2.5 .Quy trình cơng nghệ của sản phẩm
3.1. Tính tốn, thiết kế kết cấu khung ép
3.1.2. Thiết kế khuôn
Các thơng số liên quan tới q trình dập :
- Kích thước của phơi. - Hệ số dập.
- Tốc độ dập , lực dập.
- Góc đàn hồi của vật liệu khi dập. - Vật liệu làm khn.
- Bán kính góc lượn miệng khn trên và khuôn dưới khuôn dập vuốt. - Khe hở giữa khn trên và khn dưới.
Tính kích thước của phơi.
u cầu: Tính được kích thước cần thiết của phơi để sản phẩm tạo ra có kích thước như thiết kế.
Chi tiết hình trụ trịn xoay có vành:
Hình 3. 5:Hình dạng sản phẩm
D = כ h (mm) (3.1)
D = ⺄⺄ כ h⒘ כ ⺄⺄ h⺄ Ͳ⺄ h⺄ = 170 (mm)
Trong đó:
d1= 100 : đường kính đáy sản phẩm (mm) d2= 130 : đường kính mặt sản phẩm (mm) d3= 150 : đường kính vành sản phẩm (mm) l = 23.6 : chiều dài cạnh nghiêng sản phẩm (mm)
Trong q trình dập, do sự biến dạng khơng đồng đều nên sau khi dập thành chi tiết cao không đều nhau mà thường tạo thành múi nên phải cắt mép, vì vậy khi tính phơi phải cộng thêm lượng dư cắt mép.
Đường kính vành (d3 ) (mm)
Trị số lượng dư chung quanh với đường kính tương đương của vành d3/d2 <1,5 1,5-2 2-2,5 2,5-2,8 25 1,6 1,4 1,2 1 50 2,5 2 1,8 1,6 100 3,5 3 2,5 2,2 150 4,3 3,6 3 2,5 200 5 4,2 3,5 2,7 250 5,5 4,6 3,8 2,8 300 6 5 4 3
Bảng 3. 2:Lượng dư cắt mép chi tiết có vành rộng, mm
Sản phẩm của đề tài có dạng trịn xoay có vành rộng d3 = 150 mm, trị số lượng dư chung quanh với đường kính tương đương của vành d3/d2 = 1,15. Theo bảng trên ta chọn lượng dư cắt mép là 4,3 mm.
Do đó, chọn đường kính phơi D = 200 mm, do đó phơi có kích thước 200x200(mm). Hệ số dập chi tiết có vành rộng
- u cầu: tính hệ số dập của chi tiết.
Đối với chi tiết trịn xoay dập vuốt khơng biến mỏng thành, hệ số dập vuốt là tỉ số giữa đường kính sau và trước lần dập.
m = (3.2) Trong đó:
m: hệ số dập vuốt
d = d3: đường kính chi tiết sau khi dập (mm) D : đường kính phơi (mm)
Hệ số dập vuốt đặc trưng cho khả năng thu nhỏ đường kính trước và sau khi dập. Nếu hệ số càng nhỏ thì đường kính trước và sau khi dập chênh lệch càng nhiều, nghĩa là càng nhanh chóng đạt đến kích thước của sản phẩm yêu cầu.
Hệ số dập càng nhỏ càng tốt. Như vậy sẽ giảm được số bộ khuôn dùng để dập, giảm bớt thời gian máy, giá thành rẻ hơn. Song hệ số dập vuốt càng nhỏ thì mức độ biến dạng càng lớn. Nếu mức độ biến dạng vượt quá giơi hạn bền của vật liệu sẽ gây nên phế phẩm, vì vậy cần xác định hệ số dập chính xác có ý nghĩa rất lớn trong việc thiết kế q trình cơng nghệ dập.
Trong quá trình dập vuốt chi tiết dạng trịn xoay có vành, mức độ biến dạng phụ thuộc vào tỉ số כ ⺄⺄mà còn phụ thuộc vào tỉ số h .
Từ đó ta có trị số của hai tỉ số trên:
כ ⺄⺄= ⺄⺄כ ⺄⺄= 1 (3.3)
h = Ͳ⺄h⺄ = 1,15
h Chiều dày tương đối của phôi כ ⺄⺄
2 – 1,5 1,5 - 1 1 – 0,6 0,6 – 0,3 0,3 – 0,15 1,1 0,51 0,53 0,55 0,57 0,59 1,3 0,49 0,51 0,53 0,54 0,55 1,5 0,47 0,49 0,5 0,51 0,52 1,8 0.45 0,46 0,47 0,48 0,48 2 0,42 0,43 0,44 0,45 0,45 2,2 0,4 0,41 0,42 0,42 0,42
2,5 0,37 0,48 0,38 0,38 0,48
2,8 0,34 0,35 0,35 0,35 0,35
3 0,32 0,33 0,33 0,33 0,33
Bảng 3. 3:Hệ số dập vuốt đối với chi tiết trịn xoay có vành rộng
Theo bảng hệ số dập vuốt trên ta được m = 0,53. Nhưng vì vật liệu dập là vật liệu mềm nên m = 0,53 – 0,53.(10 ÷ 20%) = 0,424 ÷ 0,477
Do đó, chọn hệ số dập vuốt là m = 0,45 Tốc độ dập
Tốc độ biến dạng xảy ra từ từ khi hệ số dập vuốt nhỏ. Tốc độ dập thích hợp được tính theo cơng thức:
v = 33,3.(1 + כ ) (3.5)
v = 33,3.(1+ ⺄⺄⺄⺄כ ⺄⺄ ⺄⺄ ) = 199,8 (mm/s) Lực dập
Lực dập vuốt thực tế gồm nhiều lực: lực dùng để ép chặn phôi, lực dùng để biến dạng vật liệu, lực để thắng lực ma sát giữa vật liệu với khuôn trên và khuôn dưới… Rõ ràng là trong q trình dập lực khơng thể là một hằng số mà thay đổi theo mức độ biến dạng và hành trình của khn trên, do đó có nhiều cơng thức tính lực rất phức tạp. Vì vậy, các cơng thức tính lực dập này chỉ dựa trên cơ sở những công thức gần đúng xây dựng theo giá trị trung bình hay thực nghiệm.
Tính tốn lực gần đúng đối với dập vuốt chi tiết trịn xoay có vành khơng có biến dạng mỏng thành:
P = π.d.S. .kv (N) (3.6) Trong đó:
d = 150 mm: đường kính chi tiết sau khi dập (mm) = 10 N/mm2: giới hạn bền của vật liệu (N/mm2)
S = 2 mm: chiều dày của vật liệu (mm)
kv: hệ số để dập chi tiết có vành phụ thuộc vào hệ số dập vuốt Tra bảng hệ số kv để tính lực dập vuốt chi tiết có vành ta được kv = 1 Suy ra, lực dập vuốt: P = 3,14.150.10.2 = 9420 N
Bảng 3. 4:Hệ số kv để tính lực dập vuốt chi tiết hình trụ có vành rộng Tính góc đàn hồi khi uốn: Tính góc đàn hồi khi uốn:
Trong q trình dập khơng phải tồn bộ phơi ở phần uốn chịu biến dạng dẻo mà có một phần chịu biến dạng đàn hồi. Vì vậy khi khơng cịn chịu tác dụng của khn trên thì hình dạng của vật uốn khơng hồn tồn giống như hình dạng của khn trên và khn dưới. Đó là hiện tượng đàn hồi sau khi uốn.
Tính đàn hồi được biểu hiện khi uốn với bán kính nhỏ (r < 10S) bằng góc đàn hồi β. Cịn khi uốn với bán kính lớn (r > 10S) thì cần tính đến sự thay đổi bán kính cong của vật uốn.
Phương pháp tính góc đàn hồi:
Hình 3. 6:Sự đàn hồi sau khi uốnBán kính trong khi dập: Bán kính trong khi dập: ri1= כ כ॑ = כ ⺄⺄כ9⒘ כ9 ⺄ = 1,81 mm (3.7) Hệ số đàn hồi: KR = ⺄⒘Ͳכ⺄⒘Ͳכ = ⒘ ⺄⒘Ͳכ⺄⒘Ͳכ = 0,94 (3.8) Góc khi dập: α1= = ⺄⒘9⺄ = 127.65o (3.9) Góc đàn hồi: β = 127.65 – 120 = 7.65o
Vì vậy, góc cần của khn dưới là: 127.65o
Vật liệu làm khn
Cơ tính u cầu của khn trên và khn dưới bao gồm: sự chống mòn, sự chịu nén, chịu va chạm, tính bền dẻo và độ bền mỏi tốt.
Thép hợp kim
SKD11
SKD11 (12÷13%Cr) có độ chống mịn cao cho sử dụng làm khuôn nguội, độ thấm tôi tốt và ứng suất tôi khá thấp. Thường dùng làm khuôn gia công nguội thông thường, lưỡi cưa, trục cán hình, các chi tiết chịu mài mịn cao
SKD11 cải tiến
Đạt độ cứng ≥ 58 HRC khi đi ram khơng khí áp suất cao. Độ bền dẻo tăng cao
SKS3
Với 0,95%C và đạt độ cứng ≥60 HRC do đó SKS3 được dùng để gia công khuôn nguội vuốt lỗ sâu, bàn ren, các chi tiết chịu mài mịn cao…
Thép dụng cụ tốc độ cao (Thép gió)
SKH51
Là thép hợp kim với (0,86÷0,94%C; 3,8÷4,5%Cr) có độ dẻo dai kết hợp với khả năng cắt cực tốt do thành phần hợp kim cân bằng và cao. Dùng làm các loại dao cụ cơ khí.
Bảng 3. 5:Tính chất của một số mác thép dụng cụ (theo tiêu chuẩn nhật)
Vật liệu SKD11 SKD11 cải tiến SKS3 SKH51
Thành phần hóa học C 1,5 1,5 0,95 0,86÷0,94 Cr 12 8 0,75 4,14 Mo - - 0,75 6,5 W 1 1 0,6÷0,9 5,3 V 0,35 0,35 - 2,05 Mn 0,45 0,45 1,05 0,35 Độ cứng (HRC) 58 60-63 60 61-64 Giới hạn bền (N/mm2) 3500 4500 2500 4800 Modun đàn hồi (N/mm2) 210000 217000 240000 219000
Khối lượng riêng
(g/cm2) 7,72 7,87 8,07 8,11
Lưu ý: Dữ liệu này là các giá trị điển hình nhưng khơng phải là các giá trị đảm bảo. Chú ý: Vì sản phẩm tạo ra đùng để đựng đồ ăn, nên cần sạch sẽ, hợp vệ sinh và khơng rỉ sét. Vì vậy, nhóm quyết định chọn thép hợp kim SKD11. Sau khi gia công trên máy phay CNC, khuôn sẽ được Xi mạ điện để không bị rỉ sét, đảm bảo vệ sinh của sản phẩm.
Bán kính góc lượn miệng khuôn trên và khuôn dưới khuôn dập vuốt
Bán kính góc lượn miệng khn trên và khn dưới khn dập vuốt có ảnh hưởng lớn tới các chi tiết dập và các yếu tố trong quá trình dập vuốt. Bán kính góc lượn càng lớn thì trở lực biến dạng ít nên giảm được lực dập vuốt nhưtng cũng dễ tạo nếp nhăn ở thành và mép sản phẩm. Do đó bán kính góc lượn phải chọn trong giới hạn cho phép phụ thuộc vào chiều dày vật liệu, loại vật liệu,…
Bán kính góc lượn khn dưới được tính theo cơng thức: Rc= 0,8. h כ = 0,8. ⺄⺄ Ͳ⺄ כ = 8 (mm)
(3.11) Trong đó:
Rc : Bán kính góc lượn của khn dưới Rch : Bán kính góc lượn của khn trên D: đường kính phơi (mm)
d3: đường kính ngồi của sản phẩm (mm) S: bề dày phơi (mm)
Hình 3. 7:Bán kính góc lượn khn trên và khn dưới
Chọn bán kính lượn của khn trên theo ngun tắc: Rch = Rc hoặc nhỏ hơn một ít. Ở ngun cơng cuối, lấy Rch bằng bán kính góc lượn bên trong sản phẩm, nhưng không nhỏ hơn (2 – 3).S đối với S ≤ 6 mm, và nhỏ hơn (1,5 - 2).S đối với S > 6 mm.
Nhưng do ảnh hưởng của Rch khơng quan trọng như Rc cho nên có thể thay đổi Rch chút ít cho q trình dập đơn giản hơn. Khi thay đổi có thể giảm bán kính khn trên, khn dưới 2-5 lần nhưng khơng nhỏ hơn 0,5S.
Do đó, bán kính góc lượn của khn trên và khn dưới là: Rch = Rc =8 mm. Khe hở giữa khuôn trên và khuôn dưới
Khe hở giữa khuôn trên và khuôn dưới dùng để giảm ma sát giữa khuôn dưới và vật liệu đồng thời bảo đảm chất lượng của sản phẩm. Nếu khe hở bé sẽ làm tăng trở lực biến dạng, làm cho vật liệu dễ bị đứt rách, sản phẩm không đúng thiết kế, khuôn trên khuôn dưới dập bị giảm tuổi thọ. Nếu khe hở lớn quá thì khi dập dễ bị nhăn.
Khi dập vuốt thông thường, khe hở thường lớn hơn khi dập vuốt có tinh chỉnh. Ngồi ra khe hở cịn phụ thuộc vào cấp chính xác của chi tiết dập.
Ngun cơng Cấp chính xác của chi tiết dập
4 và 5 7, 8 và 9
Dập vuốt đầu tiên Z = S + δ + a Z = S + δ + (1,5÷2)a Dập vuốt trung gian Z = S + δ + 2a Z = S + δ + (2,5÷3)a
Dập vuốt cuối cùng Z = S + δ Z = S + δ + 2a
Bảng 3. 7:Khe hở giữa khuôn trên và khn dưới khi dập Trong đó:
Z: khe hở về một bên giữa khuôn trên và khuôn dưới (mm) S: chiều dày của vật liệu (mm)
δ: dung sai dương trên chiều dày của vật liệu (mm) a: số gia phụ thuộc vào chiều dày vật liệu
S (mm) 0,2 0,5 0,8 1 1,2 1,5 1,8 2 2,5 3 4
a (mm) 0,05 0,1 0,12 0,15 0,17 0,19 0,21 0,22 0,25 0,3 0,35
Bảng 3. 8:Trị số gia a phụ thuộc vào vật liệu
Đối với đề tài thì chỉ có một lần dập vuốt. Do đó, với S = 1 mm, δ = 0,1 mm và số gia a = 0,22 thì giá trị khe hở giữa khn trên và khuôn dưới là:
Z = 1 + 0,1 + 0,22 = 1,32 (mm)
Thường thì người ta chế tạo khn theo khe hở bé Zmin và làm việc cho đến khi khn trên khn dưới mịn dần tạo thành khe hở Z > Zmax thì phải sửa chữa lớn hay sửa chữa vừa.
Khuôn trên khuôn dưới của khn dập thường được chế tạo theo cấp chính xác 2 hoặc 3 tùy theo yêu cầu cấp chính xác của chi tiết và điều kiện chế của từng nhà máy.
Kết cấu khn dập
Hình 3. 8:Kết cấu khn dập Tính tốn độ bền nén của khn trên.
Thông thường trên thực tế để đơn giản q trình thiết kế khn, các kích thước của khn trên được xác định theo thực nghiệm. Khi cần thiết, khuôn trên được kiểm nghiệm độ bền theo điều kiện làm việc chịu nén.
Vật liệu của khuôn trên: thép dụng cụ SKD11, nhiệt luyện đạt độ cứng 58 HRC, giới hạn bền [σn] = 3500 N/mm2, lực dập cực đại Pmax=9420N, diện tích chịu nén A =
כ (mm2) Kiểm tra nén:
σn= = 9 ⺄
h⒘ כ t⺄ = 0.41 (N/mm2) `(3.12) σn=0.41 N/mm2< [σn] = 3500 N/mm2
Như vậy khuôn trên đảm bảo độ bền khi chịu nén.
thước khn trên có thể theo một trong hai kích thước bên trong hoặc bên ngoài của chi tiết nằm trong dung sai cho phép. Cách tính khác nhau cho kích thước trong và ngồi:
Nếu đường kính ngồi của chi tiết khơng vượt quá dung sai cho phép, đường kính khn dưới (dc) là tương đương với đường kính ngồi nhỏ nhất của chi tiết và đường kính khn trên nhỏ hơn đường kính khn dưới là 2Z.
Khuôn dưới và khuôn trên được gán dung sai làm việc được cho trong bảng sau, trong đó D là đường kính danh nghĩa của chi tiết và S là chiều dày phôi liệu.
D (mm) Dung sai
Chiều dày vật liệu S (mm)
0,25 0,35 0,5 0,6 0,8 1 1,2 1,5 2 2,5 10÷50 Trên 0,02 0,03 0,04 0,05 0,07 0,08 0,09 0,11 0,13 0,15 Dưới 0,01 0,02 0,03 0,03 0,04 0,05 0,06 0,07 0,08 0,1 51÷200 Trên 0,03 0,04 0,05 0,06 0,08 0,09 0,1 0,12 0,15 0,18 Dưới 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05 0,06 0,07 0,08 0,1 0,12 201÷ 500 Trên 0,03 0,04 0,05 0,06 0,08 0,1 0,12 0,14 0,17 0,2 Dưới 0,01 0,02 0,03 0,04 0,06 0,07 0,08 0,09 0,12 0,14
Bảng 3. 9:Dung sai làm việc của khuôn trên và khuôn dưới
Với chiều dày vật liệu S = 2 mm và đường kính danh nghĩa của chi tiết d3 = 150 mm. Do đó t chọn dung sai cho khn trên và khuôn dưới là: 0,15 cho dung sai trên và 0,1 cho dung sai dưới.
Đường kính danh nghĩa của khn dưới là: dc= D – A = 150 – 0,1= 149,9 (mm) Đường kính lớn nhất khn dưới là: dcmax= dc+ tc= D – A + tc
dcmax= 149,9 + 0,15 = 150,05 (mm) Đường kính danh nghĩa khn trên là:
dch= dc– 2.Z = 149,9 – 2.1,75 = 146,4 (mm) Đường kính nhỏ nhất khn trên là:
Trong đó:
dc, dch: lần lượt là đường kính danh nghĩa khn trên và khn dưới (mm) D: đường kính danh nghĩa của chi tiết (mm)
A: dung sai làm việc của chi tiết (mm)
tc, tch: lần lượt là dung sai của khuôn trên và khuôn dưới (mm)
Z: độ hở giữa khuôn trên và khn dưới (mm)
Nếu đường kính trong của chi tiết cuối cùng khơng vượt q dung sai, đường kính danh nghĩa của khn trên (dch) bằng với đường kính trong của chi tiết và đường kính khn dưới lớn hơn đường kính khn trên là 2Z.
Điều quan trọng là giữ giá trị dung sai khơng đổi trong q trình dập, nếu khơng thì độ dày thành của chi tiết có thể khơng bằng nhau. Giải pháp tốt nhất để đồng tâm khuôn trên và khn dưới là khn có trục dẫn hướng.
Lắp ráp và kiểm tra khuôn
Yêu cầu kỹ thuật khi lắp ráp khuôn:
Lắp ráp là giai đoạn cuối cùng của q trình chế tạo khn. Quá trình lắp ráp kiểm tra được chia ra làm nhiều giai đoạn khác nhau nhưng chung một mục đích là liên kết các bộ phận của khn thành bộ khn hồn chỉnh.
Khi lắp ráp khuôn cần đảm bảo các yêu cầu sau: tất cả các chi tiết của khn đều phải đúng với hình dáng kích thước của bản vẽ chế tạo, khi lắp ráp khe hở giữa khuôn trên và khuôn dưới phải đúng trị số cho phép.
Các chi tiết lắp ráp với giá khn phải song song và vng góc với mặt đặt khn với sai số cho phép (< 1μm) theo chiều rộng và chiều dài, trục và bạc dẫn hướng phải đảm bảo song song với nhau.
Khi lắp ráp hồn chỉnh thì q trình di chuyển của khuôn trên so với khuôn dưới phải nhẹ nhàng và đúng khe hở giữa trục và bạc (< 0,06).
Sản phẩm dập thử sau khi lắp ráp khuôn phải đảm bảo đúng kích thước, hình dáng và các u cầu kỹ thuật.
Kiểm tra khn