Công nghệ chế tạo khuôn mẫu - P2

Tài liệu về thiết kế khuôn
Kích cỡ buồng ép và số lỗ khuôn là những nhân tố cần quan tâm, đặc biệt là đối với các nhà sản
xuất sử dụng máy ép đồng bộ; điều chủ yếu ở hai nhân tố này là năng xuất đợc quyết định trớc. Trong
máy ép đồng bộ, tốc độ ram lớn nhất là một giá trị cố định đợc quyết định bởi đầu ra gallon/phút của
bơm vào xylanh thuỷ lực. Nói chung, đối với kiểu máy ép này thí tốc độ ram khoảng 30

mỗi phút.
Phần lớn các máy ép có nhiều tốc độ ram khác nhau
Hình1: Bản vẽ biểu thị các số liên quan đến tính toán lực ép khối khuôn, sử dụng công thức sau:
P1= P (A-D)
(C-D)
Trong đó:
A = Diện tích mặt khuôn hoặc diện tích i.d của tấm đệm.
B = Diện tích lỗ khuôn
C = Diện tích tiếp xúc của tấm đệm phụ
D = Diện tích lỗ đệm khuôn
P1 = áp lực đùn ép (psi)
Lực ép khối khuôn (lớn nhất 165,000 psi)
Chú ý: Container, lực ép tối đa 45,000 psi; các tấm lót (trên vòng kẹp khuôn) lực ép tối đa 75,000 psi.
Tỉ số truyền đợc xác định bởi diện tích mặt cắt ngang của container (buồng chứa) chia cho tổng diện
tích mặt cắt ngang của các lỗ khuôn. Công thức dới đây chứng minh hiệu quả trực tiếp của tỉ số truyền
về hiệu suất:
Hiệu suất (fpm) = (Tốc độ ram (ipm)/ 12) x tỉ số truyền.
Các khuôn phải chịu đợc áp lực lớn khi đang đùn ép nhôm nóng thành các hình dạng cụ thể. Thêm
vào đó, các khuôn cần đợc thiết kế để bù vênh, xoắn mà có khuynh hớng thờng xảy ra đối với kim
loại đùn ép. Một số những khó khăn vận hành và thiết kế có liên quan đến áp lực bề mặt khuôn. Th-
ờng gặp áp lực có thể lên tới 50 tấn/in
2
.
Đầu tiên, áp lực bề mặt khuôn cao nhng giảm dần khi lợng nạp giảm. áp lực giảm khi nhiệt độ tăng
và chiều dài Billet giảm. Tuy nhiên, áp lực luôn tăng ở một vài insơ cuối cùng (1 insơ = 2,54cm). Một

biện pháp quyết định giá trị ép cho áp lực khối khuôn đợc thể hiện ở hình 1.
Trang
a
c
d
b
1
Độ lệch là do sự hỗ trợ khuôn không có hiệu quả, bởi áp lực lên khuôn quá lớn. Điều này làm bề mặt
trục chệch hớng, do đó làm giảm hiệu suất
Các nhà sản xuất khuôn luôn sử dụng một số kỹ thuật sửa đổi khuôn để làm phù hợp trong sự đa dạng
xử lý. Hơn nữa, làm sạch và bôi trơn khuôn là rất cần thiết đối với việc bảo dỡng khuôn và tỉ lệ phục
hồi cao. Điều kiện bề mặt khuôn có ảnh hởng đến các đặc tính dòng chảy.
Những vận hành bằng tay là cần thiết trong việc chế tạo khuôn cỡ trung bình. Một sự hiểu biết rõ về
dung sai là rất cần thiết. Những điều này sẽ đợc thảo luận ở một phần tơng ứng. Dung sai của các nhà
sản xuất khuôn bao gồm:
Mẫu khuôn, 0.001
Cách bố trí, 0.010
Mặt dới mài: +0.015, - 0.000
Bearing: +1/32
Rũa hoàn thiện(góc), phẳng (bằng) tới thắt 1/4
0
.
Rũa hoàn thiện(lỗ), 0.002 trên khuôn
Các bộ phận dụng cụ
Lắp ráp dụng cụ khuôn cơ bản đợc chỉ ra ở hình 2.


Hình 2: Một bộ lắp ráp khuôn điển hình
Các bộ phận bao gồm khuôn, khuôn phụ và đi kèm là áo khuôn, đệm khuôn và đệm phụ.Các bộ
phận này đợc lắp vào một bộ phận gọi là bộ phận chứa dụng cụ (tool carrier), hoặc là container. Một

cửa trợt đóng giữ việc lắp đặt bảo vệ khỏi lực của máy ép. Khuôn phụ và đệm khuôn giúp phân bổ áp
lực đồng đều và hỗ trợ khuôn. Một số khuôn dùng cho đùn ép hình dạng nhôm đợc chỉ ra ở hình 2a.
(tham khảo tài liệu tiếng anh)
Trang
2
tool carrier
die
die ring
sub-bolster
bolster
backer
Container- Đây là một xylanh thép, có một tấm đệm lót có thể thay chuyển đợc. Container có đờng
kính bên trong lớn hơn một chút so với đờng kính billet đợc đùn ép. Chiều dài của nó thay đổi theo l-
ợng công suất và nhà chế tạo máy ép.
Vòng khuôn- là một ống lồng (bọc ngoài) để giữ khuôn và khuôn phụ trong mối liên kết trục với
nhau.
Khuôn phụ- giống nh khuôn nhng thờng dày hơn 2 đến 3 lần. Nó nh là một đĩa thép và nó có một lỗ
lớn hơn lỗ của khuôn. Khuôn phụ thờng đợc trang bị các chốt hoặc vấu lồi để có thể gắn nó với khuôn
đùn ép hợp lý. Khuôn phụ hỗ trợ khuôn chống lại áp lực billet và là phơng tiện giữ khuôn.
Đệm khuôn (Bolster)- là một bộ phận bằng thép hợp kim hình đĩa đợc gia công cứng, có đờng kính
bằng đờng kính áo khuôn. Đệm khuôn hỗ trợ khuôn và khuôn phụ và nhằm giảm thiểu độ vênh lệch.
Đệm phụ (Sub-boster) tơng tự nh đệm khuôn.
Giá đỡ khuôn (Die holder)- đây là một bộ phận của máy ép. Nó nằm giữa container và trục ép. Nó có
thể tháo ra đợc hoặc có thể vuông góc với hớng đùn ép (tuỳ thuộc vào kiểu máy ép) để mà có thể tháo
khuôn ra nhằm loại bỏ đầu mẩu hoặc phế phẩm.
Chày ép (Dummy block)- là một đĩa thép, dày khoảng 3, có đờng kính nhỏ hơn bên trong container
một chút(khoảng 0.025). Nó tạo thành một sự bảo vệ khỏi việc nạp ngợc giữa billet nóng và Stem.
Stem (ram)- là một bộ phận đùn ép có chức năng cho billet vào trong container và nó tiếp xúc với
dummy block. Là một đoạn của xylanh chính, stem phải có khả năng chịu đợc lợng ép tối đa.
Thuật ngữ stem đợc sử dụng thay cho hoặc đôi khi đồng nghĩa với ram trong những trờng hợp

nhất định.
Các kiểu khuôn- Nói ngắn gọn, một khuôn ép là một kết cấu thép dạng đĩa có một hoặc nhiều lỗ
hoặc những lỗ có diện tích mặt cắt giống nhau (ngoại trừ phần co lại) và có đờng nét nh sản phẩm cụ
thể.
Các khuôn rỗng đợc phân loại thành các kiểu khuôn khác nhau nh khuôn spider, khuôn porthole và
khuôn bridge. Chúng đợc sử dụng cho việc đùn ép các billet đặc thành hình dạng rỗng hoặc bán rỗng.
Các billet rỗng có một lỗ (đợc khoan, đúc) dọc thông qua tâm. Chúng đợc sử dụng với một lõi trục
(mandrel) riêng rẽ. Những lõi trục nh thế này hoặc là cố định hoặc là không cố định. Trong cả hai tr-
ờng hợp, các mandrel phải tách khỏi và không phải là một phần của khuôn. Một lõi trục quyết định
kích thớc bên trong của các thanh đùn ép rỗng. Khuôn quyết định kích thớc bên ngoài.
Khi một lõi trục tách biệt khỏi khuôn nhng nó cố định với phần cuối của stem, thì nó đợc mang thuật
ngữ kiểu Đức. Nó hoặc là đi qua một billet rỗng hoặc là khoan thủng lỗ qua một billet đặc. Khi
mandrel không cố định thì nó đợc gọi là kiểu Pháp. Một mandrel nh thế đợc đặt trong một khe rãnh
trong dummy block (chày ép) và tâm của nó trong khuôn khi kim loại chảy dới áp lực. Các billet rỗng
đợc sử dụng khi trục lõi không cố định đợc dùng. Cả hai loại cố định và không cố định nói chung đợc
sử dụng với lắp ráp máy ép.
Các khuôn Spider, Porthole, Bridge: Các khuôn này đều có lỗ trục nh một phần đồng bộ của khuôn.
Các thanh rỗng hoặc bán rỗng đợc chế tạo từ các khuôn này có một hoặc nhiều mối hàn hoặc các đ-
Trang
3
ờng hàn dọc. Điều này do có thực tế là kim loại chảy xung quanh các trụ lõi và hàn với nhau bên
trong khoang hàn trớc khi qua khuôn. Những khuôn này phù hợp với các hình dạng rỗng hoặc bán
rỗng.
Khuôn Spider bao gồm một khuôn đùn ép có hình dạng đờng nét cụ thể, đợc gắn với một kết cấu
spider thép đỡ một lõi trục kéo dài qua khuôn.
Khuôn Porthole tơng tự nh khuôn Spider, chỉ khác là khuôn Spider đợc thay thế bằng một đĩa đợc
khoan mà có một vài lỗ chạy qua nó.
Khuôn Bridge có một phần giống nh chiếc cầu đợc bắt chặt vào phía sau khuôn và ở đây gắn lỗ trục
(mandrel) ngắn. Mặt khuôn trũng vào để tạo hốc hàn.
Thuật ngữ khuôn

Để thuận tiện cho ngời đọc, thuật ngữ cơ bản đợc sử dụng trong thiết kế khuôn và chế tạo khuôn đợc
định nghĩa trong các đoạn dới đây. Các thuật ngữ này và thuật ngữ đùn ép nhôm khác sẽ đợc tìm thấy
trong từ điển thuật ngữ khác.
Back Taper (côn ngợc): Là phần cấu trúc bên trong của khuôn bắt đầu từ điểm rời và rẽ góc về phía
sau của khuôn khoảng từ 1,5
0
đến 10
0,
phụ thuộc vào góc cắt đợc côn. Nếu cần thiết, để hỗ trợ một
phần mỏng của khuôn chẳng hạn nh lỡi, góc có thể nhỏ đến 0
0
, nhng chỗ cắt cần đợc giảm 0.015
hoặc hơn thế. Thờng thì đầu mài song song với bề mặt Bearing, lúc này không còn độ giảm nữa.
Bearing- là bề mặt tại lỗ, tại các góc bên phải với bề mặt khuôn, mà kiểm soát dòng chảy kim loại (và
đôi khi tốc độ độ chảy); là bề mặt dọc dòng chảy nhôm và đợc tạo hình.
Breakaway Point (điểm tách): thờng là vị trí nơi Relief khuôn bắt đầu và bề mặt bearing kết thúc; là vị
trí nơi thanh đùn ép rời Bearing.
Choke (góc thắt): là góc đợc mài trên bề mặt bearing tại điểm nơi bearing và bề mặt khuôn gặp nhau
và nơi nhôm vào lỗ. Độ dài thắt thay đổi với các góc thắt- ít góc thì kéo dài chỗ thắt và ngợc lại.
Enter Point (Điểm vào): là nơi nhôm vào các bearing; góc đợc tạo bởi bề mặt khuôn và bearing.
Short Choke: Là mặt vạt cạnh ngắn hơn choke thờng lệ, khoảng 45
0
đợc so sánh với 5
0
hoặc ít hơn.
Điều này có khuynh hớng làm chậm dòng chảy kim loại khi điểm vào xa hơn tính từ mặt khuôn.
Short speed (tốc độ ngắn): là nơi bearing có một góc xiên ngắn khoảng 45
0
tại điểm tách. Góc xiên
này làm tăng tốc độ dòng chảy của kim loại. Một góc xiên dài khoảng 3

0
tại điểm tách, mặc dầu đợc
hiểu là tốc độ là có một khuynh hớng làm chậm về dòng chảy kim loại.

Bố trí và thiết kế khuôn
Trớc tiên cần thiết lập kích cỡ container và số lỗ khuôn cho việc đùn ép một thanh trớc khi thiết kế
khuôn. Bớc tiếp theo là phải phác thảo trên giấy, trình bày ra (1) độ co (2) sự giảm độ kéo (độ co là
kết quả từ việc kéo căng hoặc kéo thẳng các thanh ép) và (3) Bearing.
Sau đó bản vẽ đợc chuyển tới xởng máy nơi mà mẫu khuôn đợc chế tạo bằng thép hoặc nhôm có độ
dày khoảng 1/8. Thanh đợc vạch giới hạn cả trớc và sau trên một khoảng trống khuôn tiêu chuẩn.
Những khoảng trống có độ dày tơng đơng bằng khoảng 1/5 đờng kính của chúng, nhng thay đổi đáng
Trang
4
kể với khối lợng máy ép. Các khoảng trống thờng có cỡ tiêu chuẩn, để làm khớp với giá kẹp khuôn
tiêu chuẩn. Bản thân khuôn có thể là 1 inch hoặc dày hơn thế và đợc làm bằng thép đợc rèn, gia công
xử lý nóng. Thanh lớn nhất mà có thể đợc chế tạo trên một khuôn cụ thể phải khớp trong đờng tròn
ngoại tiếp có đờng kính không lớn hơn đờng kính đợc nêu trong Bảng 2 hoặc 80% của i.d. của
container.
Bảng 2: Sử dụng đờng kính đờng tròn ngoại tiếp của các thanh để quyết định khuôn và kích cỡ
container tối thiểu.
Đờng kính đờng
tròn thanh lớn
nhất
Các đờng kính khuôn tối thiểu
4 5 6 8 10
Các khuôn lỗ đơn 2 3 3
1
/
2
4

7
/
8

6
1
1
8

Các khuôn đa lỗ 2
1
/
2
3
1
/
2
4 5
3
/
8
6
5
/
8

Đờng kính đờng
tròn thanh lớn
nhất
Các đờng kính khuôn tối thiểu

5 6 7 8 9
Hợp kim mềm 4 5 6 7 8
Hợp kim cứng 3
1
/
2
4
1
/
2
5
1
/
2
6
1
/
2
7
1
/
2

Mặc dầu các bớc thay đổi với các xởng khác nhau, nói chung vận hành máy đầu tiên phải cắt bớt phần
giảm ở phía sau, thờng với một độ mài côn cuối. Sau đó, khoảng trống đợc lật, đợc khoan ở các góc,
và hình dạng đợc ca trên một ca dây. Lỗ khuôn đợc gia công gọt giũa tạo hình dạng của khuôn. Tiếp
đó là sự chỉnh sửa cuối cùng bằng tay và lắp ráp khuôn, với xử lý nhiệt và đánh bóng là những công
đoạn cuối cùng.
Xử lý Bearing
Những điều chỉnh hợp lý đối với khuôn nhằm chỉnh sửa hoặc thay đổi các tỉ lệ dòng chảy kim loại đ-

ợc thực hiện bằng cách thay đổi lợng kim loại khuôn tại các lỗ, đợc hiểu nh là độ rộng, độ cao hoặc
độ dài Bearing. Bằng cách giảm độ dài của Bearing tại một vị trí đặc biệt, tỉ lệ dòng chảy đợc tăng
lên; tăng độ dài, dòng chảy giảm xuống.
Xử lý các bề mặt Bearing phía trớc và phía sau của lỗ khuôn đợc hiểu nh choke-góc thắt hoặc
relief-góc giảm tơng ứng lần lợt nh ở hình 3.
Trang
5