Nghiên cứu công nghệ ép thủy tĩnh và thủy động để chế tạo các sản phẩm phần 1

Nghiên cứu công nghệ ép thủy tĩnh và thủy động để chế tạo các sản phẩm phần 1

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 nước:

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

tóm tắt

Những thử nghiệm sử dụng áp lực thủy tĩnh vào mục đích kỹ thuật đã có từ rất lâu trước khi người ta phát hiện ra ảnh hưởng 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 được các nhà khoa học cùng các công sự nghiên cưú, cho thấy dưới 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 như: nhiệt độ, tốc độ biến dạng thì có thể đưa một vật liệu giòn về trạng thái dẻo Các nghiên cứu trên đã mở ra hướng ứng dụng công nghệ ép thủy tĩnh-thuỷ động (ETT-TD) vào gia công áp lực

ở trong nước hiện nay chưa có cơ sở nào đầu tư 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 phương pháp tạo hình sản phẩm trong đó môi 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 môi trường chất lỏng và khí Để tạo ra áp suất thủy tĩnh người ta có thể nén môi trường 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 phương pháp công nghệ khác khó đạt được

Trên cơ sở các thông tin khoa học công nghệ mới trong và ngoài nước liên quan đến công nghệ ép thuỷ tĩnh và thủy động, qua các kinh nghiệm được 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 trưng vật liệu, tính năng của một số dạng sản phẩm cũng như ứng xử của vật liệu trong môi trường áp suất cao Từ đó lựa chọn giải pháp công nghệ, xây dựng phương 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 khương tuyến đã được 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 được khảo nghiệm tại Trung tâm Công Nghệ, Nón đồng trong đạn chống tăng B41 đã được khảo nghiệm tại nhà máy Z131 Tổng Cục CNQP, Phôi ống dẫn sóng rađa được sử

dụng cho Đề tài cấp BQP: “Chế tạo ống dẫn sóng rađa PRV-16”, Các sản

phẩm khác như phôi bánh răng moduyn nhỏ, ống đồng thành mỏng được 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

D2-3-DSTG Danh sách tác giả

Của đề tài khoa học và công nghệ cấp nhà nước

(Danh sách các cá nhân đã đóng góp sáng tạo chủ yếu cho đề tài được 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

1.1.5 Các hiện tượng 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

1.2.1 Gia công biến dạng bằng công nghệ ép thủy động 26

1.3 Các nghiên cứu về ép thủy tĩnh và thủy động trong nước 37

Chương 2: Mô hình và phương pháp tính toán trong ép thủy tĩnh và thủy động

Chương 3: Nghiên cứu các ảnh hưởng trong ép thủy tĩnh và thủy động

3.2 Một số hiện tượng xẩy ra trong công nghệ ép thủy động 64

3.2.1 Dòng vật liệu 64

3.2.3 Vật liệu truyền áp trong ép thuỷ động 69

Chương 4: Tính toán thiết kế thiết bị ép thủy tĩnh và trang bị ép thủy động

4.1.1.3 Tỉ phần hao khi thiêu 73

4.1.2.1 Nguyên lý và cơ sở tính toán hệ thuỷ lực máy ETT 74

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

4.2.2 Tính toán thiết kế buồng áp suất cao cho công nghệ ép thủy động 86

4.2.2.2 Tính toán đối với ống dày nhiều lớp 87

4.2.4 Tính góc mở khuôn tối ưu 97

Chương 5: Kết quả nghiên cứu và một số hình ảnh về sản phẩm 101

5.1 Chế tạo phôi con tống khương tuyến nòng súng 12,7mm 101

5.2.5 Kết quả và thảo luận 114

5.3.2 Chọn phương án tính toán và thiết kế khuôn ép 116 5.3.3 Tiến trình công nghệ chế tạo bị nghiền 118

5.4 Chế tạo phôi ống dẫn sóng rađa PRV-16 123

5.4.2 Các bước 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

5.4.7.1 Khuôn ép ống dẫn sóng rađa PRV-16 133 5.4.7.2 Sản phẩm ống dẫn sóng rađa PRV-16 133

5.5 Chế tạo ống thành mỏng bằng công nghệ ép thủy động 137

5.5.2 Các bước công nghệ chính để chế tạo ống 142

5.6 ChÕ t¹o ph«i b¸nh r¨ng m« duyn nhá 159

Ch−¬ng 6: TÝnh to¸n lùa chän thiÕt bÞ vµ thiÕt kÕ, chÕ t¹o trang bÞ c«ng nghÖ

Bảng một số ký hiệu quy −ớc và chữ viết tắt

ETT ép thủy tĩnh ETD ép thủy động

tóm tắt

Những thử nghiệm sử dụng áp lực thủy tĩnh vào mục đích kỹ thuật đã có từ rất lâu trước khi người ta phát hiện ra ảnh hưởng 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 được các nhà khoa học cùng các công 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 công có phối hợp các điều kiện khác như: nhiệt độ, tốc độ biến dạng thì có thể đưa một vật liệu giòn về trạng thái dẻo Các nghiên cứu trên đã mở ra hướng ứng dụng công nghệ ép thủy tĩnh và thuỷ động (ETT-TD) vào lĩnh vực gia công áp lực

ở trong nước, hiện nay chưa có cơ sở nào đầu tư 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 chế tạo các sản phẩm khó, công nghệ chế tạo vũ khí, khí tài quân sự hiện đại, Đề tài KC.05.23 đã nghiên cứu công nghệ ETT-TD, nội dung của Đề tài có ý nghĩa khoa học, công nghệ và thực tiễn phù hợp với nền công nghiệp quốc phòng và dân dụng nước nhà.

Công nghệ ETT-TD là một phương pháp tạo hình sản phẩm trong đó môi 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 môi trường chất lỏng và khí Để tạo ra áp suất thủy tĩnh người ta có thể nén môi trường truyền áp suất trong khuôn kín hoặc hở bằng hệ thống tạo áp suất cao hoặc nén trực tiếp bằng máy ép thuỷ lực, máy dập

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 thiết kế chế tạo, đã giải quyết cơ bản những vấn đề mà các phương pháp công nghệ khác khó đạt được

Trên cơ sở các thông tin khoa học công nghệ mới trong và ngoài nước và kinh nghiệm được tích luỹ, kế thừa từ các công trình nghiên cứu trong công nghệ chế tạo vũ khí của Bộ Quốc phòng liên quan đến công nghệ ETT-TD, Đề tài đã nghiên cứu các vấn đề cơ bản của lý thuyết, thiết bị, công nghệ, nghiên cứu đặc trưng vật liệu, tính năng của một số dạng sản phẩm cũng như ứng xử của vật liệu trong môi trường áp suất cao Từ đó lựa chọn giải pháp công nghệ, xây dựng phương 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: Côn tống khương tuyến - đã được 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 được khảo nghiệm tại Trung tâm Công Nghệ; Nón đồng trong đạn chống tăng B41 - đã được khảo nghiệm tại nhà máy Z131 Tổng Cục CNQP, Phôi ống dẫn sóng rađa - được sử dụng cho

Đề tài cấp BQP: “Chế tạo ống dẫn sóng rađa PRV-16”; Các sản phẩm khác

như phôi bánh răng moduyn nhỏ, ống đồng thành mỏng được đánh giá trong phòng thí nghiệm của Trung 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

Chương 1

Tổng quan về công nghệ ép thủy tĩnh và thuỷ động tạo hình sản phẩm

1.1 tổng quan về Công nghệ ép thuỷ tĩnh

Công nghệ gốm (hoặc công nghệ luyện kim bột) là công nghệ trong đó từ các vật liệu vô cơ phi kim (hoặc kim loại) ban đầu ở dạng hệ hạt đa phân tán có các đặc tính lưu biến xác định, người ta tạo các chi tiết có hình dạng mong muốn, sau đó bằng tác động nhiệt của quá trình thiêu kết làm đặc xít chúng và

do những biến đổi vật chất mà chi tiết đạt được 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 phương pháp ép là phương 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 phương pháp tạo hình thường áp dụng trong luyện kim bột:

- ép trong khuôn kín - ép thuỷ tĩnh

- ép phun trong khuôn - ép đùn

- ép động năng (dùng năng lượng nổ, điện từ ) - Cán bột

- Đúc rót

- Các phương pháp tạo hình khác

Tạo hình bằng phương pháp ép được tiến hành chủ yếu trong khuôn thép kín, đây là phương pháp phổ biến nhất trong công nghệ luyện kim bột, vì nó dễ cơ khí hóa, tự động hóa, cho năng suất cao, hình dáng, kích thước chi tiết có độ

chính xác cao, song phương pháp ép bột trong khuôn kín cũng có nhiều nhược điểm như: mật độ phân bố không đều trong toàn bộ vật ép, nhất là đối với vật ép lớn, hình dáng phức tạp, vật ép có tỉ lệ chiều dài trên đường kính lớn Để khắc phục các nhược điểm nêu trên và tránh phải sử dụng các máy ép có công suất đủ lớn cho ép tạo hình ngưòi ta đã đưa ra nhiều giải pháp, một trong những giải pháp hữu hiệu đó là phương pháp ép thuỷ tĩnh (ETT), phương pháp này cho vật ép có mật độ đồng nhất cao, vật ép không có texture mà không cần máy ép có công suất lớn

1.1.1 Nguyên lý ép thủy tĩnh

ép thuỷ tĩnh (Hydrostatic Press) là một phương pháp tạo hình trong đó môi 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 môi trường chất lỏng và khí Môi trường truyền áp suất trong ETT thường là chất lỏng, trong một số trường hợp người ta sử dụng chất khí, chất rắn hoặc vật liệu đàn hồi Để tạo ra áp suất thủy tĩnh người ta có thể nén môi trường truyền áp suất trong buồng kín - buồng ép thủy tĩnh (ETT), hay buồng áp suất cao bằng cách dùng 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 công nghệ ép thuỷ tĩnh

Cơ sở của công nghệ (ETT) là lực ép qua một môi trường (thường là chất lỏng) được nén với áp suất cao truyền đến chi tiết cần biến dạng, 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 đó không 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 Ông đã sử dụng nguyên lý này để chế tạo các chi tiết có mật độ cao từ các kim loại khó nóng chảy như wolfram, molipden Sau đó người ta đã ứng dụng ETT để chế tạo

các chi tiết có 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 hoàn thiện được trang thiết bị tạo áp suất cao và tạo được các chi tiết có độ bền lớn

• Tạo hình các ống có kích thước khác nhau từ các vật liệu chịu nhiệt • ép tạo hình các chi tiết bằng gốm đặc biệt và các sản phẩm nhỏ, mật độ và độ bền đồng đều và cao với năng suất lớn như bugi cho ôtô, xe máy

• ép tạo hình các khối trụ tròn kích thước lớn để gia công tiếp thành các sứ cách điện

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

1 Chày ép

2 Khuôn áp suất cao

3 Môi trường truyền áp suất 4 Vật liệu ép

5 Khuôn vỏ mỏng đàn hồi

Hình 1.1- Sơ đồ nguyên lý ép thủy tĩnh

5

sau đó là phương pháp thiêu kết bằng ép nóng đẳng tĩnh (Sinter- HIP method) Trong các phương pháp này người ta tạo được nhiệt độ trên 20000C 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 móc 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 công nghệ ép thủy tĩnh

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 Công nghệ ETT tạo hình các sản phẩm từ vật liệu bột còn được gọi là phương pháp ép đẳng tĩnh (Isostatic Press)

Thông thường có một số phương án phân loại như sau:

a Theo môi trường truyền áp:

- ép thủy tĩnh môi trường khí - ép thủy tĩnh môi trường chất lỏng

- ép thủy tĩnh môi trường giả lỏng (thường là chất lỏng có độ nhớt rất cao

hoặc các chất có độ đàn hồi lớn như mỡ khoáng, cao su, nhựa PVC, PE, PU )

b Theo nhiệt độ làm việc:

- ép thủy tĩnh nguội (Cold Isostatic Pressing CIP): Quá trình tiến hành

không có gia nhiệt phôi và môi trường áp suất

- ép thủy tĩnh ấm (Warm Isostatic Pressing): Quá trình tiến hành ở nhiệt

độ 800 Cữ5000 C

- ép nóng thủy tĩnh: Quá trình tiến hành ở nhiệt độ cao có thể đến 15000 C

hoặc cao hơn nữa

c Theo dạng của dụng cụ được sử dụng:

- Phương pháp khuôn ướt (wet bag)-Hình 1.2

1 Nắp buồng áp suất 2 Vật liệu bột

3 Môi trường truyền áp (dầu cao áp)

4 Buồng áp suất 5 Khuôn đàn hồi 6 Đáy buồng áp suất

Hình 1.2- Khuôn ép thuỷ tĩnh ướt

Khuôn đàn hồi được điền đầy vật liệu ép, được làm kín, và được ép Do áp suất đẳng tĩnh của môi trường ép tác động lên vỏ khuôn 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 Nó cũng rất thích hợp cho điều kiện tạo hình thay đổi Thời gian thao tác có thể đến nhiều phút

- Phương pháp khuôn khô (dry bag) - Hình 1.3

Khuôn đàn hồi được gắn chặt vào buồng ép Vật liệu được điền đầy khuôn trong buồng ép áp suất được tạo ra trong khoảng không gian phù hợp với hình dáng của vật ép, áp suất này nhỏ hơn ở vùng hệ thống làm kín khuôn, tức là vùng chày ép Như vậy đã xác lập điều kiện gần như ép khô Bằng phương pháp khuôn khô ta có thể đạt được vật ép thành tương đối mỏng Trong phương pháp khô, trái với phương pháp ướt, với cùng một áp suất ép có thể đạt được mật độ ép cao hơn

Dầu cao áp vào Xả E

Thoát khí

1.1.4 Các ưu nhược điểm của công nghệ ép thuỷ tĩnh

ưu điểm của công nghệ ETT:

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

- Khả năng tạo hình các vật liệu bột khó 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 đó sẽ giảm được thời gian và chi phí để sản xuất các chi 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 đó 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 đạt được đều, làm cho vật ép có tính đồng nhất và hầu như không có texture

- Ngoài ra có thể chế tạo được các chi tiết rất đặc xít có hình dạng bất kỳ

Nhược điểm của công nghệ ETT:

Thể tích vật liệu khi tạo hình trong vỏ khuôn đàn hồi đối với vật liệu gốm hạt mịn giảm 20-40% còn đối với vật liệu gốm hạt thô giảm 10-20% Điều đó có thể dẫn đến sự sai khác về hình dạng của vật ép Nói chung trong lĩnh vực vỏ khuôn đàn hồi, không tạo được sản phẩm có biên dạng sắc nét Đối với vật liệu hạt thô, thậm chí bề mặt vật ép không phẳng nhẵn, có thể loại trừ nhược điểm đó bằng cách gia công lại vật ép

Giới hạn của công nghệ ETT: Do áp suất thuỷ tĩnh cao áp được tạo ra trong

buồng kín thông qua môi trường là dầu thuỷ lực hoặc một số loại môi trường giả lỏng khác, việc tăng áp suất thường giới hạn dưới 500MPa vì vậy ETT được ứng dụng trong công nghệ gốm, công nghệ luyện kim bột hoặc ứng dụng trong biến dạng tạo hình một số loại sản phẩm có hình dạng phức tạp từ phôi dạng

Đường cong xít chặt vật ép cho phép khẳng định: ngay đối với việc ép bằng công nghệ ETT vật liệu gốm, với áp suất tăng dần ta cũng gặp sự giảm dần của mức độ tăng mật độ Đã có hàng loạt các công trình mô tả hàm số các

đường cong đặc xít và nhiều phương trình thực nghiệm đã được xác lập - Bảng

1.1 và 1.2 trình bày một số trong các phương trình đó Phương trình của Heckel

thể hiện khá tốt quan hệ hàm số cho trường hợp ETT phương pháp ướt khi áp

v1+c p

Ghi chú: P: áp suất ép, Vp : thể tích vật ép ở áp suất P, V∝ thể tích vật ép ở áp suất vô cùng lớn, Vo thể tích đống của vật liệu ép c1- c12 các hằng số thực nghiệm

Bảng 1.2- Tập hợp các phương trình tính toán cho quan hệ giữa bước tiến của

np = c n() = nch

Balshin

npp +∞ư

Ghi chú: c13-c25 các hằng số thực nghiệm, h-chiều cao đong, h0 chiều 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 có thể đạt được 65-75% mật độ lý thuyết đối với vật liệu gốm quắc- đất sét phụ thuộc vào độ ẩm của vật liệu ép Trong đó về cơ bản, đồ bền uốn lớn hơn 2 MPa đủ để gia công tiếp theo Để ép vật liệu hạt thô cần áp suất 100-400 MPa, trong đó nếu có được sự phân bố hạt hợp lý của vật liệu ép, thì có thể đạt được mật độ tới 85% mật độ lý thuyết

Đường cong đặc xít cũng giống như trong trường hợp ép khô và phụ thuộc vào hàng loạt các thông số Nhiều khi tính chất của vật liệu ép có ảnh hưởng rất lớn thí dụ như độ ẩm

Đối với mỗi vật liệu ép có một khoảng độ ẩm tối ưu Việc thêm các phụ gia ép như chất bôi trơn làm tách hạt có ý nghĩa quan trọng Tác dụng của độ ẩm và phụ gia ép phù hợp với kết quả đo đạc và tính toán theo phương trình của

Jones (xem bảng 1.2) Phương trình tính toán này cho phép phân biệt rõ đường

cong ép phụ thuộc các thông số độ ẩm và chất bôi trơn Quan hệ phụ thuộc cụ thể được trình bày trong bảng 1.3 Phương pháp để tính quan hệ đường cong ép dựa trên cơ sở vật lý được trình bày trong công trình của Thomson

Bảng 1.3- Sộ liệu cho phưÈng trỨnh tÝnh toÌn theo Jones Ẽội vợi bờt gộm cọ Ẽờ ẩm vẾ phừ gia khÌc nhau:

Hệ sộ Hệ sộ kết nội ThẬng sộ

0.2ườ ẩm [%] 1.0 2.5

6,00 6,14 6,09

0,98 1,30 1,49

0,992 0,996 0,999 Chất phừ gia [%]

1.1.5.2 ảnh hưỡng cũa Ẽiều kiện Ðp

CÌc Ẽiều kiện Ðp như trang bÞ Ðp, thởi gian Ðp, thởi gian giứ Ìp cọ ảnh hưỡng Ẽến Ẽưởng cong Ðp Sỳ thay Ẽỗi tộc Ẽờ Ðp, khẬng cọ ảnh hưỡng ẼÌng kể Ẽến kết quả Ðp Trang bÞ Ðp về cÈ bản do thiết bÞ vẾ vật Ðp quy ẼÞnh TẨng Ìp Ẽến khoảng 30 MPa Ẽờ Ẽặc xÝt ẼỈt gần 75% Sỳ giảm thể tÝch lợn nhất xảy ra trong khoảng Ìp suất nẾy Sỳ tẨng Ìp suất Ðp cọ ý nghịa quan trồng Ẽội vợi tÝnh chất vật Ðp

Tộc Ẽờ tẨng Ìp lỈi phừ thuờc vẾo lưùng khẬng khÝ hoặc lưùng khÝ chựa trong Ẽộng hỈt vật liệu Ðp Trong quÌ trỨnh ETT, vật liệu Ðp chựa trong võ khuẬn Ðp kÝn, khẬng khÝ chựa trong vật liệu Ðp, khẬng thoÌt ra ngoẾi Ẽưùc, bÞ nÐn lỈi Cọ thể giảm hoặc loỈi trử khẬng khÝ trong cÌc lố xộp bÍng cÌc biện phÌp sau:

• Giảm Ẽờ ẩm cũa vật liệu

• TẨng mật Ẽờ l¾c cũa vật liệu trong khuẬn bÍng cÌch Ẽầm trược cÌc hỈt trong khuẬn, l¾c hoặc chồn phẪn bộ cấp hỈt tội ưu

• Hụt chẪn khẬng võ khuẬn Ẽ· Ẽiền Ẽầy

Do không thể loại trừ hoàn toàn khí trong các lỗ xốp vì vậy việc chọn tốc độ tăng và xả áp đóng vai trò quan trọng Để lựa chọn được đường cong ép và xả áp phải chú ý hai khoảng áp suất ở các thời điểm:

• Khi thoát khuôn đàn hồi khỏi bề mặt của vật ép, vì khi đó bề mặt vật ép sẽ có ứng suất cắt và gây vết nứt

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

Ptw =P’’ – P’

Trong đó: P’’ áp suất không khí trong lỗ xốp ở giữa vật ép

P’ áp suất không khí trong lỗ xốp ở rìa vật ép tương ứng với áp suất đẳng áp tác dụng từ phía ngoài

Thời gian cực trị tE để giải áp có thể xác định như sau:

Trong đó: Va : Thể tích không khí thoát ra khỏi lỗ xốp

Vm : Thể tích thoát khí trung bình trong quá trình giảm áp Thời gian cực trị tE tăng đối với vật ép lớn và giảm khi áp suất thuỷ tĩnh tăng Độ giảm áp được điều chỉnh trong khoảng áp suất < 5 MPa là cần thiết khi không hút khí trước khi ép

Bằng cách giữ áp suất lâu có thể tăng được mật độ và cơ tính của vật ép Nhưng hiệu quả đó còn 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 độ, điều đó đặc biệt đúng với vật liệu dẻo Đối với vật liệu làm sứ khả năng đạt được hiệu qủa cao trong khoảng giữ áp suất ép không lớn Thời gian giữ áp thường không vượt 60s Đối với các chi tiết nhỏ như phần sứ cách điện của bugi thời gian giữ áp dưới 1s

1.1.5.3 Hiện tượng nở trở lại của vật ép

Hiện tượng nở lại sau khi ETT đó là hiện tượng tăng thể tích của vật ép sau khi xả áp, hiện tượng này xẩy ra do các nguyên nhân sau:

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

1.2 Tổng quan về công nghệ ép thuỷ động

1.2.1 Gia công biến dạng bằng công nghệ ép thủy động

Một dạng gia công biến dạng khác cũng được sử dụng phổ biến đối với các nhóm chi tiết kiểu thiết diện đều và dài Theo công nghệ truyền thống các chi tiết dạng ống, dạng trục, dạng sợi mảnh, bánh răng được gia công bằng phương pháp ép đùn, ép chảy thông thường hoặc gia công cắt gọt Với các phương pháp gia công này không tiết kiệm được vật liệu, kinh phí chế tạo cao, tuổi thọ của khuôn mẫu thấp do ma sát giữa khuôn và vật liệu gia công lớn

Để khắc phục nhược điểm nêu trên người ta đã sử dụng phương pháp ép đùn trong khuôn ép thủy động (ETD) để tạo ra sản phẩm Sau khi tạo phôi sơ bộ, cho phôi vào trong buồng ép, dưới tác dụng của áp suất cao trong buồng ép vật liệu được ép đều từ các hướng và được đùn ra ngoài qua khuôn với Profin tùy theo hình dạng của lỗ khuôn (hình 1.4b)

1.2.2 Các đặc điểm của ép thủy động

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

nêu trên (xem hình 1.4)

Ngoài ra với tỉ lệ biến dạng cao cỡ 90% có thể tạo ra màng dầu bôi trơn thủy động giữa bề mặt phôi và khuôn hình, lỗ hình do vậy nâng cao độ bền mòn của khuôn lên nhiều 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 thông thường Phương 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 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

a)

b)

1 Chày ép 2 Vật liệu 3 Khuôn

4 Môi trường truyền áp

Hãng ASEA (Thụy điển) và KOBE (NHật) đã tiến hành các nghiên cứu thực nghiệm và đã đưa ra kết quả bằng dồ thị biểu diễn 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 nhôm ép theo phương pháp ép thủy động có thể biến dạng với hệ số à=Fo/F1=10.000, hợp kim nhôm khó biến dạng như nhôm 7075 có thể ép với hệ số à=200

Phương pháp ép thủy động còn được thực hiện ở môi trường nhiệt độ cao (gọi là phương pháp ép thủy động nóng) Có thể ép các phôi đã nung nóng cỡ 550 - 6000C, dùng chất lỏng là dầu Kacmpoboc pha thêm Metalnol để làm môi trường truền áp Môi trường được lựa chọn là môi trường giả lỏng độ nhớt cao sẽ giảm bớt khó khăn cho việc bịt kín

Các sản phẩm hình dạng và cấu tạo phức tạp như: bánh răng thẳng, nghiêng đường kính nhỏ, phôi dao phay doa, mũi khoan, ống đồng nhỏ có Φmin ≈ 20 mm, δ = 0,5 – 1.5 mm được chế tạo bằng phương pháp ép thủy động Các phôi sản phẩm trên được chế tạo bằng phương pháp cắt gọt hoặc ép đùn truyền thống gây lãng phí vật tư quý hiếm, công gia công, dẫn đến giá thành sản phẩm cao, chất lượng sản phẩm không cao

Sau gần 40 năm nghiên cứu phát triển, phương pháp thủy động đã dần được hoàn thiện và phát triển Phương pháp ép thủy động thường được áp dụng để chế tạo ra các chi tiết thỏi đặc, thỏi rỗng hoặc dây từ vật liệu hợp kim, hợp kim nhôm, 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 có thể biến dạng tạo hình cho những vật liệu cứng, giòn, khó biến dạng tạo hình như: gang, molipden, Beryli, vật liệu composite

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

1.2.4 Phân loại các phương pháp ép thủy động

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

- ép thủy động tốc độ thấp: Tốc độ trong khoảng 2-150 mm/giây (còn gọi

là ép đùn thủy tĩnh)

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

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

- ép 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 bôi trơn tăng lên Điều đó 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 nhẩy sóng, )

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

ép thủy động phôi đặc:

Phương pháp ép đùn thủy động được nghiên cứu và áp dụng nhiều nhất hiện nay là ép đùn phôi đặc (Hình 1.5)

1 Chày ép 2 Gioăng

3 Môi trường truyền áp 4 Dẫn hướng

5 Phôi

6 Khuôn hình 7 Gioăng 8 Buồng áp suất

Hình 1.5- Mô hình ETD các chi tiết dạng đặc

ép thủy động phôi rỗng:

Để ép sản phẩm rỗng (hình 1.6) phải sử dụng một lõi đặt trong lỗ tạo trước của phôi ép, nhiệm vụ của lõi là tạo ra lỗ của sản phẩm và làm kín môi trường truyền áp suất cao, khi thiết kế lõi cần chú ý kết cấu phù hợp và chế độ bôi trơn

giữa lõi và phôi để giảm thiểu ma sát

ép thủy động phôi dây:

Hình 1.6- Mô hình ép thủy động các chi tiết rỗng với lõi tĩnh (a) và lõi động (b)

8

1 Chày ép

2 Môi trường 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

Mô tả quá trình ép thủy động

Hình 1.5 mô tả công nghệ ép thủy động phôi đặc Phôi (5) sau khi đã được sơ chế phù hợp với góc mở và kết cấu khuôn hình được đặt vào khuôn hình (6) trong buồng áp suất (8), phôi không tiếp xúc với thành của buồng áp suất nhờ dẫn hướng (4) lắp ở đầu trên phôi Cho môi trường truyền áp vào buồng áp suất, các gioăng áp suất cao giữa đế khuôn 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 khuôn hình

Khi sơ chế phôi phải đảm bảo lắp chính xác vào khuôn hình đảm bảo độ kín ban đầu, cần chú ý giữa phôi và buồng áp suất không những không được tiếp xúc với nhau mà còn khoảng hở cần thiết để chất truyền áp có thể điền đầy tất cả các khe hẹp trong buồng áp suất Ngoài ra đường kính của phôi phải nhỏ hơn đường kính lớn nhất của phần côn dẫn vào khuôn hình nếu không khi ép sẽ dẫn đến sự cắt phần phôi nằm ngoài vùng côn dẫn Để đạt sự ổn định hình dạng phôi phải là trụ đều, nói cách khác phôi không được có tiết diện thay đổi trên toàn bộ chiều dài phôi Vì không có ma sát với thành khuôn nên có thể ép đùn được các sản phẩm mặt cắt phức tạp hoặc dạng xoắn, hơn nữa chiều dài của phôi chỉ bị giới hạn bởi kích thước của buồng áp suất và hành trình làm việc của chày ép Ví dụ khi ETD phôi dây (hình 1.7), bên trong buồng áp suất đặt một cuộn dây làm phôi thì tỷ lệ chiều dài phôi có thể lớn gấp đường kính đến 105 lần

Sau khi đặt phôi vào buồng áp suất, buồng áp suất được đổ đầy môi trường truyền áp Môi trường truyền áp đồng thời đóng vai trò truyền áp đồng thời đóng vai trò chất bôi trơn ở các bề mặt tiếp xúc giữa sản phẩm và phôi Một số loại vật liệu có thể tự bôi trơn vì vậy vật liệu rắn dạng parafin hoặc kim loại dễ biến dạng (kim loại mềm) cũng được sử dụng làm môi trường truyền áp lực

Việc tăng áp suất môi trường truyền áp và quá trình ép chảy là phụ thuộc lẫn nhau, thông thường áp suất được tạo bằng một chày ép ép trực tiếp vào buồng áp suất cao (hình 1.5) Người ta cũng có thể tạo áp suất trong một buồng riêng ngoài buồng áp suất cao hoặc bằng bơm áp suất cao, phương pháp này không thể tạo ra áp suất cao tuỳ ý

Trong quá trình ép đùn thủy động do ảnh hưởng của hiện tượng stick-slip

xuất hiện nguy cơ sản phẩm ra nhanh hơn dự kiến nên cả sản phẩm và chất lỏng thoát ra khỏi khuôn với động năng lớn có 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 công nghệ ép thủy động 1.2.6.1 Vật liệu và độ biến dạng trong ép thủy động

Thông thường khi ETD với áp suất ~1000 MPa có thể đạt được sự thay đổi tiết diện rất lớn Chẳng hạn ở nhiệt độ phòng, như trên hình 1.8 biểu diễn, tỷ lệ tiết diện Ao/A1 khoảng 1500 với nhôm sạch (Al 99,5%), là 80 với đồng (99,9% Cu) là 10 với thép các bon thấp (0,15% C) và khoảng 3,5 với thép hợp kim Đối với Mo, W, và hợp kim niken bền nhiệt cao Ao/A1 từ 3 ữ 5 áp suất và nhiệt độ cao hơn thì giá trị này tăng lên hơn nữa, trong đó để cải thiện khả năng biến dạng của hợp kim đồng, nhôm bền cao hoặc thép thì ép đùn nóng có ý nghĩa hơn cả và được ứng dụng trong công 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 nhôm tỷ lệ tiết diện Ao/A1=1500/1 tốc độ ra dây rất cao gây nhiều khó khăn cho việc thu hồi sản phẩm áp suất và nhiệt độ cao hơn khi ép đùn chỉ có ý nghĩa nếu ta muốn đạt được sự biến đổi tiết diện lớn hơn với các vật liệu có độ cứng lớn

1.2.6.2 Một số sản phẩm trong ép đùn thủy động

Thông 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 có tỷ lệ tiết diện thấp thì ETD là một khả năng mới (ép biến dạng thay cho kéo biến dạng)

- Ngoài ra ETD cũng thích hợp cho việc sản xuất các ống có thành rất mỏng (ví dụ thành có s= 0,15mm, đường kính ngòai da = 10mm) vật liệu Al 99,5 hoặc ống thành rất dày (s=0,9mm, da=2mm)

Hình 1.8- Mối quan hệ giữa áp suất và tỷ lệ tiết diện AO/A1 (a)giữa áp suất và nhiệt độ phôi (b)-(1 kbar=100MPa=100N/mm2)

Hình 1.9- Dây nhôm nhiều sợi-sản phẩm của công nghệ ép đùn thủy động (ASEA)

Hình 1.10- Sản phẩm của công nghệ ép đùn thủy động (ASEA)

- ép thủy động cũng áp dụng để chế tạo các sản phẩm có Profil bất kỳ với chiều dài lớn mà bằng các phương pháp khác không thể chế tạo được (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 nhiều bước

- Hình dáng của phôi và hình dạng sản phẩm không phụ thuộc vào nhau nên người ta có thể ép được 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 được 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 sản xuất từ các block với tỷ lệ tiết diện khoảng 500 được ép đùn ở 500oC Các Profil nhôm được bọc đồng làm các thanh dẫn trong kỹ thuật điện cũng được sản xuất

Hình 1.11- Sản phẩm của công nghệ ép đùn thủy động nóng (Kobe Steel)

theo phương pháp này Tương tự một chi tiết hợp kim nhôm có thể được bọc bằng một hợp kim nhôm khác Tính chất của vật liệu lõi và kết hợp với tính chất của vật liệu bọc ngoài để tạo nên một vật liệu có tính chất tối ưu Chẳng hạn với vỏ bọc ngoài là hợp kim nhôm sẽ làm cho sản phẩm dễ hàn hơn, chịu ăn mòn, Các khả năng này đã được hãng Kobe Steel của Nhật ứng dụng trong công nghiệp, bằng ETD nóng kết hợp với kéo trượt lạnh lần 2 để sản xuất ống đồng bóng từ năm 1975

1.2.6.3 Tính chất biến dạng trong ép thủy động

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 có các quá trình như tái kết tinh, nghỉ xuất hiện Khi biến dạng nóng thì phần biến dạng bị nung nóng lên, nên không có hoặc có rất ít sự tăng độ cứng

Do sự biến dạng khi ép thủy tĩnh gần như là đồng đều nên sản phẩm có 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 không có sự khác biệt tính chất giữa sản phẩm ETD và ép đùn thông thường nếu cả 2 trường hợp có cùng độ lớn góc mở khuôn, độ biến dạng và các tính chất khác giống nhau

Tính chất bề mặt của các chi tiết ETD phụ thuộc chính vào chiều dày lớp bôi trơn, độ nhớt của môi trường ép, áp lực áp suất cần thiết, nhiệt độ, vật liệu và chất lượng bề mặt phôi Nhìn chung so với ép đùn thông thường sản phẩm của ETD có bề mặt ít khuyết tật

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

Vật liệu CK15; Độ biến dạng ϕ =ln(Ao/A1)=1,39; Góc mở khuôn 2α=90O; Chất bôi trơn Grafit; Phôi đã được phosphat hóa

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 Doãn-Viện Công Nghệ - Bộ quốc phòng và cộng sự thực hiện

Năm 1995 ở đề tài " Chế tạo vật liệu siêu cứng Nitrua Bo và kim cương

nhân tạo" Tác giả Trần Sỹ Kháng và các cộng sự (Viện Công nghệ - Bộ Quốc

phòng) đã nghiên cứu tổng hợp kim cương trong khuôn ETT áp suất cao mà môi trường truyền áp là đá Pirophilite

Năm 1998 tác giả Nguyễn Đức Kim-Viện Công nghệ xạ hiếm và cộng sự

cũng đã sử dụng phương pháp ETT nguội trong đề tài ”Nghiên cứu chế tạo vật

liệu gốm trên cơ sở ZrO2”- mã số CB96-07

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

Năm 1999 Đề tài “Mô hình ứng xử vật liệu bột biến dạng ở trạng thái

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

nguội đối với vật liệu Composite: Đồng-grafit

Từ năm 1997 đến năm 2002 Trung tâm Thẩm định Công nghệ đã thực hiện 08 đề cấp Tổng cục và Bộ về lĩnh vực nghiên cứu chế tạo vũ khí có áp dụng nguyên lý ép thủy tĩnhETT Điển hình là các đề tài:

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

Đề tài: “Nghiên cứu chế tạo vỏ đầu đạn 105” Cấp bộ quốc phòng, năm 1998-2000

Đề tài: “Nghiên cứu chế tạo ống liều đạn 105 ” Cấp bộ quốc phòng, năm 1998-2000

Đề tài: “Nghiên cứu chế tạo ống liều, vỏ đầu đạn pháo 122-D74” Cấp bộ quốc phòng, 2001-2002

Đề tài: “Nghiên cứu thiết kế và chế tạo máy ghép đai đồng đạn pháo 105” Cấp bộ quốc phòng 2000

Đề tài: “Nghiên cứu thiết kế và chế tạo máy ghép đai đồng cho 3 loại đạn pháo chiến dịch” Cấp bộ quốc phòng, năm 2001

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

2000-Để đáp ứng yêu cầu về hiện đại hoá trong công nghiệp Quốc phòng và dân dụng, cần phát huy nội lực, làm chủ công nghệ chế tạo các sản phẩm khó, công nghệ chế tạo những vũ khí, khí tài quân sự hiện đại Việc đầu tư nghiên cứu ứng dụng các công nghệ tiên tiến đóng vai trò quan trọng trong sự phát triển đất nước

Chương 2

mô hình và phương pháp tính toán trong ép thủy tĩnh và thủy động

2.1 Mô hình và phương pháp tính toán trong ép thủy tĩnh

2.1.1 Mô hình ứng xử của vật liệu bột kim loại biến dạng ở trạng thái nguội và phương pháp nhận dạng

Công nghệ tạo hình bằng phương pháp ép hỗn hợp bột ở trạng thái nguội được sử dụng rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp khác nhau Trong công nghệ tạo hình vật liệu bột, độ xốp của phôi sau khi ép tạo hình có 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 chi tiết có hình dạng phức tạp như: nón đồng cho đạn B41, côn tống khương tuyến vv , đòi hỏi giải bài toán tối ưu ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến sự phân bố ứng suất và biến dạng trong vật thể Trong tạo hình công nghiệp, đây là bài toán phức tạp, dung lượng tính toán lớn, cần được thực hiên với sự trợ giúp của máy tính hiệu năng cao trên cơ sở ứng dụng các mô hình có khả năng mô tả đầy đủ các hiện tượng vật lý xảy ra trong thể tích vật liệu khi biến dạng Độ chính xác của mô hình cũng như độ chính xác của kết quả mô phỏng số một quá trình công nghệ cụ thể được quyết định chủ yếu bởi phương trình thuộc tính của vật liệu biểu diễn mối quan hệ giữa biến dạng và ứng suất Đây là phương trình cơ bản của mô hình và là đối tượng nghiên cứu của nhiều tác giả Đối với mỗi vật liệu cụ thể, mô hình cần được nhận dạng, hay nói một cách khác, các hệ số phụ thuộc vật liệu của mô 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 dạng là một trong những yếu tố quan trọng quyết định độ chính xác của mô hình

Chuyên đề này trình bày mô 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 môi

trường liên tục

2.1.1.1 Xây dựng mô hình

a) Phương pháp tiếp cận môi trường xốp liên tục

Xem môi trường xốp là môi trường liên tục cấu thành từ các phân tố đặc trưng (chất điểm ), có kích thước đủ nhỏ so với thang đo biến dạng và đủ lớn so với kích thước hạt Các đại lượng ứng suất ( σ), biến dạng( ε), hàm lượng cấu tử (fi), độ xốp ( γ ) được coi là bình quân cho mỗi chất điểm Hình dưới mô tả phương pháp tiếp cận môi trường xốp liên tục

Đặt V, Vx, Vi tương ứng là thể tích của hỗn hợp bột, thể tích khoang xốp và thể tích của cấu tử i, ta có

∑ là thể tích pha rắn

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

R= ,

VVff ==

Ta dễ dàng nhận thấy γ, αi là các biến nội độc lập nhau và cùng với biến dạng ε tạo thành tập hợp các biến xác định trạng thái của hệ ( các biến trạng thái ) dưới đây, để tiện cho việc viết các phương trình, ta ký hiệu các biến nội là ηi

Đối với trường hợp hỗn hợp bột gồm hai cấu tử, để giảm số lượng biến ta đặt:

VVff ==

b) Mô hình ứng xử

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

- Có thuộc tính dẻo tức thời, σ=σ( ε);

- Đẳng hướng ban đầu cũng như trong suốt quá trình bién dạng; - Nén được, div(v)≠0(v là tốc độ chuyển vị );

- Bỏ qua biến dạng đàn hồi ( biến dạng dẻo εp bằng biến dạng tổng ε )

Mô 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 dẻo ) f có dạng tổng quát sau:

A=ηi ; B =B(ηi) J1 là bất biến bậc một của ten xơ ứng suất

J=(σ)=σ ;

J’2 là bất biến bậc hai của ten xơ ứng suất lệch

J' =σ' .σ' =σ.σưσ.σ

Hay dưới dạng ten xơ:

J' =σ':σ' =(σ:σ)ư(σ)Trong đó:

Theo định luật chảy dẻo pháp tuyến ta có: σ∂

Trong đó dλ là độ gia tăng hệ số nhân dẻo λ

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

( 2.4 ) Biểu thức ( 2.4 ) có thể viết lại dưới dạng sau:

( 2.5 )

Phương trình ( 2.6 ) có thể phân tích thành hai thành phần tương ứng biến dạng thể tích (dεvp) và biến dạng hình dạng (dε' p)

( ) (σ),σ

( 2.7a ); và ' ( ) (σ')σ

Các biểu thức (2.7) cho thấy biến dạng thể tích chỉ phụ thuộc trực tiếp vào hệ số B (ηi ) và ứng suất thuỷ tĩnh tr( σ), còn biến dạng hình dạng chỉ phụ thuộc trực tiếp vào hệ số A (ηi ) và ứng suất lệch Tuy nhiên, trong quá trình biến dạng phức tạp, luôn luôn tồn tại mối quan hệ tương hỗ giữa hai loại biến dạng trên Mối quan hệ ảnh hưởng tương hỗ đó được thể hiện dán tiếp qua σeq