mãn đồng thời một số chỉ tiêu nhất

định. Chẳng hạn, ta mong muốn đạt đƣợc chất lƣợng sản phẩm cao nhất, nhƣng đồng

thời cũng muốn đạt đƣợc giá thành là nhỏ nhất. Nhiều khi các lợi ích của các hàm mục

tiêu này lại xung đột lẫn nhau. Chẳng hạn, chất lƣợng càng cao thì giá thành cũng càng

lớn. Để giải bài toán tối ƣu đa mục tiêu, ta cần chấp nhận một số “thỏa hiệp” cho một

113

số hàm mục tiêu nào đó. Chẳng hạn, ta ƣu tiên đạt chất lƣợng cao nhất, nhƣng do

không đạt đƣợc khi đó có giá thành nhỏ nhất, nên chấp thuận rằng, giá thành cần phải

nhỏ hơn một mức nào đó.

Trong quá trình ép chảy, nhà sản xuất luôn mong muốn đạt đƣợc chất lƣợng bề

mặt của sản phẩm có độ nhám bề mặt nhỏ hơn một giá trị yêu cầu nào đó theo yêu cầu

kỹ thuật của sản phẩm, nhƣng đồng thời cũng muốn áp lực ép nhỏ để giảm biến dạng

của khuôn khi ép, tăng tuổi bền cho khuôn ép và máy ép. Do vậy cần thực hiện giải bài

tối ƣu hóa đa mục tiêu để tìm ra các thông số tác động vào quá trình ép chảy để đảm

bảo cả hai mục tiêu trên.

Có nhiều các phƣơng pháp tối ƣu hóa nhƣ phƣơng pháp tính trực tiếp, phƣơng

pháp đồ thị, phƣơng pháp Lagrange, giải thuật di truyền (Genetic Algorithm - GA), tối

ƣu hóa bầy đàn (Particle Swarm Optimization - PSO), phƣơng pháp bình quân điều

hòa nhỏ nhất, thuật toán giảm Gradient tổng quát (Generalized Reduced Gradient -

GRG), thuật toán Nelder – Mead...v.v. Mỗi phƣơng pháp đều có những ƣu điểm,

nhƣợc điểm và phạm vi ứng dụng khác nhau tùy vào từng trƣờng hợp cụ thể.

Trong nghiên cứu này, thuật toán Nelder – Mead tích hợp trên phần mềm

Minitab16 [10] (Start/DOE/Responer Surface/Response Optimizer...) đƣợc áp dụng để

giải bài toán tối ƣu hóa chỉ tiêu về độ nhám bề mặt của sản phẩm Ra và chỉ tiêu về áp

lực ép P với các thông số ảnh hƣởng để tìm ra giá trị phù hợp của các thông số gồm:

vận tốc ép, nhiệt độ phôi ép, tỉ lệ độ dài cửa khuôn/độ rộng cửa khuôn.

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

Bài toán tối ƣu hóa hàm mục tiêu độ nhám bề mặt Ra với các thông số đầu vào

vận tốc ép, nhiệt độ phôi ép, tỉ lệ độ dài cửa khuôn/độ rộng cửa khuôn (Vep, Tp và L/b)

đƣợc viết dƣới dạng:

(4.12)

{ ≤ ≤ ≤ ≤ ≤ ≤

114

Sử dụng chức năng tối ƣu hóa trong phần mềm Minitab để thực hiện giải bài toán

tối ƣu hóa hàm mục tiêu nhám bề mặt, kết quả thu đƣợc bảng giá trị về thông số tối ƣu

nhƣ trong bảng 4.12, đồ thị tối ƣu hóa đƣợc trình bày trong hình 4.23.

Từ kết quả trong bảng 4.12 và hình 4.23 cho thấy giá trị tối ƣu của các thông số nhƣ sau: Vep = 4.8211 (mm/s), Tp = 470 (0C) và L/b = 1. Khi thực hiện quá trình ép

ứng với bộ giá trị tối ƣu này thì nhám bề mặt có giá trị nhỏ nhất Ra = 2,6391 (µm).

Với kỳ vọng đạt đƣợc d = 0,972, rất sát với 1, điều đó có nghĩa khi thực hiện quá trình

ép với bộ giá trị tối ƣu của các thông số đầu vào (Vep, Tp và L/b) mà nghiên cứu này đã

xác định đƣợc thì xác suất để nhám bề mặt đạt giá trị nhỏ nhất (Ra = 2,6391 (µm)) đạt

tới trên 97,2%.

Bảng 4.12. Thông tin tối ưu hóa hàm mục tiêu nhám bề mặt Ra

Hình 4.23. Đồ thị tối ưu hóa hàm mục tiêu nhám bề mặt Ra

115

* Thực nghiệm kiểm chứng giá trị tối ƣu đối với hàm mục tiêu Ra:

Tiến hành thí nghiệm kiểm chứng với 3 mẫu khuôn có tỉ lệ độ dài/độ rộng cửa

khuôn L/b = 1 (L = 5 mm), thông số công nghệ ép: vận tốc chày ép Vep = 4,82 mm/s, nhiệt độ phôi Tp = 470 (0C). Kết quả đo nhám bề mặt sản phẩm đƣợc thể hiện trên

bảng 4.13.

Bảng 4.13. Kết quả thí nghiệm kiểm chứng giá trị tối ưu hàm mục tiêu Ra

Thông số tối ƣu Giá trị Nhám bề mặt Ra (μm)

tính toán L/b Vep Tp (0C) Mẫu 1 Mẫu 2 Mẫu 3

Ra (μm) (mm/s)

1 4,82 470 2,69 2,73 2,71 2,6391

Ta thấy sai lệch lớn nhất giữa kết quả thực nghiệm ở mẫu 2 có Ra = 2,73 (µm).

với kết quả tính toán Ra = 2,6391 (µm) là: 3,7 %. Điều đó cho thấy giá trị tối ƣu của

các thông số Vep, Tp và L/b cũng nhƣ giá trị hàm mục tiêu Ra đạt đƣợc khi thực hiện

quá trình tối ƣu hóa đảm bảo độ chính xác cao so với thực tế.

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

Sau khi tìm đƣợc phƣơng trình biểu diễn mối quan hệ giữa độ nhám bề mặt sản

phẩm, áp lực ép với vận tốc ép và nhiệt độ ép, tỉ lệ độ dài cửa khuôn/độ rộng cửa

khuôn.

Sử dụng phƣơng pháp giải bài toán tối ƣu hóa đa mục tiêu để tìm vận tốc ép và

nhiệt độ phôi, tỉ lệ độ dài cửa khuôn/độ rộng cửa khuôn nhằm đảm bảo độ nhám bề

mặt sản phẩm, áp lực ép nhỏ nhất.

Bài toán tối ƣu hóa đồng thời 2 hàm mục tiêu độ nhám bề mặt Ra và áp lực ép P

với các thông số đầu vào vận tốc ép, nhiệt độ phôi ép, tỉ lệ độ dài cửa khuôn/độ rộng

cửa khuôn (Vep, Tp và L/b) đƣợc viết dƣới dạng:

(4.13)

{ ≤ ≤ ≤ ≤ ≤ ≤

116

Phần mềm Minitab một lần nữa lại đƣợc sử dụng để thực hiện việc giải bài toán

tối ƣu. Trong đó trọng số của nhám bề mặt và lực ép đã đƣợc chọn có giá trị nhƣ nhau

(w1 = w2 = 0,5). Trong bảng 4.14 là thông tin tối ƣu hóa hàm 2 mục tiêu Ra và P.

Trong hình 4.24 trình bày đồ thị tối ƣu hóa của bài toán tối ƣu 2 mục tiêu Ra và P.

Bảng 4.14. Thông tin tối ưu hóa đồng thời 2 mục tiêu Ra và P

Hình 4.24. Đồ thị tối ưu hóa đồng thời 2 mục tiêu Ra và P

117

Từ kết quả trong bảng 4.14 và hình 4.24 cho thấy: Để đảm bảo cả nhám bề mặt

và áp lực ép đều có giá trị nhỏ nhất thì cần thực hiện quá trình ép với giá trị của các thông số nhƣ sau: Vep = 4,404 (mm/s), Tp = 470 (0C) và L/b = 1. Khi thực hiện quá

trình ép với các thông số nhƣ trên thì nhám bề mặt sản phẩm sẽ đạt Ra = 2,717 (µm),

áp lực ép có giá trị P = 182,329 (bar). Những kết quả này đã đƣợc xác định với xác

suất cao trên 99,5% (vì kỳ vọng của hàm đa mục tiêu d = 0.99504).

* Thực nghiệm kiểm chứng giá trị tối ƣu đối với hàm mục tiêu:

Tiến hành thí nghiệm kiểm chứng với 3 mẫu khuôn có tỉ lệ độ dài/độ rộng cửa

khuôn L/b = 1 (L = 5 mm), thông số công nghệ ép: vận tốc chày ép Vep = 4,4 mm/s, nhiệt độ phôi Tp = 470 (0C). Kết quả đo nhám bề mặt sản phẩm và áp lực ép đƣợc thể

hiện trên bảng 4.15.

Bảng 4.15. Kết quả thí nghiệm kiểm chứng giá trị tối ưu hàm mục tiêu Ra và P

Chỉ tiêu đánh giá Mẫu 1 Mẫu 2 Mẫu 3 Giá trị tính toán

Độ nhám Ra (µm) 2,75 2,73 2,78 2,717

Áp lực ép P (bar) 182 180 183 182,329

Kết quả đo nhám bề mặt sản phẩm Ra = 2,78 (µm). Ta thấy sai lệch lớn nhất

giữa kết quả thực nghiệm Ra = 2,78 (µm) ở mẫu 3 với kết quả tính toán Ra = 2,717

(µm) là: 2,3 %. Sai lệch lớn nhất giữa kết áp lực ép P = 180 (bar) ở mẫu 2 với kết quả

tính toán P = 182,329 (bar) là: 1,28%. Điều đó cho thấy giá trị tối ƣu của các thông số

Vep, Tp và L/b cũng nhƣ giá trị hàm mục tiêu Ra và P đạt đƣợc khi thực hiện quá trình

tối ƣu hóa đảm bảo độ chính xác cao so với thực tế.

Kết luận chƣơng 4

1. Bằng phƣơng pháp thực nghiệm, đã xây dựng đƣợc các hàm mối quan hệ ảnh hƣởng

của Vep, Tp và L/b đến Ra và P nhƣ sau:

- Mối quan hệ giữa độ nhám bề mặt sản phẩm với tỉ lệ độ dài/độ rộng rộng cửa khuôn:

Ra = 0,2607(L/b)2 – 1,1839(L/b) + 4,2734

- Mối quan hệ giữa áp lực ép với tỉ lệ độ dài/độ rộng cửa khuôn:

P = 0,3571 (L/b)2 + 2,0714(L/b) + 197,91

- Mối quan hệ giữa độ nhám bề mặt sản phẩm với vận tốc chày ép, nhiệt độ phôi:

118

2 + 0,0146.Vep.Tp

Ra = 42,412 - 8,142.Vep – 0,0806.Tp + 0,185.Vep

- Mối quan hệ giữa áp lực ép với vận tốc chày ép, nhiệt độ phôi:

2 + 0,01.Vep.Tp

P = 287,4 - 0,2.Vep - 0,22.Tp - 0,25.Vep

- Mối quan hệ giữa độ nhám bề mặt sản phẩm với vận tốc chày ép, nhiệt độ phôi, tỉ lệ

2 +

độ dài/độ rộng rộng cửa khuôn:

Ra = 32,5755 - 7,3443.Vep - 0,0419.Tp + 0,1118.(L/b) + 0,4421.Vep

0,0065.Vep.Tp + 0,0012.Vep.(L/b) - 0,0001.Tp.(L/b) với R2 = 99,9%.

- Mối quan hệ giữa áp lực ép với vận tốc chày ép, nhiệt độ phôi, tỉ lệ độ dài/độ rộng

cửa khuôn:

2 - 0,01.Vep.Tp +

P = 232,9 + 89,283.Vep - 0,57.Tp - 4,2.(L/b) - 8,083.Vep

0,25.Vep.(L/b) + 0,01.Tp.(L/b) với độ tin cậy R2 = 99,87%.

Qua đó đã đánh giá đƣợc ảnh hƣởng của vận tốc chày ép, nhiệt độ phôi, tỷ lệ độ

dài/độ rộng cửa khuôn đến độ nhám bề mặt sản phẩm ép chảy và áp áp lực ép.

2. Sử dụng phƣơng pháp giải bài toán tối ƣu hóa đơn mục tiêu, xác định đƣợc bộ thông

số tối ƣu đảm bảo chỉ tiêu độ nhám bề mặt nhỏ nhất với vận tốc chày ép, nhiệt độ phôi, tỷ lệ độ dài/độ rộng cửa khuôn lần lƣợt là: Vep = 4,82 (mm/s), Tp = 470 (0C) và L/b = 1, khi đó độ nhám bề mặt có giá trị Ra = 2,6391 (µm).

3. Sử dụng phƣơng pháp giải bài toán tối ƣu hóa đa mục tiêu, xác định đƣợc bộ thông

số tối ƣu đảm bảo đồng thời 2 chỉ tiêu độ nhám bề mặt, áp lực ép nhỏ nhất với vận tốc

chày ép, nhiệt độ phôi, tỷ lệ độ dài/độ rộng cửa khuôn lần lƣợt là: Vep = 4,4 (mm/s), Tp(oC) = 4700C, L/b = 1 (L =5 mm) khi đó độ nhám bề mặt sản phẩm Ra = 2,717

(µm), áp lực ép P = 182,329 (bar).

119

KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN CỦA LUẬN ÁN

I. Kết luận chung của luận án:

Thanh hợp kim nhôm định hình ngày càng đƣợc sử dụng rộng rãi trong các

ngành công nghiệp và đƣợc chế tạo ra thông qua công đoạn ép chảy. Trong công đoạn

này, thông số hình học của khuôn khuôn đóng một vai trò quan trọng ảnh hƣởng tới

chất lƣợng sản phẩm. Không chỉ vậy, các thông số công nghệ của quá trình ép cũng

ảnh hƣởng trực tiếp đế chất lƣợng sản phẩm, tuổi bền của khuôn, năng suất và giá

thành sản phẩm. Với tên đề tài: „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 đã đạt đƣợc môt số kết quả sau:

1. Sử dụng phƣơng pháp mô phỏng số trên phần mềm Qform Extrusion đã đánh

giá đƣợc ảnh hƣởng của các thông số hình học của khuôn đến tốc độ ra của dòng chảy

kim loại tại cửa khuôn. Đây là cơ sở để lựa chọn, hiệu chỉnh các thông số hình học

khuôn để cân bằng dòng chảy kim loại, nhằm đảm bảo chính xác về hình dáng hình

học của sản phẩm và giúp giảm chỉnh sửa khuôn. Xác định đƣợc kết cấu khuôn có bán

kính độ rộng vùng dẫn nhôm R1 = 83,5 mm và độ dài cửa khuôn không đổi đảm bảo

độ chính xác cao nhất về hình dáng hình học của sản phẩm ép chảy có mặt cắt ngang

70x5 mm.

2. Bằng nghiên cứu thực nghiệm ảnh hƣởng của một số thông số hình học

khuôn và thông số công nghệ khi ép chảy với miền xác định: vận tốc ép Vep = 4÷6 mm/s, nhiệt độ phôi Tp = 420÷470 0C, tỷ lệ độ dài/độ rộng cửa khuôn L/b = 1÷3 thu

đƣợc kết quả sau:

- Mối quan hệ giữa vận tốc chày ép, nhiệt độ phôi, tỉ lệ độ dài/độ rộng cửa khuôn

đến độ nhám bề mặt sản phẩm: Ra = 32,5755 - 7,3443.Vep - 0,0419.Tp + 0,1118.(L/b) + 2 + 0,0065.Vep.Tp + 0,0012.Vep.(L/b) - 0,0001.Tp.(L/b) với độ tin cậy R2 = 99,9%. 0,4421.Vep

- Mối quan hệ giữa vận tốc chày ép, nhiệt độ phôi, tỉ lệ độ dài/độ rộng cửa 2 -

khuôn đến áp lực ép: P = 232,9 + 89,283.Vep - 0,57.Tp - 4,2.(L/b) - 8,083.Vep 0,01.Vep.Tp + 0,25.Vep.(L/b) + 0,01.Tp.(L/b) với độ tin cậy R2 = 99,87%.

120

Qua đó đã đánh giá đƣợc ảnh hƣởng của vận tốc chày ép, nhiệt độ phôi, tỷ lệ độ

dài/độ rộng cửa khuôn đến độ nhám bề mặt sản phẩm ép chảy và áp áp lực ép.

3. Sử dụng phƣơng pháp giải bài toán tối ƣu hóa đơn mục tiêu, xác định đƣợc

bộ thông số tối ƣu đảm bảo chỉ tiêu độ nhám bề mặt nhỏ nhất với vận tốc chày ép,

nhiệt độ phôi, tỷ lệ độ dài/độ rộng cửa khuôn lần lƣợt là: Vep = 4,82 (mm/s), Tp = 470 (0C) và L/b = 1, khi đó độ nhám bề mặt có giá trị Ra = 2,6391 (µm).

4. Sử dụng phƣơng pháp giải bài toán tối ƣu hóa đa mục tiêu, xác định đƣợc bộ

thông số tối ƣu đảm bảo đồng thời 2 chỉ tiêu độ nhám bề mặt, áp lực ép nhỏ nhất với

vận tốc chày ép, nhiệt độ phôi, tỷ lệ độ dài/độ rộng cửa khuôn lần lƣợt là: Vep = 4,4 (mm/s), Tp(oC) = 4700C, L/b = 1 (L =5 mm) khi đó độ nhám bề mặt sản phẩm Ra =

2,717 (µm), áp lực ép P = 182,329 (bar).

II. Hƣớng phát triển của luận án:

Mặc dù đã đạt đƣợc một số kết quả nhƣ đã trình bày ở phần trên, trong quá trình

nghiên cứu, nghiên cứu sinh nhận thấy một số bài toán cần đƣợc nghiên cứu tiếp theo:

1. Nghiên cứu ảnh hƣởng của một số vật liệu làm khuôn, vật liệu phủ bề mặt

khuôn khác nhau đến chất lƣợng sản phẩm và tuổi bền của khuôn.

2. Nghiên cứu ảnh hƣởng một số thông số đến độ mòn cửa khuôn nhằm đƣa ra

các biện pháp giúp nâng cao tuổi bền của khuôn.

3. Nghiên cứu ảnh hƣởng một số thông số đến nhiệt độ ra của sản phẩm, ảnh

hƣởng nhiệt độ ra của sản phẩm đến chất lƣợng sản phẩm ép chảy.

4. Tối ƣu hóa đồng thời một số thông số đảm bảo đa mục tiêu bao gồm chất

lƣợng sản phẩm, tuổi bền khuôn, áp lực ép ...

121

TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tài liệu tiếng Việt

[1] Nguyễn Trọng Bình (2003), Tối ưu hóa quá trình gia công cắt gọt, NXB Giáo dục,

Hà nội.

[2] Lê Thị Chiều, Phùng Tố Hằng, Vũ Văn Khiêm, Nguyễn Văn Hiển (2005), Nâng

cao chất lượng khuôn đùn ép khung nhôm xây dựng bằng công nghệ nhiệt luyện,

đề tài NCKH cấp Sở KHCN Hà nội.

[3] Lê Thị Chiều, Nguyễn Văn Tƣ (2013), Công nghệ thấm nitơ cho khuôn mới và

khuôn đùn ép nhôm định hình đã qua sử dụng, tạp chí khoa học và công nghệ kim

loại, ISSN 1859-4344.

[4] Lê Thị Chiều (2006), Khảo sát và phân tích nguyên nhân các sai hỏng phổ biến khi sử

dụng khuôn đùn ép khung nhôm xây dựng, Tạp chí Khoa học công nghệ kim loại.

[5] Đặng Văn Chung, Lê Thị Chiều (2014), "Hoàn thiện công nghệ nhiệt luyện và quy

trình chế tạo khuôn đùn ép nhôm thanh định hình trong ngành xây dựng và công

nghiệp", dự án NCKH Công Ty CP Cơ Khí Đông Anh Licogi.

[6] Nguyễn Văn Dự, Nguyễn Đăng Bình (2011), Quy hoạch thực nghiệm trong kỹ

thuật, NXB Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội.

[7] Nguyễn Mậu Đằng, Nguyễn Nhƣ Huynh, Phạm Hà Dƣơng (2008), Công nghệ tạo

hình kim loại tấm, NXB Bách khoa, Hà nội.

[8] Trần Văn Địch, Nguyễn Trọng Bình, Nguyễn Thế Đạt, Nguyễn Viết Tiếp, Trần

Xuân Việt (2006), Công nghệ chế tạo máy, NXB KHKT

[9] Trần Văn Địch (2003), Nghiên cứu độ chính xác gia công bằng thực nghiệm, NXB

Khoa học Kỹ thuật.

[10] Phần mềm Minitab 16

[11] Nghiêm Hùng (2012), Vật liệu học cơ sở, NXB Khoa học Kỹ thuật.

[12] Huyndai alumium vina (2011), Tài liệu kỹ thuật

[13] Lê Quốc Huỳnh (2011), Nghiên cứu cải tiến khuôn đùn ép nhôm, đề tài NCKH

Công Ty CP Cơ Khí Đông Anh Licogi.

122

[14] Đỗ Quang Long, Nguyễn Tuấn Anh, Đinh Văn Hải, Lê Thái Hùng (2015), “Mô

phỏng và phân tích dòng chảy kim loại trong quá trình ép chảy ngang khớp nối chữ

thập”, Tạp chí khoa học và công nghệ, Tập 53-số 2B, p21-27. ISSN 0866-708.

[15] Nguyễn Đăng Lƣơng (2014), Nghiên cứu sử dụng phần mềm CAD/CAM để thiết kế

khuôn ép áp lực thanh nhôm định hình, luận văn thạc sỹ, Đại học Bách khoa Hà nội.

[16] Phạm Văn Nghệ, Đinh Văn Phong, Nguyễn Mậu Đằng, Trần Đức Cứu, Nguyễn

Trung Kiên, (2008), Công nghệ dập tạo hình khối, NXB Bách khoa Hà nội.

[17] Phạm Văn Nghệ, Nguyễn Đắc Trung, Lê Trung Kiên, Nguyễn Trƣờng An (2016),

Công nghệ gia công áp lực, NXB Bách Khoa.

[18] Phạm Văn Nghệ, Nguyễn Nhƣ Huynh (2005), Ma sát và bôi trơn trong gia công

áp lực, NXB Bách Khoa Hà nội.

[19] Lê Minh Ngọc, Phùng Thị Tố Hằng (2014), “Ảnh hưởng của lớp phosphat hóa

trung gian đến tổ chức và độ cứng của lớp thấm nitơ trên thép SKD11 làm khuôn

đùn ép nhôm”, Tạp chí Khoa học và công nghệ kim loại, số 56, trang 39-44.

[20] Đinh Văn Phong (2003), Lý thuyết gia công kim loại bằng áp lực, Học viện Kỹ

thuật Quân sự.

[21] Nguyễn Tất Tiến (2004), Lý thuyết biến dạng dẻo kim loại, NXB Giáo dục.

[22] Chu Văn Toàn (2007), Nghiên cứu thiết kế, chế tạo khuôn đùn ép nhôm định hình

thay thế khuôn nhập khẩu, đề tài NCKH Bộ Xây Dựng.

[23] Nguyễn Tiến Thọ, Nguyễn Thị Xuân Bảy, Nguyễn Thị Cẩm Tú (2001), Kỹ thuật

đo lường- kiểm tra trong chế tạo cơ khí, NXB khoa học kỹ thuật.

[24] Tạ Văn Thu (2012), Nghiên cứu công nghệ ép chảy thuận thanh hợp kim nhôm

định hình, Luận văn thạc sỹ, Trƣờng Đại học bách khoa Hà nội.

[25] Đinh Bá Trụ (2002), Cơ sở lý thuyết biến dạng dẻo kim loại, Nhà xuất bản Khoa

học kỹ thuật.

[26] Nguyễn Đắc Trung, Lê Thái Hùng, Nguyễn Nhƣ Huynh, Nguyễn Trung Kiên

(2011), Mô phỏng số quá trình biến dạng, NXB Bách Khoa, 2011.

[27] Nguyễn Minh Vũ, Nguyễn Tất Tiến, Nguyễn Đắc Trung (2008), Lý thuyết dập

tạo hình, NXB Bách khoa - Hà nội.

123

Tài liệu tiếng Anh

[28] S. N. Ab Rahim, M. A. Lajis, S. Ariffin (2016), Effect of extrusion speed and

temperature on hot extrusion process of 6061 aluminum alloy chip, ARPN

Journal of Engineering and Applied Sciences, Vol 11, No.4.

[29] S. O. Adeosun, O.I.Sekunowo, O.P. Gbenebor (2014), Effect of Die Entry Angle

on Extrusion Responses of Aluminum 6063 Alloy, International Journal of

Engineering and Technology Volume 4 No.2.

[30] Apostolos Chondronasios (2015), Investigation of Surface Defects for Extruded

Aluminium Profiles using Pattern Recognition Techniques, PhD Thesis of the

University of Portsmouth.

[31] A.F.M. Arif, A. K. Sheikh, S.Z. Qamar, M.K. Raza, K.M. Al-Fuhaid (2002),

Product defects in aluminum extrusion and their impact on operational cost, The

6th Saudi Engineering Conference, Kfupm, Dhahran.

[32] W. A. Assaad (2010), Aluminum extrusion with a deformable die, PhD Thesis of

the University of Twente, Enschede, The Netherlands.

[33] M. Bauser, G. Sauer, K. Siegert (2006), Extrusion (Second Editon), ASM

International.

[34] S. Bingöl, M.S. Keskin (2007), Effect of different extrusion temperature and

speed on extrusion welds, Journal of Achievements in Materials and

Manufacturing Engineering.

[35] D. Bombač, M. Terčelj, I. Peruš, P. Fajfar (2013), The progress of degradation

on the bearing surfaces of nitrided dies for aluminium hot extrusion with two

different relative lengths of bearing surface, Wear journal, Volume 307, Issues

1–2, 30 September 2013, Pages 10–21.

[36] Carlos Fernando Cuellar Matamoros (1999), Modeling and Control for the

Isothermal Extrusion of Aluminum, PhD Thesis of the Swiss Federal Institute of

Technology Zurich.

[37] Cunsheng Zhang, Guoqun Zhao, Zhiren Chen, Hao Chen, Fujun Kou (2011),

Effect of extrusion stem speed on extrusion process for a hollow aluminum

profile, Materials Science and Engineering B.

124

[38] Cunsheng Zhang, Guoqun Zhao, Hao Chen, Yanjin Guan, Hengkui Li (2011),

Optimization of an aluminum profile extrusion process based on Taguchi‟s

method with S/N analysis, Springer-Verlag London Limited.

[39] Chanda T., Zhou J., and Duszczyk. J.(2000), FEM analysis of aluminium

extrusion through square and round dies, Materials and Design, 323-335.

[40] G. Fang, J. Zhou, J. Duszczyk (2010), FEM-assisted design of a multi-hole

pocket die to extrude U-shaped aluminum profiles with different wall thicknesses,

Engineering Materials Vol. 424, pp 213-220, Trans Tech Publications,

Switzerland.

[41] O.P. Gbenebor, O.S.I. Fayomi, A.P.I. Popoola, A.O. Inegbenebor, F. Oyawale

(2013), Extrusion die geometry effects on the energy absorbing properties and

deformation response of 6063-type Al–Mg–Si aluminum alloy,

www.journals.elsevier.com/results-in-physics.

[42] Geun-An Lee, Yong-Taek Im (2002), Analysis and die design of at-die hot

extrusion process Numerical design of bearing lengths, International Journal of

Mechanical Sciences.

[43] Guoqun Zhao, Hao Chen, Cunsheng Zhang, Yanjin Guan, Gao Anjiang, Li Peng

(2014), Die optimization design and experimental study of a large wallboard aluminum

alloy profile used for high-speed train, Springer-Verlag London.

[44] Hanliang Zhu, Malcolm J. Couper, Arne K. Dahle (2012), Effect of Process

Variables on the Formation of Streak Defects on Anodized Aluminum Extrusions:

An Overview, Institute of Materials Engineering, Australian Nuclear Science &

Technology.

[45] Hasmukh K. Pate (1990), Computer Aided Manufacturing of Streamlined

Extrusion Dies, A Thesis Presented to The Faculty of the College of Engineering

and Technology Ohio University.

[46] Isaac Flitta (2004), Simulation of Aluminium Extrusion Process, PhD Thesis of

the Bournemouth University.

[47] A.J. Koopman (2009), Analysis Tools for the Design of Aluminium Extrusion

125

Dies, PhD Thesis of the University of Twente.

[48] Kurt Lange (1985), Handbook of Metal Forming, Society of Manufacturing

engineers. Dearborn, Michigan, U.S.A.

[49] Liang Chen, Guoqun Zhao, Junquan Yu (2015), Effects of ram velocity on

pyramid die extrusion of hollow aluminum profile, Springer-Verlag London.

[50] Liliang Wang (2012), Modelling of friction for high temperature extrusion of

aluminium alloys, PhD thesis Delft University of Technology.

[51] LIU Jian, LIN Gao-yong, FENG Di, ZOU Yan-ming, SUN Li-ping (2010),

Effects of process parameters and die geometry on longitudinal welds quality in

aluminum porthole die extrusion process, Central South University Press and

Springer-Verlag Berlin Heidelberg.

[52] Yahya Mahmoodkhani (2013), Mathematical Modelling of the Material Flow

and Microstructural Evolution During the Extrusion of AA3003 Aluminum Alloy,

A thesis presented to the University of Waterloo.

[53] R. Mayavaram, U. Sajja, C. Secli, S. Niranjan (2013), Optimization of bearing

lengths in aluminum extrusion dies, Published by Elsevier.

[54] Milan terčelj, Radomir turk, Goran kugler, Peterfajfar, P. Cvahte (2006),

Measured temperatures on die bearing surface in aluminium hot extrusion,

Materials and Geoenvironment, Vol. 53, No. 2, pp. 163-173.

[55] Wojciech Z. Misiolek, Richard M. Kelly (2005), Extrusion of Aluminum Alloys,

ASM Handbook, Volume 14A: Metalworking: Bulk Forming.

[56] Padmanathan Kathirgamanathan (2013), Parameter Optimization Of The

Process Of AA6xxx and AA7xxx series Aluminium Extrusion, PhD thesis

Auckland University of technology, Auckland New Zealand.

[57] Per Thomas Moe (2005), Pressure and Strain Measurement During Hot

Extrusion of Aluminium, PhD thesis Norwegian University of Science and

Technology.

[58] Pradip K. Saha (2000), Aluminum Extrusion Technology, ASM International

Materials Park, Ohio.

[59] S.Z. Qamar, T. Pervez, R.A. Siddiqui, A. K. Sheikh, A.F.M. Arif (2007),

126

Sensitivity analysis in life prediction of extrusion dies, Journal of Achievements

in Materials and Manufacturing Engineering.

[60] Sayyad Zahid Qamar, Anwar Khalil Sheikh, Tasneem Pervez, Abul Fazal M.

Arif (2011), Using Monte Carlo Simulation for Prediction of Tool Life,

Applications of Monte Carlo Method in Science and Engineering.

[61] Ratnakar Das, U. S. Dixit, S. Deb (2012), Effect of Extrusion Ratio and

Lubrication on Hardness and surface Roughness in multi-hole Extrusion, Journal

of Manufacturing Technology Research.

[62] Schuler (1998), Metal Forming Handbook, Springer-Verlag Berlin Heidelberg.

[63] T. Sheppard (1999), Extrusion of aluminium Alloys, Springer Science &

Business Media Dordrecht Originally.

[64] Sofia Hansson (2006), Simulation of Stainless Steel Tube Extrusion, Luleå

University of Technology, Luleå, Sweden.

[65] Sripada Shivananda (1998), Virtual Manufacturing on the Web: Extrusion Die

Design, A Thesis Presented to Ohio University.

[66] Tomislav R. Marinković, Velibor J. Marinković (2004), Determination of the

working Pressure For Hollow Al-Profiles Extrusion in Half-Sunk Bridge Tools,

Facta Universitatis Series: Mechanical Engineering Vol. 2, No 1.

[67] Xiao Ma (2011), Surface Quality of Aluminium Extrusion Products, PhD Thesis,

University of Twente, Enschede, the Netherlands.

[68] Yan Xu (2011), Numerical Modeling of Extrusion Welding in Magnesium

Alloys, Lehigh University.

[69] YuanYuan Geng (2011), Microstructure Evolution During Extrusion of AA3xxx

Aluminum Alloys, PhD Thesis, University of British Columbia.

[70] Zhi Peng, Terry Sheppard (2005), Effect of die pockets on multi-hole die

extrusion, Materials Science and Engineering A 407, 89–97.

127

CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC CỦA TÁC GIẢ

1. Nguyễn Trọng Mai, Trần Đức Quý, Phạm Văn Nghệ, „„Nghiên cứu thiết kế

khuôn ép chảy thanh hợp kim nhôm cho sản phẩm có biên dạng phức tạp‟‟, Hội

nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về Cơ khí - Động lực 2016, tập 1, trang

451, ISBN:978-604-95-0040-4.

2. Nguyễn Trọng Mai, Trần Đức Quý, Phạm Văn Nghệ, „„Phương pháp cân

bằng dòng chảy kim loại trong khuôn ép chảy thanh hợp kim nhôm‟‟, Tạp chí

KHCN Trƣờng Đại học Công nghiệp Hà nội, Số 38/2017, trang 248, ISSN

1859-3585.

3. Nguyễn Trọng Mai, Trần Đức Quý, Phạm Văn Nghệ, Nguyễn Văn Thành,

„„Khảo sát ảnh hưởng của chế độ ép đến áp lực ép khi ép chảy thanh hợp kim

nhôm”, Tạp chí KHCN Trƣờng Đại học Công nghiệp Hà nội, Số 47/2018,

trang 13, ISSN 1859-3585.

4. Nguyễn Trọng Mai, Trần Đức Quý, Phạm Văn Nghệ, „„Nghiên cứu ảnh hưởng

của độ dài thành cửa khuôn đến độ nhám bề mặt sản phẩm và áp lực ép khi ép

chảy thanh hợp kim nhôm‟‟, Hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về Cơ

khí lần thứ V – VCME 2018, trang 263, ISBN: 978-604-67-1103-2.

5. Nguyen Trong Mai, Do Duc Trung, Tran Duc Quy, Pham Van Nghe,

„„Determining the ram speed and billet temperature to ensure two indicators of

surface roughness and extrusion pressure when extruding aluminum alloy”,

Springer Nature Switzerland, 2018, trang 253. (scopus).

6. Nguyễn Văn Thiện, Nguyễn Trọng Mai, Hoàng Tiến Dũng, Nguyễn Tuấn

Linh, Lê Ngọc Duy, “Nghiên cứu thiết kế, chế tạo hệ thống thí nghiệm ép chảy

thuận hợp kim nhôm sử dụng nguồn động lực máy kéo nén”, Tạp chí KHCN

Trƣờng Đại học Công nghiệp Hà nội, Tập 56 – Số 2/2020, trang 67.

7. Nguyễn Trọng Mai, Trần Đức Quý, Phạm Văn Nghệ, “Nghiên cứu ảnh hưởng

của chế độ ép và độ dài cửa khuôn đến độ nhám bề mặt sản phẩm ép chảy

thanh hợp kim nhôm”, Tạp chí Cơ khí Việt Nam, Số 9/2020, trang 71.

128

PHỤ LỤC

1. Kết quả mô phỏng kiểm tra sản phẩm khi thay đổi độ dài cửa khuôn L/b (bảng 4.5)

Hình P1. Độ dài cửa khuôn L/b≈0

Hình P2. Độ dài cửa khuôn L/b = 1 (L = 5 mm)

Hình P3. Độ dài cửa khuôn L/b = 2 (L = 10 mm)

129

Hình P4. Độ dài cửa khuôn L/b = 3 (L = 15 mm)

Hình P5. Độ dài cửa khuôn L/b = 4 (L = 20 mm)

130

2. Kết quả mô phỏng kiểm tra sản phẩm khi thay đổi Vep, Tp theo bảng 4.6

Hình P6. Hình ảnh ép thử sản phẩm với Vep = 4 mm/s, Tp = 4200C

Hình P7. Hình ảnh ép thử sản phẩm với Vep = 6 mm/s, Tp = 4200C

Hình P8. Hình ảnh ép thử sản phẩm với Vep = 4 mm/s, Tp = 4700C

131

Hình P9. Hình ảnh ép thử sản phẩm với Vep = 6 mm/s, Tp = 4700C

Hình P10. Hình ảnh ép thử sản phẩm với Vep = 5 mm/s, Tp = 4450C

Hình P11. Hình ảnh ép thử sản phẩm với Vep = 5 mm/s, Tp = 4450C

132

3. Kết quả mô phỏng kiểm tra sản phẩm khi thay đổi Vep, Tp, L/b theo bảng 4.9

Hình P12. Hình ảnh ép thử sản phẩm với Vep = 5 mm/s, Tp = 4200C, L/b = 1

Hình P13. Hình ảnh ép thử sản phẩm với Vep = 6 mm/s, Tp = 4200C, L/b = 1

Hình P14. Hình ảnh ép thử sản phẩm với Vep = 4 mm/s, Tp = 4700C, L/b = 1

133

Hình P15. Hình ảnh ép thử sản phẩm với Vep = 6 mm/s, Tp = 4700C, L/b = 1

Hình P16. Hình ảnh ép thử sản phẩm với Vep = 4 mm/s, Tp = 4200C, L/b = 3

Hình P17. Hình ảnh ép thử sản phẩm với Vep = 6 mm/s, Tp = 4200C, L/b = 3

134

Hình P18. Hình ảnh ép thử sản phẩm với Vep = 4 mm/s, Tp = 4700C, L/b = 3

Hình P19. Hình ảnh ép thử sản phẩm với Vep = 6 mm/s, Tp = 4700C, L/b = 3

Hình P20. Hình ảnh ép thử sản phẩm với Vep = 5 mm/s, Tp = 4450C, L/b = 2

135

Hình P21. Hình ảnh ép thử sản phẩm với Vep = 5 mm/s, Tp = 4450C, L/b = 2

Hình P22. Hình ảnh ép thử sản phẩm với Vep = 5 mm/s, Tp = 4450C, L/b = 2