BỘ
BỘ GIÁO
GIÁO DỤC
DỤC VÀ
VÀ ĐÀO
ĐÀO TẠO
TẠO
TRƯỜNG
TRƯỜNG ĐẠI
ĐẠI HỌC
HỌC BÁCH
BÁCH KHOA
KHOA HÀ
HÀ NỘI
NỘI

NGUYỄN VĂN THÀNH
NGUYỄN VĂN THÀNH

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA MỘT SỐ THÔNG SỐ
NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA MỘT SỐ THÔNG SỐ
CÔNG NGHỆ CƠ BẢN TRONG DẬP THỦY CƠ
CÔNG NGHỆ CƠ BẢN TRONG DẬP THỦY CƠ
VẬT LIỆU TẤM
VẬT LIỆU TẤM

LUẬN
LUẬN ÁN
ÁN TIẾN
TIẾN SĨ
SĨ KỸ

CƠCỨU
BẢN ẢNH
TRONG
QUÁ TRÌNH
DẬPSỐ
THỦY
CƠ VẬT
CÔNG NGHỆ CƠ BẢN
LIỆU TRONG
TẤM DẬP THỦY CƠ
VẬT LIỆU TẤM
Chuyên ngành: Công nghệ Tạo hình vật liệu
Chuyên ngành: Công nghệ Tạo hình vật liệu
Mã số: 62520405
Mã số: 62.52.04.05

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT
LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

NGƯỜI
HƯỚNG
DẪN
KHOA
HỌC:
NGƯỜI
HƯỚNG
DẪN
KHOA
HỌC:
1. 1.


Nghiên cứu sinh

Nguyễn Văn Thành


II

LỜI CẢM ƠN
Tôi xin chân thành cảm ơn GS.TS. Nguyễn Trọng Giảng - Hiệu trưởng Trường Đại
học Bách Khoa Hà Nội và Ban giám hiệu Trường Đại học Bách khoa Hà Nội đã cho phép
tôi có thể thực hiện Luận án tại Trường Đại học Bách khoa Hà Nội.
Tôi xin cảm ơn Viện Đào tạo Sau đại học, Viện Cơ khí và Bộ môn gia công áp lực đã
luôn tạo điều kiện thuận lợi nhất trong suốt quá trình tôi làm Luận án.
Tôi xin chân thành cảm ơn PGS.TS. Phạm Văn Nghệ và PGS.TS. Nguyễn Đắc Trung
đã tận tình hướng dẫn tôi về chuyên môn để tôi có thể thực hiện và hoàn thành Luận án.
Tôi xin cảm ơn Ban Giám hiệu trường Đại học Công nghiệp Hà Nội, Ban giám đốc
trung tâm Việt Hàn và các Thầy Cô trong Trung tâm đã tạo điều kiện về thời gian, cơ sở
vật chất và động viên tôi trong suốt quá trình nghiên cứu học tập.
Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến các Thầy phản biện, các Thầy trong hội đồng
chấm luận án đã bớt chút thời gian đọc và góp những ý kiến quý báu để tôi có thể hoàn
chỉnh Luận án và định hướng nghiên cứu trong trương lai.
Cuối cùng tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới gia đình và bạn bè, những người đã
động viên khuyến khích tôi trong suốt thời gian tôi tham gia nghiên cứu và thực hiện công
trình này.
Nghiên cứu sinh

Nguyễn Văn Thành



2.4 Áp suất chất lỏng, lực dập và lực chặn trong DTC..................................................... 33
2.5 Tiêu chí đánh giá sản phẩm dập tấm .......................................................................... 35
Kết luận chương 2: ........................................................................................................... 39
CHƯƠNG 3: CÁC KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU BẰNG MÔ PHỎNG SỐ ........................ 40
3.1 Mô phỏng số trong gia công áp lực ............................................................................ 40
3.2 Nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số công nghệ trong quá trình DTC bằng mô
phỏng số............................................................................................................................... 42
3.2.1 Thiết lập mô hình mô phỏng .............................................................................. 42
3.2.2 Khảo sát ảnh hưởng của các thông số công nghệ .............................................. 45
3.2.2.1 Ảnh hưởng của lực chặn ................................................................................. 45
3.2.2.2 Ảnh hưởng của áp suất chất lỏng trong lòng cối ............................................ 49


IV
3.2.2.3 Ảnh hưởng của khe hở Z................................................................................. 51
3.2.2.4 Xác định miền làm việc của áp suất chất lỏng lòng cối phụ thuộc khe hở
Z (miền làm việc DTC)………………………………………………………….....55
Kết luận chương 3: ........................................................................................................... 56
CHƯƠNG 4: XÂY DỰNG HỆ THỐNG THỰC NGHIỆM ............................................... 57
4.1 Máy ép thủy lực .......................................................................................................... 58
4.2 Hệ thống khuôn thí nghiệm ........................................................................................ 59
4.2.1 Chày DTC……………………………………………………………………...59
4.2.2 Cối DTC ............................................................................................................. 61
4.3 Hệ thống chặn thủy lực vạn năng ............................................................................... 62
4.4 Hệ thống cấp chất lỏng cao áp .................................................................................... 66
4.5 Hệ thống đo áp suất – hành trình ................................................................................ 68
4.6 Thiết bị đo lường ........................................................................................................ 72
Kết luận chương 4: ........................................................................................................... 73
CHƯƠNG 5: THỰC NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ ............................................. 74
5.1 Nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số công nghệ tới quá trình tạo hình chi tiết cốc


Dập thủy cơ

D

Đường kính phôi

mm

D1

Giá trị đường kính đo ở miệng chi tiết dập

mm

D2

Giá trị đường kính đo ở đáy chi tiết dập

mm

FLC

Forming Limit Curve – Đường cong biến dạng tới hạn

FLD

Forming Limit Diagram- Giản đồ biến dạng tới hạn

K


Áp suất chất lỏng lòng cối tối đa

bar

pmin

Áp suất chất lỏng lòng cối tối thiểu

bar

P

Lực dập

kN

Q

Lực chặn

kN

Rc

Bán kính miệng cối

mm

Rch


R90

Thông số dị hướng Lankford theo phương vuông góc phương cán

R

Thông số dị hướng Lankford trung bình

s

Chiều dày phôi

mm

Z

Khe hở giữa chày và cối

mm

α

Độ côn sản phẩm cốc trụ (dạng tỉ lệ 1:L)

σ

Ứng suất tương đương

MPa


MPa

σρ

Ứng suất theo phương hướng kính theo hệ tọa độ trụ

MPa

∆p max

Sai số trung bình áp suất chất lỏng lòng cối tối đa giữa kết quả
thực và kết quả tính toán từ hàm nội suy

∆p min

Sai số trung bình áp suất chất lỏng lòng cối tối thiểu giữa kết quả
thực và kết quả tính toán từ hàm nội suy

∆Q

kN

Sai số trung bình độ côn sản phẩm giữa kết quả thực và kết quả
tính toán từ hàm nội suy

∆p

bar


εθ

Mức độ biến dạng dẻo logarit theo phương tiếp tuyến trong hệ
tọa độ trụ

ερ

Mức độ biến dạng dẻo logarit theo phương hướng kính trong hệ
tọa độ trụ

ε0

Mức độ biến dạng logarit tại thời điểm vật liệu chuyển từ trạng
thái đàn hồi sang trạng thái dẻo

εp

Mức độ biến dạng dẻo logarit

η

Độ nhớt động lực

μ

Hệ số ma sát

P (N.s/m2)




73

Bảng 5.1 Thành phần hóa học và cơ tính của thép C08

74

Bảng 5.2 Giá trị lực chặn ứng với các sản phẩm đạt chất lượng

78

Bảng 5.3 Giá trị áp suất chất lỏng lòng cối ứng với các sản phẩm đạt chất lượng

81

Bảng 5.4 Giá trị áp suất chất lỏng lòng cối ứng với mỗi khe hở Z dập ra sản phẩm
đạt yêu cầu.

84

Bảng 5.5 Độ côn sản phẩm ứng với các giá trị lực chặn

88

Bảng 5.6 Độ côn sản phẩm theo áp suất chất lỏng lòng cối ứng với các khe hở Z
khác nhau

89




Hình 1.8 Các chi tiết chế tạo bằng DTC

9

Hình 1.9 Sơ đồ dập xung điện thủy lực

10

Hình 1.10 Các sản phẩm dập xung điện thủy lực

10

Hình 1.11 Các sơ đồ dập thủy tĩnh

11

Hình 1.12 Các sản phẩm dập thủy tĩnh

11

Hình 1.13 Các vùng thể hiện chất lượng sản phẩm phụ thuộc vào áp suất chất lỏng

14

Hình 1.14 Ảnh hưởng của lực chặn và áp suất chất lỏng tới quá trình tạo hình sản
phẩm

14


trụ có chiều dày 1.2 mm, mức độ dập vuốt 2.6

18

Hình 1.23 Ảnh hưởng của chiều dày phôi đến mức độ dập vuốt khi hệ số ma sát khác
nhau

18

Hình 1.24 Ảnh hưởng của chiều dày vật liệu tới áp suất tối thiểu tạo hình chi tiết với
mức độ dập vuốt 2.5

19

Hình 1.25 Khả năng tạo hình tăng khi DTC có gia nhiệt

19

Hình 1.26 Sản phẩm dập từ tấm dị hướng

21

Hình 1.27 Sự phụ thuộc của hệ số dập vuốt vào hệ số biến cứng

21


IX
Hình 1.28 Đàn hồi ngược phụ thuộc mức độ biến dạng dẻo


Hình 2.8 Giản đồ biến dạng tới hạn

36

Hình 2.9 Phân vùng trạng thái biến dạng

37

Hình 2.10 Đàn hồi ngược khi DTC sản phẩm cốc trụ

38

Hình 3.1 Những ưu điểm của mô phỏng

40

Hình 3.2 Quá trình tối ưu hóa công nghệ nhờ mô phỏng

41

Hình 3.3 Mô hình sản phẩm

42

Hình 3.4 Mô hình hình học và mô hình lưới PTHH

43

Hình 3.5 Thông số vật liệu mô phỏng


Hình 3.13 Phân bố mức độ biến dạng với Q = 160 KN

47

Hình 3.14 Sản phẩm mô phỏng với Q = 230 kN

48

Hình 3.15 Sản phẩm mô phỏng với Q = 260 kN

48

Hình 3.16 Sản phẩm mô phỏng với pc = 30 bar

49

Hình 3.17 Sản phẩm mô phỏng với pc = 45 bar

50

Hình 3.18 Sản phẩm mô phỏng với pc = 85 bar

50

Hình 3.19 Sản phẩm mô phỏng với pc = 110 bar

50

Hình 3.20 Sản phẩm mô phỏng vớit pc = 120 bar


55

Hình 4.1 Sơ đồ hệ thống thực nghiệm

57

Hình 4.2 Máy ép thuỷ lực 200 tấn

58

Hình 4.3 Bộ khuôn DTC

59

Hình 4.4 Chày và giá chày

60

Hình 4.5 Giá chày và chày chế tạo

60

Hình 4.6 Miệng cối thủy cơ

61

Hình 4.7 Kết cấu thân cối thủy cơ

62


65

Hình 4.16 Sơ đồ điều khiển thủy lực

66

Hình 4.17 Trạm nguồn thủy lực thiết kế

67

Hình 4.18 Trạm nguồn thủy lực chế tạo

67

Hình 4.19 Sơ đồ hệ thống đo áp suất - hành trình

68

Hình 4.20 Cấu trúc cảm biến đo áp suất

69

Hình 4.21 Sơ đồ khối của cảm biến điện trở tiếp xúc

69

Hình 4.22 Sơ đồ mạch gia công tín hiệu đo áp suất

70


Hình 5.3 Sản phẩm dập với áp suất pxl = 75 bar

76

Hình 5.4 Sản phẩm dập với áp suất pxl = 83 bar

76

Hình 5.5 Sản phẩm dập với áp suất pxl = 121 bar

77

Hình 5.6 Sản phẩm dập với áp suất pxl = 126 bar

77

Hình 5.7 Sản phẩm dập với áp suất pxl = 137 bar

78

Hình 5.8 Sản phẩm dập với áp suất pc = 40 bar

79

Hình 5.9 Sản phẩm dập với áp suất pc = 45 bar

79

Hình 5.10 Sản phẩm dập với áp suất pc = 86 bar


Hình 5.18 Sản phẩm dập với áp suất pc = 90 bar, khe hở Z = 3.4 mm

83

Hình 5.19 Đồ thị quan hệ áp suất chất lỏng lòng cối và khe hở Z (thực nghiệm)

85

Hình 5.20 Miền làm việc DTC thực nghiệm và mô phỏng

85

Hình 5.21 Độ côn của sản phẩm DTC

86

Hình 5.22 Sơ đồ đo đường kính sản phẩm dập

87

Hình 5.23 Đồ thị quan hệ độ côn và lực chặn

88

Hình 5.24 Đồ thị quan hệ độ côn và áp suất chất lỏng lòng cối

92

Hình 5.25 Đồ thị quan hệ độ côn và áp suất chất lỏng lòng cối theo khe hở Z


kỷ 20. Công nghệ này cho phép tạo ra những sản phẩm có độ chính xác cao, hình dạng
phức tạp mà bằng các công nghệ dập truyền thống khó có thể hoặc không tạo ra được. Cho
đến nay, dập bằng nguồn chất lỏng áp lực cao phát triển mạnh mẽ và thu hút được sự quan
tâm của nhiều nhà khoa học trên thế giới [8], [114].
Dập bằng nguồn chất lỏng áp lực cao gồm 2 phương pháp chính: dập thủy tĩnh
(Hydrostastic Forming) và dập thủy cơ (DTC) (Hydromechanical Forming).
Phương pháp DTC nhằm tạo hình các chi tiết vỏ mỏng có hình dạng phức tạp ngày
càng được ứng dụng rộng rãi tại các nước công nghiệp phát triển trong các ngành công
nghiệp hàng không, ô tô, đồ gia dụng nhờ những ưu điểm nổi bật như tăng khả năng biến
dạng của vật liệu, nâng cao độ chính xác cũng như chất lượng bề mặt của sản phẩm, tiết
kiệm chi phí chế tạo khuôn. Công nghệ DTC đã được đưa vào nghiên cứu ở Việt Nam từ
đầu thế kỷ 21, nhưng chủ yếu mới chỉ dừng ở khảo sát khả năng ứng dụng của công nghệ,
chưa triển khai một cách hữu hiệu trong sản xuất công nghiệp bởi chưa có một lý thuyết
cũng như phương pháp tính toán cụ thể nào cho phép xác định chính xác các thông số công
nghệ hay tối ưu công nghệ DTC.
Trong những năm gần đây, nhiều doanh nghiệp Việt Nam đã không ngừng đầu tư
phát triển công nghệ sản xuất. Nhiều lĩnh vực sản xuất hiện tại cần có sự ứng dụng của
công nghệ DTC. Vì vậy, việc nghiên cứu có hệ thống và chuyên sâu hơn về công nghệ
DTC là vấn đề cấp thiết nhằm nhanh chóng làm chủ được công nghệ, sớm đưa công nghệ
DTC vào phục vụ sản xuất công nghiệp, phát triển kinh tế đất nước.


2

i. Mục đích, đối tượng và phạm vi nghiên cứu của đề tài
*) Mục đích của đề tài
Điểm đặc biệt của phương pháp tạo hình vật liệu trong DTC là nhờ chất lỏng có áp
suất cao tác dụng trực tiếp vào phôi làm cho phôi biến dạng theo hình dạng của dụng cụ gia
công. Chất lỏng áp suất cao xuất hiện do bị nén khi dụng cụ gia công chuyển động trong
quá trình tạo hình vật liệu. Đề tài “Nghiên cứu ảnh hưởng của một số thông số công

3
suất chất lỏng lòng cối và khe hở chày - cối, xác định miền làm việc và ảnh hưởng của các
thông số đến độ chính xác hình học của sản phẩm, xây dựng quan hệ giữa các thông số
bằng các mô hình toán, qua đó góp phần vào sự phát triển hệ thống kiến thức nền tảng của
phương pháp DTC cũng như ứng dụng kết quả vào trong sản xuất công nghiệp.
- Kết hợp phương pháp nghiên cứu mô phỏng số với thực nghiệm nhằm nâng cao
hiệu quả nghiên cứu và tiết kiệm chi phí, qua đó góp phần vào sự phát triển của các
phương pháp thiết kế và tối ưu quá trình nhờ công nghệ ảo.
- Xây dựng hệ thống thực nghiệm phù hợp với thực tế có ý nghĩa quan trọng trong
việc phát triển hệ thống thiết bị nghiên cứu, đo đạc và đánh giá ảnh hưởng của các thông số
công nghệ.
- Kết quả của Luận án sẽ phục vụ cho sản xuất DTC chi tiết từ vật liệu tấm, làm cơ
sở cho các nghiên cứu tiếp theo và nhất là cho đào tạo chuyên ngành gia công áp lực. Với
sản phẩm cốc trụ, có thể ứng dụng ngay tại các doanh nghiệp sản xuất đồ dân dụng.
Luận án được tiến hành nghiên cứu sát với điều kiện thực tế ở Việt Nam nên rất
thuận lợi trong triển khai ứng dụng công nghệ tiên tiến này vào sản xuất công nghiệp.

iv. Các nội dung chính trong luận án
Các kết quả, thành tựu đã đạt được trong nghiên cứu và ứng dụng công nghệ DTC
trên thế giới cũng như trong nước được khảo sát và trình bày trong chương 1. Đây là cơ sở
quan trọng để tìm ra những điểm mạnh về công nghệ DTC nhưng cũng chỉ ra những tồn tại
trong công nghệ mà những nghiên cứu trước đây chưa giải quyết một cách đầy đủ. Trong
chương 1 cũng trình bày về định hướng nghiên cứu và mục tiêu nghiên cứu cũng như các
kết quả mong muốn thu được.
Để đáp ứng được những yêu cầu đặt ra trong nghiên cứu công nghệ DTC, cần thiết
phải được trang bị các kiến thức nền tảng về công nghệ tạo hình, những kiến thức cơ sở về
biến dạng dẻo của vật liệu cũng như vật liệu kim loại được sử dụng trong sản xuất công
nghiệp. Vì vậy, chương 2 sẽ nghiên cứu và tổng hợp kiến thức cơ bản nhất phục vụ cho
tính toán, thiết kế và khảo sát công nghệ một cách hệ thống bằng mô phỏng số kết hợp với
thực nghiệm.

qua, DTC tiếp tục được nghiên cứu và phát triển cả lý thuyết lẫn thực nghiệm đối với việc
tạo hình vật liệu thép, nhôm, kim loại mầu và các loại vật liệu khác [114].
1.1.1 Khái niệm
DTC là phương pháp tạo hình vật liệu nhờ nguồn chất lỏng cao áp kết hợp với lực
nén của chày. Chất lỏng cao áp tạo thành là do trong quá trình làm việc, chày chuyển động
nén chất lỏng trong lòng cối. Phương pháp này được ứng dụng để tạo hình các chi tiết vỏ
mỏng phức tạp. Sơ đồ các bước DTC được thể hiện trên hình 1.1.
P
Q

P
Q

Q

P
Q

Q

Q

Hình 1.1 Sơ đồ các bước DTC [13]
Quá trình DTC có thể được chia thành các bước sau:
- Đưa phôi vào khuôn dập.
- Phôi được cố định và 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 chuyển động đi vào trong cối: áp suất chất lỏng trong lòng cối tăng tỷ lệ thuận với
hành trình của chày, đẩy phôi áp vào bề mặt của chày.


DTC từ phôi phẳng được ứng dụng trong ngành công nghiệp ô tô, hàng không và
đồ dân dụng, chúng là các chi tiết có kích thước lớn, hình dạng phức tạp.
DTC từ phôi không gian ứng dụng tạo hình các chi tiết có hình dạng phức tạp,
thường có nhiều mặt cong với biên dạng bất kỳ (hình 1.3).


7

Hình 1.3 Phôi không gian được sử dụng trong DTC [114]
DTC thuận nghịch ứng dụng trong việc tạo hình các chi tiết yêu cầu chiều sâu dập
vuốt lớn mà phương pháp DTC từ phôi tấm không thực hiện được.
Ngoài ra, căn cứ vào áp suất chất lỏng được hình thành trong quá trình dập, ta chia
thành hai phương pháp DTC:
- DTC chủ động là quá trình dập có sự kết hợp của chất lỏng có áp suất cao trong
giai đoạn đầu tiên (hình 1.1) làm chi tiết phồng lên ôm sát vào chày.
- DTC bị động được thực hiện do chất lỏng có áp suất cao được tạo ra khi chịu nén
trong lòng cối do chày đi vào lòng cối..
So với phương pháp DTC bị động, phương pháp DTC chủ động còn có sự kết hợp
của dập vuốt thuận nghịch ở giai đoạn đầu. Vì vậy, DTC chủ động cho phép nâng cao
chiều sâu dập vuốt [114].
1.1.2 So sánh phương pháp DTC với dập vuốt truyền thống (chày cứng, cối cứng)
Về cơ bản, phương pháp DTC được phát triển từ phương pháp dập vuốt truyền
thống (hình 1.4) với việc sử dụng thêm đối áp trong lòng cối. Khi chày đi vào lòng cối nén
chất lỏng làm tăng áp suất và ép phôi bám sát vào bề mặt chày tạo ra hình dạng sản phẩm.
Đối áp làm tăng ma sát giữa phôi và chày, giảm ma sát giữa phôi và cối, thay đổi trạng thái
ứng suất – biến dạng, thay đổi lực tạo hình cũng như làm tăng chất lượng sản phẩm, giảm
mòn chày, cối [8], [40].
Q



Hình 1.5 Các chi tiết vỏ ô tô [13]
- Két chứa nhiên liệu: tuy kích thước không quá lớn nhưng với độ phức tạp về hình
dạng như trong hình 1.6 thì bằng công nghệ dập truyền thống sẽ gặp nhiều khó khăn trong
việc chế tạo chày, cối gia công dẫn tới độ chính xác sản phẩm không cao, chi phí sản xuất


9
lớn. Nhưng với DTC thì những chi tiết vỏ két chứa nhiên liệu được thực hiện 1 cách dễ
dàng, đơn giản.

Hình 1.6 Các loại két chứa nhiên liệu [13]
- Các sản phẩm đồ gia dụng: hiện nay xu thế thị trường đang gia tăng các sản phẩm
đa lớp. Công nghệ DTC rất thích hợp để sản xuất ra những sản phẩm có chất lượng cao,
thẩm mỹ đẹp và giá thành hạ (hình 1.7)

Hình 1.7 Các sản phẩm gia dụng
- Một số chi tiết khác:

Hình 1.8 Các chi tiết chế tạo bằng DTC [13]
1.1.4 Một số phương pháp tạo hình khác sử dụng nguồn chất lỏng cao áp
* Phương pháp dập xung điện thủy lực (Electro - Hydraulic Forming)


10

1. Tụ điện
2. Công tắc nguồn
3. Khuôn dưới
4. Điện cực

nguyên nhân do sự không đồng đều của trở lực biến dạng ở vành và sự không đồng đều
của lực ma sát xuất hiện giữa vành phôi và dụng cụ. Mặt khác, lượng biến mỏng lớn và độ
không đồng đều theo chiều dài của thành chi tiết là đáng kể [8].

a)

b)
P
Q

P

Q

Q

Q

c)
Hình 1.11 Các sơ đồ dập thủy tĩnh [62], [71]
a) Dập thủy tĩnh vật liệu tấm b) Dập thủy tĩnh vật liệu ống c) Dập thủy tĩnh cặp vật liệu
Một số sản phẩm sản xuất bằng công nghệ dập thủy tĩnh:

Hình 1.12 Các sản phẩm dập thủy tĩnh [71]


12

1.2 Các nghiên cứu về DTC
1.2.1 Trên thế giới

nghiên cứu và triển khai ứng dụng vào thực tiễn sản suất.