Nghiên cứu công nghệ dập thủy tĩnh để chế tạo các chi tiết rỗng có hình dạng

13 * Chương 1 : Tổng quan về công nghệ dập bằng chất lỏng * Chương 2 : Cơ sở lý thuyết công nghệ dập thủy tĩnh phôi ống * Chương 3 : Nghiên cứu, tính toán và mô phỏng công nghệ dập thủy

2

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 nghiên cứu nào khác

3

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 Đại Học Bách Khoa Hà Nội 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

Tác giả

Lê Văn Huy

4

DANH MỤC CÁC BẢNG TRA

Bảng 2.1 Các trị số áp lực tính toán thực nghiệm khi dập thủy tĩnh các mối nối

chữ T với σS = 413MPa 46

Bảng 2.2 Các trị số cần thiết của hệ số và chỉ số mức độ để tính toán áp lực khi dập các chi tiết đối xứng 49

Bảng 2.3 Giới thiệu các hệ số để tính áp lực dập các chi tiết đối xứng 57

Bảng 3.1.Ảnh hưởng của vật liệu phôi tới sự biến dạng của chi tiết 65

Bảng 3.2 Điều kiện biên 65

Bảng 3.3 Ảnh hưởng của riêng áp suất đối với vật liệu Fe – Al 66

Bảng 3.4 Ảnh hưởng của riêng tốc độ ( hành trình chày ép) đối với vật liệu Fe-Al67 Bảng 3.5 Khi áp suất nhỏ đối với vật liệu Fe – Al 67

Bảng 3.6 Khi áp suất và tốc độ ép phù hợp đối với vật liệu Fe – Al 68

Bảng 3.7 Ảnh hưởng của riêng áp suất đối với vật liệu Cu 69

Bảng 3.8 Ảnh hưởng cua riêng tốc độ ( hành trình chày ép) đối với vật liệu Cu 70

Bảng 3.9 Khi áp suất nhỏ đối với vật liệu Cu 70

Bảng 3.10 Khi áp suất và tốc độ ép phù hợp đối với vật liệu Cu 70

5

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ

Hình 1.1.Sản phẩm dập thủy tĩnh từ phôi ống 14

Hình 1.2.Sản phẩm dập thủy tĩnh từ phôi tấm 15

Hình 1.3.Sơ đồ khuôn dập thủy tĩnh phôi kép 17

Hình 1.4.Sơ đồ dập thủy tĩnh từ phôi ống 18

Hình 1.5.Quá trình dập thủy cơ 18

Hình 1.6.Quá trình biến dạng của vật liệu trong dập thủy cơ 19

Hình 1.7.Sơ đồ dập thủy tĩnh áp lực cao và có lực dọc trục đối với phôi ống 20

Hình 1.8.Các bước thực hiện dập thủy tĩnh ống chữ T 21

Hình 1.9.Sơ đồ dập thủy tĩnh ống chữ T 22

Hình 1.10.Các nhóm sản phẩm cơ bản của dập thủy tĩnh từ phôi ống 23

Hình 1.11.Sơ đồ nguyên chung công nghệ dập thủy tĩnh phôi ống 24

Hình 1.12.Khuôn dập thủy tĩnh phôi ống 25

Hình 1.13.Máy ép thủy lực II -125 29

Hình 1.14.Sơ đồ kết cấu khuôn dập thủy tĩnh 29

Hình 1.15 Kết cấu của ống dẫn dầu trong hệ thống thủy lực 30

Hình 1.16 Đồng hồ đo áp xuất bằng lo xo và đo cảm biến 30

Hình 1.17 Các chi tiết ôtô được dập bằng phương pháp thủy tĩnh từ phôi tấm 33

Hình 1.18 Một số sản phẩm gia dụng dập bằng phương pháp thủy tĩnh 33

Hình 1.19 Một số loại sản phẩm dập bằng phương pháp thủy tĩnh từ phôi ống 34

Hình 2.1 Trạng thái ứng suất khi dập thủy tĩnh với tải trọng đơn 36

Hình 2.2 Trạng thái ứng suất khi dập thủy tĩnh với ép dọc trục phôi ống 37

Hình 2.3 Trạng thái ứng suất khi dập thủy tĩnh phôi theo phương ngang 39

Hình 2.4 Trạng thái ứng suất ở giai đoạn 1 và giai đoạn 2 của dập thủy tĩnh với ép dọc trục không có ép bổ sung (a) và giai đoạn 2 (3) dập thủy tĩnh với ép dọc trục bổ sung theo toàn bộ tiết diện ngang của phôi nơi tạo hình 41

6

Hình 2.5 Trạng thái ứng suất khi dập thủy tĩnh với ép dọc trục và uốn ngang 41

Hình 2.6 Sơ đồ xác định áp lực phá hủy trên đỉnh vấu 45

Hình 2.7 Mối quan hệ giữa áp lực chất lỏng làm việc 1 và áp lực phá hủy 2 Với việc chồn trục phôi từ nhôm và thép khi dập thủy tĩnh chi tiết đối xứng (a) và mối nối chữ T (b) 47

Hình 2.8 Sự thay đổi áp lực làm việc p phụ thuộc vào việc chồn dọc trục phôi Δl147 Hình 2.9 Sự thay đổi của áp suất làm việc p theo KD khi KL=1,5, Kt = 0,09 48

Hình 2.10 Sự thay đổi áp lực trục phôi Fa khi dập mối nối chữ T từ thép 12X12H10T với kt=0,1 và kd=1 từ phôi có đường kính d =25 mm (1) và d =10 Mm (2) trong mối quan hệ kΔl = Δl/d 52

Hình 2.11 Sự thay đổi áp lực p khi dập thủy tĩnh với ép dọc trục phôi và sự Thay đổi chiều dày ở đỉnh vấu ở giai đoạn I và giai đoạn thứ II khi dập thủy Tĩnh chi tiết có vấu từ phôi thép CT10, kd = 0,91, góc nghiêng giữa trục vấu Và trục phôi α = 650 54

Hình 2.12 Sơ đồ lực khi dập thủy tĩnh với ép dọc trục phôi và ép dọc trục bổ Sung vùng tạo hình 56

Hình 3.1 Sơ đồ nguyên lý dập thủy tĩnh phôi ống dạng trục bậc 60

Hình 3.2 Mô hình mô phỏng quá trình dập thủy tĩnh bằng phần mền Abaqus 64

Hình 3.3 Đường cong ứng suất biến dạng 65

Hình 3.4 Ảnh hưởng của áp suất tới biến dạng của vật liệu 66

Hình 3.5 Ảnh hưởng của hành trình chày ép tới biến dạng của vật liệu 67

Hình 3.6 Kết quả khi áp suất không đủ lớn để làm biến dạng vật liệu 68

Hình 3.7 Kết quả khi áp suất và tốc độ ép phù hợp 68

Hình 3.8 Khi đường kính phôi thay đổi 69

Hình 3.9 So sánh áp suất - chuyển vị chày ép trong 2 trường hợp 71

Hình 3.10 So sánh đường lực – chuyển vị chày ép trong 2 trường hợp 71

7

Hình 3.11 Nghiên cứu sự biến mỏng thành của ống đối vật liệu Fe –Al và Cu 72

Hình 4.1 Chi tiết dạng ống 73

Hình 4.2 Khuôn thiết kế 74

Hình 4.3 Tấm đỡ khuôn trên 74

Hình 4.4 Khuôn trên 75

Hình 4.5 Khuôn dưới 75

Hình 4.6 Tấm đỡ khuôn dưới 76

Hình 4.7 Gối đỡ xilanh 76

Hình 4.8 Tấm đỡ khuôn 77

Hình 4.9 Lõi khuôn 77

Hình 4.10 Bản vẽ chế tạo chi tiết tấm đỡ khuôn trên 78

Hình 4.11 Bản vẽ chế tạo chi tiết khuôn trên 78

Hình 4.12 Bản vẽ chế tạo chi tiết khuôn dưới 79

Hình 4.13 Bản vẽ chế tạo chi tiết tấm đỡ khuôn dưới 79

Hình 4.14 Bản vẽ chế tạo chi tiết tấm đế khuôn 80

Hình 4.15 Bản vẽ chế tạo chi tiết gối đỡ 80

Hình 4.16 Bản vẽ chế tạo chi tiết lõi khuôn 81

Hình 4.17 Hình chi tiết tấm đỡ khuôn trên trên phần mền Mastercam 82

Hình 4.18 Hình chi tiết khuôn trên trên phần mền Mastercam 93

Hình 4.19 Hình chi tiết khuôn dưới trên phần mền Mastercam 94

Hình 4.20 Hình chi tiết tấm đỡ khuôn dưới trên phần mền Mastercam 94

Hình 4.21 Hình chi tiết tấm đế khuôn trên phần mền Mastercam 95

Hình 4.22 Hình chi tiết lõi khuôn trên phần mền Mastercam 95

Hình 4.23 Ảnh khuôn đã được chế tạo 98

8

MỤC LỤC

Trang Trang bìa phụ

1.1.2 Phân loại các phương pháp dập bằng nguồn chất lỏng cao áp 16

1.2.5 Các thiết bị dùng trong dập thủy tĩnh phôi ống 26

9

1.2.6 Chất lỏng dùng trong gia công thuỷ tĩnh 31 1.2.7 Một số sản phẩm dập thủy tĩnh điển hình 32 1.2.8 Tình hình nghiên cứu trong nước và thế giới về dập thủy tĩnh 34 Chương 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT CÔNG NGHỆ DẬP THỦY TĨNH PHÔI

3.1 Sơ đồ nguyên lý dập thủy tĩnh chế tạo chi tiết trụ bậc rỗng từ phôi ống 60 3.2 Tính toán Các lực tác dụng trong quá trình dập thủy tĩnh 61

3.2.3 Lực mà sát Fμ giữa phôi và bề mặt lòng khuôn 61

10

3.3 Mô phỏng quá trình dập thủy tĩnh chi tiết dạng trục bậc 63

3.3.2 Mô phỏng quá trình dập thủy tĩnh phôi ống, dạng trụ bậc 64 CHƯƠNG 4 : THIẾT KẾ VÀ LẬP TRÌNH GIA CÔNG KHUÔN TRÊN

4.1.4 Giới thiệu về phần mền gia công Mastercam 81

4.2.2 kết quả gia công trên máy CNC

4.2.3 Kết quả chế tạo khuôn

98

98

có độ nhớt của chất lỏng tạo sự căng trên bề mặt của phôi tấm nên giảm thiểu sự hình thành nếp nhăn do cường độ ma sát tạo ra trên bề mặt, nâng cao độ chính xác cũng như chất lượng bề mặt của sản phẩm, tiết kiệm thời gian gia công khuôn, tiết kiệm kim loại

2 Tính cấp thiết của đề tài

Trong lĩnh vực sản xuất các chi tiết có hình dạng phức tạp dạng ống có hình dạng phức tạp và có những yêu cầu kỹ thuật cao so với các chi tiết thông thường Do đó, cần phải có những công nghệ thích hợp để chế tạo Với công nghệ dập vuốt truyền thống hay chày cối cứng thì việc chế tạo chày cối có kích thước tương quan chính xác gây khó khăn Việc ứng dụng chất lỏng mà đặc biệt là công nghệ dập thủy tĩnh có vai trò rất quan trọng Điểm khác biệt so với dập vuốt truyền thống là chất lỏng đóng vai trò tạo ra áp lực cần thiết để làm biến dạng chi tiết theo biên dạng của lỏng khuôn, tiết kiệm được thời gian gia công khuôn, tiết kiệm kim loại, mức độ dập vuốt tăng lên, tạo hình chi tiết phức tạp

Nhằm tìm hiểu thêm về công nghệ dập thủy tĩnh và xem xét đánh giá các yếu tố ảnh hưởng, nâng cao năng suất, chất lượng và hạ giá thành sản xuất, với sự giúp đỡ của

PGS TS Phạm Văn Nghệ, Bộ môn Gia Công Áp Lực – Viện cơ khí ĐHBK Hà Nội

12

thì tác giả đã lựa chọn đề tài : Nghiên cứu công nghệ dập thủy tĩnh để chế tạo các chi

tiết rỗng có hình dạng đặc biệt

3 Đối tượng và phương pháp nghiên cứu

Việc nghiên cứu các thông số công nghệ trong công nghệ dập thủy tĩnh để chế tạo các chi tiết dạng rỗng có hình dạng đặc biệt giúp chúng ta ứng dụng công nghệ này có hiệu quả cao hơn

Máy thủy lực chuyên dùng và hệ thống thiết bị dập thủy tĩnh

Các phần mềm mô phỏng: Abaqus, Matlab, Inventor, MasterCam

Các thông số ảnh hưởng chính trong công nghệ dập thủy tĩnh là thông số thiết bị như áp lực của chất lỏng (F p), lực biến dạng (F a), lực ma sát giữa phôi và khuôn (F) Việc tính toán áp lực và tốc độ hành trình của xi lanh dọc trục phù hợp giúp chúng ta

có thể gia công tối ưu, mang lại hiệu quả cao

Mục đích của nghiên cứu là tìm hiểu được ảnh hưởng của các thông số công nghệ trong công nghệ dập thủy tĩnh để sản xuất các chi tiết phức tạp dạng rỗng Ứng với mỗi loại vật liệu cho ta các thông số tối ưu nhất

4 Ý nghĩa của đề tài

Nghiên cứu công nghệ dập thủy tĩnh các chi tiết dạng rỗng có hình dạng đặc biệt Xác định ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến quá trình dập, qua đó đưa ra hàm tối ưu cho mỗi thông số gia công

Nghiên cứu quy trình dập và nguồn chất lỏng công tác được đưa vào trong khuôn Đón đầu để triển khai công nghệ dập thủy tĩnh trong sản xuất các chi tiết phức tạp dạng rỗng

5 Cấu trúc luận văn

Nội dung luận văn được chia thành 4 chương, cuối luận văn là kết luận chung và kiến nghị cho hướng nghiên cứu tiếp theo, cụ thể gồm :

* Phần mở đầu

13

* Chương 1 : Tổng quan về công nghệ dập bằng chất lỏng

* Chương 2 : Cơ sở lý thuyết công nghệ dập thủy tĩnh phôi ống

* Chương 3 : Nghiên cứu, tính toán và mô phỏng công nghệ dập thủy tĩnh chi tiết dạng trục bậc rỗng

* Chương 4 : Thiết kế và lập trình khuôn CNC

* Kết luận và hướng phát triển của đề tài

* Tài liệu tham khảo

Hình 1.1 Sản phẩm dập thủy tĩnh từ phôi dạng ống

15

Hình 1.2 Sản phẩm dập thủy tĩnh từ phôi dạng tấm

Những năm 1975 người ta bắt đầu nghiên cứu dòng chất lỏng cao áp để từng bước cải thiện tốc độ dập và tốc độ biến dạng trong công nghệ dập bằng chất lỏng Một

số nghiên cứu cho thấy những ưu điểm của phương pháp này :

- Mclintock (năm 1968), Rice và Tracey (năm 1969) đã bắt tay vào nghiên cứu trên phôi tấm và chứng minh được rằng áp lực thủy tĩnh tác dụng trên toàn bộ bề mặt vật liệu khi tăng lên sẽ giảm đáng kể các vết nứt

- Clift, Hartley, Sturgess và Rowe (năm 1990), Hartley, Pillinger và Sturgess (năm 1992), đã chứng minh rằng việc sử dụng một áp lực thủy tĩnh ngăn cản việc khởi đầu

và lan rộng của vết rách tế vi trong vật liệu kim loại

Ngày nay, các nước trên thế giới đang áp dụng phương pháp này một cách hiệu quả để gia công các chi tiết rỗng, chi tiết dạng tấm có hình dạng phức tạp, không đối

16

xứng Công nghệ này thay thế một thành phần khuôn dập, giảm chi phí về kinh tế và hiệu quả cao cả với những chi tiết có số lượng nhỏ

Ở Việt Nam, phương pháp dập bằng chất lỏng vẫn chủ yếu dựa vào kinh nghiệm

và mới đang ở giai đoạn tìm hiểu, nghiên cứu công nghệ Với mục tiêu trở thành một nước công nghiệp vào năm 2020, trong chục năm gần đây, ngành công nghiệp ô tô đang được chú trọng và đầu tư phát triển Do đó, vấn đề nghiên cứu và ứng dụng công nghệ dập thuỷ cơ là hết sức cần thiết trong giai đoạn hiện nay

1.1.2 Phân loại các phương pháp dập bằng nguồn chất lỏng cao áp

Đặc điểm của công nghệ này là sử dụng nguồn chất lỏng công tác có áp suất cao tác dụng trực tiếp vào phôi để tạo hình chi tiết

Hydroforming được chia làm 2 dạng tạo hình là tạo hình ống và tạo hình tấm Hai dạng công nghệ này đều sử dụng chất lỏng để tạo hình nhưng áp dụng cho các dạng sản phẩm khác nhau Quá trình tạo hình cơ bản khác nhau ở chỗ áp suất chất lỏng để tạo ra các sản phẩm dạng ống và tấm là khác nhau

Và được phân loại thành 2 phương pháp như sau:

A Công nghệ dập thủy tĩnh (High pressure forming)

Dập thủy tĩnh là một phương pháp tạo hình vật liệu nhờ chất lỏng có áp suất cao tác dụng trực tiếp vào bề mặt của phôi gây biến dạng phôi theo hình dạng của lòng cối

Công nghệ dập tạo hình nhờ chất lỏng cao áp

Dập thủy tĩnh (High pressure forming)

Dập thủy cơ (Hydromechanical deep

drawing)

17

Hình 1.3 Sơ đồ khuôn dập thủy tĩnh phôi kép

Phôi ban đầu thường có hình dạng đơn giản (dạng ống, dạng tấm), dưới tác dụng của chất lỏng cao áp trong lòng phôi ống, phôi bị biến dạng theo hình dạng của cối tạo thành sản phẩm rỗng có hình dạng phức tạp

* Ưu điểm

- Tạo ra chi tiết đồng nhất từ một vật liệu

- Cùng 1 bộ khuôn có thể dập được các chi tiết có chiều dày khác nhau

- Nâng cao độ bền cho chi tiết và kết cấu

- Thời gian tạo hình ngắn đối với một chi tiết phức tạp

- Giảm thiểu số nguyên công tạo hình so với các phương pháp khác

- Độ chính xác của chi tiết cao

- Giảm thiểu phế phẩm

* Nhược điểm

- Giá thiết bị và khuôn cao

- Năng suất thấp

- Thường xảy ra biến mỏng mãnh liệt ở vùng trung tâm

- Cần có hệ thống điều khiển để điều khiển các thông số công nghệ phụ thuộc thời gian và hệ thống kín khít để tránh mất áp trong quá trình tạo hình

18

Hình 1.4 Sơ đồ dập thủy tĩnh từ phôi ống

B Công nghệ dập thủy cơ (Hydromechanical deep drawing)

Dập thủy cơ là phương pháp tạo hình nhờ vào chất lỏng cao áp tác dụng lên phôi làm biến dạng phôi tấm khi dụng cụ gia công chuyển động tác dụng lên phôi Về cơ bản, phương pháp này hoàn toàn giống với phương pháp dập vuốt thông thường, chỉ khác là

có thêm đối áp trong lòng khuôn tạo ra sự bôi trơn thủy động

Hình 1.5 Quá trình dập thủy cơ

* Ưu điểm

19

- Trong quá trình tạo hình xuất hiện chất lỏng có áp suất cao, tác dụng vào bề mặt phôi làm cho biến dạng vật liệu đồng đều, giảm hiện tương biến mỏng cục bộ, tang khả năng biến dạng của vật liệu (nâng cao hệ số dập vuốt)

- Hình thành màng dầu phôi trơn thủy động giữa phôi và dụng cụ gia công (cối)

Hình 1.6 Quá trình biến dạng vật liệu trong dập thủy cơ

1.2 Công nghệ dập thủy tĩnh từ phôi dạng ống

1.2.1 Khái quát về công nghệ dập thủy tĩnh

Quy trình công nghệ biến đổi hình dạng của phối ống ở trạng thái nguội bằng nguồn áp lực cao bên trong gọi là dập thủy tĩnh Trong các quá trình tạo hình bằng phương pháp này, hình dạng sản phẩm được tạo ra bởi áp lực thủy tĩnh cao, tác động

20

trực tiếp lên bề mặt trong của phôi Trong từng trường hợp sự tác động của áp lực chất lỏng cao được thực hiện ở bên ngoài của phôi

Ở quy trình công nghệ kể trên chất lỏng đóng vai trò là dụng cụ tạo hình vạn năng,

nó cho phép tránh sự tập trung tải trọng, áp lực tác dụng đều trên bề mặt phôi gia công

Hình 1.7 Sơ đồ dập thủy tĩnh áp lực cao và có lực dọc trục đối với phôi ống

* Các chi tiết chính trong khuôn dập thủy tĩnh :

- Khuôn trên

- Khuôn dưới

- 2 chày ép dọc trục

* Quá trình dập có thể chia thành các bước thực hiện như sau :

Các bước công nghệ tạo hình sản phẩm dạng phôi ống (ống chữ T)

21

Hình 1.8 Các bước thực hiện dập thủy tĩnh ống chữ T

a) Đặt phôi vào lòng khuôn

b) Đóng khuôn, cấp chất lỏng cao áp vào lòng ống

c) Tăng áp làm phôi biến dạng theo lòng khuôn

d) Rút chất lỏng ra khỏi lòng khuôn, khuôn trên đi lên và lấy sản phẩm ra ngoài

- Các thông số công nghệ chính :

+ Fs Lực đóng khuôn

+ pi áp suất chất lỏng công tác trong lòng ống

22

+ Fa Lực tác dụng dọc trục

+ Fc Lực đối áp của chày đột (nếu có)

Hình 1.9 Sơ đồ dập ống chữ T

1.2.2 Khả năng công nghệ của dập thủy tĩnh

Công nghệ dập thủy tĩnh có khả năng chế tạo các chi tiết có chất lượng, hình dạng không gian phức tạp Các chi tiết máy này trước đây được thường được sản xuất bằng phương pháp hàn ghép nối các bộ phận với nhau, nhưng hiện nay người ta không dùng đến phương pháp này nữa

Các chi tiết dạng không gian phức tạp được chế tạo bằng phương pháp dập thủy tĩnh là rất đa dạng và được chia làm các chủng loại sau :

23

Hình 1.10 Các nhóm sản phẩm cơ bản của dập thủy tĩnh từ phôi ống

- Nhóm I: Các chi tiết nối đường ống dẫn : Các chi tiết nối đường ống dẫn là các chi tiết không gian cơ bản Bằng phương pháp dập thủy tĩnh có thể tạo ra các chi tiết một cách hoàn chỉnh và đảm bảo chất lưng cao

- Nhóm II : Thân các chi tiết chịu áp lực : Trong các chi tiết này có nhiều chi tiết giống với các chi tiết trong nhóm I Bằng công nghệ dập thủy tĩnh người ta có thể chế tạo được phôi thân của các chi tiết chịu áp lực, và sẽ thu về sản phẩm không cần phải gia công bổ sung thêm

- Nhóm III : Trục bậc rỗng : Nhìn chúng các chi tiết trục bậc rỗng làm việc trong điều kiện nhẹ, cứng, làm mát Do vậy phần lớn chúng được sản xuất từ công nghệ dập thủy tĩnh

24

- Nhóm IV : Các chi tiết trục cam lệch tâm rỗng : Bằng phương pháp dập thủy tĩnh ta

có thể sản xuất được bán sản phẩm có hình dạng đơn giản sau đó gia công cơ khí hoặc gia công dẻo bổ sung

- Nhóm V : Trục khuỷu rỗng

- Nhóm VI : Các chi tiết khung xe đạp : các chi tiết này có hai hay nhiều vấu, hình dạng của các vấu thường là tròn, ôvan, vuông hay chữ nhật bằng công nghệ dập thủy tĩnh có thể tạo ra các chi tiết này chất lượng cao

- Nhóm VII : Các chi tiết có nếp gấp ngang

- Nhóm VIII : Các chi tiết của trang thiết bị giao thông : Nhóm này là các chi tiết của

xe ôto, xe điện, có thể có vấu hoặc không vấu

- Nhóm IX : Các sản phẩm dân dụng khác : như cốc kim loại, các lọa hoa kim loại

1.2.3 Sơ đồ nguyên lý dập thủy tĩnh phôi ống

Sơ đồ nguyên lý chung của công nghệ dập thủy tĩnh như sau :

Hình 1.11 Sơ đồ nguyên lý chung công nghệ dập thủy tĩnh phôi ống

25

Đối với từng loại chi tiết trong các điều kiện, phạm vi cụ thể của sản xuất cần phải phù hợp với quy trình công nghệ hợp lý Quy trình công nghệ hợp lý trước tiên phải phù hợp với dụng cụ và trang thiết bị thực hiện Như vậy ta mới có sự liện hệ giữa các chi

tiết, phôi, quy trình công nghệ, dụng cụ và trang thiết bị

Dưới đây ta có thể khảo sát những sơ đồ cơ bản đã được thực hiện trong những điều kiện thực nghiệm và trong sản xuất công nghiệp

1.2.4 Khuôn dập thủy tĩnh phôi ống

Hình 1.12 Khuôn dập thủy tĩnh phôi ống

* Đặc điểm:

- Hình dạng của lòng khuôn có hình dạng giống với chi tiết cần tạo ra

- Gồm cối trên và cối dưới chồng lên nhau tạo ra lòng khuôn là hình dạng chi tiết

- Hai chày bên để tạo dụng vào chi tiết và là nơi đưa chất lỏng vào lòng khuôn

- Chất lỏng từ bên ngoài đưa vào lòng khuôn thông qua hệ thống tạo áp suất

Trong công nghiệp, truyền động thuỷ lực đóng vai trò hết sức quan trọng, nó có rất nhiều ưu điểm như:

- Truyền được công suất cao và lực lớn nhờ các cơ cấu tương đối đơn giản, hoạt động với độ tin cậy cao mà lại ít đòi hỏi về chăm sóc, bảo dưỡng

- Nhờ bán kính nhỏ của bơm và động cơ thuỷ lực, nhờ tính chịu nén của dầu nên

có thể sử dụng ở vận tốc cao mà không sợ bị va đập như trong trường hợp truyền động

cơ khí

27

- Dễ biến đổi chuyển động quay của động cơ sang chuyển động tịnh tiển của cơ cấu chấp hành

- An toàn quá tải nhờ van áp suất

- Dễ theo dõi và quan sát bằng áp kế, kể cả các hệ thống thuỷ lực phức tạp và nhiều mạch, nhiều nhánh truyền

- Tự động hóa đơn giản, kể cả các thiết bị phức tạp bằng cách dùng các phần tử tiêu chuẩn hóa

Tóm lại, với những ưu điểm của mình, truyền động thủy lực ngày càng được ứng dụng rộng rãi trong các hệ thống máy phục vụ cho mọi lĩnh vực, mang lại nguồn lợi rất lớn cho các hoạt động sản xuất của con người

Truyền động thuỷ lực từ lâu đã được ứng dụng rộng rãi trong máy móc công nghiệp, đặc biệt là trong cơ khí Việc thiết kế và lắp đặt một hệ thống thuỷ lực cũng không gặp nhiều khó khăn

Hệ thống thuỷ lực trên các máy ép thuỷ lực: Dựa vào tính chất không bị nén của chất lỏng, người ta chế tạo hệ thống thủy lực trên các máy ép với lực ép rất lớn nhờ vào

áp suất lớn của chất lỏng do bơm tạo ra và kích thước lớn của xylanh thủy lực Ưu điểm của máy ép thủy lực là lực ép tăng từ từ cho tới khi cho tới khi đạt được lực ép cần thiết Khi lực ép tăng dần nó sẽ giảm được tải trọng động, ứng suất phân bố tương đối đều trên toàn bộ chi tiết làm cho các chi tiết biến dạng từ từ theo ý muốn, nó được vận dụng để uốn nguội các chi tiết

B Các thiết bị thủy lực

Thực nghiệm phương pháp dập thuỷ cơ được tiến hành trên máy ép thuỷ lực (METL)  -125 tại phòng thí nghiệm Bộ môn GCAL - ĐHBK Hà Nội Thí nghiệm gồm 3 môđun chính:

- Thiết bị: METL có ký hiệu  - 125

- Khuôn thí nghiệm: Do đề tài thiết kế và chế tạo khuôn

28

- Hệ thống đo: Gồm hai phần là đầu đo, cảm biến có kết nối máy tính, đo hai thông số cơ bản của quá trình là áp suất chất lỏng và hành trình dập

Sau đây, ta sẽ mô tả những thiết bị và hệ thống dụng cụ trong đề tài

Một hệ thống truyền động thuỷ lực cơ bản gồm có các thiết bị sau: Máy ép thủy lực, Bơm dầu, xylanh, van an toàn, van điều khiển, bình chứa chất lỏng, bộ phận tăng áp….Ngoài ra trong hệ thống thủy lực có thể có thêm các bộ phận phụ trợ nhƣ: bộ phận lọc dầu, bộ phận làm mát

Tất cả các bộ phận trong hệ thống thủy lực đều có những yêu cầu kỹ thuật nhất định Những yêu cầu đó chỉ có thể đƣợc thỏa mãn, nếu nhƣ các thông số cơ bản của

các bộ phận ấy đƣợc lựa chọn thích hợp

Các cơ cấu chấp hành, cơ cấu biến đổi năng lƣợng, cơ cấu điều khiển và điều chỉnh, cũng nhƣ các phần lớn các thiết bị phụ khác trong hệ thống thủy lực đều đƣợc tiêu chuẩn hóa

- Áp suất chất lỏng tối đa: 250 KG/cm2 (25 MPa)

- Tốc độ đầu trƣợt: Điều khiển vô cấp

Máy gồm hai phần chính: Phần điều khiển và phần công tác Ta có thể điều khiển đƣợc tốc độ của đầu trƣợt, hành trình, lực máy Xi lanh và pittông thuỷ lực đƣợc nằm ở phía duới của phần công tác

29

Hình 1.13 Máy ép thuỷ lực  - 125

* Khuôn thí nghiệm dập thủy tĩnh

Đây là một môđun quan trọng của thí nghiệm Trong đề tài đã tiến hành thiết kế bộ khuôn dập thủy tĩnh có kết cấu nhƣ hình vẽ

Hình 1.14 Sơ đồ kết cấu khuôn dập thủy tĩnh phôi ống

30

* Ống dẫn dầu

Yêu cầu:Ống dẫn dùng trong hệ thống điều khiển bằng thủy lực phổ biến là ống dẫn cứng (vật liệu ống làm bằng thép hoặc đồng) và ống dẫn mềm (làm bằng vải cao su hoặc ống mềm kim loại có thể làm việc ở nhiệt độ 1350

chuyển đổi thành giá trị đƣợc ghi trên mặt hiện số

Hình 1.16 Đồng hồ đo áp kế bằng lò xo và đo cảm biến

31

1.2.6 Chất lỏng dùng trong gia công thuỷ tĩnh

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 phải chọn đúng chất lỏng và phải thoả mãn các yêu cầu cơ bản sau:

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

- Đảm bảo tính chống mài mòn cần thiết

- Không tương tác với kim loại biến dạng

- Tính kinh tế rẻ và không có độc hại

Độ nhớt của chất lỏng biểu hiện khi nó chuyển động và liên quan tới sự xuất hiện ứng suất tiếp Chất lỏng có độ nhớt cao thì chảy kém và ngược lại, chất lỏng có độ nhớt thấp thì có độ chảy lớn Đặc tính quan trọng này của chất lỏng 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:

 = 0 eP. (1.1)

Trong đó:

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

- p - áp suất

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

Sự thay độ nhớt của chất lỏng theo nhiệt độ tuân theo quy luật hàm số mũ dưới dạng:

t = 0 (1.2) Trong đó:

-  - hệ số, phụ thuộc vào chất lỏng ở nhiệt độ 20 0C

- t - nhiệt độ của chất lỏng

- 0 - độ nhớt của chất lỏng ở nhiệt độ phòng (20 0C)

) t t (

e   0

32

Để quá trình ép thuỷ cơ thực hiện bình thường, 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:

V = V0 (1.3)

Trong đó:

- V0 - thể tích chất lỏng ở áp suất khí quyển (1 at = 0,1 MPa)

- A, ' - các hệ số

Độ nén được gia tăng của chất lỏng công tác dưới tác dụng của áp suất cao là yếu

tố bất lợi vì nó làm giảm hiệu suất của thiết bị do một phần năng lượng cần tiêu hao cho việc nén chất lỏng Năng lượng đàn hồi của chất lỏng công tác tích luỹ trong quá trình ép có thể biến thành công tích cực theo chu kỳ gây ra sự đưa phôi không đều và

sự dao động áp suất không mong muốn Ngoài ra, do có sự tích trữ thế năng lớn khi nén chất lỏng nên sản phẩm ép khi ra khỏi buồng ép có tốc độ lớn đòi hỏi phải có thiết

bị đặc biệt để khống chế tốc độ của sản phẩm nhằm tránh không cho sản phẩm bị phá huỷ

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 cơ

1

33

Hình 1.17 Các chi tiết ôtô được dập bằng phương pháp thủy tĩnh từ phôi tấm

Hình 1.18 Một số dạng sản phẩm gia dụng dập bằng phương pháp thủy tĩnh

34

Hình 1.19 Một số loại sản phẩm dập bằng phương pháp thủy tĩnh từ phôi dạng ống

1.2.8 Tình hình nghiên cứu trong nước và thế giới về phương pháp dập thủy tĩnh

Kiểu dập sâu truyền thống các chi tiết trên ô tô mà 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 Khắc phục các hiện tượng này dùng công nghệ tạo hình bằng chất lỏng 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

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

35

Ngày nay, tại các nước phát triển như : Đức, Nhật, Mỹ, Anh, Thuỵ Điển, Pháp, Nga phương pháp dập thuỷ tĩnh nói riêng và công nghệ dập bằng chất lỏng cao áp nói chung được nghiên cứu và phát triển nhằm mục đích đáp ứng các yêu cầu của công nghiệp để sản xuất các chi tiết kim loại dạng tấm một cách kinh tế với nhiều đặc điểm riêng với các kích cỡ nhỏ Như vậy, dập thuỷ tĩnh 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

Ở Việt Nam, các doanh nghiệp tiêu biểu sản xuất và lắp ráp ô tô như Trường Hải, Xuân Kiên…cũng chủ yếu là sản xuất các chi tiết phụ trợ trong ô tô, các cụm chi tiết phức tạp khác như động cơ, hệ thống điều khiển điện tử vẫn phải nhập khẩu Do vậy, việc nghiên cứu phương pháp này là một yêu cầu do thực tế đặt ra

36

CHƯƠNG 2 : CƠ SỞ LÝ THUYẾT CÔNG NGHỆ DẬP THỦY TĨNH

PHÔI ỐNG

Dập thủy tĩnh có đặc tính phân bố ứng suất theo thể tích phôi hết sức phức tạp Sơ

đồ dập có ảnh hưởng lớn đến trạng thái ứng suất vật liệu phôi Ta khảo sát trạng thái ứng suất và biến dạng của vật liệu trong các sơ đồ cơ bản của dập thủy tĩnh như sau:

2.1 Sơ đồ tải trọng đơn

Hình 2.1 Trạng thái ứng suất khi dập thủy tĩnh với tải trọng đơn

Ở giai đoạn đầu sự biến dạng deo của phôi ống tương đối nhỏ Thành phôi chịu

sự tác động của các ứng suất kéo tiếp tuyến σθ Sauk hi dập thành phôi chịu tiếp xúc với khuôn dưới thì xuất hiện ứng suất nén hướng tâm σr Sự biến dạng kéo theo hướng tiếp tuyến eθ và biến dạng nén theo phương trục và hướng tâm ez, er là đặc điểm của quá trình dập thủy tĩnh theo sơ đồ như hình trên

Vùng I: Chịu sự tác động của ứng suất kéo dọc trục σz, ứng suất kéo tiếp tuyến σθ, và ứng suất hướng tâm σr Ta quan sát được những biến dạng kéo tiếp tuyến eθ, chúng làm mỏng không đáng kể thành phôi er và độ co ez của phôi theo hướng trục

37

Vùng II: Trước khi tiếp xúc thành phôi với bề mặt khuôn dưới ta thấy xuất hiện hướng

trục σz, ứng suất kéo tiếp tuyến σθ và kèm theo nó là làm mỏng rất mạnh lên thành phôi Ở vùng này ta quan sát được biến dạng kéo ez, eθ và biến dạng nén er

2.2 Dập thủy tĩnh có ép dọc trục

Trạng thái ứng suất vật liệu phôi được nghiên cứu một cách dễ dàng trong hai hệ trục tọa độ trụ và hệ tọa độ đề các Trục Z trùng với trục đối xứng của phôi còn trục của hệ thống bổ trợ Z’ thì trùng với trục của vấu Ta biểu diễn các thành phần ứng suất hướng trục, ứng suất tiếp tuyến, ứng suất hướng tâm và sự biến dạng ổn định trên ống chính thông qua σz, σθ, σr và ez, eθ, er còn trên vấu thì thông qua σz’, σθ’, σr’ và ez’, eθ’, er’ Các ứng suất hướng tâm σr, σr’ mặt trong của phôi biến dạng được xác định bởi áp lực

p, còn ở mặt ngoài được xác định bởi ứng suất tiếp xúc σk’

Hình 2.2 Trạng thái ứng suất khi dập thủy tĩnh với ép dọc trục phôi ống

38

Vùng I: Ở mặt đầu ống ở trạng thái ứng suất nén khối Sự biến dạng theo hướng tiếp

tuyến eθ được xác định bởi sự chênh lệch kích thước ngang của long khuôn với kích thước phôi ống là rất nhỏ, do đó ta có thể coi eθ = 0, nên trạng thái biến dạng ở vùng này coi là trạng thái biến dạng phẳng Ta tiến hành chồn phôi (biến dạng theo hướng trục ez) và làm biến dày thành er

Vùng II: là vùng đối diện với vấu Tại vùng này phôi chịu tác động của các thành phần

ứng suất nén σz, σr ứng suất kéo tiếp tuyến σθ Ta quan sát thấy vật liệu chảy dẻo theo hướng tiếp tuyến về phía vấu hình thành (biến dạng eθ) Khi tiếp tục chồn phôi, các thành phần biến dạng nén ez, er sẽ tăng, đồng thời có hiện tượng biến dày thành phôi

Vùng III: (Vùng thành vấu) Vùng này chịu tác động của các thành phần ứng suất kéo

σθ’ Sự biến dạng kéo ez’, eθ’ và biến dạng nén er’ là đặc trưng của trạng thái trong vùng này, ứng suất kéo σz’ trên thành vấu có thể giảm nếu ở đỉnh vấu có chày đỡ với

áp lực Fs nào đó

Vùng IV: Ứng suất kéo σz’, σθ’ trên đỉnh vấu, còn ứng suất nén σr’ xuất hiện trong trường hợp có chày đỡ đỉnh vấu Ta quan sát thấy có sự biến dạng kéo ez’, eθ’ và biến dạng er Các thành phần ứng suất biến dạng náy sẽ làm mỏng thành trên đỉnh vấu Khi dập các chi tiết có hai vấu rỗng đối nhau

2.3 Dập thủy tĩnh có ép phôi theo phương ngang

Khác với phần lớn các sơ đồ dập thủy tĩnh, sơ đồ dập thủy tĩnh có ép phôi theo phương ngang có đặc trưng là sự ổn định của ứng suất và biến dạng theo toàn bộ chiều dài của phôi Các yếu tố biến dạng và ứng suất trong trường hợp này được mô tả trong

hệ tọa độ trụ, trục Z trùng với trục tâm của phôi

Áp lực bên trong của phôi ống ngăn ngừa được sự ổn định theo tiết diện ngang của phôi và gây tác động tới ứng suất nén hướng tâm σr tại các vùng tiếp xúc với các dụng

cụ cứng Đại lượng σr thay đổi từ giá trị p ở mặt trong phôi đến giá trị σK ở mặt ngoài

39

Khi ép phôi theo hướng ngang bằng các dụng cụ cứng thì xuất hiện ứng suất nén tiếp tuyến σθ Tùy thuộc vào hình dạng đầu và cuối phôi, phương pháp nén chặt chúng thì các ứng suất dọc trục , có thể là kéo hay nén Sự biến dạng nén er xuất hiện theo hướng tiếp tuyến rất có thể làm dày thành

Hình 2.3 Trạng thái ứng suất khi dập thủy tĩnh ép phôi theo phương ngang

2.4 Dập thủy tĩnh với lực ép trục phôi và các vấu

Trong trường hợp dập thủy tĩnh ép bổ sung các bộ phận vấu ở giai đoạn thứ nhất và khi ống lót trục không chuyển động thì đặc tính ứng suất và biến dạng (như hình a) tương tự như trường hợp dập thủy tĩnh ép trục phôi (hình 1.22) Tuy nhiên ở giai đoạn dạp thứ hai, khi các bạc của khuôn dưới di chuyển theo hướng dọc trục, ta bắt đầu ép các bạc này thì trạng thái ứng suất trong mỗi giai đoạn của phôi bị thay đổi

Vùng I: Lúc ban đầu vật liệu ở trạng thái nén không đều Ta tiếp tục chồn trục phôi, khi

đó xuất hiện biến dạng nén ez và đồng thời làm dày thành phôi er

Vùng II: Vùng đối diện với vấu, dưới tác động của ứng suất nén trục σz, ứng suất hướng tâm σr= σK và ứng suất kéo tiếp tuyến σθ, tiếp tục làm dày phôi er, chồn phôi eZ

và kéo eθ nơi tạo hình vấu

Vùng III, IV: Vùng thành và đỉnh vấu là vùng rất nguy hiểm có khả năng bị pha hủy

Trên thành vấu (vùng III), ứng suất tiếp tuyến trở thành ứng suất nén Như vậy, trên

40

thành của vấu lúc này chỉ có ứng suất dọc trục σr’ tiếp tục là ứng suất kéo còn ứng suất tiếp tuyến σθ’ và ứng suất hướng tâm σr’thì trở thành ứng suất nén Và ta quan sát được biến dạng nén eθ’, biến dạng kéo căng eθ’ và er’

Đỉnh vấu (vùng IV), chịu sự tác động của ứng suất nén σZ’ và ứng suất tiếp kéo σθ’ Khi ta đỡ đỉnh vấu bằng các chày cứng thì xuất hiện ứng suất nén σr’ Trị số của ứng suất nén này thay đổi từ áp suất p ở đầu trong sang σK trên mặt đỉnh vấu

41

Hình 2.4 Trạng thái ứng suất ở giai đoạn 1 và giai đoạn 2 của dập thủy tĩnh với ép dọc trục không có lực ép bổ sung (a) và giai đoạn 2 (3) dập thủy tĩnh với ép dọc trục bổ

sung theo toàn bộ tiết diện ngang của phôi tại nơi tạo hình

Tiếp theo sang giai đoạn dập thứ 2 thì trạng thái biến đổi ứng suất vẫn thay đổi và biến dạng thuận lợi hơn Lúc này độ nguy hiểm về sự phá hủy thành vấu giảm đi, điều này cho phép ta nhận được những vấu cao và thành vấu ít bị biến dạng Ta tiến hành thay đổi tương tự đặc tính ứng suất và biến dạng tại nơi thành hình ở giai đoạn dập thứ

2 cùng với việc ép trục phôi bổ sung theo toàn bộ tiết diện ngang của phôi (hình b)

2.5 Dập thủy tĩnh có ép dọc trục và uốn ngang phôi

Đặc điểm ứng suất và biến dạng mà ta nghiên cứu là vấn đề phức tạp vùng I, IV: Vùng tiếp giáp với mặt phôi sẽ bị không đồng đều trên các bề mặt Tại đây ta quan sát được sự chồn trục phôi ez và làm dày thành phôi er

Ngay khi bắt đầu dập, ứng suất nén trục σz’’, ứng suất nén tiếp tuyến σθ’’ và ứng suất hướng tâm σr’’ đều hoạt động ở vùng V Không có thành phần ứng suất nào có thể vượt trội được giới hạn chảy của vật liệu, do đó khi quá trình xảy ra ổn định thì sự biến dạng dẻo tại bộ phận trung tâm của chi tiết rỗng (vùng V) không xuất hiện nữa

Trong những trường hợp cụ thể, khi có lực uốn bên trong p, ta có thể tiến hành định

cữ cho vùng này như đã mô tả ở trên

Hình 2.5 Trạng thái ứng suất khi dập thủy tĩnh với ép dọc và uốn ngang