Khảo sát phương pháp tạo hình ống bằng áp suất hơi nước

KHẢO SÁT PHƯƠNG PHÁP TẠO HÌNH ỐNG BẰNG ÁP SUẤT HƠI NƯỚC

EXAMINING THE FORMING OF PIPE USING STEAM PRESSURE

Nguyen Van Bac, Assoc Prof, Ph.D Nguyen Ngoc Phuong, Pham Son Minh

Trường đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM

TÓM TẮT

Công nghệ dập thủy tĩnh được nghiên cứu và ứng dụng sản xuất các chi tiết dạng tấm và

ống với đặc điểm sử dụng chất lỏng cao áp tác dụng lên bề mặt của phôi gây biến dạng vật liệu.

Trong công trình nghiên cứu này, tác giả đã thay thế sử dụng áp lực chất lỏng bằng cách sử dụng

áp suất hơi nước nhằm phân tích quá trình tạo hình của ống. Do đó, đề tài“Khảo sát phương pháp

tạo hình ống bằng áp suất hơi nước” tập trung nghiên cứu quá trình hình thành chi tiết, các thông

số ảnh hưởng tới mức độ biến dạng và khả năng biến dạng.

Nội dung của đề tài này là trình bày về cơ sở lý thuyết của công nghệ dập thủy tĩnh, từ đó

nghiên cứu và thí nghiệm trên bộ khuôn tạo hình ống bằng áp suất hơi nước, sau đó nghiên cứu các

thông số về nhiệt độ, lượng nước và thời gian để đưa ra những kết luận tốt nhất về sự áp dụng áp

suất hơi nước vào phương pháp này. Sử dụng phầm mềm mô phỏng Pam-Stamp để mô phỏng quá

trình biến dạng, có thể dự đoán trước được những điểm nhăn, nứt của quá trình để rút gọn về

thời gian thiết kế sau này.

Từ khóa: Công nghệ dập thuỷ tĩnh, tạo hình ống, áp suất hơi nước,biến dạng, phần mềm Pam -

Stamp.

ABSTRACT

Hydroforming Technology has been researched and applied to produce plate and tube

components with the use of high pressure fluids on the surface of the material causing

deformation.In this research, instead of using the pressure of liquid, the author use the pressure

of steam to analyse the process of forming pipe. Therefore, the tile “examining the forming of

pipe using steam pressure” focuses on the detail process, the data affected to the rate and ability

of deformation.

The contents of this title presents the database of Hydroforming Technology, from that

the author does the research and experiment on the tubular modeling by steam pressure. Then,

the author researches about the information about temperature, the amount of water and time in

order to give out the best result about using steam for this method. Pam-Stamp is used to

simulate the deformation process, which can be predictable the wrinkles and cracking of the

process to save time for the later design.

Keywords: Hydroforming Technology, forming pipe, steam pressure, deformation, Pam-Stam.

1. MỞ ĐẦU

Công nghệ tạo hình thủy tĩnh là một

đã thay thế sử dụng áp lực của chất lỏng bằng

cách sử dụng áp suất hơi nước nhằm phân tích

quá trình và khả năng tạo hình cũng như xem

xét sự ảnh hưởng của các thông số đến khả

năng tạo hình chi tiết. Đề tài chủ yếu tập trung

nghiên cứu quá trình hình thành chi tiết, các

thông số ảnh hưởng tới mức độ biến dạng và

khả năng biến dạng. Với mục đích này, một

mô hình thực nghiệm đầu tiên được khảo

sát để đánh giá ảnh hưởng của các thông số

công nghệ và trạng thái ứng suất – biến dạng.

phương pháp gia công áp lực tiên tiến sử dụng

chất lỏng cao áp, tác dụng trực tiếp vào phôi

để tạo hình các chi tiết dạng tấm và ống. Hình

dạng của chi tiết phụ thuộc vào hình dáng của

cối trong trường hợp dập phôi tấm và theo

hình dạng của hai nửa khuôn trong trường hợp

phôi ống.

Trong công trình nghiên cứu này, tác giả

Dựa trên những kết luận thu được từ kết thời gian được cài đặt trong quá trình mô

quả phân tích, đề tài này có thể là nền tảng để phỏng theo hình (2).

tiếp tục nghiên cứu sâu hơn nhằm tạo ra được

sản phẩm hoàn chỉnh, ứng dụng cao vào sản

xuất thực tế trong điều kiện của Việt Nam, đáp

ứng được yêu cầu kỹ thuật, yêu cầu làm việc

của chi tiết có hình dạng phức tạp.

2. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU

2.1.Vật liệu thí nghiệm

Dựa vào những ưu điểm của Nhôm như:

3

Khối lượng riêng nhỏ (2,7g/cm ), do lớp màng

oxy hóa nên nhôm không bị oxy hóa tiếp nên

nhôm có độ bền cao với thời tiết và giá thành

rẻ. Do đó, Nghiên cứu sử dụng vật liệu tạo

hình ống là Nhôm sạch 99%.

Hình 2. Áp suất và thời gian mô phỏng

2.2.Đối tượng nghiên cứu

Kết quả mô phỏng cho thấy áp suất hơi

Chi tiết dạng hình trụ rỗng đường kính

15.88mm, dày 1.2mm, chiều dài 64mm.

nước có khả năng làm biến dạng ống dựa trên

các thông số độ dày, lực căng, ứng suất.

Hơi nước có thể chuyển từ thể lỏng sang

thể hơi nhờ quá trình hóa hơi. Trong nghiên

cứu này quá trình hóa hơi chính là quá trình

sôi để tạo ra áp suất hơi nước

Dựa vào áp suất hơi nước khảo sát sự ảnh

hưởng và quan hệ của 3 thông số công nghệ cơ

bản bao gồm nhiệt độ, lượng nước và thời gian

đến quá trình tạo hình ống.

Hình 3. Độ dày của mẫu

2.3.Phương pháp mô phỏng quá trình biến

dạng của ống nhôm bằng phần mềm

Pam – Stamp 2G

Ngày nay việc mô phỏng số được sử dụng

để tối ưu hóa quá trình thí nghiệm, sản xuất

nhằm mang lại những lợi ích như tiết kiệm

thời gian, chi phí, nguyên vật liệu, các rủi ro

trong quá trình thực tế, giảm tác động đến môi

trường và con người. có thể thực hiện được

quá trình Pam – Stamp 2G là phần mềm mô

phỏng quá trình tạo hình kim loại tấm do tập

đoàn ESI của Pháp pháp triển.

Hình 4. Ứng suất của mẫu

Hình 5. Lực căng của mẫu

2.4.Thí nghiệm tạo hình

Ta cho nước vào ống nhôm, sau đó vặn

kín rắc co với đầu đực lại, mục đích để hơi

nước không thoát ra ngoài được, nhằm tránh

Hình 1.Mô hình mô phỏng

Áp suất được tính theo đơn vị GPA, thời quá trình mất áp trong quá trình thí nghiệm.

gian được tính theo đơn vị giây. Áp suất và Sau đó ta lắp hoàn chỉnh bộ khuôn lại. Khuôn

được gia nhiệt bằng 4 điện trở, thông qua cảm 3. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU

biến nhiệt độ có thể cài đặt nhiệt độ mà ta

Kết quả thí nghiệm với mức nước 100% với

mong muốn, khi nhiệt độ tăng thì nước trong

ống nhôm sẽ bốc hơi, tạo ra một áp suất. Nhờ

áp suất này ống sẽ biến dạng.

nhiệt độ ống là 100⁰C và 120⁰C

Hình 6. Chuẩn bị ống

Hình 10. Ống tạo hình ở mức nước 100%,

nhiệt độ khuôn 100^0C

Hình 7. Lắp ống vào khuôn

Hình 11. Ống tạo hình ở mức nước 100%,

nhiệt độ khuôn 120^0C

Bảng 1. Kết quả thí nghiệm với lượng nước

100% ở nhiệt độ 100⁰C và 120⁰C

Hình 8. Lắp khuôn tạo hình

Hình 9. Lắp khuôn hoàn chỉnh

Tiến hành thí nghiệm ở các mức nước

100%, 80%, 60% với nhiệt độ ban đầu là

100⁰C sau đó tăng dần để khảo sát biến dạng.

Kết quả thực nghiệm cho thấy ở nhiệt độ

100⁰C thì nước đã sôi nhưng hơi nước bốc hơi

ở nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ sôi của nước, các

phần tử của nước chuyển động, đồng thời khi

nhiệt độ tăng lên thì ống cũng bắt đầu mềm đi.

Vì thế ở nhiệt độ 100⁰C (các mẫu ống A) ống

đã bắt đầu biến dạng rõ rệt, ống phình lên với

đường kính ống là 17,93 mm. Ở thời gian chờ

các phần tử khí vẫn chuyển động nên ống vẫn

tiếp tục biến dạng, tới thời gian chờ là 5 phút

thì ống biến dạng hoàn toàn, ống bị nứt, bể do

bị biến mỏng, đường kính ống là 22,05 mm. Ở

nhiệt độ 120⁰C (các mẫu ống B) do nhiệt độ

cao hơn, các phân tử chuyển động nhanh hơn,

khiến áp suất hơi nước lớn hơn, ống biến dạng

hoàn toàn tại thời gian chờ là 0 phút, đường

kính biến dạng lớn nhất là 21,64 mm.

Hình 14. Ống tạo hình ở mức nước 80%, nhiệt

độ khuôn 205^0C

Bảng 2. Kết quả thí nghiệm với lượng nước

80% ở nhiệt độ 190⁰C, 205⁰C

Vị trí phá huỷ : Ống sau khi biến dạng

hoàn toàn, ta thấy ống bị nứt ở vị trí biến dạng

lớn nhất nguyên nhân là do ống bị biến mỏng,

ngoài ra ống cũng bị nứt ở chỗ góc của lõi

khuôn, đây là do yếu tố góc bo ở mẫu ống và

hình dạng

Kết quả thực nghiệm cho thấy với mức

nước là 80%, nhiệt độ để ống biến dạng lớn

hơn, thời gian chờ cũng lâu hơn. Đồng thời ở

mức nước 80% thì khoản trống trong ống

nhiều hơn, vì vậy cần đủ áp suất và thời gian

để phần tử khí chuyển động làm biến dạng ống.

Ống biến dạng ở nhiệt độ 190⁰C (mẫu ống C)

và nhiệt độ 205⁰C (mẫu ống D), đường kính

biến dạng lớn nhất là 21,88 mm.

Hình 12. Các trường hợp nứt gãy

Kết quả thí nghiệm ở mức nước 80% với

nhiệt độ 190⁰C và 205⁰C

Kết quả thí nghiệm ở mức nước 60% với

nhiệt độ 225⁰C, 235⁰C

Hình 15. Ống tạo hình ở mức nước 60%, nhiệt

độ khuôn 225^0C

Hình 13. Ống tạo hình ở mức nước 80%, nhiệt

độ khuôn 190^0C

Ứng dụng một số mẫu tạo hình

Hình 15. Ống tạo hình ở mức nước 60%, nhiệt

độ khuôn 235^0C

Bảng 3. Kết quả thí nghiệm với lượng nước

60% ở nhiệt độ 225⁰C, 235⁰C

Hình 17. Ống nhôm được tạo hình bằng hơi

nước ở các hình dạng khác nhau

Hình 18. Ống đồng được tạo hình ở mức

nước 100%

4. KẾT LUẬN

Bằng phương pháp mô phỏng số bằng

phần mềm 2G để mô phỏng quá trình biến

dạng ống nhôm bằng áp suất hơi nước và bằng

thực nghiệm, tác giả đã xác định được áp suất

hơi nước làm biến dạng được ống nhôm, lẫn

ống đồng và quá trình này có thể thực hiện

được trên kim loại màu.

Kết quả thực nghiệm cũng cho thấy rằng ở

mức nước 60% cũng cần nhiệt độ cao hơn,

thời gian chờ lâu hơn do khoảng trống trong

ống. Vị trí ống biến dạng ở nhiệt độ 225⁰C từ

16,63 đến 22,62 mm và nhiệt độ 235⁰C biến

dạng lớn nhất là 22,47 mm.

Thực nghiệm cho thấy tại mức nước

100% ống cho biến dạng tốt nhất. Tuỳ thuộc

vào vật liệu mà ta muốn tạo hình, ống sẽ biến

dạng ở những nhiệt độ khác nhau. Ngoài ra,

hình dạng, kích thước của chi tiết cần tạo hình

cũng ảnh hưởng đến nhiệt độ cần cung cấp để

đạt biến dạng theo yêu cầu.

Từ kết quả nghiên cứu thu được khẳng

định có thể sử dụng áp suất hơi nước để làm

biến dạng kim loại tương tự như công nghệ

dập bằng chất lỏng cao áp, qua đó chúng ta có

thể mở rộng nghiên cứu và đưa vào áp dụng

trong thực tế với những chi tiết từ đơn giản

đến phức tạp

Hình 16. Biểu đồ kết quả thí nghiệm

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] Phạm Văn Nghệ,Giáo trình Công nghệ dập thủy tĩnh. NXB Bách Khoa - Hà Nội, 2006.

[2] Phạm Văn Nghệ, Nguyễn Như Huynh, Ma sát và bôi trơn trong gia công

áp lực. NXB Đại học Quốc gia Hà Nội, 2005.

[3] Nguyễn Minh Vũ, Nguyễn Tất Tiến, Nguyễn Đắc Trung, Lý thuyết dập

tạo hình. NXB Bách Khoa – Hà Nội, 2009.

[4] Lê Trung Kiên, Nghiên cứu công nghệ tạo hình chi tiết vỏ mỏng bằng phương pháp dập thủy

tĩnh. Đại học Bách khoa Hà nội, 2014.

[5] Nguyễn Minh Vũ, Nguyễn Tất Tiến, Nguyễn Đắc Trung, Lý thuyết dập tạo hình. NXB Bách

Khoa – Hà Nội, 2009.

[6] Nguyễn Mậu Đằng, Công nghệ tạo hình kim loại tấm. NXB Khoa học và kỹ thuật, 2006.

[7] Nguyễn Đắc Trung, Lê Thái Hùng, Nguyễn Như Huynh, Nguyễn Trung Kiên, Mô phỏng quá

trình biến dạng. NXB Bách Khoa – Hà Nội, 2011.

[8] Nico Langerak, Dinesh Kumar Rout, Rahul Verma , G.Manikandan, ArunansuHaldar. Tube

Hydroforming in Automotive Applications. TATA STEEL, 2010.

[9] Jainil Desai, Jaydeep Karandikar. Hydroforming and Latest Advances.Journal of Materials

Processing Technology, 2012.

[10]

A. El Hami, B. Radi and A. Cherouat. Hydroforming Process: Identification of the

Material’s Characteristics and Reliability Analysis.Published by Intechopen, 2012.

[11]Ho Choi, Muammer Koc, Jun Ni , A study on Warm Hydroforming of Al

and Mg sheet materials: mechanism and proper temperature conditions. Journalof manufacturing

science and Engineering, vol. 130 / 041007, 2008.

[12] Joanim Lundqvist, Numerical Simulation of Tube Hydroforming, Lulea University of

TechnologySweden, 2005.

[13] Harjinder Singh, Fundamentals of hydroforming, Society of Manufacturing Engineers,

2003.

[14] L.H. Lang, Z.R. Wang, D.C. Kang, S.J. Yuan, J. Danckert, K.B. Nielsen, Hydroforming

highlights: sheet hydroforming and tube hydroforming. Journal of Materials Processing

Technology, vol 151, page 165-177, 2004.

Thông tin liên hệ tác giả chính (người chịu trách nhiệm bài viết):

Họ tên: Nguyễn Văn Bắc

Đơn vị: Trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật thành phố Hồ Chí Minh

Điện thoại: +(84) 932712139

Email: [email protected]

BÀI BÁO KHOA HỌC

THỰC HIỆN CÔNG BỐ THEO QUY CHẾ ĐÀO TẠO THẠC SỸ

Bài báo khoa học của học viên

có xác nhận và đề xuất cho đăng của Giảng viên hướng dẫn

Bản quyền tác phẩm đã được bảo hộ bởi Luật xuất bản và Luật Sở hữu trí tuệ Việt Nam.

Nghiêm cấm mọi hình thức xuất bản, sao chụp, phát tán nội dung khi chưa có sự đồng ý

của tác giả và Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh.

ĐỂ CÓ BÀI BÁO KHOA HỌC TỐT, CẦN CHUNG TAY BẢO VỆ TÁC QUYỀN!

Thực hiện theo MTCL & KHTHMTCL Năm học 2018-2019 của Thư viện Trường Đại học

Sư phạm Kỹ thuật Tp. Hồ Chí Minh.