Nghiên cứu chế tạo thử nghiệm máy cán biến dạng mạnh (SPD) có dao động ngang

Các kết quả thí nghiệm được sử dụng để tạo cơ sở tối ưu hóa các thông số theo phương pháp cán biến dạng mạnh SPD có kết hợp dao động ngang để có thể cải thiện độ bền, độ bóng bề mặt,… củ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HỒ CHÍ MINH

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT CƠ KHÍ

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO THỬ NGHIỆM MÁY CÁN BIẾN

i

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

KHOA CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY

BỘ MÔN CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

KHOA CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY

BỘ MÔN CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY

TRƯỜNG ĐH SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HCM

KHOA CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

Bộ môn: CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY

Thành phố Hồ Chí Minh, ngày 08 tháng 03 năm 2016

ĐỀ XUẤT NHIỆM VỤ ĐỀ TÀI TỐT NGHIỆP

Thông tin GVHD và đề tài

Họ tên GVHD: LÊ CHÍ CƯƠNG MS CBGV: 2168

Đơn vị: Khoa Cơ khí Chế tạo máy Học hàm, học vị: PGS.TS

Tên đề tài: NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO THỬ NGHIỆM MÁY CÁN

BIẾN DẠNG MẠNH (SPD) CÓ DAO ĐỘNG NGANG

Thông tin sinh viên thực hiện

Họ tên SV: NGUYỄN VĂN PHƯƠNG MSSV: 12144088

Chuyên ngành: CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT CƠ KHÍ Niên khóa: 2012 - 2016

1 Số liệu ban đầu

− Vật liệu cán: hợp kim nhôm, chiều dày 5mm, tỷ lệ tối đa mỗi lượt cán 30%

2 Nhiệm vụ chi tiết

2.1 Tìm hiểu độ bền và các tiêu chuẩn hợp kim nhôm trên thế giới

2.2 Nguyên lý và kết cấu máy cán

2.3 Tính toán và thiết kế hệ thống cơ khí, hệ thống truyền động điện-điều khiển

2.4 Thiết kế chi tiết

2.5 Gia công chế tạo thiết bị

2.6 Vận hành thử nghiệm, ghi nhận thông số

3 Dự kiến kết quả đạt được

3.1 Thiết bị cán

3.2 Bản thuyết minh tính toán, bản vẽ lắp và bản vẽ chi tiết

3.3 Dữ liệu vận hành thử nghiệm

3.4 Báo cáo thực hiện đề tài

4 Thời gian thực hiện

− Theo quy định của bộ môn

KHOA CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY

BỘ MÔN CN CHẾ TẠO MÁY

CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự do – Hạnh Phúc

*******

BẢNG NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN Họ và tên Sinh viên: NGUYỄN VĂN PHƯƠNG MSSV: 12144088 LƯƠNG CHÍ CƯỜNG MSSV: 12144013 Ngành: CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT CƠ KHÍ Tên đề tài: NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO THỬ NGHIỆM MÁY CÁN BIẾN DẠNG MẠNH (SPD) CÓ DAO ĐỘNG NGANG Họ và tên Giáo viên hướng dẫn: PGS.TS LÊ CHÍ CƯƠNG NHẬN XÉT 1 Về nội dung đề tài & khối lượng thực hiện:

2 Ưu điểm:

3 Khuyết điểm:

4 Đề nghị cho bảo vệ hay không?

5 Đánh giá loại:

6 Điểm:……….(Bằng chữ: )

Tp Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 2016

Giáo viên hướng dẫn

(Ký & ghi rõ họ tên)

KHOA CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY

BỘ MÔN CN CHẾ TẠO MÁY

CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự do – Hạnh Phúc

*******

BẢNG NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN

Họ và tên Sinh viên: NGUYỄN VĂN PHƯƠNG MSSV: 12144088

LƯƠNG CHÍ CƯỜNG MSSV: 12144013 Ngành: CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT CƠ KHÍ

Tên đề tài: NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO THỬ NGHIỆM MÁY CÁN

BIẾN DẠNG MẠNH (SPD) CÓ DAO ĐỘNG NGANG

Họ và tên Giáo viên phản biện: TS TRẦN NGỌC ĐẢM

NHẬN XÉT

1 Về nội dung đề tài & khối lượng thực hiện:

2 Ưu điểm:

Tp Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 2016

Giáo viên phản biện

(Ký & ghi rõ họ tên)

LỜI CẢM ƠN

Trong thời gian học tập và nghiên cứu tại Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành phố Hồ Chí Minh, nhóm chúng em đã đúc kết được nhiều kiến thức bổ ích cho chuyên môn của mình Quá trình làm đồ án tốt nghiệp, nhóm đã vận dụng được những kiến thức đã học để có thể giải quyết được những vấn đề thực tế Với đồ án “Nghiên cứu chế tạo thử nghiệm máy cán biến dạng mạnh (SPD) có dao động ngang”, do tính mới của đề tài nên nhóm đã gặp không ít khó khăn trong quá trình thực hiện Tuy nhiên, dưới sự hướng dẫn tận tình của giáo viên hướng dẫn PGS.TS Lê Chí Cương,

sự hỗ trợ, giúp đỡ của thầy PGS.TS Đặng Thiện Ngôn cùng với các thầy (cô) trong

bộ môn Chế tạo máy, khoa Xây dựng và Cơ học ứng dụng, gia đình và bạn bè đã giúp cho nhóm hoàn thành đề tài của mình Cho đến thời điểm này, với đề tài mà nhóm thực hiện đã đạt được các yêu cầu đặt ra, nhóm đã đưa ra được nền tảng ban đầu để việc nghiên cứu tiếp tục phát triển hơn nữa

Nhóm chúng em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến:

- Ban Giám hiệu Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh

- Thầy PGS.TS Lê Chí Cương, PGS.TS Đặng Thiện Ngôn – Phòng Nghiên cứu Công nghệ kỹ thuật cơ khí – Khoa Cơ khí Chế tạo máy

- Thầy Trần Văn Trọn, Nguyễn Văn Minh, Đỗ Văn Hiến – Khoa Cơ khí chế máy –Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh

- Trường Trung cấp nghề Đông Sài Gòn Thành phố Hồ Chí Minh

- Cô Vương Thị Ngọc Hân, khoa Xây dựng và Cơ học ứng dụng

- Thầy TS Trần Ngọc Đảm – Giáo viên phản biện - Khoa Cơ khí Chế tạo máy

- Phòng Thí nghiệm Cơ học, Thí nghiệm Vật liệu học – Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh

- Trung tâm Hạt nhân Thành phố Hồ Chí Minh, Viện Năng Lượng Nguyên tử Việt Nam – Bộ Khoa học & Công Nghệ

- Gia đình, bạn bè và người thân

Một lần nữa, nhóm xin được chân thành cảm ơn sự giúp đỡ, hỗ trợ tận tình của quý thầy cô, bạn bè và gia đình đã tạo điều kiện thuận lợi giúp nhóm hoàn thành đề tài của mình Xin trân trọng cảm ơn!

TP Hồ Chí Minh, ngày 15 tháng 07 năm 2016

TÓM TẮT

Quá trình cán tạo biến dạng mạnh (SPD) có kết hợp với dao động ngang tạo ra sản phẩm sau cán với những ưu điểm hơn so với phương pháp biến dạng dẻo thông thường Trong quá trình này, ngoài biến dạng do lực ép tạo ra còn có sự biến dạng theo chiều rộng Đây là kỹ thuật tạo biến dạng dẻo mãnh liệt mới đang được nghiên cứu và phát triển trên thế giới Quá trình này đã được một số thực nghiệm chứng minh rằng không chỉ tạo ra được hợp kim nhôm tấm có độ bền cao mà còn tạo ra được cấu trúc hạt siêu mịn (UFG) cải thiện đáng kể tính chất cơ học của hợp kim

Đề tài đã chế tạo thử nghiệm máy cán theo phương pháp cán tích hợp dao động ngang (TWVR) và tiến hành các thí nghiệm cán mẫu nhôm với các bề dày khác nhau: 4.5mm, 4.0mm, 3.5mm, 3.0mm Các kết quả thí nghiệm được sử dụng để tạo cơ sở tối ưu hóa các thông số theo phương pháp cán biến dạng mạnh (SPD) có kết hợp dao động ngang để có thể cải thiện độ bền, độ bóng bề mặt,… của vật liệu sau cán

Từ khóa: Biến dạng mạnh (SPD), hạt siêu mịn (UFG), phương pháp cán tích

hợp dao động ngang (TWVR)

ABSTRACT

The strong deformation rolling combine with the horizontal oscillator produces the rolled products possess more advantages compare to the conventional plastic deformation methods In this process, not only the deformation caused by pressure, but also width distortion This is a technique which create the intense plasticity deformation and being researched-developed in the world There are many experimental data demonstrated this process not only produced high durability aluminum alloy sheet but also generated ultrafine-grain structure (UFG) which improved significantly the mechanical properties of the alloy

This thesis tried to manufacture a rolling machine which was operated by the Through-Width Vibration Rolling method (TWVR) and used it to roll some aluminium samples with the different thickness: 4.5 mm, 4.0 mm, 3.5 mm, 3.0 mm The results are used to create the basic data for optimization some parameters of the Severe Plastic Deformation method (SPD) combine with horizontal oscillations to improve the toughness, surface gloss, micro-economic structure of rolled materials

Keywords: Severe Plastic Deformation (SPD), Ultrafine-grains (UFG),

Through-Width Vibration Rolling (TWVR)

MỤC LỤC

TRANG BÌA PHỤ Trang

ĐỀ XUẤT NHIỆM VỤ ĐỀ TÀI TỐT NGHIỆP i

BẢNG NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN ii

BẢNG NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN iii

LỜI CẢM ƠN iv

TÓM TẮT v

MỤC LỤC vi

DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT ix

DANH SÁCH CÁC BẢNG BIỂU ix

DANH SÁCH CÁC HÌNH ẢNH, BIỂU ĐỒ x

Chương 1 TỔNG QUAN 1

1.1 Tổng quan chung về lĩnh vực nghiên cứu 1

1.1.1 Đặt vấn đề 1

1.1.2 Các phương pháp gia công áp lực truyền thống 2

1.1.3 Một vài phương pháp gia công biến dạng dẻo mãnh liệt (Server Plastic Deformation – SPD) 2

1.1.4 Các kết quả nghiên cứu về cách tạo hạt siêu mịn UFG bằng phương pháp SPD điển hình trong và ngoài nước 7

1.1.4.1 Nghiên cứu “Tensile strength and deformation microstructure of Al– Mg–Si alloy sheet by through-width vibration rolling process” của nhóm tác giả Yue-Ting Chen, Dung-An Wang, Jun-Yen Uan, Tsung-Hsien Hsieh, Te-Chang Tsai tại National Chung Hsing University, 250 kuo-kuang Rd., Taichung 402, Taiwan, ROC [20] 7

1.1.4.2 Nghiên cứu “Microstructure evolution of accumulative roll bonding processed pure aluminum during cryorolling” của nhóm tác giả Hailiang Yu, Hui Wang, Cheng Lu, A Kiet Tieu, Huijun Li, Ajit Godbole, Xiong Liu, Xing Zhao tại University of Wollongong và Chunhua (Charlie) Kong tại University of New South Wales [18] 10

1.1.4.3 Các nghiên cứu trong nước 12

1.2 Lý do chọn đề tài 12

1.3 Mục tiêu đề tài 12

1.4 Nhiệm vụ của đề tài 12

1.5 Đối tượng, phạm vi nghiên cứu và giới hạn của đề tài 13

1.5.1 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 13

1.5.2 Giới hạn đề tài 13

1.6 Phương pháp nghiên cứu và kết quả dự kiến đạt được 13

1.6.1 Nghiên cứu lý thuyết 13

1.6.2 Nghiên cứu thực nghiệm 13

1.6.3 Kết quả dự kiến 13

Chương 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 14

2.1 Các hiện tượng và các yếu tố ảnh hưởng đến cấu trúc hạt của kim loại khi gia công biến dạng dẻo 14

2.1.1 Các hiện tượng ảnh hưởng đến cấu trúc hạt của kim loại khi gia công biến dạng dẻo 14

2.1.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến độ hạt của kim loại khi gia công biến dạng dẻo 17

2.2 Nguyên lý và kết cấu máy cán 18

2.2.1 Các bộ phận chính của máy cán 18

2.2.2 Phân loại máy cán 19

2.2.3 Máy cán tấm 22

2.3 Độ bền và các tiêu chuẩn hợp kim nhôm trên thế giới 23

2.3.1 Nhôm 23

2.3.1 Hợp kim nhôm 25

2.4 Mẫu cán thử nghiệm 29

2.5 Trục then hoa 31

2.6 Máy kéo nén thủy lực vạn năng xử lý bằng phần mềm máy tính Model CHT4106 34

Chương 3 PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ VÀ GIẢI PHÁP CÔNG NGHỆ 37

3.1 Phân tích đối tượng tượng thiết kế 37

3.1.1 Máy cán biến dạng mạnh (SPD) có dao động ngang 37

3.1.2 Vật liệu cán thử nghiệm 38

3.2 Khả năng công nghệ và thực tiễn 38

3.3 Phương án thiết kế 39

3.3.1 Nguyên lý hoạt động 39

3.3.2 Phương án thiết kế chi tiết 41

3.3.2.1 Chọn kiểu thiết kế máy cán 41

3.3.2.2 Chọn hộp giảm tốc 42

3.3.2.3 Chọn cơ cấu tạo dao động dọc trục 43

3.3.2.4 Chọn ổ đỡ trục 45

3.3.2.5 Chọn bộ phận trượt của trục cán 47

3.3.2.6 Chọn bộ phận truyền chuyển động đến trục cán 48

3.3.2.7 Chọn bộ phận điều khiển tốc độ 50

Chương 4 TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ KHÍ, HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN-ĐIỀU KHIỂN 53

4.1 Tính toán thiết kế hệ thống cơ khí 53

4.1.1 Các đại lượng đặc trưng cho quá trình cán kim loại 53

4.1.2 Tính toán các thông số đặc trưng 54

4.1.3 Lực cán, momen cán, công suất động cơ 58

4.1.4 Nghiệm bền và tính toán các chi tiết trên giá cán 64

4.2 Thiết kế hệ thống truyền động điện-điều khiển 69

4.2.1 Sơ đồ nguyên lý 69

4.2.2 Chức năng các thiết bị 69

4.2.3 Nguyên lý hoạt động 75

4.3 Thiết kế chi tiết và gia công chế tạo thiết bị 76

Chương 5 KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM 90

5.1 Kết quả chế tạo thử nghiệm máy 90

5.1.1 Mô hình máy cán biến dạng mạnh (SPD) có dao động ngang 90

5.1.2 Thông số kỹ thuật 91

5.1.3 Quy trình vận hành và chỉ dẫn an toàn 92

5.2 Cán thử nghiệm mẫu nhôm 95

5.2.1 Kiểm tra độ bền kéo mẫu sau cán 98

5.2.2 Kiểm tra kích thước tinh thể trung bình vật liệu mẫu sau cán 101

Chương 6 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 103

6.1 Kết luận 103

6.1.1 Kết quả đạt được so với mục tiêu ban đầu đề ra 103

6.1.2 Kết quả chưa đạt được và các lỗi phát sinh trong quá trình thử nghiệm 104

6.2 Kiến nghị và hướng phát triển của đề tài 104

TÀI LIỆU THAM KHẢO 105

PHỤ LỤC……… 107

DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT

ARB: Accumulative Roll Bonding

ECAP: Equal Channel Angular Process

ECAP-Conform: Equal Channel Angular Process-Conform

ECAR: Equal Channel Angular Rolling

HPT: High Pressure Torsion

HRDSR: High-Ratio Differential Speed Rolling

RCS: Repetitive Corrugation And Strengthening

SPD: Severe Plastic Deformation

TWVR: Through-Width Vibration Rolling

UFG: Ultrafine-Grained

DANH SÁCH CÁC BẢNG BIỂU

Bảng 2.1: Tỷ trọng của nhôm phụ thuộc vào độ sạch và nhiệt độ 23

Bảng 2.2: Ảnh hưởng độ sạch của nhôm đến nhiệt độ nóng chảy 23

Bảng 2.3: Phân loại nhôm theo tiêu chuẩn ГOCT của Nga 24

Bảng 2.4: Ký hiệu nhôm và hợp kim nhôm theo tiêu chuẩn của Mỹ 25

Bảng 2.5: Ký hiệu và trạng thái gia công hợp kim nhôm của Nga, Mỹ và Canada 27

Bảng 2.6: Tiêu chuẩn ký hiệu hợp kim nhôm theo Aluminum Association 28

Bảng 2.7: Bảng quy đổi thành phần, ký hiệu một số hợp kim nhôm theo TCVN và Aluminum Association (AA) 29

Bảng 2.8: Thông số kỹ thuật máy kéo nén thủy lực vạn năng xử lý bằng phần mềm máy tính Model CHT4106 36

Bảng 3.1: So sánh chọn loại máy cán cho việc nghiên cứu, thiết kế, chế tạo 41

Bảng 3.2: So sánh chọn hộp giảm tốc cho máy 43

Bảng 3.3: So sánh chọn cơ cấu tạo dao động ngang (dọc trục cán) 45

Bảng 3.4: So sánh chọn ổ đỡ trục 46

Bảng 3.5: So sánh chọn bộ phận trượt của trục cán 48

Bảng 3.6: So sánh chọn bộ phận truyền chuyển động đến trục cán 50

Bảng 3.7: So sánh chọn bộ phận điều khiển tốc độ 52

Bảng 4.1: Hệ số ma sát f khi cán 1 số kim loại màu 57

Bảng 4.2: Hệ số ma sát của một vài ổ đỡ trục f' 62

Bảng 4.3: Kích thước biến tần LS SV150IG5A-4 74 Bảng 5.1: Thông số kỹ thuật máy cán biến dạng mạnh (SPD) có dao động ngang…91

Bảng 5.2: Quy trình vận hành thử nghiệm máy 92

Bảng 5.3: Kích thước trung bình mẫu sau cán (mm) 95

Bảng 5.4: Độ bền kéo của các mẫu 100

DANH SÁCH CÁC HÌNH ẢNH, BIỂU ĐỒ Hình 1.1: Sơ đồ các phương pháp gia công áp lực truyền thống 2

Hình 1.2: Sơ đồ nguyên lý các phương pháp SPD nhóm thứ nhất 3

Hình 1.3: Sơ đồ nguyên lý các phương pháp SPD trong nhóm hai 5

Hình 1.4: Minh họa phương pháp tạo UFG trên hợp kim nhôm tấm bằng phương pháp Cryorolling 7

Hình 1.5: Mô hình minh họa phương pháp Through-width vibration- rolling (TWVR) 8

Hình 1.6: Mối liên hệ giữa các đại lượng nghiên cứu 8

Hình 1.7: Tổ chức tế vi ở biên độ dao động 1.5mm 9

Hình 1.8: Mô hình thực nghiệm của phương pháp cán lạnh (cryorolling) 10

Hình 1.9: Kết quả kích thước hạt vật mẫu sử dụng các phương pháp SPD khác nhau 11

Hình 1.10: Bề mặt cắt đứt của mẫu sau khi kéo đứt 11

Hình 2.1: Sai lệch điểm trong mạng tinh thể 14

Hình 2.2: Sai lệch đường trong mạng tinh thể 15

Hình 2.3: Sai lệch mặt trong mạng tinh thể 16

Hình 2.4: Sơ đồ động máy cán thép 2 trục 18

Hình 2.5: Máy cán ống tự động 19

Hình 2.6: Cách bố trí giá cán 20

Hình 2.7: Các loại giá cán 21

Hình 2.8: Sơ đồ máy cán hành tinh 21

Hình 2.9: Máy cán tấm nguội 22

Hình 2.10: Giản đồ pha hợp kim nhôm 25

Hình 2.11: Kích thước mẫu cán 30

Hình 2.12: Mối ghép then hoa 31

Hình 2.13: Các dạng tiết diện của then 31

Hình 2.14: Bạc then hoa 32

Hình 2.15: Định tâm theo đường kính ngoài D 32

Hình 2.16: Định tâm bằng mặt trụ trong, đường kính d 33

Hình 2.17: Định tâm theo mặt bên của then 33

Hình 2.18: Dòng máy thử nghiệm kéo nén vạn năng thủy lực CHT4000 34

Hình 2.19: Giao diện phần mềm PowerTest của SANS 36

Hình 3.1: Sơ đồ nguyên lý 39

Hình 3.2: Mô hình chuyển động của trục cán 40

Hình 3.3: Hộp giảm tốc sử dụng bánh răng 42

Hình 3.4: Hộp giảm tốc sử dụng trục vít bánh vít 42

Hình 3.5: Động cơ rung 44

Hình 3.6: Cam lệch tâm 44

Hình 3.7: Trục khủy 44

Hình 3.8: Nam châm điện 45

Hình 3.9: Ổ lăn 46

Hình 3.10: Bạc lót trục 46

Hình 3.11: Gối đỡ 47

Hình 3.12: Ổ bi trượt 47

Hình 3.13: Trục then hoa và ổ then hoa 48

Hình 3.14: Khớp Cardan 49

Hình 3.15: Nguyên lý hoạt động của Cardan then hoa 49

Hình 3.16: Bộ truyền bánh răng từ hộp giảm tốc đến trục cán 49

Hình 3.17: Hộp số giảm tốc 51

Hình 3.18: Inverter EL Series 1.5 kW , 3-phase , 380V 51

Hình 3.19: Sơ đồ lắp đăt tổng thể Inverter 51

Hình 4.1: Sơ đồ vùng biến dạng khi cán kim loại 54

Hình 4.2: Đầu vào của phôi bị dẹp để tăng ma sát 55

Hình 4.3: Sơ đồ điều kiện vật cán ăn vào trục cán 55

Hình 4.4: Phân bố lực khi trục cán tiếp xúc với vật cán 56

Hình 4.5: I Vùng trễ và II Vùng vượt trước 57

Hình 4.6: Sơ đồ áp lực của kim loại tác dụng lên trục cán 58

Hình 4.7: Đồ thị quan hệ giữa s, % của một số kim loại và kim loại màu 59

Hình 4.8: Đồ thị biểu thị mối liên quan giữa , Ptb/s và  của kim loại màu 60

Hình 4.9: Các kích thước cơ bản trục cán tấm 64

Hình 4.10: Lực cán tác dụng lên trục cán và biểu đồ mômen uốn khi cán 65

Hình 4.11: Gối đỡ trục và bạc lót 67

Hình 4.12: Sơ đồ nguyên lý mạch động lực-điều khiển 69

Hình 4.13: Dây điện 3 pha 70

Hình 4.14: CB LS BKN C32 70

Hình 4.15: Inverter SV150IG5A-4 (Biến tần LS 3 pha 380V 1.5kW) 71

Hình 4.16: Contactor LS 3P 9A 220VAC MC-9b 71

Hình 4.17: Động cơ điện 3 pha 72

Hình 4.18: Đèn báo pha loại AD22-22DS, AC 220V 72

Hình 4.19: Nút nhấn 73

Hình 4.20: Dừng khẩn cấp Emergency 73

Hình 4.21: Biến trở (Potentiometer) 73

Hình 4.22: Kích thước Inverter SV150IG5A-4 (Biến tần LS 3 pha 380V 1.5kW) 74

Hình 4.23: Sơ đồ đấu dây Inverter 75

Hình 4.24: Tủ điện hoàn chỉnh 76

Hình 4.25: Thiết kế cụm cán 77

Hình 4.26: Trục cán 1 77

Hình 4.27: Cụm gối đỡ 78

Hình 4.28: Gối đỡ 78

Hình 4.29: Cụm trục cán 1 79

Hình 4.30: Trục then hoa và bạc then hoa 79

Hình 4.31: Giá cán 80

Hình 4.32: Thanh chữ I 80

Hình 4.33: Thanh điều chỉnh 1 80

Hình 4.34: Cơ cấu điều chỉnh lượng cán 81

Hình 4.35: Gối đỡ trượt và ổ trượt bi 82

Hình 4.36: Thanh dẫn trượt và trục cam 82

Hình 4.37: Ổ đỡ cam và cam lệch tâm 83

Hình 4.38: Ổ bi để lắp cam vào ổ đỡ cam 83

Hình 4.39: Chốt cố định, chốt di động, bạc di động 84

Hình 4.40: Thanh cố định 1 và 2 84

Hình 4.41: Cụm dẫn trượt 85

Hình 4.42: Cụm đỡ cam 86

Hình 4.43: Thân máy 86

Hình 4.44: Thanh điều chỉnh 2 và hộp giảm tốc 87

Hình 4.45: Các chi tiết lắp với hộp giảm tốc 87

Hình 4.46: Tấm đỡ động cơ 1 và 2 88

Hình 4.47: Tấm đỡ hộp giảm tốc và tủ điện 88

Hình 4.48: Nắp bảo vệ 88

Hình 4.49: Chân chống dùng vòng đệm chén 89

Hình 4.50: Mô hình sau khi hoàn tất 89

Hình 5.1: Mô hình thực tế ………… 90

Hình 5.2: Một vài mẫu sau khi cán 95 Hình 5.3: Biểu đồ biểu diễn mối liên hệ giữa biên độ dao động A và lượng đã cán

với chiều dài vật sau khi cán 96

Hình 5.4: Biểu đồ biểu diễn mối liên hệ giữa biên độ dao động A và lượng đã cán

với bề rộng vật sau khi cán 96

Hình 5.5: Mẫu cán có dao động ngang và không có dao động ngang 97 Hình 5.6: Bề mặt các mẫu cán 98 Hình 5.7: Đồ thị biểu diễn lực kéo mẫu (bề dày mẫu B=4.5mm) cho tới khi đứt 98 Hình 5.8: Đồ thị biểu diễn lực kéo mẫu (bề dày mẫu B=4mm) cho tới khi đứt 99 Hình 5.9: Đồ thị biểu diễn lực kéo mẫu (bề dày mẫu B=3.5mm) cho tới khi đứt 99 Hình 5.10: Đồ thị biểu diễn lực kéo mẫu (bề dày mẫu B=3mm) cho tới khi đứt 100 Hình 5.11: Biểu đồ biểu diễn lực kéo đứt các mẫu thử 101 Hình 5.12: Biều đồ biểu diễn kích thước tinh thể trung bình mặt 1………102 Hình 5.13: Biểu đồ biểu diễn kích thước tinh thể trung bình mặt 2………102

Chương 1 TỔNG QUAN

1.1 Tổng quan chung về lĩnh vực nghiên cứu

1.1.1 Đặt vấn đề

Hiện nay, với yêu cầu ngày càng cao của con người trong các lĩnh vực kỹ thuật

và vật liệu, với mong muốn tạo ra những loại vật liệu có độ bền cao ứng dụng trong các máy móc, thiết bị nhằm tăng tuổi thọ, độ bền của chúng nên con người đã nghiên cứu, phát triển nhiều phương pháp để tăng độ bền kim loại và phương pháp gia công bằng áp lực là một trong số đó

Gia công biến dạng là một trong những phương pháp cơ bản để chế tạo các chi tiết máy và các sản phẩm kim loại thay thế cho phương pháp đúc hoặc gia công cắt gọt Gia công biến dạng thực hiện bằng cách dùng áp lực tác dụng lên kim loại ở trạng thái nóng hoặc nguội làm cho kim loại vượt qua giới hạn đàn hồi, dẫn đến thay đổi hình dạng của vật thể kim loại mà không phá huỷ tính liên tục và độ bền của chúng

Phương pháp gia công bằng áp lực được sử dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp ô tô, hàng không và trong nhiều chi tiết cơ khí,… Các phương pháp gia công này bao gồm đúc, rèn, hàn, tiện… Có thể thấy rằng hơn 70% các sản phẩm kim loại được sản xuất bởi công nghệ gia công áp lực nói chung và công nghệ cán nói riêng (Đỗ Hữu Nhơn, 2006) Vì vậy các công nghệ cán có tầm quan trọng đặt biệt trong việc tạo hình kim loại

So với phương pháp đúc, gia công bằng áp lực tạo ra sản phẩm có độ bền cao hơn, cơ tính vật liệu cải thiện, độ chính xác, độ bóng bề mặt cao hơn, tiết kiệm vật liệu do gia công không phoi và năng suất lao động cao hơn vì ứng dụng được máy móc trong quá trình làm việc, dẫn đến giá thành sản phẩm giảm Tuy nhiên, đối với những phương pháp gia công áp lực thông thường điển hình là phương pháp cán, mặc

dù sản phẩm sau cán đạt được những ưu điểm hơn so với ban đầu nhưng thực sự vẫn chưa tạo ra được sản phẩm đạt độ bền cao, độ bóng bề mặt cao hơn mà không ảnh hưởng đến độ dẻo, dai vật liệu đặc biệt là đối với vật liệu cán là kim loại màu như vàng, bạc, đồng, nhôm,…Trong đó nhôm là vật liệu thường được sử dụng trong các ngành công nghiệp như ô tô, máy bay,…đòi hỏi phải có cơ tính tốt, khối lượng nhẹ,

độ bóng bề mặt cao Vì vậy, cần phải có phương pháp để tạo ra các kim loại, hợp kim màu đạt được độ bền, độ cứng, độ dẻo, độ dai, cũng như cải thiện được cấu trúc vật liệu

1.1.2 Các phương pháp gia công áp lực truyền thống

Hình 1.1: Sơ đồ các phương pháp gia công áp lực truyền thống

(Nguồn: Nguyễn Văn Thái, 2006, Võ Trần Khúc Nhã (biên dịch), 2007) (a) Cán

(b) Kéo

(c) Ép trực tiếp và gián tiếp

(d) Rèn khuôn (e) Dập Chồn

Sau khi qua các phương pháp gia công áp lực truyền thống để tạo hình và phôi thì kim loại có xu hướng biến cứng, hoá bền nhưng độ dẻo và độ dai giảm hay có xu hướng biến giòn Vì vậy hiện nay trên thế giới cũng như ở nước ta đã và đang nghiên cứu công nghệ mới để tạo ra vật liệu có độ bền cao nhưng không làm giảm độ dẻo,

độ dai của vật liệu Đó là công nghệ biến dạng dẻo mãnh liệt (SPD)

1.1.3 Một vài phương pháp gia công biến dạng dẻo mãnh liệt (Server Plastic Deformation – SPD)

Các phương pháp gia công biến dạng dẻo mãnh liệt (SPD) được định nghĩa là các quá trình gia công kim loại với biến dạng dẻo rất lớn để tạo ra kim loại có hạt siêu mịn (UFG - kích thước hạt trung bình nhỏ hơn 1µm) Mục đích của các phương pháp SPD cho việc tạo ra kim loại có hạt siêu mịn là sản xuất ra các chi tiết có khối lượng

nhẹ hơn do đặc tính độ bền cao của nó và sự thân thiện với môi trường Các hạt có kích thước nhỏ làm cho độ bền kéo tăng lên mà không làm giảm độ dai va đập của kim loại, điều này khác so với các phương pháp hoá bền như xử lý nhiệt

Các quá trình gia công SPD có thể chia thành hai nhóm chính:

- Nhóm thứ nhất bao gồm các phương pháp SPD cho quá trình gia công các kim loại khối không liên tục như:

 Ép kim loại qua góc kênh không đổi (Equal Chanel Angular Pressing - ECAP) được đưa ra đầu tiên bởi Segal (1977)

 Kaveh Edalati cùng với Zenji Horita (2011) đề xuất phương pháp xoắn kim loại dưới áp lực cao (High-Pressure Torsion - HPT)

Hình 1.2: Sơ đồ nguyên lý các phương pháp SPD nhóm thứ nhất

(Nguồn: Segal, 1997; Valiev, Krasilnikvo và Tsenev, 1991) (a) Phương pháp ECAP (b) Phương pháp HPT Nguyên lý gia công của hai phương pháp trong nhóm thứ nhất được thể hiện

trên Hình 1.2 là phương pháp đầu tiên của phương pháp SPD được đưa ra để sản xuất

các vật liệu có cấu trúc hạt siêu mịn (UFG) và đã thu hút được sự nghiên cứu của các nhà khoa học trong những năm gần đây (Valiev et al., 2000; Kim et al., 2004; P.Quang

 Đối với phương pháp HPT: kim loại bị nén với áp lực cao đến vài GPa và đồng thời bị biến dạng xoắn

Có thể thấy rằng hai phương pháp này có thể tạo ra được vật liệu có cấu trúc hạt siêu mịn, tuy nhiên cả hai phương pháp đều chưa thể đưa vào sản xuất vơi quy mô lớn do các nhược điểm như: năng suất thấp và kích cỡ phôi nhỏ

Vì vậy các phương pháp mới tiếp tục được nghiên cứu, cụ thể là các phương pháp SPD thuộc nhóm thứ 2 có thể khắc phục được nhược điểm trên và có tiềm năng rất lớn cho việc sản xuất các vật liệu có cấu trúc hạt siêu mịn với quy mô lớn

- Nhóm thứ hai bao gồm các phương pháp SPD cho việc gia công liên tục trên kim loại tấm như là:

 Cán dính tích luỹ (Accumulative Roll-Bonding - ARB) được nghiên cứu bởi

Y Saito, H Utsunomiya, N Tsuji và T Sakai (1998)

 Quá trình lặp lại gấp nếp và nắn thẳng kim loại (Repetitive Corrugation and Straightening - RCS) được khám phá bởi Huang et al (2001)

 Cán kim loại qua góc kênh không đổi (Equal Channnel Angular Rolling - ECAR) của Lee et al (2003)

 Quá trình tương ứng ép kim loại qua góc kênh không đổi (Equal Channel Angular Pressing-Conform, ECAP-Conform) của Raab et al (2004)

 Cán kim loại với vận tốc hai trục cán khác nhau với tỉ lệ cao (High-Ratio Differential Speed Rolling- HRDSR) của Kim et al (2006)

 Sự nghiên cứu gần đây là phương pháp cán kim loại với sự tích hợp của dao động dọc trục của trục cán (Through-Width Vibration Rolling Process - TWVR) của Hsieh et al (2009, 2012), Phạm Huy Tuân, Trần Quốc Cường, Dung-An Wang (2013)

Hình 1.3: Sơ đồ nguyên lý các phương pháp SPD trong nhóm hai

(Nguồn: Saito et al., 1998; Huang et al., 2001; Lee et al., 2003; Raab et al., 2004;

Kim et al., 2006; Hsieh et al., 2009, 2012) (a) ARB

(b) RCS

(c) ECAR (d) ECAP-Conform

(e) HRDSR (f) TWVR

Nguyên lý gia công phổ biến của các phương pháp trong nhóm hai được thể

hiện lần lượt trong Hình 1.3 chủ yếu dựa vào sự kết hợp của các phương pháp cán

truyền thống và phương pháp SPD để phù hợp cho việc sản xuất với quy mô lớn và tạo ra kim loại có cấu trúc hạt siêu mịn

Tuy nhiên, khả năng ứng dụng của các phương pháp này trong quy mô công nghiệp còn hạn chế do quá trình gia công phức tạp, kích cỡ phôi nhỏ và lượng biến dạng kim loại còn nhỏ

Một phương pháp mới đã được chứng minh là có thể sản xuất các tấm kim loại với bề mặt lớn có cấu trúc hạt siêu mịn là HRDSR, được nghiên cứu bởi Kim et al

(2006) Nguyên lý của phương pháp này được thể hiện trong Hình 1.3e

 Phương pháp HRDSR là phương pháp cán truyền thống nhưng vận tốc của hai trục cán là khác nhau Phôi được cán qua một bước cán duy nhất với chiều dày giảm 70%

 Phôi bị biến dạng cắt rất lớn và biến dạng khá đồng đều dọc theo hướng chiều dày

Có thể thấy rằng phương pháp HRDSR có tiềm năng rất lớn trong việc gia công hợp kim có độ bền cao như là hợp kim nhôm Hơn nữa, HRDSR là quá trình gia công liên tục và chỉ yêu cầu qua duy nhất một bước cán để tạo ra cấu trúc hạt siêu mịn bên trong vật liệu Phương pháp này có nhiều ưu điểm hơn các phương pháp trước Tuy nhiên, dù phôi chỉ qua một lần cán với chiều dày giảm khá lớn (giảm 70%) nhưng trong quá trình gia công thì phôi bị biến dạng cắt đạt hiệu quả chưa cao Các vấn để này có thể được khắc phục trong phương pháp được phát triển gần nhất là phương pháp cán tích hợp dao động ngang TWVR

Ngoài các phương pháp trên thì phương pháp cán lạnh (Cryorolling) đã được sử dụng gần đây để kết hợp với các phương pháp SPD tạo ra vật liệu có cấu trúc hạt siêu mịn Cán lạnh là một quá trình xử lý đơn giản ở nhiệt độ thấp mà yêu cầu lực tác dụng tương đối nhỏ để gây ra biến dạng dẻo mãnh liệt nhằm tạo ra các đặc tính cấu trúc tế

vi kết tinh trong các loại vật liệu Phương pháp sử dụng kỹ thuật cán phôi có nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ Nitơ lỏng được sử dụng rộng rãi để cải thiện các tính chất của vật liệu Cán lạnh có thể đáp ứng tốt cho các ứng dụng công nghiệp quy mô lớn của các vật liệu có cấu trúc nano Cán lạnh được xem là một trong số con đường tiềm năng

để sản xuất các hợp kim nhôm có hạt siêu mịn dạng khối Độ bền kéo và độ dai của vật liệu được cải thiện do sự loại bỏ quá trình hồi phục của vật liệu trong suốt quá trình cán lạnh Hơn nữa, cán lạnh có nhiều thuận lợi như việc yêu cầu biến dạng dẻo thấp hơn, quy trình sản xuất đơn giản và khả năng sản xuất vật liệu một cách liên tục (Hailiang et al 2016)

Hình 1.4: Minh họa phương pháp tạo hạt siêu mịn UFG trên hợp kim nhôm tấm

bằng phương pháp Cryorolling (Nguồn: H Yu et al, 2016)

1.1.4 Các kết quả nghiên cứu về cách tạo hạt siêu mịn UFG bằng phương pháp SPD điển hình trong và ngoài nước

1.1.4.1 Nghiên cứu “Tensile strength and deformation microstructure of Al– Mg–Si alloy sheet by through-width vibration rolling process” của nhóm tác giả Yue-Ting Chen, Dung-An Wang, Jun-Yen Uan, Tsung-Hsien Hsieh, Te-Chang Tsai tại National Chung Hsing University, 250 kuo-kuang Rd., Taichung 402, Taiwan, ROC [20]

Các nhà khoa học Đài Loan đã chế tạo, thử nghiệm thành công máy cán tích hợp dao động ngang của trục cán theo nguyên lý biến dạng dẻo mãnh liệt (SPD) của vật liệu (còn gọi là phương pháp TWVR)

Máy có hai trục cán quay ngược với nhau và được truyền động bằng động cơ thuỷ lực Bên cạnh chuyển động quay, trục cán dưới đồng thời dao động ngang dọc trục và cũng được truyền động bởi động cơ thuỷ lực Hai trục cán được gia công bằng nhau có đường kính 150mm và được điều khiển quay với vận tốc quay không đổi 2 vòng/phút Trục cán dưới dao động ngang với tần số không đổi 5Hz và biên độ dao động được thay đổi từ 0 đến 2.5 mm Quá trình cán được tiến hành qua 4 bước cán với mỗi bước cán thì chiều dày phôi giảm đi 40% với vật liệu phôi được tiến hành là hợp kim nhôm AA6061 có một số thành phần hóa học như sau 0.64Si, 0.43Fe, 0.23Cu,0.12Mn, 0.86Mg, 0.17Cr, 0.01Ni, 0.04Zn, 0.06Ti

Mẫu có kích thước: Bề dày T=5mm, bề rộng W=20mm, chiều dài L=100mm

Hình 1.5: Mô hình minh họa phương pháp Through-width vibration-

rolling (TWVR)(Nguồn: Hsieh et al., 2012)

Hình 1.6: Mối liên hệ giữa các đại lượng nghiên cứu

(Nguồn: Hsieh et al., 2012) a) Bề rộng tăng gấp đôi (W/2) và biên độ dao động (Amplitude)

b) Giới hạn chảy (Yield strength), độ bền kéo giới hạn (Ultimate tensile strength) và biên độ dao động khi mẫu ở nhiệt độ 100oC

c) Cán mẫu ở nhiệt độ 100oC với biên độ dao động 1.5mm Hóa già mẫu

đã cán ở 100oC trong 2 giờ Biểu đồ thể hiện độ bền kéo khi tiếp tục hóa già mẫu ở 130oC từ 0 đến 18 giờ

Hình 1.7: Tổ chức tế vi ở biên độ dao động 1.5mm

(Nguồn: Hsieh et al., 2012) a) Mũi tên màu trắng cho thấy tổ chức tế vi với kích thước nano và mũi tên màu đen cho thấy sự chuyển vị

b) Hóa già mẫu cán ở 100oC trong 2 giờ và tiếp tục hóa già ở 130oC trong 4 giờ c) Hóa già mẫu cán ở 100oC trong 2 giờ và tiếp tục hóa già ở 130oC trong 18 giờ

Từ các kết quả của phương pháp TWVR nhóm nhận thấy rằng ngoài lực cán của hai trục cán thì vật cán còn chịu tác động của dao động rung của trục cán dưới với tần số tương đối lớn 5Hz theo hướng vuông góc với hướng lăn để tạo ra biến dạng dẻo theo bề rộng vật cán Vật sau khi cán đạt được tổ chức tế vi có cấu trúc hạt mịn,

độ bền kéo và độ bền dẻo tăng hơn so với khi cán không dao động Tuy nhiên vật cán

bị biến dạng cong do khả năng đàn hồi bên trong của vật liệu

Những kết quả trên sẽ là cơ sơ và tiền đề để nhóm nghiên cứu tham khảo, thử nghiệm trên thiết bị mà nhóm chế tạo

1.1.4.2 Nghiên cứu “Microstructure evolution of accumulative roll bonding processed pure aluminum during cryorolling” của nhóm tác giả Hailiang Yu, Hui Wang, Cheng Lu, A Kiet Tieu, Huijun Li, Ajit Godbole, Xiong Liu, Xing Zhao tại University of Wollongong và Chunhua (Charlie) Kong tại University of New South Wales [18]

Hình 1.8: Mô hình thực nghiệm của phương pháp cán lạnh (cryorolling)

(Nguồn: S.M Dasharath, Suhrit Mula, 2016) Đây là phương pháp tạo ra được cấu trúc hạt siêu mịn (ultrafine-grained hay UFG) và cấu trúc hạt nano (nano-grained hay NG) với quá trình cán kết hợp với làm lạnh vật cán bởi Nitơ lỏng giúp cho vật sau khi cán hạn chế được biến dạng hình học

do SPD gây ra Mẫu được thí nghiệm là mẫu nhôm CP Al (AA1050 và AA1060)

Hình 1.9: Kết quả kích thước hạt vật mẫu sử dụng các phương pháp SPD khác nhau

(Nguồn: H Yu et al., 2016)

Hình 1.10: Bề mặt cắt đứt của mẫu sau khi kéo đứt

(Nguồn: H Yu et al., 2016) a) Sau lần cán thứ 3 theo ARB cộng với lần cán thứ 1 theo cán lạnh (cryorolling) b) Sau lần cán thứ 3 theo ARB cộng với lần cán thứ 2 theo cán lạnh (cryorolling) Nhờ có quá trình làm lạnh vật liệu trong quá trình cán tấm và sự kết hợp phương pháp ARB đã tạo ra được sản phẩm giảm đi được sự phục hồi do tính chất của vật liệu sau khi cán, đồng thời tăng độ bền kéo và giảm kích thước hạt

Hiện tại các nhà khoa học vẫn đang tiếp tục nghiên cứu và tìm hiểu sâu hơn nữa

về phương pháp này

1.1.4.3 Các nghiên cứu trong nước

Ở nước ta hiện nay cũng đã có nhiều công trình nghiên cứu liên quan đến lĩnh vực gia công biến dạng dẻo mãnh liệt (SPD) mà đi đầu và có nhiều công trình nghiên cứu công bố trong nước là Viện khoa học và kỹ thuật vật liệu thuộc Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội

Những nghiên cứu và phát triển phương pháp này ở Việt Nam là các nhà khoa học thuộc Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội như: GSTS Nguyễn Trọng Giảng, GSTS Đỗ Minh Nghiệp, PGSTS Đào Minh Ngừng, TS Phạm Quang

Phương pháp SPD được nghiên cứu chủ yếu ở nước ta là ép kim loại qua góc kênh không đổi (ECAP) vì phương pháp này khá đơn giản và phù hợp với điều kiện nghiên cứu ở nước ta Các công trình đã được công bố trong nước chủ yếu theo hướng

mô hình hoá và mô phỏng số bằng phương pháp phần tử hữu hạn (Phạm Quang, Đào Minh Ngừng, Đỗ Minh Nghiệp, 2010) Một số ít các công trình theo hướng thực nghiệm như: Nghiên cứu chế tạo một số hợp kim hệ Ti và Al cấu trúc mịn, siêu mịn

và nano bằng phương pháp biến dạng dẻo mãnh liệt đang được thực hiện bởi PGSTS.Đào Minh Ngừng và Nguyễn Đăng Khoa

1.2 Lý do chọn đề tài

Dựa trên những cơ sở lý thuyết và những kết quả nghiên cứu về phương pháp SPD, nhóm quyết định chọn đề tài nhằm tìm hiểu thêm về phương pháp SPD và cách tạo hạt siêu mịn trong cấu trúc tế vi của vật liệu bằng phương pháp cán

Nhóm nghiên cứu kết hợp với phương pháp cán cổ truyền và phương pháp TWVR để chế tạo thử nghiệm máy cán biến dạng mạnh SPD có dao động ngang Do điều kiện nghiên cứu và giới hạn của đề tài nên nhóm sẽ chế tạo và vận hành thử nghiệm máy, kiểm tra một số kết quả sau cán, đây cũng là cơ sở cho các nhóm nghiên cứu tiếp tục tìm hiểu và phát triển hơn nữa máy cán biến dạng mạnh (SPD) có dao động ngang

1.3 Mục tiêu đề tài

- Nghiên cứu chế tạo thử nghiệm máy cán biến dạng biến dạng mạnh (SPD) có

dao động ngang

- Kiểm tra và so sánh sản phẩm sau cán về: chiều dài, độ thay đổi về bề rộng,

độ bền kéo, hình dáng, kích thước tinh thể của vật liệu

1.4 Nhiệm vụ của đề tài

- Tìm hiểu độ bền và các tiêu chuẩn hợp kim nhôm trên thế giới

- Nguyên lý và kết cấu máy cán

- Tính toán và thiết kế hệ thống cơ khí, hệ thống truyền động điện-điều khiển

- Thiết kế chi tiết

- Gia công chế tạo thiết bị

- Vận hành thử nghiệm, ghi nhận thông số mẫu cán

1.5 Đối tượng, phạm vi nghiên cứu và giới hạn của đề tài

1.5.1 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Đề tài nghiên cứu chế tạo thử nghiệm máy cán biến dạng mạnh kết hợp với dao động ngang với vật mẫu thí nghiệm khi cán là hợp kim nhôm kích thước: bề dày 5mm, bề rộng 20mm, chiều dài 150mm

Do điều kiện nghiên cứu và kinh tế nên nhóm chọn hợp kim nhôm dẻo được bán phổ biến trên thị trường Vật sau cán sẽ nghiên cứu, so sánh với vật mẫu ban đầu

và vật mẫu cán ở các biên độ dao động: 0mm, 1mm, 2mm, 3mm Mẫu thí nghiệm sẽ đạt các bề dày khác nhau 4.5mm, 4.0mm, 3.5mm, 3.0mm ở từng biên độ dao động Tiến hành một số kiểm tra mẫu sau khi cán và ghi nhận số liệu

1.5.2 Giới hạn đề tài

- Không đi sâu nghên cứu lý thuyết biến dạng dẻo, chỉ mang tính cập nhật cơ sở

lý thuyết để làm cơ sở nghiên cứu, phục vụ cho việc làm đề tài

- Nêu được nguyên lý, cách thức vận hành máy

- Không xét đến thành phần hóa học của mẫu cán

- Chỉ thực hiện với lượng cán và biên độ dao động như trên

- Tiến hành một vài thí nghiệm cơ bản kiểm tra mẫu sau cán: chiều dài, độ thay đổi về bề rộng, độ bền kéo, hình dáng, kích thước tinh thể của vật liệu

1.6 Phương pháp nghiên cứu và kết quả dự kiến đạt được

1.6.1 Nghiên cứu lý thuyết

- Tham khảo tài liệu, giáo trình liên quan đến máy cán

- Tìm hiểu độ bền và tiêu chuẩn các hợp kim nhôm trên thế giới

- Tham khảo các tài liệu nước ngoài về phương pháp SPD

- Xử lý số liệu thực nghiệm

1.6.2 Nghiên cứu thực nghiệm

- Nghiên cứu, chế tạo và vận hành thử nghiệm

- Cán các mẫu trên máy đã chế tạo

- Thu thập và ghi nhận số liệu khi thí nghiệm trên mẫu cán

- Có thể mở rộng đối tượng cán và thử nghiệm với vật liệu đồng

a Sai lệch mạng tinh thể: Tuy số nguyên tử nằm lệch vị trí quy định chiếm tỷ

lệ rất thấp (chỉ 1 - 2%) song gây ảnh hưởng rất xấu đến tinh thể dưới tác dụng của ngoại lực (biến dạng dẻo, biến cứng ) tức đến độ bền - chỉ tiêu cơ tính hàng đầu, nên việc khảo sát các sai lệch này có ý nghĩa lý thuyết và thực tế lớn lao, không thể bỏ qua Phụ thuộc vào kích thước ba chiều trong không gian, sai lệch mạng chia thành: sai lệch điểm, đường, mặt và khối

 Sai lệch điểm: là các sai lệch có kích thước rất nhỏ (cỡ kích thước nguyên tử) theo ba chiều không gian, có dạng bao quanh một điểm Một số sai lệch điểm điển hình là nút trống, nguyên tử xen kẽ, nguyên tử tạp chất

Hình 2.1: Sai lệch điểm trong mạng tinh thể

(Nguồn: Lê Công Dưỡng, 2000) a) Nút trống b) Nguyên tử xen kẻ c) Nguyên tử tạp chất

 Sai lệch đường: là loại sai lệch có kích thước nhỏ theo hai chiều và lớn theo chiều thứ 3 trong tinh thể, tức có dạng của một đường (đường ở đây có thể là thẳng, cong, xoắn ốc) Các sai lệch điển hình như: lệch biên, lệch xoắn, lệch

hỗn hợp Ngày nay, đã có thể giải thích nhiều vấn đề về cơ tính, lý tính của kim loại và hợp kim mà trước đây không thể giải thích được bằng lý thuyết cổ điển

Hình 2.2: Sai lệch đường trong mạng tinh thể

(Nguồn: Lê Công Dưỡng, 2000) a) Lệch biên b) Lệch xoắn c) Lệch hỗn hợp

 Sai lệch mặt: là loại sai lệch có kích thước lớn theo hai chiều và nhỏ theo chiều thứ 3, có dạng của một mặt (mặt ở đây có thể là phẳng, cong hay uốn lượn) Trong tinh thể sai lệch chủ yếu là biên giới hạt, biên giới siêu hạt, sai lệch xếp, mặt đối tinh và mặt ngoài tinh thể

Hình 2.3: Sai lệch mặt trong mạng tinh thể

(Nguồn: Lê Công Dưỡng, 2000) a) Biên giới hạt b) Biên giới siêu hạt tạo nên do tường lệch

b Ảnh hưởng của các hiện tượng xảy ra khi biến dạng dẻo

 Hiện tượng biến cứng

- Thay đổi đình dạng của đơn tinh thể

- Hướng đa tinh thể thay đổi từ vô hướng sang tập trung về trục tác dụng của các lực tác dụng, tinh thể bị kéo dài từ vô hướng thành có hướng nhất định

- Gây ứng suất dư do biến dạng không đều cùng lúc, biến dạng trong nội bộ hạt tinh thể không đều

 Hiện tượng biến mềm: biến kim loại từ trạng thái mất cân bằng có thế năng tự

do cao (do biến cứng) về trạng thái cân bằng

 Hiện tượng hồi phục: khi ở nhiệt độ thấp trong kim loại đã qua biến dạng dẻo xảy ra các quá trình hồi phục, đó là các biến đổi nhỏ trong mạng tinh thể bị xô lệch như: giảm sai lệch mạng nói chung, giảm mật độ lệch và ứng suất bên trong

 Hiện tượng kết tinh lại

- Kết tinh lại lẩn thứ nhất: đây là giai đoạn quan trọng nhất với các đột biến về cấu trúc mạng tinh thể, tổ chức tế vi và tính chất Khi kim loại qua biến dạng dẻo có nhiệt độ cao hơn nhiệt độ nhất định (gọi là nhiệt độ kết tinh lại) trong mạng tinh thể bị xô lệch có quá trình hình thành các hạt mới không có các sai lệch do biến dạng dẻo gây ra theo cơ chế tạo mầm và phát triển mầm như kết tinh

- Mầm là những vùng không chứa sai lệch do biến dạng dẻo, chúng sinh ra chủ yếu ở những vùng bị xô lệch mạnh nhất, năng lượng dự trữ cao nhất nên kém

ổn định nhất do đó dễ trở về trạng thái cân bằng với ít sai lệch nhất

Như vậy kim loại bị biến dạng dẻo cành mạnh, mầm kết tinh lại sẽ hình thành càng nhiều dẫn đến số lượng hạt sinh ra càng lớn tạo điều kiện để các hạt có kích thước nhỏ hơn

- Kết tinh lại lần thứ hai: sau khi kết tinh lần thứ nhất nếu tiếp tục nâng cao nhiệt

độ hay kéo dài thời gian giữ nhiệt sẽ có quá trình sát nhập của các hạt nhỏ hơn bao quanh vào hạt lớn, làm cho hạt lớn to thêm Sự phát triển hạt là quá trình

tự nhiên vì nó làm giảm tổng biên giới hạt do đó làm giảm tổng năng lượng

dự trữ Quá trình này là quá trình kết tinh lại lần thứ hai và thường phải tránh

- Nhiệt độ kết tinh lại: là nhiệt độ nhỏ nhất tại đó xảy ra quá trình kết tinh lại (tạo mầm và phát triển mầm) với tốc độ đáng kể Do kết tinh lại phụ thuộc vào

sự dịch chuyển xa của nguyên tử nên nhiệt độ của quá trình đó phụ thuộc vào nhiệt độ nóng chảy

2.1.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến độ hạt của kim loại khi gia công biến dạng dẻo

 Mức độ biến dạng

- Nói chung kim loại bị biến dạng dẻo càng mạnh, sau khi kết tinh lại hạt có kích thước càng nhỏ, điều này được giải thích là do xô lệch mạng mạnh tạo nên nhiều mầm Chính vì vậy ngoài lý do năng suất ra người ta thường gắn biến dạng với lượng ép lớn để tạo ra hạt nhỏ khi kết tinh lại

- Biến dạng nhỏ với lượng ép 2÷8% chỉ tạo ra rất ít vũng xô lệch nên tạo ra ít mầm, hạt tạo thành rất lớn, độ biến dạng như vậy gọi là độ biến dạng tới hạn, thường phải tránh

 Nhiệt độ ủ và thời gian giữ nhiệt

- Nhiệt độ ủ: nhiệt độ ủ càng cao tốc độ tạo mầm và phát triển mầm đều tăng nhưng tốc độ phát triển tăng nhanh hơn nên hạt to hơn

- Thời gian giữ nhiệt: thời gian giữ nhiệt tại nhiệt độ ủ càng dài càng có điều kiện cho hạt phát triển nên hạt càng lớn

- Sau khi biến dạng nóng, nhiệt độ ngừng biến dạng càng cao thì hạt càng lớn

 Nhận xét chung cho các phương pháp biến dạng dẻo mãnh liệt (SPD)

Các phương pháp biến dạng dẻo mãnh liệt thực chất là làm gia tăng xô lệch mạng để tạo ra nhiều mầm, từ đó sau khi kết tinh lại hạt tạo thành càng mịn và nhỏ

Nếu biến dạng càng mãnh liệt thì nhiệt độ sinh ra trong quá trình gia công càng lớn dẫn đến xảy ra hiện tượng hồi phục làm giảm xô lệch mạng, từ đó làm giảm mầm sinh ra và hạt sinh ra khi kết tinh lại sẽ lớn

Nếu biến dạng không đủ mạnh thì xô lệch mạng sinh ra sẽ ít hơn cũng làm giảm mầm sinh ra và hạt sau kết tinh cũng sẽ lớn

Vì vậy cần lựa chọn một mức biến dạng và tốc độ biến dạng hợp lí để nhiệt độ sinh

ra không quá cao để tránh cho tổng số lượng mầm sinh ra là lớn nhất và làm cho kích thước hạt lớn

2.2 Nguyên lý và kết cấu máy cán

2.2.1 Các bộ phận chính của máy cán

Cán thép hay cán nói chung là một trong những ngành gia công kim loại bằng

áp lực hay còn gọi là phương pháp gia công không phoi

Hình 2.4: Sơ đồ động máy cán thép 2 trục

(Nguồn: Đỗ Hữu Nhơn, 2006)

I Nguồn năng lượng: Động cơ điện

II Bộ phận truyền động: hộp giảm tốc, hộp truyền lực, trục khớp nối…

III Giá cán: Khung giá, trục cán, bệ máy, gối đỡ, bạc lót…

Máy cán là một tổ hợp gồm 3 bộ phận chính [7]:

 Giá cán: là nơi tiến hành quá trình cán bao gồm: các trục cán, gối, ổ đỡ trục

cán, hệ thống nâng hạ trục cán, hệ thống cân bằng trục, thân máy, hệ thống

dẫn phôi, cơ cấu lật trở phôi…

 Hệ thống truyền động: là nơi truyền momen cho trục cán, bao gồm hộp giảm

tốc, khớp nối, trục nối, bánh đà, hộp phân lực…

 Nguồn năng lượng: là nơi cung cấp năng lượng cho máy hoạt động, thường

dùng các loại động cơ điện một chiều và xoay chiều hoặc các máy phát điện

2.2.2 Phân loại máy cán

Các loại máy cán được phân loại theo công dụng, theo số lượng và phương pháp

bố trí trục cán và vị trí trục cán

a Phân loại theo công dụng

- Máy cán phá: dùng để cán phá từ thỏi thép đúc gồm có máy cán phôi thỏi

Blumin và máy cán phôi tấm Slabin

- Máy cán phôi: đặt sau máy cán phá và cung cấp phôi cho máy cán hình và máy

- Máy cán tấm: Trục cán tấm luôn có dạng hình trụ tròn xoay, đòi hỏi độ chính

xác, đồng đều bề mặt, độ bóng cao Dùng cán tấm nguội và cán tấm nóng

- Máy cán ống: Máy cán ống không hàn và máy cán ống hàn

- Máy cán đặc biệt: có thể tạo ra sản phẩm cán có hình dạng phức tạp, khối

lượng lớn

Hình 2.5: Máy cán ống tự động

(Nguồn: Đỗ Hữu Nhơn, 2006)

b Phân loại theo cách bố trí giá cán

- Máy cán có một giá cán (máy cán đơn, a): chủ yếu là máy cán phôi thỏi Blumin hoặc máy cán phôi 2 hoặc 3 trục

- Máy cán bố trí một hàng (b) được bố trí nhiều lỗ hình hơn

- Máy cán bố trí 2 hay nhiều hàng (c, d) có ưu điểm là có thể tăng dần tốc độ cán ở các giá cán sau cùng với sự tăng chiều dài của vật cán

- Máy cán bán liên tục (e): nhóm giá cán thô được bố trí liên tục, nhóm cán tinh được

bố trí theo hàng Máy cán bán liên tục thông dụng khi cán thép hình cỡ nhỏ

- Máy cán liên tục (f): các giá cán được bố trí liên tục, chỉ thực hiện một lần cán

c Phân loại theo số lượng và sự bố trí trục cán

- Máy cán 2 trục đảo chiều: chiều quay của trục được đảo chiều lại sau một lần cán Dùng cán phá, cán tấm dày

- Máy cán 2 trục không đảo chiều: dùng trong cán liên tục, cán tám mỏng

- Máy cán vạn năng: trục cán vừa bố trí thẳng đứng vừa nằm ngang

- Máy cán trục nghiêng: dùng khi cán ống không hàn và máy ép đều ống

1 Cơ cấu cân bằng thủy lực

2 Thùng chứa dầu

3 Động cơ

4 Cơ cấu điều chỉnh lượng ép

5 Băng kim loại

Hình 2.8: Sơ đồ máy cán hành tinh

(Nguồn: Đỗ Hữu Nhơn, 2006)

1 Lò nung liên tục 2 Trục cán phá (chủ động) 3 Máy dẫn phôi (dẫn hướng)

4 Trục cán hành tinh 5 Trục tựa 6 Trục là sản phẩm

Do điều kiện và giới hạn đề tài cũng như mục tiêu kết quả cần đạt được nên nhóm nghiên cứu chủ yếu tìm hiểu về nguyên lý, đặc điểm của máy cán tấm

2.2.3 Máy cán tấm

Máy cán tấm có nhiệm vụ cán thép và các kim loại khác ở trạng thái nóng và ở trạng thái nguội Máy cán tấm nóng cán ra những sản phẩm tấm có chiều dày từ 1.5mm đến 60mm Máy cán tấm nguội cán ra các tấm và băng kim loại mỏng, cực mỏng có độ dày từ 0.007mm đến 1.25mm [7]

Người ta thường dùng máy cán 2 trục, 4 trục, 6 trục, 12 trục,…để cán tấm, máy cán càng nhiều trục thì độ dày sản phẩm các càng chính xác

Trục cán tấm luôn có dạng hình trụ tròn xoay và đòi hỏi có độ chính xác, độ đồng đều bề mặt, độ bóng cao Khác với cán hình, khi cán tấm cần năng lượng nhiều hơn vì lực cán rất lớn, đặc biệt khi cán tấm nguội

Sản phẩm tấm luôn có tiết diện hình chữ nhật và có chiều dài rất dài cho nên sản phẩm của chúng thường ở dạng cuộn để dễ vận chuyển

Mong muốn của con người là cán ra những sản phẩm càng rộng thì càng tốt, nhưng trên thực tế chỉ mới cán được thép tấm có chiều rộng đạt tới gần 4000mm Cán nguội kim loại cần bôi trơn tốt để bề mặt trục cán bóng đẹp và không bị biến dạng trong khi cán vì khi cán nguội ma sát rất lớn và tốn nhiều năng lượng [7]

2.3 Độ bền và các tiêu chuẩn hợp kim nhôm trên thế giới

Bảng 2.1: Tỷ trọng của nhôm phụ thuộc vào độ sạch và nhiệt độ

- Tính dẫn diện và dẫn nhiệt cao, có độ giãn nở nhiệt nhỏ Độ dẫn điện tùy thuộc vào

độ sạch của nhôm và bằng 62÷ 66% của đồng

- Tính chống ăn mòn cao (vì có màng oxit Al2O3 bám chặt bảo vệ) Để tăng tính chống ăn mòn trong khí quyển người ta làm cho lớp bảo vệ này dày lên bằng cách anod hóa, nhờ đó nhôm và các hợp kim nhôm có thể dùng trong xây dựng, trang trí nội thất mà không cần bảo vệ

- Nhiệt độ chảy thấp (660oC) giúp dễ dàng cho quá trình nấu luyện song các hợp kim nhôm không làm việc được ở nhiệt độ cao Tính đúc không cao do độ co ngót lớn (lên tới 6%) Nhiệt độ nóng chảy tăng theo độ sạch của nhôm

Bảng 2.2: Ảnh hưởng độ sạch của nhôm đến nhiệt độ nóng chảy

t (0C) 657 658 658.7 659.8 660.24

- Cơ tính thấp (σb = 6Kg/mm2, HB = 25, δ = 40%) do đó rất dễ biến dạng, tính gia công cắt thấp

- Tính dẻo rất cao, do kiểu mạng A1 rất dễ biến dạng dẻo nhất là khi kéo sợi, dây và cán mỏng thành tấm, lá, băng, màng, ép chảy thành các thanh dài với các biên dạng phức tạp rất khác nhau

- Có hiệu ứng hóa bền, biến dạng lớn, nên đối với nhôm và hợp kim nhôm, biến dạng nguội với lượng ép khác nhau là biện pháp hóa bền thường dùng

 Các tiêu chuẩn về ký hiệu nhôm

- TCVN 1659-75 quy định ký hiệu nhôm bằng chữ Al và số chỉ % của nhôm, ví dụ: Al99, Al99.5

- Theo tiêu chuẩn AA (Aluminium Association) của Mỹ Nhôm được ký hiệu AA1xxx, ba số xxx khi biết sẽ dùng để tra bảng để biết tính chất cụ thể Ví dụ: AA1100 có 99.00% Al

- Theo tiêu chuẩn ГOCT của Nga, nhôm nguyên chất được ký hiệu bằng chữ A và số tiếp theo chỉ mức độ sạch Ví dụ A999 có 99.999% Al, Al995 có 99.995% Al

Bảng 2.3: Phân loại nhôm theo tiêu chuẩn ГOCT của Nga

(Nguồn: Nghiêm Hùng, 2007)