Nghiên cứu công nghệ và thiết kế khuôn dập tạo hình chi tiết phức tạp từ phôi ống

..

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

PHẠM VIỆT LÂM

NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ VÀ THIẾT KẾ KHN DẬP
TẠO HÌNH CHI TIẾT PHỨC TẠP TỪ PHƠI ỐNG

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
KỸ THUẬT CƠ KHÍ

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
TS.LÊ TRUNG KIÊN

Hà Nội - 2017


LỜI CAM ĐOAN
Tơi xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của bản thân thực hiện dưới
sự hướng dẫn của TS.Lê Trung Kiên. Trừ những phần tham khảo đã được ghi rõ
trong luận văn, những kết quả, số liệu nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng
được ai cơng bố trong bất kỳ cơng trình nào khác.
Hà Nội, ngày 25 tháng 09 năm 2017
Tác giả luận văn

Phạm Việt Lâm

1

LỜI NÓI ĐẦU
Tại các cơ sở sản xuất trong nước, việc áp dụng công nghệ gia công áp lực vào
chế tạo các sản phẩm còn rất khiêm tốn với tỷ trọng rất thấp mặc dù số lượng các
sản phẩm cần và phải qua công nghệ gia công áp lực mới giải quyết được bài tốn
nâng cao cơ tính, giảm giá thành sản phẩm. Tại đó, họ mới chỉ chú ý đến cơng nghệ
gia cơng cắt gọt mang tính cổ điển như tiện, phay, bào,... để gia công, chế tạo sản
phẩm.
Công nghệ chồn ống nói chung và cơng nghệ chồn ống nguội nói riêng là vấn
đề khá mới mẻ đối với các trung tâm nghiên cứu, cơ sở sản xuất tại Việt Nam. Tại
các cơ sở giảng dạy, nghiên cứu, sinh viên được trang bị kiến thức một cách lướt
qua với một vài ví dụ và thời gian dành cho nghiên cứu, trao đổi rất ít; tại các diễn
đàn hoặc một số cơng trình nghiên cứu sâu hơn thì đã tiếp cận theo hướng hệ thống
hóa thành hệ thống căn cứ lý luận mà chưa hoặc thiếu tính thực nghiệm để kiểm
chứng. Các cơ sở sản xuất, chế tạo thì thiếu cả kỹ sư chun ngành gia cơng áp lực,
nếu có, thì mảng cơng nghệ chồn ống chưa được chú ý nhiều dẫn đến việc chủ động
nghiên cứu, triển khai áp dụng cịn chưa có hoặc khơng dám thay đổi cơng nghệ cũ
vốn dĩ mắc nhiều nhược điểm.
Chính vì vậy, cơng nghệ chồn ống càng là một vấn đề hoàn toàn mới và xa lạ
đối với thực tế sản xuất mặc dù các chi tiết này hồn tồn có thể hoặc chắc chắn
rằng áp dụng công nghệ gia công áp lực vào tiến trình cơng nghệ chế tạo chi tiết là
hồn tồn khả thi.
Xuất phát từ thực tế sản xuất địi hỏi cần phải áp dụng công nghệ mới vào sản
xuất để nâng cao cơ tính, tăng hiệu suất sử dụng vật liệu, giám giá thành sản phẩm,
qua nghiên cứu bản vẽ sản phẩm, nhận thấy rằng, hồn tồn có thể áp dụng công
nghệ chồn ống vào chế tạo sản phẩm ty đẩy xe máy, ống bạc nối, súng đạn quốc
phòng,…
Mục đích nghiên cứu cơng nghệ chồn ống là tìm mối liên hệ giữa các thơng số
kích thước hình học, làm chủ q trình cơng nghệ và đảm bảo chắc chắn rằng sau

2


khi chồn sản phẩm không gặp bất cứ khuyết tật công nghệ nào, đặc biệt là khuyết
tất gấp.
Luận văn được trình bày trong 4 chương:
Chương 1: Tổng quan về cơng nghệ dập khối phôi ống
Chương 2: Cơ sở lý thuyết q trình tạo hình từ phơi ống
Chương 3: Nghiên cứu, tính tốn và mơ phỏng q trình dập tạo hình chi tiết
phức tạp từ phôi ống
Chương 4: Thực nghiệm dập tạo hình chi tiết và đánh giá tổ chức kim loại sau
tạo hình

3


MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ......................................................................................................1
LỜI NÓI ĐẦU ...........................................................................................................2
MỤC LỤC ..................................................................................................................4
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT .............................................6
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ...................................................................................7
DANH MỤC CÁC BẢNG ........................................................................................9
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ DẬP KHỐI PHÔI ỐNG ........10
1.1. Khái quát chung về công nghệ dập khối.........................................................10
1.1.1. Dập khối và đối tượng nghiên cứu của dập khối......................................10
1.1.2. Sơ đồ công nghệ tổng quát của quá trình dập khối ..................................11
1.1.3. Phân loại các ngun cơng trong cơng nghệ dập tạo hình khối ...............11
1.1.4. Các dạng sản phẩm điển hình ...................................................................12

1.1.5. Ưu nhược điểm của dập khối ...................................................................13
1.2. Công nghệ dập các chi tiết dạng khối từ phôi ống .........................................14
1.2.1. Sơ lược về công nghệ dập các chi tiết dạng khối từ phôi ống..................14
1.2.2. Sự mất ổn định và các dạng khuyết tật xảy ra trong q trình dập khối chi
tiết từ phơi ống....................................................................................................22
Kết luận chương 1 ...................................................................................................32
CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT Q TRÌNH TẠO HÌNH TỪ PHƠI ỐNG
...................................................................................................................................33
2.1. Cơ sở lý thuyết tạo hình từ phơi ống ..............................................................33
2.1.1 Các quy trình thiết kế q trình cơng nghệ ...............................................33
2.2. Xác định lực cho bài tốn chồn ống ...............................................................40
2.3. Thiết kế khn cho quá trình chồn ống ..........................................................44
Kết luận chương 2 ...................................................................................................47
CHƯƠNG 3. NGHIÊN CỨU, TÍNH TỐN VÀ MƠ PHỎNG SỐ Q TRÌNH
DẬP TẠO HÌNH CHI TIẾT PHỨC TẠP TỪ PHƠI ỐNG ................................48
3.1. Xây dựng quy trình cơng nghệ chế tạo chi tiết ty giảm xóc xe máy ..............48
3.1.1. Cắt phơi thép ống. ....................................................................................50
3.1.2. Ngun cơng tóp đầu ................................................................................51

4


3.1.3. Gia cơng cơ khí và tạo hình chi tiết..........................................................52
3.1.4. Tiện rãnh trên chi tiết ...............................................................................54
3.1.5. Khoan lỗ và taro trên chi tiết ....................................................................55
3.2. Mơ phỏng số q trình biến dạng chi tiết ty giảm xóc ...................................56
3.2.1. Vật liệu thí nghiệm ...................................................................................56
3.2.2. Mơ phỏng số q trình biến dạng chi tiết dạng ống trong khn kín ......56
3.2.2.1. Mơ hình hình học ...............................................................................57
3.2.2.2. Kết quả mô phỏng xác định các bước dập tạo hình ...........................60

Kết luận chương 3 ...................................................................................................65
CHƯƠNG 4. THỰC NGHIỆM DẬP TẠO HÌNH CHI TIẾT VÀ ĐÁNH GIÁ
TỔ CHỨC SAU TẠO HÌNH..................................................................................66
4.1. Thực nghiệm chế tạo chi tiết ty giảm xóc xe máy ..........................................66
4.2. Xem xét tổ chức thớ kim loại tại các vùng của chi tiết sau biến dạng. ..........69
Kết luận chương 4 ...................................................................................................73
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ................................................................................74
TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................75

5


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

Ký hiệu
*
d0
h0
hi
H0
H0/D0
(D0/H0)
F
P, Pi (i =1, 2)
K
n
p, q
kf
l0
l

V

*
α
εz
εθ



1, 2, 3


max


1, 2, 3
σr
σz
σθ



τk



Ý nghĩa
Thuật ngữ
Đường kính ban đầu của mẫu hình trụ
Chiều cao ban đầu của lưới ô vuông

Chiều cao hiện tại của lưới ô vuông
Chiều cao ban đầu của mẫu hình trụ

Đơn vị đo

Tỷ lệ co
Diện tích tiết diện ngang
Lực tác dụng lên mẫu
Hệ số độ bền
Số mũ hóa bền
áp lực đơn vị, áp lực riêng
Ứng suất chảy trung bình
Chiều dài của phơi ban đầu
Chiều dài của phơi sau ép
Thể tích biến dạng
Bán kính tức thời
Chữ cái Hy Lạp
Tỷ số biến dạng (độ dốc của đường biến dạng)
Biến dạng dọc trục
Biến dạng vòng
Biến dạng hiệu dụng
Biến dạng chính
Tốc độ biến dạng
Mức độ biến dạng chính
Mức độ biến dạng chính lớn nhất
Hệ số nhân dẻo
Hệ số ma sát
Ứng suất chính
Ứng suất hướng kính
Ứng suất dọc trục

Ứng suất vòng
Ứng suất hiệu dụng
Ứng suất tiếp
Ma sát Tresca
Hệ số poisson

6

N/mm2
mm
mm
mm3

N/mm2
N/mm2
N/mm2
N/mm2
N/mm2
N/mm2


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình 1.1. Sơ đồ q trình dập khối ...........................................................................11
Hình 1.2. Sơ đồ quá trình dập khố ............................................................................11
Hình 1.3. Các dạng sản phẩm dập khối.....................................................................13
Hình 1.4. Hướng thớ của sản phẩm sau khi dập tạo hình .........................................13
Hình 1.5. So sánh hướng thớ kim loại giữ đúc, cắt gọt và dập .................................14
Hình 1.6. Các cáchtạo hình phơi ống ........................................................................15
Hình 1.7. Chi tiết khớp nối được dập từ phơi đặc .....................................................16
Hình 1.8. Chi tiết khớp nối sẽ được dập từ phơi rỗng ...............................................16

Hình 1.9. Kết cấu khn khi dập bánh răng côn răng thẳng và sản phẩm dập từ phơi
ống .............................................................................................................................17
Hình 1.10. Mơ hình bài tốn chồn.............................................................................18
Hình 1.11. Mơ phỏng số q trình chồn ống ............................................................18
Hình 1.12. Bài tốn tạo hình phơi ống trong khn kín............................................19
Hình 1.13. Mơ phỏng hình dạng chi tiết tạo hình bằng phơi ống trong khn kín ..19
Hình 1.14. Sơ đồ ngun lý tạo hình chi tiết đầu nhỏ hơn đường kính ống cơ sở ...21
Hình 1.15. Sơ đồ nguyên lý tạo hình chi tiết đầu lớn hơn đường kính ống cơ sở ....21
Hình 1.16. Sơ đồ nguyên lý tạo hình hai đầu chi tiết ................................................22
Hình 1.17. Sơ đồ ngun cơng chồn phơi .................................................................23
Hình 1.18. Kết quả sau các q trình chồn phơi .......................................................24
Hình 1.19. Phơi bị cong do mất ổn định trong q trình chồn. .................................25
Hình 1.20. Sản phẩm Bu lơng bị khuyết tật sau khi chồn .........................................25
Hình 1.21. Q trình dập Bu lơng .............................................................................26
Hình 1.22. khi tỷ số chồn l/d = 7 thì cần thiết phải chồn 3 bước. .............................27
Hình 1.23. khi tỷ số chồn l/d = 12 thì cần thiết phải chồn 5 bước. ...........................27
Hình 1.24. Khn trên có dạng cơn để tránh mất ổn định khi chồn .........................28
Hình 1.25. Sự mất ổn định của phơi dẫn đến hình thành khuyết tật “gấp”...............29
Hình 1.26. Sơ đồ hình dạng phơi mẫu của vấn đề ống trụ rỗng ...............................30
Hình 1.27. Xuất hiện gấp nếp trong q trình chồn ..................................................30
Hình 1.28. Khn mẫu tối ưu và sản phẩm cuối cùng xem xét hình dạng khn dập
trên trong giai đoạn đầu tiên của quá trình chồn được xác định bởi đường cong bspline và sự thay đổi hệ số ma sát .............................................................................31

7


Hình 2.1: Khối lượng khơng đổi theo vùng chồn và thiết kế hình dạng đối với các
giai đoạn trung gian ...................................................................................................35
Hình 2.2. Xác định các giới hạn biên ngồi và trong đối với việc chồn đồng thời bên
trong và bên ngồi .....................................................................................................36

Hình 2.3. Xác định hình dạng của các giai đoạn trung gian .....................................37
Hình 2.4. Sơ đồ phân bố ứng suất pháp σn trên bề mặt tiếp xúc. ..............................41
Hình 2.5. Bài tốn chày hình cầu nén vào phơi kim loại ..........................................42
Hình 2.6. Sơ đồ chày có tiết diện hình vành khăn nén vào ống kim loại .................43
Hình 2.7. Lịng khn trong khn tán .....................................................................44
Hình 2.8. Lịng khn trong cả khn tán và khn kẹp ..........................................45
Hình 2.9. Lịng khn trong các khn kẹp đối với chồn khn kín .......................45
Hình 2.10. Lịng khuôn trong các khuôn kẹp đối với chồn khuôn hở ......................46
Hình 3.1. Bản vẽ và vị trí làm việc của ty giảm xóc xe máy ....................................48
Hình 3.2. Mơ hình hình học 3D của bài tốn tóp đầu ống ........................................57
Hình 3.3. Mơ hình hình học 3D của bài tốn chuốt trên trục nịng ..........................58
Hình 3.4. Tạo hình qua các ngun cơng tóp và chuốt .............................................59
Hình 3.5. Mơ hình hình học 3D của bài tốn tạo hình đầu chi tiết trong khn kín 59
Hình 3.6. Kết quả mơ phỏng tạo hình đầu chi tiết với 1 ngun cơng .....................60
Hình 3.7. Mơ phỏng quá trình dập định hình qua 2 bước .........................................61
Hình 3.8. Quy trình cơng nghệ dập chi tiết ty giảm xóc qua 4 bước ........................61
Hình 4.1. Thực nghiệm tạo hình đầu chi tiết với 1 bước cơng nghệ.........................66
Hình 4.2. Các khuyết tật khi chuốt trên trục nịng ....................................................67
Hình 4.3. Tổ chức kim loại bị phá hủy khi dập đầu chi tiết qua một bước...............67
Hình 4.4. Sơ đồ ngun lý khn tạo hình bước 4 ...................................................68
Hình 4.5. Chi tiết thực nghiệm ..................................................................................69
Hình 4.6. Mẫu chi tiết khảo sát tổ chức thớ ..............................................................70
Hình 4.7. Tổ chức tế vi mẫu trước khi biến dạng .....................................................70
Hình 4.8. Tổ chức tế vi mẫu tại các vị trí thân chi tiết sau khi vuốt trên trục nịng..71
Hình 4.9. Tổ chức tế vi mẫu sau biến dạng đầu chi tiết qua 2 nguyên công ............71

8


DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1.1. Các dạng phôi, các nguyên công công nghệ và các dạng sản phẩm ........10
dập khối .....................................................................................................................10
Bảng 3.1. Thành phần vật liệu thực nghiệm .............................................................56
Bảng 3.2. Kết quả mơ phỏng tạo hình đầu chi tiết ....................................................62

9


CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ DẬP KHỐI PHÔI ỐNG

1.1. Khái quát chung về công nghệ dập khối
1.1.1. Dập khối và đối tượng nghiên cứu của dập khối
Công nghệ dập tạo hình khối là một phần của cơng nghệ gia cơng kim loại
bằng áp lực nhờ sử dụng tính dẻo của kim loại để làm biến dạng kim loại và điền
đầy lịng khn hoặc làm cho kim loại chảy vào lỗ thốt của cối (hoặc chày) để tạo
ra phơi hoặc chi tiết có hình dạng kích thước theo u cầu.
Q trình dập khối là một cơng đoạn của q trình sản xuất cơ khí hồn chỉnh,
mọi q trình đều có thể chia làm ba phần chính: đầu vào (input) là phơi, q trình
xử lý (process) phơi 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



Rèn, Dập khối



Phôi dập

- Phôi đúc, gù đúc

- Chồn

- Bán thành phẩm

- Phơi cán chu kỳ, định hình

- Vuốt, kéo

- Chi tiết

- Chế độ nhiệt

- Uốn

- Dung sai vật dập

- Vật liệu, cơ tính

- Rát

- Chế độ làm nguội

- Ép chảy
- Đột lỗ
- Vặn xoắn
- Hàn cháy

- Chặt phôi
- Dập trong khn hở
- Dập trong khn kín
Bảng 1.1. Các dạng phôi, các nguyên công công nghệ và các dạng sản phẩm
dập khối
10


1.1.2. Sơ đồ cơng nghệ tổng qt của q trình dập khối

Rèn tự do
Phơi

Nung phơi

Xử lý sau dập

Sản phẩm

Dập khối

Hình 1.1. Sơ đồ quá trình dập khối
Trong sơ đồ trên gù đúc thỏi đúc và các loại thép càn chu kỳ là phơi đầu vào
cho q trình rèn và dập khối. Phôi đầu vào sẽ được nung lên một nhiệt độ thích
hợp trước khi chuyển sang các ngun cơng 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
cơng cơ nếu cần để tạo ra sản phẩm hồn thiện.
1.1.3. Phân loại các nguyên công trong công nghệ dập tạo hình khối

CN DẬP TẠO HÌNH
Dập tấm

Dập khối

Rèn phơi

Uốn

Dập trong khn hở

Thiết bị tạo lực
(Máy dập)

Chồn
Vuốt

…

Dập tạo hình khối

Dập trong khn kín

…

Ép chảy
…

Hình 1.2. Sơ đồ q trình dập khố

11


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 lịng khn gồm dập trong khn hở, dập trong khn
kín, ép chảy…
1.1.4. 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:

12


Hình 1.3. Các dạng sản phẩm dập khối
1.1.5. Ưu nhược điểm của dập khối
 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 1.4. Hướng thớ của sản phẩm sau khi dập tạo hình

13

Hình 1.5. So sánh hướng thớ kim loại giữ đúc, cắt gọt và dập
- Tiết kiệm được nhiều kim loại, 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 hố và tự động hố q trình sản xuất.
- Thao tác đơn giản, khơng 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 vơ cùng lớn (khối lượng đến 500 tấn).
 Nhược điểm
- Chất lượng bề mặt chi tiết thấp, độ chính xác khơng cao, khó khăn cho việc
cơ khí hố và tự động hố q trình sản xuất.
- Cơng nhân phải làm việc trong mơi 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.
- Hiện nay phương pháp dập tạo hình với phơi 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 cơng nghệ lớn.
- 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.
1.2. Công nghệ dập các chi tiết dạng khối từ phôi ống
1.2.1. Sơ lược về công nghệ dập các chi tiết dạng khối từ phôi ống
Định nghĩa đơn giản nhất của tạo hình phơi ống là sự sử dụng ống như một
phơi ban đầu trong q trình tạo hình. Việc sử dụng ống, như phôi chồn, làm giảm
14


khối lượng và số ngun cơng. Có bốn cách tạo hình ống như được chỉ ra trong hình
1.6. đó là:

1. Tạo hình bên ngồi: Đường kính bên ngồi của ống được tăng lên trong khi
đường kính bên trong được cố định.
2. Tạo hình bên trong: Đường kính bên trong của ống được tăng lên trong khi
đường kính bên ngồi được cố định.
3. Tạo hình đồng thời ngồi và trong: Đường kính bên ngồi của ống được tăng
lên trong khi đường kính bên trong của ống giảm.
4. Tạo hình nở ống: Đường kính bên ngồi của ống được tăng lên trong khi độ
dày thành ống vẫn khơng đổi.
Trong q trình tạo hình ống, giảm chiều dài ống và tăng độ dày thành ống là
các giới hạn q trình cơng nghệ. Chiều dài ống chỉ có thể kiểm sốt được bằng
thiết kế thích hợp của khn dập và sự kiểm sốt chính xác chiều dài nung nóng. Do
đó, nên sử dụng kỹ thuật nung nóng giúp kiểm sốt sát sao nhiệt độ và chiều dài
nung nóng. Để khơng cong, mất ổn định trong suốt quá trình chồn, quy tắc thiết kế
trình tự liên quan đến mức tăng độ dày thành ống cho phép nên được tuân thủ
nghiêm ngặt. Bằng cách áp dụng giới hạn q trình tạo hình ống, có thể tiết kiệm rất
nhiều nguyên vật liệu và thu được các sản phẩm như mong muốn.

a) Ngoài

b) Trong

c) Ngoài và trong

d) Giãn nở ống

Hình 1.6: Các cáchtạo hình phơi ống
Hiện nay, các chi tiết truyền động có dạng rỗng như ty đẩy, bánh răng hay
khớp nối thường được chế tạo bằng phương pháp dập khối từ phơi đặc. Điều này
gây lãng phí vật liệu đáng kể do phải sử dụng nguyên công gia công cắt gọt để tạo

15


lỗ rỗng cho chi tiết sau khi dập. Để tiết kiệm vật liệu cho quá trình sản xuất, nhiều
nhà kỹ thuật đã đề xuất sử dụng nguyên công chồn phôi ống để tạo ra sản phẩm
trung gian phù hợp với ngun cơng dập hồn thiện. Tuy nhiên, việc chồn phơi ống
hồn tồn khơng đơn giản bởi phơi dễ bị mất ổn định trong quá chồn, mà một trong
những nguyên nhân chủ yếu đó là lựa chọn kích thước phơi ống ban đầu khơng hợp
lý. Các chi tiết dạng khối có hình dạng phức tạp và có lỗ dạng ống này thường được
dập từ phơi đặc sau đó khoan lỗvừa khơng tiết kiệm về nguyên vật liêu, vừa không
tiết kiệm về năng lượng biến dạng.

Hình 1.7 Chi tiết khớp nối được dập từ phơi đặc

Hình 1.8 Chi tiết khớp nối
sẽ được dập từ phôi rỗng

Hiện tại, người ta dập các chi tiết này từ phôi ống, với cách làm này sẽ có rất
nhiều các ưu điểm nổi bật như: tiết kiệm vật liệu, giảm năng lượng biến dạng, giảm
nguyên công gia công lỗ...mà trước đây chưa làm được.
Với các chi tiết phức tạp như bánh răng hoặc các chi tiết có tỷ lệ Đường
kính/Chiều cao lớn, sự mất ổn định trong q trình tạo hình là vấn đề khó giải. Các
lỗ của chi tiết phải tạo hình bằng con đột trong khn sau đó phải cắt bỏ màng ngăn
lỗ, điều này làm tăng số ngun cơng trong q trình tạo hình. Do vậy, xu thế hiện
nay người ta sử dụng phôi ống có sẵn lỗ để tạo hình các chi tiết dạng bánh răng
(hình 1.9)

16

Hình 1.9. Kết cấu khn khi dập bánh răng cơn răng thẳng và sản phẩm dập từ
phơi ống
Có nhiều nhà nghiên cứu về tạo hình chi tiết từ phơi ống trong đó chủ yếu
nghiên cứu chồn và tạo hình trong khn kín nhưng vấn đề mấu chốt vẫn là kiểm
sốt sự mất ổn định của phôi.
Với nguyên công chồn bao gồm chồn nóng và chồn nguội: Các kích thước
của phơi ban đầu được xác định. Sau đó, số bước để khơng có nếp gấp hoặc cong
oằn, mất ổn định được xác định. Sau khi thiết kế khuôn dập cho tất cả các bước, nên
thực hiện phân tích chi tiết bằng các cơng cụ thích hợp. Có thể thực hiện việc phân
tích bằng các phương pháp phân tích hoặc phương pháp số như phương pháp phân
tích phần tử hữu hạn và khối lượng hữu hạn. Trong q trình chồn nóng, phơi được
nung nóng trước khi nó được đưa vào khn dập đầu tiên. Việc nung nóng phơi ống
u cầu mức kiểm sốt cao hơn so với phơi thanh đặc. Chiều dài ống bị biến dạng là
phần duy nhất nên được nung nóng, để ngăn chặn biến dạng vượt quá vùng chồn.
Đối với hầu hết các cách chồn ống, quá trình chuyển đổi mạnh giữa các bộ phận
được nung nóng và các bộ phận khơng được nung nóng phải được duy trì để giảm
thiểu nguyên vật liệu có thể biến dạng ở phía sau của khu vực chồn.
Chồn phối ơng là một quá trình biến dạng dẻo dễ xảy ra hiện tượng mất ổn
đinh. Tùy thuộc vào hình dạng phơi (chiều cao, bề dày thành phơi, đường kính
trong, đường kính ngồi...), ma sát giữa phôi và khuôn, nhiệt độ phôi...Tuy nhiên
trong bước đầu nghiên cứu chỉ kể đến ảnh hưởng của hình dáng hình học phơi

17


(thơng số hình học phơi), ma sát, kết cấu khn đến q trình biến dạng. Nếu chồn
phơi đặc các nghiên cứu đã chỉ ra rằng hiện tượng mất ổn định xảy ra khi tỉ số H/D
>2.5.

Hình 1.10.Mơ hình bài tốn chồn

Tỷ số H/D=0.2,S/D=0.2

Tỷ số H/D=0.1,S/D=0.05

Tỷ số

Hình 1.11.Mơ phỏng số q trình chồn ống
18


Một số nghiên cứu về tạo hình chi tiết trong khn kín cũng được nghiên
cứu. Hình 1.12 thể hiện mơ hình hình học 3D của bài tốn tạo hình phơi ống trong
khn kín. Mơ hình hình học có thể được xây dựng và tính tốn trong hệ toạ độ trụ
do tính đối xứng trục.
Khn
trên

Khn
giữa

Khn
dưới
Chi tiết

Hình 1.12. Bài tốn tạo hình phơi ống trong khn kín

Hình 1.13. Mơ phỏng hình dạng chi tiết tạo hình bằng phơi ống trong khn kín

19

Cơng nghệ dập tạo hình các chi tiết từ phơi ống ở trạng thái nguội nhằm đáp
ứng được các chỉ tiêu về độ bóng sản phẩm sau chế tạo, cơ tính vật liệu được cải
thiện, tính chất lý - hóa của vật liệu không thay đổi. Điểm mấu chốt của công nghệ
bao gồm hai lĩnh vực:
-

Các thông số công nghệ tính tốn các bước tạo hình, mức độ biến dạng tới
hạn, độ ổn định của phơi trong q trình tạo hình …

-

Cơng nghệ chế tạo khn mẫu đáp ứng được u cầu kỹ thuật khi tạo hình:
Cơng nghệ gia cơng cơ khí khn, cơng nghệ nhiệt luyện các chi tiết
khn …
Các cơng trình nghiên cứu ngồi nước chủ yếu là các tài liệu cũ (trước năm

2000) chủ yếu phục vụ mục đích giới thiệu cơng nghệ trong lĩnh vực đào tạo. Các
thông số công nghệ hầu như chỉđề cập dưới dạng công thức đơn giản hoặc các sơđồ
nguyên lý cơ bản, không thể hiện các thông số công nghệ cần kiểm sốt hoặc các
kết cấu khn mẫu tạo hình. Hiện tại các công ty sản xuất cũng đưa ra các sổ tay tra
cứu nhưng chủ yếu vẫn trong lĩnh vực giới thiệu chi tiết và sản phẩm còn kiến thức
về khn dập tạo hình các chi tiết này sử dụng phơi ống rất ít, các thơng số cơng
nghệ cần kiểm sốt như trường biến dạng và kết cấu khn vẫn được giấu kín.
Heinz Tschätsch đãđưa ra các nguyên lý, kết cấu và các cơng thức tính tốn
của các ngun cơng cơng nghệđiển hình trong gia cơng áp lực như khơng hề có
lĩnh vực dập tạo hình các chi tiết phức tạp từ phôi ống.

20

Hình 1.14. Sơđồ nguyên lý tạo hình chi tiết đầu nhỏ hơn đường kính ống cơ sở
А. Н. Банкетов và các đồng nghiệp đưa ra các sơđồ nguyên lý dập tạo hình
chi tiết phức tạp từ phơi ống với kết cấu phần tạo hình nhỏ hơn so với đường kính
ống cơ sở (hình 1.14 sử dụng trục nịng xoay)

Hình 1.15. Sơđồ nguyên lý tạo hình chi tiết đầu lớn hơn đường kính ống cơ sở

21


Hình 1.16. Sơđồ nguyên lý tạo hình hai đầu chi tiết
Hình 1.15 sử dụng ngun lý trục nịng chuyển động tịnh tiến kết hợp với cối
tạo hìnhđể tạo hình chi tiết có kết cấu phần biến dạng lớn hơn đường kính cơ sở.
Hình 1.16 là ngun lý tạo hình hai đầu cùng một lúc với lõi khn có hai phần
chuyển động vào lịng khn để tạo hình.
А. Н. Гусев vàА. Н. Банкетов chủ yếu đưa ra nguyên lý và kết cấu các
thành phần tạo hình mà khơng đưa ra q trình xảy ra khi tạo hình ống. Các kết
quảđưa ra chỉ dưới dạng mơ hình, giới thiệu cơng nghệ và sản phẩm thương mại.
1.2.2. Sự mất ổn định và các dạng khuyết tật xảy ra trong quá trình dập khối chi
tiết từ phôi ống
Các sản phẩm được chế tạo từ cơng nghệ dập khối nói chung và dập từ phơi ống
nói riêng có thể tồn tại nhiều khuyết tật xuất hiện trong q trình gia cơng như:
-

Ngậm than, xỉ trong lịng vật dập do phơi đúc ban đầu đã có khuyết tật và
khơng khắc phục được khi dập tạo hình

-

Bề mặt bị cháy, ơ xy hóa do tạo hình ở nhiệt độ cao

-

Bề mặt vật dập bị cào xước do ma sát lớn giữa phơi và lịng khn

22


-

Sản phẩm bị cong vênh do ứng suất lớn

-

Sản phẩm có vết nứt tê vi
Trong đó, việc mất ổn định trong quá trình tạo hình chủ yếu sinh ra khuyết

tật gấp.
Khi tính tốn cơng nghệ, người kỹ sư cần phải xem xét sao cho tránh được
các khuyết tật có thể xuất hiện trong vật dập. Tuy nhiên, một trong các dạng khuyết
tật rất khó phát hiện khi tính tốn cơng nghệ đó là biến dạng phơi bị gấp và khơng
thể loại bỏ được khi đã hoàn thành sản phẩm. Những khuyết tật này rất khó phát
hiện bằng mắt thường, chỉ khi siêu âm sản phẩm thì mới phát hiện được. Tác hại
của khuyết tật “gấp” này là khi chịu tải trọng động sẽ rất nhanh chóng dẫn đến ứng
suất tập chung gây phá hủy vật liệu.
Chính vì vậy, để hiểu sâu hơn về dạng khuyết tật gấp, ta sẽ xem xét chúng
trong những trường hợp cụ thể. Đa phần khuyết tật gấp xuất hiện là do khi chịu tải
trọng, vật liệu biến dạng không đồng đều, vùng bị biến dạng, vùng không bị biến

dạng. Trong kết cấu do sự sai khác về kích thước, hình dạng vật thể chịu lực cũng
có thể gây nên mất ổn định. Vì vậy ta khảo sát trước hết mất ổn định trong kết cấu,
sau đó sẽ xem xét đến từng ngun cơng cơng nghệ cụ thể:
Nguyên công chồn thường thực hiện với 2 dạng phơi điển hình đó là phơi
đặc và phơi rỗng. Sơ đồ ngun cơng được biểu diễn bằng hình dưới đây.

Chồn phơi đặc

Chồn phơi rỗng

Hình 1.17. Sơ đồ ngun cơng chồn phôi

23


Thực tế khi nghiên cứu về ngun cơng chồn có khả năng mất ổn định khi:
Khi tỉ lệ chiều cao phơi với đường kính phơi q lớn sẽ dẫn đến hiện tượng mất ổn
định, ngồi ra cịn do bề mặt của chi tiết ngậm xỉ hày còn do chi tiết là chi tiết rỗng
thành quá mỏng mà vì thế khi chồn có thể xảy ra khuyết tật “gấp”. Dưới đây là hình
ảnh về chồn một chi tiết hình trụ có chiều cao ban đầu là 100mm. Quá trình chồn
được tiến hành qua 6 bước để phôi đạt chiều cao sau cùng là 41mm.
Kết quả cuối cùng của quá trình chồn đó chúng ta thấy sản phẩm có dạng
hình tang trống không bị cong vênh nứt vỡ, thỏa mãn các điều kiện về chồn tức là
chiều cao của chi tiết giảm đi và đường kính của chi tiết tăng lên.

Hình 1.18.Kết quả sau các q trình chồn phơi
Ngược lại khi ta tiến hành chồn phơi có đường kính tương tự nhưng với
chiều cao là 150mm. Khi chồn chi tiết xuống độ cao còn 118mm. Ta thấy đường
24