Nghiên cứu ảnh hưởng của một số thông số công nghệ cơ bản đến quá trình tạo hình chi tiết phức tạp bằng phương pháp ép chảy..

Nội dung tài liệu: Nghiên cứu ảnh hưởng của một số thông số công nghệ cơ bản đến quá trình tạo hình chi tiết phức tạp bằng phương pháp ép chảy..

1. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI Đỗ Quang Long NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA MỘT SỐ THÔNG SỐ CÔNG NGHỆ CƠ BẢN ĐẾN QUÁ TRÌNH TẠO HÌNH CHI TIẾT PHỨC TẠP BẰNG PHƯƠNG PHÁP ÉP CHẢ Y NGANG Ngành: Kỹ thuật vật liệu Mã số: 9520309 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT VẬT LIỆU Hà Nộ1 i – 2020
2. Công trình đượ c hoàn thành tại: Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS Lê Thái Hùng PGS.TS Đinh Văn Hải Phản biện 1: PGS.TS Nguyễn Trường An Phản biện 2: PGS.TS Phạm Văn Nghệ Phản biện 3: TS. Trần Việt Thắng Luận án được bảo vệ trước Hội đồng đánh giá luận án tiến sĩ cấp Trường họp tại Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Vào hồi giờ, ngày tháng năm 20 Có thể tìm hiểu luận án tại thư viện: 1. Thư viện Tạ Quang Bửu - Trường ĐHBK Hà Nội 2. Thư viện Quốc gia Việt Nam 2
3. A. MỞ ĐẦU 1. Lý do lựa chọn đề tài Cùng với sự tiến bộ của con người, khoa học kỹ thuật cũng không ngừng phát triển, các công nghệ mới luôn được nghiên cứu và hoàn thiện để mang lại năng suất cao hơn. Ngành công nghiệp tạo hình vật liệu cũng không phải ngoại lệ, với những ưu điểm như năng suất cao, tạo được các sản phẩm đa dạng về hình học, chất lượng và cơ tính của sản phẩm cao. Chính vì vậy mà ngành này rất được quan tâm tại hầu hết các nước trên thế giới. Gia công kim loại bằng áp lực là dựa vào tính dẻo của kim loại, dùng ngoại lực tác động làm cho kim loại bị biến dạng theo hình dạng yêu cầu. Với những ưu điểm nổi bật về cơ tính sản phẩm, chất lượng bề mặt, độ chính xác về kích thước, khả năng tự động hoá, năng suất cao và chi phí hợp lý nên gia công kim loại bằng áp lực được sử dụng phổ biến trong hầu hết các lĩnh vực: công nghiệp chế tạo máy, công nghiệp ô tô, tàu thuỷ cũng như trong nghiên cứu và phát triển. Để chế tạo các chi tiết dạng khối (ví dụ trục truyền động, bánh răng, khớp nối, tay biên, trục khuỷu ), hiện nay thường sử dụng công nghệ dập khối. Với công nghệ dập khối đáp ứng được nhiều tiêu chí của nhà kỹ thuật như sản xuất hàng loạt, đạt được độ chính xác cần thiết, tiết kiệm nguyên vật liệu, năng lượng và hơn nữa là các chi tiết có được tổ chức tế vi, cơ tính đáp ứng được khả năng làm việc dưới các điều kiện tải trọng khắc nghiệt. Trong thời gian gần đây, do yêu cầu tiết kiệm nguyên, vật liệu, năng lượng, giảm chi phí sản xuất, nên các nhà nghiên cứu rất quan tâm giải quyết các vấn đề công nghệ sao cho: - Rút ngắn quá trình công nghệ; - Giảm thiểu các nguyên công chuẩn bị và nguyên công xử lý sau dập; - Tạo hình chính xác, không có vật liệu thừa, tiết kiệm triệt để vật liệu; - Nâng cao cơ tính của sản phẩm. Đối với các chi tiết có hình dạng phức tạp, làm việc trong điều kiện chịu mỏi cao, chịu va đập như chi tiết dạng trục chữ thập, bánh răng cần phải có phương pháp tạo hình và gia công xử lý đặc biệt để đáp ứng yêu cầu làm việc của chi tiết. Trong công nghiệp đã áp dụng khá rộng rãi các công nghệ tạo hình như dập khối chính xác, ép chảy để chế tạo các chi tiết dạng này. Tuy nhiên, còn có nhiều vấn đề đưa ra cần phải giải quyết như tối ưu chế độ công nghệ để đạt được chất lượng sản phẩm tốt nhất, tiêu hao năng lượng ít nhất, nâng cao tuổi thọ, cải thiện độ bền mỏi, tiết kiệm nguyên, vật liệu và đặc biệt tìm ra các nguyên nhân gây ra sai hỏng và phá hủy chi tiết khi làm việc cần tiếp tục được nghiên cứu và công bố. Trong đó, công nghệ ép chảy ngang có thể tạo ra các chi tiết có hình dạng phức tạp và ép chảy được vật liệu nhiều lớp mà công nghệ dập khối rất khó có thể thực hiện được. Các công trình công bố về ép chảy chủ yếu tập trung vào công nghệ ép chảy thuận và ép chảy nghịch, chưa có nhiều công bố để làm rõ ảnh hưởng của các thông số công nghệ, sự biến đổi của dòng chảy vật liệu cũng như hiện tượng phá hủy mẫu sản phẩm khi ép chảy ngang vật liệu nhiều lớp. Chính vì vậy, đề tài 1
4. “Nghiên cứu ảnh hưởng của một số thông số công nghệ cơ bản đến quá trình tạo hình chi tiết phức tạp bằng phương pháp ép chảy ngang” là hết sức cần thiết. 2. Mục đích nghiên cứu Mục đích của luận án là: Nghiên cứu ảnh hưởng của một số thông số công nghệ cơ bản đến quá trình ép chảy ngang để tạo hình các chi tiết có hình dạng phức tạp từ vật liệu đồng chất và vật liệu hai lớp cũng như cơ chế gây phá hủy khi tạo hình vật liệu hai lớp. 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu - Đối tượng nghiên cứu là trục chữ thập bằng vật liệu đồng chất và vật liệu hai lớp. Phạm vi nghiên cứu của luận án tập trung các nội dung sau: - Nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số công nghệ gồm nhiệt độ phôi, quá trình truyền nhiệt, vận tốc ép chảy và dòng chảy của vật liệu bằng mô phỏng số và kiểm chứng bằng thực nghiệm khi ép chảy sản phẩm trục chữ thập bằng vật liệu đồng chất. - Nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ phôi, quá trình truyền nhiệt, dòng chảy vật liệu và ảnh hưởng của chiều dày lớp vỏ chi tiết bằng mô phỏng số và kiểm chứng bằng thực nghiệm khi ép chảy sản phẩm trục chữ thập bằng vật liệu hai lớp. - Nghiên cứu hiện tượng phá hủy khi ép chảy ngang đối với vật liệu hai lớp và đề xuất phương án khắc phục. 4. Phương pháp nghiên cứu - Phương pháp nghiên cứu là kết hợp giữa lý thuyết, mô phỏng và thực nghiệm. - Phân tích tổng hợp lý thuyết, đánh giá các kết quả nghiên cứu đã công bố liên quan đến đề tài trong và ngoài nước từ đó đề xuất các nội dung nghiên cứu. - Sử dụng phần mềm có độ tin cậy cao Abaqus để mô phỏng quá trình biến dạng. - Sử dụng phương pháp thực nghiệm để nhận dạng các mô hình vật liệu. - Sử dụng phương pháp đánh giá giữa mô phỏng và thực nghiệm để tìm ra các thông số ảnh hưởng chính đến quá trình ép chảy ngang. 5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài - Nghiên cứu tạo hình bằng công nghệ ép chảy ngang các chi tiết có hình dạng phức tạp và có độ chính xác cao, độ bền cao như trục chữ thập cho vật liệu đồng chất và vật liệu hai lớp chưa được phát triển ở Việt Nam nên kết quả nghiên cứu có ý nghĩa khoa học và thực tiễn. - Đánh giá được các thông số công nghệ ảnh hưởng đến quá trình biến dạng bằng ép chảy ngang; Phân tích được trạng thái ứng suất, biến dạng, đường dòng chảy khi ép chảy ngang bằng phương pháp mô phỏng số góp phần làm sáng tỏ quá trình biến dạng, điền đầy khuôn khi ép chảy ngang. - Giải thích được nguyên nhân gây phá hủy khi ép chảy ngang vật liệu hai lớp. - Kết quả nghiên cứu của luận án góp phần đưa công nghệ ép chảy ngang vào chế tạo các chi tiết cơ khí, công nghiệp ô tô, đáp ứng yêu cầu ngày càng cao về chất lượng sản phẩm, tiết kiệm vật liệu và nội địa hóa các chi tiết cơ khí. 6. Các kết quả mới đạt được - Đã nghiên cứu làm rõ ảnh hưởng của một số thông số công nghệ như nhiệt độ - quá trình truyền nhiệt, vận tốc ép chảy đến lực ép khi ép chảy ngang trục chữ 2
5. thập từ vật liệu đồng chất bằng thép C45 và vật liệu hai lớp C45-C10s. Phân tích trạng thái ứng suất - biến dạng, dòng chảy vật liệu theo các giai đoạn điền đầy khuôn, từ đó chỉ ra các vùng tập trung ứng suất tại phía đáy của nhánh chữ thập, mức độ biến dạng lớn nhất và dòng chảy rối tại vị trí cuối giai đoạn điền đầy vào các nhánh của chữ thập và quá trình biến mỏng tại lớp vỏ phía đáy và biến dày tại lớp vỏ phía trên. Các thông số lựa chọn để nghiên cứu công nghệ gồm: nhiệt độ To = 1100 oC, vận tốc ép chảy v = 5 mm/s và hệ số ma sát f = 0.3. - Nghiên cứu đã luận giải được cơ chế phá hủy khi ép chảy ngang trục chữ thập ở trạng thái nguội từ vật liệu hai lớp nhôm - chì. Nguyên nhân do sự tương thích biến dạng giữa hai lớp vật liệu gây ra trạng thái ứng suất kéo - nén khác nhau và lớp vỏ có ứng suất kéo lớn hơn giá trị giới hạn bền cho phép của vật liệu dẫn đến phá hủy. - Đã thực nghiệm kiểm chứng ép chảy ngang trục chữ thập cho thấy sự tương hợp cao với kết quả mô phỏng gồm: lực ép, dòng chảy vật liệu, quá trình biến mỏng - biến dày lớp vỏ phôi từ vật liệu hai lớp thép C45 và C10s. Thực nghiệm kiểm chứng nguyên nhân gây ra phá hủy giữa hai lớp vật liệu nhôm - chì cho độ tương hợp cao. Kết quả này chứng tỏ việc lựa chọn và nhận dạng mô hình vật liệu, các điều kiện biên mô phỏng và giải thích nguyên nhân gây ra phá hủy là hợp lý. - Đề xuất được giải pháp ngăn ngừa phá hủy lớp vỏ khi thay đổi chiều dày lớp vỏ phôi theo nhiệt độ thích hợp và đề xuất giải pháp công nghệ ép chảy đối xứng hai chiều để nhận được sản phẩm không bị phá hủy và có mức độ độ biến dạng lớp vỏ đồng đều bằng mô phỏng số. 7. Bố cục của luận án Ngoài phần mở đầu, luận án được thực hiện và các nội dung chính được trình bày trong 04 chương. Chương 1 tổng quan về ép chảy và vấn đề nghiên cứu. Chương 2 cơ sở lý thuyết quá trình ép chảy. Chương 3 nghiên cứu quá trình ép chảy ngang trục chữ thập bằng mô phỏng số. Chương 4 thực nghiệm kiểm chứng ép chảy ngang trục chữ thập. Kết luận chung Tài liệu tham khảo; Danh mục các công trình công bố của luận án. B. NỘI DUNG CHÍNH CỦA LUẬN ÁN CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1. Giới thiệu chung về ép chảy Ép chảy là phương pháp chế tạo sản phẩm bằng cách ép vật liệu qua một khuôn cối với lực đủ lớn để vật liệu chảy qua lỗ hình của khuôn. Ép chảy có thể ứng dụng cho kim loại, chất dẻo, cao su dạng khối hoặc dạng bột. Có nhiều cách để phân loại công nghệ ép chảy: theo sản phẩm, theo hướng ép, theo nhiệt độ làm việc, theo thiết bị, như trên sơ đồ hình 1.1 và 1.2. Trong nghiên cứu này, luận án tập trung nghiên cứu theo nhánh công nghệ ép chảy ngang. 3
6. Hình 1.1. Sơ đồ phân loại quá trình công nghệ ép chảy 1.2. Công nghệ ép chảy ngang Ép chảy ngang là công nghệ tạo hình được thực hiện nhờ lực tác dụng của chày để vật liệu chảy vào lòng khuôn, hướng chảy của vật liệu vuông góc với hướng tác dụng của lực (Hình 1.4). Hình 1.4. Hướng tác dụng của lực và hướng chảy của vật liệu trong ép chảy ngang 1.2.1. Nguyên lý của quá trình công nghệ ép chảy ngang - Giai đoạn thứ nhất xảy ra từ đầu cho đến khi phôi bị phình ra chạm vào thành lòng khuôn. Giai đoạn này mang đặc điểm của nguyên công chồn. - Giai đoạn thứ hai là giai đoạn bắt đầu từ khi chỗ phình tang trống của phôi chạm vào thành lòng khuôn. - Giai đoạn ba bắt đầu từ khi phôi chạm vào thành lòng khuôn đến khi kim loại được điền đầy đủ khối lượng cần thiết và kết thúc quá trình ép chảy. 4
7. Hình 1.5. Nguyên lý ép chảy ngang, [4] 1.2.2. Sản phẩm của công nghệ ép chảy ngang 1.3. Các công trình nghiên cứu về ép chảy ngang 1.3.1. Các nghiên cứu về công nghệ ép chảy ngang vật liệu đồng chất 1.3.2. Các nghiên cứu về công nghệ ép chảy ngang vật liệu nhiều lớp 1.4. Kết luận Công nghệ ép chảy ngang là một phương pháp tạo hình đặc biệt có sự kết hợp giữa quá trình ép chảy và công nghệ dập khối trong khuôn kín. Công nghệ này có khả năng chế tạo nhiều chi tiết có hình dạng phức tạp và được ứng dụng vào trong thực tế sản xuất. Các công trình nghiên cứu, các báo cáo khoa học về công nghệ này được công bố rộng rãi những năm gần đây. Tuy nhiên, các sản phẩm có hình dạng phức tạp hoặc vật liệu nhiều lớp chưa có nhiều công trình công bố để xem xét ảnh hưởng đồng thời các thông số công nghệ, xem xét dòng chảy của vật liệu khi điền đầy trong khuôn, đặc biệt khi ép chảy ngang vật liệu hai lớp có đặc tính khác nhau. Cơ chế phá hủy vật liệu xảy ra khi tạo hình các chi tiết có hình dạng phức tạp, các chi tiết từ vật liệu nhiều lớp ít được công bố và chưa giải thích được cơ chế gây phá hủy. Trong nước cũng chưa có nghiên cứu nào về ép chảy ngang được công bố. Vì vậy, luận án sẽ tiếp cận và tập trung giải quyết các vấn đề sau: - Phân tích các yếu tố công nghệ như nhiệt độ ép, vận tốc ép chảy, trạng thái ứng suất-biến dạng, dòng chảy vật liệu trong quá trình ép chảy ngang vật liệu đồng chất và vật liệu hai lớp để tìm được thông số công nghệ ép hợp lý; - Phân tích nguyên nhân phá hủy khi ép chảy ngang vật liệu hai lớp để tìm ra cơ chế phá hủy vật liệu; - Nghiên cứu ảnh hưởng của chiều dày lớp vỏ phôi khi ép chảy ngang vật liệu hai lớp để nhận được chiều dày đồng đều mà không phá hủy và đề xuất phương pháp khắc phục hiện tượng phá hủy; - Thực nghiệm kiểm chứng so sánh đánh giá với kết quả mô phỏng số. 5
8. CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT QUÁ TRÌNH ÉP CHẢY 2.1. Trường vận tốc khi ép chảy ngang 2.2. Lực ép 2.3. Các thông số công nghệ chính ảnh hưởng đến quá trình ép chảy Hình 2.6. Ảnh hưởng của các thông số chính đến sản phẩm ép chảy Sơ đồ hình 2.6 là mối quan hệ giữa các yếu tố ảnh hưởng và chất lượng sản phẩm ép chảy. Chúng không những ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng sản phẩm mà còn ảnh hưởng qua lại lẫn nhau. Dưới đây sẽ xem xét cụ thể ảnh hưởng của các yếu tố đó đến quá trình ép chảy. 2.3.1. Ma sát trong quá trình ép chảy Tác động của ma sát trong quá trình ép chảy rất quan trọng trong sản xuất vì nó quyết định đên kích thước phôi, giới hạn lực ép hay chất lượng bề mặt của sản phẩm. Một phương pháp đánh giá hiệu quả tác động của ma sát qua ứng suất tại tường ma sát thông qua ứng suất trượt như hình dưới và xác định bởi công thức sau: 2.3.2. Nhiệt độ ép chảy Trong thực tế quá trình ép chảy có sự thay đổi nhiệt rất phức tạp, bắt đầu ngay khi phôi nóng được nạp vào khuôn (khuôn thường được làm nóng trước để giảm sự truyền nhiệt vào khuôn) cho đến kết thúc quá trình ép chảy. Một số nghiên cứu đã chỉ ra rằng nhiệt độ tăng và phân chia các vùng nhiệt độ đã được nhiều nghiên cứu đề cập [10,11,16 và 19-23]. 2.3.3. Hệ số ép chảy Hệ số ép chảy của bộ khuôn nhiều lỗ thoát phôi có thể xác định bằng tỷ số giữa diện tích mặt cắt của phôi và diện tích mặt cắt của sản phẩm (hình 2.12): � = (2.25) () 2.3.4. Ứng suất chảy của vật liệu Ứng suất chảy dẻo của vật liệu chịu ảnh hưởng của các yếu tố sau: • Thành phần hóa học và cấu trúc của vật liệu A. • Nhiệt độ biến dạng, mức độ biến dạng ε và tốc độ biến dạng �̇ 6
9. 2.3.5. Vận tốc ép chảy Ứng xử của của kim loại đối với các quá trình ép chảy có thể chịu ảnh hưởng của tốc độ biến dạng. Tăng tốc độ chày dẫn đến sự gia tăng lực ép. Nhiệt độ trong qúa trình ép chảy gia tăng với sự tăng của tốc độ chày ép. Sự gia tăng này thực tế là do tốc độ biến dạng tăng tỷ lệ thuận với tốc độ chày ép và nhiệt sinh ra tỷ lệ thuận với tốc độ biến dạng. 2.4. Ảnh hưởng của dòng chảy vật liệu Dòng chảy của kim loại là cơ sở để xác định trường hợp phân bố ứng suất, biến dạng, các thông số về lực và công biến dạng. Ngoài ra, dựa vào dòng chảy của kim loại ta có thể rút ra kết luận về sự xuất hiện của khuyết tật trên sản phẩm ép. 2.5. Các dạng khuyết tật trong quá trình ép chảy 2.5.1. Nứt bề mặt sản phẩm Trong một số trường hợp, sản phẩm sau khi ép chảy xuất hiện các vết nứt có dạng hình sóng ngang hoặc các vết xước dọc theo chiều dài của sản phẩm. 2.5.2. Nứt ở tâm Trung tâm của sản phẩm ép chảy có thể phát triển các vết nứt, được gọi là nứt trung tâm (Chevron), vỡ trung tâm, vỡ dạng mũi tên. Những vết nứt này được cho là do trạng thái ứng suất kéo thủy tĩnh tại đường tâm tại vùng biến dạng trong khuôn, hiện tượng tương tự như vùng thắt khi kéo mẫu. Những vết nứt này cũng đã được quan sát thấy trong quá trình đùn ống và trong kéo sợi, ống. 2.5.3. Hiện tượng giòn nóng Sản phẩm ép chảy bị chày dạng vảy cá khi nhiệt độ ép chảy quá cao đồng thời ma sát làm phát sinh nhiệt làm xuất hiện nóng chảy cục bộ trên bề mặt gây ra phá hủy bề mặt sản phẩm. 2.6. Kết luận - Trên cơ sở tổng hợp cơ sở lý thuyết vùng biến dạng khi ép chảy ngang để xem xét vận tốc dòng chảy từ đó xác định được lực ép ngang bằng phương pháp điều kiện biên trên. - Phân tích các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình ép chảy ngang như: nhiệt độ, ma sát, tỷ số ép chảy, ảnh hưởng của dòng chảy vật liệu, cấu trúc trong quá trình ép chảy đến chất lượng sản phẩm. Qua đó nhận thấy, các yếu tố này không những ảnh hưởng trực tiếp đến quá trình ép chảy mà còn ảnh hưởng tương tác lẫn nhau. - Nghiên cứu lựa chọn các thông số công nghệ chính là: vận tốc ép chảy, nhiệt độ và quá trình truyền nhiệt của phôi vào khuôn để xem xét ảnh hưởng của các thông số này đến quá trình ép chảy ngang trục chữ thập bằng phần mềm mô phỏng số từ đó phân tích trạng thái ứng suất-biến dạng trên phôi. - Các hiện tượng hư hại, phá hủy gặp phải khi ép chảy như hiện tượng nứt trên bề mặt và tại tâm phôi. Đặc biệt hiện tượng tách lớp, phá hủy giữa các lớp khi ép chảy vật liệu nhiều lớp. Luận án lựa chọn sản phẩm trục chữ thập để ép chảy bằng vật liệu hai lớp và xem xét hiện tượng phá hủy khi ép chảy vật liệu hai lớp. 7
10. CHƯƠNG 3 NGHIÊN CỨU QUÁ TRÌNH ÉP CHẢY NGANG TRỤC CHỮ THẬP BẰNG MÔ PHỎNG SỐ 3.1. Giới thiệu khớp chữ thập Hình 3.1. Trục chữ thập và khớp chữ thập bằng thép 3.2. Mô phỏng quá trình ép chảy ngang trục chữ thập vật liệu đồng chất 3.2.1. Mô hình hình học Hình 3.2. Kích thước trục chữ thập (a); mô hình trục chữ thập 3D (b) Phôi sử dụng trong bài toán mô phỏng là dạng trụ tròn. Kích thước phôi được tính toán dựa vào điều kiện thể tích không đổi giữa chi tiết thiết kế và phôi là: D x h = 14.7x45mm. 3.2.2. Mô hình phần tử hữu hạn 3.2.3. Mô hình hành vi cơ – nhiệt của vật liệu Nghiên cứu này lựa chọn vật liệu C45 để mô phỏng và tiến hành thực nghiệm kiểm chứng trong chương 4. Thép C45 có các thông số đặc trưng như sau [67]: Vật liệu có mođun đàn hồi, E = 210Gpa; Hệ số poát xông, n = 0.3; khối lượng riêng; r =7850 kg/m3; Độ bền kéo: 565 (MPa); Giới hạn chảy: 310 (MPa); Nhiệt dung riêng: 420 (J/kg.K); Độ dẫn nhiệt (trạng thái nhiệt độ cao): 80.2 (W/mK). Trên cơ sở phân tích các mô hình ứng xử chảy dẻo cho thép ở nhiệt độ cao, nghiên cứu này lựa chọn mô hình Johnson – Cook để mô tả mối quan hệ giữa ứng suất chảy và các thông số biến dạng, tốc độ biến dạng và nhiệt độ, mô hình có dạng như sau: ̇ � = [� + �(�̅)] 1 + ��� 1 − (3.1) ̇ Trong đó: A - giới hạn chảy ban đầu của vật liệu tại nhiệt độ phòng. � ̇̅ - là tốc độ biến dạng tương đương chuẩn hóa theo tốc độ biến dạng tham chiếu, �̇̅ , T0 - là nhiệt độ phòng, Tm - là nhiệt độ nóng chảy của vật liệu, n - là lũy thừa hóa bền biến dạng, m - chịu tác động của hóa mềm do nhiệt, C - hệ số nhạy cảm với tốc độ biến dạng 8
11. 3.2.4. Điều kiện biên Bảng 3.2. Điều kiện biên cho bài toán mô phỏng ép chảy ngang trục chữ thập Điều kiện biên Thông số Giá trị - Nhiệt độ phôi (oC) Nhiệt độ - Có xét đến bài toán nhiệt là hằng 900,1000,1100 số (To) và truyền nhiệt (T) Hệ số ma sát trượt Tresca trong điều Ma sát 0.3 kiện biến dạng nóng có bôi trơn, f - Khuôn cố định và cứng tuyệt đối Khuôn trên - Khuôn gia nhiệt, (oC) 600 Khuôn dưới - Bán kính góc lượn khuôn R (mm) 5 - Cứng tuyệt đối Chày ép - Vận tốc chày ép, v (mm/s) 5; 10; 15 - Hành trình chày ép (mm) 30 3.2.5. Kết quả mô phỏng quá trình ép trục chữ thập bằng vật liệu đồng chất Hình 3.7 là hình dạng hình học trục chữ thập dưới dạng lưới biến dạng nhận o được sau khi mô phỏng với điều kiện To = 1100 C, v =5mm/s, ma sát f = 0.3. Hình 3.7. Hình dạng sản phẩm nhận được sau mô phỏng Sản phẩm nhận được đúng với hình dạng chi tiết được thiết kế, vị trí các góc đã được kim loại điền đầy hoàn toàn. Như vậy việc thiết kế biên dạng khuôn đảm bảo để sử dụng khi nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số công nghệ khác nhằm tìm ra được một bộ thông số hợp lý nhất cho việc tiến hành thực nghiệm 4 sau này. 3 Hình 3.8. Độ thị phân bố lực và quá trình biến dạng của phôi khi ép chảy o ngang trục chữ thập với To = 1100 C, v =5mm/s, ma sát f = 0.3. 9
12. a) Ảnh hưởng của vận tốc ép chảy Do kim loại biến dạng ở nhiệt độ cao có thuộc tính dẻo nhớt nên tốc độ ép ép cũng là một trong những thông số quan trọng ảnh hưởng đến quá trình biến dạng tạo hình. Miền giá trị được lựa chọn trên cơ sở quá trình ép chảy và thiết bị ép kiểm chứng sau này khi tiến hành thực nghiệm. Hình 3.9 là kết quả ảnh hưởng o của tốc độ ép đến lực ép trong trường hợp ma sát f = 0.3, nhiệt độ ép To = 1100 C với 3 vận tốc chày ép khác nhau tương ứng là 5,10 và 15mm/s. Nhận thấy rằng với tốc độ ép tăng lên thì giá trị của lực ép cũng tăng theo. Điều này có thể giải thích được là do khi tốc độ ép tăng thì tốc độ biến dạng cũng tăng theo làm cho ứng suất chảy tăng. Đường cong lực ép và hành trình đối với các vận tốc 10, 15mm/s cũng tuân theo qui luật 04 vùng rõ rệt tương tự trong trường hợp ép với vận tốc 5mm/s. Vì sự chênh lệch về lực ép không lớn giữa các tốc độ ép, tốc độ dịch chuyển của kim loại phù hợp với vận tốc ép chảy và đặc biệt phù hợp với thiết bị ép thử nghiệm sau này nên trong các nghiên cứu tiếp theo lựa chọn vận tốc ép chảy là 5mm/s. Hình 3.9. Ảnh hưởng của vận tốc ép chảy (a) và nhiệt độ ép (b), f = 0.3 b) Ảnh hưởng của nhiệt độ phôi ép Trước tiên, nghiên cứu này với giả thiết điều kiện nhiệt độ được duy trì là hằng số trong quá trình ép. Kết quả mô phỏng với ba khoảng nhiệt độ từ To = 900oC, 1000oC, 1100oC được trình bày trên hình 3.9b với vận tốc ép chảy v = 5mm/s và hệ số ma sát trượt f = 0.3. Lực ép lớn nhất để điền đầy phôi vào lòng khuôn trong khoảng từ 10-12 tấn. Để xem xét ảnh hưởng của quá trình truyền nhiệt từ phôi vào khuôn và chày ép, nhiệt sinh ra do ma sát, nhiệt sinh ra do biến dạng dẻo và trong quá trình ép chảy khuôn và chày ép được gia nhiệt đến 600oC. Hình 3.11 là kết quả mô phỏng ảnh hưởng tại 3 nhiệt độ ép có xét đến quá trình truyền nhiệt từ phôi vào khuôn với ma sát f = 0.3 và vận tốc v = 5mm/s. Kết quả cho thấy, lực ép sau giai đoạn 2 (bắt đầu quá trình chảy dẻo) áp lực tăng cao trên các giai đoạn còn lại so với quá trình biến dạng trong điều kiện nhiệt độ ép là hằng số. Nguyên nhân được cho là quá trình truyền nhiệt từ phôi sang khuôn lớn hơn nhiệt độ sinh ra do biến dạng dẻo. Kết quả quá trình biến đổi nhiệt độ cho từng nhiệt độ khảo sát là 900oC, 1000oC và 1100oC được thể hiện trên các đồ thị tương ứng hình 3.12, 3.13 và 3.14. Nhiệt độ ra tăng tương ứng từ 32 đến 66oC tại tâm của phôi đến cuối quá trình ép. 10
13. Hình 3.11. Lực ép – hành trình có tính đến ảnh hưởng của truyền nhiệt Hình 3.12. Sự thay đổi nhiệt độ phôi trong quá trình ép tại T=900oC, f = 0.3; v = 5mm/s Tuy nhiên, nhiệt độ phôi trên các bề mặt tiếp xúc của phôi với khuôn và chày ép nhiệt độ giảm đáng kể từ 150-200oC. Ngược lại, nhiệt độ gia tăng trên khuôn và chày ép tại các vị trí tiếp xúc với phôi được thể hiện trong hình 3.15. Nhiệt độ gia tăng cao nhất trên chày và khuôn tương ứng là 134 và 144oC trong trường hợp nhiệt độ phôi là 1100oC với nhiệt độ khuôn và chày ép ban đầu đặt là 600oC khi ép được 2/3 hành trình. • Phân tích ứng suất-biến dạng Trường ứng suất: Ứng suất là thông số đặc trưng cho quá trình năng lượng trong công nghệ ép. Trên những vùng biến dạng có trở kháng biến dạng lớn sẽ gây ra trường ứng suất lớn. Trường phân bố ứng suất tương đương trên chi tiết ép được thể hiện trên hình 3.16. a) Hình 3.16. Trường ứng suất tương đương theo các hành trình o với điều kiện v = 5mm/s, T0 = 1100 C, f = 0.3 11
14. Trường biến dạng: Trong bài toán biến dạng dẻo, thông số quan trọng cần phân tích là biến dạng của vật liệu. Quá trình biến dạng là hoạt động tạo hình dạng, kích thước mong muốn và đồng thời cũng có thể là nguyên nhân làm hình thành và phát triển các khuyết tật bên trong vật liệu. Trên hình 3.17 thể hiện phân bố biến dạng theo hành trình ép. • Dòng chảy vật liệu khi ép Hình 3.18 mô tả dòng chảy của vật liệu theo các giai đoạn ép khác nhau cho đến khi phôi điền đầy trong khuôn. Trong giai đoạn đầu, với lượng ép nhỏ (20%), phôi đang trong giai đoạn chồn, lúc này hướng của dòng chảy đang được định hình và vẫn còn khu vực chưa ổn định. Sau đó, cùng với lượng ép tăng dần (30% ® 50%), hướng của dòng chảy đã dần dần ổn định hơn, và phôi được ép theo đúng hình dạng khuôn. Khi lượng ép đã gần đạt yêu cầu, các nhánh đang được điền đầy kim loại thì xuất hiện sự chảy ngược lại của kim loại tại đầu các nhánh của trục chữ thập, tại đây có thể lại xuất hiện dòng chảy rối (90%). Hình 3.18. Trường gradient vận tốc theo hành trình ép 3.3. Mô phỏng số quá trình ép chảy ngang trục chữ thập bằng vật liệu hai lớp 3.3.1. Mô hình hình học 3.3.2. Mô hình phần tử hữu hạn 3.3.3. Mô hình vật liệu Bảng 3.4. Các hệ số của mô hình Johnson-Cook cho thép C45 và AISI1006 (C10s) Các hệ số của mô hình thuộc tính chảy dẻo Johnson-Cook Vật liệu A B n C m C45 510 722 0.36 0.097 0.432 AISI1006 350 275 0.36 0.022 1 3.3.4. Điều kiện mô phỏng Bảng 3.5. Các điều kiện của bài toán mô phỏng ép trục chữ thập hai lớp Điều kiện Giá trị o Nhiệt độ phôi To ( C) 900,1000,1100 Hệ số ma sát tiếp xúc, f 0.3 Vận tốc chày ép, v (mm/s) 5mm/s Chiều dày lớp vỏ C45 d (mm) 1; 2; 3 Khuôn Tuyệt đối cứng 12
15. 3.3.5. Kết quả mô phỏng quá trình ép trục chữ thập bằng vật liệu 02 lớp Hình 3.22 là đồ thị mô tả mối quan hệ giữa lực ép - hành trình và lưới biến dạng trong các giai đoạn ép trục chữ thập bằng vật liệu hai lớp C45 và AISI1006 o trong điều kiện v = 5mm/s, f = 0.3, To = 1100 C, d = 1mm. E Hình 3.22. Đường cong lực - hành trình và lưới biến dạng tương đương o của phôi trong trường hợp v=5mm/s, f=0.3, d = 1mm, To = 1100 C a) Trường ứng suất – biến dạng Trên hình 3.23 là kết quả mô phỏng trường ứng suất của phôi theo các giai đoạn khác nhau. Trạng thái ứng suất giai đoạn đầu có dạng đối xứng về phí các nhánh của trục chữ thập. Tuy nhiên đến giai đoạn kim loại điền đầy > 70% vào các nhánh của trục chữ thập, ứng suất tăng dần về phía đáy của trục chữ thập, điều này có thể lý giải là do phía đáy của trục chữ thập chịu hiệu ứng đáy có nghĩa là phôi chịu áp lực nén lớn vì do ma sát làm cản trở chuyển động của dòng chảy vật liệu. Kết quả là ứng suất tập trung về phía đáy của phôi. Hình 3.23. Trường ứng suất tương đương theo các giai đoạn khác nhau o trong trường hợp v =5mm/s, d =2mm, f = 0.3, To = 1100 C 13
16. Trong suốt quá trình ép chảy ngang, ứng suất chủ yếu tập trung trên bề mặt tiếp xúc, phía bên ngoài chịu trạng thái ứng suất nén và phía bên trong chịu trạng thái ứng suất kéo. Như trên hình 3.23 nhận thấy chiều dày lớp thép C45 chịu trạng thái ứng suất cao nhất, đặc biệt là khu vực phía dưới đáy phôi ép, tại đó phôi chịu ma sát lớn nhất do đó lực ép trong giai đoạn này tăng cao cho đến cuối quá trình điền đầy khuôn, điều này cho thấy có xu hướng dẫn đến phá hủy vật liệu. Tương tự xảy ra như đối với trường biến dạng trên hình 3.24. b) Dòng chảy của kim loại trong quá trình biến dạng Hình 3.26. Dòng chảy của kim loại với véc tơ vận tốc trong quá trình ép chảy o ngang trong trường hợp v =5mm/s, d =2mm, f = 0.3, To = 1100 C c) Ảnh hưởng của nhiệt độ khi ép chảy trục chữ thập hai lớp Phần này xem xét ảnh hưởng của nhiệt độ đến lực ép khi ép chảy ngang trục chữ thập bằng vật liệu hai lớp. Hình 3.27 là kết quả quá trình ép trục chữ thập khi thay đổi nhiệt độ từ 900oC, 1000oC và 1100oC đối với lớp vỏ có chiều dày d = 1mm, tốc độ ép v = 5mm/s, hệ số ma sát f = 0.3. n) ấ ép(t c ự L Hình 3.27. Ảnh hưởng của nhiệt độ đến lực ép khi chiều dày lớp vỏ d = 1mm Kết quả cho thấy khi tăng nhiệt độ thì lực ép giảm, qui luật xảy ra trong quá trình ép phản ánh tương tự như trường hợp ép vật liệu một lớp. Tuy nhiên, áp lực trung bình có giá trị cao hơn so với áp lực trung bình khi ép vật liệu một lớp. Để xem xét ảnh hưởng của quá trình truyền nhiệt từ phôi vào khuôn và chày ép đối với vật liệu hai lớp, trong đó lớp vỏ 2mm cũng được khảo sát cùng điều 14
17. o kiện như ép vật liệu một lớp, cụ thể: To = 1100 C, f = 0.3, v = 5mm/s. Kết quả mô phỏng trên hình 3.28 là trường nhiệt độ của phôi ép theo các giai đoạn biến dạng tạo hình tương ứng với trường ứng suất trên phôi ở hình 3.29. Kết quả cho thấy tại vị trí các nhánh nhiệt độ giữ được ổn định và có xu hướng gia tăng tại vị trí tâm phôi. Trên các bề mặt tiếp xúc giữa phôi, khuôn và chày ép nhiệt độ giảm cục bộ. Đặc biệt tại vị trí phôi đi xuống nhiệt độ giảm nhanh do phôi đồng thời tiếp xúc với chày ép và thành khuôn. Hình 3.28. Trường nhiệt độ trong quá trình ép vật liệu hai lớp, d = 2mm, T = 1100oC, f = 0.3, v = 5mm/s Nhiệt độ trên khuôn và chày ép tại các vị trí phôi tiếp xúc đều có nhiệt độ gia tăng đáng kể, nhiệt độ cao nhất tăng từ 140-160oC. Đặc biệt là phôi đã truyền nhiệt lên đáy và thành khuôn vì có diện tích tiếp xúc lớn. d) Ảnh hưởng của chiều dày lớp vỏ bên ngoài Đối với quá trình ép chảy vật liệu hai lớp, chiều dày của lớp vỏ bên ngoài cần thiết được xem xét nghiên cứu. Bởi vì nó tác động nhạy cảm đến quá trình gia công áp lực và chất lượng sản phẩm. Một dải các chiều dày khác nhau của lớp vỏ đã được nghiên cứu là d = 1mm, 2mm và 3mm. n) ấ ép(t c ự L Hình 3.31. Ảnh hưởng của chiều dày lớp vỏ đến lực ép o trong trường hợp To = 1100 C, f = 0.3, v = 5mm/s. Hình 3.31 là kết quả mô phỏng xem xét ảnh hưởng của chiều dày lớp vỏ phôi đến lực ép. Nhận thấy, lực ép càng lớn khi chiều dày lớp vỏ phôi càng tăng. Tác động của nhân tố này không những ảnh hưởng đến lực ép mà còn tác động đến hình dạng và tính chất cơ học của sản phẩm. 15
18. Hình 3.32 và bảng 3.5 cho thấy chiều dày lớp vỏ phôi ảnh hưởng không đồng nhất đến chất lượng sản phẩm. Trên bảng 3.5 vùng A và C có phân bố chiều dày của lớp vỏ khá đồng nhất so với chiều dày ban đầu nhưng có xu hướng biến dày. Tuy nhiên vùng B, chiều dày của lớp vỏ phôi có xu hướng biến mỏng. Điều này không những tác động đến hình dạng của sản phẩm mà còn tác động đến tính chất cơ học của sản phẩm. Hình 3.32. Biến dạng của phôi khi thay đổi chiều dày lớp vỏ thép C45 Bảng 3.6. Phân bố chiều dày của lớp vỏ phôi tại các vị trí khác nhau trên sản phẩm ép Chiều dày lớp Vị trí A Vị trí B Vị trí C vỏ d (mm) (mm) (mm) (mm) 1 1.12 0.74 0.88 2 2.24 1.64 1.9 3 3.22 2.49 2.85 e) Các trường hợp gây phá hủy khi ép trục chữ thập Hình 3.33. Trạng thái ứng suất và biến phá hủy vô hướng J-C khi ép trục chữ thập hai lớp với d = 1mm, T=900oC, f = 0.3, v =5mm/s Tại nhiệt độ 900oC lớp vỏ 1mm đã bị phá hủy tại đáy các nhánh của chi tiết. Hình 3.33a tương ứng là trạng thái ứng suất tương đương và biến phá hủy vô hướng JCCRT » 1, với giá trị của biến phá hủy vô hướng này thì vật liệu bắt đầu bị phá hủy. Hình 3.33b là chỉ số độ lớn ứng suất kéo S22 (sxx) lớn hơn giá trị ứng suất cho phép tại thời điểm trước và sau khi phá hủy, cho thấy sự tập trung ứng suất lớn nhất tại đáy của các nhánh chữ thập. 16
19. Hình 3.34. Sản phẩm 3D trục chữ thập với điều kiện ép T = 900oC, f = 0.3, v=5mm/s, d = 1mm Sản phẩm mô phỏng 3D như trên hình 3.34 bị phá hủy bề mặt lớp vỏ tại phía đáy của các nhánh chữ thập. Hiện tượng phá hủy tại các nhánh xảy ra tương tự khi chiều dày lớp vỏ tăng lên 2mm tại 900oC và phôi không điền đầy các nhánh của trục chữ thập như trên hình 3.35. Hiện tượng phá hủy này sẽ được khắc phục khi chiều dày lớp vỏ tăng lên 3mm tại nhiệt độ 900oC (hình 3.36), biến phá hủy vô hướng trong giá trị an toàn (<<1). Tuy nhiên, chiều dày lớp vỏ không đồng đều, phía trên của các nhánh chi tiết bị biến dày, bị biến mỏng tại phía đáy của các nhánh chi tiết và hơn nữa là quá trình chưa điền đầy phôi vào các nhánh của chi tiết khi ép hết hành trình. Hình 3.35. Chỉ số phá hủy vô hướng theo hành trình ép khi ép chảy trục chữ thập với điều kiện ép T = 900oC, f = 0.3, v=5mm/s, d = 2mm 3.4. Nghiên cứu cơ chế phá hủy khi ép chảy ngang trục chữ thập bằng vật liệu hai lớp nhôm - chì ở trạng thái nguội 3.4.1. Thiết lập bài toán Để nghiên cứu cơ chế phá hủy khi ép chảy ngang phù hợp với điều kiện phòng thì nghiệm khi thực hiện thí nghiệm kiểm chứng ở trạng thái nguội, vật liệu 02 lớp nhôm-chì đã được lựa chọn để nghiên cứu tính toán mô phỏng, mô hình hình học và mô hình phần tử hữu hạn được chọn như trong trường hợp đã thực hiện mô phỏng đối với vật liệu hai lớp như mục 3.3. 3.4.2. Mô hình vật liệu nhôm Al-5052 Vật liệu lựa chọn để mô phỏng và thực nghiệm là hợp kim nhôm A5052 và chì nguyên chất (99,9%). Mục đích ở đây là xem xét khả năng biến dạng điền đầy và cơ chế phá hủy khi ép chảy sử dụng phôi hai lớp. Mô hình vật liệu sử dụng để mô phỏng quá trình biến dạng của chì là vật liệu dẻo nhớt lý tưởng và nhôm là dẻo hóa bền có xét đến ảnh hưởng của giới hạn chảy. Chính vì vậy, lớp vỏ nhôm đề xuất sử dụng mô hình chảy dẻo và mô hình phá hủy của tác giả Jonhson-Cook (J-C) [69] tương tự như trong phần 3.3. 17
20. 3.4.3. Kết quả mô phỏng cơ chế phá hủy khi ép chảy ngang vật liệu nhiều lớp Các giá trị ứng suất pháp theo các phương Ox, Oy, Oz được ký hiệu là: σxx, σyy, σzz và ứng suất tiếp trên các mặt song song với mặt Oxy, Oxz, Oyz được ký hiệu lần lượt là: τxy, τxz, τyz đối với phần tử 3884 nằm trên vỏ ống Al-5052, tiếp giáp với lõi chì và cách đáy là 5mm. Các kết quả nhận được được thể hiện trên hình 3.51 dưới đây: s = 9.6 mm s = 12.8 mm s = 16.0mm Hình 3.51. Sự thay đổi vị trí của phần tử cần xét (đánh đấu tròn đỏ) theo hành trình chày ép; (tại thời điểm phá hủy thì phần tử sẽ được phần mềm xóa) 0.6 * s 0.4 0.2 0 -0.2 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 -0.4 -0.6 Ch ỉ s ố ứ ng su ấ t -0.8 -1 Hành trình ép, mm Hình 3.54. Mối quan hệ giữa chỉ số ứng suất ba chiều và hành trình ép Hình 3.54 là đồ thị mô tả mối quan hệ giữa chỉ số ứng suất ba chiều và hành trình ép. Nhận thấy giai đoạn điền đầy trong khuôn đến hành trình 10mm chỉ số ứng suất luôn âm, chứng tỏ ứng suất gây ra trong giai đoạn này chủ yếu chịu trạng thái ứng suất nén. Đến cuối các hành trình điền đầy, kim loại bị kéo về các nhánh của của trục chữ thập, khi chỉ số ứng suất s* » 0.4 gây ra hiện tượng phá hủy lớp vỏ nhôm. Hình 3.55 là sản phẩm 3D trục chữ thập bị phá hủy ở đáy các nhánh và bị biến dày tại phía đối xứng. Hình 3.55. Sản phẩm trục chữ thập bị phá hủy lớp đáy 18
21. 3.5. Nghiên cứu bài toán ép chảy đối xứng hai chiều trục chữ thập Với mục đích khắc phục hiện tượng phá hủy và làm đồng đều chiều dày lớp vỏ trong quá trình ép chảy ngang, bài toán ép đối xứng hai chiều đã được đề xuất. Mô phỏng với cùng điều kiện về công nghệ như nhiệt độ ép chảy, ma sát, tốc độ o ép và chiều dày lớp vỏ với các giá trị cụ thể như sau: To = 1100 C, f = 0.3, v = 5mm/s và d = 2mm. Hình 3.56 là kết quả nhận được giá trị ứng suất tương đương von-Mises theo các giai đoạn khác nhau của hành trình ép. Nhận thấy, ứng suất tương đương hoàn toàn đối xứng và có giá trị cực đại nhỏ hơn trong trường hợp bài toán ép một chiều khi kết thúc hành trình ép. a) Chỉ số phá hủy vô hướng J-C; b) Biến dạng tương đương Hình 3.59. Hình ảnh 3D ép sản phẩm trục chữ thập 3.6. Kết luận - Đã làm rõ ảnh hưởng của các thông số tác động đến quá trình tạo thành sản phẩm trục chữ thập như: ảnh hưởng của vận tốc ép chảy, nhiệt độ và quá trình truyền nhiệt của phôi vào khuôn và chày ép đến lực ép và quá trình tạo thành sản phẩm. Ảnh hưởng của các thông số này đến lực ép chủ yếu tập trung vào giai đoạn bắt đầu điền đầy kim loại vào các nhánh của chi tiết chữ thập. - Phân tích được trạng thái ứng suất và biến dạng trên phôi trong các quá trình hình thành sản phẩm. Chỉ ra các vùng tập trung ứng suất, biến dạng trên trục chữ thập tập trung tạo vùng đáy phôi và trên các nhánh. - Phân tích được dòng chảy kim loại bằng mô phỏng với các mức độ biến dạng khác nhau, quá đó cho thấy rõ ưu điểm nổi trội của quá trình ép chảy ngang đối với các chi tiết có hình dạng phức tạp. - Khảo sát được ảnh hưởng chiều dày khác nhau của lớp vỏ theo các nhiệt độ khác nhau từ đó đưa ra được các thông số hợp lý, cụ thể: với chiều dày d = o o 1mm tại nhiệt độ To = 900 C và 1000 C sản phẩm bị phá hủy, nhiệt độ phôi o tăng lên To = 1100 C lớp vỏ thép không bị phá hủy, với chiều dày d = 2 mm o tại nhiệt độ To = 900 C phôi vẫn bị hiện tượng phá hủy tại đáy các nhánh chữ thập, hiện tượng này được khắc phục khi nhiệt độ tăng lên 1000 oC và 1100 oC, với chiều dày d = 3 mm tại cả 3 nhiệt độ khảo sát lớp vỏ đều không bị phá hủy, tuy nhiên có sự phân bố không đồng đều chiều dày của lớp vỏ trên sản phẩm, phía trên của nhánh chữ thập cùng chiều với hướng chày ép lớp vỏ bị biến dày và ngược lại phía dưới bị biến mỏng. - Phân tích được nguyên nhân gây ra phá hủy lớp vỏ do sự chênh lệch ứng suất giữa các vùng tại vị trí phá hủy khi nghiên cứu đánh giá đầy đủ từ lựa chọn vật liệu, nhận dạng các hệ số của mô hình cho vật liệu hai lớp nhôm - chì. - Với các kết quả phân tích trên bộ thông số công nghệ được lựa chọn để thực o o nghiệm gồm nhiệt độ phôi To = 1100 C, nhiệt độ khuôn To = 600 C, vận tốc ép chảy v = 5 mm/s, vật liệu hai lớp có chiều dày lớp vỏ d = 2 mm. 19
22. CHƯƠNG IV THỰC NGHIỆM KIỂM CHỨNG ÉP CHẢY NGANG TRỤC CHỮ THẬP 4.1. Ép chảy ngang trục chữ thập từ phôi thép hai lớp 4.1.1. Vật liệu thí nghiệm Phôi thép đồng chất C45 và phôi thép hai lớp C45 - C10s được lựa chọn để ép thử nghiệm. Hình 4.1 là phôi thép đồng chất C45 (a) và phôi hai lớp (b) được chế tạo theo các kích thước như điều kiện mô phỏng trong chương 3. Chiều dày lớp vỏ phôi thép C45 được chọn với d = 2 mm (hình 4.1b) và phôi được nung nóng đến 1100 oC. Hình 4.1. Phôi thép đồng chất C45 (a) và phôi thép hai lớp C45 - C10s (b) 4.1.3. Khuôn – hệ thống gia nhiệt khuôn và hệ thống thiết bị Hình 4.4 – 4.6 Bộ khuôn và hệ thống thiết bị thí nghiệm 4.1.4. Trình tự và điều kiện thí nghiệm 4.1.5. Kết quả thực nghiệm • Hình học sản phẩm: Hình 4.8 là hình ảnh sản phẩm trục chữ thập nhận được từ phôi thép đồng chất C45 (a) và phôi thép hai lớp (b) với điều kiện nhiệt độ T = 1100 oC, v = 5 mm/s và lớp vỏ d = 2 mm. Kết quả cho thấy, các nhánh của trục chữ thập đã hình thành và đối xứng nhau. a) b) Hình 4.8. Sản phẩm trục chữ thập thép đồng chất C45 (a) và trục chữ thập hai lớp C45-C10s với lớp vỏ có chiều dày d = 2mm (b) • Dòng chảy của kim loại Hình 4.9a là dòng chảy của kim loại theo mặt cắt dọc trục của một nhánh chữ thập. Kết quả so sánh dòng chảy giữa thực nghiệm và mô phỏng có sự tương đồng về dòng chảy kim loại tại giai đoạn ép 2/3 hành trình. Phía trên của nhánh 20
23. chữ thập dòng chảy có xu hướng chảy thuận lợi hơn khi các lưới biến dạng ít bị xô lệch. Phía đáy của nhánh chữ thập, do ma sát lớn ở phía đáy gây ra ứng suất kéo làm áp lực nén tác động lên phía đáy của nhánh phôi lớn dẫn đến cản trở chuyển động của dòng chày kim loại. Kết quả cũng cho thấy phía trên và phía dưới của nhánh chữ thập có dòng chảy không đối xứng. Phía đáy của các nhánh bị biến dạng mãnh liệt thể hiện các lưới bị chèn ép và xô lệch có thể gây ra dòng chảy rối tại cuối hành trình ép Hình 4.9. Dòng chảy của vật liệu sau khi ép 2/3 hành trình, (a) thực nghiệm; (b) mô phỏng Hình 4.10 là mặt cắt dọc tại phía đáy theo hai nhánh đối xứng của trục chữ thập khi ép gần hết hành trình. Quan sát thấy rõ lớp vỏ C45 bị biến mỏng tại đáy ở các nhánh có nguy cơ dẫn đến phá hủy lớp vỏ và biến dày tại các đỉnh của nhánh chữ thập. Hình 4.10. Phân bố lớp vỏ C45 và lõi C10s sau khi ép hết hành trình, (a) thực nghiệm; (b) mô phỏng • Lực ép Đường cong lực giữa mô phỏng và thực nghiệm có sự tương đồng về các giai đoạn ép chảy trục chữ thập Hình 4.10. So sánh lực ép giữa thực nghiệm và mô phỏng 21
24. • Sự biến đổi chiều dày lớp vỏ Để khảo sát sự biến đổi chiều dày lớp vỏ của khớp nỗi chữ thập, ảnh mặt cắt sản phẩm tại phía các nhánh được chụp lại và sử dụng phương pháp lưới tọa độ để đo kích thước tại các vùng khác nhau như trên hình 4.12. Kết quả thực nghiệm và mô phỏng cho thấy có sự tương đồng về sự biến đổi chiều dày tại các vùng khác nhau của phần nhánh chi tiết. Sự chênh lệch chiều dày lớn nhất tại phần trên và phần dưới của nhánh trục chữ thập. Cụ thể, xảy ra quá trình biến dày phía trên và biến mỏng ở phía dưới của nhánh trục chữ thập. Phía dưới đáy có xu hướng phá hủy lớp vỏ. Hình 4.12. So sánh chiều dày lớp vỏ d = 2mm biến đổi khi ép trục chữ thập với 2/3 hành trình giữa thực nghiệm (a) và mô phỏng (b) 4.2. Ép chảy trục chữ thập từ phôi hai lớp nhôm - chì Hiện tượng phá hủy khi ép phôi hai lớp nhôm - chì đã được mô phỏng và giải thích nguyên nhân gây phá hủy trong chương 3. Phần này sẽ tiến hành thực nghiệm để kiểm chứng ép trục chữ thập từ phôi hai lớp nhôm A5052 và chì nguyên chất ở trạng thái nguội. 4.2.1. Phôi và điều kiện thí nghiệm Chuẩn bị phôi: phôi được ghép giữa nhôm A5052 và chì (99,9%) bằng cách ép lõi chì vào vỏ nhôm theo dung sai kích thước cho phép. Quá trình thực nghiệm được chọn tại chế độ tốc độ ép là 5mm/s, sử dụng dầu Teflon để bôi trơn và phôi có chiều dày lớp nhôm là 2 mm. 4.2.2. Kết quả thực nghiệm Hình 4.14. Hình dáng sản phẩm nhận được sau ép, mẫu cắt ¼ để quan sát cấu trúc Từ kết quả thí nghiệm nhận thấy rằng, sản phẩm nhận được cơ bản đảm bảo theo kích thước yêu cầu. Tuy nhiên khi kết thúc hành trình ép, kim loại chì từ bên trong đã phá hủy ra bên ngoài lớp nhôm. Điều này có thể giải thích là do tốc độ dịch chuyển của nhôm không đáp ứng được sự dịch chuyển của chì trong lòng khuôn. Lực tác động theo một phía cũng có thể là nguyên nhân dẫn đến việc phá hủy mẫu như trên hình 4.14. 22
25. 4.2.3. So sánh kết quả mô phỏng và thực nghiệm Hình 4.15 là so sánh kết quả mô phỏng và thực nghiệm khi ép chảy ngang trục chữ thập bằng vật liệu hai lớp nhôm - chì. Kết quả thực nghiệm và mô phỏng cho thấy sự tương đồng về hình dạng và vị trí phá hủy. Phía trên các nhánh chữ thập lớp nhôm có hiện tượng biến dày, còn phần đáy của các nhánh lớp vỏ nhôm đã bị phá hủy. Kết quả này cho phép kiểm chứng mô hình vật liệu, các điều kiện mô phỏng đã chỉ ra nguyên nhân gây ra phá hủy sản phẩm khi ép chảy ngang trục chữ thập hai lớp là hợp lý. Hình 4.15. So sánh giữa mô phỏng và thực nghiệm: a) hình học sản phẩm với biến phá hủy phá hủy J-C; b) hình học sản phẩm thực nghiệm 4.3. Kết luận - Kết quả thực nghiệm khẳng định qui luật biến đổi của dòng chảy vật liệu, phân bố chiều dày của lớp vỏ, lực ép khi ép chảy ngang trục chữ thập đối với vật liệu thép hai lớp có sự tương đồng giữa mô phỏng và thực nghiệm. - Kết quả thực nghiệm minh chứng được các luận điểm đã giải thích trong kết quả mô phỏng về sự biến dày của lớp vỏ phía trên và biến mỏng của lớp vỏ phía dưới của nhánh chữ thập. - Ép chảy vật liệu hai lớp nhôm – chì cho thấy sự phân bố không đồng đều của lớp vỏ và lớp vỏ đã bị phá hủy khi ép hết hành trình. Điều đó giải thích cơ chế gây ra phá hủy là do sự tương thích biến dạng giữa hai lớp là phù hợp. KẾT LUẬN CHUNG CỦA LUẬN ÁN VÀ NHỮNG KIẾN NGHỊ Từ các kết quả nghiên cứu đã trình bày, luận án đưa ra các kết luận về nghiên cứu ảnh hưởng của một số thông số công nghệ cơ bản đến quá trình tạo hình chi tiết phức tạp bằng phương pháp ép chảy ngang như sau: 1. Đã nghiên cứu làm rõ ảnh hưởng của một số thông số công nghệ như nhiệt độ - quá trình truyền nhiệt, vận tốc ép chảy đến lực ép khi ép chảy ngang trục chữ thập từ vật liệu đồng chất thép C45 và vật liệu 23
26. hai lớp thép C45 và C10s. Phân tích trạng thái ứng suất – biến dạng, dòng chảy vật liệu theo các giai đoạn điền đầy khuôn, từ đó chỉ ra các vùng tập trung ứng suất tại phía đáy của nhánh chữ thập, mức độ biến dạng lớn nhất và dòng chảy rối tại vị trí cuối giai đoạn điền đầy vào các nhánh của chữ thập, quá trình biến mỏng tại lớp vỏ phía đáy và biến dày tại lớp vỏ phía trên của nhánh chữ thập trong trường hợp vật liệu hai lớp. Các thông số lựa chọn để nghiên cứu công nghệ gồm: o nhiệt độ T0 = 1100 C, vận tốc ép chảy v = 5mm/s và hệ số ma sát f = 0.3. 2. Nghiên cứu đã luận giải được cơ chế phá hủy khi ép chảy ngang trục chữ thập ở trạng thái nguội từ vật liệu hai lớp nhôm – chì. Nguyên nhân do sự tương thích biến dạng giữa hai lớp vật liệu gây ra trạng thái ứng suất kéo – nén khác nhau và lớp vỏ có ứng suất kéo lớn hơn giá trị giới hạn bền cho phép của vật liệu dẫn đến phá hủy. 3. Đã thực nghiệm kiểm chứng ép chảy ngang trục chữ thập cho thấy sự tương hợp cao với kết quả mô phỏng gồm: lực ép, dòng chảy vật liệu, quá trình biến mỏng - biến dày lớp vỏ phôi từ vật liệu hai lớp thép C45 và C10s. Thực nghiệm kiểm chứng nguyên nhân gây ra phá hủy giữa hai lớp vật liệu nhôm – chì cho độ tương hợp cao. Kết quả này chứng tỏ việc lựa chọn và nhận dạng mô hình vật liệu, các điều kiện biên mô phỏng và giải thích nguyên nhân gây ra phá hủy là hợp lý. 4. Đề xuất được giải pháp ngăn ngừa phá hủy lớp vỏ khi thay đổi chiều dày lớp vỏ phôi theo nhiệt độ thích hợp và đề xuất giải pháp công nghệ ép chảy đối xứng hai chiều để nhận được sản phẩm không bị phá hủy và có mức độ độ biến dạng lớp vỏ đồng đều bằng mô phỏng số. • Hướng nghiên cứu tiếp theo: Với những kết quả ở trên, những nghiên cứu tiếp theo sẽ tiếp tục phát triển công nghệ ép chảy ngang với các hướng như sau: - Nghiên cứu biến đổi cấu trúc và liên kết giữa các lớp kim loại. - Đa dạng hóa sản phẩm ứng dụng cho công nghệ ép chảy ngang như bánh răng côn liền trục, chốt trục, chốt rãnh, bạc nối - Nghiên cứu thực nghiệm quá trình ép chảy ngang đối xứng 02 chiều. 24
27. DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN 1. Nguyễn Tuấn Anh, Đỗ Quang Long, Lê Thái Hùng, 2013, Phân tích các yếu tố công nghệ trong quá trình ép chảy ngang khớp nối chữ thập, Hội nghị Khoa học toàn quốc Cơ học vật rắn biến dạng lần thứ XI, Đại học Tôn Đức Thắng, p487-493, ISBN 978-604-913-212-4. 2. Đỗ Quang Long, Nguyễn Tuấn Anh, Đinh Văn Hải, Lê Thái Hùng, 2015, Mô phỏng và phân tích thực nghiệm dòng chảy kim loại trong quá trình ép chảy ngang khớp nối chữ thập, Tạp chí Khoa học và công nghệ, Viện Hàn lâm khoa học và công nghệ Việt Nam, Tập 53-số 2B, pp21-27. 3. Đỗ Quang Long, Nguyễn Xuân Hoàng, Lê Anh Quang, Đinh Văn Hải, Lê Thái Hùng, 2015, Ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến chế tạo bánh răng liền trục trong quá trình ép chảy ngang, Tuyển tập hội nghị Cơ học vật rắn biến dạng toàn quốc, ĐH Duy Tân, pp869-875, ISBN.978-604-913-459-3. 4. Đỗ Quang Long, Lê Anh Quang, Lê Thái Hùng, 2016, Mô phỏng quá trình ép chảy ngang ống thành mỏng chữ T từ vật liệu kim loại nhiều lớp, Tuyển tập hội nghị KH&CN toàn quốc về Cơ khí - Động lực, Đại học Bách Khoa Hà Nội, pp446-450, ISBN. 978-604-95-0040-4. 5. Le Thai Hung, Do Quang Long, Le Trung Kien, Vu Xuan Hung, Pham Quang, 2018, Experimental and FEM Simulation Analysis of Lateral Extrusion Process on Bimetal Cross Fitting, Journal of Advances in Materials, Volume 7, Issue 3, pp67-72. 6. Đỗ Quang Long, Đinh Văn Hải, Lê Thái Hùng, 2020, Nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ và chiều dày lớp vỏ đến quá trình ép chảy ngang khớp nối chữ thập cho vật liệu kim loại hai lớp bằng mô phỏng số, Tạp chí Cơ khí Việt Nam, pp.38-44, số 4, ISSN 0866-7056 25