Luận án tiến sĩ kỹ thuật nghiên cứu ảnh hưởng của một số thông số công nghệ và kích thước hình học cối đến khả năng tạo hình trong dập thủy tĩnh phôi tấm

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là đề tài nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả nêu trong luận
án là trung thực và chưa được tác giả khác công bố.

Hà Nội, 15 tháng 10 năm 2018
Người hướng dẫn khoa học

Nghiên cứu sinh

PGS.TS. Nguyễn Đắc Trung

Nguyễn Thị Thu

i


LỜI CẢM ƠN
Tôi xin chân thành cảm ơn Ban giám hiệu Trường Đại học Bách khoa Hà Nội đã cho phép tôi
có thể thực hiện luận án tại Trường Đại học Bách khoa Hà Nội.
Tôi xin cảm ơn Viện Đào tạo Sau đại học, Viện Cơ khí và Bộ môn Gia công áp lực Trường
Đại học Bách Khoa Hà Nội đã luôn tạo điều kiện thuận lợi nhất trong suốt quá trình tôi làm luận
án.
Tôi xin chân thành cảm ơn PGS.TS. Nguyễn Đắc Trung đã tận tình hướng dẫn tôi về chuyên
môn để tôi có thể thực hiện và hoàn thành luận án.
Tôi xin cảm ơn Phòng Đo lường - Viện Tên Lửa, Viện IMI, Bộ môn Gia công áp lực - Học
viện Kỹ thuật quân sự, Viện Công Nghệ thuộc Tổng cục công nghiệp Quốc phòng, đã tạo điều
kiện giúp đỡ và cho phép sử dụng các thiết bị, cảm biến đo các thông số công nghệ phục vụ thu
thập và xử lý tín hiệu trong thực nghiệm.
Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến các thầy phản biện, các thầy trong hội đồng chấm luận
án đã đọc và cho những ý kiến quý báu để tôi có thể hoàn chỉnh luận án và định hướng nghiên cứu
trong tương lai.

Cuối cùng tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới gia đình và bạn bè, đồng nghiệp đã động viên
khuyến khích tôi trong suốt thời gian tôi tham gia nghiên cứu và thực hiện công trình này.
Nghiên cứu sinh

Nguyễn Thị Thu

ii


MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ................................................................................................................... I
LỜI CẢM ƠN........................................................................................................................ II
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT.......................................................... VI
DANH MỤC CÁC BẢNG ................................................................................................. VII
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ..................................................................... VIII
MỞ ĐẦU ............................................................................................................................... 1
1.

Lý do lựa chọn đề tài .................................................................................................. 1

2.

Mục đích, đối tượng và phạm vi nghiên cứu của luận án ....................................... 1

3.

Phương pháp nghiên cứu ........................................................................................... 2

4.

Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn...................................................................... 2

5.

Các đóng góp mới của luận án .................................................................................. 3

6.

Bố cục của luận án ...................................................................................................... 3

CHƯƠNG 1.
TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ DẬP TẠO HÌNH BẰNG CHẤT
LỎNG CAO ÁP.................................................................................................................... 4
1.1. Khái quát công nghệ dập bằng chất lỏng cao áp ....................................................... 4
1.1.1 Công nghệ dập thủy cơ ............................................................................................. 4
1.1.2 Công nghệ dập thủy tĩnh .......................................................................................... 5
1.2. Tổng quan về kết quả nghiên cứu về công nghệ dập thủy tĩnh phôi tấm................ 9
1.2.1 Trên thế giới ............................................................................................................ 10
1.2.2. Tại Việt Nam ......................................................................................................... 19
1.3. Phân tích đánh giá các nghiên cứu hiện nay ............................................................ 19
1.4. Cơ sở lý thuyết về dập thủy tĩnh phôi tấm ............................................................... 20
1.4.1 Quá trình DTT phôi tấm ......................................................................................... 20
1.4.2 Giai đoạn biến dạng tự do ....................................................................................... 22
1.4.3 Giai đoạn điền đầy lòng cối .................................................................................... 26
1.4.4. Thông số hình học khuôn, phôi ............................................................................. 28
1.5. Xác định mục tiêu và đối tượng nghiên cứu của luận án........................................ 29
Kết luận chương 1 ............................................................................................................. 30
CHƯƠNG 2. NGHIÊN CỨU BẰNG MÔ PHỎNG SỐ QUÁ TRÌNH DẬP THỦY TĨNH
PHÔI TẤM ......................................................................................................................... 31
2.1. Mô phỏng số trong gia công áp lực ........................................................................... 31

2.1.1. Giới thiệu về mô phỏng số ..................................................................................... 31
iii


2.1.2. Ưu điểm của mô phỏng số ..................................................................................... 31
2.1.3. Xác định, lựa chọn phần mềm mô phỏng số.......................................................... 32
2.2 Nghiên cứu quá trình dập thủy tĩnh phôi tấm với phần mềm Dynaform .............. 32
2.2.1 Lựa chọn chi tiết ..................................................................................................... 32
2.2.2. Vật liệu phôi........................................................................................................... 33
2.2.3. Thiết lập bài toán ................................................................................................... 33
2.2.4 Các thông số đầu vào và đầu ra của bài toán mô phỏng ......................................... 35
2.2.5 Xác định miền áp suất chặn thích hợp .................................................................... 36
2.2.6 Khảo sát quan hệ giữa áp suất chặn Qch và áp suất tạo hình Pth ............................. 39
2.2.7 Khảo sát quan hệ áp suất chặn Qch với bán kính sản phẩm Rd................................ 41
2.2.8. Khảo sát ảnh hưởng của áp suất chặn Qch đến mức độ biến mỏng lớn nhất γmax của
sản phẩm .............................................................................................................................. 47
Kết luận chương 2 ............................................................................................................. 51
CHƯƠNG 3. HỆ THỐNG VÀ PHƯƠNG PHÁP ĐÁNH GIÁ THỰC NGHIỆM ...... 53
3.1 Xây dựng hệ thống thực nghiệm ................................................................................ 53
3.1.1. Khuôn thực nghiệm ............................................................................................... 54
3.1.2. Bộ cấp chất lỏng cao áp ......................................................................................... 58
3.1.3. Máy ép thủy lực ..................................................................................................... 58
3.1.4. Hệ thống đo thông số công nghệ ........................................................................... 59
3.2. Lắp ráp kết nối hệ thống thực nghiệm ..................................................................... 61
3.3 Các chỉ tiêu đánh giá hệ thống thực nghiệm ............................................................. 62
3.4. Các chỉ tiêu đánh giá chất lượng sản phẩm ............................................................. 62
3.5. Thử nghiệm và so sánh với kết quả mô phỏng số .................................................... 63
Kết luận chương 3 ............................................................................................................. 68
CHƯƠNG 4. NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM CÔNG NGHỆ DẬP THỦY TĨNH
PHÔI TẤM ......................................................................................................................... 69

4.1 Giới thiệu về phương pháp quy hoạch thực nghiệm ................................................ 69
4.2 Xác định các yếu tố đầu vào và đầu ra của bài toán thực nghiệm .......................... 69
4.3 Xây dựng mối quan hệ toán học giữa các thông số (Qch, H*, S*) và (Rd, γmax, Pth) 73
4.3.1. Nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số (Qch, H*, S*) đến bán kính đáy Rd của sản
phẩm ..................................................................................................................................... 73
4.3.2 Nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số (Qch, H*, S*) đến mức độ biến mỏng lớn
nhất của sản phẩm γmax......................................................................................................... 82
iv


4.3.3 Nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số (Qch, H*, S*) đến áp suất chất lỏng tạo hình
Pth ......................................................................................................................................... 86
Kết luận chương 4 ............................................................................................................. 91
KẾT LUẬN CHUNG VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ....................................................... 93
TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................................... 95
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ ......................................................... 103

v


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
TT
1
2
3
4
5
6
7
8

9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30

Ký hiệu
Do
d
hi
H*
Qch
Pth

Qch’
Rmc
Rm
Rdc
Rd
S0
S*
Si
γ
γ max
µ
σm
σf
σρ
σθ
σz
GCAL
DTT
DTC
METL
MPS
PTN
HPF
QHTN

Diễn giải
Đường kính phôi
Đường kính chi tiết
Chiều sâu hiện thời của cối
Chiều sâu tương đối của chi tiết cối

Áp suất chặn phôi
Áp suất tạo hình
Lực chặn phôi
Bán kính lượn tại miệng cối
Bán kính lượn tại miệng sản phẩm
Bán kính lượn đáy cối
Bán kính lượn tại đáy sản phẩm
Chiều dày phôi ban đầu
Chiều dày tương đối của phôi
Chiều dày sản phẩm tại vị trí đo i
Mức độ biến mỏng
Mức độ biến mỏng lớn nhất
Hệ số ma sát
Ứng suất bền
Ứng suất chảy
Ứng suất hướng kính
Ứng suất tiếp tuyến
Ứng suất hướng trục
Gia công áp lực
Dập thủy tĩnh
Dập thủy cơ
Máy ép thủy lực
Mô phỏng số
Phòng thí nghiệm
Dập tạo hình sử dụng nguồn chất lỏng áp suất cao
Quy hoạch thực nghiệm

Đơn vị
mm
mm

mm
(%)
bar
bar
kN
mm
mm
mm
mm
mm
(%)
mm
%
%
MPa
MPa
MPa
MPa
MPa

vi


DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 2. 1 Thành phần hóa học của thép DC04 [46] ........................................................... 33
Bảng 2. 2 Đặc tính kỹ thuật của thép DC04 [46] ................................................................ 33
Bảng 2. 3 Thông số phôi...................................................................................................... 35
Bảng 2. 4 Thông số của cối chất lỏng ................................................................................. 35
Bảng 2. 5 Thông công nghệ số đầu vào trong quá trình tạo hình ........................................ 36
Bảng 2. 6 Các thông số mục tiêu đầu ra trong quá trình tạo hình ....................................... 36

Bảng 2. 7 Các miền giá trị khảo sát của áp suất chặn và áp suất tạo hình .......................... 38
Bảng 2. 8 Số liệu áp suất tạo hình trong trường hợp S* = 0.73 .......................................... 39
Bảng 2. 9 Số liệu áp suất tạo hình trong trường hợp S* = 0.91 .......................................... 40
Bảng 2. 10 Số liệu áp suất tạo hình trong trường hợp S* = 1.09 ........................................ 40
Bảng 2. 11 Bán kính đáy sản phẩm khi S* =0.73 và H*=23 ............................................... 42
Bảng 2. 12 Bán kính đáy sản phẩm khi S* =0.73 và H*=26; 29 ........................................ 43
Bảng 2. 13 Bán kính đáy sản phẩm khi S* =0.91 và H*=23;26; 29 ................................... 44
Bảng 2. 14 Bán kính đáy sản phẩm khi S* =1.09 và H*=23;26; 29 ................................... 45
Bảng 2. 15 Mức độ biến mỏng khi DTT trên cối có H* =23 .............................................. 48
Bảng 2. 16 Mức độ biến mỏng khi DTT trên cối có H* =26 .............................................. 50
Bảng 2. 17 Mức độ biến mỏng khi DTT trên cối có H* =29 .............................................. 50
Bảng 3. 1 Thông số bộ tăng áp CP-70 ................................................................................. 58
Bảng 3. 2 Thông số đầu vào của trường hợp mô phỏng...................................................... 63
Bảng 3. 3 Thông số đầu ra của sản phẩm ............................................................................ 63
Bảng 3. 4 Kết quả thử nghiệm ............................................................................................. 67
Bảng 3. 5 Kết quả so sánh các chỉ số giữa MPS và thực nghiệm........................................ 67
Bảng 4. 1 Các yếu tố đầu vào và đầu ra của bài toán thực nghiệm ..................................... 71
Bảng 4. 2 Bảng ma trận thực nghiệm .................................................................................. 71
Bảng 4. 3 Bảng kết quả đo................................................................................................... 73
Bảng 4. 4 Các giá trị bj ........................................................................................................ 74
Bảng 4. 5 Bảng các giá trị S2 (bj) ........................................................................................ 75
Bảng 4. 6 Bảng các giá trị 𝑏𝑗/ 𝑆𝑏𝑗 ...................................................................................... 75
Bảng 4. 7 Bảng so sánh kết quả tính toán và kết quả thực nghiệm ..................................... 76

vii


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ
Hình 1. 1 Sơ đồ phân loại công nghệ dập tạo hình bằng chất lỏng cao áp [24] .................... 4
Hình 1. 2 Sơ đồ các bước dập thủy cơ [87] ........................................................................... 4

Hình 1. 3 Sơ đồ quá trình tạo hình thủy tĩnh phôi tấm [66] .................................................. 5
Hình 1. 4 Dập thủy tĩnh thanh B của xe ôtô trên máy ép thủy lực [60] ................................ 7
Hình 1. 5 Dập thủy tĩnh cặp phôi tấm [38] ............................................................................ 7
Hình 1. 6 Dập thủy tĩnh phôi ống [85] .................................................................................. 8
Hình 1. 7 Mối quan hệ giữa áp suất và bán kính trong DTT phôi ống [85] .......................... 8
Hình 1. 8 Sản phẩm hệ thống xả trong ôtô được chế tạo bằng: ............................................. 9
Hình 1. 9 Sơ đồ nguyên lý các trường hợp dập tạo hình (a) và mặt cắt sản phẩm (b) [32] 12
Hình 1. 10 Đường lực chặn tối ưu đối với chi tiết cầu [64] ................................................ 13
Hình 1. 11 Hiện tượng: rách (a) nhăn (b) trong quá trình DTT [64] ................................... 13
Hình 1. 12 Ảnh hưởng của nhiệt độ đến quá trình tạo hình [56]......................................... 14
Hình 1. 13 Hệ thống gia nhiệt trong quá trình dập bằng chất lỏng áp suất cao [35] ........... 15
Hình 1. 14 Sơ đồ nguyên lý hệ thống thực nghiệm công nghệ dập thủy tĩnh tấm [94]....... 16
Hình 1. 15 Hệ thống thiết bị DTT điều khiển theo chương trình [52] ................................ 16
Hình 1. 16 Hệ thống chặn toạ độ điều khiển theo thời gian và hành trình [25] .................. 17
Hình 1. 17 Hệ thống chặn chủ động điều khiển hành trình [25] ......................................... 17
Hình 1. 18 Sơ đồ điều khiển áp lực gioăng làm kín [25] .................................................... 18
Hình 1. 19 Bề mặt cối ảnh hưởng tới khả năng kéo phôi vào trong cối [82] ...................... 18
Hình 1. 20 Sơ đồ quá trình DTT phôi tấm........................................................................... 22
Hình 1. 21 Giai đoạn biến dạng tự do [77] .......................................................................... 22
Hình 1. 22 Các vùng biến dạng trên phôi [15] .................................................................... 23
Hình 1. 23 Trạng thái ứng suất và biến dạng của phôi trong DTT phôi tấm [86]. .............. 23
Hình 1. 24 Quá trình biến dạng tự do của tấm [77] ............................................................. 25
Hình 1. 25 Các bán kính góc lượn đáy cối .......................................................................... 29
Hình 1. 26 Chi tiết lựa chọn để nghiên cứu ......................................................................... 30
Hình 2. 1 Mô hình khuôn (chưa chia lưới) và mô hình phôi ............................................... 34
Hình 2. 2 Mô hình hình học đã chia lưới............................................................................. 34
Hình 2. 3 Đường cong ứng suất – biến dạng của vật liệu DC04 ......................................... 34
Hình 2. 4 Sản phẩm mô phỏng tại áp suất chặn Qch= 25 bar............................................... 36
viii

Hình 2. 5 Sản phẩm mô phỏng tại áp suất chặn Qch= 55 bar............................................... 37
Hình 2. 6 Sản phẩm đạt yêu cầu mô phỏng tại Qch= 90 bar ................................................ 37
Hình 2. 7 Sản phẩm bị rách tại áp suất chặn Qch = 125 bar ................................................. 38
Hình 2. 8 Đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa Qch và Pth khi S* =0.73 ................................ 39
Hình 2. 9 Đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa Qch và Pth khi S* =0.91 ................................ 41
Hình 2. 10 Đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa Qch và Pth khi S* =1.09 .............................. 41
Hình 2. 11 Quá trình hình thành sản phẩm tại áp suất chặn Qch = 90 bar ........................... 42
Hình 2. 12 Đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa Qch và Rd; Pth và Rd .................................... 42
Hình 2. 13 Mối quan hệ giữa Qch và Rd khi chiều dày tương đối của phôi S* = 0.73 ........ 44
Hình 2. 14 Mối quan hệ giữa Qch và Rd khi chiều dày tương đối của phôi S* = 0.91 ......... 46
Hình 2. 15 Mối quan hệ giữa Qch và Rd khi chiều dày tương đối của phôi S* = 1.09 ........ 47
Hình 2. 16 Phân bố biến mỏng biến dày tại Qch= 90 bar ..................................................... 48
Hình 2. 17 Mối quan hệ giữa biến mỏng lớn nhất γmax và áp suất chặn Qch khi H*=23 ..... 49
Hình 2. 18 Mối quan hệ giữa biến mỏng lớn nhất γmax và áp suất chặn Qch khi H*=26 ..... 51
Hình 2. 19 Mối quan hệ giữa biến mỏng lớn nhất γmax và áp suất chặn Qch khi H*=29 ..... 51
Hình 3. 1 Các thành phần của hệ thống thực nghiệm .......................................................... 53
Hình 3. 2 Sơ đồ nguyên lý hệ thống thực nghiệm với các thành phần sau: ........................ 53
Hình 3. 3 Kết cấu cụm đế khuôn ......................................................................................... 55
Hình 3. 4 Thiết kế 3D lòng khuôn dập chi tiết trụ ............................................................... 55
Hình 3. 5 Các thành phần của khuôn ................................................................................... 56
Hình 3. 6 Vị trí đặt gioăng cao su thường gặp .................................................................... 56
Hình 3. 7 Lực tác dụng lên gioăng làm kín khi gioăng đặt trên miệng tấm chặn................ 57
Hình 3. 8 Gioăng cao su bị gãy trong quá trình kéo phôi vào lòng cối ............................... 57
Hình 3. 9 Vị trí đặt gioăng hiện tại ...................................................................................... 57
Hình 3. 10 Cụm điều khiển áp suất chặn. ............................................................................ 58
Hình 3. 11 Sơ đồ nguyên lý hệ thống đo ............................................................................. 59
Hình 3. 12 Hệ thống đo áp suất – hành trình. ...................................................................... 59
Hình 3. 13 Gá sản phẩm trên máy đo (a) và hiển thị kết quả đo (b) ................................... 60
Hình 3. 14 Hiển thị qua thấu kính tọa độ đo biên dạng sản phẩm....................................... 60

Hình 3. 15 Xây dựng biên dạng sản phẩm trên Solidworks ................................................ 60
Hình 3. 16 Các điểm đo trên mẫu sản phẩm DTT ............................................................... 61
Hình 3. 17 Hiển thị kết quả đo trên màn hình máy tính ...................................................... 61
Hình 3. 18 Hệ thống thực nghiệm được lắp ráp hoàn chỉnh................................................ 62
ix


Hình 3. 19 Mô tả các vùng trạng thái ứng suất khác nhau của sản phẩm ........................... 64
Hình 3. 20 Phôi thí nghiệm.................................................................................................. 64
Hình 3. 21 Phôi được phủ lớp nhựa bên ngoài. .................................................................... 65
Hình 3. 22 Sản phẩm rách tại đáy (a); sản phẩm đạt chất lượng (b) ................................... 65
Hình 3. 23 Đồ thị áp suất chất lỏng công tác và áp suất chặn phôi trong quá trình tạo hình
............................................................................................................................................. 66
Hình 3. 24 Các dạng phế phẩm ........................................................................................... 66
Hình 3. 25 Sản phẩm sau khi tạo hình ................................................................................. 67
Hình 4. 1 Các sản phẩm thí nghiệm theo ma trận thực nghiệm .......................................... 72
Hình 4. 2 Sản phẩm đạt yêu cầu .......................................................................................... 72
Hình 4. 3 Đo bán kính đáy sản phẩm Rd ............................................................................. 72
Hình 4. 4 Đo chiều dày mẫu D39 ........................................................................................ 73
Hình 4. 5 Bán kính đáy sản phẩm khi áp suất chặn Qch = 80bar ......................................... 77
Hình 4. 6 Bán kính đáy sản phẩm khi áp suất chặn Qch= 97.5bar ....................................... 78
Hình 4. 7 Bán kính đáy sản phẩm khi áp suất chặn Qch = 115bar ....................................... 78
Hình 4. 8 Bán kính đáy sản phẩm khi chiều dày tương đối của phôi S* = 0.73 ................. 79
Hình 4. 9 Bán kính đáy sản phẩm khi chiều dày tương đối của phôi S* = 0.91 ................. 79
Hình 4. 10 Bán kính đáy sản phẩm khi chiều dày tương đối của phôi S*=1.09 ................. 79
Hình 4. 11 Bán kính đáy sản phẩm khi chiều sâu tương đối của cối H* = 23 ..................... 80
Hình 4. 12 Bán kính đáy sản phẩm khi chiều sâu tương đối của cối H* = 26 ..................... 80
Hình 4. 13 Bán kính đáy sản phẩm khi chiều sâu tương đối của cối H* = 29 ..................... 81
Hình 4. 14 Mức độ biến mỏng γmax khi áp suất chặn Qch = 80 bar ...................................... 83
Hình 4. 15 Mức độ biến mỏng γmax khi áp suất chặn Qch = 97.5 bar ................................... 83

Hình 4. 16 Mức độ biến mỏng γmax khi áp suất chặn Qch = 115 bar.................................... 83
Hình 4. 17Mức độ biến mỏng γmax khi chiều dày tương đối của phôi S* = 0.73 ................ 84
Hình 4. 18 Mức độ biến mỏng γmax khi chiều dày tương đối của phôi S* = 0.91 ............... 84
Hình 4. 19 Mức độ biến mỏng γmax khi chiều dày tương đối của phôi S* = 1.09 ............... 84
Hình 4. 20 Mức độ biến mỏng γmax khi chiều sâu tương đối của cối H* = 23 .................... 85
Hình 4. 21 Mức độ biến mỏng γmax khi chiều sâu tương đối của cối H* = 26 ..................... 85
Hình 4. 22 Mức độ biến mỏng γmax khi chiều sâu tương đối của cối H* = 29 ..................... 86
Hình 4. 23 Áp suất tạo hình sản phẩm Pth khi áp suất chặn Qchmin = 80bar ......................... 87
Hình 4. 24 Áp suất tạo hình sản phẩm Pth khi áp suất chặn Qch = 97.5bar.......................... 87
Hình 4. 25 Áp suất tạo hình sản phẩm Pth khi áp suất chặn Qch = 115bar ........................... 88
x


Hình 4. 26 Áp suất tạo hình sản phẩm Pth khi chiều dày tương đối của phôi S*=0.73 ....... 88
Hình 4. 27 Áp suất tạo hình sản phẩm Pth khi chiều dày tương đối của phôi S*=0.91 ....... 89
Hình 4. 28 Áp suất tạo hình sản phẩm Pth khi chiều dày tương đối của phôi S*=1.09 ....... 89
Hình 4. 29 Áp suất tạo hình sản phẩm Pth khi chiều sâu tương đối của cối H* = 23 ........... 90
Hình 4. 30 Áp suất tạo hình sản phẩm Pth khi chiều sâu tương đối của cối H* = 26 ........... 90
Hình 4. 31 Áp suất tạo hình sản phẩm Pth khi chiều sâu tương đối của cối H*=29 ............. 90

xi


MỞ ĐẦU
1. Lý do lựa chọn đề tài
Ngành cơ khí giữ vai trò rất quan trọng trong sự nghiệp phát triển đất nước. Tuy nhiên,
hiện nay đất nước ta vẫn đang phải nhập khẩu rất nhiều chi tiết, bộ phận, thậm chí toàn bộ sản
phẩm phục vụ công nghiệp ô tô, xe máy, quốc phòng, hàng tiêu dùng, sản xuất máy nông nghiệp,
thuỷ điện. Do vậy, nhiệm vụ cấp thiết hiện nay là phát triển công nghệ, đầu tư nghiên cứu khoa
học, làm chủ và áp dụng công nghệ mới vào sản xuất thực tế.

Gia công áp lực (GCAL) là một lĩnh vực quan trọng trong ngành cơ khí, gắn liền với sản
xuất hàng loạt lớn, hàng khối, sản xuất các sản phẩm có chất lượng cao, độ chính xác cao, sản
xuất các sản phẩm có kích thước từ siêu nhỏ cỡ micromet đến kích thước rất lớn hàng mét. Có
thể thấy trên thế giới, lĩnh vực GCAL đã có những bước tiến lớn cả về thiết bị lẫn công nghệ,
thể hiện ở sự phát triển các ngành ôtô, vũ trụ, công nghiệp điện – điện tử, quân sự, y tế…v.v. Ở
Việt Nam, GCAL đang trong giai đoạn phát triển mạnh mẽ, đóng góp ngày càng nhiều vào công
cuộc công nghiệp hóa đất nước. Hiện nay, GCAL đã có những bước tiến đáng kể khi áp dụng
những công nghệ mới vào sản xuất. Tuy nhiên, để áp dụng có hiệu quả cần phải nghiên cứu lý
thuyết cơ bản và phân tích được các yếu tố công nghệ ảnh hưởng trong quá trình gia công.
Dập thủy tĩnh (DTT) phôi tấm là một hướng nghiên cứu trong công nghệ dập tạo hình
bằng chất lỏng cao áp. Công nghệ này cho phép dập các chi tiết rỗng, đặc biệt chi tiết có hình
dạng phức tạp ngay cả đối với các vật liệu khó biến dạng. Trên thế giới, đã có rất nhiều công
trình nghiên cứu và ứng dụng công nghệ này vào sản xuất và đạt được thành tựu cao. Điển hình
như các nước như Đức, Mĩ, Nhật đã áp dụng công nghệ ày vào công nghiệp ô tô, một số chi tiết
phần vỏ xe đã được áp dụng công nghệ DTT để sản xuất cho chất lượng cao như thanh nối B
hay nắp capo, thay thế cho số lượng lớn nguyên công tạo hình và khuôn trong dập tạo hình
truyền thống. Ở Việt Nam, đã có một số công trình nghiên cứu về công nghệ DTT, tuy nhiên để
có thể ứng dụng vào thực tiễn sản xuất cần phải có những nghiên cứu chuyên sâu để có thể làm
chủ công nghệ này. Do vậy “Nghiên cứu ảnh hưởng của một số thông số công nghệ và kích
thước hình học cối đến khả năng tạo hình trong dập thủy tĩnh phôi tấm” sẽ là trọng tâm và mục
tiêu nghiên cứu của luận án.
2. Mục đích, đối tượng và phạm vi nghiên cứu của luận án
• Mục đích của luận án
Nghiên cứu ảnh hưởng của một số thông số công nghệ và kích thước hình học cối đến khả
năng tạo hình trong dập thủy tĩnh phôi tấm
• Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của luận án
+ Đối tượng: luận án tập trung nghiên cứu công nghệ DTT áp dụng trên đối tượng cụ thể:
chi tiết dạng trụ - chi tiết điển hình trong nghiên cứu công nghệ DTT như trên hình 1.26.
+ Phạm vi nghiên cứu được giới hạn trong miền:
- Vật liệu thép tấm DC04

- Chiều dày tương đối của phôi:

1


𝑆

S* = 𝐷𝑂 *100 = 0.73; 0.91; 1.09 (tương ứng với chiều dày thực tế của phôi So = (0.8; 1.0;
𝑂

1.2) mm, đường kính phôi ban đầu Do = 110 mm)
Chiều sâu tương đối của cối:
ℎ
H*= 𝑑 *100 = 23; 26; 29 (Tương ứng với các chiều sâu hi = 16; 18; 20 mm và đường kính
cối dc = 70 mm);
- Miền áp suất tạo hình Pth = (0÷600) bar;
- Miền áp suất chặn phôi Qch = (0 ÷150) bar
3.

Phương pháp nghiên cứu

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

số hình học dụng cụ trong quá trình DTT.
- Phân tích, tổng hợp, đánh giá kết quả thực nghiệm, đối chứng với lý thuyết và biện luận.
4.

Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn
•

Ý nghĩa khoa học

- Tạo cơ sở khoa học để giải thích ảnh hưởng của thông số hình học của khuôn; thông số
hình học của phôi và thông số công nghệ cơ bản trong dập thủy tĩnh phôi tấm.
- Xây dựng được mối quan hệ giữa lực chặn phôi, chiều sâu tương đối của cối và chiều
dày tương đối của phôi với áp suất chất lỏng tạo hình, bán kính đáy sản phẩm và mức độ biến
mỏng.
• Ý nghĩa thực tiễn
- Kết quả nghiên cứu của luận án có thể định hướng cho triển khai áp dụng trong thực tiễn
sản xuất. Có thể áp dụng vào sản xuất các sản phẩm dạng tấm tương tự với dải kích thước phù
hợp. Ngoài ra, với các sản phẩm có kích thước lớn hơn, phương pháp nghiên cứu của luận án
cũng có thể được áp dụng để nghiên cứu và sản xuất trong thực tiễn.
- Góp phần xây dựng hệ thống thí nghiệm dập thủy tĩnh phục vụ cho nghiên cứu và đào
tạo. Hệ thống thí nghiệm của luận án có thể được dùng để nghiên cứu và phát triển các vấn đề
khác trong DTT phôi tấm. Ngoài ra, hệ thống cũng có thể được sử dụng như một thiết bị thí
nghiệm phục vụ cho sinh viên đại học và học viên cao học để hiểu hơn về công nghệ DTT.

2


5.

Các đóng góp mới của luận án

- Xác định được mối quan hệ giữa áp suất chặn, chiều sâu tương đối của cối, chiều dày
tương đối của phôi với áp suất tạo hình, mức độ biến mỏng lớn nhất của sản phẩm, bán kính đáy
sản phẩm làm cơ sở tiến hành tối ưu hóa các thông số công nghệ khi dập chi tiết dạng trụ.
- Phân tích và xác định ảnh hưởng của các thông số công nghệ, kích thước hình học cối
tới việc hình thành bán kính đáy sản phẩm và mức độ biến mỏng của sản phẩm;
6.

Bố cục của luận án

Luận án thể hiện đầy đủ các mục theo quy định chung, bao gồm các phần chính sau:
- Chương 1. Tổng quan về công nghệ dập tạo hình bằng chất lỏng cao áp
- Chương 2. Mô phỏng số quá trình dập thủy tĩnh phôi tấm
- Chương 3. Hệ thống thực nghiệm
- Chương 4. Nghiên cứu quá trình dập thủy tĩnh phôi tấm bằng phương pháp quy hoạch
thực nghiệm
- Kết luận chung và hướng phát triển của đề tài.

3


CHƯƠNG 1.

TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ DẬP TẠO HÌNH BẰNG CHẤT LỎNG
CAO ÁP

1.1 Khái quát công nghệ dập bằng chất lỏng cao áp
Dập tạo hình bằng chất lỏng cao áp (HPF – High Pressure Forming) là một quá trình tạo
hình vật liệu bằng việc sử dụng chất lỏng có áp suất cao tác dụng trực tiếp vào bề mặt phôi, làm
biến dạng dẻo phôi theo biên dạng của cối (Dập thủy tĩnh) hoặc biên dạng của chày kết hợp với

một số chuyển động của khuôn (Dập thủy cơ) như hình 1.1 [15].

Hình 1. 1 Sơ đồ phân loại công nghệ dập tạo hình bằng chất lỏng cao áp [24]
Kim loại được sử dụng trong công nghệ này không chỉ là kim loại màu, thép, mà còn có
thể là các loại vật liệu khác có tính dẻo phù hợp.
1.1.1 Công nghệ dập thủy cơ
Dập thủy cơ (DTC) là phương pháp tạo hình vật liệu nhờ nguồn chất lỏng cao áp được
sinh ra do chuyển động cơ khí của dụng cụ tạo hình ví dụ chày chuyển động ép chất lỏng trong
lòng cối. Áp suất chất lỏng được sinh ra do chất lỏng không chịu nén và ép phôi vào chày, tạo
hình sản phẩm theo biên dạng của chày (hình 1.2) [2].

Hình 1. 2 Sơ đồ các bước dập thủy cơ [87]
4


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

vào bề mặt phôi, ép vật liệu biến dạng theo biên dạng của cối để tạo hình chi tiết [15].
Nguyên lý quá trình DTT phôi tấm đơn được thể hiện trên hình 1.3.

Hình 1. 3 Sơ đồ quá trình tạo hình thủy tĩnh phôi tấm [66]
Quá trình DTT phôi tấm đơn gồm các giai đoạn như sau [8, 93]:
- Giai đoạn đóng khuôn: Lực đóng khuôn được tạo ra từ máy ép có tác dụng chống nhăn
phần vành phôi và làm kín tránh rò rỉ chất lỏng trong quá trình DTT. (hình 1.3 I.)
- Giai đoạn tạo hình tự do: Sau khi đóng khuôn, chất lỏng cao áp sẽ được bơm vào lòng
cối, áp suất thủy tĩnh tác dụng đều lên toàn bộ bề mặt phôi, phôi sẽ biến dạng tự do trong lòng
cối đến khi chạm đáy cối (hình 1.3. II.)
- Giai đoạn điền đầy lòng cối: Chất lỏng tiếp tục được tăng áp suất, đến một giá trị áp suất
đủ lớn phôi sẽ biến dạng dẻo điền đầy theo biên dạng của lòng cối, đặc biệt là các vị trí lồi lõm
trong cối (hình 1.3 III.).
5


So sánh giữa công nghệ dập thủy tĩnh phôi tấm với phương pháp truyền thống [8, 9, 11,
21, 60, 70, 71, 90]
+ Ưu điểm:
- Tăng chất lượng bề mặt sản phẩm dập: trong DTT, chất lỏng luôn tiếp xúc với phôi, giữ
phôi ở trạng thái kéo căng đều theo các phương, sản phẩm chỉ tiếp xúc với lòng cối ở cuối quá
trình nên chất lượng bế mặt sản phẩm tốt.
- Có thể sử dụng với nhiều loại vật liệu: các loại vật liệu có tính dẻo đều có thể sử dụng
công nghệ này để tạo hình như đồng, nhôm, titan, inox, …Dải chiều dày vật liệu có thể tạo hình
bằng phương pháp này có thể trong khoảng (0.05 ÷ 6.00) mm [57]. Đặc biệt đối với kim loại có
chiều dày rất mỏng, khả năng tạo hình của phương pháp DTT thực hiện dễ dàng hơn nhiều so
với phương pháp dập truyền thống.
- Tiết kiệm chi phí chế tạo khuôn (vật liệu khuôn và gia công khuôn) lên trên 50% [57].
- Giảm trọng lượng chi tiết. Điều này đặc biệt có ý nghĩa đối với các nhà sản xuất ôtô bởi
các lý do môi trường như giảm nhiên liệu tiêu hao và phát thải. Tuy nhiên, khi giảm trọng lượng

xe, họ phải cố gắng tránh làm ảnh hưởng tới các tiêu chí quan trọng khác, chẳng hạn như sức
mạnh và quản lý năng lượng.
- Giảm biến dạng đàn hồi bởi phôi luôn được kéo căng trong suốt quá trình tạo hình.
- Hiệu quả kinh tế cao, vì có thể tạo hình những chi tiết có kích thước và hình dạng khác
nhau ở cùng một thiết bị mà chỉ việc thay đổi hình dạng của cối
- Có khả năng dập tạo hình những chi tiết có hình dạng phức tạp.
+ Nhược điểm so với công nghệ dập truyền thống:
- Chi phí đầu tư ban đầu lớn do cần thêm bộ tăng áp, hệ thống đo lường, hệ thống thủy
lực.
- Thời gian tạo hình chậm hơn so với dập vuốt thông thường.
- Đòi hòi lực đóng khuôn rất lớn do ngoài việc chống nhăn, bộ phận đóng khuôn còn có
nhiệm vụ làm kín, tránh rò rỉ chất lỏng gây mất áp suất trong quá trình tạo hình.
- Lượng biến mỏng lớn và độ không đồng đều trên thành chi tiết trong trường hợp dập các
chi tiết có chiều sâu lớn [15].
Vì vậy, công nghệ dập thủy tĩnh với phôi tấm đơn thường được ứng dụng để dập tạo hình
các chi tiết lớn có hình dạng phức tạp và có chiều sâu dập không lớn.
+ Hình ảnh ứng dụng của công nghệ dập thủy tĩnh trong công nghiệp ôtô:

6


Hình 1. 4 Dập thủy tĩnh thanh B của xe ôtô trên máy ép thủy lực [60]
b. Dập thủy tĩnh cặp phôi tấm
So với DTT phôi tấm đơn, phương pháp DTT cặp phôi tấm có nhiều ưu điểm và ứng dụng
hơn. Cặp phôi tấm có thể là hàn hoặc không hàn. Việc đa dạng được biên dạng sản phẩm cũng
như nâng cao năng suất chính là ưu điểm chính của phương pháp này [8].

a) Sơ đồ nguyên lý

b) Ứng dụng

Hình 1. 5 Dập thủy tĩnh cặp phôi tấm [38]
Với công nghệ DTT phôi cặp (hình 1.5), khuôn tạo hình được tiết kiệm hơn bởi thay vì sử
dụng ít nhất 2 bộ chày và cối cho 2 nửa chi tiết, thì công nghệ này chỉ sử dụng khuôn trên và
khuôn dưới. Hơn thế nữa, việc cắt và nối các cặp tấm có thể được tích hợp trong một bước của
DTT, tạo thành một chuỗi quy trình ngắn hơn và hiệu quả hơn [38]
7


c. Dập tạo hình thủy tĩnh phôi ống
DTT phôi ống là công nghệ tạo hình chi tiết rỗng từ phôi ống nhờ nguồn chất lỏng cao áp
tác dụng ở bên trong lòng phôi, ép sát phôi vào biên dạng của cối [15].
Hình 1.6 trình bày sơ đồ nguyên lý dập thủy tĩnh phôi ống nối chữ T.

a-thiết lập khuôn, b-ống ban đầu, c - sản phẩm (ống nối T)
Hình 1. 6 Dập thủy tĩnh phôi ống [85]

Hình 1. 7 Mối quan hệ giữa áp suất và bán kính trong DTT phôi ống [85]
Trong quá trình dập tạo hình phôi ống, áp suất tạo hình cần thiết phụ thuộc vào bán kính
trong nhỏ nhất của thành ống, chiều dày vật liệu và ứng suất chảy (hình 1.7) [21, 25, 62, 85, 90]
Công nghệ này có khả năng sản xuất được các chi tiết có chất lượng tốt, hình dạng không
gian phức tạp khó có thể thực hiện được mà trước đây thường được chế tạo bằng phương pháp
đúc hoặc phải hàn ghép các bộ phận với nhau. Hình 1.8 so sánh chất lượng sản phẩm bằng
phương pháp tạo hình cũ với nhiều công đoạn như uốn, cắt, hàn và phương pháp mới là dập
thủy tĩnh.
8


Hình 1. 8 Sản phẩm hệ thống xả trong ôtô được chế tạo bằng:
a- phương pháp tạo hình truyền thống; b- phương pháp DTT phôi ống [48]

Bản chất của quá trình DTT phôi ống chính là tạo ra sự chuyển động cưỡng bức, cục bộ
hay toàn phần của vật liệu phôi trong giới hạn chảy của vật liệu dưới áp suất thủy tĩnh, theo biên
dạng mong muốn của lòng khuôn để tạo nên những chi tiết có hình dạng phức tạp, mà các
phương pháp chế tạo truyền thống không thể thực hiện được. Dập thủy tĩnh phôi ống có nhiều
nhược điểm [15, 21, 25, 55, 60, 85, 90]:
Ưu điểm:
- Chi tiết được tạo hình đồng nhất về vật liệu (so với hàn nối ống)
- Giảm khối lượng chi tiết so với công nghệ truyền thống
- Tăng cường cơ tính của chi tiết dập
- Đạt được độ chính xác kích thước cao và giảm biến dạng đàn hồi
- Giảm chi phí chế tạo khuôn và giảm số nguyên công tạo hình
- Tạo hình được các chi tiết rỗng có hình dạng phức tạp
Nhược điểm:
- Tăng chi phí đầu tư cho các thiết bị thủy lực: bộ tăng áp, xilanh dọc trục...
- Khó tạo hình các chi tiết rỗng với biên dạng mặt cắt theo đường trục có sự thay đổi đột
ngột và mức độ biến dạng lớn tại các vị trí vuông góc với đường trục trong không gian.
Ứng dụng: Với những đòi hỏi về vấn đề giảm tiêu thụ nhiên liệu, tăng mức độ an toàn khi
va chạm của các phương tiện vận chuyển nên công nghệ dập thủy tĩnh phôi ống đang được ứng
dụng nhiều nhất trong công nghiệp chế tạo ôtô, tàu cao tốc, hàng không vũ trụ, công nghiệp
quốc phòng. Ngoài ra công nghệ này cũng được ứng dụng phổ biến để sản xuất các chi tiết dùng
trong thiết bị nhà tắm, công nghiệp hóa chất, hàng tiêu dùng...[15, 21, 25, 55, 59, 60, 90]
1.2 Tổng quan về kết quả nghiên cứu về công nghệ dập thủy tĩnh phôi tấm
Những năm gần đây, công nghệ dập tạo hình bằng chất lỏng cao áp được sử dụng nhiều
trong chế tạo các chi tiết của ô tô, các chi tiết quân tư trang trong quân đội, hoặc các chi tiết
trong y tế, hóa học, ...v.v Công nghệ này xuất hiện khá sớm từ hơn 100 năm trước với mục đích
chế tạo các chi tiết nồi hơi, một số chi tiết trong các nhạc cụ, công cụ leo núi [57, 60, 90]. Tuy
vậy, những vấn đề cơ bản của công nghệ dập tạo hình bằng chất lỏng cao áp chỉ được công bố
sau những năm 1940. Gần hơn, cách đây 30 năm, công nghệ này được sử dụng trong dập phình
9

các chi tiết của xe đạp [92], các ống nối [36] và các chi tiết rỗng đơn giản. Với sự phát triển của
phương tiện vận chuyển, việc giảm nhẹ khối lượng của các chi tiết trong ô tô được chú trọng
nghiên cứu, do vậy, công nghệ dập tạo hình bằng chất lỏng cao áp cũng được thúc đẩy nghiên
cứu sâu hơn. Những ứng dụng đầu tiên của lĩnh vực này được áp dụng ở châu Âu và Bắc Mĩ và
nhanh chóng mở rộng ở những đất nước này. Đến những năm 1990, công nghệ này bắt đầu trở
nên phổ biến bởi ngành công nghiệp ôtô bắt đầu phát triển mạnh ở Hoa Kỳ, việc sản xuất các
chi tiết ống dẫn chữ T (T-fittings) sử dụng công nghệ dập bằng chất lỏng cao áp đã được ứng
dụng rất phổ biến và sau đó công nghệ này đã bắt đầu phát triển mạnh [24, 42, 43,44, 56, 57,
73, 79]. Tại Nhật Bản, công nghệ dập tạo hình bằng chất lỏng cao áp được ứng dụng vào chế
tạo các bộ phận, chi tiết của ô tô từ những năm 1999 [69, 75]. Ngoài ra, Nga cũng là một trong
nước những đầu tiên nghiên cứu và đưa ra những giáo trình về nguyên lý, cơ sở tính toán trong
công nghệ dập tạo hình bằng chất lỏng cao áp [14, 15, 17, 19] như: dập bằng cao su và chất
lỏng. Một quốc gia khác cần kể đến khi nói về lĩnh vực dập bằng chất lỏng cao áp là nước Đức.
Hàng loạt các công ty như Anton Bauer, Hydrap, Schuler, Siempelkamp Pressen Systeme và
các trường đại học đã có những nghiên cứu và ứng dụng mang tính đột phá trong việc chế tạo
các chi tiết liên quan đến phương tiện vận chuyển [25, 28, 38, 45, 54, 60, 76, 78, 84, 97, 98].
Với tốc độ phát triển nhanh của khoa học công nghệ như hiện nay, các nước Đức và Mĩ
vẫn là những nước đi đầu trong việc nghiên cứu, khai thác và ứng dụng công nghệ dập bằng
chất lỏng cao áp này vào sản xuất. Ở châu Á, các nước như Nhật Bản, Hàn Quốc, Trung Quốc
cũng áp dụng công nghệ này vào sản xuất [44, 58-60, 62, 84, 90, 91, 95, 99, 100]. Các tập đoàn
lớn như Toyota, Honda, Nissan hay Huyndai đã ứng dụng rất nhiều nghiên cứu về công nghệ
dập bằng chất lỏng cao áp vào chế tạo các chi tiết của ôtô. Như vậy, chúng ta có thể thấy công
nghệ dập bằng chất lỏng cao áp đã có một lịch sử phát triển lâu đời, được rất nhiều quốc gia
quan tâm nghiên cứu và hiện đang là xu hướng phát triển mạnh trong tương lai.
1.2.1 Trên thế giới
Công nghệ DTT ra đời và được ứng dụng vào rất nhiều lĩnh vực trong công nghiệp, y tế,
quốc phòng, gia dụng ... Cho đến nay, công nghệ này đã trải qua hàng chục thập kỉ nghiên cứu,
phát triển ở rất nhiều quốc gia, trường đại học, viện nghiên cứu và cả các doanh nghiệp trên thế
giới như châu Mỹ, châu Âu, Trung Đông, châu Á...

Nước Nga được xem là quốc gia đi đầu trong việc nghiên cứu và phát triển công nghệ
DTT, áp dụng công nghệ này trong các ngành công nghiệp hàng không, vũ trụ, dân dụng. Điển
hình đi đầu trong nghiên cứu cơ bản và nhiều công bố khoa học nhất thuộc về các trường Đại
học tổng hợp quốc gia Tula, Đại học Bách Khoa LeninGrad. Mỹ và CHLB Đức cũng nghiên
cứu rất nhiều về công nghệ DTT và phục vụ chủ yếu cho phát triển công nghiệp ô tô, cơ khí
giao thông. Các định hướng nghiên cứu của châu Âu và Mỹ chủ yếu tập trung vào các phương
pháp dập, ảnh hưởng của các thông số công nghệ cơ bản, các thiết bị chuyên dụng và hệ thống
điều khiển để có thể dập được những chi tiết có hình dạng phức tạp, kích thước lớn và từ vật
liệu thép [30, 65, 67, 83, 49, 85, 89, 96].
Tại châu Á, đi đầu trong nghiên cứu và ứng dụng lĩnh vực này là Trung Quốc, Hàn Quốc,
Nhật Bản. Các định hướng nghiên cứu của châu Á có phần thiên về nghiên cứu tạo hình thuỷ
tĩnh với các vật liệu khó biến dạng như titan, magie, thép không gỉ và một số kim loại màu khác

10


[22, 27, 40, 49, 51, 80]. Các kết quả nghiên cứu chủ yếu ứng dụng trong công nghiệp điện tử,
sản xuất vỏ, khung thiết bị và một phần ứng dụng trong công nghiệp dân dụng.
Qua khảo sát các tài liệu, bài báo công bố trong vòng 30 năm qua và đặc biệt trong 5 năm
trở lại đây có thể tổng kết, các nhà khoa học trên thế giới tập trung vào các vấn đề sau:
- Công nghệ và các thông số cơ bản: nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số đầu vào
(vật liệu phôi, kích thước hình học của phôi, khuôn, lực chặn, ma sát) đến quá trình tạo hình;
trạng thái ứng suất và biến dạng; các dạng khuyết tật sản phẩm; nghiên cứu mô phỏng số để tối
ưu các thông số công nghệ;
- Các phương pháp tạo hình: các nghiên cứu về DTT thông thường, dập tạo hình phôi
tấm đơn, cặp phôi tấm; DTT có kết hợp gia nhiệt; DTT kết hợp sóng rung động
- Phát triển thiết bị và khuôn: các nghiên cứu về thiết bị chuyên dụng, thiết bị có điều
khiển, hệ thống điều khiển quá trình; khuôn có hệ thống chặn đàn hồi, hệ thống chặn toạ độ,
khuôn có bề mặt đặt biệt;
- Vật liệu sử dụng cho DTT: bao gồm các nghiên cứu về vật liệu phổ biến trong công

nghệ dập, vật liệu kim loại màu, vật liệu khó biến dạng; nghiên cứu về mô hình thuộc tính vật
liệu;
a) Nghiên cứu về công nghệ và các thông số cơ bản trong dập thủy tĩnh
Xây dựng lý thuyết về công nghệ tạo hình bằng chất lỏng cao áp, tác dụng trên bề mặt của
phôi và ép phôi kim loại biến dạng theo hình dạng của khuôn đã được nghiên cứu từ trước năm
1960 và phát triển mạnh từ sau năm 1990. Các nghiên cứu tập trung vào tạo hình vật liệu tấm
đơn trong đó đề xuất sơ đồ công nghệ, trạng thái ứng suất, biến dạng ở các vùng biến dạng khác
nhau trên tấm [29, 41, 68, 72, 74, 86], phân tích và phát hiện khuyết tật sản phẩm như nhăn trên
vành, biến mỏng vật liệu quá lớn gây rách ở những vùng kim loại khó điền đầy. Các kết quả
nghiên cứu được kiểm nghiệm và ứng dụng vào thực tiễn sản xuất với từng trường hợp cụ thể
(chủ yếu trong giao thông, ô tô, hàng không).
Điển hình ở Đức, tác giả M. Kleiner, W. Homberg [66] và Taylan Altan [93, 94] đã nghiên
cứu nguyên lý của công nghệ DTT và các giai đoạn tạo hình như: giai đoạn đóng khuôn, biến
dạng tự do của phôi và cuối cùng là điền đầy lòng khuôn. Các giai đoạn tạo hình cũng như các
thông số công nghệ được mô tả và được coi là những kiến thức nền tảng. Từ đó, hàng loạt các
nghiên cứu của nhiều tác giả khác trên thế giới khai thác lý thuyết cơ bản, cụ thể hoá các yếu tố
ảnh hưởng đến quá trình tạo hình như lực chặn, áp suất chất lỏng công tác, mức độ biến dạng...
trong từng giai đoạn. Nhiều tác giả đã đưa ra công thức giải tích, công thức thực nghiệm để xác
định các thông số công nghệ, đưa ra những nhận định quan trọng như: khi lực chặn tăng, phôi
bị giữ chặt trên vành cối, kim loại khó kéo vào lòng khuôn nên quá trình biến dạng chủ yếu là
biên dạng kéo và biến mỏng của phôi tấm; hay áp suất chất lỏng công tác tăng sẽ làm kim loại
nhanh chóng biến dạng và điền đầy lòng khuôn, áp suất này phụ thuộc vào vật liệu, hình dạng
khuôn và lực chặn. Trạng thái ứng suất và biến dạng được xem là quan trọng, đặc biệt ở những
vị trí biến dạng điền đầy góc lượn nhỏ của lòng khuôn và đó là trạng thái ứng suất nén, biến
dạng kéo.
Shi-Hong Zhang và các cộng sự [86] đã nghiên cứu và xác định biểu đồ phân bố ứng suất,
biến dạng cụ thể ở các vị trí vành phôi, vị trí phôi biến dạng tự do, phôi tiếp xúc với đáy cối.
11

Trên cơ sở trạng thái ứng suất, biến dạng có thể xác định các thông số công nghệ và thiết kế
khuôn sao cho giảm thiểu các vùng nguy hiểm trên phôi.
Bên cạnh đó, nhiều nhà kỹ thuật cũng nghiên cứu để giải thích các thông số công nghệ
còn phụ thuộc vào mức độ biến dạng phôi và hình dạng của khuôn. Erkan Onder và A. Erma
Tekkaya [32] (hình 1.9) đã nghiên cứu xác định và tối ưu các thông số công nghệ đầu vào như
áp suất chất lỏng lòng cối, lực chặn trong các trường hợp mặt cắt ngang của cối có các dạng
tròn, elip, vuông, chữ nhật với vật liệu phôi thép. Các tác giả cũng phân tích biến dạng trong các
trường hợp tỷ lệ giữa chiều sâu cối với kích thước miệng cối và với góc lượn.

a)

b)

Hình 1. 9 Sơ đồ nguyên lý các trường hợp dập tạo hình (a) và mặt cắt sản phẩm (b) [32]
Dựa trên các nghiên cứu mô phỏng số và phân tích trên cơ sở đường cong biến dạng tới
hạn, các tác giả đã đưa ra hệ số dập vuốt βeq= Ao/ Am với Ao là diện tích phôi ban đầu, Am là
diện tích mặt cắt ngang của chày hoặc cối. Tiết diện phôi ban đầu phụ thuộc vào chiều cao của
sản phẩm hay độ sâu của cối. Việc khảo sát được thực hiện với β=1.75, 2.00 và 2.25, sản phẩm
được khảo sát khi điền đầy được bán kính góc lượn của cối và đạt được chiều cao thiết kế. Với
trường hợp mặt cắt ngang là elip, hệ số dập vuốt β = 1.75 và 2.00 sản phẩm được tạo hình thành
công, khi β = 2.25, sản phẩm bị rách ở đáy.
Tương tự, đối với trường hợp mặt cắt ngang hình chữ nhật, hình vuông tác giả cũng khảo
sát trường hợp β= 2.25 tìm ra mối quan hệ giữa các cạnh của hình chữ nhật, chiều sâu cối, chiều
dày vật liệu ảnh hướng tới khả năng đạt được bán kính góc lượn cối. Nghiên cứu chỉ ra rằng,
công nghệ DTT chỉ tạo hình sản phẩm thành công trong trường hợp bán kính góc lượn đáy cối
tương đối lớn từ 10 lần chiều dày vật liệu trở lên để đảm bảo vật liệu không bị biến mỏng mãnh
liệt gây rách đáy. Bán kính góc lượn miệng cối không ảnh hưởng nhiều đến quá trình, sản phẩm
luôn ôm sát miệng cối và tạo được bán kính góc lượn theo yêu cầu, tuy nhiên cũng phải đảm
bảo không quá nhỏ (nhỏ hơn chiều dày) để đảm bảo kim loại không bị phá huỷ khi kéo qua góc
lượn miệng cối. Tuy bán kính góc lượn tương đối lớn, nhưng áp suất chất lỏng tạo hình cũng

lên tới 40 Mpa. Nếu áp suất tăng cao quá phôi sẽ bị rách trước khi điền đầy góc lượn.
Tác giả C. Palumbo và cộng sự [37] cũng nghiên cứu kích thước khuôn và đưa ra nhận
định cối có hình dạng phức tạp thì khả năng tạo hình sản phẩm phụ thuộc rất nhiều vào mối
quan hệ hình học của khuôn cũng như bán kính lồi, lõm trên bề mặt đáy khuôn.
Nhiều công trình nghiên cứu cũng chỉ ra ma sát giữa phôi và vành cối, chặn đóng vai trò
quan trọng trong DTT bởi ma sát nhỏ sẽ tạo điều kiện thuận lợi cho phôi kéo vào cối, không gây
12


ra hiện tượng biến mỏng mãnh liệt của phôi và bù được kim loại vào các góc lượn cối. Hệ số
ma sát thường được áp dụng trong tính toán nằm từ µ = (0.08÷0.25). Tuy nhiên, lực ma sát còn
phụ thuộc vào lực chặn trên vành và cách bôi trơn. Liu wei cùng các cộng sự [64] đã nghiên
cứu ảnh hưởng của lực chặn khi dập vật liệu DC04, chiều dày 1.0 mm, chi tiết hình cầu đường
kính 100 mm và chỉ ra lực chặn thay đổi trong quá trình tạo hình và quan tâm đến lực chặn lớn
nhất để đảm bảo kín khít, không bị mất áp nhưng vẫn đảm bảo được việc kéo kim loại vào cối.
Kết quả nghiên cứu đưa ra các giá trị của lực chặn có thể dẫn tới sản phẩm bị nhăn (Q<400 kN),
rách (Q>700 kN) và đưa ra lực chặn tối ưu (Q = 420 kN – 680 kN) (hình 1.10).

Hình 1. 10 Đường lực chặn tối ưu đối với chi tiết cầu [64]
Các dạng hỏng trong quá trình như nhăn, nứt, rách, đàn hồi lại làm sai lêch kích thước
cũng được nhiều nhà kỹ thuật quan tâm, phân tích nguyên nhân [34, 64, 86] và đưa ra giải pháp
(hình 1.11). Nguyên nhân nhăn chủ yếu do lực chặn nhỏ, rách do mức độ biến dạng quá lớn,
nhưng cũng có liên quan đến khả năng biến dạng dẻo của vật liệu [40, 57]. Dựa trên mô phỏng
số, các tác giả lựa chọn được thông số công nghệ phù hợp để khắc phục hiện tượng nhăn và
rách. Nâng cao khả năng biến dạng của vật liệu, đặc biệt là biến dạng kéo chủ yếu được nghiên
cứu thông qua thực nghiệm [20, 81]. Khi thực hiện nghiên cứu. các tác giả thường lựa chọn hình
dạng chi tiết điển hình như trụ, hộp chữ nhật [54].

a)

b)

Hình 1. 11 Hiện tượng: rách (a) nhăn (b) trong quá trình DTT [64]
Đàn hồi lại chủ yếu liên quan đến bản chất vật liệu do ứng suất dư xuất hiện [23, 54] Tuy
nhiên tác giả Kleiner [54] đã chứng minh ảnh hưởng của áp suất tạo hình đến ứng suất dư trên
sản phẩm, áp suất tạo hình tăng thì ứng suất dư sẽ giảm, qua đó nâng cao độ chính xác sản phẩm
dập. Trong nghiên cứu của Bruni [23], tác giả đã trình bày các kỹ thuật để xác định ứng suất dư
13


và biến dạng đàn hồi thông qua đánh giá tín hiệu phản hồi của tia X và phương pháp cắt laser,
sau đó đo trên máy đo 3D của hãng GOM (Đức). Một số nghiên cứu của các tác giả khác cũng
nhận định tương tự rằng biến dạng đàn hồi giảm khi tăng áp suất tạo hình hoặc tăng ma sát giữa
phôi và vành chặn [97, 99].
Nghiên cứu xác định các thông số hình học và công nghệ thường được các nhà kỹ thuật
tiến hành bằng MPS để tiết kiệm chi phí và cho kết quả phân tích, nhận định ban đầu tương đối
chính xác[32, 37, 64]. Tác giả Daniel Koller và Stefan Ulbrich còn sử dụng MPS như một công
cụ hữu hiệu để tối ưu tham số điều khiển quá trình DTT [26].
b) Các nghiên cứu về phương pháp tạo hình
Trong các công trình công bố [37, 68, 72, 74, 86, 97], nhiều nhà kỹ thuật đề xuất phương
án dập cặp chi tiết, biến dạng theo 2 lòng khuôn trên và khuôn dưới để tiết kiệm năng lượng
đồng thời nâng cao năng suất, cũng như độ chính xác của sản phẩm lắp ghép. Tuy nhiên, các
nghiên cứu về tạo hình cặp tấm chủ yếu được phát triển và tính toán thông số công nghệ, trạng
thái ứng suất biến dạng dựa trên dập tấm đơn.
Để nâng cao khả năng tạo hình của phương pháp, nhiều tác giả đã đề xuất và triển khai
dập kết hợp với gia nhiệt cho phôi, điều này khá hiệu quả đối với tạo hình vật liệu kim loại màu
[21, 56, 60] Các tác giả cũng minh chứng được khi tăng nhiệt độ từ 100-3000c những vật liệu
như nhôm và magiê thì độ giãn dài có thể tăng lên đến 300%. Phôi có thể được gia nhiệt trên
vành hoặc áp dụng công nghệ dập đẳng nhiệt để gia nhiệt trên toàn bộ phôi. Việc gia nhiệt sẽ
giảm được lực chặn và áp suất tạo hình [56] (hình 1.12).

Hình 1. 12 Ảnh hưởng của nhiệt độ đến quá trình tạo hình [56]
Viện nghiên cứu Fraunhofer (Đức) đã thiết kế chế tạo hệ thống gia nhiệt di động sử dụng
trong quá trình dập tạo hình thủy lực, hệ thống này có thể gia nhiệt lên đến 3300c và tạo ra áp
suất tạo hình đến 800 bar [61, 75]. Quá trình tạo hình có gia nhiệt mở ra khả năng tạo hình các
chi tiết từ các vật liệu nhẹ như hợp kim nhôm, ma giê, titan... với mức độ biến dạng tăng, giảm
lực đóng khuôn, giảm áp suất tạo hình, tăng hệ số dập vuốt, nâng cao độ chính xác hình dạng
[35, 56, 61, 68].
Nhằm tăng mức độ biến dạng của các vật liệu khó biến dạng, giảm áp suất cần thiết trong
14