Nghiên cứu các thông số công nghệ trong quá trình gia công biến dạng dẻo ống kim loại thành mỏng bằng mô phỏng và thực nghiệm

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA NGUYỄN VŨ LỰC NGHIÊN CỨU CÁC THÔNG SỐ CÔNG NGHỆ TRONG QUÁ TRÌNH GIA CÔNG BIẾN DẠNG DẺO ỐNG KIM LOẠI THÀNH MỎNG BẰNG MÔ PHỎNG VÀ THỰC NGHIỆM Chuyên ngành: Công n

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

NGUYỄN VŨ LỰC

NGHIÊN CỨU CÁC THÔNG SỐ CÔNG NGHỆ TRONG QUÁ TRÌNH GIA CÔNG BIẾN DẠNG DẺO ỐNG KIM LOẠI THÀNH MỎNG BẰNG MÔ PHỎNG VÀ THỰC NGHIỆM

Chuyên ngành: Công nghệ chế tạo máy

Mã số: 605204

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP.Hồ Chí Minh, tháng 12 năm 2015

Công trình hoàn thành tại: Trường Đại học Bách Khoa – ĐHQG-HCM

Cán bộ hướng dẫn khoa học: TS Nguyễn Tường Long

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ và tên học viên: NGUYỄN VŨ LỰC Giới tính: Nam

Ngày, tháng, năm sinh : 20-10-1977 Nơi sinh : Vĩnh Long

Chuyên ngành : Công nghệ Chế tạo máy

Khoá (Năm trúng tuyển) : 2012

1- TÊN ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU CÁC THÔNG SỐ CÔNG NGHỆ

TRONG QUÁ TRÌNH GIA CÔNG BIẾN DẠNG DẺO ỐNG KIM LOẠI THÀNH MỎNG BẰNG MÔ PHỎNG VÀ THỰC NGHIỆM

2- NHIỆM VỤ LUẬN VĂN:

- Khảo sát các thông số ảnh hưởng làm hư hỏng ống uốn trong quá trình gia công biến dạng dẻo ống thành mỏng trên máy uốn thủ công được chế tạo ở Việt Nam: Thông số hình học vật liệu, tính chất vật liệu và các thông số công nghệ như: góc uốn, bán kính uốn, ma sát

- Tính toán biến dạng lớn bằng phương pháp năng lượng, thực nghiệm gia công biến dạng

dẻo bằng phương pháp uốn quay (có thể tận dụng thiết bị phục vụ thí nghiệm) và mô

phỏng quá trình gia công biến dạng dẻo ống kim loại mỏng bằng phương pháp phần tử hữu hạn thông qua chương trình ANSYS để khảo sát ảnh hưởng của thông số hình học vật liệu và thông số công nghệ trên trên vật liệu hợp kim nhôm và thép không gỉ

- So sánh kết quả giữa tính toán bằng phương pháp năng lượng, mô phỏng và thực nghiệm

3- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 17 – 08 – 2015

4- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ : 04 – 12 – 2015

5- HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS.NGUYỄN TƯỜNG LONG

Nội dung và đề cương Luận văn thạc sĩ đã được Hội Đồng Chuyên Ngành thông qua

Tp HCM, ngày 04 tháng 12 năm

2015

(Họ tên và chữ ký) (Họ tên và chữ ký)

TS.Nguyễn Tường Long

TRƯỞNG KHOA CƠ KHÍ

(Họ tên và chữ ký)

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHIÃ VIỆT NAM Độc lập – Tự do – Hạnh Phúc

60 52 04

LỜI CẢM ƠN

Trong quá trình thực hiện Luận văn, em đã nhận được sự hướng dẫn nhiệt tình của thầy TS Nguyễn Tường Long, cung cấp những tài liệu, những kiến thức bổ ích và tạo điều kiện cho em có được những định hướng đúng đắn để em có thể hoàn thành được Luận văn theo đúng thời hạn quy định

Xin cảm ơn các thầy cô đã tận tình giúp đỡ em trong quá trình học tập tại trường

Xin cảm ơn Thạc sĩ Trần Thái Dương và tất cả các bạn lớp Cao học khóa

2012 đã nhiệt tình giúp đỡ bổ sung các tài liệu, có những đóng góp quý báu để em hoàn thành Luận văn này

Luận văn được thực hiện dựa trên những suy nghĩ chủ quan của em nên không thể tránh khỏi những sai sót Kính mong được sự nhận xét và góp ý của quý thầy cô

Em xin chân thành cảm ơn

Tp.HCM, tháng 12 năm 2015

NGUYỄN VŨ LỰC

TÓM TẮT

Trong phạm vi luận văn này, tác giả tiến hành mô phỏng quá trình biến dạng dẻo của ống kim loại bằng phương pháp phần tử hữu hạn, thông qua chương trình ANSYS Mô hình phần tử hữu hạn được xây dựng dựa trên máy uốn ống thủ công đang hoạt động tại công ty TNHH Nguyễn Trình, tỉnh Trà Vinh Quá trình mô

phỏng tập trung vào khảo sát ảnh hưởng của tỉ số D/t (Đường kính ống/ Chiều dày

ống) đến một vài dạng hư hỏng phổ biến trong quá trình gia công như hiện tượng nhăn, biến dạng mặt cắt ngang tại đoạn uốn Kết hợp so sánh kết quả mô phỏng với

dự đoán các hiện tượng hư hỏng bằng phương pháp năng lượng, phương pháp thực nghiệm uốn ống sử dụng lõi cầu đưa vào bên trong ống để thực hiện quá trình uốn

và sử dụng dầu nén thủy lực thay cho quả cầu Qua đó, đề xuất những giải pháp để hạn chế, khắc phục các dạng hư hỏng này

LỜI CAM ĐOAN

Ngoài những kết quả tham khảo từ những công trình khác như đã được ghi

rõ trong luận văn, em xin cam đoan rằng luận văn này là do chính em thực hiện và chỉ được nộp tại trường Đại học Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh

Tp.HCM, tháng 12 năm 2015

NGUYỄN VŨ LỰC

Mục lục Trang

1.2 Tình hình nghiên cứu về quá trình gia công biến dạng dẻo 13

1.2.1.2 Nghiên cứu ứng xử biến dạng của ống thành mỏng trên máy

uốn điều khiển số với đường kính lớn và bán kính uốn nhỏ [2]

1.2.1.5 Nghiên cứu về thiết kế và chế tạo khuôn uốn tự động: 17

2.1.1 Biến dạng đàn hồi và dẻo của kim loại, phân biệt với phá hủy 28

2.1.3 Hiện tượng và đặc điểm của biến cứng nguội 30

2.1.5 Các dạng đường cong biến cứng - đường cong ứng suất biến

dạng

33

2.2.1 Khái niệm, tác dụng, phân loại, đặc điểm của ma sát trong

2.3.2 Điều kiện dẻo năng lượng biến dạng không đổi 49 2.3.3 Ý nghĩa vật lý - hình học của điều kiện dẻo 51

2.4.1 Lý thuyết Prandtl – Reuss đối với vật liệu dẻo lý tưởng 57 2.4.2 Lý thuyết chảy dẻo Saint Venant – Lévy – Mises 58

3.2 Nguyên lý làm việc của máy uốn ống thủ công: 61

3.4 Ảnh hưởng thông số hình học của vật liệu ống: 66

CHƯƠNG 4 MÔ PHỎNG ẢNH HƯỞNG CÁC THÔNG SỐ

CÔNG NGHỆ ĐẾN QUÁ TRÌNH GIA CÔNG BIẾN DẠNG DẺO

4.2 Mô phỏng 68 4.2.1 Mô hình phần tử hữu hạn cho bài toán uốn ống 68

4.3.10 Mô phỏng uốn ống sử dụng áp lực dầu bên trong ống 85

5.2.2 Thực nghiệm 93

5.3 Gia công biến dạng dẻo ống dùng áp lực dầu bên trong mẫu thữ 95

5.3.1.2 Nguyên lý hoạt động của thiết bị bơm thủy lực 96

DANH MỤC HÌNH Trang

Hình 1.2a: uốn ép Hình 1.2b: uốn ấn Hình 1.2c: uốn quay 8

Hình 1.4: Chi tiết ống dẫn dầu và sécmăng dùng trong động cơ Diesel 11

Hình 1.11: Thiết bị máy uốn ống thủy lực có cử chắn sau 20 Bảng 1.2: Thông số kỹ thuật máy uốn ống thủy lực 20 Hình 1.12: Máy uốn ống một đầu thủy lực CNC- model TSR 21

Hình 1.13: Mẫu thử bị nhăn gãy cúp tại mặt duới của đoạn uốn 22 Hình 1 14: Mẫu thử bị móp tại mặt trên của đoạn uốn 23 Hình 1.15 Sản phẩm mẫu được gia công trên thiết bị tự động 24 Hình 1.16: Thiết bị gia công biến dạng dẻo được sản xuất tại Việt Nam 24

Hình 2.2: Hình biểu diễn đường cong biến cứng vật liệu 30 Hình 2.3: Hình dáng hạt trước và sau biến dạng 31

Hình 2.6: Trường ma sát khi gia công cơ liên tục 42 Hình 2.7: Hệ số ma sát thay đổi theo giai đoạn 46 Hình 2.8: Sơ đồ biểu diễn quan hệ giữa hệ số ma sát và áp lực đơn vị 47

Hình 2.10: Điều kiện dẻo năng lượng biến dạng không đổi 54

Hình 3.2: Bộ phận chính của dụng cụ uốn thủ công 61

Hình 3.4: Biểu đồ mẫu thí nghiệm kéo vật liệu thép ống Φ49 t = 1.4mm 62 Hình 3.5: Biểu đồ mẫu thí nghiệm kéo vật liệu Inox ống Φ50 t = 1.2mm 63 Hình 3.6: Biểu đồ mẫu thí nghiệm kéo th ép ống 40x80mm

x1.4mm

63 Hình 3.7: Sơ đồ truyền động của máy uốn thủ công 64 Bảng 3.1: Phân phối tỷ số truyền cho hộp giảm tốc 66

Hình 4.2 Vector vị trí và chuyển động của vật thể 69

Hình 4.4: Mô hình vật liệu đàn dẻo 71

Hình 4.8a Phân bố ứng suất von-Mises cho trường hợp 1 73

Hình 4.9a Phân bố ứng suất von-Mises cho trường hợp 2 75

Hình 4.10a: Phân bố ứng suất von-Mises cho trường hợp 3 76

Hình 4.11a: Phân bố ứng suất von-Mises cho trường hợp 4 77 Hình 4.11b: Phân bố ứng suất von-Mises cho trường hợp 4 77

Hình 4.12a: Phân bố ứng suất von-Mises cho trường hợp 5 79 Hình 4.12b: Phân bố ứng suất von-Mises cho trường hợp 5 80

Hình 4.13b: Phân bố ứng suất von-Mises cho trường hợp 6 81

Hình 4.14b: Phân bố ứng suất von-Mises cho trường hợp 7 82

Hình 4.15b Phân bố ứng suất von-Mises cho trường hợp 8 83

Hình 4.16b: Phân bố ứng suất von-Mises cho trường hợp 9 84 Hình 4.17: Phân bố ứng suất von-Mises tại các giá trị áp lực dầu P=2; 1.8; 1.6

Hình 4.20: Thông số hình học đoạn ống sau khi uốn 88

Hình 4.21: Sơ đồ phân bố ứng suất nén 90

Hình 5.3 Sản phẩm thực nghiệm không dùng lõi uốn 92

Hình 5.9: Van tiết lưu điều chỉnh bằng núm xoay 96

Hình 5.11: Sơ đồ lắp đặt các phần tử điều khiển thủy lực 96

Hình 5.13: Thực nghiệm uốn ống có sử dụng dầu nén 98 Hình 5.14: Sản phẩm uốn với áp suất P=30kg/cm2 98 Hình 5.12: Sản phẩm uốn với áp suất P=45kg/cm2

98 Hình 5.15: Sản phẩm uốn với áp suất P=60kg/cm2 99 Hình 5.16: Sản phẩm bị khuyết tật do vị trí đặt quả cầu 99

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN

1.1 Giới thiệu chung:

Nhằm nâng cao cơ tính của vật liệu ống, người ta dùng phương pháp uốn Với mục đích chủ yếu là giảm tối thiểu khối lượng vật liệu nhưng vẫn đảm bảo độ bền cao Các nghiên cứu về kết cấu ống mỏng qua quá trình uốn Quá trình này được thực hiện trên máy uốn vạn năng, máy uốn bán tự động Có nhiều lọai thiết bị uốn nhưng chúng có đặc điểm chung là kết cấu khuôn uốn giống nhau Hình 1.1 trình bày các bộ phận chính của khuôn uốn Trong quá trình uốn ống được thực hiện theo bốn phương pháp: Uốn ép, uốn ấn, và uốn quay được trình bày trong hình 1.2a, 1.2b, 1.2c [2]

Puly uốn Lỏi uốn Thanh đỡ

dọc

Trang 16

Hình 1.1: Các bộ phận chính của dụng cụ uốn

Hình 1.2a: uốn ép Hình 1.2b: uốn ấn Hình 1.2c: uốn quay

Phương pháp uốn quay được chọn làm mô hình nghiên cứu trong đề tài này Do phương pháp này có những đặc điểm nổi bậc như sau:

(1) Trong phương pháp uốn quay có sử dụng thêm lỏi uốn nên mở rộng khả năng uốn của phương pháp này

(2) Uốn được loại ống có chiều dày nhỏ hơn so với hai phương pháp kia

(3) Linh hoạt giảm góc uốn

Quá trình uống bằng phương pháp uốn quay được minh họa trong hình 1.3 [3]

Thanh trược dọc

Thanh trượt uốn

Thanh trượt uốn

Puly uốn Lỏi uốn ống

Hình 1.3: Sơ đồ uốn quay

Nhằm thỏa mãn yêu cầu về vật liệu nhẹ có độ bền cao, các kết cấu uốn ống mỏng thì rất phù hợp để mở rộng khả năng ứng dụng trong các lĩnh vực hàng không, vũ trụ, xe hơi và các ngành công nghiệp kỹ thuật cao khác [4] Giữa các quá trình uốn khác nhau, uốn ống mỏng điều khiển số được sử dụng trong các lĩnh vực

trên, phương pháp uốn quay thường được sử dụng nhất được trình bày trong hình 1.2c [16] Tuy nhiên, quá trình uốn là quá trình vật lý phi tuyến với ảnh hưởng của

phép quay, biến dạng lớn và các nhân tố kép Các hiện tượng hư hỏng chính như nhăn, quá mỏng, mặt cắt ngang bị phá hủy và springback… Hiện tại nhu cầu tăng đối với các ống uốn có đường kính lớn và bán kính uốn nhỏ (D/t >20, Rd/D <2) Hai yếu tố này không đồng bộ các thì các hiện tượng hư hỏng trên dể xuất hiện Dung sai khác nhau trong các lĩnh vực khác nhau làm cho việc chọn các xấp xỉ các thông số quá trình Tránh các hư hỏng và thực hiện dự đoán trong uốn ống, cái cấp thiết là hiểu rõ các tác dụng của ứng xử uốn trong quá trình uốn điều khiển số với D/t lớn và Rd/D nhỏ.[4] Trong đó D là đường kính ngoài của ống kim loại; t là

Có nhiều ảnh hưởng đã được nghiên cứu và báo cáo trong kỹ thuật uốn ống Peek [5] gia công uốn thuần túy như vấn đề biến dạng phẳng, dự đoán điểm hạn chế co rút và nhăn Corona [6] đưa ra công thức dự đoán biến dạng mặt cắt ngang của ống có thành mỏng trong đoạn uốn và tìm ra áp lực cao hơn để giảm springback của ống trong quá trình uốn nhưng gây ra biến dạng mặt cắt ngang lớn Clausen et al [7] nghiên cứu trên đoạn uốn và tìm biến dạng cục bộ trên mặt cắt ngang được điều chỉnh bởi hình dáng và lực kéo Các thông số chính dẫn đến springback là hệ số biến cứng và lực kéo Sử dụng lý thuyết biến dạng dẻo, Tang [8] thiết lập được vài công thức về uốn ống bao gồm phân bố ứng suất/biến dạng, thay đổi chiều dày ống, độ biến dạng mặt cắt ngang và mômen uốn Wang and Agarwal [9] dự đoán phá hủy mặt cắt ngang và thay đổi chiều dày của ống trong quá trình uốn với lực dọc trục và áp lực bên trong Pan and Stelson [10] sử dụng nguyên lý năng lượng để giải quyết biến dạng của mặt cắt ngang và chiều dày thay đổi của uốn dẻo ống Dựa vào nguyên lý năng lượng Wang and Cao [11] tìm ra bán kính uốn nhỏ nhất mà không bị nhăn trong quá trình uốn quay như tính năng của ống hình dáng dụng cụ và tính chất vật liệu Oliveira et al [10] thực nghiệm nghiên cứu ảnh hưởng của dầu bôi trơn trong uốn ống Trana [15] nghiên cứu ảnh hưởng của thành mỏng sau quá trình tạo hình Qua nghiên cứu mục tiêu chính trong uốn thuần túy và biến dạng và đoạn uốn bằng phương pháp giải tích và thực nghiệm, nội dung nghiên cứu sẽ cung cấp cơ bản sự khảo sát phù hợp của uốn ống mỏng điều khiển số Trong thực tế, để thấu đáo quá trình, nhất là với D/t lớn và Rd/D nhỏ, phương pháp thử và sai là chính để sử dụng thực hiện quá trình thiết kế và lắp đặt công cụ, nhiều sai sót rất khó đạt hiệu quả [16]

Ngoài ra chi tiết ống được sử dụng nhiều trong các thiết bị, vật dụng phục vụ trong nhiều lĩnh vực khác nhau Tùy theo từng mục đích sử dụng cụ thể mà người

ta chọn các phương pháp gia công chi tiết ống khác nhau nhằm đảm bảo cho nhu cầu sử dụng Các phương pháp gia công có thể là: hàn, gia công cắt gọt, đúc, uốn…Trong các phương pháp trên thì phương pháp uốn hay gia công biến dạng dẻo được sử dụng phổ biến, gia công biến dạng dẻo ống kim loại để tạo ra hình dáng chi tiết ống mong muốn phục vụ cho từng lĩnh vực cụ thể Dưới đây là một số hình ảnh minh họa cho các vật dụng thiết bị được tạo thành từ chi tiết ống qua gia công biến dạng dẻo:

 Lĩnh vực trang trí nội thất và dụng cụ y tế

Hình 1.7: Chi tiết uốn trên sản phẩm Giường bệnh viện - Giường ngủ cao cấp

Hình 1.8: Chi tiết uốn trên bàn- ghế

Hình 1.9: Chi tiết uốn trên lan can cầu thang

1.2 Tình hình nghiên cứu về quá trình gia công biến dạng dẻo

1.2.1 Ngoài nuớc:

1.2.1.1 Giới hạn nhăn trong uốn ống [1]

Nội dung nghiên cứu đưa ra phương pháp xấp xỉ năng lượng đề nghị bán kính uốn nhỏ nhất, không nhăn trong quá trình uốn ống: xét ảnh hưởng thông số của ống, hình dáng dụng cụ và tính chất vật liệu Một mô hình cặp đường cong được thiết lập theo lý thuyết biến dạng, mô hình này trình bày sự đánh giá và dự đoán trước các thông số của dụng cụ uốn trong quá trình uốn ống

Sự thách thức chủ yếu cho ống là sự đánh giá đúng các thông số dụng cụ các điều kiện quá trình uốn Một số chi tiết ống qua quá trình gia công tạo hình, như công nghệ ống xã của động cơ, các cấu trúc gốc động cơ thì giai đoạn uốn ống

là bước đầu tiên cho quá trình tạo hình Trong lúc uốn ống quay như hình 1.3 -

Stelson and Lou [6], cơ cấu kẹp cố định bên trong ống được giữ chặt khuôn uốn tại đầu cuối Thanh trượt uốn biến dạng ống đến góc uốn mong muốn Một lõi uốn được sử dụng lồng trong ống nhằm ngăn cản sự biến dạng mặt cắt ngang của ống -

Li et al [9] Kết quả uốn, ứng suất nén tăng bên trong phần ống gần khuôn uốn Do

đó các vết nhăn cục bộ hình thành Nếp nhăn là hiện tượng nén không ổn định Sự hình thành đàn hồi trong uốn ống đã được nghiên cứu bởi Li and Stelson [4], Stelson and Lou [6] …Tuy nhiên vấn đề hình thành nếp nhăn trong uốn ống chưa được quan tâm nhiều Hiện tại kỹ nghệ thực tiễn bổ sung vào dung sai thiết kế vấn

đề không có hình dạng nếp nhăn trong uốn ống Với nhu cầu càng tăng về tính kinh

tế thiết kế cho sự chế tạo, một sự dự đoán trước các thông số tin cậy cho dụng cụ uốn thì rất cần thiết

Kết luận của nghiên cứu:

Dự đoán nhăn trong qua trình uốn ống là một vấn đề thử thách Phân tích ống cong là phân tích oằn của tấm với hai mép cong Mô hình phân tích cho hiện tượng nhăn là tấm có hai mép cong đàn dẻo bằng phương pháp xấp xĩ năng lượng

và ảnh hưởng của diện tích nén Bằng cách xác định xấp xỉ điều kiện biên, điều kiện tiêu chuẩn thu được từ phương trình cân bằng năng lượng

Mô hình đơn giản được thiết lập cho vấn đề uốn ống và điều kiện chuẩn là bán kính uốn và bước sóng Ảnh hưởng đáng kể của bán kính ống và chiều dày ống với bán kính uốn nhỏ nhất bỏ qua nhăn Bán kính uốn này tăng khi tăng đường kính và giảm chiều dày ống Hơn nữa, hệ số mũ biến cứng của vật liệu n thì ảnh hưởng của tính chất vật liệu không đáng kể đến bán kính uốn Nghiên cứu này cung cấp cho thiết kế về thông số dụng cụ uốn và thông số tạo hình do đó lọai trừ nghiên cứu thử-sai

1.2.1.2 Nghiên cứu ứng xử biến dạng của ống thành mỏng trên máy uốn điều khiển số với đường kính lớn và bán kính uốn nhỏ [2]

Đối với nhăn thành mỏng và biến dạng mặt cắt ngang, kết hợp với mô tả phân tích ứng xử biến dạng của quá trình uốn ống mỏng với đường kính lớn D/t (50-87)

và bán kính uốn nhỏ Rd/D (1-2) đã được khảo sát qua hàng lọat mô hình 3D-FE trong môi trường ABAQUS Kết quả thấy rằng:

Đặc điểm phân đoạn là quan sát biến dạng dẻo như ảnh hưởng của khu vực kéo/nén sc=st, phân bố ứng suất/biến dạng, xu hướng nhăn, biến dạng thành mỏng

và mặt cắt ngang Rd/D nhỏ, tăng ứng suất tiếp và trở nên không đồng nhất Ứng suất tiếp cực đại σφ tại mặt bụng vòm tăng 46% với Rd/D (2-1.2) Trong khi đó sự phân bố σφ gần tương đương với D/t lớn Rd/D và D/t, tốc độ biến thiên của vật liệu ống trở nên rõ ràng hơn

Xu hướng nhăn và mặt cắt ngang độ biến dạng tăng ΔD với Rd/D nhỏ và D/t lớn; với Rd/D nhỏ hơn, cả hai thành mỏng và dày đều tăng lần lượt là 24.0% and 52.5% Tuy nhiên với D/t lớn, thành mỏng tăng ít và thành dày tăng đáng kể Thành mỏng và thành dày tăng cực đại lần lượt là 31.3% và 58.9%

1.2.1.3 Phân tích hiện tượng nhăn làm hạn chế tạo hình trong quá trình uốn ống.[3]

Quá trình uốn ống thành mỏng có thể sinh ra hiện tượng nhăn nếu như các thông số quá trình không phù hợp, đặc biệt đối với ống có đường kính lớn và thành mỏng Để dự đoán hiện tượng này nhanh và đúng đắn là một vấn đề cấp thiết để giải quyết quá trình này Trong nội dung nghiên cứu này, dự kiến một hàm sóng nhăn và một mô hình dự đoán nhăn đơn giản để dự đoán bán kính uốn nhỏ nhất cho ống được thiết lập dựa trên cơ sở lý thuyết tấm mỏng, lý thuyết tạo hình, nguyên lý năng lượng và hàm sóng Bán kính uốn nhỏ nhất dựa trên các phương pháp thiết lập

phù hợp bảng dữ liệu Ngoài ra, ảnh hưởng các thông số quá trình đến bán kính uốn nhỏ nhất được phân tích (1) ảnh hưởng của góc uốn đến bán kính uốn nhỏ nhất là không đáng kể (2) ảnh hưởng của kích thước hình học và tính chất vật liệu của ống

là rất lớn; (3) bán kính uốn nhỏ nhất trở nên lớn hơn với bán kính gốc và hệ số biến cứng của ống tăng, ngược lại với chiều dày ống và số mũ biến cứng giảm Kết quả giúp cho thiết kế tối ưu khuôn uốn phù hợp với quá trình trong thực tế

Độ chính xác của quá trình uốn ống quay điều khiển số với ống có thành mỏng

là một quá trình tạo hình ống cao cấp với hiệu quả cao, độ chính xác tạo hình cao, tiêu thụ điện năng thấp, tính linh họat tốt trong việc thay đổi góc uốn Tuy nhiên, mặt ngoài của ống tại bán kính uốn có thể sinh ra hiện tượng nhăn nếu như các thông số quá trình không thích hợp nhất là đối với ống có đường kính lớn chiều dày nhỏ Do ứng suất nén trong quá trình uốn, đây là tiền đề của quá trình hỏng hoặc dẫn đến hư hỏng nếu nếp nhăn bị đứt Chúng cần được hiểu rõ để đặt vấn đề chính xác tin cậy trong thực nghiệm và kể cả sự lặp lại của phương pháp thử - sai trong thực tế, phí sức, tốn nguyên liệu, thời gian trong thiết kế, điều chỉnh quá trình và các thông số dụng cụ, hơn nữa làm cho hiệu suất giảm trầm trọng Do đó dẫn đến hậu quả không tốt [14] Từ kết quả đó, làm sao để dự đoán nhanh hiện tượng này đúng đắn để giải quyết vấn đề cấp thiết cho việc phát triển quá trình uốn ống thành mỏng cao cấp điều khiển số ở hiện tại

Hiện tượng nhăn thu hút nhiều nhà nghiên cứu trong một thời gian dài Ứng suất lớn được dự đoán hình thành nhăn trong giai đoạn đầu của quá trình tạo hình tấm Phương pháp năng lượng được sử dụng rộng rãi tìm ra điều kiện chuẩn nhăn trong quá trình đó Tuy nhiên hiện nay các nhà khoa học nghiên cúu về nhăn trong quá trình tạo hình ống chưa nhiều Wang and Cao [3] nghiên cứu hạn chế của quá trình tạo hình ống qua phân tích nhăn Tuy nhiên phương pháp đề xuất của họ không thích ứng để có được bán kính uốn nhỏ nhất cho ống có tỷ số đường kính/chiều dày lớn bởi vì nhăn thích hợp với hàm sóng được đề nghị mà dự đoán tiêu chuẩn ứng suất cho việc nhăn đúng hơn với ống nhỏ Do đó trong nội dung nghiên cứu này, thiết lập hàm sóng nhăn mới kết hợp với góc uốn và số bước sóng Hơn nữa mô hình ứng suất đơn giản cho dự đoán quá trình nhăn được phát triển với mục tiêu thăm dò sự ảnh hưởng làm hạn chế tạo hình bởi thông số hình học và tính

Kết luận của của nghiên cứu:

Giới thiệu hàm sóng mới, thiết lập một mô hình phân tích dự đoán nhăn đơn giản cho uốn ống thành mỏng, có kiểm nghiệm thỏa mãn giữa lý thuyết và thực nghiệm [3], khi tỉ số R/t>20 Mô hình này có thể xác định bán kính uốn nhỏ nhất cho ống Nghiên cứu sự ảnh hưởng của thông số hình học và tính chất vật liệu: (1) Ảnh hưởng của góc uốn trên bán kính uốn nhỏ nhất ít nên có thể bỏ qua;

(2) Ảnh hưởng của thông số hình học và tính chất vật liệu của ống đối với bán kính uốn nhỏ nhất thì lớn đáng kể;

(3) Bán kính uốn trở nên lớn hơn so với bán kính mong muốn và hệ số biến dạng của ống tăng với chiều dày và hệ số mũ biến cứng giảm Mô hình này chưa xét đến tốc độ quay của puly uốn, ma sát … Những ảnh hưởng đến các hạn chế của quá trình uốn có thể được nghiên cứu toàn diện bằng cách mô phỏng FEM

1.2.1.4 Nghiên cứu về ảnh hưởng của ma sát trong quá trình uốn ống.[4]

Trong quá trình tạo hình, sự nứt và nhăn có thể tránh được nhưng biến dạng mặt cắt ngang và phần ống chịu kéo quá mỏng không tránh được Sự nứt và nhăn nên tránh đầu tiên, sau đó biến dạng mặt cắt ngang và phần mỏng có thể giảm nhanh trong quá trình tạo hình Ma sát giữa dụng cụ uốn và ống có ảnh hưởng đáng

kể trong quá trình uốn ống mỏng Ảnh hưởng này rất phức tạp bởi vì có quá nhiều

bề mặt tiếp xúc giữa dụng cụ uốn và chi tiết ống uốn Hiện tại chưa có nghiên cứu báo cáo về ảnh hưởng của ma sát Tác giả dùng phương pháp số để xác định ảnh hưởng của ma sát trong quá trình uốn ống mỏng, kết hợp giữa lý thuyết và thực nghiệm Kết quả của nghiên cứu này được sử dụng để xác định các điều kiện ma sát trong quá trình và phương pháp mô phỏng số có thể sử dụng để xác định các thông

số khác trong quá trình tạo hình chất lượng cao

Các cặp ma sát ảnh hưởng được phân tích trong nghiên cứu:

- Ảnh hưởng của ma sát giữa lỏi uốn và ống

- Ảnh hưởng của ma sát giữa thanh đỡ dọc uốn và ống

- Ảnh hưởng của ma sát giữa thanh trượt dọc và ống

- Ảnh hưởng của ma sát giữa puly uốn và ống

Kết luận của nghiên cứu:

1 Ma sát giữa dụng cụ uốn và ống đáng kể và ảnh hưởng phức tạp trong quá trình uốn Giảm được ma sát này là giúp cải thiện chất lượng chi tiết gia công

2 Ảnh hưởng đáng kể trong phần biến dạng là lỏi uốn, thanh đỡ dọc, thah trượt dọc đến puly uốn và phần mỏng là lỏi uốn, thanh trượt dọc, thanh đỡ dọc và puly uốn

3 Ảnh hưởng ma sát giữa dụng cụ uốn và ống trên phần mỏng nhỏ hơn phần biến dạng

4 Lỏi uốn và thanh đỡ nên được bôi trơn tốt để đảm bảo ma sát giữa chúng và ống

đủ nhỏ Trong lý thuyết thì hệ số ma sát của thanh trượt dọc, puly uốn và ống nên tăng Nhưng nếu chúng lớn thì thanh trượt dọc, puly uốn làm mòn nhanh ống và mòn khốc liệt nên không cần bôi trơn chúng

1.2.1.5 Nghiên cứu về thiết kế và chế tạo khuôn uốn tự động:

Khuôn uốn phải thỏa mãn hai tiêu chí sau:

+ Khuôn uốn đủ bền chịu được tải trọng uốn

+ Hình dáng khuôn uốn phải chuẩn

Từ hai tiêu chí trên tác giả xây dựng mô hình tóan dưới dạng tham số cho từng biên dạng uốn cụ thể Tác giả tích hợp kỹ thuật lập trình giải quyết các liên kết

và đồng nhất các tham số của một dạng uốn mà làm việc có thể tạo ra biến dạng dư cho các bộ phận máy Cuối cùng chúng tôi thực hiện kiểm nghiệm phân tích độ bền

việc thiết kế khuôn uốn để thiết kế khuôn uốn có khả năng chịu được lực uốn

Xuất phát từ nhu cầu thực tế như vậy, đòi hỏi các nhà sản xuất luôn hướng đến thị trường to lớn này Họ luôn có ý quan tâm, để đạt được những sản phẩm có yêu cầu về tính thẩm mỹ cao, giá thành hạ, để cạnh tranh với các sản phẩm khác trên thị trường thì các nhà sản xuất cũng phải tính đến việc trang bị cho phân xưởng mình các thiết bị sản xuất tự động

Do chúng được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khác nhau, vì muốn tạo ra được các chi tiết ống có chiều dày mỏng thì cần phải có thiết bị chuyên dùng

để thực hiện gia công biến dạng dẻo các loại ống từ thẳng thành những hình dáng bất kỳ theo yêu cầu của từng chi tiết cụ thể và ứng dụng trong từng lĩnh vực cụ thể

Bởi lẽ đó các nước có nền công nghiệp tiên tiến Đài Loan, Mỹ, Nhật bản…

họ đã nhiều năm nghiên cứu, cho đến nay hầu như họ đã cho ra đời nhiều các thiết

bị máy CNC uốn ống có thành mỏng chuyên dùng Các vật liệu sẽ được chế tạo cho phù hợp với chi tiết phù hợp với thiết bị trong từng điều kiện làm việc nhất định

Một số vật liệu cụ thể như: thép mạ kẽm, thép CT3, đồng thau, hợp kim nhôm, thép không gỉ …

1.2.2 Một số tính năng của máy uốn tự động

Máy uốn ống, uốn tuýp tròn sử dụng động cơ điện và diều khiển bằng bàn đạp chân hoặc bằng nút điều khiển cho phép góc uốn ống đến 190o

Máy sử dụng puly và cữ chắn dưới giúp cho ống uốn không bị bẹp và góc uốn đạt độ chính xác

Máy có thiết kế thêm bộ phận tay dẫn ống phía sau Giúp cho phần ống không

bị uốn cong không bị biến dạng, làm việc có tính ổn định cao và linh kiện thay thế đơn giản

Hình 1.10: Máy uốn tuýp 190 độ

Bảng 1.1: Thông số kỹ thuật máy uốn- Model YS

Model YS-25 YS-42 YS-76 YS-114

1.2.2.2 Máy uốn thủy lực có cữ chắn sau

Model RBH có chức năng tiên tiến, hiện đại, đặc biệt được thiết kế cho uốn ống với mức độ cao hơn, phức tạp và khó hơn

Hệ thống đỡ thuỷ lực được cấp bằng sáng chế thiết kế nhằm đặt lên vật chuyên chở Trong khi uốn ống, vật mang sẽ giữ định vị và đẩy vật uốn làm tăng tốc độ uốn Vì thế mà máy có thể dễ dàng uốn dạng khó dưới những điều kiện tới hạn như: uốn bản mỏng, uốn góc hẹp hoặc hình oval

Hình 1.11: Thiết bị máy uốn ống thủy lực có cử chắn sau

Bảng 1.2: Thông số kỹ thuật máy uốn ống thủy lực

Thông số KT ĐVT 50TSR-RBH 65TSR-RBH 80TSR-RBH Khả năng uốn lớn

nhất.(S=40kgf/mm2) Mm 50x3.0 65x 3.0 80 x4.5 Đường kính uốn max Mm 30~220 35~250 40~250

1.2.2.3 Máy uốn ống thủy lực 1 đầu CNC

TSR series là máy uốn tuýp thuỷ lực một đầu có màn hình cảm ứng với trục

ăn dao Y & trục quay B với 2 trục động cơ servo và trục uốn C điều khiển bằng động cơ thuỷ lực

Máy đạt năng suất cao và vận hành linh hoạt dùng trong sản xuất các linh kiện máy móc hoặc ô tô, đồ nội thất thời trang, thiết bị chính xác, ống thuỷ lực

xí nghiệp sản xuất hàng loạt Tại đây mới khả năng xuất khẩu tiêu thu hết các sản

Hình 1.12: Máy uốn ống một đầu thủy lực CNC- model TSR

Thông số kỹ thuật Đ/vị 38TSR 50TSR 65TSR 80TSR Khả năng uốn max

.(S=40kgf/mm2) mm 38.1x3.0 50.8x3.0 65x3.0 80x4.5 Đường kính uốn (max) mm 25~150 30~220 35~250 40~250 Chiều dài vượt tâm (max) mm 2200 2200 2500 3000 Kích thước tổng thể

3.7 x 1.1

x 1.3

4.03 x 1.2 x 1.35

4.8 x 1.4 x 1.35

5.5 x 1.5 x 1.5

phẩm của thiết bị gia công biến dạng tự động Vấn đề đặt ra nhu cầu tại địa phương như các tỉnh miền tây thì cũng rất cần các thiết bị này, thế nhưng do nhu cầu không lớn mà trang bị thiết bị hiện đại quá đắt tiền Điều này chắc chắn rằng các Doanh nghiệp vừa và nhỏ không thể đầu tư thiết bị như vậy Không thích ứng với thị trường tiêu thụ, dẫn đến việc thu hồi vốn rất chậm Trên cơ sở đó cần có nghiên cứu

và chế tạo ra một loại thiết bị máy chuyên dùng để gia công biến dạng dẻo đáp ứng nhu cầu nhỏ lẽ cho thị trường địa phương

Tuy nhiên do nhu cầu giảm giá thành sản xuất sản phẩm người ta tính đến việc giảm khối lượng vật liệu cho sản phẩm, bằng cách giảm chiều dày thành ống

Từ đó cần phải tính toán tối ưu các nhân tố ảnh hưởng đến quá trình gia công biến dạng dẻo

Qua khảo sát tại địa bàn tỉnh Trà Vinh, hiện nay chỉ có một Doanh nghiệp tư nhân sản xuất kinh doanh nhỏ đang triển khai sản xuất đồ gia dụng bằng ống kim loại Doanh nghiệp này tiến hành được khoảng một năm nhưng chưa thành công Thiết bị sử dụng là thiết bị thủ công được sản xuất tại Việt Nam, giá thành thấp, vừa với túi tiền của Doanh nghiệp nhưng sản phẩm gia công chưa hoàn thiện

Như vậy, từ tình hình thực tế đề tài có thể đưa ra kết luận như sau: Khi sử dụng thiết bị uốn ống thủ công thì khâu thực nghiệm tăng rất nhiều, dẫn đến các phế phẩm cao trong các sản phẩm thực nghiệm Trên cơ sở khoa học thì cần có sự tính toán lại các nhân tố ảnh hưởng trong quá trình gia công biến dạng dẻo để giảm

số lần thực nghiệm, tiết kiệm chi phí vật liệu, rút ngắn thời gian hòan thành sản phẩm như mong muốn

Vẫn thực hiện dựa trên cơ sở nguyên lý gia công của các thiết bị uốn tự

động, trong quá trình thử nghiệm thì sản phẩm phát sinh các khuyết tật hình 1.13, 1.14

Hình 1.13: Mẫu thử bị nhăn gãy cúp tại mặt duới của đoạn uốn

Hình 1 14: Mẫu thử bị móp tại mặt trên của đoạn uốn

 Nguyên nhân dẫn đến sản phẩm bị hỏng:

Theo khảo sát sơ bộ của đề tài nguyên nhân dẫn đến các hư hỏng trên là do:

- Tính toán lực uốn chưa hợp ý

- Chọn chiều dày vật liệu chưa đúng, cơ tính vật liệu không đáp ứng yêu cầu chảy dẻo

- Đồ gá định vị chi tiết uốn chưa chính xác

Từ những nguyên nhân trên hướng nghiên cứu của đề tài sẽ tiến hành kiểm tra lại cho từng nguyên nhân đã dự đoán trên Sau đó tiến hành mô phỏng quá trình gia công biến dạng dẻo ống mỏng trên máy tính

- Tính toán, kiểm tra lại lực uốn, bằng cách tính lại lực uốn của động

- Các nhân tố ảnh hưởng đến quá trình biến dạng của vật liệu

Cuối cùng tiến hành mô phỏng để kiểm tra lại toàn bộ quá trình gia công biến dạng dẻo với cơ tính của một vài vật liệu cụ thể

Hình 1.15 Sản phẩm mẫu được gia công trên thiết bị tự động

So sánh hình dáng hình học tại vị trí gia công biến dạng dẻo giữa mẫu thử và sản phẩm hoàn thiện

- Mặt dưới của sản phẩm tại vị trí uốn có độ trơn láng cao

- Đường kính ống tại vị trí gia công biến dạng dẻo thay đổi ít

- Không có hiện tượng phá hủy

Hình 1.16: Thiết bị gia công biến dạng dẻo thủ công được sản xuất tại Việt Nam

1.3 Giới thiệu đề tài:

Trên cơ sở so sánh các thiết bị để tạo ra sản phẩm, thiết bị gia công biến dạng dẻo được sản xuất tại Việt Nam còn mang tính thủ công chưa đáp ứng được nhu cầu sản phẩm của thị trường nội địa Mặc dù các thiết bị uốn ống ngoại nhập có

thể tạo ra sản phẩm thỏa mãn yêu cầu nhưng giá thành thiết bị khá đắt tiền (từ 20.000 – 70.000USD, tùy kích cỡ và tính năng của máy)

Từ nhu cầu bức xúc đó đề tài nghiên cứu cải tiến thiết bị uốn ống thủ công Trước hết, nghiên cứu ảnh hưởng các thông số quá trình ảnh hưởng trực tiếp đến quá trình gia công biến dạng dẻo (uốn ống) nhằm đưa ra các giải pháp khắc phục các hiện tượng hư hỏng xảy ra trong quá trình uốn với mục tiêu nâng cao chất lượng sản phẩm, đảm bảo giá thành và có thể cạnh tranh với các sản phẩm được sản xuất từ các thiết bị uốn tự động

Để thực hiện được công việc đó, đề tài cần nghiên cứu về cơ sở vật lý của quá trình biến dạng của vật liệu, qui trình gia công biến dạng dẻo, các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình biến dạng và khảo sát các hiện tượng hư hỏng của ống trong

quá trình gia công uốn ống Trên cơ sở đó nội dung sẽ đề cặp đến việc Nghiên cứu các thông số công nghệ trong quá trình gia công biến dạng dẻo ống kim lọai thành mỏng bằng mô phỏng và thực nghiệm Đây cũng là nội dung chính được

thực hiện trong đề tài

1.4 Phương pháp và phương tiện nghiên cứu:

1.4.1 Phương pháp nghiên cứu:

- Tham khảo tài liệu: Các tài liệu trên mạng, tạp chí, sách báo Ngoài ra để thực hiện có hiệu quả, tác giả còn trao đổi với bạn bè, học tập kinh nghiệm ở thầy cô, những người đi trước, đặc biệt dưới sự hướng dẫn tận tình của thầy TS.Nguyễn Tường Long

- Khảo sát các thiết bị gia công biến dạng dẻo thông dụng ở Việt Nam và các thiết bị gia công hiện đại trên thế giới

- Xây dựng mô hình toán để mô phỏng quá trình gia công biến dạng dẻo chi tiết ống kim loại thành mỏng (D/t >20, Đường kính ống /chiều dày ống), Rd/D

=(1-2) (Bán kính uốn/đường kính ống) trên máy tính bằng phần mềm ANSYS

1.4.2 Phương tiện nghiên cứu

- Phương tiện thu nhập tài liệu: Mạng Internet, máy tính

- Thiết bị gia công biến dạng dẻo tại Công ty TNHH Nguyễn Trình Trà Vinh

1.5 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

1.5.1 Mục tiêu và đối tượng nghiên cứu:

Tìm hiểu đặc trưng cơ học của kim loại trong bài toán biến dạng dẻo, bao gồm:

* Sự thay đổi cấu trúc ống kim loại mỏng khi tiến hành uốn

* Ảnh hưởng của ma sát đến quá trình uốn

* Ảnh hưởng của góc uốn, bán kính uốn, kích thước hình học và tính chất vật liệu uốn

* Phương pháp giải bài toán biến dạng dẻo ống kim lọai thành mỏng bằng ANSYS/LSDYNA

1.5.2 Phạm vi nghiên cứu

Cụ thể là đề tài sẽ đi vào tính toán mô phỏng quá trình gia công biến dạng dẻo ống kim loại thành mỏng bằng phương pháp uốn quay có lõi uốn, thông qua chương trình ANSYS và so sánh với kết quả tính toán bằng phương pháp năng lượng để rút ra kết quả

1.5.3 Kết quả thực hiện của luận văn:

- Một bài báo đăng ký tạp chí trong nước

- Giải quyết nhanh việc chế tạo khuôn uốn khi cần thay đổi bán kính uốn trong điều kiện cho phép

- Ứng dụng kết quả tính toán mô phỏng quá trình gia công biến dạng dẻo ống kim loại thành mỏng trên máy uốn thủ công để phục vụ cho việc sản xuất sản phẩm gia dụng phục vụ cho người dân nông thôn có thu nhập thấp

- Tiền đề cho việc thiết kế và chế tạo máy uốn ống tự động

1.6 Kết luận:

Sản phẩm được tạo hình từ thếp ống đóng vai trò hết sức quan trọng và có ý nghĩa to lớn trong cuộc sống và các ngành công nghiệp kỹ thuật cao Vấn đề tạo hình chính xác và yêu cầu về chất lượng đối với các sản phẩm thép ống đặc ra ngày càng cao trong nhiều ngành sản xuất kỹ thuật cao, đặt biệt trong ngành sản xuất ôtô, hàng không Việc nghiên cứu và ứng dụng tạo hình chính xác và đảm bảo chất lượng đối với một số loại ống như: hợp kim nhôm, thép không gĩ nhằn tăng độ bền, giảm khối lượng và tiết kiệm nhiều chi phí

Qua phân tích một số ảnh hưởng của dụng cụ uốn, các thông số vật liệu, thông

số quá trình trong uốn ống mỏng điều khiển số Hiện tượng nhăn và biến dạng mỏng của mặt cắt ngang ống tại vị trí uốn thường xảy ra Vấn đề dự đoán và phòng tránh cho hiện tượng này phụ thuộc vào rất nhiều nhân tố Vấn đề đặt ra cho đề tài khảo sát các nhân tố ảnh hưởng lớn đến quá trình uốn và đề nghị các giải pháp phòng tránh

Từ yêu cầu trên các chương tiếp theo, đề tài sẽ nghiên cứu về cơ sở lý thuyết cho quá trình biến dạng dẻo Thực hiện mô phỏng để dự đoán nhăn và biến dạng mỏng của ống cho một số trường hợp chi tiết ống cụ thể bằng phương pháp phần tử hữu hạn Đặc biệt sử dụng phần mềm ANSYS tính toán mô phỏng, qui trình thực nghiệm uốn ống sử dụng phương pháp uốn quay có đặt lõi uốn bên trong ống và nén dầu thay cho lõi uốn để kiểm chứng lại dự đoán nhăn, biến dạng mặt cắt ngang của đoạn uốn rồi từ phương pháp năng lượng

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Từ khảo sát thực tế, nhu cầu cần thiết của Doanh nghiệp là cải tiến thiết bị uốn ống thủ công Đề tài cần nghiên cứu cơ sở lý thuyết, đặc biệt là lý thuyết biến dạng lớn để có cơ sở nghiên cứu các nhân tố ảnh hưởng trong quá trình gia công uốn ống (gia công biến dạng dẻo)

2.1 Cơ chế biến dạng dẻo kim loại

2.1.1 Biến dạng đàn hồi và dẻo của kim loại, phân biệt với phá hủy

Trong kim loại, các nguyên tử (iôn) tồn tại lực tác dụng tương hỗ, gồm các lực đẩy và lực kéo Tại một nhiệt độ nhất định chúng dao động quanh vị trí cân bằng Nhờ vậy, vật thể tồn tại với một hình dáng kích thước nhất định

Theo quan điểm năng lượng, các nguyên tử tồn tại ở vị trí năng lượng tự do thấp nhất, tuỳ thuộc cấu trúc tinh thể Sự dịch chuyển của các nguyên tử tạo ra sự biến dạng Người ta chia ra các kiểu biến dạng: biến dạng đàn hồi, biến dạng dẻo và biến dạng phá huỷ

Vật thể dưới tác dụng ngoại lực bị biến dạng Nếu sau khi thôi tác dụng lực biến dạng mất đi, vật thể trở về hình dáng kích thước ban đầu, như khi chưa bị tác dụng lực, ta gọi biến dạng đó là biến dạng đàn hồi

Biến dạng đàn hồi phụ thuộc hai yếu tố lực tác dụng và nhiệt độ, ta có thể biểu diễn:

R

t M



Trong đó:

M - hệ số đàn hồi

 -hệ số giãn nở nhiệt t - gia số biến đổi nhiệt

Khi tăng năng lượng tự do của nguyên tử vượt qua một giới hạn, nguyên tử kim loại chuyển dời sang một vị trí mới xa hơn và ổn định hơn, không trở về vị trí cân bằng cũ khi thôi lực tác dụng Tổng sự dịch chuyển của các nguyên tử sang vị trí mới tạo nên một độ biến dạng dư, hay một sự thay đổi hình dáng và kích thước vật thể, gọi là biến dạng dẻo, hay biến dạng dư Để tạo nên sự dịch chuyển sang vị trí mới không gây nên sự phá huỷ các mối liên kết, phải bảo đảm trong quá trình các nguyên tử dịch chuyển khoảng cách giữa các nguyên tử không được vượt quá kích thước vùng lực tác dụng tương hỗ kéo giữa các nguyên tử Khi cất tải, biến dạng sau khi biến dạng dẻo, các nguyên tử có xu thế chiếm vị trí cân bằng mới, thiết lập lại mối quan hệ và liên kết giữa các nguyên tử Nhưng biến dạng dẻo không làm thay đổi thể tích của vật thể biến dạng

Hình 2.1: Biến dạng bảo toàn thể tích

Phá huỷ là ngoài sự thay đổi hình dáng và kích thước của vật thể dưới tác dụng của ngoại lực, sau khi cất tải chúng không còn giữ nguyên liên kết ban đầu giữa các nguyên tử hoặc các phần Phá huỷ là nứt, gãy, vỡ mối liên kết giữa các nguyên tử do ứng suất kéo gây nên

2.1.2 Hóa bền khi biến dạng dẻo nguội

Biến dạng dẻo kim loại làm thay đổi tổ chức và tính chất cơ - lý - hoá của vật liệu Khi tăng độ biến dạng làm tăng các chỉ tiêu cơ học chống biến dạng: tăng giới hạn đàn hồi, tăng giới hạn tỷ lệ, tăng giới hạn chảy và tăng giới hạn bền Đồng thời biến dạng dẻo làm giảm các chỉ tiêu dẻo: độ giãn dài tỷ đối, độ co thắt tỷ đối,

độ dai va chạm, tăng điện trở, giảm khả năng chống ăn mòn, giảm từ tính trong vật liệu từ

2.1.3 Hiện tượng và đặc điểm của biến cứng nguội

Hiện tượng biến cứng nguội:

Tổng hợp tất cả các hiện tượng liên quan đến tính chất cơ lý hoá thay đổi trong quá trình biến dạng dẻo vật liệu gọi là biến cứng Do biến cứng làm ứng suất chảy tăng ứng suất chảy tăng theo độ tăng của biến dạng Trên đồ thị đường cong biến cứng góc tiếp tuyến của đường cong với trục biến dạng được gọi là hệ số biến cứng Hệ số biến cứng do tính chất của mạng tinh thể, đặc tính sắp xếp của mạng,

tổ chức của kim loại và tốc độ biến dạng quyết định

Các đường cong biến cứng của các kim loại khác nhau biểu diễn ở hình dưới đây

Hình 2.2: Hình biểu diễn đường cong biến cứng vật liệu

Đặc điểm biến cứng nguội

a Thay đổi hình dáng của hạt tinh thể

Trong quá trình biến dạng độ biến dạng tăng, hạt càng bị kéo dài theo hướng

sai khác lớn, biến dạng tăng lên, hạt phát triển thành dạng dài Các hạt bị phá vỡ thành các khối nhỏ, các tạp chất cũng bị phá vỡ và kéo dài Kết quả các tạp chất có hình giống dạng sợi Đó là cơ sở cho việc hình thành tổ chức thớ của kim loại sau này

Hình 2.3: Hình dáng hạt trước và sau biến dạng

b Thay đổi định hướng của các hạt

Đa tinh thể gồm các hạt có định hướng khác nhau tạo nên Trong quá trình biến dạng, trục kết tinh của các hạt có xu hướng quay để trùng với phương biến dạng Trong trường hợp biến dạng nguội lớn (cán, kéo) phối hợp quá trình nhiệt luyện ta có thể được vật liệu có tính định hướng tạo thành các tếctua Ví dụ như trong chế tạo các tấm thép biến thế, người ta có thể tạo loại têctua theo ba chiều

c Thế năng tăng lên và sinh ra ứng suất dư

Trong quá trình biến dạng, hạt tinh thể bị xô lệch làm cho thế năng tăng và ứng suất dư tăng

d Phá vỡ hạt và phân giới hạt

Dưới tác dụng của ứng suất dư tiếp, các mặt trượt, dải trượt bị phá vỡ, biến dạng càng lớn, mức độ phá vỡ càng lớn Sự phá vỡ của phân giới hạt làm thay đổi diện tích phân giới hạt Do sự phá vỡ hạt và phân giới hạt cũ khiến độ bền và tính dẻo của kim loại giảm

e Thay đổi tính chất cơ lý hoá của vật liệu

Độ biến dạng tăng, làm các chỉ tiêu dẻo của vật liệu (như độ giãn dài, độ co thắt, độ dai, va đập) giảm, các chỉ tiêu bền tăng, độ biến dạng tăng, ứng suất thực tăng Do sự phá huỷ bên trong hạt và phân giới hạt làm khả năng chống ăn mòn giảm và một số tính chất hoá học khác cũng thay đổi Độ biến dạng tăng, do biến cứng nguội, kim loại dần bị mất đi tính dẻo Khi tổng độ biến dạng đạt một giá trị nhất định, không thể tiếp tục gia công biến dạng cần phải dùng ủ trung gian Mặt

khác, để vật liệu sau biến cứng nguội có một số tính chất nhất định cũng cần phải qua ủ

2.1.4 Biến dạng thực và biến dạng tương đối

Trong bài toán Đàn - Dẻo người ta dùng 2 cách biểu diễn biến dạng:

Độ giãn dài tương đối  :

(2.2) Trong đó:

l0 - chiều dài ban đầu của mẫu thử

l - chiều dài mẫu sau biến dạng

dl - chiều dài đoạn mẫu

dl- độ biến dạng của đoạn mẫu

 đã phản ảnh tình trạng thực tế của biến dạng của vật thể, chính vì vậy, được gọi

là biến dạng thực hoặc biến dạng loga Trong giải bài toán biến dạng dẻo lớn, sử dụng độ biến dạng thực  biểu diễn mới cho kết quả hợp lý, vì:

+ Biến dạng tương đối không biểu diễn chính xác sự biến dạng thực tế, mức độ biến dạng càng lớn sai số càng lớn

Khai triển công thức biến dạng tương đối theo Taylor ta được:

Vì vậy, trong giải bài toán biến dạng lớn, người ta phải dùng biến dạng thực

 , kết quả bài toán chính xác hơn Nhưng nếu bài toán biến dạng không lớn,

 <10%, có thể dùng biến dạng tỷ đối để tính toán đỡ phức tạp hơn và dễ tìm được lời giải

2.1.5 Các dạng đường cong biến cứng - đường cong ứng suất biến dạng

Đường cong biến cứng là đường biểu diễn quan hệ của ứng suất tác dụng lên vật biến dạng với biến dạng, trong điều kiện trạng thái ứng suất đơn

Do ứng suất gây ra biến dạng phụ thuộc nhiều yếu tố, như nhiệt độ, tốc độ biến dạng, nên đường cong biến cứng được xác định cho từng loại kim loại và hợp kim trong từng điều kiện nhiệt độ - tốc độ biến dạng cụ thể Ứng suất gây biến dạng dẻo quan hệ với độ lớn và hướng tốc độ biến dạng trong trạng thái ứng suất đơn, khi biến dạng ở điều kiện nhiệt độ - tốc độ biến dạng được gọi là ứng suất chảy, biểu diễn bằng S

Để xác định S bằng thực nghiệm cần tạo ra điều kiện biến dạng bảo đảm biến dạng phân bố đều trên toàn thể tích vật biến dạng với trạng thái ứng suất đơn Muốn vậy người ta dùng thực nghiệm kéo hoặc nén để xác định đường cong biến cứng Nếu thừa nhận trạng thái ứng suất trong trường hợp đó là trạng thái đơn, thì ứng suất chảy được xác định bằng tỷ số giữa lực biến dạng với diện tích mặt cắt ngang thực của mẫu thử tại thời điểm biến dạng

Khi thực nghiệm kéo trạng thái ứng suất đường cong tồn tại chỉ đến thời điểm xuất hiện cổ thắt Sau khi xuất hiện cổ thắt, không còn trạng thái ứng suất đường mà xuất hiện trạng thái ứng suất khối Xây dựng đường cong biến cứng ở đoạn sau khi xuất hiện cổ thắt là rất khó, ta cần dùng cách gần đúng

Khi dùng phương pháp nén trong giới hạn biến dạng dẻo không có hạn chế giá trị biến dạng khi xác định giới hạn chảy, nhưng cần phải tránh ảnh hưởng của ma sát tiếp xúc, đó cũng là một việc khó khăn

Như vậy, người ta thường dùng thí nghiệm kéo để xác định đường cong thực, thiết lập quan hệ ứng suất và biến dạng Từ đó ta có thể xác định ứng suất theo biến dạng hoặc ngược lại Theo quan hệ ứng suất và biến dạng khi biến dạng dẻo, ta có thể sử dụng quan hệ tuyến tính giữa cường độ ứng suất và cường độ biến dạng:

độ biến dạng i, từ đó xây dựng quan hệ hàm số giữa i và i Nhờ quan hệ hàm

số này, ta có thể sử dụng trong trường hợp trạng thái ứng suất phức tạp

Khi kéo đơn:

Ta thấy đường cong gồm 4 đoạn:

I Giai đoạn biến dạng đàn hồi