Tổng quan luận án

Tính cấp thiết và khoảng trống nghiên cứu

Gia công kim loại bằng áp lực là phương pháp tạo hình dựa trên tính dẻo của kim loại dưới tác dụng của ngoại lực, cho phép nâng cao cơ tính, độ chính xác kích thước và chất lượng bề mặt chi tiết. Trong chế tạo các chi tiết dạng khối chịu tải trọng va đập và mỏi cao (như bánh răng, chốt trục, khớp nối, trục chữ thập), công nghệ dập khối truyền thống vẫn tồn tại các hạn chế về lượng kim loại thừa, tiêu hao năng lượng và khó áp dụng cho phôi vật liệu nhiều lớp (bimetal/multi-layer).

Công nghệ ép chảy ngang (lateral extrusion) là quá trình kết hợp giữa chồn trong khuôn kín và ép chảy hướng kính, trong đó hướng chảy của vật liệu vuông góc với hướng tác dụng của lực ép. Phương pháp này cho phép tạo ra dòng chảy liên tục điền đầy các nhánh phức tạp mà không cần gia công cắt gọt bổ sung, đồng thời có khả năng tạo hình các chi tiết từ vật liệu nhiều lớp. Tuy nhiên, phần lớn các công trình công bố trước đây chỉ tập trung vào ép chảy thuận và ép chảy nghịch. Các nghiên cứu chuyên sâu về ảnh hưởng đồng thời của các thông số công nghệ (nhiệt độ, truyền nhiệt, vận tốc ép, ma sát), sự biến đổi dòng chảy vật liệu, hiện tượng biến mỏng/biến dày lớp vỏ và cơ chế phá hủy khi ép chảy ngang chi tiết phức tạp từ vật liệu hai lớp còn rất hạn chế. Do đó, 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" được thực hiện nhằm giải quyết khoảng trống này.

Mục tiêu nghiên cứu

Mục đích chính của luận án là nghiên cứu ảnh hưởng của các 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, đồng thời làm sáng tỏ cơ chế gây phá hủy khi tạo hình vật liệu hai lớp.

Nhiệm vụ nghiên cứu

  1. Nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số công nghệ gồm nhiệt độ phôi ban đầu ($T_0$), quá trình truyền nhiệt, vận tốc ép chảy ($v$) và dòng chảy vật liệu bằng mô phỏng số, sau đó kiểm chứng bằng thực nghiệm khi ép chảy sản phẩm trục chữ thập từ vật liệu thép đồng chất C45.
  2. Nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ phôi, quá trình truyền nhiệt, dòng chảy vật liệu và chiều dày lớp vỏ ($\delta$) bằng mô phỏng số và thực nghiệm khi ép chảy sản phẩm trục chữ thập từ vật liệu hai lớp thép C45 - C10s.
  3. Nghiên cứu hiện tượng và cơ chế phá hủy khi ép chảy ngang trục chữ thập từ vật liệu hai lớp nhôm Al-5052 và chì Pb ở trạng thái nguội, từ đó đề xuất phương án công nghệ khắc phục.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

  • Đối tượng nghiên cứu: Chi tiết trục chữ thập (khớp chữ thập lắp trong trục các-đăng ô tô/máy kéo) được tạo hình từ vật liệu đồng chất (thép C45) và vật liệu hai lớp (vỏ C45 - lõi C10s/AISI1006; vỏ nhôm Al-5052 - lõi chì Pb).
  • Phạm vi nghiên cứu:
    • Khảo sát các thông số công nghệ: nhiệt độ phôi ($T_0 = 900^\circ\text{C}, 1000^\circ\text{C}, 1100^\circ\text{C}$ đối với biến dạng nóng; nhiệt độ phòng đối với biến dạng nguội), vận tốc chày ép ($v = 5\text{ mm/s}$), hệ số ma sát ($f = 0$ và $f = 0{,}3$), chiều dày lớp vỏ ban đầu ($\delta = 1\text{ mm}, 2\text{ mm}, 3\text{ mm}$).
    • Nghiên cứu được thực hiện tại Trường Đại học Bách khoa Hà Nội (Viện Khoa học và Kỹ thuật Vật liệu, Bộ môn Cơ học vật liệu và Cán kim loại, Bộ môn Gia công áp lực) phối hợp cùng Viện Tiêu chuẩn Chất lượng Việt Nam và Viện Tên lửa thuộc Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam; hoàn thành năm 2020.

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Các hướng nghiên cứu trước đây

Tác giả đã hệ thống hóa các nghiên cứu trong nước và quốc tế theo hai nhóm chính:

1. Nghiên cứu công nghệ ép chảy ngang vật liệu đồng chất

  • T. [4, 5]: Áp dụng phương pháp định trị trên để xác định trường vận tốc trong hệ tọa độ trụ và thực nghiệm ép phôi chì tạo thanh chốt 2 nhánh và 4 nhánh; chỉ ra áp lực tính toán cao hơn thực nghiệm khi hình thành nhánh nhưng thấp hơn ở giai đoạn điền đầy góc khuôn.
  • Ohashi và cộng sự [6, 7]: Ép chảy ngang trục chữ thập rỗng sử dụng ống nhôm A6063 với lõi hợp kim có nhiệt độ nóng chảy thấp ($58^\circ\text{C}$); ghi nhận hiện tượng nhăn và thắt tại vùng chuyển tiếp khi đường kính nhánh nhỏ hơn phôi ban đầu.
  • M. Zadshakoyan và cộng sự [8] (2009): Sử dụng phần mềm DEFORM-3D và thực nghiệm ép phôi chì tạo chi tiết rãnh then (đường kính 20, 23 mm; số rãnh 2–6; bán kính góc lượn khuôn $R = 0{,}5 - 4\text{ mm}$); chứng minh lực ép tăng khi đường kính phôi và số rãnh tăng.
  • M. Zadshakoyan và cộng sự [9] (2009): Khảo sát ảnh hưởng tỷ số giữa chiều cao khe hở và đường kính phôi ($s/d$), hệ số ma sát đến lực ép vật liệu AISI1006 trên DEFORM-2D cho hai trường hợp ép một phía và ép hai phía.
  • Zadshakouyan và cộng sự [10]: Mô phỏng và thực nghiệm ép chảy bánh răng trụ răng thẳng bằng chì; ghi nhận lực ép tăng vọt ở giai đoạn điền đầy răng.
  • H. Jafarzadeh và cộng sự [11] (2012): Mô phỏng và thực nghiệm ép chì hai phía; chỉ ra biến dạng lớn nhất xuất hiện tại giữa đáy phôi, khe hở kênh càng hẹp thì nguy cơ phá hủy càng cao.
  • Paltasingh và cộng sự [12–15] (2013): Phân tích 3D quá trình ép chảy ngang các chi tiết đầu tròn, tam giác, lục giác, bánh răng để khảo sát phân bố ứng suất và dòng chảy kim loại.
  • M. Plancak và cộng sự [16] (2013): Ép chảy ngang chi tiết trục 6 rãnh bằng nhôm Al 99.5 với rãnh tù (HD A) và rãnh nhọn (HD B) theo mô hình dẻo Ludwik; ghi nhận 80% thể tích khuôn được điền đầy trong giai đoạn ổn định.
  • Can và Misirli [17]: So sánh dập khuôn kín và ép chảy ngang bánh răng 2 và 4 nhánh; chứng minh ép chảy ngang có áp lực tạo hình thấp hơn với độ bền mỏi tương đương.
  • Các nghiên cứu tại Việt Nam: Các tác giả trong nước tập trung vào ép chảy thuận thanh nhôm định hình, ép vi cơ khí, ép ngược thép hợp kim chế tạo ống chịu áp [29–31], dập khối trục chữ thập [32–34]. Nhóm nghiên cứu [35, 36] bước đầu thử nghiệm ép ngang trục chữ thập bằng chì và thép đồng chất nhưng chưa nghiên cứu vật liệu hai lớp.

2. Nghiên cứu công nghệ ép chảy và tạo hình vật liệu nhiều lớp

  • Misiolek và cộng sự [40]: Ép chảy ống bimetal AISI1020 - SUS304 và nghiên cứu quá trình khuếch tán ranh giới hạt ở $1100^\circ\text{C}$.
  • Haghighat và cộng sự [41, 42]: Phân tích ép chảy ống và thanh Al-Cu qua khuôn côn xoay bằng định trị trên và ABAQUS.
  • Kačmarčik I và cộng sự [43]: Mô phỏng ép chảy nghịch bánh răng bimetal lõi Al - vỏ Fe; chỉ ra hiện tượng biến mỏng không đồng đều tại chân răng.
  • O. Golovko và cộng sự [44]: Ép bimetal vỏ Al - lõi hợp kim Mg ở $380^\circ\text{C} - 420^\circ\text{C}$; ghi nhận chất lượng liên kết suy giảm và xuất hiện vết nứt do tăng lớp liên kim khi nhiệt độ tăng.
  • Cenk Misirli và cộng sự [45]: Chồn khuôn hở phôi 2 lớp vỏ thép AISI1020 - lõi đồng trên máy ép 150 tấn; xuất hiện hiện tượng tách lớp khi độ biến dạng đạt 40%.
  • Anna Chugreeva và cộng sự [46]: Dập nóng bánh răng côn hai lớp vỏ 41Cr4 - lõi C22.8 từ phôi hàn ghép.
  • Denis J Politis và cộng sự [47], Wolfgang Förster và cộng sự [48]: Dập khối bánh răng lõi Pb - vỏ Cu và tạo hình chi tiết lõi Mg - vỏ Al.
  • Phạm Văn Quế và cộng sự [49]: Ép chảy nóng phôi bimetal thép C45 - thép ổ lăn ШX15 chế tạo bằng hàn nổ.

Khoảng trống luận án giải quyết

Các công trình trước chưa làm rõ sự tương tác đồng thời giữa truyền nhiệt, vận tốc biến dạng và ma sát khi ép chảy ngang; chưa định lượng được quy luật phân bố chiều dày (biến mỏng/biến dày) của lớp vỏ; chưa giải thích đầy đủ cơ chế phá hủy cơ học của vật liệu nhiều lớp khi tạo hình chi tiết chữ thập và chưa đưa ra giải pháp công nghệ đối xứng nhằm khắc phục phá hủy.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Cơ sở lý thuyết và khung phân tích

  • Phương pháp định trị trên (Upper Bound Method): Thiết lập trường vận tốc trong hệ tọa độ trụ cho bài toán ép chảy ngang khớp 4 nhánh qua 4 vùng biến dạng:

    • Vùng 1 (vật rắn): $V_r = 0, V_\theta = 0, V_z = -V_0$.
    • Vùng 2 (không biến dạng bán kính): $V_r = 0, V_\theta = 0, V_z = f(z)$.
    • Vùng 3 (dòng chảy 3 hướng): tồn tại đầy đủ các thành phần $V_r, V_\theta, V_z$.
    • Vùng 4 (không chảy dọc trục): $V_z = 0$, dòng chảy hướng kính vuông góc với trục $z$.

    Năng lượng tổng cộng để gây biến dạng tạo hình được xác định từ tốc độ biến dạng dẻo $\dot{\varepsilon}_{ij}$, năng lượng tiêu hao do trượt và ma sát tiếp xúc: $$J^* = \dot{W}_i + \dot{W}_s + \dot{W}f$$ Áp lực biến dạng tạo hình được tính theo: $$p{def} = \frac{J^*}{\pi R_0^2 V_0}$$

  • Cân bằng lực và áp lực ép tổng cộng: $$P_T = P_D + P_F + P_R$$ Trong đó: $P_D = f(\bar{\sigma}, \bar{\varepsilon})$ là áp lực biến dạng dẻo; $P_F = f(p_r, m, m', m'', D, L, L')$ là áp lực thắng ma sát tại buồng ép, vùng chết và cửa khuôn; $P_R = f(\bar{\sigma}, \alpha)$ là áp lực khắc phục biến dạng dư và công dư thừa (theo Dieter [50]). Lực ép yêu cầu $F_r = P_T \cdot A_C$, máy ép được lựa chọn phải thỏa mãn $F_P > F_r$ với $F_P = p A_1 + p(2 A_2)$.

  • Mô hình ma sát và tiếp xúc:

    • Mô hình ma sát Schey cho biến dạng áp lực cao: $F_f = f \cdot k \cdot A_R$, ứng suất trượt $\tau = \frac{4 f \bar{\sigma}}{\sqrt{3}}$.
    • Bảng hệ số ma sát trượt Tresca trong tạo hình:
Quá trình gia công Hệ số ma sát ($f$)
Tạo hình nguội 0,12
Tạo hình ấm 0,20
Tạo hình nóng có bôi trơn 0,30
Tạo hình nóng không bôi trơn 0,40 – 0,50

  • Mô hình cơ - nhiệt và truyền nhiệt:

    • Truyền nhiệt giữa phôi và khuôn: $T = T_0 - (T_0 - T_1) \exp\left(-\frac{\lambda t}{\rho c \delta}\right)$.
    • Nhiệt độ trung bình có tính đến nhiệt ma sát và biến dạng: $T_m = T + T_d + T_f$.
    • Phương trình vi phân truyền nhiệt tổng quát trong tọa độ trụ: $$\frac{1}{r}\frac{\partial}{\partial r}\left(r k \frac{\partial T}{\partial r}\right) + \frac{\partial}{\partial z}\left(k \frac{\partial T}{\partial z}\right) + q = \rho C_p \frac{\partial T}{\partial t}$$

  • Hệ số ép chảy ($ER$) và vận tốc ép ($V_E$): $$ER = \frac{A_C}{n A_E}; \quad V_E = V_R \cdot \frac{A_C}{n A_E} = V_R \cdot ER$$ Trong đó $n$ là số lỗ thoát phôi đối xứng ($n = 4$ cho trục chữ thập).

  • Mô hình phá hủy Johnson - Cook:

    • Ứng xử chảy dẻo phụ thuộc biến dạng, tốc độ biến dạng và nhiệt độ: $$\sigma = (A + B \varepsilon^n)\left[1 + C \ln\left(\frac{\dot{\varepsilon}}{\dot{\varepsilon}0}\right)\right]\left[1 - \left(\frac{T - T_0}{T{melt} - T_0}\right)^m\right]$$
    • Chỉ số phá hủy tích lũy vô hướng $D$: $$D = \sum \frac{\Delta \bar{\varepsilon}^p}{\varepsilon_f}; \quad \varepsilon_f = \left[D_1 + D_2 \exp\left(D_3 \frac{\sigma_m}{\sigma_{eq}}\right)\right]\left[1 + D_4 \ln\left(\frac{\dot{\varepsilon}}{\dot{\varepsilon}_0}\right)\right]\left[1 + D_5 T^*\right]$$ Khi $D \ge 1$, phần tử vật liệu bị phá hủy hoàn toàn.

Phương pháp nghiên cứu và công cụ thực tế

  1. Mô phỏng số (FEM): Sử dụng phần mềm ABAQUS để thiết lập mô hình bài toán biến dạng dẻo phi tuyến tiếp xúc cơ - nhiệt 3D và 2D; tích hợp mô hình vật liệu Johnson-Cook và tiêu chuẩn phá hủy dẻo. Sử dụng phần mềm MATLAB để xử lý số liệu tương hợp đường cong ứng suất thực - biến dạng thực $\sigma_p = \sigma_p(\varepsilon_p)$.
  2. Phương pháp thực nghiệm:
    • Thí nghiệm kéo đơn mẫu nhôm Al-5052 ở các bán kính góc khía khác nhau để xác định quan hệ giữa mức độ biến dạng phá hủy $\varepsilon_f$ và chỉ số ứng suất ba chiều $\sigma^* = \sigma_m / \sigma_{eq}$.
    • Thực nghiệm ép chảy nóng trên máy ép thủy lực 125 tấn kết hợp hệ thống áo khuôn gia nhiệt trực tiếp và tủ điều khiển nhiệt độ.
    • Thực nghiệm ép chảy nguội vật liệu hai lớp Al-Pb để quan sát thực tế cơ chế phá hủy.

Nguồn tư liệu và vật liệu nghiên cứu

  • Thép kết cấu C45 (làm phôi đồng chất và lớp vỏ bimetal).
  • Thép carbon thấp C10s / AISI1006 (làm lõi phôi bimetal biến dạng nóng).
  • Nhôm hợp kim Al-5052 (vỏ) và chì nguyên chất Pb (lõi) dùng cho khảo sát biến dạng nguội.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan vấn đề nghiên cứu

Chương 1 tổng thuật các khái niệm, phân loại và nguyên lý của công nghệ ép chảy ngang. Tác giả phân tích quá trình biến dạng ép ngang qua 3 giai đoạn: chồn tự do, tiếp xúc thành lòng khuôn và điền đầy thể tích. Chương này điểm lại có hệ thống các công trình nghiên cứu trong và ngoài nước về ép chảy vật liệu đồng chất (chì, nhôm, thép) và vật liệu nhiều lớp (Al-Cu, Al-Fe, Al-Mg, thép-đồng, thép-thép), từ đó làm rõ khoảng trống khoa học về ép chảy ngang chi tiết phức tạp hai lớp và xác định mục tiêu nghiên cứu của luận án.

Chương 2: Cơ sở lý thuyết quá trình ép chảy

Chương 2 thiết lập các phương trình toán học giải tích mô tả trường vận tốc, tốc độ biến dạng, áp lực tạo hình theo phương pháp định trị trên trong hệ tọa độ trụ cho chi tiết khớp 4 nhánh. Tác giả phân tích chi tiết tác động của 5 thông số công nghệ cốt lõi: hệ số ma sát ($f$), nhiệt độ ($T$), hệ số ép chảy ($ER$), ứng suất chảy ($\bar{\sigma}$) và vận tốc ép ($V_E$). Đồng thời, chương này thiết lập các phương trình truyền nhiệt vi phân phôi - khuôn, cơ chế hình thành ứng suất dư và các dạng khuyết tật bề mặt, hiện tượng giòn nóng (bở nóng) và nứt tâm (Chevron).

Chương 3: Nghiên cứu quá trình ép chảy ngang trục chữ thập bằng mô phỏng số

Chương này tập trung mô phỏng số trên phần mềm ABAQUS với các nội dung:

  • Mô phỏng trục chữ thập thép C45 đồng chất:
    • Khảo sát các dải nhiệt độ phôi ban đầu $T_0 = 900^\circ\text{C}, 1000^\circ\text{C}, 1100^\circ\text{C}$, vận tốc $v = 5\text{ mm/s}$, ma sát $f = 0$ và $f = 0{,}3$.
    • Khi tăng nhiệt độ từ $900^\circ\text{C}$ lên $1100^\circ\text{C}$, lực ép cực đại giảm đáng kể do giảm trở kháng biến dạng.
    • Phân tích gradient vận tốc và trường ứng suất von-Mises cho thấy ứng suất tập trung cao tại góc lượn đáy nhánh chữ thập; giai đoạn cuối của quá trình điền đầy xuất hiện dòng chảy rối ở đầu các nhánh.
  • Mô phỏng trục chữ thập hai lớp C45 - C10s:
    • Khảo sát chiều dày lớp vỏ thép C45 ban đầu $\delta = 1\text{ mm}, 2\text{ mm}, 3\text{ mm}$ ở $T_0 = 1100^\circ\text{C}$.
    • Phát hiện quy luật biến đổi chiều dày lớp vỏ: bị biến mỏng mạnh tại vùng đáy nhánh chữ thập và bị biến dày tại phần trên của nhánh. Khi $\delta = 1\text{ mm}$, nguy cơ nứt vỡ lớp đáy rất cao; khi $\delta = 2\text{ mm}$ và $3\text{ mm}$, lớp vỏ duy trì tính liên tục và bao bọc tốt phần lõi.
  • Nghiên cứu cơ chế phá hủy trên phôi hai lớp Al-5052 (vỏ) và Pb (lõi) ở trạng thái nguội:
    • Sử dụng MATLAB nhận dạng đường cong ứng suất thực - biến dạng thực và xây dựng quan hệ giữa $\varepsilon_f$ và $\sigma^*$.
    • Theo dõi phần tử số 3884 tại đáy phôi: chỉ số ứng suất ba chiều chuyển từ nén sang kéo mạnh ($\sigma^* > 0$), chỉ số phá hủy tích lũy Johnson-Cook đạt $D \ge 1$ dẫn đến phần tử bị xóa và làm nứt vỡ lớp đáy. Nguyên nhân do sự chênh lệch lớn về độ bền và tính dẻo giữa vỏ nhôm và lõi chì.
  • Nghiên cứu giải pháp ép chảy đối xứng hai chiều: Mô phỏng phương án tác dụng lực ép đồng thời từ hai phía cho thấy sự phân bố ứng suất đồng đều, triệt tiêu vùng tập trung ứng suất kéo tại đáy và ngăn ngừa hiện tượng phá hủy lớp vỏ.

Chương 4: Thực nghiệm kiểm chứng ép chảy ngang trục chữ thập

Chương này tiến hành kiểm chứng các kết quả mô phỏng bằng thực nghiệm:

  • Hệ thống thiết bị thực nghiệm: Máy ép thủy lực 125 tấn, lò nung công suất 10 kW, hệ thống áo gia nhiệt khuôn trực tiếp kèm tủ điều khiển nhiệt độ, bộ khuôn ép trục chữ thập chuyên dụng.
Thiết bị / Thông số Giá trị / Đặc tính kỹ thuật
Máy ép thủy lực Lực ép danh nghĩa 125 tấn
Lò nung phôi Công suất 10 kW
Nhiệt độ ép nóng thực nghiệm Phôi $T_0 = 1100^\circ\text{C}$, khuôn gia nhiệt trước
Vận tốc chày ép thực nghiệm $v = 5\text{ mm/s}$
Vật liệu thực nghiệm nóng Thép đồng chất C45; Thép hai lớp vỏ C45 - lõi C10s ($\delta = 2\text{ mm}$)
Vật liệu thực nghiệm nguội Hai lớp vỏ nhôm Al-5052 - lõi chì Pb
  • Kết quả thực nghiệm:
    • Tiến hành ép dừng ở 2/3 hành trình và ép hết toàn bộ hành trình.
    • Chi tiết trục chữ thập thép C45 và C45-C10s điền đầy tốt các nhánh, không bị nứt vỡ bề mặt.
    • So sánh phân bố chiều dày lớp vỏ $\delta = 2\text{ mm}$ giữa thực nghiệm và mô phỏng cho thấy sự tương hợp cao về quy luật biến mỏng tại đáy và biến dày ở phần trên.
    • Đồ thị lực ép - hành trình thực nghiệm bám sát đường cong mô phỏng số.
    • Thực nghiệm ép nguội mẫu Al-Pb xác nhận hiện tượng nứt vỡ lớp đáy đúng tại vị trí và cơ chế mà chỉ số phá hủy Johnson-Cook đã dự báo trong mô phỏng.

Kết quả và những đóng góp mới

Đóng góp mới về khoa học và lý luận

  1. Làm rõ quy luật biến dạng và dòng chảy: Luận giải toàn diện ảnh hưởng tương hỗ của nhiệt độ phôi ban đầu ($T_0$), vận tốc ép ($v$) và truyền nhiệt đến lực ép, trạng thái ứng suất - biến dạng và dòng chảy vật liệu khi ép chảy ngang trục chữ thập đồng chất (C45) và hai lớp (C45-C10s). Xác định được vùng tập trung ứng suất lớn nhất tại đáy nhánh chữ thập và dòng chảy rối ở giai đoạn cuối điền đầy khuôn.
  2. Quy luật biến dạng lớp vỏ bimetal: Định lượng được hiện tượng biến mỏng tại đáy và biến dày tại đỉnh của lớp vỏ khi ép chảy ngang vật liệu hai lớp theo các chiều dày $\delta = 1, 2, 3\text{ mm}$.
  3. Luận giải cơ chế phá hủy vật liệu hai lớp: Chứng minh cơ chế phá hủy dẻo của lớp vỏ trong phôi hai lớp (Al-Pb) ở trạng thái nguội là do sự bất tương thích biến dạng giữa hai pha vật liệu, làm biến đổi trạng thái ứng suất tại vùng đáy từ nén sang kéo cục bộ vượt quá giới hạn bền phá hủy của lớp vỏ.

Đóng góp mới về thực tiễn và giải pháp công nghệ

  1. Bộ thông số công nghệ tối ưu: Đã xác lập bộ thông số ép chảy nóng tối ưu cho chi tiết trục chữ thập thép C45-C10s gồm: nhiệt độ nung phôi $T_0 = 1100^\circ\text{C}$, vận tốc ép $v = 5\text{ mm/s}$, hệ số ma sát bôi trơn $f = 0{,}3$, chiều dày lớp vỏ hợp lý $\delta = 2\text{ mm}$.
  2. Giải pháp công nghệ ép đối xứng hai chiều: Đề xuất giải pháp công nghệ ép chảy ngang đối xứng hai chiều bằng mô phỏng số, giúp phân bố trường biến dạng đồng đều, kiểm soát chiều dày lớp vỏ đồng nhất và triệt tiêu nguy cơ phá hủy.
  3. Chế tạo bộ khuôn thực nghiệm tích hợp gia nhiệt: Thiết kế, chế tạo thành công bộ khuôn ép chảy ngang trục chữ thập có hệ thống áo khuôn gia nhiệt trực tiếp, kết nối làm việc đồng bộ trên máy ép thủy lực 125 tấn.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của đề tài

  • Nghiên cứu thực nghiệm mới tập trung vào kết cấu trục chữ thập đối xứng chuẩn, chưa mở rộng cho các dạng chi tiết có tỷ lệ phân nhánh bất đối xứng phức tạp hơn.
  • Khảo sát biến dạng nóng mới thực hiện ở các mốc nhiệt độ rời rạc ($900^\circ\text{C}, 1000^\circ\text{C}, 1100^\circ\text{C}$) và vận tốc cố định ($5\text{ mm/s}$).
  • Chưa phân tích sâu quá trình chuyển biến pha tế vi và khuếch tán kim loại tại bề mặt phân chia hai lớp sau khi xử lý nhiệt ủ/tôi sau ép.

Hướng nghiên cứu tiếp theo

  • Mở rộng nghiên cứu ép chảy ngang cho các chi tiết có hình học phức tạp hơn (bánh răng nhiều tầng, trục then hoa nhiều nhánh).
  • Tối ưu hóa tự động kết cấu góc lượn khuôn và áp dụng công nghệ ép có đối áp (back pressure) để nâng cao chất lượng điền đầy.
  • Khảo sát độ bền mỏi, tổ chức tế vi và cơ tính làm việc thực tế của trục chữ thập hai lớp sau nhiệt luyện hoàn thiện.

Giá trị tham khảo

  • Đối với nghiên cứu sinh và học viên sau đại học ngành Cơ kỹ thuật, Kỹ thuật Vật liệu, Gia công áp lực: Luận án là tài liệu tham khảo giá trị về phương pháp ứng dụng lý thuyết định trị trên, kỹ thuật mô phỏng phần tử hữu hạn phi tuyến tiếp xúc cơ - nhiệt trên ABAQUS và phương pháp tích hợp mô hình phá hủy Johnson-Cook.
  • Đối với giảng viên và nhà nghiên cứu: Cung cấp cơ sở khoa học và dữ liệu thực nghiệm về cơ chế biến dạng dẻo của vật liệu nhiều lớp (bimetal) trong các quá trình gia công tạo hình khối phức tạp.
  • Đối với kỹ sư và doanh nghiệp cơ khí chế tạo máy, công nghiệp ô tô: Luận án cung cấp các thông số công nghệ cụ thể, bản vẽ kết cấu khuôn tích hợp gia nhiệt và giải pháp ép đối xứng để ứng dụng trực tiếp vào sản xuất chi tiết trục các-đăng, khớp nối truyền động, góp phần tiết kiệm nguyên liệu và nâng cao năng lực nội địa hóa linh kiện.

Câu hỏi thường gặp

1. Sự khác biệt cơ bản giữa công nghệ ép chảy ngang và dập khối truyền thống là gì?

Ép chảy ngang là sự kết hợp giữa chồn khuôn kín và ép chảy hướng kính, trong đó dòng chảy kim loại vuông góc với hướng tác dụng của lực ép. Điểm khác biệt lớn nhất là ép chảy ngang tạo ra dòng chảy vật liệu liên tục điền đầy các nhánh phức tạp, không sinh ra bavia thừa (tiết kiệm vật liệu), giảm áp lực tạo hình so với dập khuôn kín và có khả năng tạo hình được phôi vật liệu nhiều lớp.

2. Vì sao lớp vỏ của phôi hai lớp lại bị biến mỏng ở đáy và biến dày ở phía trên nhánh chữ thập?

Trong quá trình ép chảy ngang, khi chày đi xuống, vật liệu ở phần trên chịu biến dạng trượt và dồn ép trực tiếp vào rãnh khuôn làm tăng chiều dày lớp vỏ phía trên. Ngược lại, lớp vỏ tại vùng đáy phôi bị kéo giãn mạnh theo hướng kính khi vật liệu lõi chảy tràn qua góc lượn khuôn, gây ra hiện tượng biến mỏng cục bộ.

3. Nguyên nhân gây nứt vỡ lớp vỏ khi ép chảy nguội phôi hai lớp nhôm - chì là gì?

Nguyên nhân xuất phát từ sự bất tương thích về tính chất biến dạng dẻo giữa vỏ nhôm Al-5052 và lõi chì Pb. Khi bị dồn ép, chì biến dạng rất nhanh và ép ngược lên vỏ nhôm, làm chuyển trạng thái ứng suất tại đáy phôi từ nén sang kéo. Ứng suất kéo cục bộ vượt quá độ bền cho phép của nhôm, làm chỉ số phá hủy Johnson-Cook đạt $D \ge 1$, dẫn đến nứt phá hủy lớp đáy.

4. Giải pháp công nghệ nào được đề xuất để khắc phục hiện tượng phá hủy khi ép chảy ngang trục chữ thập hai lớp?

Luận án đề xuất hai giải pháp: (1) Lựa chọn chiều dày lớp vỏ ban đầu phù hợp ($\delta \ge 2\text{ mm}$ đối với phôi thép biến dạng nóng ở $1100^\circ\text{C}$); (2) Sử dụng công nghệ ép chảy đối xứng hai chiều (tác dụng lực ép đồng thời từ hai phía), giúp phân bố ứng suất biến dạng đồng đều và triệt tiêu vùng tập trung ứng suất kéo nguy hiểm tại đáy phôi.

5. Những thông số công nghệ nào được xác định là tối ưu khi ép nóng trục chữ thập thép C45 - C10s?

Qua mô phỏng và thực nghiệm kiểm chứng, bộ thông số công nghệ phù hợp bao gồm: nhiệt độ nung phôi ban đầu $T_0 = 1100^\circ\text{C}$, vận tốc chày ép $v = 5\text{ mm/s}$, hệ số ma sát bôi trơn $f = 0{,}3$, và chiều dày lớp vỏ thép C45 ban đầu $\delta = 2\text{ mm}$.

Kết luận

Luận án của tác giả Đỗ Quang Long đã giải quyết thành công bài toán tạo hình chi tiết phức tạp trục chữ thập bằng phương pháp ép chảy ngang cho cả vật liệu đồng chất (thép C45) và vật liệu hai lớp (C45 - C10s, Al - Pb). Bằng việc kết hợp chặt chẽ giữa lý thuyết định trị trên, mô phỏng số cơ - nhiệt trên ABAQUS và thực nghiệm trên máy ép thủy lực 125 tấn, công trình đã làm sáng tỏ quy luật dòng chảy, phân bố chiều dày lớp vỏ và cơ chế phá hủy dẻo của vật liệu nhiều lớp. Kết quả nghiên cứu đề xuất giải pháp ép đối xứng hai chiều và xác lập bộ thông số công nghệ tối ưu, đóng góp cơ sở khoa học và giá trị thực tiễn quan trọng cho ngành gia công áp lực và công nghiệp chế tạo cơ khí.