Đồ án khuôn công nghệ tạo hình kim loại tấm chương 1 thiết kế quy trình công nghệ dập chi tiết

Khái niệm Công nghệ tạo hình kim loại tấm là một phần của công nghệ gia công kim loại bằng áp lực nhằm làm biến dạng kim loại tấm để nhận được các chi tiết có hình dạng và kích thước mo

PHẦN I – CÔNG NGHỆ TẠO HÌNH KIM LOẠI TẤM

CHƯƠNG 1: THIẾT KẾ QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ DẬP

CHI TIẾT 1.1 GIỚI THIỆU VỀ CÔNG NGHỆ DẬP TẤM

1.1.1 Khái niệm

Công nghệ tạo hình kim loại tấm là một phần của công nghệ gia công kim loại bằng áp lực nhằm làm biến dạng kim loại tấm để nhận được các chi tiết có hình dạng

và kích thước mong muốn Đây là một loại hình công nghệ đang được ứng dụng rất rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp khác nhau, đặc biệt là trong các lĩnh vực kỹ thuật điện và điện tử, công nghiệp chế tạo ô tô, công nghiệp hàng không, công nghiệp sản xuất hàng tiêu dùng, công nghiệp quốc phòng, thực phẩm, hóa chất, y tế…Sở dĩ được ứng dụng rộng rãi như vậy là do nó có nhiều ưu điểm nổi bật so với các loại hình công nghệ khác: có thể cơ khí hóa và tự động hóa cao; năng suất cao, giá thành sản phẩm hạ, tiết kiệm nguyên vật liệu, đặc biệt do quá trình biến dạng dẻo nguội làm cho

độ bền của chi tiết tăng lên…

Dập tấm là một phần của quá trình công nghệ bao gồm nhiều nguyên công công nghệ khác nhau nhằm làm biến dạng kim loại tấm (băng hoặc dải) để nhận được các chi tiết có hình dạng và kích thước cần thiết với sự thay đổi không đáng kể chiều dày của vật liệu và không có phế liệu ở dạng phoi

Dập tấm thường được thực hiện với phôi ở trạng thái nguội (nên còn được gọi là dập nguội) khi chiều dày của phôi nhỏ (thường s ≤ 4mm) hoặc có thể phải dập với phôi ở trạng thái nóng khi chiều dày phôi lớn

 Ưu điểm của sản xuất dập tấm:

- Có thể thực hiện những công việc phức tạp bằng những động tác đơn giản của thiết bị và khuôn

- Có thể chế tạo những chi tiết phức tạp mà các phương pháp gia công kim loại khác không thể chế tạo hoắc chế tạo khó khăn

- Độ chính xác của các chi tiết dập tấm tương đối cao

- Kết cấu của chi tiết dập tấm cứng vững, bền nhẹ, mức độ hao phí kim loại không lớn

- Tiết kiệm nguyên vật liệu, thuận lợi cho quá trình cơ khí hóa và tự động hóa do

đó năng suất lao động cao, hạ giá thành sản phẩm

- Hệ số sử dụng vật liệu của loại hình công nghệ này có thể đạt đến 80-90%, thậm chí có thể đạt 100% trong khi phương pháp gia công cơ khí thường chỉ đạt khoảng 50- 60%

- Dạng sản xuất thường là loạt lớn và hàng khối do đó hạ giá thành sản phẩm

- Tận dụng được phế liệu, hệ số sử dụng vật liệu cao

- Dập tấm không chỉ gia công những vật liệu kim loại mà còn gia công những vật liệu phi kim như: techtolit, hetinac, các loại chất dẻo

 Nhược điểm của sản xuất dập tấm:

- Có thể thực hiện những công việc phức tạp bằng những động tác đơn giản của thiết bị và khuôn

- Yêu cầu đội ngũ kỹ sư có trình độ chuyên môn cao

- Tính toán công nghệ tương đối phức tạp

1.1.2 Phân loại

Theo đặc điểm biến dạng của quá trình dập tấm, người ta chia thành 2 nhóm chính :

- Biến dạng cắt vật liệu

- Biến dạng dẻo vật liệu

 Biến dạng cắt vật liệu : Nhóm các nguyên công cắt vật liệu nhằm tách một phần

vật liệu này ra khỏi một phần vật liệu khác theo một đường bao khép kin hoặc không khép kín và kim loại bị phá vỡ liên kết giữa các phần tử tại vùng cắt

 Biến dạng dẻo vật liệu : Nhóm các nguyên công biến dạng dẻo vật liệu nhằm

thay đổi hình dạng, kích thước bề mặt của phôi để tạo ra các chi tiết có hình dạng, kích thước cần thiết nhờ tính dẻo của kim loại và không bị phá hủy tại vùng biến dạng Trong đa số các trường hợp chiều dày vật liệu phôi hầu như không thay đổi hoặc thay đổi nhỏ nhưng không chủ định

Hình 1.2 Dập vuốt cốc trụ

1.1.3 Một số thiết bị, khuôn sử dụng trong dập tấm

Để dập tấm có thể dùng các máy ép cơ khí (chủ yếu là máy ép trục khuỷu) hay máy ép thuỷ lực

- Dòng máy trục khuỷu:

+ Máy nhỏ, lực dập nhỏ và trung bình, bàn máy hẹp => khả năng gia công các chi tiết lớn bị hạn chế

+ Khung thân chữ C: liên kết cơ khí chủ yếu, máy làm việc khá ồn => khả năng làm việc bị hạn chế, ảnh hưởng tới người lao động

Hình 1.3 Máy ép trục khuỷu

- Dòng máy ép thủy lực:

+ Thường là máy lớn, đa dạng về chủng loại và lực ép, hành trình lớn =>khả năng gia công chi tiết lớn

+ Khung thân kín, liên kết thép hàn cứng vững, tích hợp tự động hóa cao

=>khả năng tự động hóa thành dây chuyền, giảm ảnh hướng tới người lao động

Hình 1.4 Máy ép thủy lực

Hình 1.5 Khuôn dập liên tục Hình 1.6 Khuôn phối hợp

1.1.4 Một số sản phẩm điển hình

Do tính ứng dụng của công nghệ cao nên công nghệ dập tấm được ứng dụng sản suất cho các sản phẩm phục vụ mọi lĩnh vực xã hội :

- Trong ngành công nghiệp điện tử: các loại vỏ điện thoại, vỏ tivi, vỏ máy tính,

vỏ chíp điện tử, vỏ tụ điện,

- Trong dân dụng: các sản phẩm về khung cửa, bàn ghế, tủ các loại đồ dùng

dụng cụ gia đình như nồi, chảo,

- Công nghiệp ô tô: Khung xe, mui xe, cánh cửa, các loại ống xả, khung gầm,

- Công nghiệp hàng không: thân máy bay, cánh máy bay, các loại ống xả,

- Công nghiệp quốc phòng: vỏ xe bọc thép, súng, đầu đạn, tên lửa,

- Ngành y tế: các thiết bị y tế, dụng cụ y tế,

tấm trong ô tô

1.2 THIẾT KẾ CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO CHI TIẾT

1.2.1 Phân tích chi tiết

Hình 1.9 Hình vẽ sản phẩm 3D và mặt cắt

Sử dụng phần mềm NX ta xác định thể tích chi tiết V ≈ 311413 mm3

1.2.2 Phân tích và lựa chọn phương án công nghệ

Nguyên

công

Dập trên khuôn đơn Dập trên khuôn phối

hợp

Dập trên khuôn liên

tục

Nguyên

công 1

Nguyên

công 2

Nguyên

công 3

Nguyên

công 4

Nguyên

công 5

Khuôn đơn

Kết cấu khuôn đơn giản,

dễ thao tác, giá thành thấp nhất trong 3 loại

Tốn thêm một nguyên công từ quá trình cắt hình tới dập tạo hình chi tiết

Khuôn phối hợp

Sử dụng ít nguyên công, giảm sức lao động của công nhân

Kết cấu khuôn phức tạp

Khuôn liên tục

Có thể sử dụng trong sản xuất với số lượng lớn

Tính tự động hóa cao, nâng cao năng suất và tăng mức độ cạnh tranh trên thị trường

Chi tiết lớn nên khuôn

có kích thước lớn => khó chế tạo, hệ số sử dụng vật liệu thấp

 Lựa chọn phương án 1 dập tạo hình chi tiết trên khuôn đơn Vì chi tiết có kích thước lớn nên cần khuôn lớn và máy lớn Các nguyên công cắt mép có thể thực hiện trên máy chuyên dụng

1.2.3 Quy trình công nghệ chế tạo chi tiết

Quy trình công nghệ chế tạo chi tiết được thực hiện qua các bước sau :

 Nguyên công 1 : Dải phôi được cắt thành nhiều tấm với biên dạng vuông bo góc

 Nguyên công 2 : Dập tạo hình chi tiết với chiều sâu H = 150 mm

 Nguyên công 3 : Dập tạo hình 2 gân dưới đáy

 Nguyên công 4 : Cắt phần thừa vật liệu với khuôn cắt mép

- Với ứng dụng đa dạng và đơn giản dễ thực hiện đã cho thấy công nghệ tạo hình tấm tạo hình chi tiết đa dạng phù hợp cho ngành công nghiệp sản xuất, chế tạo

- Sản phẩm được giao thiết kế có kích thước lớn phù hợp với khuôn đơn, sản xuất hàng loạt nhỏ

CHƯƠNG 2 : TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ KHUÔN DẬP

2.1 TÍNH TOÁN QUÁ TRÌNH DẬP

2.1.1 Xác định kích thước và hình dạng của phôi

Trong quá trình dập chi tiết hình hộp cần phải tính khả năng cắt bỏ phần mép không đều của chiều cao Lượng dư để cắt mép ΔH = 10%H = 10%.H = 10%H = 10%.150 = 15 mm

Chiều cao ban đầu H0 = H + ΔH = 10%H = 10%.H = 150 + 15 = 165 mm

 Xác định các tỷ số

A n

B n = 300200 = 1,5

B s

n 100 = 3001,5 100 = 0,5 %

H0

r e = 16525 = 8,8 Như vậy chi tiết không thể dập vuốt 1 lần

 Xác định kích thước phôi theo phương pháp Vaintrauba

A0 = √1,27 F+0,5 C02 = √1,27 F+0,5 (A n−B n)(A n+B n−0,76 re)

Trong đó : F = A n B n – 0,86r e2 + 2 ¿)(H0 - 0,43r đ)

= 200.300 – 0,86.252 + 2(200 + 300 – 0,86.25)(165 – 0,43.25)

= 207079,75 mm2

 A0 = √1,27.207079,75+0,5 (300−200)(200+300−0,76.25)= 535,76 mm

Lấy A0 = 535 mm

 B0 = √1,27 F−0,5 C02 = √1,27 F−0,5( A n−B n)(A n+B n−0,76 re)

= √1,27.207079,75−0,5(300−200)(200+300−0,76.25) = 488,8 mm

Lấy B0 = 488 mm

Chiều cao của vật dập trước nguyên công cuối cùng :

Hn-1 = 0,86.165 = 141,9 mm

Để thuận lợi cho quá trình biến dạng ở lần dập cuối cùng, thì vật dập trước lần cuối cùng thường làm đáy vát 450 và bán kính lượn đáy rn-1 = (16÷20)s :

rn-1 = 16s = 16.1,5 = 24 mm

 Xác định kích thước vật dập ở các nguyên công trước

Hệ số dập vuốt của các nguyên công sau là : mn-1=… = m2 = 0,75÷0,86

Hệ số dập vuốt ở nguyên công đầu là : m1 = 0,5÷0,6

An-2 = An-1 + Bn-1.1−m n−1

m n−1 = 513 + 463,7.1−0,80,8 = 628,9 mm

Bn-2 = Bn-1 + An-1.1−m n−1

m n−1 = 463,7 + 513.1−0,80,8 = 591,95 mm Chiều cao vật dập :

Hn-2 = 0,86 Hn-1 = 0,86.141,9 = 122,03 mm

Bán kính góc lượn đáy :

rđn-2 = 20s = 20.1,5 = 30 mm

Từ đó ta xác định được lần dập thứ n-2 là lần dập thứ nhất và chi tiết được dập qua 2 lần

2.1.2 Tính toán công nghệ

a, Lực cắt phôi

Pc = L.s.σ c k

Trong đó : k = 1,1 ÷ 1,3

s = 1,5 mm : chiều dày của phôi

σ c = 0,7 σ b = 0,7.420 = 294 N/mm2

Chu vi cắt hình : L ≈ π(3.(a+b) - √(3 a+ b)(a+3 b) )

L = π(3.(628,9 +591,95) )-√(3.628,9+591,95)(628,9+3.591,95) = 9058,98 mm

 Pc = L.s.σ c k = 9059,98.1,5.294.1,1 = 4394514,4 N ≈ 439,5 tấn

b, Lực dập vuốt

 Lực dập vuốt chi tiết lần 1

Pdv1 = L1.s σ b = π(3.(a+b) - √(3 a+ b)(a+3 b) ) s σ b

L = π(3.(535+ 488) )-√(3.535+ 488)(535+3.3488) 1,5.420

= 1708549,82 N ≈ 170,8 tấn

 Lực dập vuốt chi tiết lần 2

Pdv2 = L2.s σ b = π(3.(a+b) - √(3 a+ b)(a+3 b) ) s σ b

= π(3.(300+ 200)-√(3.300+ 200)(300+ 3.200) 1,5.420

= 622132,1 N ≈ 62,2 tấn

Trong đó :

rc : bán kính góc lượn ở thành của hình hộp

L : chiều dài tổng cộng phần thẳng của tiết diện hình hộp

L = 2(a + b – 4rc) = 2(300 + 200 – 4.25) = 800 mm

a và b là chiều dài và chiều rộng của hình hộp

c1 : hệ số bằng 0,5÷2, trị số nhỏ phụ thuộc với hình hộp thấp Trị số lớn phù hợp với hình hộp có chiều cao vượt quá 5÷6 rc

c2 : hệ số bằng 0,2÷1, trị số nhỏ sử dụng khi rc nhỏ và dập không chặn phôi Trị

số lớn sử dụng khi dập vuốt có chặn phôi và khe hở nhỏ

 Phcn = s σ b.(2πrc.c1 + L.c2)

= 2.420.( 2π.25.2 + 800.1) = 935760 N ≈ 94 tấn

 Lực dập vuốt 2 gân dưới đáy

Pgân = L.s σ b . ξ = (2π rg +1,5.(B2 - 50)) σ b.s.ξ

= (2π.25 + 1,5.(240 - 50)).420.1,5.0,3 = 83538 N = 8,3 tấn

c, Lực chặn phôi

Q2 = q.Fv

Trong đó :

q là áp lực chặn riêng trung bình

Fv là diện tích phần vành chi tiết nằm dưới tấm chặn ở thời điểm bắt đầu dập vuốt Thực tế theo kinh nghiệm thì lực chặn sẽ lấy 20% lực dập vuốt :

Q2 = 20%Phcn = 18,8 tấn

Vậy ta sẽ lựa chọn lực chặn theo kinh nghiệm : Q2 = 18,8 tấn

d, Lực cắt mép

P = k L S σc

Trong đó:

k = 1,1 ÷ 1,3 là hệ số tính đến sự không đồng đều về chiều dày và tính chất vật liệu, mép cắt bị mòn, chế tạo và lắp ghép khuôn không chính xác

L - Chu vi cắt;

s = 1,5 mm - Chiều dày vật liệu;

σc = 0,7 σb = 0,7.420 = 294 N/mm2

: Ứng suất cắt của vật liệu Chu vi cắt L = 2.(a + b) = 2.(300 +200) = 1000 mm

Vậy lực cắt vành biên là: P = 1,1.1000.1,5.294 = 485100 N ≈ 48,5 tấn

2.1.3 Lựa chọn thiết bị

Để lựa chọn thiết bị, ta phải căn cứ vào lực dập lớn nhất của chi tiết để chọn máy, chiều cao chi tiết để chọn hành trình, diện tích chi tiết để chọn diện tích bàn máy Ngoài ra ta cần chọn vận tốc dập của máy

 Nguyên công cắt phôi Pc = 439,5 tấn

 Chọn máy đột dập trục khuỷu khung chữ C loại 480 tấn ( JH21-480S )

 Lực cắt lớn nhất : 480 tấn

 Hành trình cắt : 280 mm

 Tốc độ cắt : 30 – 55 mm/p

 Chiều cao lớn nhất của khuôn : 600 mm

 Kích thước bàn máy : 1225 x 860 mm

 Nguyên công dập vuốt Pdv max = 170,8 tấn

 Chọn máy ép thủy lực song động 180 tấn

 Kích thước bàn máy : 2500 x 1300 mm

 Lực ép tối đa : 180 tấn

 Hành trình : 900 mm

 Tốc độ ép : 5 – 12 mm/s

 Khoảng hở máy : 1500 mm

2.2 THIẾT KẾ KHUÔN DẬP

2.2.1 Vật liệu làm khuôn

- Đối với các chi tiết chày, cối, tấm chặn, tấm dẫn hướng là những chi tiết làm việc

chủ yếu của khuôn, do vậy chúng cần đươc làm từ những vật liệu đăc biệt, điều này sẽ quyết định tuổi thọ cũng như giá thành chế tạo khuôn

- Đối với chày và cối của nguyên công như cắt đột, dập vuốt, lên vành do chịu mài

mòn nhiều, ta sử dụng các loại vật liệu làm cho khuôn như SKD11 hoặc SKD61 theo tiêu chuẩn JIS Chày và cối phải được nhiệt luyện đạt tới độ cứng từ 60 – 62 HRC

- Trụ và bạc dẫn hướng cũng là 2 chi tiết thường xuyên làm việc và chịu mài mòn.

Do đặc tính không quá quan trọng nên ta chỉ cần sử dụng thép Cacbon thấp C20 đem đi nhiệt luyện và thấm than với độ thấm tôi yêu cầu sâu từ 0,5 – 1mm trên bề mặt của chi tiết

- Các chi tiết còn lại của khuôn: áo chày, áo cối, tắm chặn phôi, đẩy phôi… được

chế tạo từ thép thông dụng là CT3 Các chi tiết như lò xo, chốt đẩy, bu lông chìm được tiêu chuẩn hóa về cả kích thước lẫn vật liệu

2.2.2 Tính toán chày, cối cắt

a, Trị số khe hở tối ưu

Khi cắt hình toàn bộ ổ biến dạng bao trùm lên toàn bộ chiều dày của phôi ở vị trí cắt, ngay sát mép làm việc của chày và cối Ứng suất pháp sinh ra khi cắt hình và đột

lỗ phân bố trên ổ biến dạng không đồng đều trong các lớp kim loại song song với mặt phẳng của phôi trên toàn bộ chiều dày Sự phân bố không đều của ứng suất là do tác động của momen uốn, sinh ra bởi khe hở giữa chày và cối khi cắt

Trị số khe hở tối ưu Z : Các vết nứt phát triển và gặp nhau tại lớp trung gian của tấm Khi giá trị của Z tăng lên thì momen uốn cũng tăng lên làm tăng trị số của ứng suất kéo tại vùng biến dạng, vì thế các vết nứt sẽ phát triển theo bề mặt tự do cách xa mép cắt và dụng cụ tạo bavia

Sự phát triển của các vết nứt không trùng nhau sẽ tạo ra 2 hay vài dải sang được tách ra giữa các vùng bị đứt vỡ Trị số khe hở tối ưu tùy thuộc vào chiều dày phôi cũng như tính chất cơ học của nó (trang 54 – sách Công nghệ tạo hình kim loại tấm) với chiều dày thay đổi từ (0.3 – 20) mm ta có z = 5 ÷ 12 % chiều dày phôi

Lấy z = 10% s => z = 0,1.2 = 0,2 mm

b, Kích thước làm việc chày, cối cắt hình

Do phôi có hình dạng phức tạp và kích thước lớn nên ta sử dụng cối ghép nhiều

đoạn, mỗi đoạn được kẹp chặt lên đế bằng các bulong và được cố định bằng chốt định

vị Đường phân chia giữa các đoạn cần phải chọn sao cho các phần cong của đường bao được tách riêng ra khỏi phần thẳng Chiều dài lớn nhất của phần thẳng không nên vượt quá 300 mm và chiều dài lớn nhất của phần cong không nên vượt quá 200 mm Kết cấu và kích thước của các đoạn cối cần được lấy theo tiêu chuẩn

Khi cắt phôi, kích thước sản phẩm tương ứng với kích thước phần làm việc của lỗ cối Khi làm việc cối bị mài mòn làm cho kích thước phần làm việc của cối tăng lên

Vì vậy kích thước của cối khi cắt hình cần phải là kích thước giới hạn nhỏ nhất của chi tiết, nghĩa là:

D cối = (D dn−∆)+δ c

 Dcối = (2438,8 – 0,1)+0,015 = 2438,7+0,015 mm

Trong đó:

 D dn = 2438,8 mm : kích thước làm việc danh nghĩa của chi tiết

 ∆ = 0,1 mm : dung sai đường kính của sản phẩm

 δ c= ¿0,15∆ = 0,15.0,1 = 0,015 mm : dung sai của kích thước cối

Kích thước làm việc của chày khi cắt hình sẽ nhỏ hơn kích thước của cối đúng bằng trị số của khe hở z nghĩa là:

D ch = (Ddn−∆−2 z )−δ ch

 Dch = (2438,8 – 0,1 – 0,2.2)-0,015 = 2438,3-0,015

Trong đó :

 δ ch= ¿0,15∆ = 0,15.0,1 = 0,015 mm : dung sai của kích thước chày

Vật liệu chế tạo : Để đảm bảo khả năng chịu mài mòn, chày và cối cắt được chế tạo bằng thép SKD 11 (JIS G4404)

2.2.3 Tính toán chày, cối dập vuốt

a, Bán kính góc lượn của chày, cối dập vuốt

Bán kính góc lượn chày cối ảnh hưởng rất lớn đến quá trình dập vuốt, đặc biệt là của cối Nếu bán kính góc lượn cối lớn thì trở lực biến dạng ít nên giảm được lực dập vuốt, độ biến mỏng kim loại ít và có thể giảm được cả số lần dập Nhưng bán kính góc lượn cối lớn cũng dễ tạo ra nhăn trên phần thành Do đó ta phải tính toán bán kính góc lượn chày cối một cách hợp lý

Tính bán kính góc lượn chày cối dập vuốt cho nguyên công cuối cùng

Bán kính các góc lượn ở cối ở đáy chi tiết, theo bảng 91, sách Công nghệ dập nguội

Ta có :

Rc = (6 ÷ 14)s = (6 ÷ 14).1,5 = (9 ÷ 21) mm => Chọn Rc = 21 mm

Bán kính góc lượn của chày lấy bằng bán kính góc lượn của chi tiết Rch = 25 mm

b, Trị số khe hở chày, cối dập vuốt

Trị số khe hở giữa chày và cối ở phần góc hộp phải làm lớn hơn so với phần thành thẳng Theo số liệu kinh nghiệm, ở các phần thành thẳng khe hở giữa chày và cối là

Z = 1,2s = 1,2.1,5 = 1,8 mm

Ở các phần góc khe hở giữa chày và cối là :

Z = (1,3 ÷ 1,4 )s = (1,3 ÷ 1,4 ).1,5 = (1,95 ÷2,1) mm => chọn Z= 2,81mm