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

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