Ứng dụng công nghệ dập thủy tĩnh phôi tấm để tạo hình chi tiết có biên dạng phức tạp

..

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
---------------------------------------

TẠ THỊ HƯƠNG

ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ DẬP THỦY TĨNH PHƠI TẤM
ĐỂ TẠO HÌNH CHI TIẾT CĨ BIÊN DẠNG PHỨC TẠP

Chuyên ngành: Kỹ thuật cơ khí

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
KỸ THUẬT CƠ KHÍ

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC
TS. LÊ TRUNG KIÊN

HÀ NỘI - 2016


LỜI CẢM ƠN
Tôi xin cảm ơn Viện Đào tạo Sau đại học, Viện Cơ khí và Bộ mơn gia
cơng áp lực đã luôn tạo điều kiện thuận lợi nhất trong suốt q trình tơi làm
Luận văn.
Tơi xin chân thành cảm ơn thầy PGS.TS. Nguyễn Đắc Trung và TS. Lê
Trung Kiên đã tận tình hướng dẫn cho tơi trong suốt q trình thực hiện
Luận văn.
Tơi xin bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc đến các Thầy phản biện, các Thầy
trong hội đồng chấm luận án đã bớt chút thời gian đọc và góp những ý kiến

q báu để tơi có thể hoàn chỉnh Luận văn và định hướng nghiên cứu trong
trương lai.
Cuối cùng tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới gia đình và bạn bè,
đồng nghiệp những người đã động viên khuyến khích tơi trong suốt thời
gian tơi tham gia nghiên cứu và thực hiện cơng trình này.
Học viên

Tạ Thị Hương

1
 


MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN .............................................................................................................1
MỞ ĐẦU .....................................................................................................................8
1. Lý do chọn đề tài .....................................................................................................8
2. Mục đích nghiên cứu của luận văn, đối tượng, phạm vi nghiên cứu .....................9
3. Phương pháp nghiên cứu.........................................................................................9
4. Tóm tắt nội dung chính ...........................................................................................9
5. Kết luận .................................................................................................................10
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ DẬP THỦY TĨNH ........................8
1.1.Giới thiệu chung ..................................................................................................12
1.2. Ưu điểm, nhược điểm và ứng dụng của sản phẩm được tạo hình bằng phương
pháp sử dụng chất lỏng cao áp ..................................................................................17
1.3. Tình hình nghiên cứu trong nước và trên thế giới .............................................21
Kết luận chương 1 .....................................................................................................26
CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ CÔNG NGHỆ DẬP THỦY TĨNH...........23
2.1. Trạng thái ứng suất, biến dạng trong dập thủy tĩnh. ..........................................27
2.2. Miền làm việc của các thông số công nghệ chính khi DTT chi tiết tấm............29

2.3. Tính tốn kích thước phơi ..................................................................................30
2.4. Kích thước và hình dáng sản phẩm ....................................................................31
2.4.1. Giới hạn chảy .......................................................................................................... 33
2.4.2 Ứng suất chảy của vật liệu và khả năng biến dạng tấm ..................................... 34
2.5. Tính lực cắt phơi ................................................................................................36
2.6. Tính lực tạo hình và lực chặn .............................................................................36
2.6.1. Áp lực tạo hình ........................................................................................................ 36
2.6.2. Lực chặn phơi.......................................................................................................... 37
Kết luận chương 2 .....................................................................................................33
CHƯƠNG 3: PHÂN TÍCH ẢNH HƯỞNG CỦA BÁN KÍNH GĨC LƯỢN CỐI THỦY
TĨNH BẰNG MÔ PHỎNG SỐ ........................................................................................... 34

3.1. Giới thiệu phần mềm DYNAFORM ..................................................................38

2
 


*) Mơ hình vật liệu ............................................................................................................ 41
*) Một số thao tác thực hiện trên máy mô phỏng .......................................................... 42
3.2. Kết quả mô phỏng ..............................................................................................45
Tổng hợp kết quả ta được bảng thơng số sự phụ thuộc giữa bán kính góc lượn cối
RC, Rct , và lực chặn Q để chi tiết tạo hình đạt hình dáng và kích thước u cầu: ....51
Nhận xét: ...................................................................................................................53
Kết luận .....................................................................................................................56
CHƯƠNG 4: THỰC NGHIỆM CHẾ TẠO CHI TIẾT ............................................54
4.1. Yêu cầu và các thành phần hệ thống .................................................................58
4.2. Cấu tạo hệ thống dập thủy tĩnh ..........................................................................60
4.3. Khn thí nghiệm ...............................................................................................61
4.4. Hệ thống thu thập và xử lý số liệu .....................................................................61

4.6. Máy ép thủy lực .................................................................................................66
4.7. Lắp ráp hệ thống.................................................................................................68
4.8. Tiến hành thực nghiệm.......................................................................................70
Kết luận chương 4 .....................................................................................................68
Tài liệu tham khảo .....................................................................................................70

3
 


 

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ
Hình 1.1
Phân loại các phương pháp tạo hình bằng cách sử dụng chất
lỏng cao áp
Hình 1.2
Sơ đồ thiết bị dập bằng chất lỏng cao áp
Hình 1.3
Sơ đồ các bước dập thủy tĩnh chi tiết dạng ống
Hình 1.4
Nguyên lý cơ bản của dập thủy tĩnh phơi tấm
Hình 1.5
Các giai đoạn tạo hình khi dập thủy tĩnh phơi tấm
Hình 1.6
Dập thủy tĩnh phơi tấm đơn và cặp phơi tấm
Hình 1.7
Ngun lý dập thủy tĩnh phơi tấm đơn kết hợp dập vuốt truyền
thống
Hình 1.8

Nguyên lý dập thủy tĩnh cặp phơi tấm kết hợp dập vuốt truyền
thống
Hình 1.9
So sánh ưu điểm của phương pháp dập thủy tĩnh với phương
pháp dập vuốt thường khi dập các vật liệu thép có độ cứng cao
Hình 1.10 Hình ảnh máy dập sử dụng chất lỏng áp suất cao
Hình 1.11 Sơ đồ các bước dập thủy tĩnh chi tiết dạng ống
Hình 1.12 Phôi được cắt và uốn theo biên dạng gần đúng của sản phẩm
Hình 1.13 Phơi đặt vào lịng khn
Hình 1.14 Tạo hình theo biên dạng mong muốn và hồn thiện sản phẩm
Hình 1.15 Sơ đồ cơng nghệ và dạng sản phẩm ống nối, ống dẫn
Hình 1.16 Dạng trục bậc, trục cam
Hình 1.17 Các chi tiết trong cơng nghiệp ơ tơ, xe máy
Hình 1.18 Nguyên lý cơ bản dập thủy tĩnh phơi tấm
Hình 1.19 Các giai đoạn tạo hình khi dập thủy tĩnh phơi tấm
Hình 1.20 Mức độ dập vuốt tăng lên khi dập thủy tĩnh
Hình 1.21 Dập tấm chỏm cầu
Hình 1.22 Số lượng nguyên công giảm khi dập thủy tĩnh phơi tấm
Hình 1.23 So sánh độ nhám bề mặt khi dập thủy tĩnh và dập vuốt truyền thống
Hình 1.24 Dập thủy tĩnh phơi tấm đơn và cặp phơi tấm
Hình 1.25 Nguyên lý dập thủy tĩnh phôi tấm đơn kết hợp dập vuốt truyền
thống
Hình 1.26 Nguyên lý dập thủy tĩnh cặp phơi tấm kết hợp dập vuốt truyền
thống
Hình 1.27 Các chi tiết vỏ xe ơ tơ (capo, tai xe, nóc xe)
Hình 1.28 Các chi tiết có dạng khơng gian rỗng trong xe ô tô

4
 

Trang
7
7
7
8
8
9
9
9
10
10
10
10
10
11
11
11
12
12
13
13
13
14
14
15
15
15
16
16

Hình 1.29 Sản phẩm lệch vành khi dập thủy tĩnh do sự chảy khơng ổn định
16
Hình 1.30 Hình ảnh thí nghiệm bị biến mỏng
17
Hình 1.31 Tỉ lệ cơng bố khoa học theo khu vực và theo năm cơng bố
18
Hình 1.32 Sơ đồ nguyên lý hệ thống thực nghiệm công nghệ dập thủy tĩnh
19
tấm
Hình 1.33 Q trình dập thủy tĩnh phơi tấm đơn
19
Hình 1.34 Các kết cấu của đối áp khi dập phơi tấm đơn
19
20
Hình 1.35 Kết cấu cối có phần di chuyển
Hình 1.36 So sánh biến mỏng khi thực nghiệm có cối di chuyển và khơng cối di 20
chuyển
Hình 1.37 Chu kỳ tác động áp suất dạng sóng va đập
20
Hình 1.38 Sơ đồ kết nối các phần tử đo và thu thập dữ liệu đo
21
Hình 1.39 Các thơng số ảnh hưởng đến áp lực chất lỏng cao áp yêu cầu để tạo 21
hình
22
Hình 1.40 Sơ đồ thí nghiệm sự chảy của vật liệu phụ thuộc vào các thơng số
cơng nghệ
Hình 1.41 Các dạng hỏng và ảnh hưởng chiều sâu dập vuốt của vật liệu FeP04 22
Hình 1.42 Miền làm việc của lực chặn tương đương với áp suất cần thiết tạo
22

hình
Hình 1.43 Đồ thị tra lực chặn cần thiết khi biết áp suất chất lỏng lớn nhất trong 23
lịng cối
Hình 1.44 Đường cong chảy của vật liệu
23
23
Hình 1.45 Đường cong biến dạng khi dập chi tiết hình trụ chiều cao 25 và 30
mm
Hình 1.46 Đường cong biến dạng khi dập chi tiết hình hộp tại các điểm trên chi 24
tiết
Hình 1.47 Quan hệ biến mỏng và ma sát giữa phôi và vành chặn khi thực nghiệm
thép 24 khơng gỉ
Hình 1.48 Đánh giá hệ số ma sát tối ưu chi tiết đường kính 90mm dày 0.5 mm vật
liệu 25 AISI 304
Hình 1.49 Đường quan hệ lực – biến dạng khi kéo thử mẫu 26
Hình 1.50 Ứng suất và giới hạn rách sản phẩm khi mơ phỏng và thực nghiệm 26
Hình 1.51 Đường cong giới hạn tạo hình FLD 26
Hình 1.52 Giá trị biến dạng tới hạn với chi tiết hình trụ và hình hộp dùng vẽ đường
26 cong tới hạn
Hình 1.53 Kết cấu bề mặt cối khảo sát mức độ kéo phơi vào trong cối 27
Hình 1.54 Khảo sát mức độ kéo phôi vào trong cối 27

5
 


Hình 2.1
Hình 2.2
Hình 2.3
Hình 2.4

Sơ đồ trạng thái ứng suất, biến dạng dập vuốt thông thường 30
Sơ đồ trạng thái ứng suất, biến dạng dập vuốt thủy cơ 30
Sơ đồ trạng thái ứng suất, biến dạng dập vuốt thủy tĩnh 31
Phần phôi ép vào thành (chiều cao h) khi đi qua bán kính góc lượn cối
31
Hình 2.5 Sơ đồ trạng thái ứng suất và biến dạng vùng tự do trong cối thủy tĩnh khi
có 32 đối áp bằng chất lỏng
Hình 2.6 Sơ đồ lực tác dụng lên phôi phẳng khi DTT phần vành phơi 32
Hình 2.7 Sơ đồ tính tốn dập chi tiết có độ cong kép 33
Hình 2.8 Sơ đồ xác định độ biến dạng tiếp tuyến trung bình và thơng số vùng lõm
34 chỏm cầu
Hình 2.9 Miền làm việc và quan hệ các thơng số tạo hình khi DTT 35
Hình 3.1 Thơng số mẫu thí nghiệm kéo JIS-5
36
Hình 3.2 Mẫu thí nghiệm kéo theo 3 hướng
37
Hình 3.3 Thí nghiệm kéo mẫu trên máy kéo nén MTS-809 Axial / Torsinal Test
37 System,hệ thống đo lực / biến dạng
Hình 3.4 Đồ thị quan hệ ứng suất- biến dạng của vật liệu khi kéo theo các hướng
37
0o,45o,và 90o so với hướng cán
Hình 3.5 Mơ hình hình học
40
Hình 3.6 Bản vẽ chi tiết chỏm cầu
40
Hình 3.7 Mơ hình chia lưới mơ phỏng dập thủy tĩnh chỏm cầu
40
Hình 3.8 Lựa chọn bài tốn dập thủy tĩnh
41

Hình 3.9 Hộp thoại định nghĩa phơi cho q trình tạo hình
42
Hình 3.10 Định nghĩa các thơng số chính và đường cong chảy cho vật liệu
42
Hình 3.11 Định nghĩa đường cong giới hạn
42
Hình 3.12 Định nghĩa các chi tiết chính của bài tốn DTT
43
43
Hình 3.13 Định nghĩa điều kiện tiếp xúc giữa phơi và dụng cụ gia cơng
Hình 3.14 Định nghĩa vị trí dụng cụ tạo hình ( chày,cối và chặn)
43
Hình 3.15 Mơ hình chạy Animator
44
Hình 3.16 Sản phẩm nhăn do khơng đủ lực chặn
45
Hình 3.17 Sản phẩm rách do lực chặn quá lớn
45
Hình 3.18 Sản phẩm đạt u cầu
45
Hình 3.19 Độ kéo phơi vào so với phơi ban đầu
45
Hình 3.20 Quan hệ giữa áp suất chất lỏng tạo hình và lực chặn khi X1= 0.5
46
46
Hình 3.21 Quan hệ giữa lực chặn với áp suất chất lỏng tạo hình khi X1 = 0.1
47
Hình 3.22 Sản phẩm với chiều cao Hi = 5 mm
Hình 3.23 Quan hệ giữa lực chặn với áp suất chất lỏng tạo hình khi X1= 0.2
47

6
 


Hình 3.24 Sản phẩm chỏm cầu với chiều cao Hi = 10 mm
47
Hình 3.25 Quan hệ giữa lực chặn với áp suất chất lỏng tạo hình khi X1= 0.3
48
48
Hình 3.26 Sản phẩm chỏm cầu với chiều cao Hi = 15 mm
Hình 3.27 Quan hệ giữa lực chặn với áp suất chất lỏng tạo hình khi X1= 0.4
49
49
Hình 3.28 Sản phẩm chỏm cầu với chiều cao Hi = 20 mm
Hình 3.29 Quan hệ giữa áp suất chất lỏng tạo hình với chiều cao tương đối khi 50
lực chặn Q = 49 kN
Hình 3.30 Quan hệ giữa áp suất chất lỏng tạo hình với chiều cao tương đối khi 50
lực chặn Q = 53 kN
Hình 3.31 Quan hệ giữa áp suất chất lỏng tạo hình với chiều cao tương đối khi 51
lực chặn Q = 57 kN
Hình 3.32 Quan hệ giữa áp suất chất lỏng tạo hình với chiều cao tương đối khi 51
lực chặn Q= 61 kN
Hình 3.33 So sánh giữa chiều cao tương đối thấp và chiều cao tương đối cao hơn 52
Hình 3.34 Sơ đồ điểm đo biến mỏng trên khi mơ phỏng chi tiết chỏm cầu
54
Hình 4.1
Chương trình đọc kết quả thơng số áp suất- hành trình
56
Hình 4.2
Máy ép thủy lực 125 Tấn

67
Hình 4.3
Hình ảnh và thơng số xi lanh đối áp
67
68
Hình 4.4
Lắp nửa khn dưới và nửa khn trên
Hình 4.5
Lắp hệ thống đo hành trình
69
Hình 4.6
Căn chỉnh khn dập thủy tĩnh vật liệu sau khi lắp hồn chỉnh
71
Hình 4.7
Một số hiện tượng sai hỏng trong quá trình tạo hình
71
Hình 4.8
Cài đặt, thu thập và xử lý tín hiệu thí nghiệm
74
Hình 4.9
Kết quả sau khi dập thủy tĩnh với các chế độ áp suất khác nhau 74
  

7
 


MỞ ĐẦU

1. Lý do chọn đề tài

Việt Nam đang trong tiến trình phát triển và ngày càng hội nhập sâu rộng vào
kinh tế thế giới, nhiều ngành công nghiệp đang được đầu tư lớn, trong đó có ngành
cơ khí chế tạo, ngành than, điện lực, xi măng, sản xuất nguyên liệu giấy, cơng
nghiệp ơtơ xe máy…. Ngành cơ khí chế tạo là một ngành cơng nghiệp nền tảng, có
vai trị đặc biệt quan trọng trong phát triển kinh tế - xã hội. Để thúc đẩy sự phát
triển của ngành cơ khí, từ năm 2002, Chính phủ đã ban hành Quyết định
186/2002/QĐ-TTg phê duyệt Chiến lược phát triển ngành cơ khí Việt Nam đến năm
2010, tầm nhìn đến 2020, nhằm tập trung phát triển ngành cơ khí hiệu quả, bền
vững trên cơ sở phát huy các nguồn lực trong nước, kết hợp với nguồn lực nước
ngồi, khuyến khích các thành phần kinh tế tham gia, phấn đấu đến năm 2020,
ngành cơ khí đáp ứng 45-50% nhu cầu sản phẩm cơ khí trong nước và xuất khẩu
30-35%.
Để đáp ứng được mục tiêu trên, trong ngành công nghiệp ôtô xe máy, việc
nâng cao tỷ lệ nội địa hóa đang được đặt lên hàng đầu. Các chi tiết kim loại được
sản xuất bằng công nghệ dập tạo hình với hình dáng phức tạp, sản xuất từ vật liệu
khó gia cơng, u cầu kỹ thuật khắt khe hiện nay chúng ta vẫn đang phải nhập cơng
nghệ và thiết bị từ nước ngồi. Để làm chủ công nghệ, nâng cao năng lực sản xuất,
tiết kiệm ngoại tệ nhập khẩu, việc nghiên cứu ứng dụng công nghệ tiên tiến để chế
tạo các chi tiết dạng tấm vỏ có hình dạng phức tạp là hết sức cần thiết.
Ngồi cơng nghệ tạo hình truyền thống sử dụng chày cứng – cối cứng, công
nghệ gia công áp lực hiện nay sử dụng các công nghệ mới nhằm giảm số lượng các
nguyên công, nâng cao chất lượng sản phẩm, tránh được các khuyết tật như rách,
nứt hoặc nhăn. Một trong những phương pháp gia công áp lực tiên tiến hiện nay là
sử dụng chất lỏng cao áp để tạo hình. Dập bằng chất lỏng áp lực cao có 2 phương
pháp chính đó là : Cơng nghệ dập thủy tĩnh và dập thủy cơ.
Công nghệ dập thủy tĩnh được nghiên cứu và ứng dụng sản xuất các chi tiết
dạng tấm và ống với đặc điểm sử dụng chất lỏng cáo áp tác dụng trực tiếp lên bề
8
 

mặt của phơi gây biến dạng vật liệu. Hình dạng của chi tiết phụ thuộc vào hình dáng
của cối trong trường hợp dập phơi tấm và theo hình dạng của hai nửa khuôn trong
trường hợp phôi ống. Các sản phẩm dập thủy tĩnh rất đa dạng và được sử dụng
trong nhiều ngành công nghiệp đặc biệt là ngành công nghiệp ô tô.
Trong thời gian qua các nghiên cứu về công nghệ dập thủy tĩnh đã được thực
hiện tại trường Đại học Bách Khoa Hà Nội. Để tiếp nối những nghiên cứu trước
trong nội dung nghiên cứu này tác giả lựa chọn đề tài: “Ứng dụng công nghệ dập
thủy tĩnh phôi tấm để tạo hình chi tiết có biên dạng phức tạp”. Các kết quả nhận
được từ nghiên cứu có thể là một tài liệu tham khảo tốt cho những nhà nghiên cứu
và các nhà làm cơng nghệ.

2. Mục đích nghiên cứu của luận văn, đối tượng, phạm vi nghiên cứu
Mục đích nghiên cứu: Mục đích nghiên cứu của luận văn là nghiên cứu ảnh
hưởng của các thơng số hình học của cối thủy tĩnh đến khả năng tạo hình chi tiết.
Đối tượng nghiên cứu: Nghiên cứu tính tốn thơng số cơng nghệ dập thủy tĩnh chi
tiết cốc trụ đường kính 60mm: áp suất, bán kính góc lượn chi tiết, cối, và lực chặn;
Phạm vi nghiên cứu: nghiên cứu các lý thuyết cơ bản từ đó tiến hành mơ
phỏng và thực nghiệm kiểm chứng kết quả một trường hợp.

3. Phương pháp nghiên cứu
Kết hợp giữa nghiên cứu cơ sở lý thuyết của cơng nghệ dập thủy tĩnh, mơ
hình vật liệu, tiến hành mơ phỏng số, làm thực nghiệm.

4. Tóm tắt nội dung chính
Nội dung chính của luận văn bao gồm 04 chương sau:
Chương 1: Tổng quan về công nghệ dập thủy tĩnh
- Tìm hiểu về cơng nghệ dập bằng chất lỏng cao áp nói chung, dập thủy tĩnh nói
riêng;
- Đưa ra được đặc trưng của công nghệ dập thủy tĩnh với phôi tấm, phôi ống;

9
 


- Ưu điểm, nhược điểm và ứng dụng của các sản phẩm được chế tạo bằng phương
pháp dập thủy tĩnh;
- Tìm hiểu về tình hình nghiên cứu trong nước và trên thế giới;
Chương 2: Một số cơ sở lý thuyết tính tốn
- Nghiên cứu về đặc điểm của trạng thái ứng suất biến dạng tồn tại trong phôi
khi dập thủy tĩnh;
- Chương 3: Phân tích ảnh hưởng của bán kính góc lượn cối bằng mơ phỏng
số
- Đưa ra các bước thực hiện một bài tốn mơ phỏng dập thủy tĩnh trên phần
mềm DYNAFORM;
- Nghiên cứu ảnh hưởng của bán kính góc lượn cối thủy tĩnh trong các
trường hợp bán kính góc lượn cối: 2mm, 3mm, 4mm, 5mm và 6mm tới lực chặn, áp
suất chất lỏng lòng cối.
Chương 4. Thực nghiệm chế tạo chi tiết trong một trường hợp
- Nghiên cứu về cấu tạo cũng như nguyên lý hoạt động của cơng nghệ dập
thủy tĩnh, từ đó lựa chọn thiết bị phù hợp
- Tiến hành thực nghiệm chế tạo chi tiết với Rc = 4mm; Rct = 2mm; lựa chọn
được chế độ công nghệ phù hợp là:

5. Kết luận
Nghiên cứu đã đạt được các kết quả chính sau:
- Xuất phát từ nghiên cứu các cơ sở lý thuyết và đặc trưng của công nghệ dập
thủy tĩnh tác giả đã mô phỏng thành cơng bài tốn dập thủy tĩnh trên phần mềm
DYNAFORM.
- Tác giả đã nghiên cứu ảnh hưởng của bán kính góc lượn cối thủy tĩnh

trong các trường hợp bán kính góc lượn cối: 2mm, 3mm, 4mm, 5mm và 6mm tới
lực chặn, áp suất chất lỏng lịng cối. Từ đó xây dựng được đồ thị 3 chiều các miền

10
 


làm việc của áp suất chất lỏng p (pmin; pmax) , lực chặn Qmin phụ thuộc vào các thông
số là các bán kính Rc và Rct.
- Từ những kết quả mô phỏng đạt được tác giả tiến hành làm thực nghiệm
chế tạo thành công chi tiết dựa trên hệ thống trang thiết bị sẵn có của trường Đại
học Bách Khoa Hà Nội.
Các kết quả trong nghiên cứu này có thể được làm tại liệu tham khảo cho các
nhà công nghệ sau này trong việc tính tốn thiết kế khn chế tạo các chi tiết bằng
phương pháp dập thủy tĩnh.

11
 


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ DẬP THỦY TĨNH

1.1. Giới thiệu chung
Cơng nghệ dập thủy tĩnh nằm trong nhóm cơng nghệ tạo hình bằng chất lỏng
cao áp (hình1.1). Chất lỏng cao áp được cung cấp bởi hệ thống tăng áp tác dụng
trực tiếp lên bề mặt của phôi gây biến dạng theo hình dạng của cối (dập thủy tĩnh
phơi tấm) và theo hình dạng hai nửa khn trên và khn dưới (dập thủy tĩnh phơi
ống).

Hình 1.1. Phân loại các phương pháp tạo hình bằng cách sử dụng chất lỏng cao áp

Tạo hình kim loại bằng chất lỏng cao áp là công nghệ sử dụng chất lỏng (nước,
dầu) để biến dạng kim loại. Công nghệ này hiện nay được ứng dụng khá nhiều để
chế tạo các chi tiết trong công nghiệp ôtô, xe máy nhằm giảm trọng lượng, tăng độ
bền và độ cứng các chi tiết, chi phí khn dập giảm do có thể kết hợp nhiều ngun
cơng thành một nguyên công. Các chi tiết trên xe ôtô như khung, dầm, bảng điều

12
 


khiển, Cácte chứa dầu, các bình lọc dầu, và một vài chi tiết dập vuốt khác hiện nay
được chế tạo bằng phương pháp này.
Dập bằng chất lỏng cao áp thường sử dụng với 2 loại hình :
- Tạo hình ống
- Tạo hình tấm
Các thiết bị sử dụng cho cơng nghệ dập này thường là thiết bị chuyên dụng,
hệ thống bao gồm máy ép thủy lực (dùng để chặn), hệ thống cung cấp chất lỏng cao
áp (dùng để tạo hình), hệ thống điều khiển và đo các thông số trong quá trình tạo
hình.

A) 

B)

C)

Hình 1.2. Sơ đồ thiết bị dập bằng chất lỏng cao áp; A-Dập thủy tĩnh phôi
tấm[22,36]; B-Dập thủy tĩnh phôi ống[37]; C-Dập thủy cơ phôi tấm[11];

13

 


Dập thủy tĩnh phơi ống:
Dập thủy tĩnh phơi ống (hình 1.3) là phương pháp dùng nguồn chất lỏng cao
áp để biến dạng các chi tiết từ phôi ban đầu dạng ống thành các chi tiết nối, khung ô
tô… Phương pháp này sử dụng chất lỏng cao áp để biến dạng bên trong ống phơi
cịn máy ép có tác dụng đóng khn. Khi áp suất bên trong lịng ống tăng lên cũng
là lúc lực dọc trục tác dụng làm phôi được đẩy vào trong lịng cối, lúc đó áp suất đạt
giá trị lớn nhất để tạo hình chi tiết. Dưới tác dụng của các thơng số chính của q
trình là lực tác dụng dọc trục, áp suất bên trong tạo hình … ống được biến dạng theo
hình dạng chính xác theo cối.

B3 

B1 

B4 
B2

Hình 1.3. Sơ đồ các bước dập thủy tĩnh chi tiết dạng ống [5]
Q trình dập thủy tĩnh phơi ống có thể được chia thành các bước sau [13,
18]:
- Máy cắt ống theo đúng kích thước u cầu làm phơi ban đầu, phơi sau đó
tùy theo u cầu hình dáng của sản phẩm sẽ được uốn theo biên dạng gần đúng của
sản phẩm.
- Phơi được đặt vào lịng khn, khn được đóng lại nhờ máy ép thủy lực
sau đó chất lỏng được điền đầy vào trong lòng ống
- Áp suất chất lỏng được tăng lên biến dạng phơi theo hình dạng của cối, lực
dọc trục đẩy phơi vào trong lịng cối hỗ trợ tạo hình chi tiết theo như hình dáng sản

phẩm mong muốn.

14
 


- Áp suất tăng lên cực đại điền đầy các góc cạnh khó biến dạng, loại bỏ
những phần nhăn tại chỗ chuyển góc đột ngột, hạn chế sự biến mỏng và vỡ ở phần
khơng có đối áp.
- Dỡ sản phẩm ra khỏi khuôn, thực hiện các nguyên công tiếp theo như đột
lỗ, cắt mặt đầu theo yêu cầu bằng khuôn hoặc cắt laser.
Dập thủy tĩnh phôi tấm:
Dập thủy tĩnh phôi tấm là phương pháp dùng nguồn chất lỏng cao áp có tác
dụng như chày để biến dạng phơi tấm theo biên dạng của cối. Công nghệ này được
ứng dụng phổ biến sản xuất linh hoạt với quy mô loạt nhỏ, một trong những ứng
dụng chính cơng nghệ này là cơng nghiệp ơ tơ xe máy.

Hình 1.4. Ngun lý cơ bản của dập thủy tĩnh phơi tấm [5, 13]
Q trình dập thủy tĩnh phơi tấm có thể được chia thành các bước sau [13]:
Quá trình được thực hiện qua 2 giai đoạn chính là trong 1 hành trình của máy ép:
- Bắt đầu khi đóng khn: Máy ép thực hiện hành trình chặn giữa khn trên
(tấm chặn) ép phơi vào bề mặt chặn của cối, quá trình này diễn ra đảm bảo vùng
làm việc được kín khít hơng có sự dị rỉ chất lỏng cao áp.

15
 


- Giai đoạn tiếp theo là quá trình áp suất tăng lên tối đa để biến dạng phơi
tấm chính xác theo biên dạng của cối: Chất lỏng cao áp là chày vuốt phơi tấm qua

góc lượn của cối làm biến dạng tấm kim loại áp sát vào lịng cối, hình dạng của sản
phẩm đạt được chính xác theo biên dạng cối. Áp suất chất lỏng cao áp thông thường
được áp dụng trong khoảng từ 30 ÷ 500 MPa [16]

Hình 1.5. Các giai đoạn tạo hình khi dập thủy tĩnh phơi tấm [5]
Các phương pháp dập thủy tĩnh phôi tấm:
Công nghệ dập thủy tĩnh phôi tấm được chia chủ yếu thành 2 nhóm là:
- Dập thủy tĩnh phơi tấm đơn
- Dập thủy tĩnh cặp phơi tấm

Hình 1.6. Dập thủy tĩnh phơi tấm đơn và cặp phơi tấm [15]
Ngồi ra, dập thủy tĩnh phơi tấm cịn có thể kết hợp dập vuốt truyền thống
trước khi có sự tác dụng của áp suất thủy tĩnh:

16
 


Hình 1.7. Ngun lý dập thủy tĩnh phơi tấm đơn kết hợp dập vuốt truyền thống [15]

Hình 1.8. Nguyên lý dập thủy tĩnh cặp phôi tấm kết hợp dập vuốt truyền thống [15]

1.2. Ưu điểm, nhược điểm và ứng dụng của sản phẩm được tạo hình bằng
phương pháp sử dụng chất lỏng cao áp
a) Ưu điểm
Trong nguyên công dập vuốt các chi tiết dạng tấm, tạo hình bằng chất lỏng
cao áp tương tự như phương pháp truyền thống tuy nhiên có lợi đáng kể về số lượng
các ngun cơng cần thiết để tạo hình , giảm chi phí khn mẫu và chi phí sản xuất.
Mức độ biến dạng lớn: dập bằng chất lỏng cao áp cho phép tạo ra sản phẩm
với mức độ biến dạng lớn hơn so với phương pháp dập vuốt truyền thống.

- Mức độ biến mỏng vật liệu lớn

- Giảm ứng suất dư và khử đàn hồi lại

- Sự biến dày tại vành không đều

- Đồng nhất độ bền và giảm phế phẩm

- Ứng suất dư phần vành lớn

- Độ chính xác cao

Bề mặt sản phẩm tốt hơn: So với phương pháp dập vuốt truyền thống, dập
bằng chất lỏng cao áp tránh được sự tiếp xúc trực tiếp của sản phẩm với khuôn nên
bề mặt sản phẩm khơng bị xước. Trong q trình dập bằng chất lỏng cao áp, khi áp

17
 


suất đạt giá trị yêu cầu thì tấm tiếp xúc với dụng cụ nên đảm bảo quá trình hình
thành chi tiết khơng có sự cào xước.
Cho phép tạo hình các loại vật liệu khó biến dạng: Phương pháp tạo hình
bằng chất lỏng cao áp có khả năng biến dạng với mức độ biến dạng tối ưu các vật
liệu có trở lực biến dạng lớn như: thép không gỉ, magie, titan [12] hoặc các hợp kim
đặc biệt. Với những tấm kim loại có chiều dày từ 0.05 đến 6 mm, khả năng biến
dạng của phương pháp dập bằng chất lỏng cao áp lớn hơn nhiều so với phương pháp
dập vuốt thông thường.

Hình 1.8. So sánh ưu điểm của phương pháp dập thủy tĩnh với phương pháp dập

vuốt thường khi dập các vật liệu thép có độ cứng cao
Tiết kiệm chi phí dụng cụ: Chi phí sản xuất khn mẫu trong phương pháp
dập bằng chất lỏng cao áp có thể giảm đến 80% so với phương pháp dập truyền
thông [11,14], do nguyên nhân số lượng ngun cơng có thể giảm, chỉ cần chày
hoặc cối khi tạo hình.
Trong ngun cơng tạo hình các chi tiết ống : Phương pháp dập bằng chất
lỏng cao áp các chi tiết ống làm khung và dầm ô tô làm giảm tối đa trọng lượng xe.
Do phần lớn trọng lượng xe là phần khung nên để giảm được trọng lượng xe sẽ cải
thiện được mức tiêu thụ nhiên liệu, giảm lượng khí thải... Tuy nhiên, mức độ giảm
như thế nào phụ thuộc vào các tiêu chí khác như: độ bền, mỹ thuật … do đó sự lựa
chọn kết cấu khung ô tô bằng ống hiện nay đang được ứng dụng một cách hiệu quả
nhằm giảm tối đa trọng lượng xe.
b) Nhược điểm

18
 


- Thiết bị đắt tiền: Các thiết bị cao áp địi hỏi độ kín khít lớn, khả năng chịu
áp cao, cùng hệ thống điều khiển phức tạp nên các trang thiết bị sử dụng cho hệ
thống thường đắt tiền.
- Đòi hỏi chế tạo và lắp ráp thiết bị công nghệ cao: Với áp suất tạo hình có
thể đến 10,000 bar nên đòi hỏi việc lắp ráp và chế tạo thiết bị đảm bảo theo các tiêu
chuẩn khắt khe của các thiết bị cao áp

Hình 1.9. Hình ảnh máy dập sử dụng chất lỏng áp suất cao
c) Ứng dụng
Sử dụng công nghệ dập thủy tĩnh có thể tạo ra các chi tiết có hình dạng phức
tạp mà cơng nghệ dập truyền thống khó thực hiện được, đồng thời có khả năng ghép
nối các chi tiết rời thành 1 chi tiết nhằm giảm các khuyết tật do hàn, khuyết tật…

Công nghệ này cũng làm đơn giản hóa trong lắp ráp các chi tiết phức tạp.

Hình 1.10. Ứng dụng của phương pháp tạo hình bằng chất lỏng cao áp đối với
ngành cơng nghiệp ô tô; A- Một số chi tiết trong ô tô; B-Hình ảnh thực tế chế tạo
khung ơ tơ

19
 


Công nghệ dập bằng chất lỏng cao áp được phát minh năm 1950 bởi Fred
Leuthesser [5] nhằm chế tạo các chi tiết gia dụng dạng tấm. Phương pháp này làm
giảm chi phí sản xuất các chi tiết dạng dập vuốt có số lượng nhỏ. Hiện nay cơng
nghệ này chủ yếu phục vụ ngành công nghiệp ôtô với những sản phẩm có ưu điểm
nổi bật: khỏe, nhẹ, hình dáng phức tạp, không bị khuyết tật trong kết cấu ….
Các chi tiết làm mối nối đường ống dẫn, ống chịu lực: Các chi tiết mối nối
đường ống dẫn là chi tiết không gian cơ bản. Các mối nối, các đầu giao chéo nhau
là các chi tiết phổ biến nhất hay dùng, ngoài ra trong nhóm này cịn có những chi
tiết khơng gian lệch tâm không đối xứng được sử dụng trong các thiết bị đo lường.
Bằng cơng nghệ dập thuỷ tĩnh có thể tạo hình được các chi tiết nhóm này một cách
hồn chỉnh, chất lượng cao.

Hình 1.11. Sản phẩm ống nối, ống dẫn được chế tạo bằng công nghệ dập thủy tĩnh
Các chi tiết trục bậc hoặc trục cam rỗng: Nhìn chung các chi tiết này có tiết
diện dọc nhiều bậc. Phần lớn trong số chúng được sản xuất bằng phương pháp dập
thuỷ tĩnh.

Hình 1.12. Chi tiết dạng trục bậc, trục cam

20

 


1.3. Tình hình nghiên cứu trong nước và trên thế giới
1.3.1. Trên thế giới
Theo tài liệu [20] Tại Liên Xô (cũ), việc nghiên cứu công nghệ dập bằng chất
lỏng được tiến hành ở trường Đại học Bách khoa Lêningrat (nay là Đại học Kỹ
thuật tổng hợp Quốc gia Sankt – Peterburg – CHLB Nga) và đã được áp dụng trong
sản xuất. Kết quả của các nghiên cứu này đã được đăng trong các cơng trình khoa
học ở Nga và các nước khác …Tại Đức, nhiều nhà nghiên cứu cũng đã thành công
và đưa vào áp dụng công nghệ này trong các nhà máy chế tạo phụ tùng ôtô ở Đức
và một số nước Châu Âu. Đã có 120 bài báo, 90 phát minh được công bố từ năm
1996 – 2003. Điều này đã chứng minh cho một khuynh hướng phát triển về nghiên
cứu và ứng dụng cơng nghệ tạo hình thủy lực.
Ngày nay, nhiều nước trên thế giới đang áp dụng có hiệu quả phương pháp
tạo hình thủy lực để gia cơng các chi tiết rỗng có hình phức tạp. Đặc điểm của
phương pháp là sử dụng nguồn chất lỏng áp suất cao – môi trường gây biến dạng.
Phôi ban đầu có thể là kim loại tấm, dạng ống hoặc tấm hàn.Việc nghiên cứu ứng
dụng công nghệ này được bắt đầu từ những năm 60, song tới tận những năm 80 của
thế kỷ 20 thì nó mới được nghiên cứu và áp dụng trong cơng nghiệp cơ khí chế tạo
máy một cách đáng kể. Tại hàng loạt các nước như Đức, Anh, Nhật, Mỹ, Pháp, Ý,
Canada, Thụy Điển đã ứng dụng 9 cơng nghệ tạo hình thủy cơ trong cơng nghiệp
ôtô và hàng không. Nhiều hội nghị Quốc tế đã giới thiệu công nghệ này với sự tham
gia của các thành viên là các hãng và tổ chức lớn. Tại hội nghị Quốc tế “ESAFORM
2003” ở thành phố Xalernơ (Italia) về cơng nghệ gia cơng kim loại thì phương pháp
cơng nghệ thủy lực đã gây được sự chú ý lớn. Một trong số các chuyên gia nổi tiếng
trong lĩnh vực tạo hình bằng thủy lực như giáo sư Clauxzighert người Đức nói
“Cơng nghệ tạo hình thủy lực ngày nay là một trong các đề tài ý nghĩa nhất của
công nghệ sản xuất”.
Hiện nay, ở trường Đại học Giao thông – Tây An (Trung Quốc) có nhiều

nghiên cứu sinh đang làm các đề tài về dập thủy cơ và thủy tĩnh. Điều này chứng tỏ

21
 


dập tạo hình thủy lực đang thu hút sự quan tâm chú ý của các nước công nghiệp
phát triển trên thế giới.
Ngày nay, do địi hỏi về tính kinh tế và môi trường, xu hướng tiến tới cấu
trúc nhẹ (lightweight construction) cũng như nhu cầu về dạng cấu trúc nhẹ ngày
càng tăng địi hỏi cơng nghệ tạo hình phải đáp ứng cho nó. Một bước tiến quan
trọng vượt qua những giới hạn của cơng nghệ tạo hình truyền thống là q trình tạo
hình thủy lực, nó được đặc trưng bởi tính linh động cao, cho phép chế tạo những
hình dạng chi tiết phức tạp ngay cả khi sử dụng thép hợp kim độ bền cao hoặc hợp
kim nhôm và mangan nhẹ. Tương phản với tạo hình thủy lực của ống và những
profile khác được biết đến nhiều trong sản xuất công nghiệp từ thập niên 1990,
những ứng dụng để tạo hình kim loại tấm được giới hạn trong một vài trường hợp
riêng biệt ở quá khứ mặc dù những thuận lợi về cơng nghệ đã có nhiều thay đổi. Từ
năm 2000, môi trường làm việc được dựa trên cơ sở q trình tạo hình kim loại tấm
(với khí và nước – dầu – nhũ tương như những môi trường làm việc) đã được phối
hợp nghiên cứu trong chương trình DFG Priority Programme PP 1089
“Wirkmedienbasierte Fertigungstechniken zur Blechunformung”. Công việc nghiên
cứu chuyên sâu tổng hợp trong 31 dự án về lý thuyết, thiết bị, thiết kế 10 quy trình
và cả quá trình ứng xử của vật liệu bằng mơ phỏng và thực nghiệm để đưa ra những
hiểu biết cơ sở cho những ứng dụng tương lai của dập vuốt thủy cơ, tạo hình thủy
lực cặp vật liệu tấm (Sheet metal forming pairs) , tạo hình kim loại tấm áp suất cao
và mơi trường làm việc dựa trên cơ sở q trình tạo hình tốc độ cao
(hydromechanical deep drawing, hydroforming of double sheets, high – pressure
sheet metal forming, and working media based high – speed forming processes).
Những chi tiết có hình dạng phức tạp được tạo hình tốt do tính ổn định và cải tiến

của kỹ thuật điều khiển quá trình tạo hình mới này. Phạm vi ứng dụng có thể được
mở rộng để tạo hình thủy lực như phơi hàn, phơi cán hàn và phôi kết nối… (Steel
research international 76. 2005, No.12, December. Publishers: Steel Institute VDEh
Max-Planck-Institut fu r Eisenforschung; ASMET⋅Autrian Society for Metallurgy
and Materials, Revue de Métallurgie).

22
 


Có thể thấy rằng các nghiên cứu về cơng nghệ dập thủy tĩnh là khá đa dạng
và phổ biến. Hiện nay vẫn đang được tiếp tục nghiên cứu và phát triển. Trên hình
1.13, hình 1.14 biểu diễn q trình mơ phỏng cũng như thực nghiệm công nghệ dập
thủy tĩnh chi tiết chữ T.

Hình 1.13. Ứng dụng cơng nghệ dập thủy tĩnh để chế tạo ống nối chữ T;
A-Mô phỏng công nghệ; B-Thực nghiệm chế tạo

Hình 1.14. Ứng dụng cơng nghệ dập thủy tĩnh để chế tạo ống nối có dạng bậc;
A-Mơ phỏng cơng nghệ; B-Thực nghiệm chế tạo
Trên hình 1.15, hình 1.16, hình 1.17 biểu diễn kết quả nghiên cứu của tác giả
H. Nezami Esfahlan và nhóm nghiên cứu khi nghiên cứu về công nghệ dập thủy
tĩnh trên vật liệu Ti6Al4V. Các kết quả của nhóm nghiên cứu nhận được rất đa dạng
và bao trùm hẫu hết các đặc điểm công nghệ dập thủy tĩnh. Từ việc nghiên cứu khả
năng mất ổn định ở vành biên (nhăn vành) thể hiện trên hình 1.16 đến sự phá hủy
bên trong vật liệu khi tạo hình trên hình 1.17. Trên hình 6.18 là sự so sánh về kết
quả mô phỏng và thực nghiệm sau khi dập thành công chi tiết.
23
 

Hình 1.15. Hiện tượng nhăn khi dập; A- Thực nghiệm; B-Mơ phỏng

Hình 1.16. Hiện tượng rách phơi;A- Thực nghiệm; B-Mơ phỏng

24