Giáo trình công nghệ rèn và dập khối

Giáo trình gồm các Chương: Chương 1: Vật liệu sử dụng trong công nghệ rèn và dập khối. Chương2: Chế độ nhiệt trong công nghệ rèn và dập nóng. Chương3: Ảnh hưởng của rèn và dập khối đến tổ chức và cơ tính của Kim Loại. Chương 4: Giới thiệu chung về sản xuất rèn. Chương 5: Các nguyên công rèn tự do. Chương 6: Thành lập các quy trình công nghệ rèn tự do. Chương 7: Những vấn đề chung về dập khối. Chương 8: Dập khối trên búa máy....

Phần thứ nhất Những vấn đề chung

Chơng 1

Vật liệu sử dụng trong công nghệ rèn và dập khối

1.1 Phôi liệu trong công nghệ rèn và dập khối

Cũng nh các dạng gia công kim loại bằng áp lực khác, rèn và dập khối dựa trên cơ sở sử dụng tính dẻo của vật liệu để làm biến dạng phôi và tạo hình sản phẩm Vì vậy, vật liệu để rèn và dập khối phải là vật liệu có tính dẻo cao, ví dụ

nh các loại thép, các loại hợp kim màu, chủ yếu là hợp kim nhôm, hợp kim magie, hợp kim đồng và một số hợp kim niken, hợp kim titan, v.v

Thông thờng, kim loại nguyên chất có tính dẻo cao hơn các hợp kim của chúng Chẳng hạn nh đối với thép, khi tăng hàm lợng cacbon, silic, mangan, photpho, lu huỳnh và các nguyên tố hợp kim, thì tính dẻo của thép giảm đi Nếu trong thép có hàm lợng S > 0,045% thì thép dễ bị giòn nóng, tức là dễ bị nứt nóng trong khoảng nhiệt độ rèn Còn photpho làm giảm độ dẻo của thép khi gia công ở trạng thái nguội (nứt nguội)

Khi tăng hàm lợng cacbon, trong thép sẽ tạo ra pha cacbit nhiều hơn làm giảm tính dẻo và độ rèn, ngoài ra còn làm giảm tính hàn của thép

Silic trong thép với hàm lợng lớn hơn 1,7% sẽ làm giảm tính hàn của thép Mangan có tác dụng làm giảm ảnh hởng xấu của lu huỳnh nhng lại làm giảm độ dẫn nhiệt, dễ gây quá nhiệt khi nung

Các yếu tố hợp kim nh Ni, Cr, Mo, V, W làm giảm độ dẫn nhiệt của thép, một số nguyên tố hợp kim tạo cácbit nh Mo, W lại dễ gây quá nhiệt Vì thế, khi rèn và dập nóng thép cao cacbon và thép hợp kim cao cần phải có các chế độ gia công đặc biệt

Một số hợp kim màu có tính dẻo thấp, ngoài ra còn có khoảng nhiệt độ rèn dập nhỏ và rất dễ nhạy cảm với tốc độ biến dạng, với sơ đồ trạng thái ứng suất và

sự không đồng đều biến dạng nên đòi hỏi phải có chế độ gia công nghiêm ngặt hơn nữa

Tính dẻo của vật liệu đã đợc giới thiệu trong chơng trình Vật liệu học, Lý

thuyết biến dạng dẻo và Lý thuyết gia công kim loại bằng áp lực Mục đích của

phần này là xem xét các dạng phôi có khả năng sử dụng để rèn và dập nóng (hình dạng, kích thớc, phơng pháp tạo phôi, và lĩnh vực sử dụng)

1.1.1 Thỏi đúc (gù đúc)

Thỏi đúc (còn gọi là gù đúc) đợc đúc trong các khuôn đúc thỏi tại các phân xởng luyện thép hoặc phân xởng đúc lớn chủ yếu dùng làm phôi ban đầu cho phân xởng cán phá hoặc phân xởng rèn

a) Hình dạng và khối lợng

Thỏi thép (thỏi đúc bằng thép) dùng để rèn có khối lợng thờng từ 200 kg đến

350 tấn Thỏi thép (hình 1.1) thờng bao gồm ba phần: phần đầu (1), phần giữa (2), và phần đuôi (3) Phần đầu và phần đuôi là những phần có nhiều khuyết tật nên thờng phải cắt bỏ trớc khi rèn Phần giữa có dạng hình tháp cụt có từ 6 đến

12 cạnh với độ côn từ 0o30’ đến 1o Để tiện cho rèn dập, gù thép thờng có tỷ lệ giữa độ dài và đờng kính trung bình vào khoảng 1,82,5 Sau khi ép cạnh, tỷ lệ này tăng lên tới 2,12,8 để khi chồn phôi không bị cong Trờng hợp trong quá trình rèn không cần đến nguyên công chồn thì tỷ lệ này có thể lên tới 44,5 Tiết diện ngang của gù có thể có dạng tròn, dạng đa giác đều (612 cạnh) Các cạnh hơi lõm vào theo suốt chiều dài hoặc một phần phôi

Hình 1.1 Hình dạng của gù đúc

bằng thép

Gù thép dùng để rèn thờng đợc đúc từ thép lắng (hình 1.1), tức là thép đợc khử oxy trớc khi đổ khuôn Trong trờng hợp này gù thép có độ mịn chặt cao hơn

so với gù thép đợc đúc từ thép sôi

b) Cấu trúc tinh thể của thỏi thép

Nếu cắt dọc trục gù thép lắng, quan sát thấy cấu trúc tinh thể của gù thép theo tiết diện đứng khác nhau, do quá trình kết tinh của kim loại trong khuôn xảy

ra không giống nhau

Quá trình kết tinh trớc hết bắt đầu từ vỏ khuôn nguội và kết thúc ở lõi gù, vỏ ngoài của gù là một lớp kim loại mỏng 1 có độ hạt rất mịn do tốc độ làm nguội nhanh

Tiếp giáp với lớp vỏ mỏng này và

vuông góc với thành khuôn là các nhánh tinh

thể đenđrit, đầu tiên là các lớp có độ hạt nhỏ

2, tiếp sau là lớp có độ hạt lớn 3, tiếp sau nữa

là lớp lớn hơn 4 có hớng kết tinh hơi nghiêng

một góc so với lớp ngoài Giữa thỏi là lớp

kim loại kết tinh sau cùng, tạo ra các tinh thể

đẳng hớng hoặc các tinh thể đenđrit sắp xếp

hỗn loạn xen kẽ với các hạt lớn 6 Tỷ lệ giữa

phần vỏ có tinh thể đenđrit với phần lõi có

cấu trúc hạt đẳng trục phụ thuộc vào điều

kiện kết tinh (tốc độ làm nguội, thời gian làm

nguội, nhiệt độ .) và thành phần hoá học

của gù thép Nói chung chất lợng phần lõi

kém hơn so với phần vỏ gù

Hình 1.2 Sơ đồ cấu tạo của gù

đúc bằng thép

c) Các khuyết tật của thỏi đúc

1 Lỗ co Kim loại lỏng có thể tích lớn hơn kim loại đã kết tinh Vì vậy, sau

khi đổ khuôn, kim loại kết tinh sẽ có thể tích nhỏ đi và để lại các lỗ hổng Lỗ hổng này đợc gọi là lỗ co Lỗ co thờng nằm ở phần đầu của gù, có thể lớn hoặc

có thể nhỏ tuỳ thuộc vào phơng pháp đúc và kích thớc gù Khi đúc cần chú ý sao cho phần lỗ co này chỉ nằm ở phần đầu của gù đúc để khi cắt đi tiết kiệm đợc kim loại hơn

2 Rỗ khí Khi kết tinh có một phần nhỏ các chất khí không kịp thoát ra khỏi

khuôn đúc, tạo thành các bọt khí, gây rỗ khí Khi rèn, nếu các bọt khí này không gây oxy hoá thì chúng đợc hàn lại

3 Thiên tích Thỏi đúc không chỉ có cấu trúc không đồng nhất khi kết tinh

mà nó còn không đồng nhất về thành phần hoá học Phân biệt hai loại thiên tích

là thiên tích vùng và thiên tích hạt (thiên tích đenđrit) Thiên tích vùng đợc đặc trng bằng sự gia tăng tạp chất theo hớng từ bề mặt vào phần lõm co, nơi kim loại

kết tinh sau cùng (các tạp chất phi kim thờng nhẹ hơn) Thiên tích đenđrit là do

sự gia tăng tạp chất kể từ trục đenđrit đến mặt ngoại vi của đenđrit

Mức độ thiên tích phần lớn phụ thuộc vào đặc điểm của giản đồ trạng thái Thực tế cho thấy hợp kim cùng tinh dễ bị thiên tích hơn hợp kim tạo thành dung dịch rắn Mức độ thiên tích có thể giảm xuống nếu làm nguội nhanh, sau đó làm nguội chậm vật đúc

4 Sẹo Khi rót thép vào khuôn có những hạt kim loại bắn lên thành khuôn và

đông cứng ngay Khi thép lỏng chảy đến chỗ đó thì các hạt này đã bị oxy hoá, không hoà tan đợc vào kim loại lỏng và tạo thành sẹo Khi rèn, các sẹo này sẽ bị bong ra

5 Tạp phi kim Các tạp phi kim lẫn trong xỉ có thể rơi vào kim loại lỏng và

trong thỏi thép, tạp chất này làm giảm phẩm chất của vật đúc

6 Các vết nứt rạn Thỏi thép có thể bị nứt dọc hoặc nứt ngang ở bên ngoài

hoặc bên trong Vết nứt ngang ngoài thờng xuất hiện khi làm nguội do khuyết tật của khuôn mà dòng kim loại lỏng không kịp thời bổ sung vào lõm co theo chiều dài Vết nứt dọc ngoài chủ yếu là do làm nguội nhanh dọc các cạnh của thành khuôn và đi sâu vào vùng tinh thể dạng cột Để tránh khuyết tật này, hình dạng của thỏi đúc thờng có dạng đa giác đều nhiều cạnh Mặt khác cũng không nên

đúc thỏi có tiết diện hình tròn vì trong trờng hợp này khả năng tạo vết nứt dọc trong thời gian làm nguội sẽ lớn hơn do khi làm nguội có sự giảm nhiệt độ và sự chênh lệch lớn về nhiệt độ giữa phần tâm thỏi đúc và mặt ngoài theo chu vi và có nguy cơ xuất hiện ứng suất nhiệt ứng suất nhiệt sẽ phát triển mạnh khi có sự thay đổi về thể tích do chuyển biến pha làm xuất hiện ứng suất tiếp tuyến lớn và tạo thành các vết nứt dọc ngoài Vết nứt trong xuất hiện khi nung chủ yếu là do khi nung thỏi thép nguội trong lò nóng gây ứng suất nhiệt độ

7 Vòng khớp Vì một lý do nào đó, khi rót thép lỏng dòng thép bị ngắt

quãng, không liên tục, làm phần dới thỏi thép đã đông đặc mà phần trên cha kịp chảy xuống, khi rót tiếp thì phần dới đã bị oxy hoá bề mặt tạo thành mặt ngăn cách giữa hai phần và khi rèn sẽ bị nứt

d) Chuẩn bị thỏi đúc trớc khi rèn

Thỏi đúc trớc khi rèn cần đợc làm sạch bề mặt Có các cách làm sạch bề mặt sau:

- Làm sạch bằng ngọn lửa đèn xì - dùng đèn xì nhiệt độ cao làm sạch các khuyết tật sẹo và hàn các vết nứt nhỏ trên bề mặt Nhợc điểm của phơng pháp này

diện đơn giản nh vuông, tròn,

lục lăng, chữ nhật, tam giác

đến loại có tiết diện phức tạp

(hình 1.3a,b)

- Thép cán chu kỳ - sản

phẩm cán có tiết diện thay đổi

theo chu kỳ dọc chiều dài phù

Đối với các chi tiết có hình dáng phức tạp, sản lợng không cao, đợc chuẩn bị qua rèn tự do, sau đó đợc đa vào các máy dập Đây là một trong những khâu chuẩn bị phôi cho dập khối đợc đợc áp dụng khá phổ biến khi dập trên máy búa trong điều kiện không đủ thiết bị rèn - dập

b) Phôi đúc

Nhằm cải thiện tổ chức của vật đúc, vật đúc có thể đợc đa qua dập khối để tinh chỉnh kích thớc và thay đổi tổ chức hạt

c) Phôi qua gia công cơ

Trong trờng hợp dập khối nguội hoặc dập trong khuôn kín cần có vật dập với

độ chính xác cao, nhiều khi sau khi dập không cần gia công cơ tiếp sau, ngời ta

có thể sử dụng phôi đã qua gia công cơ để dập nhằm đảm bảo năng suất, chất ợng và phần nào tiết kiệm kim loại

l-1.2 Cắt phôi

Trớc khi rèn hoặc dập một sản phẩm, cần phải tính toán chọn kích thớc phôi sao cho thể tích và kích thớc phôi càng gần giống với hình dạng sản phẩm càng tốt Trờng hợp tối thiểu là phải cắt phôi có thể tích phù hợp với sản phẩm Trừ khi phải rèn một chi tiết lớn từ gù đúc, các trờng hợp còn lại sử dụng sản phẩm cán làm phôi thì cần phải cắt sản phẩm cán có chiều dài phù hợp Quá trình cắt phôi thờng đợc thực hiện trong các phân xởng chuẩn bị Có các phơng pháp cắt sau:

1.2.1 Cắt trên máy cắt

Hình 1.4 Sơ đồ cắt phôi trên máy cắt

Thanh cán 1 đợc đa tới máy cắt, đặt trên bàn máy và dịch chuyển trên con lăn dẫn 6 cho đến khi chạm vào cữ chặn 4 Sau đó, tấm kẹp 2 hạ xuống, nhờ lực kẹp thanh cán đợc kẹp chặt trên máy Tiếp theo, cho máy vận hành lỡi cắt trên 3

và lỡi cắt dới 5 sẽ cắt phôi Phần đợc cắt sẽ rơi vào thùng chứa phôi

Lỡi cắt trên và lỡi cắt dới với góc mài sắc  = 90o đợc đặt cách nhau một

khoảng hở z Quá trình cắt xảy ra theo ba giai đoạn sau:

Hình 1.5 Sơ đồ tác dụng lực và hình dạng mặt cắt khi cắt phôi tròn trên máy cắt a) vùng bị dập; b) vùng bị thắt; c) vùng bị cắt bằng lỡi cắt; d) vùng bị vỡ

1) và 3) lỡi cắt; 2) tấm chặn phôi; 4) cữ chặn

ở giai đoạn đầu, hai lỡi cắt 1 và 3 chạm vào phôi có đờng kính D0 sẽ tạo thành một ngẫu lực có mômen P.a Mômen của ngẫu lực này có xu hớng lật ngợc

và làm cong phôi, chính vì vậy các lỡi cắt này ngập vào kim loại phôi chỉ một phần diện tích công tác của chúng Tại bề mặt tiếp xúc giữa phôi và lỡi cắt, bề mặt phôi bị dập bẹp ứng suất tiếp xúc tại đây tăng dần lên cùng với tốc độ biến dạng và trở lực biến dạng theo mức độ ngập sâu dần của lỡi cắt ở giai đoạn này lỡi cắt ngập vào phôi làm phần phôi tỳ trên gối tựa của cữ chặn 4 quay đi một góc

đáng kể n gọi là góc uốn Phần phôi đợc giữ lại trên rãnh dẫn hớng nhờ lực chặn

N của tấm chặn 2 hầu nh không bị quay, nên góc z nhỏ Vì rằng n > z cho nên mức độ bị dập bẹp tại các bề mặt tiếp xúc của phôi với lỡi cắt trên và lỡi cắt dới không đều Các góc n và z còn đợc gọi là các góc dập bẹp

ở giai đoạn hai lỡi cắt tiếp tục đi xuống và tạo ra phần dập bẹp với ứng suất tăng dần cho đến khi xuất hiện vết nứt tại mỗi mép của lỡi cắt

Giai đoạn ba đợc đặc trng bằng sự phát triển của vết nứt tại mỗi mép lỡi cắt và bẻ gãy phôi Trên mặt cắt của phôi xuất hiện ba vùng đặc trng cho ba giai đoạn cắt này Ngoài các lực tác dụng P (Pt của lỡi cắt trên và Pd của lỡi cắt dới), trên hình 1.5 còn thể hiện các lực ma sát tiếp xúc (Q và Pt của lỡi cắt trên và G và Pd

của lỡi cắt dới) và các lực Q và G làm tăng khe hở giữa phôi và các lỡi cắt Trong công nghệ cắt phôi, ngời ta phấn đấu sao cho chất lợng mặt cắt tốt nhất, tức là các mặt cắt phải tạo ra hai vết nứt để chúng gặp nhau và tạo thành mặt cắt liên tục

Nếu khe hở z quá nhỏ, các vết nứt không gặp nhau và mặt cắt không phải là mặt cắt liên tục, khi dập các phôi này dễ xuất hiện các nếp gấp Ngợc lại, nếu khe

hở z giữa hai lỡi cắt quá lớn thì dễ có ba via và nhiều khi làm mẻ cả lỡi cắt Lực kẹp N quá nhỏ thì mômen uốn P.a sẽ làm phôi bị quay đi một góc lớn hơn và cũng dễ tạo thành bavia

Khi cắt có thể xuất hiện các vết nứt ngang trên mặt cắt Nguyên nhân chủ yếu là do ứng suất d quá lớn xuất hiện khi lỡi cắt ngậm vào phôi Vết nứt ngang thờng xuất hiện đối với các hợp kim giòn, nhất là khi cắt phôi ở nhiệt độ thấp Vì vậy, để tránh khuyết tật này thờng tiến hành nung sơ bộ thanh cán đến nhiệt độ

450  500o C trong các lò nung chuyên dụng

Thực tế sản xuất cho thấy khe hở z giữa hai lỡi cắt trên và dới thờng lấy bằng

2  4% chiều dày (Ho) hoặc đờng kính (Do) của phôi Trong trờng hợp đề phòng lỡi cắt bị cùn và sự dịch chuyển của lỡi cắt do đàn hồi thì khe hở giữa các lỡi cắt thờng lấy cao hơn và đạt tới 5  6% Do

Nhợc điểm của phơng pháp cắt phôi trên máy cắt là khi lực kẹp phôi không

đủ thì góc vát ở mặt cắt có thể đạt tới 12o gây phế phẩm và lãng phí kim loại Thậm chí ở những phôi đợc cắt ra với góc vát khoảng 2  3o khi có lực chặn đủ lớn thờng cũng là những mặt cong không thể tính toán đợc Chính các mặt cong này cũng làm ảnh hởng lớn đến hệ số sử dụng kim loại Để khắc phục nhợc điểm này, ngời ta sử dụng phơng pháp cắt phôi bằng khuôn cắt

1.2.2 Cắt bằng khuôn cắt

Để nâng cao chất lợng mặt cắt, đối với phôi thanh không lớn lắm (D  50 mm) hoặc trong trờng hợp thiếu máy cắt ngời ta thờng dùng các khuôn cắt trên

máy ép trục khuỷu vạn năng Khi cắt phôi thanh trong khuôn cắt sử dụng các sơ

3 Cắt phôi thanh có nén ép dọc trục

Về mặt công nghệ, sơ đồ cắt thứ nhất không khác so với sơ đồ cắt phôi thanh trên máy cắt Sơ đồ cắt thứ hai đợc thực hiện dới dạng một số phơng án, trong đó phơng án cắt bằng dao cắt có hình dạng bạc liền là phổ biến hơn cả Để đặt phôi

tự do vào các bạc liền, kích thớc bạc phải hơi lớn hơn so với kích thớc của phôi thanh có dung sai dơng Điều này làm cho phôi thanh bị nghiêng ở giai đoạn thứ nhất và bị uốn ở giai đoạn thứ hai, để sau đó thực hiện theo sơ đồ cắt phôi đợc kẹp theo tiết diện ngang Chất lợng mặt cắt theo phơng pháp này cao hơn so với cắt thông thờng Dạng hoàn thiện hơn là cắt theo sơ đồ thứ hai nhờ sử dụng dao cắt dới dạng bạc ghép hai nửa Mặc dù không đạt đợc sự tiếp xúc hoàn toàn giữa

bề mặt làm việc của bạc với kích thớc phôi đã cho, nhng không còn khe hở giữa các bạc hai nửa và phôi thanh theo hớng ghép vào nhau và loại đợc sự cong vênh của thanh cán và phôi

Cắt theo sơ đồ thứ ba khác với tất cả các phơng pháp cắt trên đây vì nó đảm bảo biến dạng trợt dẻo của một phần phôi thanh so với phần còn lại mà không tạo thành vết nứt trớc hoặc vùng gãy Khe hở tại mặt phẳng cắt trong trờng hợp này không chỉ là không cần thiết, mà còn có hại Để thực hiện sơ đồ cắt này, sử dụng các lỡi cắt ghép dạng bạc và ép chặt dọc trục phôi để khử khe hở giữa phôi thanh

và lỗ bạc ở vị trí ghép Lực nén ép cần phải đủ để khắc phục áp lực tháo ra khi lắp phôi Do vậy, trớc khi cắt phôi kim loại nằm ở trạng thái ứng suất nén, trạng thái ứng suất này loại trừ khả năng tạo vết nứt vuông góc khi có biến dạng trợt Phôi đợc cắt theo phơng pháp này có bề mặt nhẵn và không có góc vát Ngoài ra, nhờ trợt ép có thể cắt các phôi ngắn hơn với độ chính xác theo chiều dài 0,1

mm Nếu nh trên máy cắt chỉ có thể cắt đợc các phôi có tỷ số Lo/Do  0,7  0,8 thì khi cắt bằng khuôn cắt tỷ số này có thể giảm xuống còn 0,5  0,6 và đôi khi với thép cứng (thép ổ lăn chẳng hạn) thì tỷ số này có thể xuống tới 0,3

Kích thớc bao của lỡi cắt phụ thuộc vào khoảng trống để lắp nó trong máy cắt và trong khuôn cắt Chiều dày b của lỡi cắt (hình 1.6) phụ thuộc vào sơ đồ lắp

nó Nếu các lỡi cắt đặt cách nhau một khoảng là z thì:

b E z

2 (1.1) trong đó: E - khoảng cách giữa hai mặt phẳng lắp lỡi cắt

Nếu lỡi cắt lắp xít nhau không có khe hở thì:

Trong trờng hợp nh vậy ngời ta làm rãnh về một phía của lỡi cắt có độ rộng

là z/2 Ưu việt của loại lỡi cắt này (hình 1.6) là khe hở z luôn đợc đảm bảo và nếu các lỡi cắt bị dơ thì điều chỉnh lại cũng dễ hơn, chính xác hơn và luôn đảm bảo các lỡi cắt chuyển động song song nhau Chiều dày lỡi cắt thờng lấy khoảng (0,40,5)Do (hoặc (0,40,5)Ho) Chiều cao lỡi cắt đợc chọn căn cứ vào khoảng cách giữa các mặt tỳ của lỡi cắt trên máy và là lợng cần thiết để tránh sự va đập giữa hai l-

ỡi cắt:

h Hmax C

2

trong đó:

Hmax - chiều cao hở của khoảng trống lắp lỡi cắt ; và

C - lợng trùng nhau (lợng gối nhau) của hai lỡi cắt

Lợng C có thể đợc tính nh sau:

trong đó: k - hệ số tỷ lệ, phụ thuộc vào kích thớc phôi (bảng 1.1)

Bảng 1.1 Hệ số k và C phụ thuộc vào kích thớc D o (H o )

Bảng 1.1

Do hoặc Ho, mm 40 60 80 100 120 160 180 250

k 0,02 0,04 0,05 0,06 0,07 0,08 0,09 0,1

C, mm 16,8 18,4 20,0 22,0 24,4 28,8 32,0 41 Chiều dài L của lỡi cắt hoàn toàn phụ thuộc vào khoảng không của máy cắt dùng để lắp lỡi cắt

Khi cắt phôi tròn thì ứng với mỗi loại đờng kính có một cặp lỡi cắt riêng, nên cần phải làm bán kính lợn của lỡi cắt ở mép cắt để dễ dàng đẩy phôi qua lỗ cắt (R thờng lấy bằng 12%Do), còn đối với phôi vuông thì có thể cắt đợc tất cả các loại phôi có Ho  Hp (Hp là kích thớc của phôi vuông lớn nhất có thể cắt đợc)

Mép cắt của các lỡi cắt có thể làm vuông hoặc nhọn, nhng nếu làm nhọn thì cũng không đợc nhỏ hơn 85o, vì nếu mép cắt nhọn có thể làm giảm lực cắt nhng lại làm tăng bề mặt bị dập, do đó chỉ dùng để cắt vật liệu giòn ở trạng thái nguội

Đối với phôi có tiết diện vuông thờng đợc cắt theo chiều đờng chéo vì cắt theo đờng chéo mặt cắt ít bị dập hơn và công cắt theo đờng chéo cũng giảm từ 15

đến 20% so với công cắt theo cạnh phôi

Sau khi xác định các kích thớc bao của lỡi cắt và biết hành trình của máy cắt, tiến hành vẽ các lỡi cắt ở vị trí cao nhất và xác định khoảng cách giữa hai đầu của lỡi cắt khi không làm việc Hmax, đồng thời xác định độ trùng C của hai lỡi cắt Khi xây dựng rãnh bao công tác để cắt phôi tròn, sử dụng bán kính R cho sẵn (đối với phôi cụ thể) Để dễ đa phôi vào lỗ cắt giữa hai lỡi cắt, ngời ta thờng làm

lỗ này theo hình ovan có đờng kính lớn là hd, trong đó khoảng cách giữa hai tâm các bán kính R của hai lỡi cắt đợc xác định theo công thức:

2m = 2(0,05  0,20)R

Để phôi sau khi cắt tự rơi ra khỏi rãnh cắt, ngời ta thờng làm góc nghiêng cạnh bên  = 812o (hình 1.7a) Từ hình 1.7 suy ra rằng, hành trình hữu hiệu của lỡi cắt trên đợc tính nh sau:

X = Do - (Hd - S) trong đó: S - hành trình toàn phần của máy cắt

Hình 1.7 Sơ đồ thiết kế lỡi cắt để cắt phôi thanh a) lỡi cắt phôi tròn; b) lỡi cắt phôi vuômg

Đối với lỡi cắt dùng để cắt phôi vuông (hình 1.7b), nếu cạnh phôi vuông là

Ho thì chiều sâu của rãnh cắt đợc tính nh sau:

1 4, 0 7,Sau khi thay các trị số nêu trên, hmin  0,8Ho + 8 mm

Trong trờng hợp kích thớc của phôi cắt có trị số nhỏ hơn trị số tính toán Ho

thì cần phải kiểm tra hành trình hữu hiệu X của lỡi cắt có đảm bảo là X  (0,8  0,9)Do hay không

Khuôn cắt có thể có một lỡi cắt hoặc có nhiều lỡi cắt, hoặc lỡi cắt nguyên hoặc lỡi cắt ghép Đối với các máy cắt lớn, nếu làm lỡi cắt nguyên sẽ tốn vật liệu

và gây khó khăn khi mài mép cắt, ngợc lại đối với các máy cắt nhỏ nên làm lỡi cắt nguyên cho đơn giản

Vật liệu dùng làm lỡi cắt là các loại thép dụng cụ: CD10, CD12 hoặc thép hợp kim dụng cụ: 50CrNiMo, 50CrMnMo, 40CrSi, 80Cr3, 50CrW2Si, v.v Sau khi tôi và ram phải đạt độ cứng 444514 HB Ngoài ra, lỡi cắt có thể đợc gắn hợp kim cứng nh WCCo20, WCCo25, v.v

1.2.4 Tính lực cắt và chọn máy cắt

Máy cắt thờng dùng để cắt phôi là loại truyền động cơ khí với kết cấu của trục chính là trục lệch tâm, trục khuỷu hoặc trục cam Máy ép dùng để cắt phôi khác máy ép dùng để dập ở chỗ nó có số hành trình trong một phút lớn hơn (9 

45 hành trình/ phút đối với máy có lực ép danh nghĩa 0,416 MN (401600 T)) Lực cắt có thể đợc xác định theo công thức:

P = k.Fc.c (1.4) trong đó:

thờng (dễ bị dập bẹp) ngời ta có thể nung phôi đến nhiệt độ giòn nguội (300oC)

để dễ bẻ hơn

Nguyên tắc cơ bản của bẻ nguội là dùng mômen uốn gây ứng suất tập trung

đột ngột (hình 1.8) ứng suất tập trung đạt trị số rất cao làm giảm tính dẻo của vật liệu và gây phá huỷ giòn

thời điểm phôi bị bẻ

Để đạt đợc điều này, ngời ta cắt nhớm vào phôi một độ sâu h đợc tính nh sau:

h k 3 Hotrong đó:

Ho - cạnh hình vuông hay đờng kính phôi;

k - hệ số phụ thuộc vào độ dẻo của thép; k = 1  2

Đối với thép giòn k lấy giá trị nhỏ

Sơ đồ đợc thể hiện trên hình 1.8 cho thấy ứng suất cục bộ gần chỗ cắt nhớm tăng rất nhanh, vợt quá giới hạn bền của vật liệu trớc khi ứng suất trung bình đạt tới giới hạn chảy; vì thế tạo ra vết nứt và hầu nh tức thời gây phá huỷ phôi mà không kịp để biến dạng dẻo xảy ra

Phơng pháp này đợc sử dụng để cắt phôi thanh thành những phôi có chiều dài đều nhau nhờ thiết bị bẻ nguội

Theo sơ đồ trên hình 1.8, chày bẻ nguội 3 gây ra lực P lên phôi tại tiết diện cần bẻ về phía ngợc chiều với vết cắt nhớm Tại hai gối tựa 1 và 2 sẽ có các phản lực bằng P/2 cách nhau một đoạn lo

Giá trị mômen uốn do lực P gây ra tại tiết diện bẻ sẽ lớn nhất và bằng:

Mu = P.lo/2 (1.6) Không những thế, tại điểm bị cắt nhớm còn sinh ra ứng suất tập trung, nên sẽ làm cho ứng suất kéo tại đó tăng lên Chính ứng suất kéo này làm gãy phôi tại tiết diện cần bẻ

Nếu kích thớc của vết cắt nhớm là b và r, trong đó b = 2r, chiều sâu vết cắt nhớm là h, thì ứng suất tập trung cực đại đợc tính nh sau:

max  2 h r/ (1.7) trong đó:  - ứng suất tại điểm đang xét khi không tính đến ảnh hởng của sự tập trung ứng suất

Trong sản xuất, việc cắt nhớm là động tác phức tạp nhất trong cả nguyên công bẻ nguội Có thể dùng ca, dùng ngọn lửa hoặc mũi rạch để cắt nhớm Nếu dùng ngọn lửa hoặc mũi rạch mài không đúng kích thớc có thể thu đợc vết cắt nhớm không đúng quy định và sẽ làm ảnh hởng đến chất lợng mặt cắt của phôi

Lực cần thiết để bẻ nguội phụ thuộc vào mác thép, phơng pháp bẻ nguội, hình dạng và kích thớc của vết cắt nhớm, khoảng cách lo Nói chung, lực bẻ nguội

có thể đợc tính theo công thức tổng quát sau:

l

u u o

4 . (1.8)

trong đó:

Wu - mômen chống uốn,

u - giới hạn bền uốn,

lo - khoảng cách giữa hai gối tựa

Cần lu ý rằng công thức (1.8) trên đây cha tính đến ảnh hởng của ứng suất tập trung do cắt nhớm, nên trong thực tế lực bẻ nguội nhỏ hơn so với lực tính toán theo công thức trên Vì vậy, khi tính toán có kể đến vết cắt nhớm theo quy định thì có thể thay u bằng b với hệ số  <1 Nếu chiều sâu vết cắt nhớm đợc thực

Bảng 1.2

Tiết diện phôi và bẻ phôi tròn bẻ phôi vuông

phơng pháp bẻ nguội bẻ theo cạnh bẻ theo đờng chéo Mômen chống uốn Wu,

6

o

H3 212

D

l

0 5,  3o b o

D

l

Chú thích: Do - đờng kính phôi, m; Ho - cạnh phôi vuông, m;

lo - khoảng cách giữa hai gối tựa, m; b - giới hạn bền, MN/m2

1.2.6 Cắt bằng ngọn lửa

Nguyên tắc cơ bản của phơng pháp cắt này là nung nóng cục bộ tại vị trí cắt

đến nhiệt độ cao làm oxy hoá kim loại, làm nóng chảy oxit đợc tạo thành và thổi oxit này ra khỏi vùng cắt để tạo ra rãnh cắt Để thực hiện phơng pháp này vật liệu cắt cần phải thoả mãn các yêu cầu sau:

- Vật liệu cắt phải có nhiệt độ oxy hoá mãnh liệt nhỏ hơn nhiệt độ nóng chảy của chính nó;

- Nhiệt độ nóng chảy của oxit đợc tạo thành thấp hơn nhiệt độ nóng chảy của kim loại;

- Nhiệt dùng để nung nóng kim loại và nhiệt của ngọn lửa cần phải đủ để duy trì quá trình cắt đợc liên tục;

- Độ dẫn nhiệt của kim loại phải đủ thấp để không gây ảnh hởng xấu đến quá trình cắt; và

- Thành phần của vật liệu cắt ít có các tạp làm ảnh hởng tới chất lợng cắt

Ưu điểm của phơng pháp này là cho mặt cắt chất lợng, có thể cắt phôi tấm dày với hình dạng phức tạp Nhợc điểm cơ bản của phơng pháp là hao phí kim loại cho mặt cắt tơng đối lớn (48 mm chiều rộng mạch cắt) Đối với một số thép hợp kim cao, thép crom, thép crom - niken, thép vonfram và một số mác thép

khác không thoả mãn các yêu cầu nêu trên nên khi cắt cần phải dùng đến chất trợ dung

1.2.7 Cắt bằng ca

Các phơng pháp nêu trên đều không đảm bảo cắt phôi chính xác Dung sai phôi cắt bằng các phơng pháp này có thể tới vài milimet Trong trờng hợp đòi hỏi cần cắt phôi chính xác hơn và với chất lợng mặt cắt cao, ngời ta sử dụng phơng pháp cắt bằng ca

Trong sản xuất gặp hai loại ca: ca máy (có răng) và ca ma sát (ca không có răng và ca điện)

a) Ca máy

Trong số ca có răng có thể còn chia thành ca đĩa, ca vòng và ca cần (ca máy thông dụng) Nguyên tắc hoạt động của ca đĩa và ca vòng là chuyển động liên tục một chiều, còn ca cần hoạt động theo nguyên tắc chuyển động tịnh tiến khứ hồi

b) Ca ma sát

Ca ma sát ít đợc sử dụng vì khi làm việc gây ồn Nguyên lý làm việc của loại

ca này là khi kim loại cọ sát với ca đĩa không răng (hoặc có răng cùn) chạy với tốc độ lớn sẽ gây ma sát, toả nhiệt lớn làm chảy kim loại chỗ bị cắt Lỡi ca chỉ tiếp xúc với kim loại một thời gian rất ngắn nên bị nung nóng ít hơn

c) Ca điện

Ca điện làm việc tơng tự nh ca ma sát, chỉ khác là tại điểm tiếp xúc giữa lỡi

ca với phôi ngoài ma sát còn có một dòng hồ quang nhỏ do phôi và ca mang điện khác cực gây ra Tia hồ quang này góp phần làm chảy kim loại tại mạch cắt nhanh hơn Tốc độ của đĩa quay thờng là 2200 vòng/ phút Nguyên lý hoạt động của ca điện đợc thể hiện trên hình 1.9 Dòng điện công tác đợc truyền từ biến thế

Bt đến đĩa cắt 3 và phôi 1 qua công tắc trợt 2 và trực tiếp vào phôi Động cơ 4

qua bộ truyền đai làm cho đĩa 3 quay Nh vậy, khi đĩa quay thì giữa đĩa 3 và phôi

1 có điện khác cực và gây ra tia hồ quang nhỏ làm chảy kim loại ở mạch cắt

Hình 1.9 Ca điện (a) và sơ đồ nguyên lý làm việc của nó (b)

1.2.8 Cắt bằng tia lửa điện

Nguyên lý hoạt động của phơng pháp cắt bằng tia lửa điện là tạo ra đoản mạch ở dây dẫn, trong đó gây ra sự phá huỷ kim loại bằng dòng điện xung Sơ đồ nguyên lý của phơng pháp cắt bằng tia lửa điện đợc thể hiện trên hình 1.10 Phôi đợc gắn vào cực dơng 1 của nguồn 4 Dụng cụ cắt (ca đĩa hoặc ca cần)

2 đợc gắn với cực âm Cả phôi và dụng cụ cắt phải đợc đặt trong thùng chứa dung dịch không dẫn điện (dầu hoả chẳng hạn) Nguồn điện một chiều 4 đợc nạp bằng

điện trở R và tụ điện C

Theo chu kỳ (vài lần trong một giây) nó phóng điện một lần tại vùng tiếp giáp giữa phôi và dụng cụ cắt Cờng độ dòng điện khi phóng tia lửa có thể đạt tới hàng trăm (hàng ngàn) ampe Công suất của dòng điện xung đạt tới hàng chục kilo oat Vì rằng tia lửa điện đợc phóng từ các điện cực rất nhỏ, diện tích của nó cũng rất nhỏ cho nên mật độ dòng điện có khi đạt tới hàng trăm ngàn ampe trên một milimet vuông, do đó sẽ làm cho kim loại tại vùng gia công không những bị

đốt nóng chảy mà thậm chí là bị bốc hơi Nhiệt độ tại vùng phóng tia lửa đạt tới

đặc biệt là khi cắt các kim loại chịu nhiệt (có nhiệt độ nóng chảy cao) nên ngời ta không dùng các chất dễ bắt cháy làm môi trờng cách điện, mà phải thay thế bằng các dung dịch đặc biệt vừa không dẫn điện vừa không bốc cháy đợc Ví dụ nh dung dịch huyền phù cao lanh với nớc có pha thêm một chút axit boric đợc dùng trong gia công kim loại bằng tia lửa điện

Hình 1.10 Sơ đồ nguyên lý cắt bằng tia lửa điện (a) và cắt bằng cơ-anốt

Nhợc điểm của phơng pháp cắt bằng tia lửa điện là ở chỗ rất tốn đồng thau

để làm điện cực, tốc độ cắt rất chậm và hao tổn năng lợng điện cao Ưu điểm của phơng pháp này cũng có nhiều, nh chất lợng mặt cắt rất tốt, hao tổn kim loại rất ít

đặc biệt là khi cắt các hợp kim cứng thì đây là phơng pháp hầu nh là duy nhất có thể cắt đợc

Cũng cần lu ý rằng phơng pháp này là rất mới, nhng đã đợc áp dụng rộng rãi trong gia công kim loại Ngời ta có thể gia công các chi tiết phức tạp với độ chính xác cao bằng phơng pháp này Trong trờng hợp cần phải gia công các khuôn dập bằng hợp kim cứng thì ngời ta làm các âm cực bằng đồng thau có hình dáng theo yêu cầu để gia công các lỗ cối

1.2.9 Cắt bằng năng lợng nổ

Gần đây, phơng pháp cắt phôi bằng năng lợng nổ đợc sử dụng để cắt thép cán hoặc thép đúc (gù đúc) ở trạng thái nóng hoặc trạng thái nguội Phơng pháp cắt này dựa vào năng lợng nổ của chất nổ, hơi đốt gây xung lực lớn và cắt đứt kim loại Sơ đồ nguyên lý của phơng pháp cắt phôi này đợc thể hiện trên hình 1.11

Hình 1.11 Sơ đồ nguyên lý thiết bị cắt phôi bằng năng lợng nổ

Phôi cần cắt 2 (hình 1.11) đợc đặt vào trong khoảng không công tác của khung cơ cấu cắt 1 và đợc đa đến gối định cữ (không đợc thể hiện) Lỡi cắt 4 gắn chặt với đầu búa và cán búa 5 Cán búa 5 có thể chuyển động tịnh tiến khứ hồi theo ống trụ của khung 1 Chất nổ 8 đợc đặt trong buồng nổ 7, khi nổ sẽ đẩy cán búa 5 mang theo lỡi cắt 4 về phía trái và khi ấy toàn bộ cơ cấu khung gắn liền với lỡi cắt 3 sẽ chuyển động về phía phải Hai lỡi cắt đều gặp phôi cùng một lúc và chúng cắt phôi

Cắt bằng phơng pháp này có thể đợc tự động hoá và có thể đợc điều khiển từ

xa

độ tới cơ tính của nó Nói chung, khi rèn thỏi đúc cần giải quyết ba vấn đề sau:

1 Tạo hình cho vật rèn có hình dạng và kích th-ớc theo bản vẽ,

2 Biến đổi cấu trúc thô đại của thép đúc thành tổ chức thớ, và

3 Tạo độ hạt tối -u với trị số ứng suất d- tối thiểu

Khi rèn thép cán chỉ cần phải giải quyết vấn đề 1 và 3, bởi vì thép cán không còn cấu trúc thô đại của thỏi đúc

ở nhiệt độ gia công nguội, kim loại biến dạng bị biến cứng và làm tăng trở lực biến dạng, gây khó khăn cho quá trình gia công và thậm chí không thể gia công đ-ợc vì không đủ lực máy, mặt khác tính dẻo của kim loại giảm đáng kể và rất dễ bị phá huỷ

ở nhiệt độ cao (750  1300o C đối với thép), kim loại hầu nh- mất hẳn tính

đàn hồi, trở lực biến dạng giảm tới khoảng 10 lần, tính dẻo tăng tới vài chục phần trăm Ngoài ra, khi gia công ở khoảng nhiệt độ này đồng thời xảy ra hai quá trình trái ng-ợc nhau: quá trình biến dạng của các hạt tinh thể (gây biến cứng) và quá trình kết tinh lại của các hạt bị biến dạng, kết quả là thu đ-ợc tổ chức hạt không

có biến cứng, các hạt kết tinh lại có tổ chức đồng nhất, không có ứng suất d- và không bị xô lệch mạng

Mặt khác khi gia công ở nhiệt độ cao có một số hiện t-ợng xấu xảy ra gây

ảnh h-ởng không tốt đến quá trình gia công và chất l-ợng của vật rèn nh-:

- Hiện t-ợng thoát cacbon bề mặt,

- Hiện t-ợng oxy hoá kim loại thành vảy rèn,

- Hiện t-ợng quá nhiệt hoặc cháy khi nung, và

Vì vậy, chế độ nhiệt trong công nghệ rèn và dập nóng đ-ợc gọi là tối -u khi

nó tạo điều kiện thuận lợi nhất cho quá trình tạo hình và tạo ra sản phẩm có tính

sử dụng cao nhất, nghĩa là làm tăng cơ tính và hạn chế các ảnh h-ởng xấu

Chế độ nhiệt khi rèn đ-ợc chia thành ba giai đoạn:

1 Giai đoạn nung kim loại đến nhiệt độ giới hạn trên cho phép (nhiệt độ khi bắt đầu rèn) tr-ớc khi rèn;

2 Giai đoạn làm nguội trong quá trình rèn; và

3 Giai đoạn làm nguội vật rèn sau khi kết thúc rèn

Nói chung, chế độ nhiệt khi rèn và dập nóng là giống nhau Nếu phôi rèn hoặc dập giống nhau thì chế độ nhiệt ở giai đoạn 1 và giai đoạn 3 sẽ giống nhau Giai đoạn 2 phụ thuộc rất nhiều vào độ phức tạp về hình dạng của sản phẩm vì khi rèn và dập nóng thời gian gia công sẽ khác nhau Khi rèn có khi phải qua nhiều lần nung trung gian do thời gian rèn bị kéo dài, do đó làm tăng l-ợng kim loại bị oxy hoá, sự lớn lên của các hạt và một số quá trình khác liên quan

2.2 Khoảng nhiệt độ rèn

Một trong những nhiệm vụ quan trọng khi xác định chế độ nhiệt trong quá trình rèn và dập nóng là xác định khoảng nhiệt độ rèn, tức là nhiệt độ bắt đầu và nhiệt độ kết thúc rèn

Cần phân biệt khoảng nhiệt độ rèn cho phép và khoảng nhiệt độ rèn cần thiết Khoảng nhiệt độ rèn cho phép phụ thuộc vào thành phần và cấu trúc của vật liệu, nên nó có thể đ-ợc xác định trên cơ sở các thông số cần thiết (về luyện kim,

về kim t-ơng, về tính năng sử dụng của vật rèn, ) Khoảng nhiệt độ rèn nói chung nằm trong khoảng d-ới nhiệt độ nóng chảy và trên nhiệt độ kết tinh lại Khoảng nhiệt độ rèn cần thiết là nhiệt độ phụ thuộc vào các điều kiện cụ thể của quá trình gia công, nên nhiệt độ kết thúc gia công có thể cao hơn so với nhiệt độ cho phép

Để làm rõ việc xác định khoảng nhiệt độ rèn, ta phân tích một vài hiện t-ợng xảy ra trong quá trình nung kim loại

ở gần nhiệt độ chảy, kim loại mất tính dẻo do ở phân giới hạt xảy ra sự oxy hoá mãnh liệt làm phá vỡ mối liên kết kim loại, toàn bộ thể tích kim loại bị thoát

cacbon lớn Trạng thái này của phôi đ-ợc gọi là “cháy”, và khi kim loại bị “cháy” thì không thể rèn đ-ợc nữa Biện pháp duy nhất là đem nấu luyện lại

Thấp hơn nhiệt độ “cháy” một chút có hiện t-ợng “quá nhiệt”, nghĩa là một vài nơi trên phân giới hạt có sự lớn lên của các hạt, phân giới hạt bị vi phạm Đối với khuyết tật này, nếu là phôi đúc thì có thể rèn đ-ợc, còn đối với phôi cán thì cần phải ủ lại để kích th-ớc hạt trở nên đồng đều mới có thể tiếp tục rèn đ-ợc Trong một số tr-ờng hợp có thể hạ thấp nhiệt độ bắt đầu rèn (giới hạn trên)

để tránh hiện t-ợng thoát cacbon hay hiện t-ợng oxy hoá thành vảy rèn, đối với phôi có tiết diện lớn còn tiết kiệm đáng kể năng l-ợng cần thiết khi nung

Hình 2.1 Khoảng nhiệt độ rèn và dập

nóng vật rèn có đ-ờng kính lớn hơn 70

cm từ thép cacbon

Giới hạn trên khi nung nhanh (1), khi

nung bình th-ờng đối với thỏi đúc (2) và

đối với thanh cán (3);

Giới hạn d-ới đối với thép thấp cacbon

(ab), đối với thép tr-ớc cùng tích (bc) và

đối với thép sau cùng tích (cde)

Giới hạn d-ới của khoảng nhiệt độ rèn không chỉ phụ thuộc vào mác thép (thép tr-ớc cùng tích hoặc sau cùng tích) mà còn phụ thuộc vào thể tích vật rèn, chất l-ợng vật rèn, sản phẩm sau khi rèn cần đ-ợc nhiệt luyện hay không, ph-ơng pháp làm nguội vật rèn (kể cả khả năng làm nguội bằng cách sử dụng nhiệt sẵn

có của vật rèn khi kết thúc rèn để nhiệt luyện), v.v

Điều kiện cơ bản để xác định khoảng nhiệt độ rèn là những yêu cầu kỹ thuật

về cơ tính của kim loại vật rèn Ví dụ:

Nếu chi tiết sau khi rèn cần tôi ở nhiệt độ 800o C thì có thể kết thúc rèn ở nhiệt độ cao hơn 800o C một chút, sau đó chuyển đến thùng chứa môi tr-ờng tôi (n-ớc, dầu, ) để tiết kiệm năng l-ợng nung lại Hoặc nếu chi tiết cần tôi ở nhiệt

độ 1000o C nh-ng nhiệt độ kết thúc rèn là 900o C thì sau khi rèn phải nung thêm

đến 1000o C rồi tôi ngay Làm nh- vậy tiết kiệm đ-ợc thời gian nung, tăng năng suất, giảm khả năng thoát cacbon và tạo vảy rèn

Đối với những chi tiết sau rèn cần phải gia công cơ thì sau khi rèn th-ờng phải qua nguyên công ủ, do đó cần phải kết thúc rèn ở nhiệt độ cần thiết cho nguyên công này

Đối với những chi tiết sau rèn không cần nhiệt luyện hoặc gia công cơ thì cố gắng tạo vật rèn có độ hạt càng nhỏ càng tốt bằng cách hạ thấp giới hạn d-ới của khoảng nhiệt độ rèn

Đối với thép cacbon, khoảng nhiệt độ rèn đ-ợc xác định theo giản đồ trạng thái sắt - cacbon (hình 2.1)

đảm bảo kích th-ớc hạt nhỏ đều

Đối với thép sau cùng tích, nhiệt độ ngừng rèn càng thấp càng tốt để tránh sự tạo thành l-ới xementit ở nhiệt độ cao Để phá huỷ l-ới xementit thì nhiệt độ ngừng rèn nên nằm giữa đ-ờng Arm và đ-ờng Ar1 Trong tr-ờng hợp này, tr-ớc khi ủ để tạo tổ chức peclit hạt cần phải th-ờng hoá sơ bộ

Trong điều kiện sản xuất có nhiều nguyên nhân khác nhau nên việc xác định khoảng nhiệt độ rèn th-ờng mang tính chủ quan Ví dụ, do lực máy không đủ, thiếu khuôn hoặc cần tiết kiệm khuôn cần phải nâng nhiệt độ giới hạn d-ới Tuy nhiên, trong những tr-ờng hợp nh- vậy chế độ nhiệt không thể đ-ợc coi là tối -u Bảng 2.1 cho biết khoảng nhiệt độ rèn của một số mác thép cacbon và thép hợp kim

2.3 Chế độ nung và làm nguội

2.3.1 Chế độ nung

Ng-ời ta cố gắng nung phôi với tốc độ cao nhất để giảm hao phí kim loại do

bị oxy hoá, thoát cacbon, giảm sự phát triển độ hạt, do đó làm tăng tính dẻo, và cuối cùng là làm tăng năng suất nung và dập (th-ờng năng suất dập phụ thuộc vào năng suất nung) Nh-ng tốc độ nung phải đảm bảo sao cho không xảy ra hiện t-ợng nứt do ứng suất nhiệt gây ra trong giai đoạn nung đầu khi nhiệt độ phôi còn thấp Vì vậy, chế độ nung phôi cần phải tiến hành đảm bảo chất l-ợng vật nung - giảm đến mức tối thiểu các khuyết tật có thể xảy ra khi nung

Tốc độ nung Cn phụ thuộc vào nhiều yếu tố:

- Sự chênh lệch giữa nhiệt độ lò và nhiệt độ phôi [t];

n  

 .

2

2 (2.1)

trong đó, x là ph-ơng truyền nhiệt và  là thời gian nung

Khi nhiệt độ tăng, hệ số dẫn nhiệt  giảm, nên hệ số dẫn nhiệt độ a giảm Sự

chênh lệch giữa nhiệt độ lò và nhiệt độ phôi càng lớn thì tốc độ nung càng tăng

Độ chênh nhiệt độ giữa bề mặt phôi và tâm phôi càng lớn thì građien nhiệt độ càng tăng, dẫn đến dễ xảy ra ứng suất nhiệt độ gây nguy cơ xuất hiện vết nứt tế vi

và phát triển thành vết nứt thô đại Vì thế ở giai đoạn nhiệt độ thấp, tốc độ nung phải thấp để tránh ứng suất nhiệt độ, nhất là ở giai đoạn nhiệt độ chuyển biến pha

Để tránh ứng suất nhiệt độ, tốc độ nung phải đảm bảo sao cho sự chênh lệch nhiệt độ giữa bề mặt phôi và tâm phôi không v-ợt quá giới hạn cho phép:

[ ]t A[ ]

E

 

 (2.2) trong đó: A - hệ số phụ thuộc vào hình dạng vật nung,

A = 1,05 đối với phôi có tiết diện chữ nhật

A = 1,4 đối với phôi có tiết diện tròn

A = 1,2 đối với phôi có tiết diện cầu

[] - ứng suất nhiệt độ cho phép - th-ờng lấy bằng giới hạn bền,  - hệ số nở dài,

E - Môđun đàn hồi của vật liệu

Thông th-ờng, khi nung phôi có chiều dày lớn hoặc phôi có tính dẻo kém, ng-ời ta áp dụng chế độ nung phân đoạn, bao gồm một số giai đoạn sau:

1 Nung đến nhiệt độ chuyển biến pha với tốc độ nung cho phép;

2 Giữ nhiệt ở nhiệt độ chuyển biến pha;

3 Tiếp tục nung đến nhiệt độ nung cần thiết với tốc độ nung cao nhất có thể; và

4 Giữ nhiệt ở nhiệt độ này để đồng đều hoá nhệt độ theo tiết diện phôi Giai đoạn 1 và giai đoạn 2 chiếm khoảng 70  80% tổng thời gian nung

Đối với phôi có tiết diện ngang hoặc chiều dày nhỏ (s < 80120 mm) thì có thể không hạn chế tốc độ nung Nói chung việc khống chế tốc độ nung cho phép có thể dựa vào tiêu chuẩn Bio đ-ợc Ivansôp sử dụng để phân định vật nung dày - mỏng:

Bio .s s1// (2.3) trong đó:

 - hệ số dẫn nhiệt,

 - hệ số trao đổi nhiệt

s/ - gọi là nhiệt trở trong, còn 1/ - gọi là nhiệt trở ngoài

Theo tiêu chuẩn này, nếu Bio  0,25 - là vật mỏng,

nếu Bio > 0,5 - là vật dày

Thời gian nung phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố, mà yếu tố cơ bản là tốc độ nung, cách xếp phôi, kích th-ớc phôi và thiết bị nung đ-ợc sử dụng

Đối với thép có thể xác định thời gian nung theo công thức kinh nghiệm của

Đôbrôkhôtôp:

  k D D (giờ) (2.4) trong đó:

 - hệ số, phụ thuộc vào cách xếp phôi (hình 2.2);

k - hệ số phụ thuộc vào hàm l-ợng cacbon và các nguyên tố hợp kim trong thép; đối với thep thấp cacbon k = 10, đối với thép hợp kim cao k = 20;

D - đ-ờng kính hoặc cạnh phôi, m

Khi nung phôi ngắn, với tỷ lệ chiều

dài/ đ-ờng kính (L/D)  2, thời gian

nung có thể giảm 2%, với L/D =1,5, thời

gian nung có thể giảm 8%, và L/D = 1

thì thời gian nung có thể giảm 29% Do

đó, thời gian nung thực tế đối với phôi

có tiết diện nhỏ sẽ nhỏ hơn so với thời

gian tính theo công thức trên Hình 2.2 Trị số của hệ số  phụ

thuộc vào cách xếp phôi

Gần đây, trong sản xuất đã áp dụng nhiều ph-ơng pháp nung hiện đại nh- nung bằng dòng điện tiếp xúc, nung bằng dòng điện cảm ứng và nung bằng dung dịch điện phân Bản chất của các ph-ơng pháp này là:

a) Khi nung bằng dòng điện tiếp xúc thì phôi đóng vai trò điện trở Dây dẫn

có điện trở nhỏ hơn điện trở của phôi rất nhiều nên khi có dòng điện c-ờng độ cao chạy qua thì phôi (điện trở) bị nung nóng Nhiệt năng sinh ra trong phôi tỷ lệ thuận với bình ph-ơng c-ờng độ dòng điện I, điện trở R và thời gian t

Ưu điểm của ph-ơng pháp này là tốc độ nung nhanh

b) Khi nung bằng dòng điện cảm ứng (nung gián tiếp) thì nhiệt độ của phôi tăng lên do dòng điện xoáy và do quá trình thay đổi chiều từ hoá cũng sinh ra nhiệt Theo hai ph-ơng pháp trên, nhiệt l-ợng sinh ra ngay trong kim loại nh-ng vẫn có sự chênh lệch nhiệt độ theo tiết diện ngang Sự truyền nhiệt và sự cân bằng nhiệt độ trong kim loại đ-ợc nung bằng dòng điện cảm ứng chủ yếu nhờ dẫn nhiệt c) Ph-ơng pháp nung bằng dung dịch điện phân dựa trên nguyên tắc của hiện t-ợng sau Khi dòng điện chạy qua dung dịch điện phân (n-ớc muối) có hiện t-ợng nung nóng âm cực mãnh liệt Trong khoảng thời gian ngắn (0,012  0,001 giây) quanh âm cực xuất hiện dòng điện truyền qua lớp màng khí mỏng (khí hyđro) d-ới dạng các vi điện tích (8000  10000 điện tích/s.cm) Nguồn năng l-ợng nung phôi chính là các vi điện tích đó và nhiệt năng của màng hơi hyđro Nhận xét chung về các ph-ơng pháp nung bằng năng l-ợng điện là tiết kiệm

đ-ợc kim loại do không bị cháy và thoát cacbon, đồng thời tuổi thọ khuôn cao hơn (do ít vảy rèn) và nhiệt độ phôi đều hơn theo tiết diện

Nung bằng năng l-ợng điện còn cho năng suất cao, điều kiện lao động đ-ợc cải thiện (không có hơi độc, nóng nh- lò có ngọn lửa, ), dễ tự động hoá khâu cấp và nung phôi Tuy nhiên, nh-ợc điểm của các ph-ơng pháp nung này là nguồn điện năng tiêu thụ lớn, chi phí cho khâu nung cao Mặt khác, ph-ơng pháp này khó áp dụng cho các phôi định hình phức tạp, và trong tr-ờng hợp phải nung phôi nhiều lần thì thao tác phức tạp, không tiện lợi

2.3.2 Chế độ làm nguội

Quá trình làm nguội vật rèn sau khi rèn dập xảy ra ng-ợc lại với quá trình nung nóng Tất cả các quá trình xảy ra khi nung đ-ợc lặp lại trong quá trình làm nguội theo thứ tự ng-ợc Quá trình làm nguội bao gồm hai giai đoạn:

a) Làm nguội trong quá trình gia công

ở giai đoạn này kim loại đ-ợc làm nguội do nhiệt truyền ra không khí xung quanh và nhiệt truyền trực tiếp vào dụng cụ gia công (dụng cụ rèn hoặc khuôn dập) Mặt khác, phôi bị biến dạng sản ra nhiệt năng góp phần làm tăng nhiệt độ phôi, đặc biệt là đối với các nguyên công đ-ợc thực hiện với tốc độ biến dạng cao

Để thấy rõ hơn hiện t-ợng phát nhiệt của phôi trong quá trình biến dạng, ta xem ví dụ sau: chồn một phôi hình trụ có đ-ờng kính D = 50 mm, chiều cao H

=65 mm (nặng 1 kg) xuống chiều cao h = 20 mm (mức độ biến dạng  = 70%) ở nhiệt độ 1200o C Với mức độ biến dạng này, cần phải tiêu thụ một công là 6300

Nm Nếu tốc độ biến dạng cao, giả thiết 85% công này biến thành nhiệt thì l-ợng nhiệt Q  5 kJ Trong khi đó, 1 kg thép ở nhiệt độ 1200o C có nhiệt l-ợng 838 kJ Vậy nhiệt sinh ra trong quá trình biến dạng chiếm khoảng 0,6% nhiệt l-ợng phôi Nếu nhiệt độ càng thấp, thì nhiệt l-ợng phôi càng thấp và công biến dạng lại càng lớn nên tỷ lệ giữa nhiệt biến dạng và nhiệt của phôi càng cao Nhiệt năng này sẽ góp phần làm nung nóng phôi thêm

Tính toán tỷ mỷ xem ở giai đoạn nào vật rèn đ-ợc làm nguội với tốc độ cao hơn là một việc rất khó, vì nó phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố Nh-ng cần phải l-u

ý rằng việc giảm tốc độ làm nguội phôi trong giai đoạn đang rèn - dập là một việc

rất có ý nghĩa kinh tế - kỹ thuật, nhất là đối với vật rèn có khoảng nhiệt độ rèn nhỏ, vật rèn có hình dạng phức tạp phải rèn lâu

Bảng 2.2 cho biết một vài số liệu về tốc độ làm nguội vật rèn có kích th-ớc trung bình đ-ợc làm nguội ngoài không khí (o C/phút)

b) Làm nguội sau khi kết thúc rèn

Chế độ làm nguội sau khi rèn có ý nghĩa quan trọng, vì nếu không đúng có thể xảy ra các hiện t-ợng cong, vênh, nứt rạn, v.v Nếu trong quá trình nung phôi

bị cong hoặc nứt rạn nhỏ thì khi rèn các khuyết tật này còn khắc phục đ-ợc, nh-ng sau khi ngừng rèn chi tiết bị cong hoặc nứt rạn thì chi tiết ấy hoặc trở thành phế phẩm hoặc rất khó khắc phục Hơn nữa, sau khi rèn còn có nhiều ứng suất d- hơn quá trình nung nóng vì ngoài ứng suất nhiệt, trong quá trình rèn do biến dạng không đều nên trong chi tiết có ứng suất d- lớn

Nói chung, việc làm nguội sau khi rèn không phức tạp lắm nh-ng nếu không chú ý thì có thể gây ra phế liệu hàng loạt

Đối với các chi tiết nhỏ, sau khi kết thúc rèn đ-ợc làm nguội bằng cách xếp thành đống lớn trong lò kín, trong lò có chứa vôi bột, hoặc trong lò có nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ ngừng rèn, tức là cố gắng làm nguội càng chậm càng tốt

Đối với chi tiết lớn (D = 500  1500 mm), ng-ời ta làm nguội ngoài không khí, đôi khi còn làm “áo” bao lấy chi tiết để làm giảm tốc độ làm nguội kim loại Các áo cách nhiệt đ-ợc làm bằng amian và có khoảng cách tới kim loại từ 50 đến

120 mm

2.4 Xử lý vảy oxit khi nung và khi rèn

Nh-ợc điểm cơ bản khi nung trong lò có ngọn lửa với môi tr-ờng thông th-ờng là tồn tại trên bề mặt phôi một lớp vảy oxit và lớp thoát cacbon Lớp vảy oxit cần đ-ợc làm sạch khi rèn vì nếu lớp vảy oxit này tồn tại trên bề mặt sản phẩm nó sẽ làm giảm chất l-ợng sản phẩm và làm hỏng khuôn dập cũng nh- dụng cụ cắt gọt

Sự tạo thành lớp vảy oxit khi nung thép bắt đầu ở 700o C và trở nên dày nhanh hơn ở nhiệt độ từ 1100o C trở lên Quá trình thoát cacbon thấy rõ bắt đầu từ

800  850o C Tiết diện phôi càng lớn thì mất mát kim loại do oxy hoá và thoát cacbon giảm xuống vì thời gian cần thiết để nung tăng chậm hơn so với tỷ số diện

tích bề mặt phôi/ thể tích phôi, nên khi nung thỏi đúc lớn tỷ lệ này chiếm 1,5  2%, trong khi nung phôi cán thì tỷ lệ này là 3  4% Mỗi lần nung tiếp sau, lớp vảy oxit tạo ra trên bề mặt phôi bằng 50  70% l-ợng oxit nung lần đầu Sự tạo vảy oxit còn phụ thuộc vào môi tr-ờng nung, thành phần hoá học của phôi Ví

dụ, khi nung phôi l-ợng không khí d- lớn cũng làm tăng l-ợng oxit, còn nếu thép

có hàm l-ợng C, Cr, Ni cao thì l-ợng oxit sẽ giảm

Để làm sạch lớp vảy oxit khi rèn - dập nóng, ng-ời ta th-ờng áp dụng các biện pháp sau:

- Khi dập trên máy búa việc làm sạch lớp vảy oxit có thể đ-ợc thực hiện đơn giản bằng vài nhát búa đập nhẹ lên phôi, sau đó dùng chổi quét hoặc thổi bằng không khí nén

- Khi rèn trên máy ép thuỷ lực th-ờng dùng bàn chải sắt hoặc kìm kẹp để làm sạch vảy rèn

- Khi rèn trên máy rèn ngang th-ờng sử dụng kìm định hình để làm sạch vảy rèn

Ngoài ra, có thể có thể làm sạch lớp vảy oxit bằng thuỷ lực, tức là dùng dòng n-ớc cao áp (10-20 MPa) h-ớng xiên góc lên bề mặt phôi N-ớc đ-ợc đ-a vào khoảng 1-3 giây qua vòi phun có đ-ờng kính < 1mm Thiết bị làm sạch này có hệ thống bảo vệ không để n-ớc bắn toé, vảy oxit bắn toé và tiết kiệm n-ớc

Để phòng ngừa phôi bị oxy hoá và thoát cacbon, ng-ời ta nung phôi trong môi tr-ờng chân không hoặc trong môi tr-ờng khí bảo vệ nh- sử dụng các khí trơ: He, Ar, N2, v.v Đơn giản hơn là sử dụng lò điện không oxy hoá Lò điện cho phép nung không có ngọn lửa, đồng thời dễ dàng cải thiện môi tr-ờng nung,

dễ khống chế nhiệt độ ( 5oC), nh-ng thời gian nung kéo dài hơn (15  20%) do c-ờng độ trao đổi nhiệt kém hơn Tuy nhiên, lò điện chỉ thích ứng để nung vật nung nhỏ, và nhiệt độ nung không cao (nung kim loại màu) Ngoài ra, có thể nung phôi bằng dòng điện tiếp xúc hoặc bằng dòng điện cảm ứng nh- đã nêu ở trên Tất nhiên, các biện pháp nung này đều đắt hơn nhiều so với khi nung bằng khí đốt

Ch-ơng 3

ảnh h-ởng của rèn và dập khối đến tổ chức

và cơ tính của kim loại

3.1 Tổ chức của kim loại khi rèn Tỷ số rèn

Đã biết khi rèn vuốt hoặc cán các thỏi đúc th-ờng xảy ra các hiện t-ợng nh-: Tại thời điểm đầu khi gia công, các lỗ rỗ khí đ-ợc hàn kín dọc theo chiều dài thỏi đúc Ngoài ra, các vết nứt tế vi hoặc rỗ tế vi cũng đ-ợc khử bỏ nếu bề mặt thỏi đúc không bị oxy hoá Do đó, tỷ khối của kim loại tăng lên chút ít

Sau đó, các tinh thể lớn bị vỡ ra, bị làm nhỏ và bắt đầu kéo dài theo h-ớng dài ra của phôi Các tạp chất phi kim phân bố trên phân giới hạt vì thế cũng kéo dài ra Theo mức độ vuốt, dần dần tạo ra tổ chức thô đại dạng thớ và h-ớng của thớ luôn trùng với h-ớng vuốt (hoặc h-ớng cán)

Quá trình tạo tổ chức thớ đ-ợc bắt đầu ở phần trung tâm thỏi đúc gồm các tinh thể đenđrit đồng trục, tiếp đến là các vùng ngoại vi và cuối cùng là các vùng

có tổ chức đenđrit hình trụ (dạng cột) Điều đó có thể đ-ợc giải thích là trong vùng này đenđrit đ-ợc bố trí vuông góc với h-ớng vuốt nên cần phải có độ biến dạng lớn hơn so với biến dạng để tạo ra tổ chức thớ nh- ở vùng trung tâm Mức

độ vuốt th-ờng đ-ợc đặc tr-ng bằng tỷ số rèn (độ rèn) y

F

LL

o o

= = > 1 (3.1)

trong đó:

Fo và Lo t-ơng ứng là tiết diện ngang và chiều dài ban đầu của thỏi đúc, và

F và L t-ơng ứng là tiết diện ngang và chiều dài của thỏi đúc sau khi vuốt (hoặc cán)

Theo Kornhep N I., với y = 2  3 ở vùng trung tâm đã xuất hiện tổ chức thớ

Vùng có đenđrit dạng cột lúc này mới có dấu hiệu nghiêng theo h-ớng vuốt, và

phải với y = 4  6 thì vùng này mới thấy rõ tổ chức thớ nghiêng theo một góc nhất định so với trục của nó Do đó, ở vùng ngoại vi của phôi thép với tỷ số rèn y

= 4  6 có thể thấy các đenđrit vẫn ch-a định h-ớng theo h-ớng chảy của kim

loại, và chỉ khi vuốt với y = 10 thì tổ chức dạng thớ mới đ-ợc tạo ra trên toàn

Cần l-u ý rằng, nếu quá trình vuốt đ-ợc thực hiện sau một số lần vuốt thông qua các kích th-ớc trung gian thì tổ chức thô đại cuối cùng của phôi cũng hầu nh- t-ơng tự với việc vuốt một lần đến kích th-ớc này Ví dụ, khi vuốt phôi qua hai nguyên công có tiết diện ban đầu Fo, tiết diện sau lần vuốt thứ nhất F1 và tiết diện sau lần vuốt thứ hai F2, thì tỷ số rèn đ-ợc tính qua các lần vuốt nh- sau:

F

FF

2 2

1 2

Để tạo tổ chức theo yêu cầu, không nhất thiết phải tăng chiều dài phôi ban

đầu bằng cách vuốt hoặc cán Có thể thu đ-ợc tỷ số rèn theo yêu cầu với độ giãn dài nhỏ hơn bằng cách vuốt kết hợp với chồn theo h-ớng trục phôi để làm tăng tiết diện ngang của thỏi đúc ban đầu đến trị số F>Fo, sao cho tỷ số F/Fc bằng tỷ

số rèn yêu cầu (Fc là tiết diện ngang của phôi sau khi vuốt)

Tổ chức của kim loại có thể đ-ợc tạo ra theo yêu cầu bằng cách rèn khi chiều dài vật rèn bằng hoặc nhỏ hơn chiều dài phôi ban đầu, nếu thực hiện liên tiếp các nguyên công chồn và vuốt xen kẽ nhau Cần nhấn mạnh rằng, các trị số trung gian của F ở đây có thể lớn hơn Fo và nhỏ hơn Fc Ngoài ra, tỷ số rèn đ-ợc xác

định bằng tích các tỷ số rèn riêng lẻ nhận đ-ợc trong các lần vuốt riêng, nh-ng không chỉ trong các lần vuốt liên tiếp nhau mà còn cả trong các lần vuốt xen kẽ với các b-ớc chồn

Mức độ chồn đ-ợc xác định bằng tỷ số Ho/Hc hoặc Fc/Fo, tức là ng-ợc với tỷ

số rèn Mức độ biến dạng khi chồn đ-ợc xác định nh- sau:

 = H -HH

o c o %100

trong đó:

Ho và Hc t-ơng ứng là chiều cao ban đầu và cuối cùng của phôi sau khi chồn Các hiện t-ợng xảy ra khi chồn hơi khác so với khi vuốt tr-ớc hết là ở chỗ, các vết nứt ngang đ-ợc hàn lại trong khi các vết nứt dọc lại mở to thêm Tổ chức

đenđrit nói chung bị phá vỡ và bị nghiền nhỏ theo cơ chế t-ơng tự nh- khi vuốt Tuy nhiên, các hạt bắt đầu kéo dài với xu h-ớng tạo các thớ vuông góc theo h-ớng kính chứ không theo h-ớng chồn Điều này có ảnh h-ởng nhất định đến tổ chức cuối cùng của vật rèn

Từ những đặc điểm ảnh h-ởng của chồn và vuốt đến sự thay đổi về tổ chức của kim loại đúc ban đầu cho thấy rằng, để nhận đ-ợc tổ chức biến dạng cần thiết các nguyên công này không thể thay thế cho nhau đ-ợc Sự thay đổi t-ơng quan giữa tỷ số rèn và mức độ chồn cũng dẫn đến những thay đổi t-ơng ứng của tổ chức thớ thu đ-ợc

Cần nhận thấy rằng, các dạng gia công áp lực tiếp sau và ngay cả gia công bằng nhiệt luyện cũng không làm mất tổ chức thớ của kim loại sau khi đã qua biến dạng lần đầu (cán hoặc rèn) Rèn hoặc dập tiếp sau chỉ dẫn đến sự thay đổi

về hình dạng bên ngoài của phôi kèm theo sự thay đổi về h-ớng của tổ chức thớ

đã có Tổ chức thớ chỉ bị mất đi trong những tr-ờng hợp riêng biệt nh- khi một l-ợng tạp chất phi kim thông qua ủ nhiệt độ cao và kéo dài, nh-ng trong điều kiện gia công thông th-ờng điều này không đ-ợc áp dụng

Mặt khác, tổ chức kim loại sau rèn và dập cũng ch-a phải là tổ chức cuối cùng Để nhận đ-ợc tổ chức cuối cùng, sản phẩm rèn - dập phải qua nhiệt luyện Khi đó, tổ chức của kim loại sẽ trở nên đồng đều hơn

Hình 3.1 Sơ đồ kết tinh lại khi rèn (vuốt)

phôi kích th-ớc lớn

Khi rèn thép cacbon và thép hợp kim thông th-ờng, tốc độ kết tinh lại th-ờng rất cao nên quá trình kết tinh lại kịp xảy ra hoàn toàn Từ sơ đồ kết tinh lại khi vuốt phôi lớn (hình 3.1) cho thấy rằng, kích th-ớc hạt phụ thuộc vào nhiệt

độ t, mức độ biến dạng  khi gia công nóng, nên có thể gia công ở nhiệt độ thích hợp với mức độ biến dạng phù hợp để thu đ-ợc kích

th-ớc hạt theo mong muốn

3.2 ảnh h-ởng của rèn dập đến cơ tính của kim loại

Nghiên cứu ảnh h-ởng của rèn và dập khối đến cơ tính của kim loại, đặc biệt

là thép, đã đ-ợc nhiều ng-ời quan tâm Các kết quả nghiên cứu cho thấy rằng, các

đặc tính bền (giới hạn bền- b, giới hạn chảy- s) hầu nh- không phụ thuộc vào tỷ

số rèn và h-ớng của tổ chức thớ Ng-ợc lại, tỷ số rèn có ảnh h-ởng quan trọng

đến tính dẻo của kim loại (- độ giãn dài, - độ co thắt, ak- độ dai va đập, r- giới hạn mỏi) Các đặc tính này rất khác nhau và phụ thuộc vào h-ớng của trục mẫu (hình 3.2)

Đối với các mẫu dọc (mẫu

dọc theo thớ) các chỉ tiêu , , ak

và r luôn lớn hơn các mẫu ngang

(mẫu ngang thớ) Hiện t-ợng này

gọi là sự dị h-ớng về tính chất của

chậm hơn Đối với các mẫu dọc, 

và  hầu nh- không thay đổi, còn

đối với các mẫu ngang khi y = 10

3  4,5 Khi ấy tổ chức vĩ mô của kim loại hầu nh- không có h-ớng thớ rõ rệt và bằng cách đó có thể thu đ-ợc cơ tính kim loại t-ơng đối cao về cả mọi h-ớng, mặc dù vẫn có sự dị h-ớng về cơ tính của kim loại

3.3 Chọn ph-ơng pháp rèn - dập phù hợp với hình dạng

3.3b), bởi vì khi làm việc bu lông

qua chồn chịu ứng suất cắt tốt hơn

bu lông chỉ qua cắt gọt từ phôi cán

Mặt khác, bề mặt phần chân bu

lông cũng tốt hơn so với phôi chỉ

qua cắt gọt bị gọt đi

Hình 3.3 Sự phân bố thớ kim loại trong

bu lông qua rèn (a) và qua cắt gọt (b)

2) Chi tiết dạng bánh răng (hình 3.4)

Giả sử có phôi ban đầu là sản phẩm cán (a) Chồn phôi để tạo thớ theo h-ớng kính (b) Để khử bỏ phần lõi chất l-ợng thấp, sử dụng nguyên công đột lỗ (c) Sau đó, dùng ph-ơng pháp cắt gọt thu đ-ợc bánh răng dạng (d) hoặc bằng ph-ơng pháp dập hoặc lăn răng thu đ-ợc bánh răng dạng (e) Rõ ràng rằng bánh

răng dạng (e) sẽ tốt hơn bánh răng dạng (d) vì các thớ không bị cắt

Hình 3.4 Sự phân bố thớ kim loại trong bánh răng

qua các ph-ơng pháp rèn - dập khác nhau

Trong tr-ờng hợp sản xuất vành bánh đai, nếu sau khi đột lỗ dùng nguyên công dát hoặc nong thì thu đ-ợc thớ nh- dạng (g), rất tốt cho việc làm vòng đỡ bi, bánh đai , nh-ng nếu dùng phôi này để chế tạo bánh răng (h) thì rất kém vì các thớ

bị cắt ngang

3) Trục khuỷu

Các chi tiết dạng trục khuỷu chỉ có sự bố trí thớ tốt nhất khi dùng thép cán hoặc thép rèn có thớ dọc rồi uốn theo trục tâm của chi tiết Trong sản xuất đơn chiếc các chi tiết dạng trục khuỷu, ng-ời ta hay rèn thành phôi hình tán có chuôi, nh- vậy sau khi gia công cơ không những trong chi tiết có sự bố trí thớ không hợp lý mà tại các cổ trục chất l-ợng kim loại không cao vì phần kim loại có chất

l-ợng đã bị cắt bỏ

Hình 3.5 Sự phân bố thớ

kim loại trong vật rèn

chi tiết trục khuỷu

Đ-ờng I-I - Sự phân bố phần tâm trục của phôi ban

Do đó, để khắc phục nh-ợc điểm này ng-ời ta dùng bàn xấn để xấn xuống tạo bậc Nh- vậy không những tiết kiệm đ-ợc kim loại mà còn có thể tạo đ-ợc

thớ kim loại (hình 3.5)

Từ những ví dụ trên đây cho thấy rằng, muốn có chi tiết chất l-ợng cao, ng-ời thiết kế công nghệ không chỉ phải nắm đ-ợc bản chất của từng nguyên công ảnh h-ởng đến sự thay đổi cơ tính kim loại của sản phẩm, mà còn phải nắm

đ-ợc đặc điểm của chi tiết cần chế tạo, điều kiện làm việc của nó và các dạng phế phẩm, dạng hỏng của chi tiết đó trong quá trình làm việc

Phần thứ hai

Công nghệ rèn tự do

Ch-ơng 4

Giới thiệu chung về sản xuất rèn

4.1 Khái niệm chung

Rèn tự do là ph-ơng pháp gia công kim loại cổ điển nhất, song cho đến nay vai trò của nó vẫn là cần thiết và hầu nh- không gì có thể thay thế đ-ợc Theo khái niệm đơn giản nhất, rèn là quá trình gia công kim loại bằng áp lực nhờ sử dụng các dụng cụ vạn năng và thiết bị hoạt động theo nguyên lý chuyển động tịnh tiến - khứ hồi Rèn là quá trình gia công phức tạp bởi vì quá trình rèn th-ờng bao gồm hàng loạt các nguyên công độc lập liên tiếp và xen kẽ nhau mà trong tr-ờng hợp chung là kéo theo sự dịch chuyển và quay của phôi quanh trục của nó Các nguyên công đa dạng và phong phú của rèn cho phép thu đ-ợc vật rèn có hình dạng từ đơn giản đến phức tạp, và danh mục vật rèn có thể tới hàng chục nghìn loại

Công nghệ rèn có nhiều -u điểm quan trọng, nhờ đó trong rất nhiều thế kỷ quá trình rèn vẫn thuộc về ph-ơng pháp gia công hàng đầu Sự phát triển liên tục của công nghệ rèn cho phép nó giữ vững vị trí của mình bên cạnh các dạng gia công kim loại khác Ưu điểm cơ bản của rèn là ở chỗ, rèn là ph-ơng pháp duy nhất và không một ph-ơng pháp nào thay thế đ-ợc có khả năng gia công bằng áp lực các vật rèn có khối l-ợng và kích th-ớc lớn (nặng tới hàng chục hoặc hàng trăm tấn) nhờ sử dụng thiết bị có công suất hạn chế Rèn không những có khả năng tạo ra sản phẩm có hình dạng và kích th-ớc theo yêu cầu và cải thiện tổ chức, cơ tính của kim loại, mà nó còn có tác dụng sửa chữa (phần lớn hoặc hầu hết) các khuyết tật của thỏi đúc Điều này đặc biệt quan trọng đối với các chi tiết lớn bởi vì các chi tiết này th-ờng chứa nhiều bọt khí, các lỗ rỗ và nhiều dạng không hoàn thiện khác của tổ chức vật đúc

Mặc dù công nghệ rèn không phù hợp với sản xuất hàng loạt, song trong sản xuất đơn chiếc (và đôi khi trong sản xuất nhỏ) phục vụ cho công việc sửa chữa,

chế tạo máy cỡ lớn nh- đóng tàu, chế tạo tua bin, nồi hơi cao áp, chế tạo máy rèn dập, chế tạo máy bay, thì công nghệ rèn vẫn chứng tỏ đ-ợc -u thế của nó Trong nhiều tr-ờng hợp có thể sử dụng một số dụng cụ chuyên dùng để rèn cho năng suất cao và chất l-ợng tốt Bằng cách sử dụng các dụng cụ chuyên dùng cho phép rèn đ-ợc các chi tiết t-ơng đối phức tạp, giảm l-ợng d- gia công cơ và nâng cao chất l-ợng sản phẩm

Đặc biệt trong sản xuất các chi tiết lớn (250  300 tấn hoặc lớn hơn) nh- trục cán, trục khuỷu cỡ lớn, trục rôto lớn, cánh tuabin, cột trụ máy ép thuỷ lực, nòng pháo v.v và các vật rèn nặng, quan trọng có kích th-ớc lớn mà các chi tiết đ-ợc chế tạo từ những vật rèn này sẽ làm việc trong điều kiện tải trọng phức tạp, thì công nghệ hợp lý là rèn tự do Ph-ơng h-ớng phát triển của rèn cũng là nhằm nâng cao khối l-ợng kim loại có thể rèn đ-ợc Ngày nay, ng-ời ta có thể rèn đ-ợc các khối thép nặng tới 500 tấn Tuy nhiên đó ch-a phải là giới hạn

4.2 Dụng cụ và thiết bị rèn

Từ thời cổ x-a, loài ng-ời đã biết sử dụng các dụng cụ rèn thủ công để chế tạo ra các loại vật rèn khác nhau phục vụ nhu cầu sản xuất và tiêu dùng Dụng cụ

và thiết bị rèn luôn đ-ợc cải tiến và phát triển phù hợp với yêu cầu và sự phát triển của công nghệ rèn Ngày nay, thiết bị phục vụ cho công nghệ rèn chủ yếu là các loại máy búa và máy ép Máy búa khí nén có khối l-ợng phần rơi từ 50 kg

đến 1 tấn có thể rèn các vật rèn có khối l-ợng từ 0,320 kg và tới 7,5250 kg Vật rèn trung bình (có khối l-ợng từ 20 đến 350 kg, và lớn nhất tới 2502500 kg)

đ-ợc chế tạo trên máy búa hơi n-ớc không khí - nén tác dụng đơn (hoặc tác dụng kép) có khối l-ợng phần rơi 13 tấn, và đôi khi tới 58 tấn Vật rèn lớn th-ờng

đ-ợc chế tạo trên các máy ép thuỷ lực hoặc máy ép thuỷ lực - hơi n-ớc với lực ép

150 MN (15000 T) và lớn hơn Với công nghệ hiện đại, việc sản xuất các vật rèn

định hình có khối l-ợng từ 100 kg trở lên và vật rèn với hình dạng đơn giản có khối l-ợng từ 750 kg trở lên chủ yếu đ-ợc rèn trên máy ép thuỷ lực

Ph-ơng h-ớng hoàn chỉnh công nghệ rèn là dùng thiết bị có hành trình nhanh, sử dụng các ph-ơng tiện cơ khí hoá để giảm nhẹ điều kiện làm việc của công nhân nh- cấp phôi, điều khiển từ xa, bàn quay phôi, tay máy v.v., dụng cụ chuyên dùng để nâng cao năng suất, chất l-ợng

Hình 4.1 giới thiệu một số dạng dụng cụ rèn máy cơ bản đ-ợc sử dụng trong