Nghiên cứu công nghệ dập thủy lực để chế tạo các chi tiết vỏ mỏng trong công nghiệp sản xuất ô tô, xe máy

Nội dung của đề tài là nghiên cứu các thông số công nghệ chính trong quá trình dập thuỷ cơ các chi tiết rỗng từ phôi dạng tấm, từ đó nghiên cứu khả năng ứng dụng của phương pháp trong sả

bộ giáo dục và đào tạo tr-ờng đại học bách khoa hà nội

-

Lấ VĂN PHƯƠNG

NGHIấN CỨU CễNG NGHỆ DẬP THUỶ LỰC ĐỂ CHẾ TẠO CÁC CHI TIẾT VỎ MỎNG TRONG CễNG

NGHIỆP SẢN XUẤT ễTễ, XE MÁY

Chuyờn ngành : CHẾ TẠO MÁY

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chƣa đƣợc công bố trong các công trình khác

LỜI CẢM ƠN

Sau 2 năm học tập và nghiên cứu, được sự giúp đỡ tận tình của Thầy Cô giáo trong Viện Cơ khí, Bộ môn Gia Công Áp Lực cùng sự hướng dẫn khoa học tận tình của PGS TS Phạm Văn Nghệ, tôi đã hoàn thành khóa học, luận văn tốt nghiệp Cao học và đạt những kết quả mong muốn

Nhân dịp hoàn thành luận văn Cao học, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới tất cả các Thầy, Cô giáo trong Bộ môn, Viện Cơ khí và Trường đã tận tình giúp đỡ, động viên, tạo điều kiện tốt nhất cho tôi hoàn thành khoá học của mình

Tôi xin chân thành cảm ơn Thầy giáo PGS TS Phạm Văn Nghệ đã nhiệt tình hướng dẫn và giúp đỡ tôi trong việc thực hiện luận văn này

Xin chân thành cám ơn các thầy giáo phản biện đã đọc luận văn và đóng góp cho tôi những ý kiến quý báu và bổ ích

Lê Văn Phương

LỜI NÓI ĐẦU

Sự phát triển của đất nước trên con đường công nghiệp hoá, hiện đại hoá đòi hỏi chúng ta phải có một nền khoa học, công nghệ tiên tiến Chính vì vậy, việc nghiên cứu, ứng dụng và phát triển những lĩnh vực công nghệ mới đang là một ưu tiên trong chính sách khoa học, công nghệ của nước ta hiện nay

Phương pháp dập thuỷ cơ - một phương pháp công nghệ mới với đặc điểm là kết hợp tác dụng của môi trường chất lỏng với “phần cứng” của dụng cụ gây biến dạng - sẽ tạo điều kiện thuận lợi cho sự biến dạng của vật liệu Nhờ vậy, nó được ứng dụng rộng rãi trong chế tạo những chi tiết có hình dáng phức tạp, những chi tiết làm từ những vật liệu khó biến dạng… trong công nghiệp ôtô, quốc phòng ở các nước công nghiệp phát triển như Mỹ, Đức, Nga… Tuy nhiên, do có những hạn chế nhất định mà phương pháp này mới bắt đầu được nghiên cứu, ứng dụng ở Việt

Nam Đề tài “Nghiên cứu công nghệ dập thuỷ lực để chế tạo các chi tiết vỏ mỏng

trong công nghiệp sản xuất ô tô, xe máy” được nghiên cứu với mục tiêu đóng góp

phần vào việc nghiên cứu, ứng dụng phương pháp công nghệ mới này trong sản xuất Nội dung của đề tài là nghiên cứu các thông số công nghệ chính trong quá trình dập thuỷ cơ các chi tiết rỗng từ phôi dạng tấm, từ đó nghiên cứu khả năng ứng dụng của phương pháp trong sản xuất cơ khí chế tạo Đồng thời, ứng dụng một phương pháp nghiên cứu hiện đại, tiến hành mô phỏng số quá trình biến dạng của kim loại khi dập thuỷ cơ

Đề tài gồm 4 chương, nội dung cụ thể của các chương như sau:

Chương 1 Phương pháp dập thuỷ lực và khả năng ứng dụng

Chương 2 Nghiên cứu xác định các thông số công nghệ trong quá trình dập thuỷ lực

Chương 3 Thiết kế, chế tạo khuôn dập thuỷ cơ và ứng dụng công nghệ dập thủy cơ để chế tạo các chi tiết ô tô, xe máy

Chương 4 Mô phỏng quá trình dập thuỷ cơ

Trong quá trình làm luận văn, tác giả đã nhận được sự hướng dẫn và giúp đỡ nhiệt tình, sự động viên khích lệ kịp thời của thầy giáo hướng dẫn, PGS - TS Phạm

Văn Nghệ - Bộ môn GCAL, ĐHBKHN Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sự hướng

dẫn và sự giúp đỡ quý báu này

Tuy nhiên, do thời gian và trình độ hạn chế, hơn nữa là một đề tài trong lĩnh vực mới nên chắc chắn luận văn sẽ còn có những thiếu sót nhất định Tác giả rất mong nhận được sự đóng góp kiến của các thầy giáo, các đồng nghiệp quan tâm đến lĩnh vực này

MỤC LỤC

Trang Trang bìa phụ

1.2 Phương pháp dập thuỷ lực và khả năng ứng dụng trong công nghiệp 21

Chương 2 – NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH CÁC THÔNG SỐ CÔNG NGHỆ

2.2 Xác định áp suất chất lỏng cần thiết khi tạo hình chi tiết vỏ mỏng bằng

Chương 3 – THIẾT KẾ, CHẾ TẠO KHUÔN DẬP THUỶ CƠ VÀ ỨNG

DỤNG CÔNG NGHỆ DẬP THỦY CƠ ĐỂ CHẾ TẠO CÁC CHI TIẾT Ô

TÔ, XE MÁY

47

3.2 Mô tả các thiết bị, dụng cụ thí nghiệm và phương pháp đo các thông số

3.3 Ứng dụng công nghệ dập thủy cơ trong sản xuất các chi tiết ô tô 57 3.4 Ứng dụng công nghệ dập thủy cơ trong sản xuất các chi tiết xe máy 64

4.2 Giới thiệu phần mềm Dynaform và các bước thực hiện bài toán mô

Chương 1 PHƯƠNG PHÁP DẬP THỦY LỰC

VÀ KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG

Dập thủy cơ là một phương pháp tạo hình có sử dụng nguồn chất lỏng thuỷ tĩnh cao áp (phương pháp gia công thuỷ tĩnh) Bản chất của phương pháp là, dưới tác dụng của môi trường chất lỏng thủy tĩnh áp suất cao kết hợp với phần cứng của dụng cụ gây biến dạng sẽ tạo điều kiện thuận lợi cho sự biến dạng của vật liệu Sau đây, ta xem xét một cách tổng quan của phương pháp dập thuỷ tĩnh cũng như khả năng ứng dụng của chúng

1.1 Tổng quan các phương pháp tạo hình bằng nguồn chất lỏng

1.1.1 Bản chất và đặc điểm của các phương pháp tạo hình có sử dụng nguồn chất lỏng cao áp

Cơ sở chung của công nghệ dập có sử dụng nguồn chất lỏng thuỷ tĩnh áp suất cao trong quá trình biến dạng tạo hình kim loại là dựa trên hiện tượng tính dẻo của vật rắn được nâng cao rất nhiều khi đặt trong sơ đồ trạng thái ứng suất nén thủy tĩnh, đồng thời với nó là việc ngăn ngừa sự phát sinh các vết nứt gây ra phá huỷ vật liệu và loại trừ các yếu tố gây ra sự không đồng đều tổ chức của sản phẩm Dưới tác dụng của áp suất thủy tĩnh sẽ có khả năng làm đồng đều các tính chất vật lý - cơ học của kim loại sau biến dạng Như vậy bản chất của phương pháp là sử dụng năng lượng cao của nguồn chất lỏng cao áp, có thể kết hợp với các hình thức biến dạng khác, tạo cho vật liệu trong ổ biến dạng một trạng thái ứng suất nén thủy tĩnh có lợi cho sự biến dạng và tính dẻo của vật liệu để tạo hình chi tiết

Trên hình 1 thể hiện sơ đồ nguyên lý của quá trình quá trình tạo hình kim loại

có sử dụng nguồn chất lỏng thủy tĩnh áp suất cao

Qua hình vẽ cho thấy sự khác biệt quan trọng giữa các phương pháp tạo hình thông thường và phương pháp tạo hình có sử dụng chất lỏng thủy tĩnh cao áp So với phương pháp ép thông thường, phương pháp dập có sử dụng nguồn chất lỏng thủy tĩnh cao áp có những ưu việt cơ bản sau:

- Không có sự ép mạnh phôi từ phía chày như quá trình ép thông thường (trừ phương pháp dập thủy cơ, tuy vậy trong dập thủy cơ, kim loại bị nén bởi áp suất thủy tĩnh từ mặt đối diện với chày), do vậy có thể ép được vật liệu giòn, vật liệu khó biến dạng mà không làm mất các tính nguyên vẹn của chúng

1 Nhờ tác động của áp suất thủy tĩnh có trị số cao làm gia tăng đáng kể tính dẻo của vật liệu do kim loại trong ổ biến dạng được đặt trong trạng thái ứng suất nén thủy tĩnh, đồng thời nhờ có năng lượng cao của chất lỏng bị nén có thể biến dạng những vật liệu khó biến dạng, vật liệu có nhiệt độ nóng chảy cao mà phương

c

d

Hình 1.1 Sơ đồ nguyên lý quá trình tạo hình có

sử dụng chất lỏng cao áp

a Ép thông thường b Ép thủy tĩnh

c Dập thủy cơ d Dập thủy tĩnh

pháp tạo hình thông thường không hoặc khó thực hiện được Đây chỉ là một trong những ưu điểm nổi bật của phương pháp tạo hình có sử dụng nguồn chất lỏng thủy tĩnh cao áp

2 Giảm đáng kể biến dạng không đều trong vật dập, do vậy làm đồng đều đáng kể các tính chất cơ - lý của kim loại sau biến dạng Ví dụ: trong quá trình ép thông thường và ép thủy tĩnh kim loại Trong quá trình ép thông thường, do ma sát tiếp xúc giữa bề mặt phôi và bề mặt buồng ép có trị số lớn, nên các lớp kim loại bên ngoài tiếp giáp với thành buồng ép chảy chậm hơn so với các lớp kim loại bên trong

và gây ra biến dạng không đều rất rõ rệt khi ép Điều này dẫn đến sự tạo thành

“vùng chết” gần lỗ cối và là nguyên nhân tạo thành phần “ép dư” Phần này thường chiếm (20  30)% chiều dài sản phẩm ép Khi ép thuỷ tĩnh, do không có ma sát tiếp xúc giữa bề mặt phôi và buồng ép (bề mặt phôi và buồng ép đều tiếp xúc với chất lỏng công tác) nên đảm bảo kim loại chảy đều theo tiết diện ngang của phôi, và do

đó thực sự không còn phần “ép dư” Việc khử được tác động có hại của ma sát tiếp xúc trong quá trình ép thuỷ tĩnh còn cho phép đảm bảo biến dạng đồng đều ở mức cao nhất và thực sự khử được tác động của các ứng suất kéo phụ xuất hiện ở các lớp gần bề mặt phôi như xảy ra trong quá trình ép thông thường

3 Khử hoặc làm giảm ảnh hưởng có hại của ma sát tiếp xúc giữa phôi và dụng

cụ gây biến dạng Điều này cùng với sự gia tăng tính dẻo của kim loại do được đặt trong môi trường áp suất thủy tĩnh cho phép tạo hình chế tạo được các chi tiết có hình dáng phức tạp, những chi tiết cần có mức độ biến dạng lớn, từ những vật liệu khác nhau, đặc biệt là các vật liệu giòn, khó biến dạng hoặc có nhiệt độ nóng chảy cao như các hợp kim của Ti, Mo, W, V…

4 Tuổi thọ của dụng cụ tăng đáng kể và do đó giảm không ít vật liệu làm dụng

cụ bởi có thể thực hiện gia công ở điều kiện nhiệt độ không cao và dụng cụ tiếp xúc trực tiếp với chất lỏng cao áp - đóng vai trò thứ hai là chất bôi trơn Hơn nữa, bộ khuôn tạo hình có tính đa năng cao, khi chế tạo các chi tiết cùng loại hình dáng, kích thước chỉ cần thay thế chày hoặc cối (dụng cụ mang hình dáng, kích thước của sản phẩm tùy theo phương pháp biến dạng) và dụng cụ chặn phôi Điều này giúp giảm các chi phí làm khuôn và nâng cao hiệu quả kinh tế của phương pháp này

5 Khi ép và dập thủy tĩnh cho phép nhận được sản phẩm có biến dạng tùy ý với chất lượng cơ - lý cao như độ chính xác kích thước cao, độ nhám bề mặt có thể tới Ra1,25  Ra0,63

6 Cải thiện điều kiện vệ sinh công nghiệp do có thể tiến hành gia công ở trạng thái nguội, không có tác động của nhiệt độ cao, ồn và rung cũng như không có sự tạo thành các ôxít độc hại, ảnh hưởng đến sức khoẻ của công nhân

Tuy vậy, phương pháp dập có sử dụng chất lỏng thủy tĩnh áp suất cao còn bộc

lộ một số nhược điểm cần phải kể đến như:

- Thiết bị tạo hình đòi hỏi phải có độ chính xác cao và vận hành phức tạp Điều này liên quan đến việc tạo ra và giữ được áp suất thủy tĩnh cao (tới 3000 MPa) khi ép thủy tĩnh các sản phẩm khối; 1000 MPa khi dập thủy tĩnh, 100 MPa khi dập thủy cơ) Muốn vậy, thiết bị cần phải có độ cứng vững cao, trang bị công nghệ và dụng cụ (buồng chứa, chày ép…) phải được chế tạo từ những vật liệu có cơ tính cao

và ổn định trong điều kiện áp suất lớn Các vấn đề về kết cấu khung dầm, bình chứa cao áp và đặc biệt là bịt kín cần được đảm bảo trong điều kiện cao áp cũng như đòi hỏi sử dụng công nhân có trình độ và tay nghề bậc cao

- Do chất lỏng bị nén ở mức độ lớn (với áp suất cao như vậy, thể tích chất lỏng

có thể giảm đi đáng kể), do đó làm giảm hiệu suất của quá trình bởi vì có một phần năng lượng phải chi phí cho việc nén chất lỏng công tác

- Cần phải tạo được hệ thống các thiết bị bảo vệ chuyên dụng như bình tích áp, van an toàn, hệ thống bơm cao áp cũng như đường ống cao áp, đồng thời có những thiết bị thông gió để khử các sản phẩm gây hại do chất lỏng tông tác và chất bôi trơn bay hơi sinh ra Điều này là một chi phí đáng kể

- Làm tăng chi phí vật liệu do cần có các phần ép dư (khi ép thể tích thủy tĩnh) hoặc phân phối để duy trì bịt kín (khi dập thủy tĩnh hoặc dập thủy cơ) Khi ép chảy thủy tĩnh, tốc độ chuyển động của sản phẩm khi ra khỏi lỗ khuôn cối có thể đạt giá trị lớn do áp suất chất lỏng cao Điều này có thể dẫn đến sự nguy hiểm đối với công nhân và có thể làm cho sản phẩm bị hư hỏng Để khắc phục cần phải sử dụng các thiết bị hãm chuyên dụng hoặc tiến hành ép có phần ép dư (như ở trên) do vậy làm giảm hệ số sử dụng vật liệu Khi gia công thủy tĩnh cần thực hiện các nguyên công

phụ (tiện côn mặt đầu phôi để dễ đưa phôi vào lỗ cối khi ép chảy thủy tĩnh, cắt phần phôi phụ và cấp chất bôi trơn công nghệ…) nhằm đảm bảo cho quá trình gia công thuỷ tĩnh được thực hiện bình thường Điều này làm gia tăng khối lượng công việc và dẫn đến chi phí vật liệu gia công tăng

- Chi phí đáng kể cho chất lỏng công tác và chất bôi trơn

Mặc dù còn bộc lộ các nhược điểm nêu trên, nhưng việc áp dụng quá trình ép thuỷ tĩnh vẫn hoàn toàn thích hợp và không thể thay thế trong các trường hợp sau:

- Cần chế tạo chi tiết có hình dáng phức tạp với mức độ biến dạng lớn

- Cần gia công bán thành phẩm từ kim loại và hợp kim khó biến dạng

- Khi cần gia công kim loại dễ bị phá huỷ nếu tạo hình trong điều kiện bình thường

- Khi chế tạo sản phẩm rất cần cơ tính có độ đồng đều cao

- Khi chế tạo các sản phẩm ép có cơ tính tổng hợp cao

- Khi chế tạo sản phẩm từ vật liệu đa lớp, vật liệu tổ hợp, vật liệu gia cố, vật liệu hạt và vật liệu bột

- Khi chế tạo sản phẩm thành mỏng từ phôi có thành mỏng (ống thành mỏng, sản phẩm định hình có thành mỏng như ống xiphon, các ống có những chỗ lồi, lõm trên thân…)

1.1.2 Phân loại các phương pháp tạo hình có sử dụng nguồn chất lỏng thuỷ tĩnh cao áp

Hiện nay, ở các nước công nghiệp phát triển, phương pháp tạo hình có sử dụng nguồn chất lỏng thuỷ tĩnh cao áp đã được ứng dụng để chế tạo các chi tiết có hính dáng phức tạp Mỗi phương pháp đó có đặc điểm, tính chất khác nhau nhưng đều có một điểm chung: Kim loại được biến dạng trong điều kiện trạng thái ứng suất nén thuỷ tĩnh được tạo

ra do sự tác dụng của nguồn chất lỏng áp suất cao Để phân loại các phương pháp gia công thuỷ tĩnh, người ta thường dựa vào các dấu hiệu chính sau:

- Dạng của chày: Có các loại chày cứng và chày chất lỏng

- Dạng của cối: Cối cứng, cối chất lỏng

- Dạng của phôi: Có các loại phôi khối đặc, phôi ống và phôi tấm

- Bản chất của quá trình biến dạng: Có các phương pháp dập thể tích; cắt đột; dập vuốt; tóp và dãn phôi ống; ép chảy thuỷ tĩnh

- Đặc điểm tác động của áp suất thuỷ tĩnh (nén đều ba chiều; nén có đối áp; nén có lực phụ…)

Trên cơ sở các tiêu chí trên, hiện nay có các phương pháp gia công thuỷ tĩnh

cơ bản sau:

- Dập thủy tĩnh: Là phương pháp gia công thủy tĩnh cho phôi tấm hoặc phôi ống với các phương pháp chính như: Cắt đột; uốn; dập vuốt thuỷ tĩnh; tóp và dãn thuỷ tĩnh… Căn cứ vào dạng của chày và cối, người ta phân ra làm hai dạng cơ bản: dập thuỷ tĩnh phôi tấm(có chày là chất lỏng); dập thuỷ cơ (chày cứng, cối chất lỏng)

và dập thủy tĩnh phôi ống (Hình 1.2)

- Ép thuỷ tĩnh: Là phương pháp gia công thuỷ tĩnh đối với phôi khối đặc, thường là ép chảy Nhóm này có các phương pháp cơ bản sau: ép thường; ép có đối áp; ép có lực phụ từ phía mặt đầu phôi và ép có kéo (Hình 1.3)

Hình 1.3 Sơ đồ phương pháp ép thủy tĩnh

- Ép thuỷ tĩnh vật liệu bột và vật liệu tổ hợp

áp, sự vỡ vụn của các hạt tinh thể thành các siêu hạt nhỏ mịn (với kích thước 0,2 

0,3 m) là do kết quả tạo ra mật độ lệch và sự chuyển dịch có tổ chức của chúng trong thể tích kim loại (sự dịch chuyển này được điều chỉnh nhờ sự thay đổi của nhiệt độ và áp suất)

Cần nói rõ thêm, theo khái niệm vật lý, lệch là một dạng khuyết tật mạng tinh thể và trong trường hợp này được sử dụng như là phương tiện để sắp xếp lại tổ chức một cách cơ bản

Nhờ có mật độ lệch cao làm gia tăng tổng năng lượng của kim loại đa tinh thể, và do đó làm tăng độ bền và độ cứng Sự tạo thành tổ chức mịn với bề mặt bên trong hạt phát triển mạnh dưới tác dụng của áp suất cao dẫn đến sự phân bố lại các tạp chất có hại trên các phân giới hạt, siêu hạt và bên cạnh sự hoá bền, tổ chức này

có điều kiện nâng cao độ dẻo của kim loại Việc sử dụng chất lỏng cao áp cho phép gia công kim loại và hợp kim khó biến dạng ở trạng thái nguội với mức độ ép lớn

Ở điều kiện này trong kim loại tạo ra mật độ lệch cao mà dưới tác động của chất lỏng có áp suất thuỷ tĩnh cao các lệch này xếp thành các tường lệch và tạo thành lưới lệch đặc trưng Lưới lệch phân chia thể tích hạt thành các ô lưới riêng biệt và kết quả là tạo ra tổ chức ô lưới nhỏ mịn với sự định hướng tương hỗ phương mạng của các ô lưới liền kề

Sự tạo thành tổ chức ô lưới khi ép thuỷ tĩnh có liên quan tới hoạt tính chuyển động không bảo toàn của lệch - là tính chất rất đặc trưng của lệch biên trong môi trường nén thuỷ tĩnh

Như vậy là, với sự gia tăng của áp suất làm gia tăng đột biến độ không ổn định nhiệt động học sự phân bố hỗn loạn của lệch, và sắp xếp chúng thành các tường lệch với sự hình thành các lưới lệch - là dạng tồn tại của lệch trong thể tích kim loại một cách có lợi về mặt năng lượng

Xu hướng tạo thành các phân giới lệch trong điều kiện môi trường áp suất thuỷ tĩnh tạo điều kiện thuận lợi cho sự xuất hiện sớm tổ chức ô lưới lệch hoàn thiện trong vật liệu được ép thuỷ tĩnh so với trong trường hợp biến dạng nhờ các phương pháp thông thường (rèn, cán, kéo ) ở điều kiện áp suất khí quyển

Cơ chế biến dạng do lệch nêu trên khi ép thuỷ tĩnh đã được nghiên cứu khá chi tiết nhờ sử dụng kính hiển vi điện tử

Nhờ kính hiển vi điện tử đã chứng tỏ rằng, với mức độ biến dạng nhỏ và với tốc độ ép thuỷ tĩnh không lớn thì lệch tạo thành dưới dạng búi, cuộn và nút được sắp xếp vô trật tự trong thể tích kim loại giống như trong kim loại biến dạng nguội thông thường Khi đó chưa tạo thành tổ chức đa cạnh hoá một cách rõ rệt

Theo sự gia tăng của mức độ biến dạng, lệch sắp xếp thành các tường lệch và tạo thành tổ chức ô lưới sớm hơn so với khi biến dạng theo các phương pháp thông thường Ngoài ra, khi biến dạng theo các phương pháp thông thường, các ô lưới có trị số lớn và trên các biên giới ô lưới (biên giới siêu hạt) hình thành các vùng chuyển tiếp (các dải) của các búi lệch được sắp xếp có trật tự trong giới hạn của dải này

Như vậy là, quá trình đa cạnh hoá được kích thích nhờ gia công thuỷ tĩnh bằng chất lỏng cao áp là nguồn dự trữ quan trọng, nâng cao độ bền và độ dẻo của kim loại và hợp kim khó biến dạng Quá trình đa cạnh hoá được đặc trưng bằng sự định hướng rõ rệt, biến các ô lưới thành các ô lưới tương tự như các hạt mịn Hơn thế nữa, các ô lưới nhỏ mịn này được phân bố đồng đều trên toàn bộ thể tích kim loại, và đóng vai trò quan trọng trong việc nâng cao độ bền và độ dẻo của kim loại trong quá trình ép thuỷ tĩnh

1.1.4 Chất lỏng công tác trong gia công thuỷ tĩnh

Khi thiết kế công nghệ tạo hình có sử dụng nguồn chất lỏng thuỷ tĩnh áp suất cao, việc chọn đúng chất lỏng công tác có ý nghĩa quan trọng Áp lực ép, chất lượng

sản phẩm và độ ổn định của quá trình phụ thuộc rất nhiều vào thành phần và tính chất lý hoá của chất lỏng công tác

Khi gia công thuỷ tĩnh, chất lỏng là môi trường công tác để tạo ra và truyền

áp suất cao tới phôi, do đó chất lỏng này cần phải thoả mãn các yêu cầu cơ bản sau:

- Đảm bảo độ nhớt cần thiết và không hoá rắn ở áp suất công tác

- Có độ nén nhỏ nhất dưới tác động của áp suất cao

- Đảm bảo tính chống mài mòn cần thiết

- Không tương tác với kim loại biến dạng

- Rẻ và không gây độc hại cho sức khoẻ công nhân

Như đã biết rằng, độ nhớt của chất lỏng biểu hiện khi nó chuyển động và liên quan tới sự xuất hiện ứng suất tiếp (ứng suất của ma sát ướt) Chất lỏng có độ nhớt cao thì kém chảy và ngược lại, chất lỏng có độ nhớt thấp thì có độ chảy lớn Đặc tính quan trọng này của chất lỏng lại thay đổi tuỳ thuộc vào nhiệt độ và áp suất Khi tăng áp suất thì độ nhớt tăng lên và sự thay đổi của độ nhớt phụ thuộc vào áp suất tuân theo quy luật hàm số mũ:

Trong đó:

0 - độ nhớt của chất lỏng ở áp suất khí quyển và nhiệt độ 20 0C

 - hệ số, phụ thuộc vào chất lỏng và nhiệt độ

Độ nhớt của chất lỏng giảm đáng kể khi nhiệt độ tăng, và sự thay đổi này tuân theo quy luật hàm số mũ dưới dạng:

Để thực hiện bình thường quá trình ép thuỷ tĩnh, tính nén được của chất lỏng công tác dưới tác dụng của áp suất cao có ý nghĩa quan trọng Đối với chất lỏng, sự thay đổi thể tích khi áp suất tăng được xác định theo công thức:

Ngoài hai yếu tố kể trên đối với chất lỏng công tác, thì tính bôi trơn, tính chống bắt lửa cũng như tính không sinh ra khí độc hại và tác dụng với phôi ép và dụng cụ của chất lỏng công tác cũng có ý nghĩa quan trọng trong quá trình gia công thuỷ tĩnh

1.1.5 Tình hình nghiên cứu phương pháp tạo hình có sử dụng nguồn chất lỏng cao

áp

Trong những năm gần đây, việc nghiên cứu các phương pháp tạo hình có sử

dụng nguồn chất lỏng thuỷ tĩnh cao áp được triển khai mạnh mẽ ở các nước công nghiệp phát triển như Đức, Pháp, Mỹ, Nga, Nhật… nhất là trong công nghiệp ôtô,

xe máy, công nghiệp luyện kim bột… theo các hướng chính: Công nghệ dập thuỷ tĩnh và công nghệ dập thuỷ cơ Tuy nhiên, ý tưởng sử dụng chất lỏng thuỷ tĩnh cao

áp để biến dạng kim loại đã có từ khá lâu Năm 1893, ý tưởng này đã được Robertson D đề xuất lần đầu tiên Sau đó, vào năm 1912 Karman T sau khi nghiên

cứu ảnh hưởng của áp suất chất lỏng đến tính dẻo của các vật thể giòn đã thiết lập được rằng, đá hoa cương và đá vôi dưới tác động của chất lỏng cao áp trong bình kín trở nên dẻo và cho phép biến dạng với mức độ lớn Ngoài ra, khi tăng áp lực thì tính dẻo lại tăng lên Khi nghiên cứu cơ tính của kim loại dưới tác động của chất lỏng cao áp, nhà khoa học nổi tiếng người Mỹ Bridzmen P V lần đầu tiên đã chứng minh khả năng ép thuỷ tĩnh vonfram, molipđen và các vật liệu giòn khác qua lỗ khuôn cối

Bằng việc nghiên cứu ảnh hưởng của các yếu tố công nghệ khác nhau đến quá trình gia công thuỷ tĩnh, các nhà khoa học đã thành công trong việc khống chế

ổn định quá trình này và đảm bảo nhận được sản phẩm chất lượng cao từ các loại vật liệu khó biến dạng khác nhau Các công trình này mở ra khả năng ứng dụng của phương pháp gia công thuỷ tĩnh ngày càng rộng rãi trong công nghiệp

Ngày nay, việc nghiên cứu các phương pháp gia công thuỷ tĩnh được gắn liền với việc mô phỏng số và được ứng dụng rất rộng rãi trong nghiệp Với việc mô phỏng số, người ta có thể biết và điều khiển được quá trình biến dạng của kim loại,

dự đoán được khả năng tạo các hư hỏng khi biến dạng với độ chính xác rất cao Sự

Hình 1.4 Sự tạo thành vết nhăn khi mô phỏng (a) và trên vật dập thực (b)

khi dập thuỷ cơ

a

b

kết hợp giữa mô phỏng số và tiến hành thực nghiệm trong quá trình gia công thuỷ tĩnh đã thu đƣợc những kết quả rất có ý nghĩa Hình 1.4 đƣa ra kết quả giữa mô phỏng số (a) và chi tiết thực (b) Ta thấy rằng, mô phỏng số đã tìm đƣợc vùng khuyết tật trong mô hình và vết nhăn xuất hiện trong chi tiết thực Kết quả này rất

có ý nghĩa đối với việc tối ƣu hoá thiết kế dụng cụ cũng nhƣ lựa chọn các tham số công nghệ hợp lý khi gia công thuỷ tĩnh

Hình 1.5 Các sản phẩm điển hình của dập phương pháp thuỷ tĩnh

Nhờ tính vạn năng của phương pháp tạo hình trong điều hiện áp suất thuỷ tĩnh, danh mục các sản phẩm nhận được từ các phương pháp này rất phong phú và ngày càng mở rộng Sản phẩm của chúng có hình dáng kích thước rất khác nhau: các chi tiết dạng khối; các chi tiết profin, chi tiết rỗng có hình dáng phức tạp; các loại ống

có biên dạng lồi lõm như ống xiphon…

Trên hình 1.5 giới thiệu một số sản phẩm được chế tạo bằng phương pháp gia công thuỷ tĩnh làm từ thép và kim loại màu

Việc nghiên cứu phương pháp tạo hình có sử dụng nguồn chất lỏng thuỷ tĩnh cao áp ở Việt Nam mới bắt đầu được đề cập từ những năm cuối của thập niên 80 và ứng dụng cho các chi tiết đơn giản đã thu được kết quả rất khả quan Hiện nay, chúng ta đã nhập một số phần mềm mô phỏng số cùng với những thiết bị hiện đại cho phép việc nghiên cứu và triển khai các phương pháp này trên quy mô công nghiệp

Đối với nền công nghiệp quốc phòng, những năm gần đây, yêu cầu tự lực chế

Hình 1.6 Các sản phẩm điển hình của phương pháp ép thuỷ

tĩnh

tạo các vũ khí, khí tài quân sự đòi hỏi chúng ta phải cần nghiên cứu những phương pháp gia công mới, trong đó có phương pháp gia công thuỷ tĩnh nói chung và phương pháp dập thuỷ cơ nói riêng, nhất là chế tạo các chi tiết có hình dáng phức tạp và đòi hỏi cơ tính tổng hợp cao trong chế tạo các chi tiết của tên lửa, phụ tùng ôtô

1.2 Phương pháp dập thuỷ cơ và khả năng ứng dụng trong công nghiệp

1.2.1 Các vấn đề chung

Dập thuỷ cơ là phương pháp dập sử dụng nguồn chất lỏng áp suất cao, được dùng khi dập vuốt sâu các chi tiết có hình dáng khác nhau (trụ, nón, parabol…) từ phôi tấm Phương pháp này khác với dập vuốt và ép bình thường bởi rất nhiều điểm, các điểm khác biệt chính đó là không cần cối cứng bằng kim loại, không có ma sát giữa kim loại dập và dụng cụ, duy trì được áp lực đều từ phía cối lỏng lên bán thành phẩm trên toàn bộ bề mặt của nó

Trong lĩnh vực dập có sử dụng nguồn chất lỏng thuỷ tĩnh cao áp thì phương pháp dập thuỷ cơ (dập bằng chày cứng, cối chất lỏng) chiếm một vị trí quan trọng Ngoài chất lỏng - đóng vai trò môi trường tạo áp suất thuỷ tĩnh - người ta có thể sử

Hình 1.7 Sơ đồ dập thuỷ cơ

dụng môi trường dẻo hoặc khí Sơ đồ các phương pháp dập thuỷ cơ này được thể hiện trên hình 1.7

Bản chất của quá trình là việc uốn phôi phẳng thành vỏ có độ cong kép sau khi

ép đàn hồi - dẻo mặt bích phôi dưới tác dụng của ứng suất hướng kính được tạo ra

do áp lực đặt vào phôi từ phía chày cứng và bệ đỡ của kẹp, và cả do áp suất thuỷ tĩnh phân bố đều tác dụng từ phía cối lỏng

Cơ chế của quá trình dập vuốt thuỷ cơ có nhiều điểm tương đồng vơi cơ chế của quá trình dập vuốt thông thường Điểm khác biệt cơ bản mang tính nguyên tắc của quá trình dập vuốt thuỷ cơ so với dập vuốt thông thường là quá trình biến dạng của phôi được diễn ra trong điều kiện mặt bích phôi dịch chuyển bị thay đổi và có

áp suất thuỷ tĩnh cao tác dụng từ phía dụng cụ biến dạng

Hình 1.7 thể hiện sơ đồ dập vuốt thuỷ cơ từ phôi phẳng Các bộ phân chính của khuôn dập bao gồm: Phần trên của khuôn gồm chày vuốt 1 và vòng chặn phôi 2 được tác dụng từ cơ cấu ép Phần dưới gồm buồng chứa 5, vành cối 3 có biên dạng mép lỗ của nó gần tương ứng với hình dạng chi tiết Vành cối và buồng chứa được kẹp chặt bằng vít Hai phần này được nén chặt và bịt kín bằng doăng 4 Phôi 10 được đặt trên vành cối, sau khi phần dưới của khuôn được cấp đầy dung dịch chất lỏng (có thể là dầu CN, êmunsi hoặc nước)

Sau khi đóng mạch điều khiển, chày và vòng chặn phôi dịch chuyển xuống dưới, phôi được kẹp chặt bằng lực nhất định

Không gian ép tạo thành ở phần dưới của khuôn được che kín hoàn toàn bằng phôi Khi chày tiếp tục đi xuống nén chất lỏng trong buồng chứa làm hình thành một áp suất, giá trị áp suất này được điều chỉnh bởi van điều chỉnh áp suất 9

Để tạo điều kiện thuận lợi của quá trình biến dạng của kim loại thì áp suất thuỷ tĩnh phải tăng từ từ trong quá trình dập vuốt đến một giá trị nhất định nào đó (từ 0 đến 35 - 40 MPa khi dập chi tiết bằng nhôm; từ 0 đến 60 - 100 MPa khi dập các chi tiết bằng thép) [7] Giá trị áp suất này phải đảm bảo khoá chặt các phần của phôi có tiếp xúc với cối cứng, bằng lực ma sát tác dụng giữa chày và phôi (được tính toán trong chương 2)

Ưu điểm của phương pháp dập thuỷ cơ: Ngoài những ưu điểm chung của phương pháp gia công thuỷ tĩnh, phương pháp dập thuỷ cơ còn có:

- Giảm đáng kể lực ma sát có hại giữa phôi và dụng cụ

- Tăng lực ma sát có ích giữa chày và phôi được tạo ra bởi sự ép mạnh vào

bề mặt chày bằng áp suất thuỷ tĩnh từ phía cối lỏng, do vậy nó loại bỏ được sự trượt của phôi đối với chày và sự kéo căng của phôi, nhờ vậy hệ số ma sát dập vuốt được nâng cao hơn nhiều so với dập trong khuôn kim loại: đến 0,40 đối với thép thấp cacbon, còn khi sử dụng gân vuốt có thể giảm hệ số dập vuốt đến 0,3 Số lượng các nguyên công cũng được giảm Nếu như dập vuốt các chi tiết hình nón hoặc parabol bằng phương pháp thông thường đòi hỏi phải mất vài nguyên công dập vuốt trung gian thì bằng phương pháp dập thủy cơ, chỉ cần một nguyên công dập

- Có áp suất thuỷ tĩnh tương đối đồng đều từ phía cối lỏng tác dụng lên trên

bề mặt của phôi Điều này sẽ làm tăng khả năng biến dạng dẻo của kim loại và độ đồng đều về cơ lý tính của sản phẩm và cho phép dập các chi tiết có hình dáng phức tạp

- Do sự thay đổi không đáng kể của chiều dày kim loại chỗ chuyển tiếp từ đáy đến thành chi tiết (khu vực nguy hiểm nhất khi dập vuốt thông thường) nên có thể dùng những vật liệu mỏng hơn và với bán kính chày rất nhỏ Đồng thời, do ảnh hưởng hưởng của khe hở giữa chày và cối không nhạy cảm như dập vuốt thông thường nên có thể dập trong một lần các chi tiết có chiều dày khác nhau và từ các vật liệu khác nhau

- Sự tiêu tốn vật liệu dụng cụ cũng tương đối thấp do sự đơn giản hóa kết cấu dập và giảm thiểu sự mài mòn dụng cụ Hơn nữa, khi chuyển sang dập các chi tiết gần giống chỉ cần thay đổi chày, đồ gá và vòng chặn phôi

- Chất lượng bề mặt của chi tiết dập rất cao do quá trình vuốt không xảy ra qua mép cạnh kim loại của khuôn dập vuốt ma qua gân nước, vì vậy giảm thiểu các nguyên công chỉnh sửa

Tuy vậy, phương pháp dập thuỷ cơ cũng tồn tại một số những hạn chế như

đã đề cập trong phần trước, ngoài ra còn có một số nhược điểm sau cần tính đến trong quá trình dập thuỷ cơ:

- Có thể xảy ra sự mất ổn định ở phần mặt bích của phôi và phần bán kính cong của phần chuyển tiếp giữa mặt bích với thành vỏ thẳng đứng của chi tiết Điều này có thể gây ra các phế phẩm như hiện tượng nhăn, co, móp… ở phần vành phôi

- Phải tạo ra nguồn chất lỏng áp suất cao và điều chỉnh giá trị áp suất này trong quá trình dập vuốt

- Có thể xảy ra sự biến mỏng của phôi, nếu lượng biến mỏng này là lớn và không đồng đều, dễ xảy ra tình trạng làm rách, đứt phôi ở tiết diện nguy hiểm, Tuy nhiên, các nhược điểm này của quá trình không thể là nguyên nhân cản trở cho việc ứng dụng thực tế của phương pháp dập thuỷ cơ một cách rộng rãi trong công nghiệp, đặc biệt trong các trường hợp sau:

- Gia công các chi tiết có hình dáng phức tạp, không đối xứng như các chi tiết

có hình côn, parabol, cầu, các chi tiết vỏ mỏng…

- Gia công các chi tiết có mức độ biến dạng lớn và đòi hỏi cơ tính đồng đều cao

- Gia công các chi tiết làm từ vật liệu khó biến dạng, vật liệu đa lớp…

1.2.2 Các phương pháp dập thuỷ cơ cơ bản

Có rất nhiều cách để phân loại các phương pháp dập thuỷ cơ, trong đó thường thường dựa vào đặc điểm của phôi Theo đó, có các phương pháp dập thuỷ

cơ cơ bản sau: [6, 7]

- Dập thuỷ cơ phôi phẳng: Phôi được sử dụng trong trường hợp này là tấm phẳng Căn cứ vào đặc điểm biến dạng có: dập có ép biên hoặc không có ép biên (các sơ đồ a, b, c phía dưới) Đồng thời, căn cứ vào cách thoát ra ngoài của chất lỏng khi chịu nén mà có các cách: chất lỏng thoát ra ngoài bằng van tiết lưu hoặc bằng khe hở giữa phôi và dụng cụ (B, C)

- Dập vuốt các phôi không gian: Có hai loại là dập thuận (b) và dập thuận nghịch Cũng tương tự như trong trường hợp dập thuỷ cơ phôi phẳng mà có các phương pháp pháp như trên

Ngoài ra, người ta còn có thể căn cứ vào hình dáng của sản phẩm được chế tạo để phân loại Theo đó có dập thuỷ cơ các chi tiết đơn giản, có thể có đối xứng hoặc không và dập thuỷ cơ các chi tiết có hình dáng phức tạp…

1.2.3 Đặc điểm của quá trình dập vuốt thuỷ cơ

Các nghiên cứu về lý thuyết và thực nghiệm đều cho thấy rằng, điểm khác biệt đặc trƣng của quá trình dập vuôt thuỷ cơ là sự cần thiết phải tạo ra đƣợc áp suất thuỷ tĩnh biến đổi tác dụng vào phôi từ phía cối lỏng Giá trị áp suất này, một mặt phải đủ để ép chặt phôi vào bề mặt của chày và ngăn sự nhăn của phôi, mặt khác phải không đƣợc quá lớn, sao cho lực ma sát và ứng suất uốn xuất hiện khi đó sẽ không làm đứt phôi

Giá trị áp suất thuỷ tĩnh cần thiết từ phía cối lỏng phụ thuộc vào các yếu tố chính sau: Tính chất cơ lí của vật liệu phôi; chiều dày của tấm vật liệu bán thành phẩm và đặc tính hình học của chi tiết dập

Để nghiên cứu đặc điểm quá trình biến dạng khi dập thuỷ cơ, người ta đã tiến hành nhiều thí nghiệm bằng sơ đồ như hình 1.7 Qua đó, quá trình biến dạng của phôi khi dập thuỷ cơ được mô tả như sau:

Sau khi đóng mạch điều khiển, chày và vòng chặn phôi dịch chuyển xuống dưới, phôi được kẹp chặt Không gian ép tạo thành ở phần dưới của khuôn được che kín hoàn toàn bằng phôi Khi chày vuốt tiếp tục đi xuống trong buồng chứa làm tăng áp suất chất lỏng chứa trong đó, trị số của áp suất này được điều chỉnh bởi van điều chỉnh áp suất 9

Do áp suất chất lỏng, phôi bị áp sát chặt vào chày vuốt và phình lên trên, đặc biệt khi vuốt chi tiết hình nón, do vậy quá trình vuốt xảy ra không phải qua mép vuốt mà qua gân chất lỏng Chiều cao phần gân ra phụ thuộc vào áp suất của chất lỏng công tác (Hình 1.9)

Hình 1.9 Quá trình biến dạng khi dập thuỷ cơ

a Giai đoạn đầu biến dạng b Giai đoạn cuối cùng

c Dập chi tiết không đối xứng

a

b

c

Thực nghiệm cho thấy đối với các điều kiện cho trước, quá trình biến dạng của kim loại dập có thể được tiến hành với bất kỳ áp suất nào từ phía cối, trong phạm vi giới hạn bởi giới hạn trên và giới hạn dưới (giới hạn áp suất cần thiết, sẽ được xác định trong các chương sau)

1.2.4 Khả năng ứng dụng của phương pháp dập thuỷ cơ trong công nghiệp

Tại các nước phát triển, quá trình tạo hình bằng phương pháp dập thuỷ cơ

được nghiên cứu và phát triển nhằm mục đích đáp ứng các yêu cầu của công nghiệp ôtô để sản xuất các chi tiết kim loại dạng tấm một cách kinh tế với nhiều đặc điểm riêng với các kích cỡ nhỏ Kiểu dập sâu truyền thống các chi tiết trên ô tô có diện tích mặt ngoài lớn (như mui xe, các cánh cửa hoặc nắp máy) thường tạo cho chúng khả năng chống lại vết lồi lõm kém Đó là do ở phần giữa của chi tiết có độ biến dạng thấp Độ cứng thành phần thấp gây ra ảnh hưởng tiêu cực tới khả năng chống

va đập của các phương tiện Nhờ sử dụng công nghệ tạo hình thuỷ cơ thì các chi tiết

sẽ có khả năng phân bố ứng suất tạo hình đồng nhất và do đó sẽ nâng cao được độ bền của tiết [12]

Ngày nay dập sâu thuỷ cơ là một giải pháp hữu hiệu để chế tạo các chi tiết máy hoặc trong lĩnh vực chế tạo mẫu Các chi tiết được sản xuất bằng công nghệ này rất đa dạng bao gồm từ những chi tiết dạng khung, dầm làm bằng thép chịu lực cao, cho tới các chi tiết bằng nhôm có diện tích mặt ngoài lớn

Phương pháp dập thuỷ cơ đặc biệt hữu hiệu trong trường hợp dập vuốt các chi tiết có hình dáng phức tạp không đối xứng và dập vuốt sâu các chi tiết đối xứng như trụ, cầu, parabol… Hình 1.10 là các dạng chi tiết đặc trưng và dụng cụ được sử dụng để tiến hành nghiên cứu thực nghiệm

Ở Việt Nam, hiện chưa có một nghiên cứu tổng thể về phương pháp dập thuỷ

cơ Chúng ta đang trong thời kì CNH - HĐH, đặc biệt phát triển các ngành công nghiệp ôtô, xe máy… do vậy việc nghiên cứu phương pháp này là một yêu cầu do thực tế đặt ra

Hình 1.10 Các dạng chi tiết đặc trưng và dụng cụ để nghiên cứu

thực nghiệm dập thuỷ cơ

1.3 Kết luận

Phương pháp dập thuỷ cơ là một trong những công nghệ cơ bản của phương pháp tạo hình có sử dụng nguồn chất lỏng thuỷ tĩnh cao áp - phương pháp gia công thuỷ tĩnh Dưới tác động của áp suất cao của chất lỏng công tác, kết hợp với phần cứng của chày sẽ tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình biến dạng của phôi, đồng thời cho phép tạo được sự đồng đều về tính chất cơ lí trong sản phẩm dập mà phương pháp dập truyền thống không hoặc khó có thể đạt được Chính vì vậy, phương pháp gia công thuỷ tĩnh nói chung, phương pháp dập thuỷ cơ nói riêng, ngày càng được ứng dụng hết sức rộng rãi trong công nghiệp và nhiều khi, là giải pháp hữu hiệu nhất trong gia công chế tạo, nhất là các chi tiết có hình dáng phức tạp, có mức độ biến dạng lớn hoặc làm từ vật liệu khó biến dạng

Chương 1 đã nghiên cứu một cách tổng quan về phương pháp tạo hình có sử dụng chất lỏng thuỷ tĩnh cao áp và phương pháp dập thuỷ cơ Những nghiên cứu này đã cho thấy những triển vọng và khả năng của phương pháp gia công thuỷ tĩnh

và phương pháp dập thuỷ cơ Đồng thời, đã nghiên cứu những sơ đồ nguyên lí của phương pháp dập thuỷ cơ, những kết quả nghiên cứu lí thuyết và thực nghiệm của phương pháp này Những kết quả nghiên cứu này sẽ được nghiên cứu, tính toán cụ thể trong chương 2

Những kết quả nghiên cứu ban đầu này cho thấy một triển vọng khả quan trọng lĩnh vực nghiên cứu và ứng dụng một phương pháp gia công áp lực tiên tiến

để gia công kim loại - phương pháp dập thuỷ cơ

Chương 2 NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH CÁC THÔNG SỐ CÔNG NGHỆ TRONG QUÁ TRÌNH DẬP THỦY LỰC

Trong chương 1, ta đã xem xét một cách tổng quan phương pháp gia công thuỷ tĩnh và công nghệ dập thuỷ cơ, qua đó cho thấy những ưu - nhược điểm và khả năng ứng dụng của phương pháp này Trong chương 2, trên cơ sở nghiên cứu, phân tích lí thuyết, xác định các thông số công nghệ cơ bản trong quá trình dập thuỷ cơ để chế tạo các chi tiết rỗng từ phôi tấm Đồng thời, sẽ tiến hành tiến hành xác định áp suất chất lỏng cần thiết khi tạo hình chi tiết vỏ mỏng và ma sát tiếp xúc trong quá trình dập

2.1 Trạng thái ứng suất - biến dạng trong quá trình dập thuỷ cơ

Ưu điểm cơ bản của phương pháp gia công thuỷ tĩnh nói chung và phương pháp dập thuỷ cơ nói riêng là khả năng biến dạng dẻo của vật liệu được tăng lên rất nhiều do kim loại được đặt trong trạng thái ứng suất thuỷ tĩnh - trạng thái rất có lợi cho tính dẻo của kim loại Việc tăng khả năng biến dạng dẻo của kim loại cho phép tăng mức độ biến dạng trong mỗi nguyên công, do vậy làm giảm số nguyên công dập cũng như số lượng dụng cụ, thiết bị đi kèm Đồng thời, phương pháp này còn cho phép chế tạo các chi tiết có hình dáng phức tạp, không đối xứng, những chi tiết đòi hỏi mức độ biến dạng lớn hoặc làm từ vật liệu khó biến dạng Để thấy rõ hơn các ưu điểm này, ta sẽ xem xét trạng thái ứng suất - biến dạng của kim loại trong quá trình dập thuỷ cơ

Để đơn giản mà không làm mất tính tổng quát, đề tài tiến hành phân tích trạng thái ứng suất - biến dạng trong quá trình dập thuỷ cơ chi tiết đối xứng có dạng hình trụ, đồng thời so sánh chúng với trường hợp dập vuốt (chày cứng, cối cứng)

Trong quá trình dập thuỷ cơ, phôi mẫu ở trong trạng thái ứng suất - biến dạng phức tạp, tương tự như trạng thái ứng suất khi dập vuốt của máy dập khuôn Sự khác biệt cơ bản ở chỗ, khi dập vuốt thuỷ cơ sẽ có thêm thành phần ứng suất nén 3

có hướng vuông góc với bề mặt của phôi Và chính thành phần này có ảnh hưởng lớn đến tính dẻo của kim loại, làm thay đổi sơ đồ trạng thái ứng suất - biến dạng trong phôi

Có thể chia phôi ra làm 5 phần với các sơ đồ trạng thái ứng suất - biến dạng tương ứng được thể hiện trên hình 2.1

Các phần này có sơ đồ trạng thái ứng suất - biến dạng như trên hình 2.2 Để thấy rõ đặc điểm của trạng thái ứng suất - biến dạng khi dập thuỷ cơ, ta so sánh chúng với trường hợp dập vuốt bình thường trên chày cứng, cối cứng

+ Phần vành phôi: Phần này nằm trong trạng thái ứng suất khối (một chiều kéo, hai chiều nén) Nó cũng giống như trường hợp khi dập vuốt bình thường có ép biên Còn trạng thái biến dạng là biến dạng khối (hai chiều kéo và một chiều nén) Chính sự xuất hiện của thành phần biến dạng 3 có dấu (+) làm cho phôi trên phần vành bị biến dày, dễ gây ra sự mất ổn định làm xuất hiện nhăn, rách phôi Chính vì vậy, đối với dập vuốt thuỷ cơ, cần thiết phải có ép biên Khi đó, ép biên ngoài tác dụng bịt kín giữa phôi và vành cối, còn có tác dụng chống nhăn, tăng sự ổn định của phôi Tuy nhiên, lực ép biên phải có độ lớn hợp lí, không sẽ xảy ra tình trạng kéo đứt phôi do ma sát lớn giữa vành phôi và dụng cụ

Hình 2.1 Sơ đồ phân tích trạng thái ứng suất khi dập thuỷ cơ

a Trên phần vành phôi b Vùng dịch chuyển mặt bích phôi

a

b

q

+ Phần chuyển tiếp giữa vành phôi và dụng cụ: Trong phần này, phôi nằm trong trạng thái ứng suất - biến dạng ba chiều phức tạp Điều khác biệt cơ bản so với dập vuốt bình thường là có sự xuất hiện thêm thành phần ứng suất nén 3 do áp lực q củachất lỏng chịu nén gây ra Điều này làm gia tăng đáng kể tính ổn định của

phôi cũng như khả năng biến dạng dẻo của vật liệu, đồng thời giảm thiểu tác hại của

ma sát như trong trường hợp dập vuốt trên chày cứng, cối cứng Ta cũng biết rằng, khi dập vuốt bình thường, xảy ra sự biến mỏng phôi trên phần bán kính lượn của cối, do vậy có thể dẫn đến sự kéo đứt phôi trong quá trình vuốt Với sự xuất hiện của thành phần ứng suất nén 3 và không có sự kéo căng phôi trên bán kính lượn của cối sẽ làm giảm tác dụng xấu trên

+ Phần thành trụ: Phôi trong phần này có trạng thái ứng suất phẳng (một chiều kéo, một chiều nén) Thành phần ứng suất theo hướng tiếp tuyến 2 rất nhỏ có thể coi bằng không Qua thực nghiệm cho thấy phôi hầu như không bị biến dạng (1 =

2 = 3 = 0), tức là không xảy ra sự biến mỏng phôi như trong trường hợp dập vuốt bình thường Do không có sự tiếp xúc trực tiếp giữa phôi và dụng cụ trong phần này nên chất lượng của sản phẩm được tăng lên rất nhiều

+ Phần bán kính lượn của chày: Trong trường hợp dập vuốt thông thường trên chày cứng cối cứng, đây là phần nguy hiểm nhất do có sự biến mỏng đáng kể của phôi, hơn nữa khi đó phôi nằm trong trạng thái ứng suất hai chiều kéo - sơ đồ không thuận lợi cho tính dẻo của vật liệu, vì vậy đây là vùng nguy hiểm nhất, phôi dễ bị kéo đứt Trong trường hợp dập vuốt thuỷ cơ, phôi nằm trong trạng thái ứng suất nén một chiều, còn các thành phần biến dạng đều có giá trị rất nhỏ (có thể coi bằng không) Chính vì vậy, tính dẻo của vật liệu trong vùng này tăng đáng kể

Theo Иcаченкоб Е И [7], khi dập thuỷ cơ, lực ma sát  giữa phôi và chày dập trong quá trình biến dạng sẽ đạt trị số đủ để kẹp chặt các phần của phôi tiếp xúc với chày và giải phóng các vùng này khỏi tác động của ứng suất hướng kính , truyền chúng tới gần phần vành phôi và làm cho chúng được tăng bền hơn Trị số lực ma sát  trên một đơn vị chiều dài phần hình trụ của chi tiết dập có thể được xác định theo công thức:

qM = q - q - áp suất do chày tác động vào phôi

 - hệ số ma sát giữa phôi và dụng cụ (chày)

Để thấy rõ, ta xét ví dụ: khi dập vuốt chi tiết có đường kính 100 mm và  = 0,6 (hệ số ma sát khô giữa nhôm - thép) và q = 400 (kG/cm2

- 40 MPa), ta thấy cứ trên mỗi đơn vị chiều dài của phần thành trụ có  = 754 kG, hay cứ mỗi đơn vị chiều dài phần thành trụ của chi tiết có chiều dày 1 mm, có sự giảm ứng suất kéo là 2,5 kG/mm2 (25 N/mm2) Như vậy, đã có sự xuất hiện thành phần ma sát có ích giữa phôi và chày vuốt mà ở dập vuốt thông thường không có được Chính vì vậy,

sự phá huỷ phôi khi dập thuỷ cơ do biến dạng đến giá trị tới hạn không xảy ra ở gần phần đáy mà ở tiết diện cách không xa mặt bích của chi tiết dập

+ Phần đáy phôi: Đáy phôi nằm trong trạng thái ứng suất đơn, có thành phần

3 = q; các thành phần ứng suất chính khác có giá trị nhỏ hơn rất nhiều so với thành phần này có thể coi bằng 0 Biến dạng của phôi trong phần này rất nhỏ, có thể coi bằng không

Như vậy, khi dập thuỷ cơ, do có sự tác động của áp suất thuỷ tĩnh của chất lỏng mà đã làm thay đổi sơ đồ cơ học biến dạng của phôi dập Nhờ đó, khả năng biến dạng dẻo của vật liệu được tăng lên rất nhiều, và đặc biệt xuất hiện thành phần

ma sát có ích giữa phôi và dụng cụ (chày vuốt)

2.2 Xác định áp lực cần thiết trong quá trình tạo hình chi tiết tấm bằng phương pháp dập thuỷ cơ

Giá trị áp suất chất lỏng cần thiết trong dập thuỷ cơ là một trong những thông

số công nghệ cơ bản, có ảnh hưởng rất lớn đến quá trình biến dạng của kim loại Đã

có nhiều tác giả đưa ra những công thức nhau do dựa trên các mô hình toán học, cơ học và những giả thiết khác nhau Do vậy, giá trị hợp lí của áp suất chất lỏng được tính theo lí thuyết sẽ cần phải được kiểm nghiệm bằng thực nghiệm

Trên cơ sở phân tích trạng thái ứng suất - biến dạng khi dập thuỷ cơ và căn

cứ vào điều kiện đảm bảo cho phôi không bị kéo đứt tại tiết diện nguy hiểm khi dập, theo Иcаченкоб Е И [7], điều kiện để dập vuốt thuỷ cơ là:

 = q + g +  - 

Trong đó:

 - ứng suất xuất hiện trong phôi ở tiết diện nguy hiểm

q - thành phần ứng suất ở tiết diện nguy hiểm do biến dạng dẻo thể tích

u - thành phần ứng suất uốn theo bán kính quy ước

 - thành phần ứng suất ở tiết diện nguy hiểm do ma sát giữa vành phôi và dụng cụ (ép biên và vành cối)

 - ứng suất tạo ra tại tiết diện nguy hiểm do tác động của áp suất chất lỏng tác động lên vành phôi

b - giới hạn bền của vật liệu

A,  - các hằng số của vật liệu trong đường cong thử kéo

s0 - chiều dày ban đầu của phôi tấm

Pq - lực công nghệ cần thiết để biến dạng phôi và thắng được sự tác động của chất lỏng lên phôi

Thành phần ứng suất uốn u mặt bích, theo Shopman, có thể xác định theo công thức:

0

0

2

.

s R

s M

A s

2 2

s R R

s A s

 =  

cp n

A

s s R h

R R

.)

2 2







(2.6) Trong đó:

 - độ nhớt động lực của chất lỏng thuỷ tĩnh

vcp – vận tốc trung bình của phần vành phôi (tốc độ dập vuốt, m/s) Thành phần ứng suất được tạo ra do sự tác động của áp suất qM lên phần vành phôi có thể được xác định theo công thức:

0

0 ) (R s s

q s R n

M i H

R n

H

 = K - hệ số dập vuốt; và giả thiết khi dập vuốt,

độ dày vành phôi thay đổi theo quy luật tuyến tính, tức là:

0 0

1

R

a s

Thành phần ứng suất  do trở lực biến dạng dẻo thể tích được xác định trên

cơ sở xem xét các điều kiện biến dạng dẻo của phôi ở phần vành phôi Điều kiện cân bằng của phần tử vành phôi được biểu thị bằng phương trình:

(1 + d1)(Ri + dRi)(si + dsi)d - 1R1sid +22

2

sin2



d dR

(2.10)

Trong đó:

, A,  - các hằng số trong phương trình mũ của đường cong ứng suất - biến dạng khi thử kéo mẫu

RH, Ri - bán kính của phôi và bán kính của phần tử nào đó

Thành phần biến dạng 1 trong phương trình (2.10) là biến dạng chính có giá trị lớn nhất, có thể được xác định theo công thức:

H i H

H i

R

a R

R R

i

R

R R

A H H

A

R

R R

R

ln 1

M i

H i

q R

a K

s s R h

R R v s

R R

s A s

R

R R

0

2 2

0

0 0

1 )

( 2

M i

H A

A

q R

a K

s s R h

R R v s

R R

s A s

R

R R

0

2 2

0

0 0 0

1 )

( 2

0 0

0

) 2

(

5 , 0

s s R

R s

R qR

n

M n

 

0 0

0

) 2

(

5 , 0

s s R

R s

R qR

n

M n

M i

H A

A

q R

a K

s s R h

R R v s

R R

s A s

R

R R

R R

0

2 2

0

0 0 0

1 )

( 2

0 0

0 0

0

2 2

0

0 0 0

1)

2(

5,0

1)

(2

2ln

R

a K

s s R

R s

R qR

q R

a K

s s R h

R R v s

R R

s A s R

R R

R R

A

n

M n

M

M n

A H cp M

M i

H A

Giá trị áp suất qMT để biến dạng phần chuyển tiếp giữa vành phôi và thành trụ

có thể được xác định theo Иcаченко Е И [7] với công thức sau:

2 2 2

0 0

2 2

0 2 2 /

cos 1 2

ln cos

2 cos

cos 3

2 2

x

x A M x

x A

i

R R

R

R R

R R

R R

s A

(2.18)

Như vậy, giá trị áp suất cần thiết từ phía chất lỏng trong trường hợp dập vuốt thuỷ cơ được xác định bằng tổng các giá trị áp suất cần thiết biến dạng phần vành phôi (2.17) và áp suất cần thiết biến dạng phần chuyển tiếp giữa vành phôi và phần thành trụ (2.18), hay:

0 0

0 0

0

2 2

0

0 0 0

1)

2(

5,0

1)

(2

2ln

R

a K

s s R

R s

R qR

q R

a K

s s R h

R R v s

R R

s A s R

R R

R R

A

n

M n

M

M n

A H cp M

M i

H A

2 2 2

0 0

2

2

0 2 2 /

cos 1 2

ln cos

2 cos

cos 3

2 2

x

x A M x

x

A

i

R R

R

R R

R R

R

R

s A

(2.19)

Khi tính gần đúng với sai số cho phép trong thực tế, theo Иcаченко Е И [7], giá trị áp suất của chất lỏng cần thiết để đảm bảo điều kiện biến dạng phôi trong trường hợp dập vuốt thuỷ cơ chi tiết hình trụ từ phôi tấm có thê xác định theo công thức:

qmax =

) 5 , 0 (

) (

0

0 0

M n

M

n b

R s

R R

s s R K

*

2 2

m ax

f f

f

n f

Việc tính toán áp suất cần thiết của chất lỏng theo các công thức trên là khá phức tạp Trong thực tế, người ta thường sử dụng các kết quả thực nghiệm Theo Иcаченко Е И [7], giá trị áp suất chất lỏng cần thiết khi dập thuỷ cơ với các vật liệu thép và nhôm có thể được lấy như sau: