Luận văn thạc sĩ nghiên cứu ứng dụng công nghệ ép thuỷ cơ chế tạo các chi tiết trong thiết bị chế biến nông sản có sử dụng phần mềm ansys lsdyna

...

Bộ giáo dục và đào tạo
Trờng đại học nông nghiệp hà nội
-------------***-------------

đỗ văn tựa

Nghiên cứu ứng dụng công nghệ ép thuỷ cơ
Chế tạo các chi tiết trong thiết bị chế biến
Nông sản, có sử dụng phần mềm ansys-lsdyna

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

Chuyên ngành: Kỹ thuật máy và thiết bị cơ giới hoá
nông, nông nghiệp
MÃ số

: 60.52.14

Ngời hớng dẫn khoa học: PGS.TS. đinh bá trụ

hà nội - 2010

Trng i hc Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ kỹ thuật..... ........... 1


Lời cam đoan

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số
liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và cha từng đợc ai công bố

trong bất kỳ công trình nào khác.
Tôi xin cam đoan rằng các thông tin trích dẫn trong luận văn đ đợc
chỉ rõ nguồn gốc.
Hà Nội, ngày 12 tháng12 năm 2010
Tác giả luận văn

Vn Ta

Trng i hc Nụng nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ kỹ thuật..... ........... i


Lời cám ơn

Trớc hết, tác giả bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới thầy giáo hớng dẫn
khoa học PGS.TS Đinh Bá Trụ đ tận tình hớng dẫn, nghiêm khắc chỉ bảo
trong suốt quá trình làm luận văn, đ định hớng giải quyết các vấn đề khoa
học cho luận văn. Đồng thời chỉnh sửa cấu trúc luận văn, để luận văn hoàn
thành đúng thời hạn
Tôi xin cản ơn trờng ĐH Nông nghiệp Hà Nội, Viện sau đại học, Khoa
Cơ Điện, đ tạo điều kiện giúp đỡ tác giả trong quá trình làm luận văn. Tôi xin
bày tỏ lòng cám ơn thầy Chủ nhiệm bộ môn cùng các thầy trong B môn gia
công áp lực Trường ðại học Bách khoa Hà Nội đã tạo điều kiện để tác giả
hồn thành thí nghim gia cụng ộp thu c, để cho luận văn đi đúng hớng và
đảm bảo tiến độ.
Tác giả bày tỏ lòng biết ơn các đồng nghiệp, đ góp ý kiến xây dựng để
luận văn có chất lợng cao.

Hà Nội, ngày 12 tháng12 năm 2010
Tác giả luận văn

Vn Ta

Trng i học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ kỹ thuật..... ........... ii


mục lục
Trang
Lời cam đoan ...................................................................................................i
Lời cám ơn........................................................................................................ii
Mục lục............................................................................................................iii
Danh mục bảng................................................................................................vi
Danh mục hìnhvii
LI NểI U ..............................................................................................1
1. Cơ sở khoa học và tính thực tiễn của đề tài:...............................................1
2. Mục tiêu của đề tài:....................................................................................2
3. Phơng pháp nghiên cứu: ...........................................................................2
4. Nội dung nghiên cứu:.................................................................................2
CHNG 1 TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ ÉP THUỶ CƠ ................3
1.1. Các khái niệm về ép bằng nguồn chất lỏng cao áp................................3
1.1.1. Khái niệm ép thủy tĩnh và thủy cơ..................................................3
1.1.2. Chất lỏng dùng trong gia công thuỷ tĩnh ........................................5
1.1.3. Lực tác dụng trong ép thủy cơ........................................................7
1.2. ðặc ñiểm của phương pháp ép thuỷ cơ...................................................8
1.2.1. ðặc ñiểm về ép thuỷ cơ..................................................................8
1.2.2.Ưu nhược ñiểm của ép thủy cơ........................................................8
1.3. Các phương pháp ép thuỷ cơ ...............................................................10
1.4. Ứng suất và biến dạng khi ép thủy cơ...................................................12
1.5. Tính tốn các thơng số cơng nghệ ép thủy cơ.......................................14
1.5.1. Tính áp suất chất lỏng .................................................................. 14
1.5.2. Lùc chỈn phôi: ................................................................................20

1.5.3. Khe hở cho quá trình dập thuỷ cơ:..................................................21
1.5.4. Lực cản của phôi lên chày: .............................................................22
1.5.5.Lực dập vuốt: ...................................................................................22

Trng ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ kỹ thuật..... ........... iii


1.5.6.Lùc m¸y: ..........................................................................................22
1.6. Ma sát và bơi trơn trong ép thuỷ cơ: .....................................................22
1.7. Sự phát triển và ứng dụng công nghệ ép thuỷ cơ hiện nay..................24
KẾT LUẬN CHƯƠNG 1 ........................................................................... 27
CHƯƠNG 2 CƠ SỞ TÍNH TỐN BIẾN DẠNG TẠO HÌNH ÉP THỦY
CƠ BẰNG PHẦN TỬ HỮU HẠN............................................................. 28
2.1. Khái niệm phần tử hữu hạn và phân loại phần tử .................................28
2.2. Các phương trinh cơ bản ứng dụng giải bài toán biến dạng.................29
2.2.1. Phương trình cân bằng ................................................................. 29
2.2.2. Quan hệ biến dạng - chuyển vị ..................................................... 29
2.2.3. Quan hệ biến dạng - chuyển vị của tấm:....................................... 30
2.2.4. Quan hệ ứng suất – biến dạng ...................................................... 31
2.2.5. Phương trình năng lượng của phần tử: ......................................... 32
2.4. Giải bài toán ép thủy cơ - biến dạng dẻo tấm .......................................37
2.4.1. Các biểu thức cơ bản.................................................................... 37
2.4.2. Các quan hệ khi sử dụng phần tử tấm phẳng ............................... 39
KẾT LUẬN CHƯƠNG 2 ........................................................................... 43
CHƯƠNG 3 MƠ PHỎNG SỐ Q TRÌNH ÉP THỦY CƠ .................. 44
3.1. Mơ hình thuật tốn mơ phỏng ANSYS.................................................44
3.2. Xây dựng bài tốn ................................................................................45
3.2.1. Mơ hình hình học CAD................................................................ 45
3.2.2. ðịnh nghĩa kiểu phần tử ............................................................... 45
3.2.3. Lựa chọn vật liệu ......................................................................... 46

3.2.4. Chia lưới cho phần tử chày, cối, phôi, ép biên.............................. 47
3.2.5. ðặt ñiều kiên tiếp xúc .................................................................. 47
3.2.6 ðặt điều kiên biên ràng buộc........................................................ 48
3.2.7. Giải bài tốn – Run Solution ........................................................ 49
3.2.8. Khảo sát kết quả - Read Results ................................................... 49

Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ kỹ thuật..... ........... iv


3.3. KẾT QUẢ MÔ PHỎNG .......................................................................50
3.3.1. Khảo sát ảnh hưởng của áp suất chất lỏng thay ñổi ...................... 50
3.3.2. Khảo sát ảnh hưởng chiều sâu vuốt (khi áp suất chất lỏng khơng
đổi, ma sát µ = 0,05, đường kính phơi = 200mm) .................................. 51
3.3.3. Khảo sát ảnh hưởng vật liệu nhôm .............................................. 54
3.3.5. Khảo sát ảnh hưởng ma sát .......................................................... 58
3.3.6. Ảnh hưởng đường kính phơi. ....................................................... 62
KẾT LUẬN CHƯƠNG 3 ........................................................................... 63
CHƯƠNG 4 THÍ NGHIỆM ÉP THỦY CƠ............................................. 64
4.1.Thiết bị và khn ép thủy cơ................................................................ 64
4.2. Phương án thí nghiệm ...........................................................................66
4.3. Phân tích kết quả thí nghiệm.................................................................75
KẾT LUẬN CHƯƠNG 4 ............................................................................80
KẾT LUẬN................................................................................................. 81

Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ kỹ thuật..... ........... v


DANH MỤC BẢNG
Bảng 4.1. Bảng thành phần và cơ tính của vật liệu ....................................... 67
Bảng 4.2. Bảng áp suất, hành trình chày khi ép phơi nhơm Ao..................... 69

Bảng 4.3. Bảng áp suất, hành trình chày khi ép phơi C08s ........................... 71

Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ kỹ thuật..... ........... vi


DANH MỤC HÌNH
Hình 1.1. Ép thủy tĩnh phơi tấm và ép thủy tĩnh phơi ống...............................4
Hình 1.2. Sơ đồ q trình ép thủy cơ ..............................................................4
Hình 1.3. Tạo thành gân vuốt bằng chất lỏng khi ép thủy cơ ..........................5
Hình 1.4. Lực tác dụng khi ép thủy cơ............................................................7
Hình 1.5. Ép thủy cơ phơi phẳng .................................................................. 11
Hình 1.6 Ép thủy cơ 3D............................................................................... 11
Hình 1.7. Sơ ñồ phân loại các phương pháp ép thuỷ cơ ................................ 12
Hình 1.10. Các sản phẩm ép thủy cơ............................................................. 26
Hình 2.1. Phần tử và các kiểu phần tử: Phần tử 1 chiều 1D, Phần tử 2 chiều
2D, Phần tử 3 chiều 3D................................................................ 28
Hình 2.2. Mơ hình tác dụng lực của bài tốn biến dạng tấm ......................... 37
Hình 2.3. Mơ hình phân bố ứng suất trên tấm……………………………….37
Hình 2.4 Phần tử tấm 4 nút .......................................................................... 39
Hình 3.1. Thuật tốn mơ phỏng ép thủy cơ bằng phần mềm ANSYS ........... 44
Hình 3.2. Mơ hình hình học.......................................................................... 45
Hình 3.3. Mơ hình phần tử solid 92 với 10 nút ............................................ 45
Hình 3.4.Mơ hình chia lưới chày, cối, ép biên .............................................. 47
Hình 3.5. Mơ hình cặp tiếp xúc cối và phơi .................................................. 48
Hình 3.6.. Mơ hình cặp tiếp xúc ép biên và phơi.......................................... 48
Hình 3.7. Mơ hình đặt đối xứng……………………………………………..49
Hình 3.8. Mơ hình áp lực lên phơi ............................................................... 49
Hình 3.9. Khi áp lực chất lỏng là 40 MPα, phơi chưa có hiện tượng
phồng lên ………………………………………………………...50
Hình 3.10. Khi áp lực chất lỏng là 65 MPα, bắt ñầu xuất hiện hiện tượng

phóng phồng phơi tại vùng góc lượn của cối ……………………50

Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ kỹ thuật..... ........... vii


Hình 3.11. Khi áp lực chất lỏng là 90 MPα, phơi có hiện tượng phồng lên
mạnh mẽ tại vùng góc lượn của cối………………………………50
Hình 3.12. Phân bố ứng xuất tương đương Von Mises H = 30mm P = 65
MPα σeqv = 531 MPα……………………………………………..51
Hình 3.13. Phân bố ứng suất tương đương Von Mises H = 40mm P = 65
MPα σeqv = 610 MPα……………………………………………..51
Hình 3.14. Phân bố ứng suất tương đương Von Mises H = 50mm P = 65
MPα σeqv = 666 MPα……………………………………………..52
Hình 3.15. Phân bố ứng suất tương ñương Von Mises H = 60mm P = 65
MPα σeqv = 709 MPα……………………………………………..52
Hình 3.16. Phân bố biến dạng tương ñương Von Mises H = 30mm P = 65
MPα εeqv = 0,28 …………………………………………………..52
Hình 3.17. Phân bố biến dạng tương ñương Von Mises H = 40mm P = 65
MPα εeqv = 0,38 …………………………………………………..52
Hình 3.18. Phân bố biến dạng tương ñương Von Mises H = 50mm P = 65
MPα εeqv = 0,4 …………………………………………………....52
Hình 3.19. Phân bố biến dạng tương ñương Von Mises H = 60mm P = 65
MPα εeqv = 0,5 ……………………………………….…………..52
Hình 3.20. Sự phụ thuộc của σeqvmax vào chiều sâu dập vuốt ……………… 53
Hình 3.21. Sự phụ thuộc của εeqvmax vào chiều sâu dập vuốt ……………… 53
Hình 3.22. Dập vuốt thuỷ cơ phân bố ứng suất tương ñương Von Mises
H = 60 mm P=65MPa σeqv = 709 MPa < giới hạn phá huỷ của
vật liệu Rm = 780 MPa……………………………………………...54

Hình 3.23. Dập vuốt thơng thường H = 45mm P=45MPa σeqv = 794 MPα >

giới hạn phá huỷ của vật liệu Rm = 780 MPa .......................................... 54
Hình 3.24. Phân bố ứng suất tương ñương Von Mises H = 5mm P=30MPa
σeqv = 152 ................................................................................................. 54

Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ kỹ thuật..... ........... viii


Hình 3.25. Phân bố ứng suất tương đương Von Mises H = 10mm P=30MPa
σeqv = 162 ................................................................................................. 54
Hình 3.26. Phân bố ứng suất tương ñương Von Mises H = 15mm P=30MPa
σeqv = 169Mpa...…………………………………………………..55
Hình 3.27. Phân bố biến dạng tương đương Von Mises H = 5mm P=30MPa
εeqv = 0,3 ……………...…………………………………………..55
Hình 3.28. Phân bố biến dạng tương ñương Von Mises H = 10mm P=30MPa
εeqv = 0,68…...…………………………………………………….55
Hình 3.29. Phân bố biến dạng tương ñương Von Mises H = 15mm P=30MPa
εeqv = 1,08..……………………………………………………….55
Hình 3.30. Phân bố ứng suất tương ñương Von Mises H = 30mm P=65MPa
σeqv = 544Mpa……………..……………………………………..56
Hình 3.31. Phân bố ứng suất tương ñương Von Mises H = 40mm P=65MPa
σeqv = 615Mpa……..……………………………………………..56
Hình 3.32. Phân bố ứng suất tương ñương Von Mises H = 50mm P=65MPa
σeqv = 667Mpa…………………..………………………………..56
Hình 3.33. Phân bố ứng suất tương ñương Von Mises H = 60mm P=65MPa
σeqv = 716Mpa……………..……………………………………..56
Hình 3.34. Phân bố biến dạng tương ñương Von Mises H = 30mm P=65MPa
εeqv = 0.3…………………………..……………………………...57
Hình 3.35. Phân bố biến dạng tương ñương Von Mises H = 40mm P=65MPa
εeqv = 0.38………………………………..……………………….57
Hình 3.36. Phân bố biến dạng tương ñương Von Mises H = 50mm P=65MPa

εeqv = 0.44……………………………..………………………….57
Hình 3.37. Phân bố biến dạng tương ñương Von Mises H = 60mm P=65MPa
εeqv = 0.5………………………………..………………………...57
Hình 3.38. ðồ thị mối quan hệ ứng suất và chiều sâu dập vuốt..…………....58

Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ kỹ thuật..... ........... ix


Hình 3.39. Phân bố ứng suất tương đương Von Mises H = 30mm P=65MPa
σeqv =525Mpa………………...…………………………………...58
Hình 3.40. Phân bố ứng suất tương đương Von Mises H = 40mm P=65MPa
σeqv =591Mpa……………………………………………………..58
Hình 3.41. Phân bố ứng suất tương ñương Von Mises H = 50mm P=65MPa
σeqv =646Mpa……………………………………………………..59
Hình 3.42. Phân bố ứng suất tương đương Von Mises H = 60mm P=65MPa
σeqv =682Mpa……………………………………………………..59
Hình 3.43. Phân bố biến dạng tương ñương Von Mises H = 30mm P=65MPa
εeqv = 0.27…………………………………………………………59
Hình 3.44. Phân bố biến dạng tương đương Von Mises H = 40mm P=65MPa
εeqv = 0.36…………………………………………………………59
Hình 3.45. Phân bố biến dạng tương ñương Von Mises H = 50mm P=65MPa
εeqv = 0.42……………………………..……………………….….60
Hình 3.46. Phân bố biến dạng tương đương Von Mises H = 60mm P=65MPa
εeqv = 0.47……………………………..……………………….….60
Hình 3.47. ðồ thị mối quan hệ ứng suất và chiều sâu dập vuốt..…………....61
Hình 3.48. Phân bố ứng suất tương ñương Von Mises H = 140mm P=65MPa
σeqv =771Mpa……………………...…………………………..….62
Hình 4.1. Stand ép thuỷ cơ trên METL YH-32 .................................................... 64
Hình 4.2. Bộ khn thí nghiệm ép thủy cơ ................................................... 65
Hình 4.3. Hệ thống xử lý số liệu đo .............................................................. 66

Hình 4.4. Sản phẩm đạt u cầu về kỹ thuật ................................................. 68
Hình 4.5. Sản phẩm bị nhăn.......................................................................... 68
Hình 4.6. Sản phẩm bị rách .......................................................................... 69
Hình 4.7. ðồ thị áp suất, đường kính phơi và hành trình với S=0,8 .............. 72
Hình 4.8. ðồ thị áp suất, đường kính phơi và hành trình với S=0,9 .............. 72

Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ kỹ thuật..... ........... x


Hình 4.9. ðồ thị áp suất, đường kính phơi và hành trình với S=1,0 .............. 73
Hình 4.10. ðồ thị áp suất, đường kính phơi và hành trình với S=1,1 ............ 73
Hình 4.11. ðồ thị áp suất, đường kính phơi và hành trình với S=1,2 ............ 73
Hình 4.12. ðồ thị áp suất, đường kính phơi và hành trình với S=0,8 ............ 74
Hình 4.13. ðồ thị áp suất, đường kính phơi và hành trình với S=0,9 ............ 74
Hình 4.14. ðồ thị áp suất, đường kính phơi và hành trình với S=1,0 ............ 74
Hình 4.15. ðồ thị áp suất, đường kính phơi và hành trình với S=1,1 ............ 75
Hình 4.16. ðồ thị áp suất, đường kính phơi và hành trình với S=1,2 ............ 75
Hình 4.17. ðồ thị áp suất hành trình ép phơi nhơm ( S=0,8mm, D=160mm) bị
nhăn và rách................................................................................. 76
Hình 4.18. ðồ thị áp suất, hành trình với phơi C08s (D=160, S=1,2mm)..... 77
Hình 4.19. Phơi nhơm bị nhăn rách khi áp lực tác dụng lên vành ép biên là
10KG/mm2................................................................................... 78
Hinh 4.20. ðồ thị áp suất hành trình trong thí nghiệm phơi nhơm bị rách..... 78

Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ kỹ thuật..... ........... xi


LI NểI U
Hiện nay công nghệ ép thủy cơ đợc ứng dụng rộng r i trên thế giới và
đ bắt đầu đợc nghiên cứu ở Việt Nam. ép thủy cơ

cho phép chế tạo đợc các chi tiết dạng rỗng, có hình dạng phức tạp
không thể chế tạo đợc bằng cách ép dập thông thờng. Đây là một công nghệ
hiện đại, đợc ứng dụng nhiều trong sản xuất cơ khí, nhất là sử dụng nhiều chi
tiết dạng tấm đợc dùng trong các máy chế biến nông sản.
Trớc tình hình đó, để góp phần tăng trởng kinh tế của Thái Bình, đa
công nghệ mới vào sản xuất, đồng thời đa kiến thức mới vào giảng dạy và
nghiên cứu tại Đại học Công nghiệp TP Hồ Chí Minh - Cơ sở Thái Bình, cần
thiết phải nghiên cứu các công nghệ mới. Đây là một công nghệ mang tính
khả thi cao, có nhiều bí quyết kỹ thuật, có thể góp phần giảm giá thành sản
phẩm và tăng chủng loại tạo thế cạnh tranh cao cho các doanh nghiệp.
Đề tài Nghiên cứu ứng dụng công nghệ ép thủy cơ chế tạo các chi
tiết trong chế biến nông sản, có sử dụng phần mềm Ansys-LS Dyna
mong muốn làm rõ các vấn đề cơ sở khoa học về công nghệ ép thủy cơ, khảo
sát quy luật ảnh hởng của một số yếu tố công nghệ đến chất lợng sản phẩm
sau dập.
1. Cơ sở khoa học và tính thực tiễn của đề tài:
- Cơ sở khoa học: Đề tài nghiên cứu cơ sở lý thuyết ép thủy cơ, các yêu
cầu công nghệ khi ép thủy cơ. Đồng thời cần khảo sát mô phỏng quá trình ép
để tối u hóa biến dạng tấm.
- Tính thực tiễn: Đề tài có thể sử dụng để tạo ra các sản phẩm phức tạp
chế tạo bằng công nghệ dập trong các máy và thit bị phục vụ sản xuất và chế
biến nông sản, có thể mở rộng áp dụng công nghệ mô phỏng số để phân tích
quá trình biến dạng khi tính toán thiết kế nói chung và trong giảng dạy tại
Thái bình. Đây là một công nghệ thiết kế hiện đại, tiết kiệm giai đoạn chế thử
và mang lại tính cạnh trạnh cao cho sản phẩm. Nắm đợc công nghệ này cã

Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ kỹ thuật..... ........... 1


ích cho việc đa công nghệ cao vào đào tạo tại ĐHCN TP H Chí Minh - Cơ

sở Thái Bình và đa KHCN của Thái Bình lên mt bớc.
2. Mục tiêu của đề tài:
Mục tiêu đề tài nghiên cứu ứng dụng công nghệ ép thủy cơ và công
nghệ mô phỏng để ép các chi tiết trong thiết bị chế biến nông sản làm cơ sở
ứng dụng công nghệ trong thực tế.
Các kết quả phải đợc:
a. Nắm chắc các đặc tính biến dạng khi ép thủy cơ;
b. Nắm đợc phơng pháp phần tử hữu hạn;
c. Sử dụng phần mềm công nghiệp mô phỏng biến dạng tấm bằng AnsysLS Dyna.
d. Nắm đợc công nghệ dập thủy cơ và hệ thống thí nghiệm.
3. Phơng pháp nghiên cứu:
- Về lý thuyết: Nghiên cứu tổng quan tài liệu về ép thủy cơ;
- Về thực nghiệm: mô phỏng biến dạng bằng phần mềm ANSYS Dyna
và thực hành thí nghiệm trên máy của Trng i hc Bách khoa H Ni .
4. Nội dung nghiên cứu:
Mở đầu
Chơng 1. Tổng quan về công nghệ ép thủy cơ
Chơng 2. Cơ sở tính toán biến dạng khi ép thủy cơ bằng phần tử hữu hạn
Chơng 3. Mô phỏng số quá trình Ðp thủ c¬ b»ng ANSYS
Ch−¬ng 4. ThÝ nghiƯm Ðp thđy c¬
KÕt ln

Trường ðại học Nơng nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ kỹ thuật..... ........... 2


CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ ÉP THUỶ CƠ
Ép hay dập thuỷ cơ là phương pháp tạo hình vật liệu có sử dụng nguồn
chất lỏng áp suất cao kết hợp với chuyển động cơ khí của chày do máy tạo ra.
Bản chất của phương pháp là, dưới tác dụng của môi trường chất lỏng thủy

tĩnh áp suất cao kết hợp với dụng cụ cứng (chày và cối) gây biến dạng vật liệu
và tạo ñiều kiện thuận lợi cho sự biến dạng, nhất là những chi tiết có hình
dáng phức tạp và tấm vật liệu làm bằng kim loại khó biến dạng.
1.1. Các khái niệm về ép bằng nguồn chất lỏng cao áp
1.1.1. Khái niệm ép thủy tĩnh và thủy cơ
Trong ép bằng chất lỏng cao áp có thể phân thành các nhóm chính sau:
- Ép thủy tĩnh: là dạng ép (dập) tạo hình sử dụng áp lực chất lỏng làm
chày, biến dạng phơi để có hình dáng kích thước như của cối. Trong ép thủy
tĩnh cịn có thể phân thành: ép thủy tĩnh tấm và ép thủy tĩnh ống.
Ép thủy tĩnh tấm (hình 1.1a): Khi chịu áp lực của chất lỏng, tấm kim
loại bị biến dạng, sau đó, khi chạm vào thành đáy cối, chúng hình thành hình
dáng sản phẩm.
Ép thủy tĩnh ống (hình 1.1b): tương tự, phơi có dạng ống, khi chịu áp lực
cao bên trong, ống biến dạng và hình thành sản phẩm theo hình dáng của khn.
- Ép thủy cơ: là dạng ép tạo hình sử dụng chày cứng, vành cối và
buồng thủy lực đối áp.
Khi đóng mạch điều khiển, chày và vịng chặn phơi dịch chuyển xuống,
phơi được kẹp chặt. Khơng gian ép tạo thành ở phần dưới của khn được che
và bịt kín hồn tồn bằng phôi và tấm chặn. Khi chày vuốt tiếp tục ñi xuống
làm tăng áp suất chất lỏng chứa trong buồng chứa, trị số của áp suất này ñược
ñiều chỉnh bởi van điều chỉnh áp.

Trường ðại học Nơng nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ kỹ thuật..... ........... 3


a.

b.
Hình 1.1. Ép thủy tĩnh phơi tấm và ép thủy tĩnh phơi ống

Hình 1.2. Sơ đồ q trình ép thủy cơ
1. Kết cấu khuôn gồm: Chày-tấm chặn phôi- phôi – vành cối – buồng
chứa chất lỏng có ống thốt và van ñiều tiết áp suất; 2. Chày ñi xuống; áp
suất thủy tĩnh nén phôi làm phôi áp sát chày, tấm chặn giữ phơi tạo lực căng ;
3.Khi chày đi xuống, phơi tấm được biến dạng phồng lên và bọc áp vào chày;
4. Cuối cùng phơi tấm biến dạng theo đúng hình dáng kích thước của chày ép.

Trường ðại học Nơng nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ kỹ thuật..... ........... 4


Hình 1.3. Tạo thành gân vuốt bằng chất lỏng khi ép thủy cơ
Dưới tác dụng của áp suất chất lỏng, phôi bị áp sát chặt vào chày vuốt
và vùng khe hở chày và cối bị phình lên trên tạo thành gân vuốt mềm, q
trình vuốt xảy ra khơng phải qua mép vuốt cứng mà qua gân chất lỏng. Chiều
cao phần gân ra phụ thuộc vào áp suất của chất lỏng cơng tác.
Q trình ép có thể chia làm các giai ñoạn như sau:
Giai ñoạn 1: ðưa phôi vào khuôn ép
Giai ñoạn 2:
- Phôi ñược kẹp chặt nhờ cơ cấu chặn phơi
- Khơng gian ép được hình thành giữa phơi và lịng cối
- Chất lỏng được bơm vào trong lịng cối
- Phơi ép vào chày
Giai đoạn 3: Chày đi xuống thực hiện q trình ép. Áp suất chất lỏng
đủ để phơi biến dạng, tách phơi khỏi miệng cối, tạo hình phồng lên làm giảm
ma sát tiếp xúc khi vuốt sâu.
Giai ñoạn 4: Phơi được hình thành theo đúng biên dạng của chày. Hết
hành trình lấy phơi ra được sản phẩm.
1.1.2. Chất lỏng dùng trong gia công thuỷ tĩnh
Chất lượng sản phẩm và độ ổn định của q trình phụ thuộc rất nhiều
vào thành phần và tính chất lý hố của chất lỏng cơng tác.

Khi gia cơng thuỷ tĩnh phải chọn đúng chất lỏng và phải thoả mãn các
yêu cầu cơ bản sau:
Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ kỹ thuật..... ........... 5


- ðảm bảo độ nhớt cần thiết và khơng hố rắn ở áp suất cơng tác
- Có độ nén nhỏ nhất dưới tác ñộng của áp suất cao
- ðảm bảo tính chống mài mịn cần thiết
- Khơng tương tác với kim loại biến dạng
- Tính kinh tế rẻ và khơng có độc hại
ðộ nhớt của chất lỏng biểu hiện khi nó chuyển động và liên quan tới sự
xuất hiện ứng suất tiếp. Chất lỏng có độ nhớt cao thì chảy kém và ngược lại,
chất lỏng có độ nhớt thấp thì có độ chảy lớn. ðặc tính quan trọng này của chất
lỏng thay ñổi tuỳ thuộc vào nhiệt ñộ và áp suất. Khi tăng áp suất thì độ nhớt
tăng lên và sự thay ñổi của ñộ nhớt phụ thuộc vào áp suất tuân theo quy luật
hàm số mũ:
η = η0. eP.β

(1.1)

Trong ñó: η0 - ñộ nhớt của chất lỏng ở áp suất khí quyển và nhiệt độ 20 0C;
p - áp suất; β - hệ số, nó phụ thuộc vào chất lỏng và nhiệt ñộ.
Sự thay ñổi ñộ nhớt của chất lỏng theo nhiệt ñộ tuân theo quy luật hàm
số mũ dưới dạng:
Trong đó:

ηt = η0. e −λ( t − t 0 )

(1.2)

λ - hệ số, phụ thuộc vào chất lỏng ở nhiệt ñộ 20 0C; t -

nhiệt ñộ của chất lỏng; η0- ñộ nhớt của chất lỏng ở nhiệt ñộ phịng (20 0C).
ðể q trình ép thuỷ tĩnh thực hiện bình thường, tính nén được của chất
lỏng cơng tác dưới tác dụng của áp suất cao có ý nghĩa quan trọng. ðối với
chất lỏng, sự thay đổi thể tích khi áp suất tăng được xác định theo cơng thức:
p 



V = V0 . 1 − A. ln 1 + 
π'






(1.3)

Trong đó: V0 - thể tích chất lỏng ở áp suất khí quyển (1 at = 0,1 MPa);
A, π' - các hệ số.
ðộ nén được gia tăng của chất lỏng cơng tác dưới tác dụng của áp suất
cao là yếu tố bất lợi vì nó làm giảm hiệu suất của thiết bị do một phần năng
lượng cần tiêu hao cho việc nén chất lỏng. Năng lượng ñàn hồi của chất lỏng

Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ kỹ thuật..... ........... 6


cơng tác tích luỹ trong q trình ép có thể biến thành cơng tích cực theo chu

kỳ gây ra sự ñưa phôi không ñều và sự dao ñộng áp suất khơng mong muốn.
Ngồi ra, do có sự tích trữ thế năng lớn khi nén chất lỏng nên sản phẩm ép khi
ra khỏi buồng ép có tốc độ lớn địi hỏi phải có thiết bị đặc biệt để khống chế
tốc độ của sản phẩm nhằm tránh không cho sản phẩm bị phá huỷ.
Ngồi hai yếu tố kể trên đối với chất lỏng cơng tác, thì tính bơi trơn,
tính chống bắt lửa cũng như tính khơng sinh ra khí độc hại và tác dụng với
phôi ép và dụng cụ của chất lỏng cơng tác cũng có ý nghĩa quan trọng trong
q trình gia công thuỷ tĩnh.
1.1.3. Lực tác dụng trong ép thủy cơ
Khi ép thủy cơ, có 3 lực tác dụng:
- Áp suất thủy lực để ép phơi áp sát chày, tạo hình theo biên dạng chày,
áp lực tăng khi chiều sâu ép tăng. Cần khống chế ñến một áp lực nhất ñịnh ñủ
ñể áp phôi vào bề mặt chày và giữ ổn định trong q trình biến dạng;

Hình 1.4. Lực tác dụng khi ép thủy cơ
- Lực nén của chày ñể ép phơi tạo hình, hay lực ép vuốt; lực do pitton máy
ép, lực nén cân bằng với lực do áp suất thủy tĩnh theo phương ñứng tạo nên;
- Lực ép biên, để giữ phơi, chống nhăn – rách. Nếu lớn quá sẽ gây rách,
nhỏ quá sẽ gây nhăn.

Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ kỹ thuật..... ........... 7


1.2. ðặc ñiểm của phương pháp ép thuỷ cơ
1.2.1. ðặc ñiểm về ép thuỷ cơ
ðiểm khác biệt ñặc trưng của quá trình ép thuỷ cơ là sự cần thiết phải
tạo ra ñược áp suất thuỷ tĩnh biến ñổi tác dụng vào phơi từ phía cối lỏng. Giá
trị áp suất này, phải đủ lớn để ép chặt phơi vào bề mặt của chày và ngăn sự
nhăn của phơi, nhưng khơng được quá lớn, sao cho lực ma sát và ứng suất
uốn xuất hiện khi đó sẽ khơng làm đứt phơi.

Giá trị áp suất thuỷ tĩnh cần thiết từ phía cối lỏng phụ thuộc vào các
yếu tố chính sau: Tính chất cơ lí của vật liệu phơi; chiều dày của tấm vật liệu
bán thành phẩm và đặc tính hình học của chi tiết ép.
Phương pháp ép thuỷ cơ cho phép ép hoàn chỉnh chi tiết sau một lần
ép nhờ biến dạng vật liệu ñồng ñều và giảm hiện tượng biến mỏng cục bộ.
Ngồi ra, phương pháp ép thuỷ cơ cịn cho phép nâng cao độ chính xác và
chất lượng bề mặt chi tiết ép do bề mặt của phôi không trực tiếp xúc với dụng
cụ gia cơng. Qua đó có thể tăng tuổi thọ của chày và cối do giảm mịn.
Hình dạng của sản phẩm phụ thuộc chủ yếu vào hình dạng của chày
ép nên đa dạng hố sản phẩm mà chỉ sử dụng một loại cối ép.
Ép thuỷ cơ chủ yếu ñược thực hiện trên máy ép thuỷ lực do có thể
điều chỉnh được tốc độ ép, hành trình của chày, lực chặn và áp suất chất lỏng
phù hợp với từng chủng loại sản phẩm điều này đảm bảo độ chính xác về hình
dạng của chi tiết cũng như nâng cao cơ tính của vật liệu.
1.2.2.Ưu nhược điểm của ép thủy cơ
Ưu ñiểm của phương pháp ép thuỷ cơ:
- Giảm ñáng kể lực ma sát có hại giữa phơi và dụng cụ.
- Tăng lực ma sát có ích giữa chày và phơi được tạo ra bởi sự ép mạnh
vào bề mặt chày bằng áp suất thuỷ tĩnh từ phía cối lỏng, do vậy nó loại bỏ
được sự trượt của phơi đối với chày và sự kéo căng của phôi, nhờ vậy mà hệ
số ép vuốt ñược nâng cao hơn nhiều so với ép trong khn kim loại: đến 0,4

Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ kỹ thuật..... ........... 8


ñối với thép thấp cacbon, còn khi sử dụng gân vuốt có thể giảm hệ số ép vuốt
đến 0,3. Số lượng các ngun cơng cũng được giảm. Nếu như ép vuốt các chi
tiết hình nón hoặc parabol bằng phương pháp thơng thường địi hỏi phải mất
một số ngun cơng ép vuốt trung gian thì bằng phương pháp ép thủy cơ, thì
chỉ cần một ngun cơng ép.

- Có áp suất thuỷ tĩnh tương đối đồng đều từ phía cối lỏng tác dụng
lên trên bề mặt của phôi. ðiều này sẽ làm tăng khả năng biến dạng dẻo của
kim loại và ñộ ñồng ñều về cơ lý tính của sản phẩm và ép các chi tiết có hình
dáng phức tạp.
- Do sự thay đổi khơng đáng kể của chiều dày kim loại chỗ chuyển
tiếp từ ñáy ñến thành chi tiết (khu vực nguy hiểm nhất khi ép vuốt thơng
thường) nên có thể dùng những vật liệu mỏng hơn và với bán kính chày rất
nhỏ. ðồng thời, do ảnh hưởng hưởng của khe hở giữa chày và cối không nhạy
cảm như ép vuốt thơng thường nên có thể ép trong một lần các chi tiết có
chiều dày khác nhau và từ các vật liệu khác nhau.
- Sự tiêu tốn vật liệu dụng cụ cũng tương đối thấp do sự đơn giản hóa
kết cấu ép và giảm thiểu sự mài mòn dụng cụ. Hơn nữa, khi chuyển sang ép
các chi tiết gần giống chỉ cần thay đổi chày, đồ gá và vịng chặn phơi.
- Chất lượng bề mặt của chi tiết ép rất cao do q trình vuốt khơng
xảy ra qua mép cạnh kim loại của khn vuốt, vì vậy giảm thiểu các ngun
cơng chỉnh sửa.
Các nhược điểm:
- Có thể xảy ra sự mất ổn định ở phần mặt bích của phơi và phần bán
kính cong của phần chuyển tiếp giữa mặt bích với thành vỏ thẳng đứng của
chi tiết. ðiều này có thể gây ra các phế phẩm như hiện tượng nhăn, co, móp…
ở phần vành phơi.
- Phải tạo ra nguồn chất lỏng áp suất cao và ñiều chỉnh ñược giá trị áp
suất trong q trình ép vuốt.

Trường ðại học Nơng nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ kỹ thuật..... ........... 9


- Có thể xảy ra sự biến mỏng của phơi, nếu lượng biến mỏng này là lớn và
khơng đồng đều, dễ xảy ra tình trạng làm rách, đứt phơi ở tiết diện nguy hiểm.
Mặc dù vậy phương pháp ép thuỷ cơ vẫn được áp dụng một cách rộng

rãi trong cơng nghiệp, đặc biệt trong các trường hợp sau:
- Gia cơng các chi tiết có hình dáng phức tạp, khơng đối xứng như các
chi tiết có hình cơn, parabol, cầu, các chi tiết vỏ mỏng…
- Gia cơng các chi tiết có mức độ biến dạng lớn và địi hỏi cơ tính ñồng
ñều cao;
- Gia công các chi tiết làm từ vật liệu khó biến dạng, vật liệu đa lớp…
1.3. Các phương pháp ép thuỷ cơ
Có nhiều cách khác nhau phân loại các phương pháp ép thuỷ cơ như
dựa vào ñặc ñiểm của phơi, dựa vào đường thốt chất lỏng, dựa vào hình dạng
của sản phẩm. Một trong những cách phân loại ñược ứng dụng nhiều nhất là
dựa vào ñặc ñiểm của phơi, theo cách phân loại này có các phương pháp ép
thuỷ cơ cơ bản sau:
- Ép thuỷ cơ từ phôi phẳng
- Ép thuỷ cơ từ phôi không gian
- Ép thuỷ cơ thuận nghịch
- Ép thuỷ cơ phơi phẳng: Phơi được sử dụng là tấm phẳng. Căn cứ
vào ñặc ñiểm biến dạng có: ép có ép biên hoặc khơng ép biên. Căn cứ vào
cách thốt ra ngồi của chất lỏng khi chịu nén: ép thủy cơ chất lỏng thốt ra
ngồi bằng van tiết lưu hoặc bằng khe hở giữa phôi và dụng cụ.
- Ép vuốt các phơi khơng gian: Có hai loại là ép xuôi (b) và ép thuận
nghịch. Cũng tương tự như trong trường hợp ép thuỷ cơ phôi phẳng mà có các
phương pháp pháp như trên.
- Ép thủy cơ thuận nghịch: là phương pháp ép tạo hình 2 mặt xi và
ngược để tạo sản phẩm có độ lồi lõm khác nhau.

Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ kỹ thuật..... ........... 10


Ngồi ra, cịn có thể căn cứ vào hình dáng của sản phẩm ñược chế tạo
ñể phân loại. Theo cách này có ép thuỷ cơ các chi tiết đơn giản, có thể có đối

xứng hoặc khơng và ép thuỷ cơ các chi tiết có hình dáng phức tạp…
Ép thuỷ cơ từ phơi phẳng đươc ứng dụng trong ngành cơng nghiệp ơ tơ,
hàng khơng và đồ dân dụng. Nó ứng dụng tạo hình các chi tiết có kích thước
lớn, hình dạng phức tạp.
Ép thuỷ cơ từ phôi không gian ứng dụng tạo hình các chi tiết có hình dạng
phức tạp, các chi tiết gồm nhiều mặt trụ có kích thước khác nhau, mặt trụ và
mặt cong, mặt trụ và mặt nón. Ép thuỷ cơ thuận nghịch ứng dụng trong việc
tạo hình các chi tiết yêu cầu chiều sâu ép vuốt lớn mà phương pháp ép thuỷ cơ
từ phôi tấm không thực hiện được.

Hình 1.5. Ép thủy cơ phơi phẳng

Hình 1.6 Ép thủy cơ 3D

Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ kỹ thuật..... ........... 11


a.

b.

c.

Hình 1.7. Sơ đồ phân loại các phương pháp ép thuỷ cơ
a. Từ phôi tấm
b. Phôi không gian ép thuận
c. Phôi không gian ép thuận nghịch

1.4. Ứng suất và biến dạng khi ép thủy cơ
Phân tích sự phân bố ứng suất trong q trình ép thuỷ cơ, nhận thấy phơi

chịu một trạng thái ứng suất - biến dạng phức tạp, có nhiều điểm khác biệt so
với ép vuốt thơng thường (chày cứng cối cứng). ðặc biệt là khi ép vuốt thuỷ
cơ có thêm thành phần ứng suất nén σ3 của chất lỏng, chúng ln có hướng
vng góc với bề mặt phôi làm cho vật liệu biến dạng nén. Thành phần ứng

Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ kỹ thuật..... ........... 12


suất σ3 này có ảnh hưởng lớn đến tính dẻo của kim loại, làm thay ñổi sơ ñồ
trạng thái ứng suất - biến dạng trong phơi (xem hình 1.8 và hình 1.9).
* Phần vành phơi nằm trong trạng thái ứng suất khối (một chiều kéo,
hai chiều nén) giống như trường hợp khi ép vuốt bình thường có chặn. Trạng
thái biến dạng là biến dạng khối (hai chiều kéo và một chiều nén). Chính sự
xuất hiện của thành phần biến dạng ε3 có dấu (+) làm cho phơi trên phần
vành bị biến dày, dễ gây ra sự mất ổn ñịnh làm xuất hiện nhăn, rách phơi. Vì
vậy, đối với ép vuốt thuỷ cơ, cần thiết phải có chặn. Khi đó, chặn ngồi tác
dụng bịt kín khe hở giữa phơi và vành cối cịn có tác dụng chống nhăn đồng
thời tăng sự ổn định của phơi. Tuy nhiên, lực chặn phải có độ lớn hợp lí, nếu
khơng sẽ xảy ra kéo đứt phôi do ma sát quá lớn giữa vành phôi và dụng cụ.
* Phần chuyển tiếp giữa vành phôi và dụng cụ (bán kính góc lượn của
cối) nằm trong trạng thái ứng suất - biến dạng khối phức tạp. ðiểm khác biệt
cơ bản so với ép vuốt bình thường là có sự xuất hiện thêm thành phần ứng
suất nén σ3 do áp lực q của chất lỏng chịu nén gây ra. ðiều này làm gia tăng
đáng kể tính ổn định của phôi cũng như khả năng biến dạng dẻo của vật liệu,
ñồng thời giảm thiểu tác hại của ma sát như trong trường hợp ép vuốt trên
chày cứng, cối cứng. Khi ép vuốt thông thường, xảy ra sự biến mỏng phôi
trên phần bán kính lượn của cối, do vậy có thể dẫn đến sự kéo đứt phơi trong
q trình vuốt. Với sự xuất hiện của thành phần ứng suất nén σ3 trong ép thuỷ
cơ và khơng có sự kéo căng phơi trên bán kính lượn của cối sẽ làm giảm ảnh
hưởng xấu nêu ở trên.

* Phần thành trụ (phôi tiếp xúc với mặt trụ của chày) có trạng thái ứng
suất hai chiều (một chiều kéo, một chiều nén). Thành phần ứng suất theo hướng
tiếp tuyến σ2 rất nhỏ có thể coi bằng không. Qua thực nghiệm cho thấy phôi hầu
như không bị biến dạng, tức là không xảy ra sự biến mỏng phôi như trong trường

Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ kỹ thuật..... ........... 13