Luận án nghiên cứu thực nghiệm công nghệ dập thủy tĩnh phôi tấm

Các đóng góp mới của luận án - Xác định được mối quan hệ giữa áp suất chặn, chiều sâu tương đối của cối, chiều dày tương đối của phôi với áp suất tạo hình, mức độ biến mỏng lớn nhất của

Gia công áp lực (GCAL) là một lĩnh vực quan trọng trong ngành cơ khí, gắn liền với sản xuất hàng loạt lớn, hàng khối, sản xuất các sản phẩm có chất lượng cao, độ chính xác cao, sản xuất các sản phẩm có kích thước từ siêu nhỏ cỡ micromet đến kích thước rất lớn hàng mét Có thể thấy trên thế giới, lĩnh vực GCAL đã có những bước tiến lớn cả về thiết bị lẫn công nghệ, thể hiện ở sự phát triển các ngành ôtô, vũ trụ, công nghiệp điện – điện tử, quân sự, y tế…v.v Ở Việt Nam, GCAL đang trong giai đoạn phát triển mạnh mẽ, đóng góp ngày càng nhiều vào công cuộc công nghiệp hóa đất nước Hiện nay, GCAL đã có những bước tiến đáng kể khi áp dụng những công nghệ mới vào sản xuất Tuy nhiên, để áp dụng có hiệu quả cần phải nghiên cứu lý thuyết cơ bản và phân tích được các yếu tố công nghệ ảnh hưởng trong quá trình gia công

Dập thủy tĩnh (DTT) phôi tấm là một hướng nghiên cứu trong công nghệ dập tạo hình

bằng chất lỏng cao áp Công nghệ này cho phép dập các chi tiết rỗng, đặc biệt chi tiết có hình dạng phức tạp ngay cả đối với các vật liệu khó biến dạng Trên thế giới, đã có rất nhiều công trình nghiên cứu và ứng dụng công nghệ này vào sản xuất và đạt được thành tựu cao Điển hình như các nước như Đức, Mĩ, Nhật đã áp dụng công nghệ ày vào công nghiệp ô tô, một số chi tiết phần vỏ xe đã được áp dụng công nghệ DTT để sản xuất cho chất lượng cao như thanh nối B hay nắp capo, thay thế cho số lượng lớn nguyên công tạo hình và khuôn trong dập tạo hình truyền thống Ở Việt Nam, đã có một số công trình nghiên cứu về công nghệ DTT, tuy nhiên để

có thể ứng dụng vào thực tiễn sản xuất cần phải có những nghiên cứu chuyên sâu để có thể làm chủ công nghệ này Do vậy “Nghiên cứu ảnh hưởng của một số thông số công nghệ và kích thước hình học cối đến khả năng tạo hình trong dập thủy tĩnh phôi tấm” sẽ là trọng tâm và mục tiêu nghiên cứu của luận án

2 Mục đích, đối tượng và phạm vi nghiên cứu của luận án

• Mục đích của luận án

Nghiên cứu ảnh hưởng của một số thông số công nghệ và kích thước hình học cối đến khả năng tạo hình trong dập thủy tĩnh phôi tấm

• Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của luận án

+ Đối tượng: luận án tập trung nghiên cứu công nghệ DTT áp dụng trên đối tượng cụ thể:

chi tiết dạng trụ - chi tiết điển hình trong nghiên cứu công nghệ DTT như trên hình 1.26

+ Phạm vi nghiên cứu được giới hạn trong miền:

- Vật liệu thép tấm DC04

- Chiều dày tương đối của phôi:

- Miền áp suất tạo hình Pth = (0÷600) bar;

- Miền áp suất chặn phôi Qch = (0 ÷150) bar

3 Phương pháp nghiên cứu

Phương pháp nghiên cứu được sử dụng là kết hợp giữa nghiên cứu phân tích lý thuyết, mô phỏng số (MPS) với nghiên cứu thực nghiệm, cụ thể:

- Nghiên cứu cơ sở công nghệ DTT dựa trên tổng hợp và phân tích từ các tài liệu, công trình đã công bố trong và ngoài nước

- Áp dụng phương pháp MPS để đánh giá sơ bộ ảnh hưởng các thông số công nghệ, xác định miền làm việc để làm cơ sở ban đầu cho quá trình thực nghiệm có hiệu quả

- Sử dụng các thiết bị đo, phần mềm để đo và xử lý số liệu đảm bảo chính xác và tin cậy,

áp dụng được trong điều kiện thực tế tại Việt Nam

- Nghiên cứu thực nghiệm để đánh giá ảnh hưởng của các thông số công nghệ và thông

số hình học dụng cụ trong quá trình DTT

- Phân tích, tổng hợp, đánh giá kết quả thực nghiệm, đối chứng với lý thuyết và biện luận

4 Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn

• Ý nghĩa thực tiễn

- Kết quả nghiên cứu của luận án có thể định hướng cho triển khai áp dụng trong thực tiễn sản xuất Có thể áp dụng vào sản xuất các sản phẩm dạng tấm tương tự với dải kích thước phù hợp Ngoài ra, với các sản phẩm có kích thước lớn hơn, phương pháp nghiên cứu của luận án cũng có thể được áp dụng để nghiên cứu và sản xuất trong thực tiễn

- Góp phần xây dựng hệ thống thí nghiệm dập thủy tĩnh phục vụ cho nghiên cứu và đào tạo Hệ thống thí nghiệm của luận án có thể được dùng để nghiên cứu và phát triển các vấn đề khác trong DTT phôi tấm Ngoài ra, hệ thống cũng có thể được sử dụng như một thiết bị thí nghiệm phục vụ cho sinh viên đại học và học viên cao học để hiểu hơn về công nghệ DTT

3

5 Các đóng góp mới của luận án

- Xác định được mối quan hệ giữa áp suất chặn, chiều sâu tương đối của cối, chiều dày tương đối của phôi với áp suất tạo hình, mức độ biến mỏng lớn nhất của sản phẩm, bán kính đáy sản phẩm làm cơ sở tiến hành tối ưu hóa các thông số công nghệ khi dập chi tiết dạng trụ

- Phân tích và xác định ảnh hưởng của các thông số công nghệ, kích thước hình học cối tới việc hình thành bán kính đáy sản phẩm và mức độ biến mỏng của sản phẩm;

6 Bố cục của luận án

Luận án thể hiện đầy đủ các mục theo quy định chung, bao gồm các phần chính sau:

- Chương 1 Tổng quan về công nghệ dập tạo hình bằng chất lỏng cao áp

- Chương 2 Mô phỏng số quá trình dập thủy tĩnh phôi tấm

4

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ DẬP TẠO HÌNH BẰNG CHẤT LỎNG

CAO ÁP 1.1 Khái quát công nghệ dập bằng chất lỏng cao áp

Dập tạo hình bằng chất lỏng cao áp (HPF – High Pressure Forming) là một quá trình tạo hình vật liệu bằng việc sử dụng chất lỏng có áp suất cao tác dụng trực tiếp vào bề mặt phôi, làm biến dạng dẻo phôi theo biên dạng của cối (Dập thủy tĩnh) hoặc biên dạng của chày kết hợp với một số chuyển động của khuôn (Dập thủy cơ) như hình 1.1 [15]

Hình 1 1 Sơ đồ phân loại công nghệ dập tạo hình bằng chất lỏng cao áp [24]

Kim loại được sử dụng trong công nghệ này không chỉ là kim loại màu, thép, mà còn có thể là các loại vật liệu khác có tính dẻo phù hợp

1.1.1 Công nghệ dập thủy cơ

Dập thủy cơ (DTC) là phương pháp tạo hình vật liệu nhờ nguồn chất lỏng cao áp được sinh ra do chuyển động cơ khí của dụng cụ tạo hình ví dụ chày chuyển động ép chất lỏng trong lòng cối Áp suất chất lỏng được sinh ra do chất lỏng không chịu nén và ép phôi vào chày, tạo hình sản phẩm theo biên dạng của chày (hình 1.2) [2]

Hình 1 2 Sơ đồ các bước dập thủy cơ [87]

5

Về cơ bản, phương pháp này tương tự như phương pháp dập vuốt thông thường, chỉ khác

là có thêm đối áp pi trong lòng khuôn [2] Ban đầu, chất lỏng được được bơm đầy vào lòng khuôn, làm phôi căng ra trước khi đầu trượt mang theo chày đi xuống Khi chày đi xuống kéo phôi vào lòng cối, do chất lỏng không chịu nén nên sẽ tạo ra đối áp, giúp áp sát phôi vào bề mặt chày, đồng thời tạo ra vành chặn thủy lực giữ phôi ổn định trong quá trình kéo phôi vào lòng cối Việc điều chỉnh đối áp phụ thuộc vào biên dạng cũng như tính chất vật liệu, đặc điểm từng sản phẩm

1.1.2 Công nghệ dập thủy tĩnh

Dập thủy tĩnh (DTT) là công nghệ sử dụng nguồn chất lỏng có áp suất cao (dầu, nước) có chức năng như chày dập tạo hình, tác dụng trực tiếp vào bề mặt phôi tấm hoặc phôi ống làm biến dạng phôi theo biên dạng của lòng cối để tạo hình chi tiết [15]

Việc phân loại phương pháp DTT thường được căn cứ vào hình dạng của phôi

a Dập thủy tĩnh phôi tấm đơn

Đây là phương pháp DTT áp dụng cho tấm đơn Trong phương pháp này, chỉ cần có cối với biên dạng xác định, chất lỏng cao áp đóng vai trò như chày Chất lỏng cao áp sẽ tác dụng vào bề mặt phôi, ép vật liệu biến dạng theo biên dạng của cối để tạo hình chi tiết [15]

Nguyên lý quá trình DTT phôi tấm đơn được thể hiện trên hình 1.3

Hình 1 3 Sơ đồ quá trình tạo hình thủy tĩnh phôi tấm [66]

Quá trình DTT phôi tấm đơn gồm các giai đoạn như sau [8, 93]:

- Giai đoạn đóng khuôn: Lực đóng khuôn được tạo ra từ máy ép có tác dụng chống nhăn

phần vành phôi và làm kín tránh rò rỉ chất lỏng trong quá trình DTT (hình 1.3 I.)

- Giai đoạn tạo hình tự do: Sau khi đóng khuôn, chất lỏng cao áp sẽ được bơm vào lòng cối, áp suất thủy tĩnh tác dụng đều lên toàn bộ bề mặt phôi, phôi sẽ biến dạng tự do trong lòng

cối đến khi chạm đáy cối (hình 1.3 II.)

- Giai đoạn điền đầy lòng cối: Chất lỏng tiếp tục được tăng áp suất, đến một giá trị áp suất

đủ lớn phôi sẽ biến dạng dẻo điền đầy theo biên dạng của lòng cối, đặc biệt là các vị trí lồi lõm

trong cối (hình 1.3 III.)

- Có thể sử dụng với nhiều loại vật liệu: các loại vật liệu có tính dẻo đều có thể sử dụng công nghệ này để tạo hình như đồng, nhôm, titan, inox, …Dải chiều dày vật liệu có thể tạo hình bằng phương pháp này có thể trong khoảng (0.05 ÷ 6.00) mm [57] Đặc biệt đối với kim loại có chiều dày rất mỏng, khả năng tạo hình của phương pháp DTT thực hiện dễ dàng hơn nhiều so với phương pháp dập truyền thống

- Tiết kiệm chi phí chế tạo khuôn (vật liệu khuôn và gia công khuôn) lên trên 50% [57]

- Giảm trọng lượng chi tiết Điều này đặc biệt có ý nghĩa đối với các nhà sản xuất ôtô bởi các lý do môi trường như giảm nhiên liệu tiêu hao và phát thải Tuy nhiên, khi giảm trọng lượng

xe, họ phải cố gắng tránh làm ảnh hưởng tới các tiêu chí quan trọng khác, chẳng hạn như sức mạnh và quản lý năng lượng

- Giảm biến dạng đàn hồi bởi phôi luôn được kéo căng trong suốt quá trình tạo hình

- Hiệu quả kinh tế cao, vì có thể tạo hình những chi tiết có kích thước và hình dạng khác nhau ở cùng một thiết bị mà chỉ việc thay đổi hình dạng của cối

- Có khả năng dập tạo hình những chi tiết có hình dạng phức tạp

+ Nhược điểm so với công nghệ dập truyền thống:

- Chi phí đầu tư ban đầu lớn do cần thêm bộ tăng áp, hệ thống đo lường, hệ thống thủy lực

- Thời gian tạo hình chậm hơn so với dập vuốt thông thường

- Đòi hòi lực đóng khuôn rất lớn do ngoài việc chống nhăn, bộ phận đóng khuôn còn có nhiệm vụ làm kín, tránh rò rỉ chất lỏng gây mất áp suất trong quá trình tạo hình

- Lượng biến mỏng lớn và độ không đồng đều trên thành chi tiết trong trường hợp dập các chi tiết có chiều sâu lớn [15]

Vì vậy, công nghệ dập thủy tĩnh với phôi tấm đơn thường được ứng dụng để dập tạo hình các chi tiết lớn có hình dạng phức tạp và có chiều sâu dập không lớn

+ Hình ảnh ứng dụng của công nghệ dập thủy tĩnh trong công nghiệp ôtô:

a) Sơ đồ nguyên lý b) Ứng dụng Hình 1 5 Dập thủy tĩnh cặp phôi tấm [38]

Với công nghệ DTT phôi cặp (hình 1.5), khuôn tạo hình được tiết kiệm hơn bởi thay vì sử dụng ít nhất 2 bộ chày và cối cho 2 nửa chi tiết, thì công nghệ này chỉ sử dụng khuôn trên và khuôn dưới Hơn thế nữa, việc cắt và nối các cặp tấm có thể được tích hợp trong một bước của DTT, tạo thành một chuỗi quy trình ngắn hơn và hiệu quả hơn [38]

8

c Dập tạo hình thủy tĩnh phôi ống

DTT phôi ống là công nghệ tạo hình chi tiết rỗng từ phôi ống nhờ nguồn chất lỏng cao áp tác dụng ở bên trong lòng phôi, ép sát phôi vào biên dạng của cối [15]

Hình 1.6 trình bày sơ đồ nguyên lý dập thủy tĩnh phôi ống nối chữ T

a-thiết lập khuôn, b-ống ban đầu, c - sản phẩm (ống nối T)

Hình 1 6 Dập thủy tĩnh phôi ống [85]

Hình 1 7 Mối quan hệ giữa áp suất và bán kính trong DTT phôi ống [85]

Trong quá trình dập tạo hình phôi ống, áp suất tạo hình cần thiết phụ thuộc vào bán kính trong nhỏ nhất của thành ống, chiều dày vật liệu và ứng suất chảy (hình 1.7) [21, 25, 62, 85, 90] Công nghệ này có khả năng sản xuất được các chi tiết có chất lượng tốt, hình dạng không gian phức tạp khó có thể thực hiện được mà trước đây thường được chế tạo bằng phương pháp đúc hoặc phải hàn ghép các bộ phận với nhau Hình 1.8 so sánh chất lượng sản phẩm bằng phương pháp tạo hình cũ với nhiều công đoạn như uốn, cắt, hàn và phương pháp mới là dập thủy tĩnh

9

Hình 1 8 Sản phẩm hệ thống xả trong ôtô được chế tạo bằng:

a- phương pháp tạo hình truyền thống; b- phương pháp DTT phôi ống [48]

Bản chất của quá trình DTT phôi ống chính là tạo ra sự chuyển động cưỡng bức, cục bộ hay toàn phần của vật liệu phôi trong giới hạn chảy của vật liệu dưới áp suất thủy tĩnh, theo biên dạng mong muốn của lòng khuôn để tạo nên những chi tiết có hình dạng phức tạp, mà các phương pháp chế tạo truyền thống không thể thực hiện được Dập thủy tĩnh phôi ống có nhiều nhược điểm [15, 21, 25, 55, 60, 85, 90]:

Ưu điểm:

- Chi tiết được tạo hình đồng nhất về vật liệu (so với hàn nối ống)

- Giảm khối lượng chi tiết so với công nghệ truyền thống

- Tăng cường cơ tính của chi tiết dập

- Đạt được độ chính xác kích thước cao và giảm biến dạng đàn hồi

- Giảm chi phí chế tạo khuôn và giảm số nguyên công tạo hình

- Tạo hình được các chi tiết rỗng có hình dạng phức tạp

Nhược điểm:

- Tăng chi phí đầu tư cho các thiết bị thủy lực: bộ tăng áp, xilanh dọc trục

- Khó tạo hình các chi tiết rỗng với biên dạng mặt cắt theo đường trục có sự thay đổi đột ngột và mức độ biến dạng lớn tại các vị trí vuông góc với đường trục trong không gian

Ứng dụng: Với những đòi hỏi về vấn đề giảm tiêu thụ nhiên liệu, tăng mức độ an toàn khi

va chạm của các phương tiện vận chuyển nên công nghệ dập thủy tĩnh phôi ống đang được ứng dụng nhiều nhất trong công nghiệp chế tạo ôtô, tàu cao tốc, hàng không vũ trụ, công nghiệp quốc phòng Ngoài ra công nghệ này cũng được ứng dụng phổ biến để sản xuất các chi tiết dùng trong thiết bị nhà tắm, công nghiệp hóa chất, hàng tiêu dùng [15, 21, 25, 55, 59, 60, 90]

1.2 Tổng quan về kết quả nghiên cứu về công nghệ dập thủy tĩnh phôi tấm

Những năm gần đây, công nghệ dập tạo hình bằng chất lỏng cao áp được sử dụng nhiều trong chế tạo các chi tiết của ô tô, các chi tiết quân tư trang trong quân đội, hoặc các chi tiết trong y tế, hóa học, v.v Công nghệ này xuất hiện khá sớm từ hơn 100 năm trước với mục đích chế tạo các chi tiết nồi hơi, một số chi tiết trong các nhạc cụ, công cụ leo núi [57, 60, 90] Tuy vậy, những vấn đề cơ bản của công nghệ dập tạo hình bằng chất lỏng cao áp chỉ được công bố sau những năm 1940 Gần hơn, cách đây 30 năm, công nghệ này được sử dụng trong dập phình

10

các chi tiết của xe đạp [92], các ống nối [36] và các chi tiết rỗng đơn giản Với sự phát triển của phương tiện vận chuyển, việc giảm nhẹ khối lượng của các chi tiết trong ô tô được chú trọng nghiên cứu, do vậy, công nghệ dập tạo hình bằng chất lỏng cao áp cũng được thúc đẩy nghiên cứu sâu hơn Những ứng dụng đầu tiên của lĩnh vực này được áp dụng ở châu Âu và Bắc Mĩ và nhanh chóng mở rộng ở những đất nước này Đến những năm 1990, công nghệ này bắt đầu trở nên phổ biến bởi ngành công nghiệp ôtô bắt đầu phát triển mạnh ở Hoa Kỳ, việc sản xuất các chi tiết ống dẫn chữ T (T-fittings) sử dụng công nghệ dập bằng chất lỏng cao áp đã được ứng dụng rất phổ biến và sau đó công nghệ này đã bắt đầu phát triển mạnh [24, 42, 43,44, 56, 57,

73, 79] Tại Nhật Bản, công nghệ dập tạo hình bằng chất lỏng cao áp được ứng dụng vào chế tạo các bộ phận, chi tiết của ô tô từ những năm 1999 [69, 75] Ngoài ra, Nga cũng là một trong nước những đầu tiên nghiên cứu và đưa ra những giáo trình về nguyên lý, cơ sở tính toán trong công nghệ dập tạo hình bằng chất lỏng cao áp [14, 15, 17, 19] như: dập bằng cao su và chất lỏng Một quốc gia khác cần kể đến khi nói về lĩnh vực dập bằng chất lỏng cao áp là nước Đức Hàng loạt các công ty như Anton Bauer, Hydrap, Schuler, Siempelkamp Pressen Systeme và các trường đại học đã có những nghiên cứu và ứng dụng mang tính đột phá trong việc chế tạo các chi tiết liên quan đến phương tiện vận chuyển [25, 28, 38, 45, 54, 60, 76, 78, 84, 97, 98] Với tốc độ phát triển nhanh của khoa học công nghệ như hiện nay, các nước Đức và Mĩ vẫn là những nước đi đầu trong việc nghiên cứu, khai thác và ứng dụng công nghệ dập bằng chất lỏng cao áp này vào sản xuất Ở châu Á, các nước như Nhật Bản, Hàn Quốc, Trung Quốc cũng áp dụng công nghệ này vào sản xuất [44, 58-60, 62, 84, 90, 91, 95, 99, 100] Các tập đoàn lớn như Toyota, Honda, Nissan hay Huyndai đã ứng dụng rất nhiều nghiên cứu về công nghệ dập bằng chất lỏng cao áp vào chế tạo các chi tiết của ôtô Như vậy, chúng ta có thể thấy công nghệ dập bằng chất lỏng cao áp đã có một lịch sử phát triển lâu đời, được rất nhiều quốc gia quan tâm nghiên cứu và hiện đang là xu hướng phát triển mạnh trong tương lai

1.2.1 Trên thế giới

Công nghệ DTT ra đời và được ứng dụng vào rất nhiều lĩnh vực trong công nghiệp, y tế, quốc phòng, gia dụng Cho đến nay, công nghệ này đã trải qua hàng chục thập kỉ nghiên cứu, phát triển ở rất nhiều quốc gia, trường đại học, viện nghiên cứu và cả các doanh nghiệp trên thế giới như châu Mỹ, châu Âu, Trung Đông, châu Á

Nước Nga được xem là quốc gia đi đầu trong việc nghiên cứu và phát triển công nghệ DTT, áp dụng công nghệ này trong các ngành công nghiệp hàng không, vũ trụ, dân dụng Điển hình đi đầu trong nghiên cứu cơ bản và nhiều công bố khoa học nhất thuộc về các trường Đại học tổng hợp quốc gia Tula, Đại học Bách Khoa LeninGrad Mỹ và CHLB Đức cũng nghiên cứu rất nhiều về công nghệ DTT và phục vụ chủ yếu cho phát triển công nghiệp ô tô, cơ khí giao thông Các định hướng nghiên cứu của châu Âu và Mỹ chủ yếu tập trung vào các phương pháp dập, ảnh hưởng của các thông số công nghệ cơ bản, các thiết bị chuyên dụng và hệ thống điều khiển để có thể dập được những chi tiết có hình dạng phức tạp, kích thước lớn và từ vật liệu thép [30, 65, 67, 83, 49, 85, 89, 96]

Tại châu Á, đi đầu trong nghiên cứu và ứng dụng lĩnh vực này là Trung Quốc, Hàn Quốc, Nhật Bản Các định hướng nghiên cứu của châu Á có phần thiên về nghiên cứu tạo hình thuỷ tĩnh với các vật liệu khó biến dạng như titan, magie, thép không gỉ và một số kim loại màu khác

- Công nghệ và các thông số cơ bản: nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số đầu vào

(vật liệu phôi, kích thước hình học của phôi, khuôn, lực chặn, ma sát) đến quá trình tạo hình; trạng thái ứng suất và biến dạng; các dạng khuyết tật sản phẩm; nghiên cứu mô phỏng số để tối

ưu các thông số công nghệ;

- Các phương pháp tạo hình: các nghiên cứu về DTT thông thường, dập tạo hình phôi

tấm đơn, cặp phôi tấm; DTT có kết hợp gia nhiệt; DTT kết hợp sóng rung động

- Phát triển thiết bị và khuôn: các nghiên cứu về thiết bị chuyên dụng, thiết bị có điều

khiển, hệ thống điều khiển quá trình; khuôn có hệ thống chặn đàn hồi, hệ thống chặn toạ độ, khuôn có bề mặt đặt biệt;

- Vật liệu sử dụng cho DTT: bao gồm các nghiên cứu về vật liệu phổ biến trong công

nghệ dập, vật liệu kim loại màu, vật liệu khó biến dạng; nghiên cứu về mô hình thuộc tính vật liệu;

a) Nghiên cứu về công nghệ và các thông số cơ bản trong dập thủy tĩnh

Xây dựng lý thuyết về công nghệ tạo hình bằng chất lỏng cao áp, tác dụng trên bề mặt của phôi và ép phôi kim loại biến dạng theo hình dạng của khuôn đã được nghiên cứu từ trước năm

1960 và phát triển mạnh từ sau năm 1990 Các nghiên cứu tập trung vào tạo hình vật liệu tấm đơn trong đó đề xuất sơ đồ công nghệ, trạng thái ứng suất, biến dạng ở các vùng biến dạng khác nhau trên tấm [29, 41, 68, 72, 74, 86], phân tích và phát hiện khuyết tật sản phẩm như nhăn trên vành, biến mỏng vật liệu quá lớn gây rách ở những vùng kim loại khó điền đầy Các kết quả nghiên cứu được kiểm nghiệm và ứng dụng vào thực tiễn sản xuất với từng trường hợp cụ thể (chủ yếu trong giao thông, ô tô, hàng không)

Điển hình ở Đức, tác giả M Kleiner, W Homberg [66] và Taylan Altan [93, 94] đã nghiên cứu nguyên lý của công nghệ DTT và các giai đoạn tạo hình như: giai đoạn đóng khuôn, biến dạng tự do của phôi và cuối cùng là điền đầy lòng khuôn Các giai đoạn tạo hình cũng như các thông số công nghệ được mô tả và được coi là những kiến thức nền tảng Từ đó, hàng loạt các nghiên cứu của nhiều tác giả khác trên thế giới khai thác lý thuyết cơ bản, cụ thể hoá các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình tạo hình như lực chặn, áp suất chất lỏng công tác, mức độ biến dạng trong từng giai đoạn Nhiều tác giả đã đưa ra công thức giải tích, công thức thực nghiệm để xác định các thông số công nghệ, đưa ra những nhận định quan trọng như: khi lực chặn tăng, phôi

bị giữ chặt trên vành cối, kim loại khó kéo vào lòng khuôn nên quá trình biến dạng chủ yếu là biên dạng kéo và biến mỏng của phôi tấm; hay áp suất chất lỏng công tác tăng sẽ làm kim loại nhanh chóng biến dạng và điền đầy lòng khuôn, áp suất này phụ thuộc vào vật liệu, hình dạng khuôn và lực chặn Trạng thái ứng suất và biến dạng được xem là quan trọng, đặc biệt ở những

vị trí biến dạng điền đầy góc lượn nhỏ của lòng khuôn và đó là trạng thái ứng suất nén, biến dạng kéo

Shi-Hong Zhang và các cộng sự [86] đã nghiên cứu và xác định biểu đồ phân bố ứng suất, biến dạng cụ thể ở các vị trí vành phôi, vị trí phôi biến dạng tự do, phôi tiếp xúc với đáy cối

áp suất chất lỏng lòng cối, lực chặn trong các trường hợp mặt cắt ngang của cối có các dạng tròn, elip, vuông, chữ nhật với vật liệu phôi thép Các tác giả cũng phân tích biến dạng trong các trường hợp tỷ lệ giữa chiều sâu cối với kích thước miệng cối và với góc lượn

a) b) Hình 1 9 Sơ đồ nguyên lý các trường hợp dập tạo hình (a) và mặt cắt sản phẩm (b) [32]

Dựa trên các nghiên cứu mô phỏng số và phân tích trên cơ sở đường cong biến dạng tới hạn, các tác giả đã đưa ra hệ số dập vuốt βeq= Ao/ Am với Ao là diện tích phôi ban đầu, Am là diện tích mặt cắt ngang của chày hoặc cối Tiết diện phôi ban đầu phụ thuộc vào chiều cao của sản phẩm hay độ sâu của cối Việc khảo sát được thực hiện với β=1.75, 2.00 và 2.25, sản phẩm được khảo sát khi điền đầy được bán kính góc lượn của cối và đạt được chiều cao thiết kế Với trường hợp mặt cắt ngang là elip, hệ số dập vuốt β = 1.75 và 2.00 sản phẩm được tạo hình thành công, khi β = 2.25, sản phẩm bị rách ở đáy

Tương tự, đối với trường hợp mặt cắt ngang hình chữ nhật, hình vuông tác giả cũng khảo sát trường hợp β= 2.25 tìm ra mối quan hệ giữa các cạnh của hình chữ nhật, chiều sâu cối, chiều dày vật liệu ảnh hướng tới khả năng đạt được bán kính góc lượn cối Nghiên cứu chỉ ra rằng, công nghệ DTT chỉ tạo hình sản phẩm thành công trong trường hợp bán kính góc lượn đáy cối tương đối lớn từ 10 lần chiều dày vật liệu trở lên để đảm bảo vật liệu không bị biến mỏng mãnh liệt gây rách đáy Bán kính góc lượn miệng cối không ảnh hưởng nhiều đến quá trình, sản phẩm luôn ôm sát miệng cối và tạo được bán kính góc lượn theo yêu cầu, tuy nhiên cũng phải đảm bảo không quá nhỏ (nhỏ hơn chiều dày) để đảm bảo kim loại không bị phá huỷ khi kéo qua góc lượn miệng cối Tuy bán kính góc lượn tương đối lớn, nhưng áp suất chất lỏng tạo hình cũng lên tới 40 Mpa Nếu áp suất tăng cao quá phôi sẽ bị rách trước khi điền đầy góc lượn

Tác giả C Palumbo và cộng sự [37] cũng nghiên cứu kích thước khuôn và đưa ra nhận định cối có hình dạng phức tạp thì khả năng tạo hình sản phẩm phụ thuộc rất nhiều vào mối quan hệ hình học của khuôn cũng như bán kính lồi, lõm trên bề mặt đáy khuôn

Nhiều công trình nghiên cứu cũng chỉ ra ma sát giữa phôi và vành cối, chặn đóng vai trò quan trọng trong DTT bởi ma sát nhỏ sẽ tạo điều kiện thuận lợi cho phôi kéo vào cối, không gây

13

ra hiện tượng biến mỏng mãnh liệt của phôi và bù được kim loại vào các góc lượn cối Hệ số

ma sát thường được áp dụng trong tính toán nằm từ µ = (0.08÷0.25) Tuy nhiên, lực ma sát còn phụ thuộc vào lực chặn trên vành và cách bôi trơn Liu wei cùng các cộng sự [64] đã nghiên cứu ảnh hưởng của lực chặn khi dập vật liệu DC04, chiều dày 1.0 mm, chi tiết hình cầu đường kính 100 mm và chỉ ra lực chặn thay đổi trong quá trình tạo hình và quan tâm đến lực chặn lớn nhất để đảm bảo kín khít, không bị mất áp nhưng vẫn đảm bảo được việc kéo kim loại vào cối Kết quả nghiên cứu đưa ra các giá trị của lực chặn có thể dẫn tới sản phẩm bị nhăn (Q<400 kN), rách (Q>700 kN) và đưa ra lực chặn tối ưu (Q = 420 kN – 680 kN) (hình 1.10)

Hình 1 10 Đường lực chặn tối ưu đối với chi tiết cầu [64]

Các dạng hỏng trong quá trình như nhăn, nứt, rách, đàn hồi lại làm sai lêch kích thước cũng được nhiều nhà kỹ thuật quan tâm, phân tích nguyên nhân [34, 64, 86] và đưa ra giải pháp (hình 1.11) Nguyên nhân nhăn chủ yếu do lực chặn nhỏ, rách do mức độ biến dạng quá lớn, nhưng cũng có liên quan đến khả năng biến dạng dẻo của vật liệu [40, 57] Dựa trên mô phỏng

số, các tác giả lựa chọn được thông số công nghệ phù hợp để khắc phục hiện tượng nhăn và rách Nâng cao khả năng biến dạng của vật liệu, đặc biệt là biến dạng kéo chủ yếu được nghiên cứu thông qua thực nghiệm [20, 81] Khi thực hiện nghiên cứu các tác giả thường lựa chọn hình dạng chi tiết điển hình như trụ, hộp chữ nhật [54]

a) b)

Hình 1 11 Hiện tượng: rách (a) nhăn (b) trong quá trình DTT [64]

Đàn hồi lại chủ yếu liên quan đến bản chất vật liệu do ứng suất dư xuất hiện [23, 54] Tuy nhiên tác giả Kleiner [54] đã chứng minh ảnh hưởng của áp suất tạo hình đến ứng suất dư trên sản phẩm, áp suất tạo hình tăng thì ứng suất dư sẽ giảm, qua đó nâng cao độ chính xác sản phẩm dập Trong nghiên cứu của Bruni [23], tác giả đã trình bày các kỹ thuật để xác định ứng suất dư

14

và biến dạng đàn hồi thông qua đánh giá tín hiệu phản hồi của tia X và phương pháp cắt laser, sau đó đo trên máy đo 3D của hãng GOM (Đức) Một số nghiên cứu của các tác giả khác cũng nhận định tương tự rằng biến dạng đàn hồi giảm khi tăng áp suất tạo hình hoặc tăng ma sát giữa phôi và vành chặn [97, 99]

Nghiên cứu xác định các thông số hình học và công nghệ thường được các nhà kỹ thuật tiến hành bằng MPS để tiết kiệm chi phí và cho kết quả phân tích, nhận định ban đầu tương đối chính xác[32, 37, 64] Tác giả Daniel Koller và Stefan Ulbrich còn sử dụng MPS như một công

cụ hữu hiệu để tối ưu tham số điều khiển quá trình DTT [26]

b) Các nghiên cứu về phương pháp tạo hình

Trong các công trình công bố [37, 68, 72, 74, 86, 97], nhiều nhà kỹ thuật đề xuất phương

án dập cặp chi tiết, biến dạng theo 2 lòng khuôn trên và khuôn dưới để tiết kiệm năng lượng đồng thời nâng cao năng suất, cũng như độ chính xác của sản phẩm lắp ghép Tuy nhiên, các nghiên cứu về tạo hình cặp tấm chủ yếu được phát triển và tính toán thông số công nghệ, trạng thái ứng suất biến dạng dựa trên dập tấm đơn

Để nâng cao khả năng tạo hình của phương pháp, nhiều tác giả đã đề xuất và triển khai dập kết hợp với gia nhiệt cho phôi, điều này khá hiệu quả đối với tạo hình vật liệu kim loại màu [21, 56, 60] Các tác giả cũng minh chứng được khi tăng nhiệt độ từ 100-3000c những vật liệu như nhôm và magiê thì độ giãn dài có thể tăng lên đến 300% Phôi có thể được gia nhiệt trên vành hoặc áp dụng công nghệ dập đẳng nhiệt để gia nhiệt trên toàn bộ phôi Việc gia nhiệt sẽ giảm được lực chặn và áp suất tạo hình [56] (hình 1.12)

Hình 1 12 Ảnh hưởng của nhiệt độ đến quá trình tạo hình [56]

Viện nghiên cứu Fraunhofer (Đức) đã thiết kế chế tạo hệ thống gia nhiệt di động sử dụng trong quá trình dập tạo hình thủy lực, hệ thống này có thể gia nhiệt lên đến 3300c và tạo ra áp suất tạo hình đến 800 bar [61, 75] Quá trình tạo hình có gia nhiệt mở ra khả năng tạo hình các chi tiết từ các vật liệu nhẹ như hợp kim nhôm, ma giê, titan với mức độ biến dạng tăng, giảm lực đóng khuôn, giảm áp suất tạo hình, tăng hệ số dập vuốt, nâng cao độ chính xác hình dạng [35, 56, 61, 68]

Nhằm tăng mức độ biến dạng của các vật liệu khó biến dạng, giảm áp suất cần thiết trong

15

lòng cối, một phương pháp mới được nghiên cứu và thử nghiệm là sử dụng nguồn chất lỏng cao

áp rung động (sóng va đập thủy lực) Phương pháp này tạo ra những ưu điểm như giảm lực kéo phôi vào trong cối do giảm ma sát giữa phôi và cối Áp suất tạo hình tương đối thấp, thường nằm trong khoảng từ 5 – 30 MPa

Hình 1 13 Hệ thống gia nhiệt trong quá trình dập bằng chất lỏng áp suất cao [35]

Để nâng cao hiệu quả và tạo hình được các chi tiết phức tạp, phương pháp DTT còn được kết hợp với dập vuốt thông thường để tạo ra phương pháp dập thuỷ cơ [52]

c) Phát triển thiết bị và khuôn trong công nghệ DTT

Thiết bị sử dụng trong dập bằng nguồn chất lỏng cao áp thường phức tạp và đòi hỏi có sự chuyên dụng và có khả năng điều khiển được các thông số công nghệ Tác giả Lince P.Sunny, Taylan Altan [63, 94] mô tả thiết bị sử dụng trong DTT phôi tấm gồm máy ép thuỷ lực để đóng khuôn, tạo lực chăn, hệ thống bơm chất lỏng và tăng áp, các hệ thống điều khiển được tích hợp

để đo và thay đổi các thông số công nghệ phụ thuộc vào hành trình (hình 1.14)

16

Hình 1 14 Sơ đồ nguyên lý hệ thống thực nghiệm công nghệ dập thủy tĩnh tấm [94]

Việc phát triển thiết bị chuyên dụng rất được các trường đại học, viện nghiên cứu trên thế giới quan tâm, đặc biệt ở Đức, hệ thống thiết bị hoàn chỉnh đã được nghiên cứu và triển khai công nghiệp [52] (hình 1.15)

Hình 1 15 Hệ thống thiết bị DTT điều khiển theo chương trình [52]

Song song với phát triển hệ thống thiết bị, nhiều nhà kỹ thuật chú trọng phát triển khuôn

có hệ thống chặn thông minh [24, 88] trong đó trên bề mặt chặn có gắn các sensor để xác định chuyển vị vành phôi phôi, từ đó điều khiển lực chặn, áp suất chặn sao cho phù hợp, vừa tạo điều kiện thuận lợi cho biến dạng phôi trên vành, vừa đủ để làm kín khít, tránh làm rò rỉ chất lỏng gây mất áp Các hệ thống chặn áp dụng công nghệ chặn toạ độ, chặn đàn hồi, chặn chủ động, bị động [25, 39] (hình 1.16, 1.17)

17

Hình 1 16 Hệ thống chặn toạ độ điều khiển theo thời gian và hành trình [25]

Hình 1 17 Hệ thống chặn chủ động điều khiển hành trình [25]

18

Hình 1 18 Sơ đồ điều khiển áp lực gioăng làm kín [25]

Việc điều khiển kín khít còn được thực hiện trực tiếp ngay trên gioăng, khi đó lực chặn trên phần vành sẽ giảm, vành phôi không bị nhăn và mức độ biến mỏng phôi cũng giảm đi (hình 1.18)

Klaus Siegert và các cộng sự [52] minh chứng hệ thống chặn điều khiển có thể làm giảm biến mỏng từ 6 đến 11% so với sử dụng tấm chặn cứng, qua đó nâng cao khả năng biến dạng vật liệu, tăng hệ số dập vuốt

Kết cấu khuôn, bề mặt khuôn đặc biệt là độ nhám bề mặt cũng ảnh hưởng nhiều đến khả năng tạo hình vật liệu [82, 86, 89] R Krux đã nghiên cứu với thép DC04 dày 1mm, áp suất tạo hình Pi = 20MPa trong hai trường hợp bề mặt cối có cấu trúc khác nhau Trường hợp 1 mặt cối với độ bóng Ra = 0.48μm, Rz = 2.35 μm Trường hợp 2 bề mặt cối với các gân với chiều rộng 0.735 mm, sâu 0.07mm, khoảng cách gân 2mm Thí nghiệm chỉ ra rằng cấu trúc bề mặt cối cũng như áp lực chặn có ảnh hưởng rất lớn đến chất lượng bề mặt sản phẩm (hình 1.19)

Hình 1 19 Bề mặt cối ảnh hưởng tới khả năng kéo phôi vào trong cối [82]

Kết quả thực nghiệm cho thấy kết cấu cối có gân làm giảm sự kéo phôi vào trong cối do

ma sát lớn và ảnh hưởng của cấu trúc bề mặt cối trong trường hợp có gân lớn hơn rất nhiều trong trường hợp khuôn thông thường khi áp lực trong xi lanh chặn Pbh = 2.0 to 4.0 MPa

d) Về vật liệu sử dụng trong công nghệ DTT

Có nhiều nghiên cứu về các loại vật liệu sử dụng trong công nghệ DTT như thép, nhôm, hợp kim nhôm, đồng, [40, 41, 50] các loại vật liệu khó biến dạng như thép không gỉ, hợp kim magie, titan [31, 48, 52, 53] Các nghiên cứu đã chỉ ra công nghệ DTT phù hợp khi tạo hình các loại vật liệu này

19

1.2.2 Tại Việt Nam

Tại Việt Nam, công nghệ dập tạo hình bằng nguồn chất lỏng cao áp đã được các nhà khoa học quan tâm và nghiên cứu từ 15 năm trở lại đây Các nghiên cứu chủ yếu tập trung vào khảo sát quá trình dập tạo hình thủy tĩnh phôi ống và quá trình dập tạo hình thủy cơ Những nghiên cứu này chủ yếu khảo sát khả năng công nghệ và xác định các thông số cơ bản của quá trình và được thực hiện thông qua các đề tài cấp Nhà nước, cấp Bộ, các luận án tiến sĩ, luận văn thạc sĩ [3-9, 13, 18] Công nghệ DTT mới được các trường đại học lớn quan tâm như Đại học Bách Khoa Hà Nội, Học viện Kỹ thuật quân sự

Nhóm nghiên cứu đề tài cấp Nhà nước mã số KC.05.19 (2002-2004) [5] đã tiến hành thiết

kế hệ thống công nghệ dập thủy tĩnh thành công các chi tiết từ phôi ống, đây là đề tài đầu tiên nghiên cứu về công nghệ dập bằng chất lỏng cao áp tại Việt Nam

Nhóm nghiên cứu đề tài 01C-01/07-2008-2 [3] đã nghiên cứu, thiết kế hệ thống công nghệ dập thành công chi tiết trụ 3 lớp kim loại và chi tiết dạng phức tạp (bình xăng xe Honda) bằng công nghệ dập thủy cơ, mở ra hướng nghiên cứu triển khai ứng dụng công nghệ này vào thực tế

ở Việt Nam

Viện IMI đã thực hiện đề tài [7], kết quả nghiên cứu đã chứng minh những ưu điểm nổi bật của công nghệ dập bằng chất lỏng cao áp và khả năng ứng dụng của công nghệ này vào sản xuất, đề tài cũng đã chế tạo thành công hệ thống khuôn dập thủy tĩnh cặp chi tiết hình cầu từ hai phôi tấm không hàn, chứng minh tính khả thi của công nghệ Năm 2014 Viện IMI tiếp tục tiến

hành thực hiện đề tài “Nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số công nghệ cơ bản trong quá

trình dập tạo hình vật liệu tấm sử dụng chày chất lỏng cao áp”, đề tài đã bước đầu nghiên cứu

ảnh hưởng của các thông số công nghệ như lực chặn, áp suất tạo hình trong quá trình tạo hình thủy tĩnh phôi tấm

Tại các trường đại học và viện nghiên cứu, lĩnh vực dập bằng chất lỏng cao áp cũng được chú ý đến trong những năm gần đây Luận án của TS Nguyễn Văn Thành [13] thực hiện đã nghiên cứu và xác định mối quan hệ tương hỗ giữa các thông số tạo hình, xây dựng miền làm việc và mô hình toán học mối quan hệ thông số công nghệ trong quá trình dập thủy cơ Nghiên cứu này cho thấy sự khác nhau giữa công nghệ dập thủy cơ và dập thủy tĩnh cũng như lĩnh vực ứng dụng của nó Luận án của TS Lê Trung Kiên [9] đã tiến hành nghiên cứu về quá trình tạo hình thủy tĩnh phôi tấm đơn chi tiết dạng bán cầu; nghiên cứu các ảnh hưởng của áp suất, lực chặn đến quá trình tạo hình Luận án của TS Đinh Văn Duy [8] kế thừa và cụ thể hóa mối quan

hệ giữa một số thông số công nghệ trong quá trình DTT phôi tấm cặp Kết quả của các luận án

có tính tham khảo cao

Các công trình nghiên cứu trên cho thấy việc nghiên cứu về công nghệ DTT ở Việt nam vẫn còn rất mới mẻ, những nghiên cứu trên mới chỉ ở giai đoạn ban đầu, vẫn còn nhiều vấn đề khoa học cần được nghiên cứu sâu hơn nữa

1.3 Phân tích đánh giá các nghiên cứu hiện nay

Khảo sát các công trình nghiên cứu của các nhà khoa học trên thế giới cho thấy công nghệ DTT đa dạng, có nhiều ưu điểm trong ứng dụng công nghiệp Tuy nhiên rất nhiều thông số công nghệ, thông số khuôn ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm cũng như khả năng công nghệ như lực chặn, áp suất tạo hình, ma sát, nhiệt độ, hình dạng kích thước khuôn Các thông số này thường có mối quan hệ với nhau và cần phải xác định một cách chính xác để có thể lựa chọn

20

được chế độ tạo hình tối ưu cũng như lựa chọn thiết bị và lập trình điều khiển cho quá trình tạo hình Các thông số này thường khó xác định bằng phương pháp giải tích, mà cần có phương pháp phù hợp như kết hợp phân tích lý thuyết, mô phỏng số và thực nghiệm

Những vấn đề đã được các tác giả trong nước và trên thế giới thực hiện bao gồm:

- Xây dựng sơ đồ, nguyên lý quá trình DTT; các trạng thái ứng suất, ứng suất dư; các hiện tượng hỏng của sản phẩm;

- Xác định ảnh hưởng của áp suất chất lỏng tạo hình tới việc tạo hình sản phẩm dạng bán cầu, dạng cầu;

- Xác định ảnh hưởng của bề mặt cối, ma sát trong quá trình tạo hình;

- Xác định ảnh hưởng của vật liệu: đồng, thép, titan, magie, nhôm trong quá trình DTT;

- Đã có những nghiên cứu về các phương pháp DTT nhằm làm tăng năng suất cũng như khả năng tạo hình như dập cặp chi tiết, DTT kết hợp dập vuốt thuông thường, DTT kết hợp DTC; phương pháp gia nhiệt trong quá trình DTT phôi tấm ;

- Xây dựng được hệ thống chặn thông minh, điều khiển theo hành trình, hệ thống chặn đàn hồi nhằm làm tăng mức độ kéo phôi trong quá trình DTT;

Những vấn đề chưa được khai thác rõ hoặc chưa được nghiên cứu bao gồm:

- Đối với chi tiết dạng trụ, cơ chế tạo hình khác so với chi tiết dạng cầu, tuy nhiên chưa

có nghiên cứu nào làm rõ vấn đề này;

- Chưa có công trình nào làm rõ mối quan hệ giữa các yếu tố về thông số công nghệ, hình dạng hình học cối tới khả năng tạo hình sản phẩm trụ một cách khái quát, cụ thể:

+ Mối tương quan giữa các yếu tố công nghệ với nhau trong tạo hình chi tiết dạng trụ chưa

có công trình nào trình bày một cách rõ ràng;

+ Ảnh hưởng của các thông số về hình dạng hình học khuôn đã có một số nghiên cứu, tuy nhiên nghiên cứu về chiều sâu tương đối của cối tới khả năng tạo hình sản phẩm chưa được nêu rõ;

+ Bán kính miệng cối đã có nhiều công bố, tuy nhiên chưa có công bố về ảnh hưởng của bán kính đáy cối tới khả năng tạo hình của sản phẩm;

- Tại Việt Nam, việc thiết kế, xây dựng, chế tạo hệ thống khuôn dập tích hợp với hệ thống

đo có khả năng triển khai thực tiễn là vấn đề rất quan trọng để nghiên cứu công nghệ DTT, tuy nhiên cũng chưa có hệ thống thiết bị phù hợp cho DTT chi tiết trụ;

Từ những phân tích và nhận định trên, trong khuôn khổ nghiên cứu của luận án này, tác giả sẽ tập trung nghiên cứu xác định mối quan hệ giữa các thông số công nghệ và thông số hình học cối tới khả năng tạo hình và chất lượng sản phẩm trong DTT phôi tấm để tạo hình chi tiết trụ, từ đó xác định chế độ công nghệ phù hợp nhằm đạt được sản phẩm tốt nhất

1.4 Cơ sở lý thuyết về dập thủy tĩnh phôi tấm

1.4.1 Quá trình DTT phôi tấm

Quá trình DTT phôi tấm có thể được mô tả như hình 1.20 dưới dây Đầu tiên phôi tấm đặt trên cối, được kẹp chặt giữa tấm chặn và cối nhờ lực đóng khuôn Chất lỏng được bơm vào

21

khuôn nhờ thiết bị cấp chất lỏng và kênh dẫn trên tấm chặn Áp suất chất lỏng tăng dần, tác dụng vào bề mặt phôi tấm làm phôi biến dạng, biến dạng tự do cho đến khi tiếp xúc với đáy cối Chất lỏng tiếp tục tăng áp suất ép phôi biến dạng theo các vị trí góc lồi lõm trong lòng cối Quá trình này kết thúc khi phôi tấm điền đầy hoàn toàn lòng cối và hình thành sản phẩm dập có biên dạng và kích thước theo hình dạng và kích thước của cối

Như vậy, quá trình DTT phôi tấm có thể chia thành 3 giai đoạn chính:

- Giai đoạn 1: đóng khuôn Phôi tấm được định vị và kẹp chặt giữa vành cối và tấm chặn nhờ lực chặn, sau đó chất lỏng được bơm vào khuôn, tác dụng vào bề mặt phôi tấm

- Giai đoạn 2: tạo hình tự do Phôi tấm bị kéo vào lòng cối dưới tác dụng của áp suất chất lỏng, phôi phồng lên và hình thành dạng chỏm cầu

- Giai đoạn 3: điền đầy lòng khuôn Áp suất chất lỏng tăng cao, đủ lớn để ép phôi kim loại biến dạng vào các vị trí góc lượn đáy cối và tạo ra hình dạng sản phẩm

Theo sơ đồ biểu diễn và phân tích các giai đoạn tạo hình, có thể thấy những thông số cơ bản sau đây ảnh hưởng đến quá trình tạo hình phôi tấm:

- Thông số công nghệ:

+ Áp suất chất lỏng công tác Pth làm phôi biến dạng theo biên dạng lòng cối Như vậy, áp suất chất lỏng sẽ tăng dần làm phôi biến dạng tự do cho đến khi phôi điền đầy lòng cối Thực tế cho thấy, giá trị áp suất tạo hình là thông số phụ thuộc áp suất chặn Nghĩa là với một giá trị áp suất chặn xác định, chỉ tồn tại một giá trị áp suất tạo hình cao nhất có thể

+Áp suất chặn Qch giữ không bị mất ổn định, không bị nhăn trên vành trong quá trình biến dạng, giữ kín để chất lỏng trong lòng cối không thoát ra trên vành gây mất áp, đồng thời không quá lớn để có thể kéo phôi vào lòng cối trong quá trình biến dạng (trường hợp DTT có dịch chuyển phôi trên mặt bích hay mặt vành)

+ Biên dạng phôi, kích thước và chiều dày phôi

22

Hình 1 20 Sơ đồ quá trình DTT phôi tấm

Để đánh giá được ảnh hưởng của các thông số công nghệ này, cần thiết phải khảo sát cơ

sở lý thuyết của bài toán DTT tức là phân tích ứng suất, biến dạng, áp suất chất lỏng tạo hình, lực chặn trong các giai đoạn biến dạng khác nhau

1.4.2 Giai đoạn biến dạng tự do

Giai đoạn biến dạng tự do được bắt đầu từ khi phôi bị phồng dưới tác dụng của áp suất chất lỏng cho đến khi phôi chạm vào đáy cối (hình 1.21)

Hình 1 21 Giai đoạn biến dạng tự do [77]

Vùng phôi bị kéo căng tự do, ứng suất xuất hiện trong phôi do áp suất chất lỏng tác dụng vào bề mặt phôi Vùng phôi trên vành bị nén dưới tác dụng của lực chặn và có trạng thái ứng suất, biến dạng tương tự như dập vuốt truyền thống

Có 4 vị trí cần khảo sát trong giai đoạn này như trên hình 1.22, trong đó điểm A trên vành phôi, B tại vị trí mép cối, điểm C và P nằm trên phôi đang biến dạng tự do với P là vị trí đỉnh chỏm cầu có mức độ biến dạng lớn nhất

23

Hình 1 22 Các vùng biến dạng trên phôi [15]

Khảo sát bài toán theo hệ toạ độ chính (0,1,2,3) trong đó phương 1 tương ứng với phương phôi kim loại kéo vào lòng khuôn, phương 2 theo phương của lực tác dụng (như trong dập vuốt truyền thống) hay phương của lực chặn, phương 3 theo phương tiếp tuyến Hình 1.23 biểu diễn trạng thái ứng suất và biến dạng của vành phôi, vùng biến dạng tự do và vùng phôi chạm đáy cối

Hình 1 23 Trạng thái ứng suất và biến dạng của phôi trong DTT phôi tấm [86]

Vành phôi, điểm A

Trên vành phôi, ứng suất 1 xuất hiện do phôi kim loại bị kéo vào lòng khuôn, ứng suất 2

do tấm chặn tác dụng lực nén lên vành phôi, ứng suất 3 là ứng suất nén trên vành, ứng suất này gây ra nhăn phôi trên vành Đối với DTT cần lưu ý thành phần ứng suất 2 bởi nếu gây ra nhăn

sẽ tạo ra khe hở giữa phôi và chặn làm cho chất lỏng trong lòng khuôn trào ra ngoài và bị mất

24

Trong đó:

- μ là hệ số ma sát giữa phôi và tấm chặn, phôi và vành cối;

- f là ứng suất chảy của vật liệu;

- χ là hệ số hiệu chỉnh;

- Pn là áp suất trên vành phôi dưới tác dụng của lực chặn Qch’;

- So là chiều dày phôi;

Trên vành, phôi có thể bị biến dày Biến dạng tuân theo mối quan hệ sau [11]:

R

1 2 lnR

Phôi tiếp xúc và bị uốn, vuốt theo góc lượn miệng cối, điểm B

Trạng thái ứng suất, biến dạng của vùng này tương tự như dập vuốt truyền thống Tại điểm

B, ứng suất 1 đạt giá trị lớn nhất khi phôi bị kéo vào lòng khuôn

1 lnr

Vùng biến dạng tự do, điểm C: Phôi bị biến dạng kéo căng dưới tác dụng của áp suất Pth,

bị biến mỏng có nghĩa là chiều dày phôi giảm đi Giá trị biến mỏng sẽ lớn nhất tại điểm P Giá trị ứng suất có thể xác định theo công thức:

P 1

P

1 .p

2 s



Trong đó:

Sp là chiều dày tại điểm P;

ρplà bán kính cong ở thời điểm xét như hình 1.24;

Tại vị trí P trong giai đoạn biến dạng tự do, giá trị ứng suất 1 đạt đến giới hạn chảy, sự phá hủy (rách) sẽ xảy ra khi biến mỏng quá lớn Hiện tại, chưa có một công thức giải tích nào cho phép xác định chính xác giá trị biến mỏng Tuy nhiên, ta có thể phân tích bài toán và xác định trong trường hợp coi phôi không bị kéo từ vành vào lòng khuôn

25

Hình 1 24 Quá trình biến dạng tự do của tấm [77]

Xét tại điểm P bất kỳ trên vùng tấm bị phồng, có thể xác định biến dạng thông qua các quan

hệ hình học của bài toán:

- Biến dạng hướng vĩ tuyến:

(1.7)

Từ (1.5 ÷ 1.7) và các quan hệ hình học có được:

(1.8) Với:

26

hay Hằng số C có thể tìm ra từ điều kiện biên:

Ta được:

(1.10)

Do đó, bán kính ro được xác định như sau:

(1.11) Với các giá trị r, ro, dr, dro, a, h, ρ được thể hiện ở hình 1.24, xác định được các giá trị biến dạng:

(1.12) Biến dạng cực đại xảy ra tại đỉnh khi ro = r = 0

(1.13)

Từ đó, có thể xác định được áp suất cần thiết để tạo hình trong giai đoạn biến dạng tự do dựa trên điều kiện cân bằng tại đỉnh chỏm cầu:

(1.14)

1.4.3 Giai đoạn điền đầy lòng cối

Phôi tấm dưới tác dụng của áp suất chất lỏng lòng cối bị nén, ép sát vào biên dạng của lòng cối, điền đầy các vị trí góc lượn, hay những vị trí lồi lõm của lòng cối

Trạng thái ứng suất và biến dạng được biểu diễn như trên hình 1.23 (vùng đáy tiếp xúc với bề mặt cối)

Khi điền đầy lòng cối, áp suất chất lỏng Pth sẽ tăng cao hơn nhiều so với giai đoạn biến dạng tự do Qua phân tích lý thuyết cho thấy, những vùng đáy phẳng, kim loại sẽ điền đầy trước bởi áp suất chất lỏng cần thiết chỉ là áp suất chất lỏng tạo hình Tuy nhiên, những vị trí góc lượn,

áp suất chất lỏng sẽ lớn hơn nhiều bởi phải cần thêm một áp lực để thắng lại cản trở của kim

Theo [77] áp suất cần thiết khi tính đến dịch chuyển phôi trên vành để bổ sung kim loại trong lòng cối không bị biến mỏng quá lớn có thể xác định theo công thức kinh nghiệm:

Trong đó:

So – chiều dày vật liệu

m – giới hạn bền của vật liệu

rmin– bán kính trong nhỏ nhất của sản phẩm dập Trường hợp với các chi tiết có hình dạng phức tạp, tạo hình với các biên dạng lòng cối có bán kính góc lượn khác nhau, cho đến nay chưa có một lý thuyết nào tính toán chính xác thông

số áp suất tạo hình, hầu hêt trong nghiên cứu, các nhà kỹ thuật phải sử dụng phương pháp MPS kết hợp với thực nghiệm để xác định thông số này

Lực chặn sẽ ảnh hưởng trực tiếp tới quá trình dập tạo hình và chất lượng sản phẩm Lực chặn không chỉ làm thay đổi sơ đồ trạng thái ứng suất biến dạng tại phần vành mà còn có tác dụng tạo lực cản trở không cho chất lỏng thoát ra trên phần vành (trong trường hợp đảm bảo kín khít, thường các nhà kỹ thuật vẫn phải sử dụng gioăng làm kín) mà còn chống nhăn cho vành phôi và tạo điều kiện để phôi kéo vào lòng cối Như vậy, lực chặn phôi phải thỏa mãn 3 điều kiện:

- Trị số của nó không quá lớn gây cản trở quá trình kéo phôi vào lòng cối gây biến mỏng quá mức hoặc phá hủy phôi trong quá trình dập

- Lực chặn không quá nhỏ dẫn đến hiện tượng nhăn tại vành phôi

- Đảm bảo làm kín khuôn tránh hiện tượng rò rỉ chất lỏng gây mất áp suất trong lòng cối Lực chặn phôi trong công nghệ DTT có mối quan hệ mật thiết với áp suất lòng cối, vật liệu phôi, hệ số dập vuốt, trạng thái bề mặt chặn, ma sát giữa phôi và cối…v.v

Lực chặn phôi chủ yếu được xác định bằng công thức thực nghiệm Trong nghiên cứu, các nhà kỹ thuật áp dụng MPS để khảo sát và xác định miền lực chặn phù hợp cho công nghệ Trong DTT phôi tấm, ngoài lực giữ cho vành phôi không mất ổn định trong quá trình tạo hình Q2, lực chặn còn cần thêm thành phần lực Q1 chống lại lực do chất lỏng trong lòng cối đẩy ngược lại, với:

28

Q1 = k.Pth.A (1.16) Như vậy lực chặn trong công nghệ DTT được tính:

Qch’ = Q1 + Q2 (1.17) Với:

- Q1 – lực chống rò rỉ chất lỏng áp suất cao

- Q2 – lực chặn chống mất ổn định phôi trong quá trình tạo hình thông thường [11]

- k - hệ số (k=1.1÷1.3)

- Pth- áp suất tạo hình

- A - diện tích hình chiếu bề mặt lòng cối

Để xác định sơ bộ lực chặn trong việc lựa chọn máy ép làm nhiệm vụ đóng khuôn, ta có thể áp dụng các công thức (1.17)

1.4.4 Thông số hình học khuôn, phôi

Trong các mục trên đã phân tích, hình dạng sản phẩm phụ thuộc vào hình dạng của cối tạo hình Khi lựa chọn các kích thước hình học của cối như chiều sâu h, kích thước miệng cối

có thể là diện tích, đường kính hoặc chiều dài chiều rộng cần lưu ý đến tương quan giữa các kích thước này như h/Do và So/Do

Thông số bán kính lượn miệng cối Rmc liên quan đến khả năng kéo vật liệu vào lòng cối Bán kính lượn ở miệng cối nhỏ sẽ cản trở việc kéo phôi vào lòng cối, gây biến mỏng phôi dẫn đến phá hủy vật liệu Bán kính lượn ở miệng cối quá lớn thì sẽ làm phôi khó được kéo hết vào cối, và bán kính lớn có thể gây phôi mất ổn định ngay trên miệng Bởi vậy bán kính lượn của cối thường được chọn trong giới hạn cho phép, phụ thuộc vào chiều dày vật liệu, loại vật liệu

và mức độ thu nhỏ đường kính Trị số bán kính lượn của cối khi dập vuốt hình trụ có thể xác định theo công thức [11] :

R mc 0.8 (D od s) o (1.18) Trong đó:

- D o – đường kính phôi

- d – đường kính sản phẩm

- S o – chiều dày ban đầu của phôi

Từ công thức (1.18) có thể tính được bán kính lượn miệng cối Tuy nhiên, giá trị bán kính miệng cối thường phụ thuộc cả vào yêu cầu sản phẩm Thông thường bán kính góc lượn miệng cối không được nhỏ hơn chiều dày phôi, trong trường hợp bán kính góc lượn miệng cối nằm trong phạm vi từ 3So đến 6So thì đảm bảo khả năng kéo kim loại vào lòng cối và kim loại sẽ ôm hoàn toàn vào góc lượn miệng cối dưới tác dụng của áp suất chất lỏng tạo hình

Trong trường hợp tạo hình chi tiết phức tạp, đáy cối thường có biên dạng giống như sản phẩm Nếu bán kính góc lượn lớn, sản phẩm dễ dàng đạt được bán kính góc lượn theo yêu cầu Nhung nếu bán kính góc lượn nhỏ, để đạt được giá trị chính xác bán kính theo yêu cầu thì phôi kim loại phải điền đầy hết lòng không, tức là áp suất chất lỏng phải đạt giá trị đủ lớn

Trong thực tế công nghệ, cần chú ý nếu áp suất chất lỏng cần thiết để điền đầy quá lớn, kết cấu máy và khuôn không đủ cứng vững sẽ đẩy ngược tấm chặn lên trên, tạo khe hở giữa tấm chặn và phôi, gây mất ổn định trên vành và làm chất lỏng công tác bị mất áp Nếu áp suất chất

29

lỏng chưa đủ lớn thì việc điền đầy bán kính góc lượn nhỏ sẽ rất khó đạt được Chính vì vậy, việc xác định áp suất chất lỏng bằng bao nhiêu để đảm bảo điền đầy cối sẽ rất quan trọng

Nhiều công trình nghiên cứu [8, 9, 68, 84, 96] đã chỉ ra rằng việc đạt được các vị trí lồi rất

dễ đạt được, bởi kim loại bị uốn và ôm sát ngay vào góc lượn dưới tác dụng của áp suất chất lỏng Đối với các vị trí lõm trên khuôn, việc đạt được bán kính lại rất khó bởi khi đó áp suất phải đủ lớn để thắng được trở lực kim loại biến dạng tại vùng góc lượn này (hình 1.25) Áp suất chất lỏng phụ thuộc bán kính góc lượn và cả độ lớn của tiết diện ngang miệng cối

Hình 1 25 Các bán kính góc lượn đáy cối

Thông số hình học của phôi ảnh hưởng trong quá trình DTT, chiều dày tương đối phôi và đường kính phôi so với đường kính cối cũng sẽ quyết định giá trị của các thông số công nghệ bởi có liên quan tới mức độ biến dạng của vật liệu

1.5 Xác định mục tiêu và đối tượng nghiên cứu của luận án

Qua các khảo sát về các công trình nghiên cứu và cơ sở lý thuyết của công nghệ DTT, luận án xác định:

• Mục tiêu nghiên cứu cụ thể:

- Xác định ảnh hưởng của thông số áp suất chặn Qch, chiều sâu tương đối của cối H* và chiều dày tương đối của phôi S* tới áp suất tạo hình cần thiết Pth để tạo ra sản phẩm đạt yêu cầu theo biên dạng kích thước thiết kế

- Xác định ảnh hưởng của các thông số Qch, H*, S* tới việc hình thành bán kính đáy sản phẩm Rd

- Xác định ảnh hưởng của các thông số Qch, H*, S* tới mức độ biến mỏng lớn nhất của sản phẩm γmax

- Dựa trên việc xác định được mối quan hệ hàm số Pth = f(Qch, H*, S*); Rd = f(Qch, H*, S*) và γmax = f(Qch, H*, S*), đánh giá ảnh hưởng của các thông số công nghệ, thông số kích thước khuôn và phôi tới quá trình tạo hình sản phẩm, đồng thời lựa chọn thông số công nghệ hợp lý cho quá trình tạo hình chi tiết cốc trụ

- Xây dựng hệ thống khuôn, thiết bị phù hợp với điều kiện nghiên cứu có thể áp dụng trong công nghiệp

• Đối tượng nghiên cứu:

- Chi tiết có dạng trụ - đây là chi tiết điển hình, cơ bản trong công nghệ dập vuốt nói chung (hình 1.26) Các kết quả nghiên cứu trên chi tiết trụ có thể làm cơ sở để nghiên cứu các chi tiết khác có hình dạng phức tạp khác;

30

- Vật liệu: DC04 với dải chiều dày phổ biến trong công nghiệp là (0.8 ÷1.2) mm

Hình 1 26 Chi tiết lựa chọn để nghiên cứu

Kết luận chương 1

Qua phân tích về các nghiên cứu về công nghệ DTT trong nước và trên thế giới cho thấy công nghệ này có nhiều ưu điểm trong việc tạo hình các chi tiết từ phôi tấm Đồng thời cũng cho thấy các thông số về hình dạng hình học của khuôn như chiều sâu, đường kính, bán kính góc lượn lồi và lõm cũng như các thông số công nghệ trong quá trình DTT ảnh hưởng rất lớn tới khả năng tạo hình và chất lượng sản phẩm

Thông qua nghiên cứu tổng quan, luận án xác định được mục tiêu và đối tượng cần nghiên cứu, cụ thể:

- Xác định mối quan hệ hàm số Rd = f(Qch, H*, S*), γmax = f(Qch, H*, S*) và Pth = f(Qch, H*, S*); đánh giá ảnh hưởng của các thông số (Qch, H*, S*) tới việc tạo hình sản phẩm, đồng thời lựa chọn thông số công nghệ hợp lý cho quá trình tạo hình chi tiết cốc trụ (hình 1.26);

- Xây dựng hệ thống thiết bị thực nghiệm phù hợp để nghiên cứu DTT chi tiết cốc trụ có thể áp dụng trong công nghiệp;

Kết quả nghiên cứu của luận án sẽ giúp nắm bắt và từng bước làm chủ công nghệ DTT, tạo điều kiện sớm áp dụng vào thực tiễn công nghiệp trong nước

Từ nghiên cứu lý thuyết cho thấy, chưa có mô hình toán học để xác định mối quan hệ giữa các thông số (Qch, H*, S*) với các thông số (Rd, γmax, Pth) Do vậy cần thiết phải sử dụng mô phỏng số để xác định xu hướng ảnh hưởng cũng như giới hạn miền làm việc hiệu quả của các thông số công nghệ, phục vụ cho các nghiên cứu thực nghiệm

31

CHƯƠNG 2 NGHIÊN CỨU BẰNG MÔ PHỎNG SỐ QUÁ TRÌNH DẬP THỦY TĨNH

PHÔI TẤM 2.1 Mô phỏng số trong gia công áp lực

2.1.1 Giới thiệu về mô phỏng số

Hiện nay, có hai phương pháp mô phỏng được sử dụng có hiệu quả trong ngành Gia công

áp lực là mô phỏng vật lý và mô phỏng số (MPS)

Mô phỏng vật lý:

Mô phỏng vật lý là một phương pháp thực nghiệm gián tiếp được sử dụng nghiên cứu quá trình biến dạng để quan sát và nghiên cứu ảnh hưởng các yếu tố công nghệ đến biến dạng Phương pháp sử dụng một vật liệu tương tự, kích cỡ mô hình có thể nhỏ hơn, một số điều kiện khác được bỏ qua

Phương pháp được sử dụng khi xác định các yếu tố công nghệ khi gia công áp lực một sản phẩm mới và sử dụng để dạy học trực quan Ví dụ như mô phỏng vật lý quá trình dập khối quá trình rèn một phôi trụ, mô phỏng vật lý giúp có được những đánh giá định hướng về phân

bố dòng chảy của kim loại trong quá trình rèn nhưng không cho phép tính toán chính xác trạng thái trạng thái ứng suất và biến dạng trong quá trình tạo hình [10]

MPS và công nghệ thực - ảo:

Khác với mô phỏng vật lý, MPS được thực hiện nhờ trợ giúp của máy tính MPS xây dựng

mô hình hình học, đúng hình dáng kích thước khuôn, phôi liệu, chày cối; MPS định nghĩa đúng vật liệu (đưa các thuộc tính vật liệu) vào các đối tượng của mô hình đã dựng trên;

MPS sử dụng các thuật toán để tính toán quá trình biến dạng của vật liệu, theo các lý thuyết, các tính toán công nghệ đã được tiến hành trước Các tính toán trên được đưa thành thuật toán máy tính, nhờ tích hợp thành các phần mềm tính toán với các công cụ tính toán hiện đại như phương pháp PTHH, sai phân hữu hạn, biến phân hoặc phần tử biên Đồng thời sử dụng các phép giải bài toán phương trình vi phân, phương pháp tính, giải các bài toán tương tác, đa trường vật lý

Khi thực hiện MPS, các giai đoạn thiết kế, hiệu chỉnh thiết kế được thực hiện trên máy tính, nên có khả năng tính toán với nhiều biến khác nhau, đưa được đầy đủ các điều kiện biên, các thuộc tính vật lý vật liệu, kể cả các thuộc tính biến đổi theo các hàm số [10]

MPS được thực hiện bằng nhiều phương pháp tính khác nhau: phương pháp phần tử hữu hạn (PTHH), sai phân hữu hạn, biến phân … Mỗi một phương pháp đều có những ưu điểm riêng, tuy nhiên áp dụng phổ biến nhất để khảo sát các bài toán cơ học nói chung và các bài toán trong GCAL nói riêng là phương pháp PTHH bởi nó có thể giải quyết các bài toán với miền xác định bất kỳ và điều kiện biên phức tạp

2.1.2 Ưu điểm của mô phỏng số

Việc sử dụng MPS để mô phỏng quá trình dập tạo hình trong công nghệ GCAL đã và đang được ứng dụng trong nghiên cứu khoa học và thực tế sản xuất, MPS được coi là hướng phát triển của công nghệ cao bởi:

32

- Mô phỏng cho kết quả chính xác với sai số cho phép, dự báo các sai hỏng có thể xảy ra,

từ đó đưa ra các quyết định công nghệ hợp lý để nâng cao chất lượng sản phẩm, tối ưu hóa quá trình

- Rút ngắn thời gian thay đổi mẫu mã, hình dáng, thiết kế, chế tạo sản phẩm

- Giảm chi phí sản xuất

- Xác định được vật liệu phù hợp thông qua mô phỏng

2.1.3 Xác định, lựa chọn phần mềm mô phỏng số

Trên thế giới hiện nay có rất nhiều phần mềm MPS quá trình dập tạo hình dựa trên nguyên

lý phương pháp PTHH, phạm vi và khả năng tính toán ngày càng được nâng cao Phần mềm được lựa chọn để nghiên cứu quá trình dập tạo hình phôi tấm bằng nguồn chất lỏng áp suất cao cần phải đảm bảo các yêu cầu sau:

- Khảo sát được ảnh hưởng của các thông số công nghệ: áp suất chặn, áp suất tạo hình, chiều sâu tương đối, biến mỏng trong quá trình DTT

- Phù hợp với các phần mềm thiết kế đã học để nhập mô hình hình học, cài đặt các điều kiện biên phù hợp với thực tế thực nghiệm;

- Có khả năng lựa chọn, nhập các thông số mô hình vật liệu thí nghiệm để có kết quả mô phỏng sát với thực tế

Căn cứ vào các yêu cầu trên, trong phần nghiên cứu của luận án sẽ lựa chọn sử dụng phần mềm DYNAFORM để nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số công nghệ trong quá trình dập tạo hình, kết quả mô phỏng sử dụng DYNAFORM đã được chứng minh là tương đồng với kết quả sản xuất thực tế thông qua các đề tài nghiên cứu [3, 7, 8, 9, 13, 18] DYNAFORM là một gói phần mềm phân tích mô phỏng tạo hình kim loại tấm trên phần mềm gốc LS-DYNA được phát triển bởi Engineering Technology Associates, Inc Đặc điểm của phần mềm là kết hợp cả hai giải thuật Implicit và Explicit để giải quyết bài toán nên kết quả có độ chính xác cao DYNAFORM có nét đặc trưng là dữ liệu bề mặt được định nghĩa hợp lý để có thể dự đoán chính xác vùng nhăn, vùng rách, độ biến mỏng, vùng an toàn, có thể dự đoán hiệu ứng đàn hồi [33]

2.2 Nghiên cứu quá trình dập thủy tĩnh phôi tấm với phần mềm Dynaform

2.2.1 Lựa chọn chi tiết

Với các phân tích ở chương 1, chi tiết trụ được lựa chọn để nghiên cứu có kích thước như trên hình 1.26

Việc lựa chọn chi tiết trụ là một trong những dạng cơ bản để phù hợp với mục tiêu nghiên cứu về hình dạng cơ bản của khuôn và bán kính góc lượn đáy (Rd) Từ chi tiết trụ có thể phát triển lên những chi tiết có bề mặt phức tạp hơn

Mục tiêu của MPS là xác định thông số lực chặn/áp suất chặn, chiều sâu tương đối của cối thủy tĩnh và chiều dày tương đối của phôi tới áp suất chất lỏng tạo hình, bán kính đáy và mức

độ biến mỏng lớn nhất của sản phẩm

Với kích thước sản phẩm lựa chọn ta có:

- Đường kính phôi: Do = 110 mm

2.2.2 Vật liệu phôi

Vật liệu sử dụng để nghiên cứu thực nghiệm là thép DC04 có chiều dày S0 = 0.8; 1.0; 1.2

mm Đây là vật liệu chuyên dùng trong dập tấm và được sử dụng rất phổ biến trong công nghiệp ôtô, các tính chất của vật liệu thực nghiệm như sau:

Bảng 2 1 Thành phần hóa học của thép DC04 [47]

Vật liệu DC04 đang xét có hệ số dập vuốt tới hạn [m] = 0.53, như vậy việc lựa chọn kích thước sản phẩm và phôi có hệ số dập vuốt m=0.63 là hợp lý để đủ dập 1 lần

σf(Mpa)

δ (%)

ρ (kg/cm3)

Russia-GOST 08kp Japan-JIS SPCE

2.2.3 Thiết lập bài toán

Tiến trình thiết lập mô phỏng xác định ảnh hưởng của các thông số công nghệ trong quá trình dập tạo hình bằng công nghệ DTT đối với chi tiết trụ được thực hiện theo các bước:

- Xây dựng mô hình hình học

- Chia lưới mô hình PTHH

- Thiết lập mô hình vật liệu

- Thiết lập các điều kiện biên

a) Xây dựng mô hình hình học

Mô hình hình học (bao gồm phôi, cối và chặn) dựa trên yêu cầu chính xác của sản phẩm

và bề mặt khuôn dập tạo hình thực tế (hình 2.1)

34

Hình 2 1 Mô hình khuôn (chưa chia lưới) và mô hình phôi

Mô hình hình học được chia lưới phần từ để phù hợp với quá trình tính toán bằng phần

tử hữu hạn (PTHH) (hình 2.2):

Hình 2 2 Mô hình hình học đã chia lưới b) Mô hình vật liệu

Hình 2 3 Đường cong ứng suất – biến dạng của vật liệu DC04

Vật liệu luôn là yếu tố đầu vào hết sức quan trọng và quyết định tính chính xác cũng như

độ tin cậy của một quá trình công nghệ Trong MPS cần đưa vào đường cong chảy và các thông

số cơ học của vật liệu

Phôi tấm được cán nguội, sau đó được ủ để đồng đều lại ứng suất Giả thiết rằng vật liệu đẳng hướng Do vây, khi thực hiện thí nghiệm thử cơ tính đối với vật liệu DC04, xác định được đường cong ứng suất và biến dạng của vật liệu như trên hình 2.3

35

c) Thiết lập điều kiện biên

- Điều kiện tiếp xúc: Do đây là bài toán dập vuốt bằng chất lỏng cao áp nên việc kéo phôi

vào từ vành phôi rất quan trọng nhằm giảm biến mỏng và tạo điều kiện thuận lợi cho ép sát lòng khuôn Theo các tài liệu nghiên cứu trên thế giới [32, 37, 64] chỉ ra rằng ma sát giữa phôi và vành cối, phôi và chặn đóng vai trò quan trọng trong quá trình tạo hình DTT Hệ số ma sát thường nằm trong khoảng µ = (0.08÷0.25) Ngoài ra, để phù hợp với nghiên cứu thực nghiệm

có sử dụng bôi trơn bằng nhựa polythen sau này, nên hệ số ma sát giữa phôi và bề mặt cối cũng như giữa phôi là tấm chặn được lựa chọn là µ = 0.2;

- Điều kiện biên chuyển vị:

Cối đứng yên;

Phôi bị kéo vào lòng cối dưới tác dụng của áp suất chất lỏng;

Quá trình kết thúc khi phôi điền đầy lòng cối

- Điều kiện biên về thông số công nghệ:

Áp suất chặn Qch: lựa chọn giá trị áp suất chặn dựa vào các nghiên cứu trên thế giới [58, 86] cho sản phẩm có kích thước tương tự và khảo sát cụ thể miền giá trị phù hợp bằng mô phỏng thử nghiệm

Áp suất tạo hình Pth: lựa chọn giá trị áp suất chất lỏng tạo hình dựa trên các nghiên cứu cho sản phẩm có kích thước tương tự [58, 86] và quá trình thử nghiệm mô phỏng

d) Chọn bài toán

Mô hình sau khi được thiết lập vào phần mềm Dynaform có thể tiến hành tính toán mô phỏng Mô hình bài toán DTT tấm đơn được lựa chọn trong phần mềm

2.2.4 Các thông số đầu vào và đầu ra của bài toán mô phỏng

Các thông số về phôi được cho trong bảng 2.3

độ tạo hình khác nhau Các thông số của cối chất lỏng được cho trong bảng 2.4

Bảng 2 4 Thông số của cối chất lỏng

Chiều sâu cối hi hi = 16, 18, 20 mm

36

Chiều sâu tương đối của cối H*= ℎ𝑖

Bảng 2 5 Thông công nghệ số đầu vào trong quá trình tạo hình

Áp suất chặn phôi Qch Qch = 25 ÷ 125 (bar)

Bảng 2 6 Các thông số mục tiêu đầu ra trong quá trình tạo hình

Áp suất tạo hình Pth (bar)

Bán kính đáy sản phẩm Rd (mm)

Mức độ biến mỏng lớn nhất của sản phẩm γmax (%)

Theo nghiên cứu [19], áp suất tạo hình và áp suất chặn vành phôi có quan hệ mật thiết với nhau, với một áp suất tạo hình xác định, sẽ tồn tại một giá trị lực chặn tối đa để chất lỏng không

bị mất áp Do vậy, thực tế việc tạo hình bán kính đáy sản phẩm Rd sẽ phụ thuộc vào các yếu tố như: áp suất chặn (hay lực chặn), chiều sâu cối, chiều dày phôi, ma sát,…v.v Trong các mô phỏng dưới đây, để tình trạng bôi trơn tốt, hệ số ma sát được lấy là µ=0.2

2.2.5 Xác định miền áp suất chặn thích hợp

Áp suất chặn được coi là thích hợp khi đảm bảo được các yêu cầu đối với sản phẩm như:

- Chiều sâu tương đối H* phải đảm bảo theo thiết kế;

- Tạo hình được sản phẩm phải có dạng hình trụ với bán kính đáy Rd;

Khảo sát trường hợp chiều dày tương đối phôi S* = 0.73, có chiều sâu H* = 23, kết quả

mô phỏng chỉ ra rằng, với áp suất chặn Qch ≤ 25 bar thì sản phẩm dập bị nhăn phần vành, chưa tạo ra được sản phẩm dạng trụ, giá trị áp suất tạo hình Pth khi đó là Pth ≤ 28 bar Sản phẩm vẫn trong giai đoạn tạo hình tự do, chưa chạm tới đáy cối (hình 2.4)

Với áp suất chặn Qch = (25 ÷60) bar, sản phẩm không bị nhăn vành, tuy nhiên chưa tạo hình được chi tiết có dạng trụ đạt kích thước về chiều sâu h (hình 2.5)

Với khoảng áp suất chặn Qch = (60÷125) bar, chi tiết dập tạo hình đảm bảo yêu cầu về chiều sâu tương đối của cối H*, có dạng hình trụ và đáp ứng bán kính Rd Hình 2.6 thể hiện sản phẩm đạt khi áp suất chặn Qch = 90 bar – nằm trong khoảng áp suất phù hợp

Hình 2 4 Sản phẩm mô phỏng tại áp suất chặn Q ch = 25 bar

38

- Khi áp suất chặn tăng trên giá trị Qch=125 bar kết quả mô phỏng hình 2.7 cho thấy có sự thay đổi về màu sắc trên thân sản phẩm dập, vùng màu đỏ bắt đầu xuất hiện tại phần góc lượn chi tiết dập thể hiện sản phẩm có thể bị rách Do đó giá trị áp suất Qch=125 bar được xác định là giới hạn tối đa của áp suất chặn

Hình 2 7 Sản phẩm bị rách tại áp suất chặn Q ch = 125 bar

Với S* = 0.73, H* = 0.23 thì vùng áp suất chặn thích hợp là Qch = (60 ÷ 125) bar

Thực hiện tương tự với chiều sâu H* = 26, miền áp suất chặn thích hợp Qch = (65÷120) bar; với H* = 29 thì Qch = (70 ÷ 115) bar

Thực hiện mô phỏng tương tự với chiều dày tương đối S* = 0.91 và S*=1.09 với các chiều sâu tương đối H* = 23; 26; 29 ta tìm được miền áp suất chặn phù hợp

Các giá trị áp suất tạo hình Pth trong mô phỏng được cho trong bảng 2.7

Tổng hợp từ bảng 2.7 miền áp suất được lựa chọn thích hợp để khảo sát cả 3 loại chiều dày phôi tương đối của phôi và 3 loại chiều sâu tương đối của cối là Qch = (80 ÷ 115) bar

Bảng 2 7 Các miền giá trị khảo sát của áp suất chặn và áp suất tạo hình

39

2.2.6 Khảo sát quan hệ giữa áp suất chặn Q ch và áp suất tạo hình P th

Từ kết quả khảo sát miền giá trị mô phỏng trên, mối quan hệ giữa áp suất chặn Qch và áp suất tạo hình Pth được thiết lập

Bảng 2 8 Số liệu áp suất tạo hình trong trường hợp S* = 0.73

P th (bar) khi H* = 26

P th (bar) khi H* = 29

Hình 2 8 Đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa Q ch và P th khi S* =0.73

Từ bảng 2.8 và hình 2.8 thấy được rằng trong quá trình DTT, áp suất chặn phôi tăng thì

áp suất chất lỏng tạo hình tương ứng cũng tăng

Ở cùng chiều sâu tương đối của cối, áp suất chặn Qch tỷ lệ thuận với áp suất chất lỏng tạo hình Pth Ở các chiều sâu khác nhau, các đường đồ thị có dạng tương tự nhau, như vậy có nghĩa mối quan hệ giữa áp suất chặn Qch và áp suất tạo hình Pth luôn đồng biến trong các trường hợp được xét Tuy nhiên, xét tại một giá trị áp suất chặn Qch, tương ứng với 3 mức chiều sâu tương đối H* sẽ có 3 giá trị áp suất tạo hình Pth Ở chiều sâu tương đối H* thấp hơn thì giá trị áp suất tạo hình Pth lại cao hơn

Khảo sát tương tự cho các trường hợp khác chiều dày tương đối S* = 0.91 và S* = 1.09 xác định được giá trị áp suất tạo hình Pth cần thiết cho trong bảng 2.9 và bảng 2.10:

300 350 400 450 500 550

P th (bar) khi H* = 29

P th (bar) khi H* = 29