Nghiên cứu công nghệ dập khối chi tiết truyền động từ phôi ống

LỜI CAM ĐOAN

Tơi xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của riêng tơi. Các số liệu,
kết quả trình bày trong luận án này là trung thực và chưa từng được ai cơng bố
trong bất cứ cơng trình nào khác!
Hà Nội, ngày … tháng …. năm 2020
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

PGS. TS Nguyễn Đắc Trung

NGHIÊN CỨU SINH

Phan Thị Hà Linh

i


LỜI CẢM ƠN

Tôi xin trân trọng cảm ơn người hướng dẫn khoa học PGS.TS. Nguyễn
Đắc Trung đã tận tình hướng dẫn, tạo điều kiện, động viên trong suốt quá trình
học tập, nghiên cứu và hồn thành luận án.
Tơi xin trân trọng cảm ơn Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, Viện Cơ
khí, Bộ mơn Gia cơng áp lực, lãnh đạo, chuyên viên cùng các thầy cô của Trường
Đại học Bách khoa Hà Nội, Viện Cơ khí.
Tơi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới các thầy cô trong bộ môn Gia công áp
lực đã tạo điều kiện thuận lợi, thường xun trao đổi, giúp đỡ tơi trong q trình
học tập, nghiên cứu thực hiện luận án.
Tôi xin trân trọng cảm ơn Ban Giám hiệu, lãnh đạo Khoa Cơ khí trường
Đại học Sư phạm kỹ thuật Hưng Yên đã tạo điều kiện về thời gian trong quá trình
học tập và nghiên cứu. Cảm ơn các thầy cơ trong Khoa Cơ khí cùng các đồng

nghiệp đã đóng góp ý kiến, hỗ trợ tơi trong q trình học tập và nghiên cứu.
Tơi xin cảm ơn Công ty Brother Việt Nam, Công ty Goodtech, Phịng thí
nghiệm Đo lường động học bay - Viện Tên Lửa đã giúp đỡ tơi trong q trình
thực nghiệm và đo đạc kết quả của luận án.
Cuối cùng, tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới gia đình, bạn bè, những
người đã luôn chia sẻ, động viên, giúp đỡ tơi hồn thành luận án này.
Nghiên cứu sinh

Phan Thị Hà Linh

ii


MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ........................................................................................................ i
LỜI CẢM ƠN ............................................................................................................. ii
MỤC LỤC ................................................................................................................. iii
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT ............................................... vi
DANH MỤC HÌNH ẢNH VÀ ĐỒ THỊ................................................................... vii
DANH MỤC BẢNG BIỂU ........................................................................................ x
MỞ ĐẦU .................................................................................................................... 1
I. Tính cấp thiết của đề tài ...................................................................................... 1
II. Mục đích, đối tượng và phạm vi nghiên cứu của đề tài ..................................... 2
1. Mục đích nghiên cứu ...................................................................................... 2
2. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu .................................................................. 2
III. Phương pháp nghiên cứu .................................................................................. 2
IV. Ý nghĩa của đề tài ............................................................................................. 3
1. Ý nghĩa khoa học ............................................................................................ 3
2. Ý nghĩa thực tiễn ............................................................................................ 3
V. Các điểm mới của luận án. ................................................................................ 3

VI. Nội dung chính của luận án .................................................................................. 4
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ CHỒN TRONG CÔNG NGHỆ DẬP KHỐI CHI
TIẾT TỪ PHÔI ỐNG ................................................................................................. 5
1.1 Khái quát về các chi tiết truyền động ............................................................... 5
1.2 Khái quát về công nghệ dập khối chế tạo các chi tiết truyền động .................. 6
1.2.1 Dập khối .................................................................................................... 6
1.2.2 Nguyên công chồn trong công nghệ dập khối ......................................... 10
1.3 Các nghiên cứu trong và ngoài nước về công nghệ chồn ............................... 11
1.3.1 Các nghiên cứu ở nước ngồi .................................................................. 11
1.3.2 Tình hình nghiên cứu trong nước ............................................................ 20
KẾT LUẬN CHƯƠNG 1 ......................................................................................... 23
CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ CÔNG NGHỆ CHỒN TỪ PHÔI ỐNG .... 24
2.1 Ứng suất và biến dạng trong q trình chồn phơi ống ................................... 24
2.2 Chồn phơi ở trạng thái nóng ........................................................................... 29
2.3 Ma sát trên bề mặt tiếp xúc phôi - khn ....................................................... 30
2.4 Khuyết tật trong q trình chồn ống .............................................................. 34
2.5 Đường cong chảy của vật liệu ........................................................................ 39
2.6 Xây dựng mơ hình nghiên cứu cơng nghệ chồn ống ...................................... 41
iii


KẾT LUẬN CHƯƠNG 2 ......................................................................................... 46
CHƯƠNG 3. NGHIÊN CỨU QUÁ TRÌNH CHỒN CỤC BỘ PHƠI ỐNG BẰNG
MƠ PHỎNG SỐ ....................................................................................................... 47
3.1 Ứng dụng mô phỏng số trong nghiên cứu công nghệ dập tạo hình................ 47
3.2 Các bước thiết lập bài tốn mơ phỏng số ....................................................... 49
3.3 Mơ phỏng số q trình chồn phơi ống ............................................................ 50
3.3.1 Lựa chọn phần mềm ................................................................................ 50
3.3.2 Thiết lập mơ hình chồn đầu phơi ống với chày phẳng ............................ 50
3.3.3 Thiết lập bài tốn mơ phỏng số với Deform 3D ...................................... 51

3.4 Khảo sát xác định thời điểm mất ổn định và hình thành khuyết tật gấp khi
chồn ...................................................................................................................... 52
3.4.1 Kết quả khảo sát với H0/D0 =0,4 ............................................................. 58
3.4.2 Kết quả khảo sát với H0/D0 =0,6 ............................................................. 58
3.4.3 Kết quả khảo sát với H0/D0 = 0,8 ............................................................ 59
3.4.4 Kết quả khảo sát với H0/D0 = 1,0 ............................................................ 60
3.4.5 Khảo sát ảnh hưởng của thông số hình học phơi tới mức độ biến dạng và
lực tạo hình ....................................................................................................... 60
3.5 Khảo sát q trình chồn phơi ống với chày có đáy nghiêng .......................... 63
3.5.1 Kết quả mơ phỏng với góc nghiêng đáy chày α = 50 .............................. 63
3.5.2 Kết quả mơ phỏng với góc nghiêng đáy chày α = 100 ............................ 64
3.5.3 Kết quả mô phỏng với góc nghiêng đáy chày α = 150 ............................ 65
3.5.4 Kết quả mơ phỏng với góc nghiêng đáy chày α = 200 ............................ 66
3.5.5 Khảo sát ảnh hưởng của góc nghiêng đáy chày tới mức độ biến dạng và
lực tạo hình ....................................................................................................... 67
KẾT LUẬN CHƯƠNG 3 ......................................................................................... 70
CHƯƠNG 4. THỰC NGHIỆM KIỂM CHỨNG KẾT QUẢ MÔ PHỎNG ............ 71
4.1 Xây dựng hệ thống thực nghiệm q trình chồn phơi ống ............................. 71
4.1.1 Máy ép trục khuỷu ................................................................................... 72
4.1.2 Khn thí nghiệm .................................................................................... 73
4.1.3 Thiết bị nung và đo nhiệt ......................................................................... 74
4.1.4 Hệ thống đo lực, xử lý tín hiệu và hiển thị kết quả ................................. 74
4.1.5 Thiết bị đo mức độ biến dạng .................................................................. 76
4.1.6 Kết nối hệ thống thực nghiệm ................................................................. 77
4.2 Thực nghiệm kiểm chứng và kết quả ............................................................. 78
4.2.1 Trình tự tiến hành thực nghiệm ............................................................... 78
4.2.2 Kết quả thực nghiệm và đối sánh ............................................................ 79
iv

KẾT LUẬN CHƯƠNG 4 ......................................................................................... 83
CHƯƠNG 5. XÂY DỰNG MÔ HÌNH TỐN THỂ HIỆN ẢNH HƯỞNG CỦA
THƠNG SỐ HÌNH HỌC PHÔI VÀ KHUÔN ĐẾN MỨC ĐỘ BIẾN DẠNG VÀ
LỰC TẠO HÌNH TRONG CHỒN ỐNG ................................................................. 84
5.1 Thiết kế thực nghiệm ...................................................................................... 84
5.2 Phân tích phương sai ...................................................................................... 86
5.3 Phân tích ảnh hưởng và mức phù hợp của các thông số hình học phơi và
khn tới mức độ biến dạng và lực tạo hình ........................................................ 88
5.3.1 Phân tích ảnh hưởng, mức phù hợp của các thơng số hình học phơi (tỉ số
H0/D0; S0/D0) và góc nghiêng đáy chày (α) tới mức độ biến dạng ................... 88
5.3.2 Phân tích ảnh hưởng và mức phù hợp của các thơng số hình học phơi (tỉ
số H0/D0; S0/D0) và góc nghiêng đáy chày (α) tới lực tạo hình ........................ 94
5.4 Ứng dụng dập chi tiết bánh răng từ phôi ống ................................................. 99
5.4.1 Chi tiết bánh răng .................................................................................... 99
5.4.2 Tính tốn kích thước phơi ban đầu. ......................................................... 99
5.4.3 Xác định các bước công nghệ cơ bản dập bánh răng từ phơi ống ........... 99
5.4.5 Tính tốn ngun cơng chồn ................................................................. 100
5.4.6 Tính tốn ngun cơng dập trong khn kín ......................................... 101
5.4.7 Kết quả thực nghiệm dập bánh răng ...................................................... 103
KẾT LUẬN CHƯƠNG 5 ....................................................................................... 104
KẾT LUẬN CHUNG ............................................................................................. 105
TÀI LIỆU THAM KHẢO ...................................................................................... 107
DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ CỦA LUẬN ÁN.................. 112
PHỤ LỤC ............................................................................................................... 113

v


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
Ký hiệu

1; 2; 3

Nội dung
Biến dạng theo các phương Z, r, .

εeq

Mức độ biến dạng tương đương

σeq

Ứng suất tương đương

µ,m

Hệ số ma sát

z,r,
P

Đơn vị

N/mm2, MPa

Ứng suất theo các phương Z, r, .
Lực tạo hình

N/mm2, MPa
N, Tấn

n,

Ưng suất pháp tuyến

N/mm2, MPa

f

Ứng suất chảy

N/mm2, MPa

k

Hằng số dẻo của kim loại

H0

Chiều cao phần phôi ống được chồn

mm

S0

Chiều dày phơi ống

mm

D0

Đường kính ngồi của phơi ban đầu

mm

d0

Đường kính trong của phơi ban đầu

mm

S1

Chiều dày phơi ống sau chồn

mm

d1

Đường kính trong của phơi sau chồn

mm

H0/D0

Chiều cao tương đối của phơi

S0/D0

Chiều dày tương đối của phơi

α

Góc nghiêng đáy chày

ε

Mức độ biến dạng

T

Nhiệt độ ban đầu của phôi

PTHH
MPS

Độ

o

C

Phần tử hữu hạn
Mô phỏng số

vi


DANH MỤC HÌNH ẢNH VÀ ĐỒ THỊ
Hình 1.1 Các chi tiết bánh răng, vành răng, bánh răng liền trục ................................ 5
Hình 1.2 Sơ đồ cơng nghệ dập khối ........................................................................... 6

Hình 1.3 Dập khối trên khn hở và khn kín ......................................................... 7
Hình 1.4 Các thiết bị chính sử dụng để đập khối ....................................................... 7
Hình 1.5 Các chi tiết truyền động dạng trục rỗng ...................................................... 8
Hình 1.6 Chi tiết lắp ráp trong thiết bị cơ khí dạng trục rỗng .................................... 8
Hình 1.7 Chế tạo các chi tiết truyền động dạng rỗng bằng cơng nghệ dập khối từ
phơi đặc....................................................................................................................... 9
Hình 1.8 Sơ đồ ngun cơng chồn phơi đặc khơng có ma sát và có ma sát............. 10
Hình 1.9 Sơ đồ ngun cơng chồn phơi rỗng ........................................................... 10
Hình 1.10 Sơ đồ lực, trạng thái ứng suất và biến dạng khi chồn ............................. 11
Hình 1.11 Hướng thớ kim loại sau khi chồn ............................................................ 11
Hình 1.12 Chồn cục bộ từ phơi ống.......................................................................... 12
Hình 1.13 Các dạng chồn cục bộ từ phơi ống .......................................................... 13
Hình 1.14 Sơ đồ chồn cục bộ từ phơi ống ................................................................ 14
Hình 1.15 Thiết kế mơ hình chồn cục bộ của L.M. Alves ....................................... 14
Hình 1.16 Thiết kế mơ hình chồn cục bộ của Aydin Tuzun .................................... 15
Hình 1.17 Mức độ tăng chiều dày khi chồn ống ...................................................... 15
Hình 1.18 Hình ảnh chồn ống thép có ma sát........................................................... 17
Hình 1.19 Ảnh hưởng của ma sát tới kích thước lỗ ................................................. 17
Hình 1.20 Biến dạng của phôi chồn ống khi bôi trơn tốt và khơng bơi trơn ............ 17
Hình 1.21 Hướng dịng chảy của kim loại khi chồn có ma sát ................................ 18
Hình 1.22 Nứt vỡ tế vi trong lịng phơi khi chồn ..................................................... 18
Hình 1.23 Nứt vỡ khi chồn đầu mũ bu lơng ............................................................. 18
Hình 1.24 Khuyết tật gấp khi chồn phơi ống trong khn có lõi ............................. 19
Hình 1.25 Q trình hành thành và vị trí khuyết tật gấp khi chồn ống .................... 19
Hình 1.26 Phân bố nhiệt độ khi chồn ống có nung nóng bằng cảm ứng .................. 20
Hình 1.27 Mất ổn định khi chồn phơi ống thép ........................................................ 21
Hình 1.28 Khuôn và sản phẩm chồn cục bộ ống nhôm phục vụ cơng nghiệp quốc
phịng ........................................................................................................................ 22
Hình 2.1 Sơ đồ chồn ống .......................................................................................... 24
Hình 2.2 Phân bố ứng suất trên bề mặt tiếp xúc khi chồn phôi ống trong trường hợp

không ma sát và có ma sát ........................................................................................ 24
Hình 2.3 Sơ đồ xác định biến dạng của phơi ống ..................................................... 25
Hình 2.4 Ảnh hưởng của bơi trơn tới biên dạng hình học của sản phẩm ................. 31
Hình 2.5 Chồn phơi ống với hệ số ma sát nhỏ (m<0,15) ......................................... 31
Hình 2.6 Chồn phôi ống với hệ số ma sát lớn (m>0,2) ............................................ 31
Hình 2.7 So sánh sự mơ hình ma sát Tresca và Coulomb khi chồn phôi ống .......... 31

vii


Hình 2.8 Mối quan hệ giữa mức độ giảm đường kính trong phơi ơng với mức độ
giảm độ cao phơi ống ứng với các hệ số ma sát khác nhau ...................................... 32
Hình 2.9 Độ dày lớp bơi trơn khi chồn ..................................................................... 32
Hình 2.10 Phá hủy trên bề mặt và bên trong phơi khi chồn ..................................... 34
Hình 2.11 Phơi bị cong khi chồn do có sự xuất hiện của lực ma sát ........................ 36
Hình 2.12 Mất ổn định và hình thành khuyết tật gấp khi chồn phơi ống ................. 36
Hình 2.13 Khuyết tật gấp khi tạo hình ống .............................................................. 38
Hình 2.14 Xác định khuyết tật gấp nhờ phân tích dịng chảy kim loại .................... 38
Hình 2.15 Khuyết tật gấp khi tạo hình chi tiết khớp nối .......................................... 39
Hình 2.16 Khuyết tật gấp khi dập khối trong khn hở ........................................... 39
Hình 2.17 Mẫu thí nghiệm chồn phơi dạng vành ..................................................... 40
Hình 2.18 Đường cong chảy của thép C45 tại các nhiệt độ và tốc độ biến dạng khác
nhau .......................................................................................................................... 41
Hình 2.19 Mơ hình chồn đầu ống với chày ép phẳng và có đáy nghiêng ................ 41
Hình 2.20 Sản phẩm sau khi chồn ............................................................................ 41
Hình 2.21 Bài tốn tiếp xúc ...................................................................................... 43
Hình 2.22 Các điểm khảo sát .................................................................................... 45
Hình 3.1 Các bước thiết lập bài tốn mơ phỏng ....................................................... 49
Hình 3.2 Mơ hình bài tốn chồn từ phơi ống với chày có đáy phẳng ...................... 50
Hình 3.3 Mơ hình hình học của phơi và khn ........................................................ 51

Hình 3.4 Chia lưới phần tử cho phơi và khn ........................................................ 52
Hình 3.5 Q trình biến dạng của phơi ống khi chồn............................................... 53
Hình 3.6 Đồ thị vận tốc của các điểm P1, P2, P3, P4, P5 theo phương Z và Y ....... 54
Hình 3.7 Đồ thị chuyển vị của các điểm P1, P2, P3, P4, P5 theo phương X và Y .. 54
Hình 3.8 Chuyển vị và vận tốc của các điểm P1,P2,P3,P4,P5 tại step 60................ 55
Hình 3.9 Đồ thị chuyển vị của các điểm P1, P2, P3, P4, P5 theo phương z ........... 55
Hình 3.10 Vị trí các chất điểm P1, P2, P3, P4, P5 theo phương Z ........................... 55
Hình 3.11 Đánh giá mức độ phá hủy ........................................................................ 56
Hình 3.12 Phân bố biến dạng ................................................................................... 56
Hình 3.13 Phân bố ứng suất...................................................................................... 56
Hình 3.14 Phân bố nhiệt độ ...................................................................................... 56
Hình 3.15 Đồ thị lực và hành trình ........................................................................... 57
Hình 3.16 Chồn cục bộ ống có lõi giữa .................................................................... 57
Hình 3.17 Phân bố biến dạng khi H0/D0 = 0,4.......................................................... 58
Hình 3.18 Phân bố biến dạng khi α = 0o; H0/D0 = 0,6 .............................................. 58
Hình 3.19 Phân bố biến dạng khi H0/D0 = 0,8.......................................................... 59
Hình 3.20 Phân bố biến dạng khi H0/D0 = 1,0.......................................................... 60
Hình 3.21 Quan hệ giữa mức độ biến dạng và chiều cao tương đối phôi ống H0/D061
Hình 3.22 Quan hệ giữa lực chồn và chiều cao tương đối phơi ống H0/D0 ............. 61
Hình 3.23 Quan hệ giữa mức độ biến dạng và chiều dày tương đối phơi ống S0/D0 62
Hình 3.24 Quan hệ giữa lực chồn và chiều dày tương đối phôi ống S0/D0 .............. 62
viii


Hình 3.25 Mơ hình bài tốn chồn từ phơi ống ......................................................... 63
Hình 3.26 Phân bố biến dạng khi α = 5o; H0/D0 = 0,4 .............................................. 63
Hình 3.27 Phân bố biến dạng khi α = 100; H0/D0 = 0,4 ............................................ 64
Hình 3.28 Sự phân bố biến dạng khi α = 15o; H0/D0 = 0,4....................................... 65
Hình 3.29 Phân bố biến dạng khi α = 20o; H0/D0 = 0,4 ............................................ 66
Hình 3.30 Đồ thị biểu diễn ảnh hưởng của góc nghiêng chày tới mức độ BD ........ 68

Hình 3.31 Đồ thị biểu diễn ảnh hưởng của góc nghiêng chày tới lực ép ................. 68
Hình 4.1 Sơ đồ hệ thống thực nghiệm ...................................................................... 72
Hình 4.2 Máy ép trục khuỷu FCP – 160 ................................................................... 72
Hình 4.3 Kết cấu khn chồn ................................................................................... 73
Hình 4.4 Chày có các góc nghiêng khác nhau.......................................................... 74
Hình 4.5 Thiết bị nung và đo nhiệt độ ...................................................................... 74
Hình 4.6 Cảm biến đo lực ......................................................................................... 75
Hình 4.7 Thiết bị xử lý tín hiệu ................................................................................ 75
Hình 4.8 Thiết bị đo kích thước chiều cao và chiều dày của phơi ........................... 77
Hình 4.9 Hệ thống thực nghiệm ............................................................................... 77
Hình 4.10 Phơi và sản phẩm sau chồn ...................................................................... 79
Hình 4.11 Sản phẩm khi H0/D0 =1,0; S0/D0 = 0,25 và α = 10o ................................. 80
Hình 4.12 Sản phẩm khi H0/D0 = 1,0; S0/D0 =0,2 và α = 0o ..................................... 80
Hình 4.13 Sản phẩm khi H0/D0 =0,6; S0/D0=0,3 và α = 0o ....................................... 81
Hình 4.14 Đồ thị lực chồn khi H0/D0 = 1,0; S0/D0 = 0,25 và α = 10o....................... 81
Hình 4.15 Đồ thị lực chồn khi H0/D0 =1,0; S0/D0 =0,2 và α = 0o............................. 81
Hình 4.16 Đồ thị lực chồn khi H0/D0 =0,6; S0/D0 =0,3 và α = 0o............................. 82
Hình 5.1 Biểu đồ phân mức của các yếu tố H0/D0, S0/D0 và α cho mức độ biến dạng
.................................................................................................................................. 90
Hình 5.2 Biểu đồ mức độ ảnh hưởng của các yếu tố H0/D0, S0/D0 và α tới mức độ
biến dạng................................................................................................................... 90
Hình 5.3 Biểu đồ sự phụ thuộc của mức độ biến dạng vào từng thơng số hình học91
Hình 5.4 So sánh mức độ biến dạng giữa mô phỏng và thực nghiệm ..................... 92
Hình 5.5 So sánh mức độ biến dạng giữa hồi quy và thực nghiệm ......................... 94
Hình 5.6 Biểu đồ phân mức của các yếu tố H0/D0, S0/D0 và α cho lực tạo hình ..... 95
Hình 5.7 Biểu đồ mức độ ảnh hưởng của các yếu tố H0/D0, S0/D0 và α tới lực tạo
hình. .......................................................................................................................... 95
Hình 5.8 Sự phụ thuộc của lực tạo hình vào từng thơng số hình học ...................... 96
Hình 5.9 So sánh lực tạo hình giữa mơ phỏng và thực nghiệm ............................... 97
Hình 5.10 So sánh giữa lực tạo hình giữa thực nghiệm và hồi quy. ........................ 98

Hình 5.11 Bánh răng sau khi dập ............................................................................. 99
Hình 5.12 Khn chồn............................................................................................ 101
Hình 5.13 Kết cấu khn dập bánh răng ................................................................ 102
Hình 5.14 Kết quả thực nghiệm tạo hình bánh răng từ phơi ống. .......................... 103
ix


DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 3.1 Kết quả mức độ biến dạng và lực ép khi H0/D0 = 0,4 ............................... 58
Bảng 3.2 Kết quả mức độ biến dạng và lực ép khi H0/D0 = 0,6 ............................... 59
Bảng 3.3 Kết quả mức độ biến dạng và lực ép khi H0/D0 = 0,8 ............................... 59
Bảng 3.4 Kết quả mức độ biến dạng và lực ép khi α = 0o; H0/D0 = 1,0 ................... 60
Bảng 3.5 Kết quả mức độ biến dạng và lực ép khi α = 5o; H0/D0 = 0,4 ................... 63
Bảng 3.6 Kết quả mức độ biến dạng và lực ép khi α = 5o; H0/D0 = 0,6 ................... 63
Bảng 3.7 Kết quả mức độ biến dạng và lực ép khi α = 5o; H0/D0 = 0,8 ................... 64
Bảng 3.8 Kết quả mức độ biến dạng và lực ép khi α = 5o; H0/D0 = 1,0 ................... 64
Bảng 3.9 Kết quả mức độ biến dạng và lực ép khi α = 100; H0/D0 = 0,4 ................. 64
Bảng 3.10 Kết quả mức độ biến dạng và lực ép khi α = 10o; H0/D0 = 0,6 ............... 64
Bảng 3.11 Kết quả mức độ biến dạng và lực ép khi α = 10o; H0/D0 = 0,8 ............... 65
Bảng 3.12 Kết quả mức độ biến dạng và lực ép khi α = 10o; H0/D0 = 1,0 ............... 65
Bảng 3.13 Kết quả mức độ biến dạng và lực ép khi α = 15o; H0/D0 = 0,4 ............... 65
Bảng 3.14 Kết quả mức độ biến dạng và lực ép khi α = 15o; H0/D0 = 0,6 ............... 66
Bảng 3.15 Kết quả mức độ biến dạng và lực ép khi α = 15o; H0/D0 = 0,8 ............... 66
Bảng 3.16 Kết quả mức độ biến dạng và lực ép khi α = 15o; H0/D0 = 1,0 ............... 66
Bảng 3.17 Kết quả mức độ biến dạng và lực ép khi α = 20o; H0/D0 = 0,4 ............... 66
Bảng 3.18 Kết quả mức độ biến dạng và lực ép khi α = 20o; H0/D0 = 0,6 ............... 67
Bảng 3.19 Kết quả mức độ biến dạng và lực ép khi α = 20o; H0/D0 = 0,8 ............... 67
Bảng 3.20 Kết quả mức độ biến dạng và lực ép khi α = 20o; H0/D0 = 1,0 ............... 67
Bảng 4.1 Mẫu thực nghiệm ...................................................................................... 78
Bảng 4.2 So sánh kết quả thực nghiệm và mô phỏng .............................................. 82

Bảng 5.1 Các thông số đầu vào và đầu ra................................................................. 84
Bảng 5.2 Phương án thực nghiệm khi thay giá trị các mức của các thông số .......... 85
Bảng 5.3 Các đặc trưng chất lượng theo Taguchi. ................................................... 86
Bảng 5.4 Các mức và giá trị tương ứng của các yếu tố ảnh hưởng .......................... 88
Bảng 5.5 Các trường thực nghiệm, kết quả mức độ biến dạng và tỷ lệ S/N ............ 89
Bảng 5.6 Bảng ANOVA phân tích ảnh hưởng của các yếu tố tới mức độ biến dạng
.................................................................................................................................. 89
Bảng 5.7 Bảng so sánh mức độ biến dạng giữa mô phỏng và thực nghiệm ............ 92
Bảng 5.8 Bảng phân tích phương sai ANOVA các yếu tố ảnh hưởng tới mức độ
biến dạng................................................................................................................... 93
Bảng 5.9 So sánh mức độ biến dạng giữa hồi quy và thực nghiệm ......................... 93
Bảng 5.10 Các trường thực nghiệm, kết quả lực tạo hình và tỷ lệ S/N .................... 94
Bảng 5.11 Bảng ANOVA phân tích ảnh hưởng của các yếu tố tới lực tạo hình...... 95
Bảng 5.12 So sánh lực tạo hình giữa mơ phỏng và thực nghiệm ............................. 96
Bảng 5.13 So sánh lực tạo hình giữa hồi quy và thực nghiệm ................................. 98
Bảng 5.14 Thứ tự các bước công nghệ cơ bản dập bánh răng từ phôi ống ............ 100

x


MỞ ĐẦU
I. Tính cấp thiết của đề tài
Trên thế giới cơng nghệ dập tạo hình khối được ứng dụng rộng rãi để sản xuất
các chi tiết cơ khí, đặc biệt là các chi tiết truyền động. Bắt đầu từ những năm 1960,
công nghệ dập khối được nghiên cứu, phát triển và áp dụng mạnh mẽ trong các
ngành công nghiệp cơ khí chế tạo. Đến nay, cơng nghệ dập khối đã phát triển đạt
đến đỉnh cao và thực sự chiếm một tỷ trọng lớn trong chế tạo các chi tiết truyền
động, trong đó chú trọng tới việc tiết kiệm vật liệu, giảm năng lượng tạo hình và
nâng cao cơ tính, chất lượng sản phẩm.
Các dạng chi tiết truyền động được chế tạo bằng công nghệ dập khối rất đa

dạng và phong phú, điển hình như bánh răng, khớp nối, tay biên, trục khuỷu ...và
được ứng dụng trong các ngành công nghiệp vận tải như ơ tơ, máy bay, chế tạo máy
móc, thiết bị.
Hiện nay, hầu hết các chi tiết truyền động được dập khối từ phôi đặc và trải
qua các nguyên công cơ bản như chuẩn bị phôi, nung phôi, các ngun cơng tạo
hình sơ bộ (chồn, ép tụ, uốn, vuốt, dập thơ), các ngun cơng dập hồn thiện (dập
tinh trong khn hở hoặc dập trong khn kín, ép chảy), các ngun cơng hồn
thiện. Nhưng thực tế có rất nhiều chi tiết truyền động có dạng rỗng, sau khi dập khối
cần có ngun cơng gia cơng cơ để bỏ đi phần kim loại và tạo ra chi tiết rỗng. Như
vậy, đối với các chi tiết rỗng, nếu tạo hình từ phơi đặc sẽ lãng phí vật liệu và làm
tăng thêm qui trình cơng nghệ khi phải có thêm ngun cơng gia công cơ hoặc đột
lỗ. Trong thời gian gần đây, nhiều nhà kỹ thuật trên thế giới đưa ra ý tưởng và
nghiên cứu công nghệ dập khối các chi tiết từ phôi ống để chế tạo các chi tiết truyền
động dạng trục rỗng nhằm tiết kiệm vật liệu và nâng cao hiệu quả sản xuất.
Khi dập khối các chi tiết dạng trụ rỗng có bậc, vai, vấu hay răng thường trải
qua các ngun cơng sơ bộ như chồn để tạo hình phơi có hình dạng gần nhất với sản
phẩm trước khi dập hồn thiện. Việc chồn phơi ống thường khó khăn vì phơi ống dễ
bị mất ổn định, mức độ biến dạng nhỏ, không tạo được chiều dày và chiều cao phôi
cần thiết, hay xuất hiện các khuyết tật trong phôi làm ảnh hưởng đến chất lượng sản
phẩm. Việc lựa chọn phơi phù hợp cho ngun cơng chồn ống thường khó khăn và
cho đến nay vẫn chưa có những nghiên cứu cụ thể nào cho phép lựa chọn kích
thước phơi hợp lý cho ngun cơng chồn ống.
Chính vì vậy, việc đặt ra mục tiêu nghiên cứu ảnh hưởng của kích thước hình
học phơi ống, hình dạng dụng cụ gia cơng, điều kiện biến dạng đến khả năng tạo
hình sản phẩm trong ngun cơng chồn rất có ý nghĩa, vừa đóng góp về mặt học
thuật các kiến thức mới về công nghệ chồn, sự hình thành khuyết tật khi chồn, vừa
có ý nghĩa thực tiễn trong việc tiết kiệm vật liệu, năng lượng khi tạo hình, rút ngắn
thời gian và qui trình công nghệ chế tạo các chi tiết truyền động trong các thiết bị
máy móc cơ khí.

1


II. Mục đích, đối tượng và phạm vi nghiên cứu của đề tài
1. Mục đích nghiên cứu
- Xây dựng được phương pháp xác định thời điểm mất ổn định và q trình
hình thành khuyết tật gấp khi chồn phơi ống.
- Thiết lập mối quan hệ giữa mức độ biến dạng, lực chồn phụ thuộc vào thơng
số hình học phơi và khuôn trong điều kiện phôi không xuất hiện khuyết tật gấp dựa
trên mô phỏng số kết hợp với thực nghiệm.
- Đánh giá khả năng ứng dụng chồn ống trong công nghệ dập khối để chế tạo
bánh răng liền trục rỗng.
2. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Luận án nghiên cứu q trình chồn chi tiết từ phơi ống với đối tượng nghiên
cứu cụ thể như sau:
- Nghiên cứu được thực hiện với thép C45.
- Miền giá trị các thông số hình học ban đầu của phơi ống (H0/D0 = 0,4 đến 1,0
và S0/D0 = 0,2 đến 0,35; H0 - chiều cao phần phơi ống được chồn, D0 - đường kính
ngồi của phôi ống, S0 - chiều dày phôi ống).
- Chày ép có đáy phẳng và cơn, góc nghiêng đáy chày α = 0o đến 20o.
- Nghiên cứu quá trình biến dạng đảm bảo không xuất hiện khuyết tật gấp dựa
trên mô phỏng số được thực hiện với phần mềm Deform3D.
- Hệ thống thiết bị thí nghiệm phục vụ nghiên cứu được xây dựng phù hợp với
mục tiêu nghiên cứu (Máy ép trục khuỷu, khuôn chồn, thiết bị đo nhiệt độ, thiết bị
đo lực, lưu dữ liệu và xử lý dữ liệu trên phần mềm DasyLab).
- Sản phẩm sau khi chồn được thử nghiệm cho ngun cơng dập hồn thiện
các chi tiết bánh răng liền trục rỗng.

III. Phương pháp nghiên cứu
Kết hợp nghiên cứu lý thuyết với mô phỏng và thực nghiệm:

- Khảo sát, tìm hiểu các kết quả nghiên cứu đã cơng bố liên quan đến đề tài
trong và ngồi nước, từ đó xây dựng cơ sở lý thuyết cho công nghệ chồn ống.
- Nghiên cứu xác định các thông số hình học của phơi và khn dựa trên phân
tích mô phỏng số với phần mềm Deform.
- Nghiên cứu thực nghiệm kiểm chứng kết quả mô phỏng số và xác định ảnh
hưởng của các thơng số hình học phơi, khn đến quá trình chồn dựa trên hệ thống
thực nghiệm được xây dựng với máy ép trục khuỷu, các thiết bị đo và các phần
mềm đo hiện đại có ở Việt Nam, dữ liệu xử lý số liệu cho kết quả đảm bảo độ tin
cậy.
- Ứng dụng phần mềm Matlab để xử lý số liệu thực nghiệm và xây dựng hàm
số, đồ thị quan hệ giữa các thơng số hình học phơi và góc nghiêng chày với mức độ
biến dạng và lực tạo hình.
2


IV. Ý nghĩa của đề tài
1. Ý nghĩa khoa học
- Bằng kết hợp mô phỏng số và thực nghiệm kiểm chứng, đã xác định được
ảnh hưởng của các thông số chiều cao tương đối (H0/D0), chiều dày tương đối
(S0/D0), và góc nghiên của mặt khn chồn trên () tới mức độ biến dạng tới hạn,
lực tạo hình.
- Luận án đã phân tích dịng chảy về hướng cũng như cường đồ gradient để
xác định được vị trí hình thành khuyết tật gấp trong quá trình tạo hình sản phẩm.
- Luận án đã sử dụng phương pháp quy hoạch thực nghiệm, xây dựng được
mơ hình tốn, mơ tả sự phụ thuộc của biến dạng và lực chồn vào các thông số
H0/D0, S0/D0, . Các phương trình hồi quy này có thể áp dụng để tham khảo khi
thiết kế công nghệ cho nguyên công chồn ống trong các điều kiện vật liệu, nhiệt độ
và tốc độ biến dạng phù hợp.
2. Ý nghĩa thực tiễn
- Nghiên cứu khả năng ứng dụng nguyên công chồn từ phôi ống trong công

nghệ dập khối. Việc lựa chọn thơng số cơng nghệ hợp lý có thể định hướng cho
triển khai áp dụng vào thực tiễn sản xuất một vài chi tiết dạng khối từ phôi ban đầu
dạng ống. Phơi đầu vào q trình dập khối là dạng ống giúp tiết kiệm vật liệu, giảm
lực tạo hình nhằm nâng cao hiệu quả khi sản xuất.
- Luận án có thể dùng làm tài liệu tham khảo cho đào tạo và nghiên cứu tiếp
theo trong lĩnh vực chuyên ngành kỹ thuật vật liệu và chế tạo máy.

V. Các điểm mới của luận án.
- Đưa ra bài tốn chồn đầu từ phơi ống để phục vụ cho nguyên công dập khối
tiếp theo từ vật liệu thép C45, với điều kiện nhiệt độ bắt đầu chồn là 1150oC, tốc độ
dập là 13,4 mm/s, hệ số ma sát m = 0,3÷0,4, phơi được lựa chọn với các thông số
ban đầu H0/D0 = 0,4; 0,6; 0,8 và 1,0; S0/D0 = 0,2; 0,25; 0,3 và 0,35; chày ép có góc
nghiên đáy chày α = 0o; 50; 10o; 15o và 20o. Sử dụng phương pháp mô phỏng số
bằng phần mềm Deform để xác định mức độ biến dạng (ε) và lực chồn (P) đã nhận
được kết quả mơ phỏng qua nhiều bước khác nhau, qua đó chỉ ra q trình biến
dạng tạo hình từ phơi ống và sự xuất hiện khuyết tật gấp là do sự mất ổn định khi
chồn, chỉ ra thời điểm xảy ra mất ổn định trong phôi.
- Xây dựng được hệ thống trang thiết bị thí nghiệm đảm bảo cho q trình thực
nghiệm chồn phơi ống trên máy ép trục khuỷu FCP-160, lị nung phôi, khuôn gắn
cảm biến kết nối trực tiếp với các thiết bị xử lý tín hiệu và máy tính. Kết quả thực
nghiệm kiểm chứng của các trường hợp điển hình đã được so sánh đối chiếu với kết
quả mơ phỏng số, cho thấy sự phù hợp giữa mô phỏng và thực nghiệm.
- Áp dụng phân tích Anova trong quy hoạch thực nghiệm, đã xây dựng được
biểu đồ tổng quát về sự ảnh hưởng của các thông số đầu vào: H0/D0, S0/D0 và α tới
mức độ biến dạng (ε) và lực chồn (P). Từ các mơ hình tốn học nhận được khi xử lý
số liệu thực nghiệm (công thức 5.19 và 5.21) đưa ra các đồ thị 3D biểu diễn sự thụ
thuộc của mức độ biến dạng (ε) và lực chồn (P) vào các thông số H0/D0, S0/D0 và α
3

(Hình 5.3 và Hình 5.8). Ngồi ra đã đưa ra các biểu đồ so sánh kết quả mô phỏng và
thực nghiệm cũng như so sánh kết quả hồi quy và thực nghiệm. Đây là những căn
cứ khoa học đáng tin cậy để xây dựng quy trình cơng nghệ tạo hình các sản phẩm
dạng trụ rỗng có bậc, vai vấu, điển hình là bánh răng liền trục rỗng trong truyền
động cơ khí, giảm thiểu các chi phí thử nghiệm.

VI. Nội dung chính của luận án
Tổng quan về cơng nghệ chồn phơi ống trong dập khối để chế tạo các chi tiết
truyền động được trình bày trong Chương 1, trong đó khảo sát các chi tiết có dạng
rỗng được chế tạo bằng công nghệ dập khối, những công nghệ chế tạo từ trước đến
nay, những kết quả nghiên cứu về công nghệ chồn phơi ống trong và ngồi nước.
Chương 2 trình bày cơ sở lý thuyết về công nghệ chồn phôi ống, các dạng
công nghệ chồn, các khuyết tật sản phẩm khi chồn. Trong chương này cũng trình
bày các chỉ số cần đạt được khi chồn để đáp ứng yêu cầu công nghệ dập khối. Trên
cơ sở phân tích các yếu tố cơng nghệ cơ bản, đã xây dựng mơ hình bài tốn chồn
phơi ống phù hợp với cơng nghệ dập các chi tiết dạng trục rỗng.
Chương 3 thiết lập mô phỏng số bài tốn chồn phơi ống với phần mềm
Deform để xác định thời điểm bắt đầu xuất hiện khuyết tật gấp cũng như khả năng
tạo hình phơi ống. Các kết quả mô phỏng số trong Chương 3 sẽ được kiểm chứng
tính khả dụng thơng qua thực nghiệm với hệ thống thiết bị được xây dựng phù hợp
được trình bày trong Chương 4.
Chương 5 trình bày thực nghiệm và các kết quả khảo sát ảnh hưởng thơng số
hình học phơi và khn tới mức độ biến dạng và lực tạo hình.
Cuối cũng là kết luận chung và hướng phát triển của đề tài, danh mục tài liệu
tham khảo, danh mục các cơng trình đã cơng bố của luận án và các phụ lục kết quả
nghiên cứu.

4

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ CHỒN TRONG CÔNG NGHỆ DẬP
KHỐI CHI TIẾT TỪ PHÔI ỐNG
1.1 Khái quát về các chi tiết truyền động
Các chi tiết dạng bánh răng, trục truyền lực, khớp nối, trục khuỷu… xuất
hiện khá phổ biến trong các hệ thống, thiết bị, hộp số, cụm chi tiết truyền động cơ
khí (Hình 1.1). Các chi tiết này có nhiều hình dạng khác nhau nhưng chủ yếu là các
chi tiết dạng đối xứng trục có vai, vấu, răng để truyền mơ men xoắn, ăn khớp khi
làm việc.
Có rất nhiều các chi tiết máy như bánh răng, khớp nối, trục truyền lực có
dạng rỗng. Cho đến những năm 1980, các chi tiết truyền động này được chế tạo
bằng các công nghệ đúc, gia cơng cắt gọt, sau đó nhiệt luyện. Do đòi hỏi yêu cầu kỹ
thuật cao khi làm việc như chịu tải trọng động, tải trọng nhiệt, mài mòn… hơn nữa,
yêu cầu sản xuất loạt lớn của nền công nghiệp, nên công nghệ dập khối dần thay thế
công nghệ gia công cắt gọt. Các chi tiết này được chế tạo bằng cơng nghệ dập khối
nóng, sau đó gia cơng cơ hồn thiện và nhiệt luyện.
Trong vịng 20 năm trở lại đây, tất cả các chi tiết truyền động trong các thiết
bị truyền lực, hộp số ở các thiết bị máy móc hay ơ tơ đều được sản xuất bằng công
nghệ dập khối để đem lại những hiệu quả cao về kinh tế và đáp ứng được yêu cầu
kỹ thuật của chi tiết.

Hình 1.1 Các chi tiết bánh răng, vành răng, bánh răng liền trục [1,2]

Để đảm bảo được yêu cầu làm việc và độ bền lâu, các chi tiết truyền động
được chế tạo từ thép hợp kim thấp có chứa nguyên tố Cr và một lượng nhỏ Mn, Mo.
5


Những mác vật liệu hay được sử dụng theo TCVN 1765-85 có 15Cr, 20Cr,
20CrMo, 18CrMnTi. Đối với các chi tiết bánh răng cỡ vừa và nhỏ vật liệu sử dụng
thường là thép C40, C45.

Chi tiết sau khi dập khối được gia công cơ, nhiệt luyện, thấm các bon hay
nitơ để nâng cao khả năng chịu mài mòn.

1.2 Khái quát về công nghệ dập khối chế tạo các chi tiết truyền
động
1.2.1 Dập khối
Dập khối là một phương pháp công nghệ trong gia công kim loại bằng áp lực
(gia công áp lực) dựa trên tính dẻo của vật liệu, trong đó vật liệu kim loại được biến
dạng dẻo để điền đầy lòng khn nhằm tạo ra chi tiết có kích thước, biên dạng
giống như lịng khn [1],[2],[3].
Dập khối đã xuất hiện và được áp dụng phổ biến từ rất lâu. Bắt đầu từ thế kỷ
thứ 15 được áp dụng để chế tạo vũ khí, máy móc thiết bị phục vụ nơng nghiệp, công
nghiệp. Theo thời gian, công nghệ này ngày càng được phát triển và đến nay dập
khối được thực hiện trên các thiết bị tự động, điều khiển, trong những điều kiện
nhiệt độ khác nhau và phù hợp với tất cả các loại vật liệu có tính dẻo.

Hình 1.2 Sơ đồ công nghệ dập khối [2]

Dập khối được thực hiện qua các bước cơng nghệ (Hình 1.2):
- Chuẩn bị phơi: Phơi được chuẩn bị làm sạch trước với kích thước theo thiết
kế và thường có hình dáng ban đầu đơn giản (dạng trụ, thanh có tiết diện ngang hình
vng, chữ nhật)
- Nung phơi: Đối với các loại vật liệu khó biến dạng, phôi được nung đến
nhiệt độ phù hợp (thường là nhiệt độ dập nóng). Việc nung phơi rất quan trong
nhằm tăng tính dẻo cho kim loại, nâng cao khả năng biến dạng dẻo, giảm năng
lượng dập tạo hình. Đối với một số trường hợp kim loại dễ biến dạng, hoặc mức độ
biến dạng khơng lớn, có thể bỏ qua nung phơi và tạo hình ở trạng thái nguội.
- Dập khối: Đây là ngun cơng chính, có thể được thực hiện qua nhiều bước
ngun cơng như tạo hình sơ bộ sau đó dập khối trong khn hở (dập thơ, dập tinh)
hoặc dập trong khn kín để tạo hình chi tiết.

- Xử lý sau khi dập: Sản phẩm sau khi dập có thể trải qua các cơng đoạn
hồn thiện như gia cơng cơ, nhiệt luyện…
- Trong sơ đồ công nghệ dập khối có thể thấy được 2 giai đoạn rất quan
trọng, quyết định sự thành cơng của cơng nghệ đó là nung phôi và dập khối.
Nung phôi đảm bảo cho đạt được nhiệt độ của phơi đến nhiệt độ tạo hình và
ổn định nhiệt độ của phơi trên tồn bộ thể tích. Tuỳ vào vật liệu mà nhiệt độ bắt đầu
6


tạo hình có thể khác nhau. Thơng thường đối với thép nhiệt độ bắt đầu tạo hình là từ
11000C đến 12000C.
Dập khối thường chia ra nguyên công dập sơ bộ nhằm đưa hình dạng của
phơi ban đầu đơn giản về gần giống với sản phẩm để đảm bảo cho nguyên công dập
tinh cuối cùng được thành công, kim loại điền đầy lịng khn, tạo ra sản phẩm
chính xác. Các ngun cơng dập sơ bộ thường được sử dụng đó là chồn, ép tụ, vuốt,
uốn, cán chu kỳ… trong đó nguyên cơng chồn sử dụng khá phổ biến. Sau khi tạo
hình sơ bộ, phơi được đưa vào dập trong lịng khn. Có 2 dạng khn được sử
dụng là khn hở và khn kín [1],[2]. Khn hở được áp dụng đối với những chi
tiết có hình dạng phức tạp, nhiều ngóc ngách, khó tính tốn chính xác thể tích của
sản phẩm. Khn kín được áp dụng với những sản phẩm có thể tính tốn chính xác
thể tích chi tiết, khn dễ dàng lắp các hệ thống chống quá tải, dễ kết thúc chính xác
hành trình dập (Hình 1.3). Hiện nay, trong cơng nghệ dập khối, với khả năng tính
tốn và đánh giá q trình biến dạng trước nhờ mơ phỏng số, các nhà kỹ thuật
thường thiết kế khn kín nhằm tiết kiệm thời gian, vật liệu và năng lượng cho các
nguyên công cắt biên.

a) khn hở
b) khn kín
Hình 1.3 Dập khối trên khn hở và khn kín [2]

Ngun cơng chồn và các nguyên công khác trong dập khối được thực hiện
phổ biến trên các loại thiết bị thông dụng như máy búa (búa hơi, búa khơng khí nén,
búa thuỷ lực, máy ép trục khuỷu dập nóng, máy ép ma sát trục vít, máy dập cung
điện stator (Hình 1.4).

Máy búa

Máy ép ma sát trục vít
Máy ép trục khuỷu
Hình 1.4 Các thiết bị chính sử dụng để đập khối [2]

Các chi tiết truyền động trong các thiết bị cơ khí nói chung có rất nhiều hình
dạng khác nhau, hình dạng khối đặc, dạng bậc, có vai, rãnh, gờ, răng để liên kết và
truyền chuyện động, mơ men cho các chi tiết khác (Hình 1.5 và Hình 1.6). Đặc biệt
trong các bộ truyền động, hộp số, hộp giảm tốc, hộp chia lực thường sử dụng rất
nhiều bánh răng, khớp nối vấu có dạng trụ, rỗng để lắp lên trục. Đến nay, hầu hết
7


các chi tiết này đều được dập khối qua các ngun cơng: nung, chồn cục bộ, dập
khối trong khn kín hoặc ép chảy, gia cơng cơ và nhiệt luyện.

Hình 1.5 Các chi tiết truyền động dạng trục rỗng

Hình 1.6 Chi tiết lắp ráp trong thiết bị cơ khí dạng trục rỗng

Các chi tiết truyền động và lắp ráp cơ khí như trên Hình 1.5 và 1.6 dạng trục
rỗng được rất nhiều hãng sản xuất, có thể tìm thấy trong các tài liệu kỹ thuật của
hãng và trên internet.
Nhiều nhà máy, các cán bộ kỹ thuật vẫn lựa chọn công nghệ để chế tạo các

chi tiết rỗng từ dập khối phôi đặc, sau đó gia cơng khoan lỗ giữa. Để tiết kiệm vật
liệu, tránh gia công cơ phải cắt bỏ đi nhiều vật liệu (đôi khi chiếm tới 35% vật liệu
phôi ban đầu), các nhà kỹ thuật lựa chọn nguyên công chồn, sau đó dập khối tạo lỗ
khơng thấu. Màng ngăn lỗ sẽ được đột sau khi dập hoàn thiện chi tiết. Tuy nhiên,
công nghệ này thường thêm nguyên công đột hoặc cần lực lớn trong nguyên công
dập khối do phải tạo thêm lỗ khơng thấu.
Trong vịng 10 năm qua, cũng có nhiều đề xuất nghiên cứu cơng nghệ dập
các chi tiết dạng rỗng này từ phôi ban đầu không phải là phôi đặc mà là phôi rỗng
(phôi ống)[4]–[7], bởi nếu dập phôi rỗng sẽ tiết kiệm vật liệu lên tới 35%, năng
lượng tạo hình cũng tiết kiệm được tương ứng tới 35%. Dập từ phơi rỗng cần có
ngun cơng chồn để phân bố lại kim loại, tạo ra các tiết diện lớn hơn cho phôi
trung gian để phù hợp với ngun cơng dập khối chính. Tuy nhiên, việc chồn phơi
8


ống không đơn giản, khác hẳn với chồn phôi đặc bởi phôi ống rất dễ bị mất ổn định,
đặc biệt ở trạng thái nóng. Việc tính tốn cơng nghệ khó khăn, dễ tạo ra khuyết tật
trong quá trình chồn làm giảm chất lượng sản phẩm cuối cùng. Chính vì vậy, đến
nay vẫn chưa có những nghiên cứu cụ thể đưa ra công nghệ dập khối chi tiết truyền
động dạng rỗng từ phôi ống và áp dụng thành công trong sản xuất cơng nghiệp.
Điều khó khăn nhất trong cơng nghệ này là phải tính tốn được chính xác ngun
cơng chồn để tạo sản phẩm trung gian phù hợp khơng có các khuyết tật do mất ổn
định khi chồn ống tạo ra.

Hình 1.7 Chế tạo các chi tiết truyền động dạng rỗng bằng công nghệ dập khối từ phôi đặc
9


1.2.2 Nguyên công chồn trong công nghệ dập khối
Sơ đồ ngun cơng chồn được trình bày như hình dưới đây.

Hình 1.8 Sơ đồ ngun cơng chồn phơi đặc khơng có ma sát và có ma sát

Chồn là một ngun cơng cơng nghệ nhằm giảm chiều cao, tăng diện tích tiết
diện ngang đồng thời nâng cao cơ tính của sản phẩm. Phơi chồn có thể ở dạng dải,
tiết diện trịn hay các tiết diện vuông, chữ nhật hoặc ống [2],[8],[9]. Chồn được coi
là một ngun cơng tạo hình sơ bộ và được sử dụng phổ biến trong công nghệ dập
khối. Đối với một số sản phẩm như dạng bu lơng, vít, chồn được xem là ngun
cơng chính và có khả năng tạo hình sản phẩm hồn thiện.
Chồn chủ yếu được thực hiện trong trạng thái biến dạng tự do với hai khn
trên, dưới (búa, bệ đe) có dạng phẳng. Tuỳ vào trường hợp tạo hình phơi phù hợp
với ngun cơng dập khối, chồn có thể thực hiện trên khn có biên dạng định hình.
Lực tạo hình, ứng suất trong phơi là nén, biến dạng của phôi là biến dạng khối,
theo chiều cao là biến dạng nén và theo 2 phương ngang là biến dạng kéo.
Hình dạng của phơi sau khi chồn phơi hình trụ có thể là hình trụ (đồng dạng,
biến dạng đồng đều) khi khơng có ma sát trên bề mặt tiếp xúc giữa phơi và khn.
Trường hợp này khó xảy ra trong thực tế, kể cả trong trường hợp bơi trơn rất tốt thì
cũng chỉ có thể giảm thiểu ảnh hưởng của ma sát tiếp xúc. Phôi thường bị phình
tang trống (biến dạng khơng đồng đều) do sự xuất hiện của ma sát tiếp xúc giữa
phôi và dụng cụ gia công. Hệ số ma sát càng lớn, phôi sẽ bị phình tang trống càng
nhiều.
Chồn khơng chỉ được thực hiện với phơi đặc, phơi rỗng cũng hồn tồn có thể
chồn để tạo phôi trung gian cho các nguyên công tiếp theo và nâng cao cơ tính sản
phẩm.

a)
b)
Hình 1.9 Sơ đồ ngun cơng chồn phơi rỗng a)khơng có ma sát tốt và b) có ma sát

Tương tự như chồn phơi đặc, nếu hệ số ma sát giữa phôi và dụng cụ gia

công lớn, tiết diện ngang theo chiều dày phôi sẽ có dạng phình tang trống. Trong
10


trường hợp bơi trơn tốt (được xem như khơng có ma sát), phơi có xu hướng biến
dạng tăng đường kính ngoài theo đúng định luật trở lực biến dạng nhỏ nhất (Hình
1.9) và giảm đường kính trong do kim loại bị chảy theo hướng kính về phía tâm khó
khăn hơn, cản trở lẫn nhau nhiều hơn.

a. Sơ đồ lực tác dụng

b. Sơ đồ trạng thái ứng suất

c. Sơ đồ trạng thái biến dạng

Hình 1.10 Sơ đồ lực, trạng thái ứng suất và biến dạng khi chồn [8]

Trên Hình 1.10 biểu diễn sơ đồ tác dụng lực, ứng suất và biến dạng trong
trường hợp chồn khơng có ma sát, tương ứng với trường hợp nén đơn. Khi đó lực
nén theo phương chính 1 hay trục z, ứng suất nén đơn σz = σ1 = σeq và biến dạng
khối với biến dạng theo phương z là biến dạng nén, biến dạng theo 2 phương còn lại
là biến dạng kéo, chúng bằng nhau và bằng một nửa biến dạng nén.
Trong thực tế tồn tại ma sát giữa phôi và dụng cụ gia công. Vì vậy, sơ đồ lực
tác dụng sẽ khơng chỉ có lực theo phương z mà còn xuất hiện lực ma sát hướng vào
tâm phơi, cản trở q trình chảy ngang của kim loại. Chính lực ma sát này là nguyên
nhân gây phình tang trống trên phơi khi chồn. Trạng thái ứng suất cũng theo đó trở
thành trạng thái ứng suất nén khối bởi xuất hiện thành phần ứng suất nén do lực ma
sát gây ra. Trạng thái biến dạng khối, nhưng sẽ khơng đồng đều trên tồn bộ mặt cắt
ngang phơi, mà có sự thay đổi giữa các mặt cắt ngang khác nhau.
Hình dưới đây biểu diễn hướng thớ kim loại sau khi chồn. Với hướng thớ hình

vịng cung theo chiều dọc phơi sẽ có tác dụng nâng cao độ bền cho sản phẩm sau
khi dập.

Hình 1.11 Hướng thớ kim loại sau khi chồn [55]

1.3 Các nghiên cứu trong và ngồi nước về cơng nghệ chồn
1.3.1 Các nghiên cứu ở nước ngồi
Ngun cơng chồn được xem là một trong những bước tạo hình sơ bộ ban
đầu nên trong cơng nghệ dập khối chồn luôn được thiết kế đơn giản, không chú
trọng vào việc tạo ra hình dạng chính xác, khơng tính tốn cụ thể nếu sau đó cịn có
ngun cơng dập thơ và dập tinh trên khn hở. Chính vì vậy, rất nhiều tài liệu công
nghệ dập khối hay những nghiên cứu mới về công nghệ chỉ đề cập đến nguyên công
chồn chứ không xem đây là một công nghệ [2],[8],[10].Tuy nhiên, cũng có nhiều
11


tác giả coi việc xác định phơi chồn và kích thước sản phẩm sau khi chồn quan trọng,
có thể quyết định rút ngắn các ngun cơng dập hồn thiện. Sau khi chồn, phơi
được dập khối chính xác trong khn kín [5],[6],[11]. Chính vì vậy, nhiều nhà kỹ
thuật coi chồn cũng là một công nghệ và cần được thiết kế công nghệ này một cách
chính xác.
Nhiều nhà kỹ thuật đã tập trung nghiên cứu loại hình cơng nghệ, tính tốn
kích thước phơi, kích thước hình dạng sản phẩm sau chồn, xác định các thông số
công nghệ, xác định ứng suất, biến dạng, đặc điểm dịng chày kim loại, khuyết tật,
lực cơng nghệ và lựa chọn thiết bị thực hiện.
1.3.1.1 Công nghệ chồn
Để chế tạo các chi tiết dạng xupap động cơ đốt trong hay các chi tiết khớp
nối, các tác giả Guo-zheng Quan hay H.S. Jeong đã phát triển công nghệ chồn cục
bộ liên tục có nung nóng bằng dịng điện ngắn mạch, cho phép nung cục bộ, chồn
cục bộ để tạo ra vùng đầu của thanh có tiết diện ngang rất lớn. Do chồn cục bộ liên

tục nên tỉ số chồn tổng cộng có thể trên 10. Việc áp dụng công nghệ chồn này sẽ
cho phép kết hợp với dập trong lịng khn để tạo hình chi tiết hồn chỉnh [12].
Nhiều tác giả sử dụng phương pháp mô phỏng số để xác định các thông số
công nghệ phù hợp và đánh giá q trình chồn cũng như điền đầy lịng khn của
vật liệu [5],[13],[14],[15].
Một nhóm các tác giả khác cũng nghiên cứu công nghệ chồn cục bộ liên tục
để tạo hình các chi tiết có dạng mũ, trên khn có hệ thống đàn hồi nhằm khống chế
vùng biến dạng luôn ở trong điều kiện tỷ số giữa chiều cao và đường kính thanh
khơng vượt q 2,5 (giới hạn mất ổn định) [16]–[19]. Kim loại bổ sung liên tục vào
vùng biến dạng để tạo ra phần đầu chồn có tiết diện lớn.
Tác giả Aydin Tuzun phát triển công nghệ chồn cho các chi tiết dạng ống
[20], tính tốn giải tích và mơ phỏng để xác định khả năng tạo hình khi chồn ống.
Vì phơi ống có thành mỏng nên việc tạo hình phải được tính tốn kỹ, chồn qua
nhiều bước và được thực hiện trong lịng khn để tránh hiện tượng mất ổn định
cho phơi ống.

Hình 1.12 Chồn cục bộ từ phôi ống [20]
12


1.3.1.2 Vật liệu
Chồn thường nằm trong một chuỗi nguyên công dập khối nên việc lựa chọn
vật liệu phụ thuộc vào yêu cầu chi tiết. Tất cả các vật liệu kim loại, hợp kim dùng
trong chế tạo máy, có tính dẻo đều được áp dụng và thích hợp với cơng nghệ chồn.
Trong nhiều nghiên cứu [10], [19], [21], [22], các tác giả sử dụng nhiều loại vật liệu
thép (từ thép các bon, thép hợp kim thấp đến thép hợp kim cao), kim loại màu như
hợp kim nhơm, titan… Để tính tốn các thông số công nghệ, đặc biệt là lực tạo hình
hay áp dụng mơ phỏng số để khảo sát, phân tích q trình tạo hình, các tác giả
thường phải xây dựng mơ hình thuộc tính biến dạng của vật liệu trong những điều
kiện nhiệt độ khác nhau phù hợp với chế độ cơng nghệ. Các mơ hình vật liệu

thường áp dụng mơ hình của Ludwig hay Swift [23], [24]. Việc xác định, nhận dạng
các hệ số trong mơ hình thuộc tính biến dạng, hầu hết đều sử dụng phương pháp nén
phơi trụ có bơi trơn tốt giữa phơi và chày cối để đảm bảo ma sát tiếp xúc nhỏ nhất.
1.3.1.3 Thiết kế bước cơng nghệ phụ thuộc vào hình dạng sản phẩm chồn
Đối với các sản phẩm chồn từ phôi đặc (chồn tồn bộ thể tích phơi hoặc chồn
cục bộ) thì việc xác định kích thước sản phẩm chồn qua các bước chồn được tính
tốn dựa trên định luật bảo tồn thể tích và đảm bảo điều kiện để phơi không bị mất
ổn định. Việc xác định các bước chồn đã được nhiều nhà kỹ thuật thiết kế phụ thuộc
vào sản phẩm, và chủ yếu quan tâm tới các chi tiết cần có tỷ số chồn tổng cộng lớn.
Trường hợp chồn với tỷ số H/D=7 cần 3 bước chồn, với H/D=12 cần 5 bước chồn
và phụ thuộc vào hình dạng chi tiết cuối cùng để xác định nguyên công dập trong
lịng khn để hồn thiện.
Chế tạo các chi tiết rỗng, khi sử dụng phơi ống sẽ có lợi và tiết kiệm hơn rất
nhiều, tuy nhiên tỷ số chồn chưa có cơng thức tính cụ thể. Bước cơng nghệ đối với
chồn các chi tiết từ thanh hay khối vật liệu đặc thường xác định theo tỷ số H/D,
nhưng đối với các chi tiết dạng ống khơng chỉ tính theo tỷ số H/D, nó cịn phụ thuộc
vào chiều dày. Nếu chiều dày ống nhỏ hay đường kính ống lớn hoặc nén lệch tâm
thì ống sẽ bị mất ổn định. Như vậy, chồn phơi rỗng khó khăn hơn nhiều.
Trong nghiên cứu [20]và các phát minh về phương pháp thiết kế tạo hình các
chi tiết ống [25]–[30] đưa ra các dạng chồn cục bộ từ phơi ống như hình dưới đây.

Hình 1.13 Các dạng chồn cục bộ từ phôi ống [20]

Theo các nghiên cứu này, có 3 dạng thiết kế cơng nghệ:
- Chồn ngồi: Đường kính bên ngồi của ống gia tăng trong khi đường kính
bên trong khơng thay đổi.
- Chồn trong: Đường kính bên trong của ống gia tăng trong khi đường kính
bên ngồi khơng thay đổi.
- Chồn đồng thời ngồi và trong: Đường kính bên ngồi của ống gia tăng trong
khi đường kính bên trong giảm.

13


Chồn cục bộ để tăng tiết diện ngang, chiều dày ống được thực hiện ở bất kỳ
vị trí nào trên phơi. Chồn cục bộ các dạng nêu trên cần có khn, khơng thể thực
hiện q trình chồn tự do bởi dễ xảy ra mất ổn định phơi ống. Do đó, công nghệ
chồn ống thường bị giới hạn hoặc luôn phải kiểm soát, khống chế biến dạng theo
phương chiều dày trong suốt q trình chồn.
Do chưa có lý thuyết cụ thể tính tốn về mối quan hệ giữa chiều cao vùng
chồn với chiều dày ống, đường kính ống, nên hầu hết các nghiên cứu thiết kế chỉ
dựa trên kinh nghiệm và phải có sự hỗ trợ của cơng cụ mơ phỏng trên máy tính. Tuỳ
thuộc vào u cầu hình dạng sản phẩm, khuôn phải được thiết kế sao cho phù hợp
và đảm bảo khơng hình thành khuyết tật gấp trong sản phẩm.
Một vài thiết kế công nghệ và khuôn đã được nghiên cứu như sau:
Thiết kế của L.M. Alves và các cộng sự chỉ ra nếu phơi dày và khn có sử
dụng lõi thì quá trình biến dạng khá dễ dàng, nhưng nếu phôi ống mỏng, tương quan
chiều dày và chiều cao ống chồn không phù hợp, phôi sẽ mất ổn định và bị cong
ngay khi bắt đầu chồn [31], [32].

Hình 1.14 Sơ đồ chồn cục bộ từ phơi ống

Hình 1.15 Thiết kế mơ hình chồn cục bộ của L.M. Alves [31]
14


Tiếp đó trong nghiên cứu của mình, L.M. Alves đã đưa ra mơ hình chồn cục
bộ và thấy rằng nếu lựa chọn giá trị của độ tăng chiều dày vùng chồn cục bộ và
chiều dày bị giảm đi của phần trên ống thì sẽ tránh được hiện tượng lỗi do mất ổng
định (mơ hình 2) hay rách phơi (mơ hình 3). Trong nghiên cứu này, việc xác định
các giá trị nêu trên phù hợp hồn tồn dựa trên mơ phỏng và thực nghiệm kiểm

chứng.

Hình 1.16 Thiết kế mơ hình chồn cục bộ của Aydin Tuzun [20]

Nghiên cứu đưa ra việc thiết kế khuôn chồn cục bộ và khảo sát các kích thước
của khn, đặc biệt là các kích thước góc lượn chày, cối nhằm tạo điều kiện thuận
lợi nhất cho biến dạng kim loại ở vùng chồn. Tuy nhiên, tính tốn chiều dài phơi
ban đầu và chiều dày đạt được sau khi chồn hoàn toàn phụ thuộc vào kết quả mô
phỏng số mà chưa đưa ra được cơ sở lý luận cụ thể. Kết quả nghiên cứu có giá trị
tham khảo cao khi dựa trên phân tích mơ phỏng số đã dự tính được điều kiện để
phơi biến dạng khơng tạo ra mất ổn định, dẫn đến cong, gấp phôi là chiều cao tự do
của ống ban đầu không vượt quá 2,5 lần chiều dày và mức độ tăng chiều chày sau
khi chồn và trước khi chồn không vượt quá 1,5 lần. Dựa vào tỷ số gia tăng chiều
dày này có thể tính tốn sơ bộ được số bước chồn phù hợp.

Hình 1.17 Mức độ tăng chiều dày khi chồn ống [20]

1.3.1.4 Trạng thái ứng suất, biến dạng và lực
Vấn đề này đã được nhiều nhà kỹ thuật trên thế giới nghiên cứu từ rất lâu và đã đưa
ra các cơng thức tính tốn giải tích cho phân bố ứng suất, biến dạng và lực chồn
[33],[34],[35],[36],[37]. Bắt đầu từ thế kỷ 21 khơng cịn nghiên cứu cơ bản về trạng
thái ứng suất biến dạng nữa, mà hầu hết các nghiên cứu được lồng ghép trong tính
tốn cơng nghệ cụ thể và sử dụng các phương pháp số để xác định và cho kết quả
15