Trần Thái Dương

Khảo sát quá trình cán dọc, cụ thể là về những vấn đề sau:

–         Sự thay đổi của hệ số giãn dài và hệ số giãn rộng.

–         Trường phân bố ứng suất và biến dạng trên phôi.

–         Sự thay đổi của ứng suất tương đương lớn nhất.

–         Sự thay đổi của phản lực lên trục cán.

Những hiểu biết trên sẽ giúp ta có những quyết định đúng đắn trong việc lựa chọn chế độ cán để có thể cải thiện chất lượng sản phẩm, nâng cao năng suất cán.

Mô hình tính toán:

Các thông số hình học:

Đường kính trục:      D = 600 mm
Đường kính trục tại đáy lỗ hình:    D_p = 440 mm
Chiều rộng đáy lỗ hình:      b_k = 190 mm
Chiều rộng miệng lỗ hình:  b_p = 210 mm
Bán kính lượn lỗ hình:        r = 20 mm
Khe hở giữa 2 trục:  d_s = 10 mm
Chiều cao phôi:        h_p = 250 mm
Chiều rộng phôi:      b_p = 250 mm
Chiều dài phôi:         l_p = 250 mm

Hình 01. Mô hình trục cán

Hình 02. Mô hình phôi.

Trong điều kiện lý tưởng, ta xem bài toán đối xứng và chỉ mô hình trục cán trong phần làm việc. Mô hình tính toán được đơn giản hóa như sau:

Hình 03. Mô hình bài toán trong ANSYS

Mô hình vật liệu

Vật liệu sử dụng trong mô phỏng là hợp kim nhôm 5052 O.

Các thông số vật liệu được cho trong bảng sau:

Thông số	Giá trị
Module đàn hồi (Mpa)	0,56E5
Hệ số Poisson	0,34
Khối lượng riêng (kg/m3)	2700
K (Mpa)	190
n	0.262

Bảng Thông số vật liệu 5052 O

Đường cong chảy được cho bởi công thức:

σ=Kε^n

Hình 04. Đường cong chảy của vật liệu

Mô hình tiếp xúc:

Sử dụng phần tử CONTA173 và TARGE170; trục cán xem như cứng tuyệt đối.


Hình 05. Các phần tử tiếp xúc

Hình 06. Mô hình tiếp xúc

Các kết quả:

Sự thay đổi hình dạng ở cuối quá trình mô phỏng:

Hình 07. Sự thay đổi hình dạng ở cuối quá trình mô phỏng

Chuyển vị tổng ở cuối quá trình mô phỏng

Hình 08. Chuyển vị tổng ở cuối quá trình mô phỏng

Sự biến dạng của phôi:

Hình 09. Sự biến dạng của phôi

Chuyển vị tổng trên phôi:

Hình 10. Chuyển vị tổng trên phôi

Phân bố ứng suất tương đương:

Hình 11. Phân bố ứng suất tương đương trên phôi

Các gai đoạn cán gồm có:

Giai đoạn va đập tạo nên mặt tiếp xúc giữa phôi và trục cán

Hình 12. Giai đoạn va đập

Giai đoạn kim loại điền đầy vùng biến dạng và ra khỏi khe trục

Hình 13. Giai đoạn kim loại điền đầy vùng biến dạng và ra khỏi khe trục

Giai đoạn cán ổn định

Hình 14. Giai đoạn cán ổn định

Khảo sát độ giãn dài theo chiều sâu cán:

Hệ số giãn dài: λ=l₁/l₀

l₀, l₁ : Chiều dài trước và sau khi cán

Hình 15. Độ giãn dài theo chiều sâu cán.

Nhận xét:

Trong giai đoạn đầu (giai đoạn va đập): dl = 15-49.5 mm thì độ giãn dài tăng rất ít.

Giai đoạn điền đầy vùng biến dạng: dl= 64.7-185.5mm độ giãn dài gia tăng khá đều đặng.

Sau đó, khi quá trình cán ổn định: dl = 199,9 -275,7 mm thì độ giãn dài gia tăng khá đều đặng.

Ở cuối quá trình: dl=292,7-300 mm thì độ biến dạng có xu hướng giảm đi.

 

Khảo sát độ giãn rộng theo chiều sâu cán:

Hệ số giãn rộng:  β=b₁/b₀

b₀, b₁ : Chiều rộng trước và sau khi cán

Hình 16. Độ giãn rộng trong quá trình cán

Nhận xét:

Tương tự như độ giãn rộng, độ giãn dài cũng tăng mạnh trong quá trình va đập và giai đoạn đầu của quá trình an phôi.

Tuy nhiên, do sự hạn chế của khuôn hình, nên khi kim loại bắt đầu điền đầy lỗ hình thì độ giãn rộng giảm dần.

Khi quá trình cán đã ổn định thì độ giãn rộng hầu như không đổi.

 

Kết quả về biến dạng:

Hình 17. Biến dạng trượt trong mặt phẳng XY (vuông góc hướng cán)

Hình 18. Biến dạng trượt trong mặt phẳng YZ (trùng với hướng cán)

Hình 19. Phân bố biến dạng tương đương trên phôi

Hình 20. Biến dạng trượt lớn nhất

Nhận xét:

Dựa trên bảng kết quả trên, ta có: |ε_xy|_max = 0,0835 ; |ε_yz|_max = 0,3443.

|ε_yz|_max ≈ 4,2. |ε_xy|_max đây cũng là đặc trưng của quá trình cán dọc (biến dạng theo hướng cán lớn hơn nhiều so với biến dạng vuông góc với hướng cán).

Các kết quả về ứng suất:

Hình 21. Phân bố ứng suất theo các phương X, Y, Z và ứng suất tương tương.

Phân bố ứng suất tương đương dọc theo phôi ở giai đoạn va đập

Hình 22. Ứng suất tương đương dọc theo phôi ở giai đoạn va đập

Phân bố ứng suất tương đương dọc theo phôi ở giai đoạn ăn phôi

Hình 23. Ứng suất tương đương dọc theo phôi ở giai đoạn ăn phôi

Phân bố ứng suất tương đương dọc theo phôi ở giai đoạn cán ổn định

Hình 24. Ứng suất tương đương dọc theo phôi ở giai đoạn cán ổn định

Khảo sát sự thay đổi của ứng suất tương đương lớn nhất trong quá trình cán:

Hình 25. Sự thay đổi của ứng suất tương đương lớn nhất trong quá trình cán

Nhận xét:

Trong giai đoạn va đập: ứng suất tăng lên rất nhanh.

Trong giai đoạn ăn phôi: ứng suất tăng chậm.

Trong giai đoạn cán ổn định: ứng suất hầu như không thay đổi.

Sự thay đổi của ứng suất tương đương có sự liên hệ tương đồng với phản lực lên trục. Ta có thể thấy rõ hơn điều này qua phân tích sau đây.

Khảo sát sự thay đổi của phản lực trên trục cán trong quá trình cán:

Hình 26. Phản lực trên trục cán trong quá trình cán

 

Nhận xét:

Phản lực RFz theo hướng cán ít có sự biến động, chỉ tăng nhẹ ở giai đoạn đầu.

Phản lực Rfy vuông góc với hướng cán có sự tăng đột ngột ở giai đoạn đầu do có lực va đập của phôi. (dl=15-49,5 mm).
Trong giai đoạn ăn phôi (dl=49,5-185,5 mm) thì phản lực Rfy tăng mạnh.
Trong giai đoạn cán ổn định (dl=199,9-300 mm) thì Rfy bắt đầu ổn định, tuy nhiên vẫn có sự thay đổi vì sự chèn ép của phôi khi đi vào lỗ hình.

 

 

Kết luận:

Những khảo sát trên giúp ta hiểu rõ hơn về quá trình cán dọc, cụ thể là về những vấn đề sau:

–         Sự thay đổi của hệ số giãn dài và hệ số giãn rộng.

–         Trường phân bố ứng suất và biến dạng trên phôi.

–         Sự thay đổi của ứng suất tương đương lớn nhất.

–         Sự thay đổi của phản lực lên trục cán.

Những hiểu biết trên sẽ giúp ta có những quyết định đúng đắn trong việc lựa chọn chế độ cán để có thể cải thiện chất lượng sản phẩm, nâng cao năng suất cán.

Hướng phát triển:

Mô phỏng quá trình cán là một vấn đề còn tương đối mới mẻ, do đó trong tương lai, tác giả sẽ cố gắng tìm hiểu thêm về các ảnh hưởng khác đối với quá trình cán như: ma sát, nhiệt độ, tính chất vật liệu… để sự mô phỏng có thể phản ánh chính xác hơn quá trình cán trên thực tế nhằm đưa ra những dự đoán và đề xuất chính xác hơn cho qui trình công nghệ cán.