Một số khái quát chung về chồn ống

1.3.1. Đặc điểm chung

Nghiên cứu, ứng dụng công nghệ chồn ống nguội để chế tạo những chi tiết dạng bạc, có kích thước tiết diện ngang tăng cục bộ ở phần đầu hoặc phần giữa so với phần còn lại của chi tiết. Song, phải tạo ra tổ chức hướng thớ phù hợp với điều kiện làm việc của chi tiết, chịu được lực kéo dọc trục cao, bền vững khi làm việc.

Hình 1.20: Thực nghiệm chồn ống (bạc)

1.3.2. Khuyết tật trong quá trình chồn ống

Gấp là một trong những khuyết tật làm giảm giá trị và thường gặp phải của các chi tiết được chồn. Kể từ những năm 1980, vấn đề trong việc sản xuất các chi tiết không gấp đã được giải quyết bởi các công cụ mô phỏng. Các phương pháp được dùng để phân tích, phán đoán khuyết tật, ví dụ phương pháp mô phỏng dựa vào phần tử hữu hạn để có thể dự đoán khuyết tật này; hoặc phương pháp nghiên cứu dựa vào thuật toán di truyền được đưa ra để điều chỉnh các thông số biến đổi như các thông số hình dạng khuôn mẫu hoặc các mức độ ma sát để tránh khuyết tật này.

Để thu được một sản phẩm không có khuyết tật gấp, phụ thuộc vào một số thông số như hình dạng ban đầu của phôi, hình dạng khuôn ở nguyên công thứ nhất, nhiệt độ ban đầu của khuôn dập và vật liệu, tốc độ biến dạng, hệ số ma sát; số lượng và hình dạng của các khuôn trung gian.

Hình 1.21: Sự mất ổn định của phôi dẫn đến hình thành khuyết tật “gấp”

1.3.3. Ví dụ chồn ống

Để khắc phục khuyết tật gấp, người ta áp dụng nhiều phương pháp khác nhau, phương pháp mô phỏng số rất hữu ích trong trường hợp này, ví dụ, để chỉ ra hiệu quả của phương pháp mô phỏng, một ống trụ rỗng chịu lực nén (giảm 25% chiều cao) được xem xét (vật liệu có các tham số K = 5,857; m = 0,134; P =0). Các kích thước (tính theo mm) của ống trụ và hình dạng đường biên của khuôn dập được đưa ra trong Hình 1.22.

Hình 1.22: Sơ đồ hình dạng phôi mẫu của vấn đề ống trụ rỗng (đơn vị tính theo mm)

Khuôn dập trên

Hình 1.23: Xuất hiện gấp nếp trong quá trình chồn

Trong giai đoạn đầu tiên, chiều cao giảm 20% (xem hình 1.24), giai đoan thứ 2, khuôn dập trên thẳng được thiết kế và quá trình chồn được tiếp tục cho tới khi chiều cao giảm 25%. Sự tối ưu hóa này nhằm giảm thiểu khoảng trống giữa hình dạng bề mặt bên trong của ống trụ rỗng được chồn và hình dạng bề mặt thẳng chủ định.

Nhận xét, áp dụng phương pháp phần tử hữu hạn để xác định vùng bị gấp nếp trong quá trình chồn cùng với phương pháp khác để giảm thiểu khuyết tật gấp ứng dụng cho cho quá trình chồn ống trụ rỗng. Quá trình gồm 2 giai đoạn được chỉ ra là có thể thu được sản phẩm không bị gấp nếp.

Khuôn dập dưới

Khuôn dập trên Hình dạng ban đầu

Giảm 25% chiều cao Gấp nếp

Hình 1.24: Khuôn mẫu tối ưu và sản phẩm cuối cùng xem xét hình dạng khuôn dập trên trong giai đoạn đầu tiên của quá trình chồn được xác định bởi đường cong b-

spline và sự thay đổi hệ số ma sát

1.3.4. Xác định lực cho bài toán chồn ống

Giả sử AB là bề mặt tiếp xúc giữa dụng cụ biến dạng và vật thể biến dạng, trên bề mặt đó lực biến dạng đặt lên vật thể theo hướng chuyển động của dụng cụ (hướng c), ứng suất pháp ζn phân bố trên bề mặt tiếp xúc theo sơ đồ ab.

Xét một phân tố diện tích vô cùng nhỏ bất kỳ trên bề mặt tiếp xúc dFtx, lực vuông góc trên phân tố đó là dPn:

dPn = ζndFtx (1.13)

Thành phần của dPn trên phương chuyển động của dụng cụ biến dạng: dP = dPncosα (1.14)

Trong đó: α – là góc giữa phương của ứng suất pháp ζn và phương chuyển động của dụng cụ biến dạng. Thay (1.13) vào (1.14) ta được:

dP = ζndFtx cosα (1.15)

Tích số dFtxcosα chính là hình chiếu của dFtx trên mặt phẳng vuông góc với Giai đoạn thứ nhất

Giai đoạn thứ hai

Hình dạng cuối cùng

Khuôn dập dưới

dF = dFtxcosα (1.16) Do đó: dP = ζndF (1.17)

Lực biến dạng trên toàn bộ P sẽ bằng tích phân của dP trên diện tích A’B’, tức là trên hình chiếu của bề mặt tiếp xúc AB xuống mặt phẳng vuông góc với phương

của lực tác dụng: P =  F ndF  hoặc P = F ndF 0  (1.18)

Hình 1.25: Sơ đồ phân bố ứng suất pháp σn trên bề mặt tiếp xúc.

Về nguyên tắc, tích phân (1.18) luôn luôn có thể giải được nếu ta có thể biểu diễn ζn là một hàm của các tọa độ nằm trong mặt phẳng F, hoặc ngược lại biểu diễn những tọa độ ấy bằng những hàm trong đó có chứa ζn.

Trong hệ tọa độ vuông góc, tích phân (1.18) có dạng: P =  F ndxdy  (1.18a) Trong hệ tọa độ cực, P =  F ndd  (1.18b)

Biểu thức (1.18) cũng đúng với trường hợp lực biến dạng đặt gián tiếp lên vật thể thông qua bộ phận không biến dạng.

Ta coi lực biến dạng P luôn luôn dương, do đó khi thay ζn vào biểu thức (1.18) ta chỉ lấy trị số tuyệt đối của nó.

Ta xét ví dụ để giải tích phân (1.18) – trường hợp một chày có phần làm việc là hình vành khăn, ấn vào phôi kim loại có kích thước như hình 1.27.

Quy luật phân bố của ứng suất pháp trên bề mặt tiếp xúc trong điều kiện không có ma sát được biểu diễn bằng công thức của Tomlenov:

ζn = Kf(1 + 2



- )

Như vậy, ζn là hàm chỉ của góc γ. Trong trường hợp này, tích phân (1.18) biểu diễn trong hệ tọa độ trụ là thích hợp nhất.

P =    F f d d K  )   2 1 (

Hình 1.26: Bài toán chày hình cầu nén vào phôi kim loại

Từ hình 1.26 ta nhận thấy ζn có thể biểu diễn qua tọa độ của các điểm trên hình chiếu của bề mặt tiếp xúc lên mặt phẳng vuông góc với phương của lực tác dụng:

Sinγ =

R

Do đó, γ = arcsin R  ζn = Kf(1 + R   arcsin 2  )ρdρdθ

Hình 1.27: Sơ đồ chày có tiết diện hình vành khăn nén vào ống kim loại

P =    F f d d R K  arcsin)   2 1 (

Ứng với mô hình chồn ống của ta ở hình 1.27, tích phân trong miền từ θ = 0 đến θ = 2 và từ ρ = r1 đến ρ = r2 và R = → arcsin R  = 0: P = r2d arcsin ) 2 1 ( 2 R Kf       = 2Kf(1 + 2  )r2d = Kf(1 + 2  )( 2 1 2 2 r r  )

CHƢƠNG 2

THIẾT KẾ CÔNG NGHỆ CHỒN ỐNG

2.1. Chồn ống

Định nghĩa đơn giản nhất của chồn ống là sự sử dụng ống như một phôi ban đầu trong quá trình chồn ống. Trong nhiều ứng dụng, việc sử dụng ống đúc liền như phôi để chồn ống, đặc biệt là chồn ống trong thời gian dài cần một lỗ thông là điều đáng mong muốn và thiết thực. Việc sử dụng ống, như phôi chồn, làm giảm khối lượng và số nguyên công. Có bốn cách chồn ống như được chỉ ra trong hình 2.3. Đó là:

1.Chồn ngoài: Đường kính bên ngoài của ống được tăng lên trong khi đường kính bên trong được cố định.

2.Chồn trong: Đường kính bên trong của ống được tăng lên trong khi đường kính bên ngoài được cố định.

3.Chồn đồng thời ngoài và trong: Đường kính bên ngoài của ống được tăng lên trong khi đường kính bên trong của ống giảm.

4.Giãn nở ống: Đường kính bên ngoài của ống được tăng lên trong khi độ dày thành ống vẫn không đổi.

Trong quá trình chồn ống, chiều dài chồn ống và tăng độ dày thành ống là các giới hạn quá trình công nghệ. Chiều dài chồn ống chỉ có thể kiểm soát được bằng thiết kế thích hợp của khuôn dập và sự kiểm soát chính xác chiều dài nung nóng. Do đó, nên sử dụng kỹ thuật nung nóng giúp kiểm soát sát sao nhiệt độ và chiều dài nung nóng. Để không cong, mất ổn định trong suốt quá trình chồn, quy tắc thiết kế trình tự liên quan đến mức tăng độ dày thành ống cho phép nên được tuân thủ nghiêm ngặt. Bằng cách áp dụng giới hạn quá trình chồn ống, có thể tiết kiệm rất nhiều nguyên vật liệu và thu được các sản phẩm như mong muốn.

a) Chồn ngoài b) Chồn trong c)Chồn ngoài và trong d) Giãn nở ống Hình 2.3: Các cách chồn ống

2.2. Sự phát triển của công nghệ chồn ống

Trong tất cả các công đoạn chồn ống, thiết kế trình tự, thiết kế và sản xuất khuôn dập, và chế tạo các chi tiết chồn yêu cầu các nhà thiết kế và nhà thực hành kinh nghiệm. Để giảm bớt các yêu cầu này, các phương pháp được trợ giúp bởi máy tính là một vấn đề hấp dẫn đối với nhiều nghiên cứu. Trong quá trình chồn nóng, số lượng nghiên cứu xử lý trình tự thao tác và thiết kế khuôn dập đối với các chi tiết tròn cứng đối xứng quanh một trục, tại đây một số nghiên cứu cũng xem xét các chi tiết rỗng cần các công đoạn đột lỗ ngoài công đoạn chồn bằng cách sử dụng các kỹ thuật thiết kế được máy tính hỗ trợ.

Bởi những khó khăn trong thiết kế và sản xuất, quá trình chồn ống không được sử dụng phổ biến mặc dù nó có nhiều điểm lợi thế là tiết kiệm nguyên vật liệu và giảm các quá trình công nghệ cần thiết. Tuy nhiên, các phát triển gần đây trong thiết kế bằng máy tính/sản xuất được trợ giúp của máy tính/phân tích được trợ giúp của máy tính (CAD/CAM/CAE) cho phép thiết kế và sản xuất nhanh. Sự tương tác với máy tính cho phép các nhà thiết kế tối ưu hóa các thông số quy trình bằng cách xem xét các yêu cầu thiết kế và khả năng xử lý. Sử dụng CAD/CAM cung cấp thiết kế và sản xuất với sự điều khiển đầy đủ trong một thời gian ngắn với chi phí thấp hơn.

Gần đây, phân tích phần tử hữu hạn của các quá trình chồn đã được thực hiện theo một số các nghiên cứu. Các nghiên cứu này xử lý về mô hình hóa, tối ưu hóa

hoặc cong oằn, mất ổn định được xác định. Sau khi thiết kế khuôn dập cho tất cả các bước, nên thực hiện phân tích chi tiết bằng các công cụ thích hợp. Có thể thực hiện việc phân tích bằng các phương pháp phân tích hoặc phương pháp số như phương pháp phân tích phần tử hữu hạn và khối lượng hữu hạn.

2.4. Những lƣu ý cơ bản về thiết kế công nghệ chồn ống

Thiết kế một chi tiết dập liên quan đến sự sự phân phối các dung sai gia công, vị trí đường phân khuôn (nghĩa là chia mặt phẳng giữa khuôn trên và khuôn dưới), xác định các góc nghiêng tháo sản phẩm, bán kính lượn của đường giao tuyến và bán kính góc. Trong thiết kế khuôn dập, các góc tháo sản phẩm của khuôn nên được áp dụng để rút dụng cụ dễ dàng. Có thể thấy các khuyến nghị về góc tháo sản phẩm của khuôn tại các tài liệu tham khảo chuyên ngành. Các góc rút sản phẩm của khuôn trên và các góc đẩy sản phẩm của khuôn dưới, với vị trí đường phân khuôn được chỉ ra trong hình 2.1. Các khuyến nghị về tiêu chuẩn DIN đối với các góc tháo sản phẩm của khuôn được chỉ ra trong bảng 2.1.

Hình 2.1: Góc rút và đẩy sản phẩm của khuôn

Bảng 2.1: Các khuyến nghị về góc tháo sản phẩm của khuôn đối với khuôn ngang

Các bề mặt bên trong Các bề mặt bên ngoài

Độ dốc Góc Ứng dụng Độ dốc Góc Ứng dụng

1:20 3° Theo độ sâu 1:20 3° Trong khuôn thô

Trong các chi tiết dập, nên tránh các góc nhọn để loại bỏ sự tập trung ứng suất trong khuôn. Bán kinh góc và bán kính góc lượn của giao tuyến có thể sử dụng cho các phần rỗng được chỉ ra trong hình 2.2. Các khuyến cáo đối với góc và bán kính trong của góc lượn lần lượt có sẵn trong bảng 2.2 và 2.3.

Hình 2.2: Bán kính góc và bán kính góc lượn

Bảng 2.2: Các khuyến nghị đối với bán kính góc lượn

Khoảng cách lớn nhất từ đƣờng phân khuôn tới cạnh của vùng chồn (nghĩa là khoảng cách lớn hơn

của P1 và P2 trong Hình 2.2) (mm) Bán kính góc, R1 (mm) 0 - 25 2 26 -40 3 41 – 63 4 64 – 100 6 101 – 160 8 161 – 250 10 251 – 400 16 401 - 630 25

Bảng 2.3: Các khuyến nghị đối với bán kính góc lượn

Đƣờng kính thân trụ (mm) Bán kính góc lƣợn, R4 (mm)

0 - 25 2

Trong quá trình chồn nóng, phôi được nung nóng trước khi nó được đưa vào khuôn dập đầu tiên. Việc nung nóng phôi ống yêu cầu mức kiểm soát cao hơn so với phôi thanh đặc. Chiều dài ống bị biến dạng là phần duy nhất nên được nung nóng, để ngăn chặn biến dạng vượt quá vùng chồn. Đối với hầu hết các cách chồn ống, quá trình chuyển đổi mạnh giữa các bộ phận được nung nóng và các bộ phận không được nung nóng phải được duy trì để giảm thiểu nguyên vật liệu có thể biến dạng ở phía sau của khu vực chồn. Vị trí chính xác của quá trình chuyển đổi mạnh có tầm quan trọng lớn trong các trường hợp chồn bên trong, do không có các biện pháp thực tế để hạn chế chiều dài chồn bằng các khuôn dập hoặc đột lỗ. Ngoài việc kiểm soát chiều dài được nung nóng, điều mà ảnh hưởng trực tiếp đến khối lượng chồn, nhiệt lượng cũng phải được duy trì không vượt quá vùng chồn bằng cách áp dụng các phương pháp nung nóng nhanh.

Sự gia nhiệt cảm ứng mà đã được áp dụng thành công để sử dụng trong công nghệ chồn, là phương pháp nung nóng thích hợp nhất giúp lớp gỉ tối thiểu và kiểm soát chiều dài phôi được nung nóng một cách chính xác. Tốc độ nung nóng nhanh chóng mà cũng giảm thiểu lớp gỉ, độ chính xác của việc kiểm soát nhiệt độ và khả năng thích ứng với việc nung nóng tập trung, làm cho việc gia nhiệt cảm ứng đặc biệt hữu ích trong việc dập chồn các bộ phận tương tự trên cơ sở sản xuất hàng loạt. Trong suốt quá trình xác định chiều dài ống được tạo hình, lượng hao hụt do lớp gỉ phải được tính đến và bù vào. Các khuyến nghị đối với dung sai lớp gỉ có sẵn trong luận văn và được chỉ ra trong bảng 2.4. Nếu việc dập chồn yêu cầu nhiều hơn một giai đoạn nung nóng, dung sai lớp gỉ nên được tăng lên từ 1,5 đến 2 lần so với giá trị được khuyến nghị. Từ bảng này ta thấy rằng, lượng lớp gỉ là thấp nhất trong quá trình gia nhiệt cảm ứng. Trong các gói phân tích phần tử hữu hạn, lượng lớp gỉ không được tính đến. Do đó, dung sai lớp gỉ sẽ được xem xét trước khi thực hiện phân tích phần tử hữu hạn.

Bảng 2.4: Các khuyến nghị đối với dung sai lớp gỉ

Khí trong hộp kín 3% Khí tuần hoàn liên tục 2,5%

Điện 1,5%

Cảm ứng 1%

Nếu các công cụ được thiết kế cho phép sự hình thành bavia (hình 2.3), khối lượng của phôi ban đầu nên được tăng lên để bù vào lượng hao tổn nguyên vật liệu do sự hình thành nhanh. Các khuyến nghị đối với chiều rộng bavia, fw, và độ dày bavia, ft, được đưa ra trong bảng 2.5.

Hình 2.3: Chú giải về ba via

Bảng 2.5: Các khuyến nghị đối với kích thước ba via

Đƣờng kính lớn nhất (mm)

0 - 20 21 - 80 81 - 160 161 - 260 261 - 360

Chiều rộng ba via

(mm) 5 8 12 14 16

Chiều dày ba via

(mm) 0,8 – 1,0 1,0 - 1,2 2,0 – 2,5 3,0 – 3,5 3,5 – 4,0

Đối với quá trình chồn ống, sự giãn nở của phôi trong quá trình nung nóng nên được xem xét trong thiết kế khuôn. Dung sau giãn nở 1,5% được khuyến nghị trong

2.5. Các giới hạn công nghệ

Các giới hạn công nghệ của việc chồn ống chủ yếu liên quan đến việc kiểm soát chiều dài chồn và xác định mức tăng có thể đạt được của vùng mặt cắt. Để