Phương pháp mới xác định các tham số vật liệu để dự đoán hiện tượng đàn hồi sau biến dạng tạo hình khi uốn chi tiết hình chữ V làm từ thép tấm SS400 ở nhiệt độ cao

Bài viết trình bày một phương pháp mới để xác định các tham số vật liệu sử dụng trong dự đoán hiện tượng đàn hồi sau biến dạng tạo hình khi uốn chi tiết hình chữ V làm từ thép tấm SS400 ở nhiệt độ cao.

PH NG PHÁP M I XÁC NH CÁC THAM S VẬT LI U D OÁN HI N T NG ÀN H I SAU BI N DẠNG TẠO HÌNH KHI U N CHI TI T HÌNH CH V LÀM T THÉP TẤM SS400 NHI T CAO Vương Gia Hải Khoa Điện - Cơ Email: haivg@dhhp.edu.vn Nguyễn Mạnh Hùng Khoa Công nghệ thông tin Email: hungvm@dhhp.edu.vn Ngày nhận bài: 26/8/2022 Ngày PB đánh giá: 06/9/2022 Ngày duyệt đăng: 15/9/2022 TÓM TẮT: Trong báo trình bày phương pháp để xác định tham số vật liệu sử dụng dự đoán tượng đàn hồi sau biến dạng tạo hình uốn chi tiết hình chữ V làm từ thép SS400 nhiệt độ cao Các thực nghiệm thử kéo nhiệt độ phòng nhiệt độ cao tiến hành máy kéo/nén đơn trục Các liệu thu từ thí nghiệm kéo/nén dùng để xác định tham số mơ hình hóa bền kết hợp đẳng hướng/động sử dụng cho q trình mơ phần mềm ABAQUS Việc so sánh kết mô thực nghiệm cho thấy phù hợp mơ hình đề xuất nhiệt độ cao theo phương pháp dựa vào quan hệ giới hạn chảy hàm ứng suất nhiệt độ phòng nhiệt độ cao Kết sau mô so sánh với thực nghiệm uốn chi tiết hình chữ V nhiệt độ cao cho thấy hiệu mơ hình đề xuất Từ khóa: kéo/nén, tạo hình nhiệt độ cao, SS400, FEM, uốn V A NEW METHOD FOR DETERMINATION OF MATERIAL PARAMETERS TO PREDICT THE SPRING-BACK AFTER FORMING DEFORMATION WHEN V-BENDING DETAIL FOR SS400 STEEL PLATE AT HIGH TEMPERATURE ABSTRACT: In this paper, a new method is presented to determine the material parameters used in predicting the spring-back after forming deformation when V-bending details are made of SS400 steel plate at high temperatures High-temperature and roomtemperature tensile tests were carried out on a tension/compression machine The data obtained from the tensile/compression tests are used to determine the parameters of the isotropic/combined hardening models used for the simulation by ABAQUS software The TẠP CH KHOA H C, S 54, tháng - 2022 39 comparison of simulation and experimental results shows that the suitability of the proposed new model at high temperatures according to the method is based on the relationship between yield strength and stress function at room temperature and high temperature The simulation results are compared with the experiment when bending the V-shaped part at high temperatures, showing the efficiency of the proposed new model Keywords: Tension/compression, high temperature forming, SS400, FEM, V-bending ĐẶT VẤN ĐỀ Thép sử dụng rộng rãi nhiều lĩnh vực như: Hàng khơng, vũ trụ, tơ, đóng tầu, Có nhiều công nghệ gia công khác ứng dụng gia công như: Cắt gọt, hàn, lốc, uốn, sấn, [1], [2].Trong sản phẩm làm từ thép chi tiết có biên dạng cong gia công công nghệ uốn chiếm tỷ trọng lớn Trong trình tạo hình kim loại công nghệ uốn tượng đàn hồi sau biến dạng tạo hình yếu tố có ảnh hưởng lớn đến độ xác sản phẩm Hiện tượng đàn hồi sau biến dạng tạo hình chi tiết gia công phương pháp uốn thường chịu ảnh hưởng lớn từ thông số công nghệ như: Bán kính chày uốn, vật liệu, chiều dày chi tiết, vận tốc chày uốn, nhiệt độ gia nhiệt uốn,… Trong thông số công nghệ ảnh hưởng đến tượng đàn hồi sau biến dạng tạo hình nhiệt độ nung phơi thơng số có ảnh hưởng lớn, có nhiều nghiên cứu [3]–[7] nhiệt độ cao giá trị đàn hồi sau biến dạng tạo hình giảm Các nghiên cứu sử dụng phương pháp mô thực nghiệm để đánh giá ảnh hưởng nhiệt độ đến tượng đàn hồi sau biến dạng tạo hình Trong nghiên cứu này, để dự đốn xác tượng đàn hồi sau biến dạng tạo hình uốn chi tiết hình chữ V làm từ thép SS400 nhiệt độ cao 40 TR NG ẠI H C HẢI PH NG Trước tiên mẫu thử kéo cắt từ kim loại song song với hướng cán tiến hành thực nghiệm kéo đơn trục nhiệt độ phịng, 3000C 6000C Mơ hình Voce’s [8] sử dụng để mô tả đường cong ứng suất điều kiện nhiệt đẳng hướng từ liệu thử nghiệm Các tham số mô hình hóa bền xác định nhờ cụ Solver phần mềm Excel 2013 phương pháp tương thích bình phương bé dựa liệu thực nghiệm Phần mềm phân tích phần tử hữu hạn ABAQUS sử dụng để mơ q trình uốn chi tiết hình chữ V điều kiền nhiệt độ cao Mơ hình vật liệu sử dụng cho q trình mơ mơ hình kết hợp đẳng hướng/động, mơ hình nhiều nhà khoa học sử dụng phân tích q trình biến dạng điều kiện nhiệt đẳng hướng [9]–[11] cho thấy ưu việt mơ hình Trong nghiên cứu đề xuất hai phương pháp để xác định tham số hóa bền nhiệt độ cao (3000C 6000C) uốn thép SS400, phương pháp thứ dựa vào quan hệ giới hạn chảy vật liệu nhiệt độ cao nhiệt độ phòng phương pháp thứ hai hàm quan hệ ứng suất nhiệt độ cao nhiệt độ phịng Sau mơ so với liệu thực nghiệm cho thấy hai phương án đề xuất cho kết gần với thực nghiệm phương án thứ hai cho kết xác 2 TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU, CƠ SỞ LÝ LUẬN Cơng nghệ gia cơng có gia nhiệt có số nghiên cứu nước thực cho kết khả quan trình bày mục Tuy nhiên nghiên cứu chưa có nghiên cứu tập trung vào thép SS400, mác thép sử dụng phổ biến gia công kết cấu thép đóng tàu khu vực Hải Phịng nói riêng Việt Nam nói chung Mặt khác, đa phần nghiên cứu sử dụng mô hình vật liệu xây dựng từ trước phù hợp với mức độ định tùy loại vật liệu mà chưa hẳn phù hợp hoàn toàn Trong nghiên cứu tiến hành thực nghiệm ba mức nhiệt độ: nhiệt độ phòng, 3000C 6000C 300 C ngưỡng biến dạng nguội, 300 0C biến dạng nguội Cịn 6000C biến dạng nửa nóng Do ngưỡng nhiệt độ 3000C 6000C có chuyển biến giá trị mô đun đàn hồi E, thông thường nhiệt độ phịng mơ đun đàn hồi E tuyến tính, 300 0C trở lên, đặc biệt tầm 600 0C E lại phi tuyến Chính mức nhiệt ngưỡng thay đổi E nên xảy trình biến dạng khác nhau, biến dạng nguội thường 300 C, biến dạng nửa nóng từ 300 C đến 6000 C Hệ số E chịu ảnh hưởng lớn nhiệt độ, nhiệt độ cao E giảm kim loại nóng chảy hệ số E = Ngoài ra, nhiệt độ thay đổi cao (vượt mức 727 0C với thép cacbon) xảy tượng thay đổi cấu trúc vật liệu, mà giới hạn nghiên cứu nghiên cứu tác động nhiệt độ đến tính cơng nghệ thép gia công uốn mà không làm thay đổi cấu trúc vật liệu gia công Khi sử dụng liệu thu từ thực nghiệm thử kéo thơng qua mơ hình vật liệu truyền thống xác định tham số q trình mơ uốn cho kết chưa phù hợp với giá trị thực tế thực nghiệm Do nghiên cứu đề xuất phương pháp xác định thông số cho q trình mơ uốn chi tiết hình chữ V nhiệt độ cao Phương pháp nghiên cứu nhóm thực báo nghiên cứu lý thuyết kết hợp với làm thực nghiệm Nhóm nghiên cứu số cơng trình cơng bố mơ hình vật liệu có, sau vào tính thép SS400 xây dựng sơ đồ hệ thống gia nhiệt chế tạo hệ thống Tiến hành thực nghiệm uốn có gia nhiệt với hệ thống chế tạo Từ kết thực nghiệm so sánh với mơ hình có mơ hình đề xuất cho thấy mơ hình vật liệu đề xuất phù hợp với vật liệu SS400 VẬT LIỆU VÀ MƠ HÌNH HĨA BỀN 3.1 Vật liệu Thí nghiệm xác định hệ số mơ hình vật liệu Voce’s [8] để làm đầu vào cho thí nghiệm mơ xác định lực uốn tạo hình Vật liệu sử dụng cho nghiên cứu thép SS400, theo tiêu chuẩn JISG 3101[12] có thành phần hóa học Bảng Bảng Thành phần hóa học thép SS400 C Si Mn 0,190,21 0,050,17 0,40,6 P S Cr 0,04 0,05 ≤0,3 Trong nghiên cứu này, tính vật liệu xác định điều kiện nhiệt độ khác là: nhiệt độ phòng (320C), 3000C 6000C Các mẫu thử kéo gia công cắt dây theo hướng TẠP CH KHOA H C, S 54, tháng - 2022 41 cán thép dầy mm Sau cắt dây mẫu thử kéo xử lý qua giấy giáp Kích thước mẫu thử kéo theo tiêu chuẩn nhà nước TCVN 197-85(197- 2000), mẫu có kích thước hình dạng Hình (a), (b) (c) tương ứng mẫu thử kéo gia công cắt dây CNC sau xử lý bề mặt giấy giáp (a) (b) (c) Hình Mẫu thử kéo thiết kế (a), gia công máy cắt dây CNC (b) sau xử lý bề mặt (c) Thử nghiệm kéo cho mẫu thực điều kiện nhiệt độ khác máy kéo nén Hung Ta H-200A Q trình thử kéo có gia nhiệt gá đặt gia nhiệt thiết bị thể Hình Kết thực nghiệm thử kéo điều kiện nhiệt độ khác thể Hình Hình Biểu đồ so sánh mơ hình Voce liệu thực nghiệm ứng suất biến dạng nhiệt độ phòng nhiệt độ cao 3.2 Nhận dạng tham số mơ hình vật liệu Hình Hệ thống thử kéo có gia nhiệt 42 TR NG ẠI H C HẢI PH NG Để nhận dạng thơng số mơ hình vật liệu tương thích phù hợp với liệu sau thử kéo theo qui luật hóa bền Voce’s [8], đường cong ứng suất - biến dạng công thức (1) sử dụng để xác định tham số cho mơ hình hóa bền kết hợp Phần mềm Excel 2013 với cơng cụ SOLVER dựa phương pháp tổng bình phương sai lệch nhỏ dễ dàng tìm hệ số phương trình (1) trình bày Bảng Các hệ số thu sử dụng để khai báo mơ hình vật liệu đầu vào thực mô số phần mềm Abaqus ̄= + + (1) − (4) Trong , giới hạn chảy vật liệu nhiệt độ phòng (320 C), 3000C 6000C tương ứng là: 348 MPa, 199,3 MPa 72,43 MPa giá trị ứng suất ngược thu Và thực nghiệm thử kéo nhiệt độ 3000 C 6000C, ̅ = + (2) (3) Trong đó: y giới hạn chảy, A1, B1, C1 1 tham số hóa bền vật liệu, ̄ ứng suất tương đương, biến dạng tương đương Tham số C1 1 xác định từ giá trị ứng xuất ngược i theo công thức (3) Tham số A1 B1 xác định theo công thức (2) Các tham số khác sử dụng cho mô dự đốn tượng đàn hồi sau biến dạng tạo hình uốn chi tiết hình chữ V điều kiện khác thể Bảng Để xác định hàm ứng suất ngược  nhiệt độ cao, nghiên cứu đề xuất hai phương án Phương án thứ xác định theo quan hệ giới hạn chảy nhiệt độ cao nhiệt độ phòng theo công thức (4) Từ liệu xác định giá trị ứng suất ngược () phụ thuộc vào () theo phương trình (3), dựa mối quan hệ ứng suất ngược (back-stress) () biến dạng ta xác định thơng số biến cứng C1 γ1 mơ hình kết hợp theo phương trình (2) phần mềm tính tốn Excel 2013 theo phương pháp tổng bình phương nhỏ trình bày Bảng thể hình hình Những liệu sử dụng để xác định tham số hóa bền A1 B1 mơ hình kết hợp dựa theo phương trình (2) phần mềm tính tốn Excel 2013 theo phương pháp tổng bình phương nhỏ trình bày Bảng Bảng Các hệ số hóa bền mơ hình đẳng hướng động học ba điều kiện nhiệt độ khác cho phương án quan hệ giới hạn chảy nhiệt độ cao nhiệt độ phòng Nhiệt độ (0C) y (MPa) A1 (MPa) B1 C1(Mpa) 300 199,3 73,4856 3,45 339,839 3,45 600 72,43 29.2121 6,0145 46,178 6,014 TẠP CH KHOA H C, S 54, tháng - 2022 43 Hình Xác định tham số biến cứng mơ hình kết hợp dựa liệu thử nghiệm 3000C cho phương án quan hệ giới hạn chảy THỰC NGHIỆM VÀ MÔ PHỎNG UỐN CHI TIẾT HÌNH CHỮ V Ở NHIỆT ĐỘ CAO 4.1 Thực nghiệm Hệ thống thiết bị thực nghiệm uốn chi tiết hình chữ V làm từ thép SS400 thiết kế lắp đặt hình Khi tiến hành thử nghiệm uốn có gia nhiệt, phơi uốn nung nóng đến nhiệt độ cần uốn (3000 6000) nhờ thiết bị nung Hình Xác định tham số biến cứng mơ hình kết hợp dựa liệu thử nghiệm 6000C cho phương án quan hệ giới hạn chảy cảm ứng từ Để tránh tượng nhiệt mơi trường xung quanh q trình uốn, tồn chày, cối phơi uốn đặt hộp bảo ôn bao quanh lớp thủy tinh cách nhiệt Hệ thống làm việc xác nhiệt độ cần nung nhờ điều khiển nhiệt độ lắp hệ thống, điều khiển nhiệt độ giúp trì nhiệt độ ổn định cần thiết phơi suốt trình uốn Hình Lắp đặt hệ thống thực nghiệm uốn chi tiết hình chữ V có gia nhiệt cảm ứng điện từ 44 TR NG ẠI H C HẢI PH NG Kết thực nghiệm trình uốn chi tiết hình chữ V 3000C thể (a) H = 10mm hình Bảng Còn 6000C thể hình Bảng (b) H = 16mm (c) H = 22mm Hình Hình ảnh sản phẩm uốn hình chữ V 3000C Bảng Góc biến dạng đàn hồi Lượng dịch chuyển chày H (mm) Góc uốn (0) 10 sp sau trình uốn chi tiết hình chữ V 3000C Góc uốn chi tiết sau biến dạng đàn hồi (0) Mẫu Góc biến dạng đàn hồi sp (0) Mẫu Trung bình 136 139,1 140,15 138,9 139.38 3,1 4,15 2.9 3,38 16 112 116.2 115.5 115.2 115.63 4,2 3,5 3,2 3,63 22 88 93,5 93,0 93,0 93.167 5,3 5,0 5,0 5,167 (a) H = 10mm (b) H = 16mm Trung bình (c) H = 22mm Hình Hình ảnh sản phẩm uốn hình chữ V 6000C TẠP CH KHOA H C, S 54, tháng - 2022 45 Bảng Góc biến dạng đàn hồi sp sau trình uốn chi tiết hình chữ V 6000C Lượng dịch Góc uốn chuyển trước springback (0) chày H (mm) Góc uốn chi tiết sau springback (0) Mẫu Trung bình Góc springback Mẫu sp (0) Trung bình 10 136 137 137.45 137.2 137.22 1,0 1,45 1,2 1,22 16 112 113.15 114 113.5 113.55 1,15 2,0 1,5 1,55 22 88 90.5 90 90 90.167 2,05 2,0 2,0 2,167 4.2 Phân tích phần tử hữu hạn uốn chi tiết hình chữ V uốn nhiệt độ cao Để dự đoán tượng đàn hồi sau biến dạng tạo hình uốn thép SS400 sử dụng mơ hình hóa bền kết hợp đẳng hướng/động học Các tham số đầu vào sử dụng cho mô bảng bảng Nghiên cứu sử dụng phần mềm ABAQUS để mơ q trình uốn, kích thước phơi sử dụng cho thực nghiệm uốn 5x35x110 mm (dầy x rộng x dài) Mơ hình mơ hình Hình Mơ hình mô uốn V Kết mô uốn chi tiết hình chữ V nhiệt độ phịng trình bày hình Bảng Material attribute parameters for numerical simulation Temperature Parameters (0C) Levels 46 32 300 600 TR NG ẠI H C HẢI PH NG Bending Thickness Young’s Poisson’s speed sheet Modulus ratio (mm/s) (mm) (MPa) 0.3 213000 0.3 184410 0.3 107640 Yield stress (MPa) 348 199.3 72.43 (a) 3000C (b) 3000C (c) 3000C 6000C 6000C 6000C Hình 10 Kết mơ uốn chi tiết hình chữ V nhiệt độ 3000C 6000C với chiều sâu uốn (a) H = 10mm; (b) H = 16mm (c) H = 22mm So sánh kết thực nghiệm mơ 300 C trình bày bảng 6000C trình bày Bảng Sai lệch góc đàn hồi () mơ thực nghiệm tính tốn theo phương trình (5)  = (5) Từ biểu đồ Hình Hình cho ta thấy, thực nghiệm mơ góc uốn cao giá trị biến dạng đàn hồi giảm Và sai lệch thực nghiệm mô lớn 1,630 3000C 1.20 6000C TẠP CH KHOA H C, S 54, tháng - 2022 47 Bảng So sánh góc spring-back thực nghiệm mơ 3000C Góc uốn ( ) thép SS400 3000C Góc sau biến dạng đàn hồi (0) Thực nghiệm Mô tn mp Góc biến dạng đàn hồi thực nghiệm SPTN Góc biến dạng đàn hồi mơ Sai lệch (0) SPmp 880 93,167 93,86 5,167 5,86 0,693 1120 115,63 115,24 3,633 3,24 -0,393 1360 139,38 138.22 3,383 2,22 - 1,63 Hình Biểu đồ so sánh góc biến dạng đàn hồi thực nghiệm mơ 3000C Hình 12 Biểu đồ so sánh góc biến dạng đàn hồi thực nghiệm mô 6000C Bảng So sánh góc spring-back thực nghiệm mơ 6000C Góc sau biến dạng đàn hồi (0) Góc uốn ( ) thép SS400 6000C Thực nghiệm Mơ tn mp Góc biến dạng đàn hồi thực nghiệm SPTN Góc biến dạng đàn hồi mơ SPmp Sai lệch (0) 880 90,167 91,37 2,167 3,37 1,203 1120 113,55 113,15 1,55 1,15 -0,4 1360 137,22 136,30 1,217 0,3 -0,917 Từ kết so sánh góc biến dạng đàn hồi thực nghiệm mô nhiệt độ cao (3000C 6000C) trình bày trên, ta thấy sai lệch thực nghiệm mô lớn uốn 3000C 6000C 1,630 1,20 Sai lệch là tương đối nhỏ điều chứng tỏ mơ hình đề xuất tối ưu 48 TR NG ẠI H C HẢI PH NG KẾT LUẬN Trong nghiên cứu tiến hành xây dựng hệ thống thực nghiệm thử kéo thử uốn có gia nhiệt Kết thực nghiệm thử kéo có gia nhiệt ba điều kiện nhiệt độ: nhiệt độ phòng (320C), 3000C 6000C nhiệt độ cao tính vật liệu giảm xuống khả gia cơng tạo hình dễ dàng Nghiên cứu đưa phương pháp xác định tham số hóa bền mơ hình kết hợp đẳng hướng/động tỷ lệ giới hạn chảy vật liệu nhiệt độ cao với nhiệt độ phòng Kết phân tích phần tử hữu hạn phần mềm ABAQUS phương án đề xuất so sánh với kết uốn thực nghiệm cho thấy mơ hình đề xuất cho độ xác cao phù hợp Với kết nghiên cứu cho thấy phương án đề xuất đem lại hiệu cao việc dự đoán tượng đàn hồi sau biến dạng tạo hình với thép SS400 nhiệt độ cao, ta sử dụng phương pháp cho việc mô dự đoán tượng đàn hồi lại cho dạng chi tiết khác làm từ thép SS400 TÀI LIỆU THAM KHẢO S J H Z Marciniak, J.L Ducan (2002), Mechanics of Sheet Metal Forming N M Đằng, ‘Công nghệ tạo hình kim loại tấm’ NXB Khoa học Kỹ thuật Hà Nội, 2006 F STACHOWICZ, T TRZEPIECIŃSKI, and T PIEJA (2010), ‘Warm forming of stainless steel sheet’, Archives of Civil and Mechanical Engineering, vol 10, no 4, pp 85-94 D T Nguyen, J G Park, and Y S Kim (2016), ‘A Study on Yield Function for Ti-6Al4V Titanium Alloy Sheets at Elevated Temperatures’, Transactions of the Indian Institute of Metals, vol 69, no 7, pp 1343-1350 C Bruni, A Forcellese, F Gabrielli, and M Simoncini (2006), ‘Air bending of AZ31 magnesium alloy in warm and hot forming conditions’, Journal of Materials Processing Technology, vol 177, no 1-3, pp 373-376 A Wang et al (2017), ‘Springback analysis of AA5754 after hot stamping: experiments and FE modelling’, International Journal of Advanced Manufacturing Technology, vol 89, no 5-8, pp 1339-1352 N Duc-Toan, Y Seung-Han, J DongWon, B Tien-Long, and K Young-Suk (2012), ‘A study on material modeling to predict spring-back in V-bending of AZ31 magnesium alloy sheet at various temperatures’, International Journal of Advanced Manufacturing Technology, vol 62, no 5-8, pp 551-562 E Voce (1948), ‘The relationship between stress and strain for homogeneous deformation’, J Inst Met C O Armstrong, P J and Frederick (1966), ‘A Mathematical Representation of the Multiaxial Bauschinger Effect’, G E G B Report, vol RD/B/N 731 10 D T Nguyen (2014), ‘A new constitutive model for AZ31B magnesium alloy sheet deformed at elevated temperatures and various strain rates’, High Temperature Materials and Processes, vol 33, no 6, pp 499-508 11 V Gia Hai, N Thi Hong Minh, and D T Nguyen (2020), ‘A study on experiment and simulation to predict the spring-back of SS400 steel sheet in large radius of V-bending process’, Materials Research Express, vol 7, no 1, p 016562 12 G Jis and G Jis, ‘JIS G3101 SS400 steel plate / sheet for g eneral purpose structural steels’, p 86011881 TẠP CH KHOA H C, S 54, tháng - 2022 49 ... hình v? ??t liệu đề xuất phù hợp v? ??i v? ??t liệu SS400 V? ??T LIỆU V? ? MƠ HÌNH HĨA BỀN 3.1 V? ??t liệu Thí nghiệm xác định hệ số mơ hình v? ??t liệu Voce’s [8] để làm đầu v? ?o cho thí nghiệm mơ xác định lực uốn. .. phương pháp mô thực nghiệm để đánh giá ảnh hưởng nhiệt độ đến tượng đàn hồi sau biến dạng tạo hình Trong nghiên cứu này, để dự đốn xác tượng đàn hồi sau biến dạng tạo hình uốn chi tiết hình chữ. .. tử hữu hạn uốn chi tiết hình chữ V uốn nhiệt độ cao Để dự đoán tượng đàn hồi sau biến dạng tạo hình uốn thép SS400 sử dụng mơ hình hóa bền kết hợp đẳng hướng/động học Các tham số đầu v? ?o sử dụng