Tổng quan luận án

Gia công áp lực (GCAL) là lĩnh vực then chốt trong ngành cơ khí chế tạo, gắn liền với sản xuất hàng loạt lớn, hàng khối các sản phẩm yêu cầu độ chính xác cao cho các ngành công nghiệp ô tô, xe máy, quốc phòng, hàng không vũ trụ và dân dụng. Trong bối cảnh công nghiệp hóa, việc làm chủ các công nghệ biến dạng dẻo mới nhằm thay thế nguồn chi tiết nhập khẩu là một đòi hỏi cấp thiết. Công nghệ dập tạo hình bằng chất lỏng cao áp (High Pressure Forming - HPF), đặc biệt là công nghệ dập thủy tĩnh (DTT - Sheet Hydroforming), cho phép dập các chi tiết rỗng có biên dạng phức tạp từ vật liệu tấm, giúp giảm trên 50% chi phí chế tạo khuôn, giảm trọng lượng kết cấu và giảm biến dạng đàn hồi so với phương pháp dập vuốt truyền thống.

Tại Việt Nam, các nghiên cứu trước đây chủ yếu tập trung vào dập thủy tĩnh phôi ống hoặc dập thủy cơ (DTC) và dập thủy tĩnh phôi tấm đối với chi tiết dạng bán cầu. Cơ chế tạo hình của chi tiết dạng cốc trụ đáy phẳng có sự khác biệt rõ rệt về trạng thái ứng suất, biến dạng và sự phân bố kim loại tại góc lượn đáy. Tuy nhiên, mối quan hệ tương hỗ giữa các thông số công nghệ và kích thước hình học cối tới khả năng điền đầy, biến mỏng và áp suất tạo hình chi tiết trụ chưa được khảo sát đầy đủ. Luận án tiến sĩ kỹ thuật của tác giả Nguyễn Thị Thu, dưới sự hướng dẫn khoa học của PGS. Nguyễn Đắc Trung tại Trường Đại học Bách khoa Hà Nội (2018), được thực hiện nhằm giải quyết khoảng trống nghiên cứu này với đề tài: "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".

Luận án xác lập 5 mục tiêu nghiên cứu cụ thể:

  1. Xác định ảnh hưởng của áp suất chặn ($Q_{ch}$), chiều sâu tương đối của cối ($H^$) và chiều dày tương đối của phôi ($S^$) tới áp suất chất lỏng tạo hình cần thiết ($P_{th}$) để hình thành sản phẩm theo đúng kích thước thiết kế.
  2. Xác định ảnh hưởng của các thông số ($Q_{ch}, H^, S^$) tới quá trình hình thành bán kính góc lượn đáy sản phẩm ($R_d$).
  3. Xác định ảnh hưởng của các thông số ($Q_{ch}, H^, S^$) tới mức độ biến mỏng lớn nhất của sản phẩm ($\gamma_{max}$).
  4. Xây dựng mối quan hệ hàm số $P_{th} = f(Q_{ch}, H^, S^)$, $R_d = f(Q_{ch}, H^, S^)$, $\gamma_{max} = f(Q_{ch}, H^, S^)$ bằng phương pháp quy hoạch thực nghiệm, từ đó đánh giá định lượng ảnh hưởng của các thông số và xác định chế độ công nghệ thích hợp cho chi tiết cốc trụ.
  5. Thiết kế, chế tạo hệ thống khuôn và thiết bị thực nghiệm dập thủy tĩnh phôi tấm tích hợp hệ thống đo lường, làm kín áp suất cao phù hợp với điều kiện nghiên cứu và sản xuất tại Việt Nam.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của luận án được xác định cụ thể:

  • Đối tượng nghiên cứu: Quá trình dập thủy tĩnh phôi tấm đơn tạo hình chi tiết dạng cốc trụ tròn xoay (chi tiết điển hình trong gia công dập vuốt).
  • Vật liệu nghiên cứu: Thép tấm cán nguội DC04 (chuyên dùng cho dập sâu trong công nghiệp ô tô).
  • Phạm vi thông số phôi: Đường kính phôi ban đầu $D_0 = 110\text{ mm}$; chiều dày phôi ban đầu $S_0 = 0{,}8\text{ mm}; 1{,}0\text{ mm}; 1{,}2\text{ mm}$, tương ứng với chiều dày tương đối $S^* = (S_0 / D_0) \times 100 = 0{,}73%; 0{,}91%; 1{,}09%$. Hệ số dập vuốt $m = d_c / D_0 = 70 / 110 = 0{,}63$.
  • Phạm vi thông số cối: Đường kính lòng cối $d_c = 70\text{ mm}$; chiều sâu lòng cối $h_i = 16\text{ mm}; 18\text{ mm}; 20\text{ mm}$, tương ứng với chiều sâu tương đối $H^* = (h_i / d_c) \times 100 = 23; 26; 29$; bán kính lượn miệng cối $R_{mc} = 5\text{ mm}$; bán kính lượn đáy cối $R_{dc} = 6\text{ mm}$.
  • Phạm vi thông số công nghệ: Miền áp suất tạo hình khảo sát $P_{th} = 0 \div 600\text{ bar}$; miền áp suất chặn phôi khảo sát $Q_{ch} = 0 \div 150\text{ bar}$ (miền khảo sát thực nghiệm tập trung $Q_{ch} = 80 \div 115\text{ bar}$).

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Luận án đã hệ thống hóa lịch sử phát triển và các xu hướng nghiên cứu về công nghệ dập tạo hình bằng chất lỏng cao áp trên thế giới và tại Việt Nam:

Trên thế giới:

  • Cơ sở lý thuyết và các giai đoạn tạo hình: M. Homberg (2000) và Taylan Altan (2004, 2007) đã phân tích các giai đoạn tạo hình thủy tĩnh phôi tấm đơn (đóng khuôn, biến dạng tự do, điền đầy lòng khuôn), xây dựng sơ đồ thiết bị và đặt nền móng cho việc xác định thông số công nghệ. Shi-Hong Zhang và cộng sự (2003) phân tích biểu đồ phân bố ứng suất, biến dạng tại các vùng vành phôi, vùng phôi tự do và vùng tiếp xúc đáy cối.
  • Hình học khuôn và giới hạn tạo hình: Erkan Onder và A. Erma Tekkaya (2008) nghiên cứu các tiết diện cối dạng tròn, elip, vuông, chữ nhật; khảo sát hệ số dập vuốt tương đương $\beta_{eq} = A_0 / A_m$ và chỉ ra rằng công nghệ DTT chỉ tạo hình thành công khi bán kính góc lượn đáy cối lớn hơn 10 lần chiều dày vật liệu để tránh rách đáy. Palumbo và cộng sự (2006) khảo sát tương quan kích thước khuôn và các vị trí lồi, lõm đến khả năng điền đầy của phôi.
  • Lực chặn và khuyết tật gia công: Liu Wei và cộng sự (2008) nghiên cứu dập bán cầu thép DC04 dày 1,0 mm đường kính 100 mm, xác định lực chặn tối ưu ($Q = 420 \div 680\text{ kN}$), chỉ ra lực chặn nhỏ gây nhăn vành ($Q < 400\text{ kN}$) và lực chặn lớn gây rách đáy ($Q > 700\text{ kN}$). Kleiner (2003) và Bruni (2008) chứng minh áp suất tạo hình cao giúp triệt tiêu ứng suất dư và giảm biến dạng đàn hồi (được đo kiểm bằng tia X và hệ thống đo quang học 3D của hãng GOM).
  • Thiết bị và hệ thống chặn điều khiển: Klaus Siegert và cộng sự (2001) chứng minh hệ thống chặn điều khiển theo hành trình có thể giảm mức độ biến mỏng từ 6% đến 11% so với tấm chặn cứng. Krux (2006) khảo sát ảnh hưởng của độ nhám bề mặt cối ($R_a = 0{,}05\ \mu\text{m}$ so với cối có gân nhám) đến khả năng kéo phôi vào cối ở thép DC04. Daniel Koller và Stefan Ulbrich (2008) ứng dụng mô phỏng số để tối ưu hóa tham số điều khiển quá trình.

Tại Việt Nam:

  • Đề tài cấp Nhà nước mã số KC.19 (2002–2004) thiết kế hệ thống dập thủy tĩnh phôi ống đầu tiên.
  • Đề tài 01C-01/07-2008-2 (2008) dập thủy cơ chi tiết trụ 3 lớp kim loại và chi tiết bình xăng xe máy.
  • Đề tài Viện IMI (2014) chế tạo khuôn dập thủy tĩnh cặp phôi tấm không hàn chi tiết hình cầu và khảo sát ảnh hưởng của lực chặn, áp suất tạo hình.
  • Các luận án tiến sĩ liên quan: TS. Nguyễn Văn Thành (2010) nghiên cứu công nghệ dập thủy cơ; TS. Lê Trung Kiên (2013) nghiên cứu DTT phôi tấm đơn chi tiết bán cầu; TS. Đinh Văn Duy (2015) nghiên cứu DTT cặp phôi tấm.

Khoảng trống nghiên cứu được giải quyết: Các nghiên cứu trong nước và quốc tế đối với phôi tấm chủ yếu tập trung vào chi tiết dạng cầu hoặc bán cầu, nơi biến dạng tự do chiếm ưu thế và không có sự điền đầy vào góc lượn đáy phẳng. Chưa có công trình nào thiết lập mô hình toán học tường minh thể hiện ảnh hưởng đồng thời của áp suất chặn ($Q_{ch}$), chiều sâu tương đối của cối ($H^$) và chiều dày tương đối của phôi ($S^$) đến bán kính góc lượn đáy ($R_d$), độ biến mỏng lớn nhất ($\gamma_{max}$) và áp suất tạo hình ($P_{th}$) cho chi tiết dạng cốc trụ. Luận án lựa chọn giải quyết trọn vẹn khoảng trống này thông qua việc kết hợp mô phỏng số phần tử hữu hạn và phương pháp quy hoạch thực nghiệm trên hệ thống thiết bị tự chế tạo.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết và mô hình giải tích

Luận án tiếp cận quá trình dập thủy tĩnh phôi tấm đơn qua 3 giai đoạn vật lý:

  1. Giai đoạn đóng khuôn: Tấm chặn tác dụng lực chặn $Q_{ch}'$ kẹp chặt vành phôi lên cối nhằm chống nhăn và làm kín ngăn chất lỏng rò rỉ.
  2. Giai đoạn biến dạng tự do: Chất lỏng áp suất cao $P_{th}$ bơm vào bề mặt phôi, ép phôi phồng lên dạng chỏm cầu trong lòng cối cho đến khi đỉnh chỏm chạm đáy cối. Trạng thái ứng suất tại đỉnh phôi (điểm P) là kéo hai trục đều: $$\sigma_1 = \sigma_2 = \frac{P_{th} \cdot \rho_P}{2 S_P}$$ Trong đó $S_P$ là chiều dày tức thời và $\rho_P$ là bán kính cong tại đỉnh. Biến dạng cực đại tại đỉnh vòm cầu xác định qua quan hệ hình học: $$\varepsilon_{max} = \ln\left[1 + \left(\frac{h}{a}\right)^2\right]$$
  3. Giai đoạn điền đầy lòng cối: Dưới áp suất chất lỏng tăng cao, kim loại tiếp tục biến dạng dẻo ép sát vào thành trụ và điền đầy góc lượn đáy cối $R_{dc}$. Lực chặn cần thiết được tính toán theo điều kiện cân bằng áp lực chất lỏng và chống mất ổn định vành: $$Q_{ch}' = Q_1 + Q_2 = k \cdot P_{th} \cdot A + Q_2$$ Trong đó $A$ là diện tích hình chiếu lòng cối, $k$ là hệ số an toàn ($k = 1{,}1 \div 1{,}3$), $Q_2$ là lực chống nhăn thông thường. Bán kính miệng cối được chọn theo điều kiện kéo kim loại: $R_{mc} \approx 0{,}05 \div 0{,}1(D_0 - d) + (3 \div 6)S_0$.

Phương pháp mô phỏng số (MPS)

  • Phần mềm: DYNAFORM (sử dụng bộ giải LS-DYNA), kết hợp thuật toán tường minh (Explicit) để tính toán biến dạng dẻo lớn và thuật toán ẩn (Implicit) để đánh giá trạng thái cân bằng và đàn hồi.
  • Mô hình hình học: Khuôn cối ($d_c = 70\text{ mm}$, $R_{mc} = 5\text{ mm}$, $R_{dc} = 6\text{ mm}$, $h_i = 16, 18, 20\text{ mm}$), tấm chặn và phôi ($D_0 = 110\text{ mm}$). Phôi được chia lưới phần tử vỏ (shell elements).
  • Mô hình vật liệu: Vật liệu thép DC04 giả thiết đẳng hướng, sử dụng đường cong ứng suất – biến dạng thực nghiệm nhận được từ thí nghiệm kéo mẫu.
Đặc tính kỹ thuật của thép DC04 Giá trị công bố
Giới hạn bền $\sigma_m$ $314 \div 412\text{ MPa}$
Giới hạn chảy $\sigma_f$ $210 \div 280\text{ MPa}$
Độ giãn dài tương đối $\delta$ $38%$
Khối lượng riêng $\rho$ $7{,}85\text{ kg/dm}^3$
Thành phần hóa học $\text{C} \le 0{,}08%;\ \text{Mn} \le 0{,}40%;\ \text{P} \le 0{,}030%;\ \text{S} \le 0{,}030%$
  • Điều kiện biên tiếp xúc: Hệ số ma sát tiếp xúc giữa phôi và khuôn, tấm chặn được thiết lập $\mu = 0{,}12$ (tương ứng điều kiện bôi trơn màng nhựa polythen).

Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm

  • Quy hoạch thực nghiệm: Sử dụng phương pháp quy hoạch thực nghiệm đa yếu tố bậc hai (ma trận trực giao) với 3 thông số vào: áp suất chặn $Q_{ch}\ (80 \div 115\text{ bar})$, chiều sâu tương đối cối $H^\ (23 \div 29)$ và chiều dày tương đối phôi $S^\ (0{,}73 \div 1{,}09%)$. Các thông số ra gồm $R_d\text{ (mm)}$, $\gamma_{max}\text{ (%)}$ và $P_{th}\text{ (bar)}$.
  • Hệ thống thiết bị thực nghiệm:
    • Máy ép thủy lực (METL) đóng khuôn và duy trì lực kẹp.
    • Bộ tăng áp thủy lực CP-70 tạo áp suất chất lỏng công tác tối đa 700 bar.
    • Cụm khuôn dập chi tiết trụ có kết cấu rãnh gioăng cao su chịu áp lực cao cải tiến nhằm chống cắn đứt gioăng khi mép phôi dịch chuyển vào cối.
    • Cụm điều khiển áp suất chặn và trạm đo áp suất – hành trình tích hợp cảm biến điện tử kết nối máy tính.
    • Thiết bị đo quang học xác định tọa độ biên dạng, phần mềm SolidWorks tái tạo biên dạng đáy để đo $R_d$, và kính hiển vi/panme đo chiều dày mẫu cắt để tính toán mức độ biến mỏng: $\gamma = \frac{S_0 - S_i}{S_0} \times 100%$.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan về công nghệ dập tạo hình bằng chất lỏng cao áp

Chương 1 trình bày phân loại và nguyên lý của các phương pháp dập tạo hình bằng chất lỏng cao áp: dập thủy cơ (DTC), dập thủy tĩnh (DTT) phôi tấm đơn, DTT cặp phôi tấm và DTT phôi ống. Tác giả phân tích các ưu điểm kỹ thuật của DTT tấm đơn như nâng cao chất lượng bề mặt phôi, cho phép dập vật liệu có chiều dày mỏng ($0{,}1 \div 3{,}0\text{ mm}$), giảm số bước dập vuốt trung gian và giảm chi phí chế tạo khuôn dập. Đồng thời, chương 1 chỉ ra nhược điểm về lực kẹp khuôn lớn và nguy cơ biến mỏng cục bộ tại đáy chi tiết.

Dựa trên việc tổng thuật các công trình nghiên cứu cơ bản trong và ngoài nước, tác giả xây dựng mô hình giải tích về trạng thái ứng suất – biến dạng tại 3 vùng trọng yếu: vành phôi (vùng nén tiếp tuyến và kéo hướng kính), mép uốn miệng cối (chịu uốn và kéo vuốt) và đỉnh chỏm cầu biến dạng tự do. Chương 1 kết luận về sự cần thiết phải phối hợp mô phỏng số và quy hoạch thực nghiệm để giải quyết bài toán dập chi tiết cốc trụ thép DC04 có hệ số dập vuốt $m = 0{,}63$.

Chương 2: Nghiên cứu bằng mô phỏng số quá trình dập thủy tĩnh phôi tấm

Chương 2 tập trung thiết lập bài toán phần tử hữu hạn trên phần mềm DYNAFORM để mô phỏng quá trình dập chi tiết trụ từ phôi thép DC04 đường kính $D_0 = 110\text{ mm}$.

Mô phỏng khảo sát các miền áp suất chặn $Q_{ch}$ từ $25\text{ bar}$ đến $125\text{ bar}$ cho các trường hợp chiều dày tương đối $S^* = 0{,}73; 0{,}91; 1{,}09%$ và chiều sâu tương đối $H^* = 23; 26; 29$:

  • Khi $Q_{ch} \le 25\text{ bar}$: Lực chặn không đủ thắng áp lực chất lỏng, vành phôi bị nhăn nghiêm trọng, chất lỏng bị rò rỉ làm mất áp ($P_{th} \le 28\text{ bar}$), phôi không thể tạo hình thành cốc trụ.
  • Khi $Q_{ch} = 25 \div 60\text{ bar}$: Vành phôi không bị nhăn nhưng áp suất tạo hình chưa đủ lớn để ép kim loại đạt chiều sâu định mức $h_i$.
  • Khi $Q_{ch} = 60 \div 125\text{ bar}$: Quá trình tạo hình diễn ra ổn định, chi tiết đạt hình trụ với chiều sâu thiết kế và bán kính đáy $R_d$ rõ nét.
  • Khi $Q_{ch} \ge 125\text{ bar}$: Phôi bị kẹp quá chặt trên vành, kim loại không thể dịch chuyển vào lòng cối, biến dạng kéo tập trung làm xuất hiện vùng ứng suất nguy hiểm (vùng đỏ) tại góc lượn đáy gây rách sản phẩm.
Miền áp suất chặn khảo sát trong mô phỏng số ($S^* = 0{,}73 \div 1{,}09%$) Chiều sâu tương đối cối $H^*$ Miền áp suất chặn thích hợp $Q_{ch}\text{ (bar)}$ Miền áp suất tạo hình tương ứng $P_{th}\text{ (bar)}$
$S^* = 0{,}73%$ ($S_0 = 0{,}8\text{ mm}$) $H^* = 23$ ($h = 16\text{ mm}$) $60 \div 125$ $350 \div 500$
$S^* = 0{,}73%$ ($S_0 = 0{,}8\text{ mm}$) $H^* = 26$ ($h = 18\text{ mm}$) $65 \div 120$ $345 \div 495$
$S^* = 0{,}73%$ ($S_0 = 0{,}8\text{ mm}$) $H^* = 29$ ($h = 20\text{ mm}$) $70 \div 115$ $340 \div 490$
Miền tổng hợp chọn cho thực nghiệm $H^ = 23; 26; 29$* $80 \div 115$ $340 \div 500$

Kết quả mô phỏng số chứng minh rằng áp suất tạo hình $P_{th}$ tỷ lệ thuận đồng biến với áp suất chặn $Q_{ch}$. Với cùng một giá trị áp suất chặn $Q_{ch}$, cối có chiều sâu tương đối $H^*$ nhỏ hơn lại đòi hỏi áp suất tạo hình $P_{th}$ cao hơn để ép phẳng đáy và điền đầy bán kính góc lượn đáy $R_d$.

Chương 3: Hệ thống và phương pháp đánh giá thực nghiệm

Chương 3 trình bày toàn bộ quá trình thiết kế, chế tạo và thử nghiệm hệ thống thiết bị dập thủy tĩnh:

  • Kết cấu cụm cối và tấm chặn: Thân cối được thiết kế với lòng cối $d_c = 70\text{ mm}$, có thể thay đổi các miếng chêm đáy để đạt các chiều sâu $h_i = 16, 18, 20\text{ mm}$. Luận án cải tiến rãnh đặt gioăng cao su làm kín chịu áp cao chuyển từ mặt phẳng miệng cối sang vị trí bậc chặn đặc biệt, giúp gioăng không bị mép phôi đè gãy trong quá trình phôi trượt vào lòng cối.
  • Hệ thống cấp và đo áp: Sử dụng bộ tăng áp khí nén – thủy lực CP-70 tạo áp suất chất lỏng $P_{th}$ ổn định lên đến $600\text{ bar}$. Hệ thống cảm biến áp suất và cảm biến dịch chuyển bàn ép truyền dữ liệu về máy tính ghi nhận đường cong áp suất – hành trình.
  • Quy trình đo kiểm sản phẩm: Mẫu dập sau khi tạo hình được đo biên dạng đáy trên máy đo tọa độ quang học, số liệu điểm đo được xuất sang phần mềm SolidWorks để khớp đường cong xác định chính xác bán kính đáy thực tế $R_d$. Mẫu sau đó được cắt dọc tâm đối xứng để đo chiều dày thành và đáy bằng panme vi cấp, xác định điểm có chiều dày nhỏ nhất $S_{min}$ nhằm tính toán $\gamma_{max}$.
  • Kiểm chứng mô hình số: Thử nghiệm dập mẫu kiểm chứng tại các chế độ mô phỏng cho thấy sự phù hợp cao về hình dạng biên dạng, phân bố biến mỏng và áp suất yêu cầu; sai số giữa kết quả mô phỏng số và thực nghiệm đo đạc nhỏ hơn 10%, khẳng định độ tin cậy của mô hình số.

Chương 4: Nghiên cứu thực nghiệm công nghệ dập thủy tĩnh phôi tấm

Chương 4 thực hiện quy hoạch thực nghiệm theo ma trận trực giao bậc hai với 3 yếu tố ảnh hưởng ($Q_{ch}, H^, S^$). Sau khi đo đạc các giá trị $R_d, \gamma_{max}, P_{th}$, xử lý thống kê loại bỏ các hệ số không có nghĩa theo tiêu chuẩn Student ($t$) và kiểm định độ tương thích của mô hình bằng tiêu chuẩn Fisher ($F$), luận án xây dựng được các phương trình hồi quy toán học:

  1. Mối quan hệ đối với bán kính đáy sản phẩm $R_d\text{ (mm)}$: $$R_d = f(Q_{ch}, H^, S^)$$ Khi áp suất chặn $Q_{ch}$ tăng từ $80\text{ bar}$ lên $115\text{ bar}$, bán kính đáy $R_d$ giảm rõ rệt (tiến sát bán kính cối $R_{dc} = 6\text{ mm}$) do áp suất tạo hình $P_{th}$ tăng theo, ép kim loại điền đầy góc lượn. Chiều sâu cối $H^*$ tăng làm tăng độ căng vòm cầu tự do, hỗ trợ phôi tiếp xúc đáy sớm hơn và giảm $R_d$.
  2. Mối quan hệ đối với mức độ biến mỏng lớn nhất $\gamma_{max}\text{ (%)}$: $$\gamma_{max} = f(Q_{ch}, H^, S^)$$ Mức độ biến mỏng lớn nhất luôn xuất hiện tại vùng góc lượn chuyển tiếp giữa đáy và thân trụ. Khi $Q_{ch}$ tăng, lực ma sát giữ phôi trên vành tăng, cản trở sự dịch chuyển kim loại bổ sung từ vành vào cối, dẫn đến biến mỏng $\gamma_{max}$ tăng cao. Với phôi mỏng ($S^* = 0{,}73%$) và chiều sâu lớn ($H^* = 29$), $\gamma_{max}$ có thể vượt quá $25%$ nếu $Q_{ch} > 115\text{ bar}$, dẫn tới nguy cơ nứt rách.
  3. Mối quan hệ đối với áp suất chất lỏng tạo hình $P_{th}\text{ (bar)}$: $$P_{th} = f(Q_{ch}, H^, S^)$$ Áp suất tạo hình $P_{th}$ tăng mạnh khi áp suất chặn $Q_{ch}$ tăng và khi chiều dày tương đối của phôi $S^*$ tăng (do trở lực biến dạng uốn và kéo kim loại tăng).

Dựa trên các phương trình toán học thực nghiệm, tác giả xác định được vùng thông số công nghệ tối ưu cho chi tiết cốc trụ thép DC04: $Q_{ch} = 90 \div 105\text{ bar}$, đảm bảo sản phẩm đạt bán kính đáy $R_d \le 6{,}5\text{ mm}$, độ biến mỏng $\gamma_{max} \le 18 \div 20%$ và không bị rò rỉ chất lỏng trong suốt chu trình tạo hình.

Kết quả và những đóng góp mới

Đóng góp mới về mặt lý luận và khoa học

  • Làm sáng tỏ quy luật biến dạng dẻo và cơ chế phân bố ứng suất – biến dạng trong quá trình dập thủy tĩnh phôi tấm đơn đối với chi tiết dạng cốc trụ tròn xoay có đáy phẳng (khác biệt với chi tiết dạng bán cầu).
  • Xây dựng thành công hệ phương trình toán học thực nghiệm mô tả mối quan hệ định lượng giữa các thông số công nghệ, thông số hình học phôi và cối ($Q_{ch}, H^, S^$) với các chỉ tiêu chất lượng sản phẩm ($P_{th}, R_d, \gamma_{max}$).
  • Xác định được bản chất ảnh hưởng của chiều sâu tương đối cối $H^$ đến áp suất tạo hình: ở chiều sâu tương đối $H^$ thấp hơn, áp suất tạo hình $P_{th}$ cần thiết để điền đầy bán kính đáy lại cao hơn so với chiều sâu $H^*$ lớn (ở cùng một mức áp suất chặn).

Đóng góp mới về mặt thực tiễn

  • Thiết kế, chế tạo và làm chủ hoàn chỉnh hệ thống thiết bị thực nghiệm dập thủy tĩnh phôi tấm tại Việt Nam, bao gồm khuôn dập chuyên dụng cho chi tiết trụ, kết cấu gioăng làm kín cải tiến chống mất áp, bộ tăng áp CP-70 và hệ thống đo lường áp suất – hành trình tự động.
  • Xác lập bộ thông số công nghệ và miền làm việc an toàn của áp suất chặn ($Q_{ch} = 80 \div 115\text{ bar}$) và áp suất tạo hình ($P_{th} = 340 \div 500\text{ bar}$) cho thép tấm DC04, giúp ngăn ngừa triệt để hai dạng phế phẩm điển hình là nhăn vành và rách góc đáy.
  • Cung cấp cơ sở khoa học và dữ liệu công nghệ trực tiếp phục vụ tính toán, thiết kế khuôn mẫu và lập quy trình công nghệ dập thủy tĩnh chi tiết dạng vỏ trụ trong công nghiệp cơ khí ô tô, xe máy và quốc phòng.

Kiến nghị và đề xuất

  • Đề xuất áp dụng quy trình phối hợp giữa mô phỏng số trên phần mềm DYNAFORM và quy hoạch thực nghiệm để rút ngắn thời gian thử nghiệm và giảm chi phí thiết kế khuôn dập thủy tĩnh trong sản xuất công nghiệp.
  • Kiến nghị nghiên cứu ứng dụng hệ thống chặn phôi chủ động có lực chặn điều khiển biến thiên theo hành trình/thời gian nhằm giảm hơn nữa mức độ biến mỏng cục bộ của sản phẩm.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của luận án

  • Nghiên cứu thực nghiệm mới chỉ giới hạn trên một loại vật liệu là thép tấm cán nguội DC04 với dải chiều dày tương đối $S^* = 0{,}73% \div 1{,}09%$ ($S_0 = 0{,}8 \div 1{,}2\text{ mm}$).
  • Đối tượng hình học khảo sát dừng lại ở chi tiết cốc trụ tròn xoay có tính đối xứng trục; chưa khảo sát các hình dạng tiết diện phức tạp như elip, chữ nhật hoặc chi tiết có gân lồi lõm không đối xứng.
  • Áp suất chặn $Q_{ch}$ trong hệ thống thực nghiệm được duy trì cố định trong suốt mỗi chu trình dập, chưa thực hiện được việc điều khiển lực chặn biến thiên linh hoạt theo thời gian thực.

Hướng nghiên cứu tiếp theo

  • Mở rộng nghiên cứu quá trình dập thủy tĩnh trên các vật liệu nhẹ, kim loại màu và hợp kim khó biến dạng (hợp kim nhôm, magie, titan, thép không gỉ).
  • Nghiên cứu công nghệ dập thủy tĩnh kết hợp gia nhiệt (dập đẳng nhiệt/dập nóng bằng chất lỏng) hoặc kết hợp nguồn áp suất rung động thủy lực (sóng va đập thủy lực) để nâng cao giới hạn tạo hình của vật liệu.
  • Thiết kế và phát triển hệ thống khuôn có cơ cấu chặn phôi thông minh điều khiển theo tọa độ và hành trình để dập các chi tiết vỏ ô tô có hình dạng không gian phức tạp.

Giá trị tham khảo

Luận án là tài liệu tham khảo chuyên sâu cho các đối tượng:

  • Nghiên cứu sinh, học viên cao học và sinh viên ngành Gia công áp lực, Cơ khí chế tạo máy, Vật liệu học: Tham khảo phương pháp luận kết hợp giữa lý thuyết biến dạng dẻo, kỹ thuật mô phỏng số bằng phần mềm DYNAFORM/LS-DYNA và phương pháp quy hoạch thực nghiệm xử lý số liệu đa yếu tố.
  • Giảng viên đại học: Sử dụng hệ thống thiết bị và các quy trình công nghệ được công bố trong luận án làm giáo cụ trực quan, tài liệu thí nghiệm chuyên đề công nghệ tạo hình vật liệu tấm tiên tiến.
  • Kỹ sư công nghệ và các nhà quản lý kỹ thuật tại các viện nghiên cứu, doanh nghiệp sản xuất phụ tùng ô tô, xe máy, quốc phòng: Tham khảo kết cấu khuôn dập chất lỏng cao áp, giải pháp làm kín áp suất cao bằng gioăng cao su cải tiến, và bộ dữ liệu thông số công nghệ dập thép DC04 để ứng dụng trực tiếp vào sản xuất thực tiễn.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao trong công nghệ dập thủy tĩnh phôi tấm đơn, áp suất chặn phôi $Q_{ch}$ lại có cả giới hạn dưới và giới hạn trên?

Áp suất chặn $Q_{ch}$ đóng vai trò kép trong dập thủy tĩnh:

  • Giới hạn dưới ($Q_{ch} \le 25\text{ bar}$): Nếu áp suất chặn quá nhỏ, lực kẹp vành phôi không đủ để chống lại ứng suất nén tiếp tuyến sinh ra khi kéo phôi, dẫn đến hiện tượng nhăn vành. Vành phôi bị nhăn tạo ra khe hở khiến chất lỏng công tác rò rỉ ra ngoài, làm tụt áp suất trong cối ($P_{th} \le 28\text{ bar}$) và quá trình tạo hình thất bại.
  • Giới hạn trên ($Q_{ch} \ge 125\text{ bar}$): Nếu áp suất chặn quá lớn, lực ma sát kẹp chặt vành phôi ngăn cản kim loại dịch chuyển vào lòng cối. Khi đó, quá trình dập chuyển hoàn toàn sang trạng thái kéo căng biến mỏng tự do, ứng suất kéo vượt quá giới hạn bền của vật liệu gây rách phôi tại góc lượn đáy.

2. Quá trình dập thủy tĩnh phôi tấm đơn chi tiết cốc trụ trải qua những giai đoạn tạo hình nào?

Quá trình diễn ra qua 3 giai đoạn:

  1. Đóng khuôn: Tấm chặn tác dụng lực kẹp giữ vành phôi trên mặt cối để chống nhăn và làm kín.
  2. Biến dạng tự do: Chất lỏng cao áp được bơm vào bề mặt phôi, ép phôi phồng lên dạng chỏm cầu tự do trong lòng cối cho đến khi đỉnh vòm cầu tiếp xúc với đáy cối.
  3. Điền đầy lòng cối: Áp suất chất lỏng tiếp tục tăng cao để thắng trở lực biến dạng, ép sát phôi vào thành cối và điền đầy góc lượn đáy $R_{dc}$, định hình chi tiết theo đúng kích thước thiết kế.

3. Tại sao ở cùng một giá trị áp suất chặn $Q_{ch}$, cối có chiều sâu tương đối $H^*$ nhỏ hơn lại đòi hỏi áp suất tạo hình $P_{th}$ lớn hơn?

Ở cối có chiều sâu tương đối $H^$ nhỏ ($H^ = 23$), giai đoạn biến dạng tự do kết thúc sớm khi phôi chạm đáy cối ở độ phồng nông. Khi đó, bán kính cong của phần phôi chưa điền đầy còn lớn, kim loại chưa được kéo căng nhiều nên trở lực uốn và ép kim loại ôm sát vào góc lượn đáy phẳng $R_{dc}$ đòi hỏi áp lực thủy tĩnh tác dụng trực tiếp $P_{th}$ phải lớn hơn so với trường hợp cối sâu ($H^* = 29$, nơi vòm phôi đã kéo dài và thành trụ đã định hình tương đối).

4. Hệ thống thực nghiệm trong luận án được xây dựng từ những cụm thiết bị chính nào?

Hệ thống thực nghiệm gồm 5 cụm chính:

  1. Máy ép thủy lực (METL) thực hiện nhiệm vụ đóng khuôn và kẹp vành phôi.
  2. Bộ tăng áp CP-70 sử dụng khí nén điều khiển thủy lực tạo áp suất chất lỏng lên đến $700\text{ bar}$.
  3. Cụm khuôn dập chi tiết trụ có đáy thay đổi chiều sâu ($h_i = 16, 18, 20\text{ mm}$) và cơ cấu rãnh gioăng làm kín cải tiến.
  4. Cụm điều khiển và phân phối áp suất chặn.
  5. Hệ thống đo lường tích hợp cảm biến áp suất, cảm biến hành trình bàn ép kết nối máy tính thu thập số liệu thời gian thực.

5. Thông số cơ tính và thành phần hóa học của vật liệu thép DC04 sử dụng trong nghiên cứu là gì?

Thép DC04 là mác thép cán nguội chuyên dùng cho dập vuốt sâu, có các thông số kỹ thuật được xác lập trong luận án:

  • Cơ tính: Giới hạn bền $\sigma_m = 314 \div 412\text{ MPa}$, giới hạn chảy $\sigma_f = 210 \div 280\text{ MPa}$, độ giãn dài $\delta = 38%$, khối lượng riêng $\rho = 7{,}85\text{ kg/dm}^3$, hệ số dập vuốt tới hạn $[m] = 0{,}53$.
  • Thành phần hóa học: $\text{C} \le 0{,}08%$, $\text{Mn} \le 0{,}40%$, $\text{P} \le 0{,}030%$, $\text{S} \le 0{,}030%$.

Kết luận

Luận án tiến sĩ kỹ thuật của tác giả Nguyễn Thị Thu đã giải quyết trọn vẹn mục tiêu nghiên cứu ảnh hưởng của áp suất chặn ($Q_{ch}$), chiều sâu tương đối của cối ($H^$) và chiều dày tương đối của phôi ($S^$) đến khả năng tạo hình chi tiết cốc trụ thép DC04 bằng công nghệ dập thủy tĩnh. Bằng việc kết hợp chặt chẽ giữa mô phỏng số trên phần mềm DYNAFORM và phương pháp quy hoạch thực nghiệm trên hệ thống thiết bị tự chế tạo, công trình đã xây dựng thành công các mô hình toán học dự báo chính xác áp suất tạo hình $P_{th}$, bán kính góc đáy $R_d$ và độ biến mỏng cực đại $\gamma_{max}$. Các kết quả nghiên cứu và giải pháp kết cấu khuôn làm kín áp suất cao cung cấp cơ sở khoa học và dữ liệu công nghệ tin cậy, đóng góp thiết thực cho việc làm chủ và ứng dụng công nghệ dập thủy tĩnh phôi tấm trong ngành cơ khí chế tạo tại Việt Nam.