Công nghệ kim loại chương gia công áp lực

1
Chương V
Gia công kim loại bằng áp lực
2
Chương V:GIA CÔNG KIM LOẠI BẰNG ÁP LỰC
§1. Giới thiệu chung về gia công kim loại bằng áp lực
1.1 Thực chất
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, thực hiện bằng cách dùng
ngoại lực tác dụng nên kim loại ở trạng thái nóng hoặc nguội làm cho kim loại
đạt đến quá giới hạn đàn hồi và bị biến dạng dẻo, kết quả sẽ làm thay đổi hình
dáng ban đầu của vật thể kim loại mà không phá huỷ tính liên tục và độ bền
của chúng.
1.2 Đặc điểm
-
Kim loại được gia công ở thể rắn, sau khi gia công không những thay đổi
hình dáng, kích thước ban đầu của vật mà còn thay đổi cả cơ, lý, hoá tính của
kim loại.
-
Với các phương pháp dập thể tích , dập tấm chính xác có thể chế tạo được
các sản phẩm có độ chính xác cao không cần phải qua gia công cắt gọt sau khi
rèn rập, nhờ đó giảm hao phí kim loại và thời gian gia công
3
Chương V:GIA CÔNG KIM LOẠI BẰNG ÁP LỰC
1.3 Phân loại
+ Theo luyện kim gồm:
- Cán kim loại

4
Chương V:GIA CÔNG KIM LOẠI BẰNG ÁP LỰC
- KÐo kim lo¹i

5
Chương V:GIA CÔNG KIM LOẠI BẰNG ÁP LỰC
- Ðp kim lo¹i
6
Chng V:GIA CễNG KIM LOI BNG P LC
+ Theo luyn cơ khí gm:
- Rèn tự do.
Rèn tự do là một phơng pháp gia công áp lực để chế tạo các sản phẩm có
hình dáng, kích thớc và độ chính xác theo yêu cầu định trớc nhờ sự biến
dạng tự do dần dần về các hớng
7
Chng V:GIA CễNG KIM LOI BNG P LC
-
Dập thể tích.
Dập thể tích, hay còn gọi là dập, là phơng pháp gia công áp lực trong đó
kim loại bị biến dạng và điền đầy vào khoang rỗng của một dụng cụ gọi là
khuôn dập. Khoang rỗng đợc gọi là lòng khuôn. Sự biến dạng kim loại bị giới
hạn trong lòng khuôn; kết thúc quá trình dập kim loại sẽ điền đầy kín lòng
khuôn và sản phẩm (vật dập) nhận đợc có kích thớcvà hình dạng giống nh
hình dáng và kích thớc của lòng khuôn.
8
Chng V:GIA CễNG KIM LOI BNG P LC
-
Dập tấm.
Dập tấm là một trong những phơng pháp gia công kim loại bằng áp lực,
bao gồm nhiều quy trình công nghệ làm biến dạng dẻo cỡng bức các tấm phôi
kim loại, tạo nhiều loại sản phẩm khác nhau
9
Chương V:GIA CÔNG KIM LOẠI BẰNG ÁP LỰC

§2. Sù biÕn d¹ng dÎo cña kim lo¹i.
1. Kh¸i niÖm biÕn d¹ng dÎo kim lo¹i.
1.1. Ngoại lực và nội lực trong gia công kim loại bằng áp lực.
a. Ngoại lực. Trong quá trình gia công áp lực, ngoại lực có thể chia ra thành
mấy loại như sau.
- Lực tác dụng chính. là lực sinh ra của thiết bị thông qua đầu búa, khuôn
rèn, … làm cho kim loại biến dạng, khác với trong cơ học vật rắn ở đây cần
chú ý đến điểm tác dụng lực.

- Phản lực. Thường sinh ra trên bộ phận cố định của thiết bị, phản lực luôn
vuông góc với mặt tựa và ngược chiều với lực tác dụng chính, Khi tính phản
lực cần chú ý đến lực ma sát sinh ra giữa dụng cụ và kim loại, chiều của lực
ma sát ngược với hướng di động trong kim loại.

- Lực quán tính. Trong quá trình biến dạng các phần tử của vật thể biến dạng
không đều nhau nên tốc độ chuyển động của chúng cũng không đều và sinh
ra lực quán tính.
10
Chương V:GIA CÔNG KIM LOẠI BẰNG ÁP LỰC
b. Nội lực.

- Nội lực sinh ra trong vật thể trong khi gia công và tồn tại trong vật thể sau
khi gia công, nội lực này cần bằng với nhau nhưng gây cho vật thể một ứng
suất bên trong, nếu ứng suất này vượt quá giới hạn bền sẽ gây nứt nẻ.

- Nguyên nhân. Do nung nóng không đều, lực tác dụng không đều, sự biến
dạng giữa các bộ phận không đều, tổ chức kim loại thay đổi, … Nói chung nội
lực không có lợi cho nên sau khi gia công cần tìm cách khử bỏ.
11
Chương V:GIA CÔNG KIM LOẠI BẰNG ÁP LỰC

1.2 Biến dạng dẻo của kim loại.
- Quan hÖ cña lùc kÐo vµ biÕn d¹ng khi kÐo vËt liÖu dÎo
12
Chng V:GIA CễNG KIM LOI BNG P LC
2. ảnh hởng của gia công áp lực đến tổ chức và tính chất của kim loại.
2.1. ảnh hởng đến tổ chức
* ảnh hởng đối với tổ chức hạt
Trong quá trình biến dạng luôn xẩy ra hiện tợng biến cứng và biến mềm.
Tốc độ của hai quá trình này phụ thuộc vào tốc độ và nhiệt độ biến dạng, trạng
thái tổ chức của kim loại trớc khi gia công , khi các điều kiện này thay đổi
thì tổ chức kim loại thu đợc sau khi biến dạng cũng khác nhau. Nhiệt độ
ngừng biến dạng sau khi gia công (biến dạng) nóng càng cao thì độ hạt của
kim loại càng lớn
Nhiệt độ
Kích thớc hạt
13
Chương V:GIA CÔNG KIM LOẠI BẰNG ÁP LỰC
Quan hÖ gi÷a nhiÖt ®é, møc ®é biÕn d¹ng vµ ®é lín h¹t tinh thÓ
14
Chng V:GIA CễNG KIM LOI BNG P LC
- Ngoài nhiệt độ và mức độ biến dạng, độ lớn của hạt trớc khi biến dạng và
ma sát cũng ảnh hởng đến độ hạt của kim loại sau khi biến dạng. Độ lớn của
hạt ban đầu nhỏ và đều, hệ số ma sát càng nhỏ thì tổ chức kim loại sau khi gia
công sẽ có độ hạt nhỏ mịn và ngợc lại.
15
Chng V:GIA CễNG KIM LOI BNG P LC
* ảnh hởng đối với tổ chức kim loại đúc
Tổ chức kim loại đúc là tổ chức kết tinh dạng nhánh cây và do nhiều
nguyên nhân thờng khó đảm bảo sự đồng đều của tổ chức, sự tồn tại các
khuyết tật nh rỗ co, rỗ khí, lõm co là điều khó tránh. Nhờ biến dạng nóng

có thể trừ bỏ đợc các khuyết tật kể trên, tăng độ mịn chặt và cải thiện cơ tính
của kim loại.
Hình dạng các hạt sau khi biến dạng nóng cũng thay đổi rõ rệt. Với mức độ
biến dạng rất lớn của biến dạng nóng, các hạt kim loại sẽ bị xoay về một h
ớng thống nhất và bị kéo dài cùng các tạp chất tạo nên tổ chức thớ. Sau khi kết
tinh lại các hạt kim loại có dạng trục nhỏ mịn, nhng quá trình kết tinh lại
không làm thay đổi đợc sự không đồng đều về thành phần hoá học và sự kéo
dài thành từng lớp của các tạp chất do quá trình biến dạng nóng với mức độ
biến dạng lớn sinh ra. Kết quả là tổ chức thớ của kim loại vẫn tồn tại sau khi
kết tinh lại
16
Chng V:GIA CễNG KIM LOI BNG P LC
Do tính dị hớng của kim loại có tổ chức thớ sau khi gia công áp lực nên
khi thiết kế chi tiết và quá trình công nghệ chế tạo chi tiết đó cần phải bố trí
thớ kim loại theo những chỉ dẫn sau đây:
- Chi tiết chịu ứng suất cắt thì bố trí mặt phẳng ứng suất cắt vuông góc với
phơng của thớ.
- Chi tiết chịu ứng suất kéo thì bố trí phơng của lực kéo trùng với phơng
của thớ.
- Tránh cắt đứt thớ khi gia công mà nên tìm cách uốn các thớ theo đờng bao
quanh của chi tiết.
Dới đây giới thiệu một số thí dụ về bố trí hợp lý các thớ kim loại khi chế
tạo các chi tiết máy.
17
Chương V:GIA CÔNG KIM LOẠI BẰNG ÁP LỰC
18
Chng V:GIA CễNG KIM LOI BNG P LC
2.2. ảnh hởng đến tính chất của kim loại
* Sự thay đổi tính chất kim loại khi biến dạng nguội
Khi biến dạng nguội thờng xảy ra hiện tợng biến cứng làm cho độ bền,

độ cứng của kim loại tăng lên, còn độ dẻo và độ dai va chạm giảm đi. Mức độ
biến dạng tăng thì các yếu tố trên cũng tăng, giảm theo. Ví dụ đối với đồng
giới hạn bền sau khi biến dạng nguội đợc nâng cao từ 206 ữ 229 N/mm
2
lên
đến 449 N/mm
2
trong trạng thái biến cứng mạnh. Trong những trờng hợp đặc
biệt biến dạng nguội có thể tăng giới hạn bền lên 2 ữ 3 lần, giới hạn chảy lên
đến 4 ữ 5 lần.
Vì xuất hiện các lỗ trống nhỏ trong tổ chức kim loại khi biến dạng nguội
nên sau gia công độ dẫn nhiệt, dẫn điện, tính thấm từ giảm đi, còn độ hoà tan,
lực từ tính và từ trễ thì tăng lên. Ví dụ khi kéo đồng thời với mức biến dạng 4%
điện trở suất tăng 1,5%, mức độ biến dạng 40%, điện trở suất tăng 2%. Một số
kim loại nh Ni, Mo, W có điện trở tăng rất mạnh sau biến dạng nguội: Ni
tăng 8%; Mo tăng 18%; W tăng 50%. Độ dẫn nhiệt của đơn tinh thể
đồng sau biến dạng nguội có thể giảm tới 78%.
19
Chương V:GIA CÔNG KIM LOẠI BẰNG ÁP LỰC
¶nh hëng cña møc ®é biÕn d¹ng ®Õn c¬ tÝnh kim lo¹i
20
Chương V:GIA CÔNG KIM LOẠI BẰNG ÁP LỰC
§3. Nung nãng kim lo¹i.
1. Môc ®Ých
- Nung nóng kim loại trước khi gia công áp lực nhằm nâng cao tính dẻo và
giảm khả năng chống lại biến dạng của chúng tạo điều kiện thuận tiện cho
biến dạng. Khi nung cơ tính của kim loại thay đổi, trong một phạm vi nhiệt độ
xác định độ bền của kim loại giảm xuống.

- Nung nóng kim loại là một trong những khâu quan trọng ảnh hưởng đến

tính kinh tế, kỹ thuật của sản xuất. Chọn chế độ nung hợp lý sẽ tăng cao chất
lượng sản phẩm, giảm hao phi kim loại, giảm sức lao động, giảm hao mòn
thiết bị, giảm giá thành sản phẩm.
21
Chương V:GIA CÔNG KIM LOẠI BẰNG ÁP LỰC
2. Nh÷ng hiÖn tîng x¶y ra khi nãng kim lo¹i
*. Nứt nẻ.
- Hiện tượng nứt nẻ khi nung xuất hiện bên ngoài hay bên trong kim loại,
nó ảnh hưởng đến chất lượng của sản phẩm sau khi gia công xong hoặc trong
lúc làm việc của chi tiết.
- Nguyên nhân của nứt nẻ chủ yếu do ứng suất nhiệt sinh ra vì khi nung
nóng không đều, tốc độ nung không hợp lý, … ứng suất nhiệt này cùng với
ứng suất dư có sẵn trong phôi khi vượt quá giới hạn bền của kim loại sẽ gây
nứt nẻ.
- Đối với thép hiện tượng nứt nẻ thường xẩy ra khi nhiệt độ nung dưới
800
o
C vì khi đó kim loại có tính dẻo thấp, mức truyền nhiệt kém nên cần hạn
chế tốc độ nung trong giai đoạn này.
22
Chương V:GIA CÔNG KIM LOẠI BẰNG ÁP LỰC
*. Hiện tượng ôxy hoá.
Kim loại khi nung trong lò, do tiếp xúc với không khí, khí lò nên bề mặt
nó dễ bị ôxy hoá tạo nên lớp vẩy sắt. Sự mất kim loại tạo nên vẩy sắt có thể lên
tới 2 – 3,5%, đối với các vật lớn có thể lên tới 4 – 6%. Hiện tượng này không
những gây hao phí kim loại mà còn gây khó khăn cho quá trình gia công, giảm
chất lượng chi tiết, hao mòn thiết bị, …
- Quá trình ôxy hoá xẩy ra do sự khuyếch tán của nguyên tử ôxy vào lớp
kim loại và sự khuyếch tán của nguyên tử kim loại qua lớp ôxýt ở mặt ngoài
vật nung.

-
Lượng vẩy sắt phụ thuộc tỷ lệ thuận với thời gian nung có thể tính theo công
thức sau:

Trong đó : a – là lượng vẩy sắt trong 1 đơn vị diện tích (g/cm
2
).
Z – là thời gian nung (phút).
T – là nhiệt độ nung
o
K.
T
eZa
9000
.3,6
−
=
23
Chương V:GIA CÔNG KIM LOẠI BẰNG ÁP LỰC
*. Hiện tượng mất cácbon.
- Hiện tượng mất cácbon ở mặt ngoài của vật nung làm thay đổi cơ tính
của chi tiết, có khi còn tạo nên cong vênh, nứt nẻ khi tôi.
- Khí làm mất cácbon là O
2
, CO
2
, H
2
O, H
2

, … Chúng tác dụng với cácbit
sắt (Fe
3
C) của thép theo phương trình sau:
2Fe
3
C + O
2
= 6Fe + 2CO
Fe
3
C + CO
2
= 3Fe + 2CO
Fe
3
C + H
2
O = 3Fe + CO + H
2
Fe
3
C + 2H
2
= 6Fe + CH
4
Khí tác dụng mạnh nhất là H
2
O sau đó là CO
2

, O
2
, H
2
, ….
- Quá trình ôxy hoá và quá trình mất cácbon là 2 quá trình trái ngược
nhau. ôxy hoá là quá trình khuyếch tán khí vào kim loại, còn mất cácbon là
quá trình cácbon khuyếch tán ra ngoài, quá trình mất cácbon cũng xẩy ra trên
bề mặt kim loại và xẩy ra đồng thời với quá trình ôxy hoá.
24
Chương V:GIA CÔNG KIM LOẠI BẰNG ÁP LỰC
*. Hiện tượng quá nhiệt.

- Kim loại ở nhiệt độ càng cao thì càng dễ gia công áp lực, nhưng nếu ở
nhiệt độ quá cao thì các hạt ôstenít càng lớn làm cho tính dẻo của kim loại
giảm nhiều có thể tạo nên nứt, nẻ khi gia công.
- Hiện tượng quá nhiệt có thể khắc phục được bằng phương pháp ủ,
nhưng đối với thép hợp kim sửa chữa hiện tượng quá nhiệt rất khó vì quá trình
ủ phức tạp.
*. Hiện tượng cháy.
- Khi nhiệt độ nung lên trên nhiệt độ quá nhiệt, vật nung bị phá huỷ tinh
giới do vùng tinh giới bị ôxy hoá mãnh liệt, kết quả là làm cho mất tính liên
tục của kim loại dẫn đến phá huỷ hoàn toàn độ bền và độ dẻo của kim loại.
- Hiện tượng cháy rất dễ phát hiện khi kim loại bị cháy sẽ phát sáng và có
nhiều tia lửa bắt ra.
- Khi kim loại bị cháy thì không thể dùng được nữa, chÆt bá hoÆc ®em ñ
l¹i.
25
Chương V:GIA CÔNG KIM LOẠI BẰNG ÁP LỰC
3. ThiÕt bÞ nung

*. Lß thñ c«ng