Nghiên cứu cơ chế phá hủy phôi trong quá trình cán nêm ngang

i LI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây l công trnh nghiên cu ca riêng tôi. Cc kt qu v s liu công b trong lun n trung thc v chưa tng đưc công b trong công trnh khc. H Ni, ngy 10 thng 5 năm 2014 TM. Tập thể hướng dẫn PGS.TS Đào Minh Ngừng Nghiên cứu sinh Đặng Thị Hồng Huế ii LI CM ƠN Tôi xin chân thnh cm ơn B môn Cơ học vật liệu v Cn kim loại - Viện Khoa học v Kỹ thuật vật liệu -Trưng Đại học Bch khoa H Ni, Viện Vật l Kỹ thuật thuc Viện Hn lâm khoa học quc gia Belarus đ gip tôi thc hiện luận n ny. Tôi xin chân thnh cm ơn PGS.TS Đo Minh Ngng, GS.TS. Nguyn Trọng Ging đ tận tnh hưng dn tôi v chuyên môn đ tôi c th thc hiện v hon thnh luận n. Tôi xin t lng bit ơn sâu sc đn cc thy phn biện, cc thy trong hi đng chm luận n đ dnh thi gian đọc v gp nhng  kin qu bu đ tôi hon thiện bn luận n ca mnh, cng như gip tôi đnh hưng nghiên cu trong tương lai. Tôi xin gi li cm ơn chân thnh ti ton th gia đnh, bạn b, đng nghiệp nhng ngưi đ gip đỡ, đng viên, khuyn khch tôi thc hiện công trnh ny. H Ni, ngy 10 thng 5 năm 2014 Nghiên cứu sinh Đặng Thị Hồng Huế iii MỤC LỤC LI CAM ĐOAN i LI CM ƠN ii MỤC LỤC iii DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT v DANH MỤC CÁC BNG vii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ viii M ĐU 1 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1 1.1. Gii thiu qu trnh cn nêm ngang 5 1.1.1. Sơ đ nguyên l 5 1.1.2. Cc thông s cơ bn ca qu trnh 6 1.1.3. Điu kin quay phôi 7 1.1.4. Trng thi ng sut v bin dng 9 1.1.5. Cc thông s đng lc hc 10 1.2. Sn phm cn, ph phm v đc đim khuyt tt 10 1.2.1. Yêu cu v cht lưng sn phm 10 1.2.2. Khuyt tt hnh dng 11 1.2.3. Khuyt tt b mt 14 1.2.4. Khuyt tt rỗng tâm 14 1.3. Kt lun 22 CHƯƠNG 2 MÔ HÌNH THUỘC TÍNH VÀ PHÁ HỦY VẬT LIỆU 23 2.1. Ph hy dẻo vt liu kim loi 23 2.1.1. S hnh thnh v xut hin lỗ xp, vt nt t vi 24 2.1.2. S pht trin ca lỗ xp t vi 25 2.1.3. S hp nht ca lỗ xp t vi 26 2.2. Mô hnh ph hy vt liu 26 2.2.1. Mô hnh ph hy trên cơ sở cơ hc môi trường liên tục 28 2.2.2. Mô hnh ph hy trên cơ sở quan st hin tưng 29 2.3. Mô hnh thuc tnh vt liu 32 2.4. Phân tch v la chn mô hnh 35 2.5. Kt lun 36 CHƯƠNG 3 NHẬN DNG MÔ HÌNH JOHNSON-COOK 37 3.1. Phương php nhn dng mô hnh Johnson – Cook 37 3.1.1. Phương php nhn dng mô hnh thuc tnh 37 3.1.2. Phương php nhn dng mô hnh ph hy Johnson - Cook 39 3.2. Th nghim nhn dng 42 iv 3.2.1. Vt liu th nghim 46 3.2.2. Mu th nghim 47 3.2.3. Thit b th nghim 52 3.3. Kt qu th nghim 52 3.3.1. Kt qu th nghim nhn dng mô hnh thuc tnh Johnson- Cook 53 3.3.2. Nhn dng mô hnh ph hy Johnson – Cook 61 CHƯƠNG 4 MÔ PHNG S QUÁ TRÌNH CÁN NÊM NGANG 72 4.1. Phn mm mô phỏng qu trnh to hnh v ph hy vt liu 72 4.2. Mô phỏng qu trnh cn nêm ngang - mô hnh 2D 73 4.2.1. Điu kin mô phỏng 74 4.2.2. Kt qu mô phỏng 74 4.2.3. Phân tch trng thi ng sut-bin dng ti vùng tâm phôi 74 4.3. Xây dng mô hnh hc cho bi ton cn ren 3D 82 4.3.1. Thit lp mô hnh đi vi nêm cn 83 4.3.2. Thit lp mô hnh đi vi phôi cn 84 4.3.3. Mô hnh lắp ghép giữa phôi v khuôn 85 4.4. Kt qu v phân tch 86 4.4.1. Hnh dng hnh hc ca chi tit ren 86 4.4.2. Mt cắt ngang, mt cắt dc chi tit vt ren côn sau mô phỏng 87 4.4.3 Trng thi ng sut 88 4.4.4. Trng thi bin dng 91 4.4.5. S phân b nhit đ trên phôi 93 4.4.6. Bin ph hy vô hưng 95 4.4.7. Ti trng 95 4.5. Kt lun 96 CHƯƠNG 5 THC NGHIỆM QUÁ TRÌNH CÁN NÊM NGANG 97 5.1. My cn nêm ngang 97 5.2. Nêm cn ren 99 5.3. Công ngh cn ren bằng my cn nêm ngang 101 5.3.1. Dp đu m chi tit 101 5.3.2 Cn chi tit vt ren côn 101 5.4. Kim tra ph hy chi tit 103 5.5. So snh kt qu mô phỏng v thc nghim 103 5.6. Kt lun 105 KẾT LUN 106 TÀI LIỆU THAM KHO 108 v DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT 1. K hiu Din gii Đơn vị , , : Góc to hnh (góc nêm), góc p lc, góc nâng đ L 1, L 2 , L 3 , L 4 : Chiu di cc vùng: cắt, dn, to hnh v đnh kch thưc mm D 0 , d: Đường knh phôi trưc v sau khi to hnh mm r: Lưng ép tuyt đi mm : H s bin dng X: Hnh trnh ca nêm cn mm R t : Bn knh phôi cn ti thời đim bt kỳ mm S 0 , S: Din tch mt cắt ngang phôi cn trưc v sau khi to hnh mm 2 E: Mô đun đn hi ca vt liu N/mm 2 F ms : Lc ma st giữa phôi v khuôn nêm N v: Tc đ cn mm/s W: Năng lưng bin dng J/m 3 A, B, C, n, m : Cc h s ca mô hnh thuc tnh Johnson- Cook T melt , T room : Nhit đ nóng chy ca kim loi, nhit đ môi trường đ C : Mc đ bin dng tương đương, ng sut tương đương ,   : Tc đ bin dng v tc đ bin dng tham chiu   : Bin dng tương đương ti thời đim ph hy vt liu 1/s       ,       Cc thnh phn ca ten xơ ng sut MPa       : Cc thnh phn ng sut php chnh MPa             Cc thnh phn ca ten xơ bin dng       Cc thnh phn bin dng chnh        : Chỉ s trng thi ng sut  H ,   : ng sut thy tnh, ng sut Von - Mises MPa D 1 , D 2 , D 3 , D 4 , D 5 : Cc h s ca mô hnh ph hy Johnson - Cook ε r , ε a ,ε t : Bin dng theo hưng knh, hưng trục, hưng đng R, a: Bn knh, bn knh nhỏ nht ca mu th ph hy mm M z : Mômen xoắn L: Chiu di tng ca mu th kéo N.mm mm vi l c : Chiu di phn lm vic ca mu th kéo l 0 : Chiu di tnh ton ban đu ca mu th kéo l 1 : Chiu di tnh ton sau khi mu đt ca mu th kéo d 1 : Đường knh nhỏ nht ca mu th kéo sau khi đt mm mm mm mm 2. Chữ viết tắt CNN: Cn nêm ngang CNCNN: Công ngh cn nêm ngang QTCNN: Qu trnh cn nêm ngang MHTT: Mô hnh thuc tnh MHPH: Mô hnh ph hy MHH: Mô hnh hóa MPS: Mô phỏng s ƯS: ng sut BD: Bin dng PH: Ph hy KT: Khuyt tt KTBM: Khuyt tt b mt KTHD: Khuyt tt hnh dng KTRT: Khuyt tt rỗng tâm JC: Johnson – Cook MHJC: Mô hnh Johnson – Cook pt: Phương trnh vii DANH MỤC CÁC BNG Bng 2.1. Cc bin trong mô hnh ph hy vt liu 26 Bng 3.1. Gi tr h s C phụ thuc vo tc đ bin dng 39 Bng 3.2. Gi tr h s D 4 phụ thuc vo tc đ bin dng 41 Bng 3.3. Thnh phn hóa hc ca thép C45 47 Bng 3.4. Mu th nghim R ở nhit đ môi trường 50 Bng 3.5. Bng k hiu th nghim nhn dng MHTT J-C 52 Bng 3.6. Bng k hiu th nghim nhn dng MHPH J-C 52 Bng 3.7. Kt qu th nghim v nhn dng ti nhit đ 900 0 C. 57 Bng 3.8. Kt qu th nghim v nhân dng ti nhit đ 1000 0 C 58 Bng 3.9. Kt qu th nghim v nhn dng ti nhit đ 1100 0 C 59 Bng 3.10. Bng gi tr ca h C 60 Bng 3.11. Cc thông s tnh gi tr h s m 60 Bng 3.12. Cc h s ca mô hnh thuc tnh Johnson – Cook 61 Bng 3.13. Kt qu th nghim ph hy 62 Bng 3.14. Bin dng ca cc mu xoắn ti thời đim ph hy 64 Bng 3.15. Gi tr ca h s D 4 64 Bng 3.16. Bng gi tr xc đnh cc h s cu D 5 64 Bng 3.17. Cc h s ca mô hnh ph hy Johnson – Cook 65 Bng 4.1. Cc thông s hnh hc ca nêm 83 Bng 4.2. Tnh cht cơ nhit ca vt liu ch to nêm cn 83 Bng 4.3. Điu kin mô phỏng 84 Bng 4.4. H s nhit ca thép C45 ở nhit đ 1150 0 C 85 viii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ Hnh 1.1. Sơ đ nguyên l công ngh cn nêm ngang: 5 Hnh 1.2. Qu trnh cn nêm ngang chi tit trục bc 7 Hnh 1.3. Sơ đ lc tc dụng giữa kim loi v khuôn khi phôi ăn vo trục cn 8 Hnh 1.4. Mt s sn phm ca công ngh cn nêm ngang 10 Hnh 1.5. Khuyt tt hnh dng sn phm 11 Hnh 1.6. Khuyt tt b mt sn phm cn nêm ngang 12 Hnh 1.7. Sn phm trục bc 12 Hnh 1.8. Khuyt tt thắt ca phôi cn nêm ngang 13 Hnh 1.9. Khuyt tt hnh dng phôi cn nêm ngang 14 Hnh 1.10. Khuyt tt đnh hưng dc tâm phôi cn [34] 17 Hnh 1.11. S hp nht cc lỗ trng trong qu trnh ph hy [48] 17 Hnh 1.12. Khuyt tt trong tâm phôi cn. 18 Hnh 1.13. Ph hy phôi trong qu trnh cn nêm ngang 18 Hnh 1.14. S hp nht cc lỗ trng do ng sut chnh [48] 19 Hnh 2.1. Qu trnh ph hy vt liu 24 Hnh 2.2. Sơ đ s hnh thnh vt nt do lch tương tc vi nhau 25 Hnh 2.3. Phân t th tch cha khuyt tt. 26 Hnh 2.4. Đường cong ng sut bin dng ca thép C45 27 Hnh 2.5. S phụ thuc ca   vo chỉ s trng thi ng sut. 31 Hnh 2.6. Đường cong ng sut bin dng ca thép C45 32 Hnh 3.1. Mu to R v bin dng theo cc chiu 45 Hnh 3.2. Biên dng hnh hc ca mu th kéo 45 Hnh 3.3. S phân b nhit đ ca mu th kéo theo tiêu chun ở 1200 0 C 45 Hnh 3.4. Mu th nghim kéo ở nhit đ cao 51 Hnh 3.5. Phân b nhit đ ca mu kéo tiêu chun ở 1200 0 C 48 Hnh 3.6. Ch đ nung mu khi thc hin th nghim ở nhit đ 1200 0 C 49 Hnh 3.7. Đ th phân b nhit đ trong ½ vùng lm vic ca cc mu kéo 49 Hnh 3.8. Kch thưc v hnh dng mu xoắn 51 Hnh 3.9. Đ th phân b nhit đ trong ½ vùng lm vic ca cc mu xoắn 49 Hnh 3.10. My th kéo nén (MTS) 52 Hnh 3.11. Mu sau th nghim kéo ở nhit đ thường 53 Hnh 3.12. Mu sau th nghim ở nhit đ cao 53 Hnh 3.13. Đ th ng sut – bin dng khi thay đi tc đ bin dng 54 Hnh 3.14. Đ th ng sut – bin dng khi thay đi nhit đ 55 Hnh 3.15. Đ th ng sut – bin dng mu kéo ngui 56 ix Hnh 3.16. Đ th xc đnh gi tr h s B v n 56 Hnh 3.17. Đ th ng sut v bin dng ti cc nhit đ khc nhau 60 Hnh 3.18. Đ th xc đnh nh hưởng ca nhit đ 61 Hnh 3.19. Đ th lc – chuyn v ca cc mu to R 61 Hnh 3.21. Đ th quan h bin dng tương đương- chỉ s trng thi ng sut……………60 Hnh 3.20. Đ th ng sut tip – bin dng trưt 63 Hnh 3.21. Đ th xc đnh h s D5 65 Hnh 3.22. Điu kin biên v kt qu mô phỏng th nghim kéo 65 Hnh 3.23. Đường cong thc nghim - nhn dng 66 Hnh 3.24. Đường cong thc nghim - mô phỏng 67 Hnh 3.25. Lưi phn t v điu kin biên R 68 Hnh 3.26. Bin dng ca cc mu R 68 Hnh 3.27. Chỉ su th kéo trưc thời đim đt 0.1s 69 Hnh 3.28. Chỉ s trng thi ng sut trong tâm mu 69 Hnh 3.29. Thông s ph hy Johnson – Cook 69 Hnh 3.30. Phn t kim loi b xóa khỏi lưi 70 Hnh 3.31. Đ th     mô phỏng – thc nghim………………………………………69 Hnh 4.1. Đường cong ng sut – Bin dng ca vt liu kim loi [63] 73 Hnh 4.2. Mô hnh hnh hc v mô hnh phn t hữu hn ca phôi cn 74 Hnh 4.3. Bin dng tương đương theo thời gian 75 Hnh 4.4. Trng thi ng sut 75 Hnh 4.5. Bin ph hy vô hưng D 76 Hnh 4.6. Hin tưng ph hy tâm phôi 76 Hnh 4.7. Trng thi ng sut 77 Hnh 4.8. Qu trnh ph hy tâm phôi 77 Hnh 4.9. Cc thnh phn ng sut ca phân t kim loi trong tâm phôi 78 Hnh 4.10. S phân b ng sut kéo trong tâm phôi 78 Hnh 4.11. S phân b chỉ s trng thi ng sut 79 Hnh 4.12. S phân b bin dng theo hưng knh 79 Hnh 4.13. S phân b bin dng theo hưng ngang 79 Hnh 4.14. S phân b bin dng tương đương 80 Hnh 4.15. Bin dng tương đương theo hưng chu vi 80 Hnh 4.16. Chuyn v ca cc phn t kim loi 81 Hnh 4.17. Bin ph hy vô hưng Johnson – Cook 81 Hnh 4.18. Kch thưc phôi v chi tit vt ren côn 82 Hnh 4.19. Nêm trên v nêm dưi 82 Hnh 4.20. Bn v lắp nêm cn v phôi 83 x Hnh 4.21. Mô hnh phn t hữu hn ca phôi 84 Hnh 4.22. Mô hnh lắp ghép phn t hữu hn ca khuôn v phôi 85 Hnh 4.23. Tip xúc mt ti mt giữa phôi v khuôn 86 Hnh 4.24. Qu trnh cn chi tit ren tu đin 87 Hnh 4.25. Chi tit vt ren côn khi kt thúc qu trnh cn 87 Hnh 4.26. Mt cắt dc v mt cắt ngang chi tit vt ren côn 88 Hnh 4.27. Cc thnh phn ng sut ca mt phn t trong tâm phôi cn 89 Hnh 4.28. ng sut chnh trong tâm phôi 90 Hnh 4.29. Chỉ s trng thi ng sut trong tâm chi tit vt ren côn 91 Hnh 4.30. Bin dng theo cc phương ca chi tit ren tu đin 91 Hnh 4.31. S hnh thnh v pht trin khuyt tt trong tâm phôi cn 92 Hnh 4.32. Hin tưng lm đu chi tit ren 93 Hnh 4.33. Nhit đ phân b trong tâm phôi 93 Hnh 4.34. Phân b nhit đ trên cc đim trên phôi 94 Hnh 4.35. Bin ph hy vô hưng Johnson – Cook 95 Hnh 4.36. Lc tc dụng trên cc phương 95 Hnh 5.1. My cn nêm ngang 97 Hnh 5.2. Cơ cu điu chỉnh v nâng đỡ nêm cn 98 Hnh 5.3. Cơ cu nâng trưt nêm trên 98 Hnh 5.4. B phn g lắp v cha nêm lm vic 98 Hnh 5.5. Nêm trên v nêm dưi 99 Hnh 5.6. V tr đt c vt ca nêm trên v dưi 99 Hnh 5.7. Ren âm trên b mt khuôn cn 100 Hnh 5.8. Thit b đo p sut trên my cn nêm ngang 100 Hnh 5.9. Dp đu m v chi tit vt ren côn 101 Hnh 5.10. Sn phm vt ren côn sau dp đ m 101 Hnh 5.11. Sn phmt vt ren côn sau cn nêm ngang 102 Hnh 5.12. Vt ren côn thit k v vt ren côn thc 102 Hnh 5.13. Chi tit vt ren côn vi ph hy trong tâm 103 Hnh 5.14. Chi tit vt ren côn vi ph hy b mt 103 Hnh 5.15. Kt qu mô phỏng v thc nghim vi sai hỏng b mt 104 Hnh 5.16. Kt qu mô phỏng v thc nghim vi sai hỏng tâm phôi 104 Hnh 5.17. Hin tưng lm đu chi tiêt vt ren côn sau cn nêm ngang 104 Hnh 5.18. Hin tưng lm đu chi tiêt vt ren côn mô phỏng 104 Hnh 5.19. Kt qu mô phỏng v thc nghim chi tit không ph hy 105 [...]... cán nêm ngang 1- Bàn nêm trên; 2 -Phôi; 3- Bàn nêm dưới Hình 1.1 mô tả sơ đồ cán nêm ngang sử dụng nêm cán cố định phía dưới và nêm cán dẫn động phía trên Phôi được đặt tại phần đầu vào của nêm cán dưới Nêm trên chuyển động tịnh tiến song song với nêm cán dưới, nhấn nêm trên vào phôi, khi bàn nêm trên chuyển động, nhờ có ma sát nên phôi chuyển động theo Trong. .. đích nghiên cứu Nghiên cứu nguyên nhân, cơ chế phá hủy phôi nhằm khắc phục và loại bỏ khuyết tật cơ học sản phẩm hình thành trong quá trình cán nêm ngang, nâng cao chất lượng sản phẩm và khả năng ứng dụng của công nghệ cán nêm ngang 3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu Chi tiết cơ khí có dạng trục tròn xoay 4 Phương pháp nghiên cứu Nghiên cứu lý thuyết công nghệ cán nêm. .. quay của phôi Tác giả cho rằng ứng suất kéo ở trong tâm phôi tăng lên theo số vòng quay của phôi Đây là nguyên nhân xuất hiện và phát triển các lỗ trống trong tâm phôi và có xu hướng phát triển theo hướng dọc trục (hình 1.12) Hình 1.13 Phá hủy phôi trong quá trình cán nêm ngang Trong một báo cáo về sự biến dạng của các vết nứt trong quá trình cán ngang, Thompson... phôi trong quá trình cán nêm ngang mang lại hiệu quả cao Những đóng góp mới của luận án: Nghiên cứu về nguyên nhân và cơ chế phá hủy phôi trong quá trình cán nêm ngang là một vấn đề cấp thiết, lần đầu tiên được thực hiện tại Việt Nam Kết quả nghiên cứu đã hệ thống hóa cơ sở lý thuyết, thực nghiệm và mô phỏng số quá trình cán nêm ngang Các hệ số tính đến... nứt trong phôi (hình 1.14) Đây là các vết nứt hình thành theo hướng chính, các khuyết tật này sẽ bị kéo dài khi phôi quay Phương pháp phần tử hữu hạn ra đời như một công cụ hữu hiệu hỗ trợ các nghiên cứu về phá hủy cơ học của phôi trong quá trình cán nêm ngang Phương pháp này được sử dụng để nghiên cứu dự báo về các dạng khuyết tật bên trong tâm phôi và... mềm được tác giả sử dụng trong nghiên cứu là LS-DYNA, thực nghiệm quá trình cán nêm ngang với chi tiết trục bậc Các kết luận đưa ra tương tự như nghiên cứu của Qiang Li [48], song nghiên cứu này đã phân tích tác động cơ –nhiệt đến quá trình biến dạng và phá hủy vật liệu Nguyên nhân và cơ chế phá hủy tâm phôi trong quá trình cán nêm ngang được giải thích bằng... 11500C Đây là cơ sở để các nhà sản xuất lựa chọn thông số công nghệ trong quá trình chế tạo các chi tiết bằng công nghệ cán nêm ngang Luận án cho thấy cơ chế phá hủy phôi trong quá trình cán nêm ngang là: sự biến dạng không đồng đều giữa các lớp kim loại; sự chênh lệch nhiệt độ giữa các vùng kim loại trên phôi tạo nên sự khác nhau về tính chất cơ học giữa... đường kính của phôi cán trong quá trình biến dạng dẻo của vật liệu Jain và Kobayashi [31] phân tích quá trình biến dạng phẳng của phôi bằng phương pháp trường đường trượt với thí nghiệm kiểm chứng là cán những phôi tròn trên máy cán nêm ngang và kết luận: độ lớn của ứng suất trong tâm phôi phụ thuộc vào tỉ số giữa diện tích tiếp xúc của phôi và nêm cán Saito... sự [26] giải thích trong quá trình quay, khi tốc độ quay của phôi tăng, phôi bị xoắn, trong tâm phôi hình thành ứng suất tiếp Khuyết tật trong tâm phôi sẽ xuất hiện nếu ứng suất tiếp này vượt quá giá trị giới hạn bền của vật liệu chế tạo phôi Trên cơ sở thí nghiệm, Guzavichus và các cộng sự giải thích rằng ứng suất tiếp tồn tại khi phôi quay Giá trị... suất dư bên trong 4 vật liệu; chỉ số trạng thái ứng suất dương lớn tập trung tại vùng tâm là nguyên nhân gây nên hiện tượng rỗng tâm sản phẩm Các nội dung trong luận án Luận án gồm năm chương: Chương 1: Giới thiệu công nghệ cán nêm ngang, các dạng khuyết tật cơ học của công nghệ này Những công trình nghiên cứu về phá hủy phôi trong quá trình cán nêm ngang đã được . đ nghiên cu ph hy phôi trong qu trnh cn nêm ngang mang li hiu qu cao. Những đóng góp mới ca luận n: Nghiên cu v nguyên nhân v cơ ch ph hy phôi trong qu trnh cn nêm ngang. 4.5. Kt lun 96 CHƯƠNG 5 THC NGHIỆM QUÁ TRÌNH CÁN NÊM NGANG 97 5.1. My cn nêm ngang 97 5.2. Nêm cn ren 99 5.3. Công ngh cn ren bằng my cn nêm ngang 101 5.3.1. Dp đu m chi tit. My cn nêm ngang 97 Hnh 5.2. Cơ cu điu chỉnh v nâng đỡ nêm cn 98 Hnh 5.3. Cơ cu nâng trưt nêm trên 98 Hnh 5.4. B phn g lắp v cha nêm lm vic 98 Hnh 5.5. Nêm trên v nêm dưi