Nghiên cứu phương pháp và công nghệ tạo hình siêu dẻo ứng dụng cho phôi nhôm dạng tấm hệ aa 5083

Đại Học Quốc Gia Tp Hồ Chí Minh TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA - NGUYỄN HOÀI NAM NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP VÀ CÔNG NGHỆ TẠO HÌNH SIÊU DẺO ỨNG DỤNG CHO PHÔI NHÔM DẠNG TẤM HỆ AA5083 Chuyên ngành : Cơ khí chế tạo máy Mã số ngành : 2.01.00 LUẬN VĂN THẠC SĨ TP HỒ CHÍ MINH, tháng 12 năm 2006 CÔNG TRÌNH ĐƯC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH Cán hướng dẫn khoa học: TS Lưu Phương Minh (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị chữ ký) Cán chấm nhận xét 1: (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị chữ ký) Cán chấm nhận xét 2: (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị chữ ký) Luận văn thạc só bảo vệ HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN THẠC SĨ TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA, ngày tháng năm TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA PHÒNG ĐÀO TẠO SĐH CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM ĐỘC LẬP - TỰ DO - HẠNH PHÚC Tp HCM, ngày tháng năm 200 NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: Nguyễn Hoài Nam Ngày, tháng, năm sinh: 29-03-1981 Chuyên ngành: Cơ khí chế tạo máy I- TÊN ĐỀ TÀI: Phái: Nam Nơi sinh: Khánh Hòa MSHV: 00404082 Nghiên cứu phương pháp công nghệ tạo hình siêu dẻo ứng dụng cho phôi nhôm dạng hệ AA5083 II- NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: Tổng quan sở lý thuyết biến dạng siêu dẻo công nghệ tạo hình siêu dẻo, phương pháp tạo hình siêu dẻo, thiết bị tạo hình siêu dẻo Nghiên cứu công nghệ tạo hình siêu dẻo hợp kim hệ nhôm AA5083, mô số trình tạo hình phần mềm MSC.Marc 2005 nhằm xác định biến thiên độ dày toàn bề mặt sản phẩm III- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ (Ngày bắt đầu thực LV ghi Quyết định giao đề tài): 03-07-2006 IV- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 03-12-2006 V- CÁN BỘ HƯỚNG DẪN (Ghi rõ học hàm, học vị, họ, tên): TS Lưu Phương Minh CÁN BỘ HƯỚNG DẪN CHỦ NHIỆM NGÀNH CN BỘ MÔN QL CHUYÊN NGÀNH (Học hàm, học vị, họ tên chữ ký) Nội dung đề cương luận văn thạc só Hội đồng chuyên ngành thông qua TRƯỞNG PHÒNG ĐT - SĐH Ngày tháng năm TRƯỞNG KHOA QL NGÀNH LỜI CẢM ƠN Để có kiến thức vô quý giá hoàn thành tốt luận văn tốt nghiệp giao nay, em xin chân thành cảm ơn quý thầy cô khoa Cơ khí, Trường Đại học Bách khoa TP.HCM dạy em suốt hai năm vừa qua Nhân đây, em xin bày tỏ lòng biết ơn, kính trọng đến quý thầy cô kính chúc quý thầy cô dồi sức khỏe để chắp cánh tri thức cho hệ mai sau Đặc biệt, em xin chân thành cảm ơn thầy Lưu Phương Minh dành nhiều thời gian để hướng dẫn, giúp đỡ tạo điều kiện thuận lợi cho em hoàn thành luận văn Cuối cùng, xin cảm ơn bạn bè giúp đỡ suốt thời gian học tập trình thực luận văn Nguyễn Hoài Nam TÓM TẮT NỘI DUNG Siêu dẻo đặc tính vài vật liệu kim loại có độ giãn dài lớn mà không bị phá hủy điều kiện gia công thích hợp Độ giãn dài đạt từ vài trăm 1000% Vật liệu gia công theo phương pháp xảy tốc độ biến dạng thấp (< s-1), nhiệt độ gia công cao (> 0,5Tnóng chảy) vật liệu có kích thước hạt nhỏ mịn phù hợp Tạo hình siêu dẻo (SPF) ứng dụng rộng rãi phương pháp kinh tế để sản xuất chi tiết có độ phức tạp cao, trọng lượng nhẹ với công đoạn tạo hình ngành công nghiệp đại Tạo hình siêu dẻo làm tăng thêm tính thẩm mỹ, giảm tối thiểu số nguyên công sản xuất Trong suốt trình tạo hình siêu dẻo, độ biến mỏng thành phần sản phẩm phụ thuộc vào nhiều tham số hình dạng khuôn tạo hình, đặc tính vật liệu điều kiện tạo áp suất nhiệt độ Ngày nay, hợp kim nhôm AA5083 ứng dụng rộng rãi để sản xuất công nghệ tạo hình siêu dẻo ngành công nghiệp ôtô ABSTRACT Superplasticity is the property of certain metallic materials that very high longations without contraction till breakage can be achieved at suitable working conditions These elongations are from few hundred to 1000 % or even more Such a method of working occurs at low strain rates (< s-1), high working temperatures (> 0.5Tmelting point), and corresponding microstructure of material Superplastic forming (SPF) has been widely accepted as an economical method to produce highly complex, lightweight and integral parts with a single forming operation in modern industry Superplastic forming also enhances design freedom, minimizes the amount of scrap produced During a superplastic forming process, thinning of components depends on several parameters including the shape of the die, the material properties, and the forming conditions such as pressure and temperature Nowaday, aluminum alloy AA5083 has been used to produce a variety of superplastic forming parts for the automotive industry CÁC KÝ HIỆU QUY ƯỚC VÀ CHỮ VIẾT TẮT Kí hiệu quy ước ý nghóa ε& Tốc độ biến dạng m Độ nhạy tốc độ biến dạng n Độ nhạy ứng suất tốc độ biến dạng α Hệ số phụ thuộc cấu trúc biên hạt σ Ứng suất chảy Tnc Nhiệt độ nóng chảy d Kích thước hạt δ Chiều dày biên hạt p Áp lực khí nén Chữ viết tắt ý nghóa AA Aluminum Association (Hiệp hội nhôm) EBSD Electron backscatter diffraction (Nhiễu xạ phân tán electron) FEA Finite element analysis (Phân tích phần tử hữu hạn) GBM Grain boundary migration (Dịch chuyển biên hạt) GBS Grain boundary sliding (Trượt biên hạt) SPF Superplastic forming (Tạo hình siêu dẻo) SPF/DB Superplastic forming/Diffusion bonding (Tạo hình siêu dẻo/Liên kết khuếch tán) MỤC LỤC Lời nói đầu Chương TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU KIM LOẠI SIÊU DẺO VÀ CÔNG NGHỆ TẠO HÌNH SIÊU DẺO 1.1 Lịch sử phát triển vật liệu kim loại siêu dẻo 1.2 Khái quát công nghệ tạo hình siêu dẻo 1.2.1 Giới thiệu công nghệ tạo hình siêu dẻo 1.2.2 Các hợp kim phù hợp với công nghệ tạo hình siêu dẻo 11 1.2.3 Phạm vi ứng dụng công nghệ tạo hình siêu dẻo 13 1.3 Tình hình nghiên cứu nước công nghệ tạo hình siêu dẻo 1.3.1 Tình hình nghiên cứu giới 17 1.3.2 Tình hình nghiên cứu Việt Nam 18 1.4 Mục tiêu phương pháp nghiên cứu đề tài 1.4.1 Mục tiêu đề tài 19 1.4.2 Phương pháp nghiên cứu đề tài 20 Chương CƠ SỞ LÝ THUYẾT BIẾN DẠNG SIÊU DẺO VÀ CÔNG NGHỆ TẠO HÌNH SIÊU DẺO 2.1 Cơ sở lý thuyết biến dạng siêu dẻo 2.1.1 Khái niệm biến dạng siêu dẻo 21 2.1.2 Điều kiện xảy biến dạng siêu dẻo 24 2.1.3 Những nét riêng học biến dạng siêu dẻo 28 2.1.4 Đặc trưng cấu trúc tế vi biến dạng siêu dẻo 35 2.1.5 Lỗ trống phá hủy biến dạng siêu dẻo 44 2.2 Công nghệ tạo hình siêu dẻo 2.2.1 Nguyên lý trình tạo hình công nghệ tạo hình siêu dẻo 51 2.2.2 Những ưu điểm hạn chế công nghệ tạo hình siêu dẻo 55 2.2.3 Phân loại phương pháp gia công theo công nghệ tạo hình siêu dẻo 57 2.2.4 Quy trình sản xuất theo công nghệ tạo hình siêu dẻo 61 2.2.5 Thiết bị tạo hình theo công nghệ tạo hình siêu dẻo 67 Chương NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ TẠO HÌNH SIÊU DẺO ỨNG DỤNG CHO PHÔI TẤM HP KIM NHÔM AA5083 3.1 Khái quát hợp kim nhôm AA5083 70 3.2 Tổ chức tế vi hợp kim nhôm AA5083 71 3.3 Các thông số công nghệ phù hợp trình tạo hình siêu dẻo phôi hợp kim nhôm AA5083 74 3.4 Ứng dụng phần mềm MSC.Marc 2005 mô số trình tạo hình phôi hợp kim nhôm AA5083 76 Chương KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN Phụ lục Tài liệu tham khảo 89 96 109 LỜI NÓI ĐẦU Công nghệ tạo hình siêu dẻo (Superplastic Forming) hay gọi công nghệ SPF công nghệ tạo hình tiên tiến giới nhằm để chế tạo chi tiết có bề mặt phức tạp từ phôi ngành công nghiệp ôtô, công nghiệp hàng không Sản phẩm công nghệ bao thân xe ôtô, chi tiết máy bay số chi tiết dùng y học Ưu điểm bật phương pháp chế tạo chi tiết phức tạp công đoạn, giảm nhẹ trọng lượng chi tiết, tăng độ cứng vững kết cấu Đối với chi tiết dạng tấm, thành mỏng có hình dạng phức tạp, người ta gia công tạo hình theo phương pháp truyền thống dập, hàn mà phải dùng kỹ thuật thổi ép khí nén xuống hình dạng khuôn tạo hình Công nghệ giúp cải thiện đáng kể tính thẩm mỹ sản phẩm, giảm thời gian gia công giá thành sản phẩm Chính ưu điểm bật mà năm gần đây, công nghệ tạo hình siêu dẻo nghiên cứu ứng dụng rộng rãi nước có công nghiệp phát triển Đây công nghệ tạo hình mẻ Việt Nam nên chưa ứng dụng với quy mô rộng rãi để sản xuất, chưa có công trình nghiên cứu lónh vực thật đầy đủ toàn diện phương pháp công nghệ tạo hình phổ biến khác Mặt khác có lý vấn đề bảo mật quyền công nghệ nên nhiều yếu tố quan trọng tính toán thiết kế thiết bị sản xuất phương pháp chưa phổ biến rộng khắp giới Việc nghiên cứu công nghệ thiết bị tạo hình siêu dẻo cần thiết Việt 97 TRANSLATIONS -4 0 REPETITIONS CURVES chọn vào đường thẳng đứng hình bên Hình chiếu khuôn tạo hình END LIST (#) RETURN Chia lưới cho phôi siêu dẻo CRVS: REM ALL: EXIST SELECT SURFACES ALL: EXIST MAKE INVISIBLE RETURN CURVE TYPE LINE 98 RETURN CURVES: ADD point( -3.5, 5.0, 0.5) point( 0.0, 5.0, 0.5) point( 0.0, 5.0, 0.5) point( 6.5, 5.0, 0.5) EXPAND RESET SHIFT TRANSLATIONS 0 CURVES ALL: EXIST RESET SHIFT CENTROID 0 3.5 ROTATION ANGLES (DEGREES) -90/10 REPETITIONS 10 CURVES bấm vào đường ngang hình bên 99 END LIST (#) RESET SHIFT TRANSLATIONS -3.5 0 REPETITIONS CURVES bấm vào đường thẳng đứng hình bên 100 END LIST (#) RETURN CONVERT DIVISIONS 10 SURFACES TO ELEMENTS chọn khung hình quạt nan hình bên 101 END LIST (#) DIVISIONS 10 10 SURFACES TO ELEMENTS chọn ô chữ nhật hình bên 102 END LIST (#) RETURN SWEEP ALL RETURN RENUMBER ALL RETURN RETURN Kết mô hình chia lưới FEA phôi khuôn tạo hình Điều kiện biên BOUNDARY CONDITIONS MECHANICAL SELECT ELEMENTS ALL: EXIST MAKE VISIBLE RETURN 103 FIXED DISPLACEMENT DISPLACEMENT X DISPLACEMENT Y DISPLACEMENT Z OK SELECT METHOD: PATH NODES (chọn điểm đầu, điểm điểm cuối cung tròn) END LIST (#) RETURN NODES: ADD ALL: SELEC NEW FIX X = OK NODES: ADD (doïc theo x=0 đường thẳng đứng) END LIST (#) NEW FIX Z = OK NODES: ADD (doïc theo z=0: đường nằm ngang) END LIST (#) NEW FACE LOAD (tải bề mặt) SUPERPLASTICITY CONTROL PRESSURE (áp lực) NEGATIVE (cản lại) 104 OK FACES: ADD ALL: EXIST MAIN Đặc tính vật liệu MATERIAL PROPERTIES ISOTROPIC PLASTICITY : RIGID-PLASTIC PIECEWISE LINEAR POWER LAW OK OK ELEMENTS: ADD (vật liệu đẳng hướng) 105 ALL: EXIST RETURN GEOMETRIC PROPERTIES 3-D MEMBRANE THICKNESS 0.08 OK (đặc tính hình học) (màng) ELEMENTS: ADD ALL: EXIST SELECT MAKE INVISIBLE MAIN CONTACT (sự tiếp xúc) CONTACT BODIES NEW NAME phoi DEFORMABLE FRICTION COEFFICIENT 0.3 OK (bieán dạng) (hệ số ma sát) 106 ELEMENTS: ADD ALL: EXIST NEW NAME khuon RIGID VELOCITY: PARAMETERS APPROACH VELOCITY: Y OK FRICTION COEFFICIENT 0.3 (vận tốc) (vận tốc tiếp xúc) (hệ số ma sát) OK SURFACES: ADD ENDLIST (#) ID BACKFACES FLIP SURFACES ALL: EXIST MAIN LOADCASES MECHANICAL STATIC TOTAL LOADCASE TIME STEPPING PROCEDURE : MULTI-CRITERIA PARAMETERS (chọn bề mặt khuôn tạo hình) 3000 107 INITIAL FRACTION OF LOADCASE TIME 1e-4 MAXIMUM FRACTION OF LOADCASE TIME 5e-3 OK CONVERGENCE TESTING RELATIVE/ABSOLUTE RESIDUALS AND DISPLACEMENTS MINUMUM REACTION FORCE CUTOFF MAXIMUM ABSOLUTE RESIDUAL FORCE MINUMUM DISPLACEMENT CUTOFF 5e-5 MAXIMUM ABSOLUTE DISPLACEMENT 5e-5 OK SUPERPLASTICITY CONTROL (điều khiển trình siêu dẻo) PRESSURE (áp lực khí nén) MINIMUM 0.001 MAXIMUM 300 TARGET STRAIN RATE 2e-4 (tốc độ biến dạng) TARGET STRAIN RATE CONSTANT PRE_STRESS 50 (áp lực ban đầu) # INCREMENTS (số gia) OK OK 108 MAIN Phân tích JOBS MECHANICAL lcase1 ANALYSIS OPTIONS LARGE DISPLACEMENT FOLLOWER FORCE OK JOB RESULTS AVAILABLE ELEMENT SCALARS Equivalent Plastic Strain Rate Thickness of Element OK CONTACT CONTROL ADVANCED CONTACT CONTROL DISTANCE TOLERANCE BIAS OK NONE COULOMB BILINEAR (DISPLACEMENT) OK OK ELEMENT TYPES MECHANICAL 3-D MEMBRANE/SHELL 18 OK ALL: EXIST RETURN RETURN SAVE RUN SUBMIT (1) MONITOR OK MAIN 0.9 109 TÀI LIỆU THAM KHAÛO [1] C.K Syn, M.J.Brien, An analysis of gas Pressure Forming of Superplastic Al 5083 alloy, 2001 [2] Dr Richard Curtis, Superplastic forming in the medical sector, 2005 [3] Formtech GmbH, Solutions for Sheet Metal Parts, 2002 [4] J.A Hoeven, L Zhuang, B Schepers, J.P Baekelandt, A new 5xxx series alloy developed for automotive applications, 2002 [5] K Siegert, T Werle, Superplastic Alloys, 2003 [6] K.M Liew, Superplasticity & forming of advanced materials, 2002 [7] Lê Công Dưỡng (chủ biên), Vật liệu học, Nhà xuất Khoa học kỹ thuật, Hà Nội, 1997 [8] Mary, Anne, Mechanical and Microstructure Characterization of Commercial AA5083 Aluminum Alloys, 2004 [9] M.A Khaleel, H.M.Zbib , E.A Nyberg, Contitutive modeling of deformation and damage in superplastic materials, 1999 [10] MSC.Marc User's Guide version 2005, 1534 pages [11] Namas Chandra, Constitutive behavior of superplastic materials, Florida State University, 2000 [12] Nguyễn Văn Dán, Công nghệ vật liệu mới, Nhà xuất Đại học Quốc gia Tp Hồ Chí Minh, 2003 110 [13] Nguyễn Văn Dán, Nguyễn Ngọc Hà, Đặng Vũ Ngoạn, Trương Văn Trường, Vật liệu kỹ thuật, Nhà xuất Đại học Quốc gia Tp Hồ Chí Minh, 2004 [14] Nguyễn Trọng Giảng, Nguyễn Việt Hùng, Ansys mô số công nghiệp phần tử hữu hạn, 2001 [15] Pushkarraj V Deshmukh, Study of Superplastic Forming Process using Finite Element Analysis, 2003 [16] Roger Grimes, Extended brief, 2005 [17] R Cahn, P Haasen, E Kramer, Materials Science and Technology, Volume 6, Plastic Deformation and Fracture of Materials, p.407 - 456, 2001 [18] R.M Cleveland, A.K Ghosh, J.R Bradley, Comparison of superplastic behavior in two 5083 aluminum alloys, 2002 [19] R Hall, Y Chen, Numerical Analysis Reverse Blow Forming, 2001 [20] Sumit Agarwal, Paul E Krajewski, Clyde L Briant, Texture Development and Recrystallization in AA5083 During Superplastic Forming at Various Strain Rates [21] T.G Nieh, J Wadsworth and O.D Sherby, Superplasticity in Metals and Ceramics, Cambridge University Press [22] Technical Research Center, Furukawa-Sky Aluminum Corp, Superplastic 5083 Aluminum Alloy Sheet ALNOVI, 2004 [23] Websites: www.designinsite.dk www.furukawa-sky.co.jp www.mscsoftware.com 111 LÝ LỊCH TRÍCH NGANG Họ tên: Nguyễn Hoài Nam Ngày, tháng, năm sinh: 29-03-1981 Nơi sinh: Khánh Hòa Địa liên lạc: 19E/33 Bình Đông, Phường 14, Quận 8, Tp Hồ Chí Minh Điện thoại: (08) 8.546.204 - ĐTDĐ: 0919.082.909 E-mail: nghnam99@yahoo.com QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO - Từ 1999 - 2004: học đại học chuyên ngành Cơ khí kỹ thuật chế tạo Trường Đại học Bách khoa TP.HCM - Từ 2004 - 2006: học cao học chuyên ngành Cơ khí chế tạo máy Trường Đại học Bách khoa TP.HCM QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC - Từ 6-2004 đến 3-2006: cán giảng dạy, Khoa Cơ khí, Trường Đại học Giao thông Vận tải TP.HCM - Từ 10-2006 đến nay: nhân viên Kỹ thuật ép phun, Phòng Kỹ thuật, Công ty Cổ phần Nhựa Bình Minh ... biến dạng siêu dẻo công nghệ tạo hình siêu dẻo, phương pháp tạo hình siêu dẻo, thiết bị tạo hình siêu dẻo Nghiên cứu công nghệ tạo hình siêu dẻo hợp kim hệ nhôm AA5 083, mô số trình tạo hình phần... phương pháp gia công theo công nghệ tạo hình siêu dẻo 57 2.2.4 Quy trình sản xuất theo công nghệ tạo hình siêu dẻo 61 2.2.5 Thiết bị tạo hình theo công nghệ tạo hình siêu dẻo 67 Chương NGHIÊN CỨU CÔNG... biến dạng siêu dẻo 44 2.2 Công nghệ tạo hình siêu dẻo 2.2.1 Nguyên lý trình tạo hình công nghệ tạo hình siêu dẻo 51 2.2.2 Những ưu điểm hạn chế công nghệ tạo hình siêu dẻo 55 2.2.3 Phân loại phương