Tổng quan luận án

Luận án tiến sĩ kỹ thuật với đề tài "Nghiên cứu cơ chế phá hủy phôi trong quá trình cán nêm ngang" được thực hiện bởi nghiên cứu sinh Đặng Thị Hồng Huế dưới sự hướng dẫn khoa học của PGS.TS Đào Minh Ngừng và GS. Nguyễn Trọng Giảng tại Bộ môn Cơ học vật liệu và Cán kim loại, Viện Khoa học và Kỹ thuật vật liệu – Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, có sự phối hợp chuyên môn từ Viện Vật lý Kỹ thuật thuộc Viện Hàn lâm khoa học quốc gia Belarus (hoàn thành năm 2014).

Công nghệ cán nêm ngang là phương pháp gia công kim loại bằng áp lực dùng để chế tạo phôi định hình, phôi trung gian cho dập khối, rèn hoặc tạo hình trực tiếp các chi tiết dạng trục tròn xoay với năng suất cao, tiết kiệm vật liệu và dễ tự động hóa. Tuy nhiên, rào cản kỹ thuật của quá trình cán nêm ngang là sự xuất hiện của ba dạng khuyết tật cơ học: khuyết tật hình dạng (méo mó, vặn xoắn), khuyết tật bề mặt (rãnh xoắn, ba via, thắt, chùn) và khuyết tật rỗng tâm. Trong đó, khuyết tật rỗng tâm là dạng hư hại nguy hiểm nhất vì nằm ẩn sâu bên trong phôi, không thể quan sát bằng mắt thường mà phải kiểm tra bằng kính hiển vi điện tử, siêu âm hoặc cắt lát sản phẩm. Quá trình biến dạng trong cán nêm ngang diễn ra phức tạp: phôi chịu ứng suất nén theo phương thẳng đứng ($z$), ứng suất kéo theo phương ngang ($x$) và phương dọc trục ($y$), đồng thời chịu chu kỳ kéo - nén liên tục khi quay. Khoảng trống nghiên cứu mà luận án giải quyết là việc thiếu hụt một hệ thống hoàn chỉnh từ nhận dạng mô hình thuộc tính, mô hình phá hủy dẻo ở nhiệt độ gia công nóng đến việc mô phỏng số không gian 3 chiều và thực nghiệm kiểm chứng nhằm xác định chính xác cơ chế phá hủy và miền thông số công nghệ an toàn để loại bỏ hoàn toàn khuyết tật rỗng tâm.

Mục tiêu nghiên cứu của luận án gồm:

  1. Nghiên cứu nguyên nhân và cơ chế phá hủy phôi nhằm khắc phục và loại bỏ các dạng khuyết tật cơ học, đặc biệt là khuyết tật rỗng tâm hình thành trong quá trình cán nêm ngang.
  2. Xây dựng phương pháp nhận dạng và xác định bộ thông số của mô hình thuộc tính và mô hình phá hủy Johnson - Cook cho vật liệu thép C45 trong điều kiện biến dạng nóng.
  3. Mô phỏng số quá trình cán nêm ngang bằng phần mềm phần tử hữu hạn để đánh giá sự phân bố ứng suất, biến dạng, nhiệt độ và biến phá hủy; từ đó xác lập miền thông số công nghệ tối ưu để sản phẩm không bị phá hủy.
  4. Thực nghiệm chế tạo chi tiết vít ren côn trên máy cán nêm ngang nhằm kiểm chứng độ tin cậy của mô hình mô phỏng số và bộ thông số công nghệ đã xác lập.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Quá trình biến dạng và phá hủy dẻo của phôi kim loại dạng trục tròn xoay; chi tiết thực nghiệm cụ thể là chi tiết vít ren côn (sử dụng trong ngành tàu điện/đường sắt) được chế tạo từ thép cacbon kết cấu C45.
  • Phạm vi nghiên cứu: Khảo sát quá trình biến dạng dẻo lớn ở nhiệt độ cao (từ $900^\circ\text{C}$ đến $1200^\circ\text{C}$); phạm vi tốc độ cán từ $150\text{ mm/s}$ đến $270\text{ mm/s}$; hệ số ma sát tiếp xúc từ $0,48$ đến $0,56$; mô hình hóa hình học nêm phẳng và phôi trong không gian 2D và 3D.

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Luận án đã tổng thuật hệ thống các công trình nghiên cứu trong và ngoài nước liên quan đến công nghệ cán nêm ngang, cơ chế tạo khuyết tật và các mô hình cơ học phá hủy:

  • Mannesmann (1885): Phát hiện hiện tượng hình thành lỗ trống và vết nứt trong tâm khi rèn và cán ngang các chi tiết hình trụ; giải thích hiện tượng rỗng tâm xuất phát từ sự kết hợp của biến dạng nén hướng kính, mở rộng dọc trục và nén ngang.
  • Tselikov A.I. (1962): Phân tích quá trình cán phôi trụ, đưa ra kết luận khuyết tật rỗng tâm hình vành khuyên định hướng theo hướng kính do sự tích lũy ứng suất kéo trong quá trình biến dạng sau các chu kỳ quay; đề xuất phương pháp giải tích gần đúng tính ứng suất kéo cực đại tại tâm theo lý thuyết trạng thái biến dạng phẳng.
  • Thompson và Hawkyard (1970): Kết luận ứng suất và biến dạng nửa chu kỳ là nguyên nhân gây phá hủy tâm; nghiên cứu ảnh hưởng của ma sát tiếp xúc và đề xuất giải pháp tạo khía răng cưa trên bề mặt nêm để tăng ma sát, hạn chế khuyết tật bề mặt.
  • Siminov: Khẳng định khuyết tật bên trong sản phẩm cán hình thành do sự kết hợp giữa ứng suất tiếp (vai trò chủ yếu) và ứng suất kéo (vai trò thứ yếu) dưới tác dụng của tải trọng chu kỳ khi phôi quay.
  • Teterin P.K., Liuzin J.F.: Cho rằng biến dạng dẻo mãnh liệt xảy ra cục bộ tại tâm phôi là nguyên nhân dẫn đến phá hủy tâm.
  • Danno A., Awano T.: Nghiên cứu sự phát triển kích thước lỗ trống do phôi quay và khẳng định lỗ trống lớn lên do ứng suất kéo hướng tâm và biến dạng trượt tập trung tại tâm.
  • Guzavichus và cộng sự: Phân tích hiện tượng phôi bị xoắn khi quay với tốc độ tăng cao, làm sinh ra ứng suất tiếp vượt quá giới hạn bền của vật liệu.
  • Johnson W.: Chỉ ra tổ chức tế vi với các khuyết tật mạng và hạt phi kim có sẵn từ quá trình đúc là yếu tố thúc đẩy phá hủy tâm.
  • Fu X.P., Dean T.A.: Tổng kết các nguyên nhân gây rỗng tâm gồm: chu kỳ ứng suất/biến dạng theo hiệu ứng Mannesmann, sự tích lũy hư hại do mỏi chu kỳ thấp (theo Menson), sự chênh lệch tốc độ chuyển động giữa các vùng và sự khác biệt đường kính.
  • Hill, Schukin V.Y., Hayama H., Jain và Kobayashi, Saito Y. và Hu Z.H.: Ứng dụng lý thuyết trường đường trượt để tính toán ứng suất - biến dạng trong biến dạng phẳng. Tuy nhiên, các phương pháp này bỏ qua thành phần biến dạng dọc trục nên kết quả chỉ mang tính định tính.
  • Qiang Li và cộng sự (2004): Xác định hệ số biến dạng tổng $\delta > 0,6$ sẽ hình thành khuyết tật tâm, $\delta < 0,6$ sản phẩm an toàn; khi $\delta > 0,7$ xuất hiện khuyết tật thắt; sự trượt trơn trong vùng cắt và vùng dẫn gây ra sai lệch hình dạng.
  • Dong Y., Lovell M.R., Tagavi K.A. (2000, 2004): Mô tả hiện tượng trượt tại vùng cắt và vùng dẫn; tổng kết 3 nhóm vấn đề cốt lõi của công nghệ cán nêm ngang.
  • Bartnicki J. và cộng sự: Ứng dụng mô phỏng số kết hợp thực nghiệm để nghiên cứu điều kiện phá hủy khi cán nêm ngang chi tiết trục rỗng.
  • Pater Z.: Sử dụng phần mềm MARC/Autofore FEM và SuperForm 2004 để mô phỏng cán thép hợp kim 20MnCr5 (với nhiệt độ tạo hình $1050^\circ\text{C}$, tốc độ khuôn $0,1\text{ m/s}$); chứng minh biến dạng cực đại tại tâm là nguyên nhân gây phá hủy.
  • Zhao J.: Sử dụng phần mềm ANSYS/LS-DYNA mô phỏng sự phát triển lỗ trống và kết luận biến dạng hữu hiệu là thông số phù hợp để dự báo phá hủy tâm.

Khoảng trống nghiên cứu luận án lựa chọn giải quyết: Các công trình trước đây chủ yếu dừng lại ở việc khảo sát định tính bằng lý thuyết trường đường trượt 2D hoặc mô phỏng số với các giả thiết vật liệu đơn giản. Ở phạm vi quốc tế, việc nhận dạng mô hình phá hủy phụ thuộc tốc độ biến dạng thường sử dụng các thiết bị truyền sóng vận tốc cao ($10^6\text{ s}^{-1}$) khó thực hiện trong điều kiện thực tế tại Việt Nam. Luận án đã lấp đầy khoảng trống này bằng cách: đề xuất phương pháp lập tỉ số để nhận dạng các thông số tốc độ biến dạng ($C, D_4$) của mô hình Johnson - Cook ở điều kiện thí nghiệm tiêu chuẩn; xây dựng bộ 10 thông số cơ lý và phá hủy hoàn chỉnh cho thép C45 ở nhiệt độ gia công nóng; thực hiện mô phỏng số 3D toàn diện trên ABAQUS và thực nghiệm kiểm chứng trực tiếp trên máy cán nêm ngang phẳng.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Cơ sở lý thuyết

Luận án dựa trên lý thuyết cơ học môi trường liên tục, cơ học phá hủy dẻo kim loại và lý thuyết biến dạng dẻo lớn ở nhiệt độ cao. Quá trình phá hủy dẻo được xác định gồm 3 giai đoạn kế tiếp: sinh mầm lỗ xốp tế vi $\rightarrow$ phát triển lỗ xốp $\rightarrow$ hợp nhất các lỗ xốp tạo thành vết nứt vĩ mô.

Luận án lựa chọn cặp mô hình thuộc tính và mô hình phá hủy Johnson - Cook để mô tả hành vi vật liệu:

  1. Mô hình thuộc tính vật liệu Johnson - Cook: $$\bar{\sigma} = \left[ A + B(\bar{\varepsilon})^n \right] \left[ 1 + C \ln\left(\frac{\dot{\varepsilon}}{\dot{\varepsilon}_0}\right) \right] \left[ 1 - \left(T^*\right)^m \right]$$ Trong đó:
  • $A$: Ứng suất chảy ban đầu của vật liệu ($\text{MPa}$).
  • $B$: Hệ số hóa bền ($\text{MPa}$).
  • $n$: Hệ số ảnh hưởng của mức độ biến dạng.
  • $C$: Hệ số nhạy cảm với tốc độ biến dạng.
  • $m$: Hệ số nhạy cảm với nhiệt độ (số mũ hóa mềm nhiệt).
  • $\bar{\varepsilon}, \dot{\varepsilon}, \dot{\varepsilon}_0$: Biến dạng tương đương, tốc độ biến dạng và tốc độ biến dạng tham chiếu.
  • $T^* = \frac{T - T_{room}}{T_{melt} - T_{room}}$: Tỉ số nhiệt độ không thứ nguyên ($T_{room}$ là nhiệt độ phòng, $T_{melt}$ là nhiệt độ nóng chảy).
  1. Mô hình phá hủy Johnson - Cook: Biến phá hủy tích lũy vô hướng $D$ được định nghĩa: $$D = \int_0^{\bar{\varepsilon}_c} \frac{d\bar{\varepsilon}^p}{\bar{\varepsilon}_f}$$ Vật liệu bị phá hủy hoàn toàn khi $D \ge 1$. Biến dạng tương đương tại thời điểm phá hủy $\bar{\varepsilon}_f$ xác định theo biểu thức: $$\bar{\varepsilon}_f = \left[ D_1 + D_2 \exp\left(D_3 \sigma^\right) \right] \left[ 1 + D_4 \ln\left(\frac{\dot{\varepsilon}}{\dot{\varepsilon}_0}\right) \right] \left[ 1 + D_5 T^ \right]$$ Trong đó:
  • $D_1, D_2, D_3, D_4, D_5$: Các hệ số phá hủy của vật liệu.
  • $\sigma^* = \frac{\sigma_H}{\sigma_{eq}}$: Chỉ số trạng thái ứng suất, với $\sigma_H = \frac{\sigma_1 + \sigma_2 + \sigma_3}{3}$ là ứng suất thủy tĩnh, $\sigma_{eq} = \frac{1}{\sqrt{2}}\sqrt{(\sigma_1 - \sigma_2)^2 + (\sigma_1 - \sigma_3)^2 + (\sigma_2 - \sigma_3)^2}$ là ứng suất tương đương Von Mises.

Phương pháp nghiên cứu

Luận án kết hợp đồng bộ ba phương pháp: lý thuyết toán học, mô phỏng số và thực nghiệm kiểm chứng.

Hạng mục phương pháp Nội dung triển khai cụ thể Thiết bị / Công cụ phần mềm
Thí nghiệm cơ tính tĩnh Kéo tĩnh ở nhiệt độ phòng để xác định giới hạn chảy $A$, hệ số $B$ và $n$. Máy thử kéo nén MTS
Thí nghiệm nhiệt độ cao Kéo ở $900^\circ\text{C}, 1000^\circ\text{C}, 1100^\circ\text{C}$ với các tốc độ biến dạng khác nhau để nhận dạng $C$ và $m$. Máy MTS tích hợp lò nung cao tần
Thí nghiệm mẫu tạo bán kính Kéo mẫu có rãnh khuyết bán kính $R$ theo mô hình Bridgman để xác định $\sigma^*$ và $D_1, D_2, D_3$. Máy MTS, phần mềm Matlab
Thí nghiệm xoắn Thử xoắn ở các tốc độ và nhiệt độ khác nhau để nhận dạng $D_4, D_5$. Thiết bị thử xoắn chuyên dụng
Mô phỏng số (FEM) Xây dựng bài toán 2D và 3D cán ren vít côn, phân tích trường ứng suất, biến dạng và biến phá hủy $D$. Phần mềm ABAQUS
Thực nghiệm công nghệ Dập đầu mũ và cán nêm ngang chi tiết vít ren côn; cắt lát mẫu kiểm tra tổ chức vi mô. Máy cán nêm ngang công nghiệp

Nguồn tư liệu và vật liệu nghiên cứu: Phôi thép cacbon kết cấu C45 tiêu chuẩn; dữ liệu đo lực, hành trình, nhiệt độ và biến dạng thu thập từ hệ thống cảm biến của thiết bị thí nghiệm.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan

Chương 1 trình bày nguyên lý công nghệ cán nêm ngang sử dụng hai bàn nêm phẳng (nêm dưới cố định, nêm trên chuyển động tịnh tiến). Chiều dài làm việc của nêm cán được chia thành 4 vùng chức năng:

  • Vùng cắt ($L_1$): Đảm bảo điều kiện ăn phôi từ khi bắt đầu tiếp xúc đến khi đạt lượng ép tuyệt đối $r = D_0 - d$.
  • Vùng dẫn ($L_2$): Có chiều dài tối thiểu bằng chu vi phôi, tạo lượng ép ban đầu nhỏ giúp phôi quay ổn định.
  • Vùng tạo hình ($L_3$): Biến dạng kim loại chính để hình thành biên dạng chi tiết theo góc nêm $\beta$ và góc áp lực $\alpha$.
  • Vùng định kích thước ($L_4$): Ổn định kích thước và bố trí dao cắt phoi thừa.

Về động lực học, lực tổng hợp gồm lực đẩy $P_x$, lực dọc trục $P_y$ và lực ép $P_z$. Lực đẩy phôi toàn phần được tính bằng $\vec{P}_C = \vec{P}_X + \mu \vec{P}_Z$.

Điều kiện quay phôi và ăn phôi được xác lập qua bất đẳng thức: $$\mu \ge \frac{\tan\gamma}{2} \quad \text{với } \tan\gamma = \tan\alpha \cdot \tan\beta$$ Giới hạn giảm bán kính và hệ số biến dạng cực đại được xác định theo hệ số ma sát $\mu$: $$\left(\frac{\Delta r}{r_0}\right){max} = \frac{8\mu^2}{1 + 4\mu^2}; \quad \delta{max} = \frac{16\mu^2}{\left(1 + 4\mu^2\right)^2}$$

Chương 1 cũng phân tích chi tiết 3 nhóm khuyết tật cơ học (KTHD, KTBM, KTRT). Trong đó, KTRT hình thành do sự tích lũy ứng suất kéo thủy tĩnh và biến dạng trượt tại tâm dưới tác động tải trọng chu kỳ, tạo nên vết nứt dạng chữ thập định hướng dọc trục phôi.

Chương 2: Mô hình thuộc tính và phá hủy vật liệu

Chương này đi sâu vào cơ chế vật lý của phá hủy dẻo: sự hình thành lỗ xốp tại các pha hạt phân tán, sự phát triển lỗ xốp dưới ứng suất kéo và sự hợp nhất lỗ xốp theo mặt phẳng trượt $45^\circ$. Luận án điểm lại các mô hình thuộc tính kinh điển (Holloman, Ludwik, El-Magd-Troot, Zerilli - Armstrong) và mô hình phá hủy cơ học môi trường liên tục (McClintock, Rice - Tracey, Hancock - MacKenzie, Lemaitre, Chaboche, Xue - Wierzbicki, Wilkins).

Qua phân tích so sánh, luận án lựa chọn mô hình thuộc tính và mô hình phá hủy Johnson - Cook. Mô hình này bao quát đầy đủ ảnh hưởng tương hỗ của mức độ biến dạng, tốc độ biến dạng, nhiệt độ và đặc biệt là chỉ số trạng thái ứng suất $\sigma^$. Khi $\sigma^ < -1/3$, vật liệu ở trạng thái nén thủy tĩnh cao và không bị phá hủy dẻo; khi $\sigma^*$ mang giá trị dương lớn, tốc độ tích lũy hư hại tăng nhanh, thúc đẩy mầm rỗng tâm phát triển.

Chương 3: Nhận dạng mô hình Johnson-Cook

Chương 3 trình bày phương pháp thực nghiệm và thuật toán nhận dạng 10 hệ số của mô hình Johnson - Cook cho thép C45.

Điểm mới trong phương pháp nhận dạng là việc xác định hệ số nhạy cảm tốc độ biến dạng $C$ và $D_4$ bằng cách lập tỉ số ứng suất giữa các chế độ thí nghiệm tại các tốc độ biến dạng khác nhau ($\dot{\varepsilon}_1, \dot{\varepsilon}_2, \dot{\varepsilon}_3$) ở cùng nhiệt độ ($T_1, T_2, T_3$), loại bỏ sự phụ thuộc vào nhiệt độ tham chiếu và không cần thiết bị truyền sóng siêu cao tốc. Các hệ số phá hủy $D_1, D_2, D_3$ được nhận dạng từ thí nghiệm kéo mẫu tạo bán kính khuyết $R$ (theo lý thuyết Bridgman) kết hợp thuật toán tối ưu hóa trên Matlab.

Loại mô hình Ký hiệu hệ số Giá trị nhận dạng Ý nghĩa vật lý
Mô hình thuộc tính $A$ $510\text{ MPa}$ Giới hạn chảy của thép C45
$B$ $722\text{ MPa}$ Hệ số hóa bền biến dạng
$n$ $0,36$ Mũ hóa bền mức độ biến dạng
$C$ $0,097$ Hệ số ảnh hưởng của tốc độ biến dạng
$m$ $0,432$ Hệ số hóa mềm do nhiệt độ
Mô hình phá hủy $D_1$ $0,009$ Ảnh hưởng của sự tạo mầm lỗ xốp
$D_2$ $1,48$ Ảnh hưởng của sự phát triển lỗ xốp
$D_3$ $-2,66$ Ảnh hưởng của trạng thái ứng suất $\sigma^*$
$D_4$ $0,164$ Ảnh hưởng của tốc độ biến dạng đến phá hủy
$D_5$ $0,623$ Ảnh hưởng của nhiệt độ đến phá hủy

Kết quả mô phỏng kiểm chứng quá trình thử kéo trên phần mềm số cho thấy đường cong ứng suất - biến dạng tính toán hoàn toàn trùng khớp với dữ liệu thực nghiệm.

Chương 4: Mô phỏng số quá trình cán nêm ngang

Sử dụng phần mềm ABAQUS, luận án thiết lập bài toán mô phỏng 2D và mô hình không gian 3D chi tiết vít ren côn. Nêm cán được mô hình hóa là vật thể cứng tuyệt đối, phôi thép C45 có đặc tính đàn dẻo gắn các phương trình thuộc tính và phá hủy Johnson - Cook đã nhận dạng.

Kết quả mô phỏng số làm rõ:

  • Trường ứng suất tại tâm phôi xuất hiện ứng suất kéo dọc trục và ứng suất kéo tiếp tuyến lớn.
  • Chỉ số trạng thái ứng suất $\sigma^*$ tại vùng tâm luôn duy trì giá trị dương cao trong suốt hành trình qua vùng tạo hình, giải thích nguyên nhân tích lũy biến phá hủy $D$ đạt giá trị tới hạn ($D \rightarrow 1$), dẫn đến phá hủy rỗng tâm dạng chữ thập.
  • Nhiệt độ phân bố không đều giữa bề mặt tiếp xúc (bị mất nhiệt do truyền vào khuôn) và tâm phôi (nhiệt độ tăng do nhiệt nội sinh từ công biến dạng dẻo), tạo ra ứng suất dư nhiệt.

Từ kết quả phân tích tham số, luận án xác lập được miền thông số công nghệ tối ưu đảm bảo chi tiết an toàn không bị phá hủy:

  • Hệ số ma sát giữa phôi và nêm: $\mu = 0,48 \div 0,56$.
  • Tốc độ chuyển động của nêm cán: $v = 150 \div 270\text{ mm/s}$.
  • Nhiệt độ nung phôi ban đầu: $T = 1030^\circ\text{C} \div 1150^\circ\text{C}$.

Chương 5: Thực nghiệm quá trình cán nêm ngang

Chương 5 tiến hành thực nghiệm trên máy cán nêm ngang phẳng kết hợp khuôn dập đầu mũ và nêm cán gia công ren âm. Quy trình thực nghiệm gồm 2 bước: dập đầu mũ phôi $\rightarrow$ nung nóng phôi và cán tạo hình vít ren côn.

Chi tiết sau khi cán được cắt theo mặt cắt dọc và mặt cắt ngang để kiểm tra tổ chức kim loại:

  • Khi cán với các thông số nằm ngoài miền tối ưu (ma sát nhỏ $\mu < 0,48$ gây trượt; hoặc nhiệt độ thấp $T < 1030^\circ\text{C}$ làm tăng ứng suất kéo): tâm phôi xuất hiện các vết nứt tế vi và lỗ rỗng định hướng dọc trục, bề mặt bị khuyết tật rãnh xoắn.
  • Khi cán trong miền thông số tối ưu ($\mu = 0,48 \div 0,56$; $v = 150 \div 270\text{ mm/s}$; $T = 1030^\circ\text{C} \div 1150^\circ\text{C}$): chi tiết đạt độ chính xác hình học, biên dạng ren đầy đặn, không xuất hiện hiện tượng lõm đầu và hoàn toàn không có khuyết tật rỗng tâm.

Kết quả và những đóng góp mới

Đóng góp mới về mặt lý luận và khoa học

  1. Làm sáng tỏ cơ chế phá hủy phôi trong quá trình cán nêm ngang: phá hủy là hệ quả của sự biến dạng không đồng đều giữa các lớp kim loại, chênh lệch nhiệt độ gây ứng suất dư và sự tích lũy chỉ số trạng thái ứng suất thủy tĩnh dương lớn tại tâm phôi dưới tác động kéo - nén chu kỳ khi phôi quay.
  2. Đề xuất phương pháp nhận dạng hệ số tốc độ biến dạng ($C, D_4$) trong mô hình Johnson - Cook bằng kỹ thuật lập tỉ số dữ liệu thực nghiệm ở các cấp tốc độ biến dạng và nhiệt độ khác nhau, cho phép xác định chính xác tham số mà không phụ thuộc vào thiết bị truyền sóng siêu cao tốc.
  3. Nhận dạng thành công bộ 10 thông số của mô hình thuộc tính ($A=510, B=722, n=0,36, C=0,097, m=0,432$) và mô hình phá hủy Johnson - Cook ($D_1=0,009, D_2=1,48, D_3=-2,66, D_4=0,164, D_5=0,623$) cho vật liệu thép C45 trong điều kiện biến dạng nóng.

Đóng góp mới về mặt thực tiễn và công nghệ

  1. Xác lập miền thông số công nghệ tối ưu cho quá trình cán nêm ngang thép C45: hệ số ma sát $\mu = 0,48 \div 0,56$, tốc độ cán $v = 150 \div 270\text{ mm/s}$, nhiệt độ tạo hình $T = 1030^\circ\text{C} \div 1150^\circ\text{C}$.
  2. Chế tạo thực nghiệm thành công chi tiết vít ren côn chất lượng cao, loại bỏ hoàn toàn các khuyết tật rỗng tâm và khuyết tật bề mặt, chứng minh tính khả thi khi ứng dụng công nghệ cán nêm ngang vào sản xuất công nghiệp tại Việt Nam.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

  • Hạn chế: Luận án chủ yếu tập trung nhận dạng mô hình và thực nghiệm trên một mác vật liệu thép kết cấu cacbon C45; mô hình phần tử hữu hạn giả thiết nêm cán là vật thể cứng tuyệt đối, chưa tính toán đến biến dạng đàn hồi và độ mòn nhiệt của nêm sau nhiều chu kỳ làm việc liên tục.
  • Hướng nghiên cứu tiếp: Mở rộng nhận dạng mô hình Johnson - Cook cho các nhóm thép hợp kim đặc biệt, hợp kim màu (titan, nhôm, đồng); nghiên cứu độ bền tiếp xúc, mỏi nhiệt và tối ưu hóa tuổi thọ của bộ nêm cán trong điều kiện sản xuất quy mô công nghiệp lớn.

Giá trị tham khảo

Luận án là tài liệu chuyên khảo có giá trị cao đối với:

  • Cán bộ nghiên cứu và nghiên cứu sinh, học viên cao học: Chuyên ngành Kỹ thuật vật liệu, Cơ học vật liệu, Gia công áp lực (Cán - Rèn - Dập); đặc biệt là phương pháp nhận dạng tham số mô hình Johnson - Cook và kỹ thuật mô phỏng phần tử hữu hạn 3D trên ABAQUS.
  • Kỹ sư công nghệ tại các nhà máy cơ khí: Tham khảo miền thông số tối ưu ($\mu, v, T$) và nguyên lý thiết kế nêm 4 vùng chức năng để chế tạo các chi tiết trục tròn xoay, trục bậc, bu lông, vít ren.

Câu hỏi thường gặp

1. Mô hình cơ học nào được luận án lựa chọn để mô tả biến dạng và phá hủy vật liệu?
Luận án sử dụng mô hình thuộc tính Johnson - Cook để mô tả ứng xử chảy dẻo đàn nhớt phụ thuộc nhiệt độ và mô hình phá hủy Johnson - Cook dựa trên tích phân biến phá hủy vô hướng $D$ phụ thuộc chỉ số trạng thái ứng suất $\sigma^*$.

2. Bộ thông số Johnson - Cook nhận dạng cho thép C45 có giá trị cụ thể là bao nhiêu?

  • Hệ số thuộc tính: $A = 510\text{ MPa}$, $B = 722\text{ MPa}$, $n = 0,36$, $C = 0,097$, $m = 0,432$.
  • Hệ số phá hủy: $D_1 = 0,009$, $D_2 = 1,48$, $D_3 = -2,66$, $D_4 = 0,164$, $D_5 = 0,623$.

3. Cơ chế chính gây ra khuyết tật rỗng tâm trong quá trình cán nêm ngang là gì?
Khuyết tật rỗng tâm phát sinh do chỉ số trạng thái ứng suất $\sigma^* = \sigma_H / \sigma_{eq}$ tại tâm phôi mang giá trị dương lớn kết hợp với tải trọng kéo - nén chu kỳ khi phôi quay (hiệu ứng Mannesmann), làm tăng nhanh mật độ lỗ xốp tế vi và hợp nhất chúng thành vết nứt chữ thập định hướng dọc trục.

4. Miền thông số công nghệ tối ưu được xác lập để cán nêm ngang không bị phá hủy là bao nhiêu?
Miền thông số tối ưu gồm: hệ số ma sát $\mu = 0,48 \div 0,56$, tốc độ cán $v = 150 \div 270\text{ mm/s}$ và nhiệt độ cán $T = 1030^\circ\text{C} \div 1150^\circ\text{C}$.

5. Chi tiết thực nghiệm được chế tạo để kiểm chứng mô hình là chi tiết nào?
Luận án thực hiện chế tạo thực nghiệm chi tiết vít ren côn sử dụng trong ngành đường sắt/tàu điện bằng quy trình dập đầu mũ kết hợp cán nêm ngang tạo ren.

Kết luận

Luận án "Nghiên cứu cơ chế phá hủy phôi trong quá trình cán nêm ngang" của NCS Đặng Thị Hồng Huế đã giải quyết hoàn chỉnh bài toán cơ học biến dạng và phá hủy dẻo trong công nghệ cán nêm ngang đối với thép C45. Bằng việc kết hợp phương pháp nhận dạng tham số mới, mô phỏng số 3D trên ABAQUS và thực nghiệm công nghệ, tác giả đã xác lập bộ 10 hệ số Johnson - Cook và miền thông số công nghệ tối ưu ($\mu = 0,48 \div 0,56; v = 150 \div 270\text{ mm/s}; T = 1030^\circ\text{C} \div 1150^\circ\text{C}$) giúp triệt tiêu khuyết tật rỗng tâm. Công trình đóng góp cơ sở lý luận vững chắc và mang lại giá trị ứng dụng thực tiễn cao cho ngành gia công kim loại bằng áp lực.