NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO THỬ NGHIỆM MÁY CÁN BIẾN DẠNG MẠNH (SPD) CÓ DAO ĐỘNG NGANG

i TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY BỘ MÔN CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO THỬ NGHIỆM MÁY CÁN BIẾN DẠNG MẠNH (SPD) CÓ DAO ĐỘNG NGANG GVHD : PGS.TS LÊ CHÍ CƯƠNG GVPB : TS TRẦN NGỌC ĐẢM SVTH : NGUYỄN VĂN PHƯƠNG MSSV : 12144088 SVTH : LƯƠNG CHÍ CƯỜNG MSSV : 12144013 Khóa : 2012 Tp. Hồ Chí Minh, tháng 7 năm 2016TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY BỘ MÔN CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO THỬ NGHIỆM MÁY CÁN BIẾN DẠNG MẠNH (SPD) CÓ DAO ĐỘNG NGANG GVHD : PGS.TS LÊ CHÍ CƯƠNG GVPB : TS TRẦN NGỌC ĐẢM SVTH : NGUYỄN VĂN PHƯƠNG MSSV : 12144088 SVTH : LƯƠNG CHÍ CƯỜNG MSSV : 12144013 Khóa : 2012 Tp. Hồ Chí Minh, tháng 7 năm 2016i TRƯỜNG ĐH. SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HCM KHOA CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự do – Hạnh phúc Bộ môn: CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY Thành phố Hồ Chí Minh, ngày 08 tháng 03 năm 2016 ĐỀ XUẤT NHIỆM VỤ ĐỀ TÀI TỐT NGHIỆP Thông tin GVHD và đề tài Họ tên GVHD: LÊ CHÍ CƯƠNG MS CBGV: 2168 Đơn vị: Khoa Cơ khí Chế tạo máy Học hàm, học vị: PGS.TS Tên đề tài: NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO THỬ NGHIỆM MÁY CÁN BIẾN DẠNG MẠNH (SPD) CÓ DAO ĐỘNG NGANG Thông tin sinh viên thực hiện Họ tên SV: NGUYỄN VĂN PHƯƠNG MSSV: 12144088 LƯƠNG CHÍ CƯỜNG 12144013 Chuyên ngành: CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT CƠ KHÍ Niên khóa: 2012 2016 1. Số liệu ban đầu − Vật liệu cán: hợp kim nhôm, chiều dày 5mm, tỷ lệ tối đa mỗi lượt cán 30%. 2. Nhiệm vụ chi tiết 2.1. Tìm hiểu độ bền và các tiêu chuẩn hợp kim nhôm trên thế giới. 2.2. Nguyên lý và kết cấu máy cán. 2.3. Tính toán và thiết kế hệ thống cơ khí, hệ thống truyền động điệnđiều khiển. 2.4. Thiết kế chi tiết. 2.5. Gia công chế tạo thiết bị. 2.6. Vận hành thử nghiệm, ghi nhận thông số. 3. Dự kiến kết quả đạt được 3.1. Thiết bị cán. 3.2. Bản thuyết minh tính toán, bản vẽ lắp và bản vẽ chi tiết. 3.3. Dữ liệu vận hành thử nghiệm. 3.4. Báo cáo thực hiện đề tài. 4. Thời gian thực hiện − Theo quy định của bộ môn. BỘ MÔN CÔNG NGHỆ CHẾTẠO MÁY GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪNii KHOA CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY BỘ MÔN CN CHẾ TẠO MÁY CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự do – Hạnh Phúc BẢNG NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN Họ và tên Sinh viên: NGUYỄN VĂN PHƯƠNG MSSV: 12144088 LƯƠNG CHÍ CƯỜNG MSSV: 12144013 Ngành: CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT CƠ KHÍ Tên đề tài: NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO THỬ NGHIỆM MÁY CÁN BIẾN DẠNG MẠNH (SPD) CÓ DAO ĐỘNG NGANG Họ và tên Giáo viên hướng dẫn: PGS.TS LÊ CHÍ CƯƠNG NHẬN XÉT 1. Về nội dung đề tài khối lượng thực hiện: ....................................................................................................................................... ....................................................................................................................................... ....................................................................................................................................... ....................................................................................................................................... 2. Ưu điểm: ....................................................................................................................................... ....................................................................................................................................... ....................................................................................................................................... ....................................................................................................................................... 3. Khuyết điểm: ....................................................................................................................................... ....................................................................................................................................... 4. Đề nghị cho bảo vệ hay không? ....................................................................................................................................... 5. Đánh giá loại: ....................................................................................................................................... 6. Điểm:……………….(Bằng chữ: ........................................................................... ) ....................................................................................................................................... Tp. Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 2016 Giáo viên hướng dẫn (Ký ghi rõ họ tên)iii KHOA CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY BỘ MÔN CN CHẾ TẠO MÁY CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự do – Hạnh Phúc BẢNG NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN Họ và tên Sinh viên: NGUYỄN VĂN PHƯƠNG MSSV: 12144088 LƯƠNG CHÍ CƯỜNG MSSV: 12144013 Ngành: CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT CƠ KHÍ Tên đề tài: NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO THỬ NGHIỆM MÁY CÁN BIẾN DẠNG MẠNH (SPD) CÓ DAO ĐỘNG NGANG Họ và tên Giáo viên phản biện: TS. TRẦN NGỌC ĐẢM NHẬN XÉT 1. Về nội dung đề tài khối lượng thực hiện: ....................................................................................................................................... ....................................................................................................................................... 2. Ưu điểm: ....................................................................................................................................... ....................................................................................................................................... 3. Khuyết điểm: ....................................................................................................................................... 4. Câu hỏi phản biện (Nếu có): ....................................................................................................................................... 5. Đề nghị cho bảo vệ hay không? ....................................................................................................................................... 6. Đánh giá loại: ....................................................................................................................................... 7. Điểm:……………….(Bằng chữ: ........................................................................... ) ....................................................................................................................................... Tp. Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 2016 Giáo viên phản biện (Ký ghi rõ họ tên)iv LỜI CẢM ƠN Trong thời gian học tập và nghiên cứu tại Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành phố Hồ Chí Minh, nhóm chúng em đã đúc kết được nhiều kiến thức bổ ích cho chuyên môn của mình. Quá trình làm đồ án tốt nghiệp, nhóm đã vận dụng được những kiến thức đã học để có thể giải quyết được những vấn đề thực tế. Với đồ án “Nghiên cứu chế tạo thử nghiệm máy cán biến dạng mạnh (SPD) có dao động ngang”, do tính mới của đề tài nên nhóm đã gặp không ít khó khăn trong quá trình thực hiện. Tuy nhiên, dưới sự hướng dẫn tận tình của giáo viên hướng dẫn PGS.TS Lê Chí Cương, sự hỗ trợ, giúp đỡ của thầy PGS.TS Đặng Thiện Ngôn cùng với các thầy (cô) trong bộ môn Chế tạo máy, khoa Xây dựng và Cơ học ứng dụng, gia đình và bạn bè đã giúp cho nhóm hoàn thành đề tài của mình. Cho đến thời điểm này, với đề tài mà nhóm thực hiện đã đạt được các yêu cầu đặt ra, nhóm đã đưa ra được nền tảng ban đầu để việc nghiên cứu tiếp tục phát triển hơn nữa. Nhóm chúng em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến: Ban Giám hiệu Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh. Thầy PGS.TS Lê Chí Cương, PGS.TS Đặng Thiện Ngôn – Phòng Nghiên cứu Công nghệ kỹ thuật cơ khí – Khoa Cơ khí Chế tạo máy. Thầy Trần Văn Trọn, Nguyễn Văn Minh, Đỗ Văn Hiến – Khoa Cơ khí chế máy – Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh. Trường Trung cấp nghề Đông Sài Gòn Thành phố Hồ Chí Minh. Cô Vương Thị Ngọc Hân, khoa Xây dựng và Cơ học ứng dụng. Thầy TS Trần Ngọc Đảm – Giáo viên phản biện Khoa Cơ khí Chế tạo máy. Phòng Thí nghiệm Cơ học, Thí nghiệm Vật liệu học – Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh. Trung tâm Hạt nhân Thành phố Hồ Chí Minh, Viện Năng Lượng Nguyên tử Việt Nam – Bộ Khoa học Công Nghệ. Gia đình, bạn bè và người thân. Một lần nữa, nhóm xin được chân thành cảm ơn sự giúp đỡ, hỗ trợ tận tình của quý thầy cô, bạn bè và gia đình đã tạo điều kiện thuận lợi giúp nhóm hoàn thành đề tài của mình. Xin trân trọng cảm ơn TP. Hồ Chí Minh, ngày 15 tháng 07 năm 2016.v TÓM TẮT Quá trình cán tạo biến dạng mạnh (SPD) có kết hợp với dao động ngang tạo ra sản phẩm sau cán với những ưu điểm hơn so với phương pháp biến dạng dẻo thông thường. Trong quá trình này, ngoài biến dạng do lực ép tạo ra còn có sự biến dạng theo chiều rộng. Đây là kỹ thuật tạo biến dạng dẻo mãnh liệt mới đang được nghiên cứu và phát triển trên thế giới. Quá trình này đã được một số thực nghiệm chứng minh rằng không chỉ tạo ra được hợp kim nhôm tấm có độ bền cao mà còn tạo ra được cấu trúc hạt siêu mịn (UFG) cải thiện đáng kể tính chất cơ học của hợp kim. Đề tài đã chế tạo thử nghiệm máy cán theo phương pháp cán tích hợp dao động ngang (TWVR) và tiến hành các thí nghiệm cán mẫu nhôm với các bề dày khác nhau: 4.5mm, 4.0mm, 3.5mm, 3.0mm. Các kết quả thí nghiệm được sử dụng để tạo cơ sở tối ưu hóa các thông số theo phương pháp cán biến dạng mạnh (SPD) có kết hợp dao động ngang để có thể cải thiện độ bền, độ bóng bề mặt,… của vật liệu sau cán. Từ khóa: Biến dạng mạnh (SPD), hạt siêu mịn (UFG), phương pháp cán tích hợp dao động ngang (TWVR). ABSTRACT The strong deformation rolling combine with the horizontal oscillator produces the rolled products possess more advantages compare to the conventional plastic deformation methods. In this process, not only the deformation caused by pressure, but also width distortion. This is a technique which create the intense plasticity deformation and being researcheddeveloped in the world. There are many experimental data demonstrated this process not only produced high durability aluminum alloy sheet but also generated ultrafinegrain structure (UFG) which improved significantly the mechanical properties of the alloy. This thesis tried to manufacture a rolling machine which was operated by the ThroughWidth Vibration Rolling method (TWVR) and used it to roll some aluminium samples with the different thickness: 4.5 mm, 4.0 mm, 3.5 mm, 3.0 mm. The results are used to create the basic data for optimization some parameters of the Severe Plastic Deformation method (SPD) combine with horizontal oscillations to improve the toughness, surface gloss, microeconomic structure... of rolled materials. Keywords: Severe Plastic Deformation (SPD), Ultrafinegrains (UFG), ThroughWidth Vibration Rolling (TWVR).vi MỤC LỤC TRANG BÌA PHỤ Trang ĐỀ XUẤT NHIỆM VỤ ĐỀ TÀI TỐT NGHIỆP ........................................................ i BẢNG NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN ........................................... ii BẢNG NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN ............................................. iii LỜI CẢM ƠN ........................................................................................................... iv TÓM TẮT ................................................................................................................... v MỤC LỤC ................................................................................................................. vi DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT ...................................................................... ix DANH SÁCH CÁC BẢNG BIỂU ............................................................................ ix DANH SÁCH CÁC HÌNH ẢNH, BIỂU ĐỒ ............................................................. x Chương 1. TỔNG QUAN ......................................................................................... 1 1.1 Tổng quan chung về lĩnh vực nghiên cứu ......................................................... 1 1.1.1 Đặt vấn đề .................................................................................................. 1 1.1.2 Các phương pháp gia công áp lực truyền thống ........................................ 2 1.1.3 Một vài phương pháp gia công biến dạng dẻo mãnh liệt (Server Plastic Deformation – SPD) ............................................................................................ 2 1.1.4 Các kết quả nghiên cứu về cách tạo hạt siêu mịn UFG bằng phương pháp SPD điển hình trong và ngoài nước .................................................................... 7 1.1.4.1 Nghiên cứu “Tensile strength and deformation microstructure of Al– Mg–Si alloy sheet by throughwidth vibration rolling process” của nhóm tác giả YueTing Chen, DungAn Wang, JunYen Uan, TsungHsien Hsieh, TeChang Tsai tại National Chung Hsing University, 250 kuokuang Rd., Taichung 402, Taiwan, ROC 20 ................................................................... 7 1.1.4.2 Nghiên cứu “Microstructure evolution of accumulative roll bonding processed pure aluminum during cryorolling” của nhóm tác giả Hailiang Yu, Hui Wang, Cheng Lu, A. Kiet Tieu, Huijun Li, Ajit Godbole, Xiong Liu, Xing Zhao tại University of Wollongong và Chunhua (Charlie) Kong tại University of New South Wales 18 .............................................................................. 10 1.1.4.3 Các nghiên cứu trong nước ............................................................... 12 1.2 Lý do chọn đề tài ............................................................................................. 12 1.3 Mục tiêu đề tài ................................................................................................. 12 1.4 Nhiệm vụ của đề tài ......................................................................................... 12 1.5 Đối tượng, phạm vi nghiên cứu và giới hạn của đề tài ................................... 13 1.5.1 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ............................................................ 13vii 1.5.2 Giới hạn đề tài .......................................................................................... 13 1.6 Phương pháp nghiên cứu và kết quả dự kiến đạt được ................................... 13 1.6.1 Nghiên cứu lý thuyết ................................................................................ 13 1.6.2 Nghiên cứu thực nghiệm .......................................................................... 13 1.6.3 Kết quả dự kiến ........................................................................................ 13 Chương 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT ........................................................................... 14 2.1 Các hiện tượng và các yếu tố ảnh hưởng đến cấu trúc hạt của kim loại khi gia công biến dạng dẻo ................................................................................................ 14 2.1.1 Các hiện tượng ảnh hưởng đến cấu trúc hạt của kim loại khi gia công biến dạng dẻo ............................................................................................................ 14 2.1.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến độ hạt của kim loại khi gia công biến dạng dẻo ........................................................................................................................... 17 2.2 Nguyên lý và kết cấu máy cán ........................................................................ 18 2.2.1 Các bộ phận chính của máy cán ............................................................... 18 2.2.2 Phân loại máy cán .................................................................................... 19 2.2.3 Máy cán tấm ............................................................................................. 22 2.3 Độ bền và các tiêu chuẩn hợp kim nhôm trên thế giới ................................... 23 2.3.1 Nhôm ........................................................................................................ 23 2.3.1 Hợp kim nhôm ......................................................................................... 25 2.4 Mẫu cán thử nghiệm ........................................................................................ 29 2.5 Trục then hoa ................................................................................................... 31 2.6 Máy kéo nén thủy lực vạn năng xử lý bằng phần mềm máy tính Model CHT4106 ............................................................................................................... 34 Chương 3. PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ VÀ GIẢI PHÁP CÔNG NGHỆ............ 37 3.1 Phân tích đối tượng tượng thiết kế.................................................................. 37 3.1.1 Máy cán biến dạng mạnh (SPD) có dao động ngang ............................... 37 3.1.2 Vật liệu cán thử nghiệm ........................................................................... 38 3.2 Khả năng công nghệ và thực tiễn .................................................................... 38 3.3 Phương án thiết kế........................................................................................... 39 3.3.1 Nguyên lý hoạt động ................................................................................ 39 3.3.2 Phương án thiết kế chi tiết ........................................................................ 41 3.3.2.1 Chọn kiểu thiết kế máy cán ............................................................... 41 3.3.2.2 Chọn hộp giảm tốc ............................................................................ 42 3.3.2.3 Chọn cơ cấu tạo dao động dọc trục ................................................... 43 3.3.2.4 Chọn ổ đỡ trục ................................................................................... 45 3.3.2.5 Chọn bộ phận trượt của trục cán ....................................................... 47viii 3.3.2.6 Chọn bộ phận truyền chuyển động đến trục cán ............................... 48 3.3.2.7 Chọn bộ phận điều khiển tốc độ........................................................ 50 Chương 4. TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ KHÍ, HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆNĐIỀU KHIỂN ................................................................ 53 4.1 Tính toán thiết kế hệ thống cơ khí .................................................................. 53 4.1.1 Các đại lượng đặc trưng cho quá trình cán kim loại ................................ 53 4.1.2 Tính toán các thông số đặc trưng ............................................................. 54 4.1.3 Lực cán, momen cán, công suất động cơ................................................. 58 4.1.4 Nghiệm bền và tính toán các chi tiết trên giá cán .................................... 64 4.2 Thiết kế hệ thống truyền động điệnđiều khiển .............................................. 69 4.2.1 Sơ đồ nguyên lý........................................................................................ 69 4.2.2 Chức năng các thiết bị.............................................................................. 69 4.2.3 Nguyên lý hoạt động ................................................................................ 75 4.3 Thiết kế chi tiết và gia công chế tạo thiết bị ................................................... 76 Chương 5. KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM .............................................................. 90 5.1 Kết quả chế tạo thử nghiệm máy..................................................................... 90 5.1.1 Mô hình máy cán biến dạng mạnh (SPD) có dao động ngang ................. 90 5.1.2 Thông số kỹ thuật ..................................................................................... 91 5.1.3 Quy trình vận hành và chỉ dẫn an toàn ..................................................... 92 5.2 Cán thử nghiệm mẫu nhôm ............................................................................. 95 5.2.1 Kiểm tra độ bền kéo mẫu sau cán ............................................................ 98 5.2.2 Kiểm tra kích thước tinh thể trung bình vật liệu mẫu sau cán ............... 101 Chương 6. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ........................................................... 103 6.1 Kết luận ......................................................................................................... 103 6.1.1 Kết quả đạt được so với mục tiêu ban đầu đề ra .................................... 103 6.1.2 Kết quả chưa đạt được và các lỗi phát sinh trong quá trình thử nghiệm. ......................................................................................................................... 104 6.2 Kiến nghị và hướng phát triển của đề tài ...................................................... 104 TÀI LIỆU THAM KHẢO .................................................................................... 105 PHỤ LỤC………………………………………………………………………...107ix DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT ARB: Accumulative Roll Bonding ECAP: Equal Channel Angular Process ECAPConform: Equal Channel Angular ProcessConform ECAR: Equal Channel Angular Rolling HPT: High Pressure Torsion HRDSR: HighRatio Differential Speed Rolling RCS: Repetitive Corrugation And Strengthening SPD: Severe Plastic Deformation TWVR: ThroughWidth Vibration Rolling UFG: UltrafineGrained DANH SÁCH CÁC BẢNG BIỂU Bảng 2.1: Tỷ trọng của nhôm phụ thuộc vào độ sạch và nhiệt độ ........................... 23 Bảng 2.2: Ảnh hưởng độ sạch của nhôm đến nhiệt độ nóng chảy ........................... 23 Bảng 2.3: Phân loại nhôm theo tiêu chuẩn ГOCT của Nga...................................... 24 Bảng 2.4: Ký hiệu nhôm và hợp kim nhôm theo tiêu chuẩn của Mỹ....................... 25 Bảng 2.5: Ký hiệu và trạng thái gia công hợp kim nhôm của Nga, Mỹ và Canada ................................................................................................................................. ..27 Bảng 2.6: Tiêu chuẩn ký hiệu hợp kim nhôm theo Aluminum Association ............ 28 Bảng 2.7: Bảng quy đổi thành phần, ký hiệu một số hợp kim nhôm theo TCVN và Aluminum Association (AA) .................................................................................... 29 Bảng 2.8: Thông số kỹ thuật máy kéo nén thủy lực vạn năng xử lý bằng phần mềm máy tính Model CHT4106 ........................................................................................ 36 Bảng 3.1: So sánh chọn loại máy cán cho việc nghiên cứu, thiết kế, chế tạo .......... 41 Bảng 3.2: So sánh chọn hộp giảm tốc cho máy ........................................................ 43 Bảng 3.3: So sánh chọn cơ cấu tạo dao động ngang (dọc trục cán) ......................... 45 Bảng 3.4: So sánh chọn ổ đỡ trục ............................................................................. 46 Bảng 3.5: So sánh chọn bộ phận trượt của trục cán ................................................. 48 Bảng 3.6: So sánh chọn bộ phận truyền chuyển động đến trục cán ......................... 50 Bảng 3.7: So sánh chọn bộ phận điều khiển tốc độ.................................................. 52 Bảng 4.1: Hệ số ma sát f khi cán 1 số kim loại màu ................................................ 57 Bảng 4.2: Hệ số ma sát của một vài ổ đỡ trục f ....................................................... 62 Bảng 4.3: Kích thước biến tần LS SV150IG5A4 .................................................... 74 Bảng 5.1: Thông số kỹ thuật máy cán biến dạng mạnh (SPD) có dao động ngang…91x Bảng 5.2: Quy trình vận hành thử nghiệm máy ....................................................... 92 Bảng 5.3: Kích thước trung bình mẫu sau cán (mm) ............................................... 95 Bảng 5.4: Độ bền kéo của các mẫu......................................................................... 100 DANH SÁCH CÁC HÌNH ẢNH, BIỂU ĐỒ Hình 1.1: Sơ đồ các phương pháp gia công áp lực truyền thống ............................... 2 Hình 1.2: Sơ đồ nguyên lý các phương pháp SPD nhóm thứ nhất ............................. 3 Hình 1.3: Sơ đồ nguyên lý các phương pháp SPD trong nhóm hai ........................... 5 Hình 1.4: Minh họa phương pháp tạo UFG trên hợp kim nhôm tấm bằng phương pháp Cryorolling ......................................................................................................... 7 Hình 1.5: Mô hình minh họa phương pháp Throughwidth vibration rolling (TWVR) ..................................................................................................................................... 8 Hình 1.6: Mối liên hệ giữa các đại lượng nghiên cứu ................................................ 8 Hình 1.7: Tổ chức tế vi ở biên độ dao động 1.5mm ................................................... 9 Hình 1.8: Mô hình thực nghiệm của phương pháp cán lạnh (cryorolling) ............... 10 Hình 1.9: Kết quả kích thước hạt vật mẫu sử dụng các phương pháp SPD khác nhau ................................................................................................................................... 11 Hình 1.10: Bề mặt cắt đứt của mẫu sau khi kéo đứt................................................. 11 Hình 2.1: Sai lệch điểm trong mạng tinh thể............................................................ 14 Hình 2.2: Sai lệch đường trong mạng tinh thể ......................................................... 15 Hình 2.3: Sai lệch mặt trong mạng tinh thể.............................................................. 16 Hình 2.4: Sơ đồ động máy cán thép 2 trục ............................................................... 18 Hình 2.5: Máy cán ống tự động ................................................................................ 19 Hình 2.6: Cách bố trí giá cán .................................................................................... 20 Hình 2.7: Các loại giá cán ........................................................................................ 21 Hình 2.8: Sơ đồ máy cán hành tinh .......................................................................... 21 Hình 2.9: Máy cán tấm nguội ................................................................................... 22 Hình 2.10: Giản đồ pha hợp kim nhôm .................................................................... 25 Hình 2.11: Kích thước mẫu cán ................................................................................ 30 Hình 2.12: Mối ghép then hoa .................................................................................. 31 Hình 2.13: Các dạng tiết diện của then .................................................................... 31 Hình 2.14: Bạc then hoa ........................................................................................... 32 Hình 2.15: Định tâm theo đường kính ngoài D ........................................................ 32 Hình 2.16: Định tâm bằng mặt trụ trong, đường kính d ........................................... 33 Hình 2.17: Định tâm theo mặt bên của then ............................................................. 33xi Hình 2.18: Dòng máy thử nghiệm kéo nén vạn năng thủy lực CHT4000 ............... 34 Hình 2.19: Giao diện phần mềm PowerTest của SANS........................................... 36 Hình 3.1: Sơ đồ nguyên lý ........................................................................................ 39 Hình 3.2: Mô hình chuyển động của trục cán .......................................................... 40 Hình 3.3: Hộp giảm tốc sử dụng bánh răng.............................................................. 42 Hình 3.4: Hộp giảm tốc sử dụng trục vít bánh vít .................................................... 42 Hình 3.5: Động cơ rung............................................................................................ 44 Hình 3.6: Cam lệch tâm ............................................................................................ 44 Hình 3.7: Trục khủy ................................................................................................. 44 Hình 3.8: Nam châm điện ......................................................................................... 45 Hình 3.9: Ổ lăn ......................................................................................................... 46 Hình 3.10: Bạc lót trục ............................................................................................. 46 Hình 3.11: Gối đỡ..................................................................................................... 47 Hình 3.12: Ổ bi trượt ................................................................................................ 47 Hình 3.13: Trục then hoa và ổ then hoa ................................................................... 48 Hình 3.14: Khớp Cardan .......................................................................................... 49 Hình 3.15: Nguyên lý hoạt động của Cardan then hoa ............................................ 49 Hình 3.16: Bộ truyền bánh răng từ hộp giảm tốc đến trục cán ................................ 49 Hình 3.17: Hộp số giảm tốc ...................................................................................... 51 Hình 3.18: Inverter EL Series 1.5 kW , 3phase , 380V .......................................... 51 Hình 3.19: Sơ đồ lắp đăt tổng thể Inverter ............................................................... 51 Hình 4.1: Sơ đồ vùng biến dạng khi cán kim loại .................................................... 54 Hình 4.2: Đầu vào của phôi bị dẹp để tăng ma sát................................................... 55 Hình 4.3: Sơ đồ điều kiện vật cán ăn vào trục cán ................................................... 55 Hình 4.4: Phân bố lực khi trục cán tiếp xúc với vật cán .......................................... 56 Hình 4.5: I. Vùng trễ và II. Vùng vượt trước ........................................................... 57 Hình 4.6: Sơ đồ áp lực của kim loại tác dụng lên trục cán ....................................... 58 Hình 4.7: Đồ thị quan hệ giữa s, % của một số kim loại và kim loại màu ........... 59 Hình 4.8: Đồ thị biểu thị mối liên quan giữa , Ptbs và  của kim loại màu ......... 60 Hình 4.9: Các kích thước cơ bản trục cán tấm ......................................................... 64 Hình 4.10: Lực cán tác dụng lên trục cán và biểu đồ mômen uốn khi cán .............. 65 Hình 4.11: Gối đỡ trục và bạc lót ............................................................................. 67 Hình 4.12: Sơ đồ nguyên lý mạch động lựcđiều khiển ........................................... 69 Hình 4.13: Dây điện 3 pha ........................................................................................ 70 Hình 4.14: CB LS BKN C32 .................................................................................... 70 Hình 4.15: Inverter SV150IG5A4 (Biến tần LS 3 pha 380V 1.5kW) .................... 71xii Hình 4.16: Contactor LS 3P 9A 220VAC MC9b ................................................... 71 Hình 4.17: Động cơ điện 3 pha................................................................................. 72 Hình 4.18: Đèn báo pha loại AD2222DS, AC 220V .............................................. 72 Hình 4.19: Nút nhấn ................................................................................................. 73 Hình 4.20: Dừng khẩn cấp Emergency .................................................................... 73 Hình 4.21: Biến trở (Potentiometer) ......................................................................... 73 Hình 4.22: Kích thước Inverter SV150IG5A4 (Biến tần LS 3 pha 380V 1.5kW)..74 Hình 4.23: Sơ đồ đấu dây Inverter ........................................................................... 75 Hình 4.24: Tủ điện hoàn chỉnh ................................................................................. 76 Hình 4.25: Thiết kế cụm cán .................................................................................... 77 Hình 4.26: Trục cán 1 ............................................................................................... 77 Hình 4.27: Cụm gối đỡ ............................................................................................. 78 Hình 4.28: Gối đỡ..................................................................................................... 78 Hình 4.29: Cụm trục cán 1 ....................................................................................... 79 Hình 4.30: Trục then hoa và bạc then hoa ................................................................ 79 Hình 4.31: Giá cán .................................................................................................... 80 Hình 4.32: Thanh chữ I ............................................................................................ 80 Hình 4.33: Thanh điều chỉnh 1 ................................................................................. 80 Hình 4.34: Cơ cấu điều chỉnh lượng cán .................................................................. 81 Hình 4.35: Gối đỡ trượt và ổ trượt bi ....................................................................... 82 Hình 4.36: Thanh dẫn trượt và trục cam .................................................................. 82 Hình 4.37: Ổ đỡ cam và cam lệch tâm ..................................................................... 83 Hình 4.38: Ổ bi để lắp cam vào ổ đỡ cam ................................................................ 83 Hình 4.39: Chốt cố định, chốt di động, bạc di động................................................. 84 Hình 4.40: Thanh cố định 1 và 2 .............................................................................. 84 Hình 4.41: Cụm dẫn trượt ......................................................................................... 85 Hình 4.42: Cụm đỡ cam ........................................................................................... 86 Hình 4.43: Thân máy ................................................................................................ 86 Hình 4.44: Thanh điều chỉnh 2 và hộp giảm tốc ...................................................... 87 Hình 4.45: Các chi tiết lắp với hộp giảm tốc ............................................................ 87 Hình 4.46: Tấm đỡ động cơ 1 và 2........................................................................... 88 Hình 4.47: Tấm đỡ hộp giảm tốc và tủ điện ............................................................. 88 Hình 4.48: Nắp bảo vệ.............................................................................................. 88 Hình 4.49: Chân chống dùng vòng đệm chén .......................................................... 89 Hình 4.50: Mô hình sau khi hoàn tất ........................................................................ 89 Hình 5.1: Mô hình thực tế ………….. ..................................................................... 90xiii Hình 5.2: Một vài mẫu sau khi cán .......................................................................... 95 Hình 5.3: Biểu đồ biểu diễn mối liên hệ giữa biên độ dao động A và lượng đã cán với chiều dài vật sau khi cán ..................................................................................... 96 Hình 5.4: Biểu đồ biểu diễn mối liên hệ giữa biên độ dao động A và lượng đã cán với bề rộng vật sau khi cán........................................................................................ 96 Hình 5.5: Mẫu cán có dao động ngang và không có dao động ngang ..................... 97 Hình 5.6: Bề mặt các mẫu cán .................................................................................. 98 Hình 5.7: Đồ thị biểu diễn lực kéo mẫu (bề dày mẫu B=4.5mm) cho tới khi đứt ... 98 Hình 5.8: Đồ thị biểu diễn lực kéo mẫu (bề dày mẫu B=4mm) cho tới khi đứt ...... 99 Hình 5.9: Đồ thị biểu diễn lực kéo mẫu (bề dày mẫu B=3.5mm) cho tới khi đứt ... 99 Hình 5.10: Đồ thị biểu diễn lực kéo mẫu (bề dày mẫu B=3mm) cho tới khi đứt .. 100 Hình 5.11: Biểu đồ biểu diễn lực kéo đứt các mẫu thử.......................................... 101 Hình 5.12: Biều đồ biểu diễn kích thước tinh thể trung bình mặt 1………………102 Hình 5.13: Biểu đồ biểu diễn kích thước tinh thể trung bình mặt 2………………1021 Chương 1 TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan chung về lĩnh vực nghiên cứu 1.1.1 Đặt vấn đề Hiện nay, với yêu cầu ngày càng cao của con người trong các lĩnh vực kỹ thuật và vật liệu, với mong muốn tạo ra những loại vật liệu có độ bền cao ứng dụng trong các máy móc, thiết bị nhằm tăng tuổi thọ, độ bền của chúng nên con người đã nghiên cứu, phát triển nhiều phương pháp để tăng độ bền kim loại và phương pháp gia công bằng áp lực là một trong số đó. Gia công biến dạng là một trong những phương pháp cơ bản để chế tạo các chi tiết máy và các sản phẩm kim loại thay thế cho phương pháp đúc hoặc gia công cắt gọt. Gia công biến dạng thực hiện bằng cách dùng áp lực tác dụng lên kim loại ở trạng thái nóng hoặc nguội làm cho kim loại vượt qua giới hạn đàn hồi, dẫn đến thay đổi hình dạng của vật thể kim loại mà không phá huỷ tính liên tục và độ bền của chúng. Phương pháp gia công bằng áp lực được sử dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp ô tô, hàng không và trong nhiều chi tiết cơ khí,… Các phương pháp gia công này bao gồm đúc, rèn, hàn, tiện… Có thể thấy rằng hơn 70% các sản phẩm kim loại được sản xuất bởi công nghệ gia công áp lực nói chung và công nghệ cán nói riêng (Đỗ Hữu Nhơn, 2006). Vì vậy các công nghệ cán có tầm quan trọng đặt biệt trong việc tạo hình kim loại. So với phương pháp đúc, gia công bằng áp lực tạo ra sản phẩm có độ bền cao hơn, cơ tính vật liệu cải thiện, độ chính xác, độ bóng bề mặt cao hơn, tiết kiệm vật liệu do gia công không phoi và năng suất lao động cao hơn vì ứng dụng được máy móc trong quá trình làm việc, dẫn đến giá thành sản phẩm giảm. Tuy nhiên, đối với những phương pháp gia công áp lực thông thường điển hình là phương pháp cán, mặc dù sản phẩm sau cán đạt được những ưu điểm hơn so với ban đầu nhưng thực sự vẫn chưa tạo ra được sản phẩm đạt độ bền cao, độ bóng bề mặt cao hơn mà không ảnh hưởng đến độ dẻo, dai vật liệu đặc biệt là đối với vật liệu cán là kim loại màu như vàng, bạc, đồng, nhôm,…Trong đó nhôm là vật liệu thường được sử dụng trong các ngành công nghiệp như ô tô, máy bay,…đòi hỏi phải có cơ tính tốt, khối lượng nhẹ, độ bóng bề mặt cao. Vì vậy, cần phải có phương pháp để tạo ra các kim loại, hợp kim màu đạt được độ bền, độ cứng, độ dẻo, độ dai, cũng như cải thiện được cấu trúc vật liệu.2 1.1.2 Các phương pháp gia công áp lực truyền thống Hình 1.1: Sơ đồ các phương pháp gia công áp lực truyền thống (Nguồn: Nguyễn Văn Thái, 2006, Võ Trần Khúc Nhã (biên dịch), 2007) (a) Cán (b) Kéo (c) Ép trực tiếp và gián tiếp (d) Rèn khuôn (e) Dập Chồn Sau khi qua các phương pháp gia công áp lực truyền thống để tạo hình và phôi thì kim loại có xu hướng biến cứng, hoá bền nhưng độ dẻo và độ dai giảm hay có xu hướng biến giòn. Vì vậy hiện nay trên thế giới cũng như ở nước ta đã và đang nghiên cứu công nghệ mới để tạo ra vật liệu có độ bền cao nhưng không làm giảm độ dẻo, độ dai của vật liệu. Đó là công nghệ biến dạng dẻo mãnh liệt (SPD). 1.1.3 Một vài phương pháp gia công biến dạng dẻo mãnh liệt (Server Plastic Deformation – SPD) Các phương pháp gia công biến dạng dẻo mãnh liệt (SPD) được định nghĩa là các quá trình gia công kim loại với biến dạng dẻo rất lớn để tạo ra kim loại có hạt siêu mịn (UFG kích thước hạt trung bình nhỏ hơn 1µm). Mục đích của các phương pháp SPD cho việc tạo ra kim loại có hạt siêu mịn là sản xuất ra các chi tiết có khối lượng3 nhẹ hơn do đặc tính độ bền cao của nó và sự thân thiện với môi trường. Các hạt có kích thước nhỏ làm cho độ bền kéo tăng lên mà không làm giảm độ dai va đập của kim loại, điều này khác so với các phương pháp hoá bền như xử lý nhiệt. Các quá trình gia công SPD có thể chia thành hai nhóm chính: Nhóm thứ nhất bao gồm các phương pháp SPD cho quá trình gia công các kim loại khối không liên tục như:  Ép kim loại qua góc kênh không đổi (Equal Chanel Angular Pressing ECAP) được đưa ra đầu tiên bởi Segal (1977).  Kaveh Edalati cùng với Zenji Horita (2011) đề xuất phương pháp xoắn kim loại dưới áp lực cao (HighPressure Torsion HPT). Hình 1.2: Sơ đồ nguyên lý các phương pháp SPD nhóm thứ nhất (Nguồn: Segal, 1997; Valiev, Krasilnikvo và Tsenev, 1991) (a) Phương pháp ECAP (b) Phương pháp HPT Nguyên lý gia công của hai phương pháp trong nhóm thứ nhất được thể hiện trên Hình 1.2 là phương pháp đầu tiên của phương pháp SPD được đưa ra để sản xuất các vật liệu có cấu trúc hạt siêu mịn (UFG) và đã thu hút được sự nghiên cứu của các nhà khoa học trong những năm gần đây (Valiev et al., 2000; Kim et al., 2004; P.Quang et al., 2009).  Đối với phương pháp ECAP: kim loại được ép qua hai kênh có tiết diện mặt cắt không đổi và giao với nhau một góc ϕ. Kim loại bị biến dạng mãnh liệt do bị biến dạng cắt tại khu vực giao nhau của hai kênh (khu vực ABC với góc khuôn Ψ).4  Đối với phương pháp HPT: kim loại bị nén với áp lực cao đến vài GPa và đồng thời bị biến dạng xoắn. Có thể thấy rằng hai phương pháp này có thể tạo ra được vật liệu có cấu trúc hạt siêu mịn, tuy nhiên cả hai phương pháp đều chưa thể đưa vào sản xuất vơi quy mô lớn do các nhược điểm như: năng suất thấp và kích cỡ phôi nhỏ. Vì vậy các phương pháp mới tiếp tục được nghiên cứu, cụ thể là các phương pháp SPD thuộc nhóm thứ 2 có thể khắc phục được nhược điểm trên và có tiềm năng rất lớn cho việc sản xuất các vật liệu có cấu trúc hạt siêu mịn với quy mô lớn. Nhóm thứ hai bao gồm các phương pháp SPD cho việc gia công liên tục trên kim loại tấm như là:  Cán dính tích luỹ (Accumulative RollBonding ARB) được nghiên cứu bởi Y. Saito, H. Utsunomiya, N. Tsuji và T. Sakai (1998).  Quá trình lặp lại gấp nếp và nắn thẳng kim loại (Repetitive Corrugation and Straightening RCS) được khám phá bởi Huang et al. (2001).  Cán kim loại qua góc kênh không đổi (Equal Channnel Angular Rolling ECAR) của Lee et al. (2003).  Quá trình tương ứng ép kim loại qua góc kênh không đổi (Equal Channel Angular PressingConform, ECAPConform) của Raab et al. (2004).  Cán kim loại với vận tốc hai trục cán khác nhau với tỉ lệ cao (HighRatio Differential Speed Rolling HRDSR) của Kim et al. (2006).  Sự nghiên cứu gần đây là phương pháp cán kim loại với sự tích hợp của dao động dọc trục của trục cán (ThroughWidth Vibration Rolling Process TWVR) của Hsieh et al. (2009, 2012), Phạm Huy Tuân, Trần Quốc Cường, DungAn Wang (2013).5 Hình 1.3: Sơ đồ nguyên lý các phương pháp SPD trong nhóm hai (Nguồn: Saito et al., 1998; Huang et al., 2001; Lee et al., 2003; Raab et al., 2004; Kim et al., 2006; Hsieh et al., 2009, 2012) (a) ARB (b) RCS (c) ECAR (d) ECAPConform (e) HRDSR (f) TWVR6 Nguyên lý gia công phổ biến của các phương pháp trong nhóm hai được thể hiện lần lượt trong Hình 1.3 chủ yếu dựa vào sự kết hợp của các phương pháp cán truyền thống và phương pháp SPD để phù hợp cho việc sản xuất với quy mô lớn và tạo ra kim loại có cấu trúc hạt siêu mịn. Tuy nhiên, khả năng ứng dụng của các phương pháp này trong quy mô công nghiệp còn hạn chế do quá trình gia công phức tạp, kích cỡ phôi nhỏ và lượng biến dạng kim loại còn nhỏ. Một phương pháp mới đã được chứng minh là có thể sản xuất các tấm kim loại với bề mặt lớn có cấu trúc hạt siêu mịn là HRDSR, được nghiên cứu bởi Kim et al. (2006). Nguyên lý của phương pháp này được thể hiện trong Hình 1.3e.  Phương pháp HRDSR là phương pháp cán truyền thống nhưng vận tốc của hai trục cán là khác nhau. Phôi được cán qua một bước cán duy nhất với chiều dày giảm 70%.  Phôi bị biến dạng cắt rất lớn và biến dạng khá đồng đều dọc theo hướng chiều dày. Có thể thấy rằng phương pháp HRDSR có tiềm năng rất lớn trong việc gia công hợp kim có độ bền cao như là hợp kim nhôm. Hơn nữa, HRDSR là quá trình gia công liên tục và chỉ yêu cầu qua duy nhất một bước cán để tạo ra cấu trúc hạt siêu mịn bên trong vật liệu. Phương pháp này có nhiều ưu điểm hơn các phương pháp trước. Tuy nhiên, dù phôi chỉ qua một lần cán với chiều dày giảm khá lớn (giảm 70%) nhưng trong quá trình gia công thì phôi bị biến dạng cắt đạt hiệu quả chưa cao. Các vấn để này có thể được khắc phục trong phương pháp được phát triển gần nhất là phương pháp cán tích hợp dao động ngang TWVR. Ngoài các phương pháp trên thì phương pháp cán lạnh (Cryorolling) đã được sử dụng gần đây để kết hợp với các phương pháp SPD tạo ra vật liệu có cấu trúc hạt siêu mịn. Cán lạnh là một quá trình xử lý đơn giản ở nhiệt độ thấp mà yêu cầu lực tác dụng tương đối nhỏ để gây ra biến dạng dẻo mãnh liệt nhằm tạo ra các đặc tính cấu trúc tế vi kết tinh trong các loại vật liệu. Phương pháp sử dụng kỹ thuật cán phôi có nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ Nitơ lỏng được sử dụng rộng rãi để cải thiện các tính chất của vật liệu. Cán lạnh có thể đáp ứng tốt cho các ứng dụng công nghiệp quy mô lớn của các vật liệu có cấu trúc nano. Cán lạnh được xem là một trong số con đường tiềm năng để sản xuất các hợp kim nhôm có hạt siêu mịn dạng khối. Độ bền kéo và độ dai của vật liệu được cải thiện do sự loại bỏ quá trình hồi phục của vật liệu trong suốt quá trình cán lạnh. Hơn nữa, cán lạnh có nhiều thuận lợi như việc yêu cầu biến dạng dẻo thấp hơn, quy trình sản xuất đơn giản và khả năng sản xuất vật liệu một cách liên tục (Hailiang et al.. 2016).7 Hình 1.4: Minh họa phương pháp tạo hạt siêu mịn UFG trên hợp kim nhôm tấm bằng phương pháp Cryorolling (Nguồn: H. Yu et al, 2016) 1.1.4 Các kết quả nghiên cứu về cách tạo hạt siêu mịn UFG bằng phương pháp SPD điển hình trong và ngoài nước 1.1.4.1 Nghiên cứu “Tensile strength and deformation microstructure of Al– Mg–Si alloy sheet by throughwidth vibration rolling process” của nhóm tác giả YueTing Chen, DungAn Wang, JunYen Uan, TsungHsien Hsieh, TeChang Tsai tại National Chung Hsing University, 250 kuokuang Rd., Taichung 402, Taiwan, ROC 20 Các nhà khoa học Đài Loan đã chế tạo, thử nghiệm thành công máy cán tích hợp dao động ngang của trục cán theo nguyên lý biến dạng dẻo mãnh liệt (SPD) của vật liệu (còn gọi là phương pháp TWVR). Máy có hai trục cán quay ngược với nhau và được truyền động bằng động cơ thuỷ lực. Bên cạnh chuyển động quay, trục cán dưới đồng thời dao động ngang dọc trục và cũng được truyền động bởi động cơ thuỷ lực. Hai trục cán được gia công bằng nhau có đường kính 150mm và được điều khiển quay với vận tốc quay không đổi 2 vòngphút. Trục cán dưới dao động ngang với tần số không đổi 5Hz và biên độ dao động được thay đổi từ 0 đến 2.5 mm. Quá trình cán được tiến hành qua 4 bước cán với mỗi bước cán thì chiều dày phôi giảm đi 40% với vật liệu phôi được tiến hành là hợp kim nhôm AA6061 có một số thành phần hóa học như sau 0.64Si, 0.43Fe, 0.23Cu, 0.12Mn, 0.86Mg, 0.17Cr, 0.01Ni, 0.04Zn, 0.06Ti. Mẫu có kích thước: Bề dày T=5mm, bề rộng W=20mm, chiều dài L=100mm.8 Hình 1.5: Mô hình minh họa phương pháp Throughwidth vibrationrolling (TWVR) (Nguồn: Hsieh et al., 2012) Hình 1.6: Mối liên hệ giữa các đại lượng nghiên cứu (Nguồn: Hsieh et al., 2012) a) Bề rộng tăng gấp đôi (W2) và biên độ dao động (Amplitude) b) Giới hạn chảy (Yield strength), độ bền kéo giới hạn (Ultimate tensile strength) và biên độ dao động khi mẫu ở nhiệt độ 100oC c) Cán mẫu ở nhiệt độ 100oC với biên độ dao động 1.5mm. Hóa già mẫu đã cán ở 100oC trong 2 giờ. Biểu đồ thể hiện độ bền kéo khi tiếp tục hóa già mẫu ở 130oC từ 0 đến 18 giờ9 Hình 1.7: Tổ chức tế vi ở biên độ dao động 1.5mm (Nguồn: Hsieh et al., 2012) a) Mũi tên màu trắng cho thấy tổ chức tế vi với kích thước nano và mũi tên màu đen cho thấy sự chuyển vị b) Hóa già mẫu cán ở 100oC trong 2 giờ và tiếp tục hóa già ở 130oC trong 4 giờ c) Hóa già mẫu cán ở 100oC trong 2 giờ và tiếp tục hóa già ở 130oC trong 18 giờ10 Từ các kết quả của phương pháp TWVR nhóm nhận thấy rằng ngoài lực cán của hai trục cán thì vật cán còn chịu tác động của dao động rung của trục cán dưới với tần số tương đối lớn 5Hz theo hướng vuông góc với hướng lăn để tạo ra biến dạng dẻo theo bề rộng vật cán. Vật sau khi cán đạt được tổ chức tế vi có cấu trúc hạt mịn, độ bền kéo và độ bền dẻo tăng hơn so với khi cán không dao động. Tuy nhiên vật cán bị biến dạng cong do khả năng đàn hồi bên trong của vật liệu. Những kết quả trên sẽ là cơ sơ và tiền đề để nhóm nghiên cứu tham khảo, thử nghiệm trên thiết bị mà nhóm chế tạo. 1.1.4.2 Nghiên cứu “Microstructure evolution of accumulative roll bonding processed pure aluminum during cryorolling” của nhóm tác giả Hailiang Yu, Hui Wang, Cheng Lu, A. Kiet Tieu, Huijun Li, Ajit Godbole, Xiong Liu, Xing Zhao tại University of Wollongong và Chunhua (Charlie) Kong tại University of New South Wales 18 Hình 1.8: Mô hình thực nghiệm của phương pháp cán lạnh (cryorolling) (Nguồn: S.M. Dasharath, Suhrit Mula, 2016) Đây là phương pháp tạo ra được cấu trúc hạt siêu mịn (ultrafinegrained hay UFG) và cấu trúc hạt nano (nanograined hay NG) với quá trình cán kết hợp với làm lạnh vật cán bởi Nitơ lỏng giúp cho vật sau khi cán hạn chế được biến dạng hình học do SPD gây ra. Mẫu được thí nghiệm là mẫu nhôm CP Al (AA1050 và AA1060).11 Hình 1.9: Kết quả kích thước hạt vật mẫu sử dụng các phương pháp SPD khác nhau (Nguồn: H. Yu et al., 2016) a) b) Hình 1.10: Bề mặt cắt đứt của mẫu sau khi kéo đứt (Nguồn: H. Yu et al., 2016) a) Sau lần cán thứ 3 theo ARB cộng với lần cán thứ 1 theo cán lạnh (cryorolling) b) Sau lần cán thứ 3 theo ARB cộng với lần cán thứ 2 theo cán lạnh (cryorolling) Nhờ có quá trình làm lạnh vật liệu trong quá trình cán tấm và sự kết hợp phương pháp ARB đã tạo ra được sản phẩm giảm đi được sự phục hồi do tính chất của vật liệu sau khi cán, đồng thời tăng độ bền kéo và giảm kích thước hạt. Hiện tại các nhà khoa học vẫn đang tiếp tục nghiên cứu và tìm hiểu sâu hơn nữa về phương pháp này.12 1.1.4.3 Các nghiên cứu trong nước Ở nước ta hiện nay cũng đã có nhiều công trình nghiên cứu liên quan đến lĩnh vực gia công biến dạng dẻo mãnh liệt (SPD) mà đi đầu và có nhiều công trình nghiên cứu công bố trong nước là Viện khoa học và kỹ thuật vật liệu thuộc Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội. Những nghiên cứu và phát triển phương pháp này ở Việt Nam là các nhà khoa học thuộc Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội như: GSTS. Nguyễn Trọng Giảng, GSTS. Đỗ Minh Nghiệp, PGSTS. Đào Minh Ngừng, TS. Phạm Quang. Phương pháp SPD được nghiên cứu chủ yếu ở nước ta là ép kim loại qua góc kênh không đổi (ECAP) vì phương pháp này khá đơn giản và phù hợp với điều kiện nghiên cứu ở nước ta. Các công trình đã được công bố trong nước chủ yếu theo hướng mô hình hoá và mô phỏng số bằng phương pháp phần tử hữu hạn (Phạm Quang, Đào Minh Ngừng, Đỗ Minh Nghiệp, 2010). Một số ít các công trình theo hướng thực nghiệm như: Nghiên cứu chế tạo một số hợp kim hệ Ti và Al cấu trúc mịn, siêu mịn và nano bằng phương pháp biến dạng dẻo mãnh liệt đang được thực hiện bởi PGSTS.Đào Minh Ngừng và Nguyễn Đăng Khoa. 1.2 Lý do chọn đề tài Dựa trên những cơ sở lý thuyết và những kết quả nghiên cứu về phương pháp SPD, nhóm quyết định chọn đề tài nhằm tìm hiểu thêm về phương pháp SPD và cách tạo hạt siêu mịn trong cấu trúc tế vi của vật liệu bằng phương pháp cán. Nhóm nghiên cứu kết hợp với phương pháp cán cổ truyền và phương pháp TWVR để chế tạo thử nghiệm máy cán biến dạng mạnh SPD có dao động ngang. Do điều kiện nghiên cứu và giới hạn của đề tài nên nhóm sẽ chế tạo và vận hành thử nghiệm máy, kiểm tra một số kết quả sau cán, đây cũng là cơ sở cho các nhóm nghiên cứu tiếp tục tìm hiểu và phát triển hơn nữa máy cán biến dạng mạnh (SPD) có dao động ngang. 1.3 Mục tiêu đề tài Nghiên cứu chế tạo thử nghiệm máy cán biến dạng biến dạng mạnh (SPD) có dao động ngang. Kiểm tra và so sánh sản phẩm sau cán về: chiều dài, độ thay đổi về bề rộng, độ bền kéo, hình dáng, kích thước tinh thể của vật liệu. 1.4 Nhiệm vụ của đề tài Tìm hiểu độ bền và các tiêu chuẩn hợp kim nhôm trên thế giới. Nguyên lý và kết cấu máy cán. Tính toán và thiết kế hệ thống cơ khí, hệ thống truyền động điệnđiều khiển. Thiết kế chi tiết.13 Gia công chế tạo thiết bị. Vận hành thử nghiệm, ghi nhận thông số mẫu cán. 1.5 Đối tượng, phạm vi nghiên cứu và giới hạn của đề tài 1.5.1 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu Đề tài nghiên cứu chế tạo thử nghiệm máy cán biến dạng mạnh kết hợp với dao động ngang với vật mẫu thí nghiệm khi cán là hợp kim nhôm kích thước: bề dày 5mm, bề rộng 20mm, chiều dài 150mm. Do điều kiện nghiên cứu và kinh tế nên nhóm chọn hợp kim nhôm dẻo được bán phổ biến trên thị trường. Vật sau cán sẽ nghiên cứu, so sánh với vật mẫu ban đầu và vật mẫu cán ở các biên độ dao động: 0mm, 1mm, 2mm, 3mm. Mẫu thí nghiệm sẽ đạt các bề dày khác nhau 4.5mm, 4.0mm, 3.5mm, 3.0mm ở từng biên độ dao động. Tiến hành một số kiểm tra mẫu sau khi cán và ghi nhận số liệu. 1.5.2 Giới hạn đề tài Không đi sâu nghên cứu lý thuyết biến dạng dẻo, chỉ mang tính cập nhật cơ sở lý thuyết để làm cơ sở nghiên cứu, phục vụ cho việc làm đề tài. Nêu được nguyên lý, cách thức vận hành máy. Không xét đến thành phần hóa học của mẫu cán. Chỉ thực hiện với lượng cán và biên độ dao động như trên. Tiến hành một vài thí nghiệm cơ bản kiểm tra mẫu sau cán: chiều dài, độ thay đổi về bề rộng, độ bền kéo, hình dáng, kích thước tinh thể của vật liệu. 1.6 Phương pháp nghiên cứu và kết quả dự kiến đạt được 1.6.1 Nghiên cứu lý thuyết Tham khảo tài liệu, giáo trình liên quan đến máy cán. Tìm hiểu độ bền và tiêu chuẩn các hợp kim nhôm trên thế giới. Tham khảo các tài liệu nước ngoài về phương pháp SPD. Xử lý số liệu thực nghiệm. 1.6.2 Nghiên cứu thực nghiệm Nghiên cứu, chế tạo và vận hành thử nghiệm. Cán các mẫu trên máy đã chế tạo. Thu thập và ghi nhận số liệu khi thí nghiệm trên mẫu cán. Có thể mở rộng đối tượng cán và thử nghiệm với vật liệu đồng. 1.6.3 Kết quả dự kiến Thiết bị cán. Bản thuyết minh tính toán, bản vẽ lắp, bản vẽ chi tiết và bản vẽ phân rã. Dữ liệu vận hành và thử nghiệm. Đưa ra hướng phát triển, khắc phục lỗi trên sản phẩm và máy.14 Chương 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Các hiện tượng và các yếu tố ảnh hưởng đến cấu trúc hạt của kim loại khi gia công biến dạng dẻo 2.1.1 Các hiện tượng ảnh hưởng đến cấu trúc hạt của kim loại khi gia công biến dạng dẻo Cấu trúc tinh thể là một sự sắp xếp đặc biệt của các nguyên tử trong tinh thể. Trong chất rắn dạng tinh thể, các tiểu phân (nguyên tử, ion, phân tử,…) được sắp xếp một cách đều đặn, tuần hoàn tạo thành một mạng lưới không gian. Do đó cấu trúc tinh thể liên quan đến mọi tính chất của vật liệu. Nhưng trong thực tế không phải 100% nguyên tử đều nằm đúng vị trí quy định, gây nên những sai hỏng được gọi là sai lệch mạng tinh thể hay khuyết tật mạng 2. a. Sai lệch mạng tinh thể: Tuy số nguyên tử nằm lệch vị trí quy định chiếm tỷ lệ rất thấp (chỉ 1 2%) song gây ảnh hưởng rất xấu đến tinh thể dưới tác dụng của ngoại lực (biến dạng dẻo, biến cứng...) tức đến độ bền chỉ tiêu cơ tính hàng đầu, nên việc khảo sát các sai lệch này có ý nghĩa lý thuyết và thực tế lớn lao, không thể bỏ qua. Phụ thuộc vào kích thước ba chiều trong không gian, sai lệch mạng chia thành: sai lệch điểm, đường, mặt và khối.  Sai lệch điểm: là các sai lệch có kích thước rất nhỏ (cỡ kích thước nguyên tử) theo ba chiều không gian, có dạng bao quanh một điểm. Một số sai lệch điểm điển hình là nút trống, nguyên tử xen kẽ, nguyên tử tạp chất. Hình 2.1: Sai lệch điểm trong mạng tinh thể (Nguồn: Lê Công Dưỡng, 2000) a) Nút trống b) Nguyên tử xen kẻ c) Nguyên tử tạp chất  Sai lệch đường: là loại sai lệch có kích thước nhỏ theo hai chiều và lớn theo chiều thứ 3 trong tinh thể, tức có dạng của một đường (đường ở đây có thể là thẳng, cong, xoắn ốc). Các sai lệch điển hình như: lệ

TỔNG QUAN

T ổ ng quan chung v ề lĩnh vự c nghiên c ứ u

Hiện nay, nhu cầu ngày càng cao trong lĩnh vực kỹ thuật và vật liệu đã thúc đẩy con người nghiên cứu và phát triển nhiều phương pháp nhằm tạo ra vật liệu có độ bền cao Một trong những phương pháp hiệu quả để tăng cường độ bền của kim loại là gia công bằng áp lực, giúp nâng cao tuổi thọ và độ bền của máy móc, thiết bị.

Gia công biến dạng là phương pháp cơ bản để chế tạo chi tiết máy và sản phẩm kim loại, thay thế cho đúc hoặc gia công cắt gọt Phương pháp này sử dụng áp lực tác dụng lên kim loại ở trạng thái nóng hoặc nguội, giúp kim loại vượt qua giới hạn đàn hồi và thay đổi hình dạng mà không làm hỏng tính liên tục và độ bền Gia công bằng áp lực được ứng dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp ô tô, hàng không và nhiều chi tiết cơ khí khác Các phương pháp gia công này bao gồm đúc, rèn, hàn, và tiện Hơn 70% sản phẩm kim loại được sản xuất nhờ công nghệ gia công áp lực, đặc biệt là công nghệ cán, cho thấy tầm quan trọng của nó trong việc tạo hình kim loại.

So với phương pháp đúc, gia công bằng áp lực mang lại sản phẩm có độ bền cao hơn, cải thiện cơ tính vật liệu, độ chính xác và độ bóng bề mặt Phương pháp này cũng tiết kiệm vật liệu nhờ vào gia công không phoi và nâng cao năng suất lao động nhờ ứng dụng máy móc, từ đó giảm giá thành sản phẩm Tuy nhiên, các phương pháp gia công áp lực như cán vẫn chưa tạo ra sản phẩm đạt độ bền và độ bóng bề mặt cao mà không ảnh hưởng đến độ dẻo, dai của vật liệu, đặc biệt là với kim loại màu như vàng, bạc, đồng, nhôm Nhôm, thường được sử dụng trong ngành công nghiệp ô tô và máy bay, yêu cầu có cơ tính tốt, khối lượng nhẹ và độ bóng bề mặt cao Do đó, cần phát triển các phương pháp để tạo ra kim loại và hợp kim màu đạt được độ bền, độ cứng, độ dẻo, độ dai, cũng như cải thiện cấu trúc vật liệu.

1.1.2 Các phương pháp gia công áp lực truyền thống

Hình 1.1: Sơ đồ các phương pháp gia công áp lực truyền thống

(Nguồn: Nguyễn Văn Thái, 2006, Võ Trần Khúc Nhã (biên dịch), 2007) (a) Cán

(c) Ép trực tiếp và gián tiếp

Sau khi áp dụng các phương pháp gia công áp lực truyền thống, kim loại thường trở nên cứng hơn và bền hơn, nhưng độ dẻo và độ dai lại giảm, dẫn đến tình trạng giòn Do đó, hiện nay, cả trên thế giới và tại Việt Nam, các nghiên cứu đang được tiến hành để phát triển công nghệ mới nhằm tạo ra vật liệu có độ bền cao mà vẫn giữ được độ dẻo và độ dai Công nghệ biến dạng dẻo mãnh liệt (SPD) là một trong những giải pháp hứa hẹn cho vấn đề này.

1.1.3 Một vài phương pháp gia công biến dạng dẻo mãnh liệt (Server Plastic Deformation – SPD)

Các phương pháp gia công biến dạng dẻo mãnh liệt (SPD) là các quy trình gia công kim loại với biến dạng dẻo lớn, nhằm tạo ra kim loại có hạt siêu mịn (UFG) với kích thước hạt trung bình nhỏ hơn 1 µm Mục tiêu của các phương pháp SPD là sản xuất các chi tiết kim loại có khối lượng nhẹ và tính chất cơ học vượt trội.

Vật liệu này nhẹ hơn nhờ vào độ bền cao và tính thân thiện với môi trường Kích thước hạt nhỏ giúp tăng cường độ bền kéo mà không làm giảm độ dai va đập của kim loại, điều này khác biệt so với các phương pháp hóa bền như xử lý nhiệt.

Các quá trình gia công SPD có thể chia thành hai nhóm chính:

- Nhóm thứ nhất bao gồm các phương pháp SPD cho quá trình gia công các kim loại khối không liên tục như:

 Ép kim loại qua góc kênh không đổi (Equal Chanel Angular Pressing - ECAP) được đưa ra đầu tiên bởi Segal (1977)

 Kaveh Edalati cùng với Zenji Horita (2011) đề xuất phương pháp xoắn kim loại dưới áp lực cao (High-Pressure Torsion - HPT)

Hình 1.2: Sơ đồnguyên lý các phương pháp SPD nhóm thứ nhất

Phương pháp ECAP và HPT là hai kỹ thuật trong nhóm phương pháp SPD, được giới thiệu để sản xuất vật liệu có cấu trúc hạt siêu mịn (UFG) Hai phương pháp này đã thu hút sự quan tâm nghiên cứu của các nhà khoa học trong những năm gần đây, như được nêu bởi Valiev et al (2000), Kim et al (2004), và P Quang et al (2009) Hình 1.2 minh họa nguyên lý gia công của cả hai phương pháp này.

Phương pháp ECAP (Equal Channel Angular Pressing) là kỹ thuật ép kim loại qua hai kênh có tiết diện mặt cắt không đổi, giao nhau tại một góc ϕ Quá trình này tạo ra sự biến dạng mãnh liệt cho kim loại do tác động của biến dạng cắt tại khu vực giao nhau của hai kênh, cụ thể là khu vực ABC với góc khuôn Ψ.

 Đối với phương pháp HPT: kim loại bị nén với áp lực cao đến vài GPa và đồng thời bị biến dạng xoắn

Hai phương pháp này có khả năng tạo ra vật liệu với cấu trúc hạt siêu mịn, nhưng vẫn chưa thể áp dụng sản xuất quy mô lớn do những nhược điểm như năng suất thấp và kích cỡ phôi nhỏ.

Các phương pháp SPD thuộc nhóm thứ 2 đang được nghiên cứu để khắc phục nhược điểm của các phương pháp cũ, đồng thời có tiềm năng lớn trong việc sản xuất vật liệu với cấu trúc hạt siêu mịn quy mô lớn.

- Nhóm thứ hai bao gồm các phương pháp SPD cho việc gia công liên tục trên kim loại tấm như là:

 Cán dính tích luỹ (Accumulative Roll-Bonding - ARB) được nghiên cứu bởi

Y Saito, H Utsunomiya, N Tsuji và T Sakai (1998)

 Quá trình lặp lại gấp nếp và nắn thẳng kim loại (Repetitive Corrugation and Straightening - RCS) được khám phá bởi Huang et al (2001)

 Cán kim loại qua góc kênh không đổi (Equal Channnel Angular Rolling - ECAR) của Lee et al (2003)

 Quá trình tương ứng ép kim loại qua góc kênh không đổi (Equal Channel Angular Pressing-Conform, ECAP-Conform) của Raab et al (2004)

 Cán kim loại với vận tốc hai trục cán khác nhau với tỉ lệ cao (High-Ratio Differential Speed Rolling- HRDSR) của Kim et al (2006)

Nghiên cứu gần đây về phương pháp cán kim loại đã giới thiệu quy trình Cán Vibration Dọc Trục (Through-Width Vibration Rolling Process - TWVR) do Hsieh et al (2009, 2012) và Phạm Huy Tuân, Trần Quốc Cường, Dung-An Wang (2013) phát triển.

Hình 1.3: Sơ đồ nguyên lý các phương pháp SPD trong nhóm hai

(Nguồn: Saito et al., 1998; Huang et al., 2001; Lee et al., 2003; Raab et al., 2004;

Kim et al., 2006; Hsieh et al., 2009, 2012) (a) ARB

Nguyên lý gia công của các phương pháp trong nhóm hai, như thể hiện trong Hình 1.3, chủ yếu dựa vào sự kết hợp giữa các phương pháp cán truyền thống và phương pháp SPD Sự kết hợp này nhằm đáp ứng nhu cầu sản xuất quy mô lớn và tạo ra kim loại với cấu trúc hạt siêu mịn.

Mặc dù các phương pháp này có tiềm năng, nhưng khả năng ứng dụng trong quy mô công nghiệp vẫn còn hạn chế Nguyên nhân là do quy trình gia công phức tạp, kích thước phôi nhỏ và lượng biến dạng kim loại chưa đủ lớn.

Phương pháp HRDSR, được nghiên cứu bởi Kim et al., đã chứng minh khả năng sản xuất các tấm kim loại với bề mặt lớn và cấu trúc hạt siêu mịn.

(2006) Nguyên lý của phương pháp này được thể hiện trong Hình 1.3e

Phương pháp HRDSR là một kỹ thuật cán truyền thống, trong đó hai trục cán có vận tốc khác nhau Quá trình này cho phép phôi được cán qua một bước duy nhất, giảm chiều dày lên đến 70%.

 Phôi bị biến dạng cắt rất lớn và biến dạng khá đồng đều dọc theo hướng chiều dày

Lý do ch ọn đề tài

Nhóm nghiên cứu đã quyết định chọn đề tài nhằm tìm hiểu sâu hơn về phương pháp SPD và quy trình tạo hạt siêu mịn trong cấu trúc tế vi của vật liệu thông qua phương pháp cán, dựa trên các cơ sở lý thuyết và kết quả nghiên cứu hiện có.

Nhóm nghiên cứu đã kết hợp phương pháp cán cổ truyền với phương pháp TWVR để chế tạo máy cán biến dạng mạnh SPD có dao động ngang Dưới điều kiện nghiên cứu và giới hạn của đề tài, nhóm sẽ tiến hành chế tạo và thử nghiệm máy, đồng thời kiểm tra một số kết quả sau quá trình cán Đây sẽ là cơ sở cho các nhóm nghiên cứu tiếp theo trong việc tìm hiểu và phát triển máy cán biến dạng mạnh (SPD) có dao động ngang.

M ục tiêu đề tài

- Nghiên cứu chế tạo thử nghiệm máy cán biến dạng biến dạng mạnh (SPD) có dao động ngang

Kiểm tra và so sánh sản phẩm sau khi cán bao gồm các yếu tố như chiều dài, sự thay đổi về bề rộng, độ bền kéo, hình dáng và kích thước tinh thể của vật liệu.

Nhi ệ m v ụ c ủa đề tài

- Tìm hiểu độ bền và các tiêu chuẩn hợp kim nhôm trên thế giới

- Nguyên lý và kết cấu máy cán

- Tính toán và thiết kế hệ thống cơ khí, hệ thống truyền động điện-điều khiển

- Gia công chế tạo thiết bị

- Vận hành thử nghiệm, ghi nhận thông số mẫu cán.

Đối tượng, phạm vi nghiên cứu và giới hạn của đề tài

1.5.1 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu Đề tài nghiên cứu chế tạo thử nghiệm máy cán biến dạng mạnh kết hợp với dao động ngang với vật mẫu thí nghiệm khi cán là hợp kim nhôm kích thước: bề dày 5mm, bề rộng 20mm, chiều dài 150mm

Nhóm nghiên cứu đã chọn hợp kim nhôm dẻo phổ biến trên thị trường do điều kiện nghiên cứu và kinh tế Vật liệu sau khi cán sẽ được so sánh với mẫu ban đầu và mẫu cán ở các biên độ dao động khác nhau: 0mm, 1mm, 2mm, và 3mm Mẫu thí nghiệm sẽ có các bề dày khác nhau là 4.5mm, 4.0mm, 3.5mm, và 3.0mm tương ứng với từng biên độ dao động.

Tiến hành một số kiểm tra mẫu sau khi cán và ghi nhận số liệu

Nội dung bài viết chỉ cập nhật những kiến thức cơ bản về lý thuyết biến dạng dẻo, không đi sâu vào nghiên cứu lý thuyết Những thông tin này sẽ làm nền tảng cho các nghiên cứu và phục vụ cho việc thực hiện đề tài.

- Nêu được nguyên lý, cách thức vận hành máy

- Không xét đến thành phần hóa học của mẫu cán

- Chỉ thực hiện với lượng cán và biên độdao động như trên.

Tiến hành các thí nghiệm cơ bản để kiểm tra mẫu sau khi cán, bao gồm chiều dài, sự thay đổi về bề rộng, độ bền kéo, hình dáng và kích thước tinh thể của vật liệu.

Phương pháp nghiên cứ u và k ế t qu ả d ự ki ến đạt đượ c

- Tham khảo tài liệu, giáo trình liên quan đến máy cán

- Tìm hiểu độ bền và tiêu chuẩn các hợp kim nhôm trên thế giới

- Tham khảo các tài liệu nước ngoài vềphương pháp SPD.

- Xử lý số liệu thực nghiệm

- Nghiên cứu, chế tạo và vận hành thử nghiệm

- Cán các mẫu trên máy đã chế tạo

- Thu thập và ghi nhận số liệu khi thí nghiệm trên mẫu cán

- Có thể mở rộng đối tượng cán và thử nghiệm với vật liệu đồng

- Bản thuyết minh tính toán, bản vẽ lắp, bản vẽ chi tiết và bản vẽ phân rã

- Dữ liệu vận hành và thử nghiệm

- Đưa ra hướng phát triển, khắc phục lỗi trên sản phẩm và máy

Nguyên lý và k ế t c ấ u máy cán

2.3 Tính toán và thiết kế hệ thống cơ khí, hệ thống truyền động điện-điều khiển 2.4 Thiết kế chi tiết

2.5 Gia công chế tạo thiết bị

2.6 Vận hành thử nghiệm, ghi nhận thông số

3 Dự kiến kết quảđạt được

3.2 Bản thuyết minh tính toán, bản vẽ lắp và bản vẽ chi tiết

3.3 Dữ liệu vận hành thử nghiệm

3.4 Báo cáo thực hiện đề tài

− Theo quy định của bộ môn

BỘ MÔN CÔNG NGHỆ CHẾTẠO MÁY GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN ii

KHOA CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY

BỘ MÔN CN CHẾ TẠO MÁY

C Ộ NG HOÀ XÃ H Ộ I CH Ủ NGHĨA VIỆ T NAM Độ c l ậ p – T ự do – H ạ nh Phúc

B Ả NG NH Ậ N XÉT C ỦA GIÁO VIÊN HƯỚ NG D Ẫ N

Họ và tên Sinh viên: NGUYỄN VĂN PHƯƠNG MSSV: 12144088

Ngành: CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT CƠ KHÍ

Tên đề tài: NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO THỬ NGHIỆM MÁY CÁN

BIẾN DẠNG MẠNH (SPD) CÓ DAO ĐỘNG NGANG

Họ và tên Giáo viên hướng dẫn: PGS.TS LÊ CHÍ CƯƠNG

1 Về nội dung đề tài & khối lượng thực hiện:

4 Đề nghị cho bảo vệ hay không?

Tp HồChí Minh, ngày tháng năm 2016

Giáo viên hướng dẫn (Ký & ghi rõ họ tên) iii

KHOA CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY

BỘ MÔN CN CHẾ TẠO MÁY

CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độ c l ậ p – T ự do – H ạ nh Phúc

B Ả NG NH Ậ N XÉT C Ủ A GIÁO VIÊN PH Ả N BI Ệ N

Họ và tên Sinh viên: NGUYỄN VĂN PHƯƠNG MSSV: 12144088

Ngành: CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT CƠ KHÍ

Tên đề tài: NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO THỬ NGHIỆM MÁY CÁN

BIẾN DẠNG MẠNH (SPD) CÓ DAO ĐỘNG NGANG

Họ và tên Giáo viên phản biện: TS TRẦN NGỌC ĐẢM

1 Về nội dung đề tài & khối lượng thực hiện:

4 Câu hỏi phản biện (Nếu có):

5 Đề nghị cho bảo vệ hay không?

Tp HồChí Minh, ngày tháng năm 2016

Giáo viên phản biện (Ký & ghi rõ họ tên) iv

Trong quá trình học tập tại Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành phố Hồ Chí Minh, nhóm chúng em đã tích lũy nhiều kiến thức chuyên môn quý giá Qua đồ án tốt nghiệp “Nghiên cứu chế tạo thử nghiệm máy cán biến dạng mạnh (SPD) có dao động ngang”, nhóm đã áp dụng kiến thức để giải quyết các vấn đề thực tiễn, mặc dù gặp nhiều khó khăn do tính mới của đề tài Nhờ sự hướng dẫn tận tình của PGS.TS Lê Chí Cương và sự hỗ trợ từ PGS.TS Đặng Thiện Ngôn cùng các thầy cô trong bộ môn Chế tạo máy, nhóm đã hoàn thành đề tài Đến nay, đề tài đã đáp ứng các yêu cầu và tạo nền tảng cho nghiên cứu tiếp theo.

Nhóm chúng em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến:

- Ban Giám hiệu Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh

- Thầy PGS.TS Lê Chí Cương, PGS.TS Đặng Thiện Ngôn – Phòng Nghiên cứu Công nghệ kỹ thuật cơ khí –Khoa Cơ khí Chế tạo máy

- Thầy Trần Văn Trọn, Nguyễn Văn Minh, ĐỗVăn Hiến –Khoa Cơ khí chế máy – Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh

- Trường Trung cấp nghềĐông Sài Gòn Thành phố Hồ Chí Minh

- Cô Vương Thị Ngọc Hân, khoa Xây dựng và Cơ học ứng dụng

- Thầy TS Trần Ngọc Đảm – Giáo viên phản biện - Khoa Cơ khí Chế tạo máy

- Phòng Thí nghiệm Cơ học, Thí nghiệm Vật liệu học –Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh

- Trung tâm Hạt nhân Thành phố Hồ Chí Minh, Viện Năng Lượng Nguyên tử Việt Nam – Bộ Khoa học & Công Nghệ

- Gia đình, bạn bè và người thân

Nhóm xin chân thành cảm ơn sự hỗ trợ nhiệt tình từ quý thầy cô, bạn bè và gia đình, những người đã tạo điều kiện thuận lợi để nhóm hoàn thành đề tài của mình Xin trân trọng cảm ơn!

TP Hồ Chí Minh, ngày 15 tháng 07 năm 2016 v

Quá trình cán tạo biến dạng mạnh (SPD) kết hợp với dao động ngang mang lại nhiều ưu điểm so với phương pháp biến dạng dẻo thông thường Kỹ thuật này không chỉ tạo ra hợp kim nhôm tấm có độ bền cao mà còn hình thành cấu trúc hạt siêu mịn (UFG), cải thiện đáng kể tính chất cơ học Đề tài đã chế tạo máy cán theo phương pháp tích hợp dao động ngang (TWVR) và tiến hành thí nghiệm với các mẫu nhôm có bề dày khác nhau: 4.5mm, 4.0mm, 3.5mm, 3.0mm Kết quả thí nghiệm sẽ được sử dụng để tối ưu hóa các thông số trong quá trình cán SPD kết hợp dao động ngang, nhằm nâng cao độ bền và độ bóng bề mặt của vật liệu.

Từ khóa: Biến dạng mạnh (SPD), hạt siêu mịn (UFG), phương pháp cán tích hợp dao động ngang (TWVR)

The combination of strong deformation rolling and horizontal oscillation offers significant advantages over traditional plastic deformation methods This innovative technique not only induces deformation through pressure but also causes width distortion, leading to intense plasticity deformation Extensive research and experimental data have shown that this process produces high-durability aluminum alloy sheets with an ultrafine-grain structure (UFG), significantly enhancing the mechanical properties of the alloy.

This thesis focuses on the development of a rolling machine utilizing the Through-Width Vibration Rolling (TWVR) method to process aluminum samples of varying thicknesses: 4.5 mm, 4.0 mm, 3.5 mm, and 3.0 mm The findings contribute essential data for optimizing parameters in the Severe Plastic Deformation (SPD) technique, combined with horizontal oscillations, to enhance the toughness, surface gloss, and microstructural properties of rolled materials Keywords include Severe Plastic Deformation (SPD), Ultrafine-grains (UFG), and Through-Width Vibration Rolling (TWVR).

TRANG BÌA PHỤ Trang ĐỀ XUẤT NHIỆM VỤĐỀ TÀI TỐT NGHIỆP i

BẢNG NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN ii

BẢNG NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN iii

DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT ix

DANH SÁCH CÁC BẢNG BIỂU ix

DANH SÁCH CÁC HÌNH ẢNH, BIỂU ĐỒ x

1.1 Tổng quan chung vềlĩnh vực nghiên cứu 1

1.1.2 Các phương pháp gia công áp lực truyền thống 2

1.1.3 Một vài phương pháp gia công biến dạng dẻo mãnh liệt (Server Plastic

1.1.4 Các kết quả nghiên cứu về cách tạo hạt siêu mịn UFG bằng phương pháp

SPD điển hình trong và ngoài nước 7

1.1.4.1 Nghiên cứu “Tensile strength and deformation microstructure of Al– Mg–Si alloy sheet by through-width vibration rolling process” của nhóm tác giả Yue-Ting Chen, Dung-An Wang, Jun-Yen Uan, Tsung-Hsien Hsieh, Te-

Chang Tsai tại National Chung Hsing University, 250 kuo-kuang Rd.,

1.1.4.2 Nghiên cứu “Microstructure evolution of accumulative roll bonding processed pure aluminum during cryorolling” của nhóm tác giả Hailiang Yu,

Hui Wang, Cheng Lu, A Kiet Tieu, Huijun Li, Ajit Godbole, Xiong Liu, Xing

Zhao tại University of Wollongong và Chunhua (Charlie) Kong tại University of New South Wales [18] 10

1.1.4.3 Các nghiên cứu trong nước 12

1.2 Lý do chọn đề tài 12

1.4 Nhiệm vụ của đề tài 12

1.5 Đối tượng, phạm vi nghiên cứu và giới hạn của đề tài 13

1.5.1 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 13 vii

1.6 Phương pháp nghiên cứu và kết quả dự kiến đạt được 13

Chương 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 14

2.1 Các hiện tượng và các yếu tố ảnh hưởng đến cấu trúc hạt của kim loại khi gia công biến dạng dẻo 14

2.1.1 Các hiện tượng ảnh hưởng đến cấu trúc hạt của kim loại khi gia công biến dạng dẻo 14

2.1.2 Các yếu tốảnh hưởng đến độ hạt của kim loại khi gia công biến dạng dẻo 17

2.2 Nguyên lý và kết cấu máy cán 18

2.2.1 Các bộ phận chính của máy cán 18

2.3 Độ bền và các tiêu chuẩn hợp kim nhôm trên thế giới 23

2.6 Máy kéo nén thủy lực vạn năng xử lý bằng phần mềm máy tính Model

Chương 3 PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ VÀ GIẢI PHÁP CÔNG NGHỆ 37

3.1 Phân tích đối tượng tượng thiết kế 37

3.1.1 Máy cán biến dạng mạnh (SPD) có dao động ngang 37

3.1.2 Vật liệu cán thử nghiệm 38

3.2 Khảnăng công nghệ và thực tiễn 38

3.3.2 Phương án thiết kế chi tiết 41

3.3.2.1 Chọn kiểu thiết kế máy cán 41

3.3.2.3 Chọn cơ cấu tạo dao động dọc trục 43

3.3.2.5 Chọn bộ phận trượt của trục cán 47 viii

3.3.2.6 Chọn bộ phận truyền chuyển động đến trục cán 48

3.3.2.7 Chọn bộ phận điều khiển tốc độ 50

Chương 4 TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ KHÍ, HỆ THỐNG

TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN-ĐIỀU KHIỂN 53

4.1 Tính toán thiết kế hệ thống cơ khí 53

4.1.1 Các đại lượng đặc trưng cho quá trình cán kim loại 53

4.1.2 Tính toán các thông sốđặc trưng 54

4.1.3 Lực cán, momen cán, công suất động cơ 58

4.1.4 Nghiệm bền và tính toán các chi tiết trên giá cán 64

4.2 Thiết kế hệ thống truyền động điện-điều khiển 69

4.2.2 Chức năng các thiết bị 69

4.3 Thiết kế chi tiết và gia công chế tạo thiết bị 76

Chương 5 KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM 90

5.1 Kết quả chế tạo thử nghiệm máy 90

5.1.1 Mô hình máy cán biến dạng mạnh (SPD) có dao động ngang 90

5.1.3 Quy trình vận hành và chỉ dẫn an toàn 92

5.2 Cán thử nghiệm mẫu nhôm 95

5.2.1 Kiểm tra độ bền kéo mẫu sau cán 98

5.2.2 Kiểm tra kích thước tinh thể trung bình vật liệu mẫu sau cán 101

Chương 6 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 103

6.1.1 Kết quảđạt được so với mục tiêu ban đầu đề ra 103

6.1.2 Kết quả chưa đạt được và các lỗi phát sinh trong quá trình thử nghiệm. 104

6.2 Kiến nghịvà hướng phát triển của đề tài 104

DANH SÁCH CÁC CH Ữ VI Ế T T Ắ T

ECAP: Equal Channel Angular Process

ECAP-Conform: Equal Channel Angular Process-Conform

ECAR: Equal Channel Angular Rolling

HRDSR: High-Ratio Differential Speed Rolling

RCS: Repetitive Corrugation And Strengthening

TWVR: Through-Width Vibration Rolling

DANH SÁCH CÁC B Ả NG BI Ể U

Bảng 2.1: Tỷ trọng của nhôm phụ thuộc vào độ sạch và nhiệt độ 23

Bảng 2.2: Ảnh hưởng độ sạch của nhôm đến nhiệt độ nóng chảy 23

Bảng 2.3: Phân loại nhôm theo tiêu chuẩn ГOCT của Nga 24

Bảng 2.4: Ký hiệu nhôm và hợp kim nhôm theo tiêu chuẩn của Mỹ 25

Bảng 2.5: Ký hiệu và trạng thái gia công hợp kim nhôm của Nga, Mỹ và Canada 27

Bảng 2.6: Tiêu chuẩn ký hiệu hợp kim nhôm theo Aluminum Association 28

Bảng 2.7: Bảng quy đổi thành phần, ký hiệu một số hợp kim nhôm theo TCVN và

Bảng 2.8: Thông số kỹ thuật máy kéo nén thủy lực vạn năng xử lý bằng phần mềm máy tính Model CHT4106 36

Bảng 3.1: So sánh chọn loại máy cán cho việc nghiên cứu, thiết kế, chế tạo 41

Bảng 3.2: So sánh chọn hộp giảm tốc cho máy 43

Bảng 3.3: So sánh chọn cơ cấu tạo dao động ngang (dọc trục cán) 45

Bảng 3.4: So sánh chọn ổđỡ trục 46

Bảng 3.5: So sánh chọn bộ phận trượt của trục cán 48

Bảng 3.6: So sánh chọn bộ phận truyền chuyển động đến trục cán 50

Bảng 3.7: So sánh chọn bộ phận điều khiển tốc độ 52

Bảng 4.1: Hệ số ma sát f khi cán 1 số kim loại màu 57

Bảng 4.2: Hệ số ma sát của một vài ổđỡ trục f' 62

Bảng 4.3: Kích thước biến tần LS SV150IG5A-4 74 Bảng 5.1: Thông số kỹ thuật máy cán biến dạng mạnh (SPD) có dao động ngang…91 x

Bảng 5.2: Quy trình vận hành thử nghiệm máy 92

Bảng 5.3: Kích thước trung bình mẫu sau cán (mm) 95

Bảng 5.4: Độ bền kéo của các mẫu 100

DANH SÁCH CÁC HÌNH Ả NH, BI ỂU ĐỒ Hình 1.1: Sơ đồcác phương pháp gia công áp lực truyền thống 2

Hình 1.2: Sơ đồnguyên lý các phương pháp SPD nhóm thứ nhất 3

Hình 1.3: Sơ đồnguyên lý các phương pháp SPD trong nhóm hai 5

Hình 1.4: Minh họa phương pháp tạo UFG trên hợp kim nhôm tấm bằng phương pháp Cryorolling 7

Hình 1.5: Mô hình minh họa phương pháp Through-width vibrationrolling (TWVR) 8

Hình 1.6: Mối liên hệ giữa các đại lượng nghiên cứu 8

Hình 1.7: Tổ chức tế vi ởbiên độdao động 1.5mm 9

Hình 1.8: Mô hình thực nghiệm của phương pháp cán lạnh (cryorolling) 10

Hình 1.9: Kết quảkích thước hạt vật mẫu sử dụng các phương pháp SPD khác nhau 11

Hình 1.10: Bề mặt cắt đứt của mẫu sau khi kéo đứt 11

Hình 2.1: Sai lệch điểm trong mạng tinh thể 14

Hình 2.2: Sai lệch đường trong mạng tinh thể 15

Hình 2.3: Sai lệch mặt trong mạng tinh thể 16

Hình 2.4: Sơ đồđộng máy cán thép 2 trục 18

Hình 2.5: Máy cán ống tựđộng 19

Hình 2.6: Cách bố trí giá cán 20

Hình 2.7: Các loại giá cán 21

Hình 2.8: Sơ đồ máy cán hành tinh 21

Hình 2.9: Máy cán tấm nguội 22

Hình 2.10: Giản đồ pha hợp kim nhôm 25

Hình 2.11: Kích thước mẫu cán 30

Hình 2.12: Mối ghép then hoa 31

Hình 2.13: Các dạng tiết diện của then 31

Hình 2.15: Định tâm theo đường kính ngoài D 32

Hình 2.16: Định tâm bằng mặt trụtrong, đường kính d 33

Hình 2.17: Định tâm theo mặt bên của then 33 xi

Hình 2.18: Dòng máy thử nghiệm kéo nén vạn năng thủy lực CHT4000 34

Hình 2.19: Giao diện phần mềm PowerTest của SANS 36

Hình 3.1: Sơ đồ nguyên lý 39

Hình 3.2: Mô hình chuyển động của trục cán 40

Hình 3.3: Hộp giảm tốc sử dụng bánh răng 42

Hình 3.4: Hộp giảm tốc sử dụng trục vít bánh vít 42

Hình 3.13: Trục then hoa và ổ then hoa 48

Hình 3.15: Nguyên lý hoạt động của Cardan then hoa 49

Hình 3.16: Bộ truyền bánh răng từ hộp giảm tốc đến trục cán 49

Hình 3.17: Hộp số giảm tốc 51

Hình 3.18: Inverter EL Series 1.5 kW , 3-phase , 380V 51

Hình 3.19: Sơ đồ lắp đăt tổng thể Inverter 51

Hình 4.1: Sơ đồ vùng biến dạng khi cán kim loại 54

Hình 4.2: Đầu vào của phôi bị dẹp đểtăng ma sát 55

Hình 4.3: Sơ đồđiều kiện vật cán ăn vào trục cán 55

Hình 4.4: Phân bố lực khi trục cán tiếp xúc với vật cán 56

Hình 4.5: I Vùng trễvà II Vùng vượt trước 57

Hình 4.6: Sơ đồ áp lực của kim loại tác dụng lên trục cán 58

Hình 4.7: Đồ thị quan hệ giữa s, % của một số kim loại và kim loại màu 59

Hình 4.8: Đồ thị biểu thị mối liên quan giữa , Ptb/s và  của kim loại màu 60

Hình 4.9: Các kích thước cơ bản trục cán tấm 64

Hình 4.10: Lực cán tác dụng lên trục cán và biểu đồ mômen uốn khi cán 65

Hình 4.11: Gối đỡ trục và bạc lót 67

Hình 4.12: Sơ đồ nguyên lý mạch động lực-điều khiển 69

Hình 4.15: Inverter SV150IG5A-4 (Biến tần LS 3 pha 380V 1.5kW) 71 xii

Hình 4.16: Contactor LS 3P 9A 220VAC MC-9b 71

Hình 4.17: Động cơ điện 3 pha 72

Hình 4.18: Đèn báo pha loại AD22-22DS, AC 220V 72

Hình 4.20: Dừng khẩn cấp Emergency 73

Hình 4.22: Kích thước Inverter SV150IG5A-4 (Biến tần LS 3 pha 380V 1.5kW) 74

Hình 4.23: Sơ đồđấu dây Inverter 75

Hình 4.25: Thiết kế cụm cán 77

Hình 4.30: Trục then hoa và bạc then hoa 79

Hình 4.34: Cơ cấu điều chỉnh lượng cán 81

Hình 4.35: Gối đỡtrượt và ổtrượt bi 82

Hình 4.36: Thanh dẫn trượt và trục cam 82

Hình 4.37: Ổđỡ cam và cam lệch tâm 83

Hình 4.38: Ổbi để lắp cam vào ổđỡ cam 83

Hình 4.39: Chốt cốđịnh, chốt di động, bạc di động 84

Hình 4.44: Thanh điều chỉnh 2 và hộp giảm tốc 87

Hình 4.45: Các chi tiết lắp với hộp giảm tốc 87

Hình 4.46: Tấm đỡđộng cơ 1 và 2 88

Hình 4.47: Tấm đỡ hộp giảm tốc và tủđiện 88

Hình 4.49: Chân chống dùng vòng đệm chén 89

Hình 4.50: Mô hình sau khi hoàn tất 89

Hình 5.1: Mô hình thực tế………… 90 xiii

Hình 5.2: Một vài mẫu sau khi cán 95

Hình 5.3: Biểu đồ biểu diễn mối liên hệ giữa biên độdao động A và lượng đã cán với chiều dài vật sau khi cán 96

Hình 5.4: Biểu đồ biểu diễn mối liên hệ giữa biên độdao động A và lượng đã cán với bề rộng vật sau khi cán 96

Hình 5.5: Mẫu cán có dao động ngang và không có dao động ngang 97

Hình 5.6: Bề mặt các mẫu cán 98

Hình 5.7: Đồ thị biểu diễn lực kéo mẫu (bề dày mẫu B=4.5mm) cho tới khi đứt 98

Hình 5.8: Đồ thị biểu diễn lực kéo mẫu (bề dày mẫu B=4mm) cho tới khi đứt 99

Hình 5.9: Đồ thị biểu diễn lực kéo mẫu (bề dày mẫu B=3.5mm) cho tới khi đứt 99

Hình 5.10: Đồ thị biểu diễn lực kéo mẫu (bề dày mẫu B=3mm) cho tới khi đứt 100

Hình 5.11: Biểu đồ biểu diễn lực kéo đứt các mẫu thử 101

Hình 5.12: Biều đồ biểu diễn kích thước tinh thể trung bình mặt 1………102

Hình 5.13: Biểu đồ biểu diễn kích thước tinh thể trung bình mặt 2………102

1.1 Tổng quan chung vềlĩnh vực nghiên cứu

Hiện nay, nhu cầu ngày càng cao trong lĩnh vực kỹ thuật và vật liệu đã thúc đẩy con người nghiên cứu và phát triển nhiều phương pháp nhằm tạo ra vật liệu có độ bền cao Một trong những phương pháp hiệu quả để tăng cường độ bền của kim loại là gia công bằng áp lực, giúp nâng cao tuổi thọ và độ bền của máy móc, thiết bị.

Gia công biến dạng là phương pháp cơ bản để chế tạo chi tiết máy và sản phẩm kim loại, thay thế cho đúc hoặc gia công cắt gọt Phương pháp này sử dụng áp lực tác dụng lên kim loại ở trạng thái nóng hoặc nguội, giúp thay đổi hình dạng mà không làm mất tính liên tục và độ bền của vật liệu Gia công bằng áp lực được ứng dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp ô tô, hàng không và nhiều lĩnh vực cơ khí khác Các phương pháp gia công bao gồm đúc, rèn, hàn, và tiện Hơn 70% sản phẩm kim loại được sản xuất nhờ công nghệ gia công áp lực, đặc biệt là công nghệ cán, cho thấy tầm quan trọng của nó trong việc tạo hình kim loại.

So với phương pháp đúc, gia công bằng áp lực mang lại sản phẩm có độ bền cao hơn, cải thiện cơ tính vật liệu, độ chính xác và độ bóng bề mặt Phương pháp này cũng tiết kiệm vật liệu nhờ vào gia công không phoi và nâng cao năng suất lao động nhờ ứng dụng máy móc, dẫn đến giảm giá thành sản phẩm Tuy nhiên, các phương pháp gia công áp lực như cán vẫn chưa tạo ra sản phẩm đạt độ bền và độ bóng bề mặt cao mà không ảnh hưởng đến độ dẻo, dai của vật liệu, đặc biệt là với kim loại màu như vàng, bạc, đồng, nhôm Nhôm, thường được sử dụng trong ngành công nghiệp ô tô và máy bay, yêu cầu có cơ tính tốt, khối lượng nhẹ và độ bóng bề mặt cao Do đó, cần phát triển phương pháp để tạo ra các kim loại và hợp kim màu đạt được độ bền, độ cứng, độ dẻo, độ dai, cũng như cải thiện cấu trúc vật liệu.

1.1.2 Các phương pháp gia công áp lực truyền thống

Hình 1.1: Sơ đồ các phương pháp gia công áp lực truyền thống

(Nguồn: Nguyễn Văn Thái, 2006, Võ Trần Khúc Nhã (biên dịch), 2007) (a) Cán

(c) Ép trực tiếp và gián tiếp

Sau khi sử dụng các phương pháp gia công áp lực truyền thống, kim loại thường trở nên cứng hơn và bền hơn, nhưng độ dẻo và độ dai lại giảm, dẫn đến tình trạng giòn Do đó, hiện nay, cả trên thế giới và tại Việt Nam, các nghiên cứu đang được tiến hành để phát triển công nghệ mới nhằm tạo ra vật liệu có độ bền cao mà vẫn giữ được độ dẻo và độ dai Công nghệ biến dạng dẻo mãnh liệt (SPD) là một trong những giải pháp hứa hẹn cho vấn đề này.

1.1.3 Một vài phương pháp gia công biến dạng dẻo mãnh liệt (Server Plastic Deformation – SPD)

Các phương pháp gia công biến dạng dẻo mãnh liệt (SPD) là các quy trình gia công kim loại với biến dạng dẻo lớn nhằm tạo ra kim loại có hạt siêu mịn (UFG) với kích thước hạt trung bình nhỏ hơn 1 µm Mục tiêu của các phương pháp SPD là sản xuất các chi tiết kim loại có khối lượng nhẹ và tính chất cơ học vượt trội.

Vật liệu này nhẹ hơn nhờ vào độ bền cao và tính thân thiện với môi trường Kích thước hạt nhỏ giúp tăng cường độ bền kéo mà không làm giảm độ dai va đập của kim loại, điều này khác biệt so với các phương pháp hóa bền như xử lý nhiệt.

Các quá trình gia công SPD có thể chia thành hai nhóm chính:

- Nhóm thứ nhất bao gồm các phương pháp SPD cho quá trình gia công các kim loại khối không liên tục như:

 Ép kim loại qua góc kênh không đổi (Equal Chanel Angular Pressing - ECAP) được đưa ra đầu tiên bởi Segal (1977)

 Kaveh Edalati cùng với Zenji Horita (2011) đề xuất phương pháp xoắn kim loại dưới áp lực cao (High-Pressure Torsion - HPT)

Hình 1.2: Sơ đồnguyên lý các phương pháp SPD nhóm thứ nhất

Phương pháp ECAP và HPT, thuộc nhóm phương pháp SPD, được sử dụng để sản xuất vật liệu có cấu trúc hạt siêu mịn (UFG) Hai phương pháp này đã thu hút sự quan tâm nghiên cứu của các nhà khoa học trong những năm gần đây, như được chỉ ra bởi Valiev et al (2000), Kim et al (2004), và P Quang et al (2009).

Phương pháp ECAP (Equal Channel Angular Pressing) là kỹ thuật ép kim loại qua hai kênh có tiết diện mặt cắt không đổi, giao nhau với một góc ϕ Quá trình này tạo ra sự biến dạng mạnh mẽ cho kim loại do tác động của biến dạng cắt tại khu vực giao nhau của hai kênh, cụ thể là khu vực ABC với góc khuôn Ψ.

 Đối với phương pháp HPT: kim loại bị nén với áp lực cao đến vài GPa và đồng thời bị biến dạng xoắn

Hai phương pháp này có khả năng tạo ra vật liệu với cấu trúc hạt siêu mịn, nhưng vẫn chưa thể áp dụng sản xuất quy mô lớn do những nhược điểm như năng suất thấp và kích cỡ phôi nhỏ.

Độ b ề n và các tiêu chu ẩ n h ợ p kim nhôm trên th ế gi ớ i

 Các tính chất tiêu biểu

Nhôm là kim loại có một dạng thù hình, có mạng lập phương tâm mặt với thông số mạng a = 4.04 A o , có các tính chất như sau:

Nhôm có khối lượng riêng nhỏ ( = 2.7g/cm³), chỉ bằng khoảng 1/3 so với thép, điều này giúp giảm nhẹ tối đa khối lượng của hệ thống hoặc kết cấu Nhờ vào ưu điểm này, nhôm được ứng dụng rộng rãi trong ngành hàng không và vận tải, nơi việc tiết kiệm năng lượng và giảm tải trọng không tải là rất quan trọng để tăng cường hiệu suất và tải trọng có ích.

Bảng 2.1: Tỷ trọng của nhôm phụ thuộc vào độ sạch và nhiệt độ Độ sạch Tỉ trọng (g/cm 3 )

- Tính dẫn diện và dẫn nhiệt cao, có độ giãn nở nhiệt nhỏ Độ dẫn điện tùy thuộc vào độ sạch của nhôm và bằng 62÷ 66% của đồng

Nhôm và các hợp kim nhôm có tính chống ăn mòn cao nhờ vào lớp màng oxit Al2O3 bám chặt bảo vệ Để tăng cường khả năng chống ăn mòn trong khí quyển, lớp bảo vệ này có thể được làm dày hơn thông qua quá trình anod hóa Nhờ vậy, nhôm và hợp kim của nó có thể được sử dụng trong xây dựng và trang trí nội thất mà không cần thêm biện pháp bảo vệ.

Nhiệt độ chảy thấp của nhôm (660 °C) tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình nấu luyện, tuy nhiên, các hợp kim nhôm không thể hoạt động hiệu quả ở nhiệt độ cao Tính đúc của nhôm không cao do độ co ngót lớn, có thể lên tới 6% Ngoài ra, nhiệt độ nóng chảy của nhôm sẽ tăng lên khi độ sạch của nó cao hơn.

Bảng 2.2: Ảnh hưởng độ sạch của nhôm đến nhiệt độ nóng chảy

- Cơ tính thấp (σb = 6Kg/mm 2 , HB = 25, δ = 40%) do đó rất dễ biến dạng, tính gia công cắt thấp

Vật liệu có tính dẻo cao nhờ vào cấu trúc mạng A1, cho phép dễ dàng biến dạng dẻo khi kéo sợi, cán mỏng thành tấm, lá, băng, màng, hoặc ép chảy thành các thanh dài với nhiều biên dạng phức tạp khác nhau.

Nhôm và hợp kim nhôm có hiệu ứng hóa bền và khả năng biến dạng lớn, do đó, việc áp dụng biến dạng nguội với các mức ép khác nhau là phương pháp phổ biến để tăng cường độ bền cho chúng.

 Các tiêu chuẩn về ký hiệu nhôm

- TCVN 1659-75 quy định ký hiệu nhôm bằng chữ Al và số chỉ % của nhôm, ví dụ: Al99, Al99.5

Theo tiêu chuẩn AA (Aluminium Association) của Mỹ, nhôm được phân loại bằng ký hiệu AA1xxx, trong đó ba số xxx giúp tra cứu bảng để xác định các tính chất cụ thể Chẳng hạn, AA1100 chứa 99.00% nhôm (Al).

- Theo tiêu chuẩn ГOCT của Nga, nhôm nguyên chất được ký hiệu bằng chữ A và số tiếp theo chỉ mức độ sạch Ví dụ A999 có 99.999% Al, Al995 có 99.995% Al

Bảng 2.3: Phân loại nhôm theo tiêu chuẩn ГOCT của Nga

2.3.1 Hợp kim nhôm Đểcó độ bền cao người ta phải hợp kim hóa nhôm và tiến hành nhiệt luyện, vì thế hợp kim nhôm có vị trí khá quan trọng trong chế tạo cơ khí và xây dựng

Hợp kim nhôm được phân làm 2 nhóm chính là hợp kim nhôm biến dạng và hợp kim nhôm đúc.

Theo TCVN, hợp kim nhôm được ký hiệu bằng các ký hiệu hóa học của các nguyên tố, với số chỉ hàm lượng theo % Đối với hợp kim nhôm đúc, ký hiệu sẽ có thêm chữ "Đ" ở cuối.

Theo tiêu chuẩn AA của Mỹ, hợp kim nhôm được ký hiệu là AA xxxx, trong đó số đầu tiên đại diện cho loại hợp kim theo Bảng 2.4, và ba số xxx tiếp theo được sử dụng để tra cứu bảng nhằm xác định các tính chất cụ thể của hợp kim đó.

Bảng 2.4: Ký hiệu nhôm và hợp kim nhôm theo tiêu chuẩn của Mỹ

Loại biến dạng Loại đúc

1xxx Al sạch (99%) 1xx.x Al thỏi

2xxx Al-Cu hoặc Al-Cu-Mg 2xx.x Al-Cu

3xxx Al-Mn 3xx.x Al-Si-Mg hoặc Al-Si-Cu

4xxx Al-Si 4xx.x Al-Si

5xxx Al-Mg 5xx.x Al-Mg

6xxx Al-Mg-Si 6xx.x Không có

7xxx Al-Zn-Mg hoặc Al-Zn-Mg-Cu 7xx.x Al-Zn

8xxx Al-các nguyên tố khác 8xx.x Al-Sn

Hình 2.10: Giản đồ pha hợp kim nhôm (Nguồn: Nghiêm Hùng, 2007)

26 a Hợp kim nhôm biến dạng

Hợp kim nhôm biến dạng là loại hợp kim có hàm lượng nguyên tố hợp kim thấp, nằm bên trái điểm C, C’ Chúng có cấu trúc hoàn toàn là dung dịch rắn nền nhôm, mang lại tính dẻo tốt và khả năng dễ dàng biến dạng cả khi nguội lẫn nóng.

Trong loại này còn chia ra hai phân nhóm là không hóa bền được bằng nhiệt luyện và có hóa bền được bằng nhiệt luyện

Phân nhóm không hóa bền bằng nhiệt luyện chứa ít hợp kim hơn, với tổ chức chỉ là dung dịch rắn ở mọi nhiệt độ Do không có chuyển biến pha, loại này không thể hóa bền bằng nhiệt luyện, mà chỉ có thể đạt được độ bền thông qua biến dạng nguội.

 Hợp kim nhôm với 4%Cu

 Hợp kim Al – Mg – Cu

 Hợp kim Al – Mg – Si

- Phân nhóm hóa bền được bằng nhiệt luyện là loại chứa nhiều hợp kim hơn (từđiểm

Ở nhiệt độ thường, hợp kim F đến C hay C’ có tổ chức hai pha (dung dịch rắn + pha thứ hai) Tuy nhiên, khi nhiệt độ tăng, pha thứ hai sẽ hòa tan hoàn toàn vào dung dịch rắn, dẫn đến hiện tượng chuyển pha Do đó, ngoài biến dạng nguội, hợp kim này có thể được hóa bền thêm bằng nhiệt luyện Chỉ những hệ hợp kim có độ hòa tan trong nhôm biến đổi mạnh theo nhiệt độ mới sở hữu đặc tính này.

 Hợp kim hệ Al – Mn

 Hợp kim hệ Al – Mg

Là hợp kim nhôm biến dạng điển hình được dùng rộng rãi trong kỹ thuật hàng không

- Thành phần: là hợp kim chủ yếu của 3 nguyên tố Al-Cu-Mg với Cu

Định dạng
Số trang	138
Dung lượng	11,63 MB

Tiêu đề	Nghiên cứu chế tạo thử nghiệm máy cán biến dạng mạnh (SPD) có dao động ngang
Tác giả	Nguyễn Văn Phương, Lương Chí Cường
Người hướng dẫn	PGS.TS Lê Chí Cương
Trường học	Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành phố Hồ Chí Minh
Chuyên ngành	Kỹ thuật Cơ khí
Thể loại	đồ án tốt nghiệp
Năm xuất bản	2016
Thành phố	Tp. Hồ Chí Minh