Nghiên cứu công nghệ tạo hình bằng năng lượng điện từ cho chi tiết phôi ống và tấm

a sử dụng ngòi nổ để dập ống hình tròn, 1.5 Phương pháp dập thủy tĩnh 111.6 Những chi tiết có trục đối xứng điển hình được dập bằng EMF [41] 131.7 Công nghệ dập tấm được thực hiện với dậ

HỒ THỊ MỸ NỮ

Đề tài:

NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ TẠO HÌNH BẰNG NĂNG LƯỢNG ĐIỆN TỪ CHO CHI TIẾT PHÔI ỐNG VÀ TẤM

Chuyên ngành: Công nghệ chế tạo máy

LUẬN VĂN THẠC SĨ

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

TS LƯƠNG THỊ THU GIANG

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp HCM ngày 07 tháng 01 năm 2009

Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:

(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hội đồng chấm bảo vệ luận văn thạc sĩ)

1 Chủ tịch: PGS.TS ĐẶNG VĂN NGHÌN

2 Thư ký: TS LƯƠNG HỒNG ĐỨC

3 Cán bộ hướng dẫn: TS LƯU PHƯƠNG MINH

4 Cán bộ nhận xét 1: PGS.TS NGUYỄN TRƯỜNG THANH

5 Cán bộ nhận xét 2: TS LƯƠNG THỊ THU GIANG

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Bộ môn quản lý chuyên ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có)

Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV Bộ môn quản lý chuyên ngành

Tp HCM, ngày tháng năm

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ và tên học viên : HỒ THỊ MỸ NỮ Giới tính : Nữ

Ngày, tháng, năm sinh : 27-07- 1982 Nơi sinh : Nghệ An

Chuyên ngành : Công Nghệ Chế Tạo Máy

Khoá (Năm trúng tuyển) : 2006

1- TÊN ĐỀ TÀI :

NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ TẠO HÌNH BẰNG NĂNG LƯỢNG ĐIỆN TỪ

CHO CHI TIẾT PHÔI ỐNG VÀ TẤM 2- NHIỆM VỤ LUẬN VĂN :

- Nghiên cứu tổng quán công nghệ tạo hình bằng năng lượng điện từ

- Nghiên cứu cơ sở lý thuyết và những thông số ảnh hưởng đến quá trình tạo hình bằng năng lượng điện từ

- Nghiên cứu mô hình tạo hình bằng năng lượng điện từ

- Mô phỏng phôi trụ được tạo hình bằng năng lượng điện từ bằng phần mềm Ansys

3- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ (Ngày bắt đầu thực hiện LV ghi trong nghị Quyết định giao đề tài):

4- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ : 03.12.2008

5- HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN : TS Lưu Phương Minh

Nội dung và đề cương Luận văn thạc sĩ đã được Hội Đồng Chuyên Ngành thông qua

TS LƯU PHƯƠNG MINH

LỜI CẢM ƠN

Để có được những kiến thức vô cùng quý giá và hoàn thành tốt luận văn tốt nghiệp được giao như hiện nay, em xin chân thành cảm ơn Quý Thầy

Cô khoa Cơ khí, trường Đại học Bách Khoa Thành phố Hồ Chí Minh đã dạy

em trong suốt hơn hai năm vừa qua Nhân đây, em xin được bày tỏ lòng biết

ơn, sự kính trọng đến Quý Thầy Cô và kính chúc Quý Thầy Cô luôn dồi dào sức khỏe để chắp cánh tri thức cho thế hệ mai sau

Đặc biệt, em xin chân thành cảm ơn thầy Lưu Phương Minh đã dành nhiều thời gian để hướng dẫn, giúp đỡ và tạo mọi điều kiện thuận lợi cho em hoàn thành luận văn này

Cuối cùng, tôi xin cảm ơn các bạn bè đã giúp đỡ tôi trong suốt thời gian học tập và quá trình thực hiện luận văn

Hồ Thị Mỹ Nữ

Electromagnetic forming (EMF) is an high velocity forming method and one

of the most attractive high velocity forming techniques that gained significant acceptance in the commercial metal forming industry EMF methods leads to improved formability, improved strain distribution, reduction in wrinkling, control of springback and interference fit between the sheet and the die in addition to other economic benefits like lighter tooling and equipment, lower die tryout time, one-sided dies etc, thereby overcoming the limitations imposed by conventional forming techniques They can be effectively used for forming metals with low formability like aluminum alloys and high strength steel The electromagnetic forming process uses electromagnetic (Lorentz) body forces to shape sheet metal parts It uses the energy of strong magnetic field to plastically deform metal at high speed In this thesis, the issues with electromagnetic forming that influence high velocity formability – inertia / size effects; changes in constitutive behavior; impact; and dynamic failure modes, were studied mainly from existing sudies and theoretical studies involving High velocity forming

Họ và tên: HỒ THỊ MỸ NỮ

Ngày, tháng, năm sinh: 27.07.1982 Nơi sinh: Nghệ An

Địa chỉ liên lạc: 170/1 khu phố I, phường Thạnh Xuân, Quận 12, Thành phố

Hồ Chí Minh

QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO

2001-2006 : Học tại đại học Sư phạm kỹ thuật thành phố Hồ Chí Minh

2006-2008 : Học tại đại học Bách Khoa thành phố Hồ Chí Minh

QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC

2006 đến nay đang công tác tại trường THPT Gò Vấp, Quận Gò Vấp thành phố Hồ Chí Minh

1.1 Mô hình giải thích dập tấm 31.2 a) Dập dập tấm truyền thống b) dập tấm bằng năng lượng điện từ 51.3 Sơ đồ quá trình dập nổ điển hình (a) sử dụng ngòi nổ để dập ống hình tròn,

1.4 Sơ đồ quá trình dập nổ điển hình (a) sử dụng ngòi nổ để dập ống hình tròn,

1.5 Phương pháp dập thủy tĩnh 111.6 Những chi tiết có trục đối xứng điển hình được dập bằng EMF [41] 131.7 Công nghệ dập tấm được thực hiện với dập bằng năng lượng điện từ 211.8 Mô hình so sánh giới hạn dập của hợp kim nhôm 6061-T4 được thực hiện

(a) Mô hình cài đặt sử dụng trong dập thủy tĩnh và hydroforming (b) so sánh tấm hợp kim nhôm AA2024 được dập trong khuôn nón sử dụng quá trình hydroforming (trái) và sử dụng quá trình thủy tĩnh (phải) [10]

1.10 Thực nghiệm EMF với thép tấm độ bền cao (a) mô hình lắp đặt thực nghiệm, (b) Hai mẫu thép được dập trên mêm đặt ở giữa và đối xứng trục lớn và nhỏ Những mẫu này đều hư hỏng khi bắt đầu thực hiện [37]

23

1.11 Biểu đồ vận tốc cao tập trung và tính dẻo chuẩn tĩnh của năm loại thép 241.12 Mô hình của hệ thống sử dụng dập bằng thủy tĩnh và điện từ của tấm kim

2.1 Sơ đồ nguyên lý dập phôi hình ống 302.2 Biểu đồ chung của hệ thống dập dùng năng lượng điện từ 31

2.4 Mô hình cuộn dây và hệ thống phôi : 1- cuộn dây 2- phôi, i1, i2 – dòng điện, B

2.10 So sánh kết quả thực nghiệm với mô phỏng thể tích phần tử Kết quả cho thấy gia tăng độ nhạy tốc độ biến dạng ở tốc độ biến dạng cao là artifact [94]

53

2.11 Biến đổi độ cứng điểm của tấm nhôm 6061 T4 được dập với vận tốc cao

2.12 Đường cong ứng suất biến dạng được tạo ra do mô phỏng LS-DYNA với

2.13 Quá trình kiểm để nghiên cứu về khả năng dập của thép tấm với phương pháp dập bằng năng lượng điện từ 1: cuộn dây tạo hình; 2: khối cách điện; 3: vòng thép; 4: tấm thép được kiểm tra; 5: khuôn với một khuôn mở (Ø100 mm), 6: khuôn hình côn hoặc và dạng chữ V; 7: đầu dây [21]

57

2.14 (a) Cuộn dây dập được đặt trong một khối cách điện và được ấn vào trong vành thép, cuộn dây (a) được dùng trong dập với năng lượng điện từ cho mẫu thép với khuôn tròn mở (b), khuôn chữ V (c) hay khuôn hình nón [21]

58

2.16 Mẫu sau khi kiểm tra khả năng dập với lực điện từ, lực điện từ này ép mẫu vào trong khuôn mở.[21]

58

2.17 Biểu đồ về khả năng dập của hợp kim nhôm AA6111-T4 [ 21 ] 592.18 Mẫu nhôm 6111-T4 được biến dạng với dập bằng năng lượng điện từ trong một khuôn mở ở nhiều mức độ năng lượng khác nhau (a) 3.3kJ, (b) 2.21kJ, (c) 7.2kJ[21]

60

2.19 Kết quả về khả năng dập của hợp kim nhôm AA5754; đường liền nét – mô hình FLD; dấu hình chữ nhật – những mẫu sau khi được dập với EMF trong khuôn mở hình tròn và chữ nhật; dấu tam giác – những mẫu được dập với EMF trong khuôn hình nón.[21]

60

2.20 So sánh các mẫu được dập khi có khuôn và không có khuôn 602.21 Vận tốc biến đổi theo biên dạng bán kính đối với mẫu ống được giản nở khi

2.22 Hình cuộn dây dập với cuộn dây có 2, 4, 10 vòng dây được dùng để dập

2.23 Hình mẫu có chiều cao 3.17cm được dập bằng năng lượng điện từ với cuộn dây có 4 vòng dây tại mức năng lượng 6.72 kJ[20]

62

2.24 Dòng điện biến đổi theo thời gian: của mẫu được dập với cuộn dây có 4 vòng dây tại mức năng lượng 6.72kJ Đỉnh dòng điện là 128kA, thời gian

62

2.26 Dòng điện biến đổi theo thời gian của mẫu cao 8.51cm được dập với cuộn dây ở mức năng lượng 6.72kJ Đỉnh dòng điện 138kA và thời gian đạt tới đỉnh là 16 µs

64

2.28 Dòng điện biến đổi theo thời gian của mẫu cao 8.51 cm được dập với cuộn dây có 10 vòng dây

65

2.29 Mẫu dài 3.17 cm được dập bằng năng lượng điện từ ở mức năng lượng 8kJ 652.30 Dòng điện biến đổi theo thời gian của mẫu cao 3.17cm được dập với cuộn

2.31 Mẫu dài 1.74cm được dập bằng năng lượng điện từ với cuộn dây có 2 vòng

2.32 Dòng điện biến đổi theo thời gian của mẫu cao 1.74 cm được biến dạng với cuộn dây có hai vòng dây ở mức năng lượng là 6.4 kJ

67

2.33 Mô hình hệ thống nén phôi ống bằng năng lượng điện từ 682.34 Mô hình dụng cụ dập bằng năng lượng điện từ 70

2.36 Sơ đồ mạch điện tạo hình bằng năng lượng điện từ 87

2.38 Mô hình đơn giản của dụng cụ đánh lửa 94

3.2 Mạch điện tương đương của hệ thống dập bằng năng lượng điện từ 102

Hệ thống dập bằng năng lượng điện từ được dùng để nén phôi hình trụ rỗng 1033.3

3.4 Hệ thống dập bằng năng lượng điện từ kéo phôi hình trụ rỗng 1033.5: Mô hình tương đương của hệ thống dập bằng năng lượng điện từ 1043.6 Phân tích lực của qúa trình giản nở phôi ống bằng lực điện từ và cuộn dây dập

107

3.12 Nguyên tắc hoạt động của cuộn dây bên ngoài 1184.1 Cấu hình phôi được sử dụng để mô phỏng 121

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN

1.1 Lịch sử ra đời của phương pháp dập bằng năng lượng điện từ 1

151.2.3 So sánh với dập truyền thống với dập với năng lượng điện từ

1.3.2 Ưu điểm của hợp kim nhôm trong dập với vận tốc cao 20

21 1.3.2.1 Làm tăng khả năng dập

25 1.3.2.2 Vấn đề khử nhăn

1.4 Kết luận 261.5 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước 27

1.7 Mục tiêu của luận văn 31

CƠ SỞ LÝ THUYẾT CÔNG NGHỆ TẠO HÌNH BẰNG

NĂNG LƯỢNG ĐIỆN TỪ CHƯƠNG 2

2.1 Nguyên lý dập khi phôi là hình ống 322.2 Phương trình cơ bản của phương pháp dập dùng năng lượng điện từ 37

47 2.5.1 Ảnh hưởng của lực quán tính

47 2.5.1.1 Những mô hình dựa trên tính không đồng nhất ban đầu

và nghiên cứu về phát triển của chỗ thắt

2.5.1.2 Mô hình dựa trên phân tích nhiễu và không ổn định 51 2.5.2 Ảnh hưởng khuôn tác động đến khả năng dập ở vận tốc cao 52 2.5.3 Ảnh hưởng của thay đổi cấu trúc đến khả năng dập ở vận tốc cao 54

2.7 Ảnh hưởng chiều dài cuộn dây đến khả năng dập bằng năng EMF 642.8 Nguyên tắc thiết kế thiết bị dập bằng năng lượng điện từ 73

2.8.2 Phân bố năng lượng trong mạch phóng điện EMF 742.8.3 Tự động hóa những thông số của mạch phóng điện 78

3.5 Xấp xỉ các trường trong cấu hình 1163.5.1 Trường điện từ trong phôi

3.5.2 Trường đàn hồi trong phôi

3.5.3 Miền nhiệt độ trong phôi

1171171173.6 Mô hình cuộn kích từ và khuôn dập 118

CHƯƠNG 4 MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH DẬP BẰNG NĂNG

LƯỢNG ĐIỆN TỪ

4.2 Các bước tiến hành mô phỏng 120

CHƯƠNG 5 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 126

b – Bán kính bên ngoài của phôi(m)

c – Bán kính trung bình của cuộn dây tạo hình (m)

d – Bề dày của phôi (m)

dc – Đường kính bên ngoài cuộn cảm (m)

d gap – Khoảng cách giữa phôi và cuộn dây (m)

dl – Lớp cách điện giữa các vòng dây trong cuộn kích từ (m)

d over - Lớp cách điện xung quanh cuộn dây kích từ(m)

E – Cường độ điện trường

E - Tổng năng lượng được tích tụ trong bộ tụ (J)

E – Mô đun đàn hồi (N/m2)

L1, R1 và C1 - Độ tự cảm, điện trở của cuộn dây tạo hình và điện dung của bộ tụ

I1 -là dòng diện trong cuộn dây tạo hình

I2 -là dòng điện trong phôi

d -là khoảng cách giữa cuộn dây và phôi

0

μ -là độ từ thẩm của không gian giữa phôi và cuộn dây

B1tB , B2t -là thành phần tiếp tuyến cảm ứng điện từ

cm – nhiệt dung riêng của vật liệu

θ - là nhiệt độ của dây dẫn

Q là nhiệt được sinh ra trong dây dẫn

λt – độ dẫn nhiệt riêng của dây dẫn

θ0 là nhiệt độ môi trường

k0 là hệ số chuyển đổi nhiệt

⎝ ⎠ là toán tử mô tả biến dạng dẽo

là ứng suất trong kim loại

m

p

Le điện cảm tương đương của hệ thống phôi-cuộn cảm

Re là điện trở tương đương của hệ thống

C − điện dung của bộ tụ,

V0 − điện thế trao đổi của bộ tụ,

Rdiode − điện trở tương đương của đèn đi ốt

Rint − điện trở tương đương của bộ phận sau đèn đi ốt

Lint − điện cảm của bộ phận sau đèn đi ốt

Rc − điện trở của cuộn dây tạo hình

Lc − độ tự cảm của cuộn dây tạo hình,

Rw − điện trở của phôi,

Lw − độ tự cảm của phôi,

Mcw −Độ tự cảm chung giữa phôi và cuộn dây tạo hình Ρo- Mật độ khối ban đầu

σy- Ứng suất chảy dẽo

µ- Mô đun trượt

Ν- Hệ số Poison

CHƯƠNG 1

TỔNG QUAN

1.1 Lịch sử ra đời của phương pháp dập bằng năng lượng điện từ

Dập với vận tốc cao được khám phá vào cuối thập niên 1800, ứng dụng cho phôi tấm mỏng vào thập niên 1930 Giữa thập niên 1950 và đầu thập niên 1970 chính phủ Mỹ đã tài trợ cho một số nghiên cứu phát triển và ứng dụng dập với vận tốc cao, gồm có những phương pháp dập nổ, dập thủy tĩnh và dập điện từ Trong đó dập bằng năng lượng điện từ yêu cầu phôi phải có khả năng dẫn điện cao, và công nghệ này đã phát triển rất mạnh mẽ trong công nghệ lắp ráp Thậm chí là dập bằng phương pháp điện từ được biết đến ở những năm đầu của thế kỷ

XX, nhưng phương pháp này đã không được nghiên cứu rộng rãi vì những hạn chế về kĩ thuật (dụng cụ, vật liệu, công tắc điện cao thế, vật liệu dùng để cách điện) vì vậy mà phương pháp này đã bị lãng quên trong nhiều thập kỷ, dù nó là phương pháp đầy hứa hẹn Thêm vào đó do máy tính lúc bấy giờ không đáp ứng được yêu cầu do công nghệ này yêu cầu Tuy nhiên, những công ty như Maxwell Maganform vẫn tiếp tục giới thiệu dụng cụ dập bằng năng lượng điện từ ra thị trường Nhóm EMF tại đại học Ohio State University khơi lại quan tâm về công nghệ này vào đầu thập niên 90 và đã xuất bản nhiều bài báo và luận văn, chứng minh về tính ưu việt của phương pháp dập bằng năng lượng điện từ cho quá trình dập kim loại

Trong suốt một vài thập kỉ sau, nhu cầu của thị trường yêu cầu chi tiết có độ bền cao và tính kinh tế hơn so với các phương pháp truyền thống và đó cũng chính là nguyên nhân mà khiến cho mọi người quay về với dập bằng phương pháp điện từ Hiện nay trên thế giới đã nghiên cứu phương pháp dập điện từ rất nhiều và đã chế tạo ra máy móc thiết bị dập bằng năng lượng điện từ và rất hiệu quả

Ngày nay đang nghiên cứu và chế tạo trên vật liệu nhôm, kết hợp với phương pháp phần tử hữu hạn ANSYS để mô phỏng các vấn đề về di chuyển của trường điện từ và hiểu thêm về các nguyên tắc về dập bằng trường điện từ Phương pháp dập bằng năng lượng điện từ được so sánh như quá trình dập truyền thống nhưng được thực hiện với vận tốc rất cao Hiện nay, việc cải thiện cho quá trình dập điện từ với các đặc tính của phôi như hình dáng hình học, khả năng dẫn điện, chất lượng, và độ thấm từ có thể được xác định bằng cách điều khiển được dòng điện và điện thế chạy qua cuộn dây tạo hình

1.2 Tính ưu việt của phương pháp điện từ

Dập kim loại tấm là một quá trình sản xuất quan trọng vì tốc độ sản xuất cao

và chi phí thấp Nó là công nghệ hàng đầu trong sản xuất xe hơi, xe có tải trọng lớn và công nghiệp hàng không Những sáng kiến hiện tại trong hai ngành công nghiệp này đưa ra yêu cầu về bộ khung nhẹ hơn Kim loại nhẹ, như là thép các bon cao, hợp kim nhôm, magie, được đưa vào sử dụng để giảm trọng lượng và giảm lượng tiêu thụ dầu nhớt Tuy nhiên, khả năng tạo hình của những vật liệu này có khuynh hướng tạo ra những sự cố không mong đợi Đồng thời, các nhà thiết kế xe hơi luôn thiết kế khung xe hơi với hình dáng ngày càng phức tạp để đáp ứng thị hiếu của người tiêu dùng Kết hợp hai yêu cầu trên thì công nghệ dập truyền thống không đáp ứng

Quá trình dập tấm thành công khi tấm kim loại phẳng được dập thành những chi tiết hữu dụng với hình dáng như mong đợi và không hư hỏng Quá trình dập tấm kim loại rất phức tạp do khả năng thích ứng với biến dạng để tạo ra những hình dạng như thiết kế mà không hư hỏng trong suốt quá trình dập Khả năng tạo hình không chỉ phụ thuộc vào đặc tính của tấm mà còn phụ thuộc vào những thông số của quá trình trong quá trình dập thực hiện Hình 1.1 sơ đồ của quá trình dập tấm truyền thống Những công cụ dập gồm có như chày, khuôn và bộ kẹp phôi mà có thể có hoặc không có gờ kéo kèm theo Chày kéo tấm phẳng vào khuôn để dập, và bộ kẹp phôi có tác dụng chống lại nhăn và để điều khiển dòng kim loại vào trong khuôn

Trong phương pháp dập truyền thống, hư hỏng sản phẩm thường do nhăn và rách Nhăn thường xuất hiện ở phần phình ra bên trong bộ kẹp phôi hoặc trong những mép không có giá đỡ, hiện tượng nhăn là do ứng suất nén thừa trong mặt phẳng tấm dẫn tới giản nở tấm Trái lại, rách phôi thường là do ứng suất kéo thừa tác động vào tấm Để hạn chế được những hư hỏng này, đầu tiên sử dụng vật liệu có đặc tính vật liệu tốt hơn để giảm nhăn và rách, mà cần phải chọn những vật liệu mới

có đặc tính cơ cao Cách khác, điều khiển phân bố biến dạng của chi tiết được dập, phân bố biến dạng lý tưởng là biến dạng đều mà không có biến dạng nén thừa và biến dạng kéo thừa Vì vậy, kim loại tấm có biến dạng vừa đủ tạo ra những hình dạng như mong muốn và không có hư hỏng cục bộ Nhiều phương pháp chế tạo được phát triển để cải thiện khả năng tạo hình tấm, như là điều khiển gờ kéo và lực kẹp của bộ kẹp phôi hiệu quả, bôi trơn và tối ưu hóa phôi Chúng có thể được áp dụng cùng lúc những biện pháp này hoặc là áp dụng từng phương pháp riêng lẻ Mặc dù tất cả những phương pháp trên hữu dụng, chúng được áp dụng để điều khiển dòng kim loại và tiếp theo là tác động gián tiếp vào phân bố biến dạng Có một giải pháp có thể hạn chế được những hạn chế trên của phương pháp dập truyền thống đó là ứng dụng dập bằng năng lượng điện từ, để cải thiện khả năng tạo hình của tấm kim loại, mà dựa vào ý tưởng của việc phân bố biến dạng trực tiếp mà nó được yêu cầu và sau đó là điều khiển phân bố biến dạng Với công nghệ dập bằng năng lượng điện từ, cuộn dây tạo hình sẽ thay thế cho chày trong dập truyền thống,

mà nó là công cụ trực tiếp điều khiển phân bố biến dạng phôi

Trong phương pháp dập truyền thống phôi sẽ được đặt giữa khuôn và chày Lực này được tạo ra do chày tác động trực tiếp lên phôi và phôi được tạo hình theo hình dạng của khuôn, như trên hình 1.1a Có nhiều giới hạn do phương pháp này bao gồm một là do dung sai của khuôn và chày, hai là do thay đổi thiết kế khuôn và

do hao mòn khuôn, ba là do hiệu chỉnh khuôn và dụng cụ dập và bốn là do sức kháng của tấm đối với tốc độ biến cứng cao hoặc là modul đàn hồi thấp, qui trình kĩ thuật cho việc bôi trơn và trượt

Dập với vận tốc cao sử dụng nhiều nguồn năng lượng khác nhau để tạo ra lực tác động vào tấm bao gồm nổ, điện từ và thủy tĩnh Với các phương pháp này chỉ yêu cầu một nửa khuôn (dưỡng) vì vậy mà làm giảm đáng kể những vấn đề xuất hiện trong phương pháp dập truyền thống Phương pháp dập với vận tốc cao được trong nghiên cứu thực nghiệm là sử dụng cuộn dây có nhiều vòng dây được biết như là cuộn dây có áp suất đều để tạo ra lực tác động vào phôi Phương pháp này sử dụng dòng điện cao tần tạo ra dòng điện cảm trong một khoảng thời gian rất ngắn

ép phôi vào khuôn với vận tốc khoảng 200m/s phụ thuộc vào năng lượng được sử dụng Hình 1.1b tấm được ép vào khuôn bằng năng lượng điện từ

Hình 1.2 a) Dập tấm truyền thống b) dập tấm bằng năng lượng điện từ [99]

Nhiều nghiên cứu đã được thực hiện để so sánh giữa phương pháp dập truyền thống và phương pháp dập bằng năng lượng điện từ về độ cứng, khả năng tạo hình

và ảnh hưởng của bề mặt tiếp xúc Có nhiều yếu tố trong công nghệ dập bằng năng lượng điện từ được phân tích gồm có 1) Năng lượng trao đổi 2) Hình dạng cuộn dây, 3) Mức áp lực tác động, 4) Khoảng cách mà tấm phải di chuyển, và 5) Vật liệu

phôi Hư hỏng của cuộn dây áp suất đều cũng được tính toán Gần đây, một hệ thống sử dụng Photon Doppler Velocimetry sử dụng tia laze và di chuyển Doppler được sử dụng để tính toán vận tốc tấm di chuyển vào khuôn

Những công cụ cơ bản trong dập truyền thống là khuôn và dụng cụ dập (chày

và cối), một bộ kẹp phôi, và áp lực Chày và cối là những công cụ để tạo hình hình dạng của phôi như thiết kế Bộ kẹp phôi được sử dụng để giữ phần kim loại không được dập được đặt ở phần đỉnh của khuôn Tác động lực vào chày và lực này sẽ đẩy chày tác động vào khuôn Hình 1.2 kim loại tấm được ép vào một nửa khuôn Thường có một cái gờ đặt bên ngoài khuôn để giữ tấm lại và chống trượt Dập truyền thống thường được sử dụng trong công nghiệp ô tô để sản xuất thùng chứa, như khung, hệ thống xả, nắp, khung nhà và cửa vì thu được đặc tính cơ và đảm bảo những chi tiết với trọng lượng nhẹ ở tốc độ cao và chi phí thấp cho việc cải thiện hoàn toàn trong hiệu suất sử dụng nhiên liệu và yêu cầu thiết kế

Có ít nhất là bốn giới hạn đối với phương pháp dập truyền thống Thứ nhất là dung sai giữa khuôn và chày Dung sai này cần phải rất chính xác để tạo ra kích thước chấp nhận được Vấn đề thứ hai là thay đổi thiết kế và hao mòn dụng cụ Đây

là vấn đề quan trọng bởi vì khi phát triển quá trình sản xuất đối với quan điểm thiết

kế dòng, thay đổi trạng thái trễ cho những phần được làm với phương pháp dập truyền thống rất khó thay đổi này cần phải tiến hành cả trên khuôn và chày, mà nó

sẽ làm tăng kích thước lên rất phức tạp Hiệu chỉnh khuôn và chày cũng là một vấn

đề quan trọng Không có hiệu chỉnh chính xác, chày có thể bị trượt trên tấm hoặc là

tạo ra những vùng biến mỏng cục bộ vì vậy dẫn đến xuất hiện những vùng hư hỏng Tình trạng hư hỏng này sẽ tăng lên nếu dập những chi tiết phức tạp hơn Vấn đề quan trọng cuối cùng đó là khả năng tạo hình ở các loại hợp kim, trong phương pháp dập truyền thống không thể thực hiện được với một số loại hợp kim Vì vậy

mà ở những vật liệu có khả năng kéo nén giảm phải yêu cầu một phương pháp khác

để gia công

1.2.2 Dập với vận tốc cao

Dập với vận tốc cao là quá trình dập phôi bằng cách chuyển năng lượng vào trong phôi một cách nhanh chóng trong một khoảng thời gian rất ngắn [1] Trong quá trình dập kim loại, ngay khi cung cấp cho quá trình một động năng cần thiết năng lượng này sẽ tác động vào phôi một cách nhanh chóng, động năng này chuyển thành quá trình biến dạng dẽo khi mà phôi tiếp xúc với bề mặt của khuôn Yêu cầu vận tốc cao (điển hình 50-300m/s) Những yếu tố giúp chúng ta có thể phân biệt với công nghệ dập truyền thống đó là độ lớn và thời gian sử dụng áp lực

Trong trường hợp dập với vận tốc cao, áp lực cao sẽ tác động vào phôi trong một khoảng thời gian rất ngắn như vậy những yếu tố như lực quán tính và động năng tác động vào phôi rất quan trọng [2] Do đó năng lượng phóng ra bị hút trong phôi, chúng cũng được gọi là quá trình dập với tốc độ năng lượng cao Dưới điều kiện dập với vận tốc cao, những tính chất vật lý khác nhau và lực quán tính trở thành một yếu tố quan trọng Dưới điều kiện dập truyền thống, lực quán tính được

bỏ qua khi mà vận tốc dập khoảng nhỏ hơn 5m/s trong khi đó quá trình dập với vận tốc cao tác động vào phôi với vận tốc là khoảng 100 m/s [2] Dập với vận tốc cao chỉ sử dụng một nửa khuôn, vì vậy những vấn đề liên quan như là dung sai, gia công và hiệu chỉnh được giảm đáng kể

ương

Ph pháp dập với vận tốc cao có thể cải thiện khả năng tạo hình, phân bố biến dạng đều hơn trong quá trình đơn, và dụng cụ gia công nhẹ Với phân bố biến dạng đều hơn, hợp kim bị biến cứng có thể được dập và giảm quá trình tôi trung gian Có một số các phương pháp dập với vận tốc cao dựa vào nguồn năng lượng để

tạo ra vận tốc cao Những phương pháp phổ biến là nổ, thuỷ lực, điện từ Phôi được cung cấp động năng ngay ở đầu quá trình và sau đó trong quá trình dập động năng ban đầu sẽ bị tiêu hao ngay khi xảy ra biến dạng dẽo lúc đó lực quán tính lớn Những yếu tố vật lý để xác định biên dạng vận tốc phóng ra của phôi trong mỗi phương pháp khác nhau Những quá trình này đã được sử dụng từ đầu thế kỷ 50 và trong những tài liệu cũ cho thấy có những công nghệ khác nhau như là khí nén điều khiển búa, nổ sử dụng gas, đốt cháy những chất nổ

Sau đây là một số công nghệ dập với vận tốc cao điển hình

1.2.2.1 Công nghệ dập bằng phương pháp nổ

Quá trình dập bằng phương pháp nổ là quá trình sử dụng năng lượng nổ mạnh

để định hình phôi thành những hình dạng riêng biệt [4] Phụ thuộc vào vị trí nguồn

nổ đến phôi, công nghệ này được chia thành hai loại – tiếp xúc và không tiếp xúc Trong quá trình không tiếp xúc, năng lượng được phóng ra tại một vị trí cách xa phôi và đi qua một môi trường trung gian (thường là nước), dưới dạng xung áp lực Trái lại, quá trình tiếp xúc nguồn nổ tiếp xúc trực tiếp với phôi Vì vậy, với nguồn năng lượng khác nhau có biến đổi cơ tính phôi khác nhau Nhìn chung khoảng cách trong quá trình không tiếp xúc lớn tạo ra tổng biến dạng kéo lớn hơn trong khi đó nếu khoảng cách gần hơn làm tăng biến dạng kéo Tốc độ biến dạng trung bình trong quá trình dập nổ khoảng 10-100/s Chất nổ thường được sử dụng là TNT, RDN, chất nổ Pentolite và hợp chất không khói Vận tốc biến dạng <1 m/s đến 8300 m/s với áp lực lên đến 23 GPa [2]

Bảng 1.1 Đặc tính của chất nổ dùng trong công nghệ dập nổ [1,4]

Chất nổ Vận tốc biến dạng (m/s) Năng lượng (J/g) Áp lực (GPa)

2,4,6-trinitroltoluene (TNT) 7010.4 780 16.536 Cyclotrimethylene

Hình 1.3 Sơ đồ quá trình dập nổ điển hình (a) sử dụng ngòi nổ để dập ống hình tròn,

(b) dập tấm phẳng [1,7]

Hình 1.3 Sơ đồ của quá trình dập nổ Phương pháp dập nổ là một trong những phương pháp dập vận tốc cao được áp dụng rộng rãi nhất cho những linh kiện lớn, phương pháp này được sử dụng phổ biến trong quá trình sản xuất khối lượng nhỏ cho những bộ phận phức tạp của những vật liệu có độ bền dai Nhờ sử dụng phương pháp nổ việc sản xuất những bộ phận này không phải tạo những công cụ máy móc phức tạp và nặng Một trong những phương pháp sản xuất có đủ khả năng chịu được những yếu tố tấm dày như thân tàu, những linh kiện gây nổ lớn và trao đổi nhiệt [9] Hình 1.4 là một vài hình ảnh của những mẫu được dập bằng phương pháp dập nổ

Những ưu điểm chính công nghệ này hơn những công nghệ truyền thống là sử dụng một nửa khuôn và chính vì vậy mà làm giảm thời gian cần thiết để tạo mẫu và cũng làm giảm giá thành cho hệ thống Dập có thể được thực hiện khi có khuôn hoặc là không dùng khuôn [8]

(a) (d)

(c) (b)

Hình 1.4 Kết quả thực tế thu được từ quá trình dập nổ điển hình (a) Đỉnh vòm có

đường kính 10 fut (3,048cm) được dập với vật liệu là AA2014-0, (b) Một ống thép chống

ăn mòn 310 dẫn tia lửa điện , (c) Khung máy bay làm từ thép chống ăn mòn 321 được

dập với quá trình đơn, (d) Một ống được làm nếp với đường kính 15,24cm từ thép chống

ăn mòn A-286 dày 0.0254c m [7]

1.2.2.2 Phương pháp dập thủy tĩnh

Phương pháp dập bằng năng lượng thủy tĩnh là công nghệ dập với vận tốc cao

dùng năng lượng điện để trao đổi trong môi trường dung dịch trung gian để chuyển

năng lượng tĩnh thành năng lượng cơ để làm biến dạng kim loại Năng lượng được

dự trữ trong bộ tụ (khoảng 10-100kJ) và nó được trao đổi qua khe đánh lửa hoặc là

qua cuộn dây nối với khe tạo ra điện, phần này nằm trong dung dịch (thường là

nước), trong một khoảng thời gian rất ngắn (điển hình là < 100 µs) Vì vậy mà làm cho dung dịch bốc hơi xung quanh chất lỏng và tạo thành sóng tác động với cường

độ cao để cung cấp áp lực nhất thời, lực này tác động vào phôi

Khuôn

Đường thoát khí

Phôi Khuôn

Phương pháp thủy tĩnh dùng để sản xuất các chi tiết có dạng rỗng, lõm sâu và trũng với hình dạng phức tạp Nghiên cứu [1, 10] cho thấy rằng biến đổi quan trọng trong quá trình này là phải điều khiển cấu hình của điện cực, bộ đánh lửa, dây cầu

và năng lượng trao đổi Cấu hình điện cực khác nhau được cung cấp cho loại dập những linh kiện khác nhau như được mô tả chi tiết với thông số quá trình khác đã được liệt kê trong [4] Những ứng dụng khác nhau như là đánh lửa, dập, gấp mép, kéo và đột lỗ có thể được thực hiện với công nghệ dập thủy tĩnh nếu yêu cầu của thiết kế không thể được thực hiện với những phương pháp truyền thống

Dập thủy tĩnh không phù hợp cho quá trình nén theo phương bán kính hoặc cho quá trình chồn, khi nguồn năng lượng luôn là một điểm hoặc là một đường thẳng Phương pháp dập nổ và phương pháp thủy tĩnh giống nhau về khái niệm cho

cả hai quá trình, sóng kích động với cường độ cao được truyền đến phôi Dập thủy tĩnh có nhiều thuận lợi hơn so với phương pháp dập nổ như là về mức tiếng ồn thấp hơn và ít nguy hiểm hơn Cơ sở cho quá trình này được phát hiện ra khoảng giữa thập niên 1940 Nhiều nhà sản xuất ô tô đã đưa ra lợi ích trong tạo hình với phương pháp thủy tĩnh, nhưng nhờ có kiểm tra quá trình này như điện cực nóng chảy, tính

an toàn và không có khả năng tái sản xuất, phương pháp này đã không được sử dụng rộng rãi cho sản xuất với khối lượng lớn

1.2.2.3 Phương pháp dập bằng năng lượng điện từ

Dập bằng năng lượng điện từ là kĩ thuật mới Phương pháp này dùng lực điện

từ gây ra bởi trường điện từ tác động lên phôi nhằm đạt được hình dạng sản phẩm mong muốn

Công nghệ dập bằng năng lượng điện từ là công nghệ được dùng phổ biến trong công nghiệp ô tô và hàng không vì những ưu điểm của chúng mang lại so với những phương pháp truyền thống như quá trình có thể lập đi lập lại và linh hoạt (chỉ phụ thuộc vào nguồn điện, năng lượng được điều chỉnh một cách dễ dàng và chính xác), dụng cụ đơn giản, chi phí thấp (vì vậy giảm nhu cầu về bôi trơn và vết dụng cụ) và tốc độ cao (thời gian của quá trình điển hình khoảng 50 μ ) Thuận lợi quan s

trọng nhất khi sử dụng EMF là tính dẽo của vật liệu tăng lên đáng kể

EMF có nhiều thuận lợi như là gia tăng khả năng tạo hình, độ bóng bề mặt tốt hơn, giảm được đàn hồi ngược và nhăn, dung sai kích thước trong giới hạn cho phép, dụng cụ không tốn kém nhiều, khả năng tái sinh cao và khả năng tự động hoá cao Từ trường được thay thế như chày nên không cần phải bôi trơn, không có tiếp xúc giữa dụng cụ và phôi nên sau khi dập sản phẩm hoàn toàn sạch Với dụng cụ được điều khiển bằng tay tỉ lệ lắp ráp khoảng 600 – 1200 trên giờ, đây là loại điển

hình được thực hiện với dụng cụ hoàn toàn tự động, tốc độ quá trình khoảng 1200 trên giờ (điều này được chứng minh trong sản xuất.)

Những ứng dụng hiện nay của công nghệ dập bằng năng lượng điện từ

EMF được sử dụng để kéo (giản nở), nén hoặc là dập hình dạng ống 30 năm

về trước thường sử dụng cho việc hàn hoặc là lắp ráp những phần đồng tâm và làm nếp gấp Những lắp ráp này có thể được sử dụng để tối ưu hoá trục hoặc là độ bền xoắn để độ bền liên kết có thể vượt qua độ bền của ống nguyên liệu Hình 1.6 là hình ảnh của một vài chi tiết được chế tạo bởi EMF Dập bán kính, một phần của vòng tròn được kéo hoặc nén như dập nhẫn, hình ống Để có thể dập được những hình dạng ống phức tạp phải sử dụng khuôn, hoặc là đối với những ống nhỏ hơn – hàn nóng hai ống lại với nhau

Hình 1.6 Những chi tiết có trục đối xứng điển hình được dập bằng EMF [41]

Dập bằng năng lượng điện từ được ứng dụng trong công nghiệp hàng không,

xe hơi để tạo ra khung xe nhẹ hơn khi sử dụng hợp kim nhôm hoặc là thép các bon cao để làm giảm trọng lượng và làm giảm nhiên liệu tiêu thụ Ở đây tấm kim loại được dập dựa trên cơ sở là chống lại khuôn để cho những hình dạng phức tạp

Hình 1.7 Công nghệ dập tấm được thực hiện với dập bằng năng lượng điện từ [108]

Ưu điểm và hạn chế của phương pháp EMF so sánh vơi các phương pháp khác

Tại sao phương pháp dập dùng năng lượng điện từ được sử dụng nhiều? Có nhiều ứng dụng cho thấy rằng EMF có nhiều thuận lợi hơn so với các phương pháp gia công truyền thống Phương pháp dập điện từ có rất nhiều tiện ích khiến nó trở thành một lựa chọn hấp dẫn so với các phương pháp dập truyền thống như thuỷ lực,

cơ khí,… thậm chí là đối với các phương pháp dập bằng vận tốc cao khác như nổ, thuỷ tĩnh

Ưu điểm

Hiệu quả cao trong quá trình thực hiện Ở các phương pháp truyền thống yếu

tố chính giới hạn hiệu suất quá trình phụ thuộc vào thời gian chuẩn bị ( lắp ráp phôi, chuẩn bị và lấy phôi) Dụng cụ điện từ có thể được thiết kế với một điện dung sản xuất ra là 3600 hoạt động/giờ hoặc thậm chí là hơn thế

Quá trình kĩ thuật có thể được tự động hóa và cơ khí hóa một cách dễ dàng

Có thể điều khiển được dụng cụ ở rất xa Công cụ tạo hình là cuộn dây kích từ, cuộn dây này tạo ra lực từ tác dụng vào phôi, lực từ này không tiếp xúc với phôi

Năng lượng dập có thể được định lượng một cách chính xác tới 1% và với

điều khiển từ xa

Quá trình biến dạng phôi có thể diễn ra rất nhanh với micro giây Quá trình

dập bằng năng lượng điện từ xảy ra cực kỳ nhanh Điều này cho phép tạo ra được những sản phẩm mà phương pháp truyền thống với tốc độ dập chậm không thực hiện được

Tính linh hoạt của quá trình cao Cùng một cuộn dây như nhau có thể dùng

để tạo những phôi có hình dạng khác nhau

Dụng cụ kĩ thuật đơn giản quá trình chuyển đổi năng lượng không qua dung

môi trung gian Yếu tố này cho phép dập phôi kim loại xuyên qua lớp phủ cách điện hoặc là thành rỗng

Quá trình dập bằng năng lượng điện từ có năng suất sản xuất cao và dễ dàng bảo trì dụng cụ Dụng cụ của mô hình dập bằng năng lượng điện từ không có tiếng

ồn khi hoạt động Trái lại, với hầu hết các phương pháp biến dạng truyền thống trong quá trình dập bằng năng lượng điện từ không có tiếp xúc cơ khí với phôi Vì không có tiếp xúc với phôi nên không cần phải dùng đến dung dịch bôi trơn do đó quá trình dập này là một quá trình sạch

Vì dịch chuyển năng lượng được tạo nên dựa trên trường điện từ, quá trình dập bằng năng lượng điện từ có thể làm ngoài không khí thậm chí là ngoài không gian Dụng cụ và lắp ráp linh kiện điện từ không cần bôi trơn Không làm ô nhiễm môi trường Thiết bị hoàn toàn tự động Điều khiển quá trình chỉ cần một công nhân làm việc

Khả năng tạo hình của vật liệu được nâng lên Phần lớn hợp kim nhôm được dập bằng năng lượng điện từ tính dẽo nâng lên khi mà chúng ta so sánh với dập tĩnh học Phương pháp tạo hình bằng năng lượng điện từ có thể tạo ra hình dạng phức tạp mà phương pháp truyền thống khó đạt được

Trong quá trình dập với vận tốc lớn khác phải thực hiện trong môi trường chất lỏng như hệ thống thủy tĩnh hoặc ở một vài hệ thống nổ hoặc ga chỉ cần chuyển đổi năng lượng trung bình, áp suất đưa vào phôi hầu như là không thay đổi trong quá trình dập bằng năng lượng điện từ và lực đưa vào trong từng điểm bên trong phôi và trên bề mặt của phôi

Nếu không cưỡng bức, phôi được dập gần như là không có 100% hư hỏng nào, bởi vì giới hạn dập tăng lên trong quá trình dập bằng năng lượng điện từ do vận tốc dập cao, trong khi đó những hệ thống dập truyền thống dù cùng một loại vật liệu hư hỏng khoảng 20% đến 40% biến dạng

Đặc tính có thể kiểm soát và tính có thể lập lại, hầu hết các quá trình dập ở vận tốc cao, trong khi đòi hỏi yêu cầu về dụng cụ tương đối đơn giản Trong hệ thống dập bằng năng lượng điện từ, biến dạng có thể thực hiện ở nhiệt độ phòng và nhiệt

độ tăng lên trong hệ thống dập là rất nhỏ

Dập EMF có nhiều lợi ích hơn vì giảm hiện tượng đàn hồi ngược Giảm được hiện tượng đàn hồi ngược trong quá trình dập kéo theo giá thành quá trình giảm, chất lượng tăng và sản xuất chính xác Với nhôm 7075-T6 chúng ta có thể dập trực tiếp giảm hiện tượng đàn hồi ngược đến nhỏ nhất

Trong công nghiệp hiện thời người ta rất mong muốn sử dụng vật liệu nhôm nhưng trong phương pháp dập hiện tại sử dụng vật liệu nhôm gặp rất nhiều trở ngại

Và phương pháp dập sử dụng năng lượng điện từ là phương pháp thích hợp để vượt qua được các khó khăn này

Những hạn chế của EMF

Khi dùng phương pháp này rất khó xác định biến mỏng thành phôi trong quá trình dập Không phải tất cả kim loại và hợp kim đều có thể được dập bằng phương pháp EMF Trong quá trình dập EMF không phải là hình dạng nào cũng có thể thực hiện được

1.2.3 So sánh dập truyền thống với dập bằng năng lượng điện từ

Dập bằng năng lượng điện từ cho phôi tấm so với các phương pháp dập truyền thống có rất nhiều thuận lợi Những thuận lợi đó là điều chỉnh dụng cụ, hiệu chỉnh, khả năng tạo hình, thay đổi các giai đoạn trễ và dập làm mịn chi tiết Dụng cụ dập truyền thống yêu cầu chày và cối Đối với phương pháp dập bằng năng lượng điện

từ không phải dùng đến chày và chỉ sử dụng với một nửa khuôn Chỉ với một nửa khuôn việc hiệu chỉnh đơn giản hơn rất nhiều Tiếp theo, chiều sâu có thể dập của các vật liệu khác nhau trong cả hai phương pháp cũng khác nhau Theo phương pháp dập truyền thống vật liệu phôi cần phải có khả năng tạo hình tốt để tạo ra kích thước chính xác Tuy nhiên trong dập bằng năng lượng điện từ do vận tốc cao hơn

và tốc độ biến dạng cao hơn vì vậy mà chiều sâu có thể dập tốt hơn cho vật liệu có khả năng tạo hình thấp hơn Thứ ba, đối với dập truyền thống thay đổi thiết kế ban đầu rất khó khăn vì yêu cầu dung sai và thay đổi trên cả chày lẫn cối Trong khi đó, dập bằng năng lượng điện từ, thay đổi này sẽ được thực hiện dễ dàng hơn vì chỉ cần chuẩn bị một nửa khuôn Gần đây, dập điện từ có thể tạo ra những chi tiết chất lượng cao, bao gồm một vài chi tiết giống như khắc mà khó có thể được thực hiện một cách dễ dàng với công nghệ dập truyền thống

Bảng 1.2 So sánh giữa dập truyền thống và phương pháp dập EMF [99,104,107]

Dập truyền thống Dập tấm bằng EMF

Hiệu chỉnh Cần phải hiệu chỉnh chày và cối

Khả năng tạo

hình

Khả năng tạo hình của vật liệu tốt để đảm bảo kích thước chính xác

Khả năng tạo hình tốt hơn do vận tốc và tốc độ biến dạng cao

Thay đổi trạng

thái cuối Rất khó bởi vì yêu cầu dung sai giữa khuôn và chày Rất dễ bởi chỉ có một nửa khuôn

Bề mặt chi tiết Phải có một lực lớn để tạo cho bề mặt chi tiết có chất lượng

cao

Rất dễ dàng cho việc tạo

ra chi tiết có chất lượng

bề mặt tốt

Có những vấn đề về lắp đặt với công nghệ dập bằng năng lượng điện từ (1) độ cứng vững và tuổi thọ cuộn dây (2) đánh lửa bề mặt và (3) mòn dụng cụ Độ cứng vững và tuổi thọ của cuộn dây rất quan trọng bởi vì với môi trường công nghiệp mong muốn có thể sử dụng cho hàng ngàn chu kỳ để làm giảm chi phí

Ngày nay phương pháp dập bằng năng lượng điện từ có thể thay thế được các phương pháp khác công nghệ dập bằng năng lượng điện từ có thể thay thế cho quá trình nén cơ học và nén thủy lực, thay cho HIP (nén đẳng tĩnh nóng) hoặc CIP (nén đẳng tĩnh nguội), thay cho rèn, thay cho đúc

1.3 Hợp kim nhôm

1.3.1 Những thuận lợi và thách thức đối với việc sử dụng hợp kim nhôm

Quá trình dập truyền thống thường bị giới hạn bởi cửa sổ dập do những vấn đề như nhăn, đàn hồi ngược và khả năng tạo hình của vật liệu thấp Những tấm thép mỏng rất khó để dập theo những cách truyền thống thậm chí những ứng suất nén nhỏ trong mặt phẳng tấm tạo ra nhăn Vì vậy rất khó để dập những vật liệu như thép cacbon cao và một vài hợp kim nhôm, những vấn đề này sẽ xuất hiện trong những phương pháp dập truyền thống

1.3.1.1 Thuận lợi

Khi nhôm dày gấp hai lần thép thì nhẹ hơn thép 40% và vững chắc hơn 60 % Khối lượng nhẹ hơn hướng đến tiết kiệm nhiên liệu, cải thiện đặc tính phanh và tăng tốc Tiết kiệm nhiên liệu lên đến 8% khi giảm 10% trọng lượng từ việc thay thế nhôm bằng những kim loại nặng [62]

Nhôm có đặc tính quản lý năng lượng va chạm rất tốt và có khả năng thiết kế

để hấp thụ năng lượng tương tự (thép khi chỉ đạt tới 55% trọng lượng) vì vậy sử dụng trong an toàn tự động cho trường hợp nứt

Kết hợp giữa đặc tính nhẹ, độ bền cao và chống ăn mòn cao làm cho nhôm trở thành một hợp kim lý tưởng cho việc phát triển những ứng dụng trong hàng hải như

là aluminum ferries tốc độ cao, khung xe đạp, baseball bats, golf clubs ,…

Hợp kim nhôm cũng có khả năng tái sinh tốt hơn và trở thành yếu tố làm nâng tầm quan trọng trong đánh giá tuổi thọ của phương tiện

1.3.1.2 Những hạn chế khi dùng hợp kim nhôm cùng với các phương pháp dập truyền thống

Khả năng tạo hình của nhôm thấp khi sử dụng những phương pháp truyền thống Có một bất lợi khi sử dụng hợp kim nhôm khi chúng ta đem so sánh với thép Có 100% - 200% phí tổn cho việc giảm trọng lượng từ 20-40% [66] trong các phương tiện

Khả năng tạo hình của hợp kim nhôm thấp (tương đương 2/3rd) khi so sánh với hầu hết các loại thép [66] Chúng có khuynh hướng thắt lại và rách ở mức biến dạng thấp, vì vậy mà khó sử dụng chúng để dập phức tạp với những phương pháp truyền thống Nó cũng dẫn đến tỷ lệ phế thải cao mà đó chính là làm tăng giá thành

Dập bằng phương pháp dập hợp kim nhôm có nhiều vấn đề xảy ra nếu so sánh với thép phần lớn thông số vật liệu như tốc độ biến cứng thấp, tính dị hướng, độ nhạy tốc độ biến dạng, và khuynh hướng ăn mòn cao Thêm vào đó, trong quá trình dập truyền thống quá trình thử khuôn luôn luôn chậm và rất tốn kém Dụng cụ rất tốn kém, nặng và tất cả những điều này sẽ được cộng vào chi phí Thiết kế khuôn điển hình và thời gian thử khuôn với hợp kim nhôm nhiều hơn thép là 50%

Hợp kim nhôm có hiện tượng đàn hồi ngược rất cao do đó mođun đàn hồi thấp (xấp xỉ 1/3rd so với thép) Điều này cộng thêm vào thời gian thử khuôn và chi phí

1.3.2 Ưu điểm của hợp kim nhôm trong dập với vận tốc cao

Có rất nhiều lợi ích trong việc sử dụng hợp kim nhôm trong công nghiệp xe hơi nhưng ở các phương pháp dập truyền thống rất khó để thực hiện được như ở các phần trước đã có đề cập đến Phương pháp dập với vận tốc cao có thể làm với vận tốc lớn hơn 100 đến 1000 lần so với tỉ lệ dập chuẩn tĩnh truyền thống như là thép tấm (~0.1 m/s to ~100 m/s) [27] Chúng có thể được chứng minh qua việc tái hiện gần đây về lợi ích trong việc phát triển những công nghệ dập với vận tốc cao này

% Biến dạng phụ

Hình 1.8 Mô hình so sánh giới hạn dập của hợp kim nhôm 6061-T4 được thực

hiện với dập bằng tốc độ cao và thấp.[1]

1.3.2.1 Làm tăng khả năng tạo hình

Khoảng thập niên 1960 và 1970 những báo cáo cho thấy khả năng tạo hình được tăng lên, điều này được kiểm tra ứng suất và dập tấm ở vận tốc cao thì bị cô lập, hầu hết những nghiên cứu này được thực hiện bởi W.W Wood và đồng nghiên cứu Hơn nhiều năm trôi qua, chúng ta thấy khả năng tạo hình kim loại được cải thiện một cách nhanh chóng ở vận tốc cao Điều này đã khiến cho những vật liệu được thực hiện tại vận tốc cao có tính dẽo tương ứng với siêu đàn hồi Một vài ví dụ

về việc cải thiện được khả năng tạo hình của kim loại với phương pháp dập ở vận tốc cao

Balanethiram et al [14-16] thực nghiệm EHF với hợp kim nhôm AA6061 T4, đồng, lực tác động vào kim loại trong một khuôn hình nón với góc 90o tại vận tốc

gần bằng 150 m/s Thực nghiệm cũng được thực hiện với áp lực nước chuẩn tĩnh và

nó được quan sát khi kim loại hoàn toàn được đẩy vào khuôn hình nón và cho thấy rằng tính dẽo tăng lên trong công nghệ tạo hình thủy tĩnh, tương tự như vậy với công nghệ truyền thống thì không thấy được tính dẽo được tăng lên Điều này có thể được quan sát trong hình 1.10 Ở vận tốc cao, biến dạng phẳng kéo dãn 100% mà không có hư hỏng khi so sánh với 20-40% biến dạng tại vận tốc thấp

Hình 1.9 (a) Mô hình cài đặt sử dụng trong dập thủy tĩnh và hydroforming (b) so sánh tấm hợp kim nhôm AA2024 được dập trong khuôn nón sử dụng quá trình

hydroforming (trái) và sử dụng quá trình thủy tĩnh (phải) [10]

Seth đã kiểm tra khả năng biến dạng ở vận tốc cao của tấm thép có độ bền lớn được tác động với dập khối cho nhiều hình dạng khác nhau Tấm thép này được dập với lực điện từ ở vận tốc khoảng 50-220 m/s, sử dụng cuộn dây điện xoắn ốc và một tấm kích động được làm từ nhôm Hình 1.11a

Vật liệu thép 15 ở dạng tấm mỏng khoảng 0.15 - 0.38 mm Chúng có tính dẽo chuẩn tĩnh từ 1.3 đến 23.10% trong khi độ bền kéo biến đổi từ 330-675 MPa Tấm thép được tác động với năng lượng tăng dần với một chày hình chêm đối xứng trục, đến khi mẫu bị hư hỏng bắt đầu được xác định Hình 1.11b

Những biến dạng hỏng của tất cả các tấm được tăng một cách đột ngột phụ thuộc vào kiểm tra kéo Khả năng tạo hình dường như phụ thuộc vào điều kiện biên cục bộ của mô hình của dụng cụ hay dập được sử dụng

sử dụng để chỉ những thép có tính dẽo chuẩn tĩnh cao trong khi đó những biểu tượng trắng chỉ những vật liệu có tính dẽo chuẩn tĩnh thấp tương ứng trong hình 1.12 Mặc dù có khác biệt rất lớn về tính dẽo chuẩn tĩnh của những loại thép đó Tất

cả các điểm cho loại thép có tính dẽo chuẩn tĩnh cao nằm trong dãy biến dạng từ 20 đến 55% Khả năng tạo hình ở vận tốc cao của những vật liệu này cao hơn 2-30 lần

so với những giá trị chuẩn tĩnh thấp

Ở một nghiên cứu khác Seth sử dụng đầu đạn bắn vào tấm kim loại (tấm thép này có cùng độ bền cao như ở ví dụ trên) khuôn bán cầu, viên đạn được bắn ra với vận tốc từ 135-205 m/s được đo bởi máy ghi thời gian Vật liệu dày hơn có tính ổn định quán tính lớn hơn cho những dạng này Thử nghiệm lần nửa, kiểm tra trên tất

cả các loại thép chúng ta thấy rằng biến dạng cao dẫn đến hư hỏng mặc dù là độ mềm chuẩn tĩnh của chúng khác nhau

Từ những ví dụ trên, chúng ta thấy được dưới điều kiện vận tốc cao khả năng tạo hình được gia tăng như mong đợi, đặc biệt là dưới ảnh hưởng của vận tốc cao

Vì vậy mà công nghệ này lý tưởng đối với việc dập những vật liệu có tính bền thấp, giống như hợp kim nhôm và thép tấm cacbon cao và có thể vượt qua giới hạn của công nghệ dập truyền thống

1.3.2.2 Vấn đề khử nhăn

Nhăn gây ra bởi ứng suất ứng suất tồn tại trong tấm và vật liệu thừa trong khuôn trong quá trình dập Ứng suất đó và vật liệu thừa sẽ tạo nên thay đổi về hướng của lớp kim loại từ bước phóng căn bản Ở vận tốc cao, nhăn sẽ được khử ngay khi mà xuất hiện thay đổi này trong vật liệu, nhăn sẽ bị cản trở bởi động lượng của nó Sai số từ biến dạng vận tốc phẳng yêu cầu một gia tốc mà nó chống lại lực quán tính Với hỗ trợ của việc nén vòng tròn điện từ và tấm – khuôn hình nón đã được thực nghiệm [25], nó cho thấy rằng số lượng của những nếp nhăn giảm đơn điệu khi tăng lực điện từ

Vì vậy mà công nghệ dập ở vận tốc cao khiến cho những vật liệu như nhôm có nhiều khả năng tạo hình hơn do mở rộng cửa sổ dập

1.3.2.3 Giảm đàn hồi ngược

Ứng suất đàn hồi ngược ban đầu nằm trong biến dạng đàn hồi khác nhau phụ thuộc vào bề dày của tấm trong khi dập Đàn hồi ngược được làm giảm đi ở dập với vận tốc cao nhờ khi tác động ứng suất nén có thể xuyên qua được lớp bề dày, lúc tác động vào khuôn sẽ khiến cho biến dạng đàn hồi dư trong tấm được làm nhỏ đi Nếu năng lượng tương ứng này được cung cấp cho phôi nó tác động vào khuôn trên tất

cả các diện tích trong khi động năng toàn phần vẫn tồn tại và khi thực nghiệm chúng ta thấy rằng đàn hồi ngược đã được làm giảm đi

Tác động với áp lực lớn là nguyên nhân khiến cho bề mặt được gia công chuyển vị và sóng nẩy lên có khuynh hướng tạo ra giao thoa giữa dụng cụ và khuôn Điều này dẫn tới dung sai kích thước cao hơn và vì vậy mà làm thời gian thử khuôn

1.3.2.4 Tính kinh tế

Phương pháp dập với vận tốc cao cũng cho chúng ta nhiều lợi ích về kinh tế so với các phương pháp dập truyền thống Chi phí thử khuôn được giảm xuống, vì chỉ cần một nửa khuôn Nhu cầu và chi phí để bôi trơn và chất kết dính bị loại bỏ Quá trình này còn cho phép sử dụng những dụng cụ tạo tia lửa và quá trình ép ít hơn.Vì vậy nhiều dụng cụ tạo tia lửa và nhỏ hơn được yêu cầu với hiện tượng động thậm chí là để tạo ra áp lực bề mặt cao cần thiết cho ứng dụng cho dập tinh

Quá trình dập với vận tốc cao có tiềm năng cho tự động hoá và cũng cho kết hợp dập và quá trình bộ phận

1.4 Kết luận

Phương pháp dập với vận tốc cao đang trở nên phổ biến nhờ những tiện ích do

nó mang lại Chúng vượt qua giới hạn của phương pháp dập truyền thống và có thể dập kim loại có khả năng tạo hình thấp thành những sản phẩm có hình dạng phức tạp Dập bằng năng lượng điện từ có nhiều ưu điểm vượt trội hơn so với phương pháp tạo hình truyền thống, đặc biệt nó có thể dập với những vật liệu như hợp kim nhôm và những loại vật liệu có khả năng tạo hình thấp mà không hư hỏng Nó là công nghệ hấp dẫn đối với ngành công nghiệp hàng không và ô tô

1.5 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước

1.5.1 Tình hình nghiên cứu trên Thế Giới

Theo kinh nghiệm của P.Kapitza vào thập niên 1920 người nghiên cứu đầu tiên về dập bằng năng lượng điện từ Kapitza đạt được cường độ từ trường đủ để làm biến dạng một khối dây dẫn đặc Theo quan sát của ông, dập điện từ chỉ là hệ