Mô phỏng số quá trình cán vành tạo hình cho chi tiết vòng bi

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
---------------------------------------

ĐỖ QUANG LONG

MÔ PHỎNG SỐ QUÁ TRÌNH CÁN VÀNH TẠO HÌNH CHO CHI TIẾT
VÒNG BI

Chuyên ngành: KHOA HỌC VÀ KỸ THUẬT VẬT LIỆU KIM LOẠI

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
KỸ THUẬT VẬT LIỆU

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. LÊ THÁI HÙNG

Hà Nội – 2011

1


MỤC LỤC

 
LỜI CAM ĐOAN ................................................................................................................. 5 
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ CÁI VIẾT TẮT ...................................................... 6 
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ ............................................................................. 8 
LỜI NÓI ĐẦU .................................................................................................................... 10 
CHƯƠNG 1 ........................................................................................................................ 13 
TỔNG QUAN CÁC PHƯƠNG PHÁP TẠO HÌNH SẢN PHẨM VÀNH .................... 13 
1.1 

Giới thiệu về các phương pháp tạo hình chi tiết dạng vành .................................. 13 

1.1.1 Phương pháp đúc ................................................................................................ 13 
1.1.2 Phương pháp dập ................................................................................................ 14 
1.1.3 Phương pháp rèn ................................................................................................. 15 
1.1.4 Phương pháp gia công cắt gọt ............................................................................. 16 
1.1.5 Phương pháp ép chảy .......................................................................................... 17 
1.1.6 Công nghệ cán vành ............................................................................................ 18 
1.2 

Một số công trình nghiên cứu về cán vành ........................................................... 19 

1.3 

Sản phẩm của cán vành và ứng dụng .................................................................... 23 

1.4 

Kết luận ................................................................................................................. 23 

CHƯƠNG 2 ........................................................................................................................ 25 
CƠ SỞ QUÁ TRÌNH CÁN VÀNH ................................................................................... 25 
2.1 

Nguyên lý cán vành ............................................................................................... 25 

2.2 

Các thông số cơ bản trong cán vành ..................................................................... 26 

2.2.1 Góc ăn kim loại vào trục cán ........................................................................... 26 
2.2.2 Chiều dài vùng biến dạng ................................................................................ 27 
2.2.3. Lượng ép ......................................................................................................... 28 

2


2.2.4. Áp lực cán ....................................................................................................... 30 
2.3 

Quy trình công nghệ .............................................................................................. 33 

2.4 

Mô tả công nghệ .................................................................................................... 34 

2.4.1 

Trục dẫn động ................................................................................................ 35 

2.4.2 

Trục áp lực ..................................................................................................... 35 

2.4.3 

Cặp trục hướng tâm ....................................................................................... 35 

2.4.4 

Phôi ................................................................................................................ 35 

2.5 

Phân loại ................................................................................................................ 35 

2.5.1 

Phân loại theo giá cán .................................................................................... 36 

2.5.2 

Phân loại theo nhiệt độ cán ............................................................................ 37 

2.5.3 

Phân loại theo qúa trình giãn rộng ................................................................. 39 

2.6 

Kết luận ................................................................................................................. 39 

CHƯƠNG 3 ........................................................................................................................ 40 
CƠ SỞ BIẾN DẠNG TẠO HÌNH VÀ MÔ HÌNH ỨNG XỬ VẬT LIỆU .................... 40 
3.1 

Một số khái niệm sử dụng trong mô hình vật liệu ................................................ 40 

3.1.1 

Ứng suất tương đương ................................................................................... 40 

3.1.2 

Biến dạng tương đương ................................................................................. 40 

3.1.3 

Điều kiện dẻo ................................................................................................. 41 

3.2 

Ảnh hưởng của một số thông số công nghệ đến quá trình cán vành nóng............ 43 

3.2.1 

Ảnh hưởng của ma sát ................................................................................... 43 

3.2.2 

Ảnh hưởng của nhiệt độ ................................................................................. 45 

3.2.3 

Ảnh hưởng của tốc độ biến dạng ................................................................... 46 

3.3 

Giới thiệu mô hình ứng xử cơ-nhiệt ứng dụng trong bài toán biến dạng nóng ..... 47 

3.4 

Kết luận ................................................................................................................. 56 

CHƯƠNG 4 ........................................................................................................................ 57 
ỨNG DỤNG PHẦN MỀM DEFORM3D ........................................................................ 57 

3


MÔ PHỎNG SỐ TỐI ƯU BÀI TOÁN CÁN VÒNG BI................................................. 57 
4.1 

Mục đích và vai trò của mô phỏng số ................................................................... 57 

4.2 

Giới thiệu phần mềm DEFORM3D ...................................................................... 60 

4.2.1 

Thuật toán của phần mềm .............................................................................. 60 

4.2.2 

Modun cán vành (Ring rolling) ..................................................................... 60 

4.3 

Áp dụng cho bài toán cán vòng bi cầu tự lựa một dãy .......................................... 63 

4.3.1 

Mô hình hình học ........................................................................................... 63 

4.3.2 

Mô hình vật liệu (Johnson-Cook) .................................................................. 64 

4.3.3 

Chia lưới phần tử ........................................................................................... 67 

4.3.4 

Các điều kiện biên.......................................................................................... 68 

4.4 

Kết luận ................................................................................................................. 68 

CHƯƠNG 5 ........................................................................................................................ 69 
PHÂN TÍCH KẾT QUẢ BÀI TOÁN CÁN VÒNG BI ................................................... 69 
5.1 

Đường cong quan hệ giữa ứng suất và biến dạng nhận được ............................... 69 

5.2 

Ảnh hưởng của ma sát ........................................................................................... 72 

5.3 

Ảnh hưởng của vận tốc quay................................................................................. 73 

5.4 

Ảnh hưởng của nhiệt độ ........................................................................................ 75 

5.5 

Ảnh hưởng của tốc độ ép ...................................................................................... 77 

5.6 

Kết luận ................................................................................................................. 78 

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ........................................................................................... 79 
TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................................. 80 
PHỤ LỤC............................................................................................................................ 84 

4


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu luận văn khoa học của tôi. Các số
liệu, kết quả nghiên cứu trong luận văn này là trung thực và chưa từng được ai công
bố trong bất kỳ công trình nghiên cứu nào trước đây.

Tác giả luận văn

Đỗ Quang Long

5


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ CÁI VIẾT TẮT

Ký hiệu
JC

Tên
Johnson – Cook

Thứ nguyên
-

SCGL

Steinberg – Cochran – Guinan – Lund

-

ZA

Zerilli – Armstrong

-

MTS

Mechanical Threshold Stress

-

PTN

Preston – Tonks – Wallace

-

n1

Tốc độ quay của trục ngoài

r.min-1

vf

Tốc độ tịnh tiến của trục trong

mm.s-1

na

Tốc độ quay của trục hướng tâm

r.min-1

vw

Tốc độ tịnh tiến của trục hướng tâm

mm.s-1

α1

Góc ăn phôi vào trục dẫn động

rad

α2

Góc ăn phôi vào trục áp lực

rad

∆h1

Lượng ép gây ra bởi trục dẫn động

mm

∆h2

Lượng ép gây ra bởi trục áp lực

mm

R1

Bán kính trục dẫn động

mm

R2

Bán kính trục áp lực

mm

Rn

Bán kính ngoài của phôi

mm

rt

Bán kính trong của phôi

mm

R

Bán kính ngoài của sản phẩm

mm

r

Bán kính trong của sản phẩm

mm

f

Hệ số ma sát

l1

Chiều dài vùng bd gây ra bởi trục dẫn động

mm

l2

Chiều dài vùng bd gây ra bởi trục áp lực

mm

σ

Ứng suất tương đương

ε

Biến dạng tương đương

-

6

MPa
mm/mm


DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 2.1 - Các vùng nhiệt độ cho một số kim loại điển hình
Bảng 3.1 - Một số hệ số ma sát trong tạo hình khi dùng ma sát trượt
Bảng 4.1 - Hệ số của mô hình Jonhson-Cook

7


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Hình 1.1- Mô tả công nghệ đúc chế tạo chi tiết dạng vành
Hình 1.2 - Mô tả công nghệ dập chế tạo chi tiết dạng vành
Hình 1.3 - Mô tả công nghệ rèn chế tạo chi tiết dạng vành
Hình 1.4 - Mô tả công nghệ gia công cắt gọt chế tạo chi tiết dạng vành
Hình 1.5 - Mô tả công nghệ ép chảy chế tạo chi tiết dạng vành
Hình 1.6 - Mô tả nguyên lý cán vành
Hình 1.7 - Các chi tiết dạng vành có kích thước lớn
Hình 2.1 - Nguyên lý cán vành
Hình 2.2 - Mô hình tính toán góc ăn trong cán vành
Hình 2.3 - Mô hình tính toán chiều dài vùng biến dạng
Hình 2.4 - Mô hình tính toán cơ học của cán vành

Hình 2.5 - Mô hình tính toán lực và mô men cán vành (cán nguội)
Hình 2.6 - Điều kiện cân bằng của phân tố abcd
Hình 2.7 - Quy trình công nghệ cán vành
Hình 2.8- Thiết bị cán vành
Hình 2.9 - Giá cán trục nằm
Hình 2.10 - Giá cán trục đứng và sản phẩm
Hình 2.11 - Máy cán lỗ hình kín (a) và máy cán lỗ hình hở
Hình 4.1 - Quy trình thực hiện mô phỏng số
Hình 4.2 - Quá trình tối ưu hóa công nghệ nhờ mô phỏng số
Hình 4.3 - Những ưu điểm của mô phỏng
Hình 4.4 - Giao diện Mođun cán vành (Ring rolling)
Hình 4.5 - Các bước thực hiện bài toán cán vành
Hình 4.6 - Hình học sản phẩm (a) và phôi (b)
Hình 4.7 - Hình học khuôn trong và ngoài
Hình 4.8 - Ứng xử của vật liệu AISI4340 với các tốc độ biến dạng khác nhau
Hình 4.9 - Đồ thị xác định hằng số A, B và n

8


Hình 4.10 - Đồ thị xác định hằng số C
Hình 4.11 - Lưới phần tử của phôi và trụ
Hình 5.1 - Đường cong ứng suất biến dạng nhận được khi cán vành vòng bi, với f =
0.7, ω = 20 rad/s, v = 1mm/s và T0=10000C
Hình 5.2 - Phân bố biến dạng và nhiệt độ trên vành tròn
Hình 5.3 - Phân bố biến dạng tương đương theo quá trình cán tại vị trí P1, P2 và
P3
Hình 5.4 - Phân bố ứng suất nhận được tại mặt cắt theo chiều cao của phôi
Hình 5.5 - Phân bố ứng suất nhận được tại mặt cắt theo chiều dày của phôi
Hình 5.6 - Mức độ biến dạng nhận được khi thay đổi hệ số ma sát f = 0.3, 0.5, 0.7

tại T0=10000C và v = 1 mm/s
Hình 5.7 - Biến dạng tương đương lớn nhất phụ thuộc vào tốc độ quay của trục
quay ω = 20, 30, 50 rad/s tại T0 =10000C, f=0.7 và v = 1 mm/s
Hình 5.8 - Biến dạng tương đương lớn nhất phụ thuộc vào tốc độ quay của trục
quay ω = 20, 30, 50 rad/s tại T0 =10000C, f=0.7 và v = 1 mm/s
Hình 5.9 - Ảnh hưởng của nhiệt độ
Hình 5.10 - Nhiệt độ kết thúc cán tương ứng với nhiệt độ phôi ban đầu với T0 =
900, 1000 và 11000C, f=0.7 và v = 1 mm/s
Hình 5.11 - Quá trình tăng nhiệt theo chiều cao phôi (a), chiều dày phôi (b) theo 3
vị trí P1, P2 và P3
Hình 5.12 - Ảnh hưởng của tốc độ trục ép v=1 và 2mm/s tại T0 =10000C, f=0.7 và

ω = 20 rad/s

9


LỜI NÓI ĐẦU
Tạo hình các chi tiết dạng vành ở nước ta cũng đã được các nhà chuyên môn quan
tâm nghiên cứu nhưng chủ yếu sử dụng các phương pháp truyền thống như đúc,
tiện, phay … Tuy nhiên các phương pháp này còn có nhiều điểm hạn chế về cơ tính.
Các chi tiết sau khi đúc, tiện phải có một chế độ xử lý cơ nhiệt phù hợp mới có
được những tính chất mong muốn.
Các chi tiết dạng vành có kích thước đường kính lớn như bánh răng, vòng bi, bạc
lót, vòng đai... đòi hỏi phải chịu được điều kiện làm việc ngặt nghèo, có rất nhiều
trong các thiết bị máy móc cỡ lớn thuộc các lĩnh vực công nghiệp nặng như đóng
tàu, khai thác khoáng sản, sản xuất xi măng, quốc phòng, luyện và cán thép.
Để sản xuất những chi tiết dạng vành tròn có kích thước lớn này, chỉ có thể áp dụng
được phương pháp đúc, tuy nhiên nhược điểm cơ tính thấp khiến cho phương pháp
này ít được sử dụng để chế tạo.

Nhằm khắc phục những nhược điểm của các phương pháp gia công truyền thống
trong việc sản xuất các chi tiết vành cỡ lớn, nhiều nhà kỹ thuật trên thế giới đã
nghiên cứu và phát triển một phương pháp công nghệ mới đó là “cán vành” cho
phép nâng cao năng suất, chất lượng, dễ dàng đa dạng hóa sản phẩm trên cùng một
thiết bị và phù hợp với mọi loạt sản xuất từ nhỏ đến lớn.
Cán vành là phương pháp tạo hình các chi tiết dạng vành trụ bằng cách làm giảm
chiều dày và tăng đường kính từ phôi hình trụ rỗng. Trên cơ sở tiết diện phôi bị nén
theo hướng kính tạo ứng suất kéo theo phương tiếp tuyến để làm tăng đường kính
sản phẩm.
Phương pháp cán vành làm tăng cơ tính của chi tiết nhờ tổ chức thớ của kim loại
theo phương tiếp tuyến của vành tròn. Ngoài ra, các chi tiết nhận được từ phương
pháp này có thể đạt được kích thước và khối lượng lớn, khả năng tự động hóa cao,
thiết bị không quá phức tạp, tiết kiệm vật liệu, thời gian chế tạo ngắn nên năng suất
rất cao.

10


Trước kia do nhu cầu thực tế còn thấp, mặt khác do điều kiện hạn chế về thiết bị
nên việc đi sâu vào lĩnh vực này chưa được chú trọng đầu tư đúng mức. Hơn nữa,
việc nghiên cứu ứng xử cơ nhiệt, tối ưu công nghệ này chưa được quan tâm đầy đủ.
Đối với chi tiết vòng bi làm việc trong điều kiện khắc nghiệt vừa phải đảm bảo khả
năng chịu mài mòn, độ dẻo dai cao, đôi khi còn chịu cả nhiệt độ cao nên để đưa ra
được các thông số công nghệ tối ưu là rất cần thiết.
Với những ưu điểm nổi trội của công nghệ cán vành và hiện nay chưa có công trình
nghiên cứu nào về cán vành ở Việt Nam, chính vì vậy tác giả đã lựa chọn đề tài:
“Mô phỏng số quá trình cán vành tạo hình cho chi tiết vòng bi” nhằm làm chủ và
tối ưu công nghệ cán vành chi tiết vòng bi bằng mô phỏng số.
Luận văn được trình bày thành 5 chương. Chương 1 giới thiệu tổng quan các
phương pháp tạo hình sản phẩm dạng vành qua đó cho thấy vai trò và ý nghĩa khi

ứng dụng công nghệ cán vành. Chương 2 trình bày cơ sở quá trình cán vành từ
nguyên lý, các thông số chính, qui trình công nghệ và phân loại quá trình cán vành.
Giới thiệu các mô hình vật liệu dẻo nhớt trong quá trình tạo hình nóng và ứng dụng
mô hình cứng dẻo nhớt của Jonhson-Cook được trình bày trong chương 3. Chương
4 ứng dụng phần mềm DEFORM3D để mô phỏng tối ưu bài toán cán vành vòng bi
tang trống tự lựa một dãy. Cuối cùng trong chương 5 đã đưa ra phân tích các kết
quả qua đó làm rõ ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến quá trình tạo hình chi
tiết vòng bi.

11


LỜI CẢM ƠN

Tác giả xin chân thành cảm ơn tới TS Lê Thái Hùng đã trực tiếp hướng dẫn,
tận tình chỉ bảo, giúp đỡ tôi trong suốt quá trình thực hiện luận văn này.
Tác giả xin chân thành cảm ơn tới sự giúp đỡ tạo điều kiện thuận lợi của các
thầy cô Viện Khoa học và kỹ thuật vật liệu Đại học Bách Khoa Hà Nội trong quá
trình học tập.
Tác giả xin chân thành cảm ơn tới sự giúp đỡ tạo điều kiện thuận lợi của các
cán bộ Bộ môn Cơ học vật liệu và cán kim loại, PTN Công nghệ vật liệu kim loại,
Đại học Bách Khoa Hà Nội trong quá trình học tập và thực nghiệm để hoàn thành
luận văn.
Tác giả

Đỗ Quang Long

12

CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN CÁC PHƯƠNG PHÁP TẠO HÌNH SẢN PHẨM VÀNH
1.1

Giới thiệu về các phương pháp tạo hình chi tiết dạng vành

Để chế tạo các chi tiết dạng vành có thể áp dụng nhiều biện pháp công nghệ như
đúc, dập, rèn, gia công cắt gọt, ép chảy, cán vành. Dưới đây sẽ giới thiệu nguyên lý
và ưu nhược điểm của các công nghệ này.
1.1.1 Phương pháp đúc

Hình 1.1- Mô tả công nghệ đúc chế tạo chi tiết dạng vành
Nguyên lý:
Đúc là một phương pháp chế tạo chi tiết bằng cách rót kim loại lỏng vào khuôn đúc
như mô tả trong hình 1.1. Hình dáng của lòng khuôn giống hình dáng của chi tiết
cần chế tạo. Kim loại đông đặc và hình thành vật đúc.
Ưu nhược điểm:
Ưu điểm:
-

Khuôn dễ chế tạo, có thể sử dụng được nhiều lần.
Có thể xác định thành phần thông qua phối liệu.

Nhược điểm:
-

Độ bền khuôn hạn chế khi đúc thép.
Khó đúc những chi tiết thành mỏng và biên dạng phức tạp.
Sản phẩm chứa nhiều ứng suất dư, chứa nhiều rỗ khí
Khó tự động hóa, chi phí sản xuất lớn

13


Nhận xét:
Phương pháp này có thể chế tạo được hầu hết các chi tiết tuy nhiên độ phức tạp của
việc làm khuôn tăng theo độ phức tạp của chi tiết. Các chi tiết có yêu cầu cao về cơ
lý tính thì đúc khó có thể đáp ứng được yêu cầu do đặc thù của công nghệ.
1.1.2 Phương pháp dập
Chày

Phôi
Cối
Sản phẩm

a)
b)
Hình 1.2 - Mô tả công nghệ dập chế tạo chi tiết dạng vành bánh răng

Nguyên lý:
Dưới tác dụng của chày ép, phôi bị biến dạng, điền đầy vào lòng khuôn để tạo ra chi
tiết có hình dạng và kích thước theo yêu cầu. Trên hình 1.2 a) mô tả nguyên lý dập
chi tiết dạng vành và trên hình 1.2 b) là sản phẩm bánh răng nhận được sau quá
trình dập.
Ưu nhược điểm:
Ưu điểm:
-

Tiết kiệm được nhiều kim loại, nhất là trong sản xuất hàng loạt lớn.
Năng suất lao động cao do có thể cơ khí hóa và tự động hóa quá trình

sản xuất.
Có thể tạo được các chi tiết kích thước từ rất nhỏ đến những chi tiết
có kích thước lớn.

Nhược điểm:
-

Chất lượng bề mặt chi tiết thấp, độ chính xác không cao.

14


-

Không thể tạo được những chi tiết có hình dạng và kết cấu phức tạp.
Dập tạo hình khối thường phải sử dụng các thiết bị lớn đắt tiền do vậy
chỉ thích hợp với sản xuất hàng loạt lớn.

Nhận xét:
Có thể chế tạo được nhiều chi tiết nhưng với những chi tiết càng lớn thì càng khó
thực hiện. Công nghệ dập hầu hết chỉ áp dụng cho những chi tiết mỏng, số lượng
lớn. Với những chi tiết dạng vành cỡ lớn, phương pháp này gần như là không khả
thi.
1.1.3 Phương pháp rèn

Hình 1.3 - Mô tả công nghệ rèn chế tạo chi tiết dạng vành
Nguyên lý:
Rèn là phương pháp biến dạng khối với lực động hoặc tĩnh để tạo ra sản phẩm. Trên
hình 1.3 mô tả quá trình rèn để chế tạo chi tiết dạng vành.

Ưu nhược điểm:
Ưu điểm:
-

Chất lượng sản phẩm tốt do có quá trình làm nhỏ hạt và biến dạng.
Thiết bị và dụng cụ rèn đơn giản.

Nhược điểm:

15


-

Độ chính xác, độ bóng bề mặt chi tiết không cao.
Năng suất thấp.
Chất lượng sản phẩm phụ thuộc nhiều vào tay nghề công nhân.

Nhận xét:
Là một phương pháp khá thủ công, có thể áp dụng được cho những chi tiết lớn tuy
nhiên phương pháp này cho độ chính xác không cao. Với những chi tiết lớn, thiết bị
là một vấn đề vô cùng nan giải.
1.1.4 Phương pháp gia công cắt gọt

Hình 1.4 - Mô tả công nghệ gia công cắt gọt chế tạo chi tiết dạng vành
Nguyên lý:
Dùng các thiết bị chuyên dụng như máy tiện, phay để cắt gọt phôi tới khi tạo thành
sản phẩm. Trên hình 1.4 là mô tả công nghệ tiện và phay chi tiết dạng vành.
Ưu nhược điểm:
Ưu điểm:

-

Gia công chế tạo một cách chính xác.
Bề mặt sản phẩm tốt.
Có thể tự động hóa, sản xuất hàng loạt

Nhược điểm:
-

Chất lượng sản phẩm phụ thuộc nhiều vào chất lượng của phôi.
Sản phẩm có kích thước lớn khó gia công.

Nhận xét:

16


Với trình độ cơ khí hiện nay, phương pháp này có thể sản xuất được hàng loạt
những chi tiết với độ phức tạp cao. Để chế tạo các chi tiết vành cỡ lớn, phương pháp
này gây tốn kém, mất nhiều thời gian, chi phí công nghệ cao và đòi hỏi phải có các
thiết bị lớn, Với chi tiết vành có tiết diện ngang phức tạp thì phương pháp cắt gọt
nhiều khi không hiệu quả.
1.1.5 Phương pháp ép chảy

1. Ống đẩy

4. Trục tâm

2. Vòng đệm

5. Thân khuôn

3. Áo khuôn

6. Ống thành phẩm

Hình 1.5 - Mô tả công nghệ ép chảy chế tạo chi tiết dạng vành
Nguyên lý:
Là quá trình ép phôi rỗng chảy qua khe hở vành khuyên giữa trục tâm và cối. Ống
sau khi nhận được có thể cắt thành các vành tròn có chiều dài khác nhau. Trên hình
1.5 mô tả công nghệ ép chảy chế tạo chi tiết dạng vành bằng cách đùn ép kim loại
đã nung nóng qua lỗ hình của khuôn ép thông qua chày ép.
Ưu nhược điểm:
Ưu điểm:
-

Độ chính xác cao.
Cơ tính cao, năng suất cao
Nhờ nén khối, kim loại dẻo hơn

Nhược điểm:

17


-

Áp lực đơn vị cao cho nên lực tác dụng lên dụng cụ lớn, tiêu hao năng
lượng lớn.
Khuôn bị hao mòn nhanh.

Lượng kim loại hao phí lớn.

Nhận xét:
Phương pháp này chỉ áp dụng cho những chi tiết có kích thước nhỏ. Chi tiết lớn đòi
hỏi khuôn phải lớn, lực ép rất lớn nên đặc biệt khó khăn về thiết bị.
1.1.6 Công nghệ cán vành
Trục quay
chính

Trục ép tạo hình

Phôi

Trục dẫn đỡ

Hình 1.6 - Mô tả nguyên lý cán vành
Nguyên lý:
Trên hình 1.6 mô tả nguyên lý và các thành phần chính của cán vành. Phôi bị biến
dạng và quay được nhờ mát sát dưới tác động của hai trục cán quay là trục ép tạo
hình và trục quay chính, ngoài ra còn hai trục dẫn đỡ để giới hạn chiều cao và đỡ
cho phôi cán ổn định. Tiết diện sản phẩm nhận được nhờ hình dạng của trục cán.
Ưu nhược điểm:
Ưu điểm:
-

Cơ tính tốt: Phương pháp cán vành làm tăng cơ tính của chi tiết nhờ tổ
chức thớ của kim loại theo phương tiếp tuyến của vành tròn.

18

-

Đa dạng về chủng loại sản phẩm: có rất nhiều kiểu dáng mẫu mã, từ
các loại tiết diện đơn giản đến phức tạp.
Ứng dụng rộng rãi: trong các ngành cơ khí ô tô, hàng không vũ trụ.

Nhược điểm:
-

1.2

Khó chế tạo được những sản phẩm nhỏ: nếu đường kính trong của sản
phẩm nhỏ sẽ làm cho đường kính trục trong nhỏ, trục không đảm bảo
độ bền trong quá trình làm việc.
Giới hạn chiều dài sản phẩm.

Một số công trình nghiên cứu về cán vành

Cán vành là một trong những phần quan trọng nhất của lĩnh vực tạo hình kim loại từ
thế kỷ thứ 18. Công nghệ cán vành được phát minh tại Anh cho sản phẩm bánh xe
lửa. Sau đó, công nghệ sản xuất vòng không hàn này được áp dụng cho sản xuất
vòng bi [15]. Mặc dù vậy các cơ chế của cán vành rất ít được nghiên cứu so với các
quá trình khác như là cán băng, tấm.
Kỹ thuật của quá trình là việc ép vòng theo hướng kính bằng cách giảm khoảng
cách giữa hai trục như trong hình 1.6. Thêm hai trục đó là trục dẫn hướng và trục
hướng tâm. Trục dẫn hướng kiểm soát chu trình và trục hướng tâm kiểm soát khối
lượng của vòng trong suốt quá trình cán [16].
Công trình xuất bản đầu tiên cho cán vành được thực hiện bởi Johnson et al. [1-3],
sau đó có rất nhà nghiên cứu đã quan tâm tới lĩnh vực này. Nhiều thí nghiệm đã

được thực hiện để đo lực và momen trong suốt quá trình cán, sử dụng các mẫu
nhôm mềm và thép cán. Một vài phân tích đã được giới thiệu như là lực cán, ranh
giới (biên) trên và phân tích giãn rộng vành các phân tích này được so sánh với kết
quả thực nghiệm.
Alfozan và Gunesakara [20] nói về những quá trình thuận lợi trong quá trình cán;
đó là chất lượng đồng đều, bề mặt hoàn thiện bóng, dung sai nhỏ, thời gian cho ra
sản phẩm ngắn và lượng vật liệu hao hụt tương đối nhỏ.

19


Wen et al. [17] chỉ ra sự tương đương giữa quá trình cán và cán vành là cả hai đều
phải đi qua giữa của cặp trục cán. Trong khi cán phẳng có nhiều cặp trục và phải
nhiều lần qua, công nghệ cán vành chỉ có duy nhất một cặp trục.
Yang et al, [4], đã nghiên cứu cán vành với tiết diện không phải là hình chữ nhật, sử
dụng kỹ thuật phần tử biên trên cho biên dạng mặt cắt của vành chữ I. Momen cán
được tính toán cho các điều kiện quá trình khác nhau và được đánh giá bởi kết quả
thí nghiệm.
Joun et al, [6] đã tìm ra một phương pháp mới để dự báo biến dạng trong vành. Họ
giả thiết dòng chảy biến dạng dẻo của vật liệu trong vành là không đối xứng. Do đó
quá trình cán vành được xem như quá trình rèn nhiều bước. Các biến số như vận tốc
của dụng cụ và của vật liệu được đưa vào công thức bởi phương pháp phần tử hữu
hạn. Vận tốc dụng cụ chưa biết được xác định bởi yếu tố ứng suất chu vi trên diện
tích mặt cắt ngang vành.
Gengusamy et al. [l0], giới thiệu một phương pháp cho mô phỏng quá trình cán
vành sử dụng công thức kinh nghiệm. Công thức sử dụng giải thích các dàng buộc
quá trình khác nhau trong quá trình cán vành. Mô hình toán và vật liệu sử dụng
trong phương pháp kinh nghiệm chỉ ra tỷ lệ của phôi nhằm ổn định vật liệu trong
suốt quá trình biến dạng, phôi không bị phá hủy hư hại cho tới khi tạo ra sản phẩm.
Sun Zhi-chao et al, [7] đã sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn nghiên cứu ứng xử

cơ nhiệt trong quá trình cán nóng vành. Nghiên cứu cho thấy biến dạng không đồng
nhất của vành tăng với sự tăng của tốc độ quay của trục và hệ số ma sát hoặc giảm
với tốc độ tịnh tiến của trục ép và nhiệt độ ban đầu của phôi. Nhiệt độ không đồng
nhất của phôi giảm với sự tăng của tốc độ tịnh tiến của trục ép hoặc giảm với nhiệt
độ của phôi và hệ số ma sát.
Youngsoo Yea et al, [8], cũng sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn với mô hình
cứng dẻo nhớt để nghiên cứu dự báo giãn rộng, và phân chia áp suất và áp lực cán
trong mặt phẳng và quá trình cán vành chữ T. Kết quả này đã được so sánh với thực

20


nghiệm có sự tương hợp tốt. Nghiên cứu này có thể sử dụng trong thiết kế và phân
tích sản phẩm vành và các thiết bị cán vành.
Song et al. [19] mô tả công nghệ cán vành như là biến dạng nhỏ theo chiều dày của
vành với biến dạng lớn theo đường kính. Do đó, bề mặt trong và ngoài của vòng có
mức độ ứng suất cao hơn ở giữa. Thêm nữa, bề mặt trong phải chịu ứng suất cao
hơn bề mặt ngoài. Hiệu ứng kết hợp nhiệt độ cho phép quan sát thấy sự giảm nhiệt
độ ở bề mặt bên ngoài là lớn hơn do diện tích lớn hơn tiếp xúc giữa vòng và trục.
M.R. Forouzan et al, [9, 10] đã nghiên cứu hiệu quả của phương pháp bậc thang
nhiệt trong mô hình hóa tác động của các trục dẫn hướng trong quá trình cán vành.
Bậc thang nhiệt được dẫn ra chống lại mômen không mong muốn của các lực cán,
khe hở của trục và duy trì vành luôn đặt ở tâm máy cán. Sử dụng phương pháp này
cũng cho phép dự báo gần hơn giãn rộng và dòng chảy vật liệu.
Nassir Anjami, Ali Basti, [11] đã nghiên cứu các tác động của kích thước trục cán
đến quá trình cán nóng vành bởi phương pháp phần tử hữu hạn cặp liên kết cơnhiệt. Kích thước của trục bao gồm trục quay (ngoài) và trục ép (trong) tác động
đến ứng xử biến dạng, cấu trúc và tính chất của vành được nghiên cứu bởi mô
phỏng số phần tử hữu hạn cơ nhiệt 3D. Nghiên cứu này nhận được không chỉ phục
vụ cho việc thiết kế kích thước trục, tối ưu và điều khiển tốt quá trình cán nóng
vành mà còn làm rõ biến dạng dẻo và truyền nhiệt trong vành có tiết diện hình chữ

nhận lớn.
Wang et al [21] nói về khuyết tật đuôi cá theo mặt trên và dưới của vành. Đây là
vùng không chịu tác động của trục. Sự tăng đường kính ngoài của vòng trong quá
trình cán tỉ lệ với tốc độ của trục cán. Ở đây, tác giả chỉ đề cập tới vận tốc của trục
cán là không đổi. Tuy nhiên ở thời điểm bắt đầu cán có hiện tượng rung lắc mạnh
của vòng [22].
Ảnh hưởng của hệ số ma sát được Boman và Phontot [23] nghiên cứu. Họ cho rằng
hệ số ma sát càng nhỏ thì càng làm giảm bớt lực cán và năng lượng trong cán vành
nhưng phải đủ để giữ được vòng phải quay giữa hai trục. Sự bôi trơn hiệu quả làm

21


chất lượng sản phẩm tốt hơn với bề mặt không có khuyết tật và tuổi thọ trục cán dài
hơn nhờ giảm sự mài mòn và hiệu quả cách nhiệt.
Szabo và Dittrich [24] đã thiết kế phần mềm tính toán được kích thước phôi. Mục
đích chính là để đưa quá trình sản xuất theo qui mô công nghiệp.
Tiedeman et al [25] miêu tả quá trình linh hoạt với tham số hình học vành, tốc độ
đưa vào có ảnh hưởng đến tạo hình và lực định hình. Đường viền nghiêng có thể
được tạo với quá trình cán vì vậy quá trình gia công cắt gọt bị ngừng cho một vài
vùng. Lực định hình là nhỏ với sự trợ giúp của vùng tạo hình từng phần. Tác giả
cũng bổ sung quá trình ngược lại đúc, rèn khuôn và cắt gọt. Nhưng nó được khẳng
định rằng số lượng lớn của bán thành phẩm được yêu cầu cho đến bù giá thành công
cụ và thời gian sử dụng.
Yan, Hua và Wu [18] xác định tốc độ cán trong suốt quá trình cán và xây dựng lý
thuyết của tốc độ phát triển đường kính ngoài vòng là không đổi. Đầu tiên, họ xác
định cực trị giá trị của những tốc độ này. Sau đó tác giả tạo mô hình toán học để đạt
được mối quan hệ không tuyến tính giữa tốc độ đưa vào, chiều dày vành và tốc độ
phát triển bán kính ngoài vành. Vì vậy họ cũng đạt được giá trị tốc độ đưa vào như
bảng giới hạn của chiều dày vành và như tốc độ phát triển đường kính ngoài vành

được giữ không đổi.
Trong quá trình cán vành nóng, khuyết điểm không mong muốn nhất là sai số hình
học trong quá trình làm nguội. Casoto [26] chỉ rõ phản hồi trong thay đổi dung sai
tính toán do ảnh hưởng của cả điều kiện nguội không đồng đều và chuyển đổi pha
tổ chức tế vi.

22


1.3

Sản phẩm của cán vành và ứng dụng

b)

a)

c)

d)

e)

a), b), c), d) Sản phẩm sử dụng làm vòng bi trong các máy móc lớn (đào hầm).
e) Sản phẩm sử dụng trong bình chịu áp lực
Hình 1.7 - Các chi tiết dạng vành có kích thước lớn
Trên hình 1.7 là một số loại vòng bi và bình chịu áp lực cỡ lớn được chế tạo bằng
phương pháp cán vành.
1.4

Kết luận

Qua phần tổng quan về công nghệ và thiết bị cán vành ở trên đã thấy được những
đặc điểm ưu việt về cơ tính cũng như năng suất của quá trình cán vành so với các
quá trình khác: đúc, rèn dập. Không những thế mà công nghệ cán vành còn cho
phép áp dụng các quá trình tự động hóa làm nâng cao năng suất, chất lượng sản
phẩm.
Mặc dù công nghệ cán vành không còn xa lạ trên thế giới, nhưng ở Việt Nam đây là
một vấn đề hoàn toàn mới mẻ. Chưa có một công trình nghiên cứu bài bản nào nói

23


về công nghệ này. Về mặt nguyên lý thì cán vành không khác cán dọc nhiều, nhưng
về mặt tính toán công nghệ thì cán vành lại khó hơn hẳn cán dọc. Chính vì thế mà
đến gần đây người ta vẫn còn nghiên cứu thêm về vấn đề này. Trong cán vành sản
phẩm là một vành tròn khép kín chính vì vậy mà các ràng buộc nhau khi xét về điều
kiện biên đến giải bài toán cán vành rất phức tạp: trong quá trình cán hình dạng
vành thay đổi liên tục dẫn tới tọa độ tâm vành cũng thay đổi, như thế rất khó khi
chọn hệ tọa độ quy chiếu là hệ tọa độ cực, chưa kể đến việc đường kính trục trong
và đường kính trục dẫn động khác nhau và hình dạng ban đầu của phôi cán có dạng
tròn nên trong quá trình cán có sự khác nhau về chiều dài vùng biến dạng phía trục
trong và ngoài.

24


C
CHƯƠNG
G2

C SỞ QU
CƠ
UÁ TRÌNH CÁN VÀN
NH

2.11

Nguyên
n lý cán vàành

Tro
ong quá trình cán vànnh trục dẫnn động quayy, trục tronng tịnh tiếnn vào để tạạo ra
lượ
ợng ép kim loại bị biến
n dạng dẻo giữa 2 khe hở của trục cán. Các trục hướngg tâm
có tác dụng điều
đ
chỉnh chiều
c
cao ccủa sản phẩẩm trong quuá trình cán
n. Vì trongg quá
x ra quá ttrình giãn rộng tức là làm
l thay đổ
ổi chiều caoo của
trìnnh cán nhất thiết phải xảy
phôôi. Trong cán vành doo 2 trục tronng và ngoàài có đườngg kính khácc nhau nên giãn
rộnng cũng kháác nhau (về phía cả 2 ttrục). Kim loại cũng bbị biến dạngg dẻo tại khhe hở
củaa 2 trục hướ
ớng tâm.
Trục dẫn độnng

Trụục áp lực

Trục hướng
tâm

Phôi
Hình 2.1 - Nguyên lýý cán vành
v
có thể mô tả một cách đơn giản
g
nhất nhhư trên Hìnnh 2.1, bao gồm
Thiiết bị cán vành
cácc thiết bị chhính: Trục dẫn
d động, trụục áp lực và các trục hướng
h
tâm.