nghiên cứu ứng dụng công nghệ ép thủy tĩnh và thủy động để chế tạo các sản phẩm có hình dạng phức tạp

TC CNQP TTCN Tổng cục công nghiệp quốc phòng Trung Tâm Công Nghệ Xóm 6 Đông ngạc Từ liêm Hà Nội Báo cáo tổng kết khoa học và kỹ thuật Đề tài cấp nhà nớc : Nghiên cứu ứng dụng công nghệ ép thủy tĩnh và thủy động để chế tạo các sản phẩm có hình dạng phức tạp từ vật liệu khó biến dạng, độ bền cao TS. Nguyễn Mạnh Long 6296 07/02/2007 Hà nội, 7-2005 Bản quyền 2005 thuộc TTCN Đơn xin sao chép toàn bộ hoặc từng phần tài liệu này phải gửi đến Giám đốc Trung tâm Công nghệ trừ trờng hợp sử dụng với mục đích nghiên cứu tóm tắt Những thử nghiệm sử dụng áp lực thủy tĩnh vào mục đích kỹ thuật đã có từ rất lâu trớc khi ngời ta phát hiện ra ảnh hởng to lớn của nó đến tính chất cơ học của kim loại và hợp kim. Trên thế giới, nhiều công trình khoa học trong lĩnh vực này đã đợc các nhà khoa học cùng các công sự nghiên cú, cho thấy dới tác dụng của áp suất thủy, tĩnh tính dẻo của vật liệu tăng lên, nhất là khi trong quá trình gia công có phối hợp các điều kiện khác nh: nhiệt độ, tốc độ biến dạng thì có thể đa một vật liệu giòn về trạng thái dẻo. Các nghiên cứu trên đã mở ra hớng ứng dụng công nghệ ép thủy tĩnh- thuỷ động (ETT-TD) vào gia công áp lực. ở trong nớc hiện nay cha có cơ sở nào đầu t nghiên cứu cơ bản, áp dụng công nghệ ETT-TD trong gia công biến dạng. Để đáp ứng yêu cầu về hiện đại hoá trong công nghiệp Quốc phòng và dân dụng, phát huy nội lực, làm chủ công nghệ chế tạo những vũ khí, khí tài quân sự hiện đại, công nghệ chế tạo các sản phẩm khó. Đề tài đã đề cập các nôị dung có ý nghĩa khoa học công nghệ và thực tiễn đối với nền công nghiệp quốc phòng và dân dụng. Công nghệ ETT-TD là một phơng pháp tạo hình sản phẩm trong đó môi trờng thuỷ lực áp suất cao tác dụng lên bề mặt của vật liệu từ mọi phía với cờng độ nh nhau, tuân theo định luật Pascal về tính đẳng hớng của môi trờng chất lỏng và khí. Để tạo ra áp suất thủy tĩnh ngời ta có thể nén môi trờng truyền áp suất trong khuôn kín hoặc hở bằng hệ thống tạo áp suất cao hoặc nén trực tiếp bằng máy ép thuỷ lực. Trang bị công nghệ ETT lắp trên máy ép 300 Tấn để ép tạo hình sản phẩm trong luyện kim bột và trang bị công nghệ ETD lắp trên máy ép thuỷ lực 630 tấn để triển khai công nghệ ETD do đề tài KC.05.23 thiết kế chế tạo, đã giải quyết cơ bản những vấn đề mà các phơng pháp công nghệ khác khó đạt đợc. Trên cơ sở các thông tin khoa học công nghệ mới trong và ngoài nớc liên quan đến công nghệ ép thuỷ tĩnh và thủy động, qua các kinh nghiệm đợc tích luỹ, kế thừa từ các công trình nghiên cứu trong công nghệ chế tạo vũ khí của Bộ Quốc phòng, các công trình nghiên cứu về lĩnh vực ETT-TD, Đề tài đã nghiên cứu các vấn đề cơ bản của lý thuyết, thiết bị, công nghệ, nghiên cứu đặc trng vật liệu, tính năng của một số dạng sản phẩm cũng nh ứng xử của vật liệu trong môi trờng áp suất cao. Từ đó lựa chọn giải pháp công nghệ, xây dựng phơng án thiết kế, chế tạo trang bị công nghệ, thiết bị phụ trợ để chế thử một số sản phẩm đặc thù của công nghệ này trong sản xuất Quốc phòng. Trong quá trình nghiên cứu đã giải quyết các vấn đề nảy sinh. Thông qua chế thử, khảo nghiệm sau chế thử để đánh giá sản phẩm. Các sản phẩm công nghệ do Đề tài tạo ra gồm có: Côn tống khơng tuyến đã đợc khảo nghiệm và áp dụng vào chế tạo nòng súng 12,7mm tại nhà máy Z111, Bi nghiền chế tạo từ vật liệu gốm đã đợc khảo nghiệm tại Trung tâm Công Nghệ, Nón đồng trong đạn chống tăng B41 đã đợc khảo nghiệm tại nhà máy Z131 Tổng Cục CNQP, Phôi ống dẫn sóng rađa đợc sử dụng cho Đề tài cấp BQP: Chế tạo ống dẫn sóng rađa PRV-16, Các sản phẩm khác nh phôi bánh răng moduyn nhỏ, ống đồng thành mỏng đợc đánh giá trong phòng thí nghiệm của Trung tâm Công Nghệ, đạt chỉ tiêu kỹ thuật đã đề ra. Qua kết quả đánh giá và khảo nghiệm, các trang bị và sản phẩm của Đề tài có thể phục vụ tốt công tác nghiên cứu, có thể áp dụng trong chế tạo các chi tiết có hình dạng phức tạp, tính chất cơ lý cao, đặc biệt là các chi tiết trong vũ khí và dụng cụ đặc chủng trong sản xuất Quốc phòng. 6 D2-3-DSTG Danh sách tác giả Của đề tài khoa học và công nghệ cấp nhà nớc (Danh sách các cá nhân đã đóng góp sáng tạo chủ yếu cho đề tài đợc sắp xếp theo thứ tự đã thoả thuận) (Kèm theo Quyết định số 13/2004/QĐ-BKHCN ngày 25/5/2005 của Bộ trởng Bộ Khoa học và Công nghệ) 1. Tên đề tài: Nghiên cứu ứng dụng công nghệ ép thủy tĩnh và thủy động để chế tạo các sản phẩm có hình dạng phức tạp từ vật liệu khó biến dạng, độ bền cao. M số: KC.05.23 2. Thuộc Chơng trình (nếu có): Nghiên cứu khoa học và phát triển công nghệ chế tạo máy, M số KC.05 3. Thời gian thực hiện: Từ tháng 1/2003 đến tháng 6/2005 4. Bộ chủ quản: Bộ Khoa học và Công nghệ 5. Danh sách tác giả: TT Học hàm, học vị, họ và tên Chữ ký 1 Chủ nhiệm đề tài: TS. Nguyễn Mạnh Long, Trung tâm Công nghệ - BQP 2 Phó chủ nhiệm đề tài: KS. Đỗ Văn Hồng, Trung tâm Công nghệ - BQP 3 TS. Nguyễn Tài Minh, Trung tâm Công nghệ - BQP 4 TS. Trần Thế Phơng, Trung tâm Công nghệ - BQP 5 Ths. Bùi Doãn Đồng, Trung tâm Công nghệ - BQP 6 TS. Bùi Viết Dũng, Trung tâm Công nghệ - BQP 7 TS. Trần Văn Dũng, Trung tâm Công nghệ - BQP 8 ThS. Ngô Gia Cờng, Trung tâm Công nghệ - BQP 9 PGS.TS. Đinh Văn Phong, Học viện KTQS - BQP 10 TS. Lại Anh Tuấn, Học viện KTQS - BQP 11 ThS. Nguyễn Văn Thắng, Nhà máy Z183, Tổng Cục CNQP - BQP THủ trởng cơ quan chủ trì đề tài (Họ, tên, chữ ký, và đóng dấu) 7 Mục lục Trang Danh sách những ngời thực hiện đề tài 6 Mục lục 7 Bảng một số ký hiệu quy ớc và chữ viết tắt 12 Tóm tắt 13 Chơng 1: Tổng quan về công nghệ ép thủy tĩnh và thủy động tạo hình sản phẩm 15 1.1. Tổng quan về công nghệ ép thuỷ tĩnh 15 1.1.1. Nguyên lý ép thủy tĩnh 16 1.1.2. Vài nét về lịch sử phát triển công nghệ ép thủy tĩnh 16 1.1.3. Phân loại trong công nghệ ép thủy tĩnh 18 1.1.4. Các u nhợc điểm của công nghệ ép thuỷ tĩnh 20 1.1.5. Các hiện tợng xẩy ra trong qúa trình ép thủy tĩnh 21 1.1.5.1. Quá trình đặc xít và các đặc tính đặc xít của vật ép 21 1.1.5.2. ảnh hởng của điều kiện ép 25 1.1.5.3. Hiện tợng nở trở lại của vật ép 25 1.2. Tổng quan về công nghệ ép thuỷ động 26 1.2.1. Gia công biến dạng bằng công nghệ ép thủy động 26 1.2.2. Các đặc điểm của ép thủy động 26 1.2.3. Sản phẩm của phơng pháp ép thủy động 27 1.2.4. Phân loại các phơng pháp ép thủy động 29 1.2.5. Quá trình ép thủy động 31 1.2.6. Sản phẩm và phạm vi ứng dụng của công nghệ ép thủy động 32 1.2.6.1. Vật liệu và độ biến dạng trong ép thủy động 32 1.2.6.2. Một số sản phẩm trong ép đùn thủy động 33 1.2.6.3. Tính chất biến dạng trong ép thủy động 36 1.3. Các nghiên cứu về ép thủy tĩnh và thủy động trong nớc 37 8 Chơng 2: Mô hình và phơng pháp tính toán trong ép thủy tĩnh và thủy động 39 2.1. Mô hình mô hình và phơng pháp tính toán trong ép thủy tĩnh 39 2.1.1. Mô hình ứng xử của vật liệu bột kim loại biến dạng ở trạng thái nguội và phơng pháp nhận dạng 39 2.1.1.1. Xây dựng mô hình 40 2.1.1.2. Phơng pháp nhận dạng mô hình. 43 2.1.2. Mô hình HECKEL 46 2.1.3. Mô hình KAWAKITA 47 2.2. Mô hình và phơng pháp tính toán trong ép thủy động 47 2.2.1. Khảo sát thuộc tính biến dạng của vật liệu 47 2.2.1.1. Xác định thuộc tính biến dạng của thép gió P18 48 2.2.1.2. Xác định thuộc tính biến dạng của thép 40X 51 2.2.1.3. Xác định thuộc tính biến dạng của đồng đỏ M1 54 Chơng 3: Nghiên cứu các ảnh hởng trong ép thủy tĩnh và thủy động 58 3.1. Một số hiện tợng xẩy ra trong công nghệ ép thủy tĩnh 58 3.1.1. ảnh hởng của đặc trng bột ép 58 3.1.2. Đặc trng của công nghệ ép thủy tĩnh tạo hình sản phẩm dạng bột 59 3.1.3. Qui luật ép 60 3.1.4. ảnh hởng của điều kiện ép 62 3.2. Một số hiện tợng xẩy ra trong công nghệ ép thủy động 64 3.2.1. Dòng vật liệu 64 3.2.2. Hiện tợng stick-slip 65 3.2.3. Vật liệu truyền áp trong ép thuỷ động 69 Chơng 4: Tính toán thiết kế thiết bị ép thủy tĩnh và trang bị ép thủy động 72 4.1. Tính toán thiết kế thiết bị ép thủy tĩnh 72 4.1.1. Các công thức tính toán khuôn ép và các thông số ép 72 4.1.1.1. Hệ số co ngót khi thiêu kết 72 4.1.1.2. Tỉ phần co tuyến tính 72 9 4.1.1.3. Tỉ phần hao khi thiêu 73 4.1.1.4. Hệ số nở trở lại 73 4.1.1.5. Tỉ phần nén co tuyến tính 73 4.1.1.6. Tỉ phần co tuyến tính toàn phần 73 4.1.1. 7. Mật độ điền đầy khuôn 74 4.1.1. 8. Mật độ vật ép 74 4.1.1. 9. Tỉ số nén thể tích 74 4.1.2. Tính toán thiết kế máy ETT 74 4.1.2.1. Nguyên lý và cơ sở tính toán hệ thuỷ lực máy ETT 74 4.1.2.2. Tính toán thiết kế buồng áp suất 75 4.1.2.3 Tính toán thông số của bộ khuyếch đại áp suất 83 4.1.2.4. Tính toán lựa chọn bơm và các linh kiện cho hệ thủy lực 84 4.2. Tính toán thiết kế trang bị ép thủy động 85 4.2.1. Nguyên lý và cơ sở tính toán 85 4.2.2. Tính toán thiết kế buồng áp suất cao cho công nghệ ép thủy động 86 4.2.2.1. Tính toán đối với ống dày một lớp 86 4.2.2.2. Tính toán đối với ống dày nhiều lớp 87 4.2.3. Tính bền khuôn tạo hình 91 4.2.3.1. Tính bền phần côn của khuôn 91 4.2.3.2. Tính toán bền phần trụ tạo hình 93 4.2.4. Tính góc mở khuôn tối u 97 4.2.5. Tính toán lực ép đùn 98 Chơng 5: Kết quả nghiên cứu và một số hình ảnh về sản phẩm 101 5.1. Chế tạo phôi con tống khơng tuyến nòng súng 12,7mm 101 5.1.1. Đặc điểm của sản phẩm 101 5.1.2. Tính toán khuôn ép thủy tĩnh phôi con tống nòng súng 12,7mm 101 5.1.3. Tiến trình công nghệ 104 5.1.4. Kết quả và thảo luận 106 5.2. Chế tạo nón đồng cho đạn chống tăng 109 5.2.1. Đặc điểm sản phẩm 109 5.2.2. Chọn giải pháp công nghệ 110 5.2.3. Tính toán các kích thớc cơ bản của khuôn 111 5.2.4. Tiến trình công nghệ 113 10 5.2.5. Kết quả và thảo luận 114 5.3. Chế tạo bi nghiền bằng gốm Al 2 O 3 115 5.3.1. Đặc điểm sản phẩm 115 5.3.2. Chọn phơng án tính toán và thiết kế khuôn ép 116 5.3.3. Tiến trình công nghệ chế tạo bị nghiền 118 5.3.4. Kết quả và thảo luận 121 5.4. Chế tạo phôi ống dẫn sóng rađa PRV-16 123 5.4.1. Đặc điểm sản phẩm 123 5.4.2. Các bớc công nghệ chính để chế tạo ống dẫn sóng 123 5.4.3. Yêu cầu về vật liệu, dung sai, độ nhám và sai số hình dáng 125 5.4.4. Lựa chọn giải pháp công nghệ, tiến trình công nghệ 126 5.4.5. Tính toán thiết kế khuôn ép ống dẫn sóng 126 5.4.5.1. Tính toán áp suất trong quá trình ép 126 5.4.5.2. Tính toán thiết kế khuôn ép ống dẫn sóng 131 5.4.6. Bản vẽ thiết kế khuôn ép ống dẫn sóng 132 5.4.7. Kết quả và thảo luận 133 5.4.7.1. Khuôn ép ống dẫn sóng rađa PRV-16 133 5.4.7.2. Sản phẩm ống dẫn sóng rađa PRV-16 133 5.4.7.3. Khảo sát độ cứng 134 5.4.7.4. Xác định các thông số hình học 135 5.5. Chế tạo ống thành mỏng bằng công nghệ ép thủy động 137 5.5.1. Khảo sát phôi đầu vào 137 5.5.1.1. Khảo sát phôi hợp kim nhôm 137 5.5.1.2. Khảo sát phôi đồng 140 5.5.2. Các bớc công nghệ chính để chế tạo ống 142 5.5.3. Thiết kế khuôn tạo hình 143 5.5.4. Chuẩn bị phôi để chế tạo ống 144 5.5.5. Nghiên cứu vật liệu truyền áp 145 5.5.6. Khảo nghiệm đánh giá kết quả 148 5.5.6.1. Sản phẩm ống hợp kim nhôm 148 5.5.6.2. Sản phẩm ống đồng 153 11 5.6. Chế tạo phôi bánh răng mô duyn nhỏ 159 5.6.1. Đặc điểm của sản phẩm 159 5.6.2. Thực nghiệm và kết quả nghiên cứu 159 Chơng 6: Tính toán lựa chọn thiết bị và thiết kế, chế tạo trang bị công nghệ 163 6.1. Máy ép thủy tĩnh 163 6.1.1. Tính toán lựa chọn máy ép thủy lực 300T 163 6.1.2. Bản vẽ thiết kế chế tạo trang bị công nghệ 165 6.1.3. Tài liệu quy trình công nghệ 165 6.2. Trang bị công nghệ ép thủy động 173 6.2.1. Tài liệu thiết kế 173 6.2.2. Tài liệu quy trình công nghệ 175 Kết luận và kiến nghị 180 Lời cảm ơn 182 Tài liệu tham khảo 183 12 Bảng một số ký hiệu quy ớc và chữ viết tắt Kí hiệu Tên gọi Đơn vị đo ETT ép thủy tĩnh ETD ép thủy động A, A i Diện tích mm 2 , cm 2 D Đờng kính làm việc mm, cm v Chiều dầy mm, cm h Chiều cao mm, cm F, F n Lực N, kG P, P n , P i áp suất kG/cm 2 , N/mm 2 MPa ứng suất kG/cm 2 , N/mm 2 MPa U R Kích thớc chu vi tiết diện mm k Hệ số khuyếch đại Hiệu suất A Hệ số hình dạng Độ nhớt động học mPas Khối lợng riêng g/cm 3 , kg/dm 3 [...]... tính của sản phẩm tăng khoảng 35% so với ép đùn thông thờng Phơng pháp ép thủy động còn cho phép ép đùn các chi tiết có độ dài bất kỳ và hình dạng sản phẩm phức tạp, có rãnh xoắn và nghiêng Tùy thuộc vào thiết kế công nghệ và khuôn ép, bằng công nghệ này có thể ép ra các chi tiết dạng đặc (Hình 1.5) và dạng rỗng (Hình 1.6) 1.2.3 Sản phẩm của phơng pháp ép thủy động Sản phẩm của phơng pháp ép thủy động. .. ép đùn thủy động (ASEA) Hình 1.10- Sản phẩm của công nghệ ép đùn thủy động (ASEA) 34 Hình 1.11- Sản phẩm của công nghệ ép đùn thủy động nóng (Kobe Steel) - ép thủy động cũng áp dụng để chế tạo các sản phẩm có Profil bất kỳ với chiều dài lớn mà bằng các phơng pháp khác không thể chế tạo đợc (Hình 1.10; 1.11) Trong ép đùn thép việc ứng dụng ETD có thể thay cho công nghệ ép đùn nóng hoặc công nghệ kéo nguội... trong công nghệ ép thủy tĩnh Hiện nay ETT đợc áp dụng trong hai lĩnh vực chủ yếu là ép tạo hình các loại vật liệu bột và ép biến dạng tạo hình sản phẩm từ kim loại và hợp kim Công nghệ ETT tạo hình các sản phẩm từ vật liệu bột còn đợc gọi là phơng pháp ép đẳng tĩnh (Isostatic Press) Thông thờng có một số phơng án phân loại nh sau: a Theo môi trờng truyền áp: - ép thủy tĩnh môi trờng khí - ép thủy tĩnh. .. hồi Hình 1.1- Sơ đồ nguyên lý ép thủy tĩnh Trong ép tạo hình sản phẩm từ vật liệu bột hớng phát triển và các ứng dụng sau đây đã đợc thực hiện ép thuỷ tĩnh các sản phẩm chịu nhiệt có kích thớc lớn nh gạch xây lò bể, nồi nấu thủy tinh, kim loại v.v Tạo hình các chi tiết có hình dáng phức tạp, đặc biệt các chi tiết có giá trị sử dụng cao nh miệng rót thép hoặc hệ thống cấp liệu cho bể nấu thủy tinh Tạo. .. tâm Công Nghệ, đạt chỉ tiêu kỹ thuật đã đề ra Kết quả đánh giá và khảo nghiệm cho thấy: các trang thiết bị và sản phẩm của Đề tài có thể phục vụ tốt công tác nghiên cứu, có thể áp dụng trong chế tạo các chi tiết có hình dạng phức tạp, tính chất cơ lý cao, đặc biệt là các chi tiết trong vũ khí và dụng cụ đặc chủng trong sản xuất Quốc phòng 14 Chơng 1 Tổng quan về công nghệ ép thủy tĩnh và thuỷ động tạo. .. bớc - Hình dáng của phôi và hình dạng sản phẩm không phụ thuộc vào nhau nên ngời ta có thể ép đợc các sản phẩm có hình dạng bất kỳ Do ma sát trong buồng áp lực không đáng kể nên ứng dụng công nghệ này có khả năng ép đợc các phôi dài gấp nhiều lần so với đuờng kính ép thủy động ấm tạo khả năng biến dạng các vật liệu và hợp kim có độ cứng cao với tỷ lệ tiết diện lớn ở áp suất nhỏ Chẳng hạn ống đồng có thể... biến dạng thì có thể đa một vật liệu giòn về trạng thái dẻo Các nghiên cứu trên đã mở ra hớng ứng dụng công nghệ ép thủy tĩnh và thuỷ động (ETT-TD) vào lĩnh vực gia công áp lực ở trong nớc, hiện nay cha có cơ sở nào đầu t nghiên cứu cơ bản hoặc áp dụng công nghệ ETT-TD trong gia công biến dạng Để đáp ứng yêu cầu về hiện đại hoá trong công nghiệp Quốc phòng và dân dụng, phát huy nội lực, làm chủ công nghệ. .. đạt đợc các tính chất đặc biệt Trong công nghệ gốm và công nghệ luyện kim bột, tạo hình là một trong 4 công đoạn chính của quá trình sản xuất, trong đó tạo hình bằng phơng pháp ép là phơng pháp tạo hình chính trong công nghệ luyện kim bột 1 Tạo và chuẩn bị bột 2 Tạo hình 3 Thiêu kết 4 Hoàn thiện Các phơng pháp tạo hình thờng áp dụng trong luyện kim bột: - ép trong khuôn kín - ép thuỷ tĩnh - ép phun... việc bịt kín Các sản phẩm hình dạng và cấu tạo phức tạp nh: bánh răng thẳng, nghiêng đờng kính nhỏ, phôi dao phay doa, mũi khoan, ống đồng nhỏ có min 20 mm, = 0,5 1.5 mm đợc chế tạo bằng phơng pháp ép thủy động Các phôi sản phẩm trên đợc chế tạo bằng phơng pháp cắt gọt hoặc ép đùn truyền thống gây lãng phí vật t quý hiếm, công gia công, dẫn đến giá thành sản phẩm cao, chất lợng sản phẩm không cao... Chày ép Buồng áp suất cao Gioăng Dẫn hớng Môi trờng truyền áp Phôi Lõi Khuôn hình b) Hình 1.6- Mô hình ép thủy động các chi tiết rỗng với lõi tĩnh (a) và lõi động (b) ép thủy động phôi dây: 1 1 Chày ép 2 Môi trờng truyền áp 3 Buồng áp suất cao 4 Cuộn dây phôi 5 Giá đỡ phôi 6 Khuôn hình 7 Đế khuôn 8 Sản phẩm ETD 2 3 4 5 6 7 8 Hình 1 7- Mô hình ép thủy động phôi dây 30 1.2.5 Quá trình ép thủy động ép thủy . cứu ứng dụng công nghệ ép thủy tĩnh và thủy động để chế tạo các sản phẩm có hình dạng phức tạp từ vật liệu khó biến dạng, độ bền cao. M số: KC.05.23 2. Thuộc Chơng trình (nếu có) : Nghiên cứu. công nghệ ép thủy tĩnh và thủy động tạo hình sản phẩm 15 1.1. Tổng quan về công nghệ ép thuỷ tĩnh 15 1.1.1. Nguyên lý ép thủy tĩnh 16 1.1.2. Vài nét về lịch sử phát triển công nghệ ép thủy. trình ép thủy động 31 1.2.6. Sản phẩm và phạm vi ứng dụng của công nghệ ép thủy động 32 1.2.6.1. Vật liệu và độ biến dạng trong ép thủy động 32 1.2.6.2. Một số sản phẩm trong ép đùn thủy động