Nghiên cứu chế tạo thử nghiệm mô hình máy cán spd có dao động ngang

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 d

ỦY BAN NHÂN DÂN TP HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG CAO ĐẲNG CÔNG NGHỆ THỦ ĐỨC

KHOA CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY

ĐỀ TÀI:

NGHIÊN CỨU, CHẾ TẠO THỬ NGHIỆM MÔ HÌNH

MÁY CÁN SPD CÓ DAO ĐỘNG NGANG

Tác giả: Thái Văn Giáp Đồng tác giả: Huỳnh Chí Hỷ

Tp Hồ Chí Minh, tháng 01 năm 2018

MỤC LỤC

TRANG BÌA PHỤ

Trang MỤC LỤC i

DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT v

DANH SÁCH CÁC BẢNG BIỂU v

DANH SÁCH CÁC HÌNH ẢNH, BIỂU ĐỒ vi

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 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., 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 13

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 15

2.1 Các hiện tượng và các yếu tố ảnh hưởng đến cấu trúc hạt của kim loại khi gia công biến dạng dẻo 15

2.1.1 Các hiện tượng ảnh hưởng đến cấu trúc hạt của kim loại khi gia công biến dạng dẻo 15

2.1.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến độ hạt của kim loại khi gia công biến dạng dẻo 18

2.2 Nguyên lý và kết cấu máy cán 19

2.2.1 Các bộ phận chính của máy cán 19

2.2.2 Phân loại máy cán 20

2.2.3 Máy cán tấm 23

2.3 Độ bền và các tiêu chuẩn hợp kim nhôm trên thế giới 24

2.3.1 Nhôm 24

2.3.1 Hợp kim nhôm 26

2.4 Mẫu cán thử nghiệm 30

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 38

3.1 Phân tích đối tượng tượng thiết kế 38

3.1.1 Máy cán biến dạng mạnh (SPD) có dao động ngang 38

3.1.2 Vật liệu cán thử nghiệm 39

3.2 Khả năng công nghệ và thực tiễn 39

3.3 Phương án thiết kế 40

3.3.1 Nguyên lý hoạt động 40

3.3.2 Phương án thiết kế chi tiết 42

3.3.2.1 Chọn kiểu thiết kế máy cán 42

3.3.2.2 Chọn hộp giảm tốc 43

3.3.2.3 Chọn cơ cấu tạo dao động dọc trục 44

3.3.2.4 Chọn ổ đỡ trục 46

3.3.2.5 Chọn bộ phận trượt của trục cán 48

3.3.2.6 Chọn bộ phận truyền chuyển động đến trục cán 49

3.3.2.7 Chọn bộ phận điều khiển tốc độ 51

Chương 4 TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ KHÍ, HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN-ĐIỀU KHIỂN 54

4.1 Tính toán thiết kế hệ thống cơ khí 54

4.1.1 Các đại lượng đặc trưng cho quá trình cán kim loại 54

4.1.2 Tính toán các thông số đặc trưng 55

4.1.3 Lực cán, momen cán, công suất động cơ 59

4.1.4 Nghiệm bền và tính toán các chi tiết trên giá cán 65

4.2 Thiết kế hệ thống truyền động điện-điều khiển 70

4.2.1 Sơ đồ nguyên lý 70

4.2.2 Chức năng các thiết bị 70

4.2.3 Nguyên lý hoạt động 76

4.3 Thiết kế chi tiết và gia công chế tạo thiết bị 77

Chương 5 KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM 92

5.1 Kết quả chế tạo thử nghiệm máy 92

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

5.1.2 Thông số kỹ thuật 93

5.1.3 Quy trình vận hành và chỉ dẫn an toàn 94

5.2 Cán thử nghiệm mẫu nhôm 97

5.2.1 Kiểm tra độ bền kéo mẫu sau cán 100

5.2.2 Kiểm tra kích thước tinh thể trung bình vật liệu mẫu sau cán 103

Chương 6 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 106

6.1 Kết luận 106

6.1.1 Kết quả đạt được so với mục tiêu ban đầu đề ra 106

6.1.2 Kết quả chưa đạt được và các lỗi phát sinh trong quá trình thử nghiệm 106

6.2 Kiến nghị và hướng phát triển của đề tài 106

TÀI LIỆU THAM KHẢO 108

PHỤ LỤC……… 107

DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT

ARB: Accumulative Roll Bonding

ECAP: Equal Channel Angular Process

ECAP-Conform: Equal Channel Angular Process-Conform

ECAR: Equal Channel Angular Rolling

HPT: High Pressure Torsion

HRDSR: High-Ratio Differential Speed Rolling

RCS: Repetitive Corrugation And Strengthening

SPD: Severe Plastic Deformation

TWVR: Through-Width Vibration Rolling

UFG: Ultrafine-Grained

DANH SÁCH CÁC BẢNG BIỂU

Bảng 2.1: Tỷ trọng của nhôm phụ thuộc vào độ sạch và nhiệt độ 24

Bảng 2.2: Ảnh hưởng độ sạch của nhôm đến nhiệt độ nóng chảy 24

Bảng 2.3: Phân loại nhôm theo tiêu chuẩn ГOCT của Nga 25

Bảng 2.4: Ký hiệu nhôm và hợp kim nhôm theo tiêu chuẩn của Mỹ 26

Bảng 2.5: Ký hiệu và trạng thái gia công hợp kim nhôm của Nga, Mỹ và Canada 28

Bảng 2.6: Tiêu chuẩn ký hiệu hợp kim nhôm theo Aluminum Association 29

Bảng 2.7: Bảng quy đổi thành phần, ký hiệu một số hợp kim nhôm theo TCVN và Aluminum Association (AA) 30

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 42

Bảng 3.2: So sánh chọn hộp giảm tốc cho máy 44

Bảng 3.3: So sánh chọn cơ cấu tạo dao động ngang (dọc trục cán) 46

Bảng 3.4: So sánh chọn ổ đỡ trục 47

Bảng 3.5: So sánh chọn bộ phận trượt của trục cán 49

Bảng 3.6: So sánh chọn bộ phận truyền chuyển động đến trục cán 51

Bảng 3.7: So sánh chọn bộ phận điều khiển tốc độ 53

Bảng 4.1: Hệ số ma sát f khi cán 1 số kim loại màu 58

Bảng 4.2: Hệ số ma sát của một vài ổ đỡ trục f' 63

Bảng 4.3: Kích thước biến tần LS SV150IG5A-4 75

Bảng 5.1: Thông số kỹ thuật máy cán biến dạng mạnh (SPD) có dao động ngang…91

Bảng 5.2: Quy trình vận hành thử nghiệm máy 94

Bảng 5.3: Kích thước trung bình mẫu sau cán (mm) 97

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 Through-width 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 15

Hình 2.2: Sai lệch đường trong mạng tinh thể 16

Hình 2.3: Sai lệch mặt trong mạng tinh thể 17

Hình 2.4: Sơ đồ động máy cán thép 2 trục 19

Hình 2.5: Máy cán ống tự động 20

Hình 2.6: Cách bố trí giá cán 21

Hình 2.7: Các loại giá cán 22

Hình 2.8: Sơ đồ máy cán hành tinh 22

Hình 2.9: Máy cán tấm nguội 23

Hình 2.10: Giản đồ pha hợp kim nhôm 26

Hình 2.11: Kích thước mẫu cán 31

Hình 2.12: Mối ghép then hoa 32

Hình 2.13: Các dạng tiết diện của then 32

Hình 2.14: Bạc then hoa 33

Hình 2.15: Định tâm theo đường kính ngoài D 33

Hình 2.16: Định tâm bằng mặt trụ trong, đường kính d 34

Hình 2.17: Định tâm theo mặt bên của then 34

Hình 2.18: Dòng máy thử nghiệm kéo nén vạn năng thủy lực CHT4000 35

Hình 2.19: Giao diện phần mềm PowerTest của SANS 36

Hình 3.1: Sơ đồ nguyên lý 40

Hình 3.2: Mô hình chuyển động của trục cán 41

Hình 3.3: Hộp giảm tốc sử dụng bánh răng 43

Hình 3.4: Hộp giảm tốc sử dụng trục vít bánh vít 43

Hình 3.5: Động cơ rung 45

Hình 3.6: Cam lệch tâm 45

Hình 3.7: Trục khủy 45

Hình 3.8: Nam châm điện 46

Hình 3.9: Ổ lăn 47

Hình 3.10: Bạc lót trục 47

Hình 3.11: Gối đỡ 48

Hình 3.12: Ổ bi trượt 48

Hình 3.13: Trục then hoa và ổ then hoa 49

Hình 3.14: Khớp Cardan 50

Hình 3.15: Nguyên lý hoạt động của Cardan then hoa 50

Hình 3.16: Bộ truyền bánh răng từ hộp giảm tốc đến trục cán 50

Hình 3.17: Hộp số giảm tốc 52

Hình 3.18: Inverter EL Series 1.5 kW , 3-phase , 380V 52

Hình 3.19: Sơ đồ lắp đăt tổng thể Inverter 52

Hình 4.1: Sơ đồ vùng biến dạng khi cán kim loại 55

Hình 4.2: Đầu vào của phôi bị dẹp để tăng ma sát 56

Hình 4.3: Sơ đồ điều kiện vật cán ăn vào trục cán 56

Hình 4.4: Phân bố lực khi trục cán tiếp xúc với vật cán 57

Hình 4.5: I Vùng trễ và II Vùng vượt trước 58

Hình 4.6: Sơ đồ áp lực của kim loại tác dụng lên trục cán 59

Hình 4.7: Đồ thị quan hệ giữa s, % của một số kim loại và kim loại màu 60

Hình 4.8: Đồ thị biểu thị mối liên quan giữa , Ptb/s và  của kim loại màu 61

Hình 4.9: Các kích thước cơ bản trục cán tấm 65

Hình 4.10: Lực cán tác dụng lên trục cán và biểu đồ mômen uốn khi cán 66

Hình 4.11: Gối đỡ trục và bạc lót 68

Hình 4.12: Sơ đồ nguyên lý mạch động lực-điều khiển 70

Hình 4.13: Dây điện 3 pha 71

Hình 4.14: CB LS BKN C32 71

Hình 4.15: Inverter SV150IG5A-4 (Biến tần LS 3 pha 380V 1.5kW) 72

Hình 4.16: Contactor LS 3P 9A 220VAC MC-9b 72

Hình 4.17: Động cơ điện 3 pha 73

Hình 4.18: Đèn báo pha loại AD22-22DS, AC 220V 73

Hình 4.19: Nút nhấn 74

Hình 4.20: Dừng khẩn cấp Emergency 74

Hình 4.21: Biến trở (Potentiometer) 74

Hình 4.22: Kích thước Inverter SV150IG5A-4 (Biến tần LS 3 pha 380V 1.5kW) 75

Hình 4.23: Sơ đồ đấu dây Inverter 76

Hình 4.24: Tủ điện hoàn chỉnh 77

Hình 4.25: Thiết kế cụm cán 78

Hình 4.26: Trục cán 1 78

Hình 4.27: Cụm gối đỡ 79

Hình 4.28: Gối đỡ 79

Hình 4.29: Cụm trục cán 1 80

Hình 4.30: Trục then hoa và bạc then hoa 80

Hình 4.31: Giá cán 81

Hình 4.32: Thanh chữ I 81

Hình 4.33: Thanh điều chỉnh 1 81

Hình 4.34: Cơ cấu điều chỉnh lượng cán 82

Hình 4.35: Gối đỡ trượt và ổ trượt bi 83

Hình 4.36: Thanh dẫn trượt và trục cam 83

Hình 4.37: Ổ đỡ cam và cam lệch tâm 84

Hình 4.38: Ổ bi để lắp cam vào ổ đỡ cam 84

Hình 4.39: Chốt cố định, chốt di động, bạc di động 85

Hình 4.40: Thanh cố định 1 và 2 85

Hình 4.41: Cụm dẫn trượt 86

Hình 4.42: Cụm đỡ cam 87

Hình 4.43: Thân máy 87

Hình 4.44: Thanh điều chỉnh 2 và hộp giảm tốc 88

Hình 4.45: Các chi tiết lắp với hộp giảm tốc 88

Hình 4.46: Tấm đỡ động cơ 1 và 2 89

Hình 4.47: Tấm đỡ hộp giảm tốc và tủ điện 89

Hình 4.48: Nắp bảo vệ 89

Hình 4.49: Chân chống dùng vòng đệm chén 90

Hình 4.50: Mô hình sau khi hoàn tất 90

Hình 5.1: Mô hình thực tế ………… 90 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 98

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 98

Hình 5.5: Mẫu cán có dao động ngang và không có dao động ngang 99 Hình 5.6: Bề mặt các mẫu cán 100 Hình 5.7: Đồ thị biểu diễn lực kéo mẫu (bề dày mẫu B=4.5mm) cho tới khi đứt 100 Hình 5.8: Đồ thị biểu diễn lực kéo mẫu (bề dày mẫu B=4mm) cho tới khi đứt 101 Hình 5.9: Đồ thị biểu diễn lực kéo mẫu (bề dày mẫu B=3.5mm) cho tới khi đứt 101 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 103 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

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

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 lượng

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 (High-Pressure 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

✓ 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 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)

• Sự nghiên cứu gần đây là phương pháp cán kim loại với sự tích hợp của dao động dọc trục của trục cán (Through-Width Vibration Rolling Process - TWVR) của Hsieh et al (2009, 2012), Phạm Huy Tuân, Trần Quốc Cường, Dung-An Wang (2013)

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) ECAP-Conform

(e) HRDSR (f) TWVR

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)

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 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., 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 vòng/phút 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

Hình 1.5: Mô hình minh họa phương pháp Through-width vibration-

rolling (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 (W/2) 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 giờ

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 giờ

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 (ultrafine-grained hay UFG) và cấu trúc hạt nano (nano-grained 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)

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

(Nguồn: H Yu et al., 2016)

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

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 điện-điều khiển

- Thiết kế chi tiết

- 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

- Mô hình máy nhằm cung cấp trang bị dạy học cho các học phần: Nguyên lý – Chi tiết máy, Công nghệ Chế tạo máy, Đồ án Công nghệ Chế tạo máy, thực tập cơ khí, gia công cơ khí tổng hợp

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: lệch biên, lệch xoắn, lệch

hỗn hợp Ngày nay, đã có thể giải thích nhiều vấn đề về cơ tính, lý tính của kim loại và hợp kim mà trước đây không thể giải thích được bằng lý thuyết cổ điển

Hình 2.2: Sai lệch đường trong mạng tinh thể

(Nguồn: Lê Công Dưỡng, 2000)

• Sai lệch mặt: là loại sai lệch có kích thước lớn theo hai chiều và nhỏ theo chiều thứ 3, có dạng của một mặt (mặt ở đây có thể là phẳng, cong hay uốn lượn) Trong tinh thể sai lệch chủ yếu là biên giới hạt, biên giới siêu hạt, sai lệch xếp, mặt đối tinh và mặt ngoài tinh thể

Hình 2.3: Sai lệch mặt trong mạng tinh thể

(Nguồn: Lê Công Dưỡng, 2000) a) Biên giới hạt b) Biên giới siêu hạt tạo nên do tường lệch

b Ảnh hưởng của các hiện tượng xảy ra khi biến dạng dẻo

• Hiện tượng biến cứng

- Thay đổi đình dạng của đơn tinh thể

- Hướng đa tinh thể thay đổi từ vô hướng sang tập trung về trục tác dụng của các lực tác dụng, tinh thể bị kéo dài từ vô hướng thành có hướng nhất định

- Gây ứng suất dư do biến dạng không đều cùng lúc, biến dạng trong nội bộ hạt tinh thể không đều

• Hiện tượng biến mềm: biến kim loại từ trạng thái mất cân bằng có thế năng tự

do cao (do biến cứng) về trạng thái cân bằng

• Hiện tượng hồi phục: khi ở nhiệt độ thấp trong kim loại đã qua biến dạng dẻo xảy ra các quá trình hồi phục, đó là các biến đổi nhỏ trong mạng tinh thể bị xô lệch như: giảm sai lệch mạng nói chung, giảm mật độ lệch và ứng suất bên trong

• Hiện tượng kết tinh lại

- Kết tinh lại lẩn thứ nhất: đây là giai đoạn quan trọng nhất với các đột biến về cấu trúc mạng tinh thể, tổ chức tế vi và tính chất Khi kim loại qua biến dạng dẻo có nhiệt độ cao hơn nhiệt độ nhất định (gọi là nhiệt độ kết tinh lại) trong mạng tinh thể bị xô lệch có quá trình hình thành các hạt mới không có các sai lệch do biến dạng dẻo gây ra theo cơ chế tạo mầm và phát triển mầm như kết tinh

- Mầm là những vùng không chứa sai lệch do biến dạng dẻo, chúng sinh ra chủ yếu ở những vùng bị xô lệch mạnh nhất, năng lượng dự trữ cao nhất nên kém

ổn định nhất do đó dễ trở về trạng thái cân bằng với ít sai lệch nhất

Như vậy kim loại bị biến dạng dẻo cành mạnh, mầm kết tinh lại sẽ hình thành càng nhiều dẫn đến số lượng hạt sinh ra càng lớn tạo điều kiện để các hạt có kích thước nhỏ hơn

- Kết tinh lại lần thứ hai: sau khi kết tinh lần thứ nhất nếu tiếp tục nâng cao nhiệt

độ hay kéo dài thời gian giữ nhiệt sẽ có quá trình sát nhập của các hạt nhỏ hơn bao quanh vào hạt lớn, làm cho hạt lớn to thêm Sự phát triển hạt là quá trình

tự nhiên vì nó làm giảm tổng biên giới hạt do đó làm giảm tổng năng lượng

dự trữ Quá trình này là quá trình kết tinh lại lần thứ hai và thường phải tránh

- Nhiệt độ kết tinh lại: là nhiệt độ nhỏ nhất tại đó xảy ra quá trình kết tinh lại (tạo mầm và phát triển mầm) với tốc độ đáng kể Do kết tinh lại phụ thuộc vào

sự dịch chuyển xa của nguyên tử nên nhiệt độ của quá trình đó phụ thuộc vào nhiệt độ nóng chảy

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

• Mức độ biến dạng

- Nói chung kim loại bị biến dạng dẻo càng mạnh, sau khi kết tinh lại hạt có kích thước càng nhỏ, điều này được giải thích là do xô lệch mạng mạnh tạo nên nhiều mầm Chính vì vậy ngoài lý do năng suất ra người ta thường gắn biến dạng với lượng ép lớn để tạo ra hạt nhỏ khi kết tinh lại

- Biến dạng nhỏ với lượng ép 2÷8% chỉ tạo ra rất ít vũng xô lệch nên tạo ra ít mầm, hạt tạo thành rất lớn, độ biến dạng như vậy gọi là độ biến dạng tới hạn, thường phải tránh

• Nhiệt độ ủ và thời gian giữ nhiệt

- Nhiệt độ ủ: nhiệt độ ủ càng cao tốc độ tạo mầm và phát triển mầm đều tăng nhưng tốc độ phát triển tăng nhanh hơn nên hạt to hơn

- Thời gian giữ nhiệt: thời gian giữ nhiệt tại nhiệt độ ủ càng dài càng có điều kiện cho hạt phát triển nên hạt càng lớn

- Sau khi biến dạng nóng, nhiệt độ ngừng biến dạng càng cao thì hạt càng lớn

• Nhận xét chung cho các phương pháp biến dạng dẻo mãnh liệt (SPD)

Các phương pháp biến dạng dẻo mãnh liệt thực chất là làm gia tăng xô lệch mạng để tạo ra nhiều mầm, từ đó sau khi kết tinh lại hạt tạo thành càng mịn và nhỏ

Nếu biến dạng càng mãnh liệt thì nhiệt độ sinh ra trong quá trình gia công càng lớn dẫn đến xảy ra hiện tượng hồi phục làm giảm xô lệch mạng, từ đó làm giảm mầm sinh ra và hạt sinh ra khi kết tinh lại sẽ lớn

Nếu biến dạng không đủ mạnh thì xô lệch mạng sinh ra sẽ ít hơn cũng làm giảm mầm sinh ra và hạt sau kết tinh cũng sẽ lớn

Vì vậy cần lựa chọn một mức biến dạng và tốc độ biến dạng hợp lí để nhiệt độ sinh

ra không quá cao để tránh cho tổng số lượng mầm sinh ra là lớn nhất và làm cho kích thước hạt lớn

2.2 Nguyên lý và kết cấu máy cán

2.2.1 Các bộ phận chính của máy cán

Cán thép hay cán nói chung là một trong những ngành gia công kim loại bằng

áp lực hay còn gọi là phương pháp gia công không phoi

Hình 2.4: Sơ đồ động máy cán thép 2 trục

(Nguồn: Đỗ Hữu Nhơn, 2006)

I Nguồn năng lượng: Động cơ điện

II Bộ phận truyền động: hộp giảm tốc, hộp truyền lực, trục khớp nối…

III Giá cán: Khung giá, trục cán, bệ máy, gối đỡ, bạc lót…

Máy cán là một tổ hợp gồm 3 bộ phận chính [7]:

• Giá cán: là nơi tiến hành quá trình cán bao gồm: các trục cán, gối, ổ đỡ trục

cán, hệ thống nâng hạ trục cán, hệ thống cân bằng trục, thân máy, hệ thống

dẫn phôi, cơ cấu lật trở phôi…

• Hệ thống truyền động: là nơi truyền momen cho trục cán, bao gồm hộp giảm

tốc, khớp nối, trục nối, bánh đà, hộp phân lực…

• Nguồn năng lượng: là nơi cung cấp năng lượng cho máy hoạt động, thường

dùng các loại động cơ điện một chiều và xoay chiều hoặc các máy phát điện

2.2.2 Phân loại máy cán

Các loại máy cán được phân loại theo công dụng, theo số lượng và phương pháp

bố trí trục cán và vị trí trục cán

a Phân loại theo công dụng

- Máy cán phá: dùng để cán phá từ thỏi thép đúc gồm có máy cán phôi thỏi

Blumin và máy cán phôi tấm Slabin

- Máy cán phôi: đặt sau máy cán phá và cung cấp phôi cho máy cán hình và máy

- Máy cán tấm: Trục cán tấm luôn có dạng hình trụ tròn xoay, đòi hỏi độ chính

xác, đồng đều bề mặt, độ bóng cao Dùng cán tấm nguội và cán tấm nóng

- Máy cán ống: Máy cán ống không hàn và máy cán ống hàn

- Máy cán đặc biệt: có thể tạo ra sản phẩm cán có hình dạng phức tạp, khối

lượng lớn

Hình 2.5: Máy cán ống tự động

(Nguồn: Đỗ Hữu Nhơn, 2006)

b Phân loại theo cách bố trí giá cán

- Máy cán có một giá cán (máy cán đơn, a): chủ yếu là máy cán phôi thỏi Blumin hoặc máy cán phôi 2 hoặc 3 trục

- Máy cán bố trí một hàng (b) được bố trí nhiều lỗ hình hơn

- Máy cán bố trí 2 hay nhiều hàng (c, d) có ưu điểm là có thể tăng dần tốc độ cán ở các giá cán sau cùng với sự tăng chiều dài của vật cán

- Máy cán bán liên tục (e): nhóm giá cán thô được bố trí liên tục, nhóm cán tinh được

bố trí theo hàng Máy cán bán liên tục thông dụng khi cán thép hình cỡ nhỏ

- Máy cán liên tục (f): các giá cán được bố trí liên tục, chỉ thực hiện một lần cán

c Phân loại theo số lượng và sự bố trí trục cán

- Máy cán 2 trục đảo chiều: chiều quay của trục được đảo chiều lại sau một lần cán Dùng cán phá, cán tấm dày

- Máy cán 2 trục không đảo chiều: dùng trong cán liên tục, cán tám mỏng

- Máy cán vạn năng: trục cán vừa bố trí thẳng đứng vừa nằm ngang

- Máy cán trục nghiêng: dùng khi cán ống không hàn và máy ép đều ống

1 Cơ cấu cân bằng thủy lực

2 Thùng chứa dầu

3 Động cơ

4 Cơ cấu điều chỉnh lượng ép

5 Băng kim loại

Hình 2.8: Sơ đồ máy cán hành tinh

(Nguồn: Đỗ Hữu Nhơn, 2006)

1 Lò nung liên tục 2 Trục cán phá (chủ động) 3 Máy dẫn phôi (dẫn hướng)

4 Trục cán hành tinh 5 Trục tựa 6 Trục là sản phẩm

Do điều kiện và giới hạn đề tài cũng như mục tiêu kết quả cần đạt được nên nhóm nghiên cứu chủ yếu tìm hiểu về nguyên lý, đặc điểm của máy cán tấm

2.2.3 Máy cán tấm

Máy cán tấm có nhiệm vụ cán thép và các kim loại khác ở trạng thái nóng và ở trạng thái nguội Máy cán tấm nóng cán ra những sản phẩm tấm có chiều dày từ 1.5mm đến 60mm Máy cán tấm nguội cán ra các tấm và băng kim loại mỏng, cực mỏng có độ dày từ 0.007mm đến 1.25mm [7]

Người ta thường dùng máy cán 2 trục, 4 trục, 6 trục, 12 trục,…để cán tấm, máy cán càng nhiều trục thì độ dày sản phẩm các càng chính xác

Trục cán tấm luôn có dạng hình trụ tròn xoay và đòi hỏi có độ chính xác, độ đồng đều bề mặt, độ bóng cao Khác với cán hình, khi cán tấm cần năng lượng nhiều hơn vì lực cán rất lớn, đặc biệt khi cán tấm nguội

Sản phẩm tấm luôn có tiết diện hình chữ nhật và có chiều dài rất dài cho nên sản phẩm của chúng thường ở dạng cuộn để dễ vận chuyển

Mong muốn của con người là cán ra những sản phẩm càng rộng thì càng tốt, nhưng trên thực tế chỉ mới cán được thép tấm có chiều rộng đạt tới gần 4000mm Cán nguội kim loại cần bôi trơn tốt để bề mặt trục cán bóng đẹp và không bị biến dạng trong khi cán vì khi cán nguội ma sát rất lớn và tốn nhiều năng lượng [7]

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

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

- 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

- Tính chống ăn mòn cao (vì có màng oxit Al2O3 bám chặt bảo vệ) Để tăng tính chống ăn mòn trong khí quyển người ta làm cho lớp bảo vệ này dày lên bằng cách anod hóa, nhờ đó nhôm và các hợp kim nhôm có thể dùng trong xây dựng, trang trí nội thất mà không cần bảo vệ

- Nhiệt độ chảy thấp (660oC) giúp dễ dàng cho quá trình nấu luyện song các hợp kim nhôm không làm việc được ở nhiệt độ cao Tính đúc không cao do độ co ngót lớn (lên tới 6%) Nhiệt độ nóng chảy tăng theo độ sạch của nhôm

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

- Cơ tính thấp (σb = 6Kg/mm2, HB = 25, δ = 40%) do đó rất dễ biến dạng, tính gia công cắt thấp

- Tính dẻo rất cao, do kiểu mạng A1 rất dễ biến dạng dẻo nhất là khi kéo sợi, dây và cán mỏng thành tấm, lá, băng, màng, ép chảy thành các thanh dài với các biên dạng phức tạp rất khác nhau

- Có hiệu ứng hóa bền, biến dạng lớn, nên đối với nhôm và hợp kim nhôm, biến dạng nguội với lượng ép khác nhau là biện pháp hóa bền thường dùng

• 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 ký hiệu AA1xxx, ba số xxx khi biết sẽ dùng để tra bảng để biết tính chất cụ thể Ví dụ: AA1100 có 99.00% 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

(Nguồn: Nghiêm Hùng, 2007)

Theo tiêu chuẩn AA của Mỹ Hợp kim nhôm được ký hiệu AA xxxx, số đầu

tiên có nghĩa như Bảng 2.4, ba số xxx tiếp theo sẽ dùng để tra bảng để biết cụ thể các

tính chất

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

1xxx Al sạch (99%) 1xx.x Al thỏi

2xxx Al-Cu hoặc Al-Cu-Mg 2xx.x Al-Cu

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)

a Hợp kim nhôm biến dạng

Hợp kim nhôm biến dạng là hợp kim với hàm lượng thấp nguyên tố hợp kim (bên trái điểm C, C’) tùy thuộc nhiệt độ có tổ chức hoàn toàn là dung dịch rắn nền nhôm nên có tính dẻo tốt, dễ dàng biến dạng nguội hay 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 được bằng nhiệt luyện là loại chứa ít hợp kim hơn (bên trái F), ở mọi nhiệt độ chỉ có tổ chức là dung dịch rắn, không có chuyển biến pha nên không thể hóa bền được bằng nhiệt luyện, chỉ có thể hóa bền bằng biến dạng nguội

mà thôi Ví dụ:

• 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 (từ điểm

F đến C hay C’), ở nhiệt độ thường có tổ chức hai pha (dung dịch rắn + pha thứ hai), nhưng ở nhiệt độ cao pha thứ hai hòa tan hết vào dung dịch rắn, tức có chuyển pha, nên ngoài biến dạng nguội có thể hóa bền thêm bằng nhiệt luyện Như vậy, chỉ hệ hợp kim với độ hòa tan trong nhôm biến đổi mạnh theo nhiệt độ mới có thể có đặc tính này Ví dụ:

• Nhôm có độ bền khá cao nhất là sau khi nhiệt luyện σb=42÷47 Kg/mm2

• Do có độ bền cao và nhẹ ( = 2.8g/cm3) nên đura có độ bền riêng lớn nhất Độ bền riêng là tỷ số σb/, trong khi độ bền riêng của Al là 15÷16 thì của thép CT51 là 6÷6.5 và của gang là 1.5÷6

- Ký hiệu, công dụng:

• Ký hiệu: AlCu4Mg (có 95% Al, 4% Cu và 1% Mg) hoặc AA2014

• Công dụng: do có độ bền riêng cao nên Al được sử dụng phổ biến trong kỹ thuật hàng không (kết cấu máy bay, tàu vũ trụ…), giao thông vận tải (dầm chịu lực xe tải, sườn tàu biển…) hoặc làm dụng cụ thể thao…

b Hợp kim nhôm đúc

Hợp kim với nhiều hợp kim hơn (bên phải điểm C, C’), có nhiệt độ chảy thấp hơn, trong tổ chức có cùng tinh nên tính đúc cao Do có nhiều pha thứ hai (thường là hợp chất hóa học) hợp kim giòn hơn, không thể biến dạng dẻo được Khả năng hóa bền bằng nhiệt luyện của nhóm này nếu có cũng không cao vì không có biến đổi mạnh của tổ chức khi nung nóng Ví dụ:

• Hợp kim hệ Al – Si

• Hợp kim hệ Al – Cu

❖ Silumin

Là hợp kim nhôm đúc được dùng rộng rãi nhất Nó là hợp kim được tạo nên từ

cơ sở hệ hợp kim Al - Si Ngoài ra trong thành phần còn có thể có thêm Mg, Mn, Cu, Zn…

Theo thành phần hóa học người ta chia Silumin ra làm 2 nhóm:

- Silumin đơn giản

• Là hợp kim nhôm đúc mà thành phần chính của nó là nhôm và silic (Ví dụ: AlSi13 có 87% Al và 13% Si, theo tiêu chuẩn của Liên Xô là AЛ2 hay theo tiêu chuẩn của Mỹ là AA423.0)

• Có tính đúc rất tốt (độ chảy loãng cao, khả năng điền đầy khuôn lớn, độ nhẵn

bề mặt rất cao) nên được dùng để đúc định hình các chi tiết có hình dạng phức tạp Nhược điểm của nó là có rổ khí, cơ tính thấp, không có khả năng hóa bền bằng nhiệt luyện Dạng nhiệt luyện duy nhất đối với nó là ủ ở khoảng 3000C, làm nguội trong không khí Thường dùng làm vật liệu để đúc các chi tiết máy

có hình dáng phức tạp, chịu tải trọng nhẹ

- Silumin phức tạp

• Là hợp kim nhôm với 4÷10% Si và có thêm các nguyên tố hợp kim đặc biệt như

Cu, Mg, Zn, Mn… (Ví dụ: AlSi8Mg, AlSi6MgMnCu7, AlSi5MnCu3…)

• Do có thêm các nguyên tố hợp kim mà độ bền của Silumin phức tạp cao hơn hẳn nhất là sau khi nhiệt luyện Thường dùng làm các chi tiết máy quan trọng như: thân máy nén, thân nắp động cơ ô tô (AЛ4), pit tông (AЛ26 hay AA390.0)

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

T Tôi và hóa già tự nhiên O Ủ và kết tinh lại

T1 Tôi và hóa già nhân tạo H Trạng thái biến dạng

H Biến cứng

Biến cứng không hoàn toàn H11

Biến dạng với mức biến cứng nhỏ

H1 Biến cứng mạnh H12 Biến dạng với mức 1/4 biến

già tự nhiên T6 Tôi, hóa già hóa bền cực đại T4 Giống T3 nhưng không có

biến dạng nguội T7 Tôi, hóa già ổn định T5 Giống T1 nhưng hóa già

nhân tạo T8 Tôi, hóa già biến mềm (qua

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

Hệ thống hợp kim Loại ký hiệu Hệ thống hợp kim Loại ký hiệu

Mg và

Al-Các nguyên tố khác 8000

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

Aluminum Association (AA)

Hợp kim đúc

Al-Si-Mg-Cu AlSi12Mg1.3Cu4Mn0.6Đ -

12Si-1.3Mg-2Cu0.6Mn-1Ni-0.2Ti

Kết luận: Trong sản xuất cơ khí thường dùng các hợp kim nhôm qua nhiệt luyện và biến dạng dẻo có độ bền không thua kém gì thép cacbon Do vậy, trong công nghiệp đặc biệt là hàng không, vũ trụ, các ngành công nghiệp như ô tô và ngày nay là các thiết bị điện tử, di động hợp kim nhôm được áp dụng rộng rãi Nhôm nguyên chất được sử dụng chủ yếu để truyền tải điện nhất là ở các đường trục chính, để tăng độ bền trong dây dẫn người ta thường ghép thêm dây thép để chịu lực (được gọi là cáp nhôm) Nhôm nguyên chất cũng được sử dụng nhiều làm đồ gia dụng

2.4 Mẫu cán thử nghiệm

Yêu cầu chung của mẫu cán thí nghiệm:

• Độ nhám bề mặt phần làm việc của mẫu phải tương ứng với Ra = 0.32÷0.16µm theo TCVN 2511-78

• Bề mặt mẫu không được có vết rỉ, vết rỗ, khuyết tật gia công, vết biến màu nhiệt, nếu như các yếu tố này không được quy định nghiên cứu

• Cắt các phôi, đánh dấu và gia công mẫu không được làm ảnh hưởng nhiều đến các tính chất của vật liệu ban đầu

• Nhiệt sinh ra trong gia công mẫu không được gây ra biến đổi cấu trúc và những biến đổi hóa-lý trong kim loại

• Phải chọn lượng dư gia công, các thông số chế độ cắt và trình tự gia công sao cho ít gây biến cứng nhất, tránh sinh nhiệt cục bộ quá lớn khi mài và sinh ra các vết nứt hoặc các khuyết tật khác Phải làm sạch các bavia trên mẫu

• Trong một loạt mẫu thử các mẫu phải cùng loại vật liệu, công nghệ chế tạo mẫu phải giống nhau

• Không được làm hư hỏng bề mặt khi đo lần cuối các kích thước phần làm việc của mẫu

• Thí nghiệm cán được thực hiện trên các mẫu có mặt cắt hình chữ nhật

• Mẫu thí nghiệm có thể thay đổi vật liệu và kích thước tùy vào điều kiện nghiên cứu

Kích thước của mẫu thí nghiệm:

Mẫu thí nghiệm được chọn là hợp kim nhôm biến dạng Al- Mg- Si có kích thước: chiều dài 150mm, bề rộng 20mm, bề dày 5mm

Hình 2.11: Kích thước mẫu cán

2.5 Trục then hoa

Có thể coi mối ghép then hoa như một mối ghép then bằng gồm có nhiều then làm liền với trục Mối ghép then hoa thường dùng khi tải trọng lớn, yêu cầu độ đồng tâm giữa trục và bạc cao hoặc cần di trượt bạc dọc trục