TỐI ưu hóa các THÔNG số CÔNG NGHỆ KHI dập VUỐT THÉP 1x18h9t

Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV

TỐI ƯU HÓA CÁC THÔNG SỐ CÔNG NGHỆ KHI DẬP VUỐT THÉP 1X18H9T
OPTIMIZATION OF PROCESS PARAMETERS ON THE DRAWING OF 1X18H9T STEEL
ThS Lê Trọng Tấn1a, ThS Nguyễn Mạnh Tiến1b, TS Nguyễn Trường An1c
1
Học viện Kỹ thuật quân sự
a
b
; ;
TÓM TẮT
Bài báo sử dụng phương pháp quy hoạch thực nghiệm nghiên cứu ảnh hưởng của các
yếu tố công nghệ: áp lực ép biên, chiều dày tương đối của vật liệu và hệ số ma sát tiếp xúc
đến khả năng biến dạng của vật liệu khi dập vuốt thép 1X18H9T. Trên cơ sở nghiên cứu
nhằm tối ưu hóa các thông số công nghệ, góp phần hoàn thiện công nghệ dập vuốt thép
1X18H9T nói riêng và vật liệu khó biến dạng nói chung, phục vụ phát triển kinh tế và an ninh
quốc phòng.
Từ khóa: dập vuốt, thực nghiệm, quy hoạch thực nghiệm, thép không rỉ, thông số công nghệ.
ABTRACT
This paperuses experimental planning method to study on influence of process
parameters on the drawing: blank holder force, the relative thickness of material, contact
friction coefficient to ability deformation on drawing of 1X18H9T steel. This study
implemented an optimization of process parameters, contribute to improving in drawing
technology of 1X18H9T steel and high – strength materials, serve economic development and
national security.
Keywords: drawing, experimental, experimental planning, stainless steel, process
parameters.
1. ĐẶT VẤN ĐỀ
Dập vuốt là một phương pháp gia công kim loại bằng áp lực nhằm biến đổi phôi
phẳng hoặc phôi rỗng để tạo ra các chi tiết rỗng có hình dạng và kích thước theo yêu cầu
(hình 1). Quá trình dập vuốt nói chung phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố như: mức độ dập

vuốt, áp lực ép biên, bán kính lượn cối, hệ số ma sát tiếp xúc, chiều dày vật liệu phôi,…Tùy
thuộc vào từng loại vật liệu thì các yếu tố công nghệ có mức độ ảnh hưởng khác nhau đến
quá trình biến dạng.

Hình 1: Sơ đồ quá trình dập vuốt từ phôi phẳng (a) và dập vuốt ở nguyên công sau (b)
1) Cối dập, 2) Chày dập, 3) Ép biên, 4) Phôi
489


Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV
Thép 1X18H9T (ΓOCT 56312-61) là một loại thép không rỉ, có độ bền cao, có
mức độ hóa bền do biến dạng lớn cho nên khi dập vật liệu này các yếu tố công nghệ
như: chiều dày tương đối của vật liệu, áp lực ép biên và ma sát tiếp xúc có ảnh hưởng
lớn đến khả năng biến dạng và lực dập. Vì thế, cần nghiên cứu quy luật ảnh hưởng của
các yếu tố này đến quá trình dập làm cơ sở cho việc ứng dụng trong thực tế sản xuất.
2. ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC YẾU TỐ ĐẾN KHẢ NĂNG BIẾN DẠNG KHI TẠO HÌNH
2.1. Ảnh hưởng của áp lực ép biên
Áp lực ép biên có ảnh hưởng lớn đến lực dập vuốt và chất lượng sản phẩm. Áp lực
ép biên làm tăng lực dập vuốt. Sự có mặt của áp lực ép biên sẽ làm tăng ứng suất kéo và
làm giảm ứng suất nén ở phần vành phôi dẫn tới loại bỏ các nếp nhăn. Nhưng khi tăng quá
mức sẽ làm cho ứng suất kéo lớn gây đứt phôi.
Lực ép biên có thể được tính theo công thức [1]:
Trong đó:

𝑄𝑄 = 0,785[𝐷𝐷2 − (𝑑𝑑 + 2. 𝑟𝑟𝑐𝑐 )2 ]. 𝑞𝑞𝑒𝑒𝑒𝑒

(1)

+ D: đường kính phôi ban đầu,
+ d: đường kính sản phẩm,

+ r c : bán kính lượn của cối,
+ q eb : áp lực ép đơn vị.

Theo [1], áp lực đơn vị q eb = (0,8 – 4,5) MPa cho vật liệu thông thường. Khi dập
thép có độ bền cao, khó biến dạng thì q eb có thể lấy gấp 2,5 lần (tức là khoảng q eb = 2 –
12MPa).
2.2. Ảnh hưởng của chiều dày tương đối của vật liệu
𝑠𝑠

Theo [1], chiều dày tương đối (∆𝑠𝑠 = 𝐷𝐷 . 100%) của vật liệu có ảnh hưởng mạnh đến
giá trị áp lực ép biên và mức độ dập vuốt. Các công trình nghiên cứu cho thấy, khi tăng
chiều dày tương đối của vật liệu, mức độ biến dạng của vật liệu khi dập vuốt sẽ tăng và áp
lực ép biên có thể giảm. Khi chiều dày phôi rất mỏng thì mức độ dập vuốt tới hạn bị ảnh
hưởng mạnh vào hệ số ma sát.
2.3. Ảnh hưởng của ma sát tiếp xúc
Lực ma sát giữa phôi và cối dập là ma sát có hại. Sự xuất hiện ma sát tại các vùng
tiếp xúc này cản trở quá trình kéo phôi vào trong lòng cối. Đặc biệt, khi dập các loại thép
không rỉ, có độ bền cao, ma sát làm nhiệt độ tại các vùng tiếp xúc tăng mạnh gây ra hiện
tượng bám dính vật liệu phôi vào cối dập. Điều này làm cho bề mặt phôi bị xước, ảnh
hưởng tới chất lượng sản phẩm và tuổi thọ dụng cụ. Do vậy, cần thiết phải có chế độ bôi
trơn hợp lý. Theo [3],[4], hệ số ma sát𝜇𝜇 khi dập vuốt được lấy trong khoảng 0,03 – 0,2.
3. TỐI ƯU HÓA CÁC THÔNG SỐ CÔNG NGHỆ KHI DẬP VUỐT THÉP 1X18H9T
Để đánh giá sự ảnh hưởng của các thông số trên tới quá trình dập vuốt thép
1X18H9T, các tác giả sử dụng phương pháp quy hoạch thực nghiệm trực giao bậc 2. Hàm
mục tiêu lựa chọn là chiều sâu dập vuốt tương đối lớn nhất (được mã hóa là y 1 , %) và lực
dập vuốt lớn nhất (được mã hóa là y 2 , Tấn).
3.1. Lựa chọn các khoảng thông số công nghệ và thiết bị thí nghiệm
Vật liệu thí nghiệm là thép 1X18H9T có thành phần hóa học và các chỉ tiêu cơ tính
cho trong bảng 1 và bảng 2.
490

Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV
Bảng 1: Thành phần hóa học của thép 1X18H9T
Mác thép
1X18H9T

Thành phần hóa học, %
C

Si

Mn

P

S

Cr

Ni

Mo

W

Ti

≤ 0,12 ≤ 0,80 ≤ 2,00 ≤ 0,035 ≤ 0,020 ~ 17,0 ~ 8,00 ≤ 0,30 ≤ 0,20 ~ 0,80
Bảng 2: Các chỉ tiêu cơ tính của thép 1X18H9T

Chỉ tiêu cơ tính

Mác thép

𝜎𝜎𝑠𝑠 (MPa)

1X18H9T

𝜎𝜎𝑏𝑏 (MPa)

240

Độ cứng HB

𝛿𝛿 (%)

520

38

88

Các yếu tố khảo sát là áp lực ép biên q eb , chiều dày tương đối của vật liệu ∆𝑠𝑠 và hệ số
ma sát 𝜇𝜇. Khoảng biến thiên của các thông số, căn cứ vào cơ sở trình bày trong mục 2, được
chọn như sau:

- Áp lực ép biên được mã hóa x 1 với mức biến đổi: mức dưới (-) là 2 và mức trên (+) là
12 MPa;

- Chiều dày tương đối của vật liệu được mã hóa là x 2 . Căn cứ vào điều kiện thực tế có

thể chọn với mức biến đổi: mức dưới (-) là 0,8% và mức trên (+) là 1,5 %.
- Hệ số ma sát được mã hóa là x 3 với mức biến đổi: mức dưới (-) là 0,03 và mức trên
(+) là 0,2.
Thực nghiệm được tiến hành tại Phòng thí nghiệm Gia công áp lực theo ma trận bảng 3
trên các dụng cụ và thiết bị trình bày trên hình 2.
N

x0

x1

Bảng 3: Ma trận thực nghiệm phần các biến số
x2
x3
x1x 2 x1x 3 x2x 3
x 1x 2x 3
x1’

1

+

+

-

-

-

-

+

+

2

+

+

+

-

+

-

-

3

+

+

-

+

-

+

4

+

+

+

+

+

5

+

-

-

+

6

+

-

+

7

+

-

8

+

9

x2’

x3’

0,27

0,27

0,27

-

0,27

0,27

0,27

-

-

0,27

0,27

0,27

+

+

+

0,27

0,27

0,27

+

-

-

+

0,27

0,27

0,27

+

-

-

+

-

0,27

0,27

0,27

-

-

+

+

+

-

0,27

0,27

0,27

-

+

-

-

+

-

+

0,27

0,27

0,27

+

0

0

0

0

0

0

0

-0,73

-0,73

-0,73

10

+

+ω

0

0

0

0

0

0

0,75

-0,73

-0,73

11

+

-ω

0

0

0

0

0

0

0,75

-0,73

-0,73

12

+

0

+ω

0

0

0

0

0

-0,73

0,75

-0,73

13

+

0

-ω

0

0

0

0

0

-0,73

0,75

-0,73

14

+

0

0

+ω

0

0

0

0

-0,73

-0,73

0,75

15

+

0

0

-ω

0

0

0

0

-0,73

-0,73

0,75

0

491


Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV

b.

a.

c.

Hình 2: Sơ đồ khuôn thí nghiệm (a), METL YH32 (b)
và thiết bị thu thập & xử lý số liệu Kyowa (c)
3.2. Kết quả thí nghiệm và bàn luận
a) Kết quả thí nghiệm
Các tác giả tiến hành đo chiều sâu vuốt tương đối sau mỗi lần dập tại ba vị trí khác nhau
và lấy giá trị trung bình (hình 3). Lực dập thu được nhờ thiết bị thu thập xử lý số liệu Kyowa.
Các số liệu thực nghiệm được ghi vào bảng 4.
Bảng 4: Các kết quả thí nghiệm
x1’

x2’

x3’

y 1 (%)

y2
(Tấn)

+

0,27

0,27

0,27

63

8

-

-

0,27

0,27

0,27

65

9,5

+

-

-

0,27

0,27

0,27

64

9

+

+

+

+

0,27

0,27

0,27

62,5

11

+

+

-

-

+

0,27

0,27

0,27

66

10

+

+

-

-

+

-

0,27

0,27

0,27

65,5

9

-

-

-

+

+

+

-

0,27

0,27

0,27

59

7,5

+

-

+

-

-

+

-

+

0,27

0,27

0,27

62

7,8

9

+

0

0

0

0

0

0

0

-0,73

-0,73

-0,73

64

8,5

10

+

+ω

0

0

0

0

0

0

0,75

-0,73

-0,73

61

9,3

11

+

-ω

0

0

0

0

0

0

0,75

-0,73

-0,73

58

7,6

12

+

0

+ω

0

0

0

0

0

-0,73

0,75

-0,73

65

8,6

13

+

0

-ω

0

0

0

0

0

-0,73

0,75

-0,73

58,5

9,2

14

+

0

0

+ω

0

0

0

0

-0,73

-0,73

0,75

57

11,2

15

+

0

0

-ω

0

0

0

0

-0,73

-0,73

0,75

66

8,2

N0 x 0

x1

x2

x3

x1x 2

1

+

+

-

-

-

-

+

2

+

+

+

-

+

-

3

+

+

-

+

-

4

+

+

+

+

5

+

-

-

6

+

-

7

+

8

x 1x 3 x 2x 3 x 1x 2x 3

Bằng các tính toán theo lý thuyết quy hoạch thực nghiệm [2], các hàm mục tiêu của bài
toán được xây dựng có dạng sau:
𝑦𝑦1 = 60,5 + 0,99𝑥𝑥2 − 1,5𝑥𝑥1 𝑥𝑥3 − 0,875𝑥𝑥2 𝑥𝑥3 + 1,4𝑥𝑥22 + 1,23𝑥𝑥32

𝑦𝑦2 = 8,56 + 0,48𝑥𝑥1 + 0,9𝑥𝑥3 + 0,525𝑥𝑥1 𝑥𝑥2 + 0,55𝑥𝑥32
492

(2)
(3)


Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV
Các hàm trên đã được kiểm tra, đáp ứng được tính hữu dụng của hàm hồi quy.

a.

b.

Hình 3: Sản phẩm sau dập vuốt (a) và vị trí đo chiều sâu dập (b)
b) Bàn luận kết quả thí nghiệm
* Ảnh hưởng của các thông số công nghệ tới chiều sâu dập vuốt tương đối
Từ phương trình 2, ta sẽ xem xét sự ảnh hưởng của từng yếu tố đến chiều sâu dập vuốt tương
đối. Ta có:
y1 (x 1, 1, 1) = 63,25 – 1,5x 1

(2a)

y1 (1, x2, 1) = 60,23 + 0,115x 2 + 1,4𝑥𝑥22

(2b)

y1 (1, 1, x 3) = 62,89 – 2,375x 3 + 1,23𝑥𝑥32

(2c)

Các phương trình 2a, 2b và 2c cho chúng ta thấy yếu tố có ảnh hưởng lớn nhất đến
chiều sâu dập vuốt tương đối là chiều dày tương đối ∆𝑠𝑠 của vật liệu (do mã x 2 có hệ số
đều dương và lớn nhất), tiếp đến là hệ số ma sát (mã x 3 có một hệ số mang dấu âm và
một hệ số mang dấu dương). Áp lực ép biên có ảnh hưởng ít hơn (hệ số của mã x 1 mang
dấu âm).
Bài báo sử dụng phương pháp leo dốc Box – Wilson tìm được giá trị tối ưu theo
mô tả của hàm mục tiêu 2 là y 1 = 66,5% khi (x 1 , x 2 , x 3 ) = (-1,215, 1,215, 1,215). Tức là:
(p eb , ∆𝑠𝑠, 𝜇𝜇) = (1MPa, 1,57%, 0,22).
* Ảnh hưởng của các thông số công nghệ tới lực dập vuốt
Từ phương trình 3 ta có:

y2 (x 1, 1, 1) = 10 + x 1

(3a)

y2 (1, x2, 1) = 10,49 + 0,525x 2

(3b)

y2 (1, 1, x 3) = 9,565 + 0,9x 3 + 0,55𝑥𝑥32

(3c)

Các phương trình 3a, 3b, 3c cho chúng ta thấy rằng hệ số ma sát có ảnh hưởng lớn
nhất đến lực dập vuốt (do các hệ số của mã x 3 đều mang dấu dương và tổng các hệ số là
lớn nhất), thứ đến là áp lực ép biên (hệ số của mã x 1 dương và có giá trị trung bình).
Chiều dày tương đối của phôi có ảnh hưởng ít nhất tới lực dập vuốt (do hệ số của mã x 2
dương và có giá trị nhỏ nhất).
Bài báo sử dụng phương pháp leo dốc Box – Wilson tìm được giá trị tối ưu theo
mô tả của hàm mục tiêu 3 là y 2 = 11,8 Tấn khi (x 1 , x 2 , x 3 ) = (1,215, 1,215, 1,215). Tức
là: (p eb , ∆𝑠𝑠, 𝜇𝜇) = (13,1MPa, 1,57%, 0,22).

4. KẾT LUẬN

Bằng phương pháp quy hoạch thực nghiệm, các tác giả đã xây dựng được các hàm
mục tiêu mô tả sự ảnh hưởng phối hợp của các yếu tố công nghệ: áp lực ép biên, chiều dày
tương đối của vật liệu và hệ số ma sát đến chiều sâu dập vuốt tương đối và lực dập vuốt
lớn nhất khi tạo hình thép 1X18H9T. Các phương trình hồi quy cũng cho biết mức độ ảnh
hưởng của từng yếu tố đến hàm mục tiêu và cho phép xác định các giá trị tối ưu của các
yếu tố này khi dập vuốt.
493


Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Đinh Văn Phong, Nguyễn Trường An, Tạ Đình Xuân. Công nghệ tạo hình kim loại tấm,
NXB Quân đội nhân dân, 2015.
[2] Nguyễn Minh Tuyển. Quy hoạch thực nghiệm, NXB Khoa học và kỹ thuật, 2005.
[3] T. Altan, A.E. Tekkaya. Sheet Metal Forming—Fundamentals, ASM International, 2012.

[4] R. Padmanabhan, M.C. Oliveira, J.L. Alves, L.F. Menezes. Influence of process
parameters on the deep drawing of stainless steel, Finite Elements in Analysis and
Design, 2007, Vol 43, p. 1062 – 1067.
THÔNG TIN TÁC GIẢ
1.

Lê Trọng Tấn, giảng viên, Bộ môn Gia công áp lực, Học viện Kỹ thuật quân sự.
Email: DĐ: 098.4289.855

2.

Nguyễn Mạnh Tiến, giảng viên, Bộ môn Gia công áp lực, Học viện Kỹ thuật quân sự.
Email: DĐ: 097.7817.623

3.

Nguyễn Trường An, Chủ nhiệm Bộ môn Gia công áp lực, Học viện Kỹ thuật quân sự.
Email: DĐ: 097.5280.976

494