2 .Phân loại
2.2 .2Mức độ biến dạng phôi dập
2.7 Chi phí sản xuất
Nhìn chung trong q trình rèn, tuổi thọ của khn quyết định đến chi phí sản xuất và độ hồn thiện của sản phẩm. Các yếu tố ảnh hưởng đến tuổi thọ như: mỏi nhiệt, biến dạng dẻo, mài mịn của khn, khả năng chịu nhiệt cao...Trong số đó, khả năng chống mài mòn bề mặt là yếu tố vơ cùng quan trọng chiếm 70% q trình.
Đánh giá độ dày mỏng của từng phần trong chi tiết: Chi tiết càng mỏng thì khi ngừng gia nhiệt cũng như tương tác với khuôn sẽ gây ra hiện tượng mất nhiệt nhanh, giảm khả năng chảy của kim loại trong khuôn, giảm khả năng điền đầy cũng như làm tăng mài mịn khn. Nên các phần mỏng cần được biến dạng nhanh để giảm mất mát nhiệt.
Chương 2: Đại cương về rèn dập
Để tăng hiệu suất quá trình, khả năng điền đầy của thiết kế trước khi triển khai sản xuất nhằm tiết kiệm chi phí đầu tư là một hướng đi vô cùng đúng đắn, nhất là trong điều kiện cạnh tranh vô cùng lớn như hiện nay. Mơ phỏng giúp dự đốn được dòng chảy kim loại ứng suất, phân bố biến dạng và nhiệt độ yêu cầu.
Chương 3 THIẾT KẾ CƠNG NGHỆ TẠO HÌNH CHO KẸP W 3.1 Bản vẽ và yêu cầu đối với kẹp W
Bản vẽ 2D (xem chi tiết ở phần phụ lục):
Hình 3. 1 Bản vẽ 2D Chi tiết kẹp W
Chương 3: Thiết kế công nghệ tạo hình w
Mơ hình 3D:
Hình 3. 2 Mơ hình 3d của kẹp W
Thể tích của sản phẩm: V=56381.64 (mm3).
Yêu cầu đối với kẹp W:
Yêu cầu kích thước:
Đường kính tiết diện của phơi phải đảm bảo (13±0.3mm) vì liên quan đến độ bền của kẹp.
Kích thước lắp ráp giữa kẹp và bu lơng (12±1mm).
Độ lệch chiều cao hai vị trí tiếp xúc của kẹp với ray không quá lớn (<2mm) nhằm đảm bảo lực kẹp phân bố đều.
Khả năng chịu bền mỏi cao, chống phá vỡ tốt. Khả năng khử dao động, giảm chấn tốt.
3.2 Lựa chọn vật liệu phôi kẹp W và phương pháp nhiệt luyện
3.2.1 Vật liệu của phôi
Yêu cầu về cơ tính:
Hiệu suất chống phả vỡ tốt.
Khả năng khử dao động tốt (đàn hồi cao).
Chọn vật liệu:
Dựa vào yêu cầu làm việc thì nhóm vật liệu có độ đàn hồi cao là thích hợp nhất. Trên thị trường hiện nay, chi tiết kẹp đàn hồi W người ta thường sử dụng mác thép 60Si2Mn, 38Si7....Thiết kế trong luận văn này theo tiêu chuẩn của Nhật, nên chọn nhóm vật liệu có khả năng đàn hồi cao. Vì vậy chọn vật liệu SUP7:
Bảng 3. 1 Thành phần hóa của vật liệu SUP7 [10]
Mác thép SUP7
Bảng 3. 2 Cơ tính của SUP7 sau khi nhiệt luyện [17]
Mác
thép Nhiệt luyện
SUP7
3.2.2 Phương pháp nhiệt luyện SUP7
Tơi
Q trình nâng nhiệt cho q trình tơi thì được tận dụng nhiệt phơi dư sau q trình rèn để tiết kiệm chi phí, thời gian nung phơi. Nhiệt độ phơi thích hợp q trình tơi là 830÷860°C [17].
Mơi trường tơi: Vì vật liệu của kẹp W thuộc thép hợp kim trung bình nên quá trình tơi nhiệt khơng được thay đổi nhiệt q nhanh gây cong vênh chi tiết. Mơi trường tơi thích hợp là mơi trường dầu.
Ram
Chương 3: Thiết kế cơng nghệ tạo hình w
Nhiệt độ ram: Do u cầu cơ tính của kẹp cần có độ đàn hồi cao để kẹp có khả năng
khử được rung động tốt hơn. Vì vậy, kẹp W sau khi tơi thường được ram trung bình (300÷ 450°C). Nhưng để tránh giòn ram loại 1 nên nhiệt độ ram trong khoảng 350÷450°C.
Mơi trường ram: Mơi trường làm nguội sau ram có thể làm nguội cùng lị, nguội
ngồi khơng khí hoặc nguội trong khơng khí cưỡng bức.
Hình 3. 3 Quy trình nhiệt luyện của SUP7
3.3 Lựa chọn phương pháp và thiết bị tạo hình
3.3.1 Lựa chọn trạng thái nhiệt khi rèn
Phương án 1: Rèn nguội (nhiệt độ rèn nhỏ hơn 0.3 Tnc (K). Ưu điểm:
Tiết kiệm chi phí gia nhiệt.
Độ chính xác cao, chất lượng bề mặt tốt. Nhược điểm:
Có thể làm gãy phơi hoặc khó biến dạng với cóc đàn hồi. Tốn công biến dạng lớn, công suất thiết bị cao.
Khuôn yêu cầu độ cứng cao.
Đảm bảo biến dạng đối với chi tiết có độ đàn hồi cao, độ cứng lớn. Khơng cần máy có cơng suất q cao cho q trình biến
dạng. Độ cứng khuôn không yêu cầu quá cao. Nhược điểm:
Tạo lớp vảy oxit bên ngồi cần phải có q trình làm sạch
Độ chính xác khơng cao như biến dạng nguội do quá trình co của kim loại khi nguội trở lại
Thiết kế yêu cầu khả năng chịu nhiệt của khn và khả năng thay thế nhanh chóng tiết kiệm
Kết luận: Đối với kẹp đàn hồi W vật liệu được sử dụng có độ đàn hồi lớn và độ cứng
cao nhằm khử dao động đường ray để tàu đi êm hơn. Thêm vào đó đường kính chi tiết lớn, mức độ biến dạng cao. Vì vậy rèn nóng là thích hợp nhất.
3.3.2 Lựa chọn thiết bị biến dạngPhương án 1: Rèn búa Phương án 1: Rèn búa
Ưu điểm
Tốc độ gia công kim loại lớn. Sinh công lớn
Nhược điểm:
Khả năng chống biến dạng lớn nhanh dễ gây nứt, gãy do ứng suất biến dạng lớn. Tốc độ biến dạng lớn gây chảy kim loại.
Khơng kiểm sốt được tốc độ rèn. Phơi có thể bị đàn hồi trở lại.
Phương án 2: Rèn áp lực (rèn ép)
Tốc độ biến dạng có thể điều chỉnh.
Giảm khả năng đàn hồi trở lại của kim loại sau khi rèn.
Kết luận: Chi tiết kẹp đàn hồi W có độ biến dạng lớn, tránh tác động đàn hồi trở lại
của phơi, đứt phơi trong q trình rèn. Ta nên chọn rèn áp lực.
Tổng kết: Sau tất cả phân tích ưu, nhược điểm trên chúng ta nên chọn: Rèn nóng và
kiểu rèn áp lực.
Chương 3: Thiết kế cơng nghệ tạo hình w
3.4. Thiết kế các bước biến dạng cơ bản
Nhận xét: Kẹp đàn hồi có kết cấu dạng 3D. Vì vậy, trong q trình thiết kế cần ít
nhất 2 hoặc nhiều hơn để đảm bảo hình dạng 3D của chi tiết.
Phương án 1: Ba bước tạo hình (Tạo hình dạng W cho chi tiết – Tạo hình dạng 2D
cho sản phẩm - Tạo độ uốn cong cho hình W (dạng 3D).
Bước 1: Tạo hình W
Hình 3. 4 Thay đổi hình dạng của phơi sau bước 1
Biến dạng tạo hình W: Thanh thép sau khi được gia nhiệt, được đặt vào vị trí dập (vị trí đã được thiết kế trước). Khn trên đi từ trên xuống, tạo hình cho phơi. Khn trên đi xuống mức tối đa sẽ trở về vị trí ban đầu, kết thúc bước 1.
Hình 3. 5 Phơi trong khn dậpBước 2: Tạo hình dạng 2D cho kẹp đàn hồi Bước 2: Tạo hình dạng 2D cho kẹp đàn hồi
Hình 3. 6 Thay đổi hình dạng phơi sau bước 2
Phơi được đặt cố định trong khn dưới nhờ 2 thiết kế như hình 3.4. Khn trên đi xuống tác dụng lực lên phơi làm biến dạng phần trên của chi tiết, đồng thời kích hoạt hệ thống địn bẩy đi lên, nhằm tạo hình phần dưới của phơi. Khn trên đi xuống hết q trình sẽ đi ngược lên về vị trí ban đầu, bước 2 kết thúc.
Hình 3. 7 Khn tạo hình bước 2
Tạo hình sản phẩm: thanh thép sau khi tạo hình W sẽ được để vào vị trí dập uốn và tạo hình thành phẩm.
Chương 3: Thiết kế cơng nghệ tạo hình w
Hình 3. 8 Thành phẩmƯu điểm: Ưu điểm:
Tiết kiệm được nhân cơng và khơng gian bố trí thiết bị. Năng suất cải thiện.
Nhược điểm:
Thiết kế khn và thiết kế vị trí máy ép khó khăn. Thay thế trang thiết bị khó khăn.
Khó gá phơi vào khn.
Phương án 2: 3 bước (Biến dạng tạo hình W sơ bộ- Biến dạng tạo hình 2D- Biến
dạng tạo độ uốn cho chi tiết).
Bước 1: Tạo hình móc cho chi tiết
Sau khi phơi được cố định vào khuôn dưới, khuôn trên sẽ từ từ đi xuống để tạo hình cho phơi. Ở bước này, chủ yếu tạo hình phần kẹp tiếp xúc với đường ray.
Hình 3. 9: Thay đổi hình dạng phơi sau bước 1
Hình 3. 10 Khn dập bước 1Bước 2: Tạo biên dạng 2D của chi tiết Bước 2: Tạo biên dạng 2D của chi tiết
Hình 3. 11 Thay đổi hình dạng phơi bước 2
Chương 3: Thiết kế cơng nghệ tạo hình w
Biến dạng tạo hình W: Hệ thống ép sẽ từ từ đi xuống kết hợp với khn 2 tạo hình dạng 2D cho kẹp đàn hồi W.
Hình 3. 12 Ý tưởng thiết kế khn bước 2
1. Bộ phận dập khuôn trên; 2. Bộ phận cố định vị trí của chi tiết; 3. Bộ phận định hình và cố định vị trí khn dưới
Bước 3 : Tạo hình dạng 3D tương tự như phương án 1 (Hình 3.8) Ưu điểm:
Thiết kế khn đơn giản.
Thiết kế chọn thiết bị dễ dàng. Thay thế đơn giản.
Như hình miêu tả các bước trên thì cần tính tốn tốc độ phù hợp để có kích thước 2D chính xác.
Sử dụng nhiều nhân cơng (tốn kém chi phí vận hành). Năng xuất thấp hơn.
Nhận xét: Phương án 1 và 2 đều có ưu và nhược điểm riêng
Tuy nhiên xét về tổng thể thì phương án 2 có khả năng lắp và cố định phơi đơn giản hơn sơ với phương án 1.
3.5. Tính tốn kích thước phơi
3.5.1 Điều kiện thiết kế
Bỏ qua sự đàn hồi trở lại của phôi sau mỗi bước dập do nhiệt độ dập cao kết hợp với dập ép.
Trong quá trình dập xảy ra quá trình nén hoặc chảy ra của vật liệu nên cần phải tính tốn đến q trình này để được chi tiết mong muốn.
Tính tốn đến chuyện giãn nở nhiệt của phơi trong q trình rèn.
3.5.2 Tính tốn kích thước phơi
Tính tốn chiều dài của chi tiết qua từng cơng đoạn:
Chiều dài của chi tiết bước 3
Dựa trên chi tiết dựng 3D trên phần mềm Solidwork ta xác định được: Thể tích của phơi cần dập là: V=56381.64 (mm3).
Bán kính của chi tiết là: 6.5mm.
Chiều dài của chi tiết tính gần đúng là: L=V/S=55347/(6.5×6.5×ᴨ) ≈ 424.7 (mm).
Vậy: Chọn chiều dài sơ bộ của chi tiết sau khi dập sẽ là: 425mm.
Chiều dài của phôi ở bước dập 2:
Xét thay đổi chiều dài trên hình chiếu cạnh 1 phần đối xứng của chi tiết: (Công thức trang 79, 80 tài liệu [11])
Chương 3: Thiết kế cơng nghệ tạo hình w
Hình 3. 13 Kích thước của phơi bước 3
Quá trình rèn bước thứ 3 tạo hình 3D cho chi tiết chỉ thay đổi kích thước theo một phương uốn nên xét theo phương này để tính tốn chiều dài của chi tiết thay đổi:
Hình 3. 14 Ký hiệu các cung uốn trên kẹpTính tốn sự thay đổi phơi theo cung uốn thứ nhất Tính tốn sự thay đổi phơi theo cung uốn thứ nhất
Cung uốn thứ nhất của chi tiết được tạo bởi 3 cung uốn lần lượt là: r=40 mm, chắn cung có góc φ1=37°
r=120mm, chắn cung có góc φ3=16° - Với góc β1=133°, r= 40 mm, s=13mm (Trong đó: β=180° -φ) K=0.65+12×log =0.65+12×log4013=0.894 υ1= ᴨ×(180180−β)×(r+2.K)-2(r+s)×tan(180 2− β)=-5.88mm - Với góc β2 =149°, r=15mm, s=13mm K =0.65+12×log =0.65+12×log1513=0.681 υ2= ᴨ×(180180−β) ×(r+2.K)-2(r+s)×tan(1802− β)=-5.02mm - Với góc β3 =164°, r =120mm, s =13mm K=1 ( = 120 13 =9 .23>5) υ3= ᴨ×(180180−β) ×(R+2.K)-2(R+s)×tan(180 2− β)=-2.06mm
Vậy: Chiều dài phơi theo cung thứ nhất chưa biến dạng là:
L= a1+a2+a3+a4+υ1+ υ2+v4=19.00+26.47+24.38+17.04-5.88-5.02- 2.06=73.95mm Tính tốn sự thay đổi phôi theo cung uốn thứ 2
Cung uốn thứ hai của chi tiết được tạo bởi 3 cung uốn và 1 đường thẳng lần lượt là: r=40mm, chắn cung có góc φ1=37°
r=15mm, chắn cung có góc φ2=26°
- Với góc β4=154°, R=15mm, s=13
K=0.65+12×log =0.65+12×log1513 = 0.681
υ4= ᴨ×(
Vậy: Chiều dài phơi theo cung thứ 2 chưa biến dạng:
L= a4+a5+a6+ υ1+ υ4=17.04+39.33+23.23-5.88-4.11=69.60mm 37
Chương 3: Thiết kế cơng nghệ tạo hình w
Các kích thước của phơi trước khi dập bước 3 thể hiện như hình 3.15.
Hình 3. 15 Kích thước của phơi bước 2
Tính tốn thay đổi kích thước phơi dập bước 2:
Bước dập thứ 2 chủ thay đổi kích thước trên 1 cung cong bán kính r=12mm và 2 cung cong bán kính r=16mm.
- Với góc β =0°, R=16mm, s=13mm (Chiều dày/đường kính của phơi) K=0.65+12×log =0.65+12×log1613= 0.679
υ5=ᴨ×(
- Với góc β =0°, R=12mm, s=13mm (Chiều dày của phơi) K=0.65+12×log =0.65+12×log1213= 0.616
υ6=ᴨ×(180180−β) ×(R+2.K)-2(R+s)= 0.62mm.
Vậy:
Chiều dài đoạn x của phôi trước khi dập bước 2 là:
X=86.65+v5=86.65+6.45=93.10mm
Chiều dài đoạn y của phơi trước khi dập bước 2 là:
Y=82.61+v6=82.6+0.62=83.10mm
Các kích thước của phơi trước khi dập bước 2 thể hiện như hình vẽ 3.16:
Hình 3. 16 Kích thước của phơi bước sau bước 1
Sự thay đổi chiều dài của chi tiết sau bước dập 1
Hình 3. 17 Kích thước tính tốn phơi ban đầu
- Với góc β =101°, r =6.5mm, s =13 (Chiều dày của phơi) K=0.65+12×log =0.65+12×log813.5= 0.558
υ1=ᴨ×(
- Với góc β =165°, R =23.5mm, s=13 (Chiều dày của phơi) K=0.65+12×log =0.65+12×log3013= 0.778
Chương 3: Thiết kế cơng nghệ tạo hình w
υ2=ᴨ×(
Vậy: Chiều dài phơi ban đầu là
L=2a +2b +2c+2v=(40.46+130.95+44.76)×2+(-23.57-2.1)×2=381.00mm
Kết luận: Vậy theo tính tốn như trên thì chiều dài phơi ban đầu là 381.00mm
3.5.3 Sự thay đổi kích thước của phơi do oxi hóa
Nhiệt độ rèn
Bảng 3. 3 Nhiệt độ cho phép của rèn nóng [14]
Theo bảng 3.3 thì nhiệt độ rèn cho phép với thép cacbon và hợp kim thấp thì nhiệt độ rèn nằm trong khoảng nhiệt độ là 850-1150°C. Chi tiết dập phải trải qua khá nhiều bước nên nhiệt độ giảm khá nhanh. Vậy nên chọn nhiệt độ ban đầu 1150°C để tối đa được nhiều bước dập mà không phải nung quá nhiều lần.
Kết luận: Vậy nhiệt độ bắt đầu rèn của chi tiết sẽ là 1150°C Thay đổi kích thước của phơi do oxi hóa
Do các q trình dập khơng có bavia nên thể tích của vật dập khơng thay đổi do gia công mà chủ yếu thay đổi do cháy hao của q trình oxi hóa kim loại.
Số bước dập của quá trình là 3 như đã giải thích ở trên. Giả sử mỗi bước dập tốn thời gian là 5 giây; thời gian nâng và giữ nhiệt đến nhiệt độ rèn là 1 phút (nhiệt độ rèn là 1000 °C). Vậy thời gian mẫu nóng là: 1020 (s)
Kích thước cháy hao bề mặt của phôi là
−23092
= √6. . (cm) [12]
Trong đó:
t là thời gian giữ nhiệt (s) T là nhiệt độ (K).
Giả sử nhiệt độ trung bình của cả quá trình là hằng số: T = 1000°C = 1137 K
- Thay vào cơng thức ta tính được chiều dày lớp cháy hao là: Dox = 0.02 (mm) Kích thước của phơi là: D =Dct +2×D = 13+2×0.02 = 13.04 (mm)
Kết luận: Do kích thước của phơi thay đổi khơng đáng kể nên chọn phơi có
D=13mm; chiều dài L là 384mm.
3.6. Thiết kế sơ bộ khuôn dập
3.6.1 Thiết kế khuôn bước 1:a) Giản nở nhiệt của phôi dập a) Giản nở nhiệt của phơi dập
Khi nung nóng phơi chịu tác động của nhiệt nên sẽ thay đổi kích thước do giãn nở nhiệt:
Kích thước phơi thay đổi theo giãn nở nhiệt là:
L=L0×(1+φt)=381×(1+11×10-6×(1150-25))=385,70mm Trong đó: Phơi ban đầu chiều dài là 381mm và có đường kính 13mm.
Hệ số giãn nở nhiệt là: φ=11×10-6 m/°C [15].
Đường kính phơi D=D0×( 1+φt)=13×(1+11×10-6×(1150-25)) =13.15mm.
Chương 3: Thiết kế cơng nghệ tạo hình w
Vậy kích thước phơi sau khi nung nóng là 13.15mm (Dùng kích thước này để thiết kế).
b) Thiết kế khuôn rèn bước 1
Thiết kế khuôn rèn dưới Yêu cầu thiết kế:
Đảm bảo cố định phôi trước khi dập. Đảm bảo nhiệt độ khơng giảm q nhiều. Có vị trí để đảm bảo lấy được phơi sau khi dập.
Hình 3. 18 Các kích thước sơ bộ khn rèn dướiKích thước hốc khn h Kích thước hốc khn h
Phơi được đặt trong khuôn dập lấy theo dung sai lắp lỏng A10, nên khe hở giữa phơi và khn dưới là 0.15/2mm.
Kích thước rộng t và b
-Ta có độ sau của hốc khn h=6.65<16mm nên tmin để đảm bảo bền khn là tmin = 2h=2×6.65=13.3mm
bmin= 2t+13.3=2×13.3+13.3=39.9mm
Chọn b= 50mm
Kích thước H:
Hmin để đảm bảo cứng vững: Hmin=10h =66.5 mm
Chọn H =80mm
Mối liên hệ giữa b, h1, L
Với kích thước phơi ban đầu dài 385mm. Theo [14] ta nhận thấy phơi thuộc nhóm 321 nên kích thước b, h1, L phải đảm bảo điều kiện sau: b ≥ h1, L=8÷16b
Chọn h1≤50mm; L=400÷800mm.
Hình 3. 19 Mối liên hệ các kích thước khn yêu cầu [14] Kích thước đế khn:
Kích thước dài rộng của đế khn được chỉnh sau khi mô phỏng kết thúc