Mô phỏng biến dạng dẻo quá trình dập lon kim loại

Việc phântích ứng suất, biến dạng sau mỗi quá trình dập sẽ giúp ta hiểu bản chất của hiệntượng, để từ đó dự đoán hư hỏng và phân tích nguyên nhân gây ra vấn đề đó cũngnhư đề xuất phương

NGUYỄN HỒNG DIỄN

MÔ PHỎNG BIẾN DẠNG DẺO QUÁ TRÌNH

DẬP LON KIM LOẠI

Chuyên ngành : CƠ HỌC KỸ THUẬT

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP HỒ CHÍ MINH, tháng 01 năm 2011

CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH

Cán bộ hướng dẫn khoa học: TS NGUYỄN TƯỜNG LONG

Cán bộ chấm nhận xét 1:

Cán bộ chấm nhận xét 2:

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp.HCM ngày … tháng … năm 2011 Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm: 1

2

3

4

5

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Bộ môn quản lý chuyên ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có)

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH

KHOA -

CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc Lập - Tự Do - Hạnh Phúc

-o0o -Tp HCM, ngày 02 tháng 07 năm 2010

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ và tên học viên: Nguyễn Hồng Diễn Giới tính: Nam

Ngày, tháng, năm sinh: 19/02/1984 Nơi sinh: TP Hải Phòng

Chuyên ngành: Cơ học kỹ thuật MSHV: 09230672

Khoá (Năm trúng tuyển): 2009

1- TÊN ĐỀ TÀI: Mô phỏng biến dạng dẻo quá trình dập lon kim loại

2- NHIỆM VỤ LUẬN VĂN:

Xây dựng quy trình dập lon kim loại thông qua mô phỏng ảo (mô hình hoá trên máy vitính):

 Nghiên cứu tìm hiểu lý thuyết deûo kim loại trong gia công dập sâu

 Mô phỏng số quá trình dập thân lon và đáy lon bằng phương pháp phần tửhữu hạn sử dụng phần mềm Abaqus

 Phân tích kết quả phân bố ứng suất và biến dạng từ việc mô phỏng số

3- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 25/01/2010

4- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 02/07/2010

5- 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

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN CHỦ NHIỆM BỘ MÔN

(Họ tên và chữ ký) QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH

(Họ tên và chữ ký)

Tôi xin gởi đến TS Nguyễn Tường Long lời cảm ơn chân thành nhất Thầy đã

giành những thời gian quý báu của mình để tận tình hướng dẫn, tạo mọi điều kiện cho tôi hoàn thành luận văn này Thầy đã giúp tôi chọn phương pháp nghiên cứu đề tài, giới thiệu các tài liệu tham khảo cần thiết, phát hiện những sai sót, những quan niệm chưa đúng với thực tế,….

Tôi xin chân thành cảm ơn đến các thầy cô phản biện; người đã giành thời gian quý báu của mình để xem và cho ý kiến, nhận xét, đánh giá về luận văn của tôi Tôi xin cảm ơn tất cả các bạn bè, đồng nghiệp đã cho ý kiến đóng góp để luận văn này được hoàn thiện.

Cuối cùng, tôi xin gửi lời cảm ơn đến toàn thể gia đình, người thân đã là nguồn động viên về cả tinh thần lẫn vật chất giúp tôi hoàn thành luận văn này.

Nguyễn Hồng Diễn

Trong nghiên cứu này trình bày quy trình dập thân lon kim loại (lon nhômhai mảnh cho bia và nước ngọt sử dụng nhôm 3014) thông qua mô phỏng ảo (môhình hoá trên máy vi tính) Mô hình hình học lon bia được xây dựng dựa trên kíchthước có được từ nhà máy VINACAN Quy trình dập thân lon gồm bốn công đoạn;dập cốc (drawing), dập sâu (redrawing), dập vuốt (ironing) và dập thúc (doming)được triển khai trên mô hình phương pháp phần tử hữu hạn, sử phần mềm tính toán

mô phỏng Abaqus/Explicit Kết quả có được sau quá trình mô phỏng số là phân bốứng suất, biến dạng trong thân lon ở từng giai đoạn của quá trình dập Việc phântích ứng suất, biến dạng sau mỗi quá trình dập sẽ giúp ta hiểu bản chất của hiệntượng, để từ đó dự đoán hư hỏng và phân tích nguyên nhân gây ra vấn đề đó cũngnhư đề xuất phương pháp xử lý đối với từng trường hợp cụ thể Từ mô hình phươngpháp số trong nghiên cứu này, ta có thể xây dựng quy trình dập hoàn thiện hơn và

có thể ứng dụng trong sản xuất Việc xây dựng quy trình dập thân lon kim loại làcần thiết và có ý nghĩa trong thực tiễn

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ

DANH MỤC CÁC BẢNG

DANH MỤC CÁC SƠ ĐỒ, HÌNH ẢNH

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1

1.1 Mở đầu 1

1.2 Vấn đề thường gặp trong quá trình sản xuất lon nhôm .2

1.3 Quá trình hình thành sản phẩm vỏ lon nhôm 3

1.3.1 Thân lon (Can body) 3

1.3.2 Nắp lon (Can End) 7

1.4 Cụ thể về quy trình dập lon 7

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 24

2.1 Phương pháp tính biến dạng dẻo 24

2.1.1 Khái niệm về biến dạng dẻo 24

2.2 Phân tích lý thuyết quá trình thúc sâu (Drawing) và ép vuốt (Ironing) 34

2.2.1 Cơ sở lý thuyết quá trình biến dạng kim loại : 34

2.2.2 Phân tích lý thuyết quá trình dập cốc (cup) 54

2.2.3 Quá trình Drawing 62

2.2.4 Quá trình Ironing 63

2.3 Phương pháp Explicit trong ABAQUS/Explicit 65

CHƯƠNG 3 MÔ HÌNH HOÁ BÀI TOÁN DẬP LON KIM LOẠI 66

3.1 Mô hình vật liệu nhôm 66

3.2 Mô hình hình học 68

3.3 Mô phỏng trên ABAQUS 71

3.3.1 Mô phỏng thân lon (Drawing, Redrawing và Ironing) 71

3.3.2 Mô phỏng phần đáy lon (Doming) 74

3.4 Quá trình mô phỏng 77

3.4.1 Phần thân lon 77

3.4.2 Phần đáy lon 80

CHƯƠNG 4 KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN 81

4.1 Kết quả 81

4.1.2 Đáy lon 88 4.2 Kết luận và hướng phát triển của đề tài 89

LÝ LỊCH TRÍCH NGANG 93

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1.1: Số liệu chiều cao của lon trước khi xén miệng tại VINACAN 18

Bảng 1.2: Số liệu đo được của các lon sau khi xén miệng tai VINACAN 19

Bảng 3.1 Thuộc tính vật liệu nhôm 3014 .66

Bảng 3.2 Bảng kích thước chày và cối, đơn vị tính [mm] 68

Bảng 3.3: Bảng vận tốc của hai chày trong từng bước [mm/s]: 78

Hình 1.1: Thân lon 4

Hình 1.2: Quy trình chế tạo thân lon 4

Hình 1.3: Nắp lon 7

Hình 1.4.: Quy trình chế tạo nắp lon 7

Hình 1.5: Các thiết bị sắp xếp cuộn nhôm và máy cupper 9

Hình 1.6: Một bộ “tool” và tấm nhôm tròn 11

Hình 1.7: Các quá trình biến dạng 12

Hình 1.8: Sự biến dạng qua các giai đoạn 13

Hình 1.9 Quá trình redraw và iron 14

Hình 1.10: Các lực sinh ra trong quá trình vuốt 16

Hình 1.11: Các lực ma sát sinh ra trong quá trình tạo đáy vòm 18

Hình 1.12: Bề dày thành lon 19

Hình 2.1: Biểu đồ thế năng giữa các nguyên tử 24

Hình 2.2: Biểu đồ thử kéo 28

Hình 2.3 Biểu đồ so sánh giữa  và  31

Hình 2.4: Đường cong biến cứng quan hệ ứng suất chảy và độ dãn dài tương đối 0 / l l    34

Hình 2.5: Đường cong biến cứng quan hệ ứng suất chảy với độ co thắt  34

Hình 2.6 Hiện tượng Spring Back 35

Hình 2.7: Kéo tấm 35

Hình 2.8: Cán lăn 36

Hình 2.9: Biến dạng đồng nhất 37

Hình 2.10: Sự méo mó 37

Hình 2.11: Tính cơ của vật liệu 39

Hình 2.12: Thông số  của một số kim loại 40

Hình 2.13: Sự thay đổi của  41

Hình 2.14: Vết nứt trong quá trình kéo dây 42

Hình 2.15: Tính cơ của vật liệu 43

Hình 2.16: Các giai đoạn phát triển của lỗ hỏng vi mô 44

Hình 2.17: Trạng thái tới hạn của lỗ hỏng vi mô… ……… ……… 44

Hình 2.18: Vết nứt của lỗ hỏng vi mô 44

Hình 2.19: Kéo đơn trục 45

Hình 2.20: Ép hình trụ 45

Hình 2.23: Biểu diễn vị trí các điểm nứt trong quá trình gia công 47

Hình 2.24: Hiện tượng Springback trong uốn tấm 48

Hình 2.25: Sự phân bố lực trong đoạn có spring back 49

Hình 2.26: Ép Lon 50

Hình 2.27: Lực ép lon theo chiều sâu 52

Hình 2.28: Ứng suất riêng (thặng dư) 53

Hình 2.29: Tính bất đẳng hướng 53

Hình 2.30: Lực ma sát ở mặt bích 54

Hình 2.31 (a) Quá trình dập cốc (b) Lực căng trong cốc 54

Hình 2.32:Một tấm nhôm……… 54

Hình 2.33: Một phần tử trong tấm nhôm rút gọn lại 55

Hình 2.34: Trạng thái ứng suất và vector biến dạng của các điểm khác nhau trên tấm nhôm 56

Hình 2.35: Một phần của tấm nhôm trong quá trình dập trong điều kiện không ma sát, ứng suất trong thành bằng ứng suất hướng tâm tại bán kính trong  57 r i Hình 2.36:Ứng suất dập 57

Hình 2.37: Tấm nhôm trượt theo mép trên của khuôn 58

Hình 2.38:Ma sát tăng lên do lực giữ tấm nhôm, xem như chỉ tác dụng tại biên .58

Hình 2.39:Đường tải của thành cốc với các tiêu chuẩn chảy dẻo khác nhau 60

Hình 2.40 Tấm nhôm có bán kính ban đầu R 0 , bề dày t 0 được dập thành cốc cao 61

Hình 2.41:Quá trình dập tiếp 62

Hình 2.42: Quá trình dập vuốt ( ironing)……… 63

Hình 2.43: (a) Hình dạng của vùng biến dạng (b) Lực tác dụng trong vùng biến dạng khi dập vuốt 64

Hình 3.1 Đường cong biến dạng của vật liệu nhôm 3104 [6]: 67

Hình 3.2 Quá trình Deep Drawing 69

Hình 3.3: Quá trình Redrawing 69

Hình 3.4: Quá trình Ironing Die 70

Hình 3.5: Quá trình Doming 70

Hình 3.6: Mô hình FEM của quá trình Deep drawing 72

Hình 3.8: Mô hình FEM của cả mô hình 73

Hình 3.9 Kích thước hình học cối 74

Hình 3.10: Mô hình đáy lon được tách lược 75

Hình 3.11 Mô hình FEM đáy lon được chia lưới 75

Hình 3.12: Mô hình FEM chày 76

Hình 3.13: Mô hình cối chia lưới 76

Hình 3.14 Biểu đồ vận tốc chày 1 78

Hình 3.15:Giai đoạn dập cốc drawing 78

Hình 3.16: Giai đoạn dập tiếp redawing 79

Hình 3.17: Giai đoạn dập vuốt ironing 79

Hình 3.18 Lon sau quá trình dập thúc 80

Hình 3.19: Mô hình FEM của cả mô hình dập đáy lon 80

Hình 4.1 Ứng suất theo phương chính thứ nhất sau giai đoạn dập cốc 81

Hình 4.2 Ứng suất theo phương chính thứ nhất sau giai đoạn dập sâu 81

Hình 4.3 Ứng suất theo phương chính thứ nhất sau giai đoạn dập vuốt 82

Hình 4.4 Ứng suất theo phương chính thứ nhất sau giai đoạn dập thúc 82

Hình 4.5 Ứng suất theo phương chính thứ hai sau giai đoạn dập cốc 83

Hình 4.6 Ứng suất theo phương chính thứ hai sau giai đoạn dập sâu 83

Hình 4.7 Ứng suất theo phương chính thứ hai sau giai đoạn dập vuốt 84

Hình 4.8 Ứng suất theo phương chính thứ hai sau giai đoạn dập thúc 84

Hình 4.9 Ứng suất theo phương chính thứ ba sau giai đoạn dập sâu 85

Hình 4.10 Ứng suất theo phương chính thứ ba sau giai đoạn dập thúc 85

Hình 4.11 Ứng suất Von Mises sau quá trình dập cốc 86

Hình 4.12 Ứng suất Von Mises sau quá trình dập thúc 86

Hình 4.13 Biểu đồ ứng suất tại node ở vị trí thành lon 87

Hình 4.14 Biểu đồ ứng suất tại node ở vị trí đáy lon 87

Hình 4.15 Biểu đồ ứng suất tại node ở vị trí đế lon 88

Hình 4.16 Ứng suất Von Mises sau quá trình dập đáy lon 89

Hình 4.17 Ứng suất chính trong đáy lon 89

3014 [6],[16]) được chọn làm bao bì chính cho ngành công nghiệp bia và nước giảikhát Và vì thế ngành công nghiệp sản xuất vỏ lon kim loại cũng là một ngành côngnghiệp có số lượng sản phẩm rất lớn.

Ngày nay việc sản xuất bao bì vỏ lon kim loại phục vụ cho các ngành côngnghiệp bia và nước giải khát đang ngày càng phát triển trên thế giới cũng như ở ViệtNam Nét khái quát tình hình sản xuất, sử dụng trên thế giới và Việt Nam như sau:

Trên thế giới: Theo UK Market Report 2010, trong năm 2009 tại thị trường

Anh quốc, có đến 8.778 triệu lon được giao dịch, tăng 250 triệu lon (2,9%) so vớinăm 2008 Tại thị trường châu Âu, con số này là 51,5 tỷ lon, tăng 2,4% so với năm

2008 Mặt hàng chủ yếu là lon nhôm hai mảnh dùng cho thức uống có gas, khônggas, bia.v.v Có rất nhiều nhà máy sản xuất loại mặt hàng này, có thể kể đến như:The Can Makers – UK, Aluminium Can Group – Australia, Aluminiumcan – China[22]…

Tại Việt Nam: Trước kia phần lớn chúng ta phải nhập ngoại lon nhôm haimảnh, hoặc do các công ty mẹ cung cấp cho các công ty con trên lãnh thổ ViệtNam Trước nhu cầu và tiềm năng như vậy, đã có một số công ty tham gia vào quátrình sản xuất cung cấp sản phẩm bao bì lon nhôm hai mảnh cho thị trường trongnước cũng như xuất khẩu Điển hình như công ty bao bì như Vinacans Hà Nội vàVinacans Sài Gòn, Crown Sài Gòn, Công ty bao bì Sabeco – Sông Lam v.v Đây là

những công ty cung cấp phần lớn mặt hàng lon nhôm hai mảnh, tất cả đều được sảnsuất trên dây chuyền máy móc hiện đại nhập đồng bộ từ Mỹ, Anh, Vì đây là dâychuyền sản xuất tiên tiến dựa trên nền công nghệ kĩ thuật cao, nên phần lớn cáckhâu vận hành, bảo trì, bảo dưỡng, sửa chữa chúng ta còn phụ thuộc vào các đối tácnước ngoài Điều này về lâu dài rõ ràng là một hạn chế lớn của chúng ta, vì vậy cầnthiết phải có một nghiên cứu sâu sắc về quy trình công nghệ, máy móc kỹ thuật đểtừng bước hiểu rõ công nghệ sản xuất vỏ lon nhôm nói chung cũng như công nghệgia công biến dạng dẻo nói chung Từ đó từng bước làm chủ được công nghệ cũngnhư áp dụng vào thực tiễn sản xuất.

1.2 Vấn đề thường gặp trong quá trình sản xuất lon nhôm.

Hiện tại ở Việt Nam có rất ít những nghiên cứu về lĩnh vự công nghệ chế tạo,sản xuất lon nhôm hai mảnh phục vụ cho ngành công nghiệp bia, nước giải khát.Các công ty hiện đang sản xuất mặt hàng lon nhôm hai mảnh tại Việt Nam đều nhậpkhẩu đồng bộ dây chuyền sản xuất từ các nước Mỹ, Anh.v.v Về mặt chuyển giaocông nghệ, phía đối tác chỉ chuyển giao cho chúng ta cách vận hành máy, bảo trìsản xuất, mà không chuyển giao công nghệ chế tạo Mỗi khi có hư hỏng dâychuyền, chúng ta hoàn toàn phụ thuộc vào nước bạn, và điều này mất rất nhiều thờigian và tiền của Đây là một công nghệ hoàn toàn mới mẻ đối với chúng ta Việchiểu và từng bước làm chủ công nghệ là một yêu cầu rất cần thiết trong điều kiệnhiện nay Năm 2007 tại trường Đại học Bách khoa TP.HCM, nhóm tác giả là haisinh viên Phan Hùng Chương và Nguyễn Ngọc Cảnh dưới sự hướng dẫn của

TS Nguyễn Tường Long có thực hiện một đề tài tốt nghiệp đại học về lĩnh vực môphỏng quá trình dập lon bằng phương pháp phần tử hữu hạn ANSYS/LSDYNA [1].Tuy nhiên đề tài mới dừng lại ở việc mô phỏng phần thân lon mà chưa đề cập đếnphần đáy lon

Thực tế qua tìm hiểu tác giả được biết ở nhà máy sản xuất bao bì kim loạiVINACAN Sài Gòn, trong quá trình sản xuất tồn tại một số điểm như sau:

1) Lon bị hư hỏng như rách, thủng đáy, móp, xước,

2) Bề dày của thành lon chưa đúng tiêu chuẩn

3) Phần đáy lon hay bị thủng trong quá trình thúc (Doming).

4) Lon tới giai đoạn làm cổ một phần bị phá hủy

5) Các chi tiết gia công (tool) bị hư hỏng như nứt bể trong quá trình làm việc.6) Lỗi in ấn

7) Điều chỉnh dây chuyền kiểm định sản phẩm

Các hư hỏng này phần lớn tập chung vào phần đáy lon, phần tiếp giáp giữađáy lon và thân lon Việc thực hiện đề tài này, tác giả mong muốn hoàn thiện hơnviệc mô phỏng quá trình sản suất lon nhôm hai mảnh Nhiệm vụ chính của đề tàinày là xây dựng quy trình dập thân lon Tác giả sẽ sử dụng phương pháp phần tửhữu hạn mô phỏng lại quá trình dập thân lon[10], [12], [13]; bao gồm các bước: dậpcốc (Drawing), dập sâu (redrawing), dập vuốt (Ironging) và dập thúc dáy lon(Doming) [18], trong dây chuyền sản xuất vỏ lon tại nhà máy VINACAN SÀIGÒN Để thực hiện mô phỏng tác giả sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn bằngchương trình Abaqus/Explicit[14] Kết quả có được từ việc mô phỏng là trường ứngsuất, biến dạng trong thân lon sau mỗi quá trình dập (mỗi bước) Việc phân tích,đánh giá ứng suất, biến dạng sẽ giúp chúng ta hiểu bản chất của hiện tượng, từ đógiải thích và đưa ra biện pháp vấn đề mắc phải trong quá trình dập thân lon

1.3 Quá trình hình thành sản phẩm vỏ lon nhôm

Quy trình sản xuất lon nhôm hai mảnh chia thành hai công đoạn thân lon vànắp lon:

1.3.1 Thân lon (Can body)

Máy nâng cuộn nhôm (Upender) -> Máy xả cuộn nhôm (Uncoiler) -> Máytráng dầu (Lubricator) -> Máy dập cốc (Cupper) -> Máy dập vuốt thân lon(Bodymaker) -> Máy xén miệng lon (Trimmer) -> Máy rửa sấy (Washer) -> Máyphủ sơn nền (Coater) -> Máy in (Decorator) -> Máy phun phủ đáy lon -> Máy tránglớp phủ bên trong (Spray) -> Máy làm cổ lon và vành miệng lon (Necker &Flanger) -> Máy kiểm tra lổ thủng ( Light tester) -> Máy kiểm tra lỗi trên lon (Pressco) -> Máy đóng kiện (Palletiser) -> Máy ràng kiện (Strapper) -> Máy quấnkiện lon (Stretch wrapper)

Hình 1.1: Thân lon

Hình 1.2: Quy trình chế tạo thân lon

Vật liệu đầu vào:

Là các tấm nhôm hợp kim có độ dày nhất định (khoảng 0,275mm –0,315mm) – tùy theo loại lon, chiều rộng nhất định – tùy theo khuôn dập Cup

“Cupping Die Set” và chiều dài không hạn chế (phụ thuộc trọng lượng tổng cả tấmnhôm - thường từ 5 tấn đến 10 tấn), tấm nhôm được cuộn lại thành cuộn nhôm (sauđây gọi là COIL nhôm, hay “COIL”)

Tạo “Cup” – Cup Forming:

Nhôm tấm được cắt thành miếng nhôm tròn “BLANK” và dập vuốt thànhcốc “CUP” Các “CUP” được băng tải (Conveyor) chuyển sang bước tiếp theo: Tạothân và đáy lon.

Làm thân lon và đáy lon (Body making and Doming, hay Wall Ironing and Doming):

Cup được dập vuốt thành lon và tạo vòm đáy lon đạt các yêu cầu kỹ thuật về

độ dày thành lon và độ sâu đáy lon Lon được chuyển sang công đoạn tiếp theo:Xén miệng

Xén miệng – Trimming:

Lon sau dập vuốt được xén phẳng miệng đạt chiều cao lon theo tiêu chuẩn.Tiếp theo lon được băng tải (Conveyor) chuyển sang máy rửa – “WASHER”

Rửa sạch, sấy khô – Washing, Drying:

Lon sẽ được rửa sạch hết dầu bôi trơn làm mát “COOLANT” và mạt nhômdính bám, sau đó được sấy khô trước khi hệ thống băng tải chuyển sang máy innhãn – Printing “DECORATOR” Tại công đoạn rửa - sấy này, bề mặt nhôm của vỏlon không chỉ được rửa sạch các chất bẩn, mà các hoá chất trong dung dịch rửa cònphản ứng với nhôm tạo nên một lớp mỏng vô cơ trên bề mặt trong và ngoài lon, vừatăng khả năng dính bám của mực Ink và chất phủ mặt trong lon LACQUER, vừabảo vệ mặt ngoài đáy lon không bị xỉn màu khi rửa nước hoặc khử trùng tại dâytruyền đóng bia hay đóng nước ngọt

In nhãn, phủ Vanish – Printing, Vanishing:

Lon được in nhãn mác theo yêu cầu của mỗi khách hàng và ngay sau innhãn, trên lớp in (còn ướt) phủ một lớp Varnish ra ngoài (cũng ướt - gọi là “wet onwet”) để sau khi sấy khô, lớp Varnish sẽ bảo vệ lớp nhãn in khỏi bị trầy xước trongquá trình vận chuyển tiếp theo Lúc này lớp nhãn in phủ Varnish còn ướt, bởi vậylon được thổi treo lên các Pin của Pin Chain (xích đũa) và đưa qua máy phủ Varnishvành đáy lon

Phủ Varnish vành đáy lon – Bottom Varnishing (Bottom Rim Coating):

Phủ Varnish đáy lon để sau khi sấy khô, lớp Varnish sẽ bảo vệ vành đáy lonkhỏi bị trầy xước khi chạy trên băng tải ở các công đoạn tiếp theo của dây truyềnhoặc trên băng tải của dây truyền đóng bia hay nước ngọt Tiếp theo lon được PinChain đưa qua lò sấy - gọi là Pin Oven để sấy khô mực in (Ink) và varnish.

Sấy – Baking:

Sấy khô mực in và varnish Sau khi sấy, lon được băng tải chuyển tới máyphun lớp phủ trong lon (inside spraying)

Phun phủ trong lon – inside spraying:

Mặt trong lon được phun phủ một lớp Lacquer, để sau khi được sấy khô, lớpphủ này sẽ ngăn cách đồ uống đựng bên trong với vỏ nhôm của lon Lon sau khiphun phủ Lacquer (còn ướt) được đưa tới lò sấy trong IBO (Internal Bake Oven)

Tạo vành miệng lon – Flanging:

Tạo vành miệng lon là công đoạn gia công cuối cùng để tạo thành vỏ lon cóhình dạng và kích thước hoàn chỉnh Sau khi tạo vành miệng, lon được đưa qua máykiểm tra bằng ánh sáng (Light tester) và có thể qua máy kiểm tra bằng quét hình đểloại trừ lon lỗi các loại (thủng, bẹp, méo, bẩn bên trong, nhăn vành miệng)

Đóng kiện – Palletizing; buộc dây – Strapping; Cuốn nilon – Wrapping:

Lon thành phẩm, sau khi qua máy kiểm tra chất lượng, được đón thành kiện,buộc dây, và cuốn màng nilon bảo quản trước khi xuất xưởng

1.3.2 Nắp lon (Can End)

Dây chuyền sản xuất nắp lon được chia làm 4 giai đoạn chính: giai đoạn tạokhuôn (Shell Press); giai đoạn làm mép đệm cao su và kiểm tra (Compound Store);giai đoạn xẻ rãnh, làm khoen (Conversion Press) và đóng gói lưu kho (Parkaging)

Hình 1.3:Nắp lon

Hình 1.4: Quy trình chế tạo nắp lon

1.4 Cụ thể về quy trình dập lon

COIL – (Cuộn nhôm vật liệu đầu vào):

Là tấm nhôm hợp kim, dày 0,275 – 0,315 mm – tùy theo kích thước lon, chiềurộng nhất định tùy theo bộ khuôn dập CUP và có độ dài không hạn chế, được cuộnlại thành cuộn - gọi là COIL Thực tế độ dài cuộn COIL sẽ do trọng lượng cuộn

COIL xác định, và trọng lượng cuộn COIL sẽ tùy thuộc vào từng dây truyền chế tạoCOIL nhôm cụ thể COIL có thể nặng khoảng 4 – 5 tấn; cũng có cuộn COIL nặngtới 10,5 tấn Khi mua về, COIL xếp theo chiều đứng để đảm bảo an toàn và dễ dànghơn cho vận chuyển.

UPENDER – (Máy lật Coil)

Coil được xe nâng đặt lên máy lật coil – Upender Máy Upender có nhiệm vụlật coil nằm ngang để cho xe nâng có thể đưa càng vào lõi coil, nhấc bổng vàchuyển coil tới xe coil – Coil car

Coil Car là cụm thiết bị chuyển Coil sang lắp vào trục quay của Uncoiler (Máy nhảCoil)

Hình 1.5: Các thiết bị sắp xếp cuộn nhôm và máy cupper

COIL CAR – (Xe chuyển Coil)

Coil Car có thể di chuyển tới, lùi, nâng lên, hạ xuống cuộn coil để cho phépchỉnh vị trí lõi cuộn coil trùng với trục quay “Mandrel” của máy nhả coil –Uncoiler

UNCOILER – (Máy nhả Coil):

Uncoiler có nhiệm vụ nhả dần cuộn nhôm ra thành tấm nhôm dài liên tục.Tấm nhôm được đẩy qua thiết bị bôi trơn – Lubricator để nhúng dầu bôi trơn cả haimặt trước khi đưa tấm nhôm vào máy dập CUP

LUBRICATOR – (Máy bôi trơn):

Có nhiệm vụ phủ lớp dầu bôi trơn “CUP LUBE” cả hai mặt của tấm nhôm,

có tác dụng giảm ma sát giữa chày, cối và tấm nhôm trong công đoạn dập CUPcũng như công đoạn dập vuốt thân lon tiếp theo Body making Nồng độ dầu bôitrơn và lượng dầu phân bố trên mặt nhôm nhiều ít sẽ quyết định chất lượng gia côngcủa hai công đoạn tiếp theo, bởi vậy cần phải được kiểm soát chặt

CUPPER

1) Máy dập cốc khi nhận nhôm vào sẽ thực hiện 2 công đoạn liên tiếp làcắt nhôm vào thành các tấm tròn (blank), và gần như đồng thời một bộ các chày sẽdập xuống các tấm tròn này để tạo thành các cốc Máy dập cốc được khảo sát ởVINACAN một chu kỳ sẽ cho ra 6 cốc Bề dày nhôm nguyên liệu: 0.259 mm (0.01inch), mác nhôm sử dụng: 3104 Đường kính blank: 139,69 mm (5.5 inch) cup topwall 0.36875 mm (0.0145 inch), cup bottom wall 0.2655 mm, đáy 0.259 mm, hmax

34.32 mm, hmin 32.59 mm, đường kính ngoài 89.41 mm, Công suất máy cupper là

30 HP

2) Chất lượng của lon thành phẩm phụ thuộc nhiều vào quá trình dập cốcnày Quá trình dập cốc bắt đầu khi chày chạm vào tấm nhôm Trong quá trình dậpbiên ngoài của tấm nhôm bị kéo theo dọc phương bán kính của tấm nhôm tròn vào

phía trong (Hình 1.7-A) Lực dập của chày và lực giữ tấm nhôm gây ra một lực căng như Hình 1.7-B Lúc đầu thì lực căng làm phần thành cốc gần đáy mỏng đi Phần ngoài của tấm nhôm sẽ dày hơn sau quá trình dập như Hình 1.7-C.

Hình 1.6: Một bộ “tool” và tấm nhôm tròn

* Các vùng đen là bề mặt làm việc của

“die”.

** Mặt phẳng của tấm nhôm nguyên liệu hay tấm nhôm tròn.

để đạt được bề dày như thiết kế, và chiều cao chấp nhận Giai đoạn cuối cùng củaquá trình này là tạo đáy lon (domed bottom) Sau đó lon được chuyển sang khâu kếtiếp của dây chuyền.

Chú ý:

sau mổi lần qua ironing die

trên của lon

trong suốt quá trình iron.

thành lon dày hơn

Hình 1.8: Sự biến dạng qua các giai đoạn

2 Trong cơ cấu của bodymaker có một chiếc chày (punch) được gắn trênđấu 1 thanh đội (ram), và thanh đội này sẽ thúc các chiếc cốc xuyên qua một bộkhuôn (die set) gồm có 1 “redraw die”, 3 “ironing die”, 1 stripper (vòng chặn để lon

CUPS (FROM CUPPER) BODYMAKER

rớt vào băng tải đi ra ngoài mà không dính lại trên punch) Cuối mỗi cú thúc chiếclon sẽ va chạm vào “domer” để tạo đáy lon.

Hình 1.9 Quá trình redraw và iron

3 Trong quá trình hoạt động của bodymaker thì việc bảo đảm độ chính xácđường đi của ram là rất quan trọng Có 2 phương pháp cơ bản để thực hiện việc này.

Ở các máy bodymaker của VINACAN có các hệ thống dẫn bằng các bệ đỡ bằngchất lỏng (fluid-bearing ram guidance system) Ở đây sử dụng chất làm mát(coolant) có áp lực để giữ cho đường đi của ram chính xác Điều này triệt tiêu tiếpxúc giữa ram và các bệ đỡ Và chất làm mát được cung cấp liên tục cho hệ thốngnày

4 Quá trình iron (làm mỏng thành lon) cần cung cấp coolant (hỗn hợp củadầu bôi trơn và nước) liên tục để điều khiển nhiệt độ trong quá trình làm việc, vàcoolant được một hệ thống vòi xịt liên tục Ngoài ra hệ thống phun coolant này cònxịt cho các vụn kim loại ra khỏi máy

5 Độ giảm kích thước của quá trình redraw trong máy bodymaker phụ thuộcvào độ giảm kích thước của quá trình draw trong máy cupper Thời gian draw tạimáy cupper càng lâu thì quá trình redraw tại máy body maker càng ngắn và ngượclại Hầu hết các dây chuyền làm lon hiện nay đều sử dụng hợp hợp kim nhôm siêucứng mới nhất, điều đó cho phép biến dạng nhiều hơn trong quá trình redraw Cònkhi sử dụng các hợp kim có độ cứng thập và trung bình thì quá trình redraw khôngbiến dạng được nhiều Lý do là kim loại trong thành cốc đã bị biến cứng và khôngcòn giữ tính chất như lúc đầu Đáy của lon vẫn giữ được tính chất như vật liệu banđầu, còn thành thì đã cứng hơn nhiều, điều này phụ thuộc vào lượng giảm bán kínhtrong quá trình tạo cốc Do đó trong quá trình dập lon lượng giảm bán kính phảikhông vượt quá giới hạn vì phần vật liệu gần đáy không đủ bền để kéo thành lontrong quá trình redraw Lượng giảm bán kính từ cốc sang lon của mỗi máy đềuđược tính toán trước từ thiết kế và vật liệu

6 Quá trình làm mỏng thành lon (wall ironing) và các quá trình biến dạngkim loại khác đều phức tạp và rất khó kiểm soát trong thực tế Nhiều biến ta cầnphải quan tâm như độ chính xác lắp ghép các chi tiết và chất bôi trơn (coolant) khitính toán với từng hợp kim cụ thể Quá trình “iron” là một quá trình nén và nó xảy

ra khi kim loại được kéo vào vùng biến dạng (xem hình vẽ dưới) Chày thúc chiếc

cốc xuyên qua “ironing ring” và tạo nên áp lực lên thành trong của vỏ lon Thànhngoài của lon do đó bị nén lại và ma sát làm thành ngoài bị nén và sau đó chảy dẻo.Quá trình này làm mỏng thành của lon để đường kính ngoài bằng với đường kínhcủa “ironing ring” va làm cho lon dài hơn bằng một lượng kim loại bị gọt khi qua

“iron ring” Kim loại chảy dọc theo biên dạng của chày Và ứng suất xuất hiện trongsuốt quá trình này rất phức tạp bởi vì bán kính mặt ngoài của lon đã giảm đi và kimloại bị nén lại do dòng chảy theo đường tròn Rất rõ ràng là có rất nhiều diễn biếnxảy ra trong vùng biến dạng, và các lực được tạo ra phụ thuộc vào ma sát và sứcchịu kéo của kim loại Tỉ số ứng suất trên sức căng trong quá trình này phải đượcbảo đảm để chắc chắn xảy ra quá trình biến dạng thì quá trình iron mới xảy ra chínhxác được

Hình 1.10: Các lực sinh ra trong quá trình vuốt.

7 Quá trình “iron” đi qua một bộ gồm ba khuôn (ironing ring) cho tới khilon đạt được bề dày thành và chiều cao mong muốn

8 Thành lon chịu rất nhiều lực khác nhau sau khi bị biến dạng bởi quá trìnhiron và do đó thành lon cần phải đáp ứng các yêu cầu khắc khe để có thể chịu đựngtốt trong quá trình làm việc Áp suất trong lon (sau khi cho thức uống vào) có xuhướng làm thành lon căng lên Bởi vì các lực bên ngoài lon lại gây lực nén đơn

thuần, nên lực cần thiết để gây hỏng lon (rách hay rò rỉ) tăng lên đối với các lon đã

có áp suất Khi lon được bơm thức uống vào, nó sẽ được đóng nắp và lực này khálớn dễ gây hỏng lon Khối lượng trong lon được phân bô như sau: 50 phần trămthân (bao gồm cả cổ và mép), 25 phần trăm đáy và 25 % là nắp Lực tác dụng lênlon phụ thuộc chủ yếu vào kỹ thuật vận chuyển lon và lực dọc trục cần thiết đểchâm nước vào đóng nắp Bề dày thành lon được thiết kế để có độ mỏng đều và đủdày tại vùng chuyển tiếp gần vùng cổ và đáy để có thể chịu được lực dọc trục gâyuốn, lực dập trong suốt quá trình sản xuất và đặc biệt là quá trình tạo cổ Và tại 2điểm chuyển tiếp này thì ứng suất dọc trục và ứng suất bên (lateral stress) là lớnnhất Điều này cho phép bề dày thanh lon là tối thiểu trong suốt 75 phần trăm chiềucao thành lon Bằng việc sử dụng thiết kế như vậy và đồng thời ta nhận thấy là 50%khối lượng lon nằm ở thân thì một khối lượng lon được giảm đáng kể

9 Như đã nói ở trên, quá trình tạo đáy lon (doming) của lon xảy ra ở mỗicuối một cú thúc Quá trình doming thực chất là một quá trình redraw ngược Để sửdụng hợp kim nhẹ nhất thì cần phải có sự khác biệt lớn giữa đường kính thành vàđáy Đáy của lon có 2 chỗ yếu đó là phần đáy vòm và phần mép nối giữa phần đáyvòm và thân Độ bền của của phần đáy vòm phụ thuộc vào các yếu tố sau: modulusđàn hồi của vật liệu, bán kính, sức bền của vật liệu, bán kính cầu, và quá trình biếndạng trong khi tạo đáy vòm Lực ma sát xuất hiện trong quá trình tạo đáy vòm được

chỉ ra trong Hình 1.10 Lực của domer phụ thuộc phần lớn vào tính chất ma sát của

việc kéo lon lỏng ra khỏi chày và áp suất dome Bộ chi tiết làm đáy vòm gồm cómột “doming die” và một “pressure clamp ring” Sau khi tới cuối chu trình của một

cú thúc, chày sẽ lùi lại và lon sẽ mắc vào “stripper”, cộng với khí thổi trong chày thìlon rớt vào băng chuyền ra ngoài Quá trình tạo đáy vòm một phần giúp cho quátrình kéo lon rớt ra được dễ hơn

Hình 1.11: Các lực ma sát sinh ra trong quá trình tạo đáy vòm

10 Quá trình kéo lon ra (stripping) chủ yếu là dựa vào lực khí thổi lon,nhưng nếu lon dính quá chặt vào chày thì lon cũng sẽ được kéo ra do mắc vàostriper Striper giống như cửa một chiều, chỉ cho vào mà không cho ra

11 Lon ra khỏi máy body maker có chiều cao mép không đều (do earing củacup và độ chính xác của lắp ráp các ironing die) và cần phải được cắt cho đều Lonđược dẫn tới máy trimmer

Bảng 1.1: Số liệu chiều cao của lon trước khi xén miệng tại VINACAN

Can H1(inch) H2(inch) H3(inch) H4(inch) Đường

2nd Ironning Die 2.6177 2.6140

3rd Ironning Die 2.6127 2.6088 (inch)

*Tốc độ chạy 178-230 lon/ phút, áp lực dome 85-95 PSI

*Công suất BM 40 HP

TRIMMER

1 Máy trimmer (xén miệng lon) nhận lon từ máy bodymaker và xén đềumiệng của lon với một chiều cao tiêu chuẩn (mm)

Bảng 1.2: số liệu đo được của các lon sau khi xén miệng tai VINACAN

Midwall 0.109->119 (đang chạy 0.110 0.005mm)

Trim can heigh 116.79 ->116.89 mm (1170.05mm)

Dome 10.57 ->10.77 mm

Tốc độ chạy của máy trimmer phù hợp với tốc độ của máy bodymaker nhằm đảmbảo dây chuyền chạy liên tục

2 Mỗi một lon từ bodymaker được đưa vào infeed starwheel, sau đó quamain starwheel tới vị trí định trước, lon sẽ được đẩy vào bộ dao cắt đang mở sẳnnhờ vào hệ thống khí thổi vào đáy vòm của lon Khi tới đúng nơi thì dao cắt dưới sẽ

đi lên kẹp thành lon lại và dao trên, dao dưới lon đều xoay và cắt phần trên của lon

đi Lon sau khi cắt sẽ được đưa tới máy rửa và lò sấy

WASHER – (Máy rửa lon):

Do các công đoạn dập CUP và làm thân lon đều có sử dụng dầu bôi trơn, làmmát, các lon sau khi cắt miệng trên bề mặt cả trong và ngoài đều dính bám mộtlượng dầu cup lube, coolant và ít mạt nhôm, cần phải rửa sạch trước khi in nhãn vàphun lớp phủ bên trong lon Bởi vậy lon phải đi qua máy rửa WASHER Máy rửaWASHER là thiết bị bao gồm một dãy các bể chứa các dung dịch pha một số loạihoá chất chuyên biệt và nước sạch Trên mỗi bể là hai dàn vòi phun – một trênxuống, một dưới lên, dung dịch rửa được hút từ bể bơm qua hai dàn vòi phun đểphun rửa cả trong và ngoài lon Mỗi bể được thiết kế để thực hiện một công đoạncủa quá trình rửa lon, sao cho lon sau khi đi qua máy rửa WASHER, bề mặt lonkhông chỉ được rửa sạch dầu và mạt nhôm dính bám, các hoá chất trong dung dịchrửa còn phản ứng với nhôm tạo cho bề mặt cả trong và ngoài lon có khả năng dínhbám tốt hơn với mực in và chất phủ bên trong, đồng thời, bảo vệ mặt ngoài đáy lon(phần không được in nhãn) khỏi bị ố xỉn khi qua dây truyền đóng bia hay nướcngọt Qua hết các bể rửa (thường gồm 6 bể), lon được sấy khô trước khi băng tảichuyển sang công đoạn tiếp theo – In nhãn

DECORATOR – Máy in nhãn (Còn gọi là Printer):

Là máy in nhãn mác lên mặt ngoài vỏ lon theo thiết kế mẫu mã khách hàngyêu cầu với tối đa là 6 màu

Mặt ngoài lon ngay sau khi được in mực (sơn) – mực còn ướt, được phủ tiếpmột lớp varnish ra ngoài (cũng ướt – gọi là “wet on wet”) Sau khi sấy khô, lớpvarnish có tác dụng bảo vệ lớp nhãn in khỏi bị trầy xước trong các quá trình vận

chuyển tiếp theo Lúc này lớp nhãn in phủ varnish còn ướt bởi vậy lon được thổitreo trên các Pin của Pin chain (xích đũa) và đưa sang máy phủ Varnish vành gờđáy lon – BRC

BOTTOM RIM COATER (B.R.C) – (Máy phủ varnish gờ đáy lon):

Gờ đáy lon cần được phủ varnish, để sau khi sấy khô, đáy lon sẽ trơn trượthơn, dễ dàng di chuyển trên băng tải hơn, đồng thời lớp varnish sẽ bảo vệ vành đáylon khỏi bị trầy xước khi chạy trên băng tải ở các công đoạn tiếp theo của dâytruyền hoặc trên băng tải của dây truyền đóng bia hoặc nước ngọt Tiếp theo lonđược Pin Chain đưa qua lò sấy – gọi là Pin Oven

PIN OVEN – Lò sấy (Pin chain) còn gọi là Peg oven:

Lò sấy Pin Chain là lò sấy được thiết kế cho sử dụng Pin Chain Lon từ máy

in – DECORATOR còn ướt, được Pin Chain đưa qua lò để sấy khô mực in (Ink) vàvarnish – (varnish) Tiếp theo, lon được chuyển tới máy phun trong – L.S.M

LACQUER SPRAY MACHINES (L.S.M) – Máy phun phủ trong lon:

Là máy phun phủ một lớp Lacquer, để sau khi được sấy khô, lớp phủ này sẽngăn cách đồ uống đựng bên trong với vỏ nhôm của lon Lon sau khi phun phủLacquer (còn ướt) được đưa tới lò sấy trong IBO (Internal Bake Oven)

INTERNAL BAKE OVEN (I.B.O) – (Lò sấy lớp phủ trong):

Sấy khô lớp Lacquer phủ mặt trong lon Lon sau sấy được băng tải đưa quamáy bôi trơn bằng sáp quanh cổ lon – NECK LUBRICATOR

NECK LUBRICATOR – (Máy bôi sáp quanh cổ lon):

Lon trước khi top miệng tạo cổ lon được bôi sáp – WAX quanh phần gầnmiệng lon, nhằm giảm ma sát trong quá trình top miệng/cổ lon Sau khi bôi sáp, lonđược đưa tới máy làm cổ lon – NECKER NECKER

NECKER NECKER – (Máy làm cổ lon):

Máy có nhiệm vụ top phần miệng lon tạo thành cổ lon, chuẩn bị cho côngđoạn tiếp theo – Tạo vành miệng lon – Flanging

NECKER FLANGER – (Máy tạo vành miệng lon):

Máy có nhiệm vụ tạo vành miệng lon sau khi cổ lon đã được top Sau côngđoạn này, lon đã được tạo hình hoàn chỉnh Lon được băng tải chuyển qua máykiểm tra bằng ánh sáng LIGHT TESTER.

LIGHT TESTER – (Máy kiểm tra lon bằng ánh sáng):

Là thiết bị kiểm tra lon dùng các phần tử điện tử nhạy ánh sáng và mộtnguồn sáng Máy có thể phát hiện và loại bỏ những lon bị thủng, nứt, nhăn vànhmiệng, méo, bẹp nặng…Tuy nhiên, máy này không thể phát hiện các lon bên trong

bị bẩn dầu mỡ, hoặc dính mực in và chất bẩn khác Bởi vậy các dây truyền hiện đạicòn cần thêm một thiết bị kiểm tra nữa, gọi là Vision Inspection System (có cameraquét quanh bên trong lon) có khả năng phát hiện vết bẩn hay các méo bẹp cỡ nhỏ.Sau bước này lon được chuyển tới máy đóng kiện Palletizer

PALLETIZER – (Máy đóng kiện vỏ lon):

Để vận chuyển thuận lợi, an toàn và kinh tế, lon được đóng thành kiện Pallet.Pallet gồm nhiều lớp lon xếp chồng lên nhau, giữa các lớp được ngăn cách bằng cáctấm bìa các tông Số lon mỗi lớp và số lớp mỗi kiện sẽ theo yêu cầu khách hàng,hoặc theo tiêu chuẩn thông dụng ngành Thường có hai cỡ Pallet tương ứng với hai

cỡ bìa ngăn, một lớp lon trên bìa cỡ nhỏ là 297 lon, cỡ bìa to là 389 lon

STRAPPER – (Máy buộc dây):

Để giữ lon xếp thành kiện không xê dịch, xô lệch, rơi đổ Kiện lon đượcbuộc dây tự động tại máy buộc Strapper Thông thường buộc dây cả hai chiềungang và dọc kiện Mỗi chiều buộc hai dây

WRAPPER – (Máy quấn nilon):

Ở các nước có môi trường không khí không sạch, các kiện lon còn phải đượcbọc kín xung quanh bằng nilon nhờ máy quấn nilon WRAPPER, trước khi nhập khochờ chuyển tới khách hàng

WAREHOUSE – nhập kho thành phẩm.

*Kết luận: Quy trình sản xuất vỏ lon là một quy trình phức tạp đòi hỏi độ chính xác

cao về cả máy móc và công nghệ Để có thể thực hiện mô phỏng tốt quá trình dập

lon, thì việc hiểu rõ quy trình hình thành sản phẩm vỏ lon nhôm trong dây chuyềnsản xuất ngoài thực tế là cần thiết Ở đây, tác giả chỉ dừng lại ở việc khái quát quytrình sản xuất vỏ lon thông qua việc mô phỏng quá trình dập thân lon thông quabốn bước dập cốc (drawing), dập sâu (redrawing), dập vuốt (ironging) và dập thúcđáy (doming).

CHƯƠNG 2

CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1 Phương pháp tính biến dạng dẻo

2.1.1 Khái niệm về biến dạng dẻo

2.1.1.1 Biến dạng đàn hồi và biến dạng dẻo của kim loại

Trong kim loại, các nguyên tử (iôn) tồn tại lực tác dụng tương hỗ, gồm cáclực đẩy và lực kéo Tại một nhiệt độ nhất định chúng dao động quanh vị trí cânbằng Nhờ vậy, vật thể tồn tại với một hình dáng kích thước nhất định Theo quanđiểm năng lượng, các nguyên tử tồn tại ở vị trí năng lượng tự do thấp nhất, tuỳthuộc cấu trúc tinh thể Các nguyên tử ở mạng tinh thể lập phương thể tâm (LPTT)

có năng lượng tự do cao hơn, trong khi đó ở mạng lập phương diện tâm (LPDT),năng lượng tự do thấp hơn

Dưới tác dụng của ngoại lực hoặc nhiệt độ, làm thay đổi thế năng của nguyên

Hình 2.1: Biểu đồ thế năng giữa các nguyên tử

tử, các nguyên tử rời khỏi vị trí cân bằng Ta có thể nhận thấy thông qua sự thay đổikích thước của vật thể Lực càng lớn, nhiệt độ càng cao, thế năng càng tăng Nếunăng lượng làm nguyên tử cách xa nhau, khi năng lượng không đủ vượt qua một giá

trị nhất định, ngưỡng lớn nhất, sau khi thôi lực hoặc giảm nhiệt, các nguyên tử quay

về vị trí ban đầu

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, phá huỷ.

Vật thể dưới tác dụng ngoại lực bị biến dạng Nếu sau khi cất tải biến dạng bị 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 và nhiệt độ, ta có thể biểu diễn:

R

t M

Khi tăng năng lượng tự do của nguyên tử vượt qua một giới hạn, nguyên tửkim loại chuyển dời sang một vị trí mới xa hơn và ổn định hơn, không trở về vị trícân bằng cũ khi thôi lực tác dụng Tổng sự dịch chuyển của các nguyên tử sang vịtrí 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 cácnguyên 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 (Hình 2.1) 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 dẻokhông làm thay đổi thể tích của vật thể biến dạng

2.1.1.2 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 lênvật 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 độbiến dạng, nên đường cong biến cứng được xác định cho từng kim loại và hợp kimtrong từng điều kiện nhiệt độ - tốc độ biến dạng cụ thể Ứng suất gây biến dạng dẻoquan hệ với độ lớn và hướng tốc độ biến dạng trong trạng thái ứng suất đơn, khibiến dạng ở điều kiện nhiệt độ - tốc độ được gọi là ứng suất chảy, biểu diễn bằng

S

 Để xác định  Sbằng thực nghiệm cần tạo ra điều kiện biến dạng bảo đảm biếndạng phân bố đều trên toàn thể tích vật biến dạng với trạng thái ứng suất đơn Muốnvậy ta dùng thực nghiệm kéo hoặc nén để xác định đường cong biến cứng Nếu thừanhận trạng thái ứng suất trong trường hợp đó là trạng thái đơn, thì ứng suất chảyđược xác định bằng tỷ số giữa lực biến dạng với diện tích mặt cắt ngang thực củamẫu thử tại thời điểm biến dạng

Khi thực nghiệm kéo trạng thái ứng suất đường tồn tại chỉ đến thời điểm xuấthiện cổ thắt Sau khi xuất hiện cổ thắt, không còn trạng thái ứng suất đường mà xuấthiện trạng thái ứng suất khối Xây dựng đường cong biến cứng ở đoạn sau khi xuấthiện 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 chếgiá trị biến dạng khi xác định giới hạn chảy, nhưng cần phải tránh ảnh hưởng của

ma sát tiếp súc, 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 biếndạng hoặc ngược lại Theo quan hệ ứng suất và biến dạng khi biến dạng dẻo, ta cóthể sử dụng quan hệ tuyến tính giữa cường độ ứng suất và cường độ biến dạng:

Trong quan hệ giữa cường độ ứng suất và cường độ biến dạng có ý nghĩalớn, chúng chỉ phụ thuộc vào vật liệu, không phụ thuộc vào trạng thái ứng suất Nhưvậy, ta có thể dùng một trạng thái ứng suất với cách đặt tải giản đơn (kéo đơn, nénđơn, chịu cắt, chịu xoắn thuần tuý ), tìm giá trị cường độ ứng suất  ivà cường độbiến dạng i, từ đó xây dựng quan hệ hàm số giữa  ivà  i Nhờ quan hệ hàm sốnày, ta có thể sử dụng trong trường hợp trạng thái ứng suất phức tạp.

Khi kéo đơn: 1  ; 2 3 0;

a Đường cong ứng suất vật lý:

Khi kéo đơn, ta xây dựng quan hệ giữa ngoại lực P và độ dãn dàiL Ta thấyđường cong gồm 4 đoạn

I Giai đoạn biến dạng đàn hồi

II Giai đoạn chảy

III Giai đoạn biến dạng dẻo

IV Giai đoạn phá huỷ

Các vật liệu dẻo có biểu đồ kéo đặc trưng như sau:

Giới hạn tỷ lệ  tllà giới hạn quan hệ ƯS-BD hoàn toàn tỷ lệ thuận;

Giới hạn đàn hồi  dh là giới hạn bảo đảm phục hồi hoàn toàn kích thước mẫuban đầu sau khi thôi lực tác dụng;

Giới hạn chảy là giới hạn vật liệu bắt đầu biến dạng dẻo;

Giới hạn bền là giới hạn vật liệu bắt đầu biến dạng không đều, trên mẫu xuấthiện cổ thắt, đó là giá trị được coi giới hạn vật liệu bắt đầu phá huỷ

Biến dạng của mẫu kéo không đều Cho chiều dài quy ước là l0, diện tích tiếtdiện ngang là A0, chiều dài mẫu thử tại thời điểm bất kỳ là l, diện tích mặt cắt ngang

là A

Từ đó ta có thể xây dựng đường cong quan hệ:   f( ) à v   f( ) Do l0

và A0 là giá trị chiều dài và diện tích tiết diện mẫu ban đầu, là hằng số, nên đườngcong giống đường P = f(L)

Nhưng, mẫu khi bị kéo ngoài sự biến dạng theo chiều trục, còn có biến dạng theohướng kính, làm diện tích tiết diện co hẹp lại Vì vậy, giá trị ứng suất

0

P A

  khôngphản ảnh đúng giá trị ứng suất thực tế tại thời điểm bất kỳ Vì vậy ta gọi đườngcong ứng suất trên gọi là đường cong quy ước Đường cong đó được dùng trong sứcbền vật liệu và kết cấu, do nó biểu diễn quan hệ ứng suất và biến dạng nhỏ

b Biểu đồ kéo nén thực

Trong giải bài toán dẻo, ta dùng các phương trình vật lý, tính biến dạng quaứng suất, hoặc từ ứng suất tìm biến dạng Muốn vậy, trước hết phải dùng thựcnghiệm tìm quan hệ hàm số giữa cường độ ứng suất  i với cường độ biến dạng  i.Thông thường để xác định các thuộc tính cơ học của vật liệu người ta dùng thínghiệm kéo đơn hoặc nén đơn Kết quả ta có thể thiết lập quan hệ giữa lực tác dụng

P và độ dãn dài tương đối   l l l n 0; đồng thời xác định được hệ số co thắt

0 n n

Để có thể so sánh các số liệu thực nghiệm của vật liệu tại bất kỳ cơ sở thựcnghiệm nào, ngoài phần bảo đảm độ chính xác của thiết bị, cần tuân thủ tiêu chuẩn

về kích thước mẫu Có 2 loại chiều dài mẫu theo yêu cầu: l0= 10d và l0= 5d; tươngứng có tỷ lệ: l0 11,3 F l0; 0 5,56 F0

Do hệ số biến dạng tương đối chịu ảnh hưởng của chiều dài mẫu, nên nhiềutrường hợp phải xác định và so sánh 2 chỉ tiêu 5 và 10tương ứng với l0=5d và

l0=10d Thông thường mẫu ngắn chịu ảnh hưởng của ứng suất kéo tại 2 đầu kẹpnhiều nên biến dạng lớn hơn, và có số biến dạng tương đối lớn hơn

Biểu đồ ứng suất – biến dạng nói trên với

0

P A

  , gọi là biểu đồ vật lý hay biểu đồquy ước Vì trong quá trình kéo tiết diện ngang F0 luôn thay đổi, do đó  có giá trị không hoàn toàn như  tính ở trên Do đó, trong thức tế, người ta dùng biểu đồ kéo

đơn thực với P

A

  ở đây F là diện tích mặt cắt mẫu tại từng thời điểm

c Biến dạng thực và biến dạng tương đối:

Trong bài toán Đàn – Dẻo người ta dùng hai cách biểu diễn biến dạng

Độ dãn dài tương đối  :

0.100% ( ).100%