Xác định hệ số vuốt tới hạn khi dập vuốt cốc có vành bằng hợp kim Al-6Mg

Nghiên cứu khoa học công nghệ<br /> <br /> XÁC ĐỊNH HỆ SỐ VUỐT TỚI HẠN KHI DẬP VUỐT CỐC CÓ<br /> VÀNH BẰNG HỢP KIM Al-6Mg<br /> Đinh Văn Hiến*, Trần Ngọc Thanh, Sái Mạnh Thắng,<br /> Vũ Tùng Lâm, Trần Xuân Tiến, Nguyễn Tuấn Anh<br /> Tóm tắt: Hệ số dập vuốt tới hạn của vật liệu tấm là thông số quan trọng nhất<br /> trong thiết kế công nghệ tạo hình bằng dập vuốt. Bài báo trình bày kết quả xác định<br /> hệ số dập vuốt tới hạn cho vật liệu đặc thù dùng trong kết cấu thân vỏ thiết bị bay là<br /> tấm hợp kim Al-6Mg thông qua sử dụng tiêu chuẩn phá hủy dẻo và mô phỏng số.<br /> Bằng việc xác định quan hệ giữa chỉ số phá hủy dẻo với các hệ số dập vuốt khác<br /> nhau, đã tìm ra được hệ số dập vuốt tới hạn ứng với trạng thái mà vật dập có chỉ số<br /> phá hủy dẻo tới hạn. Trong đó, chỉ số phá hủy dẻo tới hạn được xác định qua mô<br /> phỏng trên mẫu mô hình tương tự mẫu kéo thực.<br /> Từ khóa: Hệ số dập vuốt; Dập vuốt; Cốc có vành; Hợp kim nhôm-magiê; Al-6Mg; Tiêu chuẩn phá hủy dẻo.<br /> <br /> 1. ĐẶT VẤN ĐỀ<br /> Trong tên lửa, nhiều chi tiết được chế tạo từ tấm hợp kim nhôm, trong đó có các chi tiết<br /> dạng cốc có vành được chế tạo từ hợp kim Al-6Mg như các ốp che hoặc hộp mồi cháy<br /> thuốc phóng của động cơ nhiên liệu rắn ... Hợp kim Al-6Mg thuộc nhóm hợp kim nhôm<br /> biến dạng, có tính dẻo tốt, khả năng hóa bền biến cứng lớn, ... Nhưng do là vật liệu đặc<br /> thù, nên công nghệ tạo hình các sản phẩm tấm từ hợp kim này không phổ cập, hầu như<br /> không được công bố.<br /> Thông số tạo hình vuốt quan trọng nhất của vật liệu tấm là hệ số dập vuốt, m = d/dp,<br /> trong đó, d là đường kính trung bình của cốc sau dập, dp là đường kính phôi tấm ban đầu<br /> hoặc đường kính cốc trước khi dập. Một trong các điều kiện để phôi dập không đứt rách là<br /> m  mmax (mmax là hệ số dập vuốt tới hạn). Việc xác định trị số mmax không dễ, thường phải<br /> thử nghiệm dập nhiều lần do quá trình dập vuốt phụ thuộc nhiều yếu tố như thuộc tính vật<br /> liệu, các thông số hình học chày và cối, ma sát giữa bề mặt dụng cụ và vật dập ... Điều đó<br /> dẫn đến chi phí chế thử khá cao.<br /> Một giải pháp hữu ích để khắc phục nhược điểm trên, cho phép nhanh chóng tìm ra hệ<br /> số mmax là sử dụng thực nghiệm ảo bằng mô phỏng quá trình biến dạng tạo hình trên phần<br /> mềm công nghiệp, xác định trị số mmax tương ứng trạng thái vật liệu chuyển từ trạng thái<br /> biến dạng dẻo sang trạng thái phá hủy.<br /> Để đánh giá trạng thái phá hủy của vật liệu dẻo người ta sử dụng các tiêu chuẩn phá<br /> hủy dẻo, trong đó, tiêu chuẩn Normalized Cockcroft-Latham (NCL) đã được nhiều nghiên<br /> cứu chứng minh [5, 6, 7, 8]. Theo tiêu chuẩn NCL, vật liệu sẽ bắt đầu sai hỏng khi chỉ số<br /> phá hủy dẻo D đạt tới chỉ số tới hạn Dmax.<br /> Tiêu chuẩn NCL [3]:<br /> <br /> 1<br /> D=   d<br /> 0<br /> (1)<br /> <br /> trong đó: 1 là ứng suất chính lớn nhất;  là cường độ ứng suất; và  là cường độ biến<br /> dạng.<br /> Đối với một vật liệu ở một trạng thái thuộc tính nhất định, chỉ số Dmax là hằng số. Như<br /> vậy, để kiểm soát được quá trình biến dạng của vật liệu không phá hủy cần xác định được<br /> chỉ số D và Dmax, khống chế chỉ số D của vật liệu trong quá trình dập nhỏ hơn giá trị Dmax.<br /> <br /> <br /> <br /> Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san FEE, 08 - 2018 247<br />  Cơ học – Cơ khí động lực<br /> Giá trị Dmax có thể xác định dựa vào thực nghiệm trên mô hình mẫu đơn giản được biến<br /> dạng đến trạng thái phá hủy và kết hợp với mô phỏng biến dạng mẫu ảo trong điều kiện<br /> tương đương.<br /> Từ phân tích trên, nghiên cứu này trọng tâm xác định hệ số vuốt tới hạn khi dập chi tiết<br /> có vành bằng hợp kim Al-6Mg thông qua sử dụng tiêu chuẩn phá hủy dẻo NCL và mô<br /> phỏng trên phần mềm DEFORMTM, ở đó, tiêu chuẩn NCL được cung cấp mặc định và trị<br /> số D được tính toán tự động trên phần mềm theo từng trạng thái biến dạng.<br /> 2. MÔ HÌNH VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU<br /> 2.1. Mô hình hình học dập chi tiết cốc có vành<br /> Phôi sau dập dạng cốc có vành có kích thước như hình 1, trong đó, đường kính trong d<br /> = 76 mm và chiều cao h = 25 mm được chọn cố định theo kích thước cốc của hộp mồi<br /> động cơ vũ khí phá mìn vật cản FMV-B1cải tiến. Mô hình hình học khuôn dập dùng trong<br /> khảo sát mô phỏng như hình 2.<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 1. Mô hình phôi dập Hình 2. Mô hình khuôn dập vuốt<br /> nghiên cứu. cốc có vành.<br /> 2.2. Mô hình vật liệu và chỉ số phá hủy dẻo tới hạn của hợp kim Al-6Mg<br /> 2.2.1. Mô hình thuộc tính hợp kim Al-6Mg<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 3. Mẫu tấm hợp kim Al-6Mg trước và Hình 4. Đường cong quan hệ ứng suất -<br /> sau khi kéo. biến dạng hợp kim Al-6Mg.<br /> Mô hình thuộc tính hợp kim Al-6Mg được xác định để làm đầu vào cho bài toán mô<br /> phỏng. Bằng phương pháp thử kéo mẫu tấm (hình 3), xác định được quan hệ ứng suất-biến<br /> <br /> <br /> <br /> 248 Đ. V. Hiến, …, N. T. Anh, “Xác định hệ số vuốt tới hạn … bằng hợp kim Al-6Mg.”<br /> Nghiên cứu khoa học công nghệ<br /> dạng quy ước (hình 4), từ đó xác định quan hệ ứng suất-biến dạng thực thông qua quan hệ<br /> [2]:<br /> T = (1+) (2)<br /> T = ln(1 + ) (3)<br /> trong đó:  là ứng suất quy ước, F/A0 với A0 là tiết diện ban đầu của mẫu kéo và F là lực<br /> kéo;  là biến dạng dài quy ước  = l/l0 với l0 là chiều dài phần làm việc ban đầu của mẫu<br /> và l là chuyển vị của mẫu kéo.<br /> Lưu ý: Mẫu thử kéo dùng nghiên cứu là mẫu tấm (rộng 12,5mm x dày 1mm), kích<br /> thưởng mẫu theo tiêu chuẩn ASTM E646 – 00 [2].<br /> Từ quan hệ ứng suất-biến dạng thực đã xác định và các quy luật biến cứng động lực<br /> [4], mô hình thuộc tính hợp kim Al-6Mg nhận được có dạng như sau:<br />  = 811,45(0,021 + )0,461 (4)<br /> 2.2.2. Xác định chỉ số Dmax<br /> Chỉ số Dmax được xác định thông qua<br /> mô phỏng quá trình biến dạng của mẫu<br /> kéo có kích thước và các điều kiện đầu,<br /> điều kiện biên tương tự với mẫu kéo<br /> thực có thuộc tính vật liệu như (4).<br /> Hình 5 trình bày trường phân bố chỉ số<br /> D tại bước có chuyển vị bằng chuyển vị<br /> tại điểm phá hủy của mẫu kéo thực. Chỉ<br /> số D lớn nhất tại bước này chính là chỉ<br /> số phá hủy dẻo tới hạn của hợp kim Al-<br /> 6Mg, Dmax = 0,249.<br /> Hình 5. Mẫu kéo mô phỏng.<br /> 2.3. Phương pháp xác định hệ số vuốt tới hạn<br /> Với việc mô phỏng quá trình biến dạng với các hệ số m khác nhau sẽ xác định được<br /> quan hệ giữa chỉ số D với hệ số dập vuốt m, D = f(m). Từ quan hệ này, sẽ tìm được giá trị<br /> m tại D = Dmax chính là giá trị mmax.<br /> 2.4. Điều kiện đầu và điều kiện biên<br /> - Hệ số ma sát giữa dụng cụ và vật dập được chọn là  = 0,08, là trị số kinh nghiệm<br /> dùng trong dập nguội có bôi trơn và được cung cấp theo phần mềm.<br /> - Bán kính lượn của chày (rch) và cối (rc) khi dập được chọn cố định theo [1], cụ thể: rc<br /> = rch = 6S = 6 mm.<br /> - Chày dịch chuyển theo hướng tác dụng vuông góc với trục phôi với tốc độ hành trình<br /> 10 mm/s, cối được cố định.<br /> - Vành ép biên chịu tác dụng của lực ép biên Q, được phép chuyển vị theo phương<br /> vuông góc với trục phôi, phương còn lại bị hạn chế dịch chuyển.<br /> - Lực ép biên tác dụng lên vành phôi sẽ được tính theo [1]:<br /> <br /> Q  d p2  (d c  2rc ) 2  .q , (5)<br /> 4<br /> trong đó: q là áp lực ép lên lên vành phôi được chọn không đổi tương đương với thép<br /> mềm, q = 2,5 MPa.<br /> - Quá trình biến dạng là tĩnh, tức không xét đến ảnh hưởng của tốc độ biến dạng. Quan<br /> hệ ứng suất-biến dạng tuân theo phương trình (4).<br /> <br /> <br /> Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san FEE, 08 - 2018 249<br />  Cơ học – Cơ khí động lực<br /> 3. KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> a, b,<br /> Hình 6. Ảnh đồ chỉ số D phần bố theo biên dạng cốc khi dập vuốt với:<br /> a- m = 0,7; b- m = 0,65.<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> a, b,<br /> Hình 7. Ảnh đồ chỉ số D phần bố theo biên dạng cốc khi dập vuốt với:<br /> a- m = 0,6; b- m = 0,55.<br /> Hình 6 và hình 7 trình bày ảnh đồ<br /> phân bố chỉ số D với các hệ số vuốt m<br /> khác nhau. Dễ nhận thấy, quy luật tất<br /> yếu là hệ số m càng nhỏ, tích lũy khuyết<br /> tật do biến dạng càng lớn mà biểu hiện<br /> là chỉ số D tăng lên khi m giảm. Quan<br /> hệ giữa chỉ số D và hệ số vuốt m trình<br /> bày trên hình 8. Từ quan hệ này, xác<br /> định được hệ số vuốt tới hạn mmax =<br /> 0,59 ứng với chỉ số Dmax = 0,249.<br /> <br /> Hình 8. Quan hệ chỉ số D và hệ số vuốt m.<br /> 4. THỰC NGHIỆM KIỂM CHỨNG<br /> Để kiểm chứng hệ số vuốt tới hạn mmax, một số thực nghiệm dập cốc có vành được thực<br /> hiện. Bản vẽ khuôn và ảnh thực khi thực nghiệm như hình 9. Quá trình ép thực hiện trên<br /> máy ép thủy lực YH-32-100 với tốc độ hành trình 10 mm/s tương ứng với tốc độ ép dùng<br /> trong mô phỏng.<br /> <br /> <br /> 250 Đ. V. Hiến, …, N. T. Anh, “Xác định hệ số vuốt tới hạn … bằng hợp kim Al-6Mg.”<br /> Nghiên cứu khoa học công nghệ<br /> Phôi dập kiểm chứng có chiều dày 1 mm, có đường kính khác nhau đảm bảo cho hệ<br /> số vuốt khi dập tương ứng là 0,6 và 0,58. Ép biên phôi bằng hệ lò xo nén (hình 9), được<br /> thiết kế đảm bảo lực làm việc trung bình của lò xo bằng lực ép biên theo tính toán trong<br /> mục 2.3.<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> a, b,<br /> Hình 9. Khuôn ép: a- Bản vẽ 2D; b- Ảnh thực nghiệm dập trên máy ép.<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> a, b,<br /> Hình 10. Ảnh sản phẩm dập thử nghiệm: a- m = 0,6; b- m = 0,58.<br /> Kết quả cho thấy, khi m = 0,6 > mmax, phôi dập biến dạng trong vùng an toàn, không đứt<br /> rách (hình 10a), còn khi m = 0,58 < mmax, phôi dập bị đứt rách (hình 10b). Như vậy, khẳng<br /> định hệ số vuốt tới hạn mmax đã xác định là chính xác, phương pháp nghiên cứu tin cậy.<br /> 5. KẾT LUẬN<br /> - Đã tìm ra được hệ số dập vuốt tới hạn khi dập chi tiết cốc có vành của hợp kim nhôm<br /> tấm Al-6Mg, mmax = 0,59 bằng sử dụng tiêu chuẩn phá hủy dẻo NCL và mô phỏng thực<br /> nghiệm ảo, đồng thời nghiệm chứng bằng thực nghiệm. Kết quả nghiên cứu góp phần bổ<br /> sung một thông số quan trọng vào thiết kế công nghệ tạo hình bằng dập vuốt hợp kim<br /> nhôm tấm Al-6Mg.<br /> - Phương pháp nghiên cứu có thể sử dụng để dự báo hệ số vuốt tới hạn của các vật<br /> liệu khác.<br /> Lời cảm ơn: Nhóm tác giả chân thành cảm ơn đề tài cấp quốc gia “Nghiên cứu làm<br /> chủ công nghệ vật liệu và công nghệ chế tạo động cơ tên lửa cho vũ khí phá mìn, vật cản”<br /> đã khởi nguồn ý tưởng và tài trợ kinh phí cho nghiên cứu này.<br /> <br /> <br /> Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san FEE, 08 - 2018 251<br />  Cơ học – Cơ khí động lực<br /> TÀI LIỆU THAM KHẢO<br /> [1]. V. P. Romanopxki (bản dịch), “Sổ tay dập nguội, tập 1,” NXB Khoa học và kỹ thuật<br /> (1974).<br /> [2]. ASTM E464 – 00: “Standard Test Method for Tensile Strain-Hardening Exponents (n<br /> -Values) of Metallic Sheet Materials (2000)”.<br /> [3]. DEFORMTM 3D Version 10.0 User’s Manual, Help DEFORMTM.<br /> [4]. J. V. Fernandes, D. M. Rodrigues, L. F. Menezes and M. F. Vieira, “A modified swift<br /> law for prestrained materials”, International Journal of Plasticity, Vol. 14, No. 6<br /> (1998), pp. 537-550.<br /> [5]. S. I. Oh, C. C. Chen, S. Kobayashi, “Ductile Fracture in Axisymmetric Extrusion and<br /> Drawing,” Journal of engineering for industry, Vol. 101 (1979), pp. 37-44.<br /> [6]. A. T. Kvačkaj*, J. Tiža, A. Kováčová, R. Kočiško, J. Bacsó, T. Landau et al,<br /> “Determination of ductile fracture criteria for bulk and PM materials,” Koove<br /> Master, Vol. 52 (2014), pp. 249-254.<br /> [7]. S. H. Kang, D. Kim and Y. S. Lee, “Application of ductile fracture criterion to<br /> manufacture of aluminum liner by drawing and ironing processes,” Materials<br /> Research Innovations, Vol. 15, No 1 (2011), pp. 241-244.<br /> [8]. Song YU, Weiming FENG, “Experimental research on ductile fracture criterion in<br /> metal Forming,” Front. Mech. Eng, Vol. 6, No 3 (2011), pp. 308-311.<br /> ABSTRACT<br /> DETERMINING LIMIT DRAWING RATIO FOR DEEP-DRAWING A FLANGE-CUP<br /> FABRICATED BY Al-6Mg ALUMINUM ALLOY<br /> Limit drawing ratio of a sheet material is the most important parameter for<br /> designing deep drawing process. The paper shows results of determining limit<br /> drawing ratio of a Al-6Mg alloy which used in flying vehicle via using a ductile<br /> fracture criteria and numerical simulation. By determining the relationship between<br /> ductile fracture index and different drawing ratios, the limit drawing ratio has<br /> found out to be corresponded to the state of formed material which had a critical<br /> ductile fracture index. At that point, the critical ductile fracture index was<br /> determined by simulation on the modeled sample like the real tensile tested sample.<br /> Keywords: Drawing ratio; Drawing; Flange-Cup; Aluminum magnesium alloy; Ductile damage criteria.<br /> <br /> Nhận bài ngày 01 tháng 7 năm 2018<br /> Hoàn thiện ngày 10 tháng 9 năm 2018<br /> Chấp nhận đăng ngày 20 tháng 9 năm 2018<br /> <br /> Địa chỉ: 1 Phòng Công nghệ - Viện Tên lửa – Viện Khoa học và Công nghệ quân sự .<br /> *<br /> Email: vanhiencompany221182@gmail.com.<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> 252 Đ. V. Hiến, …, N. T. Anh, “Xác định hệ số vuốt tới hạn … bằng hợp kim Al-6Mg.”<br />