Sơ đồ dập thủy cơ này có hai dạng cơ bản nhƣ trên hình 1.9a và hình 1.9b. Sơ đồ trên hình 1.9b phức tạp hơn về mặt kết cấu nhƣng nó có thể sử dụng để tạo hình cho nhiều loại phôi khác nhau khi ta chỉ cần thay thế phần vành cối bên trong.
5. Phương pháp dập vuốt có đẩy vành [60]
Cơng nghệ này đƣợc phát triển bởi Nakamura và Nakagawa. Một số nhà nghiên cứu khác cũng đã tiến hành khảo sát theo sơ đồ công nghệ này và thu đƣợc những kết quả hết sức khả quan. Dập vuốt thủy cơ có đẩy vành là sự cải tiến của cơng nghệ dập vuốt có bơi trơn thủy động, bao gồm phƣơng pháp trực tiếp (hình 1.10a) và phƣơng pháp gián tiếp (hình 1.10b). Mức độ dập vuốt trong trƣờng hợp này có thể đạt 3,2-3,3 trong một bƣớc dập.
a) b) Hình 1. 10. Dập vuốt có đẩy vành
6. Sơ đồ có vành chặn nhám [30]
Becker và Bensmann đã đƣa ra một cải tiến cho cơng nghệ Hydromec trong đó vịng kín đƣợc kết hợp với một vòng cối nhám hoặc thay thế bằng một vành chặn nhám (hình 1.11). Theo sơ đồ này, chất lỏng áp suất cao sẽ đƣợc lấp đầy vào các vết lồi, lõm trên bề mặt vùng chặn. Các chất lỏng này có tác dụng bơi trơn giúp cho phôi dịch chuyển dễ dàng hơn trong quá trình tạo hình. Dập vuốt có vành chặn phơi nhám đƣợc sử dụng khi cần tạo hình các vật liệu có hệ số ma sát lớn và chiều dày phơi nhỏ.
7. Sơ đồ kết hợp gờ chặn và gioăng bịt kín [61]
Hình 1. 12. Dập vuốt có gờ chặn và zoăng bịt kín
Sơ đồ dập vuốt có gờ chặn kết hợp gioăng bịt kín (hình 1.12) có kết cấu tƣơng tự dập vuốt có đẩy vành gián tiếp (hình 1.10b). Tuy nhiên sơ đồ này có khả năng bịt kín tốt hơn và có thể điều khiển đƣợc khe hở giữa bề mặt trên của vành cối và vành chặn. Điều này cho phép thay đổi chiều dày ban đầu của phôi khi dập trên cùng một bộ dụng cụ.
1.3.1.2. Nghiên cứu lý thuyết dập thủy cơ
Trạng thái ứng suất – biến dạng là vấn đề quan trọng nhất khi nghiên cứu về công nghệ dập thủy cơ. Các nhà khoa học đã chỉ ra rằng sự có mặt của áp suất chất lỏng làm xuất hiện thành phần ứng suất nén 3 ln có hƣớng vng góc với bề mặt phơi làm cho vật liệu biến dạng chủ yếu nằm trong trạng thái ứng suất nén [7], [53], [90]. Chính thành phần 3 này có ảnh hƣởng lớn đến tính dẻo của kim loại, tăng ma sát có ích giữa phơi và chày, giảm đáng kể ma sát có hại giữa phôi và cối, làm thay đổi sơ đồ trạng thái ứng suất – biến dạng trong phơi (hình 1.13).
Hình 1. 13. Trạng thái ứng suất – biến dạng
Sự có mặt của áp suất thuỷ tĩnh đã làm thay đổi trạng thái ứng suất, đồng thời cũng làm thay đổi q trình biến dạng phơi khi dập thủy cơ so với dập vuốt thông thƣờng [87], [88]. Tƣơng tự trong dập vuốt thông thƣờng, dập thủy cơ cũng xuất hiện hai vị trí nguy hiểm: vùng mép lƣợn của chày (Điểm A, hình 1.14a) và vùng mép lƣợn của cối (Điểm B, hình 1.14b). Sự có mặt của áp suất chất lỏng trong giai đoạn đầu (hình 1.14a) khi chƣa xuất hiện phần trụ sẽ làm tăng lực ma sát tích cực giữa phơi và chày, đồng thời ngăn cách sự tiếp xúc giữa phơi và bán kính lƣợn của cối (phơi lúc này đƣợc vuốt qua gân chất lỏng) nên làm giảm đáng kể ứng suất kéo hƣớng kính và tạo điều kiện thuận lợi hơn cho sự biến dạng tiếp theo của phần vành, do đó giảm khả năng nhăn, rách phơi.
a. Giai đoạn đầu b. Giai đoạn tiếp theo Hình 1. 14. Các giai đoạn biến dạng của phơi
Khi đã hình thành phần trụ, việc điều chỉnh áp suất chất lỏng sẽ ngăn ngừa sự tăng quá mức của ứng suất kéo hƣớng kính do đó làm giảm khả năng phá hủy tại phần mép lƣợn cối.
Để có cơ sở xác định các tham số cơng nghệ ảnh hƣởng đến q trình dập vuốt thủy cơ, các nhà khoa học đã khảo sát trạng thái ứng suất trên toàn bộ tiết diện phôi bằng cách chia thành các vùng đặc trƣng [53], [90], [91]. Việc phân tích bài tốn dập thủy cơ trên cơ sở giải bài toán vi phân cân bằng kết hợp các điều kiện dẻo nhằm xác định giá trị của thành phần ứng suất kéo hƣớng kính lớn nhất . Các tác giả đã xây dựng bài toán khi dập thủy cơ chi tiết trụ và chi tiết côn.
1.3.1.3. Nghiên cứu các yếu tố cơ bản trong dập thủy cơ
Hình 1. 15. Đƣờng cong áp lực tối ƣu khi dập vuốt thủy cơ chi tiết côn Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng áp suất chất lỏng là một trong những Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng áp suất chất lỏng là một trong những thông số công nghệ cơ bản nhất của dập thủy cơ [8], [9], [12], [14], [24], [27], [29], [89], [90]. Áp suất chất lỏng là tác nhân chính tạo ra trạng thái ứng suất nén thủy tĩnh, tạo điều kiện thuận lợi cho sự biến dạng kim loại. Đƣờng cong áp suất chất lỏng trong quá trình tạo hình đƣợc thay đổi theo 3 vùng (hình 1.15): Áp suất ban đầu, áp suất tạo hình, áp suất bắt đầu giảm [52].
Các kết quả nghiên cứu cho thấy, áp suất chất lỏng cần thiết trong dập thủy cơ phụ thuộc chủ yếu vào các yếu tố: Vật liệu, chiều dày của vật liệu, hệ số dập vuốt, bán kính lƣợn của chày và cối. Vật liệu có độ bền càng cao địi hỏi áp suất chất lỏng càng lớn, hệ số dập vuốt càng nhỏ (do đó mức độ biến dạng càng lớn) thì áp suất chất lỏng cần thiết càng tăng. Khi giảm bán kính lƣợn của cối thì áp suất chất lỏng phải tăng để đảm bảo biến dạng phơi (vì khi đó ứng suất kéo hƣớng kính gây ra do uốn duỗi phơi tăng).
Phồng giai đoạn đầu là một đặc trƣng quan trọng của công nghệ dập thủy cơ. Phồng bao gồm hai thành phần: Áp suất ban đầu tạo phồng và chiều cao chỗ phồng.
a)
b)
Hình 1. 16. Phồng dƣơng (a) và phồng âm (b)
Các nghiên cứu đã chỉ ra ảnh hƣởng của thơng số phồng đến q trình biến dạng dập thủy cơ [48], [50], [64]. Theo các vị trí khác nhau của chày, có 2 phƣơng pháp riêng biệt (hình 1.16): Phƣơng pháp phồng dƣơng và phƣơng pháp phồng âm. Phồng dƣơng là phƣơng pháp tạo áp suất chất lỏng ban đầu khi chày cách bề mặt phơi một khoảng nào đó. Khác với phồng dƣơng, phồng âm là phƣơng pháp tạo áp suất chất lỏng khi chày đã kéo một phần phôi vào trong cối. Phồng trƣớc giúp tạo sự kéo căng đồng nhất vật liệu và làm tăng diện tích tiếp xúc giữa phôi với chày, thay đổi trạng thái ứng suất của phơi tại vùng bán kính lƣợn chày, do đó sẽ ngăn đƣợc hiện tƣợng rách và tăng mức độ biến dạng của vật liệu.
Trong các nghiên cứu của mình, Lihiu Lang và cộng sự [52] đã tiến hành mô phỏng số và thực nghiệm dập chi tiết cốc trụ từ vật liệu nhôm Al1050-H0 và hợp kim Al-Mg-Si (Al6016-T4) và đƣa ra kết luận: phồng có ảnh hƣởng lớn đối với mức độ biến dạng của vật liệu, đồng thời, không thể tạo mức độ biến dạng lớn nếu khơng có phồng; phồng có ảnh hƣởng tới hiện tƣợng rách trong giai đoạn đầu (tại bán kính lƣợn chày) và giai đoạn trung gian (rách thành); phồng có ảnh hƣởng đến hiện tƣợng biến mỏng vật liệu nhƣng không đáng kể.
Tuy nhiên, các nghiên cứu của G. Papadia và cộng sự [64] khi dập vuốt các chi tiết hình hộp cho thấy sự ảnh hƣởng của phồng tới sự thay đổi chiều dày vật liệu từ thép mềm có chiều dày 1mm, với các bán kính lƣợn chày rch thay đổi từ 10mm và 25mm. Kết quả cho thấy phồng có ảnh hƣởng lớn tới sự thay đổi chiều dày vật liệu. Điều này khác biệt so với kết luận của Lihui Lang. Đến năm 2012, Lihui Lang và cộng sự [48] tiếp tục nghiên cứu ảnh hƣởng của phồng khi dập chi tiết có hình dạng phức tạp, đó là chi tiết hộp đáy xiên.
Hình 1. 17. Sự thay đổi chiều dày vật liệu khi thay đổi chiều cao phồng Nghiên cứu cho thấy phồng có ảnh hƣởng lớn đến sự thay đổi chiều Nghiên cứu cho thấy phồng có ảnh hƣởng lớn đến sự thay đổi chiều dày của vật liệu (hình 1.17). Đồng thời các tác giả cũng chỉ ra 2 dạng hỏng khi phồng quá thấp hoặc phồng quá cao. Điều này một lần nữa khẳng định phồng có ý nghĩa vơ cùng quan trọng trong quá trình dập vuốt thủy cơ.
Áp suất ban đầu đƣợc đề cập rất nhiều trong các cơng trình nghiên cứu (hình 1.18). Áp suất ban đầu có 2 chức năng chính: Một là, nâng phơi lên khỏi bề mặt cối (nhằm tránh xƣớc bề mặt), hai là, thay đổi trạng thái ứng suất xung quanh mũi chày nhằm làm cho phôi ép chặt vào chày ngay từ ban đầu, tăng cƣờng sự ổn định của phôi [26], [42], [48], [49], [52], [64]. Ảnh hƣởng của áp suất ban đầu liên quan tới chiều cao chỗ phình của vật liệu, và sự uốn đảo chiều ở chỗ phình giữa chày và tấm chặn phơi. Khi áp suất ban đầu quá cao sẽ có 2 hiện tƣợng xuất hiện: Một là, vùng phình sẽ bị rách vì ứng suất kéo. Hai là, khơng kéo chỗ phình vào trong lịng cối đƣợc, vì độ bền là q thấp. sự uốn đi uốn lại ở chỗ phình ảnh hƣởng đến sự biến cứng vật liệu quanh mũi chày.
a) b)
Hình 1. 18. Mơ hình sử dụng áp suất ban đầu khi dập thủy cơ
Theo Wei Liu [74], q trình dập vuốt thủy cơ có áp suất ban đầu đƣợc sử dụng để loại bỏ hiện tƣợng nhăn bằng cách giảm ứng suất nén hƣớng tiếp trong vùng khơng tiếp xúc và tăng diện tích tiếp xúc giữa phơi và chày. Hơn nữa, áp suất ban đầu cao hơn có thể làm tăng thêm biến dạng dẻo hƣớng tiếp của vùng không tiếp xúc và ảnh hƣởng của hiện tƣợng phồng trƣớc gây kéo hai chiều mang lại khả năng chống nhăn tại vùng không tiếp xúc của phôi. Sự kéo căng này cịn gây ra sự kéo dài theo hƣớng kính và hấp thụ vật liệu thừa theo hƣớng xung quanh. Do đó, khi lực chặn tăng, sự kéo dài theo hƣớng kính cũng tăng lên, do đó kim loại thừa xung quanh bề mặt có thể đƣợc hấp thụ.
Áp lực chặn là một yếu tố có ảnh hƣởng quan trọng đến hiện tƣợng nhăn, biến mỏng và rách của sản phẩm [73]. Khi áp lực chặn quá nhỏ sẽ gây ra hiện tƣợng nhăn, nhƣng quá lớn sẽ gây hiện tƣợng rách phơi trong q trình dập vuốt nói chung và dập thủy cơ nói riêng. Z.Q. Sheng và cộng sự [68] đã tiến hành nghiên cứu mô phỏng số q trình dập thủy cơ chi tiết dạng cơn với lực chặn cố định và lực chặn thay đổi (hình 1.19a). Các kết quả nghiên cứu chỉ ra rằng khi dập với lực chặn thay đổi sẽ tạo hình đƣợc chi tiết có độ sâu lớn hơn so với lực chặn cố định (khoảng 9%). Đồng thời, sự phân bố chiều dày thành khi dập với lực chặn thay đổi đƣợc cải thiện rất nhiều so với lực chặn cố định (hình 1.19b).
a) b)
Hình 1. 19. Ảnh hƣởng của lực chặn khi dập thủy cơ
Trong dập thủy cơ, các thơng số hình học của dụng cụ cũng có ảnh hƣởng đáng kể đến khả năng tạo hình sản phẩm. Thực nghiệm chứng minh rằng rc = (5 8)so là giá trị hợp lý nhất khi dập vuốt thủy cơ, bởi vì khi rc < 5so thì sẽ làm tăng hệ số vuốt giới hạn do đó ở cuối giai đoạn dập dễ bị rách ở phần trụ gần chỗ chuyển tiếp của nó với vành, cịn nếu rc quá lớn sẽ tăng xác suất tạo nếp nhăn tại phần chuyển tiếp [89].
Trong các nghiên cứu của mình, tác giả А. С. Чаузов [86] đã đƣa ra nhận xét bán kính lƣợn của chày rch. Đó là, không đƣợc lấy rch quá nhỏ để
tránh rách phôi trong giai đoạn đầu, đồng thời nó khơng đƣợc q lớn dễ gây mất ổn định phơi. Thực tế bán kính lƣợn của chày tốt nhất là trong khoảng rch = (5 8)so và khi thiết kế cơng nghệ, bán kính lƣợn của chày luôn lấy nhỏ hơn bán kính lƣợn của cối (trừ ngun cơng cuối cùng) [11], [86].
Kết quả nghiên cứu về khe hở giữa chày và cối, tác giả В. И. Казаченок [87] đƣa ra khoảng giá trị làm việc của khe hở z giữa chày và cối trong dập thủy cơ là z = (1,2 1,1)so cho nguyên công vuốt thuỷ cơ đầu tiên và z = (1,5 1,2)so cho nguyên công vuốt thuỷ cơ tiếp theo. Khi cần sự phân bố bề dày thành một cách đồng đều nhất có thể chọn z = so.
Chiều dày vật liệu phôi cũng là một yếu tố có ảnh hƣởng rất mạnh đến q trình cơng nghệ và chất lƣợng sản phẩm. Theo [24], chiều dày vật liệu có ảnh hƣởng mạnh đến giá trị lực chặn và mức độ dập vuốt K. Lực chặn để loại bỏ nhăn sẽ phải tăng lên khi mà chiều dày phôi giảm.
Về quan hệ giữa chiều dày vật liệu phôi với áp suất chất lỏng tạo hình và sự phân bố chiều dày thành sản phẩm, Kurmar [22] chỉ ra rằng khi chiều dày vật liệu tăng thì áp suất tối thiểu để tạo hình cũng tăng và mức độ biến mỏng chiều dày thành chi tiết càng lớn (hình 1.20).
a) b)
4. Các nghiên cứu khác
Ngoài các vấn đề cơ bản trên, các nhà khoa học trên thế giới cũng đã tiến hành nghiên cứu một số hƣớng nhƣ: Giải pháp nâng cao mức độ biến dạng của vật liệu; hình dạng sản phẩm…
- Về việc nghiên cứu các giải pháp nâng cao mức độ biến dạng của vật liệu: Huseyin Selcuk Halkaci và các cộng sự [41] đã đề xuất mơ hình dập thủy cơ có gân vuốt nơng kết hợp với phồng (hình 1.21) nhằm nâng cao khả năng biến dạng của vật liệu AA5754-O.
Hình 1. 21. Dập có gân vuốt nơng
Theo mơ hình này, phần lớn diện tích vành đƣợc tăng bền cơ học do sự uốn duỗi liên tục của phơi. Bên cạnh đó mép ngồi của vành đƣợc tác động bởi một lực nén do áp suất chất lỏng chủ động tạo ra làm tăng khả năng biến dạng khi phôi đƣợc kéo vào trong cối. Để khảo sát mơ hình, các tác giả tiến hành xét ảnh hƣởng của sự thay đổi chiều rộng của gân (hình 1.22a) tại một chiều sâu nhất định đến khả năng biến dạng và sự thay đổi bề dày thành sản phẩm.
Các kết quả mô phỏng và thực nghiệm cho thấy khi chiều rộng của gân càng lớn thì mức độ đồng đều thành càng cao. Tại chiều rộng gân là 23 mm, cho mức độ đồng đều thành là tốt nhất (hình 1.22b). Kết quả nghiên cứu đã khẳng định, tại giá trị tối ƣu của gân, mơ hình này đã cho mức độ dập vuốt của vật liệu AA5754-O đƣợc tăng từ 2,65 lên 2,787.
a) b)
Hình 1. 22. Ảnh hƣởng của gân vuốt nông đến mức độ biến dạng
Một trong những giải pháp nâng cao khả năng biến dạng của vật liệu trong quá trình dập vuốt thủy cơ đó là dập có nung nóng cục bộ [26], [56] (hình 1.23).
Hình 1. 23. Dập thủy cơ có nung nóng cục bộ
Phƣơng pháp này áp dụng khi tạo hình vật liệu khó biến dạng nhƣ hợp kim Nhôm và hợp kim Magiê. Theo cách này, toàn bộ phần vành đƣợc gia nhiệt đến nhiệt độ xác định (250oC đối với hợp kim nhôm và 200oC đối với hợp kim Magiê). Nhiệt độ chất lỏng trong buồng áp sẽ đƣợc duy trì cao hơn nhiệt độ phịng. Trong khi đó chày và phần mép lƣợn của vành cối luôn đƣợc làm lạnh để đảm bảo sau khi vật liệu đƣợc kéo vào trong cối (tạo hình phần trụ) sẽ nguội nhanh làm tăng độ bền kéo, giảm thiểu nguy cơ phá hủy ở phần
trụ do biến mỏng quá mức. Bằng thực nghiệm đã chứng minh đƣợc mức độ biến dạng của vật liệu có thể đạt tới 3,0 trong khi dập bằng phƣơng pháp thơng thƣờng có gia nhiệt đối với vật liệu này cũng chỉ nhận đƣợc mức độ biến dạng là 1,8 [26].
- Về việc nghiên cứu hình dạng sản phẩm trong q trình tạo hình: Một trong
những khía cạnh để đánh giá tính ƣu việt của cơng nghệ dập thủy cơ, ngay từ ban đầu ngồi các chi tiết có hình dạng điển hình nhƣ hình trụ, các nhà khoa