VIỆN MÁY VÀ DỤNG CỤ CÔNG NGHIỆP

BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI

NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ, THIẾT KẾ CHẾ TẠO HỆ
THỐNG KHUÔN DẬP CẶP CHI TIẾT DẠNG TẤM MỎNG
BẰNG NGUỒN CHẤT LỎNG ÁP SUẤT CAO

CNĐT: ĐINH VĂN DUY
9064 HÀ NỘI – 2011

Viện IMI
Ths CTM
Nguyễn Phương Chi
Nghiên cứu viên
Viện IMI
KS CĐT
Nguyễn Trí Đồng Nghiên cứu viên
Viện IMI
KS TĐH 2

TÓM TẮT TÌNH HÌNH THỰC HIỆN ĐỀ TÀI
I. Thực hiện nội dung nghiên cứu:
Sau thời gian nghiên cứu triển khai đề tài từ 01/01/2011 đến 30/11/2011,
nhóm nghiên cứu đã thực hiện được những nội dung chính sau:
+ Nghiên cứu tổng quan về công nghệ tạo hình thủy lực
-Lịch sử phát triển
-Nghiên cứu các phương pháp trong công nghệ dập thủy lực: Phương
pháp dập thủy cơ, phương pháp dập thủy tĩnh phôi ố
ng, phôi tấm
-Các thiết bị sử dụng trong hệ thống dập tạo hình thủy lực
+ Nghiên cứu cơ sở lý thuyết chung của quá trình dập thủy tĩnh phôi tấm
là cơ sở cho việc thiết kế khuôn. Nội dung nghiên cứu lý thuyết bao gồm:
-Nghiên cứu những vấn đề chung của phương pháp dập thủy tĩnh phôi
tấm
-Nghiên cứu cơ sở lý thuyết trường hợp dập vuốt không d
ịch chuyển
mặt bích


Ths. Đinh Văn Duy
Mục lục
I. TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ TẠO HÌNH THỦY LỰC 7
I.1 Vài nét về lịch sử phát triển của phương pháp tạo hình thủy lực.7
4

I.1.1
Tình hình nghiên cứu trong nước 7
I.1.2 Tình hình nghiên cứu ở nước ngoài 8
I.2 Công nghệ, thiết bị và ứng dụng của phương pháp dập tạo hình
thủy lực (Hydroforming) 11

I.2.1 Phương pháp dập thủy cơ (Hydromechanical deep drawing)11
I.2.1.1 Khái niệm và đặc điểm 11
I.2.1.2 Sự khác biệt giữa dập thủy cơ và dập vuốt thông thường
(chày cứng – cối cứng): 13

I.2.1.3 Các phương pháp dập thủy cơ 17
I.2.1.4 Một số hình ảnh về ứng dụng của phương pháp dập thủy
cơ 18


III.1 Phương pháp dập tạo hình cặp phôi tấm bằng nguồn chất lỏng
áp suất cao (dập tạo hình thủy tĩnh cặp phôi tấm) 71

III.2 Thiết kế công nghệ dập cặp chi tiết dạng tấm mỏng bằng nguồn
chất lỏng áp suất cao. 72

III.2.1 Dập bằng phương pháp thông thường (chày cứng – cối cứng)
73

III.2.2 Dập bằng phương pháp dập thủy thủy tĩnh cặp vật liệu tấm74
III.3 Tính toán công nghệ trong dập cặp chi tiết dạng tấm mỏng bằng
nguồn chất lỏng áp suất cao. 75

III.3.1 Tính toán phôi 75
III.3.2 Áp suất chất lỏng 75
III.3.3 Lực chặn phôi 76
III.3.4 Bán kính lượn của cối r
c
76
III.3.5 Tính toán thiết bị chặn thủy lực 77
III.3.6 Kiểm nghiệm độ bền tấm chặn 81
III.3.7 Thiết kế, lựa chọn hệ thống thủy lực của bộ khuôn 82
6

III.3.7.1
Hệ thống tăng áp 82
III.3.7.2 Xây dựng các phần tử thuỷ lực của bộ nguồn cấp xilanh
85


dụng nguồn chất lỏng áp cao vẫn chưa được nghiên cứu một cách tổng quát
cũng như ứng dụng vào thực tế sản xuất tại Việt Nam. Đề tài “Nghiên cứu
công nghệ
, thiết kế chế tạo hệ thống khuôn dập cặp chi tiết dạng tấm mỏng
bằng nguồn chất lỏng áp suất cao” có ý nghĩa thực tiễn và lý thuyết cao. Nội
dung thực hiện của đề tài là:
- Nghiên cứu công nghệ, thiết bị và ứng dụng của phương pháp dập bằng
chất lỏng
- Nghiên cứu thiết kế hệ thống khuôn dập bằng nguồn chất lỏng áp suất
cao dập cặp chi tiết có dạng tấm mỏng (Một giá trị chiều dày tấm trong
khoảng 0,5 -:- 1,5 mm).
- Chế tạo hệ thống khuôn và dập thử nghiệm
Nhóm đề tài hy vọng, thông qua việc thực hiện đề tài s
ẽ từng bước làm
chủ việc thiết kế hệ thống khuôn dập bằng nguồn chất lỏng áp cao, đặc biệt là
đối với các dạng cặp chi tiết dạng tấm mỏng, góp phần nâng cao tỷ lệ nội địa
hóa các mặt hàng công nghiệp trong nước, giúp các doanh nghiệp chủ động
về công nghệ, chế tạo các dạng chi tiết đặc biệt từ phôi tấm và phôi ống.
Nhóm thự
c hiện đề tài
CÁC NỘI DUNG CHÍNH
I. TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ TẠO HÌNH THỦY LỰC
I.1Vài nét về lịch sử phát triển của phương pháp tạo hình thủy lực
I.1.1Tình hình nghiên cứu trong nước
8

Ở Việt Nam công nghệ dập bằng môi trường chất lỏng mới ở giai đoạn

ụng 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
9

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 tạ
o 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 và thủy tĩnh. Điều này
chứng tỏ dập tạo hình thủy lực đang thu hút sự quan tâm chú ý của các nước
công nghi
ệp 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 dạng cấu trúc nhẹ
ngày càng tăng đòi hỏi công nghệ tạo hình phải đáp ứng cho nó. 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 trư
ng 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 h
ợp riêng biệt ở quá khứ mặc dù những

Dập tạo hình thủy lực là công nghệ sử dụng nguồn chất lỏng công tác có
áp suất cao tác dụng trực tiếp vào phôi tấm hoặc phôi ống để tạo hình chi tiết.
Chất lỏng công tác được sử dụng ở đây có thể là dầu, nước hoặc emunxi. Hình 1.1 Phân loại các phươ
ng pháp dập tạo hình thủy lực
I.2.1Phương pháp dập thủy cơ (Hydromechanical deep drawing)
I.2.1.1Khái niệm và đặc điểm
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.
Dập tạo hình thủy lực
(Hydroforming)
Dập tạo hình thủy lực
p
hôi tấm
Dập tạo hình thủy lực phôi
ốn
g
(


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 P
0
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.
13

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), phôi không tiếp xúc với góc lượn cối nên
chất lượng bề mặt tốt hơn, đồng thời chiều dày thành cũng đồng đều hơn.
I.2.1.2Sự khác biệt giữa dập thủy cơ và dập vu
ốt thông thường (chày cứng –
cối cứng):

nén σ
3
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.
c. 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 (m
ột chiều kéo).
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.
d. 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 σ
3
= q, còn các thành phần biến dạng đều có giá
15

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.
e. Phần đáy chày (phôi tiếp xúc với đáy của chày dập vuốt): Phần này
nằm trong trạng thái ứng suất đơn σ
3
= q, các thành phần ứng suất chính khác

biến dạng của phôi dập chủ yếu nằm trong trạng thái ứng suất nén. Chính vì
thế mà khả n
ăng biến dạng dẻo của vật liệu được tăng lên và đặc biệt thành
phần ứng suất σ
3
luôn ép phôi vào bề mặt của chày nên làm giảm sự trượt
tương đối giữa phôi và chày.
*Ưu nhược điểm của phương pháp dập thủy cơ
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 b
ộ
- Ma sát tiếp xúc thấp hơn và bôi trơn tốt hơn
17

- 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 th
ể tạo hình những chi tiết mà không thể thực hiện được bằng tạo
hình truyền thống…
Lợi thế chủ yếu của dập thủy cơ 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.

Hình 1.8. Chi tiết mui ôtô
b) Các sản phẩm của động cơ phản lực và máy bay:

Hình 1.9. Các sản phẩm của động cơ phản lực và máy bay

I.2.2Phương pháp dập thủy tĩnh phôi tấm (Internal high pressure sheet
metal forming; Hydrostatic forming)
I.2.2.1Tổng quan về công nghệ dập thủy tĩnh phôi tấm
Hiện nay, công nghệ dập thuỷ tĩnh (CNDTT) ở nước ta chắc chắn vẫn còn
rất mới mẻ với mọi người mà ngay cả nhiều người chuyên làm trong lĩnh vực
cơ khí. Trên thế giới đã có nhiều quốc gia áp d
ụng công nghệ dập thuỷ tĩnh
trong lĩnh vực sản xuất, chế tạo cơ khí và đã thu được nhiều kết quả khả quan.
Nó làm tiền đề cho việc phát triển công nghệ chế tạo các chi tiết cơ khí gọn
nhẹ, tiết kiệm kim loại trong hầu hết các phương tiện, máy móc nhằm làm
giảm tiêu tốn năng lượng ở mức tối đa.
20

Công nghệ dập thuỷ tĩnh là một trong những phương pháp gia công áp lực
đặc biệt: sử dụng áp lực chất lỏng rất cao ở trong lòng phôi kết hợp với các
lực biên phù hợp để làm biến dạng dẻo phôi theo một lòng khuôn.
Đối tượng của CNDTT là các loại phôi tấm hoặc phôi ống. Với các loại
phôi tấm thì quá trình tạo hình bằng công nghệ dập thủy tĩnh thực chất giống
với quá trình dậ
p vuốt phôi tấm trong gia công áp lực. Ưu điểm chính so với
dập vuốt thông thường là chỉ cần biên dạng của cối còn chất lỏng đóng vai trò
là chày, và tạo hình các chi tiết ngóc ngách rất phức tạp mà công nghệ dập
vuốt truyền thống không làm được.
l
a
nk
)

21 Hình 1.11. Sơ đồ quá trình tạo hình
Nguyên lý của quá trình dập thủy tĩnh phôi đơn:
Đưa phôi vào khuôn dập Phôi được kẹp chặt nhờ cơ cấu chặn phôi Chất lỏng cao áp được bơm vào lòng cối Dập vuốt thủy tĩnh
(Chất lỏng cao áp tác dụng vào bề mặt của phôi làm cho phôi biến dạng
trong lòng cối)

Đưa chi tiết đã được dập ra ngoài.
22

Theo phương pháp dập tạo hình thủy tĩnh phôi đơn thì chày chất lỏng sẽ
tạo hình sản phẩm theo lòng cối, còn trong dập vuốt thủy cơ thì chày cứng và
cối là chất lỏng, sản phẩm sẽ được tạo hình theo biên dạng của chày.
* Ưu nhược điểm của công nghệ dập thủy tĩnh phôi đơn

Bước 1. Cặp phôi tấm được đưa vào cối và kết nối với cơ cấu cấp chất
lỏng cao áp

Bước 2. Phôi được chặn nhờ bộ chặn phôi và chất lỏng cao áp được đưa
vào giữa hai phôi để tạo hình thủy tĩnh

Bước 3. Sử dụng phương pháp hàn Laser để hàn cặp phôi với nhau (Tùy
sản phẩm có thể không hàn)
Phôi 1
Cơ cấu cấp
chất lỏng áp cao
Phôi 2
Chặn phôi
Lòng khuôn
Lòng khuôn
24 Bước 4. Tiếp tục bơm chất lỏng cao áp để hoàn thành việc tạo hình

Bước 5. Lấy sản phẩm ra khỏi lòng cối
Ngoài những ưu điểm - nhược điểm chung của phương pháp dập thủy
tĩnh, phương pháp dập thủy tĩnh đối với cặp phôi tấm so với phôi đơn có
những ưu điểm sau:
-Nâng cao năng suất dập
-Giảm chi phí chế tạo khuôn
-Có thể dập được các chi tiết rỗng đối xứng hoặc không
đối xứng có hình
dạng phức tạp chỉ sau một lần dập mà các phương pháp khác không thể
thực hiện được