Nghiên cứu, thiết kế công nghệ dập thuỷ cơ để chế tạo chi tiết vỏ mỏng dạng 3 lớp

MỞ ĐẦU Phương pháp dập thủy cơ tạo hình các chi tiết vỏ mỏng đa lớp hình dạng phức tạp ngày càng được ứng dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp hiện đại như: hàng không, vũ trụ, ôtô

-

VŨ ĐỨC QUANG

NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ CÔNG NGHỆ DẬP THỦY

CƠ ĐỂ CHẾ TẠO CHI TIẾT VỎ MỎNG DẠNG 3 LỚP

LUẬN VĂN THẠC SỸ CÔNG NGHỆ CƠ KHÍ

-

VŨ ĐỨC QUANG

NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ CÔNG NGHỆ DẬP THỦY CƠ

ĐỂ CHẾ TẠO CHI TIẾT VỎ MỎNG DẠNG 3 LỚP

Chuyên ngành: Gia Công Áp Lực

LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ CƠ KHÍ

Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS PHẠM VĂN NGHỆ

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu luận văn khoa học của

tôi Các kết quả nghiên cứu trong luận văn này là hoàn toàn trung thực

và chưa được công bố ở bất kỳ công trình nghiên cứu nào

Tác giả

Vũ Đức Quang

Chương 1 - Tổng quan về công nghệ tạo hình thủy lực

1.1 Vài nét về lịch sử phát triển của phương pháp tạo hình thủy

lực

1.1.1 Tình hình nghiên cứu trong nước

1.1.2 Tình hình nghiên cứu ở nước ngoài

1.1.3 Một số sản phẩm nhận được bằng phương pháp dập thủy

lực

1.2 So sánh giữa dập thủy cơ và dập vuốt thông thường (chày

cứng – cối cứng)

1.2.1 Phần vành phôi

1.2.2 Phần chuyển tiếp giữa vành phôi và dụng cụ (phần bán

kính góc lượn của cối)

1.2.3 Phần thành trụ (phôi tiếp xúc với mặt trụ của chày)

1.2.4 Phần bán kính lượn đầu chày

1.2.5 Phần đáy chày (phôi tiếp xúc với đáy của chày dập vuốt)

1.2.6 Biên độ sóng của phôi trong quá trình dập vuốt

1.3 Ưu nhược điểm của phương pháp dập thủy cơ

1.3.1 Ưu điểm

1.3.2 Nhược điểm

1.4 Các phương pháp dập thủy cơ

1.5 Mục đích và ý nghĩa của đề tài

Chương 2 - Cơ sở lý thuyết và một số nghiên cứu về công nghệ

dập thủy cơ

2.1 Cơ sở lý thuyết của quá trình dập thủy cơ

2.1.1 Phân tích trạng thái ứng suất và biến dạng

2.1.2 Xác định áp suất cần thiết để tạo hình thủy cơ

2.1.3 Ma sát ướt khi dập vuốt thủy cơ

2.2 Một số nghiên cứu về công nghệ tạo hình thủy cơ 3 lớp

2.2.1 Khảo sát vùng phồng trong dập thủy cơ

giữa mỏng

Chương 3 - Tính toán, thiết kế công nghệ dập thủy cơ chi tiết

vỏ mỏng dạng 3 lớp

3.1 Thiết kế công nghệ dập thủy cơ chi tiết vỏ mỏng dạng 3 lớp

3.1.1 Dập bằng phương pháp thông thường (chày cứng – cối

cứng)

3.1.2 Dập bằng phương pháp thủy cơ

3.2 Tính toán các thông số công nghệ trong dập thủy cơ chi tiết

3.2.8 Tính toán, thiết kế hệ thống thuỷ lực để dập thủy cơ

3.3 Thiết kế khuôn dập thủy cơ

3.3.1 Sơ đồ kết cấu máy dập thủy cơ

3.4 Tính toán, thiết kế hệ thống đo Áp suất, Hành trình dập

3.4.1 Cảm biến đo áp suất chất lỏng

3.4.2 Cảm biến đo hành trình chày

4.4 Mô hình vật liệu trong eta/DYNAFORM

4.4.1 Material Model 12: Isotropic Elastic Plastic

4.4.2 Material Model 36: 3-Parameter Barlat Plasticity

4.4.3 Material Model 37: Transversely Anisotropic

Elastic-Plastic

4.5 Điều kiện biên

4.6 Thuật toán tiếp xúc và va chạm (Contact-Impact Algorithm)

4.6.1 Những tiến bộ trong nghiên cứu tiếp xúc

4.6.2 Tính toán chiều dày vỏ

4.6.3 Sự nhập vào nhau của tiếp xúc ban đầu

4.6.4 Tính toán năng lượng tiếp xúc

5.3 Hậu xử lý – Khai thác kết quả mô phỏng

5.3.1 Phân tích biểu đồ giới hạn tạo hình

5.3.2 Phân tích biến dày và biến mỏng trong tạo hình

5.3.3 Phân tích biến dạng dẻo trong tạo hình thủy cơ

5.3.4 Phân tích ứng suất trong tạo hình thủy cơ

5.3.5 Phân tích lực tác dụng trong tạo hình thủy cơ

5.3.6 Phân tích năng lượng trong quá trình tạo hình thủy cơ

5.3.7 Vị trí của thiết bị trong quá trình tạo hình

5.4.1 Phân tích khe hở z và bán kính góc lượn cối R

5.4.2 Hành trình chày

5.4.3 Lực chặn, áp suất chặn

5.4.4 Khe hở bôi trơn thủy động

5.4.5 Hiện tượng phồng lên khi tạo hình thủy cơ

5.4.6 Kết luận

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO CỦA

ĐỀ TÀI TÀI LIỆU THAM KHẢO

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

Ký hiệu Nội dung Thứ nguyên

HDD Dập vuốt thủy cơ

(Hydromechanical deep drawing)

RD Phương cán (Rolling Direction)

LD Đường cong tải (Load Diagram)

FLD Đường cong giới hạn tạo hình

(Forming Limit Diagram)

PTHH Phần tử hữu hạn

FEA Phân tích bằng phần tử hữu hạn

(Finite Element Analysis - FEA)

CAE Computer-Aided Engineering

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 2.1 Cơ tính của vật liệu A16016-T4 và A11050-H0

Bảng 2.2 Cơ tính của vật liệu APP 211 và DC04

Bảng 2.3 Thành phần cấu tạo hóa học của vật liệu lớp mỏng giữa nhôm nguyên chất mềm

Bảng 2.4 Kích thước của thiết bị

Bảng 3.1 Cơ tính của vật liệu ANSI 1020

Bảng 4.1 Giới thiệu về một số phần mềm mô phỏng

Bảng 4.2 So sánh giữa hai phương pháp Implicit và Explicit

Bảng 4.3 Mẫu vật liệu và mẫu phần tử của một số vật liệu

Bảng 4.4 Bảng giá trị ma sát Coulomb [Marks]

Bảng 4.5 Bảng định dạng nút 10I8

Bảng 4.6 Bảng lựa chọn chiều dày 5E16.0

Bảng 4.7 Bảng lựa chọn OFFSET (E16.0)

Bảng 4.8 Bảng lựa chọn tỉ lệ nút 10I8

Bảng 4.9 Bảng dịch các ký hiệu viết tắt

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Hình 1.1 Sơ đồ dập thủy cơ

Hình 1.2 Chi tiết mui ôtô

Hình 1.3 Các chi tiết vỏ ôtô và các chi tiết khác của ôtô

Hình 1.4 Các loại thùng đựng nhiên liệu

Hình 1.14 Các sơ đồ và mô hình dập xung điện thủy lực

Hình 1.15 Các sản phẩm từ dập xung điện thủy lực

Hình 1.16 Sơ đồ quá trình dập thủy cơ các chi tiết dạng vỏ mỏng

Hình 1.17 Sơ đồ trạng thái ứng suất biến dạng dập vuốt thông thường Hình 1.18 Sơ đồ trạng thái ứng suất biến dạng dập vuốt thủy cơ

Hình 1.19 Biên độ sóng của phôi trong quá trình dập vuốt

Hình 1.20 So sánh trạng thái ứng suất – biến dạng khi dập thủy cơ với dập vuốt thông thường

Hình 1.21 Sơ đồ đặc trưng cho quá trình dập thủy cơ chi tiết thành mỏng

Hình 2.1 Sơ đồ phân tích trạng thái ứng suất

Hình 2.2 Sơ đồ đặc trưng cho quá trình dập thủy cơ chi tiết thành mỏng

Hình 2.3 Sơ đồ dập vuốt thủy động

Hình 2.4 Sơ đồ tính toán lực ma sát trên đáy phôi

Hình 2.5 Sơ đồ tính lực ma sát trên phần hình trụ

Hình 2.6 Sơ đồ tính lực ma sát trên phần bán kính lượn của cối

Hình 2.7 Sơ đồ tính lực ma sát trên vành phôi

Hình 2.8 Sự phồng lên trong quá trình dập thủy cơ

Hình 2.9 Mối quan hệ giữa tỉ số chiều cao phồng và hệ số dập vuốt của vật

liệu Al6016-T4 và Al1050-H0

Hình 2.10 Các trường hợp hỏng khi tỉ số H/t khác nhau

Hình 2.11 Xác định vùng áp suất gây phồng cho từng vật liệu Al6016-T4 và Al1050-H0

Hình 2.12 Áp suất biến thiên khi tạo phồng và không gây phồng

Hình 2.13 Phân bố biến dạng dẻo khi tạo phồng

Hình 2.14 Áp suất gây phồng quá cao

Hình 2.15.Trạng thái ứng suất khi chiều cao phồng quá lớn

Hình 2.16 Dập vuốt thủy cơ 3 lớp với tải trọng đồng bộ lên phôi

Hình 2.17 Thiết bị tạo hình

Hình 2.18 Mô hình phân tích trong mô phỏng số

Hình 2.19 Cup được tạo hình sử dụng lớp trong cùng và ngoài cùng có phương cán khác nhau

Hình 2.23 Đường cong tải áp suất trong hốc cối

Hình 2.24 So sánh giữa lực chày trong mô phỏng và thực nghiệm

Hình 2.25 Cup đa lớp được tạo hình trong mô phỏng

Hình 2.26 Tấm giữa được tạo hình

Hình 2.27 Lực tiếp xúc theo phương X giữa các lớp

Hình 2.28 Sự phân bố chiều dày của tấm (phương cán RD00 – RD900)

Hình 2.29 Sơ đồ giới hạn tạo hình của lớp trong cùng (phương cán RD00 – RD00)

Hình 2.30 Sơ đồ giới hạn tạo hình của lớp ngoài cùng (phương cán RD00 – RD00)

Hình 2.31 Sơ đồ giới hạn tạo hình lớp giữa

Hình 2.32 Cup được tạo hình khi sử dụng đường tải áp suất khác nhau trong hốc cối

Hình 2.33 Sơ đồ giới hạn tạo hình khi sử dụng đường tải áp suất khác nhau trong hốc cối

Hình 3.1 Bản vẽ chi tiết sản phẩm nồi 3 lớp

Hình 3.2 A - Lớp nhôm giữa; B – Lớp trong cùng và ngoài cùng của sản phẩm nồi inôx 3 lớp

Hình 3.3 Nguyên công cắt hình

Hình 3.4 Chi tiết sau khi dập thủy cơ

Hình 3.5 Diện tích phần phôi bị chặn

Hình 3.6 Hệ thống chặn thuỷ lực

Hình 3.7 Sơ đồ dập thủy cơ sử dụng hệ thống chặn thuỷ lực

Hình 3.8 Bản vẽ thiết kế xylanh thuỷ lực

Hình 3.9 Sơ đồ điều khiển chặn thủy lực

Hình 3.11 Chuyển vị tổng

Hình 3.12 Ứng suất VonMises

Hình 3.13 Biểu đồ lực dập - hành trình chày

Hình 3.14 Sơ đồ nguyên lý thuỷ lực của cối thuỷ cơ

Hình 3.15 Bơm piston hướng trục

Hình 3.16 Van an toàn (van một chiều)

Hình 3.17 Van một chiều có điều khiển

Hình 3.18 Van phân phối 4 cửa 3 vị trí điều khiển bằng điện từ

Hình 3.19 Van phân phối điều khiển bằng thủy lực

Hình 3.20 Sự bố trí các phần tử thuỷ lực

Hình 3.21 Sơ đồ bố trí trạm nguồn thuỷ lực

Hình 3.22 Sơ đồ dập thủy cơ

Hình 3.23 Sơ đồ khối của hệ thống dập thủy cơ

Hình 3.24 Kết cấu máy dập thủy cơ

Hình 3.33 Cầu đo Wheatston

Hình 3.34 Bản vẽ chi tiết của trụ biến dạng

Hình 3.35 Cầu đo Wheatston

Hình 3.36 Cốc biến dạng

Hình 3.44 Sơ đồ chức năng của bộ xử lý tín hiệu

Hình 3.45 Mạch khuyếch đại tín hiệu điện áp từ cảm biến chuyển đến

Hình 3.46 Bộ ADC574 chuyển đổi tín hiệu điện áp thành tín hiệu số

Hình 3.47 Bộ đo áp suất và hành trình chày

Hình 4.1 Những ưu điểm của mô phỏng

Hình 4.2 Quá trình tối ưu hóa công nghệ nhờ mô phỏng

Hình 4.3 Bản chất của mô phỏng số và công nghệ ảo

Hình 4.4 A - Mô hình vật lý; B - Mô hình phần tử hữu hạn

Hình 4.9 Phần tiếp xúc được định nghĩa như phần chứa các nút phụ

Hình 4.10 Bề mặt tiếp xúc trên cơ sở vector chiếu vuông góc bề mặt giữa Hình 4.11 Bề mặt chính và phụ phải được offset một khoảng cách bằng một nửa chiều dày tổng trong khi nhập, điều này cho phép những phần được tự động định hướng

Hình 4.12 Trong tiếp xúc mẫu 5, chiều dày cũng có thể được tính toán

Hình 4.13 Sự thâm nhập hay xảy ra khi chia lưới thô

Hình 4.14 Không phát hiện được sự thâm nhập do lượn tròn cạnh của phần tử

vỏ

Hình 4.15 Bài toán dập vuốt chày bán cầu

Hình 4.16 Lực tác động ngược trở lại: có và không có sự giảm tiếp xúc

Hình 4.17 Sự tinh xảo của bán kính cối

Hình 4.18 Sự dao động được khử hiệu quả bởi sự chia lưới tinh

Hình 4.19 Phần tử vỏ LS-DYNA Số nút quay ngược chiều kim đồng hồ xác định mặt phẳng đỉnh

Hình 4.20 Phương vật liệu (biểu diễn quan hệ cạnh 1-2 khi AOPT = 0 in

*MAT)

Hình 4.21 Định nghĩa đa lớp cán mỏng Góc βI được định nghĩa cho lớp cán

mỏng i’th (điểm thích hợp), xem *SECTION_SHELL

Hình 5.12 Thư viện vật liệu US

Hình 5.13 Định nghĩa vật liệu và tính chất vật liệu

Hình 5.14 Định nghĩa đường cong ứng suất - biến dạng

Hình 5.15 Định nghĩa đường cong giới hạn tạo hình

Hình 5.16 Bước định nghĩa phôi được hoàn thành

Hình 5.17 Định nghĩa thiết bị

Hình 5.18 Định nghĩa điều kiện tiếp xúc của cối, chày và chặn

Hình 5.19 Định nghĩa vị trí của thiết bị tạo hình

Hình 5.20 Vị trí quan hệ của thiết bị và phôi sau khi định nghĩa vị trí

Hình 5.21 Quá trình đóng khuôn

Hình 5.22 Quá trình dập thủy cơ

Hình 5.23 Định nghĩa áp suất bên trong cối

Hình 5.24 Áp suất chất lỏng tác dụng lên mặt đáy của phôi

Hình 5.25 Áp suất chất lỏng tác dụng lên mặt trên cùng của phôi

Hình 5.26 Định nghĩa các đường áp suất chất lỏng – thời gian

Hình 5.27 Chạy Animation

Hình 5.28 Hộp thoại Job

Hình 5.29 Window giải bài toán LS-DYNA

Hình 5.30 Biểu đồ giới hạn tạo hình

Hình 5.31 Biến dày trong quá trình tạo hình

Hình 5.32 Biến mỏng trong quá trình tạo hình

Hình 5.33 Mức độ biến dạng dẻo của các lớp

Hình 5.34 Ứng suất Von Mises

Hình 5.35 Ứng suất trung bình của các lớp

Hình 5.36 Biểu đồ lực tác dụng của từng cặp trong quá trình tạo hình

Hình 5.37 Biểu đồ lực tác dụng của các cặp trong quá trình tạo hình

Hình 5.38 Biểu đồ lực tác dụng của các cặp theo trục Z trong quá trình tạo hình

Hình 5.39 Biểu đồ năng lượng

Hình 5.40 Biểu đồ năng lượng

Hình 5.41 Biểu đồ nội năng của phôi 3 lớp trong quá trình tạo hình

Hình 5.42 Biểu đồ các loại năng lượng trong quá trình tạo hình

Hình 5.43 Vị trí của thiết bị trong quá trình tạo hình

Hình 5.44 Chi tiết dập thủy cơ được tạo hình tốt

Hình 5.45 Chi tiết dập xuất hiện nhăn và rách nhiều

MỞ ĐẦU

Phương pháp dập thủy cơ tạo hình các chi tiết vỏ mỏng đa lớp hình dạng phức tạp ngày càng được ứng dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp hiện đại như: hàng không, vũ trụ, ôtô, hóa học, vật lý, đồ gia dụng … nhờ những

ưu điểm nổi bật: tăng khả năng biến dạng của vật liệu, nâng cao độ chính xác cũng như 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 dập thủy cơ chi tiết

vỏ mỏng đa lớp vẫn chưa được nghiên cứu một cách tổng quát cũng như ứng dụng vào thực tế sản xuất tại Việt Nam Trong luận văn này tác giả đã tính

toán, thiết kế công nghệ và ứng dụng phần mềm eta/Dynaform vào việc mô

phỏng số quá trình dập thủy cơ chi tiết vỏ mỏng đa lớp nhằm tối ưu hóa công nghệ, giảm giá thành sản phẩm và tiết kiệm được thời gian trước khi đưa vào ứng dụng sản xuất

Phương pháp tạo hình thủy cơ – một phương pháp công nghệ với đặc điểm

có sự kết hợp tác dụng của áp suất môi trường chất lỏng với dụng cụ gia công

tạo điều kiện thuận lợi cho sự biến dạng của vật liệu Đề tài “Nghiên cứu, thiết kế công nghệ dập thủy cơ để chế tạo chi tiết vỏ mỏng dạng 3 lớp” có ý

nghĩa thực tiễn và lý thuyết cao Nội dung của đề tài là nghiên cứu các thông

số công nghệ trong quá trình tạo hình thủy cơ các chi tiết vỏ mỏng đa lớp từ phôi dạng tấm và khả năng ứng dụng của phương pháp này trong sản xuất Quá trình thực hiện đề tài này đã áp dụng một phương pháp nghiên cứu hiện đại, tiến hành mô phỏng số quá trình biến dạng kim loại khi tạo hình thủy cơ

để khảo sát các thông số công nghệ nhằm tối ưu hóa quá trình tạo hình

Trong phần nghiên cứu của luận văn đã xây dựng thiết bị thí nghiệm quá trình tạo hình thủy cơ: khuôn dập thủy cơ và hệ thống đo các thông số công

nghệ chính (áp suất chất lỏng trong xylanh, áp suất chất lỏng trong cối tạo hình, chiều sâu dập vuốt…) trong điều kiện phòng thí nghiệm còn thiếu các trang thiết bị thí nghiệm

Trong quá trình làm luận văn, tác giả đã nhận được sự hướng dẫn (cả về lý thuyết chuyên môn và thực nghiệm) và giúp đỡ nhiệt tình, sự động viên khích

lệ kịp thời của thầy giáo hướng dẫn PGS TS Phạm Văn Nghệ, TS Nguyễn Đắc Trung trong Bộ môn Gia Công Áp Lực – Khoa Cơ Khí – Đại Học Bách Khoa Hà Nội Đồng thời, tác giả cũng nhận được sự hướng dẫn, đóng góp những ý kiến quý báu của thầy giáo PGS TS Đinh Bá Trụ, Viện Tên Lửa trong việc xây dựng hệ thống đo các thông số công nghệ cùng các thầy giáo, các bạn đồng nghiệp trong bộ môn Gia công áp Tác giả xin bày tỏ lòng biết

ơn chân thành tới sự hướng dẫn, động viên khích lệ và giúp đỡ quý báu này Tôi cũng xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành tới gia đình, bạn bè tôi về sự động viên và khích lệ về mặt tinh thần đã giúp tôi hoàn thành tốt luận văn của mình

Hà Nội, tháng 11 năm 2008

Vũ Đức Quang

CHƯƠNG 1 – TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ TẠO HÌNH

THỦY LỰC 1.1 Vài nét về lịch sử phát triển của phương pháp tạo hình thủy lực

1.1.1 Tình hình nghiên cứu trong nước

Ở Việt Nam công nghệ dập bằng môi trường chất lỏng mới ở giai đoạn bắt đầu tìm hiểu công nghệ Việc nghiên cứu về dập thủy lực cũng mới được đề cập đến trong một số đề tài nghiên cứu cấp nhà nước, bộ, cơ sở… như đề tài KC.05.19 – “Nghiên cứu áp lực cao làm việc trong phôi ống” của Viện công nghệ Bộ Quốc phòng, đề tài KC.05.23 – “Dập thủy động các chi tiết dụng cụ dập thể tích” của trường ĐHBK-HN, Mô phỏng số quá trình dập thủy 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…

1.1.2 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 sanr xuat 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 dập thủy cơ 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 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 vaf thuy tinh Điều này chứng tỏ dập thủy cơ 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 dang cau truc nhe ngày càng tăng doi hoi công nghệ tạo hình phai dap ung cho no 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 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 tấm kép, 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 nhu 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)

1.1.3 Một số sản phẩm nhận được bằng phương pháp dập thủy lực

1.1.3.1 Sản phẩm dập thủy cơ (Hydromechanical deep drawing)

Hình 1.1 Sơ đồ dập thủy cơ Phương pháp dập thủy cơ đang được nghiên cứu và ứng dụng trong nhiều ngành công nghiệp: ôtô, hàng không, không gian, tàu thủy, gia dụng, công nghiệp dân dụng …tại các nước công nghiệp phát triển như Mỹ, Đức,Nga, Trung Quốc, Hàn Quốc …

Hiện nay do nhu cầu thị hiếu người tiêu dùng ngày càng cao, ngày càng đòi hỏi tính ưu việt trong các mặt hàng, các sản phẩm công nghiệp và dân dụng dạng 3 lớp kim loại ngày càng chiếm ưu thế trên thị trường

Hầu hết các sản phẩm mà yêu cầu cách nhiệt, cách điện đều được sản xuất theo dạng 3 lớp ví dụ như, các thùng chứa, két chứa, các sản phẩm gia dụng như nồi, chảo 3 lớp … đặc biệt là thùng chứa 3 lớp cần dùng trong ngành hoá học, vật lý để đảm bảo an toàn khi sử dụng

Những sản phẩm này có ưu điểm vượt trội so với các sản phẩm một lớp cùng chủng loại là chúng được sản xuất từ công nghệ dập bằng chất lỏng - một công nghệ tiên tiến hiện nay, vì vậy sản phẩm đạt được có tính thẩm mĩ cao, chất lượng tốt và đạt được các tính năng yêu cầu Tạo hình bằng phương pháp này cho ta sản phẩm không bị chày xước bề mặt như dập vuốt thông thường, giảm được biến mỏng thành, độ biến dạng của chi tiết đồng đều, tạo hình được các chi tiết phức tạp, giảm được số lần dập…

a) Các chi tiết vỏ ôtô:

Hình 1.2 Chi tiết mui ôtô

Hình 1.3 Các chi tiết vỏ ôtô và các chi tiết khác của ôtô

b) Thùng đựng nhiên liệu (Fuel Tank):

Hình 1.4 Các loại thùng đựng nhiên liệu

c) Bình hứng dầu (oil sump):

Hình 1.5 Bình hứng dầu

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

Hình 1.6 Các sản phẩm của động cơ phản lực và máy bay

e) Các sản phẩm gia dụng:

A

B

C

D Hình 1.10 Các sơ đồ dập thủy tĩnh cặp vật liệu tấm

(Hydroforming sheet metal pairs) Dập thủy tĩnh là quá trình dập vuốt bằng chày chất lỏng cối cứng Phương pháp này sử dụng chất lỏng có áp suất cao để biến dạng tấm, do đó không cần gia công chày và giảm được số nguyên công Tuy nhiên phương pháp này vẫn còn một số nhược điểm đó là: 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 phôi) Điều này thể hiện ở dạng nhăn một phía của mặt bích phôi do nguyên nhân không đồng đều 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; 2 -lượng biến mỏng quá lớn và độ không đồng đều theo chiều dài của thành chi tiết là đáng kể, do đó làm giảm đáng kể chất lượng của chi tiết dập Vì vậy nó cho thấy khả năng công nghệ của dập thủy tĩnh còn một số hạn chế

a) Sản phẩm tấm nắp:

c) Các sản phẩm từ phôi ống:

Hình 1.13 Các sản phẩm từ phôi ống

1.1.3.3 Sản phẩm dập xung điện thủy lực (Electro - Hydraulic Forming)

biến dạng cục bộ các phôi rỗng bằng các xung hướng từ tâm phôi ra đường bao ngoài…

1.2 So sánh giữa dập thủy cơ và dập vuốt thông thường (chày cứng – cối

cứng)

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

A

BHình 1.16 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

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 luôn), phôi không tiếp xúc với góc lượn cối nên chất lượng bề mặt tốt hơn, đồng thời chiều dày thành cũng đồng đều hơn

Sự khác biệt giữa dập thủy cơ và dập vuốt thông thường (chày cứng – cối cứng):

Hình 1.17 Sơ đồ trạng thái ứng suất Hình 1.18 Sơ đồ trạng thái ứng suất biến dạng dập vuốt thông thường biến dạng dập vuốt thủy cơ

1.2.1 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 +ε3làm 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 phương pháp chặn phải hợp lý vì đây là thông số ảnh hưởng trực tiếp tới chất lượng sản phẩm

1.2.2 Phần chuyển tiếp giữa vành phôi và dụng cụ (phần bán kính góc lượn của cối): Phần này chịu ảnh hưởng của trạng thái ứng suất – biến dạng

khối phức tạp Điểm khác biệt so với dập vuốt thông thường là thành phần

ứng suất nén σ3 do áp lực q của chất lỏng chịu nén gây ra, nên đã làm gia tăng

đáng kể tính ổn định của phôi cũng như khả năng biến dạng dẻo của vật liệu, đồng thời giảm thiểu tác dụng không có lợi của ma sát như trong trường hợp dập vuốt trên chày cứng – cối cứng Với dập vuốt thông thường, xảy ra hiện tượng biến mỏng phôi trên phần bán kính lượn của cối, do đó có thể dẫn đến

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

1.2.3 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 nén) 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

1.2.4 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

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

1.2.5 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

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

A B

Hình 1.19 Biên độ sóng của phôi trong quá trình dập vuốt:

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

Từ hình 1.19 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

Hình 1.20 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

1.3 Ưu nhược điểm của phương pháp dập thủy cơ

Với trình độ khoa học kĩ thuật tiên tiến và các thiết bị máy móc hiện đại, các nước như Nga, Đức, Mĩ, Nhật, Hàn Quốc, Trung Quốc… đã sản xuất không chỉ dừng lại ở các sản phẩm 3 lớp, nó còn có thể lên đến 4, 5, 6 và 7 lớp, đáp ứng những yêu cầu khắt khe về sử dụng Vì vậy chúng ta có thể học hỏi để chế tạo ra các sản phẩm mong muốn, vừa là để nâng cao nền khoa học

kỹ thuật trong nước, vừa là để đáp ứng nhu cầu tiêu dùng

1.3.1 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

- 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 (HDD) 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