CƠ SỞ BIẾN DẠNG TẠO HÌNH KIM LOẠI đề TÀI BIẾN DẠNG KHỐI II

Trong công nghiệp, dây thường được định nghĩa là một thanh đãđược kéo qua khuôn ít nhất một lần, hoặc đường kính của nó đủ nhỏ để có thể cuộn đượcsự phân biệt giữa thanh và dây là với th

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP HCM

ĐỀ TÀI: BIẾN DẠNG KHỐI II

Học viên thực hiện: NGUYỄN VĂN TÚ 1970526

NGUYỄN ĐAN THIỆN 1970401

Ngành đào tạo: KỸ THUẬT CƠ KHÍ

Giáo viên hướng dẫn: TS LƯU PHƯƠNG MINH

TP HCM, THÁNG 9 NĂM 2020

MỤC LỤC

I QUY TRÌNH ÉP: 2

1 Khái niệm: 2

2 Thông số tính toán: 3

a Dòng chảy kim loại và thông số về lực: 3

b Các thông số về khuôn: 7

3 Sơ đồ ứng suất và sơ đồ biến dạng: 9

4 Các quy trình ép khác: 9

5 Khuyết tật và tổ chức kim loại sau khi Ép: 11

a Khuyết tật: 11

b Tổ chức kim loại sau khi ép: 12

II QUY TRÌNH KÉO: 13

1 Tổng quan về quá trình kéo 13

a Giới thiệu: 13

b Quá trình kéo thanh tròn, sợi: 14

c Quá trình kéo ống 15

2 Phân tích quá trình kéo thanh tròn, sợi 17

a Quá trình kéo thanh tròn, sợi không xét ma sát: 17

b Quá trình kéo thanh tròn, sợi có tính đến ma sát 18

3 Phân tích quá trình kéo ống 21

a Kéo ống không sử dụng trục gá 21

b Kéo ống có sử dụng trục gá cố định 21

c Kéo ống sử dụng trục gá không cố định 24

4 Phân tích sản phẩm sau quá trình kéo (ứng suất dư trong thanh, dây và ống) 25

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình I-1 Ép trực tiếp [1] 2

Hình I-2 Ép gián tiếp [1] 2

Hình I-3 Lực ma sát trong ép trực tiếp 3

Hình I-4 Dòng chảy kim loại và lớp oxit giữa hai bề mặt tiếp xúc [1] 4

Hình I-5 Biểu đồ thể hiện sự phụ thuộc áp suất vào dòng chảy [2] 6

Hình I-6 Góc chết của khuôn [3] 7

Hình I-7 Dòng chảy của kim loại phụ thuộc vào góc khuôn [3] 7

Hình I-8 Biểu đồ thể hiên lực khối đẩy phụ thuộc vào góc khuôn [1] 8

Hình I-9 Sơ đồ ứng suất và sơ đồ biến dạng khuôn [4] 9

Hình I-10 Ép tác động [5] 9

Hình I-11 Ép thủy tĩnh [5] 10

Hình I-12 Khuyết tật nứt [1] 11

Hình I-13 Khuyết tật ống [1] 11

Hình I-14 Khuyết tật nứt bề mặt [1] 12

Hình I-15 Tổ chức kim loại trong quá trình ép [1] 12

Hình II-1 Sơ đồ quá trình kéo [5] 13

Hình II-2 Bản vẽ sơ đồ của một bàn vẽ [2] 14

Hình II-3 Sơ đồ thiết bị kéo dây [2] 15

Hình II-4 Mặt cách ngang lòng khuôn [2] 15

Hình II-5 Phương pháp kéo ống [2] 17

Hình II-6 Ứng suất trong quá trình kéo không tính đến ma sát [2] 18

Hình II-7 Ứng suất tại một phần tử của dây [2] 20

Hình II-8 Ứng suất tác dụng lên phần tử của ống được kéo bằng thiết bị trục gá cố định [2] 23

Hình II-9 Biểu đồ kéo ống giảm tối đa lý thuyết [2] 25

Hình II-10 Biểu đồ ứng suất dư dọc trong dây đồng thau kéo nguội [2] 27

GIỚI THIỆU

Ép và kéo có nhiều ứng dụng trong sản xuất hàng loạt và đơn chiếc từ nhiều loại kimloại và hợp kim Trong quá trình ép, phôi hình trụ thường được ép qua khuôn theo cáchtương tự như ép kem đánh răng từ ống Có thể tạo ra nhiều loại mặt cắt ngang đặc hoặcrỗng bằng cách ép, về cơ bản là các sản phẩm bán thành phẩm Đặc điểm của ép các biếndạng lớn có thể xảy ra mà không bị đứt gãy, vì vật liệu chịu ứng suất nén ba trục cao Vìhình dạng khuôn dập không thay đổi trong suốt quá trình nên các sản phẩm ép thường cómặt cắt ngang không đổi Các sản phẩm điển hình được tạo ra bằng cách ép là lan can chocửa trượt, khung cửa sổ, ống, khung thang nhôm và các hình dạng kết cấu và kiến trúc.Sản phẩm ép có thể được cắt thành độ dài mong muốn, sau đó trở thành các bộ phận rờirạc, chẳng hạn như giá đỡ, bánh răng và móc áo Các kim loại thường được ép là nhôm,đồng, thép, magiê và chì; các kim loại và hợp kim khác cũng có thể được ép, với nhiềumức độ khó khăn khác nhau Quy trình này có thể tiết kiệm cho các hoạt động sản xuấtlớn cũng như ngắn Chi phí dụng cụ thường thấp, đặc biệt để sản xuất các mặt cắt đơngiản, chắc chắn Tùy thuộc vào độ dẻo yêu cầu của vật liệu, quá trình được thực hiệntrong phòng hoặc ở nhiệt độ cao Ép ở nhiệt độ phòng thường được kết hợp với hoạt độngrèn, trong trường hợp này, nó thường được gọi là ép nguội, với nhiều ứng dụng, chẳnghạn như dây buộc và các bộ phận cho ô tô, xe đạp, xe máy, máy móc hạng nặng và thiết

bị vận tải Trong bản vẽ, được phát triển từ năm 1000 đến năm 1500, mặt cắt ngang củamột thanh, dây hoặc ống rắn bị giảm hoặc thay đổi hình dạng bằng cách kéo nó qua mộtkhuôn Các thanh kéo được sử dụng cho trục, trục chính và piston nhỏ, và làm nguyênliệu cho các chốt như đinh tán, bu lông và ốc vít Ngoài các thanh tròn, cũng có thể vẽ cáccấu hình khác nhau Trong công nghiệp, dây thường được định nghĩa là một thanh đãđược kéo qua khuôn ít nhất một lần, hoặc đường kính của nó đủ nhỏ để có thể cuộn được(sự phân biệt giữa thanh và dây là với thanh được coi là có tiết diện lớn hơn dây) Kéodây liên quan đến đường kính nhỏ hơn nhiều so với kéo thanh, với kích thước xuống đến0,01 mm cho dây điện từ và thậm chí nhỏ hơn để sử dụng trong cầu chì dòng điện rấtthấp

I QUY TRÌNH ÉP:

1 Khái niệm:

Ép là một quá trình tạo hình hàng loạt trong đó kim loại gia công được bỏ vào trongbuồng ép được đe ép nén chảy qua khuôn để tạo ra chi tiết có mặt cắt ngang như khuôn

Có hai loại ép thuận và ép nghịch

- Ép thuận: Được sử dùng trong đối với phôi ở nhiệt độ cao (ép nóng), nhiệt độ phôi

0,5

o o

ph kt

ra cùng hướng chuyển động của khối đẩy

+ Ưu điểm: Sản phẩm tạo hình đa dạng

+ Nhược điểm: Ma sát đáng kể giữa phôi và bề mặt buồng chứa Bề mặt còn bị lớpoxi hóa, dung sai không tốt do quá trình kết tinh lại

Hình I-1 Ép trực tiếp [ CITATION RGa \l 1033 ]

- Ép nghịch: Được sử dụng khi phôi ở nhiệt độ phòng (ép nguội) Bộ phận tạo hìnhđược gắn vào khối đẩy, khi nén kim loại chảy qua lỗ khuôn ngược hướng với chuyểnđộng của khối đẩy

Hình I-2 Ép gián tiếp [ CITATION RGa \l 1033 ]

+ Ưu điểm: Do không có chuyển động tương đối giữa phôi và bề mặt buồng chứadẫn đến không có lực ma sát giữa hai bề mặt, không xảy ra quá trình kết tinh lại bềmặt và cơ tính, dung sai tốt hơn so với ép trực tiếp

+ Nhược điểm: Trở suất biến dạng lớn, cần tác động một lực lớn trong khi đó độcứng của khối đẩy thấp hơn và khó hỗ trợ sản phẩn ép ở lối ra, vì thế thường dùngphương pháp thủ công để lấy sản phẩm

2 Thông số tính toán:

a Dòng chảy kim loại và thông số về lực:

- Trong quá trình ép trực tiếp, một lượng ma sát đáng kể tồn tại giữa bề mặt phôi vàthành thùng chứa, do phôi buộc phải trượt về phía lỗ khuôn Do sự hiện diện của masát, cần phải tăng đáng kể lực tác động vào khối đẩy

Hình I-3 Lực ma sát trong ép trực tiếp

- Trong quá trình ép trực tiếp (ép nóng), vấn đề ma sát tăng lên do sự hiện diện củalớp oxit trên bề mặt của phôi Lớp oxit này có thể gây ra các khuyết tật trong sản phẩm

ép Để giải quyết những vấn đề này, đường kính của khối nén phải nhỏ hơn một chút

so với đường kính phôi, để một lớp phôi mỏng có chứa lớp oxit được để lại trongthùng chứa và sẽ lấy ra sau quá trình để sản phẩm cuối cùng không có oxit

Hình I-4 Dòng chảy kim loại và lớp oxit giữa hai bề mặt tiếp xúc [ CITATION RGa \l

1033 ] Lưu ý như sau: Muốn tính áp suất cần thiết để ép thì trước tiên ta phải tính áp suất biến dạng lí tưởng khi không có ma sát và áp suất bổ sung khắc phục ma sát Sau đó cộng hai áp suất lại ta được áp suất tổng cần thiết

 Áp suất biến dạng lý tưởng:

- Giả sử diện tích mặt cắt ngang phôi ban đầu A0, phôi sau khi ép A f, ta có tỉ lệ ép là:0

- Biến dạng thực sự trong quá trình ép dưới biến dạng lý tưởng (không có ma sát và

biến dạng dư) được đưa ra:

0

ln( ) lne

f

A r

K Y

- Có nhiều phương trình khác nhau được sử dụng để đánh giá biến dạng thực thực tế

và áp suất ram liên quan trong quá trình ép Mối quan hệ sau do Johnson đề xuất rấtđược quan tâm

- Ma sát trượt: Ma sát Coulomb giữa hai bề mặt tỉ lệ thuận với ứng suất trong buồng

tạo hình được bôi trơn tốt và quá trình tạo hình được thực hiện ở nhiệt độ phòng

p

 

- Ma sát dính: Trong điều kiện này, một lớp vật liệu tiếp xúc với bề mặt khuôn cóthể dính vào khuôn và hiện tượng chảy nhựa có thể xảy ra ngay dưới lớp bề mặt

số ma sát m = 1 Tình trạng này tồn tại trong quá trình rèn nóng, khi không sử dụngchất bôi trơn, trong điều kiện ma sát cao hơn Chủ yếu là một phần của bề mặt tiếp xúc

có thể bị trượt và một phần khác trong tình trạng dính

mK

 

- Trong quá trình ép trực tiếp, giả sử rằng có ma sát tại bề mặt phân cách, chúng ta

có thể tìm thấy áp suất ép thực tế như sau:

Lực ma sát phôi với thùng chứa = Lực khối đẩy bổ sung để khắc phục điều đó

2 0 0

4

f e

Trong đó: L là chiều dài phôi còn lại cần ép, và D0 là đường kính ban đầucủa phôi Ta có thể thấy rằng áp suất bị giảm khi chiều dài phôi bị giảmtrong quá trình ép.

- Sự thay đổi áp suất buồng chứa với hành trình cho ép thuận và nghịch được thểhiện trong biểu đồ bên dưới

Hình I-5 Biểu đồ thể hiện sự phụ thuộc áp suất vào dòng chảy [ CITATION Ami1 \l

1033 ]

- Hình dạng của áp suất ban đầu hình thành phụ thuộc vào góc chết Góc chết caohơn khiến đường áp suất dốc hơn

Hình I-6 Góc chết của khuôn [ CITATION Zhu \l 1033 ]

b Các thông số về khuôn:

 Hai yếu tố quan trọng trong khuôn ép là: góc khuôn, hình dạng lỗ

- Đối với góc khuôn thấp, diện tích bề mặt của khuôn lớn, dẫn đến tăng ma sát ở bềmặt phôi khuôn Ma sát cao hơn dẫn đến lực trong khối đẩy phải cao hơn Đối với góckhuôn lớn, dòng chảy kim loại hỗn loạn hơn gây ra trong quá trình giảm, làm tăng lựckhối đẩy cần thiết

Hình I-7 Dòng chảy của kim loại phụ thuộc vào góc khuôn [ CITATION Zhu \l 1033 ]

- Ảnh hưởng của góc khuôn đến lực ram là một hàm hình chữ U, thể hiện trong hìnhdưới Vì vậy, tồn tại một góc chết tối ưu Góc tối ưu phụ thuộc vào các yếu tố khácnhau như vật liệu gia công, nhiệt độ phôi và bôi trơn

Hình I-8 Biểu đồ thể hiên lực khối đẩy phụ thuộc vào góc khuôn [ CITATION RGa \l

1033 ]

- Hình dạng của lỗ khuôn ảnh hưởng đến áp suất cần thiết để thực hiện hoạt động éplại, vì nó quyết định lượng ép phôi kim loại Ảnh hưởng của hình dạng lỗ khuôn có thểđược đánh giá bằng hệ số hình dạng khuôn, được định nghĩa là tỷ số giữa áp suất cầnthiết để ép một mặt cắt có hình dạng nhất định so với áp suất ép cho một mặt cắt tròn

c

 

ép, c x là chu vi của mặt cắt ép và c c là chu vi của hình tròn lỗ khuôn có cùng diện tíchvới hình dạng ép thực tế thay đổi từ 1 đến 6

 Vật liệu khuôn

- Đối với ép nóng, (ép thuận): Thép công cụ và hợp kim được sử dụng Các đặc tínhquan trọng của vật liệu khuôn là khả năng chống mài mòn cao, tính dẫn nhiệt cao

để loại bỏ nhiệt ra khỏi quá trình

- Đối với ép nguội (ép nghịch): thép công cụ và cacbua cao Carbua được sử dụngkhi tỷ lệ sản xuất cao, tuổi thọ khuôn dài và khả năng kiểm soát kích thước tốtđược mong đợi

3 Sơ đồ ứng suất và sơ đồ biến dạng:

Hình I-9 Sơ đồ ứng suất và sơ đồ biến dạng khuôn [ CITATION PGS \l 1033 ]

- Từ những phần trình bày ở trên thì do có lực ma sát nên sơ đồ ứng suất sẽ là néntoàn phần

- Sơ đồ biến dạng sẽ giảm tiết diện và tăng chiều dài

4 Các quy trình ép khác:

 Ép tác động:

- Nó được thực hiện ở tốc độ cao hơn và thời gian ép ngắn hơn Nghĩa là phôi được

ép qua khuôn bằng áp lực va đập chứ không chỉ bằng áp lực

- Nhưng tác động có thể được thực hiện như ép thuận, nghịch hoặc kết hợp

Hình I-10 Ép tác động [ CITATION Ser \l 1033 ]

- Ép tác động được thực hiện như tạo hình nguội Có thể có các bức tường rất mỏngbằng phương pháp ép tác động ngược

- Ưu điểm: Năng suất cao

 Ép thủy tĩnh

- Trong ép ép thủy tĩnh, phôi được bao quanh bởi chất lỏng bên trong thùng chứa.Tăng áp suất buồng chứa tạo lực ép phôi Ở đây chất bề mặt khối đẩy sẽ không tiếpxúc trực tiếp với phôi mà thông qua chất lỏng tạo một lực ép tác dụng lên phôi Từ đó

sẽ không có lực ma sát vì bề mặt phôi không tiếp xúc với khuôn và khối đẩy

- Không có ma sát bên trong bình chứa vì chất lỏng và ma sát được giảm thiểu tại lỗ

mở khuôn Nếu sử dụng ở nhiệt độ cao, phải tuân theo các chất lỏng và quy trình đặcbiệt

- Do không có ma sát làm tăng độ dẻo của vật liệu, quy trình này có thể được sửdụng trên các kim loại quá giòn so với các phương pháp ép ép thông thường, quá trìnhnày cũng có thể áp dụng cho các kim loại dễ uốn và ở đây có thể có tỷ lệ khử cao

Hình I-11 Ép thủy tĩnh [ CITATION Ser \l 1033 ]

- Việc chế tạo khuôn và phôi để thực hiện là cực kì quan trọng bởi vì phôi phải đượctạo hình với một đầu côn ở một đầu để vừa khít với góc vào khuôn, để nó hoạt độngnhư một miếng đệm ngăn chặn sự rò rỉ chất lỏng qua lỗ khuôn dưới áp lực

5 Khuyết tật và tổ chức kim loại sau khi Ép:

a Khuyết tật:

 Nứt bên trong:

- Hình thành do ứng suất kéo dọc theo trục tâm của phôi trong quá trình ép ép Mộtchuyển động lớn của vật liệu ở các vùng bên ngoài kéo vật liệu dọc theo tâm của phôi.Vượt quá giới hạn, các vết nứt được hình thành

- Các điều kiện thúc đẩy khuyết tật này là: góc khuôn cao hơn, tỷ lệ ép thấp và tạpchất trong kim loại gia công Đây còn được gọi là vết nứt của Chevron

Hình I-12 Khuyết tật nứt [ CITATION RGa \l 1033 ]

 Khuyết tật dạng ống:

- Là sự hình thành của một lỗ ở cuối phôi do ma sát với khuôn lớp kim loại bênngoài có xu hướng bị giữ lại Điều này được giảm thiểu bằng cách sử dụng đe cóđường kính nhỏ hơn một chút so với đường kính của phôi

Hình I-13 Khuyết tật ống [ CITATION RGa \l 1033 ]

Hình I-14 Khuyết tật nứt bề mặt [ CITATION RGa \l 1033 ]

b Tổ chức kim loại sau khi ép:

- Trong quá trình ép cấu trúc hạt vi mô thay đổi đáng kể Cấu trúc hạt thô, giòn vàxốp và các khuyết tật của phôi được làm nhỏ mịn hơn tạo nên liên kết và định hướngcủa hạt Do đó sản phẩm ép có tính chất dị hướng

- Ép nóng do có sự kết tinh lại nên cấu trúc hạt còn thô, bề mặt còn bị lớp oxi hóa

- Eps nguội được thực hiện ở nhiệt độ phòng, nhờ đó chi tiết có độ bền và độ cứngcao, bề mặt hoàn thiện và dung sai chính xác

Hình I-15 Tổ chức kim loại trong quá trình ép [ CITATION RGa \l 1033 ]

II QUY TRÌNH KÉO:

1 Tổng quan về quá trình kéo

a Giới thiệu:

Quá trình kéo là quá trình đưa kim loại qua lòng khuôn bằng một lực kéo được đặt ở phíađầu ra của lòng khuôn làm thay đổi hình dạng và tiết diện mặt cắt ngang phôi

Hình II-16 Sơ đồ quá trình kéo [ CITATION Ser \l 1033 ]

Trong quá trình kéo, lực căng tác dụng lên đầu ra của sản phẩm gây ra áp lực phôi lên mặtkhuôn và làm biến dạng vật liệu Để tránh biến dạng sản phẩm sau khi ra khỏi lòng

ứng suất kéo được giới hạn ở khoảng 60% ứng suất chảy của sản phẩm đầu ra, giới hạngiảm xuống khoảng 35% trong hầu hết các trường hợp

Các sản phẩm dạng sợi nhỏ có tốc độ kéo cao lên đến 50 m/s Các sản phẩm lớn hơnkhông thể quấn thành cuộn phải được kéo thẳng và tốc độ kéo thường chậm hơn - khoảng

1 m/s

Thông thường kim loại trong quá trình kéo có dạng thanh tròn đặc, sợi đường kính nhỏhoặc là ống tương ứng với quá trình kéo thanh tròn, kéo sợi và kéo ống Phôi dùng trongquá trình kéo thường là phôi được tạo ra từ quá trình cán nóng hoặc ép nóng

Quá trình kéo thường được thực hiện ở nhiệt độ phòng, nhưng do có biến dạng lớn nênnhiệt độ trong quá trình kéo tăng lên dáng kể Để đạt được hình dáng, kích thước mongmuốn, hầu hết phôi được kéo nhiều lần qua các lòng khuôn có tiết diện giảm dần Có thểcần xử lý nhiệt trung gian hoặc ủ phôi để khôi phục hồi độ dẻo giữa các lần kéo

Quá trình kéo là một quá trình hoàn thiện và tạo ra sản phẩm sử dụng trực tiếp Ngoàiviệc có được hình dạng và kích thước mong muốn của sản phẩm, mục đích chính của việckéo nguội là

- Để đạt được dung sai kích thước

- Để cải thiện độ hoàn thiện bề mặt

- Để cải thiện các đặc tính cơ học nhờ biến cứng, kéo thường làm tăng độ bền và

độ cứng của vật liệu

Dựa trên các đặc điểm và sản phẩm trong quá trình kéo, ta sẽ chia quá trình kéo thành quátrình kéo thanh tròn, sợi và quá trình kéo ống

b Quá trình kéo thanh tròn, sợi:

Về nguyên lý, việc kéo thanh tròn, sợi và ống cơ bản là giống nhau, mặc dù thiết bị được

sử dụng là khác nhau đối với các sản phẩm có kích thước khác nhau Thanh tròn và ống,không thể cuộn lại được, được sản xuất trên mô hình xe kéo (Hình 2) Phôi thanh có đầuđược làm nhỏ đưa qua lòng khuôn và được kẹp vào các hàm của đầu xe kéo Đầu xe kéođược di chuyển bằng bộ truyền động xích hoặc bằng cơ cấu thủy lực (các bàn kéo với lựckéo 300.000 lb và chiều dài 100 ft, tốc độ kéo thay đổi từ khoảng 30 đến 300 ft / phút)

Hình II-17 Bản vẽ sơ đồ của một bàn vẽ [ CITATION Ami1 \l 1033 ]

Phôi sử dụng trong quá trình kéo sợi là phôi thép cán nóng Đầu tiên sợi được làm sạch

bề mặt tránh dẫn đến các khuyết tật bề mặt và mài mòn lòng khuôn Bước tiếp theo phủvôi hoặc mạ một lớp đồng hoặc thiếc mỏng Vôi đóng vai trò như một chất hấp thụ và vậnchuyển chất bôi trơn trong quá trình kéo khô, và nó cũng dùng để trung hòa bất kỳ axitnào còn sót lại từ quá trình tẩy rửa Trong kéo khô (dry drawing), chất bôi trơn là mỡ hoặcbột xà phòng, trong kéo ướt (wet drawing) toàn bộ khuôn được ngâm trong dung dịch bôitrơn hoặc dung dịch xà phòng kiềm Lớp mạ đồng hoặc thiếc được mạ điện được sử dụngtrong kéo dây thép ướt Không có lớp phủ nào thường được sử dụng để kéo dây đồng Saukhi chuẩn bị bề mặt của thanh dây, nó được làm nhọn, đi qua khuôn và được gắn chặt vàokhối kéo (Hình 3)