Nghiên cứu tối ưu công nghệ dập khối trên khuôn hở để chế tạo chi tiết trục
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (3.35 MB, 78 trang )
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
--------------------------------------LÊ THỌ TIỆP
LÊ THỌ TIỆP
NGÀNH CHẾ TẠO MÁY
NGHIÊN CỨU TỐI ƢU CÔNG NGHỆ DẬP KHỐI
TRÊN KHUÔN HỞ ĐỂ CHẾ TẠO CHI TIẾT TRỤC
KHUỶU ĐỘNG CƠ Ô TÔ
LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT NGÀNH CHẾ TẠO MÁY
KHOÁ 2012B
Hà Nội – Năm 2014
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
--------------------------------------LÊ THỌ TIỆP
NGHIÊN CỨU TỐI ƢU CÔNG NGHỆ DẬP KHỐI TRÊN
KHUÔN HỞ ĐỂ CHẾ TẠO CHI TIẾT TRỤC KHUỶU ĐỘNG CƠ
Ô TÔ
Chuyên ngành : CHẾ TẠO MÁY
LUẬN VĂN THẠC SĨ NGÀNH CHẾ TẠO MÁY
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC :
PGS.TS. NGUYỄN ĐẮC TRUNG
Hà Nội – Năm 2014
MỤC LỤC
Trang
Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt
4
Danh mục các hình vẽ, đồ thị, bảng
7
Lời mở đầu
10
Chƣơng 1 - TỔNG QUAN CÔNG NGHỆ DẬP TẠO HÌNH CÁC CHI TIẾT
DẠNG KHỐI
1.1
Sơ lược về công nghệ dập khối
12
1.2 Các dạng sản phẩm điển hình
16
1.3 Các thiết bị chính để thực hiện công nghệ dập khối
19
1.4 Các nguyên công trong công nghệ dập khối
21
1.4.1 Nguyên công chồn
21
1.4.2 Rèn vuốt
22
1.4.3 Ép chảy
22
1.4.4 Dập khối trong khuôn hở
23
1.4.5 Dập khối trong khuôn kín
24
1.4.6 So sánh dập trên khuôn kín và khuôn hở
24
1.5 Nhiệt độ trong công nghệ dập khối
25
1.6 Kết luận chương 1
30
CHƢƠNG 2 - NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ DẬP KHỐI TRÊN KHUÔN HỞ
2.1 Sơ lược về công nghệ dập khối trên khuôn hở (có vành biên)
31
2.2 Vành biên và rãnh thoát biên
34
2.2.1
Vành biên
34
2.2.2
Rãnh thoát biên
34
2.2.3
Các kiểu rãnh thoát biên và kích thước của nó
34
2.3 Góc nghiêng thành lòng khuôn
37
2.4 Biện pháp nâng cao hiệu quả sử dụng vật liệu
40
2.5 Thiết bị dập khối trên khuôn hở
42
2.5.1
Dập khối khuôn hở trên máy búa
42
2.5.2
Dập khối khuôn hở trên máy ép
43
2.5.3
Ưu điểm và nhược điểm của máy ép trục khuỷu so với
43
máy búa
2.5.4
Đặc điểm của quá trình dập trên máy ép trục khuỷu dập
44
nóng
2.6 Ưu điểm, nhược điểm của dập khối trên khuôn hở
44
2.7 Các sản phẩm dập khối trên khuôn hở điển hình
45
2.8 Yếu tố công nghệ ảnh hưởng đến quá trình dập khối trên khuôn
47
hở
2.9 Kết luận chương 2
48
CHƢƠNG 3 - NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ DẬP TRỤC KHUỶU
3.1 Trục khuỷu
3.1.1 Nhiệm vụ, điều kiện làm việc và yêu cầu đối với trục
49
49
khuỷu
3.1.2 Đặc điểm kết cấu trục khuỷu
49
3.1.3 Các phương pháp chế tạo trục khuỷu
53
3.2 Xây dựng quy trình công nghệ dập trục khuỷu
54
3.2.1
Quy trình công nghệ dập
54
3.2.2
Mô hình trục khuỷu
58
3.2.3
Tính toán kích thước phôi
58
3.3 Tính toán kích thước rãnh thoát biên – thiết kế khuôn dập trục
60
khuỷu
3.3.1
Tính toán kích thước rãnh thoát biên
60
3.3.2
Thiết kế sơ bộ khuôn dập
61
3.4 Kết luận chương 3
62
CHƢƠNG 4 - MÔ PHỎNG SỐ QUÁ TRÌNH TẠO HÌNH CHI TIẾT TRỤC
KHUỶU
4.1 Thiết lập bài toán mô phỏng quá trình tạo hình
63
4.1.1 Giới thiệu phần mền ABAQUS 6.7
63
4.1.2 Thiết lập mô hình hình học
64
4.1.3 Lựa chọn mô hình vật liệu
65
4.1.4 Điều kiện biên
67
4.1.5 Giải bài toán
67
4.2 Phân tích các kết quả mô phỏng
68
4.2.1 Thay đổi kích thước phôi để điền đầy lòng khuôn
68
4.2.2 Thay đổi kích thước phôi để thu hẹp vành biên nhỏ dưới
68
10%
4.2.3 Hình dạng vành biên trong trường hợp a = 68, L = 180, R
73
=10
4.2.4 Trạng thái ứng suất trong trường hợp a = 68, L = 180, R
75
=10
4.2.5 Mức độ biến dạng trong trường hợp a = 68, L = 180, R =10
76
4.2.6 Đồ thị lực dập
78
4.3 Kết luận chương 4
78
KẾT LUẬN
79
Tài liệu tham khảo
81
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT
Ký hiệu
Ý nghĩa
Đơn vị đo
Tn
Nhiệt độ nung
ºC
T
Nhiệt độ dập
ºC
t
Thời gian nung
s
Thời gian giữ nhiệt
s
t1÷t2
G
Trọng lượng
KN
Le
Năng lượng va đập
MJ
P
Lực ép
KN
Lực ép cực đại
KN
Pmax
Ứng suất chính
N/mm²
max
Ứng suất cực đại
N/mm²
1, 2, 3
Biến dạng chính
DK
Đường kính chi tiết
mm
HK
Chiều cao chi tiết
mm
DHK
Đường kính lòng khuôn
mm
HHK
Chiều sâu lòng khuôn
mm
Vph
Thể tích phôi
mm3
Vkh
Thể tích lòng khuôn
mm3
Dk
Đường kính sau ép
mm
Hk
Chiều cao sau ép
mm
a
Chiều dài cầu vành biên
mm
b
Chiều dài túi chứa kim loại vành biên
mm
h
Chiều cao cầu vành biên
mm
Sv
Diện tích tiết diện ngang của rãnh thoát biên
mm²
An
Kích thước cạnh vật dập hình vuông
mm
Dn
Đường kính vật dập hình tròn
mm
FVd
Diện tích hình chiếu vật dập trên mặt phân khuôn
mm²
P
Lực tác dụng vuông góc bề mặt vật dập
KN
T
Lực ma sát tiếp xúc tổng cộng
KN
Q
Tổng hợp các lực tác dụng lên vật dập
KN
Góc nghiêng thành lòng khuôn
Hệ số ma sát
1
Góc nghiêng trong của thành lòng khuôn
o
2
Góc nghiêng ngoài của thành lòng khuôn
o
o
Vmin
Thể tích vành biên tối thiểu
mm3
Vtt
Thể tích vành biên thực tế
mm3
∆V
Thể tích phế liệu
mm3
D0
Đường kính phôi
mm
L0
Chiều dài phôi
mm
Dmin
Đường kính phôi nhỏ nhất
mm
Lmin
Chiều dài phôi nhỏ nhất
mm
Dmax
Đường kính phôi lớn nhất
mm
Lmax
Chiều dài phôi lớn nhất
mm
V1
Thể tích thành phần thứ nhất phế liệu
mm3
V2
Thể tích thành phần thứ hai phế liệu
mm3
V3
Thể tích thành phần thứ ba phế liệu
mm3
Vvb
Thể tích vành biên
mm3
Sr
Diện tích tiết diện ngang rãnh thoát biên
mm²
L
Chiều dài chu vi vật dập trên mặt phân khuôn
mm
φ
Hệ số điền đầy rãnh thoát biên
Vct
Thể tích chi tiết
mm3
Vph
Thể tích phôi
mm3
Vsp
Thể tích sản phẩm
mm3
R
Bán kính lượn ở góc phôi
mm
a
Kích thước cạnh hình vuông
mm
L
Chiều dài phôi
mm
Lượng dư của phôi (thể tích vành biên)
mm3
∆V
K
Hệ số tỉ lệ vật liệu
Tmelt
Nhiệt độ nóng chảy
ºC
do/dt
Tốc độ biến dạng
s-1
Các phần mềm mô phỏng, thiết kế đồ hoạ: ANSYS, MARC, ABAQUS, PAMSTAMP,
LARSTRAN/SHAPE,
I-DEAS,
CATIA,
DYNAFORM,
SOLIDWORK, CAD, PRO/ENGINEER
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
DEFORM,
Ý nghĩa
Hình
Trang
1.1
Các phương pháp gia công vật liệu
12
1.2
Sơ đồ phân loại gia công áp lực
13
1.3
Sơ đồ quá trình dập khối
15
1.4
Phân loại dập khối
16
1.5
Các dạng sản phẩm dập khối
18
1.6
Hướng thớ của sản phẩm sau khi dập tạo hình
18
1.7
So sánh hướng thớ kim loại giữa đúc, cắt gọt và dập
18
1.8
Thiết bị cho nguyên công dập khối
20
1.9
Sơ đồ bài toán chồn
21
1.10a
Khuôn chồn đầu bulông
22
1.10b
Sản phẩm chồn
22
1.11
Sơ đồ bài toán vuốt
22
1.12
Ép chảy
23
1.13
Kết cấu khuôn dập trong lòng khuôn hở
23
1.14
Dập trong lòng khuôn kín
24
1.15
So sánh dập trên khuôn hở và khuôn kín
25
1.16
Giản đồ trạng thái Fe-C và các nhiệt độ giới hạn
26
1.17
Khoảng nhiệt độ tạo hình cho phép (Tcp)
27
1.18
Các nguyên nhân và vị trí hỏng khuôn khi dập khối
29
2.1
Sơ đồ công nghệ dập trên khuôn hở
32
2.2
Kích thước cơ bản của rãnh thoát biên
34
2.3
Các loại rãnh thoát biên thường gặp
35
2.4
Sơ đồ cấu tạo vành biên đúng và sai
37
2.5
Sơ đồ tính lực đẩy vật dập ra khỏi lòng khuôn
38
2.6
Đồ thị tính góc nghiêng thành lòng khuôn
39
2.7
Góc nghiêng trong và ngoài của thành lòng khuôn
40
2.8
Sản phẩm dập khối trên khuôn hở
46
2.9
Dập khối trên khuôn hở các sản phẩm lớn
47
2.10
Quy trình công nghệ dập khối và khuôn dập tay biên
47
3.1
Kết cấu các dạng má khuỷu
52
3.2
Kết cấu tổng thể trục khuỷu
53
3.3
Phôi nung nóng với nhiệt độ ban đầu 1150oC
55
3.4
Sản phẩm dập tạo hình lần 1
55
3.5
Sản phẩm dập tạo hình lần 2
56
3.6
Vành biên
56
3.7
Chi tiết trước bẻ khuỷu
57
3.8
Chi tiết dập hoàn thiện
57
3.9
Mô hình chi tiết trục khuỷu
58
3.10
Hình dáng của phôi
59
3.11
Kết cấu sơ bộ của vành biên
61
3.12
Mô hình khuôn trên
61
3.13
Mô hình khuôn dưới
62
4.1
Mô hình chia lưới phần tử
65
4.2
Các đường cong chảy của vật liệu (Đường cong quan hệ giữa
ứng suất- biến dạng)
67
4.3
Kết quả điền đầy lòng khuôn (a – không đạt, b - đạt)
68
4.4
Kết quả mô phỏng trường hợp 1
69
4.5
Kết quả mô phỏng trường hợp 2
70
4.6
Kết quả mô phỏng trường hợp 3
71
4.7
Kết quả mô phỏng trường hợp 4
72
4.8
Hình dạng vành biên tại các mặt cắt trong trường hợp 4
74
4.9
Trạng thái ứng suất
76
4.10
Mức độ biến dạng
77
4.11
Đồ thị lực dập tạo hình trục khuỷu
78
DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng
1.1
2.1
Ý nghĩa
Các dạng phôi, các nguyên công công nghệ và các dạng sản
phẩm dập khối
Kích thước rãnh thoát biên kiểu III của khuôn dập trên máy
búa
Trang
15
35
3.1
Các kí hiệu dùng để tính toán
59
4.1
Thông số của vật liệu làm phôi
66
LỜI MỞ ĐẦU
Trong những năm gần đây, cùng với sự phát triển mạnh mẽ của nền kinh tế, chất
lượng sản phẩm yêu cầu ngày càng cao, đa dạng về mẫu mã, chủng loại và phải đáp ứng
nhanh chóng về mặt thời gian. Do vậy, tối ưu hoá công nghệ nhằm nâng cao chất lượng,
giảm chi phí thiết kế, sản xuất và hạ giá thành sản phẩm luôn là tiêu chí hàng đầu cho tất
cả các nhà sản xuất.
Trước đây, khi công nghệ chưa phát triển, tối ưu hoá công nghệ thường dựa trên
kinh nghiệm sản xuất và tối ưu dần trong quá trình sản xuất mà không có tính tổng quát
nên hiệu quả thường không cao. Trong những năm gần đây, cùng với sự phát triển mạnh
mẽ của công nghệ thông tin, điện tử, tự động hoá đã trợ giúp quá trình tối ưu hoá công
nghệ một cách đơn giản, nhanh chóng và chính xác bằng phương pháp mô phỏng số trên
máy tính đem lại hiệu quả cao trong nghiên cứu khoa học cũng như trong sản xuất.
Ở nước ta hiện nay, mô phỏng số đã được quan tâm nhiều, nhưng chủ yếu là ở một
số trường đại học cũng như các viện nghiên cứu, trong thực tiễn sản xuất hầu như chưa
được ứng dụng. Để góp phần vào sự phát triển chung của việc nghiên cứu tối ưu hoá công
nghệ nhờ mô phỏng số và thúc đẩy ứng dụng kết quả tối ưu vào sản xuất công nghiệp,
luận văn này tập chung nghiên cứu và ứng dụng phương pháp mô phỏng số nhờ phần
mềm ABAQUS nhằm tối ưu hoá công nghệ dâp khối.
Ngoài ra luận văn này cũng bước đầu nghiên cứu và đề cập đến công nghệ dập khối
trên khuôn hở ở trạng thái nóng nhằm nâng cao hiệu quả dập và chất lượng sản phẩm.
Luận văn được trình bày trong 4 chương.
Chương 1: Tổng quan công nghệ dập tạo hình các chi tiết dạng khối.
Chương 2: Nghiên cứu công nghệ dập khối trên khuôn hở.
Chương 3: Nghiên cứu công nghệ dập trục khuỷu.
Chương 4: Mô phỏng số tạo hình chi tiết trục khuỷu.
Ứng dụng mô phỏng số với sự trợ giúp của phần mềm mô phỏng ABAQUS, sẽ cho
phép nhanh chóng tối ưu được thông số công nghệ cơ bản và hình dáng kích thước của
khuôn dập.
Phần kết luận đưa ra một vài tổng kết quan trọng và hướng phát triển tiếp theo của
đề tài.
Hà Nội, tháng 5 năm 2014
Học viên
Lê Thọ Tiệp
CHƢƠNG 1
TỔNG QUAN CÔNG NGHỆ DẬP TẠO HÌNH CÁC CHI TIẾT
DẠNG KHỐI
1.1. Sơ lƣợc về công nghệ dập khối
Lĩnh vực cơ khí ngày càng phát triển, thì các yêu cầu về các sản phẩm cơ khí ngày
càng cao, đặc biệt là yêu cầu về: Độ bền, độ chính xác, tiết kiệm vật liệu, năng lượng cho
quá trình sản xuất, nâng cao hiệu quả kinh tế, giảm giá thành và nâng cao chất lượng sản
phẩm.
Trong công nghệ chế tạo máy, có nhiều phương pháp để gia công được các sản
phẩm đáp ứng các yêu cầu trên. Tuỳ vào từng trường hợp sản xuất cụ thể mà có thể sử
dụng linh hoạt các phương pháp gia công dưới đây:
Hình 1.1. Các phương pháp gia công vật liệu
Đối với các chi tiết truyền động trong các thiết bị, máy móc, không có một phương
pháp nào hiệu quả hơn là phương pháp gia công áp lực.
Gia công kim loại bằng áp lực là phương pháp tạo hình vật liệu dựa trên tính dẻo
của vật liệu, thông qua dụng cụ, thiết bị tạo lực làm vật liệu biến dạng dẻo để tạo thành
sản phẩm có hình dáng, kích thước theo yêu cầu.
Ngoại lực là yếu tố cơ bản trong gia công áp lực, góp phần tạo ra hình dáng của vật
thể và tạo ra cơ tính cao hơn, giảm tiêu hao vật liệu…
Nhiệt độ là yếu tố quan trọng trong gia công áp lực. Nhiệt độ cao làm tăng tính dẻo
của kim loại do đó dễ biến dạng dẻo vật liệu và làm giảm trở lực biến dạng, giảm sức lao
động, tăng năng suất…
So với các phương pháp chế tạo khác, gia công áp lực tạo ra sản phẩm có độ bền
cao hơn, khả năng chịu lực tốt hơn, độ chính xác và độ nhẵn mặt ngoài cao hơn, tiết kiệm
kim loại, năng suất cao hơn nhưng cần thiết bị tạo lực phức tạp và đắt tiền.
Sản phẩm gia công áp lực dùng chủ yếu trong các chi tiết máy, cơ cấu chịu tải
trọng cao, tải trọng động hay va đập. Vật liệu dùng gia công áp lực là các loại thép C, thép
hợp kim, kim loại màu, hợp kim màu…
Gia công áp lực tạo ra nhiều dạng sản phẩm khác nhau. Có những sản phẩm đem
dùng ngay gọi là chi tiết, có những sản phẩm phải qua gia công cơ tiếp theo gọi là phôi.
Gia công áp lực
Cán
Kéo
Ép kim
loại
Rèn tự
do
Dập thể
tích
Dập tấm
Để sản xuất các
chi1.2.
tiếtSơ
dạng
khối loại
người
thường
sử dụng các phương pháp
Hình
đồ phân
giatacông
áp lực
truyền thống như ép, rèn hay dập khối (dập thể tích).
* Ép kim loại
Ép là phương pháp làm biến dạng dẻo kim loại qua lỗ hình của khuôn ép dưới tác
dụng của lực ép.
Lỗ hình của khuôn ép có tiết diện khác nhau. Tuỳ theo tính dẻo của vật liệu, có thể
ép nóng hoặc ép nguội. Phôi ép có thể là thỏi cán hay sản phẩm rèn dập. Ép tạo sản phẩm
có tiết diện không thay đổi theo chiều dài, độ bong bề mặt và độ chính xác cao. Sản phẩm
ép có thể là các thỏi đặc, các loại ống với nhiều tiết diện khác nhau. Nhược điểm là thiết
bị ép cần độ cứng vững cao, lượng kim loại thừa không biến dạng trong khuôn cò nhiều.
* Rèn tự do
Rèn tự do là một quá trình biến dạng tự do của kim loại dưới tác dụng của các
dụng cụ đơn giản hoặc các thiết bị tạo lực. Việc tạo hình nhờ bề mặt dụng cụ và trình độ
tay nghề của người rèn.
Rèn tự do chất lượng không cao, độ bóng bề mặt thấp, hao phí nhiều kim loại,
cường độ lao động lớn, thường dùng trong sản xuất đơn chiếc, hàng loạt nhỏ, trong sửa
chữa…nhưng có khả năng tạo ra được sản phẩm có kích thước từ rất nhỏ đến rất
lớn…Vật liệu thường dùng là phôi đúc, thỏi cán…
* Dập khối
Công nghệ dập tạo hình khối là một trong những phương pháp gia công kim loại
bằng áp lực, khai thác tính dẻo của kim loại để làm biến dạng và điền đầy vào lòng khuôn
để tạo hình sản phẩm có hình dạng và kích thước theo yêu cầu.
Lịch sử của dập tạo hình khối
+ Phương pháp cổ điển nhất: chế tạo nông cụ, giáo mác…
+ Thế kỷ XV: súng ống, máy móc…
+ Thế kỷ XVI: Nga chế tạo máy búa truyền động cơ khí chạy bằng sức nước.
+ Thế kỷ XVIII: đồ trang sức, tiền tệ…
+ Thế kỷ XIX: phát minh máy hơi nước, đến năm 1842: máy búa hơi nước ra đời.
+ 1928: Nga xây dựng phân xưởng rèn dập đầu tiên…
+ Ngày nay: trục khuỷu, khớp nối, tuốc-bin, trục truyền lớn, chi tiết máy nâng
chuyển...
Hiện nay trên thế giới, công nghệ dập tạo hình khối đã phát triển đến trình độ cao.
Các phân xưởng rèn dập đã có thể chế tạo các chi tiết hoàn chỉnh không cần phải qua gia
công cơ, đồng thời lại có những ưu điểm như: độ bền cao, tiết kiệm kim loại, giá thành hạ
và đặc biệt là năng suất cao.
Quá trình dập khối là một công đoạn của quá trình sản xuất cơ khí hoàn chỉnh, mọi
quá trình đều có thể chia làm ba phần chính: đầu vào (input) là phôi, quá trình xử lý
(process) phôi đầu vào (dập khối) và đầu ra (output) là sản phẩm hoặc bán thành phẩm
(vật dập). Các dạng phôi đầu vào, các phương pháp dập khối và dạng sản phẩm khối được
trình bày như bảng sau:
Phôi
- Phôi đúc, gù đúc
- Phôi cán chu kỳ, định hình
- Chế độ nhiệt
- Vật liệu, cơ tính
Rèn, Dập khối
- Chồn
- Vuốt, kéo
- Uốn
- Rát
- Ép chảy
- Đột lỗ
- Vặn xoắn
- Hàn cháy
- Chặt phôi
Phôi dập
- Bán thành phẩm
- Chi tiết
- Dung sai vật dập
- Chế độ làm nguội
- Dập trong khuôn hở
- Dập trong khuôn kín
Bảng 1.1. Các dạng phôi, các nguyên công công nghệ và các dạng sản phẩm
dập khối
* Sơ đồ khối công nghệ tổng quát của quá trình dập khối
Hình 1.3. Sơ đồ quá trình dập khối
Trong sơ đồ trên gù đúc thỏi đúc và các loại thép càn chu kỳ là phôi đầu vào cho
quá trình rèn và dập khối. Phôi đầu vào sẽ được nung lên một nhiệt độ thích hợp trước khi
chuyển sang các nguyên công chuẩn bị (rèn phôi) hoặc dập trong khuôn. Tại đây kim loại
sẽ được tạo hình theo yêu cầu. Sau khi dập xong phôi dập sẽ được xử lý sau dập ( cắt
biên, xử lý nhiệt…) và tiến hành các nguyên công gia công cơ nếu cần để tạo ra sản phẩm
hoàn thiện.
* Phân loại các nguyên công trong công nghệ dập tạo hình khối
CN DẬP TẠO HÌNH
Dập tấm
…
Dập tạo hình khối
Dập khối
Rèn phôi
Dập trong khuôn hở
Thiết bị tạo lực
(Máy dập)
Chồn
Vuốt
Uốn
Dập trong khuôn kín
…
Ép chảy
…
Hình 1.4. Phân loại dập khối
Công nghệ dập khối được chia thành 2 dạng công nghệ cơ bản:
- Rèn phôi bao gồm các nguyên công chồn, vuốt, uốn…
- Dập tạo hình trong lòng khuôn gồm dập trong khuôn hở, dập trong khuôn kín, ép
chảy…
1.2. Các dạng sản phẩm điển hình
Sản phẩm trong dập khối rất đa dạng và phong phú, được sử dụng trong nhiều lĩnh
vực khác nhau như: lĩnh vực chế tạo máy, công nghiệp đóng tàu, xây dựng, dân dụng…
và có các kích cỡ khác nhau. Dập khối có thể sản xuất ra những chi tiết nhỏ và chính xác
như các bánh răng của đồng hồ đến các chi tiết có kích thước lớn trong lĩnh vực công
nghiệp nặng: trục truyền động…, hay các chi tiết cần độ chính xác bề mặt cao: đồng tiền
xu, bánh răng…Hình dưới đây là các dạng sản phẩm dập khối điển hình:
Hình 1.5. Các dạng sản phẩm dập khối
Dập khối có những ưu, nhược điểm sau:
Ưu điểm:
- Trong quá trình dập tạo hình khối, cấu trúc tinh thể kim loại bị thay đổi (thường
làm giảm độ hạt) và có thể tạo ra hướng thớ kim loại phù hợp, do đó làm cho độ bền và
độ cứng của chi tiết tăng lên.
Hình 1.6. Hướng thớ của sản phẩm sau khi dập tạo hình
a) Đúc
b) Cắt gọt
c) Dập tạo hình
Hình 1.7. So sánh hướng thớ kim loại giữa đúc, cắt gọt và dập
- Tiết kiệm được nhiều kim loại, thời gian nhất là trong sản xuất hàng loạt lớn và
hàng khối. Do đó hạ giá thành sản phẩm.
- Do tăng được độ bền và độ cứng nên kích thước chi tiết giảm đi, chi tiết sẽ gọn
nhẹ hơn.
- Năng suất lao động cao có thể cơ khí hoá và tự động hoá quá trình sản xuất.
- Thao tác đơn giản, không cần thợ bậc cao do đó giảm chi phí sản xuất.
- Có thể chế tạo được các chi tiết có kích thước từ rất nhỏ (trục đồng hồ) đến
những chi tiết có kích thước vô cùng lớn (khối lượng đến 500 tấn).
Nhược điểm:
- Chất lượng bề mặt chi tiết thấp, độ chính xác không cao, khó khăn cho việc cơ
khí hoá và tự động hoá quá trình sản xuất.
- Công nhân phải làm việc trong môi trường nóng, độc, khói bụi. Khi làm việc các
thiết bị thường gây tiếng ồn lớn, ảnh hưởng đến sức khoẻ của người lao động.
- Dập tạo hình khối thường phải sử dụng các thiết bị lớn, đắt tiền do vậy chỉ thích
hợp với sản xuất hàng loạt và hàng khối do phải đầu tư ban đầu lớn.
- Hiện nay phương pháp dập tạo hình với phôi ở trạng thái nguội được sử dụng khá
phổ biến. Khi đó độ nhẵn bóng bề mặt và độ chính xác chi tiết cao, không cần qua gia
công cơ, nhưng phương pháp này chỉ được áp dụng với những chi tiết nhỏ và trung bình
do lực công nghệ lớn.
1.3. Các thiết bị chính để thực hiện công nghệ dập khối
Các máy búa không khí nén, máy búa hơi nước – không khí nén, các máy búa thuỷ
lực, máy ép trục khuỷu dập nóng, máy ép ma sát trục vít hoặc máy vít cung điện…
Đến nay do những thành tựu khoa học, kỹ thuật ngày càng cao, các nước công
nghiệp phát triển đã chế tạo các thiết bị dập tạo hình cỡ lớn và hiện đại, các thiết bị phục
vụ công nghệ dập thể tích khác như:
-
Máy búa hơi có trọng lượng phần rơi đến G = 25 tấn.
-
Máy búa không bệ đe có năng lượng va đập đạt đến Le = 1,5 MJ.
-
Máy ép trục khuỷu dập nóng có lực ép danh nghĩa đến P = 140 MN (14000
tấn).
-
Máy ép thuỷ lực có lực danh nghĩa đến P = 750 MN (75000 tấn).
-
Máy ép ma sát trục vít có lực danh nghĩa đến P = 16 MN (1600 tấn).
-
Máy rèn ngang có lực danh nghĩa đến P = 31.5 MN (3150 tấn).
Ngoài ra còn có các máy búa cao tốc, búa thuỷ lực có lực dập lớn, có hiệu suất sử
dụng cao trong quá trình dập khối.
Máy búa thủy lực
Máy ép trục khủy dập nóng
Máy búa không khí nén
Máy ép vít ma sát
Hình 1.8. Thiết bị cho nguyên công dập khối
1.4. Các nguyên công trong công nghệ dập khối
Trong dập công nghệ dập tạo hình có rất nhiều nguyên công (đã được trình bày ở
bảng 1.1 và hình 1.4). Trong mục này, ta chỉ khảo sát các nguyên công cơ bản được sử
dụng trong công nghệ dập tạo hình khối.
1.4.1. Nguyên công chồn
Chồn là nguyên công thuộc quá trình tạo hình chính và cũng có thể là nguyên công
thuộc quá trình sơ bộ. Nhiệm vụ của nguyên công chồn là làm tăng kích thước tiết diện
ngang bằng cách làm giảm chiều cao của phôi, hoặc chính xác hơn: chồn làm tăng kích
thước tiết diện phôi theo chiều vuông góc với lực tác dụng, bằng cách làm giảm kích
thước của nó theo phương của lực tác dụng
Hình 1.9. Sơ đồ bài toán chồn
Phôi chồn có khi là dải, tiết diện tròn, profile khac nhau: vuông, chữ nhật, ống…
Chồn là một quá trình nén (Biến dạng theo chiều lực tác dụng là âm, hai chiều còn
lại là dương)
Chồn có thể ở trạng thái tự do, có ma sát, không có ma sát, chồn cưỡng bức (trong
khuôn kín)…
Phạm vi ứng dụng nguyên công chồn rất rộng rãi vì nó có thể đáp ứng nhu cầu: tạo
hình, làm giảm chiều sâu khi đột lỗ, cải tạo hướng thớ kim loại, làm mất tính chất bất
đẳng hướng về cơ tính của kim loại, kiểm tra khuyết tật kim loại và cải tạo cấu trúc tinh
thể.
Hình 1.10.a. Khuôn chồn đầu bulông
Hình 1.10.b. Sản phẩm chồn
1.4.2. Rèn vuốt
Rèn vuốt là một nguyên công công nghệ nhằm tăng chiều dài của phôi bằng cách
giảm tiết diện ngang.
Được thực hiện bằng cách đập tuần tự vào phôi và lật phôi sau mỗi lần đập.
Hai lần đập và một lật phôi gọi là bước rèn vuốt.
Hình 1.11. Sơ đồ bài toán vuốt
1.4.3. Ép chảy
Ép chảy là quá trình gia công im loại bằng áp lực trong đó vật liệu dưới tác động
của chày ép được ép qua lỗ cối tạo ra bán thành phẩm dạng thanh đặc hoặc rỗng, có biên
dạng từ đơn giản đến phức tạp. Ngoài ra ép chảy cũng có thể tạo ra các sản phẩm dưới
dạng chi tiết. Sản phẩm của quá trình ép chảy có độ chính xác cao về hình dáng cũng như
kích thước với hệ số sử dụng vật liệu cao, vì hầu như không có vật liệu bỏ sau khi gia
công như các phương pháp gia công cơ. Hơn nữa ép chảy còn cho phép tạo ra các sản
phẩm có hình dạng phức tạp mà các phương pháp khác không thể tạo ra được.
Ép chảy được chia thành ép chảy thuận, ép chảy ngược, ép chảy ngang và ép chảy
hỗn hợp.
Thể tích kim loại trong lòng khuôn luôn luôn giảm đi trong quá trình ép.
Hình 1.12. Ép chảy
1.4.4. Dập khối trong khuôn hở
Đặc điểm cơ bản của dập khối trên khuôn hở là ở chỗ sản phẩm có vành biên bao
quanh chu vi của mặt phân khuôn, vành biên này có ý nghĩa công nghệ đặc biệt nhằm tạo
ra trở lực trên vành biên lớn hơn trong lòng khuôn để ép kim loại điền đầy lòng khuôn khi
chảy ra vành biên. Thiết bị chủ yếu để dập bằng khuôn hở là máy dập búa và các loại máy
ép.
Do có vành biên nên phôi dập không yêu cầu thật chính xác về thể tích.
Có một phần kim loại được biến dạng tự do nên vật dập không hoàn toàn ở trạng
thái ứng suất nén.
Chất lượng sản phẩm (độ chính xác, độ bóng ) không đồng đều.
Kết cấu khuôn không quá phức tạp.
Phải thêm nguyên công cắt vành biên để hoàn thiện sản phẩm..
Hình 1.13. Kết cấu khuôn dập trong lòng khuôn hở
1- Nửa khuôn trên
3- Phôi ban đầu
2- Nửa khuôn dưới
4- Phôi sau khi dập
5- Phôi sau khi đã cắt via
1.4.5. Dập khối trong khuôn kín
Dập khối trên khuôn kín không có vành biên trên sản phẩm. Với loại khuôn này
phương của lực tác dụng song song hoặc gần song song với mặt phân khuôn, không có
rãnh thoát biên, khi ráp khuôn lòng khuôn hoàn toàn kín, vật dập chịu ứng suất khối ép
nên kim loại biến dạng, điền đầy toàn bộ lòng khuôn. Phôi dập trong khuôn kín đã qua
nguyên công chuẩn bị phải có yêu cầu độ chính xác cao về thể tích.
Hình 1.14. Dập trong lòng khuôn kín
Thớ kim loại trong vật dập không bị đứt đoạn như khi dập trên khuôn hở vì không
có vành biên.
Xu thế hiện nay trong kỹ thuật là tập trung nghiên cứa đẩy mạnh phương pháp dập
trên khuôn kín vì nó có các ưu việt cơ bản là chất lượng sản phẩm tốt, hệ số sử dụng vật
liệu rất cao so với dập trên khuôn hở. Tuy nhiên, lực dập trong khuôn kín rất lớn và dễ bị
quá tải dẫn đến hỏng khuôn và máy.
1.4.6. So sánh dập trên khuôn kín và khuôn hở
Hình 1.15. So sánh dập trên khuôn hở và khuôn kín
1.5. Nhiệt độ trong công nghệ dập khối
Nhiệt độ đóng vai trò quyết định đến năng suất thiết bị, tính chất cơ- lý của vật
liệu, độ tiêu hao nhiên liệu, năng lượng, giá thành vật dập…
Nung kim loại khi dập nóng là một trong các nguyên công cơ bản của qui trình
dập. Mục đích của nung kim loại trong công nghệ dập tạo hình chi tiết dạng khối chủ yếu
nhằm giảm trở lực biến dạng và tăng tính dẻo, tức làm tăng khả năng biến dạng của kim
loại.
