BAI GIANG CONG NGHE KIM LOAI CHƯƠNG 3 GC KL bằng áp lực

CHƯƠNG KHÁI NIỆM CHUNG VỀ GIA CÔNG KIM LOẠI BẰNG ÁP LỰC 3.1 KHÁI NIỆM – ĐẶC ĐIỂM – PHÂN LOẠI PHƯƠNG PHÁP GIA CÔNG KIM LOẠI BẰNG ÁP LỰC 1.Định nghĩa: Phương pháp tạo phôi dựa vào nguyên lý biến dạng dẻo kim loại tác dụng ngoại lực làm thay đổi hình dáng, kích thước theo ý muốn Đặc điểm: - Gia công áp lực phương pháp gia công có phoi, dùng cho tất kim loại dẻo, hao tốn kim loại cho suất cao - Sau gia công bắng áp lực tính cải thiện Ưu – nhược điểm gia công áp lực * So với đúc - Ưu điểm: + Khử số khuyết tật rỗ khí, rỗ co làm cho tổ chức kim loại mịn, tính sản phẩm cao + 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 + Đô bóng, độ xác cao chi tiết đúc + Dễ khí hoá tự động hoá nên suất cao, giá thành hạ - Nhược điểm: + Không gia công chi tiết phức tạp + Không rèn dập chi tiết lớn + Không gia công kim loại dòn * So với gia công cắt gọt: - Ưu điểm : + Năng suất cao, phế liệu ít, giá thành hạ + Rèn, dập phương pháp để tạo phôi cho gia công cắt gọt - Nhược điểm : + Độ bóng, độ xác thấp so với gia công cắt gọt Phân loại phương pháp gia công áp lực - Phương pháp cán - Phương pháp kéo kim loại - Phương pháp ép kim loại - Rèn tự - Rèn khuôn(Dập nóng) - Dập tấm(Dập nguội) 3.2 BIẾN DẠNG DẺO CỦA KIM LOẠI 3.2.1 Ngoại lực nội lực - Khái niệm: Xét vật thể chịu lực hình bên Bản thân vật thể phần tử vật chất có lực liên kết, lực có xu hướng giữ cho vật chất có hình dạng kích thước định Thế chịu tác động lực từ bên (ngoại lực) vật thể bị biến dạng lực liên kết nội bên vật tăng lên để chống lại lực bên ngoài, chống lại biến dạng Lượng tăng lên lực liên kết gọi nội lực Ngoại lực thay đổi nội lực thay đổi, giới hạn đàn hồi bỏ tác dụng ngoại lực vật thể phục hồi lại kích thước hình dạng cũ, nội lực Dĩ nhiên ngoại lực vượt giới hạn vật thể bị phá hủy 29 P q P2 P3 P1 P4 Hình 3.1 3.2.2 Biến dạng đàn hồi biến dạng dẻo * Khái niệm biến dạng dẻo kim loại : - Kim loại chịu tác dụng ngoại lực xảy ba giai đoạn biến dạng đàn hồi,biến dạng dẻo, phá hủy - Xét biến dạng dẻo biến dạng mà sau bỏ lực tác dụng phần biến dạng dư giữ lại phần tử vật thể không nhận thấy có phá huỷ - Biến dạng dẻo kim loại bao gồm biến dạng dẻo đơn tinh đa tinh +Biến dạng dẻo đơn tinh thể: Là biến dạng dẻo theo chế trượt song tinh Kim loại khác có tính dẻo khác + Biến dạng dẻo đa tinh thể: Đa tinh thể tập hợp đơn tinh Biến dạng đa tinh gồm dạng: + Biến dạng nội hạt : Gồm trượt song tinh Sự trượt xảy hạt có phương kết hợp với phương lực tác dụng 45 0sẽ trượt trước đến mặt khác Sự song tinh sảy có lực tác dụng lớn đột ngột gây biến dạng dẻo kim loại + Biến dạng vùng tinh giới : Tại chứa nhiều tạp chất dễ chảy mạng tinh thể bị rối loạn trượt biến dạng thường nhiệt độ t0 > 9500C - Giải thích trượt Theo thuyết lệch, kim loại kết tinh không xếp theo qui luật cách lý tưởng mà thực tế có chỗ lệch, nguyên tử vị trí lệch có xu hướng trở vị trí cân Khi có lực tác dụng di động xảy điểm lệch, vùng lân cận dịch chuyển theo Cuối lại tạo nên chỗ lệch Quá trình tiếp tục đến không lực tác dụng Hiện tượng trượt giải thích tượng khác khuyếch tán nhiệt độ tăng cao, nguyên tử di động mạnh dần dịch chuyển sang vị trí cân khác, làm mạng tinh thể bị biến dạng hình thức trượt BDĐH biến dạng mà tác dụng lực, kim loại trở vị trí ban đầu 30 Hình 3.2 - Giải thích tượng song tinh Dưới tác dụng ứng suất tiếp , tinh thể có dịch chuyển tương đối hàng loạt mặt nguyên tử so với mặt khác Qua mặt phẳng cố định gọi mặt song tinh Hiện tượng song tinh xảy nhanh mạnh biến dạng đột ngột, tốc độ biến dạng lớn Hình 3.3 Biến dạng dẻo biến dạng tồn bỏ tải trọng tác dụng, xảy tải trọng tác dụng vượt giới hạn đàn hồi (đạt giá trị σc) Ví dụ : -Bẻ que thép với lực lớn bị cong mà không trở vị trí ban đầu -Kéo lò xo thép với lực lớn bị giãn dài so với kích thước ban đầu Biến dạng dư có dịch chuyển nguyên tử, nhờ phá vỡ liên kết ban đầu tập hợp lại liên kết với lân cận Do bỏ tải trọng nguyên tử không trở vị trí xuất phát mà cấu trúc vật liệu bảo toàn Hình 3.4 Sơ đồ biến dạng vật liệu (A, B-các cấu trúc khác nhau) Biến dạng dẻo chủ yếu xảy vật liệu kim loại, loại vật liệu polyme, composit xảy với lượng biến dạng dư nhỏ, với ceramic không xảy Biến dạng dẻo xảy vật liệu kim loại nhờ hai hình thức sau : trượt song tinh * Khái niệm biến dạng đàn hồi: Biến dạng thay đổi hình dáng, kích thước vật liệu tác dụng ngoại lực, hay trình ăn mòn 31 Biến dạng đàn hồi biến dạng bị bỏ tải trọng tác dụng, xảy tải trọng tác dụng nhỏ giới hạn đàn hồi Ví dụ : - Khi kéo lò xo với ứng suất < σc giãn dài đoạn l tương ứng, bỏ ứng suất tác dụng trở kích thước ban đầu - Cũng tương tự kéo dây cao su với lực nhỏ giới hạn bền - Biến dạng đàn hồi xảy tác dụng ứng suất pháp ứng suất tiếp Dưới tác dụng ứng suất pháp gây biến dạng ơ, tác dụng ứng suất tiếp gây xê dịch mặt chịu lực Dưới tác dụng ứng suất pháp ba chiều làm biến đổi thể tích Biến dạng đàn hồi chia làm hai loại : biến dạng đàn hồi tuyến tính biến dạng đàn hồi phi tuyến 3.3 NHỮNG NHÂN TỐ ẢNH HƯỞNG TỞI TÍNH DẺO VÀ BIẾN DẠNG DẺO CỦA KIM LOẠI 3.3.1 Ảnh hưởng ứng suất chính: * Trạng thái ứng suất: - Trạng thái ứng suất kéo ít, nén nhiều tính dẻo kim loại cao - Trạng thái ứng suất nén khối làm kim loại có tính dẻo cao nén mặt phẳng đường thẳng trạng thái ứng suất kéo khối lại làm tính dẻo kim loại 3.3.2 Ảnh hưởng ứng suất dư: * Có loại ứng suất dư: - Ưng suất dư loại (σ1): Là ứng suất dư sinh biến dạng không đồng phận vật thể - Ứng suất dư loại (σ2): Là ứng suất dư sinh biến dạng không đồng hạt - Ứng suất dư loại (σ3): Là ứng suất dư sinh biến dạng không đồng nội hạt Trạng thái ứng suất dư làm cho kim loại bị biến dạng, tạo vết nứt bên kim loại làm giảm độ bền kim loại 3.3.3 Ảnh hưởng thành phần hóa học tổ chức kim loại: - Sự thay đổi hình dạng hạt :Sự thay đổi hình dạng hạt chủ yếu nhờ trình trượt Hạt thay đổi kích thước mà vỡ thành nhiều khối nhỏ làm tăng tính - Sự đổi hướng hạt : Trước biến dạng hạt sếp không theo hướng định nào.Sự hình thành tổ chức sợi dẫn đến sai khác cơ, lý tính kim loại theo hướng khác nhau, làm cho kim loại tính đẳng hướng - Sự tạo thành ứng suất dư : Khi gia công áp lực biến dạng không không lực nên nội vật thể sau biến dạng để lại ứng suất gọi ứng suất dư - Thành phần tổ chức kim loại liên quan với Kim loại trạng thái nguyên chất pha dung dịch rắn có tính dẻo cao dễ biến dạng so với kim loại có cấu tạo hỗn hợp học hợp chất hoá học Vd : Thép % C thấp dẻo thép %C cao 3.3.4 Tốc độ biến dạng nhiệt độ: Tốc độ biến dạng lượng biến dạng dài tương đối đơn vị thời gian dV W= V dt Gia công nguội t0 = TKTL Nếu tăng tốc độ biến dạng làm giảm tính dẻo kim loại có biến cứng kim loại - Gia công nóng t0 > TKTL 32 Ơ nhiệt độ không cao : Đối với thép t0= 9000 C Khi tăng tốc độ biến dạng(W) lực ma sát làm tăng nhiệt độ kim loại lên 1000 0C ÷ 11000C nên thép dẻo + Gia công kim loại nhiệt độ cao : Nếu tăng W lực ma sát làm tăng nhiệt độ kim loại đến vùng nhiệt làm độ dẻo giảm, độ cứng tăng lên 3.3.5 Ảnh hưởng tốc độ biến dạng: -Tốc độ biến dạng tăng vỡ nát hạt lớn, độ hạt giảm tính cao -Tốc độ biến dạng có ảnh hưởng lớn tới tính sản phẩm : Nếu tốc độ biến dạng lớn biến cứng nhiều , không đồng biến cứng nghiêm trọng phân bố thớ không tính 3.4 ẢNH HƯỞNG CỦA BIẾN DẠNG DẺO ĐẾN TỔ CHỨC VÀ CƠ TÍNH CỦA KIM LOẠI 3.4.1 Ảnh hưởng biến dạng dẻo đến tổ chức tính kim loại - Biến dạng dẻo giúp khử khuyết tật xốp co, rỗ khí, rỗ co, lõm co… làm tăng độ mịn chặt kim loại làm tính tăng lên - Biến dạng dẻo tạo thớ uốn xoắn khác làm tăng tính sản phẩm 3.4.2 Ảnh hưởng biến dạng dẻo tới lý tính hóa tính kim loại a) Ảnh hưởng biến dạng dẻo tới lý tính kim loại - Biến dạng dẻo làm tăng điện trở, giảm tính dẫn điện làm thay đổi từ trường kim loại - Tính dẫn điện : Biến dạng dẻo tạo sai lệch mạng tinh thể làm tính liên tục điện trường tinh thể bị phá vỡ, tạo màng chắn cản trở chuyển động tự điện tử Đây nguyên nhân làm tăng điện trở 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 điện tử - Từ tính : Các sai lệch tạo biến dạng dẻo làm thay đổi cách bố trí từ trường kim loại làm thay đổi từ tính, độ thấm từ,… b) Ảnh hưởng biến dạng dẻo tới hóa tính kim loại - Sau biến dạng dẻo lượng tự kim loại tăng hoạt tính hoá học kim loại tăng lên THAM KHẢO * Sự kết tinh lại - Kim loại trạng thái đặc có tượng kết tinh (sinh tâm mầm, phát triển mầm ) gọi 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 đem gia công tiếp - Hiện tượng kết tinh lại gồm 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 độ hạt kim loại lớn làm tính - Gia công nóng t0 > TKTL (0K ) TKTL=0.4 Tnc (0K ) 33 - Gia công 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, độ xác, độ bóng 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 xác độ bóng bề mặt cao Thường gia công phôi dạng 3.5 CÁC ĐỊNH LUẬT CƠ BẢN ÁP DỤNG KHI GIA CÔNG KIM LOẠI BẰNG ÁP LỰC 3.5.1 Định luật biến dạng đàn hồi tồn đồng thời với biến dạng dẻo Định luật : Khi gia công áp lực kim loại xảy biến dạng dẻo có lượng biến dạng đàn hồi kèm theo (được xác định góc đàn hồi , phụ thuộc vào moduyn đàn hồi E vật liệu chiều dày kim loại) - Gia công nguội : Kim loại dạng chịu ảnh hưởng lớn - Gia công nóng : Kim loại dạng khối , ảnh hưởng biến dạng đàn hồi bỏ qua Thường để áp dụng thiết kế khuôn dập, vật dập phải kể đến lượng biến dạng dư biến dạng đàn hồi gây 3.5.2 Định luật ứng suất dư Định luật : Khi gia công áp lực nung nóng làm nguội không đều, lực biến dạng, lực ma sát… phân bố không làm phát sinh ứng suất dư tồn cân bên vật thể kim loại Nếu không cân có trình tích, thoát ứng suất làm cho vật thể biến dạng ý muốn để ứng suất dư tồn cân 3.5.3 Định luật thể tích không đổi Định luật : Thể tích vật thể trước biến dạng thể tích vật thể sau biến dạng - Gọi thể tích vật trước gia công V0 - Gọi thể tích vật sau gia công V + Vật thể có chiều cao, rộng, dài trước gia công là: h0 ; b0 ; l0 +Vật thể có chiều cao, rộng, dài sau gia công là:h ; b ; l Theo điều kiện thể tích không đổi ta có : h.b l = h0.b0.l0 h b l • • =1 h0 b0 l0 ln h + ln b + ln l = h0 b0 l0 δ + δ + δ = (*) Phương trình (*) gọi phương trình điều kiện thể tích không đổi δ ; δ ; δ : Là ứng biến Nhận xét : Khi gia công biến dạng tồn ba ứng biến nghĩa có thay đổi kích thước ba chiều đầu ứng biến phải trái dấu với hai ứng biến có giá trị tuyệt đối tổng hai ứng biến h h0 δ1 = δ + δ ( -δ1 ) = δ + δ 34 - Khi có ứng biến hai ứng biến lại phải ngược dấu có trị số tuyệt đối Dập không làm mỏng thành phôi : S = S ⇒ δ1 = ⇒ δ = δ F SP Áp dụng để tính toán kích thước, khối lượng phôi trước gia công 3.5.4 Định luật trở lực bé Định luật : Khi biến dạng kim loại, chất điểm vật thể biến dạng di chuyển theo hướng có trở lực bé hay di chuyển đến đường viền có chu vi bé - Áp dụng để thiết kế hình dáng phôi trước gia công 3.6 NUNG NÓNG KIM LOẠI ĐỂ GIA CÔNG ÁP LỰC 3.6.1 Mục đích nung nóng - Nâng cao tính dẻo, giảm khả biến cứng kim loại, tạo điều kiện thuận tiện cho trình biến dạng nên giảm công suất thiết bị - Ở nhiệt độ cao, dao động nhiệt nguyên tử kim loại lớn, trình trượt song tinh thực dễ dàng - Có tượng chuyển biến pha nung nóng kim loại làm cho khả biến dạng dễ 3.6.2 Những tượng xảy nung nóng -Hiện tượng ôxy hóa - Hiện tượng thoát cacbon - Hiện tượng nhiệt - Hiện tượng cháy kim loại - Hiện tượng nứt a) Hiện tượng ôxy hóa: Khi nung nóng nhiệt độ cao kim loại dễ bị ôxy hóa tạo lớp oxit kim loại, bong khỏi bề mặt làm hao hụt kích thước, khối lượng phôi.Do tính toán phôi phải kể đến lượng ôxy hóa b) Hiện tượng thoát cacbon: Khi nung thép chất khí O 2,CO2,H2, H2O, có môi trường khí lò dễ tác dụng với Fe 3C thép làm cho hàm lượng cacbon bề mặt thép giảm đi, không làm giảm kích thước gọi tượng thoát cacbon - Làm ảnh hưởng tới tính bề mặt phôi (làm giảm độ bền, tăng độ cứng) - Thép cacbon cao nung lên bề mặt bị cháy dẫn đến cứng chai nên gia công cắt gọt dễ bị mẻ dao c) Hiện tượng nhiệt: Khi nung kim loại lên gần nhiệt độ đường đặc (t chảy – 150oC) làm cho độ dẻo giảm, độ cứng tăng lên, gia công dễ bị nứt độ hạt kim loại lớn Để khắc phục tượng ta thường ủ kim loại d) Hiện tượng cháy kim loại : Là tượng nung kim loại lên nhiệt độ vùng nhiệt (gần đường đặc) phần kim loại biên giới hạt bị cháy phát hoa lửa(thép) sủi bọt(Cu+Al) f) Hiện tượng nứt: - Khi nung thép cacbon cao,thép hợp kim nung với tốc độ nhanh làm nứt phôi tượng truyền nhiệt kim loại kém, độ dẫn nhiệt độ dẻo - Khi kết thúc gia công nhiệt độ thấp gây nứt phôi tượng biến cứng bề mặt kim loại - Đối với thép cacbon thấp ,kim loại hợp kim màu nung với tốc độ 3.6.3 Chế độ nung: Chế độ nung bao gồm nhiệt độ nung, thời gian nung tốc độ nung a) Nhiệt độ nung kim loại (nhiệt độ bắt đầu gia công, nhiệt độ kết thúc gia công) Chọn nhiệt độ gia công cần bảo đảm kim loại dẻo nhất, chất lượng vật nung, kim loại biến dạng tốt hao phí Có phương pháp xác định nhiệt độ nung : 35 - Dựa vào giản đồ trạng thái - Dựa vào công thức kinh nghiệm - Dựa vào màu sắc phôi: -Thép màu sáng trắng phôi nhiệt -Thép màu vàng rơm t0BĐGC = t0nung -Thép màu tím hoa cà t0KTGC > 0.25 Tnc b) Thời gian nung - Chế độ nung hợp lý cần bảo đảm nung kim loại đến nhiệt độ cần thiết khoảng thời gian cho phép nhỏ Tnung= α β K D D (giờ) α :Hệ số xếp phôi lò L β :Hệ số kích thước phôi    D  K :Hệ số truyền nhiệt kim loại D : Đường kính phôi chiều dài cạnh ngắn phôi c) Tốc độ nung Tốc độ nung ảnh hưởng lớn đến suất chất lượng nung Có giai đoạn để xác định tốc độ nung: - Giai đoạn nhiệt độ thấp (thép từ 800 0C ÷850C0): Giai đoạn kim loại có tính dẻo thấp, nung nóng phụ thuộc tính truyền nhiệt kim loại + Tốc độ nung giai đoạn gọi là: “ Tốc độ nung cho phép” Vn Vn cần chậm để tránh kim loại bị nứt nẻ biến dạng - Giai đoạn nhiệt độ cao(> 8500C) + Tốc độ nung giai đoạn gọi là: “ Tốc độ nung kỹ thuật” + Giai đoạn cần nung nhanh để giảm ô xy hóa, nhiệt độ cao tính dẻo kim loại tăng nên không sợ nứt, tốc độ ôxi hóa mạnh + Nhiệt độ nung phụ thuộc vào vật liệu, kích thước vật nung + Tốc độ nung giai đoạn tra bảng sổ tay rèn dập 3.6.4 Thiết bị nung kim loại - Lò phản xạ (lò buồng) Nhiên liệu sử dụng than đá - Lò điện : Có loại: + Lò điện trở + Lò điện cảm ứng + Lò dùng lượng điện phân 3.6.5.Làm nguội sau gia công Là công việc quan trọng để đảm bảo chất lượng vật gia công Gồm giai đoạn: - Làm nguội rèn dập : Là trình phôi truyền nhiệt môi trường, dụng cụ gia công… - Làm nguội sau gia công : Nếu làm nguội không tốt làm giảm chất lượng sản phẩm, cong vênh, nứt nẻ… + Đối với chi tiết nhỏ : Xếp vào lò chứa vôi bột hay lò có nhiệt độ thấp để làm nguội chậm + Đối với chi tiết lớn (D = 500 ÷ 1500mm) : Đặt không khí, phủ cát áo bảo vệ amiăng, đặt cách vật 50 ÷ 120 mm để làm nguội chậm 36 37 ... công phôi dạng 3. 5 CÁC ĐỊNH LUẬT CƠ BẢN ÁP DỤNG KHI GIA CÔNG KIM LOẠI BẰNG ÁP LỰC 3. 5.1 Định luật biến dạng đàn hồi tồn đồng thời với biến dạng dẻo Định luật : Khi gia công áp lực kim loại xảy... suất dư loại ( 3) : Là ứng suất dư sinh biến dạng không đồng nội hạt Trạng thái ứng suất dư làm cho kim loại bị biến dạng, tạo vết nứt bên kim loại làm giảm độ bền kim loại 3. 3 .3 Ảnh hưởng thành... Tnc -Trong gia công áp lực cần tránh lượng biến dạng tới hạn độ hạt kim loại lớn làm tính - Gia công nóng t0 > TKTL (0K ) TKTL=0.4 Tnc (0K ) 33 - Gia công nhiệt độ cao nên kim loại có độ dẻo cao,