Nghiên cứu ảnh hưởng của một số thông số hình học khuôn và thông số công nghệ đến chất lượng sản phẩm khi ép chảy hợp kim nhôm

NGUYỄN TRỌNG MAINGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA MỘT SỐ THÔNG SỐ HÌNH HỌC KHUÔN VÀ THÔNG SỐ CÔNG NGHỆ ĐẾN CHẤT LƯỢNG SẢN PHẨM KHI ÉP CHẢY HỢP KIM NHÔM LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ Hà Nội – Nă

NGUYỄN TRỌNG MAI

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA MỘT SỐ THÔNG SỐ HÌNH HỌC KHUÔN VÀ THÔNG SỐ CÔNG NGHỆ ĐẾN CHẤT LƯỢNG SẢN PHẨM KHI ÉP CHẢY HỢP KIM NHÔM

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ

Hà Nội – Năm 2021

NGUYỄN TRỌNG MAI

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA MỘT SỐ THÔNG SỐ HÌNH HỌC KHUÔN VÀ THÔNG SỐ CÔNG NGHỆ ĐẾN CHẤT LƯỢNG SẢN PHẨM KHI ÉP CHẢY HỢP KIM NHÔM

Chuyên ngành : Kỹ thuật cơ khí

Mã số : 9.52.01.03

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC :

1 PGS.TS TRẦN ĐỨC QUÝ

2 PGS.TS PHẠM VĂN NGHỆ

Hà Nội – Năm 2021

LỜI CAM ĐOAN

Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi dưới sự hướng dẫn của PGS.TS Trần Đức Quý và PGS.TS Phạm Văn Nghệ

Các số liệu, kết quả nêu trong luận án là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Hà Nội, ngày 10 tháng 3 năm

2021

Tác giả luận án

Nguyễn Trọng Mai

LỜI CẢM ƠN

Trước tiên, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành và sâu sắc tới PGS.TS TrầnĐức Quý và PGS.TS Phạm Văn Nghệ, những người thầy đã tận tình hướng dẫn vàđộng viên tôi trong quá trình học tập, nghiên cứu để hoàn thành luận án

Tôi xin trân trọng cảm ơn các Thầy Cô trong Khoa Cơ khí, các vị lãnh đạo và cácnhà khoa học của Trường Đại học Công nghiệp Hà nội đã luôn quan tâm, giúp đỡ cũngnhư đóng góp các ý kiến để tôi hoàn thành luận án

Tôi xin trân trọng cảm ơn các Thầy Cô, các nhà khoa học trong Viện Cơ khí Trường Đại học Bách khoa Hà nội, Khoa Cơ khí - Học viện Kỹ thuật Quân sự, Việnnghiên cứu cơ khí NARIME …đã đóng góp các ý kiến để tôi hoàn thành luận án.Tôi xin bày tỏ sự biết ơn chân thành tới nhà máy nhôm EUROHA, công ty cổphần Huyndai Aluminum Vina, hãng phần mềm Qform Extrusion đã giúp đỡ tôi tiếnhành thực nghiệm cho nội dung nghiên cứu của luận án

-Tôi xin chân thành cảm ơn gia đình tôi đã luôn quan tâm, động viên giúp đỡ tôivượt qua mọi khó khăn trong quá trình học tập và hoàn thành bản luận án này

Hà nội, ngày 10 tháng 3 năm 2021

Tác giả luận án

Nguyễn Trọng Mai

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN i

LỜI CẢM ƠN ii

MỤC LỤC iii

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ TỪ VIẾT TẮT vi

DANH MỤC BẢNG BIỂU viii

DANH MỤC HÌNH VẼ x

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ ÉP CHẢY HỢP KIM NHÔM 4

1.1 Quá trình công nghệ ép chảy thanh hợp kim nhôm 4

1.2 Vật liệu hợp kim nhôm 5

1.3 Các yếu tố đặc trưng của công nghệ ép chảy hợp kim nhôm 8

1.3.1 Quá trình ép chảy phôi liên tục 8

1.3.2 Tỷ lệ ép chảy 10

1.3.3 Dòng kim loại trong quá trình ép chảy 10

1.3.4 Biến dạng dẻo trong quá trình ép chảy 13

1.3.5 Áp lực ép 15

1.3.6 Lực ép 17

1.3.7 Vận tốc ép 18

1.3.8 Nhiệt động lực học trong quá trình ép chảy 19

1.4 Khuôn ép chảy 21

1.4.1 Cấu tạo khuôn 21

1.4.2 Cửa khuôn 22

1.4.3 Vật liệu chế tạo khuôn 23

1.5 Tình hình nghiên cứu trên thế giới và trong nước về ép chảy hợp kim nhôm 24

1.5.1 Tình hình nghiên cứu trên thế giới 24

1.5.2 Tình hình nghiên cứu trong nước 28

Kết luận chương 1 30

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT ẢNH HƯỞNG CỦA MỘT SỐ YẾU TỐ ĐẾN CHẤT LƯỢNG SẢN PHẨM KHI ÉP CHẢY HỢP KIM NHÔM 31

2.1 Chất lượng sản phẩm khi ép chảy thanh hợp kim nhôm 31

2.1.1 Các yếu tố đặc trưng của chất lượng thanh hợp kim nhôm ép chảy 31

2.1.2 Phương pháp đánh giá chất lượng thanh hợp kim nhôm ép chảy 34

2.1.3 Xác định các chỉ tiêu chính đánh giá chất lượng thanh hợp kim nhôm ép chảy 35 2.2 Ảnh hưởng của một số yếu tố đến độ chính xác về hình dáng hình học sản phẩm .39

2.2.1 Vị trí cửa khuôn so với tâm khuôn 44

2.2.2 Thông số hình học cửa khuôn 44

2.2.3 Thông số hình học vùng dẫn 46

2.3 Ảnh hưởng của một số yếu tố đến độ nhám bề mặt sản phẩm 47

2.3.1 Ảnh hưởng của phôi 49

2.3.2 Ảnh hưởng của khuôn 50

2.3.3 Ảnh hưởng của chế độ ép 53

Kết luận chương 2 55

CHƯƠNG 3: NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA THÔNG SỐ HÌNH HỌC KHUÔN ĐẾN ĐỘ CHÍNH XÁC HÌNH DÁNG HÌNH HỌC SẢN PHẨM BẰNG MÔ PHỎNG SỐ 56

3.1 Xây dựng mô hình mô phỏng số 56

3.1.1 Mô phỏng số 56

3.1.2 Phần mềm mô phỏng số quá trình ép chảy Qform Extrusion 57

3.1.3 Xây dựng bài toán mô phỏng số quá trình ép chảy hợp kim nhôm 58

3.2 Khảo sát ảnh hưởng của các thông số hình học khuôn đến vận tốc dòng chảy kim loại bằng mô phỏng số 61

3.2.1 Vị trí cửa khuôn so với tâm khuôn 61

3.2.2 Thông số hình học cửa khuôn 63

3.2.3 Thông số hình học vùng dẫn nhôm 73

3.3 Nghiên cứu ảnh hưởng của độ dài cửa khuôn và độ rộng vùng dẫn đến độ chính xác hình dáng hình học của sản phẩm 80

3.3.1 Nghiên cứu ảnh hưởng của độ dài cửa khuôn 81

3.3.2 Nghiên cứu ảnh hưởng của độ rộng vùng dẫn 83

Kết luận chương 3 86

CHƯƠNG 4: NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM ẢNH HƯỞNG CỦA ĐỘ DÀI CỬA

KHUÔN, CHẾ ĐỘ ÉP ĐẾN ĐỘ NHÁM BỀ MẶT SẢN PHẨM VÀ ÁP LỰC ÉP 87

4.1 Mục đích nghiên cứu thực nghiệm 87

4.2 Mô hình và thiết bị thực nghiệm 88

4.2.1 Máy ép thủy lực 89

4.2.2 Phôi hợp kim nhôm 90

4.2.3 Khuôn thực nghiệm 90

4.2.4 Thiết bị đo áp lực ép 91

4.2.5 Thiết bị đo nhiệt độ phôi 92

4.2.6 Thiết bị đo độ nhám 92

4.3 Quy hoạch và tổ chức thực nghiệm 93

4.3.1 Xác định các thông số thực nghiệm 93

4.3.2 Phương pháp thực nghiệm 94

4.4 Kết quả thực nghiệm và bàn luận khoa học 99

4.4.1 Ảnh hưởng độ dài cửa khuôn đến độ nhám bề mặt sản phẩm và áp lực ép 99

4.4.2 Ảnh hưởng của vận tốc ép, nhiệt độ phôi đến độ nhám bề mặt sản phẩm và áp lực ép 101

4.4.3 Ảnh hưởng của vận tốc ép, nhiệt độ phôi và tỉ lệ độ dài cửa khuôn/độ rộng cửa khuôn đến độ nhám bề mặt sản phẩm và áp lực ép 105

4.5 Tối ưu hóa các thông số thực nghiệm 112

4.5.1 Thuật toán tối ưu 112

4.5.2 Tối ưu hóa vận tốc ép, nhiệt độ phôi ép, tỉ lệ độ dài cửa khuôn/độ rộng cửa khuôn đảm bảo chỉ tiêu độ nhám bề mặt sản phẩm 113

4.5.3 Tối ưu hóa vận tốc ép, nhiệt độ phôi ép, tỉ lệ độ dài cửa khuôn/độ rộng cửa khuôn đảm bảo đồng thời 2 chỉ tiêu độ nhám bề mặt sản phẩm và áp lực ép 115

Kết luận chương 4 117

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA LUẬN ÁN 119

TÀI LIỆU THAM KHẢO 121

CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC CỦA TÁC GIẢ 127

PHỤ LỤC 128

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ TỪ VIẾT TẮT

AA Hiệp hội nhôm Mỹ (Aluminium Association)

CAD Thiết kế có trợ giúp của máy tính (Computer Aided

Design)CNC Gia công có có trợ giúp của máy tính (Computer

Numerical Controlled)CAD/CAM Thiết kế/chế tạo có trợ giúp của máy tính (Computer

aided design/computer aided manufacturing)CAE Phân tích kỹ thuật có trợ giúp của máy tính(Computer

aided engineering)

GA Giải thuật di truyền (Genetic Algorithm)

PSO Tối ưu hóa bầy đàn (Particle Swarm Optimization)

GRG Thuật toán giảm Gradient tổng quát (Generalized

m Hệ số ma sát giữa phôi và buồng ép

m‟ Hệ số ma sát giữa phôi và cửa khuôn

m‟‟ Hệ số ma sát giữa phôi và vùng kim loại đứng yên

qf Nhiệt sinh ra do ma sát trên một đơn vị diện tích 0C /mm2

Vm,j Tốc độ vật liệu tại các điểm nút bề mặt kim loại chết mm/s

α Góc nghiêng của cửa khuôn so với đường tâm khuôn độ

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1 Ký hiệu hợp kim nhôm theo tiêu chuẩn AA của Mỹ 7

Bảng 1.2 Nhiệt độ phôi và vận tốc ra của một số hợp kim nhôm điển hình 8

Bảng 1.3 Thành phần hóa học vật liệu thép SKD61 24

Bảng 2.1 Các nguyên nhân chính ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm 36

Bảng 3.1 Thông số cài đặt quá trình mô phỏng 60

Bảng 3.2 Kết quả vận tốc ra của sản phẩm tại các cửa khuôn ở các vị trí khác nhau 62

Bảng 3.3 Kết quả vận tốc ra của sản phẩm tại các cửa khuôn có độ dài khác nhau 64

Bảng 3.4 Kết quả vận tốc ra của sản phẩm tại các cửa khuôn có độ rộng khác nhau 66

Bảng 3.5 Kết quả vận tốc ra của sản phẩm tại các cửa khuôn có góc nghiêng (+) khác nhau 68

Bảng 3.6 Kết quả vận tốc ra của sản phẩm tại các cửa khuôn có góc nghiêng (-) khác nhau 69 Bảng 3.7 Kết quả vận tốc ra của sản phẩm tại các cửa khuôn có góc lượn cửa khuôn khác nhau 72 Bảng 3.8 Kết quả vận tốc ra của sản phẩm tại các cửa khuôn có độ rộng vùng dẫn khác nhau 74

Bảng 3.9 Kết quả vận tốc ra của sản phẩm tại các cửa khuôn có độ sâu vùng dẫn khác nhau .76

Bảng 3.10 Thông số cài đặt quá trình mô phỏng sản phẩm 70x5 81

Bảng 3.11 Kết quả sai lệch dòng chảy khi thay đổi độ dài cửa khuôn 82

Bảng 3.12 Kết quả sai lệch dòng chảy kim loại khi thay đổi độ rộng vùng dẫn nhôm84 Bảng 4.1 Thành phần hóa học vật liệu phôi ép AA6061 90

Bảng 4.2 Bảng giá trị thực nghiệm thay đổi tỷ lệ độ dài/độ rộng cửa khuôn (L/b) 95

Bảng 4.3 Bảng thực nghiệm ảnh hưởng của chế độ ép đến độ nhám sản phẩm 96

Bảng 4.4 Bảng quy hoạch thực nghiệm ảnh hưởng của vận tốc chày ép, nhiệt độ phôi, tỉ lệ giữa độ dài /độ rộng cửa khuôn đến độ nhám sản phẩm 98

Bảng 4.5 Kết quả thí nghiệm thay đổi độ dài cửa khuôn đến Ra và P 99

Bảng 4.6 Kết quả thí nghiệm ảnh hưởng của chế độ ép đến Ra và P 101

Bảng 4.7 Kết quả số liệu mô hình hồi quy và phân tích phương sai quan hệ Ra với V ep , T p trên Minitab16 103

Bảng 4.8 Kết quả số liệu mô hình hồi quy và phân tích phương sai quan hệ P với Vep, Tp trên Minitab16 104

Bảng 4.9 Kết quả thí nghiệm ảnh hưởng của Vep, Tp, L/b đến Ra, và P 106

Bảng 4.10 Kết quả xử lý số liệu quan hệ Ra với Vep, Tp, L/b trên Minitab 107

Bảng 4.11 Kết quả xử lý số liệu quan hệ P với Vep, Tp, L/b trên Minitab 110

Bảng 4.12 Thông tin tối ưu hóa hàm mục tiêu nhám bề mặt Ra 114

Bảng 4.13 Kết quả thí nghiệm kiểm chứng giá trị tối ưu hàm mục tiêu Ra 115

Bảng 4.14 Thông tin tối ưu hóa đồng thời 2 mục tiêu Ra và P 116

Bảng 4.15 Kết quả thí nghiệm kiểm chứng giá trị tối ưu hàm mục tiêu Ra, và P… 117

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Quá trình sản xuất thanh hợp kim nhôm định hình 4

Hình 1.2 Nguyên lý quá trình ép chảy hợp kim nhôm 5

Hình 1.3 Giản đồ pha – hợp kim nhôm 6

Hình 1.4 Sử dụng phôi côn để thoát khí trong buồng ép khi bắt đầu ép chảy 9

Hình 1.5 Phương pháp hàn nối phôi trong vùng hàn của tấm dẫn 9

Hình 1.6 Phương pháp hàn nối phôi trực tiếp trong buồng ép 10

Hình 1.7 Các mô hình dòng chảy kim loại trong ép chảy 11

Hình 1.8 Mối quan hệ giữa góc và độ dài vùng kim loại đứng yên với tỷ lệ ép12 Hình 1.9 Mối quan hệ giữa độ dài vùng kim loại cuối hành trình và vùng kim loại đứng yên 13

Hình 1.10 Vùng biến dạng khi ép 14

Hình 1.11 Biểu đồ áp lực ép chảy thuận theo hành trình ép 15

Hình 1.12 Tổ chức kim loại thay đổi trong quá trình ép 16

Hình 1.13 Sơ đồ hệ thống thiết bị và khuôn ép chảy 17

Hình 1.14 Hình ảnh khuôn ép chảy hợp kim nhôm 21

Hình 1.15 Cấu tạo khuôn ép thanh hợp kim nhôm 21

Hình 1.16 Cấu tạo khuôn ép chảy ống hợp kim nhôm 22

Hình 1.17 Các dạng cửa khuôn trong khuôn ép chảy hợp kim nhôm 23

Hình 1.18 Mô hình biến dạng tại bề mặt cửa khuôn khi ép (kiểu thắt lại) 23

Hình 2.1 Độ nhám bề mặt trên sản phẩm thanh hợp kim nhôm 32

Hình 2.2 Vệt xám dọc và ngang trên sản phẩm ép 32

Hình 2.3 Vết phồng rộp trên bề mặt sản phẩm 32

Hình 2.4 Sản phẩm bị rỗ bề mặt 33

Hình 2.5 Sản phẩm bị nứt 33

Hình 2.6 Sản phẩm xuất hiện hạt bám dính trên bề mặt 33

Hình 2.7 Miền giới hạn vùng ép 38

Hình 2.8 Sản phẩm bị gợn sóng, méo do vận tốc ra không đồng đều 40

Hình 2.9 Ma sát trong quá trình ép chảy thuận 40

Hình 2.10 Mô hình ma sát bề mặt buồng ép 41

Hình 2.11 Ma sát bề mặt ở vùng cửa khuôn 42

Hình 2.12 Dòng chảy kim loại tại cửa khuôn 45

Hình 2.13 Bám dính hợp kim nhôm trên bề mặt cửa khuôn 47

Hình 2.14 Cơ chế hình thành các hạt bám dính 48

Hình 2.15 Ảnh hưởng của vật liệu phôi đến độ nhám bề mặt sản phẩm 50

Hình 2.16 Ảnh hưởng của độ nhám bề mặt cửa khuôn đến độ nhám bề mặt sản phẩm 51 Hình 2.17 Ảnh hưởng của phương pháp gia công tinh bề mặt cửa khuôn đến độ nhám bề mặt sản phẩm ép chảy 52

Hình 2.18 Ảnh hưởng của lớp phủ bề mặt cửa khuôn đến độ nhám bề mặt sản phẩm52 Hình 2.19 Ảnh hưởng của vận tốc ép đến nhiệt độ bề mặt sản phẩm 54

Hình 3.1 Mô hình bài toán mô phỏng ảnh hưởng của thông số hình học khuôn đến tốc độ ra của sản phẩm 58

Hình 3.2 Sơ đồ thực hiện bài toán mô phỏng số 59

Hình 3.3 Bản vẽ khuôn 6 lỗ có vị trí các cửa khuôn khác nhau 61

Hình 3.4 Kết quả mô phỏng khuôn 6 lỗ có vị trí các cửa khuôn khác nhau 62

Hình 3.5 Mối quan hệ giữa vị trí cửa khuôn với vận tốc ra ở cửa khuôn 63

Hình 3.6 Bản vẽ khuôn 6 lỗ có độ dài cửa khuôn khác nhau 63

Hình 3.7 Kết quả mô phỏng vận tốc ra của sản phẩm ở các vị trí cửa khuôn có độ dài cửa khuôn khác nhau 64

Hình 3.8 Mối quan hệ giữa tỉ lệ độ dài cửa khuôn/độ rộng cửa khuôn (L/b) với vận tốc ra sản phẩm 65

Hình 3.9 Bản vẽ khuôn 6 lỗ có độ rộng cửa khuôn khác nhau 65

Hình 3.10 Kết quả mô phỏng vận tốc ra của sản phẩm ở các vị trí cửa khuôn có độ rộng cửa khuôn khác nhau 66

Hình 3.11 Mối quan hệ giữa vận tốc ra của sản phẩm với độ rộng cửa khuôn 67

Hình 3.12 Bản vẽ khuôn 6 lỗ có góc nghiêng (+) cửa khuôn khác nhau 67

Hình 3.13 Kết quả mô phỏng vận tốc ra của sản phẩm ở các vị trí cửa khuôn có góc nghiêng (+) khác nhau 68

Hình 3.14 Bản vẽ khuôn 6 lỗ có góc nghiêng (-) cửa khuôn khác nhau 69

Hình 3.15 Kết quả mô phỏng vận tốc ra của sản phẩm ở các vị trí cửa khuôn có góc nghiêng (-) cửa khuôn khác nhau 70

Hình 3.16 Mối quan hệ giữa góc cửa khuôn với vận tốc ra của sản phẩm 70

Hình 3.17 Bản vẽ khuôn 6 lỗ có bán kính góc lượn cửa khuôn khác nhau 71

Hình 3.18 Kết quả mô phỏng vận tốc ra của sản phẩm ở các cửa khuôn có góc

lượn cửa khuôn khác nhau 72

Hình 3.19 Ảnh hưởng của góc lượn cửa khuôn đến vận tốc ra của sản phẩm .73

Hình 3.20 Bản vẽ khuôn 6 lỗ có độ rộng vùng dẫn khác nhau 73

Hình 3.21 Kết quả mô phỏng vận tốc ra của sản phẩm ở các cửa khuôn có độ rộng vùng dẫn khác nhau 74

Hình 3.22 Mối quan hệ giữa tỉ lệ độ rộng vùng dẫn/độ rộng cửa khuôn với vận tốc 75 ra sản phẩm 75

Hình 3.23 Bản vẽ khuôn 6 lỗ có độ sâu vùng dẫn khác nhau 75

Hình 3.24 Kết quả mô phỏng vận tốc ra của sản phẩm ở các cửa khuôn có độ sâu vùng dẫn khác nhau 76

Hình 3.25 Mối quan hệ giữa tỉ lệ độ sâu /độ rộng vùng dẫn với vận tốc ra sản phẩm 77 Hình 3.26 Hiệu chỉnh độ rộng vùng dẫn tại các vị trí cửa khuôn để cân bằng dòng chảy 79

Hình 3.27 Biên dạng thanh hợp kim nhôm 80

Hình 3.28 Bản vẽ khuôn thay đổi độ dài cửa khuôn 81

Hình 3.29 Mô phỏng số quá trình ép sản phẩm trên phần mềm Qform Extrusion 82 Hình 3.30 Kết quả mô phỏng số quá trình ép sản phẩm trên phần mềm Qfrom 82 Hình 3.31 Biểu đồ mối quan hệ giữa sai lệch tốc độ dòng chảy kim loại Δh vớih với với sự thay đổi độ dài cửa khuôn theo bán kính R 83

Hình 3.32 Bản vẽ khuôn thay đổi độ rộng vùng dẫn 84

Hình 3.33 Biểu đồ mối quan hệ giữa sai lệch tốc độ dòng chảy kim loại Δh vớih với sự thay đổi bán kính độ rộng vùng dẫn nhôm 85

Hình 4.1 Sơ đồ nghiên cứu thực nghiệm 87

Hình 4.2 Mô hình quá trình ép chảy thanh hợp kim nhôm 88

Hình 4.3 Máy ép chảy hợp kim nhôm SAMWOO 89

Hình 4.4 Cấu tạo của máy ép thuận 89

Hình 4.5 Phôi hợp kim nhôm ép chảy 90

Hình 4.6 Khuôn thí nghiệm 91

Hình 4.7 Hình ảnh hiển thị kết quả đo áp lực ép 91

Hình 4.8 Hình ảnh hiển thị kết quả đo nhiệt độ phôi 92

Hình 4.9 Máy đo nhám Mitutoyo SJ-400 92

Hình 4.10 Mẫu sản phẩm thí nghiệm 1 99

Hình 4.11 Mối quan hệ giữa độ nhám bề mặt với tỷ lệ độ dài/độ rộng cửa khuôn 100 Hình 4.12 Mối quan hệ giữa áp lực ép với tỷ lệ độ dài/độ rộng cửa khuôn 101

Hình 4.13 Mẫu sản phẩm thí nghiệm 2 102

Hình 4.14 Đồ thị quan hệ giữa Ra với các thông số V ep , T p 103

Hình 4.15 Đồ thị quan hệ giữa P với các thông số V ep , T p 105

Hình 4.16 Mẫu sản phẩm thí nghiệm 3 106

Hình 4.17 Đồ thị quan hệ giữa Ra với các thông số Vep và L/b khi Tp = 445 0C 108

Hình 4.18 Đồ thị quan hệ giữa Ra với các thông số Vep và Tp khi L/b = 2 108

Hình 4.19 Đồ thị quan hệ giữa Ra với các thông số Tp và L/b khi Vep = 5 mm/s .108

Hình 4.20 Đồ thị quan hệ giữa P với các thông số Vep và L/b khi Tp = 445 0C .111

Hình 4.21 Đồ thị quan hệ giữa P với các thông số Vep và Tp khi L/b = 2 111

Hình 4.22 Đồ thị quan hệ giữa P với các thông số Tp và L/b khi Vep = 5 mm/s .111

Hình 4.23 Đồ thị tối ưu hóa hàm mục tiêu nhám bề mặt Ra 114

Hình 4.24 Đồ thị tối ưu hóa đồng thời 2 mục tiêu Ra và P 116

MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

Thanh hợp kim nhôm định hình ngày càng được sử dụng rộng rãi trong cácngành công nghiệp như: vật liệu xây dựng, công nghiệp ô tô, tầu điện, hàng không,điện tử,…Vì vật liệu hợp kim nhôm có nhiều ưu điểm như độ bền cao, khối lượngriêng nhỏ, không bị ôxi hóa

Một trong những công đoạn quan trọng nhất quyết định đến hình dáng và chấtlượng của sản phẩm thanh hợp kim nhôm đó là công đoạn ép chảy phôi qua khuôn đểtạo thành thanh định hình

Quá trình ép chảy, vật liệu phôi nằm trong trạng thái ứng suất nén 3 chiều nênsản phẩm đạt được chất lượng cao về mặt cơ tính Vì vậy công nghệ ép chảy được sửdung rộng rãi trong thời gian gần đây để sản xuất các chi tiết dạng thanh, ống

Trong công nghệ ép chảy, khuôn đóng một vai trò rất quan trọng, đặc biệt làthông số hình học cửa khuôn ảnh hưởng trực tiếp đến độ chính xác về kích thước, vị trítương quan, hình dáng hình học cũng như chất lượng bề mặt sản phẩm Bên cạnh đócác thông số công nghệ của quá trình ép như vận tốc ép, nhiệt độ phôi cũng ảnhhưởng trực tiếp đến chất lượng sản phẩm, tuổi bền của khuôn, năng suất, giá thành sảnphẩm

Trên thế giới đã có nhiều công trình nghiên cứu các vấn đề về khuôn ép chảy như:Vật liệu khuôn, thiết kế khuôn, chế tạo khuôn, xử lý bề mặt khuôn, sửa khuôn Nhưng cáccông trình công bố nghiên cứu chuyên sâu đánh giá ảnh hưởng của các thông số hình họccủa khuôn đến chất lượng sản phẩm trong một số trường hợp cụ thể còn chưa đầy đủ Cácnghiên cứu về ảnh hưởng của chế độ ép gồm nhiệt độ phôi và vận tốc ép đến chất lượng

bề mặt sản phẩm vẫn ít được công bố, đặc biệt là ở Việt nam

Do đó nghiên cứu ảnh hưởng của thông số hình học của khuôn và chế độ ép đếnchất chất lượng sản phẩm là cần thiết góp phần tạo ra các bộ khuôn có chất lượng tốt hơn,xác định chế độ ép hợp lý hơn để nâng cao hơn nữa chất lượng sản phẩm ép chảy

Vì vậy, tác giả lựa chọn đề tài luận án „Nghiên cứu ảnh hưởng của một số thông số hình học khuôn và thông số công nghệ đến chất lượng sản phẩm khi ép chảy hợp kim nhôm‟.

2 Mục đích nghiên cứu của luận án

- Nghiên cứu ảnh hưởng một số thông số hình học của khuôn đến độ chính xác

về hình dáng hình học thanh hợp kim nhôm, qua đó xác định được bộ thông số hìnhhọc của khuôn hợp lý đáp ứng yêu cầu về hình dáng hình học thanh hợp kim nhôm

- Nghiên cứu ảnh hưởng của một số thông số hình học khuôn và thông số côngnghệ đến độ nhám bề mặt sản phẩm ép chảy và áp lực ép, qua đó xác định được thông

số hình học khuôn và thông số công nghệ ép chảy hợp lý để nâng cao chất lượng bềmặt sản phẩm thanh hợp kim nhôm và hiệu quả sử dụng thiết bị

3 Đối tượng, phạm vi nghiên cứu

* Đối tượng nghiên cứu

- Công nghệ ép chảy hợp kim nhôm (sản phẩm ép dạng thanh có mặt cắt 70x5

mm, vật liệu AA6061) trên máy ép chảy thuận

- Khuôn ép chảy làm bằng vật liệu SKD61

* Phạm vi nghiên cứu

- Nghiên cứu ảnh hưởng của một số thông số hình học khuôn đến độ chính xác

về hình dáng hình học thanh hợp kim nhôm bằng mô phỏng số trên phần mềm QformExtrusion

- Nghiên cứu ảnh hưởng của vận tốc ép, nhiệt độ phôi, độ dài cửa khuôn đến độnhám bề mặt sản phẩm và áp lực ép

4 Phương pháp nghiên cứu

Sử dụng phương pháp nghiên cứu lý thuyết kết hợp thực nghiệm:

- Nghiên cứu lý thuyết ảnh hưởng của một số yếu tố đến độ chính xác hình dáng hình học và độ nhám bề mặt sản phẩm thanh hợp kim nhôm ép chảy

- Nghiên cứu mô phỏng số xác định ảnh hưởng một số thông số hình học củakhuôn đến độ chính xác về hình dáng hình học thanh hợp kim nhôm ép chảy

- Nghiên cứu thực nghiệm xác định mối quan hệ: độ dài cửa khuôn, chế độ ép với độ nhám bề mặt sản phẩm thanh hợp kim nhôm và áp lực ép

- Quá trình nghiên cứu sử dụng máy đo nhám để đo kết quả độ nhám bề mặt sảnphẩm, ứng dụng phần mềm mô phỏng số Qform Extrusion để phân tích quá trình épchảy, phần mềm Excel, Minitab để xử lý dữ liệu…

5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

- Ứng dụng mô phỏng số làm sáng tỏ quy luật ảnh hưởng của một số thông sốhình học khuôn đến dòng chảy kim loại của quá trình ép chảy, là cơ sở cho quá trìnhthiết kế khuôn đảm bảo cân bằng dòng chảy kim loại nhằm đạt được độ chính xác vềhình dáng hình học sản phẩm và giảm số lần phải sửa khuôn trong sản xuất

- Tiến hành thực nghiệm xây dựng được hàm quan hệ phụ thuộc giữa của độ dàicửa khuôn và thông số công nghệ ép đến độ nhám bề mặt của sản phẩm và áp lực ép,

từ đó xác định được bộ thông số độ dài cửa khuôn, chế độ ép hợp lý để nâng cao chấtlượng bề mặt sản phẩm và hiệu quả sử dụng thiết bị

- Kết quả nghiên cứu có thể làm tài liệu tham khảo cho quá trình thiết kế khuôn

và lựa chọn thông số công nghệ ép để nâng cao chất lượng sản phẩm ép chảy hợp kimnhôm tại các cơ sở sản xuất

6 Những đóng góp mới của luận án

- Đánh giá được ảnh hưởng của các thông số hình học khuôn bao gồm: vị trí, độdài, độ rộng, góc nghiêng, bán kính góc lượn cửa khuôn; độ sâu, độ rộng vùng dẫn đếnvận tốc dòng chảy kim loại ra khỏi cửa khuôn bằng kỹ thuật mô phỏng số, làm cơ sởcho quá trình cân bằng dòng chảy kim loại khi thiết kế khuôn nhằm đảm bảo độ chínhxác hình dáng hình học của sản phẩm ép chảy

- Sử dụng phương pháp thực nghiệm, xây dựng được hàm quan hệ phụ thuộcgiữa vận tốc chày ép, nhiệt độ phôi và tỉ lệ độ dài/độ rộng cửa khuôn đến độ nhám bềmặt thanh hợp kim nhôm và áp lực ép khi ép chảy hợp kim nhôm

- Giải bài toán tối ưu hoá đơn mục tiêu, xác định được bộ thông số vận tốc chày

ép, nhiệt độ phôi, tỷ lệ độ dài/độ rộng cửa khuôn tối ưu đảm bảo chỉ tiêu độ nhám bềmặt nhỏ nhất

- Giải bài toán tối ưu hoá đa mục tiêu, xác định bộ thông số: vận tốc ép, nhiệt

độ phôi, tỷ lệ độ dài/độ rộng cửa khuôn đảm bảo đồng thời 2 chỉ tiêu độ nhám bề mặtsản phẩm và áp lực ép là nhỏ nhất góp phần nâng cao chất lượng sản phẩm và hiệu quả

sử dụng thiết bị

7 Bố cục của luận án

Bố cục của luận án ngoài phần mở đầu, kết luận, gồm 4 chương:

Chương 1: Tổng quan về công nghệ ép chảy hợp kim nhôm

Chương 2: Cơ sở lý thuyết ảnh hưởng của một số yếu tố đến chất lượng sản phẩm khi ép chảy hợp kim nhôm

Chương 3: Nghiên cứu ảnh hưởng của thông số hình học khuôn đến độ chính xác hình dáng hình học sản phẩm bằng mô phỏng số

Chương 4: Nghiên cứu thực nghiệm ảnh hưởng của độ dài cửa khuôn, chế độ épđến độ nhám bề mặt sản phẩm và áp lực ép

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ ÉP CHẢY HỢP KIM

NHÔM 1.1 Quá trình công nghệ ép chảy thanh hợp kim nhôm

Các thanh hợp kim nhôm ngày càng được sử dụng rộng rãi trong các ngành côngnghiệp như: vật liệu xây dựng, ô tô, tầu điện, hàng không, điện tử,…vì vật liệu hợp kimnhôm có nhiều ưu điểm như độ bền cao, khối lượng riêng nhỏ, không bị ôxi hóa

Để sản xuất thanh hợp kim nhôm phải qua nhiều quá trình công nghệ như: chếtạo phôi (nhôm thỏi dài), cắt thành thỏi ngắn, gia nhiệt, ép ra nhôm thanh, làm nguội,

xử lý nhiệt, xử lý bề mặt…(hình 1.1) [12]

Hình 1.1 Quá trình sản xuất thanh hợp kim nhôm định hình [12].

Một trong những quá trình công nghệ quan trọng quyết định đến hình dáng vàchất lượng của sản phẩm thanh hợp kim nhôm đó là công đoạn ép chảy phôi quakhuôn (ép ra nhôm thanh) để tạo thành thanh hợp kim nhôm định hình [12]

Ép chảy là một quá trình biến dạng dẻo phôi kim loại được ép đùn qua cửa khuôn códiện tích mặt cắt ngang nhỏ hơn so với tiết diện phôi (hình 1.2) Để quá trình ép

chảy diễn ra dễ dàng, phôi hợp kim nhôm phải được nung nóng đến nhiệt độ cần thiết

ở trạng thái gia công nóng nhằm giảm trở lực biến dạng [16,17,18, 33,58]

Hình 1.2 Nguyên lý quá trình ép chảy hợp kim nhôm [16,17,18,

33,58] 1 Chày ép; 2 buồng ép ; 3 Phôi; 4 Khuôn; 5 Sản phẩm

Ép chảy hợp kim nhôm là phương pháp chế tạo ra các sản phẩm dạng ống, thanh

có mặt cắt phức tạp với độ dài tùy ý Quá trình ép chảy có trạng thái ứng suất nén 3chiều nên sản phẩm đạt được chất lượng cao về mặt cơ tính Đó là ưu điểm nổi bật củaphương pháp ép chảy so với các phương pháp chế tạo khác [58]

Tuy nhiên, quá trình ép chảy cần một áp lực ép lớn đòi hỏi thiết bị phải có lực épdanh nghĩa lớn Phần lớn các vật liệu khi ép đều cần phải có thiết bị gia nhiệt, vì vậy

hệ thống thiết bị cho quá trình ép chảy cũng khá phức tạp

1.2 Vật liệu hợp kim nhôm

Ép chảy sản phẩm từ hợp kim nhôm chiếm tỷ trọng cao trong lĩnh vực ép chảy.Hợp kim nhôm là hỗn hợp của nhôm với các nguyên tố khác: Cu, Mn, Si, Mg, Zn.Hợp kim nhôm chia ra 2 loại: hợp kim nhôm biến dạng và hợp kim nhôm đúc

- Hợp kim nhôm biến dạng: là hợp kim nhôm có thành phần với hàm lượng thấpnguyên tố hợp kim (bên trái điểm C, C` như hình 1.3) Hợp kim nhôm biến dạng đượcdùng khá phổ biến Biến dạng với 2 mục đích: biến dạng tạo hình và biến dạng làmthay đổi tổ chức dẫn tới làm thay đổi tính chất của hợp kim Hợp kim nhôm biến dạng lại được chia làm 2 loại:

+ Hợp kim nhôm biến dạng hóa bền bằng nhiệt luyện: là loại chứa nhiềunguyên tố hợp kim hơn (từ điểm F tới điểm C, C` như hình 1.3), có sự chuyển pha khi

ở nhiệt độ cao ( pha thứ 2 chuyển hết thành pha rắn) nên ngoài biến dạng nguội có thểhóa bền bằng nhiệt luyện (có thể tôi + hóa già).

+ Hợp kim nhôm biến dạng không hóa bền được bằng nhiệt luyện là loại chứa ítnguyên tố hợp kim hơn, ở mọi nhiệt độ chỉ có tổ chức là dung dịch rắn, không cóchuyển biến pha nên không hóa bền được bằng nhiệt luyện, chỉ có thể hóa bền bằngbiến dạng nguội hoặc tạo pha nhỏ mịn

Hình 1.3 Giản đồ pha – hợp kim nhôm [11]

- Hợp kim nhôm đúc là hợp kim nhôm có nhiều nguyên tố hợp kim hơn (bênphải điểm C, C`trên hình 1.3), có nhiệt độ nóng chảy thấp hơn, trong tổ chức có cùngtinh, tính đúc cao Do có nhiều pha thứ 2 (thường là hợp chất hóa học) hợp kim giònhơn, không thể biến dạng dẻo được Khả năng nhiệt luyện của nhóm này nếu có cũngkhông cao vì không có sự biến đổi mạnh của tổ chức khi nung nóng

Theo TCVN1659-75 quy định ký hiệu hợp kim nhôm bắt đầu bằng chữ Al vàtiếp theo lần lượt ký hiệu hóa học nguyên tố hợp kim cùng chỉ số % của nó Nếu là hợpkim nhôm đúc thì sau cùng có chữ Đ Ví dụ: AlCu4Mg là hợp kim nhôm có chứa 4%

Cu, 1% Mg

Theo tiêu chuẩn của hiệp hội nhôm AA (Aluminium Association) của Mỹ Hợpkim nhôm biến dạng ký hiệu AAxxxx, hợp kim nhôm đúc ký hiệu AA xxx.x, với số x

đầu tiên có nghĩa như bảng 1.1, ba số xxx tiếp theo chỉ thành phần các nguyên tố kimloại [11],[33],[58].

Bảng 1.1 Ký hiệu hợp kim nhôm theo tiêu chuẩn AA của Mỹ [33]

Nhóm hợp kim biến dạng được sử dụng rộng rãi trong ép chảy do có các đặctính kinh tế và kỹ thuật tốt, bao gồm: dễ ép chảy thành các hình dạng rỗng và phức tạp,đơn giản trong xử lý nhiệt, dẫn điện tốt, tính chất cơ học đạt yêu cầu, chất lượng bềmặt hoàn thiện tốt, chống ăn mòn cao cho nhiều ứng dụng khác nhau

Trong đó nhóm 6xxx được sử dụng rộng rãi nhất trong ép chảy với sản lượngvài triệu tấn được sản xuất hàng năm Các ứng dụng bao gồm các thanh và ống nhưkhung cửa, trang trí ô tô, cấu trúc tòa nhà, bộ trao đổi nhiệt, v.v

Một số hợp kim 6xxx có hàm lượng nguyên tố hợp kim cao hơn để đạt được độbền cao hơn cho các ứng dụng cấu trúc và bán cấu trúc Nói chung, 6061 (Al-Mg-Si-Cu) và 6082 (Al-Si-Mg-Mn) là hợp kim phổ biến cung cấp các tính chất cơ học caohơn cho các ứng dụng kết cấu Hợp kim 6061 cải thiện độ bền dẻo, một yếu tố quantrọng trong các ứng dụng kết cấu cụ thể Các hợp kim này dễ xử lý nhiệt và có các đặctính tốt kể cả trong các khu vực mối hàn Cả 6061 và 6082 đều chống ăn mòn tốt

Đối với hợp kim nhôm 6061 có nhiệt độ chuyển biến pha nóng chảy trongkhoảng nhiệt độ từ 5800C ÷ 6500C [33]

Khả năng ép chảy của hợp kim nhôm có thể được đánh giá bằng tốc độ ép chảytối đa, là một trong những yếu tố quan trọng nhất ảnh hưởng đến chi phí và hiệu quả

của quá trình ép chảy Các thông số nhiệt độ và tốc độ ép, cùng với trạng thái ứng suấttrong vùng biến dạng ở khu vực khuôn, đóng vai trò quan trọng trong việc cải thiệnkhả năng ép chảy của một hợp kim nhôm nhất định Nhiệt độ phôi và vận tốc ra củamột số mác hợp kim nhôm điển hình được thể hiện trên bảng 1.2 [58].

Bảng 1.2 Nhiệt độ phôi và vận tốc ra của một số hợp kim nhôm điển hình [58]

Hợp kim nhôm Nhiệt độ phôi (0C) Tốc độ ra (m/phút)

1.3 Các yếu tố đặc trưng của công nghệ ép chảy hợp kim nhôm

1.3.1 Quá trình ép chảy phôi liên tục

Quá trình ép chảy phôi liên tục là một phương pháp đặc biệt mà các phôi có thể

dễ dàng được liên kết lại với nhau ở nhiệt độ và áp lực ép cao Sử dụng quá trình này,

độ dài của sản phẩm được tạo ra là tùy ý

Sự liên kết giữa phôi với phôi (hàn nối phôi) diễn ra trong khuôn hay ở vùngnhiệt độ biến dạng dẻo của kim loại Để mối hàn nối phôi được tốt cần thực hiện tốtcác yêu cầu sau đây [58]:

 Có thể hàn nối phôi ở vùng nhiệt độ biến dạng dẻo của phôi

 Làm sạch bề mặt phôi

 Thoát khí ra khỏi bộ phận buồng ép lúc bắt đầu ép chảy như sử dụng phôi cônđược nung nóng thể hiện trong hình 1.4 để tránh rỗ khí và những khuyết tật khác.

Hình 1.4 Sử dụng phôi côn để thoát khí trong buồng ép khi bắt đầu ép chảy [58] 1 Thân chày ép; 2 đầu chày ép; 3 buồng ép; 4 phôi; 5 khuôn; 6 sản phẩm

Hai phương pháp hàn nối phôi liên tục đã được phát triển:

Phương pháp 1: Một lượng kim loại xấu ở cuối chu kỳ ép được loại bỏ và nhữngphôi tiếp theo được hàn nối với phôi trước đó trong vùng hàn của khuôn như hình 1.5

Hình 1.5 Phương pháp hàn nối phôi trong vùng hàn của tấm dẫn [58]

1.Chày; 2.phôi; 3.buồng ép; 4.vùng kim loại bỏ; 5.tấm dẫn; 6.khuôn; 7.sản phẩm

Phương pháp 2: Không cần loại bỏ một lượng vỏ phôi xấu ở cuối chu kỳ, phôitiếp theo được ép trực tiếp lên trên phôi trước đó trong buồng ép như được chỉ ra tronghình 1.6 Khối đầu chày gắn với thân chày được thiết kế để loại bỏ phần kim loại xấubám dính vào thành buồng ép sau mỗi một hành chày di chuyển ngược lại

Hình 1.6 Phương pháp hàn nối phôi trực tiếp trong buồng ép [58]

1.Chày; 2.Phôi; 3.buồng ép; 4.vùng hàn phôi; 5.khuôn; 6.sản phẩm

Khi tỷ lệ ép chảy cao, quá trình biến dạng dẻo diễn ra mạnh mẽ Yêu cầu áp lực

ép để đẩy kim loại qua cửa khuôn sẽ cao hơn Phạm vi tỷ lệ ép chảy phổ biến trongthực tiễn công nghiệp đối với hợp kim nhôm cứng là từ 10 ÷ 35 và đối với kim loạimềm từ 10 ÷100 [33,58]

1.3.3 Dòng kim loại trong quá trình ép chảy

Trong ép chảy đơn giản đồng nhất, kim loại chảy dẻo khi có ứng suất σ đạt tới giá trị ứng suất giới hạn ̅σ Dòng chảy vật liệu hợp kim nhôm khi ép chảy là dòng chảy chịu ứng suất nén Sự khác biệt đáng kể trong dòng chảy vật liệu hợp kim nhôm so với những kim loại khác chịu ứng suất nén là trung tâm của phôi được nén đầu tiên và tiếp theo là những vùng xa tâm của phôi, gây ra ứng suất nén cao hơn.

Dòng chảy kim loại trong quá trình ép chảy phụ thuộc vào nhiều yếu tố: Vật liệuphôi, nhiệt độ phôi, lực ma sát ở bề mặt của buồng ép và khuôn, tỷ lệ ép chảy [58].Nhiều nghiên cứu về đặc điểm dòng chảy kim loại trong quá trình ép chảy hợpkim nhôm đưa ra các dạng dòng chảy điển hình như trong hình 1.7 [33,58].

Hình 1.7 Các mô hình dòng chảy kim loại trong ép chảy [58]

Trong ép chảy vật liệu đồng nhất, dạng dòng chảy S (hình 1.7) hình thành khikhông có lực ma sát tại mặt tiếp xúc với buồng ép và khuôn Những đặc tính của épchảy được đồng nhất ở cả chiều ngang và chiều dọc một cách tương ứng Có thể cóđược dạng dòng chảy này trong điều kiện bôi trơn hoàn toàn ở cả buồng ép và khuôn.Dạng dòng chảy A (hình 1.7) hình thành khi ép chảy vật liệu đồng nhất với sựtồn tại của lực ma sát ở khuôn, không có lực ma sát ở buồng ép Dòng chảy này xuấthiện khi ép chảy nghịch Kim loại ở trung tâm của phôi di chuyển nhanh hơn kim loạinằm ở các phần bên ngoài Ở góc của buồng ép và khuôn, một vùng kim loại tách biệtđược hình thành giữa mặt khuôn và thành buồng ép như một vùng kim loại không dichuyển (vùng chết) Vật liệu nằm ở trên bề mặt chịu biến dạng cắt và nó chảy chéo quacửa khuôn

Dạng dòng chảy B (hình 1.7) hình thành trong những vật liệu đồng nhất khi cólực ma sát ở buồng ép, khuôn Dòng chảy này xuất hiện khi ép chảy thuận Một vùngkim loại không di chuyển rộng hơn được hình thành ở góc Trong trường hợp này, cónhiều biến dạng cắt hơn so với dạng dòng chảy A

Dạng dòng chảy C (hình 1.7) hình thành với phôi có đặc tính vật liệu không đồngnhất hoặc với nhiệt độ phân bố không đều trong phôi Những vật liệu này chịu biếndạng cắt mạnh hơn tại thành của buồng ép và cũng hình thành một vùng kim loạikhông di chuyển rộng hơn

Kết cấu của khuôn có thể làm thay đổi tác động cơ học của vật liệu phôi trongkhi ép Khuôn ép chảy sản phẩm dạng ống thể hiện tác động cơ học trên vật liệu nhiềuhơn trên những khuôn ép sản phẩm có hình dạng thanh thông thường.

*Vùng kim loại đứng yên (vùng kim loại chết)

Một vùng kim loại không di chuyển được tích lại ở góc khuôn đều là lớp vỏ oxitnhôm trên bề mặt ngoài của phôi Vật liệu có thể tiếp tục được ép qua vùng phát sinhnày, nó hoạt động giống như một bề mặt khuôn hình côn Những khuyết tật bề mặt cóthể xảy ra trên sản phẩm nếu lớp vỏ oxit nhôm trên bề mặt ngoài của phôi không đượcđược giữ lại

Góc hợp bởi vùng kim loại chết với đường tâm của phôi thể hiện trong công thức

hàm số [58]: α = f(ER, σ̅ ,m,m‟)

Trong đó: ER là tỷ lệ ép chảy, σ̅ là ứng suất giới hạn; m là hệ số ma sát giữa phôi

và buồng ép; m‟ là hệ số ma sát giữa dòng chảy kim loại và bề mặt khuôn

Với cùng điều kiện ma sát ở bề mặt buồng ép, góc kim loại chết (α) thay đổi với

tỷ lệ ép ER (hình 1.8) Khi tỷ lệ ép tăng lên thì α tăng và khi α tăng, độ dài vùng kimloại đứng yên Z giảm xuống

Trong hình 1.8, là tỷ lệ ép cho khuôn (1) có cửa khuôn lớn hơn, là tỷ lệ

ép của khuôn (2) có cửa khuôn nhỏ hơn Góc , tương ứng với ,

Hình 1.8 Mối quan hệ giữa góc và độ dài vùng kim loại đứng yên với tỷ lệ ép [58]

* Vùng kim loại cuối hành trình:

Hình 1.9 Mối quan hệ giữa độ dài vùng kim loại cuối hành trình và

vùng kim loại đứng yên [58]

Trong ngành công nghiệp sản xuất ép chảy nhôm, tiêu chuẩn độ dài vùng kimloại cuối hành trình cho ép chảy thuận được giữ trong khoảng 10 tới 15% độ dài phôi

Độ dài vùng này có thể có chức năng như một vùng kim loại đứng yên, nó cũng cóchức năng như hệ số ép, loại khuôn, nhiệt độ phôi, điều kiện ma sát buồng ép và ứngsuất giới hạn của vật liệu phôi

Trên hình 1.9 chỉ ra mối quan hệ giữa độ dài vùng kim loại cuối hành trình ép

và bề mặt hình nón của vùng kim loại đứng yên Việc dừng quá trình ép ở một vùnggiới hạn an toàn giúp ngăn chặn oxit và những tạp chất kim loại, phi kim khác từ dòngchảy vào sản phẩm trong quá trình ép

1.3.4 Biến dạng dẻo trong quá trình ép chảy

Để đánh giá dòng chảy kim loại một cách có định lượng, cần xác định mức độbiến dạng và tỉ lệ ép chảy Trong lí thuyết biến dạng dẻo kim loại, sự thay đổi về độdãn dài liên quan tới biến dạng logarit được xác định bởi [17,20,21,25,33,58] :

là độ dài phôi ban đầu, l là độ dài sản phẩm cuối cùng

Do đó biến dạng logarit:

là diện tích tiết diện buồng ép, AE là diện tích tiết diện sản phẩm

Vì thế, biến dạng logarit được xác định trong trường hợp khi ép:

Từ hình 1.10, độ dài của vùng biến dạng được đưa ra bởi:

Với α là góc vùng kim loại chết với phương ép

Tỷ lệ ép của khuôn đơn lỗ được xác định bởi:

Vì vậy đường kính sản phẩm thanh hợp kim nhôm ép chảy là:

Hình 1.11 Biểu đồ áp lực ép chảy thuận theo hành trình

ép Quá trình này được miêu tả theo 3 giai đoạn: [58]

I Áp lực ép tăng nhanh lên tới giá trị cực đại khi phôi bắt đầu bị nén đến khiđiền đầy dòng kim loại vào khu vực cửa khuôn

II Áp lực ép giảm dần khi dòng chảy kim loại bắt đầu thoát ra khỏi cửa khuôn tạo thành sản phẩm

III Áp lực ép đạt giá trị tối thiểu và theo sau là một sự gia tăng mạnh khi một phần vỏ phôi bị dồn nén lại ở khu vực góc buồng ép ở cuối hành trình

Biến dạng thực và tốc độ biến dạng được định nghĩa:

T là nhiệt độ của vật liệu phôi

- PF là áp lực yêu cầu để vượt qua ma sát bề mặt tại thành buồng ép, vùng kim loại chết và cửa khuôn

Trong đó: pr là áp lực hướng tâm, m là hệ số ma sát giữa phôi và thành buồng ép,m‟ là hệ số ma sát giữa vật liệu ép chảy và cửa khuôn, m‟‟ là hệ số ma sát tại vùng

kim loại chết, D là đường kính phôi, l 0 là độ dài phôi, L là độ dài cửa khuôn

- PR là áp lực để vượt qua sự biến dạng đàn hồi (Redundant work) được đưa ratrong dạng hàm số sau:

Trong đó α là góc vùng kim loại chết như là 1 hàm số của hệ số ép chảy

Pradip K Saha [58] đã nhắc đến nghiên cứu của Dieter đưa ra giải thích hợp lý

về sự biến dạng đàn hồi Các phần tử tại tâm của phôi trải qua sự kéo dài thuần túy cơbản trong thanh ép chảy, tương ứng với sự thay đổi trong mặt cắt ngang từ phôi tới sảnphẩm ép Các phần tử được thể hiện trên hình 1.12, gần với thành của buồng ép, trảiqua biến dạng cắt lớn do ma sát bề mặt giữa phôi và buồng ép

Hình 1.12 Tổ chức kim loại thay đổi trong quá trình ép

Các yếu tố tại giao diện vùng đứng yên cũng trải qua biến dạng cắt lớn, xảy ra rấtnhiều trên mặt cắt ngang của thanh ép chảy, đòi hỏi phải sử dụng năng lượng Sự tiêuhao năng lượng này không liên quan tới sự thay đổi kích thước từ phôi tới sản phẩm

ép Biến dạng đàn hồi giữ vai trò làm rõ sự khác nhau giữa áp lực ép chảy thực tế và áplực ép chảy tính toán trên cơ sở của sự biến dạng dẻo

Kích thước cho trước của phôi ép dưới các điều kiên đặc biệt, sẽ có một giới hạnvới tỷ lệ ép chảy có thể đạt được Nhiệt độ và vận tốc ép đóng vai trò quan trọng trongquá trình ép chảy Tuy nhiên, sự gia tăng độ dài của phôi cũng có tác động trong việclàm tăng áp lực ép yêu cầu cho quá trình ép chảy Việc tăng áp lực ép này là do lực masát giữa phôi và thành buồng ép, nó lớn hơn đối với các phôi dài hơn Thông thường

độ dài lớn nhất của phôi bằng 4 lần đường kính của phôi

Trong quá trình ép chảy kim loại, có mối tương quan nhất định giữa lực ép chảy,nhiệt độ ép chảy, tỷ lệ ép chảy và vận tốc ép chảy [58]:

+ Tăng nhiệt độ phôi làm giảm áp lực yêu cầu cần thiết cho quá trình ép chảy+ Tỷ lệ ép chảy cao hơn, áp lực ép chảy cao hơn

+ Tăng độ dài phôi, áp lực ép chảy cao hơn

+ Áp lực ép chảy bị ảnh hưởng không nhiều khi vận tốc ép chảy được gia tăng

1.3.6 Lực ép

Áp suất dầu

Hình 1.13 Sơ đồ hệ thống thiết bị và khuôn ép chảy

Lực yêu cầu cho quá trình ép chảy phụ thuộc vào ứng suất giới hạn của vật liệuphôi, tỷ lệ ép chảy, điều kiện ma sát tại bề mặt buồng ép và bề mặt khuôn, các thông sốquá trình ép như nhiệt độ phôi ban đầu và vận tốc ép chảy.

Trong đó Ac là diện tích tiết diện bên trong buồng ép

Lực ép chảy là cần thiết trong việc xác định lực ép danh nghĩa của máy ép Quátrình ép chảy diễn ra khi lực tác dụng bởi hệ thống thủy lực (Fp) cân bằng với lực épchảy yêu cầu (Fr) [58]: Fp = Fr

Lực quá trình ép được xây dựng bởi [58]:

(1.18)Trong đó A1 là diện tích tiết diện xi lanh chính, A2 là diện tích tiết diện xi lanhphụ, và p là áp suất dầu tác dụng vào các xi lanh máy ép như thể hiện trong hình 1.13

Áp lực ép bên trong buồng ép được đưa ra trong hình 1.13 là [58]:

1.3.7 Vận tốc ép

Do thể tích kim loại ép không đổi, mối quan hệ giữa vận tốc chày ép và vận tốc

ra của sản phẩm được xác định bởi:

Vep.AC = VE.AE (1.20) Trong đó Vep là vận tốc chày ép, AC là diện tích tiết diện bên trong buồng ép, VE

là vận tốc ra của sản phẩm, AE là diện tích tiết diện sản phẩm ép chảy

Nếu khuôn có số cửa khuôn là n, mối quan hệ sẽ có thể bị thay đổi theo số cửa trên khuôn, được cho bởi :

Do đó, vận tốc ép chảy thì được cho bởi:

(1.22)Vận tốc ép chảy cũng có thể dược viết dưới dạng :

Trong đó ER là tỷ lệ ép chảy

1.3.8 Nhiệt động lực học trong quá trình ép chảy

Trong quá trình ép chảy, nhiệt sinh ra bởi ma sát và công của sự biến dạng dẻovật liệu Trong quá trình biến dạng dẻo gây phát sinh nhiệt Sự tăng nhiệt độ do biếndạng dẻo có thể đến vài trăm độ C Lực ma sát ở thành buồng ép, vùng kim loại đứngyên và bề mặt khuôn ảnh hưởng đến sự thay đổi nhiệt độ dòng chảy kim loại cũng nhưsản phẩm ép chảy và khuôn

Nhiệt độ là một trong những thông số quan trọng trong quá trình ép chảy Ứngsuất chảy được giảm bớt nếu nhiệt độ tăng lên và do đó biến dạng dễ dàng hơn Bêncạnh đó vận tốc ép chảy cũng làm thay đổi nhiệt độ của dòng chảy kim loại

Sự thay đổi nhiệt độ trong quá trình ép chảy phụ thuộc vào các yếu tố như sau:

- Nhiệt độ phôi ban đầu

- Ứng suất chảy của vật liệu

- Mức độ biến dạng, tốc độ biến dạng

- Ma sát tại thành buồng ép, vùng kim loại chết, cửa khuôn

- Quá trình truyền nhiệt

Từ thực tiễn sản xuất, sự trao đổi nhiệt độ rất phức tạp ngay sau khi phôi đượcnung nóng lấy ra từ lò nung rồi đưa vào buồng ép (đã được gia nhiệt) và sau khi ép ra sản phẩm

Sự trao đổi nhiệt trong quá trình ép chảy bao gồm:

- Truyền nhiệt từ phôi ra ngoài không khí khi lấy phôi ra khỏi lò nung

- Truyền nhiệt từ phôi vào buồng ép, khuôn và chày ép

- Truyền nhiệt từ khuôn, chày ép, sản phẩm ép vào không khí

- Nhiệt sinh ra do quá trình biến dạng dẻo vật liệu

- Nhiệt sinh ra do ma sát với thành buồng ép, vùng kim loại chết và khuôn

* Quá trình sinh nhiệt do ma sát với bề mặt buồng ép.

Người ta cho rằng trượt sẽ xảy ra dọc theo toàn bộ độ dài của phôi Trong thờigian chịu nén, toàn bộ phôi tiếp xúc đầy đủ với buồng ép dưới áp suất cao trước khibắt đầu qúa trình ép chảy diễn ra Nhiệt sinh ra do ma sát trên mỗi đơn vị diện tích,mỗi đơn vị thời gian được cho bởi [58] :

√

Trong đó, V là vận tốc của vật liệu tại bề mặt thành buồng ép, được giả định nóbằng vận tốc chày ép Vep và J là đương lượng công của nhiệt

* Quá trình sinh nhiệt do ma sát bề mặt dòng kim loại và vùng kim loại chết.

Nhiệt lượng ma sát trên mỗi đơn vị diện tích trên một đơn vị thời gian là đượccho bởi [58]:

* Quá trình sinh nhiệt do ma sát với bề mặt cửa khuôn.

Trong trường hợp của ma sát trượt, nhiệt ma sát trên một đơn vị diện tích, mỗi đơn vị thời gian được cho bởi:

(1.27)Trong đó τf là ứng suất ma sát

VE là vận tốc vật liệu thoát ra khỏi khuôn và có thể được tính toán bằng cách sử dụng các mối quan hệ:

Trong đó Vep là vận tốc chày ép và ER là tỷ lệ ép chảy

Nhiệt độ ép chảy có ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm và tuổi thọ khuôn [58]

- Về chất lượng sản phẩm, nhiệt độ sản phẩm khi ép ra ảnh hưởng đến quy trình

xử lý nhiệt sản phẩm sau khi ép, sự ổn định kích thước và gây ra khuyết tật sản phẩm

- Về tuổi thọ của khuôn, nhiệt độ truyền vào khuôn là một vấn đề quan trọng đốivới tuổi thọ, mòn và hiệu suất làm việc của khuôn Bám dính bề mặt khuôn và quátrình hình thành bám dính phụ thuộc vào nhiệt độ sản phẩm ép ra tại cửa khuôn

1.4 Khuôn ép chảy

1.4.1 Cấu tạo khuôn

Theo nguyên lý quá trình ép chảy thanh hợp kim nhôm, khuôn đóng vài trò rấtquan trọng quyết định trực tiếp đến hình dạng, chất lượng sản phẩm thanh hợp kimnhôm

Có hai loại khuôn ép chảy hợp kim nhôm là khuôn ép thanh (hình 1.14 a) vàkhuôn ép ống hợp kim nhôm (hình 1.14 b)

Hình 1.14 Hình ảnh khuôn ép chảy hợp kim nhôm [58]

Mặt cắt ngang của khuôn ép thanh hợp kim nhôm được thể hiện trong hình 1.15.Mặt cắt ngang của khuôn ép ống hợp kim nhôm được thể hiện trong hình 1.16

Hình 1.15 Cấu tạo khuôn ép thanh hợp kim nhôm

1 Vùng dẫn nhôm; 2 Cửa khuôn; 3 Vùng thoát B: Độ rộng vùng dẫn; H: độ sâu vùng dẫn; b:độ rộng cửa khuôn; L: độ dài cửa khuôn; e: vị trí cửa khuôn so với tâm khuôn; : góc nghiêng cửa khuôn.

Hình 1.16 Cấu tạo khuôn ép chảy ống hợp kim nhôm.

1.Nửa lõi khuôn; 2 Nửa lòng khuôn; 3 Vùng hợp dòng chảy nhôm; 4 Vùng cửa thoát; 5 Lỗ dẫn nhôm; 6 Cầu khuôn; B: Độ rộng vùng dẫn; H: độ sâu vùng dẫn; b:độ

rộng cửa khuôn; L: độ dài cửa khuôn; : góc nghiêng cửa khuôn.

Thông số hình học của khuôn bao gồm:

 Kích thước đường kính và chiều dài khuôn

 Số cửa khuôn trên khuôn: n

 Vị trí cửa khuôn trên khuôn: e

nó có tác dụng kiểm soát cân bằng dòng chảy kim loại thoát ra của vật liệu

Khi giảm diện tích tiếp xúc giữa dòng chảy vật liệu với bề mặt cửa khuôn dẫnđến giảm lực cản dòng chảy bằng cách cắt nghiêng (-) một góc α ở mặt sau của cửakhuôn (hình 1.17c) Khi tăng diện tích tiếp xúc giữa dòng chảy vật liệu với bề mặt cửakhuôn dẫn đến giảm lực cản dòng chảy bằng cách cắt nghiêng (+) một góc α ở mặttrước của cửa khuôn (hình 1.17 b) [33]

a) Cửa khuôn song song b) Cửa khuôn (+) c) Cửa khuôn (-)

Hình 1.17 Các dạng cửa khuôn trong khuôn ép chảy hợp kim

nhôm Biến dạng cửa khuôn khi ép

Hình 1.18 Mô hình biến dạng tại bề mặt cửa khuôn khi ép (kiểu thắt lại)[57]

Dưới áp lực ép, bề mặt cửa khuôn bị biến dạng, bề mặt của cửa khuôn (+) cóthể trở thành thẳng đứng làm thay đổi vận tốc thoát của sản phẩm thực tế so với lýthuyết (hình 1.18) Đây là vấn đề khá phức tạp ảnh hưởng đến cân bằng dòng kim loạichảy ra của sản phẩm Do vậy giảm được lực ép sẽ giúp giảm biến dạng khuôn, nângcao tuổi bền khuôn và đồng thời nâng cao độ chính xác cho sản phẩm ép chảy

1.4.3 Vật liệu chế tạo khuôn

Vì quá trình ép nhôm là một quá trình làm việc nóng trong khoảng nhiệt độ trungbình 580°C, vật liệu khuôn được sử dụng thường là thép SKD11, SKD12, SKS3,SKS31, SKS91, SKS94 nhưng phổ biến nhất là SKD61 (theo tiêu chuẩn Nhật) [11]

Tuổi bền của khuôn ép thường bị hạn chế bởi các yếu tố: mòn nóng, biến dạng dẻo và nứt Vì vậy vật liệu khuôn nên có các thuộc tính sau:

Phương pháp ép chảy được Joseph Bramah phát minh năm 1797 khi tiến hành

ép chảy thành công các ống dài không cần hàn bằng vật liệu chì và kim loại mềm [33]

Ép chảy bắt đầu phát triển mạnh mẽ ở các nước Châu Âu và Mỹ từ những năm

1960 khi các máy ép có lực ép cỡ lớn lên đến 125 MN được chế tạo Bắt đầu từkhoảng thời gian này rất nhiều các công trình các nghiên cứu về quá trình ép chảythanh hợp kim nhôm được công bố

Trong khoảng 60 năm qua, các mô hình toán học và mô phỏng số quá trình épchảy hợp kim nhôm đã được công bố cùng với sự phát triển mạnh mẽ của lĩnh vựcmáy tính Công việc ban đầu chủ yếu liên quan đến mô phỏng vấn đề ép chảy 2D hoặchình học 3D đơn giản với tỉ lệ ép chảy thấp Nhưng với sự phát triển của máy tínhtrong khoảng 20 năm gần đây, mô phỏng số quá trình ép chảy đã thực hiện được các

mô phỏng 3D phức tạp hơn được sử dụng để phân tích quá trình ép chảy

Năm 2000, Các mối quan hệ nhiệt động lực học và ma sát quá trình ép chảy củahợp kim nhôm được phân tích bởi Saha [58] Ông nghiên cứu ma sát của phôi vớibuồng ép, khu vực kim loại chết và khuôn Ông kết luận rằng độ chính xác của hìnhdạng và bề mặt sản phẩm trong quá trình ép chảy phụ thuộc vào ma sát và mòn trong

quá trình ép chảy Quá trình mài mòn trong khuôn phụ thuộc vào nhiệt động lực họccủa quá trình ép chảy, mà trong đó có sự ảnh hưởng lớn của các thông số công nghệquá trình ép như vận tốc, nhiệt độ, tỷ lệ ép Saha [58] đề cập đến một chủ đề quantrọng của thiết kế khuôn ép chảy là kết quả nghiên cứu của Ulysse Trong nghiên cứunày ông đã thiết kế cửa khuôn cho một khuôn có hai lỗ vuông Phương pháp phân tíchgần đúng kết hợp với các kỹ thuật lập trình toán học được sử dụng trong việc xác định

độ dài cửa khuôn nhằm giảm thiểu sự thay đổi vận tốc thoát ra ở cửa khuôn (cân bằngdòng chảy kim loại thoát ra) Saha [58] đã trình bày nghiên cứu của Rodriguez vềkhuôn với cửa khuôn có độ dài cửa khuôn nhỏ Với loại khuôn này, thiết kế của vùngdẫn là biện pháp duy nhất để điều chỉnh vận tốc ra của sản phẩm tại các vị trí trên cửakhuôn Loại khuôn này có những ưu điểm cho phép vận tốc ép chảy cao và chất lượng

bề mặt tốt Tuy nhiên, khi một sản phẩm thành mỏng phức tạp về mặt hình học, độ dàicửa khuôn nhỏ có thể không hiệu quả để kiểm soát dòng chảy kim loại Chanda [39]thực hiện việc xác định sự biến dạng và nhiệt độ của hợp kim nhôm (AA6061) trongquá trình ép bằng cách sử dụng phương pháp mô phỏng phần tử hữu hạn 3D Trongcông trình này, đã xem xét ép sản phẩm hình vuông và hình tròn tại tỉ lệ ép 20: 1 và60: 1 và phát hiện ra rằng: Khi tỷ lệ ép là 20:1, sản phẩm ép hình tròn có nhiệt độ lớnhơn so với sản phẩm ép hình vuông ở trạng thái ổn định của quá trình ép chảy Trongsản phẩm ép hình vuông, sự phân bố nhiệt độ không đồng nhất, các góc có xu hướng

có nhiệt độ cao hơn đặc biệt là khi tỉ lệ ép giảm thấp Sản phẩm ép hình vuông cókhuynh hướng bị rách nhiều hơn, đặc biệt ở tỷ lệ ép cao do thành phần của ứng suấtgiới hạn ở bề mặt của sản phẩm ép hình vuông cao gấp 3 lần so với bề mặt của sảnphẩm ép hình tròn Sự phân bố của ứng suất ở phía trước cửa khuôn hình vuông vàhình tròn là khác nhau Ứng suất giới hạn trong ép chảy sản phẩm vuông nhỏ hơn sảnphẩm tròn do vận tốc chảy vật liệu trong khuôn ép sản phẩm hình vuông chậm hơn.Năm 2002, Geun-An Lee [42] đã nghiên cứu ứng dụng mô phỏng số để xác định

độ dài cửa khuôn cho 2 bộ khuôn ép chảy sản phẩm tiết diện dạng U và dạng V Arifcùng cộng sự [31] đã công bố lỗi sản phẩm trong ép chảy hợp kim nhôm và tác độngcủa chúng đến chi phí sản xuất

Năm 2004, Flitta và cộng sự [46] đã nghiên cứu bản chất của ma sát trong quá trình