6. Cấu trúc của nội dung luận án
1.4.2 Tình hình nghiên cứu ở ngoài nước
1.4.2.1 Nghiên cứu ảnh hưởng của các tham số trong dập vuốt tại nhiệt độ phòng.
❖ Vật liệu nghiên cứu SPCC.
Sang-Woo Kim and Young-Seon Lee [37] nghiên cứu thực nghiệm và mô phỏng về tác dụng của siêu âm rung trong quá trình dập chi tiết dạng cốc trụ từ vật liệu thép tấm cán nguội (SPCC). Một thiết bị thử nghiệm để áp dụng dao động tần số cao trong quá trình dập đã được xây dựng bằng cách lắp đặt máy phát rung siêu âm bao gồm đầu dò áp điện và bộ cộng hưởng cho khuôn. Các thử nghiệm dập biên dạng hình trụ thông thường và có hỗ trợ của rung siêu âm như Hình 1.32, với các mức độ dập vuốt khác nhau (Mt =1,74; 1,96; 2,14; 2,34). Các lực dập trung bình được đo trong tất cả các thử nghiệm và được hiển thị trong Hình 1.33. Để đánh giá sự đóng góp của rung siêu âm trong việc giảm ma sát giữa các bộ phận của khuôn và phôi. Kết quả cho thấy là lực dập tăng theo mức độ dập vuốt và lực dập giảm trong trường hợp dập vuốt có hỗ trợ rung siêu âm, như trong trường hợp Mt = 1,74 cho mức giảm tải tối đa 5,5%.
Mt=1,74 Mt=1,96 Mt=2,14 Mt=2,34
Hình 1. 32 Ảnh chụp mẫu vật dập cho các Mt khác nhau; (a) có rung siêu âm và (b) không có rung siêu âm
Hình 1. 33 Biểu đồ về lực dập và mức độ dập vuốt
Ngoài ra trong nghiên cứu này đã sử dụng phần mềm ABAQUS để mô phỏng phần tử hữu hạn cho các hệ số ma sát khác nhau đối các mức độ dập vuốt Mt khác nhau được thể hiện như Hình 1.34. Dựa trên các kết quả thực nghiệm, một loạt các nghiên
27
cứu tham số cho các hệ số ma sát khác nhau; 0,18, 0,20, 0,22, 0,26 và 0,30, được thực hiện cho từng mức độ dập vuốt. Kết quả là, lực dập tối đa có xu hướng tăng lên khi tăng hệ số ma sát như trong Hình 1.35(a). Từ mối quan hệ tuyến tính giữa lực dập tối đa và hệ số ma sát, các hệ số ma sát trong các thử nghiệm có và không có rung siêu âm cho kết quả dự đoán được hiển thị trong Hình 1.35(b). Hình vẽ cho thấy các hệ số ma sát dự đoán là khác nhau theo Mt và rung siêu âm tạo ra tác dụng có lợi đối với việc giảm 4,5 ~ 16,7% hệ số ma sát. Bằng cách so sánh các kết quả thử nghiệm khi Mt = 1,74, giảm 5,5% lực dập, tức là giảm 16,7% ma sát khi có rung siêu âm.
a) b)
Hình 1. 34 Kết quả phân tích FE; (a) hình dạng biến dạng (b) sơ đồ so sánh
a) b)
Hình 1. 35 Dự đoán hệ số ma sát; (a) mối quan hệ giữa hệ số ma sát và lực dập lớn nhất (b) các hệ số ma sát dự đoán và % chênh lệch
Sri Wahyanti [55] cùng cộng sự đã nghiên cứu về ảnh hưởng của ma sát đến hiện tượng nhăn và biến mỏng khi dập vuốt trên hai vật liệu SCGA (Thép mạ kẽm ủ lạnh) và SPCC (Thép tấm cán nguội), kết quả chỉ ra rằng hệ số ma sát càng lớn sẽ làm tăng mức độ biến mỏng và nhăn trên chi tiết. Rudeemas Jankree [56] cùng cộng sự đã nghiên cứu dập vuốt chi tiết dạng cốc vật liệu SPCC khi xét về ảnh hưởng của các khuyết tật tại vành cốc khi sử dụng hai loại khuôn khác nhau là khuôn thông thường và khuôn có bán
28
kính thay đổi MDR, kết quả chỉ ra rằng khi sử dụng khuôn có bán kính thay đổi thì các sai hỏng tại vành cốc được khắc phục. Wiriyakorn Phanitwong [57] đã nghiên cứu mức độ dập vuốt chi tiết dạng cốc vật liệu tấm SPCC để tăng khả năng tạo hình khi sử dụng khuôn dập có bán kính thay đổi (MDR). Kết quả của nghiên cứu cho thấy rằng mức độ dập vuốt được tăng lên khoảng 22,22% bằng cách sử dụng khuôn MDR. Ngoài việc tăng về mức độ dập vuốt, chất lượng của chi tiết dập được cải thiện khi sử dụng khuôn MDR, các khuyết tật tại vành cốc nhỏ hơn so với chi tiết dập trên khuôn thông thường.
❖ Các vật liệu khác nhau
Padmanabhana [58] cùng các cộng sự đã nghiên cứu, tối ưu hóa quá trình dập vuốt chi tiết dạng cốc được làm từ thép không gỉ. Nghiên cứu này đã sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn kết hợp với mảng trực giao Taguchi, phân tích phương sai (ANOVA) để kiểm tra tối ưu ba thông số đầu vào là bán kính lượn của cối, lực chặn phôi, hệ số ma sát và kết quả đầu ra là độ đồng đều về chiều dày của chi tiết dạng cốc sau khi dập. Kết quả chỉ ra rằng bán kính lượn của cối có mức độ ảnh hưởng lớn đến quá trình dập sâu 89,2%, tiếp theo là hệ số ma sát 6,3% và lực giữ phôi 4,5%.
Raju [59] cùng cộng sự nghiên cứu mức độ ảnh hưởng của các thông số như lực chặn phôi, bán kính lượn của cối, bán kính cong của chày đến phân bố độ dày của chi tiết dạng cốc khi dập sâu tấm hợp kim nhôm AA6061 có độ dày 0.8 mm. Nghiên cứu đã sử dụng mảng trực giao Taguchi và phân tích phương sai ANOVA để tối ưu hóa các thông số đầu vào. Kết quả chỉ ra rằng bán kính lượn của cối có mức độ ảnh hưởng lớn 66,49%, tiếp theo là lực chặn phôi 29,16% và bán kính cong của chày 9,23%.
Waleed K. Jawad [60] cùng cộng sự đã nghiên cứu về ảnh hưởng của bán kính cong của chày đến độ mỏng của chi tiết dạng cốc khi dập vuốt vật liệu thép cacbon thấp (1008 – AISI) có độ dày tấm (0,7mm) bằng mô phỏng FE và thực nghiệm, nghiên cứu đã sử dụng sáu loại chày có bán kính cong của chày khác nhau (4, 8, 12, 16, 20, 26 mm) để tiến hành khảo sát. Kết quả chỉ ra rằng độ mỏng tăng lên khi bán kính cong của chày tăng và độ mỏng lớn nhất xảy ra với chày có bán kính là (Rp = 26mm).
Minh Tien Tran [61] cùng cộng sự đã đề xuất phương pháp mới để thay đổi lực chặn phôi với tấm chặn phôi phân đoạn với góc 150 đến việc thay đổi chiều cao của vành cốc trong dập vuốt vật liệu tấm hợp kim nhôm. Lực chặn phôi thay đổi tối ưu đã được xác định và so sánh một cách hợp lý bằng cách sử dụng mô hình phân tích và mô hình mạng nơron (DNN) được tích hợp với thuật toán di truyền (GA). Kết quả chỉ ra rằng lực chặn phôi thay đổi tối ưu thì sự thay đổi chiều cao vành cốc giảm ~ 45% so với khi sử dụng lực chặn phôi cố định.
1.4.2.2 Nghiên cứu ảnh hưởng của các tham số trong dập vuốt tại nhiệt độ khác nhau.
Kaya [30] đã tiến hành thực nghiệm và phân tích phần tử hữu hạn (FEA) về cơ nhiệt của quá trình biến dạng dẻo khi dập vật liệu SS304 có gia nhiệt ấm. Trong quá trình dập đã sử dụng thiết bị điều khiển nước làm mát cho chày dập vuốt và gia nhiệt
29
cho cối và tấm chặn phôi như Hình 1.36. Hình 1.37 cho thấy sự thay đổi của mức độ dập khi thay đổi nhiệt độ cối dập vuốt/ tấm chặn phôi ở tốc độ dập vuốt 2,5, 25 và 50 mm/s. Các tốc độ chày dập vuốt này tương ứng với tốc độ biến dạng tối đa là 10-1, 1 và 2 s-1. Kết quả chỉ ra rằng ở cùng nhiệt độ, mức độ dập vuốt giảm khi tốc độ dập tăng lên và cũng thấy rằng ở tốc độ dập tăng cao hơn 25 mm/s (1 s-1) và 50 mm/s (2 s-1), mức độ dập vuốt vẫn giữ nguyên mặc dù nhiệt độ tăng.
Hình 1. 36 Sơ đồ của trình tự quá trình dập vuốt khi gia nhiệt ấm
Hình 1. 37 Thay đổi Mt với nhiệt độ cối và nhiệt độ tấm chặn phôi
Panicker cùng cộng sự [31] đã nghiên cứu quá trình dập tấm hợp kim nhôm AA5754-H22 với bộ khuôn dập vuốt được thiết lập như Hình 1.38. Bộ khuôn được thiết kế với chày dập vuốt được làm mát tuần hoàn bằng nước để duy trì ở nhiệt độ phòng (30 0C), cối dập vuốt và tấm chặn phôi được gia nhiệt. Nghiên cứu này với mục đích xác định chiều cao tạo hình trong hai trường hợp với điều kiện nhiệt độ đẳng nhiệt và không đẳng nhiệt khi dập vuốt. Trong quá trình dập vuốt không đẳng nhiệt với phôi dập có đường kính 110 mm như Hình 1.39b cho thấy không xảy ra hiện tượng rách và đạt chiều cao cốc trụ trung bình 42,60 mm. Tuy nhiên, cốc bị rách ở khu vực góc chày trong dập vuốt đẳng nhiệt và chiều cao chi tiết cốc trụ tối đa chỉ đạt 13,70 mm được thể hiện như Hình 1.39a.
30
Hình 1. 38 Sơ đồ thiết lập thực nghiệm quá trình dập vuốt gia nhiệt ấm
Hình 1. 39 Xác định chiều cao của chi tiết dạng cốc: (a) đẳng nhiệt và (b) không đẳng nhiệt trong dập vuốt.
Venkateswarlu [32] cùng cộng sự nghiên cứu về mức độ ảnh hưởng của ba thông số quan trọng của quá trình dập tấm nhôm AA7075 là nhiệt độ phôi, bán kính lượn của cối và tốc độ dập đến chiều cao tối đa của chi tiết dạng cốc bằng mô phỏng quá trình dâp vuốt. Nghiên cứu này đã kết hợp phương pháp phần tử hữu hạn và mảng trực giao Taguchi để xác định ảnh hưởng của các tham số quá trình dập. Kết quả cho thấy nhiệt độ phôi dập có ảnh hưởng lớn nhất là 84,4%, tiếp theo tốc độ chày dập vuốt là 9% và bán kính lượn của cối là 6,6%.
Alinia [34] cùng cộng sự nghiên cứu ảnh hưởng của bốn tham số quá trình, gồm nhiệt độ, lực chặn phôi, bán kính cong của chày và bán kính lượn của cối đến chỉ tiêu đánh giá đầu ra là mức độ dập vuốt được tiến hành dựa trên thiết kế Box-Behnken. Kết quả cho thấy nhiệt độ và bán kính lượn của cối có ảnh hưởng chính lớn nhất đến mức độ dập vuốt Mt. Mức độ dập vuốt tối đa khi bán kính lượn của cối ở mức cao và khi tăng nhiệt độ lên phôi dập đến 150 0C thì mức độ dập vuốt cũng tăng.
31
1.4.2.3 Nghiên cứu về đường cong giới hạn tạo hình FLC của vật liệu tấm
Ngày nay, các phương pháp gia công kim loại dựa trên sự biến dạng của vật liệu đã chiếm một vị trí quan trọng với một tỷ trọng ngày càng tăng trong sản xuất cơ khí và luyện kim. Các ứng dụng của việc mô phỏng số trong lĩnh vực tạo hình kim loại giúp các kỹ sư giải quyết hiệu quả các vấn đề khác nhau trong quá trình sản xuất các sản phẩm công nghiệp. Các kết quả mô phỏng chính xác là rất cần thiết cho việc thiết kế khuôn và cải thiện chất lượng của sản phẩm cuối cùng. Có rất nhiều yếu tố ảnh hưởng đến kết quả mô phỏng, hiện tượng rách, nứt của sản phẩm, nhưng để dự báo nhanh những hiện tượng đó của chi tiết thì đường cong giới hạn tạo hình FLC của vật liệu là đầu vào quan trọng nhất. Nhiều nghiên cứu đã được thực hiện để đánh giá đường cong giới hạn tạo hình (FLC) của các vật liệu được thử nghiệm bằng thực nghiệm và lý thuyết. Khái niệm về giới hạn tạo hình (FLC) đã được áp dụng rộng rãi trong các gói phần mềm mô phỏng thương mại khác nhau phục vụ cho việc nghiên cứu và phát triển sản phẩm (R&D).
Theo cách tiếp cận về thực nghiệm, Yue [17], Erichsen [62] như mô hình Hình 1.40 và Marciniak Kuczynski [18] như mô hình Hình 1.41 là những phương pháp phổ biến đã được sử dụng rộng rãi để xây dựng đường cong giới hạn tạo hình cho kim loại tấm. Tuy nhiên những phương pháp thực nghiệm này tốn thời gian, chi phí tính toán cao và đặc biệt là khó khăn khi thực nghiệm xác định FLC tại nhiệt độ cao, do lưới được đánh dấu trên phôi khi dập xong thường bị mờ nét không xác định được chính xác biến dạng theo các phương.
Hình 1. 40 Mô hình thực nghiệm Erichsen
[62]
Hình 1. 41 Mô hình thực nghiệm Marciniak và Nakazima [18]
32
Đường cong giới hạn tạo hình được xác định bằng thực nghiệm với quy trình như sau: các mẫu được chuẩn bị theo kích thước tiêu chuẩn như Hình 1.42a và được in các lưới hình tròn có kích thước là 2,5 x 2,5 mm, tiếp đó các mẫu này được thực nghiệm với bộ khuôn như Hình 1.41 và được kết quả như Hình 1.42b. Trong quá trình thực nghiệm, để xác định các biến dạng của mẫu vật liệu theo các phương, trên các hệ thống thực nghiệm có tích hợp camera độ phân giải hoặc sử dụng các thiết bị đo có độ tin cậy. Kết quả đo biến dạng của các mẫu được sử dụng để xây dựng đường cong giới hạn tạo hình như Hình 1.43.
Hình 1. 42 Mẫu thực nghiệm xác định các điểm giới hạn tạo hình a) Trước biến dạng; b) Sau biến dạng [63]
Hình 1. 43 Đường cong giới hạn tạo hình được xây dựng từ thực nghiệm [64] Xây dựng FLC từ nghiên cứu lý thuyết như: Swift [3] tiên phong nghiên cứu về sự hình thành và tiến triển lỗ trống và vết nứt trong vật liệu. Kế thừa nghiên cứu đó, Hill [19] đề xuất mô hình thông qua việc thay đổi chiều dày tấm kim loại tại vị trí xuất hiện vết nứt. Những năm gần đây, Hora cùng cộng sự [65] phát triển nghiên cứu của Swift
33
và đưa ra tiêu chí lực tối đa đã sửa đổi (MMFC), đó là dựa trên trạng thái biến dạng tức thời trên vật mẫu cho đến khi đạt được lực tạo biến dạng tối đa.
Kim [66-67] đã dự đoán đường cong giới hạn tạo hình của một số vật liệu tấm như AL5052-O, Al6016-T4, titan nguyên chất, SUS304. Trong phương pháp này, các vị trí biến dạng quan trọng được xác định dựa trên sự tính toán từ các phương trình biến dạng liên tục của hàm cứng hóa (ứng suất-biến dạng). Kết nối tuyến tính những vị trí biến dạng đặc biệt này sẽ cho ra biểu đò FLC tối giản. Cách tiếp cận đề xuất này đã cung cấp một kết quả phù hợp so với nghiên cứu của Hora ở ba vị trí biến dạng quan trọng: biến dạng kéo đơn trục, biến dạng phẳng và biến dạng kéo đều đồng thời theo hai phương. Cách tiếp cận này được áp dụng thành công trong dự báo các đường cong giới hạn tạo hình cho một số kim loại tấm cho độ chính xác cao [21].
Như vậy có rất nhiều các nghiên cứu ở nước ngoài về phương pháp gia nhiệt trong gia công tạo hình vật liệu tấm, đối với các phương pháp gia nhiệt khác nhau và các vật liệu khác nhau. Đây là phương pháp gia công được ứng dụng hiệu quả trong nền sản xuất hiện đại với sự phát triển của các loại vật liệu mới. Các nghiên cứu tập trung đi sâu vào ảnh hưởng của các thông số (công nghệ, hình học, vật lý), đường cong giới hạn tạo hình (FLC) của vật liệu tấm, ảnh hưởng của gia nhiệt tới tạo hình của vật liệu tấm thông qua mô phỏng và thực nghiệm. Tuy nhiên nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số này đến các chỉ tiêu đầu ra như chiều cao tạo hình và chiều dày phân bố của chi tiết dạng cốc vật liệu SPCC trong gia công dập vuốt có hỗ trợ nhiệt độ vẫn còn rất hạn chế. Đặc biệt là việc tối ưu hóa các tham số cho các chỉ tiêu đánh giá khác nhau khi gia công gia nhiệt cần được nghiên cứu để xây dựng các bộ tham số tối ưu phục vụ cho quá trình thiết kế, chế tạo bộ khuôn và ứng dụng trong gia công dập vuốt chi tiết dạng cốc trụ vật liệu SPCC. Đây là nhiệm vụ quan trọng và cần thiết.
34
KẾT LUẬN CHƯƠNG 1
Chương 1 đã trình bày về lịch sử phát triển của gia công dập tấm trên thế giới cũng như những ứng dụng của công nghệ dập tấm trong sản xuất công nghiệp hiện nay. Công nghệ dập vuốt chiếm tỷ trọng lớn trong lĩnh vực gia công tấm. Trong chương này đã chỉ ra những yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm dập vuốt, cũng như cách xác định các thông số trong dập vuốt.
Ưu điểm, nhược điểm và phạm vi ứng dụng của các phương pháp gia nhiệt đã được phân tích. Việc lựa chọn phương pháp gia nhiệt bằng thanh nhiệt điện trở phù hợp với kết cấu của bộ khuôn dập vuốt và điều kiện thực nghiệm hiện có tại Việt Nam.
Đã trình bày tổng quan các nghiên cứu trong và ngoài nước về các vấn đề liên quan đến công nghệ dập vuốt thông thường và khi có hỗ trợ nhiệt độ. Tuy nhiên số lượng nghiên cứu trong nước về dập vuốt có gia nhiệt còn rất hạn chế. Đặc biệt chưa có nghiên cứu nào về dập vuốt chi tiết cốc trụ vật liệu thép SPCC (tiêu chuẩn JIS-G3141) khi có