B. Nội dung chính
2.4.Cắt vật liệu tấm Cắt hình và đột lỗ
2.4.1. Nguyên lý biến dạng và khe hở tối −u
Nguyên lý biến dạng khi thực hiện các nguyên công cắt có thể khảo sát
qua ví dụ nguyên công cắt phôi và cắt chia. Những nguyên công này đ−ợc
thực hiện nhờ những l−ỡi cắt chuyên dùng hoặc bằng khuôn cắt. Bộ phận làm
dẻo cho đến khi tách hoàn toàn một phần vật liệu này ra khỏi phần vật liệu
khác. Giữa các l−ỡi cắt có một khe hở Z. Khi cắt sẽ sinh ra mô men uốn M
bằng tích số giữa lực cắt, đặt tại l−ỡi cắt với khoảng cách (cánh tay đòn) lớn hơn khe hở Z một chút: M = a.R trong đó a > Z
Mô men uốn làm cho phôi cắt bị quay đi. Khi đó sẽ sinh ra phản lực N ở
bề mặt bên của l−ỡi cắt (hình 2.4). Tấm kim loại sẽ ngừng quay khi mô men
uốn M cân bằng với mô men do phản lực N gây ra: M = a.R = N.b
Trong quá trình cắt nếu tấm kim loại bị quay đi một góc thì chất l−ợng mặt cắt sẽ rất kém, bị bavia và đôi khi không thể cắt đ−ợc, nếu trị số khe hở Z lớn. Vì vậy cần phải loại bỏ hiện t−ợng quay của tấm trong quá trình cắt bằng cơ cấu chặn với lực chặn Q, đồng thời giảm khe hở giữa 2 l−ỡi dao đến trị số thích hợp và mài dao vát góc tr−ớc γ.
Trong quá trình tách phần kim loại này ra khỏi một phần kim loại khác có thể chia thành các giai đoạn riêng biệt (hình 2.5).
Hình 2.4. Sơ đồ tác dụng lực khi cắt và hình dạng l−ỡi cắt
Hình 2.5.Các giai đoạn của quá trình cắt
z z z
θ
h
ở giai đoạn đầu của quá trình cắt biến dạng dẻo tập trung ở mép làm việc của l−ỡi cắt sau đó ổ biến dạng bao quanh l−ỡi cắt (hình 2.5.a).
Giai đoạn 2 bắt đầu khi có sự dịch chuyển t−ơng đối giữa phần này đối
với phần kia của tấm (hình 2.5.b). ở giai đoạn này nó tạo ra bề mặt phẳng
nhẵn, sáng bóng và đ−ợc san phẳng bởi lực ma sát F h−ớng dọc theo bề mặt
bên của l−ỡi dao. Do sự tiến lại gần nhau của các l−ỡi cắt, mức độ biến dạng tăng lên và khi đó tính dẻo của kim loại bị mất đã bắt đầu giai đoạn 3. Các vết nứt xuất hiện, phát triển và phá huỷ kim loại cho đến khi kết thúc quá trình tách phần vật liệu này ra khỏi phần vật liệu khác của tấm. (hình 2.5.c). Sự phá huỷ kim loại xảy ra ở phía tr−ớc mép làm việc của l−ỡi dao trong tấm, vì thế các vết nứt đ−ợc gọi là các vết nứt phá vỡ tr−ớc. Sự đứt vỡ bắt đầu khi l−ỡi dao ép sâu vào trong tấm đến một chiều sâu h xác định. Chiều sâu h này tuỳ thuộc
vào tính chất cơ lý của kim loại và chiều dày S của tấm, nó đ−ợc xác định
bằng thực nghiệm và thay đổi trong khoảng từ 0,2ữ 0,8 chiều dày S của phôi, nếu vật liệu càng dẻo thì h càng lớn. Chúng ta có thể thấy rõ các giai đoạn của quá trình cắt đ−ợc đặc tr−ng bởi hình dạng của bề mặt cắt (hình 2.6).
Vùng I là vùng bị uốn của tấm là do các lớp kim loại liền kề với bề mặt cắt (dọc theo chiều rộng của tấm) bị bao trùm bởi biến dạng dẻo mà biến dạng này thay đổi từ giá trị không ở lớp giới hạn ngoài cùng đến giá trị cực đại ở bề mặt bị tách ra, hơn nữa mức độ của sự thay đổi này lại xảy ra theo một quy luật hàm số mũ.
Vùng II là vùng có bề mặt sáng bóng, đ−ợc san phẳng bởi lực ma sát.
Vùng III là vùng bề mặt nứt vỡ đ−ợc tạo ra do sự xuất hiện và phát triển của các vết nứt. Các vết nứt này tạo với bề mặt của tấm một góc θ xác định và đ−ợc gọi là góc nứt tự nhiên. Giá trị của góc θ = (4 ữ 6)0 tuỳ thuộc vào tính chất cơ lý của vật liệu. Tuỳ thuộc khe hở giữa các l−ỡi cắt Z và độ lún sâu của l−ỡi dao vào chiều dày tấm h tại thời điểm bắt đầu sự phá huỷ, các vết nứt vỡ xuất phát từ các mép làm việc của l−ỡi dao trên và d−ới có thể song song với nhau (hình 2.7.a) hoặc gặp nhau (hình 2.7.b). Khi các vết nứt ở mép làm việc của các l−ỡi cắt gặp nhau thì trị số khe hở Z là tối −u bởi vì khi đó chất l−ợng mặt cắt là tốt nhất, mặt cắt phẳng và nhẵn.
Trị số khe hở tối −u đ−ợc xác định nếu biết đ−ợc giá trị của h và θ.
Ztối −u = (S - h)tgθ (2.1)
Phân tích công thức (2.1) chúng ta có thể thấy rằng trị số khe hở tối −u sẽ tăng lên khi chiều dày vật liệu tăng và giảm trị số h (nh− vậy vật liệu càng dẻo thì trị số khe hở tối −u càng nhỏ). Chiều cao t−ơng đối của dải sáng h/S tuỳ thuộc vào loại vật liệu phôi và tốc độ biến dạng. Giá trị của tỷ số h/S có thể đ−ợc xác định theo công thức kinh nghiệm.
Trên thực tế trị số khe hở tối −u Ztối −u đ−ợc xác định theo các số liệu trên cơ sở thực nghiệm và những kinh nghiệm của những nhà máy tiên tiến. Đối (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Hình 2.7. Sơ đồ phân bố các vết nứt tại mép cắt
Tối −u Tối −u
với thép mềm trị số khe hở tối −u thay đổi tuỳ thuộc vào chiều dày vật liệu từ 0,02 (khi S = 0,25) đến 0,82 (khi S = 12,5). Một cách gần đúng có thể coi rằng với S ≤ 4 thì: Ztối −u = (0,03 ữ 0,06) mm.
Theo số liệu kinh nghiệm của hãng ERFURT khi cắt trên máy cắt tấm dao nghiêng Ztối −u = 1/30 chiều dày vật liệu.
2.4.2. Cắt trên các máy cắt có l−ỡi dao chuyển động tịnh tiến
Theo đặc điểm chuyển động của bộ phận làm việc, các máy cắt dùng để cắt kim loại tấm đ−ợc chia thành 2 loại: máy cắt có l−ỡi dao chuyển động tịnh tiến và l−ỡi dao chuyển động quay.
Các máy cắt có l−ỡi dao chuyển động tịnh tiến đ−ợc sản xuất có dẫn động cơ khí hoặc thuỷ lực. Trong các phân x−ởng chuẩn bị phôi, để cắt các tấm kim loại chiều dày ≤ 10 ữ12mm ng−ời ra th−ờng sử dụng rộng rãi các máy cắt có dẫn động cơ khí. Để cắt các thép tấm dày S ≤ 40mm ng−ời ta th−ờng sử dụng
máy cắt dẫn động bằng thuỷ lực và có l−ỡi dao nghiêng với các dạng khác
nhau.
Tính chất cơ lý của vật liệu, khe hở giữa các l−ỡi cắt, tốc độ biến dạng, điều kiện ma sát v.v... có ảnh h−ởng lớn đến trở lực cắt của vật liệu σc và do
đó ảnh h−ởng đến lực cắt. Nếu vật liệu có độ bền càng lớn và tính dẻo càng
giảm, cũng nh− tốc biến dạng càng tăng thì trở lực cắt σc tăng, nếu khe hở giữa các l−ỡi cắt tăng thì σc giảm.
Trở lực cắt đ−ợc xác định trên cơ sở tổng hợp các số liệu thực nghiệm
theo bảng riêng bao gồm các loại vật liệu tấm khác nhau ở trạng thái biến cứng nguội và trạng thái đã đ−ợc ủ, cũng nh− đối với các loại vật liệu phi kim loại. Trở lực cắt σc cũng có thể xác định một cách gần đúng theo giới hạn bền. Khi cắt trên máy cắt dao song song, lực cắt đ−ợc cắt xác định theo công thức sau: P = k. L.S.σc (2.2) ; trong đó:
- σc: Trở lực cắt của vật liệu.
Khi cắt trên máy cắt dao song song lực cắt P tăng nhanh và đạt giá trị cực đại, sau đó giảm dần.
Công biến dạng có thể tính toán đ−ợc nếu chúng ta biết đ−ợc diện tích giới hạn bởi đ−ờng cong tải trọng làm việc hoặc biết đ−ợc hệ số điền đầy của đ−ờng cong tải trọng làm việc: λ = Pcp/Pmax; trong đó Pcp là tỷ số giữa diện tích của đ−ờng cong tải trọng làm việc với hành trình của l−ỡi dao (bằng chiều dày phôi) khi đó ta có công biến dạng sẽ là: A = λ.Pmax.S (2.3)
Theo các số liệu thực nghiệm khi: S < 2 mm thì λ = 0,75 ữ 0,55; S = 2 ữ 4mm →λ =0,55 ữ 0,45; S > 4mm λ = 0,46 ữ 0,3.
Vật liệu càng mỏng và dẻo trị số λ càng lớn, vật liệu cứng, ròn và chiều dày lớn thì trị số λ càng nhỏ. L−ỡi cắt có góc tr−ớc α = 400 đ−ợc dùng để cắt kim loại tấm có chiều dày < 4mm, còn l−ỡi cắt có α = 00 dùng để cắt các tấm dày. Khi chiều dài l−ỡi cắt lớn hơn 600mm ng−ời ta có thể chia thành từng đoạn để dễ nhiệt luyện và có thể thay thế từng đoạn.
2.4.3. ảnh h−ởng của khe hở đến trị số và dấu của biến dạng đàn hồi
Cắt hình và đột lỗ là những nguyên công đ−ợc sử dụng để tạo ra các chi tiết phẳng từ các phôi tấm, dải hoặc băng và cũng có thể để cắt phôi cho các nguyên công uốn, dập vuốt và tạo hình v.v...
Các chi tiết chủ yếu của khuôn cắt hình, đột lỗ là chày và cối với một trị số khe hở xác định Z
(hình 2.8). Tấm hoặc dải phôi đ−ợc đặt trên bề
mặt cối 3, chày 1 chuyển động đi xuống cùng với nửa khuôn trên ép lên tấm.
Khi đó cũng giống nh− quá trình cắt phôi, xảy ra sự dịch chuyển t−ơng đối của kim loại trong cối dẫn đến sự phá huỷ kim loại nghĩa là thực hiện việc cắt hình hay đột lỗ. Phần kim loại đ−ợc tách ra chui qua lỗ cối, phần kim loại này sẽ là chi tiết nếu là nguyên công cắt hình và là phế liệu nếu là nguyên
công đột lỗ. Phần kim loại còn lại bám vào chày và sẽ đ−ợc gỡ ra khỏi chày
bởi tấm gỡ 2 khi đầu tr−ợt đi lên.
Biến dạng cực đại theo h−ớng kính đ−ợc đặt ở phần mép làm việc của
chày và cối vì thế tại đây phát sinh những vết nứt tế vi, sau đó các vết nứt phát triển nhanh vào sâu trong kim loại. Khi các vết nứt gặp nhau, quá trình phá huỷ kim loại kết thúc. Sự gặp nhau của các vết nứt làm cho quá trình tr−ợt nứt xảy ra giống nh− khi cắt tấm với trị số khe hở tối −u Ztối −u (hình 2.9.a).
Khi trị số khe hở Z = Ztối −u các vết nứt phát triển và gặp nhau tại lớp trung bình của tấm. Khi trị số khe hở Z tăng lên thì mô men uốn tăng lên làm tăng trị số ứng suất kéo ở vùng biến dạng, vì thế các vết nứt phát triển theo bề mặt tự do, cách xa các mép cắt của dụng cụ và tạo thành bavia. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Khi trị số khe hở Z < Ztối −u sự phát triển của các vết nứt không trùng nhau, khi đó tạo ra 2 hay một vài dải sáng đ−ợc tách ra giữa các vùng bị đứt vỡ (hình 2.9.b).
Trị số khe hở tối −u khi cắt hình và đột lỗ tuỳ thuộc vào chiều dày của phôi và tính chất cơ học của nó. Trị số Ztối −u đ−ợc xác định theo bảng trên cơ sở tổng hợp các số liệu thực tế. Với chiều dày của phôi kim loại từ (0,3
ữ20)mm trị số khe hở tối −u thay đổi từ (5 ữ12)% so với chiều dày S (trị số nhỏ ứng với chiều dày nhỏ, trị số lớn ứng với chiều dày lớn). Khi dập kim loại mỏng có chiều dày S < 0,3mm, ng−ời ta sử dụng khuôn không có khe hở, khi đó đ−ờng bao của chày ch−a tôi nhận đ−ợc bằng cách chuốt qua cối đã tôi hoặc ng−ợc lại.
Khi cắt hình và đột lỗ trên các máy hành trình nhanh (số hành trình lớn
hơn 120 nhát/phút) do hiện t−ợng giãn nở nhiệt làm cho khe hở giữa chày và
cối tăng lên từ 1,5 ữ 2 lần so với trị số khe hở thông th−ờng.
Theo Mikhailenco, nếu trị số khe hở tăng lên (15 ữ 20)% so với trị số khe hở tối −u thì độ bền của chày cối tăng lên nh−ng chất l−ợng của bề mặt cắt của chi tiết xấu đi. Khe hở của chày và cối có ảnh h−ởng đến dấu và trị số của biến dạng đàn hồi của chi tiết cắt hoặc lỗ đột. Khi trị số khe hở tăng sẽ làm tăng mô men uốn, do đó tăng ứng suất kéo dẫn đến làm tăng cả biến dạng kéo h−ớng kính. Sau khi cắt đột, tại các vùng xung quanh của chi tiết cắt và phế liệu xuất hiện biến dạng nén đàn hồi ερ, vì vậy đ−ờng kính của chi tiết nhỏ hơn so với đ−ờng kính của cối, còn đ−ờng kính của lỗ đột thì lớn hơn đ−ờng kính của chày. Khi đó chi tiết có thể rơi tự do qua lỗ cối và phế liệu dễ dàng gỡ ra khỏi chày.
Khi giảm khe hở (so với trị số khe hở tối −u) thì mô men uốn giảm và do
đó ứng suất kéo h−ớng kính giảm không đáng kể và hầu nh− không có sự ảnh
h−ởng đến biến dạng đàn hồi. Tuy nhiên khi đó xuất hiện các tensơ ứng suất
nén cầu nên sau khi cắt hình xuất hiện các biến dạng kéo đàn hồi làm tăng đ−ờng kính của chi tiết đã đ−ợc cắt và làm giảm đờng kính của lỗ đột. Khi đó chi tiết vẫn nằm trong cối và phế liệu vẫn bám chặt vào chày. Ngoài ra việc giảm khe hở sẽ làm tăng sự tập trung ứng suất pháp σZ ở các mép làm việc của
chày và cối, làm cho các mép sắc của chày và cối nhanh bị cùn, dẫn đến làm giảm độ cứng vững của khuôn và tuổi thọ của khuôn. đồng thời khi khe hở nhỏ các chi tiết đ−ợc cắt ra có kích th−ớc chính xác hơn, phẳng và không cần phải nắn lại.
2.4.4. Kích th−ớc làm việc của chày và cối
Khi cắt hình, kích th−ớc của sản phẩm t−ơng ứng với kích th−ớc phần làm việc của lỗ cối. Khi làm việc cối bị mài mòn làm cho kích th−ớc phần làm việc của lỗ cối tăng lên (đối với các chi tiết có đ−ờng bao lồi) vì vậy kích th−ớc của cối khi cắt hình cần phải là kích th−ớc giới hạn nhỏ nhất của chi tiết, nghĩa là:
Dcối = (Ddn-∆)+δc (2.4)
trong đó:
- Ddn: Đ−ờng kính danh nghĩa của chi tiết; - ∆: Dung sai đ−ờng kính của sản phẩm; - δc: Dung sai kích th−ớc của cối.
Kích th−ớc làm việc của chày khi cắt hình (trong tr−ờng hợp trên) sẽ nhỏ hơn kích th−ớc của cối đúng bằng trị số khe hở Z, nghĩa là
Dchày = (Dcối - Z) hay Dchày = (Ddn - ∆ - Z)-δch (2. 5) trong đó: δch Dung sai kích th−ớc của chày.
Khi đột lỗ, đ−ờng kính của lỗ nhận đ−ợc t−ơng ứng với đ−ờng kính của chày, khi bị mài mòn, kích th−ớc của chày bị giảm đi vì thế đ−ờng kính của chày cần phải lấy bằng giá trị giới hạn lớn nhất của lỗ, nghĩa là: dchày = (ddn + ∆)-δch (2. 6) trong đó: ddn: Kích th−ớc danh nghĩa của lỗ; ∆: Dung sai của lỗ
Khi đó kích th−ớc của cối sẽ là: dcối = dchày+Z hay là dcối = (ddn + ∆ + Z) +δc
(2.7). Các công thức từ (2.4) đến (2.7) để xác định các kích th−ớc làm việc của chày và cối khi cắt hình và đột lỗ các chi tiết bằng kim loại có chiều dày không lớn (S < 2) bởi vì khi đó bề mặt cắt có thể coi nh− vuông góc với bề mặt của tấm kim loại. Khi các tấm kim loại có chiều dày lớn hơn (S > 2) cần chú ý
đến độ côn của bề mặt cắt do sự tr−ợt vỡ của các vết nứt theo một góc độ nhất định so với bề mặt của tấm tạo thành. Vì vậy để hạn chế khả năng kích th−ớc của chi tiết v−ợt ra ngoài miền dung sai cho phép ng−ời ta giảm dung sai của chi tiết khi xác định kích th−ớc làm việc của khuôn. Khi đó dung sai của chi tiết sẽ là ∆’= (0,6ữ0,8)∆ trong đó ∆ là dung sai danh nghĩa của chi tiết.
Nh− vậy khi cắt đột các kim loại tấm dày ng−ời ta xác định kích th−ớc làm việc của chày và cối theo công thức:
+ Khi cắt hình: Dcối = [Ddn - (0,6 ữ 0,8)∆]+δc (2.8) Dchày = [Ddn - (0,6 ữ 0,8)∆ - Z]-δch (2.9) + Khi đột lỗ: dchày = [ddn + (0,6 ữ 0,8)∆ - Z]-δch (2.10) dcối = [ddn + (0,6 ữ 0,8)∆]+δc (2.11)
Dung sai trên các kích th−ớc làm việc của chày và cối δc, δch th−ờng đ−ợc lấy bằng (25 ữ 35)% dung sai trên các kích th−ớc t−ơng ứng của chi tiết dập. Dung sai trên các kích th−ớc của dụng cụ (chày và cối) đ−ợc xác định theo cấp chính xác. khi chiều dày của kim loại dập S < 3mm theo cấp chính