- Khuyết tật hình dạng mặt cắt
Khuyết tật hình dạng mặt cắt phôi hình thành trong quá trình gia công do sự trượt quá mức giữa khuôn tạo hình và phôi. Lực pháp tuyến và tiếp tuyến trên bề mặt chung của dụng cụ và phôi hình thành các cặp trực đối. Nếu cặp lực tiếp tuyến trên phôi lớn hơn cặp lực pháp tuyến, sự lăn phôi sẽ không xảy ra, phôi sẽ trượt trên bề mặt của khuôn tạo hình. Như vậy sự trượt xảy ra gây áp lực lên phôi cán mà không tạo ra biến dạng quay tròn nhưđược trình bày trên hình 2.3. Sự trượt không mong muốn trong giai đoạn đầu của quá trình cán nêm ngang có thể dẫn tới sự không chính xác hoặc sai lệch hình dạng của sản phẩm. Theo những nghiên cứu trước đây lượng trượt ban đầu ở vùng cắt và vùng dẫn là yếu tố quyết định kích thước hình dạng mặt cắt cuối cùng của phôi cán và chi phối chiều dài cần thiết mỗi vùng tạo hình của khuôn nêm.
-Khuyết tật bề mặt
Khuyết tật thứ hai thường gặp trong quá trình cán nêm ngang là vấn đề khuyết tật bề mặt. Khuyết tật bề mặt bao gồm sự tạo thành các rãnh xoắn ở vùng
biến dạng nhiều nhất hoặc cổ trục được tạo nên do sự biến dạng không đều của phôi cán. Sự xuất hiện của các vết rãnh xoắn song song làm mở rộng các vết nứt tồn tại trên bề mặt của phôi. Những rãnh xoắn sinh ra nhiều nhất khi hệ số ma sát giữa công cụ và phôi lớn. Khuyết tật bao gồm sự méo của phôi thường thấy khi phôi biến dạng khoảng 70%.
Trong quá trình biến dạng khi góc α và β vượt quá giá trị tới hạn sẽ xuất hiện hiện tượng bị thắt do sự biến dạng mãnh liệt dọc theo trục của phôi.
-Những khuyết tật bên trong
Những khuyết tật cơ học bên trong được tìm thấy trong sản phẩm cán nêm ngang, bao gồm sự hình thành các lỗ hổng và vết nứt bên trong phát triển suốt quá trình cán nêm ngang. Những khuyết tật này làm giảm độ cứng của phần được tạo hình và cuối cùng dẫn tới phá huỷ sản phẩm. Theo một số tài liệu nghiên cứu [4] các nguyên nhân hình thành nên khuyết tật bên trong cơ bản gồm:
(1) Ứng suất kéo lớn theo hướng trục.
(2) Ứng suất cắt quá mức do khuôn nêm tạo ra.
(3) Phá huỷ mỏi do chu kì phát triển trong suốt quá trình cán.
Sự kết hợp ứng suất cắt (yếu tố chính) và ứng suất kéo (yếu tố phụ) là nguyên nhân tạo ra lỗ hổng trong phôi cán
Những lỗ hổng bên trong phát triển rất nhanh dưới tác dụng của ứng suất kéo thứ cấp được tạo ra do ứng suất nén chu kì của phôi. Theo hàng loạt cácthí nghiệm cán nêm ngang do các nhà khoa học trên thế giới đã nghiên cứu, những vết nứt trong tâm tạo ra do sự kết hợp giữa ứng suất kéo và ứng suất cắt xảy ratrong vùng trung tâm của phôi, ứng suất cắt lớn đẩy biến dạng dẻo tới giá trị tới hạn và tạo thành vết nứt.
Hình 2.5. Sự hợp nhất các lỗ trống do ứng suất cắt [4]
Hình 2.6. Sự hợp nhất các lỗ trống do ứng suất kéo [4]
Khi quan tâm đến hình dạng của phôi, góc tạo hình α, góc áp lực β và độ giảm tiết ∆A là những yếu tố quan trọng trong công nghệ cán nêm ngang. Những yếu tố này không chỉ quyết đinh mức độ biến dạng dẻo mà còn đóng vai trò quyết định nơi xảy ra các khuyết tật, kích thước của khuyết tật. Theo nhóm nghiên cứu trong tài liệu [4] đã chỉ ra rằng với cùng một lượng giảm tiết ∆A và góc áp lực β thì khi góc tạo hình α càng nhỏ, kích thước khuyết tật càng lớn. Ngược lại nếu với cùng góc tạo hình α và độ giảm tiết ∆A thì khi góc áp lực β càng lớn khuyết tật trong tâm cũng phát triển lớn theo. Sự biến dạng dẻo của phôi cán phức tạp vì nó bao gồm nội ứng suất, giãn rộng và quá trình chảy dẻo theo hướng tang làm biến đổi hình dạng phôi ứng với mỗi vùng của nêm tạo hình.
Hình 2.7. Mặt cắt của thanh có khuyết tật[4]
Hình2.8. Sự xuất hiện của lỗ hổng lớn bên trong [4]
Hình 2.10.Ứng suất trên vùng khuyết tật [4]
Để nghiên cứu về vấn đề này, có thể tiến hành một loạt các thí nghiệm cán nêm ngang với những điều kiện khác nhau. Sau đó ta kiểm tra những mẫu có sự xuất hiện khuyết tât bên trong.
Thực tế là tại vùng trung tâm của phôi hình thành rất nhiều các lỗ hổng, do phôi chịu ứng suất kéo bên trong lớn. Những lỗ hổng này sẽ phát triển rồi kết hợp lại tạo thành các lỗ hổng lớn hơn, điều này được kiểm chứng trong hình 2.8 trong đó có xuất hiện hiện diện của những khuyết tật có dạng những dải băng song song kéo dài trong vùng trung tâm của phôi. Để hiểu rõ hơn, ta tiến hành cắt thanh đã được cán theo chiều ngang. (hình 2.9) có thể dễ dàng nhận ra lỗ hổng lớn bên trong có hình chữ thập riêng biệt
Hình dạng này có khả năng phát triển trong suốt quá trình cán nêm ngang bởi vì phôi cán có xu hướng chảy dẻo khi phôi quay giữa các khuôn tạo hình. Hình chữ thập tìm thấy trong mặt cắt ngang của phôi cán, giải thích sự kéo dài của các dải băng. Vết nứt kéo dài được sinh ra dưới tác dụng của ứng suất kéo theo các hướng chính. Ví dụ như mặt cắt B, một mặt tự do kéo dài của vết nứt, ứng suất tác dụng
lên phân tố biến dạng được biểu diễn bởi ứng suất chính thứσ2. Chính thành phần ứng suất σ2 này gây nên sự hình thành các vết nứt đối xứng ở giữa phôi cán. Hình 2.10. Vết nứt này thường theo hướng chính và sẽ mở rộng trong suốt quá trình quay tròn của phôi cán.
Như vậy qua phân tích sự hình thành và những nguyên nhân gây ra khuyết tật của cán nêm ngang để hiểu và phân tích bài toán cán ren vít.
2.5.Kết luận
Các thông số cơ bản của công nghệ cán nêm ngang là góc ăn α, góc mởβ, mức độ biến dạng ∆A và ảnh hưởng của các khuyết tật trong quá trình cán Các thông số trên cho ta thấy nó có liên quan chặt chẽ với nhau trong quá trình tạo hình sản phẩm.
Qua nghiên cứu các thông số ảnh hưởng tới quá trình cán, nhận thấy công nghệ cán nêm ngang là công nghệ tương đối phức tạp. Để thực hiện quá trình tạo hình đối với vật liệu cụ thể cần đồng thời tối ưu các thông số công nghệ, góc ăn α, góc mở β, mức độ biến dạng ∆A. Phương pháp mô phỏng số được lựa chọn để tối ưu công nghệ cán nêm ngang là hợp lý bởi những ưu điểm nổi trội của nó so với phương pháp khác. Các kết quả nghiên cứu lý thuyết có ý nghĩa thực tế quan trọng phục vụ cho các bước mô phỏng công nghệ tiếp theo.