Nghiên cứu quá trình biến dạng và trao đổi nhiệt của công nghệ cán tích hợp dao động dọc trục của trục cán

Nội dung text: Nghiên cứu quá trình biến dạng và trao đổi nhiệt của công nghệ cán tích hợp dao động dọc trục của trục cán

1. Journal of Science and Technology Nghiên Cứu Quá Trình Biến Dạng và Trao Đổi Nhiệt của Công Nghệ Cán Tích Hợp Dao Động Dọc Trục của Trục Cán Coupled Themal – Deformation Analysis of the Through – Width Vibration Rolling Process Phạm Huy Tuân1,*, Trần Quốc Cường1, Wang Dung An2 1 Trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật TP.HCM, Việt Nam 2 Trường Đại học Quốc Gia Chung Hsing, Đài Loan Tóm tắt Công nghệ cán tích hợp dao động dọc trục của trục cán (Through-Width Vibration Rolling – TWVR) đã được chứng minh bằng thực nghiệm là có khả năng tạo ra kim loại có cấu trúc hạt siêu mịn bằng cách sử dụng biến dạng dẻo mãnh liệt để cải thiện độ bền và độ dai của vật liệu. Trong bài báo này, các đặc tính biến dạng và nhiệt độ của phôi trong quá trình TWVR được nghiên cứu bằng phương pháp mô phỏng số. Các kết quả tính toán được so sánh với thực nghiệm để làm rõ bản chất về sự biến dạng và trao đổi nhiệt bên trong vật liệu. Mục đích chính là nhằm giải thích về sự biến thiên độ bền kéo của phôi được gia công bằng phương pháp TWVR. Sự phân tích công nghệ này có thể được sử dụng như là một phương pháp định hướng để tối ưu hóa các thông số khi nó được đưa vào sản xuất thực tế với quy mô lớn. Từ khóa: biến dạng dẻo mãnh liệt, phương pháp phần tử hữu hạn, cán tích hợp dao động ngang, phân tích biến dạng và nhiệt độ. Abstract A novel SPD process, the through-width vibration rolling (TWVR), was experimentally proven to creat ultra- fine grained metals by imposing severe plastic deformation. It helps to improve the materials strength and toughness. In this paper, the deformation and temperature characteristics inside the workpiece processed by TWVR are investigated by means of a rigid-plastic finite element method. The predicted results are verified by the experiments to explore the intrinisic deformation and heat transfer occurred inside the material. The numerial analysis is aimed to explain the nonlinear phenomenon of the tensile strength variation. This analysis could be used as an orientation method to optimize the TWVR processing paramaters for an industrial perspective. Keywords: severe plastic deformation, rigid-plastic finite element method, through-width vibration rolling, coupled themal-deformation analysis. là sự kết hợp của cán truyền thống và SPD để tạo ra 1. Đặt vấn đề các phương pháp gia công biến dạng dẻo tiên tiến đã 1.1 Giới thiệu được nghiên cứu như: kỹ thuật cán gấp nếp và nắn thẳng liên tục (RCS) [3], kỹ thuật cán với tỷ số vận Sự phát triển của ngành công nghiệp chế tạo tốc trục cán khác nhau cao (HRDSR) [4] và kỹ thuật luôn gắn liền với nhu cầu tìm ra các phương pháp gia được nghiên cứu gần đây nhất là cán với sự tích hợp công nhằm sản xuất ra các loại vật liệu có độ bền cao. dao động dọc trục của trục cán (TWVR). Trước nhu cầu to lớn đó, các phương pháp gia công biến dạng dẻo mãnh liệt (Severe Plastic Deformation Các công trình nghiên cứu trước đã chỉ ra rằng – SPD) đã và đang nhận được rất nhiều sự quan tâm kỹ thuật TWVR có thể tạo ra cấu trúc hạt siêu mịn và từ những nhà nghiên cứu. Các phương pháp gia công có nhiều ưu điểm hơn các kỹ thuật khác [5]. Tuy này đã được chứng minh rằng có khả năng tạo ra các nhiên bản chất bên trong của kỹ thuật này vẫn chưa loại hợp kim có độ bền rất cao do có khả năng kiến được làm rõ. Bài báo này tập trung nghiên cứu công tạo cấu trúc hạt siêu mịn (Ultrafine Grained – UFG) nghệ gia công TWVR bằng phương pháp mô phỏng bên trong vật liệu [1]. Các phương pháp gia công biến số để có thể hiểu rõ và giải thích được các kết quả dạng SPD có thể được phân loại theo hai nhóm chính: thực nghiệm đã tiến hành. gia công SPD liên lục và không liên tục. Cả hai nhóm đều có thể tạo ra vật liệu có cấu trúc hạt siêu mịn tuy nhiên nhóm thứ hai có nhiều tiềm năng ứng dụng ở quy mô công nghiệp hơn [2]. Gia công SPD liên tục 1
2. Journal of Science and Technology 1.2. Nguyên lý, thông số hình học và kết quả thực nghiệm của công nghệ TWVR Hình 1 mô tả quá trình TWVR được điều khiển bởi máy tính và động cơ thủy lực. Hai trục cán quay ngược chiều nhau (chuyển động A) và trục cán dưới đồng thời dao động ngang dọc trục (chuyển động B). Cả hai trục cán đều có đường kính ngoài 150 mm và được điều khiển quay với vận tốc không đổi 2 vòng/phút. Trục cán dưới dao động dọc trục với tần số không đổi 5 Hz và biên độ dao động được thay đổi từ 0 đến 3 mm. Phôi cán có kích thước (100x20x5) mm3. Quá trình này được tiến hành qua 4 bước cán với mỗi bước cán thì chiều dày phôi giảm 40%. Do đó, chiều dày cuối cùng của phôi cán khoảng 0,65 mm. Số liệu cung cấp bởi Hsieh (2009) [6]. (b) Hình 2. Kết quả thực nghiệm (a) và sự biến thiên độ bền của các mẫu gia công bằng TWVR (b) [5,6]. Chen [5] và các cộng sự tiến hành các thực nghiệm công nghệ TWVR và đã đạt được một số kết quả nhất định. Hình 2(a) cho thấy bề rộng của các mẫu được gia công bằng TWVR tăng dần khi biên độ dao động của trục cán dưới tăng từ 0 đến 3 mm. Khi biên độ càng tăng thì kim loại bị biến dạng càng mãnh liệt. Hình 2(b) chỉ ra rằng độ bền kéo của các mẫu này gia tăng khi biên độ tăng. Tuy nhiên các mẫu được gia công trong các trường hợp biên độ A > 2 mm thì độ bền kéo có xu hướng giảm xuống. Kết quả này vẫn chưa được giải thích rõ ràng nên việc phân tích lại thực nghiệm là rất cần thiết để giải thích hiện tượng này tiến tới việc tối ưu hóa các thông số thực nghiệm cho công nghệ TWVR. 2. Phân tích công nghệ TWVR bằng phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) 2.1 Mô hình FEM Hình 1. Sơ đồ nguyên lý (a) và mô hình thực nghiệm (b) của công nghệ TWVR [5,6]. Hình 3. Mô hình FEM. Mô hình 3D của TWVR trong Hình 3 được xây dựng bằng phần mềm mô phỏng số ABAQUS 6.10 (a) 2
3. Journal of Science and Technology (2010) với Abaqus/Explicit cung cấp module mô trục cán dưới. Các trục cán được gia nhiệt và giữ phỏng kép biến dạng – truyền nhiệt. Các thông số nguyên ở 100 oC qua 4 bước cán. Phôi được gia nhiệt hình học của mô hình FEM được lấy theo quá trình ở 200 oC trước mỗi bước cán. Nhiệt sinh ra do ma sát thực nghiệm. Quá trình TWVR có thêm dao động dọc được giả định là phân chia đều đến các bề mặt của trục của trục cán dưới nên mô hình 3D phải được sử các trục cán và phôi, hệ số ma sát giữa các bề mặt hai dụng. Hai trục cán được xem như là những bề mặt trục cán và phôi µ = 0,25. Các thông số nhiệt khác cứng tuyệt đối. Một hệ tọa độ Đề-Các cũng được biểu của Al 5052 được cho trong Bảng 2. diễn giúp mô tả cụ thể các chuyển động chính trong Bảng 2. Thông số nhiệt và thông số khác của Al 5052 quá trình gia công. Chuyển động quay của hai trục cán quanh trục z và dao động của trục cán dưới cũng Đặc tính Giá trị dọc theo trục này. Hướng cán là hướng theo trục x. Nhiệt dung riêng (J/kg.oC) 963 2.2 Các thông số tính toán trong mô phỏng Hệ số dẫn nhiệt (W/m.oC) 144 Một trong các thông số chính của quá trình mô Hệ số truyền nhiệt đối lưu phỏng là đồ thị ứng suất – biến dạng ở các nhiệt độ 2 o 45 khác nhau của hợp kim Al 5052. Các mẫu thử được trung bình (W/m . C) đo bằng các thí nghiệm kéo – nén có kích thước theo Khối lượng riêng (kg/m3) 2690 tiêu chuẩn ASTM với chiều dài phần khảo sát là 30 o Hệ số giãn nở mm. Các kết quả thể hiện trong Hình 4 tại các khoảng Nhiệt độ ( C) o -1 nhiệt độ từ 25oC đến 250oC. nhiệt ( C ) 100 2.38x10-5 200 2.48x10-5 300 2.63x10-5 3. Kết quả mô phỏng và thảo luận 3.1 Sự phân bố biến dạng dẻo tương đương (PEEQ) Hình 4. Biểu đồ biến dạng của vật liệu Al 5052. Thông số về mô đun đàn hồi (E) và hệ số Poisson (ν) của Al 5052 ở những nhiệt độ khác nhau được xác định thông qua các đồ thị kéo nén được ghi lại trong Bảng 1. Bảng 1. Mô đun đàn hồi E và hệ số Poisson ν của Al Hình 5. Phân bố biến dạng dẻo tương đương. 5052 được sử dụng trong mô phỏng. Mức độ biến dạng dẻo là nguyên nhân chính Hệ số Nhiệt độ T, Mô đun đàn làm thay đổi đặc tính cơ học của vật liệu sau quá trình Poisson oC hồi (E), GPa TWVR. Một thớ vật liệu ở giữa phôi được khảo sát (ν) như trong Hình 5 khi phôi được cán đến đoạn giữa 25 69.85 0.33 trong các trường hợp gia công. Hình 6(a) là kết quả của phương pháp cán truyền thống (A = 0 mm), phân 100 67.02 0.33 bố của biến dạng dẻo tương đương là hoàn toàn đối 150 65.14 0.33 xứng giữa hai nửa vật liệu trên và dưới. Nhưng trong 200 63.26 0.33 các hình còn lại (Hình 6(b) – 6(d)) của phương pháp TWVR thể hiện sự phân bố bất đối xứng của PEEQ. 250 61.38 0.33 Trong các trường hợp của TWVR thì PEEQ của mặt dưới thớ phôi cao hơn mặt trên. PEEQ trong Hình Ngoài các thông số vật liệu chính ở trên còn max 7 tăng dần theo biên độ nhưng khi biên độ càng lớn các tham số liên quan đến quá trình TWVR tạm thời (A > 2 mm) thì mức độ gia tăng của PEEQ có xu được giữ cố định và chỉ thay đổi biên độ dao động hướng giảm. Điều này cho thấy khi biên độ càng tăng 3
4. Journal of Science and Technology thì phôi ít bị biến dạng dẻo mạnh thêm nữa và có thể của phôi trong TWVR lớn hơn so với cán truyền được giải thích là do xuất hiện quá trình trượt giữa bề thống. Sự xuất hiện biến dạng cắt do lực ma sát khi mặt phôi và trục cán. trục cán dưới dao động ngang làm cho bề rộng tăng lên. Bề rộng gia tăng cùng với việc biên độ tăng nhưng ở xung quanh biên độ A = 1,5 mm thì độ giãn rộng thể hiện sự ổn định. Kết quả FEM cũng thể hiện xu hướng như thực nghiệm. Khi phôi được chia lưới càng mịn thì kết quả FEM càng hội tụ. Tuy nhiên vẫn có sự khác biệt nhất định giữa mô phỏng và thực nghiệm. Điều này được giải thích là do sự không ổn định của máy móc khi thí nghiệm trong khi quá trình mô phỏng là hoàn toàn lý tưởng. Số lượng phần tử chia lưới trong mô phỏng bị hạn chế do điều kiện tài nguyên máy tính cũng là một lý do khách quan dẫn tới sai lệch nêu trên. Hình 8. Độ giãn rộng của phôi theo biên độ dao động sau bước cán đầu tiên. 3.3 Kết quả nhiệt độ Sự phát triển của vi cấu trúc và các đặc tính vật lý của vật liệu được gia công bằng TWVR liên quan mật thiết với nhiệt độ mẫu. Nhiệt độ ảnh hưởng tới Hình 6. Các thớ phôi với các trường hợp biên độ dao quá trình hồi phục và kết tinh lại của vật liệu từ đó động (a) 0 mm; (b) 1 mm; (c) 2 mm và (d) 3 mm. hình thành kích thước hạt [7]. Sơ đồ mô hình nhiệt và điều kiện biên nhiệt của quá trình TWVR được thể hiện trong Hình 9. Hình 7. PEEQmax qua bước cán đầu tiên. Hình 9. Sơ đồ mô hình nhiệt của quá trình TWVR. 3.2 Độ giãn rộng của phôi Để tìm hiểu kỹ hơn ta theo dõi các số liệu qua Để so sánh sự khác nhau giữa cán truyền thống đồ thị Hình 10. Ở Hình 10(a), thực nghiệm qua bước và TWVR thì độ giãn rộng của phôi cán được nghiên cán đầu tiên, nhiệt độ phôi tăng đều từ 107 oC lên 173 cứu. Ở Hình 8, thực nghiệm cho thấy độ giãn rộng oC khi biên độ tăng từ 0 mm đến 3 mm. Kết quả FEM 4
5. Journal of Science and Technology cũng thể hiện như vậy. Ở những biên độ lớn, nhiệt độ 4. Kết luận tăng đều đặn dù bề rộng phôi thể hiện khuynh hướng Các đặc tính biến dạng và truyền nhiệt của hợp ổn định như kết quả bề rộng ở trên. Điều này là do ở kim Al 5052 được gia công bởi kỹ thuật TWVR đã những biên độ lớn xảy ra trượt giữa các bề mặt nên được nghiên cứu bằng FEM. Các kết quả thực không làm tăng biến dạng ngang mà sinh thêm nhiệt nghiệm về độ giãn rộng và nhiệt độ phôi được so do ma sát trượt. Hình 10(b) là kết quả FEM qua bốn sánh với FEM, khuynh hướng chung của FEM phù bước gia công. Nhiệt độ phôi tăng đều đặn từ biên độ hợp với thực nghiệm. Kết quả FEM đã đưa ra các 0 mm đến 2 mm nhưng tăng cao đột ngột đến 235 oC thông số tối ưu về nhiệt độ phôi sau gia công và biên ở A = 2,5 mm. Nhiệt độ này cao hơn nhiệt độ hồi độ dao động của trục cán. Bài báo đưa ra phương phục và đạt tới mức làm cho kích cỡ các hạt phát pháp dự đoán, định hướng góp phần giảm chi phí về triển [7]. Điều này làm cản trở việc phát triển cấu trúc vật liệu cũng như thời gian khi áp dụng kỹ thuật hạt siêu mịn và giảm độ bền kéo của vật liệu như kết TWVR vào sản xuất thực tế. quả thực nghiệm Hình 2. Tài liệu tham khảo [1] Azushima A., et al., “Severe Plastic Deformation for Metals”, CIRP Annals – Manufacturing Technology 57(2008), pp. 716-735. [2] Pham H.T., Tran Q.C.; Recent Development for Industrial-Scale Severe Plastic Deformation Processes; The 2014 International Conference on Green Technology and Sustainable Development (GTSD2014), HCM city University of Technical Education, Oct. 30th – 31st, HCM city, Vietnam. [3] Huang J.Y., et al.; Microstructures and Dislocation Configurations in Nanostructured Cu Processed by Repetitive Corrugation and Straightening; Acta Materialia, vol 49 (2001), pp. 1497-1505. [4] Kim W.J., et al.; Synthesis of Ultra High Strength Al- Mg-Si Alloy Sheets by Differential Speed Rolling; Materials Science and Engineering A, vol. 520 (2009), pp. 23-28. [5] Chen Y.T., et al.; Tensile Strength and Deformation Microstructure of Al-Mg-Si Alloy Sheet by Through- Width Vibration Rolling Process; Materials Science and Engineering A; vol. 551 (2012), pp. 296-300. Hình 10. Nhiệt độ phôi TWVR ứng với biên độ dao [6] Hsieh T.H.; Effect of Through-Width Vibration Shear động sau bước cán đầu tiên (a) và sau 4 bước cán (b). Rolling Process on Microstructure and Mechanical Các nghiên cứu gần đây về ảnh hưởng của nhiệt Properties of 5052 Al-Mg Alloy Sheet; Master độ biến dạng đến đặc tính cơ học của hợp kim nhôm Thesis, Department of Material Sciences Engineering, National Chung Hsing University, July 2009. như Gang [8] và Singh [9] đều có kết quả chung là ở nhiệt độ biến dạng t = 175 oC thì hợp kim nhôm có độ [7] Pham Quang, et al.; Coupled Analysis of Heat bền kéo cao nhất. Nếu t > 175 oC thì độ bền kéo bị Transfer and Deformation in Equal Channel Angular giảm xuống vì sự đóng góp của quá trình hồi phục Pressing of Al and Steel; Materials Transactions, vol. làm giảm mật độ lệch. Kết quả làm giảm mầm sinh ra 50 (2009), pp. 40-43. khi kết tinh lại và làm tăng tốc độ lớn lên của các hạt [8] Gang U.G., et al.; The Evolution of Microstructure khi kết tinh. Do đó nhiệt độ kết thúc gia công càng and Mechanical Properties of a 5052 Aluminium cao thì hạt sinh ra càng lớn làm giảm độ bền và độ dai Alloy by the Application of Cryogenic Rolling and của vật liệu. Trong TWVR thì ở biên độ 2,5 mm, Warm Rolling; Materials Transaction, Vol. 50, No. 1 nhiệt độ phôi là 235 oC (lớn hơn nhiều so với 175 oC) (2009), pp. 82-86. thì độ bền kéo bị giảm xuống. Kết quả này hoàn toàn [9] Singh D., et al.; Effect of Deformation Temperture on tương thích với hai nghiên cứu trên. Vì vậy, trong Mechanical Properties of Ultrafine Grained Al-Mg TWVR các kết quả FEM đề nghị căn cứ vào nhiệt độ Alloys Processed by Rolling; Materials and Design của phôi sau gia công nằm trong khoảng 175 oC để 50 (2013), pp. 646-655. chọn thông số biên độ dao động của trục cán phù hợp Phạm Huy Tuân – Tel: (+84)-8-37220594 khi áp dụng TWVR vào sản xuất. Email: phtuan@hcmute.edu.vn 5
6. BÀI BÁO KHOA HỌC THỰC HIỆN CÔNG BỐ THEO QUY CHẾ ĐÀO TẠO THẠC SỸ Bài báo khoa học của học viên có xác nhận và đề xuất cho đăng của Giảng viên hướng dẫn Bản tiếng Việt ©, TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH và TÁC GIẢ Bản quyền tác phẩm đã được bảo hộ bởi Luật xuất bản và Luật Sở hữu trí tuệ Việt Nam. Nghiêm cấm mọi hình thức xuất bản, sao chụp, phát tán nội dung khi chưa có sự đồng ý của tác giả và Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh. ĐỂ CÓ BÀI BÁO KHOA HỌC TỐT, CẦN CHUNG TAY BẢO VỆ TÁC QUYỀN! Thực hiện theo MTCL & KHTHMTCL Năm học 2016-2017 của Thư viện Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp. Hồ Chí Minh.