Hình 2.4. Biểu đồ lực ép cần thiết
Hình 2.4 thể hiện biểu đồ phỏng đoán lực cần thiết tác dụng lên chày ép để tạo ra ống phình đáy. Trong giai đoạn đầu tiên, lực tác dụng lên chày ép tăng rất chậm cho tới
khi khoảng trống giữa ống và chày cao su được lắp đầy. Khi đó lực cần thiết để tác dụng lên chày tăng cực kì nhanh chóng để nén chày cao su và tạo áp lực lên ống. Quá trình kim loại của ống bắt đầu được đùn vào khoảng trống giữa ống và khuôn xảy ra tại giao điểm giữa đường kính trong của ống với đường cong. Khi lực ma sát tăng lên bởi chiều dài của ống giảm do phần vật liệu đùn vào khoảng trống giữa ống và khuôn, lực cần thiết tác dụng lên chày ép cũng tăng lên một chút bởi sự dịch chuyển của chày. Trong giai đoạn cuối cùng của sự tạo hình, diện tích tiếp xúc giữa ống và thành khn tăng lên một cách đáng kể, do đó bằng cách tăng lực ma sát lên, tải tác dụng lên chày ép cũng được tăng lên. Lực tác dụng lên chày ép tiếp tục tăng cho tới khi ống đã biến dạng hồn tồn.
Hình 2.5. Mối quan hệ giữa chiều dài chày cao su và áp suất
Mối quan hệ giữa chiều dài chày cao su và áp suất khi ép được thể hiện qua hình 2.5 khi sử dụng phơi ống đồng đỏ có bề dày 1.6mm và đường kính ngồi 38.2mm. Áp suất cần thiết để tạo phình tăng lên khi chiều dài của chày cao su càng dài. Hình 2.6 thể hiện mối quan hệ giữa áp suất cần thiết để tạo phình với chiều dày của ống.
Hình 2.6. Mối quan hệ giữa áp suất và chiều dày ống
Hình 2.7. Sự phân bố chiều dày khi ống biến dạng
Sự phân bố chiều dày của ống sau khi ống biến dạng hồn tồn được thể hiện trong hình 2.7. Theo những kết quả thí nghiệm, độ dày của ống mỏng nhất ở phần đáy, nơi mà sự giãn nở xảy ra nhiều nhất. Phần không biến dạng của ống gần như giữ nguyên
chiều dày ban đầu. Sự giảm độ dày của ống có thể được giảm thiểu bằng cách kiểm sốt lực ma sát giữa bề mặt cao su và ống. Nhìn chung, lực ma sát càng lớn sẽ giúp cho việc đùn kim loại tới vùng biến dạng diễn ra dễ dàng hơn, do đó thành ống ở những nơi này sẽ mỏng dần. Tuy vậy, nếu lực ma sát quá lớn có thể dẫn tới hiện tượng thắt như đã đề cập ở trên. Vì vậy, chúng ta phải tìm cách tối ưu hóa điều kiện ma sát cần thiết để làm cho quy trình làm phình ống diễn ra thành cơng.
2.1.2.2. Ống dạng phình giữa
Nguyên lý cơ bản của quy trình tạo hình này cũng giống hồn tồn với quy trình tạo phình đáy ống.
Hình 2.8. Sơ đồ nguyên lý quy trình phình giữa
Quy trình này sẽ sử dụng khn có khả năng tách đơi cùng với chày ép ống và chày cao su. Các chày sẽ tác dụng lực dọc trục trên 2 đầu của chày cao su, chày cao su sẽ có chiều dài ngắn hơn ống một chút do phải chừa khoảng trống cho chày ép ống (chày bậc). Chuyển động của chày ép và chày ép ống cùng một lúc sẽ tạo lực nén lên chày cao su. Nhờ có lực nén này, cao su từ hình dạng ban đầu sẽ dẫn chiếm chỗ và đẩy phần vật liệu ống vào khoảng trống giữa phôi và khuôn ngay giữa. Phần vai của chày ép ống sẽ tiếp xúc với ống sau khi đã tạo ra được lực nén ban đầu lên chày cao su. Lý do chính của việc chế tạo chày ép ống dạng bậc là để tạo ra áp suất ban đầu, điều rất cần thiết cho việc tạo hình ống và góp phần tạo thêm áp suất. Một khn chặn có thể được sử dụng thể giữ cho khuôn ép không bị tách ra trong suốt q trình tạo hình. Quy trình này có thể được chia ra thành 2 dạng. Dạng thứ nhất là tạo hình tự do, nghĩa là khn tạo hình và ống ban đầu khơng cần phải tiếp xúc với nhau, sau đó ống sẽ phình tự do cho tới khi quy trình hồn thành.
Hình 2.9. Ống phình giữa
Nếu sử dụng phương pháp này, ống sau khi phình hồn tồn có thể sẽ khơng đối xứng hồn tồn do khơng có lực ma sát tạo ra giữa khuôn và chày cao su. Nếu dùng theo dạng 2, khuôn được thiết kế theo cách này (ống ban đầu tiếp xúc với khuôn) sẽ đảy bề mặt của ống theo đúng như biên dạng của khn. Tạo phình bằng khn đóng được mơ phỏng như hình 2.8. Hình 2.9 là ống đã được tạo phình bằng khn đóng.
Trong quy trình này, việc bôi trơn bề mặt giữa ống và khuôn đóng vai trị rất quan trọng, ảnh hướng tới chất lương của sản phẩm cuối cùng. Bằng cách thực hiện bôi trơn hiệu quả, lực ma sát giữa ống và khuôn được giảm đi đáng kể, dẫn tới vật liệu của ống có thể trượt một cách dễ dàng, giảm độ giãn dài. Việc tối ưu hóa bơi trơn cịn dẫn tới việc chiều dài của ống giảm đi đáng kể, phu thuộc vào phần thể tích giãn nở của ống. Tuy nhiên, một hệ số ma sát rất nhỏ giữa khn và ống cũng có thể gây ra sự giảm chiều dài đột ngột của ống, dẫn đến hiện tượng thắt ống. Hiện tượng này một phần cũng xảy ra ở trường hợp ống làm bằng vật liệu có khả năng đùn kim loại kém. Hình từ 2.10 đến 2.12 mô phỏng độ giãn dài trong suốt quá trình.
Hình 2.10. Biểu đồ biến dạng theo chu vi
Hình 2.12. Biểu đồ biến dạng theo chiều dày
Theo kết quả, ống càng dày thì độ giãn dài càng lớn, dẫn tới ống càng được giãn nở nhiều hơn. Lý do là càng nhiều vật liệu của ống bám vào khn thì dẫn đến độ giãn dài theo chu vi càng lớn. Mặt khác, tính dẻo cùng với tính chất cơ học của ống có thành dày cũng tốt hơn so với ống có thành mỏng. Độ mỏng và độ giãn dài tính theo chu vi đạt cực đại tại chính giữa ống, nơi độ giãn nở lớn nhất. Nơi mỏng nhất của ống đồng đỏ với chiều dày ban đầu là 1.6mm giảm xuống khoảng 30% tại chính giữa của cung biến dạng. Độ mỏng thấp nhất ở hai đầu của ống, nơi mà có thể thấy được độ giãn dài theo chu vi thực tế gần như bằng với độ giãn dài chiều dày.
Đường cong độ giãn dài theo chiều dọc có dạng bị nén và giá trị cực đại đạt được tại những trung điểm của đường thẳng chiều dài ống và cạnh của khuôn. Đồ thị độ giãn dài theo chiều dọc có xu hướng dẫn tới sự thắt giống như hình 2.11. Điều này có thể được kiểm soát bằng cách sắp xếp điều kiện ma sát thích hợp, đồng thời tối ưu hóa lực dọc trục. Nhìn vào hình, ống càng dày càng có độ giãn dài theo chiều dọc lớn, làm giảm đi nguy cơ xảy ra sự thắt.
2.1.2.3. Ống nhánh T
Hình 2.13. Sơ đồ nguyên lý quy trình tạo phình ống nhánh T
Máy được thiết kế sao cho có khả năng có tạc lực dọc trục từ 2 đầu ống và chày cao su. Để lấy sản phẩm ra khỏi khn, khn được thiết kế có thể tách đơi được. Đối với tạo hình ống nhánh T, mỗi nửa khn có đường kính bằng với đường kính ống. Quy trình sử dụng 2 chày cùng một lúc để giữa cho 2 nửa khuôn được tạo thành một khối cứng, sau đó chày ép tác dụng lên chày cao su, đồng thời chày ép ống tác dụng lên cả chày cao su và ống. Đường kính chày cao su nhỏ hơn một chút so với đường kính trong của ống để thuận lợi cho việc tháo lắp. Chày cao su cũng ngắn hơn ống để thuận lợi cho việc dẫn hướng chày ép phơi (chày bậc).
Quy trình bắt đầu bằng việc đặt chày cao su vào trong ống, đồng thời đặt ống vào khuôn. Tiếp theo khn được đóng lại và 2 chày ép đi xuống, tạo ra lực dọc trục tác dụng lên chày cao su từ 2 đầu. Chày cao su biến dạng, điền đầy khoảng trống giữa chày cao su và ống. Tại thời điểm này, vai của chày ép ống tiếp xúc với ống và vật liệu được đùn xuống. Sau khi sự tiếp xúc giữa chày ép ống và ống được tạo ra, bất kì ngoại lực nào tác động cũng đều tác động lực dọc trục lên chày cao su và 2 đầu ống. Khi chày cao su bị nén càng nhiều bởi việc tăng lực ép của 2 chày ép, nó bắt đầu biến dạng theo phương có kháng lực yếu nhất, tức là khn. Sự biến dạng của chày cao su đùn vật liệu vào nhánh chữ T như là hệ quả.
Sự chuyển vị của 2 đầu ống và 2 đầu chày cao su phải được kiểm soát một cách cẩn thận để đảm bảo khơng tạo ra phế phẩm. Những khuyết tật chính của q trình này là sự nứt và thắt. Sự nứt tại vùng biến dạng diễn ra khi cao su bị nén quá mức đến nỗi dẫn tới thành ống bị mỏng đi quá nhiều. Sự thắt xảy ra khi lực dọc trục tác dụng lên
thành ống quá lớn. Lực này cũng có thể được tạo ra khi ma sát giữa chày cao su và ống quá lớn.
Hình 2.14. Các giai đoạn của sự biến dạng
Hình 2.14 cho thấy những giai đoạn khác nhau của quy trình hình thành ống dạng nhánh T. Căn cứ vào hình, chiều dài nhánh T căng rất đều xuyên suốt quy trình. Mối quan hệ giữa lực dọc trục và chiều dài nhánh T được mô phỏng trong biểu đồ hình 2.15 với phơi ống đồng đỏ có chiều dày 1.2mmm đường kính ngồi 28mm và chiều dài ban đầu 110mm. Mối quan hệ giữa lực dọc trục và chiều dài nhánh T gần như là hàm bậc 1.
Hình 2.16. Biểu độ phân bố chiều dày
Mối quan hệ giữa chiều dày thành ống với vùng phình được thể hiện trong biểu đồ 10.16. Có thể thấy rằng chiều dày ống giảm chậm từ điểm A tới điểm D . Ống mỏng nhất ở đỉnh của chỗ phình. Đỉnh cũng có thể thấy ở giao điểm của ống với nhánh tại vùng BC, do sự uốn xảy ra ở đây. Bởi lực dọc trục được tạo ra bởi chày bậc (chày ép ống) và lực ma sát giữa ống và chày cao su, sự giảm độ dày thành ống bắt đầu diễn ra
ở vùng AB của ống
Tuổi thọ sử dụng của chày cao su phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố như chất lượng ban đầu, cùng với điều kiện làm việc của nó trong q trình sử dụng. Thảm cao su và phỉnh poker thường được sử dụng rỗng rãi để làm tăng tuổi thọ của chày cao su và tiết kiệm chi phí mua dụng cụ. Nhìn chung, chày urethane có độ cứng Shore trong khoảng
80 đến 95 là giải pháp tốt nhất cho phương pháp tạo phình này.
Việc thiết kế ra những thiết bị phục vụ cho việc tạo phình là rất quan trọng bởi vì chất lượng phần phình được xác định bằng thiết bị tạo phình. Do đó phần thiết kế và sản xuất trang thiết bị để thực hiện quy trình làm phình ln là giai đoạn tốn kém nhất của công nghệ này. Trang thiết bị thậm chí có thể rất phức tạp nhưng chỉ để sản xuất ra những sản phẩm khá đơn giản. Một máy nén thủy lực có dung tích lớn là u cầu bắt buộc cho quy trình. Cần có thiết bị giữ cho 2 nửa khn ln dính với nhau trong khi vận hành để đảm bảo rằng khn ln trong trạng thái khóa chặt. Như đã để cập ở trên, những chày ép thủy lực được dùng để tạo ra lực dọc trục lên ống và chày cao su thông qua vai chày ép ống.
Trong đa số trường hợp, phương pháp tạo phình phơi ống sẽ khơng thể phát huy hết ưu điểm nếu chỉ sử dụng những trang thiết bị đơn giản khi thực hiện quy trình ép. Những trang bị hiện đại như máy ép thủy lực tự động là cực kỳ cần thiết để tối ưu hóa quy trình ép với áp suất nội và khả năng đùn vật liệu đã được kiểm soát. [2]
2.2. Vật liệu kim loại2.2.1. Phân loại 2.2.1. Phân loại
a. Kim loại đen
- Kim loại đen bao gồm các loại : Gang và Thép
- Nếu tỉ lệ Cacbon trong vật liệu ≤2,14% thì được gọi là thép và >2,14% là gang
- Tỉ lệ cacbon càng cao thì vật liệu càng cứng và giòn.
- Gang được phân làm 3 loại : Gang xám, gang trắng và gang dẻo NỘI DUNG TỈLỆC PHÂN LOẠI TÍNH CHẤT ĐẶC ĐIỂM CƠNG DỤNG
b. Kim loại màu
- Bao gồm các kim loại còn lại (Cu, Al, Zn, Sn, Pb…)
- Kim loại màu thường dùng ở dạng hợp kim.
- Tính chất : Dễ kéo dài, dễ dát mỏng, có tính mài mịn, tính chơng ăn mịn cao, tính dẫn điện dẫn nhiệt tốt…
- Ưu điểm : dẫn điện, dẫn nhiệt tốt, ít bị oxy hóa hơn kim loại đen, dễ cán mỏng và kéo dài…
- Đồng và nhôm được dùng nhiều trong công nghệ truyền tải điện năng và các thiết bị dân dụng.
2.2.2. Thép cacbon2.2.2.1. Định nghĩa 2.2.2.1. Định nghĩa
Thép Cacbon là loại thép thơng thường, thuộc nhóm kim loại đen, ngồi Fe và C cịn chứa các tạp chất thường có như Mangan, Silic, Phốt-pho ,…
2.2.2.2. Thành phần hóa học
C < 2%, Mn < 0,8%, Si ≤ 0,4%, P ≤ 0,05%, S ≤ 0,05%. Ngoài ra cịn có một lượng nhỏ các nguyên tố Cr, Ni, Cu(≤ 0,2%), W, Mo, Ti (≤ 0,1%)
2.2.2.3. Ảnh hưởng của các nguyên tố đến chất của thép
a. Cacbon
- Là nguyên tố quan trọng nhất, quyết định tổ chức, tính chất và cơng dụng của thép .
Hình 2.17. Ảnh hưởng của C đối với cơ tính của thép
- Theo hình 3.1 thì khi tăng %C sẽ làm giảm độ dẻo và độ dai độ va đập. Khi %C tăng trong khoảng 0,8-1% thì độ bền và độ cứng cao nhất và khi vượt quá 1% thì độ bền và độ cứng bắt đầu giảm.
- Theo %C có thể chia thép làm 4 nhóm có cơ tính và cơng dụng khác nhau :
Thép cacbon thấp (%C ≤ 0,25%) : dẻo, dai nhưng có độ bền và độ cứng thấp.
Thép cacbon trung bình (%C từ 0,3-0,5%) : chi tiết máy chịu tải trọng tĩnh và va đập cao.
Thép cabon cacbon tương đối cao (%C từ 0,55 - 0,65%): có tính đàn hồi cao, dùng làm lị xo.
Thép cacbon cao (%C ≥ 0,7%): có độ cứng cao nên được dùng làm dụng cụ đo, dao cắt, khuôn dập.
b. Các nguyên tố khác
- Mn và Si: là các tạp chất có lợi, có cơng dụng khử ơxy.
- P, S: là các tạp chất có hại, làm giảm cơ tính của thép.
2.2.2.4. Phân loại các loại thép cacbon
Có nhiều cách phân loại thép như :
- Theo tổ chức tế vi
- Theo phương pháp luyện kim
- Theo phương pháp khử oxy
- Theo hàm lượng cacbon
- Theo công dụng.
Đối với ngành cơ khí cần quan tâm đến cách phân loại theo công dụng. Cách phân loại này cho phép chúng ta biết cách sử dụng thép một cách hợp lý khi chế tạo sản phẩm bằng thép.
a. Thép cacbon công dụng
- Loại này có cơ tính khơng cao, dùng để chế tạo các chi tiết máy, các kết cấu chịu tải nhỏ. Thường dùng trong ngành xây dựng, giao thông (cầu, nhà, khung, tháp…)
Hình 2.18. Thép cacbon cơng dụng
- Thép cacbon thơng dụng được chia ra làm ba nhóm A, B, C. Nhóm A chỉ đánh giá bằng các chỉ tiêu cơ tính (độ bền, độ dẻo, độ cứng…). Nhóm B đặc trưng bằng thành phần hóa học và nhóm C đặc trưng bằng cả hai chỉ tiêu cơ tính và thành phần hóa học.
- Khi cần biết cơ tính thì ta sử dụng nhóm A, khi cần tính tốn về hàn, nhiệt luyện thì sử dụng nhóm B hoặc C.
- Theo TCVN 1765 - 75 qui định ký hiệu thép thông dụng là hai chữ CT, sau chữ CT chỉ giới hạn bền tối thiểu, theo đơn vị N/mm2.