Nghiên cứu công nghệ dập khối chi tiết truyền động từ phôi ống (Luận án tiến sĩ)

LỜI CAM ĐOAN

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

PGS. TS. Nguyễn Đắc Trung

NGHIÊN CỨU SINH

Phan Thị Hà Linh

i


LỜI CẢM ƠN

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

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

Phan Thị Hà Linh

ii


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

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


KẾT LUẬN CHƯƠNG 2 ......................................................................................... 46
CHƯƠNG 3. NGHIÊN CỨU QUÁ TRÌNH CHỒN CỤC BỘ PHÔI ỐNG NHỜ
MÔ PHỎNG SỐ ....................................................................................................... 47
3.1 Ứng dụng mô phỏng số trong nghiên cứu công nghệ dập tạo hình................ 47
3.2 Các bước thiết lập bài toán mô phỏng số ....................................................... 49
3.3 Mô phỏng số quá trình chồn phôi ống ............................................................ 50
3.3.1 Lựa chọn phần mềm ................................................................................ 50
3.3.2 Thiết lập mô hình chồn đầu phôi ống với chày phẳng ............................ 50

3.3.3 Thiết lập bài toán mô phỏng số với Deform 3D ...................................... 51
3.4 Khảo sát xác định thời điểm mất ổn định và hình thành khuyết tật gấp khi
chồn ...................................................................................................................... 52
3.4.1 Kết quả khảo sát với H0/D = 0,4 .............................................................. 58
3.4.2 Kết quả khảo sát với H0/D0 = 0,6 ............................................................. 58
3.4.3 Kết quả khảo sát với H0/D0= 0,8 ............................................................. 59
3.4.4 Kết quả khảo sát với H0/D0 = 1,0 ............................................................ 60
3.4.5 Khảo sát ảnh hưởng của thông số hình học phôi tới mức độ biến dạng và
lực tạo hình ....................................................................................................... 60
3.5 Khảo sát quá trình chồn phôi ống với chày côn ............................................. 63
3.5.1 Kết quả mô phỏng với góc nghiêng chày α = 50 ..................................... 63
3.5.2 Kết quả mô phỏng với góc nghiêng chày α = 100 ................................... 64
3.5.3 Kết quả mô phỏng với góc nghiêng chày α = 150 ................................... 65
3.5.4 Kết quả mô phỏng với góc nghiêng chày α = 200 ................................... 66
3.5.5 Khảo sát ảnh hưởng của góc nghiêng chày tới mức độ biến dạng và lực
tạo hình ............................................................................................................. 67
KẾT LUẬN CHƯƠNG 3 ......................................................................................... 70
CHƯƠNG 4. THỰC NGHIỆM KIỂM CHỨNG KẾT QUẢ MÔ PHỎNG ............ 71
4.1 Xây dựng hệ thống thực nghiệm quá trình chồn phôi ống ............................. 71
4.1.1 Máy ép trục khuỷu ................................................................................... 72
4.1.2 Khuôn thí nghiệm .................................................................................... 73
4.1.3 Thiết bị nung và đo nhiệt ......................................................................... 74
4.1.4 Hệ thống đo lực, xử lý tín hiệu và hiển thị kết quả ................................. 74
4.1.5 Thiết bị đo mức độ biến dạng .................................................................. 76
4.1.6 Kết nối hệ thống thực nghiệm ................................................................. 77
4.2 Thực nghiệm kiểm chứng và kết quả ............................................................. 78
4.2.1 Trình tự tiến hành thực nghiệm ............................................................... 78
4.2.2 Kết quả thực nghiệm và đối sánh ............................................................ 79
KẾT LUẬN CHƯƠNG 4 ......................................................................................... 83
iv

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

v


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

Ký hiệu
1; 2; 3

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

εeq

Mức độ biến dạng tương đương

σeq

Ứng suất tương đương

µ,m

Hệ số ma sát

z,r,
P

Đơn vị

N/mm2, MPa

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

N/mm2, MPa
N, Tấn

n,

Ưng suất pháp tuyến

N/mm2, MPa

f

Ứng suất chảy

N/mm2, MPa

k

Hằng số dẻo của kim loại

H0

Chiều cao phần phôi ống được chồn

mm

S0

Chiều dày phôi ống

mm

D0

Đường kính ngoài của phôi ban đầu

mm

d0

Đường kính trong của phôi ban đầu

mm

S1

Chiều dày phôi ống sau chồn

mm

d1

Đường kính trong của phôi sau chồn

mm

PTHH
MPS

Phần tử hữu hạn
Mô phỏng số

vi

DANH MỤC HÌNH ẢNH VÀ ĐỒ THỊ
Hình 1.1 Các chi tiết bánh răng, vành răng, bánh răng liền trục ............................... 5
Hình 1.2 Sơ đồ công nghệ dập khối .......................................................................... 6
Hình 1.3 Dập khối trên khuôn hở và khuôn kín ........................................................ 7
Hình 1.4 Các thiết bị chính sử dụng để đập khối ...................................................... 7
Hình 1.5 Các chi tiết truyền động dạng trục rỗng ...................................................... 8
Hình 1.6 Chi tiết lắp ráp trong thiết bị cơ khí dạng trục rỗng .................................... 8
Hình 1.7 Chế tạo các chi tiết truyền động dạng rỗng bằng công nghệ dập khối từ
phôi đặc....................................................................................................................... 9
Hình 1.8 Sơ đồ nguyên công chồn phôi đặc không có ma sát và có ma sát ............. 10
Hình 1.9 Sơ đồ nguyên công chồn phôi rỗng a)bôi trơn tốt và b) bôi trơn kém hơn 10
Hình 1.10 Sơ đồ lực, trạng thái ứng suất và biến dạng khi chồn ............................. 11
Hình 1.11 Hướng thớ kim loại sau khi chồn ............................................................ 11
Hình 1.12 Chồn cục bộ từ phôi ống.......................................................................... 12
Hình 1.13 Các dạng chồn cục bộ từ phôi ống .......................................................... 13
Hình 1.14 Sơ đồ chồn cục bộ từ phôi ống ................................................................ 14
Hình 1.15 Thiết kế mô hình chồn cục bộ của L.M. Alves ....................................... 14
Hình 1.16 Thiết kế mô hình chồn cục bộ của Aydin Tuzun .................................... 15
Hình 1.17 Mức độ tăng chiều dày khi chồn ống ...................................................... 15
Hình 1.18 Hình ảnh chồn ống thép có ma sát........................................................... 17
Hình 1.19 Ảnh hưởng của ma sát tới kích thước lỗ (hay chuyển động của kim loại
theo hướng kính)....................................................................................................... 17
Hình 1.20 Biến dạng của phôi chồn ống khi bôi trơn tốt và không bôi trơn ............ 17
Hình 1.21 Hướng dòng chảy của kim loại khi chồn có ma sát ................................ 18
Hình 1.22 Nứt vỡ tế vi trong lòng phôi khi chồn ..................................................... 18
Hình 1.23 Nứt vỡ khi chồn đầu mũ bu lông ............................................................. 18
Hình 1.24 Khuyết tật gấp khi chồn phôi ống trong khuôn có lõi ............................. 19
Hình 1.25 Quá trình hành thành và vị trí khuyết tật gấp khi chồn ống .................... 19

Hình 1.26 Phân bố nhiệt độ khi chồn ống có nung nóng bằng cảm ứng .................. 20
Hình 1.27 Mất ổn định khi chồn phôi ống thép ........................................................ 21
Hình 1.28 Khuôn và sản phẩm chồn cục bộ ống nhôm phục vụ công nghiệp quốc
phòng ........................................................................................................................ 22
Hình 2.1 Sơ đồ chồn ống .......................................................................................... 24
Hình 2.2 Phân bố ứng suất trên bề mặt tiếp xúc khi chồn phôi ống trong trường hợp
không ma sát và có ma sát ........................................................................................ 24
Hình 2.3 Sơ đồ xác định biến dạng của phôi ống ..................................................... 25
Hình 2.4 Ảnh hưởng của bôi trơn tới biên dạng hình học của sản phẩm ................. 31
Hình 2.5 Chồn phôi ống với hệ số ma sát nhỏ (m<0,15) ......................................... 31
Hình 2.6 Chồn phôi ống với hệ số ma sát lớn (m>0,2) ............................................ 31
Hình 2.7 So sánh sự mô hình ma sát Tresca và Coulomb khi chồn phôi ống ......... 31
vii


Hình 2.8 Mối quan hệ giữa mức độ giảm đường kính trong phôi ông với mức độ
giảm độ cao phôi ống ứng với các hệ số ma sát khác nhau ...................................... 32
Hình 2.9 Độ dày lớp bôi trơn khi chồn ..................................................................... 32
Hình 2.10 Phá hủy trên bề mặt và bên trong phôi khi chồn ..................................... 34
Hình 2.11 Phôi bị cong khi chồn do có sự xuất hiện của lực ma sát ........................ 36
Hình 2.12 Mất ổn định và hình thành khuyết tật gấp khi chồn phôi ống ................. 36
Hình 2.13 Khuyết tật gấp khi tạo hình ống .............................................................. 38
Hình 2.14 Xác định khuyết tật gấp nhờ phân tích dòng chảy kim loại .................... 38
Hình 2.15 Khuyết tật gấp khi tạo hình chi tiết khớp nối .......................................... 39
Hình 2.16 Khuyết tật gấp khi dập khối trong khuôn hở ........................................... 39
Hình 2.17 Mẫu thí nghiệm chồn phôi dạng vành ..................................................... 40
Hình 2.18 Đường cong chảy của thép C45 tại các nhiệt độ và tốc độ biến dạng khác
nhau .......................................................................................................................... 41
Hình 2.19 Mô hình chồn đầu ống với chày ép phẳng và côn ................................... 41
Hình 2.20 Sản phẩm sau khi chồn ............................................................................ 41

Hình 2.21 Bài toán tiếp xúc ..................................................................................... 43
Hình 2.22 Các điểm khảo sát .................................................................................... 45
Hình 3.1 Các bước thiết lập bài toán mô phỏng ....................................................... 49
Hình 3.2 Mô hình bài toán chồn từ phôi ống với chày có đáy phẳng ...................... 50
Hình 3.3 Mô hình hình học của phôi và khuôn ....................................................... 51
Hình 3.4 Chia lưới phần tử cho phôi và khuôn ........................................................ 52
Hình 3.5 Quá trình biến dạng của phôi ống khi chồn............................................... 53
Hình 3.6 Đồ thị vận tốc của P1, P2, P3, P4, P5 theo phương Z và phương Y ......... 54
Hình 3.7 Đồ thị chuyển vị của các điểm P1, P2, P3, P4, P5 theo phương X và Z .. 54
Hình 3.8 Đồ thị chuyển vị của các điểm P1, P2, P3, P4, P5 theo phương .............. 55
Hình 3.9 Vị trí các chất điểm P1, P2, P3, P4, P5 theo phương Z ............................. 55
Hình 3.10 Đánh giá mức độ phá hủy ........................................................................ 56
Hình 3.11 Phân bố biến dạng ................................................................................... 56
Hình 3.12 Phân bố ứng suất...................................................................................... 56
Hình 3.13 Phân bố nhiệt độ ...................................................................................... 56
Hình 3.14 Đồ thị lực chồn ........................................................................................ 57
Hình 3.15 Chồn cục bộ ống có lõi giữa .................................................................... 57
Hình 3.16 Phân bố biến dạng khi H0/D0 = 0,4.......................................................... 58
Hình 3.17 Phân bố biến dạng khi α = 0o; H0/D0 = 0,6 .............................................. 58
Hình 3.18 Phân bố biến dạng khi H0/D0 = 0,8.......................................................... 59
Hình 3.19 Phân bố biến dạng khi H0/D0 = 1,0.......................................................... 60
Hình 3.20 Quan hệ giữa mức độ biến dạng và chiều cao tương đối H0/D0 .............. 61
Hình 3.21 Quan hệ giữa lực chồn và chiều cao tương đối phôi ống H0/D0 ............. 61
Hình 3.22 Quan hệ giữa mức độ biến dạng và chiều dày tương đối phôi ống S0/D0 62
Hình 3.23 Quan hệ giữa lực chồn và chiều dày tương đối phôi ống S0/D0 .............. 62
viii


Hình 3.24 Mô hình bài toán chồn từ phôi ống ......................................................... 63
Hình 3.25 Phân bố biến dạng khi α = 5o; H0/D0 = 0,4 .............................................. 63

Hình 3.26 Phân bố biến dạng khi α = 100; H0/D0 = 0,4 ............................................ 64
Hình 3.27 Sự phân bố biến dạng khi α = 15o; H0/D0 = 0,4....................................... 65
Hình 3.28 Phân bố biến dạng khi α = 20o; H0/D0 = 0,4 ............................................ 66
Hình 3.29 Đồ thị biểu diễn ảnh hưởng của góc nghiêng α tới mức độ biến dạng.... 68
Hình 3.30 Đồ thị biểu diễn ảnh hưởng của góc nghiêng chày tới lực ép ................. 68
Hình 4.1 Sơ đồ hệ thống thực nghiệm ...................................................................... 72
Hình 4.2 Máy ép trục khuỷu FCP – 160 ................................................................... 72
Hình 4.3 Kết cấu khuôn chồn ................................................................................... 73
Hình 4.4 Chày có các góc nghiêng khác nhau.......................................................... 74
Hình 4.5 Thiết bị nung và đo nhiệt độ ...................................................................... 74
Hình 4.6 Cảm biến đo lực ......................................................................................... 75
Hình 4.7 Thiết bị gia công tín hiệu ........................................................................... 75
Hình 4.8 Thiết bị đo kích thước chiều cao và chiều dày của phôi ........................... 77
Hình 4.9 Hệ thống thực nghiệm ............................................................................... 77
Hình 4.10 Phôi và sản phẩm sau chồn ...................................................................... 79
Hình 4.11 Sản phẩm khi H0/D0 =1,0; S0/D0 = 0,25 và α = 10o ................................. 80
Hình 4.12 Sản phẩm khi H0/D0 = 1,0; S0/D0 =0,2 và α = 0o ..................................... 80
Hình 4.13 Sản phẩm khi H0/D0 =0,6; S0/D0=0,3 và α = 0o ....................................... 81
Hình 4.14 Đồ thị lực chồn khi H0/D0 = 1,0; S0/D0 = 0,25 và α = 10o....................... 81
Hình 4.15 Đồ thị lực chồn khi H0/D0 =1,0; S0/D0 =0,2 và α = 0o............................. 81
Hình 4.16 Đồ thị lực chồn khi H0/D0 =0,6; S0/D0 =0,3 và α = 0o............................ 82
Hình 5.1 Biểu đồ phân mức của các yếu tố H0/D0, S0/D0 và α cho mức độ biến dạng
.................................................................................................................................. 90
Hình 5.2 Biểu đồ mức độ ảnh hưởng của các yếu tố H0/D0, S0/D0 và α tới mức độ
biến dạng................................................................................................................... 90
Hình 5.3 Biểu đồ sự phụ thuộc của mức độ biến dạng tới từng thông số hình học . 91
Hình 5.4 So sánh mức độ biến dạng giữa mô phỏng và thực nghiệm ...................... 92
Hình 5.5 So sánh mức độ biến dạng giữa hồi quy và thực nghiệm .......................... 94
Hình 5.6 Biểu đồ phân mức của các yếu tố H0/D0, S0/D0 và α cho lực tạo hình ..... 95
Hình 5.7 Biểu đồ mức độ ảnh hưởng của các yếu tố H0/D0, S0/D0 và α tới lực tạo

hình. .......................................................................................................................... 95
Hình 5.8 Sự phụ thuộc của lực tới từng thông số hình học ...................................... 96
Hình 5.9 So sánh lực tạo hình giữa mô phỏng và thực nghiệm ............................... 97
Hình 5.10 So sánh giữa lực tạo hình giữa thực nghiệm và hồi quy. ........................ 98
Hình 5.11 Bánh răng sau khi dập ............................................................................. 99
Hình 5.12 Khuôn chồn........................................................................................... 101
Hình 5.13 Kết cấu khuôn dập bánh răng ................................................................ 102
Hình 5.14 Kết quả thực nghiệm tạo hình bánh răng từ phôi ống. .......................... 103
ix


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

Bảng 3.19 Kết quả mức độ biến dạng và lực ép khi α = 20o; H0/D0 = 0,8 ............... 67
Bảng 3.20 Kết quả mức độ biến dạng và lực ép khi α = 20o; H0/D0 = 1,0 ............... 67
Bảng 4.1 Mẫu thực nghiệm ...................................................................................... 78
Bảng 4.2 So sánh kết quả thực nghiệm và mô phỏng .............................................. 82
Bảng 5.1 Các thông số đầu vào và đầu ra................................................................. 84
Bảng 5.2 Phương án thực nghiệm khi thay giá trị các mức của các thông số .......... 85
Bảng 5.3 Các đặc trưng chất lượng theo Taguchi. ................................................... 86
Bảng 5.4 Các mức và giá trị tương ứng của các yếu tố ảnh hưởng .......................... 88
Bảng 5.5 Các trường thực nghiệm, kết quả mức độ biến dạng và tỷ lệ S/N ............ 89
Bảng 5.6 Bảng ANOVA phân tích ảnh hưởng của các yếu tố tới mức độ biến dạng
.................................................................................................................................. 89
Bảng 5.7 Bảng so sánh mức độ biến dạng giữa mô phỏng và thực nghiệm ............ 92
Bảng 5.8 Bảng phân tích phương sai ANOVA các yêu tố ảnh hưởng tới mức độ
biến dạng................................................................................................................... 93
Bảng 5.9 So sánh mức độ biến dạng giữa hồi quy và thực nghiệm ......................... 93
Bảng 5.10 Các trường thực nghiệm, kết quả lực tạo hình và tỷ lệ S/N .................... 94
Bảng 5.11 Bảng ANOVA phân tích ảnh hưởng của các yếu tố tới lực tạo hình...... 95
Bảng 5.12 So sánh lực tạo hình giữa mô phỏng và thực nghiệm ............................. 96
Bảng 5.13 So sánh lực tạo hình giữa hồi quy và thực nghiệm ................................. 98
Bảng 5.14 Thứ tự các bước công nghệ cơ bản dập bánh răng từ phôi ống ............ 100

x


MỞ ĐẦU
I. Tính cấp thiết của đề tài
Trên thế giới công nghệ dập tạo hình khối được ứng dụng rộng rãi để sản xuất
các chi tiết cơ khí, đặc biệt là các chi tiết truyền động. Bắt đầu từ những năm 1960,
công nghệ dập khối được nghiên cứu, phát triển và áp dụng mạnh mẽ trong các
ngành công nghiệp cơ khí chế tạo. Đến nay, công nghệ dập khối đã phát triển đạt

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

có ý nghĩa thực tiễn trong việc tiết kiệm vật liệu, năng lượng khi tạo hình, rút ngắn
thời gian và qui trình công nghệ chế tạo các chi tiết truyền động trong các thiết bị
máy móc cơ khí.

1


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

các chi tiết bánh răng liền trục rỗng.

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


IV. Ý nghĩa của đề tài
1. Ý nghĩa khoa học
- Đã đưa ra phương pháp xác định chính xác thời điểm mất ổn định và sự
xuất hiện khuyết tập gấp khi chồn phôi ống. Với kết quả đó đã xây dựng được miền
giá trị của mức độ biến dạng và lực chồn phụ thuộc và thông số hình học của phôi
ống ban đầu (tỉ lệ H/D và S/D) và hình dạng của đầu chày ép (góc nghiêng đáy chày
α).
- Trên cơ sở các kết quả nghiên cứu phân tích nguyên nhân, cũng như lý giải
hiện tượng mất ổn định và tạo thành khuyết tật gấp khi chồn phôi ống bằng phương
pháp mô phỏng số, đồng thời ứng dụng quy hoạch thực nghiệm (theo phương pháp
Taguchi) đã thiết lập được mối quan hệ toán học của mức độ biến dạng và lực chồn
với các thông số hình học của phôi ống ban đầu (tỉ lệ H/D và S/D) và hình dạng của

đầu chày ép (góc nghiêng đáy chày α) đảm bảo chất lượng của phôi sau khi chồn
(không có khuyết tật).
2. Ý nghĩa thực tiễn
- Kết quả của luận án có thể dùng cho việc xây dựng các hệ thống thiêt bị,
khuôn và đồ gá để triển khai ứng dụng công nghệ chồn phôi ống các chi tiết truyền
động dạng bánh răng liền trục rỗng phù hợp với điều kiện sản xuất trong thực tế tại
Việt Nam, giảm chi phí thiết kế tối ưu hóa công nghệ và sản xuất thử nghiệm.
- Các kết quả nghiên cứu cho phép lựa chọn được các thông số hình học phôi
ống, hình dạng chày cho nguyên công chồn để tạo hình các sản phẩm trung gian cho
dập khối các chi tiết truyền động dạng rỗng.
- Luận án có thể dùng làm tài liệu tham khảo cho đào tạo và nghiên cứu tiếp
theo trong lĩnh vực chuyên ngành kỹ thuật vật liệu và chế tạo máy.

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

3


mức độ biến dạng (ε) và lực chồn (P). Từ các mô hình toán học nhận được khi xử lý
số liệu thực nghiệm (công thức 5.19 và 5.21) đưa ra các đồ thị 3D biểu diễn sự thụ
thuộc của mức độ biến dạng (ε) và lực chồn (P) vào các thông số H0/D0, S0/D0 và α
(Hình 5.3 và Hình 5.8). Ngoài ra đã đưa ra các biểu đồ so sánh kết quả mô phỏng và
thực nghiệm cũng như so sánh kết quả hồi quy và thực nghiệm. Đây là những căn
cứ khoa học đáng tin cậy để xây dựng quy trình công nghệ tạo hình các sản phẩm
dạng trụ rỗng có bậc, vai vấu, điển hình là bánh răng liền trục rỗng trong truyền
động cơ khí, giảm thiểu các chi phí thử nghiệm.

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

tham khảo, danh mục các công trình đã công bố của luận án và các phụ lục kết quả
nghiên cứu.

4


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

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

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

5


Những mác vật liệu hay được sử dụng theo TCVN 1765-85 có 15Cr, 20Cr,
20CrMo, 18CrMnTi. Đối với các chi tiết bánh răng cỡ vừa và nhỏ vật liệu sử dụng
thường là thép C40, C45.
Chi tiết sau khi dập khối được công cơ, nhiệt luyện, thấm các bon hay nitơ để
nâng cao khả năng chịu mài mòn.

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

Hình 1.2 Sơ đồ công nghệ dập khối [2]

Dập khối được thực hiện qua các bước công nghệ (Hình 1.2):
- Chuẩn bị phôi: Phôi được chuẩn bị làm sạch trước với kích thước theo thiết
kế và thường có hình dáng ban đầu đơn giản (dạng trụ, thanh có tiết diện ngang hình
vuông, chữ nhật)
- Nung phôi: Đối với các loại vật liệu khó biến dạng, phôi được nung đến
nhiệt độ phù hợp (thường là nhiệt độ dập nóng). Việc nung phôi rất quan trong

nhằm tăng tính dẻo cho kim loại, nâng cao khả năng biến dạng dẻo, giảm năng
lượng dập tạo hình. Đối với một số trường hợp kim loại dễ biến dạng, hoặc mức độ
biến dạng không lớn, có thể bỏ qua nung phôi và tạo hình ở trạng thái nguội.
- Dập khối: Đây là nguyên công chính, có thể được thực hiện qua nhiều bước
nguyên công như tạo hình sơ bộ sau đó dập khối trong khuôn hở (dập thô, dập tinh)
hoặc dập trong khuôn kín để tạo hình chi tiết.
- Xử lý sau khi dập: Sản phẩm sau khi dập có thể trải qua các công đoạn
hoàn thiện như gia công cơ, nhiệt luyện…
- Trong sơ đồ công nghệ dập khối có thể thấy được 2 giai đoạn rất quan
trọng, quyết định sự thành công của công nghệ đó là nung phôi và dập khối.
Nung phôi đảm bảo cho đạt được nhiệt độ của phôi đến nhiệt độ tạo hình và
ổn định nhiệt độ của phôi trên toàn bộ thể tích. Tuỳ vào vật liệu mà nhiệt độ bắt đầu
6


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

nguyên công cắt biên.

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

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

Máy búa

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

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


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

Hình 1.5 Các chi tiết truyền động dạng trục rỗng

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

Các chi tiết truyền động và lắp ráp cơ khí như trên Hình 1.5 và 1.6 dạng trục
rỗng được rất nhiều hãng sản xuất, có thể tìm thấy trong các tài liệu kỹ thuật của
hãng và trên internet.
Nhiều nhà máy, các cán bộ kỹ thuật vẫn lựa chọn công nghệ để chế tạo các
chi tiết rỗng từ dập khối phôi đặc, sau đó gia công khoan lỗ giữa. Để tiết kiệm vật
liệu, tránh gia công cơ phải cắt bỏ đi nhiều vật liệu (đôi khi chiếm tới 35% vật liệu
phôi ban đầu), các nhà kỹ thuật lựa chọn nguyên công chồn, sau đó dập khối tạo lỗ
không thấu. Màng ngăn lỗ sẽ được đột sau khi dập hoàn thiện chi tiết. Tuy nhiên,
công nghệ này thường thêm nguyên công đột hoặc cần lực lớn trong nguyên công
dập khối do phải tạo thêm lỗ không thấu.
Trong vòng 10 năm qua, cũng có nhiều đề xuất nghiên cứu công nghệ dập
các chi tiết dạng rỗng này từ phôi ban đầu không phải là phôi đặc mà là phôi rỗng
(phôi ống)[4]–[7], bởi nếu dập phôi rỗng sẽ tiết kiệm vật liệu lên tới 35%, năng
lượng tạo hình cũng tiết kiệm được tương ứng tới 35%. Dập từ phôi rỗng cần có
nguyên công chồn để phân bố lại kim loại, tạo ra các tiết diện lớn hơn cho phôi
trung gian để phù hợp với nguyên công dập khối chính. Tuy nhiên, việc chồn phôi
8


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

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


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

Hình 1.8 Sơ đồ nguyên công chồn phôi đặc không có ma sát và có ma sát

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

a)
b)
Hình 1.9 Sơ đồ nguyên công chồn phôi rỗng a)bôi trơn tốt và b) bôi trơn kém hơn

Tương tự như chồn phôi đặc, nếu hệ số ma sát giữa phôi và dụng cụ gia
công lớn, tiết diện ngang theo chiều dày phôi sẽ có dạng phình tang trống. Trong
10


trường hợp bôi trơn tốt (được xem như không có ma sát), phôi có xu hướng biến
dạng tăng đường kính ngoài theo đúng định luật trở lực biến dạng nhỏ nhất (Hình
1.9). Việc giảm đường kính trong ít hơn do kim loại bị chảy theo hướng kính đi vào
tâm làm giảm khó khăn hơn, cản trở lẫn nhau nhiều hơn.

a. Sơ đồ lực tác dụng

b. Sơ đồ trạng thái ứng suất

c. Sơ đồ trạng thái biến dạng

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

Trên Hình 1.10 biểu diễn sơ đồ tác dụng lực, ứng suất và biến dạng trong
trường hợp chồn không có ma sát, tương ứng với trường hợp nén đơn. Khi đó lực
nén theo phương chính 1 hay trục z, ứng suất nén đơn σz = σ1 = σeq và biến dạng
khối với biến dạng theo phương z là biến dạng nén, biến dạng theo 2 phương còn lại
là biến dạng kéo, chúng bằng nhau và bằng một nửa biến dạng nén.
Trong thực tế tồn tại ma sát giữa phôi và dụng cụ gia công. Vì vậy, sơ đồ lực
tác dụng sẽ không chỉ có lực theo phương z mà còn xuất hiện lực ma sát hướng vào

tâm phôi, cản trở quá trình chảy ngang của kim loại. Chính lực ma sát này là nguyên
nhân gây phình tang trống trên phôi khi chồn. Trạng thái ứng suất cũng theo đó trở
thành trạng thái ứng suất nén khối bởi xuất hiện thành phần ứng suất nén do lực ma
sát gây ra. Trạng thái biến dạng khối, nhưng sẽ không đồng đều trên toàn bộ mặt cắt
ngang phôi, mà có sự thay đổi giữa các mặt cắt ngang khác nhau.
Hình dưới đây biểu diễn hướng thớ kim loại sau khi chồn. Với hướng thớ hình
vòng cung theo chiều dọc phôi sẽ có tác dụng nâng cao độ bền cho sản phẩm sau
khi dập.

Hình 1.11 Hướng thớ kim loại sau khi chồn

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


tác giả coi việc xác định phôi chồn và kích thước sản phẩm sau khi chồn quan trọng,
có thể quyết định rút ngắn các nguyên công dập hoàn thiện. Sau khi chồn, phôi
được dập khối chính xác trong khuôn kín [5],[6],[11]. Chính vì vậy, nhiều nhà kỹ
thuật coi chồn cũng là một công nghệ và cần được thiết kế công nghệ này một cách
chính xác.
Nhiều nhà kỹ thuật đã tập trung nghiên cứu loại hình công nghệ, tính toán
kích thước phôi, kích thước hình dạng sản phẩm sau chồn, xác định các thông số
công nghệ, xác định ứng suất, biến dạng, đặc điểm dòng chày kim loại, khuyết tật,

lực công nghệ và lựa chọn thiết bị thực hiện.
1.3.1.1 Công nghệ chồn
Để chế tạo các chi tiết dạng xupap động cơ đốt trong hay các chi tiết khớp
nối, các tác giả Guo-zheng Quan hay H.S. Jeong đã phát triển công nghệ chồn cục
bộ liên tục có nung nóng bằng dòng điện ngắn mạch, cho phép nung cục bộ, chồn
cục bộ để tạo ra vùng đầu của thanh có tiết diện ngang rất lớn. Do chồn cục bộ liên
tục nên tỉ số chồn tổng cộng có thể trên 10. Việc áp dụng công nghệ chồn này sẽ
cho phép kết hợp với dập trong lòng khuôn để tạo hình chi tiết hoàn chỉnh [12].
Nhiều tác giả sử dụng phương pháp mô phỏng số để xác định các thông số
công nghệ phù hợp và đánh giá quá trình chồn cũng như điền đầy lòng khuôn của
vật liệu [5],[13],[14],[15].
Một nhóm các tác giả khác cũng nghiên cứu công nghệ chồn cục bộ liên tục
để tạo hình các chi tiết có dạng mũ trên khuôn có hệ thống đàn hồi để khống chế
vùng biến dạng luôn ở trong điều kiện tỷ số giữa chiều cao và đường kính thanh
không vượt quá 2,5 (giới hạn mất ổn định) [16]–[19]. Kim loại bổ sung liên tục vào
vùng biến dạng để tạo ra phần đầu chồn có tiết diện lớn.
Tác giả Aydin Tuzun phát triển công nghệ chồn cho các chi tiết dạng ống
[20], tính toán giải tích và mô phỏng để xác định khả năng tạo hình khi chồn ống.
Vì phôi ống có thành mỏng nên việc tạo hình phải được tính toán kỹ, chồn qua
nhiều bước và được thực hiện trong lòng khuôn để tránh hiện tượng mất ổn định
cho phôi ống.

Hình 1.12 Chồn cục bộ từ phôi ống

12


1.3.1.2 Vật liệu
Chồn thường nằm trong một chuỗi nguyên công dập khối nên việc lựa chọn
vật liệu phụ thuộc vào yêu cầu chi tiết. Tất cả các vật liệu kim loại, hợp kim dùng

trong chế tạo máy, có tính dẻo đều được áp dụng và thích hợp với công nghệ chồn.
Trong nhiều nghiên cứu [10], [19], [21], [22], các tác giả sử dụng nhiều loại vật liệu
thép (từ thép các bon, thép hợp kim thấp đến thép hợp kim cao), vật liệu màu như
hợp kim nhôm, titan… Để tính toán các thông số công nghệ, đặc biệt là lực tạo hình
hay áp dụng mô phỏng số để khảo sát, phân tích quá trình tạo hình, các tác giả
thường phải xây dựng mô hình thuộc tính biến dạng của vật liệu trong những điều
kiện nhiệt độ khác nhau phù hợp với chế độ công nghệ. Các mô hình vật liệu
thường áp dụng mô hình của Ludwig hay Swift [23], [24]. Việc xác định, nhận dạng
các hệ số trong mô hình thuộc tính biến dạng, hầu hết đều sử dụng phương pháp nén
phôi trụ có bôi trơn tốt giữa phôi và chày cối để đảm bảo ma sát tiếp xúc nhỏ nhất.
1.3.1.3 Thiết kế bước công nghệ phụ thuộc vào hình dạng sản phẩm chồn
Đối với các sản phẩm chồn từ phôi đặc (chồn toàn bộ thể tích phôi hoặc chồn
cục bộ) thì việc xác định kích thước sản phẩm chồn qua các bước chồn được tính
toán dựa trên định luật bảo toàn thể tích và đảm bảo điều kiện để phôi không bị mất
ổn định. Việc xác định các bước chồn đã được nhiều nhà kỹ thuật thiết kế phụ thuộc
vào sản phẩm, và chủ yếu quan tâm tới các chi tiết cần có tỷ số chồn tổng cộng lớn.
Trường hợp chồn với tỷ số H/D=7 cần 3 bước chồn, với H/D=12 cần 5 bước chồn
và phụ thuộc vào hình dạng chi tiết cuối cùng để xác định nguyên công dập trong
lòng khuôn để hoàn thiện.
Chế tạo các chi tiết rỗng, nếu sử dụng phôi ống sẽ có lợi và tiết kiệm hơn rất
nhiều, nhưng việc xác định tỷ số chồn lại chưa có công thức tính cụ thể. Bước công
nghệ đối với chồn các chi tiết từ thanh hay khối vật liệu đặc thường xác định theo tỷ
số H/D, nhưng đối với các chi tiết dạng ống thì không chỉ tính theo tỷ số H/D được
bởi còn phụ thuộc vào chiều dày. Nếu chiều dày ống nhỏ hay đường kính ống lớn
hoặc nén lệch tâm thì ống sẽ bị mất ổn định. Như vậy, chồn phôi rỗng khó khăn hơn
nhiều.
Trong nghiên cứu [20]và các phát minh về phương pháp thiết kế tạo hình các
chi tiết ống [25]–[30]có đưa ra các dạng chồn cục bộ từ phôi ống như hình dưới
đây.

Hình 1.13 Các dạng chồn cục bộ từ phôi ống

Theo các nghiên cứu này, có 3 dạng thiết kế công nghệ:
- Chồn ngoài: Đường kính bên ngoài của ống được tăng lên trong khi đường
kính bên trong không thay đổi.
- Chồn trong: Đường kính bên trong của ống được tăng lên trong khi đường
kính bên ngoài không thay đổi.
- Chồn đồng thời ngoài và trong: Đường kính bên ngoài của ống được tăng lên
trong khi đường kính bên trong giảm.
13


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

Hình 1.14 Sơ đồ chồn cục bộ từ phôi ống

Hình 1.15 Thiết kế mô hình chồn cục bộ của L.M. Alves

Tiếp đó trong nghiên cứu của mình, L.M. Alves đã đưa ra mô hình chồn cục
bộ và thấy rằng nếu lựa chọn giá trị của độ tăng chiều dày vùng chồn cục bộ và
14


chiều dày bị giảm đi của phần trên ống thì sẽ tránh được hiện tượng lỗi do mất ổng
định (mô hình 2) hay rách phôi (mô hình 3). Trong nghiên cứu này, việc xác định
các giá trị nêu trên phù hợp hoàn toàn dựa trên mô phỏng và thực nghiệm kiểm
chứng.

Hình 1.16 Thiết kế mô hình chồn cục bộ của Aydin Tuzun

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

Hình 1.17 Mức độ tăng chiều dày khi chồn ống

1.3.1.4 Trạng thái ứng suất, biến dạng và lực
Vấn đề này đã được nhiều nhà kỹ thuật trên thế giới nghiên cứu từ rất lâu và đã đưa
ra các công thức tính toán giải tích cho phân bố ứng suất, biến dạng và lực chồn

[33],[34],[35],[36],[37]. Bắt đầu từ thế kỷ 21 không còn nghiên cứu cơ bản về trạng
thái ứng suất biến dạng nữa, mà hầu hết các nghiên cứu được lồng ghép trong tính
toán công nghệ cụ thể và sử dụng các phương pháp số để xác định và cho kết quả
hình ảnh rõ ràng [38]–[41],[42]. Tuy nhiên việc nghiên cứu các bài toán chồn phôi
đặc là chủ yếu, không phân tích cụ thể đối với bài toán chồn phôi rỗng.
15