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 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 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 Sơ đồ các bước dập thủy cơ [87] 4 Luận án tiến sĩ Kĩ thuật 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.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 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.) - 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.) - 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. 5 Luận án tiến sĩ Kĩ thuật 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. 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 Luận án tiến sĩ Kĩ thuật 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 Luận án tiến sĩ Kĩ thuật 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].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.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 Luận án tiến sĩ Kĩ thuật 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.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 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].