Luận án TS. Bùi Khắc Khánh: Công nghệ ép chảy ngược thép hợp kim thấp độ bền cao chế tạo ống chịu áp lực

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ CÔNG THƢƠNG VIỆN NGHIÊN CỨU CƠ KHÍ BÙI KHẮC KHÁNH NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ ÉP CHẢY NGƢỢC THÉP HỢP KIM THẤP ĐỘ BỀN CAO ĐỂ CHẾ TẠO ỐNG CHỊU ÁP LỰC CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ MÃ SỐ: 9520103 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. Nguyễn Hà Tuấn 2. Vũ Trung Tuyến Hà Nội – 2019 i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả trình bày trong luận án này là trung thực và chƣa từng đƣợc ai công bố trong bất cứ công trình nào khác! Hà Nội, ngày 24 tháng 6 năm 2019 Nghiên cứu sinh Bùi Khắc Khánh TẬP THỂ HƢỚNG DẪN KHOA HỌC TS.

Nguyễn Hà Tuấn TS. Vũ Trung Tuyến ii LỜI CẢM ƠN Tôi xin trân trọng cảm ơn tập thể ngƣời hƣớng dẫn khoa học đã tận tình hƣớng dẫn, tạo điều kiện, động viên trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu và hoàn thành luận án. Tôi xin trân trọng cảm ơn Viện Nghiên cứu Cơ khí, lãnh đạo, chuyên viên cùng các Thầy của Trung tâm đào tạo sau đại học của Viện, đã tạo điều kiện thuận lợi, giúp đỡ tôi trong quá trình học tập, nghiên cứu thực hiện luận án. Tôi xin trân trọng cảm ơn Ban Giám hiệu, lãnh đạo Khoa Cơ khí trƣờng Đại học Sƣ phạm kỹ thuật Hƣng Yên đã có sự hỗ trợ kinh phí và tạo điều kiện về thời gian trong qúa trình học tập và nghiên cứu.

Cảm ơn các thầy cô trong Khoa Cơ khí cùng các đồng nghiệp đã đóng góp ý kiến, hỗ trợ tôi trong quá trình học tập và nghiên cứu. Tôi xin trân trọng cảm ơn Viện Công nghệ (Bộ Quốc Phòng), Nhà máy cơ khí Z183 - Bộ Quốc Phòng, Viện Khoa học vật liệu (Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam), bộ môn gia công áp lực trƣờng Đại học Bách Khoa Hà Nội đã giúp đỡ tôi trong quá trình nghiên cứu thực hiện luận án. Cuối cùng, tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới toàn thể gia đình, bạn bè, những ngƣời đã luôn chia sẻ, động viên, giúp đỡ tôi học tập, nghiên cứu và hoàn thành luận án này. Nghiên cứu sinh Bùi Khắc Khánh iii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN.

ii LỜI CẢM ƠN. iii MỤC LỤC .iv DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT. viii DANH MỤC CÁC BẢNG .x DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH VÀ ĐỒ THỊ .xi MỞ ĐẦU. Tính cấp thiết của đề tài.

Mục tiêu nghiên cứu của luận án. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu. Phƣơng pháp nghiên cứu. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án.

Ý nghĩa khoa học. Ý nghĩa thực tiễn:. Các điểm mới của luận án. Kết cấu của luận án .4 CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN CÔNG NGHỆ ÉP CHẢY NGƢỢC THÉP CHẾ TẠO ỐNG CHỊU ÁP LỰC.

Công nghệ chế tạo ống thép chịu áp lực. Một số phƣơng pháp chế tạo ống bằng gia công áp lực. Phƣơng pháp dập vuốt. Phƣơng pháp miết.

Phƣơng pháp cán. Phƣơng pháp ép chảy. Sự phát triển công nghệ ép chảy ngƣợc, ứng dụng chế tạo ống chịu áp lực. Sự phát triển công nghệ ép chảy ngƣợc.

Ứng dụng công nghệ ép chảy ngƣợc trong chế tạo ống chịu áp lực. Kết quả nghiên cứu về công nghệ ép chảy ngƣợc. Tình hình nghiên cứu công nghệ ép chảy ngƣợc trên thế giới. Tình hình nghiên cứu công nghệ ép chảy ngƣợc tại Việt Nam .21 KẾT LUẬN CHƢƠNG 1 .24 iv CHƢƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT QUÁ TRÌNH BIẾN DẠNG TẠO HÌNH VẬT LIỆU TRONG ÉP CHẢY NGƢỢC.

Cơ sở lý thuyết biến dạng dẻo kim loại. Cơ sở vật lý của biến dạng dẻo kim loại. Khái niệm và phân loại quá trình biến dạng dẻo kim loại. Ứng suất và đƣờng cong chảy.

Cơ học quá trình biến dạng dẻo kim loại. Quan hệ giữa ứng suất và biến dạng trong biến dạng dẻo. Cơ sở lý thuyết hóa bền vật liệu sau quá trình biến dạng tạo hình. Hóa bền biến dạng.

Các quá trình xảy ra trong biến dạng nóng. Cơ sở lý thuyết quá trình ép chảy ngƣợc kim loại. Quan hệ giữa lực và hành trình ép chảy. Áp lực riêng khi chày lún vào phôi kim loại.

Lực biến dạng khi ép chảy ngƣợc. Thông số công nghệ trong quá trình ép chảy ngƣợc. Sự thay đổi cấu trúc tinh thể kim loại khi tạo hình trạng thái nóng. Sự thay đổi cấu trúc tinh thể kim loại khi rèn – dập nóng phôi thép đúc.

Sự thay đổi cấu trúc tinh thể sau khi ép chảy ngƣợc thép trạng thái nóng. Sự hóa bền thép hợp kim thấp độ bền cao của chi tiết sau khi ép chảy. Các yếu tố ảnh hƣởng trong quá trình ép chảy ngƣợc. Ảnh hƣởng của nhiệt độ đến quá trình ép chảy.

Hệ số ép chảy. Ma sát trong quá trình ép chảy. Các yếu tố ảnh hƣởng khác trong quá trình ép chảy. Lựa chọn thông số cho quá trình khảo sát .49 KẾT LUẬN CHƢƠNG 2 .52 v CHƢƠNG 3: NGHIÊN CỨU QUÁ TRÌNH ÉP CHẢY NGƢỢC THÉP HỢP KIM TRẠNG THÁI NÓNG BẰNG PHẦN MỀM MÔ PHỎNG SỐ.

Mô hình hóa quá trình biến dạng dẻo thép trạng thái nóng. Các giả thiết cơ bản. Mô hình biến dạng của kim loại và hợp kim ở trạng thái nóng. Phƣơng trình liên tục.

Phƣơng trình cân bằng. Phƣơng trình truyền nhiệt. Phƣơng trình thuộc tính. Phƣơng trình chảy dão.

Thiết lập bài toán mô phỏng số quá trình ép chảy ngƣợc thép hợp kim trạng thái nóng. Ứng dụng mô phỏng số trong gia công áp lực. Trình tự xây dựng bài toán mô phỏng số. Mô hình hình học.

Mô hình vật liệu. Mô hình lƣới phần tử. Điều kiện biên. Mô phỏng quá trình ép chảy ngƣợc thép hợp kim thấp độ bền cao ở trạng thái nóng bằng phần mềm mô phỏng số.

Chọn miền khảo sát cho các thông số. Mô phỏng quá trình ép chảy ngƣợc thép hợp kim trong khoảng I. Kết quả mô phỏng trong khoảng I. Phân tích các kết quả mô phỏng khoảng I.

Mô phỏng quá trình ép chảy ngƣợc thép hợp kim trong khoảng II. Kết quả mô phỏng trong khoảng II. Phân tích các kết quả mô phỏng khoảng II. Nghiên cứu ảnh hƣởng của các tỉ số (H/D) và (d/D) đến lực ép và mức độ biến dạng trong quá trình ép chảy ngƣợc.

Khảo sát ảnh hƣởng của H/D, d/D tới lực ép trung bình lớn nhất. Khảo sát ảnh hƣởng của H/D tới lực ép trung bình lớn nhất. Khảo sát ảnh hƣởng của d/D tới lực ép trung bình lớn nhất. Khảo sát ảnh hƣởng đồng thời tỉ lệ H/D và d/D tới lực ép trung bình lớn nhất.

Khảo sát ảnh hƣởng của H/D, d/D tới mức độ biến dạng tƣơng đƣơng lớn nhất. Khảo sát ảnh hƣởng của H/D tới mức độ biến dạng tƣơng đƣơng lớn nhất. Khảo sát ảnh hƣởng của d/D tới mức độ biến dạng tƣơng đƣơng lớn nhất. Khảo sát ảnh hƣởng của H/D và d/D tới mức độ biến dạng tƣơng đƣơng lớn nhất.

98 KẾT LUẬN CHƢƠNG 3 .101 CHƢƠNG 4: NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM ÉP CHẢY NGƢỢC THÉP HỢP KIM TRẠNG THÁI NÓNG, ỨNG DỤNG CHẾ TẠO VỎ ĐỘNG CƠ ĐẠN CHỐNG TĂNG. Nghiên cứu thực nghiệm công nghệ ép chảy ngƣợc. Vật liệu thí nghiệm. Thiết bị thí nghiệm.

Ép chảy ngƣợc thép hợp kim 30X3MΦ ở trạng thái nóng. Đánh giá, thảo luận kết quả đạt đƣợc sau thí nghiệm. Kết quả kiểm tra trên phôi sau khi ép chảy ngƣợc. Thảo luận kết quả đạt đƣợc đối với phôi đầu vào.

Thảo luận kết quả đạt đƣợc đối với phôi sau khi ép chảy. Ứng dụng chi tiết sau ép chảy ngƣợc chế tạo vỏ động cơ đạn chống tăng. Nguyên công dập vuốt:. Nguyên công biến dạng – tóp miệng (vuốt côn) sản phẩm.

Gia công cơ, hoàn thiện sản phẩm.123 KẾT LUẬN CHƢƠNG 4 .125 KẾT LUẬN CHUNG LUẬN ÁN .126 TÀI LIỆU THAM KHẢO .128 vii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Ký hiệu/ Nội dung Đơn vị viết tắt d Đƣờng kính trong của sản phẩm mm D Đƣờng kính ngoài của sản phẩm mm H Chiều cao của sản phẩm mm Chiều cao của phôi mm Đƣờng kính của phôi mm S Chiều dày vật liệu mm F Lực kéo tác dụng lên mẫu N Công biến dạng KJ Công ma sát tại bề mặt côn KJ 0 T Nhiệt độ nung C 0 Nhiệt độ nóng chảy của vật liệu C Lực ép N Lực ép lớn nhất N v Vận tốc mm/s E Mô đun đàn hồi dọc N/ φ Mức độ biến dạng logarit Mức độ biến dạng tƣơng đƣơng lớn nhất μ Hệ số ma sát  Ứng suất tiếp MPa n Số mũ hóa bền k Ứng suất chảy MPa  Ứng suất pháp MPa Chuyển vị trên bề mặt tiếp xúc mm υ Hệ số poisson η Độ nhớt Ứng suất chảy của vật liệu MPa G Mô đun đàn hồi trƣợt N/ viii Ký hiệu/ Nội dung Đơn vị viết tắt  Mật độ lệch b Vecter Burgers Giới hạn chảy (MPa) Giới hàn bền kéo (MPa) δ Độ dãn dài % KHCN Khoa học công nghệ KH&CNVN Khoa học và công nghệ Việt Nam PPPTHH Phƣơng pháp phần tử hữu hạn PTVPTP Phƣơng trình vi phân từng phần PTHH Phần tử hữu hạn ix DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1. Bảng so sánh giữa mô phỏng và thực nghiệm của lực ép. Mức độ biến dạng cho phép của một số loại vật liệu ở trạng thái nguội. Danh mục một số phần mềm mô phỏng số.

Tiến trình chế tạo chi tiết sau ép chảy. Bảng thông số mô phỏng, với D = D0 = 106mm (const). Bảng thông số thí nghiệm mô phỏng bổ sung, với D= 106mm (const). Kết quả mức độ biến dạng tƣơng đƣơng và lực ép lớn nhất bằng mô phỏng.

Thành phần hóa học vật liệu 30X3MΦ. Cơ tính vật liệu 30X3MΦ. Thành phần hóa học của thép sử dụng trong thực nghiệm. Cơ tính vật liệu của đề tài theo hai phƣơng vuông góc trên phôi đầu vào.

Cơ tính vật liệu đầu vào (độ cứng, dai va đập) theo hai hƣơng vuông góc 106 Bảng 4. Cơ tính vật liệu trên phôi ép chảy ngƣợc .113 x DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH VÀ ĐỒ THỊ Hình 1. Sơ đồ quá trình công nghệ dập vuốt từ phôi tấm. Một số sản phẩm của công nghệ dập vuốt.

Sơ đồ nguyên lý nguyên công miết từ phôi tấm. Một số sản phẩm đƣợc chế tạo bằng công nghệ miết. Sơ đồ nguyên lý cán ngang chế tạo ống. Quá trình và sản phẩm ống sau khi cán.