CHƯƠNG 2 CÔNG NGHỆ GIA CÔNG PHÔI BẰNG BIẾN DẠNG DẺO

Phương pháp tạo phôi dựa vào nguyên lý biến dạng dẻo của kim loại dưới tác dụng của ngoại lực làm thay đổi hình dáng, kích thước theo ý muốn.. Phương pháp kéo kim loại : Là phương pháp

Chương II

CÔNG NGHỆ GIA CÔNG PHÔI BẰNG BIẾN DẠNG DẺO

2.1 Khái niệm chung

2.1.1 Đặc điểm của phương pháp gia công bằng biến dạng dẻo, phân loại

2.1.1.1 Đặc điểm của phương pháp gia công bằng biến dạng dẻo

a Định nghĩa

Phương pháp tạo phôi dựa vào nguyên lý biến dạng dẻo của kim loại dưới tác dụng của ngoại lực làm thay đổi hình dáng, kích thước theo ý muốn

b Ưu – nhược điểm của gia công bằng áp lực

+ Đôä bóng, độ chính xác cao hơn các chi tiết đúc

+ Dễ cơ khí hoá và tự động hoá nên năng suất cao, giá thành hạ

- Nhược điểm:

+ Không gia công được các chi tiết phức tạp

+ Không rèn dập được các chi tiết quá lớn

+ Không gia công được các kim loại dòn

* So với cắt gọt:

- Ưu điểm :

+ Năng suất cao, phế liệu ít, giá thành hạ

+ Rèn, dập là những phương pháp cơ bản để tạo phôi cho gia công cắt gọt

- Nhược điểm :

Độ bóng, độ chính xác thấp hơn so với gia công cắt gọt

2.1.1.2 Phân loại các phương pháp gia công bằng áp lực

a Phương pháp cán

Phương pháp 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 2 trục cán) và có chiều dài không hạn chế.

b Phương pháp kéo kim loại :

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

c Phương pháp ép kim loại :

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

d Phương pháp rèn tự do : Là phương pháp biến dạng tự do kim loại dưới

tác dụng lực dập của búa hoặc lực ép của máy ép

e Phương pháp rèn khuôn : Là phương pháp biến dạng dẻo kim loại

trong lòng khuôn rèn dưới tác dụng của lực dập

f

Dập tấm : Là phương pháp biến dạng dẻo phôi kim loại ở dạng tấm,

trong khuôn dưới tác dụng của ngoại lực để tạo thành sản phẩm có hình dạng, kích thước theo yêu cầu

2.1.2 Quá trình biến dạng dẻo và các yếu tố ảnh hưởng đến tính dẻo và trở lực biến dạng kim loại

2.1.2.1 Quá trình biến dạng dẻo của kim loại

* Biến dạng dẻo của đơn tinh thể: Là biến dạng dẻo theo cơ chế trượt và

song tinh Kim loại khác nhau thì có tính dẻo khác nhau

* Biến dạng dẻo của đa tinh thể: Đa tinh thể là tập hợp của các đơn tinh

Biến dạng của đa tinh gồm 2 dạng:

- Biến dạng trong nội bộ hạt : Gồm sự trượt và song tinh Sự trượt xảy ra đối với các hạt có phương kết hợp với phương của lực tác dụng 450 sẽ trượt trước rồi đến các mặt khác Sự song tinh sảy ra khi có lực tác dụng lớn đột ngột gây ra biến dạng dẻo của kim loại

- Biến dạng ở vùng tinh giới : Tại đây chứa nhiều tạp chất dễ chảy và mạng tinh thể bị rối loạn cho nên sự trượt và biến dạng thường ở nhiệt độ

t0>9500C

+ Giải thích sự trượt

Theo thuyết lệch, kim loại kết tinh không sắp xếp theo qui luật một cách lý tưởng mà thực tế có những chỗ lệch, các nguyên tử ở vị trí lệch luôn có xu hướng trở về vị trí cân bằng Khi có lực tác dụng thì đầu tiên sự di động xảy ra ở các điểm lệch, các vùng lân cận cũng dịch chuyển theo Cuối cùng lại tạo nên chỗ lệch mới Quá trình cứ tiếp tục đến khi không còn lực tác dụng nữa

Hiện tượng trượt còn được giải thích bằng một hiện tượng khác đó là sự khuyếch tán khi nhiệt độ tăng cao, các nguyên tử di động mạnh dần và dịch chuyển sang một vị trí cân bằng khác, làm mạng tinh thể bị biến dạng dưới hình thức trượt BDĐH là biến dạng mà khi thôi tác dụng lực, kim loại sẽ trở về vị trí ban đầu.

+ Giải thích hiện tượng song tinh

Dưới tác dụng của ứng suất tiếp, trong tinh thể có sự dịch chuyển tương đối của hàng loạt các mặt ngtử này so với các mặt khác Qua một mặt phẳng cố định nào đó gọi là mặt song tinh Hiện tượng song tinh xảy

ra rất nhanh và mạnh khi biến dạng đột ngột, tốc độ biến dạng lớn

b

Các hiện tượng xảy ra khi biến dạng dẻo

* Sự thay đổi hình dạng hạt :Sự thay đổi hình dạng hạt chủ yếu là nhờ quá

trình trượt Hạt không những thay đổi về kích thước mà còn có thể vỡ ra thành nhiều khối nhỏ làm tăng cơ tính

* Sự đổi hướng của hạt : Trước khi biến dạng các hạt sắp sếp không theo

một hướng nhất định nào.Sự hình thành tổ chức sợi dẫn đến sự sai khác về cơ, lí tính của kim loại theo những hướng khác nhau, làm cho kim loại mất tính đẳng hướng

* Sự tạo thành ứng suất dư : Khi gia công áp lực do biến dạng không đều

và không cùng một lực nên trong nội bộ vật thể sau khi biến dạng còn để

- Ứng suất dư loại 1 (σ1): Là ứng suất dư sinh ra do sự biến dạng không đồng đều giữa các bộ phận của vật thể.

- Ứng suất dư loại 2 (σ2): Là ứng suất dư sinh ra do sự biến dạng không đồng đều giữa các hạt

- Ứng suất dư loại 3 (σ3): Là ứng suất dư sinh ra do sự biến dạng không đồng đều trong nội bộ hạt

* Sự thay đổi thể tích và thể trọn:.Khi biến dạng dẻo trong nội bộ hạt luôn

xảy ra hai quá trình:

- Tạo ra những vết nứt, khe xốp, lỗ rỗ tế vi do sự vỡ nát của mạng tinh thể khi trượt và song tinh

- Quá trình hàn gắn những lỗ rỗ,vết nứt khi kết tinh lại Do đó khi gia công áp lực, tỉ trọng và thể tích của kim loại bị thay đổi đáng kể

2.1.2.2 Những nhân tố ảnh hưởng đến tính dẻo của kim loại

a Trạng thái ứng suất :

- Trạng thái ứng suất kéo càng ít, nén càng nhiều thì tính dẻo kim loại càng cao

- Trạng thái ứng suất nén khối làm kim loại có tính dẻo cao hơn nén mặt phẳng và đường thẳng còn trạng thái ứng suất kéo khối thì lại làm tính dẻo kim loại kém đi

b Tốc độ biến dạng và nhiệt độ

- Tốc độ biến dạng là lượng biến dạng dài tương đối trong một đơn vị thời gian

+ Gia công nguội t0 = TKTL Nếu tăng tốc độ biến dạng sẽ làm giảm tính dẻo của kim loại do có sự biến cứng của kim loại

+ Gia công nóng t0 > TKTL Ở nhiệt độ không quá cao :

Đối với thép t0= 9000C

Khi tăng tốc độ biến dạng(W) thì lực ma sát làm tăng nhiệt độ của kim loại lên 10000C ÷ 11000C nên thép rất dẻo

+ Gia công kim loại ở nhiệt độ quá cao : Nếu tăng W thì lực ma sát làm tăng nhiệt độ của kim loại đến vùng quá nhiệt làm độ dẻo giảm , độ cứng tăng lên

c Thành phần và tổ chức kim loại

Thành phần và tổ chức kim loại liên quan với nhau Kim loại ở trạng thái nguyên chất hoặc một pha dung dịch rắn bao giờ cũng có tính dẻo

dt V

d

.

=

cao hơn và dễ biến dạng hơn so với kim loại có cấu tạo hỗn hợp cơ học hoặc hợp chất hoá học.

Vd : Thép % C thấp dẻo hơn thép %C cao

2.1.2.3 Aûnh hưởng của biến dạng dẻo đến tính chất và tổ chức của kim loại

a Aûnh hưởng của biến dạng dẻo đến tổ chức và cơ tính kim loại

- Tốc độ biến dạng càng tăng thì sự vỡ nát của các hạt càng lớn, độ hạt càng giảm do đó cơ tính càng cao

- Biến dạng dẻo giúp khử được các khuyết tật như xốp co, rỗ khí, rỗ co, lõm co… làm tăng độ mịn chặt của kim loại làm cơ tính tăng lên

- Biến dạng dẻo có thể tạo được các thớ uốn xoắn khác nhau làm tăng

cơ tính sản phẩm

- Tốc độ biến dạng cũng có ảnh hưởng lớn tới cơ tính sản phẩm : Nếu tốc độ biến dạng càng lớn thì sự biến cứng càng nhiều , sự không đồng đều của biến cứng càng nghiêm trọng và sự phân bố thớ càng không đều

do đó cơ tính kém

b Aûnh hưởng của biến dạng dẻo tới lý tính kim loại

Biến dạng dẻo làm tăng điện trở, giảm tính dẫn điện và làm thay đổi từ trường trong kim loại

- Tính dẫn điện : Biến dạng dẻo tạo ra sự sai lệch trong mạng tinh thể làm tính liên tục của điện trường trong tinh thể bị phá vỡ, ngoài ra nó còn tạo những màng chắn cản trở sự chuyển động tự do của điện tử Đây là nguyên nhân làm tăng điện trở của kim loại

- Tính dẫn nhiệt : Biến dạng dẻo làm giảm tính dẫn nhiệt Do biến dạng dẻo làm xô lệch mạng, làm xô lệch vùng tinh giới, làm giảm biên độ dao động nhiệt của các điện tử

- Từ tính : Các sai lệch tạo ra khi biến dạng dẻo làm thay đổi cách bố trí từ trường cơ bản trong kim loại do đó làm thay đổi từ tính, độ thấm từ,…

c Aûnh hưởng của biến dạng dẻo tới hoá tính

Sau khi biến dạng dẻo năng lượng tự do của các kim loại tăng do đó hoạt tính hoá học của kim loại cũng tăng lên

* Sự kết tinh lại

Kim loại ở trạng thái đặc có hiện tượng kết tinh (sinh ra tâm mầm, phát triển mầm ) gọi là hiện tượng kết tinh lại

- Khi gia công nguội bề mặt kim loại bị biến cứng ( độ cứng tăng, độ dẻo giảm ).

- Để khử biến cứng ta nung kim loại lên t0, giữ nhiệt,ủ kết tinh lại rồi đem gia công tiếp

- Hiện tượng kết tinh lại gồm 3 giai đoạn :

+ Giai đoạn hồi phục: t0 = (0.2÷ 0.3)Tnc (0K )

+ Giai đoạn kết tinh lại lần 1: t0 = 0.4 Tnc

+ Giai đoạn kết tinh lại lần 2: t0 > 0.4 Tnc

- Trong gia công áp lực cần tránh lượng biến dạng tới hạn vì ở đó độ hạt kim loại lớn nhất làm cơ tính kém

+ Gia công nóng t0> TKTL(0K )

TKTL=0.4 Tnc (0K )

Gia công ở nhiệt độ cao nên kim loại có độ dẻo cao, độ bền ,độ cứng thấp nên lực biến dạng không lớn, công suất thiết bị không lớn, nhưng độ chính xác, độ bóng của bề mặt kim loại không cao Thường gia công phôi dạng khối

+ Gia công nguội t0< TKTL (0K )

Lực biến dạng lớn,đòi hỏi công suất thiết bị lớn Độ chính xác và độ bóng bề mặt cao Thường gia công phôi dạng tấm

2.1.3 Một số định luật cơ bản của biến dạng dẻo

a Định luật biến dạng đàn hồi tồn tại song song với biến dạng dẻo

Khi gia công áp lực nếu trong kim loại xảy ra biến dạng dẻo bao giờ cũng có một lượng biến dạng đàn hồi kèm theo (được xác định bằng góc đàn hồi , phụ thuộc vào moduyn đàn hồi E của vật liệu và chiều dày tấm kim loại)

+ Gia công nguội : Kim loại dạng tấm sẽ chịu ảnh hưởng lớn

+ Gia công nóng : Kim loại dạng khối , ảnh hưởng của biến dạng đàn hồi có thể bỏ qua

Thường để áp dụng khi thiết kế khuôn dập, vật dập phải kể đến lượng biến dạng dư do biến dạng đàn hồi gây ra

b Định luật ứng suất dư

Khi gia công áp lực do nung nóng và làm nguội không đều, lực biến dạng, lực ma sát… phân bố không đều làm phát sinh ra ứng suất dư tồn tại cân bằng bên trong vật thể kim loại Nếu không cân bằng thì sẽ có

quá trình tích, thoát ứng suất làm cho vật thể biến dạng ngoài ý muốn để ứng suất dư tồn tại cân bằng.

c Định luật thể tích không đổi

« Thể tích của vật thể trước khi biến dạng bằng thể tích vật thể sau khi biến dạng »

- Gọi thể tích vật trước khi gia công là V0

- Gọi thể tích vật sau khi gia công là V

+ Vật thể có chiều cao, rộng, dài trước khi gia công là:

0 ln ln

δ : Là các ứng biến chính

Nhận xét : Khi gia công biến dạng nếu tồn tại cả ba ứng biến chính nghĩa

là có sự thay đổi kích thước cả ba chiều thì đầu của một ứng biến phải trái dấu với hai ứng biến kia và có giá trị tuyệt đối bằng tổng của hai ứng biến kia

0

0

; 0 1

Aùp dụng để tính toán kích thước, khối lượng phôi trước khi gia công

d Định luật trở lực bé nhất

Khi biến dạng kim loại, một chất điểm bất kì trên vật thể biến dạng sẽ di chuyển theo hướng có trở lực bé nhất hay di chuyển đến đường viền có chu vi bé nhất.

Aùp dụng để thiết kế hình dáng của phôi trước khi gia công

2.2 Cán , kéo, ép kim loại và hợp kim

2.2.1 Cán kim loại và hợp kim

2.2.1.1 Thực chất của quá trình cán

a Khái niệm:Qúa trình là cho kim lọai biến dạng giữa hai trục cán quay

ngược chiều nhau, làm cho chiều cao giảm, chiều dài và chiều rộng tăng

- Các thông số để biểu thị khi cán:

+ Hệ số kéo dài :

1

0 0

1

F

F l

=

l0 , F0 :Chiều dài ,diện tích phôi cán

l1, F1 :Chiều dài,diện tích tiết diện sau khi cán

- Lượng ép tuyệt đối : h = h0 –h1 =D(1- cos α )

D:Đường kính trục cán

α:Góc ăn

- Phản lực N

- Lực ma sát T

T = N.tgβ = N.f với N: lực pháp tuyến,

β: góc ma sát, f: hệ số ma sát

Để cán được thì: Tx > Nx

N.f.cos α> N.sin α

N.tgβ.cos α> N.sin α

tgβ > tg α

β > α Vậy điều kiện cán đượclà: β > α

b Biện pháp công nghệ tăng hệ số ma sát bằng cách:

- Khoét rãnh , hạ nhiệt độ ở đầu phôi

- Bôi các chất tăng ma sát

- Thay đổi độ hở giữa hai trục cán

2.2.1.2 Các sản phẩm cán.

Công nghệ cán được sử dụng để cán rất nhiều loại kim loại ( như thép, nhôm, hợp kim nhôm, đồng…) Sản phẩm cán rất đa dạng và phong phú, có nhiều loại hình

sin

N N

N N Y X

a.Loại hình: Có thể chia làm 2 nhóm:

- Đơn giản: Là loại có tiết diện vuông, tròn, tam giác, chữ nhật, bầu dục, bán nguyệt…

- Phức tạp: Là loại có tiết diện hình chữ T , L , I, U, thép góc, thép

đường ray,…

b Loại tấm:

- Tấm dày: Từ 460 mm hoặc lớn hơn, rộng từ 600mm đến5000mm, dài từ 4000mm đến12000mm

- Tấm mỏng: Từ 0.2mm đến 3.75mm

- Dải: Là các dải dài có chiều rộng từ 200mm đến180m, chiều dài từ 100mm đến 60000mm,dày từ 0.2 đến 2mm

c Loại ống: Có 2 loại:

- Ống không có mối hàn

- Ống có mối hàn

d.Loại hình dạng đặc biệt: Như các chi tiết loại bi, các chi tiết có hình

- Hộp giảm tốc: Giảm tốc độ từ trục động cơ đưa đến trục cán

- Hộp bánh răng chữ V: Nhận chuyển động từ hộp giảm tốc, qua các

bánh răng chữ V để phân phối trên trục cán

Tất cả các bộ phận trên được cố định trên nền cán

2.2.2 Kéo kim loại và hợp kim

2.2.2.1 Bản chất của quá trình kéo dây.

- Là quá trình kéo phôi kim loại qua lỗ khuôn kéo làm cho tiết diện

ngang của phôi giảm và chiều dài tăng Các sản phẩm có thể đạt độ chính xác cấp 2 đến cấp 4

- Độ bóng và độ chính xác thấp hơn sản phẩm kéo nguội

- Mỗi lần kéo qua khuôn, tiết diện phôi giảm từ 15% đến 35%

K: Hệ số kéo cho phép

d0,d1: Đường kính phôi trước và sau khi kéo

σ : Giới hạn bền trung bình của kim loại(N/mm2)

f : Hệ số ma sát

ρ : Aùp lực khuôn kéo lên kim loại(N/mm2)

α : Góc nghiêng lỗ khuôn

* Tính số lần kéo n

Từ đường kính ban đầu d đến đường kính cuối cùng dn phải kéo qua các khuôn kéo trung gian thì:

d K

cot 1

1

1

0

+ +

=

=

K

d d d

d

1 1

=

2

0 2 2

1

K

d d d

d

n n

n

K

d d dn

d

K

d d n

d d K n d

d K

n n n

n

lg

lg lg

) lg (lg lg

.

0 0 0

F0,F1: Tiết diện trước và sau khi kéo (mm2)

f: Hệ số ma sát giữa kim loại và khuôn

2.2.2.2 Dụng cụ và thiết bị kéo dây.

* Khuôn kéo gồm các vùng cơ bản sau:

1.Vùng bôi trơn có góc 900 chứa chất bôi trơn để phôi đi vào dễ dàng

2 Vùng biến dạng, góc 2 α ( 2 α = 60 ÷ 180 )

* Đế khuôn làm bằng thép thường và hàn chặt vào máy kéo

* Thiết bị kéo gồm 2 loại:

- Máy kéo thẳng: Dùng để kéo dây hoặc ống có đường kính lớn, lực kéo từ 0.2 đến 75 tấn, tốc độ kéo từ 15 m/ph đến 45 m/ph

Dùng bộ phận truyền động xích, trục vít, êcu, thanh răng và bánh răng

- Máy kéo có tang cuộn loại không trượt hoặc có trượt, dùng dây kéo hoặc thỏi có đường kính 4.5 đến 16mm Dùng hệ thống ròng rọc làm căng dây

Máy kéo có tang cuộn

1.Ống cuộn; 2.Khuôn kéo; 3.Trống

2.2.3 Ép kim loại và hợp kim

* Máy ép ma sát trục vít

Đặc điểm : Có lực ép từ 40 ÷ 60 tấm, rèn những chi tiết cỡ nhỏ và to, rèn trong khuôn kín và hở

* Máy ép thuỷ lực

Đặc điểm :

- Dùng để rèn tự do có lực ép từ 100 ÷ 700 tấn

- Dùng để rèn khuôn có lực ép từ 300 ÷ 7000 tấn

- ĐCX cao

* Máy ép ma sát trục vít

Sơ đồ nguyên lý của máy ép kiểu trục vít.

Cấu tạo : 1.Puli; 2,3.Bánh ma sát; 4.Đòn bẩy; 5,7 Cữ tì; 6.Chốt; 8 Cần điều khiển; 9 Đầu ép; 10.Trục vít; 11 Êcu cố định; 12 Bánh ma sát

* Máy ép thuỷ lực

Cấu tạo : (H * / tập bản vẽ )

1.Xilanh pittong nâng ; 2 Xilanh pittong ép; 3.Đầu ép; 4 Các chốt nâng nối với sàn ngang; 5 Các van dẫn chất lỏng vào máy ép; 6 Bộ phận chỉnh lưu; 7 Bơm cao áp; 8 Bệ đựng chất lỏng