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

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:27

Thêm vào BST

Báo xấu

11
lượt xem 4
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

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

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Tóm tắt 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 Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ khí Mã số: 9.52.01.03 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ Hà Nội - 2021
Công trình đƣợc hoàn thành tại: TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI – BỘ CÔNG THƢƠNG Người hướng dẫn khoa học: 1. PGS.TS. TRẦN ĐỨC QUÝ 2. PGS.TS. PHẠM VĂN NGHỆ Phản biện 1: PGS.TS. Tăng Huy Phản biện 2: PGS.TS. Lê Thu Quý Phản biện 3: PGS.TS. Nguyễn Hồng Sơn Luận án đƣợc bảo vệ tại Hội đồng đánh giá luận án tiến sĩ cấp Trƣờng và họp tại Trƣờng Đại học Công nghiệp Hà Nội vào hồi… giờ, ngày … tháng … năm … Có thể tìm hiểu luận án tại: - Thƣ viện Trƣờng Đại học Công nghiệp Hà Nội - Thƣ viện Quốc gia Việt Nam
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. 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. 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. 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. - 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.
2 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… 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.
3 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. NỘI DUNG CHÍNH LUẬN ÁN CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ ÉP CHẢY HỢP KIM NHÔM 1.1. Quá trình công nghệ ép chảy thanh hợp kim nhôm Một trong những công đoạn quan trọng để sản xuất thanh hợp kim nhôm là công đoạn ép chảy phôi qua khuôn để tạo thành thanh hợp kim nhôm định hình. Ép chảy thanh hợp kim nhôm là một quá trình biến dạng dẻo phôi kim loại đƣợc ép chảy qua cửa khuôn có diện tích mặt cắt ngang nhỏ hơn so với tiết diện phôi (hình 1.2) [16,17,18, 33,58]. Từ năm 1960, ngành ép chảy hợp kim nhôm bắt đầu phát triển mạnh mẽ ở Châu âu và Mỹ với việc cho ra đời những hệ thống máy ép có công suất lớn để ép chảy đƣợc những chi tiết có kích thƣớc lớn hơn. Nhiều sản phẩm đƣợc chế tạo bằng phƣơng pháp ép chảy làm từ thép và vật liệu hợp kim cứng nhƣ hợp kim Titan…cũng bắt đầu đƣợc sản xuất phục vụ cho nhiều lĩnh vực hàng hải, hàng không, tầu điện, ô tô, xây dựng… 1. Chày ép; 2. Buồng ép; 3. Phôi; 4. Khuôn; 5. Sản phẩm Hình 1.2. Nguyên lý quá trình ép chảy hợp kim nhôm [16,17,18, 33,58] 1.2. Vật liệu hợp kim nhôm Ép chảy sản phẩm từ hợp kim nhôm chiếm tỷ trọng lớn nhất trong lĩnh vực ép chảy. Hợp kim nhôm là hỗn hợp của nhôm với các nguyên tố: Cu, Mn, Si, Mg, Zn. 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
4 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. 1.3.2. Tỷ lệ ép chảy Tỷ lệ ép chảy ER của của quá trình ép đƣợc định nghĩa bởi [16,33,58]: ER= (1.1) Trong đó: n là số cửa khuôn, AC là diện tích tiết diện buồng ép, AE là diện tích tiết diện cửa khuôn. 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 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] 1.3.4. Biến dạng dẻo trong quá trình 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) 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. Tốc độ biến dạng: ̇̅ (1.9) Với Vep là vận tốc chày ép.
5 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 Áp lực ép chảy tổng hợp đƣợc cho bởi [74]: PT = PD+ PF+ PR (1.16) Trong đó: - PD là áp lực cần thiết để biến dạng dẻo vật liệu, đƣợc xác định bởi dạng hàm số: - PF là áp lực yêu cầu để vƣợt qua ma sát bề mặt tại thành vùng buồng chứa, vùng kim loại chết và cửa khuôn. - PR là áp lực để vƣợt qua sự biến dạng đàn hồi (Redundant work) 1.3.6. Lực ép 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 Mối quan hệ giữa tốc độ chày ép và tốc độ ép chảy: Vep AC = VE (n.AE) (1.21)
6 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, n là số cửa khuôn trên khuôn. 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. 1.4. Khuôn ép chảy 1.4.1. Cấu tạo khuôn Có hai loại khuôn ép chảy hợp kim nhôm là khuôn ép thanh và khuôn ép ống hợp kim nhôm. Mặt cắt ngang của khuôn ép thanh hợp kim nhôm đƣợc thể hiện trong hình 1.15. 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; 𝛼: 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, tốc độ ép và tuổi bền của khuôn vì nó có tác dụng kiểm soát cân bằng dòng chảy kim loại thoát ra của vật liệu. Có 3 kiểu cửa khuôn nhƣ đƣợc thể hiện trên hình 1.17. Dƣới áp lực ép, bề mặt cửa khuôn bị biến dạng, bề mặt thắt lại của cửa khuôn có thể trở thành thẳng đứng làm thay đổi tốc độ ra của sản phẩm thực tế so với lý thuyết.
7 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 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 SKD61 [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 Trong khoảng 60 năm qua, các mô hình toán học và mô phỏng số quá trình nhôm 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 hệ số ép thấp. Với sự phát triển của máy tính, mô phỏng số quá trình ép chảy đã thực hiện đƣợc các mô phỏng phức tạp hơn. Song song với quá trình nghiên cứu bằng mô phỏng số, quá trình thực nghiệm thực tế cũng đƣợc tiến hành để kiểm chứng mô phỏng và một số các nghiên cứu khác mà mô phỏng số chƣa giải quyết đƣợc. 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 phát triển trong thời gian 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, nhà máy nhôm Đông Anh 2005, nhà máy nhôm Huyndai Aluminum Vina năm 2006, nhà máy nhôm EUROHA năm 2010 …
8 Qua phân tích 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 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 một số thông số hình học của khuôn và chế độ ép hợp lý, nâng cao chất lƣợng bề mặt sản phẩm và sử dụng hiệu quả thiết bị, dụng cụ ép. 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 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 [8,33]: Độ chính xác kích thƣớc; Độ chính xác vị trí tƣơng quan; Độ chính xác hình dạng hình học đại quan; Chất lƣợng bề mặt; Các vệt xám ở mặt cắt ngang và theo chiều dọc sản phẩm; Các nốt phồng rộp; Sản phẩm bị rỗ bề mặt; Sản phẩm bị nứt hoặc rách bề mặt; Các hạt bám dính trên bề mặt sản phẩm.
9 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 đánh giá các yếu tố sau [8,12,33,67]: - Độ chính xác về kích thước - Độ chính xác vị trí tương quan - Độ chính xác hình dạng hình học - Chất lượng bề mặt: Đo độ nhám bề mặt; Các hạt bám dính trên bề mặt sản; Độ cứng bề mặt; Chiều sâu lớp biến cứng và ứng suất dư; Các vệt xám bề mặt; Rỗ bề mặt bề mặt; Nứt hoặc rách bề mặt; 2.1.3. Xác định các chỉ tiêu chính đánh giá chất lƣợng thanh hợp kim nhôm ép chảy Qua phân tích 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 lƣợng sản phẩm thanh hợp kim nhôm ép chảy. Do vậy cần thiết phải tập trung đi sâu vào nghiên cứu các yếu tố ảnh hƣởng 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 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. 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 Các yếu tố ảnh hƣởng đến độ chính xác về hình dáng hình học sản phẩm gồm: - Vị trí cửa khuôn so với tâm khuôn - Hình học cửa khuôn: Độ dài thành cửa khuôn; Độ rộng cửa khuôn; Góc nghiêng thành cửa khuôn; Bán kính lƣợn cửa khuôn. - Hình học vùng dẫn nhôm: Độ rộng vùng dẫn nhôm; Độ sâu vùng dẫn nhôm
10 2.3. Ảnh hƣởng của một số yếu tố đến độ nhám bề mặt 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 hợp kim nhôm tạo ra nhám bề mặt sản phẩm. Hình 2.13. Bám dính hợp kim nhôm trên bề mặt cửa khuôn [50] Bên cạnh hiện tƣợng bám dính lớp ôxít 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]. 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 Các yếu tố ảnh hƣởng đến độ nhám bề mặt sản phẩm ép chảy gồm:
11 - Ảnh hƣởng của phôi ép: Vật liệu phôi, Độ dài phôi, Đƣờng kính phôi (tỷ lệ ép), Số lƣợng phôi đƣa vào ép - Ảnh hƣởng của khuôn: Độ dài cửa khuôn, Góc nghiêng cửa khuôn, Độ nhám bề mặt cửa khuôn, Hƣớng độ nhám bề mặt cửa khuôn, Vật liệu phủ bề mặt cửa khuôn. - Ảnh hƣởng của chế độ ép: Nhiệt độ phôi, Vận tốc ép. Qua những phân tích trên cho ta thấy đƣợc mức độ ảnh hƣởng 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. 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.
12 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. 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 Để đánh giá đƣợc sự ảnh hƣởng của từng thông số hình học của khuôn 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) - Vị trí cửa khuôn Mô phỏng - Độ dài cửa khuôn Kết quả (đầu ra) số trên - Độ rộng cửa khuôn phần mềm Vận tốc ra của sản - Góc nghiêng cửa khuôn Qform phẩm tại cửa khuôn - Bán kính góc lƣợn cửa Extrusion 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
13 3.2. Khảo sát ảnh hƣởng các thông số hình học của khuôn đến tốc độ dòng chảy kim loại sản phẩm bằng mô phỏng số 3.2.1. Vị trí cửa khuôn so với tâm khuôn VE (m/s) 0.3 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. Hình học cửa khuôn a) Độ dài cửa khuôn 0.4 VE (m/s) 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 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 0.18 VE (m/s) 0.16 0.14 0.12 0.1 0.08 0.06 0.04 0.02 0 2 4 6 8 10 12 Hình 3.11. Mối quan hệ giữa tốc độ ra của sản phẩm với độ rộng cửa khuôn
14 c) Góc nghiêng thành cửa khuôn VE (m/s) 0.7 VE (m/s) 0.24 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 a. Khi góc ∝ ≥ 00 b. Khi góc ∝
15 b) Độ sâu vùng dẫn nhôm 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 Có 2 thông số hình học của khuôn: độ rộng vùng dẫn nhôm và chiều dài cửa khuôn là dễ dàng thay đổi trong cả quá trình thiết kế và chế tạo khuôn. Do đó các nhà thiết kế và chế tạo khuôn chủ yếu sử dụng 2 thông số này cho quá trình 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. 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. Tiến hành mô phỏng số để cân bằng dòng chảy trong khuôn ép chảy thanh hợp kim nhôm nhƣ hình 3.27. 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 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:
16 Hình 3.28. Bản vẽ khuôn thay đổi độ dài cửa khuôn Kết quả mô phỏng số trên phần mềm Qform dự đoán hình dạng sản phẩm ép ra nhƣ hình 3.29: Hình 3.29. Mô phỏng số quá trình ép sản phẩm trên phần mềm Qform Kết qủa đánh giá mức độ ảnh hƣởng các thông số hình học của khuôn đến cân bằng dòng chảy kim loại thông qua độ lệch Δh giữa vị trí ép sản phẩm ra nhanh nhất với vị trí ép sản phẩm ra chậm nhất và lực ép nhƣ hình 3.30. Phóng to đoạn đầu sản phẩm Δh Sai lệch biên dạng sản phẩm Hình 3.28. Kết quả mô phỏng số quá trình ép sản phẩm trên phần mềm Qfrom
17 Thay đổi độ dài cửa khuôn ta thu đƣợc kết quả sai lệch biên dạng sản phẩm nhƣ bảng 3.11. Từ kết quả bảng 3.11, sử dụng phần mềm Exel 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 = 0,348ln(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 cũng cho thấy sự thay đổi độ dài cửa khuôn ảnh hƣởng chậm đến việc 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. Hình 3.32. Bản vẽ khuôn thay đổi độ rộng vùng dẫn nhôm
18 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. Từ kết quả bảng 3.12, sử dụng Excel vẽ đƣợc biểu đồ mối quan hệ giữa sai lệch dòng tốc độ 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: ∆h = 0,0414 R12 – 6,9186R1 +288,97 (3.2) Δ B 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 bề 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. Đối với loại khuôn này, phƣơng án thay đổi độ rộng vùng dẫn nhôm với độ dài thành cửa khuôn không đổi sẽ hợp lý hơn so với phƣơng án thay đổi độ dài cửa khuôn. Nhƣ vậy, để ép chảy sản phẩm có tiết điện 5x70 nên thiết kế khuôn có bề rộng vùng dẫn nhôm thay đổi với R1 = 83,5 mm, độ sâu vùng dẫn nhôm H = 15 mm và độ dài cửa khuôn không thay đổi.