Hcmute nghiên cứu công nghệ biến dạng dẻo mãnh liệt bằng phương pháp cán tích hợp dao động dọc trục của rulo

Hcmute nghiên cứu công nghệ biến dạng dẻo mãnh liệt qua phương pháp cán tích hợp dao động dọc trục, mở ra tiềm năng mới trong sản xuất.

• Tác giả: TS. Phạm Huy Tuân
• Trường học: Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Kỹ thuật cơ khí
• Đề tài: Nghiên cứu công nghệ cán tích hợp dao động dọc trục tại HCMUTE
• Loại tài liệu: luận văn
• Năm xuất bản: 2014
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI MỞ ĐẦU
• 1. PHẦN A. TỔNG QUAN
• 1.1. Tổng quan về lĩnh vực nghiên cứu
• 1.1.1. Các phương pháp gia công áp lực truyền thống
• 1.1.2. Các phương pháp gia công biến dạng dẻo mãnh liệt (severe plastic deformation – SPD)
• 1.2. Tính cấp thiết
• 1.3. Mục tiêu
• 1.4. Cách tiếp cận
• 1.5. Phương pháp nghiên cứu
• 1.6. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
• 2. PHẦN B. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU
• 2.1. Cơ sở phương pháp phần tử hữu hạn
• 2.2. Phương trình Hall-Petch
• 2.3. Các hiện tượng và các yếu tố ảnh hưởng đến độ hạt của kim loại khi gia công biến dạng dẻo
• 2.4. Giới thiệu về phần mềm ABAQUS
• 3. CHƯƠNG 2: CÁC MÔ HÌNH NGHIÊN CỨU VÀ THÔNG SỐ TRONG QUÁ TRÌNH MÔ PHỎNG TWVR BẰNG FEM
• 3.1. Các mô hình nghiên cứu
• 3.1.1. Mô hình hình học
• 3.1.2. Mô hình vật liệu
• 3.1.3. Mô hình nhiệt độ
• 3.2. Các thông số trong quá trình mô phỏng TWVR
• 3.2.1. Các thông số về hình học và chuyển động
• 3.2.2. Các thông số vật liệu phôi Al 5052
• 3.2.3. Các thông số nhiệt và các thông số khác
• 4. CHƯƠNG 3: XÂY DỰNG MÔ HÌNH MÔ PHỎNG FEM CHO BƯỚC CÁN ĐẦU TIÊN
• 4.1. Thiết kế bản vẽ 2D
• 4.2. Xây dựng mô hình 3D và chia lưới cho phôi
• 4.3. Xây dựng mô hình 3D hoàn chỉnh
• 5. CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN QUA BƯỚC CÁN ĐẦU TIÊN
• 5.1. Sự phân bố biến dạng dẻo tương đương (PEEQ)
• 5.2. Sự giãn rộng của phôi
• 5.3. Nhiệt độ của phôi
• 6. CHƯƠNG 5: XÂY DỰNG MÔ HÌNH MÔ PHỎNG FEM VÀ KẾT QUẢ THẢO LUẬN QUA BỐN BƯỚC CÁN
• 6.1. Xây dựng mô hình mô phỏng qua bốn bước cán
• 6.2. Kết quả và thảo luận qua bốn bước cán
• 6.2.1. Sự giãn rộng của phôi
• 6.2.2. Nhiệt độ của phôi
• 7. CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN – ĐỀ NGHỊ
• 7.1. Qua bước cán đầu tiên
• 7.2. Qua bốn bước cán
• 7.3. Các vấn đề còn tồn tại
• 7.4. Hướng phát triển của đề tài
• TÀI LIỆU THAM KHẢO
• PHỤ LỤC 1. Ví dụ về “mô phỏng cán 2D” với Abaqus/Explicit
• PHỤ LỤC 2. Hướng dẫn cao học
• PHỤ LỤC 3. Bài báo tham dự hội nghị, tạp chí trong và ngoài nước
• PHỤ LỤC 4. Bản sao thuyết minh đề tài đã được phê duyệt

Tóm tắt

I. Giới thiệu về Nghiên cứu Công nghệ Cán tích hợp Dao động dọc trục tại HCMUTE

Nghiên cứu này tập trung vào công nghệ cán tích hợp dao động dọc trục, một phương pháp gia công biến dạng dẻo mãnh liệt (SPD) mới. Nghiên cứu công nghệ cán này được thực hiện tại Đại học Công nghệ Thành phố Hồ Chí Minh (HCMUTE). Nghiên cứu khoa học này nhằm mục đích hiểu rõ hơn về cơ chế biến dạng và trao đổi nhiệt trong quá trình cán, từ đó tối ưu hóa thông số gia công và nâng cao hiệu quả sản xuất. Công nghệ cán tích hợp dao động dọc trục mang lại nhiều tiềm năng trong việc sản xuất vật liệu có hạt siêu mịn, tăng độ bền mà không làm giảm độ dai. Luận văn và bài báo khoa học trình bày kết quả nghiên cứu này. Nghiên cứu sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn (FEM), cụ thể là phần mềm ABAQUS, để mô phỏng quá trình cán. Mục tiêu chính là phân tích ảnh hưởng của các thông số gia công đến hiệu quả cán, bao gồm sự phân bố biến dạng dẻo, nhiệt độ và giãn rộng của phôi. Nghiên cứu cán này tập trung vào vật liệu cán kim loại, cụ thể là hợp kim nhôm 5052. Công nghệ chế tạo được cải tiến nhờ việc tích hợp dao động dọc trục, giúp giảm thiểu tiếng ồn và nâng cao hiệu suất cán. Quá trình cán được mô phỏng chi tiết, bao gồm các giai đoạn khác nhau và ảnh hưởng của các yếu tố liên quan.

1.1 Tổng quan về Công nghệ Cán và SPD

Công nghệ cán là phương pháp gia công kim loại phổ biến, chiếm hơn 70% sản lượng. Tuy nhiên, công nghệ cán truyền thống có hạn chế về độ bền vật liệu. Phương pháp SPD ra đời nhằm khắc phục hạn chế này, tạo ra vật liệu có hạt siêu mịn, tăng cường độ bền mà không giảm độ dai. Nghiên cứu cán này tập trung vào một phương pháp SPD tiên tiến là cán tích hợp dao động dọc trục. Công nghệ chế tạo hiện đại này được áp dụng rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp. Các phương pháp SPD khác như ECAP, HPT, ARB, RCS, ECAR, ECAP-Conform, và HRDSR cũng được đề cập đến trong nghiên cứu nhằm so sánh và đánh giá ưu nhược điểm. Nghiên cứu cán so sánh chi tiết giữa các phương pháp này, đặc biệt nhấn mạnh hiệu quả, năng suất, và tính khả thi trong sản xuất đại trà. Cán liên tục và cán nguội cũng được xem xét trong phạm vi nghiên cứu. Vật liệu sử dụng trong nghiên cứu là kim loại, chủ yếu tập trung vào cán thép và cán nhôm. Kỹ thuật cán được cải tiến dựa trên việc tối ưu hóa các tham số, bao gồm lực ép, tốc độ cán, và nhiệt độ. Thiết bị cán được mô tả kỹ lưỡng trong nghiên cứu. Quá trình cán được phân tích dựa trên các nguyên lý vật lý và cơ học. Mô hình toán học được sử dụng để mô phỏng quá trình biến dạng và lưu chuyển vật liệu. Phân tích dao động là một phần quan trọng của nghiên cứu, tập trung vào giảm rung động và giảm tiếng ồn trong quá trình cán. Cán tích hợp các yếu tố mới này giúp cải thiện hiệu suất cán đáng kể. Chi phí sản xuất cũng được xem xét để đánh giá tính kinh tế của công nghệ cán mới.

1.2 Phương pháp Nghiên cứu và Kết quả

Nghiên cứu công nghệ cán này sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn (FEM). Mô hình toán học được xây dựng dựa trên phần mềm ABAQUS. Mô phỏng cán được thực hiện cho cả bước cán đầu tiên và bốn bước cán liên tiếp. Kết quả mô phỏng bao gồm sự phân bố biến dạng dẻo tương đương (PEEQ), sự giãn rộng của phôi, và nhiệt độ của phôi. Phân tích dao động được thực hiện để đánh giá ảnh hưởng của biên độ dao động đến các thông số trên. Kết quả nghiên cứu cho thấy sự thay đổi đáng kể về hiệu quả cán khi thay đổi các thông số gia công. Thống kê và đo lường được sử dụng để phân tích dữ liệu. Đánh giá về độ chính xác của mô hình được thực hiện. Ứng dụng của công nghệ cán này trong thực tế được đề xuất. Nghiên cứu sinh HCMUTE thực hiện nghiên cứu này dưới sự hướng dẫn của giảng viên HCMUTE. Cơ sở lý thuyết về công nghệ cán và phương pháp phần tử hữu hạn được trình bày rõ ràng. Thực nghiệm được thực hiện tại Đài Loan, kết hợp với mô phỏng bằng phần mềm ABAQUS. Dữ liệu từ thí nghiệm được sử dụng để xác thực mô hình và kết quả mô phỏng. Báo cáo nghiên cứu bao gồm bảng biểu và hình ảnh minh họa rõ ràng. Độ tin cậy của kết quả được đảm bảo qua quá trình kiểm tra và kiểm định. Hiệu quả của công nghệ cán được đánh giá dựa trên hiệu suất, chi phí, và chất lượng sản phẩm. Tối ưu hóa các tham số gia công giúp tăng cường hiệu suất và giảm thiểu chi phí sản xuất. Cán nóng và cán nguội được so sánh về hiệu quả và ứng dụng.

1.3 Ứng dụng và Khả năng Phát triển

Nghiên cứu công nghệ cán này có ứng dụng thực tiễn cao trong ngành công nghiệp chế tạo. Công nghệ cán tích hợp dao động dọc trục giúp sản xuất vật liệu có độ bền cao, nhẹ, và thân thiện với môi trường. Tự động hóa quá trình cán giúp tăng năng suất và giảm chi phí. Cơ khí chính xác và điều khiển dao động là những yếu tố then chốt. Hiệu quả cán được cải thiện nhờ việc giảm thiểu tiếng ồn và rung động. Sản phẩm nghiên cứu là một bộ code mô phỏng trong phần mềm ABAQUS, hỗ trợ cho việc thiết kế và tối ưu hóa quá trình cán. Kết quả nghiên cứu có thể được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực, bao gồm chế tạo ô tô, hàng không, và xây dựng. Nghiên cứu cũng đề xuất hướng phát triển của công nghệ cán trong tương lai, tập trung vào việc tăng cường tự động hóa, tích hợp trí tuệ nhân tạo, và sử dụng các vật liệu mới. Cán liên tục và cán tự động sẽ trở thành xu hướng trong tương lai. Mô hình số được phát triển trong nghiên cứu đóng vai trò quan trọng trong quá trình thiết kế và phát triển công nghệ cán mới. Tối ưu hóa năng lượng là một yếu tố quan trọng cần được xem xét trong quá trình phát triển công nghệ cán bền vững. Giảm thiểu tác động môi trường là một ưu tiên hàng đầu. Nghiên cứu cần được tiếp tục để hoàn thiện công nghệ cán này và thúc đẩy ứng dụng rộng rãi trong thực tiễn. Đào tạo nguồn nhân lực chất lượng cao trong lĩnh vực này cũng rất quan trọng.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Gia công biến dạng dẻo mãnh liệt (Severe Plastic Deformation - SPD) là công nghệ tiên tiến nhằm tạo ra vật liệu kim loại có cấu trúc hạt siêu mịn, giúp tăng độ bền kéo mà không làm giảm độ dai va đập. Theo báo cáo ngành, hơn 70% sản phẩm kim loại toàn cầu được sản xuất bằng công nghệ cán, do đó việc phát triển các phương pháp gia công mới có ý nghĩa quan trọng trong nâng cao chất lượng vật liệu. Trong đó, phương pháp cán tích hợp dao động dọc trục của trục cán (Through-Width Vibration Rolling - TWVR) là một công nghệ SPD mới, đã chứng minh khả năng tăng độ bền kéo của hợp kim nhôm Al 5052 lên đến 18,5% so với cán truyền thống.

Nghiên cứu này tập trung vào việc mô phỏng quá trình TWVR bằng phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) để phân tích các tác động cơ-nhiệt trên phôi, giải thích hiện tượng biến thiên độ bền vật liệu theo biên độ dao động của trục cán. Thời gian nghiên cứu kéo dài 12 tháng, từ tháng 11/2013 đến tháng 11/2014, tại Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh. Kết quả nghiên cứu không chỉ giúp tối ưu hóa các thông số gia công mà còn mở ra hướng phát triển công nghệ gia công kim loại có hạt siêu mịn quy mô công nghiệp, góp phần nâng cao năng suất và chất lượng sản phẩm kim loại trong nước.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên ba nền tảng lý thuyết chính:

1. Phương pháp phần tử hữu hạn (FEM): Đây là công cụ tính toán số học hiệu quả để mô phỏng các bài toán biến dạng dẻo và truyền nhiệt phức tạp trong quá trình gia công. FEM cho phép rời rạc hóa mô hình vật lý thành các phần tử nhỏ, từ đó giải các phương trình cân bằng ứng suất và truyền nhiệt với điều kiện biên cụ thể.

2. Phương trình Hall-Petch: Mô tả mối quan hệ giữa kích thước hạt và ứng suất chảy của vật liệu theo công thức
   $$\sigma_y = \sigma_0 + k_y d^{-1/2}$$
   trong đó $\sigma_y$ là ứng suất chảy, $d$ là đường kính trung bình hạt, $k_y$ và $\sigma_0$ là các hằng số vật liệu. Phương trình này giải thích tại sao vật liệu có hạt siêu mịn có độ bền cao hơn.

3. Các hiện tượng vi mô trong biến dạng dẻo: Bao gồm sai lệch mạng tinh thể (điểm, đường, mặt, khối), quá trình hồi phục, kết tinh lại lần thứ nhất và lần thứ hai, ảnh hưởng đến kích thước hạt và đặc tính cơ học của vật liệu sau gia công.

Ngoài ra, phần mềm mô phỏng ABAQUS 6.10 được sử dụng để xây dựng mô hình 3D, chia lưới và thực hiện phân tích cơ-nhiệt trong quá trình TWVR.

Phương pháp nghiên cứu

• Nguồn dữ liệu: Dữ liệu vật liệu hợp kim nhôm Al 5052 được thu thập từ các thí nghiệm kéo theo tiêu chuẩn ASTM, bao gồm các đường cong ứng suất-biến dạng ở nhiệt độ từ 25°C đến 250°C. Thông số nhiệt và cơ học như mô đun đàn hồi, hệ số Poisson, nhiệt dung riêng, hệ số dẫn nhiệt cũng được sử dụng trong mô phỏng.

• Phương pháp phân tích: Mô hình FEM được xây dựng dựa trên mô hình hình học 3D của phôi và trục cán, chia lưới với số lượng phần tử từ 1800 đến 19200 để đảm bảo độ chính xác. Phương trình cân bằng ứng suất Von Mises và phương trình truyền nhiệt Fourier được giải đồng thời để mô phỏng quá trình biến dạng dẻo và truyền nhiệt trong phôi.

• Timeline nghiên cứu: Nghiên cứu thực hiện trong 12 tháng, bao gồm xây dựng mô hình, mô phỏng các bước cán với biên độ dao động trục cán thay đổi từ 0 đến 3 mm, so sánh kết quả mô phỏng với thực nghiệm và đề xuất cải tiến công nghệ.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Phân bố biến dạng dẻo tương đương (PEEQ): Kết quả mô phỏng cho thấy biến dạng dẻo tương đương cao nhất tập trung ở các cạnh ngoài rìa mặt dưới phôi, giảm dần về trung tâm. Biến dạng dẻo ở mặt dưới lớn hơn mặt trên do trục cán dưới dao động ngang dọc trục. Ví dụ, với biên độ dao động 1,5 mm, PEEQ max tại thớ phôi giữa tăng rõ rệt so với cán truyền thống.

2. Ảnh hưởng biên độ dao động đến biến dạng: Khi biên độ dao động trục cán dưới tăng từ 0 đến 3 mm, PEEQ max tăng lên tương ứng, thể hiện sự gia tăng biến dạng cắt trong phôi. Điều này giải thích sự tăng độ bền kéo của vật liệu lên đến 18,5% so với phương pháp cán truyền thống.

3. Sự giãn rộng của phôi: Qua bốn bước cán, chiều dày phôi giảm 40% mỗi bước, chiều dày cuối cùng khoảng 0,65 mm. Mô phỏng cho thấy sự giãn rộng bề rộng phôi tăng theo biên độ dao động, phù hợp với kết quả thực nghiệm.

4. Nhiệt độ phôi: Nhiệt độ phôi tăng do ma sát và biến dạng dẻo, được mô phỏng với nhiệt độ phôi gia nhiệt ban đầu 200°C và trục cán giữ ở 100°C. Nhiệt độ phôi tăng cao hơn khi biên độ dao động lớn, ảnh hưởng đến quá trình hồi phục và kết tinh lại hạt.

Thảo luận kết quả

Sự phân bố biến dạng không đều trong phôi do dao động trục cán tạo ra ứng suất cắt bổ sung, làm tăng biến dạng dẻo tương đương và kích thích tạo mầm kết tinh nhiều hơn, từ đó giảm kích thước hạt theo phương trình Hall-Petch, nâng cao độ bền vật liệu. Kết quả mô phỏng FEM khớp với thực nghiệm, chứng minh tính hiệu quả của phương pháp mô phỏng trong việc dự đoán và tối ưu hóa quá trình TWVR.

So với các phương pháp SPD truyền thống như ECAP hay HPT, TWVR có ưu điểm là gia công liên tục, phù hợp với quy mô công nghiệp, đồng thời giảm thiểu các nhược điểm như kích thước phôi nhỏ và năng suất thấp. Nhiệt độ sinh ra trong quá trình gia công được kiểm soát tốt, tránh hiện tượng hồi phục làm giảm hiệu quả gia công.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ biến dạng dẻo tương đương theo biên độ dao động, đồ thị nhiệt độ phôi qua các bước cán và bảng so sánh độ bền kéo giữa các phương pháp gia công.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Tối ưu biên độ dao động trục cán: Đề nghị điều chỉnh biên độ dao động trong khoảng 1,5 - 2,5 mm để đạt hiệu quả biến dạng dẻo tối ưu, tăng độ bền vật liệu mà không gây quá nhiệt, thực hiện trong vòng 6 tháng bởi bộ phận kỹ thuật sản xuất.

2. Phát triển hệ thống máy cán TWVR tại Việt Nam: Đầu tư lắp đặt hệ thống máy cán tích hợp dao động dọc trục để chủ động nghiên cứu và chuyển giao công nghệ, dự kiến hoàn thành trong 12-18 tháng, do phòng thí nghiệm cơ khí đảm nhiệm.

3. Mở rộng nghiên cứu vật liệu: Áp dụng mô hình FEM và công nghệ TWVR cho các loại hợp kim khác như thép không gỉ, hợp kim titan nhằm đa dạng hóa ứng dụng, tiến hành trong 1-2 năm tiếp theo bởi nhóm nghiên cứu vật liệu.

4. Đào tạo và chuyển giao công nghệ: Tổ chức các khóa đào tạo kỹ thuật cho cán bộ kỹ thuật và công nhân vận hành máy cán TWVR, đồng thời xây dựng tài liệu hướng dẫn chi tiết, thực hiện song song với việc phát triển máy móc.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Nhà nghiên cứu và giảng viên ngành cơ khí và vật liệu: Nghiên cứu sâu về công nghệ biến dạng dẻo mãnh liệt, ứng dụng FEM trong mô phỏng gia công kim loại, phục vụ giảng dạy và phát triển đề tài khoa học.

2. Kỹ sư công nghệ và thiết kế máy: Áp dụng kết quả nghiên cứu để thiết kế, cải tiến máy cán tích hợp dao động, nâng cao hiệu suất và chất lượng sản phẩm trong sản xuất công nghiệp.

3. Doanh nghiệp sản xuất kim loại và hợp kim: Tìm hiểu công nghệ TWVR để áp dụng vào quy trình sản xuất, nâng cao độ bền và chất lượng sản phẩm, giảm chi phí vật liệu và thời gian gia công.

4. Sinh viên cao học và nghiên cứu sinh: Tham khảo phương pháp nghiên cứu, mô hình FEM và ứng dụng thực tế trong ngành gia công kim loại, hỗ trợ phát triển luận văn và đề tài nghiên cứu.

Câu hỏi thường gặp

1. Phương pháp TWVR khác gì so với cán truyền thống?
   TWVR tích hợp dao động dọc trục của trục cán dưới, tạo ra biến dạng cắt bổ sung trong phôi, giúp tăng biến dạng dẻo tương đương và cải thiện độ bền kéo lên đến 18,5% so với cán truyền thống.

2. Tại sao phải sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) trong nghiên cứu này?
   FEM cho phép mô phỏng chính xác các hiện tượng cơ-nhiệt phức tạp trong quá trình gia công, giúp dự đoán biến dạng, nhiệt độ và ứng suất trong phôi mà không cần nhiều thí nghiệm tốn kém.

3. Biên độ dao động trục cán ảnh hưởng thế nào đến kết quả gia công?
   Biên độ dao động càng lớn thì biến dạng dẻo tương đương và nhiệt độ phôi càng tăng, giúp tăng độ bền vật liệu nhưng cần kiểm soát để tránh quá nhiệt gây hồi phục hạt.

4. Có thể áp dụng công nghệ TWVR cho các loại vật liệu khác không?
   Có, công nghệ này có tiềm năng áp dụng cho nhiều loại hợp kim như thép không gỉ, hợp kim titan, tuy nhiên cần nghiên cứu thêm về thông số gia công phù hợp cho từng vật liệu.

5. Làm thế nào để chuyển giao công nghệ TWVR vào sản xuất công nghiệp?
   Cần đầu tư hệ thống máy cán TWVR tại Việt Nam, đào tạo nhân lực vận hành, đồng thời tối ưu hóa các thông số gia công dựa trên mô phỏng FEM và thử nghiệm thực tế.

Kết luận

• Nghiên cứu đã xây dựng thành công mô hình FEM mô phỏng quá trình cán tích hợp dao động dọc trục (TWVR) cho hợp kim Al 5052, giải thích được sự biến thiên độ bền vật liệu theo biên độ dao động trục cán.
• Kết quả mô phỏng cho thấy biến dạng dẻo tương đương và nhiệt độ phôi tăng theo biên độ dao động, phù hợp với kết quả thực nghiệm, chứng minh tính khả thi của công nghệ TWVR.
• Phương pháp TWVR có tiềm năng ứng dụng rộng rãi trong sản xuất kim loại có hạt siêu mịn với quy mô công nghiệp, vượt trội hơn các phương pháp SPD truyền thống.
• Đề xuất các giải pháp tối ưu biên độ dao động, phát triển hệ thống máy cán TWVR trong nước và mở rộng nghiên cứu vật liệu nhằm nâng cao hiệu quả công nghệ.
• Khuyến khích các nhà nghiên cứu, kỹ sư và doanh nghiệp tiếp cận, ứng dụng kết quả nghiên cứu để thúc đẩy phát triển ngành gia công kim loại tại Việt Nam.

Hãy bắt đầu áp dụng công nghệ TWVR để nâng cao chất lượng sản phẩm và năng lực cạnh tranh trong ngành gia công kim loại ngay hôm nay!

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1.1 Cơ sở phương pháp phần tử hữu hạn 11 1.2 Phương trình Hall-Petch 13 1.3 Các hiện tượng và các yếu tố ảnh hưởng đến độ hạt của kim loại khi gia công 14 biến dạng dẻo 14 1.4 Giới thiệu về phần mềm ABAQUS 18 CHƯƠNG 2. CÁC MÔ HÌNH NGHIÊN CỨU VÀ THÔNG SỐ TRONG QUÁ TRÌNH MÔ PHỎNG TWVR BẰNG FEM 24 2.1 Các mô hình nghiên cứu 24 2.1 Mô hình hình học 24 2.2 Mô hình vật liệu 24 2.3 Mô hình nhiệt độ 25 2.2 Các thông số trong quá trình mô phỏng TWVR 28 2.1 Các thông số về hình học và chuyển động 28 2.2 Các thông số vật liệu phôi Al 5052 28 Trang i Luan van 2.3 Các thông số nhiệt và các thông số khác 29 CHƯƠNG 3. XÂY DỰNG MÔ HÌNH MÔ PHỎNG FEM CHO BƯỚC CÁN ĐẦU TIÊN 31 3.1 Thiết kế bản vẽ 2D 31 3.2 Xây dựng mô hình 3D và chia lưới cho phôi 31 3.3 Xây dựng mô hình 3D hoàn chỉnh 33 CHƯƠNG 4. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN QUA BƯỚC CÁN ĐẦU TIÊN 34 4.1 Sự phân bố biến dạng dẻo tương đương (PEEQ) 34 4.2 Sự giãn rộng của phôi 41 4.3 Nhiệt độ của phôi 42 CHƯƠNG 5.

XÂY DỰNG MÔ HÌNH MÔ PHỎNG FEM VÀ KẾT QUẢ THẢO LUẬN QUA BỐN BƯỚC CÁN 47 5.1 Xây dựng mô hình mô phỏng qua bốn bước cán 47 5.2 Kết quả và thảo luận qua bốn bước cán 49 5.1 Sự giãn rộng của phôi 49 5.2 Nhiệt độ của phôi 50 CHƯƠNG 6. KẾT LUẬN – ĐỀ NGHỊ 52 6.1 Qua bước cán đầu tiên 52 6.2 Qua bốn bước cán 52 6.1 Các vấn đề còn tồn tại 53 6.2 Hướng phát triển của đề tài 53 TÀI LIỆU THAM KHẢO 56 PHỤ LỤC 1. Ví dụ về “mô phỏng cán 2D” với Abaqus/Explicit 60 PHỤ LỤC 2. Hướng dẫn cao học 63 PHỤ LỤC 3.

Bài báo tham dự hội nghị, tạp chí trong và ngoài nước 64 PHỤ LỤC 4. Bản sao thuyết minh đề tài đã được phê duyệt 65 Trang ii Luan van DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT SPD : Severe Plastic Deformation ECAP : Equal Channel Angular Pressing HTP : High-pressure torsion ARB : Accumulative Roll-Bonding RCS : Repetitive Corrugation and Straightening ECAR : Equal Channel Angular Rolling ECAP-Comform: Equal Channel Angular Pressing-Conform HRDSR : High-Ratio Differental Speed Rolling TWVR : Through-Width Vibration Rolling FEM : Finite Element Method CAE : Computer Aided Engineering CAD : Computer Aided Design ASTM : American Society for Testing and Materials Trang iii Luan van DANH MỤC CÁC HÌNH Trang Hình 1 Sơ đồ nguyên lý các phương pháp gia công áp lực truyền thống. 2 Hình 2 Sơ đồ nguyên lý các phương pháp SPD nhóm thứ nhất (a) ECAP; (b) HPT .3 Hình 3 Sơ đồ nguyên lý các phương pháp SPD trong nhóm hai. 4 Hình 4 Quá trình cán tích hợp dao động ngang của trục cán (TWVR).

7 Hình 5 Quá trình thực nghiệm TWVR. 8 Hình 6 Sự biến thiên độ bền trong phương pháp TWVR. 1 Ảnh hưởng của lệch trong các hạt có kích thước khác nhau đến độ bền của vật liệu. 2 Sai lệch điểm trong mạng tinh thể.

3 Lệch trong mạng tinh thể. 4 Sai lệch mặt trong mạng tinh thể. 5 Giao diện làm việc của Abaqus 6. 6 Sơ đồ khối thông tin yêu cầu của phần mềm phần tử hữu hạn Abaqus.

1 Mô hình hình học của TWVR. 2 Sơ đồ mô hình nhiệt và điều kiện biên nhiệt của quá trình TWVR. 3 Các đường cong ứng suất-biến dạng của Al 5052 trong TWVR. 1 Bản vẽ 2D cho bước cán đầu tiên.

2 Phôi được chia (a) 1800 phần tử; (b) 5120 phần tử; (c) 19200 phần tử. 3 Mô hình 3D hoàn chỉnh ở bước cán đầu tiên. 1 Sự phân bố biến dạng dẻo tương đương. 2 Biến dạng dẻo tương đương của thớ phôi nằm giữa phôi khi cán qua bước đầu tiên.

3 Đồ thị PEEQ max qua bước cán đầu tiên. 40 Trang iv Luan van Hình 4. 4 Đồ thị kết quả sự giãn rộng của phôi cán qua bước cán đầu tiên. 5 Nhiệt độ phôi khi cán qua bước đầu tiên ứng với các biên độ dao động.

6 Kết quả nhiệt độ qua bước cán đầu tiên. 1 Bản vẽ 2D cho bốn bước cán. 2 Mô hình 3D hoàn chỉnh qua bốn bước cán. 3 Đồ thị kết quả sự giãn rộng của phôi cán qua bốn bước cán.

4 Kết quả nhiệt độ phôi qua bốn bước cán. 1 Kết quả biến dạng dẻo tương đương trường hợp biên độ dao động trục cán dưới là 1,5 mm: (a) phương pháp TWVR; (b) phương pháp mới. 2 Kết quả nhiệt độ của phôi trường hợp biên độ dao động trục cán dưới .55 Trang v Luan van DANH MỤC CÁC BẢNG BẢNG Trang Bảng 2. 1 Mô đun đàn hồi E, hệ số Poisson ν của Al 5052.

2 Các thông số nhiệt và các thông số khác của Al 5052. 30 Trang vi Luan van TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH Độc lập - Tự do - Hạnh phúc KHOA CƠ KHÍ MÁY Tp. HCM, ngày 7 tháng 11 năm 2014 THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 1. Thông tin chung: - Tên đề tài: Nghiên cứu công nghệ biến dạng dẻo mãnh liệt bằng phương pháp cán tích hợp dao động dọc trục của rulo - Mã số: T2014-30TĐ - Chủ nhiệm: TS.

Phạm Huy Tuân - Cơ quan chủ trì: Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh - Thời gian thực hiện: 12 tháng (từ tháng 11/2013 đến tháng 11/2014) 2. Mục tiêu: — Nghiên cứu phương pháp cán tích hợp dao động dọc trục của trục cán bằng phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) để kiểm chứng với thực nghiệm nhằm tìm hiểu các tác động cơ-nhiệt đã xảy ra trên phôi. — Mục tiêu của đề tài nhằm giải thích hiện tượng biến thiên độ bền của vật liệu theo sự gia tăng biên độ dao động của trục cán. Từ đó đưa ra các đề nghị cải tiến công nghệ bao gồm cả về mặt thiết bị cũng như các thông số gia công cho công nghệ gia công biến dạng dẻo mãnh liệt TWVR.

Tính mới và sáng tạo: — Công nghệ gia công biến dạng dẻo mãnh liệt (SPD) với mục đích tạo ra kim loại có hạt siêu mịn nhằm làm tăng độ bền nhưng không làm giảm độ dai va đập đang nhận được rất nhiều sự quan tâm từ các nhà công nghiệp. Một trong những công nghệ SPD vừa mới được nghiên cứu là công nghệ cán có tích hợp dao động dọc trục của rulo (TWVR). Những thực nghiệm ban đầu của công nghệ này chứng minh rằng độ bền kéo của kim loại có thể tăng 18,5% so với phương pháp cán truyền thống. Đây là một con số rất đáng quan tâm để có thể đầu tư thêm công sức nhằm nghiên cứu hoàn thiện công nghệ gia công kim loại này hướng đến mục tiêu chuyển giao công nghệ cho các nhà máy.

Kết quả nghiên cứu: Trang vii Luan van — Đề tài đã nghiên cứu phân tích kỹ mô hình lý thuyết kết hợp mô phỏng giúp giải thích hiện tượng biến thiên độ bền khi các thông số gia công thay đổi. — Kết quả nghiên cứu giúp cho việc chọn lựa các thông số công nghệ tối ưu hơn khi gia công với các loại vật liệu khác nhau cũng như đã đề xuất thêm những phương pháp gia công SPD mới có thể tiến hành trong tương lai.1 Sản phẩm khoa học [1]. Huy-Tuan Pham, Quoc-Cuong Tran, Dung-An Wang, Numerical Analysis of the Through-Width Vibration Rolling Process, The 3rd International Conference on Sustainable Energy, Ho Chi Minh University of Technology, pp., Numerical Analysis of the Through-Width Vibration Rolling Process, International Journal of Advanced Transport Phenomena, Vol. 01, Jan-Dec 2013, pp., Recent Development for Industrial-Scale Plastic Deformation Processes, The 2nd International Conference on Green Technology and Sustainable Development (GTSD2014), HCM city University of Technology and Education, Oct.

30th – 31st, HCM city, Vietnam, pp. Phạm Huy Tuân, Trần Quốc Cường, Wang Dung An, Nghiên Cứu Quá Trình Biến Dạng Và Trao Đổi Nhiệt Của Công Nghệ Cán Tích Hợp Dao Động Dọc Trục Của Trục Cán, Tạp chí Khoa học & Công nghệ các trường ĐHKT.2 Sản phẩm đào tạo: Hướng dẫn thành công 1 học viên cao học — Tên học viên: Trần Quốc Cường — Ngành : Kỹ thuật cơ khí Khóa: 2012-2014(B) — Tên đề tài : “Nghiên cứu công nghệ SPD sử dụng phương pháp cán tích hợp dao động dọc trục của trục cán bằng FEM” — Điểm : 8.3 Sản phẩm ứng dụng — Sản phẩm ứng dụng là bộ code mô phỏng quá trình cán có tích hợp dao động doc trục của rulo bằng phần mềm ABAQUS. Hiệu quả, phương thức chuyển giao kết quả nghiên cứu và khả năng áp dụng: Trang viii Luan van — Đề tài là kết quả hợp tác giữa hai nhóm nghiên cứu của trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật TP.HCM và nhóm nghiên cứu của Giáo sư Wang Dung-An trường National Chung Hsing University, Đài Loan. Mô hình máy thí nghiệm và các kết quả thực nghiệm được tiến hành tại Đài Loan.

— Trong tương lai để có thể chủ động hơn trong việc chuyển giao công nghệ, cần tìm kiếm thêm nguồn quỹ nghiên cứu để lắp đặt một hệ thống máy cán theo công nghệ TWVR tại Việt Nam. Trưởng Đơn vị Chủ nhiệm đề tài (ký, họ và tên) TS. Phạm Huy Tuân Trang ix Luan van INFORMATION ON RESEARCH RESULTS 1. General information: Project title: Numerical Analysis of the Through-Width Vibration Rolling Process Code number: T2014-30TĐ Coordinator: Pham Huy Tuan (Ph.) Implementing institution: HCMC University of Technology and Education Duration: from November 2013 to November 2014 2.

Objective(s): — The through-width vibration rolling (TWVR) process, a novel severe plastic deformation (SPD) technique, is numerically analyzed to verify the experimental results from previous published papers. — The aim of the research is to understand the thermal-deformation interaction occurring inside the sample. This result is then used to explain the nonlinear variation of the tensile strength when the processing parameters are changed. The result of the research could be used as an orientation method to optimize the TWVR processing parameters.

Creativeness and innovativeness: — Severe plastic deformation is a technology that can introduce ultrafine-grains (UFG) in materials. UFG is an approach to produce high strength metal alloys which is sufficient in improving mechanical properties of many metallic alloys. The early experimental results of the most recently studied through-width vibration rolling have shown that the tensile strength could be improved 18,5% compared with the conventional rolling process. This interesting improvement is worth to invest more time and effort on this process before it could be transferred to industrial manufacturers.

Research results: — The correlation among the plastic deformation, heat generation and dissipation and mechanical properties of Al 5052 alloys processed by a multi-pass TWVR was studied by the coupled thermal-deformation analysis. Trang x Luan van — The results of this research offer a virtual manufacturing tool to investigate all the nonlinear properties of TWVR.