Đại học Quốc gia Tp. Hồ Chí Minh
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
--------------------

HỒ THỊ MỸ NỮ

Đề tài:

NGHIÊN CỨU CƠNG NGHỆ TẠO
HÌNH BẰNG NĂNG LƯỢNG ĐIỆN TỪ
CHO CHI TIẾT PHÔI ỐNG VÀ TẤM
Chuyên ngành: Công nghệ chế tạo máy

LUẬN VĂN THẠC SĨ

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
THÁNG 12/ 2008


CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
Cán bộ hướng dẫn khoa học :
TS. LƯU PHƯƠNG MINH
Cán bộ chấm nhận xét 1 :
PGS.TS NGUYỄN TRƯỜNG THANH
Cán bộ chấm nhận xét 2 :
TS. LƯƠNG THỊ THU GIANG
Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp.
HCM ngày 07 tháng 01 năm 2009 .
Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:

(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hội đồng chấm bảo vệ luận văn thạc sĩ)
1. Chủ tịch: PGS.TS ĐẶNG VĂN NGHÌN
2. Thư ký: TS. LƯƠNG HỒNG ĐỨC
3. Cán bộ hướng dẫn: TS. LƯU PHƯƠNG MINH
4. Cán bộ nhận xét 1: PGS.TS NGUYỄN TRƯỜNG THANH
5. Cán bộ nhận xét 2: TS. LƯƠNG THỊ THU GIANG
Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Bộ môn quản lý chuyên
ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có).
Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV

Bộ môn quản lý chuyên ngành


ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HCM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
----------------

CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHIÃ VIỆT NAM
Độc Lập - Tự Do - Hạnh Phúc
---oOo--Tp. HCM, ngày . . . . . tháng . . . . . năm . . . . .

.

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ và tên học viên : HỒ THỊ MỸ NỮ
Ngày, tháng, năm sinh : 27-07- 1982
Chun ngành : Cơng Nghệ Chế Tạo Máy
Khố (Năm trúng tuyển) : 2006

Giới tính : Nữ

Nơi sinh : Nghệ An

1- TÊN ĐỀ TÀI :
NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ TẠO HÌNH BẰNG NĂNG LƯỢNG ĐIỆN TỪ
CHO CHI TIẾT PHƠI ỐNG VÀ TẤM
2- NHIỆM VỤ LUẬN VĂN :
-

Nghiên cứu tổng quán cơng nghệ tạo hình bằng năng lượng điện từ

-

Nghiên cứu cơ sở lý thuyết và những thông số ảnh hưởng đến quá trình tạo hình
bằng năng lượng điện từ.

-

Nghiên cứu mơ hình tạo hình bằng năng lượng điện từ

-

Mơ phỏng phơi trụ được tạo hình bằng năng lượng điện từ bằng phần mềm
Ansys.

3- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ (Ngày bắt đầu thực hiện LV ghi trong nghị Quyết
định giao đề tài):
4- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ : 03.12.2008
5- HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN : TS. Lưu Phương Minh
Nội dung và đề cương Luận văn thạc sĩ đã được Hội Đồng Chuyên Ngành thông qua.
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN


CHỦ NHIỆM BỘ MÔN
QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH

TS. LƯU PHƯƠNG MINH


LỜI CẢM ƠN
Để có được những kiến thức vơ cùng quý giá và hoàn thành tốt luận
văn tốt nghiệp được giao như hiện nay, em xin chân thành cảm ơn Q Thầy
Cơ khoa Cơ khí, trường Đại học Bách Khoa Thành phố Hồ Chí Minh đã dạy
em trong suốt hơn hai năm vừa qua. Nhân đây, em xin được bày tỏ lịng biết
ơn, sự kính trọng đến Q Thầy Cơ và kính chúc Q Thầy Cơ ln dồi dào
sức khỏe để chắp cánh tri thức cho thế hệ mai sau.
Đặc biệt, em xin chân thành cảm ơn thầy Lưu Phương Minh đã dành
nhiều thời gian để hướng dẫn, giúp đỡ và tạo mọi điều kiện thuận lợi cho em
hoàn thành luận văn này.
Cuối cùng, tôi xin cảm ơn các bạn bè đã giúp đỡ tôi trong suốt thời
gian học tập và quá trình thực hiện luận văn

Hồ Thị Mỹ Nữ


ABSTRACT
Electromagnetic forming (EMF) is an high velocity forming method and one
of the most attractive high velocity forming techniques that gained significant
acceptance in the commercial metal forming industry. EMF methods leads to
improved formability, improved strain distribution, reduction in wrinkling,
control of springback and interference fit between the sheet and the die in
addition to other economic benefits like lighter tooling and equipment, lower

die tryout time, one-sided dies etc, thereby overcoming the limitations
imposed by conventional forming techniques. They can be effectively used
for forming metals with low formability like aluminum alloys and high
strength steel. The electromagnetic forming process uses electromagnetic
(Lorentz) body forces to shape sheet metal parts. It uses the energy of strong
magnetic field to plastically deform metal at high speed. In this thesis, the
issues with electromagnetic forming that influence high velocity formability –
inertia / size effects; changes in constitutive behavior; impact; and dynamic
failure modes, were studied mainly from existing sudies and theoretical
studies involving High velocity forming.


LÝ LỊCH TRÍCH NGANG

Họ và tên: HỒ THỊ MỸ NỮ
Ngày, tháng, năm sinh: 27.07.1982

Nơi sinh: Nghệ An

Địa chỉ liên lạc: 170/1 khu phố I, phường Thạnh Xuân, Quận 12, Thành phố
Hồ Chí Minh

Q TRÌNH ĐÀO TẠO
2001-2006 : Học tại đại học Sư phạm kỹ thuật thành phố Hồ Chí Minh
2006-2008 : Học tại đại học Bách Khoa thành phố Hồ Chí Minh
Q TRÌNH CƠNG TÁC
2006 đến nay đang cơng tác tại trường THPT Gò Vấp, Quận Gò Vấp thành
phố Hồ Chí Minh



MỤC LỤC HÌNH
Hình
1.1 Mơ hình giải thích dập tấm

3

1.2 a) Dập dập tấm truyền thống b) dập tấm bằng năng lượng điện từ.

5

1.3 Sơ đồ quá trình dập nổ điển hình. (a) sử dụng ngịi nổ để dập ống hình trịn,
(b) dập tấm phẳng [1,7]

10

1.4 Sơ đồ q trình dập nổ điển hình. (a) sử dụng ngịi nổ để dập ống hình trịn,
(b) dập tấm phẳng

8

1.5 Phương pháp dập thủy tĩnh

11

1.6 Những chi tiết có trục đối xứng điển hình được dập bằng EMF [41]

13

1.7 Công nghệ dập tấm được thực hiện với dập bằng năng lượng điện từ


21

1.8 Mô hình so sánh giới hạn dập của hợp kim nhơm 6061-T4 được thực hiện
với dập bằng tốc độ cao và thấp.[1]

21

1.9 (a) Mơ hình cài đặt sử dụng trong dập thủy tĩnh và hydroforming (b) so sánh
tấm hợp kim nhôm AA2024 được dập trong khn nón sử dụng q trình
hydroforming (trái) và sử dụng quá trình thủy tĩnh (phải) [10]

22

1.10 Thực nghiệm EMF với thép tấm độ bền cao. (a) mơ hình lắp đặt thực
nghiệm, (b) Hai mẫu thép được dập trên mêm đặt ở giữa và đối xứng trục
lớn và nhỏ. Những mẫu này đều hư hỏng khi bắt đầu thực hiện [37]

23

1.11 Biểu đồ vận tốc cao tập trung và tính dẻo chuẩn tĩnh của năm loại thép

24

1.12 Mơ hình của hệ thống sử dụng dập bằng thủy tĩnh và điện từ của tấm kim
loại vào trong khuông hình nón bên phải.

28

2.1 Sơ đồ ngun lý dập phơi hình ống


30

2.2 Biểu đồ chung của hệ thống dập dùng năng lượng điện từ

31

2.3 Phôi được kéo, nén bằng năng lượng điện từ

33

2.4 Mơ hình cuộn dây và hệ thống phôi : 1- cuộn dây 2- phôi, i1, i2 – dịng điện,
B1 – độ cảm ứng điện từ trong khơng gian làm việc, B2 – độ cảm ứng điện
từ dưới phơi.

34

2.5 Mơ hình cuộn dây- phơi với từ trường được tập trung trong không gian s0: F
là lực từ.

34

2.6 Sơ đồ mạch điện cho trường hợp một mạch đơn

38

2.7 Đường cong i*p = f (φ0 )

40

2.8 (a) Bên phía phải của mẫu kiểm tra ứng suất kết hợp với (b) vận tốc, (c) lực


48


và (d) biên dạng ứng suất [73]
2.9 Ứng suất chảy dẻo của đồng ủ 0.9999 được đo tại mức biến dạng khoảng
15% như hàm tốc độ biến dạng.

52

2.10 So sánh kết quả thực nghiệm với mơ phỏng thể tích phần tử. Kết quả cho
thấy gia tăng độ nhạy tốc độ biến dạng ở tốc độ biến dạng cao là artifact
[94]

53

2.11 Biến đổi độ cứng điểm của tấm nhôm 6061 T4 được dập với vận tốc cao
như là một hàm biến dạng tại tốc độ cao và thấp [62]

55

2.12 Đường cong ứng suất biến dạng được tạo ra do mô phỏng LS-DYNA với
mơ đun điện từ [68]

55

2.13 Q trình kiểm để nghiên cứu về khả năng dập của thép tấm với phương
pháp dập bằng năng lượng điện từ 1: cuộn dây tạo hình; 2: khối cách điện;
3: vịng thép; 4: tấm thép được kiểm tra; 5: khuôn với một khuôn mở (Ø100
mm), 6: khn hình cơn hoặc và dạng chữ V; 7: đầu dây [21]


57

2.14 (a) Cuộn dây dập được đặt trong một khối cách điện và được ấn vào trong
vành thép, cuộn dây (a) được dùng trong dập với năng lượng điện từ cho
mẫu thép với khn trịn mở (b), khn chữ V (c) hay khn hình nón [21]

58

2.15 Khn dập với cửa sổ mở: (a) mở ; (b) khép kín [21]

59

2.16 Mẫu sau khi kiểm tra khả năng dập với lực điện từ, lực điện từ này ép mẫu
vào trong khuôn mở.[21]

58

2.17 Biểu đồ về khả năng dập của hợp kim nhôm AA6111-T4 [ 21 ]

59

2.18 Mẫu nhôm 6111-T4 được biến dạng với dập bằng năng lượng điện từ trong
một khuôn mở ở nhiều mức độ năng lượng khác nhau (a) 3.3kJ, (b) 2.21kJ,
(c) 7.2kJ[21]

60

2.19 Kết quả về khả năng dập của hợp kim nhôm AA5754; đường liền nét – mơ
hình FLD; dấu hình chữ nhật – những mẫu sau khi được dập với EMF trong

khn mở hình trịn và chữ nhật; dấu tam giác – những mẫu được dập với
EMF trong khn hình nón.[21]

60

2.20 So sánh các mẫu được dập khi có khn và khơng có khn.

60

2.21 Vận tốc biến đổi theo biên dạng bán kính đối với mẫu ống được giản nở khi
có khn tác động và khơng có khn tác động

61

2.22 Hình cuộn dây dập với cuộn dây có 2, 4, 10 vịng dây được dùng để dập
cho chi tiết hình trụ. [20]

61

2.23 Hình mẫu có chiều cao 3.17cm được dập bằng năng lượng điện từ với cuộn
dây có 4 vịng dây tại mức năng lượng 6.72 kJ[20]

62

2.24 Dòng điện biến đổi theo thời gian: của mẫu được dập với cuộn dây có 4
vịng dây tại mức năng lượng 6.72kJ. Đỉnh dòng điện là 128kA, thời gian

62



tăng lên là 18 µs. [20]
2.25 Mẫu cao 8.51 cm được biến dạng với cuộn dây có 4 vịng dây tại mức năng
lượng 6.72 kJ [20]

63

2.26 Dòng điện biến đổi theo thời gian của mẫu cao 8.51cm được dập với cuộn
dây ở mức năng lượng 6.72kJ. Đỉnh dòng điện 138kA và thời gian đạt tới
đỉnh là 16 µs

64

2.27 Mẫu cao 8.51cm được dập với cuộn dây có 10 vịng dây.

64

2.28 Dòng điện biến đổi theo thời gian của mẫu cao 8.51 cm được dập với cuộn
dây có 10 vịng dây

65

2.29 Mẫu dài 3.17 cm được dập bằng năng lượng điện từ ở mức năng lượng 8kJ

65

2.30 Dòng điện biến đổi theo thời gian của mẫu cao 3.17cm được dập với cuộn
dây có 10 vịng dây

66


2.31 Mẫu dài 1.74cm được dập bằng năng lượng điện từ với cuộn dây có 2 vòng
dây với mức năng lượng là 6.4kJ

66

2.32 Dòng điện biến đổi theo thời gian của mẫu cao 1.74 cm được biến dạng với
cuộn dây có hai vịng dây ở mức năng lượng là 6.4 kJ.

67

2.33 Mơ hình hệ thống nén phơi ống bằng năng lượng điện từ

68

2.34 Mơ hình dụng cụ dập bằng năng lượng điện từ

70

2.35 Thanh dẫn phẳng được bắt bu lơng

84

2.36 Sơ đồ mạch điện tạo hình bằng năng lượng điện từ

87

2.37 Sơ đồ mạch hai cánh

90


2.38 Mơ hình đơn giản của dụng cụ đánh lửa

94

2.39 Sơ đồ mạch điện cho phương pháp dập bằng EMF

96

3.1 Cấu hình thực để làm mơ hình giản nở ống

100

3.2 Mạch điện tương đương của hệ thống dập bằng năng lượng điện từ

102

3.3 Hệ thống dập bằng năng lượng điện từ được dùng để nén phơi hình trụ rỗng

103

3.4 Hệ thống dập bằng năng lượng điện từ kéo phơi hình trụ rỗng

103

3.5: Mơ hình tương đương của hệ thống dập bằng năng lượng điện từ

104

3.6 Phân tích lực của qúa trình giản nở phôi ống bằng lực điện từ và cuộn dây 107
dập

3.7 Mặt cắt theo chiều dài phôi và chiều dài cuộn dây

108

3.8 Mơ hình lưới của cấu hình

108

3.9 Mặt cắt ngang của cuộn dây dập và của phôi

109


3.10 Mơ hình của cuộn dây kích từ có bốn vịng dây được sử dụng cho q trình 116
giản nở phơi hình ống (a) nhìn trước (b) nhìn từ trên.
3.11 Cuộn dây kích từ dạng xoắn phẳng được đặt trong khối cách điện micarta.

116

3.12 Nguyên tắc hoạt động của cuộn dây bên ngồi.

118

4.1 Cấu hình phơi được sử dụng để mơ phỏng

121

4.2 Mơ hình lưới của phơi

123


4.3 Phơi sau khi đã đặt lực và điều kiện biên

123

4.4 Phôi sau khi được tác động lực

124

4.5 Ứng suất trong phôi

124


MỤC LỤC
CHƯƠNG 1

TỔNG QUAN

1.1 Lịch sử ra đời của phương pháp dập bằng năng lượng điện từ

1

1.2 Tính ưu việt của phương pháp điện từ
1.2.1 Dập dập tấm truyền thống
1.2.2 Dập với vận tốc cao
1.2.2.1 Công nghệ dập bằng phương pháp nổ
1.2.2.2 Phương pháp dập thủy tĩnh
1.2.2.3 Phương pháp dập bằng năng lượng điện từ
1.2.3 So sánh với dập truyền thống với dập với năng lượng điện từ

1.3 Hợp kim nhôm
1.3.1 Những thuận lợi và thách thức đối với việc sử dụng hợp kim
nhôm.
3.1.1.1 Thuận lợi
3.1.1.2 Những hạn chế khi dùng hợp kim nhôm cùng với các
phương pháp dập truyền thống.
1.3.2 Ưu điểm của hợp kim nhôm trong dập với vận tốc cao
1.3.2.1 Làm tăng khả năng dập
1.3.2.2 Vấn đề khử nhăn
1.3.2.3 Giảm đàn hồi ngược
1.3.2.4 Tính kinh tế

2
5
6
7
10
12
15
17
19
19
20
20
21
25
26
26

1.4 Kết luận


26

1.5 Tình hình nghiên cứu trong và ngồi nước

27

1.5.1 Tình hình nghiên cứu trên Thế Giới
1.5.2Tình hình nghiên cứu ở Việt Nam

27
31

1.6 Cần thiết của đề tài

31

1.7 Mục tiêu của luận văn

31

CHƯƠNG 2

CƠ SỞ LÝ THUYẾT CƠNG NGHỆ TẠO HÌNH BẰNG
NĂNG LƯỢNG ĐIỆN TỪ

2.1 Nguyên lý dập khi phôi là hình ống

32


2.2 Phương trình cơ bản của phương pháp dập dùng năng lượng điện từ

37

Bộ phóng điện thơng qua hệ thống mạch có hai hoặc là nhiều mạch
hơn được kết nối với nhau

40

2.3


2.4 Áp lực tác động lên phôi trong suốt quá trình dập bằng EMF

45

2.5 Những yếu tố ảnh hưởng đến phương pháp dập ở vận tốc cao

47

2.5.1 Ảnh hưởng của lực qn tính
2.5.1.1 Những mơ hình dựa trên tính khơng đồng nhất ban đầu
và nghiên cứu về phát triển của chỗ thắt.
2.5.1.2 Mơ hình dựa trên phân tích nhiễu và không ổn định
2.5.2 Ảnh hưởng khuôn tác động đến khả năng dập ở vận tốc cao
2.5.3 Ảnh hưởng của thay đổi cấu trúc đến khả năng dập ở vận tốc cao

47
47
51

52
54

2.6 Ảnh hưởng của khn đến hình dạng của phơi

58

2.7 Ảnh hưởng chiều dài cuộn dây đến khả năng dập bằng năng EMF

64

2.8 Nguyên tắc thiết kế thiết bị dập bằng năng lượng điện từ

73

2.8.1 Yêu cầu chung
2.8.2 Phân bố năng lượng trong mạch phóng điện EMF
2.8.3 Tự động hóa những thơng số của mạch phóng điện
2.8.4 Lựa chọn điện thế bộ tụ
2.8.5 Lựa chọn bộ tụ
2.8. 6 Thanh dẫn điện
2.8.7 Thiết bị nạp điện
2.8.8 Dụng cụ chuyển mạch
2.8.9 An toàn
2.8.10 Sơ đồ mạch và thiết kế cấu trúc của thiết bị tạo xung điện từ.

98

2.8 Kết luận
CHƯƠNG 3


73
74
78
81
83
85
96
99
95
98

MƠ HÌNH DẬP BẰNG NĂNG LƯỢNG ĐIỆN TỪ

3.1 Mơ hình lý thuyết

100

3.2 Mơ hình tương đương

104

3.3 Đơn giản hóa mơ hình hình học

111

3.3.1 Chiều dài của cuộn dây dập và phôi
3.3.2. Bề dày của cuộn dây dập và phôi
3.4 Xấp xỉ các thơng số của cấu hình
3.4.1. Tính chất điện từ của vật liệu


112
113
113
113


3.4.2. Đặc tính đàn dẻo của vật liệu
3.4.3. Tính chất nhiệt của vật liệu
3.4.4. Những yếu tố của mơ hình lưới tương đương
3.5 Xấp xỉ các trường trong cấu hình

114
115
116
116

3.5.1 Trường điện từ trong phôi
3.5.2. Trường đàn hồi trong phôi
3.5.3. Miền nhiệt độ trong phơi

117
117
117

3.6 Mơ hình cuộn kích từ và khn dập

118

CHƯƠNG 4


MƠ PHỎNG Q TRÌNH DẬP BẰNG NĂNG
LƯỢNG ĐIỆN TỪ

4.1 Nguyên lý mô phỏng

119

4.2 Các bước tiến hành mô phỏng

120

CHƯƠNG 5

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN

126


Mục lục kí hiệu
a - Bán kính phơi bên trong (m)
b – Bán kính bên ngồi của phơi(m)
c – Bán kính trung bình của cuộn dây tạo hình (m)
d – Bề dày của phơi (m)
dc – Đường kính bên ngồi cuộn cảm (m)
dgap – Khoảng cách giữa phôi và cuộn dây (m)
dl – Lớp cách điện giữa các vòng dây trong cuộn kích từ (m)
dover - Lớp cách điện xung quanh cuộn dây kích từ(m)
E – Cường độ điện trường
E - Tổng năng lượng được tích tụ trong bộ tụ (J)

2

E – Mô đun đàn hồi (N/m )
L1, R1 và C1 - Độ tự cảm, điện trở của cuộn dây tạo hình và điện dung của bộ tụ
I1 -là dịng diện trong cuộn dây tạo hình
I2 -là dịng điện trong phôi
d -là khoảng cách giữa cuộn dây và phôi

μ0 -là độ từ thẩm của không gian giữa phôi và cuộn dây
B1t, B2t -là thành phần tiếp tuyến cảm ứng điện từ
B

•

E - là cường độ điện trường
•

H -cường độ từ trường

γ • -là tính dẫn điện của vật liệu
•

σ - là mật độ dịng
•

V - là vận tốc của dây dẫn


γ0 – điện dẫn suất ở nhiệt độ 0
βt – hệ số nhiệt độ

cm – nhiệt dung riêng của vật liệu
θ - là nhiệt độ của dây dẫn
Q là nhiệt được sinh ra trong dây dẫn
λt – độ dẫn nhiệt riêng của dây dẫn
θ0 là nhiệt độ môi trường
k0 là hệ số chuyển đổi nhiệt
Fc -tổng lực tác động vào phơi
•

S là véctor chuyển vị phơi
⎛•⎞
D1 ⎜ S ⎟ là tốn tử phụ thuộc vào hình dạng của phơi
⎝ ⎠

λ, là hằng số Lame
Gl .là mơ đun trượt
•

V là véc tơ vận tốc chuyển vị phơi;
⎛•⎞
D2 ⎜ V ⎟ là tốn tử mơ tả biến dạng dẽo
⎝ ⎠

pm là ứng suất trong kim loại

Le điện cảm tương đương của hệ thống phôi-cuộn cảm.
Re là điện trở tương đương của hệ thống
C − điện dung của bộ tụ,
V0 − điện thế trao đổi của bộ tụ,



Rext − điện trở tương đương của bộ phận trước đi ốt.
Lext − điện cảm tương đương của bộ phận trước đèn đi ốt
Rdiode − điện trở tương đương của đèn đi ốt
Rint − điện trở tương đương của bộ phận sau đèn đi ốt
Lint − điện cảm của bộ phận sau đèn đi ốt
Rc − điện trở của cuộn dây tạo hình
Lc − độ tự cảm của cuộn dây tạo hình,
Rw − điện trở của phơi,
Lw − độ tự cảm của phôi,
Mcw −Độ tự cảm chung giữa phôi và cuộn dây tạo hình.
Ρo- Mật độ khối ban đầu
σy- Ứng suất chảy dẽo
µ- Mơ đun trượt
Ν- Hệ số Poison


1

CHƯƠNG 1

TỔNG QUAN

1.1 Lịch sử ra đời của phương pháp dập bằng năng lượng điện từ
Dập với vận tốc cao được khám phá vào cuối thập niên 1800, ứng dụng cho
phôi tấm mỏng vào thập niên 1930. Giữa thập niên 1950 và đầu thập niên 1970
chính phủ Mỹ đã tài trợ cho một số nghiên cứu phát triển và ứng dụng dập với
vận tốc cao, gồm có những phương pháp dập nổ, dập thủy tĩnh và dập điện từ.
Trong đó dập bằng năng lượng điện từ yêu cầu phôi phải có khả năng dẫn điện
cao, và cơng nghệ này đã phát triển rất mạnh mẽ trong công nghệ lắp ráp. Thậm

chí là dập bằng phương pháp điện từ được biết đến ở những năm đầu của thế kỷ
XX, nhưng phương pháp này đã khơng được nghiên cứu rộng rãi vì những hạn
chế về kĩ thuật (dụng cụ, vật liệu, công tắc điện cao thế, vật liệu dùng để cách
điện) vì vậy mà phương pháp này đã bị lãng quên trong nhiều thập kỷ, dù nó là
phương pháp đầy hứa hẹn. Thêm vào đó do máy tính lúc bấy giờ khơng đáp ứng
được yêu cầu do công nghệ này yêu cầu. Tuy nhiên, những công ty như Maxwell
Maganform vẫn tiếp tục giới thiệu dụng cụ dập bằng năng lượng điện từ ra thị
trường. Nhóm EMF tại đại học Ohio State University khơi lại quan tâm về công
nghệ này vào đầu thập niên 90 và đã xuất bản nhiều bài báo và luận văn, chứng
minh về tính ưu việt của phương pháp dập bằng năng lượng điện từ cho quá trình
dập kim loại.
Trong suốt một vài thập kỉ sau, nhu cầu của thị trường yêu cầu chi tiết có độ
bền cao và tính kinh tế hơn so với các phương pháp truyền thống và đó cũng
chính là ngun nhân mà khiến cho mọi người quay về với dập bằng phương
pháp điện từ. Hiện nay trên thế giới đã nghiên cứu phương pháp dập điện từ rất
nhiều và đã chế tạo ra máy móc thiết bị dập bằng năng lượng điện từ và rất hiệu
quả.


2

Ngày nay đang nghiên cứu và chế tạo trên vật liệu nhôm, kết hợp với
phương pháp phần tử hữu hạn ANSYS để mô phỏng các vấn đề về di chuyển của
trường điện từ và hiểu thêm về các nguyên tắc về dập bằng trường điện từ .
Phương pháp dập bằng năng lượng điện từ được so sánh như quá trình dập truyền
thống nhưng được thực hiện với vận tốc rất cao. Hiện nay, việc cải thiện cho quá
trình dập điện từ với các đặc tính của phơi như hình dáng hình học, khả năng dẫn
điện, chất lượng, và độ thấm từ có thể được xác định bằng cách điều khiển được
dòng điện và điện thế chạy qua cuộn dây tạo hình.
1.2 Tính ưu việt của phương pháp điện từ

Dập kim loại tấm là một quá trình sản xuất quan trọng vì tốc độ sản xuất cao
và chi phí thấp. Nó là công nghệ hàng đầu trong sản xuất xe hơi, xe có tải trọng
lớn và cơng nghiệp hàng khơng. Những sáng kiến hiện tại trong hai ngành công
nghiệp này đưa ra yêu cầu về bộ khung nhẹ hơn. Kim loại nhẹ, như là thép các
bon cao, hợp kim nhôm, magie, được đưa vào sử dụng để giảm trọng lượng và
giảm lượng tiêu thụ dầu nhớt. Tuy nhiên, khả năng tạo hình của những vật liệu
này có khuynh hướng tạo ra những sự cố không mong đợi. Đồng thời, các nhà
thiết kế xe hơi luôn thiết kế khung xe hơi với hình dáng ngày càng phức tạp để
đáp ứng thị hiếu của người tiêu dùng. Kết hợp hai yêu cầu trên thì cơng nghệ dập
truyền thống khơng đáp ứng.
Q trình dập tấm thành công khi tấm kim loại phẳng được dập thành những
chi tiết hữu dụng với hình dáng như mong đợi và khơng hư hỏng. Q trình dập
tấm kim loại rất phức tạp do khả năng thích ứng với biến dạng để tạo ra những
hình dạng như thiết kế mà khơng hư hỏng trong suốt q trình dập. Khả năng tạo
hình khơng chỉ phụ thuộc vào đặc tính của tấm mà cịn phụ thuộc vào những
thơng số của q trình trong quá trình dập thực hiện. Hình 1.1 sơ đồ của q trình
dập tấm truyền thống. Những cơng cụ dập gồm có như chày, khn và bộ kẹp
phơi mà có thể có hoặc khơng có gờ kéo kèm theo. Chày kéo tấm phẳng vào
khuôn để dập, và bộ kẹp phôi có tác dụng chống lại nhăn và để điều khiển dịng
kim loại vào trong khn.


3

Trong phương pháp dập truyền thống, hư hỏng sản phẩm thường do nhăn và
rách. Nhăn thường xuất hiện ở phần phình ra bên trong bộ kẹp phơi hoặc trong
những mép khơng có giá đỡ, hiện tượng nhăn là do ứng suất nén thừa trong mặt
phẳng tấm dẫn tới giản nở tấm. Trái lại, rách phôi thường là do ứng suất kéo thừa
tác động vào tấm. Để hạn chế được những hư hỏng này, đầu tiên sử dụng vật liệu có
đặc tính vật liệu tốt hơn để giảm nhăn và rách, mà cần phải chọn những vật liệu mới

có đặc tính cơ cao. Cách khác, điều khiển phân bố biến dạng của chi tiết được dập,
phân bố biến dạng lý tưởng là biến dạng đều mà khơng có biến dạng nén thừa và
biến dạng kéo thừa. Vì vậy, kim loại tấm có biến dạng vừa đủ tạo ra những hình
dạng như mong muốn và khơng có hư hỏng cục bộ. Nhiều phương pháp chế tạo
được phát triển để cải thiện khả năng tạo hình tấm, như là điều khiển gờ kéo và lực
kẹp của bộ kẹp phôi hiệu quả, bôi trơn và tối ưu hóa phơi. Chúng có thể được áp
dụng cùng lúc những biện pháp này hoặc là áp dụng từng phương pháp riêng lẻ.
Mặc dù tất cả những phương pháp trên hữu dụng, chúng được áp dụng để điều
khiển dòng kim loại và tiếp theo là tác động gián tiếp vào phân bố biến dạng. Có
một giải pháp có thể hạn chế được những hạn chế trên của phương pháp dập truyền
thống đó là ứng dụng dập bằng năng lượng điện từ, để cải thiện khả năng tạo hình
của tấm kim loại, mà dựa vào ý tưởng của việc phân bố biến dạng trực tiếp mà nó
được yêu cầu và sau đó là điều khiển phân bố biến dạng. Với công nghệ dập bằng
năng lượng điện từ, cuộn dây tạo hình sẽ thay thế cho chày trong dập truyền thống,
mà nó là cơng cụ trực tiếp điều khiển phân bố biến dạng phôi.


4

Trong phương pháp dập truyền thống phôi sẽ được đặt giữa khuôn và chày.
Lực này được tạo ra do chày tác động trực tiếp lên phôi và phôi được tạo hình theo
hình dạng của khn, như trên hình 1.1a. Có nhiều giới hạn do phương pháp này
bao gồm một là do dung sai của khuôn và chày, hai là do thay đổi thiết kế khn và
do hao mịn khn, ba là do hiệu chỉnh khuôn và dụng cụ dập và bốn là do sức
kháng của tấm đối với tốc độ biến cứng cao hoặc là modul đàn hồi thấp, qui trình kĩ
thuật cho việc bơi trơn và trượt.
Dập với vận tốc cao sử dụng nhiều nguồn năng lượng khác nhau để tạo ra lực
tác động vào tấm bao gồm nổ, điện từ và thủy tĩnh. Với các phương pháp này chỉ
u cầu một nửa khn (dưỡng) vì vậy mà làm giảm đáng kể những vấn đề xuất
hiện trong phương pháp dập truyền thống. Phương pháp dập với vận tốc cao được

trong nghiên cứu thực nghiệm là sử dụng cuộn dây có nhiều vịng dây được biết
như là cuộn dây có áp suất đều để tạo ra lực tác động vào phơi. Phương pháp này sử
dụng dịng điện cao tần tạo ra dòng điện cảm trong một khoảng thời gian rất ngắn
ép phôi vào khuôn với vận tốc khoảng 200m/s phụ thuộc vào năng lượng được sử
dụng. Hình 1.1b tấm được ép vào khn bằng năng lượng điện từ.

Hình 1.2 a) Dập tấm truyền thống b) dập tấm bằng năng lượng điện từ [99]

Nhiều nghiên cứu đã được thực hiện để so sánh giữa phương pháp dập truyền
thống và phương pháp dập bằng năng lượng điện từ về độ cứng, khả năng tạo hình
và ảnh hưởng của bề mặt tiếp xúc. Có nhiều yếu tố trong cơng nghệ dập bằng năng
lượng điện từ được phân tích gồm có 1) Năng lượng trao đổi 2) Hình dạng cuộn
dây, 3) Mức áp lực tác động, 4) Khoảng cách mà tấm phải di chuyển, và 5) Vật liệu


5

phôi. Hư hỏng của cuộn dây áp suất đều cũng được tính tốn. Gần đây, một hệ
thống sử dụng Photon Doppler Velocimetry sử dụng tia laze và di chuyển Doppler
được sử dụng để tính tốn vận tốc tấm di chuyển vào khuôn.
1.2.1 Dập tấm truyền thống
Dập tấm truyền thống được sử dụng như là một phương pháp tạo ra nhiều
chi tiết đa dạng gần khoảng 200 năm. Quá trình dập tấm được thực hiện ở nhiệt
độ phòng và được phát triển để sản xuất những bộ phận có khối lượng lớn với chi
phí thấp. Q trình này được dùng cho những dây chuyền sản xuất lớn, như
những chi tiết của ô tô và bộ phận điện, những dụng cụ tiêu dùng. Mơ hình của
q trình dập truyền thống được giải thích trong hình 1.2a.
Những cơng cụ cơ bản trong dập truyền thống là khuôn và dụng cụ dập (chày
và cối), một bộ kẹp phôi, và áp lực. Chày và cối là những cơng cụ để tạo hình hình
dạng của phơi như thiết kế. Bộ kẹp phôi được sử dụng để giữ phần kim loại không

được dập được đặt ở phần đỉnh của khuôn. Tác động lực vào chày và lực này sẽ đẩy
chày tác động vào khn. Hình 1.2 kim loại tấm được ép vào một nửa khn.
Thường có một cái gờ đặt bên ngồi khn để giữ tấm lại và chống trượt. Dập
truyền thống thường được sử dụng trong công nghiệp ô tô để sản xuất thùng chứa,
như khung, hệ thống xả, nắp, khung nhà và cửa vì thu được đặc tính cơ và đảm bảo
những chi tiết với trọng lượng nhẹ ở tốc độ cao và chi phí thấp cho việc cải thiện
hoàn toàn trong hiệu suất sử dụng nhiên liệu và u cầu thiết kế.
Có ít nhất là bốn giới hạn đối với phương pháp dập truyền thống. Thứ nhất là
dung sai giữa khuôn và chày. Dung sai này cần phải rất chính xác để tạo ra kích
thước chấp nhận được. Vấn đề thứ hai là thay đổi thiết kế và hao mòn dụng cụ. Đây
là vấn đề quan trọng bởi vì khi phát triển quá trình sản xuất đối với quan điểm thiết
kế dòng, thay đổi trạng thái trễ cho những phần được làm với phương pháp dập
truyền thống rất khó. thay đổi này cần phải tiến hành cả trên khn và chày, mà nó
sẽ làm tăng kích thước lên rất phức tạp. Hiệu chỉnh khn và chày cũng là một vấn
đề quan trọng. Khơng có hiệu chỉnh chính xác, chày có thể bị trượt trên tấm hoặc là


6

tạo ra những vùng biến mỏng cục bộ vì vậy dẫn đến xuất hiện những vùng hư hỏng.
Tình trạng hư hỏng này sẽ tăng lên nếu dập những chi tiết phức tạp hơn. Vấn đề
quan trọng cuối cùng đó là khả năng tạo hình ở các loại hợp kim, trong phương
pháp dập truyền thống không thể thực hiện được với một số loại hợp kim. Vì vậy
mà ở những vật liệu có khả năng kéo nén giảm phải yêu cầu một phương pháp khác
để gia công.
1.2.2 Dập với vận tốc cao
Dập với vận tốc cao là q trình dập phơi bằng cách chuyển năng lượng vào
trong phôi một cách nhanh chóng trong một khoảng thời gian rất ngắn [1]. Trong
quá trình dập kim loại, ngay khi cung cấp cho quá trình một động năng cần thiết
năng lượng này sẽ tác động vào phơi một cách nhanh chóng, động năng này chuyển

thành q trình biến dạng dẽo khi mà phơi tiếp xúc với bề mặt của khuôn. Yêu cầu
vận tốc cao (điển hình 50-300m/s). Những yếu tố giúp chúng ta có thể phân biệt với
cơng nghệ dập truyền thống đó là độ lớn và thời gian sử dụng áp lực.
Trong trường hợp dập với vận tốc cao, áp lực cao sẽ tác động vào phôi trong
một khoảng thời gian rất ngắn như vậy những yếu tố như lực quán tính và động
năng tác động vào phôi rất quan trọng [2]. Do đó năng lượng phóng ra bị hút trong
phơi, chúng cũng được gọi là quá trình dập với tốc độ năng lượng cao. Dưới điều
kiện dập với vận tốc cao, những tính chất vật lý khác nhau và lực quán tính trở
thành một yếu tố quan trọng. Dưới điều kiện dập truyền thống, lực quán tính được
bỏ qua khi mà vận tốc dập khoảng nhỏ hơn 5m/s trong khi đó quá trình dập với vận
tốc cao tác động vào phơi với vận tốc là khoảng 100 m/s [2] . Dập với vận tốc cao
chỉ sử dụng một nửa khn, vì vậy những vấn đề liên quan như là dung sai, gia
công và hiệu chỉnh được giảm đáng kể.
Ph ương pháp dập với vận tốc cao có thể cải thiện khả năng tạo hình, phân bố
biến dạng đều hơn trong quá trình đơn, và dụng cụ gia công nhẹ. Với phân bố biến
dạng đều hơn, hợp kim bị biến cứng có thể được dập và giảm q trình tơi trung
gian. Có một số các phương pháp dập với vận tốc cao dựa vào nguồn năng lượng để


7

tạo ra vận tốc cao. Những phương pháp phổ biến là nổ, thuỷ lực, điện từ. Phôi được
cung cấp động năng ngay ở đầu q trình và sau đó trong quá trình dập động năng
ban đầu sẽ bị tiêu hao ngay khi xảy ra biến dạng dẽo lúc đó lực quán tính lớn.
Những yếu tố vật lý để xác định biên dạng vận tốc phóng ra của phơi trong mỗi
phương pháp khác nhau. Những quá trình này đã được sử dụng từ đầu thế kỷ 50 và
trong những tài liệu cũ cho thấy có những cơng nghệ khác nhau như là khí nén điều
khiển búa, nổ sử dụng gas, đốt cháy những chất nổ.
Sau đây là một số công nghệ dập với vận tốc cao điển hình.
1.2.2.1 Cơng nghệ dập bằng phương pháp nổ

Quá trình dập bằng phương pháp nổ là quá trình sử dụng năng lượng nổ mạnh
để định hình phơi thành những hình dạng riêng biệt [4]. Phụ thuộc vào vị trí nguồn
nổ đến phơi, cơng nghệ này được chia thành hai loại – tiếp xúc và không tiếp xúc.
Trong q trình khơng tiếp xúc, năng lượng được phóng ra tại một vị trí cách xa
phơi và đi qua một môi trường trung gian (thường là nước), dưới dạng xung áp lực.
Trái lại, quá trình tiếp xúc nguồn nổ tiếp xúc trực tiếp với phơi. Vì vậy, với nguồn
năng lượng khác nhau có biến đổi cơ tính phơi khác nhau. Nhìn chung khoảng cách
trong q trình khơng tiếp xúc lớn tạo ra tổng biến dạng kéo lớn hơn trong khi đó
nếu khoảng cách gần hơn làm tăng biến dạng kéo. Tốc độ biến dạng trung bình
trong quá trình dập nổ khoảng 10-100/s. Chất nổ thường được sử dụng là TNT,
RDN, chất nổ Pentolite và hợp chất khơng khói. Vận tốc biến dạng <1 m/s đến 8300
m/s với áp lực lên đến 23 GPa [2].
Bảng 1.1 Đặc tính của chất nổ dùng trong công nghệ dập nổ [1,4]
Chất nổ
2,4,6-trinitroltoluene (TNT)
Cyclotrimethylene
trinitramine (RDX)
Pentaerythrite (PETN)
Hợp chất khơng khói

Vận tốc biến dạng
(m/s)
7010.4

Năng lượng
(J/g)
780

Áp lực
(GPa)

16.536

8382

1265

23.426

8290.56
<1

1300
300

22.048
0.35


8

Hình 1.3 Sơ đồ quá trình dập nổ điển hình. (a) sử dụng ngịi nổ để dập ống hình trịn,
(b) dập tấm phẳng [1,7]

Hình 1.3 Sơ đồ của quá trình dập nổ. Phương pháp dập nổ là một trong những
phương pháp dập vận tốc cao được áp dụng rộng rãi nhất cho những linh kiện lớn,
phương pháp này được sử dụng phổ biến trong quá trình sản xuất khối lượng nhỏ
cho những bộ phận phức tạp của những vật liệu có độ bền dai. Nhờ sử dụng phương
pháp nổ việc sản xuất những bộ phận này không phải tạo những cơng cụ máy móc
phức tạp và nặng. Một trong những phương pháp sản xuất có đủ khả năng chịu
được những yếu tố tấm dày như thân tàu, những linh kiện gây nổ lớn và trao đổi

nhiệt [9]. Hình 1.4 là một vài hình ảnh của những mẫu được dập bằng phương pháp
dập nổ.
Những ưu điểm chính cơng nghệ này hơn những công nghệ truyền thống là sử
dụng một nửa khuôn và chính vì vậy mà làm giảm thời gian cần thiết để tạo mẫu và
cũng làm giảm giá thành cho hệ thống. Dập có thể được thực hiện khi có khuôn
hoặc là không dùng khuôn [8].


9

(a)

(d)

(c)

(b)

Hình 1.4 Kết quả thực tế thu được từ quá trình dập nổ điển hình (a) Đỉnh vịm có
đường kính 10 fut (3,048cm) được dập với vật liệu là AA2014-0, (b) Một ống thép chống
ăn mòn 310 dẫn tia lửa điện , (c) Khung máy bay làm từ thép chống ăn mịn 321 được
dập với q trình đơn, (d) Một ống được làm nếp với đường kính 15,24cm từ thép chống
ăn mòn A-286 dày 0.0254c m [7]

1.2.2.2 Phương pháp dập thủy tĩnh
Phương pháp dập bằng năng lượng thủy tĩnh là công nghệ dập với vận tốc cao
dùng năng lượng điện để trao đổi trong môi trường dung dịch trung gian để chuyển
năng lượng tĩnh thành năng lượng cơ để làm biến dạng kim loại. Năng lượng được
dự trữ trong bộ tụ (khoảng 10-100kJ) và nó được trao đổi qua khe đánh lửa hoặc là
qua cuộn dây nối với khe tạo ra điện, phần này nằm trong dung dịch (thường là