Tài liệu Gia công kim loại bằng áp lực pptx

Bài giảng
Gia công kim loại
bằng áp lực
Chơng 2 gia công kim loại bằng áp lực
2.1 Khái niệm về gia công kim loại bằng áp lực
GCKL bằng áp lực là phơng pháp làm biến dạng phôi để tạo nên nhứng sản
phẩm có hình dạng và kích thớc theo yêu cầu .
Sản phẩm của GCAL đợc dùng nhiều trong ngành chế tạo máy hoặc sửa chữa
máy; trong các ngành điện, điện tử, tin học, xây dựng, kiến trúc, cầu đờng và trong
công nghiệp chế tạo hàng tiêu dùng ...
2.1.1 Đặc điểm
Kim loại gia công ở thể rắn, sau khi gia công không những thay đổi hình dáng, kích
thớc mà
còn thay đổi cả cơ tính, lý tính, hoá tính của kim loại nh kim loại mịn chặt hơn, hạt
đồng đều, khử các khuyết tật do đúc gây nên nh rỗ khí, rỗ co v.v..., nâng cao cơ tính
và tuổi bền của chi tiết v.v ...
Ví dụ : kim loại tạo thành thớ sau khi cán, kéo; kim loại mịn chặt hơn do lực ép
khi dập, ...
GCAL có thể thực hiện ở trạng thái nguội đối với kim loại có tính dẻo cao nh đồng
(Cu), nhôm (Al),... Để tăng tính dẻo ngời ta phải tiến hành nung nóng trớc khi gia
công đối với kim loại khó biến dạng, kim loại có độ bền cao. Khi nung nóng có thể
xảy ra hiện tợng ôxy hoá tạo nên lớp vảy sắt , làm hao phí kim loại, tăng ma sát
trong thành khuôn; Có thể xảy ra hiện tợng mất các bon, hiện tợng cháy, nứt nẻ,
hiện tợng quá nhiệt làm thay đổi tính chất của vật liệu. Nên cần chọn chế độ nung :

thời gian nung và khoảng thời gian nung hợp lý.
Khi gia công tinh thờng ngời ta gia công nguội vì độ chính xác cao.
GCAL là một quá trình sản xuất cho phép ta nhận các chi tiết có kích thớc chính
xác, chất lợng bề mặt chi tiết tốt, lợng phế liệu thấp và chúng có tính cơ học cao
so với các vật đúc.
Gia công kim loại bằng áp lực cho năng suất cao vì có khả năng cơ khí hoá và tự
động hoá cao. Nh các máy chế tạo ren ốc vít, nút chai,...
2.1.2 Các phơng pháp gia công kim loại bằng áp lực
Gia công áp lực gồm có các phơng pháp chính sau : Cán kim loại, kéo kim
loại, ép kim loại, rèn tự do, Rèn khuôn ( hay còn gọi là dập thể tích, dập khối) và dập
tấm.

2.2- Khái niệm về biến dạng của kim loại.
2.2.1 Ngoại lực và nội lực trong gia công áp lực
a. Ngoại lực: Lực tác dụng chính , phản lực, lực quán tính , lực ma sát ...
Lực tác dụng chính: là lực tác dụng lên kim loại làm biến dạng nó thông qua dụng cụ
gia công: đầu búa, khuôn rèn, . . .
Nhiều lực tác dụng chính có thể quy về 1 lực tổng hợp.
Biến dạng của vật phụ thuộc vào: cờng độ lực, phơng chiều và điểm đặt
của lực tác dụng.

42

R
P
F
MS
(lực ma sát)
Lực quá tính
Hình 2-1 Sơ đồ tác dụng lực

Phản lực và lực ma sát
Phản lực (R): là lực luôn thẳng góc với mặt tựa và ngợc chiều với lực tác dụng chính.
Phản lực thờng sinh ra trên bộ phận cố định của thiết bị và thẳng góc với mặt tựa của
thiết bị. Khi tính phản lực ta cần tính đến lực ma sát vì nó ảnh hởng lớn đến quá trình
biến dạng.
Lực ma sát (F
ms
): ngợc chiều với sự dịch chuyển trong kim loại và có trị số:
F
ms
= fR
f - Hệ số ma sát R - lực pháp tuyến;

P
P
b
a
Hình 2-2 a, Biến dạng toàn bộ b,Biến dạng một phần

Lực quán tính :

Là lực sinh ra do sự di động không đều của các chất điểm trong vật thể khi biến
dạng. (Hay nói cách khác là do biến dạng không đều và tốc độ biến dạng không đều).
Trị số của lực quán tính: F = m.a
m - khối lợng của vật chuyển động;
a - Gia tốc của chất điểm chuyển động
Vì nghiên cứu về gia tốc chuyển động của các chất điểm rất phức tạp nên khi
tính toán ngời ta đa ra những hệ số bằng thực nghiệm để tính giá trị gần đúng của nó.
Trọng lực : là lực hút của trái đất đối với mọi vật. Lợng biến dạng của kim loại phụ
thuộc vào trọng lực.
43
Khi búa đập từ trên xuống
Khi búa đập từ trên xuống
Khi búa đập từ dới lên
Vật cần gia công

Hình 2-3 Sự biến dạng của kim loại phụ thuộc vào trọng lực

b. Nội lực:
Nội lực là lực sinh ra bên trong vật thể trong khi gia công và tồn tại trong vật thể sau
khi gia công. Nội lực này cân bằng với nhau, nên nó chỉ gây ra 1 ứng suất bên trong
vật thể.
Nếu ứng suất bên trong lớn hơn giới hạn bền thì vật có thể bị phá huỷ, nứt nẻ,...
Nguyên nhân sinh ra nội lực:
Do lực tác dụng không đều;
Do sự nung nóng không đều;
Sự biến dạng giữa các bộ phận không đều;
Tổ chức kim loại bị thay đổi;
Do tác dụng của các hiện tợng lý hoá;
Nội lực có khả năng làm giảm độ bền, làm ảnh hởng đến khả năng làm việc của
kết cấu cho nên sau khi gia công cần khử bỏ các nội lực. Nội lực có thể khử bỏ hoặc

giảm băng các phơng pháp nhiệt luyện hoặc gia công cơ học.
2.2.2 Khái niệm về các loại biến dạng
Trong quá trình gia công ngời ta lợi dụng biến dạng dẻo của kim loại để tạo ra
những sản phẩm có hình dạng và kích thớc theo yêu cầu. Để xác định quy trình công
nghệ gia công hợp lý và khoa học chúng ta cần biết cơ sở lý thuyết của quá trình biến
dạng kim loại khi gia công.
Sự tạo nên hình dáng của vật thể hay sản phẩm phụ thuộc vào mức
độ biến dạng của kim loại . Trong gia công áp lực có ba loại biến dạng: biến dạng đàn
hồi, biến dạng dẻo và biến dạng phá huỷ.
a- Biến dạng đàn hồi : là biến dạng mà sau khi thôi tác dụng nó sẽ trở về trạng thái
ban đầu của vật thể.
b- Biến dạng dẻo : là biến dạng mà sau khi khử bỏ lực tác dụng kim loại không trở về
hình dạng và trạng thái ban đầu của nó. Khi ta tác dụng vào vật thể một lực, vật thể bị
biến dạng. Lợng biến dạng còn tồn tại sau khi ta khử bỏ tải trọng gọi là biến dạng d.
Biến dạng d xuất hiện khi ứng suất bên trong vật thể vợt quá giới hạn đàn hồi. Quá
trình biến dạng d mà trong đó trên các phần của vật thể không có sự phá huỷ thô đại
(nứt nẻ) gọi là quá trình biến dạng dẽo. Trong biến dạng dẻo luôn tồn tại biến dạng đàn
hồi, nên ta cần tính đến lợng biến dạng này khi thiết lập quy trình gia công cho hợp lý
.
c- Biến dạng phá huỷ : là biến dạng mà sau khi khử bỏ lực tác dụng trên bề mặt kim
loại tồn tại các vết nứt thô đại hay kim loại bị nứt, gẫy, phá huỷ.
44
Gia công áp lực là phơng pháp làm biến dạng dẻo vật liệu nhằm chế tạo sản
phẩm hay tạo phôi cho gia công cơ khí, nâng cao cơ tính cho vật liệu, loại trừ khuyết tật
do đúc sinh ra, giảm lợng d gia công cơ, nâng cao độ chính xác cho quá trình gia
công cơ ( các loại thép tấm, thép đờng ray, thép góc (V) thép tròn,...; đồng thời bằng
phơng pháp này ta cũng có thể chế tạo các loại chi tiết nh : nút chai, nắp hộp, loong
đựng dầu mở, đựng nớc hoa quả ,...
Gia công kim loại bằng áp lực là quá trình lợi dụng giai đoạn biến dạng dẻo của kim
loại nên ta chủ yếu tìm hiểu một số vấn đề liên quan đến quá trình biến dạng dẽo mà

thôi.
Kim loại là một đa tinh thể vì vậy để xét biến dạng dẽo của kim loại ta lần lợt xét
biến dạng dẽo trong đơn tinh thể và sau đó là biến dạng trong đa tinh thể.
d- Biến dạng dẻo trong đơn tinh thể
Qua nhiều công trình nghiên cứu và thực nghiệm cho thấy thực chất của biến dạng
trong đơn tinh thể là sự trợt và song tinh.
Sự trợt:
Trong đơn tinh thể kim loại, các nguyên tử sắp xếp theo một trật tự xác định, mỗi
nguyên tử luôn dao động xung quanh một vị trí cân bằng của nó (a).







b
a






Hình 2-4 Sơ đồ biến dạng trong đơn tinh thể
c
d

Khi tác dụng lên đơn tinh thể thì đơn tinh thể chịu 2 ứng suất: ứng suất pháp và ứng
suất tiếp.

Khi tác dụng lên tinh thể một tải trọng kéo nén thuần tuý tức là véc tơ của ứng suất
pháp thẳng góc với mặt tinh thể thì khi tải trọng tăng, khoảng cách giữa các phân tử
tăng. Nếu ứng suất pháp nhỏ hơn giới hạn đàn hồi thì sau khi khử bỏ tải trọng , các
nguyên tử sẽ trở về vị trí cân bằng. Nếu ứng suất pháp lớn hơn giới hạn đàn hồi thì
lúc đó mối liên kết giữa các nguyên tử bị phá vở. Nh vậy với tải trọng kéo nén
thuần tuý, tinh thể chỉ tồn tại biến dạng đàn hồi hay biến dạng phá huỷ.
Dới tác dụng của lực P không thẳng góc với mặt phẳng trợt (mặt phảng tinh thể)
lực P đợc phân ra hai thành phần:
+ Theo ph
ơng pháp tuyến
+ Theo phơng tiếp tuyến;

45

P
P
2
P
1





Hình 2- 5 Sơ đồ nguyên lý gây nên sự trợt

P
1
thẳng góc với mặt trợt gây ra ứng suất pháp ( tải trọng kéo nén thuần tuý) và do
đó nó chỉ gây ra biến dạng đàn hồi .

Lực P
2
nằm trên mặt trợt (ứng suất tiếp) là lực xê dịch gây nên sự trợt & là lực
duy nhất gây nên biến dạng d. Dới tác dụng của phân lực P
2
các lớp nguyên tử sẽ
trợt lên nhau .
Theo hình thức trợt, một phần đơn tinh thể dịch chuyển song song với phần còn
lại theo một mặt phẳng nhất định, mặt phẳng này gọi là mặt trợt (c). Trên mặt trợt,
các nguyên tử kim loại dịch chuyển tơng đối với nhau một khoảng đúng bằng số
nguyên lần thông số mạng, sau dịch chuyển các nguyên tử kim loại ở vị trí cân bằng
mới, bởi vậy sau khi thôi tác dụng lực kim loại không trở về trạng thái ban đầu.
Nh vậy:
Trợt là nguyên nhân cơ bản gây nên biến dạng dẽo. ứng suất tiếp lớn nhất mà đạt
đợc sự trợt gọi là ứng suất tiếp tới hạn .
Những mặt phẳng của mạng tinh thể xảy ra sự trợt gọi là mặt trợt .
Sự trợt xảy ra một cách tuần tự từ mặt trợt này đến mặt trợt khác . ( Mặt trợt
sinh ra ở mặt nào có mật độ nguyên tử nhiều nhất vì ở đó khoảng cách giữa các
nguyên tử nhỏ nhất.
Song tinh
Theo hình thức song tinh, một phần tinh thể vừa trợt vừa quay đến một vị trí
mới đối xứng với phần còn lại qua một mặt phẳng gọi là mặt song tinh (d). Các nguyên
tử kim loại trên mỗi mặt di chuyển một khoảng tỉ lệ với khoảng cách đến mặt song tinh.
Các nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm cho thấy trợt là hình thức chủ yếu gây
ra biến dạng dẻo trong kim loại, các mặt trợt là các mặt phẳng có mật độ nguyên tử
cao nhất. Biến dạng dẻo do song tinh gây ra rất bé, nhng khi có song tinh, trợt sẽ xẩy
ra thuận lợi hơn.
e- Biến dạng trong đơn tinh thể
Biến dạng dẻo của đa tinh thể: kim loại và hợp kim là tập hợp của nhiều đơn tinh
thể (hạt tinh thể), cấu trúc của chúng đợc gọi là cấu trúc đa tinh thể. Trong đa tinh thể,

biến dạng dẻo có hai dạng: biến dạng trong nội bộ hạt và biến dạng ở vùng tinh giới
hạt. Sự biến dạng trong nội bộ hạt do trợt và song tinh. Đầu tiên sự trợt xẩy ra ở các
hạt có mặt tr
ợt tạo với hớng của ứng suất chính một góc bằng hoặc xấp xỉ 45
o
, sau đó
mới đến các mặt khác. Nh vậy, biến dạng dẻo trong kim loại đa tinh thể xẩy ra không
đồng thời và không đồng đều. Dới tác dụng của ngoại lực, biên giới hạt của các tinh
thể cũng bị biến dạng, khi đó các hạt trợt và quay tơng đối với nhau. Do sự trợt và
quay của các hạt, trong các hạt lại xuất hiện các mặt trợt thuận lợi mới, giúp cho biến
dạng trong kim loại tiếp tục phất triển.
46
2.3 Các hiện tợng xảy ra khi biến dạng dẻo.
2.3.1 Hiện tợng biến cứng
Trong quá trình biến dạng dẻo phát sinh ra các hiện tợng sau:
Thay đổi hình dạng của đơn tinh thể của đơn tinh thể.
Hớng của đa tinh thể thay đổi từ vô hớng quay về trục tác dụng của lực tác dụng
do đó tinh thể bị kéo dài theo hớng đó từ vô hớng thànhcó hớng nhất định.
Gây nên ứng suất d - do biến dạng không đều cùng lúc & biến
dạng trong nội bộ hạt tinh thể không đều. Các ứng suất này có thể tồn tại và làm cho
vật thể bị cong vênh, nứt .. sau khi biến dạng.
2.3.2 Hiện tợng biến mềm
Là quá trình biến kim loại từ trạng thái mất cân bằng có thế năng tự do cao (do
biến cứng) về trạng thái cân bằng (có thế năng bé) nhờ sự nung nóng , tạo điều kiện
phục hồi liên kết do sự nát vụn trong kim loại. Tuỳ theo nhiệt độ nung nóng quá trình
biến mềm có thể chia thành 2 giai đoạn:
2.3.3 Giai đoạn phục hồi
Nhờ sự nung nóng đến nhiệt độ nhất định , các nguyên tử bắt đầu dao động và trở về vị
trí cân bằng bền, phục hồi lại lý tính cơ tính và hoá tính nh cũ. Giai đoạn này không
làm thay đổi hớng và hình dạng của đơn tinh thể cũng nh không thể phục hồi sự phá

hoại do sự biến dạng gây nên giữa các đơn tinh thể mà chỉ khử đợc ứng suất d. còn
cấu trúc mạng tinh thể không có sự thay đổi.
2.3.4 Giai đoạn kết tinh lại
là quá trình mà trong đó nhờ tác dụng của nhiệt độ, cấu trúc cảu mạng tinh thể
bị thay đổi , nảy nở và phát triển nhiều mầm mới .
Đối với kim loại nguyên chất: T
k.t.l.
>= 0,4 T
nc
Kết quả của quá trình kết tinh lại
Khử ứng suất d;
Thay đổi hình dạng kích thớc của hạt;
Phá vở tính dị hớng của kim loại
Làm đồng đều thành phần hoá học ( do khuyếch tán ) làm mất khe hở giữa các hạt,
nâng cao tính chặt chẻ giữa các phần của kim loại.
Giảm khả năng chống biến dạng, tăng tính dẽo, thay đổi cơ, lý, hoá tính của kim
loại.

2.4. Các yếu tố ảnh hởng đến tính dẻo và biến dạng của kim loại
Tính dẻo của kim loại là khả năng biến dạng dẻo của kim loại dớc tác dụng của
ngoại lực mà không bị phá huỷ. 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 d, ma sát ngoài, lực quán tính, tốc độ biến dạng ...
2.4.1 ảnh hởng 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 thờng 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. Thông
47
thờng kim loại sạch và hợp kim có cấu trúc một pha dẻo hơn hợp kim có cấu trúc

nhiều pha. Các tạp chất thờng tập trung ở biên giới hạt, làm tăng xô lệch mạng cũng
làm giảm tính dẻo của kim loại.
2.4.2 ảnh hởng 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 khuếch tán của các nguyên tử tăng làm cho tổ chức
đồng đều hơn. Một số kim loại và hợp kim ở nhiệt độ thờng 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
20ữ100
0
C thì độ dẻo tăng chậm nhng từ 100ữ400
0
C độ dẻo giảm nhanh, độ giòn tăng
(đối với thép hợp kim độ dẻo giảm đến 600
0
C), quá nhiệt độ này thì độ dẻo tăng nhanh.
ở nhiệt độ rèn nếu hàm lợng cácbon trong thép càng cao thì sức chống biến dạng càng
lớn.
2.4.3 ảnh hởng của ứng suất d
Khi kim loại bị biến dạng nhiều, các hạt tinh thể bị vỡ vụn, xô lệch mạng tăng,
ứng suất d lớn làm cho tính dẻo kim loại giảm mạnh (hiện tợng biến cứng). Khi nhiệt
độ kim loại đạt từ 0,25 - 0,30T
nc
(nhiệt độ nóng chảy), ứng suất d và xô lệch mạng
giảm làm cho tính dẻo kim loại phục hồi trở lại (hiện tợng phục hồi). Nếu nhiệt độ
nung đạt tới 0,4T
nc
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.

Hình 2- 6 ứng suất sinh ra sau khi biến dạng


Ví dụ sau khi biến dạng cong vật thể chịu ứng suất nén ở mặt trên và ứng suất
kéo ở mặt dới.

2.4.4 ảnh hởng của trạng thái ứng suất chính
Trạng thái ứng suất chính cũng ảnh hởng đáng kể đến tính dẻo của kim loại.
Qua thực nghiệm ngời ta thấy rằng kim loại chịu ứng suất nén khối có tính dẻo cao
hơn khi chịu ứng suất nén mặt, nén đờng hoặc chịu ứng suất kéo. ứng suất d, ma sát
ngoài làm thay đổi trạng thái ứng suất chính trong kim loại nên tính dẻo của kim loại
cũng giảm.
Giả sử trong vật hoàn toàn không có ứng suất tiếp thì vật thể chịu 3 ứng suất chính
sau:



48

1


2

3


1


2





1



Hình 2-7 Biểu diễn các loại ứng suất khi biến dạng

- ứng suất đờng:
max
=
1
/2; - ứng suất mặt:
max
= (
1
-
2
)/2;

- ứng suất khối:
max
= (
max
-
min
)/2; Nếu
1
=
2
=
3
thì = 0 không có biến
dạng, ứng suất chính để kim loại biến dạng dẻo là giới hạn chảy
ch
.













Hình 2-8 ảnh hởng của trạng thái ứng suất đến tính dẻo của kim loại

Tính dẻo tăng từ trạng thái kéo khối đến nén khối

2.4.5 ảnh hởng của tốc độ biến dạng
Sau khi rèn dập, các hạt kim loại bị biến dạng do chịu tác dụng mọi phía 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 nh cũ. Nếu tốc độ biến dạng nhanh hơn tốc độ kết tinh lại
thì các hạt kim loại bị chai cha kịp trỡ lại trạng thái ban đầu mà lại tiếp tục biến dạng,
do đó ứng suất trong khối kim loại sẽ lớn, hạt kim loại bị dòn và có thể bị nứt.
Nếu lấy 2 khối kim loại nh 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 nhng độ biến dạng
tổng cộng trên máy ép lớn hơn.



49
2.5. Một số định luật áp dụng trong gia công áp lực
2.5.1 . Định luật biến dạng đàn hồi tồn tại khi biến dạng dẻo
Khi biến dạng dẻo của kim loại xảy ra đồng thời đã có biến dạng đàn hồi tồn tại.
Quan hệ giữa chúng qua định luật Hooke. Khi biến dạng kích thớc của kim loại so với
kích thớc sau khi thôi tác dụng khác nhau.
Biến dạng đàn hồi
Biến dạng dẻo

Hình 2- 9 Hình dáng chi tiết trớc và sau khi biến dạng
2.5.2. Định luật ứng suất d
Trong quá trình biến dạng dẻo kim lọai vì ảnh hởng của các nhân tố nh: nhiệt
độ không đều, tổ chức kim loại không đều, lực biến dạng phân bố không đều, ma sát
ngoài v.v... đều làm cho kim loại sinh ra ứng suất d.
" Bên trong bất cứ kim loại biến dạng dẻo nào cũng đều sinh ra ứng suất d cân
bằng với nhau "

Sau khi thôi lực tác dụng, ứng suất d vẫn còn tồn tại. Khi phân tích trạng thái
ứng suất chính cần phải tính đến ứng suất d.
Trớc khi biến dạng
a.
b.



C

Hình 2- 10 Nội lực khi uốn thanh thép

a/ Thanh thẳng ;
b/ ứng suất kéo nằm ở phía trên thanh, ứng suất nén nằm phía dới thanh;
c/ ứng suất kéo nằm ở phía dới thanh , ứng suất nén nằm phía trên thanh.
(Nội lực làm giảm khả năng chịu lực của thanh)

50
2.5.3. Định luật thể tích không đổi
" Thể tích của vật thể trớc khi biến dạng bằng thể tích sau khi biến dạng"
H.B.L = h.b.l


ln ln ln
H
h
B
b
L
l

++=0


1
+
2
+
3
= 0
với:
1
,
2
,
3
- biến dạng thẳng hoặc ứng biến chính.
Từ các công thức trên ta có kết luận:
Khi tồn tại cả 3 ứng biến chính thì dấu của 1 ứng biến chính phải khác dấu với dấu
của 2 ứng biến chính kia, và trị số bằng tổng của 2 ứng biến chính kia.
Khi có 1 ứng biến chính bằng 0, hai ứng biến chính còn lại phải ngợc dấu và giá trị
tuyệt đối của chúng bằng nhau.
ví dụ: Khi chồn 1 khối kim loại thì độ cao giảm đi (
1
< 0) do đó:

2
+
3
=
1

2
1
3
1
1+=

Nếu


2
1
06= ,
thì


3
1
04= ,
nghĩa là sau khi chồn có 60% chuyển theo chiều rộng và
40% chuyển theo chiều dài.
ứng dụng định luật này để tính toán phôi hoặc xác định mức độ biến dạng.

2.5.4. Định luật trở lực bé nhất
Trong quá trình biến dạng, các chất điểm của vật thể sẽ di chuyển theo hớng
nào có trở lực bé nhất. Khi ma sát ngoài trên các hớng của mặt tiếp xúc đều nhau thì

một chất điểm nào đó trong vật thể biến dạng sẽ di chuyển theo hớng có pháp tuyến
nhỏ nhất. Khi lợng biến dạng càng lớn tiết diện sẽ chuyển dần sang hình tròn làm cho
chu vi của vật nhỏ nhất.
Ví dụ: Khi vuốt, bớc vuốt phải nhỏ hơn chiều rộng phôi.









Hình 2- 11 Hình dáng của phôi sau khi chồn




51
2.6 Nung nóng kim loại khi gia công áp lực

Khi gia công áp lực có thể phải nung nóng. Nung nóng kim loại trớc khi GCAL
nhằm nâng cao tính dẻo và giảm khả năng chống biến dạng của chúng, tạo điều kiện
thuận tiện cho quá trình biến dạng. Nung nóng kim loại là một trong những khâu quan
trọng ảnh hởng đến tính kinh tế kỹ thuật của sản xuất. Chọn chế độ nung hợp lý sẽ
làm tăng cao chất lợng sản phẩm, giảm hao phí kim loại, giảm sức lao động, giảm hao
mòn thiết bị và giảm giá thành sản phẩm, nâng cao năng suất lao động.
2.6.1. Những hiện tợng xảy ra khi nung
Thay đổi độ dẻo
Khi nung đến nhiệt độ rèn , độ dẻo tăng , độ cứng và độ bền giảm. Đối với thép

các bon và thép hợp kim thấp :
Từ 20 -100
o
C - độ dẽo tăng chậm;
Từ 200-600
o
C độ dẻo giảm dần;
ở nhiệt độ 500 - 550
o
C thép bị dòn;
Khi T > 600
o
C độ dẻo tăng nhanh;
Thay đổi độ dẫn nhiệt
Thép các bon : độ dẫn nhiệt giảm khi nhiệt độ tăng tới 800-850
o
C.
Thép hợp kim ( tuỳ theo thành phần các nguyên tố) Thép chứa nhiều Cr, Ni có
độ dẫn nhiết tăng dần khi nhiệt độ tăng.
Kim loại có độ dẫn nhiệt càng lớn thì thời gian nung càng ít.
Hiện tợng ôxyhoá
Kim loại khi nung trong lò, do tiếp xúc với không khí, khí lò nên bề mặt nó dễ bị
ôxyhoá và tạo nên lớp vảy sắt. Sự mất mát kim loại đến 4 ữ 6%, còn làm hao mòn thiết
bị, giảm chất lợng chi tiết v.v...
Quá trình ôxy hoá xảy ra do sự khuyết tán của nguyên tử ôxy vào lớp kim loại
và sự khuyết tán của nguyên tử kim loại qua lớp ôxyt ở mặt ngoài vật nung để tạo thành
3 lớp vảy sắt: FeO - Fe
3
O
4

- Fe
2
O
3
. Nhiệt độ nung trên 570
0
c lớp vảy sắt tăng mạnh và
trên 1000
0
C lớp vảy sắt dày đặc phủ kín mặt ngoài vật nung, nhiệt độ tiếp tục tăng lớp
ôxyt này bị cháy, đồng thời tạo nên lớp ôxyt mới. Ôxy hoá có thể do ôxy của không khí
hoặc do oxy có trong khí CO
2
, trong hơi nớc H
2
O.



Fe
2
O
3
Fe
3
O
4
FeO
Kim loại
cơ bản

(thép)




Hình 2- 12 Sơ đồ cấu tạo lớp vảy sắt
Nếu nhiệt độ tăng thì lớp oxit trên bị cháy và hình thành lớp ôxit mới.
2 Fe + O
2
= 2FeO
6 FeO + O
2
= 2 Fe
3
O
4
4 Fe
3
O
4
+ O
2
= 6 Fe
2
O
3
;
52
Lớp bên ngoài rất mỏng Fe
2

O
3
chiếm khoảng 2 % toàn bộ chiều dày; Lớp Fe
3
O
4

chiếm khoảng 18%
Hiện tợng mất cácbon
Hiện tợng mất cácbon trên bề mặt của vật nung sẽ làm thay đổi cơ tính của chi
tiết, có khi tạo nên cong vênh, nứt nẻ khi tôi. Quá trình mất các bon là do các chất khí
O
2
, CO
2
, H
2
O, H
2
... tác dụng với cácbít sắt Fe
3
C của thép:
2Fe
3
C + O
2
= 6Fe + 2CO ặ 2CO +O
2
ặ2CO
2

;
Fe
3
C + CO
2
= 3Fe + 2CO ặ -/-
Fe
3
C + H
2
O = 3Fe + CO + H
2
ặ

-/-
Fe
3
C + 2H
2
= 3Fe + CH
4
ặ

-/-
Tác dụng mạnh nhất là H
2
O rồi đến CO
2
, O
2

, H
2
...
Để giảm sự mất C có thể dùng chất sơn phủ lên bề mặt vật nung.
Hiện tợng quá nhiệt
Khi nung thép quá nhiệt độ tới hạn (T > T
đ
- 150)
o
C và giữ lâu thì kích thớc hạt
ôstenit càng lớn, làm cho tính dẻo của kim loại giảm nhiều, có thể tạo nên nứt nẻ khi
gia công hoặc giảm tính dẻo của chi tiết sau này.
Đối với thép cacbon nhiệt độ quá nhiệt dới đờng đặc khoảng 150
0
trở lên.
Thép các bon kết cấu (%C <0,4%) Nhiệt độ quá nhiệt khoảng 1300
o
C;
(%C >0,4%) 1150
o
C
Thép hợp kim 20X, 40X 1050-1100
o
C
(TCVN 20Cr, 40Cr)
Hiện tợng này đợc khắc phục bằng phơng pháp ủ. Loại quá nhiệt nhiều có
thể phải tiến hành ủ từ 2 - 6 lần.
Hiện tợng cháy
Khi kim loại nung trên nhiệt độ quá nhiệt (gần đờng đặc) vật nung bị phá huỷ
tinh giới của các hạt do vùng tinh giới bị ôxy hoá mãnh liệt. Kết quả làm mất tính liên

tục của kim loại, dẫn đến phá huỷ hoàn toàn độ bền và độ dẻo của kim loại.

Tinh giới hạt kim loại





Hình 2- 13 Tinh giới hạt bị oxy hoá và phá huỷ
Nhiệt độ cháy của một số thép nh sau :
Y12, Y13 (TCVN - CD120, CD 130) nhiệt độ cháy là 1200
o
C
45, 2X13 (TCVN - C45,1Cr13) 1350
o
C
Sau khi bị cháy thì kim loại phải vứt đi hoặc cắt bỏ phần bị cháy.
Nứt nẻ:
Hiện tợng nứt nẻ xuất hiện bên ngoài hoặc bên trong kim loại.
Nguyên nhân: Do ứng suất nhiệt sinh ra vì sự nung không đều, tốc độ nung
không hợp lý v.v...ứng suất nhiệt này cùng với ứng suất d sẵn có của phôi (cán, đúc)
khi vợt qua giới hạn bền của kim loại sẽ gây ra nứt nẻ.
Đối với thép thờng xảy ra nứt nẻ ở t
0
< 800
0
C.
53
2.6.2 Chế độ nung kim loại
Yêu cầu đối với chế độ nung là phải thoả mản các yêu cầu kỹ thuật và kinh tế.

Đạt tính dẻo cao, không có khuyết tật và chi phí ít.
Chọn khoảng nhiệt độ nung:
Yêu cầu:
Đảm bảo kim loại dẻo nhất. Kim loại biến dạng tốt và hao phí ít nhất.
Chất lợng vật nung phải đợc bảo đảm.
Đối với thép cácbon dựa trên giản đồ Fe-C để chọn khoảng nhiệt độ nung khi GCAL


727
1147
911
Vùng gia
công áp lực
Vùng quá nhiệt Vùng cháy














Hình 2- 14 Sơ đồ chọn khoảng nhiệt độ gia công đối với thép các bon

Thời gian nung phụ thuộc vào hình dạng , kích thớc, độ phức tạp của phôi, các
tính chất của vật liệu, phơng pháp nung, phơng pháp xếp phôi liệu vào lò , ...
Chế độ nung hợp lý cần đảm bảo nung kim loại đến nhiệt độ cần thiết trong một
thời gian cho phép nhỏ nhất. Nhiệt độ phải phân bố đều trên toàn bộ tiết diện phôi. Căn
cứ vào giản đồ trạng thái sắt các bon ( ứng dụng cho thép các bon )
Ví dụ : Đối với thép các bon (Thép trớc cùng tích %C < 0,8%):
Nhiệt độ bắt đầu gia công T
bđGC
= T
đặc
- ( 150 ... 200 )
o
C
Nhiệt độ kết thúc gia công T
ktgc
= TAr3 + ( 20 ... 40 )
o
C
Đối với thép sau cùng tích
Sở dĩ phải kết thúc dới đờng Acm và trên Ac1 vì:
Nếu trên Acm thì mặc dù kim loại ở trạng thái 1 pha có tính dẻo cao , nhng khi
nguội sẽ tiết ra xêmentít (Fe
3
C) ở dạng lới làm giảm tính dẻo.
Nếu kết thúc dới A
cm
thì lúc gia công xêmentít bị vở vụn ra khi gia công ở dạng hạt
nên vật gia công vẫn có độ bền và độ dẻo cao.
Đối với thép trớc cùng tích:
Nếu kết thúc gia công dới đờng Ac3 thì mặc dù kim loại ở trạng thái 2 pha nhng

pha fe rít có độ dẻo cao nên vẫn gia công đợc không ảnh hởng đến chất lợng sản
phẩm.
54
ứng với mỗi kim loại và hợp kim có một khoảng nhiệt độ nung xác định . Chúng
ta có thể tham khảo trong các sổ tay về rèn dập hay gia công áp lực.
Thời gian nung
Thời gian nung cần phải chọn hợp lý để đảm bảo:
Yêu cầu kỹ thuật: Nhiệt độ phân bố đều, chất lợng vật nung đảm bảo tốt không nứt
nẻ, không bị biến dạng cong vênh, không có khuyết tật,...
Yêu cầu kinh tế: nung chi tiết nhanh, không hao phí nhiều kim loại, năng suất cao,
giảm lợng nhiên liệu...
Thời gian nung phụ thuộc:
1. Tính chất của kim loại (Tính dẫn nhiệt, tính dẫn nhiệt cao thì thời gian nung càng
nhanh;
2. Kích thớc của vật nung: Kích thớc lớn ( tiết diện ngang lớn ) thì thời gian nung
lớn; nhng bề mặt lớn thì thời gian nung cần càng nhỏ .
3. Trạng thái bề mặt; Hình dạng của phôi càng phức tạp thì thời gian nung càng lớn;
4. Nhiệt độ của lò: Nhiệt độ lò càng cao thì thời gian nung càng nhỏ. Hiệu số giữa
nhiệt độ bề mặt và của tâm kim loại càng lớn thì thời gian nung càng nhỏ.
5. Phơng pháp xếp phôi;
Thời gian nung có thể tính theo công thức thực nghiệm:
Khi nung trong lò buồng :


tK
NUNG
=

...
3/ 2

D
t - Thời gian nung tính bằng giờ (h)
- hệ số xếp phôi; - Hệ số độ dài tơng đối;
D - Đờng kính hay cạnh ngắn của tiết diện phôi (m)
K - Hệ số nguyên liệu:
K = 10 Nếu thép chứa các bon C < 0,4 %
K = 12,5 C > 0,4 %
K = 20,0 Thép hợp kim cao
Phơng pháp
xế phôi
Hệ số
xếp phôi
Hệ số
xếp phôi
Phơng pháp
xế phôi

1
1,4
1,3
1,4
2 D
2
D
2,0

4


Hình 2- 15 Sự phụ thuộc thời gian nung và phơng pháp xếp phôi

55
2.6.3 Các phơng pháp nung phôi liệu khi gia công áp lực : Nung trong các thiết bị
đơn giản nh lò rèn thủ công, lò phản xạ, lò buồng đốt than, lò điện, ...
Các phơng pháp nung phôi liệu khi gia công áp lực : Nung trong các thiết bị
đơn giản nh lò rèn thủ công, lò phản xạ, lò buồng đốt than, lò điện, ...
Lò rèn thủ công
a. Lò rèn thủ công có kết cấu đơn giản nhng nung nóng không đều, cháy hao
lớn, khó khống chế nhiệt độ, năng suất và hiệu suất nhiệt thấp, chủ yếu dùng trong các
phân xởng nhỏ.

5
4
3
6
7
2
1

Hình 2-16 Sơ đồ nguyên lý lò rèn thủ công
1 - ống gió; 2- giá đỡ lò đốt; 3- lò đốt; 4- than trong lò nung;
5- Ghi lò; 6 - chụp lò; 7 ống khói.

Không khí thổi theo cửa gió 1 theo ống dẫn qua ghi lò 5 để đốt cháy nhiên liệu 4 (than)
trong buồng lò 3 (đợc cờng lực nhờ vỏ lò bằng thép 2), bụi và khói theo nón 6 qua
ống khói 7 ra ngoài. Lò này đơn giản, rẻ tiền nhng không khống chế đợc nhiệt độ,
năng suất nung thấp, hao tốn kim loại nhiều, nhiệt độ vật nung không đều v.v...chỉ dùng
trong các phân xởng sửa chữa để nung vật nhỏ.

b. Lò buồng (lò phản xạ)
Là lò có nhiệt độ khoảng không gian công tác của lò đồng nhất. Lò buồng là
một buồng kín, khống chế đợc nhiệt độ nung, có thể xếp nhiều phôi, sự hao phí kim
loại ít, phôi không trực tiếp tiếp xúc với nhiên liệu. Lò buồng thuộc loại lò hoạt động
chu kỳ, có thể dùng nhiên liệu (than đá, khí đốt, dầu) hoặc điện trở. Trên hình sau trình
bày sơ đồ một lò buồng dùng nhiên liệu rắn.

56











1
2
3
4
5
6
7
8
9
10

Hình 2-17 Sơ đồ nguyên lý lò phản xạ
1- cửa lấy xĩ; 2- ghi lò; 3- cửa vào than; 4- than; 5- tờng ngăn;6- sàn lò;
7- cửa công tác; 8- phôi nung; 9- bộ thu hồi nhiệt; 10- cống khói.

Kim loại chất vào lò và lấy ra bằng cửa công tác 7. Nhiên liệu rắn đặt trên ghi lò
2 sau khi đốt nhiệt lợng nung nóng buồng đốt và vật nung 8. Khí cháy sẽ theo kênh

khói 9 và thoát qua ống khói 10 ra ngoài. Sự điều chỉnh nhiệt độ bằng cách điều chỉnh
lợng nhiên liệu và lợng gió.
Ưu điểm của lò buồng: nhiệt độ nung khá đồng đều, kim loại không tiếp xúc
trực tiếp với ngọn lửa nên cháy hao giảm, thao tác vận hành dễ. Nhợc điểm chủ yếu là
lò làm việc theo chu kỳ, tổn thất nhiệt do tích nhiệt cao. Lò buồng thích hợp với các
phân xởng sản lợng tơng đối lớn.















57
2.7 Cán kim loại
2.7.1 Khái niệm chung về cán kim loại
a. Khái niệm : Cán kim loại là quá trình biến dạng kim loại giữa hai trục cán có khe hở
nhỏ hơn chiều cao của phôi, kết quả làm cho phôi giảm chiều cao , chiều dài và chiều
rộng tăng. Hình dạng của sản phẩm do hình dạng của khe hở giữa hai trục cán quyết
định.
Cán kim loại đợc sử dụng rộng rãi vì nó không chỉ làm thay đổi hình dạng của
phôi mà còn nâng cao chất lợng phôi kim loại : Phá huỷ tổ chức kim loại đúc có nhiều

khuyết tật, tổ chức dạng nhánh cây có nhiều rổ khí, ... tạo nên tổ chức mới có độ chắc,
hạt nhỏ mịn chặt hơn, độ bền cao, khắc phục đợc các khuyết tật trong kim loại.
b. Sơ đồ quá trình cán kim loại
Hình 2-18 Sơ đồ nguyên lý cán kim loại
D
A

A


P
I
B
A
A

B
N

T

T




A
A
B
B

L
R
C
H
o

H

2
1
3
1 - phôi; 2 - sản phẩm; 3 - trục cán

H
o
, H
1
- chiều cao trớc và sau khi cán.
B
o
, B
1
- chiều rộng trớc và sau khi cán.
L
o
, L
1
- Chiều dài trớc và sau khi cán.
Vùng ABB'A' - gọi là vùng biến dạng;
Cung AB,A'B' tiếp xúc với trục cán gọi là cung ăn ( hay cung tiếp xúc).

Góc - gọi là góc ăn hay góc tiếp xúc;
Góc - gọi là góc ma sát;

c. Các thông số đặc trng cho quá trình cán
Hệ số kéo dài :
21
1
1
===
F
F
L
L
o
o
à

Hệ số giãn rộng :
o
B
B
1
=


Hệ số ép :
1
1
H
H

R
o
=

58
Lợng ép tuyệt đối :

H = H
o
- H
1
= D ( 1 - Cos

)
Lợng giãn dài tơng đối :

L = L
1
- L
o

Lợng giãn rộng tuyệt đối :

B = B
1
- B
o


d. Điều kiện cán vào

Khi kim loại tiếp xúc với trục cán tại hai điểm A A' mỗi phía của trục cán tác
dụng lên vật cán 2 lực :
* Phản lực N;
* Lực ma sát T T = f.N
* Hệ số ma sát f = T/ N = tg
Để phôi đi qua đợc khe hở giữa hai trục cán lực Tx cần lớn hơn lực Nx
Tx > Nx Tx = T Cos = f.N.Cos
Nx = NSin
f.N.Cos > NSin

==> f > Sin/ Cos
f > tg mà f = tg
tg > tg


>



Khi đạt đến quá trình cán thành (Phôi đã qua khỏi 2 trục cán), vị trí của lực
hớng tâm P sẽ dịch chuyển dần về phía sản phẩm đi ra.
Nếu áp lực của vùng biến dạng tác dụng lên cung ăn đều nhau và đối xứng qua
trục đi qua điểm giữa cung ăn thì phản lực ( lực hớng tâm P ) sẽ chia vùng biến dạng
ra làm 2 phần và có góc ăn ' = / 2
Khi vật đã cán vào giữa trục cán thì góc ăn sẽ nhỏ dần đến khi vật cán đã hoàn
toàn vào trong 2 trục cán thì góc ăn chỉ còn bằng /2 . Điều này chứng tỏ khi đã cán
thành thì góc ma sát chỉ cần lớn hơn /2 cũng đủ để quá trình cán hoạt động bình
thờng. Hiện tợng này gọi là hiện tợng ma sát thừa. Để bảo đảm điều kiện cán
vào đồng thời sử dụng ma sát thừa khi cán thành ngời ta thực hiện một số biện

pháp nh:
Tăng hệ số ma sát bằng cách khoét rãnh, hàn vết lên trên trục cán, bôi các chất tăng
ma sát,...
Để nhanh chóng đạt điều kiện cán thành ngời ta tăng tốc độ cấp phôi ban đầu vào
trục cán hoặc rèn nhỏ đầu phôi cán lại.
Thay đổi độ hở giữa hai trục cán từ lớn, sau đó giảm dần cho đên khi đạt khe hở
theo yêu cầu . Tức là từ góc " lớn" đến " bé" .
Nh vậy quá trình cán có 3 giai đoạn :
Giai đoạn trục cán bắt đầu cuốn phôi. Giai đoạn này không ổn định, vì điều kiện
biến dạng của phôi bị thay đổi liên tục.
Giai đoạn cán thành ( ổn định ) điều kiện biến dạng = const;
59
Giai đoạn kết thúc cán khi phôi gần ra khỏi trục cán điều kiện biến dạng cũng thay
đổi.
Để đơn giản hoá khi nghiên cứu quá trình cán ngời ta thừa nhận một số yếu tố
liên quan đến quá trình trên nh sau
2 trục cán là hình trụ, có đờng kính bằng nhau;
Hai trục quay cùng vận tốc góc, (cùng số vòng quay);
Có trạng thái bề mặt nh nhau (có nghĩa là có cùng hệ số ma sát);
Không tính đến quá trình biến dạng đàn hồi của trục cán;
Phôi có kích thớc tiết diện ngang không thay đổi trên toàn bộ chiều dài
b,h = const
Các điều kiện khác cũng phải giống nhau ( tổ chức kim loại, nhiệt độ, thành phần
hoá học, công nghệ bôi trơn, trạng thái bề mặt, ...)

2.7.2. Sản phẩm cán
Sản phẩm cán rất đa dạng, đợc phân ra bốn nhóm chính: dạng hình, dạng tấm,
dạng ống và dạng đặc biệt.
Loại hình: Các sản phẩm dạng hình đợc chia ra
Loại hình đơn giản : dạng (a), gồm có thanh, thỏi tiết diện tròn, vuông, chữ

nhật, lục giác, bán nguyệt tiết diện vuông , chữ nhật, tròn, lục giác, ...
Loại hình phức tạp : dạng hình phức tạp (b) có tiết diện chữ V, U, I, T, Z ...



Hình 2-19. Một số loại sản phẩm cán




















60
Loại tấm: Các sản phẩm dạng tấm đợc phân loại theo chiều dày của tấm thành:
Mỏng: S = 0,2ữ3,75 mm; B = 600ữ2200 mm.
Dày: S = 4,0ữ60 mm; B = 600ữ5000 mm; L = 4000ữ12000mm.

Cuộn: S = 0,2ữ2 mm; B = 200ữ1500 mm; L = 4000ữ60.000 mm.
Loại ống: Các sản phẩm dạng ống đợc phân ra: ống không có mối hàn và ống có mối
hàn.
ống không hàn đợc cán từ phôi thỏi có đờng kính = 5ữ426 mm,
chiều dày thành ống S S = 0,5ữ40 mm).
ống có mối hàn đợc chế tạo bằng cách cuốn tấm thành ống sau đó cán để hàn giáp
mối với nhau. Loại này có đờng kính ngoài đến 720 mm và chiều dày đến 14 mm.

2.7.3 Các bộ phận chủ yếu của máy cán

1 2 3 4 5 6 5 4 7
Hình 2- 20 Sơ đồ nguyên lý cấu tạo máy cán
1. Trục cán 2. Trục các- đăng 3. Hộp phân lực
4. Khớp nối 5. Bánh đà 6. Hộp giảm tốc 7. Động cơ
Hình 2- 21 Sơ đồ nguyên lý cấu tạo một máy cán thép hình
61

Hình 2- 22 Hình dáng bên ngoài bộ truyền cho các trục cán

Phân loại máy cán :
Căn cứ theo số lợng trục cán & cách bố trí chúng
+ Máy cán 2 trục;
+ Máy cán 3 trục;
+ Máy cán 2 trục kép có công dụng nh máy cán 3 trục;
+ Máy cán nhiều trục; 4, 6,12, 20, ...

Hình 2 - 23 Sơ đồ máy cán nhiều trục

62
Theo công dụng
+ Máy cán phôi;
+ Máy cán thép định hình;
+ Máy cán thép tấm;
+ Máy cán ống;
+ Máy cán đặc biệt nh cán răn, cán bi, cán vành xe,...

Hình 2 - 24 Sơ đồ nguyên lý máy cán bi thép

Căn Cứ theo sự bố trí trục cán ngời ta chia ra :
+ Máy cán đơn
+ Máy cán đờng thẳng :
+ Máy cán 2 cấp :
+ Máy cán nhiều cấp :
+ Máy cán bán liên tục :
+ Máy cán liên tục :


Hình 2 - 25 Sơ đồ bố trí các trục trong 1 dây chuyền cán
63
Error!











H×nh 2-20 S¬ ®å nguyªn lý m¸y c¸n bi thÐp
H×nh 2-26 S¬ ®å c«ng nghÖ bè trÝ trôc c¸n

H×nh 2-27 S¬ ®å nguyªn lý bè trÝ c¸c trôc c¸n












H×nh 2 - 28 S¬ ®å cÊu t¹o trôc c¸n



64



H×nh 2-29 S¬ ®å nguyªn lý m¸y c¸n thÐp thái



H×nh 2- 30 S¬ ®å nguyªn lý m¸y c¸n thÐp ®Þnh h×nh


65