2.-TOM-TAT-LUAN-AN-TIENG-VIET-BUI-KHAC-KHANH

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ CÔNG THƢƠNG VIỆN NGHIÊN CỨU CƠ KHÍ BÙI KHẮC KHÁNH NGHIÊN CỨU CƠNG NGHỆ ÉP CHẢY NGƢỢC THÉP HỢP KIM THẤP ĐỘ BỀN CAO ĐỂ CHẾ TẠO ỐNG CHỊU ÁP LỰC CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ MÃ SỐ: 9520103 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ Hà Nội – 2019 Cơng trình đƣợc hồn thành Viện nghiên cứu Cơ khí - Bộ Công thƣơng Ngƣời hƣớng dẫn khoa học: TS Nguyễn Hà Tuấn TS Vũ Trung Tuyến Phản biện 1: Phản biện 2: Phản biện 3: Luận án đƣợc bảo vệ trƣớc Hội đồng chấm Luận án cấp viện Họp tại: Viện nghiên cứu Cơ khí – Bộ Cơng thƣơng Tịa nhà trụ sở chính, số Đƣờng Phạm Văn Đồng Quận Cầu giấy – Thành phố Hà Nội Vào hồi , ngày tháng năm Có thể tìm hiểu Luận án thƣ viện: Thƣ viện Quốc gia; Thƣ viện Viện nghiên cứu Cơ khí; Thƣ viện Trƣờng Đại học SPKT Hƣng Yên MỞ ĐẦU Tính cấp thiết đề tài Cơng nghệ gia cơng áp lực đóng vai trị quan trọng ngành khí Sản phẩm cơng nghệ gia công áp lực đa dạng từ chi tiết dạng hộp, bình chứa đến chi tiết chịu áp lực nhƣ: bình khí nén, ống chịu áp lực….đƣợc sử dụng ngày nhiều với nhu cầu ngày lớn Tuy nhiên, phần lớn sản phẩm phải nhập từ nƣớc ngoài, đặc biệt chi tiết dạng ống chịu áp lực phục vụ cho công nghiệp dân dụng quốc phòng Để bƣớc làm chủ công nghệ, chủ động sản xuất, phục vụ cho chƣơng trình nội địa hóa thay sản phẩm nhập khẩu, việc tìm hiểu nghiên cứu cơng nghệ phù hợp với điều kiện sản xuất Việt Nam cần thiết Thông thƣờng ống chịu áp lực đƣợc sản xuất phƣơng pháp dập vuốt từ phôi tấm, nhiên điều kiện sản xuất nƣớc ta việc chế tạo phơi cịn gặp nhiều khó khăn, ngồi phơi thép cịn có tính dị hƣớng, ảnh hƣởng khơng tốt đến q trình biến dạng tạo hình nhƣ chất lƣợng sản phẩm sau dập vuốt Để chủ động nguyên liệu nhƣ khắc phục đƣợc tính dị hƣớng thép dùng dập vuốt, ép chảy ngƣợc từ phơi thép đúc đƣợc xem giải pháp hiệu để chế tạo chi tiết dạng ống chịu áp lực, phù hợp với điều kiện sản xuất nƣớc Ép chảy ngƣợc phƣơng pháp tạo hình vật liệu, kim loại chảy từ buồng ép qua lỗ thoát dƣới tác dụng lực ép chiều chảy kim loại ngƣợc với chiều lực tác dụng Chi tiết sau ép chảy ngƣợc có tính đƣợc cải thiện nhiều, phù hợp với việc chế tạo chi tiết ống chịu áp lực Công nghệ ngày đƣợc ứng dụng rộng rãi nhận đƣợc nhiều quan tâm nhà khoa học ngồi nƣớc nhằm phát triển cơng nghệ, nâng cao hiệu trình ép chảy ngƣợc để chế tạo chi tiết ống chịu áp lực Tuy nhiên, cơng trình nghiên cứu nƣớc chƣa đầy đủ, chun sâu chƣa có tính ứng dụng cao việc chế tạo chi tiết dạng ống chịu áp lực công nghệ ép chảy ngƣợc Từ vấn đề cấp thiết luận án chọn đề tài nghiên cứu: “Nghiên cứu công nghệ ép chảy ngược thép hợp kim thấp độ bền cao để chế tạo ống chịu áp lực” Mục tiêu nghiên cứu luận án Nghiên cứu sở khoa học thực tiễn để ứng dụng công nghệ ép chảy ngƣợc thép hợp kim trạng thái nóng để chế tạo chi tiết dạng ống chịu áp lực, phục vụ nhu cầu ngày lớn thị trƣờng nƣớc Đối tƣợng phạm vi nghiên cứu luận án - Đối tƣợng nghiên cứu: + Quá trình biến dạng tạo hình chi tiết dạng ống phƣơng pháp ép chảy ngƣợc: phân bố ứng suất, biến dạng, chuyển biến tổ chức, hóa bền vật liệu + Tính chất thép hợp kim thấp độ bền cao 30X3MΦ trình ép chảy ngƣợc, phục vụ cho việc chế tạo vỏ động đạn chống tăng - Phạm vi nghiên cứu: + Nghiên cứu ảnh hƣởng hệ số biến dạng thơng qua tỉ số đƣờng kính với đƣờng kính ngồi (d/D) tỉ số chiều cao với đƣờng kính ngồi (H/D) sản phẩm, đến khả tạo hình chi tiết ống trình ép chảy ngƣợc + Nghiên cứu phân bố ứng suất, biến dạng, đồ thị lực trình ép chảy ngƣợc + Bƣớc đầu nghiên cứu thay đổi tổ chức, tính kim loại sau q trình ép chảy ngƣợc Phƣơng pháp nghiên cứu Kết hợp nghiên cứu lý thuyết với thực nghiệm, cụ thể: - Nghiên cứu sở lý thuyết biến dạng dẻo kim loại, q trình xảy biến dạng nóng ép chảy ngƣợc làm sở cho nghiên cứu mô thực nghiệm - Ứng dụng phần mềm mô nghiên cứu, đánh giá ảnh hƣởng tỉ số (d/D), (H/D) đến khả tạo hình chi tiết trình ép chảy ngƣợc Xác định miền làm việc hiệu quả, hàm quan hệ (d/D), (H/D) tới mức độ biến dạng lực ép nhƣ nhiệt độ làm sở cho trình thực nghiệm - Xây dựng hệ thống thực nghiệm phù hợp với mục tiêu nội dung nghiên cứu Sử dụng thiết bị đo, kiểm tra phần mềm sẵn có để xử lý số liệu đảm bảo độ xác - Tiến hành thực nghiệm kiểm chứng để xác nhận tính hiệu quả, độ tin cậy phƣơng pháp nghiên cứu, đánh giá kết thực nghiệm làm sở cho việc sản xuất ống chịu áp lực Việt Nam Ý nghĩa khoa học thực tiễn luận án 5.1 Ý nghĩa khoa học - Nghiên cứu ứng dụng sở lý thuyết phƣơng pháp ép chảy ngƣợc để chế tạo chi tiết dạng ống chịu áp lực từ thép hợp kim thấp độ bền cao - Kết hợp nghiên cứu lý thuyết với mô số thực nghiệm nhằm xác định miền làm việc phù hợp tỉ số (d/D), (H/D) đến trình tạo hình chi tiết ép chảy ngƣợc thép hợp kim - Khảo sát ảnh hƣởng tỉ số đƣờng kính với đƣờng kính ngồi (d/D) chiều cao với đƣờng kính ngồi (H/D) chi tiết ống đến mức độ biến dạng (φ), lực ép (P) Qua xây dựng miền làm việc hàm quan hệ (d/D), (H/D) với φ; P - Đƣa đƣợc quy luật phân bố ứng suất, biến dạng trình ép chảy ngƣợc thép hợp kim 30X3MΦ tìm đƣợc miền làm việc phù hợp làm sở khoa học cho trình thực nghiệm, đảm bảo khả biến dạng tạo hình chi tiết - Bƣớc đầu xác định đƣợc chuyển biến tổ chức cải thiện tính thép hợp kim 30X3MΦ sau trình ép chảy ngƣợc đáp ứng yêu cầu chi tiết ống chịu áp lực 5.2 Ý nghĩa thực tiễn - Kết nghiên cứu luận án góp phần phát triển chuyên ngành gia công áp lực, chủ động việc sản xuất chi tiết ống chịu áp lực phục vụ cơng nghiệp dân dụng quốc phịng - Xác định đƣợc miền làm việc phù hợp với tỉ số d/D = 0,77 ÷ 0,81 H/D ≤ 3,6 nhằm nâng cao hiệu trình ép chảy ngƣợc - Xác định đƣợc nhiệt độ thích hợp cho trình ép chảy ngƣợc thép hợp kim trạng thái nóng (T = C) - Kết thực nghiệm chế tạo thành công vỏ động đạn chống tăng PG–29 làm sở cho việc sản xuất ống chịu áp lực Việt Nam - Kết nghiên cứu luận án làm tài liệu tham khảo phục vụ cho giảng dạy nghiên cứu chuyên ngành gia công áp lực Các điểm luận án - Xây dựng đƣợc toán khảo sát ảnh hƣởng tỉ số (d/D) (H/D) tới mức độ biến dạng, lực ép trình ép chảy ngƣợc thép hợp kim thấp độ bền cao Đồng thời xác định đƣợc miền làm việc phù hợp tỉ số (d/D) (H/D) tới lực ép trung bình lớn mức độ biến dạng tƣơng đƣơng lớn - Xác định đƣợc kích thƣớc bán kính cầu (R) mặt đầu phơi, thay phơi có lỗ hình nón cụt nhƣ thực tế sản xuất, giảm đƣợc tỷ lệ sai hỏng trình ép chảy ngƣợc - Xác định quy luật phân bố ứng suất, biến dạng trình ép chảy ngƣợc, từ xây dựng mơ hình biến dạng vật liệu trình ép chảy ngƣợc thép hợp kim - Xây dựng hệ thống thực nghiệm, phù hợp với điều kiện nghiên cứu sản xuất nƣớc, chủ động chế tạo ống chịu áp lực phôi thép hợp kim đúc sản xuất Việt Nam Kết cấu luận án Ngoài phần mở đầu mục theo quy định, nội dung nghiên cứu luận án đƣợc trình bày 04 chƣơng kết luận chung luận án - Chƣơng 1: Tổng quan công nghệ ép chảy ngƣợc thép chế tạo ống chịu áp lực - Chƣơng 2: Cơ sở lý thuyết trình biến dạng tạo hình vật liệu ép chảy ngƣợc - Chƣơng 3: Nghiên cứu trình ép chảy ngƣợc thép hợp kim trạng thái nóng phần mềm mơ số - Chƣơng 4: Nghiên cứu thực nghiệm ép chảy ngƣợc thép hợp kim trạng thái nóng, ứng dụng chế tạo vỏ động đạn chống tăng - Kết luận hƣớng nghiên cứu - Danh mục tài liệu tham khảo, cơng trình cơng bố, phụ lục luận án CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN CÔNG NGHỆ ÉP CHẢY NGƢỢC THÉP CHẾ TẠO ỐNG CHỊU ÁP LỰC 1.1 Công nghệ chế tạo ống thép chịu áp lực Căn vào công nghệ sản suất hình dạng phơi sử dụng ta chia thành hai nhóm: ống thép chế tạo phƣơng pháp hàn ống thép chế tạo phƣơng pháp gia công áp lực Qua phân tích đặc điểm phƣơng pháp cho thấy gia công áp lực phƣơng pháp phù hợp cho việc sản xuất chi tiết ống chịu áp lực 1.2 Một số phƣơng pháp chế tạo ống gia công áp lực Gia công áp lực phƣơng pháp tạo hình vật liệu dựa sở biến dạng dẻo kim loại Do hiệu ứng hóa bền trình biến dạng tạo hình mà tính sản phẩm đƣợc cải thiện nhiều so với vật liệu đầu vào Tùy thuộc phơi đầu vào, kích thƣớc sản phẩm, yêu cầu làm việc thiết bị sở sản xuất chọn phƣơng pháp phù hợp để chế tạo loại ống chịu áp lực khác nhƣ: phƣơng pháp dập vuốt; phƣơng pháp miết; phƣơng pháp cán; phƣơng pháp ép chảy Từ đặc điểm phƣơng pháp để chủ động phôi đầu vào nhƣ khắc phục đƣợc tính dị hƣớng thép dùng dập vuốt, đảm bảo phù hợp với thiết bị có ép chảy ngƣợc từ phôi thép đúc Việt Nam sản xuất giải pháp hiệu để chế tạo chi tiết ống chịu áp lực nƣớc Trong trình ép chảy ngƣợc dƣới tác dụng lực ép vật liệu chảy theo khe hở vành khuyên hình thành chày cối để hình thành tiết dạng ống Trong kim loại bị nén khối buồng ép, tổ chức thay đổi tính vật liệu đƣợc cải thiện nhiều, trình ép chảy ngƣợc nhƣ hình 1.1 Hình 1.1 Quá trình ép chảy ngược chế tạo chi tiết dạng ống 1.3 Sự phát triển công nghệ ép chảy ngƣợc, ứng dụng chế tạo ống chịu áp lực - Ép chảy ngƣợc vật liệu kim loại đƣợc ứng dụng để chế tạo chi tiết ống từ vật liệu Al, Sn, Pb nhiệt độ thƣờng bắt đầu đƣợc thực từ đầu kỷ XIX ép chảy nóng thép bắt đầu thực vào năm 1930 việc thiết kế hệ thống khn, buồng ép chịu đƣợc nhiệt độ áp suất cao - Công nghệ ép chảy ngƣợc đƣợc ứng dụng rộng rãi việc chế tạo chi tiết ống phục vụ cho công nghiệp dân dụng (ống thép dân dụng, bình tích áp ) quốc phòng (thiết bị quân sự, loại vỏ đạn, vỏ động đạn chống tăng…) 1.4 Kết nghiên cứu cơng nghệ ép chảy ngƣợc * Tình hình nghiên cứu cơng nghệ ép chảy ngược giới Công nghệ ép chảy ngƣợc để chế tạo chi tiết dạng ống chịu áp lực ngày nhận đƣợc nhiều quan tâm nhà khoa học, nhiều cơng trình nghiên cứu nhằm phát triển, tối ƣu hóa cơng nghệ, nâng cao xuất chất lƣợng sản phẩm Các nghiên cứu chủ yếu tập trung vào nội dung: Về phƣơng pháp nghiên cứu trình ép chảy ngƣợc; kết cấu khuôn; lực ép – ma sát ép chảy ngƣợc; cấu trúc tổ chức tính vật liệu sau trình ép chảy ngƣợc; phƣơng pháp chế tạo chi tiết ống công nghệ ép chảy ngƣợc * Tình hình nghiên cứu cơng nghệ ép chảy ngược Việt Nam Đã có số cơng trình nghiên cứu nƣớc công nghệ ép chảy ngƣợc thép trạng thái nóng, phần lớn cơng trình dừng lại nghiên cứu mơ hình hóa, mơ số Trên thực tế sản xuất vỏ động đạn chống tăng PG-29 công nghệ ép chảy ngƣợc dựa tính tốn lý thuyết kinh nghiệm cho kết chƣa đƣợc nhƣ mong muốn, tỷ lệ sai hỏng cao Trên sở phân tích kết cơng trình nghiên cứu ngồi nƣớc, u cầu kích thƣớc đặt cho chi tiết ống sau ép chảy ngƣợc, luận án nghiên cứu ảnh hƣởng tỉ số đƣờng kính với đƣờng kính ngồi (d/D) tỉ số chiều cao với đƣờng kính ngồi (H/D) sản phẩm đến q trình tạo hình chi tiết phƣơng pháp nghiên cứu: kết hợp nghiên cứu lý thuyết, sử dụng mô số thực nghiệm Mục đích tìm miền làm việc phù hợp tỉ số để đảm bảo yêu cầu chi tiết ống sau ép chảy ngƣợc có chiều cao lớn nhất, chiều dày thành mỏng tính tăng cao đáp ứng yêu cầu chi tiết ống chịu áp lực KẾT LUẬN CHƢƠNG Nghiên cứu tổng quan công nghệ ép chảy ngƣợc thép để chế tạo ống chịu áp lực rút số kết luận: - Nhờ tƣợng hóa bền biến dạng mà chi tiết sau gia công áp lực đạt tính tốt, độ bền cao gia công áp lực đƣợc xem giải pháp phù hợp việc tạo chi tiết ống chịu áp lực phục vụ cho cơng nghiệp quốc phịng - Ép chảy ngƣợc phƣơng pháp tạo chi tiết ống có tính tốt nhờ ngun lý nén khối kim loại buồng ép đáp ứng yêu cầu chịu áp lực trình làm việc Mặt khác, phƣơng pháp sử dụng phôi thép đúc đƣợc sản xuất nƣớc hoàn toàn chủ động đƣợc nguyên liệu đầu vào, không phụ thuộc vào nguồn cung cấp nhƣ khắc phục đƣợc ảnh hƣởng tính dị hƣớng sinh trình tạo hình chi tiết phôi thép Do vậy, ép chảy ngƣợc giải pháp hiệu cho việc chế tạo chi tiết ống chịu áp lực điều kiện sản xuất nƣớc ta - Hiện nay, cơng trình nghiên cứu nƣớc dừng lại nghiên cứu mơ hình hóa mơ số, chƣa có nghiên cứu thực tiễn cho việc ứng dụng công nghệ ép chảy ngƣợc để sản xuất chi tiết ống chịu áp lực - Trên sở phân tích, đánh giá yêu cầu kích thƣớc sản phẩm nhằm nâng cao hiệu trình ép chảy ngƣợc việc tìm miền làm việc phù hợp tỉ số (d/D) (H/D) để chi tiết ống sau ép chảy ngƣợc có chiều cao lớn chiều dày mỏng điều cần thiết, đảm bảo tính ổn định q trình tạo hình chi tiết sau ép chảy ngƣợc - Phƣơng pháp nghiên cứu phù hợp đƣợc đƣa ra: kết hợp nghiên cứu lý thuyết với sử dụng mơ số để tìm miền tạo hình phù hợp (d/D); (H/D) làm sở cho trình thực nghiệm phƣơng pháp hợp lý, hiệu CHƢƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT QUÁ TRÌNH BIẾN DẠNG TẠO HÌNH VẬT LIỆU TRONG ÉP CHẢY NGƢỢC 2.1 Cơ sở lý thuyết biến dạng dẻo kim loại Nghiên cứu lý thuyết biến dạng dẻo kim loại nghiên cứu sở vật lý (sự dịch chuyển cấu trúc tinh thể, thông số vật liệu nhƣ ứng suất chảy); sở học (trạng thái ứng suất, biến dạng mối quan hệ chúng trình biến dạng dẻo kim loại), từ làm sở cho việc nghiên cứu lý thuyết trình ép chảy ngƣợc thép hợp kim thấp độ bền cao 2.2 Cơ sở lý thuyết hóa bền vật liệu sau q trình biến dạng tạo hình Hóa bền biến dạng tƣợng ứng suất chảy tăng lên theo mức độ biến dạng trình biến dạng Trong biến dạng nóng, đồng thời suất hai q trình: Biến dạng dẻo làm xơ lệch mạng tạo nên hóa bền, biến cứng, nhƣng sau kết tinh lại làm xô lệch mạng gây thải bền, giảm độ cứng Ép chảy ngƣợc thép hợp kim thấp độ bền cao đƣợc thực trạng thái nóng Do vậy, nghiên cứu hóa bền q trình thực chất nghiên cứu hóa bền trình biến dạng tạo hình thép trạng thái nóng để đạt đƣợc yêu cầu hóa bền vật liệu sau trình ép chảy ngƣợc 2.3 Cơ sở lý thuyết trình ép chảy ngƣợc kim loại 2.3.1 Khái niệm: Ép chảy ngƣợc phƣơng pháp công nghệ tạo hình vật liệu, kim loại chảy từ buồng ép qua lỗ thoát dƣới tác dụng lực ép chiều chảy kim loại ngƣợc với chiều lực tác dụng chày ép đặc buồng ép sản phẩm khuôn ép kim loại ép chày ép rỗng sản phẩm khn ép Hình 2.1 Sơ đồ ép chảy ngược chế tạo chi tiết Hình 2.2 Sơ đồ ép chảy ngược chế tạo chi tiết ống Ép chảy ngƣợc đƣợc ứng dụng để chế tạo chi tiết dạng hay dạng ống có chiều dài hữu hạn Hình dạng lỗ định tiết diện ngang sản phẩm, ép chảy ngƣợc tạo chi tiết dạng nhƣ hình 2.1 chi tiết dạng ống nhƣ hình 2.2 2.3.2 Quan hệ lực hành trình ép chảy Lực hành trình dịch chuyển chày ép chảy ngƣợc nhƣ hình 2.3 Giai đoạn lực ép tăng, phôi bị biến dạng điền đầy lòng cối lớn cuối gia đoạn Giai đoạn lực không đổi lúc chịu ảnh hƣởng ma sát Giai đoạn vật liệu lòng cối biến dạng gần hết, tạo vùng chết nên lực tăng đột ngột Hình 2.3 Quan hệ lực ép hành trình chày 2.3.3 Áp lực riêng chày lún vào phôi kim loại Xác định áp lực riêng chày lún vào phôi kim loại (trong trƣờng hợp phôi bán không gian vô hạn) sử dụng phƣơng pháp đƣờng trƣợt (hình 2.4 hình 2.5) Hình 2.4 Hệ đường trượt chày bắt đẩu lún vào phơi Hình 2.5 Hệ đường trượt chày lún vào phôi Áp lực riêng q = -σZB ωAB = π/2 thì: q = 2k(1 +ωAB) = 2k(1+π/2) ≈ 2,6kf* (2-1) Trong trƣờng hợp góc quay ωAB = π ứng với hình 2.5 thì: q = 2k(1+3.14) = 4.14kf* (2-2) 2.3.4 Lực biến dạng ép chảy ngƣợc Khi ép chảy ngƣợc kim loại chảy qua lỗ cối qua vòng bao hở chày (1) cối (3) (hình 2.6) Hình 2.6 Sơ đồ xác định áp lực ép chảy ngược Áp lực riêng tổng đƣợc xác định theo công thức sau: Hay:    d2 d       D h h  D  q   k f 1,5  ln    3D  d  d d d d  d d    1 1      D  D D  D       ( 2-3) Từ phƣơng trình cho thấy lực ép hay áp lực riêng hàm tỉ số d/D h/D, nhiên trình khảo sát chiều cao h vùng (1) (2) cố định Điều chứng tỏ tỉ số d/D ảnh hƣởng trực tiếp đến lực ép q trình ép chảy ngƣợc 2.3.5 Thơng số cơng nghệ q trình ép chảy ngƣợc Mức độ biến dạng φp: φp = ln (2-4) Khi ép chảy ngƣợc chi tiết có thành mỏng, mức độ biến dạng cịn đƣợc tính theo cơng thức: φP = ln - 0,16 (2-5) Lực biến dạng cần thiết ép chảy ngƣợc: - Trƣờng hợp chiều dày thành ống lớn: (S/D > 1/10) ↔ (S/D < 1/10) hay d/D > 0,8 Lực biến dạng: F= (2-6) - Trƣờng hợp chiều dày thành ống mỏng: (S/D ≤ 1/10) ↔ (1/2 > S/D ≥ 1/10) hay d/D ≤ 0,8 Lực biến dạng: F= (2 + 0,25 (2-7) Công biến dạng: W = F Sw x (2-8) 2.3.6 Sự thay đổi cấu trúc tinh thể kim loại tạo hình trạng thái nóng * Sự thay đổi cấu trúc tinh thể kim loại rèn – dập nóng phôi thép đúc: Khi biến dạng dẻo tổ chức đúc dẫn đến đập vỡ tinh thể chúng bị kéo dài theo hƣớng có cƣờng độ chảy lớn Với mức độ biến dạng lớn, phi kim bị kéo dài nhận hình dạng sợi tạo nên tổ chức thớ thô đại Khi thớ phân bố hợp lý tạo sản phẩm có độ bền cao Q trình lớn lên hạt tinh thể tiếp diễn trình rèn – dập kết thúc nhiệt độ kết thúc rèn nên đƣợc thực gần giới hạn dƣới cho phép Khi sử dụng biểu đồ kết tinh lại xác định đƣợc mức độ biến dạng, nhiệt độ biến dạng phụ thuộc vào kích thƣớc hạt tinh thể mong muốn nhận đƣợc * Sự thay đổi cấu trúc tinh thể sau ép chảy ngược thép trạng thái nóng P Từ việc nghiên cứu hình thành thớ kim V1- Vùng loại q trình dập nóng nhƣ sơ đồ kết V2- Vùng tinh lại hạt kim loại cho thấy kim loại sau gia công trạng thái nóng có tổ chức thớ hạt kim loại nhỏ điều làm tăng V4 V4 tính kim loại sau gia cơng Từ đƣa V3- Vùng mơ hình vật liệu chi tiết sau ép chảy V3 V3 ngƣợc nhƣ hình 2.7 V1 V2 Với mơ hình vật liệu nhƣ hình 2.7 cấu trúc V4- Vùng kim loại đƣợc phân bố theo vùng 1, 2, 3, 4; vùng hạt tinh thể có hình dạng a) b) khác hƣớng dịch chuyển rõ rệt Mơ a) Mơ hình biến dạng vật thể ép vùng khác hình biến dạng vật liệu đƣợc kiểm b) Mơ hình hạt bị biến dạng vùng khác chứng mơ số thực nghiệm Hình 2.7 Mơ hình biến dạng vật thể sau ép chảy ngược 2.3.7 Sự hóa bền thép hợp kim thấp độ bền cao chi tiết sau ép chảy Ngoài thay đổi hình dạng kích thƣớc tổ chức hạt, hƣớng thớ gia công thép hợp kim trạng thái nóng cịn có chuyển biến lớn tổ chức, pha làm hóa bền vật liệu sau ép chảy ngƣợc Tổ chức đạt đƣợc mactenxit ram, chuyển biến không đến tận cùng, nên tồn tổ chức austenite dƣ Ngoài ra, hợp kim ban đầu có nguyên tố hóa bền, tổ chức gần cân nhƣ trên, cịn có tham gia pha, hợp chất khác Các giả thiết, nhận định hóa bền vật liệu đƣợc kiểm chứng qua việc phân tích cấu trúc vật liệu sau ép chảy ngƣợc 2.4 Các yếu tố ảnh hƣởng trình ép chảy ngƣợc Trong trình ép chảy ngƣợc có số yếu tố ảnh hƣởng nhƣ: ảnh hƣởng nhiệt độ; ảnh hƣởng hệ số ép chảy; ảnh hƣởng ma sát; ảnh hƣởng vật liệu; ảnh hƣởng kết cấu khuôn; ảnh hƣởng tốc độ ép… Trong nhiệt độ, hệ số ép chảy, ma sát yếu tố ảnh hƣởng q trình ép chảy ngƣợc 2.5 Lựa chọn thơng số q trình khảo sát: - Nhiệt độ: Việc lựa nhiệt độ ép đƣợc tiến hành dựa sở nghiên cứu vật liệu học thực tế sản xuất Tuy nhiên, việc chọn nhiệt độ cụ thể cho q trình ép chảy ngƣợc đƣợc thực dƣới trợ giúp máy tính thơng qua phần mềm mô số Từ kết mô cho phép chọn nhiệt độ phù hợp để tiến hành khảo sát toán ép chảy ngƣợc nhƣ làm sở cho trình thực nghiệm - Hệ số ép chảy: Hệ số ép chảy đại lƣợng đặc trƣng cho giảm diện tích tiết diện chi tiết sau ép chảy hệ số biến mỏng thành chi tiết ống Trong trƣờng hợp chi tiết có đƣờng kính ngồi khơng thay đổi mức độ biến mỏng thành thay đổi đƣờng kính chi tiết thay đổi tỉ đƣờng kính với đƣờng kính chi tiết (d/D) - Ma sát: Ma sát ép chảy ngƣợc sinh tiếp xúc phôi dụng cụ ép, cụ thể phôi với chày cối Diện tích tiếp xúc lớn ma sát lớn ngƣợc lại Trong trƣờng hợp chi tiết có đƣờng kính ngồi khơng đổi thay chọn chiều cao H ta xét tỉ số chiều cao với đƣờng kính ngồi sản phẩm (H/D) làm thông số đầu vào để khảo sát Từ việc phân tích yếu tố ảnh hƣởng, yêu cầu kích thƣớc, tính chi tiết ống sau ép chảy ngƣợc Luận án tiến hành nghiên cứu xác định nhiệt độ thích hợp cho q trình ép chảy ngƣợc, thực tốn mơ để khảo sát ảnh hƣởng tỉ số (d/D) (H/D) đến mức độ biến dạng tƣơng đƣơng lớn , lực ép lớn (là giá trị lực ép trung bình ổn định mức cao nhất), tìm miền phù hợp tỉ số để đảm bảo yêu cầu chi tiết ống sau ép chảy ngƣợc có chiều cao lớn nhất, chiều dày thành mỏng làm sở cho việc thực nghiệm chế tạo chi tiết ống chịu áp lực KẾT LUẬN CHƢƠNG Sau nghiên cứu sở lý thuyết trình biến dạng tạo hình vật liệu ép chảy ngƣợc ta rút số kết luận: - Cơ chế biến dạng dẻo kim loại dịch chuyển cấu trúc mạng tinh thể, dịch chuyển nhƣ tăng mật độ lệch mạng, mối quan hệ ứng suất biến dạng Từ làm sở cho việc nghiên cứu q trình hóa bền vật liệu sau biến dạng nhƣ xây dựng tốn mơ thực nghiệm ép chảy ngƣợc thép hợp kim thấp độ bền cao - Đồ thị biểu diễn mối quan hệ lực hành trình ép làm sở, tiêu chí đánh giá kết q trình nghiên cứu cơng nghệ ép chảy ngƣợc phần mềm mô số - Các thơng số cơng nghệ q trình ép chảy ngƣợc nhƣ mức độ biến dạng, lực ép cơng biến dạng xác định cơng thức tốn học Ngồi ra, dƣới trợ giúp máy tính việc sử dụng phần mềm mơ số để xác định thông số giải pháp phù hợp mang lại hiệu cao trình khảo sát - Qua nghiên cứu cấu trúc, tổ chức kim loại nhƣ hóa bền vật liệu q trình biến dạng dẻo trạng thái nóng, từ đƣa mơ hình vật liệu, cấu trúc tinh thể vùng khác chi tiết nhận định việc hóa bền vật liệu sau ép chảy ngƣợc Mơ hình đƣợc kiểm chứng mô thực nghiệm - Qua việc nghiên cứu yếu tố ảnh hƣởng, yêu cầu kích thƣớc chi tiết ống sau ép chảy ngƣợc có chiều cao lớn chiều dày thành mỏng Luận án chọn đƣợc tỉ số (d/D) (H/D) thông số để khảo sát ảnh hƣởng nhiệt độ đến trình tạo hình chi tiết khảo sát ảnh hƣởng tỉ số đến mức độ biến dạng tƣơng đƣơng lớn , lực ép lớn phần mềm mô số - Nhiệt độ ép chảy ngƣợc thép hợp kim đƣợc xác định từ sở nghiên cứu vật liệu học thực tế sản xuất (T = C), việc chọn nhiệt độ cho trình ép chảy ngƣợc đƣợc thực mềm mơ số CHƢƠNG 3: NGHIÊN CỨU QUÁ TRÌNH ÉP CHẢY NGƢỢC THÉP HỢP KIM TRẠNG THÁI NÓNG BẰNG PHẦN MỀM MƠ PHỎNG SỐ 3.1 Mơ hình hóa q trình biến dạng dẻo thép trạng thái nóng Mơ hình tốn đƣợc xây dựng bao gồm giả thiết bản, phƣơng trình học mơi trƣờng liên tục mơ hình tốn ép chảy ngƣợc nhờ biến dạng dẻo 3.2 Thiết lập tốn mơ số trình ép chảy ngƣợc thép hợp kim trạng thái nóng 3.2.1 Ứng dụng mơ số gia công áp lực Mô số đƣợc ứng dụng rộng rãi việc nghiên cứu triển khai sản xuất, công cụ phát triển cơng nghệ gia cơng áp lực Qua phân tích tính phần mềm mô số cho thấy phần mềm Abaqus phù hợp cho việc nghiên cứu trình ép chảy ngƣợc thép hợp kim thấp độ bền cao trạng thái nóng 3.2.2 Trình tự xây dựng tốn mơ số Để xây dựng đƣợc tốn mơ số tiến hành thực xây dựng thơng số đầu vào, mơ hình điều kiện biên * Mơ hình hình học: Xây dựng mơ hình hình học xuất phát từ u cầu xác hình dạng hình học kích thƣớc sản phẩm Mơ hình hình học bao gồm đối tƣợng chày, cối phơi nhƣ hình 3.1 a) Mơ hình 2D b) Mơ hình 3D Hình 3.2 Đường cong ứng suất biến dạng vật liệu 30CrMoNi5 Hình 3.1 Mơ hình hình học q trình ép chảy ngược * Mơ hình vật liệu: Để mơ số q trình ép chảy nóng ta phải có đƣờng cong ứng suất – biến dạng vật liệu, nhiên việc khảo sát đặc tính vật liệu nhiệt độ T = C nƣớc ta gặp nhiều khó khăn Do vậy, luận án tham khảo đặc tính vật liệu 30CrMoNi5 tƣơng đƣơng với vật liệu 30X3MΦ C có đƣờng cong ứng suất biến dạng nhƣ hình 3.2 để đƣa vào phần mềm mô số * Mơ hình lưới phần tử: Chọn mơ hình 2D với kiểu phần tử CAX4R để thực mô với trƣờng hợp khác phục vụ cho việc khảo sát trình ép chảy ngƣợc thép hợp kim trạng thái nóng Lƣới phần tử phơi đƣợc chia theo hƣớng biến dạng (dòng chảy) vật liệu * Điều kiện biên: Trong tốn mơ ép chảy ngƣợc tác giả lựa chọn tiếp xúc mặt với mặt có biến dạng với phơi cịn vật liệu làm chày cối coi nhƣ cứng tuyệt đối Sử dụng bột graphite dầu để bôi trơn cho chày cối trình ép chảy Hệ số ma sát phôi dụng cụ ép chảy μ = 0,5 3.3 Mơ q trình ép chảy ngƣợc thép hợp kim thấp độ bền cao trạng thái nóng phần mềm mơ số 3.3.1 Chọn miền khảo sát cho thông số Từ vẽ vỏ động đạn chống tăng sau tính tốn thiết kế cho kích thƣớc sản phẩm sau ép chảy nhƣ hình 3.3b có d = 86 mm, D = 106 mm → d/D = 86/106 = 0,81; H = 295 mm, D = 106 mm → H/D = 295/106 = 2,8 Chọn D = D0, sử dụng phần mềm thiết kế Inventer cộng lƣợng dƣ cháy hao (1%) cho kích thƣớc phơi đầu vào nhƣ hình 3.3a Trong đó, D0 = 106 mm, H0 = 120, b = 20 mm, để giảm tỷ lệ sai hỏng nhƣ thực tế sản xuất, thay phơi đƣợc thiết kế lỗ định tâm hình nón cụt, ta thiết kế phơi 12 3.3.3 Mơ q trình ép chảy ngƣợc thép hợp kim khoảng II Mô d/D = (0,77; 0,81; 0,85) H/D = (3,8; 4,0; 4,2; 4,4; 4,6; 4,8) ta có: 3.3.3.1 Kết mơ khoảng II a) Một số trƣờng hợp ép với d/D = 0,77 + Trƣờng hợp (d/D = 0,77; H/D = 3,8) Hình 3.19 Sự phân bố ứng suất b) Một số trƣờng hợp ép với d/D = 0,81 + Trƣờng hợp (d/D = 0,81; H/D = 4,2) Hình 3.21 Sự phân bố ứng suất c) Một số trƣờng hợp ép với d/D = 0,85 + Trƣờng hợp ép với (d/D = 0,85; H/D = 4,4) Hình 3.23 Sự phân bố ứng suất Hình 3.20 Đồ thị lực ép theo hành trình chày ép Hình 3.22 Đồ thị lực ép theo hành trình chày ép Hình 3.24 Đồ thị lực ép theo hành trình chày ép 13 3.3.3.2 Phân tích kết mơ khoảng II - Với trƣờng hợp d/D = 0,77; 0,81: Ta xét trƣờng hợp hình 3.19 hình 3.21 trƣờng hợp có phân bố ứng suất bất thƣờng, vùng có giá trị ứng suất nhỏ (min) ln tồn gần sát cạnh vùng có giá trị ứng suất lớn (max) không theo quy luật phân bố Ngồi đồ thị lực ép có phân bố lực không theo quy luật chung q trình ép chảy ngƣợc, cuối hành trình có xuống bất thƣờng thể hình 3.20 hình 3.22 - Với d/D = 0,85 nhƣ phân tích kết mơ khoảng I trƣờng hợp d/D = 0,85 có phân bố lại vùng ứng suất lớn chƣa có tƣợng “tập trung ứng suất” Tuy nhiên, với trƣờng hợp H/D = 4,4 trƣờng hợp ổn định chi tiết mơ Có thể quan sát dễ dàng phá hủy hình 3.23, vị trí thắt - vị trí phá hủy có tập trung ứng suất lớn nhất, đồ thị lực ép phân bố lực bất thƣờng (tăng đột ngột cuối giai đoạn) nhƣ hình 3.24 Từ việc phân tích kết mơ cho thấy khoảng II phân bố ứng suất, đồ thị phân bố lực ép có bất thƣờng, xuất hiện tƣợng phá hủy phôi q trình ép chảy, thực tế khơng nên tiến hành ép chảy ngƣợc với giá trị d/D = 0,77; 0,81; 0,85 H/D > 3,6 3.4 Nghiên cứu ảnh hƣởng tỷ số (H/D) (d/D) đến lực ép mức độ biến dạng trình ép chảy ngƣợc: Kết mô số cho ta giá trị mức độ biến dạng tƣơng đƣơng lực ép lớn đƣợc tổng hợp nhƣ bảng 3.1 Bảng 3.1 Kết mức độ biến dạng tương đương lực ép lớn mô Mức độ Mức độ biến Lực ép trung biến dạng Lực ép trung STT d/D H/D dạng tƣơng đƣơng bình lớn bình lớn tƣơng lớn ( ) (Pmax)\ STT d/D H/D đƣơng lớn 26 0,77 3,235 190,3649 (Pmax)\ 27 0,81 3,438 217,5091 ( ) 28 0,85 3,4 3,623 245,5840 0,77 3,259 179,4181 29 0,89 3,823 284,1270 0,81 3,407 204,3661 30 0,93 3,801 339,2090 0,85 3,532 228,6985 31 0,77 3,299 191,5107 2,4 0,89 3,333 274,7555 32 0,81 3,446 218,9209 0,93 3,007 332,7861 33 0,85 3,6 3,652 247,7649 0,77 3,243 181,7809 34 0,89 3,834 288,1279 0,81 3,411 205,8720 35 0,93 3,822 344,0247 0,85 2,6 3,615 234,8450 36 0,77 3,291 191,775 0,89 3,478 275,9768 37 0,81 3,8 3,470 220,998 10 0,93 3,222 333,0645 38 0,85 3,571 248,758 11 0,77 3,261 185,4850 39 0,77 3,415 196,972 12 0,81 3,454 206,4891 40 0,81 4,0 3,433 222,850 13 0,85 2,8 3,634 239,2632 41 0,85 3,620 252,206 14 0,89 3,584 278,5485 42 0,77 3,312 199,318 15 0,93 3,409 334,3886 43 0,81 4,2 3,408 223,162 16 0,77 3,213 186,3175 44 0,85 3,615 253,612 17 0,81 3,443 209,0467 45 0,77 3,305 202,645 18 0,85 3,0 3,584 241,1944 46 0,81 4,4 3,427 229,298 19 0,89 3,661 280,0364 47 0,85 3,702 258,742 20 0,93 3,551 336,7397 48 0,77 3,291 204,586 21 0,77 3,255 186,7406 49 0,81 4,6 3,405 231,487 22 0,81 3,468 213,2653 50 0,85 3,656 260,699 23 0,85 3,2 3,568 243,6110 51 0,77 3,703 209,023 3,871 281,2083 24 0,89 52 0,81 4,8 3,462 234,227 3,661 338,7768 25 0,93 53 0,85 3,652 262,268 14 3.4.1 Khảo sát ảnh hƣởng H/D, d/D tới lực ép trung bình lớn 3.4.1.1 Khảo sát ảnh hƣởng H/D tới lực ép trung bình lớn Từ kết mơ bảng 3.1 sử dụng phần mềm Matlab ta vẽ đƣợc biểu đồ 2D thể mối quan hệ H/D với trƣờng hợp d/D = 0,77; 0,81;….0,93 nhƣ hình 3.25 Từ biểu đồ ta rút nhận xét: - Khi H/D tăng lực ép tăng trƣờng hợp d/D, lực ép tỷ lệ thuận với H/D, tức lực ép tăng theo chiều cao sản phẩm, điều yếu tố ma sát phơi thành lịng khn, phơi chày Ở mức độ chiều cao nhỏ (tức H/D nhỏ) lực ma sát phơi dụng cụ biến dạng nhỏ dẫn đến lực ép nhỏ lực ép tăng dần chiều cao sản phẩm tăng Hình 3.25 Đồ thị quan hệ lực ép theo tỉ số H/D (tức H/D tăng) - Khi mức độ biến mỏng thành tăng (hay d/D tăng lên) từ 0,77 ÷ 0,93 giá trị H/D lực ép tăng Bởi mức độ biến mỏng thành tăng dẫn đến đƣờng kính chày tăng lên diện tích tiếp xúc chày phôi tăng lên dẫn đến lực ép tăng lên 3.4.1.2 Khảo sát ảnh hƣởng d/D tới lực ép trung bình lớn Từ kết mơ bảng 3.1 sử dụng phần mềm Matlab ta vẽ đƣợc biểu đồ 2D thể mối quan hệ d/D với trƣờng hợp H/D = 2,4; 2,6; 4,8 hình 3.26 Từ biểu đồ ta rút nhận xét: - Mối quan hệ lực ép tỉ số (d/D) quan hệ tỷ lệ thuận, với tỉ số H/D thể chiều cao tƣơng đối sản phẩm, lực ép tăng lên mức độ biến mỏng thành d/D tăng từ 0,77 ÷ 0,93 Điều d/D tăng lên dẫn đến đƣờng kính chày d tăng lên diện tích tiếp xúc chày phôi tăng lên dẫn đến lực ép tăng lên - Khi giá trị tỷ số H/D tăng từ 2,4 đến 4,8 lực ép tăng lên giá trị d/D Điều yếu tố ma sát phôi dụng cụ ép tăng lên, với tỉ Hình 3.26 Đồ thị quan hệ lực ép theo tỉ số d/D số H/D nhỏ chiều cao H sản phẩm nhỏ, lực ma sát nhỏ dẫn đến lực ép nhỏ, H/D tăng lên lực ma sát tăng dẫn đến lực ép lớn 3.4.1.3 Khảo sát ảnh hƣởng đồng thời tỉ lệ H/D d/D tới lực ép trung bình lớn Coi lực ép lớn ( ) hàm số H/D d/D, chọn dạng đa thức bậc biến Sử dụng phƣơng pháp bình phƣơng nhỏ sau xác định đƣợc hệ số ta có phƣơng trình hồi quy sau: Ứng dụng phần mền Matlab ta có đồ thị biểu diễn mối quan hệ d/D H/D với lực ép trung bình lớn nhƣ hình 3.27 15 Từ đồ thị ta rút nhận xét sau: - Với giá trị d/D lực ép tăng H/D tăng điều ma sát phơi thành lịng khn, phơi chày - Với giá trị H/D lực ép tăng d/D tăng điều đƣờng kính chày tăng dẫn đến diện tích tiếp xúc chày phôi tăng nên lực ép tăng - Khi H/D d/D tăng lực ép lớn tăng, nhiên mức độ tăng d/D dẫn đến lực ép tăng nhanh so với H/D Điều chứng tỏ d/D có ảnh hƣởng đến lực ép nhiều so với H/D Hình 3.27 Đồ thị quan hệ lực ép theo tỉ số H/D d/D 3.4.2 Khảo sát ảnh hƣởng H/D, d/D tới mức độ biến dạng tƣơng đƣơng lớn 3.4.2.1 Khảo sát ảnh hƣởng H/D tới mức độ biến dạng tƣơng đƣơng lớn Từ kết mô bảng 3.1 sử dụng phần mềm Matlab ta vẽ đƣợc biểu đồ 2D thể mối quan hệ H/D với trƣờng hợp d/D= 0,77; 0,81; 0,85; 0,89; 0,93 hình 3.28 Từ đồ thị ta rút nhận xét: - Khi ép chảy với tỉ số d/D = 0,89; 0,93 H/D mức nhỏ (H/D từ 2,4 đến 3,6) độ dốc đồ thị lớn, chứng tỏ mức độ biến dạng tăng nhanh (đột ngột) tăng chiều cao sản phẩm tăng, khả ổn định phá hủy phôi ép chảy lớn Do vậy, thực tế không nên ép chảy ngƣợc chi tiết ống với tỉ số d/D = 0,89; 0,93 - Khi ép chảy trƣờng hợp d/D = 0,85 mức độ biến dạng ổn định ơn (độ dốc đồ thị giảm), nhiên giá trị mức độ biến dạng cao gây tƣợng phá hủy phơi q trình ép chảy (mức độ ổn định khơng cao) - Khi ép chảy chiều dày chi tiết không mỏng (trƣờng hợp d/D = 0,77; 0,81) H/D ≤ 3,6 mức độ biến dạng ổn định (độ dốc đồ thị nhỏ) không ảnh hƣởng nhiều đến chiều cao sản phẩm (H/D) Khi ép mức có H/D > 3,6 mức độ biến dạng tăng nhanh (cao) giá trị H/D tăng từ 3,8 đến 4,8 điều gây ổn định phá hủy phơi q trình ép Trên Hình 3.28 Đồ thị quan hệ thực tế nên ép chảy ngƣợc chi tiết ống mức d/D = 0,77; mức độ biến dạng theo tỉ số H/D 0,81 H/D ≤ 3,6 3.4.2.2 Khảo sát ảnh hƣởng d/D tới mức độ biến dạng tƣơng đƣơng lớn Từ kết mô bảng 3.1 sử dụng phần mềm Matlab ta vẽ đƣợc biểu đồ 2D thể mối quan hệ d/D với trƣờng hợp H/D = 2,4; 3,0; 3,6; 4,2; 4,8 hình 3.29 Từ đồ thị ta rút nhận xét : - Khi tỉ số chiều cao lớn H/D > 3,6 ép trƣờng hợp ép chảy với chi tiết có chiều dày lớn (d/D nhỏ từ 0,77 ÷ 0,81) mức độ biến dạng tăng nhanh tăng đột ngột (độ dốc đồ thị lớn) d/D tăng Mức độ biến dạng tăng đột ngột sinh tƣợng bất thƣờng khả phá hủy phôi trình ép chảy lớn Vì vậy, thực tế khơng nên thực ép Hình 3.29 Đồ thị quan hệ mức độ biến dạng chảy chi tiết ống có tỷ lệ chiều cao H/D > 3,6 theo tỉ số d/D 16 - Khi tỉ số chiều cao H/D tăng từ 2,4 đến 3,6 mức độ biến dạng tăng nhanh (đột ngột) gí trị tỷ số d/D tăng từ 0,89 đến 0,93 gây ổn định phá hủy phơi q trình ép chảy Vì vậy, khơng nên ép chảy trƣờng hợp có H/D ≤ 3,6 d/D = 0,89; 0,93 - Khi H/D tăng từ 2,4 đến 3,6 d/D = 0,85 mức độ biến dạng không tăng đột ngột nhƣ (d/D = 0,89; 0,93) nhƣng giá trị mức độ biến dạng mức cao gây tƣợng phá hủy ép - Với tỉ số chiều cao H/D tăng từ 2,4 đến 3,6 tỉ số d/D tăng từ 0,77 đến 0,81 mức độ biến dạng ổn định (độ dốc đồ thị nhỏ), giá trị mức thấp Do vậy, hồn tồn tiến hành ép chi tiết ống có chiều cao H/D ≤ 3,6 mức độ biến mỏng thành d/D ≤ 0,81 3.4.2.3 Khảo sát ảnh hƣởng H/D d/D tới mức độ biến dạng tƣơng đƣơng lớn Coi mức độ biến dạng tƣơng đƣơng lớn ( ) hàm H/D d/D, chọn hàm hồi quy dạng đa thức bậc biến ( ) ( ) ( ) ( ) Sử dụng phƣơng pháp bình phƣơng nhỏ sau xác định đƣợc hệ số ta có phƣơng trình hồi quy sau: ( ) ( ) ( )( ) ( ) ( ) Ứng dụng phần mền Matlab ta có đồ thị biểu diễn mối quan hệ d/D H/D với mức độ biến dạng tƣơng đƣơng lớn nhƣ hình 3.30 Từ đồ thị ta rút nhận xét: - Với giá trị mức độ biến mỏng thành d/D mức độ biến dạng lớn tăng lên tỷ số H/D tăng, có nghĩa H/D tăng khả ép chảy ngƣợc khó - Với giá trị tỉ số H/D tăng giá trị nhỏ (H/D 3,6) giá trị d/D mức nhỏ (0,77 ≤ d/D ≤ 0,81) mức độ biến dạng tăng ổn định phù hợp cho ép chảy ngƣợc Trong khoảng đồng thời giá trị d/D H/D tăng mức độ biến dạng tăng Tuy nhiên, d/D tăng mức độ biến dạng tăng nhanh so với H/D tăng chứng tỏ d/D ảnh hƣờng đến mức độ biến dạng nhiều Hình 3.30 Đồ thị quan hệ mức độ biến dạng H/D theo tỉ số H/D d/D - Với giá trị tỉ số H/D tăng mức cao (H/D > 3,6) d/D ≥ 0,85 lúc mức độ biến dạng tƣơng đƣơng mức cao, giá trị không ổn định dẫn đến khả ép chảy khó khăn phá hủy phơi q trình ép chảy KẾT LUẬN CHƢƠNG Thực trình ép chảy ngƣợc thép hợp kim trạng thái nóng phần mềm mô số rút số kết luận sau: - Xây dựng đƣợc tốn mơ số, xác định đƣợc quy luật phân bố ứng suất, biến dạng lực ép phần mềm Abaqus, kết phù hợp với quy luật trình ép chảy đƣợc nghiên cứu từ sở lý thuyết - Từ kết nghiên cứu ảnh hƣởng nhiệt độ đến trình tạo hình chi tiết, xác định đƣợc nhiệt độ phù hợp trình ép chảy ngƣợc thép hợp kim thấp T = C Nhiệt độ đƣợc lựa chọn cho toán mô số để khảo sát ảnh hƣởng tỉ số d/D, H/D đến trình tạo hình chi tiết làm sở cho trình thực nghiệm - Xác định đƣợc miền làm việc phù hợp cho tỉ số d/D H/D, chiều cao sản phẩm sau ép chảy ngƣợc phụ thuộc vào mức độ biến mỏng thành sản phẩm ngƣợc lại, cụ thể: 17 + Khi ép mức độ có tỉ số d/D = 0,77; 0,81 H/D ≤ 3,6 trƣờng hợp có phân bố ứng suất, biến dạng, đồ thị lực ép phù hợp quy luật khơng có tƣợng tập trung ứng suất, giá trị mức độ biến dạng ổn định + Khi ép mức độ biến mỏng có tỉ số d/D = 0,85 bắt đầu xảy tƣợng phân bố lại vùng ứng suất, mức độ biến dạng mức cao 3,6 đồ thị lực ép không theo quy luật, gây tƣợng phá hủy phôi mức 8% trình khảo sát + Khi ép mức độ d/D = 0,89; 0,93 trƣờng hợp sinh tƣợng “tập trung ứng suất”, mức độ biến dạng tăng đột ngột gây phá hủy phôi trình ép chảy Điều cho thấy ép mức độ biến mỏng thành d/D = 0,89; 0,93 không hợp lý - Với trƣờng hợp mức độ biến mỏng thành (d/D) không đổi, lực ép tăng lên tăng chiều cao sản phẩm (H/D) Điều yếu tố ma sát, ép chi tiết có chiều cao lớn ma sát phơi dụng cụ ép lớn dẫn đến lực ép lớn - Khi ép chi tiết có mức độ biến mỏng thành (d/D) giảm dần (tức d/D tăng từ 0,77 ÷ 0,93) lực ép tăng, chiều dày thành mỏng dẫn đến đƣờng kính chày tăng, diện tích tiếp xúc chày phôi tăng nên lực ép tăng - Đã xây dựng đƣợc hàm toán học để biểu diễn mối quan hệ (d/D) (H/D) tới mức độ biến dạng tƣơng đƣơng lớn lực ép lớn Làm sở cho thực nghiệm ép chảy ngƣợc thép hợp kim trạng thái nóng CHƢƠNG 4: NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM ÉP CHẢY NGƢỢC THÉP HỢP KIM TRẠNG THÁI NÓNG, ỨNG DỤNG CHẾ TẠO VỎ ĐỘNG CƠ ĐẠN CHỐNG TĂNG 4.1 Nghiên cứu thực nghiệm công nghệ ép chảy ngƣợc 4.1.1 Vật liệu thí nghiệm * Yêu cầu vật liệu thí nghiệm: Vỏ động đạn chống tăng PG–29 đƣợc chế tạo thép tƣơng đƣơng với mác 30X3MΦ (theo CT 4543-71), yêu cầu hàm lƣợng P, S thấp, có thành phần hóa học bảng 4.1 tính bảng 4.2 (đã qua nhiệt luyện hóa tốt: tơi + ram cao) Bảng 4.1 Thành phần hóa học vật liệu 30X3MΦ Tên tiêu, % C Si Mn Cr Mo V P;S 0,27 ÷ 0,34 0,17 ÷ 0,37 0,30 ÷ 0,60 2,30 ÷ 2,70 0,20 ÷ 0,30 0,06 ÷ 0,12 ≤0,035 Bảng 4.2 Cơ tính vật liệu 30X3MΦ Giới hạn chảy σc, Giới hạn Độ dãn dài Độ thắt φ, Độ dai va Độ cứng MPa bền σb, MPa δ, % % đập, J/cm HB 850 1000 12 55 100 229 * Vật liệu thí nghiệm (phơi đầu vào): Vật liệu dùng thí nghiệm luận án thép hợp kim đúc đƣợc sản xuất nƣớc, qua xử lý để nâng cao chất lƣợng (đúc điện xỉ + rèn) đƣợc dùng cho chế tạo vỏ động đạn chống tăng qua nguyên công: ép chảy ngƣợc, dập vuốt biến mỏng thành, xử lý nhiệt, vuốt côn gia công Sau đúc tiến hành kiểm tra thành phần hóa học vật liệu có kết nhƣ bảng 4.3 Bảng 4.3 Thành phần hóa học thép sử dụng thực nghiệm Tên tiêu, % (khối lƣợng) C Si Mn Cr Ni Mo Al V P 0,3301 0,2756 0,3731 2,4897 0,0895 0,2466 - 0,0972 0,0145 S 0,0044 Phôi sau rèn đƣợc tiến hành thử tính tổ chức: Mẫu thử tính tổ chức phơi đƣợc cắt theo phƣơng vng góc với để kiểm tra, phƣơng thứ phƣơng dọc trục phôi, phƣơng thứ hai phƣơng vng góc với trục nhƣ hình 4.1 hình 4.2 sơ đồ vị trí cắt mẫu kiểm tra tổ chức tế vi Kết thử kéo nhƣ bảng 4.4, thử độ cứng độ dai đập nhƣ bảng 4.5 18 Hình 4.1 Hình ảnh phơi đầu vào Hình 4.2 Sơ đồ vị trí lấy mẫu chụp ảnh kim tương phơi đầu vào dùng để cắt mẫu thử tính vật liệu Bảng 4.4 Cơ tính vật liệu đề tài theo hai phương vng góc phơi đầu vào Tên mẫu Samples Kích thƣớc Kết kiểm tra/Testing results Đƣờng Chiều dài Lực chảy Ứng suất Lực bền Ứng suất Độ giãn Độ kính D0 ban đầu L0 Fe chảy Re Fm bền Rm dài A thắt S mm mm kN MPa kN MPa % % Mẫu 5A-1 10,0 50,0 27,5 351 44,8 570 26,0 55,1 (vng góc với trục) Mẫu 5A-2 10,0 50,0 26,6 338 45,5 579 22,0 53,8 (vuông góc với trục) Mẫu 5B-1 9,9 50,0 26,0 338 43,3 563 22,0 52,8 (dọc trục) Mẫu 5B-2 10,0 50,0 26,2 333 44,2 563 24,0 53,8 (dọc trục) Bảng 4.5 Cơ tính vật liệu đầu vào (độ cứng, dai va đập) đề tài theo hai hương vng góc Tên mẫu Độ cứng trung bình, HV10 Độ dai va đập, J/cm2 (Mẫu dọc trục) 151 (Mẫu hƣớng kính) 156 68,2; 66,3; 71,6 Kết kiểm tra cấu trúc vật liệu (tổ chức tế vi) theo hai phƣơng vng góc, cụ thể: hình 4.3 hình ảnh tổ chức tế vi phơi theo phƣơng dọc trục (mẫu 5.1B); Hình 4.4 hình ảnh tổ chức tế vi phơi theo phƣơng vng góc với trục (mẫu 5.1A) a) 100x b) 500x Hình 4.3 Hình ảnh tổ chức tế vi theo phương dọc trục (mẫu 5.1B) a) 100x b) 500x Hình 4.4 Hình ảnh tổ chức tế vi theo phương vng góc với trục (mẫu 5.1A) 19 4.1.2 Thiết bị phục vụ trình thí nghiệm - Thiết bị gia nhiệt tần số trung bình 2KHz (MAG-M-300KW) để gia nhiệt phơi thép trƣớc biến dạng tạo hình nóng - Thiết bị đo, kiểm tra nhiệt độ Sonel DIT-500 dải đo từ -50 ÷ hãng Sonel - Máy ép thuỷ lực loại trục đứng CTP250 lực ép danh nghĩa P = 250 hãng ZDAZ RD1- Tiệp Khắc cũ để ép chảy ngƣợc tạo hình chi tiết - Máy ép thủy lực loại trục ngang CTQ250 công suất 250 hãng ZDAZ- Tiệp Khắc để dập vuốt sản phẩm sau ép chảy ngƣợc Để tiến hành phân tích, đánh giá tính, cấu trúc vật liệu nhận đƣợc sau q trình ép chảy ngƣợc, sử dụng thiết bị tiên tiến, đƣợc kiểm định đạt tiêu chuẩn lĩnh vực nghiên cứu vật liệu số phòng, trung tâm thí nghiệm Việt Nam 4.1.3 Ép chảy ngƣợc thép hợp kim 30X3MΦ trạng thái nóng Từ yêu cầu vẽ chi tiết vỏ động đạn chống tăng nhƣ hình 4.5, sau tính tốn lƣợng dƣ gia cơng, sử dụng phần mềm thiết kế Inventor ta có kích thƣớc chi tiết sau ép chảy nhƣ hình 3.3b Sơ đồ bƣớc trình biến dạng tạo hình gia cơng chế tạo sản phẩm vỏ động đạn chống tăng nhƣ hình 4.6 Hình 4.5 Bản vẽ vỏ động đạn chống tăng Hình 4.6 Sơ đồ tiến trình cơng nghệ chế tạo vỏ động đạn chống tăng Phôi đầu vào: Với yêu cầu kích thƣớc chi tiết sau ép chảy nhƣ hình 3.3b sau cộng lƣợng dƣ cháy hao (1%), sử dụng phần mềm thiết kế Iventor ta có kích thƣớc phơi ban đầu nhƣ hình 3.3a Các bước trình ép chảy ngược thép hợp kim 30X3MΦ trạng thái nóng Bƣớc 1: Từ phơi đầu vào nhƣ hình 4.7, tiến hành gia nhiệt phơi T = (hình 4.8) thiết bị gia nhiệt tần số MAG – M - 300KW với thời gian gia nhiệt phút, cƣờng độ dòng điện nung I = 100 – 110 (A) Bƣớc 2: Tiến hành ép chảy ngƣợc phôi, với thời gian ép giây cho toàn hành trình ép (từ chày bắt đầu chạm vào phơi đến chày dừng), lực ép ổn định trì mức 220 (hình 4.9) 20 Bƣớc 3: Lấy phơi khỏi khn để nguội ngồi khơng khí nhƣ hình 4.10; hình 4.11 sản phẩm sau trình ép chảy ngƣợc Sản phẩm đƣợc dùng làm phơi cho q trình dập vuốt sơ đồ công nghệ chế tạo vỏ động đạn chống tăng Hình 4.7 Hình ảnh phơi đầu vào (Φ106x120mm) Hình 4.9 Quá trình ép chảy ngược Hình 4.8 Hình ảnh gia nhiệt Phơi trước ép chảy Hình 4.10 Hình ảnh phơi sau ép Hình 4.11 Sản phẩm sau ép chảy ngược (Φ117x275mm) 4.2 Đánh giá, thảo luận kết đạt đƣợc sau thí nghiệm 4.2.1 Kết thí nghiệm phơi sau ép chảy ngƣợc Sản phẩm sau ép chảy ngƣợc cắt mẫu để tiến hành thử tính chụp ảnh tổ chức tế vi: - Hình 4.12 vị trí cắt mẫu để thử tính sản phẩm sau ép chảy - Hình 4.13 sơ đồ vị trí lấy mẫu để chụp ảnh tổ chức tế vi Hình 4.12 Vị trí cắt mẫu thử Hình 4.13 Sơ đồ vị trí tính lấy mẫu chụp ảnh kim tương Tiến hành thử tính vật liệu chi tiết sau ép chảy ngƣợc, kết đƣợc cho bảng 4.6 Bảng 4.6 Cơ tính vật liệu phơi ép chảy ngược Tên mẫu Φ106x275 Giới hạn chảy σc, MPa 1049 Giới hạn bền σb, MPa 1205 Độ dãn Độ thắt Độ cứng trung Độ dai va dài δ, % φ, % bình, HV10 đập, J/cm2 14 381; 385 16,4 21 Phân tích cấu trúc vật liệu (chụp tổ chức tế vi) theo hai phƣơng vng góc nhau: + Hình 4.14, hình 4.15, hình 4.16 hình ảnh tổ chức tế vi mẫu phôi sau ép chảy ngƣợc theo phƣơng dọc trục (theo sơ đồ hình 4.13, vị trí 2.1A; 2.2A; 2.3A) + Hình 4.17, hình 4.18, hình 4.19 hình ảnh tổ chức tế vi mẫu phôi sau ép chảy ngƣợc theo phƣơng vng góc với trục (theo sơ đồ hình 4.13, vị trí 2.1B; 2.2B; 2.3B) a) 100x b) 500x Hình 4.14 Tổ chức tế vi theo phương dọc trục, vị trí 2.1A a) 100x b) 500x Hình 4.15 Tổ chức tế vi theo phương dọc trục, vị trí 2.2A a) 100x b) 500x Hình 4.16 Tổ chức tế vi theo phương dọc trục, vị trí 2.3A a) 100x b) 500x Hình 4.17 Tổ chức tế vi theo phương vng góc trục, vị trí 2.1B a) 100x b) 500x a) 100x b) 500x Hình 4.18 Tổ chức tế vi theo phương vng góc trục, Hình 4.19 Tổ chức tế vi theo phương vng góc trục, vị trí 2.2B vị trí 2.3B 4.2.2 Thảo luận kết đạt đƣợc phơi đầu vào Nhƣ với thành phần hóa học đạt đƣợc (bảng 4.3), vật liệu đề tài có thành phần hóa học tƣơng đƣơng với thành phần hóa học thép 30X3MΦ (theo CT 4543-71) Với tính đo đƣợc theo hai phƣơng vng góc nhƣ bảng 4.4 bảng 4.5, nhận thấy thép đúc qua xử lý rèn sơ bộ, nên tính chƣa cao điều hồn tồn phù hợp với đặc tính vật liệu thép đúc nói chung Hình 4.3 hình 4.4 ảnh chụp tổ chức tế vi phôi đầu vào: theo phƣơng dọc trục theo phƣơng vng góc với trục, qua ảnh với độ phóng đại khác nhau, ta nhận thấy vật liệu thép hợp kim đúc có tổ chức tế vi bao gồm pha, với hạt có hình dạng cầu, gần cầu, hạt đa cạnh, có kích thƣớc tƣơng đối nhỏ mịn, phân tán Hình thái xếp tổ chức vật liệu tƣơng đối đồng với nhau, hay tổ chức tế vi giống theo phƣơng vng góc vật thể 22 Chỉ tiêu tính vật liệu: thép hợp kim đúc có giới hạn chảy, giới hạn bền, độ cứng, nhƣ bảng 4.4 bảng 4.5 theo hai phƣơng vng góc có giá trị tƣơng tự nhau, kết hợp với phép phân tích tổ chức tế vi nhƣ cho thấy vật liệu đầu vào có tính đẳng hƣớng cao 4.2.3 Thảo luận kết đạt đƣợc phôi sau ép chảy a) Về tính vật liệu Từ kết kiểm tra độ bền, độ cứng phơi sau q trình ép chảy ngƣợc theo bảng 4.6 ta có: - Giới hạn chảy phôi sau ép chảy ngƣợc σc = 1049MPa, giới hạn cao khoảng 2,98 đến 3,15 lần so với giới hạn chảy phôi đầu vào - Giới hạn bền phôi sau ép chảy ngƣợc σb = 1205MPa, giới hạn cao khoảng 2,08 đến 2,14 lần so với giới hạn bền phôi đầu vào - Độ cứng phôi sau ép chảy ngƣợc theo bảng 4.6, trung bình từ 381 đến 385 HV, cao khoảng từ 2,44 đến 2,54 lần so với độ cứng phôi đầu vào (bảng 4.5) b) Về tổ chức tế vi vật liệu Trên hình 4.14, hình 4.15, hình 4.16 tổ chức tế vi phôi sau ép chảy ngƣợc theo hƣớng dọc trục vị trí khác nhau, nhận thấy: Tổ chức đƣợc xếp có tính định hƣớng, tức có tổ chức thớ, dải thể rõ dần từ vị trí đáy lên vị trí thành - Tại vị trí đáy phơi tổ chức xếp theo hƣớng thớ bắt đầu xuất theo phƣơng dọc trục nhiên vị trí chƣa rõ ràng hai mặt cắt vng góc (tức hình 4.14 hình 4.17) - Tại vị trí bên hơng (vùng chuyển tiếp) có khác biệt rõi ràng hai vị trí: vị trí dọc trục (hình 4.15) vị trí vng góc với trục (hình 4.18) Tổ chức thớ, dải hình 4.15 (tức vị trí 2.2A) dễ dàng quan sát theo phƣơng biến dạng Tại phƣơng hạt mactenxit austenite với hiệu ứng biến dạng bị bẹt, kéo dài tạo vân thớ dải, cịn mặt phẳng cắt vng góc hình 4.18, ta hầu nhƣ khơng quan sát thấy tổ chức - Tại vị trí thành, tổ chức thớ vật liệu thể rõ Theo phƣơng hƣớng cán hình 4.16 hạt bị biến dạng, kéo dài bẹt Cũng nhƣ vị trí xét trên, mặt phẳng vng góc với hƣớng cán hình 4.19 ta khơng quan sát thấy tổ chức dải, thớ vật liệu mà tổ chức là: mactenxit với hình dạng mầu tối, bao quanh hạt austenite dƣ màu sáng với hạt cacbit khác phân bố đều, mịn Hình 4.16a cho thấy biến dạng tinh thể chế trƣợt sinh (các vết trƣợt) nhƣ nghiên cứu phần lý thuyết biến dạng dẻo kim loại Nhƣ sau trình ép chảy, tổ chức nhận đƣợc hạt mactenxit ram hạt austenite dƣ bị biến dạng, hạt bị bẹt kéo dài theo phƣơng biến dạng, với thành phần cacbit nhỏ, mịn phân tán 4.3 Ứng dụng chi tiết sau ép chảy ngƣợc chế tạo vỏ động đạn chống tăng Sau ép chảy ngƣợc đƣợc chi tiết dạng ống đạt yêu cầu kỹ thuật, đƣa chế tạo vỏ động đạn chống tăng qua hai ngun cơng biến dạng tạo hình là: dập vuốt biến mỏng thành tóp miệng (vuốt cơn), gia cơng khí để hồn thiện sản phẩm 4.3.1 Ngun cơng dập vuốt: Q trình dập vuốt đƣợc tiến hành qua ba bƣớc máy dập vuốt ngang nhƣ hình 4.20, nhiệt độ dập vuốt T = C Kết thúc trình dập vuốt ba bƣớc, ta nhận đƣợc sản phẩm nhƣ hình 4.21 dƣới đây, có kích thƣớc Φ102x380mm Hình 4.20 Hình ảnh trình dập vuốt Hình 4.21 Sản phẩm sau dập vuốt 23 4.3.2 Nguyên cơng biến dạng – tóp miệng (vuốt cơn) sản phẩm Sản phẩm sau trình dập vuốt ba bƣớc trên, đƣợc nhiệt luyện hóa tốt (tơi + ram cao) đảm bảo tính cần thiết cho việc chế tạo vỏ động đạn chống tăng, đƣợc gia công khí bƣớc (gia cơng thơ) nhƣ hình 4.22 để phục vụ q trình biến dạng - tóp miệng Tiến hành biến dạng - tóp miệng chi tiết, ta nhận đƣợc chi tiết sau trình Hình 4.22 Hình ảnh phơi sau gia cơng Hình 4.23 Hình ảnh phơi sau nhƣ hình 4.23 để phục vụ biến dạng - tóp miệng biến dạng- tóp miệng 4.3.3 Gia cơng cơ, hoàn thiện sản phẩm Chi tiết ống sau biến dạng - tóp miệng, đƣợc tiến hành gia cơng để hồn thiện sản phẩm nhƣ hình 4.24 Hình 4.24 Hình ảnh sản phẩm Hình 4.25 Hình ảnh vỏ động sau gia cơng hồn thiện đạn chống tăng sau thử đốt Sau kiểm tra cấu trúc tế vi, vỏ động đƣợc đƣa thử áp suất để kiểm tra độ bền vỏ thân (thử tĩnh), áp suất thử 65MPa đạt yêu cầu đƣợc đƣa sơn Tiếp sau sản phẩm đƣợc kiểm tra thử đốt động để kiểm tra độ bền vỏ thân Quá trình tiến hành thử đốt nhƣ hình 4.25, kết đạt yêu cầu, vỏ động đạn chống tăng không bị giãn, nứt, đƣờng cong áp suất tƣơng đƣơng với đạn Nga sản xuất KẾT LUẬN CHƢƠNG Kết nghiên cứu thực nghiệm trình ép chảy ngƣợc thép hợp kim trạng thái nóng ta rút số kết luận sau: - Phôi thép hợp kim đúc (điện xỉ + rèn) đƣợc chế tạo nƣớc làm phôi đầu vào cho trình ép chảy ngƣợc tƣơng đƣơng với thép 30X3MΦ (theo CT 4543-71), có tính đẳng hƣớng cao, đảm bảo yêu cầu kỹ thuật - Chi tiết ống sau ép chảy ngƣợc có tính tổ chức đảm bảo yêu cầu kỹ thuật chế tạo vỏ động đạn chống tăng: + Cơ tính vật liệu tăng lên nhiều sau trình ép chảy: Giới hạn chảy = 1049MPa cao 2,98 ÷ 3,15 lần; giới hạn bền =1205MPa cao 2,08 ÷ 2,14; độ cứng trung bình từ 381 ÷ 385 HV cao gấp 2,44 ÷ 2,54 lần so với phơi đầu vào Điều chứng tỏ xảy tƣợng hóa bền vật liệu ép chảy ngƣợc thép hợp kim trạng thái nóng + Tổ chức tế vi thép nhận đƣợc sau ép chảy ngƣợc có chuyển biến tổ chức từ peclit + ferit sang tổ chức mactenxit ram + austennite dƣ, hạt nhỏ mịn theo hai hƣớng dọc trục hƣớng vng góc với trục, đảm bảo làm phôi đầu vào cho chế tạo vỏ động đạn chống tăng