210 Trần Ngọc Thanh, Đinh Văn Hiến VCM2012
Mô hình hóa quá trình biến dạng dẻo và xác định các thông số
công nghệ tối ưu chế tạo cốc đáy động cơ hành trình thiết bị
bay từ hợp kim titan
Modelizing plastic deformation and determining the optimal
technological parameters in fabricating lower wall of cruise
engines for a flying object from titanium alloy
Trần Ngọc Thanh, Đinh Văn Hiến
Viện Cơ điện tử/Viện Khoa học và Công nghệ Quân sự
e-Mail: [email protected]
Tóm tắt
Bài báo đã tiến hành phân tích, lựa chọn công nghệ ép chảy nóng để chế tạo cốc đáy động cơ hành trình
thiết bị bay từ hợp kim titan mác BT-14. Bằng phương pháp kết hợp mô phỏng số quá trình biến dạng dẻo và
qui hoạch thực nghiệm đã xác định được ảnh hưởng của thông số nhiệt độ ép và kích thước ban đầu phôi tới
quá trình biến dạng tạo hình. Trên cơ sở đó đã xác định được các thông số công nghệ tối ưu phôi cốc đáy.
Abstract:
This paper analyzes and chooses the hot-extrusion technology for fabricating lower wall of cruise engines
for a flying object from titanium alloy type BT-14. By combining simulation of plastic deformation and a well
planned experiment, the effect of pressure temperature parameter and initial blank size on the deformation
process is determined. Thus, optimal technological parameters in fabricating flying object engines lower wall
has been determined.

1. Phần mở đầu
Cốc đáy động cơ hành trình thiết bị bay là chi tiết
quan trọng có nhiệm vụ liên kết động cơ với
khoang chức năng. Do điều kiện làm việc khắc
nghiệt (chịu áp suất và nhiệt độ cao) nên cốc đáy
động cơ được chế tạo từ vật liệu có độ bền cơ học

xem xét ảnh hưởng tổ hợp của các yếu tố tới quá
trình ép. Quá trình ép chảy nóng chịu ảnh hưởng
của nhiều yếu tố, như: kích thước, hình dáng phôi;
mức độ biến dạng; nhiệt độ ép; ma sát; tốc độ ép.
Hình dạng và kích thước phôi trước khi ép ảnh
hưởng quan trọng đến tính chảy dẻo của kim loại.
Khi ép chảy với phôi ban đầu có dạng hình trụ,
nếu chiều cao tương đối của phôi (tỷ số giữa chiều
cao trên đường kính phôi) quá nhỏ sẽ làm quá
trình ép chảy xảy ra khó khăn, kim loại có vùng
chết ở dưới mặt chày làm tăng lực ép đáng kể, có
khi làm phá vỡ cấu trúc vật liệu gây ra sai hỏng.
Ngược lại chiều cao tương đối của phôi quá lớn sẽ
Tuyển tập công trình Hội nghị Cơ điện tử toàn quốc lần thứ 6 211 Mã bài: 44
làm phôi bị mất ổn định, các vùng phôi biến dạng
không đều, dễ hình thành khuyết tật (hàm ếch, gấp
nếp). Vì vậy, chiều cao tương đối của phôi thường
nằm trong giới hạn nhất định. Bên cạnh đó, kích
thước và hình dáng phôi ban đầu khi ép còn ảnh
hưởng đến mức độ biến dạng của thành phẩm sau
biến dạng. Mức độ biến dạng khác nhau cho giá trị
lực ép cũng khác nhau, điều này ảnh hưởng quan
trọng đến việc chọn công suất thiết ép và năng
lượng tiêu hao trong quá trình ép. Kích thước phôi
ban đầu để tạo hình phôi cốc đáy được xác định từ
điều kiện cân bằng thể tích.


sinh nhiệt do ma sát trong khối kim loại sinh ra
nên có thể duy trì được nhiệt độ trong khối kim
loại. Ở tốc độ biến dạng thấp, sự lan truyền ứng
suất đều hơn, biến dạng xảy ra đều hơn trong khối
kim loại nên ứng suất chảy giảm. Mặc dù vậy, tốc
độ biến dạng chậm làm thất thoát nhiệt của khối
kim loại ra ngoài lại làm cho biến dạng xảy ra
khác nhau tại các vùng trên khối kim loại do đó
làm ứng suất chảy tăng lên. Ở tốc độ biến dạng rất
chậm, nhiệt đồ khuôn được duy trì có thể làm giảm
đáng kể ứng suất chảy do có sự tham gia của biến
dạng từ biến. Tuy vậy, nếu quá chậm sẽ làm giảm
năng suất, tăng chi phí giá thành sản xuất. Khi gia
công áp lực ở trạng thái nóng thông thường lại chủ
yếu được tiến hành ở vùng tốc độ cao từ 10
1
10
3
s
-
1
, được tiến hành trên các lại máy ép thủy lực, trục
khủy ép nóng, … Ở vùng tốc độ này, sự ảnh
hưởng của tốc độ ép là không thấy rõ. Vì vậy,
trong nghiên cứu không xét tới ảnh hưởng của yếu
tố này.
Trên cơ sở phân tích ảnh hưởng của các yếu tố tới
quá trình ép nóng, nghiên cứu lựa chọn khảo sát
ảnh hưởng của hai thông số cơ bản tới quá trình
chảy dẻo của kim loại là: nhiệt độ và kích thước

= 800950
0
C, Z
2
= 4070 mm.
212 Trần Ngọc Thanh, Đinh Văn Hiến VCM2012
2.1 Thiết lập kế hoạch mô phỏng
Với hai thông số ảnh hưởng đến quá trình biến
dạng ta sử dụng mô hình hồi quy phi tuyến bậc
hai. Các giá trị cụ thể của yếu tố Z
1
, Z
2
khảo sát
được ấn định tại các điểm kế hoạch. Các điểm đặc
trưng trong miền quy hoạch bao gồm: mức trên,
mức dưới, mức cơ sở, mức sao “*”. Để xây dựng
được mối quan hệ của hàm mục tiêu và các giá trị
của các yếu tố ảnh hưởng cần mã hóa yếu tố thành
các giá trị mã hóa tương ứng X
1
, X
2
, với các giá trị
đặc trưng trong miềm quy hoạch: -1 (-), 0, +1 (+)
[2]. Quan hệ giữa thông số mã hóa X
j

j
, b
jr
, b
jj
: là các hệ số của phương
trình hồi quy; j, r = 1n, được xác định theo công
thức:
0
. / ; . / ;
. / ; . / .
uo u j uj u
jr ujr u jj ujj u
b X Y N b X Y N
b X Y N b X Y N
   
   
(3)
Phương pháp lập quy hoạch thực nghiệm được sử
dụng là quy hoạch trực giao cấp hai. Để xác định
được các hệ số của phương trình hồi quy, ma trận
thực nghiệm cấp 2 phải thỏa mãn các tính chất:
tính chất đối xứng; tính chất trực giao; tính chất
đẳng cự [2]. Gọi số yếu tố ảnh hưởng đến quá
trình tạo hình là k (k = 2). Khi đó, tổng số lượng
thí nghiệm trong quy hoạch thực nghiệm cấp 2
trực giao được xác định như sau:
2
0
2 2. 2 2.2 1 9,

ju
2
– 2/3.
Khi đó, ma trận thực nghiệm với biến mới như
bảng 3. Các hệ số b trong phương trình hồi quy
được xác định theo các kết quả của bảng 3.
Trên cơ sở xây dựng ma trận thực nghiệm, tiến
hành thí nghiệm mô phỏng với các tham số đã nêu.

Bảng 1. Ma trận thực nghiệm trong phương án cấu trúc có tâm k = 2.
Nội dung phương án Số thứ tự thí
nghiệm
X0 X1 X2 X1.X2 X12 X22 Y
Số thí nghiệm ở nhân
phương án 2k
1 + + + + + + Y1
2 + - + - + + Y2
3 + + - - + + Y3
4 + - - + + + Y4
Số thí nghiệm ở
các điểm *, 2.k
5 + + 0 0 + 0 Y5
6 + - 0 0 + 0 Y6
7 + 0 + 0 0 + Y7
8 + 0 - 0 0 + Y8
Số thí nghiệm ở tâm
n0
9 + 0 0 0 0 0 Y9

Bảng 2. Các tham số thực nghiệm ảo chưa mã hóa.

2
- 2/3 X
2
2
- 2/3 Y
Số thí
nghiệm ở
nhân
phương án
2
k

1 + + + + 1/3 1/3 Y
1

2 + - + - 1/3 1/3 Y
2

3 + + - - 1/3 1/3 Y
3

4 + - - + 1/3 1/3 Y
4

Số thí
nghiệm ở
các điểm *,
2.k
5 + + 0 0 1/3 -2/3 Y
5

mềm thiết kế 3D. Trong trường hợp này đã sử
dụng Autodesk Inventor. Sau khi có mô hình 2D,
tiến hành chuyển mô hình hình học sang Deform
3D dưới dạng file *.STL (xem hình 2).

H. 2 Mô hình ép chảy cốc đáy động cơ.
Khi thiết lập ràng buộc và các ứng xử tương quan
của các thành phần khuôn, để đơn giản trong việc
mô phỏng, coi quá trình ép là đẳng nhiệt. Khi đó
quá trình ép xảy ra nhanh chóng, trao đổi nhiệt của
phôi với dụng cụ và môi trường không xét tới.
Phôi được khai báo là vật liệu dẻo (plastic) và áp
đặt nhiệt độ (800
0
C, 875
0
C, 950
0
C) tương ứng
trong mỗi trường hợp. Chày và cối được coi là vật
liệu cứng tuyệt đối (Rigid), đặt tốc độ dịch chuyển
của chày cố định là 10 mm/s (tốc độ máy ép thông
thường). Sau đó, tiến hành chia lưới mô hình phôi
(xem hình 3) và nhập tính chất vật liệu phôi là hợp
kim titan mác BT14. H. 3 Mô hình chia lưới phôi hợp kim titan BT14.

3. Kết quả và phân tích

H. 8 Trường ứng suất và đồ thị lực ép ở bước
cuối, với T = 950
0
C, D = 55 mm.
H. 9 Trường ứng suất và đồ thị lực ép ở bước
cuối, với T = 800
0
C, D = 55 mm. H. 10 Trường ứng suất và đồ thị lực ép ở bước
cuối, với T = 875
0
C, D = 55 mm.

H. 11 Trường ứng suất và đồ thị lực ép ở bước
Tuyển tập công trình Hội nghị Cơ điện tử toàn quốc lần thứ 6 215 Mã bài: 44
cuối, với T = 875
0
C, D = 40 mm.

H. 12 Trường ứng suất và đồ thị lực ép ở bước
cuối, với T = 875
0

khi tăng nhiệt độ lên cao thì khả năng điền đầy
lòng khuôn của phôi 70 vẫn kém hơn rất nhiều,
điều này hoàn toàn phù hợp với lý thuyết, vì chiều
cao phôi mỏng (21 mm) nên kim loại khó chảy,
xuất hiện vùng chết dưới đầu chày.

H. 13 Sự biến đổi của ứng suất chảy theo nhiệt độ
với các giá trị kích thước phôi khác nhau.

Kích thước phôi ban đầu có ý nghĩa quan trọng
đến khả năng chảy dẻo, ứng suất chảy và lực ép.
Đường kính phôi quá nhỏ hoặc quá lớn làm tăng
đáng kể ứng suất chảy và theo đó làm cho lực ép
tăng lên.
Giá trị lực ép qua các lần dập được chỉ ra như bảng
6.
Bảng 6. Giá trị lực ép lớn nhất qua các lần dập
Giá trị lực ép
lớn nhất
Thứ tự các lần dập
1 2 3 4 5 6 7 8 9
Y(Tấn) 109 275 81,5 213 98,1 231 151 168 188

Dựa trên các kết quả thí nghiệm, xây dựng được phương trình hồi quy phi tuyến:
2 2
1 2 1 2 1 2
168,289 47,822. 8,056. 3,833. . 37,477( 2/3) 37
,851( 2/ 3).
Y X X X X X X       


kim titan mác BT-14 theo công nghệ ép chảy
nóng.
Chiến lược thực nghiệm ảo với phương pháp mô
phỏng số quá trình biến dạng và quy hoạch thực
nghiệm, cho phép xác định được ảnh hưởng đồng
thời của hai yếu tố nhiệt độ và kích thước ban đầu
phôi tới quá trình tạo hình phôi cốc đáy.
Bộ thông số công nghệ tối ưu khi gia công áp lực
cốc đáy bao gồm lực ép, nhiệt độ ép, và đường
kính phôi, có giá trị lần lượt là: P
ep
= 80115 Tấn,
T = 900950
0
C, D = 4958 mm.

Tài liệu tham khảo
[1] Trần Ngọc Thanh, Nghiên cứu nấu luyện hợp
kim titan BT-14 chế tạo cố đáy động cơ hành
trình thiết bị bay PKTT, Báo cáo nhiệm vụ
KHCN cấp Bộ, 2010.
[2] Giang Thị Kim Liên, Bài giảng quy hoạch thực
nghiệm, Đại học sư phạm Đà Năng, Đà nẵng,
2009.
[3] Сторожев М.В, Ковка и объемная
штамповка, Справочник т.1, т.2,
Машиностроние, 1967.
[4] П. И. Полухин, Г. Я. Гун , А. М. Галкин,
Cопротивление пластической деформации
металлов и сплавов, Москва металлургия,

vực ứng dụng và phát triển các dạng công nghệ gia
công áp lực điển hình trong chế tạo thiết bị bay.