Nghiên cứu phương pháp xác định độ chính xác gia công cơ trên máy công cụ

II.2.4 áp lực riêng đối với các dạng khuôn khác II.3 Nghiên cứu công nghệ ép chảy bằng phương pháp mô Chương III: Nghiên cứu, ứng dụng phần mềm ANSYS vào mô phỏng số quá trình biến dạn

Sau hai năm học tập và nghiên cứu tại Bộ môn Gia công áp lực - Khoa Cơ khí - Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, với sự chỉ dẫn tận tình của các Thầy, Cô giáo, sự giúp đỡ nhiệt tình của bạn bè và sự nỗ lực cố gắng của bản thân, tôi đã hoàn thành luận văn Tốt nghiệp Cao học và đạt những kết quả mong muốn

Nhân dịp hoàn thành luận văn Cao học, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới tất cả các Thầy, Cô giáo trong Bộ môn, Khoa và Trường đã tận tình giúp đỡ, động viên, tạo điều kiện tốt nhất cho tôi hoàn thành khoá học của mình

Tôi xin chân thành cảm ơn Thầy giáo TS Nguyễn Đắc Trung, PGS - TS Phạm Văn Nghệ, đã nhiệt tình hướng dẫn và giúp đỡ tôi trong việc thực hiện luận văn này

Tôi xin chân thành cám ơn các thầy giáo phản biện đã đọc luận văn và

đóng góp cho tôi những ý kiến quý báu và bổ ích

Nhân đây, tôi cũng xin gửi lời cám ơn chân thành tới Cha, Mẹ, gia đình

và các bạn bè thân thiết đã giúp đỡ, động viên, tôi trong học tập cũng như trong trong cuộc sống Nếu không có sự ủng hộ này thì tôi cũng không đạt

được kết quả tốt đẹp như ngày hôm nay

Xin kính tặng luận văn cho Cha, Mẹ và gia đình tôi

Tác giả

Nguyễn Văn Hiến

I.3 Các bước công nghệ của quá trình ép chảy 15

I.4 Mục đích nghiên cứu của luận văn 18

Chương II: Nghiên cứu trạng thái ứng suất, biến dạng, lực và

II.1 Trạng thái ứng suất, lực và công biến dạng khi ép

II.2 Tính toán công nghệ khi ép chảy 27

II.2.4 áp lực riêng đối với các dạng khuôn khác

II.3 Nghiên cứu công nghệ ép chảy bằng phương pháp mô

Chương III: Nghiên cứu, ứng dụng phần mềm ANSYS vào mô

phỏng số quá trình biến dạng tạo hình 49

III.2 Nghiên cứu ứng dụng phần mềm ANSYS vào mô

phỏng số quá trình biến dạng tạo hình 51

III.2.1 Giới thiệu chung về phần mềm ANSYS 51III.2.2 Các bước tiến hành mô phỏng số trong

Chương IV: Mô hình hoá quá trình ép chảy thuận ống đối

xứng ở trạng thái nóng, ứng dụng cho vật liệu nhôm 73

IV.2 Mô hình biến dạng của kim loại và hợp kim ở trạng

IV.5 Giải các bài toán biên cơ - nhiệt 86

IV.5.3 áp dụng đối với bài toán ép chảy thuận ống

IV.5.3.1 Điều kiện biên cơ nhiệt của bài

Chương V: Mô phỏng số quá trình ép chảy thuận ống đối xứng ở

trạng thái nóng, ứng dụng cho vật liệu nhôm 98

V.1 Nghiên cứu tối ưu dòng chảy trong quá trình ép chảy

Lời nói đầu

Trong những năm gần đây, cùng với sự phát triển mạnh mẽ của nền kinh

tế, chất lượng sản phẩm yêu cầu ngày càng cao, đa dạng về mẫu mã, chủng loại và phải đáp ứng nhanh chóng về mặt thời gian Do vậy, tối ưu hoá công nghệ nhằm nâng cao chất lượng, giảm chi phí thiết kế, sản xuất và hạ giá thành sản phẩm luôn là tiêu chí hàng đầu cho tất cả các nhà sản xuất

Trước đây, khi công nghệ chưa phát triển, tối ưu hoá công nghệ thường dựa trên kinh nghiệm sản xuất và tối ưu dần trong quá trình sản xuất mà không có tính tổng quát nên hiệu quả thường không cao Trong những năm gần đây, cùng với sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ thông tin, điện tử, tự

động hoá đã trợ giúp quá trình tối ưu hoá công nghệ một cách đơn giản, nhanh chóng và chính xác bằng phương pháp mô phỏng số trên máy tính đem lại hiệu quả cao trong nghiên cứu khoa học cũng như trong sản xuất

ở nước ta hiện nay, mô phỏng số vẫn còn là một vấn đề mới mẻ, hầu như chưa được ứng dụng phổ biến vào sản xuất mà chỉ được nghiên cứu ở một

số trường đại học cũng như các viện nghiên cứu Để góp phần vào sự phát triển chung của việc nghiên cứu tối ưu hoá công nghệ nhờ mô phỏng số và thúc đẩy ứng dụng kết quả tối ưu vào sản xuất công nghiệp, luận văn này tập chung nghiên cứu và ứng dụng phương pháp mô phỏng số nhờ phần mềm ANSYS nhằm tối ưu hoá công nghệ ép chảy thuận ống nhôm đối xứng trục ở trạng thái nóng

Luận văn được trình bày trong 5 chương

Chương 1 giới thiệu tổng quan về công nghệ ép chảy, các phương pháp

ép chảy, ưu nhược điểm của từng phương pháp và ứng dụng

Chương 2 Trình bày những vấn đề cơ bản về trạng thái ứng suất, biến dạng, lực và công trong quá trình ép chảy Trong chương này còn trình bày các dạng dòng chảy của kim loại trong quá trình ép chảy Cách tính toán các thông số công nghệ của quá trình ép chảy theo phương pháp truyền thống, khả năng ứng dụng phần mềm ANSYS vào mô phỏng quá trình biến dạng tạo hình kim loại

Chương 3 Trình bày việc nghiên cứu ứng dụng phần mềm ANSYS vào mô phỏng số quá trình biến dạng tạo hình kim loại, đồng thời giới thiệu khả năng ứng dụng của phần mềm ANSYS

Chương 4 Trong chương này trình bày mô hình biến dạng của vật liệu ở trạng thái nóng dưới dạng một hệ phương trình toán lý tổng quát Cách thiết lập bài toán biên cơ nhiệt, cách giải bài toán biên cơ nhiệt ứng dụng cho bài toán ép chảy thuận ống đối xứng trục đối với vật liệu bằng nhôm

Chương 5, tác giả đã tiến hành mô hình hóa và mô phỏng số quá trình

ép chảy dựa trên trên biến dạng dẻo kim loại nhờ phần mềm ANSYS Đưa ra các mô hình hình học, mô hình vật liệu, mô hình phần tử và lưới phần tử, mô hình mặt tiếp xúc Phần kết luận đưa ra một vài tổng kết quan trọng và hướng phát triển tiếp theo của đề tài

Tác giả

B¶ng c¸c ký hiÖu

A0 DiÖn tÝch mÆt c¾t ngang ph«i ban ®Çu mm2

A1 DiÖn tÝch mÆt c¾t ngang s¶n phÈm mm2

Ký hiÖu ý nghÜa §¬n vÞ ®o

Chương I

Tổng quan về công nghệ ép chảyI.1 Khái quát chung

ép chảy là quá trình gia công kim loại bằng áp lực trong đó vật liệu dưới tác dụng của chày ép được ép qua lỗ cối tạo ra sản phẩm dạng thanh đặc hoặc rỗng, có biên dạng mặt cắt ngang từ đơn giản đến phức tạp (hình 1.1) Ngoài

ra, ép chảy cũng có thể tạo ra các sản phẩm dưới dạng chi tiết Sản phẩm của quá trình ép chảy có độ chính xác cao về hình dáng cũng như kích thước với

hệ số sử dụng vật liệu lớn, vì hầu như không có vật liệu bỏ đi sau khi gia công như các phương pháp gia công cơ, hơn nữa ép chảy còn cho phép tạo ra các sản phẩm có hình dạng phức tạp mà các phương pháp khác không thể tạo ra

được Hình dạng lỗ thoát quyết định tiết diện ngang của sản phẩm

Hình 1.1 Các dạng sản phẩm ép chảy

ép chảy được ứng dụng để chế tạo các loại phôi dạng thanh profil định hình, ống có chiều dài vô hạn hoặc các chi tiết hoàn chỉnh hình trụ, côn, bậc, kiểu bu lông, hay các chi tiết rỗng có chiều dài hữu hạn

Chủng loại sản phẩm ép chảy rất đa dạng, chủ yếu được chế tạo từ kim loại và hợp kim màu, đặc biệt từ nhôm và hợp kim nhôm Các sản phẩm ép chảy được sử dụng rộng rãi trong các lĩnh vực khác nhau của nền kinh tế quốc dân như: Ngành thiết bị công nghiệp, quân sự, giao thông vận tải, xây dựng và trang trí nội thất

Ưu điểm của ép chảy:

So với dập trên khuôn kín và khuôn hở thì ép chảy có nhiều ưu việt hơn như:

+ Độ chính xác và độ bóng bề mặt của chi tiết cao

+ Không sợ quá tải khuôn như dập trên khuôn

+ Sản xuất nhanh chóng, dễ dàng, năng suất cao với các dạng sản phẩm thanh có profil có chiều dài vô hạn mà các phương pháp khác không thể gia công được

Nhược điểm của ép chảy:

+ áp lực đơn vị cao nên lực tác dụng lên dụng cụ biến dạng lớn, làm giảm tuổi thọ khuôn, nhất là ở phần lỗ thoát kim loại khuôn rất nhanh mòn

+ Vật liệu khuôn phải làm bằng vật liệu tốt, chịu nhiệt và có tính chống mài mòn cao Tiêu hao năng lượng cho quá trình biến dạng lớn

Các đặc điểm của phương pháp ép chảy:

+ Thể tích kim loại trong khuôn luôn giảm đi trong quá trình ép

+ Tuy không tính toán đến phế liệu, nhưng trong quá trình cắt phôi, nếu thể tích phôi thừa thì phần chân sẽ dài hơn tính toán Có thể cắt bỏ phần thừa bằng khuôn cắt, máy cắt hoặc cắt bằng máy công cụ trong khi gia công cơ

+ Sản phẩm ép chảy có chất lượng cao, không bị nứt rạn, không có rỗ khí

I.2 Các phương pháp ép chảy

Tuỳ theo các điều kiện sản xuất và yêu cầu đối với sản phẩm mà có thể chia ra các phương pháp ép chảy khác nhau, trong đó phương pháp chủ yếu và phổ biến nhất là ép chảy thuận và ép chảy ngược bằng chày cối cứng

I.2.1 ép chảy thuận

Trong quá trình ép chảy thuận, phôi dịch chuyển tương đối với thành buồng ép và hướng chảy của kim loại trùng với hướng chuyển động của chày

Sản phẩm của quá trình ép chảy thuận thường có dạng thanh, ống hay profil định hình có chiều dài vô hạn Trong quá trình ép chảy thuận, chiều tác dụng lực trùng với chiều thoát của sản phẩm

Đối với ép chảy thuận hay sử dụng cối có góc thoát 2α = 180° (cối phẳng) hoặc góc thoát 2α < 180° Đối với những kim loại và hợp kim dễ ép như nhôm thì thường sử dụng cối có góc thoát 2α = 180°

I.2.2 ép chảy ngược

Khác với ép chảy thuận, trong quá trình ép chảy ngược không có sự dịch chuyển tương đối của phôi với buồng ép, dòng chảy của kim loại ngược với hướng chuyển động của chày ép

Buồng ép

Thanh sản phẩm

Chày ép

Phôi ép Cối ép

Hình 1.3 Sơ đồ ép chảy ngược

I.2.3 ép chảy hỗn hợp

Để năng cao chất lượng sản phẩm ép, người ta sử dựng phương pháp ép chảy có vỏ Đây thực chất là ép chảy hỗn hợp nhưng phần kim loại chảy ngược qua khe hở giữa chày và cối ép rất ít Trường hợp ép có vỏ sẽ cho chất lượng của sản phẩm tốt hơn bởi lẽ tránh được những khuyết tật xấu của vật

đúc vào trong sản phẩm ép Điều này thường được áp dụng với đồng và hợp kim của đồng Đối với những kim loại khó ép thì thường thực hiện với cối ép

có 2α < 180°, có bôi trơn trong quá trình ép hoặc 2α = 180° khi ép có vỏ

Chày ép Phôi ép

I.2.4 ép chảy ống

ép chảy ống hoàn toàn giống nh− ép chảy thuận hoặc ng−ợc các sản phẩm dạng thanh, chỉ có điểm khác là phôi có dạng rỗng và ép có trục tâm (lõi)

Hình 1.5 Sơ đồ ép chảy ống

I.2.5 ép chảy với hành trình ngắn

Quá trình ép chảy này tương tự như ép chảy ngược (hình 1.6) cũng tạo

ra sản phẩm dạng cốc Tuy nhiên, ép chảy được thực hiện trên những máy ép tốc độ cao, chày ép chuyển động với tốc độ rất lớn về hướng vật thể Chiều dày của thành sản phẩm sau khi ép chính là khe hở giữa chày và cối

Quá trình này được dùng trong biến dạng nguội, và thường được ứng dụng để gia công những kim loại có độ cứng không cao như đồng, chì, kẽm

Cối

Sản phẩm Phôi

Chày

ép Chặn phôi

Hình 1.6 Sơ đồ ép chảy với hành trình ngắn

Ngoài các phương pháp ép chảy thuận, ngược có vỏ và không có vỏ, người ta còn sử dụng các phương pháp ép chảy đặc biệt khác như ép chảy ngang, ép chảy thuỷ tĩnh

Thông thường quá trình ép chảy được tiến hành với mức độ biến dạng rất lớn, đối với những vật liệu dễ ép mức độ biến dạng có thể đạt tới ϕ = 7,

ϕ = ln(A0/A1) – mức độ biến dạng logarit, A0: diện tích mặt cắt ngang phôi

ban đầu, A1: diện tích mặt cắt ngang sản phẩm ứng suất lớn nhất có thể gấp

10 lần ứng suất chảy của kim loại

Bằng phương pháp ép chảy có thể ép chảy các chi tiết hoặc các bán thành phẩm Thông thường, ép các chi tiết được tiến hành ở nhiệt độ thường hoặc ở trạng thái nửa nóng còn ép bán thành phẩm được tiến hành ở trạng thái nóng tức là trên nhiệt độ kết tinh lại và thực hiện trên các máy ép thuỷ lực ngang

ứng dụng công nghệ ép chảy tại Việt Nam

Với sự phát triển nhanh chóng của các ngành công nghiệp, hiện nay việc

sử dụng các sản phẩm, đồ dùng bằng ống (thanh) nhôm hợp kim đã trở nên phổ biến và ngày càng tăng, mặt khác vật liệu gỗ ngày càng khan hiếm cũng dẫn đến sự lên ngôi của nhôm trong lĩnh vực xây dựng nhà ở, trang trí nội thất, giao thông vận tải

Qua 15 năm xây dựng và phát triển, ngành công nghiệp sản xuất ống (thanh) nhôm định hình đã có những bước phát triển vượt bậc Từ việc nhập khẩu các sản phẩm của nước ngoài vào những năm 1990, đến nay trong cả nước đã có hàng trục cơ sở sản xuất công nghiệp, không chỉ đáp ứng cho nhu cầu trong nước mà còn hướng tới xuất khẩu

Quy trình sản xuất thanh nhôm định hình được xây dựng trên cơ sở công nghệ gia công áp lực bằng phương pháp ép chảy

I.3 Các bước công nghệ của quá trình ép chảy

Quy trình công nghệ ép chảy gồm những giai đoạn sau:

Chuẩn bị phôi→ Nung phôi→ ép → Nhiệt luyện và tinh chỉnh sản phẩm

Hình 1.8 Máy ép thuỷ lực nằm ngang

- Xử lý nhiệt: Để đảm bảo cơ, lý, hoá tính của sản phẩm, sau khi ép cần thiết phải tiến hành nhiệt luyện (ủ, tôi và hoá già) Dạng nhiệt luyện phổ biến các bán thành phẩm ép chảy là hoá già, hiệu quả của quá trình phụ thuộc vào nhiệt độ và trị số bão hoà của dung dịch rắn

- Xử lý bề mặt: thanh nhôm sau khi ép được anod hoá bề mặt bằng ôxy hoá dương cực, tạo màng ôxít nhân tạo bền vững Chiều dày lớp màng ôxít hoá từ 8 – 25μm Sau đó có thể nhuộm màu, sơn bóng bề mặt hoặc sơn tĩnh

điện để giảm rỗ và khuyết tật trên bề mặt sản phẩm và tăng độ bền màu với môi trường tự nhiên

- Đóng gói: thanh nhôm định hình được đóng gói bằng màng co PE hoặc cuốn giấy trên từng thanh sản phẩm, sau đó bó lại thành bó có dán nhãn mác

I.4 Mục đích nghiên cứu của luận văn

Để tạo ra các thanh nhôm có profil bất kỳ, từ đơn giản đến phức tạp phục vụ cho các ngành công nghiệp ô tô, máy bay, xây dựng, trang trí nội thất người ta sử dụng công nghệ ép chảy nằm ngang

Chất lượng và giá thành sản phẩm tạo ra phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố, trong đó tính toán công nghệ và thiết kế khuôn ép giữ một vai trò rất quan trọng

Khuôn ép ống nhôm định hình làm việc trong điều kiện chịu tải trọng khắc nghiệt, dưới tác động của nhiều yếu tố như áp lực, lực va đập, ma sát, mài mòn và mỏi nhiệt… Vì vậy khuôn ép phải được chế tạo từ thép hợp kim làm khuôn dập nóng

Từ những phân tích, nhận định ở trên, trong phần nghiên cứu của luận văn sẽ tập trung vào nghiên cứu tính toán các thông số công nghệ đầu vào và ứng dụng phần mềm ANSYS mô phỏng quá trình biến dạng dẻo của kim loại khi ép chảy ống nhôm, để có thể đưa ra các thông số kỹ thuật tối ưu phục vụ cho việc thiết kế khuôn và chọn thiết bị công nghệ phù hợp

Những thông số công nghệ rút ra được nhờ mô phỏng có thể coi là tối

ưu và là dữ liệu cơ bản để thiết kế, chế tạo khuôn Bởi vậy bộ khuôn chế tạo ra chắc chắn có thể ép ra sản phẩm đạt yêu cầu, nếu có phải chỉnh sửa thì cũng ở mức độ nhẹ và khối lượng công việc không nhiều Với việc áp dụng phương pháp thiết kế “ảo”, thời gian thiết kế cũng như chi phí chế tạo khuôn giảm

đáng kể Điều này có ý nghĩa rất quan trọng, nhất là đối với những chi tiết phức tạp, kích thước lớn

Chương II

Nghiên cứu trạng tháI ứng suất, biến dạng, lực vμ

công trong quá trình ép chảy

II.1 Trạng thái ứng suất, lực và công biến dạng khi ép chảy

II.1.1 Trạng thái ứng suất

Phân tích trạng thái ứng suất trong vùng biến dạng sẽ giúp ta đánh giá

được hành vi của vật liệu khi biến dạng và cơ tính đạt được của sản phẩm Việc phân tích này cũng cần thiết trong việc xác định lực và công biến dạng Khi ép chảy trong vùng biến dạng sẽ xuất hiện trạng thái ứng suất nén khối Với giả thiết biến dạng là đồng đều và trạng thái biến dạng là đối xứng trục thì cả ba thành phần ứng suất σz, σr, σt đều là ứng suất chính Trong ép chảy, ứng

suất hướng trục σz gây nên bởi ngoại lực luôn luôn là ứng suất chính lớn nhất Trong điều kiện biến dạng đồng đều và đối xứng trục do thể tích không đổi nên ứng suất chính hướng kính và ứng suất tiếp tuyến bằng nhau nghĩa là σr =

Công biến dạng cần thiết bao gồm công thuần tuý để biến dạng vật liệu phôi và công để khắc phục những tổn thất do ma sát ngoài cũng như sự trượt

và uốn của các phần trong vật liệu gây nên Như vậy ta có:

Wges = Wid +WR + WSch + WBB (2.1) Trong đó: Wges -công biến dạng cần thiết

Wid - công biến dạng thuần tuý

WR - công để khắc phục tổn thất do ma sát ngoài gây nên

WSch - công để khắc phục tổn thất do sự trượt gây nên

WB - công để khắc phục tổn thất do uốn gây nên

Trong ép chảy nói chung tổn thất do uốn gây nên có thể bỏ qua bởi vậy

từ (2.1) ta có

Wges = Wid +WR + WSch (2.2) Tương tự như tính toán công ta cũng có thể tính toán lực cần thiết là tổng của nhiều thành phần hợp lại

Fges = Fid + FR + FSch (2.3) Với giả thiết dòng chảy tầng, các trục ứng suất chính và phương biến dạng trùng với các cạnh của phân tố vật liệu, ta có:

Công biến dạng thuần tuý một phôi ép có tiết diện ban đầu là A0 và tiết diện cuối cùng là A1 có tính đến hoá bền sẽ là

Wid = Vϕ ∫ϕ k

= ϕ

max 1

ϕ0 - mức độ biến dạng chính nhỏ nhất

ϕ - mức độ biến dạng chính

ϕmax = ln(A0/A1) là mức độ biến dạng chính lớn nhất Khi ép chảy thuận thanh đặc thì công ma sát WR là tổng của công ma sát trên mặt côn của cối ép WRS và ma sát trên thành buồng ép WRW

Trong đó, d0 - đường kính ban đầu của phôi

μ - hệ số ma sát

l0 - chiều dài ban đầu của phôi

l – chiều dài của phôi sau ép

Với giả thiết góc thoát của cối 2α nhỏ, công trượt toàn bộ được tính

Đối với quá trình ép giả ổn định trong vùng biến dạng thì

Khi ép chảy thuận thanh đặc dạng bán thành phẩm thường sử dụng cối

ép có góc thoát 2α = 180°, bởi vậy tạo nên một vùng chết mà trên bề mặt ranh giới giữa nó và vùng biến dạng tồn tại ứng suất tiếp lớn - vùng cắt Vùng cắt này có góc giả 2α thay cho góc thoát thật 2α Thông thường 2α có gí trị ≈90°

Đối với ép chảy ống ta cũng có các tính toán lực và công biến dạng tương tự như ép chảy thuận thanh đặc Tuy nhiên các hệ số sẽ khác và trong ép chảy ống còn phải tính tới lực ma sát sinh ra giữa vật liệu và trục tâm

max

tanα

μAk

(2.16)

II.1.3 Quan hệ giữa lực và hành trình chày ép

Quan hệ giữa lực cần thiết cho ép chảy và dịch chuyển của đầu chày

Hình 2.2 Quan hệ giữa lực ép và hành trình chày

Đường cong biểu diễn có 3 vùng khác nhau Trong vùng I (giai đoạn không ổn định), lực ép chảy bắt đầu tăng từ 0 bởi lẽ trong vùng này đường kính của phôi ép nhỏ hơn so với đường kính trong của cối chứa Vì vậy, phải

có lực làm cho phôi ban đầu điền đầy buồng ép Tuy nhiên lực chưa tăng tới

điểm A Lực bắt đầu tăng mạnh bởi kim loại bị dồn nén trong cối chứa chưa thoát được ra ngoài Lực sẽ tăng tới giá trị lớn nhất tại điểm A cũng là lúc vật liệu bắt đầu chảy ra lỗ cối Sau đó bắt đầu giảm dần tới điểm B Vùng II (giai

đoạn ép ổn định) lực giảm từ điểm B tới điểm C Lực ép giảm dần là do lực phụ thuộc cả vào ma sát giữa phôi và thành buồng ép, lực ép ma sát này phụ thuộc tuyến tính vào chiều dài của phôi kim loại Trong quá trình ép chiều dài phôi giảm dần Tại C lực đạt nhỏ nhất sau đó tới vùng III không ổn định, lực tăng mạnh do xuất hiện hiệu ứng "đáy" tức là chày ép đã ở cuối hành trình và kim loại ở vùng chết không chảy qua được lỗ cối Đối với ép chảy các vật liệu

có trỏ lực biến dạng lớn, người ta thường đặt trước phôi một đĩa thuỷ tinh bôi trơn Khi ép đĩa thuỷ tinh này nóng chảy và điền đầy vào vùng chết cho phép chảy không có vùng chết

II.1.4 Đặc điểm chảy của kim loại trong ép chảy

Dòng chảy của kim loại phản ánh sự phân bố biến dạng trong quá trình

ép chảy Nó là cơ sở để xác định trường hợp phân bố ứng suất, biến dạng, các thông số về lực và công biến dạng Ngoài ra, dựa vào dòng chảy của kim loại

ta còn có thể rút ra kết luận về sự xuất hiện của khuyết tật trên sản phẩm ép

Để nghiên cứu dòng chảy của kim loại có thể áp dụng nhiều phương pháp khác nhau, ví dụ phương pháp thí nghiệm trên mô hình trên vật liệu sáp và plasticine, phương pháp thí nghiệm ép những kim loại dễ biến dạng như chì, thiếc và vismus ở nhiệt độ thường, phương pháp thí nghiệm ép trong điều kiện sản xuất

Những nhân tố ảnh hưởng quan trọng nhất đến dòng chảy của kim loại phải kể đến ma sát giữa vật liệu biến dạng và thành buồng ép, cối và chày ép cũng như thuộc tính của vật liệu Đặc biệt sự phân bố tính dẻo không đồng

đều trên tiết diện cũng như trên chiều dài của phôi ép gây nên bởi tổ chức thớ trong phôi ép (dạng thiên tích nhánh cây đối với phôi đúc và thớ dọc đối với phôi cán) cũng như bởi sự phân bố nhiệt độ khác nhau giữa các vùng sẽ làm

ảnh hưởng đến sự chảy của kim loại trong quá trình biến dạng Tất cả sự tác

động của những yếu tố ảnh hưởng đó đã dẫn đến sự xuất hiện của các dạng dòng chảy khác nhau sau đây khi ép chảy thuận thanh đặc với cối phẳng (2α = 180°):

- Dạng dòng chảy S: xuất hiện khi ép chảy các vật liệu đồng đều về phân bố tính dẻo trong điều kiện ma sát rất nhỏ nghĩa là không cản trở sự dịch chuyển của vật liệu dọc trên tất cả các bề mặt ranh giới Quan sát mạng lưới không bị biến dạng cho thấy phôi ép trên thực tế di trượt cứng về phía cối ép, vùng biến dạng rất hẹp và sát ngay cối ép, vùng chết rất nhỏ Dạng dòng chảy này gần đúng với trường hợp ép chảy thuỷ tĩnh

- Dạng dòng chảy A: xuất hiện trong vật liệu đồng đều về phân bố tính dẻo khi ma sát có giá trị nhỏ và chỉ tồn tại trên mặt đầu của cối ép Sự tồn tại của ma sát trên cối ép sẽ làm mở rộng vùng bién dạng và tương ứng với nó cả vùng chết Trường hợp này thường thấy khi ép chảy ngược thanh đặc

- Dạng dòng chảy B: xuất hiện trong vật liệu đồng đều về phân bố tính dẻo nếu ma sát tương đối lớn tồn tại trên các bề mặt tiếp xúc Do ma sát lớn giữa phôi ép và thành buồng ép nên vùng biến dạng và cả vùng chết mở rộng hơn so với dạng A Dạng dòng chảy này thường gặp khi ép chảy thuận thanh dặc từ đồng thau α và hợp kim nhôm

- Dạng dòng chảy C: thường gặp đối với những phôi ép có tính dẻo phân

bố không đồng đều gây nên bởi các chuyển biến pha ở vùng biên hoặc sự khác nhau về độ bền do phân bố nhiệt độ không đồng đều Ngoài ra sự tồn tại ma sát lớn trên các bề mặt ranh giới làm cho vùng biến dạng cũng như vùng chết trở nên lớn nhất so với các dạng dòng chảy khác ép chảy thuận thanh đặc từ

đồng thau (α + β) là một ví dụ điển hình về dạng dòng chảy này Do nguội ở vùng biên nên hàm lượng của pha α trong tổ chức tăng lên Pha α có độ bền nóng cao hơn so với pha β bởi vậy làm tăng ứng suất chảy của vật liệu ở vùng biên

Các dạng dòng chảy và những điều kiện hình thành chúng được thể hiện trong bảng 2.1

Trong trường hợp ép chảy các profil có tiết diện phức tạp hơn hoặc đồng thời nhiều dòng qua khuôn ép nhiều lỗ thoát thì dòng chảy của kim loại trở nên phức tạp hơn Trong cả hai trường hợp sẽ xuất hiện sự phân nhánh dòng chảy do đó hình thành các mặt trung hoà Điều đó sẽ dẫn đến sự xuất hiện vùng chết không đều và những vùng của phôi ép có mức độ biến dạng khác nhau Trong vùng biến dạng do có sự chảy nhanh chậm khác nhau giữa các vùng lân cận nên sẽ dẫn đến tổn thất tương đối lớn về công suất Sự tổn thất này nhiều hay ít là tuỳ thuộc vào mức độ phức tạp về hình dạng của profil và vào số lượng của lỗ thoát trên cối ép

Dòng chảy của kim loại khi ép chảy thuận thanh đặc trong trường hợp dùng cối ép có góc thoát (2α < 180°) thuận lợi hơn so với cối ép phẳng (2α =

180°) do đó thường dùng để gia công những vật liệu khó biến dạng, ví dụ thép Bên cạnh ưu điểm này, khi sử dụng cối ép có mặt côn lại thường phải chất bôi trơn Đối với những sản phẩm yêu cầu chất lượng bề mặt ở mức độ thông thường thì dùng cối ép phẳng sẽ đơn giản hơn nhiều Mặt khác dùng cối

ép phẳng cho phép dễ dàng cắt bỏ phần phôi dư thừa sau khi ép

II.2 Tính toán công nghệ khi ép chảy

Để nghiên cứu bài toán ép chảy, ta khảo sát bài toán ép chảy thuận phôi dạng thanh, cối hình côn và chày phẳng (Hình 2.3)

Để giải bài toán có thể dùng các phương pháp kỹ sư, phương pháp

đường trượt, phương pháp cân bằng công, phương pháp định trị trên hay phương pháp biến phân

Để tính toán lực và công biến dạng có thể tính toán khảo sát bài toán ép chảy tại từng vùng riêng biệt, sau đó tổ hợp lại để xác định lực biến dạng và áp

ực riêng toàn phần

ld

Chày

Cối

IIIIII

Ba vùng khảo sát:

- Vùng thoát hình trụ I

- Vùng biến dạng hình côn II

- Vùng chứa phôi hình trụ III

Hình 2.3 Sơ đồ bài toán ép chảy thuận phôi thanh có tiết diện ngang tròn

II.2.1 Vùng thoát hình trụ I

Kim loại chảy qua vùng này không bị biến dạng nữa, sự biến dạng đã kết thúc ở cuối vùng II Kim loại ở vùng này nằm trong trạng thái ứng suất

đàn hồi Vì vậy, giá trị tuyệt đối ứng suất hướng kính cực đại σρở thành cối không thể lớn hơn giới hạn chảy kf1 Thực tế, ứng suất đó nhỏ hơn vì cối không phải là vật tuyệt đối cứng mà cũng có tính đàn hồi

Tuy nhiên, có thể coi như trị số ứng suất tuyệt đối σρbằng giới hạn

kf1 - ứng suất chảy của vật liệu trong vùng 1

Sự chuyển động của kim loại chỉ bị cản trở bởi ma sát tiếp xúc trên thành cối Lực ma sát có thể tính theo phương trình sau:

.ππd

.kμ

2 f1

d

.l4k

μ f1

II.2.2 Vùng hình côn II (vùng biến dạng)

Giả thiết gianh giới phía trên của ổ biến dạng là mặt mfn của chỏm cầu

có bán kính b và góc ở đỉnh là 2α, còn gianh giới phía dưới của ổ biến dạng là mặt m’f’n’ của chỏm cầu có bán kính a và góc ở đỉnh cũng là 2α (Hình 2.4)

Giả thiết các chất điểm trong ổ biến dạng di chuyển dọc theo bán kính

ρ, bởi vậy các chuyển vị theo phuơng của các toạ độ ϕ và θ bằng 0 tức là uρ =

Để tính toán trong vùng này, ta dùng toạ độ cầu

áp lực riêng tại m’f’n’ đã biết giá trị q1 (kết quả tính toán ở vùng I), ở

đây cần phải xác định giá trị q2

Chuyển vị theo toạ độ ϕ và θ không có nên uρ = uθ = 0

Theo phương pháp cân bằng công, ta có:

trong đó:

A2 - công của lựcP2 tác dụng tại mặt gianh giới phía trên của ổ biến dạng

BD k εdVA

kf2 - ứng suất chảy của vật liệu trong vùng 2

Theo đặc điểm của bài toán đối xứng trụ nên:

εθ = εϕ

Mặt khác: εθ + εϕ + ερ = 0

> εθ = εϕ = ερ

21

2 3 2

2 2

2 ρ

2

1(ε)εε2

ρ

2

ε2

3ε

Biểu diễn trong hệ toạ độ cầu ta đ−ợc:

=+

Xác định hàm (tích phân) tự do tại ranh giới phía trên của vùng biến dạng

(ρ = b) chuyển vị tại ϕ = 0 có giá trị uρ = uz Bởi vậy tại điểm ρ = b và ϕ = 0 ta có:

2 z

2 ρ

ρ

buub

uρ

Do đó, công biến dạng đ−ợc xác định bởi:

= ( − α)b

a

2 z f2 BD

ρ

dρcos

1bπu4k

* Công ma sát đ−ợc xác định bởi:

F kρ k

ms τ u dFA

trong đó τk : ứng suất tiếp xúc tại bề mặt tiếp xúc

ραπρ

=ρπ

= Dρd 2 sin ddF

Giả thiết τklà hằng số nên để ra ngoài dấu tích phân

> = α ∫b

a k

2 z

dρτb2ππsin

* Công cản phần trụ I:

2 1

4

π.dq

A = Trong đó: u1 = uρ = a Do đó: u1 = uz b2/a2

2 2 1 1

a

b.4

π.dq

Thay (2.21), (2.26), (2.27), (2.28) vào (2.20), nhận đ−ợc:

a k

2 z b

a

2 z f2 z

2

a

bu4

πdqρ

dρτb2ππsinρ

dρcos

1b4ππ

ku

2 2

f2

2 k 2

a

b.4

π.dqa

blncos1πb2ksin

πbτ

Trong đó: 2

2

a

blna

b2ln =

2 2

2

cos14

Db

4

Dcos

1b

Tương tự ta có: = ( ư 2α)

2 2

cos14

da

Theo tính toán đồng dạng của tam giác:

Fcos

14d

cos14Da

b

2 2

2 2

2

2

=α

πDF

2 2

1.4

πD2kcos

1

sin

4

πDτ

2 f2 2

2 k

+α

+α

12k

cos1

sinτ

FP

+α

f

Flncos1

12k

sin

1τF

áp lực riêng :

f2 k

2

f

Flncos1

2ksin

τF

+α

=

Khi sử dụng công thức (2.31) cần phải giả thiết giá trị nào đó của τk Thực tế chỉ rõ rằng τk thay đổi dọc theo bề mặt tiếp xúc, véc tơ bán kính ρ càng nhỏ thì τk càng tăng Vì ứng suất σϕ lớn hơn σρ nên trị số của σϕ ở của thoát (cuối phần hính côn) không nhỏ hơn kf2, điều này được giải thích như sau: do σρ = σθ nên điều kiện dẻo có dạng: σϕ - σρ = kf ở tại cửa thoát (cuối phần hình côn) có σρ = 0 nên σϕ = kf2 Vì vậy τk không thể nhỏ hơn μ2.σs2

Ta có thể viết : μ2σs2 ≤τk ≤k

Lấy giá trị τk = μ2.kf2, nhận được:

2 f2

f

Flncos1

2sin

μk

+α

2

α

Trong thực tế không nên lấy góc 2α lớn hơn góc chảy thực tế Trong trường hợp góc 2α lớn hơn góc chảy thực tế sẽ tạo thành “góc chết’’ hay vùng cứng mà tại đó kim loại không biến dạng Khi 2α<110Οsẽ không tạo thành góc chết, thậm chí trong trường hợp đặc biệt 2α=130Οcũng không xuất hiện góc chết

Trường hợp ép chảy thanh, ống và các dạng profil, phần vật liệu dư nằm trong buồng ép sẽ trở thành phế liệu, vì vậy để tiết kiệm vật liệu nên lấy 2α lớn hơn góc chảy thực tế Khi ép chảy hợp kim nhôm, do lực ép không lớn lắm, vả lại để tránh những khuyết tật bề mặt cho sản phẩm do tạp chất, trên bề mặt phôi bị ép vào nên thường chọn góc mở lỗ cối 2α =120Ο ữ180Ο

II.2.3 Vùng chứa phôi hình trụ III

Thực tế khi ép chảy vì thường được bôi trơn cẩn thận, trong trường hợp như vậy kim loại coi như chỉ nằm trong trạng thái thành nén đàn hồi ba chiều Vì vậy, một số nhà nghiên cứu đã cho rằng áp lực vào thành lớn hơn áp lực dọc trục, tức là nhưng thực tế không phải như vậy Bởi vì tại đầu phôi trụ coi như áp lực phân bố đều và tại thành bên cũng như vậy, như thế phôi hình trụ bị nén khối

z

ρ σ

σ >

0εε0;

εz < ρ = θ >

q’

Z

Hình 2.5 Phân bố áp lực tiếp xúc giữa phôi và thành buồng ép

Từ điều kiện cân bằng cho thấy trong điều kiện tải trọng như vậy các thành phần ứng suất không phụ thuộc vào hệ trục toạ độ, nên

νσσ

ν1

Do đó σz > σρ khi ν = 0.5 thì σρ =σz (trạng thái dẻo)

Prozorob đã chứng minh nếu như bôi trơn tốt thì áp lực chiều trục luôn lớn hơn áp lực thành cối mà chỉ khi không bôi trơn thì σρ ≈ σz

áp lực riêng : q3 = q2 +qms

Lực ma sát giảm gần như tuyến tính khi L giảm theo hành trình của chày nhưng khi bôi trơn tốt thì mức độ giảm không đáng kể Thí dụ khi L giảm một nửa thì thì lực ma sát chỉ giảm từ 3 ữ 5% Trong nhiều thí nghiệm của mình Prozorob đã chỉ rõ: ứng suất ma sát trong thành buồng trong điều kiện ép chảy bình thường không vượt quá 0.5kf3 Vì vậy cho phép coi τk là hằng số và bằng 0.5kf3 (lớn hơn thực tế một chút) Do đó lực ma sát được xác

q3 = 2 + f3 (2.33)

II.2.4 áp lực riêng đối với các dạng khuôn khác nhau

2α’

d'

2α

L D

l

d

L D

l d

d

l

D

L

Hình 2.6 Hình dạng hình học vùng biến dạng của một số khuôn khác nhau

Khuôn theo hình 2.6.a dùng để sản xuất các chi tiết có chuôi Để tính áp lực riêng ta sử dụng công thức tính áp lực riêng tại từng vùng I, II và III

l4kD

L2kf

Flncos

1

2sin

5,0k

1 f 3

f

2 2 f

μ+

+α

+μ

D xuống đường kính d Khuôn như hình 2.6.b dùng để sản xuất các trục bậc

có mặt côn quá độ giữa các đoạn Khi α≤ 30Οcó thể coi sinα ≈α và

1

cosα ≈

d

l4μkD

2Lkf

Fln2

0,5μ

1k

f1 f3

2Lkf

f'ln2

0,5μ

1f'

Flncos1

22sin

0,5μ

k

f1 f3

2 2

+α

+

(2.36)