Báo cáo Nghiên cứu ứng dụng công nghệ ép thủy tĩnh và thủy động để chế tạo các sản phẩm có hình dạng phức tạp từ vật liệu khó biến dạng đồ bền cao - Nguyễn Mạnh Long

TC CNQP TTCN Tổng cục công nghiệp quốc phòng Trung Tâm Công Nghệ Xóm 6 Đông ngạc Từ liêm Hà Nội Báo cáo tổng kết khoa học và kỹ thuật Đề tài cấp nhà n−ớc: Nghiên cứu ứng dụng công nghệ ép thủy tĩnh và thủy động để chế tạo các sản phẩm có hình dạng phức tạp từ vật liệu khó biến dạng, độ bền cao TS. Nguyễn Mạnh Long 6296 07/02/2007 Hà nội, 7-2005 Bản quyền 2005 thuộc TTCN Đơn xin sao chép toàn bộ hoặc từng phần tài liệu này phải gửi đến Giám đốc Trung tâm Công nghệ trừ tr−ờng hợp sử dụng với mục đích nghiên cứu tóm tắt Những thử nghiệm sử dụng áp lực thủy tĩnh vào mục đích kỹ thuật đã có từ rất lâu tr−ớc khi ng−ời ta phát hiện ra ảnh h−ởng to lớn của nó đến tính chất cơ học của kim loại và hợp kim. Trên thế giới, nhiều công trình khoa học trong lĩnh vực này đã đ−ợc các nhà khoa học cùng các công sự nghiên c−ú, cho thấy d−ới tác dụng của áp suất thủy, tĩnh tính dẻo của vật liệu tăng lên, nhất là khi trong quá trình gia công có phối hợp các điều kiện khác nh−: nhiệt độ, tốc độ biến dạng... thì có thể đ−a một vật liệu giòn về trạng thái dẻo. Các nghiên cứu trên đã mở ra h−ớng ứng dụng công nghệ ép thủy tĩnh- thuỷ động (ETT-TD) vào gia công áp lực. ở trong n−ớc hiện nay ch−a có cơ sở nào đầu t− nghiên cứu cơ bản, áp dụng công nghệ ETT-TD trong gia công biến dạng. Để đáp ứng yêu cầu về hiện đại hoá trong công nghiệp Quốc phòng và dân dụng, phát huy nội lực, làm chủ công nghệ chế tạo những vũ khí, khí tài quân sự hiện đại, công nghệ chế tạo các sản phẩm khó. Đề tài đã đề cập các nôị dung có ý nghĩa khoa học công nghệ và thực tiễn đối với nền công nghiệp quốc phòng và dân dụng. Công nghệ ETT-TD là một ph−ơng pháp tạo hình sản phẩm trong đó môi tr−ờng thuỷ lực áp suất cao tác dụng lên bề mặt của vật liệu từ mọi phía với c−ờng độ nh− nhau, tuân theo định luật Pascal về tính đẳng h−ớng của môi tr−ờng chất lỏng và khí. Để tạo ra áp suất thủy tĩnh ng−ời ta có thể nén môi tr−ờng truyền áp suất trong khuôn kín hoặc hở bằng hệ thống tạo áp suất cao hoặc nén trực tiếp bằng máy ép thuỷ lực. Trang bị công nghệ ETT lắp trên máy ép 300 Tấn để ép tạo hình sản phẩm trong luyện kim bột và trang bị công nghệ ETD lắp trên máy ép thuỷ lực 630 tấn để triển khai công nghệ ETD do đề tài KC.05.23 thiết kế chế tạo, đã giải quyết cơ bản những vấn đề mà các ph−ơng pháp công nghệ khác khó đạt đ−ợc. Trên cơ sở các thông tin khoa học công nghệ mới trong và ngoài n−ớc liên quan đến công nghệ ép thuỷ tĩnh và thủy động, qua các kinh nghiệm đ−ợc tích luỹ, kế thừa từ các công trình nghiên cứu trong công nghệ chế tạo vũ khí của Bộ Quốc phòng, các công trình nghiên cứu về lĩnh vực ETT-TD, Đề tài đã nghiên cứu các vấn đề cơ bản của lý thuyết, thiết bị, công nghệ, nghiên cứu đặc tr−ng vật liệu, tính năng của một số dạng sản phẩm cũng nh− ứng xử của vật liệu trong môi tr−ờng áp suất cao. Từ đó lựa chọn giải pháp công nghệ, xây dựng ph−ơng án thiết kế, chế tạo trang bị công nghệ, thiết bị phụ trợ để chế thử một số sản phẩm đặc thù của công nghệ này trong sản xuất Quốc phòng. Trong quá trình nghiên cứu đã giải quyết các vấn đề nảy sinh. Thông qua chế thử, khảo nghiệm sau chế thử để đánh giá sản phẩm. Các sản phẩm công nghệ do Đề tài tạo ra gồm có: Côn tống kh−ơng tuyến đã đ−ợc khảo nghiệm và áp dụng vào chế tạo nòng súng 12,7mm tại nhà máy Z111, Bi nghiền chế tạo từ vật liệu gốm đã đ−ợc khảo nghiệm tại Trung tâm Công Nghệ, Nón đồng trong đạn chống tăng B41 đã đ−ợc khảo nghiệm tại nhà máy Z131 Tổng Cục CNQP, Phôi ống dẫn sóng rađa đ−ợc sử dụng cho Đề tài cấp BQP: “Chế tạo ống dẫn sóng rađa PRV-16”, Các sản phẩm khác nh− phôi bánh răng moduyn nhỏ, ống đồng thành mỏng đ−ợc đánh giá trong phòng thí nghiệm của Trung tâm Công Nghệ, đạt chỉ tiêu kỹ thuật đã đề ra. Qua kết quả đánh giá và khảo nghiệm, các trang bị và sản phẩm của Đề tài có thể phục vụ tốt công tác nghiên cứu, có thể áp dụng trong chế tạo các chi tiết có hình dạng phức tạp, tính chất cơ lý cao, đặc biệt là các chi tiết trong vũ khí và dụng cụ đặc chủng trong sản xuất Quốc phòng. 6 D2-3-DSTG Danh sách tác giả Của đề tài khoa học và công nghệ cấp nhà n−ớc (Danh sách các cá nhân đã đóng góp sáng tạo chủ yếu cho đề tài đ−ợc sắp xếp theo thứ tự đã thoả thuận) (Kèm theo Quyết định số 13/2004/QĐ-BKHCN ngày 25/5/2005 của Bộ trởng Bộ Khoa học và Công nghệ) 1. Tên đề tài: Nghiên cứu ứng dụng công nghệ ép thủy tĩnh và thủy động để chế tạo các sản phẩm có hình dạng phức tạp từ vật liệu khó biến dạng, độ bền cao. M∙ số: KC.05.23 2. Thuộc Chơng trình (nếu có): Nghiên cứu khoa học và phát triển công nghệ chế tạo máy, M∙ số KC.05 3. Thời gian thực hiện: Từ tháng 1/2003 đến tháng 6/2005 4. Bộ chủ quản: Bộ Khoa học và Công nghệ 5. Danh sách tác giả: TT Học hàm, học vị, họ và tên Chữ ký 1 Chủ nhiệm đề tài: TS. Nguyễn Mạnh Long, Trung tâm Công nghệ - BQP 2 Phó chủ nhiệm đề tài: KS. Đỗ Văn Hồng, Trung tâm Công nghệ - BQP 3 TS. Nguyễn Tài Minh, Trung tâm Công nghệ - BQP 4 TS. Trần Thế Ph−ơng, Trung tâm Công nghệ - BQP 5 Ths. Bùi Doãn Đồng, Trung tâm Công nghệ - BQP 6 TS. Bùi Viết Dũng, Trung tâm Công nghệ - BQP 7 TS. Trần Văn Dũng, Trung tâm Công nghệ - BQP 8 ThS. Ngô Gia C−ờng, Trung tâm Công nghệ - BQP 9 PGS.TS. Đinh Văn Phong, Học viện KTQS - BQP 10 TS. Lại Anh Tuấn, Học viện KTQS - BQP 11 ThS. Nguyễn Văn Thắng, Nhà máy Z183, Tổng Cục CNQP - BQP THủ tr−ởng cơ quan chủ trì đề tài (Họ, tên, chữ ký, và đóng dấu) 7 Mục lục Trang Danh sách những ng−ời thực hiện đề tài 6 Mục lục 7 Bảng một số ký hiệu quy −ớc và chữ viết tắt 12 Tóm tắt 13 Ch−ơng 1: Tổng quan về công nghệ ép thủy tĩnh và thủy động tạo hình sản phẩm 15 1.1. Tổng quan về công nghệ ép thuỷ tĩnh 15 1.1.1. Nguyên lý ép thủy tĩnh 16 1.1.2. Vài nét về lịch sử phát triển công nghệ ép thủy tĩnh 16 1.1.3. Phân loại trong công nghệ ép thủy tĩnh 18 1.1.4. Các −u nh−ợc điểm của công nghệ ép thuỷ tĩnh 20 1.1.5. Các hiện t−ợng xẩy ra trong qúa trình ép thủy tĩnh 21 1.1.5.1. Quá trình đặc xít và các đặc tính đặc xít của vật ép 21 1.1.5.2. ảnh h−ởng của điều kiện ép 25 1.1.5.3. Hiện t−ợng nở trở lại của vật ép 25 1.2. Tổng quan về công nghệ ép thuỷ động 26 1.2.1. Gia công biến dạng bằng công nghệ ép thủy động 26 1.2.2. Các đặc điểm của ép thủy động 26 1.2.3. Sản phẩm của ph−ơng pháp ép thủy động 27 1.2.4. Phân loại các ph−ơng pháp ép thủy động 29 1.2.5. Quá trình ép thủy động 31 1.2.6. Sản phẩm và phạm vi ứng dụng của công nghệ ép thủy động 32 1.2.6.1. Vật liệu và độ biến dạng trong ép thủy động 32 1.2.6.2. Một số sản phẩm trong ép đùn thủy động 33 1.2.6.3. Tính chất biến dạng trong ép thủy động 36 1.3. Các nghiên cứu về ép thủy tĩnh và thủy động trong n−ớc 37 8 Ch−ơng 2: Mô hình và ph−ơng pháp tính toán trong ép thủy tĩnh và thủy động 39 2.1. Mô hình mô hình và ph−ơng pháp tính toán trong ép thủy tĩnh 39 2.1.1. Mô hình ứng xử của vật liệu bột kim loại biến dạng ở trạng thái nguội và ph−ơng pháp nhận dạng 39 2.1.1.1. Xây dựng mô hình 40 2.1.1.2. Ph−ơng pháp nhận dạng mô hình. 43 2.1.2. Mô hình HECKEL 46 2.1.3. Mô hình KAWAKITA 47 2.2. Mô hình và ph−ơng pháp tính toán trong ép thủy động 47 2.2.1. Khảo sát thuộc tính biến dạng của vật liệu 47 2.2.1.1. Xác định thuộc tính biến dạng của thép gió P18 48 2.2.1.2. Xác định thuộc tính biến dạng của thép 40X 51 2.2.1.3. Xác định thuộc tính biến dạng của đồng đỏ M1 54 Ch−ơng 3: Nghiên cứu các ảnh h−ởng trong ép thủy tĩnh và thủy động 58 3.1. Một số hiện t−ợng xẩy ra trong công nghệ ép thủy tĩnh 58 3.1.1. ảnh h−ởng của đặc tr−ng bột ép 58 3.1.2. Đặc tr−ng của công nghệ ép thủy tĩnh tạo hình sản phẩm dạng bột 59 3.1.3. Qui luật ép 60 3.1.4. ảnh h−ởng của điều kiện ép 62 3.2. Một số hiện t−ợng xẩy ra trong công nghệ ép thủy động 64 3.2.1. Dòng vật liệu 64 3.2.2. Hiện t−ợng stick-slip 65 3.2.3. Vật liệu truyền áp trong ép thuỷ động 69 Ch−ơng 4: Tính toán thiết kế thiết bị ép thủy tĩnh và trang bị ép thủy động 72 4.1. Tính toán thiết kế thiết bị ép thủy tĩnh 72 4.1.1. Các công thức tính toán khuôn ép và các thông số ép 72 4.1.1.1. Hệ số co ngót khi thiêu kết 72 4.1.1.2. Tỉ phần co tuyến tính 72 9 4.1.1.3. Tỉ phần hao khi thiêu 73 4.1.1.4. Hệ số nở trở lại 73 4.1.1.5. Tỉ phần nén co tuyến tính 73 4.1.1.6. Tỉ phần co tuyến tính toàn phần 73 4.1.1. 7. Mật độ điền đầy khuôn 74 4.1.1. 8. Mật độ vật ép 74 4.1.1. 9. Tỉ số nén thể tích 74 4.1.2. Tính toán thiết kế máy ETT 74 4.1.2.1. Nguyên lý và cơ sở tính toán hệ thuỷ lực máy ETT 74 4.1.2.2. Tính toán thiết kế buồng áp suất 75 4.1.2.3 Tính toán thông số của bộ khuyếch đại áp suất 83 4.1.2.4. Tính toán lựa chọn bơm và các linh kiện cho hệ thủy lực 84 4.2. Tính toán thiết kế trang bị ép thủy động 85 4.2.1. Nguyên lý và cơ sở tính toán 85 4.2.2. Tính toán thiết kế buồng áp suất cao cho công nghệ ép thủy động 86 4.2.2.1. Tính toán đối với ống dày một lớp 86 4.2.2.2. Tính toán đối với ống dày nhiều lớp 87 4.2.3. Tính bền khuôn tạo hình 91 4.2.3.1. Tính bền phần côn của khuôn 91 4.2.3.2. Tính toán bền phần trụ tạo hình 93 4.2.4. Tính góc mở khuôn tối −u 97 4.2.5. Tính toán lực ép đùn 98 Ch−ơng 5: Kết quả nghiên cứu và một số hình ảnh về sản phẩm 101 5.1. Chế tạo phôi con tống kh−ơng tuyến nòng súng 12,7mm 101 5.1.1. Đặc điểm của sản phẩm 101 5.1.2. Tính toán khuôn ép thủy tĩnh phôi con tống nòng súng 12,7mm 101 5.1.3. Tiến trình công nghệ 104 5.1.4. Kết quả và thảo luận 106 5.2. Chế tạo nón đồng cho đạn chống tăng 109 5.2.1. Đặc điểm sản phẩm 109 5.2.2. Chọn giải pháp công nghệ 110 5.2.3. Tính toán các kích th−ớc cơ bản của khuôn 111 5.2.4. Tiến trình công nghệ 113 10 5.2.5. Kết quả và thảo luận 114 5.3. Chế tạo bi nghiền bằng gốm Al2O3 115 5.3.1. Đặc điểm sản phẩm 115 5.3.2. Chọn ph−ơng án tính toán và thiết kế khuôn ép 116 5.3.3. Tiến trình công nghệ chế tạo bị nghiền 118 5.3.4. Kết quả và thảo luận 121 5.4. Chế tạo phôi ống dẫn sóng rađa PRV-16 123 5.4.1. Đặc điểm sản phẩm 123 5.4.2. Các b−ớc công nghệ chính để chế tạo ống dẫn sóng 123 5.4.3. Yêu cầu về vật liệu, dung sai, độ nhám và sai số hình dáng 125 5.4.4. Lựa chọn giải pháp công nghệ, tiến trình công nghệ 126 5.4.5. Tính toán thiết kế khuôn ép ống dẫn sóng 126 5.4.5.1. Tính toán áp suất trong quá trình ép 126 5.4.5.2. Tính toán thiết kế khuôn ép ống dẫn sóng 131 5.4.6. Bản vẽ thiết kế khuôn ép ống dẫn sóng 132 5.4.7. Kết quả và thảo luận 133 5.4.7.1. Khuôn ép ống dẫn sóng rađa PRV-16 133 5.4.7.2. Sản phẩm ống dẫn sóng rađa PRV-16 133 5.4.7.3. Khảo sát độ cứng 134 5.4.7.4. Xác định các thông số hình học 135 5.5. Chế tạo ống thành mỏng bằng công nghệ ép thủy động 137 5.5.1. Khảo sát phôi đầu vào 137 5.5.1.1. Khảo sát phôi hợp kim nhôm 137 5.5.1.2. Khảo sát phôi đồng 140 5.5.2. Các b−ớc công nghệ chính để chế tạo ống 142 5.5.3. Thiết kế khuôn tạo hình 143 5.5.4. Chuẩn bị phôi để chế tạo ống 144 5.5.5. Nghiên cứu vật liệu truyền áp 145 5.5.6. Khảo nghiệm đánh giá kết quả 148 5.5.6.1. Sản phẩm ống hợp kim nhôm 148 5.5.6.2. Sản phẩm ống đồng 153 11 5.6. Chế tạo phôi bánh răng mô duyn nhỏ 159 5.6.1. Đặc điểm của sản phẩm 159 5.6.2. Thực nghiệm và kết quả nghiên cứu 159 Ch−ơng 6: Tính toán lựa chọn thiết bị và thiết kế, chế tạo trang bị công nghệ 163 6.1. Máy ép thủy tĩnh 163 6.1.1. Tính toán lựa chọn máy ép thủy lực 300T 163 6.1.2. Bản vẽ thiết kế chế tạo trang bị công nghệ 165 6.1.3. Tài liệu quy trình công nghệ 165 6.2. Trang bị công nghệ ép thủy động 173 6.2.1. Tài liệu thiết kế 173 6.2.2. Tài liệu quy trình công nghệ 175 Kết luận và kiến nghị 180 Lời cảm ơn 182 Tài liệu tham khảo 183 12 Bảng một số ký hiệu quy −ớc và chữ viết tắt Kí hiệu Tên gọi Đơn vị đo ETT ép thủy tĩnh ETD ép thủy động A, Ai Diện tích mm 2, cm2 D Đ−ờng kính làm việc mm, cm v Chiều dầy mm, cm h Chiều cao mm, cm F, Fn Lực N, kG P, Pn , Pi áp suất kG/cm 2 , N/mm2 MPa σ ứng suất kG/cm2 , N/mm2 MPa UR Kích th−ớc chu vi tiết diện mm k Hệ số khuyếch đại η Hiệu suất βA Hệ số hình dạng ν Độ nhớt động học mPas γ Khối l−ợng riêng g/cm3 , kg/dm3 13 tóm tắt Những thử nghiệm sử dụng áp lực thủy tĩnh vào mục đích kỹ thuật đã có từ rất lâu tr−ớc khi ng−ời ta phát hiện ra ảnh h−ởng to lớn của nó đến tính chất cơ học của kim loại và hợp kim. Trên thế giới, nhiều công trình khoa học trong lĩnh vực này đã đ−ợc các nhà khoa học cùng các công sự nghiên cứu, cho thấy d−ới tác dụng của áp suất thủy, tĩnh tính dẻo của vật liệu tăng lên, nhất là trong quá trình gia công có phối hợp các điều kiện khác nh−: nhiệt độ, tốc độ biến dạng... thì có thể đ−a một vật liệu giòn về trạng thái dẻo. Các nghiên cứu trên đã mở ra h−ớng ứng dụng công nghệ ép thủy tĩnh và thuỷ động (ETT-TD) vào lĩnh vực gia công áp lực. ở trong n−ớc, hiện nay ch−a có cơ sở nào đầu t− nghiên cứu cơ bản hoặc áp dụng công nghệ ETT-TD trong gia công biến dạng. Để đáp ứng yêu cầu về hiện đại hoá trong công nghiệp Quốc phòng và dân dụng, phát huy nội lực, làm chủ công nghệ chế tạo các sản phẩm khó, công nghệ chế tạo vũ khí, khí tài quân sự hiện đại, Đề tài KC.05.23 đã nghiên cứu công nghệ ETT-TD, nội dung của Đề tài có ý nghĩa khoa học, công nghệ và thực tiễn phù hợp với nền công nghiệp quốc phòng và dân dụng n−ớc nhà. Công nghệ ETT-TD là một ph−ơng pháp tạo hình sản phẩm trong đó môi tr−ờng thuỷ lực áp suất cao tác dụng lên bề mặt của vật liệu từ mọi phía với c−ờng độ nh− nhau, tuân theo định luật Pascal về tính đẳng h−ớng của môi tr−ờng chất lỏng và khí. Để tạo ra áp suất thủy tĩnh ng−ời ta có thể nén môi tr−ờng truyền áp suất trong khuôn kín hoặc hở bằng hệ thống tạo áp suất cao hoặc nén trực tiếp bằng máy ép thuỷ lực, máy dập .... Trang bị công nghệ ETT lắp trên máy ép 300 Tấn để ép tạo hình sản phẩm trong luyện kim bột và trang bị công nghệ ETD lắp trên máy ép thuỷ lực 630 tấn để triển khai công nghệ ETD do Đề tài thiết kế chế tạo, đã giải quyết cơ bản những vấn đề mà các ph−ơng pháp công nghệ khác khó đạt đ−ợc. 14 Trên cơ sở các thông tin khoa học công nghệ mới trong và ngoài n−ớc và kinh nghiệm đ−ợc tích luỹ, kế thừa từ các công trình nghiên cứu trong công nghệ chế tạo vũ khí của Bộ Quốc phòng liên quan đến công nghệ ETT-TD, Đề tài đã nghiên cứu các vấn đề cơ bản của lý thuyết, thiết bị, công nghệ, nghiên cứu đặc tr−ng vật liệu, tính năng của một số dạng sản phẩm cũng nh− ứng xử của vật liệu trong môi tr−ờng áp suất cao. Từ đó lựa chọn giải pháp công nghệ, xây dựng ph−ơng án thiết kế, chế tạo trang bị công nghệ, thiết bị phụ trợ để chế thử một số sản phẩm đặc thù của công nghệ này trong sản xuất Quốc phòng. Trong quá trình nghiên cứu đã giải quyết các vấn đề nảy sinh. Thông qua chế thử, khảo nghiệm sau chế thử để đánh giá sản phẩm. Các sản phẩm công nghệ do Đề tài tạo ra gồm: Côn tống kh−ơng tuyến - đã đ−ợc khảo nghiệm và áp dụng vào chế tạo nòng súng 12,7mm tại nhà máy Z111; Bi nghiền chế tạo từ vật liệu gốm - đã đ−ợc khảo nghiệm tại Trung tâm Công Nghệ; Nón đồng trong đạn chống tăng B41 - đã đ−ợc khảo nghiệm tại nhà máy Z131 Tổng Cục CNQP, Phôi ống dẫn sóng rađa - đ−ợc sử dụng cho Đề tài cấp BQP: “Chế tạo ống dẫn sóng rađa PRV-16”; Các sản phẩm khác nh− phôi bánh răng moduyn nhỏ, ống đồng thành mỏng đ−ợc đánh giá trong phòng thí nghiệm của Trung tâm Công Nghệ, đạt chỉ tiêu kỹ thuật đã đề ra. Kết quả đánh giá và khảo nghiệm cho thấy: các trang thiết bị và sản phẩm của Đề tài có thể phục vụ tốt công tác nghiên cứu, có thể áp dụng trong chế tạo các chi tiết có hình dạng phức tạp, tính chất cơ lý cao, đặc biệt là các chi tiết trong vũ khí và dụng cụ đặc chủng trong sản xuất Quốc phòng. 15 Ch−ơng 1 Tổng quan về công nghệ ép thủy tĩnh và thuỷ động tạo hình sản phẩm 1.1. tổng quan về Công nghệ ép thuỷ tĩnh Công nghệ gốm (hoặc công nghệ luyện kim bột) là công nghệ trong đó từ các vật liệu vô cơ phi kim (hoặc kim loại) ban đầu ở dạng hệ hạt đa phân tán có các đặc tính l−u biến xác định, ng−ời ta tạo các chi tiết có hình dạng mong muốn, sau đó bằng tác động nhiệt của quá trình thiêu kết làm đặc xít chúng và do những biến đổi vật chất mà chi tiết đạt đ−ợc các tính chất đặc biệt. Trong công nghệ gốm và công nghệ luyện kim bột, tạo hình là một trong 4 công đoạn chính của quá trình sản xuất, trong đó tạo hình bằng ph−ơng pháp ép là ph−ơng pháp tạo hình chính trong công nghệ luyện kim bột. 1. Tạo và chuẩn bị bột 2. Tạo hình 3. Thiêu kết 4. Hoàn thiện Các ph−ơng pháp tạo hình th−ờng áp dụng trong luyện kim bột: - ép trong khuôn kín - ép thuỷ tĩnh - ép phun trong khuôn - ép đùn - ép động năng (dùng năng l−ợng nổ, điện từ...) - Cán bột - Đúc rót - Các ph−ơng pháp tạo hình khác. Tạo hình bằng ph−ơng pháp ép đ−ợc tiến hành chủ yếu trong khuôn thép kín, đây là ph−ơng pháp phổ biến nhất trong công nghệ luyện kim bột, vì nó dễ cơ khí hóa, tự động hóa, cho năng suất cao, hình dáng, kích th−ớc chi tiết có độ 16 chính xác cao, song ph−ơng pháp ép bột trong khuôn kín cũng có nhiều nh−ợc điểm nh−: mật độ phân bố không đều trong toàn bộ vật ép, nhất là đối với vật ép lớn, hình dáng phức tạp, vật ép có tỉ lệ chiều dài trên đ−ờng kính lớn. Để khắc phục các nh−ợc điểm nêu trên và tránh phải sử dụng các máy ép có công suất đủ lớn cho ép tạo hình ng−òi ta đã đ−a ra nhiều giải pháp, một trong những giải pháp hữu hiệu đó là ph−ơng pháp ép thuỷ tĩnh (ETT), ph−ơng pháp này cho vật ép có mật độ đồng nhất cao, vật ép không có texture mà không cần máy ép có công suất lớn. 1.1.1. Nguyên lý ép thủy tĩnh ép thuỷ tĩnh (Hydrostatic Press) là một ph−ơng pháp tạo hình trong đó môi tr−ờng thuỷ lực, áp suất cao tác dụng lên bề mặt của vật liệu từ mọi phía với c−ờng độ nh− nhau, tuân theo định luật Pascal về tính đẳng h−ớng của môi tr−ờng chất lỏng và khí. Môi tr−ờng truyền áp suất trong ETT th−ờng là chất lỏng, trong một số tr−ờng hợp ng−ời ta sử dụng chất khí, chất rắn hoặc vật liệu đàn hồi. Để tạo ra áp suất thủy tĩnh ng−ời ta có thể nén môi tr−ờng truyền áp suất trong buồng kín - buồng ép thủy tĩnh (ETT), hay buồng áp suất cao bằng cách dùng bơm cao áp kết hợp thiết bị khuyếch đại áp suất, hoặc dùng lực của máy (ví dụ nh− máy ép thủy lực) nén trực tiếp lên chày ép (Hình 1.1). 1.1.2. Vài nét về lịch sử phát triển công nghệ ép thuỷ tĩnh Cơ sở của công nghệ (ETT) là lực ép qua một môi tr−ờng (th−ờng là chất lỏng) đ−ợc nén với áp suất cao truyền đến chi tiết cần biến dạng, đ−ợc bắt nguồn từ một Patent của Anh năm 1893. Việc cần tạo đ−ợc áp suất thủy tĩnh cao đến 300 MPa, làm cho việc áp dụng thời đó không thể thực hiện đ−ợc vì vấn đề làm kín. Năm 1913 bản quyền patent với tiêu đề "Ph−ơng pháp chế tạo các loại gạch hình từ vật liệu chịu lửa" đ−ợc trao cho H. D. Madden. Ông đã sử dụng nguyên lý này để chế tạo các chi tiết có mật độ cao từ các kim loại khó nóng chảy nh− wolfram, molipden. Sau đó ng−ời ta đã ứng dụng ETT để chế tạo 17 các chi tiết có hình dáng phức tạp từ các loại vật liệu khác. Việc áp dụng nguyên lý ETT để tạo hình và làm đặc xít vật liệu bột đạt đ−ợc tiến bộ đáng kể vào những năm 30 và 40 của thế kỷ tr−ớc do hoàn thiện đ−ợc trang thiết bị tạo áp suất cao và tạo đ−ợc các chi tiết có độ bền lớn. Trong ép tạo hình sản phẩm từ vật liệu bột h−ớng phát triển và các ứng dụng sau đây đã đ−ợc thực hiện • ép thuỷ tĩnh các sản phẩm chịu nhiệt có kích th−ớc lớn nh− gạch xây lò bể, nồi nấu thủy tinh, kim loại v.v... Tạo hình các chi tiết có hình dáng phức tạp, đặc biệt các chi tiết có giá trị sử dụng cao nh− miệng rót thép hoặc hệ thống cấp liệu cho bể nấu thủy tinh. • Tạo hình các ống có kích th−ớc khác nhau từ các vật liệu chịu nhiệt. • ép tạo hình các chi tiết bằng gốm đặc biệt và các sản phẩm nhỏ, mật độ và độ bền đồng đều và cao với năng suất lớn nh− bugi cho ôtô, xe máy. • ép tạo hình các khối trụ tròn kích th−ớc lớn để gia công tiếp thành các sứ cách điện. • Cuối những năm 70 đầu những năm 80 của thế kỷ 20 một ph−ơng pháp ETT mới ra đời - Ph−ơng pháp ép nóng thuỷ tĩnh (Hot isostatic Pressing - HIP), 1. Chày ép 2. Khuôn áp suất cao 3. Môi tr−ờng truyền áp suất 4. Vật liệu ép 5. Khuôn vỏ mỏng đàn hồi Hình 1.1- Sơ đồ nguyên lý ép thủy tĩnh 5 18 sau đó là ph−ơng pháp thiêu kết bằng ép nóng đẳng tĩnh (Sinter- HIP method). Trong các ph−ơng pháp này ng−ời ta tạo đ−ợc nhiệt độ trên 20000C và áp suất trên 2000 at trong buồng kín để chế tạo các vật liệu đặc biệt nh−: vật liệu gốm, composite, hợp kim đặc biệt. Song song với việc phát triển khả năng ứng dụng, việc phát triển máy móc và thiết bị kỹ thuật đặc biệt cho các hệ thống áp suất cao cũng đ−ợc quan tâm và đạt đ−ợc các thành tựu to lớn. 1.1.3. Phân loại trong công nghệ ép thủy tĩnh Hiện nay ETT đ−ợc áp dụng trong hai lĩnh vực chủ yếu là ép tạo hình các loại vật liệu bột và ép biến dạng tạo hình sản phẩm từ kim loại và hợp kim. Công nghệ ETT tạo hình các sản phẩm từ vật liệu bột còn đ−ợc gọi là ph−ơng pháp ép đẳng tĩnh (Isostatic Press). Thông th−ờng có một số ph−ơng án phân loại nh− sau: a. Theo môi tr−ờng truyền áp: - ép thủy tĩnh môi tr−ờng khí. - ép thủy tĩnh môi tr−ờng chất lỏng - ép thủy tĩnh môi tr−ờng giả lỏng (th−ờng là chất lỏng có độ nhớt rất cao hoặc các chất có độ đàn hồi lớn nh− mỡ khoáng, cao su, nhựa PVC, PE, PU...). b. Theo nhiệt độ làm việc: - ép thủy tĩnh nguội (Cold Isostatic Pressing CIP): Quá trình tiến hành không có gia nhiệt phôi và môi tr−ờng áp suất . - ép thủy tĩnh ấm (Warm Isostatic Pressing): Quá trình tiến hành ở nhiệt độ 800 Cữ5000 C - ép nóng thủy tĩnh: Quá trình tiến hành ở nhiệt độ cao có thể đến 15000 C hoặc cao hơn nữa. c. Theo dạng của dụng cụ đ−ợc sử dụng: - Ph−ơng pháp khuôn −ớt (wet bag)-Hình 1.2. 19 1. Nắp buồng áp suất 2. Vật liệu bột 3. Môi tr−ờng truyền áp (dầu cao áp) 4. Buồng áp suất 5. Khuôn đàn hồi 6. Đáy buồng áp suất Hình 1.2- Khuôn ép thuỷ tĩnh −ớt Khuôn đàn hồi đ−ợc điền đầy vật liệu ép, đ−ợc làm kín, và đ−ợc ép. Do áp suất đẳng tĩnh của môi tr−ờng ép tác động lên vỏ khuôn từ mọi phía nên vật liệu đ−ợc tạo hình. Ph−ơng pháp này phù hợp với áp suất ép cao (hàng trăm MPa) và vật ép lớn. Nó cũng rất thích hợp cho điều kiện tạo hình thay đổi. Thời gian thao tác có thể đến nhiều phút. - Ph−ơng pháp khuôn khô (dry bag) - Hình 1.3 Khuôn đàn hồi đ−ợc gắn chặt vào buồng ép. Vật liệu đ−ợc điền đầy khuôn trong buồng ép. áp suất đ−ợc tạo ra trong khoảng không gian phù hợp với hình dáng của vật ép, áp suất này nhỏ hơn ở vùng hệ thống làm kín khuôn, tức là vùng chày ép. Nh− vậy đã xác lập điều kiện gần nh− ép khô. Bằng ph−ơng pháp khuôn khô ta có thể đạt đ−ợc vật ép thành t−ơng đối mỏng. Trong ph−ơng pháp khô, trái với ph−ơng pháp −ớt, với cùng một áp suất ép có thể đạt đ−ợc mật độ ép cao hơn. Dầu cao áp vào Xả E Thoát khí 20 1.1.4. Các −u nh−ợc điểm của công nghệ ép thuỷ tĩnh −u điểm của công nghệ ETT: - Đạt đ−ợc độ đồng nhất cao về mật độ trong vật ép. - Khả năng tạo hình các vật liệu bột khó ép, mà các ph−ơng pháp tạo hình truyền thống đã bị giới hạn về năng suất và chất l−ợng. - Việc sử dụng các hạt rời với độ ẩm nhỏ sẽ giảm quá trình sấy. Việc đó sẽ giảm đ−ợc thời gian và chi phí để sản xuất các chi tiết gốm một cách đáng kể. - Việc đạt đ−ợc mật độ cao trong quá trình ép sẽ dẫn đến việc giảm đáng kể hiện t−ợng nứt khi sấy và hiện t−ợng nứt khi nung. Cùng với −u điểm đó ph−ơng pháp ETT cho phép tăng đ−ợc khối l−ợng và độ phức tạp của vật ép. - Do áp suất tác dụng đều trong quá trình ép, nên qúa trình đặc xít vật ép đạt đ−ợc đều, làm cho vật ép có tính đồng nhất và hầu nh− không có texture. - Ngoài ra có thể chế tạo đ−ợc các chi tiết rất đặc xít có hình dạng bất kỳ. Hình 1.3- Sơ đồ ép thuỷ tĩnh khuôn khô Dầu cao áp 1- Bột 5- Môi tr−ờng truyền áp 2- Buồng áp suất (Dầu cao áp) 3- Túi đàn hồi 6- Sản phẩm 4- Chày đối áp 7- Van cao áp 21 Nh−ợc điểm của công nghệ ETT: Thể tích vật liệu khi tạo hình trong vỏ khuôn đàn hồi đối với vật liệu gốm hạt mịn giảm 20-40% còn đối với vật liệu gốm hạt thô giảm 10-20%. Điều đó có thể dẫn đến sự sai khác về hình dạng của vật ép. Nói chung trong lĩnh vực vỏ khuôn đàn hồi, không tạo đ−ợc sản phẩm có biên dạng sắc nét. Đối với vật liệu hạt thô, thậm chí bề mặt vật ép không phẳng nhẵn, có thể loại trừ nh−ợc điểm đó bằng cách gia công lại vật ép. Giới hạn của công nghệ ETT: Do áp suất thuỷ tĩnh cao áp đ−ợc tạo ra trong buồng kín thông qua môi tr−ờng là dầu thuỷ lực hoặc một số loại môi tr−ờng giả lỏng khác, việc tăng áp suất th−ờng giới hạn d−ới 500MPa vì vậy ETT đ−ợc ứng dụng trong công nghệ gốm, công nghệ luyện kim bột hoặc ứng dụng trong biến dạng tạo hình một số loại sản phẩm có hình dạng phức tạp từ phôi dạng tấm hoặc dạng ống mỏng. 1.1.5. Các hiện t−ợng xẩy ra trong qua trình ép thuỷ tĩnh. 1.1.5.1. Quá trình đặc xít và các đặc tính đặc xít của vật ép. Do tác dụng đều ở mọi ph−ơng của áp suất trong ph−ơng pháp ETT dẫn đến việc đặc xít đồng đều của vật ép. Thất thoất áp suất do ma sát giữa bột và thành khuôn là không đáng kể, khác cơ bản với ph−ơng pháp ép trong khuôn kín. Sự thất thoát áp suất do ma sát trong giữa các hạt bột là hiện hữu và có thể dẫn đến gradient áp suất giữa phần ngoài và phần trong của vật ép và dẫn đến sự khấc nhau về mật độ giữa các vùng. Tuy nhiên do sự tr−ợt không đáng kể của các hạt rắn trong qúa trình ép, kết quả xoay hạt đều theo h−ớng tâm vật ép mà ma sát trong là nhỏ vì vậy sự sai khác về mật độ không lớn. Ví dụ vật ép từ caolin hoặc từ vật liệu sứ sau khi ETT ở áp suất >100 MPa có sự khác biệt về mật độ đo đ−ợc < 0,01g/cm3 nằm trong sai số của phép đo. Cho thêm các chất bôi trơn vào vật liệu ép làm giảm tiếp sự sai khác về mật độ. Ngoài ra trong ép tạo hình bằng công nghệ ETT không gặp hoặc hầu nh− không có vết của sự hình thành texture. Đó là do không có sự khác nhau về mật độ cũng nh− sự định h−ớng của các hạt rắn dị h−ớng. 22 Đ−ờng cong xít chặt vật ép cho phép khẳng định: ngay đối với việc ép bằng công nghệ ETT vật liệu gốm, với áp suất tăng dần ta cũng gặp sự giảm dần của mức độ tăng mật độ. Đã có hàng loạt các công trình mô tả hàm số các đ−ờng cong đặc xít và nhiều ph−ơng trình thực nghiệm đã đ−ợc xác lập - Bảng 1.1 và 1.2 trình bày một số trong các ph−ơng trình đó. Ph−ơng trình của Heckel thể hiện khá tốt quan hệ hàm số cho tr−ờng hợp ETT ph−ơng pháp −ớt khi áp suất ép lớn hơn 20 MPa. p 1 2 p v n ( ) c .p + c v v∞ =−l Đối với ph−ơng pháp ETT khô ph−ơng trình của Kawakita với các hằng số cải tiến C3 và C4 cho kết quả tốt hơn cả: 0 p v v 3 4 3 0 v vp 1 p ; c c c .c c v −= + = Bảng 1.1- Tổng hợp các đẳng thức tính cho quan hệ mật độ/áp suất Tác giả Đẳng thức (ph−ơng trình) Ballhasen 1 2 p vn c .p c v v ∞ ∞ = +−l Heckel p 3 4 p v n =c .p + c v -v∞ l Fuhrer (vp-v∞) (p+c5) = C6 Cooper và Eaton 0 p 7 0 v -vc8 e10c .exp(- )+c9.exp(- )= p p v -v∞ Kawakita 0 p 11 12 0 12 v -v c .c -p= v 1+c .p Ghi chú: P: áp suất ép, Vp : thể tích vật ép ở áp suất P, V∝ thể tích vật ép ở áp suất vô cùng lớn, Vo thể tích đống của vật liệu ép. c1- c12 các hằng số thực nghiệm. 23 Bảng 1.2- Tập hợp các ph−ơng trình tính toán cho quan hệ giữa b−ớc tiến của chày và áp suất Tác giả Ph−ơng trình tính toán Ballhausen 13 14 xn( )=c .p+c 1-x l Fuhrer 15 16 17(p+c ).(x-c )=c Bouchner c18 0 hp.( ) =const h 18 19 0 hnp = c . n( ) = nc h l l l Montgomery p = c20.x C21 Jones 2 22 23 vpn=-c .( ) +c v∞ l Balshin 2524 cv v cnp p +∞−= ).(l Ghi chú: c13-c25 các hằng số thực nghiệm, h-chiều cao đong, h0 chiều cao vật ép Các tính chất của vật ép nh− mật độ và độ bền phụ thuộc vào độ lớn của áp suất thuỷ tĩnh. Trong khoảng áp suất 100-200 MPa có thể đạt đ−ợc 65-75% mật độ lý thuyết đối với vật liệu gốm quắc- đất sét phụ thuộc vào độ ẩm của vật liệu ép. Trong đó về cơ bản, đồ bền uốn lớn hơn 2 MPa đủ để gia công tiếp theo. Để ép vật liệu hạt thô cần áp suất 100-400 MPa, trong đó nếu có đ−ợc sự phân bố hạt hợp lý của vật liệu ép, thì có thể đạt đ−ợc mật độ tới 85% mật độ lý thuyết. Đ−ờng cong đặc xít cũng giống nh− trong tr−ờng hợp ép khô và phụ thuộc vào hàng loạt các thông số. Nhiều khi tính chất của vật liệu ép có ảnh h−ởng rất lớn thí dụ nh− độ ẩm. Đối với mỗi vật liệu ép có một khoảng độ ẩm tối −u. Việc thêm các phụ gia ép nh− chất bôi trơn làm tách hạt có ý nghĩa quan trọng. Tác dụng của độ ẩm và phụ gia ép phù hợp với kết quả đo đạc và tính toán theo ph−ơng trình của Jones (xem bảng 1.2). Ph−ơng trình tính toán này cho phép phân biệt rõ đ−ờng cong ép phụ thuộc các thông số độ ẩm và chất bôi trơn. Quan hệ phụ thuộc cụ thể đ−ợc trình bày trong bảng 1.3. Ph−ơng pháp để tính quan hệ đ−ờng cong ép dựa trên cơ sở vật lý đ−ợc trình bày trong công trình của Thomson. 24 Bảng 1.3- Số liệu cho ph−ơng trình tính toán theo Jones đối với bột gốm có độ ẩm và phụ gia khác nhau: Ph−ơng trình tính toán: 2 p n 0 Ơ 1 v l p= a - v a ⎛ ⎞⎜ ⎟⎝ ⎠ Hệ số Hệ số kết nối Thông số a0 a1 r 2 0.2 Độ ẩm [%] 1.0 2.5 6,00 6,14 6,09 0,98 1,30 1,49 0,992 0,996 0,999 Chất phụ gia [%] 0.3 PVA 6,05 1,24 0,997 0.5 oxidwachs 6,15 1,57 0,997 0.2 PVA+0.5 oxidwachs 6,10 1,49 0,996 1.1.5.2. ảnh h−ởng của điều kiện ép Các điều kiện ép nh− trang bị ép, thời gian ép, thời gian giữ áp có ảnh h−ởng đến đ−ờng cong ép. Sự thay đổi tốc độ ép, không có ảnh h−ởng đáng kể đến kết quả ép. Trang bị ép về cơ bản do thiết bị và vật ép quy định. Tăng áp đến khoảng 30 MPa độ đặc xít đạt gần 75%. Sự giảm thể tích lớn nhất xảy ra trong khoảng áp suất này. Sự tăng áp suất ép có ý nghĩa quan trọng đối với tính chất vật ép. Tốc độ tăng áp lại phụ thuộc vào l−ợng không khí hoặc l−ợng khí chứa trong đống hạt vật liệu ép. Trong quá trình ETT, vật liệu ép chứa trong vỏ khuôn ép kín, không khí chứa trong vật liệu ép, không thoát ra ngoài đ−ợc, bị nén lại. Có thể giảm hoặc loại trừ không khí trong các lỗ xốp bằng các biện pháp sau: • Giảm độ ẩm của vật liệu • Tăng mật độ lắc của vật liệu trong khuôn bằng cách đầm tr−ớc các hạt trong khuôn, lắc hoặc chọn phân bố cấp hạt tối −u. • Hút chân không vỏ khuôn đã điền đầy. 25 Do không thể loại trừ hoàn toàn khí trong các lỗ xốp vì vậy việc chọn tốc độ tăng và xả áp đóng vai trò quan trọng. Để lựa chọn đ−ợc đ−ờng cong ép và xả áp phải chú ý hai khoảng áp suất ở các thời điểm: • Khi thoát khuôn đàn hồi khỏi bề mặt của vật ép, vì khi đó bề mặt vật ép sẽ có ứng suất cắt và gây vết nứt. • Khử ứng suất trong vật ép do không khí bị nén sẽ nở ra khi giảm áp suất. áp suất khí trong lỗ xốp đ−ợc định nghĩa là: Ptw =P ’’ – P’. Trong đó: P’’ áp suất không khí trong lỗ xốp ở giữa vật ép. P’ áp suất không khí trong lỗ xốp ở rìa vật ép t−ơng ứng với áp suất đẳng áp tác dụng từ phía ngoài. Thời gian cực trị tE để giải áp có thể xác định nh− sau: a E m vt v = Trong đó: Va : Thể tích không khí thoát ra khỏi lỗ xốp. Vm : Thể tích thoát khí trung bình trong quá trình giảm áp. Thời gian cực trị tE tăng đối với vật ép lớn và giảm khi áp suất thuỷ tĩnh tăng Độ giảm áp đ−ợc điều chỉnh trong khoảng áp suất < 5 MPa là cần thiết khi không hút khí tr−ớc khi ép. Bằng cách giữ áp suất lâu có thể tăng đ−ợc mật độ và cơ tính của vật ép. Nh−ng hiệu quả đó còn phụ thuộc vào tính chất của vật liệu ép và độ lớn của áp suất. Thời gian giữ áp kéo dài tác động làm tăng mật độ, điều đó đặc biệt đúng với vật liệu dẻo. Đối với vật liệu làm sứ khả năng đạt đ−ợc hiệu qủa cao trong khoảng giữ áp suất ép không lớn. Thời gian giữ áp th−ờng không v−ợt 60s. Đối với các chi tiết nhỏ nh− phần sứ cách điện của bugi thời gian giữ áp d−ới 1s. 1.1.5.3. Hiện t−ợng nở trở lại của vật ép. Hiện t−ợng nở lại sau khi ETT đó là hiện t−ợng tăng thể tích của vật ép sau khi xả áp, hiện t−ợng này xẩy ra do các nguyên nhân sau: - Tính đàn hồi của vật ép ngay khi tháo vật ép ra khỏi khuôn giống nh− khi 26 ép trong khuôn kín. - Hiện t−ợng nở trở lại đàn hồi kéo dài theo thời gian đặc biệt trong tr−ờng hợp ép bằng đẳng tĩnh. Nó chiếm tới 25% của độ nở trở lại đàn hồi tổng. Xác dịnh độ nở trở lại của vật ép đóng vai trò quan trọng trong việc tạo vật ép có hình dáng và kích th−ớc chính xác. Độ nở trở lại đ−ợc xác định bằng thực nghiệm. Theo Mc. Entire độ nở trở lại của vật liệu gốm nằm trong khoảng 0,1% – 0,3% kích th−ớc danh định. 1.2. Tổng quan về công nghệ ép thuỷ động 1.2.1. Gia công biến dạng bằng công nghệ ép thủy động Một dạng gia công biến dạng khác cũng đ−ợc sử dụng phổ biến đối với các nhóm chi tiết kiểu thiết diện đều và dài. Theo công nghệ truyền thống các chi tiết dạng ống, dạng trục, dạng sợi mảnh, bánh răng... đ−ợc gia công bằng ph−ơng pháp ép đùn, ép chảy thông th−ờng hoặc gia công cắt gọt. Với các ph−ơng pháp gia công này không tiết kiệm đ−ợc vật liệu, kinh phí chế tạo cao, tuổi thọ của khuôn mẫu thấp do ma sát giữa khuôn và vật liệu gia công lớn. Để khắc phục nh−ợc điểm nêu trên ng−ời ta đã sử dụng ph−ơng pháp ép đùn trong khuôn ép thủy động (ETD) để tạo ra sản phẩm. Sau khi tạo phôi sơ bộ, cho phôi vào trong buồng ép, d−ới tác dụng của áp suất cao trong buồng ép vật liệu đ−ợc ép đều từ các h−ớng và đ−ợc đùn ra ngoài qua khuôn với Profin tùy theo hình dạng của lỗ khuôn (hình 1.4b). 1.2.2. Các đặc điểm của ép thủy động Trong ETD phôi không tiếp xúc trực tiếp với khuôn cũng nh− buồng áp suất, môi tr−ờng truyền áp không những tạo ra áp suất cao để ép lên phôi mà còn tạo ra màng ngăn cách giữa sản phẩm và lỗ hình, làm giảm ma sát một cách đáng kể. Lực ma sát không phụ thuộc vào chiều dài phôi ép (theo ph−ơng pháp ép đùn bình th−ờng lực ma sát tăng theo độ dài của phôi ép). Có thể thấy rõ tính −u việt của ph−ơng pháp gia công mới này trên cơ sở so sánh hai ph−ơng pháp nêu trên (xem hình 1.4). 27 Ngoài ra với tỉ lệ biến dạng cao cỡ 90% có thể tạo ra màng dầu bôi trơn thủy động giữa bề mặt phôi và khuôn hình, lỗ hình do vậy nâng cao độ bền mòn của khuôn lên nhiều lần, tăng chất l−ợng bề mặt của sản phẩm, giảm ma sát. Đặc biệt với ph−ơng pháp ép thủy động, áp lực ép lên sản phẩm giảm khoảng 40%, cơ tính của sản phẩm tăng khoảng 35% so với ép đùn thông th−ờng. Ph−ơng pháp ép thủy động còn cho phép ép đùn các chi tiết có độ dài bất kỳ và hình dạng sản phẩm phức tạp, có rãnh xoắn và nghiêng. Tùy thuộc vào thiết kế công nghệ và khuôn ép, bằng công nghệ này có thể ép ra các chi tiết dạng đặc (Hình 1.5) và dạng rỗng (Hình 1.6). 1.2.3. Sản phẩm của ph−ơng pháp ép thủy động Sản phẩm của ph−ơng pháp ép thủy động khá đa dạng nh−: Thanh thiết diện ngang phức tạp với chiều rộng b=0,7-0,8 mm, tỉ lệ giữa chiều rộng và chiều cao của mặt cắt đạt tới 40-50 lần. ống nhỏ có Φmin≈20mm, δ=0,5 - 1mm. Hình 1.4- So sánh ph−ơng pháp ép đùn trong khuôn ép thông th−ờng (a) và ph−ơng pháp ép đùn theo công nghệ ép thủy động (b) F (lực ép) F F F (lực é ) a) b) 1. Chày ép 2. Vật liệu 3. Khuôn 4. Môi tr−ờng truyền áp 28 Hãng ASEA (Thụy điển) và KOBE (NHật) đã tiến hành các nghiên cứu thực nghiệm và đã đ−a ra kết quả bằng dồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa áp suất và tỉ lệ biến dạng cho từng loại vật liệu khác nhau. Khi áp suất của chất lỏng đạt tới >1000 MPa thì vật liệu nhôm ép theo ph−ơng pháp ép thủy động có thể biến dạng với hệ số à=Fo/F1=10.000, hợp kim nhôm khó biến dạng nh− nhôm 7075 có thể ép với hệ số à=200. Ph−ơng pháp ép thủy động còn đ−ợc thực hiện ở môi tr−ờng nhiệt độ cao (gọi là ph−ơng pháp ép thủy động nóng). Có thể ép các phôi đã nung nóng cỡ 550 - 6000C, dùng chất lỏng là dầu Kacmpoboc pha thêm Metalnol để làm môi tr−ờng truền áp. Môi tr−ờng đ−ợc lựa chọn là môi tr−ờng giả lỏng độ nhớt cao sẽ giảm bớt khó khăn cho việc bịt kín. Các sản phẩm hình dạng và cấu tạo phức tạp nh−: bánh răng thẳng, nghiêng đ−ờng kính nhỏ, phôi dao phay doa, mũi khoan, ống đồng nhỏ có Φmin ≈ 20 mm, δ = 0,5 – 1.5 mm đ−ợc chế tạo bằng ph−ơng pháp ép thủy động. Các phôi sản phẩm trên đ−ợc chế tạo bằng ph−ơng pháp cắt gọt hoặc ép đùn truyền thống gây lãng phí vật t− quý hiếm, công gia công, dẫn đến giá thành sản phẩm cao, chất l−ợng sản phẩm không cao. Sau gần 40 năm nghiên cứu phát triển, ph−ơng pháp thủy động đã dần đ−ợc hoàn thiện và phát triển. Ph−ơng pháp ép thủy động th−ờng đ−ợc áp dụng để chế tạo ra các chi tiết thỏi đặc, thỏi rỗng hoặc dây từ vật liệu hợp kim, hợp kim nhôm, kim loại hiếm. Từ những năm 70 ph−ơng pháp này đ−ợc tiếp tục áp dụng cho các loại hợp kim và thép. Với ph−ơng pháp này có thể biến dạng tạo hình cho những vật liệu cứng, giòn, khó biến dạng tạo hình nh−: gang, molipden, Beryli, vật liệu composite. ở các n−ớc tiến tiến công nghệ này đ−ợc phát triển, hoàn thiện theo h−ớng: Thiết kế chế tạo các máy ép chuyên dụng với các mức độ tự động hóa cao. Việc thiết kế máy đ−ợc phân theo các gam máy khác nhau tùy thuộc vào ph−ơng án công nghệ, hoặc quy mô của sản phẩm cần tạo ra. 29 1.2.4. Phân loại các ph−ơng pháp ép thủy động Hiện nay có một số ph−ơng án ép thủy động nh− sau: - ép thủy động tốc độ thấp: Tốc độ trong khoảng 2-150 mm/giây (còn gọi là ép đùn thủy tĩnh). - ép thủy động: tốc độ trong khoảng 200-1000 mm/giây (ở dải tốc độ này xuất hiện lớp bôi trơn ổn định (hiệu ứng thủy động). - ép thủy động tốc độ rất cao và xung: tốc độ khoảng 10.000 mm/giây. (Cần phải nhấn mạnh thêm là theo chiều tăng của tốc độ biến dạng độ dày và tính ổn định của màng bôi trơn tăng lên. Điều đó tác dụng tích cực đến động học quá trình biến dạng, làm giảm hoặc triệt tiêu hiệu ứng nhẩy vọt áp lực khi bắt đầu biến dạng và hiệu ứng stick-sleep kim loại chuyển động theo từng b−ớc nhẩy sóng,...) Theo hình dạng sản phẩm: ETD phôi đặc, ETD phôi rỗng, ETD phôi dây... ép thủy động phôi đặc: Ph−ơng pháp ép đùn thủy động đ−ợc nghiên cứu và áp dụng nhiều nhất hiện nay là ép đùn phôi đặc (Hình 1.5). 1. Chày ép 2. Gioăng 3. Môi tr−ờng truyền áp 4. Dẫn h−ớng 5. Phôi 6. Khuôn hình 7. Gioăng 8. Buồng áp suất Hình 1.5- Mô hình ETD các chi tiết dạng đặc 30 ép thủy động phôi rỗng: Để ép sản phẩm rỗng (hình 1.6) phải sử dụng một lõi đặt trong lỗ tạo tr−ớc của phôi ép, nhiệm vụ của lõi là tạo ra lỗ của sản phẩm và làm kín môi tr−ờng truyền áp suất cao, khi thiết kế lõi cần chú ý kết cấu phù hợp và chế độ bôi trơn giữa lõi và phôi để giảm thiểu ma sát. ép thủy động phôi dây: Hình 1.6- Mô hình ép thủy động các chi tiết rỗng với lõi tĩnh (a) và lõi động (b) a) b) 1. Chày ép 2. Buồng áp suất cao 3. Gioăng 4. Dẫn h−ớng 5. Môi tr−ờng truyền áp 6. Phôi 7. Lõi 8. Khuôn hình Hình 1. 7- Mô hình ép thủy động phôi dây 1 2 3 4 5 6 7 8 1. Chày ép 2. Môi tr−ờng truyền áp 3. Buồng áp suất cao 4. Cuộn dây phôi 5. Giá đỡ phôi 6. Khuôn hình 7. Đế khuôn 8. Sản phẩm ETD 31 1.2.5. Quá trình ép thủy động ép thủy động ngày nay đ−ợc tiến hành trong công nghiệp ở nhiệt độ phòng (ép đùn nguội), và ở nhiệt độ cao hơn (ép đùn ấm). Từ quá trình chung ng−ời ta phát triển theo nhiều h−ớng, một h−ớng nhằm sao cho áp suất thủy động không phụ thuộc và h−ớng biến dạng, một h−ớng nhằm ép liên tục hoặc gián đoạn ra các sản phẩm có độ dài bất kỳ từ các khối ngắn trong buồng áp lực cao. Mô tả quá trình ép thủy động Hình 1.5 mô tả công nghệ ép thủy động phôi đặc. Phôi (5) sau khi đã đ−ợc sơ chế phù hợp với góc mở và kết cấu khuôn hình đ−ợc đặt vào khuôn hình (6) trong buồng áp suất (8), phôi không tiếp xúc với thành của buồng áp suất nhờ dẫn h−ớng (4) lắp ở đầu trên phôi. Cho môi tr−ờng truyền áp vào buồng áp suất, các gioăng áp suất cao giữa đế khuôn và buồng áp suất, giữa chày ép và buồng áp suất đảm bảo bịt kín khi làm việc. D−ới tác dụng của lực ép lên chày (1) áp suất trong buồng áp suất tăng dần đến áp suất giới hạn sẽ đẩy sản phẩm ra khỏi buồng. Hình dạng và kích th−ớc của sản phẩm phụ thuộc vào hình dạng và kích th−ớc của khuôn hình. Khi sơ chế phôi phải đảm bảo lắp chính xác vào khuôn hình đảm bảo độ kín ban đầu, cần chú ý giữa phôi và buồng áp suất không những không đ−ợc tiếp xúc với nhau mà còn khoảng hở cần thiết để chất truyền áp có thể điền đầy tất cả các khe hẹp trong buồng áp suất. Ngoài ra đ−ờng kính của phôi phải nhỏ hơn đ−ờng kính lớn nhất của phần côn dẫn vào khuôn hình nếu không khi ép sẽ dẫn đến sự cắt phần phôi nằm ngoài vùng côn dẫn. Để đạt sự ổn định hình dạng phôi phải là trụ đều, nói cách khác phôi không đ−ợc có tiết diện thay đổi trên toàn bộ chiều dài phôi. Vì không có ma sát với thành khuôn nên có thể ép đùn đ−ợc các sản phẩm mặt cắt phức tạp hoặc dạng xoắn, hơn nữa chiều dài của phôi chỉ bị giới hạn bởi kích th−ớc của buồng áp suất và hành trình làm việc của chày ép. Ví dụ khi ETD phôi dây (hình 1.7), bên trong buồng áp suất đặt một cuộn dây làm phôi thì tỷ lệ chiều dài phôi có thể lớn gấp đ−ờng kính đến 105 lần 32 Sau khi đặt phôi vào buồng áp suất, buồng áp suất đ−ợc đổ đầy môi tr−ờng truyền áp. Môi tr−ờng truyền áp đồng thời đóng vai trò truyền áp đồng thời đóng vai trò chất bôi trơn ở các bề mặt tiếp xúc giữa sản phẩm và phôi. Một số loại vật liệu có thể tự bôi trơn vì vậy vật liệu rắn dạng parafin hoặc kim loại dễ biến dạng (kim loại mềm) cũng đ−ợc sử dụng làm môi tr−ờng truyền áp lực. Việc tăng áp suất môi tr−ờng truyền áp và quá trình ép chảy là phụ thuộc lẫn nhau, thông th−ờng áp suất đ−ợc tạo bằng một chày ép ép trực tiếp vào buồng áp suất cao (hình 1.5). Ng−ời ta cũng có thể tạo áp suất trong một buồng riêng ngoài buồng áp suất cao hoặc bằng bơm áp suất cao, ph−ơng pháp này không thể tạo ra áp suất cao tuỳ ý. Trong quá trình ép đùn thủy động do ảnh h−ởng của hiện t−ợng stick-slip xuất hiện nguy cơ sản phẩm ra nhanh hơn dự kiến nên cả sản phẩm và chất lỏng thoát ra khỏi khuôn với động năng lớn có thể gây tiếng nổ, hoặc làm hỏng sản phẩm. Việc thu hồi sản phẩm là một vấn đề lớn cần giải quyết. 1.2.6. Sản phẩm và phạm vi ứng dụng của công nghệ ép thủy động 1.2.6.1. Vật liệu và độ biến dạng trong ép thủy động Thông th−ờng khi ETD với áp suất ~1000 MPa có thể đạt đ−ợc sự thay đổi tiết diện rất lớn. Chẳng hạn ở nhiệt độ phòng, nh− trên hình 1.8 biểu diễn, tỷ lệ tiết diện Ao/A1 khoảng 1500 với nhôm sạch (Al 99,5%), là 80 với đồng (99,9% Cu) là 10 với thép các bon thấp (0,15% C) và khoảng 3,5 với thép hợp kim. Đối với Mo, W, và hợp kim niken bền nhiệt cao Ao/A1 từ 3 ữ 5. áp suất và nhiệt độ cao hơn thì giá trị này tăng lên hơn nữa, trong đó để cải thiện khả năng biến dạng của hợp kim đồng, nhôm bền cao hoặc thép thì ép đùn nóng có ý nghĩa hơn cả và đ−ợc ứng dụng trong công nghiệp. Độ biến dạng đạt đ−ợc phụ thuộc vào ứng suất chảy của vật liệu và khả năng thay đổi hình dạng của chúng. Khi ép đùn dây nhôm tỷ lệ tiết diện Ao/A1=1500/1 tốc độ ra dây rất cao gây nhiều khó khăn cho việc thu hồi sản phẩm. áp suất và nhiệt độ cao hơn khi ép đùn chỉ có ý nghĩa nếu ta muốn đạt đ−ợc sự biến đổi tiết diện lớn hơn với các vật liệu có độ cứng lớn. 33 1.2.6.2. Một số sản phẩm trong ép đùn thủy động Thông th−ờng ứng dụng quá trình ép đùn cho các lĩnh vực sau: - Sản xuất dây với tỷ lệ tiết diện rất lớn trong 1 b−ớc biến dạng, ví dụ ép dây nhiều sợi (hình 1.9) hoặc để sản xuất dây từ các vật liệu độ cứng cao có tỷ lệ tiết diện thấp thì ETD là một khả năng mới (ép biến dạng thay cho kéo biến dạng). - Ngoài ra ETD cũng thích hợp cho việc sản xuất các ống có thành rất mỏng (ví dụ thành có s= 0,15mm, đ−ờng kính ngòai da = 10mm) vật liệu Al 99,5 hoặc ống thành rất dày (s=0,9mm, da=2mm). Hình 1.8- Mối quan hệ giữa áp suất và tỷ lệ tiết diện AO/A1 (a) giữa áp suất và nhiệt độ phôi (b)-(1 kbar=100MPa=100N/mm2) 34 Hình 1.9- Dây nhôm nhiều sợi-sản phẩm của công nghệ ép đùn thủy động (ASEA) Hình 1.10- Sản phẩm của công nghệ ép đùn thủy động (ASEA) 35 - ép thủy động cũng áp dụng để chế tạo các sản phẩm có Profil bất kỳ với chiều dài lớn mà bằng các ph−ơng pháp khác không thể chế tạo đ−ợc (Hình 1.10; 1.11). Trong ép đùn thép việc ứng dụng ETD có thể thay cho công nghệ ép đùn nóng hoặc công nghệ kéo nguội nhiều b−ớc. - Hình dáng của phôi và hình dạng sản phẩm không phụ thuộc vào nhau nên ng−ời ta có thể ép đ−ợc các sản phẩm có hình dạng bất kỳ. Do ma sát trong buồng áp lực không đáng kể nên ứng dụng công nghệ này có khả năng ép đ−ợc các phôi dài gấp nhiều lần so với đuờng kính. ép thủy động ấm tạo khả năng biến dạng các vật liệu và hợp kim có độ cứng cao với tỷ lệ tiết diện lớn ở áp suất nhỏ. Chẳng hạn ống đồng có thể sản xuất từ các block với tỷ lệ tiết diện khoảng 500 đ−ợc ép đùn ở 500oC. Các Profil nhôm đ−ợc bọc đồng làm các thanh dẫn trong kỹ thuật điện cũng đ−ợc sản xuất Hình 1.11- Sản phẩm của công nghệ ép đùn thủy động nóng (Kobe Steel) 36 theo ph−ơng pháp này. T−ơng tự một chi tiết hợp kim nhôm có thể đ−ợc bọc bằng một hợp kim nhôm khác. Tính chất của vật liệu lõi và kết hợp với tính chất của vật liệu bọc ngoài để tạo nên một vật liệu có tính chất tối −u. Chẳng hạn với vỏ bọc ngoài là hợp kim nhôm sẽ làm cho sản phẩm dễ hàn hơn, chịu ăn mòn,... Các khả năng này đã đ−ợc hãng Kobe Steel của Nhật ứng dụng trong công nghiệp, bằng ETD nóng kết hợp với kéo tr−ợt lạnh lần 2 để sản xuất ống đồng bóng từ năm 1975. 1.2.6.3. Tính chất biến dạng trong ép thủy động Cũng giống nh− ở các quá trình biến dạng lạnh khác, khi ETD độ cứng của sản phẩm tăng lên. Khi độ biến dạng lớn và tốc độ biến dạng cao nhiệt độ sẽ tăng lên cao, cùng với quá trình biến dạng nguội có các quá trình nh− tái kết tinh, nghỉ xuất hiện. Khi biến dạng nóng thì phần biến dạng bị nung nóng lên, nên không có hoặc có rất ít sự tăng độ cứng. Do sự biến dạng khi ép thủy tĩnh gần nh− là đồng đều nên sản phẩm có tính chất cơ và kim t−ơng gần nh− nhau trong suốt tiết diện. Với các nghiên cứu bằng đo độ cứng tế vi và Visioplastic ng−ời ta chứng minh đ−ợc rằng không có sự khác biệt tính chất giữa sản phẩm ETD và ép đùn thông th−ờng nếu cả 2 tr−ờng hợp có cùng độ lớn góc mở khuôn, độ biến dạng và các tính chất khác giống nhau. Tính chất bề mặt của các chi tiết ETD phụ thuộc chính vào chiều dày lớp bôi trơn, độ nhớt của môi tr−ờng ép, áp lực áp suất cần thiết, nhiệt độ, vật liệu và chất l−ợng bề mặt phôi. Nhìn chung so với ép đùn thông th−ờng sản phẩm của ETD có bề mặt ít khuyết tật. Sau đây là sơ đồ phân bố độ cứng của sản phẩm ETD: Vật liệu CK15; Độ biến dạng ϕ =ln(Ao/A1)=1,39; Góc mở khuôn 2α=90O; Chất bôi trơn Grafit; Phôi đã đ−ợc phosphat hóa. 37 1.3. Các nghiên cứu về ép thủy tĩnh và thủy động trong n−ớc Lần đầu tiên ph−ơng pháp ETT nguội đã đ−ợc sử dụng trong đề tài cấp Nhà n−ớc "Nghiên cứu chế tạo gốm cắt gọt", số 48E-02-02 thuộc ch−ơng trình vật liệu năm 1986. Tác giả Lý Ngọc Doãn-Viện Công Nghệ - Bộ quốc phòng và cộng sự thực hiện. Năm 1995 ở đề tài " Chế tạo vật liệu siêu cứng Nitrua Bo và kim c−ơng nhân tạo" Tác giả Trần Sỹ Kháng và các cộng sự (Viện Công nghệ - Bộ Quốc phòng) đã nghiên cứu tổng hợp kim c−ơng trong khuôn ETT áp suất cao mà môi tr−ờng truyền áp là đá Pirophilite. Năm 1998 tác giả Nguyễn Đức Kim-Viện Công nghệ xạ hiếm và cộng sự cũng đã sử dụng ph−ơng pháp ETT nguội trong đề tài ”Nghiên cứu chế tạo vật liệu gốm trên cơ sở ZrO2”- mã số CB96-07. Hình 1.12- Sự phân bố độ cứng trong ép đùn thủy động (a) và trong ép đùn thông th−ờng (b) 38 Năm 1999 Đề tài “Mô hình ứng xử vật liệu bột biến dạng ở trạng thái nguội” của Trung tâm Thẩm định Công nghệ, đã sử dụng ph−ơng pháp ETT nguội đối với vật liệu Composite: Đồng-grafit. Từ năm 1997 đến năm 2002 Trung tâm Thẩm định Công nghệ đã thực hiện 08 đề cấp Tổng cục và Bộ về lĩnh vực nghiên cứu chế tạo vũ khí có áp dụng nguyên lý ép thủy tĩnhETT. Điển hình là các đề tài: Đề tài: “Nghiên cứu hoàn thiện công nghệ chế tạo đai đồng cho đầu đạn pháo 105”. Cấp bộ quốc phòng, năm 1998-1999 Đề tài: “Nghiên cứu chế tạo vỏ đầu đạn 105”. Cấp bộ quốc phòng, năm 1998-2000. Đề tài: “Nghiên cứu chế tạo ống liều đạn 105 ”. Cấp bộ quốc phòng, năm 1998-2000. Đề tài: “Nghiên cứu chế tạo ống liều, vỏ đầu đạn pháo 122-D74”. Cấp bộ quốc phòng, 2001-2002. Đề tài: “Nghiên cứu thiết kế và chế tạo máy ghép đai đồng đạn pháo 105”. Cấp bộ quốc phòng 2000. Đề tài: “Nghiên cứu thiết kế và chế tạo máy ghép đai đồng cho 3 loại đạn pháo chiến dịch”. Cấp bộ quốc phòng, năm 2001. Tất cả các đề tài trên chủ yếu ứng dụng công nghệ ETT áp suất cỡ 2000- 2500 kG/cm2, làm biến dạng kim loại, tạo hình sản phẩm trong khuôn kín. Cho đến nay ch−a có một cơ sở nào ở trong n−ớc đầu t− nghiên cứu áp dụng công nghệ ETD trong gia công biến dạng. Để đáp ứng yêu cầu về hiện đại hoá trong công nghiệp Quốc phòng và dân dụng, cần phát huy nội lực, làm chủ công nghệ chế tạo các sản phẩm khó, công nghệ chế tạo những vũ khí, khí tài quân sự hiện đại. Việc đầu t− nghiên cứu ứng dụng các công nghệ tiên tiến đóng vai trò quan trọng trong sự phát triển đất n−ớc. 39 Ch−ơng 2 mô hình và ph−ơng pháp tính toán trong ép thủy tĩnh và thủy động 2.1. Mô hình và ph−ơng pháp tính toán trong ép thủy tĩnh 2.1.1. Mô hình ứng xử của vật liệu bột kim loại biến dạng ở trạng thái nguội và ph−ơng pháp nhận dạng Công nghệ tạo hình bằng ph−ơng pháp ép hỗn hợp bột ở trạng thái nguội đ−ợc sử dụng rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp khác nhau. Trong công nghệ tạo hình vật liệu bột, độ xốp của phôi sau khi ép tạo hình có ảnh h−ởng lớn đến tính chất của vật liệu sau thiêu kết. Vấn đề xác định phân bố độ xốp trong thể tích của vật liệu trong quá trình ép tạo hình, đặc biệt đối với các chi tiết có hình dạng phức tạp nh−: nón đồng cho đạn B41, côn tống kh−ơng tuyến vv..., đòi hỏi giải bài toán tối −u ảnh h−ởng của các thông số công nghệ đến sự phân bố ứng suất và biến dạng trong vật thể. Trong tạo hình công nghiệp, đây là bài toán phức tạp, dung l−ợng tính toán lớn, cần đ−ợc thực hiên với sự trợ giúp của máy tính hiệu năng cao trên cơ sở ứng dụng các mô hình có khả năng mô tả đầy đủ các hiện t−ợng vật lý xảy ra trong thể tích vật liệu khi biến dạng. Độ chính xác của mô hình cũng nh− độ chính xác của kết quả mô phỏng số một quá trình công nghệ cụ thể đ−ợc quyết định chủ yếu bởi ph−ơng trình thuộc tính của vật liệu biểu diễn mối quan hệ giữa biến dạng và ứng suất. Đây là ph−ơng trình cơ bản của mô hình và là đối t−ợng nghiên cứu của nhiều tác giả. Đối với mỗi vật liệu cụ thể, mô hình cần đ−ợc nhận dạng, hay nói một cách khác, các hệ số phụ thuộc vật liệu của mô hình cầm đ−ợc xác định d−ới dạng hàm của các biến nội là độ xốp và tỉ lệ hàm l−ợng các cấu tử. Ph−ơng pháp nhận dạng và độ chính xác của kết quả thực nghiệm nhận dạng là một trong những yếu tố quan trọng quyết định độ chính xác của mô hình. 40 Chuyên đề này trình bày mô hình biến dạng của vật liệu bột gồm hai cấu tử đ−ợc xây dựng dựa trên cơ sở các khái niệm và nguyên lý của cơ học môi tr−ờng liên tục. 2.1.1.1. Xây dựng mô hình a) Ph−ơng pháp tiếp cận môi tr−ờng xốp liên tục. Xem môi tr−ờng xốp là môi tr−ờng liên tục cấu thành từ các phân tố đặc tr−ng (chất điểm ), có kích th−ớc đủ nhỏ so với thang đo biến dạng và đủ lớn so với kích th−ớc hạt. Các đại l−ợng ứng suất )(σ , biến dạng )(ε , hàm l−ợng cấu tử (fi), độ xốp ( γ )... đ−ợc coi là bình quân cho mỗi chất điểm. Hình d−ới mô tả ph−ơng pháp tiếp cận môi tr−ờng xốp liên tục. Đặt V, Vx, Vi t−ơng ứng là thể tích của hỗn hợp bột, thể tích khoang xốp và thể tích của cấu tử i, ta có ∑+= n i ix VVV , trong đó R n i i VV =∑ là thể tích pha rắn. Hàm l−ợng pha rắn, cấu tử i và độ xốp đ−ợc xác định nh− sau: V V f RR = , V V V Vf xii =γ= , . Ta có: R i R i i V V f f ==α Ta dễ dàng nhận thấy γ, αi là các biến nội độc lập nhau và cùng với biến dạng ε tạo thành tập hợp các biến xác định trạng thái của hệ ( các biến trạng thái ). d−ới đây, để tiện cho việc viết các ph−ơng trình, ta ký hiệu các biến nội là iη . Đối với tr−ờng hợp hỗn hợp bột gồm hai cấu tử, để giảm số l−ợng biến ta đặt: 2 1 2 1 V V f f ==α . 41 b) Mô hình ứng xử Trên cơ sở các số liệu thực nghiệm nhận dạng thuộc tính và các thông tin từ các kết quả nghiên cứu của nhiều tác giả, ta có thể chấp nhận các giả thiết cơ bản sau đây đối với vật liệu bột kim loại biến dạng ở trạng thái nguội: - Có thuộc tính dẻo tức thời, )(εσ=σ ; - Đẳng h−ớng ban đầu cũng nh− trong suốt quá trình bién dạng; - Nén đ−ợc, v0vdiv ()( ≠ là tốc độ chuyển vị ); - Bỏ qua biến dạng đàn hồi ( biến dạng dẻo pε bằng biến dạng tổng ε ) . Mô hình ứng xử ( hay ph−ơng trình quan hệ giữa ứng suất và biến dạng ) của vật liệu bột phải bao hàm tính nén đ−ợc và ở điều kiện tới hạn khi , khi độ xốp bằng 0, ph ải thể hiện thuộc tính của vật liệu đặc. Hàm chất tải ( mặt dẻo ) f có dạng tổng quát sau: ),,,( Rff iησ= trong đó R là biến liên kết biểu biểu thị sự hoá bền đẳng h−ớng của vật liệu, phụ thuộc vào các biến nội, R = K ( ηi ). Với giả thiết đẳng h−ớng, hàm chất tải dạng von – Misses ( bỏ qua ảnh h−ởng không đáng kể của bất biến bậc 3 của ten xơ ứng suất J3 ) có dạng sau: )()( iieq Kf η−ησ= , ( 2.1 ) trong đó )( ieq ησ là ứng suất t−ơng đ−ơng, phụ thuộc vào các biến nội, có dạng: [ ]2121i2ieq JBJA )()( ' η+η=σ ( 2.2 ) Với A và B là các hệ số phụ thuộc vào vật liệu và các biến trạng thái ηi, ),(AA iη= ; )(BB iη= J1 là bất biến bậc một của ten xơ ứng suất ii1 trJ σ=σ= )( ; J’2 là bất biến bậc hai của ten xơ ứng suất lệch kkkkijijijij2 6 1 2 1 2 1J σσ−σσ=σσ= ... ''' 42 Hay d−ới dạng ten xơ: [ ] 22 tr6 1 2 1 2 1J )():(: ''' σ−σσ=σσ= Trong đó: 1tr 3 1 .)(' σ−σ=σ . Theo định luật chảy dẻo pháp tuyến ta có: σ∂ σ∂ σ∂ ∂λ=σ∂ ∂λ=ε eq eq p fdfdd , ( 2.3 ) Trong đó dλ là độ gia tăng hệ số nhân dẻo λ. Thay các giá trị của các biểu thức vào ( 2.2 ) và thế (2.2 ) vào ( 2.3 ), làm một số biến đổi ta nhận đ−ợc [ ] ⎥⎦⎤⎢⎣⎡ ση−η+σησλ=ε 1tr6 AB62A1dd iiieqp .)( )()()( ( 2.4 ) Biểu thức ( 2.4 ) có thể viết lại d−ới dạng sau: ⎥⎦ ⎤⎢⎣ ⎡ ση−η+ση+σησ=ε 1tr6 AB61tr 3 1 2 A 2 A1d iiii eq p .)( )()(( .)(. )()( ' ( 2.5 ) hay: ⎥⎦ ⎤⎢⎣ ⎡ ση+σησ λ=ε 1trB 2 Add i i eq p .)()( )( ' ( 2.6 ) Ph−ơng trình ( 2.6 ) có thể phân tích thành hai thành phần t−ơng ứng biến dạng thể tích ( vpdε ) và biến dạng hình dạng )( 'pdε . ),()( σσ ηλ=ε trBdd eq ivp ( 2.7a ); và )( )( '' σσ ηλ=ε eq ip 2 A dd ( 2.7b ) Các biểu thức (2.7) cho thấy biến dạng thể tích chỉ phụ thuộc trực tiếp vào hệ số B (ηi ) và ứng suất thuỷ tĩnh )(σtr , còn biến dạng hình dạng chỉ phụ thuộc trực tiếp vào hệ số A (ηi ) và ứng suất lệch. Tuy nhiên, trong quá trình biến dạng phức tạp, luôn luôn tồn tại mối quan hệ t−ơng hỗ giữa hai loại biến dạng trên. Mối quan hệ ảnh h−ởng t−ơng hỗ đó đ−ợc thể hiện dán tiếp qua eqσ . 43 Mức độ gia tăng hệ số nhân dẻo đ−ợc xác định từ điều kiện t−ơng thích: df = 0 → dσ eq – dK (ηi) = 0. ( 2.8 ) Trong quá trình tạo hình một chi tiết, tỉ lệ hàm l−ợng các cấu tử không thay đổi (α = const). Sự thay đổi ứng suất chỉ phụ thuộc vào độ xốp γ của vật liệu. Do vậy ta có: dσ eq – dK’ (ηi) . dγ = 0. ( 2.9 ) Từ (2.9 ) ta có: )(' i eq K d d η σ=γ ( 2.10 ) Mặt khác, vì R = K (ηi) là lực nhiệt động học liên kết với biến nội γ , theo định luật chảy dẻo pháp tuyến ta cũng có: λ=η∂ ∂λ−=γ d K fdd i )( ( 2.11 ) Từ (2.10 ) và (2.11 ) ta có: )(' i eq K d d η σ=λ ( 2.12 ) Thay (2.12 ) vào ( 2.4 ) ta nhận đ−ợc: ⎥⎦ ⎤⎢⎣ ⎡ ση−η+σηησ σ=ε 1tr 6 AB6 2 A K d d iii ieq eqp .)( )()()( )(' ( 2.13 ) Biểu thức (2.13) chính là mô hình ứng xử của hỗn hợp bột kim loại gồm hai cấu tử biến dạng ở trạng thái nguội. Hệ số K’ (ηI) có vai trò của mô đun hoá bền do sự giảm dần của độ xốp trong quá trình biến dạng gây nên. Hệ số này cùng với các hệ số A(ηI), B (ηI) đ−ợc xác định cho từng vật liệu cụ thể theo ph−ơng pháp nhận dạng trình bày trong một tài liệu khác. 2.1.1.2. Ph−ơng pháp nhận dạng mô hình. Đối với vật liệu cụ thể, các hệ số của mô hình trên có thể đ−ợc xác định bằng cách kết hợp hai dạng thí nghiệm sau đây: 44 a) Thí nghiệm ép một chiều trong khuôn trụ Đối với quá trình ép bột trong khuôn trụ với ma sát với thành khuôn không đáng kể, ten xơ ứng suất σ và biến dạng ε có dạng sau: ⇒ σ σ σ =σ θθ00 00 00 rr zz θθσ σ σ =σ d00 0d0 00d d rr zz (2.14) ⇒ ε =ε 000 000 00zz 000 000 00d d zzε =ε (2.15) Với ( 2.14 và 2.15 ), từ ( 2.13 ) ta suy ra: zzrr B12A B6A σ+ −=σ=σ θθ . Các thành phần của ten xơ ứng suất lệch sẽ đ−ợc xác định nh− sau: zzzzzzzz B12A B12 B12A A σ+=σ+−σ=σ ' zzrr B12A B6 σ+−=σ=σ θθ '' Biết các ten xơ ứng suất và ứng suất lệch ta có thể dễ dàng xác định giá trị của ứng suất t−ơng đ−ơng theo (2.2). Ta có: zz1 B12A A3trJ σ+=σ= )( và: ( ) 2zz2 2 2 B12A B108 2 1J σ+=σσ= ''' : biểu thức (2.2) có dạng: BA BAdd BA BA zzeqzzeq 12 3 12 3 +=⇒+= σσσσ (2.16) Từ ph−ơng trình ứng xử ( 2.13 ), với ( 2.16), ta có: B12A BA9 K dtrB 2 A K 1dd zzzz eq eq zz + σ=⎥⎦ ⎤⎢⎣ ⎡ σ+σσ σ=ε ' ' ' )( (2.17) 45 b) Thí nghiệm ép thuỷ tĩnh Ten xơ ứng suất trong tr−ờng hợp ép thuỷ tĩnh có dạng: σ σ σ =σ 00 00 00 D−ới tác dụng của trạng thái ứng suất trên, mẫu chỉ biến dạng thể tích mà không có biến dạng hình dạng, ta có: σ=σ== 3trJ0J 12 )(,' (2.18) ứng suất t−ơng đ−ơng có dạng: σ=σ⇒σ=σ dB3dB3 eqeq (2.19) Từ ( 2.7a ) và (2.7b ) với 'K d dd eq σ=γ=λ Ph−ơng trình (2.7a) trong tr−ờng hợp ép thuỷ tĩnh có dạng: BdBdd vp .. γ=λ=ε . (2.20) Cuối cùng ta suy ra: 2vp d dB ⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛ γ ε= . (2.21) B d d3K vpε σ=' . (2.22) Nh− vậy bằng cách kết hợp hai dạng thí nghiệm: ép một chiều trong khuôn trụ và ép thuỷ tĩnh ta có thể dễ dàng xác định các hệ số B, K’ theo (2.21, 2.22) và A theo (2.17). c) Kết luận. Với giả thiết vật liệu có thuộc tính dẻo tức thời và đẳng h−ớng, bằng ph−ơng pháp tiếp cận dựa trên cơ sở các khái niệm và nguyên lý của cơ học môi tr−ờng liên tục kết hợp với lý thuyết dẻo đã xây dựng đ−ợc ph−ơng trình ứng xử 46 của vật liệu bột biến dạng ở trạng thái nguội. Mô hình cho phép mô tả đặc tính nén đ−ợc và sự hoá bền của vật liệu trong quá trình biến dạng. Về mặt lý thuyết, ở trạng thái tới hạn, khi độ xốp khắc phục hoàn toàn, mô hình trở về dạng quen thuộc đối với vật liệu tiêu chuẩn Von- mises. Hai dạng thí nghiệm ép một chiều trong khuôn trụ và ép thuỷ tĩnh cho phép nhận dạng một cách dễ dàng mô hình ứng xử của hỗn hợp bột kim loại biến dạng ở trạng thái nguội. Ph−ơng trình ứng xử kết hợp với ph−ơng trình cân bằng và ph−ơng trình liên tục cho ta mô hình biến dạng tổng quát của hỗn hợp bột kim loại, có thể áp dụng cho mô phỏng số tối −u công nghệ tạo hình vật liệu bột tr−ớc thiêu kết. Tuy nhiên, đối với mỗi vật liệu cụ thể, các hệ số tham gia vào ph−ơng trình ứng xử cần đ−ợc nhận dạng. Việc áp dụng mô hình này cho kết quả tính với độ chính xác cao nh−ng đòi hỏi phải tính toán chi tiết cụ thể để áp đặt các điều kiện biên phù hợp nh−: hình dạng, kích th−ớc vv....ch−ơng trình tính toán dài mất nhiều thời gian. Đối với các sản phẩm không đòi hỏi các yêu cầu quá cao ng−ời ta đ−a ra hai mô hình toán học điển hình trong lĩnh vực luyện kim bột mô tả quá trình ép là: Mô hình HECKEL và mô hình KAWAKITA. Trong mô hình mô tả ảnh h−ởng của lực ép đến mật độ vật ép, nhờ đó có thể tính toán đ−ợc áp lực ép để đạt mật độ cần thiết. 2.1.2. Mô hình HECKEL Nếu coi quá trình ép bột t−ơng tự phản ứng hoá học bậc một thì "động học" của quá trình có thể đ−ợc biểu diễn bằng tỷ số giữa sự thay đổi mật độ vật ép và l−ợng lỗ xốp trong vật ép, khi đó ph−ơng trình mô tả quan hệ này là: )1( Dk dP dD −= (2.23) Trong đó D là mật độ t−ơng đối của vật ép, P-áp lực ép, k- hằng số. Với D0 là mật độ t−ơng đối khi áp lực ép bằng 0 sẽ có: kPA D +=−1 1ln (2.24) 47 ở đây A= ln (1/ 1-D0) là hằng số tính đến kích th−ớc phần tử bột và độ cầu hoá của chúng. Nh− vậy đồ thị ln (1/ 1-D0) = f(P) là đ−ờng thẳng có độ nghiêng bằng giá trị của hằng số k và cắt trục tung ở điểm ln (1/ 1-D0). Heckel đã chứng minh đ−ợc rằng k~1/ 3σ0 với σ0 là giới hạn đàn hồi của vật liệu. 2.1.3. Mô hình KAWAKITA Ph−ơng trình biểu thị quan hệ giữa thể tích vật ép và lực ép đ−ợc Kawakita thiết lập: bP abP V VVC += −= 10 0 (2.25) hoặc: PabaVV V C 1.111 0 0 +=−= (2.26) Với C- Mức độ giảm t−ơng đối của thể tích bột V0- Thể tích bột ban đầu V- Thể tích bột khi ép ở áp lực P a,b- Hằng số Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của 1/C vào 1/P là đ−ờng thẳng. Khi P→∞ thì a= 1-V∞/ V0 với V∞ là thể tích vật ép khi ép ở áp suất lớn vô cùng. Bracpool bằng thực nghiệm đã chứng minh rằng hệ số a trong mô hình Kawakita là t−ơng đ−ơng với độ xốp của vật ép ở thời điểm ban đầu. 2.2. Mô hình và ph−ơng pháp tính toán trong ép thủy động 2.2.1. Khảo sát thuộc tính biến dạng của vật liệu Sản phẩm nghiên cứu ứng dụng công nghệ ép thủy động đ−ợc chế tạo từ đồng đỏ M1. Để có đ−ợc các thông tin cần thiết cho việc nghiên cứu, thiết kế trang bị công nghệ nh− buồng tạo áp suất cao, chày ép, khuôn hình, áp lực ép cần thiết và các b−ớc công nghệ, việc nghiên cứu, khảo sát thuộc tính biến dạng vật liệu của các sản phẩm và trang bị công nghệ là cần thiết. Nội dung của 48 chuyên mục này là nghiên cứu khảo sát thuộc tính biến dạng của thép gió P18, thép 40X cho chế tạo trang bị công nghệ và đồng đỏ M1 cho chế tạo sản phẩm. Tr−ớc tiên cần phải khẳng định rằng bất kỳ loại vật liệu nào khi có tác dụng của ngoại lực đều phát sinh biến dạng.Tuỳ thuộc vào độ lớn của ngoại lực, ph−ơng thức tác dụng lực mà vật liệu có thể biến dạng ở trạng thái đàn hồi, chảy dão, bò hoặc phá huỷ. Các vật liệu khác nhau thì tính chất và khả năng biến dạng cũng khác nhau. Vì vậy để có thể đ−a ra đ−ợc các số liệu chính xác theo chúng tôi cần phải tiến hành 2 b−ớc phân tích. B−ớc thứ nhất: phân tích chính xác thành phần hoá học của các mác thép, đồng, trạng thái ban đầu của chúng. B−ớc thứ hai: trên cơ sở các mác vật liệu đã đ−ợc phân tích và ph−ơng án ép đùn đã đ−ợc lựa chọn định ra đ−ợc mô hình thí nghiệm xác định thuộc tính biến dạng của vật liệu. Sau đây xin lần l−ợt trình bầy các b−ớc trên. 2.2.1.1. Xác định thuộc tính biến dạng của thép gió P18 Thép gió nói chung đ−ợc xếp vào loại vật liệu dẻo. Khi thí nghiệm xác định các thông số về độ bền, độ dãn dài ng−ời ta th−ờng sử dụng ph−ơng pháp thử kéo. Tuy nhiên nh− đã trình bầy trong đề c−ơng, các loại phôi sản phẩm mũi khoan, dao doa, taro đ−ợc chế tạo bằng ph−ơng pháp ép đùn từ vật liệu thép gió ở trạng thái nguội thì mô hình thử kéo sẽ không đáp ứng đ−ợc. Quá trình ép đùn lực ép tác dụng lên phôi trong không gian buồng ép theo các h−ớng là nh− nhau, chỉ duy nhất có một h−ớng lực ép bằng không - đó là h−ớng thoát ra của sản phẩm qua khuôn hình. Vì vậy trong điều kiện ch−a có mô hình thí nghiệm chính xác thì mô hình thích hợp nhất để thí nghiệm xác định thuộc tính biến dạng của vật liệu trong tr−ờng hợp này là thử nén một chiều. Nhóm đề tài đã tiến hành thử nén cho mẫu thép gió P18 có thành phần phân tích đ−ợc nh− sau: 73,23 % Fe ; 0,78 % C ; 19,68 % W ; 4,23 % Cr ; 1,19 % V ; 0,26 % Si ; 0,24 % Mn ; 0,035 % Ni ; 0,23 Mo ; 0,043 % Co ; 0,087 % Cu ; 0,005 % Al. Độ cứng 244 HB. Để giảm tối đa lực ép và tăng khả năng biến dạng mẫu thép phải ở trạng thái ủ có tổ chức cân bằng nh− trình bày trên hình. Đây là tổ chức peclit+cacbit, 49 các phần tử cácbit phân bố đều trên nền peclit, cỡ hạt vừa phải đạt cấp 6/8. Tổ chức này có độ cứng 244 HB và có khả năng gia công bằng biến dạng dẻo. Các mẫu thử nén đ−ợc tiến thành mẫu tiêu chuẩn có đ−ờng kính 10 mm và chiều cao 10 mm, đạt độ bóng Ra2.5. Tiến hành nén trên máy thử kéo nén ZD – 40 của Đức, thang đo 40 tấn, giá trị vạch chia 200 kg, độ chính xác 1% tại phòng Đo l−ờng – Trung tâm Thẩm định Công nghệ – Bộ Quốc phòng. Tiến hành thử nén trong bộ đồ gá nén có lắp thêm đồng hồ so 10-2 mm để theo dõi và trình bày trong bảng 2.1 ghi lại quá trình biến dạng của mẫu. Để có cái nhìn tổng quát về bức tranh biến dạng của thép gió P18 tiến hành xây dựng đ−ờng cong ứng suất - biến dạng và chụp ảnh tổ chức tế vi vật liệu ở các mức độ biến dạng khác nhau (xem hình 2.1) Căn cứ vào hình 2.1 có thể thấy rằng thép gió là loại vật liệu rất khó biến dạng ở trạng thái nguội. Tuy nhiên với một áp suất đủ lớn vẫn có thể biến dạng đ−ợc nh−ng với l−ợng biến dạng không lớn. Quan sát trên hình 3a và 3b với mức độ biến dạng 40% xuất hiện vết nứt tế vi chạy vòng theo lớp biên ngoài của mẫu, chiều dày của lớp này vào khoảng 0,2 mm. Mức độ biến dạng tăng số l−ợng vết nứt tế vi cũng tăng lên tạo ra sự phân lớp trên lớp biên. Khi biến dạng đạt 50% tạo ra rất nhiều vết nứt tế vi, mẫu coi nh− bị phá huỷ hoàn toàn. Khi tăng mức độ biến dạng, chiều dầy của lớp xuất hiện vết nứt tăng lên một cách nhanh chóng ( biến dạng 50% chiều dầy lớp vết nứt khoảng 0,6 mm ). Quan sát hình 2.1 cũng cho thấy một cách gần đúng giới hạn đàn hồi của mẫu nằm trong khoảng (1200 ữ1300) MPa, biến dạng đàn hồi trong khoảng (6 ữ 8) %. Từ những nhận xét trên đây có thể rút ra kết luận: - Khi mức độ biến dạng tăng thì áp lực ép phải tăng lên theo. Vì vậy có thể lựa chọn l−ợng biến dạng phù hợp rồi từ đó tính ra áp lực ép. - áp suất ép nên chọn trong khoảng (1500ữ2000) MPa Mức độ biến dạng t−ơng đối chỉ nên chọn trong khoảng (15ữ25) %. 50 Bảng 2.1: Các số liệu thử nén thép gió P18 ứng suất (MPa) STT Biến dạng (%) Mẫu 1 Mẫu 2 Mẫu 3 Mẫu 4 1 2 242 726 611 2 4 688 1006 955 706 3 6 981 1108 1159 968 4 8 1159 1261 1219 1134 5 10 1261 1350 1350 1248 6 12 1363 1414 1439 1338 7 14 1427 1490 1465 1414 8 16 1516 1554 1541 1478 9 18 1567 1618 1605 1554 10 20 1631 1669 1682 1605 11 22 1694 1732 1720 1682 12 24 1771 1796 1771 1745 13 26 1834 1813 1847 1809 14 28 1898 1949 1911 1873 15 30 1975 2013 1975 1936 16 32 2051 2089 2013 17 34 2127 2166 2076 18 36 2229 2255 2166 19 38 2318 2344 2242 20 40 2382 2420 2369 2331 21 42 2497 2535 2433 22 44 2573 2637 2522 23 46 2713 2752 2624 24 48 2841 2879 27390 51 2.2.1.2. Xác định thuộc tính biến dạng của thép 40X. Cũng giống nh− thép gió thép 40X đ−ợc xếp vào loại vật liệu dẻo. Là vật liệu kết cấu nên ng−ời ta cũng th−ờng đ−a ra các chỉ tiêu cơ tính ở trạng thái tôi kết hợp với ram và cũng đ−ợc xác định bằng ph−ơng pháp thử kéo. Trong tr−ờng hợp này phôi bánh răng cũng đ−ợc chế tạo bằng ph−ơng pháp ép đùn nên cũng giống nh− thép gió nhóm đề tài đã sử dụng bằng ph−ơng pháp nén một chiều đẻ khảo sát thuộc tính biến dạng của thép 40X. Tiến hành thử nén cho mẫu thép 40X có thành phần phân tích đ−ợc nh− sau: 0,4 % C ; 0,72 %Mn ; 0,25% Ni; 0,03 % P; 0,95 %Cr; 0,30 % Si ; 0,18 % Cu ; 0,03 % S. Độ cứng 224 HB. Để giảm tối đa lực ép và tăng khả năng biến dạng mẫu thép phải ở trạng thái ủ, có tổ chức cân bằng nh− trình bầy trên hình 2.2. Đây là tổ chức pherit +peclit, pherit có màu trắng sáng phân bố tại vùng biên của các hạt peclit, cỡ Hình 2.1- Đ−ờng cong ứng suất-biến dạng thép gió P18 trạng thái ủ ứ ng s uấ t ( x1 0 M P a) 0 50 100 150 200 250 300 350 0 10 20 30 40 50 60 Biến dạng % 52 hạt vừa phải cấp 6/8. Tổ chức này có độ cứng 224 HB và có khả năng gia công bằng biến dạng dẻo. Các b−ớc chuẩn bị mẫu và máy thử tiến hành giống nh− đối với thép gió. Các số liệu thí nghiệm đ−ợc trình bày trong bảng 2.2. Bảng 2.2: Các số liệu thử nén thép 40X ứng suất (MPa) STT Biến dạng Mấu 1 Mấu 2 Mấu 3 1 2 535 511 546 2 3 637 623 651 3 5 828 821 834 4 7,5 994 980 1000 5 10 1045 1031 1063 6 12,5 1146 1140 1170 7 15 1210 1200 1226 8 17,5 1299 1278 1317 9 20 1350 1336 1378 10 22,5 1427 1415 1451 11 25 1478 1468 1492 12 27,5 1554 1552 1568 13 30 1618 1613 1629 14 32,5 1694 1682 1711 15 35 1783 1791 1802 16 37,5 1873 1865 1896 17 40 1924 1900 1955 18 42,5 2038 2031 2065 19 45 2153 2146 2178 20 47,5 2255 2255 2283 21 50 2395 2390 2418 22 52,5 2548 2541 2558 53 Để có cái nhìn tổng quát về bức tranh biến dạng của thép 40X tiến hành xây dựng đ−ờng cong ứng suất – biến dạng và chụp ảnh tổ chức tế vi vật liệu ở các mức độ biến dạng khác nhau. Xem hình 2.2. Cũng giống nh− thép gió, thép 40X là loại vật liệu khó biến dạng ở trạng thái nguội. Tuy nhiên căn cứ vào các đ−ờng cong mô tả trong hình 5 thép 40X tỏ ra dễ biến dạng hơn thép gió: áp lực cần thiết nhỏ hơn và l−ợng biến dạng đ−ợc nhiều hơn. Với mức độ biến dạng 40% vẫn ch−a thấy xuất hiện vết nứt. Khi mức độ biến dạng tăng lên sẽ xuất hiện vết nứt tế vi và khi đạt đ−ợc 53 % số l−ợng vết nứt tăng lên đáng kể. Quan sát ảnh tế vi thấy tại vùng chịu biến dạng nhiều nhất (vùng biên) có xuất hiện các điểm tạo ra các vết xoáy. các vết xoáy này có khả năng đ−ợc hình thành trong quá trình tr−ợt của vật liệu gặp các vật cản cứng làm thay đổi h−ớng tr−ợt trong phạm vi nhỏ. Sự tạo thành các vùng xoáy này sẽ không có lợi về lực trong quá trình biến dạng nh−ng có tác dụng rất tốt làm tăng tính bền, khả năng chịu va đập và giảm khả năng phá huỷ giòn của vật liệu. ứ ng s uấ t ( x1 0 M P a) Biến dạng % 0 50 100 150 200 250 300 0 10 20 30 40 50 60 Hình 2.2- Đ−ờng cong ứng suất- biến dạng của thép 40X 54 Quan sát trên hình 2.2 cũng cho thấy một cách gần đúng giới hạn đàn hồi của thép 40X vào khoảng 1000 MPa và biến dạng đàn hồi vào khoảng (6ữ8)%. Từ những nhận xét trên đây có thể rút ra kết luận: So với thép gió, thép 40X có khả năng biến dạng tốt hơn và cũng tuân theo quy luật: khi mức độ biến dạng tăng thì áp lực ép cũng tăng lên theo. Có thể lựa chọn l−ợng biến dạng phù hợp rồi từ đó tính ra áp lực ép. - á p suất ép nên chọn trong khoảng (1200ữ2000) MPa. - Mức độ biến dạng t−ơng đối chọn trong khoảng (15ữ40)%. 2.2.1.3. Xác định thuộc tính biến dạng của đồng đỏ M1 Đồng đỏ M1 là loại vật liệu dẻo, dễ biến dạng kéo, đàn, dát mỏng. Do hiện t−ợng biến cứng nên đòi hỏi áp lực ép tăng lên mới có thể tiếp tục biến dạng đ−ợc. ống sóng ra đa tr−ớc khi ép đ−ợc uốn từ ống có tiết diện tròn theo không gian 3 chiều sau đó đ−a vào trong khuôn hình để ép tạo tiết diện hình chữ nhật 16x38mm. Quá trình biến dạng từ tiết diện tròn sang tiết diện chữ nhật vật liệu chịu kéo vì vậy mô hình thí nghiệm đ−ợc lựa chọn để xác định là mô hình thử kéo. Mẫu để tiến hành thử kéo đ−ợc lấy từ ống đồng đỏ Φ18 dầy 3mm. Sau khi gia công thành mẫu thử kéo đem ủ ở nhiệt độ (440ữ460)0C trong thời gian 60 phút, độ cứng đạt đ−ợc 40HB. Thành phần hoá học của đồng phân tích đ−ợc là: 99,90 % Cu ; 0,001 % Bi ; 0,001 % Sb ; 0,003 % Fe; 0,003 % Pb ; 0,004 % Zn; 0,004 % Zn ; 0,002 % Ni ; 0,002 % Sn . Tổ chức tế vi của đồng đỏ là tổ chức đồng một pha đã qua biến dạng và ủ, cấp hạt 7/15. Tổ chức này có độ cứng thấp, độ dẻo cao khả năng biến dạng tốt. Quá trình thử kéo tiến hành trên máy thử kéo – nén FM – 1000 của Đức, thang đo 500 kg, giá trị vạch chia 2 kg, độ chính xác 1% tại phòng Đo l−ờng – Trung Tâm Thẩm định Công nghệ – Bộ Quốc phòng. Các số liệu về quá trình thử kéo đ−ợc trình bày trong bảng 2.3. 55 Đ−ờng cong ứng suất-biến dạng khi thử kéo đồng đỏ M1 đ−ợc trình bầy trên hình 2.3. Bảng 2.3- Các số liệu thử kéo đồng M1 ứng suất (MPa) STT Biến dạng (%) Mẫu 1 Mẫu 2 Mẫu 3 1 2,5 10,8 10,6 10,7 2 5 20,8 20,5 20,5 3 7,5 33,3 32,1 32,2 4 10 51,7 51,0 51,2 5 12,5 70,0 72,0 71,0 6 15 101,7 10,2 101,2 7 17,5 131,7 12,8 129,8 8 20 154,2 15,6 154,4 9 22,5 174,2 17,9 173,4 10 25 190,0 195,6 191,2 11 27,5 205,8 206,4 204,5 12 30 219,2 216,6 215,9 13 32,5 231,7 232,2 234,5 14 35 243,3 243,8 243,5 15 37,5 254,2 254,4 254,1 16 40 264,2 265,8 2544 17 42,5 279,2 278,8 279,8 18 45 291,7 298,6 291,8 19 47,5 300,0 302,1 301,2 20 50 307,5 306,8 305,8 21 52,5 314,2 312,6 315,9 56 22 55 324,2 314,2 314,7 23 57,5 330,0 331,2 332,3 24 60 335,8 335,2 335,4 25 62,5 343,3 342,6 343,5 26 65 346,7 348,0 346,9 27 67,5 351,7 352,4 352,2 28 70 355,0 355,6 355,8 29 72,5 358,3 358,9 358,9 30 75 360,8 361,5 361,2 31 77,5 364,2 365,4 364,7 32 80 365,8 368,9 369,9 33 82,5 366,7 367,8 367,7 34 85 367,5 359,8 358,5 35 87,5 365,0 367,8 364,5 36 90 362,5 361,8 362,4 Biến dạng % ứ ng s uấ t ( x1 0 M P a) 0 5 10 15 20 25 30 35 40 0 20 40 60 80 100 Hình 2.3-Đ−ờng cong ứng suất- biến dạng của đồng đỏ M1 57 Từ hình 2.3 có thể thấy đồng đỏ M1 rất dễ biến dạng. áp lực biến dạng thấp và mức độ biến dạng đạt đ−ợc rất cao. Có thể tuỳ ý chọn mức độ biến dạng trong khoảng từ (20ữ70) %, áp suất ép chọn từ (150ữ350) MPa. Kết luận: Từ những phân tích và nhận xét trên có thể đi đến kết luận: * Cần phải phân tích chính xác thành phần và trạng thái đầu vào của vật liệu. * Các vật liệu đã lựa chọn cho sản phẩm của đề tài đều có thể biến dạng đ−ợc bằng ETD. Mức độ biến dạng của các vật liệu nên chọn trong khoảng sau: Đối với thép gió P18 (15ữ25) % Đối với thép 40X (15ữ40) % Đối với đồng đỏ M1 (20ữ70) % * T−ơng ứng với mức độ biến dạng đã nêu, nên chọn ứng suất tác dụng lên vật liệu nh− sau: Đối với thép gió P18 (1500ữ2000) MPa Đối với thép 40X (1200ữ2000) MPa Đối với đồng đỏ M1 (150 ữ350) MPa Căn cứ vào những thay đổi trong quá trình thực hiện đề tài sản phẩm cần tập trung nghiên cứu sử dụng vật liệu M1 vì vậy các trang bị công nghệ chỉ thiết kế đủ năng lực để nghiên cứu chế tạo các sản phẩm này. 58 Ch−ơng 3 Nghiên cứu các ảnh h−ởng trong ép thủy tĩnh và thủy động 3.1. Một số hiện t−ợng xẩy ra trong công nghệ ép thủy tĩnh 3.1.1. ảnh h−ởng của đặc tr−ng bột ép Tính chất đặc tr−ng của bột khi ép có một giá trị ý nghĩa lớn hơn so với chính tính chất của kim loại tạo nên chúng. Phân bố kích th−ớc hạt và hình dạng của chúng là hai đặc tr−ng quan trọng nhất của bột. Rõ ràng rằng khi ép, chúng liên quan không những đến sự biến dạng phần tử bột mà còn liên quan tới khả năng dính, liên kết ở bề mặt. Khi khảo sát tính chất của bột, thấy rằng do hình dạng bề mặt phần tử và lỗ xốp của bột khác nhau nên bề mặt riêng của chúng không nhất thiết phụ thuộc vào thành phần độ hạt của bột. Để hiểu rõ tính chất của bột cần phải xác định đ−ợc bề mặt riêng của chúng. Giữa thành phần độ hạt thích hợp và bề mặt riêng của bột cần phải có sự phối hợp tối −u vì chúng có ảnh h−ởng trái ng−ợc nhau: Tăng bề mặt riêng th−ờng làm giảm khối l−ợng đống, tăng vùng dính nguội và tăng độ bền của vật ép. Mặt khác, khối l−ợng đống nhỏ gắn liền với thể tích khuôn ép lớn hơn (chiều cao đổ bột lớn hơn), khi đó chày ép chuyển dịch cũng lớn hơn và kéo theo đó là mật độ trong thể tích vật ép càng phân tán hơn. Sự tăng khối l−ợng đống không hẳn sẽ tăng mật độ vật ép. Với bột có khối l−ợng đống nhỏ, có thể tăng mật độ vật ép bằng áp lực ép cao hơn, nh−ng nh− vậy cũng tăng độ mài mòn khuôn ép. Trong vật ép từ bột rất mịn sẽ tạo ra những lỗ xốp mịn, lỗ xốp này sẽ đ−ợc loại trừ khi thiêu kết, nh−ng bột mịn này th−ờng tính chảy kém, do vậy quá trình điền đầy khuôn ép cũng kém. Bột thô hơn sẽ có tính chảy tốt hơn 59 nh−ng cũng tạo ra lỗ xốp lớn hơn và có thể chúng không đ−ợc điền đầy kín trong quá trình thiêu kết. Chính vì vậy, trong thực tế ép cần có sự đồng nhất về kích th−ớc phần tử bột để tạo vật ép có mật độ đồng đều cao. Trong quá trình ép nóng, do có áp lực ép và ở nhiệt độ có xuất hiện pha lỏng nên phần lớn lỗ xốp đ−ợc loại trừ, tuy nhiên sự đồng nhất về kích th−ớc phần tử bột vẫn là điều kiện quan trọng để tạo chi tiết có mật độ cao. Khi sử dụng bột rất mịn, để ép cần phải tăng tính chảy bằng cách tạo hạt nhờ đ−a thêm chất liên kết hữu cơ vào. Các phần tử bột có hình dạng bất kỳ, không tuân theo một dạng cố định nào sẽ tạo nên liên kết tốt hơn khi ép so với bột có dạng hình cầu, trơn nhẵn; Vật ép từ những phần tử bột kiểu này có độ bền lớn hơn nhờ tăng diện tích tiếp xúc giữa các phần tử. Tuyển chọn kỹ những phần tử bột theo yêu cầu mong muốn sẽ tạo nên vật ép có tính chất tốt hơn nh−ng kèm theo đó cũng làm tăng giá thành sản phẩm. 3.1.2. Đặc tr−ng của công nghệ ép thủy tĩnh tạo hình sản phẩm dạng bột Ng−ời ta sử dụng các hạt dễ chảy với độ ẩm < 8% thông th−ờng 1 – 3% để ép tạo hình đẳng tĩnh. Cơ sở để việc ứng dụng ngày càng tăng ph−ơng pháp tạo hình này trong công nghệ gốm là: - Đạt đ−ợc độ đồng nhất cao trong vật ép. - Ph−ơng pháp này có khả năng tạo hình các vật liệu bột khó ép, mà các ph−ơng pháp tạo hình truyền thống đã đạt đ−ợc giới hạn về năng suất và chất l−ợng. Các −u điểm của ph−ơng pháp ép tạo hình đẳng tĩnh có thể tổng kết ở những điểm sau: 60 - Việc sử dụng các hạt rời với độ ẩm nhỏ sẽ giảm quá trình sấy. Việc đó sẽ giảm đ−ợc thời gian để sản xuất các chi tiết gốm một cách đáng kể. - Việc làm đặc xít cao trong quá trình ép sẽ dẫn đến việc giảm đáng kể hiện t−ợng nứt khi sấy và hiện t−ợng nứt khi nung. Cùng với −u điểm đó tăng đ−ợc khối l−ợng và độ phức tạp của vật ép. - Do áp suất tác dụng đều trong quá trình ép, nên qúa trình đặc xít vật ép đạt đ−ợc đều; làm cho vật ép có tính đồng nhất và hầu nh− không có texture. Ngoài ra có thể chế tạo đ−ợc các chi tiết rất đặc xít có hình dạng hầu nh− bất kỳ. - Có thể gia công đ−ợc các vật liệu rất khó tạo hình (không có tính chất tạo hình). - Quá trình chế tạo đ−ợc rút ngắn đáng kể. Nh−ợc điểm của ph−ơng phấp ép đẳng tĩnh có thể là thể tích của khối l−ợng công tác khi tạo hình trong vỏ khuôn đàn hồi đối với vật liệu gốm hạt mịn giảm 20 – 40% còn đối với vật liệu gốm hạt thô giảm 10 – 20%. Điều đó có thể dẫn đến sự sai khác về hình dạng của vật ép. Nói chung trong lĩnh vực vỏ khuôn đàn hồi, không tạo đ−ợc hình sắc nét. Đối với vật liệu hạt thô, thậm chí bề mặt vật ép không phẳng nhẵn có thể loại trừ nh−ợc điểm đó bằng cách gia công lại vật ép. 3.1.3. Qui luật ép ép bột kim loại là quá trình tạo hình chi tiết có hình dạng, độ bền nhất định để tham gia vào các giai đoạn công nghệ tiếp theo. D−ới tác dụng của lực ép, thể tích ban đầu của bột trong khuôn ép sẽ giảm và hình thành mẫu ép có kích th−ớc và hình dạng mong muốn. Sự thay đổi thể tích là do sự chuyển dịch và biến dạng của các hạt bột cũng nh− do quá trình điền đầy các lỗ trống trong thể tích bột sắp xếp ở dạng tự do ban đầu. Các công trình nghiên cứu đã công bố đều thống nhất cho rằng các quá trình xảy ra khi ép bột kim loại gồm có: 61 - Các hạt sắp xếp lại nhờ chuyển động tr−ợt và xoay; - Biến dạng đàn hồi ở các điểm tiếp xúc giữa các hạt; - Biến dạng dẻo của các hạt; - Biến dạng của cả khối vật liệu khi áp suất ép lớn và có khả năng xảy ra phân lớp. Có thể chia quá trình ép làm 3 giai a, b, c nh− hình 3.1 Giai đoạn đầu (vùng a), mật độ tăng nhanh vì các phần tử bột chuyển dịch t−ơng đối tự do và điền đầy lỗ trống bên cạnh. Đến cuối giai đoạn này, các phần tử bột hầu nh− đã đ−ợc lèn chặt ở mức tối đa. Giai đoạn hai (vùng b), vì lực cản chống lại sự dịch chuyển bột, biến dạng bột lớn, do vậy lực ép tăng nh−ng thể tích khối bột không giảm. Chỉ khi lực ép v−ợt quá lực cản thì các phần tử bột mới bắt đầu biến dạng, giai đoạn ba bắt đầu và thể tích vật ép tiếp tục giảm. Trong thực tế, quá trình ép xảy ra hầu nh− đồng thời cả ba giai đoạn. D−ới tác dụng của lực ép, bột có hành vi giống nh− chất lỏng, có chiều h−ớng chảy về mọi phía, do vậy xuất hiện áp suất ép tác dụng lên thành khuôn; Tuy nhiên bột khác chất lỏng ở chỗ là chất lỏng thì áp suất phân bố đều mọi h−ớng, còn với bột thì áp suất phân bố không đều. Lực ép tác dụng lên thành Hình 3.1- Sự phụ thuộc của mật độ vật ép vào áp lực ép 0 2 60 Lực é Mật độ a b c 62 khuôn sẽ nhỏ hơn so với tác dụng theo h−ớng ép, do đó mật độ trong thể tích vật ép sẽ không đồng đều. Trong quá trình ép tạo hình, mật độ của vật ép phụ thuộc nhiều vào tính ép của bột và áp lực ép. Độ bền cơ học của vật ép theo Hutting là do lực hút giữa các nguyên tử của các phần tử bột khi chúng tiếp xúc với nhau. Thực tế khi ép bột kim loại, liên kết tạo thành chủ yếu do sự đan xen lẫn nhau của các bề mặt không đồng nhất của các hạt bột, vì thế rất khó tạo hình vật ép từ phần tử bột hình cầu hoặc không có dạng nhánh cây. 3.1.4. ảnh h−ởng của điều kiện ép. Các điều kiện ép nh− trang bị ép, thời gian ép, thời gian giữ áp có ảnh h−ởng đến đ−ờng cong ép. Sự thay đổi tốc độ ép, không có ảng h−ởng đáng kể về kỹ thuật đến kết quả ép. Trang bị ép về cơ bản do thiết bị và vật ép quy định. Trong quãng tăng áp đều khoảng 30 MPa độ đặc xít đạt gần 75%. Sự giảm thể tích lớn nhất xảy ra trong khoảng áp suất này. Sự tăng áp suất ép có ý nghĩa quan trọng đối với tính chất vật ép. Ng−ợc lại, tốc độ tăng áp lại có ý nghĩa khác. Điều đó phụ thuộc vào l−ợng không khí hoặc l−ợng khí chứa trong đống hạt vật liệu ép. Trong quá trình ép đẳng tĩnh, vật liệu ép chứa trong vỏ khuôn ép kín. Không khí chứa trong vật liệu ép, trong quá trình ép chỉ có thể chứa trong các lỗ xốp của vật ép bị nén lại. Không khí bị nén đẳng nhiệt áp suất khí lớn nhất trong lỗ xốp có thể tính đ−ợc: P0V0 = p1V1 Trong đó: p1: áp suất không khí trong lỗ xốp của vật ép và áp suất ép Px. P0: áp suất khí quyển. V1: Thể tích lỗ xốp ở áp lực ép px V0: Thể tích lỗ xốp ở trạng thái ban đầu 63 Thể tích có thể tính nh− sau: o R 1 F R 1 1v = - ρ ρ 1 1v = - ρ ρ Trong đó: ρR: Mật độ tinh của vật liệu ép ρS: Mật độ đong hoặc mật độ lắc của vật liệu ép ρF: Mật độ của vật ép Từ đó có thể suy ra áp suất không khí trong lỗ xốp: R- s F 1 o R F S (ρ ρ ).ρρ = ρ (ρ -ρ ).ρ Có thể giảm hoặc loại trừ áp suất không khí cao trong các lỗ xốp bằng các biện pháp sau: • Giảm độ ẩm của vật liệu • Tăng mật độ lắc của vật liệu trong khuôn bằng cách đầm tr−ớc các hạt trong khuôn, lắc hoặc chọn phân bố cấp hạt tối −u. • Hút chân không vỏ khuôn đã điền đầy. Khi áp suát tạo thành trong các lỗ xốp v−ợt hơn độ bền của vật ép, các vết nứt hoặc vỡ vật ép có thể xuất hiện sau khi xả áp. Ngay cả việc giãn nở nhanh của không khí xả áp sẽ có thể dẫn đến hình thành các vết nứt trong các vật đúc. Vì vậy việc chọn tốc độ tăng áp đóng vai trò quan trọng. Để lựa chọn đ−ợc đ−ờng cong ép và xả áp phải chú ý hai khoảng áp suất cực trị • Khi tháo khuôn đàn hồi khỏi bề mặt của vật ép, vì khi tháo khuôn đàn hồi khỏi bề mặt vật ép sẽ có ứng suất cắt và gây vết nứt. • Khử ứng suất trong vật ép do không khí bị nén khi giảm áp suất. 64 Trong quá trình giảm áp cũng nh− qúa trình thoát không khí áp suất thực của khí trong lỗ xốp bao giờ cũng phải nhỏ hơn độ bền của vật ép. áp suất khí trong lỗ xốp đ−ợc định nghĩa là: Ptw =p ’’ – P’. Trong đó: p’’: áp suất không khí trong lỗ xốp ở giữa vật ép. p’: áp suất không khí lỗ xốp ở rìa vật ép t−ơng ứng với áp suất đẳng áp tác dụng từ phía ngoài. Thời gian cực trị tE để giải áp có thể xác định nh− sau: a E m vt v = Trong đó: Va : Thể tích không khí thoát ra khỏi lỗ xuyên. Vm : Thể tích thoát khí trung bình trong quá trình giảm áp theo khoảng thời gian. Thời gian cực trị tE tăng đối với vật ép lớn và giảm khi áp suất thuỷ tĩnh 3.2. Một số hiện t−ợng xẩy ra trong công nghệ ép thủy động 3.2.1. Dòng vật liệu ép đùn thủy tĩnh đặc tiến là một quá trình biến dạng giả dừng (quasistationary). Hiện t−ợng không dừng (Instattionary) nh− đã quan sát đ−ợc ở phần vai của khuôn ép khi ép chảy theo ph−ơng pháp thông th−ờng không xuất hiện khi ép đùn và ép chảy thủy tĩnh do phôi đã đ−ợc làm nhọn cẩn thận. Khi ép đùn thủy tĩnh ng−ời ta áp dụng quy tắc góc mở khuôn nhỏ (2α ≤ 45o). Hơn nữa do điều kiện bôi trơn tốt trong khuôn nên tổn hao do ma sát nhỏ. Khi góc vai nhỏ tổn hao do dịch chuyển nhỏ, dòng vật liệu đ−ợc biến dạng một cách lý t−ởng với giả thiết rằng dòng vật liệu đi ra khỏi lỗ khuôn đều đặn theo từng lớp (Hình 3.2). 65 Bằng thí nghiệm ép chất dẻo quan sát đ−ợc sự biến dạng đều đặn với góc mở khuôn tối −u. Khi giá trị góc vai lệch khỏi giá trị tối −u này dòng vật liệu không đồng đều nữa, khi góc nhỏ do bị cọ sát nhiều, khi góc lớn do dịch chuyển nhiều. Quy luật này đúng cho tất cả mọi quá trình kể cả quá trình ép chảy nguội thông th−ờng, chỉ có sự khác nhau là ở ép đùn thông th−ờng xuất hiện tổn hao do ma sát lớn nên góc mở khuôn tối −u th−ờng lớn hơn. 3.2.2. Hiện t−ợng stick-slip Khi ép chảy thủy động chất truyền áp bao quanh phôi ép, đồng thời là chất bôi trơn. Có nhiều loại chất bôi trơn đ−ợc sử dụng. Các công trình nghiên cứu đã khẳng định: chất lỏng ở trong vùng biến dạng chỉ với một tốc độ nhất định của phôi thì mới tạo nên sự bôi trơn thủy động. Để tạo ra màng bôi trơn giữa phôi và khuôn thì tốc độ tối thiểu phải là: v > η α 6 )(tg.s.kf (4.1) Hình 3.2- Sự tạo thành thớ khi ép chảy thủy động phôi nhôm 9,5 đặc góc mở khuôn 20o, 45o và 90o 66 Còn để tạo ra màng bôi trơn thủy động tốc độ giới hạn là: v > η α 6 )(tg.s.kf . 2 . 1 0 A A (4.2) Trong đó: kf : ứng suất chảy (MPa) s : Độ dầy lớp bôi trơn (àm) (bằng độ nhấp nhô bề mặt phôi ép) α : 1/2 góc mở khuôn η : Độ nhớt động học (mPas) Ao/A1 Tỷ lệ tiết diện ở đây bỏ qua sự phụ thuộc của độ nhớt vào áp suất và nhiệt độ. Các công thức này cho thấy tham số nào cần phải chú ý khi chọn chất bôi trơn để đạt đ−ợc điều kiện tối −u. Hình 3.3- Sự dao động của áp lực do hiện t−ợng stick-slip khi ép chảy thủy tĩnh 67 Bảng 3.1- ảnh h−ởng của hình dạng hình học đến áp suất ép đùn thủy động STT Ao/A1 βA PS/pR 1 8,9 1,17 1,03 2 12,0 1,52 1,12 3 7,6 1,06 1,10 4 3,8 1,76 1,33 5 3,0 4,22 1,61 Vật liệu 1100 Al, góc mở khuôn 2α = 45o, chất bôi trơn: sáp ong Ao/A1 - Tỷ lệ tiết diện βA= US/UR - hệ số hình dạng UR - Chu vi tiết diện tròn US - Chu vi tiết diện không tròn PR - áp lực ép đùn tiết diện tròn PS - áp lực ép đùn tiết không diện tròn Nguyên nhân ban đầu gây sự xuất hiện hiện t−ợng stick-slip là sự bôi trơn không đầy đủ ở đầu quá trình. Có thể khi đó ch−a có màng bôi trơn đ−ợc tạo ra. áp suất cần thiết để biến dạng sẽ tăng từ từ, đến khi thắng lực ma sát với thành khuôn thì sản phẩm đột ngột bị ép thoát ra ngoài, ngay sau đó áp suất tăng đột giảm (hình 3.2) và quá trình biến dạng bị ngừng lại. Hiện t−ợng này đ−ợc gọi là hiện t−ợng stick-slip dạng 1 (chuyển động tr−ợt ng−ợc). Quá trình này có sự dao động lớn về áp lực (hình 3.2) nên tốc độ sản phẩm ra không đều tạo nên các vết gằn trên bề mặt sản phẩm. Việc tạo nên áp suất đỉnh của một sự dao động tắt dần phụ thuộc vào độ nhớt của chất bôi trơn và l−ợng chất truyền áp có trong buồng áp suất. Với l−ợng chất truyền áp lớn, hệ thống càng dễ dao động và khi giảm áp lực thì sự dao động của áp lực càng lớn. Bằng cách dùng chất bôi trơn có độ nhớt cao có 68 thể tránh đ−ợc hiện t−ợng stick-slip và khi ở tốc độ biến dạng nhỏ đã tạo nên màng bôi trơn động học. Quá trình bôi trơn tốt cũng có thể bị phá hỏng do tốc độ ép quá cao. Nếu màng bôi trơn đ−ợc tạo nên trong phần côn của khuôn thì sự biến dạng ở đây là và không phụ thuộc vào bề mặt khuôn nữa. Thông qua sự định h−ớng của tổ chức hạt làm cho bề mặt của sản phẩm trở nên xù xì. Sự thu hẹp dần tiết diện bôi trơn có nghĩa là sự tăng dần áp lực ở đầu ra, sự tăng áp lực này cũng giống nh− sự tăng ma sát tr−ợt tạo nên một quá trình stick-slip loại 2 và có thể có các dấu vết đặc tr−ng trên bề mặt sản phẩm. Hiện t−ợng stick-slip tồn tại phụ thuộc vào trạng thái bôi trơn không ổn định. Quá trình này càng dễ xảy ra ở các quá trình có sự quá tải cho lớp bôi trơn trong khuôn, nh− khi ép chảy vật liệu có độ cứng cao, khi độ biến dạng lớn và góc mở khuôn lớn. Vật liệu truyền áp, độ nhớt và l−ợng chất truyền áp cũng nh− chất phụ gia bôi trơn có khả năng ảnh h−ởng đến độ dốc của hiện t−ợng stick-slip. Hình 3.3- ảnh h−ởng của góc nhọn của phôi đến quá trình áp lực. 2α - góc mở khuôn, 2α' - góc nhọn của phôi (1 kbar=100MPa=100N/mm2) 69 Ngoài các yếu tố đã nêu trên hình dáng của phôi cũng ảnh h−ởng đến quá trình tạo áp lực, đặc biệt ở đầu quá trình. Với các phôi không có phần côn ở đầu, quá trình ép sẽ xuất hiện một đỉnh nhọn áp lực. Đỉnh nhọn này có thể bị bỏ qua nếu ta làm côn đầu phôi với một góc nhỏ hơn góc mở của khuôn 1-2o (hình 3.3). 3.2.3. Vật liệu truyền áp trong ép thủy động Trong quá trình ép chảy thủy động việc chọn môi tr−ờng truyền áp suất rất quan trọng, không chỉ áp suất cần thiết để thực hiện quá trình biến dạng chảy của kim loại mà cả chất l−ợng sản phẩm của quá trình ép sẽ qui định việc lựa chọn đúng môi tr−ờng truyền áp. Môi tr−ờng truyền áp phải có tính ổn định nhiệt, không độc hại, độ dẫn nhiệt thấp, tính thủy tĩnh tốt ở nhiệt độ ép chảy đẳng áp, có khả năng bôi trơn tốt và dễ tách bỏ khỏi bề mặt vật ép. Các nghiên cứu cho thấy môi tr−ờng truyền áp graphit- bột thủy tinh có thể đáp ứng tốt nhất các yêu cầu trên. Thành phần của môi tr−ờng truyền áp cần chọn sao cho trong quá trình ép chảy đẳng áp, môi tr−ờng này có độ nhớt trong khoảng 103 ữ 104 Puaz, phụ thuộc vào các thông số của quá trình công nghệ. Bởi vậy trong việc tìm kiếm một hỗn hợp truyền áp đáp ứng đ−ợc các yêu cầu trên trong một khoảng rộng nhiệt độ và áp suất ép ng−ời ta đã nghiên cứu các tổ hợp vật liệu chứa bột graphit nghiền mịn tới độ hạt nhỏ hơn 74 àm và bột thủy tinh các loại đ−ợc nghiền mịn tới độ hạt nhỏ hơn 100 àm . Thành phần và độ nhớt của vật liệu truyền áp Nh− trên ta đã nêu, vật liệu truyền áp trong công nghệ ép chảy đẳng áp kim loại th−ờng là hỗn hợp bột thủy tinh và bột graphit. Việc xác định loại bột thủy tinh, số l−ợng bột thủy tinh trong hỗn hợp truyền áp, áp dụng cho từng tr−ờng hợp công nghệ cụ thể nh− nhiệt độ, áp suất để đảm bảo độ nhớt của vật 70 liệu truyền áp nằm trong khoảng 103 ữ 104 Puaz là vô cùng quan trọng để đảm bảo đ−ợc tiến trình công nghệ và chất l−ợng sản phẩm ép. Việc xác định độ nhớt của hỗn hợp bột thủy tinh graphit phụ thuộc vào thành phần, nhiệt độ và áp suất đ−ợc tiến hành bằng thực nghiệm trên thiết bị đặc chủng. Để chọn đ−ợc môi tr−ờng truyền áp tối −u, công việc thực nghiệm này đòi hỏi nhiều thời gian. Để giảm đ−ợc số l−ợng thí nghiệm ng−ời ta áp dụng ph−ơng pháp qui hoạch thực nghiệm, nhờ đó đối với mỗi tổ hợp thông số, số l−ợng thí nghiệm giảm từ xuống còn 20%. Sau khi tiến hành tất cả các thí nghiệm đã đ−ợc qui hoạch, ng−ời ta xử lý toán học các kết quả thu đ−ợc và rút ra các kết luận sau: * Nhiệt độ có ảnh h−ởng mạnh nhất đối với độ nhớt của hỗn hợp bột thủy tinh-graphit. Nhiệt độ tăng, độ nhớt của hỗn hợp giảm rõ rệt chủ yếu do độ nhớt của pha thủy tinh trong hỗn hợp giảm mạnh. * Tăng hàm l−ợng bột thủy tinh trong hỗn hợp cũng làm giảm đáng kể độ nhớt của hỗn hợp do các hạt graphit đ−ợc làm dẻo hóa bởi pha thủy tinh. * Tăng áp suất trong buồng ép làm tăng độ nhớt của hỗn hợp truyền áp, điều đó phù hợp với qui luật của cơ học chất lỏng. Song khác với chất lỏng, độ nhớt hỗn hợp truyền áp thủy tinh-graphit phụ thuộc ít hơn vào áp suất điều đó có lợi cho quá trình ép chảy, nó đảm bảo tính ổn định của quá trình ép ở các áp suất khác nhau và kết quả là tính ổn định kích th−ớc của sản phẩm ép. Do độ nhớt của hỗn hợp bột thủy tinh- graphit phụ thuộc rất nhiều vào pha thủy tinh, mà độ nhớt của pha thủy tinh lại phụ thuộc rất mạnh vào nhiệt độ, do vậy để đảm bảo độ nhớt của hỗn hợp ở mức 103ữ104 Puaz ở các khoảng nhiệt độ khác nhau, ng−ời ta sử dụng các loại bột thủy tinh khác nhau. Trên cơ sở qui hoạch thực nghiệm và xử lý toán học các kết quả thực nghiệm các tác giả đã đ−a ra đ−ợc biểu thức tính độ nhớt của hỗn hợp truyền áp bột thủy tinh- graphit phụ thuộc vào nhiệt độ công tác (t0); hàm l−ợng bột thủy tinh trong hỗn hợp (Vtt % theo thể tích). 71 Bảng 3.2: Thành phần hóa học của bột thủy tinh Thủy tinh SiO2 B2O3 CaO Na2O K2O Al2O3 MgO Mác 15 33,7 35,6 7,5 16,7 - 1,7 4,8 Mác 269 40,0 10,0 5,0 - 2,5 - - Mác 4-11 55,0 13,0 16,0 2,0 - 14,0 - * Đối với hỗn hợp I (graphit + bột thủy tinh số liệu 15-Bảng 3.2) lgη = 0,735 [exp (2,24- 2,68.10-3 t0)- 4,5.10-3 t0 + 4,05] (1,967-1,57.10- 3Vtt) +3,310 -2 P-1,2. * Đối với hỗn hợp II (graphit + bột thủy tinh số liệu 269-Bảng 3.2) lgη = 0,5 [12,18 exp (- 0,17.10-3 t0) - 4,4.103 t0 + 4,28] (2,59 - 0,01.Vtt) +1,75.10-2 P- 0,81. * Đối với hỗn hợp III (graphit + bột thủy tinh số liệu 4-11-Bảng 3.2) lgη = 0,41 (14,82- 1,09.10-3 t0) (3,96 –3,74.10-2Vtt) + 0,02P-1,25 Đồng thời với việc tính độ nhớt của các hỗn hợp truyền áp, ng−ời ta cũng xác định hệ số m trong công thức τ = mp biểu thị quan hệ giữa ứng suất tr−ợt τ và áp suất nén p trong lớp vật liệu truyền áp graphit- bột thủy tinh. Bằng thực nghiệm, ng−ời ta đã xác định đ−ợc mối t−ơng quan đơn vị giữa hệ số m và độ nhớt η (trong khoảng η = 10 105 Puaz) theo công thức: m = 0,037.lgη 72 Ch−ơng 4 tính toán thiết kế thiết bị ép thủy tĩnh và trang bị ép thủy động 4.1. Tính toán thiết kế thiết bị ép thủy tĩnh 4.1.1. Các công thức tính toán khuôn ép và các thông số ép. Quá trình công nghệ chể tạo các sản phẩm từ bột trải qua 4 công đoạn nh− đã nêu ở phần mở đầu: Chuẩn bị bột, ép, thiêu kết, hoàn thiện. Trải qua 3 giai đoạn sau, khi vật liệu lúc đầu nhận hình dạng và kích th−ớc của khuôn nh− một chất lỏng (vật liệu bột có tính chất giả lỏng theo đặc tính l−u biến của các phân tử rời rạc), sau đó nó sẽ thay đổi kích th−ớc và hình dạng do tác động của lực ép, của nhiệt độ, của gia công sau các công đoạn ép, thiêu kết và hoàn thiện để đạt hình dáng kích th−ớc, cơ lí tính cuối cùng. Để có thể thiết kế đ−ợc khuôn ép từ các kích th−ớc hình dáng cho tr−ớc của chi tiết, nhà thiết kế cần nắm đ−ợc các công thức tính và các thông số của từng công đoạn. D−ới đây sẽ trình bày các công thức tính các thông số cơ bản của từng công đoạn, trên cơ sở đó có thể thiết kế khuôn ép phù hợp với các chi tiết chế tạo: 4.1.1.1. Hệ số co ngót khi thiêu kết (shringkage coefficient): là tỉ số giữa l−ợng giảm kích th−ớc ban đầu do thiêu kết và kích th−ớc ban đầu của vật ép: c sc s l ll −=α Trong đó lc: Kích th−ớc ban đầu của vật ép ls: Kích th−ớc của vật sau khi thiêu kết 4.1.1.2. Tỉ phần co tuyến tính (Fractional linear shringkage): là tỉ số giữa kích th−ớc của vật ép sau thiêu kết và kích th−ớc ban đầu của nó. c s s l ll =∆ giữa hệ số co ngót và tỉ phần co ngót tuyến tính có quan hệ nh− sau: ∆ls= 1-αs 73 4.1.1.3. Tỉ phần hao khi thiêu (Fractional ignition loss): là tỉ số khối l−ợng chi tiết sau thiêu kết và khối l−ợng vật ép chi tiết đó c s m mw =∆ Trong đó ms: Khối l−ợng chi tiết (sau thiêu kết) mc: Khối l−ợng vật ép của chi tiết 4.1.1.4. Hệ số nở trở lại (Springback factor): Hiện t−ợng nở trở lại của vật ép là hiện t−ợng tăng đàn hồi kích th−ớc của vật ép sau khi xả áp. Hệ số nở trở lại đ−ợc định nghĩa là tỉ số giữa sự thay đổi kích th−ớc vật ép sau khi xả áp và kích th−ớc của vật ép trong khuôn d−ới áp suất ép. Hệ số này phụ thuộc vào đặc tính của bột, loại và l−ợng chất kết dính, các nhân tố hóa dẻo ... Đối với đa số các vật liệu bột hệ số nở trở lại S nằm trong khoảng 0,1~0,3 %. c cc l llS '−= Trong đó l’c : Kích thứơc của vật ép trong khuôn d−ới áp suất ép lc : Kích th−ớc của vật ép khi xả áp (đã lấy ra khỏi khuôn) 4.1.1.5. Tỉ phần nén co tuyến tính (Fractional linear compaction shringkage): Là tỉ số giữa kích th−ớc của vật ép và kích th−ớc t−ơng ứng của lòng khuôn. f c c l ll =∆ Trong đó lc: Kích th−ớc của vật ép lf: Kích th−ớc của lòng khuôn t−ơng ứng 4.1.1.6. Tỉ phần co tuyến tính toàn phần (Total fractional linear shringkage): Là tỉ số giữa kích th−ớc của chi tiết (sau thiêu kết) ls và kích th−ớc t−ơng ứng của lòng khuôn lf : cs fc cs f s ll ll ll l ll ∆∆===∆ Σ .. . 74 4.1.1. 7. Mật độ điền đầy khuôn (Fill density), còn gọi là mật độ đong, mật độ lắc, mật độ đầm (tùy theo công nghệ điền đầy khuôn) là tỉ số giữa khối l−ợng vật liệu đ−ợc điền đầy trong khuôn và thể tích lòng khuôn. f f f V m D = 4.1.1. 8. Mật độ vật ép (Formling density): là tỉ số giữa khối l−ợng và thể tích của vật ép c c c V mD = Mật độ vật ép Dc liên hệ với mật độ chi tiết (sau thiêu kết) Ds nh− sau: Dc = ∆s. (∆ls)3 4.1.1. 9. Tỉ số nén thể tích ( Volumetric compaction ratio) là tỉ số giữa thể tích chi tiết và thể tích lòng khuôn : f s V V=β Tỉ số nén có thể biểu diễn qua mật độ vật ép Dc mật độ chi tiết Ds, mật độ điền đầy khuôn Df và tỉ phần co tuyến tính ∆ls nh− sau: 3).( s f s f c l D D D D ∆==β 4.1.2. Tính toán thiết kế máy ép thủy tĩnh 4.1.2.1. Nguyên lý và cơ sở tính toán hệ thuỷ lực máy ETT Máy ép thủy tĩnh đ−ợc thiết kế trên cơ sơ của máy ép thủy lực 300Tấn. Việc tính toán hệ thuỷ lực của máy căn cứ vào các cơ so số liệu sau: • Các lý thuyết cơ bản về tính toán và thiết kế hệ thuỷ lực. • ứng suất cho phép của vật liệu buồng áp suất cao: σm=250 MPa • ứng suất làm việc cao nhất của buồng áp suất: σn=250 MPa • Lực ép lớn nhất của máy ép thủy lực: Fmax=300 Tấn 75 4.1.2.2. Tính toán thiết kế buồng áp suất a) Tính đ−ờng kính làm việc của buồng áp suất Một số kí hiệu sử dụng khi tính toán: A : Diện tích phần nắp buồng áp suất chịu tác dụng của áp suất P(cm2) D : Đ−ờng kính làm việc của buồng áp suất (cm) v : Chiều dầy của buồng áp suất (cm) F : Lực ép max của máy ép thủy lực (300.000 kG); (Fn = 0.8 F) P : áp suất max của buồng áp suất 2500 kG/cm2 (250MPa) σm: ứng suất cho phép của vật liệu buồng áp suất: 2500 kG/cm2 (250MPa) Ta có công thức : P = A Fn (4.1) A = 4 1 π 2D (4.2) P = 2 n D F4 π (4.3) 2D = P F4 n π = 500.2x 000.240x4 π = 122.23 (cm) (4.4) D = 11 (cm) Hình 4.1- Mô hình buồng áp suất cao trong ép thủy tĩnh 76 b) Tính toán thông số hình học của buồng áp suất cao Thông số: Cho p1 = 250 MPa và p2 = 0 MPa r1 = 112 cm; E = 2*10^6 MPa ; [σ] = 400 MPa Chọn ống hai lớp với các kích th−ớc hợp lý và kiểm tra độ bền của nó theo lý thuyết bền ba Diễn giải tính toán: Giả thiết: Do các ống chế tạo bằng cùng một vật liệu thì: E1 = E2 = E và à1 = à2 = à (4.5) Trong đó: E1, E2 và à1, à2: là mođun đàn hồi dọc và hệ số Poátxông của vật liệu ống trong và ống ngoài. Theo tài liệu. Đối với tổ hợp ống ghép chế tạo bằng vật liệu có độ bền kéo và nén nh− nhau thì theo lý thuyết bền thứ ba quan hệ có lợi nhất giữa các bán kính và độ dôi theo công thức: Bán kính mặt ghép của tổ hợp ống ghép đ−ợc xác định theo công thức: 312 rrr = (4.6) Độ dôi cần thiết xác định theo công thức. )(2 212 ppE r −=∆ (4.7) áp lực d− lớn nhất ở trong xác định theo công thức: ][)max( 3 13 21 σr rrpp −=− (4.8) Trong đó: p1: áp lực h−ớng tâm phân bố đều ở bên trong. p2: áp lực h−ớng tâm phân bố đều ở bên trong. r1: Bán kính trong của ống trong 77 r2: Bán kính mặt ghép của tổ hợp ống r1: Bán kính ngoài của ống ngoài ∆: Độ dôi cần thiết của ống ghép [σ]: là ứng suất của vật liệu làm ống ghép. Từ công thức (4.7). ][)max( 3 13 21 σr rrpp −=− Ta xác định bán kính ngoài của ống tổ hợp theo công thức: ⎟⎟⎠ ⎞⎜⎜⎝ ⎛ −− = ][ 1 21 1 3 σ pp rr (4.9) Khi áp lực trong cao ng−ời ta dùng các ống tổ hợp bằng cách ép hay lắp ráp nóng hai hay nhiều ống hình trụ lại với nhau. Độ bền của mối ghép các ống và sự xuất hiện ứng suất ban đầu ở thành ống làm cho đ−ờng kính trong ống ngoài nhỏ hơn đ−ờng kính ngoài của ống liền nó một độ dôi ∆ (hình 4.2) Khi chiều dài nh− nhau áp lực tiếp xúc ở mặt trụ nối ghép phân bố đều trên mặt và có giá trị: Hình 4.2- Hai ống ghép lồng nhau 78