Nghiên cứu công nghệ, thiết kế chế tạo hệ thống khuôn dập cặp chi tiết dạng tấm mỏng bằng nguồn chất lỏng áp suất cao

Thực hiện nội dung nghiên cứu: Sau thời gian nghiên cứu triển khai đề tài từ 01/01/2011 đến 30/11/2011, nhóm nghiên cứu đã thực hiện được những nội dung chính sau: + Nghiên cứu tổng qua

VIỆN MÁY VÀ DỤNG CỤ CÔNG NGHIỆP

BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI

NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ, THIẾT KẾ CHẾ TẠO HỆ THỐNG KHUÔN DẬP CẶP CHI TIẾT DẠNG TẤM MỎNG

BẰNG NGUỒN CHẤT LỎNG ÁP SUẤT CAO

CNĐT: ĐINH VĂN DUY

9064

HÀ NỘI – 2011

1

DANH SÁCH NHỮNG NGƯỜI THỰC HIỆN ĐỀ TÀI

Họ và tên Chức danh Học hàm, học vị,

chuyên môn Chủ nhiệm đề tài

Đinh Văn Duy Nghiên cứu viên

2

TÓM TẮT TÌNH HÌNH THỰC HIỆN ĐỀ TÀI

I Thực hiện nội dung nghiên cứu:

Sau thời gian nghiên cứu triển khai đề tài từ 01/01/2011 đến 30/11/2011, nhóm nghiên cứu đã thực hiện được những nội dung chính sau:

+ Nghiên cứu tổng quan về công nghệ tạo hình thủy lực

-Lịch sử phát triển

-Nghiên cứu các phương pháp trong công nghệ dập thủy lực: Phương pháp dập thủy cơ, phương pháp dập thủy tĩnh phôi ống, phôi tấm -Các thiết bị sử dụng trong hệ thống dập tạo hình thủy lực

+ Nghiên cứu cơ sở lý thuyết chung của quá trình dập thủy tĩnh phôi tấm

là cơ sở cho việc thiết kế khuôn Nội dung nghiên cứu lý thuyết bao gồm:

-Nghiên cứu những vấn đề chung của phương pháp dập thủy tĩnh phôi tấm

-Nghiên cứu cơ sở lý thuyết trường hợp dập vuốt không dịch chuyển mặt bích

-Nghiên cứu cớ sở lý thuyết trường hợp có dịch chuyển mặt bích phôi + Nghiên cứu thiết kế hệ thống khuôn dập bằng nguồn chất lỏng áp suất cao dập cặp chi tiết có dạng tấm mỏng:

-Nghiên cứu thiết kế công nghệ

-Tính toán các thông số công nghệ của bộ khuôn như: áp lực thủy tĩnh trong quá trình tạo hình, lực chặn phôi

-Thiết kế, tính toán lựa chọn phần tử của bộ đo các thông số công nghệ + Chế tạo hệ thống khuôn và dập thử nghiệm

3

II Tình hình thực hiện kinh phí nghiên cứu

Kinh phí đề tài đã được thực hiện theo đúng dự toán trong thuyết minh đăng kí trong hợp đồng “Đặt hàng sản xuất và cung cấp dịch vụ sự nghiệp công nghiên cứu khoa học và phát triển công nghệ” 2011 Toàn bộ kinh phí

hỗ trợ từ nguồn ngân sách nhà nước đã được sử dụng hết

III Kết luận và kiến nghị:

Nhóm nghiên cứu đã hoàn thành các nội dung đã đăng kí thực hiện Đề nghị được phép bảo vệ trước hội đồng nghiệm thu cấp bộ

Hà nội, ngày 15 tháng 11 năm 2011

4

I.1.1 Tình hình nghiên cứu trong nước 7I.1.2 Tình hình nghiên cứu ở nước ngoài 8I.2 Công nghệ, thiết bị và ứng dụng của phương pháp dập tạo hình thủy lực (Hydroforming) 11I.2.1 Phương pháp dập thủy cơ (Hydromechanical deep drawing)11I.2.1.1 Khái niệm và đặc điểm 11I.2.1.2 Sự khác biệt giữa dập thủy cơ và dập vuốt thông thường (chày cứng – cối cứng): 13I.2.1.3 Các phương pháp dập thủy cơ 17I.2.1.4 Một số hình ảnh về ứng dụng của phương pháp dập thủy

cơ 18

I.2.2 Phương pháp dập thủy tĩnh phôi tấm (Internal high pressure sheet metal forming; Hydrostatic forming) 19I.2.2.1 Tổng quan về công nghệ dập thủy tĩnh phôi tấm 19I.2.2.2 Một số hình ảnh về ứng dụng của phương pháp dập thủy tĩnh 25

I.2.3 Dập thủy tĩnh phôi ống 26I.2.3.1 Tổng quan về công nghệ dập thủy tĩnh phôi ống 26I.2.3.2 Một số hình ảnh về ứng dụng của phương pháp dập thủy tĩnh phôi ống 31I.2.4 Các thiết bị trong hệ thống dập tạo hình thủy lực áp suất cao 32

I.2.4.1 Máy ép thủy lực 33I.2.4.2 Hệ thống tăng áp (pressure intensifier) 35

5

I.2.4.3 Hệ thống điều khiển, đo lường 37

II CƠ SỞ LÝ THUYẾT CHUNG CỦA QUÁ TRÌNH DẬP THỦY TĨNH PHÔI TẤM 37

II.1 Những vấn đề chung 37

II.2 Dập vuốt không dịch chuyển phần mặt bích 46

II.3 Dập vuốt có dịch chuyển mặt bích phôi 67

III THIẾT KẾ CHẾ TẠO HỆ THỐNG KHUÔN DẬP CẶP CHI TIẾT DẠNG TẤM MỎNG BẰNG NGUỒN CHẤT LỎNG ÁP SUẤT CAO 71

III.1 Phương pháp dập tạo hình cặp phôi tấm bằng nguồn chất lỏng áp suất cao (dập tạo hình thủy tĩnh cặp phôi tấm) 71

III.2 Thiết kế công nghệ dập cặp chi tiết dạng tấm mỏng bằng nguồn chất lỏng áp suất cao 72

III.2.1 Dập bằng phương pháp thông thường (chày cứng – cối cứng) 73 III.2.2 Dập bằng phương pháp dập thủy thủy tĩnh cặp vật liệu tấm74 III.3 Tính toán công nghệ trong dập cặp chi tiết dạng tấm mỏng bằng nguồn chất lỏng áp suất cao 75

III.3.1 Tính toán phôi 75

III.3.2 Áp suất chất lỏng 75

III.3.3 Lực chặn phôi 76

III.3.4 Bán kính lượn của cối rc 76

III.3.5 Tính toán thiết bị chặn thủy lực 77

III.3.6 Kiểm nghiệm độ bền tấm chặn 81

III.3.7 Thiết kế, lựa chọn hệ thống thủy lực của bộ khuôn 82

6

III.3.7.1 Hệ thống tăng áp 82

III.3.7.2 Xây dựng các phần tử thuỷ lực của bộ nguồn cấp xilanh 85 III.3.8 Thiết kế, lựa chọn các phần tử của bộ đo các thông số công nghệ của khuôn (áp suất trong cối, lực chặn) 89

III.4 Thiết kế, chế tạo, lắp ráp khuôn 92

III.4.1 Lắp ráp, kết nối toàn bộ hệ thống khuôn 95

III.4.1.1 Lắp ráp hệ thống chặn 95

III.4.1.2 Kết nối toàn bộ hệ thống khuôn dập cặp chi tiết từ phôi tấm bằng nguồn chất lỏng áp cao 96

III.5 Dập thử, hiệu chỉnh khuôn 98

III.5.1 Phương pháp đánh giá chất lượng sản phẩm và các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm 98

III.5.2 Dập thử và hiệu chỉnh 99

III.5.3 Dánh giá phương pháp dập thủy tĩnh cặp phôi sau khi dập thử nghiệm 105 IV KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 106

LỜI CẢM ƠN Error! Bookmark not defined. TÀI LIỆU THAM KHẢO 107

PHỤ LỤC Error! Bookmark not defined.

LỜI MỞ ĐẦU

Phương pháp dập tạo hình thủy lực tạo hình các chi tiết dạng tấm, ống có hình dạng phức tạp ngày càng được ứng dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp hiện đại như: hàng không, vũ trụ, ôtô, quân sự… nhờ những ưu điểm nổi bật: tăng khả năng biến dạng của vật liệu, nâng cao độ chính xác cũng như

7

chất lượng bề mặt, độ dày vật liệu được đảm bảo, cơ – lý tính của vật liệu tốt Tuy nhiên, hiện nay việc tính toán công nghệ, thiết kế chế tạo khuôn dập sử dụng nguồn chất lỏng áp cao vẫn chưa được nghiên cứu một cách tổng quát

cũng như ứng dụng vào thực tế sản xuất tại Việt Nam Đề tài “Nghiên cứu công nghệ, thiết kế chế tạo hệ thống khuôn dập cặp chi tiết dạng tấm mỏng bằng nguồn chất lỏng áp suất cao” có ý nghĩa thực tiễn và lý thuyết cao Nội

dung thực hiện của đề tài là:

- Nghiên cứu công nghệ, thiết bị và ứng dụng của phương pháp dập bằng chất lỏng

- Nghiên cứu thiết kế hệ thống khuôn dập bằng nguồn chất lỏng áp suất cao dập cặp chi tiết có dạng tấm mỏng (Một giá trị chiều dày tấm trong khoảng 0,5 -:- 1,5 mm)

- Chế tạo hệ thống khuôn và dập thử nghiệm

Nhóm đề tài hy vọng, thông qua việc thực hiện đề tài sẽ từng bước làm chủ việc thiết kế hệ thống khuôn dập bằng nguồn chất lỏng áp cao, đặc biệt là đối với các dạng cặp chi tiết dạng tấm mỏng, góp phần nâng cao tỷ lệ nội địa hóa các mặt hàng công nghiệp trong nước, giúp các doanh nghiệp chủ động

về công nghệ, chế tạo các dạng chi tiết đặc biệt từ phôi tấm và phôi ống

cơ chi tiết đối xứng trục – Hội nghị khoa học toàn quốc Cơ học vật rắn biến dạng lần thứ 7 - 2004, Nghiên cứu các thông số công nghệ trong quá trình tạo hình các chi tiết không gian rỗng từ phôi tấm bằng phương pháp dập thủy cơ - luận văn thạc sỹ tại ĐHBK-HN và Học viện KTQS…

I.1.2 Tình hình nghiên cứu ở nước ngoài

Tại Liên Xô (cũ), việc nghiên cứu công nghệ dập bằng chất lỏng được tiến hành ở trường Đại học Bách khoa Lêningrat (nay là Đại học Kỹ thuật tổng hợp Quốc gia Sankt – Peterburg – CHLB Nga) và đã được áp dụng trong sản xuất Kết quả của các nghiên cứu này đã được đăng trong các công trình khoa học ở Nga và các nước khác …Tại Đức, nhiều nhà nghiên cứu cũng đã thành công và đưa vào áp dụng công nghệ này trong các nhà máy chế tạo phụ tùng ôtô ở Đức và một số nước Châu Âu Đã có 120 bài báo, 90 phát minh được công bố từ năm 1996 – 2003 Điều này đã chứng minh cho một khuynh hướng phát triển về nghiên cứu và ứng dụng công nghệ tạo hình thủy lực Ngày nay, nhiều nước trên thế giới đang áp dụng có hiệu quả phương pháp tạo hình thủy lực để gia công các chi tiết rỗng có hình phức tạp Đặc điểm của phương pháp là sử dụng nguồn chất lỏng áp suất cao – môi trường gây biến dạng Phôi ban đầu có thể là kim loại tấm, dạng ống hoặc tấm hàn Việc nghiên cứu ứng dụng công nghệ này được bắt đầu từ những năm 60, song tới tận những năm 80 của thế kỷ 20 thì nó mới được nghiên cứu và áp dụng trong công nghiệp cơ khí chế tạo máy một cách đáng kể Tại hàng loạt các nước như Đức, Anh, Nhật, Mỹ, Pháp, Ý, Canada, Thụy Điển đã ứng dụng

9

công nghệ tạo hình thủy cơ trong công nghiệp ôtô và hàng không Nhiều hội nghị Quốc tế đã giới thiệu công nghệ này với sự tham gia của các thành viên

là các hãng và tổ chức lớn Tại hội nghị Quốc tế “ESAFORM 2003” ở thành

phố Xalernơ (Italia) về công nghệ gia công kim loại thì phương pháp công nghệ thủy lực đã gây được sự chú ý lớn Một trong số các chuyên gia nổi

tiếng trong lĩnh vực tạo hình bằng thủy lực như giáo sư Clauxzighert người

Đức nói “Công nghệ tạo hình thủy lực ngày nay là một trong các đề tài ý nghĩa nhất của công nghệ sản xuất”

Hiện nay, ở trường Đại học Giao thông – Tây An (Trung Quốc) có nhiều nghiên cứu sinh đang làm các đề tài về dập thủy cơ và thủy tĩnh Điều này chứng tỏ dập tạo hình thủy lực đang thu hút sự quan tâm chú ý của các nước công nghiệp phát triển trên thế giới

Ngày nay, do đòi hỏi về tính kinh tế và môi trường, xu hướng tiến tới cấu trúc nhẹ (lightweight construction) cũng như nhu cầu về dạng cấu trúc nhẹ ngày càng tăng đòi hỏi công nghệ tạo hình phải đáp ứng cho nó Một bước tiến quan trọng vượt qua những giới hạn của công nghệ tạo hình truyền thống

là quá trình tạo hình thủy lực, nó được đặc trưng bởi tính linh động cao, cho phép chế tạo những hình dạng chi tiết phức tạp ngay cả khi sử dụng thép hợp kim độ bền cao hoặc hợp kim nhôm và mangan nhẹ Tương phản với tạo hình thủy lực của ống và những profile khác được biết đến nhiều trong sản xuất công nghiệp từ thập niên 1990, những ứng dụng để tạo hình kim loại tấm được giới hạn trong một vài trường hợp riêng biệt ở quá khứ mặc dù những thuận lợi về công nghệ đã có nhiều thay đổi Từ năm 2000, môi trường làm việc được dựa trên cơ sở quá trình tạo hình kim loại tấm (với khí và nước – dầu – nhũ tương như những môi trường làm việc) đã được phối hợp nghiên cứu trong chương trình DFG Priority Programme SPP 1089

“Wirkmedienbasierte Fertigungstechniken zur Blechunformung” Công việc nghiên cứu chuyên sâu tổng hợp trong 31 dự án về lý thuyết, thiết bị, thiết kế

10

quy trình và cả quá trình ứng xử của vật liệu bằng mô phỏng và thực nghiệm

để đưa ra những hiểu biết cơ sở cho những ứng dụng tương lai của dập vuốt thủy cơ, tạo hình thủy lực cặp vật liệu tấm (Sheet metal forming pairs) , tạo hình kim loại tấm áp suất cao và môi trường làm việc dựa trên cơ sở quá trình tạo hình tốc độ cao (hydromechanical deep drawing, hydroforming of double sheets, high – pressure sheet metal forming, and working media based high – speed forming processes) Những chi tiết có hình dạng phức tạp được tạo hình tốt do tính ổn định và cải tiến của kỹ thuật điều khiển quá trình tạo hình mới này Phạm vi ứng dụng có thể được mở rộng để tạo hình thủy lực như phôi hàn, phôi cán hàn và phôi kết nối… (Steel research international 76 2005, No.12, December Publishers: Steel Institute VDEh Max-Planck-Institut fu r Eisenforschung; ASMET⋅Autrian Society for Metallurgy and Materials, Revue de Métallurgie)

11

I.2Công nghệ, thiết bị và ứng dụng của phương pháp dập tạo hình thủy lực (Hydroforming)

Dập tạo hình thủy lực là công nghệ sử dụng nguồn chất lỏng công tác có

áp suất cao tác dụng trực tiếp vào phôi tấm hoặc phôi ống để tạo hình chi tiết Chất lỏng công tác được sử dụng ở đây có thể là dầu, nước hoặc emunxi

Hình 1.1 Phân loại các phương pháp dập tạo hình thủy lực

I.2.1Phương pháp dập thủy cơ (Hydromechanical deep drawing)

I.2.1.1Khái niệm và đặc điểm

Dập thủy cơ là phương pháp tạo hình vật liệu có sử dụng nguồn chất lỏng

áp suất cao kết hợp với các chuyển động cơ khí của khuôn do máy tạo ra Phương pháp này được ứng dụng để tạo hình các chi tiết vỏ mỏng phức tạp

Dập tạo hình thủy lực (Hydroforming)

Dập tạo hình thủy lực phôi tấm

Dập tạo hình thủy lực phôi ống (dập thủy tĩnh phôi ống)

Dập thủy cơ

Dập thủy tĩnh (Hydrostatic)

Phôi đơn (Single blank)

Cặp phôi (Double blank)

12

Hình 1.2 Sơ đồ quá trình dập thủy cơ các chi tiết dạng vỏ mỏng

Nguyên lý của quá trình dập thủy – cơ:

Đưa phôi vào khuôn dập

Phôi được kẹp chặt nhờ cơ cấu chặn phôi

(- Không gian ép được hình thành giữa phôi và lòng cối

- Chất lỏng được bơm vào trong lòng cối với áp suất ban

đầu P0 làm phôi bị phồng lên)

Chày bắt đầu chuyển động

Dập vuốt thủy cơ

(Chày đi xuống thực hiện quá trình dập vuốt, áp suất chất lỏng trong lòng cối tăng tỷ lệ thuận với hành trình của chày đẩy phôi áp vào bề mặt của chày)

Vận chuyển chi tiết đã được dập ra ngoài

13

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 Có 2 cách tạo ra đối áp: chất lỏng được đổ đầy vào lòng khuôn, khi đầu trượt đi xuống chất lỏng sẽ bị nén lại và tạo ra đối áp; cách thứ 2 là bơm trực tiếp chất lỏng có áp suất vào lòng cối, giá trị áp suất sẽ được điều khiển bởi van giảm áp sao cho phù hợp Đối áp làm tăng ma sát giữa phôi và chày (tránh được hiện tượng mất ổn định), giảm ma sát giữa phôi và cối (chất lỏng ở đây có tác dụng bôi trơn), phôi không tiếp xúc với góc lượn cối nên chất lượng bề mặt tốt hơn, đồng thời chiều dày thành cũng đồng đều hơn

I.2.1.2Sự khác biệt giữa dập thủy cơ và dập vuốt thông thường (chày cứng –

cối cứng):

Hình 1.3 Sơ đồ trạng thái ứng suất Hình 1.4 Sơ đồ trạng thái ứng suất biến dạng dập vuốt thông thường biến dạng dập vuốt thủy cơ

a Phần vành phôi: Cả dập thủy cơ và dập vuốt thông thường đều có

trạng thái ứng suất khối (hai chiều nén và một chiều kéo), trạng thái biến dạng

là biến dạng khối (hai chiều kéo và một chiều nén) Thành phần biến dạng +ε3

làm cho phôi trên phần vành bị biến dày, dễ gây ra sự mất ổn định và làm xuất hiện nhăn, rách phôi Do đó, trong dập thủy cơ cần thiết phải có chặn, chặn ngoài tác dụng bịt kín khe hở giữa phôi và vành cối còn có tác dụng chống nhăn đồng thời tăng sự ổn định của phôi Trong đó, lực chặn và

sự kéo đứt phôi trong quá trình vuốt Trong dập thủy cơ, thành phần ứng suất nén σ3 do áp lực q của chất lỏng chịu nén gây ra cùng với không có sự kéo

căng phôi trên phần bán kính lượn của cối sẽ làm giảm ảnh hưởng xấu xuất hiện ở trên

c Phần thành trụ (phôi tiếp xúc với mặt trụ của chày): Trong dập thủy

cơ có trạng thái ứng suất hai chiều (một chiều kéo và một chiều nén), còn trong dập vuốt thông thường chỉ có một trạng thái ứng suất (một chiều kéo) Qua thực nghiệm cho thấy phôi hầu như không bị biến dạng, tức là không xảy

ra sự biến mỏng phôi như trong trường hợp dập vuốt thông thường Do không

có sự tiếp xúc trực tiếp giữa phôi và bề mặt của cối nên chất lượng bề mặt của sản phẩm được tăng lên

d Phần bán kính lượn đầu chày: Trong trường hợp dập vuốt thông

thường, đây là phần quan trọng nhất do có sự biến mỏng đáng kể của phôi, hơn nữa khi đó phôi nằm trong trạng thái ứng xuất kéo hai chiều, làm giảm tính dẻo của vật liệu, vì thế đây là vùng nguy hiểm nhất, phôi dễ bị kéo đứt Với dập vuốt thủy cơ, do có tác dụng của chất lỏng nên phôi nằm trong trạng thái ứng suất nén một chiều σ3 = q, còn các thành phần biến dạng đều có giá

15

trị rất nhỏ (có thể coi bằng không) Chính vì vậy, tính dẻo của vật liệu trong vùng này tăng lên, phôi hoàn toàn không bị phá hủy

e Phần đáy chày (phôi tiếp xúc với đáy của chày dập vuốt): Phần này

nằm trong trạng thái ứng suất đơn σ3 = q, các thành phần ứng suất chính khác

có giá trị nhỏ hơn rất nhiều so với thành phần σ3 nên có thể coi bằng 0, phôi trong phần này hầu như không biến dạng Trong quá trình dập vuốt thông thường có trạng thái ứng suất hai chiều (hai chiều kéo) và trạng thái biến dạng khối (+ε1, +ε2 và -ε3) nên phôi trong trường hợp này bị biến mỏng

f Biên độ sóng của phôi trong quá trình dập vuốt:

A B

Hình 1.5 Biên độ sóng của phôi trong quá trình dập vuốt:

A – Dập vuốt thông thường; B – Dập vuốt thủy cơ

Từ hình 1.5 ta thấy trong dập vuốt thông thường thì biên độ sóng của phôi trong quá trình dập vuốt lớn hơn rất nhiều so với trong dập vuốt thủy cơ Do

đó sẽ cho chất lượng bề mặt sản phẩm tốt hơn nhiều nếu dập vuốt thủy cơ

So sánh trạng thái ứng suất – biến dạng khi dập thủy cơ với dập vuốt thông thường

16

Hình 1.6 So sánh trạng thái ứng suất – biến dạng khi dập thủy cơ

với dập vuốt thông thường

Khác biệt giữa dập thủy cơ và dập vuốt thông thường: Khi dập thủy cơ

do tác dụng của ứng suất thủy tĩnh làm thay đổi sơ đồ trạng thái ứng suất - biến dạng của phôi dập chủ yếu nằm trong trạng thái ứng suất nén Chính vì thế mà khả năng biến dạng dẻo của vật liệu được tăng lên và đặc biệt thành phần ứng suất σ3 luôn ép phôi vào bề mặt của chày nên làm giảm sự trượt tương đối giữa phôi và chày

*Ưu nhược điểm của phương pháp dập thủy cơ

Ưu điểm

- Giảm số lần dập (1 lần dập có thể ra sản phẩm) → tiết kiệm số lượng

khuôn tạo hình

- Tạo ra biến dạng đồng đều, giảm hiện tượng biến mỏng cục bộ

- Ma sát tiếp xúc thấp hơn và bôi trơn tốt hơn

17

- Nâng cao độ chính xác chi tiết dập

- Tránh được trày xước trên bề mặt

- Giảm mòn cho chày và cối → tiết kiệm chi phí phục hồi khuôn

- Thích hợp cho việc tạo hình các chi tiết có kích thước lớn và phức tạp (công nghiệp ôtô, hàng không, tàu thủy, thiết bị quân sự…)

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

- Có thể tạo hình những chi tiết mà không thể thực hiện được bằng tạo hình truyền thống…

Lợi thế chủ yếu của dập thủy cơ so với dập vuốt thông thường là tăng tỉ số dập vuốt, điều đó dẫn đến những lợi thế về kinh tế như giảm các bước tạo hình và giảm chi phí

Nhược điểm

- Dụng cụ gia công phải có độ chính xác cao và được chế tạo từ vật liệu

có cơ tính ổn định trong điều kiện áp suất lớn

- Trang thiết bị thủy lực cho dập thủy cơ được thiết kế và chế tạo phức tạp nên chi phí ban đầu khá cao

I.2.1.3 Các phương pháp dập thủy cơ

a) b) c)

18

d) e) g)

Hình 1.7 Sơ đồ đặc trưng cho quá trình dập thủy cơ chi tiết thành mỏng

1: chất lỏng; 2: gioăng; 3: chày; 4: phôi; 5: tấm chặn; 6: rãnh dẫn;

7: đường chất lỏng vào; 8: đường chất lỏng ra; 9: cối

a: Tạo hình chi tiết có dập nổi phức tạp ở đáy và ở vành;

b: Dập vuốt chi tiết thành hình trục có dịch chuyển gân vuốt thủy lực; c: Tạo hình chi tiết dạng vỏ bằng chày thủy cơ;

d: Dập trong cối thủy cơ;

e, g: Dập thủy cơ ngược (a, b: từ phôi phẳng; e – f: từ phôi không gian)

I.2.1.4Một số hình ảnh về ứng dụng của phương pháp dập thủy cơ

a) Các chi tiết vỏ ôtô:

19

Hình 1.8 Chi tiết mui ôtô

b) Các sản phẩm của động cơ phản lực và máy bay:

Hình 1.9 Các sản phẩm của động cơ phản lực và máy bay

I.2.2Phương pháp dập thủy tĩnh phôi tấm (Internal high pressure sheet

metal forming; Hydrostatic forming)

I.2.2.1Tổng quan về công nghệ dập thủy tĩnh phôi tấm

Hiện nay, công nghệ dập thuỷ tĩnh (CNDTT) ở nước ta chắc chắn vẫn còn rất mới mẻ với mọi người mà ngay cả nhiều người chuyên làm trong lĩnh vực

cơ khí Trên thế giới đã có nhiều quốc gia áp dụng công nghệ dập thuỷ tĩnh trong lĩnh vực sản xuất, chế tạo cơ khí và đã thu được nhiều kết quả khả quan

Nó làm tiền đề cho việc phát triển công nghệ chế tạo các chi tiết cơ khí gọn nhẹ, tiết kiệm kim loại trong hầu hết các phương tiện, máy móc nhằm làm giảm tiêu tốn năng lượng ở mức tối đa

20

Công nghệ dập thuỷ tĩnh là một trong những phương pháp gia công áp lực đặc biệt: sử dụng áp lực chất lỏng rất cao ở trong lòng phôi kết hợp với các lực biên phù hợp để làm biến dạng dẻo phôi theo một lòng khuôn

Đối tượng của CNDTT là các loại phôi tấm hoặc phôi ống Với các loại phôi tấm thì quá trình tạo hình bằng công nghệ dập thủy tĩnh thực chất giống với quá trình dập vuốt phôi tấm trong gia công áp lực Ưu điểm chính so với dập vuốt thông thường là chỉ cần biên dạng của cối còn chất lỏng đóng vai trò

là chày, và tạo hình các chi tiết ngóc ngách rất phức tạp mà công nghệ dập vuốt truyền thống không làm được

Hình 1.10 Phân loại phương pháp dập thủy tĩnh

Dập thủy tĩnh (Hydrostatic)

Phôi đơn (Single blank)

Cặp phôi (Double blank)

21

Hình 1.11 Sơ đồ quá trình tạo hình

Nguyên lý của quá trình dập thủy tĩnh phôi đơn:

Đưa phôi vào khuôn dập

Phôi được kẹp chặt nhờ cơ cấu chặn phôi

Chất lỏng cao áp được bơm vào lòng cối

22

Theo phương pháp dập tạo hình thủy tĩnh phôi đơn thì chày chất lỏng sẽ tạo hình sản phẩm theo lòng cối, còn trong dập vuốt thủy cơ thì chày cứng và cối là chất lỏng, sản phẩm sẽ được tạo hình theo biên dạng của chày

* Ưu nhược điểm của công nghệ dập thủy tĩnh phôi đơn

+ Ưu điểm:

- Nâng cao độ chính xác chi tiết dập

- Tránh được trày xước trên bề mặt

- Tiết kiệm chi phí gia công chày

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

- Tạo hình những chi tiết mà phương pháp truyền thống không thể thực hiện được

+ Nhược điểm

- Lượng biến mỏng lớn và độ không đồng đều ở thành chi tiết là đáng kể

- Sự chảy không ổn định của mặt bích phôi ở các phần khác nhau trên vành mép của chi tiết (Khi dập có dịch chuyển mặt bích)

- Dụng cụ gia công phải có độ chính xác cao và được chế tạo từ vật liệu

có cơ tính ổn định trong điều kiện áp suất lớn

- So với dập thủy cơ, phương pháp dập thủy tĩnh yêu cầu phải có bộ nhân

áp (Pressure intensifier) để cung cấp chất lỏng công tác áp suất cao (trên thế giới đã chế tạo được thiết bị tăng áp đến 10.000bar), cho nên yêu cầu chi phí đầu tư ban đầu cao

Với những nhược điểm trên, phương pháp dập thủy tĩnh chủ yếu được áp dụng để sản xuất các chi tiết có chiều sâu không lớn

23

Nguyên lý của quá trình dập thủy tĩnh cặp phôi (Double blank)

Bước 1 Cặp phôi tấm được đưa vào cối và kết nối với cơ cấu cấp chất

lỏng cao áp

Bước 2 Phôi được chặn nhờ bộ chặn phôi và chất lỏng cao áp được đưa

vào giữa hai phôi để tạo hình thủy tĩnh

Bước 3 Sử dụng phương pháp hàn Laser để hàn cặp phôi với nhau (Tùy

sản phẩm có thể không hàn)

Phôi 1

Cơ cấu cấp chất lỏng áp cao

Phôi 2

Chặn phôi

Lòng khuôn Lòng khuôn

24

Bước 4 Tiếp tục bơm chất lỏng cao áp để hoàn thành việc tạo hình

Bước 5 Lấy sản phẩm ra khỏi lòng cối

Ngoài những ưu điểm - nhược điểm chung của phương pháp dập thủy tĩnh, phương pháp dập thủy tĩnh đối với cặp phôi tấm so với phôi đơn có những ưu điểm sau:

-Nâng cao năng suất dập

-Giảm chi phí chế tạo khuôn

-Có thể dập được các chi tiết rỗng đối xứng hoặc không đối xứng có hình dạng phức tạp chỉ sau một lần dập mà các phương pháp khác không thể thực hiện được

-Có thể dập đồng thời với hai phôi có chiều dày, vật liệu khác nhau

26

c Các sản phẩm dập bằng phương pháp dập thủy tĩnh cặp phôi

Hình 1.14 Sản phẩm sản xuất bằng phương pháp dập thủy tĩnh cặp phôi

I.2.3Dập thủy tĩnh phôi ống

I.2.3.1Tổng quan về công nghệ dập thủy tĩnh phôi ống

Trong những năm gần đây có một xu hướng đáng kể cần ghi nhận, đó là

xu hướng sử dụng phôi ống để tạo hình Điều đó một mặt được chứng minh bằng việc gia tăng sản xuất ống, việc sử dụng các chi tiết tạo hình từ phôi ống thuộc các lĩnh vực khác nhau là rất cần thiết, đáp ứng yêu cầu kĩ thuật và rất

có lợi về mặt kinh tế Sản phẩm thu được có chất lượng và độ chính xác cao, đáng tin cậy Sử phát triển của quy trình công nghệ, đặc biệt là quy trình gia công dẻo thuỷ tĩnh từ phôi ống đã chứng minh được điều trên

Các quy trình công nghệ biến đổi hình dạng của phôi ống ở trạng thái nguội bằng các nguồn áp lực cao bên trong gọi là dập thuỷ tĩnh phôi ống Trong phần lớn các quá trình này: áp lực thuỷ tĩnh rất cao tác động trực tiếp lên mặt trong của phôi, một vài trường hợp khác sự tác động của áp lực chất lỏng cao được thực hiện ở mặt ngoài của phôi ống

27

Ở tất cả các quy trình kể trên chất lỏng (nước hay dầu) đóng vai trò là dụng cụ tạo hình vạn năng: tạo ra áp suất phân bố đều, tải trọng ‘mềm’ , nó cho phép tránh được sự tập trung tải trọng, khả năng biến dạng lớn

Công nghệ trên có khả năng sản xuất được nhiều chi tiết có chất lượng cao, hình dạng không gian phức tạp Các chi tiết này trước đây thường được sản xuất bằng phương pháp đúc, hàn ghép các bộ phận với nhau, nhưng hiện nay người ta hầu như không dùng phương pháp này nữa

Công nghệ dập thuỷ tĩnh cho các phôi ống trụ hay còn gọi là phương pháp tạo hình bằng áp lực cao bên trong Về bản chất thì cũng giống như quátrình dập vuốt phôi tấm, nhưng sơ đồ công nghệ thì phức tạp hơn nhiều Phần lớn sản phẩm của CNDTT cho các phôi ống trụ là các chi tiết máy móc, phần tử nối, và các thiết bị chịu áp lực Do đó chúng luôn phải chịu tải trong quá trình làm việc

28

Nguyên lý cơ bản của quá trình dập thủy tĩnh phôi ống

Đặt phôi vào lòng khuôn

Xilanh di chuyển xuống để đóng khuôn

Làm kín phôi đồng thời bơm chất lỏng cao áp để tạo hình

(Phôi được làm kín bằng chày làm kín với lực dọc trục Fa và chất lòng cao

áp được bơm đồng thời vào lòng phôi để tạo hình thủy tĩnh phôi ống)

Xilanh di chuyển lên để lấy vật dập ra khỏi khuôn

Các chi tiết dạng không gian phức tạp được thực hiện bằng phương pháp dập thuỷ tĩnh rất đa dạng Chúng được phân loại không chỉ theo đặc điểm hình dạng của chi tiết mà còn theo cách thức làm việc và công dụng của chi tiết máy Điều này ảnh hưởng đến sự lựa chọn quy trình và sơ đồ công nghệ dập thuỷ tĩnh Các thông số hình học kết cấu của chúng có liên quan đến đặc tính phân loại cơ bản của chi tiết không gian

Các sản phẩm chính của công nghệ dập thuỷ tĩnh chia thành các

nhóm chính sau:

Nhóm I: Các chi tiết làm mối nối đường ống dẫn

Các chi tiết mối nối đường ống dẫn là chi tiết không gian cơ bản Các mối nối, các đầu giao chéo nhau là các chi tiết phổ biến nhất hay dùng, ngoài ra trong nhóm này còn có những chi tiết không dẫn như các chi tiết không gian lệch tâm không đối xứng được sử dụng trong các thiết bị đo lường, ống nối trong ôtô

29

Nhóm II: Thân các thiết bị chịu áp lực và các dụng cụ khác

Trong các chi tiết này có nhiều chi tiết gần giống với các chi tiết trong nhóm I Bằng công nghệ dập thuỷ tĩnh người ta chế tạo được phôi thân của các chi tiết

Nhóm III: Trục bậc rỗng

Nhìn chung các chi tiết này có tiết diện dọc nhiều bậc Phần lớn trong số chúng được sản xuất bằng phương pháp dập thuỷ tĩnh

Nhóm IV: Các chi tiết trục cam lệch tâm rỗng

Bằng phương pháp dập thuỷ 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 ở những chi tiết cam có hình dạng phức tạp hoặc độ lệch tâm lớn thì ta dập trong quy trình thuỷ tĩnh sẽ cho ta kết quả cao

Nhóm VI: Các chi tiết có nếp gấp ngang

Người ta đã tập hợp được một số lượng lớn các chi tiết có kích thước khác nhau Bằng dập thuỷ tĩnh người ta đã sản xuất được các chi tiết loại này và các chi tiết rỗng có hình dạng đinh vít Có thể ứng dụng công nghệ này cho chi tiết ống xả trong ô tô

Nhóm VII: Các đồ dùng sinh hoạt

Các đồ dùng loại này rất đa dạng Bằng phương pháp dập thuỷ tĩnh người

ta có thể chế tạo ra các loại bình có hình dạng không gian phức tạp và các đồ dùng khác có đáy Các loại cốc kim loại được tạo hình từ phôi phẳng nhờ phương pháp này rất hiệu quả

31

Đặc điểm của phương pháp:

Bản chất của quá trình tạo hình chính là tạo ra sự chuyển động cưỡng bức, cục bộ hay toàn phần của vật liệu phôi trong giới hạn chảy của vật liệu, theo biên dạng mong muốn của lòng khuôn để tạo nên những chi tiết có hình dạng phức tạp, mà các phương pháp chế tạo cắt gọt cơ khí truyền thống không thể thực hiện được

-Tạo hình các chi tiết dạng ống trụ thành những chi tiết ống phức tạp, không đối xứng, đa hướng trong không gian

-Chi tiết sau khi tạo hình tăng cứng hoá bền, độ bóng bề mặt có chiều hướng giảm Chiều dầy phôi bị thay đổi khó xác định: có chỗ dày lên và có chỗ mỏng đi

-Cần thiết bị tạo áp lực rất cao và đòi hỏi chính xác

-Trạng thái ứng suất và biến dạng rất phức tạp do đó rất khó khăn trong việc tính toán chính xác áp lực riêng cần thiết bên trong -Hệ số sử dụng vật liệu cao, năng suất thấp, chi phí ban đầu lớn

I.2.3.2Một số hình ảnh về ứng dụng của phương pháp dập thủy tĩnh phôi ống

32

Hình 1.16 Các sản phẩm từ phôi ống

I.2.4Các thiết bị trong hệ thống dập tạo hình thủy lực áp suất cao

Tùy theo phương pháp dập tạo hình thủy lực như: Dập thủy tĩnh, dập thủy

cơ Hệ thống dập tạo hình thủy lực áp suất có các thành phần sau:

-Máy ép thủy lực

-Hệ thống tăng áp

-Hệ thống điều khiển, đo lường

Hình 1.18 Sơ đồ máy ép thủy lực tác động đơn

-Kiểu máy ép thủy lực tác động kép: Thường được sử dụng trong công nghệ dập thủy cơ, thủy tĩnh phôi tấm

35

Hình 1.19 Máy ép thủy lực tác động kép I.2.4.2Hệ thống tăng áp (pressure intensifier)

Hệ thống tăng áp có tác dụng tạo ra nguồn chất lỏng áp suất cao để tạo hình chi tiết, thông thường quá trình tạo hình nằm trong dải áp suất từ 15.000psi (1034) đến 60.000psi (4137bar) Ngày nay người ta có thể chế tạo được hệ thống tăng áp đến 10.000bar tuy nhiên người ta ít dùng đến áp suất

đó vì nó sẽ làm tăng giá thành sản xuất và mức độ phức tạp của hệ thống (yêu cầu đặc biệt về van, đường ống…)

Nguyên lý làm việc của hệ thống tăng áp là dựa vào định luật Pascal: Độ tăng áp suất lên một chất lỏng chứa trong bình kín được truyền nguyên vẹn cho mọi điểm của chất lỏng và thành bình

36

P - áp suất; A - diện tích; F - Lực

Hình 1.20 sơ đồ nguyên lý của bộ tăng áp

Hình 1.21 Hình ảnh về hệ thống tăng áp

37

I.2.4.3Hệ thống điều khiển, đo lường

Hệ thống điều khiển, đo lường là một hệ thống vô cùng quan trọng trong dập tạo hình thủy lực, thông qua các Sensor và phần tử điều khiển chúng ta có thể điều chỉnh, thu nhận được các thông số trong quá trình tạo hình thủy lực như: Áp suất chất lỏng, lực đóng khuôn, lực làm kín…

Hình 1.22 Sơ đồ điều khiển lực kẹp

II CƠ SỞ LÝ THUYẾT CHUNG CỦA QUÁ TRÌNH DẬP

THỦY TĨNH PHÔI TẤM II.1Những vấn đề chung

38

Quá trình dập tạo hình phôi phẳng bằng chày chất lỏng theo cối cứng được trình bày như trên hình 2.1

Hình 2.1 Sơ đồ dập phôi phẳng bằng chày chất lỏng theo cối cứng

Nhờ sự đơn giản trong việc thực hiện quá trình biến dạng tạo hình mà từ lâu công nghệ dập thủy tĩnh đã lôi cuốn được sự chú ý của các nhà sản xuất và nghiên cứu

Đã có một số lượng lớn các công trình nghiên cứu về quá trình này được tiến hành từ những năm 1960, chỉ từ 1999 đến 2003 đã có khoảng 120 công trình nghiên cứu về dập thủy tĩnh [1] Mặc dù vậy, suốt một thời gian dài quá trình dập vuốt bằng chày chất lỏng trong cối cứng được ứng dụng vào sản xuất một cách hạn chế đặc biệt là khi tạo hình các chi tiết có chiều sâu tương đối lớn

Hai nhược điểm chính sau đây tồn tại trong cơ cấu, diễn biến của quá trình mà ta đang quan tâm:

1 Sự chảy không ổn định của mặt bích phôi ở các phần khác nhau trên vành mép của chi tiết (khi dập có dịch chuyển mặt bích) Điều này thể hiện ở dạng nhăn một phía của mặt bích phôi do nguyên nhân là sự không đồng đều của trở lực biến dạng ở mặt bích, và còn do sự không đồng đều của lực ma sát xuất hiện giữa mặt bích phôi và dụng cụ (hình 2.2)

39

Hình 2.2: Sơ đồ lực (a) tác dụng trên phôi, và các thông số xác định tính

ổn định (b) khi dập vuốt phôi phẳng chày chất lỏng trên cối cứng

– Lực tác đụng dể biến dạng dẻo thể tích mặt bích phôi và phần phôi nằm trên gân vuốt của cối

Ps – Lực tác dụng để uốn phôi khi phôi dịch chuyển trên gân vuốt của cối

F2 – Lực để thắng lực ma sát phôi với bề mặt bên trong của cối

2 Lượng biến thiên mỏng quá lớn và độ không đồng đều theo chiều dài của thành chi tiết là đáng kể

Từ việc xem xét các kết quả nghiên cứu, ta thấy rõ rằng độ biến mỏng của các cốc hình trụ sau khi dập bàng chày chất dẻo trong cối cứng, đạt 38÷46%, điều này làm giảm đáng kể chất lượng của chi tiết dập vì vậy nó cũng cho thấy khả năng công nghệ còn hạn chế

Các nhà nghiên cứu và sản xuất đã tập trung sự chú ý vào các hướng sau, nhằm khắc phục hoặc hạn chế đến mức cao nhất các nhược điểm kể trên:

1 Kẹp chặt vùng trung tâm (vùng biến dạng tự do) của phôi, tăng tải khi dập vuốt do sử dụng một thiết bị ép ở đáy hoặc dùng đệm ( hình 2.3a) Như vậy đối áp trong khi dịch chuyển xuống dưới (dưới tác dụng của áp lực ở vùng phôi và đệm) giữ cho phôi không bị lệch và tránh không cho vùng trung