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

Chia sẻ: Phong Tỉ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:114

Thêm vào BST

Báo xấu

44
lượt xem 5
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục đích nghiên cứu của luận án "Nghiên cứu ảnh hưởng của một số thông số công nghệ và kích thước hình học cối đến khả năng tạo hình trong dập thủy tĩnh phôi tấm" nhằm nghiên cứu ảnh hưởng của một số thông số công nghệ và kích thước hình học cối đến khả năng tạo hình trong dập thủy tĩnh phôi tấm.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận án tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu ảnh hưởng của một số thông số công nghệ và kích thước hình học cối đến khả năng tạo hình trong dập thủy tĩnh phôi tấm

LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là đề tài nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả nêu trong luận án là trung thực và chưa được tác giả khác công bố. Hà Nội, 15 tháng 10 năm 2018 Người hướng dẫn khoa học Nghiên cứu sinh PGS.TS. Nguyễn Đắc Trung Nguyễn Thị Thu i
LỜI CẢM ƠN Tôi xin chân thành cảm ơn Ban giám hiệu Trường Đại học Bách khoa Hà Nội đã cho phép tôi có thể thực hiện luận án tại Trường Đại học Bách khoa Hà Nội. Tôi xin cảm ơn Viện Đào tạo Sau đại học, Viện Cơ khí và Bộ môn Gia công áp lực Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội đã luôn tạo điều kiện thuận lợi nhất trong suốt quá trình tôi làm luận án. Tôi xin chân thành cảm ơn PGS.TS. Nguyễn Đắc Trung đã tận tình hướng dẫn tôi về chuyên môn để tôi có thể thực hiện và hoàn thành luận án. Tôi xin cảm ơn Phòng Đo lường - Viện Tên Lửa, Viện IMI, Bộ môn Gia công áp lực - Học viện Kỹ thuật quân sự, Viện Công Nghệ thuộc Tổng cục công nghiệp Quốc phòng, đã tạo điều kiện giúp đỡ và cho phép sử dụng các thiết bị, cảm biến đo các thông số công nghệ phục vụ thu thập và xử lý tín hiệu trong thực nghiệm. Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến các thầy phản biện, các thầy trong hội đồng chấm luận án đã đọc và cho những ý kiến quý báu để tôi có thể hoàn chỉnh luận án và định hướng nghiên cứu trong tương lai. Cuối cùng tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới gia đình và bạn bè, đồng nghiệp đã động viên khuyến khích tôi trong suốt thời gian tôi tham gia nghiên cứu và thực hiện công trình này. Nghiên cứu sinh Nguyễn Thị Thu ii
MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ................................................................................................................... I LỜI CẢM ƠN........................................................................................................................ II DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT.......................................................... VI DANH MỤC CÁC BẢNG ................................................................................................. VII DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ..................................................................... VIII MỞ ĐẦU ............................................................................................................................... 1 1. Lý do lựa chọn đề tài .................................................................................................. 1 2. Mục đích, đối tượng và phạm vi nghiên cứu của luận án ....................................... 1 3. Phương pháp nghiên cứu ........................................................................................... 2 4. Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn...................................................................... 2 5. Các đóng góp mới của luận án .................................................................................. 3 6. Bố cục của luận án ...................................................................................................... 3 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ DẬP TẠO HÌNH BẰNG CHẤT LỎNG CAO ÁP.................................................................................................................... 4 1.1. Khái quát công nghệ dập bằng chất lỏng cao áp ....................................................... 4 1.1.1 Công nghệ dập thủy cơ ............................................................................................. 4 1.1.2 Công nghệ dập thủy tĩnh .......................................................................................... 5 1.2. Tổng quan về kết quả nghiên cứu về công nghệ dập thủy tĩnh phôi tấm................ 9 1.2.1 Trên thế giới ............................................................................................................ 10 1.2.2. Tại Việt Nam ......................................................................................................... 19 1.3. Phân tích đánh giá các nghiên cứu hiện nay ............................................................ 19 1.4. Cơ sở lý thuyết về dập thủy tĩnh phôi tấm ............................................................... 20 1.4.1 Quá trình DTT phôi tấm ......................................................................................... 20 1.4.2 Giai đoạn biến dạng tự do ....................................................................................... 22 1.4.3 Giai đoạn điền đầy lòng cối .................................................................................... 26 1.4.4. Thông số hình học khuôn, phôi ............................................................................. 28 1.5. Xác định mục tiêu và đối tượng nghiên cứu của luận án........................................ 29 Kết luận chương 1 ............................................................................................................. 30 CHƯƠNG 2. NGHIÊN CỨU BẰNG MÔ PHỎNG SỐ QUÁ TRÌNH DẬP THỦY TĨNH PHÔI TẤM ......................................................................................................................... 31 2.1. Mô phỏng số trong gia công áp lực ........................................................................... 31 2.1.1. Giới thiệu về mô phỏng số ..................................................................................... 31 iii
2.1.2. Ưu điểm của mô phỏng số ..................................................................................... 31 2.1.3. Xác định, lựa chọn phần mềm mô phỏng số.......................................................... 32 2.2 Nghiên cứu quá trình dập thủy tĩnh phôi tấm với phần mềm Dynaform .............. 32 2.2.1 Lựa chọn chi tiết ..................................................................................................... 32 2.2.2. Vật liệu phôi........................................................................................................... 33 2.2.3. Thiết lập bài toán ................................................................................................... 33 2.2.4 Các thông số đầu vào và đầu ra của bài toán mô phỏng ......................................... 35 2.2.5 Xác định miền áp suất chặn thích hợp .................................................................... 36 2.2.6 Khảo sát quan hệ giữa áp suất chặn Qch và áp suất tạo hình Pth ............................. 39 2.2.7 Khảo sát quan hệ áp suất chặn Qch với bán kính sản phẩm Rd................................ 41 2.2.8. Khảo sát ảnh hưởng của áp suất chặn Qch đến mức độ biến mỏng lớn nhất γmax của sản phẩm .............................................................................................................................. 47 Kết luận chương 2 ............................................................................................................. 51 CHƯƠNG 3. HỆ THỐNG VÀ PHƯƠNG PHÁP ĐÁNH GIÁ THỰC NGHIỆM ...... 53 3.1 Xây dựng hệ thống thực nghiệm ................................................................................ 53 3.1.1. Khuôn thực nghiệm ............................................................................................... 54 3.1.2. Bộ cấp chất lỏng cao áp ......................................................................................... 58 3.1.3. Máy ép thủy lực ..................................................................................................... 58 3.1.4. Hệ thống đo thông số công nghệ ........................................................................... 59 3.2. Lắp ráp kết nối hệ thống thực nghiệm ..................................................................... 61 3.3 Các chỉ tiêu đánh giá hệ thống thực nghiệm ............................................................. 62 3.4. Các chỉ tiêu đánh giá chất lượng sản phẩm ............................................................. 62 3.5. Thử nghiệm và so sánh với kết quả mô phỏng số .................................................... 63 Kết luận chương 3 ............................................................................................................. 68 CHƯƠNG 4. NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM CÔNG NGHỆ DẬP THỦY TĨNH PHÔI TẤM ......................................................................................................................... 69 4.1 Giới thiệu về phương pháp quy hoạch thực nghiệm ................................................ 69 4.2 Xác định các yếu tố đầu vào và đầu ra của bài toán thực nghiệm .......................... 69 4.3 Xây dựng mối quan hệ toán học giữa các thông số (Qch, H*, S*) và (Rd, γmax, Pth) 73 4.3.1. Nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số (Qch, H*, S*) đến bán kính đáy Rd của sản phẩm ..................................................................................................................................... 73 4.3.2 Nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số (Qch, H*, S*) đến mức độ biến mỏng lớn nhất của sản phẩm γmax......................................................................................................... 82 iv
4.3.3 Nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số (Qch, H*, S*) đến áp suất chất lỏng tạo hình Pth ......................................................................................................................................... 86 Kết luận chương 4 ............................................................................................................. 91 KẾT LUẬN CHUNG VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ....................................................... 93 TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................................... 95 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ ......................................................... 103 v
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT TT Ký hiệu Diễn giải Đơn vị 1 Do Đường kính phôi mm 2 d Đường kính chi tiết mm 3 hi Chiều sâu hiện thời của cối mm 4 H* Chiều sâu tương đối của chi tiết cối (%) 5 Qch Áp suất chặn phôi bar 6 Pth Áp suất tạo hình bar 7 Qch’ Lực chặn phôi kN 8 Rmc Bán kính lượn tại miệng cối mm 9 Rm Bán kính lượn tại miệng sản phẩm mm 10 Rdc Bán kính lượn đáy cối mm 11 Rd Bán kính lượn tại đáy sản phẩm mm 12 S0 Chiều dày phôi ban đầu mm 13 S* Chiều dày tương đối của phôi (%) 14 Si Chiều dày sản phẩm tại vị trí đo i mm 15 γ Mức độ biến mỏng % 16 γ max Mức độ biến mỏng lớn nhất % 17 µ Hệ số ma sát 18 σm Ứng suất bền MPa 19 σf Ứng suất chảy MPa 20 σρ Ứng suất hướng kính MPa 21 σθ Ứng suất tiếp tuyến MPa 22 σz Ứng suất hướng trục MPa 23 GCAL Gia công áp lực 24 DTT Dập thủy tĩnh 25 DTC Dập thủy cơ 26 METL Máy ép thủy lực 27 MPS Mô phỏng số 28 PTN Phòng thí nghiệm 29 HPF Dập tạo hình sử dụng nguồn chất lỏng áp suất cao 30 QHTN Quy hoạch thực nghiệm vi
DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 2. 1 Thành phần hóa học của thép DC04 [46] ........................................................... 33 Bảng 2. 2 Đặc tính kỹ thuật của thép DC04 [46] ................................................................ 33 Bảng 2. 3 Thông số phôi...................................................................................................... 35 Bảng 2. 4 Thông số của cối chất lỏng ................................................................................. 35 Bảng 2. 5 Thông công nghệ số đầu vào trong quá trình tạo hình ........................................ 36 Bảng 2. 6 Các thông số mục tiêu đầu ra trong quá trình tạo hình ....................................... 36 Bảng 2. 7 Các miền giá trị khảo sát của áp suất chặn và áp suất tạo hình .......................... 38 Bảng 2. 8 Số liệu áp suất tạo hình trong trường hợp S* = 0.73 .......................................... 39 Bảng 2. 9 Số liệu áp suất tạo hình trong trường hợp S* = 0.91 .......................................... 40 Bảng 2. 10 Số liệu áp suất tạo hình trong trường hợp S* = 1.09 ........................................ 40 Bảng 2. 11 Bán kính đáy sản phẩm khi S* =0.73 và H*=23 ............................................... 42 Bảng 2. 12 Bán kính đáy sản phẩm khi S* =0.73 và H*=26; 29 ........................................ 43 Bảng 2. 13 Bán kính đáy sản phẩm khi S* =0.91 và H*=23;26; 29 ................................... 44 Bảng 2. 14 Bán kính đáy sản phẩm khi S* =1.09 và H*=23;26; 29 ................................... 45 Bảng 2. 15 Mức độ biến mỏng khi DTT trên cối có H* =23 .............................................. 48 Bảng 2. 16 Mức độ biến mỏng khi DTT trên cối có H* =26 .............................................. 50 Bảng 2. 17 Mức độ biến mỏng khi DTT trên cối có H* =29 .............................................. 50 Bảng 3. 1 Thông số bộ tăng áp CP-70 ................................................................................. 58 Bảng 3. 2 Thông số đầu vào của trường hợp mô phỏng...................................................... 63 Bảng 3. 3 Thông số đầu ra của sản phẩm ............................................................................ 63 Bảng 3. 4 Kết quả thử nghiệm ............................................................................................. 67 Bảng 3. 5 Kết quả so sánh các chỉ số giữa MPS và thực nghiệm........................................ 67 Bảng 4. 1 Các yếu tố đầu vào và đầu ra của bài toán thực nghiệm ..................................... 71 Bảng 4. 2 Bảng ma trận thực nghiệm .................................................................................. 71 Bảng 4. 3 Bảng kết quả đo................................................................................................... 73 Bảng 4. 4 Các giá trị bj ........................................................................................................ 74 Bảng 4. 5 Bảng các giá trị S2 (bj) ........................................................................................ 75 Bảng 4. 6 Bảng các giá trị 𝑏𝑗/ 𝑆𝑏𝑗 ...................................................................................... 75 Bảng 4. 7 Bảng so sánh kết quả tính toán và kết quả thực nghiệm ..................................... 76 vii
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ Hình 1. 1 Sơ đồ phân loại công nghệ dập tạo hình bằng chất lỏng cao áp [24] .................... 4 Hình 1. 2 Sơ đồ các bước dập thủy cơ [87] ........................................................................... 4 Hình 1. 3 Sơ đồ quá trình tạo hình thủy tĩnh phôi tấm [66] .................................................. 5 Hình 1. 4 Dập thủy tĩnh thanh B của xe ôtô trên máy ép thủy lực [60] ................................ 7 Hình 1. 5 Dập thủy tĩnh cặp phôi tấm [38] ............................................................................ 7 Hình 1. 6 Dập thủy tĩnh phôi ống [85] .................................................................................. 8 Hình 1. 7 Mối quan hệ giữa áp suất và bán kính trong DTT phôi ống [85] .......................... 8 Hình 1. 8 Sản phẩm hệ thống xả trong ôtô được chế tạo bằng: ............................................. 9 Hình 1. 9 Sơ đồ nguyên lý các trường hợp dập tạo hình (a) và mặt cắt sản phẩm (b) [32] 12 Hình 1. 10 Đường lực chặn tối ưu đối với chi tiết cầu [64] ................................................ 13 Hình 1. 11 Hiện tượng: rách (a) nhăn (b) trong quá trình DTT [64] ................................... 13 Hình 1. 12 Ảnh hưởng của nhiệt độ đến quá trình tạo hình [56]......................................... 14 Hình 1. 13 Hệ thống gia nhiệt trong quá trình dập bằng chất lỏng áp suất cao [35] ........... 15 Hình 1. 14 Sơ đồ nguyên lý hệ thống thực nghiệm công nghệ dập thủy tĩnh tấm [94]....... 16 Hình 1. 15 Hệ thống thiết bị DTT điều khiển theo chương trình [52] ................................ 16 Hình 1. 16 Hệ thống chặn toạ độ điều khiển theo thời gian và hành trình [25] .................. 17 Hình 1. 17 Hệ thống chặn chủ động điều khiển hành trình [25] ......................................... 17 Hình 1. 18 Sơ đồ điều khiển áp lực gioăng làm kín [25] .................................................... 18 Hình 1. 19 Bề mặt cối ảnh hưởng tới khả năng kéo phôi vào trong cối [82] ...................... 18 Hình 1. 20 Sơ đồ quá trình DTT phôi tấm........................................................................... 22 Hình 1. 21 Giai đoạn biến dạng tự do [77] .......................................................................... 22 Hình 1. 22 Các vùng biến dạng trên phôi [15] .................................................................... 23 Hình 1. 23 Trạng thái ứng suất và biến dạng của phôi trong DTT phôi tấm [86]. .............. 23 Hình 1. 24 Quá trình biến dạng tự do của tấm [77] ............................................................. 25 Hình 1. 25 Các bán kính góc lượn đáy cối .......................................................................... 29 Hình 1. 26 Chi tiết lựa chọn để nghiên cứu ......................................................................... 30 Hình 2. 1 Mô hình khuôn (chưa chia lưới) và mô hình phôi ............................................... 34 Hình 2. 2 Mô hình hình học đã chia lưới............................................................................. 34 Hình 2. 3 Đường cong ứng suất – biến dạng của vật liệu DC04 ......................................... 34 Hình 2. 4 Sản phẩm mô phỏng tại áp suất chặn Qch= 25 bar............................................... 36 viii
Hình 2. 5 Sản phẩm mô phỏng tại áp suất chặn Qch= 55 bar............................................... 37 Hình 2. 6 Sản phẩm đạt yêu cầu mô phỏng tại Qch= 90 bar ................................................ 37 Hình 2. 7 Sản phẩm bị rách tại áp suất chặn Qch = 125 bar ................................................. 38 Hình 2. 8 Đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa Qch và Pth khi S* =0.73 ................................ 39 Hình 2. 9 Đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa Qch và Pth khi S* =0.91 ................................ 41 Hình 2. 10 Đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa Qch và Pth khi S* =1.09 .............................. 41 Hình 2. 11 Quá trình hình thành sản phẩm tại áp suất chặn Qch = 90 bar ........................... 42 Hình 2. 12 Đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa Qch và Rd; Pth và Rd .................................... 42 Hình 2. 13 Mối quan hệ giữa Qch và Rd khi chiều dày tương đối của phôi S* = 0.73 ........ 44 Hình 2. 14 Mối quan hệ giữa Qch và Rd khi chiều dày tương đối của phôi S* = 0.91 ......... 46 Hình 2. 15 Mối quan hệ giữa Qch và Rd khi chiều dày tương đối của phôi S* = 1.09 ........ 47 Hình 2. 16 Phân bố biến mỏng biến dày tại Qch= 90 bar ..................................................... 48 Hình 2. 17 Mối quan hệ giữa biến mỏng lớn nhất γmax và áp suất chặn Qch khi H*=23 ..... 49 Hình 2. 18 Mối quan hệ giữa biến mỏng lớn nhất γmax và áp suất chặn Qch khi H*=26 ..... 51 Hình 2. 19 Mối quan hệ giữa biến mỏng lớn nhất γmax và áp suất chặn Qch khi H*=29 ..... 51 Hình 3. 1 Các thành phần của hệ thống thực nghiệm .......................................................... 53 Hình 3. 2 Sơ đồ nguyên lý hệ thống thực nghiệm với các thành phần sau: ........................ 53 Hình 3. 3 Kết cấu cụm đế khuôn ......................................................................................... 55 Hình 3. 4 Thiết kế 3D lòng khuôn dập chi tiết trụ ............................................................... 55 Hình 3. 5 Các thành phần của khuôn ................................................................................... 56 Hình 3. 6 Vị trí đặt gioăng cao su thường gặp .................................................................... 56 Hình 3. 7 Lực tác dụng lên gioăng làm kín khi gioăng đặt trên miệng tấm chặn................ 57 Hình 3. 8 Gioăng cao su bị gãy trong quá trình kéo phôi vào lòng cối ............................... 57 Hình 3. 9 Vị trí đặt gioăng hiện tại ...................................................................................... 57 Hình 3. 10 Cụm điều khiển áp suất chặn. ............................................................................ 58 Hình 3. 11 Sơ đồ nguyên lý hệ thống đo ............................................................................. 59 Hình 3. 12 Hệ thống đo áp suất – hành trình. ...................................................................... 59 Hình 3. 13 Gá sản phẩm trên máy đo (a) và hiển thị kết quả đo (b) ................................... 60 Hình 3. 14 Hiển thị qua thấu kính tọa độ đo biên dạng sản phẩm....................................... 60 Hình 3. 15 Xây dựng biên dạng sản phẩm trên Solidworks ................................................ 60 Hình 3. 16 Các điểm đo trên mẫu sản phẩm DTT ............................................................... 61 Hình 3. 17 Hiển thị kết quả đo trên màn hình máy tính ...................................................... 61 Hình 3. 18 Hệ thống thực nghiệm được lắp ráp hoàn chỉnh................................................ 62 ix
Hình 3. 19 Mô tả các vùng trạng thái ứng suất khác nhau của sản phẩm ........................... 64 Hình 3. 20 Phôi thí nghiệm.................................................................................................. 64 Hình 3. 21 Phôi được phủ lớp nhựa bên ngoài. .................................................................... 65 Hình 3. 22 Sản phẩm rách tại đáy (a); sản phẩm đạt chất lượng (b) ................................... 65 Hình 3. 23 Đồ thị áp suất chất lỏng công tác và áp suất chặn phôi trong quá trình tạo hình ............................................................................................................................................. 66 Hình 3. 24 Các dạng phế phẩm ........................................................................................... 66 Hình 3. 25 Sản phẩm sau khi tạo hình ................................................................................. 67 Hình 4. 1 Các sản phẩm thí nghiệm theo ma trận thực nghiệm .......................................... 72 Hình 4. 2 Sản phẩm đạt yêu cầu .......................................................................................... 72 Hình 4. 3 Đo bán kính đáy sản phẩm Rd ............................................................................. 72 Hình 4. 4 Đo chiều dày mẫu D39 ........................................................................................ 73 Hình 4. 5 Bán kính đáy sản phẩm khi áp suất chặn Qch = 80bar ......................................... 77 Hình 4. 6 Bán kính đáy sản phẩm khi áp suất chặn Qch= 97.5bar ....................................... 78 Hình 4. 7 Bán kính đáy sản phẩm khi áp suất chặn Qch = 115bar ....................................... 78 Hình 4. 8 Bán kính đáy sản phẩm khi chiều dày tương đối của phôi S* = 0.73 ................. 79 Hình 4. 9 Bán kính đáy sản phẩm khi chiều dày tương đối của phôi S* = 0.91 ................. 79 Hình 4. 10 Bán kính đáy sản phẩm khi chiều dày tương đối của phôi S*=1.09 ................. 79 Hình 4. 11 Bán kính đáy sản phẩm khi chiều sâu tương đối của cối H* = 23 ..................... 80 Hình 4. 12 Bán kính đáy sản phẩm khi chiều sâu tương đối của cối H* = 26 ..................... 80 Hình 4. 13 Bán kính đáy sản phẩm khi chiều sâu tương đối của cối H* = 29 ..................... 81 Hình 4. 14 Mức độ biến mỏng γmax khi áp suất chặn Qch = 80 bar ...................................... 83 Hình 4. 15 Mức độ biến mỏng γmax khi áp suất chặn Qch = 97.5 bar ................................... 83 Hình 4. 16 Mức độ biến mỏng γmax khi áp suất chặn Qch = 115 bar.................................... 83 Hình 4. 17Mức độ biến mỏng γmax khi chiều dày tương đối của phôi S* = 0.73 ................ 84 Hình 4. 18 Mức độ biến mỏng γmax khi chiều dày tương đối của phôi S* = 0.91 ............... 84 Hình 4. 19 Mức độ biến mỏng γmax khi chiều dày tương đối của phôi S* = 1.09 ............... 84 Hình 4. 20 Mức độ biến mỏng γmax khi chiều sâu tương đối của cối H* = 23 .................... 85 Hình 4. 21 Mức độ biến mỏng γmax khi chiều sâu tương đối của cối H* = 26 ..................... 85 Hình 4. 22 Mức độ biến mỏng γmax khi chiều sâu tương đối của cối H* = 29 ..................... 86 Hình 4. 23 Áp suất tạo hình sản phẩm Pth khi áp suất chặn Qchmin = 80bar ......................... 87 Hình 4. 24 Áp suất tạo hình sản phẩm Pth khi áp suất chặn Qch = 97.5bar.......................... 87 Hình 4. 25 Áp suất tạo hình sản phẩm Pth khi áp suất chặn Qch = 115bar ........................... 88 x
Hình 4. 26 Áp suất tạo hình sản phẩm Pth khi chiều dày tương đối của phôi S*=0.73 ....... 88 Hình 4. 27 Áp suất tạo hình sản phẩm Pth khi chiều dày tương đối của phôi S*=0.91 ....... 89 Hình 4. 28 Áp suất tạo hình sản phẩm Pth khi chiều dày tương đối của phôi S*=1.09 ....... 89 Hình 4. 29 Áp suất tạo hình sản phẩm Pth khi chiều sâu tương đối của cối H* = 23 ........... 90 Hình 4. 30 Áp suất tạo hình sản phẩm Pth khi chiều sâu tương đối của cối H* = 26 ........... 90 Hình 4. 31 Áp suất tạo hình sản phẩm Pth khi chiều sâu tương đối của cối H*=29 ............. 90 xi
MỞ ĐẦU 1. Lý do lựa chọn đề tài Ngành cơ khí giữ vai trò rất quan trọng trong sự nghiệp phát triển đất nước. Tuy nhiên, hiện nay đất nước ta vẫn đang phải nhập khẩu rất nhiều chi tiết, bộ phận, thậm chí toàn bộ sản phẩm phục vụ công nghiệp ô tô, xe máy, quốc phòng, hàng tiêu dùng, sản xuất máy nông nghiệp, thuỷ điện. Do vậy, nhiệm vụ cấp thiết hiện nay là phát triển công nghệ, đầu tư nghiên cứu khoa học, làm chủ và áp dụng công nghệ mới vào sản xuất thực tế. Gia công áp lực (GCAL) là một lĩnh vực quan trọng trong ngành cơ khí, gắn liền với sản xuất hàng loạt lớn, hàng khối, sản xuất các sản phẩm có chất lượng cao, độ chính xác cao, sản xuất các sản phẩm có kích thước từ siêu nhỏ cỡ micromet đến kích thước rất lớn hàng mét. Có thể thấy trên thế giới, lĩnh vực GCAL đã có những bước tiến lớn cả về thiết bị lẫn công nghệ, thể hiện ở sự phát triển các ngành ôtô, vũ trụ, công nghiệp điện – điện tử, quân sự, y tế…v.v. Ở Việt Nam, GCAL đang trong giai đoạn phát triển mạnh mẽ, đóng góp ngày càng nhiều vào công cuộc công nghiệp hóa đất nước. Hiện nay, GCAL đã có những bước tiến đáng kể khi áp dụng những công nghệ mới vào sản xuất. Tuy nhiên, để áp dụng có hiệu quả cần phải nghiên cứu lý thuyết cơ bản và phân tích được các yếu tố công nghệ ảnh hưởng trong quá trình gia công. Dập thủy tĩnh (DTT) phôi tấm là một hướng nghiên cứu trong công nghệ dập tạo hình bằng chất lỏng cao áp. Công nghệ này cho phép dập các chi tiết rỗng, đặc biệt chi tiết có hình dạng phức tạp ngay cả đối với các vật liệu khó biến dạng. Trên thế giới, đã có rất nhiều công trình nghiên cứu và ứng dụng công nghệ này vào sản xuất và đạt được thành tựu cao. Điển hình như các nước như Đức, Mĩ, Nhật đã áp dụng công nghệ ày vào công nghiệp ô tô, một số chi tiết phần vỏ xe đã được áp dụng công nghệ DTT để sản xuất cho chất lượng cao như thanh nối B hay nắp capo, thay thế cho số lượng lớn nguyên công tạo hình và khuôn trong dập tạo hình truyền thống. Ở Việt Nam, đã có một số công trình nghiên cứu về công nghệ DTT, tuy nhiên để có thể ứng dụng vào thực tiễn sản xuất cần phải có những nghiên cứu chuyên sâu để có thể làm chủ công nghệ này. Do vậy “Nghiên cứu ảnh hưởng của một số thông số công nghệ và kích thước hình học cối đến khả năng tạo hình trong dập thủy tĩnh phôi tấm” sẽ là trọng tâm và mục tiêu nghiên cứu của luận án. 2. Mục đích, đối tượng và phạm vi nghiên cứu của luận án • Mục đích của luận án Nghiên cứu ảnh hưởng của một số thông số công nghệ và kích thước hình học cối đến khả năng tạo hình trong dập thủy tĩnh phôi tấm • Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của luận án + Đối tượng: luận án tập trung nghiên cứu công nghệ DTT áp dụng trên đối tượng cụ thể: chi tiết dạng trụ - chi tiết điển hình trong nghiên cứu công nghệ DTT như trên hình 1.26. + Phạm vi nghiên cứu được giới hạn trong miền: - Vật liệu thép tấm DC04 - Chiều dày tương đối của phôi: 1
𝑆 S* = 𝐷𝑂 *100 = 0.73; 0.91; 1.09 (tương ứng với chiều dày thực tế của phôi So = (0.8; 1.0; 𝑂 1.2) mm, đường kính phôi ban đầu Do = 110 mm) Chiều sâu tương đối của cối: ℎ H*= 𝑑 *100 = 23; 26; 29 (Tương ứng với các chiều sâu hi = 16; 18; 20 mm và đường kính cối dc = 70 mm); - Miền áp suất tạo hình Pth = (0÷600) bar; - Miền áp suất chặn phôi Qch = (0 ÷150) bar 3. Phương pháp nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu được sử dụng là kết hợp giữa nghiên cứu phân tích lý thuyết, mô phỏng số (MPS) với nghiên cứu thực nghiệm, cụ thể: - Nghiên cứu cơ sở công nghệ DTT dựa trên tổng hợp và phân tích từ các tài liệu, công trình đã công bố trong và ngoài nước. - Áp dụng phương pháp MPS để đánh giá sơ bộ ảnh hưởng các thông số công nghệ, xác định miền làm việc để làm cơ sở ban đầu cho quá trình thực nghiệm có hiệu quả. - Sử dụng các thiết bị đo, phần mềm để đo và xử lý số liệu đảm bảo chính xác và tin cậy, áp dụng được trong điều kiện thực tế tại Việt Nam. - Nghiên cứu thực nghiệm để đánh giá ảnh hưởng của các thông số công nghệ và thông số hình học dụng cụ trong quá trình DTT. - Phân tích, tổng hợp, đánh giá kết quả thực nghiệm, đối chứng với lý thuyết và biện luận. 4. Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn • Ý nghĩa khoa học - Tạo cơ sở khoa học để giải thích ảnh hưởng của thông số hình học của khuôn; thông số hình học của phôi và thông số công nghệ cơ bản trong dập thủy tĩnh phôi tấm. - Xây dựng được mối quan hệ giữa lực chặn phôi, chiều sâu tương đối của cối và chiều dày tương đối của phôi với áp suất chất lỏng tạo hình, bán kính đáy sản phẩm và mức độ biến mỏng. • Ý nghĩa thực tiễn - Kết quả nghiên cứu của luận án có thể định hướng cho triển khai áp dụng trong thực tiễn sản xuất. Có thể áp dụng vào sản xuất các sản phẩm dạng tấm tương tự với dải kích thước phù hợp. Ngoài ra, với các sản phẩm có kích thước lớn hơn, phương pháp nghiên cứu của luận án cũng có thể được áp dụng để nghiên cứu và sản xuất trong thực tiễn. - Góp phần xây dựng hệ thống thí nghiệm dập thủy tĩnh phục vụ cho nghiên cứu và đào tạo. Hệ thống thí nghiệm của luận án có thể được dùng để nghiên cứu và phát triển các vấn đề khác trong DTT phôi tấm. Ngoài ra, hệ thống cũng có thể được sử dụng như một thiết bị thí nghiệm phục vụ cho sinh viên đại học và học viên cao học để hiểu hơn về công nghệ DTT. 2
5. Các đóng góp mới của luận án - Xác định được mối quan hệ giữa áp suất chặn, chiều sâu tương đối của cối, chiều dày tương đối của phôi với áp suất tạo hình, mức độ biến mỏng lớn nhất của sản phẩm, bán kính đáy sản phẩm làm cơ sở tiến hành tối ưu hóa các thông số công nghệ khi dập chi tiết dạng trụ. - Phân tích và xác định ảnh hưởng của các thông số công nghệ, kích thước hình học cối tới việc hình thành bán kính đáy sản phẩm và mức độ biến mỏng của sản phẩm; 6. Bố cục của luận án Luận án thể hiện đầy đủ các mục theo quy định chung, bao gồm các phần chính sau: - Chương 1. Tổng quan về công nghệ dập tạo hình bằng chất lỏng cao áp - Chương 2. Mô phỏng số quá trình dập thủy tĩnh phôi tấm - Chương 3. Hệ thống thực nghiệm - Chương 4. Nghiên cứu quá trình dập thủy tĩnh phôi tấm bằng phương pháp quy hoạch thực nghiệm - Kết luận chung và hướng phát triển của đề tài. 3
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ DẬP TẠO HÌNH BẰNG CHẤT LỎNG CAO ÁP 1.1 Khái quát công nghệ dập bằng chất lỏng cao áp Dập tạo hình bằng chất lỏng cao áp (HPF – High Pressure Forming) là một quá trình tạo hình vật liệu bằng việc sử dụng chất lỏng có áp suất cao tác dụng trực tiếp vào bề mặt phôi, làm biến dạng dẻo phôi theo biên dạng của cối (Dập thủy tĩnh) hoặc biên dạng của chày kết hợp với một số chuyển động của khuôn (Dập thủy cơ) như hình 1.1 [15]. Hình 1. 1 Sơ đồ phân loại công nghệ dập tạo hình bằng chất lỏng cao áp [24] Kim loại được sử dụng trong công nghệ này không chỉ là kim loại màu, thép, mà còn có thể là các loại vật liệu khác có tính dẻo phù hợp. 1.1.1 Công nghệ dập thủy cơ Dập thủy cơ (DTC) là phương pháp tạo hình vật liệu nhờ nguồn chất lỏng cao áp được sinh ra do chuyển động cơ khí của dụng cụ tạo hình ví dụ chày chuyển động ép chất lỏng trong lòng cối. Áp suất chất lỏng được sinh ra do chất lỏng không chịu nén và ép phôi vào chày, tạo hình sản phẩm theo biên dạng của chày (hình 1.2) [2]. Hình 1. 2 Sơ đồ các bước dập thủy cơ [87] 4
Về cơ bản, phương pháp này tương tự như phương pháp dập vuốt thông thường, chỉ khác là có thêm đối áp pi trong lòng khuôn [2]. Ban đầu, chất lỏng được được bơm đầy vào lòng khuôn, làm phôi căng ra trước khi đầu trượt mang theo chày đi xuống. Khi chày đi xuống kéo phôi vào lòng cối, do chất lỏng không chịu nén nên sẽ tạo ra đối áp, giúp áp sát phôi vào bề mặt chày, đồng thời tạo ra vành chặn thủy lực giữ phôi ổn định trong quá trình kéo phôi vào lòng cối. Việc điều chỉnh đối áp phụ thuộc vào biên dạng cũng như tính chất vật liệu, đặc điểm từng sản phẩm. 1.1.2 Công nghệ dập thủy tĩnh Dập thủy tĩnh (DTT) là công nghệ sử dụng nguồn chất lỏng có áp suất cao (dầu, nước) có chức năng như chày dập tạo hình, tác dụng trực tiếp vào bề mặt phôi tấm hoặc phôi ống làm biến dạng phôi theo biên dạng của lòng cối để tạo hình chi tiết [15]. Việc phân loại phương pháp DTT thường được căn cứ vào hình dạng của phôi a. Dập thủy tĩnh phôi tấm đơn. Đây là phương pháp DTT áp dụng cho tấm đơn. Trong phương pháp này, chỉ cần có cối với biên dạng xác định, chất lỏng cao áp đóng vai trò như chày. Chất lỏng cao áp sẽ tác dụng vào bề mặt phôi, ép vật liệu biến dạng theo biên dạng của cối để tạo hình chi tiết [15]. Nguyên lý quá trình DTT phôi tấm đơn được thể hiện trên hình 1.3. Hình 1. 3 Sơ đồ quá trình tạo hình thủy tĩnh phôi tấm [66] Quá trình DTT phôi tấm đơn gồm các giai đoạn như sau [8, 93]: - Giai đoạn đóng khuôn: Lực đóng khuôn được tạo ra từ máy ép có tác dụng chống nhăn phần vành phôi và làm kín tránh rò rỉ chất lỏng trong quá trình DTT. (hình 1.3 I.) - Giai đoạn tạo hình tự do: Sau khi đóng khuôn, chất lỏng cao áp sẽ được bơm vào lòng cối, áp suất thủy tĩnh tác dụng đều lên toàn bộ bề mặt phôi, phôi sẽ biến dạng tự do trong lòng cối đến khi chạm đáy cối (hình 1.3. II.) - Giai đoạn điền đầy lòng cối: Chất lỏng tiếp tục được tăng áp suất, đến một giá trị áp suất đủ lớn phôi sẽ biến dạng dẻo điền đầy theo biên dạng của lòng cối, đặc biệt là các vị trí lồi lõm trong cối (hình 1.3 III.). 5
So sánh giữa công nghệ dập thủy tĩnh phôi tấm với phương pháp truyền thống [8, 9, 11, 21, 60, 70, 71, 90] + Ưu điểm: - Tăng chất lượng bề mặt sản phẩm dập: trong DTT, chất lỏng luôn tiếp xúc với phôi, giữ phôi ở trạng thái kéo căng đều theo các phương, sản phẩm chỉ tiếp xúc với lòng cối ở cuối quá trình nên chất lượng bế mặt sản phẩm tốt. - Có thể sử dụng với nhiều loại vật liệu: các loại vật liệu có tính dẻo đều có thể sử dụng công nghệ này để tạo hình như đồng, nhôm, titan, inox, …Dải chiều dày vật liệu có thể tạo hình bằng phương pháp này có thể trong khoảng (0.05 ÷ 6.00) mm [57]. Đặc biệt đối với kim loại có chiều dày rất mỏng, khả năng tạo hình của phương pháp DTT thực hiện dễ dàng hơn nhiều so với phương pháp dập truyền thống. - Tiết kiệm chi phí chế tạo khuôn (vật liệu khuôn và gia công khuôn) lên trên 50% [57]. - Giảm trọng lượng chi tiết. Điều này đặc biệt có ý nghĩa đối với các nhà sản xuất ôtô bởi các lý do môi trường như giảm nhiên liệu tiêu hao và phát thải. Tuy nhiên, khi giảm trọng lượng xe, họ phải cố gắng tránh làm ảnh hưởng tới các tiêu chí quan trọng khác, chẳng hạn như sức mạnh và quản lý năng lượng. - Giảm biến dạng đàn hồi bởi phôi luôn được kéo căng trong suốt quá trình tạo hình. - Hiệu quả kinh tế cao, vì có thể tạo hình những chi tiết có kích thước và hình dạng khác nhau ở cùng một thiết bị mà chỉ việc thay đổi hình dạng của cối - Có khả năng dập tạo hình những chi tiết có hình dạng phức tạp. + Nhược điểm so với công nghệ dập truyền thống: - Chi phí đầu tư ban đầu lớn do cần thêm bộ tăng áp, hệ thống đo lường, hệ thống thủy lực. - Thời gian tạo hình chậm hơn so với dập vuốt thông thường. - Đòi hòi lực đóng khuôn rất lớn do ngoài việc chống nhăn, bộ phận đóng khuôn còn có nhiệm vụ làm kín, tránh rò rỉ chất lỏng gây mất áp suất trong quá trình tạo hình. - Lượng biến mỏng lớn và độ không đồng đều trên thành chi tiết trong trường hợp dập các chi tiết có chiều sâu lớn [15]. Vì vậy, công nghệ dập thủy tĩnh với phôi tấm đơn thường được ứng dụng để dập tạo hình các chi tiết lớn có hình dạng phức tạp và có chiều sâu dập không lớn. + Hình ảnh ứng dụng của công nghệ dập thủy tĩnh trong công nghiệp ôtô: 6
Hình 1. 4 Dập thủy tĩnh thanh B của xe ôtô trên máy ép thủy lực [60] b. Dập thủy tĩnh cặp phôi tấm So với DTT phôi tấm đơn, phương pháp DTT cặp phôi tấm có nhiều ưu điểm và ứng dụng hơn. Cặp phôi tấm có thể là hàn hoặc không hàn. Việc đa dạng được biên dạng sản phẩm cũng như nâng cao năng suất chính là ưu điểm chính của phương pháp này [8]. a) Sơ đồ nguyên lý b) Ứng dụng Hình 1. 5 Dập thủy tĩnh cặp phôi tấm [38] Với công nghệ DTT phôi cặp (hình 1.5), khuôn tạo hình được tiết kiệm hơn bởi thay vì sử dụng ít nhất 2 bộ chày và cối cho 2 nửa chi tiết, thì công nghệ này chỉ sử dụng khuôn trên và khuôn dưới. Hơn thế nữa, việc cắt và nối các cặp tấm có thể được tích hợp trong một bước của DTT, tạo thành một chuỗi quy trình ngắn hơn và hiệu quả hơn [38] 7
c. Dập tạo hình thủy tĩnh phôi ống DTT phôi ống là công nghệ tạo hình chi tiết rỗng từ phôi ống nhờ nguồn chất lỏng cao áp tác dụng ở bên trong lòng phôi, ép sát phôi vào biên dạng của cối [15]. Hình 1.6 trình bày sơ đồ nguyên lý dập thủy tĩnh phôi ống nối chữ T. a-thiết lập khuôn, b-ống ban đầu, c - sản phẩm (ống nối T) Hình 1. 6 Dập thủy tĩnh phôi ống [85] Hình 1. 7 Mối quan hệ giữa áp suất và bán kính trong DTT phôi ống [85] Trong quá trình dập tạo hình phôi ống, áp suất tạo hình cần thiết phụ thuộc vào bán kính trong nhỏ nhất của thành ống, chiều dày vật liệu và ứng suất chảy (hình 1.7) [21, 25, 62, 85, 90] Công nghệ này có khả năng sản xuất được các chi tiết có chất lượng tốt, hình dạng không gian phức tạp khó có thể thực hiện được mà trước đây thường được chế tạo bằng phương pháp đúc hoặc phải hàn ghép các bộ phận với nhau. Hình 1.8 so sánh chất lượng sản phẩm bằng phương pháp tạo hình cũ với nhiều công đoạn như uốn, cắt, hàn và phương pháp mới là dập thủy tĩnh. 8
Hình 1. 8 Sản phẩm hệ thống xả trong ôtô được chế tạo bằng: a- phương pháp tạo hình truyền thống; b- phương pháp DTT phôi ống [48] Bản chất của quá trình DTT phôi ống chính là tạo ra sự chuyển động cưỡng bức, cục bộ hay toàn phần của vật liệu phôi trong giới hạn chảy của vật liệu dưới áp suất thủy tĩnh, theo biên dạng mong muốn của lòng khuôn để tạo nên những chi tiết có hình dạng phức tạp, mà các phương pháp chế tạo truyền thống không thể thực hiện được. Dập thủy tĩnh phôi ống có nhiều nhược điểm [15, 21, 25, 55, 60, 85, 90]: Ưu điểm: - Chi tiết được tạo hình đồng nhất về vật liệu (so với hàn nối ống) - Giảm khối lượng chi tiết so với công nghệ truyền thống - Tăng cường cơ tính của chi tiết dập - Đạt được độ chính xác kích thước cao và giảm biến dạng đàn hồi - Giảm chi phí chế tạo khuôn và giảm số nguyên công tạo hình - Tạo hình được các chi tiết rỗng có hình dạng phức tạp Nhược điểm: - Tăng chi phí đầu tư cho các thiết bị thủy lực: bộ tăng áp, xilanh dọc trục... - Khó tạo hình các chi tiết rỗng với biên dạng mặt cắt theo đường trục có sự thay đổi đột ngột và mức độ biến dạng lớn tại các vị trí vuông góc với đường trục trong không gian. Ứng dụng: Với những đòi hỏi về vấn đề giảm tiêu thụ nhiên liệu, tăng mức độ an toàn khi va chạm của các phương tiện vận chuyển nên công nghệ dập thủy tĩnh phôi ống đang được ứng dụng nhiều nhất trong công nghiệp chế tạo ôtô, tàu cao tốc, hàng không vũ trụ, công nghiệp quốc phòng. Ngoài ra công nghệ này cũng được ứng dụng phổ biến để sản xuất các chi tiết dùng trong thiết bị nhà tắm, công nghiệp hóa chất, hàng tiêu dùng...[15, 21, 25, 55, 59, 60, 90] 1.2 Tổng quan về kết quả nghiên cứu về công nghệ dập thủy tĩnh phôi tấm Những năm gần đây, công nghệ dập tạo hình bằng chất lỏng cao áp được sử dụng nhiều trong chế tạo các chi tiết của ô tô, các chi tiết quân tư trang trong quân đội, hoặc các chi tiết trong y tế, hóa học, ...v.v Công nghệ này xuất hiện khá sớm từ hơn 100 năm trước với mục đích chế tạo các chi tiết nồi hơi, một số chi tiết trong các nhạc cụ, công cụ leo núi [57, 60, 90]. Tuy vậy, những vấn đề cơ bản của công nghệ dập tạo hình bằng chất lỏng cao áp chỉ được công bố sau những năm 1940. Gần hơn, cách đây 30 năm, công nghệ này được sử dụng trong dập phình 9