Luận văn thạc sĩ hcmute nghiên cứu công nghệ spd sử dụng phương pháp cán tích hợp dao động dọc trục của trục cán bằng fem

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu hcmute nghiên cứu công nghệ spd sử dụng phương pháp cán tích hợp dao động dọc trục của trục cán, đánh giá hiện trạng, phân tích vấn đề, đề xuất biện

• Tác giả: Trần Quốc Cường
• Người hướng dẫn: TS. Phạm Huy Tuân
• Trường học: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Kỹ Thuật Cơ Khí
• Đề tài: Nghiên Cứu Công Nghệ SPD Và Phương Pháp FEM Trong Cán Tích Hợp Dao Động Dọc Trục
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2014
• Địa điểm: Tp. Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM TẠ
• TÓM TẮT
• ABSTRACT
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Tổng quan chung về lĩnh vực nghiên cứu, các kết quả nghiên cứu trong và ngoài nước đã công bố
• 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)
• 1.1.3. Nhận xét chung và hướng nghiên cứu của đề tài
• 1.2. Mục đích nghiên cứu, khách thể và đối tượng nghiên cứu của đề tài
• 1.2.1. Mục đích nghiên cứu của đề tài
• 1.2.2. Khách thể và đối tượng nghiên cứu của đề tài
• 1.2.3. Nhiệm vụ nghiên cứu và giới hạn của đề tài
• 1.2.3.1. Nhiệm vụ nghiên cứu
• 1.2.3.2. Giới hạn của đề tài
• 1.3. Phương pháp nghiên cứu
• 2. CHƯƠNG 2: CƠ SỞ PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN
• 2.1. Giới thiệu về phần tử hữu hạn
• 2.2. Phương pháp giải bài toán bằng phần tử hữu hạn
• 2.2.1. Phương trình Hall-Petch
• 2.3. Ý nghĩa của phương trình trong phương pháp SPD
• 2.4. Giới thiệu về phần mềm ABAQUS
• 2.4.1. Các sản phẩm của Abaqus
• 2.4.2. Giao diện làm việc của Abaqus
• 2.4.3. Sơ đồ khối của Abaqus để giải bài toán bằng phần tử hữu hạn
• 3. CHƯƠNG 3: 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
• 3.2. Mô hình vật liệu
• 3.3. 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 4: 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 5: 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 6: 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 7: KẾT LUẬN – ĐỀ NGHỊ
• 7.1. Kết luận
• 7.1.1. Qua bước cán đầu tiên
• 7.1.2. Qua bốn bước cán
• 7.2. Các vấn đề còn tồn tại
• 7.3. Hướng phát triển của đề tài
• TÀI LIỆU THAM KHẢO
• PHỤ LỤC

Tóm tắt

I. Tổng quan về công nghệ SPD và phương pháp FEM

Công nghệ SPD (Severe Plastic Deformation) là một phương pháp gia công kim loại tiên tiến, cho phép tạo ra các vật liệu có cấu trúc hạt siêu mịn. Phương pháp này không chỉ cải thiện độ bền mà còn duy trì độ dẻo của vật liệu. Trong nghiên cứu này, phương pháp FEM (Finite Element Method) được áp dụng để phân tích quá trình cán tích hợp dao động dọc trục, giúp tối ưu hóa các thông số kỹ thuật trong quá trình sản xuất. Việc sử dụng FEM cho phép mô phỏng chính xác các hiện tượng biến dạng và truyền nhiệt trong quá trình cán, từ đó đưa ra các giải pháp cải tiến hiệu quả cho quy trình sản xuất.

1.1. Công nghệ SPD

Công nghệ SPD đã được chứng minh là có khả năng tạo ra các hợp kim nhôm có độ bền cao thông qua việc tạo ra vi cấu trúc hạt siêu mịn. Quá trình này không chỉ giúp cải thiện các đặc tính cơ học mà còn tạo ra sản phẩm với độ chính xác cao. Các phương pháp SPD như TWVR (Through-Width Vibration Rolling) đã được nghiên cứu và áp dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp chế tạo. Việc áp dụng SPD trong sản xuất không chỉ mang lại lợi ích về mặt kỹ thuật mà còn góp phần vào việc tiết kiệm nguyên liệu và năng lượng trong quá trình sản xuất.

1.2. Phương pháp FEM

Phương pháp FEM là một công cụ mạnh mẽ trong việc phân tích và mô phỏng các quá trình cơ học phức tạp. Trong nghiên cứu này, FEM được sử dụng để mô phỏng quá trình cán tích hợp dao động dọc trục, cho phép phân tích sự phân bố biến dạng và nhiệt độ trong phôi. Kết quả từ mô phỏng FEM không chỉ giúp hiểu rõ hơn về các hiện tượng xảy ra trong quá trình cán mà còn cung cấp dữ liệu quan trọng để tối ưu hóa quy trình sản xuất. Việc kết hợp giữa SPD và FEM mở ra hướng đi mới cho việc phát triển các vật liệu có tính chất vượt trội.

II. Phân tích quá trình cán tích hợp dao động dọc trục

Quá trình cán tích hợp dao động dọc trục (TWVR) là một phương pháp mới trong công nghệ SPD. Phương pháp này không chỉ giúp cải thiện độ bền của vật liệu mà còn tạo ra cấu trúc hạt siêu mịn một cách hiệu quả. Trong nghiên cứu, các thông số như biên độ dao động và tốc độ cán được điều chỉnh để tối ưu hóa quá trình sản xuất. Kết quả cho thấy rằng việc áp dụng TWVR có thể làm giảm nhiệt độ của phôi trong quá trình cán, từ đó giảm thiểu các hiện tượng biến dạng không mong muốn.

2.1. Đặc điểm của quá trình TWVR

Quá trình TWVR cho phép tạo ra các sản phẩm kim loại với độ bền cao và cấu trúc hạt siêu mịn. Việc tích hợp dao động dọc trục trong quá trình cán giúp cải thiện đáng kể các đặc tính cơ học của vật liệu. Các thí nghiệm cho thấy rằng độ bền kéo của hợp kim nhôm tăng lên đáng kể khi áp dụng TWVR. Điều này chứng tỏ rằng phương pháp này có tiềm năng lớn trong việc sản xuất các vật liệu có tính chất vượt trội, phù hợp với yêu cầu ngày càng cao của ngành công nghiệp chế tạo.

2.2. Phân tích nhiệt và biến dạng

Phân tích nhiệt và biến dạng trong quá trình TWVR được thực hiện thông qua FEM. Kết quả cho thấy rằng sự phân bố nhiệt độ trong phôi có ảnh hưởng lớn đến độ bền và tính chất cơ học của sản phẩm cuối cùng. Việc kiểm soát nhiệt độ trong quá trình cán không chỉ giúp cải thiện độ bền mà còn giảm thiểu các hiện tượng biến dạng không mong muốn. Các mô hình mô phỏng cho thấy rằng việc tối ưu hóa các thông số trong quá trình TWVR có thể dẫn đến những cải tiến đáng kể trong chất lượng sản phẩm.

III. Kết luận và hướng phát triển

Nghiên cứu về công nghệ SPD và phương pháp FEM trong cán tích hợp dao động dọc trục đã chỉ ra rằng việc áp dụng các phương pháp này có thể mang lại nhiều lợi ích cho ngành công nghiệp chế tạo. Kết quả nghiên cứu cho thấy rằng TWVR không chỉ cải thiện độ bền của vật liệu mà còn tạo ra cấu trúc hạt siêu mịn một cách hiệu quả. Hướng phát triển trong tương lai có thể tập trung vào việc tối ưu hóa các thông số trong quá trình cán và mở rộng ứng dụng của TWVR trong sản xuất các vật liệu mới.

3.1. Tóm tắt kết quả nghiên cứu

Kết quả nghiên cứu cho thấy rằng công nghệ SPD kết hợp với FEM có thể tạo ra các sản phẩm kim loại với độ bền cao và cấu trúc hạt siêu mịn. Việc áp dụng TWVR đã chứng minh được hiệu quả trong việc cải thiện các đặc tính cơ học của hợp kim nhôm. Các mô phỏng và thí nghiệm thực tế đã cung cấp những dữ liệu quan trọng để tối ưu hóa quy trình sản xuất.

3.2. Đề xuất hướng nghiên cứu tiếp theo

Hướng nghiên cứu tiếp theo có thể tập trung vào việc phát triển các mô hình mô phỏng phức tạp hơn để hiểu rõ hơn về các hiện tượng xảy ra trong quá trình TWVR. Ngoài ra, việc nghiên cứu ứng dụng của TWVR trong các loại vật liệu khác cũng là một lĩnh vực tiềm năng cần được khai thác. Các nghiên cứu này sẽ góp phần vào việc phát triển công nghệ chế tạo vật liệu mới, đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của thị trường.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh ngành cơ khí và vật liệu phát triển mạnh mẽ, công nghệ gia công biến dạng dẻo mãnh liệt (Severe Plastic Deformation - SPD) đã trở thành hướng nghiên cứu trọng điểm nhằm tạo ra vật liệu có cấu trúc hạt siêu mịn, nâng cao độ bền mà không làm giảm độ dai của kim loại. Theo báo cáo ngành, hơn 70% sản phẩm kim loại trên thế giới được sản xuất bằng công nghệ cán, cho thấy tầm quan trọng của các phương pháp gia công áp lực truyền thống. Tuy nhiên, các phương pháp truyền thống thường làm giảm độ dai của vật liệu do biến dạng dẻo không kiểm soát được. Do đó, nghiên cứu công nghệ SPD, đặc biệt là phương pháp cán tích hợp dao động dọc trục của trục cán (Through-Width Vibration Rolling - TWVR), được xem là giải pháp tiên tiến để khắc phục hạn chế này.

Mục tiêu nghiên cứu là xây dựng mô hình mô phỏng số bằng phương pháp phần tử hữu hạn (Finite Element Method - FEM) cho quá trình TWVR, nhằm phân tích các tác động cơ-nhiệt trên phôi và giải thích sự biến thiên độ bền của vật liệu theo biên độ dao động của trục cán. Nghiên cứu tập trung vào hợp kim nhôm Al 5052, với kích thước phôi 100x20x5 mm³, thực hiện qua 4 bước cán, mỗi bước giảm chiều dày phôi 40%, chiều dày cuối cùng khoảng 0,65 mm. Phương pháp mô phỏng sử dụng phần mềm Abaqus/Explicit phiên bản 6.10, với các thông số thực nghiệm được lấy từ các nghiên cứu quốc tế và trong nước.

Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc tối ưu hóa các thông số gia công TWVR, giúp tiết kiệm thời gian, chi phí thí nghiệm và vật liệu, đồng thời mở rộng ứng dụng công nghiệp cho các vật liệu có cấu trúc hạt siêu mịn, nâng cao hiệu suất và chất lượng sản phẩm kim loại.

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 giải các bài toán cơ học phức tạp, đặc biệt là các bài toán biến dạng dẻo và truyền nhiệt trong quá trình gia công kim loại. FEM cho phép mô phỏng sự biến dạng và truyền nhiệt trong phôi, từ đó dự đoán ứng suất, biến dạng và nhiệt độ phân bố trong vật liệu.

2. Phương trình Hall-Petch: Mô tả mối quan hệ giữa kích thước hạt và ứng suất chảy của vật liệu, theo đó ứng suất chảy tăng khi kích thước hạt giảm. Phương trình này giải thích cơ chế tăng cường độ bền của vật liệu khi cấu trúc hạt siêu mịn được tạo ra qua quá trình SPD.

3. Lý thuyết biến dạng dẻo và truyền nhiệt: Bao gồm các phương trình cân bằng ứng suất, tiêu chuẩn chảy Von Mises, và phương trình khuyếch tán nhiệt. Các yếu tố như sai lệch mạng tinh thể, hồi phục, kết tinh lại và ảnh hưởng của nhiệt độ được xem xét để giải thích sự biến đổi cơ tính của vật liệu trong quá trình gia công.

Ngoài ra, phần mềm Abaqus 6.10 được sử dụng để xây dựng mô hình mô phỏng, với khả năng xử lý các bài toán cơ-nhiệt phức tạp, chia lưới tinh vi và hỗ trợ các điều kiện biên đa dạng.

Phương pháp nghiên cứu

• Nguồn dữ liệu: Dữ liệu vật liệu Al 5052 được thu thập từ các thí nghiệm kéo theo tiêu chuẩn ASTM, các nghiên cứu quốc tế và tài liệu chuyên ngành về vật liệu và truyền nhiệt. Thông số gia công TWVR lấy từ các nghiên cứu thực nghiệm của Hsieh và cộng sự.

• Phương pháp phân tích: Mô hình FEM được xây dựng trong phần mềm Abaqus/Explicit, mô phỏng quá trình cán tích hợp dao động dọc trục của trục cán qua 4 bước cán. Phôi được chia lưới với số lượng phần tử từ 1800 đến 19200 để đảm bảo độ chính xác và hiệu quả tính toán. Các điều kiện biên về nhiệt độ, vận tốc, ma sát và dao động trục cán được thiết lập theo thực nghiệm.

• Timeline nghiên cứu: Quá trình mô phỏng tập trung vào trường hợp phôi được gia nhiệt trước ở 200°C, với biên độ dao động trục cán thay đổi từ 0 đến 3 mm, tần số dao động 5 Hz, vận tốc quay trục cán 2 vòng/phút. Kết quả mô phỏng được so sánh với dữ liệu thực nghiệm để kiểm chứng và phân tích.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Phân bố biến dạng dẻo tương đương (PEEQ): Qua bước cán đầu tiên, biến dạng dẻo tương đương phân bố không đồng đều trên phôi, với giá trị tối đa đạt khoảng 3,0 tại vùng giữa phôi. Qua bốn bước cán, biến dạng dẻo tăng lên đáng kể, đạt giá trị tối đa khoảng 10,5, cho thấy sự gia tăng biến dạng mãnh liệt theo số bước cán.

2. Sự giãn rộng của phôi: Kết quả mô phỏng cho thấy phôi giãn rộng theo chiều ngang tăng dần qua các bước cán, với mức tăng khoảng 15% sau bước cán đầu tiên và lên đến 45% sau bốn bước cán. Điều này phù hợp với thực tế gia công và giúp cải thiện tính đồng nhất của vật liệu.

3. Nhiệt độ phôi: Nhiệt độ phôi tăng lên do ma sát và biến dạng dẻo, với nhiệt độ tối đa đạt khoảng 230°C sau bước cán đầu tiên và lên đến 270°C sau bốn bước cán. Nhiệt độ tăng này ảnh hưởng trực tiếp đến quá trình hồi phục và kết tinh lại, từ đó tác động đến kích thước hạt và độ bền vật liệu.

4. Ảnh hưởng biên độ dao động trục cán: Khi biên độ dao động tăng từ 0 đến 3 mm, độ bền của vật liệu tăng lên khoảng 20%, do ứng suất cắt tăng thêm từ ma sát dao động, tạo điều kiện thuận lợi cho biến dạng dẻo mãnh liệt và hình thành cấu trúc hạt siêu mịn.

Thảo luận kết quả

Kết quả mô phỏng FEM cho thấy sự tương quan chặt chẽ giữa biến dạng dẻo, nhiệt độ và độ bền vật liệu trong quá trình TWVR. Sự gia tăng biến dạng dẻo tương đương và nhiệt độ phôi qua các bước cán giải thích được hiện tượng tăng độ bền vật liệu do kích thước hạt giảm theo phương trình Hall-Petch. So với các phương pháp SPD truyền thống như ECAP hay HPT, TWVR cho phép gia công liên tục với kích thước phôi lớn hơn và hiệu quả cao hơn.

Biểu đồ phân bố biến dạng và nhiệt độ có thể được trình bày qua các đồ thị đường cong và bản đồ màu trên mô hình 3D, giúp trực quan hóa quá trình biến dạng và truyền nhiệt. So sánh với các nghiên cứu trước đây, kết quả này khẳng định ưu thế của TWVR trong việc tạo ra vật liệu có cơ tính vượt trội và khả năng ứng dụng công nghiệp rộng rãi.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Tối ưu biên độ dao động trục cán: Đề xuất 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 nghiên cứu và phát triển.

2. Kiểm soát nhiệt độ phôi: Áp dụng hệ thống làm mát hoặc điều chỉnh nhiệt độ gia nhiệt phôi trước cán nhằm duy trì nhiệt độ phôi dưới 270°C, tránh hiện tượng kết tinh lại lần hai làm hạt to lên, triển khai trong 3 tháng bởi phòng kỹ thuật sản xuất.

3. Mở rộng mô hình mô phỏng: Phát triển mô hình FEM tích hợp đa vật liệu và kích thước phôi khác nhau để ứng dụng cho các hợp kim khác, tiến hành trong 1 năm bởi nhóm nghiên cứu cơ khí vật liệu.

4. Ứng dụng công nghiệp: Khuyến nghị áp dụng công nghệ TWVR trong sản xuất hợp kim nhôm và các kim loại nhẹ khác nhằm nâng cao chất lượng sản phẩm, giảm chi phí nguyên liệu và tăng năng suất, triển khai thí điểm trong 12 tháng tại các nhà máy cơ khí lớn.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Nhà nghiên cứu và giảng viên ngành cơ khí 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 sản xuất kim loại: Áp dụng các kết quả mô phỏng và đề xuất tối ưu hóa quy trình cán TWVR, nâng cao chất lượng sản phẩm và hiệu quả sản xuất trong công nghiệp.

3. Sinh viên cao học ngành kỹ thuật cơ khí: Tham khảo phương pháp nghiên cứu, xây dựng mô hình FEM và phân tích kết quả trong lĩnh vực gia công kim loại, hỗ trợ học tập và nghiên cứu luận văn.

4. Doanh nghiệp sản xuất vật liệu kim loại: Tìm hiểu công nghệ mới để cải tiến quy trình sản xuất, giảm chi phí và nâng cao tính cạnh tranh sản phẩm trên thị trường.

Câu hỏi thường gặp

1. Phương pháp TWVR khác gì so với các phương pháp SPD truyền thống?
   TWVR kết hợp cán truyền thống với dao động dọc trục của trục cán, tạo ra ứng suất cắt bổ sung giúp biến dạng dẻo mãnh liệt hơn, cho phép gia công liên tục với kích thước phôi lớn hơn và hiệu quả cao hơn so với ECAP hay HPT.

2. Tại sao sử dụng FEM trong nghiên cứu TWVR?
   FEM giúp mô phỏng chính xác quá trình biến dạng và truyền nhiệt trong phôi, dự đoán các thông số cơ-nhiệt mà thực nghiệm khó đo đạc, từ đó tối ưu hóa quy trình gia công và tiết kiệm chi phí thí nghiệm.

3. Ảnh hưởng của biên độ dao động trục cán đến chất lượng vật liệu như thế nào?
   Biên độ dao động tăng làm tăng ứng suất cắt và biến dạng dẻo, giúp tạo cấu trúc hạt siêu mịn và tăng độ bền vật liệu, tuy nhiên cần kiểm soát để tránh quá nhiệt và hư hỏng phôi.

4. Nhiệt độ phôi ảnh hưởng ra sao đến quá trình TWVR?
   Nhiệt độ phôi tăng do ma sát và biến dạng dẻo ảnh hưởng đến quá trình hồi phục và kết tinh lại, từ đó tác động đến kích thước hạt và cơ tính vật liệu; kiểm soát nhiệt độ giúp duy trì chất lượng sản phẩm.

5. Làm thế nào để áp dụng kết quả nghiên cứu vào sản xuất thực tế?
   Doanh nghiệp có thể sử dụng mô hình FEM để thiết kế quy trình cán phù hợp, điều chỉnh biên độ dao động và nhiệt độ gia công, tiến hành thí điểm và mở rộng sản xuất dựa trên các đề xuất tối ưu hóa từ nghiên cứu.

Kết luận

• Nghiên cứu đã xây dựng thành công mô hình FEM mô phỏng quá trình cán tích hợp dao động dọc trục trục cán (TWVR) trên hợp kim Al 5052, kiểm chứng với dữ liệu thực nghiệm.
• Kết quả cho thấy biến dạng dẻo tương đương và nhiệt độ phôi tăng qua các bước cán, giải thích được sự gia tăng độ bền vật liệu theo biên độ dao động trục cán.
• Phương pháp TWVR vượt trội so với các phương pháp SPD truyền thống về khả năng gia công liên tục và kích thước phôi lớn.
• Đề xuất các giải pháp tối ưu hóa biên độ dao động, kiểm soát nhiệt độ và mở rộng mô hình mô phỏng để ứng dụng công nghiệp hiệu quả.
• Các bước tiếp theo bao gồm phát triển mô hình đa vật liệu, thử nghiệm thực tế quy mô công nghiệp và chuyển giao công nghệ cho doanh nghiệp sản xuất kim loại.

Hành động ngay: Các nhà nghiên cứu và doanh nghiệp nên phối hợp triển khai thí điểm công nghệ TWVR để nâng cao chất lượng vật liệu và hiệu quả sản xuất trong ngành cơ khí hiện đại.

Trích đoạn nội dung tài liệu

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ TRẦN QUỐC CƯỜNG NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ SPD SỬ DỤNG PHƯƠNG PHÁP CÁN TÍCH HỢP DAO ĐỘNG DỌC TRỤC CỦA TRỤC CÁN BẰNG FEM NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ – 60520103 S K C0 0 4 3 3 0 Tp. Hồ Chí Minh, tháng 10/2014 Luan van BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ TRẦN QUỐC CƯỜNG NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ SPD SỬ DỤNG PHƯƠNG PHÁP CÁN TÍCH HỢP DAO ĐỘNG DỌC TRỤC CỦA TRỤC CÁN BẰNG FEM NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ – 60520103 Luan van Tp. Hồ Chí Minh, tháng 10/2014 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ TRẦN QUỐC CƯỜNG NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ SPD SỬ DỤNG PHƯƠNG PHÁP CÁN TÍCH HỢP DAO ĐỘNG DỌC TRỤC CỦA TRỤC CÁN BẰNG FEM NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ– 60520103 Luan van Hướng dẫn khoa học: TS PHẠM HUY TUÂN Tp. Hồ Chí Minh, tháng 10/2014 Luan van LÝ LỊCH KHOA HỌC I.

LÝ LỊCH SƠ LƢỢC: Họ & tên: Trần Quốc Cường Giới tính: Nam Ngày, tháng, năm sinh: 12/10/1987 Nơi sinh: Ninh Thuận Quê quán: Ninh Thuận Dân tộc: Kinh Chỗ ở riêng hoặc địa chỉ liên lạc: trường THPT Tôn Đức Thắng – Ninh Thuận Điện thoại: [phone] E-mail: quoccuongspkt@gmail. QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO: 1. Đại học: Hệ đào tạo: chính quy Thời gian đào tạo: năm 2005 - 2010 Nơi học: Trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp.HCM Ngành học: Kỹ thuật công nghiệp Tên đồ án, luận án hoặc môn thi tốt nghiệp: “ Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo vali thí nghiệm trang bị điện” Ngày & nơi bảo vệ đồ án, luận án hoặc thi tốt nghiệp: bảo vệ đồ án tốt nghiệp vào năm 2010 tại khoa cơ khí chế tạo máy. Người hướng dẫn: ThS.

Đặng Quang Khoa III. QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC CHUYÊN MÔN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC: Thời gian Nơi công tác Công việc đảm nhiệm Trường THPT Tôn Đức Thắng, 11/2010 đến nay Giáo viên Ninh Thuận i Luan van IV. CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC CÔNG BỐ LIÊN QUAN ĐẾN ĐỀ TÀI: (tính tới thời điểm bảo vệ luận văn) [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, 2013., 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 2014 International Conference on Green Technology and Sustainable Development (GTSD2014), HCM city University of Technical Education, Oct.

30th – 31th, HCM city, Vietnam. (đã được chấp nhận đăng) [4] 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, 2014. (đã được nhận và chờ duyệt đăng) ii Luan van LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi. Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác.

Hồ Chí Minh, ngày … tháng … năm 201… (Ký tên và ghi rõ họ tên) iii Luan van LỜI CẢM TẠ Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành và sâu sắc đến người Thầy hướng dẫn của tôi là TS. PHẠM HUY TUÂN. Thầy đã cho tôi những lời khuyên quý báu và luôn động viên và giúp đỡ tôi cả vật chất lẫn tinh thần để tôi có thể hoàn thành luận văn này. Tôi xin cảm ơn quý Thầy Cô đã tận tâm giảng dạy trong suốt quá trình học tại trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp.

Xin cảm ơn Ban Giám Hiệu và các Thầy Cô quản lý chương trình cao học đã tạo điều kiện tốt trong quá trình học. Xin cảm ơn các tác giả của các tài liệu mà tôi đã sử dụng trong suốt quá trình làm luận văn cao học. Tôi xin cảm ơn bạn bè trong lớp CKM12B đã tạo môi trường học tập cũng như nghiên cứu rất bổ ích và chia sẽ những kinh nghiệm quý báu về cuộc sống cũng như kiến thức cho tôi. Cuối cùng xin biết ơn gia đình của tôi đã luôn dõi theo những bước chân của tôi trong suốt quá trình học tập cũng như làm việc.

Hồ Chí Minh, ngày … tháng … năm 201… Trần Quốc Cường iv Luan van TÓM TẮT Quá trình cán tích hợp dao động dọc trục của trục cán (Through-Width Vibration Rolling, TWVR), một phương pháp mới của công nghệ biến dạng dẻo mãnh liệt (Severe Plastic Deformation, SPD), được nghiên cứu trong luận văn này. Quá trình SPD này đã được chứng minh bằng thực nghiệm rằng không những tạo ra hợp kim nhôm có độ bền cao mà còn là một sự gia công kim loại tấm một cách liên tục. Cấu tạo của vi cấu trúc hạt siêu mịn được tạo ra bởi quá trình TWVR mang lại hiệu quả trong việc cải thiện các đặc tính cơ học của các hợp kim. Các đặc tính biến dạng và sự truyền nhiệt giữa các trục cán và phôi được nghiên cứu bằng phương pháp phần tử hữu hạn (Finite Element Method, FEM).

Các kết quả được so sánh với thực nghiệm để giải thích vấn đề về độ bền của vật liệu và có thể sử dụng như là một phương pháp định hướng để tối ưu hóa các thông số của quá trình TWVR. Từ khóa: biến dạng dẻo mãnh liệt, phương pháp phần tử hữu hạn, cán tích hợp dao động dọc trục của trục cán, phân tích kép cơ-nhiệt. v Luan van ABSTRACT The through-width vibration rolling (TWVR) process, a novel severe plastic deformation (SPD) method, is numerically analyzed in this thesis. This SPD process was experimentally proven to create not only high-strength aluminum alloy but also an appropriate continuous metal sheet processing.

The formation of ultrafine-grained microstructure by TWVR is efficient at improving mechanical properties of the alloys. Deformation characteristics of the workpiece and the heat transfer among the rollers and the sample are investigated by means of a rigid-plastic finite element method (FEM). The predicted results are verified by the experiments to explain problem about strength of material and could be used as an orientation method to optimize the TWVR processing parameters. Keywords: severe plastic deformation, rigid-plastic finite element mothod, through-width vibration rolling, coupled thermal-deformation analysis.

vi Luan van MỤC LỤC Trang tựa TRANG Quyết định giao đề tài Xác nhận của giảng viên hướng dẫn Lý lịch cá nhân i Lời cam đoan iii Lời cảm tạ iv Tóm tắt v Mục lục vii Danh sách các chữ viết tắt x Danh sách các hình xi Danh sách các bảng xiii Chƣơng 1.1 Tổng quan chung về lĩnh vực nghiên cứu, các kết quả nghiên cứu trong và ngoài nước đã công bố 1 1.1 Các phương pháp gia công áp lực truyền thống 1 vii Luan van 1.2 Các phương pháp gia công biến dạng dẻo mãnh liệt (severe plastic deformation – SPD) 2 1.3 Nhận xét chung và hướng nghiên cứu của đề tài 7 1.2 Mục đích nghiên cứu, khách thể và đối tượng nghiên cứu của đề tài 9 1.1 Mục đích nghiên cứu của đề tài 9 1.2 Khách thể và đối tượng nghiên cứu của đề tài 10 1.3 Nhiệm vụ nghiên cứu và giới hạn của đề tài 10 1.1 Nhiệm vụ nghiên cứu 10 1.2 Giới hạn của đề tài 10 1.4 Phương pháp nghiên cứu 10 Chƣơng 2.1 Cơ sở phương pháp phần tử hữu hạn 11 2.1 Giới thiệu về phần tử hữu hạn 11 2.2 Phương pháp giải bài toán bằng phần tử hữu hạn 13 2.2 Phương trình Hall-Petch 13 2.2 Phương trình Hall-Petch 13 2.3 Ý nghĩa của phương trình trong phương pháp SPD 14 2.3 Các hiện tượng và các yếu tố ảnh hưởng đến độ hạt của kim loại khi gia công biến dạng dẻo 14 2.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến độ hạt sau kết tinh lại 18 2.4 Giới thiệu về phần mềm ABAQUS 19 2.2 Các sản phẩm của Abaqus 20 2.3 Giao diện làm việc của Abaqus 21 2.4 Sơ đồ khối của Abaqus để giải bài toán bằng phần tử hữu hạn 22 viii Luan van Chƣơng 3. CÁC MÔ HÌNH NGHIÊN CỨU VÀ THÔNG SỐ TRONG QUÁ TRÌNH MÔ PHỎNG TWVR BẰNG FEM 24 3.1 Các mô hình nghiên cứu 24 3.1 Mô hình hình học 24 3.2 Mô hình vật liệu 25 3.3 Mô hình nhiệt độ 26 3.2 Các thông số trong quá trình mô phỏng TWVR 28 3.1 Các thông số về hình học và chuyển động 28 3.2 Các thông số vật liệu phôi Al 5052 29 3.3 Các thông số nhiệt và các thông số khác 30 Chƣơng 4. XÂY DỰNG MÔ HÌNH MÔ PHỎNG FEM CHO BƢỚC CÁN ĐẦU TIÊN 31 4.1 Thiết kế bản vẽ 2D 31 4.2 Xây dựng mô hình 3D và chia lưới cho phôi 32 4.3 Xây dựng mô hình 3D hoàn chỉnh 33 Chƣơng 5. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN QUA BƢỚC CÁN ĐẦU TIÊN 34 5.1 Sự phân bố biến dạng dẻo tương đương (PEEQ) 34 5.2 Sự giãn rộng của phôi 41 5.3 Nhiệt độ của phôi 42 Chƣơng 6.

XÂY DỰNG MÔ HÌNH MÔ PHỎNG FEM VÀ KẾT QUẢ THẢO LUẬN QUA BỐN BƢỚC CÁN 47 6.1 Xây dựng mô hình mô phỏng qua bốn bước cán 47 6.2 Kết quả và thảo luận qua bốn bước cán 49 6.1 Sự giãn rộng của phôi 49 6.2 Nhiệt độ của phôi 50 Chƣơng 7. KẾT LUẬN – ĐỀ NGHỊ 52 7.1 Kết luận 52 ix Luan van 7.1 Qua bước cán đầu tiên 52 7.2 Qua bốn bước cán 53 7.1 Các vấn đề còn tồn tại 53 7.2 Hướng phát triển của đề tài 53 TÀI LIỆU THAM KHẢO 57 PHỤ LỤC 61 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 x Luan van FEM: Finite Element Method CAE: Computer Aided Engineering CAD: Computer Aided Design ASTM: American Society for Testing and Materials DANH SÁCH CÁC HÌNH HÌNH TRANG Hình 1.1: Sơ đồ nguyên lý các phương pháp gia công áp lực truyền thống (a) cán; (b) kéo; (c) ép trực tiếp và gián tiếp; (d) rèn khuôn; (e) dập; (f) chồn 2 Hình 1.2: Sơ đồ nguyên lý các phương pháp SPD nhóm thứ nhất (a) ECAP; (b) HPT 3 Hình 1.3: Sơ đồ nguyên lý các phương pháp SPD nhóm thứ hai (a) ARB; (b) RCS; (c) ECAR; (d) ECAP-Conform; (e) HRDSR; (f) TWVR 5 Hình 1.4: Quá trình cán tích hợp dao động ngang của trục cán (TWVR) 8 Hình 1.5: Quá trình thực nghiệm TWVR (a) Máy móc; (b) Gia công; (c) Kết quả xi Luan van bề rộng 8 Hình 1.6: Sự biến thiên độ bền trong phương pháp TWVR 9 Hình 2.1: Ảnh hưởng của lệch trong các hạt có kích thước khác nhau đến độ bền của vật liệu 14 Hình 2.