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 cơng 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 khn 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 khuôn 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
Phôi được đặt cố định trong khn dưới nhờ 2 thiết kế như hình 3.4. Khn trên đi xuống tác dụng lực lên phôi 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 quá 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 công 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 phôi 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 công 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 khuôn bước 2
1. Bộ phận dập khn 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 khuôn 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 phôi 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
Q 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 phôi 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 phơi 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 phôi 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 phôi 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 cơng mà chủ yếu thay đổi do cháy hao của quá trình oxi hóa kim loại.
Số bước dập của q 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 phơi 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 công 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 phôi 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 khn rèn bước 1
Thiết kế khuôn rèn dưới Yêu cầu thiết kế:
Đảm bảo cố định phôi trước khi dập. Đảm bảo nhiệt độ không 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 khuôn h
Phôi được đặt trong khuôn dập lấy theo dung sai lắp lỏng A10, nên khe hở giữa phôi và khuôn dưới là 0.15/2mm.
Kích thước rộng t và b
-Ta có độ sau của hốc khuôn 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 phôi 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 khuôn được chỉnh sau khi mô phỏng kết thúc
Vị trí lấy phơi ra khỏi khn:
Chương 3: Thiết kế cơng nghệ tạo hình w
u cầu cần thiết nhằm lấy được phôi sau khi dập (đồng thời giảm thời gian dập của mô phỏng).
Khoét tại tâm khuôn sang hai bên rộng 30mm và sâu 20mm và khoét suốt như hình 3.19.
c) Thiết kế sơ bộ khn rèn trên
Các thơng số cần lưu ý:
Kích thước đế khn: D, L, H đảm bảo bền tương đối với khn dưới (tham khảo hình
4.7)
Chọn bộ số D,L, H là : 200, 460, 50mm (điều chỉnh khi mơ phỏng nếu phơi tăng kích thước.
Hx≥ 50mm: Đảm bảo đế khn trên khơng chạm với khn dưới.
Rãnh tạo hình của khn được xác định bằng kích thước phơi cộng với hệ số lắp lỏng A10: Rx=13.3mm.
Chiều dày thành D1 đảm bảo khn bền khi dập : (D1-2 ×Rx)/2 ≥ 2Rx.
Chọn D1= 50mm
Kích thước L1 (được điều chỉnh trong mơ phỏng):
Kích thước L1 càng lớn thì phơi sau khi dập càng có kích thước đúng với dự kiến của thiết kế. Tuy nhiên nó cũng làm giảm nhiệt độ cả phơi sau khi dập càng nhiều.
Bán kính góc bo để tránh nứt do ứng suất nhiệt khi nhiệt luyện Vì H/D1=1<2 nên Rbo = 0.1(H +D1) = 0.1( 50+50) =10mm.
Hình 3. 20 Thiết kế hình dạng sơ bộ khn rèn trên
3.6.2 Thiết kế sơ bộ của khuôn rèn thứ 2
Yêu cầu thiết kế:
Độ chảy của chi tiết khi dập phải nằm trong mức có thế chấp nhận được. Có vị trí định vị và cố định phơi dập.
Thành khn đảm bảo độ bền.
Kích thước của phơi dập xem như 13.15mm. Lấy được sản phẩm dễ dàng sau khi rèn.
a)Thiết kế sơ bộ khn rèn dưới
Kích thước hốc khn (rãnh tạo hình)
Chi tiết được đạt trong khuôn dập lấy theo dung sai lắp lỏng được lấy theo A10, nên khe hở giữa phôi và khuôn dưới là 0.15/2mm
h=6.65mm.
Chiều dày khn tạo hình: b=50mm.
Chiều dày khn H: Hmin =10h=6.65×10=65.5mm
Chọn H= 80mm.
Chương 3: Thiết kế cơng nghệ tạo hình w
Mối liên hệ H1, L, B:
Để đảm bảo cho khn cứng vững khó bị lật thì: L>B≥H1 (Tham khảo hình 3.19)
Chọn: L×B×H1 =460×200×50mm.
Bán kính góc bo R1: Bo góc nhằm tránh ứng suất nhiệt khi nhiệt luyện và làm việc.
Vì b/H2=1 < 2 nên bán kính góc bo được xác định theo cơng thức: R=0.1( H +D1) = 0.1( 50+50) =10mm.
Hình 3. 21 Các thông số yêu cầu khuôn rèn dập dưới 2
b) Thiết kế sơ bộ khn rèn trên
Kích thước h: h=6.65 (xác định tương tự khn trên).
Kích thước b, H1 đảm bảo cho phơi có thể lấy được ra khỏi khn: B= 32mm, H1≤ 56.1-6.65=49.35mm
Kích thước H: Đủ lớn để phơi khơng đụng vào đế khuôn gây biến dạng
Chọn 130 mm ( điều chỉnh trong mơ phỏng).
Kích thước để khn L×B×H2: u cầu khn đứng vững thì L>B≥H2+H
Chọn 460×200×50mm . Kích thước góc bo R:
Vì 60/H2=1.2 < 2 nên bán kính góc bo được xác định theo cơng thức: R=0.1(60 + H2 ) = 0.1( 60+50)=11mm.
Hình 3. 22 Các thơng số yêu cầu khuôn rèn trên (khuôn 2)
3.6.3 Thiết kế sơ bộ khn rèn bước 3
Vị trí định vị: Điều chỉnh sau khi mơ phỏng vì chưa biết chính xác vị trí
Hình 3. 23 Cố định phơi
Chương 3: Thiết kế cơng nghệ tạo hình w
Mặt tạo hình là mặt phẳng (khơng kht)
Mối liên hệ các kích thước:
Mối liên hệ các thông số H2, L2, R2 là : L2 > R1 >H2 min Mối liên hệ khuôn dưới: L1 > R2 > H1.
Chương 4 MÔ PHỎNG KHUÔN BẰNG PHẦN MỀM DEFORM-3D VÀ ĐIỀU CHỈNH THIẾT KẾ
4.1 Giới thiệu phần mềm Deform
Deform là phần mềm mơ phỏng các q trình gia cơng vật liệu dựa trên phương pháp