Giáo trình công nghệ rèn và dập khối

5
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.

6
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 0
o
30 đến 1
o
. 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.

7
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

8
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.
ứ
ng 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:

9
- 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
là làm thoát cacbon trên lớp bề mặt.
- Làm sạch bằng búa tay - dùng búa không khí nén cầm tay đục sạch những
khuyết tật nh sẹo, xỉ, v.v Phơng pháp này đơn giản nhng năng suất thấp.
- Mài phá - dùng cho các loại thép quý, thép cứng. Hiện đang đợc ứng dụng
nhiều vì ngày nay có những phơng pháp mài rất năng suất.
- Tiện phá - dùng tiện phá lớp bên ngoài có khuyết tật trớc khi đem rèn.
1.1.2 Thép cán
Thép cán đợc sử dụng để rèn và dập khối bao gồm các loại sản phẩm cán
khác nhau về hình dạng, kích thớc và cấp chính xác:
- Thép cán hình - bao
gồm các loại thép hình có tiết
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
hợp với phôi rèn (hình 1.3c).
- Thép tấm - thép tấm dày
(s>5 mm) có thể đợc cắt định

hình trớc khi đa lên máy dập
(hình 1.3d).


Hình 1.3 Các dạng sản phẩm cán hình
1.1.3 Các loại phôi khác
a) Phôi rèn

10
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 l-
ợng và phần nào tiết kiệm kim loại.
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.

Cơ học của quá trình cắt phôi thanh
(hình 1.5):

11
Lỡi cắt trên và lỡi cắt dới với góc mài sắc = 90
o
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 D
0
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.
ứ
ng 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.

12
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 (P
t
của lỡi cắt trên và P
d
của lỡi cắt dới), trên hình
1.5 còn thể hiện các lực ma sát tiếp xúc (
Q và P
t
của lỡi cắt trên và G và P
d

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

500
o
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 (H
o
) hoặc đờng kính (D
o
) 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% D
o
.
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 12
o
gây phế phẩm và lãng phí kim loại.
Thậm chí ở những phôi đợc cắt ra với góc vát khoảng 2
3
o
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

13
máy ép trục khuỷu vạn năng. Khi cắt phôi thanh trong khuôn cắt sử dụng các sơ
đồ sau [5]:
1. Cắt phôi thanh không có kẹp phôi và tạo thành mặt vỡ tự nhiên do các vết
nứt vợt trớc tạo thành.
2. Cắt phôi thanh có kẹp phôi theo tiết diện ngang hoặc theo hớng kính trong
các khuôn cắt.
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 L
o
/D
o
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.
1.2.3 Kết cấu và thiết kế dụng cụ cắt

14
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:

b
E

2
(1.2)

Hình 1.6 Kết cấu lỡi
cắt ở vị trí làm việc
a) để cắt phôi tròn;
b) để cắt phôi vuông;
c) lỡi cắt của máy có
lực cắt 4,4 MN


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)D
o
(hoặc (0,40,5)H
o
). 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
H C


max
2

trong đó:
H
max

- 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:
C kH
o
16 2
hoặc
C kD
o
16 2


15
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
D
o
hoặc H
o
, 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%D
o

), còn đối với phôi vuông thì có thể cắt đợc tất cả các loại
phôi có H
o
H
p
(H
p
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 85
o
, 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 H
max
, 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 h
d
, 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
= 812
o
(hình 1.7a). Từ hình 1.7 suy ra rằng, hành trình hữu hiệu của
lỡi cắt trên đợc tính nh sau:

16
X = D
o
- (H
d
- 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
H
o
thì chiều sâu của rãnh cắt đợc tính nh sau:
h H m
C
o
o
( )cos45
2
(1.3)
Đối với phôi lớn nhất cho phép, khoảng cách m phải đợc tính bằng 0,05H

o
.
Khi đó:
C k H
o
16 2

trong đó:
k
h S
H
d
o


1
1 4
0 7
,
,

Sau khi thay các trị số nêu trên, h
min


0,8H
o
+ 8 mm.
Trong trờng hợp kích thớc của phôi cắt có trị số nhỏ hơn trị số tính toán H
o

thì cần phải kiểm tra hành trình hữu hiệu X của lỡi cắt có đảm bảo là X
(0,8
0,9)D
o
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.
1
7
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 (401600 T)).
Lực cắt có thể đợc xác định theo công thức:
P = k.F
c
.
c
(1.4)

trong đó:
P - lực cắt, MN
k - hệ số, tính đến độ cùn của mép cắt, ảnh hởng của tốc độ cắt, v.v., theo
kinh nghiệm k = 1,7
F
c
- diện tích mặt bị cắt, m
2


c
- trở lực cắt, MN/m
2
Trong nhiều trờng hợp lấy
c
= 0,8
b
, trong đó
b
- giới hạn bền của vật liệu
ở nhiệt độ cắt. Do đó:
P = 1,4F
c
.
b
(1.5)
Sau khi tính lực cắt, có thể chọn máy cắt hoặc máy dập (cắt bằng khuôn).
Máy đợc chọn phải có lực danh nghĩa ít nhất là bằng lực cắt tính toán. Cần lu ý
rằng khi chọn máy dập có tốc độ cắt cao hơn thì lực cắt thờng lấy cao hơn từ 10
đến 20%.

1.2.5 Bẻ nguội
Ngoài việc cắt trên máy cắt hoặc máy dập, có thể sử dụng phơng pháp bẻ
nguội trong trờng hợp các phôi cần lực cắt lớn nhng xí nghiệp không có máy cắt
cỡ lớn, hoặc khi phôi là các loại thép giòn, cứng, không có vật liệu làm lỡi cắt
cứng hơn.
Tuy gọi là bẻ nguội, song trong nhiều trờng hợp khi cần giảm lực cắt có thể
nung phôi tới nhiệt độ khoảng 700
o
C. Nếu vật liệu dẻo khó bẻ nguội ở nhiệt độ

18
thờng (dễ bị dập bẹp) ngời ta có thể nung phôi đến nhiệt độ giòn nguội (300
o
C)
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).
ứ
ng suất tập trung đạt trị số rất cao làm giảm tính dẻo của vật
liệu và gây phá huỷ giòn.

Hình 1.8 Sơ đồ ứng suất tập
trung khi bẻ nguội
a) Sơ đồ bẻ nguội;
b) Phân bố ứng suất tại vị trí
nguy hiểm
I - biểu đồ ứng suất khi
bắt đầu đặt tải

II - biểu đồ ứng suất ở

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 H
o
.
3

trong đó:
H
o
- 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.

19
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 l
o
.
Giá trị mômen uốn do lực P gây ra tại tiết diện bẻ sẽ lớn nhất và bằng:

M
u
= P.l
o
/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 l
o
. Nói chung, lực bẻ nguội
có thể đợc tính theo công thức tổng quát sau:
P
W
l
u u

o

4 .

(1.8)
trong đó:
W
u
- mômen chống uốn,

u
- giới hạn bền uốn,
l
o
- 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
hiện nh đã nêu thì
= 0,4 0,9. Lực bẻ nguội có thể tham khảo bảng 1.2.

20
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,
m
3

0 1
3
,
o
D

o
H
3
6

o
H
3
2
12

Lực bẻ P, MN
0 4
3

,
o b
o
D
l

0 7
3
,
o b
o
D
l

0 5
3
,
o b
o
D
l

Chú thích: D
o
- đờng kính phôi, m; H
o
- cạnh phôi vuông, m;
l
o
- khoảng cách giữa hai gối tựa, m;

b
- giới hạn bền, MN/m
2
.
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

21
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.

22

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
khoảng 10 000
o
C. Trong trờng hợp mặt cắt lớn, khi gia công sẽ toả nhiều nhiệt

23
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.

24

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.

25
Ch-ơng 2
Chế độ nhiệt trong công nghệ rèn và dập nóng
2.1 ảnh h-ởng của nhiệt độ đến quá trình rèn
và dập nóng
Quá trình rèn và dập nóng th-ờng đ-ợc thực hiện ở nhiệt độ cao. Tuỳ thuộc
vào mác thép và yêu cầu kỹ thuật, có thể rèn và dập nóng ở các nhiệt độ khác
nhau trong giới hạn từ 750 đến 1300
o
C. Vì vậy, khi thiết kế quy trình công nghệ
cho một chi tiết cụ thể ng-ời kỹ s- công nghệ phải chú ý đến ảnh h-ởng của nhiệt
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 1300
o
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
- Tạo ra các vết nứt do ứng suất d- khi làm nguội không đúng chế độ.

26
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

27
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 800
o
C thì có thể kết thúc rèn ở
nhiệt độ cao hơn 800
o
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 1000
o
C nh-ng nhiệt độ kết thúc rèn là 900
o
C thì sau khi rèn phải nung thêm

28
đến 1000
o

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).
Bảng 2.1
Nhiệt độ lớn

Nhiệt độ kết thúc rèn,
o
C

Khoảng
Mác thép nhất bắt đầu
rèn,
o
C
không cao
hơn
không thấp
hơn
nhiệt độ rèn nên
dùng,
o
C

CT31, 33, 38; C10

1300 800 700 1280 - 750
CT42, 51, 61 1250 850 750 1300 - 800
C20, 25, 30, 35 1280 830 720 1280 - 750
C40, 45, 50 1260 850 760 1200 - 800
15Mn, 20Mn 1250 850 750 1230 - 800
30Cr, 38CrA 1230 870 780 1180 - 820
40Cr, 45Cr, 50Cr

1200 870 800 1180 - 830
30CrNi3A 1180 900 800 1160 - 850
20CrNi4VA 1200 900 850 1180 - 870
Theo giản đồ hình 2.1, đối với thép thấp cacbon cho phép nhiệt độ kết thúc
rèn nằm d-ới đ-ờng A
c3
và trên đ-ờng A
c1
. Đối với thép cacbon trung bình (C


0,5%), dứt khoát phải ngừng rèn ở nhiệt độ cao hơn nhiệt độ trên đ-ờng A
c3
để
đảm bảo kích th-ớc hạt nhỏ đều.

29
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 A

rm
và đ-ờng A
r1
. 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 C
n
phụ thuộc vào nhiều yếu tố:
- Sự chênh lệch giữa nhiệt độ lò và nhiệt độ phôi [
t];
- Hình dạng, kích th-ớc phôi và cách sắp xếp chúng trong lò;
- Hệ số dẫn nhiệt độ (a =
c) của vật nung,
trong đó:

- hệ số dẫn nhiệt,
c - nhiệt dung riêng, và

- khối l-ợng riêng.
Tốc độ nung có thể đ-ợc biểu diễn d-ới dạng ph-ơng trình vi phân dẫn nhiệt
Phurie nh- sau:
C
dt
d
a
t
x
n




.
2
2
(2.1)