Nghiên cứu đặc tính ma sát của khuôn đùn ép nhôm định hình

ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI TRƯỜNG CƠ KHÍ LUẬN VĂN THẠC SĨ Nghiên cứu đặc tính ma sát khn đùn ép nhơm định hình VŨ NGỌC PHÚC phuc.vn202669m@sis.hust.edu.vn Ngành Kỹ thuật khí – Chế tạo máy Giảng viên hướng dẫn: TS Nguyễn Thị Ngọc Huyền Nơi công tác: Nhóm chun mơn Máy ma sát Khoa Cơ khí Chế tạo máy Trường Cơ Khí, Đại học Bách khoa Hà Nội HÀ NỘI, 10/2022 Chữ ký GVHD CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự – Hạnh phúc BẢN XÁC NHẬN CHỈNH SỬA LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên tác giả luận văn : Vũ Ngọc Phúc Đề tài luận văn: Nghiên cứu đặc tính ma sát khn đùn ép nhơm định hình Chun ngành: Kĩ thuật khí – Chế tạo máy Mã số HV: 20202669M Tác giả, Người hướng dẫn khoa học Hội đồng chấm luận văn xác nhận tác giả sửa chữa, bổ sung luận văn theo biên họp Hội đồng ngày 22/10/2022 với nội dung sau: Bổ sung phần mở đầu Bổ sung ký hiệu viết tắt, sửa lỗi soạn thảo, hình vẽ chưa rõ thích tiếng nước ngồi; Trình bày luận văn theo quy định - Bổ sung trích dẫn tài liệu tham khảo theo quy định - Sửa lại tên chương cho phù hợp - Chỉnh sửa theo ý kiến đóng góp Hội đồng - Bổ sung luận giải mô phỏng, đơn vị biểu đồ,đánh giá kết mô - Chỉnh sửa, viết lại kết luận chương cô đọng, mạch lạc Ngày tháng năm Giáo viên hướng dẫn Tác giả luận văn - TS Nguyễn Thị Ngọc Huyền CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG PGS TS Phạm Văn Hùng Vũ Ngọc Phúc ĐỀ TÀI LUẬN VĂN Giảng viên hướng dẫn: TS Nguyễn Thị Ngọc Huyền Nhóm chun mơn: Máy Ma sát học, Trường Cơ khí, Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội Nội dung Chuyên ngành: Kỹ thuật khí - Chế tạo máy Đề tài luận văn: Nghiên cứu đặc tính ma sát khn đùn ép nhơm định hình Giáo viên hướng dẫn Ký ghi rõ họ tên TS Nguyễn Thị Ngọc Huyền Lời cảm ơn Em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới TS Nguyễn Thị Ngọc Huyền, giảng viên nhóm chun mơn Máy & ma sát, trường Cơ Khí, Trường đại học Bách khoa Hà Nội tận tình bảo, hướng dẫn tận tình để em hồn thành tốt luận văn Em xin gửi lời cảm ơn tới tất thầy, thuộc trường Cơ khí, Trường đại học Bách khoa Hà Nội năm học tập trường giúp chúng em có sở lý thuyết vững vàng để hoàn thành luận văn chuẩn bị hành trang cho công việc tương lai Cuối em xin gửi lời cảm ơn tới công ty cổ phần Nhôm Đô Thành hỗ trợ tạo điều kiện giúp em hoàn thành phần thực nghiệm luận văn Tóm tắt nội dung luận văn Luận văn nghiên cứu đặc tính ma sát khn đùn ép nhơm định hình cách thay đổi yếu tố ảnh hưởng đến đặc tính ma sát q trình đùn ép khn đùn ép billet nhơm Sau so sánh, đánh giá đưa thông số vận hành phù hợp cho loại khuôn cụ thể Trong luận văn, tác giả sử dụng mơ hình ma sát cho q trình đùn ép trực tiếp với thông số đầu vào thông số vận hành máy đùn ép 800T Phạm vi nghiên cứu Để đưa kết xác tối ưu q trình nghiên cứu, tơi sử dụng mô FEM để mô trình đùn ép nhơm định hình Cụ thể mơ hình hóa khn đùn ép phần mềm Solidworks mơ q trình đùn ép phần mềm mơ ABAQUS Trong q trình mơ phỏng, tơi thay đổi yếu tố vận tốc đùn ép nhiệt độ khuôn đùn ép Kết nhận cho thấy thay đổi yếu tố trên, đặc tính ma sát thay đổi chất lượng sản phẩm hình dáng hình học sản phẩm thay đổi theo Từ đó, xác định thơng số kĩ thuật cho khuôn đùn ép hộp nhôm định sau: Vận tốc đùn ép v =3mm/s, nhiệt độ khuôn T1=5000C Luận văn đưa yếu tố ảnh hưởng đến trình đùn ép xác định thông số phù hợp cho loại khn thực nghiệm để từ áp dụng phương pháp vào khuôn sản phẩm nhôm định hình tương tự Điều góp phần nâng cao chất lượng sản phẩm suất cho ngành nhôm định hình Việt Nam MỤC LỤC CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ HỢP KIM NHÔM VÀ CÔNG NGHỆ ĐÙN ÉP NHƠM ĐỊNH HÌNH……………………………………… 1.1 Các phân khúc thị trường nhơm định hình 1.1.1 1.1.2 1.1.3 Nhôm phổ thông Nhôm hệ phổ thông Nhôm hệ cao cấp 1.2 Nghiên cứu tình hình thị trường nhơm định hình giới nước 1.3 Tổng quan nhôm hợp kim nhôm 1.3.1 1.3.2 1.3.3 1.3.4 1.3.5 1.3.6 1.4 Các nguyên tắc công nghệ đùn nhôm 11 1.4.1 1.4.2 1.4.1 1.5 Tổng quan nhôm: Thành phần hợp kim nhôm Hợp kim nhôm rèn (Wrought aluminum alloy) Hợp kim nhôm đúc (Cast aluminum alloy) Hệ thống ký hiệu hợp kim nhôm So sánh loại hợp kim nhôm AL6005, AL6061, AL6063 10 Định nghĩa đùn 11 Phân loại quy trình đùn 12 Thiết bị đùn ép nhôm 14 Kết luận chương 16 CHƯƠNG CỞ SỞ THIẾT KẾ KHUÔN ĐÙN ÉP NHÔM VÀ CỞ SỞ LÝ THUYẾT VỀ MA SÁT TRONG KHUÔN ĐÙN ÉP NHÔM ĐỊNH HÌNH 17 2.1 Cơ sở khn đùn áp lực 17 2.1.1 2.1.2 Giới thiệu 17 Nguyên tắc đùn áp lực 17 2.2 Cơ sở lý thuyết công nghệ ép đùn nhơm định hình 18 2.3 Cơng nghệ đùn ép nhôm 20 2.4 Cơ sở lý thuyết thiết kế khuôn 22 2.4.1 2.4.2 2.4.3 2.5 Cơ sở lý thuyết ma sát mịn cơng nghệ đùn nhôm 37 2.5.1 2.5.2 2.5.3 2.5.4 2.5.5 2.6 Nghiên cứu phân tích hình dáng tính sản phẩm 22 Vật liệu làm khuôn 23 Phân loại khuôn đùn ép 34 Giới thiệu chung 37 Tính tốn hệ số ma sát 38 Biến dạng dẻo dòng chảy kim loại 41 Biến dạng dẻo giới hạn biến dạng dẻo 44 Ma sát q trình đùn ép nhơm 46 Các dạng hỏng khuôn đùn ép nhơm định hình 49 2.6.1 2.6.2 2.6.3 2.6.4 Bong tróc bề mặt khn 49 Vỡ khuôn 50 Biến dạng khuôn 50 Kích thước thay đổi bị mài mòn 51 2.7 Các yếu tố ảnh hưởng đến ma sát mịn khn q trình làm việc… 51 2.7.1 2.7.2 2.7.3 2.8 Vận tốc đùn ép nhôm 51 Áp lực tác dụng lên khuôn 51 Nhiệt độ làm việc khuôn nhôm nguyên liệu 52 Kết luận chương 53 CHƯƠNG MÔ PHỎNG SỐ VÀ THỰC NGHIỆM TRÊN THÔNG SỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN ĐẶC TÍNH MA SÁT CỦA KHN 54 3.1 Xây dựng mơ hình ma sát 54 3.1.1 3.1.2 3.1.3 3.1.4 3.1.5 3.2 Mơ số mơ hình ma sát FEM 63 3.2.1 3.2.2 3.3 Mơ hình ma sát dựa vào thực nghiệm 54 Mơ hình ma sát dựa mô FEM 56 Mơ hình ma sát thực nghiệm kết hợp mơ FEM 58 Mơ hình ma sát Summits 60 Lựa chọn mơ hình ma sát 63 Thiết kế thông số mô 63 Mô FEM q trình đùn ép nhơm định hình Al-6063 64 Kết mô số 66 3.3.1 3.3.2 Thông số mô 66 Kết mô 68 3.4 Thử nghiệm thảo luận 71 3.5 Kết luận chương 74 KẾT LUẬN CHUNG 75 TÀI LIỆU THAM KHẢO 76 Hình 3.7: Hệ số ma sát thu từ mơ hình ma sát đơn giản Abtahi Các vùng tiếp xúc mô tả para-boloid, thể Hình 3.7 Hình dạng para- boloid elip mơ tả góc (𝛽𝛽) mặt phẳng cắt ngang, Chiều sâu xâm nhập (Dp) diện tích sở (Aep) tiếp điểm paraboloid elip có chiều dài mặt cắt ngang elip 2a , chiều rộng mặt cắt ngang elip 2b , Chiều cao h , góc chiều dài mặt cắt ngang elip chiều dịng chảy vật liệu 𝜙𝜙, thể hình 3.7 Các thơng số hình học tính tốn thơng qua biểu thức sau: 2ℎ�𝑏𝑏2 cos2 𝜑𝜑 +𝑎𝑎2 sin2 𝜑𝜑 𝛽𝛽 = 𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎 � 𝐷𝐷𝑃𝑃 = ℎ�𝑏𝑏2 cos2 𝜑𝜑 +𝑎𝑎2 sin2 𝜑𝜑 𝐴𝐴𝑒𝑒𝑒𝑒 = 𝜋𝜋𝜋𝜋𝜋𝜋 ℎ= 𝑎𝑎𝑎𝑎 𝑎𝑎𝑎𝑎 2𝑉𝑉𝑚𝑚 𝐴𝐴𝑚𝑚 � [3.15] [3.16] [3.17] [3.18] Tổng lực ma sát (𝑓𝑓) voi tổng lực ma sát tạo vùng tiếp xúc P tổng trọng tải pháp tuyến thực tất vùng tiếp xúc: 𝑓𝑓 = ∑𝑛𝑛𝑖𝑖=1 𝜇𝜇𝑖𝑖 (𝛽𝛽𝑒𝑒 , 𝑓𝑓ℎ𝑘𝑘 )𝐴𝐴𝑚𝑚_𝑖𝑖 𝐻𝐻𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒 [3.19] 𝑃𝑃 = ∑𝑚𝑚 𝑖𝑖=1 𝐴𝐴𝑚𝑚_𝑖𝑖 𝐻𝐻𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒 [3.20] 𝐻𝐻𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒 = 𝐻𝐻 + 𝑝𝑝𝑛𝑛𝑛𝑛𝑛𝑛𝑛𝑛 [3.22] 𝜇𝜇 = 𝑓𝑓 𝑃𝑃 [3.21] Trong mơ hình ma sát vật lý “Ma et al” công phát triển, chất phức tạp ma sát thể dính / độ dài ma sát trượt kênh dẫn khn đùn ép dự đốn Các mơ hình ma sát áp suất tiếp xúc thấp, hệ số ma sát tăng độ nhám bề mặt tăng, áp suất tiếp xúc hệ số ma sát mặt cắt (𝑓𝑓ℎ𝑘𝑘 ) Tuy nhiên, điều kiện tiếp xúc hồn tồn nhựa , bỏ qua độ nhám bề mặt 62 hệ số ma sát giảm tăng áp suất tiếp xúc giảm lực cắt bề mặt hệ số (𝑓𝑓ℎ𝑘𝑘 ) Mặc dù mơ hình ma sát phức tạp có khả đại diện cho chất ma sát kênh dẫn nhơm khn q trình đùn nhơm nóng , mơ hình khơng khuyến khích sử dụng làm điều kiện biên ma sát mô FEM Điều không tiêu tốn nhiều thời gian cho tính tốn, mà cịn không ổn định việc ấn định điều kiện biên dính biên trượt kênh chịu lực Tuy nhiên, mơ hình ma sát sử dụng xử lý số liệu sau mơ FEM 3.1.5 Lựa chọn mơ hình ma sát Qua nghiên cứu, ta thấy phát triển nhiều mơ hình ma sát cho q trình đùn nhơm nóng Các mơ hình ma sát phân thành ba loại cụ thể là: Mơ hình ma sát cổ điển, mơ hình ma sát thực nghiệm mơ hình ma sát dựa vật lý Một nghiên cứu so sánh mơ hình ma sát kênh dẫn q trình đùn nhơm nóng thực Kết loại kiểm tra DAE nghiên cứu cho thấy ma sát dính hồn tồn xuất có tiếp xúc bề mặt nhơm nóng khn Vì vậy, mơ FEM dịng chảy nhơm nóng, mơ hình ma sát cổ điển với m 𝜇𝜇 gần với đơn vị gán điều kiện biên ma sát mặt tiếp xúc phôi khuôn Điều không tiết kiệm thời gian tính tốn mà cịn tránh vấn đề lỗi trình tổng hợp Việc sử dụng mơ hình ma sát thực nghiệm bị hạn chế điều kiện quy trình, chẳng hạn nhiệt độ, vận tốc đùn ép hình dạng khn , v.v Các mơ hình ma sát dựa vật lý khơng khuyến khích triển khai mô FEM với điều kiện biên ma sát, sử dụng để xử lý số liệu sau q trình mơ FEM Qua đánh giá mơ hình ma sát cho q trình đùn ép nhơm định hình, tơi thấy mơ hình ma sát dựa mơ FEM phù hợp với hướng nghiên cứu đề tài luận văn tơi sử dùng mơ hình ma sát dựa mơ Fem hay cịn gọi mơ hình tác động cố định (Fixed Effects Model) dạng phổ biến mơ hình liệu bảng (Panel data model) 3.2 Mô số mô hình ma sát FEM 3.2.1 Thiết kế thơng số mô Từ sở lý thuyết ma sát mịn khn đùn nhơm kết hợp với yếu tố ảnh hưởng đến khn q trình làm việc thực tế ta thấy có nhiều yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm trình đùn ép nhơm: + Vận tốc đùn ép (vận tốc đùn ép máy ép thủy lực) + Áp lực tác dụng lên khuôn ( Lực đùn ép máy ép thủy lực) + Chất lượng khuôn đùn ép + Nhiệt độ khuôn đùn ép + Nhiệt độ billet đùn ép ( nhiệt độ phôi đùn ép) 63 Nhưng yếu tố yếu tố ta thấy: Áp lực tác dụng lên khuôn cố định máy đùn ép 210(Mpa), chất lượng khuôn đùn ép phải đo, kiểm tra kích thước, độ xác vật liệu làm khuôn trước đưa vào gia nhiệt thử sau sản xuất Bên cạnh đó, mơi trường làm việc yếu tố ảnh hưởng nhỏ nên coi môi trường đảm bảo điều kiện để thực q trình ép đùn Vậy có yếu tố vận tốc Ram (vận tốc đùn ép), nhiệt độ khuôn đùn ép nhiệt độ billet đùn ép Trong nghiên cứu này, coi nhiệt độ billet đùn ép cố định 5000C thay đổi thông số vận tốc đùn ép, nhiệt độ khn đùn ép khn đùn ép nơi trực tiếp liên quan đến chất lượng sản phẩm nơi xảy trình chuyển dịch dịng chảy vật liệu phức tạp để tạo thành sản phẩm Đây nơi trình ma sát phức tạp diễn nhà khoa học nghiên cứu, tìm hiểu đóng góp nhiều cơng trình nghiên cứu Mà yếu tố Vận tốc đùn ép nhiệt độ khuôn đùn ép lại yếu tố tác động trực tiếp vào khuôn đùn ép thay đổi tùy thuộc vào loại sản phẩm hay cụ thể loại khn dùng sản xuất Vì vậy, tơi định lựa chọn yếu tố để làm thông số thay đổi q trình thực nghiệm mơ với trường hợp thử nghiệm sau: Vận tốc đùn ép: V1=3mm/s V2= 4mm/s V3=5mm/s Nhiệt độ khuôn đùn ép: T2=480-5200C (Các thông số ảnh hưởng q trình đùn ép cịn lại cố định cho khơng thay đổi q trình thực nghiệm) 3.2.2 Mơ FEM q trình đùn ép nhơm định hình Al-6063 Để giảm bớt chi phí tăng hiệu q trình thiết kế khn q trình sản xuất nhơm định hình Tơi sử dụng mô FEM cụ thể ứng dụng máy tính phần mềm thiết kế 3D mơ FEM vào việc mơ hình hóa khn mơ q trình đùn ép nhơm định hình Để sát với thực tế nhất, q trình mơ cần phải thiết lập điều kiện đầu vào điều kiện biên phân tích thiết kế khn cách xác Từ đó, đưa q trình đùn ép đưa thơng số đùn ép xác để đưa vào sản xuất thực nghiệm sản xuất hiệu giảm thiểu hao phí vật tư sản phẩm hư hỏng Từ lý trên, thấy cần thiết việc áp dụng khoa học công nghệ vào sản xuất đem lại hiệu tối ưu cho người Thông số ảnh hưởng đặc trưng cho ma sát cần xác định hệ số ma sát khuôn đùn (SKD61) dòng chảy vật liệu (Al-6063) Theo lý thuyết học phân tử Krageshy, áp dụng trường hợp ma sát tiếp xúc dẻo thể theo công thức sau: 𝒇𝒇 = 𝝉𝝉𝒏𝒏 𝑯𝑯𝑯𝑯 + 𝟎𝟎, 𝟓𝟓𝟓𝟓𝟓𝟓(𝒗𝒗 − 𝟏𝟏)𝒌𝒌𝟏𝟏 ∆𝟏𝟏/𝟐𝟐 � 𝟐𝟐𝒑𝒑𝒄𝒄 𝟏𝟏/𝟐𝟐𝟐𝟐 𝑯𝑯𝑯𝑯 � Với vật liệu khuôn đùn thép SKD61 vật liệu dịng chảy nhơm Al-6063 thay vào cơng thức [1] ta có hệ số ma sát f = 0,25249 Trên sở tính tốn hệ số ma sát lý thuyết xác định thơng số vận tốc đùn 64 nhiệt độ khuôn đùn ép phù hợp với sản phẩm nhơm định hình có kích thước 60x30mm dày 1,5mm Có nhiều phần mềm mơ khác để mơ q trình đùn ép nhơm định hình cần có khn đùn ép nhôm dạng 3D Trong nghiên cứu này, tơi sử dụng phần mềm SOLIDWORKS để mơ hình hóa phận khn hình 3.8, hiệu chỉnh khuôn lắp ghép phận khn hình 3.9 Hình 3.8: Bản vẽ 3D khn Hình 3.9: Sơ đồ lắp khn đùn nhơm Trong nghiên cứu sử dụng phần mềm mô ABAQUS để mơ q trình đùn ép nhơm định hình 3.10 Hình 3.10: Giao diện phần mềm ABAQUS 65 Cho đến ABAQUS trải qua 27 phiên phiên thường phát hành vào cuối năm, gồm sản phẩm phần mềm cốt lõi : - ABAQUS / CAE (Complete Abaqus Environment) : ứng dụng phần mềm sử dụng cho mơ hình hóa phân tích thành phần cụm khí (tiền xử lý) hiển thị kết phân tích phần tử hữu hạn Một tập hợp Abaqus / CAE bao gồm mô-đun xử lý hậu kỳ khởi chạy độc lập sản phẩm Abaqus / Viewer - ABAQUS / Standard : máy phân tích Phần tử hữu hạn có mục đích chung sử dụng lược đồ tích hợp ngầm (truyền thống) - ABAQUS / Explicit : phân tích phần tử hữu hạn có mục đích đặc biệt sử dụng sơ đồ tích hợp rõ ràng để giải hệ thống phi tuyến tính cao với nhiều tiếp điểm phức tạp tải tạm thời - ABAQUS / CFD (Computational Fluid Dynamics) : ứng dụng phần mềm cung cấp khả động lực học chất lỏng tính tốn nâng cao với hỗ trợ rộng rãi cho tiền xử lý hậu xử lý cung cấp Abaqus / CAE - ABAQUS / Electosystem : ứng dụng phần mềm điện từ tính tốn để giải vấn đề điện từ tính tốn nâng cao • Ưu điểm phần mềm ABAQUS ABAQUS phần mềm mang tính thương mại cao, thân thiện với người dùng sử dụng vô đơn giản Tất thông tin xử lý qua phần mềm thực thơng qua giai đoạn xử lý số liệu, phân tích xử lý kết Trong phân tích phần tử hữu hạn phần mềm ABAQUS cịn có khả tự động lựa chọn lượng tăng tải hay độ xác hội tụ việc điều chỉnh tham số cách phù hợp giúp người dùng bận tâm việc điều chỉnh tham số ABAQUS sở hữu kho phần tử phong phú nên dễ dàng mô thiết kế kết cấu dự án cơng trình theo hình dạng Đồng thời thơng qua mơ xây dựng kết cấu điển hình với việc phân tích theo tính vật liệu sử dụng kim loại, bê tông cốt thép, vật liệu cao phân tử hay phức hợp,… 3.3 Kết mô số 3.3.1 Thông số mô Các thông số đầu vào máy đùn ép nhơm định hình 800 cho vào điều kiện đầu vào phần mềm mơ ABAQUS q trình mơ đùn ép nhôm: - Lực ép đùn: 210 (Mpa) - Vận tốc đùn ép: 3-5 (mm/s) - Nhiệt độ billet đùn ép: 5000C - Vật liệu làm khuôn: Thép SKD61 - Nhiệt độ khuôn đùn nhôm:450-5200C 66 - Nhiệt độ billet nhơm (vật liệu Al6063): 4800C Mơ hình xét trường hợp biến dạng Sau đó, mơ q trình đùn ép nhơm định hình thơng qua phần mềm ABAQUS Vật liệu thuộc tính vật liệu gán cho phận khuôn Việc chia lưới mơ hình tạo điều kiện biên bắt buộc để đưa kết xác Q trình tối ưu hóa cho việc phân tích lưới mơ hình cần nhiều thời gian để đưa lưới mơ hình phù hợp cho q trình đùn Hình 3.11: Mơ hình phần tử hữu hạn q trình ép đùn Có nhiều loại q trình tương tác phận, nhiều yếu tố ảnh hưởng đến dòng chảy kim loại đặc tính kết quả, chẳng hạn chiều dài phôi, bề mặt thùng chứa, tỷ lệ đùn tốc độ đùn Ngồi ra, cấu hình khn thực tế, phần bề mặt hồn thiện nó, tình trạng hình dạng bề mặt chịu lực mà nhơm chảy qua nhiệt độ khn góp phần Trong nghiên cứu này, sử dụng phương pháp để phần làm nguội xử lý sau rời khuôn Nhiều lần, trình mơ phỏng, cần thay đổi sửa đổi điều kiện biên tải trọng mơ hình Việc sửa đổi có sẵn cách chọn bước phân tích thích hợp, cho phép nhà thiết kế biện minh xác định tương tác phận mơ hình, trợ giúp để hồn thiện q trình đùn Phân tích minh họa cách tốn đùn mơ ABAQUS.[11] Dịng chảy kim loại di chuyển khn thể hình 3.12 Trong đó: L.I.P: khn dẫn phơi DIE: khn tạo hình sản phẩm BK: khn dẫn sản phẩm BILLETNHƠM phơi nhơm Al6063 Hình 3.12: Sơ đồ dịng chảy nhơm q trình đùn 67 3.3.2 Kết mơ Trong q trình mơ phỏng, điều kiện biên tải trọng mơ hình thay đổi mơ hình cho phép nhà thiết kế biện minh xác định tương tác phận mơ hình, trợ giúp để hồn thiện q trình đùn Phân tích minh họa cách tốn đùn mơ ABAQUS[11] Sau q trình mơ ta thu kết sau: Trường hợp 1: Vận tốc đùn ép 5mm/s Hình 3.13: Ứng suất trình đùn ép với vận tốc đùn ép 5mm/s Hình 3.13 hình ảnh ứng suất trình đùn với vận tốc đùn ép 5mm/s Sản phẩm đùn ép sau khỏi khn khơng hồn thiện bị rách nhiều rốc độ đùn ép cao Ứng suất lớn 28.1 (Mpa) Hình 3.14 Phân bố nhiệt độ trình đùn ép với vận tốc đùn ép 5mm/s 68 Dải nhiệt độ phân bố trình đùn ép với vận tốc v=5mm/s hình 3.14 từ 479 – 5200C Nhiệt độ thấp khuôn đùn 4930C nhiệt độ cao khuôn đùn 5200C Nhận xét: Vận tốc đùn ép lớn nên sản phẩm khơng hồn thiện sau q trình đùn ép Trường hợp 2: Vận tốc đùn ép 4mm/s Hình 3.15 Ứng suất trình đùn ép với vận tốc đùn ép 4mm/s Hình 3.15 hình ảnh ứng suất trình đùn ép với vận tốc đùn ép 4mm/s ta thấy sản phẩm đùn bị rách không điền đầy tốc độ đùn ép cao khả điền đầy cải thiện so với trường hợp vận tốc đùn ép 5mm/s Ứng suất lớn 43,5 (Mpa) Hình 3.16: Phân bố nhiệt độ trình đùn ép với vận tốc đùn ép 4mm/s Trong hình 3.16 ta thấy dải nhiệt độ phân bố trình đùn ép từ 477 – 510 C Nhiệt độ thấp khuôn đùn ép nhôm 4800C nhiệt độ cao khuôn đùn ép nhôm 5110C 69 Nhận xét: Vận tốc đùn ép lớn nên sản phẩm sau q trình đùn ép bị lỗi, khơng hồn thiện (Sản phẩm có hồn thiện so với trường hợp vận tốc đùn ép v=5mm/s) Cần giảm vận tốc đùn ép Trường hợp 3: Vận tốc đùn ép 3mm/s Hình 3.17: Ứng suất trình đùn với vận tốc đùn ép 3mm/s Hình 3.17 cho thấy kết đùn cuối trường hợp vận tốc đùn ép 3mm/s Có thể thấy phân bố ứng suất trình đùn khác điểm Giá trị ứng suất cao mơ hình vận tốc đùn 3mm/s 50,7 (MPa) Giá trị cao ứng suất xảy điểm đùn, nơi có ma sát lớn Các giá trị cao ứng suất kết tương tác giao thoa phôi nhôm khuôn khu vực chịu lực, chuyển dịch hạt nguyên nhân trực tiếp Ứng suất đùn vẽ dạng phân giải cao thu từ mô FEM này, thể hình Trường hợp sản phẩm đùn ép hoàn thiện cho hình dạng sản phẩm mong muốn Hình 3.18: Phân bố nhiệt độ trình đùn ép với vận tốc đùn ép 3mm/s 70 Trong hình 3.18 dải nhiệt độ phân bố từ 478 – 5110C, nhiệt độ thấp khuôn đùn ép 5000C nhiệt độ cao khuôn đùn ép 5120C Nhận xét: Sản phẩm hồn thiện hình dáng hình học yêu cầu Vận tốc 3mm/s vận tốc đùn ép phù hợp cho sản phẩm hộp nhôm 60x30 Từ trường hợp kết hợp với kết tính tốn lý thuyết từ cơng thức tính hệ số ma sát công thức [2.16] trường hợp tiếp xúc dẻo ta thấy thay đổi vận tốc đùn ép nhiệt độ khuôn đùn ép thay đổi Trong trường hợp với v=3mm/s cho sản phẩm hình dáng hình học yêu cầu nhiệt độ khuôn đùn ép hợp lý 5000C với hệ số ma sát thiết lập mô f = 0,25 Qua q trình mơ ta thấy kết mơ so với tính tốn lý thuyết Nhận xét: Qua q trình mơ ta thấy kết mơ so với tính toán lý thuyết f = 0,25 Từ kết mô xác định thông số đùn ép thích hợp cho q trình đùn ép hộp nhơm định hình vận tốc đùn ép v=3mm/s nhiệt độ đùn ép T=5000C 3.4 Thử nghiệm thảo luận Thông qua việc mô FEM thực nghiệm trực tiếp máy đùn ép 800T công ty Cổ phần Nhơm Đơ Thành (hình 3.19) để xác định ảnh hưởng yếu tố • Thơng số máy đùn ép nhôm 800T: - Áp suất đùn máy: 210 (Mpa) - Đường kính xy lanh thủy lực: Ø520 (mm) - Chiều dài hành trình xy lanh: 1200 (mm) - Kích thước máy: 2750x1550x2200 (mm) - Đường kính lỗ đùn ép : Ø160 (mm) - Tốc độ đùn ép max: 17 (mm/s) - Sử dụng loại phơi nhơm có đường kính: Ø110 (mm) - Chiều dài phơi đùn ép khoảng: L = 250 ÷ 550 (mm) - Chuyển động máy chuyển động pitong thủy lực Hình 3.19: Máy đùn ép 800T loại đùn ép trực tiếp 71 Sản phẩm nhôm thực nghiệm: Hộp nhơm kích thước 60x30 dày 1,5mm u cầu sản phẩm nhơm định hình sau đùn ép theo TCXDVN 330:2004 đạt tiêu chất lượng sau: Độ bền kéo: ≥ 165 (N/mm2) Độ dãn dài tương đối: ≥ 8% Độ cứng: ≥ 58 (HV) Dung sai cho phép kích thước mặt cắt ngang: ±0.61 (mm) Dung sai cho phép độ phẳng bề mặt: 0.4% Độ cong sản phẩm: < 0.7xL (L chiều dài sản phẩm) Sản phẩm kiểm tra thông qua dụng cụ đo thước cặp, ke vuông, máy đo độ cứng, dụng cụ đo độ nhám bề mặt,… Hình 3.20 Sản phẩm hộp nhơm q trình đùn ép thực nghiệm Bộ khuôn đùn ép cho sản phẩm nhôm thực nghiệm: Khn hở (SOLID) Hình 3.3 hình 3.4 mơ hình 3D - Thành phần vật liệu làm khuôn: Thép SKD 61 Độ cứng khuôn: Kiểm tra độ cứng đạt 50-55HRC Độ bóng khn: Độ phẳng toàn bề mặt đạt độ nhám cấp độ độ bóng bề mặt lỗ dẫn nhơm đạt cấp độ Độ xác hình học hình dạng lỗ đùn nhơm: ± 0.01mm Khn cần làm nóng trước cho vào đùn ép Hình 3.21: Bộ khn đùn ép nhơm định hình 72 Vật liệu đùn ép: billet nhơm Al-6063 - Billet nhơm cần làm nóng lị nung phơi trước cho vào máy đùn ép nhơm Nhiệt độ làm nóng trước cho vào billet nhơm 480-5200C , Hình 3.22: Sơ đồ lắp khuôn Sau thu kết mô q trình đùn ép nhơm định hình xác định thơng số đùn ép thích hợp cho q trình đùn ép nhơm hộp với vận tốc đùn ép v=3mm/s nhiệt độ đùn ép T=5000C, ta tiến hành thử nghiệm thông số thu máy đùn ép nhôm 800T loại đùn ép trực tiếp công ty cổ phần Nhôm Đô Thành với thông số đùn ép sau: - Lực ép đùn: 210 (Mpa) - Vận tốc đùn ép: (mm/s) - Nhiệt độ billet đùn ép: 5000C - Nhiệt độ khuôn đùn nhôm:5000C - Nhiệt độ billet nhôm (vật liệu Al6063): 4800C Hình 3.23 Quá trình thực nghiệm máy đùn ép 800T công ty Nhôm Đô Thành Sau trình tiến hành thử nghiệm, sản phẩm thu đạt yêu cầu chất lượng độ bóng độ xác hình học (TCXDVN 330:2004) đạt tiêu chất lượng sau: 73 Độ bền kéo: 169 (N/mm2) Độ cứng: 57.6 (HV) Sản phẩm lỗi chiếm 3-4% Bên cạnh đó, khn bị lỗi hỏng Dạng mịn chủ yếu khn mịn dính Tại mặt tiếp xúc khn phơi nhơm, mịn dính xảy chỗ tiếp xúc đỉnh nhấp nhô tác dụng tải trọng pháp tuyến Khi trượt xảy vật liệu vùng bị trượt (biến dạng dẻo) dính sang bề mặt đối tiếp tạo thành mảnh mòn rời, số mảnh mòn sinh trình mịn mỏi đỉnh nhấp nhơ Mịn dính phát triển mạnh đặc biệt điều kiện nhiệt độ cao Lỗi khn bong tróc bề mặt độ cứng không đảm bảo bề mặt lớp tơi cứng bị mài mịn q nhiều nên cần phải sử dụng biện pháp cứng thấm nito để cải thiện độ cứng khuôn 3.5 Kết luận chương Qua q trình mơ ta thấy kết mơ so với tính tốn lý thuyết f = 0,25 Từ kết mô xác định thơng số đùn ép thích hợp cho q trình đùn ép hộp nhơm định hình vận tốc đùn ép v=3mm/s nhiệt độ đùn ép T=5000C Qua đó, ta tiến hành thử nghiệm trực tiếp với thơng số tìm thu kết thử nghiệm với dự đoán Dạng mịn chủ yếu khn mịn dính lỗi hỏng nhiều khn bong tróc bề mặt khn Từ cần phải có biện pháp chống ma sát mịn cho khn đùn ép để nâng cao suất máy chất lượng sản phẩm 74 KẾT LUẬN CHUNG Sau trình nghiên cứu thử nghiệm đặc tính ma sát khn đùn ép nhơm định hình, ta thấy thơng số vận tốc đùn ép nhiệt độ khuôn đùn ép nhôm ảnh hưởng đến đặc tính ma sát q trình tiếp xúc dẻo nhôm Al6063 với khuôn đùn nhôm với hệ số ma sát f = 0,25 Từ đó, ta xác định thơng số kĩ thuật ảnh hưởng đến ma sát lịng khn đùn với hợp kim nhơm gồm có: Vận tốc đùn ép nhôm: v= 3mm/s Nhiệt độ khuôn đùn ép nhôm: T2= 5000C Bộ thông số áp dụng cho khuôn cụ thể nghiên cứu khn đùn ép sản phẩm hộp nhơm định hình Al-6063 dày 1,5mm Bên cạnh đó, áp dụng phương pháp nghiên cứu để xác định thông số đưa đặc tính ma sát khuôn khác cho loại sản phẩm tương ứng để nâng cao hiệu quả, suất đùn ép giảm thiểu sản phẩm lỗi • Kiến nghị Thiết kế khn ép đùn kiểm soát giảm ứng suất gây khuyết tật cấu trúc sản phẩm, giảm thiểu khuyết tật sản phẩm kiểm soát chất lượng sản phẩm Trên sở lý thuyết ma sát, mô hình ma sát nghiên cứu thuộc tính mịn khn biện pháp giảm ma sát, mòn, nâng cao hiệu sử dụng khuôn chất lượng sản phẩm 75 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] L Wang, J Zhou, J Duszczyk, L Katgerman, Friction in aluminium extrusion—Part 1: A review of friction testing techniques for aluminium extrusion, Tribology International, 56 (2012) 89-98 [2] MaleAT, CockcroftMG, A method for the determination of the coefficient of friction of metals under conditions of bulk plastic deformation, Journal of the Institute of Metals, 93 (1964-1965) 38-45 [3] SofuogluH, Rasty, On the measurement of friction coefficient utillizing the ring compression test, Tribology International, 32 (1999) 327-335 [4] ScharaderT, ShirgaokarM, AltanT, A critical evaluation of the double cup extrusion test for selection of cold forging lubricants, Journal of Materials Processing Technology, 189 (2007) 36-44 [5] BuschhausenA, WeinmannK, LeeJY, AltanT, Evaluation of lubrication and friction in cold forgiong using a double backward-extrusion process, Journal of Materials Processing Technology, 33 (1992) 95-108 [6] Bakhshi-JooybariM, A theoretical and experimental study of friction in metal forming by the use of the forward extrusion process, Journal of Materials Processing Technology, 125-126 (2002) 369-374 [7] Flitta, sheppard, Nature of friction in extrusion process and its effect on material flow, Materials Science and Technology, 19 (2003) 837-846 [8] ZienkiewiczOC, JainPC, OnateE, Flow of solids during forming and extrusion-some aspects of numerical solutions, International Journal of Solids and Structures, 14 (1978) 15-38 [9] L Wang, H Yang, Friction in aluminium extrusion—part 2: A review of friction models for aluminium extrusion, Tribology International, 56 (2012) 99-106 [10] L Wang, J Zhou, J Duszczyk, L Katgerman, Identification of a friction model for the bearing channel of hot aluminium extrusion dies by using ballon-disc tests, Tribology International, 50 (2012) 66-75 [11] H.M Magid, S Sulaiman, M.K.A.M Ariffin, B.T.H.T Baharudin, Stress analysis of forward aluminium extrusion process using finite element method, Materials Research Innovations, 18 (2014) S2-611-S612-615 [12] P K.Saha, Aluminum Extrusion Technology, ASM International2000 [13] GS.TS Lê Thị Chiều, Khảo sát phân tích nguyên nhân sai hỏng phổ biến sử dụng khuôn đùn ép khung nhôm, Journal of science and technology of metals, 06 (2006) 21-24 [14] GS.TS Lê Thị Chiểu, Công nghệ thấm Nito cho khn khn đùn ép nhơm hình qua sử dụng, Journal of science and technology of metals, 12 (2007) 42-45 [15] GS.TSKH Nguyễn Anh Tuấn, TS Phạm Văn Hùng, Ma sát học, Nhà xuất khoa học kĩ thuật, 2005 76 ... 1.22 máy đùn ép nhơm định hình 800A) Hình 1.22: Máy đùn ép nhôm 800A loại đùn trực tiếp 15 *Tính ,đặc điểm máy đùn ép nhơm 800A: Hình 1.23 Thơng số máy đùn ép 800A loại đùn trực tiếp Máy ép đùn trang... 2.2 Cơ sở lý thuyết công nghệ ép đùn nhơm định hình -Quy trình đùn ép nhơm : Hình 2.4: Q trình đùn ép nhơm định hình Quy trình ép đùn trình tạo hình liệu, nhơm định hình vật liệu gắn liền với nhiều... tốc đùn ép 3mm/s 70 Hình 3.18: Phân bố nhiệt độ trình đùn ép với vận tốc đùn ép 3mm/s 70 Hình 3.19: Máy đùn ép 800T loại đùn ép trực tiếp 71 Hình 3.20 Sản phẩm hộp nhơm q trình đùn ép