Nghiên cứu cơ chế phá hủy phôi trong quá trình cán nêm ngang

i

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các kết quả và số liệu
công bố trong luận án trung thực và chưa từng được công bố trong công trình khác.
Hà Nội, ngày 10 tháng 5 năm 2014
TM. Tập thể hướng dẫn

PGS.TS Đào Minh Ngừng

Nghiên cứu sinh

Đặng Thị Hồng Huế


ii

LỜI CẢM ƠN
Tôi xin chân thành cảm ơn Bộ môn Cơ học vật liệu và Cán kim loại - Viện Khoa học
và Kỹ thuật vật liệu -Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, Viện Vật lý Kỹ thuật thuộc Viện
Hàn lâm khoa học quốc gia Belarus đã giúp tôi thực hiện luận án này.
Tôi xin chân thành cảm ơn PGS.TS Đào Minh Ngừng, GS.TS. Nguyễn Trọng Giảng
đã tận tình hướng dẫn tôi về chuyên môn để tôi có thể thực hiện và hoàn thành luận án.
Tôi xin tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến các thầy phản biện, các thầy trong hội đồng chấm
luận án đã dành thời gian đọc và góp những ý kiến quý báu để tôi hoàn thiện bản luận án
của mình, cũng như giúp tôi định hướng nghiên cứu trong tương lai.
Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới toàn thể gia đình, bạn bè, đồng nghiệp những
người đã giúp đỡ, động viên, khuyến khích tôi thực hiện công trình này.
Hà Nội, ngày 10 tháng 5 năm 2014
Nghiên cứu sinh

Đặng Thị Hồng Huế


iii

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ..................................................................................................................... i
LỜI CẢM ƠN .......................................................................................................................... ii
MỤC LỤC .............................................................................................................................. iii
DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT ....................................................................... v
DANH MỤC CÁC BẢNG .................................................................................................... vii
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ ......................................................................... viii
MỞ ĐẦU ................................................................................................................................. 1
CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN ................................................................................................... 1
1.1. Giới thiệu quá trình cán nêm ngang .................................................................................. 5
1.1.1. Sơ đồ nguyên lý ........................................................................................................ 5
1.1.2. Các thông số cơ bản của quá trình ............................................................................ 6
1.1.3. Điều kiện quay phôi.................................................................................................. 7
1.1.4. Trạng thái ứng suất và biến dạng.............................................................................. 9
1.1.5. Các thông số động lực học ..................................................................................... 10
1.2. Sản phẩm cán, phế phẩm và đặc điểm khuyết tật ........................................................... 10
1.2.1. Yêu cầu về chất lượng sản phẩm ............................................................................. 10
1.2.2. Khuyết tật hình dạng ................................................................................................ 11
1.2.3. Khuyết tật bề mặt ..................................................................................................... 14
1.2.4. Khuyết tật rỗng tâm ................................................................................................. 14
1.3. Kết luận ........................................................................................................................... 22
CHƯƠNG 2 MÔ HÌNH THUỘC TÍNH VÀ PHÁ HỦY VẬT LIỆU ............................. 23
2.1. Phá hủy dẻo vật liệu kim loại.......................................................................................... 23
2.1.1. Sự hình thành và xuất hiện lỗ xốp, vết nứt tế vi ...................................................... 24
2.1.2. Sự phát triển của lỗ xốp tế vi ................................................................................... 25

2.1.3. Sự hợp nhất của lỗ xốp tế vi .................................................................................... 26
2.2. Mô hình phá hủy vật liệu ............................................................................................... 26
2.2.1. Mô hình phá hủy trên cơ sở cơ học môi trường liên tục .......................................... 28
2.2.2. Mô hình phá hủy trên cơ sở quan sát hiện tượng ..................................................... 29
2.3. Mô hình thuộc tính vật liệu ............................................................................................. 32
2.4. Phân tích và lựa chọn mô hình ........................................................................................ 35
2.5. Kết luận ........................................................................................................................... 36
CHƯƠNG 3 NHẬN DẠNG MÔ HÌNH JOHNSON-COOK ........................................... 37
3.1. Phương pháp nhận dạng mô hình Johnson – Cook ......................................................... 37
3.1.1. Phương pháp nhận dạng mô hình thuộc tính ........................................................... 37
3.1.2. Phương pháp nhận dạng mô hình phá hủy Johnson - Cook..................................... 39
3.2. Thí nghiệm nhận dạng .................................................................................................... 42


iv
3.2.1. Vật liệu thí nghiệm................................................................................................... 46
3.2.2. Mẫu thí nghiệm ........................................................................................................ 47
3.2.3. Thiết bị thí nghiệm ................................................................................................... 52
3.3. Kết quả thí nghiệm .......................................................................................................... 52
3.3.1. Kết quả thí nghiệm nhận dạng mô hình thuộc tính Johnson- Cook ......................... 53
3.3.2. Nhận dạng mô hình phá hủy Johnson – Cook ......................................................... 61
CHƯƠNG 4 MÔ PHỎNG SỐ QUÁ TRÌNH CÁN NÊM NGANG ............................... 72
4.1. Phần mềm mô phỏng quá trình tạo hình và phá hủy vật liệu .......................................... 72
4.2. Mô phỏng quá trình cán nêm ngang - mô hình 2D ......................................................... 73
4.2.1. Điều kiện mô phỏng ................................................................................................. 74
4.2.2. Kết quả mô phỏng .................................................................................................... 74
4.2.3. Phân tích trạng thái ứng suất-biến dạng tại vùng tâm phôi ...................................... 74
4.3. Xây dựng mô hình học cho bài toán cán ren 3D............................................................. 82
4.3.1. Thiết lập mô hình đối với nêm cán .......................................................................... 83
4.3.2. Thiết lập mô hình đối với phôi cán .......................................................................... 84

4.3.3. Mô hình lắp ghép giữa phôi và khuôn ..................................................................... 85
4.4. Kết quả và phân tích ...................................................................................................... 86
4.4.1. Hình dạng hình học của chi tiết ren ......................................................................... 86
4.4.2. Mặt cắt ngang, mặt cắt dọc chi tiết vít ren côn sau mô phỏng ................................. 87
4.4.3 Trạng thái ứng suất ................................................................................................... 88
4.4.4. Trạng thái biến dạng ................................................................................................ 91
4.4.5. Sự phân bố nhiệt độ trên phôi .................................................................................. 93
4.4.6. Biến phá hủy vô hướng ............................................................................................ 95
4.4.7. Tải trọng ................................................................................................................... 95
4.5. Kết luận ........................................................................................................................... 96
CHƯƠNG 5 THỰC NGHIỆM QUÁ TRÌNH CÁN NÊM NGANG ............................... 97
5.1. Máy cán nêm ngang ........................................................................................................ 97
5.2. Nêm cán ren .................................................................................................................... 99
5.3. Công nghệ cán ren bằng máy cán nêm ngang............................................................... 101
5.3.1. Dập đầu mũ chi tiết ................................................................................................ 101
5.3.2 Cán chi tiết vít ren côn ............................................................................................ 101
5.4. Kiểm tra phá hủy chi tiết ............................................................................................... 103
5.5. So sánh kết quả mô phỏng và thực nghiệm .................................................................. 103
5.6. Kết luận ......................................................................................................................... 105
KẾT LUẬN .......................................................................................................................... 106
TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................................... 108


v

DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
1. Kí hiệu

Diễn giải

, , : Góc tạo hình (góc nêm), góc áp lực, góc nâng

Đơn vị
độ

L1, L2, L3, L4: Chiều dài các vùng: cắt, dẫn, tạo hình và định kích thước

mm

D0, d: Đường kính phôi trước và sau khi tạo hình

mm

r: Lượng ép tuyệt đối

mm

: Hệ số biến dạng
X: Hành trình của nêm cán

mm

Rt : Bán kính phôi cán tại thời điểm bất kỳ

mm

S0, S: Diện tích mặt cắt ngang phôi cán trước và sau khi tạo hình

mm2

E: Mô đun đàn hồi của vật liệu

N/mm2

Fms : Lực ma sát giữa phôi và khuôn nêm

N

v: Tốc độ cán

mm/s

W: Năng lượng biến dạng

J/m3

A, B, C, n, m : Các hệ số của mô hình thuộc tính Johnson- Cook
Tmelt , Troom : Nhiệt độ nóng chảy của kim loại, nhiệt độ môi trường

độ C

ε̅ , σ
̅ : Mức độ biến dạng tương đương, ứng suất tương đương
ε̇ , ε̇ 0 : Tốc độ biến dạng và tốc độ biến dạng tham chiếu

1/s

ε̅f : Biến dạng tương đương tại thời điểm phá hủy vật liệu
σx , σy , σz , τxy , τyz , τxz ∶ Các thành phần của ten xơ ứng suất

MPa

σ1 , σ2 , σ3 : Các thành phần ứng suất pháp chính

MPa

εx , εy , εz γxy , γyz , γxz : Các thành phần của ten xơ biến dạng
ε1 , ε2 , ε3 : Các thành phần biến dạng chính
𝜎∗ =

σH
σeq

: Chỉ số trạng thái ứng suất

H, 𝜎𝑒𝑞 : Ứng suất thủy tĩnh, ứng suất Von - Mises

MPa

D1 , D2 , D3 , D4 , D5 : Các hệ số của mô hình phá hủy Johnson - Cook
εr, εa ,εt : Biến dạng theo hướng kính, hướng trục, hướng đứng
R, a: Bán kính, bán kính nhỏ nhất của mẫu thử phá hủy

mm

Mz : Mômen xoắn

N.mm

L: Chiều dài tổng của mẫu thử kéo

mm


vi
lc : Chiều dài phần làm việc của mẫu thử kéo

mm

l0 : Chiều dài tính toán ban đầu của mẫu thử kéo

mm

l1 : Chiều dài tính toán sau khi mẫu đứt của mẫu thử kéo

mm

d1 : Đường kính nhỏ nhất của mẫu thử kéo sau khi đứt

mm

2.

Chữ viết tắt

CNN: Cán nêm ngang
CNCNN: Công nghệ cán nêm ngang
QTCNN: Quá trình cán nêm ngang
MHTT: Mô hình thuộc tính
MHPH: Mô hình phá hủy

MHH: Mô hình hóa
MPS: Mô phỏng số
ƯS: Ứng suất
BD: Biến dạng
PH: Phá hủy
KT: Khuyết tật
KTBM: Khuyết tật bề mặt
KTHD: Khuyết tật hình dạng
KTRT: Khuyết tật rỗng tâm
JC: Johnson – Cook
MHJC: Mô hình Johnson – Cook
pt: Phương trình


vii

DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 2.1. Các biến trong mô hình phá hủy vật liệu ............................................................ 26
Bảng 3.1. Giá trị hệ số C phụ thuộc vào tốc độ biến dạng ................................................. 39
Bảng 3.2. Giá trị hệ số D4 phụ thuộc vào tốc độ biến dạng................................................. 41
Bảng 3.3. Thành phần hóa học của thép C45 ...................................................................... 47
Bảng 3.4. Mẫu thí nghiệm R ở nhiệt độ môi trường ........................................................... 50
Bảng 3.5. Bảng kí hiệu thí nghiệm nhận dạng MHTT J-C.................................................. 52
Bảng 3.6. Bảng kí hiệu thí nghiệm nhận dạng MHPH J-C ................................................ 52
Bảng 3.7. Kết quả thí nghiệm và nhận dạng tại nhiệt độ 9000C.......................................... 57
Bảng 3.8. Kết quả thí nghiệm và nhân dạng tại nhiệt độ 10000C........................................ 58
Bảng 3.9. Kết quả thí nghiệm và nhận dạng tại nhiệt độ 11000C........................................ 59
Bảng 3.10. Bảng giá trị của hệ C ......................................................................................... 60
Bảng 3.11. Các thông số tính giá trị hệ số m ....................................................................... 60
Bảng 3.12. Các hệ số của mô hình thuộc tính Johnson – Cook .......................................... 61

Bảng 3.13. Kết quả thí nghiệm phá hủy .............................................................................. 62
Bảng 3.14. Biến dạng của các mẫu xoắn tại thời điểm phá hủy .......................................... 64
Bảng 3.15. Giá trị của hệ số D4 ........................................................................................... 64
Bảng 3.16. Bảng giá trị xác định các hệ số cuả D5 ............................................................. 64
Bảng 3.17. Các hệ số của mô hình phá hủy Johnson – Cook .............................................. 65

Bảng 4.1. Các thông số hình học của nêm ............................................................... 83
Bảng 4.2. Tính chất cơ nhiệt của vật liệu chế tạo nêm cán ...................................... 83
Bảng 4.3. Điều kiện mô phỏng ................................................................................. 84
Bảng 4.4. Hệ số nhiệt của thép C45 ở nhiệt độ 11500C .......................................... 85


viii

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ
Hình 1.1. Sơ đồ nguyên lý công nghệ cán nêm ngang: ........................................................ 5
Hình 1.2. Quá trình cán nêm ngang chi tiết trục bậc ............................................................. 7
Hình 1.3. Sơ đồ lực tác dụng giữa kim loại và khuôn khi phôi ăn vào trục cán.................... 8
Hình 1.4. Một số sản phẩm của công nghệ cán nêm ngang ................................................ 10
Hình 1.5. Khuyết tật hình dạng sản phẩm .......................................................................... 11
Hình 1.6. Khuyết tật bề mặt sản phẩm cán nêm ngang ...................................................... 12
Hình 1.7. Sản phẩm trục bậc ............................................................................................... 12
Hình 1.8. Khuyết tật thắt của phôi cán nêm ngang............................................................. 13
Hình 1.9. Khuyết tật hình dạng phôi cán nêm ngang ......................................................... 14
Hình 1.10. Khuyết tật định hướng dọc tâm phôi cán [34] .................................................. 17
Hình 1.11. Sự hợp nhất các lỗ trống trong quá trình phá hủy [48] ..................................... 17
Hình 1.12. Khuyết tật trong tâm phôi cán. .......................................................................... 18
Hình 1.13. Phá hủy phôi trong quá trình cán nêm ngang .................................................... 18
Hình 1.14. Sự hợp nhất các lỗ trống do ứng suất chính [48] ............................................... 19
Hình 2.1. Quá trình phá hủy vật liệu ................................................................................... 24

Hình 2.2. Sơ đồ sự hình thành vết nứt do lệch tương tác với nhau ..................................... 25
Hình 2.3. Phân tố thể tích chứa khuyết tật........................................................................... 26
Hình 2.4. Đường cong ứng suất biến dạng của thép C45 .................................................... 27
Hình 2.5. Sự phụ thuộc của 𝜀̅𝑓 vào chỉ số trạng thái ứng suất. ............................................ 31
Hình 2.6. Đường cong ứng suất biến dạng của thép C45 .................................................... 32
Hình 3.1. Mẫu tạo R và biến dạng theo các chiều .............................................................. 45
Hình 3.2. Biên dạng hình học của mẫu thử kéo .................................................................. 45
Hình 3.3. Sự phân bố nhiệt độ của mẫu thử kéo theo tiêu chuẩn ở 12000C ........................ 45
Hình 3.4. Mẫu thí nghiệm kéo ở nhiệt độ cao ..................................................................... 51
Hình 3.5. Phân bố nhiệt độ của mẫu kéo tiêu chuẩn ở 12000C ........................................... 48
Hình 3.6. Chế độ nung mẫu khi thực hiện thí nghiệm ở nhiệt độ 12000C .......................... 49
Hình 3.7. Đồ thị phân bố nhiệt độ trong ½ vùng làm việc của các mẫu kéo ...................... 49
Hình 3.8. Kích thước và hình dạng mẫu xoắn ..................................................................... 51
Hình 3.9. Đồ thị phân bố nhiệt độ trong ½ vùng làm việc của các mẫu xoắn ..................... 49
Hình 3.10. Máy thử kéo nén (MTS) .................................................................................... 52
Hình 3.11. Mẫu sau thí nghiệm kéo ở nhiệt độ thường ....................................................... 53
Hình 3.12. Mẫu sau thí nghiệm ở nhiệt độ cao .................................................................... 53
Hình 3.13. Đồ thị ứng suất – biến dạng khi thay đổi tốc độ biến dạng ............................... 54
Hình 3.14. Đồ thị ứng suất – biến dạng khi thay đổi nhiệt độ ............................................. 55
Hình 3.15. Đồ thị ứng suất – biến dạng mẫu kéo nguội ..................................................... 56


ix
Hình 3.16.
Hình 3.17.
Hình 3.18.
Hình 3.19.
Hình 3.21.
Hình 3.20.
Hình 3.21.

Hình 3.22.

Đồ thị xác định giá trị hệ số B và n .................................................................. 56
Đồ thị ứng suất và biến dạng tại các nhiệt độ khác nhau ................................. 60
Đồ thị xác định ảnh hưởng của nhiệt độ ........................................................... 61
Đồ thị lực – chuyển vị của các mẫu tạo R ........................................................ 61
Đồ thị quan hệ biến dạng tương đương- chỉ số trạng thái ứng suất……………60
Đồ thị ứng suất tiếp – biến dạng trượt .............................................................. 63
Đồ thị xác định hệ số D5 .................................................................................. 65
Điều kiện biên và kết quả mô phỏng thí nghiệm kéo ....................................... 65

Hình 3.23.
Hình 3.24.
Hình 3.25.
Hình 3.26.
Hình 3.27.
Hình 3.28.
Hình 3.29.
Hình 3.30.

Đường cong thực nghiệm - nhận dạng ............................................................. 66
Đường cong thực nghiệm - mô phỏng .............................................................. 67
Lưới phần tử và điều kiện biên R ..................................................................... 68
Biến dạng của các mẫu R ................................................................................. 68
Chỉ sẫu thử kéo trước thời điểm đứt 0.1s ......................................................... 69
Chỉ số trạng thái ứng suất trong tâm mẫu ......................................................... 69
Thông số phá hủy Johnson – Cook................................................................... 69
Phần tử kim loại bị xóa khỏi lưới ..................................................................... 70

Hình 3.31. Đồ thị ε̅f − σ∗ mô phỏng – thực nghiệm………………………………………69

Hình 4.1. Đường cong ứng suất – Biến dạng của vật liệu kim loại [63] ............................ 73
Hình 4.2. Mô hình hình học và mô hình phần tử hữu hạn của phôi cán ............................ 74
Hình 4.3. Biến dạng tương đương theo thời gian ............................................................... 75
Hình 4.4. Trạng thái ứng suất .............................................................................................. 75
Hình 4.5. Biến phá hủy vô hướng D .................................................................................... 76
Hình 4.6. Hiện tượng phá hủy tâm phôi .............................................................................. 76
Hình 4.7. Trạng thái ứng suất .............................................................................................. 77
Hình 4.8. Quá trình phá hủy tâm phôi ................................................................................ 77
Hình 4.9. Các thành phần ứng suất của phân tố kim loại trong tâm phôi .......................... 78
Hình 4.10. Sự phân bố ứng suất kéo trong tâm phôi ........................................................... 78
Hình 4.11. Sự phân bố chỉ số trạng thái ứng suất ................................................................ 79
Hình 4.12. Sự phân bố biến dạng theo hướng kính ............................................................. 79
Hình 4.13. Sự phân bố biến dạng theo hướng ngang .......................................................... 79
Hình 4.14. Sự phân bố biến dạng tương đương ................................................................... 80
Hình 4.15. Biến dạng tương đương theo hướng chu vi ....................................................... 80
Hình 4.16. Chuyển vị của các phần tử kim loại .................................................................. 81
Hình 4.17. Biến phá hủy vô hướng Johnson – Cook .......................................................... 81
Hình 4.18. Kích thước phôi và chi tiết vít ren côn ............................................................. 82
Hình 4.19. Nêm trên và nêm dưới ....................................................................................... 82
Hình 4.20. Bản vẽ lắp nêm cán và phôi ............................................................................... 83


x
Hình 4.21. Mô hình phần tử hữu hạn của phôi .................................................................... 84
Hình 4.22. Mô hình lắp ghép phần tử hữu hạn của khuôn và phôi ..................................... 85
Hình 4.23. Tiếp xúc mặt tới mặt giữa phôi và khuôn .......................................................... 86
Hình 4.24. Quá trình cán chi tiết ren tàu điện..................................................................... 87
Hình 4.25. Chi tiết vít ren côn khi kết thúc quá trình cán ................................................... 87
Hình 4.26. Mặt cắt dọc và mặt cắt ngang chi tiết vít ren côn .............................................. 88
Hình 4.27. Các thành phần ứng suất của một phần tử trong tâm phôi cán .......................... 89

Hình 4.28. Ứng suất chính trong tâm phôi .......................................................................... 90
Hình 4.29. Chỉ số trạng thái ứng suất trong tâm chi tiết vít ren côn ................................... 91
Hình 4.30. Biến dạng theo các phương của chi tiết ren tàu điện ......................................... 91
Hình 4.31. Sự hình thành và phát triển khuyết tật trong tâm phôi cán ................................ 92
Hình 4.32. Hiện tượng lõm đầu chi tiết ren ......................................................................... 93
Hình 4.33. Nhiệt độ phân bố trong tâm phôi ....................................................................... 93
Hình 4.34. Phân bố nhiệt độ trên các điểm trên phôi ......................................................... 94
Hình 4.35. Biến phá hủy vô hướng Johnson – Cook ........................................................... 95
Hình 4.36. Lực tác dụng trên các phương .......................................................................... 95
Hình 5.1. Máy cán nêm ngang ............................................................................................. 97
Hình 5.2. Cơ cấu điều chỉnh và nâng đỡ nêm cán ............................................................... 98
Hình 5.3. Cơ cấu nâng trượt nêm trên ................................................................................. 98
Hình 5.4. Bộ phận gá lắp và chứa nêm làm việc ................................................................ 98
Hình 5.5. Nêm trên và nêm dưới ......................................................................................... 99
Hình 5.6. Vị trí đặt ốc vít của nêm trên và dưới .................................................................. 99
Hình 5.7. Ren âm trên bề mặt khuôn cán .......................................................................... 100
Hình 5.8. Thiết bị đo áp suất trên máy cán nêm ngang ..................................................... 100
Hình 5.9. Dập đầu mũ và chi tiết vít ren côn .................................................................... 101
Hình 5.10. Sản phẩm vít ren côn sau dập đầ mũ............................................................... 101
Hình 5.11. Sản phẩmt vít ren côn sau cán nêm ngang ...................................................... 102
Hình 5.12. Vít ren côn thiết kế và vít ren côn thực ........................................................... 102
Hình 5.13. Chi tiết vít ren côn với phá hủy trong tâm ..................................................... 103
Hình 5.14. Chi tiết vít ren côn với phá hủy bề mặt .......................................................... 103
Hình 5.15. Kết quả mô phỏng và thực nghiệm với sai hỏng bề mặt................................. 104
Hình 5.16. Kết quả mô phỏng và thực nghiệm với sai hỏng tâm phôi ............................. 104
Hình 5.17. Hiện tượng lõm đầu chi tiêt vít ren côn sau cán nêm ngang ............................ 104
Hình 5.18. Hiện tượng lõm đầu chi tiêt vít ren côn mô phỏng ......................................... 104
Hình 5.19. Kết quả mô phỏng và thực nghiệm chi tiết không phá hủy ............................ 105

1

MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
Công nghệ cán nêm ngang (CNCNN) được phát triển để chế tạo phôi và các chi tiết cơ khí
có dạng trục tròn xoay. Đây là phương pháp tiên tiến cho năng suất cao, tiết kiệm vật liệu, dễ tự
động hóa và thân thiện với môi trường. Sản phẩm của công nghệ cán nêm ngang được sử dụng
rộng rãi trong nhiều ngành, từ ô tô, xe máy… đến hàng không, vũ trụ. Vì vậy, loại hình công
nghệ này có ứng dụng thực tế cao. Tuy nhiên, hạn chế của CNCNN là khuyết tật cơ học hình
thành trong quá trình cán với ba dạng: khuyết tật bề mặt (KTBM), khuyết tật hình dạng (KTHD)
và khuyết tật rỗng tâm (KTRT). Cả ba dạng khuyết tật hình thành trong quá trình cán. Chúng
được gọi chung là khuyết tật cơ học của sản phẩm cán nêm ngang.
Để đảm bảo yêu cầu về chất lượng sản phẩm sau cán, các chi tiết được kiểm tra, đánh giá
mức độ khuyết tật và loại bỏ nếu không đạt yêu cầu. Với các sản phẩm chứa KTBM và KTHD
có khả năng phát hiện và loại bỏ ngay sau quá trình cán bằng quan sát trực quan hoặc các thiết
bị đơn giản. Còn KTRT sản phẩm đòi hỏi các nhà nghiên cứu, sản xuất phải sử dụng các phương
pháp và thiết bị hiện đại hơn như: kính hiển vi điện tử, siêu âm vật liệu, cắt chi tiết sau chế tạo
thành các phần khác nhau mới có thể phát hiện khuyết tật bên trong sản phẩm. Trên cơ sở đó,
các chi tiết không đạt yêu cầu về chất lượng bị loại bỏ trước khi đưa vào sử dụng.
Trong ba dạng khuyết tật kể trên, khuyết tật rỗng tâm có nguy cơ tiềm tàng và nguy hiểm
nhất với quá trình gia công và sử dụng tiếp theo của chi tiết. Vì vậy, nghiên cứu nguyên nhân và
cơ chế hình thành dạng khuyết tật này có ý nghĩa thiết thực, nhằm nâng cao chất lượng, loại bỏ
các sai hỏng sản phẩm cán nêm ngang và mở ra khả năng ứng dụng CNCNN vào sản xuất công
nghiệp tại Việt Nam.
Trong quá trình cán nêm ngang (QTCNN), sự biến dạng của phôi rất phức tạp. Phôi chịu
tác động của ứng suất nén theo phương z, ứng suất kéo theo phương x và y. Trạng thái ứng suất
trong phôi thay đổi gây nên trạng thái biến dạng khác nhau giữa các vị trí trên phôi. Nếu biến
dạng của vật liệu phôi không thể tính toán, kiểm soát được thì phá hủy cơ học sản phẩm cán xảy
ra với xác suất rất lớn. Vì vậy, nghiên cứu trạng thái ứng suất - biến dạng trong QTCNN đòi hỏi
một phương pháp nghiên cứu đặc biệt. Phương pháp có thể mô tả được trạng thái này khi các

biến số (ứng suất, biến dạng, tốc độ biến dạng, nhiệt độ, ma sát, các thông số hình học của khuôn
cán…) tác động đồng thời vào quá trình tạo hình thay đổi theo thời gian. Phương pháp giải quyết
được yêu cầu đó là sự kết hợp giữa: Mô hình hóa (MMH) - Mô phỏng (MPS) -Thực nghiệm.
MHH cho phép nghiên cứu các hiện tượng vật lý bằng một phương trình toán học tổng quát
các biến số tác động vào quá trình. Khi giá trị của các biến số này thay đổi, mô hình mô tả đầy
đủ ứng xử của vật liệu. Nhờ vậy, việc phân tích trạng thái ứng suất-biến dạng cũng như quan hệ
giữa chúng trong QTCNN đơn giản hơn rất nhiều. Các mô hình được thiết lập bằng các phương
trình toán học trong các phần mềm MPS - một công cụ mạnh cho phép nghiên cứu mọi quá trình
sản xuất thực. Sử dụng các phần mềm mô phỏng số trong nghiên cứu tiết kiệm thời gian, chi phí
nguyên vật liệu, tránh rủi ro, nguy hiểm cho con người, đồng thời giảm tác động xấu tới môi


2
trường. Kết quả nghiên cứu hoàn toàn chính xác khi được kiểm chứng bằng thực nghiệm. Vì vậy,
việc kết hợp các phương pháp nghiên trên cứu mang lại hiệu quả kinh tế xã hội và kết quả nghiên
cứu có độ chính xác cao và độ tin cậy cao.
Luận án "Nghiên cứu cơ chế phá hủy phôi trong quá trình cán nêm ngang" có tính thời
sự, tính cấp thiết đối với việc ứng dụng phương pháp sản xuất tiên tiến cho năng suất cao, an toàn
với môi trường vào sản xuất công nghiệp tại Việt Nam.
2. Mục đích nghiên cứu
Nghiên cứu nguyên nhân, cơ chế phá hủy phôi nhằm khắc phục và loại bỏ khuyết tật cơ
học sản phẩm hình thành trong quá trình cán nêm ngang, nâng cao chất lượng sản phẩm và khả
năng ứng dụng của công nghệ cán nêm ngang.
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Chi tiết cơ khí có dạng trục tròn xoay.
4. Phương pháp nghiên cứu
Nghiên cứu lý thuyết công nghệ cán nêm ngang, lý thuyết mô hình hóa ứng xử cơ-nhiệt
của vật liệu, lý thuyết phá hủy dẻo vật liệu kim loại, lý thuyết độ bền, lý thuyết biến dạng dẻo.
Trên cơ sở đó, lựa chọn phương pháp nghiên cứu kết hợp giữa: lý thuyết- mô phỏng số - thực
nghiệm.

5. Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn của luận án

Hệ thống hóa cơ sở lý thuyết về phá hủy cơ học vật liệu, khẳng định nguyên nhân
và cơ chế phá hủy phôi. Từ đó tối ưu miền thông số công nghệ để sản phẩm cán không
chứa khuyết tật. Trên cơ sở kết quả nghiên cứu, các nhà sản xuất lựa chọn chế độ công
nghệ phù hợp để khắc phục và loại bỏ khuyết tật hình thành trong quá trình cán, từ đó
nâng cao chất lượng sản phẩm và hiệu quả kinh tế. Luận án là tài liệu tham khảo trong
giảng dạy Đại học và Sau đại học chuyên ngành kỹ thuật vật liệu.
6. Những kết quả đạt được và những đóng góp mới của luận án
Luận án đã phân tích các mô hình vật liệu và lựa mô hình chảy dẻo, mô hình phá hủy dẻo
Johnson - Cook. Xây dựng phương pháp xác định các hệ số của mô hình (nhận dạng mô hình)
bao gồm phương pháp thực nghiệm và tính toán xử lý kết quả thí nghiệm. Kết quả nhận dạng 5
hệ số của mô hình thuộc tính: A = 510, B = 722, n = 0,36, C = 0,097, m = 0,432 và 5 hệ số của
mô hình phá hủy D1 = 0,009, D2 = 1,48, D3 = -2,66, D4 = 0,164, D5 = 0,623 cho vật liệu thép
C45. Luận án đã mô hình hóa và mô phỏng quá trình thí nghiệm để so sánh đường cong ứng suất
biến dạng thực nghiệm với đồ thị nhận được từ mô hình hóa và mô phỏng số cho thấy sự tương
hợp cao.
Mô phỏng số quá trình cán nêm ngang đã được thực hiện, phân tích kết quả mô phỏng số
xác định các thông số tối ưu cho quá trình công nghệ. Dựa trên kết quả đã phân tích, miền thông
số công nghệ tối ưu để chi tiết an toàn được giới hạn: hệ số ma sát từ 0,48 đến 0,56, tốc độ cán


3
từ 150 đến 270 mm/s, nhiệt độ cán trong khoảng 1030 0C đến 1150 0C; khuyết tật ở tâm phôi
trong quá trình cán nêm ngang có cùng bản chất như các quá trình rèn ép trục tròn; Các thông số
áp dụng cho QTCNN cho thấy có thể lựa chọn chế độ và điều kiện biến dạng khả thi cho phép
loại trừ các nguyên nhân gây khuyết tật rỗng tâm.
Mức độ biến dạng, biến phá hủy vô hướng, chỉ số trạng thái ứng suất…những yếu tố tác
động trực tiếp đến cơ chế phá hủy phôi cán trong quá trình tạo hình đã được phân tích, đánh giá.
Cơ chế phá hủy phôi là quá trình gồm nhiều giai đoạn từ phát sinh khuyết tật, vị trí khuyết, xuất

hiện và sát nhập các lỗ hổng và kết quả cuối cùng tạo lên độ xốp nhất định đủ tạo mầm dẫn đến
các vết nứt trong giới hạn đa kích thước vi mô và vĩ mô phụ thuộc vào mức độ biến dạng. Chỉ số
trạng thái ứng suất tại vùng tâm lớn làm tăng tốc độ quá trình tạo độ xốp. Vì vậy, tối ưu các thông
số công nghệ làm thay đổi chỉ số trạng thái ứng suất theo hướng có giá trị âm nhằm hạn chế sự
phát triển của khuyết tật trong tâm phôi.
Chi tiết vít ren côn đã được chế tạo bằng công nghệ cán nêm ngang với các thông số công
nghệ tương tự như quá trình mô phỏng số. Sau QTCNN, chi tiết vít ren côn đảm bảo yêu cầu về
hình dạng. Chi tiết này được cắt theo mặt cắt dọc và mặt cắt ngang để kiểm tra chất lượng sản
phẩm. Kết quả, các chi tiết chế tạo với thông số công nghệ trong miền không an toàn, tâm phôi
bị phá hủy, các khuyết tật trong tâm định hướng dọc trục phôi. Ngược lại, các chi tiết được chế
tạo trong miền thông số an toàn chi tiết không phá hủy.
Kết quả nghiên cứu cho thấy, các hệ số của mô hình được nhận dạng hoàn toàn chính xác,
việc lựa chọn mô hình thuộc tính và mô hình phá hủy vật liệu Johnson – Cook để nghiên cứu phá
hủy phôi trong quá trình cán nêm ngang mang lại hiệu quả cao.
Những đóng góp mới của luận án:
Nghiên cứu về nguyên nhân và cơ chế phá hủy phôi trong quá trình cán nêm ngang là một
vấn đề cấp thiết, lần đầu tiên được thực hiện tại Việt Nam. Kết quả nghiên cứu đã hệ thống hóa
cơ sở lý thuyết, thực nghiệm và mô phỏng số quá trình cán nêm ngang.
Các hệ số tính đến ảnh hưởng của tốc độ biến dạng (C, D4) của mô hình Johnson - Cook đã được
nhận dạng bằng phương pháp lập tỉ lệ. Ảnh hưởng của vết thắt đến trạng thái ứng suất và biến
dạng tương tương tại thời điểm phá hủy theo mô hình Brigdman đã được áp dụng để xác định
các hệ số D1, D2, D3 của mô hình phá phủy Johnson – Cook.
Dựa trên kết quả mô phỏng số, miền thông số công nghệ tối ưu để sản phẩm cán không
chứa khuyết tật: hệ số ma sát từ 0,48  0,56, tốc độ cán từ 150  270 mm/s, nhiệt độ cán từ
10300C  11500C. Đây là cơ sở để các nhà sản xuất lựa chọn thông số công nghệ trong quá trình
chế tạo các chi tiết bằng công nghệ cán nêm ngang.
Luận án cho thấy cơ chế phá hủy phôi trong quá trình cán nêm ngang là: sự biến dạng
không đồng đều giữa các lớp kim loại; sự chênh lệch nhiệt độ giữa các vùng kim loại trên phôi
tạo nên sự khác nhau về tính chất cơ học giữa các vùng làm xuất hiện các ứng suất dư bên trong

4
vật liệu; chỉ số trạng thái ứng suất dương lớn tập trung tại vùng tâm là nguyên nhân gây nên hiện
tượng rỗng tâm sản phẩm.
Các nội dung trong luận án
Luận án gồm năm chương:
Chương 1: Giới thiệu công nghệ cán nêm ngang, các dạng khuyết tật cơ học của công nghệ
này. Những công trình nghiên cứu về phá hủy phôi trong quá trình cán nêm ngang đã được được
công bố trong nước và trên thế giới. Những vấn đề tồn tại trong các công trình trên. Trên cơ sở
đó, luận án tập trung nghiên cứu về khuyết tật rỗng tâm sản phẩm do ảnh hưởng của các thông
số công nghệ và các thông số vật liệu.
Chương 2: Trình bày cơ sở lý thuyết về cơ học phá hủy vật liệu, lý thuyết biến dạng dẻo
vật liệu kim loại, trong đó các mô hình thuộc tính và mô hình phá hủy vật liệu trên cơ sở cơ học
môi trường liên tục và mô hình hóa các hiện tượng. Qua phân tích, mô hình thuộc tính và mô
hình phá hủy Johnson – Cook đã được lựa chọn nghiên cứu, áp dụng dự báo phá hủy phôi trong
quá trình cán nêm ngang.
Chương 3: Nhận dạng mô hình thuộc tính và mô hình phá hủy vật liệu Johnson – Cook.
Kết quả nhận dạng được kiểm chứng bằng mô phỏng số.
Chương 4: Sử dụng kết quả nhận dạng mô hình ở chương 3 để mô phỏng bài toán cán nêm
ngang chi tiết trục tròn xoay, chi tiết vít ren côn bằng phần mềm ABAQUS. Trên cơ sở kết quả
mô phỏng số, quan hệ giữa các thông số tác động đến quá trình phá hủy tâm phôi đã được phân
tích, đánh giá. Xác định nguyên nhân và cơ chế phá hủy phôi trong quá trình cán.
Chương 5: Trên sở kết quả mô phỏng, giá trị của các thông số công nghệ đã sử dụng trong
mô phỏng được dùng để chế tạo chi tiết vít ren côn bằng công nghệ cán nêm ngang. Sản phẩm
cán đã được kiểm tra chất lượng về hình dạng bên ngoài và khuyết tật bên trong vật liệu. So sánh
kết quả thực nghiệm đối với một số chi tiết có và không có phá hủy cho phép xác định độ tin cậy
của miền thông số đã tìm ra trong mô phỏng. Và khẳng định độ chính xác của mô hình vật liệu
đã lựa chọn trong nghiên cứu.

5

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN
1.1. Giới thiệu quá trình cán nêm ngang
Cán nêm ngang là một loại hình công nghệ gia công kim loại bằng áp lực được sử dụng để
sản xuất phôi định hình, phôi trung gian cho các quá trình gia công tiếp theo như rèn, dập khối.
Trong nhiều trường hợp, công nghệ này có thể sản xuất trực tiếp ra các chi tiết dạng tròn xoay
với chất lượng tốt, hệ số sử dụng kim loại cao, đáp ứng được yêu cầu về cơ, lý tính trong điều
kiện làm việc nặng.
1.1.1. Sơ đồ nguyên lý
Về cơ bản, công nghệ cán nêm ngang được xây dựng như một trường hợp đặc biệt của
công nghệ cán ngang, khi coi bán kính trục cán rất lớn (). Trục cán được thay thế bằng hai bàn
nêm phẳng (trên bề mặt bàn khuôn có phần hình nêm nhằm gia công định hình chi tiết).

1

3

2

Hình 1.1. Sơ đồ nguyên lý công nghệ cán nêm ngang
1- Bàn nêm trên; 2-Phôi; 3- Bàn nêm dưới.
Hình 1.1 mô tả sơ đồ cán nêm ngang sử dụng nêm cán cố định phía dưới và nêm cán dẫn
động phía trên. Phôi được đặt tại phần đầu vào của nêm cán dưới. Nêm trên chuyển động tịnh
tiến song song với nêm cán dưới, nhấn nêm trên vào phôi, khi bàn nêm trên chuyển động, nhờ
có ma sát nên phôi chuyển động theo. Trong quá trình cùng chuyển động, phôi chịu tác động của
lực cán Px do tiếp xúc với dụng cụ nêm phẳng, lực này gây nên chuyển động quay của phôi, lực
Pz tạo biến dạng hướng tâm phôi, Py tạo biến dạng dọc trục. Cả hai nêm cán có mặt cạnh nghiêng
M, mặt nghiêng này đẩy kim loại chuyển dịch một phần theo chiều dọc của phôi tạo nên kích
thước chiều dài cuối cùng sản phẩm. Phần kim loại còn lại được định hình bằng bề mặt K của

nêm cán. Trong quá trình cán, vùng biến dạng dẻo liên tục dịch chuyển theo nêm cán từ giữa
phôi ra hai phía, hình thành các biên dạng theo yêu cầu thiết kế. Tại vùng định kích thước của
sản phẩm, các dao cắt H đặt ở hai bên của nêm cán có nhiệm vụ cắt bỏ phần thừa khi chi tiết đã


6
hoàn chỉnh. Kết thúc quá trình, sản phẩm được đẩy ra khỏi nêm cán, nêm trên trở về vị trí ban
đầu.
1.1.2. Các thông số cơ bản của quá trình
Chiều dài của nêm cán được chia làm 4 vùng:
Vùng cắt được bố trí ở phía đầu nêm cán, vùng này có nhiệm vụ đảm bảo điều kiện ăn phôi
từ thời điểm phôi bắt đầu tiếp xúc với nêm cán cho tới khi phôi đạt được lượng ép r. Phôi chuyển
động theo một chiều, đảm bảo điều kiện quay phôi ổn định khi chuyển động vào các vùng tiếp
theo.Vùng này có chiều dài L1, phụ thuộc vào đường kính của phôi (hình1.2);
Vùng dẫn có chiều dài L2, chiều dài nhỏ nhất của vùng này bằng chu vi của phôi, trong vùng
này phôi được tạo lượng ép nhỏ ban đầu;
Vùng tạo hình có chiều dài L3, phôi bị biến dạng chủ yếu trong vùng này tạo nên hình dạng
của sản phẩm, kích thước của vùng này phụ thuộc vào hình dạng của nêm định hình;
Vùng định kích thước, trong vùng này phôi cán ổn định trạng thái biến dạng, chiều dài vùng
được kí hiệu L4, tại vùng này được bố trí dao cắt để bỏ đi phần thừa của chi tiết.
Hình chiếu bằng của nêm cán dùng để chế tạo chi tiết trục bậc, một chi tiết tiêu biểu của công nghệ
cán nêm ngang được thể hiện trong hình 1.2, trong đó các kí hiệu:
L - tổng chiều dài của nêm cán
d - đường kính phôi sau tạo hình; D0 -đường kính phôi trước khi tạo hình
 - hệ số biến dạng:  = 1 − (

d

D0

)

2

r – lượng ép tuyệt đối: r = D0- d.
Các thông số chính của nêm cán được định nghĩa như sau:
o β- góc nêm hay góc tạo hình, xác định tốc độ dịch chuyển của vùng biến dạng dọc theo
trục của phôi;
o α - góc nghiêng thành bên hay góc ép, xác định kích thước bề mặt tiếp xúc giữa phôi và
khuôn cán cũng như kích thước của vùng biến dạng;
o - góc nâng được thiết kế để duy trì điều kiện ăn phôi tại vùng đầu vào của nêm. Trong
phạm vi toàn nêm, góc nâng  có thể được thiết kế để tăng dần lượng ép theo hành trình
của nêm cán. Tương quan giữa góc nâng  với các góc ,  được xác định theo biểu thức:
tg γ = tg α. tgβ

(1.1)


7

a)
L1

L2

L3

L4

b)

D0
c)

Hình 1.2. Quá trình cán nêm ngang chi tiết trục bậc
a) Mô hình quá trình b) Bình chiều bằng của bàn nêm phẳng c) Chi tiết trục bậc
Mức độ biến dạng có thể xác định bởi công thức:
ε = D0/d
(1.2)
Máy cán nêm ngang với bàn nêm phẳng có nhiều ưu điểm so với máy cán ngang trục tròn
như: dễ chế tạo, độ chính xác cao và giá thành thấp. Khi chế tạo nêm cán chỉ sử dụng thiết bị
phay và thiết bị mài đơn giản [37]. Phôi cán chuyển động ổn định trên bàn nêm phẳng. Sản phẩm
nhận được từ việc sử dụng loại nêm cán có độ chính xác cao (  0,01…  0,5 mm). Dụng cụ
nêm phẳng có độ cứng và tuổi thọ cao, (500.000 sản phẩm mới phải thay thế), có thể chế tạo từ
các tấm ghép với các loại thép khác nhau. Vốn đầu tư thấp, giá thành hạ, điều khiển và điều chỉnh
đơn giản, dụng cụ thay thế và chuyển đổi nhanh đối với các chi tiết mới, quá trình tự động hoá
hoàn toàn. Trong khi đó, quá trình cán giữa hai trục tròn phải có các dẫn hướng lắp ghép phức
tạp. Trong trường hợp cán giữa hai trục tròn, thứ tự vùng trễ và vùng vượt ngược lại so với quá
trình cán dọc. Chính vì vậy, ứng suất bề mặt là ứng suất kéo nên trên thực tế các khuyết tật bề
mặt hình thành trong quá trình cán. Cán trên bàn nêm phẳng khắc phục được nhược điểm trên
nên có thể nói đây là trường hợp tối ưu nhất của CNCNN.
1.1.3. Điều kiện quay phôi
Điều kiện quay phôi trong quá trình cán đồng thời là điều kiện ăn phôi vào khuôn cán. Để
phôi có thể quay và biến dạng trong quá trình cán, điều kiện ma sát phải được xác định. Xét mô
hình hai chiều đơn giản của quá trình cán ngang như hình 1.3. Khuôn trên và khuôn dưới chuyển
động theo hướng vuông góc với trục của phôi, khuôn cán bắt đầu tiếp xúc với phôi tại điểm tiếp
tuyến. Nếu phôi không quay tại điểm tiếp xúc này, dụng cụ sẽ giữ phôi cho tới khi tiếp xúc với
vùng tiếp theo và trở thành một đường tiếp xúc. Đây là điều kiện giới hạn về sự quay phôi. Căn
cứ sơ đồ tác dụng của lực trên bề mặt tiếp xúc giữa kim loại và khuôn tại thời điểm ban đầu (hình
1.3), lực tổng hợp được phân tích thành hai thành phần lực pháp tuyến N và lực ma sát F. Áp

suất dọc theo chiều dài vùng tiếp xúc có thể thay đổi, giả thiết rằng lực tổng hợp đi qua tâm phôi.


8
Điều kiện quay của phôi trong quá trình cán nêm ngang được chứng minh như sau (các công thức
từ (1.3) đến (1.9) tham khảo tài liệu [68]):
Lực ma sát F vuông góc và tỉ lệ với lực N theo công thức:
F = μ.N,
(1.3)
trong đó, μ hệ số ma sát giữa phôi và khuôn. Để phôi quay, điều kiện mô men ma sát MF phải lớn
hơn hoặc cân bằng với mô men MN của lực pháp tuyến, nghĩa là:
MF ≥ MN hoặc F.a ≥ N.b
(1.4)

Hình 1.3. Sơ đồ lực tác dụng giữa kim loại và khuôn khi phôi ăn vào trục cán
trong đó a -khoảng cách giữa hai lực ma sát F; b -khoảng cách giữa hai lực pháp tuyến N. Từ đó
ta có bất đẳng thức μ ≥ b/a, khi b = r/2 sin và a = 2b/ tan, hay μ ≥ tan /2 với r là sự giảm
bán kính của phôi,  là góc nâng của phôi.
Từ tương quan hình học trên hình 1.3 và giả thiết chiều dài AD = r0, ta có
sin = r/2b = b/r0,

(1.5)

với r0 là bán kính ban đầu của phôi, từ đó ta có điều kiện quay phôi như sau
1

−1⁄
2

2

μ≥ (
− 1)
2 ∆r/r
0

hoặc

∆r
r0

≤

(1.6)

8μ2
1+4μ2
∆𝒓

Bất đẳng thức trên giới hạn điều kiện quay phôi. Nếu (𝒓 )
𝟎

được định nghĩa như là
𝒎𝒂𝒙

sự giảm bán kính giới hạn:
∆𝑟
8𝜇 2
( )
=

𝑟0 𝑚𝑎𝑥 1 + 4𝜇 2

(1.7)

Trên thực tế hệ số biến dạng được sử dụng như một thông số quan trọng trong việc thiết
kế khuôn cán nêm ngang, hệ số này được định nghĩa như sau:
(1.8)
 = (S0 – S)/S0= 1- (r/r0)2
Hệ số biến dạng liên hệ với hệ số ma sát như

()max =

16μ2
(1+4μ2 )2

trong đó: S0, r0 - diện tích thiết diện ngang và bán kính ban đầu của phôi cán

(1.9)


9
S, r - diện tích thiết diện ngang và bán kính sản phẩm cán
Phương trình (1.9) là điều kiện ăn phôi vào khuôn cán, cho thấy lượng ép của phôi bị
giới hạn bởi hệ số ma sát. Trong trường hợp ngược lại, hiện tượng phôi không ăn vào trục hoặc
quá trình trượt cục bộ hay trượt toàn phần xảy ra trong suốt hành trình chuyển động của nêm cán
trên.
1.1.4. Trạng thái ứng suất và biến dạng
Nhiều nghiên cứu [2, 60, 61, 72] cho thấy, bản chất của quá trình cán ngang (cán với hai
trục tròn), cán nêm ngang (cán với hai bàn nêm phẳng) cũng như quá trình ép các thanh hình tròn
giữa hai tấm phẳng có bản chất như nhau. Vì vậy, để xem xét biến dạng người ta đã thay thế quá

trình cán nêm ngang bằng quá trình ép phôi hình trụ. Trong quá trình cán nói chung và quá trình
cán nêm ngang nói riêng, đối với các chi tiết đối xứng, trạng thái biến dạng phẳng sẽ xuất hiện
tại tiết diện giữa của phôi. Căn cứ vào sự liên hệ giữa ứng suất và biến dạng, với giả thiết trục
tung và trục hoành của hệ tọa độ là các trục chính thì ứng suất tại tiết diện ở giữa phôi theo
phương dọc trục bằng trung bình cộng của hai ứng suất còn lại. Trạng thái ứng suất và biến dạng
trong phôi phụ thuộc vào các điều kiện cán và bản chất vật liệu, có vai trò quyết định chất lượng
sản phẩm cán nêm ngang cũng như tuổi thọ của nêm, giá trị của thông số này cho phép tính lực
và mô men trong QTCNN.
Thông số hình học ảnh hưởng đến trạng thái ứng suất-biến dạng của kim loại trong QTCNN
là tỉ số m giữa chiều rộng vùng biến dạng b và chiều cao phôi h.
m = b/h

(1.10)

Quá trình cán ngang và CNN với lượng ép nhỏ so với kích thước tiết diện của phôi nên ảnh
hưởng của vùng cứng bên ngoài rất lớn. Đối với những trường hợp như vậy, bài toán tìm trạng
thái ứng suất và biến dạng được giải bằng phương pháp đường trượt. Nghiên cứu trong trường
hợp biến dạng phẳng làm cho bài toán đơn giản hơn khi giải bằng phương pháp đường trượt. Hệ
số trạng thái ứng suất, trong trường hợp này tính đến ảnh hưởng vùng ngoài tới ứng suất pháp bề
mặt phôi được biểu thị bằng tỷ số:
n = p/2k

(1.11)

trong đó: n - hệ số trạng thái ứng suất;
p - ứng suất trung bình trên bề mặt tiếp xúc;
k - hằng số dẻo của kim loại hoặc trở lực trượt.
Khi ép ngang phôi tròn đặc ở trạng thái dẻo bằng các tấm song song, cần phân biệt hai
trường hợp. Trường hợp thứ nhất, khi giá trị m không lớn, vùng biến dạng dẻo (vùng dẻo) không
thẩm thấu đến tâm phôi. Trường hợp thứ hai, khi giá trị m lớn, vùng dẻo thẩm thấu tới tâm phôi

và lan khắp chiều dày h.


10
1.1.5. Các thông số động lực học
Lực tổng hợp trong quá trình cán được phân tích thành ba thành phần theo ba trục tọa độ x,
y, z, trong đó PX -lực đẩy; PY -lực dọc trục; PZ -lực ép. Áp lực biến dạng toàn phần tương đương
với lực tổng hợp của các lực PX, PY, PZ.
 Lực đẩy phôi chuyển động trong quá trình cán xác định theo công thức sau:
⃗PC = ⃗PX + μP
⃗Z

(1.12)

trong đó: μ hệ số ma sát giữa phôi và khuôn nêm.
 Lực đẩy PX là thành phần dẫn động của khuôn theo phương nằm ngang
 РY là thành phần lực dọc trục tác dụng giữa khuôn và phôi, thông thường được triệt tiêu
bởi các phần khác nhau của khuôn và của phôi. Tùy thuộc vào kết cấu của khuôn, lực này
có thể kéo hoặc nén. Trong trường hợp lực này quá lớn gây nên ứng suất kéo trong tâm
phôi cán.
 Lực ép РZ là thành phần thẳng đứng của lực tổng hợp có giá trị bằng lực ép phôi theo hướng
qua tâm đảm bảo phôi biến dạng từ kích thước D0 xuống d.
1.2. Sản phẩm cán, phế phẩm và đặc điểm khuyết tật
Ngày nay, CNCNN được sử dụng rộng rãi để sản xuất các sản phẩm tròn xoay, các chi tiết có
hình dạng phức tạp như mặt tròn, mặt côn cầu với các rãnh và profile khác nhau (hình 1.4). Một số
sản phẩm đặc trưng của công nghệ này như trục răng cho các loại hộp số, mũi khoan, bulông,
chốt, vít ren tàu điện, đầu đạn, trục xe đạp... Vật liệu sử dụng để chế tạo các chi tiết bằng CNCNN
này rất đa dạng như: thép các bon, hợp kim trên nền đồng, titan, niken và các hợp kim nền zircon.

Hình 1.4. Một số sản phẩm của công nghệ cán nêm ngang [7].

1.2.1. Yêu cầu về chất lượng sản phẩm
Các điều kiện công nghệ đã nêu trên có ảnh hưởng rất lớn đến yêu cầu chất lượng sản
phẩm cán về cơ, lý tính, hình dạng hình học theo yêu cầu kỹ thuật của chi tiết. Sự biến dạng phức
tạp của phôi, sự tồn tại ma sát giữa phôi và nêm cán có ảnh hưởng rất lớn đến chất lượng sản


11
phẩm. Các vấn đề này đã tạo ra một thách thức không nhỏ khi nghiên cứu về chất lượng sản
phẩm, chúng tồn tại do bản chất của quá trình biến dạng lớn. Đó là sự biến dạng không ổn định
theo ba chiều của dòng chảy kim loại trong quá trình cán. Trên thực tế, chưa có một mô hình vật
lý nào có thể mô tả tổng hợp được các vấn đề quan trọng thường gặp phải khi nghiên cứu về
khuyết tật sản phẩm trong QTCNN. Dong Y [23] tổng kết ba vấn đề là: 1-Sự trượt ban đầu giữa
phôi và khuôn cán, sự trượt này ngăn cản sự quay của phôi gây nên những khuyết tật hình dạng
sản phẩm. 2- Phá hủy trong tâm phôi cán theo hiệu ứng rỗng tâm - hiệu ứng này được cho là do
sự hình thành và phát triển của lỗ trống và vết nứt trong tâm phôi. 3- Khuyết tật bề mặt sản phẩm
cán. Mọi nghiên cứu đều tập trung vào giải quyết ba vấn đề trên nhằm nâng cao chất lượng sản
phẩm của CNCNN.
1.2.2. Khuyết tật hình dạng
Một trong những dạng sai hỏng cơ bản thường gặp của công nghệ cán nêm ngang là sai
hỏng hình dạng hình học của chi tiết so với thiết kế ban đầu. Khuyết tật dạng này gồm các hiện
tượng méo mó, vặn xoắn chi tiết (hình 1.5). Nguyên nhân dẫn đến sai hỏng này là do phôi bị nén
mà không có biến dạng đủ lớn quanh trục, do sự trượt của phôi trên bề mặt tiếp xúc với nêm khi
lực ma sát giữa phôi và nêm không đủ lớn để phôi có thể quay ổn định. Nếu cặp lực gây nên biến
dạng phôi lớn hơn cặp lực tác động từ phía nêm cán do ma sát thì sự quay của phôi sẽ không xảy
ra, phôi sẽ bị trượt giữa hai bề mặt tiếp xúc với nêm. Sự trượt của phôi mà không có biến dạng
sẽ hình thành nên khuyết tật hình dạng. Khuyết tật này liên quan đến nêm cán với các thông số
hình học phức tạp. Vì vậy, khắc phục chúng bằng cách tính toán thiết kế tối ưu kích thước nêm.

a)

b)

Hình 1.5. Khuyết tật hình dạng sản phẩm
a) Khuyết tật hình dạng b) Sản phẩm không khuyết tật
Ma sát là một yếu tố ảnh hưởng trực tiếp đến sự hình thành khuyết tật dạng này. Việc xác
định ma sát giữa nêm cán và phôi tương đối phức tạp, bởi ma sát là một hàm số của các thông số
hình học của nêm, vật liệu chế tạo nêm cán và vật liệu phôi cũng như điều kiện tạo hình. Ma sát
nhỏ gây nên hiện tượng trượt của phôi trên bề mặt nêm. Các nghiên cứu về ảnh hưởng của hệ số
ma sát đến chất lượng sản phẩm đã được công bố trong một số công trình [21, 22, 27]. Sự trượt
trơn trong vùng cắt và vùng dẫn là nguyên nhân gây ra khuyết tật hình dạng sản phẩm, kết luận
này được Qiang Li [48] công bố năm 2004.


12
1.2.3. Khuyết tật bề mặt
Dạng khuyết tật cơ học thứ hai thường gặp phải trong quá trình cán nêm ngang là KTBM,
bao gồm các hiện tượng rãnh xoắn, nứt, ba via (hình 1.6).

Hình 1.6. Khuyết tật bề mặt sản phẩm cán nêm ngang
1) Khuyết tật ba via; 2) Khuyết tật bề mặt; 3)Rãnh xoắn; 4)Thắt; 5)Khuyết tật rỗng tâm
Mức độ biến dạng là thông số quyết định đến sự hình thành KTBM sản phẩm cán nêm
ngang. Các yếu tố ảnh hưởng đến sự biến dạng của phôi là các thông số hình học của nêm cán,
tốc độ biến dạng, nhiệt độ tạo hình và hệ số ma sát...Trong đó, biến dạng tương đương là thông
số ảnh hưởng lớn nhất đến sự hình thành khuyết tật dạng này, nó được biểu diễn theo công thức
(1.13) [48]. Ở đó, phân số thứ nhất biểu thị ảnh hưởng của góc áp lực , phân số thứ hai kể đến
ảnh hưởng của góc tạo hình , phân số thứ ba đặc trưng cho hệ số biến dạng của phôi cán. Bên
cạnh đó, phân số thứ ba còn liên hệ với biến dạng thể tích của phôi cán (hình 1.7).
𝛆eq =

2L′2

L′1
A0 − A1
. ′
′ .
d0 − d1 L − L1
A0

(1.13)

Khi góc áp lực tăng thì hệ số biến dạng tăng, điều này có nghĩa là diện tích tiếp xúc giữa
phôi và khuôn tăng nên khả năng biến dạng của phôi tăng. Khi góc tạo hình lớn, biến dạng dọc
trục lớn. Nếu phôi bị biến dạng quá lớn, xác suất xảy ra phá hủy vật liệu lớn và hiện tượng phá
hủy phôi thường có định hướng dọc trục.

Hình 1.7. Sản phẩm trục bậc
Vì vậy, xác định hệ số biến dạng tổng trong quá trình cán nêm ngang nhằm mục đích nghiên
cứu dự báo phá hủy phôi. Trên cơ sở thực hiện thí nghiệm với các thông hệ số biến dạng tổng
khác nhau, Qiang Li và các cộng sự [48] đã đưa ra kết luận rằng: nếu hệ số biến dạng tổng lớn
hơn 0,6 khuyết tật hình thành trong tâm phôi và hệ số này nhỏ hơn 0,6 sản phẩm an toàn.
Rãnh xoắn: hình thành là do một số nguyên nhân cơ bản sau: sự phát triển của các vết nứt
tồn tại gần bề mặt phôi; sự thay đổi diện tích tiếp xúc của phôi với các vùng trên nêm cán; sự
phát triển của các vết nứt và lỗ trống tồn tại trong phôi. Khi nghiên cứu về dạng khuyết tật này,


13
Pater Z [47] thấy rằng khuyết tật này hình thành khi ma sát giữa khuôn và phôi lớn. Cùng quan
tâm đến vấn đề đó, Thompson và Hawkyard [61] kết luận ma sát tiếp xúc giữa phôi và khuôn tạo
nên khuyết tật trên bề mặt phôi. Nhưng tác giả này lại cho rằng cần sử dụng ma sát lớn trong quá
trình tạo cán nhằm hạn chế khuyết tật bề mặt sản phẩm. Ông cũng đưa ra phương pháp tăng ma
sát tiếp xúc giữa phôi và nêm cán bằng cách tạo răng cưa lên bề mặt nêm cán. Phương pháp này

đã được hầu hết các công trình nghiên cứu sau này sử dụng khi tiến hành thực nghiệm với hệ số
ma sát lớn.
Nghiên cứu về khuyết tật bề mặt, Hu và các cộng sự [30] đã chỉ ra rằng: ứng suất khác
nhau tại các mặt cắt của phôi, sự giãn nở nhiệt không đồng đều trong các vùng vật liệu của phôi
và ứng suất kéo xuất hiện trong tâm phôi là những nguyên nhân gây ra loại khuyết tật rãnh xoắn.
Tác giả cho rằng, xuất hiện đồng thời với khuyết tật rãnh xoắn là khuyết tật thắt. Sự xuất hiện
của các rãnh xoắn song song làm mở rộng các vết nứt tồn tại trên bề mặt của phôi, khuyết tật này
tăng lên khi ma sát lớn [62].
Khuyết tật thắt: khuyết tật này hình thành khi vật liệu bị biến dạng lớn, khi có sự tồn tại
của lực đối xứng trục. Nếu lực này vượt quá giới hạn bền của vật liệu chế tạo phôi, khuyết tật
thắt bắt đầu xuất hiện ở vị trí phôi có đường kính nhỏ nhất (hình 1.8). Qiang Li [48] cho rằng:
khi hệ số biến dạng lớn ( > 0,7) hiện tượng phôi bị thắt bắt đầu xuất hiện. Nghiên cứu của tác
giả khác kết luận: loại khuyết tật này hình thành do sự tính toán các thông số hình học của nêm
cán chưa tối ưu (góc tạo hình nhỏ, góc áp lực lớn và góc nâng lớn) [45]. Schukin V.Y [52] khẳng
định lực dọc trục là nguyên nhân gây ra ứng suất kéo, nếu ứng suất này vượt quá giới hạn bền
của vật liệu thì KT thắt xuất hiện ở vị trí có đường kính nhỏ nhất của phôi cán.

b)

a)

Hình 1.8. Khuyết tật thắt của phôi cán nêm ngang
a) Khuyết tật thắt

b) Sản phẩm không khuyết tật

Ba via: khuyết tật này thường tồn tại trên bề mặt của các sản phẩm cán nêm ngang khi sử
dụng nêm cán với các cạnh sắc nhọn và góc tạo hình nhỏ. Đối với sản phẩm cán với hệ số biến
dạng lớn, xác suất hình thành ba via trên sản phẩm cán rất lớn [20].
Khuyết tật chùn: xảy ra với góc tạo hình nhỏ với nêm cán sắc nhọn, trong quá chuyển

động, phôi tiếp xúc với nêm, vật liệu có xu hướng bị gấp lại [21]. Khi phôi biến dạng được 70%,


14
hiện tượng chùn đầu xảy ra (hình 1.9). Ngoài ra, nguyên nhân của khuyết tật chùn do sự biến dạng
mãnh liệt dọc trục của phôi [32].

Hình 1.9. Khuyết tật hình dạng phôi cán nêm ngang
Từ những khuyết tật hình dạng thường gặp của sản phẩm cán nêm ngang đã phân tích cho
thấy: nguyên nhân hình thành chúng chủ yếu liên quan đến các thông số của nêm cán như: góc
tạo hình, góc áp lực, góc nâng và hệ số biến dạng. Để khắc phục các loại khuyết tật này, phải tối
ưu nhiệm vụ thiết kế nêm cán và lựa chọn hệ số ma sát hợp lý cho từng sản phẩm cụ thể. QiangLi và các cộng sự [48] đã nghiên cứu về ảnh hưởng của các thông số hình học của khuôn đến sự
hình thành khuyết tật sản phẩm trong QTCNN. Tác giả cho rằng, khuyết tật hình dạng tồn tại với
nguyên nhân chủ yếu là do sự trượt của phôi trên bề mặt khuôn. Lực tiếp tuyến và pháp tuyến
trên bề mặt tiếp xúc giữa nêm cán và phôi tạo thành các cặp lực trực đối. Nếu mô men của lực
tiếp tuyến trên phôi nhỏ hơn mô men của lực pháp tuyến thì biến dạng không xảy ra, phôi sẽ
trượt trên bề mặt nêm cán. Như vậy, áp lực tác động lên phôi mà không tạo ra biến dạng. Sự trượt
không mong muốn xảy ra trong giai đoạn đầu của quá trình cán là nguyên nhân dẫn đến sai lệch
hình dạng của sản phẩm.
Nghiên cứu về sai hỏng hình dạng được thực hiện bằng việc kết hợp nghiên cứu thực
nghiệm với mô phỏng số để đánh giá sự tác động của các yếu tố trên đến sai hỏng sản phẩm. Một
số nghiên cứu [18, 23, 40, 46, 54, 67, 71] đã sử dụng phương pháp này để nghiên cứu nguyên
nhân và biện pháp pháp khắc phục khuyết tật hình dạng của sản phẩm cán nêm ngang.
1.2.4. Khuyết tật rỗng tâm
Khuyết tật rỗng tâm hình thành trong QTCNN có nguyên nhân chủ yếu từ sự biến dạng
phức tạp của phôi: biến dạng kéo theo hướng trục, nén theo hướng kính và mở rộng theo hướng
ngang (xét theo từng mặt cắt ngang). Bên cạnh đó, mức độ biến dạng thay đổi theo từng vùng
hình học của khuôn nêm (vùng cắt, vũng dẫn, vùng tạo hình và vùng định kích thước) cũng là
nguyên nhân gây nên KT trong tâm phôi. Ở vùng cắt, phôi bị biến dạng chủ yếu theo hướng kính,
đến vùng dẫn biến dạng dọc trục bắt đầu xảy ra nhưng với một lượng nhỏ, tiếp đến vùng tạo hình

biến dạng lớn xảy ra theo tất cả các phương tạo nên hình dạng sản phẩm theo yêu cầu thiết kế.
Trong vùng định kích thước, phôi biến dạng với một lượng rất nhỏ chủ yếu có tác dụng tinh chỉnh


15
hình dạng sản phẩm. Sự biến dạng không đều của phôi khi đi qua các vùng của nêm cán là nguyên
nhân gây nên vết nứt và lỗ trống bên trong vật liệu. Đây có thể coi là quá trình tạo mầm lỗ xốp
vi mô gây nên phá hủy vật liệu.
Năm 1885, Mannesmann [30] phát hiện ra sự hình thành các lỗ trống và vết nứt trong khi
rèn các chi tiết hình trụ. Từ hiện tượng độc đáo này, tác giả tiến hành nghiên cứu bằng thực
nghiệm cán các chi tiết hình trụ để thiết lập điều kiện hình thành lỗ trống và vết nứt trong phôi
khi cán ngang. Tác giả kết luận rằng quá trình biến dạng dẻo của phôi rất phức tạp do sự kết hợp
của việc nén theo hướng kính, mở rộng theo hướng trục và nén hướng ngang diễn ra đồng thời
để đạt được hình dạng của chi tiết cuối cùng. Giá trị độ lớn của các thành phần biến dạng dẻo
theo các hướng phụ thuộc vào hình dạng của nêm cán và hệ số biến dạng của các chi tiết gia
công. Sau thí nghiệm, Mannesmann quan sát bằng kính hiển vi điện tử, tác giả phát hiện ra những
lỗ trống không liên tục xuất hiện trong tổ chức của vật liệu. Với những mẫu thí nghiệm có lỗ
trống tồn tại thì độ bền của vật liệu giảm đi nhiều. Các nghiên cứu được tiếp tục những mẫu thí
nghiệm có nhiều lỗ trống và vết nứt hơn. Tác giả nhận thấy khi mật độ lỗ trống và vết nứt lớn
đến một giá trị nào đó, vật liệu coi như bị phá hủy và loại bỏ. Tác giả cho rằng, nếu các thông số
công nghệ không được tính toán tối ưu thì những lỗ trống, vết nứt sẽ phát triển trong suốt quá
trình cán.
Cùng nghiên cứu về vấn đề này, Hu ZH và các cộng sự [30] cho rằng vết nứt và lỗ trống
định hướng dọc theo tâm phôi; Tselikov AI [60] đưa ra kết luận sau khi nghiên cứu quá trình cán
phôi hình trụ rằng khuyết tật rỗng tâm hình vành khuyên định hướng theo hướng kính của phôi;
Siminov [39] nghiên cứu sự hình thành khuyết tật khi cán những thanh thép hình trụ lại cho rằng
sự hình thành khuyết tật cấu trúc bên trong sản phẩm cán là do sự kết hợp giữa ứng suất tiếp (chủ
yếu) và ứng suất kéo (thứ yếu) trên phôi, tác giả cho rằng khuyết tật trong tâm phôi phát triển
nhanh do ứng suất nén và ứng suất kéo, ứng suất này được sinh ra do tải trọng chu kỳ sau khi
phôi quay.

Teterin PK, Liuzin JF [58] cho rằng biến dạng dẻo mãnh liệt xảy ra trong tâm phôi dẫn đến
phá hủy tâm phôi. Ngược lại, Tselikov [60] cho rằng phá hủy tâm phôi là do sự tích lũy ứng suất
kéo trong quá trình biến dạng của phôi, tác giả tìm ra ứng suất kéo ở trong tâm phôi tăng lên cùng
với sự tăng số vòng quay của phôi. Danno và Awano [20] tiếp tục nghiên cứu sâu hơn về vấn đề
này, các tác giả nghiên cứu sự tăng kích thước lỗ trống trong tâm phôi do phôi quay và khẳng
định rằng lỗ trống lớn lên là do ứng suất kéo và biến dạng trượt tập trung tại tâm phôi.
Một số công bố [26, 59] phân tích sự hình thành lỗ trống và vết nứt trong tâm phôi cán sử
dụng lý thuyết trường đường trượt. Tselikov [60] đề xuất phương pháp gần đúng để tính toán giá
trị ứng suất kéo lớn nhất tại tâm của phôi bằng biến dạng phẳng với các mặt cắt ngang của phôi.
Các thí nghiệm được thực hiện trên máy cán ngang hai trục. Thông số thu được quy đổi tương
đương sang hai chiều với tính toán trên mặt phẳng ứng suất biến dạng sử dụng lý thuyết trường
đường trượt. Với phương pháp tiếp cận tương tự, Hayama H [28] cũng sử dụng phương pháp này