Ép đùn là gì? Các bài báo nghiên cứu khoa học liên quan

Định nghĩa Ép đùn

Ép đùn (extrusion) là quá trình gia công tạo hình vật liệu bằng cách đẩy hoặc kéo phôi qua một khuôn (die) có tiết diện ngang xác định. Vật liệu được nén và biến dạng dẻo để chảy ra khỏi khuôn, hình thành sản phẩm có tiết diện liên tục và độ dài bất kỳ theo yêu cầu.

Ép đùn nóng (hot extrusion) thực hiện ở nhiệt độ trên nhiệt độ tái kết tinh của vật liệu, thường từ 350 °C đến 600 °C đối với nhôm hoặc 900 °C đến 1200 °C đối với thép. Trong khi đó, ép đùn nguội (cold extrusion) diễn ra ở nhiệt độ gần nhiệt độ phòng, tận dụng độ dẻo cao của kim loại sau xử lý trước để giảm ma sát và nâng cao độ chính xác kích thước.

Quá trình ép đùn giúp kiểm soát tốt kết cấu vi mô và hướng hạt, nhờ đó cải thiện tính cơ học dọc theo chiều dài sản phẩm. Ép đùn ứng dụng rộng rãi trong sản xuất thanh, ống, thanh rãnh phức tạp cho công nghiệp ô tô, xây dựng và điện–điện tử.

Lịch sử và phát triển công nghệ

Khởi nguồn của ép đùn kim loại xuất hiện ở châu Âu thế kỷ XIX, khi các xưởng đúc chì và thiếc sử dụng máy ép đơn giản do Joseph Bramah phát minh năm 1797. Đến giữa thế kỷ XIX, công suất máy ép thủy lực đã đạt hàng trăm tấn, cho phép xử lý phôi thép và đồng với tiết diện lớn.

Thập niên 1950, ép đùn nhôm trở thành công nghệ chủ đạo trong ngành hàng không, khi hãng Alcoa phát triển lò nung và máy ép liên tục cho phôi nhôm không gỉ. Sự ra đời của hệ thống gia nhiệt cảm ứng (induction heating) giúp kiểm soát chính xác nhiệt độ phôi trước khi ép.

Cuối thế kỷ XX, sự xuất hiện của máy ép đùn điều khiển số CNC và hệ thống thủy lực servo đã nâng cao độ chính xác, giảm tối đa sai số kích thước và khuyết tật bề mặt. Đồng thời, phần mềm mô phỏng phần tử hữu hạn (FEA) trở thành công cụ thiết kế khuôn và tối ưu quy trình.

Phân loại phương pháp ép đùn

Ép đùn trực tiếp (direct extrusion) là phương pháp phổ biến nhất, trong đó pít-tông đẩy phôi thẳng qua khuôn, lực ma sát lớn giữa phôi và thành thùng ép dẫn đến áp suất cao ở giai đoạn đầu. Ngược lại, ép đùn ngược (indirect extrusion) giữ phôi cố định, chuyển động tương đối chỉ giữa khuôn và piston, giảm lực ma sát và áp suất đùn.

Theo hướng biến dạng, ép đùn trục (axial extrusion) thực hiện chuyển động dọc trục thùng ép, còn ép đùn quay (radial extrusion) áp dụng lực tịnh tiến kết hợp quay, giúp tạo sản phẩm dạng ống hoặc hình vòng với tiết diện phức tạp.

• Ép đùn thủy lực: dùng piston và dầu thủy lực tạo lực lớn, thích hợp cho kim loại cứng.
• Ép đùn trục vít (screw extrusion): chủ yếu dùng cho nhựa và composite, phôi được nén trên vít tải.
• Ép đùn nguội: tiết kiệm năng lượng, tăng độ chính xác kích thước.

Thông số quy trình

Nhiệt độ phôi, tốc độ đùn và áp suất là các thông số then chốt quyết định chất lượng bề mặt, độ biến dạng và kết cấu vi mô. Đối với nhôm, nhiệt độ ép nóng thường duy trì 350–450 °C; với thép, nhiệt độ có thể lên đến 1100 °C. Tốc độ đùn ảnh hưởng đến độ nhám bề mặt và độ bán kính cong tối thiểu của sản phẩm.

Áp suất cần thiết để đẩy phôi qua khuôn xấp xỉ tính theo công thức: $P \approx k \ln\frac{A_0}{A_f}$ với \(A_0\), \(A_f\) là diện tích tiết diện trước và sau khuôn, \(k\) hệ số ma sát – liên kết giữa phôi và thùng.

Hệ số bôi trơn và loại dầu bôi cũng ảnh hưởng lớn đến ma sát, độ mòn khuôn và tuổi thọ thiết bị. Lựa chọn dung dịch bôi trơn phù hợp giúp giảm lực đùn và tăng chất lượng sản phẩm.

Thiết kế khuôn và dụng cụ

Thiết kế khuôn ép đùn yêu cầu tính toán chính xác hình dạng tiết diện, độ dày thành và độ cong để đảm bảo dòng vật liệu chảy đều, tránh xoáy và phân lớp. Khuôn thường chế tạo từ thép hợp kim chịu mài mòn cao (ví dụ H13, D2) để chịu được áp suất lên đến hàng trăm MPa và nhiệt độ cao trong ép nóng. Công tác xử lý nhiệt (heat treatment) sau gia công giúp tăng độ cứng bề mặt và độ bền mỏi của khuôn.

Công cụ hỗ trợ như ống dẫn (container), piston, bushings và ring guide phải tương thích với khuôn để đảm bảo kín khít, giảm rò rỉ phôi và hạn chế mài mòn. Việc đo đạc độ mòn định kỳ và tái mài chính xác là bước quan trọng trong bảo trì để duy trì chất lượng sản phẩm liên tục.

• Thiết kế theo mô hình phần tử hữu hạn (FEA) để dự đoán ứng suất và biến dạng của khuôn.
• Chọn lớp phủ chống mài mòn (PVD/CVD) nâng cao tuổi thọ khuôn.
• Khả năng điều chỉnh khe hở và góc nêm để tối ưu áp suất đùn.

Vật liệu và tính chất

Vật liệu phôi cho ép đùn bao gồm kim loại màu (nhôm, đồng, đồng thau), thép cacbon và thép không gỉ, titan, thậm chí hợp kim siêu bền (superalloys) cho ứng dụng nhiệt độ cao. Tiêu chí lựa chọn bao gồm độ dẻo ở nhiệt độ thao tác, độ bền cơ học và khả năng chống oxy hóa.

Trong ép đùn nóng, vật liệu cần có nhiệt độ tái kết tinh thấp để tránh rạn nứt và đứt gãy trong quá trình biến dạng. Ngược lại, ép đùn nguội đòi hỏi vật liệu có độ dẻo cao sau xử lý trước (heat treatment hoặc work hardening) để giảm lực ma sát và giữ kích thước ổn định.

Kiểm soát thành phần hóa học và độ tinh khiết qua phân tích quang phổ (OES) giúp giảm khuyết tật như lỗ rỗng hay tách lớp trong phôi ép. Sự ổn định vi cấu trúc sau ép và xử lý nhiệt tiếp theo quyết định tính chất cơ học cuối cùng.

Máy móc và thiết bị

Máy ép đùn thủy lực dạng piston hoặc trục vít (screw extruder) được sử dụng tùy theo loại vật liệu. Máy piston cung cấp lực đùn lớn phù hợp kim loại, còn máy trục vít phổ biến trong sản xuất nhựa và composite với khả năng kiểm soát nhiệt độ và lưu lượng chính xác.

Hệ thống gia nhiệt phôi (induction heater) trước khuôn đảm bảo phôi đạt nhiệt độ đồng đều, giảm ứng suất nhiệt. Cảm biến nhiệt độ IR và bộ điều khiển PID phối hợp liên tục giám sát và điều chỉnh nhiệt độ phôi trong dải ±5 °C so với giá trị cài đặt.

• Máy ép thủy lực: công suất 500–2000 tấn, tích hợp servo-valve để điều khiển dòng dầu.
• Máy ép trục vít: đường kính vít từ 20–80 mm, điều khiển tốc độ và nhiệt độ vùng độc lập.
• Thiết bị cấp phôi tự động và hệ thống bôi trơn tập trung giảm thiểu thời gian chết.

Thiết bị cắt sản phẩm sau khuôn gồm dao quay hoặc dao cắt nguội (cold shear) giúp tạo kích thước chính xác và bề mặt sạch, sẵn sàng cho giai đoạn xử lý tiếp theo như gia nhiệt hoặc gọt tinh.

Ứng dụng công nghiệp

Ép đùn kim loại và nhựa đóng vai trò nền tảng trong nhiều ngành công nghiệp. Trong ô tô, các thanh dẫn hướng cửa, khung ghế và chi tiết giảm chấn được ép đùn để giảm trọng lượng và tăng độ bền kết cấu. Ngành xây dựng sử dụng thanh nhôm định hình cho cửa sổ, vách kính và hệ khung mặt dựng.

• Điện–điện tử: thanh dẫn điện, heatsink nhôm cho máy tính và thiết bị viễn thông.
• Hàng không vũ trụ: hợp kim siêu bền và titan ép đùn cho khung, dầm và hệ thống dẫn nhiên liệu.
• Hàng tiêu dùng: tay nắm cửa, thanh ray, phụ kiện nội thất kim loại và nhựa.

Ứng dụng ép đùn nhựa (polypropylene, PVC) trong sản xuất ống pvc, tấm che nắng và profile nội thất giúp giảm thiểu phế liệu và tăng tốc độ sản xuất hàng loạt.

Ưu điểm và hạn chế

Ép đùn cho phép tạo hình liên tục với tiết kiệm vật liệu, giảm bước gia công sau ép như phay, tiện. Hướng hạt kéo dài theo chiều đùn cải thiện tính cơ lý dọc theo sản phẩm, tăng khả năng chống kéo nén và mỏi kim loại.

• Ưu điểm: năng suất cao, tiết kiệm phôi, khả năng tạo hình tiết diện phức tạp.
• Hạn chế: đầu tư khuôn ban đầu lớn, giới hạn chiều dày thành và bán kính cong tối thiểu.
• Yêu cầu kiểm soát chặt chẽ thông số để tránh khuyết tật bề mặt như nứt, xoáy hay tách lớp.

Tối ưu hóa quy trình bằng bôi trơn, điều khiển nhiệt độ và thiết kế khuôn phù hợp là chìa khóa khắc phục hạn chế, mở rộng khả năng ứng dụng của ép đùn trong sản xuất công nghiệp.

Tài liệu tham khảo

1. ScienceDirect Topics, “Extrusion Process,” Elsevier, truy cập 2025, sciencedirect.com.
2. ASM International, “Extrusion of Metals,” ASM Handbook, Vol. 14A, 2019, asminternational.org.
3. TWI Global, “What is Extrusion?,” TWI FAQs, 2024, twi-global.com.
4. Thomas, J. P., “Design of Extrusion Dies,” Journal of Materials Processing Technology, vol. 267, 2019, pp. 1–12.
5. Kalpakjian, S. & Schmid, S. R., Manufacturing Engineering and Technology, 7th ed., Pearson, 2020.