Mô phỏng số quá trình cán vành tạo hình cho chi tiết vòng bi

Nhằm khắc phục những nhược điểm của các phương pháp gia công truyền thống trong việc sản xuất các chi tiết vành cỡ lớn, nhiều nhà kỹ thuật trên thế giới đã nghiên cứu và phát triển một p

MỤC LỤC

 

LỜI CAM ĐOAN 5 

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ CÁI VIẾT TẮT 6 

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ 8 

LỜI NÓI ĐẦU 10 

CHƯƠNG 1 13 

TỔNG QUAN CÁC PHƯƠNG PHÁP TẠO HÌNH SẢN PHẨM VÀNH 13 

1.1   Giới thiệu về các phương pháp tạo hình chi tiết dạng vành 13  

1.1.1 Phương pháp đúc 13  

1.1.2 Phương pháp dập 14  

1.1.3 Phương pháp rèn 15  

1.1.4 Phương pháp gia công cắt gọt 16  

1.1.5 Phương pháp ép chảy 17  

1.1.6 Công nghệ cán vành 18  

1.2   Một số công trình nghiên cứu về cán vành 19  

1.3   Sản phẩm của cán vành và ứng dụng 23  

1.4   Kết luận 23  

CHƯƠNG 2 25 

CƠ SỞ QUÁ TRÌNH CÁN VÀNH 25 

2.2.4 Áp lực cán 30  

2.3   Quy trình công nghệ 33  

2.4   Mô tả công nghệ 34  

2.4.1   Trục dẫn động 35  

2.4.2   Trục áp lực 35  

2.4.3   Cặp trục hướng tâm 35  

2.4.4   Phôi 35  

2.5   Phân loại 35  

2.5.1   Phân loại theo giá cán 36  

2.5.2   Phân loại theo nhiệt độ cán 37  

2.5.3   Phân loại theo qúa trình giãn rộng 39  

2.6   Kết luận 39  

CHƯƠNG 3 40 

CƠ SỞ BIẾN DẠNG TẠO HÌNH VÀ MÔ HÌNH ỨNG XỬ VẬT LIỆU 40 

3.1   Một số khái niệm sử dụng trong mô hình vật liệu 40  

3.1.1   Ứng suất tương đương 40  

3.1.2   Biến dạng tương đương 40  

3.1.3   Điều kiện dẻo 41  

3.2   Ảnh hưởng của một số thông số công nghệ đến quá trình cán vành nóng 43  

3.2.1   Ảnh hưởng của ma sát 43  

3.2.2   Ảnh hưởng của nhiệt độ 45  

3.2.3   Ảnh hưởng của tốc độ biến dạng 46  

3.3   Giới thiệu mô hình ứng xử cơ-nhiệt ứng dụng trong bài toán biến dạng nóng 47  

3.4   Kết luận 56  

CHƯƠNG 4 57 

ỨNG DỤNG PHẦN MỀM DEFORM3D 57 

MÔ PHỎNG SỐ TỐI ƯU BÀI TOÁN CÁN VÒNG BI 57 

4.1   Mục đích và vai trò của mô phỏng số 57  

4.2   Giới thiệu phần mềm DEFORM3D 60  

4.2.1   Thuật toán của phần mềm 60  

4.2.2   Modun cán vành (Ring rolling) 60  

4.3   Áp dụng cho bài toán cán vòng bi cầu tự lựa một dãy 63  

4.3.1   Mô hình hình học 63  

4.3.2   Mô hình vật liệu (Johnson-Cook) 64  

4.3.3   Chia lưới phần tử 67  

4.3.4   Các điều kiện biên 68  

4.4   Kết luận 68  

CHƯƠNG 5 69 

PHÂN TÍCH KẾT QUẢ BÀI TOÁN CÁN VÒNG BI 69 

5.1   Đường cong quan hệ giữa ứng suất và biến dạng nhận được 69  

5.2   Ảnh hưởng của ma sát 72  

5.3   Ảnh hưởng của vận tốc quay 73  

5.4   Ảnh hưởng của nhiệt độ 75  

5.5   Ảnh hưởng của tốc độ ép 77  

5.6   Kết luận 78  

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 79 

TÀI LIỆU THAM KHẢO 80 

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu luận văn khoa học của tôi Các số liệu, kết quả nghiên cứu trong luận văn này là trung thực và chưa từng được ai công

bố trong bất kỳ công trình nghiên cứu nào trước đây

Tác giả luận văn

Đỗ Quang Long

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ CÁI VIẾT TẮT

v w Tốc độ tịnh tiến của trục hướng tâm mm.s- 1

l 1 Chiều dài vùng bd gây ra bởi trục dẫn động mm

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 2.1 - Các vùng nhiệt độ cho một số kim loại điển hình

Bảng 3.1 - Một số hệ số ma sát trong tạo hình khi dùng ma sát trượt

Bảng 4.1 - Hệ số của mô hình Jonhson-Cook

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Hình 1.1- Mô tả công nghệ đúc chế tạo chi tiết dạng vành

Hình 1.7 - Các chi tiết dạng vành có kích thước lớn Hình 2.1 - Nguyên lý cán vành

Hình 2.2 - Mô hình tính toán góc ăn trong cán vành

Hình 2.3 - Mô hình tính toán chiều dài vùng biến dạng

Hình 2.4 - Mô hình tính toán cơ học của cán vành

Hình 2.5 - Mô hình tính toán lực và mô men cán vành (cán nguội)

Hình 2.6 - Điều kiện cân bằng của phân tố abcd

Hình 2.7 - Quy trình công nghệ cán vành

Hình 2.8- Thiết bị cán vành

Hình 2.9 - Giá cán trục nằm

Hình 2.10 - Giá cán trục đứng và sản phẩm

Hình 2.11 - Máy cán lỗ hình kín (a) và máy cán lỗ hình hở

Hình 4.1 - Quy trình thực hiện mô phỏng số

Hình 4.2 - Quá trình tối ưu hóa công nghệ nhờ mô phỏng số

Hình 4.3 - Những ưu điểm của mô phỏng

Hình 4.10 - Đồ thị xác định hằng số C

Hình 4.11 - Lưới phần tử của phôi và trụ

Hình 5.1 - Đường cong ứng suất biến dạng nhận được khi cán vành vòng bi, với f = 0.7, ω = 20 rad/s, v = 1mm/s và T0=1000 0 C

Hình 5.2 - Phân bố biến dạng và nhiệt độ trên vành tròn

Hình 5.3 - Phân bố biến dạng tương đương theo quá trình cán tại vị trí P1, P2 và P3

Hình 5.4 - Phân bố ứng suất nhận được tại mặt cắt theo chiều cao của phôi

Hình 5.5 - Phân bố ứng suất nhận được tại mặt cắt theo chiều dày của phôi

Hình 5.6 - Mức độ biến dạng nhận được khi thay đổi hệ số ma sát f = 0.3, 0.5, 0.7 tại T0=10000C và v = 1 mm/s

Hình 5.7 - Biến dạng tương đương lớn nhất phụ thuộc vào tốc độ quay của trục quay ω = 20, 30, 50 rad/s tại T0 =1000 0 C, f=0.7 và v = 1 mm/s

Hình 5.8 - Biến dạng tương đương lớn nhất phụ thuộc vào tốc độ quay của trục quay ω = 20, 30, 50 rad/s tại T0 =1000 0 C, f=0.7 và v = 1 mm/s

Hình 5.9 - Ảnh hưởng của nhiệt độ

Hình 5.10 - Nhiệt độ kết thúc cán tương ứng với nhiệt độ phôi ban đầu với T 0 =

LỜI NÓI ĐẦU

Tạo hình các chi tiết dạng vành ở nước ta cũng đã được các nhà chuyên môn quan tâm nghiên cứu nhưng chủ yếu sử dụng các phương pháp truyền thống như đúc, tiện, phay … Tuy nhiên các phương pháp này còn có nhiều điểm hạn chế về cơ tính Các chi tiết sau khi đúc, tiện phải có một chế độ xử lý cơ nhiệt phù hợp mới có được những tính chất mong muốn

Các chi tiết dạng vành có kích thước đường kính lớn như bánh răng, vòng bi, bạc lót, vòng đai đòi hỏi phải chịu được điều kiện làm việc ngặt nghèo, có rất nhiều trong các thiết bị máy móc cỡ lớn thuộc các lĩnh vực công nghiệp nặng như đóng tàu, khai thác khoáng sản, sản xuất xi măng, quốc phòng, luyện và cán thép

Để sản xuất những chi tiết dạng vành tròn có kích thước lớn này, chỉ có thể áp dụng được phương pháp đúc, tuy nhiên nhược điểm cơ tính thấp khiến cho phương pháp này ít được sử dụng để chế tạo

Nhằm khắc phục những nhược điểm của các phương pháp gia công truyền thống trong việc sản xuất các chi tiết vành cỡ lớn, nhiều nhà kỹ thuật trên thế giới đã nghiên cứu và phát triển một phương pháp công nghệ mới đó là “cán vành” cho phép nâng cao năng suất, chất lượng, dễ dàng đa dạng hóa sản phẩm trên cùng một thiết bị và phù hợp với mọi loạt sản xuất từ nhỏ đến lớn

Cán vành là phương pháp tạo hình các chi tiết dạng vành trụ bằng cách làm giảm chiều dày và tăng đường kính từ phôi hình trụ rỗng Trên cơ sở tiết diện phôi bị nén theo hướng kính tạo ứng suất kéo theo phương tiếp tuyến để làm tăng đường kính sản phẩm

11

Trước kia do nhu cầu thực tế còn thấp, mặt khác do điều kiện hạn chế về thiết bị nên việc đi sâu vào lĩnh vực này chưa được chú trọng đầu tư đúng mức Hơn nữa, việc nghiên cứu ứng xử cơ nhiệt, tối ưu công nghệ này chưa được quan tâm đầy đủ Đối với chi tiết vòng bi làm việc trong điều kiện khắc nghiệt vừa phải đảm bảo khả năng chịu mài mòn, độ dẻo dai cao, đôi khi còn chịu cả nhiệt độ cao nên để đưa ra được các thông số công nghệ tối ưu là rất cần thiết

Với những ưu điểm nổi trội của công nghệ cán vành và hiện nay chưa có công trình nghiên cứu nào về cán vành ở Việt Nam, chính vì vậy tác giả đã lựa chọn đề tài:

“Mô phỏng số quá trình cán vành tạo hình cho chi tiết vòng bi” nhằm làm chủ và

tối ưu công nghệ cán vành chi tiết vòng bi bằng mô phỏng số

Luận văn được trình bày thành 5 chương Chương 1 giới thiệu tổng quan các phương pháp tạo hình sản phẩm dạng vành qua đó cho thấy vai trò và ý nghĩa khi ứng dụng công nghệ cán vành Chương 2 trình bày cơ sở quá trình cán vành từ nguyên lý, các thông số chính, qui trình công nghệ và phân loại quá trình cán vành Giới thiệu các mô hình vật liệu dẻo nhớt trong quá trình tạo hình nóng và ứng dụng

mô hình cứng dẻo nhớt của Jonhson-Cook được trình bày trong chương 3 Chương

4 ứng dụng phần mềm DEFORM3D để mô phỏng tối ưu bài toán cán vành vòng bi tang trống tự lựa một dãy Cuối cùng trong chương 5 đã đưa ra phân tích các kết quả qua đó làm rõ ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến quá trình tạo hình chi tiết vòng bi

Tác giả xin chân thành cảm ơn tới sự giúp đỡ tạo điều kiện thuận lợi của các cán bộ Bộ môn Cơ học vật liệu và cán kim loại, PTN Công nghệ vật liệu kim loại, Đại học Bách Khoa Hà Nội trong quá trình học tập và thực nghiệm để hoàn thành luận văn

Tác giả

Đỗ Quang Long

13

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN CÁC PHƯƠNG PHÁP TẠO HÌNH SẢN PHẨM VÀNH

1.1 Giới thiệu về các phương pháp tạo hình chi tiết dạng vành

Để chế tạo các chi tiết dạng vành có thể áp dụng nhiều biện pháp công nghệ như đúc, dập, rèn, gia công cắt gọt, ép chảy, cán vành Dưới đây sẽ giới thiệu nguyên lý

và ưu nhược điểm của các công nghệ này

Ưu nhược điểm:

Ưu điểm:

- Khuôn dễ chế tạo, có thể sử dụng được nhiều lần

- Có thể xác định thành phần thông qua phối liệu

Nhược điểm:

- Độ bền khuôn hạn chế khi đúc thép

- Khó đúc những chi tiết thành mỏng và biên dạng phức tạp

- Sản phẩm chứa nhiều ứng suất dư, chứa nhiều rỗ khí

- Khó tự động hóa, chi phí sản xuất lớn

Ưu nhược điểm:

Ưu điểm:

- Tiết kiệm được nhiều kim loại, nhất là trong sản xuất hàng loạt lớn

- Năng suất lao động cao do có thể cơ khí hóa và tự động hóa quá trình

15

- Không thể tạo được những chi tiết có hình dạng và kết cấu phức tạp

- Dập tạo hình khối thường phải sử dụng các thiết bị lớn đắt tiền do vậy chỉ thích hợp với sản xuất hàng loạt lớn

Nhận xét:

Có thể chế tạo được nhiều chi tiết nhưng với những chi tiết càng lớn thì càng khó thực hiện Công nghệ dập hầu hết chỉ áp dụng cho những chi tiết mỏng, số lượng lớn Với những chi tiết dạng vành cỡ lớn, phương pháp này gần như là không khả thi

- Chất lượng sản phẩm tốt do có quá trình làm nhỏ hạt và biến dạng

- Thiết bị và dụng cụ rèn đơn giản

Nhược điểm:

- Độ chính xác, độ bóng bề mặt chi tiết không cao

là một vấn đề vô cùng nan giải

1.1.4 Phương pháp gia công cắt gọt

Hình 1.4 - Mô tả công nghệ gia công cắt gọt chế tạo chi tiết dạng vành

17

Với trình độ cơ khí hiện nay, phương pháp này có thể sản xuất được hàng loạt những chi tiết với độ phức tạp cao Để chế tạo các chi tiết vành cỡ lớn, phương pháp này gây tốn kém, mất nhiều thời gian, chi phí công nghệ cao và đòi hỏi phải có các thiết bị lớn, Với chi tiết vành có tiết diện ngang phức tạp thì phương pháp cắt gọt nhiều khi không hiệu quả

đã nung nóng qua lỗ hình của khuôn ép thông qua chày ép

Ưu nhược điểm:

Ưu điểm:

- Độ chính xác cao

- Cơ tính cao, năng suất cao

- Nhờ nén khối, kim loại dẻo hơn

Nhược điểm:

- Áp lực đơn vị cao cho nên lực tác dụng lên dụng cụ lớn, tiêu hao năng lượng lớn

- Khuôn bị hao mòn nhanh

- Lượng kim loại hao phí lớn

Trục quay

độ bền trong quá trình làm việc

- Giới hạn chiều dài sản phẩm

1.2 Một số công trình nghiên cứu về cán vành

Cán vành là một trong những phần quan trọng nhất của lĩnh vực tạo hình kim loại từ thế kỷ thứ 18 Công nghệ cán vành được phát minh tại Anh cho sản phẩm bánh xe lửa Sau đó, công nghệ sản xuất vòng không hàn này được áp dụng cho sản xuất vòng bi [15] Mặc dù vậy các cơ chế của cán vành rất ít được nghiên cứu so với các quá trình khác như là cán băng, tấm

Kỹ thuật của quá trình là việc ép vòng theo hướng kính bằng cách giảm khoảng cách giữa hai trục như trong hình 1.6 Thêm hai trục đó là trục dẫn hướng và trục hướng tâm Trục dẫn hướng kiểm soát chu trình và trục hướng tâm kiểm soát khối lượng của vòng trong suốt quá trình cán [16]

Công trình xuất bản đầu tiên cho cán vành được thực hiện bởi Johnson et al [1-3], sau đó có rất nhà nghiên cứu đã quan tâm tới lĩnh vực này Nhiều thí nghiệm đã được thực hiện để đo lực và momen trong suốt quá trình cán, sử dụng các mẫu nhôm mềm và thép cán Một vài phân tích đã được giới thiệu như là lực cán, ranh giới (biên) trên và phân tích giãn rộng vành các phân tích này được so sánh với kết quả thực nghiệm

Alfozan và Gunesakara [20] nói về những quá trình thuận lợi trong quá trình cán;

đó là chất lượng đồng đều, bề mặt hoàn thiện bóng, dung sai nhỏ, thời gian cho ra sản phẩm ngắn và lượng vật liệu hao hụt tương đối nhỏ

Wen et al [17] chỉ ra sự tương đương giữa quá trình cán và cán vành là cả hai đều phải đi qua giữa của cặp trục cán Trong khi cán phẳng có nhiều cặp trục và phải nhiều lần qua, công nghệ cán vành chỉ có duy nhất một cặp trục

Yang et al, [4], đã nghiên cứu cán vành với tiết diện không phải là hình chữ nhật, sử dụng kỹ thuật phần tử biên trên cho biên dạng mặt cắt của vành chữ I Momen cán được tính toán cho các điều kiện quá trình khác nhau và được đánh giá bởi kết quả thí nghiệm

Joun et al, [6] đã tìm ra một phương pháp mới để dự báo biến dạng trong vành Họ giả thiết dòng chảy biến dạng dẻo của vật liệu trong vành là không đối xứng Do đó quá trình cán vành được xem như quá trình rèn nhiều bước Các biến số như vận tốc của dụng cụ và của vật liệu được đưa vào công thức bởi phương pháp phần tử hữu hạn Vận tốc dụng cụ chưa biết được xác định bởi yếu tố ứng suất chu vi trên diện tích mặt cắt ngang vành

Gengusamy et al [l0], giới thiệu một phương pháp cho mô phỏng quá trình cán vành sử dụng công thức kinh nghiệm Công thức sử dụng giải thích các dàng buộc quá trình khác nhau trong quá trình cán vành Mô hình toán và vật liệu sử dụng trong phương pháp kinh nghiệm chỉ ra tỷ lệ của phôi nhằm ổn định vật liệu trong suốt quá trình biến dạng, phôi không bị phá hủy hư hại cho tới khi tạo ra sản phẩm Sun Zhi-chao et al, [7] đã sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn nghiên cứu ứng xử

cơ nhiệt trong quá trình cán nóng vành Nghiên cứu cho thấy biến dạng không đồng nhất của vành tăng với sự tăng của tốc độ quay của trục và hệ số ma sát hoặc giảm với tốc độ tịnh tiến của trục ép và nhiệt độ ban đầu của phôi Nhiệt độ không đồng nhất của phôi giảm với sự tăng của tốc độ tịnh tiến của trục ép hoặc giảm với nhiệt

độ ở bề mặt bên ngoài là lớn hơn do diện tích lớn hơn tiếp xúc giữa vòng và trục M.R Forouzan et al, [9, 10] đã nghiên cứu hiệu quả của phương pháp bậc thang nhiệt trong mô hình hóa tác động của các trục dẫn hướng trong quá trình cán vành Bậc thang nhiệt được dẫn ra chống lại mômen không mong muốn của các lực cán, khe hở của trục và duy trì vành luôn đặt ở tâm máy cán Sử dụng phương pháp này cũng cho phép dự báo gần hơn giãn rộng và dòng chảy vật liệu

Nassir Anjami, Ali Basti, [11] đã nghiên cứu các tác động của kích thước trục cán đến quá trình cán nóng vành bởi phương pháp phần tử hữu hạn cặp liên kết cơ-nhiệt Kích thước của trục bao gồm trục quay (ngoài) và trục ép (trong) tác động đến ứng xử biến dạng, cấu trúc và tính chất của vành được nghiên cứu bởi mô phỏng số phần tử hữu hạn cơ nhiệt 3D Nghiên cứu này nhận được không chỉ phục

vụ cho việc thiết kế kích thước trục, tối ưu và điều khiển tốt quá trình cán nóng vành mà còn làm rõ biến dạng dẻo và truyền nhiệt trong vành có tiết diện hình chữ nhận lớn

Wang et al [21] nói về khuyết tật đuôi cá theo mặt trên và dưới của vành Đây là vùng không chịu tác động của trục Sự tăng đường kính ngoài của vòng trong quá trình cán tỉ lệ với tốc độ của trục cán Ở đây, tác giả chỉ đề cập tới vận tốc của trục cán là không đổi Tuy nhiên ở thời điểm bắt đầu cán có hiện tượng rung lắc mạnh của vòng [22]

Ảnh hưởng của hệ số ma sát được Boman và Phontot [23] nghiên cứu Họ cho rằng

hệ số ma sát càng nhỏ thì càng làm giảm bớt lực cán và năng lượng trong cán vành nhưng phải đủ để giữ được vòng phải quay giữa hai trục Sự bôi trơn hiệu quả làm

chất lượng sản phẩm tốt hơn với bề mặt không có khuyết tật và tuổi thọ trục cán dài hơn nhờ giảm sự mài mòn và hiệu quả cách nhiệt

Szabo và Dittrich [24] đã thiết kế phần mềm tính toán được kích thước phôi Mục đích chính là để đưa quá trình sản xuất theo qui mô công nghiệp

Tiedeman et al [25] miêu tả quá trình linh hoạt với tham số hình học vành, tốc độ đưa vào có ảnh hưởng đến tạo hình và lực định hình Đường viền nghiêng có thể được tạo với quá trình cán vì vậy quá trình gia công cắt gọt bị ngừng cho một vài vùng Lực định hình là nhỏ với sự trợ giúp của vùng tạo hình từng phần Tác giả cũng bổ sung quá trình ngược lại đúc, rèn khuôn và cắt gọt Nhưng nó được khẳng định rằng số lượng lớn của bán thành phẩm được yêu cầu cho đến bù giá thành công

cụ và thời gian sử dụng

Yan, Hua và Wu [18] xác định tốc độ cán trong suốt quá trình cán và xây dựng lý thuyết của tốc độ phát triển đường kính ngoài vòng là không đổi Đầu tiên, họ xác định cực trị giá trị của những tốc độ này Sau đó tác giả tạo mô hình toán học để đạt được mối quan hệ không tuyến tính giữa tốc độ đưa vào, chiều dày vành và tốc độ phát triển bán kính ngoài vành Vì vậy họ cũng đạt được giá trị tốc độ đưa vào như bảng giới hạn của chiều dày vành và như tốc độ phát triển đường kính ngoài vành được giữ không đổi

Trong quá trình cán vành nóng, khuyết điểm không mong muốn nhất là sai số hình học trong quá trình làm nguội Casoto [26] chỉ rõ phản hồi trong thay đổi dung sai tính toán do ảnh hưởng của cả điều kiện nguội không đồng đều và chuyển đổi pha

tổ chức tế vi

Hình 1.7 - Các chi tiết dạng vành có kích thước lớn

Trên hình 1.7 là một số loại vòng bi và bình chịu áp lực cỡ lớn được chế tạo bằng phương pháp cán vành

1.4 Kết luận

Qua phần tổng quan về công nghệ và thiết bị cán vành ở trên đã thấy được những đặc điểm ưu việt về cơ tính cũng như năng suất của quá trình cán vành so với các quá trình khác: đúc, rèn dập Không những thế mà công nghệ cán vành còn cho phép áp dụng các quá trình tự động hóa làm nâng cao năng suất, chất lượng sản phẩm

Mặc dù công nghệ cán vành không còn xa lạ trên thế giới, nhưng ở Việt Nam đây là một vấn đề hoàn toàn mới mẻ Chưa có một công trình nghiên cứu bài bản nào nói

về công nghệ này Về mặt nguyên lý thì cán vành không khác cán dọc nhiều, nhưng

về mặt tính toán công nghệ thì cán vành lại khó hơn hẳn cán dọc Chính vì thế mà đến gần đây người ta vẫn còn nghiên cứu thêm về vấn đề này Trong cán vành sản phẩm là một vành tròn khép kín chính vì vậy mà các ràng buộc nhau khi xét về điều kiện biên đến giải bài toán cán vành rất phức tạp: trong quá trình cán hình dạng vành thay đổi liên tục dẫn tới tọa độ tâm vành cũng thay đổi, như thế rất khó khi chọn hệ tọa độ quy chiếu là hệ tọa độ cực, chưa kể đến việc đường kính trục trong

và đường kính trục dẫn động khác nhau và hình dạng ban đầu của phôi cán có dạng tròn nên trong quá trình cán có sự khác nhau về chiều dài vùng biến dạng phía trục trong và ngoài

o 2 trục tronphía cả 2 t

Hình 2.1

mô tả một dẫn động, trụ

ng và ngoàtrục) Kim

y, trục tron

hở của trụ

ẩm trong quộng tức là l

ài có đườngloại cũng b

g kính khác

bị biến dạng

hư trên Hìnhướng tâm

Trục tâm

n vào để tạtrục hướng

ạo ra

g tâm

g quá

o của giãn

he hở

gồm

2.2 Các thông số cơ bản trong cán vành

Cũng giống như cán dọc, cán vành cũng có các thông số công nghệ chính sau: góc

ăn kim loại vào trục cán, chiều dài vùng biến dạng, lượng ép Đồng thời cũng có điều kiện ăn kim loại vào trục cán giống như cán dọc Trong phần dưới đây sẽ trình bày cách tính cũng như ảnh hưởng của chúng

2.2.1 Góc ăn kim loại vào trục cán

Hình 2.2 - Mô hình tính toán góc ăn trong cán vành

Trong cán vành do trục trong và trục dẫn động có đường kính khác nhau đồng thời đường kính trong và ngoài của vành khác nhau nên dẫn tới các góc ăn kim loại vào trục khác nhau Việc tính toán về mặt hình học các góc này để sau đó áp dụng vào

27

1 1

1 1

1 1

h R R R

Nhìn vào công thức 2.1 và 2.2 ta thấy rằng ∆ tỷ lệ nghịch với h1 R và n ∆ tỷ lệ thuận h2

với R như vậy nếu các góc ăn t α α1, 2 không đổi thì: trong quá trình cán lượng ép gây

ra bởi trục dẫn động ngày càng giảm, đồng thời lượng ép gây ra bởi trục trong ngày càng tăng do đường kính trong của vành ngày càng mở rộng

Lượng ép tổng: ∆ = ∆ + ∆ h h1 h2

2.2.2 Chiều dài vùng biến dạng

Trong quá trình cán vành chiều dài phần tiếp xúc giữa trục dẫn động và trục trong với vành là khác nhau do có sự khác nhau về đường kính của trục dẫn động và trục trong Chiều dài phần tiếp xúc giữa vành với trục dẫn động lớn hơn vành với trục trong [27] Việc tính toán chiều dài vùng biến dạng để tính toán lực cán sau này

Hình 2.3 - Mô hình tính toán chiều dài vùng biến dạng

⎜ ⎟ ⎜ ⎟

⎝ ⎠ ⎝ ⎠

( )

2 2 2

R r

Ta biết rằng trong cán dọc lượng ép cũng là một thông số quan trọng chính, từ nó ta

có thể xác định thêm các thông số khác Trong cán dọc ta chỉ biết đến một lượng ép chính ∆h max thông qua việc tính toán điều kiện ăn của kim loại vào trục cán Nhưng trong cán vành ngoài ∆h max ta còn có thêm ∆h minlà lượng ép nhỏ nhất giúp vành có thể mở rộng đường kính trong quá trình cán Dưới đây sẽ trình bày cách tính lượng

29

Trong quá trình cán vành thì khu vực biến dạng dẻo của phôi có liên quan đến lượng ép∆h Nếu∆hquá nhỏ thì các phần biến dạng dẻo của phôi ở phía bề mặt trong và ngoài của phôi không thể xâm nhập thông qua toàn bộ chiều dày Kết quả

là có một vùng cứng nằm ở giữa phôi, một phần chiều dày của phôi cản trở việc mở rộng đường kính của vành Để cho vành có thể mở rộng đường kính khi cán thì ∆h

phải lớn hơn một giá trị tối thiểu nào đó (∆hmin) Gọi L là chiều dài vùng biến dạng thì theo hình 2.4, 2 tác giả đã đưa ra mối quan hệ sau theo đó vùng biến dạng có thể xuyên qua chiều dày của phôi [12]

( ) ( 0 1)

1

2.7 8.74

1 2

m m

L h

=

Hình 2.4 - Mô hình tính toán cơ học của cán vành [12]

Sau các tính toán cuối cùng 2 tác giả đã rút ra được mối quan hệ sau để tính ∆hmin:

Công thức 2.8 đã phản ánh rõ mối quan hệ giữa ∆hmin và các kích thước của sản phẩm, cũng như đường kính các trục cán Công thức 2.8 rất hay vì đã đề cập đến việc biến dạng xuyên tâm làm ảnh hưởng tới quá trình mở rộng đường kính Tuy vậy công thức ( )2.8 cũng có những hạn chế của nó vì tác giả đã coi chiều dài vùng biến dạng về phía 2 trục cán là như nhau, trên thực tế không hoàn toàn lúc nào cũng đúng như vậy

2.2.4 Áp lực cán

Áp lực cán là một thông số rất quan trọng, nó cho biết sự phân bố áp lực lên trục

Hình 2.5 - Mô hình tính toán lực và mô men cán vành (cán nguội) [6]

Ta có thể nhận thấy rằng ở hình 2.5 do kim loại bị biến dạng ở trạng thái nguội (có thuộc tính Đàn –Dẻo) cho nên chiều dài vùng biến dạng lớn hơn do có sự phục hồi kim loại+ nén đàn hồi của trục cán

a)b)

Ảnh hưởng nén đàn hồi của trục,phục hồi của kim loại ở trạng thái nguội

Ảnh hưởng nén đàn hồi của trục, phục hồi của kim loại ở trạng thái nguội

Hình 2.6 - Điều kiện cân bằng của phân tố abcd

Suy ra ta có phương trình vi phân sau:

Mà trong quá trình cán thì lực tác dụng lên 2 trục trong và trục dẫn động là như nhau do vậy ta chỉ cần tính một lực là đủ

33

2.3 Quy trình công nghệ

Hình 2.7 - Quy trình công nghệ cán vành

Nung phôi Chồn

Phôi Đột lỗ

Cán Cán thô

Sản phẩm Cán định kính

Trục Hướng tâm

Công nghệ cán vành được chia làm các bước chính như sau:

Bước 1: Chuẩn bị phôi

- Phôi phải được chuẩn bị phù hợp với sản phẩm

- Nung phôi tới nhiệt độ cán nóng (thường 11500 - 12000C đối với thép)

- Chồn phôi ban đầu để tạo phôi trung gian có tiết diện ngang lớn và chiều dày phù hợp với sản phẩm vành

- Đột lỗ để tạo lỗ trên phôi nhằm dễ dàng đưa phôi vào thiết bị cán vành

Bước 2: Cán vành cho đến khi tạo được sản phẩm cuối cùng có kích thước theo yêu cầu

2.4 Mô tả công nghệ

Hình 2.8 mô tả chi tiết đầy đủ nhất cho phương pháp cán vành gồm các chi tiết: trục trong, trục dẫn động, trục dẫn hướng, trục hướng tâm, phôi cán Trên thực tế tùy điều kiện yêu cầu về chất lượng sản phẩm mà người ta có thể lược bớt một số chi tiết: trục hướng tâm, trục dẫn hướng

Khi làm việc, phôi bị biến dạng và quay được nhờ ma sát dưới tác động của hai trục cán quay là trục ép tạo hình và trục quay chính, hai trục hướng tâm có tác dụng để giới hạn chiều cao và đỡ cho phôi cán ổn định

Vùng biến dạng theo dọc trục Vùng biến dạng theo hướng kính

35

2.4.1 Trục dẫn động

Trục dẫn động của thiết bị cán vành thông thường hình trụ tròn, được dẫn động bởi các động cơ, có khả năng quay quanh trục tâm, khi trục dẫn động quay, bề mặt của trụ tròn tiếp xúc với mặt ngoài của phôi, dưới tác động của lực ma sát làm phôi quay theo Bề mặt của trục có thể coi là khuôn ngoài của sản phẩm

2.4.2 Trục áp lực

Trục áp lực của thiết bị cán vành thông thường hình trụ tròn, được dẫn động bởi động cơ, có khả năng tiến lại gần trục dẫn động, chịu trách nhiệm chính trong việc gây áp lực làm biến dạng phôi Trục áp lực chịu lực ma sát với phôi, nên khi phôi quay kéo theo trục áp lực cũng quay theo Do bề mặt của trục áp lực tiếp xúc với mặt trong của phôi nên có thể coi đây là khuôn trong của sản phẩm

2.4.3 Cặp trục hướng tâm

Trục hướng tâm của thiết bị cán vành thông thường hình trụ tròn, có thể là hình nón, được gắn cố định nhưng có khả năng quay quanh nó nhờ lực ma sát Trục hướng tâm thông thường là một cặp trục, có thể điều chỉnh khoảng cách giữa hai trục của cặp trục này, khoảng cách đó chính là chiều cao của sản phẩm

2.5.1 Phân loại theo giá cán

2.5.1.1 Giá cán trục nằm

Thiết bị cán có giá cán trục nằm, thông thường chỉ có trục dẫn động và trục áp lực đặt theo phương làm với phương ngang một góc từ 100 - 300 Trục dẫn động lớn, được gắn với động cơ và có thể tiến đến trục áp lực Với thiết bị cán này, chỉ có thể chế tạo được những sản phẩm có kích thước nhỏ

∗ Ưu điểm:

+ Năng suất cao vì sản phẩm thường là các chi tiết có kích thước nhỏ

+ Kết cấu máy nhỏ gọn, hệ thống điều khiển đơn giản

+ Giá thành thấp

∗ Nhược điểm:

+ Không cán được sản phẩm có kích thước lớn do kích thước máy nhỏ, không

có hệ thống dẫn đỡ, khi cán các sản phẩm có kích thước lớn máy không ổn định gây ra cong vênh

37

2.5.1.2 Giá cán trục đứng

Thiết bị cán có giá cán trục đứng, trục dẫn động và trục áp lực đặt vuông góc với phương ngang Trục áp lực có nhiệm vụ tiến đến trục dẫn động, ép chặt phôi vào trục dẫn động Trục hướng tâm lớn, có thể được dẫn động, giúp duy trì chiều cao không đổi cho phôi cán Với thiết bị cán này, có thể chế tạo được những sản phẩm

có kích thước lớn

∗ Ưu điểm:

+ Cán được sản phẩm có kích thước lớn (đường kính lên tới hàng m )

+ Sản phẩm có độ chính xác cao do có hệ thống dẫn dỡ, hạn chế chiều cao + Dễ ứng dụng tự động hóa vào sản xuất

∗ Nhược điểm:

+ Thời gián cán một sản phẩm lâu hơn so với máy cán trục nằm

+ Máy có kết cấu và hệ thống điều khiển phức tạp

+ Trọng lượng lớn, giá thành cao hơn

Ví dụ như quá trình tạo hình bằng cán, ép chảy, rèn …

Bảng 2.1 Các vùng nhiệt độ cho một số kim loại điển hình

Kim loại Điểm chảy

( 0 C)

Nhiệt độ kết tinh

lại ( 0 C)

Khoảng nhiệt độ gia

công ( 0 C)

Phương pháp này có những ưu nhược điểm như sau:

Ưu điểm: Tính dẻo cao, biến dạng lớn mà không có vết nứt; ứng suất chảy thấp do

đó yêu cầu về năng lượng biến dạng thấp; kích thước hạt nhỏ hơn; chia tách vi mô thấp hoặc loại bỏ được khuếch tán nguyên tử; bền hơn, dẻo dai hơn kim loại đúc

Nhược điểm: quá trình nung phôi dễ dàng bị oxy hóa; có tính giòn nóng khi nhiệt

độ làm việc quá nhiệt độ nóng chảy; dung sai kích thước sản phẩm lớn vì giãn nở nhiệt ở nhiệt độ cao; khó điều khiển bằng tay…

2.5.2.2 Cán nguội

Biến dạng dẻo xảy ra dưới các điều kiện mà quá trình hồi phục là ít xảy ra và kết tinh lại không xảy ra Vùng nhiệt độ trong bài toán cán nguội nằm trong khoảng T < 0,3Tm.Ví dụ như quá trình cán, ép chảy nguội, kép dây, dập nguội…

Quá trình này thường xảy ra hóa bền làm cho độ bền, độ cứng tăng nhưng độ dẻo dai lại giảm

Phương pháp này có những ưu nhược điểm như sau:

39

2.5.3 Phân loại theo qúa trình giãn rộng

Máy cán có khống chế giãn rộng thì lực cán bị dàng buộc bởi việc sử dụng trục trong với các biên dạng khác nhau, khống chế được lượng kim loại và do đó duy trì được chiều cao của phôi Ngược lại trong máy cán khi giãn rộng tự do không tồn tại các dàng buộc cho phép phôi di chuyển tự do theo hướng dọc trục Xem tương ứng trên hình 2.11

Hình 2.11 - Máy cán khống chế giãn rộng (a) và máy cán giãn rộng tự do(b)

2.6 Kết luận

Phần này giúp tác giả và người đọc có cái nhìn tổng quan về công nghệ cán vành Hiểu được các thông số chính tác động trong quá trình cán vành như góc ăn kim loại vào trục, chiều dài vùng biến dạng, lượng ép, lực cán…Từ đó đưa ra qui trình công nghệ cụ thể cho cán vành

Vành

Vành

CHƯƠNG 3

CƠ SỞ BIẾN DẠNG TẠO HÌNH VÀ MÔ HÌNH ỨNG XỬ VẬT LIỆU

3.1 Một số khái niệm sử dụng trong mô hình vật liệu

3.1.1 Ứng suất tương đương

Ứng suất tương đương,σ, đối với điều kiện dẻo xảy ra khi mà độ lớn của σ đạt tới một giá trị tiêu chuẩn

- Đối với tiêu chuẩn hay điều kiện dẻo của von Mises

k32

)σ(σ)σ(σ)σ(σσ

2 2 1

2 1 3

2 3

=

(3.1)

ở đây: k - ứng suất chảy (MPa)

Cũng có thể biểu diễn dưới dạng:

1

2 1

2 2

σ α α 1 σ 2

) α) (1 1 (α

Trong đó σ1 ≥ σ2 ≥ σ3

3.1.2 Biến dạng tương đương