Bản chất của quá trình gia công kim loại bằng áp lực- Gia công kim loại bằng áp lực chủ yếu dựa vào tính dẻo của kim loại, do kim loại có khả năng không bị phá hủy tính toàn vẹn do biến
Nung nóng kim loại
Nung nóng kim loại có tác dụng làm thay đổi cơ tính theo hướng có lợi cho gia công bằng áp lực
- Nhiệt độ nung nóng càng cao thì sự chống lại biến dạng của kim loại càng giảm và ngược lại độ dẻo càng tăng
- Khi kim loại bị cháy không thể sửa được, trở thành phế phẩm, muốn dùng phải nấu lại
- Khi kim loại chưa được nung nóng vượt qua vùng quá nhiệt làm cho kim loại có cấu trúc hạt to, cơ tinh thấp
Như vậy nhiệt độ thích hợp để nung cần phải chọn để không có sự cháy và quá nhiệt
- Nhiệt độ kết thúc gia công áp lực phải xác định để thép không bị biến cứng và khi khi rèn không bị nứt mẻ, thép có tổ chức hạt nhỏ và thời gian gia công được kéo dài
Như vậy việc chọn khoảng nhiệt độ gia công đúng sẽ có ý nghĩa không chỉ đối với yếu tố chất lượng mà còn có ý nghĩa kinh tế ( giá thành )
Hình 4 Giản đồ trạng thái Fe-C và vùng gia công nóng bằng áp lực
Nhiệt độ tăng dẫn đến giảm giới hạn chảy và giới hạn bền, đồng thời tăng độ giãn dài tương đối và độ co Tính rèn của kim loại cũng được cải thiện khi các đặc tính này thay đổi.
- Tính rèn của thép tăng liên tục khi nhiệt độ tăng từ 300°C đến gần nhiệt độ nóng chảy
- Khi nung nóng đến sát đường AE thép bắt đầu cháy do sự Oxy hóa tinh giới hạt, các màng giòn xuất hiện và thép mất tính dẻo
- Chọn điểm gia công theo tính dẻo cao nhất hoặc theo độ bền nhỏ nhất
- Đối với thép cacbon: nhiệt độ nung tố đa kém nhiệt độ trên đường AE từ 100- 150°C, nhiệt độ kết thúc gia công cao hơn đường GS là 50÷70°C (thép trước cùng tích ) và cao hơn nhiệt độ Ar1 từ 40÷50°C ( thép sau cùng tích )
Bảng 1 Khoảng nhiệt độ rèn và dập nóng
Loại hợp kim Thành phần hóa học
(hoặc ký hiệu hợp kim ) Nhiệt độ bắt đầu rèn, dập, °C Nhiệt độ kết thúc rèn, dập, °C
Thép hợp kim Thép hợp kim: thấp
Hợp kim nhôm Các ký hiệu khác nhau 470 ÷ 490 300 ÷ 350
Hợp kim magiê Các ký hiệu khác nhau 370 ÷ 430 300 ÷ 350
Hợp kim đồng Đồng thau (latôn) Đồng thanh(brônz) 750
- Thời gian và môi trường nung, tốc độ và môi trường làm nguội cũng rất quan trọng
- Thời gian nung phụ thuộc tính dẫn nhiệt của kim loại, kích thước tiết diện và bề mặt vật nung theo tỷ lệ thuận
- Ngoài ra thời gian nung còn phụ thuộc cách sắp xếp phôi( vật nung) trong lò, phụ thuộc hiệu số nhiệt độ giữa lò và phôi ,
- Có thể xác định thời gian nung Z theo công thức thực nghiệm của N.N.Đôbrôkhôtôv :
Z = ( h ) Trong đó : D - đường kính hay cạnh nhỏ nhất của phôi, mm;
- hệ số, đặc trưng cho khả năng truyền nhiệt của phôi = 10 với thép cacbon, thép hợp kim thấp;
= 20 với thép hợp kim cao ; - hệ số, đặc trưng cho cách xếp phôi trong lò;
- Môi trường nung có ảnh hưởng đến chất lượng vật nung - Các thành phần khí lò có O2, CO2, H2O,SO2,CO,H2,N2.
- Khi nung cần sử dụng lò nung Có các loại lò nung là lò rèn thủ công, lò phản ứng.
Các dạng gia công
Cán
- Cán là dạng gia công áp lực phổ biến nhất( chiếm 75% số kim loại luyện ra)
- Cán là phương pháp biến dạng kim loại giữa hai trục cán quay ngược chiều nhau để được sản phẩm cán có tiết diện giống như lỗ hình( khe hở giữa hai trục cán) Sản phẩm của cán thường là thép cán có tiết diện ngang khác nhau hoặc thép tấm.
- Thụng số đặc trưng cho quỏ trỡnh cỏn là hệ số kộo dài à Đú là tỷ số giữa chiều dài sau cán và chiều dài ban đầu ,
Trong đó: F 0 - diện tích tiết diện ngang ban đầu;
F 1 - diện tích tiết diện ngang sau khi cán; à= 1ữ2 tựy theo vật liệu, chiều dày phụi, nhiệt độ, tốc độ cỏn, b Thiết bị cán
- Các bộ phận cơ bản của máy cán gồm:
Giá cán: là bộ phận chủ yếu của máy cán, trong đó lắp trục cán, hệ thống điều chỉnh khoảng cách giữa các trục cán.
Trục cán (Hình a): Cấu tạo gồm thân trục (1), cổ trục (2), đầu chữ thập (3)
Trục cán có nhiều loại, tùy theo sản phẩm: trục cán phẳng để cán sản phẩm tấm, trục cán có lỗ hình (tròn, vuông,…) để cán sản phẩm thanh có tiệt diện tròn, vuông…
Hộp giảm tốc: là bộ phận giảm tốc độ quay từ động cơ đến trục cán.
Hộp bánh răng chữ V là bộ phận nhận chuyển động từ hộp giảm tốc qua bánh răng V để phân phối đến các trục cán.
- Tùy theo hình dạng của sản phẩm cán, trục cán có thể phẳng để can thép tấm, băng mỏng, có thể dạng bậc, có thể dạng lõm để cán các thép hình phức tạp
Tùy thuộc vào cơ cấu công tác của máy cán, số lượng và sự phân bố trục cán mà có sự phân loại máy cán như: máy cán hai trục, ba trục, hai trục kép, nhiều trục; theo công đoạn cán có máy cán thô, cán tinh; theo hình dạng sản phẩm có máy cán hình, cán dây và cán ống.
- Theo phương pháp sản xuất ống, người ta chia ra hai dạng có hàn và không hàn
Hình 8 Sơ đồ trục cán
Phân loại sản phẩm cán
Cán có thể tiến hành ở trạng thái nóng và nguội
Gia công nóng là phương pháp cán thực hiện ở nhiệt độ cao Ở nhiệt độ này, kim loại có độ dẻo cao dẫn đến năng suất cán tăng nhưng bề mặt sản phẩm bị oxy hóa, ảnh hưởng đến độ chính xác và độ bóng của sản phẩm.
Cán nguội là phương pháp cán ở nhiệt độ gia công nguội Trong quá trình cán nguội, kim loại có tính dẻo kém nhưng độ bóng bề mặt và độ chính xác cao Phương pháp này thường được áp dụng để cán tấm mỏng và cán hình.
Sản phẩm sản xuất bằng phương pháp cán được dùng trong mọi ngành công nghiệp (cơ khí, xây dựng, giao thông vận tải…) Tùy theo hình dánh sản phẩm cán có thể chia thành bốn nhóm chủ yếu: hình, tấm, ống, đặc biệt.
Sản phẩm cán hình: được chia thành hai nhóm:
- Nhóm thông dụng có prôfin đơn giản (tròn, vuông, hình chữ nhật, lục giác, chữ U, chữ T,
- Nhóm đặc biệt có prôfin phức tạp, dùng cho những mục đích nhất định (đường ray, các dạng đặc biệt dùng trong ôtô, máy kéo, trong ngành xây dựng…)
Sản phẩm cán tấm: được chia thành hai nhóm theo chiều dày:
- Tấm dày có chiều dày trên 4mm.
- Tấm mỏng có chiều dày dưới 4mm
Sản phẩm cán ống: chia thành loại không có mối hàn và loại có mối hàn.
Sản phẩm cán đặc biệt: gồm có các loại bánh xe, bánh răng, bi, vật cán có prôfin chu kỳ …
Kéo sợi
- Kéo là phương pháp biến dạng dẻo kim loại qua lỗ hình của khuôn kéo dưới tác dụng của lực kéo, phôi được vuốt dài ra, giảm diện tích tiết diện ngang, tăng chiều dài Sản phẩm chủ yếu của kéo là các loại dây có đường kính khác nhau.
- Sau khi kéo tiết diện vật liệu gia công bị giảm còn chiều dài thì tăng lên.
- Bằng phương pháp kéo, người ta có thể chế tạo được các dây, ống và các thanh định hình có đường kính rất nhỏ (Φ = 0,065mm).
Phương pháp này đảm bảo độ chính xác cao, độ nhẵn bề mặt tốt và nâng cao độ bền của vật liệu.
- Các kim loại và hợp kim màu, thép cacbon và thép hợp kim đều có thể có được bằng phương pháp nguội.
- Quá trình kéo được thực hiện trên máy kéo qua một dụng cụ có lỗ gọi là khuôn kéo Khuôn kéo có 4 phần: phần vuốt nhỏ để làm biến dạng phôi, phần làm trơn, phần vuốt nhẵn và phần thoát
- Khuôn kéo được chế tạo bằng hợp kim cứng (để kéo các dây có đường kính rất nhỏ) hoặc bằng thép dụng cụ (để kéo các thanh và các ống có tiết diện lớn).
- Để giảm bớt ma sát ở khuôn kéo người ta dùng các chất bôi trơn như mỡ, dầu, bột xà phòng, graphit, đồng sunfat
Việc kéo được thực hiện ở trạng thái nguội Khi phải kéo tiếp, cần làm mất hiện tượng cứng nguội của kim loại, người ta đem ủ kim loại Sau khi ủ, kim loại trở nên mềm dẻo, do đó có thể kéo tiếp.
Tỷ lệ giảm tiết diên không được vượt k:
Với: > d (d- đường kính lỗ khuôn )
, phần có tác dụng định hình
Máy kéo sợ chia làm hai loại : kim loại có thể thực hiện trên máy kéo thẳng hoặc máy kéo tang cuộn.
- Hình 10 là sơ đồ máy kéo có tang cuộn, dùng khi kéo sợi dài
- Loại máy này có thể chỉ có một khuôn kéo (Hình 10 - a)
- Loại nhiều khuôn kéo không có trượt (Hình 10 - b)
- Loại có nhiều khuôn có sự trượt (Hình 10 - c)
Máy kéo sợ có tang trống để kéo các phôi nhỏ( đường kính 6 ÷ 10 mm ).
- Ép là quá trình kim loại sau khi nung nóng cho vào buồng ép, dưới tác dụng của chày ép kim loại chui qua lỗ khuôn ép có hình dạng và kích thước của chi tiết cần chế tạo.
- Ép là một trong những dạng gia công áp lực có năng suất, chất lượng cao, cho phép gia công cả kim loại có độ dẻo kém, song gia công ép làm cho dụng cụ mòn nhanh, kim loại dư nhiều sau khi ép.
- Khi chày ép chuyển động với một tốc độ ép xác định thì kim loại sẽ đi ra khỏi lõ khuôn với một tốc độ lớn hơn
- Quan hệ giữa và xác định theo nguyên tắc bảo toàn khối lượng kim loại :
- tốc độ kim loại qua lỗ khuôn - tốc độ chày ép
- diện tích tiết diện ngang của buồng ép - diện tích tiết diện ngang của lỗ khuôn ép
Có 3 phương pháp ép: ép thuận, ép nghịch và ép ống
+ Ép thuận là phương pháp ép có chày và sản phẩm chuyển động cùng chiều (hình 11.a)
+ Phôi 1 đặt trong lỗ của buồng ép 2, đầu cuối buồng ép có khuôn 3 với lõ ép, đầu khác của buồng ép có chày ép 4 ép lên phôi liệu, phôi liệu bị biến dạng và đi qua lỗ khuôn ép Chày ép được gắn chắc trên pittông 5 chuyển động trong xilanh 6 cửa máy ép, trong khung trước 7 của máy gắn chắc khuôn 3
- Lực ép của máy hiện đại đạt đến 6000 tấn
+ Ép nghịch là phương pháp ép có chày và sản phẩm chuyển động ngược chiều nhau ( hình 11.b)
+ Ở buồng ép 3 có một đầu được đóng kín bằng đế đỡ 4, còn khuôn ép 2 tựa vào phần đầu của chày ép 1
+ Phương pháp này có ưu điểm là giảm lượng hao phí kim loại xuống tới 5 - 6% so với khối lượng của phôi (ở phương pháp thuận là 18 - 20%) và giảm lực ép xuống 25 - 30% Tuy nhiên nó không được áp dụng rộng rãi vì cấu trúc phức tạp.
- Ép ống ( hình 11.c ) là phương pháp có chuyển động như ép thuận, song nhờ mũi nhọn 4 ( nòng đột) gắn trên chày ép và đi vào giữa lỗ khuôn nên tạo ra sản phẩm dạng ống
Khuôn ép làm việc trong điều kiện nhiệt độ cao, tải lớn, hào mòn mạnh nên thường được chế tạo bằng thép hợp kim volfram, vanađi, môlipđen, crôm và được tôi cứng bề mặt lỗ khuôn.
- Quá trình ép được phân thành những giai đọan sau:
+ Chuẩn bị phôi để ép (sửa các hư hỏng bên ngoài, cắt đọan…).
+ Nung nóng phôi tới nhiệt độ nhất định.
+ Đặt kim loại nóng trong xilanh.
+ Tiến hành ép kim loại
+ Tu sửa thành phẩm: cắt phần kim loại chưa được ép ở đầu thành phẩm, cắt đọan theo yêu cầu, uốn nắn, sửa các chỗ hư hỏng.
- Máy ép kim loại thường dùng là loại máy ép thủy lực và máy ép cơ khí Lực ép có thể theo chiều ngang hoặc theo chiều thẳng đứng Phổ biến nhất là loại máy ép ngang.
Rèn, dập
- Rèn tự do là quá trình gia công kim loại bằng áp lực rèn (thông qua búa tay hoặc búa máy) để thay đổi hình dáng của phôi liệu.
Rèn là phương pháp gia công kim loại theo cách nung nóng phôi đến nhiệt độ cao, sau đó dùng búa tác động lực vào phôi để tạo hình dạng mong muốn Quá trình rèn giúp kim loại trở nên dẻo và dễ uốn nắn, tạo điều kiện cho việc tạo hình bằng búa hoặc các công cụ khác.
- Vật liệu để rèn tự do là các thỏi kim loại đúc và các phôi cán.
- Rèn tự do có rèn bằng tay hay bằng máy.
- Rèn tay dùng để rèn những vật có khối lượng không lớn lắm Trên hình 12 là những dụng cụ dùng để rèn bằng tay Hình 12
- Rèn máy được thực hiện trên những búa máy và máy ép thủy lực
- Bất kỳ một máy bua nào cũng có một bộ phân rơi và khi hoạt động bộ phận rơi tích lũy năng lương E , xác định theo công thức :
G - trọng lượng phần rơi V k - tốc độ phần rơi lúc tiếp xúc vật rèn g - gia tốc trọng trường
Một phần lớn năng lượng này được tiêu thụ có hữu ích, phần năng lượng nhỏ này bị mất vì sự biến dạng đàn hồi của dụng cụ, sự dao động của bộ đe,
- Vì vậy, nếu kí hiệu công biến dạng của mỗi lần đánh là A d , ta có : A d = η E
Trong đó, η là hệ số đập - Hệ số đập càng lớn nếu trọng lượng bệ đe càng lớn so với bộ phận rơi Nếu lơn hơn 15 lần, ta có η =0.8÷0,9.
- Búa máy khí ép thường được dùng để rèn các chi tiết nhỏ Máy có hai xilanh: xilanh ép (1) và xilanh công tác (2) (Hình 13)
- Nguyên tắc hoạt động của máy búa hơi :
Píttông (3) của xilanhép (1) dùng để đẩy không khí làm cho píttông (4) di chuyển, píttông (4) này cũng đồng thời là phần đập của búa
Píttông (3) của xilanh ép (2) chuyển động lên xuống được nhờ một động cơ điện (6) qua hệ thống biên - tay quay (5) và hộp giảm tốc (7).
Giữa van xilanh ép và xilanh công tác có bộ điều chỉnh không khí với các van (8), (9) và các ống dẫn luân phiên đưa không khí bị ép vào phía dưới hoặc phía trên xilanh công tác.
Bàn đạp (10) dùng để đóng mở các van đó.
Khi khí đi vào phần trên của xilanh (2) sẽ đè lên phần trên của píttông (4), đẩy thân búa chuyển động nhanh xuống và đập lên phôi rèn.
Khi khí đi vào phần dưới của xilanh (2), nó sẽ nâng búa lên cao
Bằng cách phân phối khí như vậy, búa có thể chuyển động, không những đập liên tục mà còn đập từng nhát một, ép phôi rèn vào đe dưới hoặc treo ở trên. Đầu búa (11) được bắt vào phần đập búa và đe dưới (12) được bắt vào bệ đe (13) bằng cách chêm vào rãnh dạng đuôi cá
Bệ đe (13) được đặt trên thân đe (14), thân đe này tách riêng khỏi thân máy.
- Búa máy khi ép có khối lượng phần đập (đầu búa) từ 50 kg đến 1 tấn Trong một phút búa có thể đập khoảng 70 - 190 lần.
Kỹ thuật rèn tự do
- Vuốt: là một nguyên công rèn để kéo dài phôi và làm cho diện tích mặt cắt ngang của nó nhỏ xuống Những kiểu vuốt khác nhau là:
+ Vuốt phẳng (dàn phẳng): là đập dẹp phôi bằng một dụng cụ dát phẳng làm cho chiều rộng của phôi lớn lên và chiều cao giảm xuống.
+ Vuốt rộng lỗ: là nguyên công dùng trục gá để giảm chiều dày và tăng đường kính của ống.
+ Vuốt dài ống: là nguyên công dùng trục tâm làm tăng chiều dài của ống và làm giảm đường kính ngoài cùng chiều dày của ống.
- Chồn: là nguyên công rèn làm cho tiết diện của phôi tăng lên, do chiều cao giảm xuống Có ba kiểu chồn: chồn toàn phần, chồn đầu và chồn giữa Khi chồn đầu hay chồn giữa, chỉ cần nung nóng một phần của phôi (ở đầu hay giữa), phần đó sau khi chồn sẽ có tiết diện lớn hơn.
- Đột: là một nguyên công rèn làm cho phôi có lỗ hoặc có chỗ lõm sâu xuống
Dụng cụ để tạo lỗ gọi là mũi đột.
- Chặt: là một nguyên công của rèn dùng để cắt phôi liệu thành từng phần
Có thể tiến hành ở trạng thái nguội hoặc trạng thái nóng.
- Uốn: là một nguyên công rèn ở trạng thái nguội hay nóng để đổi hướng thớ của phôi
- Xoắn: là nguyên công làm cho tiết diện quay tương đối với nhau một góc nào đó quanh trục của nó.
- Hàn rèn là nguyên công nung hai phần cần nối của phôi kim loại đến nhiệt độ chảy rồi dùng lực đập cho dính vào nhau.
Thép cacbon thấp có chứa 0,15÷ 0,25% thì hàn rèn rất tốt, thép có chứa lượng cacbon lớn hơn 0,45% hầu như không thể hàn rèn được.
Các phương pháp hàn rèn cơ bản là nối chồng đầu, nối hàm ếch, nối giáp mối và nối răng lược đối với sắt mỏng b) Rèn khuôn( dập khuôn)
- Rèn khuôn (còn gọi là dập thể tích) là phương pháp gia công áp lực, trong đó kim loại được biến dạng hạn chế trong lòng khuôn dướic tác dụng của lực đập.
- Kết cấu chung của khuôn dập được trình bày trên hình 15 :
Trong khi dập nửa khuôn trên (1) và nửa khuôn dưới (2) được bắt chặt với đe trên và đe dưới của thiết bị Phần kim loại thừa chảy vào rãnh tạo thành ba via của vật rèn.
So với rèn tự do, rèn khuôn có đặc điểm:
- Độ chính xác và chất lượng vật rèn cao.
- Có khả năng chế tạo được những chi tiết phức tạp.
- Dễ cơ khí hóa và tự động hóa.
- Nhưng giá thành chế tạo khuôn cao, khuôn chống mòn, vì vậy phương pháp dập khuôn chỉ thích hợp với sản xuất hàng loạt và hàng khối.
- Hiện nay, rèn trong các khuôn rèn nhiều lòng khuôn rất được phổ biến rộng rãi
- Dùng lòng khuôn này hay lòng khuôn khác hoặc tổng hợp các lòng khuôn phụ thuộc vào hình thù và kích thước ban đầu của phôi và yêu cầu về phương hướng của sợi.
- Rèn khuôn thường là rèn nóng
- Khi rèn, phôi được nung lên nhiệt độ rèn để biến dạng, điền đầy khuôn tốt, khuôn ít mòn, không cần thiết bị có công suất lớn
• Phôi sau khi nung Vuốt dát (đàn) uốn cong rèn thô rèn tinh
Hình 16 Khuôn rèn nóng và quá trình rèn nóng c) Dập nguội ( dập tấm )
Dập tấm là một trong những phương pháp tiên tiến của gia công áp lực để chế tạo sản phẩm từ vật liệu tấm, thép bản hoặc dài cuộn.
- Dập tấm có thể tiến hành ở trạng thái nóng hoặc nguội, song chủ yếu gia công ở trạng thái nguội vì vậy còn gọi là dập nguội.
- Dập tấm được dùng rộng rãi trong tất cả các ngành công nghiệp, đặc biệt trong công nghiệp chế tạo ôtô, máy bay, tàu thủy, chế tạo thiết bị điện, các đồ dân dụng.
Ví dụ: tỷ lệ các chi tiết dập tấm trong một số ngành: máy điện 60 - 70%; ôtô máy kéo 60 - 95%; đồ dùng dân dụng 95 - 98% Dập tấm có một số đặc điểm:
- Độ chính xác và chất lượng sản phẩm cao: dập tấm cho ta khả năng lắp lẫn cao, độ bền, độ bóng của sản phẩm cao.
- Khả năng cơ khí hóa và tự động hóa cao.
Các nguyên công của dập tấm : Cắt phôi và tạo hình a) Cắt phôi
Cắt phôi là nguyên công chia phôi thành nhiều phần bằng nhau theo đường cắt hở hoặc kín.
- Cắt có thể được tiến hành trên máy cắt có lưỡi dao song song, nghiêng hay lưỡi dao cắt hình đĩa (Hình 17 - a, b, c).
- Để cắt những đường khép kín ta dùng dập cắt và đột lỗ Về bản chất nguyên công dập cắt và đột lỗ hoàn toàn giống nhau chỉ khác nhau về công dụng Ví dụ, trên hình (10.14 d), khi dập cắt phôi có đường kính D, ta được sản phẩm 5, còn lại 6 là phế liệu Ngược lại khi đột lỗ thì 6 là sản phẩm còn 5 trở thành phế liệu.
- Khi cắt phôi cần bố trí hợp lý để hệ số sử dụng vật liệu cao nhất Công thức đánh giá hệ số sử dụng nguyên vật liệu:
F o : tổng diện tích các phôi bố trí trên tấm cắt có diện tích F.
F : diện tích của tấm phôi ban đầu.
b) Các nguyên công tạo hình
- Tạo hình gồm các nguyên công uốn cong, dập dãn, uốn vành, tóm miệng, dãn phồng, in nổi và miết
Uốn cong là nguyên công đổi hướng của trục phôi liệu.
- Khi đó, lớp trong ứng suất nén gây nên gấp nếp, lớp ngoài kéo ra gây ra vết rạn nứt.
- Lớp phôi liệu nằm giữa hai lớp trên không bị kéo và không bị nén gọi là lớp trung hòa
- Bán kính cong bé nhất rmin không làm vỡ các lớp bị kéo bên ngoài của phôi: r min =(0,25÷3)S
Trong đó: S là chiều dài tấm phôi
- Giới hạn dùng cho phôi liệu có độ dẻo cao, còn giới hạn trên thì ngược lại Hình 18 Sơ đồ quá trình uốn cong
Kéo dài là nguyên công biến phôi liệu phẳng thành bán sản phẩm.
Để giảm ứng suất tập trung và tránh đứt phôi liệu khi kéo dài, cần chọn bán kính cong của chày r