Proceedings VCM 2012 29 mô hình hóa quá trình biến dạng dẻo và xác định các thông số

Tóm tắt Bài báo đã tiến hành phân tích, lựa chọn công nghệ ép chảy nóng để chế tạo cốc đáy động cơ hành trình thiết bị bay từ hợp kim titan mác BT14. Bằng phương pháp kết hợp mô phỏng số quá trình biến dạng dẻo và qui hoạch thực nghiệm đã xác định được ảnh hưởng của thông số nhiệt độ ép và kích thước ban đầu phôi tới quá trình biến dạng tạo hình. Trên cơ sở đó đã xác định được các thông số công nghệ tối ưu phôi cốc đáy. Abstract: This paper analyzes and chooses the hotextrusion technology for fabricating lower wall of cruise engines for a flying object from titanium alloy type BT14. By combining simulation of plastic deformation and a well planned experiment, the effect of pressure temperature parameter and initial blank size on the deformation process is determine

Mô hình hóa quá trình biến dạng dẻo và xác định các thông số công nghệ tối ưu chế tạo cốc đáy động cơ hành trình thiết bị

bay từ hợp kim titan Modelizing plastic deformation and determining the optimal

technological parameters in fabricating lower wall of cruise

engines for a flying object from titanium alloy

Trần Ngọc Thanh, Đinh Văn Hiến

Viện Cơ điện tử/Viện Khoa học và Công nghệ Quân sự

e-Mail: tranngocthanh@ymail.com

Tóm tắt

Bài báo đã tiến hành phân tích, lựa chọn công nghệ ép chảy nóng để chế tạo cốc đáy động cơ hành trình thiết bị bay từ hợp kim titan mác BT-14 Bằng phương pháp kết hợp mô phỏng số quá trình biến dạng dẻo và qui hoạch thực nghiệm đã xác định được ảnh hưởng của thông số nhiệt độ ép và kích thước ban đầu phôi tới quá trình biến dạng tạo hình Trên cơ sở đó đã xác định được các thông số công nghệ tối ưu phôi cốc đáy

Abstract:

This paper analyzes and chooses the hot-extrusion technology for fabricating lower wall of cruise engines for a flying object from titanium alloy type BT-14 By combining simulation of plastic deformation and a well planned experiment, the effect of pressure temperature parameter and initial blank size on the deformation process is determined Thus, optimal technological parameters in fabricating flying object engines lower wall has been determined

1 Phần mở đầu

Cốc đáy động cơ hành trình thiết bị bay là chi tiết

quan trọng có nhiệm vụ liên kết động cơ với

khoang chức năng Do điều kiện làm việc khắc

nghiệt (chịu áp suất và nhiệt độ cao) nên cốc đáy

động cơ được chế tạo từ vật liệu có độ bền cơ học

cao, tính chịu nhiệt tốt Vật liệu được chế tạo là

hợp kim titan mác BT14, hợp kim này có khả năng

đáp ứng tốt các yêu cầu làm việc của cốc đáy [1]

Phân tích bản vẽ chi tiết cốc đáy nhận thấy phôi

dùng để chế tạo có thể là phôi thanh tròn hoặc phôi

qua rèn Nếu chi tiết được chế tạo trực tiếp từ phôi

thanh tròn, qua gia công cắt gọt thì tỷ lệ tiêu hao

vật liệu rất lớn khoảng 85,2% (~0,719 kg) Ngược

lại sử dụng phôi rèn cho phép tiết kiệm vật liệu

hơn nhiều, tỷ lệ tiêu hao vật liệu khoảng 62,2%

(~0,206 kg) Mặt khác phôi qua rèn cho phép cải

thiện đáng kể về mặt cơ tính, nâng cao độ bền, cải

thiện tổ chức tế vi, hàn gắn các khuyết tật tế vi

trong sản phẩm, … Bên cạnh đó, giá thành vật liệu

BT14 khá cao, do đó, với lượng tiêu hao vật liệu

lớn, số lượng sản phẩm nhiều sẽ làm tăng đáng kể

giá thành sản phẩm Vì vậy, đối với chi tiết cốc

đáy, lựa chọn phôi qua rèn để chế tạo là phù hợp

Phôi cốc đáy (xem hình 1) là dạng vật dập dọc có thành mỏng, tròn xoay, đáy sản phẩm có độ phức tạo cao nên thích hợp với công nghệ ép chảy Ép chảy tạo phôi có thể ép ở trạng thái nóng hoặc trạng thái nguội, tuy nhiên, sử dụng ép chảy nguội

sẽ có mức độ biến dạng rất lớn, vật liệu bị biến cứng mãnh liệt, thành sản phẩm mỏng nên rất dễ xuất hiện vết nứt, đồng thời lực ép rất lớn nên đòi hỏi thiết bị công suất lớn, khuôn có độ bền cao và

có thể phải qua hơn một nguyên công Vì vậy, phương pháp ép chảy nóng được lựa chọn

Để mô hình hóa, đánh giá biến dạng tối ưu, cần xem xét ảnh hưởng tổ hợp của các yếu tố tới quá trình ép Quá trình ép chảy nóng chịu ảnh hưởng của nhiều yếu tố, như: kích thước, hình dáng phôi; mức độ biến dạng; nhiệt độ ép; ma sát; tốc độ ép Hình dạng và kích thước phôi trước khi ép ảnh hưởng quan trọng đến tính chảy dẻo của kim loại Khi ép chảy với phôi ban đầu có dạng hình trụ, nếu chiều cao tương đối của phôi (tỷ số giữa chiều cao trên đường kính phôi) quá nhỏ sẽ làm quá trình ép chảy xảy ra khó khăn, kim loại có vùng chết ở dưới mặt chày làm tăng lực ép đáng kể, có khi làm phá vỡ cấu trúc vật liệu gây ra sai hỏng Ngược lại chiều cao tương đối của phôi quá lớn sẽ

làm phôi bị mất ổn định, các vùng phôi biến dạng

không đều, dễ hình thành khuyết tật (hàm ếch, gấp

nếp) Vì vậy, chiều cao tương đối của phôi thường

nằm trong giới hạn nhất định Bên cạnh đó, kích

thước và hình dáng phôi ban đầu khi ép còn ảnh

hưởng đến mức độ biến dạng của thành phẩm sau

biến dạng Mức độ biến dạng khác nhau cho giá trị

lực ép cũng khác nhau, điều này ảnh hưởng quan

trọng đến việc chọn công suất thiết ép và năng

lượng tiêu hao trong quá trình ép Kích thước phôi

ban đầu để tạo hình phôi cốc đáy được xác định từ

điều kiện cân bằng thể tích

H 1 Phôi dập cốc đáy động cơ hành trình thiết

bị bay từ hợp kim titan mác BT14

Nhiệt độ là yếu tố chính quyết định đến tính chất

rèn nóng của vật liệu Nói chung, khi nhiệt độ

tăng, ứng suất chảy dẻo giảm, tính dẻo tăng lên

làm kim loại dễ điền đầy khuôn, lực ép chảy giảm

Mặc dù vậy, khi nhiệt độ tăng làm quá trình oxi

hóa xảy ra mạnh hơn có thể làm cho kim loại

không giữ được đúng thành phần hóa học và xảy

ra các khuyết tật không mong muốn (tạo ra vết nứt

do ứng suất dư sinh ra nếu làm nguội không đúng

chế độ) Nhiệt độ rèn nóng của BT14 theo [3], [4]

nằm trong khoảng 950-8000C

Ma sát cũng giữ một vai trò quan trọng trong gia

công áp lực nói chung và rèn nóng nói riêng Khi

rèn nóng má sát khá lớn do lớp oxit bên ngoài phôi

tạo ra với dụng cụ Vì vậy, trong quá trình rèn và

dập nóng nếu cần thiết phải sử dụng chất bôi trơn

phù hợp

Tốc độ biến dạng cũng là một yếu tố quan trọng

ảnh hưởng đến tính rèn nóng của hợp kim Nói

chung, tốc độ biến dạng tỷ lệ thuận với ứng suất

chảy Ở nhiệt độ cao, tốc độ biến dạng nhanh làm ứng suất chảy tăng lên do kim loại bị chai cứng chưa kịp phục hồi mà tiếp tục bị biến dạng Mặt khác, ở tốc độ biến dạng nhanh nhiệt lượng tỏa ra của khối kim loại ra ngoài thấp, đồng thời có nội sinh nhiệt do ma sát trong khối kim loại sinh ra nên có thể duy trì được nhiệt độ trong khối kim loại Ở tốc độ biến dạng thấp, sự lan truyền ứng suất đều hơn, biến dạng xảy ra đều hơn trong khối kim loại nên ứng suất chảy giảm Mặc dù vậy, tốc

độ biến dạng chậm làm thất thoát nhiệt của khối kim loại ra ngoài lại làm cho biến dạng xảy ra khác nhau tại các vùng trên khối kim loại do đó làm ứng suất chảy tăng lên Ở tốc độ biến dạng rất chậm, nhiệt đồ khuôn được duy trì có thể làm giảm đáng kể ứng suất chảy do có sự tham gia của biến dạng từ biến Tuy vậy, nếu quá chậm sẽ làm giảm năng suất, tăng chi phí giá thành sản xuất Khi gia công áp lực ở trạng thái nóng thông thường lại chủ yếu được tiến hành ở vùng tốc độ cao từ 101103 s

-1

, được tiến hành trên các lại máy ép thủy lực, trục khủy ép nóng, … Ở vùng tốc độ này, sự ảnh hưởng của tốc độ ép là không thấy rõ Vì vậy, trong nghiên cứu không xét tới ảnh hưởng của yếu

tố này

Trên cơ sở phân tích ảnh hưởng của các yếu tố tới quá trình ép nóng, nghiên cứu lựa chọn khảo sát ảnh hưởng của hai thông số cơ bản tới quá trình chảy dẻo của kim loại là: nhiệt độ và kích thước ban đầu của phôi

2 Mô hình hóa quá trình biến dạng cốc đáy động cơ hành trình

Để xem xét quá trình biến dạng phôi qua ép chảy nóng ta sử dụng phần mềm DEFORM 3D Đây là phần mềm sử dụng phương pháp tính phần tử hữu hạn để giải các bài toán cơ học và cho phép tìm được trường phân bố ứng suất, biến dạng, chuyển

vị và nhiệt độ Thông qua việc sử dụng mô phỏng trên DEFORM 3D xem xét ảnh hưởng của các yếu

tố (nhiệt độ, kích thước phôi ban đầu) tới tính chảy dẻo và lực ép chảy, từ đó, chọn ra thông số ép tối

ưu Như vậy mục tiêu của tối ưu hóa là biến dạng nằm trong vùng giới hạn cho phép hay giá trị ứng suất tương đương nhỏ hơn giới hạn bền và lực ép nhỏ nhất

Để mô hình quá quá trình tạo phôi cốc đáy nhằm xác định các thông số công nghệ tối ưu, phương pháp quy hoạch thực nghiệm được sử dụng với hai thông số ảnh hưởng là nhiệt độ (Z1) và kích thước phôi ban đầu – đường kính D (Z2) Quá trình thực nghiệm ảo được tiến hành thông qua mô phỏng trên DEFORM 3D Vùng khảo sát các yếu tố ảnh hưởng là: Z1 = 8009500C, Z2 = 4070 mm

2.1 Thiết lập kế hoạch mô phỏng

Với hai thông số ảnh hưởng đến quá trình biến

dạng ta sử dụng mô hình hồi quy phi tuyến bậc

hai Các giá trị cụ thể của yếu tố Z1, Z2 khảo sát

được ấn định tại các điểm kế hoạch Các điểm đặc

trưng trong miền quy hoạch bao gồm: mức trên,

mức dưới, mức cơ sở, mức sao “*” Để xây dựng

được mối quan hệ của hàm mục tiêu và các giá trị

của các yếu tố ảnh hưởng cần mã hóa yếu tố thành

các giá trị mã hóa tương ứng X1, X2, với các giá trị

đặc trưng trong miềm quy hoạch: -1 (-), 0, +1 (+)

[2] Quan hệ giữa thông số mã hóa Xj và biến cố Zj

được xác định như sau:

ax min

2

j j

z

trong đó: j = 1…k là số thứ tự các biến cố

Phương trình hồi quy bậc hai phi tuyến như sau:

1 1 2 2 12 1 2 11 1 22 2

o

yb b X b X b X X b X b X

(2) trong đó: b0, bj, bjr, bjj: là các hệ số của phương

trình hồi quy; j, r = 1n, được xác định theo công

thức:

Phương pháp lập quy hoạch thực nghiệm được sử

dụng là quy hoạch trực giao cấp hai Để xác định được các hệ số của phương trình hồi quy, ma trận thực nghiệm cấp 2 phải thỏa mãn các tính chất: tính chất đối xứng; tính chất trực giao; tính chất đẳng cự [2] Gọi số yếu tố ảnh hưởng đến quá trình tạo hình là k (k = 2) Khi đó, tổng số lượng thí nghiệm trong quy hoạch thực nghiệm cấp 2 trực giao được xác định như sau:

2 0

trong đó: 2k - là số thí nghiệm ở nhân phương án; 2.k – số thí nghiệm ở bổ sung ở các điểm (*),

đó là các điểm nằm trên trục tọa độ nằm trong không gian các yếu tố và có tọa độ (1, 0) và (0,

1); n0 – số thí nghiệm ở tâm phương án, n0 = 1 (với k =2)

Trên cơ sở đó, xây dựng ma trận thực nghiệm với các biến cố đã được mã hóa như bảng 1, với số lần thí nghiệm mô phỏng N = 9 Bảng các giá trị thông

số chưa mã hóa như bảng 2

Để đảm bảo tính chất trực giao của ma trận thực nghiệm, cần tiến hành cần đổi cột có biến Xju

2

thành cột có biến mới là Xju’, với: Xju’ = Xju

2

– 2/3 Khi đó, ma trận thực nghiệm với biến mới như bảng 3 Các hệ số b trong phương trình hồi quy được xác định theo các kết quả của bảng 3

Trên cơ sở xây dựng ma trận thực nghiệm, tiến hành thí nghiệm mô phỏng với các tham số đã nêu

Bảng 1 Ma trận thực nghiệm trong phương án cấu trúc có tâm k = 2

nghiệm

Số thí nghiệm ở nhân

phương án 2k

Số thí nghiệm ở

các điểm *, 2.k

Số thí nghiệm ở tâm

n0

Bảng 2 Các tham số thực nghiệm ảo chưa mã hóa

Đường kính phôi ban

đầu, mm

Chiều cao phôi, mm 21 21 57 57 30 30 21 57 30

Bảng 3 Ma trận thực nghiệm đã chuyển đổi - đảm bảo tính trực giao

phương án

Số thứ tự thí ghiệm

nhân

phương án

2k

các điểm *,

2.k

tâm n0

2.3 Cách thức tiến hành mô phỏng

Cũng giống như các phần mềm mô phỏng tính

toán sử dụng phần tử hữu hạn khác, thực hiện một

mô phỏng trên Deform 3D cũng bao gồm 3 bước

cơ bản [5]: tiền xử lý – preprocessor; giải bài toán

– Simulation; khai thác kết quả - Postprocessor

Trong tiền xử lý, cần xây dựng mô hình hình học

của khuôn Sau đó tiến hành nhập mô hình hình

học, đặt các ràng buộc, các ứng xử tương quan của

các thành phần của khuôn

Mô hình hình học khuôn được xây dựng trên phần

mềm thiết kế 3D Trong trường hợp này đã sử

dụng Autodesk Inventor Sau khi có mô hình 2D,

tiến hành chuyển mô hình hình học sang Deform

3D dưới dạng file *.STL (xem hình 2)

H 2 Mô hình ép chảy cốc đáy động cơ

Khi thiết lập ràng buộc và các ứng xử tương quan

của các thành phần khuôn, để đơn giản trong việc

mô phỏng, coi quá trình ép là đẳng nhiệt Khi đó

quá trình ép xảy ra nhanh chóng, trao đổi nhiệt của phôi với dụng cụ và môi trường không xét tới Phôi được khai báo là vật liệu dẻo (plastic) và áp đặt nhiệt độ (8000C, 8750C, 9500C) tương ứng trong mỗi trường hợp Chày và cối được coi là vật liệu cứng tuyệt đối (Rigid), đặt tốc độ dịch chuyển của chày cố định là 10 mm/s (tốc độ máy ép thông thường) Sau đó, tiến hành chia lưới mô hình phôi (xem hình 3) và nhập tính chất vật liệu phôi là hợp kim titan mác BT14

H 3 Mô hình chia lưới phôi hợp kim titan BT14

3 Kết quả và phân tích

Kết quả trường ứng suất biến dạng và đồ thị lực ép theo thứ tự thí nghiệm ảo được thể hiện trên các hình 4-12

H 4 Trường ứng suất và đồ thị lực ép ở bước

H 5 Trường ứng suất và đồ thị lực ép ở bước

H 6 Trường ứng suất và đồ thị lực ép ở bước

H 7 Trường ứng suất và đồ thị lực ép ở bước

H 8 Trường ứng suất và đồ thị lực ép ở bước

H 9 Trường ứng suất và đồ thị lực ép ở bước

H 10 Trường ứng suất và đồ thị lực ép ở bước

H 11 Trường ứng suất và đồ thị lực ép ở bước

cuối, với T = 875 0 C, D = 40 mm

H 12 Trường ứng suất và đồ thị lực ép ở bước

Trên cơ sở các kết quả thí nghiệm bằng mô phỏng

nhận thấy, giá trị ứng suất tương đương trong tất

cả các trường hợp đều nằm trong vùng giới hạn

cho phép, có nghĩa là, vật liệu biến dạng tốt mà

không bị phá hủy;

Nhiệt độ có ảnh hưởng lớn đến tính năng rèn khối

của hợp kim BT14, khi nhiệt độ tăng, lực ép và

ứng suất chảy giảm rất mạnh Đồ thị hình 13 thể

hiện rõ sự suy giảm của ứng suất chảy lớn nhất

theo nhiệt độ với cùng đường kính phôi khảo sát

Từ đồ thị hình 13 cũng cho thấy rằng, ở 8000C ứng

suất chảy lớn nhất phát sinh trên các phôi 40 và

55 có giá trị sát nhau khoảng 270 MPa, trên phôi

70 khoảng 240 MPa Khi nhiệt độ tăng lên, đến

8750C ứng suất chảy lớn nhất phát sinh trên các

phôi 40 và 55 giảm (tương ứng 188 và 209

MPa), nhưng không mạnh bằng so với trên phôi

70 (156 MPa) Nhiệt độ tiếp tục tăng lên 9000C,

ứng suất chảy lớn nhất phát sinh trên phôi 70 lại

giảm không đáng kể (142 MPa), trong khi đó ở các

phôi 40 và 55 lại giảm rất mạnh (tương ứng

94,5 và 107 MPa) Điều này chứng tỏ rằng, Kể cả

khi tăng nhiệt độ lên cao thì khả năng điền đầy

lòng khuôn của phôi 70 vẫn kém hơn rất nhiều,

điều này hoàn toàn phù hợp với lý thuyết, vì chiều

cao phôi mỏng (21 mm) nên kim loại khó chảy,

xuất hiện vùng chết dưới đầu chày

H 13 Sự biến đổi của ứng suất chảy theo nhiệt độ với các giá trị kích thước phôi khác nhau

Kích thước phôi ban đầu có ý nghĩa quan trọng đến khả năng chảy dẻo, ứng suất chảy và lực ép Đường kính phôi quá nhỏ hoặc quá lớn làm tăng đáng kể ứng suất chảy và theo đó làm cho lực ép tăng lên

Giá trị lực ép qua các lần dập được chỉ ra như bảng

6

Bảng 6 Giá trị lực ép lớn nhất qua các lần dập Giá trị lực ép

lớn nhất

Thứ tự các lần dập

Dựa trên các kết quả thí nghiệm, xây dựng được phương trình hồi quy phi tuyến:

168, 289 47,822 8, 056 3,833 37, 477( 2 / 3) 37,851( 2 / 3)

Sử dụng công cụ Mathcad xây dựng mặt mục tiêu như hình 14 và biểu đồ contour thể hiện giá trị mặt

mục tiêu như hình 15

H 14 Đồ thị mặt mục tiêu

H 15 Biểu đồ contour thể hiện giá trị mặt mục

tiêu

Từ biểu đồ contour nhận thấy rằng, lực ép biến

thiên rất mạnh theo nhiệt độ, và kích thước phôi

ban đầu Với mục tiêu giảm thiểu giá trị lực ép mà

vẫn đảm bảo khả năng biến dạng tốt, từ biểu đồ

contour nên chọn giá trị X1 = 0,21, X2 = -0,40,2

Tương ứng với giá trị này là khoảng nhiệt độ T =

9009500C, và đường kính phôi ban đầu D =

4958 mm

4 Kết luận

Để bảo đảm chức năng và kết cấu, chi tiết cốc đáy

động cơ hành trình tên lửa cần được chế tạo từ hợp

kim titan mác BT-14 theo công nghệ ép chảy

nóng

Chiến lược thực nghiệm ảo với phương pháp mô

phỏng số quá trình biến dạng và quy hoạch thực

nghiệm, cho phép xác định được ảnh hưởng đồng

thời của hai yếu tố nhiệt độ và kích thước ban đầu

phôi tới quá trình tạo hình phôi cốc đáy

Bộ thông số công nghệ tối ưu khi gia công áp lực cốc đáy bao gồm lực ép, nhiệt độ ép, và đường kính phôi, có giá trị lần lượt là: Pep = 80115 Tấn,

T = 9009500C, D = 4958 mm

Tài liệu tham khảo

[1] Trần Ngọc Thanh, Nghiên cứu nấu luyện hợp kim titan BT-14 chế tạo cố đáy động cơ hành trình thiết bị bay PKTT, Báo cáo nhiệm vụ

KHCN cấp Bộ, 2010

[2] Giang Thị Kim Liên, Bài giảng quy hoạch thực nghiệm, Đại học sư phạm Đà Năng, Đà nẵng,

2009

[3] Сторожев М.В, Ковка и объемная штамповка, Справочник т.1, т.2, Машиностроние, 1967

[4] П И Полухин, Г Я Гун , А М Галкин,

Cопротивление пластической деформации металлов и сплавов, Москва металлургия,

1983

[5] DEFORMTM 3D Version 6.1 - User’Manual, Scientific Forming Technologies Corporation,

2008

Trần Ngọc Thanh sinh năm 1976 Anh nhận bằng

kỹ sư về Công nghệ vật liệu năm 2000 của trường

Đại học Kỹ thuật Lê Quí Đôn Năm 2007 anh nhận

bằng Tiến sỹ về Kỹ thuật và công nghệ hàng không, vũ trụ

tại trường Đại học kỹ thuật tổng hợp quốc gia Matxcơva mang tên Bauman (LB Nga) Hiện anh giữ chức vụ phó trưởng Phòng Công nghệ của Viện Cơ điện tử - Viện Khoa học & Công nghệ Quân sự Hướng nghiên cứu chính là vật liệu và các giải pháp kết cấu - công nghệ đặc biệt cho thiết bị bay

Đinh Văn Hiến sinh năm 1982 Anh nhận bằng kỹ

sư cơ khí năm 2006 và bằng bằng thạc sĩ về Công nghệ gia công áp lực năm 2011 tại

Trường Đại học kỹ thuật Lê Quí Đôn Hiện nay anh là cán

bộ nghiên cứu tại Phòng Công nghệ của Viện Cơ điện

tử - Viện Khoa học & Công nghệ Quân sự Anh nghiên cứu chính trong lĩnh vực ứng dụng và phát triển các dạng công nghệ gia công áp lực điển hình trong chế tạo thiết bị bay