Nghiên cứu thiết kế công nghệ tạo hình để chế tạo chi tiết vỏ bugi động cơ đốt trong

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
--------------------------------------ĐỖ THỊ MƠ

ĐỖ THỊ MƠ

NGÀNH CHẾ TẠO MÁY

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ CƠNG NGHỆ TẠO HÌNH ĐỂ CHẾ TẠO
CHI TIẾT VỎ BUGI ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG

LUẬN VĂN THẠC SĨ
NGÀNH CHẾ TẠO MÁY

KHOÁ 2011-2013
Hà Nội – Năm 2013


LỜI CAM ĐOAN
Tôi là Đỗ Thị Mơ, học viên lớp Cao học Cơng nghệ chế tạo máy – Khố 2011 2013, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội. Sau hai năm học tập nghiên cứu, được sự
giúp đỡ của các thầy cô giáo và đặc biệt là sự giúp đỡ của PGS.TS. Nguyễn Đắc Trung,
tôi đã đi đến cuối chặng đường để kết thúc khố học. Tơi đã quyết định chọn đề tài tốt
nghiệp là: “Nghiên cứu, thiết kế công nghệ dập tạo hình để chế tạo vỏ bugi động cơ
đốt trong”
Tơi xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của cá nhân tôi dưới sự hướng
dẫn của PGS.TS. Nguyễn Đắc Trung và chỉ tham khảo các tài liệu đã được liệt kê,
ngoại trừ các số liệu, các bảng biểu, đồ thị, cơng thức... đã được trích dẫn trong tài liệu
tham khảo, nội dung cơng bố cịn lại trong luận văn là của chính tác giả đưa ra. Nếu
sai, tác giả xin hoàn toàn chịu trách nhiệm.
Nam Định, tháng 03 năm 2013
Tác giả

Đỗ Thị Mơ

1


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT
Ký hiệu

Ý nghĩa

Đơn vị đo

Tktl

Nhiệt độ kết tinh lại

ºC

Tnc

Nhiệt độ nóng chảy

ºC

Tgcn

Nhiệt độ gia cơng nóng

ºC

Tgcnguoi

Nhiệt độ gia cơng nguội

ºC

Lực ép

KN

Pmax

Lực ép cực đại

KN

σz, σr, σt

Ứng suất chính

N/mm²

σmax

Ứng suất cực đại

N/mm²

ε1, ε2, ε3

Biến dạng chính

P

Rm

Độ bền kéo

N/mm²

Re

Ứng suất chảy

N/mm²

µ

Hệ số ma sát

ϕ

Mức độ biến dạng

ϕ0

Mức độ biến dạng chính nhỏ nhất

ϕmax

mức độ biến dạng chính lớn nhất

kfmax

Ứng suất chảy trung bình

N/mm²

V

Thể tích biến dạng

q

Áp lực biến dạng

d0

Đường kính ban đầu của phơi.

mm

l0

Chiều dài phôi ban đầu

mm

l

Chiều dài phôi sau khi ép

mm

FEM

Phương pháp phần tử hữu hạn

Các phần mềm mô phỏng, thiết kế đồ hoạ: ANSYS, MARC, ABAQUS,
PAM-STAMP, LARSTRAN/SHAPE, I-DEAS, CATIA, DYNAFORM, DEFORM,
SOLIDWORK, CAD, PRO/ENGINEER

5


MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN…………………………………………………………………...1
LỜI CẢM ƠN……………………………………………………………………….2
MỤC LỤC…………………………………………………………………………..3
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ TỪ VIẾT TẮT…………………………………5
DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ………………………………………………6
LỜI MỞ ĐẦU………………………………………………………………………9
CHƯƠNG 1: TỔNG QUANG VỀ CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO VÀ SẢN PHẨM....11
1.1. CÔNG NGHỆ GIA CÔNG ÁP LỰC…………………………………………11
1.2. VẬT LIỆU TRONG GIA CÔNG ÁP LỰC .......................................................12
1.3. CÁC PHƯƠNG PHÁP GIA CÔNG KIM LOẠI BẰNG ÁP LỰC ...................13
1.3.1. Tạo hình ở trạng thái nóng và nguội………………………………………...13
1.3.2. Các phương pháp gia công…………………………………………………..14
a) Cán kim loại……………………………………………………………………..14

b) Kéo kim loại……………………………………………………………………..18
c) Ép chảy kim loại…………………………………………………………………22
d) Rèn tự do………………………………………………………………………...24
e) Dập thể tích……………………………………………………………………...25
f) Dập tấm………………………………………………………………………….26
1.3.3. Sản phẩm gia công áp lực…………………………………………………...26
1.4. SẢN PHẨM VỎ BUGI……………………………………………………….29
1.4.1. Cấu tạo bugi…………………………………………………………………30
1.4.2. Hoạt động, ứng dụng của chi tiết bugi………………………………………30
1.4.3. Các yêu cầu kỹ thuật………………………………………………………...31
1.5. MỤC ĐÍCH VÀ NỘI DUNG NGHIÊN CỨU CỦA LUẬN VĂN…………...37
CHƯƠNG 2: NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ ÉP CHẢY ĐỂ CHẾ TẠO VỎ BUGI
ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG………………………………………………………….38
2.1. CÔNG NGHỆ ÉP CHẢY……………………………………………………..38
2.1.1. Khái quát chung……………………………………………………………..38
2.1.2. Các phương pháp ép chảy…………………………………………………...39
2.1.2.1. Ép chảy thuận……………………………………………………………...39
2.1.2.2. Ép chảy ngược……………………………………………………………..40

3


2.1.2.3. Ép chảy hỗn hợp…………………………………………………………...40
2.1.2.4. Ép chảy ống ……………………………………………………………….41
2.1.3. Các bước cơng nghệ của q trình ép chảy....……………………………….41
2.1.4 Thiết bị ép chảy………………………………………………………………42
2.2. TÍNH TỐN CÁC THƠNG SỐ CƠNG NGHỆ……………………………..43
2.2.1. Trạng thái ứng suất, lực và công biến dạng khi ép chảy…………………….43
2.2.2. Các cơng thức tính tốn……………………………………………………...48
2.3. Kết luận chương 2……………………………………………………………..51

CHƯƠNG 3: NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG PHẦN MỀM DEFORM TRONG MÔ
PHỎNG SỐ QUÁ TRÌNH CHẾ TẠO CHI TIẾT VỎ BUGI ĐỘNG CƠ ĐỐT
TRONG…………………………………………………………………………….53
3.1. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU……………………………………………..53
3.1.1. Phương pháp kỹ sư…………………………………………………………..53
3.1.2. Phương pháp mơ phỏng số…………………………………………………..53
3.1.3 Nghiên cứu, phân tích bài tốn ép chảy bằng mơ phỏng số………………….57
3.2. PHẦN MỀM DEFORM 3D…………………………………………………...64
3.2.1. Giới thiệu chung và phạm vi ứng dụng……………………………………..64
3.2.2. Giao diện phần mềm Deform 3D và cài đặt các thông số…………………..66
3.3. KẾT LUẬN CHƯƠNG 3……………………………………………………..73
CHƯƠNG 4: MÔ PHỎNG SỐ QUÁ TRÌNH TẠO HÌNH CHI TIẾT VỎ
BUGI…………………………………….…………………………………………75
4.1. THIẾT LẬP BÀI TỐN MƠ PHỎNG Q TRÌNH TẠO HÌNH CHI TIẾT
VỎ BUGI ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG……………………………………………...75
4.1.1. Thiết lập mơ hình hình học....……………………………………………….75
4.1.2. Thiết lập mơ hình vật liệu…………………………………………………...77
4.1.3. Thiết lập mơ hình điều kiện biên…………………………………………...79
4.1.4.Giải bài tốn…….……………………………………………………………80
4.2. PHÂN TÍCH KẾT QUẢ MƠ PHỎNG..............................................................81
4.3. KẾT LUẬN CHƯƠNG 4……………………………………………………..92
KẾT LUẬN CỦA LUẬN VĂN……………………………………………………93
TÀI LIỆU THAM KHẢO……………………………………………………….....95

4


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT
Ký hiệu

Ý nghĩa

Đơn vị đo

Tktl

Nhiệt độ kết tinh lại

ºC

Tnc

Nhiệt độ nóng chảy

ºC

Tgcn

Nhiệt độ gia cơng nóng

ºC

Tgcnguoi

Nhiệt độ gia cơng nguội

ºC

Lực ép

KN

Pmax

Lực ép cực đại

KN

σz, σr, σt

Ứng suất chính

N/mm²

σmax

Ứng suất cực đại

N/mm²

ε1, ε2, ε3

Biến dạng chính

P

Rm

Độ bền kéo

N/mm²

Re

Ứng suất chảy

N/mm²

µ

Hệ số ma sát

ϕ

Mức độ biến dạng

ϕ0

Mức độ biến dạng chính nhỏ nhất

ϕmax

mức độ biến dạng chính lớn nhất

kfmax

Ứng suất chảy trung bình

N/mm²

V

Thể tích biến dạng

q

Áp lực biến dạng

d0

Đường kính ban đầu của phơi.

mm

l0

Chiều dài phôi ban đầu

mm

l

Chiều dài phôi sau khi ép

mm

FEM

Phương pháp phần tử hữu hạn

Các phần mềm mô phỏng, thiết kế đồ hoạ: ANSYS, MARC, ABAQUS,
PAM-STAMP, LARSTRAN/SHAPE, I-DEAS, CATIA, DYNAFORM, DEFORM,
SOLIDWORK, CAD, PRO/ENGINEER

5


DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ
Hình 1.1. Sơ đồ cán ................................................................................................... 15
Hình 1.2. Một số sản phẩm cán ................................................................................. 17
Hình 1.3. Sơ đồ cấu tạo máy cán .............................................................................. 18
Hình 1.4. Sơ đồ kéo kim loại .................................................................................... 19
Hình 1.5. Khn kéo ................................................................................................. 20
Hình 1.6. Máy kéo có tang cuộn ............................................................................... 22
Hình 1.7. Sơ đồ nguyên lý ép kim loại ..................................................................... 22
Hình 1.8. Kết cấu khn ép....................................................................................... 23
Hình 1.9. Sơ đồ rèn tự do .......................................................................................... 24
Hình 1.10. Sơ đồ dập kim loại .................................................................................. 25
Hình 1.11. Các sản phẩm dập khối điển hình ........................................................... 27
Hình 1.12. Sản phẩm dập tấm như vỏ ô tô, các sản phẩm gia dụng ......................... 28
Hình 1.13. Sản phẩm rỗng ........................................................................................ 28
Hình 1.14. Sản phẩm ép ............................................................................................ 29
Hình 1.15. Bugi. ........................................................................................................ 29
Hình 1.16. Cấu tạo bugi ........................................................................................... 30
Hình 1.17. Vị trí đặt bugi trong cơ cấu phân phối khí. ............................................. 31
Hình 1.18.Đặc tính đánh lửa ..................................................................................... 32
Hình 1.19. Mối quan hệ điện cực và điện. ................................................................ 33
Hình 1.20. Vùng nhiệt trên Bugi ............................................................................... 34
Hình 1.21. Phân bố nhiệt ........................................................................................... 34
Hình 1.22. Trạng thái làm việc tốt/khơng tốt của đầu điện cực Bugi ....................... 35

Hình 1.23. Đánh lửa trên điện cực ............................................................................ 36
Hình 1.24. Đầu điện cực bugi ................................................................................... 36
Hình 2.1. Sơ đồ ép chảy thuận .................................................................................. 39
Hình 2.2. Sơ đồ ép chảy ngược ................................................................................. 40
Hình 2.3. Sơ đồ ép chảy hỗn hợp (ép chảy thuận có vỏ) .......................................... 41

6


Hình 2.4. Sơ đồ ép chảy ống ..................................................................................... 41
Hình 2.5. Sơ đồ quy trình cơng nghệ ép chảy để chế tạo chi tiết Bugi ......................... 42
Hình 2.6. Máy ép thuỷ lực nằm ngang ...................................................................... 43
Hình 2.7. Sơ đồ quá trình ép chảy thuận ................................................................... 43
Hình 2.8. Sơ đồ trạng thái ứng suất và biến dạng trong ép chảy thuận .................... 44
Hình 2.9. Biểu đồ quan hệ giữa lực ép và hành trình chày ....................................... 47
Hình 2.10. Hình dạng hình học vùng biến dạng của một số khuôn khác nhau ........ 48
Hình 2.11. Sơ đồ xác định áp lực khi đột kín ........................................................... 49
Hình 3.1. Sơ đồ so sánh q trình tối ưu hóa cơng nghệ giữa phương pháp truyền
thống và phương pháp cơng nghệ mơ phỏng số(cơng nghệ ảo) ...............................57
Hình 3.2. Mơ hình bài tốn ép chảy ngược ...............................................................58
Hình 3.3. Quan hệ giữa ứng suất và biến dạng của thép C35 phụ thuộc vào nhiệt độ
...................................................................................................................................59
Hình 3.4. Mơ hình lưới phần tử chia cho phơi ..........................................................59
Hình 3.5. Biến dạng của phơi qua các q trình .......................................................60
Hình 3.6. Phân bố ứng suất trên phơi ở cuối q trình .............................................62
Hình 3.7. Kết quả mơ phỏng số ép chảy thuận nghịch với .......................................63
Hình 3.8. Kết quả mô phỏng số ép chảy thuận nghịch với bộ khn đã tối ưu ........64
Hình 3.9. Các bước thực hiện bài tốn mơ phỏng.....................................................66
Hình 3.10. Giao diện chính của Deform 3D .............................................................67
Hình 3.11. Giao diện mơ đun DEFORM-3D Pre ......................................................68

Hình 3.12. Cửa sổ cài đặt thơng số điều khiển phần mềm .......................................69
Hình 3.13. Thư viện vật liệu của Deform 3D ...........................................................70
Hình 3.14. Tạo tiếp xúc giữa các đối tượng .............................................................71
Hình 3.15. Cửa sổ Deform 3D ..................................................................................72
Hình 4.1. Mơ hình phơi .............................................................................................75
Hình 4.2. Mơ hình chày ép ........................................................................................76
Hình 4.3. Mơ hình cối ép ..........................................................................................76
Hình 4.4. Lựa chọn vật liệu cho phôi ........................................................................78

7


Hình 4.5. Các đường cong chảy của vật liệu (Đường cong quan hệ giữa ứng suấtbiến dạng) ..................................................................................................................79
Hình 4.6. Hệ số dẫn nhiệt và nhiệt dung riêng phụ thuộc vào nhiệt độ ....................79
Hình 4.7. Các bước tạo hình .....................................................................................84
Hình 4.8. Sản phẩm vỏ bugi cuối quá trình tạo hình ................................................85
Hình 4.9. Mức độ biến dạng......................................................................................85
Hình 4.10. Lực biến dạng ..........................................................................................86
Hình 4.11. Trạng thái ứng suất..................................................................................87
Hình 4.12. Trạng thái phá hủy ..................................................................................88
Hình 4.13. Sự thay đổi tốc độ biến dạng ...................................................................89
Hình 4.14. Trạng thái nhiệt .......................................................................................90
Hình 1.15. Sự phân bố nhiệt độ của chày ép .............................................................91
Hình 1.16. Sự phân bố nhiệt độ của cối ép ...............................................................91

8


LỜI MỞ ĐẦU
Nước ta đang bước vào thời kỳ công nghiệp hóa – hiện đại hóa, cùng với xu

thế phát triển của thời đại, nền kinh tế công nghiệp đang phát triển mạnh mẽ. Cùng
với sự phát triển mạnh mẽ của nền kinh tế, sản phẩm có yêu cầu chất lượng ngày
càng cao, đa dạng về mẫu mã, chủng loại và phải đáp ứng được yêu cầu về chất
lượng, giảm thời gian sản xuất đang là một đòi hỏi cấp thiết. Do vậy, việc tối ưu hố
cơng nghệ nhằm nâng cao chất lượng, giảm chi phí thiết kế, sản xuất và hạ giá
thành sản phẩm ln là tiêu chí hàng đầu cho tất cả các nhà sản xuất.
Trước đây, khi cơng nghệ thơng tin chưa phát triển, tối ưu hố công nghệ
thường dựa trên kinh nghiệm sản xuất và tối ưu dần trong q trình sản xuất mà
khơng có tính tổng quát nên hiệu quả thường không cao. Trong những năm gần đây,
cùng với sự phát triển mạnh mẽ của cơng nghệ thơng tin, điện tử, tự động hố đã
giúp q trình tối ưu hố cơng nghệ một cách đơn giản, nhanh chóng và chính xác
bằng phương pháp mơ 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 vẫn là một vấn đề hầu như chưa được ứng
dụng phổ biến vào sản xuất mà chỉ được nghiên cứu ở một số trường đại học cũng
như các viện nghiên cứu. Để góp phần vào sự phát triển chung của việc nghiên cứu
công nghệ nhờ mơ phỏng số và thúc đẩy kết quả tính tốn mô phỏng số vào sản
xuất công nghiệp, luận văn này tập chung nghiên công nghệ ép chảy vỏ bugi động
cơ đốt trong nhờ ứng dụng phần mềm DEFORM, nhằm đưa ra được công nghệ ép
chảy tối ưu nhất, nhằm giảm chi phí thời gian và chi phí kinh tế khi sản xuất và
chạy thử khuôn ép.
Các vấn đề nghiên cứu trong luận văn được trình bày trong 4 chương:
Chương 1: Giới thiệu tổng quan về công nghệ gia công áp lực, trong đó giới
thiệu tất cả các phương pháp gia công về áp lực như cán, kéo, ép kim loại, dập tấm,

9


dập khối… Đặc biệt là về công nghệ ép chảy. Trong chương này còn giới thiệu về
cấu tạo chi tiết bu gi và chức năng, nhiệm vụ của bugi trong động cơ đốt trong.

Chương 2: Nghiên cứu công nghệ ép chảy để chế tạo vỏ bugi động cơ đốt trong,
trong đó nghiên cứu về các phương pháp ép chảy, đặc biệt là các thông số như lực,
công biến dạng trong quá trình ép chảy vỏ bugi động cơ đốt trong.
Chương 3: Nghiên cứu ứng dụng phần mềm Deform trong mô phỏng số quá trình
chế tạo vỏ bugi động cơ đốt trong.
Chương 4: Tính tốn, mơ phỏng số q trình chế tạo vỏ bugi động cơ đốt trong
bằng phần mềm DEFORM. Trong đó trình bày từng bước mơ phỏng về hình dáng,
lực, công, ứng suất… để chế tạo vỏ bugi động cơ đốt trong.
Phần kết luận đưa ra một vài tổng kết quan trọng và hướng phát triển tiếp
theo của đề tài.

Nam Định, tháng 03 năm 2013
Tác giả

Đỗ Thị Mơ

10


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO VÀ SẢN PHẨM
1.1. CƠNG NGHỆ GIA CƠNG ÁP LỰC
Gia cơng kim loại bằng áp lực là một ngành cơ bản trong sản xuất cơ khí.
Cơng nghệ gia cơng áp lực cho phép tạo ra các sản phẩm có hình dáng và kích
thước phức tạp, đồng thời đảm bảo chất lượng về cơ tính tốt, năng suất cao, giá
thành hạ. Do vậy, gia công áp lực, đặc biệt là công nghệ dập tạo hình có một vị trí
quan trọng trong cơng nghiệp chế tạo phụ tùng ôtô, máy kéo, xe máy, hàng dân
dụng và quốc phịng.
Gia cơng kim loại bằng áp lực dựa trên biến dạng dẻo kim loại, thực hiện
bằng cách dùng ngoại lực tác dụng lên kim loại ở trạng thái nóng hoặc nguội làm
cho làm thay đổi hình dạng của vật thể mà khơng phá hủy tính liên tục của chúng.

* Đặc điểm của phương pháp:
- Kim loại gia công chủ yếu ở thể rắn. Sau khi gia công, kim loại bị thay đổi
về hình dáng, tính chất cơ, lý (hạt mịn và chặt hơn, thay đổi tổ chức hạt thành thớ,
khử được các khuyết tật rỗ, nứt...)
- Nhiệt độ là yếu tố quan trọng trong tạo hình bằng gia cơng áp lực. Nhiệt độ
cao sẽ làm tăng tính dẻo của vật liệu, giảm trở lực biến dạng của vật liệu. Căn cứ
vào nhiệt độ gia công người ta phân ra gia cơng nóng và gia cơng nguội.
Gia cơng nóng là q trình gia cơng thực hiện trên nhiệt độ kết tinh lại.
Gia cơng nguội là q trình gia công thực hiện dưới nhiệt độ kết tinh lại (Tktl =
0,4Tch).
- Là một phương pháp gia cơng có năng suất cao, có khả năng chế tạo hồn
thiện một sản phẩm, giảm thời gian gia công và lượng dư cắt gọt.
- Sản phẩm sau khi gia cơng có dạng thớ nên có độ bền cao hơn, khả năng
chịu lực tốt hơn, độ chính xác và độ nhẵn bề mặt cao hơn đúc.
- Giảm được hao phí kim loại so với một số phương pháp chế tạo phôi khác.
- Thiết bị, khuôn tạo hình đắt tiền, vì vậy khơng phù hợp với sản xuất đơn
chiếc.
- Có khả năng cơ khí hóa và tự động hóa cao.

11


- Gia công áp lực được chia làm hai hướng cơng nghệ chính: Cán kim loại và
rèn dập.
1.2. VẬT LIỆU TRONG GIA CƠNG ÁP LỰC
Vật liệu dùng trong gia cơng áp lực là loại vật liệu có tính dẻo cao như thép
cacbon, thép hợp kim, kim loại màu.... Hiện nay, do yêu cầu của các ngành công
nghiệp khác mà người ta có thể tạo hình vật liệu nhựa, composite kim loại.
Tính dẻo của kim loại là khả năng biến dạng của kim loại dưới tác dụng của
ngoại lực mà không bị phá hủy. Tính dẻo của kim loại phụ thuộc vào hàng loạt nhân

tố khác nhau: Thành phần và tổ chức của kim loại, nhiệt độ, trạng thái ứng suất
chính, ứng suất dư, ma sát ngồi, lực qn tính, tốc độ biến dạng.
a. Ảnh hưởng của thành phần và tổ chức kim loại.
Các kim loại khác nhau có kiểu mạng tinh thể, lực liên kết giữa các nguyên
tử khác nhau, do đó tính dẻo của chúng cũng khác nhau, chẳng hạn đồng, nhôm dẻo
hơn sắt. Đối với các hợp kim, kiểu mạng thường phức tạp xô lệch mạng lớn, một số
nguyên tố tạo các hạt cứng trong tổ chức cản trở sự biến dạng, do đó tính dẻo giảm.
Thơng thường kim loại sạch và hợp kim có cấu trúc một pha. Các tạp chất thường
tập trung ở biên giới hạt, làm tăng xơ lệch mạng cũng làm giảm tính dẻo của kim
loại.
b. Ảnh hưởng của nhiệt độ.
Tính dẻo của kim loại phụ thuộc rất lớn vào nhiệt độ hầu hết kim loại khi
tăng nhiệt độ, tính dẻo tăng. Khi tăng nhiệt độ, dao động nhiệt của các nguyên tử
tăng, đồng thời xô lệch mạng giảm, khả năng khuyếch tán của các nguyên tử tăng
làm cho tổ chức đồng đều hơn. Một số kim loại ở nhiệt độ thường, tồn tại ở pha
kém dẻo, khi ở nhiệt độ cao chuyển biến thù hình thành pha có độ dẻo cao. Khi ta
nung thép từ 20 đến 1000C thì độ dẻo tăng chậm nhưng từ 100 đến 4000C độ dẻo
giảm nhanh, độ giòn tăng (đối với thép hợp kim độ dẻo giảm đến 6000C), quá nhiệt
độ này thì dẻo tăng nhanh, ở nhiệt độ rèn nếu hàm lượng cacbon trong thép càng
cao thì sức chống biến dạng càng lớn.

12


c. Ảnh hưởng của biến cứng.
Khi kim loại bị biến dạng nhiều, các hạt tinh thể bị vỡ vụn, xô lệnh mạng
tăng ứng suất dư lớn. Làm cho tính dẻo kim loại giảm mạnh (hiện tượng biến
cứng). Khi nhiệt độ kim loại đạt từ 0,25 đến 0,35 Tnc (Nhiệt độ nóng chảy), ứng
suất dư và xơ lệch mạng giảm làm cho tính dẻo kim loại phục hồi trở lại (Hiện
tượng phục hồi). Nếu nhiệt độ nung đạt tới 0,4 Tnc, trong kim loại bắt đầu xuất hiện

quá trình kết tinh lại, tổ chức kim loại sau kết tinh lại có hạt đồng đều và lớn hơn,
mạng tinh thể hoàn thiện hơn nên độ dẻo tăng.
d. Ảnh hưởng của trạng thái ứng suất chính.
Trạng thái ứng suất chính cũng ảnh hưởng đáng kể đến tính dẻo của kim loại.
Qua thực nghiệm người ta thấy rằng kim loại chịu ứng suất nén khối có tính dẻo cao
hơn khi chịu ứng suất nén mặt, nén đường hoặc chịu ứng suất kéo. Úng suất dư ma
sát ngoài làm thay đổi trạng thái ứng suất chính trong kim loại nên tính dẻo trong
kim loại cũng giảm.
e. Ảnh hưởng của tốc độ biến dạng.
- Sau khi rèn dập, các hạt kim loại bị biến dạng do chịu tác dụng, nên chai
cứng hơn, sức chống lại sự biến dạng của kim loại sẽ lớn hơn, đồng thời khi nhiệt
độ nguội dần sẽ kết tinh lại như cũ. Nếu tốc độ biến dạng nhanh hơn tốc độ kết tinh
lại thì các hạt kim loại bị chai chưa kịp trở lại trạng thái ban đầu mà lại tiếp tục biến
dạng, do ứng suất trong khối kim loại sẽ lớn, hạt kim loại bị giịn và có thể bị nứt.
- Nếu lấy hai khối kim loại như nhau cùng nung đến nhiệt độ nhất định rồi
rèn trên máy búa và máy ép, ta thấy tốc độ biến dạng trên máy búa lớn hơn, nhưng
tốc độ biến dạng tổng cộng trên máy ép lớn hơn.
1.3. CÁC PHƯƠNG PHÁP GIA CÔNG KIM LOẠI BẰNG ÁP LỰC
1.3.1 Tạo hình ở trạng thái nóng và nguội
* Gia cơng nóng
- Gia cơng nóng: Là hình thức gia công áp lực thực hiện ở nhiệt độ lớn hơn
nhiệt độ kết tinh lại

13


- Thực tế nhiệt độ gia cơng nóng kim loại Tgcn = (0,7 − 0,9)Tnc
- Ở nhiệt độ gia công nóng kim loại có tính dẻo cao, trở lực biến dạng giảm,
do đó dễ gia cơng
- Gia cơng nóng có kèm theo quá trình phục hồi và kết tinh lại nên sau khi

gia cơng kim loại được phục hồi tính dẻo, khơng bị biến cứng, phục hồi cơ lý hóa
tính
- Tuy nhiên gia cơng nóng có nhược điểm: Ở trạng thái nóng khó gia cơng
những chi tiết nhỏ và mỏng vì dễ cháy hỏng. Kim loại nung ở nhiệt độ cao dễ bị oxy
hóa tạo nên lớp vảy oxit phủ trên bề mặt vật gia cơng, làm độ bóng và độ chính xác
thấp, chất lượng lớp bề mặt vật gia cơng thấp
- Sau khi gia cơng ở trạng thái nóng, nếu tốc độ làm nguội vật gia công quá
lớn dễ gây biến dạng cong, vênh hoặc nứt.
* Gia công nguội
- Gia cơng nguội là hình thức gia cơng bằng áp lực ở nhiệt độ dưới nhiệt độ
kết tinh lại Tgcnguoi < Tkettinhlai (thực tế nhiệt độ gia công nguội thường là nhiệt độ
phịng).
- Gia cơng nguội đạt độ chính xác, độ bóng và chất lượng bề mặt cao hơn gia
cơng nóng
- Gia cơng nguội kim loại khơng bị oxy hóa, khơng bị cháy nên khơng hao
phí kim loại, vật gia công không bị hao hụt .
1.3.2. Các phương pháp gia cơng
a) Cán kim loại
- Q trình cán là do kim loại biến dạng giữa hai trục cán quay ngược chiều
nhau có khe hở nhỏ hơn chiều cao của phơi, kết quả làm cho chiều cao phôi giảm,
chiều dài và chiều rộng tăng. Hình dạng của khe hở giữa hai trục cán quyết định
hình dáng của sản phẩm. Q trình phơi chuyển động qua khe hở trục cán là nhờ
ma sát giữa hai trục cán với phôi.
- Cán không những thay đổi hình dáng và kích thước phơi mà cịn nâng cao
chất lượng sản phẩm.

14


- Máy cán có hai trục cán đặt song song với nhau quay ngược chiều nhau.

Phơi có chiều dày lớn hơn khe hở giữa hai trục cán, dưới tác dụng của lực ma sát
khi kim loại bị kéo vào giữa hai trục cán, biến dạng tạo ra sản phẩm. Khi cán, chiều
dày phôi giảm, chiều dài và chiều rộng phôi tăng.

R

α

A

β

B
T

l

P

h

h0

N

B
A

Hình 1.1 Sơ đồ cán
* Tỷ số chiều dài (Hoặc tỷ số tiết diện) của phôi trước và sau khi cán

gọi là hệ số kéo dài
µ=

l1 F0
=
l 2 F1

* Lượng ép tuyệt đối : ∆h = ( h0 - h1) mm.
* Quan hệ giữa lượng ép và góc ăn : ∆h = D.( 1 - cosα) mm.
* Sự thay đổi chiều dài trước và sau khi cán gọi là lượng giãn dài:
∆l = l1 - l0 .
* Sự thay đổi chiều rộng trước và sau khi cán gọi là lượng giãn rộng:
∆b = b1 - b0 .
- Điều kiện để kim loại có thể cán được gọi là điều kiện cán vào. Khi kim
loại tiếp xúc với trục cán thì chúng chịu hai lực: Phản lực N và lực ma sát T, nếu hệ
số ma sát giữa hai trục cán và phơi là f thì:
T = N.f

15


f = tgβ
Vì β là góc ma sát nên : T/N = tgβ = f.
Lực N và T có thể chia thành hai thành phần: Nằm ngang và thẳng đứng:
Nx = N.sinα
Ny = N.cosα
Tx = T.cosα
Ty = T.sinα
- Thành phần lực thẳng đứng có tác dụng làm kim loại biến dạng, cịn thành
phần nằm ngang có tác dụng kéo vật cán vào hoặc đẩy ra.

Để có thể cán được, phải thỏa mãn điều kiện:
Tx > Nx
f.N.cosα > N.sinα.
tgβ > tgα hoặc β > α
- Nghĩa là hệ số ma sát f phải lớn hơn tang của góc ăn α hoặc góc ma sát lớn
hơn góc ăn.
- Khi vật cán đã vào giữa hai trục cán thì góc ăn nhỏ dần đến khi vật cán đã
hoàn toàn vào giữa hai trục cán thi góc ăn chỉ cịn bằng 1/2. Hiện tượng này gọi là
ma sát thừa.
- Để đảm bảo điều kiện cán vào cần tăng hệ số ma sát trên bề mặt trục cán.
Sản phẩm cán:
- Sản phẩm cán rất đa dạng, được phân ra 4 nhóm chính: Dạng hình, dạng
tấm, dạng ống và dạng đặc biệt.
+ Dạng hình: Các sản phẩm được chia ra dạng hình đơn giản (a) gồm
có thanh, thỏi tiết diện trịn, vng, chữ nhật, lục giác, bán nguyệt..... và dạng hình
phức tạp (b) có tiết diện chữ V, U, I, T, Z...

a. Dạng hình đơn giản

16


b. Dạng hình phức tạp.
Hình 1.2: Một số sản phẩm cán
+ Dạng tấm: các sản phẩm dạng tấm được phân loại theo chiều dày
của tấm thành:
* Mỏng : s = 0,2 đến 3,75 mm ; b = 600 đến 2200 mm.
* Dày

: s = 4 đến 60

mm ; b = 600 đến 5000 mm.

L = 4000 đến 12000 mm.
* Cuộn: s = 0,2 đến 2 mm; b = 200 đến 1500 mm; l = 4000 đến 60000
mm.
+ Dạng ống: Các sản phẩm dạng phẩm được phân ra thành hai loại:
Ống khơng có mối hàn và ống có mối hàn.
* Ống khơng hàn được cán từ phơi thỏi có Φ = 5 đến 426 mm, chiều
dày thành ống s = 0,5 đến 40 mm.
* Ống có mối hàn được chế tạo bằng cách cuốn tấm thành ống sau đó
cán để hàn giáp mối với nhau. Loại này có đường kính ngồi đến 720 mm và chiều dày
đến 14 mm
+ Dạng hình đặc biệt: Các sản phẩm đặc biệt gồm có các loại có hình
dáng đặc biệt theo u cầu riêng như vỏ ô tô và các loại tiết diện thay đổi
theo chu kỳ.
Sơ đồ máy cán:

17


2

4

3

5

5

6

4

7

1

Hình 1.3: Sơ đồ cấu tạo máy cán
1. Trục cán

2. Trục các đăng

4. Khớp nối

5. Bánh đà

3. Hộp giảm tốc
6. Hộp giảm tốc

7. Động cơ

b) Kéo kim loại
Kéo sợi là q trình kéo phơi kim loại qua lỗ khn kéo làm cho tiết diện
ngang của phôi giảm và chiều dài tăng. Hình dáng và kích thước của chi tiết giống
lỗ khn kéo.
Kéo sợi có thể tiến hành ở trạng thái nóng hoặc trạng thái nguội.
Kéo sợi có thể cho ta sản phẩm có độ chính xác cấp 2÷4 và độ bóng cấp 7÷9.
Kéo sợi dùng để chế tạo các thỏi, ống sợi bằng thép và kim loại màu.

Kéo sợi còn dùng để gia cơng tinh bề mặt ngồi các ống cán có mối hàn và
một số cơng việc khác.
Có khả năng đạt độ chính xác cao hơn đúc.
Vật liệu sau khi kéo bị cứng nguội, độ bền tăng, độ dẻo giảm.
Khuôn làm bằng hợp kim cứng hoặc kim cương để tránh mài mịn nhanh.

1

2

3

2

1

3

P
4
b. Kéo ống

a. Kéo sợi
Hình 1.4: Sơ đồ kéo kim loại
1.Phôi

3. Sản phẩm

2. Khuôn kéo

18

4. Lõi sữa lỗ


Khi kéo sợi phôi 1 được kéo qua khuôn kéo 2 với lỗ hình có tiết diện nhỏ
hơn tiết diện phôi kim loại và biên dạng theo yêu cầu, tạo thành sản phẩm 3. Đối
với kéo ống, khuôn kéo 2 tạo thành mặt ngồi ống cịn lỗ được sửa đúng đường
kính nhờ lõi 4 đặt ở trong
Tùy theo từng kim loại, hình dáng lỗ khn, mỗi lần kéo tiết diện có thể
giảm xuống 15%÷35%. Tỷ lệ giữa đường kính trước và sau khi kéo gọi là hệ số kéo
dài
K=

d0
σ
= 1+
d1
P(1 + f cot gα )

d 0 , d1 : Đường kính sợi trước và sau khi kéo (mm)

σ

: Giới hạn bền của kim loại (N/ mm 2 )

α

: Góc nghiêng của lỗ khn

f

: Hệ số ma sát

- Kéo sợi có thể qua một hay nhiều lỗ khuôn kéo nếu tỷ số giữa đường kính
phơi và đường kính sản phẩm vượt quá hệ số kéo cho phép. Số lượt kéo có thể được
tính tốn như sau
d1 =

d0
d1 d 0
dn 1 d0
; d2 =
= 2 ; dn = − = n
k
k
k
k
k

Ta có n =

kn =

d0
⇒ n lg k = lg d 0 − lg d n
dn

lg d 0 − lg d n
lg k

Lực kéo sợi phải đảm bảo:
- Đủ lớn để thắng lực ma sát giữa kim loại và thành khuôn, đồng thời để kim
loại biến dạng
- Ứng suất tại tiết diện đã ra khỏi khuôn phải nhỏ hơn giới hạn bền cho phép
của vật liệu nếu không sợi sẽ bị đứt
- Lực kéo sợi có thể xác định như sau: P = σ .F1 . lg

F0
(1 + f cot gα ) (N)
F1

σ : Giới hạn bền của kim loại lấy bằng trị số trung bình giới hạn bền

của vật liệu trước và sau khi kéo

19


F0 , F1 : Tiết diện trước và sau khi kéo ( mm 2 )
f : Hệ số ma sát giữa khuôn và vật liệu

- Kéo sợi dùng để chế tạo các thỏi, ống sợi bằng thép và kim loại mà có
đường kính từ vài mm đến vài chục mm. Kéo sợi cịn để dùng gia cơng tinh bề mặt
ngồi ống cán có mối hàn và một số cơng việc khác
Khuôn kéo sợi gồm khuôn 1 và đế khuôn 2, biên dạng lỗ hình của khn
gồm 4 phần, đoạn cơn I là phần làm việc chính của khn có góc cơn
β= 24 0 ÷ 36 0 (thường dùng nhất là 26 0 ), đoạn cơn II có góc cơn 90 0 là nơi để phôi
vào chứa chất bôi trơn, đoạn thẳng III có tác dụng định kính, đoạn cơn thốt phơi IV
có góc cơn 60 0 để sợi ra dễ dàng không bị xước

Vật liệu chế tạo khuôn là thép cacbon dụng cụ, thép hợp kim hoặc hợp kim
cứng thường dùng các loại sau: CD80, CD100, CD130, 30CrTiSiMo, Cr5Mo

1

2

III

II I

IV

Hình 1.5: Khn kéo
Máy kéo sợi:
- Máy kéo sợi có nhiều loại, căn cứ vào phương pháp kéo có thể chia làm 2
loại: Máy kéo thẳng hay máy kéo có tang cuộn: Cũng có thể được phân loại theo số
lượng khn kéo, số sợi được kéo đồng thời
- Máy kéo thẳng dùng khi kéo các sợi hoặc ống có đường kính lớn khơng thể
cuộn được (∅6÷10 hoặc lớn hơn). Lực kéo của máy từ 0.2÷75 tấn, tốc độ kéo
15÷45 m/ph

20


Tùy theo kết cấu của máy mà có thể kéo 1 hoặc 3 sản phẩm cùng một lúc. Để
tạo chuyển động thẳng có thể dùng xích vít và êcu, thanh răng, bánh răng,đầu ép
vv..
- Máy kéo sợi có tang cuộn dùng khi kéo sợi dài có thể cuộn trịn được. Máy
có tang cuộn có thể là một khn kéo a. Nhiều khn kéo khơng trượt b và nhiều

khn kéo có trượt c
- Trên máy kéo 1 khuôn dùng kéo những sợi hoặc thỏi co ∅6÷10 m. Khi
tang kéo 5 quay, sợi được kéo qua khuôn 2 đồng thời cuộn thành cuộn. Theo tốc độ
kéo, tang cấp sợi 1 liên tục quay để cấp cho khuôn kéo
- Trên máy kéo nhiều khuôn b sợi được kéo lần lượt qua một số khn (5÷19
khn) và nhờ tang kéo trung gian 4, các rịng rọc căng sợi 3 nên trong q trình
kéo khơng xảy ra hiện tượng trượt
- Máy kéo sợi nhiều khuôn có sự trượt c thì các khn kéo có tiết diện giảm
dần và những khuôn kéo là những con lăn 3, sự quay của trống 5 đồng thời tạo nên
tổng lực kéo của các khuôn

21


1

2

5

a

4

1

2 4

3

5

b.
1

2

4

3

c

Hình 1.6: Máy kéo có tang cuộn
a - Máy kéo một khuôn
b - Máy kéo nhiều khuôn không trượt
c - Máy kéo nhiều khn có trượt
c) Ép chảy kim loại
Ép chảy là phương pháp chế tạo các sản phẩm kim loại bằng cách đẩy kim
loại chứa trong buồng kín hình trụ, dưới tác dụng của chày ép kim loại biến dạng
qua lỗ khn ép có tiết diện giống tiết diện ngang của chi tiết.

1

2

3 4

1

4

2

3

1

Hình 1.7: Sơ đồ nguyên lý ép kim loại

22

2

3

4

5


Khi ép thanh, thỏi người ta có thể tiến hành bằng phương pháp ép thuận hoặc
ép nghịch. Với ép thuận a khi pistong1 ép kim loại trong xilanh 2 bị ép qua lỗ hình
của khn ép 4 chuyển động ra ngoài, cùng chiều chuyển động của pistong ép. Với
ép nghịch b pistong 1 ép kim loại trong xilanh 2 bị ép qua lỗ hình của khn ép 4
chuyển động ra ngoài ngược chiều chuyển động của pistong ép. Với ép thuận kết
cấu đơn giản hơn nhưng lực ép lớn vì ma sát giữa kim loại và thành xilanh làm tăng
lực ép cần thiết, đồng thời phần kim loại trong xilanh khơng thể ép hết lớn 10÷12%.
Ép nghịch lực ép thấp hơn lượng kim loại cịn lại trong xilanh ít hơn 6÷8%, nhưng
kết cấu ép phức tạp

- Sơ đồ hình c trình bày nguyên lý ép ống, ở đây lỗ ống được tạo thành nhờ
lõi 5. Phơi ép có lõi rỗng để đặt lõi 5, khi pistong 1 ép kim loại bị đẩy qua khe hở
giữa lỗ hình của khn 4 và lõi tạo thành ống
- Hệ số ép: µ =

S0
Trong đó S 0 , S1 là tiết diện phơi trước v sau khi ộp,
S1

thụng thng à = 8ữ50
V kt cu khn ép có 3 dạng: Hình cơn a, hình phễu b và hình trụ c

a

b

c

Hình 1.8: Kết cấu khn ép
- Khn ép dạng hình cơn, có góc cơn thành bên từ 20-30 độ, chiều dài đoạn
hình trụ từ 5-8mm, được sử dụng nhiều vì kết cấu tương đối đơn giản, kết cấu hình
phễu, kim lọai biến dạng đều hơn nhưng gia cơng khó khăn hơn, cịn kết cấu hình
trụ dễ gia cơng nhưng kim loại biến dạng qua khn khó hơn.
- Vật liệu chế tạo khuôn là thép hợp kim chứa W, V, Mo, Cr..vv hoặc hợp
kim cứng

23


Ép chảy là phương pháp sản xuất các thanh thỏi có tiết diện định hình có

năng suất cao, độ chính xác và độ nhẵn bề mặt cao, trong quá trình ép, kim loại chủ
yếu chịu ứng suất nén nên tính dẻo tăng, do đó có thể ép được những sản phẩm có
tiết diện ngang phức tạp. Nhược điểm của phương pháp là kết cấu ép phức tạp,
khuôn ép yêu cầu chống mòn cao. Phương pháp này được ứng dụng rộng rãi để chế
tạo các thỏi kim loại màu có đường kính từ 5÷200 mm, các ống có đường kính
ngồi đến 800 m, chiều dày 1.5÷8 mm và một số profil khác.
d) Rèn tự do
Rèn tự do là một phương pháp gia công áp lực mà kim loại biến dạng không
bị khống chế bởi một mặt nào khác ngoài bề mặt tiếp xúc giữa phôi kim loại với
dụng cụ gia công (búa và đe). Dưới tác động của lực P do búa 1 gây ra và phản lực
N từ đe 3, khối kim loại 2 biến dạng, sự biến dạng chỉ khống chế bởi hai mặt trên và
dưới, còn các mặt xung quanh hồn tồn tự do.

1
P

P

2

3

N

N

Hình 1.9: Sơ đồ rèn tự do
- Độ chính xác và độ bóng bề mặt khơng cao, năng suất thấp
- Chất lượng và tính chất kim loại từng phần của chi tiết khó đảm bảo giống
nhau nên chỉ gia công các chi tiết đơn giản hay các bề mặt khơng định hình

24