BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT

HỌC VIỆN NÔNG NGHIỆP VIỆT NAM
*********

NGUYỄN THỊ THU TRANG

NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ DẬP TẠO HÌNH CHI TIẾT
DẠNG VỎ MỎNG BẰNG NGUỒN CHẤT LỎNG CAO ÁP

LUẬN VĂN THẠC SĨ

HÀ NỘI, NĂM 2015


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT

HỌC VIỆN NÔNG NGHIỆP VIỆT NAM
*********

NGUYỄN THỊ THU TRANG

NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ DẬP TẠO HÌNH CHI TIẾT
DẠNG VỎ MỎNG BẰNG NGUỒN CHẤT LỎNG CAO ÁP

LUẬN VĂN THẠC SĨ


chất lỏng cao áp”.
Tôi xin được bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới PGS .TS Phạm Văn Nghệ, cùng
TS. Tống Ngọc Tuấn đã trực tiếp hướng dẫn tôi trong suốt quá trình thực hiện đề
tài.
Tôi xin được gửi lời cảm ơn chân thành đến các anh chị đồng nghiệp trong
Bộ môn Công nghệ Cơ khí, Khoa Cơ Điện, Học viện Nông nghiệp Việt Nam, Bộ
môn Gia công áp lực, Viện Cơ khí, Đại học Bách khoa Hà Nội và Bộ môn Gia công
áp lực, Khoa Cơ khí, Học viện Kỹ thuật Quân sự đã giúp đỡ, tạo điều kiện cho tôi
về thời gian, cơ sở vật chất, trang thiết bị để tôi thực hiện đề tài này.
Tôi cũng xin được cảm ơn Ban Chủ Nhiệm Khoa Cơ Điện và Ban Quản lý
Đào tạo, Học viện Nông nghiệp Việt Nam đã tạo điều kiện thuận lợi cho tôi trong
quá trình thực hiện luận văn.
Tôi xin chân thành cảm ơn !
Hà Nội, ngày 30 tháng 01 năm 2015
Tác giả

Nguyễn Thị Thu Trang

Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn Thạc sỹ Khoa học Kỹ thuật

Page ii


MỤC LỤC
Trang
Lời cam đoan........................................................................................................i
Lời cảm ơn ......................................................................................................... ii
Mục lục ............................................................................................................. iii
Danh mục bảng .................................................................................................. vi
Danh mục hình ..................................................................................................vii

2.1.5. Thời gian nghiên cứu .............................................................................. 24
2.2.

Vật liệu, thiết bị công nghệ ..................................................................... 24

2.2.1. Vật liệu chế tạo ...................................................................................... 24
2.2.2. Thiết bị dập thủy cơ ................................................................................ 25

Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn Thạc sỹ Khoa học Kỹ thuật

Page iii


Chương 3. CƠ SỞ LÝ THUYẾT CÔNG NGHỆ DẬP THỦY CƠ ................... 27
3.1.

Quá trình biến dạng dẻo kim loại ............................................................ 27

3.2.

Những nhân tố ảnh hưởng tới qúa trình biến dạng dẻo ............................ 28

3.2.1. Ảnh hưởng của nhiệt độ .......................................................................... 28
3.2.2. Ảnh hưởng của trạng thái ứng suất chính ................................................ 28
3.2.3. Ảnh hưởng của ứng suất dư .................................................................... 29
3.2.4. Ảnh hưởng của ma sát ngoài ................................................................... 29
3.2.5. Ảnh hưởng của thành phần hoá học và tổ chức kim loại ......................... 29
3.2.6. Ảnh hưởng của tốc độ biến dạng ............................................................. 30
3.3.



Mô phỏng quá trình tạo hình bằng phần mềm Eta/Dynaform .................. 53

4.2.1. Các bước thực hiện bài toán mô phỏng ................................................... 53
4.2.2. Xây dựng kế hoạch mô phỏng................................................................. 56
4.2.3. Xây dựng mối quan hệ giữa áp suất và góc côn....................................... 57
4.2.5. Xây dựng mối quan hệ góc côn và độ biến mỏng chi tiết. ....................... 63
Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn Thạc sỹ Khoa học Kỹ thuật

Page iv


4.3.

Bài toán thực nghiệm dập thủy cơ chi tiết dạng côn ................................ 71

4.3.1. Phương án thí nghiệm ............................................................................. 71
4.3.2. Phân tích, đánh giá kết quả thực nghiệm ................................................. 72
4.3.

Kết luận chương 4................................................................................... 82

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ........................................................................... 83
1.

Kết luận .................................................................................................. 83

2.

Kiến nghị ................................................................................................ 83


Page vi


DANH MỤC HÌNH
TT

Tên hình

Trang

Hình 1.1.

Một số dạng sản phẩm điển hình của công nghệ gia công áp lực .......... 2

Hình 1.2.

Một số sơ đồ nguyên lý quá trình dập thủy lực ..................................... 4

Hình 1.3.

Sơ đồ dập thủy tĩnh từ phôi tấm (a) và phôi ống (b) ............................. 7

Hình 1.4.

Một số dạng sản phẩm dập thủy tĩnh từ phôi tấm và phôi ống .............. 8

Hình 1.5.

Sơ đồ dập xung điện thủy lực ............................................................... 8


Hệ thống ép biên. ............................................................................... 25

Hình 2.3.

Sơ đồ nguyên lý hệ thống cấp chất lỏng cao áp. ................................. 26

Hình 2.4.

Hệ thống đo áp suất chất lỏng và áp lực ép biên ................................. 26

Hình 3.1.

Đồ thị quan hệ giữa lực và biến dạng ................................................. 27

Hình 3.2.

Các trạng thái ứng suất ....................................................................... 28

Hình 3.3.

Sơ đồ trạng thái ứng suất - biến dạng của dập vuốt thông thường ....... 31

Hình 3.4.

Sơ đồ trạng thái ứng suất biến dạng của dập thủy cơ .......................... 31

Hình 3.5.

Sơ đồ tính toán lực ma sát trên đáy phôi ............................................. 43

Hình 4.6.

Cối dập thủy cơ .................................................................................. 53

Hình 4.7.

Mô hình mô phỏng. ............................................................................ 54

Hình 4.8.

Thông số vật liệu và đường cong ứng suất của vật liệu ....................... 54

Hình 4.9.

Chia lưới các phần tử ......................................................................... 55

Hình 4.10. Cài đặt các thông số cho phôi ............................................................. 56
Hình 4.11. Cài đặt các thông số cho chày, cối và ép biên ..................................... 56
Hình 4.12. Hình ảnh phân vùng chi tiết ở những vị trí khác nhau......................... 57
Hình 4.13. Các thông số kích thước cần thiết cho mô phỏng. ............................... 57
Hình 4.14. Sản phẩm dập với áp suất pcl=0 Mpa và Peb=90000 kN. ..................... 58
Hình 4.15. Sản phẩm dập với áp suất pcl=20 Mpa và Peb= 90000 kN. .................. 58
Hình 4.16. Sản phẩm dập với áp suất pcl=35 Mpa và Peb=90000 kN. ................... 59
Hình 4.17. Sản phẩm dập với peb=0 Mpa và Peb=90000 kN.................................. 59
Hình 4.18. Sản phẩm dập với pcl= 20 Mpa và Peb= 90000 kN. ............................. 60
Hình 4.19. Sản phẩm dập với pcl= 30 Mpa và Peb= 90000 kN. ............................. 60
Hình 4.20. Sản phẩm dập với pcl=0 Mpa và Peb=90000 kN. ................................. 61
Hình 4.21. Sản phẩm dập với pcl=20 Mpa và Peb= 90000 kN. .............................. 61
Hình 4.22. Sản phẩm dập với pcl=35 Mpa và Peb=90000 kN. ............................... 62
Hình 4.23. Đồ thị về mối quan hệ giữa áp suất và góc côn. .................................. 63

Hình 4.45. Hình dạng và kích thước bán thành phẩm sau lần dập thứ hai............. 80

Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn Thạc sỹ Khoa học Kỹ thuật

Page ix


LỜI NÓI ĐẦU
Phát triển đất nước trên con đường công nghiệp hoá, hiện đại hoá đòi hỏi
chúng ta phải có một nền khoa học, công nghệ tiên tiến. Do vậy, việc nghiên cứu,
ứng dụng và phát triển những lĩnh vực công nghệ mới đang là một ưu tiên trong
chính sách khoa học, công nghệ của nước ta.
Công nghệ dập thủy lực (một trường hợp riêng của công nghệ gia công áp lực)
là công nghệ nhờ nguồn chất lỏng áp suất cao – môi trường gây biến dạng để chế
tạo các chi tiết vỏ mỏng có hình dạng phức tạp. Nhiều nước trên thế giới đang áp
dụng có hiệu quả công nghệ này. Tuy nhiên, ở Việt Nam, dập thủy lực mới đang
trong giai đoạn bắt đầu tìm hiểu công nghệ. Thực tế cho thấy, số doanh nghiệp đang
ứng dụng công nghệ dập thủy lực vào trong sản xuất còn rất ít và chủ yếu dựa vào
kinh nghiệm. Đồng thời, việc đưa các môn học thuộc lĩnh vực này vào trong đào tạo
tại các trường Đại học, Cao đẳng và Trung học chuyên nghiệp vẫn chưa thực sự
được quan tâm.
Xuất phát từ những lý do trên, dưới sự hướng dẫn của PGS.TS. Phạm Văn
Nghệ và TS. Tống Ngọc Tuấn, tôi đã lựa chọn đề tài: “Nghiên cứu công nghệ dập
tạo hình chi tiết dạng vỏ mỏng bằng nguồn chất lỏng cao áp”.
Với mục tiêu làm rõ các vấn đề cơ sở khoa học về công nghệ dập thủy lực,
khảo sát sự ảnh hưởng của một số yếu tố công nghệ đến chất lượng sản phẩm sau
dập. Để từ đó ứng dụng phương pháp công nghệ mới này vào trong sản xuất cơ khí
tại Việt Nam nói chung và trong đào tạo tại Học viện Nông nghiệp Việt Nam nói
riêng.
Đề tài gồm 4 chương, nội dung cụ thể của các chương như sau:


1.1. Tổng quan về công nghệ dập thủy lực
1.1.1. Sự phát triển của công nghệ dập thủy lực
Công nghệ dập thủy lực (công nghệ tạo hình bằng nguồn chất lỏng cao áp)
được xuất hiện từ cuối những năm 1940 và đầu những năm 1950. Tuy nhiên, lúc
này mới chỉ là bước đầu đi vào tìm hiểu nên nó chưa được áp dụng rộng rãi.
Năm 1975, công nghệ dập thủy lực này được chú trọng và phát triển nhanh
chóng cùng với trang thiết bị hiện đại. Một số nghiên cứu cho thấy những ưu điểm
của phương pháp này :
Mclintock (năm 1968), Rice và Tracey (năm 1969) đã bắt tay vào nghiên
cứu về phôi kim loại tấm và họ chứng minh được rằng sự phá hủy của tổ chức kim
loại giảm nhanh khi áp dụng phương pháp dập bằng chất lỏng.
Clift Hartley, Sturgess và Rowe (năm 1990), Pillinger (năm 1992), đã chứng
minh rằng khi chuốt, kéo phôi kim loại tấm bằng áp suất chất lỏng sẽ giảm thiểu
được sự phá hủy tổ chức kim loại cũng như việc xuất hiện các tế vi của vật liệu kim
loại.
Công nghệ dập thuỷ lực là phương pháp tạo hình vật liệu có sử dụng nguồn
chất lỏng áp suất cao kết hợp với chuyển động cơ khí của chày hoặc cối do máy tạo
ra. Bản chất của phương pháp là, dưới tác dụng của môi trường chất lỏng áp suất
cao kết hợp với dụng cụ cứng gây biến dạng vật liệu và tạo điều kiện thuận lợi cho
sự biến dạng, nhất là những chi tiết có hình dáng phức tạp và tấm vật liệu làm bằng
kim loại khó biến dạng.
Tại các nước công nghiệp phát triển từ lâu đã áp dụng công nghệ này vào
trong sản xuất ở nhiều lĩnh vực khác nhau. Tuy nhiên, tại Việt Nam, việc tính toán
công nghệ dập thủy lực chưa được nghiên cứu, thiết kế một cách tổng quát mà chủ
yếu dựa vào kinh nghiệm.
Với mục tiêu trở thành một nước công nghiệp vào năm 2020, thì để thực hiện
được mục tiêu đó cần áp dụng khoa học công nghệ hiện đại đẩy mạnh nền kinh tế.
Do đó, vấn đề nghiên cứu và ứng dụng công nghệ dập thuỷ lực là hết sức cần thiết
trong giai đoạn hiện nay.

Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn Thạc sỹ Khoa học Kỹ thuật

Page 4


có ma sát tiếp xúc giữa bề mặt phôi và cối (bề mặt phôi và cối đều tiếp xúc với chất
lỏng công tác) nên đảm bảo kim loại chảy đều theo tiết diện ngang của phôi, và do
đó thực sự không còn phần “ép dư”. Việc khử được tác động có hại của ma sát tiếp
xúc trong quá trình dập thuỷ lực còn cho phép đảm bảo biến dạng đồng đều ở mức
cao nhất và thực sự khử được tác động của các ứng suất kéo phụ xuất hiện ở các lớp
gần bề mặt phôi như xảy ra trong quá trình dập thông thường.
Khử hoặc làm giảm ảnh hưởng có hại của ma sát tiếp xúc giữa phôi và dụng
cụ gây biến dạng. Điều này cùng với sự gia tăng tính dẻo của kim loại do được đặt
trong môi trường áp suất thủy tĩnh cho phép tạo hình chế tạo được các chi tiết có
hình dáng phức tạp, những chi tiết cần có mức độ biến dạng lớn, từ những vật liệu
khác nhau, đặc biệt là các vật liệu giòn, khó biến dạng hoặc có nhiệt độ nóng chảy
cao như các hợp kim của Ti, Mo, W, V…
Tuổi thọ của dụng cụ tăng đáng kể và do đó giảm không ít vật liệu làm dụng
cụ bởi có thể thực hiện gia công ở điều kiện nhiệt độ không cao và dụng cụ tiếp xúc
trực tiếp với chất lỏng cao áp - đóng vai trò thứ hai là chất bôi trơn. Hơn nữa, bộ
khuôn tạo hình có tính đa năng cao, khi chế tạo các chi tiết cùng loại hình dáng,
kích thước chỉ cần thay thế chày hoặc cối (dụng cụ mang hình dáng, kích thước của
sản phẩm tùy theo phương pháp biến dạng) và dụng cụ chặn phôi. Điều này giúp
giảm các chi phí làm khuôn và nâng cao hiệu quả kinh tế của phương pháp này.
Khi dập thủy lực cho phép nhận được sản phẩm có biến dạng tùy ý với chất
lượng cơ - lý cao như độ chính xác kích thước cao, độ nhám bề mặt có thể tới
Ra1,25 ÷ Ra0,63.
Cải thiện điều kiện vệ sinh công nghiệp do có thể tiến hành gia công ở trạng
thái nguội, không có tác động của nhiệt độ cao, ồn và rung cũng như không có sự
tạo thành các ôxít độc hại, ảnh hưởng đến sức khoẻ của công nhân.

- Dạng của phôi: Có các loại phôi không gian, phôi ống và phôi tấm.
- Bản chất của quá trình biến dạng: Có các phương pháp dập thể tích; cắt đột;
dập vuốt; tóp và dãn phôi ống; ép chảy thuỷ tĩnh.
- Đặc điểm tác động của áp suất thuỷ tĩnh (nén đều ba chiều; nén có đối áp;
nén có lực phụ…)
Trên cơ sở các dấu hiệu trên, hiện nay có các phương pháp gia công thuỷ lực
cơ bản sau: phương pháp dập thủy tĩnh, phương pháp dập xung điện thủy lực và
phương pháp dập thủy cơ.

Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn Thạc sỹ Khoa học Kỹ thuật

Page 6


a) Phương pháp dập thủy tĩnh (Hydrostatic)
Dập (ép) thủy tĩnh là một phương pháp tạo hình sử dụng áp lực chất lỏng làm
chày, biến dạng phôi để có hình dáng kích thước như của cối. Trong ép thủy tĩnh
còn có thể phân thành: ép thủy tĩnh tấm và ép thủy tĩnh ống.
Ép thủy tĩnh tấm (hình 1.3a): Khi chịu áp lực của chất lỏng, tấm kim loại bị
biến dạng, sau đó, khi chạm vào thành đáy cối, chúng hình thành hình dáng sản
phẩm.
Ép thủy tĩnh ống (hình 1.3b): tương tự, phôi có dạng ống, khi chịu áp lực cao bên
trong, ống biến dạng và hình thành sản phẩm theo hình dáng của khuôn.

a)

b)
Hình 1.3. Sơ đồ dập thủy tĩnh từ phôi tấm (a) và phôi ống (b)
Sản phẩm dập bằng phương pháp thủy tĩnh rất phong phú và nhiều chủng loại
(hình 1.4).

Dập thủy cơ là phương pháp tạo hình vật liệu có sử dụng nguồn chất lỏng áp
suất cao kết hợp với chuyển động cơ khí của chày do máy tạo ra (hình 1.7) .

Hình 1.7. Sơ đồ dập thủy cơ
Sản phẩm từ công nghệ dập thủy cơ có mặt trong rất nhiều lĩnh vực để phục
vụ cho nhu cầu ngày càng cao của xã hội (hình 1.8).

Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn Thạc sỹ Khoa học Kỹ thuật

Page 9


Hình 1.8. Một số dạng sản phẩm ứng dụng của dập thủy cơ
Trong những năm gần đây, công nghệ dập thủy cơ có xu hướng thay thế dần
các công nghệ dập tạo hình thông thường bằng chày cứng, cối cứng và được ứng
dụng rộng rãi trong việc tạo hình các chi tiết vỏ mỏng có hình dạng phức tạp, do
những ưu điểm nổi bật . Dập vuốt thủy cơ cũng được ứng dụng để dập vuốt ngược
phôi có dạng cốc, vì trong quá trình này phôi không bị mất ổn định trên phần thành
trụ của phôi do phôi luôn có xu hướng bám vào bề mặt ngoài của cối, nhờ vậy
không cần chặn phôi.
Tuy nhiên ở Việt Nam, việc nghiên cứu, ứng dụng công nghệ dập thủy cơ
vẫn chủ yếu dựa vào kinh nghiệm và việc tính toán vẫn chưa được nghiên cứu tổng
quát. Do vậy, trong luận văn của mình, tác giả đã đi tìm hiểu, nghiên cứu cụ thể về
công nghệ dập thủy cơ.

Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn Thạc sỹ Khoa học Kỹ thuật

Page 10



Page 11


Cơ chế của quá trình dập vuốt thuỷ cơ có nhiều điểm tương đồng với cơ chế
của quá trình dập vuốt thông thường. Điểm khác biệt cơ bản mang tính nguyên tắc
của quá trình dập vuốt thuỷ cơ so với dập vuốt thông thường là quá trình biến dạng
của phôi được diễn ra trong điều kiện mặt bích phôi dịch chuyển bị thay đổi và có
áp suất thuỷ tĩnh cao tác dụng từ phía dụng cụ biến dạng.
Sau khi đóng mạch điều khiển, chày và vòng chặn phôi dịch chuyển xuống
dưới, phôi được kẹp chặt bằng lực nhất định.
Không gian ép tạo thành ở phần dưới của khuôn được che kín hoàn toàn bằng
phôi. Khi chày tiếp tục đi xuống nén chất lỏng trong buồng chứa làm hình thành
một áp suất, giá trị áp suất này được điều chỉnh bởi van điều chỉnh áp suất
Để tạo điều kiện thuận lợi của quá trình biến dạng của kim loại thì áp suất thuỷ
tĩnh phải tăng từ từ trong quá trình dập vuốt đến một giá trị nhất định nào đó (từ 0
đến 35 - 40 MPa khi dập chi tiết bằng nhôm; từ 0 đến 60 - 100 MPa khi dập các chi
tiết bằng thép) . Giá trị áp suất này phải đảm bảo khoá chặt các phần của phôi có
tiếp xúc với cối cứng, bằng lực ma sát tác dụng giữa chày và phôi.
1.2.2. Ưu nhược điểm của công nghệ dập thủy cơ
a) Ưu điểm
- Trong quá trình tạo hình xuất hiện chất lỏng có áp suất cao, tác dụng vào bề
mặt phôi làm cho biến dạng vật liệu đồng đều, giảm hiện tương biến mỏng cục bộ,
tăng khả năng biến dạng của vật liệu (nâng cao hệ số dập vuốt).
- Hình thành màng dầu bôi trơn thủy động giữa phôi và dụng cụ gia công
- Khe hở chày – cối trong dập thủy cơ co thể lớn hơn nhiều so với dập vuốt
thông thường.
- Có thể sử dụng một cối chất lỏng cho nhiều chi tiết khác nhau.
- Giảm đáng kể lực ma sát có hại giữa phôi và dụng cụ.
- Số lượng các nguyên công cũng được giảm. Nếu như dập vuốt các chi tiết
hình nón hoặc parabol bằng phương pháp thông thường đòi hỏi phải mất một số

mặt ngoài lớn (như mui xe, các cánh cửa hoặc nắp máy) thường tạo cho chúng khả
năng chống lại vết lồi lõm kém. Đó là do ở phần giữa của chi tiết có độ biến dạng
thấp. Độ cứng thành phần thấp gây ra ảnh hưởng tiêu cực tới khả năng chống va đập
của các phương tiện. Nhờ sử dụng công nghệ tạo hình thuỷ cơ thì các chi tiết sẽ có
khả năng phân bố ứng suất tạo hình đồng nhất và do đó sẽ nâng cao được độ bền chi
tiết. Hình 1.10 là một số dạng chi tiết của ô tô được chế tạo bằng phương pháp dập
thủy cơ.

Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn Thạc sỹ Khoa học Kỹ thuật

Page 13


Hình 1.10. Sản phẩm dập thủy cơ một số chi tiết của ô tô
Ngày nay dập sâu thuỷ cơ là một giải pháp hữu hiệu để chế tạo các chi tiết
máy hoặc trong lĩnh vực chế tạo mẫu. Các chi tiết được sản xuất bằng công nghệ
này rất đa dạng bao gồm từ những chi tiết dạng khung, dầm làm bằng thép chịu lực
cao, cho tới các chi tiết bằng nhôm có diện tích mặt ngoài lớn. Đồng thời, phương
pháp này cũng rất phù hợp trong trường hợp dập vuốt các chi tiết có hình dáng phức
tạp không đối xứng và dập vuốt sâu các chi tiết đối xứng như trụ, cầu, parabol…,
ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau như y tế, quốc phòng, nông nghiệp,
…(hình 1.11).

Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn Thạc sỹ Khoa học Kỹ thuật

Page 14