Công nghệ dập tạo hình khối là quá trình phân bố lại kim loại phôi một cách cưỡng bức, làm điền đấy các khoảng trống có hình dáng gần giống với hình dáng chi tiết và được gọi là các lòng khuôn.
Dập tạo hình khối là phương pháp công nghệ có năng suất rất cao và chất lượng sản phẩm tốt, giá thành hạ. Nó được áp dụng rộng rãi trong lĩnh vực chế tạo máy và sản xuất hàng tiêu dùng. [1]
Phương pháp cổ điển nhất: chế tạo nông cụ, giáo mác…
Thế kỷ XV: súng ống, máy móc…
Thế kỷ XVI: Nga chế tạo máy búa truyền động cơ khí chạy bằng sức nước.
Thế kỷ XVIII: đồ trang sức, tiền tệ…
Thế kỷ XIX: phát minh máy hơi nước, đến năm 1842: máy búa hơi nước ra đời.
1928: Nga xây dựng phân xưởng rèn dập đầu tiên…
Hiện nay trên thế giới, công nghệ dập tạo hình khối đã phát triển đến trình độ cao. Các phân xưởng rèn dập đã có thể chế tạo các chi tiết hoàn chỉnh không cần phải qua gia công cơ, đồng thời lại có những ưu điểm như: độ bền cao, tiết kiệm kim loại, giá thành hạ và đặc biệt là năng suất cao.
2.1.1. Các sản phẩm dập khối điển hình
Quá trình dập khối là một công đoạn của quá trình sản xuất cơ khí hoàn chỉnh, mọi quá trình đều có thể chia làm ba phần chính: đầu vào (input) là phôi, quá trình xử lý (process) phôi đầu vào (dập khối) và đầu ra (output) là sản phẩm hoặc bán thành phẩm (vật dập).
28
Hình 2.1. Trục khuỷu động cơ
Hình 2.2. Chi tiết bánh răng truyền động
29 2.1.2. Đặc điểm và phân loại
Trong sơ đồ trên gù đúc thỏi đúc và các loại thép càn chu kỳ là phôi đầu vào cho quá trình rèn và dập khối. Phôi đầu vào sẽ được nung lên một nhiệt độ thích hợp trước khi chuyển sang các nguyên công chuẩn bị (rèn phôi) hoặc dập trong khuôn. Tại đây kim loại sẽ được tạo hình theo yêu cầu. Sau khi dập xong phôi dập sẽ được xử lý sau dập ( cắt biên, x lý nhiệtử …) và tiến hành các nguyên công gia công cơ nếu cần thiết để chế ạo t ra s phản ẩm ho àn thiện.
Hình 2.3. Sơ đồ trình tự các nguyên công trong dập thể tích
Hình 2.4. Sơ đồ phân loại dập khối
CN DẬP TẠO HÌNH
Dập tấm Dập tạo hình khối …
Rèn phôi Dập khối
Chồn Vuốt Uốn
…
Dập trong khuôn hở Dập trong khuôn kín
Ép chảy
…
Thiết bị tạo lực (Máy dập)
30 Phân loại theo trạng thái nhiệt độ
này Dập nóng : phôi được nung nóng tới nhiệt độ gia công. Phương pháp được sử dụng rộng rãi vì ở nhiệt độ cao kim loại biến dẻo, dễ biến dạng, dễ điền đấy lòng khuôn, yêu cầu công suất thiết bị không quá cao, thiết bị và khuôn dập ít bị mòn.
Dập nguội : Phôi được nung nóng đến nhiệt độ vừa phải hoặc không cần nung nóng. Sự biến dạng kim loại khó khăn. Khả năng điền đầy của khuôn dập kém, đòi hỏi thiết bị phải có công suất lớn, thiết bị và khuôn dập chóng mòn, có thể xuất hiện ứng suất dư trong kim loại.
Phân loại theo kết cấu lòng khuôn
Dập trong khuôn hở : Đặc điểm cơ bản của dập trong khuôn hở là chỗ sản phẩm của nó có vành biên bao quanh chu vi mặt phân khuôn. Vành biên này có ý nghĩa công nghệ đặc và khuôn không thể thiếu nó được. Thiết bị chủ yếu để dập bằng khuôn hở là máy búa và các loại máy ép.
Hình 2.5. Sơ đồ dập trong khuôn hở
Dập trong khuôn kín : là phương pháp gia công áp lực có thể dùng để dập trên máy búa, máy ép và máy rèn ngang. Mặc dù dập thể tích trong khuôn kín không có vành biên nhưng vì thể tích phôi không bằng nhau cho nên nhiều trường hợp vẫn có một lượng kim loại nhỏ chảy vào các khe hở ở các mặt phân khuôn hoặc tại khe hở giữa cần đẩy với khuôn tạo thành một lớp bavia nhỏ có thể tích thay đổi tùy theo độ chính xác của phôi.
31
Hình 2.6. Sơ đồ dập thể tích trong khuôn kín
Mỗi phương pháp dập đều có ưu nhược điểm riêng của nó. Xu thế hiện nay trong kĩ thuật người ta chú ý phát triển mạnh phương pháp dập trên khuôn kín vi nó có những ưu việt cơ bản là chất lượng sản phẩm tốt, hệ số sử dụng vật liệu rất cao so với dập trên khuôn hở. [1]
2.1.3. Ưu nhược điểm của công nghệ dập khối a. Ưu điểm
- Đồng thời với quá trình biến dạng dẻo của kim loại, trong quá trình dập tạo hình khối, cấu trúc tinh thể của kim loại bị thay đổi ( thường làm giảm độ hạt) và có thể tạo ra hướng thớ kim loại phù hợp, do đó làm cho độ bền và độ cứng chi tiết tăng lên.
- Quá trình dập tạo hình khối sẽ tiết kiệm được nhiều kim loại, nhất là trong sản xuất hàng loạt lớn và hàng khối. Do đó hạ được giá thành sản phẩm.
- Do tăng được độ bền và độ cứng nên kích thước chi tiết giảm đi, chi tiết sẽ gọn nhẹ hơn.
- Năng suất lao động caodo có thể cơ khí hóa và tự động hóa quá trình sản xuất.
- Có thể chế tạo được những chi tiết có kích nhỏ đến kích thường lớn.
32
- Nhược điểm của quá trình dập tạo hình khối
- Hầu hết các quá trình tạo hình đều được thực hiện khi phôi ở trạng thái nóng do vậy chất lượng bề mặt chi tiết thấp, độ chính xác không cao, khó khăn cho việc cơ khí hóa và tự động hóa quá trình sản xuất.
- Do phải gia công với phôi ở trạng thái nóng nên công nhân phải làm việc trong môi trường nóng, độc hại, khói bụi. Khi làm việc các thiết bị thường gây tiếng ồn lớn ảnh hưởng tới sức khỏe của người lao động.
- Hiện nay phương pháp dập tạo hình khối với phôi ở trạng thái nguôi được sử dụng khá phổ biến, khi đó độ nhẵn bóng bề mặt và độ chính xác của chi tiết được nâng cao mà không cần qua gia công cơ. Nhưng phương pháp này chỉ áp dụng được với những chi tiết nhỏ và trung bình do lực công nghệ lớn.
- Phương pháp dập tạo hình khối không thể tạo được những chi tiết có hình dạng và kết cấu phức tạp như đối với công nghệ đúc.
- Dập tạo hình khối thường phải sử dụng các thiết bị lớn, đắt tiền do vậy chỉ thích hợp với sản xuất hàng loạt lớn và hàng khối do phải đầu tư ban đầu lớn.[1]
2.2. Công nghệ dập trong khuôn hở
Đặc điểm cơ bản của dập thể tích trên khuôn hở là ở chỗ sản phẩm của nó có vành biên bao quanh chu vi của mặt phân khuôn. Vành biên này có ý nghĩa công nghệ đặc biệt và khuôn không thể thiếu nó được. Thiết bị chủ yếu để dập bằng khuôn hở là máy búa và các loại máy ép.
Với một chi tiết đơn giản ta có thể làm khuôn gồm một cối có lòng khuôn với kích thước bằng đúng kích thước vật rèn và chày là một tấm phẳng. Nếu thể tích phôi được tính toán bằng thể tích của lòng khuôn thì sau khi dập ta thu được vật có kích thước đúng như yêu cầu.
33
Hình 2.7. Dập trong khuôn hở a : phôi; b,c : khuôn lý tưởng không có góc nghiên; d,e :Khuôn có góc nghiêng thành lòng khuôn.
Tuy nhiên khi dập trong khuôn hở sẽ gặp một số khó khăn sau
- Việc lấy vật dập ra khỏi lòng khuôn gặp nhiều khó khăn vì lực ma sát giữa vật dập và vành khuôn rất lớn.
- Khi kích thước phôi không chính xác sẽ không thu được vật dập đúng kích thước. Nếu kích thước phôi lớn hơn kích thước chi tiết thì kim loại thừa sẽ làm cho vật dập cao hơn chiều cao của lòng khuôn mộ lượng bằng chiều dày lớp bavia. Còn ngược lại, khi kích thước phôi nhỏ hơn sẽ xuất hiện một vùng nào đó kim loại không được điền đầy và tại đó ta thấy kích thước vật dập se bị hụt đi.
Đối với các chi tiết phức tạp, kim loại rất khó chảy đến các vùng có trở lực biến dạng lớn trong lòng khuôn. Trường hợp này ta gọi là hiện tượng không điền đầy lòng khuôn. Nguyên nhân của nó la do định luật “ trở lực biến dạng nhỏ nhất” của kim loại khi biến dạng dẻo. Trên thực ra, ta thấy rằng kể cả khi thể tích phôi lớn hơn thể tích vật dập thì kim loại chảy ra ngoài miệng khuôn chứ không điền đầy lòng khuôn.
34
Để khắc phục hiện tượng trên ta làm khuôn dập có các góc nghiêng thành lòng khuôn.
Khi gặp các chi tiết phức tạp khó điền đầy lòng khuôn, ta tính toán thể tích phôi lớn hơn thể tích vật dập một chút, lượng kim loại thừa sẽ tràn ra khe hở giữa chày và cối. Nhưng khi chày tiến sát đến cối thì chiều dày sẽ bị giảm đi.
Nó sẽ nguội sớm hơn các vùng kim loại khác và gây ra trở lực biến dạng lớn, đóng kín cửa khuôn và không cho kim loại tiếp tục chảy ra ngoài nữa. Vì vậy lượng kim loại còn lại trong lòng khuôn bị cưỡng bức chảy vào các vùng khó điền đầy trong lòng khuôn.
Như vậy hiện tượng kim loại thừa chảy tràn ra khe hở giữa chày và cối có ý nghĩa công nghệ rất quan trọng. Nhiệm vụ của nó làm cho kim loại điền đầy lòng khuôn. Người ta đã nghiên cứu nhiều về ý nghĩa công nghệ của lớp kim loại này, tìm ra nhiều kiểu thiết kế nó và đặt tên cho nó là vành biên. Đặc điểm cơ bản nhất của phương pháp dập trong khuôn hở chính là sự có mặt của lớp vành biên này.
Sau khi dập trong khuôn hở ta cần phải cắt bỏ lớp vành biên bằng các khuôn cắt biên. Lượng kim loại tạo thành vành biên đối với các chi tiết nhỏ chiềm một tỉ lệ khá cao, làm giảm hệ số sử dụng kịm loại. Đây cũng là nhược điểm lớn của phương pháp dập trên khuôn hở. Để tiết kiệm kim loại, người ta thường chọn mặt phân khuôn ở vị trí tối ưu nhất. Đặc biệt là để giảm lượng kim loại do góc nghiêng thành khuôn gây ra.
Quá trình dập thể tích trên khuôn hở có những đặc điểm sau đây :
- Khối lượng phôi có thể không cần chính xác nhưng kích thước của vật dập sẽ giống nhau vì khi khối lượng phôi lớn hơn yêu cầu thì lượng kim loại thừa sẽ chảy hết ra theo rãnh thoát biên.
- Chiều chảy của kim loại thoát ra khỏi lòng khuôn vào các rãnh thoát biên vuông góc với chiều của lực tác dụng.
- Thớ kim loại tại nơi cắt vành biên sẽ không liên tục.
35
- Khối lượng kim loại ở trong lòng khuôn giảm dần đi trong quá trình tăng lực vì có một lượng kim loại chảy ra khỏi khuôn qua rãnh thoát biên.
2.2.1. Mặt phân khuôn
Mặt phân khuôn trên khuôn hở có nhiệm vụ chủ yếu là để đặt phôi vào lòng khuôn và để lấy vật dập ra khỏi lòng khuôn. Nó có thể là mặt phẳng hoặc không phẳng. Mặt phân khuôn chia khuôn dập làm 2 phần: nửa khuôn trên và nửa khuôn dưới. Vị trí của mặt phân khuôn chủ yếu dựa vào hình dáng vật dập. Đối với các vật dập có hình dáng là các khối hình học không gian đơn giản. Ta có thể chọn đượ các mặt phân khuôn tối ưu. Nhưng đối với các vật dập phức tạp thì ưu tiên đầu tiên để lựa chọn mặt phân khuôn đấy chính là phải giải quyết trước mắt sao cho có thể tháo được vật dập ra khỏi lòng khuôn.
Sau đó mới có thể căn cứ vào các chi tiêu kinh tế và kỹ thuật mà cân nhắc, so sánh các khả năng để chọn mặt phân khuôn tối ưu trong phạm vi rất hạn chế.
Hình 2.8. Mặt phân khuôn với các vật dập đơn giản
- Hình cầu : Khả năng chọn mặt phân khuôn tốt nhất đối với ác vật dập hình cầu là tại thiết diện qua tâm I I. Nếu chọn mặt phân khu- ôn khác
36
nhất thiết phải làm lượng thêm thì mới có thể lấy vật dập ra khỏi lòng khuôn.
- Hình hộp : Hình hộp có thể có nhiều khả năng chọn mặt phân khuôn.
Các bề mặt ngoài của hộp 1 , các bề mặt song song với các mặt ngoài 2 và các bề mặt chéo của hình hộp 3. Nếu chọn các mặt 1 thì phải làm lượng thêm tại mặt 4 mặt trên toàn bộ chiều cao hộp. Nếu chọn các mặt 2 thì số lượng phải làm lượng thêm vẫn là 4 nhưng khối lượng kim loại vào lượng thêm giảm đi và ít nhất là tại thiết diện chia đôi hộp. Nhưng khả năng tối ưu là lựa chọn mặt phân khuôn tại các thiết diện 3, vì ta có thể lợi dụng được các góc nghiêng sẵn có của chi tiết làm góc nghiêng thành lòng khuôn. Chỉ cần làm thêm các góc nghiêng thành lòng khuôn tại hai mặt đáy là có thể lấy vật dập ra khỏi lòng khuôn một cách dễ dàng.
- Hình trụ : Các vật dập hình trụ cũng có thể có nhiều khả năng chọn mặt phân khuôn. Ta có thể phân vật dập hình trụ làm hai loại là hình trụ ngắn và hình trụ dài. Đối với các hình trụ ngắn thì mặt phân khuôn là mặt số 2 còn với á hình trục dài thì mặt phân khuôn là mặt 3. Nếu chọn các mặt phân khuôn tại thiết diện khác thì sẽ hao tổn kim loại và lượng thêm vào nhiều hơn.
- Hình nón cụt : Nếu góc côn đủ lớn để lấy sản phẩm ra khỏi khuôn thì tốt nhất là chọn máy đáy 1 làm mặt phân khuôn. Như vậy chế tạo khuôn cũng đơn giản hơn. Nếu vật dập quá dài mà làm mặt phân khuôn tại đáy thì sẽ ảnh hưởng tới chiều cao khối khuôn, nhiều khi dài quá không thể dập được. Hoặc trong trường hợp nhỏ không đủ để lấy vật dập ra khỏi khuôn thì chỉ còn 1 khả năng tốt nhất là chọn phân khuôn tại tiết diện 2.
Trong thực tế vật dập có hình dáng phức tạp, nhưng bao giờ cũng là những hình không gian cơ bản ghép lại với nhau. Nếu ta chọn tiết diện có chu vi lớn nhất làm mặt phân khuôn thì khả năng điền đầy khuôn sẽ tốt hơn vì chiều sâu lòng khuôn sẽ thấp hơn, nhưng lại tốn kim loại vào vành biên nhiều hơn, giảm lượng thêm có góc nghiêng thành lòng khuôn. Lực máy trong trường hợp này
37
cũng lớn hơn. Chính vì vậy khi gặp một vật dập phức tạp thì phải cân nhắc mọi khả năng có thể của mặt phân khuôn. Và chọn phương án thích hợp nhất để kết hợp được mọi yếu tố như : Lực máy, sự hao tổn kim loại, sự điền đầy lòng khuôn, và khả năng lấy vật dập ra khỏi lòng khuôn,...
Vị trí của mặt phân khuôn ảnh hưởng đến chất lượng của chi tiết, tuổi thọ của chi tiết khi sử dụng nó vì nó quyết định việc phân bố thớ kim loại trong chi tiết.
Cùng một chi tiết có thể có nhiều cách chọn mặt phân khuôn khác nhau và do đó hình dạng vật dập và chất lượng sản phẩm cũng khác nhau.
Hình 2.9. Ảnh hưởng của vị trí mặt phân khuôn tới chất lượng vật dập H <
Thông thường khi D ta sẽ chọn phương án dập dọc, như vậy có thể đột được lỗ mà lượng thêm vào cũng ít. Ngược lại thì ta chỉ nên chọn phương án dập dọc khi chi tiết là các chi tiết dạng, do yêu cầu cấu tạo thích hợp với chi tiết. Còn các trường hợp khác thì nền dập ngang, như vậy mới có thể tiết kiệm kim loại và dễ tháo vật dập ra khỏi lòng khuôn.Với các chi tiết làm việc trong điều kiện nặng nhọc thì phải chọn mặt phân khuôn sao cho thớ kim loại được phân bố tốt nhất.
Trên các bản vẽ vật dập, vị trí mặt phân khuôn thường được kí hiệu bằng ác đường phân khuôn. Đường phân khuôn chính là hình chiếu của các mặt phân khuôn trên một mặt phẳng vuông góc nào đó. Nếu mặt phân khuôn phẳng thì đường phân khuon thẳng, nếu mặt phân khuôn là mặt gấp khúc thì đường phân khuôn là gấp khúc.
2.2.2. Vành biên và rãnh thoát biên
Khi dập thể tích trên khuôn hở bao giờ thể tích phôi cũng được lấy lớn hơn thể tích vật dập. Lượng kim loại đấy làm nhiệm vụ đóng cửa khuôn tạo áp lực
38
trong lòng khuôn để kim loại chảy vào các góc hẹp, rãnh sâu của lòng khuôn, làm điền đầy lòng khuôn. Sau đó lượng kim loại thừa sẽ được ép ra ngoài lòng khuôn tạo thành lớp bavia lớn, ta gọi là vành biên.
Toàn bộ khối lượng kim loại thừa chẩy từ lòng khuôn ra ngoài phải qua rãnh hẹp gọi là cầu vành biên và ra một rãnh rộng hơn gọi là túi chứa kim loại. Cả khoảng không trên khuôn gồm cầu vành biên, túi chứa kim loại gọi chung là rãnh thoát biên.
Hình 2.10. Vành biên và rãnh thoát biên 2.2.2.1. Rãnh thoát biên khi dập trên máy búa
Về nguyên lý, rãnh thoát biên có thể thiết kế như hình trên, cầu vành biên là góc lượn có bán kính r, túi chứa kim loại phải sao cho thể tích của nó lớn hơn thể tích kim loại vành biên. Nhưng qua thực tế sản xuất người ta nhận thấy rằng nếu bán kính góc lợn r quá nhỏ thì cầu vành biên dễ bị lún và khi đó kim loại chảy vào vành biên sớm làm cho kim loại không thể điền đầy lòng khuôn.
Nếu làm bán kính r quá lơn và chiều cao cầu rành biên nhỏ sẽ làm cho kim loại thừa khó chảy ra vành biên và lực dập cần thiết sẽ tăng lên rất nhiều.
Cho tới nay qua kinh nghiệm sản xuất người ta đã tìm ra 6 kiểu rãnh thoát biên thường dùng.
Để khắc phục hiện tượng nún cầu vành biên người ra đã làm chiều dài đầu lớn lên so với vành biên nguyên lý. Thay thế cho bán kinh góc lượng r bằng một đoạn thẳng có chiều cao h và chiệu rộng b phân bố đối xứng qua mặt phân khuôn. Nhưng thấy rằng nếu làm theo kiểu 1 thì nửa khuôn dưới kém bền hơn nửa khuôn trên. Nguyên nhân chủ yếu cho việc hỏng lòng khuôn là do nú cầu