Nghiên cứu tối ưu công nghệ dập khối trên khuôn hở để chế tạo chi tiết trục

D0 Đường kính phôi mm Dmin Đường kính phôi nhỏ nhất mm Lmin Chiều dài phôi nhỏ nhất mm Dmax Đường kính phôi lớn nhất mm Lmax Chiều dài phôi lớn nhất mm V1 Thể tích thành phần thứ nhất ph

KHUỶU ĐỘNG CƠ Ô TÔ

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT NGÀNH CHẾ TẠO MÁY

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

-

LÊ THỌ TIỆP

NGHIÊN CỨU TỐI ƯU CÔNG NGHỆ DẬP KHỐI TRÊN

KHUÔN HỞ ĐỂ CHẾ TẠO CHI TIẾT TRỤC KHUỶU ĐỘNG CƠ

Ô TÔ

Chuyên ngành : CHẾ TẠO MÁY

LUẬN VĂN THẠC SĨ NGÀNH CHẾ TẠO MÁY

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC :

PGS.TS NGUYỄN ĐẮC TRUNG

Hà Nội – Năm 2014

MỤC LỤC

Trang Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt 4 Danh mục các hình vẽ, đồ thị, bảng 7

1.4.4 Dập khối trong khuôn hở 23 1.4.5 Dập khối trong khuôn kín 24 1.4.6 So sánh dập trên khuôn kín và khuôn hở 24 1.5 Nhiệt độ trong công nghệ dập khối 25

CHƯƠNG 2 - NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ DẬP KHỐI TRÊN KHUÔN HỞ

2.1 Sơ lược về công nghệ dập khối trên khuôn hở (có vành biên) 31 2.2 Vành biên và rãnh thoát biên 34

2.2.2 Rãnh thoát biên 34 2.2.3 Các kiểu rãnh thoát biên và kích thước của nó 34

2.3 Góc nghiêng thành lòng khuôn 37

2.4 Biện pháp nâng cao hiệu quả sử dụng vật liệu 40 2.5 Thiết bị dập khối trên khuôn hở 42

2.5.1 Dập khối khuôn hở trên máy búa 42 2.5.2 Dập khối khuôn hở trên máy ép 43 2.5.3 Ưu điểm và nhược điểm của máy ép trục khuỷu so với

4.1.1 Giới thiệu phần mền ABAQUS 6.7 63 4.1.2 Thiết lập mô hình hình học 64 4.1.3 Lựa chọn mô hình vật liệu 65 4.1.4 Điều kiện biên 67 4.1.5 Giải bài toán 67 4.2 Phân tích các kết quả mô phỏng 68 4.2.1 Thay đổi kích thước phôi để điền đầy lòng khuôn 68 4.2.2 Thay đổi kích thước phôi để thu hẹp vành biên nhỏ dưới

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

t1÷t2 Thời gian giữ nhiệt s

Le Năng lượng va đập MJ

Pmax Lực ép cực đại KN

 Ứng suất chính N/mm²

max Ứng suất cực đại N/mm²

1, 2, 3 Biến dạng chính

DK Đường kính chi tiết mm

HK Chiều cao chi tiết mm

Hk Chiều cao sau ép mm

a Chiều dài cầu vành biên mm

b Chiều dài túi chứa kim loại vành biên mm

h Chiều cao cầu vành biên mm

Sv Diện tích tiết diện ngang của rãnh thoát biên mm²

1 Góc nghiêng trong của thành lòng khuôn o

2 Góc nghiêng ngoài của thành lòng khuôn o

Vmin Thể tích vành biên tối thiểu mm3

Vtt Thể tích vành biên thực tế mm3

∆V Thể tích phế liệu mm3

D0 Đường kính phôi mm

Dmin Đường kính phôi nhỏ nhất mm

Lmin Chiều dài phôi nhỏ nhất mm

Dmax Đường kính phôi lớn nhất mm

Lmax Chiều dài phôi lớn nhất mm

V1 Thể tích thành phần thứ nhất phế liệu mm3

V2 Thể tích thành phần thứ hai phế liệu mm3

V3 Thể tích thành phần thứ ba phế liệu mm3

Vvb Thể tích vành biên mm3

Sr Diện tích tiết diện ngang rãnh thoát biên mm²

L Chiều dài chu vi vật dập trên mặt phân khuôn mm

φ Hệ số điền đầy rãnh thoát biên

∆V Lượng dư của phôi (thể tích vành biên) mm3

PAM-DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Hình Ý nghĩa Trang

1.7 So sánh hướng thớ kim loại giữa đúc, cắt gọt và dập 18

1.10a Khuôn chồn đầu bulông 22

2.7 Góc nghiêng trong và ngoài của thành lòng khuôn 40

2.9 Dập khối trên khuôn hở các sản phẩm lớn 47 2.10 Quy trình công nghệ dập khối và khuôn dập tay biên 47

3.10 Hình dáng của phôi 59 3.11 Kết cấu sơ bộ của vành biên 61 3.12 Mô hình khuôn trên 61 3.13 Mô hình khuôn dưới 62

4.2 Các đường cong chảy của vật liệu (Đường cong quan hệ giữa

4.3 Kết quả điền đầy lòng khuôn (a – không đạt, b - đạt) 68

4.8 Hình dạng vành biên tại các mặt cắt trong trường hợp 4 74

4.11 Đồ thị lực dập tạo hình trục khuỷu 78

cả các nhà sản xuất

Trước đây, khi công nghệ chưa phát triển, tối ưu hoá công nghệ thường dựa trên kinh nghiệm sản xuất và tối ưu dần trong quá trình sản xuất mà không có tính tổng quát nên hiệu quả thường không cao Trong những năm gần đây, cùng với sự phát triển mạnh

mẽ của công nghệ thông tin, điện tử, tự động hoá đã trợ giúp quá trình tối ưu hoá công nghệ một cách đơn giản, nhanh chóng và chính xác bằng phương pháp mô phỏng số trên máy tính đem lại hiệu quả cao trong nghiên cứu khoa học cũng như trong sản xuất

Ở nước ta hiện nay, mô phỏng số đã được quan tâm nhiều, nhưng chủ yếu là ở một

số trường đại học cũng như các viện nghiên cứu, trong thực tiễn sản xuất hầu như chưa được ứng dụng Để góp phần vào sự phát triển chung của việc nghiên cứu tối ưu hoá công nghệ nhờ mô phỏng số và thúc đẩy ứng dụng kết quả tối ưu vào sản xuất công nghiệp, luận văn này tập chung nghiên cứu và ứng dụng phương pháp mô phỏng số nhờ phần mềm ABAQUS nhằm tối ưu hoá công nghệ dâp khối

Ngoài ra luận văn này cũng bước đầu nghiên cứu và đề cập đến công nghệ dập khối trên khuôn hở ở trạng thái nóng nhằm nâng cao hiệu quả dập và chất lượng sản phẩm

Luận văn được trình bày trong 4 chương

Chương 1: Tổng quan công nghệ dập tạo hình các chi tiết dạng khối

Chương 2: Nghiên cứu công nghệ dập khối trên khuôn hở

Chương 3: Nghiên cứu công nghệ dập trục khuỷu

Chương 4: Mô phỏng số tạo hình chi tiết trục khuỷu

Ứng dụng mô phỏng số với sự trợ giúp của phần mềm mô phỏng ABAQUS, sẽ cho phép nhanh chóng tối ưu được thông số công nghệ cơ bản và hình dáng kích thước của khuôn dập

Phần kết luận đưa ra một vài tổng kết quan trọng và hướng phát triển tiếp theo của

Lĩnh vực cơ khí ngày càng phát triển, thì các yêu cầu về các sản phẩm cơ khí ngày càng cao, đặc biệt là yêu cầu về: Độ bền, độ chính xác, tiết kiệm vật liệu, năng lượng cho quá trình sản xuất, nâng cao hiệu quả kinh tế, giảm giá thành và nâng cao chất lượng sản phẩm

Trong công nghệ chế tạo máy, có nhiều phương pháp để gia công được các sản phẩm đáp ứng các yêu cầu trên Tuỳ vào từng trường hợp sản xuất cụ thể mà có thể sử dụng linh hoạt các phương pháp gia công dưới đây:

Hình 1.1 Các phương pháp gia công vật liệu

Đối với các chi tiết truyền động trong các thiết bị, máy móc, không có một phương pháp nào hiệu quả hơn là phương pháp gia công áp lực

Gia công kim loại bằng áp lực là phương pháp tạo hình vật liệu dựa trên tính dẻo của vật liệu, thông qua dụng cụ, thiết bị tạo lực làm vật liệu biến dạng dẻo để tạo thành sản phẩm có hình dáng, kích thước theo yêu cầu

Ngoại lực là yếu tố cơ bản trong gia công áp lực, góp phần tạo ra hình dáng của vật thể và tạo ra cơ tính cao hơn, giảm tiêu hao vật liệu…

Nhiệt độ là yếu tố quan trọng trong gia công áp lực Nhiệt độ cao làm tăng tính dẻo của kim loại do đó dễ biến dạng dẻo vật liệu và làm giảm trở lực biến dạng, giảm sức lao động, tăng năng suất…

So với các phương pháp chế tạo khác, gia công áp lực tạo ra sản phẩm có độ bền cao hơn, khả năng chịu lực tốt hơn, độ chính xác và độ nhẵn mặt ngoài cao hơn, tiết kiệm kim loại, năng suất cao hơn nhưng cần thiết bị tạo lực phức tạp và đắt tiền

Sản phẩm gia công áp lực dùng chủ yếu trong các chi tiết máy, cơ cấu chịu tải trọng cao, tải trọng động hay va đập Vật liệu dùng gia công áp lực là các loại thép C, thép hợp kim, kim loại màu, hợp kim màu…

Gia công áp lực tạo ra nhiều dạng sản phẩm khác nhau Có những sản phẩm đem dùng ngay gọi là chi tiết, có những sản phẩm phải qua gia công cơ tiếp theo gọi là phôi

Để sản xuất các chi tiết dạng khối người ta thường sử dụng các phương pháp truyền thống như ép, rèn hay dập khối (dập thể tích)

* Ép kim loại

Ép là phương pháp làm biến dạng dẻo kim loại qua lỗ hình của khuôn ép dưới tác dụng của lực ép

Lỗ hình của khuôn ép có tiết diện khác nhau Tuỳ theo tính dẻo của vật liệu, có thể

ép nóng hoặc ép nguội Phôi ép có thể là thỏi cán hay sản phẩm rèn dập Ép tạo sản phẩm

có tiết diện không thay đổi theo chiều dài, độ bong bề mặt và độ chính xác cao Sản phẩm

ép có thể là các thỏi đặc, các loại ống với nhiều tiết diện khác nhau Nhược điểm là thiết

bị ép cần độ cứng vững cao, lượng kim loại thừa không biến dạng trong khuôn cò nhiều

* Rèn tự do

Rèn tự do là một quá trình biến dạng tự do của kim loại dưới tác dụng của các dụng cụ đơn giản hoặc các thiết bị tạo lực Việc tạo hình nhờ bề mặt dụng cụ và trình độ tay nghề của người rèn

Rèn tự do chất lượng không cao, độ bóng bề mặt thấp, hao phí nhiều kim loại, cường độ lao động lớn, thường dùng trong sản xuất đơn chiếc, hàng loạt nhỏ, trong sửa chữa…nhưng có khả năng tạo ra được sản phẩm có kích thước từ rất nhỏ đến rất lớn…Vật liệu thường dùng là phôi đúc, thỏi cán…

Hình 1.2 Sơ đồ phân loại gia công áp lực

Công nghệ dập tạo hình khối là một trong những phương pháp gia công kim loại bằng áp lực, khai thác tính dẻo của kim loại để làm biến dạng và điền đầy vào lòng khuôn

để tạo hình sản phẩm có hình dạng và kích thước theo yêu cầu

Lịch sử của dập tạo hình khối

+ Phương pháp cổ điển nhất: chế tạo nông cụ, giáo mác…

+ Thế kỷ XV: súng ống, máy móc…

+ Thế kỷ XVI: Nga chế tạo máy búa truyền động cơ khí chạy bằng sức nước

+ Thế kỷ XVIII: đồ trang sức, tiền tệ…

+ Thế kỷ XIX: phát minh máy hơi nước, đến năm 1842: máy búa hơi nước ra đời + 1928: Nga xây dựng phân xưởng rèn dập đầu tiên…

+ Ngày nay: trục khuỷu, khớp nối, tuốc-bin, trục truyền lớn, chi tiết máy nâng chuyển

Hiện nay trên thế giới, công nghệ dập tạo hình khối đã phát triển đến trình độ cao Các phân xưởng rèn dập đã có thể chế tạo các chi tiết hoàn chỉnh không cần phải qua gia công cơ, đồng thời lại có những ưu điểm như: độ bền cao, tiết kiệm kim loại, giá thành hạ

và đặc biệt là năng suất cao

Quá trình dập khối là một công đoạn của quá trình sản xuất cơ khí hoàn chỉnh, mọi quá trình đều có thể chia làm ba phần chính: đầu vào (input) là phôi, quá trình xử lý (process) phôi đầu vào (dập khối) và đầu ra (output) là sản phẩm hoặc bán thành phẩm (vật dập) Các dạng phôi đầu vào, các phương pháp dập khối và dạng sản phẩm khối được trình bày như bảng sau:

- Phôi cán chu kỳ, định hình - Vuốt, kéo - Chi tiết

- Dập trong khuôn hở

- Dập trong khuôn kín

Bảng 1.1 Các dạng phôi, các nguyên công công nghệ và các dạng sản phẩm

dập khối

* Sơ đồ khối công nghệ tổng quát của quá trình dập khối

Hình 1.3 Sơ đồ quá trình dập khối

Trong sơ đồ trên gù đúc thỏi đúc và các loại thép càn chu kỳ là phôi đầu vào cho quá trình rèn và dập khối Phôi đầu vào sẽ được nung lên một nhiệt độ thích hợp trước khi chuyển sang các nguyên công chuẩn bị (rèn phôi) hoặc dập trong khuôn Tại đây kim loại

sẽ được tạo hình theo yêu cầu Sau khi dập xong phôi dập sẽ được xử lý sau dập ( cắt biên, xử lý nhiệt…) và tiến hành các nguyên công gia công cơ nếu cần để tạo ra sản phẩm hoàn thiện

* Phân loại các nguyên công trong công nghệ dập tạo hình khối

Công nghệ dập khối được chia thành 2 dạng công nghệ cơ bản:

- Rèn phôi bao gồm các nguyên công chồn, vuốt, uốn…

- Dập tạo hình trong lòng khuôn gồm dập trong khuôn hở, dập trong khuôn kín, ép chảy…

xu, bánh răng…Hình dưới đây là các dạng sản phẩm dập khối điển hình:

CN DẬP TẠO HÌNH

Chồn Vuốt Uốn

…

Dập trong khuôn hở Dập trong khuôn kín

độ cứng của chi tiết tăng lên

Hình 1.6 Hướng thớ của sản phẩm sau khi dập tạo hình

a) Đúc b) Cắt gọt c) Dập tạo hình

Hình 1.7 So sánh hướng thớ kim loại giữa đúc, cắt gọt và dập

- Tiết kiệm được nhiều kim loại, thời gian nhất là trong sản xuất hàng loạt lớn và hàng khối Do đó hạ giá thành sản phẩm

- Do tăng được độ bền và độ cứng nên kích thước chi tiết giảm đi, chi tiết sẽ gọn nhẹ hơn

- Năng suất lao động cao có thể cơ khí hoá và tự động hoá quá trình sản xuất

- Thao tác đơn giản, không cần thợ bậc cao do đó giảm chi phí sản xuất

- Có thể chế tạo được các chi tiết có kích thước từ rất nhỏ (trục đồng hồ) đến những chi tiết có kích thước vô cùng lớn (khối lượng đến 500 tấn)

Nhược điểm:

- Chất lượng bề mặt chi tiết thấp, độ chính xác không cao, khó khăn cho việc cơ

khí hoá và tự động hoá quá trình sản xuất

- Công nhân phải làm việc trong môi trường nóng, độc, khói bụi Khi làm việc các thiết bị thường gây tiếng ồn lớn, ảnh hưởng đến sức khoẻ của người lao động

- Dập tạo hình khối thường phải sử dụng các thiết bị lớn, đắt tiền do vậy chỉ thích hợp với sản xuất hàng loạt và hàng khối do phải đầu tư ban đầu lớn

- Hiện nay phương pháp dập tạo hình với phôi ở trạng thái nguội được sử dụng khá phổ biến Khi đó độ nhẵn bóng bề mặt và độ chính xác chi tiết cao, không cần qua gia công cơ, nhưng phương pháp này chỉ được áp dụng với những chi tiết nhỏ và trung bình

do lực công nghệ lớn

1.3 Các thiết bị chính để thực hiện công nghệ dập khối

Các máy búa không khí nén, máy búa hơi nước – không khí nén, các máy búa thuỷ lực, máy ép trục khuỷu dập nóng, máy ép ma sát trục vít hoặc máy vít cung điện…

Đến nay do những thành tựu khoa học, kỹ thuật ngày càng cao, các nước công nghiệp phát triển đã chế tạo các thiết bị dập tạo hình cỡ lớn và hiện đại, các thiết bị phục

vụ công nghệ dập thể tích khác như:

- Máy búa hơi có trọng lượng phần rơi đến G = 25 tấn

- Máy búa không bệ đe có năng lượng va đập đạt đến Le = 1,5 MJ

- Máy ép trục khuỷu dập nóng có lực ép danh nghĩa đến P = 140 MN (14000 tấn)

- Máy ép thuỷ lực có lực danh nghĩa đến P = 750 MN (75000 tấn)

- Máy ép ma sát trục vít có lực danh nghĩa đến P = 16 MN (1600 tấn)

- Máy rèn ngang có lực danh nghĩa đến P = 31.5 MN (3150 tấn)

Ngoài ra còn có các máy búa cao tốc, búa thuỷ lực có lực dập lớn, có hiệu suất sử dụng cao trong quá trình dập khối

Hình 1.8 Thiết bị cho nguyên công dập khối

1.4 Các nguyên công trong công nghệ dập khối

Trong dập công nghệ dập tạo hình có rất nhiều nguyên công (đã được trình bày ở

bảng 1.1 và hình 1.4) Trong mục này, ta chỉ khảo sát các nguyên công cơ bản được sử

dụng trong công nghệ dập tạo hình khối

1.4.1 Nguyên công chồn

Chồn là nguyên công thuộc quá trình tạo hình chính và cũng có thể là nguyên công thuộc quá trình sơ bộ Nhiệm vụ của nguyên công chồn là làm tăng kích thước tiết diện ngang bằng cách làm giảm chiều cao của phôi, hoặc chính xác hơn: chồn làm tăng kích thước tiết diện phôi theo chiều vuông góc với lực tác dụng, bằng cách làm giảm kích thước của nó theo phương của lực tác dụng

Phôi chồn có khi là dải, tiết diện tròn, profile khac nhau: vuông, chữ nhật, ống… Chồn là một quá trình nén (Biến dạng theo chiều lực tác dụng là âm, hai chiều còn lại là dương)

Chồn có thể ở trạng thái tự do, có ma sát, không có ma sát, chồn cưỡng bức (trong khuôn kín)…

Phạm vi ứng dụng nguyên công chồn rất rộng rãi vì nó có thể đáp ứng nhu cầu: tạo hình, làm giảm chiều sâu khi đột lỗ, cải tạo hướng thớ kim loại, làm mất tính chất bất đẳng hướng về cơ tính của kim loại, kiểm tra khuyết tật kim loại và cải tạo cấu trúc tinh thể

Hình 1.9 Sơ đồ bài toán chồn

Hình 1.10.a Khuôn chồn đầu bulông Hình 1.10.b Sản phẩm chồn

1.4.2 Rèn vuốt

Rèn vuốt là một nguyên công công nghệ nhằm tăng chiều dài của phôi bằng cách giảm tiết diện ngang

Được thực hiện bằng cách đập tuần tự vào phôi và lật phôi sau mỗi lần đập

Hai lần đập và một lật phôi gọi là bước rèn vuốt

Hình 1.11 Sơ đồ bài toán vuốt

1.4.3 Ép chảy

Ép chảy là quá trình gia công im loại bằng áp lực trong đó vật liệu dưới tác động của chày ép được ép qua lỗ cối tạo ra bán thành phẩm dạng thanh đặc hoặc rỗng, có biên dạng từ đơn giản đến phức tạp Ngoài ra ép chảy cũng có thể tạo ra các sản phẩm dưới dạng chi tiết Sản phẩm của quá trình ép chảy có độ chính xác cao về hình dáng cũng như kích thước với hệ số sử dụng vật liệu cao, vì hầu như không có vật liệu bỏ sau khi gia công như các phương pháp gia công cơ Hơn nữa ép chảy còn cho phép tạo ra các sản phẩm có hình dạng phức tạp mà các phương pháp khác không thể tạo ra được

Ép chảy được chia thành ép chảy thuận, ép chảy ngược, ép chảy ngang và ép chảy hỗn hợp

Thể tích kim loại trong lòng khuôn luôn luôn giảm đi trong quá trình ép

Hình 1.12 Ép chảy

1.4.4 Dập khối trong khuôn hở

Đặc điểm cơ bản của dập khối trên khuôn hở là ở chỗ sản phẩm có vành biên bao quanh chu vi của mặt phân khuôn, vành biên này có ý nghĩa công nghệ đặc biệt nhằm tạo

ra trở lực trên vành biên lớn hơn trong lòng khuôn để ép kim loại điền đầy lòng khuôn khi chảy ra vành biên Thiết bị chủ yếu để dập bằng khuôn hở là máy dập búa và các loại máy

ép

Do có vành biên nên phôi dập không yêu cầu thật chính xác về thể tích

Có một phần kim loại được biến dạng tự do nên vật dập không hoàn toàn ở trạng thái ứng suất nén

Chất lượng sản phẩm (độ chính xác, độ bóng ) không đồng đều

Kết cấu khuôn không quá phức tạp

Phải thêm nguyên công cắt vành biên để hoàn thiện sản phẩm

Hình 1.13 Kết cấu khuôn dập trong lòng khuôn hở

1- Nửa khuôn trên 2- Nửa khuôn dưới 3- Phôi ban đầu 4- Phôi sau khi dập 5- Phôi sau khi đã cắt via

1.4.5 Dập khối trong khuôn kín

Dập khối trên khuôn kín không có vành biên trên sản phẩm Với loại khuôn này phương của lực tác dụng song song hoặc gần song song với mặt phân khuôn, không có rãnh thoát biên, khi ráp khuôn lòng khuôn hoàn toàn kín, vật dập chịu ứng suất khối ép nên kim loại biến dạng, điền đầy toàn bộ lòng khuôn Phôi dập trong khuôn kín đã qua nguyên công chuẩn bị phải có yêu cầu độ chính xác cao về thể tích

1.4.6 So sánh dập trên khuôn kín và khuôn hở

Hình 1.15 So sánh dập trên khuôn hở và khuôn kín

1.5 Nhiệt độ trong công nghệ dập khối

Nhiệt độ đóng vai trò quyết định đến năng suất thiết bị, tính chất cơ- lý của vật liệu, độ tiêu hao nhiên liệu, năng lượng, giá thành vật dập…

Nung kim loại khi dập nóng là một trong các nguyên công cơ bản của qui trình dập Mục đích của nung kim loại trong công nghệ dập tạo hình chi tiết dạng khối chủ yếu nhằm giảm trở lực biến dạng và tăng tính dẻo, tức làm tăng khả năng biến dạng của kim loại

Khoảng nhiệt độ tạo hình cho phép (Tcp) khi rèn và dập nóng là khoảng nhiệt độ giới hạn bởi nhiệt độ bắt đầu rèn (Tbd) và nhiệt độ kết thúc rèn (Tkt) mà tại đó kim loại có tính dẻo cần thiết để biến dạng và điền đầy lòng khuôn Đối với hợp kim thép - các bon thông thường thì khoảng nhiệt độ cho phép nằm trong giới hạn từ 1250o

C – 750oC

Khoảng nhiệt độ tạo hình cần thiết (Tct) là khoảng nhiệt độ nằm trong khoảng nhiệt

độ (Tcp) phù hợp với từng nguyên công, thời gian gia công và vật liệu

Hình 1.16 Giản đồ trạng thái Fe-C

và các nhiệt độ giới hạn

1- Giới hạn trên của nhiệt độ dập nóng

2- Thường hoá 3- Tôi

4- Ủ

Hình 1.17 Khoảng nhiệt độ tạo hình cho phép (T cp )

Ở khoảng nhiệt độ 850÷9000C, độ bền của hầu hết các mác thép có giá trị gần như nhau Khi nung kim loại ở nhiệt độ cao hơn 10000C, độ bền của thép không lớn hơn 80MPa Điều này cho phép dập các loại phôi thép mà không sợ chúng bị phá huỷ và có thể sử dụng thiết bị có công suất thấp hơn nhiều so với thiết bị dùng để gia công các phôi thép này ở trạng thái nguội

Quá trình nung có ảnh hưởng đáng kể đến tổ chức của thép, đặc biệt là khi nung đến nhiệt độ cao hơn điểm tới hạn AC3 quan sát thấy có sự lớn lên của các hạt Theo mức

độ tăng thời gian giữ nhiệt và nhiệt độ nung, kích thước của các hạt austenit tăng lên Cường độ lớn lên của các hạt austenit tăng mạnh khi nung thép tới nhiệt độ cao hơn nhiệt

độ tới hạn lớn lên của các hạt

Tuỳ thuộc vào mác thép, nhiệt độ này nằm trong khoảng từ 1000 đến 12000

C Cường độ lớn lên của các hạt austenit khi nung đối với các loại thép khác nhau cũng khác nhau, và khi làm nguội chậm thép này thì tổ chức Austenit sẽ chuyển biến thành tổ chức Ferit-Peclit ở nhiệt độ xác định Các hạt Austenit càng lớn khi nung thì sẽ nhận được các hạt ferit và peclit càng lớn và do đó cơ tính của thép càng thấp Vì thế, khi làm nguội thép

đã được nung nóng thì các hạt austenit không những không nhỏ đi, mà ngược lại có thể còn tăng lên (trong khoảng nhiệt độ cao hơn đường AC1 , tức là trước khi có chuyển biến austenit thành Ferit và Peclit)

Nếu trong thời gian làm nguội thép xảy ra quá trình biến dạng, thì các hạt austenit

bị phá vỡ và cấu trúc của thép khi đó sẽ thay đổi theo hai hướng Một mặt dưới tác dụng của đầu búa hoặc bàn ép của máy ép làm cho các hạt bị biến dạng và kèm theo đó là sự vỡ vụn của các hạt Mặt khác, do ảnh hưởng của nung nóng thì các hạt bị phá vỡ do quá trình biến dạng gây ra có xu hướng lớn lên Sự lớn lên của các hạt biến dạng do quá trình dập gây ra ở đây là quá trình kết tinh lại Sự lớn lên của các hạt khi kết tinh lại là do sự phá vỡ của các lớp biên giới hạt khi dập nóng gây ra, do đó các hạt tinh thể bị phá vỡ có khả năng sát nhập lại với nhau tạo thành những hạt có kích thước lớn hơn

Mức độ biến dạng càng lớn thì các hạt tinh thể bị làm nhỏ càng mạnh và nhiệt độ kim loại sau khi kết thúc biến dạng càng cao thì các điều kiện thuận lợi cho quá trình kết tinh lại càng lớn, tức là càng thuận lợi cho sự lớn lên của các hạt Từ đây cho phép rút ra kết luận thực tế là: cần biến dạng kim loại ở nhiệt độ cao nhất có thể bởi vì ở nhiệt độ đó kim loại có tính dẻo cao và cho phép biến dạng với chi phí năng lượng thấp nhất, nhưng nên kết thúc quá trình biến dạng dập ở nhiệt độ tương đối thấp ( gần điểm tới hạn AC1) để không cho phép các hạt có khả năng phát triển do kết tinh lại gây ra

Khoảng nhiệt độ tạo hình nóng thay đổi đáng kể phụ thuộc vào mác thép, nhưng chủ yếu nằm trong giới hạn từ 1280 đến 7500

C

Nếu dừng dập ở nhiệt độ cao sẽ làm cho các hạt tinh thể có kích thước lớn do kết tinh lại gây ra Kết quả là vật dập có cơ tính thấp Tuy nhiên nếu kết thúc dập ở nhiệt độ thấp thì làm thì làm xuất hiện hiện tượng biến cứng Nhiều công trình nghiên cứu và thực

tế đã cho thấy rằng, hai yếu tố quan trọng ảnh hưởng đáng kể đến kích thước hạt khi biến

dạng nóng là nhiệt độ và mức độ biến dạng Ở nhiệt độ cao, kết tinh lại xảy ra mạnh và hoàn toàn kết thúc ngay trong khoảng thời gian giữa các lần dập, ở nhiệt độ tương đối thấp thì quá trình kết tinh lại xảy ra rất chậm

Nhược điểm của phương pháp dập khối là lực dập lớn Để giảm lực dập thì cần phải biến dạng ở nhiệt độ cao, nhưng nếu biến dạng ở nhiệt độ cao thì độ chính xác của sản phẩm giảm, chất lượng bề mặt chi tiết giảm

Vì vậy ta cần lựa chọn khoảng nhiệt độ hợp lý để lực khi dập không quá cao và độ chính xác vẫn được đảm bảo Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là khảo sát và chọn dập tạo hình ở trạng thái nửa nóng (khoảng nhịêt độ nằm sát với nhiệt độ kết tinh lại) để đảm bảo những yếu tố trên

Sự khác biệt giữa dập nóng và dập nửa nóng

- Tạo ra sản phẩm theo yêu cầu

- Dễ dàng thực hiện công nghệ và tạo

hiệu quả sản xuất cao

- Ứng suất chảy của kim loại thấp nên

công biến dạng, lực dập nhỏ, không có

sự biến cứng của vật liệu, tổ chức cấu

trúc đồng đều do xảy ra quá trình hồi

- Tạo ra sản phẩm theo yêu cầu

- Thực hiện công nghệ khó khăn hơn, thích hợp với các phương pháp chồn, dập trong khuôn kín, ép chảy, dập nổi

- Do biến dạng ở nhiệt độ dưới nhiệt độ kết tinh lại nên ứng suất chảy của kim loại lớn, khi biến dạng có hóa bền kim loại, công và lực biến dạng lớn Cấu trúc

Hình 1.18 Các nguyên nhân và vị trí hỏng khuôn khi dập khối

phục và kết tinh lại

- Mức độ biến dạng kim loại lớn

- Độ chính xác thấp, vật liệu bị hao cháy

trong quá trình biến dạng

- Mức độ biến dạng kim loại hạn chế

Không có khả năng tạo hình quá phức tạp hay mức độ biến dạng quá lớn

- Độ chính xác cao, không bị mất mát vật liệu do hao cháy

- Chất lượng bề mặt rất cao, nên không cần phải có các quá trình gia công cơ sau khi tạo hình

- Nhiệt độ dập nửa nóng đối với Thép

và hiệu quả thông qua chế tạo chi tiết trục khuỷu ô tô tại các nhà máy sản xuất phụ tùng tại Việt Nam

Để kiểm chứng được các ưu, nhược điểm của phương pháp dập khối, ta sử dụng phần mềm ABAQUSđể mô phỏng cho trường hợp dập ở trạng thái nóng

Nội dung luận văn này tập trung nghiên cứu và giải quyết các vấn đề sau:

- Nghiên cứu công nghệ dập khối trên khuôn hở

- Nghiên cứu thiết kế khuôn dập chi tiết trục khuỷu

- Mô phỏng số quá trình tạo hình chi tiết trục khuỷu

- So sánh kết quả giữa tính toán lý thuyết với thực tế

CHƯƠNG 2

NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ DẬP KHỐI TRÊN KHUÔN HỞ

2.1 Sơ lược về công nghệ dập khối trên khuôn hở (có vành biên)

Dập khối là phương pháp công nghệ có năng suất rất cao và chất lượng sản phẩm tốt, giá thành hạ Nó được áp dụng rộng rãi trong các lĩnh vực chế tạo máy và sản xuất hàng tiêu dùng Đặc biệt là trong công nghiệp chế tạo ô tô, toa xe, đầu máy, máy vận chuyển, máy nâng, máy khâu, chế tạo máy công cụ, máy nông nghiệp, chế tạo các dụng

cụ đồ nghề, dụng cụ y tế v.v

Dập khối là quá trình phân bố lại kim loại phôi một cách cưỡng bức, làm điền đầy các khoảng trống, có hình dáng gần giống với hình dáng chi tiết và được gọi là các lòng khuôn Khuôn dập là dụng cụ chủ yếu nhất trong dập khối Không phụ thuộc vào thiết bị,

nó được chia làm 3 loại chính sau đây: khuôn hở, khuôn kín, khuôn ép chảy

Tuỳ thuộc vào hình dáng, kích thước, yêu cầu cơ tính… của từng chi tiết mà ta có thể lựa chọn được kiểu lòng khuôn dập phù hợp

Đặc điểm cơ bản của dập khối trên khuôn hở là chỗ sản phẩm của nó có vành biên bao quanh chu vi của mặt phân khuôn Vành biên này có ý nghĩa công nghệ đặc biệt và

khuôn không thể thiếu nó được Thiết bị chủ yếu để dập bằng khuôn hở là máy búa và

các loại máy ép Bản chất của quá trình dập trên khuôn hở có thể giải thích bằng một ví

dụ như sau: ta cho một vật dập hình trụ có đường kính DK và chiều cao HK (hình 2.1a) ta

có thể làm khuôn như hình 2.1b Gồm 1 cối có lòng khuôn với kích thước bằng kích thước của vật rèn DKH và HKH (bằng kích thước của chi tiết cộng thêm lượng dư gia công

và dung sai vật rèn) và chày 2 là 1 tấm phẳng Nếu thể tích phôi được tính toán bằng thể tích lòng khuôn: Vph = Vkh thì sau khi dập ta thu được vật rèn với các kích thước yêu cầu

Dhk và Hhk (hình 2.1c)

Hình 2.1 Sơ đồ công nghệ dập trên khuôn hở

a - Phôi; b, c - Khuôn không có góc nghiêng (l tưởng) d,e - Khuôn có góc nghiêng thành lòng khuôn (phôi th a)

Nhưng nếu dập theo sơ đồ trên thì sẽ gặp những khó khăn sau:

- Việc lấy vật dập ra khỏi lòng khuôn rất khó khăn do lực ma sát giữa vật dập và thành khuôn rất lớn

- Khi kích thước của phôi không chính xác sẽ không thu được vật dập đúng kích thước: nếu Vph > Vkh thì kim loại thừa sẽ cho vật dập cao hơn chiều cao của lòng khuôn một lượng đúng bằng chiều dày lớp bavia; nếu Vph < Vkh thì ở một số vùng nào đó kim loại không điền đầy được lòng khuôn và tại đó ta thấy kích thước vật dập bị hụt

Đối với các chi tiết phức tạp, kim loại rất khó chảy đến các vùng có trở lực biến dạng lớn trong lòng khuôn (khi hình trụ với HK lớn thì tại đáy cối thường gặp trường hợp hụt kích thước), trường hợp này gọi là hiện tượng không điền đầy lòng khuôn Nguyên nhân của nó là do định luật “Trở lực biến dạng nhỏ nhất” của kim loại khi biến dạng dẻo Trong thực tế có khi thể tích phôi có thể lớn hơn thể tích vật rèn nhưng ta thấy kim loại chảy tràn ra ngoài miệng khuôn chứ không điền đầy lòng khuôn

Để khắc phục hiện tượng trên ta có thể làm khuôn dập có góc nghiêng thành lòng khuôn (hình 2.1d,e)

Khi gặp các chi tiết phức tạp, khó điền đầy lòng khuôn ta lấy thể tích phôi lớn hơn thể tích vật dập một chút, lượng kim loại thừa này sẽ chảy tràn ra khe hở giữa chày và cối Nhưng khi chày tiến dần đến cối thì chiều dày lớp kim loại giảm đi, nó sẽ nguội dần sớm hơn các chỗ khác và gây trở lực biến dạng lớn, đóng kín cửa khuôn, không cho kim loại tiếp tục tràn ra ngoài nữa Vì vậy lượng kim loại còn lại trong khuôn bị cưỡng bức chảy vào các vùng khó điền đầy trong lòng khuôn

Như vậy lượng kim loại thừa chảy tràn ra khe hở giữa chày và cối có ý nghĩa công nghệ rất quan trọng Nhiệm vụ chủ yếu của nó là làm cho kim loại điền đầy lòng khuôn

Sau khi dập trên khuôn hở ta cần cắt bỏ lớp vành biên bằng các khuôn cắt biên Lượng kim loại hình thành vành biên đối với các chi tiết nhỏ chiếm một tỷ lệ khá cao, làm giảm hệ số sử dụng kim loại Đây cũng là nhược điểm lớn nhất của phương pháp dập trên khuôn hở

Đặc điểm quá trình dập khối trên khuôn hở

* Khối lượng phôi có thể không cần chính xác nhưng kích thước của vật dập sẽ

giống nhau vì khi khối lượng phôi lớn hơn yêu cầu thì lượng kim loại thừa có thể chảy hết ra theo rãnh thoát biên

* Chiều chảy của kim loại thoát ra khỏi lòng khuôn vào các rãnh thoát biên vuông góc với chiều của lực tác dụng Chiều dày của vành biên giảm dần khi lực dập tang

* Thớ kim loại tại nơi cắt vành biên sẽ không liên tục

* Khối lượng kim loại ở trong lòng khuôn giảm dần đi trong quá trình tăng lực vì

có một lượng kim loại chảy ra khỏi khuôn qua rãnh thoát biên

2.2 Vành biên và rãnh thoát biên

2.2.1 Vành biên

Là phần kim loại thừa bao quanh vật dập

- Khóa cửa khuôn ở giai đoạn cuối quá trình dập

- Tăng trở lực biến dạng để kim loại điền đầy các hốc hẹp, rãnh sâu trong lòng khuôn

- Vành biên được cắt bởi các nguyên công sau dập

2.2.2 Rãnh thoát biên

Gồm cầu vành biên a và túi chứa kim loại b

Kích thước h đóng vai trò quan trọng trong việc điền đầy kim loại và hình thành vành biên

Hình 2.2 Kích thước cơ bản của rãnh thoát biên

2.2.3 Các kiểu rãnh thoát biên và kích thước của nó

Cho đến nay qua kinh nghiệm sản xuất người ta đã tìm ra 6 kiểu rãnh thoát biên thường dùng sau:

Hình 2.3 Các loại rãnh thoát biên thường gặp

Hiện nay rãnh thoát biên kiểu III được sử dụng rộng rãi nhất, các kích thước của

nó được tiêu chuẩn và tính toán theo vật dập (bảng 2.1)

Bảng 2.1: Kích thước rãnh thoát biên kiểu III của khuôn dập trên máy búa

Trên bảng 2.1 các kích thước chiều dài (h và b) tính bằng mm; diện tích tiết diện ngang của rãnh thoát biên (Sv) tính bằng mm2

Muốn chọn kích thước rãnh thoát biên ta sử dụng công thức kinh nghiệm sau đây:

FVd – Diện tích hình chiếu vật dập trên mặt phân khuôn, tính bằng mm2

h – Chiều cao cầu vành biên, tính bằng mm

Sau khi chế tạo khuôn cần tiến hành dập thử Căn cứ vào vành biên của vật dập thử

ta có thể kiểm tra xem rãnh thoát biên đã thiết kế đúng chưa Nếu rãnh thoát biên thiết kế không đúng, trở lực biến dạng tại cửa khuôn nhỏ thì kim loại sẽ chảy vào rãnh thoát biên sớm quá Sau khi dập thử ta thấy chiều cao vành biên bằng chiều cao túi chứa kim loại

trong rãnh thoát biên (h.2.4a) Như vậy sẽ sinh ra lực Pt tác dụng từ khuôn vào vành biên làm tăng lực dập cần thiết, hại khuôn và có thể gặp trường hợp không điền đầy lòng khuôn Muốn khắc phục hiện tượng này cần tăng trở lực biến dạng ở cửa khuôn sao cho khi dập thử ta thu được vành biên như trên hình 2.4b là đạt yêu cầu Nếu trở lực biến dạng

ở cửa khuôn quá lớn cũng làm tăng lực dập cần thiết, dễ gây hiện tượng chiều cao vật dập lớn hơn yêu cầu, vành biên thì quá nhỏ, gây khó khăn cho việc cắt biên, khuôn chóng bị hỏng do áp lực đơn vị của kim loại tác dụng vào lòng khuôn quá lớn

Hình 2.4 Sơ đồ cấu tạo vành biên đúng và sai a)Vành biên quá lớn - b)Vành biên hợp l

2.3 Góc nghiêng thành lòng khuôn

* Mục đích:

Sau khi dập do lực ma sát giữa vật dập và thành lòng khuôn tại các mặt tiếp xúc, cho nên nếu ta làm các thành lòng khuôn đứng thì vật dập sẽ dính chặt vào lòng khuôn, không lấy ra được, hoặc trong trường hợp dùng cần đẩy mà lực ma sát rất lớn thì lực cũng lớn

* Cách chọn góc nghiêng

- Các khuôn hở dập trên máy búa: lòng khuôn với một góc nghiêng nhất định (khoảng 5100)

- Đối với các khuôn dập có dùng cần đẩy (khả năng này rất khó thực hiện trên máy búa) thì có thể giảm góc nghiêng thành lòng khuôn đi vài ba độ

- Độ sâu tương đối của các lòng khuôn càng lớn thì góc nghiêng thành lòng khuôn càng lớn

- Vật dập như nhau nhiệt độ phôi dập càng cao thì góc nghiêng thành lòng khuôn càng lớn

- Nếu dùng chất bôi trơn tốt thì không những làm giảm hệ số ma sát mà còn làm giảm áp lực pháp tuyến

* Điều kiện để vật dập tự thoát ra khỏi lòng khuôn

Sau nhát đập cuối cùng, trên bề mặt tiếp xúc giữa vật dập và lòng khuôn tồn tại các thành phần lực:

khuôn thì hợp lực Q phải lớn hơn

không (chiều dương)

Suy ra: Q ≥ 0 hay:

(sin - cos) ≥ 0

Vậy điều kiện cần thiết để vật

dập tự thoát ra lòng khuôn là:

tg ≥ 

Đồ thị hình 2.7 cho ta thấy mối quan hệ giữa góc nghiêng thành lòng khuôn  và

hệ số ma sát  Đường cong 1 (biểu diễn tg = ) sẽ phân mặt tọa độ ; tg =  ra làm 2 miền (I) và (II) Các điểm trong miền (I) có giá trị  ≥ tg, tương ứng với trường hợp vật

dính vào lòng khuôn sau khi dập, còn các điểm nằm trong miền (II) có giá trị  ≤ tg

tương ứng trường hợp vật dập tự đẩy ra lòng khuôn

Tuy nhiên trên đây trên đây ta chưa tính tới các yếu tố khác như: Lực ma sát giữa vật dập và nửa khuôn trên, lực này có xu hướng kéo vật dập ra khỏi lòng khuôn dưới; lực đàn hồi do nửa khuôn dưới và cả hệ thống bệ đe sau khi đầu búa trên đập xuống sẽ phản hồi trở lại và góp phần tung vật ra khỏi lòng khuôn; ngoài ra các chất bôi trươn bị cháy, không khí trong lòng khuôn bị nén lại và do nóng sẽ nở ra cũng tạo thành lực đẩy vật dập

1 < 

2

2.4 Biện pháp nâng cao hiệu quả sử dụng vật liệu

Vành biên có ý nghĩa công nghệ nhất định của nó, vì vậy phải có một lượng kim loại nhất định để thực hiện nhiệm vụ công nghệ đó Nếu ta gọi thể tích kim loại tối thiểu

để thực hiện nhiệm vụ công nghệ của vành biên là Vmin, thì trong thực tế ta thấy thể tích vành biên lớn hơn Vmin khá nhiều Nếu ta ký hiệu thể tích vành biên thực tế là Vtt thì quan hệ giữa Vtt và Vmin có thể được biểu diễn như sau:

Vtt = Vmin + ∆V (2.1) Như vậy ngoài lượng kim loại cần thiết tối thiểu làm nhiệm vụ đóng khuôn Vmin ra

ta còn mất thêm một lượng ∆V vào phế liệu Đại lượng này càng tăng thì hệ số sử dụng vật liệu càng thấp do đó ta phải tìm cách hạn chế nó Chúng ta hãy phân tích xem ∆V nó gồm những thành phần gì:

1 Sự thay đổi kích thước phôi do dung sai thép cán và dung sai chiều dài phôi do trong quá trình cắt phôi sẽ làm tăng thể tích vành biên lên một lượng V1 Ví dụ trong

Hình 2.7 Góc nghiêng trong và ngoài của thành lòng khuôn