Nghiên cứu công nghệ dập thủy lực để chế tạo các chi tiết vỏ mỏng trong công nghiệp sản xuất ô tô, xe máy

bộ giáo dục và đào tạo
tr-ờng đại học bách khoa hà nội
---------------------------------------

Lấ VN PHNG

NGHIấN CU CễNG NGH DP THU LC
CH TO CC CHI TIT V MNG TRONG CễNG
NGHIP SN XUT ễTễ, XE MY

Chuyờn ngnh : CH TO MY

luận văn thạc sĩ Ngành công nghệ cơ khí

ng-ời h-ớng dẫn khoa học:
PGS.TS. PHM VN NGH

H Ni Nm 2012


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu,
kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chƣa đƣợc công bố trong các công trình
khác.

HỌC VIÊN CAO HỌC

Lê Văn Phƣơng

2

LỜI CẢM ƠN
Sau 2 năm học tập và nghiên cứu, đƣợc sự giúp đỡ tận tình của Thầy Cô giáo
trong Viện Cơ khí, Bộ môn Gia Công Áp Lực cùng sự hƣớng dẫn khoa học tận tình
của PGS. TS. Phạm Văn Nghệ, tôi đã hoàn thành khóa học, luận văn tốt nghiệp Cao
học và đạt những kết quả mong muốn.
Nhân dịp hoàn thành luận văn Cao học, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới
tất cả các Thầy, Cô giáo trong Bộ môn, Viện Cơ khí và Trƣờng đã tận tình giúp đỡ,
động viên, tạo điều kiện tốt nhất cho tôi hoàn thành khoá học của mình.
Tôi xin chân thành cảm ơn Thầy giáo PGS. TS. Phạm Văn Nghệ đã nhiệt tình
hƣớng dẫn và giúp đỡ tôi trong việc thực hiện luận văn này.
Xin chân thành cám ơn các thầy giáo phản biện đã đọc luận văn và đóng góp
cho tôi những ý kiến quý báu và bổ ích.
Tác giả

Lê Văn Phƣơng

3


LỜI NÓI ĐẦU
Sự phát triển của đất nƣớc trên con đƣờng công nghiệp hoá, hiện đại hoá đòi
hỏi chúng ta phải có một nền khoa học, công nghệ tiên tiến. Chính vì vậy, việc
nghiên cứu, ứng dụng và phát triển những lĩnh vực công nghệ mới đang là một ƣu
tiên trong chính sách khoa học, công nghệ của nƣớc ta hiện nay.
Phƣơng pháp dập thuỷ cơ - một phƣơng pháp công nghệ mới với đặc điểm là
kết hợp tác dụng của môi trƣờng chất lỏng với “phần cứng” của dụng cụ gây biến
dạng - sẽ tạo điều kiện thuận lợi cho sự biến dạng của vật liệu. Nhờ vậy, nó đƣợc
ứng dụng rộng rãi trong chế tạo những chi tiết có hình dáng phức tạp, những chi tiết
làm từ những vật liệu khó biến dạng… trong công nghiệp ôtô, quốc phòng ở các

nƣớc công nghiệp phát triển nhƣ Mỹ, Đức, Nga… Tuy nhiên, do có những hạn chế
nhất định mà phƣơng pháp này mới bắt đầu đƣợc nghiên cứu, ứng dụng ở Việt
Nam. Đề tài “Nghiên cứu công nghệ dập thuỷ lực để chế tạo các chi tiết vỏ mỏng
trong công nghiệp sản xuất ô tô, xe máy” đƣợc nghiên cứu với mục tiêu đóng góp
phần vào việc nghiên cứu, ứng dụng phƣơng pháp công nghệ mới này trong sản
xuất. Nội dung của đề tài là nghiên cứu các thông số công nghệ chính trong quá
trình dập thuỷ cơ các chi tiết rỗng từ phôi dạng tấm, từ đó nghiên cứu khả năng ứng
dụng của phƣơng pháp trong sản xuất cơ khí chế tạo. Đồng thời, ứng dụng một
phƣơng pháp nghiên cứu hiện đại, tiến hành mô phỏng số quá trình biến dạng của
kim loại khi dập thuỷ cơ.
Đề tài gồm 4 chƣơng, nội dung cụ thể của các chƣơng nhƣ sau:
Chương 1. Phương pháp dập thuỷ lực và khả năng ứng dụng
Chương 2. Nghiên cứu xác định các thông số công nghệ trong quá trình dập
thuỷ lực
Chương 3. Thiết kế, chế tạo khuôn dập thuỷ cơ và ứng dụng công nghệ dập
thủy cơ để chế tạo các chi tiết ô tô, xe máy
Chương 4. Mô phỏng quá trình dập thuỷ cơ
Trong quá trình làm luận văn, tác giả đã nhận đƣợc sự hƣớng dẫn và giúp đỡ
nhiệt tình, sự động viên khích lệ kịp thời của thầy giáo hƣớng dẫn, PGS - TS Phạm

4


Văn Nghệ - Bộ môn GCAL, ĐHBKHN. Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sự hƣớng
dẫn và sự giúp đỡ quý báu này.
Tuy nhiên, do thời gian và trình độ hạn chế, hơn nữa là một đề tài trong lĩnh
vực mới nên chắc chắn luận văn sẽ còn có những thiếu sót nhất định. Tác giả rất
mong nhận đƣợc sự đóng góp kiến của các thầy giáo, các đồng nghiệp quan tâm đến
lĩnh vực này.

5


MỤC LỤC
Trang
Trang bìa phụ
Lời cam đoan

2

Lời cảm ơn

3

Lời nói đầu

4

Mục lục

6

Chƣơng 1 – PHƢƠNG PHÁP DẬP THUỶ LỰC VÀ KHẢ NĂNG ỨNG
DỤNG

8

1.1. Tổng quan các phƣơng pháp tạo hình bằng nguồn chất lỏng

8

1.2. Phƣơng pháp dập thuỷ lực và khả năng ứng dụng trong công nghiệp

21

1.3. Kết luận

30

Chƣơng 2 – NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH CÁC THÔNG SỐ CÔNG NGHỆ
TRONG QUÁ TRÌNH DẬP THUỶ LỰC
2.1. Trạng thái ứng suất – biến dạng trong quá trình dập thuỷ cơ
2.2. Xác định áp suất chất lỏng cần thiết khi tạo hình chi tiết vỏ mỏng bằng
phƣơng pháp dập thuỷ cơ

31
31
35

2.3. Ma sát tiếp xúc trong quá trình dập thuỷ cơ

41

2.4. Kết luận

46

Chƣơng 3 – THIẾT KẾ, CHẾ TẠO KHUÔN DẬP THUỶ CƠ VÀ ỨNG
DỤNG CÔNG NGHỆ DẬP THỦY CƠ ĐỂ CHẾ TẠO CÁC CHI TIẾT Ô

47

TÔ, XE MÁY
3.1. Xây dựng mô hình thí nghiệm dập thuỷ cơ
3.2. Mô tả các thiết bị, dụng cụ thí nghiệm và phƣơng pháp đo các thông số
công nghệ

47
49

3.3. Ứng dụng công nghệ dập thủy cơ trong sản xuất các chi tiết ô tô

57

3.4. Ứng dụng công nghệ dập thủy cơ trong sản xuất các chi tiết xe máy

64

3.5. Kết luận

66

Chƣơng 4 – MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH DẬP THỦY CƠ

67

4.1. Giới thiệu các phƣơng pháp mô phỏng

67

6


4.2. Giới thiệu phần mềm Dynaform và các bƣớc thực hiện bài toán mô
phỏng trên phần mềm

69

4.3. Mô hình hình học của dụng cụ và phôi

77

4.4. Chia lƣới phần tử cho từng đối tƣợng

78

4.5. Xây dựng mô hình vật liệu và điều kiện biên

81

4.6. Kết quả mô phỏng quá trình dập

84

4.7. Kết luận

88

KẾT LUẬN

93

TÀI LIỆU THAM KHẢO

95

7


Chƣơng 1. PHƢƠNG PHÁP DẬP THỦY LỰC
VÀ KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG
Dập thủy cơ là một phƣơng pháp tạo hình có sử dụng nguồn chất lỏng thuỷ
tĩnh cao áp (phƣơng pháp gia công thuỷ tĩnh). Bản chất của phƣơng pháp là, dƣới
tác dụng của môi trƣờng chất lỏng thủy tĩnh áp suất cao kết hợp với phần cứng của
dụng cụ gây biến dạng sẽ tạo điều kiện thuận lợi cho sự biến dạng của vật liệu. Sau
đây, ta xem xét một cách tổng quan của phƣơng pháp dập thuỷ tĩnh cũng nhƣ khả
năng ứng dụng của chúng.
1.1. Tổng quan các phƣơng pháp tạo hình bằng nguồn chất lỏng
1.1.1. Bản chất và đặc điểm của các phương pháp tạo hình có sử dụng nguồn chất
lỏng cao áp
Cơ sở chung của công nghệ dập có sử dụng nguồn chất lỏng thuỷ tĩnh áp suất
cao trong quá trình biến dạng tạo hình kim loại là dựa trên hiện tƣợng tính dẻo của
vật rắn đƣợc nâng cao rất nhiều khi đặt trong sơ đồ trạng thái ứng suất nén thủy
tĩnh, đồng thời với nó là việc ngăn ngừa sự phát sinh các vết nứt gây ra phá huỷ vật
liệu và loại trừ các yếu tố gây ra sự không đồng đều tổ chức của sản phẩm. Dƣới tác
dụng của áp suất thủy tĩnh sẽ có khả năng làm đồng đều các tính chất vật lý - cơ học
của kim loại sau biến dạng. Nhƣ vậy bản chất của phƣơng pháp là sử dụng năng
lƣợng cao của nguồn chất lỏng cao áp, có thể kết hợp với các hình thức biến dạng
khác, tạo cho vật liệu trong ổ biến dạng một trạng thái ứng suất nén thủy tĩnh có lợi
cho sự biến dạng và tính dẻo của vật liệu để tạo hình chi tiết.

Trên hình 1 thể hiện sơ đồ nguyên lý của quá trình quá trình tạo hình kim loại
có sử dụng nguồn chất lỏng thủy tĩnh áp suất cao.
Qua hình vẽ cho thấy sự khác biệt quan trọng giữa các phƣơng pháp tạo hình
thông thƣờng và phƣơng pháp tạo hình có sử dụng chất lỏng thủy tĩnh cao áp. So
với phƣơng pháp ép thông thƣờng, phƣơng pháp dập có sử dụng nguồn chất lỏng
thủy tĩnh cao áp có những ƣu việt cơ bản sau:

8


d.
Hình 1.1. Sơ đồ nguyên lý quá trình tạo hình có
sử dụng chất lỏng cao áp

c.

a. Ép thông thường

b. Ép thủy tĩnh

c. Dập thủy cơ

d. Dập thủy tĩnh

- Không có sự ép mạnh phôi từ phía chày nhƣ quá trình ép thông thƣờng (trừ
phƣơng pháp dập thủy cơ, tuy vậy trong dập thủy cơ, kim loại bị nén bởi áp suất
thủy tĩnh từ mặt đối diện với chày), do vậy có thể ép đƣợc vật liệu giòn, vật liệu khó
biến dạng mà không làm mất các tính nguyên vẹn của chúng.
1. Nhờ tác động của áp suất thủy tĩnh có trị số cao làm gia tăng đáng kể tính
dẻo của vật liệu do kim loại trong ổ biến dạng đƣợc đặt trong trạng thái ứng suất

nén thủy tĩnh, đồng thời nhờ có năng lƣợng cao của chất lỏng bị nén có thể biến
dạng những vật liệu khó biến dạng, vật liệu có nhiệt độ nóng chảy cao... mà phƣơng

9


pháp tạo hình thông thƣờng không hoặc khó thực hiện đƣợc. Đây chỉ là một trong
những ƣu điểm nổi bật của phƣơng pháp tạo hình có sử dụng nguồn chất lỏng thủy
tĩnh cao áp.
2. Giảm đáng kể biến dạng không đều trong vật dập, do vậy làm đồng đều
đáng kể các tính chất cơ - lý của kim loại sau biến dạng. Ví dụ: trong quá trình ép
thông thƣờng và ép thủy tĩnh kim loại. Trong quá trình ép thông thƣờng, do ma sát
tiếp xúc giữa bề mặt phôi và bề mặt buồng ép có trị số lớn, nên các lớp kim loại bên
ngoài tiếp giáp với thành buồng ép chảy chậm hơn so với các lớp kim loại bên trong
và gây ra biến dạng không đều rất rõ rệt khi ép. Điều này dẫn đến sự tạo thành
“vùng chết” gần lỗ cối và là nguyên nhân tạo thành phần “ép dƣ”. Phần này thƣờng
chiếm (20  30)% chiều dài sản phẩm ép. Khi ép thuỷ tĩnh, do không có ma sát tiếp
xúc giữa bề mặt phôi và buồng ép (bề mặt phôi và buồng ép đều tiếp xúc với chất
lỏng công tác) nên đảm bảo kim loại chảy đều theo tiết diện ngang của phôi, và do
đó thực sự không còn phần “ép dƣ”. Việc khử đƣợc tác động có hại của ma sát tiếp
xúc trong quá trình ép thuỷ tĩnh còn cho phép đảm bảo biến dạng đồng đều ở mức
cao nhất và thực sự khử đƣợc tác động của các ứng suất kéo phụ xuất hiện ở các lớp
gần bề mặt phôi nhƣ xảy ra trong quá trình ép thông thƣờng.
3. Khử hoặc làm giảm ảnh hƣởng có hại của ma sát tiếp xúc giữa phôi và dụng
cụ gây biến dạng. Điều này cùng với sự gia tăng tính dẻo của kim loại do đƣợc đặt
trong môi trƣờng áp suất thủy tĩnh cho phép tạo hình chế tạo đƣợc các chi tiết có
hình dáng phức tạp, những chi tiết cần có mức độ biến dạng lớn, từ những vật liệu
khác nhau, đặc biệt là các vật liệu giòn, khó biến dạng hoặc có nhiệt độ nóng chảy
cao nhƣ các hợp kim của Ti, Mo, W, V…
4. Tuổi thọ của dụng cụ tăng đáng kể và do đó giảm không ít vật liệu làm dụng

cụ bởi có thể thực hiện gia công ở điều kiện nhiệt độ không cao và dụng cụ tiếp xúc
trực tiếp với chất lỏng cao áp - đóng vai trò thứ hai là chất bôi trơn. Hơn nữa, bộ
khuôn tạo hình có tính đa năng cao, khi chế tạo các chi tiết cùng loại hình dáng,
kích thƣớc chỉ cần thay thế chày hoặc cối (dụng cụ mang hình dáng, kích thƣớc của
sản phẩm tùy theo phƣơng pháp biến dạng) và dụng cụ chặn phôi. Điều này giúp
giảm các chi phí làm khuôn và nâng cao hiệu quả kinh tế của phƣơng pháp này.

10


5. Khi ép và dập thủy tĩnh cho phép nhận đƣợc sản phẩm có biến dạng tùy ý
với chất lƣợng cơ - lý cao nhƣ độ chính xác kích thƣớc cao, độ nhám bề mặt có thể
tới Ra1,25  Ra0,63.
6. Cải thiện điều kiện vệ sinh công nghiệp do có thể tiến hành gia công ở trạng
thái nguội, không có tác động của nhiệt độ cao, ồn và rung cũng nhƣ không có sự
tạo thành các ôxít độc hại, ảnh hƣởng đến sức khoẻ của công nhân.
Tuy vậy, phƣơng pháp dập có sử dụng chất lỏng thủy tĩnh áp suất cao còn bộc
lộ một số nhƣợc điểm cần phải kể đến nhƣ:
- Thiết bị tạo hình đòi hỏi phải có độ chính xác cao và vận hành phức tạp.
Điều này liên quan đến việc tạo ra và giữ đƣợc áp suất thủy tĩnh cao (tới 3000 MPa)
khi ép thủy tĩnh các sản phẩm khối; 1000 MPa khi dập thủy tĩnh, 100 MPa khi dập
thủy cơ). Muốn vậy, thiết bị cần phải có độ cứng vững cao, trang bị công nghệ và
dụng cụ (buồng chứa, chày ép…) phải đƣợc chế tạo từ những vật liệu có cơ tính cao
và ổn định trong điều kiện áp suất lớn. Các vấn đề về kết cấu khung dầm, bình chứa
cao áp và đặc biệt là bịt kín cần đƣợc đảm bảo trong điều kiện cao áp cũng nhƣ đòi
hỏi sử dụng công nhân có trình độ và tay nghề bậc cao.
- Do chất lỏng bị nén ở mức độ lớn (với áp suất cao nhƣ vậy, thể tích chất lỏng
có thể giảm đi đáng kể), do đó làm giảm hiệu suất của quá trình bởi vì có một phần
năng lƣợng phải chi phí cho việc nén chất lỏng công tác.
- Cần phải tạo đƣợc hệ thống các thiết bị bảo vệ chuyên dụng nhƣ bình tích áp,

van an toàn, hệ thống bơm cao áp cũng nhƣ đƣờng ống cao áp, đồng thời có những
thiết bị thông gió để khử các sản phẩm gây hại do chất lỏng tông tác và chất bôi
trơn bay hơi sinh ra. Điều này là một chi phí đáng kể.
- Làm tăng chi phí vật liệu do cần có các phần ép dƣ (khi ép thể tích thủy tĩnh)
hoặc phân phối để duy trì bịt kín (khi dập thủy tĩnh hoặc dập thủy cơ). Khi ép chảy
thủy tĩnh, tốc độ chuyển động của sản phẩm khi ra khỏi lỗ khuôn cối có thể đạt giá
trị lớn do áp suất chất lỏng cao. Điều này có thể dẫn đến sự nguy hiểm đối với công
nhân và có thể làm cho sản phẩm bị hƣ hỏng. Để khắc phục cần phải sử dụng các
thiết bị hãm chuyên dụng hoặc tiến hành ép có phần ép dƣ (nhƣ ở trên) do vậy làm
giảm hệ số sử dụng vật liệu. Khi gia công thủy tĩnh cần thực hiện các nguyên công

11


phụ (tiện côn mặt đầu phôi để dễ đƣa phôi vào lỗ cối khi ép chảy thủy tĩnh, cắt
phần phôi phụ và cấp chất bôi trơn công nghệ…) nhằm đảm bảo cho quá trình gia
công thuỷ tĩnh đƣợc thực hiện bình thƣờng. Điều này làm gia tăng khối lƣợng công
việc và dẫn đến chi phí vật liệu gia công tăng.
- Chi phí đáng kể cho chất lỏng công tác và chất bôi trơn.
Mặc dù còn bộc lộ các nhƣợc điểm nêu trên, nhƣng việc áp dụng quá trình ép
thuỷ tĩnh vẫn hoàn toàn thích hợp và không thể thay thế trong các trƣờng hợp sau:
- Cần chế tạo chi tiết có hình dáng phức tạp với mức độ biến dạng lớn.
- Cần gia công bán thành phẩm từ kim loại và hợp kim khó biến dạng.
- Khi cần gia công kim loại dễ bị phá huỷ nếu tạo hình trong điều kiện bình
thƣờng.
- Khi chế tạo sản phẩm rất cần cơ tính có độ đồng đều cao.
- Khi chế tạo các sản phẩm ép có cơ tính tổng hợp cao.
- Khi chế tạo sản phẩm từ vật liệu đa lớp, vật liệu tổ hợp, vật liệu gia cố, vật
liệu hạt và vật liệu bột.
- Khi chế tạo sản phẩm thành mỏng từ phôi có thành mỏng (ống thành mỏng,

sản phẩm định hình có thành mỏng nhƣ ống xiphon, các ống có những chỗ lồi, lõm
trên thân…)
1.1.2. Phân loại các phương pháp tạo hình có sử dụng nguồn chất lỏng thuỷ tĩnh cao áp
Hiện nay, ở các nƣớc công nghiệp phát triển, phƣơng pháp tạo hình có sử dụng
nguồn chất lỏng thuỷ tĩnh cao áp đã đƣợc ứng dụng để chế tạo các chi tiết có hính dáng
phức tạp. Mỗi phƣơng pháp đó có đặc điểm, tính chất khác nhau nhƣng đều có một điểm
chung: Kim loại đƣợc biến dạng trong điều kiện trạng thái ứng suất nén thuỷ tĩnh đƣợc tạo
ra do sự tác dụng của nguồn chất lỏng áp suất cao. Để phân loại các phƣơng pháp gia công
thuỷ tĩnh, ngƣời ta thƣờng dựa vào các dấu hiệu chính sau:

- Dạng của chày: Có các loại chày cứng và chày chất lỏng
- Dạng của cối: Cối cứng, cối chất lỏng
- Dạng của phôi: Có các loại phôi khối đặc, phôi ống và phôi tấm.
- Bản chất của quá trình biến dạng: Có các phƣơng pháp dập thể tích; cắt đột;
dập vuốt; tóp và dãn phôi ống; ép chảy thuỷ tĩnh.

12


- Đặc điểm tác động của áp suất thuỷ tĩnh (nén đều ba chiều; nén có đối áp;
nén có lực phụ…)
Trên cơ sở các tiêu chí trên, hiện nay có các phƣơng pháp gia công thuỷ tĩnh
cơ bản sau:
- Dập thủy tĩnh: Là phƣơng pháp gia công thủy tĩnh cho phôi tấm hoặc phôi
ống với các phƣơng pháp chính nhƣ: Cắt đột; uốn; dập vuốt thuỷ tĩnh; tóp và dãn
thuỷ tĩnh… Căn cứ vào dạng của chày và cối, ngƣời ta phân ra làm hai dạng cơ bản:
dập thuỷ tĩnh phôi tấm(có chày là chất lỏng); dập thuỷ cơ (chày cứng, cối chất lỏng)
và dập thủy tĩnh phôi ống. (Hình 1.2).
- Ép thuỷ tĩnh: Là phƣơng pháp gia công thuỷ tĩnh đối với phôi khối đặc,
thƣờng là ép chảy. Nhóm này có các phƣơng pháp cơ bản sau: ép thƣờng; ép có đối

áp; ép có lực phụ từ phía mặt đầu phôi và ép có kéo (Hình 1.3).

Hình 1.3. Sơ đồ phương pháp ép thủy tĩnh
a. Ép thường

c. Ép có lực phụ từ phía mặt
đầu phôi

b. Ép có đối áp d. Ép có kéo
1. Buồng chứa

2. Phôi

3. Cối ép

4. Đệm bít

5. Chày ép

6. Chất lỏng
công tác

13


- Ép thuỷ tĩnh vật liệu bột và vật liệu tổ hợp.
- Ép thuỷ tĩnh các sản phẩm định hình.
1.1.3. Đặc điểm cơ chế biến dạng dẻo của kim loại trong điều kiện môi trường
nén thuỷ tĩnh
Khác với quá trình ép nóng thông thƣờng, khi sự vỡ vụn của các hạt tinh thể

thành các siêu hạt (với kích thƣớc 200  300 m hoặc lớn hơn) chủ yếu là do sự
trƣợt và song tinh trên các mặt trƣợt, thì khi ở trong điều kiện tác động của áp suất
thuỷ tĩnh cao ở nhiệt độ phòng hoặc cao hơn đôi chút trong điều kiện chất lỏng cao
áp, sự vỡ vụn của các hạt tinh thể thành các siêu hạt nhỏ mịn (với kích thƣớc 0,2 
0,3 m) là do kết quả tạo ra mật độ lệch và sự chuyển dịch có tổ chức của chúng
trong thể tích kim loại (sự dịch chuyển này đƣợc điều chỉnh nhờ sự thay đổi của
nhiệt độ và áp suất).
Cần nói rõ thêm, theo khái niệm vật lý, lệch là một dạng khuyết tật mạng
tinh thể và trong trƣờng hợp này đƣợc sử dụng nhƣ là phƣơng tiện để sắp xếp lại tổ
chức một cách cơ bản.
Nhờ có mật độ lệch cao làm gia tăng tổng năng lƣợng của kim loại đa tinh
thể, và do đó làm tăng độ bền và độ cứng. Sự tạo thành tổ chức mịn với bề mặt bên
trong hạt phát triển mạnh dƣới tác dụng của áp suất cao dẫn đến sự phân bố lại các
tạp chất có hại trên các phân giới hạt, siêu hạt và bên cạnh sự hoá bền, tổ chức này
có điều kiện nâng cao độ dẻo của kim loại. Việc sử dụng chất lỏng cao áp cho phép
gia công kim loại và hợp kim khó biến dạng ở trạng thái nguội với mức độ ép lớn.
Ở điều kiện này trong kim loại tạo ra mật độ lệch cao mà dƣới tác động của chất
lỏng có áp suất thuỷ tĩnh cao các lệch này xếp thành các tƣờng lệch và tạo thành
lƣới lệch đặc trƣng. Lƣới lệch phân chia thể tích hạt thành các ô lƣới riêng biệt và
kết quả là tạo ra tổ chức ô lƣới nhỏ mịn với sự định hƣớng tƣơng hỗ phƣơng mạng
của các ô lƣới liền kề.
Sự tạo thành tổ chức ô lƣới khi ép thuỷ tĩnh có liên quan tới hoạt tính chuyển
động không bảo toàn của lệch - là tính chất rất đặc trƣng của lệch biên trong môi
trƣờng nén thuỷ tĩnh.

14


Nhƣ vậy là, với sự gia tăng của áp suất làm gia tăng đột biến độ không ổn
định nhiệt động học sự phân bố hỗn loạn của lệch, và sắp xếp chúng thành các

tƣờng lệch với sự hình thành các lƣới lệch - là dạng tồn tại của lệch trong thể tích
kim loại một cách có lợi về mặt năng lƣợng.
Xu hƣớng tạo thành các phân giới lệch trong điều kiện môi trƣờng áp suất
thuỷ tĩnh tạo điều kiện thuận lợi cho sự xuất hiện sớm tổ chức ô lƣới lệch hoàn thiện
trong vật liệu đƣợc ép thuỷ tĩnh so với trong trƣờng hợp biến dạng nhờ các phƣơng
pháp thông thƣờng (rèn, cán, kéo...) ở điều kiện áp suất khí quyển.
Cơ chế biến dạng do lệch nêu trên khi ép thuỷ tĩnh đã đƣợc nghiên cứu khá
chi tiết nhờ sử dụng kính hiển vi điện tử.
Nhờ kính hiển vi điện tử đã chứng tỏ rằng, với mức độ biến dạng nhỏ và với
tốc độ ép thuỷ tĩnh không lớn thì lệch tạo thành dƣới dạng búi, cuộn và nút đƣợc sắp
xếp vô trật tự trong thể tích kim loại giống nhƣ trong kim loại biến dạng nguội
thông thƣờng. Khi đó chƣa tạo thành tổ chức đa cạnh hoá một cách rõ rệt.
Theo sự gia tăng của mức độ biến dạng, lệch sắp xếp thành các tƣờng lệch và
tạo thành tổ chức ô lƣới sớm hơn so với khi biến dạng theo các phƣơng pháp thông
thƣờng. Ngoài ra, khi biến dạng theo các phƣơng pháp thông thƣờng, các ô lƣới có
trị số lớn và trên các biên giới ô lƣới (biên giới siêu hạt) hình thành các vùng
chuyển tiếp (các dải) của các búi lệch đƣợc sắp xếp có trật tự trong giới hạn của dải
này.
Nhƣ vậy là, quá trình đa cạnh hoá đƣợc kích thích nhờ gia công thuỷ tĩnh
bằng chất lỏng cao áp là nguồn dự trữ quan trọng, nâng cao độ bền và độ dẻo của
kim loại và hợp kim khó biến dạng. Quá trình đa cạnh hoá đƣợc đặc trƣng bằng sự
định hƣớng rõ rệt, biến các ô lƣới thành các ô lƣới tƣơng tự nhƣ các hạt mịn. Hơn
thế nữa, các ô lƣới nhỏ mịn này đƣợc phân bố đồng đều trên toàn bộ thể tích kim
loại, và đóng vai trò quan trọng trong việc nâng cao độ bền và độ dẻo của kim loại
trong quá trình ép thuỷ tĩnh.
1.1.4. Chất lỏng công tác trong gia công thuỷ tĩnh
Khi thiết kế công nghệ tạo hình có sử dụng nguồn chất lỏng thuỷ tĩnh áp suất
cao, việc chọn đúng chất lỏng công tác có ý nghĩa quan trọng. Áp lực ép, chất lƣợng

15

sản phẩm và độ ổn định của quá trình phụ thuộc rất nhiều vào thành phần và tính
chất lý hoá của chất lỏng công tác.
Khi gia công thuỷ tĩnh, chất lỏng là môi trƣờng công tác để tạo ra và truyền
áp suất cao tới phôi, do đó chất lỏng này cần phải thoả mãn các yêu cầu cơ bản sau:
- Đảm bảo độ nhớt cần thiết và không hoá rắn ở áp suất công tác.
- Có độ nén nhỏ nhất dƣới tác động của áp suất cao.
- Đảm bảo tính chống mài mòn cần thiết.
- Không tƣơng tác với kim loại biến dạng.
- Rẻ và không gây độc hại cho sức khoẻ công nhân.
Nhƣ đã biết rằng, độ nhớt của chất lỏng biểu hiện khi nó chuyển động và liên
quan tới sự xuất hiện ứng suất tiếp (ứng suất của ma sát ƣớt). Chất lỏng có độ nhớt
cao thì kém chảy và ngƣợc lại, chất lỏng có độ nhớt thấp thì có độ chảy lớn. Đặc
tính quan trọng này của chất lỏng lại thay đổi tuỳ thuộc vào nhiệt độ và áp suất. Khi
tăng áp suất thì độ nhớt tăng lên và sự thay đổi của độ nhớt phụ thuộc vào áp suất
tuân theo quy luật hàm số mũ:
 = 0. eP.
Trong đó:
0 - độ nhớt của chất lỏng ở áp suất khí quyển và nhiệt độ 20 0C
p - áp suất
 - hệ số, phụ thuộc vào chất lỏng và nhiệt độ
Độ nhớt của chất lỏng giảm đáng kể khi nhiệt độ tăng, và sự thay đổi này
tuân theo quy luật hàm số mũ dƣới dạng:
t = 0. e ( t  t 0 )
Trong đó:
 - hệ số, phụ thuộc vào chất lỏng ở nhiệt độ 20 0C
t - nhiệt độ của chất lỏng
0 - độ nhớt của chất lỏng ở nhiệt độ phòng (20 0C)
Sự nung nóng của chất lỏng cho phép giữ đƣợc độ nhớt ở mức yêu cầu trong

quá trình ép thuỷ tĩnh áp suất cao.

16


Để thực hiện bình thƣờng quá trình ép thuỷ tĩnh, tính nén đƣợc của chất lỏng
công tác dƣới tác dụng của áp suất cao có ý nghĩa quan trọng. Đối với chất lỏng, sự
thay đổi thể tích khi áp suất tăng đƣợc xác định theo công thức:





V = V0 . 1  A. ln1 


p 

' 

Trong đó:
V0 - thể tích chất lỏng ở áp suất khí quyển (1 at = 0,1 MPa).
A, ' - các hệ số
Kết quả nghiên cứu cho thấy rằng, khi áp suất tăng tới 10 4 MPa thì thể tích
chất lỏng thay đổi trong khoảng từ 10  30%. Độ nén đƣợc gia tăng của chất lỏng
công tác dƣới tác dụng của áp suất cao là yếu tố bất lợi vì nó làm giảm hiệu suất của
thiết bị do một phần năng lƣợng cần tiêu hao cho việc nén chất lỏng. Ngoài ra, năng
lƣợng đàn hồi của chất lỏng công tác tích luỹ trong quá trình ép có thể biến thành
công tích cực theo chu kỳ gây ra sự đƣa phôi không đều và sự dao động áp suất
không mong muốn. Ngoài ra, do có sự tích trữ thế năng lớn khi nén chất lỏng nên

sản phẩm ép khi ra khỏi buồng ép có tốc độ lớn đòi hỏi phải có thiết bị đặc biệt để
khống chế tốc độ của sản phẩm nhằm tránh không cho sản phẩm bị phá huỷ.
Ngoài hai yếu tố kể trên đối với chất lỏng công tác, thì tính bôi trơn, tính
chống bắt lửa cũng nhƣ tính không sinh ra khí độc hại và tác dụng với phôi ép và
dụng cụ của chất lỏng công tác cũng có ý nghĩa quan trọng trong quá trình gia công
thuỷ tĩnh.
1.1.5. Tình hình nghiên cứu phương pháp tạo hình có sử dụng nguồn chất lỏng cao
áp
Trong những năm gần đây, việc nghiên cứu các phƣơng pháp tạo hình có sử
dụng nguồn chất lỏng thuỷ tĩnh cao áp đƣợc triển khai mạnh mẽ ở các nƣớc công
nghiệp phát triển nhƣ Đức, Pháp, Mỹ, Nga, Nhật… nhất là trong công nghiệp ôtô,
xe máy, công nghiệp luyện kim bột… theo các hƣớng chính: Công nghệ dập thuỷ
tĩnh và công nghệ dập thuỷ cơ. Tuy nhiên, ý tƣởng sử dụng chất lỏng thuỷ tĩnh cao
áp để biến dạng kim loại đã có từ khá lâu. Năm 1893, ý tƣởng này đã đƣợc
Robertson D. đề xuất lần đầu tiên. Sau đó, vào năm 1912 Karman T. sau khi nghiên

17


cứu ảnh hƣởng của áp suất chất lỏng đến tính dẻo của các vật thể giòn đã thiết lập
đƣợc rằng, đá hoa cƣơng và đá vôi dƣới tác động của chất lỏng cao áp trong bình
kín trở nên dẻo và cho phép biến dạng với mức độ lớn. Ngoài ra, khi tăng áp lực thì
tính dẻo lại tăng lên. Khi nghiên cứu cơ tính của kim loại dƣới tác động của chất
lỏng cao áp, nhà khoa học nổi tiếng ngƣời Mỹ Bridzmen P. V. lần đầu tiên đã chứng
minh khả năng ép thuỷ tĩnh vonfram, molipđen và các vật liệu giòn khác qua lỗ
khuôn cối.
Bằng việc nghiên cứu ảnh hƣởng của các yếu tố công nghệ khác nhau đến
quá trình gia công thuỷ tĩnh, các nhà khoa học đã thành công trong việc khống chế
ổn định quá trình này và đảm bảo nhận đƣợc sản phẩm chất lƣợng cao từ các loại
vật liệu khó biến dạng khác nhau. Các công trình này mở ra khả năng ứng dụng của

phƣơng pháp gia công thuỷ tĩnh ngày càng rộng rãi trong công nghiệp.
Ngày nay, việc nghiên cứu các phƣơng pháp gia công thuỷ tĩnh đƣợc gắn liền
với việc mô phỏng số và đƣợc ứng dụng rất rộng rãi trong nghiệp. Với việc mô
phỏng số, ngƣời ta có thể biết và điều khiển đƣợc quá trình biến dạng của kim loại,
dự đoán đƣợc khả năng tạo các hƣ hỏng khi biến dạng với độ chính xác rất cao. Sự

b.

a.

Hình 1.4. Sự tạo thành vết nhăn khi mô phỏng (a) và trên vật dập thực (b)
khi dập thuỷ cơ

18


kết hợp giữa mô phỏng số và tiến hành thực nghiệm trong quá trình gia công thuỷ
tĩnh đã thu đƣợc những kết quả rất có ý nghĩa. Hình 1.4 đƣa ra kết quả giữa mô
phỏng số (a) và chi tiết thực (b). Ta thấy rằng, mô phỏng số đã tìm đƣợc vùng
khuyết tật trong mô hình và vết nhăn xuất hiện trong chi tiết thực. Kết quả này rất
có ý nghĩa đối với việc tối ƣu hoá thiết kế dụng cụ cũng nhƣ lựa chọn các tham số
công nghệ hợp lý khi gia công thuỷ tĩnh.

Hình 1.5. Các sản phẩm điển hình của dập phương pháp thuỷ tĩnh

19


Nhờ tính vạn năng của phƣơng pháp tạo hình trong điều hiện áp suất thuỷ tĩnh,
danh mục các sản phẩm nhận đƣợc từ các phƣơng pháp này rất phong phú và ngày

càng mở rộng. Sản phẩm của chúng có hình dáng kích thƣớc rất khác nhau: các chi
tiết dạng khối; các chi tiết profin, chi tiết rỗng có hình dáng phức tạp; các loại ống
có biên dạng lồi lõm nhƣ ống xiphon…
Trên hình 1.5 giới thiệu một số sản phẩm đƣợc chế tạo bằng phƣơng pháp
gia công thuỷ tĩnh làm từ thép và kim loại màu.
Việc nghiên cứu phƣơng pháp tạo hình có sử dụng nguồn chất lỏng thuỷ tĩnh
cao áp ở Việt Nam mới bắt đầu đƣợc đề cập từ những năm cuối của thập niên 80 và
ứng dụng cho các chi tiết đơn giản đã thu đƣợc kết quả rất khả quan. Hiện nay,
chúng ta đã nhập một số phần mềm mô phỏng số cùng với những thiết bị hiện đại
cho phép việc nghiên cứu và triển khai các phƣơng pháp này trên quy mô công
nghiệp.
Đối với nền công nghiệp quốc phòng, những năm gần đây, yêu cầu tự lực chế

Hình 1.6. Các sản phẩm điển hình của phương pháp ép thuỷ
tĩnh

20


tạo các vũ khí, khí tài quân sự đòi hỏi chúng ta phải cần nghiên cứu những phƣơng
pháp gia công mới, trong đó có phƣơng pháp gia công thuỷ tĩnh nói chung và
phƣơng pháp dập thuỷ cơ nói riêng, nhất là chế tạo các chi tiết có hình dáng phức
tạp và đòi hỏi cơ tính tổng hợp cao trong chế tạo các chi tiết của tên lửa, phụ tùng
ôtô...
1.2. Phƣơng pháp dập thuỷ cơ và khả năng ứng dụng trong công nghiệp
1.2.1. Các vấn đề chung
Dập thuỷ cơ là phƣơng pháp dập sử dụng nguồn chất lỏng áp suất cao, đƣợc
dùng khi dập vuốt sâu các chi tiết có hình dáng khác nhau (trụ, nón, parabol…) từ
phôi tấm. Phƣơng pháp này khác với dập vuốt và ép bình thƣờng bởi rất nhiều điểm,
các điểm khác biệt chính đó là không cần cối cứng bằng kim loại, không có ma sát

giữa kim loại dập và dụng cụ, duy trì đƣợc áp lực đều từ phía cối lỏng lên bán thành
phẩm trên toàn bộ bề mặt của nó.
Trong lĩnh vực dập có sử dụng nguồn chất lỏng thuỷ tĩnh cao áp thì phƣơng
pháp dập thuỷ cơ (dập bằng chày cứng, cối chất lỏng) chiếm một vị trí quan trọng.
Ngoài chất lỏng - đóng vai trò môi trƣờng tạo áp suất thuỷ tĩnh - ngƣời ta có thể sử

Hình 1.7. Sơ đồ dập thuỷ cơ

21


dụng môi trƣờng dẻo hoặc khí. Sơ đồ các phƣơng pháp dập thuỷ cơ này đƣợc thể
hiện trên hình 1.7.
Bản chất của quá trình là việc uốn phôi phẳng thành vỏ có độ cong kép sau khi
ép đàn hồi - dẻo mặt bích phôi dƣới tác dụng của ứng suất hƣớng kính đƣợc tạo ra
do áp lực đặt vào phôi từ phía chày cứng và bệ đỡ của kẹp, và cả do áp suất thuỷ
tĩnh phân bố đều tác dụng từ phía cối lỏng.
Cơ chế của quá trình dập vuốt thuỷ cơ có nhiều điểm tƣơng đồng vơi cơ chế
của quá trình dập vuốt thông thƣờng. Điểm khác biệt cơ bản mang tính nguyên tắc
của quá trình dập vuốt thuỷ cơ so với dập vuốt thông thƣờng là quá trình biến dạng
của phôi đƣợc diễn ra trong điều kiện mặt bích phôi dịch chuyển bị thay đổi và có
áp suất thuỷ tĩnh cao tác dụng từ phía dụng cụ biến dạng.
Hình 1.7 thể hiện sơ đồ dập vuốt thuỷ cơ từ phôi phẳng. Các bộ phân chính
của khuôn dập bao gồm: Phần trên của khuôn gồm chày vuốt 1 và vòng chặn phôi 2
đƣợc tác dụng từ cơ cấu ép. Phần dƣới gồm buồng chứa 5, vành cối 3 có biên dạng
mép lỗ của nó gần tƣơng ứng với hình dạng chi tiết. Vành cối và buồng chứa đƣợc
kẹp chặt bằng vít. Hai phần này đƣợc nén chặt và bịt kín bằng doăng 4. Phôi 10
đƣợc đặt trên vành cối, sau khi phần dƣới của khuôn đƣợc cấp đầy dung dịch chất
lỏng (có thể là dầu CN, êmunsi hoặc nƣớc).
Sau khi đóng mạch điều khiển, chày và vòng chặn phôi dịch chuyển xuống

dƣới, phôi đƣợc kẹp chặt bằng lực nhất định.
Không gian ép tạo thành ở phần dƣới của khuôn đƣợc che kín hoàn toàn bằng
phôi. Khi chày tiếp tục đi xuống nén chất lỏng trong buồng chứa làm hình thành
một áp suất, giá trị áp suất này đƣợc điều chỉnh bởi van điều chỉnh áp suất 9.
Để tạo điều kiện thuận lợi của quá trình biến dạng của kim loại thì áp suất thuỷ
tĩnh phải tăng từ từ trong quá trình dập vuốt đến một giá trị nhất định nào đó (từ 0
đến 35 - 40 MPa khi dập chi tiết bằng nhôm; từ 0 đến 60 - 100 MPa khi dập các chi
tiết bằng thép) [7]. Giá trị áp suất này phải đảm bảo khoá chặt các phần của phôi có
tiếp xúc với cối cứng, bằng lực ma sát tác dụng giữa chày và phôi (đƣợc tính toán
trong chƣơng 2).

22


Ƣu điểm của phƣơng pháp dập thuỷ cơ: Ngoài những ƣu điểm chung của
phƣơng pháp gia công thuỷ tĩnh, phƣơng pháp dập thuỷ cơ còn có:
- Giảm đáng kể lực ma sát có hại giữa phôi và dụng cụ.
- Tăng lực ma sát có ích giữa chày và phôi đƣợc tạo ra bởi sự ép mạnh vào
bề mặt chày bằng áp suất thuỷ tĩnh từ phía cối lỏng, do vậy nó loại bỏ đƣợc sự trƣợt
của phôi đối với chày và sự kéo căng của phôi, nhờ vậy hệ số ma sát dập vuốt đƣợc
nâng cao hơn nhiều so với dập trong khuôn kim loại: đến 0,40 đối với thép thấp
cacbon, còn khi sử dụng gân vuốt có thể giảm hệ số dập vuốt đến 0,3. Số lƣợng các
nguyên công cũng đƣợc giảm. Nếu nhƣ dập vuốt các chi tiết hình nón hoặc parabol
bằng phƣơng pháp thông thƣờng đòi hỏi phải mất vài nguyên công dập vuốt trung
gian thì bằng phƣơng pháp dập thủy cơ, chỉ cần một nguyên công dập.
- Có áp suất thuỷ tĩnh tƣơng đối đồng đều từ phía cối lỏng tác dụng lên trên
bề mặt của phôi. Điều này sẽ làm tăng khả năng biến dạng dẻo của kim loại và độ
đồng đều về cơ lý tính của sản phẩm và cho phép dập các chi tiết có hình dáng phức
tạp.
- Do sự thay đổi không đáng kể của chiều dày kim loại chỗ chuyển tiếp từ đáy

đến thành chi tiết (khu vực nguy hiểm nhất khi dập vuốt thông thƣờng) nên có thể
dùng những vật liệu mỏng hơn và với bán kính chày rất nhỏ. Đồng thời, do ảnh
hƣởng hƣởng của khe hở giữa chày và cối không nhạy cảm nhƣ dập vuốt thông
thƣờng nên có thể dập trong một lần các chi tiết có chiều dày khác nhau và từ các
vật liệu khác nhau.
- Sự tiêu tốn vật liệu dụng cụ cũng tƣơng đối thấp do sự đơn giản hóa kết cấu
dập và giảm thiểu sự mài mòn dụng cụ. Hơn nữa, khi chuyển sang dập các chi tiết
gần giống chỉ cần thay đổi chày, đồ gá và vòng chặn phôi.
- Chất lƣợng bề mặt của chi tiết dập rất cao do quá trình vuốt không xảy ra qua
mép cạnh kim loại của khuôn dập vuốt ma qua gân nƣớc, vì vậy giảm thiểu các
nguyên công chỉnh sửa.
Tuy vậy, phƣơng pháp dập thuỷ cơ cũng tồn tại một số những hạn chế nhƣ
đã đề cập trong phần trƣớc, ngoài ra còn có một số nhƣợc điểm sau cần tính đến
trong quá trình dập thuỷ cơ:

23


- Có thể xảy ra sự mất ổn định ở phần mặt bích của phôi và phần bán kính
cong của phần chuyển tiếp giữa mặt bích với thành vỏ thẳng đứng của chi tiết. Điều
này có thể gây ra các phế phẩm nhƣ hiện tƣợng nhăn, co, móp… ở phần vành phôi.
- Phải tạo ra nguồn chất lỏng áp suất cao và điều chỉnh giá trị áp suất này trong
quá trình dập vuốt.
- Có thể xảy ra sự biến mỏng của phôi, nếu lƣợng biến mỏng này là lớn và
không đồng đều, dễ xảy ra tình trạng làm rách, đứt phôi ở tiết diện nguy hiểm,
Tuy nhiên, các nhƣợc điểm này của quá trình không thể là nguyên nhân cản
trở cho việc ứng dụng thực tế của phƣơng pháp dập thuỷ cơ một cách rộng rãi trong
công nghiệp, đặc biệt trong các trƣờng hợp sau:
- Gia công các chi tiết có hình dáng phức tạp, không đối xứng nhƣ các chi tiết
có hình côn, parabol, cầu, các chi tiết vỏ mỏng…

- Gia công các chi tiết có mức độ biến dạng lớn và đòi hỏi cơ tính đồng đều
cao
- Gia công các chi tiết làm từ vật liệu khó biến dạng, vật liệu đa lớp…
1.2.2. Các phương pháp dập thuỷ cơ cơ bản
Có rất nhiều cách để phân loại các phƣơng pháp dập thuỷ cơ, trong đó
thƣờng thƣờng dựa vào đặc điểm của phôi. Theo đó, có các phƣơng pháp dập thuỷ
cơ cơ bản sau: [6, 7]
- Dập thuỷ cơ phôi phẳng: Phôi đƣợc sử dụng trong trƣờng hợp này là tấm
phẳng. Căn cứ vào đặc điểm biến dạng có: dập có ép biên hoặc không có ép biên
(các sơ đồ a, b, c phía dƣới). Đồng thời, căn cứ vào cách thoát ra ngoài của chất
lỏng khi chịu nén mà có các cách: chất lỏng thoát ra ngoài bằng van tiết lƣu hoặc
bằng khe hở giữa phôi và dụng cụ (B, C).
- Dập vuốt các phôi không gian: Có hai loại là dập thuận (b) và dập thuận
nghịch. Cũng tƣơng tự nhƣ trong trƣờng hợp dập thuỷ cơ phôi phẳng mà có các
phƣơng pháp pháp nhƣ trên.
Ngoài ra, ngƣời ta còn có thể căn cứ vào hình dáng của sản phẩm đƣợc chế
tạo để phân loại. Theo đó có dập thuỷ cơ các chi tiết đơn giản, có thể có đối xứng
hoặc không và dập thuỷ cơ các chi tiết có hình dáng phức tạp…

24


A.

Hình 1.8. Sơ đồ
phân
loại
các
phương pháp dập
thuỷ cơ

a. Từ phôi tấm
b. Phôi không gian
thẳng
c. Phôi không gian
thuận nghịch
A. Chất lỏng thoát
ra bằng van tiết lưu
B. Bằng khe hở- cối
ở phía trên
C. Bằng khe hở - cối
ở phía dưới

B.

C.

a.

b.

c.

1.2.3. Đặc điểm của quá trình dập vuốt thuỷ cơ
Các nghiên cứu về lý thuyết và thực nghiệm đều cho thấy rằng, điểm khác
biệt đặc trƣng của quá trình dập vuôt thuỷ cơ là sự cần thiết phải tạo ra đƣợc áp suất
thuỷ tĩnh biến đổi tác dụng vào phôi từ phía cối lỏng. Giá trị áp suất này, một mặt
phải đủ để ép chặt phôi vào bề mặt của chày và ngăn sự nhăn của phôi, mặt khác
phải không đƣợc quá lớn, sao cho lực ma sát và ứng suất uốn xuất hiện khi đó sẽ
không làm đứt phôi.

25