TÔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ DẬP KHÔI CHI TIẾT TRỤ TRƠN BA BẬCChi tiết chiều dài lớn nhất là 130 mm và đuờng kính nhỏ nhất là 30 mm do đó chi tiết có độ cứng vững khá caoChi tiết có dạng trục bậc (bậc lớn ở giữa, 2 bậc nhỏ 2 bên) nhằm đảm bảo điều kiện lắp ghép đồng thời phù hợp với điều kiện phân bố tải trọng dọc trục để giảm tối đa đuờng kính trục nhung vẫn đảm bảo điều kiện bền và làm việc tin cậy.Tuy nhiên do kết cấu trục là trục bậc sẽ gây tập trung ứng suất làm giảm độ bền của chi tiếtCác mặt đầu và mặt bên có ba via, cạnh sắc không làm các rãnh tròn mà thay bằng mặt vát ( 1x45 °) bởi vì khi đó gia công thuận tiện hơn, kinh tế hơn so với làm rãnh tròn ( Vì phải có dao định hình ). Đồng thời hình dáng, kích thuớc các mặt vát hoàn toàn giống nhau để thuận tiện trong quá trình gia công, giảm số luợng dao, tăng hiệu quả kinh tếVật liệu chế tạo trục là thép 40Cr ; nhiệt luyện đạt HRC 48...52.Trong khi nhiệt luyện cần chú ý đến sự biến dạng của trục. Khi nhiệt luyện cần bảo đảm trục luôn luôn ở tư thế thẳng đứngKhi gia công ta tiến hành dùng chống tâm hai đầu có lỗ tâm làm chuẩn tinh thống nhất trong quá trình gia công.
Trang 1CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ DẬP KHỐI
I Khái quát về công nghệ dập khối
I.1 Khái niệm về công nghệ dập khối
Công nghệ tạo hình khối là một phần của công nghệ gia công kim loại bằng áplực, nhờ tính dẻo của kim loại làm biến dạng phôi hoặc điền đầy kim loại vào lòngkhuôn hoặc làm kim loại chảy qua lỗ thoát của cối hoặc của chày để tạo ra chi tiết cóhình dạng và kích thước theo yêu cầu
I.2 Ưu nhược điểm
- Ưu điểm của phương pháp công nghệ tạo hình khối là:
+ Đồng thời với quá trình biến dạng dẻo kim loại, trong quá trình dập tạo hìnhkhối, cấu trúc tinh thể kim loại bị thay đổi (thường làm giảm độ hạt) và có thế tạo rahướng thớ kim loại phù hợp, do đó làm cho độ bền và độ cứng của chi tiết tăng lên.+ Quá trình dập tạo hình khối sẽ tiết kiệm được nhiều kim loại, nhất là trong sảnxuất hàng loạt lớn và hàng khối Do đó hạ được giá thành sản phẩm
+ Do tăng được độ bền và độ cứng nên kích thước chi tiết giảm đi, chi tiết sẻ gọnnhẹ hơn
+ Năng suất lao động cao do 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) đếnnhững chi tiết có kích thước vô cùng lớn (khối lượng đến 500 tấn)
- Nhược điểm cơ học của quá trình dập tạo hình khối là:
Hầu hết các quá trình tạo hình đều được thực hiện với phôi ở trạng thái nóng, dovậy chất lượng bề mặt chi tiết thấp, độ chính xác không cao, khó khăn cho việc cơ khíhoá và tự động hoá quá trình sản xuất
Do phải gia công với phôi ở trạng thái nóng nên công nhân phải làm việc trongmôii trường nóng, độc, khói bụi Khi làm việc, các thiết bị thường gây tiếng ồn lớn, ảnhhưởng đến sức khoẻ của người lao động
Hiện nay phương pháp dập tạo hình khối với phôi ở trạng thái nguội được sử dụngkhá phổ biến Khi đó độ nhẵn bóng bề mặt và độ chính xác chi tiết cao, không cần quagia công cơ, nhưng phương pháp này chỉ áp dụng được với những chi tiết nhỏ và trungbình do lực công nghệ lớn
Phương pháp dập tạo hình khối không thể tạo được những chi tiết có hình dạng vàkết cấu phức tạp như đối với công nghệ đúc
Dập tạo hình khối thường phải sử dụng các thiết bị lớn, đắt tiền do vậy chỉ thíchhợp với sản xuất hàng loạt lớn và hàng khối do phải đầu tư ban đầu lớn
Trang 2Hình 1.1: Sơ đồ khối công nghệ rèn, dập khối
I.3 Phân loại
-Căn cứ vào ứng suất có tác dụng chủ yếu đối với quá trình biến dạng , có thể phânchia biến dạng thành 5 nhóm lớn :
+ Biến dạng nén : Trạng thái dẻo được gây nên bởi ứng suất nén một hoặc nhiềuchiều , phương pháp cán , rèn tự do , rèn khuôn, ép chảy
Cắt biên,gia công
cơ, xử lýnhiệt
KTPhôi
Khả năng rèn
Cắt,Cưa,
Cắt gọt
Ủ khuôn Nhiệt luyện
Máy búa, máy ép Thiết kế và chế tạo khuôn
Bôi trơn…
move
Die
workpiece
Trang 3Hình 1.3: Biến dạng kéo nén dạng kéo dây
+ Biến dạng kéo : Trạng thái dẻo được gây nên bởi ứng suất kéo một hoặc nhiềuchiều , phương pháp kéo dãn , dập phình , dập định hình
Hình 1.4: Biến dạng kéo dạng dập phình
+ Biến dạng uốn : Trạng thái dẻo được gây nên bởi trọng tải uốn
Hình 1.5:Biến dạng uốn dạng uấn
Die
workpiece
blank
Die Move
Die move
workpiece
Trang 4+ Biến dạng cắt : Trạng thái dẻo được gây nên bởi tải trọng cắt Thuộc nhómnày có các phương pháp trượt và xoắn
Hình 1.6: Biến dạng cắt dạng trượt Bảng 1.1: Đối tượng nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu
- Phôi cán chu kỳ , định hình - Vuốt, kéo - Chi tiết
workpiece
Trang 5Hình 1.7: Sơ đồ phân loại dập khối
Hình 1.8: Các công đoạn của quá trình dập khối
Trang 6I.4 Thiết bị máy móc và sản phẩm điển hình
1.4.1 Các thiết bị máy móc
Các máy búa không khí nén, máy búa hơi nước - không khí nén; các máy búa thủy lực; máy
ép trục khuỷu dập nóng; máy trục vít ma sát hoặc máy vít cung điện v.v
Đến nay do những thành tựu khoa học, kỹ thuật ngày càng cao, các nước công nghiệp pháttriển dã chế tạo các thiết bị dập tạo hình cỡ lớn và hiện đại, các thiết bị phục vụ công nghệdập
Thiết bị nung phôi.
Bao gồm : buồng đốt , buồng nung , hệ thống thoát khói ,thiết bị trao đổi nhiệt hoặc thiết bịhoàn nhiệt , hệ thống đường ống
- Lò điện : lò sử dụng năng lượng điện
Theo chức năng công nghệ
- Lò rèn : dùng trong các phân xưởng rèn
b ) Thiết bị dùng để nung nóng phôi nhỏ và trung bình
Để nung phôi nhỏ và trung bình trong sản xuất dập nóng thường sử dụng buồng hoặc lòkhe
Trang 7Hình 1.9: Kết cấu lò buồng dùng nhiên liệu
c )Lò điện nung phôi trong phân xưởng dập
Với mục đích nung không oxi hóa phôi thép để dập chính xác người ta sử dụng lò điệntrở
Khi nung phôi bằng dòng điện cảm ứng nhiệt độ kim loại tăng lên dưới tác dụng của dòngđiện xoáy và tỏa ra nhiệt do hiện tượng từ hóa ngược
Phương pháp nung phôi sử dụng năng lượng điện cho phép tiết kiệm kim loại , đồng thờităng tuổi thọ của khuôn do kim loại oxi hóa và nhiệt độ phôi kim loại lớn hơn tiết diện ngang
Nung bằng năng lượng điện còn cho năng suất cao điều kiện lao động được cải thiện
Nhược điểm : nguồn điện năng lượng tiêu thụ lớn chi phí cho khâu nung cao khó áp dụngvới phôi định hình phức tạp
d) Thiết bị dập
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:
Trang 8- Máy búa hơi có trọng lượng phần rơi đến G = 25 tấn
-Hình 1.10: Máy búa
- Máy búa không bệ đe có năng lượng và đập đạt đến 1,5 MJ
Hình 1.11: Máy búa không bệ đe
- Máy ép thủy lực có lực danh nghĩa đến P = 750 MN (75000 tấn)
Trang 12Hình 1.16: Một số chi tiết khác
Hình 1.17: Chi tiết dạnh trục tròn xoay Hình 1.18: Chi tiết bánh răng
Trang 13CHƯƠNG II: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ CÔNG NGHỆ DẬP KHỐI
2.1 Cơ sở lý thuyết biến dạng dẻo kim loại:
Sự dịch chuyển tương đối giữa các chất điểm, các phần tử của vật thể rắn dưới tác dụngcủa ngoại lực, nhiệt độ hoặc của một nguyên nhân nào đó dẫn đến sự thay đổi vô hình dạng,kích thước của nó gọi là biến dạng
Tất cả mọi phương pháp trong Gia công áp lực (GCAL) đều dựa trên một tiền để chung
là thực hiện một quá trình biến dạng dẻo Vật liệu dưới tác dụng của ngoại lực sẽ thay đổihình dạng và kích thước mà không mất đi sự liên kết bền chặt của nó Khả năng cho phép
thực hiện một quá trỉnh biến dạng dẻo được coi là một đặc tính quan trọng của kim loại Để
làm sáng tỏ quá trình biến dạng của kim loại ta hãy theo dõi thí nghiệm kéo giản đơn, Dướitác dụng của lực kéo, mẫu kéo liên tục bị kéo dài cho đến khi bị kéo đứt Trong thí nghiệmkéo với các thiết bị phù hợp ta có thể đo được lực kéo và độ dãn dài tương ứng, từ đó xácđịnh ứng suất và biến dạng theo các mổi quan hệ sau:
- Vùng biến dạng đàn hồi
Khi lực kéo còn nhỏ mẫu chỉ biến dạng đàn hồi, đặc trưng của giai đoạn này là khi dỡ bỏtải trọng, mẫu lại phục hồi trở lại chiều dài ban đầu Trong vùng này tồn tại mối quan hệtuyến tính giữa ứng suất ơ và biến dạng e tuản theo định luật Hooke:
σ =E ε
Trang 14Hình 2.1 Đường cong ứng suất biến dạng của một kim loại kliông có vùng chảy rõ rệt trong thí nghiệm kéo
Môđun đàn hồi E đặc trưng cho thuộc tính đàn hồi của vật liệu dưới tác dụng của ứngsuất pháp, Vùng biến dạng đàn hối được giới hạn bởi giới hạn đàn hồi Re Việc xác địnhchính xác giới hạn đàn hồi Re nhiều khi rất khó khăn nên người ta thường quy định lấyRpO,oi làm giới hạn đàn hồi, đó là ứng suất tương ứng với mức độ biến dạng dư e = 0,01 %
- Vùng biến dạng đàn hồi - dẻo
Nếu tải trọng tăng lên khiến ứng suất trong mẫu vượt quá giới hạn đàn hồi thì vật liệu bầtđầu quá trình chay déo Trong vùng này nếu dỡ bỏ tải trọng thì mẫu không phục hồi đượcchiều dài ban đầu mà vẫn bị dãn dài ra một đoạn và trên đường cong ứng suất biến dạngđược thể hiện bằng mức độ biến dạng dư ep, ứng suất làm cho vật liệu bắt đầu chảy déo gọi
là giới hạn cháy Rp, Trong kỹ thuật người ta qui định giới hạn chảy là ứng suất gây nén mộtlượng biến dạng dư bằng 0,2% kí hiệu là Rp0 2 đối với những vật liệu có đường cong ứngsuất biến dạng không có vùng chảy rõ rệt, còn đối với những vật liêu có đường cong ứngsuất - biến dạng có vùng chảy rõ rệt thì việc xác định Rp là dễ dàng
Trong tất cả các phương pháp GCAL thì quá trình biến dạng được thực hiện trong vùngđàn hồi - dẻo Mối quan hệ giữa ứng suất và biến dạng là quan hệ phi tuyến Kèm theo biếndạng dẻo bao giờ cũng có biến dạng đàn hổi Nói
chung, biến dạng đàn hồi so với biến dạng dẻo
được thực hiện trong các phương pháp GCAL là
không đáng kể, có thể bỏ qua, song trong một số
trường hợp nhất thiết phải để ý đến ảnh hưởng của
nó (ví dụ biến dạng đàn hồi khi uốn)
ứng suất ứng với lực kéo lớn nhất trong thí
nghiệm kéo là giới hạn bền kéo:
R m=F A max
0
Kể từ khi đặt tải cho đến khi lực kéo đạt giá trị
lớn nhất, mẫu bị kéo dài ra nhưng tiết diện
của mẫu hầu như giảm đồng đều trên suốt
chiều dài của mẫu, giai đoạn này
gọi là giai đoạn dãn đồng đều Qua giai
đoạn dãn đồng đều mẫu bị co thắt cục bộ và do vậy lực kéo giảm đi, theo đó ứng suất σ = F A
0
cũng giảm
Trong vùng dẻo, do mẫu bị kéo dài ra nên tiết diện tức thời A của mẫu tại bất cứ thờiđiểm nào của quá trình kéo cũng nhỏ hơn tiết diện ban đầu Ao, vì thế suất thực tế tồn tạitrong mẫu σ ' = F Aluôn luôn lớn hơn ứng suất danh nghĩa σ = F A
0và bởi vậy đường cong ứng
Hình 2.2 Phần đầu của dường cong ứng suất biến dạng với ứng suất danh nghĩa và ứng suất
thực tế
Trang 15suất thực tế biến dạng σ =f '(ε)luôn luôn nằm bên trên đường cong σ =f(ε), Trong giai đoạndãn đồng đều ở thí nghiệm kéo thì trong mẫu tổn tại trạng thái
ứng suất đơn và ở giai đoạn này ứng suất thực σ ' = F
Achính là ứng suất chảy kr
(phân biệt với giới hạn chảy Rp)
Như vậy, đường cong ứng suất - biến dạng là đường cong biểu diễn sự phụ thuộc củaứng suất chảy vào mức độ biến dạng Mức độ biến dạng càng lớn thì ứng suất cần thiết đểduy trì biến dạng càng tăng (ứng suất σ ' tăng cho đến khi mẫu bị phá hủy), Ta nói vật liệu bịhoá bền Đây là một đặc điểm hết sức quan trọng của vật liệu kim loại mà bất cứ quá trìnhbiến dạng nào cũng phải chú ý đến
Trong thí nghiệm kéo, kể từ khi mẫu bắtt đầu co thắtt cục bộ thì trạng thái ứng suất trongmẫu đã chuyển từ trạng thái ứng suất đơn sang trạng thái ứng suất khối và bởi vậy đườngcong ứng suất thực - biến dạng trong giai đoạn này cũng mất đi ý nghĩa thực tiễn của nóĐiểm B trên đường cong ứng suất - biến dạng (hình 1.1) đánh dấu giai đoạn mất ổn địnhtrong quá trình kéo, Điểm c ứng với khi xuất hiện sự đứt gãy của mẫu, nó nói lên khả năngbiến dạng của vật liệu không còn nữa Khả năng này phụ thuộc rất nhiều vào vật liệu vànhững điều kiện biến dạng, Để đánh giá khả năng biến dạng của vật liêu trong thí nghiệmkéo cần xác định những đại lượng sau:
- Độ thắt tiết diện tương đối Z%:
Z= A0− A g
A0 100 %=Δ A g
A0 100 %
trong đó: Ag - tiết diện mặt đứt gãy,
- Độ dãn dài tương đối A%:
Z= l g −l0
l0 .100 %=
Δl g
l0 .100 %
trong đó: lg - chiều dài làm việc của mẫu khi đứt gãy
2.1.1 Một số định luật liên quan
- Trong kim loại , các nguyên tử tồn tại lực tác dụng tương hỗ gồm các lực đẩy và lựckéo Tại một nhiệt độ nhất định chúng dao động quanh vị trí cân bằng , nhờ vậy vật thể tồntại với một hình dáng kích thước nhất định Theo quan điểm năng lượng , các nguyên tử tồntại ở vị trí năng lượng tự do thấp nhất , tùy thuộc cấu trúc tinh thể , các nguyên tử ở mạngtinh thể lập phương có năng lượng tự do cao hơn
a.Định luật ma sát
Định luật thứ 1: Công của ma sát ngoài A bằng tổng công của nhiệt sinh ra Q và côngcác năng lượng được hấp thụ ∆E:
A = Q + ∆E
Trang 16Thường công của ma sát ngoài không hoàn toàn biến thành nhiệt, nên nhỏ hơn A và
∆E >0 Tỷ số năng lượng hấp thụ và công của ma sát ngoài là một đại lượng thay đổi, phụthuộc vào tính chất vật liệu và điều kiện ma sát ngoài: ∆E/A = ϕ( p, v, c) (3.3) trong đó: p -
áp suất , v - tốc độ trượt, c - vectơ các thông số ma sát, tính chất vật liệu, môi trường, nhiệtđộ
Định luật thứ 2: Lực ma sát là tổng các lực thành phần được dùng để thúc đẩy các quátrình cơ-lý-hoá ứng với điều kiện tiếp xúc của cặp ma sát Các lực ma sát gồm các dạng: masát bên trong các lớp thuỷ khí động; chế độ ma sát tựa thuỷ động; ma sát trượt trong các lớpgiới hạn; tạo giải trong các lớp bề mặt kim loại; quá trình dao động đàn hồi trong lớp bề mặt;biến dạng của các thể tích bề mặt vĩ mô; phá hoại các kiên kết khuyếch tán; tương tác củatrường phân tử của các pha rắn- trường Vandecvan và trường bề mặt với các khuyết tật củacấu trúc tinh thể; cơ chế phá hoại sự tích luỹ các khuyết tật và sự tan rã các cấu trúc thứ cấp;các cơ chế phá hoại thể tích vĩ mô kim loại; tản mát năng lượng ra ngoài
Định luật thứ 3: Với một tập hợp các thông số vật liệu, môi trường, nhất định có mộtvùng của tác dụng cơ học, trong đó tích phân của tỷ số năng lượng hấp phụ trên công của lực
ma sát trong toàn thể tích bị biến dạng có giá trị cực tiểu
b Định luật trở lực nhỏ nhất
Định luật trở lực nhỏ nhất cho biết phương hướng biến dạng và dịch chuyển của cácchất điểm khi chịu tác dụng của ngoại lực Nếu không có ma sát, hoặc ma sát theo các chiềunhư nhau, các chất điểm kim loại trên bề mặt sẽ biến dạng đều theo 3 hướng
Nếu biết 2 hướng chính biến dạng của vật thể, hướng trục thứ 3 biến dạng chỉ có thể theo 1hướng
Thí dụ : khi ép chảy, hình dáng kích thước của lỗ cối quyết định giá trị biến dạng của
2 hướng chính d2, d3 Biến dạng của hướng thứ 3 được xác định bằng định luật thể tíchkhông đổi d1=d2+d3 Hướng chảy kim loại theo hướng ép, như vậy có thể xác định đượchướng biến dạng
Nếu cho biết hướng biến dạng của 1 phương chính, phương thứ 2 bị ngăn cản, thìphương thứ 3 cũng có thể xác định
Thí dụ : chồn trong khuôn dạng rãnh,kim loại chỉ có thể chảy theo 1 phương duy nhấtdọc theo hướng trái và phải của rãnh
Nếu 1 phương trục chính biến dạng xác định, trên 2 phương trục chính kimloại có thểdịch chuyển tự do
Thí dụ, chồn trên đe phẳng Nếu tiết diện phôi là tròn, sau biến dạng chồn ta đ-ợc tiếtdiện cũng tròn.Nhưng nếu tiết diện phôi hình vuông, do chiều dài tiếp xúc và biến dạng củacác điểm theo các phuqơng khác nhau là khác nhau, theo hướng trục ngắn hơn theo đườngchéo Nên khi chồn, ở các cạnh kim loại chảy ra nhiều hơn, dần dần tiết diện phôi trở nên
Trang 17tròn Nếu tiết diện hình chữ nhật ta cũng thấy hiện tượng tương tự Do ma sát trên các đườngchéo lớn, trên trục dài lớn nên, đầu tiệ hình thành hình ôvan, sau mới thành hình tròn.
- Người ta chia ra các kiểu biến dạng : biến dạng đàn hồi và biến dạng dẻo và biếndạng phá hủy
+ Biến dạng đàn hồi là Vật thể chịu tác dụng của ngoại lực bị biến dạng Nếusau khi cất tải biến dạng bị mất đi , vật thể trở thành hình dáng kích thước ban đầu như chưa
bị tác dụng lực ta gọi là biến dạng đàn hồi.Biến dạng dàn hồi phụ thuộc vào 2 yếu tố lực vànhiệt độ :
+ Biến dạng Phá hủy là sự thay đổi hình dáng và kích thước của vật thể dưới sự tác dụng củangoại lực , sau khi cất tải chúng không còn giữ nguyên liên kết bán đầu giữa các nguyên tửhoặc các phần Phá hủy làm nứt , gãy , vỡ mối liên kết giữa các nguyên tử do ứng suất kéogây nên
Trang 18Hình 2.3: Cơ chế phá hủy
+ Biến dạng dẻo là sự thay đổi Sự thay đổi kích thước, hình dạng của vật liệu dưới tácdụng của tải trọng
Hình 2.4:Biểu đồ tải trọng biến dạng dẻo
Hình 2.5:Biểu đồ biến dang dẻo
Trang 19- Trượt và cơ chế biến dạng trượt : Trượt là một quá trình chuyển động tương đối giữa 2phần tinh thể , ở đây sự dịch chuyển tương đối bao hàm một loạt mặt hoặc lớp mỏng tạothành một dải trượt ở những vùng trung gian giữa các mặt trượt không có biến dạng.
Hình 2.6: Trượt giữa các mặt tinh thể
- Biến dạng dẻo nguội đa tinh thể :
Đa tinh thể là vật thể kết tinh gồm nhiều hạt tinh thể đa cạnh trong mỗi hạt có sựsắp xếp nguyên tử theo trật tự quy luật , bề mặt hạt hay còn gọi là phân giới hạt
có cấu trúc phi tinh thể Mỗi hạt có một định hướng riêng Sự biến dạng dẻotrong đa tinh thể trước hết là trong nội bộ giữa các hạt và sau đó là sự dịchchuyển tương đối giữa các hạt Sự biến dạng trong một hạt cũng theo cơ chế biếndạng dẻo đơn tinh thể
Hình 2.7: Trượt trong hạt
- Hóa bền khi biến dạng dẻo nguội và đường cong biến dạng :
+ hiện tượng biến dạng cứng nguội : biến dạng dẻo kim loại làm thay đổi tổ chức
và tính chất cơ lí hóa của vật liệu Khi tăng độ biến dạng làm tăng các chỉ tiêu cơ