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

ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI Đặng Thị Hồng Huế Nghiên cứu chế phá hủy phôi trình cán nêm ngang Chuyên ngành: Kỹ thuật vật liệu Mã số: 62520309 Nghiên cứu sinh: Đặng Thị Hồng Huế Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS Đào Minh Ngừng GS.TS Nguyễn Trọng Giảng 2014 i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan là công trình nghiên cứu của riêng Các kết quả và số liệu công bố luận án trung thực và chưa từng được công bố công trình khác Hà Nội, ngày 10 tháng năm 2014 TM Tập thể hướng dẫn PGS.TS Đào Minh Ngừng Nghiên cứu sinh Đặng Thị Hồng Huế ii LỜI CẢM ƠN Tôi xin chân thành cảm ơn Bộ môn Cơ học vật liệu và Cán kim loại - Viện Khoa học và Kỹ thuật vật liệu -Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, Viện Vật lý Kỹ thuật thuộc Viện Hàn lâm khoa học quốc gia Belarus đã giúp thực luận án này Tôi xin chân thành cảm ơn PGS.TS Đào Minh Ngừng, GS.TS Nguyễn Trọng Giảng đã tận tình hướng dẫn về chuyên môn để có thể thực và hoàn thành luận án Tôi xin tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến các thầy phản biện, các thầy hội đồng chấm luận án đã dành thời gian đọc và góp những ý kiến quý báu để hoàn thiện bản luận án của mình, cũng giúp định hướng nghiên cứu tương lai Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới toàn thể gia đình, bạn bè, đồng nghiệp những người đã giúp đỡ, động viên, khuyến khích thực công trình này Hà Nội, ngày 10 tháng năm 2014 Nghiên cứu sinh Đặng Thị Hồng Huế iii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN i LỜI CẢM ƠN ii MỤC LỤC iii DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT v DANH MỤC CÁC BẢNG vii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ viii MỞ ĐẦU CHƯƠNG TỔNG QUAN 1.1 Giới thiệu quá trình cán nêm ngang 1.1.1 Sơ đồ nguyên lý 1.1.2 Các thông số bản của quá trình 1.1.3 Điều kiện quay phôi 1.1.4 Trạng thái ứng suất và biến dạng 1.1.5 Các thông số động lực học 10 1.2 Sản phẩm cán, phế phẩm và đặc điểm khuyết tật 10 1.2.1 Yêu cầu về chất lượng sản phẩm 10 1.2.2 Khuyết tật hình dạng 11 1.2.3 Khuyết tật bề mặt 14 1.2.4 Khuyết tật rỗng tâm 14 1.3 Kết luận 22 CHƯƠNG MƠ HÌNH THUỘC TÍNH VÀ PHÁ HỦY VẬT LIỆU 23 2.1 Phá hủy dẻo vật liệu kim loại 23 2.1.1 Sự hình thành và xuất hiện lỗ xốp, vết nứt tế vi 24 2.1.2 Sự phát triển của lỗ xốp tế vi 25 2.1.3 Sự hợp nhất của lỗ xốp tế vi 26 2.2 Mô hình phá hủy vật liệu 26 2.2.1 Mô hình phá hủy sở học môi trường liên tục 28 2.2.2 Mô hình phá hủy sở quan sát hiện tượng 29 2.3 Mô hình thuộc tính vật liệu 32 2.4 Phân tích và lựa chọn mô hình 35 2.5 Kết luận 36 CHƯƠNG NHẬN DẠNG MƠ HÌNH JOHNSON-COOK 37 3.1 Phương pháp nhận dạng mô hình Johnson – Cook 37 3.1.1 Phương pháp nhận dạng mô hình thuộc tính 37 3.1.2 Phương pháp nhận dạng mô hình phá hủy Johnson - Cook 39 3.2 Thí nghiệm nhận dạng 42 iv 3.2.1 Vật liệu thí nghiệm 46 3.2.2 Mẫu thí nghiệm 47 3.2.3 Thiết bị thí nghiệm 52 3.3 Kết quả thí nghiệm 52 3.3.1 Kết quả thí nghiệm nhận dạng mô hình thuộc tính Johnson- Cook 53 3.3.2 Nhận dạng mô hình phá hủy Johnson – Cook 61 CHƯƠNG MÔ PHỎNG SỚ Q TRÌNH CÁN NÊM NGANG 72 4.1 Phần mềm mô quá trình tạo hình và phá hủy vật liệu 72 4.2 Mô quá trình cán nêm ngang - mô hình 2D 73 4.2.1 Điều kiện mô 74 4.2.2 Kết quả mô 74 4.2.3 Phân tích trạng thái ứng suất-biến dạng tại vùng tâm phôi 74 4.3 Xây dựng mô hình học cho bài toán cán ren 3D 82 4.3.1 Thiết lập mô hình đối với nêm cán 83 4.3.2 Thiết lập mô hình đối với phôi cán 84 4.3.3 Mô hình lắp ghép phôi và khuôn 85 4.4 Kết quả và phân tích 86 4.4.1 Hình dạng hình học của chi tiết ren 86 4.4.2 Mặt cắt ngang, mặt cắt dọc chi tiết vít ren côn sau mô 87 4.4.3 Trạng thái ứng suất 88 4.4.4 Trạng thái biến dạng 91 4.4.5 Sự phân bố nhiệt độ phôi 93 4.4.6 Biến phá hủy vô hướng 95 4.4.7 Tải trọng 95 4.5 Kết luận 96 CHƯƠNG THỰC NGHIỆM QUÁ TRÌNH CÁN NÊM NGANG 97 5.1 Máy cán nêm ngang 97 5.2 Nêm cán ren 99 5.3 Công nghệ cán ren máy cán nêm ngang 101 5.3.1 Dập đầu mũ chi tiết 101 5.3.2 Cán chi tiết vít ren côn 101 5.4 Kiểm tra phá hủy chi tiết 103 5.5 So sánh kết quả mô và thực nghiệm 103 5.6 Kết luận 105 KẾT LUẬN 106 TÀI LIỆU THAM KHẢO 108 v DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Kí hiệu Diễn giải , , : Góc tạo hình (góc nêm), góc áp lực, góc nâng Đơn vị độ L1, L2, L3, L4: Chiều dài các vùng: cắt, dẫn, tạo hình và định kích thước mm D0, d: Đường kính phôi trước và sau tạo hình mm r: Lượng ép tuyệt đối mm : Hệ số biến dạng X: Hành trình của nêm cán mm Rt : Bán kính phôi cán tại thời điểm bất kỳ mm S0, S: Diện tích mặt cắt ngang phôi cán trước và sau tạo hình mm2 E: Mô đun đàn hồi của vật liệu N/mm2 Fms : Lực ma sát phôi và khuôn nêm N v: Tốc độ cán mm/s W: Năng lượng biến dạng J/m3 A, B, C, n, m : Các hệ số của mô hình thuộc tính Johnson- Cook Tmelt , Troom : Nhiệt đợ nóng chảy của kim loại, nhiệt đợ mơi trường độ C ε̅ , σ ̅ : Mức độ biến dạng tương đương, ứng suất tương đương ε̇ , ε̇ : Tốc độ biến dạng và tốc độ biến dạng tham chiếu 1/s ε̅f : Biến dạng tương đương tại thời điểm phá hủy vật liệu σx , σy , σz , τxy , τyz , τxz ∶ Các thành phần của ten xơ ứng suất MPa σ1 , σ2 , σ3 : Các thành phần ứng suất pháp chính MPa εx , εy , εz γxy , γyz , γxz : Các thành phần của ten xơ biến dạng ε1 , ε2 , ε3 : Các thành phần biến dạng chính 𝜎∗ = σH σeq : Chỉ số trạng thái ứng suất H, 𝜎𝑒𝑞 : Ứng suất thủy tĩnh, ứng suất Von - Mises MPa D1 , D2 , D3 , D4 , D5 : Các hệ số của mô hình phá hủy Johnson - Cook εr, εa ,εt : Biến dạng theo hướng kính, hướng trục, hướng đứng R, a: Bán kính, bán kính nhỏ nhất của mẫu thử phá hủy mm Mz : Mômen xoắn N.mm L: Chiều dài tổng của mẫu thử kéo mm vi lc : Chiều dài phần làm việc của mẫu thử kéo mm l0 : Chiều dài tính toán ban đầu của mẫu thử kéo mm l1 : Chiều dài tính toán sau mẫu đứt của mẫu thử kéo mm d1 : Đường kính nhỏ nhất của mẫu thử kéo sau đứt mm Chữ viết tắt CNN: Cán nêm ngang CNCNN: Công nghệ cán nêm ngang QTCNN: Quá trình cán nêm ngang MHTT: Mô hình thuộc tính MHPH: Mơ hình phá hủy MHH: Mơ hình hóa MPS: Mô số ƯS: Ứng suất BD: Biến dạng PH: Phá hủy KT: Khuyết tật KTBM: Khuyết tật bề mặt KTHD: Khuyết tật hình dạng KTRT: Khuyết tật rỗng tâm JC: Johnson – Cook MHJC: Mô hình Johnson – Cook pt: Phương trình vii DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 2.1 Các biến mô hình phá hủy vật liệu 26 Bảng 3.1 Giá trị hệ số C phụ thuộc vào tốc độ biến dạng 39 Bảng 3.2 Giá trị hệ số D4 phụ thuộc vào tốc độ biến dạng 41 Bảng 3.3 Thành phần hóa học của thép C45 47 Bảng 3.4 Mẫu thí nghiệm R nhiệt độ môi trường 50 Bảng 3.5 Bảng kí hiệu thí nghiệm nhận dạng MHTT J-C 52 Bảng 3.6 Bảng kí hiệu thí nghiệm nhận dạng MHPH J-C 52 Bảng 3.7 Kết quả thí nghiệm và nhận dạng tại nhiệt độ 9000C 57 Bảng 3.8 Kết quả thí nghiệm và nhân dạng tại nhiệt độ 10000C 58 Bảng 3.9 Kết quả thí nghiệm và nhận dạng tại nhiệt độ 11000C 59 Bảng 3.10 Bảng giá trị của hệ C 60 Bảng 3.11 Các thông số tính giá trị hệ số m 60 Bảng 3.12 Các hệ số của mô hình thuộc tính Johnson – Cook 61 Bảng 3.13 Kết quả thí nghiệm phá hủy 62 Bảng 3.14 Biến dạng của các mẫu xoắn tại thời điểm phá hủy 64 Bảng 3.15 Giá trị của hệ số D4 64 Bảng 3.16 Bảng giá trị xác định các hệ số cuả D5 64 Bảng 3.17 Các hệ số của mô hình phá hủy Johnson – Cook 65 Bảng 4.1 Các thông số hình học của nêm 83 Bảng 4.2 Tính chất nhiệt của vật liệu chế tạo nêm cán 83 Bảng 4.3 Điều kiện mô 84 Bảng 4.4 Hệ số nhiệt của thép C45 nhiệt độ 11500C 85 viii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ Hình 1.1 Sơ đờ ngun lý công nghệ cán nêm ngang: Hình 1.2 Quá trình cán nêm ngang chi tiết trục bậc Hình 1.3 Sơ đồ lực tác dụng kim loại và khuôn phôi ăn vào trục cán Hình 1.4 Một số sản phẩm của công nghệ cán nêm ngang 10 Hình 1.5 Khuyết tật hình dạng sản phẩm 11 Hình 1.6 Khuyết tật bề mặt sản phẩm cán nêm ngang 12 Hình 1.7 Sản phẩm trục bậc 12 Hình 1.8 Khuyết tật thắt của phôi cán nêm ngang 13 Hình 1.9 Khuyết tật hình dạng phôi cán nêm ngang 14 Hình 1.10 Khuyết tật định hướng dọc tâm phôi cán [34] 17 Hình 1.11 Sự hợp nhất các lỗ trống quá trình phá hủy [48] 17 Hình 1.12 Khuyết tật tâm phôi cán 18 Hình 1.13 Phá hủy phôi quá trình cán nêm ngang 18 Hình 1.14 Sự hợp nhất các lỗ trống ứng suất chính [48] 19 Hình 2.1 Quá trình phá hủy vật liệu 24 Hình 2.2 Sơ đồ sự hình thành vết nứt lệch tương tác với 25 Hình 2.3 Phân tố thể tích chứa khuyết tật 26 Hình 2.4 Đường cong ứng suất biến dạng của thép C45 27 Hình 2.5 Sự phụ thuộc của 𝜀̅𝑓 vào số trạng thái ứng suất 31 Hình 2.6 Đường cong ứng suất biến dạng của thép C45 32 Hình 3.1 Mẫu tạo R và biến dạng theo các chiều 45 Hình 3.2 Biên dạng hình học của mẫu thử kéo 45 Hình 3.3 Sự phân bố nhiệt độ của mẫu thử kéo theo tiêu chuẩn 12000C 45 Hình 3.4 Mẫu thí nghiệm kéo nhiệt độ cao 51 Hình 3.5 Phân bố nhiệt độ của mẫu kéo tiêu chuẩn 12000C 48 Hình 3.6 Chế độ nung mẫu thực hiện thí nghiệm nhiệt độ 12000C 49 Hình 3.7 Đờ thị phân bớ nhiệt đợ ½ vùng làm việc của các mẫu kéo 49 Hình 3.8 Kích thước và hình dạng mẫu xoắn 51 Hình 3.9 Đờ thị phân bớ nhiệt đợ ½ vùng làm việc của các mẫu xoắn 49 Hình 3.10 Máy thử kéo nén (MTS) 52 Hình 3.11 Mẫu sau thí nghiệm kéo nhiệt độ thường 53 Hình 3.12 Mẫu sau thí nghiệm nhiệt độ cao 53 Hình 3.13 Đồ thị ứng suất – biến dạng thay đổi tốc độ biến dạng 54 Hình 3.14 Đồ thị ứng suất – biến dạng thay đổi nhiệt độ 55 Hình 3.15 Đồ thị ứng suất – biến dạng mẫu kéo nguội 56 ix Hình 3.16 Hình 3.17 Hình 3.18 Hình 3.19 Hình 3.21 Hình 3.20 Hình 3.21 Hình 3.22 Đồ thị xác định giá trị hệ số B và n 56 Đồ thị ứng suất và biến dạng tại các nhiệt độ khác 60 Đồ thị xác định ảnh hưởng của nhiệt độ 61 Đồ thị lực – chuyển vị của các mẫu tạo R 61 Đồ thị quan hệ biến dạng tương đương- số trạng thái ứng suất……………60 Đồ thị ứng suất tiếp – biến dạng trượt 63 Đồ thị xác định hệ số D5 65 Điều kiện biên và kết quả mô thí nghiệm kéo 65 Hình 3.23 Hình 3.24 Hình 3.25 Hình 3.26 Hình 3.27 Hình 3.28 Hình 3.29 Hình 3.30 Đường cong thực nghiệm - nhận dạng 66 Đường cong thực nghiệm - mô 67 Lưới phần tử và điều kiện biên R 68 Biến dạng của các mẫu R 68 Chỉ sẫu thử kéo trước thời điểm đứt 0.1s 69 Chỉ số trạng thái ứng suất tâm mẫu 69 Thông số phá hủy Johnson – Cook 69 Phần tử kim loại bị xóa khỏi lưới 70 Hình 3.31 Đồ thị ε̅f − σ∗ mô – thực nghiệm………………………………………69 Hình 4.1 Đường cong ứng suất – Biến dạng của vật liệu kim loại [63] 73 Hình 4.2 Mô hình hình học và mô hình phần tử hữu hạn của phôi cán 74 Hình 4.3 Biến dạng tương đương theo thời gian 75 Hình 4.4 Trạng thái ứng suất 75 Hình 4.5 Biến phá hủy vô hướng D 76 Hình 4.6 Hiện tượng phá hủy tâm phôi 76 Hình 4.7 Trạng thái ứng suất 77 Hình 4.8 Quá trình phá hủy tâm phôi 77 Hình 4.9 Các thành phần ứng suất của phân tố kim loại tâm phôi 78 Hình 4.10 Sự phân bố ứng suất kéo tâm phôi 78 Hình 4.11 Sự phân bố số trạng thái ứng suất 79 Hình 4.12 Sự phân bố biến dạng theo hướng kính 79 Hình 4.13 Sự phân bố biến dạng theo hướng ngang 79 Hình 4.14 Sự phân bố biến dạng tương đương 80 Hình 4.15 Biến dạng tương đương theo hướng chu vi 80 Hình 4.16 Chuyển vị của các phần tử kim loại 81 Hình 4.17 Biến phá hủy vô hướng Johnson – Cook 81 Hình 4.18 Kích thước phôi và chi tiết vít ren côn 82 Hình 4.19 Nêm và nêm dưới 82 Hình 4.20 Bản vẽ lắp nêm cán và phôi 83 99 Bệ máy làm giá đỡ cho các chi tiết khác gắn lên, ngoài cịn có chức là khoang chứa dầu bôi trơn và dầu dùng cho xilanh thủy lực Bệ máy có kích thước và đợ cứng vững đảm bảo làm việc máy giảm rung động đến mức tối thiểu Trên bệ máy có gắn bợ phận thủy lực để điều khiển việc dịch chuyển vào của bàn nêm Hộp điều khiển là nơi giải quyết các vấn đề đóng mở máy cũng thiết lập các chức để máy hoạt đợng theo u cầu Nó điều khiển việc bơm hút dầu hay chế độ tốc độ của động Chức tự động hoạt động theo chu kì hay điều khiển bàn nêm tay cũng được thiết lập tại hộp điều khiển này 5.2 Nêm cán ren Nêm cán cấu tạo từ hai phần: phần dụng cụ tạo hình và phần đế khuôn Dụng cụ tạo hình được chia làm hai nửa, với mợt nửa là vùng định kích thước, nửa cịn lại là vùng cắt, vùng dẫn và vùng tạo hình Cả hai nửa này được định vị cố định bề mặt của đế nêm (hình 5.5) Trên bề mặt nêm tạo sẵn ren âm để tạo ren phôi chuyển động Hình 5.5 Nêm và nêm dưới Đây là dạng nêm lắp ghép từ nhiều chi tiết nên phần đế nêm có nhiều lỗ để bắt bu lơng khoảng cách và kích thước chi tiết của các lỗ này được trình bày cụ thể bảng phụ lục nêm cán (hình 5.6) Hình 5.6 Vị trí đặt ốc vít của nêm và dưới Vật liệu chế tạo nêm: điều kiện làm việc của khuôn là cán các chi tiết ren, chi tiết tròn xoay nhiệt độ cao, tốc độ chuyển động lớn, ma sát tiếp xúc phơi và khn cao nên địi hỏi vật liệu chế tạo có đợ bền cao, chịu mài mịn tốt Các khuôn được chế tạo từ thép không gỉ có các đặc trưng về tính chuyên để chế tạo khuôn tạo hình nhiệt độ cao mà các loại vật liệu khác khơng thể có được như: đợ cứng và đợ bền cao, đợ bền nóng cao, khả chớng mài mịn tớt, phản ứng từ so với các loại thép khác Hơn nữa, là loại thép khơng bị oxi hóa nên 100 bề mặt sáng bóng giúp cho sản phẩm ren khơng bị bám gỉ sắt, ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm (hình 5.7) Hình 5.7 Ren âm bề mặt khuôn cán Hai khuôn được lắp bề mặt máy cán, nêm dưới cớ định, nêm chủn đợng Có thể điều khiển nêm chuyển động một chiều hay hai chiều Thiết bị đo áp lực Thiết bị đo áp lực được kết nối với xi lanh thủy lực, sử dụng thiết bị này để đo áp lực tiếp tuyến tác dụng lên phôi Thiết bị đọc được ghi lại cách sử dụng camera với tốc độ cao, áp suất được đọc qua hệ thống video Lực được tính là một hàm của thời gian thông qua áp suất đo được từ xi lanh thủy lực (Hình 5.8) Hình 5.8 Thiết bị đo áp suất máy cán nêm ngang Hạn chế của máy cán nêm ngang - Thiếu thiết bị đo lực cán - Không xác định được trạng thái ứng suất và biến dạng Lò nung kim loại Quá trình cán chi tiết vít ren thực hiện trạng thái nóng, vì vậy việc nung phơi được thực hiện đến nhiệt đợ u cầu Lị nung phơi cho phép thực hiện chế độ nung theo yêu cầu của người lập trình với nhiệt độ chính xác đến  50C 101 5.3 Công nghệ cán ren máy cán nêm ngang 5.3.1 Dập đầu mũ chi tiết Công việc đầu tiên trước sản xuất chi tiết vít ren là dập đầu mũ, phơi trụ trịn được nung nóng đến 11500C, giữ nhiệt phút sau được đưa máy búa thủy lực, áp lực 100 tấn để tạo đầu mũ cho chi tiết ren Hình 5.9 Dập đầu mũ và chi tiết vít ren côn 5.3.2 Cán chi tiết vít ren côn Phôi được đưa lò và di chuyển đến máy cán nêm ngang kìm cán dài, tiếp phơi được đặt lên vị trí ban đầu và chỉnh cho phôi vào vị trí được thiết kế bề mặt bàn nêm dưới Sau bấm máy, nêm chuyển động tiếp xúc với phôi Khi nêm chuyển động, ma sát nên phôi chuyển động theo suốt chiều dài của nêm Từ vùng cắt đến vùng dẫn, tiếp đến vùng tạo hình, cuối là vùng định kích thước Sau khỏi vùng định kích thước, phôi rơi xuống rãnh chứa sản phẩm kết thúc quá trình cán (hình 5.10) Hình 5.10 Sản phẩm vít ren côn sau cán nêm ngang Như trình bày phần giới thiệu về máy cán nêm ngang, máy cán có nhiều chế đợ vận tớc dịch chủn của nêm Tiến hành cán các chi tiết vít ren côn với các chế độ vận tốc 102 và nhiệt độ nung phôi khác Thu được các phôi có hình dạng và kích thước hoàn toàn tương tự (hình 5.11), chi tiết vít ren côn đều có: Hình 5.11 Chi tiết vít ren sau cán - Số đỉnh ren vít: - Khoảng cách đỉnh: 13,1 mm - Chiều dài ren vít: 104,8 mm - Ren xoắn theo hướng phải - Đường kính đỉnh ren: 240 mm, đường kính chân ren: 160 mm - Vít ren có bề mặt với đợ nhẵn cao Ra = 1,5 – 2,5 µm Các thí nghiệm cán chi tiết vít ren côn được thực hiện tại Belarus thiết bị cán nêm ngang của đề tài hợp tác quốc tế theo nghị định thư Việt Nam và Belarus Ứng với điều kiện thí nghiệm mẫu được đánh số kí hiệu Quá trình kiểm tra chất lượng các chi tiết này được thực hiện tại Trường đại học Bách khoa Hà Nội, Viện nghiên cứu lượng mỏ và trường đại học Công nghiệp Hà Nội 103 Hình 5.12 Chi tiết vít ren côn thiết kế và chi tiết vít ren côn sau cán 5.4 Kiểm tra phá hủy chi tiết Các sản phẩm cán được đánh số theo điều kiện công nghệ chế tạo Sản phẩm T10 với chế độ công nghệ nhiệt độ cán 1150 0C, với tốc độ chuyển động của khuôn là 300 mm/s và sản phẩm T6 được chế tạo với nhiệt độ cán 1100 0C và tốc độ chuyển động của nêm là 150 mm/s được kiểm tra chất lượng sản phẩm Sử dụng máy cắt dây cắt phôi theo chiều dọc với mặt cắt qua tâm phôi Kết quả, tâm T10 có hiện tượng phá hủy dọc trục (hình 5.13 và 5.14), cịn tâm phơi T6 sản phẩm khơng chứa khuyết tật Hình 5.13 Chi tiết vít ren côn với phá hủy tâm (mẫu T10) Hình 5.14 Chi tiết vít ren côn không bị phá hủy (T6) 5.5 So sánh kết mô thực nghiệm Mô số quá trình cán ren với nhiều trường hợp khác về điều kiện công nghệ, kết quả chất lượng chi tiết cả về hình dạng và tính khác Nếu hệ số ma sát nhỏ, phôi trượt bề mặt của khn và khó biến dạng gây nên sai hỏng hình dạng và khuyết tật bề mặt sản phẩm ren (hình 5.15) 104 Hình 5.15 Kết quả mô phỏng và thực nghiệm với sai hỏng bề mặt ren Chi tiết vít ren côn bị phá hủy mô và thực nghiệm thực hiện tại điều kiện nhiệt độ cán là 11500C, tốc độ cán 300 mm/s (hình 5.16) Hình 5.16 Kết quả mô phỏng và thực nghiệm với sai hỏng tâm sản phẩm Do sự biến dạng không đều các lớp vật liệu phôi, dẫn sự hình thành khuyết tật hình dạng Đối với cả hai trường hợp thực nghiệm và mô sớ, các chi tiết vít ren đều có hiện tượng lõm đầu (hình 5.17 và hình 5.18) Hình 5.17 Hiện tượng lõm đầu chi tiết vít ren côn thu được từ thực nghiệm Hình 5.18 Hiện tượng lõm đầu chi tiết vít ren côn sản phẩm mô phỏng Chi tiết vít ren côn không bị phá hủy mô và thực nghiệm tại điều kiện nhiệt độ cán là 11000C, tốc độ cán 150 mm/s (hình 5.19) 105 Hình 5.19 Kết quả mô phỏng và thực nghiệm vít ren côn không phá hủy Kết quả thực nghiệm cho thấy: miêng thông soố an toàn chi tiết vít ren côn sau cán không bị phá hủy, sản phẩm đạt yêu cầu về hình dạng và tính Ngược lại, ngoài miền thông số chi tiết vít ren côn bị phá hủy tâm phôi với xác suất lớn 5.6 Kết luận Chi tiết vít ren côn được tiến hành thực nghiệm máy cán nêm ngang với các điều kiện khác Trong miền thông số công nghệ xác định, sản phẩm vít ren côn không bị phá hủy Trong một số trường hợp khác sản phẩm vít ren côn bị phá hủy Phá hủy xảy là một đường nứt phát triển dọc theo tâm phơi Khút tật này có thể x́t hiện hoặc sau quá trình cán ứng suất dư, theo nguyên nhân và chế được phân tích Hiện tượng lõm đầu chi tiết vít ren côn biến dạng không đều, điều này cho thấy ứng suất dọc trục là dương Kết quả thực nghiệm khẳng định độ chính xác của kết quả nhận dạng mô hình, kết quả mô và khẳng định lựa chọn mô hình vật liệu Johnson – Cook để nghiên cứu chế phá hủy phôi quá trình cán nêm ngang cho kết quả chính xác 106 KẾT LUẬN Các sản phẩm và phôi khí kiểu trục tròn xoay được chế tạo phương pháp cán nêm ngang có các tiêu kinh tế cao về suất, chất lượng và hiệu quả sử dụng vật liệu Thiết kế hệ thống khuôn, mẫu và quá trình công nghệ có đợ phức tạp nhất định Việc thiết kế nêm cán và lựa chọn thông số công nghệ không hợp lý dẫn đến sai hỏng kích thước, hình dạng và cấu trúc vật liệu Đặc biệt, khuyết tật vết nứt tế vi tại vùng tâm mang tính đặc thù cơng nghệ, khó phát hiện và có nguy tiềm tàng quá trình gia công và sử dụng tiếp theo Sai hỏng kích thước, hình dạng và khuyết tật sản phẩm đặc thù sơ đồ tác dụng của lực, quá trình chảy dẻo phức tạp, trạng thái ứng śt và biến dạng khơng đều có ngun nhân trực tiếp không từ các thông số thiết bị và cơng nghệ là góc ép , góc nén , góc nâng γ và lượng ép r và ma sát tiếp xúc mà cịn phụ tḥc đặc tính học của vật liệu Chính vì vậy, mức độ biến dạng, nhiệt độ và tốc độ biến dạng sẽ ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng sản phẩm Luận án phân tích các mô hình vật liệu và lựa mô hình chảy dẻo, mô hình phá hủy dẻo JC Xây dựng phương pháp xác định các hệ số của mô hình (nhận dạng mô hình) bao gồm phương pháp thực nghiệm và phương pháp tính toán xử lý kết quả thí nghiệm Kết quả nhận dạng hệ số của mô hình thuộc tính với: A = 510, B = 722, n = 0,36, C = 0,097, m = 0,432 và hệ số của mô hình phá hủy D1 = 0,009, D2 = 1,48, D3 = -2,66, D4 = 0,164, D5 = 0,623 cho vật liệu thép C45 Ḷn án mơ hình hóa và mơ quá trình thí nghiệm để so sánh đường cong ứng suất biến dạng thực nghiệm với đồ thị nhận được từ mơ hình hóa và mơ sớ cho thấy sự tương hợp cao Mô số quá trình cán nêm ngang được thực hiện phần mềm Abaqus, phân tích kết quả mô số xác định các thông số tối ưu cho quá trình công nghệ Dựa kết quả phân tích, miền thông số công nghệ tối ưu để chi tiết an toàn được giới hạn: hệ số ma sát từ 0,48 đến 0,56, tốc độ cán từ 150 đến 270 mm/s, nhiệt độ cán khoảng 10300C đến 11500C; Khuyết tật tâm phơi quá trình cán nêm ngang có bản chất các quá trình rèn ép trục tròn; các thơng sớ áp dụng cho QTCNN cho thấy có thể lựa chọn chế độ và điều kiện biến dạng khả thi cho phép loại trừ các nguyên nhân gây khuyết tật tại vùng tâm Mức độ biến dạng, biến phá hủy vô hướng, số trạng thái ứng suất…những yếu tố tác động trực tiếp đến chế phá hủy phôi cán quá trình tạo hình được phân tích, đánh giá Cơ chế phá hủy dẻo là một quá trình gồm hiều giai đoạn: từ phát sinh khuyết tật, vị trí khuyết, xuất hiện đến sát nhập các lỗ hổng Kết quả cuối tạo lên độ xốp nhất định đủ tạo mầm dẫn đến các vết nứt giới hạn đa kích thước vi mô và vĩ mô phụ thuộc vào mức độ biến dạng Chỉ số 107 trạng thái ứng suất tại vùng tâm lớn làm tăng tốc độ quá trình tạo độ xốp Vì vậy, tối ưu các thông số công nghệ làm thay đởi sớ trạng thái ứng śt theo hướng có giá trị âm nhằm hạn chế sự phát triển của khuyết tật tâm phôi Chi tiết vít ren côn được chế tạo công nghệ cán nêm ngang với các thông số công nghệ tương tự quá trình mô số Sau QTCNN, chi tiết vít ren côn đảm bảo yêu cầu về hình dạng Chi tiết này được cắt theo mặt cắt dọc và mặt cắt ngang để kiểm tra chất lượng sản phẩm Kết quả, các chi tiết chế tạo với thông số công nghệ miền không an toàn, tâm phôi bị phá hủy, các khuyết tật tâm định hướng dọc trục Ngược lại, các chi tiết được chế tạo miền thông số an toàn chi tiết không bị phá hủy Kết quả nghiên cứu cho thấy, các hệ số của mô hình được nhận dạng hoàn toàn chính xác, việc lựa chọn mô hình thuộc tính và mô hình phá hủy vật liệu Johnson – Cook để nghiên cứu phá hủy phôi quá trình cán nêm ngang mang lại hiệu quả cao Những đóng góp của luận án: Nghiên cứu về nguyên nhân và chế phá hủy phôi quá trình cán nêm ngang là một vấn đề cấp thiết, lần đầu tiên được thực hiện tại Việt Nam Kết quả nghiên cứu hệ thống hóa sở lý thút, thực nghiệm và mơ số quá trình cán nêm ngang Các hệ số tính đến ảnh hưởng của tốc độ biến dạng (C, D4) của mô hình Johnson - Cook được nhận dạng phương pháp lập tỉ lệ Ảnh hưởng của vết thắt đến trạng thái ứng suất và biến dạng tương tương tại thời điểm phá hủy theo mô hình Brigdman được áp dụng để xác định các hệ số D1, D2, D3 của mô hình phá phủy Johnson – Cook Dựa kết quả mô số, miền thông số công nghệ tối ưu để sản phẩm cán không chứa khuyết tật: hệ số ma sát từ 0,48  0,56, tốc độ cán từ 150  270 mm/s, nhiệt độ cán từ 10300C  11500C Đây là sở để các nhà sản xuất lựa chọn thông số công nghệ quá trình chế tạo các chi tiết công nghệ cán nêm ngang Luận án cho thấy chế phá hủy phôi quá trình cán nêm ngang là: sự biến dạng không đồng đều các lớp kim loại; sự chênh lệch nhiệt độ các vùng kim loại phôi tạo nên sự khác về tính chất học các vùng làm xuất hiện các ứng suất dư bên vật liệu; số trạng thái ứng suất dương lớn tập trung tại vùng tâm là nguyên nhân gây nên hiện tượng rỗng tâm sản phẩm 108 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] [2] [3] [4] Tiếng Việt Nguyễn Trọng Giảng (2004), Thuộc tính học vật rắn, Nhà xuất bản Khoa học và kỹ thuật Đào Minh Ngừng, Nguyễn Trọng Giảng (2006), Lý thuyết cán, Nhà xuất bản giáo dục Nguyễn Tất Tiến (2004), Lý thuyết biến dạng dẻo, Nhà xuất bản giáo dục Nguyễn Đắc Trung, Lê Thái Hùng, Nguyễn Như Huynh, Nguyễn Trung Kiên (2011), Mô phỏng số quá tình biến dạng, Nhà xuất bản Bách khoa, Hà Nội [5] Lê Công Dưỡng (1996), Vật liệu học, Nhà xuất bản khoa học và Kỹ thuật [6] Đỗ Minh Nghiệp, Trần Quốc Thắng (2011), Độ dẻo và độ bền kim loại Nhà xuất bản Khoa học và kỹ thuật [7] Đào Minh Ngừng và cộng sự (2013), Nghiên cứu ứng dụng công nghệ cán nêm ngang Việt Nam, Đề tài hợp tác quốc tế theo nghị định thư số 6/2009 [8] Phạm Văn Cường (2004), Mô hình hoá ứng xử của vật liệu bột kim loại biến dạng ở trạng thái nguội, Luận án tiến sĩ [9] TCVN 197-85, TCVN 5886:2006, Kim loại, Phương pháp thử kéo [10] TCVN 1827:2006, Vật liệu kim loại, Thử xoắn đơn Tiếng Anh [11] Appllied Mechanics - Trans of the ASME (1998), pp 59–64 [12] Atkins A G (1985), Elastic and Plastic Fracture, Wiley, New York [13] Bao Y, Prediction of ductile crack formation in uncracked bodies PhD thesis, MIT, 2003 [14] Bao Y, Wierzbicki T (2005), on the cut-off value of negative triaxiality for fracture, Journal of engineering Fracture Mechanics 72, pp 1049-1069 [15] Bartnicki J, Z Pater (2005), Numerial simulation of three-rolls cross-wedge rolling process of hollowed shafts, Journal of materials processing Technology vol.164165, pp1154-1159, 2005 [16] Bartnicki J, Z Pater, Theoretical analysis of cross-wedge rolling process of hollowed shafts, in: Proceedings of the National Academy of Sciences of Belarus Deformability Conference, Belarus, Poland, 2004, pp 80 - 86 [17] Bridgman P.W (1964), Studies in large plastic Row and fracture, Cambridge, MA, Harvard University Press, pp 719-743 [18] ầakrcal, Metin; Klỗaslan, Cenk; Güden, Mustafa; Kıranlı, Engin; Shchukin, Valery, Petronko, Vladimir (2013), Cross wedge rolling of a Ti6Al4V (ELI) alloy: the experimental studies and the finite element simulation of the deformation and 109 failure, International Journal of Advanced Manufacturing Technology, Apr 2013, Vol 65 Issue 9-12, pp 1273 [19] Chaboche J.L, Continuum damage mechanics: Part I - general concepts Journal of Appllied Mechanics - Trans of the ASME, 55:59–64, 1988 [20] Danno A, Awano T (1976), Effect of rolling conditions on formation of central cavity in 2-roll cross rolling, Journal of JSTP, 17, pp186-181 [21] Deng V, M Lovell, K.A Tagavi, The role of tool segments in determining failure characteristics of cross wedge rolling, Trans North Am Manuf Res Inst SME 27 (1999) 31–36 [22] Dong Y, Lovell M.R, Tagavi K.A (1998) Interface slip analysis in cross wedge rolling: development of experimental and numerical models Journal of Material Processing Technology, pp 80-81, 273-278 [23] Dong Y, A Numerical, Experimental, Phenomenological Investigation of CrossWedge Rolling, Ph.D Dissertation, University of Kentucky, Lexington, Ky, USA, 1998 [24] Engin Kranli (2007), Determination of material constitutive equation of Ti6Al4V alloy for cross wedge rolling, Master thesis [25] Fu X.P, Dean T.A (1993), Past developments, current applications and trends in the cross wedge rolling process, International Journal of Machine Tools Manufacturing, 33, pp 367- 400 [26] Guzavichus L.V, Dubeni A.S, Krasnevskij S.M et al (1976), cylindrical pattern to de"ne plastic features of material in rolling process, Soviet Patent A.S, 538272 [27] Handbook A.M, vol.Vol 14, Forming and forming ASM international metals Park, OH [28] Hayama H (1979), Optimum working conditions in the cross rolling of stepped shaft, Journal Mechanical Work and Technology 17, pp 31- 46 [29] Hill R On discontinuous plastic states, with special reference to localized necking in thin sheets Journal of the Mechanics and Physics of Solids, 1:19–30, 1952 [30] Hu Z.H, Xu X.H, Sha D.Y (1985), Skew rolling and cross wedge rolling principles, processes and machines, Beijing, China, Metall Ind Press [31] Jain A.I, Kobayashi S (1970), Deformation and fracture of an aluminium alloy in plane strain side pressing, Proceedings of the 11th MTDR Conference Birmingham, UK, pp 1137-1154 [32] Johnson W, A.G Mamalis, A survey of some physical defects arising in metal working processes, in: Proceedings of the 17th International MTDR Conference, London, UK, 1977, pp 607–621 110 [33] Johnson G.R and Cook W.H (1985), Fracture characteristics of three metals subjected to various strains, strain rates, temperatures and pressures Engineering Fracture Mechanics, 21, pp 31–48 [34] Johnson W, Mellor PB Engineering plasticity Princeton NJ: Van Nostrand, 1973 [35] Jutras M (2008), Improvement of the characterisation method of the Johnson-Cook model Model, Faculte des sciences et de genie university Laval Quebec [36] Kiranli E, Master thesis of science, Izmir Institute of Technology, 2009 [37] Kozhevnikova G V., Susha N.V., A new cross-wedge rolling mill, Modern methods and technologies of materials design and treatment: Proceedings of II International Scientific-Technical Conference, Minsk, October 3-5, 2007 [38] Lemaitre and J Dufailly Damage measurements Engineering Fracture Mechanics, 28(5-6):643–661, 1987 [39] Liang Xue (2011), Ductile Fracture Modeling - Theory, Experimental Investigation and Numerical Verification, Doctor thesis [40] Lovell M (2001), Evaluation of critical friction in cross wedge rolling, ASME J Tribol 123 (2001) 436–440 [41] McClintock F A (1968), A Criterion for Ductile Fracture by the Void Growth Trans ASME, J Appl Mech 17 pp 363-368 [42] Menson S (1974), Temperature stress and low circurlar fatigue, Mashinostroenie, Moscow, 1974 [43] Mine, T.Okamoto and A.Funashi (1957), Metal flow in obique rolling Simitoto Metal 9, Vol 7, 1957, pp 21-27 [44] Oyane M (1972), Criteria For Ductile Fracture Strain, Bull, JSME 15, pp 1507 [45] Pater Z (2006), Cross wedge –rolling by mean of on flat wedge and two shape rolls, Journal of Material Processing Technology Vol 177, pp 550-554 [46] Pater Z (2006), Finite element analysis of Cross wedge –rolling, Journal of Material Processing Technology Vol 173, pp 201-208, 2006 [47] Pater Zb (1997), Theorectical method for estimation of mean pressure on contact area between rolling tools and workpiece in cross wedge rolling processes International Journal of Mechanical Sciences, 39(2): 233}43 [48] Qiang Li, Michael R Lovell, William Slaughter, Kaveh Tagavi (2004), The establishment of a failure criterion in cross wedge rolling, The International Journal of advanced manufacturing technology, vol 24, pp 180–189 [49] Rice J R, Tracey D M (1969), On the Ductile Enlargement of Voids in Triaxial Stress fields J Mech Phys Solids 17 (1969), pp 201 -211 [50] Rodrigues J, P Martins, Coupled thermo-mechanical analysis of metal forming processes through a combine finite element-boundary element approach, Int J Numerical Meth Eng 42 (4) (1998) 31–645 111 [51] Saito Y, Higashino T (1977), Stress analysis in plane-strain rotary compression of cylindrical billet, Journal of JSTP, 18 (199), 120}7 [52] Shchukin V.Y, Kozhevnikova G.V (2006), Cross-wedge rolling resistance from slipping, Theory and practice of cross-wedge rolling, Proceedings of International Scientific-Technical Conference, Minsk, September 25-29 [53] Shukin V.Y (1980), Study method of deformation stress state based on demage of metal, Izv, ANBSSR, Ser, Fiz [54] Silvio Fanini (2007), Modellinng of the mannesmann effect in tube piercing, Master [55] [56] [57] [58] [59] [60] [61] thesis Smirnov V.S (1947) The deformation process in cross rolling, Stal 7(6), pp 351356 Sugiyama H (1971) The central cavity of transversely hot rolled shafts, Dept of Process Development, Toyota Motor Co.Ltd., Toyota, Aichi, Japan SuXuedao, Z Kangsheng, Hu Zhenghuan, Y Cuiping, Factors affecting parameters of force and energy in cross wedge rolling, Heavy Mach (2002) 29– 33 Tetein P.K, Liuzin J.F (1960), The mechanism of metal rupture in cross rolling, Stal 10, pp 930-933 Tselikov A.I (1962), Calculation theory of force on rolling machines, Moscow, Metallurgizdat Tselikov A.I, Lugovsko V.M, Tretiyakov E.M (1961), The theory of transverse cold rolling in three-roll mills, Russian Engineering Journal, 7, pp 49-54 Thompson G, Hawkyard J.B (1979), Crack formation in transverse rolling a review, Proceedings of First International Conference on Rotary Metalworking Processes, Sponsored by IFS Ltd, London, pp 171-184 [62] Urankar S (2006), Establishment of failure conditions for cross wedge rolling of hollow shafts, Journal of materials processing technology vol.177, pp445-449, 2006 [63] User’s manual in ABAQUS V6.10 [64] Wang M (2005), a couple thermal-mechanical and microstructure simulation of cross wedge rolling process and experimental verication [65] Wierzbicki T, Xue L (2005), eOn the effect of the third invariant of the stress deviator on ductile fracture, Technical Report 136, Impact and Crashworthiness Lab, MIT [66] Xiong Y (2006), Effect of warm Cross-wedge rolling on microstructure and mechanical property of high carbon steel rods, Mechanical Sciences engineering, A, vol 431, pp 152-157 112 [67] Xue L, Damage accumulation and fracture initiation of uncracked ductile solids subjected to triaxial loading International Journal of Solids and Structures, 44:5163–5181, 2007 [68] Yamion, Michael, R Lovell (1998), Analysis of interfacial slip in cross-wedge rolling a numerical and phenomenological investigation, Journal of materials processing technology, vol 187-188, pp 44-53 [69] Ying F.Q and Pan B.S (2007), Analysis on temperature distribution in cross wedge rolling process with finite element method, Journal of materials processing technology, vol 187-188, pp 392-396 [70] Zhao (2005), Study of stress distribution of forming slandring of automobile semiaxes with multi wedge rolling by FEM simulation art, no 604247 in ICMIT 2005, control system and robotics, Pst and 2, vol 6042, pp 4247-4247 [71] Zhao H, S Lu, Computer simulation and prediction on microstructural evolution in hot rolling, Rolling Steel (1997) 56–58 (in Chinese) [72] Zhenghuan H, Kangshen Z, W Baoyu, Z Wei, Cross-Wedge Rolling Theory and application, Metallurgical Industry Press, Beijing, 1996, p 23 (in Chinese) 113 DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CƠNG BỐ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN Quang Pham, Hue Dang Thi Hong, Ngung Dao Minh, Nghiep D Minh, Simulation of fracture mechanism during metal drawing by finite element method (fem), The 5th South East Asian Technical University Consortium Symposium, December 2010, Ha Noi, Viet Nam Hue Dang Thi Hong, Ngung Dao Minh, Giang Nguyen Trong, Identification of Johson- cook constitutive equation of AISI 1045 steel, 4th AUN/SEED-NET regional conference on materials, December 8-9, 2011, Hanoi Vietnam Hue Dang Thi Hong, Ngung Dao Minh, Giang Nguyen Trong, Identificaton of Johson-cook damage model, Tạp chí khoa học công nghệ, trang 85- 90, số 94/2013 Đặng Thị Hồng Huế, Đào Minh Ngừng, Nguyễn Trọng Giảng, Nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số công nghệ cán đến sự hình thành khuyết tật sản phẩm quá trình cán nêm ngang, Tạp chí kim loại, số 50 tháng 10 năm 2013 ... cán nêm ngang Đối tượng phạm vi nghiên cứu Chi tiết khí có dạng trục trịn xoay Phương pháp nghiên cứu Nghiên cứu lý thuyết công nghệ cán nêm ngang, lý thút mơ hình hóa ứng xử cơ- nhiệt... để nghiên cứu phá hủy phôi quá trình cán nêm ngang mang lại hiệu quả cao Những đóng góp của luận án: Nghiên cứu về nguyên nhân và chế phá hủy phôi quá trình cán nêm ngang. .. hai bàn nêm phẳng (trên bề mặt bàn khuôn có phần hình nêm nhằm gia cơng định hình chi tiết) Hình 1.1 Sơ đồ nguyên lý công nghệ cán nêm ngang 1- Bàn nêm trên; 2 -Phôi; 3- Bàn nêm dưới

Định dạng
Số trang	124
Dung lượng	3,96 MB