Tổng quan luận án

Trong ngành cơ khí chế tạo máy, công nghệ dập tạo hình khối đóng vai trò chủ đạo để sản xuất các chi tiết truyền động chịu tải trọng cao như bánh răng, trục khuỷu, khớp nối và các cụm chi tiết trong hộp số. Phần lớn các chi tiết truyền động dạng trục rỗng hiện nay vẫn được tạo hình từ phôi đặc, sau đó phải trải qua các nguyên công gia công cắt gọt để loại bỏ phần lõi rỗng, hoặc phải thực hiện dập tạo lỗ không thấu rồi đột màng ngăn. Quy trình này gây tổn thất kim loại có thể lên tới 35% thể tích phôi ban đầu, đồng thời làm tiêu hao thêm năng lượng tạo hình và gia tăng số bước công nghệ gia công cơ khí.

Để khắc phục hạn chế này, giải pháp dập tạo hình các chi tiết rỗng trực tiếp từ phôi ống được đặt ra nhằm tiết kiệm vật liệu và giảm bớt các bước gia công. Tuy nhiên, khi dập khối các chi tiết dạng trụ rỗng có bậc, vai, vấu hoặc răng, quy trình công nghệ bắt buộc phải trải qua nguyên công tạo hình sơ bộ là chồn để dồn kim loại, tăng chiều dày thành và mở rộng tiết diện ngang trước khi dập hoàn thiện trong khuôn kín. Khác với phôi đặc, quá trình chồn phôi ống ở trạng thái nóng rất dễ xảy ra hiện tượng mất ổn định uốn dọc, tạo nếp gấp cục bộ (khuyết tật gấp - folding/overlap defect), làm giảm khả năng điền đầy lòng khuôn và gây phế phẩm. Khoảng trống nghiên cứu được luận án chỉ ra là: trước đây chưa có công trình lý thuyết và thực nghiệm nào xác định cụ thể miền kích thước phôi hợp lý, cơ chế mất ổn định cũng như quy luật tương quan giữa thông số hình học phôi và hình dạng chày chồn để kiểm soát quá trình chồn nóng phôi ống không xuất hiện khuyết tật.

Mục tiêu nghiên cứu của luận án được xác định gồm ba nội dung chính:

  1. Xây dựng được phương pháp xác định thời điểm mất ổn định và quá trình hình thành khuyết tật gấp khi chồn phôi ống.
  2. Thiết lập mối quan hệ giữa mức độ biến dạng, lực chồn phụ thuộc vào thông số hình học phôi và khuôn trong điều kiện phôi không xuất hiện khuyết tật gấp dựa trên mô phỏng số kết hợp với thực nghiệm.
  3. Đánh giá khả năng ứng dụng chồn ống trong công nghệ dập khối để chế tạo bánh răng liền trục rỗng.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của đề tài bao gồm:

  • Đối tượng vật liệu: Thép kết cấu carbon chất lượng tốt C45 theo tiêu chuẩn TCVN 1766-75, chuyên dùng cho các chi tiết truyền động bánh răng chịu tải trung bình.
  • Phạm vi thông số hình học phôi ống ban đầu: Khảo sát tỷ số chiều cao phần phôi chồn trên đường kính ngoài $H_0/D_0$ trong miền từ 0,4 đến 1,0 (các giá trị khảo sát gồm 0,4; 0,6; 0,8; 1,0) và tỷ số chiều dày trên đường kính ngoài $S_0/D_0$ trong miền từ 0,2 đến 0,35 (các giá trị khảo sát gồm 0,2; 0,25; 0,3; 0,35).
  • Phạm vi kết cấu dụng cụ tạo hình: Chày ép có đáy phẳng ($\alpha = 0^\circ$) và đáy côn với các góc nghiêng đáy chày $\alpha$ gồm $5^\circ, 10^\circ, 15^\circ, 20^\circ$.
  • Điều kiện công nghệ: Nhiệt độ bắt đầu chồn là $1150^\circ\text{C}$ (thuộc dải dập nóng $1100^\circ\text{C} \div 1200^\circ\text{C}$), tốc độ đầu ép đạt $13,4\text{ mm/s}$, hệ số ma sát dính tiếp xúc $m = 0,3 \div 0,4$.
  • Thiết bị và phần mềm: Phần mềm Deform 3D phục vụ mô phỏng số phần tử hữu hạn; hệ thống thực nghiệm trên máy ép trục khuỷu FCP-160 trang bị cảm biến lực kết nối phần mềm thu thập tín hiệu DasyLab; phần mềm Matlab dùng trong quy hoạch thực nghiệm và xử lý số liệu; sản phẩm ứng dụng kiểm chứng là chi tiết bánh răng liền trục rỗng.

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Tổng quan các công trình nghiên cứu trên thế giới về nguyên công chồn và dập khối cho thấy công nghệ này đã phát triển qua nhiều giai đoạn:

  • Về công nghệ chồn cục bộ: Guo-zheng Quan và H. Jeong đã nghiên cứu phát triển công nghệ chồn cục bộ liên tục kết hợp nung nóng bằng dòng điện ngắn mạch cho các chi tiết xupap động cơ đốt trong và khớp nối, đạt tỷ số chồn tổng cộng trên 10. Một số nhóm tác giả khác thiết kế khuôn chồn có hệ thống đàn hồi để khống chế tỷ số giữa chiều cao và đường kính thanh không vượt quá giới hạn mất ổn định $H/D \le 2,5$.
  • Về chồn tạo hình từ phôi ống: Aydin Tuzun (2012) khảo sát công nghệ chồn phôi ống thành mỏng, kết hợp tính toán giải tích và mô phỏng số để xác định các bước chồn trong lòng khuôn nhằm hạn chế mất ổn định. Nghiên cứu của Tuzun chỉ ra chiều cao tự do ban đầu không vượt quá 2,5 lần chiều dày ống và mức tăng chiều dày sau chồn không vượt quá 1,5 lần ($S_1/S_0 \le 1,5$). Nhóm nghiên cứu của L. Alves và cộng sự (2011, 2013) phân loại các dạng chồn phôi ống gồm: chồn ngoài (đường kính ngoài tăng, đường kính trong giữ nguyên), chồn trong (đường kính trong tăng, đường kính ngoài không đổi), và chồn đồng thời ngoài và trong (đường kính ngoài tăng, đường kính trong giảm). Alves đưa ra các giới hạn kích thước thành ống để tránh hiện tượng mất ổn định uốn gập hoặc rách phôi dựa trên mô phỏng số và thực nghiệm. Jun Lu và Zhongjin Wan (2014) chỉ ra rằng khi ma sát tăng, hiện tượng dính giữa phôi và khuôn xảy ra khiến phôi ống mất ổn định nhanh hơn, làm suy giảm tỷ số chồn cho phép.
  • Về ảnh hưởng của ma sát và dòng chảy kim loại: Các nghiên cứu kinh điển của Kunogi (1956), Male và Cockroft (1965), cùng công bố của A. Erman Tekkaya và cộng sự (2008) cho thấy ma sát tiếp xúc có vai trò quyết định đến hướng dịch chuyển kim loại theo phương bán kính. Khi ma sát thấp ($m < 0,15$), kim loại có xu hướng chảy tràn ra ngoài làm tăng đường kính ngoài; khi ma sát cao ($m > 0,2$), kim loại chịu lực cản lớn ở bề mặt tiếp xúc nên bị ép dồn vào tâm, làm thu hẹp đường kính trong và tăng độ phình tang trống.
  • Về cơ chế khuyết tật khi chồn ống: Minting Wang (2015) xác định phá hủy dẻo bên trong phôi bắt nguồn từ sự chênh lệch lớn giữa biến dạng dọc trục và biến dạng ngang. Liewald (2017) khảo sát chồn ống trong khuôn có lõi đỡ và ghi nhận hiện tượng gấp nếp tại vùng biến dạng tự do. Shengfa Zhu, Xincun Zhuang và cộng sự (2018) nghiên cứu quá trình chồn ống trong lòng khuôn, phân tích hình thái véc-tơ dòng chảy kim loại để dự báo vị trí hình thành khuyết tật gấp.

Tại Việt Nam, các nghiên cứu dập khối chủ yếu tập trung vào phôi đặc trên khuôn hở. Nguyễn Trung Kiên (2016) khảo sát quá trình chồn phôi nhôm hình trụ, ghi nhận hiện tượng mất ổn định khi $H/D > 2,5$ khiến mẫu bị cong sau khi giảm chiều cao được 10%. Nguyễn Quang Thắng (2017) dùng mô phỏng số để khảo sát phôi thép ống, nhận thấy phôi dễ mất ổn định khi chiều cao và đường kính lớn nhưng chiều dày thành nhỏ. Trịnh Minh Tân (2019) nghiên cứu chồn cục bộ phôi ống nhôm ở trạng thái nguội phục vụ chế tạo ống phóng quốc phòng, tiết kiệm được 25% vật liệu phôi so với gia công cắt gọt.

Khoảng trống luận án lựa chọn giải quyết: Chưa có công trình nào trong nước nghiên cứu một cách hệ thống về công nghệ chồn phôi ống thép ở trạng thái nóng ($1150^\circ\text{C}$). Luận án tập trung giải quyết bài toán xác định thời điểm mất ổn định, cơ chế hình thành khuyết tật gấp, đồng thời thiết lập mối quan hệ định lượng giữa kích thước hình học phôi ($H_0/D_0, S_0/D_0$) và góc nghiêng đầu chày ($\alpha$) tới biến dạng tương đương và lực tạo hình.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Luận án dựa trên lý thuyết biến dạng dẻo kim loại trong hệ tọa độ trụ $(Z, r, \theta)$. Trạng thái ứng suất trong bài toán chồn phôi ống có ma sát là trạng thái ứng suất nén khối với ba thành phần ứng suất nén: $\sigma_z$ do lực ép dọc trục, cùng $\sigma_r$ và $\sigma_\theta$ do lực ma sát tiếp xúc cản trở dòng chảy kim loại. Trạng thái biến dạng gồm biến dạng nén theo trục $Z$ ($\varepsilon_z < 0$) và hai biến dạng kéo theo phương bán kính $r$ và phương tiếp tuyến $\theta$ ($\varepsilon_r > 0, \varepsilon_\theta > 0$).

Để xác định phân bố dòng chảy, tác giả sử dụng mô hình mặt trung hòa biến dạng có bán kính $R_K$. Mặt này phân chia thể tích phôi ống thành hai vùng:

  • Vùng I ($R_K \le r \le R$): Kim loại chảy ra phía ngoài làm tăng bán kính ngoài $R$.
  • Vùng II ($R_n \le r \le R_K$): Kim loại chảy dồn vào tâm làm giảm bán kính trong $R_n$.

Dựa trên điều kiện chuyển vị biên $u_r|_{r=R_K} = 0$, định luật thể tích không đổi và phương trình cân bằng vi phân công biến dạng $dA = dA_1 + dA_2 + dA_3 + dA_4 = 0$ (trong đó $A_1, A_2$ là công biến dạng thể tích vùng I và II; $A_3, A_4$ là công ma sát tiếp xúc), tác giả thiết lập công thức xác định bán kính mặt trung hòa $R_K$:

$$\frac{R_K}{R} = \frac{\frac{S}{R} + \frac{D}{H} \cdot \left(\frac{S}{2R}\right)^2 \cdot \left[1 - 0,48\left(1 - \frac{S}{R}\right)\right]}{1,2\frac{S}{R} + \frac{D}{H} \cdot \left(\frac{S}{R}\right)^2 \cdot \left(1 - \frac{S}{R}\right)}$$

Về mô hình ma sát: Do chồn ở trạng thái nóng ($1150^\circ\text{C}$), ứng suất pháp tuyến tiếp xúc lớn hơn rất nhiều so với ứng suất chảy của vật liệu ($\sigma_n \gg \sigma_f$), xảy ra hiện tượng dính giữa bề mặt phôi và khuôn. Do đó, luận án sử dụng mô hình ma sát Tresca thay cho mô hình ma sát Coulomb:

$$\tau = m \cdot K$$

Trong đó $m$ là hệ số ma sát dính ($m = 0,3 \div 0,4$), $K$ là ứng suất chảy khi cắt thuần túy của kim loại ($K = \sigma_s / \sqrt{3}$).

Về khuyết tật: Luận án phân tích tiêu chí phá hủy dẻo tích lũy theo các mô hình của Freudenthal, Cockcroft-Latham, Oyane và Ayada. Đặc biệt, khuyết tật gấp (folding defect) được khảo sát dựa trên tiêu chí động học dòng chảy: nhận diện thông qua sự biến thiên đột ngột về phương của các véc-tơ vận tốc tại cùng một vùng tiếp giáp và sự méo mó, đứt gãy của mạng lưới phần tử hữu hạn.

Đặc tính vật liệu thép C45 được xác lập dựa trên tiêu chuẩn TCVN 1766-75 và đường cong chảy thực nghiệm từ thử nghiệm nén mẫu vành ($D_0 = 20\text{ mm}, d_0 = 10\text{ mm}, H = 7\text{ mm}$) ở nhiệt độ cao theo công bố của Taylan Altan:

Thành phần hóa học C45 C (%) Si (%) Mn (%) P (%) max S (%) max Cr (%)
Hàm lượng danh định 0,42 - 0,50 0,15 - 0,35 0,50 - 0,80 0,025 0,025 0,20 - 0,40
Thông số cơ lý tính Khối lượng riêng Độ giãn dài Độ cứng Mô đun đàn hồi Giới hạn bền Hệ số Poisson Giới hạn chảy Mô đun trượt
Giá trị chuẩn $7,87\text{ g/cm}^3$ $16%$ $163\text{ HB}$ $200\text{ GPa}$ $565\text{ N/mm}^2$ $0,29$ $310\text{ N/mm}^2$ $80\text{ GPa}$

Phương pháp nghiên cứu thực tế gồm:

  • Phương pháp mô phỏng số: Thiết lập mô hình phần tử hữu hạn 3D trên phần mềm Deform 3D, chia lưới thích nghi cho phôi ống, khảo sát trường biến dạng, trường ứng suất, trường nhiệt độ và đồ thị lực ép.
  • Phương pháp thực nghiệm: Chế tạo bộ khuôn thí nghiệm chuyên dụng, thực hiện biến dạng trên máy ép trục khuỷu FCP-160, gia nhiệt phôi bằng lò nung đạt $1150^\circ\text{C}$, thu thập dữ liệu lực thông qua cảm biến lực áp điện kết nối bộ chuyển đổi và phần mềm DasyLab.
  • Phương pháp xử lý dữ liệu: Ứng dụng phương pháp quy hoạch thực nghiệm Taguchi, phân tích phương sai ANOVA và thiết lập mô hình hồi quy đa biến trên phần mềm Matlab.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1. Tổng quan về chồn trong công nghệ dập khối chi tiết từ phôi ống

Chương này khảo sát các dạng chi tiết truyền động rỗng trong công nghiệp chế tạo máy và phân tích hai sơ đồ công nghệ dập khối: từ phôi đặc và từ phôi ống. Tác giả luận chứng việc tạo hình chi tiết rỗng từ phôi đặc làm lãng phí tới 35% vật liệu và năng lượng do phải gia công cắt bỏ phần ruột. Tổng thuật các nghiên cứu trong và ngoài nước chỉ ra rằng nguyên công chồn là bước quyết định để tái phân bố kim loại, tạo phôi trung gian có bậc hoặc vai. Tuy nhiên, chồn phôi ống nóng gặp trở ngại lớn bởi phôi rất dễ mất ổn định uốn dọc và hình thành nếp gấp nếu tỷ lệ kích thước không phù hợp. Các nghiên cứu trước đây chủ yếu dừng lại ở phôi đặc hoặc chồn nguội trên vật liệu nhôm, thiếu vắng mô hình định lượng cho chồn nóng phôi thép ống.

Chương 2. Cơ sở lý thuyết phân tích công nghệ chồn từ phôi ống

Tác giả giải bài toán giải tích xác định trạng thái ứng suất và biến dạng trong phôi ống có ma sát theo hệ tọa độ trụ. Thiết lập phương trình cân bằng năng lượng để xác định vị trí mặt trung hòa $R_K$, chứng minh rằng hệ số ma sát càng lớn thì $R_K$ càng dịch chuyển ra ngoài, làm dòng kim loại chảy ngược vào trong tăng lên. Chương 2 phân tích hiện tượng biến cứng song hành cùng hồi phục - kết tinh lại trong biến dạng nóng thép C45, làm rõ nguyên nhân vùng giữa thân ống dễ bị gập do nhiệt độ giữ cao hơn vùng đầu phôi tiếp xúc với khuôn nguội. Phân tích bốn tiêu chuẩn phá hủy dẻo tích lũy (Freudenthal, Cockcroft-Latham, Oyane, Ayada) và thiết lập cơ sở nhận diện khuyết tật gấp bằng sự biến thiên bất thường của mạng lưới phần tử hữu hạn và véc-tơ vận tốc dòng chảy kim loại.

Chương 3. Nghiên cứu quá trình chồn cục bộ phôi ống nhờ mô phỏng số

Tác giả ứng dụng phần mềm Deform 3D thiết lập mô hình chồn nóng đầu phôi ống thép C45 với các bước dịch chuyển chày, tốc độ $13,4\text{ mm/s}$, nhiệt độ $1150^\circ\text{C}$. Khảo sát 20 trường hợp mô phỏng tương ứng với chày phẳng ($\alpha = 0^\circ$) và bốn loại chày côn ($\alpha = 5^\circ, 10^\circ, 15^\circ, 20^\circ$) kết hợp với các tỷ số hình học $H_0/D_0 = 0,4; 0,6; 0,8; 1,0$ và $S_0/D_0 = 0,2 \div 0,35$. Kết quả chỉ rõ:

  • Khi chồn bằng chày phẳng ($\alpha = 0^\circ$), với $H_0/D_0 \ge 0,8$ và $S_0/D_0 \le 0,25$, phôi nhanh chóng bị mất ổn định ở giai đoạn đầu của hành trình ép, kim loại bị gập vào trong lòng ống tạo thành khuyết tật gấp rõ rệt.
  • Khi sử dụng chày côn ($\alpha = 5^\circ \div 20^\circ$), góc vát đáy chày đóng vai trò định hướng dòng chảy kim loại dạt ra phía ngoài, ngăn chặn sự dịch chuyển kim loại vào tâm, triệt tiêu sự hình thành nếp gấp và cho phép nâng cao tỷ số chồn $H_0/D_0$ lên tới 1,0 mà vẫn đảm bảo phôi biến dạng ổn định.
  • Số liệu từ 20 bảng mô phỏng (Bảng 3.1 đến Bảng 3.20) cho thấy mức độ biến dạng tương đương $\varepsilon_{eq}$ và lực tạo hình $P$ tăng phi tuyến theo mức độ tăng của $H_0/D_0$, $S_0/D_0$, đồng thời góc nghiêng chày $\alpha$ giúp phân bố lại ứng suất và làm giảm lực ép đỉnh.

Chương 4. Thực nghiệm kiểm chứng kết quả mô phỏng

Tác giả thiết kế và chế tạo hệ thống khuôn chồn thí nghiệm lắp đặt trên máy ép trục khuỷu FCP-160. Phôi ống thép C45 được nung trong lò nung đạt nhiệt độ $1150^\circ\text{C}$, tiến hành chồn với các mẫu thử đại diện:

  • Mẫu 1: $H_0/D_0 = 1,0; S_0/D_0 = 0,25; \alpha = 10^\circ$ (tạo hình thành công, không khuyết tật).
  • Mẫu 2: $H_0/D_0 = 1,0; S_0/D_0 = 0,20; \alpha = 0^\circ$ (xuất hiện khuyết tật gấp do mất ổn định uốn).
  • Mẫu 3: $H_0/D_0 = 0,6; S_0/D_0 = 0,30; \alpha = 0^\circ$ (tạo hình ổn định, phôi phình đều).

Hệ thống đo lực gắn cảm biến kết nối máy tính ghi nhận đồ thị biến thiên lực ép theo thời gian qua phần mềm DasyLab. Kích thước hình học ngoài và trong của phôi thực nghiệm sau khi chồn được đo đạc và đối chiếu với dữ liệu mô phỏng Deform 3D. Sai lệch kích thước và sai lệch lực ép giữa mô phỏng và thực nghiệm nằm trong khoảng chấp nhận được, khẳng định độ tin cậy của mô hình số.

Chương 5. Xây dựng mô hình toán học thể hiện ảnh hưởng của thông số hình học phôi và khuôn đến mức độ biến dạng và lực tạo hình trong chồn ống

Ứng dụng quy hoạch thực nghiệm theo phương pháp Taguchi và phân tích phương sai ANOVA trên phần mềm Matlab, tác giả xác định mức độ tác động của ba yếu tố đầu vào ($H_0/D_0, S_0/D_0, \alpha$) tới mức độ biến dạng tương đương $\varepsilon$ và lực tạo hình $P$. Kết quả ANOVA chỉ ra tỷ số chiều dày $S_0/D_0$ và chiều cao $H_0/D_0$ có ảnh hưởng lớn nhất tới lực chồn, trong khi góc chày $\alpha$ có tác động quyết định đến việc mở rộng biên giới ổn định tạo hình.

Tác giả thiết lập mô hình toán học hồi quy biểu diễn quan hệ giữa các thông số (công thức 5.21 trong luận án) và xây dựng đồ thị không gian 3D thể hiện quan hệ tương hỗ giữa $\varepsilon, P$ với $H_0/D_0, S_0/D_0, \alpha$. Cuối chương, luận án tiến hành thử nghiệm ứng dụng dập chi tiết bánh răng liền trục rỗng từ phôi ống trung gian đã qua chồn. Quy trình dập trong khuôn kín thành công, biên dạng răng điền đầy hoàn chỉnh, không có khuyết tật gấp, khẳng định tính đúng đắn của giải pháp công nghệ đề xuất.

Kết quả và những đóng góp mới

Các đóng góp mới về mặt lý luận và khoa học:

  • Đưa ra phương pháp xác định thời điểm mất ổn định và quá trình hình thành khuyết tật gấp khi chồn nóng phôi ống thép C45 thông qua việc tích hợp phân tích mạng lưới phần tử biến dạng và sự đảo chiều của véc-tơ vận tốc dòng chảy kim loại trên phần mềm mô phỏng Deform 3D.
  • Xác lập được miền thông số hình học hợp lý của phôi ống ($H_0/D_0 = 0,4 \div 1,0; S_0/D_0 = 0,2 \div 0,35$) và hình dạng đầu chày (chày côn góc $\alpha = 0^\circ \div 20^\circ$) ở chế độ nhiệt $1150^\circ\text{C}$, tốc độ dập $13,4\text{ mm/s}$, đảm bảo quá trình chồn diễn ra ổn định và không hình thành khuyết tật gấp.
  • Thiết lập hệ thống mô hình toán học hồi quy đa biến và các biểu đồ không gian 3D biểu diễn mối tương quan định lượng giữa mức độ biến dạng, lực tạo hình với các thông số $H_0/D_0, S_0/D_0$ và góc nghiêng đáy chày $\alpha$ thông qua quy hoạch thực nghiệm Taguchi và phân tích phương sai ANOVA.

Các đóng góp mới về mặt thực tiễn:

  • Xây dựng hoàn chỉnh hệ thống thiết bị thực nghiệm chuyên dụng đồng bộ gồm khuôn chồn, hệ thống nung phôi, cảm biến đo lực áp điện kết nối phần mềm DasyLab trên máy ép trục khuỷu FCP-160, cho phép đo đạc chính xác lực ép và kích thước tạo hình trong điều kiện biến dạng nóng.
  • Ứng dụng thành công kết quả nghiên cứu vào việc chế tạo thử nghiệm chi tiết bánh răng liền trục rỗng từ phôi ống trong khuôn kín, chứng minh khả năng tiết kiệm vật liệu kim loại lên tới 35%, giảm năng lượng dập tạo hình và rút ngắn thời gian gia công so với công nghệ truyền thống từ phôi đặc.
  • Cung cấp cơ sở khoa học để thiết kế kết cấu chày côn cho nguyên công chồn phôi ống, hạn chế tình trạng chế thử thử-sai trong sản xuất công nghiệp.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của luận án:

  • Nghiên cứu thực nghiệm và mô phỏng mới chỉ thực hiện trên mác thép carbon C45, chưa mở rộng kiểm chứng trên các mác thép hợp kim dập nóng khác.
  • Miền khảo sát thông số giới hạn ở tỷ số $H_0/D_0 \le 1,0$; $S_0/D_0$ từ 0,2 đến 0,35; góc chày côn $\alpha \le 20^\circ$ và tốc độ ép cố định ở $13,4\text{ mm/s}$ tại một mức nhiệt độ ban đầu $1150^\circ\text{C}$.

Hướng nghiên cứu tiếp theo:

  • Mở rộng khảo sát công nghệ chồn phôi ống trên các mác thép hợp kim thấp chuyên dùng cho bánh răng chịu tải nặng như 20Cr, 20CrMo, 18CrMnTi hoặc các hợp kim màu.
  • Khảo sát quá trình biến dạng ở dải nhiệt độ nửa nóng (biến dạng ấm từ $600^\circ\text{C}$ đến $750^\circ\text{C}$) nhằm nâng cao độ chính xác kích thước và giảm hiện tượng oxy hóa vảy rèn bề mặt.
  • Nghiên cứu tối ưu hóa biên dạng chày cối phức tạp hơn (chày đáy lượn cong hoặc đáy bậc) nhằm mở rộng thêm tỷ số chồn $H_0/D_0 > 1,0$ phục vụ tạo hình các chi tiết có gờ vai lớn.

Giá trị tham khảo

Luận án là tài liệu tham khảo chuyên sâu cho các đối tượng:

  • Nghiên cứu sinh, học viên cao học và giảng viên chuyên ngành Gia công áp lực, Cơ khí chế tạo máy, Kỹ thuật vật liệu: Tham khảo phương pháp tiếp cận kết hợp giữa phân tích giải tích, mô phỏng số Deform 3D và phương pháp quy hoạch thực nghiệm Taguchi/ANOVA trong xử lý các bài toán cơ học biến dạng dẻo phức tạp.
  • Cán bộ kỹ thuật, kỹ sư công nghệ tại các nhà máy rèn dập và doanh nghiệp sản xuất phụ tùng ô tô, xe máy: Tham khảo dữ liệu về kích thước phôi, kết cấu khuôn chày côn và mô hình toán dự báo lực chồn để thiết kế quy trình công nghệ chế tạo các chi tiết truyền động rỗng, giảm thiểu chi phí khuôn mẫu và rút ngắn chu kỳ thử nghiệm.
  • Các nội dung đáng chú ý nhất gồm: Phương pháp phát hiện khuyết tật gấp qua véc-tơ dòng chảy kim loại (Chương 2, Chương 3), kết cấu hệ thống thực nghiệm đo lực bằng DasyLab trên máy FCP-160 (Chương 4) và mô hình toán học hồi quy lực ép, mức biến dạng (Chương 5).

Câu hỏi thường gặp

1. Vì sao công nghệ dập chi tiết truyền động từ phôi ống lại tiết kiệm vật liệu hơn so với phôi đặc? Khi chế tạo chi tiết rỗng từ phôi đặc, sau khi dập khối bắt buộc phải gia công cắt gọt khoan bỏ toàn bộ phần lõi rỗng bên trong (chiếm tới 35% khối lượng kim loại ban đầu), hoặc phải tạo lỗ không thấu rồi đột phá màng ngăn. Việc dập trực tiếp từ phôi ống tận dụng khoảng rỗng có sẵn của ống, loại bỏ hoàn toàn lượng kim loại thừa phải cắt bỏ, giúp tiết kiệm trực tiếp lượng phôi tiêu hao và giảm năng lượng biến dạng tương ứng.

2. Khuyết tật gấp khi chồn phôi ống hình thành do đâu và được nhận diện trong mô phỏng số bằng cách nào? Khuyết tật gấp sinh ra do hiện tượng mất ổn định uốn dọc của thành ống khi chịu ứng suất nén dọc trục ở nhiệt độ cao, đặc biệt khi ống có thành mỏng ($S_0/D_0$ nhỏ) hoặc chiều cao tự do lớn ($H_0/D_0$ lớn). Trong mô phỏng số Deform 3D, khuyết tật này được nhận biết chính xác thông qua sự đảo chiều hoặc thay đổi góc đột ngột của các véc-tơ vận tốc dòng chảy kim loại tại cùng một vùng tiếp giáp, cũng như sự chồng lấn, gập gãy bất thường của các mắt lưới phần tử hữu hạn.

3. Việc sử dụng đầu chày côn có góc nghiêng $\alpha$ mang lại lợi thế công nghệ gì so với chày phẳng? Khi sử dụng chày phẳng ($\alpha = 0^\circ$), ma sát tiếp xúc lớn làm cản trở dòng chảy hướng tâm ngoài, khiến kim loại dễ bị dồn ngược vào tâm hoặc mất ổn định gây gập thành ống. Đầu chày côn có góc nghiêng $\alpha$ từ $5^\circ$ đến $20^\circ$ tạo ra thành phần lực hướng tâm phân tách, định hướng cho dòng kim loại biến dạng dạt mạnh ra phía đường kính ngoài, triệt tiêu xu hướng co hẹp vào trong lòng ống, nhờ đó ngăn ngừa khuyết tật gấp và mở rộng giới hạn tỷ số chồn $H_0/D_0$ lên mức 1,0.

4. Hệ thống thực nghiệm trong luận án sử dụng các thiết bị và phần mềm chuyên dụng nào? Hệ thống thực nghiệm được lắp đặt đồng bộ trên máy ép trục khuỷu công nghiệp FCP-160, tích hợp cảm biến đo lực chuyên dụng kết nối máy tính qua bộ xử lý tín hiệu và phần mềm DasyLab để ghi nhận đồ thị lực tạo hình. Phôi thép C45 được gia nhiệt bằng lò nung đạt $1150^\circ\text{C}$, và các số liệu đo đạc thực nghiệm được phân tích phương sai, hồi quy toán học thông qua phần mềm Matlab.

5. Bán kính mặt trung hòa biến dạng $R_K$ có ý nghĩa gì trong bài toán chồn phôi ống? Bán kính $R_K$ là ranh giới phân định hai miền biến dạng ngược chiều nhau của phôi ống: lớp kim loại nằm ngoài $R_K$ sẽ chảy dạt ra ngoài làm tăng đường kính ngoài, còn lớp kim loại nằm trong $R_K$ sẽ chảy vào trong tâm làm giảm đường kính trong. Vị trí $R_K$ phụ thuộc chặt chẽ vào hệ số ma sát tiếp xúc và tỷ lệ kích thước hình học $S/D, H/D$, cho phép xác định định lượng xu hướng thay đổi kích thước lỗ ống sau khi chồn.

Kết luận

Luận án của nghiên cứu sinh Phan Thị Hà Linh đã giải quyết bài toán chồn cục bộ phôi ống thép C45 ở trạng thái nóng phục vụ công nghệ dập khối chi tiết truyền động rỗng. Bằng việc kết hợp chặt chẽ giữa lý thuyết biến dạng dẻo, mô phỏng số Deform 3D và thực nghiệm kiểm chứng trên máy ép FCP-160, công trình đã làm sáng tỏ cơ chế mất ổn định gây khuyết tật gấp và xác lập được kết cấu chày côn tối ưu cùng miền thông số hình học phôi an toàn. Kết quả nghiên cứu được ứng dụng thành công để chế tạo bánh răng liền trục rỗng trong khuôn kín, mang lại hiệu quả tiết kiệm 35% vật liệu và mở ra giải pháp công nghệ tạo hình chi tiết rỗng có giá trị ứng dụng cao cho ngành cơ khí rèn dập.