luận án tiến sĩ nghiên cứu ảnh hưởng của một số thông số công nghệ cơ bản đến quá trình tạo hình chi tiết phức tạp bằng phương pháp ép chảy ngang

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan bản luận án này là cơng trình nghiên cứu khoa học của tơi và
khơng trùng lặp với bất kỳ cơng trình khoa học nào khác. Các kết quả và số liệu trình
bày trong luận án hoàn toàn trung thực và kết quả nghiên cứu trong luận án chưa từng
được công bố trên bất kỳ cơng trình nào khác ngồi cơng trình của tác giả.

Hà Nội,
ngày

thán
g

T/M tập thể hướng dẫn khoa học

Nghiên cứu sinh

PGS. TS Lê Thái Hùng

Đỗ Quang Long

i

năm
2020


LỜI CẢM ƠN
Tác giả luận án xin chân thành cảm ơn trường Đại học Bách khoa Hà Nội,
Phòng Đào tạo, Viện Khoa học và Kỹ thuật Vật liệu và Bộ môn Cơ học vật liệu và
Cán kim loại đã tạo mọi điều kiện thuận lợi, động viên khích lệ tơi trong quá trình
học tập cũng như thực hiện đề tài nghiên cứu này.

Tôi xin chân thành cảm ơn PGS.TS. Lê Thái Hùng và PGS.TS Đinh Văn Hải
đã tận tình hướng dẫn và đóng góp những ý kiến q giá trong q trình tơi thực
hiện luận án.
Những kết quả nghiên cứu đạt được là nhờ sự giúp đỡ tận tình của các Thầy
cô giáo Viện Khoa học và Kỹ thuật Vật liệu, Bộ môn Cơ học vật liệu và Cán kim
loại, Bộ mơn Gia cơng áp lực – Viện Cơ khí, Viện tiêu chuẩn Chất lượng Việt Nam,
Viện tên lửa, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam.
Tác giả xin gửi lời cảm ơn chân thành tới gia đình, người thân, bạn bè và đồng
nghiệp đã giúp đỡ, động viên tinh thần trong suốt quá trình thực hiện luận án này.

Hà Nội, ngày

tháng năm 2020

Tác giả luận án

Đỗ Quang Long

ii


MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN......................................................................................................................i
LỜI CẢM ƠN...........................................................................................................................ii
MỤC LỤC................................................................................................................................iii
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT..........................................................vi
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ.............................................................................viii
DANH MỤC CÁC BẢNG...................................................................................................xiv
MỞ ĐẦU....................................................................................................................................1

CHƯƠNG 1...............................................................................................................................5
TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU...............................................................................5
1.1. Giới thiệu chung về ép chảy.............................................................................................5
1.2. Công nghệ ép chảy ngang................................................................................................6
1.2.1. Ngun lý của q trình cơng nghệ ép chảy ngang..................................................7
1.2.2. Sản phẩm ép chảy ngang..........................................................................................8
1.3. Các cơng trình nghiên cứu về ép chảy ngang...............................................................8
1.3.1. Các nghiên cứu về công nghệ ép chảy ngang vật liệu đồng chất.............................8
1.3.2. Các nghiên cứu về công nghệ ép chảy ngang vật liệu nhiều lớp........................... 15
1.4. Kết luận chương 1...........................................................................................................20
CHƯƠNG 2.............................................................................................................................22
CƠ SỞ LÝ THUYẾT QUÁ TRÌNH ÉP CHẢY.................................................................22
2.1. Trường vận tốc khi ép chảy ngang...............................................................................22
2.2. Lực ép...............................................................................................................................24
2.3. Các thơng số cơng nghệ chính ảnh hưởng đến quá trình ép chảy...........................28
2.3.1. Ma sát trong quá trình ép chảy...............................................................................28
2.3.2. Nhiệt độ ép chảy.....................................................................................................33
2.3.3. Hệ số ép chảy......................................................................................................... 34
2.3.4. Ứng suất chảy dẻo của vật liệu...............................................................................35
2.3.5. Vận tốc ép chảy......................................................................................................35
2.4. Ảnh hưởng của dòng chảy vật liệu...............................................................................36
2.5. Các dạng khuyết tật, phá hủy trong quá trình ép chảy.............................................38

iii


2.5.1. Nứt bề mặt sản phẩm..............................................................................................38
2.5.2. Nứt ở tâm................................................................................................................39
2.5.3. Hiện tượng giịn nóng.............................................................................................40
2.6. Kết luận chương 2...........................................................................................................40

CHƯƠNG 3.............................................................................................................................41
NGHIÊN CỨU Q TRÌNH ÉP CHẢY NGANG TRỤC CHỮ THẬP BẰNG MƠ
PHỎNG SỐ.............................................................................................................................41
3.1. Giới thiệu khớp chữ thập...............................................................................................41
3.2. Mơ phỏng q trình ép chảy ngang sản phẩm trục chữ thập bằng vật liệu đồng
chất...........................................................................................................................................42
3.2.1. Mơ hình hình học................................................................................................... 42
3.2.2. Mơ hình phần tử hữu hạn....................................................................................... 44
3.2.3. Mơ hình hành vi cơ – nhiệt của vật liệu.................................................................44
3.2.4. Điều kiện biên........................................................................................................ 45
3.2.5. Kết quả mô phỏng quá trình ép trục chữ thập bằng vật liệu đồng chất..................45
3.3. Mơ phỏng số q trình ép chảy ngang trục chữ thập từ vật liệu hai lớp...............53
3.3.1. Mơ hình hình học................................................................................................... 53
3.3.2. Mơ hình phần tử hữu hạn....................................................................................... 53
3.3.3. Mơ hình vật liệu..................................................................................................... 53
3.3.4. Điều kiện mơ phỏng............................................................................................... 55
3.3.5. Kết quả mơ phỏng q trình ép trục chữ thập từ phôi 02 lớp................................ 55
3.4. Nghiên cứu cơ chế phá hủy khi ép chảy ngang trục chữ thập từ vật liệu hai lớp
nhơm - chì ở trạng thái nguội...............................................................................................65
3.4.1. Thiết lập bài tốn....................................................................................................65
3.4.2. Mơ hình vật liệu nhơm Al-5052.............................................................................66
3.4.3. Kết quả mô phỏng cơ chế phá hủy khi ép chảy ngang vật liệu nhiều lớp..............72
3.5. Nghiên cứu bài toán ép chảy đối xứng hai chiều trục chữ thập...............................77
3.6. Kết luận chương 3...........................................................................................................80
CHƯƠNG 4.............................................................................................................................81
THỰC NGHIỆM KIỂM CHỨNG ÉP CHẢY NGANG TRỤC CHỮ THẬP...............81
4.1. Ép chảy ngang trục chữ thập từ phôi thép..................................................................81
4.1.1. Vật liệu thí nghiệm.................................................................................................81
4.1.2. Thiết bị thí nghiệm.................................................................................................82
4.1.3. Khn – hệ thống gia nhiệt khuôn và chày ép....................................................... 83

iv


4.1.4. Trình tự thí nghiệm và điều kiện cơng nghệ ép......................................................84
4.1.5. Kết quả thực nghiệm.............................................................................................. 86
4.2. Ép chảy nguội trục chữ thập từ phơi hai lớp nhơm – chì.........................................89
4.2.1. Điều kiện thí nghiệm..............................................................................................89
4.2.2. Kết quả thực nghiệm.............................................................................................. 90
4.2.3. So sánh kết quả mô phỏng và thực nghiệm............................................................90
4.3. Kết luận chương 4...........................................................................................................91
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ...............................................................................................92
TÀI LIỆU THAM KHẢO.....................................................................................................94
DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ CỦA LUẬN ÁN...........................100

v


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
Ký hiệu

Tên gọi

Ff

Lực ma sát

P

Lực ép

T

Nhiệt độ ép chảy

T0

Nhiệt độ của phôi ép

T1
ER

Nhiệt độ của khuôn
Hệ số ép chảy
Ứng suất trượt

f

Hệ số ma sát

m*
VR

Hệ số nhạy cảm với tốc độ
Vận tốc chày ép

VE

Vận tốc ép chảy

s

Hành trình chày ép

f

Hệ số ma sát

N

Lực pháp tuyến

Số lỗ thốt phơi đối xứng

n

K

Độ bền cắt của vật liệu

AR

Diện tích tiếp xúc thực

AC

Diện tích mặt cắt ngang của phơi

AE
PD

Diện tích mặt cắt ngang của sản phẩm
Áp lực yêu cầu cho quá trình biến dạng dẻo

PF

Áp lực yêu cầu vượt qua ma sát giữa phôi và

pr

Áp lực hướng kính

Pr

Áp lực để vượt qua ứng suất dư

eq

Biến dạng tương đương von-Mises

eq

Ứng suất tương đương von-Mises
Ứng suất chảy

0

Ứng suất chảy dẻo

p
̇

Tốc độ biến dạng tương đương
̇

Tốc độ biến dạng tham chiếu
0

Biến dạng phá hủy

f

vi


p

Biến dạng dẻo

D

Biến dạng tương đương

L(H)

Đường kính phơi ban đầu

L’

Chiều dài (chiều cao) phơi
Chiều dài vùng thốt phơi

Fp
Fr
p
Ps
A1
A2
R
A, B, n
D1, D2,
,
D3

D4, D5
∗

Góc ép chảy
Lực của máy ép
Lực yêu cầu cho q trình ép chảy
Áp suất thủy tĩnh
Áp suất riêng
Diện tích mặt cắt xi lanh chính
Diện tích mặt cắt mỗi xi lanh bên
Bán kính góc lượng khn
Các hệ số của mơ hình chảy dẻo Johnson-cook
Các hệ số của mơ hình phá hủy Johnson - Cook

=

m, eq xx, yy,

zz xy, yz, zx

Chỉ số ba chiều của ứng suất
Ứng suất thủy tĩnh và ứng suất tương đương von-Mises

R, R1

Các thành phần ứng suất pháp

a, a1

Các thành phần ứng suất tiếp

JCCRT
(D)

Bán kính mẫu trước và sau khi kéo
Đường kính phần thắt mẫu ban đầu và sau khi đứt
Chỉ số phá hủy vô hướng Johnson-Cook
Chiều dày lớp vỏ của phôi hai lớp

t
Ux
Uy
vx,nh; vx,ch
vy,nh; vy,ch

Hệ số truyền nhiệt
Thời gian
Chuyển vị theo phương x

Chuyển vị theo phương y
Vận tốc của nhơm và chì theo hướng x
Vận tốc của nhơm và chì theo hướng y

vii


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Hình 1.1. Sơ đồ phân loại q trình cơng nghệ ép chảy ........................................................
Hình 1.2. Sơ đồ nguyên lý ép chảy nghịch (a), ép chảy thuận – thủy tĩnh (b) và ép chảy ngang
(c) ...........................................................................................................................................

Hình 1.3. Mặt cắt dọc chi tiết trục bậc rỗng chế tạo bằng phương pháp ép chảy ..................
Hình 1.4. Hướng tác dụng của lực và hướng chảy của vật liệu trong ép chảy ngang ...........
Hình 1.5. Nguyên lý ép chảy ngang, [4] ................................................................................
Hình 1.6. Một số sản phẩm của cơng nghệ ép chảy ngang....................................................
Hình 1.7. So sánh lực ép giữa thực nghiệm và lý thuyết với hai loại thanh chốt 2 và 4 nhánh
khi ép chảy ngang, [5]. ..........................................................................................................

Hình 1.8. Hiện tượng hư hại khi ép chảy ngang khớp chữ thập rỗng, [6-7] .........................
Hình 1.9. So sánh mơ phỏng và thực nghiệm chi tiết rãnh then, [8] ...................................
Hình 1.10. Ảnh hưởng của số rãnh và đường kính phơi đến lực ép lớn nhất, [8] ...............
Hình 1.11. Sản phẩm bánh răng trụ răng thẳng, [10] ..........................................................
Hình 1.12. a) Đồ thị lực-hành trình ép giữa mô phỏng và thực nghiệm với ma sát 0.04 và
đường kính phơi 20mm. b) Phân bố biến dạng trong ba trường hợp khe hở kênh khác nhau,
[11] ......................................................................................................................................
Hình 1.13. Các dạng sản phẩm ép chảy ngang đã được nghiên cứu [12]............................
Hình 1.14. Thơng số hình học cho hai sản phẩm ép chảy ngang, [16] ................................
Hình 1.15. Đồ thị lực ép – mức độ điền đầy khuôn trong hai trường hợp hình dạng rãnh nhọn
và rãnh tù, [16] ....................................................................................................................

Hình 1.16. Sản phẩm ép chảy nhận được trong 2 trường hợp HD A và HD B, [16] ..........
Hình 1.17. So sánh giữa mô phỏng và thực nghiệm trong 02 trường hợp HD A và HD B,
[16] ...................................................................................................................................... 14
Hình 1.18. Khn chế tạo chi tiết bánh răng trụ răng thẳng 2 nhánh và 4 nhánh a) khuôn dập
khối, b) khuôn ép chảy ngang, [17] .....................................................................................
Hình 1.19. Sơ đồ phát triển vi mô liên kết tại ranh giới sau khi ép chảy và ủ khuếch tán giữa
thép AISI1020 và thép SUS304. P- peclite, A- austenite, F- ferrite, MxCy - Cr-rich carbides,
[40] ......................................................................................................................................

Hình 1.20. Mơ hình và vật liệu ép chảy nghịch bimetal Al-Fe, [43] ...................................
Hình 1.21. a) hình dạng phơi biến dạng trong q trình ép chảy; b)Mặt cắt ngang phơi với
các độ dày lớp vỏ khác nhau, [43] .......................................................................................
Hình 1.22. Ảnh cấu trúc vùng tiếp xúc giữa nhôm và hợp kim magiê khi nhiệt độ tăng từ
380oC (a) lên 420oC (b), [44] .............................................................................................. 18
viii


Hình 1.23. Mặt cắt dọc mẫu sau các chế độ chồn 15%, 30%, 40%, [45]............................ 18
Hình 1.24. So sánh mơ phỏng và thực nghiệm với lượng ép 40%: a) thép và đồng thau, b)
thép và đồng đỏ, [45]............................................................................................................18
Hình 1.25. a) phôi kim loại 02 lớp 41Cr4 và C22.8 đồng trục chế tạo bằng phương pháp ghép
hàn; b) bánh răng côn 02 lớp sau khi mô phỏng và c) sau khi dập nóng, [46]....................19
Hình 1.26. a) mặt cắt phơi trước khi dập nóng; b) sau khi dập nóng bánh răng cơn, [46] .. 19

Hình 1.27. Quá trình dập khối nguội bánh răng lõi chì, vỏ đồng với các chiều dày lớp vỏ
khác nhau a)2mm, b)4mm, c)6mm, [47]..............................................................................20
Hình 1.28. Các giai đoạn chế tạo chi tiết vật liệu hai lớp vỏ Al, lõi Magiê: a) phôi ép chảy,
b) dập tạo đầu, c) dập chính xác chi tiết, [48]...................................................................... 20
Hình 2.1. Sơ đồ quá trình ép chảy ngang dạng khớp bốn nhánh (a),...................................22

các vùng biến dạng (b), [4,5]................................................................................................22
Hình 2.2. So sánh áp lực khi ép chảy, [3].............................................................................24
Hình 2.3. Sơ đồ xác định biến dạng dư trong quá trình ép chảy [2].................................... 26
Hình 2.4. Sơ đồ máy ép chảy thuận, [2]...............................................................................27
Hình 2.5. Áp suất riêng phần, [2].........................................................................................27
Hình 2.6. Ảnh hưởng của các thơng số chính đến sản phẩm ép chảy, [2]............................28
Hình 2.7. Ma sát trong quá trình ép chảy thuận, [2]............................................................ 29
Hình 2.8. Ma sát trong quá trình ép chảy nghịch [2]........................................................... 29
Hình 2.9. Ma sát trong quá trình ép chảy ngang..................................................................30
Hình 2.10. Sơ đồ ép chảy thuận (a) và ép chảy nghịch (b) với các thành phần lực tác dụng
lên phôi và khuôn, [2].......................................................................................................... 31
Hình 2.11. Mơ hình ma sát trong q trình ép chảy thuận. a) AR < AA, b) AR=AA, p= [2]
32
Hình 2.12. Các thơng số cơng nghệ chính trong ép chảy, [2].............................................. 35
Hình 2.13. Dịng chảy vật liệu trong q trình ép: a) ép chảy nghịch khơng có ma sát, b) ép
chảy nghịch có bơi trơn, c) ép chảy thuận có bơi trơn, d) ép chảy thuận khơng bơi trơn-hư
hại [1]................................................................................................................................... 37
Hình 2.14. So sánh giữa dịng chảy mơ phỏng (a) và thực nghiệm (b) [2]..........................37
Hình 2.15. Vết nứt ở bề mặt [3]........................................................................................... 38
Hình 2.16. Ảnh hưởng của nhiệt độ đến chất lượng bề mặt khi ép chảy............................. 39
hợp kim nhơm AA2014 [1].................................................................................................. 39
Hình 2.17. Hiện tượng bị nứt ở tâm (Chevron) sản phẩm ép chảy sản phẩm trịn [3].........39
Hình 2.18. Hiện tượng giịn nóng khi ép chảy nhơm [3]..................................................... 40
ix


Hình 3.1. Trục chữ thập bằng thép và lắp ghép trong trục các-đăng................................... 41
Hình 3.2. Kích thước trục chữ thập (a); mơ hình trục chữ thập 3D (b)............................... 42
Hình 3.3. Kích thước của khn dưới..................................................................................42
Hình 3.4. Kích thước của khn trên...................................................................................43

Hình 3.5. Kích thước của chày ép........................................................................................43
Hình 3.6. Mơ hình thiết kế 3D (a) và mơ hình phần tử hữu hạn (b).................................... 43
Hình 3.7. Hình dạng sản phẩm nhận được sau mơ phỏng số...............................................45
Hình 3.8. Đồ thị phân bố lực và q trình biến dạng của phơi khi ép chảy ngang khớp chữ
o

thập với nhiệt độ phôi ban đầu To = 1100 C, v =5 mm/s, ma sát f = 0.3............................46
o

Hình 3.9. Ảnh hưởng của vận tốc ép chảy đến lực ép tại nhiệt độ To = 1100 C, f = 0.3....47
Hình 3.10. Ảnh hưởng của nhiệt độ ép đến lực ép với ba nhiệt độ khác nhau:...................48
o

o

o

To = 900 C, 1000 C và 1100 C, v = 5 mm/s, f = 0.3........................................................48
Hình 3.11. Lực ép – hành trình có tính đến ảnh hưởng của truyền nhiệt tại các nhiệt độ khác
o

o

o

nhau T = 900 C, 1000 C và 1100 C.................................................................................48
o

Hình 3.12. Sự thay đổi nhiệt độ phơi trong q trình ép tại T = 900 C, f = 0.3; v = 5 mm/s
49

o

Hình 3.13. Trường nhiệt độ của phơi trong quá trình ép tại T = 1000 C, f = 0.3; v = 5mm/s
49
o

Hình 3.14. Trường nhiệt độ của phơi trong q trình ép tại T = 1100 C, f = 0.3; v = 5mm/s
50
Hình 3.15. Trường nhiệt độ của khn và chày ép.............................................................. 50
Hình 3.16. Trường ứng suất tương đương theo các hành trình............................................ 51
o

với điều kiện v = 5 mm/s, To = 1100 C, f = 0.3.................................................................. 51
Hình 3.17. Trường biến dạng q trình điền đầy phơi vào lịng khn............................... 52
o

với điều kiện v = 5 mm/s, To = 1100 C, f = 0.3.................................................................. 52
Hình 3.18. Trường gradient vận tốc theo hành trình ép....................................................... 52
Hình 3.19. Phơi ghép hai lớp với chiều dày lớp vỏ = 1, 2 và 3 mm..................................53
Hình 3.20. Mơ hình phần tử hữu hạn của bài tốn mơ phỏng..............................................53
sản phẩm trục chữ thập hai lớp............................................................................................ 53
Hình 3.22. Đường cong lực - hành trình và lưới biến dạng tương đương............................55
của phôi trong trường hợp v=5mm/s, f=0.3,

o

= 1mm, To = 1100 C...................................55

Hình 3.23. Trường ứng suất tương đương theo các giai đoạn khác nhau............................ 56
o

trong trường hợp v =5 mm/s, =2 mm, f = 0.3, To = 1100 C............................................ 56
x


Hình 3.24. Trường biến dạng tương đương theo các giai đoạn khác nhau.......................... 57
o

trong trường hợp v =5 mm/s, =2 mm, f = 0.3, To = 1100 C............................................ 57
Hình 3.25. Dòng chảy của kim loại với véc tơ chuyển vị trong quá trình ép chảy ngang trong
o

trường hợp v =5 mm/s, = 2 mm, f = 0.3, To = 1100 C.....................................................58
Hình 3.26. Dịng chảy của kim loại với véc tơ vận tốc trong quá trình ép chảy ngang.......58
o

trong trường hợp v =5 mm/s, =2 mm, f = 0.3, To = 1100 C............................................ 58
Hình 3.27. Ảnh hưởng của nhiệt độ đến lực ép khi chiều dày lớp vỏ = 1 mm.................59
Hình 3.28. Trường nhiệt độ trong quá trình ép vật liệu hai lớp,.......................................... 60
o

= 2 mm, T = 1100 C, f = 0.3, v = 5 mm/s...........................................................................60
Hình 3.29. Trường ứng suất trong quá trình ép vật liệu hai lớp,..........................................60
o

= 2 mm, T = 1100 C, f = 0.3, v = 5 mm/s...........................................................................60
Hình 3.30. Nhiệt độ của chày ép và khn trong trường hợp ép vật liệu hai lớp,...............60
o

= 2 mm, T = 1100 C, f = 0.3, v = 5 mm/s...........................................................................60

o

Hình 3.31. Ảnh hưởng của chiều dày lớp vỏ đến lực ép trong trường hợp To = 1100 C, f =
0.3, v = 5 mm/s.....................................................................................................................61
Hình 3.32. Biến dạng của phơi khi thay đổi chiều dày lớp vỏ thép C45..............................62
Hình 3.33. Trạng thái ứng suất và chỉ số phá hủy vô hướng J-C khi ép.............................. 62
o

trục chữ thập hai lớp với = 1 mm, To = 900 C, f = 0.3, v =5 mm/s.................................62
Hình 3.34. Sản phẩm 3D trục chữ thập................................................................................63
o

với điều kiện ép To = 900 C, f = 0.3, v=5 mm/s, = 1 mm................................................63
Hình 3.35. Chỉ số phá hủy vơ hướng theo hành trình ép khi ép chảy trục chữ thập............63
o

với điều kiện ép To = 900 C, f = 0.3, v=5 mm/s, = 2 mm................................................63
Hình 3.36. Chỉ số phá hủy vô hướng (a) và lưới biến dạng (b) khi ép chảy trục chữ thập . 64
o

chữ thập với điều kiện ép To = 900 C, f = 0.3, v=5 mm/s, = 3 mm.................................64
Hình 3.37. Chỉ số phá hủy vơ hướng khi ép chảy trục chữ thập với điều kiện ép To = 1000
o

C, f = 0.3, v=5 mm/s, = 1, 2 và 3 mm..............................................................................64

Hình 3.38. Chỉ số phá hủy vô hướng khi ép chảy trục chữ thập với điều kiện ép To = 1100
o

C, f = 0.3, v=5 mm/s, = 1, 2 và 3 mm..............................................................................65

Hình 3.39. Mẫu kéo đơn của nhôm Al-5052 a) trước khi kéo, b) sau khi kéo.....................66
Hình 3.40. Đường cong ứng suất thực – biến dạng thực của nhơm Al-5052.......................67
Hình 3.41. Sử dụng phần mềm Mathlab để lấy đường tương hợp gần đúng
=

xi

( ) . 68


Hình 3.42. a) mối quan hệ giữa biến dạng phá hủy và chỉ số ứng suất ba chiều * [70-72];
b) Kích thước mẫu kéo ban đầu (nét đứt) và sau khi biến dạng (nét liền)...........................69
Hình 3.43. Mẫu thử kéo để nghiên cứu phá hủy.................................................................. 69
Hình 3.44. Mẫu thử phá hủy sau khi kéo đứt.......................................................................70
Hình 3.45. Mối quan hệ giữa mức độ biến dạng phá hủy và chỉ số ứng suất......................71
a) Đường thực nghiệm; b) đường tương hợp gần đúng....................................................... 71
Hình 3.46. Mơ hình mơ phỏng bài tốn ép chảy ngang.......................................................72
Hình 3.47. Phân bố ứng suất tương đương theo hành trình chày ép....................................73
Hình 3.48. Phân bố ứng suất pháp σxx, σyy, σzz trên các phần tử của phơi...........................73
khi hành trình chày ép là 16 mm; (đơn vị ứng suất là Pa)................................................... 73
Hình 3.49. Phân bố ứng suất tiếp τxy, τxz, τyz trên các phần tử của phơi.............................. 73
khi hành trình chày ép là 16 mm; (đơn vị ứng suất là Pa)................................................... 73
Hình 3.50. Phần tử nghiên cứu phá hủy (phần tử số 3884)..................................................74
Hình 3.51. Sự thay đổi vị trí của phần tử cần xét (đánh đấu trịn đỏ) theo hành trình chày ép;
(tại thời điểm phá hủy thì phần tử sẽ được phần mềm xóa).................................................75
Hình 3.52. Sự phụ thuộc của các ứng suất pháp vào hành trình chày ép tại phần tử 3884 . 75

Hình 3.53. Trường ứng suất trong các giai đoạn điền đầy của phơi vào lịng khn...........77
Hình 3.54. Mối quan hệ giữa chỉ số ứng suất ba chiều và hành trình ép............................. 77

Hình 3.55. Sản phẩm trục chữ thập bị phá hủy lớp đáy.......................................................77
Hình 3.56. Ứng suất tương đương von-Mise với hành trình ép khác nhau..........................78
o

với To = 1100 C, f = 0.3, v = 5 mm/s và = 2 mm.............................................................78
Hình 3.57. Chỉ số phá hủy vơ hướng với hành trình ép khác nhau......................................79
o

với To = 1100 C, f = 0.3, v = 5 mm/s và = 2 mm.............................................................79
Hình 3.58. Véc tơ chuyển vị của vật liệu tại giai đoạn trước và sau khi điền đầy...............79
Hình 3.59. Hình ảnh 3D ép sản phẩm trục chữ thập:...........................................................79
a) chỉ số phá hủy vơ hướng J-C; b) Biến dạng tương đương...............................................79
Hình 4.1. Phôi thép đồng chất C45 (a) và phôi thép hai lớp C45 - C10s (b).......................81
Hình 4.2. Máy ép thủy lực 125 tấn.......................................................................................82
Hình 4.3. Lị nung cơng suất 10kW (a) và thiết bị đo nhiệt độ phơi (b).............................. 83
Hình 4.4. Bộ khn có thiết kế hệ thống áo khn để gia nhiệt trực tiếp (a) và chày ép (b)
83
Hình 4.5. Hệ thống gia nhiệt trực tiếp trên khuôn (a) và tủ điều khiển nhiệt độ (b)............84

xii


Hình 4.6. Hệ thống khn, máy ép, lị nung sử dụng để ép trục chữ thập...........................84
Hình 4.7. Trình tự thí nghiệm ép trục chữ thập....................................................................85
Hình 4.8. Sản phẩm trục chữ thập thép đồng chất C45 (a) và trục chữ thập hai lớp C45-C10s
nhận được khi ép 2/3 (b) và kết thúc hành trình (c) với lớp vỏ có chiều dày = 2 mm......86

Hình 4.9. Dịng chảy của vật liệu sau khi ép 2/3 hành trình, (a) thực nghiệm; (b) mơ phỏng
87
Hình 4.10. Phân bố lớp vỏ C45 và lõi C10s sau khi ép hết hành trình, (a) thực nghiệm; (b)

mơ phỏng..............................................................................................................................87
Hình 4.11. So sánh lực ép giữa thực nghiệm và mô phỏng khi ép khớp nỗi chữ thập hai lớp
o

với điều kiện T = 1100 C, v = 5 mm/s, chiều dày lớp vỏ = 2 mm...................................88
Hình 4.12. So sánh chiều dày lớp vỏ = 2mm biến đổi khi ép trục chữ thập với 2/3 hành
trình giữa thực nghiệm (a) và mơ phỏng (b)........................................................................89
Hình 4.13. Kích thước phơi hai lớp Al-Pb........................................................................... 90
Hình 4.14. Hình dáng sản phẩm nhận được sau ép, mẫu cắt ¼ để quan sát phân bố...........90
chiều dày lớp vỏ................................................................................................................... 90
Hình 4.15. So sánh giữa mơ phỏng và thực nghiệm: a) hình học sản phẩm với biến phá hủy
phá hủy J-C; b) hình học sản phẩm thực nghiệm.................................................................91

xiii


DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 2.1. Một số hệ số ma sát trong tạo hình khi dùng ma sát trượt...................................33
Bảng 3.1. Thành phần hóa học cơ bản của thép C45........................................................... 44
Bảng 3.2. Điều kiện biên cho bài tốn mơ phỏng ép chảy ngang trục chữ thập..................45
Bảng 3.3. Thành phần hóa học chính của thép AISI1006 [68]............................................ 54
Bảng 3.4. Các hệ số của mơ hình Johnson-Cook cho thép C45 [67] và AISI1006 [68]......54
Bảng 3.5. Các điều kiện của bài tốn mơ phỏng ép trục chữ thập hai lớp...........................55
Bảng 3.6. Phân bố chiều dày của lớp vỏ phơi tại các vị trí khác nhau trên sản phẩm ép.....62
Bảng 3.7. Kết quả thí nghiệm phá hủy với 03 bán kính mẫu khác nhau..............................70
Bảng 4.1. Thành phần hóa học cơ bản của thép C45 và C10s............................................. 81
Bảng 4.2. Các thông số kỹ thuật máy ép thủy lực 125 tấn...................................................82
Bảng 4.3. Phân bố chiều dày lớp vỏ giữa thực nghiệm và mơ phỏng..................................89
Bảng 4.4. Kích thước phôi vật liệu nhiều lớp...................................................................... 89

xiv


MỞ ĐẦU
1. Lý do lựa chọn đề tài

Cùng với sự tiến bộ của con người, khoa học kỹ thuật cũng không ngừng phát
triển, các công nghệ mới luôn được nghiên cứu và hoàn thiện để mang lại năng suất
cao hơn. Ngành cơng nghiệp tạo hình vật liệu cũng khơng phải ngoại lệ, với những
ưu điểm như năng suất cao, tạo được các sản phẩm đa dạng về hình học, chất lượng
và cơ tính của sản phẩm cao. Chính vì vậy mà ngành này rất được quan tâm tại hầu
hết các nước trên thế giới.
Gia công kim loại bằng áp lực là dựa vào tính dẻo của kim loại, dùng ngoại lực
tác động làm cho kim loại bị biến dạng theo hình dạng yêu cầu. Với những ưu điểm
nổi bật về cơ tính sản phẩm, chất lượng bề mặt, độ chính xác về kích thước, khả
năng tự động hố, năng suất cao và chi phí hợp lý nên gia cơng kim loại bằng áp lực
được sử dụng phổ biến trong hầu hết các lĩnh vực: công nghiệp chế tạo máy, công
nghiệp ô tô, tàu thuỷ... cũng như trong nghiên cứu và phát triển.
Để chế tạo các chi tiết dạng khối (ví dụ trục truyền động, bánh răng, khớp nối,
tay biên, trục khuỷu…), hiện nay thường sử dụng công nghệ dập khối. Với cơng
nghệ dập khối đáp ứng được nhiều tiêu chí của nhà kỹ thuật như sản xuất hàng loạt,
đạt được độ chính xác cần thiết, tiết kiệm nguyên vật liệu, năng lượng và hơn nữa là
các chi tiết có được tổ chức tế vi, cơ tính đáp ứng được khả năng làm việc dưới các
điều kiện tải trọng khắc nghiệt.
Trong thời gian gần đây, do yêu cầu tiết kiệm nguyên, vật liệu, năng lượng,
giảm chi phí sản xuất, nên các nhà nghiên cứu rất quan tâm giải quyết các vấn đề
cơng nghệ sao cho:
- Rút ngắn q trình cơng nghệ;
- Giảm thiểu các nguyên công chuẩn bị và nguyên công xử lý sau dập;
- Tạo hình chính xác, khơng có vật liệu thừa, tiết kiệm triệt để vật liệu;

- Nâng cao cơ tính của sản phẩm.

Đối với các chi tiết có hình dạng phức tạp, làm việc trong điều kiện chịu mỏi cao,
chịu va đập như chi tiết dạng trục chữ thập, bánh răng… cần phải có phương pháp tạo
hình và gia công xử lý đặc biệt để đáp ứng yêu cầu làm việc của chi tiết. Trong công
nghiệp đã áp dụng khá rộng rãi các cơng nghệ tạo hình như dập khối chính xác, ép chảy
để chế tạo các chi tiết dạng này. Tuy nhiên, cịn có nhiều vấn đề đưa ra cần phải giải
quyết như tối ưu chế độ công nghệ để đạt được chất lượng sản phẩm tốt nhất, tiêu hao
năng lượng ít nhất, nâng cao tuổi thọ, cải thiện độ bền mỏi, tiết kiệm nguyên, vật liệu
và đặc biệt tìm ra các nguyên nhân gây ra sai hỏng và phá hủy chi tiết khi làm việc cần
tiếp tục được nghiên cứu và cơng bố. Trong đó, công nghệ ép
1


chảy ngang có thể tạo ra các chi tiết có hình dạng phức tạp và ép chảy được vật liệu
nhiều lớp mà cơng nghệ dập khối rất khó có thể thực hiện được. Các cơng trình
cơng bố về ép chảy chủ yếu tập trung vào công nghệ ép chảy thuận và ép chảy
nghịch, chưa có nhiều cơng bố để làm rõ ảnh hưởng của các thông số công nghệ, sự
biến đổi của dòng chảy vật liệu cũng như hiện tượng phá hủy mẫu sản phẩm khi ép
chảy ngang vật liệu nhiều lớp. Chính vì vậy, đề tài “Nghiên cứu ảnh hưởng của một
số thông số công nghệ cơ bản đến quá trình tạo hình chi tiết phức tạp bằng phương
pháp ép chảy ngang” là hết sức cần thiết.
2. Mục đích nghiên cứu

Mục đích của luận án là: Nghiên cứu ảnh hưởng của một số thông số công nghệ
cơ bản đến quá trình ép chảy ngang để tạo hình các chi tiết có hình dạng phức tạp từ
vật liệu đồng chất và vật liệu hai lớp cũng như cơ chế gây phá hủy khi tạo hình vật
liệu hai lớp.
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
- Đối tượng nghiên cứu là trục chữ thập bằng vật liệu đồng chất và vật liệu hai

lớp.
Phạm vi nghiên cứu của luận án tập trung các nội dung sau:
- Nghiên cứu ảnh hưởng của các thơng số cơng nghệ gồm nhiệt độ phơi, q

trình truyền nhiệt, vận tốc ép chảy và dòng chảy của vật liệu bằng mô phỏng
số và kiểm chứng bằng thực nghiệm khi ép chảy sản phẩm trục chữ thập
bằng vật liệu đồng chất.
- Nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ phôi, q trình truyền nhiệt, dịng chảy
vật liệu và ảnh hưởng của chiều dày lớp vỏ chi tiết bằng mô phỏng số và
kiểm chứng bằng thực nghiệm khi ép chảy sản phẩm trục chữ thập bằng vật
liệu hai lớp.
- Nghiên cứu hiện tượng phá hủy khi ép chảy ngang đối với vật liệu hai lớp và
đề xuất phương án khắc phục.
4. Phương pháp nghiên cứu
- Phương pháp nghiên cứu là kết hợp giữa lý thuyết, mô phỏng và thực nghiệm.
- Phân tích tổng hợp lý thuyết, đánh giá các kết quả nghiên cứu đã công bố liên

quan đến đề tài trong và ngồi nước từ đó đề xuất các nội dung nghiên cứu.
- Sử dụng phần mềm có độ tin cậy cao Abaqus để mơ phỏng q trình biến dạng.
- Sử dụng phương pháp thực nghiệm để nhận dạng các mô hình vật liệu.
- Sử dụng phương pháp đánh giá giữa mơ phỏng và thực nghiệm để tìm ra các
thơng số ảnh hưởng chính đến q trình ép chảy ngang.

2


5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
- Nghiên cứu tạo hình bằng cơng nghệ ép chảy ngang các chi tiết có hình dạng

phức tạp và có độ chính xác cao, độ bền cao như trục chữ thập cho vật liệu
đồng chất và vật liệu hai lớp chưa được phát triển ở Việt Nam nên kết quả
nghiên cứu có ý nghĩa khoa học và thực tiễn.
- Đánh giá được các thông số công nghệ ảnh hưởng đến q trình biến dạng
bằng ép chảy ngang; Phân tích được trạng thái ứng suất, biến dạng, đường
dòng chảy khi ép chảy ngang bằng phương pháp mơ phỏng số góp phần làm
sáng tỏ q trình biến dạng, điền đầy khn khi ép chảy ngang.
- Giải thích được nguyên nhân gây phá hủy khi ép chảy ngang vật liệu hai lớp.
- Kết quả nghiên cứu của luận án góp phần đưa cơng nghệ ép chảy ngang vào
chế tạo các chi tiết cơ khí, cơng nghiệp ơ tơ, đáp ứng u cầu ngày càng cao
về chất lượng sản phẩm, tiết kiệm vật liệu và nội địa hóa các chi tiết cơ khí.
6. Các kết quả mới đạt được
- Đã nghiên cứu làm rõ ảnh hưởng của một số thông số công nghệ như nhiệt

độ - quá trình truyền nhiệt, vận tốc ép chảy đến lực ép khi ép chảy ngang trục
chữ thập từ vật liệu đồng chất bằng thép C45 và vật liệu hai lớp C45-C10s.
Phân tích trạng thái ứng suất - biến dạng, dòng chảy vật liệu theo các giai
đoạn điền đầy khn, từ đó chỉ ra các vùng tập trung ứng suất tại phía đáy
của nhánh chữ thập, mức độ biến dạng lớn nhất và dịng chảy rối tại vị trí
cuối giai đoạn điền đầy vào các nhánh của chữ thập và q trình biến mỏng
tại lớp vỏ phía đáy và biến dày tại lớp vỏ phía trên. Các thơng số lựa chọn để
o

nghiên cứu công nghệ gồm: nhiệt độ To = 1100 C, vận tốc ép chảy v = 5
mm/s và hệ số ma sát f = 0.3.
- Nghiên cứu đã luận giải được cơ chế phá hủy khi ép chảy ngang trục chữ
thập ở trạng thái nguội từ vật liệu hai lớp nhơm - chì. Ngun nhân do sự
tương thích biến dạng giữa hai lớp vật liệu gây ra trạng thái ứng suất kéo nén khác nhau và lớp vỏ có ứng suất kéo lớn hơn giá trị giới hạn bền cho
phép của vật liệu dẫn đến phá hủy.
- Đã thực nghiệm kiểm chứng ép chảy ngang trục chữ thập cho thấy sự tương

hợp cao với kết quả mô phỏng gồm: lực ép, dịng chảy vật liệu, q trình
biến mỏng - biến dày lớp vỏ phôi từ vật liệu hai lớp thép C45 và C10s. Thực
nghiệm kiểm chứng nguyên nhân gây ra phá hủy giữa hai lớp vật liệu nhơm chì cho độ tương hợp cao. Kết quả này chứng tỏ việc lựa chọn và nhận dạng
mơ hình vật liệu, các điều kiện biên mơ phỏng và giải thích nguyên nhân gây
ra phá hủy là hợp lý.
- Đề xuất được giải pháp ngăn ngừa phá hủy lớp vỏ khi thay đổi chiều dày lớp
vỏ phơi theo nhiệt độ thích hợp và đề xuất giải pháp công nghệ ép chảy đối

3


xứng hai chiều để nhận được sản phẩm không bị phá hủy và có mức độ độ
biến dạng lớp vỏ đồng đều bằng mô phỏng số.
7. Bố cục của luận án

Ngoài phần mở đầu, luận án được thực hiện và các nội dung chính được trình
bày trong 04 chương.
Chương 1: Tổng quan vấn đề nghiên cứu.
Chương 2: Cơ sở lý thuyết quá trình ép chảy.
Chương 3: Nghiên cứu quá trình ép chảy ngang trục chữ thập bằng mô phỏng
số.
Chương 4: Thực nghiệm kiểm chứng ép chảy ngang trục chữ thập.
Kết luận và kiến nghị.
Tài liệu tham khảo.
Danh mục các công trình cơng bố của luận án.

4


CHƯƠNG 1

TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
1.1. Giới thiệu chung về ép chảy
Ép chảy là phương pháp tạo hình sản phẩm bằng cách ép vật liệu qua một
khuôn cối với lực đủ lớn để vật liệu chảy qua lỗ hình của khn. Ép chảy có thể ứng
dụng cho kim loại, chất dẻo, cao su… dạng khối hoặc dạng bột.
Thông thường, ép chảy được sử dụng để sản xuất thanh, bình, ống hình trụ đặc
hoặc rỗng, được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp chế tạo máy, sản xuất hàng
tiêu dùng… Công nghệ ép chảy cũng chế tạo phôi cho các q trình kéo dây, rèn,
dập và gia cơng phức tạp. Có nhiều cách để phân loại cơng nghệ ép chảy: theo sản
phẩm, theo hướng ép, theo nhiệt độ làm việc, theo thiết bị,… như trên sơ đồ hình
1.1 và 1.2 [1-3]. Trong nghiên cứu này, luận án tập trung nghiên cứu theo nhánh
cơng nghệ ép chảy ngang.

Hình 1.1. Sơ đồ phân loại q trình cơng nghệ ép chảy

Hình 1.2. Sơ đồ nguyên lý ép chảy nghịch (a), ép chảy thuận – thủy tĩnh (b)
và ép chảy ngang (c)
5


• Ưu điểm của công nghệ ép chảy
- Do ép chảy dựa trên nguyên tắc biến dạng dẻo nên cấu trúc tinh thể kim loại

-

-

thay đổi, tạo ra hướng, thớ kim loại phù hợp (hình 1.3), do đó làm cho cơ tính
của vật liệu tăng lên, chất lượng sản phẩm tốt.
Sản phẩm ép chảy có hình dạng đa dạng và có độ chính xác cao, tiết kiệm

được ngun vật liệu, đặc biệt trong sản xuất hàng loạt với số lượng lớn. Bề
mặt có độ bóng cao.
Thao tác đơn giản, dễ dàng cơ khí hóa và tự động hóa trong sản xuất.
Cho phép tạo ra các sản phẩm có hình dạng phức tạp mà các phương pháp
truyền thống khó có thể tạo hình được.
Vật liệu sử dụng cho cơng nghệ ép chảy rất đa dạng: kim loại, gốm, cao su, bột
chất dẻo... có thể ép chảy ở các trạng thái khác nhau như nóng, nguội và ấm.
Tạo hình được vật liệu có tính dẻo kém nhờ trạng thái ứng suất thủy tĩnh.

Hình 1.3. Mặt cắt dọc chi tiết trục bậc rỗng chế tạo bằng phương pháp ép chảy
• Nhược điểm cơ bản
- Áp lực lớn gây ảnh hưởng đến tuổi thọ của khuôn và thiết bị
- Đối với hầu hết các kim loại, quá trình ép chảy thực hiện trong trạng thái nóng

nên rất khó trong thao tác, bề mặt phơi dễ bị oxi hóa và dẫn đến sai số kích
thước, ảnh hưởng đến độ chính xác hình học sản phẩm.
- Gia tăng hệ số tiêu hao kim loại do phần kim loại thừa sau khi ép.
1.2. Công nghệ ép chảy ngang
Ép chảy ngang (lateral extrusion) là cơng nghệ tạo hình được thực hiện nhờ
lực ép để vật liệu điền đầy (chảy) vào lịng khn, hướng dịng chảy của vật liệu
vng góc với hướng tác dụng của lực ép (hình 1.4).

6


Hình 1.4. Hướng tác dụng của lực và hướng chảy của vật liệu trong ép chảy ngang

Tuy không được phong phú như công nghệ ép chảy ép chảy thuận và ép chảy
nghịch nhưng cơng nghệ ép chảy ngang có thể tạo ra các chi tiết có hình dạng phức
tạp và thông thường không cần các phương pháp gia công tạo hình khác sau khi ép

chảy ngang. Nếu so sánh với cơng nghệ dập khối thì ép chảy ngang sẽ tạo ra dòng
chảy vật liệu liên tục và dễ dàng điền đầy vào các nhánh khn để tạo ra sản phẩm
có có hình dạng phức tạp. Tuy nhiên, so với cơng nghệ dập khối, gia công bằng
công nghệ ép chảy ngang sẽ tiêu tốn nhiều thời gian hơn nên năng suất sẽ thấp hơn.
Một số sản phẩm điển hình có thể chế tạo bằng công nghệ ép chảy ngang như chốt
trục, chốt rãnh, bạc nối, bánh răng...
1.2.1. Nguyên lý của quá trình cơng nghệ ép chảy ngang
Ép chảy ngang được xem như là một q trình ép chảy đặc biệt, có sự kết hợp
giữa q trình chồn trong khn kín và ép chảy hướng kính, [4]. Q trình biến
dạng khi ép chảy ngang thường được chia thành ba giai đoạn (hình 1.5):
- Giai đoạn thứ nhất xảy ra khi ứng suất sinh ra lớn hơn giới hạn chảy của vật

liệu, vật liệu bị biến dạng tự do trong lịng khn. Giai đoạn này mang đặc
điểm của quá trình chồn.
- Giai đoạn thứ hai là giai đoạn bắt đầu từ khi chỗ phình tang trống của phơi
chạm vào thành lịng khn. Thơng thường giai đoạn này vật liệu biến dạng
khá ổn định.
- Giai đoạn ba bắt đầu từ khi phôi chạm vào thành lịng khn đến khi vật liệu
điền đầy đủ thể tích cần thiết và kết thúc q trình ép chảy.

Hình 1.5. Nguyên lý ép chảy ngang, [4]
7


Thực tế cho thấy, tùy thuộc vào kích thước tương đối, giai đoạn sau có thể bắt
đầu ngay khi giai đoạn trước chưa kết thúc, thậm chí có khi các giai đoạn cùng đồng
thời xảy ra.
Trong một số trường hợp, giai đoạn hai có thể kéo dài, vì trở lực biến dạng tại lỗ
thoát kim loại nhỏ hơn ở các rãnh khn khác, làm cho lịng khn khó điền đầy. Để
khắc phục hiện tượng này ta có thể dùng đối áp để tăng trở lực biến dạng tại lỗ thoát

kim loại.
1.2.2. Sản phẩm ép chảy ngang
Sản phẩm ép chảy ngang rất đa dạng, với những ưu điểm của công nghệ này, các
sản phẩm chế tạo ra được ứng dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp ôtô, xe
máy, máy công cụ... Hình 1.6 là hình ảnh các sản phẩm thực tế chế tạo bằng công
nghệ ép chảy ngang như bánh răng, trục truyền động, khớp nối… Đa số các sản
phẩm đều đạt được kích thước và hình dạng như chi tiết yêu cầu mà không cần phải
qua phương pháp gia cơng tạo hình khác.

Hình 1.6. Một số sản phẩm của cơng nghệ ép chảy ngang

1.3. Các cơng trình nghiên cứu về ép chảy ngang
1.3.1. Các nghiên cứu về công nghệ ép chảy ngang vật liệu đồng chất
Trên thế giới, công nghệ ép chảy ngang hiện nay vẫn đang được nghiên cứu và
ứng dụng rộng rãi. Dưới đây là những công trình nghiên cứu trong thời gian gần đây.

Nghiên cứu ép chảy ngang thanh chốt trục bằng cách sử dụng phương pháp định
trị trên để xác định trường vận tốc và kết hợp với quá trình thực nghiệm để xem xét
áp lực yêu cầu và khả năng điền đầy khuôn đã được thực hiện bởi T. Altinbalik và Y.
Can, [5]. Một bộ thí nghiệm sử dụng phơi chì để ép ra thanh chốt 2 và 4 nhánh. Kết
quả cho thấy áp lực dự báo theo mơ hình cao hơn giá trị thực nghiệm trong suốt quá
trình hình thành các nhánh nhưng thấp hơn giá trị thực nghiệm trong suốt giai đoạn
điền đầy vào các góc khn (hình 1.7).
8


Hình 1.7. So sánh lực ép giữa thực nghiệm và lý thuyết
với hai loại thanh chốt 2 và 4 nhánh khi ép chảy ngang, [5].

Ohashi và cộng sự [6-7] đã nghiên cứu thực nghiệm và mơ phỏng q trình ép

chảy ngang trục chữ thập với lõi rỗng. Tác giả đã xem xét cơ chế biến dạng trong
quá trình ép chảy ngang ống nhơm (A6063) với lõi là vật liệu có nhiệt độ nóng chảy
0

thấp (58 C) để sau khi tạo hình có thể nung nóng chảy phần lõi để nhận được chi
tiết khớp nối rỗng. Tuy nhiên, sản phẩm nhận được vẫn bị nhăn và thắt tại các vùng
chuyển tiếp như trên hình 1.8. Nguyên nhân được cho là chiều dày tại tâm tăng khi
đường kính của các nhánh nhỏ hơn đường kính ban đầu của phơi.

Hình 1.8. Hiện tượng hư hại khi ép chảy ngang khớp chữ thập rỗng, [6-7]

M.Zadshakoyan et al, 2009, [8] công bố nghiên cứu mô phỏng số và thực nghiệm
ép chảy theo hướng kính chi tiết rãnh then với số rãnh và đường kính phơi khác nhau
(hình 1.9). Nghiên cứu này sử dụng mơ hình vật liệu chì để mơ phỏng trên phần mềm
Deform 3D. Đường kính phơi thay đổi với các giá trị 20 và 23mm, số rãnh của sản
phẩm từ 2, 3 đến 6 rãnh, góc lượn khn được khảo sát trong 5 giá trị 0,5; 1; 2; 3; 4.
Các kết quả nhận được cho thấy, nếu đường kính phơi và số rãnh tăng, thì giá trị lực ép
tăng (hình 1.10). Góc lượn khuôn ảnh hưởng đến lực ép không đáng kể, tuy nhiên góc
lượn khn càng nhỏ biến dạng khó khăn hơn và dễ xảy ra phá hủy.
9


Hình 1.9. So sánh mơ phỏng và thực nghiệm chi tiết rãnh then, [8]

Hình 1.10. Ảnh hưởng của số rãnh và đường kính phơi đến lực ép lớn nhất, [8]

M.Zadshakoyan et al, (2009), [9] đã chỉ ra ảnh hưởng của kích thước khn và
hệ số ma sát đến lực ép và dịng chảy kim loại trong q trình ép chảy ngang vật
liệu AISI1006. Mô phỏng trên phần mềm DEFORM2D được thực hiện với các
trường hợp khác nhau để phân tích sự ảnh hưởng của tỉ số giữa khe hở và đường

kính phơi s/d đến lực ép, bao gồm việc thay đổi đường kính phơi, chiều cao khe hở
kênh, thực hiện ép chảy ngang trong hai trường hợp là ép một phía và ép hai phía.
Kết quả các nghiên cứu cho thấy, cùng một giá trị s/d, lực ép trong trường hợp ép
một phía nhỏ hơn trường hợp ép hai phía. Khi tăng s/d thì lực ép sẽ giảm trong cả
hai trường hợp. Khi tăng góc lượn khn r thì lực ép trong cả hai trường hợp đều
giảm. Ảnh hưởng của ma sát trong trường hợp ép một phía đáng kể hơn so với
trường hợp ép hai phía. Trong khi đó, góc điền đầy f tăng khi tăng s/d do vậy với tỉ
số s/d thấp thì chất lượng dịng chảy vật liệu tốt hơn. Tuy nhiên, tác giả cũng chưa
xét đến ảnh hưởng của nhiệt độ đến quá trình ép.
10


Hình 1.11. Sản phẩm bánh răng trụ răng thẳng, [10]

Nghiên cứu mô phỏng và thực nghiệm chế tạo bánh răng trụ răng thẳng đã được
thực hiện bởi Zadshakouyan et al, [10]. Mơ hình thuộc tính vật liệu sử dụng để mơ
phỏng và thực nghiệm là vật liệu chì. Sản phẩm nhận được như trên hình 1.11 và
lực ép giữa mơ phỏng và thực nghiệm là tương đồng. Kết quả nghiên cứu cho thấy,
lực ép tăng cao trong giai đoạn cuối khi vật liệu điền đầy vào các răng.

Hình 1.12. a) Đồ thị lực-hành trình ép giữa mơ phỏng và thực nghiệm với ma sát 0.04 và
đường kính phơi 20mm. b) Phân bố biến dạng trong ba trường hợp khe hở kênh khác nhau,
[11]
11