Nghiên cứu công nghệ miết ép phục vụ chế tạo các chi tiết có kết cấu đặc biệt

Nghiên cứu công nghệ miết ép phục vụ chế tạo các chi tiết có kết cấu đặc biệt

Tổng cục công nghiệp quốc phòng

Trung Tâm Công Nghệ

Xóm 6 Đông Ngạc - Từ Liêm - Hà Nội

Báo cáo tổng kết khoa học và kỹ thuật Đề tài

Nghiên cứu công nghệ miết ép phục vụ chế tạo các chi tiết có kết cấu đặc biệt,

chịu áp lực cao trong sản xuất vũ khí

ThS Trần Việt Thắng

6295

06/2/2007

Hà Nội 5-2005

lời cảm ơn

Tập thể tác giả thực hiện Đề tài KC.05.18 xin trân trọng bày tỏ sự biết ơn sâu sắc đối với các cơ quan, đơn vị và cá nhân, cùng tất cả các cộng tác viên, đặc biệt là:

- Bộ Khoa học và Công nghệ

- Ban chủ nhiệm chương trình KC.05, Văn phòng chương trình KC.05 - Cục Khoa học Công nghệ – Môi trường Bộ Quốc Phòng

- Tổng cục Công nghiệp Quốc Phòng

- Trung tâm Công nghệ và các phòng nghiên cứu, cơ quan thuộc Trung tâm Công nghệ - Tổng cục Công nghiệp Quốc Phòng

- Viện Vũ Khí, các nhà máy Z153, Z131, Z117 và các đơn vị tham gia trong chế tạo thiết bị, chế thử công nghệ, khảo nghiệm sản phẩm - Các thành viên Hội đồng nghiệm thu cấp cơ sở và Nhà nước

Đã cùng tham gia cũng như tạo điều kiện, hỗ trợ thực hiện để hoàn

thành các nội dung nghiên cứu khoa học của Đề tài

Mục lục

Lời mở đầu 3 I - Tổng quan 4

1.1 Tổng quan về công nghệ, sản phẩm và thiết bị miết 4

1.1.1 Tình hình nghiên cứu trên thế giới và trong nước 5

2.3.1 Lực tác dụng lên con lăn và phôi 24

3.1 Nghiên cứu khả năng biến dạng bằng miết ép 29 3.1.1.Tìm hiểu đặc tính biến dạng của một số vật liệu làm vỏ tên lửa 29 3.1.2 Nghiên cứu khả năng tạo hình các kết cấu rỗng 31

3.3.2 Phân tích kết cấu, vật liệu, công nghệ và lựa chọn mẫu

3.3.3 Nghiên cứu chế thử vỏ động cơ tên lửa bằng phương pháp miết 56

3.3.4 Trang bị công nghệ miết ép 70

IV - Nghiên cứu thiết kế chế tạo máy miết 75

4.5.1 Tính toán sơ bộ tỷ số truyền của trục chính máy miết 84

4.5.5 Tính lực kẹp phôi, thiết kế cụm thủy lực 104

4.5.7 Tính toán thiết kế bộ con lăn miết 109

4.8 Đánh giá nghiệm thu sản phẩm trên máy miết CNC 122 4.8.1 Căn cứ đánh giá và yêu cầu kỹ thuật chung 122

Lời mở đầu

Sự phát triển mạnh mẽ của các ngành công nghiệp chế tạo máy, hàng không, vũ trụ, ôtô, vũ khí, khí tài quân sự đặt ra những yêu cầu đối với công nghệ vật liệu, công nghệ cơ khí, công nghệ hoá học ngày càng cao về chất lượng, tính năng của các chi tiết, sản phẩm

Việc đáp ứng những yêu cầu kỹ thuật nói trên dẫn tới cần có sự kết hợp giữa thiết kế kết cấu tối ưu với nâng cao độ bền kết cấu và tính năng làm việc của sản phẩm

Song song với nghiên cứu các vật liệu mới, các kết cấu đặc biệt, việc nghiên cứu những phương pháp gia công nhằm khai thác triệt để tính dẻo, các cơ chế hoá bền để cải tạo tổ chức vật liệu được đặc biệt quan tâm

Trong phạm vi của đề tài, chỉ nghiên cứu ứng dụng công nghệ miết ép biến mỏng, chế tạo các chi tiết làm việc ở điều kiện tải trọng, áp suất, nhiệt độ cao trong chế tạo vũ khí

Đề tài vừa nghiên cứu các nội dung lý thuyết, thực nghiệm để xây dựng công nghệ miết vỏ động cơ tên lửa, vừa có nhiệm vụ thiết kế, chế tạo thiết bị, trang bị công nghệ miết chuyên dụng, chế mẫu vỏ động cơ tên lửa

Từ những nghiên cứu về đặc tính biến dạng, gia công cơ - nhiệt luyện của vật liệu, đề tài nghiên cứu xây dựng công nghệ gia công biến dạng miết ép để chế tạo vỏ động cơ tên lửa

Những tính năng kỹ thuật của máy miết điều khiển CNC được thiết kế trên cơ sở lựa chọn phương án cấu trúc phần cứng với cấu hình điều khiển, chọn card điều khiển CNC Kết cấu động của máy được thiết kế sử dụng tối đa các kết cấu tiêu chuẩn, sử dụng chức năng điều khiển điện tử thay cho truyền động cơ khí

Chương 1

Tổng quan

1.1 Tổng quan về công nghệ, sản phẩm và thiết bị miết

Miết là một phương pháp gia công kim loại bằng áp lực để tạo hình chi tiết rỗng từ phôi phẳng hoặc phôi rỗng dưới tác dụng của lực công tác làm biến dạng dẻo cục bộ theo quỹ đạo xác định trên phôi quay

Công nghệ miết ép tạo hình được biết đến từ nhiều thế kỷ trước Ban đầu, những người thợ thủ công sử dụng các thiết bị thô sơ để miết tạo hình các tấm kim loại mỏng để tạo ra các đồ mỹ nghệ, vật dụng dạng tròn xoay như: nồi, bình hoa Người ta sớm thấy rằng các sản phẩm tròn xoay rỗng bằng vàng, bạc, đồng được làm bằng cách này rất dễ dàng thực hiện, người thợ kim hoàn đã truyền cả sự ngẫu hứng xúc cảm nghệ thuật vào việc tạo hình mà không cần qua nhiều khuôn mẫu Công nghệ miết ép được áp dụng nhiều vào đồ dân dụng, công nghiệp, đặc biệt là những năm đầu thế kỷ 19 Vật liệu sử dụng chế tạo sản phẩm lúc này đã xuất hiện cả hợp kim nhôm, thép, các hợp kim có độ bền cao

Ngày nay, công nghệ miết ép đã được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực công nghiệp khác nhau: hoá dầu, chế tạo máy, hàng dân dụng Sản phẩm được chế tạo bằng công nghệ này rất đa dạng, từ các chi tiết rỗng nhỏ vài mm đến các đáy bình áp suất đường kính tới 3ữ4m Các chi tiết có hình dạng từ tròn xoay tới hình dạng rất phức tạp, trong công nghiệp hoá chất, hoá dầu, hàng không, vũ trụ cũng đã được thực hiện bằng công nghệ miết ép

Sản phẩm miết rất đa dạng và phong phú về chủng loại, hình dáng và kích cỡ, cũng như vật liệu của sản phẩm Các ngành công nghiệp ứng dụng công nghệ miết là: công nghiệp sản xuất hàng tiêu dùng, công nghiệp sản xuất ô tô, công nghiệp quốc phòng, v.v Do đặc điểm của công nghệ miết là biến dạng cục bộ từng phần của sản phẩm nên công suất đòi hỏi của thiết bị miết nhỏ hơn rất nhiều so với công suất của các thiết bị khác dùng để chế tạo (bằng phương pháp biến dạng) cùng một loại sản phẩm đó

Miết cũng được áp dụng trong sản xuất loạt nhỏ vì khi chế tạo khuôn dập vuốt mất nhiều thời gian và hiệu quả kinh tế không cao Máy miết vạn năng có thể thực hiện các nguyên công sau:

- Miết chi tiết rỗng dạng tròn xoay (biến mỏng và không biến mỏng) - Là phẳng bề mặt chi tiết

- Miết cổ hẹp của các phôi trụ rỗng - Cắt và cuốn mép

ống thành mỏng độ bền cao chịu áp lực lớn được dùng nhiều trong công nghiệp hàng không, quân sự, chế tạo thiết bị thuỷ lực Để ống chịu được áp lực cao, vật liệu cần được chế tạo để có tổ chức phù hợp có độ bền kết cấu lớn, thớ kim loại hình thành theo chiều xoắn hướng tiếp tuyến của ống Các ống chế tạo bằng phương pháp miết ép thoả mãn các yêu cầu trên với giá thành không quá đắt

Do ống có kết cấu với độ bền cao, nhẹ, nên đã được dùng nhiều trong chế tạo các chi tiết quan trọng của tên lửa, máy bay, vũ khí Công nghệ này thay thế cho việc dùng các vật liệu hợp kim đặc biệt với những công nghệ phức tạp

1.1.1 Tình hình nghiên cứu trên thế giới và trong nước * Trên thế giới:

Hiện nay, các nước công nghiệp phát triển trên thế giới (Nga, Đức, Anh, Pháp, Mỹ) đã đạt được rất nhiều thành tựu trong việc áp dụng công nghệ miết để chế tạo những chi tiết tròn xoay, nhẹ, chịu tải cao, điều kiện làm việc khốc liệt với hệ số an toàn cao Các máy miết hiện đại được điều khiển theo chương trình số có công suất lớn được dùng để chế tạo các chi tiết có độ bền cao, chiều dày lớn: đáy nồi hơi, bình chứa khí hóa lỏng, bình áp lực, chỏm cầu, v.v Trên các máy có công suất trung bình điều khiển số, người ta đã chế tạo các chi tiết rỗng tròn xoay thành mỏng, hình dạng phức tạp

Các máy miết chuyên dụng được thiết kế để chế tạo một số chủng loại sản phẩm xác định thì có kiểu dáng và kích thước phù hợp với chủng loại sản phẩm đó: kiểu đứng, kiểu ngang

Một số loại máy miết:

a) Máy miết nằm ngang:

- Máy PS 60SS: công suất 65 kW, miết được chi tiết có đường kính tới 1600, chiều dày vật liệu 12mm

- Máy PS-90: công suất 90 kW, miết được chi tiết có đường kính tới 1600, chiều dày vật liệu 15mm

- Máy PS-110SS: công suất 110 kW, miết được chi tiết có đường kính tới 2100, chiều dày vật liệu 18mm

- Các công ty sản xuất phụ tùng ô tô, xe máy

+ Các cơ sở áp dụng công nghệ miết không biến mỏng chế tạo các mặt hàng công nghiệp:

- Công ty Thiết bị áp lực: các máy miết đáy nồi hơi

- Công ty Lilama: máy vê chỏm cầu PPM-600Tx6 đường kính tới 5m, vật liệu dày 35mm

Nói chung, việc áp dụng công nghệ miết ở nước ta còn rất hạn chế Đó là do các nguyên nhân:

- Các tính năng của công nghệ miết còn ít được biết đến

- Chưa có khả năng đầu tư thiết bị, nhất là các thiết bị miết chuyên dùng hiện đại

Với những ưu điểm nổi trội của phương pháp miết trong chế tạo các chi tiết tròn xoay từ phôi tấm và phôi ống thì việc nghiên cứu, ứng dụng và phát triển công nghệ và thiết bị miết ép trong giai đoạn hiện nay là rất cần thiết Đất nước

Hình 1.2: Tạo hình bằng phương pháp miết từ phôi phẳng và phôi không gian

đang trên đà công nghiệp hóa và hiện đại hóa nên rất cần có chính sách hợp lý đầu tư cho lĩnh vực miết ép để trở thành một yếu tố thúc đẩy ngành cơ khí nội địa phát triển

Hình 1.1: Các dạng sản phẩm miết

1.1.2 Phân loại công nghệ và sản phẩm

Các phương pháp miết được phân loại như sau:

a) Theo đặc điểm phôi:

- Miết phôi phẳng - Miết phôi ống

- Miết phôi dạng thể tích (ít phổ biến)

b) Theo h×nh d¹ng s¶n phÈm:

- Trßn xoay:

ƒ S¶n phÈm d¹ng cÇu ƒ S¶n phÈm d¹ng c«n ƒ S¶n phÈm d¹ng trô - Kh«ng trßn xoay (xo¸y èc)

c) Theo cÆp dông cô g©y biÕn d¹ng:

- D−ìng trong - con l¨n miÕt - D−ìng ngoµi - con l¨n miÕt - Kh«ng cã d−ìng - con l¨n miÕt

H×nh 1.3: Mét sè d¹ng s¶n phÈm miÕt chñ yÕu vµ c¸c b−íc c«ng nghÖ

H×nh 1.5: MiÕt biÕn máng èng víi cèi quay

H×nh 1.4: MiÕt chi tiÕt h×nh c«n kh«ng dïng d−ìng miÕt

Hình 1.6: Miết thuận (a) và miết ngược (b) a)

(drawing type spin forging)

b)

(extruding type spin forging)

d) Theo dạng gia công và yêu cầu của sản phẩm:

- Miết tạo hình: trong và sau quá trình tạo hình, chiều dày của vật liệu không thay đổi (conventional spinning)

- Miết biến mỏng: là công nghệ làm thay đổi chiều dày của phôi trong quá trình tạo hình sản phẩm (spin forging) Thường độ biến mỏng đạt tới 30% Công nghệ này được ứng dụng rất rộng rãi để chế tạo các chi tiết đối xứng

- Miết nâng cao chất lượng bề mặt sản phẩm: mục đích tăng độ nhẵn bóng và tạo ra sự biến cứng trên bề mặt sản phẩm mà không làm thay đổi chiều dày cũng như hình dạng sản phẩm

e) Theo hướng biến dạng của vật liệu và chuyển động tương đối của dụng cụ:

- Miết thuận: chiều chuyển động của dụng cụ miết cùng chiều với hướng chảy của vật liệu

- Miết ngược: chiều chuyển động của dụng cụ miết và chiều chảy của kim loại ngược hướng nhau trong quá trình miết

1.1.3 Đặc điểm công nghệ miết, yêu cầu về vật liệu

a) Kích thước sản phẩm:

Công nghệ miết có thể được áp dụng để chế tạo các sản phẩm cỡ lớn (đường kính tới 6m, chiều dày sản phẩm 40mm) Khi miết kim loại bị biến cứng mãnh liệt hơn khi dập vuốt nên chi tiết được miết qua một số nguyên công cần phải được ủ trung gian

™ Giới hạn đường kính tương đối của sản phẩm miết: dmin/D = 0,2 ữ 0,3

trong đó: - dmin: đường kính sản phẩm, - D: đường kính phôi

Đối với các sản phẩm dạng trụ, kích thước tương đối có thể dmin/D = (0,6 ữ 0,8)

hoặc chiều dày tương đối: 0,5≤ 100≤2,5

DS

d) Một số thông số kỹ thuật cơ bản miết chi tiết hình côn điển hình:

áp lực riêng khi miết 250 ữ 280 KG/mm2

Chiều dày vật liệu 20 mm

e) Yêu cầu vật liệu gia công bằng miết:

Miết là phương pháp gia công dựa trên khả năng biến dạng dẻo của kim loại, vì vậy cần có một số yêu cầu riêng đối với phôi và vật liệu gia công Độ ổn định và chất lượng của sản phẩm trong quá trình tạo hình phụ thuộc vào chất lượng của phôi Sự tồn tại các gỉ sét, các vết xước trên bề mặt phôi làm giảm khả năng biến dạng của phôi và dẫn đến các khuyết tật

Các phôi tròn cần loại bỏ các vết nứt, ba via và các vết xước Độ đảo của phôi khi quay so với trục miết không được lớn hơn 0,3ữ0,5mm Trong trường hợp độ đảo vượt quá giới hạn quy định cần phải khử trước khi miết

Vật liệu của phôi để miết cần phải thoả mãn không chỉ mục đích, điều kiện làm việc của chi tiết được chế tạo mà càn phải thoả mãn các yêu cầu công nghệ cho tính chất, khả năng biến dạng của chúng

Sự thích hợp của vật liệu để miết ép được quy định trước hết bởi cơ tính của nó: giới hạn chảy σs và giới hạn bền σB Tính dẻo gồm độ giãn dài tương đối δ và độ thắt tỉ đối ψ Với vật liệu có δ lớn thì khả năng gia công bằng miết ép lớn hơn, ngược lại với việc tăng độ cứng thì quá trình miết ép gặp khó khăn hơn Đối với thép tấm được sử dụng để miết sâu cần có tỷ lệ giữa giới hạn chảy và độ bền σs/σB≤0,65 Ngoài ra tính nhạy của thép đối với sự hoá già có ảnh hưởng xấu đến miết

Hoá già của thép là sự thay đổi cơ tính của vật liệu khi bảo quản, xảy ra do những quá trình vật lý phức tạp diễn ra trong tổ chức tế vi của kim loại Đặc biệt tình trạng hoá già xảy ra mạnh với thép sôi Do có hoá già nên giới hạn chảy dần

dần tăng lên còn độ dẻo thì giảm Tốc độ hoá già tăng lên đáng kể khi tăng nhiệt độ Sự so sánh thời gian hoá già của thép các bon thấp khi nhiệt độ khác nhau cho trong bảng 1.1

Bảng 1.1

Thời gian hoá già 1 năm 6 tháng 4 giờ 1 giờ 10 phút

Thí nghiệm cho thấy rằng, thép sôi qua 6-7 tháng bảo quản trong kho thì không thể dùng để miết sâu được

Thép đã hoá già khi miết có khuynh hướng cho phế phẩm bởi các vết nứt Sự hoá già dẫn đến tăng độ cứng và độ bền, làm giảm tính dẻo và độ dai va đập Người ta khử bỏ một phần hiện tượng xấu liên quan đến sự hoá già của thép nhờ gia công thép trên máy cán nhiều trục Cán thép phải được thực hiện ngay trước khi miết vì sự hoá già xuất hiện chỉ qua 1-2 ngày sau khi cán Khi miết các thép sôi có thể tạo trên bề mặt các dải chảy làm ảnh hưởng đến chất lượng bề mặt chi tiết gia công

Các chỉ số tốt nhất nhận được khi miết thép có cấu trúc được đặc trưng bởi độ đẳng hướng, độ lớn và độ đồng đều của hạt Các giá trị độ lớn hạt phù hợp được tìm ra nhờ thực nghiệm, đối với kim loại dày 2mm, độ hạt phù hợp cho miết là N0 6 và 7 Thép có độ hạt nhỏ hơn có độ dẻo thấp hơn và độ đàn hồi cao hơn Hạt lớn thì bề mặt chi tiết sau gia công có độ bóng thấp, chất lượng bề mặt không tốt

Giá trị không đồng đều của hạt dẫn tới tạo thành vết nứt do biến dạng không đều

Thép ferit có thành phầm peclit tấm không lớn lăm là thép có cấu trúc ưu việt nhất để miết sâu Peclit hạt đảm bảo sự biến dạng tốt Sự tồn tại peclit tấm trong thép làm giảm độ đàn hồi của nó vì thế ở các nguyên công tạo hình việc nhận được các chi tiết có kích thước chính xác được đảm bảo

Đối với thép tấm mà có một trong những đặc điểm sau thì không dùng để miết sâu được:

- Độ dày không đồng đều, có sự dao động lớn vì khi đó sẽ tạo thành các nếp gấp và các chỗ bị dát mỏng quá cũng hình thành và có thể gây ra đứt tại chỗ có chiều dày nhỏ

- Chế độ ủ thép tấm không đúng do vậy nhận được cấu trúc kim loại hạt quá lớn

- Thành phần các bon trong thép không đúng theo tiêu chuẩn và các thành phần mangan, đồng, phốt pho cao

- Có các chỗ nứt hoặc tạp chất

Sự biến cứng của kim loại cũng có ảnh hưởng nhiều đến quá trình miết Mức độ biến cứng khi miết phụ thuộc vào: khả năng biến cứng của từng loại vật liệu, mức độ biến dạng, bán kính góc lượn ở đỉnh con lăn miết, bán kính ở mặt trục miết, cường độ ứng suất kéo, khe hở giữa con lăn miết và trục miết, khả năng bôi trơn Theo khả năng biến cứng của kim loại sử dụng để miết người ta chia ra làm hai nhóm:

- Nhóm có độ biến cứng cao gồm: thép không gỉ, đồng ủ, hợp kim titan - Nhóm có độ biến cứng trung bình gồm: thép 08, 10, 15, đồng thanh, nhôm ủ

Để khắc phục hiện tượng biến cứng người ta phải phân ra số nguyên công ít nhất có thể, nhất là đối với nhóm kim loại có độ biến cứng cao và đồng thời tiến hành ủ phôi trung gian giữa các nguyên công Ngoài ra phải chọn các chế độ công nghệ gia công hợp lý

Như vậy chất lượng của vật liệu phôi càng cao thì càng cần nhiều các nguyên công miết, có thể không cần ủ phôi trung gian giữa các nguyên công để chất lượng của chi tiết gia công được đảm bảo theo yêu cầu Việc lựa chọn vật liệu cho phôi đáp ứng được yêu cầu của chi tiết gia công và công nghệ miết là hết sức quan trọng và cần thiết nhằm đảm bảo cho quá trình miết được thực hiện có năng suất cao và chất lượng được đảm bảo

Tóm lại, có thể nêu những đặc điểm, yêu cầu cơ bản đối với vật liệu trong gia công bằng miết như sau:

- Có tính dẻo đáp ứng được biến dạng mức độ cao trong quá trình miết, đặc biệt ở những bước đầu có thể đạt tới 30-40%

- Có khả năng hồi phục tính dẻo bằng gia công nhiệt (xử lý nhiệt khử ứng suất, phục hồi tính dẻo, gia công nhiệt chuẩn bị cho biến dạng kết thúc…)

- Với các chi tiết cần độ bền kết cấu, độ bền riêng cao, yêu cầu vật liệu có đặc tính hoá bền biến dạng lớn (với nhóm thép hợp kim) hoặc có khả năng gia công cơ - nhiệt (ví dụ đối với hợp kim nhôm hoá bền nhiệt)

- Tổ chức sau gia công ổn định, không bị các hiện tượng nứt ứng suất, nhạy cảm với ăn mòn hoá học

- Vật liệu dễ kiếm, công nghệ gia công không quá phức tạp, phù hợp với điều kiện công nghệ Với các vật liệu đặc chủng quân sự, cần được đảm bảo theo điều kiện kỹ thuật riêng

1.1.4 Thiết bị miết

Miết là một quá trình biến dạng nguội của sản phẩm mà phôi quay trên một dưỡng lõi, con lăn miết chuyến động tịnh tiến ép phôi trên dưỡng để tạo hình sản phẩm Miết chi tiết dạng trụ có hai phương pháp: Miết thuận, miết

- Máy miết nguội

- Máy miết thuận, ngược

- Máy miết không biến mỏng thành, có biến mỏng thành

H×nh 1.10: M¸y miÕt CNC cã 3 con l¨n cña h·ng Leico-USA

Với nội dung nghiên cứu của đề tài, thuyết minh chỉ đề cập đến máy miết nguội, với phân loại theo đặc điểm của máy

a) Máy miết đơn giản:

Hình 1.11: Máy miết đơn giản

Máy miết đơn giản được ứng dụng từ máy tiện Mâm cặp dùng kẹp dưỡng, chuyển động con lăn bằng tay do người vận hành tác động lực Những máy này có thể chuyển động đơn giản, lực miết không lớn, được sử dụng cho máy miết không biến thành mỏng, miết kim loại màu Máy dùng để sản xuất những sản phẩm có chiều dày thành mỏng, vật liệu kim loại màu như: đồng, nhôm, kẽm cũng như sản phẩm mỹ nghệ, dưỡng thường làm bằng gỗ

dẫn động thuỷ lực theo nguyên lý chép hình toạ độ Đầu dò chuyển động trên mặt dưỡng theo chuyển động dọc Z của con lăn dẫn đến điều khiển chuyển động trục X theo biên dạng dưỡng

Đặc điểm loại máy này là:

- Không linh hoạt khi thay đổi hình dáng sản phẩm - Không thay đổi được thông số công nghệ miết

- Do tính chất chép hình một toạ độ nên có vùng góc côn không gia công

c) Máy miết điều khiển số:

Hình 1.13: Máy miết điều khiển số

Công nghệ miết được ứng dụng mạnh mẽ trong những năm gần đây Để phục vụ cho sản xuất lớn các sản phẩm có dạng trụ tiết diện thay đổi, biên dạng phức tạp người ta chế tạo máy miết CNC Máy sử dụng hệ thống thuỷ lực điều khiển chuyển động trục X, Z của con lăn Chuyển động phôi do động cơ điện ba pha qua bộ giảm tốc cơ khí thay đổi tốc độ được, hoặc động cơ thay đổi tốc độ bằng biến tần Biên dạng sản phẩm được lập trình gia công theo NC

Hình 1.14: Mô phỏng biên dạng lập trình miết CNC

Những máy này được một số công ty đang sản xuất như: Leifeld, Cincinnatti Milacron, Spincrafp

Đặc điểm loại máy này là:

- Điều khiển theo chương trình số - Gia công được biên dạng phức tạp

- Thực hiện được nhiều chương trình miết trên một lần gá phôi (miết nhiều bước)

- Thay đổi được thông số công nghệ miết trong quá trình gia công - Giá thành máy cao

d) Phương án cấu trúc động học:

Để thực hiện công nghệ miết, thiết bị miết cần đáp ứng sơ đồ động học sau:

Hình 1.15: Sơ đồ động học khi miết

- Chuyển động quay phôi C

- Chuyển động tịnh tiến con lăn miết theo trục Z

- Chuyển động tịnh tiến con lăn miết theo trục X tham gia nội suy với chuyển động Z để tạo hình

- Chuyển động quay của con lăn C1 là chuyển động quay theo - Chuyển động ép phôi trên dưỡng Z1

- Với các yêu cầu động học có thể có nhiều phương án kết cấu khác nhau

1.2 Lựa chọn phương pháp, đối tượng nghiên cứu

Từ những vấn đề công nghệ, sản phẩm, thiết kế đã nêu ở phần trên ta thấy những ưu điểm chủ yếu của miết ép là:

- Tạo hình chi tiết rỗng, mỏng thành, tròn xoay với đầu tư trang bị công nghệ không quá phức tạp, năng suất cao

- Quá trình gia công biến dạng tạo hình đồng thời với việc gia công cải tạo tổ chức vật liệu Đặc biệt với những hợp kim có hiệu quả hoá bền cao, những hợp kim có khả năng gia công cơ-nhiệt luyện tốt, ứng dụng miết ép biến mỏng sẽ giải quyết hiệu quả bài toán độ bền kết cấu

- Một số nhóm sản phẩm trong hàng không, vũ trụ, vũ khí, khí tài quân sự cần đến những kết cấu đặc biệt, sử dụng vật liệu có độ bền rất cao Đây cũng là nhóm sản phẩm mà công nghệ miết ép có khả năng cạnh tranh, thay thế các dạng công nghệ khác

Một yếu tố rất quan trọng quyết định để triển khai công nghệ miết là thiết bị, trang bị công nghệ miết Thậm chí các hãng nổ tiếng đã độc quyền trong việc sản xuất các máy miết chuyên dụng để gia công các sản phẩm cao cấp Trên thực tế, trong ngành Công nghiệp Quốc phòng chưa được đầu tư trang bị các thiết bị miết biến mỏng Vì vậy việc hình thành công nghệ miết biến mỏng gắn liền với nhập mua hoặc nghiên cứu chế tạo máy miết

Căn cứ vào mục tiêu, nội dung của đề tài và những phân tích định hướng trên, trong phạm vi của đề tài sẽ tập trung vào các nội dung:

- Nghiên cứu các vấn đề: biến dạng miết, gia công nhiệt, gia công nhiệt luyện, nghiên cứu đặc tính công nghệ và tính năng vật liệu miết phục vụ cho công nghệ miết các chi tiết rỗng tròn, xoay có độ

cơ bền cao

- Trên cơ sở nghiên cứu xác định được các thông số của quá trình miết, các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng miết, xây dựng quy trình công nghệ miết và chế thử mẫu vỏ động cơ R70

- Thiết kế, chế tạo máy miết điều khiển số CNC 3 trục, hệ điều khiển đáp ứng để điều khiển cơ cấu chấp hành 3 trục X1, X2, Z Tính năng cơ bản của máy là: miết được ống có đường kính tới φ120, kích thước chiều dày tới 3mm, chiều dài tới 900mm, góc côn αm≤100

Hình 2.1: Miết mỏng bằng đầu miết có ba con lăn

Chương 2

cơ sở lý thuyết 2.1 Động học quá trình miết

2.1.1 Mô hình toán khi miết

Trục miết có biên dạng giống bề mặt trong của sản phẩm và phải quay với tốc độ xác định trong khi con lăn miết (đầu miết) chuyển động tịnh tiến theo một quĩ đạo đã định để tạo hình biên dạng ngoài của chi tiết

tốc độ tiến của con lăn miết (

Tuy nhiên, cũng có thể coi miết có biến mỏng là bài toán biến dạng phẳng khi bán kính chi tiết rất lớn so với chiều dày miết Biến dạng vòng là có thể bỏ qua; với giả thiết ma sát giữa con lăn miết và phôi là rất nhỏ (ma sát lăn)

Để tăng năng suất, người ta thường sử dụng đầu miết có 3 con lăn Các con lăn được bố trí lệch nhau 1200, mỗi con lăn tạo một mức biến dạng nhất định (Hình

2.1)

Khi miết có biến mỏng, mỗi phần tử tại một bán kính xác định trên phôi ban đầu chỉ bị giảm chiều dày, kết hợp với sự kéo dãn đồng thời theo hướng dọc trục mà không bị thay đổi đáng kể vị trí hướng kính Trái lại, với miết không biến mỏng, mỗi phần tử của phôi sẽ chịu thay đổi đáng kể về vị trí hướng kính so với vị trí ban đầu

Lực miết và mômen miết phụ thuộc vào sự hóa bền vật liệu, tiết diện ngang của sản phẩm miết và ma sát của các bề mặt tiếp xúc Khi miết mỏng, các lực này lớn hơn các lực khi miết thông thường (không biến mỏng) do vậy đòi hỏi máy miết có kết cấu cứng vững hơn

2.1.2 Các chuyển động khi miết

Theo tác động, chuyển động được chia thành chuyển động tạo hình và chuyển động bổ trợ Ngoài ra chuyển động của dụng cụ và phôi còn được chia ra chuyển động chính và chuyển động truyền động Chuyển động chính là chuyển động đảm bảo biến dạng dẻo của kim loại với tốc độ xác định Chuyển động truyền động cho phép ép mặt làm việc của dụng cụ đến phần mới của phôi khi miết

Hình2.2 : Vectơ vận tốc quay v , miết q v và truyền động m v tđ

a) Khi truyền động dọc b) Khi truyền động ngang

Trên hình 2.2, vận tốc miết vm bằng tổng hình học của vận tốc quay phôi ở biên dạng và vận tốc truyền

Khi miết vật hình trụ, v vuông góc với q v nên: tđtđ

q

hoặc: vm =n/1000 ( )πD 2 +S (2.2) Hướng vectơ vận tốc miết được xác định bởi góc à:

Khi miết bề mặt trụ: qtđ/vv

Véctơ vận tốc chuyển động của điểm biên dạng có hướng tiếp tuyến với đường xoắn vít dưới một góc:

arctg tđ q=

Bước đường xoắn cần nhỏ hơn bề rộng phần tiếp xúc của dụng cụ với phôi

Hình 2.3: Vị trí vectơ vận tốc khi chuyển động của điểm biên dạng theo đường xoắn

Khi miết, phần lớn bước s rất nhỏ so với vm , vì vậy có thể chấp nhận: 1000

2.2 Lựa chọn tốc độ miết

* Vận tốc quay khi miết cần thỏa mãn:

- Phù hợp với tính dẻo của vật liệu, đặc tính công nghệ của sản phẩm, mặt khác phải phù hợp với công suất động cơ

- Phù hợp với chu trình gia công và khả năng điều khiển của hệ thống tự động hóa

Hình 2.4: Sơ đồ tính chiều sâu miết

Trên hình 2.4 cho các thông số liên quan đến tính chiều sâu miết Từ các quan hệ hình học ta có:

Theo điều kiện về công suất động cơ miết:

Kết hợp với những đặc tính làm việc của các động cơ tiêu chuẩn, người ta thường chọn tốc độ miết:

m N 60 1020n /P

(Nz – công suất động cơ chính)

2.3 Lực, công và công suất miết

2.3.1 Lực tác dụng lên con lăn và phôi

Lực tác dụng khi miết Pm được thể hiện trên hình vẽ sau (hình 2.5):

Hình 2.5: Sơ đồ lực tác dụng khi miết chi tiết hình trụ

Theo sơ đồ hình 2.5, ta có: 2z2y2x

Khi miết phôi, mômen xoắn đ−ợc xác định: n/N974002

Công này cân bằng với công sinh ra bởi các lực thành phần: z

2.3.3 Công suất khi miết

Công suất hiệu dụng cho quá trình miết:

Thành phần thứ nhất và 3 chiếm 1ữ3% giá trị công suất chung, vì vậy có thể chọn cách tính công suất:

2.4 Miết biến mỏng chi tiết hình trụ

Đây là phương pháp miết dài chi tiết bằng cách quay phôi rỗng, làm biến mỏng thành bằng ép miết tuần tự các điểm cục bộ Có thể chia thành 2 dạng miết là: miết thuận và miết ngược

Lực tổng hợp của kim loại tác dụng lên con lăn Rs và các lựa thành phần Px, Py, Pz được xác định theo áp lực trung bình Ptb

với ∫dF - diện tích của bề mặt tiếp xúc

áp lực trung bình của kim loại lên con lăn có thể xác định theo: Ptb = nβ⋅nH⋅nZ⋅nσ⋅nV⋅σT

Trong đó:

nβ - hệ số tính ảnh hưởng ứng suất chính trung bình, nếu coi là biến dạng phẳng nβ = 1,155

nH - hệ số tính đến ảnh hưởng của biến cứng nH = ko + k1/2ko

với ko và k1 - trở lực biến dạng: k = nvHHσT nZ - hệ số tính đến ảnh hưởng vùng ngoài nσ - hệ số tính đến ảnh hưởng của ma sát nσ = 1 + (1/3)(àl/to)

với à - hệ số ma sát theo hướng biến dạng trượt của kim loại với con lăn nV - hệ số tính đến ảnh hưởng của tốc độ biến dạng

Hình 2.7: Sơ đồ tác dụng các lực khi miết biến mỏng 1 – Phôi; 2 – Con lăn

Trong khi tính toán gần đúng áp lực kim loại lên con lăn khi miết biến mỏng có thể tính theo công thức:

k = 1,155σT

với σT - giới hạn chảy khi thử tĩnh kéo đơn

Để tính toán công nghệ, khi sử dụng các công thức cần có sự hiệu chỉnh các hệ số nhận đ−ợc qua thực nghiệm

Chương 3

nội dung, kết quả nghiên cứu

Miết và miết biến mỏng thành là một công nghệ mới được ứng dụng trong những năm gần đây, bước đầu một số ứng dụng trong sản xuất Quốc phòng đã đem lại hiệu quả cao Trong đó, miết biến mỏng được sử dụng chế tạo ống chịu áp lực ống chịu áp lực bên trong cao là dạng sản phẩm có yêu cầu về độ bền kéo và độ dai va đập theo hướng tiếp tuyến cao Các loại nòng súng, nòng pháo, DKZ, SPG, cối đều có yêu cầu chịu tải áp lực xung và độ dai hướng tiếp Các sảm phẩm này không thể sử dụng ống qua cán hoặc chuốt làm phôi Chúng phải qua nhiều bước rèn, làm thay đổi hướng phân bố thớ, làm nhỏ hạt tinh thể, từ đó làm tăng độ bền và độ dai va đập Mặt khác, tính năng của các loại nòng được cải thiện nhờ hợp kim hoá Nhưng đối với sản phẩm như động cơ tên lửa có kích cỡ nhỏ, yêu cầu khối lượng nhỏ vì vậy chúng thường có thành mỏng nhưng vẫn đảm bảo được các yêu cầu chịu áp lực, chịu nhiệt Với công nghệ biến dạng như dập vuốt chỉ cho hình dáng ống, độ bền hướng tiếp không đảm bảo do có thớ dọc trong quá trình dập vuốt Còn đối với công nghệ miết biến mỏng tạo ra thớ vòng, xoắn do vậy đảm bảo được yêu cầu làm việc và tính năng của các loại sản phẩm này

3.1 Nghiên cứu khả năng biến dạng của vật liệu khi miết ép

3.1.1 Tìm hiểu đặc tính biến dạng của một số vật liệu làm vỏ tên lửa

Hiện nay trong trang bị của Quân đội có rất nhiều chi tiết được chế tạo bằng phương pháp biến dạng từ các loại vật liệu có khả năng biến dạng tốt như thép các bon thấp và các loại hợp kim màu Trong phạm vi tài liệu này xin giới thiệu việc tìm hiểu đặc tính biến dạng một số kim loại và hợp kim thông dụng trong chế tạo vũ khí, khí tài quân sự

H×nh 3.1: §−êng cong biÕn cøng cña vËt liÖu 2024

1 - -80oC 2 - 20 oC 3 - 90 oC 4 - 155oC 5 - 230 oC 6 - 300 oC

7 - 390 oC

Trong biểu đồ ở hình 3.1 ta quan tâm đến đường số 2, là đường tương ứng với gia công ở nhiệt độ thường (có làm mát và bôi trơn) Ta thấy rằng ứng suất tăng khi mức độ biến dạng ở dưới vùng 10%, sau mức độ biến dạng 10% hầu như độ cứng không tăng nữa, điều này rất có lợi cho việc miết biến mỏng sâu

c) Nhóm đồng: Phổ biến là sử dụng đồng M1 trong chế tạo chóp gió đầu đạn B40,

B41, CT9… đây là vật liệu đồng có độ sạch rất cao, khả năng biến dạng tốt, ít biến cứng do biến dạng

3.1.2 Nghiên cứu khả năng tạo hình các kết cấu rỗng

a) Nhóm trụ bậc:

Đây là nhóm có biên dạng đơn giản nhưng thường đòi hỏi cao về độ không lệch thành và chiều dày thành rất mỏng Trong quá trình miết, vật liệu bị biến mỏng đồng đều trên từng đoạn nhất định do vậy mức độ biến dạng trên từng đoạn là như nhau

Hình 3.2: Miết trụ bậc b) Nhóm ống có côn

Miết côn là dạng công nghệ miết tương đối phức tạp kể cả về biên dạng và cơ chế biến dạng Không giống như miết trụ, trong quá trình miết sản phẩm luôn áp sát vào trục miết vì vậy trạng thái ứng suất của kim loại tại vị trí miết là trạng thái ứng suất nén (ít sinh ra phế phẩm) Đối với miết côn, trong quá miết có những vị trí mà phôi chưa tiếp xúc với trục miết, tại vị trí đó khi đầu miết tì vào rất dễ gây ra nứt, vỡ hoặc nhăn ống do các ứng suất kéo theo hướng kính và hướng trục sinh ra Ngoài ra khi miết côn, kim loại dịch chuyển về phía côn có đường kính lớn hơn và kim loại phía dịch chuyển bị nong (dãn rộng) ra cũng rất dễ nứt vỡ, tăng trở lực biến dạng Vì vậy khi tính toán miết ống côn cần lưu ý đến vấn đề này

- Xác định mức độ biến dạng cho phép sau 1 nguyên công miết và chế độ xử lý nhiệt trong quá trình tạo hình bằng miết

3.1.3 Thực nghiệm miết ống trụ

a) Yêu cầu đặt ra đối với xây dựng phương án thí nghiệm miết:

Chọn sản phẩm cho thí nghiệm là vỏ động cơ CT9 với vật liệu sử dụng là thép 40X và vỏ động cơ R70 với vật liệu sử dụng là 2024 Yêu cầu đối với thí nghiệm là: - Tìm hiểu, xác định một số thông số quá trình biến dạng bằng miết ép tạo phôi động cơ CT9 và R70

- Nghiên cứu quan hệ giữa mức độ biến dạng, quá trình biến dạng tới biến cứng của vật liệu động cơ CT9 và R70

- Trên cơ sở các điều kiện biến dạng và mô hình hình học của động cơ CT9, R70, xác định lực ép công nghệ tạo cơ sở cho việc kiểm tra tính toán động lực học phần công tác của máy miết

b) Phương án thí nghiệm miết 1: * Tính toán phôi:

- Trên cơ sở xác định thể tích dịch chuyển

- Có kích thước ban đầu: D0xd0xL0=54x46,5x180

α - Góc thoát con lăn miết Rbm – Bán kính miết

ni – Tốc độ quay phôi bước miết thứ i si – Bước chạy dọc con lăn miết thứ i Pi – Lực miết (1 con lăn) ở bước miết thứ i Để cố định thông số dụng cụ, chọn:

Rđm=3,5ữ4 Rbm=37,5 α=250

Như vậy với một chế độ miết Pi, n, si ta sẽ phải xác định được ti bằng đo trực tiếp sau biến dạng

- ¸p lùc xy lanh ®Èy con l¨n p=9at ⇒ P=789kG

- MiÕt lÇn l−ît c¸c b−íc 1, 2, 3… kh«ng qua ñ trung gian: n=250 vßng/phót; s=0,2mm

B¶ng 3.4

0 54 1 52,52 0,38 2 51,74 0,25 3 51,50 0,12

ñ ph«i 162HB

4 50,88 0,31 5 50,48 0,20 6 50,18 0,15

B¶ng 3.5

0 54 1 53,20 0,40 2 52,66 0,27 3 52,34 0,16 4 51,74 0,30 5 51,30 0,22 6 50,98 0,16

ñ ph«i 166HB

+ MÉu 3:

- Ph«i nhãm I: 40X, 155-163HB - ¸p lùc xy lanh ®Èy con l¨n p=9at - n=330 vßng/phót; s=0,15mm

B¶ng 3.6

0 54 1 53,26 0,37 2 52,82 0,22 3 52,60 0,11 4 51,90 0,35 5 51,50 0,20 6 51,30 0,10

ñ ph«i 165HB

+ MÉu 4:

- Ph«i nhãm I: 40X, 155-162HB - ¸p lùc xy lanh ®Èy con l¨n p=9,5at - n=250 vßng/phót; s=0,2mm

B¶ng 3.7

0 54 1 53,08 0,46 2 52,48 0,30 3 51,88 0,20 4 51,48 0,36 5 50,76 0,23 6 50,30 0,12

ñ ph«i 164HB

+ MÉu 5:

- Ph«i nhãm I: 40X, 154-163HB - ¸p lùc xy lanh ®Èy con l¨n p=9,5at

- n=330 vòng/phút; s=0,15mm

Bảng 3.8

0 54 1 53,16 0,42 2 52,58 0,29 3 52,00 0,18 4 51,64 0,34 5 50,96 0,21 6 50,54 0,11

ủ phôi 162HB

* Một số nhận xét:

+ Với chế độ miết: n=250vòng/phút; s=0,2mm/vòng; p=9,0at

- Mức độ biến dạng lớn nhất đạt được qua một bước đạt 17%

- Mức độ biến dạng nhỏ nhất ứng với các bước miết thứ 6 (bị biến cứng) đạt 5,2-6%

+ Với chế độ miết: n=330vòng/phút; s=0,15mm/vòng; p=9,0at

- Mức độ biến dạng lớn nhất đạt được qua một bước đạt 30-32% - Mức độ biến dạng nhỏ nhất (bước miết thứ 6) đạt 4,7-5,5%

+ Khi tăng áp suất lên 9,5at:

- ở chế độ n, s thứ nhất, biến dạng max=18-20% - ở chế độ n, s thứ 2, biến dạng max=14-17%

Xây dựng được đồ thị thực nghiệm như sau:

Hình 3.7: Quan hệ hoá bền biến dạng với mức độ biến dạng tổng khi miết thép 40X ở các chiều dày khác nhau:

1- 3,5mm; 2- 2,5mm; 3- 1,5mm

Phôi 1 Phôi 2 Phôi 3

ε%σ[MPa]

Nhìn vào đồ thị (hình 3.7) ta nhận thấy:

- Với một chiều dày phôi, mức độ biến dạng <30% chưa có sự biến cứng mạnh, cơ tính các phôi tăng <15% Khi miết với mức độ biến dạng >30%, mức độ hoá bền tăng nhanh Khi miết ống dày 1,5mm với mức độ biến dạng tổng 80%, độ bền tăng 120-150%

- Hoá bền biến dạng tăng khi miết các ống có hệ số chiều dày giảm (d/D), cùng một mức độ biến dạng tổng 60%, cơ tính của mẫu ống chiều dày 1,5mm lớn hơn cơ tính chiều dày 3,5mm khoảng 100-120Mpa

- Hiện tượng biến cứng lớp bề mặt xảy ra khi miết nhiều bước với mức độ biến dạng nhỏ dễ tạo ra sự phân lớp, gây ứng suất dư lớn giữa các vùng trong thể tích mẫu gây cong, nứt mẫu

- Với thép 40X đã qua ủ, mức độ biến dạng ở các bước đầu có thể đạt tới gần 40%, áp lực đơn vị 220-250Mpa

c) Phương án thí nghiệm 2:

* Vật liệu: Sử dụng vật liệu 30XΓCA

* Phôi ban đầu:

Để đạt được chiều dài đoạn miết theo yêu cầu sản phẩm cuối cùng cần xác định được chiều dài miết ban đầu Tính toán theo định luật bảo toàn thể tích xác định được chiều dài đoạn miết ban đầu như hình vẽ:

* Số lượng: phôi đem thử gồm 06 phôi, trong đó có 04 phôi qua ủ và 02 phôi

không qua ủ Độ cứng các phôi như sau: Phôi 01: 184HB

Phôi 02: 174HB

Phôi 03: 167HB Phôi 04: 167HB

Phôi 05: 210HB (phôi không qua ủ) Phôi 06: 250HB (phôi không qua ủ)

* Các bước miết:

Dự kiến như sơ đồ sau: