Luận án tiến sĩ nghiên cứu ảnh hưởng của một số thông số công nghệ cơ bản đến quá trình tạo hình chi tiết phức tạp

LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận án cơng trình nghiên cứu khoa học tơi khơng trùng lặp với cơng trình khoa học khác Các kết số liệu trình bày luận án hoàn toàn trung thực kết nghiên cứu luận án chưa công bố cơng trình khác ngồi cơng trình tác giả Hà Nội, ngày tháng T/M tập thể hướng dẫn khoa học Nghiên cứu sinh PGS TS Lê Thái Hùng Đỗ Quang Long i năm 2020 LỜI CẢM ƠN Tác giả luận án xin chân thành cảm ơn trường Đại học Bách khoa Hà Nội, Phòng Đào tạo, Viện Khoa học Kỹ thuật Vật liệu Bộ môn Cơ học vật liệu Cán kim loại tạo điều kiện thuận lợi, động viên khích lệ tơi q trình học tập thực đề tài nghiên cứu Tôi xin chân thành cảm ơn PGS.TS Lê Thái Hùng PGS.TS Đinh Văn Hải tận tình hướng dẫn đóng góp ý kiến q giá q trình tơi thực luận án Những kết nghiên cứu đạt nhờ giúp đỡ tận tình Thầy giáo Viện Khoa học Kỹ thuật Vật liệu, Bộ môn Cơ học vật liệu Cán kim loại, Bộ mơn Gia cơng áp lực – Viện Cơ khí, Viện tiêu chuẩn Chất lượng Việt Nam, Viện tên lửa, Viện Hàn lâm Khoa học Công nghệ Việt Nam Tác giả xin gửi lời cảm ơn chân thành tới gia đình, người thân, bạn bè đồng nghiệp giúp đỡ, động viên tinh thần suốt trình thực luận án Hà Nội, ngày tháng năm 2020 Tác giả luận án Đỗ Quang Long ii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN i LỜI CẢM ƠN ii MỤC LỤC iii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT vi DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ viii DANH MỤC CÁC BẢNG xiv MỞ ĐẦU CHƯƠNG TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1 Giới thiệu chung ép chảy 1.2 Công nghệ ép chảy ngang 1.2.1 Ngun lý q trình cơng nghệ ép chảy ngang 1.2.2 Sản phẩm ép chảy ngang 1.3 Các công trình nghiên cứu ép chảy ngang 1.3.1 Các nghiên cứu công nghệ ép chảy ngang vật liệu đồng chất 1.3.2 Các nghiên cứu công nghệ ép chảy ngang vật liệu nhiều lớp 15 1.4 Kết luận chương 20 CHƯƠNG 22 CƠ SỞ LÝ THUYẾT QUÁ TRÌNH ÉP CHẢY 22 2.1 Trường vận tốc ép chảy ngang 22 2.2 Lực ép 24 2.3 Các thông số công nghệ ảnh hưởng đến q trình ép chảy 28 2.3.1 Ma sát trình ép chảy 28 2.3.2 Nhiệt độ ép chảy 33 2.3.3 Hệ số ép chảy 34 2.3.4 Ứng suất chảy dẻo vật liệu 35 2.3.5 Vận tốc ép chảy 35 2.4 Ảnh hưởng dòng chảy vật liệu 36 2.5 Các dạng khuyết tật, phá hủy trình ép chảy 38 iii 2.5.1 Nứt bề mặt sản phẩm 38 2.5.2 Nứt tâm 39 2.5.3 Hiện tượng giịn nóng 40 2.6 Kết luận chương 40 CHƯƠNG 41 NGHIÊN CỨU QUÁ TRÌNH ÉP CHẢY NGANG TRỤC CHỮ THẬP BẰNG MƠ PHỎNG SỐ 41 3.1 Giới thiệu khớp chữ thập 41 3.2 Mô trình ép chảy ngang sản phẩm trục chữ thập vật liệu đồng chất 42 3.2.1 Mơ hình hình học 42 3.2.2 Mơ hình phần tử hữu hạn 44 3.2.3 Mơ hình hành vi – nhiệt vật liệu 44 3.2.4 Điều kiện biên 45 3.2.5 Kết mơ q trình ép trục chữ thập vật liệu đồng chất 45 3.3 Mơ số q trình ép chảy ngang trục chữ thập từ vật liệu hai lớp 53 3.3.1 Mơ hình hình học 53 3.3.2 Mô hình phần tử hữu hạn 53 3.3.3 Mơ hình vật liệu 53 3.3.4 Điều kiện mô 55 3.3.5 Kết mô trình ép trục chữ thập từ phơi 02 lớp 55 3.4 Nghiên cứu chế phá hủy ép chảy ngang trục chữ thập từ vật liệu hai lớp nhơm - chì trạng thái nguội 65 3.4.1 Thiết lập toán 65 3.4.2 Mơ hình vật liệu nhơm Al-5052 66 3.4.3 Kết mô chế phá hủy ép chảy ngang vật liệu nhiều lớp 72 3.5 Nghiên cứu toán ép chảy đối xứng hai chiều trục chữ thập 77 3.6 Kết luận chương 80 CHƯƠNG 81 THỰC NGHIỆM KIỂM CHỨNG ÉP CHẢY NGANG TRỤC CHỮ THẬP 81 4.1 Ép chảy ngang trục chữ thập từ phôi thép 81 4.1.1 Vật liệu thí nghiệm 81 4.1.2 Thiết bị thí nghiệm 82 4.1.3 Khuôn – hệ thống gia nhiệt khuôn chày ép 83 iv 4.1.4 Trình tự thí nghiệm điều kiện công nghệ ép 84 4.1.5 Kết thực nghiệm 86 4.2 Ép chảy nguội trục chữ thập từ phôi hai lớp nhơm – chì 89 4.2.1 Điều kiện thí nghiệm 89 4.2.2 Kết thực nghiệm 90 4.2.3 So sánh kết mô thực nghiệm 90 4.3 Kết luận chương 91 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 92 TÀI LIỆU THAM KHẢO 94 DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ CỦA LUẬN ÁN 100 v DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Ký hiệu Tên gọi Thứ nguyên Ff Lực ma sát N P Lực ép T Nhiệt độ ép chảy o C T0 Nhiệt độ phôi ép o C T1 Nhiệt độ khuôn o C ER Hệ số ép chảy 𝜏 Ứng suất trượt f Hệ số ma sát Tấn MPa m* Hệ số nhạy cảm với tốc độ biến dạng VR Vận tốc chày ép mm/s VE Vận tốc ép chảy mm/s s Hành trình chày ép mm f Hệ số ma sát N Lực pháp tuyến n Số lỗ phơi đối xứng K Độ bền cắt vật liệu MPa AR Diện tích tiếp xúc thực mm2 AC Diện tích mặt cắt ngang phơi mm2 AE Diện tích mặt cắt ngang sản phẩm mm2 PD Áp lực yêu cầu cho trình biến dạng dẻo N PF Áp lực yêu cầu vượt qua ma sát phôi buồng ép N pr Áp lực hướng kính N Pr Áp lực để vượt qua ứng suất dư N eq Biến dạng tương đương von-Mises eq Ứng suất tương đương von-Mises MPa 0 Ứng suất chảy MPa p Ứng suất chảy dẻo MPa 𝜀̅̇ Tốc độ biến dạng tương đương s-1 𝜀̅0̇ Tốc độ biến dạng tham chiếu s-1 f Biến dạng phá hủy N vi p Biến dạng dẻo 𝜀̅ Biến dạng tương đương D Đường kính phơi ban đầu mm L(H) Chiều dài (chiều cao) phôi mm L’ Chiều dài vùng phơi mm  Góc ép chảy o Fp Lực máy ép N Fr Lực yêu cầu cho trình ép chảy N p Áp suất thủy tĩnh MPa Ps Áp suất riêng MPa A1 Diện tích mặt cắt xi lanh mm2 A2 Diện tích mặt cắt xi lanh bên mm2 R Bán kính góc lượng khuôn mm A, B, n Các hệ số mơ hình chảy dẻo Johnson-cook D1, D2, D3, Các hệ số mơ hình phá hủy Johnson - Cook D4, D5 𝜎∗ = 𝜎𝑚 𝜎𝑒𝑞 m, eq Chỉ số ba chiều ứng suất Ứng suất thủy tĩnh ứng suất tương đương von-Mises MPa xx, yy, zz Các thành phần ứng suất pháp MPa xy, yz, zx Các thành phần ứng suất tiếp MPa R, R1 Bán kính mẫu trước sau kéo mm a, a1 Đường kính phần thắt mẫu ban đầu sau đứt mm JCCRT (D) Chỉ số phá hủy vô hướng Johnson-Cook  Chiều dày lớp vỏ phôi hai lớp  Hệ số truyền nhiệt t Thời gian mm W/m.K s Ux Chuyển vị theo phương x mm Uy Chuyển vị theo phương y mm vx,nh; vx,ch Vận tốc nhôm chì theo hướng x mm/s vy,nh; vy,ch Vận tốc nhơm chì theo hướng y mm/s vii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 1.1 Sơ đồ phân loại q trình cơng nghệ ép chảy Hình 1.2 Sơ đồ nguyên lý ép chảy nghịch (a), ép chảy thuận – thủy tĩnh (b) ép chảy ngang (c) Hình 1.3 Mặt cắt dọc chi tiết trục bậc rỗng chế tạo phương pháp ép chảy Hình 1.4 Hướng tác dụng lực hướng chảy vật liệu ép chảy ngang Hình 1.5 Nguyên lý ép chảy ngang, [4] Hình 1.6 Một số sản phẩm công nghệ ép chảy ngang Hình 1.7 So sánh lực ép thực nghiệm lý thuyết với hai loại chốt nhánh ép chảy ngang, [5] Hình 1.8 Hiện tượng hư hại ép chảy ngang khớp chữ thập rỗng, [6-7] Hình 1.9 So sánh mơ thực nghiệm chi tiết rãnh then, [8] 10 Hình 1.10 Ảnh hưởng số rãnh đường kính phơi đến lực ép lớn nhất, [8] 10 Hình 1.11 Sản phẩm bánh trụ thẳng, [10] 11 Hình 1.12 a) Đồ thị lực-hành trình ép mô thực nghiệm với ma sát 0.04 đường kính phơi 20mm b) Phân bố biến dạng ba trường hợp khe hở kênh khác nhau, [11] 11 Hình 1.13 Các dạng sản phẩm ép chảy ngang nghiên cứu [12] 12 Hình 1.14 Thơng số hình học cho hai sản phẩm ép chảy ngang, [16] 13 Hình 1.15 Đồ thị lực ép – mức độ điền đầy khuôn hai trường hợp hình dạng rãnh nhọn rãnh tù, [16] 13 Hình 1.16 Sản phẩm ép chảy nhận trường hợp HD A HD B, [16] 14 Hình 1.17 So sánh mô thực nghiệm 02 trường hợp HD A HD B, [16] 14 Hình 1.18 Khn chế tạo chi tiết bánh trụ thẳng nhánh nhánh a) khuôn dập khối, b) khuôn ép chảy ngang, [17] 14 Hình 1.19 Sơ đồ phát triển vi mơ liên kết ranh giới sau ép chảy ủ khuếch tán thép AISI1020 thép SUS304 P- peclite, A- austenite, F- ferrite, MxCy - Cr-rich carbides, [40] 16 Hình 1.20 Mơ hình vật liệu ép chảy nghịch bimetal Al-Fe, [43] 17 Hình 1.21 a) hình dạng phơi biến dạng q trình ép chảy; b)Mặt cắt ngang phôi với độ dày lớp vỏ khác nhau, [43] 17 Hình 1.22 Ảnh cấu trúc vùng tiếp xúc nhôm hợp kim magiê nhiệt độ tăng từ 380oC (a) lên 420oC (b), [44] 18 viii Hình 1.23 Mặt cắt dọc mẫu sau chế độ chồn 15%, 30%, 40%, [45] 18 Hình 1.24 So sánh mơ thực nghiệm với lượng ép 40%: a) thép đồng thau, b) thép đồng đỏ, [45] 18 Hình 1.25 a) phơi kim loại 02 lớp 41Cr4 C22.8 đồng trục chế tạo phương pháp ghép hàn; b) bánh côn 02 lớp sau mơ c) sau dập nóng, [46] 19 Hình 1.26 a) mặt cắt phơi trước dập nóng; b) sau dập nóng bánh cơn, [46] 19 Hình 1.27 Quá trình dập khối nguội bánh lõi chì, vỏ đồng với chiều dày lớp vỏ khác a)2mm, b)4mm, c)6mm, [47] 20 Hình 1.28 Các giai đoạn chế tạo chi tiết vật liệu hai lớp vỏ Al, lõi Magiê: a) phôi ép chảy, b) dập tạo đầu, c) dập xác chi tiết, [48] 20 Hình 2.1 Sơ đồ trình ép chảy ngang dạng khớp bốn nhánh (a), 22 vùng biến dạng (b), [4,5] 22 Hình 2.2 So sánh áp lực ép chảy, [3] 24 Hình 2.3 Sơ đồ xác định biến dạng dư trình ép chảy [2] 26 Hình 2.4 Sơ đồ máy ép chảy thuận, [2] 27 Hình 2.5 Áp suất riêng phần, [2] 27 Hình 2.6 Ảnh hưởng thơng số đến sản phẩm ép chảy, [2] 28 Hình 2.7 Ma sát trình ép chảy thuận, [2] 29 Hình 2.8 Ma sát trình ép chảy nghịch [2] 29 Hình 2.9 Ma sát trình ép chảy ngang 30 Hình 2.10 Sơ đồ ép chảy thuận (a) ép chảy nghịch (b) với thành phần lực tác dụng lên phôi khuôn, [2] 31 Hình 2.11 Mơ hình ma sát trình ép chảy thuận a) AR < AA, b) AR=AA, p=𝜎 [2] 32 Hình 2.12 Các thơng số cơng nghệ ép chảy, [2] 35 Hình 2.13 Dịng chảy vật liệu q trình ép: a) ép chảy nghịch khơng có ma sát, b) ép chảy nghịch có bơi trơn, c) ép chảy thuận có bơi trơn, d) ép chảy thuận khơng bôi trơn-hư hại [1] 37 Hình 2.14 So sánh dịng chảy mơ (a) thực nghiệm (b) [2] 37 Hình 2.15 Vết nứt bề mặt [3] 38 Hình 2.16 Ảnh hưởng nhiệt độ đến chất lượng bề mặt ép chảy 39 hợp kim nhôm AA2014 [1] 39 Hình 2.17 Hiện tượng bị nứt tâm (Chevron) sản phẩm ép chảy sản phẩm tròn [3] 39 Hình 2.18 Hiện tượng giịn nóng ép chảy nhơm [3] 40 ix Hình 3.1 Trục chữ thập thép lắp ghép trục các-đăng 41 Hình 3.2 Kích thước trục chữ thập (a); mơ hình trục chữ thập 3D (b) 42 Hình 3.3 Kích thước khn 42 Hình 3.4 Kích thước khn 43 Hình 3.5 Kích thước chày ép 43 Hình 3.6 Mơ hình thiết kế 3D (a) mơ hình phần tử hữu hạn (b) 43 Hình 3.7 Hình dạng sản phẩm nhận sau mô số 45 Hình 3.8 Đồ thị phân bố lực q trình biến dạng phơi ép chảy ngang khớp chữ thập với nhiệt độ phôi ban đầu To = 1100 oC, v =5 mm/s, ma sát f = 0.3 46 Hình 3.9 Ảnh hưởng vận tốc ép chảy đến lực ép nhiệt độ To = 1100 oC, f = 0.3 47 Hình 3.10 Ảnh hưởng nhiệt độ ép đến lực ép với ba nhiệt độ khác nhau: 48 To = 900 oC, 1000 oC 1100 oC, v = mm/s, f = 0.3 48 Hình 3.11 Lực ép – hành trình có tính đến ảnh hưởng truyền nhiệt nhiệt độ khác T = 900 oC, 1000 oC 1100 oC 48 Hình 3.12 Sự thay đổi nhiệt độ phơi q trình ép T = 900 oC, f = 0.3; v = mm/s 49 Hình 3.13 Trường nhiệt độ phơi trình ép T = 1000oC, f = 0.3; v = 5mm/s 49 Hình 3.14 Trường nhiệt độ phơi trình ép T = 1100oC, f = 0.3; v = 5mm/s 50 Hình 3.15 Trường nhiệt độ khn chày ép 50 Hình 3.16 Trường ứng suất tương đương theo hành trình 51 với điều kiện v = mm/s, To = 1100 oC, f = 0.3 51 Hình 3.17 Trường biến dạng trình điền đầy phơi vào lịng khn 52 với điều kiện v = mm/s, To = 1100 oC, f = 0.3 52 Hình 3.18 Trường gradient vận tốc theo hành trình ép 52 Hình 3.19 Phơi ghép hai lớp với chiều dày lớp vỏ  = 1, mm 53 Hình 3.20 Mơ hình phần tử hữu hạn tốn mơ 53 sản phẩm trục chữ thập hai lớp 53 Hình 3.22 Đường cong lực - hành trình lưới biến dạng tương đương 55 phôi trường hợp v=5mm/s, f=0.3,  = 1mm, To = 1100oC 55 Hình 3.23 Trường ứng suất tương đương theo giai đoạn khác 56 trường hợp v =5 mm/s,  =2 mm, f = 0.3, To = 1100 oC 56 x ... ? ?Nghiên cứu ảnh hưởng số thơng số cơng nghệ đến q 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. .. chế tạo chi tiết khí, cơng nghiệp tô, đáp ứng yêu 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 công nghệ. .. Đa số sản phẩm đạt kích thước hình dạng chi tiết yêu cầu mà không cần phải qua phương pháp gia cơng tạo hình khác Hình 1.6 Một số sản phẩm công nghệ ép chảy ngang 1.3 Các cơng trình nghiên cứu