Tổng quan luận án

Tính cấp thiết và khoảng trống nghiên cứu

Công nghệ dập khối là phương pháp gia công kim loại bằng áp lực từ phôi dạng khối nhằm tạo ra các chi tiết cơ khí có hình dạng, kích thước mong muốn mà không phá hủy liên kết vật liệu và bảo toàn thể tích. Trong lĩnh vực cơ khí chế tạo, đặc biệt là công nghiệp sản xuất ô tô, các chi tiết thuộc hệ thống truyền động (trục, bánh răng, khớp nối) thường đòi hỏi độ phức tạp hình học cao, khả năng chịu tải trọng lớn và cơ tính đồng đều.

Tại Việt Nam, ngành công nghiệp hỗ trợ phục vụ sản xuất và lắp ráp ô tô chủ yếu mới nội địa hóa được các nhóm chi tiết đơn giản, hàm lượng công nghệ thấp (dây điện, kính, ghế ngồi, ắc quy). Các chi tiết truyền động chính xác như khớp nối vẫn phụ thuộc lớn vào nguồn nhập khẩu. Phần lớn quá trình tạo hình các chi tiết này trong nước hiện nay áp dụng công nghệ dập trên khuôn hở, dẫn đến lượng tiêu hao vật liệu lớn (phần kim loại bị cắt bỏ trong gia công cơ có thể chiếm tới 35% thể tích phôi), năng suất chưa tối ưu và tiêu hao năng lượng cao.

Phương pháp dập khối trong khuôn kín (khuôn không có vành biên bavia) mang lại khả năng tiết kiệm vật liệu lên tới 75%, giảm thiểu các nguyên công gia công cắt gọt tiếp theo và tiết kiệm năng lượng biến dạng đến 30%. Tuy nhiên, việc áp dụng công nghệ này gặp thách thức kỹ thuật lớn: nếu thể tích phôi hoặc các thông số công nghệ không được kiểm soát chính xác, lòng khuôn sẽ không được điền đầy hoàn toàn hoặc ngược lại sẽ gây quá tải nghiêm trọng, dẫn đến hư hỏng khuôn và thiết bị dập. Các nghiên cứu trước đây chưa thiết lập được mô hình định lượng xác định đồng thời quy luật tác động của tỷ lệ kích thước hình học phôi (khi bảo toàn thể tích), thông số dụng cụ dập và ma sát tiếp xúc đến mức độ điền đầy và lực tạo hình. Do đó, việc nghiên cứu các yếu tố này để ứng dụng chế tạo chi tiết khớp nối đạt độ chính xác cao là yêu cầu cấp thiết.

Mục tiêu nghiên cứu

Mục tiêu của luận án được xác định gồm 3 nội dung:

  1. Xác định quy luật ảnh hưởng của các thông số hình học phôi, thông số hình học dụng cụ gia công và thông số công nghệ đến độ chính xác của sản phẩm khi dập tạo hình trong khuôn kín.
  2. Thiết lập mối quan hệ giữa mức độ điền đầy ở vị trí vành mặt bích sản phẩm (đặc trưng qua bán kính góc lượn $r$) và lực tạo hình lớn nhất ($P_{max}$), phụ thuộc vào thông số hình học phôi, dụng cụ gia công và thông số công nghệ của quá trình dập dựa trên mô phỏng số kết hợp thực nghiệm.
  3. Đánh giá khả năng ứng dụng của kết quả nghiên cứu trong việc chế tạo chi tiết khớp nối đạt độ chính xác cao trong điều kiện sản xuất thực tế.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

  • Đối tượng nghiên cứu: Chi tiết khớp nối trong hệ thống truyền động xe ô tô; vật liệu chế tạo là thép C45; công nghệ dập khối trong lòng khuôn kín; ứng dụng phần mềm mô phỏng phần tử hữu hạn Deform 3D để phân tích quá trình biến dạng dẻo cơ - nhiệt.
  • Phạm vi nghiên cứu:
    • Thông số hình học phôi: Khảo sát tỷ lệ chiều cao trên đường kính phôi ban đầu $H/D$ trong khoảng từ $1,4$ đến $2,0$ trong điều kiện thể tích phôi không đổi ($V_P = \text{const}$).
    • Thông số dụng cụ gia công: Góc nghiêng thành chày dập $\alpha$ biến thiên từ $60^\circ$ đến $90^\circ$.
    • Thông số công nghệ: Hệ số ma sát tiếp xúc $\mu$ trong quá trình dập nóng nằm trong dải từ $0,3$ đến $0,6$.
    • Chỉ tiêu đánh giá đầu ra: Mức độ điền đầy góc khuôn tại vành mặt bích thông qua bán kính góc lượn $r$ (mm) và lực dập tạo hình cực đại $P_{max}$ (Tấn).
    • Hệ thống thiết bị thực nghiệm: Máy ép trục khuỷu dập nóng 1000 tấn (FP1000G), lò nung cảm ứng trung tần, hệ thống khuôn dập thực nghiệm và thiết bị đo kiểm tọa độ 3 chiều Mitutoyo 544, máy đo biên dạng Mitutoyo CV-2100.

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Các hướng nghiên cứu quốc tế

Nghiên cứu công nghệ dập khối trong khuôn kín đã được nhiều tác giả trên thế giới triển khai với các trọng tâm:

  • Nghiên cứu độ chính xác và kết cấu khuôn dập: Mladomir Milutinović (2008), Douglas, R. và cộng sự (2007) xác định yêu cầu dung sai chế tạo lòng khuôn kín cần đạt trong phạm vi $0,01\text{ mm}$ và độ lệch tâm giữa chày - cối phải triệt tiêu tối đa để tránh quá tải. Ducloux, R. (2014) cùng Sasaki, S. phân tích sự mài mòn lòng khuôn ảnh hưởng trực tiếp đến sai lệch kích thước vật dập. Tác giả Ing (2005) nghiên cứu kết cấu vùng chuyển tiếp mặt bích trên nửa khuôn trên nhằm hạn chế khuyết tật khi tạo hình bánh răng. Van Hoenacker và cộng sự nghiên cứu dòng chảy kim loại phi đối xứng khi dập chi tiết có mặt bích, chỉ ra góc nghiêng thành khuôn tối ưu cần $\le 10^\circ$ và xác định ma sát cao làm tăng nguy cơ nứt và khuyết tật gấp nếp. K. Hanami thiết kế khuôn có khoang chứa dịch chuyển dẫn hướng để hỗ trợ điền đầy kim loại.
  • Nghiên cứu về phôi dập: Kim, Y.H. (1995) và Doege, E., Bohnsack, R. (2000) khảo sát ảnh hưởng của chuỗi nguyên công tạo hình phôi trung gian, chỉ ra rằng dung sai khối lượng phôi dập trong khuôn kín chỉ được phép dao động trong khoảng $\pm 0,5%$ đến $\pm 1%$ để ngăn chặn hiện tượng phá hủy khuôn do quá tải.
  • Nghiên cứu về điều kiện bôi trơn và ma sát: Dallali Isfahani (2014) đánh giá ảnh hưởng của chất bôi trơn đến trở lực biến dạng, khả năng điền đầy lòng khuôn và sự giảm tải ma sát tiếp xúc.
  • Nghiên cứu về nhiệt độ và vận tốc dập: N. Osakada (2002), Specker, Cai, J., Mamalis, A. và Hu (2004) xác định nhiệt độ tối ưu cho dập nóng trong khuôn kín nằm trong khoảng $850^\circ\text{C} - 1150^\circ\text{C}$ và cần gia nhiệt khuôn để giảm hiện tượng sốc nhiệt. Senyong Chen khảo sát mối quan hệ giữa tốc độ dập và lực dập, chỉ ra rằng tốc độ dập quá cao làm tăng ứng suất cắt, phá hủy lớp màng bôi trơn phosphat và gây cào xước nghiêm trọng bề mặt. Qi, Z. cùng cộng sự ứng dụng các mô hình số kiểm chứng dòng chảy kim loại trong lòng khuôn kín.

Tình hình nghiên cứu trong nước

Tại Việt Nam, các nghiên cứu chuyên sâu về công nghệ dập thể tích trong khuôn kín còn hạn chế:

  • Nguyễn Trung Kiên nghiên cứu quy trình công nghệ và thiết kế khuôn dập khối trong khuôn kín cho chi tiết bánh răng côn bằng mô phỏng số, nhấn mạnh yêu cầu nghiêm ngặt về độ chính xác thể tích phôi khi dập ở nhiệt độ cao.
  • Lý Thị Thanh Huyền khảo sát công nghệ dập tạo hình chính xác ở trạng thái nửa nóng bằng phương pháp mô phỏng số.
  • Hoàng Minh Tuấn ứng dụng phương pháp phần tử hữu hạn phân tích quá trình dập bán tinh cặp bánh răng côn xoắn trong hộp vi sai xe tải 1,5 tấn nhằm kiểm nghiệm lý thuyết và tối ưu hóa hình học lòng khuôn.

Khoảng trống nghiên cứu luận án lựa chọn giải quyết

Hầu hết các công trình nghiên cứu trong nước dừng lại ở mức độ mô phỏng số đơn lẻ hoặc khảo sát định tính cho một kết cấu hình học cố định, chưa có công trình nào đánh giá có hệ thống sự tác động đồng thời của tỷ lệ kích thước hình học phôi ($H/D$ khi cố định thể tích), thông số hình học chày dập ($\alpha$) và hệ số ma sát ($\mu$) đến đặc tính điền đầy góc lượn vành bích và lực dập cực đại. Luận án lựa chọn giải quyết khoảng trống này bằng cách kết hợp lý thuyết biến dạng, mô phỏng số phần tử hữu hạn, quy hoạch thực nghiệm và kiểm chứng trên thiết bị công nghiệp thực tế.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Lý thuyết, khái niệm và khung phân tích

  • Lý thuyết biến dạng dẻo kim loại: Trạng thái ứng suất khi dập trong khuôn kín là trạng thái nén khối ba chiều ($\sigma_1, \sigma_2, \sigma_3 < 0$), giúp tăng độ dẻo của kim loại, triệt tiêu ứng suất kéo cục bộ và tạo điều kiện thuận lợi cho kim loại lấp đầy các hốc sâu.
  • Phương pháp cận trên (Upper Bound Method): Sử dụng để xây dựng trường vận tốc biến dạng khả dĩ ($U_r, U_\theta, U_y$) thỏa mãn điều kiện liên tục và tính ổn định thể tích kim loại ($\Delta V = 0$). Quá trình biến dạng của phôi trụ trong lòng khuôn được phân tích qua 3 mô hình trường vận tốc:
    • Dạng I: Biến dạng cục bộ tại hai đầu tiếp xúc (vùng I và III), vùng trung tâm (vùng II) là vùng cứng không biến dạng.
    • Dạng II: Biến dạng mở rộng trên toàn bộ thể tích phôi, có sự hình thành các miền trượt hướng tâm.
    • Dạng III: Biến dạng phức hợp với vùng chết cục bộ tại lõi trung tâm, kim loại dịch chuyển mạnh sang các góc tự do của lòng khuôn.
  • Tính toán áp lực dập và điều kiện tháo khuôn:
    • Áp lực biến dạng khi tỷ số chiều cao trên đường kính $H_n/d \ge 0,5$ và khi $H_n/d < 0,2$ được xác định thông qua các phương trình cân bằng ứng suất phụ thuộc vào khe hở chày - cối ($u, z$) và ứng suất chảy của kim loại ($\sigma_s$).
    • Góc nghiêng lòng khuôn $\alpha$ được tính toán dựa trên định luật ma sát Coulomb ($T = \mu P$). Điều kiện để vật dập tự bung ra khỏi lòng khuôn dưới tác dụng của lực đàn hồi là: $$Q = P(\sin\alpha - \mu\cos\alpha) \ge 0 \implies \tan\alpha \ge \mu$$
  • Tính toán màng ngăn lỗ và biến dạng đàn hồi thiết bị:
    • Chiều dày màng ngăn lỗ $a$ được tính theo công thức thực nghiệm: $a = (0,45D + 0,25h + 5) \cdot 0,6\sqrt{h}$ (mm).
    • Biến dạng đàn hồi của máy ép trục khuỷu ($\Delta h_{đh}$) được xác định qua biểu thức: $\Delta h_{đh} = H_n + a_t - H_t$, trong đó $a_t$ là độ co ngót nhiệt khi nguội ($1,2% - 1,5%$), $H_t$ là chiều cao không tải, và $H_n$ là chiều cao thực tế của vật dập.

Phương pháp nghiên cứu thực tế

Luận án áp dụng phương pháp nghiên cứu tích hợp:

[Nghiên cứu lý thuyết] 
[Mô phỏng số PTHH (Deform 3D)] 
[Quy hoạch thực nghiệm & Xử lý số liệu] 
[Thực nghiệm vật lý]
Hạng mục Phương pháp / Công cụ Nội dung chi tiết
Mô phỏng số Phần mềm Deform 3D Phân tích bài toán cơ - nhiệt phi tuyến 3 chiều. Phôi thép C45 biến dạng dẻo, khuôn và chày giả thiết cứng tuyệt đối. Khảo sát trường nhiệt độ, phân bố ứng suất tương đương, biến dạng thực và dòng chảy vật liệu.
Quy hoạch thực nghiệm Phương pháp Taguchi & ANOVA Bố trí ma trận thực nghiệm mô phỏng với 3 yếu tố ảnh hưởng ($H/D, \alpha, \mu$), mỗi yếu tố khảo sát 4 mức giá trị. Phân tích tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu ($S/N$) và phân tích phương sai để xác định mức độ ảnh hưởng và xây dựng phương trình hồi quy.
Thực nghiệm vật lý Thiết bị công nghiệp Dập phôi nóng thép C45 trên máy ép trục khuỷu dập nóng 1000T-FP1000G tại Công ty Cổ phần Dụng cụ Cơ khí Xuất khẩu và Công ty TNHH MTV Diesel Sông Công.
Đo kiểm & Đánh giá Thiết bị quang - cơ học Đo kích thước hình học 3D bằng máy Mitutoyo 544; đo biên dạng bán kính góc lượn $r$ bằng Mitutoyo CV-2100; cắt mẫu M1, M2, M3 soi tổ chức tế vi và hướng thớ dòng chảy kim loại.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan về công nghệ dập khối trong khuôn kín

Chương này hệ thống hóa lịch sử phát triển của công nghệ gia công áp lực từ các xưởng rèn thủ công đến các hệ thống dập tự động hiện đại. Nội dung phân tích tập trung vào các ưu điểm kinh tế - kỹ thuật của dập khuôn kín so với khuôn hở:

  • Hệ số sử dụng vật liệu tăng cao, triệt tiêu lượng phế liệu ba via biên.
  • Giảm khối lượng gia công cắt gọt tiếp theo từ 20% đến 35%, tiết kiệm đáng kể năng lượng nung và dập tạo hình.
  • Phân loại thiết bị gia công (máy búa, máy ép thủy lực, máy ép trục vít, máy ép trục khuỷu dập nóng), trong đó khẳng định máy ép trục khuỷu dập nóng (METKDN) là thiết bị phù hợp nhất cho dập khuôn kín nhờ hành trình cố định, tốc độ biến dạng cao và giảm thiểu thời gian truyền nhiệt từ phôi sang khuôn.
  • Tổng hợp các công trình nghiên cứu trong và ngoài nước, chỉ ra các yếu tố công nghệ chưa được giải quyết đồng bộ và xác định nhiệm vụ khoa học của luận án.

Chương 2: Cơ sở lý thuyết về công nghệ dập khối trong khuôn kín

Chương 2 thiết lập nền tảng tính toán giải tích cho quá trình tạo hình trong khuôn kín:

  • Đặc tính điền đầy: Áp dụng phương pháp cận trên thiết lập công thức tính toán vận tốc dòng chảy kim loại cho 3 trường hợp biến dạng giả định. Xác định sự suy giảm kích thước góc chưa điền đầy ($DJ, JE, FK, KG$) theo bước dịch chuyển chày $\Delta U$. Kết quả chỉ ra rằng vùng mặt trên của phôi điền đầy ở tải trọng thấp hơn vùng đáy do ma sát ở mặt đáy lớn hơn. Phôi có tỷ lệ $H/D$ lớn có thể tích góc chưa điền đầy ban đầu lớn hơn phôi có $H/D$ nhỏ.
  • Tính toán lực và thông số hình học khuôn: Xác định công thức tính áp lực dập theo tỷ số chiều cao/đường kính lòng khuôn; chứng minh góc nghiêng thành khuôn $\alpha$ phải thỏa mãn $\tan\alpha \ge \mu$ để tránh kẹt dính phôi; xác định kích thước bán kính góc lượn $R$ và $r$ ($r = 1 \div 6\text{ mm}$, $R = 3 \div 15\text{ mm}$); thiết lập công thức tính chiều sâu lỗ chưa thấu $h_{max}$ và chiều dày màng ngăn $a$.
  • Biến dạng đàn hồi thiết bị: Mô hình hóa sự dịch chuyển chiều cao sản phẩm do biến dạng đàn hồi của các chi tiết máy ép trục khuỷu ($\Delta h_{đh}$ có thể lên tới $2\text{ mm}$ đối với vật dập cao $70 - 80\text{ mm}$), làm cơ sở hiệu chỉnh hành trình đầu trượt khi gá đặt khuôn.
  • Nhận diện các dạng khuyết tật: Phân tích cơ chế hình thành của 5 dạng khuyết tật điển hình: nứt bề mặt do ứng suất kéo cục bộ hoặc nhiệt độ chạm ngưỡng giòn nóng; khuyết tật gấp nếp do dòng chảy không ổn định; cào xước lòng khuôn do phá hủy màng bôi trơn; khuyết tật không điền đầy lòng khuôn do thiếu áp lực hoặc trở lực ma sát lớn; và các vết nứt tế vi bên trong tổ chức vật liệu.
[Các dạng khuyết tật chính khi dập khuôn kín]

Chương 3: Nghiên cứu ảnh hưởng của các yếu tố đến độ chính xác của chi tiết khớp nối khi dập trong khuôn kín bằng mô phỏng số

Chương này thực hiện mô phỏng số quá trình dập chi tiết khớp nối truyền động ô tô bằng phần mềm Deform 3D:

  • Thiết lập bài toán mô phỏng: Phôi trụ tròn thép C45 được chia lưới phần tử hữu hạn dạng tứ diện (tetrahedral elements) có khả năng tái tạo lưới tự động (remeshing) khi biến dạng lớn. Điều kiện biên: nhiệt độ nung phôi ban đầu $1050^\circ\text{C} - 1100^\circ\text{C}$, nhiệt độ khuôn được gia nhiệt $200^\circ\text{C} - 250^\circ\text{C}$.
  • Kết quả mô phỏng các thông số trường:
    • Ứng suất và biến dạng: Ứng suất tương đương đạt giá trị cực đại tại vùng vành mặt bích và các góc lượn chuyển tiếp; mức độ biến dạng thực tập trung cao nhất ở khu vực kim loại bị ép chảy xuyên tâm.
    • Dòng chảy kim loại và nhiệt độ: Dòng chảy kim loại điền đầy phần thân trước, sau đó chảy dồn về phía vành mặt bích. Nhiệt độ phôi duy trì trong khoảng ổn định $900^\circ\text{C} - 1050^\circ\text{C}$ trong suốt hành trình ép.
  • Khảo sát đơn yếu tố:
    • Ảnh hưởng của tỷ số $H/D$ ($1,4 \div 2,0$): Khi $H/D$ tăng, bán kính góc lượn $r$ giảm (mức độ điền đầy tốt hơn), tuy nhiên lực dập cực đại $P_{max}$ có xu hướng tăng do diện tích tiếp xúc trượt dọc tăng lên.
    • Ảnh hưởng của hệ số ma sát $\mu$ ($0,3 \div 0,6$): Hệ số ma sát $\mu$ tăng làm tăng mạnh trở lực chảy dẻo của kim loại vào các góc hẹp, dẫn đến bán kính $r$ tăng (độ điền đầy giảm) và lực tạo hình $P_{max}$ tăng tuyến tính.
    • Ảnh hưởng của góc nghiêng chày $\alpha$ ($60^\circ \div 90^\circ$): Góc nghiêng $\alpha$ tác động trực tiếp đến sự phân bố áp lực nén ép hướng tâm; góc nghiêng phù hợp giúp giảm lực cản biến dạng và hỗ trợ kim loại điền đầy đều góc lượn vành bích.

Chương 4: Nghiên cứu thực nghiệm kiểm chứng dập chi tiết khớp nối trong khuôn kín

Chương 4 trình bày quá trình tối ưu hóa thông số và kiểm chứng bằng thực nghiệm công nghiệp:

  • Quy hoạch thực nghiệm và xử lý thống kê:
    • Bố trí thực nghiệm mô phỏng theo ma trận trực giao Taguchi với các biến đầu vào $H/D$, $\alpha$, $\mu$.
    • Phân tích ANOVA đối với bán kính $r$: Xác định mức độ ảnh hưởng tương đối của từng yếu tố đến độ điền đầy góc lượn.
    • Phân tích ANOVA đối với lực dập $P_{max}$: Xác định các yếu tố chi phối chính đến tải trọng biến dạng cực đại.
    • Xây dựng phương trình hồi quy toán học liên hệ giữa $r$, $P_{max}$ với ba thông số đầu vào ($H/D, \alpha, \mu$) thông qua phần mềm Matlab, cho độ tương thích cao giữa mô hình toán và dữ liệu mô phỏng.
  • Quy trình thực nghiệm dập vật lý:
    • Chế tạo bộ khuôn dập chuyên dụng gồm khối khuôn dập thô, khuôn dập tinh và chày dập tinh lắp đặt trên máy ép trục khuỷu 1000T-FP1000G.
    • Phôi thép C45 được cắt với kích thước xác định, nung nóng trên lò nung trung tần đến nhiệt độ quy chuẩn ($1100^\circ\text{C}$) và đưa vào dập định hình qua các bước: chồn sơ bộ $\rightarrow$ dập thô $\rightarrow$ dập tinh trong lòng khuôn kín $\rightarrow$ đột màng ngăn lỗ.
  • Kết quả đo kiểm và so sánh:
    • Đo kích thước hình học trên máy đo 3 chiều CMM Mitutoyo 544 và máy đo biên dạng Mitutoyo CV-2100: các kích thước thực tế của chi tiết khớp nối nằm hoàn toàn trong giới hạn dung sai thiết kế cho phép.
    • Phân tích kim tương tổ chức tế vi trên 3 mặt cắt: mẫu M1 (mặt cắt vuông góc trục), mẫu M2 và M3 (mặt cắt dọc trục) cho thấy tổ chức kim loại đồng đều, thớ kim loại uốn lượn liên tục theo biên dạng vành mặt bích mà không bị đứt đoạn hoặc gấp nếp.
    • Sai số về bán kính góc lượn $r$ và lực dập $P_{max}$ giữa kết quả mô phỏng Deform 3D và thực nghiệm đo được trên đồng hồ hiển thị của máy ép FP1000G nằm trong giới hạn sai số kỹ thuật nhỏ, khẳng định độ tin cậy của mô hình mô phỏng.

Kết quả và những đóng góp mới

Đóng góp mới về mặt khoa học (Lý luận)

  • Xác định được quy luật ảnh hưởng đồng thời và mức độ tác động định lượng của các thông số hình học phôi ($H/D$), thông số hình học chày dập ($\alpha$) và hệ số ma sát tiếp xúc ($\mu$) đến mức độ điền đầy lòng khuôn (thông qua bán kính góc lượn vành bích $r$) và lực tạo hình lớn nhất ($P_{max}$) khi dập khối trong khuôn kín.
  • Xây dựng mô hình toán học (phương trình hồi quy thực nghiệm) mô tả hàm tương quan giữa các thông số công nghệ đầu vào ($H/D, \alpha, \mu$) với các chỉ tiêu chất lượng đầu ra ($r, P_{max}$), cung cấp công cụ tính toán dự báo nhanh cho quá trình dập chi tiết dạng trục có vành mặt bích.
  • Làm sáng tỏ cơ chế dòng chảy kim loại và bản chất phân bố trường ứng suất - biến dạng trong quá trình dập nóng trong khuôn kín bằng sự kết hợp giữa mô phỏng số PTHH và phân tích thớ kim loại thực nghiệm.

Đóng góp mới về mặt thực tiễn

  • Xác định được miền giá trị tối ưu của các thông số công nghệ: dải tỷ lệ phôi $H/D = 1,4 \div 2,0$, góc nghiêng chày $\alpha = 60^\circ \div 90^\circ$, hệ số ma sát $\mu = 0,3 \div 0,6$ phục vụ thiết kế quy trình công nghệ dập chi tiết khớp nối truyền động ô tô đạt độ chính xác cao.
  • Chế tạo thành công bộ khuôn dập thực nghiệm và sản xuất thử nghiệm sản phẩm chi tiết khớp nối bằng thép C45 trên máy ép trục khuỷu FP1000G đạt yêu cầu kỹ thuật, không xuất hiện khuyết tật nứt, gấp nếp hay thiếu hụt biên dạng.
  • Đưa ra giải pháp công nghệ giúp nâng cao hệ số sử dụng kim loại, tiết kiệm vật liệu phôi, giảm tiêu hao năng lượng và rút ngắn thời gian gia công cơ, tạo tiền đề cho các doanh nghiệp cơ khí trong nước chủ động sản xuất linh kiện phụ tùng cho ngành công nghiệp ô tô.

Kiến nghị và giải pháp đề xuất

  • Khi thiết kế công nghệ dập khuôn kín cho các chi tiết đối xứng có vành bích, cần kiểm soát chặt chẽ dung sai thể tích phôi ban đầu trong giới hạn $\pm 0,5% - \pm 1%$ và lựa chọn tỷ lệ $H/D$ phù hợp để đảm bảo điền đầy mép vành mà không gây tăng vọt lực ép cuối hành trình.
  • Cần áp dụng chế độ bôi trơn khuôn ổn định nhằm duy trì hệ số ma sát $\mu \le 0,4$, giúp giảm áp lực tạo hình và kéo dài tuổi thọ lòng khuôn.
  • Bố trí góc nghiêng chày dập $\alpha$ thỏa mãn điều kiện tự đẩy phôi ($\tan\alpha \ge \mu$) kết hợp với việc tính toán bù trừ lượng biến dạng đàn hồi của máy ép trục khuỷu ($\Delta h_{đh}$) khi căn chỉnh chiều cao cối dập.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của đề tài

  • Nghiên cứu tập trung khảo sát trên đối tượng chi tiết khớp nối có dạng hình học tròn xoay đối xứng, chưa mở rộng cho các chi tiết có hình học bất đối xứng phức tạp hoặc nhiều nhánh phân bố không gian.
  • Vật liệu nghiên cứu thực nghiệm mới giới hạn ở mác thép kết cấu cacbon C45; các mác thép hợp kim đặc biệt hoặc kim loại màu chưa được khảo sát trong khuôn khổ luận án.
  • Phạm vi khảo sát các biến đầu vào được giới hạn trong các khoảng giá trị cụ thể ($H/D \in [1,4; 2,0]$, $\alpha \in [60^\circ; 90^\circ]$, $\mu \in [0,3; 0,6]$) ở trạng thái biến dạng dập nóng ($1050^\circ\text{C} - 1100^\circ\text{C}$).

Hướng nghiên cứu phát triển

  • Mở rộng nghiên cứu áp dụng mô hình tính toán và quy trình dập trong khuôn kín cho các loại vật liệu thép hợp kim cao cấp, hợp kim nhôm và titan ứng dụng trong ngành hàng không và cơ khí chính xác.
  • Nghiên cứu quá trình dập khối chính xác trong khuôn kín ở trạng thái biến dạng nửa nóng ($600^\circ\text{C} - 750^\circ\text{C}$) và dập nguội nhằm nâng cao hơn nữa độ nhẵn bóng bề mặt và độ chính xác kích thước sản phẩm.
  • Nghiên cứu tối ưu hóa độ bền mỏi và quy luật mài mòn nhiệt của lòng khuôn dập kín qua chu kỳ làm việc liên tục trong điều kiện sản xuất công nghiệp quy mô lớn.

Giá trị tham khảo

  • Đối với nghiên cứu sinh, học viên cao học và giảng viên chuyên ngành Gia công áp lực / Cơ khí chế tạo: Luận án là tài liệu tham khảo có giá trị về phương pháp luận kết hợp giữa lý thuyết cận trên (Upper Bound Method), mô phỏng phần tử hữu hạn 3D (Deform 3D) và quy hoạch thực nghiệm Taguchi - ANOVA trong tối ưu hóa công nghệ tạo hình kim loại.
  • Đối với kỹ sư công nghệ và cán bộ kỹ thuật tại các nhà máy cơ khí, doanh nghiệp sản xuất phụ tùng ô tô: Cung cấp quy trình công nghệ hoàn chỉnh, các công thức thực nghiệm tính toán lực dập, góc nghiêng khuôn, kích thước phôi và phương pháp căn chỉnh biến dạng đàn hồi của máy ép trục khuỷu khi dập chi tiết dạng khớp nối.
  • Đối với các nhà hoạch định chiến lược phát triển công nghiệp hỗ trợ: Cung cấp cơ sở khoa học và thực tiễn khẳng định tính khả thi của việc làm chủ công nghệ dập thể tích chính xác trong nước, thúc đẩy mục tiêu nâng cao tỷ lệ nội địa hóa các cụm chi tiết truyền động phức tạp cho xe cơ giới.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao công nghệ dập khối trong khuôn kín lại tiết kiệm vật liệu hơn so với dập trong khuôn hở?

Trong dập khuôn hở, lòng khuôn có rãnh bavia biên để tiếp nhận lượng kim loại dư thừa nhằm tạo áp lực ép kim loại điền đầy các hốc; lượng bavia này sau đó bị cắt bỏ, gây lãng phí từ 20% đến 35% thể tích phôi ban đầu. Ngược lại, dập trong khuôn kín lòng khuôn được bao kín hoàn toàn, sự tạo hình diễn ra nhờ sự phân bố lại thể tích phôi bên trong mà không tạo ra bavia biên, giúp tiết kiệm vật liệu lên tới 75% và giảm tối đa các nguyên công cắt gọt hoàn thiện sau dập.

2. Tỷ lệ kích thước hình học phôi $H/D$ ảnh hưởng như thế nào đến độ điền đầy góc lượn vành bích và lực tạo hình?

Khi thể tích phôi không đổi, việc tăng tỷ số $H/D$ (phôi ban đầu cao và thon hơn) làm cho mức độ điền đầy ở góc vành mặt bích diễn ra tốt hơn, thể hiện qua việc bán kính góc lượn $r$ giảm xuống. Tuy nhiên, phôi có $H/D$ lớn hơn sẽ làm tăng hành trình biến dạng nén và diện tích tiếp xúc trượt dọc với thành cối, dẫn đến lực tạo hình cực đại $P_{max}$ tăng lên so với phôi có $H/D$ nhỏ.

3. Điều kiện góc nghiêng thành lòng khuôn $\alpha$ được xác định dựa trên nguyên lý nào để đảm bảo sản phẩm không bị kẹt trong khuôn?

Góc nghiêng thành lòng khuôn $\alpha$ được tính toán dựa trên định luật ma sát Coulomb ($T = \mu P$). Sau hành trình dập, lực đàn hồi của khuôn ép lên chi tiết tạo ra phản lực nén $P$ và lực ma sát tiếp xúc $T$. Để tổng hợp lực dọc trục $Q = P(\sin\alpha - \mu\cos\alpha) \ge 0$ (giúp vật dập tự đẩy ra khỏi cối mà không bị kẹt dính), góc nghiêng chày và cối phải thỏa mãn điều kiện toán học: $\tan\alpha \ge \mu$.

4. Tại sao cần phải tính toán lượng biến dạng đàn hồi của máy ép trục khuỷu dập nóng khi dập trong khuôn kín?

Khi chịu tải trọng dập lớn, các chi tiết chịu lực của máy ép trục khuỷu (trục khuỷu, thanh truyền, đầu trượt, thân máy) bị biến dạng đàn hồi uốn và nén, với độ dịch chuyển $\Delta h_{đh}$ có thể đạt tới $2\text{ mm}$. Nếu chỉ căn chỉnh cối ở trạng thái không tải, chiều cao thực tế của vật dập sau khi nguội sẽ bị sai lệch (cao hơn tính toán). Việc xác định chính xác $\Delta h_{đh} = H_n + a_t - H_t$ cho phép kỹ sư hiệu chỉnh hành trình đầu trượt chính xác để bù trừ lượng biến dạng đàn hồi và độ co ngót nhiệt ($1,2% - 1,5%$).

5. Kết quả kiểm tra tổ chức tế vi kim loại của chi tiết khớp nối sau khi dập thực nghiệm cho thấy điều gì?

Kết quả soi tổ chức tế vi trên các mẫu cắt M1 (vuông góc trục), M2 và M3 (dọc trục) cho thấy tổ chức kim loại đồng đều, các thớ kim loại bị biến dạng dẻo uốn lượn liên tục theo đúng biên dạng hình học của thân và vành mặt bích mà không bị đứt đoạn, không xuất hiện các vùng xoáy chết hay khuyết tật gấp nếp, đảm bảo cơ tính chịu tải tối ưu cho chi tiết truyền động.

Kết luận

Luận án của NCS Nguyễn Quang Thắng đã giải quyết thành công bài toán xác định quy luật ảnh hưởng đồng thời của các thông số hình học phôi ($H/D$), thông số dụng cụ ($\alpha$) và hệ số ma sát ($\mu$) đến mức độ điền đầy góc lượn vành bích ($r$) cùng lực tạo hình ($P_{max}$) khi dập khối chi tiết khớp nối trong khuôn kín. Bằng việc kết hợp chặt chẽ giữa lý thuyết cận trên, mô phỏng số 3D trên phần mềm Deform 3D, phân tích thống kê Taguchi - ANOVA và kiểm chứng thực nghiệm trên máy ép trục khuỷu 1000 tấn, công trình đã xây dựng được mô hình toán học dự báo chính xác và bộ thông số công nghệ tối ưu. Kết quả nghiên cứu khẳng định tính khả thi của việc ứng dụng công nghệ dập khuôn kín để chế tạo các chi tiết truyền động phức tạp, góp phần nâng cao hiệu quả sử dụng vật liệu và năng lực tự chủ sản xuất của ngành công nghiệp hỗ trợ cơ khí tại Việt Nam.