Thiết kế quy trình công nghệ chế tạo chi tiết quả đấm trong cơ cấu tự động nối toa xe

Trong giai đoạn đầu của nền công nghiệp Cơ khí, phương pháp gia công áp lực không dủ khả năng để tạo ra chi tiết có độ chính xác cao, nên gia công kim loại bằng áp lực chỉ tồn tại như mộ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

-

TRẦN NGỌC KHÁNH

THIẾT KẾ QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO

CHI TIẾT "QUẢ ĐẤM" TRONG CƠ CẤU TỰ ĐỘNG NỐI TOA XE

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

KỸ THUẬT CƠ KHÍ

Hà Nội – Năm 2017

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

-

TRẦN NGỌC KHÁNH

THIẾT KẾ QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO

CHI TIẾT "QUẢ ĐẤM" TRONG CƠ CẤU TỰ ĐỘNG NỐI TOA XE

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

KỸ THUẬT CƠ KHÍ

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS PHẠM VĂN NGHỆ

Hà Nội – Năm 2017

MỤC LỤC

Trang Lời cam đoan

1.1 Tổng quan về công nghệ gia công áp lực 3

1.1.2 Ưu nhược điểm của công nghệ gia công áp lực 5 1.1.3 Một số phương pháp gia công áp lực điển hình 6

2.1.3 Ưu nhược điểm công nghệ dập khối 31

2.3.1 Sơ đồ công nghệ dập khối chính xác 46

CHƯƠNG 3 : CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO CHI TIẾT CHÍNH

CỦA ĐẦU NỐI TOA XE GOONG

3.1 Thiết bị vận tải tại các mỏ than trong hầm lò hiện nay 52 3.2 Cơ cấu móc nối đang sử dụng cho xe goong 54

3.2.1 Cơ cấu móc nối bằng dây xích 54

3.3.1 Tính toán lượng dư gia công và dung sai vật

CHƯƠNG 4 : MÔ PHỎNG SỐ VÀ TỐI ƯU THÔNG SỐ TẠO

HÌNH CHI TIẾT TRONG CƠ CẤU NỐI TOA XE

4.1.3 Các sản phẩm của hệ thống Deform 63 4.1.4 Một số sản phẩm kết quả mô phỏng của phần

4.1.5 Các tính năng 66 4.2 Thiết lập bài toán mô phỏng quá trình tạo hình chi tiết 67

4.2.3 Thiết lập các mô hình điều kiện biên 73 4.2.4 Phân tích kết quả mô phỏng dập chính xác chi tiết 76 4.3 Kết luận

82

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan rằng: Số liệu và kết quả nghiên cứu trong luận văn này

là trung thực và chưa hề được sử dụng để bảo vệ một học vị nào

Tôi xin cam đoan rằng: Mọi sự giúp đỡ trong việc thực hiện luận văn tốt nghiệp đã được cảm ơn và thông tin sử dụng trong luận văn này đều được nêu tại phần tài liệu tham khảo

Hà Nội, tháng 01 năm 2017

Tác giả luận văn:

Trần Ngọc Khánh

LỜI CẢM ƠN

Tôi xin trân trọng cảm ơn Phó giáo sư – Tiến sỹ Phạm Văn Nghệ người trực tiếp hướng dẫn, cùng các thầy, các cô giáo trong bộ môn Gia công áp lực– Viện Cơ khí – Trường Đại học Bách Khoa - Hà Nội Đã chỉ bảo và tận tình giúp đỡ tôi trong quá trình thực hiện luận văn tốt nghiệp

Tôi xin trân trọng cảm ơn các thầy, các cô thuộc Viện đào tạo sau đại học Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, cùng các bạn bè đồng nghiệp đã tạo nhiều điều kiện thuận lợi để tôi hoàn thành luận văn

Hà Nội, tháng 01 năm 2017

Tác giả luận văn:

Trần Ngọc Khánh

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

1.1 Các phương pháp gia công vật liệu 1 1.2 Sản phẩm của công nghệ gia công áp lực 3 1.3 Sơ đồ phân loại gia công áp lực 4 1.4 Công nghệ cán kim loại 4 1.5 Công nghệ kéo kim loại 5 1.6 Công nghệ ép kim loại 5 1.7 Công nghệ rèn tự do 6 1.8 Công nghệ dập thể tích trong khuôn hở 6 1.9 Công nghệ dập trong khuôn kín 6

1.16 Dập vuốt có chặn phôi và không có chặn phôi 12

1.22 Mạng tinh thể trước và sau song tinh 15

1.24 Ứng suất kĩ thuật và ứng suất thực tế 18 1.25 Biểu diễn ứng suất tỏng hệ tọa độ Đề Các 19 1.26 Biến dạng dài và biến dạng góc trên mặt phẳng Z 20

1.27 Quan hệ giữa ứng suất và biến dạng 21

1.29 Sơ đồ chảy hướng kính của kim loại khi chồn 23 2.1 Trục khuỷu động cơ 26 2.2 Chi tiết bánh răng truyền động 26 2.3 Sơ đồ trình tự các nguyên công trong dập thể tích 27 2.4 Sơ đồ phân loại dập khối 27 2.5 Sơ đồ dập trong khuôn hở 28 2.6 Sơ đồ dập thể tích trong khuôn kín 28 2.7 Dập trên khuôn hở 31 2.8 Mặt phân khuôn với các mặt dập đơn giản 33 2.9 Ảnh hưởng của vị trí mặt phân khuôn tới chất lượng 35

2.12 Các kiểu rãnh thoát biên của khuôn dập trên máy ép 39 2.13 Sơ đồ tính lực đẩy vật dập ra khỏi lòng khuôn 40 2.14 Quan hệ giữa ma sát và góc nghiên thành lòng khuôn 41 2.15 Góc nghiên trong và ngoài thành lòng khuôn 42

2.17 Sơ đồ công nghệ dập khối chính xác trong khuôn kín 44 2.18 Sơ đồ công nghệ để chế tạo chi tiết khớp nối chữ thập 45 2.19 Sơ đồ khuôn kín dập trên máy ép trục khuỷu 47

2.21 Sơ đồ khuôn kín cơ cấu đẩy theo nguyên tắc đòn bẩy

và cơ cấu đối áp lò xô 49

3.1 Xe goong do viện máy mỏ thiết kế 52 3.2 Cơ cấu móc nối bằng dây xích 53 3.3 Cơ cấu móc nối tự động 54 3.4 Cấu tạo chi tiết móc nối toa xe goong 55

3.5 Chi tiết trỏ cài 56 3.6 Mô hình hóa chi tiết 57 3.7 Thể tích và khối lượng chi tiết trỏ cài 59 4.1 Mô phỏng dập khối bằng phần mềm Deform 3D 63 4.2 Mô phỏng quá trình cán 63 4.3 Sơ đồ bài toán mô phỏng 65

4.6 Mô hình khuôn trên 67 4.7 Mô hình khuôn dưới 67 4.8 Thư viện vật liệu 68 4.9 Thông tin về vật liệu 69

4.18 Lực dập tác dụng lên cối khi dập nóng 78

DANH MỤC CÁC BẢNG

4.1 Bảng thông số dập nóng 74

1

LỜI MỞ ĐẦU

Trong những nằm gần đõy, cựng với sự phỏt triển mạnh mẽ và hội nhập sõu rộng của nền kinh tế Cỏc sản phẩm cơ khớ của chỳng ta ngày càng phải cạnh tranh với cỏc sản phẩm từ nước ngoài Vỡ vậy chất lượng sản phẩm yờu cầu ngày càng cao, đa dạng cả về mẫu mó, chủng loại và đồng thời đỏp ứng nhanh chúng về mặt thời gian Do đú, tối ưu húa cụng nghệ được cho là yờu tố quan trọng để nõng cao chất lượng sản phẩm, giảm chi phớ thiết kế, sản xuất và giảm giỏ thành sản phẩm

Cựng với sự phỏt triển mạnh mẽ của ngành cụng nghệ thụng tin, điện tử, tự động húa đó trợ giỳp quỏ trỡnh tối ưu húa cụng nghệ một cỏch nhanh chúng và chớnh xỏc bằng cỏc phương phỏp mụ phỏng số Đú là sự kết hợp giữa mụ hỡnh quỏ trỡnh và cỏc phương phỏp số để giải mụ hỡnh quỏ trỡnh đú Mụ phỏng số cho thấy được nhiều kết quả rừ ràng qua đú cú thờm những hiểu biết, nhận xột đỳng đắn để gúp phần tỡm ra những giải phỏp cụng nghệ phự hợp trong quỏ trỡnh sản xuất

Ngoài ra luận văn này cũng bước đầu nghiờn cứu và sử dụng đến cụng nghệ dập khối chớnh xỏc ở trạng thỏi núng nhằm nõng cao hiệu quả của quỏ trỡnh gia cụng

Luận văn bao gồm 4 chương

Chương 1 : Tổng quan về cơ sở lý thuyết và cụng nghệ dập tạo hỡnh

Chương 2 : Tổng quan về cụng nghệ dập khối và phạm vi ứng dụng Chương 3 : Cụng nghệ chế tạo chi tiết chớnh của đầu nối toa xe goong

Chương 4 : Mụ phỏng số và tối ưu cỏc thụng số tạo hỡnh chi tiết trong

cơ cấu nối toa xe

Ứng dụng mô phỏng số với sự trợ giúp của phần mềm DEFORM-3D, sẽ cho phép nhanh chóng tối -u đ-ợc thông số công nghệ cơ bản (nhiệt độ)

và hình dáng kích th-ớc của khuôn dập

3

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ CÔNG NGHỆ

DẬP TẠO HÌNH 1.1 Tổng quan về công nghệ gia công áp lực

Gia công áp lực là một ngành cơ bản trong sản xuất Cơ Khí Nó cho phép tạo

ra các sản phẩm có hình dáng và kích thước phức tạp đồng thời đảm bảo chất lượng về cơ tính tốt, năng suất cao, giá thành hạ Do vậy, Gia Công Áp lực có một vị trí rất lớn trong công nghiệp chế tạo phụ tùng otô, máy kéo, xe máy, hàng dân dụng và quốc phòng với 2 lĩnh vực lớn là công nghệ cán kéo và công nghệ dập tạo hình

Hình 1.1 Các phương pháp gia công vật liệu

Gia công kim loại bằng áp lực có lịch sử phát triển lâu đời Từ thời kì đồ đồng, gia công kim loại bằng áp lực gần như là phương pháp duy nhất để tạo hình chi tiết-sản phẩm Trong giai đoạn đầu của nền công nghiệp Cơ khí, phương pháp gia công áp lực không dủ khả năng để tạo ra chi tiết có độ chính xác cao, nên gia công kim loại bằng áp lực chỉ tồn tại như một phương pháp chuẩn bị phôi cho gia công cơ khí HIện nay và trong tương lai, ngành gia công áp lực chắc chắn sẽ chiếm một vị trí quan trọng do các ưu điểm nổi bật Tại các nước phát triển trên thế giới như Anh, Nga, Mỹ, ngành gia công áp lực xuất hiện từ rất sớm và mang lại giá trị kinh tế cao, đóng góp cho nền kinh

tế quốc dân

Trong suốt hơn 40 năm hình thành và phát triển, ngành công nghệ gia công áp lực đã có nhiều đóng góp cho nền kinh tế nước nhà Từ những năm 1995, Việt Nam đã có thể chế tạo thành công những loại máy uốn thép để tạo ra sản phẩm như : Các loại thép định hình phục vụ xây dựng, những thanh chắn đường đạt

4

tiêu chuẩn, máy làm các tấm lớp kim loại Đâ là những sản phầm Việt Nam

phải nhập khẩu

Hiện nay, nước ta đang chủ trương tăng cường các công nghệ phụ trợ trong

nhiều lĩnh vực : oto, xe máy, dầu khí, hiện đại hocas trong công nghiệp, nông

nghiệp – nông thôn Vì thế ngành cơ khí nói chung và công nghệ gia công áp

lực nói riêng càng cần được chú trọng nghiên cứu và phát triển.[5]

1.1.1 Khái niệm về gia công áp lực

Gia công áp lực là phương pháp gia công vật liệu dựa trên sự biến dạng dẻo

của kim loại trong suốt quá trình gia công để đạt được hình dạng và kích thước

cuối cùng như mong muốn Gia công áp lực chiếm một vị trí quan trọng với

một tỉ trọng ngày càng tăng trong sản xuất cơ khí

Ngoại lực là yếu tố cơ bản trong gia công áp lực, góp phần tạo ra hình dáng

của vật thể và tạo ra cơ tính cao hơn, giảm tiêu hao vật liệu…

Nhiệt độ là yếu tố quan trọng trong gia công áp lực Nhiệt độ cao làm tăng

tính dẻo của kim loại do đó dễ biến dạng dẻo vật liệu và làm giảm trở lực biến

dạng, giảm sức lao động, tăng năng suất…

So với đúc, gia công áp lực tạo ra sản phẩm có độ bền cao hơn, khả năng chịu

lực tốt hơn, độ chính xác và độ nhẵn mặt ngoài cao hơn, tiết kiệm kim loại,

năng suất cao hơn nhưng cần thiết bị tạo lực phức tạp và đắt tiền

Sản phẩm gia công áp lực dùng chủ yếu trong các chi tiết máy, cơ cấu chịu tải

trọng cao, tải trọng động hay va đập Vật liệu dùng gia công áp lực là các loại

thép C, thép hợp kim, kim loại màu, hợp kim màu…

Gia công áp lực tạo ra nhiều dạng sản phẩm khác nhau Có những sản phẩm

đem dùng ngay gọi là chi tiết, có những sản phẩm phải qua gia công cơ tiếp

theo gọi là phôi

5

Hình 1.2 Sản phẩm của gia công áp lực

1.1.2 Ưu nhược điểm của công nghệ gia công áp lực

- Độ bóng và độ chính xác cao hơn các chi tiết

- Dễ cơ khí hóa và tự động hóa nên năng suất cao, giá thành hạ

Hạn chế

- Không gia công được các chi tiết phức tạo

- Bất lợi khi gia công chi tiết có kích thước quá lớn

- Khó gia công với vật liệu giòn

So với phương pháp cắt gọt

Ưu điểm

6

- Năng suất cao, phế liệu ít, giá thành hạ

- Rèn, dập là những phương pháp cơ bản để chế tạo phôi cho gia công cắt gọt

Nhược điểm

- Độ bóng độ chính xác thấp hơn so với phương pháp gia công cắt gọt.[5]

1.1.3 Một số phương pháp gia công áp lực điển hình

Hình 1.3 Sơ đồ phân loại gia công áp lực

a Phương pháp cán

Phương pháp cán là phương pháp biến dạng kim loại giữa hai trục cán quay ngược nhiều nhau để được sản phẩm cán có thiết diện giống như khe hở giữa hai trục cán ( lỗ hình) và có chiều dài không hạn chế.[5]

Hình 1.4 Công nghệ cán kim loại

b Phương pháp kéo kim loại

7

Là phương pháp biến dạng dẻo của kim loại qua lỗ hình của khuôn kéo dưới tác dụng của lực kéo, phôi được vuốt dài ra, giảm diện tích tiết diện ngang tăng chiều dài.[5]

Hình 1.5.Công nghệ kéo kim loại

c Phương pháp ép kim loại

Phương pháp ép kim loại là phương pháp chế tạo các sản phẩm kim loại bằng cách điền đẩy kim loại chứa trong buồng ép kín hình trụ, dưới tác dụng của chày ép kim loại biến dạng qua lỗ khuôn ép có tiết diện giống như tiết diện ngang của chi tiết [5]

Hình 1.6 Công nghệ ép kim loại

a, ép sơi b, ép thanh c, ép ống

d Phương pháp rèn tự do

Là phương pháp gia công áp lực mà kim loại biến dạng không bị khống chế bởi một mặt nào khác ngoài bề mặt tiếp xúc giữa phôi và dụng cụ gia công [5]

Hình 1.8 Công nghệ dập thể tích trong khuôn hở

Hình 1.9 Công nghệ dập trong khuôn kín

f Phương pháp dập tấm

9

Hình 1.10.Công nghệ dập tấm

Là phương pháp biến dạng dẻo phôi kim loại ở dạng tấm trong khuôn dưới tác dụng của ngoại lực để tạo thành sản phẩm có hình dạng, kích thước theo yêu cầu.[5]

Dựa vào đặc điểm biến dạng người ta chia thành hai nhóm chính

- Nhóm các nguyên công cắt vật liệu : Khi tạo hình chi tiết, các nguyên công của nhóm này thường phải tiến hành biến dạng phá hủy vật liệu, tức

là tách một phần vật liệu ra khỏi một phần vật liệu khác

- Nhóm các nguyên công biến dạng dẻo của vật liệu : tạo hình chi tiết dựa trên sự biến dạng dẻo của vật liệu và hầu hết các trường hợp đều có sự dịch chuyển và phân bố lại kim loại

Hình 1.11 Sơ đồ công nghệ dập tấm

10

- Nguyên công cắt hình và đột lỗ

Là nguyên công cắt những thép tấm cán hoặc thép cuộn thành những bănghoặc dải, cắt những thép tấm cán tiêu chuẩn thành những phôi khác nhau, cắt hình để nhận được các loại chi tiết phẳng có hình dạng kích thước khác nhau, hoặc cắt phôi cho các nguyên công khác bằng dao cắt hoặc khuôn cắt… Một số nguyên công cắt điển hình: cắt phôi, cắt hình, đột lỗ, cắt trích,…

Lực cắt hình và đột lỗ(lực biến dạng) phụ thuộc vào trở lực cắt cửa vật liệu phôi, chiều dày vật liệu s, độ dài chu vi cắt L, hình dạng và trạng thái mép làm việc của chày và cối, khe hở Z, tốc độ biến dạng và độ lún sâu của chày vào kim loại thời điểm xuất phát vết nứt

Hình 1.12 Sơ đồ nguyên công đột lỗ

Có thể xác định một cách gần đúng lực cắt hình và đột lỗ bằng tích số giữa diện tích cắt F với trở lực cắt có tính đến các yếu tố ảnh hưởng bởi hệ số k=1,1 1,3

P= F k = L.s .k Trong đó:

Trong quá trình cắt thường có xảy ra các quá trình biến dạng vì vậy để giảm

sự ảnh hưởng của các lực biến dạng đó có thể dùng các phương pháp khác nhau như: cắt từng phần theo đường bao cắt; đột bằng các chày có chiều dài khác nhau; cắt đột bằng chày và cối có mép cắt nghiêng Khi cắt bằng chày cối cắt nghiêng quá trình cắt không xảy ra đồng thời trên toàn bộ đường bao của chi tiết mà xảy ra tuần tự giống như khi cắt trên máy cắt dao nghiêng Do đó lực cắt đột có thể giảm đi (30-40)%

- Nguyên công uốn

Là nguyên công nhằm biến đổi các phôi có trục thẳng thành các chi tiết có trục cong

Uốn: là môt trong những nguyên công thường gặp nhật trong dập nguội Quá trình uốn bao gồm biến dang đàn hồi và biến dạng dẻo Uốn làm thay đổi hướng thớ kim loại, làm cong phôi và thu nhỏ dần kích thước trong quá trình uốn Kim loại phía trong góc uốn bị ép nén và co ngắn ở hướng doc, bị kéo ở hướng ngang.Khi uốn tấm dải rộng củng xảy ra hiện tượng biến mảnh vật liệu nhưng sẻ không không có sai lệch tiết diện ngang Vì trở kháng của kim loại

có chiều rộng lớn sẻ chống lại sự biến dạng theo hướng ngang

Một số nguyên công uốn: uốn, cuốn, vặn

Hình 1.13 Một số nguyên công uốn

12

Nguyên công uốn được thực hiện trên các máy ép trục khuỷu, máy ép thủy lực, máy uốn tấm nhiều trục(máy lốc tấm), máy uốn prôfin chuyên dùng để uốn có kéo vào các máy uốn tự động vạn năng

Uốn bằng khuôn trên các máy ép trục khuỷu được sử dụng nhiều nhất trong chế tạo máy Quá trình uốn trên khuôn do tác dụng đồng thời của cả chày và cối với các điểm đặt lực P và Q ở một khoảng nhất định

Hình 1.14 Sơ đồ nguyên lý nguyên công uốn

Lực P và Q sẽ tạo ra moomen uốn làm thay đổi hình dạng của phôi Trong quá trình uốn độ cong của phần phôi bị biến dạng và sẽ tăng lên và tại cùng biến dạng xảy ra quá trình biến dạng khác nhau ở hai phía của phôi; các lớp kim loại ở phía mặt ngoài góc uốn thì bị kéo còn các lớp bên trong thì bị nén Khi giảm bán kính uốn, biến dạng dẻo sẽ bao trùm toàn bộ chiều dày phôi Hình dạng vùng biến dạng dẻo và độ dài của nó khi góc uốn = 90 gần bằng

¼ tay đòn uốn l

- Nguyên công dập vuốt sâu

Khái niệm : Dập vuốt là một nguyên công nhắm biến đổi phôi phẳng hoặc phôi rỗng để tạo ra các phôi rỗng có kích thước và hình dáng cần thiết

Dập vuốt không biến mỏng : là phương pháp nhận được chi tiết rỗng từ phôi phẳng hoặc phôi rỗng Chiều dày vật liệu hầu như không đổi

13

Dập vuốt biến mỏng : Là phương pháp nhận được chi tiết rỗng từ phôi phẳng hoặc phôi rỗng có chủ định biến mỏng chiều dày vật liệu

Hình 1.15 Sơ đồ công nghệ dập vuốt

Phân loại nguyên công dập vuốt

Phân loại theo hình dạng sản phẩm :

- Nhóm các chi tiết có dạng tròn xoay ( đối xứng trục) : đáy của nồi hơi, các chi tiết hình trụ, các loại bát đĩa dạng kim loại, các chi tiết thiết bị chiếu sáng như pha đèn, vỏ đèn…

- Nhóm các chi tiết có hình dạng hình hợp : thùng nhiên liệu của động

cơ, các loại vỏ hộp, các chi tiết bọc trong các chi tiết của thiết bị điện

tử, thiết bị đo…

- Nhóm các chi tiết có hình dạng phức tạp có nhiều trục đối xứng hoặc không có trục đối xứng : chi tiết xe máy, vỏ oto, cánh cửa oto, chi tiết máy kéo, chi tiết máy bay…

Phân loại theo đặc điểm công :

- Dập vuốt không biến mỏng thành và dập vuốt không biến mỏng thành

- Dập vuốt xuôi và dập xuốt ngược

Phân loại theo chặn phôi

14

- Dập vuốt không có hệ thống chặn phôi

- Dập vuốt có sử dụng hệ thống chặn phôi

Hình 1.16 Dập vuốt có chặn phôi và không có chặn phôi

Sơ đồ nguyên lý dập vuốt

Hình 1.17 Sơ đồ nguyên lý dập vuốt Kết cấu khuôn dập vuốt

15

Hình 1.18 Kết cấu khuôn dập vuốt

g Phương pháp dập thủy tĩnh

Hình 1.19 Công nghệ dập thủy tĩnh

1.2 Lý thuyết biến dạng dẻo của kim loại

Các vật liệu kim loại dưới tác dụng ngoại lực thì quá trình biến dạng sảy ra theo các giai đoạn sau :

16

Hình 1.20 Quan hệ giữa lực và biến dạng

- Biến dang đàn hồi (OA): Là biến dạng sau khi ngoại lực thôi tác dụng, vật trở lại vị trí ban đầu

- Biến dạng dẻo: Là biến dạng không bị mất đi sau khi ngoại lực thôi tác dụng Biến dạng này tương ứng với gia đoạn chảy của vật liệu (AB) Đặc điểm của giai đoạn này là lực không tăng nhưng biến dạng vẫn tăng

- Biến dạng phá huỷ : Sau khi qua giai đoạn biến dạng dẻo, vật liệu bị biến cứng nên ở giai đoạn này lực có tăng biến dạng mới tăng Tiếp tục tăng lực đến giá trị lớn nhất (C) sau đó lực giảm nhưng biến dạng vẫn tăng cho tới lúc bị phá huỷ (CD)

Thông thường kim loại có cấu trúc đa tinh thể (bao gồm nhiều hạt) Trong mỗi hạt các tinh thể xắp xếp theo một phương nhất định và có thể coi đơn ttinh thể

là một hạt Các hạt định hướng khác nhau và tạo với nhau một góc nhất định tại biên giới hạt Bản chất của biến dạng dẻo trong kim loại là biến dạng dẻo trong đơn tinh thể và trong đa tinh thể

a Biến dạng dẻo trong đơn tinh thể : Theo 2 cơ chế chính là trượt và song tinh

Sự trượt :Trong tinh thể luôn tồn tại các khuyết tật, khuyết tật đường quan trọng nhất là lệch mạng, bao gồm lệch mạng xoắn và lệch mạng vuông góc Ở lệch mạng vuông góc, phía bên trên một mặt phẳng nào đó (gọi là mặt trượt)

có một lớp nguyên tử thừa so với phần dưới mặt này Khi có ngoại lực tác dụng, lệch mạng chuyển động theo phương tác dụng dần dần sang các vị rí của

17

các nguyên tử kế cận theo từng bước giống như sự dịch chuyển của con sâu đo cho tới khi gặp biên giới hạt hoặc bề mặt kim loại Quá trình này gọi là sự trượt Như vậy sự trượt là sự chuyển dịch tương đối của một bộ phận so với một bộ phận khác của mạng tinh thể trên mặt trượt theo một phương gọi là phương trượt đi một khoảng cách bằng bội số của thông số mạng a (khoảng cách giữa các nguyên tử) Kết quả là sau khi ngoại lực thôi tác dụng, vật không thể trở về vị trí và hình dạng ban đầu

Với lệch vuông góc, hướng chuyển động của lệch mạng cùng phương với phương ứng suất tiếp còn với lệch xoắn, lệch mạng chuyển động vuông góc với phương ứng suất tiếp

Hình 1.21 Quá trình dịch chuyển của lệch mạng +Song tinh : Song tinh là sự dịch chuyển tương đối của một loạt các mặt

phẳng nguyên tử này so với một loạt các mặt phẳng nguyên tử khác, kết quả là các nguyên tử đối xứng nhau qua một mặt phẳng được gọi là mặt song tinh Khoảng cách dịch chuyển của các nguyên tử không phải là số nguyên lần thông số mạng

Hình 1.22 a,b - Mạng tinh thể trước và sau song tinh

Các nghiên cứu lý thuyết và thực ngiệm cho thấy trượt là hình thức chủ yếu gây ra biến dạng dẻo trong kim loại, các mặt trượt là các mặt phẳng có mật độ

18

nguyên tử cao nhất Biến dạng dẻo do song tinh gây ra rất bé, nhưng khi có song tinh, trượt sẽ xảy ra thuận lợi nhất, giúp cho biến dạng dễ dàng

b Biến dạng dẻo trong đa tinh thể

Biến dạng dẻo trong đa tinh thể bao gồm 2 quá trình chủ yếu : Biến dạng

trong nội bộ từng đơn tinh thể và biến dạng ở vùng tinh giới các hạt.Biến dạng trong nội bộ từng đơn tinh thể bao gồm các quá trình trượt và song tinh xảy ra tương tự như trong đơn tinh thể : các hạt không biến dạng cùng một lúc mà bắt đầu với những mặt trượt với lực tác dụng một góc gần 45 o nhất, sau đó đến các hạt lân cận khác và cứ thế các hạt biến dạng dần

Biến dạng ở vùng tinh giới các hạt : dưới tác dụng của ngoại lực, biên giới hạt của các tinh thể cũng bị biến dạng Khi dó, các hạt trượt và quay tương đối với nhau Do sự trượt và quay tương đối của các hạt, trong các hạt lại xuất hiện các mặt trượt thuận lợi mới , giúp cho biến dạng trong kim loại tiếp tục phát triển

Các yếu tố ảnh hưởng đến tính dẻo và biến dạng của kim loại

- Ảnh hưởng của thành phần và tổ chức kim loại:

Các kim loại khác nhau có kiểu mạng tinh thể, lực kiên kết giữa các nguyên

tử khác nhau do đó tính dẻo của chúng cũng khác nhau Đối cới các hợp kim, kiểu mạng thường phức tạp, xô lệch mạng lớn, một số nguyên tố tạo các hạt cứng trong tổ chức cản trở sự biến dạng do đó tính dẻo giảm Thông thường, kim loại sạch và hợp kim có cấu trúc một pha dẻo hơn hợp kim một pha Các tạp chất thường tập trung ở biên giới hạt, làm tăng xô lệch mạng cũng làm

giảm tính dẻo của kim loại

- Ảnh hưởng của nhiệt độ :

Tính dẻo của kim loại phụ thuộc rất lớn vào nhiệt độ Hầu hết các kim loại khi tăng nhiệt độ thì tính dẻo tăng Khi tăng nhiệt độ, dao động nhiệt của kim loại tăng, đồng thời xô lệch mạng giảm, khả năng khuếch tán của các nguyên tử tăng làm cho tổ chức đồng đều hơn Một số kim loại và hợp kim ở nhiệt độ thường tồn tại ở pha kém dẻo, khi ở nhiệt độ cao chuyển biến thù hình thành pha có độ dẻo cao

19

- Ảnh hưởng của ứng suất dư :

Khi kim loại bị biến dạng nhiều, các hạt tinh thể bị vỡ vụn, xô lệch mạng tăng, ứng suất dư tăng, ứng suất dư lớn làm cho tính dẻo giảm mạnh (biến cứng) Khi nhiệt độ kim loại đạt từ (0,25  0,3 )Tnc, ứng suất dư và xô lệch mạng giảm làm cho tính kim loại phục hồi lại Nếu nhiệt độ nung đạt tới 0,4 Tnc trong kim lạo bắt đầu xuất hiện quá trình kết tinh lại, tổ chức kim loại sai kết tinh lại có hạt đồng điều và lớn hơn, mạng tinh thể hoàn thiện hơn nên độ

dẻo tăng

- Ảnh hưởng của trạng thái ứng suất chính :

Trạng thái ứng suất chính ảnh hưởng đáng kể tới tính dẻo của kim loại Qua thực nghiệm người ta thấy rằng, kim loạ chiệu ứng suất nén khối có tính dẻo cao hơn khi chiệu ứng suất nén mặt, ứng suất nén đường hay ứng suất kéo

- Ảnh hưởng của tốc độ biến dạng :

Sau khi rèn, dập, các hạt kim loại bị biến dạng do chịu tác dụng mọi phía nên chai cứng hơn, sức chống lại sự biến dạng của kim loại sẽ lớn hơn đồng thời khi nguội dần sẽ kết tinh lại như cũ Nếu tốc độ biến dạng nhanh hơn tốc độ kết tinh lại thì các hạt kim loại bị chai chưa kịp trở lại trạng thái ban đầu mà tiếp tục biến dạng, do đó ứng suất trong kim loại sẽ lớn, hạt kim loại bị dồn và

Ứng suất theo các phương

Hình 1.24 Ứng suất kĩ thuật và ứng suất thực tế

- Ứng suất kĩ thuật :

- Ứng suất thực tế

21

Trong biến dạng dẻo ta thường sử dụng ứng suất thực tế để tính toán

Hình 1.25 Biểu diễn ứng suất trong hệ tọa độ Đề Các

Khi giải các bài toán biến dạng dẻo ta thường sử dụng hệ tọa độ chính

1.3.2 Biến dạng

Biến dạng dài và biến dạng góc

22

Hình 1.26 Biến dạng dài và biến dạng góc trên mặt phẳng Z

Biến dạng kĩ thuật ( biến dạng giãn dài):

Biến dạng thực ( biến dạng logarit):

Suy ra

Ta có

( ) Biến dạng trong gia công áp lực là biến dạng lớn nên ta thường sử dụng biến dạng thực[5]

2.1.1.1 Quan hệ giữa ứng suất và biến dạng

Trong biến dạng đàn hồi, quan hệ giữa ứng suất và biến dạng tuân theo định

luật Hoocke

23

{

( ) ( ) ( ) Trong đó

E : là modul đàn hồi dọc

v : Hệ số Poisson

G : Modul đàn hồi trượt

Trong biến dạng dẻo ta có quan hệ giữa ứng suất và biến dạng như sau

{

Hình 1.27 Quan hệ giữa ứng suất và biến dạng

Sự khác nhau cơ bản giữa modul đàn hồi E và G trong biến dạng đàn hồi và D trong biến dạng dẻo là ở chỗ E và G là hằng số đội với một vật liệu nhất định còn D thay đổi trong quá trình biến dạng

Trong biến dạng đàn hồi

24

Trong biến dạng dẻo

luôn luôn thay đổi trong quá trình biến dạng

1.4 Các định luật cơ sở trong gia công áp lực

1.4.1 Định luật biến dạng đàn hồi tồn tại khi biến dạng dẻo

Khi biến dạng dẻo của kim loại xảy ra đồng thời đã có biến dạng đàn hồi tồn tại Quan hệ của chúng qua định luật Hooke Khi biến dạng kích thước của kim loại so với kích thước sau khi thôi tác dụng lực khác nhau nên kích thước của chi tiết sau khi gia công xong khác với kích thước lổ hình của khuôn (vì

có đàn hồi).[1]

1.4.2 Định luật ứng suất dư

Trong quá trình biến dạng dẻo kim loại vì ảnh hưởng của các yếu tố như: nhiệt độ không điều, tổ chức kim loại không điều, lực biến dạng phân bố không điều, ma sát ngoài điều làm cho kim loại sinh ra ứng suất dư Bên trong bất sứ kim loại nào cũng điều sinh ra ứng suất dư cân bằng nhau Sau khi thôi tác dụng lực, ứng suất dư vẫn còn tồn tại.[1]

1.4.3 Định luật bảo toàn thể tích

Thể tích vật thể trước biến dạng bằng thể tích sau biến dạng hay tổng các

thành phần biến dạng trên đường chéo chính bằng 0.[1]

Hình 2.19 Định luật bảo toàn thể tích

Ta có

25

Suy ra

và kích thước phức tạp nhất là tổ chức kim loại để có chất lượng về cơ tính tốt

và cho năng suất cao, giá thành hạ

Công nghệ gia công áp lực được xây dựng trên cơ sở lý thuyết biến dạng dẻo của kim loại, khoa học nghiên cứu biến dạng của vật liệu, trường ứng suất và biến dạng dưới tác dụng của ngoại lực nhằm khai thác hết khả năng biến dạng dẻo của vật liệu, tối ưu công nghệ, để xác định được quy trình công nghệ biến dạng

26

Dập khối chính xác là phương pháp công nghệ tiên tiến, có nhiều ưu điểm nổi bật so với các loại hình công nghệ khác như: tiết kiệm nguyên vật liệu Hiện tại việc áp dụng phương pháp này đã khá phổ biến ở nhiều nước công nghiệp phát triển

Các yếu tố công nghệ ảnh hưởng đén quá trình dập khối

bị cho phép để ta lựa chọn các yếu tố sao cho phù hợp

Để làm rõ hơn các vấn đề và lựa chọn tối ưu các thông số khi dập chính xác

ta sẽ tiến hành dập ở các khoảng nhiệt độ khác nhau, nhưng để xác định tính toán các thông số khi dập là rất khó khăn, vì vậy thay cho việc tính toán lý thuyết ta sẽ khảo sát bằng thực nghiệm

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…

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, xử lý nhiệt…) và tiến hành các nguyên công gia công cơ nếu cần thiết để chế tạo ra sản phẩm hoàn 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

Chồn Vuốt Uốn

…

Dập trong khuôn hở Dập trong khuôn kín

30

Phân loại theo trạng thái nhiệt độ

Dập nóng : phôi được nung nóng tới nhiệt độ gia công Phương pháp này 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