Như ta đó biết, khuụn ộp trực tiếp làm nhiệm vụ ộp vật liệu để định hỡnh và tạo độ bền cơ sở ban đầu cho viờn ngúi. Để nõng cao tuối bền và chất lượng cho viờn ngúi, khuụn ộp khụng những phải cú hỡnh dỏng kết cấu hợp lý mà cũn phải chọn được vật liệu chế tạo và quy trỡnh xử lý nhiệt để nõng cao cơ tớnh một cỏch hợp lý nhằm đảm bảo được cỏc yờu cầu như: tớnh làm việc, tớnh cụng nghệ và tớnh kinh tế.
3.4.1 Lựa chọn vật liệu cho Chày ộp và Cối ộp chớnh
Trong quỏ trỡnh làm việc, ở phần bề mặt của lũng khuụn xuất hiện ứng suất nốn lớn n 90kG/cm2, ma sỏt giữa hạt vật liệu và bề mặt làm việc của khuụn ộp lớn, hệ số tải trọng động nhỏ khụng đỏng kể, nhiệt độ tập trung trờn bề mặt làm việc khoảng 27oC. Trong điều kiện làm việc như vậy để nõng cao tuổi thọ cũng như chất lượng làm việc của khuụn đũi hỏi vật liệu đầu ộp cần cú những tớnh chất cơ lý cần thiết như độ cứng, đổ chịu mài mũn, độ bền cơ học của lớp kim loại bề mặt, nhưng ngược lại vẫn phải đảm bảo độ dẻo dai của lớp kim loại bờn trong.
- Độ cứng: Việc đảm bảo độ cứng Chày ộp và Cối ộp cho phộp tăng khả năng chịu mài mũn và tăng tốc độ ộp ngúi, muốn ộp được ngúi độ cứng của khuụn ộp phải lớn hơn lực ộp tỏc động lờn bề mặt lũng khuụn. Lực tỏc động lờn bền mặt lũng khuụn ộp khoảng 90kG/cm2, độ cứng tế vi của vật liệu hạt (chủ yếu là hạt cỏt) tương đối lớn, theo như tớnh toỏn độ cứng tối thiểu của bề mặt khuụn ộp xỏc định từ yờu cầu về ma sỏt và mũn thỡ độ cứng của bề mặt khuụn là: H ≥ 55HRC, để đảm bảo tốt điều kiện làm việc khi ộp ngúi, ta phải chọn độ cứng của bề mặt khuụn lớn hơn độ cứng tớnh toỏn, tuy nhiờn cũng khụng nờn chọn quỏ lớn nhằm đảm bảo độ dẻo dai của lợp vật liệu dưới bề mặt làm việc (khi độ cứng lớn hơn 62HRC khuụn dễ bị nứt vỡ, khi làm việc). Ta lựa chọn độ cứng bề mặt của lũng khuụn ộp là khoảng 58- 62HRC, với độ cứng này lũng khuụn cú khả năng chịu mài mũn cao.
- 40 -
- Độ bền mũn: độ bền mũn của vật liệu khuụn ộp là một thụng số rất quan trọng, nú được đặc trưng bởi khả năng giữ vững hỡnh dỏng và thụng số hỡnh học của khuụn ộp, khi ộp xảy ra hiện tượng biến dạng dẻo và cào xước trờn bề mặt của lũng khuụn ộp. Do đú, để đảm bảo tuổi bền vật liệu lũng khuụn phải cú độ bền mũn cao, để tăng độ bền mũn, cần phải chọn vật liệu thộp hợp kim cú một số nguyờn tố cú khả năng chịu mài mũn như: Cr, Mo, V, Mn ....
- Độ bền cơ học: Trong quỏ trớnh làm việc, khuụn ộp chịu lực ộp rất lớn. Do đú, nếu độ bền cơ học khụng đảm bảo sẽ dẫn đến tớnh trạng khuụn ộp bị phỏ hỏng sớm do mẻ, vỡ, trúc... Vỡ vậy, độ bền cơ học là yếu tố quan trọng của vật liệu làm khuụn ộp. Muốn vật liệu làm khuụn ộp cú độ bền cơ học cao, vật liệu khuụn ộp phải cú khả năng thấm tụi và tỡnh thấm tụi tốt, nhằm đảm bảo đạt độ cứng bề mặt mà vẫn đảm bảo độ dẻo, độ dai va đập.
Để đạt được cỏc yờu cầu cơ tớnh như đó đề cập ở trờn cỏc loại thộp làm khuụn dập nguội núi chung phải cú thành phần cacbon cao, thường ở mức trờn dưới 1%, trong trường hợp chịu va đập cao thỡ hàm lượng cacbon sẽ ớt hơn khoảng 0,4 - 0,6%. Cỏc nguyờn tố hợp kim thường dựng để hợp kim húa là cỏc nguyờn tố làm tăng độ thấm tụi, tạo cacbit và tăng tớnh chống mài mũn như Cr, Mn, Mo…
Hiện nay, vật liệu làm khuụn khỏ đa dạng, ngoài việc đỏp ứng cỏc yờu cầu cơ tớnh, vật liệu làm khuụn cũn được lựa chọn trờn cơ sở sản lượng sản phẩm yờu cầu, đỏp ứng tuổi thọ của khuụn. Vỡ vậy cú thể sử dụng cỏc vật liệu làm khuụn sau:
+ Thộp dụng cụ Cacbon: CD100, CD120 dựng làm khuụn nhỏ (chiều dày thành khuụn nhỏ hơn 75mm), tải trọng khụng lớn, hỡnh dạng đơn giản, độ cứng cao nhưng chống mài mũn thấp.
+ Thộp dụng cụ hợp kim thấp: 100Cr, 100CrWMn, 100CrWSiMn dựng làm khuụn cú kớch thước trung bỡnh (bề dày thành khuụn 70-100mm) hay khuụn nhỏ cú hỡnh dạng phức tạp, chịu tải trọng lớn, cú độ thấm tụi cao hơn thộp cacbon. Cỏc mỏc cú Mn sau khi tụi kớch thước ớt thay đổi (do cú một lượng nhỏ austenit dư).
- 41 -
- Cú thành phần cacbon rất cao (1.3-2.1%) nờn lượng dư cacbit nhiều vỡ vậy chỳng cú tớnh chống mài mũn rất cao.
- Cú độ thấm tụi lớn (100-200mm trong dầu) nờn cú thể dựng làm khuụn cú kớch thước lớn.
- Cú thể dựng nhiều chế độ nhiệt luyện khỏc nhau để đạt được chỉ tiờu cơ tớnh cũng như sự ổn định kớch thước khuụn theo yờu cầu sử dụng.
+ Thộp dụng cụ hợp kim thấp cú hàm lượng cacbon trung bỡnh: 40CrSi, 60CrSi, 40CrW2Si. Sau khi tụi và ram thớch hợp cú thể đạt độ cứng 45-55HRC.
Theo tỡm hiểu và khảo sỏt thực tế, vật liệu làm khuụn ộp ngúi khỏ là phong phỳ, phụ thuộc vào chất lượng và số lượng sản phẩm yờu cầu sản xuất cho một bộ khuụn. Với số lượng chi tiết khụng quỏ lớn, khoảng dưới 100.000 chi tiết ta cú thể thấy vật liệu thường được sử dụng để chế tạo khuụn là thộp dụng cụ, khi tụi được làm nguội trong dầu và trong khụng khớ, gang hợp kim… Với những chi tiết sản xuất hàng loạt, số lượng lớn ta thấy yờu cầu về vật liệu làm khuụn yờu cầu cao hơn nhiều để đảm bảo cơ tớnh của khuụn và tớnh kinh tế khi sản xuất, vật liệu thường được sử dụng là thộp hợp kim dụng cụ Cr cao, Cacbon cao sau nhiệt luyện cú thấm nitơ. ở đõy ta thấy để đảm bảo số lượng sản phẩm ộp ra tương đương với khuụn của Nhật với số lượng chi tiết được sản xuất khoảng một triệu sản phẩm thỡ vật liệu thường được sử dụng là thộp hợp kim dụng cụ loại cú crụm cao, cacbon cao (theo tiờu chuẩn AISI của Mỹ) tương đương với mỏc thộp SKD11 theo tiờu chuẩn JIS của Nhật. Để nõng cao tuổi thọ của khuụn thỡ yờu cầu chọn chế độ nhiệt luyện đỳng là rất quan trọng. Bằng cỏc biện phỏp xử lý bề mặt như: thấm nitơ, phun phủ cỏcbớt, mạ crụm cứng nhằm tăng khả năng chống mài mũn ở bề mặt khuụn.
Với tổng hàm lượng cỏc nguyờn tố hợp kim 14,35-17,25 % là thộp hợp kim cao, với nguyờn tố hợp kim chớnh là crụm cũn cú cỏc nguyờn tố vanađi, mụlớpđen. Cỏc nguyờn tố hợp kim này cú tỏc dụng tạo ra cỏcbit hợp kim giỳp cho thộp nõng cao khả năng chống mài mũn. Ngoài ra, cỏc nguyờn tố hợp kim này khi cho vào thộp làm austenit ổn định hơn vỡ vậy làm cho đường cong chữ C dịch chuyển sang phải làm giảm tốc độ nguội tới hạn đồng thời làm tăng độ thấm tụi cho thộp. Với
- 42 -
hàm lượng nguyờn tố hợp kim cao thỡ thộp SKD11 làm nguội chậm vẫn nhận được tổ chức mactenxit. Nhỡn chung, khi hàm lượng cỏc nguyờn tố hợp kim tăng thỡ độ bền, độ cứng của thộp tăng cũn độ dẻo, độ dai va dập giảm. Đặc biệt với hàm lượng khoảng 1% Cr và 3ữ4% Ni sẽ làm tăng mạnh độ dai va đập của thộp, khi hàm lượng crụm và niken vượt quỏ khoảng trờn thỡ độ dai va đập lại bắt đầu giảm.
3.4.2 Lựa chọn vật liệu cho phần Cối phụ, tấm lút và cỏc đế khuụn
- Cối phụ:
Bề mặt làm việc của cối phụ khụng cú yờu cầu gỡ đặc biệt khi làm việc như Cối ộp chớnh và Chày ộp, Cối phụ cú hỡnh hộp rỗng ở giữa, trong quỏ trỡnh làm việc nú chịu lực đẩy bốn xung quanh, tuy nhiờn lực này khụng quỏ lớn vỡ diện tớch chịu lực là khụng lớn, với hỡnh dạng tương đối phức tạp, khú gia cụng và để tiết kiệm vật liệu người làm luận văn lựa chọn vật liệu chế tạo là thộp C45 và phương phỏp chế tạo phụi là phương phỏp đỳc.
- Tấm lút cối phụ:
Tấm lút cối phụ là chi tiết được lắp ghộp trờn phần bề mặt làm Cối phụ, khi làm việc bề mặt tấm lút sẽ trượt tương đối với bề mặt trượt của Chày ộp, trong quỏ trỡnh trượt tương đối như vậy sẽ xảy ra quỏ trỡnh mũn bề mặt tấm lút và cả bề mặt trượt của chày đến một thời điểm nào đú khi lượng mũn của tấm lút vượt quỏ mức cho phộp thỡ tấm lút sẽ được thao ra mang đi mài sửa lại. Việc lựa chọn vật liệu chế tạo tấm lút là vụ cựng quan trọng vỡ nú khụng những ảnh hưởng đến tuổi thọ của bản thõn tấm lút mà cũn ảnh hưởng đến tuổi thọ của chỏy ộp (trong quỏ trỡnh làm việc Chày ộp trượt tương đối với tấm lút). Dựa trờn những phõn tớch ở trờn người làm luận văn lựa chọn vật liệu chế tạo tấm lút là Gang cầu: GC 50-7 vỡ những lý do sau:
1 – Cặp vật liệu Gang – thộp cú hệ số ma sỏt nhỏ - nõng cao tuổi tho của chày ộp và tấm lút
2 – Gang cấu cú khả năng chịu lực cao, dễ tỡm kiếm và dễ chế tạo dẫn đến dễ dàng trong việc thay thế trong quỏ trỡnh sử dụng khuụn.
- Đế khuụn:
Cỏc chi tiết đế khuụn là những chi tiết chịu lực kết cấu khụng cú yờu cầu gỡ đặc biệt trong quỏ trỡnh làm việc, chớnh vỡ vậy người làm luận văn lựa chọn vật liệu chế
- 43 -
tạo là thộp kết cấu CT3, với chi tiết cú hỡnh dỏng phức tạp ta lựa chọn phương phỏp tạo phụi là hàn để đảm bảo tớnh kinh tế và tớnh cụng nghệ, với những chi tiết cú hỡnh dỏng đơn giản ta lựa chọn phụi thộp cỏn cú chiều dày thớch hợp. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
3.5 Ứng dụng phương phỏp phần tử hữu hạn để kiểm tra bền và biến dạng của lũng khuụn – Minh họa trờn Cối ộp chớnh.
3.5.1 Giới thiệu phương phỏp phần tử hữu hạn a. Nột chớnh của phương phỏp PTHH.
Phương phỏp PTHH bao gồm hai phương phỏp chớnh: phương phỏp chuyển vị và phương phỏp lực. Do phương phỏp lực khú tự động trờn mỏy tớnh điện tử nờn để giải bài toỏn tổng quỏt, thường dựng phương phỏp chuyển vị. Cỏc bước cơ bản của phương phỏp chuyển vị.
- Một vật thể cú thể được chia nhỏ thành n phần tử con hữu hạn gọi tắt là PTHH. - Cỏc phần tử được liờn kết với nhau qua cỏc nỳt,
- Đối với mỗi phần tử sẽ được xõy dựng một hàm chuyển vị thay thế cho phần tử, hàm này được biểu diễn thụng qua cỏc điểm nỳt tương thớch với cỏc phần tử lõn cận.
- Thiết lập phương trỡnh đối với mỗi phần tử và cơ hệ. - Giải hệ phương trỡnh ta được chuyển vị của cỏc nỳt.
- Với cỏc chuyển vị nỳt, ta sẽ tớnh được biến dạng và ứng suất tại cỏc nỳt, từ đú tỡm được biến dạng và ứng suất của từng điểm bất kỳ trong vật thể.
b. Giới thiệu phần mềm Cosmos. - Tờn phần mềm: Cosmos Design Star, - Phiờn bản: 4.0
- Mụ tả: Phần mềm tớnh phần tửhữu hạn, viết tắt FEM (Finite Elemen Method), - Chức năng: giải được cỏc bài toỏn sau:
- 44 - + Bài toỏn trường nhiệt độ, truyền nhiệt,
+ Bài toỏn cơ học chất lưu,
- Ứng dụng: Nghiờn cứu tỡnh trạng chịu lực của hệ vật trong cỏc lĩnh vực như + Kết cấu thộp,
+ Nền múng cụng trỡnh + Kết cấu mỏy cụng tỏc
+ Truyền nhiệt, trường nhiệt độ + Cơ học chất lưu.
3.5.2 Ứng dụng phần mềm Cosmos kiểm tra bền, biến dạng và chuyển vị lũng khuụn ộp ngúi màu.
Trong bộ khuụn ộp ngúi cú 2 bộ phận quan trọng nhất ảnh hưởng nhiều nhất đến chất lượng làm việc của khuụn ộp ngúi đú là Chày ộp và Cối ộp chớnh, trong phạm vi nghiờn cứu của luận văn này, người làm luận văn sẽ ứng dung phần mềm Cosmos để kiểm tra bền, biến dạng và chuyển vị của chi tiết Cối ộp chớnh.
Nhập mụ hỡnh đồ hoạ CAD vào trong mụi trường làm việc của phần mềm Cosmos: Cú thể nhập trực tiếp vào mụi trường Cosmos (đồ hoạ chi tiết trong mụi trường Cosmos) hoặc thiết lập mụ hỡnh đồ hoạ trong cỏc phần mềm hỗ trợ như: CAD, Inventor, Solid Work, Catia ... sau đú chuyển vào mụi trường Cosmos dưới định dạng *.iges
Khai bỏo vật liệu cấu thành chi tiết: Khai bỏo cỏc thuộc tớnh của vật liệu SKD11 gồm cỏc thụng số chớnh như sau:
- Mụ đun đàn hồi khi kộo (nộn): E = 21.103 kN/cm2 - Mụ đun đàn hồi khớ cắt: G = 8.103 kN/cm2
-
- 45 -
- Tỷ khối: =7,7 g/cm3
- Hệ số Poỏt xụng : = 0,3
-
Giới hạn bền cắt: c = 43,2 kG/mm2
Mụ tả liờn kết (khụng chế bậc tự do của vật thể theo sơ đồ làm việc), đặt tải lờn từng bộ phận làm việc của mụ hỡnh: Chọn lực phõn bố đều, phương của lực vuụng gúc với bề mặt làm việc của Cối ộp chớnh độ lớn của lực phõn bố là: 90kG/cm2
Hỡnh 3.7: Nhập mụ hỡnh đồ họa chi tiết (*.iges) vào mụi trường làm việc Cosmos design, mụ tả cỏc liờn kế của chi tiết, cỏc chuyển vị bị khống chế, đặt lực vào bề mặt làm việc chi tiết
- 46 -
Hỡnh 3.8: Chạy chương trỡnh khởi tạo phần tử tự động cú chủ động khống chế số phần tử (kớch thước mắt lưới)
- 47 - (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Trờn bề mặt làm việc của chi tiết, tuỳ theo từng vị trớ khỏc nhau cú chuyển vị khỏc nhau, sẽ được hiển thị phổ mầu khỏc nhau. Nhỡn vào sự phổ mầu đú ta cú thể xỏc định được vựng cú chuyển vị lớn nhất và vựng cú chuyển nhỏ nhất. Bờn cạnh là thang phổ mầu, cũng cú cỏc mầu tương ứng với cỏc mầu xuất hiện trờn mặt chi tiết và bờn cạnh là giỏ trị chuyển vị tương ứng với mầu. Vớ dụ: mầu đỏ trờn thang phổ mầu tương ứng với chuyển vị lớn nhất, biểu diễn: 1,410e-005 nghĩa là 1,410 x 10-5= 0,0000141 cm = 0,141 m ; mầu xanh lục trờn thang phổ mầu tuơng ứng với chuyển vị nhỏ nhất, biểu diễn: 1,000e-033 nghĩa là 1,000 x 10- 33cm.(chuyển vị rất nhỏ)
Hỡnh 3.10: Chạy chương trỡnh tự động tớnh toỏn đưa ra kết quả ứng suất tại cỏc điểm nỳt
Trờn hỡnh 3.10 ta nhận thấy trờn bề mặt làm việc của chi tiết, tuỳ theo từng vị trớ khỏc nhau cú ứng suất khỏc nhau, sẽ được hiển thị phổ mầu khỏc nhau. Nhỡn vào phổ mầu đú ta cú thể xỏc định được vựng cú ứng suất lớn và vựng cú ứng suất nhỏ. Bờn cạnh là thang phổ mầu, cũng cú cỏc mầu tương ứng với cỏc mầu xuất hiện trờn mặt chi tiết và bờn cạnh là giỏ trị ứng suất tương ứng với mầu. Vớ dụ: mầu đỏ trờn thang phổ mầu tương ứng với ứng xuất lớn nhất, biểu diễn: 1,848+002 nghĩa là 1,848 x 102= 184,8 kG/cm2; mầu xanh lục trờn thang phổ mầu tuơng ứng với ứng suất nhỏ nhất, biểu diễn: 1,247e+000 nghĩa là 1,247 x 100= 1,299 kG/cm2
- 48 -
Hỡnh 3.11: Kiểm tra điều kiện bền và trạng thỏi biến dạng nguy hiểm
Hỡnh 3.12: Hỡnh dạng biến dạng của chi tiết Cối ộp ngúi chớnh
Hỡnh dạng biến dạng bề mặt làm việc của chi tiết được phúng đại lờn 3743,6 lần. Nhỡn vào ta thấy rằng càng vào giữa chi tiết mức độ biến dạng càng lớn.
- 49 - 3.5.3 Đỏnh giỏ kết quả kiểm tra:
- Phõn tớch, đỏnh giỏ cỏc kết quả mà phần mềm Cosmos đưa ra ta thấy, chuyển vị biến dạng (Độ cứng)và ứng suất tập trung (Độ bền) trờn lũng khuụn nằm trong giới hạn cho phộp.
- Với kết quả tỡnh toỏn như trờn ta cú thể kết luận trong điều kiện làm việc của khuụn, cỏc kết cấu thiết kế đó được đảm bảo.