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 nớc
:

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 TS. Nguyễn Mạnh Long
6296
07/02/2007

với cờng độ nh nhau, tuân theo định luật Pascal về tính đẳng hớng của
môi trờng chất lỏng và khí. Để tạo ra áp suất thủy tĩnh ngời ta có thể nén
môi trờng 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 phơng pháp công nghệ khác khó
đạt đợc.

Trên cơ sở các thông tin khoa học công nghệ mới trong và ngoài nớc
liên quan đến công nghệ ép thuỷ tĩnh và thủy động, qua các kinh nghiệm
đợc 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 trng vật liệu, tính năng của một số dạng sản phẩm cũng nh
ứng xử của vật liệu trong môi trờng áp suất cao. Từ đó lựa chọn giải pháp
công nghệ, xây dựng phơng 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 khơng
tuyến đã đợc 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 đợc khảo nghiệm tại
Trung tâm Công Nghệ, Nón đồng trong đạn chống tăng B41 đã đợc khảo
nghiệm tại nhà máy Z131 Tổng Cục CNQP, Phôi ống dẫn sóng rađa đợc sử
dụng cho Đề tài cấp BQP: Chế tạo ống dẫn sóng rađa PRV-16, Các sản
phẩm khác nh phôi bánh răng moduyn nhỏ, ống đồng thành mỏng đợc
đánh giá trong phòng thí nghiệm của Trung tâm Công Nghệ, đạt chỉ tiêu kỹ
thuật đã đề ra.

Phó chủ nhiệm đề tài:
KS. Đỗ Văn Hồng, Trung tâm Công nghệ - BQP

3 TS. Nguyễn Tài Minh, Trung tâm Công nghệ - BQP
4 TS. Trần Thế Phơng, Trung tâm Công nghệ - BQP
5 Ths. Bùi Doãn Đồng, Trung tâm Công nghệ - BQP
6 TS. Bùi Viết Dũng, Trung tâm Công nghệ - BQP
7 TS. Trần Văn Dũng, Trung tâm Công nghệ - BQP
8 ThS. Ngô Gia Cờng, Trung tâm Công nghệ - BQP
9 PGS.TS. Đinh Văn Phong, Học viện KTQS - BQP
10 TS. Lại Anh Tuấn, Học viện KTQS - BQP
11 ThS. Nguyễn Văn Thắng, Nhà máy Z183,
Tổng Cục CNQP - BQP THủ trởng cơ quan chủ trì đề tài

(Họ, tên, chữ ký, và đóng dấu)
7

Mục lục
Trang
Danh sách những ngời thực hiện đề tài


1.1.5.2. ảnh hởng của điều kiện ép
25
1.1.5.3. Hiện tợng nở trở lại của vật ép
25
1.2. Tổng quan về công nghệ ép thuỷ động
26
1.2.1. Gia công biến dạng bằng công nghệ ép thủy động
26
1.2.2. Các đặc điểm của ép thủy động
26
1.2.3. Sản phẩm của phơng pháp ép thủy động
27
1.2.4. Phân loại các phơng pháp ép thủy động
29
1.2.5. Quá trình ép thủy động
31
1.2.6. Sản phẩm và phạm vi ứng dụng của công nghệ ép thủy động
32
1.2.6.1. Vật liệu và độ biến dạng trong ép thủy động
32
1.2.6.2. Một số sản phẩm trong ép đùn thủy động
33
1.2.6.3. Tính chất biến dạng trong ép thủy động
36
1.3. Các nghiên cứu về ép thủy tĩnh và thủy động trong nớc
37


3.1.2. Đặc trng của công nghệ ép thủy tĩnh tạo hình sản phẩm dạng bột 59
3.1.3. Qui luật ép 60
3.1.4. ảnh hởng của điều kiện ép
62
3.2. Một số hiện tợng xẩy ra trong công nghệ ép thủy động
64
3.2.1. Dòng vật liệu 64
3.2.2. Hiện tợng stick-slip 65
3.2.3. Vật liệu truyền áp trong ép thuỷ động 69

Chơng 4: Tính toán thiết kế thiết bị ép thủy tĩnh và trang bị
ép thủy động
72
4.1. Tính toán thiết kế thiết bị ép thủy tĩnh
72
4.1.1. Các công thức tính toán khuôn ép và các thông số ép 72
4.1.1.1. Hệ số co ngót khi thiêu kết 72
4.1.1.2. Tỉ phần co tuyến tính 72

9

4.1.1.3. Tỉ phần hao khi thiêu 73
4.1.1.4. Hệ số nở trở lại 73
4.1.1.5. Tỉ phần nén co tuyến tính 73
4.1.1.6. Tỉ phần co tuyến tính toàn phần 73
4.1.1. 7. Mật độ điền đầy khuôn 74
4.1.1. 8. Mật độ vật ép 74
4.1.1. 9. Tỉ số nén thể tích 74
4.1.2. Tính toán thiết kế máy ETT 74
4.1.2.1. Nguyên lý và cơ sở tính toán hệ thuỷ lực máy ETT 74

10

5.2.5. Kết quả và thảo luận 114
5.3. Chế tạo bi nghiền bằng gốm Al
2
O
3

115
5.3.1. Đặc điểm sản phẩm 115
5.3.2. Chọn phơng án tính toán và thiết kế khuôn ép 116
5.3.3. Tiến trình công nghệ chế tạo bị nghiền 118
5.3.4. Kết quả và thảo luận 121
5.4. Chế tạo phôi ống dẫn sóng rađa PRV-16
123
5.4.1. Đặc điểm sản phẩm 123
5.4.2. Các bớc 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. Kết quả và thảo luận 133
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
5.4.7.3. Khảo sát độ cứng 134
5.4.7.4. Xác định các thông số hình học 135
5.5. Chế tạo ống thành mỏng bằng công nghệ ép thủy động
137
Chơng 6: Tính toán lựa chọn thiết bị và thiết kế, chế tạo
trang bị công nghệ
163
6.1. Máy ép thủy tĩnh
163
6.1.1. Tính toán lựa chọn máy ép thủy lực 300T 163
6.1.2. Bản vẽ thiết kế chế tạo trang bị công nghệ 165
6.1.3. Tài liệu quy trình công nghệ 165
6.2. Trang bị công nghệ ép thủy động
173
6.2.1. Tài liệu thiết kế 173
6.2.2. Tài liệu quy trình công nghệ 175

Kết luận và kiến nghị
180
Lời cảm ơn
182
Tài liệu tham khảo
183

v Chiều dầy mm, cm
h Chiều cao mm, cm
F, F
n
Lực N, kG
P, P
n
, P
i
áp suất kG/cm
2
, N/mm
2
MPa

ứng suất kG/cm
2
, N/mm
2
MPa
U
R
Kích thớc chu vi tiết diện mm
k Hệ số khuyếch đại


Hiệu suất

A


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 nớc nhà.

Công nghệ ETT-TD là một phơng pháp tạo hình sản phẩm trong đó môi
trờng thuỷ lực áp suất cao tác dụng lên bề mặt của vật liệu từ mọi phía với
cờng độ nh nhau, tuân theo định luật Pascal về tính đẳng hớng của môi
trờng chất lỏng và khí. Để tạo ra áp suất thủy tĩnh ngời ta có thể nén môi
trờng 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 phơng pháp công nghệ khác khó đạt
đợc.

14
Trên cơ sở các thông tin khoa học công nghệ mới trong và ngoài nớc và
kinh nghiệm đợc 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 trng vật liệu, tính năng của một số dạng sản phẩm cũng nh ứng xử
của vật liệu trong môi trờng áp suất cao. Từ đó lựa chọn giải pháp công nghệ,
xây dựng phơng 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 khơng tuyến -
đã đợc 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 đợc khảo nghiệm tại Trung tâm

- ép trong khuôn kín
- ép thuỷ tĩnh
- ép phun trong khuôn
- ép đùn
- ép động năng (dùng năng lợng nổ, điện từ...)
- Cán bột
- Đúc rót
- Các phơng pháp tạo hình khác.
Tạo hình bằng phơng pháp ép đợc tiến hành chủ yếu trong khuôn thép
kín, đây là phơng 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 thớc chi tiết có độ

16
chính xác cao, song phơng pháp ép bột trong khuôn kín cũng có nhiều nhợc
điểm nh: 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 đờng kính lớn. Để khắc
phục các nhợc điểm nêu trên và tránh phải sử dụng các máy ép có công suất
đủ lớn cho ép tạo hình ngòi ta đã đa ra nhiều giải pháp, một trong những giải
pháp hữu hiệu đó là phơng pháp ép thuỷ tĩnh (ETT), phơng 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 tĩnhép thuỷ tĩnh (Hydrostatic Press) là một phơng pháp tạo hình trong đó môi
trờng thuỷ lực, áp suất cao tác dụng lên bề mặt của vật liệu từ mọi phía với
cờng độ nh nhau, tuân theo định luật Pascal về tính đẳng hớng của môi
trờng chất lỏng và khí. Môi trờng truyền áp suất trong ETT thờng là chất
lỏng, trong một số trờng hợp ngời ta sử dụng chất khí, chất rắn hoặc vật liệu

Trong ép tạo hình sản phẩm từ vật liệu bột hớng phát triển và các ứng
dụng sau đây đã đợc thực hiện
ép thuỷ tĩnh các sản phẩm chịu nhiệt có kích thớc lớn nh gạch xây lò
bể, nồi nấu thủy tinh, kim loại v.v... Tạo hình các chi tiết có hình dáng phức
tạp, đặc biệt các chi tiết có giá trị sử dụng cao nh miệng rót thép hoặc hệ thống
cấp liệu cho bể nấu thủy tinh.
Tạo hình các ống có kích thớc 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 nh bugi cho ôtô, xe máy.
ép tạo hình các khối trụ tròn kích thớc lớn để gia công tiếp thành các
sứ cách điện.
Cuối những năm 70 đầu những năm 80 của thế kỷ 20 một phơng pháp
ETT mới ra đời - Phơng pháp ép nóng thuỷ tĩnh (Hot isostatic Pressing - HIP),
1. Chày ép
2. Khuôn áp suất cao
3. Môi trờng truyền áp suất
4. Vật liệu ép
5. Khuôn vỏ mỏng đàn hồi
Hình 1.1- Sơ đồ nguyên lý ép thủy tĩnh
5

18
sau đó là phơng pháp thiêu kết bằng ép nóng đẳng tĩnh (Sinter- HIP method).
Trong các phơng pháp này ngời ta tạo đợc nhiệt độ trên 2000

hoặc cao hơn nữa.
c. Theo dạng của dụng cụ đợc sử dụng:
- Phơng pháp khuôn ớt (wet bag)-Hình 1.2.

19 1. Nắp buồng áp suất
2. Vật liệu bột
3. Môi trờng 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 ớt Khuôn đàn hồi đợc điền đầy vật liệu ép, đợc làm kín, và đợc ép. Do áp
suất đẳng tĩnh của môi trờng ép tác động lên vỏ khuôn từ mọi phía nên vật liệu
đợc tạo hình. Phơng 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

- Đạt đợc độ đồng nhất cao về mật độ trong vật ép.
- Khả năng tạo hình các vật liệu bột khó ép, mà các phơng pháp tạo hình
truyền thống đã bị giới hạn về năng suất và chất lợng.
- Việc sử dụng các hạt rời với độ ẩm nhỏ sẽ giảm quá trình sấy. Việc đó sẽ
giảm đợc thời gian và chi phí để sản xuất các chi tiết gốm một cách đáng kể.
- Việc đạt đợc mật độ cao trong quá trình ép sẽ dẫn đến việc giảm đáng
kể hiện tợng nứt khi sấy và hiện tợng nứt khi nung. Cùng với u điểm đó
phơng pháp ETT cho phép tăng đợc khối lợng 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 đợc đều, làm cho vật ép có tính đồng nhất và hầu nh không có texture.
- Ngoài ra có thể chế tạo đợc các chi tiết rất đặc xít có hình dạng bất kỳ.
Hình 1.3- Sơ đồ ép thuỷ tĩnh khuôn khô
Dầu cao á
p
1- Bột 5-Môi trờng truyền áp
2- Buồng áp suất (Dầu cao áp)
3- Túi đàn hồi 6- Sản phẩm
4- Chày đối áp 7- Van cao áp

21
Nhợc 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 đợc 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 nhợc điểm
đó bằng cách gia công lại vật ép.
Giới hạn của công nghệ ETT
: Do áp suất thuỷ tĩnh cao áp đợc tạo ra trong

1.1 và 1.2 trình bày một số trong các phơng trình đó. Phơng trình của Heckel
thể hiện khá tốt quan hệ hàm số cho trờng hợp ETT phơng pháp ớt khi áp
suất ép lớn hơn 20 MPa.
p
12
p
v
n ( ) c .p + c
vv

=

l

Đối với phơng pháp ETT khô phơng trình của Kawakita với các hằng
số cải tiến C
3
và C
4
cho kết quả tốt hơn cả:
0p
v
v343 0
vv
p1p
; c
cc.cc v

=+ =


) (p+c
5
) = C
6

Cooper và Eaton
0p
7
0
v-v
c8 e10
c .exp(- )+c9.exp(- )=
ppv-v


Kawakita
0p
11 12
012
v-v
c.c-p
=
v1+c.p

Ghi chú: P: áp suất ép, V
p
: thể tích vật ép ở áp suất P, V

thể tích vật ép ở
áp suất vô cùng lớn, V

18 19
0
h
np = c . n( ) = nc
h
lll

Montgomery p = c
20
.x
C21
Jones
2
22 23
vp
n=-c .( ) +c
v

l

Balshin
2524
c
v
v
cnp
p
+

=

bột gốm có độ ẩm và phụ gia khác nhau:
Phơng trình tính toán:
2
p
n
0
Ơ1
v
lp
= a -
va




Hệ số Hệ số kết nối Thông số
a
0
a
1
r
2

0.2
Độ ẩm [%] 1.0
2.5
6,00
6,14
6,09
0,98

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 đợc định nghĩa là:
P
tw
=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 tơng ứng với
áp suất đẳng áp tác dụng từ phía ngoài.
Thời gian cực trị t
E
để giải áp có thể xác định nh sau:
a
E
m
v
t
v
=


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 đợc 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... đợc gia công bằng
phơng pháp ép đùn, ép chảy thông thờng hoặc gia công cắt gọt. Với các
phơng pháp gia công này không tiết kiệm đợc 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 nhợc điểm nêu trên ngời ta đã sử dụng phơng 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, dới tác dụng của áp suất cao trong buồng ép
vật liệu đợc ép đều từ các hớng và đợc 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 nh buồng áp
suất, môi trờng 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 phơng pháp
ép đùn bình thờng lực ma sát tăng theo độ dài của phôi ép). Có thể thấy rõ tính
u việt của phơng pháp gia công mới này trên cơ sở so sánh hai phơng pháp
nêu trên (xem hình 1.4).

27


F
F
(lực
é)
a)
b)
1. Chày ép
2. Vật liệu
3. Khuôn
4. Môi trờng truyền áp