Bài giảng công nghệ tạo hình vật liệu pgs lê thái hùng

14-Feb-20 MSE3091 CƠNG NGHỆ TẠO HÌNH VẬT LIỆU P G S T S L Ê T H Á I H Ù N G PGS Lê Thái Hùng B Ộ M Ô N Vi C Ơệ nHKỌhCo aV Ậ T L I Ệ U VÀ C Á N K I M LO Ạ I học Kỹ thuật vật liệu Em a i lK: HhO un lÀ e t hNaỘi @ Đ Ạ I H Ọ C BÁ CH Ag H I hust.edu.vn E M A I L : H U N G L E T H A I @ H U S T E D U.V N 1 GIỚI THIỆU MÔN HỌC THÔNG TIN CHUNG Tên học phần: Cơng nghệ tạo hình vật liệu Mã số học phần: (Materials Forming Technologies) MSE3091 Khối lượng: 3(3-1-0-6) - Lý thuyết: Bài tập/BTL: 15 tiết Thí nghiệm: tiết Học phần tiên quyết: - MSE2011: Nhập môn KH KT vật liệu Học phần học trước: - MSE3031: Các trình kỹ thuật vật liệu MSE3401: Hành vi nhiệt vật liệu Học phần song hành: - MSE3101: Luyện kim vật lý Mô tả học phần - Điểm thành phần [1] A1 Điểm trình (*) A2 Điểm cuối kỳ 45 tiết Cơ sở lý thuyết gia cơng biến dạng tạo hình vật liệu Các phương pháp tạo hình kim loại gia cơng áp lực: tạo hình khối, tạo hình tấm; Tạo hình vật liệu compozit; Tạo hình cơng nghệ đúc; Tạo hình in 3D; Các phương pháp tạo hình đặc biệt khác CĐR đánh Tỷ Phương pháp đánh giá cụ thể Mô tả giá trọng [2] [3] [4] [5] Đánh giá trình 40% A1.1 Đi học đầy đủ Thuyết trình M1.1; M1.2; M1.3; 30% M2.1; M2.2; M3.1; A1.2 Thảo luận, Bài tập nhóm A2.1 Thi cuối kỳ Thi viết M1.1; M1.2; M1.3; 70% M2.1; M2.2; M3.1; 2 14-Feb-20 GIỚI THIỆU MÔN HỌC KẾ HOẠCH GIẢNG DẠY Tuần [1] Nội dung [2] Phần Quá trình tạo hình gia cơng áp lực [3] M1.1 M1.3 Hoạt động dạy học [4] Giảng bài; M2.1 M2.3 Giảng bài; CĐR học phần Giới thiệu chung: - Mục tiêu; Kế hoạch học tập; Khái niệm, Phân loại phương pháp tạo hình, - Ưu nhược điểm phương pháp tạo hình Cơ sở lý thuyết gia cơng biến dạng tạo hình vật liệu 2.1 Mối liên hệ cấu trúc, tính chất cơng nghệ tạo hình 3-4 2.2 Ảnh hưởng yếu tố cơng nghệ Cơng nghệ tạo hình khối Bài tập M2.1 M2.3; M3.1 Giảng bài; 3.1 Tạo hình khn kín Bài tập 3.2 Tạo hình khn hở 3.3 Ép chảy 3.4 Cán hình 5-6 3.5 Kéo dây Cơng nghệ tạo hình M2.1 M2.3; M3.1 Giảng bài, Bài tập 4.1 Cắt hình, đột lỗ 4.2 Uốn 4.3 Dập vuốt 7-8 4.4 Cán Cơng nghệ tạo hình vật liệu compozit cơng nghệ tạo hình đặc biệt khác M2.1 M2.3; M3.1 Giảng bài; Tạo hình vật liệu compozit: polyme, kim loại Ceramic; Tạo hình vật liệu bột; Tạo hình đặc biệt khác: hàn, cắt, đột… Bài tập 3 GIỚI THIỆU MÔN HỌC KẾ HOẠCH GIẢNG DẠY Phần 2: Q trình tạo hình cơng nghệ in 3D 10 M2.1 M2.3; M3.1 Vật liệu in 3D Các công nghệ in 3D Công nghệ in 3D SLA ứng dụng Công nghệ in SLS ứng dụng Công nghệ in 3D FDM ứng dụng Công nghệ in 3D kim loại ứng dụng Các công nghệ in khác Giảng bài; Bài tập 11 Phần Quá trình tạo hình kim loại công nghệ đúc M2.1 M2.3 Giảng 12 Cơ sở lí thuyết q trình đúc 1.1.1 Định nghĩa 1.1.2 Các phương pháp đúc 1.1.3 Cấu tạo khuôn đúc 1.1.4 Yêu cầu khuôn đúc 1.2 Đúc khuôn cát - Green sand 1.2.1 Lý thuyết hình thành độ bền khn 1.2.2 Các phương pháp làm khn 1.2.3 Khuyết tật vật đúc biện pháp phịng ngừa 1.2.4 Thiết kế công nghệ đúc (bài tập) Các phương pháp đúc tạo hình M2.1 M2.3 Giảng bài; 13 14 15 2.1 Đúc khuôn kim loại – Die casting 2.2 Đúc áp lực cao – High pressure die casting 2.3 Đúc áp lực thấp – Low pressure casting 2.4 Đúc mẫu chảy – Investment casting 2.5 Đúc mẫu cháy – Lost foam casting 2.6 Đúc bán lỏng – Semi-solid casting Bài tập M2.1 M2.3 Giảng bài; M2.1 M2.3 Giảng bài; Bài tập M2.1 M2.3 Giảng bài; Bài tập Ôn tập cuối kỳ 4 14-Feb-20 NỘI DUNG Giới thiêu chung: phương pháp gia công, sản phẩm, ưu nhược điểm Cơ sở trình gia công kim loại Các yếu tố ảnh hưởng trình tạo hình Các phương pháp tạo hình Các phương pháp tạo hình khối Một số phương pháp tạo hình đặc biệt khác Ứng dụng tạo hình vật liệu kim loại 5 GIỚI THIỆU CHUNG Chế tạo cách ? Trục khuỷu Khớp nối ô tô 6 14-Feb-20 GIỚI THIỆU CHUNG Lựa chọn phương pháp để chế tạo chi tiết trục bậc ? Mối hàn Đúc GCAL Cắt gọt Phoi Ghép nối: Hàn 7 GIỚI THIỆU CHUNG Các phương pháp gia cơng tạo hình vật liệu NHĨM GIA CƠNG ÁP LỰC/BIẾN DẠNG TẠO HÌNH 8 14-Feb-20 GII THIU CHUNG Phay máy phay trục Đúc Stator từ gang xám Tiện In 3D??? Khoan 9 GII THIU CHUNG Ghép đinh tán Hàn Phủ TiN phơng pháp PVD Nhiệt luyện nâng cao độ cøng 10 10 14-Feb-20 GIỚI THIỆU CHUNG Sản phẩm gia cơng biến dạng tạo hình vật liệu 11 11 GIỚI THIỆU CHUNG Sản phẩm gia công biến dạng tạo hình vật liệu 12 12 14-Feb-20 GIỚI THIỆU CHUNG Sản phẩm gia công biến dạng tạo hình vật liệu Dập vỏ tơ Chi tiết vỏ Ô tô Chi tiết rỗng thiết bị dẫn dầu, khí 13 13 GIỚI THIỆU CHUNG Sản phẩm trình đúc 14 14 14-Feb-20 GIỚI THIỆU CHUNG Sản phẩm trình in 3D 15 15 GIỚI THIỆU CHUNG Chủng loại sản phẩm phong phú, đa dạng ứng dụng hầu hết lĩnh vực kinh tế quốc dân đời sống xã hội xây dựng, giao thông vận tải, kỹ thuật điện điện tử, hố chất, hàng kim khí gia dụng, v.v 16 16 14-Feb-20 GIỚI THIỆU CHUNG Gia cơng áp lực hay Cơng nghệ tạo hình vật liệu kim loại áp lực: Phương pháp gia công vật liệu dựa biến dạng dẻo, thay đổi hình dạng suốt q trình gia cơng để đạt hình dáng, kích thước cuối theo mong muốn, khơng có phá hủy liên kết bảo tồn thể tích Chiếm vị trí quan trọng với tỷ trọng ngày tăng sản xuất khí luyện kim Ưu điểm phương pháp gia cơng áp lực • Tiết kiệm ngun vật liệu gia cơng khơng phoi • Năng suất cao, hạ giá thành sản phẩm • Tạo sản phẩm có hình dáng, kích thước mong muốn • Cải thiện tính vật liệu thơng qua biến dạng 17 17 GII THIU CHUNG Cắt gọt Dập tạo hình Dập tạo hình tiết kiệm đợc 75% vật liệu so víi c¾t gät 18 18 14-Feb-20 GIỚI THIỆU CHUNG Tạo hớng thớ vật liệu liên tục làm nâng cao khả chịu tảI trọng cho chi tiết Hớng thớ dập tạo hình Hớng thớ sau cắt gọt 19 19 GIỚI THIỆU CHUNG T¹o híng thí vËt liƯu liên tục làm nâng cao khả chịu tảI trọng cho chi tiÕt (a) đúc, (b) cắt gọt, (c) dập tạo hình 20 20 10 14-Feb-20 • It is best done with double-action press Punch • Using a blank holder or a holddown ring Holddown ring •Complex interaction between metal and die depending on geometry •No precise m athematical description can be used to represent the processes in simple terms 297 297 Flange A cup is subjected to three different types of deformation As the metal being drawn, Triaxial Cup wall Punch region Biaxial • Change in radius • Increase in cup wall Biaxial Thickness profile of drawn cup Stresses and deformation in a section from a drawn cup Clearance between the punch and the die > 10-20% thickness • Metal in the punch region is thinned down € biaxial tensile stress • Metal in the cup wall is subjected to a circum ference strain, or hoop and a radial tensile strain • Metal at the flange is bent and straightened as well as subjected to a tensile stress at the same time 298 298 149 14-Feb-20 Redrawing •Use successive drawing operations by reducing a cup or drawn part to a sm aller diameter and increased height – known as redrawing Examples: slender cups such as cartridge case and closedend tubes 1) Direct or regular redrawing : smaller diameter is produced by means of a hold-down ring The metal must be bent at the punch and unbent at the die radii see Fig (a) Tapered die allows lower punch load, Fig (b) 2)Reverse orindirectredrawing : the cup is turned inside out € the outside surface becomes the inside surface, Fig (c) Better control of wrinkling and no geometrical lim itations to the use of a holddown ring 299 299 Punch force vs.punch stroke Punch force = Fdeformation + Ffrictional + (Fironing) Fdeformation Ffrictional Fironing - varies with length of travel - mainly from hold down pressure - after the cup has reached the m axim um thickness 300 300 150 14-Feb-20 Drawability (deep drawing) Drawability is a ratio of the initial blank diameter (Do) to the diameter of the cup drawn from the blank ~ punch diameter (DP) Lim iting draw ratio (LDR) D o LDR   D  p Where     e   max …Eq.4 is an efficiency term accounting for frictional losses Normally the averagemaximum reduction in deep drawing is ~ 50% 301 301 Practical considerations affecting drawability • Die radius – should be about 10xsheetthickness • Punch radius – a sharp radius leads to local thinning and tearing Clearance between punch and die should be about 2040% > sheet thickness • Hold-down pressure – about 2% of average o and u • Lubrication of die side - to reduce friction in drawing • Material properties - low yield stress, high work hardening rates, high values of strain ratio of width to thickness R • Since the forming load is carried by the side wall of the cup, failure therefore occurs at the thinnest part •In practice the materials always fails either at (a) the shoulder of the die and (b) the shoulder of the punch 302 302 151 14-Feb-20 Practical considerations for round and rectangular shells • Different pressures (tension, compression, friction, bending) force the material into shape, perhaps with multiple successive operations www.drawform.com Round shell •Different flow patterns at sides and corners •Corners require similar flow as round shells while sides need simple bending •The corner radii control the maximum draw depth • Centre to center distance of corners  x corner radius • Bottom radius  corner radius Rectangular shell 303 303 To improve drawability •To avoid failures in the thin parts (at the punch or flange), metal in that part need to be strengthened, or weaken the metal in other parts (to correct the weakest link) •If sufficient friction is generated between punch and workpiece, more of the formingload is carried bythethicker parts • Concerning about crystallographic texture (slip system), degree of anisotropy or strain ratio R The dependence of limitingdraw ratio on R and work hardening rate, n 304 304 152 14-Feb-20 The plastic strain ratio R measures the normal anisotropy, which denotes high resistance to thinning in the thickness direction ln(w / w)/ w) ln(w R = R = ln(h o/ h) ln(ho / h) o …Eq.5 o Where w o and w are the initial and final width ho and h are the initial and final thickness But it is difficult to measure thickness on thin sheets, therefore we have R= ln(wo / w) ln(wL/ wo Lo ) …Eq.6 305 305 Example: A tension test on a special deep-drawing steel showed a 30% elongation in length and a 16% decrease in width What limiting draw ratio would be expected for the steel? L− Lo = 0.30 Lo w − wo wo R= = −0.16 L Lo = 1.30 w = − 0.16 = 0.84 wo ln(wo / w) ln(1/ 0.84) = ln((w/ wo )(L/ Lo )) ln(0.84  1.30) = ln1.190 = 1.98 ln1.092 From Fig 20-16 Dieter page 673, the limiting draw ratio ~ 2.7 306 306 153 14-Feb-20 Forming limit criteria • Tensile test only provides ductility, work hardening, but it is in a uniaxial tension with frictionless, which cannot truly represent material behaviours obtained from unequal biaxial stretching occurring in sheet metal forming • Sheetmetal formabilitytests are designed to measure the ductility of a materials under condition similar to those found in sheet metal forming 307 307 Erichsen cupping test •Simple and easy •symmetrical and equal biaxial stretching •Allow effects of tool-workpiece interaction and lubrication on formability to be studied •The sheet metal specimen is hydraulically punched with a 20mm diameter steel ball at a constant load of 1000 kg •The distance d is measured in millimetres and known as Erichsen number Results of cupping test on steel sheets 308 308 154 14-Feb-20 The forming limit diagram • The sheet is marked with a close packed array of circles using chemical etching or photo printing techniques Grid analysis (a) before (b) after deformation of sheet •The blank is then stretched over a punch, resulting in stretching of circles into ellipses Major strain 1(%) 120 100 •The major and minor axes of an ellipse represent the two principal strain directions in the stamping Failure 80 2 •The percentage changes in these strains are compared in the diagram • Comparison is done in a given thickness of the sheet 1 60 A 40 Safe B 2 AK steel 1 20 -40 -20 20 40 60 Minor strain 2(%) 80 100 Forming limit diagram 309 309 Example: A grid of 2.5 mm circles is electroetched on a blank of sheet steel After forming into a complex shape the circle in the region of critical strain is distorted into and ellipse with major diameter 4.5 mm and minor diameter 2.0 mm How close is the part to failing in this critical region? Major strain 1(%) 120 Major strain 100 4.5 − 2.5  10= 80% e1 = 2.5 2 Minor strain e2 = 2.0 − 2.5  10= −20% 2.5 Failure 80 1 60 A 40 Safe B 2 AK steel 1 20 -40 -20 20 40 60 Minor strain 2(%) 80 100 Forming limit diagram The coordinates indicate that the part is in imminent danger of failure 310 310 155 14-Feb-20 Defects in formed parts www.bgprecision.com Springback problem • Edge conditions for blanking •Local necking or thinning or buckling and wrinkling in regions of compressive stress •Springback tolerance problem s Crack near punch region •Cracks near the punch region in deep drawing € minimised by increasing punch radius, lowering punch load 311 311 •Radial cracks in the flanges and edge of the cup due to not sufficient ductility to withstand large circumferential shrinking •W rinkling of the flanges or the edges of the cup resulting from buckling of the sheet (due to circumferential compressive stresses) € solved by using sufficient hold-down pressure to suppress the buckling •Surface blem ishes due to large surface area EX: orange peeling especially in large grain sized metals because each grain tends to deform independently € use finer grained metals •Mechanical fibering has little effect on formability •Crystallographic fibering or preferred orientation may have a large effect Ex: when bend line is parallel to the rolling direction, or earing in deep drawn cup due to anisotropic properties Earing in drawn can aluminium.matter.org.uk 312 312 156 14-Feb-20 •Stretcher strains or ‘worm s’ (flamelike patterns of depressions) Associated with yield point elongation •The metal in the stretcher strains has been strained an amount = B, while the remaining received essentially zero strain •The elongation of the part is given by some intermediate strain A Stretcher strain in low-carbon steel A •The number of stretcher strains increase during deformation The strain will increase until the when the entire part is covered it has a strain equal to B B Relation of stretcher strain to stress strain curve Solution: give the steel sheet a small cold reduction (usually 0.5-2% reduction in thickness) Ex: temper-rolling, skin-rolling to eliminate yield point 313 313 References • Dieter, G.E., Mechanical metallurgy, 1988, SI metric edition, McGraw-Hill, ISBN 0-07-100406-8 • Edwards, L and Endean, M., Manufacturingwith materials, 1990, Butterworth Heinemann, ISBN 0-7506-2754-9 314 314 157 14-Feb-20 Chapter Advanced metal forming processes Subjects ofinterest • Introduction/Objectives • Superplastic forming • Pressing and sintering • Isostatic pressing 315 315 Objectives • This chapter aims to provide additional information on several techniques of metal forming processes other than those conventional process already mentioned in previous chapters • The requirements for the process selection will be added, which are based on advantages and disadvantages of each type of non-conventional metal forming processes 316 316 158 14-Feb-20 Introduction • Advanced techniques for metal forming are listed below; 1) Superplastic forming 2) Pressing and sintering 3) Isostatic pressing (hot and cold) 317 317 Superplastic forming • The term superplasticity is used to describe materials that can be formed to high strains without the formation of unstable tensile necks •Require controlled conditions of appropriate temperature and strain rate, by using low force •Produce complex shapes (3D) with essentially constant section thickness • Good surface finishes • Poor creep due to small grain size • Machines and dies are costly Superplastic forming 318 318 159 14-Feb-20 Femaleforming Femaledrape forming •Graphite coated blank put into heated hydraulic press •Graphite-coated blank clamped over ‘tray’ containing heated male m ould •Air pressure forces sheet into close contact with mould •Air pressure forces metal into close contact with mould 319 319 Plug-assistedsnap back maleforming •Graphite-coated blank put into heated press •Blank formed into a bubble •Male mould pressed into bubble •Air pressure forces metal into close contact with mould 320 320 160 14-Feb-20 Pressing and sintering •Powder is pressed in closed dies to form a green compact which is then sintered at elevated temperature • Produce 3D solid shapes for mainly metals and ceramics • Near net shape process € 100% material utilization • Automated machinery and dies are relatively costly Sequence of operations for production of cylindrical bearing Sintering Operation 321 321 Sinteringofapowder compact Sintering is the "welding" together of separate powder particles into a single solid material, •Takes place below the melting point of the material, but at a temperature sufficiently high to allow an acceptable rate of diffusion to occur Sintered products 322 322 161 14-Feb-20 Isostatic pressing •Powder is placed within a deformable container and subjected to hydrostatic pressure •Produce 3D bulk solid shapes for metals and ceramics •Allows sim ultaneous densification of metal powder € products have relatively low porosity •Distortion is possible in high aspect ratio components Hot isostatic pressing (HIP) • Near net shape process € 100% material utilization • High operating cost process HIP products 323 323 HotIsostaticPressing (HIP) •Components are loaded into furnace, which is placed into pressure vessel •Temperature and pressure are raise simultaneously and held •Cooling is carried out as the gas is released (clean and recycled) and the furnace is removed from the pressure vessel •Components are removed from the furnace 324 324 162 14-Feb-20 Cold IsostaticPressing (CIP) • Powder is sealed in a flexible mould (or ‘bag’), of for example polyurethane and then subjected to a uniform hydrostatic pressure CIP graphite blocks 325 325 References • Edwards, L and Endean, M., Manufacturingwith materials, 1990, Butterworth Heinemann, ISBN 0-7506-2754-9 • www.designinsite.dk/ htmsider/pb0278.htm • www.twi.co.uk/j32k/ getFile/ceramics_hip.html • http://www.sintec-keramik.com/sintec-en/hip-products.html • www.thrive-metal.com/ product2.html • www.sv.vt.edu/ / diffusion/apps/sinter.html • www.sti-us.net/ newdesign.htm 326 326 163 ... nghệ tạo hình khối Bài tập M2.1 M2.3; M3.1 Giảng bài; 3.1 Tạo hình khn kín Bài tập 3.2 Tạo hình khn hở 3.3 Ép chảy 3.4 Cán hình 5-6 3.5 Kéo dây Cơng nghệ tạo hình M2.1 M2.3; M3.1 Giảng bài, Bài. .. bài, Bài tập 4.1 Cắt hình, đột lỗ 4.2 Uốn 4.3 Dập vuốt 7-8 4.4 Cán Cơng nghệ tạo hình vật liệu compozit cơng nghệ tạo hình đặc biệt khác M2.1 M2.3; M3.1 Giảng bài; Tạo hình vật liệu compozit: polyme,... công nghệ in 3D Công nghệ in 3D SLA ứng dụng Công nghệ in SLS ứng dụng Công nghệ in 3D FDM ứng dụng Công nghệ in 3D kim loại ứng dụng Các công nghệ in khác Giảng bài; Bài tập 11 Phần Quá trình tạo