Luận văn Nghiên cứu công nghệ SPD sử dụng phương pháp cán tích hợp dao động dọc trục của trục cán bằng FEM (Phần 1)

Nội dung text: Luận văn Nghiên cứu công nghệ SPD sử dụng phương pháp cán tích hợp dao động dọc trục của trục cán bằng FEM (Phần 1)

1. 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
2. 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
3. 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
4. Hướng dẫn khoa học: TS PHẠM HUY TUÂN Tp. Hồ Chí Minh, tháng 10/2014
5. 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: 0975847492 E-mail: quoccuongspkt@gmail.com II. 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
6. 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. (đã được xuất bản) [2] Pham H.T., Tran Q.C, Wang D.A., Numerical Analysis of the Through-Width Vibration Rolling Process, International Journal of Advanced Transport Phenomena, Vol. 02, No. 01, Jan-Dec 2013, pp. 21-24. (đã được đăng) [3] Pham H.T., Tran Q.C., 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
7. 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. Tp. Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 201 (Ký tên và ghi rõ họ tên) iii
8. 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.HCM. 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. Tp. Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 201 Trần Quốc Cường iv
9. 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
10. 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
11. 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. TỔNG QUAN 1 1.1 Tổng quan chung về lĩnh vực nghiên cứu, các kết quả nghiên cứu trong và ngoài nước đã công bố 1 1.1.1 Các phương pháp gia công áp lực truyền thống 1 vii
12. 1.1.2 Các phương pháp gia công biến dạng dẻo mãnh liệt (severe plastic deformation – SPD) 2 1.1.3 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 1.2.1 Mục đích nghiên cứu của đề tài 9 1.2.2 Khách thể và đối tượng nghiên cứu của đề tài 10 1.3 Nhiệm vụ nghiên cứu và giới hạn của đề tài 10 1.3.1 Nhiệm vụ nghiên cứu 10 1.3.2 Giới hạn của đề tài 10 1.4 Phương pháp nghiên cứu 10 Chƣơng 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT 11 2.1 Cơ sở phương pháp phần tử hữu hạn 11 2.1.1 Giới thiệu về phần tử hữu hạn 11 2.1.2 Phương pháp giải bài toán bằng phần tử hữu hạn 13 2.2 Phương trình Hall-Petch 13 2.2.1 Lịch sử 13 2.2.2 Phương trình Hall-Petch 13 2.2.3 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 2.3.1 Các hiện tượng 14 2.3.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến độ hạt sau kết tinh lại 18 2.4 Giới thiệu về phần mềm ABAQUS 19 2.4.1 Giới thiệu 19 2.4.2 Các sản phẩm của Abaqus 20 2.4.3 Giao diện làm việc của Abaqus 21 2.4.4 Sơ đồ khối của Abaqus để giải bài toán bằng phần tử hữu hạn 22 viii
13. 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 3.1.1 Mô hình hình học 24 3.1.2 Mô hình vật liệu 25 3.1.3 Mô hình nhiệt độ 26 3.2 Các thông số trong quá trình mô phỏng TWVR 28 3.2.1 Các thông số về hình học và chuyển động 28 3.2.2 Các thông số vật liệu phôi Al 5052 29 3.2.3 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 6.2.1 Sự giãn rộng của phôi 49 6.2.2 Nhiệt độ của phôi 50 Chƣơng 7. KẾT LUẬN – ĐỀ NGHỊ 52 7.1 Kết luận 52 ix
14. 7.1.1 Qua bước cán đầu tiên 52 7.1.2 Qua bốn bước cán 53 7.1.3 Tổng kết 53 7.2 Đề nghị 53 7.2.1 Các vấn đề còn tồn tại 53 7.2.2 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
15. 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
16. 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 2.2: Sai lệch điểm trong mạng tinh thể (a) Nút trống; (b) Nguyên tử xen kẽ ; (c) Nguyên tử tạp chất 15 Hình 2.3: Lệch trong mạng tinh thể (a) Lệch biên; (b) Lệch xoắn; (c) Lệch hỗn hợp 16 Hình 2.4: Sai lệch mặt trong mạng tinh thể (a) Biên giới hạt; (b) Biên giới siêu hạt do tường lệch 16 Hình 2.5: Giao diện làm việc của Abaqus 6.10 (2010) 21 Hình 2.6: Sơ đồ khối thông tin yêu cầu của phần mềm phần tử hữu hạn Abaqus 22 Hình 3.1: Mô hình hình học của TWVR 24 Hình 3.2: Sơ đồ mô hình nhiệt và điều kiện biên nhiệt của quá trình TWVR 26 Hình 3.3: Các đường cong ứng suất-biến dạng của Al 5052 trong TWVR 29 Hình 4.1: Bản vẽ 2D cho bước cán đầu tiên 31 Hình 4.2: Phôi được chia (a) 1800 phàn tử; (b) 5120 phần tử; (c) 19200 phần tử 33 Hình 4.3: Mô hình 3D hoàn chỉnh ở bước cán đầu tiên 33 Hình 5.1: Sự phân bố biến dạng dẻo tương đương (a) toàn bộ phôi; (b) một đoạn giữa phôi 35 Hình 5.2: Biến dạng dẻo tương đương của đoạn phôi nằm giữa phôi khi cán qua đầu tiên: (a) 0 mm; (b) 0,5 mm; (c) 1 mm; (d) 1,5 mm; (e) 2 mm; (f) 2,5 mm; (g) 3 mm 39 Hình 5.3: Đồ thị PEEQ max qua bước cán đầu tiên 40 Hình 5.4: Đồ thị kết quả sự giãn rộng của phôi cán qua bước cán đầu tiên 41 Hình 5.5: Nhiệt độ của phôi khi cán qua bước đầu tiên ứng với các biên độ dao động: (a) 0 mm; (b) 0,5 mm; (c) 1 mm; (d) 1,5 mm; (e) 2 mm; (f) 2,5 mm; (g) 3 mm 45 Hình 5.6: Kết quả nhiệt độ qua bước cán đầu tiên 46 Hình 6.1: Bản vẽ 2D cho bốn bước cán 47 xii
17. Hình 6.2: Mô hình 3D hoàn chỉnh qua bốn bước cán (a) Mô hình 3D hoàn chỉnh ban đầu; (b) Kết quả của trường hợp 1,5 mm 48 Hình 6.3: Đồ thị kết quả sự giãn rộng của phôi cán qua bốn bước cán 49 Hình 6.4: Kết quả nhiệt độ phôi qua bốn bước cán 50 Hình 7.1: 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 54 Hình 7.2: Kết quả nhiệt độ của phôi trường hợp biên độ dao động trục cán dưới là 1,5 mm: (a) phương pháp TWVR; (b) phương pháp mới 55 DANH SÁCH CÁC BẢNG BẢNG TRANG Bảng 3.1: Mô đun đàn hồi E, hệ số Poisson ν của Al 5052 30 Bảng 3.2: Các thông số nhiệt và các thông số khác của Al 5052 30 xiii
18. Luận văn cao học GVHD : TS. Phạm Huy Tuân CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan chung về lĩnh vực nghiên cứu, các kết quả nghiên cứu trong và ngoài nƣớc đã công bố 1.1.1 Các phƣơng pháp gia công áp lực truyền thống Gia công kim loại bằng áp lực thực chất là lợi dụng tính dẻo của kim loại để làm thay đổi hình dạng, kích thước của kim loại dưới tác dụng của ngoại lực. So với phương pháp đúc, gia công biến dạng kim loại tạo ra sản phẩm có độ bền cao hơn, chịu lực tốt hơn, độ chính xác, độ nhẵn bóng bề mặt cao hơn, tiết kiệm kim loại và năng suất lao động cao hơn (Nguyễn Văn Thái, 2006). Trong năm 2012, sản phẩm thép chưa qua gia công toàn cầu đạt 1,54 tỷ tấn ( Điều này kéo theo việc sử dụng một số lượng lớn các phương pháp gia công cho các loại vật liệu nói chung và thép nói riêng. Các phương pháp gia công này bao gồm đúc, rèn, hàn Tuy nhiên, có thể thấy rằng hơn 70% các sản phẩm kim loại được sản xuất bởi công nghệ cán ở dạng này hoặc dạng khác. Vì vậy, có thể thấy tầm quan trọng đặc biệt của các công nghệ cán sử dụng cho việc tạo hình kim loại (Hailiang et al., 2013). Sơ đồ nguyên lý các phương pháp gia công áp lực truyền thống được thể hiện trong Hình 1.1. (a) (b) (c) HVTH : Trần Quốc Cường 1
19. Luận văn cao học GVHD : TS. Phạm Huy Tuân (d) (e) (f) 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 Nguồn: (Nguyễn Văn Thái, 2006; Võ Trần Khúc Nhã (biên dịch), 2007) Sau khi qua các phương pháp gia công áp lực truyền thống để tạo hình và phôi thì kim loại có xu hướng biến cứng, hóa bền nhưng độ dẻo và độ dai bị giảm hay có xu hướng biến giòn (Nghiêm Hùng, 2010). Vì vậy, hiện nay trên thế giới cũng như ở nước ta đã và đang nghiên cứu công nghệ mới để tạo ra vật liệu có độ bền cao nhưng không làm giảm độ dai của vật liệu. Đó là công nghệ biến dạng dẻo mãnh liệt. 1.1.2 Các phƣơng pháp gia công biến dạng dẻo mãnh liệt (severe plastic deformation – SPD) Các phương pháp gia công biến dạng dẻo mãnh liệt (SPD) được định nghĩa là các quá trình gia công kim loại với biến dạng dẻo rất lớn để tạo ra kim loại có hạt siêu mịn (kích thước hạt trung bình nhỏ hơn 1 μm). Mục đích của các phương pháp SPD cho việc tạo ra kim loại có hạt siêu mịn là sản xuất ra các chi tiết có khối lượng nhẹ hơn do đặc tính độ bền cao của nó và sự thân thiện với môi trường. Các hạt có kích thước nhỏ làm cho độ bền kéo tăng lên mà không làm giảm độ dai va đập của kim loại, điều này khác so với các phương pháp hóa bền như là xử lý nhiệt (Azushima et al., 2008). Các quá trình gia công SPD có thể được chia thành hai nhóm chính. Nhóm thứ nhất bao gồm các phương pháp SPD cho quá trình gia công các kim loại khối không HVTH : Trần Quốc Cường 2
20. Luận văn cao học GVHD : TS. Phạm Huy Tuân liên tục như: ép kim loại qua qua góc kênh không đổi (Equal Channel Angular Pressing, ECAP) được đưa ra đầu tiên bởi Segal (1977) và sau đó Valiev, Krasilnikov và Tsenev (1991) đề xuất phương pháp xoắn kim loại dưới áp lực cao (High-pressure torsion, HTP). Nhóm thứ hai bao gồm các phương pháp SPD cho việc gia công liên tục kim loại tấm như là: cán dính tích lũy (Accumulative Roll-Bonding, ARB) được nghiên cứu bởi Saito et al. (1998), quá trình lặp lại gấp nếp và nắn thẳng kim loại (Repetitive Corrugation and Straightening, RCS) được khám phá bởi Huang et al. (2001), cán kim loại qua góc kênh không đổi (Equal Channel Angular Rolling, ECAR) của Lee et al. (2003), quá trình tương ứng ép kim loại qua góc kênh không đổi (Equal Channel Angular Pressing-Conform, ECAP-Comform) của Raab et al. (2004), cán kim loại với vận tốc hai trục cán khác nhau với tỷ lệ cao (High-Ratio Differental Speed Rolling, HRDSR) của Kim et al. (2006) và phương pháp gần đây nhất là cán kim loại với sự tích hợp dao động dọc trục của trục cán (Through-Width Vibration Rolling, TWVR) của Hsieh et al. (2009, 2012). Nguyên lý gia công của hai phương pháp trong nhóm thứ nhất được thể hiện trong Hình 1.2. ECAP (Hình 1.2a) là phương pháp đầu tiên của SPD được đưa ra để sản xuất (a) (b) Hình 1.2 Sơ đồ nguyên lý các phương pháp SPD nhóm thứ nhất (a) ECAP; (b) HPT Nguồn: (Segal, 1977; Valiev, Krasilnikov và Tsenev, 1991) HVTH : Trần Quốc Cường 3