Luận án nghiên cứu ảnh hưởng của thông số công nghệ và kích thước cối trong dập thủy tĩnh phôi tấm

Lý do lựa chọn đề tài Ngành cơ khí giữ vai trò rất quan trọng trong sự nghiệp phát triển đất nước. Tuy nhiên, hiện nay đất nước ta vẫn đang phải nhập khẩu rất nhiều chi tiết, bộ phận, thậm chí toàn bộ sản phẩm phục vụ công nghiệp ô tô, xe máy, quốc phòng, hàng tiêu dùng, sản xuất máy nông nghiệp, thuỷ điện. Do vậy, nhiệm vụ cấp thiết hiện nay là phát triển công nghệ, đầu tư nghiên cứu khoa học, làm chủ và áp dụng công nghệ mới vào sản xuất thực tế. Gia công áp lực (GCAL) là một lĩnh vực quan trọng trong ngành cơ khí, gắn liền với sản xuất hàng loạt lớn, hàng khối, sản xuất các sản phẩm có chất lượng cao, độ chính xác cao, sản xuất các sản phẩm có kích thước từ siêu nhỏ cỡ micromet đến kích thước rất lớn hàng mét.

Có thể thấy trên thế giới, lĩnh vực GCAL đã có những bước tiến lớn cả về thiết bị lẫn công nghệ, thể hiện ở sự phát triển các ngành ôtô, vũ trụ, công nghiệp điện – điện tử, quân sự, y tế…v. Ở Việt Nam, GCAL đang trong giai đoạn phát triển mạnh mẽ, đóng góp ngày càng nhiều vào công cuộc công nghiệp hóa đất nước. Hiện nay, GCAL đã có những bước tiến đáng kể khi áp dụng những công nghệ mới vào sản xuất. Tuy nhiên, để áp dụng có hiệu quả cần phải nghiên cứu lý thuyết cơ bản và phân tích được các yếu tố công nghệ ảnh hưởng trong quá trình gia công.

Dập thủy tĩnh (DTT) phôi tấm là một hướng nghiên cứu trong công nghệ dập tạo hình bằng chất lỏng cao áp. Công nghệ này cho phép dập các chi tiết rỗng, đặc biệt chi tiết có hình dạng phức tạp ngay cả đối với các vật liệu khó biến dạng. Trên thế giới, đã có rất nhiều công trình nghiên cứu và ứng dụng công nghệ này vào sản xuất và đạt được thành tựu cao. Điển hình như các nước như Đức, Mĩ, Nhật đã áp dụng công nghệ ày vào công nghiệp ô tô, một số chi tiết phần vỏ xe đã được áp dụng công nghệ DTT để sản xuất cho chất lượng cao như thanh nối B hay nắp capo, thay thế cho số lượng lớn nguyên công tạo hình và khuôn trong dập tạo hình truyền thống.

Ở Việt Nam, đã có một số công trình nghiên cứu về công nghệ DTT, tuy nhiên để có thể ứng dụng vào thực tiễn sản xuất cần phải có những nghiên cứu chuyên sâu để có thể làm chủ công nghệ này. Do vậy “Nghiên cứu ảnh hưởng của một số thông số công nghệ và kích thước hình học cối đến khả năng tạo hình trong dập thủy tĩnh phôi tấm” sẽ là trọng tâm và mục tiêu nghiên cứu của luận án. Mục đích, đối tượng và phạm vi nghiên cứu của luận án • Mục đích của luận án Nghiên cứu ảnh hưởng của một số thông số công nghệ và kích thước hình học cối đến khả năng tạo hình trong dập thủy tĩnh phôi tấm • Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của luận án + Đối tượng: luận án tập trung nghiên cứu công nghệ DTT áp dụng trên đối tượng cụ thể: chi tiết dạng trụ - chi tiết điển hình trong nghiên cứu công nghệ DTT như trên hình 1. + Phạm vi nghiên cứu được giới hạn trong miền: - Vật liệu thép tấm DC04 - Chiều dày tương đối của phôi: 1 𝑆 S* = 𝐷𝑂 *100 = 0.09 (tương ứng với chiều dày thực tế của phôi So = (0.2) mm, đường kính phôi ban đầu Do = 110 mm) Chiều sâu tương đối của cối: ℎ H*= 𝑑 *100 = 23; 26; 29 (Tương ứng với các chiều sâu hi = 16; 18; 20 mm và đường kính cối dc = 70 mm); - Miền áp suất tạo hình Pth = (0÷600) bar; - Miền áp suất chặn phôi Qch = (0 ÷150) bar 3.

Phương pháp nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu được sử dụng là kết hợp giữa nghiên cứu phân tích lý thuyết, mô phỏng số (MPS) với nghiên cứu thực nghiệm, cụ thể: - Nghiên cứu cơ sở công nghệ DTT dựa trên tổng hợp và phân tích từ các tài liệu, công trình đã công bố trong và ngoài nước. - Áp dụng phương pháp MPS để đánh giá sơ bộ ảnh hưởng các thông số công nghệ, xác định miền làm việc để làm cơ sở ban đầu cho quá trình thực nghiệm có hiệu quả. - Sử dụng các thiết bị đo, phần mềm để đo và xử lý số liệu đảm bảo chính xác và tin cậy, áp dụng được trong điều kiện thực tế tại Việt Nam. - Nghiên cứu thực nghiệm để đánh giá ảnh hưởng của các thông số công nghệ và thông số hình học dụng cụ trong quá trình DTT.

- Phân tích, tổng hợp, đánh giá kết quả thực nghiệm, đối chứng với lý thuyết và biện luận. Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn • Ý nghĩa khoa học - Tạo cơ sở khoa học để giải thích ảnh hưởng của thông số hình học của khuôn; thông số hình học của phôi và thông số công nghệ cơ bản trong dập thủy tĩnh phôi tấm. - Xây dựng được mối quan hệ giữa lực chặn phôi, chiều sâu tương đối của cối và chiều dày tương đối của phôi với áp suất chất lỏng tạo hình, bán kính đáy sản phẩm và mức độ biến mỏng. • Ý nghĩa thực tiễn - Kết quả nghiên cứu của luận án có thể định hướng cho triển khai áp dụng trong thực tiễn sản xuất.

Có thể áp dụng vào sản xuất các sản phẩm dạng tấm tương tự với dải kích thước phù hợp. Ngoài ra, với các sản phẩm có kích thước lớn hơn, phương pháp nghiên cứu của luận án cũng có thể được áp dụng để nghiên cứu và sản xuất trong thực tiễn. - Góp phần xây dựng hệ thống thí nghiệm dập thủy tĩnh phục vụ cho nghiên cứu và đào tạo. Hệ thống thí nghiệm của luận án có thể được dùng để nghiên cứu và phát triển các vấn đề khác trong DTT phôi tấm.

Ngoài ra, hệ thống cũng có thể được sử dụng như một thiết bị thí nghiệm phục vụ cho sinh viên đại học và học viên cao học để hiểu hơn về công nghệ DTT. Các đóng góp mới của luận án - Xác định được mối quan hệ giữa áp suất chặn, chiều sâu tương đối của cối, chiều dày tương đối của phôi với áp suất tạo hình, mức độ biến mỏng lớn nhất của sản phẩm, bán kính đáy sản phẩm làm cơ sở tiến hành tối ưu hóa các thông số công nghệ khi dập chi tiết dạng trụ. - Phân tích và xác định ảnh hưởng của các thông số công nghệ, kích thước hình học cối tới việc hình thành bán kính đáy sản phẩm và mức độ biến mỏng của sản phẩm; 6. Bố cục của luận án Luận án thể hiện đầy đủ các mục theo quy định chung, bao gồm các phần chính sau: - Chương 1.

Tổng quan về công nghệ dập tạo hình bằng chất lỏng cao áp - Chương 2. Mô phỏng số quá trình dập thủy tĩnh phôi tấm - Chương 3. Hệ thống thực nghiệm - Chương 4. Nghiên cứu quá trình dập thủy tĩnh phôi tấm bằng phương pháp quy hoạch thực nghiệm - Kết luận chung và hướng phát triển của đề tài.

TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ DẬP TẠO HÌNH BẰNG CHẤT LỎNG CAO ÁP 1.1 Khái quát công nghệ dập bằng chất lỏng cao áp Dập tạo hình bằng chất lỏng cao áp (HPF – High Pressure Forming) là một quá trình tạo hình vật liệu bằng việc sử dụng chất lỏng có áp suất cao tác dụng trực tiếp vào bề mặt phôi, làm biến dạng dẻo phôi theo biên dạng của cối (Dập thủy tĩnh) hoặc biên dạng của chày kết hợp với một số chuyển động của khuôn (Dập thủy cơ) như hình 1. 1 Sơ đồ phân loại công nghệ dập tạo hình bằng chất lỏng cao áp [24] Kim loại được sử dụng trong công nghệ này không chỉ là kim loại màu, thép, mà còn có thể là các loại vật liệu khác có tính dẻo phù hợp.1 Công nghệ dập thủy cơ Dập thủy cơ (DTC) là phương pháp tạo hình vật liệu nhờ nguồn chất lỏng cao áp được sinh ra do chuyển động cơ khí của dụng cụ tạo hình ví dụ chày chuyển động ép chất lỏng trong lòng cối. Áp suất chất lỏng được sinh ra do chất lỏng không chịu nén và ép phôi vào chày, tạo hình sản phẩm theo biên dạng của chày (hình 1. 2 Sơ đồ các bước dập thủy cơ [87] 4 Về cơ bản, phương pháp này tương tự như phương pháp dập vuốt thông thường, chỉ khác là có thêm đối áp pi trong lòng khuôn [2].

Ban đầu, chất lỏng được được bơm đầy vào lòng khuôn, làm phôi căng ra trước khi đầu trượt mang theo chày đi xuống. Khi chày đi xuống kéo phôi vào lòng cối, do chất lỏng không chịu nén nên sẽ tạo ra đối áp, giúp áp sát phôi vào bề mặt chày, đồng thời tạo ra vành chặn thủy lực giữ phôi ổn định trong quá trình kéo phôi vào lòng cối. Việc điều chỉnh đối áp phụ thuộc vào biên dạng cũng như tính chất vật liệu, đặc điểm từng sản phẩm.2 Công nghệ dập thủy tĩnh Dập thủy tĩnh (DTT) là công nghệ sử dụng nguồn chất lỏng có áp suất cao (dầu, nước) có chức năng như chày dập tạo hình, tác dụng trực tiếp vào bề mặt phôi tấm hoặc phôi ống làm biến dạng phôi theo biên dạng của lòng cối để tạo hình chi tiết [15]. Việc phân loại phương pháp DTT thường được căn cứ vào hình dạng của phôi a.

Dập thủy tĩnh phôi tấm đơn. Đây là phương pháp DTT áp dụng cho tấm đơn. Trong phương pháp này, chỉ cần có cối với biên dạng xác định, chất lỏng cao áp đóng vai trò như chày. Chất lỏng cao áp sẽ tác dụng vào bề mặt phôi, ép vật liệu biến dạng theo biên dạng của cối để tạo hình chi tiết [15].

Nguyên lý quá trình DTT phôi tấm đơn được thể hiện trên hình 1. 3 Sơ đồ quá trình tạo hình thủy tĩnh phôi tấm [66] Quá trình DTT phôi tấm đơn gồm các giai đoạn như sau [8, 93]: - Giai đoạn đóng khuôn: Lực đóng khuôn được tạo ra từ máy ép có tác dụng chống nhăn phần vành phôi và làm kín tránh rò rỉ chất lỏng trong quá trình DTT.) - Giai đoạn tạo hình tự do: Sau khi đóng khuôn, chất lỏng cao áp sẽ được bơm vào lòng cối, áp suất thủy tĩnh tác dụng đều lên toàn bộ bề mặt phôi, phôi sẽ biến dạng tự do trong lòng cối đến khi chạm đáy cối (hình 1.) - Giai đoạn điền đầy lòng cối: Chất lỏng tiếp tục được tăng áp suất, đến một giá trị áp suất đủ lớn phôi sẽ biến dạng dẻo điền đầy theo biên dạng của lòng cối, đặc biệt là các vị trí lồi lõm trong cối (hình 1.