CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT ĐỂ THỰC HIỆN ĐỀ TÀI
2.1. Quá trình tạo phình ống sử dụng chày cao su
2.1.2. Các phương pháp tạo hình ống kim loại
2.1.2.1. Ống dạng phình đáy
Hình 2.1 thể hiện sơ đồ nguyên lý của quy trình làm phình đáy ống bao gồm một chày
ép bằng kim loại, một chày cao su và khuôn (cối). khuôn có thể được chia ra thành 2 phần, trong đó khuôn trên sẽ có nhiệm vụ dẫn truyền chuyển động của chày ép. Khuôn
có thể là kim loại nguyên khối liền, hoặc được cắt đôi theo phương thẳng đứng để tạo
ra sự linh hoạt trong việc tạo hình chi tiết. Bề mặt khuôn phải được đánh bóng để làm giảm đi lực ma sát giữa khuôn và phôi ống.
Hình 2.1. Sơ đồ nguyên lý quy trình phình đáy ống
25
Quy trình bắt đầu bằng việc khuôn trong trạng thái mở. Phôi ống sau đó được đặt vào ống, đồng thời chày cao su cũng được đặt vào bên trong lòng ống. Sau khi khuôn đóng lại một cách an toàn, chày ép được lắp vào thông qua một cái lỗ ở trên đỉnh của khuôn
và tiếp xúc với chày cao su. Máy ép thủy lực hoạt động, chày ép đi xuống đè lên chày cao su. Chày cao su biến dạng và tạo ra áp suất, lực dọc trục lên thành ống, lúc này ống bắt đầu biến dạng. sau khi quy trình dập hoàn thành, chày cao su và ống đã biến dạng được đưa ra bằng thao tác mở khuôn ra.
Hình 2.2. Ống đã biến dạng hoàn toàn
Hình dạng của một ống dạng phình đáy giống như hình 10.2. Lực dọc trục sinh ra bởi
ma sát giữa chày và cao su dẫn đến sự giãn ở nở đáy ống, hình dạng giống như “miệng chuông”. Lúc đầu, ống phình ra trước ở phần đáy, nơi tiếp xúc với đáy khuôn. Bằng cách tăng lực ép lên, ống biến dạng toàn phần và tiếp xúc vs toàn bộ bề mặt của khuôn, đồng thời quy trình kết thúc. Sự thắt và nứt có xảy ra hay không phụ thuộc hoàn toàn vào độ dày chi tiết. Đây cũng là những khuyết tật chủ yếu trong quy trình
ép. Nguyên nhân chính gây ra sự thắt là hệ số ma sát cao giữa ống và chày cao su, điều này sinh ra một lực dọc trục rất tới, dẫn tới việc ống bị thắt một cách dễ dàng.
26
Hình 2.3. Ống bị thắt do lực dọc trục quá lớn
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
27
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 khuôn 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 hoàn toàn.
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 phôi ống đồng đỏ có bề dày 1.6mm và đường kính ngoài 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.
28
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 hoàn toàn 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
29
chiều dày ban đầu. Sự giảm độ dày của ống có thể được giảm thiểu bằng cách kiểm soát 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 công.
2.1.2.2. Ống dạng phình giữa
Nguyên lý cơ bản của quy trình tạo hình này cũng giống hoàn toàn với quy trình tạo phình đáy ống.
Hình 2.8. Sơ đồ nguyên lý quy trình phình giữa
Quy trình này sẽ sử dụng khuôn có khả năng tách đôi 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 khuôn chặn có thể được
sử dụng thể giữ cho khuôn ép không bị tách ra trong suốt quá trình tạo hình. Quy trình này có thể được chia ra thành 2 dạng. Dạng thứ nhất là tạo hình tự do, nghĩa là khuôn tạo hình và ống ban đầu không cần phải tiếp xúc với nhau, sau đó ống sẽ phình tự do cho tới khi quy trình hoàn thành.
30
Hình 2.9. Ống phình giữa
Nếu sử dụng phương pháp này, ống sau khi phình hoàn toàn có thể sẽ không đối xứng hoàn toàn do không 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 khuôn. Tạo phình bằng khuôn đóng được
mô phỏng như hình 2.8. Hình 2.9 là ống đã được tạo phình bằng khuôn đóng.
Trong quy trình này, việc bôi trơn bề mặt giữa ống và khuôn đóng vai trò 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 bôi trơn còn 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 khuôn 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.
31
Hình 2.10.Biểu đồ biến dạng theo chu vi
Hình 2.11.Biểu đồ biến dạng dài
32
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 khuôn 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
Nguyên lý cơ bản của quá trình tạo hình ống nhánh T theo hình 2.12.
33
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 khuôn, khuôn được thiết kế có thể tách đôi được. Đối với tạo hình ống nhánh T, mỗi nửa khuôn 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 phôi (chày bậc).
Quy trình bắt đầu bằng việc đặt chày cao su vào trong ống, đồng thời đặt ống vào khuôn. Tiếp theo khuôn 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 khuôn. 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 không tạo ra phế phẩm. Những khuyết tật chính của quà 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
34
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 phôi ống đồng đỏ có chiều dày 1.2mmm đường kính ngoài 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 2.15.Biểu đồ lực dọc trục
35
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 quá 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 luôn 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 yêu cầu bắt buộc cho quy trình. Cần có thiết bị giữ cho 2 nửa khuôn luôn dính với nhau trong khi vận hành để đảm bảo rằng khuôn luôn 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.
36
Trong đa số trường hợp, phương pháp tạo phình phôi ống sẽ không 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]