Tổng quan luận án
Công nghệ gia công áp lực giữ vị trí thiết yếu trong ngành cơ khí chế tạo, phục vụ sản xuất hàng khối với độ chính xác cao cho các ngành công nghiệp ô tô, xe máy, quốc phòng, năng lượng và hàng tiêu dùng. Thực tế sản xuất tại Việt Nam vẫn phụ thuộc nhiều vào việc nhập khẩu các chi tiết dạng rỗng sâu hoặc có biên dạng phức tạp. Công nghệ dập thủy tĩnh (High Pressure Forming - HPF / Sheet Hydroforming) sử dụng chất lỏng cao áp tác dụng trực tiếp lên bề mặt phôi thay cho chày kim loại, cho phép giảm số lượng nguyên công, giảm chi phí chế tạo khuôn trên 50%, nâng cao chất lượng bề mặt và giảm hiện tượng đàn hồi. Tuy nhiên, các nghiên cứu trong nước trước đây chủ yếu tập trung vào phôi ống hoặc chi tiết phôi tấm dạng cầu/bán cầu. Chi tiết dạng trụ có cơ chế biến dạng, điều kiện điền đầy đáy và phân bố biến mỏng khác biệt rõ rệt nhưng chưa được xây dựng mô hình toán học và khảo sát toàn diện. Do đó, luận án tập trung giải quyết khoảng trống này thông qua 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".
Mục tiêu nghiên cứu của luận án được xác định cụ thể gồm:
- Xác định ảnh hưởng của thông số áp suất chặn $Q_{ch}$, chiều sâu tương đối của cối $H^$ và chiều dày tương đối của phôi $S^$ tới áp suất tạo hình cần thiết $P_{th}$ để tạo ra sản phẩm đạt yêu cầu theo biên dạng kích thước thiết kế.
- Xác định ảnh hưởng của các thông số $Q_{ch}$, $H^$, $S^$ tới việc hình thành bán kính đáy sản phẩm $R_d$.
- Xác định ảnh hưởng của các thông số $Q_{ch}$, $H^$, $S^$ tới mức độ biến mỏng lớn nhất của sản phẩm $\gamma_{max}$.
- Dựa trên việc xác định mối quan hệ hàm số $P_{th} = f(Q_{ch}, H^, S^)$, $R_d = f(Q_{ch}, H^, S^)$ và $\gamma_{max} = f(Q_{ch}, H^, S^)$, đánh giá ảnh hưởng của các thông số công nghệ, kích thước khuôn và phôi, từ đó lựa chọn chế độ công nghệ phù hợp cho quá trình tạo hình chi tiết cốc trụ.
- Xây dựng hệ thống khuôn và thiết bị thí nghiệm dập thủy tĩnh có khả năng tích hợp đo lường, phục vụ nghiên cứu và định hướng ứng dụng vào sản xuất công nghiệp.
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của luận án:
- Đối tượng nghiên cứu: Quá trình dập thủy tĩnh phôi tấm đơn áp dụng trên chi tiết dạng hình trụ đáy phẳng có góc lượn.
- Vật liệu khảo sát: Thép tấm cán nguội DC04 chuyên dùng trong dập tấm công nghiệp ô tô.
- Phạm vi thông số hình học và công nghệ:
- Đường kính phôi ban đầu: $D_0 = 110\text{ mm}$.
- Đường kính lòng cối: $d_c = 70\text{ mm}$ (hệ số dập vuốt $m = d_c / D_0 = 0{,}63$).
- Chiều dày phôi thực tế: $S_0 = 0{,}8\text{ mm}; 1{,}0\text{ mm}; 1{,}2\text{ mm}$, tương ứng chiều dày tương đối $S^* = (S_0 / D_0) \times 100 = 0{,}73; 0{,}91; 1{,}09$.
- Chiều sâu cối thực tế: $h_i = 16\text{ mm}; 18\text{ mm}; 20\text{ mm}$, tương ứng chiều sâu tương đối của cối $H^* = (h_i / d_c) \times 100 = 23; 26; 29$.
- Bán kính góc lượn miệng cối: $R_{mc} = 5\text{ mm}$; bán kính góc lượn đáy cối: $R_{dc} = 6\text{ mm}$.
- Miền áp suất tạo hình khảo sát: $P_{th} = 0 \div 600\text{ bar}$.
- Miền áp suất chặn phôi khảo sát: $Q_{ch} = 0 \div 150\text{ bar}$.
Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án
Công nghệ tạo hình bằng chất lỏng cao áp xuất hiện từ hơn 100 năm trước trong chế tạo nồi hơi và nhạc cụ, phát triển lý thuyết cơ bản từ sau năm 1940 và mở rộng ứng dụng công nghiệp từ thập niên 1990 tại Bắc Mỹ, Tây Âu và Nhật Bản:
- Tại Nga: Các nghiên cứu tại Đại học Tổng hợp Quốc gia Tula và Đại học Bách khoa Leningrad đã xây dựng hệ thống giáo trình, nguyên lý biến dạng và cơ sở tính toán dập bằng cao su và môi trường chất lỏng.
- Tại Đức và Mỹ: M. Homberg và Taylan Altan phân tích quy trình 3 giai đoạn tạo hình thủy tĩnh phôi tấm (đóng khuôn, biến dạng tự do, điền đầy lòng khuôn); Sunny và Taylan Altan thiết lập sơ đồ nguyên lý thiết bị thực nghiệm dập thủy tĩnh tích hợp điều khiển hành trình. Klaus Siegert và cộng sự phát triển hệ thống chặn điều khiển thích nghi giúp giảm mức độ biến mỏng phôi từ $6%$ đến $11%$. Erkan Onder và A. Erma Tekkaya nghiên cứu cối tiết diện tròn, elip, chữ nhật, đưa ra hệ số dập vuốt tương đương $\beta_{eq} = A_0 / A_m$ và kết luận quá trình dập thủy tĩnh yêu cầu bán kính đáy cối tối thiểu lớn hơn 10 lần chiều dày phôi ($R \ge 10S_0$) để tránh rách đáy. Liu Wei và cộng sự khảo sát thép DC04 dày $1{,}0\text{ mm}$ chi tiết bán cầu $\phi 100\text{ mm}$, xác định lực chặn tối ưu trong khoảng $420 \div 680\text{ kN}$ (nhăn vành khi $Q < 400\text{ kN}$, rách phôi khi $Q > 700\text{ kN}$). Krux nghiên cứu ảnh hưởng của cấu trúc bề mặt cối (độ nhám bề mặt cối phẳng $R_a = 0{,}07\text{ mm}$ so với bề mặt cối có gân), chứng minh kết cấu có gân làm tăng ma sát cản trở kim loại dịch chuyển vào lòng cối. Kleiner và Bruni ứng dụng nhiễu xạ tia X, cắt laser và hệ thống quang học 3D GOM để đo kiểm ứng suất dư, xác nhận ứng suất dư giảm khi áp suất tạo hình tăng. Viện Fraunhofer thiết kế hệ thống gia nhiệt thủy lực lên đến $330^\circ\text{C}$ với áp suất $800\text{ bar}$ phục vụ dập hợp kim nhôm, magie, titan.
- Tại Châu Á: Các nhóm nghiên cứu tại Nhật Bản, Hàn Quốc, Trung Quốc (gắn liền với các tập đoàn Toyota, Nissan, Honda, Hyundai) tập trung vào dập thủy tĩnh các vật liệu khó biến dạng (titan, magie, thép không gỉ) ứng dụng trong công nghiệp điện tử và vỏ thiết bị.
- Tại Việt Nam: Các đề tài cấp Nhà nước và cấp Bộ như KC.19 (2002–2004) dập thủy tĩnh phôi ống; đề tài 01C-01/07-2008-2 dập thủy cơ chi tiết trụ 3 lớp kim loại và bình xăng xe máy; các nghiên cứu tại Viện IMI dập thủy tĩnh phôi tấm cặp và phôi tấm đơn; các luận án tiến sĩ của Nguyễn Văn Thành (dập thủy cơ), Lê Trung Kiên (dập thủy tĩnh chi tiết bán cầu), Đinh Văn Duy (dập thủy tĩnh cặp phôi tấm).
| Tác giả / Công trình |
Đối tượng / Phương pháp |
Kết quả / Thông số chính |
| M. Homberg, Taylan Altan |
Dập thủy tĩnh phôi tấm đơn |
Xác lập 3 giai đoạn: đóng khuôn, biến dạng tự do, điền đầy lòng cối |
| Erkan Onder, A. E. Tekkaya |
Cối tiết diện tròn, elip, chữ nhật |
Đưa ra $\beta_{eq} = A_0/A_m$; yêu cầu bán kính đáy $R \ge 10S_0$, áp suất tới $40\text{ MPa}$ |
| Liu Wei và cs |
Thép DC04 dày $1{,}0\text{ mm}$, chi tiết cầu $\phi 100\text{ mm}$ |
Lực chặn tối ưu $420 \div 680\text{ kN}$; nhăn khi $Q < 400\text{ kN}$, rách khi $Q > 700\text{ kN}$ |
| Klaus Siegert và cs |
Hệ thống chặn điều khiển |
Giảm mức độ biến mỏng từ $6%$ đến $11%$ so với chặn cứng |
| Krux |
Thép DC04 dày $1{,}0\text{ mm}$, $P_i = 20\text{ MPa}$ |
Cối có gân làm tăng ma sát, hạn chế phôi dịch chuyển vào cối |
| Đề tài KC.19 (Việt Nam) |
Dập thủy tĩnh phôi ống |
Thiết kế hệ thống dập thủy tĩnh phôi ống đầu tiên tại Việt Nam |
| Lê Trung Kiên (Việt Nam) |
Dập thủy tĩnh phôi tấm đơn |
Khảo sát chi tiết dạng bán cầu, ảnh hưởng của áp suất và lực chặn |
Khoảng trống nghiên cứu: Các công bố trong nước và quốc tế chưa làm rõ cơ chế tạo hình chi tiết dạng trụ đáy phẳng trong dập thủy tĩnh phôi tấm; chưa định lượng mối quan hệ tương hỗ giữa bộ ba thông số ($Q_{ch}, H^, S^$) với áp suất tạo hình $P_{th}$, độ biến mỏng cực đại $\gamma_{max}$ và bán kính đáy $R_d$; đồng thời tại Việt Nam chưa có hệ thống thiết bị - khuôn dập tích hợp đo lường chuyên biệt cho chi tiết trụ.
Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu
Cơ sở lý thuyết quá trình dập thủy tĩnh phôi tấm
Quá trình dập thủy tĩnh phôi tấm đơn trải qua 3 giai đoạn nối tiếp:
- Giai đoạn 1 (Đóng khuôn): Lực chặn từ máy ép tác dụng lên vành phôi thông qua tấm chặn nhằm chống nhăn và làm kín, ngăn chất lỏng rò rỉ.
- Giai đoạn 2 (Biến dạng tự do): Chất lỏng cao áp được cấp vào lòng khuôn, áp suất thủy tĩnh tác dụng đều làm phôi biến dạng phồng tự do tạo thành hình chỏm cầu cho đến khi tiếp xúc đáy cối.
- Giai đoạn 3 (Điền đầy lòng cối): Áp suất chất lỏng tiếp tục tăng cao để thắng trở lực kim loại, ép phôi điền đầy các góc lượn đáy và thành cối, hoàn thiện hình học chi tiết.
Trạng thái ứng suất và biến dạng được phân tích tại 4 vị trí đặc trưng:
- Vành phôi (Điểm A): Trạng thái ứng suất gồm ứng suất kéo hướng tâm $\sigma_1$, ứng suất nén $\sigma_2$ do lực chặn, và ứng suất nén tiếp tuyến $\sigma_3$ (nguyên nhân gây mất ổn định nhăn vành). Biến dạng tuân theo quan hệ $\epsilon_1 = -\epsilon_3 = 2 \ln(R/R_0)$.
- Miệng cối (Điểm B): Phôi chịu uốn và vuốt qua mép cối bán kính $R_{mc}$, ứng suất kéo $\sigma_1$ đạt giá trị lớn nhất. Bán kính miệng cối được chọn theo điều kiện $R_{mc} = (3 \div 6)S_0$ để đảm bảo kim loại không bị cắt đứt hoặc cản trở quá mức khi kéo vào cối.
- Vùng biến dạng tự do (Điểm C và đỉnh chỏm cầu P): Chịu ứng suất kéo hai trục đối xứng $\sigma_1 = \sigma_2 = (P_{th} \cdot \rho_p) / (2 S_p)$, trong đó $\rho_p$ là bán kính cong và $S_p$ là chiều dày tức thời tại đỉnh. Biến dạng cực đại xảy ra tại đỉnh: $\epsilon_{max} = \ln(S_{max}/S_0)$.
- Vùng góc lượn đáy cối: Áp suất tạo hình cần thiết để điền đầy khi có xét đến sự dịch chuyển phôi từ vành vào cối được tính theo biểu thức kinh nghiệm:
$$P_{th} = \frac{2 \cdot S_0 \cdot \sigma_m}{r_{min}}$$
Trong đó: $S_0$ là chiều dày phôi ban đầu, $\sigma_m$ là giới hạn bền vật liệu, $r_{min}$ là bán kính góc lượn nhỏ nhất cần tạo hình.
Lực chặn tổng cộng $Q_{ch}'$ trong dập thủy tĩnh cần thỏa mãn 3 điều kiện (chống nhăn, không gây rách, làm kín tuyệt đối):
$$Q_{ch}' = Q_1 + Q_2 = k \cdot P_{th} \cdot A + Q_2$$
Trong đó: $Q_1$ là lực chống rò rỉ chất lỏng cao áp, $A$ là diện tích hình chiếu lòng cối, $k$ là hệ số an toàn ($k = 1{,}1 \div 1{,}3$), $Q_2$ là lực chặn chống mất ổn định vành phôi.
Độ biến mỏng tương đối $\gamma_i$ tại vị trí đo $S_i$ được tính bằng:
$$\gamma_i = \frac{|S_i - S_0|}{S_0} \times 100%$$
Phương pháp nghiên cứu và công cụ sử dụng
Luận án áp dụng phương pháp kết hợp giữa phân tích lý thuyết giải tích, mô phỏng số (MPS) bằng phần tử hữu hạn và nghiên cứu thực nghiệm:
- Mô phỏng số: Sử dụng phần mềm chuyên dụng DYNAFORM (phát triển trên nền solver LS-DYNA bởi Engineering Technology Associates, Inc.), tích hợp đồng thời hai giải thuật Explicit (tính toán biến dạng động lực học phi tuyến) và Implicit (tính toán cân bằng tĩnh và đàn hồi).
- Mô hình vật liệu: Thép tấm DC04 cán nguội được ủ khử ứng suất, giả thiết đẳng hướng, đưa đường cong ứng suất - biến dạng thực nghiệm vào phần mềm.
| Thuộc tính cơ lý |
Giá trị / Khoảng biến thiên |
Đơn vị |
| Thành phần hóa học C |
$\le 0{,}08$ |
$%$ |
| Thành phần hóa học Mn |
$\le 0{,}40$ |
$%$ |
| Thành phần hóa học P / S |
$\le 0{,}03$ |
$%$ |
| Giới hạn bền kéo $\sigma_m$ |
$314 \div 412$ |
$\text{MPa}$ |
| Giới hạn chảy $\sigma_f$ |
$210 \div 280$ |
$\text{MPa}$ |
| Độ giãn dài tương đối $\delta$ |
$38$ |
$%$ |
| Khối lượng riêng $\rho$ |
$7{,}85$ |
$\text{g/cm}^3$ |
| Hệ số dập vuốt giới hạn $[m]$ |
$0{,}53$ |
— |
| Hệ số ma sát tiếp xúc $\mu$ (có bôi trơn polythen) |
$0{,}05$ |
— |
- Thiết lập điều kiện biên: Cối đứng yên; tấm chặn tác dụng áp suất $Q_{ch}$; phôi dịch chuyển biến dạng dưới tác dụng áp suất chất lỏng $P_{th}$; kết thúc quá trình khi phôi điền đầy lòng cối.
Nội dung chính theo từng chương
Chương 1. Tổng quan về công nghệ dập tạo hình bằng chất lỏng cao áp
Chương 1 hệ thống hóa cơ sở lý thuyết, phân loại công nghệ dập chất lỏng cao áp (dập thủy cơ, dập thủy tĩnh phôi tấm đơn, dập thủy tĩnh cặp phôi tấm, dập thủy tĩnh phôi ống) và phân tích các ưu nhược điểm kỹ thuật so với dập vuốt truyền thống:
- Phân tích chi tiết 3 giai đoạn tạo hình thủy tĩnh phôi tấm đơn và thiết lập trạng thái ứng suất - biến dạng tại 4 vùng trọng yếu (vành phôi, mép cối, vùng tự do, đáy cối).
- Xác định hệ thống thông số ảnh hưởng gồm: nhóm thông số công nghệ ($Q_{ch}, P_{th}$), nhóm thông số hình học khuôn ($d_c, h_i, R_{mc}, R_{dc}, H^$), nhóm thông số phôi ($D_0, S_0, S^$) và nhóm thông số tiếp xúc (hệ số ma sát $\mu$).
- Đặt ra mục tiêu nghiên cứu cụ thể trên chi tiết cốc trụ có hệ số dập vuốt $m = 0{,}63$ từ thép DC04, khắc phục các hạn chế của dập vuốt truyền thống đối với phôi mỏng.
Chương 2. Mô phỏng số quá trình dập thủy tĩnh phôi tấm
Chương 2 trình bày quy trình xây dựng mô hình phần tử hữu hạn trên DYNAFORM và khảo sát chi tiết ảnh hưởng của các thông số đầu vào:
-
Xác định miền áp suất chặn làm việc an toàn ($S^ = 0{,}73; H^ = 23$):**
- $Q_{ch} \le 25\text{ bar}$ ($P_{th} \le 28\text{ bar}$): Phôi bị mất ổn định, nhăn vành nghiêm trọng, chất lỏng rò rỉ làm mất áp, phôi chưa chạm đáy cối.
- $Q_{ch} = 25 \div 60\text{ bar}$: Phôi không nhăn nhưng chưa đạt đủ chiều sâu thiết kế $h$.
- $Q_{ch} = 60 \div 125\text{ bar}$: Tạo hình thành công chi tiết dạng trụ, điền đầy lòng cối và đạt bán kính đáy $R_d$.
- $Q_{ch} > 125\text{ bar}$: Xuất hiện vùng tập trung ứng suất kéo lớn tại góc lượn đáy, phôi bị biến mỏng quá mức dẫn đến nứt rách.
- Miền áp suất chặn chung được lựa chọn khảo sát cho cả 3 mức chiều dày ($S^* = 0{,}73; 0{,}91; 1{,}09$) và 3 mức chiều sâu ($H^* = 23; 26; 29$) là $Q_{ch} = 80 \div 115\text{ bar}$.
-
Khảo sát quan hệ giữa áp suất chặn $Q_{ch}$ và áp suất tạo hình $P_{th}$:
- Khi áp suất chặn $Q_{ch}$ tăng, áp suất tạo hình $P_{th}$ cần thiết để hoàn thiện chi tiết cũng tăng đồng biến (nằm trong dải $350 \div 550\text{ bar}$).
- Với cùng một giá trị $Q_{ch}$, cối có chiều sâu tương đối $H^$ thấp hơn ($H^ = 23$) lại đòi hỏi áp suất tạo hình $P_{th}$ cao hơn so với cối có chiều sâu lớn ($H^* = 29$).
| $S^*$ |
$Q_{ch}$ (bar) |
$P_{th}$ khi $H^* = 23$ (bar) |
$P_{th}$ khi $H^* = 26$ (bar) |
$P_{th}$ khi $H^* = 29$ (bar) |
| 0,73 |
80 |
360 |
355 |
350 |
| 0,73 |
90 |
410 |
400 |
390 |
| 0,73 |
100 |
440 |
430 |
420 |
| 0,73 |
115 |
500 |
495 |
490 |
| 0,91 |
80 |
375 |
370 |
365 |
| 0,91 |
90 |
425 |
415 |
405 |
| 0,91 |
115 |
520 |
515 |
510 |
| 1,09 |
80 |
390 |
385 |
380 |
| 1,09 |
90 |
440 |
430 |
420 |
| 1,09 |
115 |
540 |
537 |
534 |
-
Khảo sát quy luật hình thành bán kính đáy sản phẩm $R_d$:
- Quy luật biến thiên của bán kính đáy $R_d$ theo áp suất chặn $Q_{ch}$ chia làm 2 giai đoạn rõ rệt:
- Giai đoạn 1 ($Q_{ch} = 80 \div 90\text{ bar}$, $P_{th} = 360 \div 410\text{ bar}$): $R_d$ nghịch biến với $Q_{ch}$. Lực chặn vừa đủ giúp phôi dịch chuyển thuận lợi từ vành vào cối, áp suất $P_{th}$ tăng giúp kim loại điền đầy ôm sát góc lượn đáy, làm $R_d$ giảm xuống giá trị tối ưu nhỏ nhất ($\approx 5{,}95 \div 6{,}00\text{ mm}$ tại $Q_{ch} = 90\text{ bar}$).
- Giai đoạn 2 ($Q_{ch} = 90 \div 115\text{ bar}$, $P_{th} = 410 \div 550\text{ bar}$): $R_d$ đồng biến với $Q_{ch}$. Lực kẹp vành quá lớn cản trở kim loại chảy vào cối, khiến việc điền đầy góc lượn đáy trở nên khó khăn, làm $R_d$ tăng lên.
-
Khảo sát mức độ biến mỏng lớn nhất $\gamma_{max}$:
- Kết quả mô phỏng chỉ ra vị trí biến mỏng lớn nhất tập trung tại vùng góc lượn đáy chi tiết dập (vùng tiếp xúc giữa đáy phôi và góc lượn đáy cối kết hợp lực ma sát đáy cản trở dịch chuyển). Vùng ngoài biên vành phôi xảy ra hiện tượng tăng dày.
- Mức độ biến mỏng cực đại $\gamma_{max}$ tỷ lệ thuận với áp suất chặn $Q_{ch}$ (khi $Q_{ch}$ tăng từ $80\text{ bar}$ lên $115\text{ bar}$, $\gamma_{max}$ tăng tương ứng).
- Ở cùng chiều sâu cối $H^$ và cùng áp suất chặn $Q_{ch}$, phôi có chiều dày tương đối $S^$ càng lớn thì mức độ biến mỏng cực đại $\gamma_{max}$ càng giảm.
| $H^*$ |
$Q_{ch}$ (bar) |
$\gamma_{max}$ khi $S^* = 0{,}73$ (%) |
$\gamma_{max}$ khi $S^* = 0{,}91$ (%) |
$\gamma_{max}$ khi $S^* = 1{,}09$ (%) |
| 23 |
80 |
11,2 |
9,8 |
8,5 |
| 23 |
90 |
12,6 |
11,1 |
9,6 |
| 23 |
100 |
14,1 |
12,4 |
10,8 |
| 23 |
115 |
16,0 |
14,2 |
12,3 |
| 26 |
80 |
12,1 |
10,6 |
9,2 |
| 26 |
90 |
13,8 |
12,0 |
10,4 |
| 26 |
115 |
17,2 |
15,3 |
13,1 |
| 29 |
80 |
13,0 |
11,5 |
9,9 |
| 29 |
90 |
14,9 |
13,1 |
11,3 |
| 29 |
115 |
18,5 |
16,4 |
14,0 |
Chương 3. Hệ thống thực nghiệm
Chương 3 trình bày thiết kế và chế tạo hệ thống thiết bị thí nghiệm dập thủy tĩnh phôi tấm:
- Cụm máy ép và khuôn dập: Máy ép thủy lực thực hiện đóng khuôn và tạo lực chặn vành $Q_{ch}$; cụm cối dập thủy tĩnh có đường kính $d_c = 70\text{ mm}$ với các module thay đổi chiều sâu $h_i = 16, 18, 20\text{ mm}$, tích hợp rãnh lắp gioăng làm kín cao áp.
- Hệ thống nguồn thủy lực cao áp: Trạm bơm nguồn kết hợp bộ tăng áp thủy lực cung cấp áp suất chất lỏng tạo hình $P_{th}$ lên đến $600\text{ bar}$.
- Hệ thống đo lường và điều khiển: Cảm biến áp suất điện tử giám sát áp suất chặn và áp suất tạo hình; cảm biến dịch chuyển đo hành trình biến dạng; hệ thống thu nhận dữ liệu kết nối máy tính phục vụ đo đạc chính xác các thông số công nghệ trong điều kiện thực tế tại Việt Nam.
Chương 4. Nghiên cứu quá trình dập thủy tĩnh phôi tấm bằng phương pháp quy hoạch thực nghiệm
Chương 4 thực hiện quy hoạch thực nghiệm đa yếu tố nhằm xây dựng và kiểm chứng mô hình toán học:
- Thiết lập ma trận quy hoạch thực nghiệm với 3 thông số đầu vào biến thiên ($Q_{ch}, H^, S^$).
- Xây dựng các phương trình hồi quy biểu diễn quan hệ giải tích:
- Hàm áp suất tạo hình: $P_{th} = f(Q_{ch}, H^, S^)$
- Hàm bán kính đáy sản phẩm: $R_d = f(Q_{ch}, H^, S^)$
- Hàm mức độ biến mỏng cực đại: $\gamma_{max} = f(Q_{ch}, H^, S^)$
- So sánh, đối chứng kết quả thực nghiệm với kết quả mô phỏng số trên DYNAFORM, đánh giá sai số và xác lập bộ thông số công nghệ tối ưu cho chi tiết cốc trụ từ thép DC04.
Kết quả và những đóng góp mới
Đóng góp mới về mặt khoa học và lý luận
- Xác định được quy luật tương tác và xây dựng mô hình toán học thể hiện mối quan hệ giữa áp suất chặn ($Q_{ch}$), chiều sâu tương đối của cối ($H^$), chiều dày tương đối của phôi ($S^$) với áp suất tạo hình ($P_{th}$), mức độ biến mỏng lớn nhất ($\gamma_{max}$) và bán kính đáy sản phẩm ($R_d$) khi dập thủy tĩnh chi tiết hình trụ.
- Làm rõ cơ chế biến dạng của phôi tấm trong cối hình trụ qua 3 giai đoạn; phát hiện quy luật phi tuyến 2 pha của bán kính đáy $R_d$ theo áp suất chặn $Q_{ch}$ và xác định điểm cực trị tại $Q_{ch} \approx 90\text{ bar}$, giải thích hiện tượng cản trở dịch chuyển kim loại vào góc lượn đáy khi lực chặn vượt ngưỡng tối ưu.
- Định lượng được sự phân bố biến mỏng và biến dày trên chi tiết trụ dập thủy tĩnh, chứng minh vùng đáy và góc lượn đáy chịu mức độ biến mỏng lớn nhất trong khi biên vành phôi xảy ra hiện tượng tăng dày.
Đóng góp mới về mặt thực tiễn và giải pháp công nghệ
- Xác lập dải thông số công nghệ làm việc an toàn cho thép DC04 ($S_0 = 0{,}8 \div 1{,}2\text{ mm}$): áp suất chặn $Q_{ch} = 80 \div 115\text{ bar}$, áp suất tạo hình $P_{th} = 350 \div 550\text{ bar}$, giá trị áp suất chặn tối ưu khuyến nghị $Q_{ch} = 90\text{ bar}$ (tương ứng $P_{th} = 410\text{ bar}$) để đạt bán kính đáy $R_d$ nhỏ nhất và hạn chế khuyết tật rách/nhăn.
- Thiết kế và chế tạo hoàn chỉnh hệ thống khuôn - gá thí nghiệm dập thủy tĩnh tích hợp hệ thống cấp áp cao áp và cảm biến đo lường, làm chủ quy trình công nghệ dập thủy tĩnh phôi tấm trong điều kiện thiết bị tại Việt Nam.
- Đề xuất giải pháp bôi trơn bề mặt bằng màng nhựa polythen ($\mu = 0{,}05$) nhằm giảm ma sát tiếp xúc giữa phôi và cối, hỗ trợ kim loại dịch chuyển đều vào lòng khuôn và giảm mức độ biến mỏng đáy.
Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp
Hạn chế của đề tài
- Nghiên cứu tập trung trên một mác vật liệu duy nhất là thép tấm cán nguội DC04 với giả thiết vật liệu đẳng hướng, chưa khảo sát các vật liệu có tính dị hướng cao hoặc vật liệu phi kim.
- Đối tượng nghiên cứu giới hạn ở chi tiết hình trụ đáy phẳng đối xứng trục với hệ số dập vuốt $m = 0{,}63$, chưa mở rộng sang các biên dạng phức tạp không đối xứng (tiết diện elip, chữ nhật, đa giác hoặc có gân tăng cứng).
- Quá trình tạo hình thực hiện ở nhiệt độ phòng, sử dụng chế độ áp suất thủy tĩnh tăng liên tục, chưa tích hợp gia nhiệt hoặc nguồn áp suất rung động cao tần.
Hướng nghiên cứu tiếp
- Mở rộng khảo sát công nghệ dập thủy tĩnh đối với các vật liệu nhẹ và vật liệu khó biến dạng (hợp kim nhôm, hợp kim titan, hợp kim magie, thép không gỉ).
- Nghiên cứu công nghệ dập thủy tĩnh kết hợp gia nhiệt đẳng nhiệt (Warm Hydroforming) hoặc sử dụng nguồn chất lỏng cao áp rung động (sóng xung thủy lực) để giảm áp suất tạo hình và tăng giới hạn dập vuốt.
- Phát triển hệ thống vành chặn chủ động điều khiển theo hành trình (Active Blank Holder) nhằm kiểm soát linh hoạt lực chặn theo thời gian thực, giảm hơn nữa độ biến mỏng thành chi tiết.
Giá trị tham khảo
- Đối với nghiên cứu sinh, học viên cao học và sinh viên chuyên ngành Gia công áp lực / Cơ khí chế tạo máy: Cung cấp tài liệu tham khảo về phương pháp luận kết hợp giữa giải tích cơ học biến dạng, mô phỏng số PTHH bằng phần mềm DYNAFORM và phương pháp quy hoạch thực nghiệm trong tối ưu hóa công nghệ tạo hình kim loại tấm.
- Đối với kỹ sư công nghệ và doanh nghiệp sản xuất cơ khí ô tô - xe máy: Cung cấp cơ sở dữ liệu thực nghiệm về miền thông số công nghệ ($Q_{ch}, P_{th}$), kích thước cối ($H^*, R_{mc}, R_{dc}$) và phương án bôi trơn phục vụ thiết kế khuôn và quy trình công nghệ dập các chi tiết rỗng sâu từ thép tấm DC04 thay thế dập vuốt truyền thống.
- Đối với các viện nghiên cứu và trường đại học kỹ thuật: Sơ đồ kết cấu khuôn và hệ thống thiết bị thực nghiệm dập thủy tĩnh được trình bày trong luận án có thể sử dụng làm mô hình mẫu phục vụ đào tạo và nghiên cứu chuyên sâu về công nghệ biến dạng chất lỏng cao áp.
Câu hỏi thường gặp
1. Hệ số dập vuốt của chi tiết nghiên cứu trong luận án được lựa chọn là bao nhiêu và có ý nghĩa gì?
Hệ số dập vuốt được lựa chọn là $m = d_c / D_0 = 70 / 110 = 0{,}63$. Giá trị này lớn hơn hệ số dập vuốt giới hạn của phương pháp dập vuốt truyền thống ($[m] = 0{,}53$ đối với thép DC04), nhằm đảm bảo phôi trải qua giai đoạn biến dạng tự do mà không bị biến mỏng quá mức hoặc phá hủy rách đáy trước khi chạm đáy cối.
2. Phần mềm mô phỏng số nào được sử dụng và giải thuật tính toán dựa trên nguyên lý gì?
Luận án sử dụng phần mềm DYNAFORM (phát triển trên nền tảng solver LS-DYNA bởi Engineering Technology Associates, Inc.). Phần mềm kết hợp đồng thời hai giải thuật Explicit và Implicit dựa trên phương pháp phần tử hữu hạn (PTHH), cho phép tính toán biến dạng dẻo phi tuyến lớn và dự báo các vùng nhăn, rách, biến mỏng và đàn hồi.
3. Các dạng khuyết tật chính xảy ra khi áp suất chặn phôi $Q_{ch}$ nằm ngoài vùng tối ưu là gì?
Khi áp suất chặn quá nhỏ ($Q_{ch} \le 25\text{ bar}$), phôi bị mất ổn định gây nhăn vành và rò rỉ chất lỏng làm mất áp suất ($P_{th} \le 28\text{ bar}$). Khi áp suất chặn nằm trong khoảng $25 \div 60\text{ bar}$, chi tiết không nhăn nhưng chưa điền đầy chiều sâu cối. Khi áp suất chặn quá lớn ($Q_{ch} > 125\text{ bar}$), vành phôi bị kẹp chặt cản trở dịch chuyển kim loại, dẫn đến tập trung ứng suất kéo lớn và gây rách tại góc lượn đáy chi tiết.
4. Quy luật biến thiên của bán kính đáy sản phẩm $R_d$ theo áp suất chặn $Q_{ch}$ diễn ra như thế nào?
Quy luật diễn ra qua 2 giai đoạn: Trong khoảng $Q_{ch} = 80 \div 90\text{ bar}$, $R_d$ nghịch biến với $Q_{ch}$ (giảm dần từ $6{,}40\text{ mm}$ xuống giá trị nhỏ nhất $\approx 5{,}95\text{ mm}$ tại $Q_{ch} = 90\text{ bar}$ do phôi điền đầy đáy cối thuận lợi). Trong khoảng $Q_{ch} = 90 \div 115\text{ bar}$, $R_d$ đồng biến với $Q_{ch}$ (tăng trở lại từ $5{,}95\text{ mm}$ lên $6{,}50\text{ mm}$ do lực chặn quá lớn cản trở kim loại chảy vào góc lượn đáy).
5. Vị trí nào trên chi tiết dập trụ chịu mức độ biến mỏng lớn nhất và các yếu tố ảnh hưởng đến độ biến mỏng là gì?
Vị trí biến mỏng lớn nhất $\gamma_{max}$ nằm tại vùng đáy và góc lượn đáy sản phẩm (vừa chịu kéo căng dưới áp suất chất lỏng, vừa chịu lực ma sát đáy cản trở kim loại điền đầy). Độ biến mỏng lớn nhất $\gamma_{max}$ tăng khi áp suất chặn $Q_{ch}$ tăng và giảm khi chiều dày tương đối của phôi $S^*$ tăng.
Kết luận
Luận án đã giải quyết bài toán xác định ảnh hưởng của các thông số công nghệ ($Q_{ch}, P_{th}$) và kích thước hình học ($H^, S^$) đến khả năng tạo hình chi tiết cốc trụ từ thép DC04 trong công nghệ dập thủy tĩnh phôi tấm. Thông qua việc kết hợp phân tích lý thuyết, mô phỏng số trên phần mềm DYNAFORM và nghiên cứu quy hoạch thực nghiệm, tác giả đã xây dựng thành công mô hình định lượng mối quan hệ giữa các thông số công nghệ với bán kính đáy $R_d$ và mức độ biến mỏng lớn nhất $\gamma_{max}$. Đề tài đã xác lập được miền thông số công nghệ tối ưu ($Q_{ch} = 90\text{ bar}$, $P_{th} = 410\text{ bar}$), đồng thời chế tạo hệ thống thiết bị - khuôn thí nghiệm hoàn chỉnh, tạo tiền đề khoa học và thực tiễn để ứng dụng công nghệ dập thủy tĩnh vào sản xuất cơ khí chính xác tại Việt Nam.
