Bài báo dưới đây trình bày các kết quả nghiên cứu, đánh giá khả năng tăng bền của vật liệu chi tiết ống phóng đạn xuyên lõm chống tăng B41M được chế tạo từ hợp kim nhôm Д16 tại vùng có biến dạng chồn.

Study on the mechanical properties of rocket B41M body made by upsetting from aluminum alloy Д16 tubes

LÊ TRUNG KIÊN VÀ NGUYỄN ĐẮC TRUNG
Trường Đại học Bách khoa Hà Nội

Email: kien.letrung@hust.edu.vn

Ngày nhận bài: 26/4/2017, Ngày duyệt đăng: 16/7/2017

 TÓM TẮT

Các chi tiết rỗng có tiết diện ngang và đường kính thay đổi trong công nghiệp quốc phòng thường được chế tạo bằng phương pháp cắt gọt thường mất nhiều thời gian và tiêu hao nhiều vật liệu. Công nghệ gia công áp lực như chồn nguội không chỉ cho phép khắc phục được những nhược điểm của gia công cắt gọt mà còn nâng cao cơ tính của sản phẩm bởi biến dạng dẻo của kim loại tại vùng chồn tạo nên sự thay đổi cấu trúc hạt và hướng thớ vật liệu. Bài báo dưới đây trình bày các kết quả nghiên cứu, đánh giá khả năng tăng bền của vật liệu chi tiết ống phóng đạn xuyên lõm chống tăng B41M được chế tạo từ hợp kim nhôm Д16 tại vùng có biến dạng chồn.

Từ khóa: Công nghệ chồn ống nguội, cấu trúc thớ, gia công áp lực.

 ABSTRACT

Many hollow details with diverse cross sections and diameters in the defense industry are usually manufactured by cutting technologies that take longer time and more materials for producing. Metal forming technology such as cold upsetting is able to overcome those disadvantages of cutting process but also improve the mechanical prop- erties of the product at local plastic deformation zones based on changing of material grain and fibers structure. This article presents the research results and evaluation of material durability increasing of body B41M made by aluminum alloy Д16 at deformation zones.

Keywords: Fiber structure, metal forming technology, tube cold upsetting.

1. ĐẶT VẤN ĐỀ

Hiện nay công nghệ chế tạo các chi tiết rỗng, định hình dạng chuôi dài được chủ yếu gia công cắt gọt, nhược điểm lớn của phương pháp cắt gọt là hệ số sử dụng vật liệu thấp, đặc biệt khi chi tiết có tiết diện ngang và đường kính thay đổi. Chi tiết sau khi gia công cắt gọt xong thường bị tập trung ứng suất tại các tiết diện thay đổi nên hay bị vỡ, phá huỷ khi làm việc. Để khắc phục các nhược điểm khi chế tạo chi tiết bằng phương pháp gia công cắt gọt, các nhà kỹ thuật đã đề xuất áp dụng công nghệ gia công áp lực như chồn ống và thử nghiệm đối với một số các chi tiết trong công nghiệp quốc phòng. Công nghệ chồn ống cho thấy các ưu điểm sau:

- Tối ưu trọng lượng chi tiết, tiết kiệm vật liệu bởi khi tạo hình sẽ phân bố chiều dày ống theo kết cấu của các chi tiết.

- Giảm thời gian, tiết kiệm chi phí cho quá trình gia công. Nâng cao cơ tính của chi tiết bởi quá trình biến dạng sẽ tạo hướng thớ cần thiết, tránh tập trung ứng suất tại vị trí có tiết diện ngang thay đổi [1].

Khi sử dụng công nghệ chồn ống có thể xuất hiện các khuyết tật gấp do chiều cao chồn lớn hơn nhiều so với chiều dày ống. Do đó, cần tính toán và lựa chọn các thông số công công nghệ phù hợp [2, 3]. Hiện tại, công nghệ chồn ống khá phù hợp đối với việc tạo hình vật liệu nhôm ở trạng thái nguội. ứng với từng chi tiết cụ thể, sau khi tạo hình cần đánh giá, phân tích về khả năng đáp ứng yêu cầu kỹ thuật dựa trên việc xem xét xuất hiện khuyết tật gấp, tổ chức tế vi tại vùng biến dạng, hướng thớ kim loại tạo ra và so sánh độ bền kéo của vật liệu so với trước quá trình tạo hình. Để đánh giá những yếu tố nêu trên, nhóm tác giả đã lựa chọn sản phẩm là chi tiết đạn xuyên lõm chống tăng B41M (hình 1) được chế tạo từ hợp kim nhôm Д16 bằng công nghệ chồn cục bộ phôi ống. Công dụng chi tiết là ống chứa chất nổ và tạo tia plasma theo hình chóp nhằm phá hủy vật liệu tạo khả năng đâm xuyên khi quả đạn nổ. Hiện tại, chi tiết trên được chế tạo bằng phương pháp gia công cắt gọt với giới hạn bền kéo σb = (420-430) MPa. Trong quá trình thử nghiệm, chi tiết bị vỡ tại phần thân chi tiết do áp lực bên trong của chất nổ dẫn đến dòng plasma không chụm như thiết kế. Sử dụng công nghệ gia công áp lực sẽ nâng cao cơ tính đảm bảo tính năng chi tiết đáp ứng được yêu cầu, không gây mất an toàn cho máy móc, thiết bị, ảnh hưởng trực tiếp đến người lính sử dụng súng, đạn trong huấn luyện, chiến đấu.

Hình 1. Bản vẽ chi tiết ống chứa thuốc nổ

Hình 1. Bản vẽ chi tiết ống chứa thuốc nổ

Ống chứa thuốc nổ được chế tạo bằng gia công cắt gọt từ phôi ống có kích thước Ф76,5xФ66,3×188,7; Hiệu suất sử dụng vật liệu đạt 31,58% – là hiệu suất sử dụng quá thấp, gây lãng phí vật tư đẩy giá thành sản phẩm cao. Số nguyên công cần thực hiện chế tạo qua 13 nguyên công bao gồm: Cắt đoạn, dập tóp lần 1, dập tóp lần 2, ủ, dập tóp lần 3, dập tóp lần 4, dập hiệu chỉnh, chuốt, hóa già, xén đầu và tiện ngoài sơ bộ, tiện sơ bộ lỗ, tiện tinh lỗ, tiện ren M42x1 và tiện ngoài.

Bài toán đặt ra là tỷ số giữa chiều dày ống cuối cùng S1 tại phần tạo hình so với chiều dày ống ban đầu S0 sẽ quyết định số bước tạo hình. Cần thiết phải xác định tỷ số S1/S0 tới hạn để đảm bảo chi tiết không bị mất ổn định. Bài báo thực hiện mô phỏng số để xác định tỷ số tới hạn và được kiểm chứng bằng thực nghiệm đồng thời đánh giá cấu trúc kim loại của vật liệu trước và sau khi biến dạng.

2. THỰC NGHIỆM

2.1. Vật liệu

Các thông số vật liệu thí nghiệm hợp kim nhôm Д16 nêu trong bảng 1 và bảng 2 [4] Các thông số vật liệu, đường cong biến dạng của  hợp kim nhôm Д16 được đưa vào mô hình vật liệu [5]. Các điều kiện biên như hệ số ma sát khi ép là 0,1; chuyển vị chày ép là 25 mm. Sau khi tính toán mô phỏng thu được các kết quả phân bố ứng suất, biến dạng, biểu đồ lực và lưới biến dạng tương ứng với trường hợp tỷ số S1/S0 tới hạn phù hợp nhất.

Bảng 1. Thành phần vật liệu thực nghiệm

Nguyên tố

% Nguyên tố %
Al 90,8- 94,7 Ti Max 0,1
Fe Max 0,5 Cu 3,8 – 4,9
Si Max 0,5 Mg 1,2 – 1,8
Mn 0,3 – 0,9 Zn Max 0,3
Ni Max 0,1

 

Bảng 2. Tính chất vật liệu thực nghiệm

 Môđun đàn hồi
(E 10
- 5)
 Giới hạn bền kéo σb  (MPa)  Giới hạn chảy σc
 (MPa)
 Độ giãn dài d5 (%)
0,72 420-430 250 19

2.2. Xác định tỷ số chiều dày tới hạn S1/S0 bằng mô phỏng

Bằng mô phỏng số xác định được tỷ số S1/S0 tới hạn. Chiều dày phôi ban đầu S0 = 4,08 mm. Kết quả mô phỏng tỷ số chiều dày tới hạn S1/S0   đạt được như bảng 3.

Bảng 3. Tỷ số S1/S0 tới hạn

S0 S1 S1/S0
4,08 5,87 1,44

Giá trị tới hạn này đảm bảo cho khả năng điền đầy chi tiết trong lòng khuôn kín, ứng suất không vượt quá giá trị giới hạn, chi tiết tạo hình điền đầy trong lòng khuôn không khuyết tật. Ứng suất chịu nén lớn nhất trên chi tiết là (- 371 MPa), nhỏ hơn giá trị ứng suất phá hủy.

Hình 2. Sơ đồ lực chồn (a) và trạng thái ứng suất (b) trên chi tiết

Hình 2. Sơ đồ lực chồn (a) và trạng thái ứng suất (b) trên chi tiết

2.3. Thí nghiệm

Ống chứa thuốc nổ được chế tạo bằng gia công áp lực từ phôi ống có kích thước Ф72,93xФ66,3×168,28 mm. Hiệu suất sử dụng vật liệu đạt 56,53%. Các nguyên công được giảm bớt còn lại 11 nguyên công bao gồm: Cắt đoạn, dập tóp lần 1, dập tóp lần 2, ủ, ép chảy, tiện xén đầu, chồn, hóa già, dập hiệu chỉnh, tiện lỗ, tiện tinh lỗ và ren M42x1.

Từ kết quả mô phỏng xây dựng bước dập đảm bảo tỷ số chiều dày tới hạn S1/S0. Vùng biến dạng chồn nguội nhằm tăng kích thước nằm ở vùng II (hình 3).

Hình 3. Vùng tạo hình chồn nguội

Hình 3. Vùng tạo hình chồn nguội

* Vùng I (vùng chứa phôi) nhằm cung cấp vật liệu cho quá trình chồn cục bộ trong khuôn kín tại vùng II. Chiều cao phôi bị chồn là ∆h = 9 mm, kim loại bị giảm chiều cao tại vùng 1 đồng thời tăng tiết diện ngang tại vùng II.

* Vùng II (ổ biến dạng chồn): Kim loại bị chồn điền đầy lòng khuôn, tăng chiều dày từ 4,08 mm ban đầu tới 5,87 mm.

* Vùng III (vùng không biến dạng): hình dáng của phần này được giữ nguyên trong suốt quá trình biến dạng. Để vùng này không bị biến dạng cần có cơ cấu định vị và kẹp chặt giữa cho hình dạng của phôi không thay đổi dưới tác dụng của lực nén dọc trục từ vùng II.

Quá trình tạo hình được thực hiện trên máy ép thử lực 315 tấn. Hình ảnh thiết bị, khuôn và sản phẩm sau khi ép được trình bày trên hình 4.

Hình 4. Hệ thống thiết bị thực nghiệm và vùng nghiên cứu trên sản phẩm

Hình 4. Hệ thống thiết bị thực nghiệm và vùng nghiên cứu trên sản phẩm

 Sản phẩm được cắt nửa để đo các kích thước đường kính, chiều dày trên chi tiết, các kích thước này hoàn toàn đúng kích thước trên bản vẽ chi tiết. Tại vị trí chồn, hướng thớ kim loại chạy dọc theo đường sinh, không xuất hiện khuyết tật gấp.

Để xem xét sự xuất hiện của khuyết tật gấp và khảo sát tổ chức tế vi tại vùng biến dạng chồn nguội, đã thực hiện cắt mẫu và phóng to các vị trí khảo sát 1, 2, 3 và 4 (hình 5) tương ứng với các vị trí của vùng biến dạng II. Trong vùng biến dạng đã khảo sát các vị trí khác nhau để xem xét sự đồng đều về tổ chức.

Hình 5. Vị trí xem tổ chức tế vi trên mẫu gia công cắt gọt

Hình 5. Vị trí xem tổ chức tế vi trên mẫu gia công cắt gọt

Qua khảo sát mặt cắt phôi tại vùng chồn cho thấy không xuất hiện khuyết tật gấp. Kim loại bị biến dạng nén phình to và dần điền đầy lòng khuôn. Không có hiện tượng kim loại chảy theo các hướng khác nhau dẫn đến nếp gấp trong vật liệu.

Để so sánh độ bền, đã thử kéo mẫu tại vùng II trước và sau khi biến dạng trên thiết bị thử kéo MTS–809. Hình 6 trình bày hình ảnh mẫu thí nghiệm và thiết bị kéo. Mẫu và quá trình thử kéo được chế tạo và thực hiện theo qui định.

Hình 6. Mẫu thử kéo và thiết bị MTS-809

Hình 6. Mẫu thử kéo và thiết bị MTS-809

KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN

3.1. Khảo sát tổ chức tế vi của vùng biến dạng sau khi chồn

Hình 7. Tổ chức tế vi mẫu trước khi biến dạng chồn vị trí thứ 2

Hình 7. Tổ chức tế vi mẫu trước khi biến dạng chồn vị trí thứ 2

Tại các vị trí khảo sát, mẫu được phóng đại 50 lần và 200 lần. Hình 7 biểu diễn tổ chức tế vi của vật liệu tại vùng II trước khi biến dạng chồn. Có thể thấy được kim loại có tổ chức của phôi ống được tạo ra bằng ép chảy thanh. Các hạt kim loại bị kéo dài và có hướng song song với đường sinh của ống.

Hình 8. Tổ chức tế vi mẫu chồn tại các vị trí khảo sát

Hình 8. Tổ chức tế vi mẫu chồn tại các vị trí khảo sát

Hình 8 là các ảnh chụp phóng đại 50 lần và 200 lần tại các vị trí 1, 2, 3 và 4 của tổ chức kim loại sau khi biến dạng chồn.

Có thể nhận thấy tại các vị trí có sự biến dạng như vị trí 2 và 3 nằm trong vùng kim loại bị chồn thì tổ chức nền là pha α, đồng thời tồn tại các pha liên kim nằm rải rác trong kim loại.

- Vị trí 1: Xét trên chi tiết có kích thước H = 46,96 mm (hình 3). Các hạt kim loại bị biến dạng theo hướng dọc trục, biên giới hạt rõ ràng, tồn tại các pha liên kim nằm rải rác trong tổ chức hạt. Hình ảnh phóng đại 50 và 200 lần cho thấy tổ chức hạt tế vi được sắp xếp theo hướng dọc theo thân chi tiết và tạo nên thớ dọc. Vì kim loại trong vùng 1 không có dự biến dạng mà chỉ di chuyển vào vùng biến dạng II nên hướng thớ vẫn giữ như vật liệu ban đầu.

- Vị trí 2 và 3: Các hạt bị biến dạng theo hướng vòng cung, có sự chảy theo phương ngang. Do kim loại bị nén nên hạt kim loại không còn kéo dài nữa mà có xu hướng tròn lại, biên giới hạt rõ nét, tồn tại các pha liên kim nằm rải rác trong tổ chức hạt. Dựa trên hình ảnh phóng đại 200 lần có thể thấy rõ hạt có xu hướng lượn vòng cung theo biên dạng của dụng cụ chồn. Như vậy, với hướng thớ vòng cung này sẽ tạo cho chi tiết khả năng chịu tải trọng kéo tốt hơn.

- Vị trí 4: Do vùng này kim loại không bị biến dạng mà chỉ ảnh hướng của vùng II nên hướng thớ và dạng hạt tương tự như vật liệu ban đầu.

3.2. So sánh độ bền của vật liệu tại vùng biến dạng chồn với vật liệu ban đầu

Kết quả kéo mẫu được thể hiện trên đồ thị so sánh độ bền kéo (hình 9). Kim loại sau khi chồn có sự gia tăng về khả năng biến dạng, độ bền kéo và mức độ giãn dài được giải thích do các hạt bị biến dạng theo hướng vòng cung. Cấu trúc vật liệu như vậy  sẽ  giúp  chi  tiết  chịu  được  lực  kéo  theo phương hướng kính và phương dọc trục tốt hơn.

Hình 9. So sánh độ bền kéo của mẫu chồn và mẫu ban đầu chưa qua chồn

Hình 9. So sánh độ bền kéo của mẫu chồn và mẫu ban đầu chưa qua chồn

KẾT LUẬN

Áp dụng công nghệ gia công áp lực chi tiết rỗng có tiết diện ngang và đường kính thay đổi cho phép:

- Tăng tỷ số chiều dày tới hạn S1/S0 đạt đến 1,44.

- Nâng hiệu suất sử dụng vật liệu lên 56,53 % so với phương pháp gia công cắt gọt là 31,58 %.

- Giảm số nguyên công từ 13 nguyên công xuống còn 11 nguyên công so với phương pháp cắt gọt.

- Nâng cao tính chất cơ học vật liệu:

- Độ bền kéo tăng gấp 1,3 lần từ 427 lên 556 MPa,

- Mức độ giãn dài hay khả năng biến dạng tăng gấp 2,7 lần từ 3,3 lên 9,1 %.

I LIỆU TRÍCH DẪN

1. Aydin Tuzun, Analysis of tube upsetting, Master thesis at Middle East Technical University, 2004, Metallurgical and Material Engineering Department of Middle East Technical University.
2. Omer Necati Cora, Friction analysis in cold forging, The graduate school of natural and applied sciences of Middle East Technical University, 2004, Mechanical Engineering Department of Middle East Technical University.
3. M. Poursina, J. Parvizian, Simulation of Folding Defect in Forging, AIP Conference Proceedings, June 2004, 486-491.
4. Database of Steel and Alloy (Marochnik) http://m-s-s.ru/mar/en/index.php.htm.
5. A. B. Abdullah, S. M. Sapuan, Z. Samad, H. M. T. Khaleed and N. A. Aziz, Prediction of geometric defects in the cold embossing of AA6061 aluminum alloy by finite element analysis, Scientific Research and Essays, Vol. 7(15), ISSN 1992-2248, 23 April, 2012, pp. 1630-1638.

Bình luận

Email của bạn sẽ không được hiển thị công khai. Các trường bắt buộc được đánh dấu *

You may use these HTML tags and attributes: <a href="" title=""> <abbr title=""> <acronym title=""> <b> <blockquote cite=""> <cite> <code> <del datetime=""> <em> <i> <q cite=""> <strike> <strong>