GIÁO TRÌNH CN Gia công áp lực

LỜI NĨI ĐẦU Cơng nghệ gia cơng kim loại áp lực phương pháp gia công dựa biến dạng dẻo vật liệu, công nghệ gia cơng chiếm vị trí quan trọng với tỷ trọng ngày tăng sản xuất khí Các sản phẩm công nghệ gia công áp lực đa dạng phong phú, ứng dụng rộng rãi đời sống xã hội lĩnh vực kinh tế quốc dân như: hàng kim khí gia dụng, luyện kim, xây dựng, chế tạo máy, giao thơng vận tải, v.v… Ngồi phương pháp gia công truyền thống tạo bán thành phẩm tạo phơi rèn, cán, ép cịn kể đến phương pháp gia cơng tạo sản phẩm hồn chỉnh không cần phải gia công sản phẩm phương pháp dập Công nghệ gia công kim loại áp lực trở thành công nghệ quan trọng phát triển nhanh chóng phương pháp có nhiều ưu điểm bật tiết kiệm nguyên vật liệu, có suất cao cải thiện tính chất vật liệu thơng qua biến dạng chúng Giáo trình sử dụng làm tài liệu học tập cho sinh viên ngành khí, nhằm cung cấp cho sinh viên kiến thức nguyên lý phương pháp gia công kim loại áp lực Nội dung giáo trình gồm chương: Chương Nguyên lý gia công kim loại áp lực: Trình bày ngun lý gia cơng kim loại áp lực nhân tố ảnh hưởng đến tính dẻo biến dạng kim loại Chương Cán, kéo, ép: Trình bày đặc điểm công nghệ cán, kéo, ép kim loại Chương Rèn tự do: Trình bày khái niệm chung rèn dập, thiết bị nguyên công rèn tự Chương Dập thể tích: Trình bày thiết bị nguyên lý thiết kế vật dập khuôn máy búa, số vấn đề thiết kế khuôn dập máy búa Chương Dập tấm: Trình bày khái niệm ngun cơng dập Rất mong nhận phê bình, góp ý đồng nghiệp bạn đọc để sách hoàn thiện CHƯƠNG I NGUYÊN LÝ GIA CÔNG KIM LOẠI BẰNG ÁP LỰC 1.1 Khái niệm chung 1.1.1 Khái niệm Gia công kim loại áp lực phương pháp để chế tạo chi tiết máy sản phẩm kim loại cách dùng ngoại lực tác dụng lên kim loại rắn trạng thái nóng nguội với cường độ lực vượt giới hạn đàn hồi kim loại, kết làm thay đổi hình dạng vật thể kim loại mà khơng phá hủy tính liên tục độ bền chúng 1.1.2 Đặc điểm Gia công kim loại áp lực phương pháp gia công tiên tiến, có suất cao, tiêu phí ngun liệu So với phương pháp đúc, chế tạo phôi phương pháp rèn dập có số ưu điểm sau: - Kim loại gia công thể rắn, sau gia cơng khơng làm thay đổi hình dáng, kích thước mà cịn thay đổi cơ, lý, hóa tính kim loại như: cấu trúc kim loại mịn chặt hơn, hạt đồng hơn, khử khuyết tật (rỗ khí, rỗ co,…) đúc gây lên, nâng cao tính tuổi bền chi tiết - Có khả biến tổ chức hạt kim loại thành tổ chức thớ, có khả tạo tổ chức thớ uốn, xoắn khác làm tăng tính sản phẩm - Chất lượng lý lớp bề mặt tốt, độ bóng, độ xác chi tiết rèn dập cao chi tiết đúc - Dễ khí hóa tự động hóa, gia cơng có suất cao nên giá thành hạ - Gia cơng áp lực q trình sản xuất cao, cho phép nhận chi tiết có kích thước xác, bề mặt tốt hơn, lượng phế liệu thấp có tính cao so với vật đúc Tuy nhiên so với phương pháp đúc, phương pháp rèn dập có hạn chế như: - Khơng gia cơng chi tiết có hình dáng q phức tạp, chi tiết lớn - Các hợp kim sử dụng rèn dập hạn chế so với đúc, khơng rèn dập kim loại dịn So với phương pháp gia công cắt gọt, gia công kim loại áp lực có đặc điểm sau: - Năng suất cao, phế liệu, tiết kiệm nguyên vật liệu nên giá thành hạ - Có khả tạo tổ chức thớ tăng tính chịu lực cho sản phẩm, cịn gia cơng cắt gọt cắt đứt thớ làm tính liên tục thớ, làm giảm khả chịu lực sản phẩm - Độ xác độ bóng bề mặt sản phẩm gia cơng áp lực thấp sản phẩm gia công cắt gọt Rèn dập phương pháp để chế tạo phôi cho gia công cắt gọt, chi tiết quan trọng cần chịu lực lớn thường phải qua rèn dập Gia cơng kim loại áp lực có phương pháp như: Cán, kéo, ép, rèn tự do, rèn khuôn, dập tấm,… 1.2 Nguyên lý gia công kim loại áp lực 1.2.1 Khái niệm biến dạng dẻo kim loại 1.2.1.1 Khái niệm Chúng ta biết, chịu tác dụng ngoại lực, bên kim loại xuất nội lực Nội lực làm cho vật thể biến dạng theo ba giai đoạn: biến dạng đàn hồi, biến dạng dẻo biến dạng phá hủy Biến dạng đàn hồi biến dạng mà sau lực tác dụng, vật trỏ hình dáng ban đầu Quan hệ ứng suất biến dạng tuyến tính tuân theo định luật Huc Trên đồ thị (hình 1.1) đoạn OP Biến dạng dẻo biến dạng sau lực tác dụng khơng bị đi, tương ứng với giai đoạn chảy kim loại Biến dạng dẻo xảy ứng suất lực tác dụng lớn giới hạn đàn hồi, đồ thị đoạn Pb Biến dạng phá hủy xảy ứng suất lực tác dụng lớn độ bền kim loại kim loại bị phá hủy (ứng với điểm c đồ thị) P b c P o L Hình 1.1 Đồ thị quan hệ lực biến dạng Q trình gia cơng áp lực q trình lợi dụng giai đoạn biến dạng dẻo kim loại, nên ta xét chất biến dạng đàn hồi biến dạng dẻo kim loại 1.2.1.2 Biến dạng dẻo đơn tinh thể Chúng ta biết, tác dụng ngoại lực kim loại biến dạng theo giai đoạn: biến dạng đàn hồi, biến dạng dẻo biến dạng phá hủy Tùy theo cấu trúc tinh thể loại, giai đoạn xảy với mức độ khác Kim loại có cấu tạo đa tinh thể gồm nhiều đơn tinh thể, đơn tinh thể tinh giới Vì nói chất biến dạng dẻo kim loại nói chất biến dạng dẻo đơn tinh đa tinh thể Ở khảo sát chế biến dạng đơn tinh thể kim loại, sở nghiên cứu biến dạng dẻo kim loại hợp kim Trong đơn tinh thể kim loại, nguyên tử xếp theo trật tự xác định, nguyên tử dao động quanh vị trí cân (hình 1.2a) a Biến dạng đàn hồi Biến dạng đàn hồi biến dạng kim loại có ngoại lực tác dụng, thơi tác dụng lực biến dạng kim loại trở lại trạng thái ban đầu Đó biến dạng mà ứng suất sinh kim loại chưa vượt giới hạn đàn hồi, nguyên tử kim loại dịch chuyển không thơng số mạng (hình 1.2b) Biến dạng đàn hồi kim loại biến dạng tỷ lệ với lực tác dụng Nếu lực tác dụng tăng biến dạng tăng tỷ lệ, bỏ lực tác dụng biến dạng khơng cịn vật thể trở lại trạng thái ban đầu b Biến dạng dẻo Biến dạng dẻo kim loại biến dạng mà tác dụng lực kim loại phần biến dạng giữ lại phần tử vật thể khơng nhận thấy có phá hủy (vết nứt, rách,…) Biến dạng dẻo xảy ứng suất sinh kim loại có ngoại lực tác dụng vượt giới hạn đàn hồi, kim loại bị biến dạng dẻo trượt song tinh Theo hình thức trượt, phần đơn tinh thể dịch chuyển song song với phần lại theo mặt phẳng định, mặt phẳng gọi mặt trượt (hình 1.2c) Trên mặt trượt nguyên tử kim loại dịch chuyển tương khoảng số nguyên lần thông số mạng (a) Sau dịch chuyển nguyên tử kim loại vị trí cân mới, sau tác dụng lực, kim loại không trở trạng thái ban đầu Biến dạng dẻo biến dạng vĩnh cửu, làm thay đổi hình dạng kim loại sau lực tác dụng τ a Mặt trƯợt b a c τ MỈt song tinh d τ Hình 1.2 Sơ đồ biến dạng đơn tinh thể Theo hình thức song tinh, phần tinh thể vừa trượt vừa quay đến vị trí đối xứng với phần cịn lại qua mặt phẳng gọi mặt song tinh (hình 1.2d) Các nguyên tử kim loại mặt di chuyển khoảng tỷ lệ với khoảng cách đên mặt song tinh 1.2.1.3 Biến dạng dẻo đa tinh thể Kim loại hợp kim tập hợp nhiều đơn tinh thể (hạt tinh thể), cấu trúc chúng gọi cấu trúc đa tinh thể Trong đa tinh thể, biến dạng dẻo có hai dạng chủ yếu là: - Biến dạng nội đơn tinh (là trình trượt song tinh) - Sự biến dạng đơn tinh thể (là trượt tương đối đơn tinh vùng tinh giới hạt) Các đơn tinh thể không biến dạng lúc mà bắt đầu đơn tinh có mặt trượt tạo với hướng lực tác dụng góc xấp xỉ 45 0, sau đến đơn tinh lân cận khác đơn tinh biến dạng dần Như vậy, biến dạng dẻo kim loại đa tinh thể xảy không đồng thời không đồng Dưới tác dụng ngoại lực, biên giới hạt tinh thể bị biến dạng, hạt trượt quay tương Do trượt quay hạt, hạt lại xuất mặt trượt thuận lợi giúp cho biến dạng kim loại tiếp tục phát triển 1.2.2 Những nhân tố ảnh hưởng đến tính dẻo biến dạng kim loại Tính dẻo kim loại khả biến dạng dẻo kim loại tác dụng ngoại lực mà không bị phá hủy Tính dẻo kim loại phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác như: trạng thái ứng suất chính, thành phần tổ chức kim loại, nhiệt độ, ứng suất dư, ma sát ngoài, … 1.2.2.1 Ảnh hưởng ứng suất Giả thiết vật thể hồn tồn khơng có ứng suất tiếp ứng suất ứng suất pháp tuyến (σ) sinh bên vật thể có ngoại lực tác dụng Có ba dạng ứng suất chính, là: ứng suất đường (hình 1.3a), ứng suất mặt (hình 1.3b)và ứng suất khối (hình 1.3c) Ứng suất làm cho vật thể biến dạng đàn hồi biến dạng phá hủy ảnh hưởng định đến ứng suất tiếp (τ) Ứng suất tiếp gây trượt song tinh làm cho vật thể biến dạng dẻo Ứng suất tiếp lớn biến dạng dẻo nhiều đạt trị số cực đại τ max mặt tinh thể làm với phương lực tác dụng góc 45 Trị số τmax phụ thuộc vào trạng thái ứng suất giá trị chúng σ σ1 σ1 σ2 a b σ3 c Hình 1.3 Sơ đồ trạng thái ứng suất Trạng thái ứng suất có ảnh hưởng đến tính dẻo biến dạng kim loại, tác động ứng suất kéo ứng suất nén nhiều tính dẻo kim loại cao, trạng thái ứng suất kéo khối làm cho kim loại có tính dẻo trạng thái ứng suất kéo mặt phẳng đường, trạng thái ứng suất nén khối làm cho kim loại có tính dẻo cao ứng suất nén mặt đường Sự tồn ứng suất dư làm tăng khả chống biến dạng tính dẻo kém, ứng suất dư làm cho tính dẻo kim loại giảm làm cho kim loại biến dạng bị nứt, bị cong vênh 1.2.2.2 Ảnh hưởng thành phần hóa học tổ chức kim loại Những nhân tố ảnh hưởng lớn tính dẻo kim loại là: mức độ liên kết hạt, mật độ kim loại, tính chất đặn thành phần kim loại, kích thước hạt tạp chất, … Các kim loại khác có kiểu mạng tinh thể khác lực liên kết giữ ngun tử khác nhau, tính dẻo chúng khác Mức độ liên kết hạt lớn, mật độ kim loại cao, thành phần hóa học đặn, kích thước hạt đều, tạp chất phân bố đều, mặt trượt nhiều tính dẻo kim loại cao, kim loại dễ biến dạng Các chất hợp kim tạp chất kim loại có tác dụng lớn đến tính dẻo kim loại, thép lượng cacbon nhiều dẻo, nguyên tố hợp kim (Cr, Ni, V, Si,…) nhiều thép dẻo Kim loại đúc có tổ chức đúc hạt khơng tính dẻo thấp, thông qua gia công áp lực (cán, rèn,…) tính dẻo tăng lên Kim loại có tổ chức khơng hồn tồn kết tinh lại, tính dẻo thấp khó biến dạng Tổ chức kim loại nhiều pha dẻo Hạt tinh thể nhỏ kim loại dẻo, độ hạt đều, tính dẻo tăng 1.2.2.3 Ảnh hưởng nhiệt độ Tính dẻo kim loại phụ thuộc nhiều vào nhiệt độ, nói chung hầu hết kim loại nung nhiệt độ cao (trong phạm vi cho phép) tính dẻo tăng, sức bền giảm, có nghĩa dễ biến dạng Khi tăng nhiệt độ, dao động nhiệt nguyên tử tăng, đồng thời xô lệch mạng giảm, khả khuếch tán nguyên tử tăng làm cho tổ chức đồng Một số kim loại hợp kim nhiệt độ thường tồn pha dẻo, nhiệt độ cao chuyển biến thù hình thành pha có độ dẻo cao như: Feα pha có tính dẻo thấp, nung lên 723 0C chuyển thành Feγ có tính dẻo cao Khi nung thép từ 20÷1000C độ dẻo tăng chậm, từ 100÷400 0C độ dẻo giảm nhanh, độ giòn tăng (đối với thép hợp kim độ dẻo giảm đến 600 0C), nhiệt độ độ dẻo tăng nhanh Ở nhiệt độ rèn hàm lượng cacbon thép cao sức chống biến dạng lớn Vì vậy, gia cơng áp lực cần chọn khoảng nhiệt độ gia công hợp lý để gia công dễ dàng, giảm lượng tiêu hao, giảm hao mòn dụng cụ đặc biệt tránh tượng nóng chảy kim loại 1.2.2.4 Ảnh hưởng tốc độ biến dạng Tốc độ biến dạng w lượng biến dạng đơn vị thể tích dV V đơn vị thời gian dt, biểu thị công thức: w= dV V dt Khi tác dụng lực, lượng sinh dùng cho biến dạng dẻo, biến dạng đàn hồi, ứng suất dư, v.v… Năng lượng tiêu hao cho biến dạng dẻo phần lớn chuyển thành nhiệt tỏa xung quanh biểu thị mức độ tản nhiệt: Anóng η= A Trong đó: - Anóng : Cơng sinh biến dạng dẻo - A: Công thiết bị cung cấp Tốc độ biến dạng cao η lớn, tốc độ biến dạng thấp nhiệt truyền vào dụng cụ, khơng khí,… nên η nhỏ 1.2.2.5 Ảnh hưởng ứng suất dư Ứng suất dư nội lực tồn kim loại sau q trình gia cơng Sự tồn ứng suất dư bên vật thể biến dạng làm cho tính dẻo vật Ứng suất dư lớn làm cho vật biến dạng phá hủy, thông thường ứng suất dư kim loại cân nghĩa tổng giá trị ứng suất kéo phải tổng giá trị ứng suất nén Do tồn ứng suất dư nên khả chịu lực vật giảm đi, làm cho vật thể chóng đạt tới giới hạn bền cho phép Như vậy, ứng suất dư làm giảm tính dẻo, độ bền, độ dai va chạm giảm khả chịu đựng vật thể Ngoài ra, trước gia công áp lực ứng suất dư có sẵn kim loại có giá trị lớn tính dẻo giảm Do đó, để tăng khả biến dạng để đảm bảo cho ứng suất dư có giá trị thấp phân bố đồng trước sau gia cơng áp lực người ta tiến hành ủ kim loại 1.2.3 Ảnh hưởng biến dạng đến tổ chức tính kim loại Quá trình biến dạng kim loại làm cho tổ chức tính thay đổi Mức độ thay đổi phụ thuộc vào: tốc độ biến dạng, trình biến dạng, nhiệt độ biến dạng, tốc độ nung làm nguội, xử lý sau gia công,… 1.2.3.1 Ảnh hưởng tổ chức mặt Trong q trình biến dạng ln xảy tượng biến cứng biến mềm tốc độ biến dạng, nhiệt độ, trạng thái tổ chức kim loại trước gia công,.v.v… nên sau biến dạng tổ chức kim loại thu khác 1.2.3.2 Ảnh hưởng tổ chức kim loại đúc Đặc điểm tổ chức kim loại đúc kết tinh dạng nhánh cây, khơng đặn có nhiều khuyết tật (lõm co, rỗ,…) Nhờ biến dạng nóng, khuyết tật trừ bỏ, tăng độ mịn chặt kim loại, cải thiện tính kim loại Kết chủ yếu tạo nên tổ chức thớ nhờ kết tinh lại mà hạt có dạng trục nhỏ mịn, tính chất khơng đồng thành phần hóa học kéo dài tạp chất không trừ bỏ Do đó, nguyên tố hợp kim thép nhiều tạp chất thép cao thiên tích đúc nghiêm trọng tổ chức thớ rõ rệt, đồng thời thớ đặn Tốc độ biến cứng lớn tính khơng đồng mức độ biến cứng nghiêm trọng, có nghĩa phân bố thớ không đặn 1.2.3.3 Ảnh hưởng tính kim loại Gia cơng kim loại áp lực làm thay đổi tính kim loại, song cần phân biệt gia cơng nóng gia công nguội Khi gia công nguội thường xảy tượng biến cứng làm tăng độ bền độ cứng, đồng thời giảm độ giãn dài độ dai va chạm Mức độ biến dạng tăng yếu tố tăng giảm theo Gia công nguội thay đổi lý tính kim loại, độ dẫn điện, dẫn nhiệt, tính thấm từ giảm cịn độ hịa tan, lực từ tính từ trễ tăng lên Khi gia cơng nóng áp lực, đồng thời với biến cứng có biến mềm Biến dạng nóng trừ bỏ khuyết tật tổ chức đúc, tăng độ mịn chặt kim loại tạo lên tổ chức hạt đặn dạng thớ, … nâng cao độ bền, tính dẻo, độ cứng, độ dai va chạm kim loại Mặt khác, tạp chất phân bố định hướng nên có ảnh hưởng đến tính, tính hướng dọc khác hướng ngang Thơng thường, tính tạp chất thấp, số lượng tạp chất nhiều liên kết thớ kém, có làm cho vật thể nứt thành mảng Tổ chức thớ làm cho tính kim loại có tính dị hướng, tức tính theo hướng dọc thớ lớn tính theo hướng thẳng góc với thớ, tính phần lớn bên ngồi khoảng 10÷20% Để tránh chênh lệch chiều dài chiều dầy thớ tỷ số rèn (tỷ số tiết diện trước sau rèn) tốt vào khoảng 2,5÷3 Đối với phơi liệu thép cán sẵn có tổ chức thớ nên tỷ số rèn nhỏ (vào khoảng 1,3÷1,5) 1.2.4 Một số định luật áp dụng gia công áp lực 10 ... độ gia công áp lực Gia công kim loại áp lực phải tiến hành khoảng nhiệt độ xác định cho kim loại Đó khoảng nhiệt độ mà kim loại có độ dẻo lớn lực cản biến dạng nhỏ Chọn khoảng nhiệt độ gia công. .. gian điện trở thân vật nung, nên phương pháp dùng nung phơi có tiết diện ngang theo chiều dài khơng chênh lệch lớn 1.3.5 Làm nguội kim loại sau gia công áp lực Làm nguội sau gia công áp lực công. ..CHƯƠNG I NGUYÊN LÝ GIA CÔNG KIM LOẠI BẰNG ÁP LỰC 1.1 Khái niệm chung 1.1.1 Khái niệm Gia công kim loại áp lực phương pháp để chế tạo chi tiết máy sản phẩm kim loại cách dùng ngoại lực tác dụng lên