Thiết kế máy cán thép rằn

Thép rằn được tạo thành từ quá trình cán kim loại, kim loại được biến dạng giữa hai trục cán quay ngược chiều nhau, giữa hai trục có hệ thống các lỗ hình và có khe hở giữa hai trục cán n

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

KHOA CƠ KHÍ

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

ĐỀ TÀI:

THIẾT KẾ MÁY CÁN THÉP RẰN

Người hướng dẫn: ThS LƯU ĐỨC HÒA

Sinh viên thực hiện: NGUYỄN VĂN TÙNG

Đà Nẵng, 2017

Tên đề tài: Thiết kế máy cán thép rằn

Sinh viên thực hiện: Nguyễn Văn Tùng

Số thẻ sinh viên: 101120154 Lớp 12C1A

Với đề tài là “Thiết kế máy cán thép rằn” trải qua thời gian làm việc miệt mài của bản thân, cùng sự hướng dẫn tận tình của thầy ThS Lưu Đức Hòa, đến nay em đã hoàn thành xong đồ án tốt nghiệp của mình với các nội dung như sau:

Phần thuyết minh: Em lần lượt nghiên cứu các vấn đề sau:

+ Tìm hiểu và giới thiệu về sản phẩm thép rằn

+ Nêu các cơ sở lý thuyết cho quá trình cán kim loại

+ Tính công nghệ và thiết kế lỗ hình cho trục cán

+ Thiết kế động học và tính toán động lực học máy Bao gồm việc đưa ra các phương án thiết kế, phân tích phạm vi ứng dụng, ưu nhược điểm cho từng phương

án rồi xác định phương án tối ưu nhất Và tính toán các thông số động lực học cho máy

+ Tính toán thiết kế các cụm kết cấu chính của máy Gồm các tính toán thiết kế cho hộp giảm tốc, hộp phân lực, khớp nối và trục nối, bánh đà

+ Tính toán thiết kế giá cán Bao gồm tính toán cho trục cán, khung giá cán, gối

đỡ, ổ đỡ, vít vén và cơ cấu điều chỉnh lượng ép

+ Tính toán năng suất và an toàn vận hành máy

Phần bản vẽ: Gồm 2 bản vẽ A1 thể hiện lỗ hình trục cán và phân bố lỗ hình trên trục cán và 6 bản vẽ A0 thể hiện tổng thể và các cụm kết cấu của máy

Với các nội dung trên, do thời gian và tài liệu tham khảo không nhiều, cộng với kiến thức bản thân có nhiều hạn chế nên chắc chắn sẽ có nhiều sai sót trong bài làm của mình Mong quý thầy cô chỉ bảo góp ý thêm để bản thiết kế được hoàn thiện hơn Lần nữa, xin gởi lời cảm ơn sâu sắc nhất đến thầy ThS Lưu Đức Hòa và cùng toàn thể quý thầy cô trong khoa Cơ khí đã nhiệt tình giúp đỡ em

2 Đề tài thuộc diện: ☐ Có ký kết thỏa thuận sở hữu trí tuệ đối với kết quả thực hiện

3 Các số liệu và dữ liệu ban đầu:

○ Vật liệu phôi cán: Thép CT38

○ Kích thước phôi ban đầu: 32x32 mm2

○ Kích thước sản phẩm cán: Thép rằn Ø14

4 Nội dung các phần thuyết minh và tính toán:

○ Cơ sở lý thuyết về quá trình cán kim loại

○ Tính toán công nghệ và thiết kế lỗ hình trục cán

○ Thiết kế động học và tính toán động lực học máy

○ Tính toán thiết kế các cụm kết cấu chính của máy

○ Tính toán thiết kế giá cán

○ Tính toán năng suất và an toàn vận hành máy

5 Các bản vẽ, đồ thị ( ghi rõ các loại và kích thước bản vẽ ):

○ Bản vẽ công nghệ lỗ hình trục cán 1 A1

○ Bản vẽ phân bố lỗ hình trên trục cán 1 A1

○ Bản vẽ sơ đồ nguyên lý của máy cán 1 A0

○ Bản vẽ lắp chung của máy cán 1 A0

○ Bản vẽ thân và cơ cấu nén trục 1 A0

6 Họ tên người hướng dẫn: ThS Lưu Đức Hòa

Đà Nẵng, ngày tháng năm 201

Trưởng Bộ môn Công nghệ vật liệu

PGS TS Đinh Minh Diệm

Người hướng dẫn

ThS Lưu Đức Hòa

Năm năm học Đại học đã cho chúng em nhiều kiến thức quý báu và kinh nghiệm tuyệt vời, đó là nguồn kiến thức rất quan trọng để chúng em hoàn thành đồ án tốt nghiệp của mình – một nghiên cứu bao hàm nhiều yêu cầu từ thực tiễn ứng dụng đến

tư duy thiết kế, chế tạo, vận hành và các kiến thức chuyên môn khác Để đồ án tốt nghiệp được hoàn thành, đòi hỏi những nỗ lực to lớn của bản thân chúng em, cùng với những lời động viên, những sự giúp đỡ của gia đình, người thân, thầy cô và bạn bè

Em xin dành lời cảm ơn chân thành và sâu sắc nhất cho những sự giúp đỡ to lớn đó Sau một thời gian dài tìm hiểu dược sự giúp đỡ, gợi ý của các thầy cô trong

Khoa và sự tận tình hướng dẫn của thầy ThS Lưu Đức Hòa em đã chọn và thực hiện

đề tài “Thiết kế máy cán thép rằn” Đây là một đề tài tương đối phổ biến và có tính

khả thi cao và cần thiết Nếu sự đầu tư đúng hướng và ngày càng mạnh vào lĩnh vực cơ khí của đất nước như hiện nay thì việc xây dựng ra một dây chuyền sản xuất như thế sẽ mang lại lợi ích kinh tế rất lớn

Mặc dù được sự hướng dẫn tận tình của thầy giáo nhưng do vốn kiến thức còn hạn chế tài liệu lại khan hiếm, thời gian có hạn và chưa có nhiều kinh nghiệm thực tế lại phải giải quyết một nhiệm vụ lớn nên đề tài sẻ không tránh khỏi những sai suất Rất mong sự góp ý của các thầy cô và các bạn để đề tài được hoàn thiện hơn

Sau cùng em xin chân thành cảm ơn thầy Th.S Lưu Đức Hòa Dù thầy rất bận rộn

với công việc giảng dạy và nghiên cứu nhưng thầy vẫn dành thời gian để hướng dẫn và chỉ bảo những thiếu sót và khó khăn trong quá trình hoàn thành đồ án tốt nghiệp này Xin gửi đến thầy lời cảm ơn chân thành cho những ý tưởng thiết kế, sự nhiệt tình và cả những áp lực mà thầy đã đặt ra để đề tài sớm được hoàn tất Kính chúc thầy và gia đình luôn mạnh khỏe để tiếp tục giúp đỡ các thế hệ sinh viên tiếp theo Đồng thời, em cũng xin cảm ơn sâu sắc đến các thầy cô giáo trong Khoa Cơ khí đã nhiệt tình truyền dạy những kiến thức bổ ích trong quá trình học tập và làm việc tại trường

Em xin chân thành cảm ơn!

Đà Nẵng, ngày … tháng … năm 2017

Sinh viên thực hiện

Nguyễn Văn Tùng

Với sự hướng dẫn tận tình của giáo viên hướng dẫn và tham khảo các tài liệu em

đã hoàn thành đồ án tốt nghiệp của mình và xin cam kết rằng:

- Trong quá trình hoàn thành đồ án không sao chép từ các đồ án cũ

- Các số liệu, công thức trích dẫn đều từ các tài liệu tham khảo đáng tin cậy

- Tuân thủ các quy định của nhà trường đề ra về cách thức trình bày đồ án

- Không trích dẫn, sao chép từ các nguồn tài liệu khi chưa được sự đồng ý cũng

như các tài liệu vi phạm pháp luật

Sinh viên thực hiện

Nguyễn Văn Tùng

TÓM TẮT

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

LỜI NÓI ĐẦU i

CAM ĐOAN ii

MỤC LỤC iii

DANH SÁCH CÁC BẢNG, HÌNH VẼ viii

CHƯƠNG 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ QUÁ TRÌNH CÁN KIM LOẠI 1

1.1 Tổng quan về ngành cán thép và sản phẩm cán thép rằn 1

1.1.1 Tổng quan về ngành cán thép 1

a Lịch sử phát triển của máy cán thép trên thế giới 1

b Lịch sử phát triển của máy cán thép ở Việt Nam 1

1.1.2 Giới thiệu về sản phẩm cán thép rằn và nhu cầu sử dụng thép rằn 2

a Giới thiệu về sản phẩm cán thép rằn 2

b Nhu cầu sử dụng thép rằn 3

1.2 Cơ sở lý thuyết của quá trình cán kim loại 4

1.2.1 Cơ sở lý thuyết của quá trình biến dạng kim loại 4

a Cấu tạo kim loại 4

b Biến dạng dẻo của kim loại 5

c Cơ chế biến dạng dẻo của kim loại 6

d Tính dẻo và những nhân tố ảnh hưởng đến tính dẻo của kim loại 8

e Trạng thái ứng suất và phương trình dẻo 10

f Các định luật cơ bản khi gia công kim loại bằng áp lực 13

h Các phương pháp gia công bằng áp lực 15

1.2.2 Lý thuyết của quá trình cán kim loại 23

a Quá trình cán, đặc điểm quá trình cán và phân loại 23

b Vùng biến dạng và các thông số của vùng biến dạng 24

c Các đại lượng đặc trưng của biến dạng kim loại khi cán 25

d Điều kiện để kim loại ăn vào trục khi cán 27

1.2.3 Máy cán 30

a Định nghĩa và phân loại 30

b Cấu tạo máy cán 33

c Nung kim loại trước khi cán và làm nguội sau khi cán 34

d Sơ đồ quy trình công nghệ chung của một phân xưởng cán 36

CHƯƠNG 2: TÍNH TOÁN CÔNG NGHỆ VÀ THIẾT KẾ LỖ HÌNH TRỤC CÁN 38

2.1 Tính toán công nghệ 38

2.1.1 Khái niệm về trục cán và lỗ hình trục cán 38

a Trục cán 38

b Lỗ hình trục cán 38

2.1.2 Phân loại lỗ hình trục cán 39

a Phân loại theo hình dáng 39

b Phân loại theo công dụng 39

c Phân loại theo cách gia công lỗ hình trên trục cán 39

2.1.3 Cách bố trí lỗ hình trên trục cán 40

a Bố trí xen kẽ 40

b Bố trí lên xuống 40

2.2 Thiết kế lỗ hình trục cán 40

2.2.1 Yêu cầu thiết kế lỗ hình trục cán 40

2.2.2 Cơ sở dữ liệu của phôi 41

2.2.3 Sản phẩm cán 41

2.2.4 Thiết kế và tính toán lỗ hình 42

a Số lần cán 42

b Phân bố lượng giãn dài μ 43

c Xác định kích thước của lỗ hình ôvan trước tinh 45

d Kích thước của lỗ hình vuông trước lỗ hình ôvan trước tinh (lần cán thứ 4) 47

e. Kích thước lỗ hình ôvan của lần cán thứ 3 49

f Xác định lỗ hình vuông khi cán lần thứ hai 50

g. Kích thước lỗ hình ôvan của lần cán đầu tiên 52

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ ĐỘNG HỌC VÀ TÍNH TOÁN ĐỘNG LỰC HỌC

MÁY 55

3.1 Thiết kế động học máy 55

3.1.1 Giới thiệu chung 55

3.1.2 Lựa chọn phương án thiết kế 55

a Máy cán ba trục dùng bánh răng truyền động cho trục cán 55

b Máy cán ba trục dùng hộp phân lực 56

3.1.3 Lựa chọn hệ thống truyền động cho máy cán 57

a Động cơ điện 57

b Khớp nối và trục khớp nối 58

c Bánh đà 59

d Hộp giảm tốc 60

e Hộp phân lực 60

3.2 Tính toán động lực học cho máy 61

3.2.1 Tính lực cán 61

a Lực cán cho lỗ hình thứ nhất (P 1 ) 63

b. Lực cán cho lỗ hình thứ hai (P2) 64

c Lực cán cho lỗ hình thứ ba (P 3 ) 65

d Lực cán cho lỗ hình thứ tư (P 4 ) 66

e Lực cán cho lỗ hình thứ năm (P 5 ) 67

f. Lực cán cho lỗ hình tinh (P6) 67

3.2.2 Tính mômen cán và các mômen khác sinh ra khi cán 69

a Mômen cán 69

b Mômen ma sát 70

c Mômen không tải 72

d Mômen động M đ 73

3.2.3 Tính công suất động cơ 75

CHƯƠNG 4: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ CÁC CỤM KẾT CẤU CHÍNH CỦA MÁY 77

4.1 Thiết kế hộp giảm tốc 77

4.1.1 Phân phối tỷ số truyền 77

4.1.3 Tính bộ truyền bộ răng cấp chậm 84

4.1.4 Thiết kế trục cho hộp giảm tốc 88

a Tính đường kính sơ bộ trục 88

b Tính gần đúng trục 89

c Tính chính xác trục (Kiểm nghiệm theo hệ số an toàn) 95

4.1.5 Tính then cho các trục 98

4.1.6 Tính chọn ổ đỡ 100

4.1.7 Cấu tạo vỏ hộp 104

4.2 Thiết kế hộp phân lực 107

4.2.1 Xác định các thông số của hộp phân lực 107

4.2.2 Tính toán thiết kế trục cho hộp phân lực 109

4.2.3 Tính chọn ổ đỡ 112

4.3 Tính chọn khớp nối và trục nối 113

4.3.1 Khớp nối 113

a Chọn khớp nối giữa động cơ và hộp tốc độ 113

b Chọn khớp nối giữa trục ra của hộp giảm tốc và trục vào của hộp phân lực 114

4.3.2 Trục nối và ổ nối trục cán 116

4.4 Tính toán bánh đà 117

CHƯƠNG 5: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ GIÁ CÁN 119

5.1 Trục cán 119

5.2 Tính toán khung giá cán 122

5.3 Tính chọn gối đỡ và ổ đỡ cho trục cán 128

5.4 Vít nén và cơ cấu điều chỉnh lượng ép 129

CHƯƠNG 6: TÍNH TOÁN NĂNG SUẤT VÀ AN TOÀN VẬN HÀNH MÁY 132

6.1 Tính toán năng suất 132

6.2 An toàn vận hành máy 132

6.2.1 Yêu cầu về lắp ráp 132

6.2.2 Chế độ và dầu bôi trơn máy cán 133

6.2.5 Bảo dưỡng máy 134

KẾT LUẬN 135 TÀI LIỆU THAM KHẢO 136

Hình 1.4 Đồ thị quan hệ giữa lực và biến dạng

Hình 1.5 Sơ đồ biến dạng trong đơn tinh thể

Hình 1.6 Trạng thái ứng suất

Hình 1.7 Sơ đồ biến dạng theo định luật trở lực bé nhất

Hình 1.8 Sơ đồ cán kim loại

Hình 1.9 Máy cán thép thép dày

Hình 1.10 Cán hình

Hình 1.11 Cán ống không có mối hàn

Hình 1.12 Máy kéo sợi thẳng

Hình 1.13 Máy kéo có tang cuộn

Hình 1.14 Sơ đồ nguyên lý ép kim loại

Hình 1.15 Kết cấu khuôn ép

Hình 1.16 Sơ đồ rèn tự do

Hình 1.17 Sơ đồ kết cấu một bộ khuôn rèn

Hình 1.18 Sơ đồ cán kim loại

Hình 1.19 Sơ đồ vùng biến dạng của kim loại khi cán

Hình 3.1 Sơ đồ máy cán 3 trục dùng bánh răng truyền động cho trục cán

Hình 3.2 Sơ đồ động máy cán ba trục dùng hộp phân lực

Hình 3.3 Sơ đồ động máy cán ba trục dùng hộp phân lực

Hình 3.4 Khớp nối vòng đàn hồi

Hình 3.5 Khối nối trục xích

Hình 3.6 Trục khớp nối vuông

Hình 3.7 Sơ đồ áp lực của kim loại tác dụng lên trục cán

Hình 3.8 Quan hệ giữa nhiệt độ chảy to

ch, giới hạn bền  và phần trăm cacbon trong thép %C

Hình 3.9 Sơ đồ các lực cán tác dụng lên trục cán

Hình 3.10 Biểu đồ quan hệ giữa lực cán và các lỗ hình

Hình 3.11 Biểu đồ quan hệ giữa mômen và các lỗ hình

Hình 4.1 Sơ đồ kích thước hộp giảm tốc

Hình 4.2 Sơ đồ phân tích lực tác dụng lên bánh răng

Hình 4.3 Biểu đồ lực và mômen của trục I

Hình 4.4 Biểu đồ mômen của trục II

Hình 4.5 Biểu đồ lực và mômen của trục III

Hình 4.6 Sơ đồ lực tác dụng lên ổ đỡ tại trục

Hình 4.7 Sơ đồ lực tác dụng lên ổ đỡ tại trục

Hình 4.8 Sơ đồ lực tác dụng lên ổ đỡ tại trục III

Hình 4.10 Biểu đồ phân tích lực trong hộp phân lực

Hình 4.11 Sơ đồ lực tác dụng lên ổ đỡ

Hình 4.12 Khối nối vòng đàn hồi

Hình 4.13 Cấu tạo nối trục xích

Hình 4.14 Cấu tạo trục khớp nối vuông

CHƯƠNG 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ QUÁ TRÌNH CÁN KIM LOẠI

1.1 Tổng quan về ngành cán thép và sản phẩm cán thép rằn

1.1.1 Tổng quan về ngành cán thép

a Lịch sử phát triển của máy cán thép trên thế giới

Máy cán thép thô sơ được dùng ngựa để kéo và dùng để cán ra các sản phẩm đơn giản như gươm, dao, giáo mác, các cỗ xe ngựa v.v Máy cán lúc đầu chỉ có 2 trục quay ngược chiều nhau Đến năm 1864 máy cán 3 trục đầu tiên ra đời chạy bằng máy hơi nước cán ra các loại thép tấm, thép hình, đồng tấm và dây đồng Do nhu cầu ngày càng phát triển, đặc biệt là ngành đóng tàu, chế tạo xe lửa, ngành công nghiệp nhẹ v.v và chiếc máy cán 4 trục ra đời năm 1870 Sau đó là các loại máy cán với giá cán 6 trục, 12 trục, 20 trục và các loại máy cán đặc biệt khác ra đời để cán các sản phẩm siêu mỏng và dị hình như máy cán bi, cán chu kỳ, cán đúc liên tục

Hiện nay để cán một sản phẩm theo một quy trình công nghệ, người ta kết hợp nhiều giá cán lại như máy cán thô, máy cán phá, nhóm giá cán thô, nhóm giá cán trung gian, nhóm giá cán tinh, máy cán tinh, máy cán bán liên tục, máy cán liên tục v.v Ngoài ra người ta còn dùng rất nhiều thiết bị khác để tiến hành tự động hoá, cơ khí hoá, tin học hoá trong sản xuất theo quy trình công nghệ mới Các thiết bị này là máy cắt, lò nung, lò nhiệt luyện, hệ thống con lăn, bàn nâng hạ, máy tinh chỉnh, sàn làm nguội v.v Tất cả các thiết bị chính và phụ đó được bố trí sắp đặt trong xưởng cán hay trong khu liên hợp luyện cán thép theo trình tự công nghệ

Trên thế giới có những xưởng cán với chiều dài từ 500 m đến 4.000 m với năng suất rất cao như khu luyện cán thép Bảo Sơn (Trung Quốc) 6 triệu tấn/năm; khu luyện cán thép của công ty POSCO (Hàn Quốc) có năng suất 20 triệu tấn/năm

b Lịch sử phát triển của máy cán thép ở Việt Nam

Trước năm 1954, các loại thép ở Việt nam hầu như nhập từ Pháp về, sau 1954 chúng ta nhập thép từ Liên Xô, Trung Quốc và các nước Đông Âu Kế hoạch 5 năm lần thứ nhất (1960 - 1965), nhà nước ta đầu tư xây dựng khu gang thép Thái Nguyên với sự giúp đỡ của Trung Quốc Năm 1975, nhà máy luyện cán thép Gia sàng (Thái Nguyên) đi vào hoạt động với năng suất 5 vạn tấn/năm (nay là 10 vạn tấn/năm) với sự giúp đỡ của CHDC Đức Miền nam sau ngày giải phóng có các nhà máy cán thép hình

cỡ nhỏ như Vicasa, Vikimcô với năng suất khoảng 5 vạn tấn/năm Đến năm 1978 Nhà máy cán thép Lưu xá (Thái Nguyên) có năng suất 12 vạn tấn/năm đi vào hoạt động Cho đến năm 1986 cả nước chỉ đạt khoảng 20 vạn tấn thép cán/năm

Sau đổi mới, các xí nghiệp liên doanh cán thép giữa Việt nam và nước ngoài đã

100 kg/người Bình quân khối ASEAN tiêu thụ khoảng 200 kg/người Ở những nước tiên tiến, sản lượng tiêu thụ đạt 1000 kg/người

1.1.2 Giới thiệu về sản phẩm cán thép rằn và nhu cầu sử dụng thép rằn

a Giới thiệu về sản phẩm cán thép rằn

Thép thanh vằn hay còn gọi là thép cốt bê tông mặt ngoài có gân Thép rằn được

sử dụng nhiều trong ngành công nghiệp xây dựng Thép rằn được tạo thành từ quá trình cán kim loại, kim loại được biến dạng giữa hai trục cán quay ngược chiều nhau, giữa hai trục có hệ thống các lỗ hình và có khe hở giữa hai trục cán nhỏ hơn chiều dày của phôi ban đầu Kết quả làm cho tiết diện ngang của phôi giảm xuống còn chiều dài tăng lên, tạo thành lỏi thép

Cán thép rằn có thể được tiến hành ở trạng thái nóng hoặc nguội, với mỗi phương pháp đều có những ưu nhược điểm khác nhau Thép rằn được phân loại theo đường kính danh nghĩa của thép: bao gồm thép rằn Ø12, Ø14, Ø16, …

Hình dạng sản phẩm như sau:

Hình 1.1 Sản phẩm cán thép rằn Các thông số của sản phẩm:

d1: đường kính ngoài của thép rằn (mm)

d: đường kính trong của thép rằn (mm)

S: khe hở giữa hai trục cán

(mm) Thép rằn được cán theo dung sai âm:

dd=d d00,,35 (mm)

Bảng 1.1 Thông số cho các cỡ thép Sản phẩm d (mm) d1 (mm) dd (mm) S (mm)

Ngày nay khi nhu cầu về đời sống của con người càng được nâng cao thì nền kinh

tế cần phải kịp thời đáp ứng đầy đủ những nhu cầu như nhu cầu về sử dụng thép trong công nghiệp Mà đặc biệt là công nghiệp cơ khí nắm vai trò chủ yếu trong việc tạo ra sản phẩm Ở một khía cạnh khác, thì ngành công nghiệp cán thép lại đóng một vai trò chủ chốt, là khâu không thể thiếu được để góp phần tạo ra các sản phẩm, vật dụng cho các ngành công nghiệp khác Mà sản phẩm thép rằn đang đóng vai trò quan trọng trong lĩnh vực xây dựng

Ngày nay, sản phẩm thép rằn không thể thiếu được trong công cuộc đổi mới đất nước, mà đặc biệt là nó được sử dụng nhiều trong ngành công nghiệp xây dựng Nó được dùng để làm các kết cấu bê tông cốt thép khi xây dựng nhà cửa, cầu hầm, mái che ở các sân vận động … Năm 2006 thế giới tiêu thụ 1.200 triệu tấn, trong đó Việt nam tiêu thụ 7 triệu tấn; nhu cầu thép vào năm 2010 là 10 triệu tấn; năm 2015 là 16 triệu tấn và năm 2020 là 20 triệu tấn Do nhu cầu sử dụng thép rằn như đã nêu trên, nên cần thiết phải có những máy cán thép với năng suất cao Đủ khả năng để đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của nền công nghiệp nói riêng cũng như nền kinh tế nói chung,

để góp phần vào sự nghiệp công nghiệp hóa hiện đại hóa của nước nhà, đưa đất nước ngày càng phát triển

1.2 Cơ sở lý thuyết của quá trình cán kim loại

1.2.1 Cơ sở lý thuyết của quá trình biến dạng kim loại

a Cấu tạo kim loại

 Khái niệm về kim loại

Kim loại là vật thể sáng, dẻo, có thể rèn được, có tính dẫn nhiệt cao Bất cứ kim loại nào bề mặt chưa bị ôxy hóa đều có vẽ lấp lánh gọi là ánh kim Hầu hết các kim loại đều dẻo, có thể kéo sợi, dát mỏng, dẫn điện và dẫn nhiệt tốt Tuy nhiên không phải kim loại nào cũng thỏa mãn tất cả các điều kiện trên

 Cấu tạo mạng tinh thể của kim loại

Hình 1.2 Cấu tạo mạng tinh thể

Trong điều kiện thường và áp suất khí quyển hầu hết các kim loại tồn tại ở trạng thái rắn (ngoại trừ thủy ngân)

Mạng tinh thể là mô hình hình học mô tả sự sắp xếp có quy luật của các nguyên tử (phân tử) trong không gian (Hình 1.2a)

Mạng tinh thể bao gồm các mặt đi qua các nguyên tử, các mặt này luôn luôn song song cách đều nhau và được gọi là mặt tinh thể (Hình 1.2b)

Ô cơ sở là hình khối nhỏ nhất có cách sắp xếp chất điểm đại diện chung cho mạng tinh thể (Hình 1.2c) Trong thực tế để đơn giản chỉ cần biểu diễn mạng tinh thể bằng ô

cơ sở của nó là đủ Tuỳ theo loại ô cơ bản người ta xác định các thông số mạng Ví dụ như trên ô lập phương thể tâm (Hình 1.3) có thông số mạng là a là chiều dài cạnh của

ô Đơn vị đo của thông số mạng là Ăngstrong (Angstrom), ký hiệu: A

Các kiểu mạng tinh thể thường gặp:

+ Mạng lập phương thể tâm: Các nguyên tử (ion) nằm ở các đỉnh và ở tâm của khối lập phương Các kim loại nguyên chất có kiểu mạng này như: Feα, Cr, W, Mo, V…

+ Lập phương diện tâm: Các nguyên tử (ion) nằm ở các đỉnh và giữa (tâm) các mặt của hình lập phương Các kim loại nguyên chất có kiểu mạng này như: Fe, Cu,

Ni, Al, Pb…

+ Lục giác xếp chặt: Bao gồm 12 nguyên tử nằm ở các đỉnh, 2 nguyên tử nằm ở giữa 2 mặt đáy của hình lăng trụ lục giác và 3 nguyên tử nằm ở khối tâm của 3 lăng trụ tam giác cách đều nhau Các kim loại nguyên chất có kiểu mạng này như: Mg, Zn …

Hình 1.3 Ô cơ sở mạng a) Lập phương thể tâm b) Lập phương diện tâm c) Lục giác xếp chặt

b Biến dạng dẻo của kim loại

Dưới tác dụng của ngoại lực hoặc nhiệt độ, thế năng của nguyên tử trong kim loại thay đổi Sự dịch chuyển của các nguyên tử tạo ra sự biến dạng theo các giai đoạn: biến dạng đàn hồi, biến dạng dẻo và phá huỷ

Dưới tác dụng của ngoại lực kim loại sẽ biến dạng theo 3 giai đoạn nối tiếp nhau: (Hình 1.4)

 Biến dạng đàn hồi

Là biến dạng khi thôi tác dụng lực vật trở về hình dạng ban đầu Khi tăng tải trọng (tải trọng tác dụng nhỏ hơn Pp) thì biến dạng kim loại l tăng theo tỷ lệ bậc nhất với ứng suất, là quan hệ tuyến tính theo định luật Hook Trên đồ thị là đoạn OP

 Biến dạng dẻo

Là biến dạng sau khi thôi tác dụng lực biến dạng vẫn tồn tại, nó tương ứng với giai đoạn chảy của kim loại Biến dạng dẻo xảy ra khi ứng suất của lực tác dụng lớn hơn giới hạn đàn hồi khi tải trọng từ Pp÷Pb thì độ biến dạng dẻo kèm theo biến dạng đàn hồi trên đồ thị đoạn Pb

 Biến dạng phá huỷ

Khi ứng suất của tác dụng đạt đến giá trị lớn nhất Pb (lớn hơn độ bền của kim loại) thì trong kim loại bắt đầu suất hiện vết nứt tại đó ứng suất tăng nhanh gây nên ứng suất tập trung, kích thước vết nứt tăng lên cuối cùng là phá huỷ kim loại (điểm C trên đồ thị)

Tùy theo cấu trúc tinh thể của mỗi loại, các giai đoạn trên có thể xảy ra với các mức độ khác nhau

Hình 1.4 Đồ thị quan hệ giữa lực và biến dạng

c Cơ chế biến dạng dẻo của kim loại

 Biến dạng dẻo trong đơn tinh thể

Tùy theo cấu trúc tinh thể của mỗi loại, các giai đoạn trên có thể xảy ra với các mức độ khác nhau Trong đơn tinh thể kim loại, các nguyên tử sắp xếp theo một trật tự xác định, mỗi nguyên tử dao động quanh một vị trí cân bằng của nó (Hình 1.5a)

♦ Biến dạng đàn hồi

Dưới tác dụng của ngoại lực, mạng tinh thể bị biến dạng Khi ứng suất sinh ra trong kim loại chưa vượt quá giới hạn đàn hồi, các nguyên tử kim loại dịch chuyển không quá một thông số mạng (Hình 1.5b), nếu thôi tác dụng lực, mạng tinh thể lại trở

về trạng thái ban đầu

Rõ ràng mặt và phương xảy ra sự trượt phải có liên kết giữa các mặt trượt với nhau phải yếu hơn Các mặt phương thỏa mãn điều kiện này là các mặt phương có mật

độ nguyên tử lớn nhất, là các mặt phương cơ bản

Nếu như trong mạng tinh thể luôn có lệch thì chúng luôn luôn là nơi xuất phát của các quá trình trượt, sự trượt tác động đến các nguyên tử ở trên mặt trượt một cách nối

Trong những điều kiện thường của biến dạng dẻo, song tinh không có vai trò đáng

kể nhưng sẽ tăng lên khi giảm nhiệt độ hoặc tăng tốc độ biến dạng

Ví dụ: đơn tinh thể Cd có ứng suất trượt thực tế là 0,3÷0,7 N/mm2còn gây ra song tinh phải tới 4,22÷3,34 N/mm2

Nghiên cứu về lý thuyết và thực nghiệm cho thấy biến dạng dẻo do song tinh gây

ra rất bé, nhưng khi có song tinh trượt sẽ xảy ra nhanh hơn

Hình 1.5 Sơ đồ biến dạng trong đơn tinh thể

 Biến dạng dẻo trong đa tinh thể

Kim loại và hợp kim là tập hợp của nhiều đơn tinh thể (hạt tinh thể) Cấu trúc của chúng được gọi là cấu trúc đa tinh thể Trong đa tinh thể biến dạng dẻo có hai dạng: biến dạng trong nội bộ hạt và biến dạng vùng tinh giới hạt

♦ Biến dạng trong nội bộ hạt

Cũng do trượt và song tinh giống trong biến dạng dẻo trong đơn tin thể

♦ Biến dạng ở vùng tinh giới hạt

Có các đặc điểm sau:

+ Do các định hướng khác nhau nên khi tác dụng tải trọng lên đa tinh thể, các hạt

sẽ biến dạng khác nhau Hạt nào có mạng định hướng thuận lợi cho trượt sẽ bị biến dạng dẻo trước với ứng suất tương đối nhỏ, ngược lại hạt có phương mạng không thuận lợi cho trượt và biến dạng sau với ứng suất lớn hoặc không biến dạng Theo các nghiên cứu cho thấy: các mặt trượt tạo với các hướng của ứng suất chính một góc xấp

+ Vùng biên giới các hạt có sự xắp xếp không trật tự, do đó sự trượt khó phát triển ở đây, vì không hình thành mặt trượt và phương trượt Trong kim loại đa tinh thể, khó có thể trượt liên tục từ hạt này sang hạt khác

 Từ những đặc điểm trên ta rút ra kết luận: làm nhỏ hạt kim loại không những tăng độ bền mà cả độ dẻo của kim loại và hợp kim

Quá trình biến dạng ở đa tinh thể chủ yếu do các hạt xảy ra trượt và quay tương đối với nhau Do trượt và quay của hạt, trong các hạt lại xuất hiện các mặt trượt thuận lợi mới giúp biến dạng trong kim loại tiếp tục phát triển

d Tính dẻo và những nhân tố ảnh hưởng đến tính dẻo của kim loại

 Tính dẻo của kim loại

Tính dẻo của kim loại là khả năng thay đổi hình dáng và kích thước của kim loại khi chịu lực tác dụng mà không bị phá huỷ

♦ Các đặc trưng của tính dẻo

+ Độ giãn dài tương đối (a1): là độ giãn về chiều dài khi kim loại chịu kéo so với

độ dài ban đầu

a1=

o l l



.100%

với: l=l1-l0

lo- là độ dài trước biến dạng

l1- là độ dài sau biến dạng

+ Độ thắt tương đối (af): là độ giảm về tiết diện ngang khi kim loại giãn dài so với tiết diện ban đầu của nó

+ Độ dai va đập: là công cần thiết sinh ra để phá huỷ một đơn vị diện tích mẫu

+ Số lần bẻ gãy

 Các yếu tố ảnh hưởng đến tính dẻo của kim loại

+ Ảnh hưởng của thành phần hoá học và tổ chức của kim loại

Mức độ liên kết giữa các hạt càng lớn, mật độ kim loại càng cao, thành phần hoá học đều đặn, kích thước hạt đều, tạp chất phân bố đều, mặt trượt nhiều thì tính dẻo của kim loại càng cao, kim loại dễ dàng biến dạng

Các chất hợp kim và các tạp chất trong kim loại cũng có tác dụng lớn đến tính dẻo của kim loại

Kim loại đúc có tổ chức hạt không đều, tính dẻo sẽ thấp, nếu qua gia công áp lực thì tính dẻo sẽ tăng lên

Tổ chức kim loại càng nhiều pha càng kém dẻo

Hạt tinh thể càng nhỏ thì kim loại càng dẻo

+ Ảnh hưởng của trạng thái ứng suất chính

Qua thực nghiệm người ta thấy rằng kim loại chịu ứng suất nén khối có tính dẻo cao hơn khi chịu ứng suất nén mặt, nén đường hoặc chịu ứng suất kéo

+ Ảnh hưởng của ứng suất dư

Ứng suất dư sinh ra là do sự biến dạng không đều đặn, chỗ biến dạng nhiều sinh ra ứng suất dư nén, chỗ biến dạng ít sinh ra ứng suất dư kéo Bình thường, ứng suất dư này cân bằng nhau

Sự tồn tại của ứng suất dư làm tăng khả năng chống biến dạng của kim loại, làm giảm tính dẻo của kim loại, giảm độ dai va đập, giảm khả năng chịu đựng của vật thể

Vì vậy cần phải khử ứng suất dư như ủ non, kết tinh lại; gõ đập bằng búa gỗ, phun bi thép, phun cát, hoặc chọn phương pháp biến dạng phôi hợp lý

+ 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, tính dẻo tăng, kim loại dễ biến dạng

Mặt khác, khi nung kim loại có sự thay đổi về thành phần hoá học (hiện tượng thoát cacbon, lưu huỳnh, phốt pho, …) nên làm thay đổi tính dẻo của nó

Trong vùng nhiệt độ kết tinh lại và nhiệt độ chuyển biến pha, thì tính dẻo giảm Lý

do là ứng suất dư của kim loại xuất hiện, do cấu trúc không đồng nhất và có biến cứng + Ảnh hưởng của tốc độ biến dạng

Tăng tốc độ biến dạng thì làm giảm tính dẻo của kim loại Nếu tốc độ của quá trình biến cứng khi biến dạng lớn hơn tốc độ của quá trình khử biến cứng Ngoài ra tốc

độ của biến dạng tăng còn làm sinh nhiều nhiệt, hiệu ứng nhiệt làm cho kim loại đạt tới nhiệt độ mà tại đó tính dẻo thấp, còn làm tăng cứng lớn hơn tốc độ biến cứng Do hiệu ứng nhiệt mà nhiệt độ của kim loại tăng dần lên làm cho kim loại chuyển từ vùng dòn sang vùng dẻo

+ Ảnh hưởng của lực quán tính

+ Ảnh hưởng của ma sát ngoài

Ma sát ngoài làm thay đổi hình thức lực do đó làm thay đổi trạng thái ứng suất chính của vật thể Ngoài ra ma sát ngoài còn cản trở biến dạng tự do của vật thể, làm cho vật thể biến dạng không đồng đều làm tăng lực và công biến dạng Cản trở sự di chuyển của kim loại trong khuôn rèn và dập thể tích do đó vật có khả năng làm giảm việc điền đầy khuôn

e Trạng thái ứng suất và phương trình dẻo

Hình 1.6 Trạng thái ứng suất a) Ứng suất đơn b) Ứng suất phẳng c) Ứng suất khối

Giả sử trong vật thể hoàn toàn không có ứng suất tiếp thì vật thể có ba dạng ứng suất chính sau:

- Khi chịu ứng suất khối:

Điều kiện biến dạng dẻo: max  giớihạn.

Khi chịu ứng suất mặt thì trạng thái biến dạng dẻo là: 1 2 = ch

Khi chịu ứng suất khối thì trạng thái biến dạng dẻo là:

ch





max min 

Các phương trình trên gọi là phương trình dẻo

Biến dạng dẻo chỉ bắt đầu sau biến dạng đàn hồi Thế năng của biến dạng đàn hồi

ở đây:

Trong đó:

A0 - thế năng để thay đổi thể tích vật thể

Ah - thế năng để thay đổi hình dáng vật thể

Trong trạng thái ứng suất khối, thế năng biến dạng đàn hồi theo định luật Hook xác định:

A= (11+22+33)/3 (1.2) Như vậy, biến dạng tương đối theo định luật Hook:

)(

21

3 2 1 3

V

với: : hệ số Pyacon tính đến vật liệu biến dạng

E: Môđun đàn hồi của vật liệu

Thế năng làm thay đổi thể tích bằng:

Đây gọi là phương trình dẻo

Khi cán kim loại, tấm kim loại biến dạng ngang không đáng kể:

Theo (3) ta có: 2=[ (   1 3)] (1.10) Khi biến dạng dẻo không tính đến đàn hồi, thể tích vật thể không đổi: vậy v=0 Theo (1.6) ta có:

)(

21

3 2

k: gọi là hằng số dẻo ở trạng thái ứng suất khối

Phương trình dẻo có thể viết:

2

f Các định luật cơ bản khi gia công kim loại bằng áp lực

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

Khi biến dạng dẻo xảy ra đồng thời có cả biến dạng đàn hồi tồn tại Quan hệ giữa biến dạng đàn hồi và lực tác dụng biểu thị bằng định luật Hook 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 của lỗ hình trong khuôn (vì có đàn hồi)

Định luật này giúp chúng ta khi thiết kế hệ thống lỗ hình phải tính đến biến dạng đàn hồi, có nghĩa là kích thước sau khi gia công sẽ khác với kích thước của hệ thống lỗ thiết kế

 Định luật thể tích không đổi khi biến dạng dẻo

Thể tích kim loại trước và sau khi biến dạng là không đổi

V1= V2= const

V1 và V2 là thể tích kim loại trước và sau khi biến dạng

Xét một vật thể có kích thước biến dạng và sau biến dạng là:

L0, b0, h0, L1, b1, h1

Với: L0, b0, h0: Chiều dài, chiều rộng, chiều cao của vật thể trước khi biến dạng

L1, b1, h1: Chiều dài, chiều rộng, chiều cao của vật thể sau khi biến dạng

=> 1+2+3=0 Là phương trình điều kiện thể tích không đổi

Định luật này có ý nghĩa thực tiễn, nó cho biết chiều dài sau khi biến dạng dưới tác dụng của ngoại lực

 Định luật trở lực bé nhất

Khi biến dạng dẻo kim loại, thì mỗi phần tử của

kim loại biến dạng dẻo sẽ dịch chuyển theo hướng

có trở lực bé nhất (hoặc hướng có pháp tuyến ngắn

nhất)

Nhờ định luật này ta có thể xác định được quy

luật chảy, tức hướng chảy của kim loại khi gia công

kim loại bằng áp lực

Hình 1.7 Sơ đồ biến dạng theo định luật trở lực bé nhất

 Định luật ứng suất dư

Trong bất cứ một kim loại biến dạng nào cũng được sinh ra một ứng suất dư cân bằng nhau Ứng suất dư này tồn tại bên trong vật thể đến khi biến dạng làm giảm tính dẻo, độ bền và độ dai va đập làm cho vật thể biến dạng hoặc phá huỷ Khi phân tích ứng suất chính cần tính đến ứng suất dư và khắc phục hậu quả của nó sinh ra

 Định luật đồng dạng

Theo định luật động dạng thì: Trong điều kiện biến dạng đồng dạng, hai vật thể có hình dạng hình học đồng dạng nhau Nhưng kích thước khác nhau sẽ có đơn vị áp lực như nhau, nếu gọi a1,b1, c1, F1, v1 là kích thước, diện tích và thể tích của vật thể 1, a2,

b2, c2, F2, v2 là kích thước, diện tích và thể tích của vật thể 2

Gọi p1, p2, A1, A2 là lực và công biến dạng tác dụng lên vật thể 1 và 2

1

b

b

= 2

g Phá hủy trong quá trình biến dạng

Quá trình biến dạng tăng dần với một mức độ nào đó trong kim loại sẽ phá huỷ Đây là một dạng hỏng nghiêm trọng mà không thể khắc phục được Cơ chế của quá trình phá huỷ là đầu tiên hình thành và phát triển vết nứt từ kích thước siêu vi mô, vi

mô đến vĩ mô

 Phá huỷ trong điều kiện tải trọng tĩnh

Phá huỷ có thể kèm theo biến dạng dẻo ở mức độ tương đối gọi là phá huỷ dẻo Phá huỷ dẻo xảy ra với tốc độ nhỏ cần nhiều lực nên ít nguy hiểm Điều kiện để phá huỷ dẻo xảy ra là biến dạng dẻo và trạng thái ứng suất kéo 3 chiều trong vùng có thắt cục bộ Phá hủy hầu như không có biến dạng dẻo vĩ mô kéo theo xảy ra tức thời nên khá nguy hiểm Bề mặt ngoài đứt khi phá huỷ thường vuông góc với ứng suất pháp lớn nhất như mặt vi mô thì có thể là theo mặt phẳng tinh thể xác định với mặt dòn, ở bên trong mọi hoạt hạt

Các yếu tố ảnh hưởng đến sự phá huỷ là nhiệt độ, tốc độ, biến dạng và tập trung ứng suất

2 .

 Phá huỷ trong điều kiện tải trọng thay đổi theo chu kỳ

Cơ chế phá huỷ cũng xảy ra bằng cách tạo thành và phát triển vết nứt

Sự phá huỷ mỏi phụ thuộc vào các yếu tố: ứng suất tác dụng số chu kỳ tác dụng của tải trọng, yếu tố tập trung ứng suất

 Phá huỷ ở nhiệt độ cao

Sự tạo nên vết nứt dẻo có thể theo cơ chế sau: các hạt trượt lên nhau theo biên giới

có tập trung ứng suất tạo nên vết nứt

h Các phương pháp gia công bằng áp lực

Gia công kim loại bằng áp lực là một trong những phương pháp cơ bản để chế tạo các chi tiết máy và các sản phẩm kim loại thay thế cho phương pháp đúc hoặc gia công cắt gọt Gia công kim loại bằng áp lực thực hiện bằng cách dùng ngoại lực tác dụng làm cho kim loại ở trạng thái nóng hoặc nguội bị biến dạng dẻo, kết quả là sẽ làm thay đổi hình dạng của vật thể kim loại mà không phá huỷ tính liên tục và độ bền của chúng

Đặc điểm của phương pháp gia công kim loại bằng áp lực là:

- Gia công kim loại ở trạng thái rắn

- Là dạng gia công không phoi

- Sau khi gia công, kim loại không những thay đổi hình dạng kích thước mà còn thay đổi về cơ lý tính như: kim loại mịn chặt hơn, hạt kim loại đồng đều hơn, tổ chức của hạt kim loại thay đổi thành tổ chức thớ, khuyết tật do đúc được khử, cơ tính và độ bền của kim loại được nâng cao

- Có khả năng cho ra chi tiết có chất lượng bề mặt, độ bóng, độ chính xác cao Gia công kim loại bằng áp lực có nhiều phương pháp và có thể chia thành 2 ngành chính:

+ Cán, kéo, ép thuộc ngành luyện kim

+ Rèn tự do, rèn khuôn, dập tấm thuộc ngành cơ khí

Hình thức gia công kim loại bằng áp lực có thể là gia công nóng (nhiệt độ kết thúc gia công lớn hơn nhiệt độ kết tinh lại) hoặc là gia công nguội (nhiệt độ bắt đầu gia công nhỏ hơn nhiệt độ kết tinh lại)

 Cán kim loại

Hình 1.8 Sơ đồ cán kim loại Cán là phương pháp gia công áp lực trong đó kim loại được biến dạng qua khe hở giữa hai trục cán quay ngược chiều nhau Hình dáng kích thước khe hở giữa hai trục cán quyết định hình dáng kích thước tiết diện ngang của sản phẩm Quá trình chuyển động của kim loại qua khe hở giữa hai trục cán là nhờ ma sát sinh ra giữa hai trục cán

và kim loại cần gia công

Sản phẩm chia làm 4 loại (loại tấm, loại hình, ống, đặc biệt)

+ Loại tấm gồm các tấm mỏng, chiều dày từ 0,2 - 3,75 mm; loại tấm dày: 4 - 60

mm, loại cuộn dày từ (0,2 - 2) mm

+ Loại hình: bao gồm các loại có tiết diện đơn giản: vuông, tròn, chữ nhật, lục giác

+ Loại ống: bao gồm các mối hàn và các loại ống không có mối hàn

+ Loại đặc biệt: loại này được dùng trong ngành đặc biệt như chế tạo ôtô, tàu thuỷ, máy bay v.v

Sơ đồ công nghệ cán một số thép thông dụng:

Hình 1.9 Máy cán thép thép dày a) Cán rộng b) Cán dài

Hình 1.10 Cán hình a) Cán thép tròn b) Cán thép vuông c) Cán thép góc

+ Đặc điểm

- Kéo sợi có thể thực hiện ở trạng thái nóng hoặc nguội

- Kéo sợi cho ta sản phẩm có độ chính xác cấp 2÷4 và độ bóng ∇4÷∇9

+ Công dụng

- Kéo sợi dùng để chế tạo các thỏi, ống, sợi bằng thép và kim loại màu

- Kéo sợi còn dùng gia công tinh các mặt ngoài các ống cán có mối hàn và một

số công việc khác

♦ Quá trình kéo sợi

Tùy theo từng kim loại, hình dáng lỗ khuôn, mỗi lần kéo tiết diện có thể giảm xuống 15% đến 35% Tỷ lệ giữa đường kính trước và sau khi kéo gọi là hệ số kéo dài:

) cot 1

d K







 Với: d0, d1: đường kính sợi trước và sau khi kéo (mm)

: giới hạn bền của kim loại (N/mm2)

α: góc nghiêng của lỗ khuôn

P: áp lực của khuôn ép lên kim loại (N/mm2)

f: hệ số ma sát

Kéo sợi có thể kéo qua một hoặc nhiều lỗ khuôn kéo nếu tỷ số giữa đường kính phôi và đường kính sản phẩm vượt quá hệ số kéo cho phép Số lượt kéo có thể được tính toán như sau:

Hình 1.15 Kết cấu khuôn ép a) Hình côn, b) Hình phễu, c) Hình trụ

♦ Đặc điểm và ứng dụng

Ép là phương pháp sản xuất các thanh thỏi có tiết diện định hình có năng suất cao,

độ chính xác và độ nhẵn bề mặt cao Trong quá trình ép kim loại chủ yếu chịu ứng suất nén nên tính dẻo tăng, do đó có thể ép được các sản phẩm có tiết diện ngang phức tạp Nhược điểm của phương pháp là kết cấu ép phức tạp, khuôn ép yêu cầu chống mòn cao Phương pháp này được ứng dụng rộng rãi để chế tạo các thỏi kim loại màu có d=5÷200 mm, các ống có đường kính ngoài đến 800 mm, chiều dày từ 1,5÷8 mm và một số prôfin khác

 Rèn tự do

♦ Thực chất, đặc điểm của rèn tự do

Thực chất: 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 phô kim loại với dụng cụ gia công Dưới tác dụng của lực do búa gây ra và phản lực từ đe, khối kim

loại biến dạng, sự biến dạng chỉ bị khống chế bởi hai mặt trên và dưới, còn các mặt xung quanh hoàn toàn tự do

♦ Đặc điểm

- Độ chính xác, độ bóng bề mặt chi tiết không cao

- Chất lượng và tính chất kim loại từng phần của chi tiết khó đảm bảo giống nhau nên chỉ gia công các chi tiết đơn giản hay các bề mặt không định hình

- Chất lượng sản phẩm phụ thuộc tay nghề công nhân

- Thiết bị và dụng cụ rèn tự do đơn giản

- Rèn tự do được dùng rộng rãi trong sản xuất đơn chiếc hay hàng loạt nhỏ Chủ yếu dùng cho sửa chữa và thay thế

♦ Thiết bị rèn tự do

Hình 1.16 Sơ đồ rèn tự do 1) Búa, 2) Khối kim loại, 3) Đe Thiết bị rèn tự do bao gồm: thiết bị gây lực, thiết bị nung, máy cắt phôi, máy nắn thẳng, máy vận chuyển…

Rèn tự do có thể tiến hành bằng tay hoặc bằng máy Rèn tay chủ yếu dùng trong sửa chữa, rèn máy chủ yếu dùng trong phân xưởng cơ khí

Theo đặc tính tác dụng lực, các máy dùng để rèn tự do được chia ra: máy tác dụng lực va đập (máy búa), máy tác dụng lực tĩnh (máy ép) Trong đó máy búa hơi là thiết

 Thiết bị cần có công suất lớn, độ cứng vững và độ chính xác cao

 Chi phí chế tạo khuôn cao, khuôn làm việc trong điều kiện nhiệt độ và áp lực lớn

+ Máy ép thủy lực: Ưu điểm của máy ép thủy lực là: lực ép lớn, chuyển động của đầu ép êm và chính xác, điều khiển hành trình ép và lực ép dễ dàng Nhược điểm của nó là chế tạo phức tạp, bảo dưỡng khó khăn

+ Máy ép trục khuỷu: Máy ép trục khuỷu có lực ép từ 16÷10000 tấn

♦ Đặc điểm

- Năng suất lao động cao do dễ cơ khí hóa và tự động hóa

- Chuyển động của thiết bị đơn giản, công nhân không cần trình độ cao, đảm bảo

độ chính xác cao

- Có thể dập được những chi tiết phức tạp và đẹp, có độ bền cao…

Công dụng: Dập tấm được dùng rộng rãi trong các ngành công nghiệp, đặc biệt là công nghiệp chế tạo máy bay, nông nghiệp, ô tô, thiết bị điện…

♦ Thiết bị dập tấm

+ Máy ép trục khuỷu

+ Máy ép thủy lực

1.2.2 Lý thuyết của quá trình cán kim loại

a Quá trình cán, đặc điểm quá trình cán và phân loại

 Quá trình cán

Quá trình cán là cho kim loại biến dạng giữa hai trục cán quay ngược chiều nhau

có khe hở nhỏ hơn chiều cao của phôi, kết quả làm cho chiều cao phôi giảm, chiều dài

và chiều rộng tăng Hình dạng của khe hở giữa hai trục cán quyết định hình dáng của sản phẩm Quá trình phôi chuyển động qua khe hở trục cán là nhờ ma sát giữa hai trục cán với phôi Cán không những thay đổi hình dáng và kích thước phôi mà còn nâng cao chất lượng sản phẩm

Hình 1.18 Sơ đồ cán kim loại

 Đặc điểm quá trình cán

Quá trình cán là một quá trình tạo phôi kim loại bằng phương pháp gia công áp lực

do đó nó có đầy đủ các đặc điểm của phương pháp gia công áp lực

Quá trình cán là quá trình gia công không phoi

Trong quá trình làm việc, kim loại bị thay đổi về tổ chức tế vi; hạt kim loại bị kéo dài theo hướng cán thành sớ, tính chất cơ lý cũng thay đổi: kim loại có tính dị hướng Phôi di chuyển và biến dạng nhờ sự quay liên tục của trục cán và ma sát giữa trục cán với phôi

Hình dạng sản phẩm cán phụ thuộc và lỗ hình giữa hai trục cán

 Phân loại

Các loại máy cán được phân loại theo công dụng, theo số lượng và phương pháp

bố trí trục cán, theo vị trí giá cán

♦ Phân loại theo chuyển dịch tương đối của kim loại so với trục cán

Gồm 3 dạng: Cán dọc; Cán ngang; Cán nghiêng (cán ngang xoắn)

♦ Phân loại theo trạng thái kim loại biến dạng

- Cán đối xứng: Khi mọi yếu tố của quá trình cán giống nhau trên cả hai trục

- Cán không đối xứng: Khi có một vài yếu tố của quá trình cán trên hai trục không giống nhau

♦ Phân loại theo sản phẩm cán

- Cán phôi: tạo ra các thỏi kim loại để tiếp tục gia công theo các phương pháp khác, hoặc cán thô

- Các hình: tạo ra các sản phẩm hình như cán thép chữ I, U, L…

- Cán tấm: sản phẩm tạo ra dạng tấm

- Cán ống: Cán ra các ống thép trụ tròn rỗng

♦ Phân loại theo mức độ liên tục

- Cán không liên tục: là sản phẩm cán bị gián đoạn trong các lần cán

- Cán liên tục: phôi được cán một cách liên tục cho đến thành phẩm

vùng tiếp xúc, phần kim loại nằm trong vùng tiếp xúc gọi là vùng biên dạng

Như vậy vùng biến dạng là vung kim loại xảy ra biến dạng dẻo, nằm trong phạm

vi tác dụng của trục cán Theo hình vẽ, vùng ABCD là vùng biến dạng

 Thông số của vùng biến dạng

- Góc : là góc ăn kim loại

- ltx= AB= CD là chiều dài của vùng biến dạng

- h1, h2: chiều cao của vật trước và sau khi cán

- b1, b2: chiều rộng của vật trước và sau khi cán

- l1, l2: chiều dài của vật trước và sau khi cán

c Các đại lượng đặc trưng của biến dạng kim loại khi cán

Xét một vật thể kim loại có tiết diện hình chữ nhật có chiều dài l được cán giữa hai trục cán phẳng (Hình 1.20)

Hình 1.20 Tiết diện vật thể cán

 Biến dạng theo chiều cao

- Lượng ép tuyệt đối h: h= h1-h2 (mm)

- Lượng ép tương đối %: = 100%

2 1

- Mối quan hệ giữa h,  và l:

Từ hình 1.19 ta có: h  h h BE

2 2 2

2 1

Mà

2 sin 2 ) cos 1 ( cos

R R

R R OE OB

Vì  quá nhỏ nên

2 2 sin  

cán)

Mặt khác ta lại có: AB=R l  D. l

2

Thay  từ () vào ta có: l  D.h

2 (mm) Chiều dài cung tiếp xúc tỷ lệ thuận với D và h

 Biến dạng theo chiều rộng

- Lượng giãn rộng tuyệt đối: bb2 b1(mm)

- Lượng giãn rộng tương đối: .100%

Công thức tính lượng giãn rộng của Baxtino:

+ Đối với lượng giãn rộng tự do (khi cán phẳng)

)2.(2.15,1

h h R h

h n

 ( luôn lớn hơn 1 vì l2 luôn lớn hơn l1)

Quan hệ giữa hệ số giãn dài () và lượng ép () theo công thức sau:

%100)

11(



  

Từ 3 hệ số ,  và  ta thấy rằng:

1

1 2 1 1 1

2 2 2

l b h

tổng=

n o o

n

F

F l

Trong đó:

tổng: hệ số giãn dài tổng cộng của vật cán sau n lần cán

ln, lo: chiều dài của vật cán sau n lần cán và của lúc ban đầu

Fo, Fn: diện tích tiết diện của phôi cán ban đầu và của thành phẩm sau n lần cán

F F

2 1 1

0

F F

n

lg

d Điều kiện để kim loại ăn vào trục khi cán

 Điều kiện để kim loại ăn vào trục khi cán

Khi máy cán làm việc, trục cán quay và lôi vật cán vào trục để cán, ép làm cho nó biến dạng

Từ hình 1.22 ta thấy:

Muốn vật cán ăn vào được trục cán thì: 2Tx > 2Nx

Nghĩa là: Tx > Nx

Với N xN sin ;T x T cos N.f cos

Như vậy: N.f.cos > N.sin

 f > tg (f là hệ số ma sát)

Vì  nhỏ nên tg   f > 