Tài liệu Nghiên cứu cơ chế phá hủy phôi trong quá trình cán nêm ngang (tt).pdf

1 A. GIỚI THIỆU LUẬN ÁN 1. Lý do chọn đề tài Công nghệ cán nêm ngang được phát triển để chế tạo phôi và các chi tiết cơ khí có dạng trục tròn xoay. Đây là phương pháp tiên tiến cho năng suất cao, dễ tự động hóa và an toàn với môi trường. Sản phẩm cán nêm ngang được áp dụng rộng rãi trong nhiều ngành, từ ô tô, xe máy… đến hàng không, vũ trụ. Vì vậy loại hình công nghệ này có tính ứng dụng cao. Tuy nhiên, thiết kế công nghệ với các thông số nêm, quá trình tạo hình vật liệu phức tạp ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng chi tiết. Khuyết tật sản phẩm thường gặp phải trong quá trình cán là: khuyết tật bề mặt, khuyết tật hình dạng và đặc biệt khuyết tật rỗng tâm. Dạng khuyết tật rỗng tâm phôi có nguy cơ tiềm tàng đối với các quá trình gia công và ứng dụng tiếp theo. Vì vậy, nghiên cứu nguyên nhân và cơ chế phá hủy phôi trong quá trình cán nêm ngang có ý nghĩa hạn chế và loại bỏ khuyết tật sản phẩm hình thành trong quá trình cán nêm ngang và mở ra khả năng ứng dụng công nghệ này vào sản xuất thực tế. 2. Mục đích nghiên cứu Nghiên cứu nguyên nhân, cơ chế phá hủy phôi nhằm loại bỏ khuyết tật cơ học sản phẩm hình thành trong quá trình cán nêm ngang nhằm nâng cao chất lượng sản phẩm và khả năng ứng dụng công nghệ cán nêm ngang vào sản xuất tại Việt Nam. 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu Chi tiết cơ khí có dạng trục tròn xoay. 4. Phương pháp nghiên cứu Lý thuyết- mô phỏng số - thực nghiệm. 5. Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn của luận án Hệ thống hóa cơ sở lý thuyết về phá hủy cơ học vật liệu, khẳng định nguyên nhân và cơ chế phá hủy phôi. Từ đó, tối ưu miền thông số công nghệ để sản phẩm cán không chứa khuyết tật. Trên cơ sở kết quả nghiên cứu, các nhà sản xuất lựa chọn chế độ công nghệ phù hợp để nâng cao chất lượng của các chi tiết sau cán. 6. Kết quả đạt được và những đóng góp mới của luận án Luận án đã phân tích các mô hình vật liệu và lựa mô hình chảy dẻo, mô hình phá hủy dẻo Johnson - Cook. Xây dựng phương pháp xác định các hệ số của mô hình (nhận dạng mô hình) bao gồm phương pháp thực nghiệm và tính toán xử lý kết quả thí nghiệm. Kết quả nhận dạng 5 hệ số của mô hình thuộc tính: A = 510, B = 722, n = 0,36, C = 2 0,097, m = 0,432 và 5 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. Luận án đã mô hình hóa và mô phỏng quá trình thí nghiệm để so sánh đường cong ứng suất biến dạng thực nghiệm với đồ thị nhận được từ mô phỏng số cho thấy sự tương hợp cao. Mô phỏng số quá trình cán nêm ngang đã được thực hiện, phân tích kết quả mô phỏng số xác định các thông số tối ưu cho quá trình công nghệ. Dựa trên kết quả đã 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 trong khoảng 1030 0 C đến 1150 0C; khuyết tật ở tâm phôi trong quá trình cán nêm ngang có cùng bản chất như các quá trình rèn ép trục tròn; các thông số 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 rỗng tâm. Cơ chế phá hủy phôi là quá trình gồm nhiều giai đoạn từ phát sinh khuyết tật, vị trí khuyết, xuất hiện và sát nhập các lỗ hổng và kết quả cuối cùng tạo lên độ xốp nhất định đủ tạo mầm dẫn đến các vết nứt trong giới hạn đa kích thước vi mô và vĩ mô phụ thuộc vào mức độ biến dạng. Chỉ số 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 đổi chỉ số trạng thái ứng suất theo hướng có giá trị âm nhằm hạn chế sự phát triển của khuyết tật trong tâm phôi. Chi tiết vít ren côn đã được chế tạo bằng công nghệ cán nêm ngang với các thông số công nghệ tương tự như quá trình mô phỏng số. Kết quả, các chi tiết chế tạo với thông số công nghệ trong miền không an toàn, tâm phôi bị phá hủy, các khuyết tật trong tâm định hướng dọc trục phôi. Ngược lại, các chi tiết được chế tạo trong miền thông số an toàn chi tiết không 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 trong quá trình cán nêm ngang mang lại hiệu quả cao. Những đóng góp mới của luận án: Nghiên cứu về nguyên nhân và cơ chế phá hủy phôi trong quá trình cán nêm ngang là một vấn đề cấp thiết, lần đầu tiên được thực hiện tại Việt Nam. Kết quả nghiên cứu đã hệ thống hóa cơ sở lý thuyết, thực nghiệm và mô phỏng số quá trình cán nêm ngang. 3 Các hệ số tính đến ảnh hưởng của tốc độ biến dạng (C, D4) của mô hình Johnson - Cook đã được nhận dạng bằng 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 đã được áp dụng để xác định các hệ số D1, D2, D3 của mô hình phá phủy Johnson – Cook. Dựa trên kết quả mô phỏng 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 cơ sở để các nhà sản xuất lựa chọn thông số công nghệ trong quá trình chế tạo các chi tiết bằng công nghệ cán nêm ngang. Luận án cho thấy cơ chế phá hủy phôi trong quá trình cán nêm ngang là: sự biến dạng không đồng đều giữa các lớp kim loại; sự chênh lệch nhiệt độ giữa các vùng kim loại trên phôi tạo nên sự khác nhau về tính chất cơ học giữa các vùng làm xuất hiện các ứng suất dư bên trong vật liệu; chỉ số trạng thái ứng suất dương lớn tập trung tại vùng tâm là nguyên nhân gây nên hiện tượng rỗng tâm sản phẩm. B. NỘI DUNG LUẬN ÁN CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1.1. Giới thiệu quá trình cán nêm ngang Về cơ bản, công nghệ cán nêm ngang được xây dựng như một trường hợp đặc biệt của công nghệ cán ngang, khi coi bán kính trục cán rất lớn (). Trục cán được thay thế bằng hai bàn nêm phẳng (trên bề mặt bàn có phần hình nêm nhằm gia công 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. Hình 1.1 mô tả sơ đồ cán nêm ngang sử dụng nêm cán cố định phía dưới và nêm cán dẫn động phía trên. Phôi được đặt tại phần đầu vào của nêm cán dưới. Nêm trên chuyển động tịnh tiến song song với nêm cán 4 dưới, nhấn nêm trên vào phôi, khi bàn nêm trên chuyển động, nhờ có ma sát nên phôi chuyển động theo. Trong quá trình cán, vùng biến dạng dẻo liên tục dịch chuyển theo nêm cán từ giữa phôi ra hai phía, hình thành các biên dạng của chi tiết theo yêu cầu thiết kế. 1.2. Sản phẩm cán, phế phẩm và đặc điểm khuyết tật Ngày nay, công nghệ cán nêm ngang được sử dụng rộng rãi để sản xuất các sản phẩm tròn xoay, các chi tiết có hình dạng phức tạp như mặt tròn, mặt côn cầu với các rãnh và frofile khác nhau. Sản phẩm đặc trưng của công nghệ này là trục răng cho các loại hộp số, mũi khoan, bulông, chốt, vít ren côn, đầu đạn, trục xe đạp (hình 1.4). Vật liệu sử dụng để chế tạo các chi tiết bằng CNCNN này rất đa dạng như: thép các bon, hợp kim trên nền đồng, titan, niken và các hợp kim nền zircon. Hình 1.4. Một số sản phẩm của CNCNN 1.2.1. Yêu cầu về chất lượng sản phẩm Sự biến dạng phức tạp của phôi, sự tồn tại ma sát giữa phôi và nêm cán có ảnh hưởng rất lớn đến chất lượng sản phẩm. Phá hủy cơ học hình thành do bản chất của quá trình biến dạng lớn. Đó là sự biến dạng không ổn định theo ba chiều của dòng chảy kim loại trong quá trình cán. Dong Y [23] tổng kết ba vấn đề chính gây nên sai hỏng sản phẩm là: 1-Sự trượt ban đầu giữa phôi và khuôn cán, sự trượt này ngăn cản sự quay của phôi gây nên những khuyết tật hình dạng sản phẩm. 2Phá hủy trong tâm phôi cán theo hiệu ứng rỗng tâm - hiệu ứng này được cho là do sự hình thành và phát triển của lỗ trống và vết nứt trong tâm phôi. 3- Khuyết tật bề mặt sản phẩm cán. 1.2.2. Khuyết tật hình học và khuyết tật rỗng tâm Khuyết cơ học thường gặp trong quá trình cán nêm ngang là: rãnh xoắn, nứt, ba via và khuyết tật rỗng tâm (Hình 1.8 và Hình 1.10). Trong đó, khuyết tật rỗng tâm tiềm tàng trong sản phẩm và là nguyên nhân phá hỏng các chi tiết trong quá trình làm việc. 5 Hình 1.8. Khuyết tật hình dạng sản phẩm Hình 1.10. Khuyết tật trong tâm phôi cán [34] Vì vậy, luận án tập chung nghiên cứu nguyên nhân và cơ chế phá hủy phôi trong quá trình cán nêm ngang, đặc biệt là phá hủy vùng tâm. 1.3. Kết luận Các thông số chính sử dụng để thiết kế nêm cán như: góc tạo hình, góc áp lực, góc nâng và lượng ép ảnh hưởng trực tiếp đến trạng thái ứng suất, biến dạng của vật liệu. Những yếu tố này có vai trò quyết định đến chất lượng sản phẩm, cần được lựa chọn tối ưu. Vấn đề này đã được công bố trong nhiều nghiên cứu. Các công trình đã khẳng định thiết kế thiết bị cán không đúng sẽ dẫn đến sai hỏng hình dạng, kích thước và rỗng tâm sản phẩm cán. Khuyết tật rỗng tâm khó phát hiện, tiềm tàng trong sản phẩm, phát triển ở nhiều cấp độ, từ vi mô đến vĩ mô phụ và thuộc vào yếu tố công nghệ, thông số hình học của nêm cán cũng như thuộc tính cơ học vật liệu. Sự phân bố trạng thái ứng suất, trạng thái biến dạng tại vùng tâm phôi- yếu tố gây nên phá hủy, phụ thuộc vào thông số hình học nêm cán đã được công bố đầy đủ trong nhiều công trình. Các nghiên cứu về nguyên nhân và cơ chế phá hủy vật liệu tại vùng tâm phụ thuộc vào thuộc tính vật liệu, σ = σ (ε, ε̇ , τ, t), D = D (t, T, ε, ε, ̇ ) còn hạn chế, đặc biệt ở trong nước. Vì vậy, vấn đề này được lựa chọn để nghiên cứu. Luận án tập trung giải quyết: phân tích và lựa chọn mô hình vật liệu có khả năng mô tả ứng xử của vật liệu trong quá trình biến dạng tạo hình vật liệu; nghiên cứu phương pháp nhận dạng mô hình lựa chọn; thực nghiệm nhận dạng mô hình cho vật liệu cụ thể, xử lý kết quả thực nghiệm bằng các phần mềm tính toán; mô phỏng số với các điều kiện công nghệ khác nhau, phân tích trạng thái ứng suất, trạng thái biến dạng và điều kiện phá hủy cho phép thay đổi quá trình thiết 6 kế, tối ưu quá trình công nghệ; áp dụng kết quả mô phỏng để tiến hành thực nghiệm quá trình cán nêm ngang chi tiết vít ren côn. CHƯƠNG 2 MÔ HÌNH THUỘC TÍNH VÀ PHÁ HỦY VẬT LIỆU 2.1. Phá hủy dẻo vật liệu kim loại 2.2. Mô hình phá hủy vật liệu Vai trò của mô hình phá hủy vật liệu là xác định thời điểm xuất hiện độ xốp tới hạn và mức độ biến dạng của vật liệu tại vị trí đó. Từ khái niệm chung, mô hình phá hủy vật liệu mô tả sự suy giảm khả năng chịu tải của vật liệu do sự hình thành khuyết tật bên trong vật liệu. Mô hình này bao gồm các biến là các thông số mô tả tổng lỗ xốp tồn tại bên trong vật liệu trong suốt quá trình biến dạng. Khi các thông số này đạt tới giá trị tới hạn, vật liệu không còn khả năng chịu tải. 2.3. Mô hình thuộc tính vật liệu Mô hình thuộc tính cơ học vật liệu được thiết lập dưới dạng các phương trình toán học để mô tả hành vi vật liệu khi biến dạng đàn hồi và biến dạng dẻo. 2.4. Phân tích và lựa chọn mô hình Một mô hình phá hủy chính xác là mô hình phải tính đến tác động của các yếu tố: lịch sử biến dạng, chỉ số trạng thái ứng suất, lưu biến của vật liệu, nhiệt độ và sự nhạy cảm của tốc độ biến dạng. Lựa chọn mô hình phá hủy phù hợp với điều kiện cụ thể của mỗi bài toán là một vấn đề cần xem xét ở nhiều khía cạnh. Nếu lựa chọn mô hình đơn giản, ít biến thì khả năng nhận dạng dễ, nhưng độ chính xác thấp. Ngược lại, nếu lựa chọn mô hình phức tạp nhiều biến cho độ chính xác của mô hình cao, nhưng quá trình nhận dạng khó khăn, phức tạp dẫn đến sai số của quá trình nhận dạng lớn. Điều này làm giảm độ chính xác của mô hình. Vì vậy, phải cân nhắc kỹ giữa hai yếu tố này để tìm phương án tối ưu. Kinh nghiệm và nghệ thuật của người làm mô hình quyết định phương án nào được lựa chọn để quá trình nhận dạng mô hình không phức tạp mà vẫn đảm bảo kết quả nhận dạng đúng, từ đó khẳng định được tính hợp lý của mô hình lựa chọn. Với bài toán nghiên cứu cơ chế phá hủy phôi trong công nghệ cán nêm ngang mô hình thuộc tính và mô hình phá hủy Johnson – Cook là phù hợp nhất. 2.5. Kết luận Mô hình mang tính tổng quát, đầy đủ là một hàm số phụ thuộc vào mức độ biến dạng, tốc độ biến dạng, nhiệt độ và thời gian tạo hình. 7 Đối với bài toán cán nêm ngang - bài toán biến dạng lớn, nhiệt độ cao mô hình thuộc tính Johnson-Cook được lựa chọn để nghiên cứu trong giai đoạn vật liệu biến dạng đàn- dẻo. Đối với ứng xử hư hại và phá hủy nên cần thiết sử dụng mô hình phá huỷ vật liệu để nghiên cứu. Mô hình phá hủy Johnson- Cook được lựa chọn với lý do: độ chính xác cao, đồng bộ với mô hình thuộc tính của tác giả, có thể nhận dạng được trong điều kiện thiết bị hiện có, được lập trình trong các phần mềm mô phỏng số. CHƯƠNG 3 NHẬN DẠNG MÔ HÌNH JOHNSON-COOK 3.1. Phương pháp nhận dạng mô hình Johnson – Cook 3.1.1. Phương pháp nhận dạng mô hình thuộc tính Mô hình thuộc tính Johnson – Cook được trình như sau: 𝛆̇ 𝐓−𝐓𝐫 𝛆̇ 𝟎 𝐓𝐦𝐞𝐥𝐭 −𝐓𝐫 𝛔 ̅ = [𝐀 + 𝐁(𝛆̅)𝐧 ]. [𝟏 + 𝐂. 𝐥𝐧 ( )] . [𝟏 − (𝐓 ∗ )𝐦 ]; 𝐓 ∗ = (3.1) A, B, C, n, m là các hệ số cần nhận dạng, Tmelt - nhiệt độ chảy của kim loại, Tr là nhiệt độ tham chiếu, ε̅ là mức độ biến dạng tương đương, ε̇ là tốc độ biến dạng, ε̇ 0 là tốc độ biến dạng tham chiếu.  Nhận dạng hệ số A, B, n. Thử kéo ở nhiệt độ phòng, với tốc độ biến dạng bằng tốc độ biến dạng tham chiếu, khi đó T* = 0 và ln (ε*) = 0 vì ε* =1, phương trình (pt) (3.1) trở thành: ̅ = A + B(ε̅)n σ Hệ số A là giới hạn chảy của vật liệu. Quy hoạch đường cong σ ̅− n A = B. (ε̅p ) với ε̅p xác định được hệ số B và n.  Nhận dạng hệ số C Thí nghiệm tại các tốc độ biến dạng ε1̇ , ε2̇ , ε3̇ với nhiệt độ T1, T2 và T3. Ký hiệu các thí nghiệm theo quy tắc chỉ số trên đứng trước là nhiệt độ, chỉ số trên đứng sau là tốc độ biến dạng. Tại nhiệt độ T1 với tốc độ biến dạng: ε1̇ , ε2̇ , ε3̇ , pt (3.1) trở thành: ε̇ ε̇ 0 𝜎̅ (11) = [A + B(𝜀̅)n ]. [1 + Cln ( 1 )] . [1 − (𝑇1 ∗ )m ] ε̇ 𝜎̅ (12) = [A + B(𝜀̅)n ]. [1 + Cln (ε̇ 2 )] . [1 − (𝑇1 ∗ )m ] 0 (3.2) (3.3) 8 ε̇ ε̇ 0 𝜎̅ (13) = [A + B(𝜀̅)n ]. [1 + Cln ( 3 )] . [1 − (𝑇1 ∗ )m ] (3.4) Lấy pt (3.2) chia pt (3.3) được: ε̇ 1 σ(11) [1 + Cln (ε̇ 0 )] ̅ = ̅(12) [1 + Cln (ε̇ 2 )] σ ε̇ 0 𝐶 (11) = σ(12) − σ ̅ ̅(11) ε̇ ε̇ ̅(11) ln ( 2 ) − σ σ ̅(12) ln ( 1 ) ε̇ 0 ε̇ 0 Chia pt (3.3) cho pt (3.4) tính được C(12); chia pt (3.2) cho pt (3.4) được C(12). Tương tự, với nhiệt độ T2 và T3, tính được 9 thành phần C(ij). Hệ số C bằng trung bình cộng của C(ij): C = ∑ C(ij) 9 .  Xác định hệ số m Thực hiện các thí nghiệm tại các nhiệt độ khác nhau với cùng một tốc độ biến dạng, từ pt (3.1) 𝜀̇ Đặt: P = [A + B(𝜀̅)n ]. [1 + Cln (ε̇ )] 0 (3.1) Phương trình (3.1) trở thành: ̅ σ ̅ = P. [1 − (T ∗ )m ]  σ = [1 − (T ∗ )m ] (3.8) P Biến đổi pt (3.8): ̅ ̅ σ σ ln (1 − P ) = m. ln(𝑇 ∗ ) Đặt : Y = ln(1 − P) và X= ln(T*) Y = m.X, m chính là hệ số góc của phương trình. 3.1.2. Phương pháp nhận dạng mô hình phá hủy J- C Mô hình phá hủy Johnson –Cook biểu diễn trong (2.8): ε̅f = [D1 + D2 exp(D3 σ∗ )]. [1 + D4 ln ε̇ ] . [1 + D5 . T ∗ ] ε̇ 0 (2.8) 𝜀̅f : phụ thuộc tốc độ biến dạng, nhiệt độ và chỉ số trạng thái ứng suất σ (σ∗ = H , H -ứng suất thủy tĩnh, σeq - ứng suất tương đương ε̇ , ε̇ 0 σeq - tốc độ biến dạng và tốc độ biến dạng tham chiếu, T* - tỉ số nhiệt độ, D1, D2 D3, D4, và D5 là các hệ số vật liệu cần xác định.  Nhận dạng các hệ số D1, D2, D3 Brigdman [17] đã chứng minh giá trị của của chỉ số trạng thái ứng suất có thể xác định được thông qua thí nghiệm thử phá hủy với các mẫu R. Áp dụng kết quả nghiên cứu này, thực hiện thí nghiệm tại nhiệt độ phòng, ε̇ = ε̇ 0 . Khi đó, pt (2.8) trở thành: 9 ε̅f = [D1 + D2 exp(D3 σ∗ )] (3.11) Kích thước mẫu thử sau thí nghiệm được sử dụng để tính giá trị của chỉ số trạng thái ứng suất và biến dạng tương đương tại thời điểm mẫu thử bị phá hủy. Xây dựng đồ thị giữa hai thông số này, xác định D1, D2 D3 bằng phần mềm Matlab.  Nhận dạng hệ số D4 Các thí nghiệm xoắn với các tốc độ biến dạng ε1̇ , ε2̇ , ε3̇ tại cùng nhiệt độ T1, T2 và T3. Tại nhiệt độ T1, pt (2.8) trở thành: ε̇ 1 (3.12) ] . [1 + D5 . T1 ∗ ] ε̇ 0 ε̇ 2 (3.13) (12) ε̅f = [D1 + D2 ] [1 + D4 ln ] . [1 + D5 . T1 ∗ ] ε̇ 0 ε̇ 3 (3.14) (13) ε̅f = [D1 + D2 ] [1 + D4 ln ] . [1 + D5 . T1 ∗ ] ε̇ 0 Chia pt (3.12) cho pt (3.13): ε̇ (11) (11) (12) [1 + D4 ln (ε̇ 1 )] ε̅f ε̅f − ε̅f (11) 0 = → D = 4 (12) ε̇ ε̇ ε̇ (12) (11) ε̅f ε̅f . ln (ε̇ 1 ) − ε̅f . ln (ε̇ 2 ) [1 + D4 ln (ε̇ 2 )] 0 0 0 (11) ε̅f = [D1 + D2 ] [1 + D4 ln Giá trị của hằng số ảnh hưởng của tốc độ biến dạng tại nhiệt độ bằng trung bình cộng của tất cả D (ij) tính được gọi là: 𝐷4 = ∑ D4 ij 9 .  Nhận dạng hệ số D5 Để nhận dạng hệ số D5, thực hiện các thí nghiệm xoắn (σ*= 0) tại các nhiệt độ khác nhau với cùng một tốc độ biến dạng, phương trình mô hình phá hủy (2.8): ε̇ p ε̅f = [D1 + D2 ] [1 + D4 ln ] . [1 + D5 . T1 ∗ ] ε̇ 0 ε̇ p Đặt Q = [D1 + D2 ] [1 + D4 ln ] Ta có: εf Q ε̇ 0 = [1 + D5 . T ∗] εf  (1 − Q ) = D5 . T ∗ εf (3.18) Thay thế: Z =(1 − ), D5 là hệ số góc của phương trình Z = D5T*, từ Q pt (3.18) xác định được hệ số D5. 10 3.2. Thí nghiệm nhận dạng - Thí nghiệm kéo, xoắn, thử phá hủy… 3.3. Kết quả thí nghiệm và nhận dạng 3.3.1 Kết quả nhận dạng mô hình thuộc tính J-C Từ số liệu thí nghiệm xây dựng đồ thị ứng suất - biến dạng (hình 3.13 và 3.14).  (MPa) 140 -1 -1 (MPa) 0,1s 0.01s (MPa) 85 -1 0,001s 55 112 68 84 51 56 34 44 22 9000C 28 T=900 0C 1000 -1C 17 -1 1100 C 0 33 0 0.05 0.1 0.15  0.25 0.2 0 T= 1000 C 0 0.04 0.08 0.12 0.16 0 11 T =1100 0C T = 900 C T = 1000 0C  0  T= 1100 0C 0 0.2 0 0.022 0.044 0.066 0.088 0.11 Hình 3.13 Đồ thị ƯS - BD khi thay đổi tốc độ biến dạng (MPa) 0 900 C (MPa) 140 (MPa) 0 1000 C 0 1100 C 65 80 52 112 60 84 39 0,1s-1 40 56 0,01s 0,01s -1 0,001s -1  0.044 0.088 0.132 0,1s-1 20 0 0 26 0,001s -1 0,1s-1 28 -1 0.176  0 0.22 0,01s 13 0 0.036 0.072 0.108 0.144 -1 0,001s -1  0 0 0.18 0.044 0.088 0.132 0.176 0.22 Hình 3.14 Đồ thị ƯS -BD khi thay đổi nhiệt độ a) Kết quả nhận dạng hệ số A, B, n Trên đồ thị ứng suất - biến dạng (hình 3.15), hệ số A chính là giới hạn chảy của vật liệu, A= 510 như trên đồ thị 3.15.  MPa)  A)(MPa) 1000 400 800 320 600 240 400 160 ft: Y = 722.11 * x^(0.36776) R= 0.98906 Thuc nghiem 80 200  0 0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 Hình 3.15. Đồ thị ứng suất - biến dạng xác định A  0 0.0688 0.086 0.1032 0.1204 0.1376 p Hình 3.16. Đồ thị xác định B và n  Kết quả nhận dạng hệ số B, n Từ công thức (3.1) ta có: σ ̅ − A = B. (ε̅)n 11 Sử dụng phần mềm Matlab fit phương trình phương trình mũ y = B xn tương ứng với y = 𝜎̅ − 𝐴 và x = 𝜀̅, xác định được giá trị B= 722, n = 0,368 (hình 3.16).  Kết quả nhận dạng hệ số C Hệ số C bằng trung bình cộng các Cij = 0,097.  Kết quả nhận dạng hệ số m Q  (MPa) 140 -1 -0.052 0,1s fit y = 0.43378x R= 0.99905 Thi nghiem -0.078 112 -0.104 84 -0.13 56 9000C 28 1000 -1C -1 1100 C 0 -0.156 0 0.05 0.1 0.15 0.2  0.25 P -0.55 -0.5 -0.45 -0.4 -0.35 -0.3 Hình 3.17. Đồ thị ƯS-BD Hình 3.18. Đồ thị xác định ảnh hưởng của nhiệt độ tại các nhiệt độ khác nhau Thí nghiệm tại các nhiệt độ khác nhau (hình 3.17). Xây dựng đồ thị giữa P = log (T*) và Q = log (1 − σ ̅⁄σ ̅room ) (hình 3.18) giá trị của m chính là hệ số góc của phương trình đường thẳng Q = m.P, m = 0,432. Kết quả nhận dạng mô hình thuộc tính J-C bảng 3.1 Bảng 3.1. Các hệ số của mô hình thuộc tính J-C A 510 B 722 n 0,36 C 0,097 m 0,432 3.3.2. Nhận dạng mô hình phá hủy Johnson – Cook a) Kết quả nhận dạng các hệ số D1, D2, D3 Các thí nghiệm thử phá hủy tại nhiệt độ phòng với tốc độ biến dạng bằng tốc độ biến dạng tham chiếu được thực hiện. Sử dụng số liệu thí nghiệm xây dựng đường cong lực - chuyển vị (hình 3.19). F(KN)  f) 80 0.5 60 y = m1 + m2 * exp(m3*x) Value Error m1 0.009 0.000018 m2 1.48 0.000034 m3 -2.66 0000.65 Chisq 0.5698 NA R 1 NA 0.4 0.3 40 R2 R4 R8 R12 R16 20 0.2 0.1 0 0 0.8 1.6 2.4 3.2 4 Chuyen vi(mm) Hình 3.19. Đồ thị lực chuyển vị mẫu thử phá hủy R 0 0.42 0.56 0.7 0.84 0.98  Hình 3.21. Đồ thị 𝜀̅𝑓 - σ* 12 Kích thước mẫu thử phá hủy được sử dụng tính giá trị của biến dạng tương đương và chỉ số trạng thái ứng suất, xây dựng đồ thị và xác định được giá trị của D1, D2, D3 bằng phần mềm Matlab (hình 3.21). b) Kết quả nhận dạng hệ số D4. Thí nghiệm xoắn ở các nhiệt độ và tốc độ biến dạng khác nhau, xây dựng được đồ thị trên hình 3.20. Xác định được giá trị D4 tại các điều kiện thí nghiệm bảng 3.2. (MPa) (MPa) 0 900 C (MPa) 0 1000 C 80 55 40 64 44 32 48 33 24 32 22 -1 0,17s 0,087s-1 0,017s 16 0.16 0.24 0.32 0,17s 0,087s-1 11  0.08 16 -1 0,17s 0,087s-1 -1 -1 0 0 0 1100 C 0.4 0,017s 8 -1 0.08 0.16 0.24 0.32 -1  0 0 0,017s  0 0.4 0 0.08 0.16 0.24 0.32 0.4 Hình 3.20. Đồ thị ứng suất tiếp – biến dạng trượt Bảng 3.2. Giá trị của hệ số D4 D(ij) γ̇ 1 = 0,17 s −1 γ̇ 2 = 0,087s−1 γ̇ 3 = 0,017s−1 T1= 900 0C 0,186 0,198 0,165 T2= 1000 0C 0,193 0,182 0,120 T3= 1100 0C 0,150 0,169 0,116 Giá trị D4 bằng trung bình cộng của 9 giá trị = 0,164 c) Kết quả nhận dạng các hệ số D5 Thí nghiệm tại các nhiệt độ khác nhau, xác định được giá trị D5 hình 3.21. Z 1.24 y = 0.62x R= 0.99997 1.22 Thuc nghiem 1.2 1.18 1.16 T 1.14 0.56 0.6 0.64 0.68 * 0.72 Hình 3.21. Đồ thị xác định hệ số D5 Kết quả nhận dạng MHPH J-C trình bày trong bảng 3.3. 13 Bảng 3.3. Các hệ số của mô hình phá hủy J-C D1 0,009 D2 1,48 D3 -2,66 D4 0,164 D5 0,623 3.4. Đánh giá kết quả nhận dạng Hình 3.31 ta thấy, với vùng có biến dạng phá hủy lớn nhưng trạng thái ứng suất nhỏ thì sai số giữa mô phỏng và thực nghiệm lớn. Vì vậy, khẳng định được mô hình chính xác hơn khi chỉ số trạng thái ứng suất lớn.  f 0.5 Thuc nghiem 0.4 Mo phong 0.3 0.2 0.1  0.48 0.64 0.8 0.96 * 1.12 Hình 3.31. Đồ thị 𝜀̅𝑓 và 𝜎 ∗ mô phỏng - thực nghiệm 3.5. Kết luận Phương pháp nhận dạng mô hình Johnson – Cook xuất trên cơ sở khoa học, kế thừa các nghiên cứu trước đây và phát triển phương pháp nhận dạng mới. Các mẫu thí nghiệm được chế tạo phù hợp với phương pháp nhận dạng và đã được kiểm tra bằng mô phỏng số. Số liệu thực nghiệm được xử lý bằng các phần mềm tính toán tin cậy có độ chính xác cao. Tất cả các yếu tố trên đã khẳng định được độ chính xác của kết quả nhận dạng mô hình Johnson – Cook: A = 510, B = 722, n = 0,36; C = 0,097; m = 0,432; D1 = 0,009; D2 = 1,48; D3 = -2,66; D4 = 0,164; D5 = 0,623 cho vật liệu thép C45. Kết quả nhận dạng được kiểm tra độ chính xác bằng mô phỏng số với phần mềm ABAQUS. Đồ thị biến dạng phá hủy – chỉ số trạng thái ứng suất nhận được từ thực nghiệm và mô phỏng có sự tương đồng cao. Điều này khẳng định được độ chính xác của kết quả nhận dạng cũng như độ chính xác của các phương pháp nhận dạng. 14 CHƯƠNG 4 MÔ PHỎNG SỐ QUÁ TRÌNH CÁN NÊM NGANG 4.1. Phần mềm mô phỏng số 4.2. Mô phỏng quá trình cán nêm ngang - mô hình 2D Sử dụng phần mềm Abaqus để mô phỏng bài toán cán nêm ngang. Mô hình bài toán thể hiện trên hình 4.2. Nhiệt độ cán khảo sát: 9000C  1200 0C, vận tốc cán:150 mm/s  500 mm/s. Hệ số ma sát 0,3  0,7; kiểu tiếp xúc giữa phôi và nêm là mặt tới mặt, mô hình vật liệu Johnson - Cook. Hình 4.2. Mô hình hình học và mô hình phần tử hữu 4.2.2. Kết quả mô phỏng a) Ảnh hưởng của tốc độ cán. Ở các tốc độ cán khác nhau với cùng một nhiệt độ và hệ số ma sát (hình 4.3). Tốc độ cán càng nhỏ thời gian phôi bị phá hủy càng lớn mặc dù biến dạng tương đương tại thời điểm phá hủy bằng nhau. Trên hình 4.4 cho thấy, tốc độ chuyển động của nêm cán lớn thì σ* có giá trị dương, khả năng phá hủy tâm phôi cán lớn. Trên hình 4.5 thể hiện giá trị của biến phá hủy vô hướng (D) theo thời gian tương ứng với các tốc độ cán. Với tốc độ cán thấp, giá trị của D < 1, phá hủy phôi không xảy ra. Đối với các tốc độ cán càng lớn, thời gian để D đạt giá trị = 1 nhỏ, như vậy khả năng xảy ra phá hủy tâm phôi lớn. Kết quả mô phỏng cho thấy v = 150 mm/s  270 mm/s phá hủy tâm phôi xảy ra muộn nhất. 1.2  f  v = 150 mm/s v =300 mm/s v = 500 mm/s 0.96 1 0.57 0.6 0.19 0.48 0.4 v = 500 mm/s v = 300 mm/s v = 150 mm/s 0 0.24 t(s) 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 D 0.8 0.38 0.72 0 * 0.2 -0.19 t(s) 0 0.18 0.36 0.54 0.72 0.9 Hình 4.3. Biến Hình 4.4. Trạng dạng tương đương thái ứng suất b) Ảnh hưởng của nhiệt độ cán v = 150 mm/s v = 300 mm/s v = 500 mm/s t(s) 0 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 Hình 4.5. Biến phá hủy vô hướng D 15 Thực hiện mô phỏng bài toán với các nhiệt độ cán khác nhau với cùng tốc độ và hệ số ma sát. Kết quả trên hình 4.6 cho thấy nhiệt độ cán thấp, phá hủy xảy ra mạnh, nhiệt độ cán từ khoảng 10500C, tâm phôi không hình thành khuyết tật, nhiệt độ lớn hơn hoặc bằng 12000C, khuyết tật sản phẩm xuất hiện với mức độ nhỏ hơn ở nhiệt độ dưới 10000C. Hình 4.6. Hiện tượng phá hủy tâm phôi Hình 4.7 biểu diễn sự thay đổi σ* dọc đường kính của phôi ở các nhiệt độ khác nhau. Tại nhiệt độ 10000C, σ* lớn nhất, phá hủy tâm phôi xảy ra. Ứng với nhiệt độ trung gian 11000C, trạng thái ứng suất tăng dần hình parabol, giá trị tăng từ âm sang dương, phôi không bị phá hủy. Ở giá trị nhiệt độ cao nhất 12000C, chỉ số trạng thái ứng suất ở mức trung bình, phá hủy xảy ra ở mức độ nhỏ. Từ đó có thể thấy rằng nhiệt độ tạo hình khác nhau, khả năng xảy ra phá hủy tâm phôi khác nhau, ở nhiệt độ cán từ 10500C đến 11300C, khả năng xảy ra phá hủy tâm phôi là muộn nhất.  * 1.36 0.68 0 -0.68 0 T = 1000 C 0 -1.36 T = 1100 C 0 T = 1200 C d(m) 0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 Hình 4.7. Trạng thái ứng suất c) Ảnh hưởng của hệ số ma sát Hệ số ma sát nhỏ hơn 0,35 hiện tượng trượt của phôi trên bề mặt nêm xảy ra, phôi biến dạng không ổn định. Hệ số ma sát từ 0,48 đến 0,56 khả năng phá hủy phôi cả trên bề mặt và trong tâm phôi là thấp nhất. 4.2.3. Phân tích trạng thái ứng suất và trạng thái biến dạng tại vùng tâm phôi - Trạng thái ứng suất 16 Hình 4.10 cho thấy giá trị ứng suất kéo lớn tập trung trong tâm phôi, ứng suất này có chiều dương hướng ra phía ngoài biên.   5.2 10 8 2.6 10 8 0 -2.6 10 8 -5.2 10 8 0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 d (m) Hình 4.10. Sự phân bố ứng suất kéo trong tâm phôi Chỉ số trạng thái ứng suất lớn tập trung tại vị trí tâm phôi, khi giá trị của nó > 0,5 phá hủy tâm xảy ra (hình 4.11).  0.48 0.24 0 -0.24 -0.48 0 0.006 0.012 0.018 0.024 0.03 d (m) Hình 4.11. Chỉ số trạng thái ứng suất - Biến dạng tương đương Hình 4.14 biểu diễn biến dạng tương đương của phôi theo hướng chu vi, các phần tử ngoài biên có giá trị biến dạng tương đương lớn hơn các phần tử kim loại trong tâm phôi. Theo thời gian tạo hình, giá trị của nó thay đổi theo từng vùng vật liệu, vùng biến dạng dẻo dần thẩm thấu qua tâm.  eq 1.12 0.96 0.8 0.64 0.48 0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 d (m) Hình 4.14. Sự phân bố biến dạng tương đương Khi bắt đầu quá trình tạo hình, giá trị của biến dạng tương đương lớn nhất tại các phần tử trên biên, sau đó giảm dần và gần như bằng không ở khoảng cách R/2. Các phần tử trong tâm bị biến dạng lớn hơn các phần tử ở khoảng cách R/2 nhưng nhỏ hơn các phần tử ngoài biên. Sự biến dạng không đều của các phần tử kim loại giữa các lớp này tạo 17 nên ứng suất dư tồn tại bên trong các vùng vật liệu. Ứng suất này là nguyên nhân gây nên vết nứt tế vi và lỗ trống trong vật liệu. Trạng thái ứng suất tại một điểm trên phôi được xác định bởi một ten xơ ứng suất. Khi vật liệu biến dạng, các thành phần ten xơ ứng suất thay đổi cả về giá trị và phương. Sự phân bố ứng suất tại các điểm là cơ sở để tính toán sự phân bố biến dạng. Nếu ứng suất phân bố không đều dẫn đến biến dạng tại các điểm bên trong vật liệu không đều. Điều này thể hiện rất rõ qua chuyển vị của các phần tử kim loại tại các vị trí khác nhau (hình 4.16) 0.15 V 0.12 0.09 0.06 0.03 0 0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 d (m) Hình 4.16. Chuyển vị của các phần tử kim loại - Biến phá hủy vô hướng theo mô hình Johnson – Cook Trên hình 4.17, giá trị của D lớn dần và tiến đến 1 tại vị trí tâm phôi. Các phần tử kim loại trong tâm bị xóa khỏi lưới khi D bằng 1 gây nên hiện tượng rỗng tâm sản phẩm. D 1 0.8 0.6 0.4 0.2 0 0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 d (m) Hình 4.17. Biến phá hủy vô hướng Johnson – Cook Mô phỏng 2D có nhiều ưu điểm: thiết lập mô hình hình học đơn giản và số phần tử nhỏ, tiết kiệm thời gian tính toán. Nhưng mô phỏng 2D không mô tả được: biến dạng không đều, khuyết tật hình dạng, khuyết tật bề mặt của sản phẩm. Để giải quyết những hạn chế này, mô phỏng 3D được thực hiện với chi tiết vít ren côn. 18 4.3. Xây dựng mô hình học cho bài toán cán ren 3D Hình 4.2. Kích thước phôi và chi tiết vít ren côn Trên cơ sở kích thước chi tiết vít ren côn, tính toán kích thước bàn nêm, kích thước nêm, kích thước các chân ren trên nêm được tính toán hình 4.19, phôi hình 4.21. Hình 4.39. Nêm trên và nêm dưới Hình 4.21. Mô hình phần tử hữu hạn của phôi 1.4. Kết quả và phân tích 4.4.1 Sản phẩm vít ren côn sau mô phỏng 4.4.2. Mặt cắt ngang và dọc chi tiết vít ren côn sau mô phỏng - Sản phẩm vít ren côn thu được sau mô phỏng được tiến hành kiểm tra chất lượng bằng cắt theo mặt cắt dọc và ngang đi qua tâm phôi (hình 4.26). Hình 4.26. Mặt cắt dọc và mặt cắt ngang chi tiết vít ren côn 4.4.3 Trạng thái ứng suất 19 Phôi biến dạng nhờ di chuyển của nêm tạo hình. Quá trình biến dạng dẻo của phôi rất phức tạp do sự kết hợp của việc nén hướng kính, kéo hướng trục và hướng ngang diễn ra đồng thời để đạt được hình dạng của chi tiết cuối cùng. Ứng suất chính lớn trong tâm phôi là một nguyên nhân gây nên phá hủy vùng tâm (hình 4.28). Hình 4.4. Ứng suất chính trong tâm phôi 4.4.4. Trạng thái biến dạng Biến dạng của phôi cán không đều nhau giữa các vùng vật liệu (hình 4.31). Khi mức độ biến dạng nhỏ, phôi không xuất hiện khuyết tật, biến dạng tăng đến một giá trị nhất định các lỗ rỗng nhỏ bắt đầu được tạo ra từ vùng chảy sau đó các vết nứt nhỏ được mở rộng thành khe nứt xung quanh các lỗ rỗng này theo hướng trục của phôi. Khi biến dạng lớn, các khe nứt này có thể sát nhập tạo nên lỗ rỗng lớn trong tâm. Về hình thái, các lỗ rỗng nhỏ có thể được hình thành theo ba cơ chế sau: (1) sự nứt gãy trên bề mặt phân cách giữa hạt và pha nền, (2) khuyết tật điểm, (3) các vết nứt tế vi của kim loại nền. Hình 4.31. Sự hình thành khuyết tật trong tâm phôi cán 4.4.5. Sự phân bố nhiệt độ trên phôi Tại một số vùng trên phôi cán nhiệt độ lớn nhất đạt 15700K. Điều này có nghĩa là đã có một lượng nhiệt cung cấp cho phôi làm nhiệt độ phôi tăng lên (1340K) so với nhiệt độ cán ban đầu 14230K (hình 4.33, 4.34). Nguyên nhân tăng nhiệt là do ma sát tiếp xúc giữa phôi với nêm 20 cán trong suốt quá trình tạo hình và do nhiệt sinh ra trong quá trình biến dạng vật liệu. 0 T K 0 T K 1586 1590 1560 1560 1534 1530 1508 1500 C B A 1470 1482 0 30 60 90 120 150 L(mm) Hình 4.33. Nhiệt độ phân bố trong tâm phôi t(s) 0 0.5 1 1.5 2 2.5 Hình 4.34. Phân bố nhiệt độ trên các điểm trên phôi Sự chênh lệch nhiệt độ lớn giữa đỉnh ren và tâm chi tiết ren (hình 4.33) tạo nên vết tế vi bên trong vật liệu. Vì vậy, quá trình nung phôi cần giữ nhiệt trong một thời nhất định để đồng đều nhiệt và khắc phục các vết nứt tế vi hình thành do sự truyền nhiệt không đồng đều giữa các vùng vật liệu. 4.4.6. Biến phá hủy vô hướng Dưới tác động của ứng suất, vật liệu bị biến dạng, bên trong vật liệu hình thành thêm các khuyết tật cấu trúc mới. Ứng suất tác động tăng các khuyết tật này phát triển. Điều này đồng nghĩa với biến phá hủy tăng lên theo thời gian. Giá trị của biến này lớn nhất trong tâm phôi, khi đạt giá trị bằng một, phần tử kim loại trong tâm bị xóa khỏi lưới, tâm phôi bị rỗng dần theo thời gian với mức độ tăng dần (hình 4.35). Hình 4.35. Biến phá hủy vô hướng Johnson – Cook 4.5. Kết luận Bản chất quá trình cán nêm ngang là tại mặt đối xứng đi qua tâm phôi, trạng thái biến dạng là phẳng. Mô phỏng số bài toán cán nêm ngang, mô hình 2D để đơn giản hóa việc tính toán và phân tích bản chất quá trình. Tối ưu hóa miền thông số công nghệ mà tại đó khả năng phá hủy vùng tâm phôi là nhỏ nhất: hệ số ma sát từ 0,48  0,56; nhiệt độ cán từ 1030  11300 C; tốc độ cán từ 150  270 mm/s.