Báo cáo tổng kết khoa học và kỹ thuật đề tài cấp nhà nước nghiên cứu ứng dụng công nghệ ép thủy tĩnh và thủy động để ch

Trang 1

TC CNQP TICN

TONG CUC CONG NGHIEP QUOC PHONG

Trung Tâm Cơng Nghệ Xĩm 6 Đơng ngạc Từ liêm Hà Nội

Báo cáo tổng kết khoa học và kỹ thuật Đề tài cấp nhà nước:

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG CƠNG NGHỆ ÉP THỦY TĨNH VÀ THỦY ĐỘNG DE CHE TAO CAC SAN PHAM CO HINH DANG PHUC TAP

TU VAT LIEU KHĨ BIEN DANG, DO BỀN CAO

TS Nguyén Manh Long

6296 07/02/2007

Hà nội, 7-2005

Bản quyền 2005 thuộc TTCN

Đơn xin sao chép tồn bộ hoặc từng phần tài liệu này phải gửi đến Giám đốc

Trung tâm Cơng nghệ trừ trường hợp sử dụng với mục đích nghiên cứu

Trang 2

TOM TAT

Những thử nghiệm sử dụng áp lực thủy tĩnh vào mục đích kỹ thuật đã cĩ từ rất lâu trước khi người ta phát hiện ra ảnh hưởng to lớn của nĩ đến tính chất cơ học của kim loại và hợp kim Trên thế giới, nhiều cơng trình khoa học trong lĩnh vực này đã được các nhà khoa học cừng các cơng sự nghiên cud, cho thấy dưới tác dụng của áp suất thủy, nh tính dẻo của vật liệu tăng lên, nhất là khi trong quá trình gia cơng cĩ phối hợp các điều kiện khác như: nhiệt độ, tốc độ biến dạng thì cĩ thể đưa một vật liệu giịn về trạng thái dẻo Các nghiên cứu trên đã mở ra hướng ứng dụng cơng nghệ ép thủy fĩnh- thuỷ động (ETT-TD) vào gia cơng áp lực

Ở trong nước hiện nay chưa cĩ cơ sở nào đầu tư nghiên cứu cơ bản, áp dựng cơng nghệ ETT-TD trong gia cơng biến dạng Để đáp ứng yêu câu về hiện đại hố trong cơng nghiệp Quốc phịng và dân đụng, phát huy nội lực,

làm chủ cơng nghệ chế tạo những vũ khí, khí tài quân sự hiện đại, cơng nghệ chế tạo các sản phẩm khĩ Đề tài đã đề cập các nơi dung cĩ ý nghĩa khoa học

cơng nghệ và thực tiễn đối với nên cơng nghiệp quốc phịng và dân dụng

Cơng nghệ ETT-TD là một phương pháp tạo hình sản phẩm trong đĩ

mơi trường thuỷ lực áp suất cao tác dụng lên bê mặt của vật liệu từ mọi phía với cường độ như nhau, tuân theo định luật Pascal về tính đẳng hướng của mơi trường chất lỏng và khí Để tạo ra áp suất thủy nh người ta cĩ thể nén

mơi trường truyền áp suất trong khuơn kín hoặc hở bằng hệ thống tạo áp suất

cao hoặc nén trực tiếp bằng máy ép thuỷ lực

Trang bị cơng nghệ ETT lắp trên máy ép 300 Tấn để ép tạo hình sản

phẩm trong luyện kim bột và trang bị cơng nghệ ETD lắp trên máy ép thuỷ

lực 630 tấn để triển khai cơng nghệ ETD do đề tài KC.05.23 thiết kế chế tạo,

Trang 3

Trên cơ sở các thơng tin khoa học cơng nghệ mới trong và ngồi nước liên quan đến cơng nghệ ép thuỷ tĩnh và thủy động, qua các kinh nghiệm được tích luỹ, kế thừa từ các cơng trình nghiên cứu trong cơng nghệ chế tạo vũ khí của Bộ Quốc phịng, các cơng trình nghiên cứu về lĩnh vực ETT-TD,

Đề tài đã nghiên cứu các vấn đề cơ bản của lý thuyết, thiết bị, cơng nghệ,

nghiên cứu đặc trưng vật liệu, tính năng của một số dạng sản phẩm cũng như ứng xử của vật liệu trong mơi trường áp suất cao Từ đĩ lựa chọn giải pháp cơng nghệ, xây dựng phương án thiết kế, chế tạo trang bị cơng nghệ, thiết bị phụ trợ để chế thử một số sản phẩm đặc thù của cơng nghệ này trong sản xuất Quốc phịng Trong quá trình nghiên cứu đã giải quyết các vấn để nảy

sinh Thơng qua chế thử, khảo nghiệm sau chế thử để đánh giá sản phẩm Các sản phẩm cơng nghệ do Đề tài tạo ra gồm cĩ: Cơn tống khương

tuyến đã được khảo nghiệm và áp dụng vào chế tạo nịng sting 12,7mm tại nhà máy Z111, Bi nghiền chế tạo từ vật liệu gốm đã được khảo nghiệm tại Trung tâm Cơng Nghệ, Nĩn đồng trong đạn chống tăng B41 đã được khảo

nghiệm tại nhà máy Z131 Tổng Cục CNQP, Phơi ống dẫn sĩng rađa được sử dung cho Dé tài cấp BQP: “Chế tạo ống dẫn sĩng rađa PRV-16”, Các sản phẩm khác như phơi bánh răng moduyn nhỏ, ống đồng thành mơng được

đánh giá trong phịng thí nghiệm của Trung tâm Cơng Nghệ, đạt chỉ tiêu kỹ

thuật đã đề ra

Trang 4

DANH SACH TAC GIA D2-3-DSTG CUA DE TAI KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ CẤP NHÀ NƯỚC

(Danh sách các cá nhân đã đĩng gĩp sáng tạo chú yếu cho đề tài được sắp xếp theo thứ tự đã thoả thuận)

(Kèm theo Quyết định số 13/2004/QĐÐ-BKHCN ngày 25/512005

của Bộ trồng Bộ Khoa học và Cơng nghệ)

Tên đề tài: Nghiên cứu ứng dụng cơng nghệ ép thủy tĩnh và thủy động để chế

tạo các sẳn phẩm cĩ hình dạng phúc tạp từ vật liệu khĩ biến dạng, độ bên cao Mã số: KC.05.23

Thuộc Chơng trình (nếu cĩ):

Nghiên cứu khoa học và phát triển cơng nghệ chế tạo máy, Mã số KC.05

3 Thời gian thực hiện: 7 tháng 1/2003 đến tháng 6/2005

4 Bộ chủ quản: Bộ Khoa học và Cơng 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 Cơng nghệ - BỌP 2_ | Phĩ chủ nhiệm đề tài:

KS Dé Văn Hồng, Trung tâm Cơng nghệ - BỌQP

3 TS Nguyễn Tài Minh, Trung tâm Cơng nghệ - BỌP 4 TS Trần Thế Phương, Trung tâm Cơng nghệ - BỌP

5 Ths Bùi Dỗn Đồng, Trung tâm Cơng nghệ - BQP 6 TS Bùi Viết Dũng, Trung tâm Cơng nghệ - BỌP 7 TS Trần Văn Dũng, Trung tâm Cơng nghệ - BỌP

§ ThS Ng6 Gia Cường, Trung tâm Cơng nghệ - BỌP 9 PGS.TS Định Văn Phong, Học viện KTQS - BỌP

10 | TS Lai Anh Tuấn, Học viện KTQS - BOP

Trang 5

MUC LUC Danh sách những người thực hiện đề tài Mục lục Bảng một số ký hiệu quy ước và chữ viết tắt Tĩm tắt Chương 1: Tổng quan về cơng nghệ ép thủy tĩnh và thủy động tạo hình sản phẩm 1.1 Tổng quan về cơng nghệ ép thuỷ tĩnh 1.1.1 Nguyên lý ép thủy tĩnh

1.1.2 Vài nét về lịch sử phát triển cơng nghệ ép thủy tĩnh 1.1.3 Phân loại trong cơng nghệ ép thủy tĩnh

1.1.4 Các ưu nhược điểm của cơng nghệ ép thuỷ tĩnh

1.1.5 Các hiện tượng xẩy ra trong qúa trình ép thủy tĩnh 1.1.5.1 Quá trình đặc xít và các đặc tính đặc xít của vật ép

1.1.5.2 Ảnh hưởng của điêu kiện ép

1.1.5.3 Hiện tượng nở trở lại của vật ép 1.2 Tổng quan về cơng nghệ ép thuỷ động

1.2.1 Gia cơng biến dạng bằng cơng nghệ ép thủy động 1.2.2 Các đặc điểm của ép thủy động

1.2.3 Sản phẩm của phương pháp ép thủy động

1.2.4 Phân loại các phương pháp ép thủy động 1.2.5 Quá trình ép thủy dộng

1.2.6 Sản phẩm và phạm vi ứng dụng của cơng nghệ ép thủy động 1.2.6.1 Vật liệu và độ biến dạng trong ép thủy động

1.2.6.2 Một số sản phẩm trong ép đùn thủy động 1.2.6.3 Tính chất biến đạng trong ép thủy dộng

Trang 6

Chương 2: Mơ hình và phương pháp tính tốn trong ép thuy tinh và thủy động

2.1 Mơ hình mơ hình và phương pháp tính tốn trong ép thủy tinh

2.1.1 Mơ hình ứng xử của vật liệu bột kim loại biến dạng ở trạng thái nguội và phương pháp nhận dạng 2.1.1.1 Xây dựng mơ hình 2.1.1.2 Phương pháp nhận dạng mơ hình 2.1.2 Mơ hình HECKEL 2.1.3 Mơ hình KAWAKITA

2.2 Mơ hình và phương pháp tính tốn trong ép thủy động 2.2.1 Khảo sát thuộc tính biến dạng của vật liệu

2.2.1.1 Xác định thuộc tính biến dạng của thép giĩ P18 2.2.1.2 Xác định thuộc tính biến dạng của thép 40X

2.2.1.3 Xác định thuộc tính biến dạng của đồng đỏ M1 Chương 3: Nghiên cứu các ảnh hưởng trong ép thủy fĩnh

và thủy động

3.1 Một số hiện tượng xẩy ra trong cơng nghệ ép thủy tinh

3.1.1 Ảnh hưởng của đặc trưng bột ép

3.1.2 Đặc trưng của cơng nghệ ép thủy fĩnh tạo hình sản phẩm dạng bột 3.1.3 Qui luật ép

3.1.4 Ảnh hưởng của điều kiện ép

3.2 Một số hiện tượng xẩy ra trong cơng nghệ ép thủy động

3.2.1 Dịng vật liệu

3.2.2 Hiện tượng stick-slip

3.2.3 Vật liệu truyền áp trong ép thuỷ động

Chương 4: Tính tốn thiết kế thiết bị ép thủy tinh va trang bi ép thủy động

4.1 Tính tốn thiết kế thiết bị ép thủy tĩnh

Trang 7

4.1.1.3 Tỉ phần hao khi thiêu 4.1.1.4 Hệ số nở trở lại 4.1.1.5 Tỉ phần nén co tuyến tính 4.1.1.6 TỶ phần co tuyến tính tồn phần 4.1.1.7 Mật độ điền đầy khuơn 4.1.1 8 Mật độ vật ép 4.1.1 9 Ti số nén thể tích

4.1.2 Tính tốn thiết kế máy ETT

4.1.2.1 Nguyên lý và cơ sở tính tốn hệ thuỷ lực máy ETT 4.1.2.2 Tính tốn thiết kế buồng áp suất

4.1.2.3 Tính tốn thơng số của bộ khuyếch đại áp suất

4.1.2.4 Tính tốn lựa chọn bơm và các linh kiện cho hệ thủy lực

4.2 Tính tốn thiết kế trang bị ép thủy động

4.2.1 Nguyên lý và cơ sở tính tốn

4.2.2 Tính tốn thiết kế buồng áp suất cao cho cơng nghệ ép thủy động

4.2.2.1 Tính tốn đối với ống đày một lớp 4.2.2.2 Tính tốn đối với ống dày nhiều lớp 4.2.3 Tính bên khuơn tạo hình

4.2.3.1 Tính bên phần cơn của khuơn 4.2.3.2 Tính tốn bền phần trụ tạo hình

4.2.4 Tính gĩc mở khuơn tối ưu 4.2.5 Tính tốn lực ép đùn

Chương 5: Kết quả nghiên cứu và một số hình ảnh về sản phẩm 5.1 Chế tạo phơi con tống khương tuyến nịng sing 12,7mm

5.1.1 Đặc điểm của sản phẩm

5.1.2 Tính tốn khuơn ép thủy tĩnh phơi con tống nịng súng 12,/7mm 5.1.3 Tiến trình cơng nghệ

5.1.4 Kết quả và thảo luận

Trang 8

5.2.5 Kết quả và thảo luận

5.3 Chế tạo bỉ nghiên bằng gốm Al,O; 5.3.1 Đặc điểm sản phẩm

5.3.2 Chọn phương án tính tốn và thiết kế khuơn ép

5.3.3 Tiến trình cơng nghệ chế tạo bị nghiền

5.3.4 Kết quả và thảo luận

5.4 Chế tạo phơi ống dẫn sĩng rađa PRV-16 5.4.1 Đặc điểm sản phẩm

5.4.2 Các bước cơng nghệ chính để chế tạo ống dẫn sĩng

5.4.3 Yêu cầu về vật liệu, dung sai, dộ nhám và sai số hình dáng 5.4.4 Lựa chọn giải pháp cơng nghệ, tiến trình cơng nghệ

5.4.5 Tính tốn thiết kế khuơn ép ống dẫn sĩng 5.4.5.1 Tính tốn áp suất trong quá trình ép

5.4.5.2 Tính tốn thiết kế khuơn ép ống dẫn sĩng 5.4.6 Bản vẽ thiết kế khuơn ép ống dẫn sĩng 5.4.7 Kết quả và thảo luận 5.4.7.1 Khuơn ép ống dẫn sĩng rađa PRV-16 5.4.7.2 Sản phẩm ống dẫn sĩng rađa PRV-16 5.4.7.3 Khảo sát độ cứng 5.4.7.4 Xác định các thơng số hình học

5.5, Chế tạo ống thành mỏng bằng cơng nghệ ép thủy động

5.5.1 Khảo sát phơi đầu vào

5.5.1.1 Khảo sát phơi hợp kim nhơm

5.5.1.2 Khảo sát phơi đồng

5.5.2 Các bước cơng nghệ chính để chế tạo ống 5.5.3 Thiết kế khuơn tạo hình

Trang 9

5.6 Chế tạo phơi bánh rang mơ duyn nhỏ 5.6.1 Đặc điểm của sản phẩm

5.6.2 Thực nghiệm và kết quả nghiên cứu

Chương 6: Tính tốn lựa chọn thiết bị và thiết kế, chế tạo

trang bị cơng nghệ 6.1 Máy ép thủy fính

6.1.1 Tính tốn lựa chọn máy ép thủy lực 300T

6.1.2 Bản vẽ thiết kế chế tạo trang bị cơng nghệ

6.1.3 Tài liệu quy trình cơng nghệ

6.2 Trang bị cơng nghệ ép thủy động 6.2.1 Tài liệu thiết kế

Trang 11

TOM TAT

Những thử nghiệm sử dụng 4p lc thiy tinh vao muc đích kỹ thuật đã cĩ từ rất lâu trước khi người ta phát hiện ra ảnh hưởng to lớn của nĩ đến tính chất cơ học của kim loại và hợp kim Trên thế giới, nhiều cơng trình khoa học trong lĩnh vực này đã được các nhà khoa học cùng các cơng sự nghiên cứu, cho thấy dưới tác dụng của áp suất thủy, tĩnh tính dẻo của vật liệu tăng lên, nhất là trong quá trình gia cơng cĩ phối hợp các điều kiện khác như: nhiệt độ, tốc độ biến đạng thì cĩ thể đưa một vật liệu giịn về trạng thái dẻo Các nghiên cứu trên đã mở ra hướng ứng dụng cơng nghệ ép thủy fính và thuỷ động (ETT-TD) vào lĩnh vực gia cơng áp lực

Ở trong nước, hiện nay chưa cĩ cơ sở nào đầu tư nghiên cứu cơ bản hoặc áp dụng cơng nghệ ETT-TD trong gia cơng biến đạng Để đáp ứng yêu cầu về hiện đại hố trong cơng nghiệp Quốc phịng và dân dụng, phát huy nội lực, làm chủ cơng nghệ chế tạo các sản phẩm khĩ, cơng nghệ chế tạo vũ khí, khí

tài quân sự hiện đại, Đề tài KC.05.23 đã nghiên cứu cơng nghệ ETT-TD, nội dung của Đề tài cĩ ý nghĩa khoa học, cơng nghệ và thực tiễn phù hợp với nên

cơng nghiệp quốc phịng và dân dụng nước nhà

Cơng nghệ ETT-TD là một phương pháp tạo hình sản phẩm trong đĩ mơi

trường thuỷ lực áp suất cao tác dụng lên bề mặt của vật liệu từ mọi phía với cường độ như nhau, tuân theo định luật Pascal về tính đẳng hướng của mơi

trường chất lỏng và khí Để tạo ra áp suất thủy tĩnh người ta cĩ thể nén mơi

trường truyền áp suất trong khuơn kín hoặc hở bằng hệ thống tạo áp suất cao hoặc nén trực tiếp bằng máy ép thuỷ lực, máy dập

Trang bị cơng nghệ ETT lắp trên máy ép 300 Tấn để ép tạo hình sản phẩm trong luyện kim bột và trang bị cơng nghệ ETD lắp trên máy ép thuỷ

lực 630 tấn để triển khai cơng nghệ ETD đo Đề tài thiết kế chế tạo, đã giải quyết cơ bản những vấn để mà các phương pháp cơng nghệ khác khĩ đạt được

Trang 12

Trên cơ sở các thơng tin khoa học cơng nghệ mới trong và ngồi nước và kinh nghiệm được tích luỹ, kế thừa từ các cơng trình nghiên cứu trong cơng nghệ chế tạo vũ khí của Bộ Quốc phịng liên quan đến cơng nghệ ETT-TD, Đẻ

tài đã nghiên cứu các vấn đề cơ bản của lý thuyết, thiết bị, cơng nghệ, nghiên

cứu đặc trưng vật liệu, tính năng của một số dạng sản phẩm cũng như ứng xử của vật liệu trong mơi trường áp suất cao Từ đĩ lựa chọn giải pháp cơng nghệ, xây dựng phương án thiết kế, chế tạo trang bị cơng nghệ, thiết bị phụ trợ để chế thử một số sản phẩm đặc thù của cơng nghệ này trong sản xuất Quốc phịng Trong quá trình nghiên cứu đã giải quyết các vấn đề nảy sinh Thơng

qua chế thử, khảo nghiệm sau chế thử để đánh giá sản phẩm

Các sản phẩm cơng nghệ do Đề tài tạo ra gồm: Cơn tống khương tuyến -

đã được khảo nghiệm và áp dụng vào chế tạo nịng súng 127mm tại nhà máy Z.111; Bi nghiên chế tạo từ vật liệu gốm - đã được khảo nghiệm tại Trung tâm Cơng Nghệ; Nĩn đồng trong đạn chống tang B41 - đã được khảo nghiệm tại nhà máy Z131 Tổng Cục CNQP, Phơi ống đẫn sĩng rađa - được sử dụng cho

Đề tài cấp BQP: “Chế tạo ống dẫn sĩng rậa PRV-16”; Các sân phẩm khác

như phơi bánh răng moduyn nhỏ, ống đồng thành mỏng được đánh giá trong phịng thí nghiệm của Trung tâm Cơng 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 cĩ thể phục vụ tốt cơng tác nghiên cứu, cĩ thể áp dụng trong

chế tạo các chỉ tiết cĩ hình dạng phức tạp, tính chất cơ lý cao, đặc biệt là các chỉ tiết trong vũ khí và đụng cụ đặc chủng trong sản xuất Quốc phịng

Trang 13

Chương 1

TỔNG QUAN VỀ CƠNG NGHỆ ÉP THỦY TĨNH

vA THUY DONG TAO HINH SAN PHAM 1.1 TONG QUAN VE CONG NGHE EP THUY TINH

Cơng nghệ gốm (hoặc cơng nghệ luyện kim bột) là cơng nghệ trong đĩ từ các vật liệu vơ cơ phi kim (hoặc kim loại) ban đầu ở dạng hệ hạt đa phân tán cĩ các đặc tính lưu biến xác định, người ta tạo các chỉ tiết cĩ hình đạng mong muốn, sau đĩ bằng tác động nhiệt của quá trình thiêu kết làm đặc xít chúng và đo những biến đổi vật chất mà chỉ tiết đạt được các tính chất đặc biệt

Trong cơng nghệ gốm và cơng nghệ luyện kim bột, tạo hình là một trong 4

cơng đoạn chính của quá trình sản xuất, trong đĩ tạo hình bằng phương pháp ép là phương pháp tạo hình chính trong cơng nghệ luyện kim bột [I Tạo và chuẩn bị bột |—>Ð Tạo hình _—>B Thiêu kết |—>l Hồn thiện| Các phương pháp tạo hình thường áp dụng trong luyện kim bột: - Ép trong khuơn kín - Ép thuỷ tĩnh - Ép phun trong khuơn - Ép đùn - Ép động năng (dừng năng lượng nổ, điện từ ) - Cán bột - Đúc rĩt - Các phương pháp tạo hình khác

Tạo hình bằng phương pháp ép được tiến hành chủ yếu trong khuơn thép kín, đây là phương pháp phổ biến nhất trong cơng nghệ luyện kim bột, vì nĩ đễ

cơ khí hĩa, tự động hĩa, cho năng suất cao, hình đáng, kích thước chỉ tiết cĩ độ

Trang 14

chính xác cao, song phương pháp ép bột trong khuơn kín cũng cĩ nhiều nhược điểm như: mật độ phân bố khơng đều trong tồn bộ vật ép, nhất là đối với vật ép

lớn, hình đáng phức tạp, vật ép cĩ tỉ lệ chiều đài trên đường kính lớn Để khắc

phục các nhược điểm nêu trên và tránh phải sử đụng các máy ép cĩ cơng suất

đủ lớn cho ép tạo hình người ta đã đưa ra nhiều giải pháp, một trong những giải

pháp hữu hiệu đĩ là phương pháp ép thuỷ tĩnh (ETT), phương pháp này cho vật ép cĩ mật độ đồng nhất cao, vật ép khơng cĩ texture mà khơng cần máy ép cĩ cơng suất lớn

1.1.1 Nguyên lý ép thủy tinh

Ép thuy tinh (Hydrostatic Press) 14 một phương pháp tạo hình trong đĩ mơi trường thuỷ lực, áp suất cao tác dụng lên bề mặt của vật liệu từ mọi phía với cường độ như nhau, tuân theo định luật Pascal về tính đẳng hướng của mơi trường chất lỏng và khí, Mơi trường truyền áp suất trong ETT thường là chất lỏng, trong một số trường hợp người ta sử đụng chất khí, chất rắn hoặc vật liệu

đàn hồi Để tạo ra áp suất thủy tính người ta cĩ thể nén mơi trường truyền ấp suất trong buồng kín - buồng ép thủy nh (ETT), hay buồng áp suất cao bằng

cách đùng bơm cao áp kết hợp thiết bị khuyếch đại áp suất, hoặc dùng lực của máy (ví dụ như máy ép thủy lực) nén trực tiếp lên chày ép (Hình 1.1)

1.1.2 Vài nét về lịch sử phát triển cơng nghệ ép thuỷ tinh

Cơ sở của cơng nghệ (ETT) là lực ép qua một mơi trường (thường là chất lơng) được nén với áp suất cao truyền đến chỉ tiết cần biến đạng, được bắt nguồn từ một Patent của Anh năm 1893 Việc cần tạo được áp suất thủy tĩnh cao đến 300 MPa, làm cho việc áp dụng thời đĩ khơng thể thực hiện được vì

vấn đề làm kín Năm 1913 bản quyền patent với tiêu đề "Phương pháp chế tạo

các loại gạch hình từ vật liệu chịu lửa" được trao cho H D Madden Ơng đã sử đụng nguyên lý này để chế tạo các chỉ tiết cĩ mật độ cao từ các kim loại khĩ nĩng chảy như wolfram, molipden Sau đĩ người ta đã úng dụng ETT để chế tạo

Trang 15

các chỉ tiết cĩ hình dáng phức tạp từ các loại vật liệu khác Việc áp dụng nguyên lý ETT để tạo hình và làm đặc xít vật liệu bột đạt được tiến bộ đáng kể vào những năm 30 và 40 của thế kỷ trước do hồn thiện được trang thiết bị tạo ấp suất cao và tạo được các chỉ tiết cĩ độ bên lớn 1 Chày ép 2 Khuơn áp suất cao 3 Mơi trường truyền áp suất 4 Vật liệu ép 5 Khuơn vỏ mỏng đàn hồi

Hình 1.1- Sơ đơ nguyên lý ép thủy tinh

Trong ép tạo hình sản phẩm từ vật liệu bột hướng phát triển và các ứng

dụng sau đây đã được thực hiện

e Ép thuỷ tĩnh các sản phẩm chịu nhiệt cĩ kích thước lớn như gạch xây lị bể, nồi nấu thủy tính, kim loại v.v Tạo hình các chỉ tiết cĩ hình dáng phức tạp, đặc biệt các chỉ tiết cĩ giá trị sử dụng cao như miệng rĩt thép hoặc hệ thống

cấp liệu cho bể nấu thủy tính

e Tạo hình các ống cĩ kích thước khác nhau từ các vật liệu chịu nhiệt © Ép tạo hình các chỉ tiết bằng gốm đặc biệt và các sản phẩm nhỏ, mật độ

và độ bên đồng đều và cao với năng suất lớn như bugi cho ơtơ, xe máy

e Ép tạo hình các khối tru trịn kích thước lớn dé gia cơng tiếp thành các sứ cách điện

e Cuối những năm 70 đầu những năm 80 của thế kỷ 20 một phương pháp ETT mới ra đời - Phương pháp ép nĩng thuỷ tĩnh (Hot isostatic Pressing - HIP),

Trang 16

sau đĩ là phương pháp thiêu kết bằng ép nĩng đẳng finh (Sinter- HIP method) Trong các phương pháp này người ta tạo được nhiệt độ trên 2000°C và áp suất trên 2000 at trong buồng kín để chế tạo các vật liệu đặc biệt như: vật liệu gốm, composite, hợp kim đặc biệt

Song song với việc phát triển khả năng ứng dụng, việc phát triển máy mĩc và thiết bị kỹ thuật đặc biệt cho các hệ thống áp suất cao cũng được quan tâm và đạt được các thành tựu to lớn

1.1.3 Phân loại trong cơng nghệ ép thủy fĩnh

Hiện nay ETT được 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

Cơng nghệ ETT tạo hình các sản phẩm từ vật liệu bột cịn được gọi là phương

pháp ép đẳng tĩnh (Isostatic Press)

Thơng thường cĩ một số phương án phân loại như sau:

a Theo mơi trường truyền áp:

- Ép thủy tĩnh mơi trường khí

- Ép thủy tĩnh mơi trường chất lỏng

- Ép thủy tĩnh mơi trường giả lỏng (thường là chất lơng cĩ độ nhớt rất cao hoặc các chất cĩ độ đàn hồi lớn như mỡ khống, cao su, nhựa PVC, PE, PU ) b Theo nhiệt độ làm việc:

- Ép thủy tĩnh nguội (Cold Isostatic Pressing CIP): Quá trình tiến hành khơng cĩ gia nhiệt phơi và mơi trường áp suất

- Ep thiy tinh dm (Warm Isostatic Pressing): Qué trình tiến hành ở nhiệt

độ 80°C+500”C

- Ép nĩng thủy tĩnh: Quá trình tiến hành ở nhiệt độ cao cĩ thể đến 1500°C

hoặc cao hơn nữa

c Theo dạng của dụng cụ được sử dụng:

- _ Phương pháp khuơn ướt (wet bag)-Hình 1.2

Trang 17

1 Nắp buơng áp suất 2 Vật liệu bột 3 Mơi trường truyền áp (dầu cao áp) 4 Buơng áp suất 5 Khuơn dàn hồi 6 Đáy buơng áp suất

Hình 1.2- Khuơn ép thuỷ tĩnh ướt

Khuơn đàn hồi được điền đầy vật liệu ép, được làm kín, và được ép Do áp

suất đẳng tĩnh của mơi trường ép tác động lên vỏ khuơn từ mọi phía nên vật liệu được tạo hình Phương pháp này phù hợp với áp suất ép cao (hàng trăm MPa) và vật ép lớn Nĩ cũng rất thích hợp cho điều kiện tạo hình thay đổi Thời gian

thao tác cĩ thể đến nhiều phút

- Phương pháp khuơn khơ (dry bag) - Hình 1 3

Khuơn đàn hồi được gắn chặt vào buồng ép Vật liệu được điền đầy khuơn

trong buồng ép áp suất được tạo ra trong khoảng khơng gian phù hợp với hình dáng của vật ép, áp suất này nhỏ hơn ở vùng hệ thống làm kín khuơn, tức là vùng chày ép Như vậy đã xác lập điều kiện gần như ép khơ Bằng phương pháp khuơn khơ ta cĩ thể đạt được vật ép thành tương đối mỏng Trong phương pháp khơ, trái với phương pháp ướt, với cùng một áp suất ép cĩ thể đạt được mật độ ép cao hơn

Trang 18

Đầu cao áp

1- Bột 5- Mơi trường truyền áp

2- Buơng áp suất (Đầu cao áp) 3- Túi đàn hồi 6- Sản phẩm 4- Chày đối áp 7- Van cao áp

Hình 1.3- Sơ đơ ép thuỷ tĩnh khuơn khơ

1.1.4 Các ưu nhược điểm của cơng nghệ ép thuỷ fính

Uu điểm của cơng nghệ ETT:

- Đạt được độ đồng nhất cao về mật độ trong vật ép

- Khả năng tạo hình các vật liệu bột khĩ ép, mà các phương pháp tạo hình

truyền thống đã bị giới hạn về năng suất và chất lượng

- Việc sử dụng các hạt rời với độ ẩm nhỏ sẽ giảm quá trình sấy Việc đĩ sẽ giảm được thời gian và chỉ phí để sản xuất các chỉ tiết gốm một cách đáng kể

- Việc đạt được mật độ cao trong quá trình ép sẽ dẫn đến việc giảm đáng kể hiện tượng nứt khi sấy và hiện tượng nứt khi nung Cùng với ưu điểm đĩ phương pháp ETT cho phép tăng được khối lượng và độ phức tạp của vật ép

- Do áp suất tác dụng đều trong quá trình ép, nên qúa trình đặc xít vật ép

dat duoc déu, làm cho vật ép cĩ tính đồng nhất và hầu như khơng cĩ texture

- Ngồi ra cĩ thể chế tạo được các chỉ tiết rất đặc xít cĩ hình đạng bất kỳ

Trang 19

Nhược điểm của cơng nghệ ETT:

Thể tích vật liệu khi tạo hình trong vỏ khuơn đàn hồi đối với vật liệu gốm

hạt mịn giảm 20-40% cịn đối với vật liệu gốm hạt thơ giảm 10-20% Điều đĩ cĩ thể dẫn đến sự sai khác về hình đạng của vật ép Nĩi chung trong lĩnh vực vỏ khuơn đàn hồi, khơng tạo được sản phẩm cĩ biên dạng sắc nét Đối với vật liệu

hạt thơ, thậm chí bê mặt vật ép khơng phẳng nhắn, cĩ thể loại trừ nhược điểm đĩ bằng cách gia cơng lại vật ép

Giới hạn của cơng nghệ ETT: Do áp suất thuỷ tĩnh cao áp được tạo ra trong buồng kín thơng qua mơi trường là dầu thuỷ lực hoặc một số loại mơi trường giả lỏng khác, việc tăng áp suất thường giới hạn dưới 500MPAa vì vậy ETT được ứng dụng trong cơng nghệ gốm, cơng nghệ luyện kim bột hoặc ứng dụng trong biến dạng tạo hình một số loại sản phẩm cĩ hình dạng phức tạp từ phơi đạng tấm hoặc dạng ống mỏng

1.1.5 Các hiện tượng xẩy ra trong qua trình ép thuỷ tĩnh

1.1.5.1 Quá trình đặc xít và các đặc tính đặc xít của vật ép

Do tác dụng đều ở mọi phương của áp suất trong phương pháp ETT đẫn

đến việc đặc xít đồng đều của vật ép Thất thoất áp suất do ma sát giữa bột và

thành khuơn là khơng đáng kể, khác cơ bản với phương pháp ép trong khuơn kín Sự thất thốt áp suất do ma sát trong giữa các hạt bột là hiện hữu và cĩ thể dẫn đến gradient áp suất giữa phần ngồi và phần trong của vật ép và đẫn đến sự khấc nhau về mật độ giữa các vùng Tuy nhiên do sự trượt khơng đáng kể của các hạt rắn trong qúa trình ép, kết quả xoay hạt đều theo hướng tâm vật ép mà ma sát trong là nhỏ vì vậy sự sai khác về mật độ khơng lớn Ví dụ vật ép từ

caolin hoặc từ vật liệu sứ sau khi ETT ở áp suất >100 MPa cĩ sự khác biệt về

mật độ đo được < 0,01g/cmẺ nằm trong sai số của phép đo Cho thêm các chất bơi trơn vào vật liệu ép làm giảm tiếp sự sai khác về mật độ Ngồi ra trong ép tạo hình bằng cơng nghệ ETT khơng gặp hoặc hầu như khơng cĩ vết của sự hình thành texture Đĩ là do khơng cĩ sự khác nhau về mật độ cũng như sự định

hướng của các hạt rắn dị hướng

Trang 20

Đường cong xít chặt vật ép cho phép khẳng định: ngay đối với việc ép bằng cơng nghệ ETT vật liệu gốm, với áp suất tăng dần ta cũng gặp sự giảm dần của mức độ tăng mật độ Đã cĩ hàng loạt các cơng trình mơ tả hàm số các đường cong đặc xít và nhiều phương trình thực nghiệm đã được xác lập - Bảng 1.1 và 7.2 trình bày một số trong các phương trình đĩ Phương trình của Heckel thể hiện khá tốt quan hệ hàm số cho trường hợp ETT phương pháp ướt khi ấp suất ép lớn hơn 20 MPa,

Yp

én ( J=¢.pte,

Vy—Y„

Trang 21

Bang 1.2-Tdp hop cdc phuong trinh tinh todn cho quan hé giita buéc tién ctia chày và áp suất Tác giả Phương trình tính tốn Ballhausen x a }=œ;.P†tC Fuhrer (Pte; ).(K-Cy5 =Cyy Bouchner p h Y'"=const ứ h £np = C,,.€n(— ) =£nc,, họ Montgomery P= Cy.x Jones #n=- on ý +, Balshin Yp tp =—C„.(C—)+€z; yo

Ghỉ chú: cạ-cạs các hằng số thực nghiệm, h-chiêu cao đong, hạ chiêu cao vật ép Các tính chất của vật ép như mật độ và độ bền phụ thuộc vào độ lớn của áp suất thuỷ tĩnh Trong khoảng áp suất 100-200 MPa cĩ thể đạt được 65-75% mật độ lý thuyết đối với vật liệu gốm quấắc- đất sét phụ thuộc vào độ ẩm của vật liệu

ép Trong đĩ về cơ bản, đồ bền uốn lớn hơn 2 MPa đủ để gia cơng tiếp theo Để

ép vật liệu hạt thơ cần áp suất 100-400 MPa, trong đĩ nếu cĩ được sự phân bố hạt hợp lý của vật liệu ép, thì cĩ thể đạt được mật độ tới 85% mật độ lý thuyết

Đường cong đặc xít cũng giống như trong trường hợp ép khơ và phụ thuộc vào hàng loạt các thơng số Nhiều khi tính chất của vật liệu ép cĩ ảnh hưởng rất

lớn thí đụ như độ ẩm

Đối với mỗi vật liệu ép cĩ một khoảng độ ẩm tối ưu Việc thêm các phụ gia ép như chất bơi trơn làm tách hạt cĩ ý nghĩa quan trọng Tác dụng của độ ẩm và phụ gia ép phù hợp với kết quả đo đạc và tính tốn theo phương trình của Jones (xem bảng 1.2) Phuong trình tính tốn này cho phép phân biệt rõ đường cong ép phụ thuộc các thơng số độ ẩm và chất bơi trơn Quan hệ phụ thuộc cụ

thể được trình bày trong bảng 1.3 Phương pháp để tính quan hệ đường cong ép

Trang 22

Bảng 1.3- Số liệu cho phương trình tính tốn theo Jones đối với bột gốm cĩ độ ẩm và phụ gia khác nhau: 2 v Phuong trinh tinh todn: (*) = a,-P Vy a, Thơng số Hệ số Hệ số kết nối ay ay r 0.2 6,00 0,98 0,992 Độ ẩm [%] 1.0 6,14 1,30 0,996 2.5 6,09 1,49 0,999 Chất phụ gia [%] 0.3 PVA 6,05 1,24 0,997 0.5 oxidwachs 6,15 1,57 0,997 0.2 PVA+0.5 oxidwachs 6,10 1,49 0,996

1.1.5.2 Ảnh hưởng của điều kiện ép

Các điều kiện ép như trang bị ép, thời gian ép, thời gian giữ áp cĩ ảnh

hưởng dến đường cong ép Sự thay đổi tốc độ ép, khơng cĩ ảnh hưởng đáng kể

đến kết quả ép Trang bị ép về cơ bản do thiết bị và vật ép quy định Tăng áp đến khoảng 30 MPa độ đặc xít đạt gần 75% Sự giảm thể tích lớn nhất xảy ra trong khoảng áp suất này Sự tăng áp suất ép cĩ ý nghĩa quan trọng đối với tính chất vật ép

Tốc độ tăng áp lại phụ thuộc vào lượng khơng khí hoặc lượng khí chứa trong đống hạt vật liệu ép Trong quá trình ETT, vật liệu ép chứa trong vỏ khuơn ép kín, khơng khí chứa trong vật liệu ép, khơng thốt ra ngồi được, bị

nén lại Cĩ thể giảm hoặc loại trừ khơng khí trong các lỗ xốp bằng các biện

pháp sau:

e_ Giảm độ ẩm của vật liệu

e Tăng mật độ lắc của vật liệu trong khuơn bằng cách đầm trước các hạt trong khuơn, lắc hoặc chọn phân bố cấp hạt tối ưu

e_ Hút chân khơng vỏ khuơn đã điền đây

Trang 23

Do khơng thể loại trừ hồn tồn khí trong các lỗ xốp vi vậy việc chọn tốc độ tăng và xả áp đĩng vai trị quan trọng Để lựa chọn được đường cong ép và xả áp phải chú ý hai khoảng áp suất ở các thời điểm:

e©_ Khi thốt khuơn đàn hồi khỏi bê mặt của vật ép, vì khi đĩ bề mặt vật ép sẽ cĩ ứng suất cắt và gây vết nứt

e_ Khử ứng suất trong vật ép do khơng khí bị nén sẽ nở ra khi giảm áp suất Áp suất khí trong lỗ xốp được định nghĩa là:

P„ =P`—P,

Trong đĩ: P áp suất khơng khí trong lỗ xốp ở giữa vật ép

P áp suất khơng khí trong lỗ xốp ở rìa vật ép tương ứng với áp suất đẳng áp tác dụng từ phía ngồi

Thời gian cực trị ty để giải áp cĩ thể xác định như sau:

pe Vin

Trong đĩ: V,: Thể tích khơng khí thốt ra khỏi lỗ xốp

V,„: Thể tích thốt khí trung bình trong quá trình giảm áp

Thời gian cực trị f; tăng đối với vật ép lớn và giảm khi áp suất thuy tinh ting

Độ giảm áp được điều chỉnh trong khoảng áp suất < 5 MPa là cần thiết

khi khơng hút khí trước khi ép

Bằng cách giữ áp suất lâu cĩ thể tăng được mật độ và cơ tính của vật ép Nhưng hiệu quả đĩ cịn phụ thuộc vào tính chất của vật liệu ép và độ lớn của áp suất Thời gian giữ áp kéo dài tác động làm tăng mật dộ, điều đĩ đặc biệt đứng với vật liệu dẻo Đối với vật liệu làm sứ khả năng đạt được hiệu qủa cao trong khoảng giữ áp suất ép khơng lớn Thời gian giữ áp thường khơng vượt 60s Đối với các chi tiết nhỏ như phần sứ cách điện của bugi thời gian giữ áp đưới 1s

1.1.5.3 Hiện tượng nở trở lại của vật ép

Hiện tượng nở lại sau khi ETT đĩ là hiện tượng tăng thể tích của vật ép sau

khi xả áp, hiện tượng này xẩy ra đo các nguyên nhân sau:

- Tính đàn hồi của vật ép ngay khi tháo vật ép ra khỏi khuơn giống như khi

Trang 24

ép trong khuơn kín

- Hiện tượng nở trở lại đàn hồi kéo dài theo thời gian đặc biệt trong trường

hợp ép bằng đẳng tĩnh Nĩ chiếm tới 25% của độ nở trở lại đàn hồi tổng

Xác dịnh độ nở trở lại của vật ép đĩng vai trị quan trọng trong việc tạo vật ép cĩ hình dáng và kích thước chính xác Độ nở trở lại được xác định bằng thực nghiệm Theo Mc Entire độ nở trở lại của vật liệu gốm nằm trong khoảng 0,1%

— 0,3% kích thước danh định

1.2 Tổng quan về cơng nghệ ép thuỷ động

1.2.1 Gia cơng biến dạng bằng cơng nghệ ép thủy động

Một dạng gia cơng biến đạng khác cũng được sử dụng phổ biến đối với các

nhĩm chỉ tiết kiểu thiết diện đều và dài Theo cơng nghệ truyền thống các chỉ

tiết dạng ống, đạng trục, dạng sợi mảnh, bánh răng được gia cơng bằng phương pháp ép đùn, ép chảy thơng thường hoặc gia cơng cất gọt Với các phương pháp gia cơng này khơng tiết kiệm được vật liệu, kinh phí chế tạo cao, tuổi thọ của khuơn mẫu thấp do ma sát giữa khuơn và vật liệu gia cơng lớn

Để khắc phục nhược điểm nêu trên người ta đã sử dụng phương pháp ép

đùn trong khuơn ép thủy động (ETD) để tạo ra sản phẩm Sau khi tạo phơi sơ bộ, cho phơi vào trong buồng ép, đưới tác dụng của áp suất cao trong buồng ép vật liệu được ép đều từ các hướng và được đùn ra ngồi qua khuơn với Profin

tùy theo hình dạng của lỗ khuơn (hình 1.4b)

1.2.2 Các đặc điểm của ép thủy động

Trong ETD phơi khơng tiếp xúc trực tiếp với khuơn cũng như buồng áp suất, mơi trường truyền áp khơng những tạo ra áp suất cao để ép lên phơi mà cịn tạo ra màng ngăn cách giữa sản phẩm và lỗ hình, làm giảm ma sát một cách đáng kể Lực ma sát khơng phụ thuộc vào chiêu đài phơi ép (theo phương pháp ép đùn bình thường lực ma sát tăng theo độ dài của phơi ép) Cĩ thể thấy rõ tính ưu việt của phương pháp gia cơng mới này trên cơ sở so sánh hai phương pháp

nêu trên (xem hình 1.4)

Trang 25

| F (luc ép) Ị F (luc a) 1 Chày ép 2 Vật liệu 3 Khuơn 4, Mơi trường truyền áp b) F

Hình 1.4- So sánh phương pháp ép đùn trong khuơn ép thơng thường (a) và phương pháp ép đùn theo cơng nghệ ép thủy động (b)

Ngồi ra với tỉ lệ biến đạng cao cỡ 90% cĩ thể tạo ra màng dầu bơi trơn

thủy động giữa bê mặt phơi và khuơn hình, lỗ hình đo vậy nâng cao độ bền mịn của khuơn lên nhiêu lần, tăng chất lượng bề mặt của sản phẩm, giảm ma sát

Đặc biệt với phương pháp ép thủy động, áp lực ép lên sản phẩm giảm khoảng 40%, cơ tính của sản phẩm tăng khoảng 35% so với ép đùn thơng thường Phương pháp ép thủy động cịn cho phép ép đùn các chỉ tiết cĩ độ dài bất kỳ và

hình dạng sản phẩm phức tạp, cĩ rãnh xoắn và nghiêng Tùy thuộc vào thiết kế

cơng nghệ và khuơn ép, bằng cơng nghệ này cĩ thể ép ra các chỉ tiết dạng đặc (Hình 1.5) và dạng rỗng (Hình 1.6)

1.2.3 Sản phẩm của phương pháp ép thủy động

Sản phẩm của phương pháp ép thủy động khá đa dạng như:

Thanh thiết diện ngang phức tạp với chiều rộng b=0,7-0,8 mm, tỉ lệ giữa

chiều rộng và chiều cao của mặt cắt đạt tới 40-50 lần

Ống nhỏ cĩ ®„„=20mm, ư=0,5 - Imm

Trang 26

Hãng ASEA (Thụy điển) và KOBE (NHật) đã tiến hành các nghiên cứu thực nghiệm và đã đưa ra kết quả bằng đồ thị biểu điễn mối quan hệ giữa áp

suất và tỉ lệ biến dạng cho từng loại vật liệu khác nhau Khi áp suất của chất lỏng đạt tới >1000 MPa thì vật liệu nhơm ép theo phương pháp ép thủy động cĩ thể biến dạng với hệ số u=Fo/F1=10.000, hợp kim nhơm khĩ biến dạng như

nhơm 7075 cĩ thể ép với hệ số n=200

Phương pháp ép thủy động cịn được thực hiện ở mơi trường nhiệt độ cao (gọi là phương pháp ép thủy động nĩng) Cĩ thể ép các phơi đã nung nĩng cỡ 550 - 600C, dùng chất lỏng là dầu Kacmpoboc pha thêm Metalnol để làm mơi trường truền áp Mơi trường được lựa chọn là mơi trường giả lỏng độ nhớt cao

sẽ giảm bớt khĩ khăn cho việc bịt kín

Các sản phẩm hình dạng và cấu tạo phức tạp như: bánh răng thẳng, nghiêng đường kính nhỏ, phơi dao phay doa, mũi khoan, ống đồng nhỏ cĩ

®min ~ 20 mm, 6 = 0,5 — 1.5 mm _ duoc ché tao bang phương pháp ép thủy

động Các phơi sản phẩm trên được chế tạo bằng phương pháp cắt gọt hoặc ép đùn truyền thống gây lãng phí vật tư quý hiếm, cơng gia cơng, dẫn đến giá

thành sản phẩm cao, chất lượng sản phẩm khơng cao

Sau gần 40 năm nghiên cứu phát triển, phương pháp thủy động đã dần được hồn thiện và phát triển Phương pháp ép thủy động thường được áp dụng

để chế tạo ra các chỉ tiết thỏi đặc, thỏi rỗng hoặc dây từ vật liệu hợp kim, hợp

kim nhơm, kim loại hiếm Từ những năm 70 phương pháp này được tiếp tục áp dụng cho các loại hợp kim và thép Với phương pháp này cĩ thể biến dạng tạo hình cho những vật liệu cúng, giịn, khĩ biến dạng tạo hình như: gang, molipden, Beryli, vat ligu composite

Ở các nước tiến tiến cơng nghệ này được phát triển, hồn thiện theo hướng: Thiết kế chế tạo các máy ép chuyên dụng với các mức độ tự động hĩa cao Việc thiết kế máy được phân theo các gam máy khác nhau tùy thuộc vào phương án cơng nghệ, hoặc quy mơ của sản phẩm cần tạo ra

Trang 27

1.2.4 Phân loại các phương pháp ép thủy động

Hiện nay cĩ một số phương án ép thủy động như sau:

- Ép thủy động tốc độ thấp: Tốc độ trong khoang 2-150 mm/giay (cịn gợi

là ép đùn thủy tinh)

- Ép thủy động: tốc độ trong khoảng 200-1000 mm/giây (ở dải tốc độ này

xuất hiện lớp bơi trơn ổn định (hiệu ứng thủy động)

- Ep thủy động tốc độ rất cao và xung: tốc độ khoảng 10.000 mm/giây

(Cần phải nhấn mạnh thêm là theo chiều tăng của tốc độ biến dạng độ dày

và tính ổn định của màng bơi trơn tăng lên, Điều đĩ tác dụng tích cực đến động

học quá trình biến dạng, làm giảm hoặc triệt tiêu hiệu ứng nhẩy vọt áp lực khi

bắt đầu biến dạng và hiệu ứng stick-sleep kim loại chuyển động theo từng bước nhấẩy sĩng, )

Theo hình dạng sản phẩm: ETD phơi đặc, ETD phơi rỗng, ETD phơi dây

Ép thủy động phơi đặc:

Trang 28

Ép thủy động phơi rỗng:

Để ép sản phẩm rỗng (hình 1.6) phải sử dụng một lõi đặt trong lỗ tạo trước

của phơi ép, nhiệm vụ của lõi là tạo ra lỗ của sản phẩm và làm kín mơi trường truyền áp suất cao, khi thiết kế lõi cần chú ý kết cấu phù hợp và chế độ bơi trơn

giữa lõi và phơi để giảm thiểu ma sát 1 Chày ép 2 Buơng áp suất cao 3 Gioăng 4 Dẫn hướng Š Mơi trường truyền áp 6 Phối 7 Lối 8 Khuơn hình X<< ph EK à

Hình 1.6- Mơ hình ép thủy động các chỉ tiết rỗng với lối tĩnh (a) và lỗi đơng (b)

Ép thủy động phơi dây:

1 Chay ép

2 Mơi trường truyền áp 3 Buơng áp suất cao

Trang 29

1.2.5 Quá trình ép thủy động

Ép thủy động ngày nay được tiến hành trong cơng nghiệp ở nhiệt độ phịng (ép đùn nguội), và ở nhiệt độ cao hơn (ép đùn ấm)

Từ quá trình chung người ta phát triển theo nhiều hướng, một hướng nhằm

sao cho áp suất thủy động khơng phụ thuộc và hướng biến dạng, một hướng nhằm ép liên tục hoặc gián đoạn ra các sản phẩm cĩ độ dài bất kỳ từ các khối

ngắn trong buồng áp lực cao

Mơ tả quá trình ép thủy động

Hình 1.5 mơ tả cơng nghệ ép thủy động phơi đặc Phơi (5) sau khi đã được sơ chế phù hợp với gĩc mở và kết cấu khuơn hình được đặt vào khuơn hình (6)

trong buồng áp suất (8), phơi khơng tiếp xúc với thành của buồng áp suất nhờ dẫn hướng (4) lắp ở đầu trên phơi Cho mơi trường truyền áp vào buồng áp suất,

các gioăng áp suất cao giữa đế khuơn và buồng áp suất, giữa chày ép và buồng áp suất đảm bảo bịt kín khi làm việc Dưới tác dụng của lực ép lên chày (1) áp

suất trong buồng áp suất tăng dần đến áp suất giới hạn sẽ đẩy sản phẩm ra khỏi

buồng Hình dạng và kích thước của sản phẩm phụ thuộc vào hình dạng và kích thước của khuơn hình

Khi sơ chế phơi phải đảm bảo lắp chính xác vào khuơn hình đảm bảo độ

kín ban đầu, cần chú ý giữa phơi và buồng áp suất khơng những khơng được

tiếp xúc với nhau mà cịn khoảng hở cần thiết để chất truyền áp cĩ thể điền đầy

tất cả các khe hẹp trong buồng áp suất Ngồi ra đường kính của phơi phải nhỏ hơn đường kính lớn nhất của phần cơn dẫn vào khuơn hình nếu khơng khi ép sẽ

dẫn đến sự cắt phần phơi nằm ngồi vùng cơn đẫn Để đạt sự ổn định hình dạng

phơi phải là trụ đều, nĩi cách khác phơi khơng được cĩ tiết diện thay đổi trên tồn bộ chiều đài phơi Vì khơng cĩ ma sát với thành khuơn nên cĩ thể ép đùn

được các sản phẩm mặt cất phức tạp hoặc dạng xoắn, hơn nữa chiều dài của

phơi chỉ bị giới hạn bởi kích thước của buồng áp suất và hành trình làm việc của chày ép Ví dụ khi ETD phơi dây (hình 1.7), bên trong buồng áp suất đặt một cuộn đây làm phơi thì tỷ lệ chiêu dài phơi cĩ thể lớn gấp đường kính đến 10” lần

Trang 30

Sau khi đặt phơi vào buồng áp suất, buồng áp suất được đổ đầy mơi trường truyền áp Mơi trường truyền áp đồng thời đĩng vai trị truyền áp đồng thời

đĩng vai trị chất bơi trơn ở các bể mặt tiếp xúc giữa sản phẩm và phơi Một số

loại vật liệu cĩ thể tự bơi trơn vì vậy vật liệu rắn dạng parafin hoặc kim loại dễ biến dạng (kim loại mêm) cũng được sử dụng làm mơi trường truyền áp lực

Việc tăng áp suất mơi trường truyền áp và quá trình ép chảy là phụ thuộc lẫn nhau, thơng thường áp suất được tạo bằng một chày ép ép trực tiếp vào buồng áp suất cao (hình 1.5) Người ta cũng cĩ thể tạo ấp suất trong một buồng riêng ngồi buồng áp suất cao hoặc bằng bơm áp suất cao, phương pháp này

khơng thể tạo ra áp suất cao tuỳ ý

Trong quá trình ép đùn thủy động do ảnh hưởng của hiện tượng sfick-siip

xuất hiện nguy cơ sản phẩm ra nhanh hơn dự kiến nên cả sản phẩm và chất lỏng thốt ra khỏi khuơn với động năng lớn cĩ thể gây tiếng nổ, hoặc làm hỏng sản phẩm Việc thu hồi sản phẩm là một vấn đề lớn cần giải quyết

1.2.6 Sản phẩm và phạm vi ứng dụng của cơng nghệ ép thủy động 1.2.6.1 Vật liệu và độ biến đạng trong ép thủy động

Thơng thường khi ETD với áp suất ~1000 MPa cĩ thể đạt được sự thay đổi

tiết diện rất lớn Chẳng hạn ở nhiệt độ phịng, như trên hình 1.8 biểu diễn, tỷ lệ

tiết điện A/A¡ khoảng 1500 với nhơm sạch (AI 99,5%), là 80 với đồng (99,9%

Cu) là 10 với thép các bon thấp (0,15% ) và khoảng 3,5 với thép hợp kim, Đối

vGi M,, W, va hop kim niken bên nhiệt cao A,/A; từ 3 + 5 Áp suất và nhiệt độ

cao hơn thì giá trị này tăng lên hơn nữa, trong đĩ để cải thiện khả năng biến

đạng của hợp kim đồng, nhơm bên cao hoặc thép thì ép đùn nĩng cĩ ý nghĩa

hơn cả và được ứng đụng trong cơng nghiệp

Độ biến dạng đạt được phụ thuộc vào ứng suất chảy của vật liệu và khả năng thay đổi hình dạng của chúng Khi ép đùn dây nhơm tỷ lệ tiết điện

A/A;=1500/1 tốc độ ra dây rất cao gây nhiều khĩ khăn cho việc thu hồi sản

phẩm Áp suất và nhiệt độ cao hơn khi ép đùn chỉ cĩ ý nghĩa nếu ta muốn đạt được sự biến đổi tiết diện lớn hơn với các vật liệu cĩ độ cúng lớn

Trang 31

30) 3000 s kbar | N/mm? =f ] >> 1 2 $ h = Bw ey 0 10? 4? 0 1 a 0uerschnitlsverhỗlinis Áp ⁄4 20 2000 z * 20°C kbar} N/mm: 20 ự 750" io 15+ 1500 350°C} _ * Le 350°C E 2 2 10 1000 „4 - - 2 5 7 / Kupter (99,8 % Cut wh sỈ se ⁄ 2 su | 4 1 0 1 ri b Querschnittswerhdtinis Ay /Ay

Hình 1.8- Mối quan hệ giữa áp suất và tỷ lệ tiết dién Ao/A, (a)

giữa áp suất và nhiệt độ phơi (b)-(1 kbar=1U0MPa=100Nimm)

1.2.6.2 Một số sản phẩm trong ép đùn thủy động

Thơng thường ứng dụng quá trình ép đùn cho các lĩnh vực sau:

- Sản xuất dây với tỷ lệ tiết diện rất lớn trong 1 bước biến dạng, ví dụ ép dây nhiều sợi (hình 1.9) hoặc để sản xuất dây từ các vật liệu độ cứng cao cĩ tỷ lệ tiết diện thấp thì ETD là một khả năng mới (ép biến dạng thay cho kéo biến

dạng)

- Ngồi ra ETD cũng thích hợp cho việc sản xuất các ống cĩ thành rất

mỏng (ví dụ thành cĩ s= 0,15mm, đường kính ngịai d, = 10mm) vật liệu AI

99,5 hoặc ống thành rất dày (s=0,9mm, d,=2mm)

Trang 33

Hình 1.11- Sản phẩm của cơng nghệ ép đùn thủy động nĩng (Kobe Steel)

- Ép thủy động cũng áp dụng để chế tạo các sản phẩm cĩ Profil bất kỳ với chiều dài lớn mà bằng các phương pháp khác khơng thể chế tạo được (Hình

1.10; 1.11) Trong ép đùn thép việc ứng đụng ETD cĩ thể thay cho cơng nghệ ép đùn nĩng hoặc cơng nghệ kéo nguội nhiều bước

- Hình đáng của phơi và hình dạng sản phẩm khơng phụ thuộc vào nhau

nên người ta cĩ thể ép được các sản phẩm cĩ hình đạng bất kỳ Do ma sát trong

buồng áp lực khơng đáng kể nên úng dụng cơng nghệ này cĩ khả năng ép được

các phơi dài gấp nhiều lần so với đường kính

Ép thủy động ấm tạo khả năng biến dạng các vật liệu và hợp kim cĩ độ

cứng cao với tỷ lệ tiết điện lớn ở áp suất nhỏ Chẳng hạn ống đồng cĩ thể sản

xuất từ các block với tỷ lệ tiết diện khoảng 500 được ép đùn ở 500°C Các Profil nhơm được bọc đồng làm các thanh dẫn trong kỹ thuật điện cũng được sản xuất

Trang 34

theo phương pháp này Tương tự một chỉ tiết hợp kim nhơm cĩ thể được bọc

bằng một hợp kim nhơm khác Tính chất của vật liệu lõi và kết hợp với tính chất

của vật liệu bọc ngồi để tạo nên một vật liệu cĩ tính chất tối ưu Chẳng hạn với vơ bọc ngồi là hợp kim nhơm sẽ làm cho sản phẩm dễ hàn hơn, chịu ăn mịn, Các khả năng này đã được hãng Kobe Stcel của Nhật ứng dụng trong cơng

nghiệp, bằng ETD nĩng kết hợp với kéo trượt lạnh lân 2 để sản xuất ống đồng

bĩng từ năm 1975,

1.2.6.3 Tính chất biến dạng trong ép thủy dộng

Cũng giống như ở các quá trình biến dạng lạnh khác, khi ETD độ cứng

của sản phẩm tăng lên

Khi độ biến dạng lớn và tốc độ biến dạng cao nhiệt độ sẽ tăng lên cao, cùng với quá trình biến dạng nguội cĩ các quá trình như tái kết tinh, nghỉ xuất hiện, Khi biến dạng nĩng thì phần biến dạng bị nung nĩng lên, nên khơng cĩ hoặc cĩ rất ít sự tăng độ cúng

Do sự biến dạng khi ép thủy tĩnh gần như là đồng đều nên sản phẩm cĩ

tính chất cơ và kim tương gần như nhau trong suốt tiết diện

Với các nghiên cứu bằng đo độ cứng tế vi và Visioplastic người ta chứng minh được rằng khơng cĩ sự khác biệt tính chất giữa sản phẩm ETD và ép đùn thơng thường nếu cả 2 trường hợp cĩ cùng độ lớn gĩc mở khuơn, độ biến dạng và các tính chất khác giống nhau

Tính chất bê mặt của các chỉ tiết ETD phụ thuộc chính vào chiêu dày lớp

bơi trơn, độ nhớt của mơi trường ép, áp lực áp suất cần thiết, nhiệt độ, vật liệu và chất lượng bề mặt phơi Nhìn chung so với ép đùn thơng thường sản phẩm

của ETD cĩ bê mặt ít khuyết tật

Sau đây là sơ đồ phân bố độ cứng của sản phẩm ETD:

Vật liệu CKI5; Độ biến dạng @ =lnAJA,)=1,39; Gĩc mở khuơn 2a=909; Chất bơi trơn Grafit; Phơi đã được phosphat hĩa

Trang 35

760 -— TT x0 Meflinie A | # Meflinje 4 A 1, = ooo fa Fhe) wefitinie aa £ Ta SN, Les £ 220 |-—— TP ⁄ ese ] — “YY? — ah bo - TT = 200 i ——- = Ex 5 F~t^F re 5 180 + Ÿnm | 2 £ — N0 wi | pet [| ST Sy 20 | “Se ụ ot 1 ay i | L ,b, 1 ) 10 mm 8 6 4 2 0 2 4 6 8 mm 10 Abstgnd von der Probenlangsachse f

Hình 1.12- Sự phân bố độ cứng trong ép đùn thủy động (4) và trong ép đùn thơng thường (b)

1.3 Các nghiên cứu về ép thủy tĩnh và thủy động trong nước

Lần đầu tiên phương pháp ETT nguội đã được sử dụng trong đề tài cấp

Nhà nước "Nghiên cứu chế tạo gốm cắt gọt", số 48E-02-02 thuộc chương trình

vật liệu năm 1986 Tác giả Lý Ngọc Dỗn-Viện Cơng Nghệ - Bộ quốc phịng và cộng sự thực hiện

Năm 1995 ở đề tài ” Chế tạo vật liệu siêu cứng Nirua Bo và kim cương

nhân tạo” Tác giả Trần Sỹ Kháng và các cộng sự (Viện Cơng nghệ - Bộ Quốc phịng) đã nghiên cứu tổng hợp kim cương trong khuơn ETT áp suất cao mà

mơi trường truyền áp là đá Pirophilite

Năm 1998 tác giả Nguyễn Đức Kim-Viện Cơng nghệ xạ hiếm và cộng sự cũng đã sử đụng phương pháp ETT nguội trong đề tài ”Nghiên cứu chế tạo vật liệu gốm trên cơ sở ZrO;”- mã số CB96-07

Trang 36

Nam 1999 Dé tài “Mơ hình ứng xử vật liệu bột biến dạng ở trạng thái

nguội” của Trung tâm Thẩm định Cơng nghệ, đã sử dụng phương pháp ETT

nguội đối với vat ligu Composite: Déng-grafit

Từ năm 1997 đến năm 2002 Trung tâm Thẩm định Cơng nghệ đã thực

hiện 08 đề cấp Tổng cục và Bộ về lĩnh vực nghiên cứu chế tạo vũ khí cĩ áp dụng nguyên lý ép thủy fnhETT Điển hình là các đề tài:

Đề tài: “Nghiên cứu hồn thiện cơng nghệ chế tạo đai đồng cho đầu đạn pháo 105” Cấp bộ quốc phịng, năm 1998-1999

Đề tài: “Nghiên cứu chế tạo vỏ đầu đạn 105” Cấp bộ quốc phịng, năm 1998-2000 Đề tài: “Nghiên cứu chế tạo ống liều đạn 105 ” Cấp bộ quốc phịng, năm 1998-2000 Đề tài: “Nghiên cứu chế tạo ống liều, vỏ đầu đạn pháo 122-D74” Cấp bộ quốc phịng, 2001-2002 Đề tài: “Nghiên cứu thiết kế và chế tạo máy ghép đai đồng đạn pháo 105” Cấp bộ quốc phịng 2000

Đề tài: “Nghiên cứu thiết kế và chế tạo máy ghép đai đồng cho 3 loại đạn

pháo chiến địch” Cấp bộ quốc phịng, năm 2001

Tất cả các đề tài trên chủ yếu ứng đụng cơng nghệ ETT áp suất cỡ 2000- 2500 kG/cm2, làm biến dạng kim loại, tạo hình sản phẩm trong khuơn kín Cho đến nay chưa cĩ một cơ sở nào ở trong nước đầu tư nghiên cứu áp dụng cơng

nghệ ETD trong gia cơng biến dạng

Để đáp ứng yêu cầu về hiện đại hố trong cơng nghiệp Quốc phịng và dân dụng, cần phát huy nội lực, làm chủ cơng nghệ chế tạo các sản phẩm khĩ, cơng nghệ chế tạo những vũ khí, khí tài quân sự hiện đại Việc đầu tư nghiên cứu ứng dụng các cơng nghệ tiên tiến đĩng vai trị quan trọng trong sự phát triển đất nước

Trang 37

Chuong 2

MO HINH VA PHUONG PHAP TINH TOAN TRONG

ÉP THỦY TĨNH VÀ THỦY ĐỘNG

2.1 Mơ hình và phương pháp tính tốn trong ép thủy tinh

2.1.1 Mơ hình ứng xử của vật liệu bột kim loại biến dạng ở trạng thái

nguội và phương pháp nhận dạng

Cơng nghệ tạo hình bằng phương pháp ép hỗn hợp bột ở trạng thái nguội

được sử dụng rộng rãi trong nhiều ngành cơng nghiệp khác nhau Trong cơng nghệ tạo hình vật liệu bột, độ xốp của phơi sau khi ép tạo hình cĩ ảnh hưởng lớn đến tính chất của vật liệu sau thiêu kết Vấn đề xác định phân bố độ xốp trong thể tích của vật liệu trong quá trình ép tạo hình, đặc biệt đối với các chỉ tiết cĩ

hình đạng phức tạp như: nĩn đồng cho đạn B41, cơn tống khương tuyến wv , địi hỏi giải bài tốn tối ưu ảnh hưởng của các thơng số cơng nghệ đến sự phân

bố ứng suất và biến dạng trong vật thể Trong tạo hình cơng nghiệp, đây là bài tốn phức tạp, đung lượng tính tốn lớn, cần được thực hiên với sự trợ giúp của máy tính hiệu năng cao trên cơ sở ứng dụng các mơ hình cĩ khả năng mơ tả đầy đủ các hiện tượng vật lý xảy ra trong thể tích vật liệu khi biến dạng Độ chính xác của mơ hình cũng như độ chính xác của kết quả mơ phỏng số một quá trình cơng nghệ cụ thể được quyết định chủ yếu bởi phương trình thuộc tính của vật liệu biểu diễn mối quan hệ giữa biến đạng và ứng suất Đây là phương trình cơ

bản của mơ hình và là đối tượng nghiên cứu của nhiều tác giả Đối với mỗi vật

liệu cụ thể, mơ hình cần được nhận dạng, hay nĩi một cách khác, các hệ số phụ thuộc vật liệu của mơ hình cầm được xác định dưới dạng hàm của các biến nội là độ xốp và tỉ lệ hàm lượng các cấu tử Phương pháp nhận dạng và độ chính xác của kết quả thực nghiệm nhận đạng là một trong những yếu tố quan trọng quyết định độ chính xác của mơ hình

Trang 38

Chuyên đề này trình bày mơ hình biến dạng của vật liệu bột gồm hai cấu

tử được xây dựng dựa trên cơ sở các khái niệm và nguyên lý của cơ học mơi trường liên tục

2.1.1.1 Xây dựng mơ hình

a) Phương pháp tiếp cận mơi trường xốp liên tục

Xem mơi trường xốp là mơi trường liên tục cấu thành từ các phân tố đặc trưng (chất điểm ), cĩ kích thước đủ nhỏ so với thang đo biến dạng và đủ lớn so với

kích thước hạt Các đại lượng ứng suất (ø), biến dạng (s), hàm lượng cấu tử (f;),

độ xốp ( y ) được coi là bình quân cho mỗi chất điểm Hình đưới mơ tả phương pháp tiếp cận mơi trường xốp liên tục

Đặt V, V„, Vị tương ứng là thể tích của hỗn hợp bột, thể tích khoang xốp

và thể tích của cấu tử ¡, ta cĩ

V=V,+ŠV,

trong đĩ > V, =V, 1a thé tich pha rắn

Hàm lượng pha rắn, cấu tử ¡ và độ xốp được xác định như sau:

ĐK, tanh nh

Ta cĩ: a,=

Trang 39

b) Mơ hình ứng xử

Trên cơ sở các số liệu thực nghiệm nhận dạng thuộc tính và các thơng tin từ các kết quả nghiên cứu của nhiều tác giả, ta cĩ thể chấp nhận các giả thiết cơ bản sau đây đối với vật liệu bột kim loại biến dạng ở trạng thái nguội:

Cĩ thuộc tính dẻo tức thời, ø =ø(z);

Đẳng hướng ban đầu cũng như trong suốt quá trình biền dạng;

Nén được, div(v) z0 ( v là tốc độ chuyển vị );

Bỏ qua biến đạng đàn hồi ( biến dạng đẻo z° bằng biến dạng tổng s )

Mơ hình ứng xử ( hay phương trình quan hệ giữa ứng suất và biến dạng ) của vật liệu bột phải bao hàm tính nén được và ở điều kiện tới hạn khi , khi độ

xốp bằng 0, ph ải thể hiện thuộc tính của vật liệu đặc

Hàm chất tải ( mặt đẻo ) f cĩ dạng tổng quát sau:

† =f(ø,n,R ),

trong đĩ R là biến liên kết biểu biểu thị sự hố bên đẳng hướng của vật liệu, phụ

thuộc vào các biến nội, R = K (n, )

Với giả thiết đẳng hướng, hàm chất tải dạng von — Misses ( bỏ qua ảnh

Trang 40

Hay dưới dang ten xo:

Trong đĩ:

ø=g-

Theo định luật chảy dẻo pháp tuyến ta cĩ:

a

de? <a =a, 9G 0ø, O6 Wes (2.3)

Trong đĩ dÀ, là độ gia tăng hệ số nhân dẻo i

Thay các giá trị của các biểu thức vào ( 2.2 ) và thế (2.2 ) vào (2.3 ), làm

một số biến đổi ta nhận được

de? -al|AWg + 6B(m)- AŒ) [aco] (2.4)

Seq 2 6 —

Biểu thức ( 2.4 ) cĩ thể viết lại đưới dạng sau:

ast = 2 |AM 6's AW) La (gy 14 SBUW= AMD u(o)4 | (2.5)

G, 2 2 3 6 —

A(n,

hay: de? - AG « ¬ Seq 2 (26)

Phương trình ( 2.6 ) cĩ thể phân tích thành hai thành phần tương ứng biến

đạng thể tích (dz”) và biến đạng hình đạng (de”)

de”-a 2 Wu(o), (274); va de" =a SOY

Seq eq (a) (2.7b )

Các biểu thức (2.7) cho thấy biến dạng thể tích chỉ phụ thuộc trực tiếp

vào hệ số B (n, ) và ứng suất thuỷ tĩnh tr(ø), cịn biến dạng hình dạng chỉ phụ

thuộc trực tiếp vào hệ số A (rị, ) và ứng suất lệch Tuy nhiên, trong quá trình

biến dạng phức tạp, luơn luơn tồn tại mối quan hệ tương hỗ giữa hai loại biến

dạng trên Mối quan hệ ảnh hưởng tương hỗ đĩ được thể hiện dán tiếp qua Tạ