Công nghệ chế tạo khuôn mẫu - P4

Piston chính
Ram
Container
Chày ép
Billet
Khuôn
Dầu thuỷ lực
Xilanh chính
Trượt đỡ khuôn
Máy cắt
Tài liệu về khuôn đùn ép
I. quá trình đùn ép nhôm.
1. Nguyên tắc đùn ép:
Nguyên tắc cơ bản của đùn ép nhôm rất đơn giản: một thỏi nhôm hình trụ đã qua xử
lý gia nhiệt trớc đợc đặt trong máy đùn ép thuỷ lực và đợc ép ở áp suất cao qua một khuôn
ép bằng thép để mà khi thỏi đùn ra khỏi máy ép sẽ có hình dạng theo ý muốn. Bản vẽ biểu
đồ của một chu trình sản xuất đợc thể hiện ở Hình 1: trọng tâm của chu trình là khuôn .
Kiểu khuôn đơn giản nhất là loại khuôn thép đợc qua xử lý nóng, có một lỗ, đợc gia công cơ
khí đặc biệt, có hình dạng theo thiết kế. Cùng với các phụ kiện khác, khuôn đợc giữ trong
một trợt khuôn - một bộ phận của máy ép. Gắn chặt với trợt khuôn là một container (buồng
ép). Trong buồng ép là một billet đợc chèn vào sau khi nó đã đợc nung nóng ở nhiệt độ
khoảng 500
0
C. Buồng ép cũng đợc gia nhiệt bằng một dụng cụ cách điện tốt, nhằm đảm bảo
billet luôn đợc giữ ở nhiệt độ đồng nhất. Ram (pittông) sẽ tạo áp lực lên Billet và đầu của
ram (dummy block: chày ép) phải đợc thay định kỳ, bởi vì chức năng của nó là hấp thụ mài
mòn do sự tiếp xúc với kim loại nóng gây ra.
áp lực đợc thực hiện bởi Main piston (pitông chính) vận hành bằng dầu thuỷ lực. Dầu thủy
lực sinh ra dới áp lực của bơm dầu. áp lực này sẽ làm thanh nhôm đợc ép qua lỗ trong
khuôn, tạo thành thanh có hình dạng giống với hình của lỗ trong khuôn.
Hình 1: Mặt cắt đứng của máy đùn ép.

Chu trình phải dừng trớc khi mũi Ram chạm khuôn. Container quay trở lại xilanh nhả
khuôn còn giữ phần còn lại của Billet; Ram cũng sẽ lùi lại và mẩu Billet sẽ bị tách ra khỏi
khuôn bởi một lỡi cắt từ trên. Công suất lớn nhất mà pitông chính thực hiện đợc gọi là công
suất ép. Công suất ép đợc đo bằng tấn. Các máy ép công nghiệp có công suất từ 500 đến
20.000 tấn, nhng hầu hết nằm trong khoảng 1.200 - 3.500 tấn.
2. Các kiểu máy ép:
1
Về ứng dụng thực tế, các kiểu cơ bản của máy đùn ép đợc chỉ ra ở hình 2.
a. Máy đùn ép trực tiếp loại đơn giản :(bản vẽ A, hình 2)
Đây là kỹ thuật cơ bản.
b. Máy đùn ép trực tiếp có lõi rỗng :(bản vẽ B, hình 2)
Kiểu này đợc sử dụng để đùn ép các thanh rỗng vì nó không thể sử dụng các khuôn truyền
thống.
Các bớc cơ bản của máy ép này đợc thực hiện nh sau:
Pitông và thiết bị rỗng cùng tiến lên cho đến khi Ram chạm đến Billet
Lõi rỗng trung tâm tiến trong khi Ram dừng lại, tạo đờng qua Billet và xuyên qua nó (nhng
thờng thì Billet đợc khoan trớc) và dừng lại khi đầu của nó đã vào lỗ khuôn.
Lúc này thiết bị rỗng dừng trong khi Ram tiến và Billet đợc đùn qua khoảng hình khuyên
giữa khuôn và lõi rỗng.
c. Máy đùn ép gián tiếp hoặc máy ép ngợc: (bản vẽ C, hình 2)
Trong quá trình đùn ép gián tiếp, lực máy ép tạo ra một áp lực rất cao trong buồng
ép. lực ép này làm bề mặt của billet dính chặt vào thành buồng ép. Khi Billet tiến vào buồng
ép, các tầng bên trong buống ép di chuyển dễ dàng hơn các tầng gần bè mặt. Điều này do
phản ứng ma sát đáng kể tạo ra.Các phản ứng này có thể hấp thụ hơn 20% lực ép khi vận
hành trên các hợp kim cứng. Điều này làm hạn chế khả năng đùn ép, đặc biệt với các thanh
mỏng.
Đối với loại máy ép ngợc, buồng ép đợc làm để di chuyển cùng tốc độ và cùng hớng
với Ram , để mà không có sự di chuyển tơng ứng giữa Billet và buồng ép , không có các
phản ứng ma sát và toàn bộ lực ép sẽ đợc tận dụng để đùn ép Billet. Vì có cùng lực ép, do
đó, có thể đạt đợc tốc độ ép cao hơn: ví dụ đối với các máy ép có vách mỏng hơn. Một thuận

lợi khác đối với loại máy ép nghịch này là với hệ thống này thì có thể tránh đợc điểm làm
việc cứng và hạn chế đợc hiện tợng tạo ra thớ kết tinh ở phía cuối khi sử dụng hợp kim cứng,
giảm số các thanh bị khuyết tật.
Tuy nhiên, cùng với các thuận lợi trên thì kiểu máy ép này cũng có những bất lợi đáng
kể. Một trong những bất lợi chính là, đối với loại máy ép trực tiếp, vỏ của Billet có chứa
nhiều oxit và chất kết tủa còn nằm ở trên vách buồng ép và đợc Ram thu lại sẽ đợc chuyển
đến khu thải. Quá trình này lại không xảy ra với máy ép nghịch nơi mà vỏ Billet hình thành
trực tiếp trên bề mặt của thanh ép, gồm cả các khuyết tật bề mặt. Một hạn chế quan trọng
khác của máy ép nghịch là các sản phẩm đợc đùn ép phải đi qua bên trong trục
giữ khuôn và điều này làm hạn chế các thanh đạt đợc.
2
A
B
C

Hình 2: Ba kiểu máy ép cơ bản
II. Khuôn đùn ép:
1. Các loại khuôn:
Các tiêu chí thiết kế cơ bản cho việc chế tạo khuôn phải theo các nhân tố nền tảng d-
ới đây:
- Khuôn là một kết cấu cơ khí phức tạp, đợc làm bằng chất liệu cứng và bền.Do đó, khuôn
càng nhỏ càng tốt vì lí do chi phí và lí do làm việc.
- Khuôn phải qua áp lực cao và phải chịu đợc áp lực ép của máy ép mà không bị nứt gãy.
Từ hai nguyên tắc cơ bản đơn giản này, khuôn cần có các thiết bị phụ kiện cụ thể để trợ giúp
nó thực hiện đúng chức năng. Cũng có các tiêu chí quan trọng mà có nhiều hoặc ít ảnh hởng
đến dạng khuôn tơng ứng kiểu máy ép đợc sử dụng. Khuôn ép có thể đợc chia thành 3 loại
cơ bản dựa trên những nhân tố trên:
a. Khuôn đặc:
Đây là loại khuôn dùng cho đùn ép các thanh lộ thiên, và hình 5 chỉ cách lắp ráp
khuôn loại kiểu này. Đầu tiên, một vòng kẹp khuôn (die ring), đủ lớn cho phép việc lắp đặt

đợc chèn vào phần trợt đỡ khuôn(die holder slide), đợc hỗ trợ bởi một Die Backer có miệng
rộng hơn một chút so với khuôn và các vòng đệm đồng bộ cho sự hỗ trợ và làm kín khoảng
cách trên phần trợt. Các bộ phận này (khuôn, vòng khuôn, backer và đệm khuôn) tạo thành
cái gọi là bộ trọn gói của sự lắp ráp dụng cụ đùn ép.
b. Khuôn porhole :
3
Dùng cho đùn ép các thanh rỗng. Dễ dàng thấy rằng vấn đề liên quan ở đây là việc tạo
ra một lỗ và hình 6 đã chỉ ra cách giải quyết vấn đề này bằng một ống có mặt cắt hình tròn.
Một khuôn sau tạo ra hình dáng bên ngoài của thanh và một lỗ trục (mandrel) tạo hình
dáng bên trong. Mandrel đợc gắn với khuôn trớc, và dới sức ép của Ram áp lực, billet đợc
chia thành 4 luồng tơng ứng với các kênh nạp hoặc các lỗ ABCD của khuôn trớc.
Sau đó, bởi vì có áp lực cao, 4 luồng này tự gắn với nhau lần nữa, và kim loại đợc ép qua
một khoảng giữa miệng của Mandrel và miệng khuôn sau, tạo thành thanh ép rỗng đơn.
Khuôn kiểu spider cho các thanh rỗng (hình 7): Đợc sử dụng theo cách tơng tự với kiểu
porhole. Tuy nhiên khác biệt ở chỗ Mandrel hoàn toàn mở, với cả Mandrel và khuôn đợc
thiết lập theo bề mặt hình nón. Điều đó có nghĩa là vòng kẹp khuôn phải đợc làm có vỏ bên
trong hình nón. Cái tên spider-con nhện xuất phát từ dạng của Mandrel tức là có các chân.
Công nghệ tiên tiến có khuynh hớng sử dụng loại khuôn kiểu spider bởi vì kiểu dạng của
Mandrel làm cho chúng dễ bôi trơn hơn và giảm chi phí và vì có thể đạt đợc tốc độ ép cao
hơn với dụng cụ này. Tuy nhiên, do sự hỗ trợ tơng đối yếu, điều này có nghiã là các loại
khuôn kiểu này sẽ có độ chịu thấp đối với lu lợng kim loại khi đùn ép, và do đó chúng phù
hợp nhất đối với các profile đối xứng.Từ quan điểm này thì loại khuôn porthole sẽ phù
hợp với các profile không đối xứng và phức tạp.
Rõ ràng rằng, mỗi hệ thống có thuận lợi và hạn chế riêng. Và các nhà thiết kế khuôn phải
dựa nhiều vào kinh nghiệm của mình và khả năng trực giác trong việc chọn kiểu khuôn phù
hợp cho các thanh đùn ép rỗng, đồng thời xem xét loại kiểu thanh, hợp kim đợc sử dụng
cũng nh chi phí và độ bền của chúng.
Đánh giá cuối cùng phải đợc đa ra về các profile rỗng.
Trong những trờng hợp này, không có sự lựa chọn nào tốt hơn việc sử dụng một Bore
Mandrel mà cho phép các thanh đùn ép hình ống đợc sản xuất mà không phải phân chia kim

loại. Tất nhiên thờng thì khi một Bore Mandrel đợc sử dụng thì Billet phải đợc khoan trớc.
Và trong thực tế, khoét lỗ trên máy ép có thể dẫn tới sự chệch hớng của Mandrel, đặc biệt là
khi làm việc với các hợp kim cứng hoặc trong mọi trờng hợp có thể tạo nên một lỗ đợc khoét
không đồng đều dẫn đến hình dạng nghèo nàn bên trong ống.
Mặc dầu việc sử dụng một Bore Mandrel sẽ giải quyết vấn đề này, tuy nhiên luôn phải nhớ
rằng kỹ thuật này cũng có những hạn chế của nó cho nên tốt hơn hết là chỉ sử dụng cho các
thanh rắn chắc, đơn giản và đối xứng.
Không đối xứng dẫn tới sức ép không đối xứng trên Mandrel, gây ra sự lệch tâm của lỗ hoặc
thậm chí gây ra rạn nứt của chính Mandrel.
Khuôn là trung tâm của qui trình ép và ngay cả máy ép tinh vi nhất cũng sẽ không thể sản
xuất ra các sản phẩm tốt mà không có khuôn phù hợp. Vì lý do này, để cải thiện quy trình
ép cần có những nỗ lực cho các tiêu chí thiết kế và các phơng pháp chế tạo khuôn.

2. Các bộ phận của khuôn:
4
khuôn
bộ phận chứa dụng cụ
vòng khuôn
khuôn phụ
đệm khuôn
đệm phụ
Lắp ráp dụng cụ khuôn cơ bản đợc chỉ ra ở hình 3.


Hình 3: Một bộ lắp ráp khuôn điển hình
Các bộ phận bao gồm khuôn, khuôn phụ, 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.
a. Container:

Đây là một xylanh thép, có một tấm đệm lót có thể thay chuyển đợc. Container có đ-
ờng kính bên trong lớn hơn một chút so với đờng kính billet đợc đùn ép. Chiều dài của nó
thay đổi theo lợng công suất và nhà chế tạo máy ép.
b. Vòng khuôn (Die ring):
Là một ống lồng (bọc ngoài) để giữ khuôn và khuôn phụ trong mối liên kết trục với
nhau.
c. Khuôn phụ (backer):
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.
d. Đệm khuôn (Bolster):
Là một bộ phận bằng thép hợp kim hình đĩa đợc gia công cứng, có đờng kính bằng đ-
ờng 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.
e. Giá đỡ khuôn (Die holder):
5