Nghiên cứu ảnh hưởng của một số thông số công nghệ cơ bản đến quá trình tạo hình chi tiết phức tạp bằng phương pháp ép chảy ngang tt

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI Đỗ Quang Long NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA MỘT SỐ THÔNG SỐ CÔNG NGHỆ CƠ BẢN ĐẾN QUÁ TRÌNH TẠO HÌNH CHI TIẾT PHỨC TẠP BẰNG PHƯƠNG PHÁP ÉP CHẢY NGANG Ngành: Kỹ thuật vật liệu Mã số: 9520309 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT VẬT LIỆU – 2020 Hà Nội Cơng trình hoàn thành tại: Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS Lê Thái Hùng PGS.TS Đinh Văn Hải Phản biện 1: Phản biện 2: Phản biện 3: Luận án bảo vệ trước Hội đồng đánh giá luận án tiến sĩ cấp Trường họp Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Vào hồi …… giờ, ngày … tháng … năm 20 Có thể tìm hiểu luận án thư viện: Thư viện Tạ Quang Bửu - Trường ĐHBK Hà Nội Thư viện Quốc gia Việt Nam A MỞ ĐẦU Lý lựa chọn đề tài Cùng với tiến người, khoa học kỹ thuật không ngừng phát triển, công nghệ nghiên cứu hoàn thiện để mang lại suất cao Ngành cơng nghiệp tạo hình vật liệu khơng phải ngoại lệ, với ưu điểm suất cao, tạo sản phẩm đa dạng hình học, chất lượng tính sản phẩm cao Chính mà ngành quan tâm hầu giới Gia công kim loại áp lực dựa vào tính dẻo kim loại, dùng ngoại lực tác động làm cho kim loại bị biến dạng theo hình dạng yêu cầu Với ưu điểm bật tính sản phẩm, chất lượng bề mặt, độ xác kích thước, khả tự động hoá, suất cao chi phí hợp lý nên gia cơng kim loại áp lực sử dụng phổ biến hầu hết lĩnh vực: công nghiệp chế tạo máy, công nghiệp ô tô, tàu thuỷ nghiên cứu phát triển Để chế tạo chi tiết dạng khối (ví dụ trục truyền động, bánh răng, khớp nối, tay biên, trục khuỷu…), thường sử dụng công nghệ dập khối Với công nghệ dập khối đáp ứng nhiều tiêu chí nhà kỹ thuật sản xuất hàng loạt, đạt độ xác cần thiết, tiết kiệm nguyên vật liệu, lượng chi tiết có tổ chức tế vi, tính đáp ứng khả làm việc điều kiện tải trọng khắc nghiệt Trong thời gian gần đây, yêu cầu tiết kiệm nguyên, vật liệu, lượng, giảm chi phí sản xuất, nên nhà nghiên cứu quan tâm giải vấn đề công nghệ cho: - Rút ngắn q trình cơng nghệ; - Giảm thiểu nguyên công chuẩn bị nguyên cơng xử lý sau dập; - Tạo hình xác, khơng có vật liệu thừa, tiết kiệm triệt để vật liệu; - Nâng cao tính sản phẩm Đối với chi tiết có hình dạng phức tạp, làm việc điều kiện chịu mỏi cao, chịu va đập chi tiết dạng trục chữ thập, bánh răng… cần phải có phương pháp tạo hình gia cơng xử lý đặc biệt để đáp ứng yêu cầu làm việc chi tiết Trong công nghiệp áp dụng rộng rãi cơng nghệ tạo dập khối xác, ép chảy để chế tạo chi tiết dạng Tuy nhiên, cịn có nhiều vấn đề đưa cần phải giải tối ưu chế độ công nghệ để đạt chất lượng sản phẩm tốt nhất, tiêu hao lượng nhất, nâng cao tuổi thọ, cải thiện độ bền mỏi, tiết kiệm nguyên, vật liệu đặc biệt tìm nguyên nhân gây sai hỏng phá hủy chi tiết làm việc cần tiếp tục nghiên cứu công bố Trong đó, cơng nghệ ép chảy ngang tạo chi tiết có hình dạng phức tạp ép chảy vật liệu nhiều lớp mà công nghệ dập khối khó thực Các cơng trình cơng bố ép chảy chủ yếu tập trung vào công nghệ ép chảy thuận ép chảy nghịch, chưa có nhiều cơng bố để làm rõ ảnh hưởng thông số công nghệ, biến đổi dòng chảy vật liệu tượng phá hủy mẫu sản phẩm ép chảy ngang vật liệu nhiều lớp Chính vậy, đề tài “Nghiên cứu ảnh hưởng số thông số công nghệ đến trình tạo hình chi tiết phức tạp phương pháp ép chảy ngang” cần thiết Mục đích nghiên cứu Mục đích luận án là: Nghiên cứu ảnh hưởng số thông số cơng nghệ đến q trình ép chảy ngang để tạo hình chi tiết có hình dạng phức tạp từ vật liệu đồng chất vật liệu hai lớp chế gây phá hủy tạo hình vật liệu hai lớp Đối tượng phạm vi nghiên cứu - Đối tượng nghiên cứu trục chữ thập vật liệu đồng chất vật liệu hai lớp Phạm vi nghiên cứu luận án tập trung nội dung sau: - Nghiên cứu ảnh hưởng thông số công nghệ gồm nhiệt độ phơi, q trình truyền nhiệt, vận tốc ép chảy dịng chảy vật liệu mơ số kiểm chứng thực nghiệm ép chảy sản phẩm trục chữ thập vật liệu đồng chất - Nghiên cứu ảnh hưởng nhiệt độ phơi, q trình truyền nhiệt, dòng chảy vật liệu ảnh hưởng chiều dày lớp vỏ chi tiết mô số kiểm chứng thực nghiệm ép chảy sản phẩm trục chữ thập vật liệu hai lớp - Nghiên cứu tượng phá hủy ép chảy ngang vật liệu hai lớp đề xuất phương án khắc phục Phương pháp nghiên cứu - Phương pháp nghiên cứu kết hợp lý thuyết, mô thực nghiệm - Phân tích tổng hợp lý thuyết, đánh giá kết nghiên cứu công bố liên quan đến đề tài nước từ đề xuất nội dung nghiên cứu - Sử dụng phần mềm có độ tin cậy cao Abaqus để mơ q trình biến dạng - Sử dụng phương pháp thực nghiệm để nhận dạng mơ hình vật liệu - Sử dụng phương pháp đánh giá mô thực nghiệm để tìm thơng số ảnh hưởng đến q trình ép chảy ngang Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài - Nghiên cứu tạo hình cơng nghệ ép chảy ngang chi tiết có hình dạng phức tạp có độ xác cao, độ bền cao trục chữ thập cho vật liệu đồng chất vật liệu hai lớp chưa phát triển Việt Nam nên kết nghiên cứu có ý nghĩa khoa học thực tiễn - Đánh giá thông số công nghệ ảnh hưởng đến trình biến dạng ép chảy ngang; Phân tích trạng thái ứng suất, biến dạng, đường dòng chảy ép chảy ngang phương pháp mơ số góp phần làm sáng tỏ q trình biến dạng, điền đầy khn ép chảy ngang - Giải thích nguyên nhân gây phá hủy ép chảy ngang vật liệu hai lớp - Kết nghiên cứu luận án góp phần đưa cơng nghệ ép chảy ngang vào chế tạo chi tiết khí, cơng nghiệp tơ, đáp ứng u cầu ngày cao chất lượng sản phẩm, tiết kiệm vật liệu nội địa hóa chi tiết khí Các kết đạt - Đã nghiên cứu làm rõ ảnh hưởng số thông số cơng nghệ nhiệt độq trình truyền nhiệt, vận tốc ép chảy đến lực ép ép chảy ngang trục chữ thập từ vật liệu đồng chất thép C45 Phân tích trạng thái ứng suất - biến dạng, dòng chảy vật liệu theo giai đoạn điền đầy khn, từ vùng tập trung ứng suất phía đáy nhánh chữ thập, mức độ biến dạng lớn dòng chảy rối vị trí cuối giai đoạn điền đầy vào nhánh chữ thập Các thông số lựa chọn để nghiên cứu công nghệ gồm: nhiệt độ To = 1100 oC, vận tốc ép chảy v = mm/s hệ số ma sát f = 0.3 - Đã đánh giá ảnh hưởng nhiệt độ - trình truyền nhiệt chiều dày lớp vỏ phôi ép chảy ngang trục chữ thập từ vật liệu hai lớp thép C45 C10s, trình biến mỏng lớp vỏ phía đáy biến dày lớp vỏ phía nhánh chữ thập - Nghiên cứu luận giải chế phá hủy ép chảy ngang trục chữ thập trạng thái nguội từ vật liệu hai lớp nhơm - chì Ngun nhân tương thích biến dạng hai lớp vật liệu gây trạng thái ứng suất kéo - nén khác lớp vỏ có ứng suất kéo lớn giá trị giới hạn bền cho phép vật liệu dẫn đến phá hủy - Đã thực nghiệm kiểm chứng ép chảy ngang trục chữ thập cho thấy tương hợp cao với kết mơ gồm: lực ép, dịng chảy vật liệu, trình biến mỏng - biến dày lớp vỏ phôi từ vật liệu hai lớp thép C45 C10s - Thực nghiệm kiểm chứng nguyên nhân gây phá hủy hai lớp vật liệu nhơm - chì cho độ tương hợp cao Kết chứng tỏ việc lựa chọn nhận dạng mơ hình vật liệu, điều kiện biên mơ giải thích ngun nhân gây phá hủy hợp lý - Đề xuất giải pháp ngăn ngừa phá hủy lớp vỏ thay đổi chiều dày lớp vỏ phôi theo nhiệt độ thích hợp đề xuất giải pháp cơng nghệ ép chảy đối xứng hai chiều để nhận sản phẩm khơng bị phá hủy có mức độ độ biến dạng lớp vỏ đồng mô số Bố cục luận án Ngoài phần mở đầu, luận án thực nội dung trình bày 04 chương Chương tổng quan ép chảy vấn đề nghiên cứu Chương sở lý thuyết trình ép chảy Chương nghiên cứu trình ép chảy ngang trục chữ thập mô số Chương thực nghiệm kiểm chứng ép chảy ngang trục chữ thập Kết luận chung Tài liệu tham khảo; Danh mục cơng trình cơng bố luận án B NỘI DUNG CHÍNH CỦA LUẬN ÁN CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1 Giới thiệu chung ép chảy Ép chảy phương pháp chế tạo sản phẩm cách ép vật liệu qua khuôn cối với lực đủ lớn để vật liệu chảy qua lỗ hình khn Ép chảy ứng dụng cho kim loại, chất dẻo, cao su… dạng khối dạng bột Có nhiều cách để phân loại công nghệ ép chảy: theo sản phẩm, theo hướng ép, theo nhiệt độ làm việc, theo thiết bị,… sơ đồ hình 1.1 1.2 Trong nghiên cứu này, luận án tập trung nghiên cứu theo nhánh công nghệ ép chảy ngang Hình 1.1 Sơ đồ phân loại q trình cơng nghệ ép chảy 1.2 Cơng nghệ ép chảy ngang Ép chảy ngang cơng nghệ tạo hình thực nhờ lực tác dụng chày để vật liệu chảy vào lịng khn, hướng chảy vật liệu vng góc với hướng tác dụng lực (Hình 1.4) Hình 1.4 Hướng tác dụng lực hướng chảy vật liệu ép chảy ngang 1.2.1 Nguyên lý q trình cơng nghệ ép chảy ngang - Giai đoạn thứ xảy từ đầu phơi bị phình chạm vào thành lịng khn Giai đoạn mang đặc điểm nguyên công chồn - Giai đoạn thứ hai giai đoạn chỗ phình tang trống phơi chạm vào thành lịng khn - Giai đoạn ba phơi chạm vào thành lịng khn đến kim loại điền đầy đủ khối lượng cần thiết kết thúc trình ép chảy Hình 1.5 Nguyên lý ép chảy ngang, [4] 1.2.2 Sản phẩm công nghệ ép chảy ngang 1.3 Các cơng trình nghiên cứu ép chảy ngang 1.3.1 Các nghiên cứu công nghệ ép chảy ngang vật liệu đồng 1.3.2 Các nghiên cứu công nghệ ép chảy ngang vật liệu nhiều lớp 1.4 Kết luận Công nghệ ép chảy ngang phương pháp tạo hình đặc biệt có kết hợp q trình ép chảy cơng nghệ dập khối khn kín Cơng nghệ có khả chế tạo nhiều chi tiết có hình dạng phức tạp ứng dụng vào thực tế sản xuất Các cơng trình nghiên cứu, báo cáo khoa học công nghệ công bố rộng rãi năm gần Tuy nhiên, sản phẩm có hình dạng phức tạp vật liệu nhiều lớp chưa có nhiều cơng trình cơng bố để xem xét ảnh hưởng đồng thời thông số công nghệ, xem xét dịng chảy vật liệu điền đầy khn, đặc biệt ép chảy ngang vật liệu hai lớp có đặc tính khác Cơ chế phá hủy vật liệu xảy tạo hình chi tiết có hình dạng phức tạp, chi tiết từ vật liệu nhiều lớp cơng bố chưa giải thích chế gây phá hủy Trong nước chưa có nghiên cứu ép chảy ngang cơng bố Vì vậy, luận án tiếp cận tập trung giải vấn đề sau: - Phân tích yếu tố công nghệ nhiệt độ ép, vận tốc ép chảy, trạng thái ứng suất-biến dạng, dòng chảy vật liệu trình ép chảy ngang vật liệu đồng chất vật liệu hai lớp để tìm thơng số cơng nghệ ép hợp lý; - Phân tích nguyên nhân phá hủy ép chảy ngang vật liệu hai lớp để tìm chế phá hủy vật liệu; - Nghiên cứu ảnh hưởng chiều dày lớp vỏ phôi ép chảy ngang vật liệu hai lớp để nhận chiều dày đồng mà không phá hủy đề xuất phương pháp khắc phục tượng phá hủy; - Thực nghiệm kiểm chứng so sánh đánh giá với kết mô số CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT QUÁ TRÌNH ÉP CHẢY 2.1 Trường vận tốc ép chảy ngang 2.2 Lực ép 2.3 Các thơng số cơng nghệ ảnh hưởng đến q trình ép chảy Hình 2.6 Ảnh hưởng thơng số đến sản phẩm ép chảy Sơ đồ hình 2.6 mối quan hệ yếu tố ảnh hưởng chất lượng sản phẩm ép chảy Chúng ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng sản phẩm mà ảnh hưởng qua lại lẫn Dưới xem xét cụ thể ảnh hưởng yếu tố đến q trình ép chảy 2.3.1 Ma sát trình ép chảy Tác động ma sát trình ép chảy quan trọng sản xuất định đên kích thước phơi, giới hạn lực ép hay chất lượng bề mặt sản phẩm Một phương pháp đánh giá hiệu tác động ma sát qua ứng suất tường ma sát thơng qua ứng suất trượt hình xác định công thức sau: 2.3.2 Nhiệt độ ép chảy Trong thực tế q trình ép chảy có thay đổi nhiệt phức tạp, bắt đầu phôi nóng nạp vào khn (khn thường làm nóng trước để giảm truyền nhiệt vào khuôn) kết thúc trình ép chảy Một số nghiên cứu nhiệt độ tăng phân chia vùng nhiệt độ nhiều nghiên cứu đề cập [10,11,16 19-23] 2.3.3 Hệ số ép chảy Hệ số ép chảy khn nhiều lỗ phơi xác định tỷ số diện tích mặt cắt phơi diện tích mặt cắt sản phẩm (hình 2.12): 𝐸𝑅 = 𝐴𝐶 (2.25) 𝑛(𝐴𝐸 ) 2.3.4 Ứng suất chảy vật liệu Ứng suất chảy dẻo vật liệu chịu ảnh hưởng yếu tố sau: • Thành phần hóa học cấu trúc vật liệu A • Nhiệt độ biến dạng, mức độ biến dạng ε tốc độ biến dạng 𝜺̇ 2.3.5 Vận tốc ép chảy Ứng xử của kim loại q trình ép chảy chịu ảnh hưởng tốc độ biến dạng Tăng tốc độ chày dẫn đến gia tăng lực ép Nhiệt độ qúa trình ép chảy gia tăng với tăng tốc độ chày ép Sự gia tăng thực tế tốc độ biến dạng tăng tỷ lệ thuận với tốc độ chày ép nhiệt sinh tỷ lệ thuận với tốc độ biến dạng 2.4 Ảnh hưởng dòng chảy vật liệu Dòng chảy kim loại sở để xác định trường hợp phân bố ứng suất, biến dạng, thông số lực cơng biến dạng Ngồi ra, dựa vào dịng chảy kim loại ta rút kết luận xuất khuyết tật sản phẩm ép 2.5 Các dạng khuyết tật trình ép chảy 2.5.1 Nứt bề mặt sản phẩm Trong số trường hợp, sản phẩm sau ép chảy xuất vết nứt có dạng hình sóng ngang vết xước dọc theo chiều dài sản phẩm 2.5.2 Nứt tâm Trung tâm sản phẩm ép chảy phát triển vết nứt, gọi nứt trung tâm (Chevron), vỡ trung tâm, vỡ dạng mũi tên Những vết nứt cho trạng thái ứng suất kéo thủy tĩnh đường tâm vùng biến dạng khuôn, tượng tương tự vùng thắt kéo mẫu Những vết nứt quan sát thấy trình đùn ống kéo sợi, ống 2.5.3 Hiện tượng giịn nóng Sản phẩm ép chảy bị chày dạng vảy cá nhiệt độ ép chảy cao đồng thời ma sát làm phát sinh nhiệt làm xuất nóng chảy cục bề mặt gây phá hủy bề mặt sản phẩm 2.6 Kết luận - Trên sở tổng hợp sở lý thuyết vùng biến dạng ép chảy ngang để xem xét vận tốc dòng chảy từ xác định lực ép ngang phương pháp điều kiện biên - Phân tích yếu tố ảnh hưởng đến trình ép chảy ngang như: nhiệt độ, ma sát, tỷ số ép chảy, ảnh hưởng dòng chảy vật liệu, cấu trúc trình ép chảy đến chất lượng sản phẩm Qua nhận thấy, yếu tố ảnh hưởng trực tiếp đến q trình ép chảy mà cịn ảnh hưởng tương tác lẫn - Nghiên cứu lựa chọn thơng số cơng nghệ là: vận tốc ép chảy, nhiệt độ q trình truyền nhiệt phơi vào khuôn để xem xét ảnh hưởng thông số đến trình ép chảy ngang trục chữ thập phần mềm mơ số từ phân tích trạng thái ứng suất-biến dạng phơi - Các tượng hư hại, phá hủy gặp phải ép chảy tượng nứt bề mặt tâm phôi Đặc biệt tượng tách lớp, phá hủy lớp ép chảy vật liệu nhiều lớp Luận án lựa chọn sản phẩm trục chữ thập để ép chảy vật liệu hai lớp xem xét tượng phá hủy ép chảy vật liệu hai lớp CHƯƠNG NGHIÊN CỨU QUÁ TRÌNH ÉP CHẢY NGANG TRỤC CHỮ THẬP BẰNG MÔ PHỎNG SỐ 3.1 Giới thiệu khớp chữ thập Hình 3.1 Trục chữ thập thép khớp chữ thập 3.2 Mơ q trình ép chảy ngang trục chữ thập vật liệu đồng 3.2.1 Mơ hình hình học Hình 3.2 Kích thước trục chữ thập (a); mơ hình trục chữ thập 3D (b) Phơi sử dụng tốn mơ dạng trụ trịn Kích thước phơi tính tốn dựa vào điều kiện thể tích khơng đổi chi tiết thiết kế phôi là: D x h = 14.7x45mm 3.2.2 Mơ hình phần tử hữu hạn 3.2.3 Mơ hình hành vi – nhiệt vật liệu Nghiên cứu lựa chọn vật liệu C45 để mô tiến hành thực nghiệm kiểm chứng chương Thép C45 có thơng số đặc trưng sau [67]: Vật liệu có mođun đàn hồi, E = 210Gpa; Hệ số pốt xơng,  = 0.3; khối lượng riêng;  =7850 kg/m3; Độ bền kéo: 565 (MPa); Giới hạn chảy: 310 (MPa); Nhiệt dung riêng: 420 (J/kg.K); Độ dẫn nhiệt (trạng thái nhiệt độ cao): 80.2 (W/mK) 3.2.4 Điều kiện biên Bảng 3.2 Điều kiện biên cho tốn mơ ép chảy ngang trục chữ thập Điều kiện biên Thông số Giá trị - Nhiệt độ phôi (oC) Nhiệt độ - Có xét đến tốn nhiệt 900,1000,1100 số (To) truyền nhiệt (T) Hệ số ma sát trượt Tresca điều Ma sát 0.3 kiện biến dạng nóng có bơi trơn, f - Khn cố định cứng tuyệt đối Khuôn - Khuôn gia nhiệt, (oC) 600 Khn - Bán kính góc lượn khn R (mm) Chày ép - Cứng tuyệt đối Hình 3.12 Sự thay đổi nhiệt độ phơi q trình ép T=900oC, f = 0.3; v = 5mm/s Tuy nhiên, nhiệt độ phôi bề mặt tiếp xúc phôi với khuôn chày ép nhiệt độ giảm đáng kể từ 150-200oC Ngược lại, nhiệt độ gia tăng khn chày ép vị trí tiếp xúc với phơi thể hình 3.15 Nhiệt độ gia tăng cao chày khuôn tương ứng 134 144oC trường hợp nhiệt độ phôi 1100oC với nhiệt độ khuôn chày ép ban đầu đặt 600oC ép 2/3 hành trình • Phân tích ứng suất-biến dạng Trường ứng suất: Ứng suất thơng số đặc trưng cho q trình lượng công nghệ ép Trên vùng biến dạng có trở kháng biến dạng lớn gây trường ứng suất lớn Trường phân bố ứng suất tương đương chi tiết ép thể hình 3.16 a) Hình 3.16 Trường ứng suất tương đương theo hành trình với điều kiện v = 5mm/s, T0 = 1100oC, f = 0.3 Trường biến dạng: Trong tốn biến dạng dẻo, thơng số quan trọng cần phân tích biến dạng vật liệu Q trình biến dạng hoạt động tạo hình dạng, kích thước mong muốn đồng thời nguyên nhân làm hình thành phát triển khuyết tật bên vật liệu Trên hình 3.17 thể phân bố biến dạng theo hành trình ép • Dịng chảy vật liệu ép Hình 3.18 mơ tả dịng chảy vật liệu theo giai đoạn ép khác phôi điền đầy khuôn Trong giai đoạn đầu, với lượng ép nhỏ (20%), phôi giai đoạn chồn, lúc hướng dòng chảy định hình cịn khu vực chưa ổn định Sau đó, với lượng ép tăng dần (30% → 50%), hướng dòng chảy ổn định hơn, phơi ép 11 theo hình dạng khuôn Khi lượng ép gần đạt yêu cầu, nhánh điền đầy kim loại xuất chảy ngược lại kim loại đầu nhánh trục chữ thập, lại xuất dịng chảy rối (90%) Hình 3.18 Trường gradient vận tốc theo hành trình ép 3.3 Mơ số trình ép chảy ngang trục chữ thập vật liệu hai lớp 3.3.1 Mơ hình hình học 3.3.2 Mơ hình phần tử hữu hạn 3.3.3 Mơ hình vật liệu Bảng 3.4 Các hệ số mơ hình Johnson-Cook cho thép C45 AISI1006 (C10s) Các hệ số mô hình thuộc tính chảy dẻo Johnson-Cook Vật liệu A B n C m C45 510 722 0.36 0.097 0.432 AISI1006 350 275 0.36 0.022 3.3.4 Điều kiện mô Bảng 3.5 Các điều kiện tốn mơ ép trục chữ thập hai lớp Điều kiện Giá trị o Nhiệt độ phôi To ( C) 900,1000,1100 Hệ số ma sát tiếp xúc, f 0.3 Vận tốc chày ép, v (mm/s) 5mm/s Chiều dày lớp vỏ C45  (mm) 1; 2; Tuyệt đối cứng Khuôn 3.3.5 Kết mơ q trình ép trục chữ thập vật liệu 02 lớp Hình 3.22 đồ thị mơ tả mối quan hệ lực ép - hành trình lưới biến dạng giai đoạn ép trục chữ thập vật liệu hai lớp C45 AISI1006 điều kiện v = 5mm/s, f = 0.3, To = 1100oC,  = 1mm 12 Hình 3.22 Đường cong lực - hành trình lưới biến dạng tương đương phôi trường hợp v=5mm/s, f=0.3,  = 1mm, To = 1100oC a) Trường ứng suất – biến dạng Trên hình 3.23 kết mơ trường ứng suất phôi theo giai đoạn khác Trạng thái ứng suất giai đoạn đầu có dạng đối xứng phí nhánh trục chữ thập Tuy nhiên đến giai đoạn kim loại điền đầy > 70% vào nhánh trục chữ thập, ứng suất tăng dần phía đáy trục chữ thập, điều lý giải phía đáy trục chữ thập chịu hiệu ứng đáy có nghĩa phơi chịu áp lực nén lớn ma sát làm cản trở chuyển động dòng chảy vật liệu Kết ứng suất tập trung phía đáy phơi Hình 3.23 Trường ứng suất tương đương theo giai đoạn khác trường hợp v =5mm/s,  =2mm, f = 0.3, To = 1100oC Trong suốt trình ép chảy ngang, ứng suất chủ yếu tập trung bề mặt tiếp xúc, phía bên ngồi chịu trạng thái ứng suất nén phía bên chịu trạng thái ứng suất kéo Như hình 3.23 nhận thấy chiều dày lớp thép C45 chịu trạng thái ứng suất cao nhất, đặc biệt khu vực phía đáy phơi ép, phơi chịu ma sát lớn lực ép giai đoạn tăng cao cuối 13 q trình điền đầy khn, điều cho thấy có xu hướng dẫn đến phá hủy vật liệu Tương tự xảy trường biến dạng hình 3.24 b) Dịng chảy kim loại q trình biến dạng Lực ép (tấn) Hình 3.26 Dịng chảy kim loại với véc tơ vận tốc trình ép chảy ngang trường hợp v =5mm/s,  =2mm, f = 0.3, To = 1100oC c) Ảnh hưởng nhiệt độ ép chảy trục chữ thập hai lớp Phần xem xét ảnh hưởng nhiệt độ đến lực ép ép chảy ngang trục chữ thập vật liệu hai lớp Hình 3.27 kết trình ép trục chữ thập thay đổi nhiệt độ từ 900oC, 1000oC 1100oC lớp vỏ có chiều dày  = 1mm, tốc độ ép v = 5mm/s, hệ số ma sát f = 0.3 Hình 3.27 Ảnh hưởng nhiệt độ đến lực ép chiều dày lớp vỏ  = 1mm Kết cho thấy tăng nhiệt độ lực ép giảm, qui luật xảy trình ép phản ánh tương tự trường hợp ép vật liệu lớp Tuy nhiên, áp lực trung bình có giá trị cao so với áp lực trung bình ép vật liệu lớp Để xem xét ảnh hưởng trình truyền nhiệt từ phơi vào khn chày ép vật liệu hai lớp, lớp vỏ 2mm khảo sát điều kiện ép vật liệu lớp, cụ thể: To = 1100oC, f = 0.3, v = 5mm/s Kết mô hình 3.28 trường nhiệt độ phơi ép theo giai đoạn biến dạng tạo hình tương ứng với trường ứng suất phơi hình 3.29 Kết cho thấy vị trí nhánh nhiệt độ giữ ổn định có xu hướng gia tăng vị trí tâm phơi Trên bề mặt tiếp xúc phôi, khuôn chày ép nhiệt độ giảm 14 cục Đặc biệt vị trí phơi xuống nhiệt độ giảm nhanh phôi đồng thời tiếp xúc với chày ép thành khn Lực ép (tấn) Hình 3.28 Trường nhiệt độ trình ép vật liệu hai lớp,  = 2mm, T = 1100oC, f = 0.3, v = 5mm/s Nhiệt độ khuôn chày ép vị trí phơi tiếp xúc có nhiệt độ gia tăng đáng kể, nhiệt độ cao tăng từ 140-160oC Đặc biệt phôi truyền nhiệt lên đáy thành khn có diện tích tiếp xúc lớn d) Ảnh hưởng chiều dày lớp vỏ bên ngồi Đối với q trình ép chảy vật liệu hai lớp, chiều dày lớp vỏ bên cần thiết xem xét nghiên cứu Bởi tác động nhạy cảm đến q trình gia cơng áp lực chất lượng sản phẩm Một dải chiều dày khác lớp vỏ nghiên cứu  = 1mm, 2mm 3mm Hình 3.31 Ảnh hưởng chiều dày lớp vỏ đến lực ép trường hợp To = 1100oC, f = 0.3, v = 5mm/s Hình 3.31 kết mơ xem xét ảnh hưởng chiều dày lớp vỏ phôi đến lực ép Nhận thấy, lực ép lớn chiều dày lớp vỏ phôi tăng Tác động nhân tố khơng ảnh hưởng đến lực ép mà cịn tác động đến hình dạng tính chất học sản phẩm Hình 3.32 bảng 3.5 cho thấy chiều dày lớp vỏ phôi ảnh hưởng không đồng đến chất lượng sản phẩm Trên bảng 3.5 vùng A C có phân bố chiều dày lớp vỏ đồng so với chiều dày ban đầu có xu hướng biến dày Tuy nhiên vùng B, chiều dày lớp vỏ phơi có xu hướng biến mỏng Điều khơng tác động đến hình dạng sản phẩm mà cịn tác động đến tính chất học sản phẩm 15 Hình 3.32 Biến dạng phơi thay đổi chiều dày lớp vỏ thép C45 Bảng 3.6 Phân bố chiều dày lớp vỏ phôi vị trí khác sản phẩm ép Chiều dày lớp vỏ  (mm) Vị trí A (mm) Vị trí B (mm) Vị trí C (mm) 1.12 2.24 3.22 0.74 1.64 2.49 0.88 1.9 2.85 e) Các trường hợp gây phá hủy ép trục chữ thập Hình 3.33 Trạng thái ứng suất biến phá hủy vô hướng J-C ép trục chữ thập hai lớp với  = 1mm, T=900oC, f = 0.3, v =5mm/s Tại nhiệt độ 900oC lớp vỏ 1mm bị phá hủy đáy nhánh chi tiết Hình 3.33a tương ứng trạng thái ứng suất tương đương biến phá hủy vô hướng JCCRT  1, với giá trị biến phá hủy vơ hướng vật liệu bắt đầu bị phá hủy Hình 3.33b số độ lớn ứng suất kéo S22 (xx) lớn giá trị ứng suất cho phép thời điểm trước sau phá hủy, cho thấy tập trung ứng suất lớn đáy nhánh chữ thập 16 Hình 3.34 Sản phẩm 3D trục chữ thập với điều kiện ép T = 900oC, f = 0.3, v=5mm/s,  = 1mm Sản phẩm mô 3D hình 3.34 bị phá hủy bề mặt lớp vỏ phía đáy nhánh chữ thập Hiện tượng phá hủy nhánh xảy tương tự chiều dày lớp vỏ tăng lên 2mm 900oC phôi không điền đầy nhánh trục chữ thập hình 3.35 Hiện tượng phá hủy khắc phục chiều dày lớp vỏ tăng lên 3mm nhiệt độ 900oC (hình 3.36), biến phá hủy vơ hướng giá trị an tồn (