Nghiên cứu công nghệ ép thủy tĩnh và thủy động để chế tạo các sản phẩm phần 1

TC CNQP
TTCN
Tổng cục công nghiệp quốc phòng
Trung Tâm Công Nghệ
Xóm 6 Đông ngạc Từ liêm Hà Nội






Báo cáo tổng kết khoa học và kỹ thuật Đề tài cấp nhà nớc
:

Nghiên cứu ứng dụng công nghệ ép thủy tĩnh và thủy động
để chế tạo các sản phẩm có hình dạng phức tạp
từ vật liệu khó biến dạng, độ bền cao


TS. Nguyễn Mạnh Long









6296
07/02/2007

Hà nội, 7-2005




Bản quyền 2005 thuộc TTCN
Đơn xin sao chép toàn bộ hoặc từng phần tài liệu này phải gửi đến Giám đốc
Trung tâm Công nghệ trừ trờng hợp sử dụng với mục đích nghiên cứu

tóm tắt

Những thử nghiệm sử dụng áp lực thủy tĩnh vào mục đích kỹ thuật đã có
từ rất lâu trớc khi ngời ta phát hiện ra ảnh hởng to lớn của nó đến tính
chất cơ học của kim loại và hợp kim. Trên thế giới, nhiều công trình khoa
học trong lĩnh vực này đã đợc các nhà khoa học cùng các công sự nghiên
cú, cho thấy dới tác dụng của áp suất thủy, tĩnh tính dẻo của vật liệu tăng
lên, nhất là khi trong quá trình gia công có phối hợp các điều kiện khác nh:
nhiệt độ, tốc độ biến dạng... thì có thể đa một vật liệu giòn về trạng thái
dẻo. Các nghiên cứu trên đã mở ra hớng ứng dụng công nghệ ép thủy tĩnh-
thuỷ động (ETT-TD) vào gia công áp lực.
ở trong nớc hiện nay cha có cơ sở nào đầu t nghiên cứu cơ bản, áp
dụng công nghệ ETT-TD trong gia công biến dạng. Để đáp ứng yêu cầu về
hiện đại hoá trong công nghiệp Quốc phòng và dân dụng, phát huy nội lực,
làm chủ công nghệ chế tạo những vũ khí, khí tài quân sự hiện đại, công nghệ
chế tạo các sản phẩm khó. Đề tài đã đề cập các nôị dung có ý nghĩa khoa học
công nghệ và thực tiễn đối với nền công nghiệp quốc phòng và dân dụng.

Công nghệ ETT-TD là một phơng pháp tạo hình sản phẩm trong đó
môi trờng thuỷ lực áp suất cao tác dụng lên bề mặt của vật liệu từ mọi phía

với cờng độ nh nhau, tuân theo định luật Pascal về tính đẳng hớng của
môi trờng chất lỏng và khí. Để tạo ra áp suất thủy tĩnh ngời ta có thể nén
môi trờng truyền áp suất trong khuôn kín hoặc hở bằng hệ thống tạo áp suất
cao hoặc nén trực tiếp bằng máy ép thuỷ lực.
Trang bị công nghệ ETT lắp trên máy ép 300 Tấn để ép tạo hình sản
phẩm trong luyện kim bột và trang bị công nghệ ETD lắp trên máy ép thuỷ
lực 630 tấn để triển khai công nghệ ETD do đề tài KC.05.23 thiết kế chế tạo,
đã giải quyết cơ bản những vấn đề mà các phơng pháp công nghệ khác khó
đạt đợc.

Trên cơ sở các thông tin khoa học công nghệ mới trong và ngoài nớc
liên quan đến công nghệ ép thuỷ tĩnh và thủy động, qua các kinh nghiệm
đợc tích luỹ, kế thừa từ các công trình nghiên cứu trong công nghệ chế tạo
vũ khí của Bộ Quốc phòng, các công trình nghiên cứu về lĩnh vực ETT-TD,
Đề tài đã nghiên cứu các vấn đề cơ bản của lý thuyết, thiết bị, công nghệ,
nghiên cứu đặc trng vật liệu, tính năng của một số dạng sản phẩm cũng nh
ứng xử của vật liệu trong môi trờng áp suất cao. Từ đó lựa chọn giải pháp
công nghệ, xây dựng phơng án thiết kế, chế tạo trang bị công nghệ, thiết bị
phụ trợ để chế thử một số sản phẩm đặc thù của công nghệ này trong sản
xuất Quốc phòng. Trong quá trình nghiên cứu đã giải quyết các vấn đề nảy
sinh. Thông qua chế thử, khảo nghiệm sau chế thử để đánh giá sản phẩm.
Các sản phẩm công nghệ do Đề tài tạo ra gồm có: Côn tống khơng
tuyến đã đợc khảo nghiệm và áp dụng vào chế tạo nòng súng 12,7mm tại
nhà máy Z111, Bi nghiền chế tạo từ vật liệu gốm đã đợc khảo nghiệm tại
Trung tâm Công Nghệ, Nón đồng trong đạn chống tăng B41 đã đợc khảo
nghiệm tại nhà máy Z131 Tổng Cục CNQP, Phôi ống dẫn sóng rađa đợc sử
dụng cho Đề tài cấp BQP: Chế tạo ống dẫn sóng rađa PRV-16, Các sản
phẩm khác nh phôi bánh răng moduyn nhỏ, ống đồng thành mỏng đợc
đánh giá trong phòng thí nghiệm của Trung tâm Công Nghệ, đạt chỉ tiêu kỹ
thuật đã đề ra.

Qua kết quả đánh giá và khảo nghiệm, các trang bị và sản phẩm của Đề
tài có thể phục vụ tốt công tác nghiên cứu, có thể áp dụng trong chế tạo các
chi tiết có hình dạng phức tạp, tính chất cơ lý cao, đặc biệt là các chi tiết
trong vũ khí và dụng cụ đặc chủng trong sản xuất Quốc phòng.


6
D2-3-DSTG
Danh sách tác giả
Của đề tài khoa học và công nghệ cấp nhà nớc
(Danh sách các cá nhân đã đóng góp sáng tạo chủ yếu cho đề tài
đợc sắp xếp theo thứ tự đã thoả thuận)
(Kèm theo Quyết định số 13/2004/QĐ-BKHCN ngày 25/5/2005
của Bộ trởng Bộ Khoa học và Công nghệ)

1. Tên đề tài: Nghiên cứu ứng dụng công nghệ ép thủy tĩnh và thủy động để chế
tạo các sản phẩm có hình dạng phức tạp từ vật liệu khó biến dạng, độ bền cao.
M số: KC.05.23
2. Thuộc Chơng trình (nếu có):
Nghiên cứu khoa học và phát triển công nghệ chế tạo máy, M số KC.05
3. Thời gian thực hiện: Từ tháng 1/2003 đến tháng 6/2005
4. Bộ chủ quản: Bộ Khoa học và Công nghệ
5. Danh sách tác giả:
TT
Học hàm, học vị, họ và tên Chữ ký
1
Chủ nhiệm đề tài:
TS. Nguyễn Mạnh Long, Trung tâm Công nghệ - BQP

2

Phó chủ nhiệm đề tài:
KS. Đỗ Văn Hồng, Trung tâm Công nghệ - BQP

3 TS. Nguyễn Tài Minh, Trung tâm Công nghệ - BQP
4 TS. Trần Thế Phơng, Trung tâm Công nghệ - BQP
5 Ths. Bùi Doãn Đồng, Trung tâm Công nghệ - BQP
6 TS. Bùi Viết Dũng, Trung tâm Công nghệ - BQP
7 TS. Trần Văn Dũng, Trung tâm Công nghệ - BQP
8 ThS. Ngô Gia Cờng, Trung tâm Công nghệ - BQP
9 PGS.TS. Đinh Văn Phong, Học viện KTQS - BQP
10 TS. Lại Anh Tuấn, Học viện KTQS - BQP
11 ThS. Nguyễn Văn Thắng, Nhà máy Z183,
Tổng Cục CNQP - BQP


THủ trởng cơ quan chủ trì đề tài

(Họ, tên, chữ ký, và đóng dấu)



7

Mục lục



Trang
Danh sách những ngời thực hiện đề tài

6
Mục lục

7
Bảng một số ký hiệu quy ớc và chữ viết tắt

12
Tóm tắt

13


Chơng 1: Tổng quan về công nghệ ép thủy tĩnh và thủy động
tạo hình sản phẩm
15
1.1. Tổng quan về công nghệ ép thuỷ tĩnh
15
1.1.1. Nguyên lý ép thủy tĩnh
16
1.1.2. Vài nét về lịch sử phát triển công nghệ ép thủy tĩnh

16
1.1.3. Phân loại trong công nghệ ép thủy tĩnh
18
1.1.4. Các u nhợc điểm của công nghệ ép thuỷ tĩnh
20
1.1.5. Các hiện tợng xẩy ra trong qúa trình ép thủy tĩnh
21
1.1.5.1. Quá trình đặc xít và các đặc tính đặc xít của vật ép
21

1.1.5.2. ảnh hởng của điều kiện ép
25
1.1.5.3. Hiện tợng nở trở lại của vật ép
25
1.2. Tổng quan về công nghệ ép thuỷ động
26
1.2.1. Gia công biến dạng bằng công nghệ ép thủy động
26
1.2.2. Các đặc điểm của ép thủy động
26
1.2.3. Sản phẩm của phơng pháp ép thủy động
27
1.2.4. Phân loại các phơng pháp ép thủy động
29
1.2.5. Quá trình ép thủy động
31
1.2.6. Sản phẩm và phạm vi ứng dụng của công nghệ ép thủy động
32
1.2.6.1. Vật liệu và độ biến dạng trong ép thủy động
32
1.2.6.2. Một số sản phẩm trong ép đùn thủy động
33
1.2.6.3. Tính chất biến dạng trong ép thủy động
36
1.3. Các nghiên cứu về ép thủy tĩnh và thủy động trong nớc
37

8


Chơng 2: Mô hình và phơng pháp tính toán trong ép thủy tĩnh
và thủy động
39
2.1. Mô hình mô hình và phơng pháp tính toán trong ép thủy tĩnh
39
2.1.1. Mô hình ứng xử của vật liệu bột kim loại biến dạng ở trạng thái
nguội và phơng pháp nhận dạng
39
2.1.1.1. Xây dựng mô hình 40
2.1.1.2. Phơng pháp nhận dạng mô hình. 43
2.1.2. Mô hình HECKEL 46
2.1.3. Mô hình KAWAKITA 47
2.2. Mô hình và phơng pháp tính toán trong ép thủy động
47
2.2.1. Khảo sát thuộc tính biến dạng của vật liệu 47
2.2.1.1. Xác định thuộc tính biến dạng của thép gió P18 48
2.2.1.2. Xác định thuộc tính biến dạng của thép 40X 51
2.2.1.3. Xác định thuộc tính biến dạng của đồng đỏ M1 54

Chơng 3: Nghiên cứu các ảnh hởng trong ép thủy tĩnh
và thủy động
58
3.1. Một số hiện tợng xẩy ra trong công nghệ ép thủy tĩnh
58
3.1.1. ảnh hởng của đặc trng bột ép
58

3.1.2. Đặc trng của công nghệ ép thủy tĩnh tạo hình sản phẩm dạng bột 59
3.1.3. Qui luật ép 60
3.1.4. ảnh hởng của điều kiện ép
62
3.2. Một số hiện tợng xẩy ra trong công nghệ ép thủy động
64
3.2.1. Dòng vật liệu 64
3.2.2. Hiện tợng stick-slip 65
3.2.3. Vật liệu truyền áp trong ép thuỷ động 69

Chơng 4: Tính toán thiết kế thiết bị ép thủy tĩnh và trang bị
ép thủy động
72
4.1. Tính toán thiết kế thiết bị ép thủy tĩnh
72
4.1.1. Các công thức tính toán khuôn ép và các thông số ép 72
4.1.1.1. Hệ số co ngót khi thiêu kết 72
4.1.1.2. Tỉ phần co tuyến tính 72

9

4.1.1.3. Tỉ phần hao khi thiêu 73
4.1.1.4. Hệ số nở trở lại 73
4.1.1.5. Tỉ phần nén co tuyến tính 73
4.1.1.6. Tỉ phần co tuyến tính toàn phần 73
4.1.1. 7. Mật độ điền đầy khuôn 74
4.1.1. 8. Mật độ vật ép 74
4.1.1. 9. Tỉ số nén thể tích 74
4.1.2. Tính toán thiết kế máy ETT 74
4.1.2.1. Nguyên lý và cơ sở tính toán hệ thuỷ lực máy ETT 74

4.1.2.2. Tính toán thiết kế buồng áp suất 75
4.1.2.3 Tính toán thông số của bộ khuyếch đại áp suất 83
4.1.2.4. Tính toán lựa chọn bơm và các linh kiện cho hệ thủy lực 84
4.2. Tính toán thiết kế trang bị ép thủy động
85
4.2.1. Nguyên lý và cơ sở tính toán 85
4.2.2. Tính toán thiết kế buồng áp suất cao cho công nghệ ép thủy động 86
4.2.2.1. Tính toán đối với ống dày một lớp 86
4.2.2.2. Tính toán đối với ống dày nhiều lớp 87
4.2.3. Tính bền khuôn tạo hình 91
4.2.3.1. Tính bền phần côn của khuôn 91
4.2.3.2. Tính toán bền phần trụ tạo hình 93
4.2.4. Tính góc mở khuôn tối u 97
4.2.5. Tính toán lực ép đùn 98

Chơng 5: Kết quả nghiên cứu và một số hình ảnh về sản phẩm
101
5.1. Chế tạo phôi con tống khơng tuyến nòng súng 12,7mm
101
5.1.1. Đặc điểm của sản phẩm 101
5.1.2. Tính toán khuôn ép thủy tĩnh phôi con tống nòng súng 12,7mm 101
5.1.3. Tiến trình công nghệ 104
5.1.4. Kết quả và thảo luận 106
5.2. Chế tạo nón đồng cho đạn chống tăng
109
5.2.1. Đặc điểm sản phẩm 109
5.2.2. Chọn giải pháp công nghệ 110
5.2.3. Tính toán các kích thớc cơ bản của khuôn 111
5.2.4. Tiến trình công nghệ 113

10

5.2.5. Kết quả và thảo luận 114
5.3. Chế tạo bi nghiền bằng gốm Al
2
O
3

115
5.3.1. Đặc điểm sản phẩm 115
5.3.2. Chọn phơng án tính toán và thiết kế khuôn ép 116
5.3.3. Tiến trình công nghệ chế tạo bị nghiền 118
5.3.4. Kết quả và thảo luận 121
5.4. Chế tạo phôi ống dẫn sóng rađa PRV-16
123
5.4.1. Đặc điểm sản phẩm 123
5.4.2. Các bớc công nghệ chính để chế tạo ống dẫn sóng 123
5.4.3. Yêu cầu về vật liệu, dung sai, độ nhám và sai số hình dáng 125
5.4.4. Lựa chọn giải pháp công nghệ, tiến trình công nghệ 126
5.4.5. Tính toán thiết kế khuôn ép ống dẫn sóng 126
5.4.5.1. Tính toán áp suất trong quá trình ép 126
5.4.5.2. Tính toán thiết kế khuôn ép ống dẫn sóng 131
5.4.6. Bản vẽ thiết kế khuôn ép ống dẫn sóng 132
5.4.7. Kết quả và thảo luận 133
5.4.7.1. Khuôn ép ống dẫn sóng rađa PRV-16 133
5.4.7.2. Sản phẩm ống dẫn sóng rađa PRV-16 133
5.4.7.3. Khảo sát độ cứng 134
5.4.7.4. Xác định các thông số hình học 135
5.5. Chế tạo ống thành mỏng bằng công nghệ ép thủy động
137

5.5.1. Khảo sát phôi đầu vào
137
5.5.1.1. Khảo sát phôi hợp kim nhôm
137
5.5.1.2. Khảo sát phôi đồng
140
5.5.2. Các bớc công nghệ chính để chế tạo ống
142
5.5.3. Thiết kế khuôn tạo hình
143
5.5.4. Chuẩn bị phôi để chế tạo ống
144
5.5.5. Nghiên cứu vật liệu truyền áp
145
5.5.6. Khảo nghiệm đánh giá kết quả
148
5.5.6.1. Sản phẩm ống hợp kim nhôm
148
5.5.6.2. Sản phẩm ống đồng
153



11
5.6. Chế tạo phôi bánh răng mô duyn nhỏ
159
5.6.1. Đặc điểm của sản phẩm
159
5.6.2. Thực nghiệm và kết quả nghiên cứu
159

Chơng 6: Tính toán lựa chọn thiết bị và thiết kế, chế tạo
trang bị công nghệ
163
6.1. Máy ép thủy tĩnh
163
6.1.1. Tính toán lựa chọn máy ép thủy lực 300T 163
6.1.2. Bản vẽ thiết kế chế tạo trang bị công nghệ 165
6.1.3. Tài liệu quy trình công nghệ 165
6.2. Trang bị công nghệ ép thủy động
173
6.2.1. Tài liệu thiết kế 173
6.2.2. Tài liệu quy trình công nghệ 175

Kết luận và kiến nghị
180
Lời cảm ơn
182
Tài liệu tham khảo
183

12

Bảng một số ký hiệu quy ớc và chữ viết tắt


Kí hiệu Tên gọi Đơn vị đo
ETT
ép thủy tĩnh

ETD
ép thủy động

A, A
i
Diện tích mm
2
, cm
2

D Đờng kính làm việc mm, cm

v Chiều dầy mm, cm
h Chiều cao mm, cm
F, F
n
Lực N, kG
P, P
n
, P
i
áp suất kG/cm
2
, N/mm
2
MPa

ứng suất kG/cm
2
, N/mm
2
MPa
U
R
Kích thớc chu vi tiết diện mm
k Hệ số khuyếch đại


Hiệu suất

A

Hệ số hình dạng

Độ nhớt động học mPas

Khối lợng riêng g/cm
3
, kg/dm
3






13
tóm tắt

Những thử nghiệm sử dụng áp lực thủy tĩnh vào mục đích kỹ thuật đã có
từ rất lâu trớc khi ngời ta phát hiện ra ảnh hởng to lớn của nó đến tính chất
cơ học của kim loại và hợp kim. Trên thế giới, nhiều công trình khoa học
trong lĩnh vực này đã đợc các nhà khoa học cùng các công sự nghiên cứu,
cho thấy dới tác dụng của áp suất thủy, tĩnh tính dẻo của vật liệu tăng lên,
nhất là trong quá trình gia công có phối hợp các điều kiện khác nh: nhiệt độ,
tốc độ biến dạng... thì có thể đa một vật liệu giòn về trạng thái dẻo. Các
nghiên cứu trên đã mở ra hớng ứng dụng công nghệ ép thủy tĩnh và thuỷ
động (ETT-TD) vào lĩnh vực gia công áp lực.
ở trong nớc, hiện nay cha có cơ sở nào đầu t nghiên cứu cơ bản hoặc
áp dụng công nghệ ETT-TD trong gia công biến dạng. Để đáp ứng yêu cầu về
hiện đại hoá trong công nghiệp Quốc phòng và dân dụng, phát huy nội lực,
làm chủ công nghệ chế tạo các sản phẩm khó, công nghệ chế tạo vũ khí, khí

tài quân sự hiện đại, Đề tài KC.05.23 đã nghiên cứu công nghệ ETT-TD, nội
dung của Đề tài có ý nghĩa khoa học, công nghệ và thực tiễn phù hợp với nền
công nghiệp quốc phòng và dân dụng nớc nhà.

Công nghệ ETT-TD là một phơng pháp tạo hình sản phẩm trong đó môi
trờng thuỷ lực áp suất cao tác dụng lên bề mặt của vật liệu từ mọi phía với
cờng độ nh nhau, tuân theo định luật Pascal về tính đẳng hớng của môi
trờng chất lỏng và khí. Để tạo ra áp suất thủy tĩnh ngời ta có thể nén môi
trờng truyền áp suất trong khuôn kín hoặc hở bằng hệ thống tạo áp suất cao
hoặc nén trực tiếp bằng máy ép thuỷ lực, máy dập ....
Trang bị công nghệ ETT lắp trên máy ép 300 Tấn để ép tạo hình sản
phẩm trong luyện kim bột và trang bị công nghệ ETD lắp trên máy ép thuỷ
lực 630 tấn để triển khai công nghệ ETD do Đề tài thiết kế chế tạo, đã giải
quyết cơ bản những vấn đề mà các phơng pháp công nghệ khác khó đạt
đợc.

14
Trên cơ sở các thông tin khoa học công nghệ mới trong và ngoài nớc và
kinh nghiệm đợc tích luỹ, kế thừa từ các công trình nghiên cứu trong công
nghệ chế tạo vũ khí của Bộ Quốc phòng liên quan đến công nghệ ETT-TD, Đề
tài đã nghiên cứu các vấn đề cơ bản của lý thuyết, thiết bị, công nghệ, nghiên
cứu đặc trng vật liệu, tính năng của một số dạng sản phẩm cũng nh ứng xử
của vật liệu trong môi trờng áp suất cao. Từ đó lựa chọn giải pháp công nghệ,
xây dựng phơng án thiết kế, chế tạo trang bị công nghệ, thiết bị phụ trợ để
chế thử một số sản phẩm đặc thù của công nghệ này trong sản xuất Quốc
phòng. Trong quá trình nghiên cứu đã giải quyết các vấn đề nảy sinh. Thông
qua chế thử, khảo nghiệm sau chế thử để đánh giá sản phẩm.
Các sản phẩm công nghệ do Đề tài tạo ra gồm: Côn tống khơng tuyến -
đã đợc khảo nghiệm và áp dụng vào chế tạo nòng súng 12,7mm tại nhà máy
Z111; Bi nghiền chế tạo từ vật liệu gốm - đã đợc khảo nghiệm tại Trung tâm

Công Nghệ; Nón đồng trong đạn chống tăng B41 - đã đợc khảo nghiệm tại
nhà máy Z131 Tổng Cục CNQP, Phôi ống dẫn sóng rađa - đợc sử dụng cho
Đề tài cấp BQP: Chế tạo ống dẫn sóng rađa PRV-16; Các sản phẩm khác
nh phôi bánh răng moduyn nhỏ, ống đồng thành mỏng đợc đánh giá trong
phòng thí nghiệm của Trung tâm Công Nghệ, đạt chỉ tiêu kỹ thuật đã đề ra.
Kết quả đánh giá và khảo nghiệm cho thấy: các trang thiết bị và sản
phẩm của Đề tài có thể phục vụ tốt công tác nghiên cứu, có thể áp dụng trong
chế tạo các chi tiết có hình dạng phức tạp, tính chất cơ lý cao, đặc biệt là các
chi tiết trong vũ khí và dụng cụ đặc chủng trong sản xuất Quốc phòng.

15
Chơng 1
Tổng quan về công nghệ ép thủy tĩnh
và thuỷ động tạo hình sản phẩm


1.1. tổng quan về Công nghệ ép thuỷ tĩnh
Công nghệ gốm (hoặc công nghệ luyện kim bột) là công nghệ trong đó từ
các vật liệu vô cơ phi kim (hoặc kim loại) ban đầu ở dạng hệ hạt đa phân tán có
các đặc tính lu biến xác định, ngời ta tạo các chi tiết có hình dạng mong
muốn, sau đó bằng tác động nhiệt của quá trình thiêu kết làm đặc xít chúng và
do những biến đổi vật chất mà chi tiết đạt đợc các tính chất đặc biệt.
Trong công nghệ gốm và công nghệ luyện kim bột, tạo hình là một trong 4
công đoạn chính của quá trình sản xuất, trong đó tạo hình bằng phơng pháp ép
là phơng pháp tạo hình chính trong công nghệ luyện kim bột.

1. Tạo và chuẩn bị bột 2. Tạo hình 3. Thiêu kết 4. Hoàn thiện

Các phơng pháp tạo hình thờng áp dụng trong luyện kim bột:

- ép trong khuôn kín
- ép thuỷ tĩnh
- ép phun trong khuôn
- ép đùn
- ép động năng (dùng năng lợng nổ, điện từ...)
- Cán bột
- Đúc rót
- Các phơng pháp tạo hình khác.
Tạo hình bằng phơng pháp ép đợc tiến hành chủ yếu trong khuôn thép
kín, đây là phơng pháp phổ biến nhất trong công nghệ luyện kim bột, vì nó dễ
cơ khí hóa, tự động hóa, cho năng suất cao, hình dáng, kích thớc chi tiết có độ

16
chính xác cao, song phơng pháp ép bột trong khuôn kín cũng có nhiều nhợc
điểm nh: mật độ phân bố không đều trong toàn bộ vật ép, nhất là đối với vật ép
lớn, hình dáng phức tạp, vật ép có tỉ lệ chiều dài trên đờng kính lớn. Để khắc
phục các nhợc điểm nêu trên và tránh phải sử dụng các máy ép có công suất
đủ lớn cho ép tạo hình ngòi ta đã đa ra nhiều giải pháp, một trong những giải
pháp hữu hiệu đó là phơng pháp ép thuỷ tĩnh (ETT), phơng pháp này cho vật
ép có mật độ đồng nhất cao, vật ép không có texture mà không cần máy ép có
công suất lớn.

1.1.1. Nguyên lý ép thủy tĩnh


ép thuỷ tĩnh (Hydrostatic Press) là một phơng pháp tạo hình trong đó môi
trờng thuỷ lực, áp suất cao tác dụng lên bề mặt của vật liệu từ mọi phía với
cờng độ nh nhau, tuân theo định luật Pascal về tính đẳng hớng của môi
trờng chất lỏng và khí. Môi trờng truyền áp suất trong ETT thờng là chất
lỏng, trong một số trờng hợp ngời ta sử dụng chất khí, chất rắn hoặc vật liệu

đàn hồi. Để tạo ra áp suất thủy tĩnh ngời ta có thể nén môi trờng truyền áp
suất trong buồng kín - buồng ép thủy tĩnh (ETT), hay buồng áp suất cao bằng
cách dùng bơm cao áp kết hợp thiết bị khuyếch đại áp suất, hoặc dùng lực của
máy (ví dụ nh máy ép thủy lực) nén trực tiếp lên chày ép (Hình 1.1).

1.1.2. Vài nét về lịch sử phát triển công nghệ ép thuỷ tĩnh

Cơ sở của công nghệ (ETT) là lực ép qua một môi trờng (thờng là chất
lỏng) đợc nén với áp suất cao truyền đến chi tiết cần biến dạng, đợc bắt
nguồn từ một Patent của Anh năm 1893. Việc cần tạo đợc áp suất thủy tĩnh
cao đến 300 MPa, làm cho việc áp dụng thời đó không thể thực hiện đợc vì
vấn đề làm kín. Năm 1913 bản quyền patent với tiêu đề "Phơng pháp chế tạo
các loại gạch hình từ vật liệu chịu lửa" đợc trao cho H. D. Madden. Ông đã sử
dụng nguyên lý này để chế tạo các chi tiết có mật độ cao từ các kim loại khó
nóng chảy nh wolfram, molipden. Sau đó ngời ta đã ứng dụng ETT để chế tạo

17
các chi tiết có hình dáng phức tạp từ các loại vật liệu khác. Việc áp dụng
nguyên lý ETT để tạo hình và làm đặc xít vật liệu bột đạt đợc tiến bộ đáng kể
vào những năm 30 và 40 của thế kỷ trớc do hoàn thiện đợc trang thiết bị tạo
áp suất cao và tạo đợc các chi tiết có độ bền lớn.

Trong ép tạo hình sản phẩm từ vật liệu bột hớng phát triển và các ứng
dụng sau đây đã đợc thực hiện
ép thuỷ tĩnh các sản phẩm chịu nhiệt có kích thớc lớn nh gạch xây lò
bể, nồi nấu thủy tinh, kim loại v.v... Tạo hình các chi tiết có hình dáng phức
tạp, đặc biệt các chi tiết có giá trị sử dụng cao nh miệng rót thép hoặc hệ thống
cấp liệu cho bể nấu thủy tinh.
Tạo hình các ống có kích thớc khác nhau từ các vật liệu chịu nhiệt.
ép tạo hình các chi tiết bằng gốm đặc biệt và các sản phẩm nhỏ, mật độ
và độ bền đồng đều và cao với năng suất lớn nh bugi cho ôtô, xe máy.
ép tạo hình các khối trụ tròn kích thớc lớn để gia công tiếp thành các
sứ cách điện.
Cuối những năm 70 đầu những năm 80 của thế kỷ 20 một phơng pháp
ETT mới ra đời - Phơng pháp ép nóng thuỷ tĩnh (Hot isostatic Pressing - HIP),
1. Chày ép
2. Khuôn áp suất cao
3. Môi trờng truyền áp suất
4. Vật liệu ép
5. Khuôn vỏ mỏng đàn hồi
Hình 1.1- Sơ đồ nguyên lý ép thủy tĩnh
5

18
sau đó là phơng pháp thiêu kết bằng ép nóng đẳng tĩnh (Sinter- HIP method).
Trong các phơng pháp này ngời ta tạo đợc nhiệt độ trên 2000

0
C và áp suất
trên 2000 at trong buồng kín để chế tạo các vật liệu đặc biệt nh: vật liệu gốm,
composite, hợp kim đặc biệt.
Song song với việc phát triển khả năng ứng dụng, việc phát triển máy móc
và thiết bị kỹ thuật đặc biệt cho các hệ thống áp suất cao cũng đợc quan tâm
và đạt đợc các thành tựu to lớn.
1.1.3. Phân loại trong công nghệ ép thủy tĩnh
Hiện nay ETT đợc áp dụng trong hai lĩnh vực chủ yếu là ép tạo hình các
loại vật liệu bột và ép biến dạng tạo hình sản phẩm từ kim loại và hợp kim.
Công nghệ ETT tạo hình các sản phẩm từ vật liệu bột còn đợc gọi là phơng
pháp ép đẳng tĩnh (Isostatic Press).
Thông thờng có một số phơng án phân loại nh sau:
a. Theo môi trờng truyền áp:
- ép thủy tĩnh môi trờng khí.
- ép thủy tĩnh môi trờng chất lỏng
- ép thủy tĩnh môi trờng giả lỏng (thờng là chất lỏng có độ nhớt rất cao
hoặc các chất có độ đàn hồi lớn nh mỡ khoáng, cao su, nhựa PVC, PE, PU...).
b. Theo nhiệt độ làm việc:
- ép thủy tĩnh nguội (Cold Isostatic Pressing CIP): Quá trình tiến hành
không có gia nhiệt phôi và môi trờng áp suất .
- ép thủy tĩnh ấm (Warm Isostatic Pressing): Quá trình tiến hành ở nhiệt
độ 80
0
Cữ500
0
C
- ép nóng thủy tĩnh: Quá trình tiến hành ở nhiệt độ cao có thể đến 1500
0
C

hoặc cao hơn nữa.
c. Theo dạng của dụng cụ đợc sử dụng:
- Phơng pháp khuôn ớt (wet bag)-Hình 1.2.

19





1. Nắp buồng áp suất
2. Vật liệu bột
3. Môi trờng truyền áp
(dầu cao áp)
4. Buồng áp suất
5. Khuôn đàn hồi
6. Đáy buồng áp suất






Hình 1.2- Khuôn ép thuỷ tĩnh ớt


Khuôn đàn hồi đợc điền đầy vật liệu ép, đợc làm kín, và đợc ép. Do áp
suất đẳng tĩnh của môi trờng ép tác động lên vỏ khuôn từ mọi phía nên vật liệu
đợc tạo hình. Phơng pháp này phù hợp với áp suất ép cao (hàng trăm MPa) và
vật ép lớn. Nó cũng rất thích hợp cho điều kiện tạo hình thay đổi. Thời gian

thao tác có thể đến nhiều phút.
- Phơng pháp khuôn khô (dry bag) - Hình 1.3
Khuôn đàn hồi đợc gắn chặt vào buồng ép. Vật liệu đợc điền đầy khuôn
trong buồng ép. áp suất đợc tạo ra trong khoảng không gian phù hợp với hình
dáng của vật ép, áp suất này nhỏ hơn ở vùng hệ thống làm kín khuôn, tức là
vùng chày ép. Nh vậy đã xác lập điều kiện gần nh ép khô. Bằng phơng pháp
khuôn khô ta có thể đạt đợc vật ép thành tơng đối mỏng. Trong phơng pháp
khô, trái với phơng pháp ớt, với cùng một áp suất ép có thể đạt đợc mật độ
ép cao hơn.
Dầu cao áp vào Xả E
Thoát khí

20














1.1.4. Các u nhợc điểm của công nghệ ép thuỷ tĩnh
u điểm của công nghệ ETT:

- Đạt đợc độ đồng nhất cao về mật độ trong vật ép.
- Khả năng tạo hình các vật liệu bột khó ép, mà các phơng pháp tạo hình
truyền thống đã bị giới hạn về năng suất và chất lợng.
- Việc sử dụng các hạt rời với độ ẩm nhỏ sẽ giảm quá trình sấy. Việc đó sẽ
giảm đợc thời gian và chi phí để sản xuất các chi tiết gốm một cách đáng kể.
- Việc đạt đợc mật độ cao trong quá trình ép sẽ dẫn đến việc giảm đáng
kể hiện tợng nứt khi sấy và hiện tợng nứt khi nung. Cùng với u điểm đó
phơng pháp ETT cho phép tăng đợc khối lợng và độ phức tạp của vật ép.
- Do áp suất tác dụng đều trong quá trình ép, nên qúa trình đặc xít vật ép
đạt đợc đều, làm cho vật ép có tính đồng nhất và hầu nh không có texture.
- Ngoài ra có thể chế tạo đợc các chi tiết rất đặc xít có hình dạng bất kỳ.
Hình 1.3- Sơ đồ ép thuỷ tĩnh khuôn khô
Dầu cao á
p
1- Bột 5-Môi trờng truyền áp
2- Buồng áp suất (Dầu cao áp)
3- Túi đàn hồi 6- Sản phẩm
4- Chày đối áp 7- Van cao áp

21
Nhợc điểm của công nghệ ETT:

Thể tích vật liệu khi tạo hình trong vỏ khuôn đàn hồi đối với vật liệu gốm
hạt mịn giảm 20-40% còn đối với vật liệu gốm hạt thô giảm 10-20%. Điều đó
có thể dẫn đến sự sai khác về hình dạng của vật ép. Nói chung trong lĩnh vực vỏ
khuôn đàn hồi, không tạo đợc sản phẩm có biên dạng sắc nét. Đối với vật liệu
hạt thô, thậm chí bề mặt vật ép không phẳng nhẵn, có thể loại trừ nhợc điểm
đó bằng cách gia công lại vật ép.
Giới hạn của công nghệ ETT
: Do áp suất thuỷ tĩnh cao áp đợc tạo ra trong

buồng kín thông qua môi trờng là dầu thuỷ lực hoặc một số loại môi trờng
giả lỏng khác, việc tăng áp suất thờng giới hạn dới 500MPa vì vậy ETT đợc
ứng dụng trong công nghệ gốm, công nghệ luyện kim bột hoặc ứng dụng trong
biến dạng tạo hình một số loại sản phẩm có hình dạng phức tạp từ phôi dạng
tấm hoặc dạng ống mỏng.

1.1.5. Các hiện tợng xẩy ra trong qua trình ép thuỷ tĩnh.
1.1.5.1. Quá trình đặc xít và các đặc tính đặc xít của vật ép.
Do tác dụng đều ở mọi phơng của áp suất trong phơng pháp ETT dẫn
đến việc đặc xít đồng đều của vật ép. Thất thoất áp suất do ma sát giữa bột và
thành khuôn là không đáng kể, khác cơ bản với phơng pháp ép trong khuôn
kín. Sự thất thoát áp suất do ma sát trong giữa các hạt bột là hiện hữu và có thể
dẫn đến gradient áp suất giữa phần ngoài và phần trong của vật ép và dẫn đến sự
khấc nhau về mật độ giữa các vùng. Tuy nhiên do sự trợt không đáng kể của
các hạt rắn trong qúa trình ép, kết quả xoay hạt đều theo hớng tâm vật ép mà
ma sát trong là nhỏ vì vậy sự sai khác về mật độ không lớn. Ví dụ vật ép từ
caolin hoặc từ vật liệu sứ sau khi ETT ở áp suất >100 MPa có sự khác biệt về
mật độ đo đợc < 0,01g/cm
3
nằm trong sai số của phép đo. Cho thêm các chất
bôi trơn vào vật liệu ép làm giảm tiếp sự sai khác về mật độ. Ngoài ra trong ép
tạo hình bằng công nghệ ETT không gặp hoặc hầu nh không có vết của sự
hình thành texture. Đó là do không có sự khác nhau về mật độ cũng nh sự định
hớng của các hạt rắn dị hớng.

22
Đờng cong xít chặt vật ép cho phép khẳng định: ngay đối với việc ép
bằng công nghệ ETT vật liệu gốm, với áp suất tăng dần ta cũng gặp sự giảm dần
của mức độ tăng mật độ. Đã có hàng loạt các công trình mô tả hàm số các
đờng cong đặc xít và nhiều phơng trình thực nghiệm đã đợc xác lập - Bảng

1.1 và 1.2 trình bày một số trong các phơng trình đó. Phơng trình của Heckel
thể hiện khá tốt quan hệ hàm số cho trờng hợp ETT phơng pháp ớt khi áp
suất ép lớn hơn 20 MPa.
p
12
p
v
n ( ) c .p + c
vv

=

l

Đối với phơng pháp ETT khô phơng trình của Kawakita với các hằng
số cải tiến C
3
và C
4
cho kết quả tốt hơn cả:
0p
v
v343 0
vv
p1p
; c
cc.cc v

=+ =

Bảng 1.1- Tổng hợp các đẳng thức tính cho quan hệ mật độ/áp suất
Tác giả Đẳng thức (phơng trình)
Ballhasen
12
p
v
n c .p c
vv


=+

l

Heckel
p
34
p
v
n=c.p + c
v-v

l

Fuhrer
(v
p
-v

) (p+c
5
) = C
6

Cooper và Eaton
0p
7
0
v-v
c8 e10
c .exp(- )+c9.exp(- )=
ppv-v


Kawakita
0p
11 12
012
v-v
c.c-p
=
v1+c.p

Ghi chú: P: áp suất ép, V
p
: thể tích vật ép ở áp suất P, V

thể tích vật ép ở
áp suất vô cùng lớn, V

o
thể tích đống của vật liệu ép. c
1
- c
12
các hằng số
thực nghiệm.

23
Bảng 1.2- Tập hợp các phơng trình tính toán cho quan hệ giữa bớc tiến của
chày và áp suất
Tác giả Phơng trình tính toán
Ballhausen
13 14
x
n( )=c .p+c
1-x
l

Fuhrer
15 16 17
(p+c ).(x-c )=c

Bouchner
c18
0
h
p.( ) =const
h

18 19
0
h
np = c . n( ) = nc
h
lll

Montgomery p = c
20
.x
C21
Jones
2
22 23
vp
n=-c .( ) +c
v

l

Balshin
2524
c
v
v
cnp
p
+

=

).(
l

Ghi chú: c
13
-c
25
các hằng số thực nghiệm, h-chiều cao đong, h
0
chiều cao vật ép

Các tính chất của vật ép nh mật độ và độ bền phụ thuộc vào độ lớn của áp
suất thuỷ tĩnh. Trong khoảng áp suất 100-200 MPa có thể đạt đợc 65-75% mật
độ lý thuyết đối với vật liệu gốm quắc- đất sét phụ thuộc vào độ ẩm của vật liệu
ép. Trong đó về cơ bản, đồ bền uốn lớn hơn 2 MPa đủ để gia công tiếp theo. Để
ép vật liệu hạt thô cần áp suất 100-400 MPa, trong đó nếu có đợc sự phân bố
hạt hợp lý của vật liệu ép, thì có thể đạt đợc mật độ tới 85% mật độ lý thuyết.
Đờng cong đặc xít cũng giống nh trong trờng hợp ép khô và phụ thuộc
vào hàng loạt các thông số. Nhiều khi tính chất của vật liệu ép có ảnh hởng rất
lớn thí dụ nh độ ẩm.
Đối với mỗi vật liệu ép có một khoảng độ ẩm tối u. Việc thêm các phụ
gia ép nh chất bôi trơn làm tách hạt có ý nghĩa quan trọng. Tác dụng của độ
ẩm và phụ gia ép phù hợp với kết quả đo đạc và tính toán theo phơng trình của
Jones (xem bảng 1.2). Phơng trình tính toán này cho phép phân biệt rõ đờng
cong ép phụ thuộc các thông số độ ẩm và chất bôi trơn. Quan hệ phụ thuộc cụ
thể đợc trình bày trong bảng 1.3. Phơng pháp để tính quan hệ đờng cong ép
dựa trên cơ sở vật lý đợc trình bày trong công trình của Thomson.

24
Bảng 1.3- Số liệu cho phơng trình tính toán theo Jones đối với

bột gốm có độ ẩm và phụ gia khác nhau:
Phơng trình tính toán:
2
p
n
0
Ơ1
v
lp
= a -
va




Hệ số Hệ số kết nối Thông số
a
0
a
1
r
2

0.2
Độ ẩm [%] 1.0
2.5
6,00
6,14
6,09
0,98

1,30
1,49
0,992
0,996
0,999
Chất phụ gia [%]
0.3 PVA 6,05 1,24 0,997
0.5 oxidwachs 6,15 1,57 0,997
0.2 PVA+0.5 oxidwachs 6,10 1,49 0,996

1.1.5.2. ảnh hởng của điều kiện ép
Các điều kiện ép nh trang bị ép, thời gian ép, thời gian giữ áp có ảnh
hởng đến đờng cong ép. Sự thay đổi tốc độ ép, không có ảnh hởng đáng kể
đến kết quả ép. Trang bị ép về cơ bản do thiết bị và vật ép quy định. Tăng áp
đến khoảng 30 MPa độ đặc xít đạt gần 75%. Sự giảm thể tích lớn nhất xảy ra
trong khoảng áp suất này. Sự tăng áp suất ép có ý nghĩa quan trọng đối với tính
chất vật ép.
Tốc độ tăng áp lại phụ thuộc vào lợng không khí hoặc lợng khí chứa
trong đống hạt vật liệu ép. Trong quá trình ETT, vật liệu ép chứa trong vỏ
khuôn ép kín, không khí chứa trong vật liệu ép, không thoát ra ngoài đợc, bị
nén lại. Có thể giảm hoặc loại trừ không khí trong các lỗ xốp bằng các biện
pháp sau:
Giảm độ ẩm của vật liệu
Tăng mật độ lắc của vật liệu trong khuôn bằng cách đầm trớc các hạt
trong khuôn, lắc hoặc chọn phân bố cấp hạt tối u.
Hút chân không vỏ khuôn đã điền đầy.

25
Do không thể loại trừ hoàn toàn khí trong các lỗ xốp vì vậy việc chọn tốc
độ tăng và xả áp đóng vai trò quan trọng. Để lựa chọn đợc đờng cong ép và

xả áp phải chú ý hai khoảng áp suất ở các thời điểm:
Khi thoát khuôn đàn hồi khỏi bề mặt của vật ép, vì khi đó bề mặt vật ép
sẽ có ứng suất cắt và gây vết nứt.
Khử ứng suất trong vật ép do không khí bị nén sẽ nở ra khi giảm áp suất.
áp suất khí trong lỗ xốp đợc định nghĩa là:
P
tw
=P

P

.
Trong đó: P

áp suất không khí trong lỗ xốp ở giữa vật ép.
P

áp suất không khí trong lỗ xốp ở rìa vật ép tơng ứng với
áp suất đẳng áp tác dụng từ phía ngoài.
Thời gian cực trị t
E
để giải áp có thể xác định nh sau:
a
E
m
v
t
v
=

Trong đó: V
a
: Thể tích không khí thoát ra khỏi lỗ xốp.
V
m
: Thể tích thoát khí trung bình trong quá trình giảm áp.
Thời gian cực trị t
E
tăng đối với vật ép lớn và giảm khi áp suất thuỷ tĩnh tăng
Độ giảm áp đợc điều chỉnh trong khoảng áp suất < 5 MPa là cần thiết
khi không hút khí trớc khi ép.
Bằng cách giữ áp suất lâu có thể tăng đợc mật độ và cơ tính của vật ép.
Nhng hiệu quả đó còn phụ thuộc vào tính chất của vật liệu ép và độ lớn của áp
suất. Thời gian giữ áp kéo dài tác động làm tăng mật độ, điều đó đặc biệt đúng
với vật liệu dẻo. Đối với vật liệu làm sứ khả năng đạt đợc hiệu qủa cao trong
khoảng giữ áp suất ép không lớn. Thời gian giữ áp thờng không vợt 60s. Đối
với các chi tiết nhỏ nh phần sứ cách điện của bugi thời gian giữ áp dới 1s.
1.1.5.3. Hiện tợng nở trở lại của vật ép.
Hiện tợng nở lại sau khi ETT đó là hiện tợng tăng thể tích của vật ép sau
khi xả áp, hiện tợng này xẩy ra do các nguyên nhân sau:
- Tính đàn hồi của vật ép ngay khi tháo vật ép ra khỏi khuôn giống nh khi

26
ép trong khuôn kín.
- Hiện tợng nở trở lại đàn hồi kéo dài theo thời gian đặc biệt trong trờng
hợp ép bằng đẳng tĩnh. Nó chiếm tới 25% của độ nở trở lại đàn hồi tổng.
Xác dịnh độ nở trở lại của vật ép đóng vai trò quan trọng trong việc tạo vật
ép có hình dáng và kích thớc chính xác. Độ nở trở lại đợc xác định bằng thực
nghiệm. Theo Mc. Entire độ nở trở lại của vật liệu gốm nằm trong khoảng 0,1%
0,3% kích thớc danh định.

1.2. Tổng quan về công nghệ ép thuỷ động
1.2.1. Gia công biến dạng bằng công nghệ ép thủy động
Một dạng gia công biến dạng khác cũng đợc sử dụng phổ biến đối với các
nhóm chi tiết kiểu thiết diện đều và dài. Theo công nghệ truyền thống các chi
tiết dạng ống, dạng trục, dạng sợi mảnh, bánh răng... đợc gia công bằng
phơng pháp ép đùn, ép chảy thông thờng hoặc gia công cắt gọt. Với các
phơng pháp gia công này không tiết kiệm đợc vật liệu, kinh phí chế tạo cao,
tuổi thọ của khuôn mẫu thấp do ma sát giữa khuôn và vật liệu gia công lớn.
Để khắc phục nhợc điểm nêu trên ngời ta đã sử dụng phơng pháp ép
đùn trong khuôn ép thủy động (ETD) để tạo ra sản phẩm. Sau khi tạo phôi sơ
bộ, cho phôi vào trong buồng ép, dới tác dụng của áp suất cao trong buồng ép
vật liệu đợc ép đều từ các hớng và đợc đùn ra ngoài qua khuôn với Profin
tùy theo hình dạng của lỗ khuôn (hình 1.4b).
1.2.2. Các đặc điểm của ép thủy động
Trong ETD phôi không tiếp xúc trực tiếp với khuôn cũng nh buồng áp
suất, môi trờng truyền áp không những tạo ra áp suất cao để ép lên phôi mà
còn tạo ra màng ngăn cách giữa sản phẩm và lỗ hình, làm giảm ma sát một cách
đáng kể. Lực ma sát không phụ thuộc vào chiều dài phôi ép (theo phơng pháp
ép đùn bình thờng lực ma sát tăng theo độ dài của phôi ép). Có thể thấy rõ tính
u việt của phơng pháp gia công mới này trên cơ sở so sánh hai phơng pháp
nêu trên (xem hình 1.4).

27

Ngoài ra với tỉ lệ biến dạng cao cỡ 90% có thể tạo ra màng dầu bôi trơn
thủy động giữa bề mặt phôi và khuôn hình, lỗ hình do vậy nâng cao độ bền mòn
của khuôn lên nhiều lần, tăng chất lợng bề mặt của sản phẩm, giảm ma sát.
Đặc biệt với phơng pháp ép thủy động, áp lực ép lên sản phẩm giảm khoảng
40%, cơ tính của sản phẩm tăng khoảng 35% so với ép đùn thông thờng.
Phơng pháp ép thủy động còn cho phép ép đùn các chi tiết có độ dài bất kỳ và
hình dạng sản phẩm phức tạp, có rãnh xoắn và nghiêng. Tùy thuộc vào thiết kế
công nghệ và khuôn ép, bằng công nghệ này có thể ép ra các chi tiết dạng đặc
(Hình 1.5) và dạng rỗng (Hình 1.6).
1.2.3. Sản phẩm của phơng pháp ép thủy động

Sản phẩm của phơng pháp ép thủy động khá đa dạng nh:
Thanh thiết diện ngang phức tạp với chiều rộng b=0,7-0,8 mm, tỉ lệ giữa
chiều rộng và chiều cao của mặt cắt đạt tới 40-50 lần.
ống nhỏ có
min
20mm, =0,5 - 1mm.
Hình 1.4- So sánh phơng pháp ép đùn trong khuôn ép thông thờng (a)
và phơng pháp ép đùn theo công nghệ ép thủy động (b)

F (lực ép)
F

F
F
(lực
é)
a)
b)
1. Chày ép
2. Vật liệu
3. Khuôn
4. Môi trờng truyền áp