BÀI TẬP LỚN MÔN CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO PHÔI

LỜI MỞ ĐẦU
Trong công cuộc xây dựng đất nước, ngành cơ khí nói riêng và ngành kỹ
thuật nói chung – Công nghệ chế tạo phôi đóng vai trò rất quan trọng.
Trong chương trình đào tạo thì Chế tạo phôi song hành với công nghệ
chết tạo máy là một phần căn bản, nhằm trang bị cho sinh viên kiến thức về thiết
kế chế tạo các loại máy, các trang bị cơ khí phục vụ cho công nghiệp. Môn học
công nghệ chế tạo máy đã truyền đạt các tiêu chuẩn công nghệ thiết kế và gia
công chi tiết. Bài tập lớn công nghệ chế tạo phôi nhằm hệ thống lại các kiến thức
đã học trong trường để áp dụng các kiến thức lý thuyết vào thực tiễn. Công việc
thiết kế là vận dụng cả một quá trình học tập, thực tiễn và được đem tổng hợp lại
để áp dụng.
Đề tài em được giao là: “Tính toán thiết kế dập khối phôi trục khuỷu
D12 trên máy búa”. Đề tài này rất mới mẻ đối với em, do vậy không tránh khỏi
những bỡ ngỡ, cùng với lý thuyết và thực tiễn còn hạn chế, rất mong sự chỉ bảo
của các Thầy, Cô để bài tập lớn của em được hoàn thiện hơn!
Em xin chân thành cảm ơn sự đóng góp ý kiến và chỉ bảo của Thầy, Cô!
Sinh Viên
Trần Mạnh Hùng

1


I. PHÂN TÍCH CHI TIẾT GIA CÔNG
1. Đặc điểm, chức năng của chi tiết
- Chi tiết trục khuỷu D12 có 1 chốt khuỷu:
+ Là chi tiết quan trọng của động cơ đốt trong.
+ Kết hợp với tay biên biến chuyển động tịnh tiến của piston thành chuyển động
quay của trục khuỷu rồi chuyển sang các bộ phận công tác khác.
+ Là chi tiết họ trục (lệch tâm) vì có những cổ trục không nằm trên một đường
tâm.
2. Điều kiện làm việc, yêu cầu kỹ thuật của chi tiết

- Điều kiện làm việc: Khi làm việc, trục khuỷu chịu tải trọng lớn do các mô men
xoắn và lực quán tính gây ra, các lực này mang tính chất chu kỳ làm trục khuỷu
bị kéo, nén, uốn, xoắn với ứng suất khá lớn và chịu mài mòn, va đập.
- Yêu cầu kỹ thuật của chi tiết:
+ Kết cấu phải đảm bảo vững chắc và có sức bền cao, không gây ra dao động
+ Tránh gây ứng suất tập trung tại các vị trí của biên. Yêu cầu của chi tiết gia
công đạt độ cứng cao.
+ Phải tiến hành cân bằng động, để đảm bảo giảm bớt quán tính của các lực
động cơ đốt trong quát trình làm việc
3. Phân tích tính công nghệ của kết cấu chi tiết
a) Phần đầu trục khuỷu
- Phần này được lắp ghép với cơ cấu dẫn động và khởi động
b) Phần thân trục khuỷu
- Bao gồm: Má khuỷu, cổ trục, cổ biên.
2


+ Má khuỷu: Là phần liên kết giữa cổ trục Ø55 và cổ biên, má khuỷu có hình
bầu dục trên có bề mặt lắp đối trọng, trên bề mặt này có các rãnh khía và có lỗ
bắt vít, tác dụng của rãnh là giảm lực cắt trong quá trình làm việc.
+ Cổ trục Ø55 và cổ biên Ø50. Các kích thước chiều dài của Ø55 và cổ biên đã
cho trong bản vẽ lồng phôi, các kích thước đường kính gia công theo yêu cầu
đòi hỏi chính xác, đảm bảo độ cứng vững trong quá trình làm việc.
c) Phần đuôi khuỷu
- Là phần bánh đà lắp với trục khuỷu, được chế tạo chính xác theo yêu cầu đã
cho trên bản vẽ.
II. CHỌN PHƯƠNG ÁN CHẾ TẠO PHÔI TRỤC KHUỶU D12
Việc chọn phôi đóng vai tròn rất quan trọng trong quá tình gia công tiếp
theo, nếu chọn phôi hợp lý, không những đảm bảo được tính năng kỹ thuật mà
còn cho năng suất chất lượng cao và giá thành sản phẩm phù hợp.

Để chế tạo được phôi, trước tiên cần chọn phôi dựa trên những yếu tố sau:
- Vật liệu và cơ tính của vật liệu mà chi tiết phải tuân theo yêu cầu thiết kế
- Kích thước, hình dáng và kết cấu của chi tiết.
- Số lượng của chi tiết thuộc các loại dạng sản xuất
- Cơ sở vật chất kỹ thuật cụ thể của nơi sản xuất phôi.
Từ những yếu tố nêu trên, để gia công được chi tiết trục khuỷu D12, vật
liệu thép 45, làm việc với chế độ tỷ trọng kéo, uốn, nén và xoắn tốt nhất khi tổ
chức kim loại dạng thớ. Ta lựa chọn 1 trong các phương án sau:
1. Phôi đúc
- Ưu điểm:
+ Có thể đúc được tất cả kim loại và hợp kim khác nhau
3


+ Đúc được các vật có khối lượng từ nhỏ đến rất lớn, tạo ra các vật có hình dạng
và kết cấu phức tạp
- Nhược điểm:
+ Tổ chức kim loại không đều, tạo ra các khuyết tật như rỗ khí, rỗ xỉ, không điền
đầy lòng khuôn, vật dúc bị nứt do vậy không tốt với điều kiện làm việc nặng nề
+ Giá thành cao
=> Phương án phôi đúc không phù hợp
2. Phôi cán
- Ưu điểm:
+ Tính dẻo của kl cao nên dễ biến dạng, năng suất cao
- Nhược điểm:
+ Chất lượng bề mặt kém vì còn tồn tại vảy sắt trên mặt phôi khi nung
=> Phương án phôi cán không phù hợp
3. Phôi rèn
a) Rèn tự do
- Ưu điểm:

+ Độ chính xác và cơ tính cao, tiết kiệm thời gian và vật liệu
+ Dụng cụ gia công đơn giản, rẻ tiền
- Nhược điểm:
+ Không chế tạo được các sản phẩm có hình dạng và kích thước phức tạp, kích
thước lớn
+ Không chế tạo được các sản phẩm có tính dẻo kém
+ Chỉ phù hợp với dạng sản xuất nhỏ và đơn chiếc
4


=> Phương án rèn tự do không phù hợp
b) Rèn khuôn
Là phương pháp gia công kim loại bằng áp lực, trong đó, kim loại đươc
biến dạng trong lòng khuôn. Phương án này cho năng suất cao. Tổ chức kim loại
có cơ tính rất cao, độ chính xác và độ bóng bề mặt cao. Lượng dư gia công nhỏ,
tiết kiệm được nguyên liệu.
* Phương pháp dập thể tích trên máy búa
- Ưu điểm:
+ Sử dụng máy đơn giản, thông dụng
+ Gia công được những chi tiết nhỏ, phức tạp
+ Cơ tính và bề mặt vật dập đạt độ chính xác cao
+ Thích hợp cho dạng sản xuất hàng loạt
- Nhược điểm:
+ Do dập trên máy búa nên lực dập lớn và tần suất cao, đòi hỏi chế tạo khuôn
phức tạp.
Từ những phân tích về ưu điểm, nhược điểm của từng phương pháp chế
tạo phôi, ta chọn được phương án phù hợp nhất để gia công chi tiết trục khuỷu
D12 đó là phương án: Dập thể tích trên máy búa.
III. TÍNH TOÁN THIẾT KẾ DẬP KHỐI PHÔI TRỤC KHUỶU D12
TRÊN MÁY BÚA

1. Xác định thể tích và khối lượng chi tiết trục khuỷu D12
Bản vẽ chi tiết trục khuỷu D12:

5


a) Xác định khối lượng vật
rèn (chi tiết)
Công thức xác định:

mvr = Vvr .γ
Trong đó:

mvr

: khối lượng vật rèn (g)

Vvr

γ

: Thể tích vật rèn (

cm3

)

: khối lượng riêng của thép (g/

cm3

)

Để xác định được khối lượng vật rèn, trước tiên ta phải xác định được thể tích
của vật rèn:

6


Ta tách chi tiết thành nhiều V rồi sau đó tổng hợp lại:
π .d12 .L1 3,14.452.30
V1 =
=
= 47688, 75(mm3 )
4
4

π .d 2 2 .L2 3,14.552.25
V2 =
=
= 59365, 625(mm3 )
4
4
 π .1002 1

V3 = V5 = 
+ .(70 + 80).120 ÷.25 = 323125(mm3 )
2
 8


V4 =

π .d 4 2 .L4 3,14.502.38
=
= 74575(mm3 )
4
4

π .d 6 2 .L6 3,14.502.50
V6 =
=
= 98125( mm3 )
4
4
2
2
1  45 50 
3
V7 = 3,14. . 
+
÷.60 = 106563, 75(mm )
2  4
4 

7


V8 =

π .d8 2 .L8 3,14.362.32
=
= 32555,52( mm3 )
4
4

V = V1 + V2 + V3 + V4 + V5 + V6 + V7 + V8 = 741998, 645(mm3 )

=>

mvr = Vvr .γ = 741998,645.7,8.10 −6 = 5, 79(kg )

2. Lựa chọn lòng khuôn
a) Dập trên khuôn hở

Hình 1: giải thích quá trình dập trên khuôn hở

Hình 2: Sơ đồ dập trên khuôn hở
8


Nếu dập như sơ đồ trên sẽ gặp phải những khó khăn:
+ Việc lấy vật dập ra khỏi lòng khuôn gặp rất nhiều khó khăn vì lực ma sát giữa
vật dập và thành khuôn rất lớn.
+ Khi kích thước phôi không chính xác sẽ thu được vật dập đúng kích thước:
Nếu Vph > Vkh kim loại thừa sẽ làm cho vật dập cao hơn chiều cao của lòng
khuôn một lượng bằng chiều dày lớp bavia; nếu Vph < Vkh thì ở số vùng nào đó,
kim loại không điền đầy được lòng khuôn và tại đó ta thấy kích thước vật dập bị
hụt.
Để khắc phục các hiện tượng kể trên ta có thể làm khuôn dập có góc nghiêng

thành lòng khuôn.
- Khi dập trên khuôn hở sẽ có những đặc điểm như:
+ Khối lượng phôi có thể không cần chính xác nhưng kích thước vật dập sẽ
giống nhau vì khi khối lượng phôi lớn hơn theo yêu cầu thì lượng kim loại thừa
sẽ có thể chảy hết ra theo rãnh thoát biên.
+ Chiều chảy kim loại thoát ra khỏi lòng khuôn vào các rãnh thoát biên vuông
góc với chiều lực tác dụng. Chiều dày vành biên giảm dần khi lực dập tăng.
+ Thớ kim loại tại nơi cắt vành biên sẽ không liên tục.
+ Khối lượng kim loại ở trong lòng khuôn giảm dần đi trong quá trình tăng lực
vì có một lượng kim loại chảy ra khổi khuôn qua rãnh thoát biên.
b) Dập trên khuôn kín

9


Hình 3: Sơ đồ nguyên lý khi dập trên khuôn kín
- Khi dập trên khuôn kín sẽ có những đặc điểm sau:
+ Thể tích phôi không được thay đổi nhiều vì không có rãnh thoát biên nên kích
thước vật dập không đều nhau.
+ Một phần nhỏ kim loại chảy vào các khe hở của khuôn tạo thành ba via, chiều
chảy của bavia cùng với hướng lực tác dụng, chiều dày lớp ba via này không đổi
trong suốt quá trình dập.
+ Thớ kim loại trong vật dập không bị đứt đoàn như khi dập trên khuôn hở, vì
không phải cắt biên.
Căn cứ vào những đặc điểm trên của hai loại lòng khuôn, ta chọn dập trên
lòng khuôn kín vì cho ra chất lượng sản phẩm tốt, hệ số sử dụng vật liệu rất cao
so với dập trên khuôn hở.
3. Xác định kết cấu, chọn phôi hợp lý và xác định mặt phân khuôn
3.1. Xác định kết cấu, chọn phôi hợp lý
Việc chọn phôi đóng vai trò rất quan trọng trong quá trình gia công tiếp

theo. Nếu chọn phôi hợp lý, không những chỉ đảm bảo tốt về những tính năng
10


kỹ thuật mà còn ảnh hưởng tích cực đến năng suất chất lượng giá thành sản
phẩm, giảm quá trình gia công cơ, giảm chi phí gia công.
Căn cứ vào các yếu tố để chọn phôi:
- Vật liệu và cơ tính của vật liệu mà chi tiết phải có theo yêu cầu thiết kế.
- Kích thước và hình dáng và kết cấu của chi tiết.
- Số lượng của chi tiết trong năm loại dạng sản xuất
- Cơ sở vật chất kỹ thuật cụ thể nơi sản xuất phôi.
Với chi tiết gia công là trục khuỷu D12, vật liệu là thép C45 với chi tiết trục
khuỷu làm việc với chế độ tỉ trọng uốn, kéo, nén và loại dạng thớ cùng với kết
cấu phức tạp, dạng sản xuất của chi tiết ta chế tạo bằng một trong các phương
pháp sau:
* Phôi đúc:
- Đặc điểm: Phôi đúc có cơ tính đạt được không cao bằng phôi rèn, tổ chức kim
loại không đồng đều và không tốt với điều kiện làm việc nặng nề, khả năng chịu
lực phức tạp của chi tiết kém như: uốn, xoắn, kéo, nén, giá thành của chi tiết
cao. Do vậy, phương án này không phù hợp.
* Phôi rèn:
Đặc điểm: Phôi rèn có cơ tính tốt hơn phôi đúc vẫn đảo bảo được điều
kiện bền khi chịu lực phức tạp vì tổ chức kim loại ở dạng thớ nhất là những nơi
có tiết diện thay đổi đột ngột. So sánh phôi rèn và phôi đúc ta thấy nên chọn
phôi rèn để tạo phôi và chọn 1 trong những phương án sau:
- Phương án I: Rèn tự do
Là phương pháp gia công bằng áp lực trong đó kim loại được biến dạng
trong không gian tự do.

11

+ Ưu điểm: Phương pháp này có thể chế tạo được các vật rèn có kích thước rất
nhỏ đến rất lớn, từ đơn giản đến phức tạp. Dụng cụ gia công đơn giản, rẻ tiền.
+ Nhược điểm: Độ chính xác gia công không cao, lượng dư để lại cho gia công
thường lớn. Tổ chức kim loại bề mặt bị chai cứng, quy mô sản xuất nhỏ, sản
lượng không cao nên chỉ phù hợp với dạng sản xuất nhỏ và đơn chiếc.
- Phương án II: Rèn khuôn
Rèn khuôn là phương pháp gia công kim loại bằng áp lực, trong đó kim
loại được biến dạng trong lòng khuôn. Phương án này cho năng suất cao, tổ
chức kim loại có cơ tính rất cao, độ chính xác và độ bóng bề mặt cao. Tiết kiệm
được nguyên liệu, lượng dư gia công nhỏ:
=> Có hai phương pháp rèn khuôn: đó là dập thể tích trên máy búa và dập trên
máy ép trục khuỷu.
Ta sử dụng phương pháp dập thể tích trên máy búa phải căn cứ vào các cách sau
để xác định:
- Phôi dập thể tích trên máy búa là phôi cán hay phôi đúc định hình. Để tận dụng
có thể chọn phôi là thép cán định hình, có hình dạng và kích thước gần giống vật
dập.
- Phân nhóm chi tiết có hình dáng, kích thước gần giống nhau: bánh răng, biên
bạc, trục, trục bậc… Phân chi tiết phức tạp thành những phần đơn giản, sau khi
dập sẽ ghép lại. Tổ hợp, ghép chi tiết đơn giản với nhau, sau khi dập sẽ cắt rời
từng phôi.
- Chọn phôi dập chính xác, ép nghiền, ép tinh… sẽ làm giảm lượng dư gia công.
3.2. Xác định mặt phân khuôn
Mặt phân khuôn cho phép dễ đặt phôi vào lòng khuôn, dễ lấy vật dập ra
sau khi dập. Mặt phân khuôn của vật dập thể tích phụ thuộc và hình dạng, kết
cấu của vật dập và ảnh hưởng trực tiếp đến quá tình công nghệ
12

Hình 3. Mặt phân khuôn. Hình dạng, kết cấu của phôi trong khuôn
Với trục khuỷu D12:
- Chọn mặt phân khuôn là mặt phẳng
- Đặt mặt phân khuôn vào bề mặt có tiết diện lớn nhất là bề mặt tại F=100(mm2)
4. Thành lập bản vẽ vật dập
a) Xác định lượng dư gia công cơ
Lượng dư phải có trên tất cả các bề mặt cần gia công. Lượng dư gia công
phụ thuộc vào kích thước, khối lượng, tính chất vật liệu, độ chính xác của chi
tiết và loại thiết bị sử dụng
- Lượng dư gia công theo đường kính D:

δ D = 0, 06 D + 0, 0017 L + 2,8

mm =

0, 06.77, 625 + 0, 0017.235 + 2,8 = 7,8mm

- Lượng dư gia công theo chiều dài L:

13


δ L = 0, 06 D + 0, 002 L + 1 = 0, 06.77, 625 + 0, 002.235 + 1 = 6,12

mm

b) Xác định lượng dư kỹ thuật
- Lượng dư kỹ thuật thêm vào để đơn giản kết cấu công nghệ
c) Xác định kích thước danh nghĩa vật dập

- Kích thước danh nghĩa của vật rèn được xác định theo công thức:
D = d + δ ⇒ d = D − δ = 77, 625 − 7,8 = 69,825

mm

d) Xác định dung sai
- Dung sai theo chiều cao:

ES = (0, 7 ÷ 1)δ = (5, 46 ÷ 7,8)

EI = (0, 4 ÷ 0, 6)δ = (3,12 ÷ 4, 68)

- Dung sai theo chiều ngang:
ES = (0, 6 ÷ 0,9)δ = (3, 67 ÷ 5,51) EI = (0,5 ÷ 0,8)δ = (3, 06 ÷ 4,90)

;

e) Xác định độ nghiêng thành khuôn
- Độ nghiêng dốc thành khuôn phụ thuộc vào những yếu tố:
+ Loại khuôn: khuôn có chốt đẩy giảm độ dốc, độ dốc của khuôn trên cần lớn
hơn độ dốc của khuôn dưới
+ Độ sâu tương đối: Chiều sâu càng lớn thì độ dốc càng giảm
+ Độ dốc thành trong lớn hơn độ dốc thành ngoài
+ Nhiệt độ kết thúc càng cao, độ dốc càng lớn

14


Hình 4. Độ dốc thành khuôn
Căn cứ vào các yếu tố trên, ta chọn độ nghiêng thành khuôn là

50

f) Xác định bán kính góc lượn của thành khuôn
- Bán kính góc lượn để kim loại dễ di động trong khuôn, tránh nứt, gấp nếp, tăng
độ bền, tuổi thọ lòng khuôn…

Chọn bán kính thành trong r =2, bán kính thành ngoài là

R = 2,5.r + 0,5 = 5,5

g) Xác định rãnh bavia
- Chiều cao khe bavia:
- Thể tích bavia:

h = 0, 015 Fvatdap = 0, 015. 77, 625.235 = 2

Vbavia = ϕ .S .L = 0,5.

=> Bản vẽ vật dập

15

mm

mm


5) Xác định khối lượng và kích thước của phôi trước khi dập
- Khối lượng phôi:

m phoi = mvatdap + mbavia + mchuathau + mchay

- Kích thước phôi trước khi dập:

=>

Fphoi = 1, 05.3157, 44 = 3315

mm2

6) Xác định khối lượng phần rơi trên máy búa và chọn máy
- Khối lượng phần rơi trên máy búa được xác định theo công thức:
m = 4.Fmax = 4.Fvatdap +bavia = 4.

=

7) Nung nóng phôi
a. Xác định khoảng nhiệt độ gia công
 Xác định bằng công thức thực nghiệm
- Nhiệt độ bắt đầu gia công (T0max) là nhiệt độ cao nhất bắt đầu gia công, nếu gia
công ở nhiệt độ lớn hơn nhiệt độ này, tính dẻo giảm đột ngột xảy ra nhiều
khuyết tật (lỏng, chảy, quá nhiệt, oxi hóa, thoát e..)

16


0
0
Tmax

= Tduc
− (1500 ÷ 2000 )C

- Nhiệt độ kết thúc gia công T0min (hình 1)
0
Tmin
= TA03 + (200 ÷ 400 )C
Thép trước cùng tích:
Thép sau cùng tích:

0
0
Tmin
= TAm
+ (400 ÷ 500 )C

Hình 1
Hình 2
 Xác định khoảng nhiệt độ bằng giản đổ Fe-C (hình 2)
- ở khoảng nhiệt độ gia công tại vùng biên, phần lớn tổ chức của thép là một pha
đồng nhất có độ dẻo cao
- khoảng nhiệ độ gia công nóng thép được xác định theo đồ thị thực nghiệm
 Dùng màu để xác định khoảng nhiệt độ gia công theo kinh nghiệm
- Khi thép bị chảy hoặc cháy sẽ có hoa lửa
- Khi thép quá nhiệt sẽ có màu sáng chói
- Khi đạt nhiệt độ gia công sẽ có màu vàng rơm
- Khi chuyển sang màu tím cần kết thúc gia công.
Thời gian nung (Tnung)

α βT

nung

= α .β .k .D. D (h)
- hệ số xếp phôi, tra bảng 4.2 (chọn =

2);
- hệ số kích thước (chọn = 1);
k – hệ số vật liệu, phụ thuộc vật liệu
với thép C45 chọn k = 12,5;
D – đường kính của phôi (m)
Có Dtb = 57mm = 0,557m

=> Tnung = 2.1.12,5.0, 057 0, 057 = 0,34(h) = 20( phut )

b. Thời gian giữ nhiệt Tgn

17


- Là thời gian để vật liệu đồng đều về nhiệt độ từ trong ra ngoài và chuyển hoàn
-

toàn thành pha đồng nhiệt.
Được xác định theo công thức:
Thép C:

Tgn = (20 ÷ 30)%Tnung = (0, 064 ÷ 0,102)( h)

Thép HK:

c. Tốc độ nung

Vcp =
-

5, 6.λ.σ b
β .E.ρ 3

Tgn = 150%Tnung = 0,51(h)

Tốc độ nung cho phép Vcp: là tốc độ nung chậm đến khi đạt

8000C để tránh nứt nẻ và biến dạng
(độ/h)

-

λ

- hệ số dẫn nhiệt
ρ
- bán kính phôi
E
- mô đun đàn hồi
β
- hệ số giãn nở dài
Tốc độ nung kỹ thuật: ở nhiệt độ cao từ 800 0 đến tbđgc cần nung với tốc độ
nhanh để tránh oxi hóa và thoát Cacbon.

KẾT LUẬN

Gia công kim loại bằng áp lực là một phương pháp gia công rất phổ biến
hiện nay. Gia công áp lực đã phát triển đến mức độ hiện đại cả về thiết bị gia
công, phương pháp kỹ năng gia công đã sử dụng máy ép thủy lực mấy chục vạn

18


tấn, máy ép trục khuỷu có lực hàng vạn tấn. Các máy búa ít chấn động, máy búa
không bệ đe, sử dụng dây truyền tự động hóa.
Bài tập lớn “Tính toán thiết kế dập khối phôi trục khuỷu D12 trên máy
búa” không những giúp sinh viên chúng em trau dồi thêm kỹ năng tính toán,
giải quyết vấn đề mà còn còn làm tăng thêm hiểu biết về ứng dụng cũng như xu
hướng phát triển của các công nghệ gia công kim loại hiện nay, đặc biệt là
phương pháp gia công kim loại bằng áp lực.
Trong quá trình hoàn thành bài tập, do về kiến thức lý thuyết chuyên
ngành cơ khí cũng như kỹ năng tư duy, tính toán của chúng em còn hạn chế, do
vậy không tránh khỏi nhiều sai sót. Mong được Cô thông cảm và chỉ bảo để
chúng em rút kinh nghiệm!
Em xin chân thành cảm ơn Thầy, Cô!

19