Cơ khí chế tạo máy - Phần 2: Công nghệ gia công bằng áp lực

PHẦN 2 CÔNG NGHỆ GIA CÔNG BẰNG ÁP LỰC • Chương 1. Khái niệm về gia công kim loại bằng áp lực . • Chương 2. Nung nóng kim loại để gia công áp lực. • Chương 3. Cán và kéo. • Chương 4. Rèn tự do và rèn khuôn. • Chương 5. Dập tấm. CHƯƠNG 1. KHÁI NIỆM VỀ GIA CÔNG KIM LOẠI BẰNG ÁP LỰC • 1.1 Định nghĩa . • 1.2 Ưu – nhược điểm của gia công bằng áp lực . • 1.3 Phân loại các phương pháp gia công bằng áp lực. 1.4 Sự biến dạng dẻo của kim loại . • 1.5 Những nhân tố ảnh hưởng đến tính dẻo của kim loại . • 1.6 Aûnh hưởng của biến dạng dẻo đến tính chất và tổ chức của kim loại . • 1.7 Sự kết tinh lại . • 1.8 Các định luật cơ bản áp dụng khi gia công • bằng áp lực. 1.1Định nghĩa. Phương pháp tạo phôi dựa vào nguyên lý biến dạng dẻo của kim loại dưới tác dụng của ngoại lực làm thay đổi hình dáng, kích thước theo ý muốn. 1.2 Ưu – nhược điểm của gia công bằng áp lực  So với đúc. * Ưu điểm: Khử được một số khuyết tật như rỗ khí, rỗ co làm cho tổ chức kim loại mịn, cơ tính sản phẩm cao.  Có khả năng biến tổ chức hạt của kim loại thành tổ chức thớ, có khả năng tạo được các tổ chức thớ uốn, xoắn khác nhau làm tăng cơ tính của sản phẩm.  Đôä bóng, độ chính xác cao hơn các chi tiết đúc.  Dễ cơ khí hoá và tự động hoá nên năng suất cao, giá thành hạ. * Hạn chế: Không gia công được các chi tiết phức tạp  Không rèn dập được các chi tiết quá lớn.  Không gia công được các kim loại dòn. *So với cắt gọt: *Ưu điểm :  Năng suất cao, phế liệu ít, giá thành hạ.  Rèn, dập là những phương pháp cơ bản để tạo phôi cho gia công cắt gọt. *Nhược điểm :  Độ bóng, độ chính xác thấp hơn so với gia công cắt gọt. 1.3 Phân loại các phương pháp gia công bằng áp lực. 1.3.1 Phương pháp cán . 1.3.2 Phương pháp kéo kim loại . 1.3.3 Phương pháp ép kim loại . 1.3.4 Rèn tự do. 1.3.5 Rèn khuôn(Dập nóng) 1.3.6 Dập tấm(Dập nguội) 1.3.1 Phương pháp cán . Phương pháp cán là phương pháp biến dạng kim loại giữa hai trục cán quay ngược chiều nhau để được sản phẩm cán có tiết diện giống như lỗ hình (khe hở giữa 2 trục cán) và có chiều dài không hạn chế. 1.3.2 Phương pháp kéo kim loại : Là phương pháp biến dạng dẻo kim loại qua lỗ hình của khuôn kéo dưới tác dụng của lực kéo, phôi được vuốt dài ra, giảm diện tích tiết diện ngang, tăng chiều dài. 1.3.3Phương pháp ép kim loại : Kim loại sau khi nung nóng cho vào buồng ép,dưới tác dụng của chày ép kim loại chui qua lỗ khuôn ép có hình dạng và kích thước của chi tiết cần chế tạo. 1.3.4 Phương pháp rèn tự do : Là phương pháp biến dạng tự do kim loại dưới tác dụng lực dập của búa hoặc lực ép của máy ép. 1.3.5 Phương pháp rèn khuôn : Là phương pháp biến dạng dẻo kim loại trong lòng khuôn rèn dưới tác dụng của lực dập. 1.3.6 Dập tấm : Là phương pháp biến dạng dẻo phôi kim loại ở dạng tấm, trong khuôn dưới tác dụng của ngoại lực để tạo thành sản phẩm có hình dạng, kích thước theo yêu cầu. 1.4. Sự biến dạng dẻo của kim loại 1.4.1 Khái niệm. Kim loại khi chịu tác dụng của ngoại lực đều xảy ra ba giai đoạn là biến dạng đàn hồi,biến dạng dẻo, phá hủy. Xét biến dạng dẻo là biến dạng mà sau khi đã bỏ lực tác dụng vẫn còn một phần biến dạng dư được giữ lại và trên các phần tử của vật thể không nhận thấy có sự phá huỷ.  Biến dạng dẻo ở kim loại bao gồm biến dạng dẻo của đơn tinh và đa tinh. Biến dạng dẻo của đơn tinh thể: Là biến dạng dẻo theo cơ chế trượt và song tinh. Kim loại khác nhau thì có tính dẻo khác nhau.  Biến dạng dẻo của đa tinh thể. Đa tinh thể là tập hợp của các đơn tinh. Biến dạng của đa tinh gồm 2 dạng: Biến dạng trong nội bộ hạt : Gồm sự trượt và song tinh. Sự trượt xảy ra đối với các hạt có phương kết hợp với phương của lực tác dụng 450sẽ trượt trước rồi đến các mặt khác. Sự song tinh sảy ra khi có lực tác dụng lớn đột ngột gây ra biến dạng dẻo của kim loại.  Biến dạng ở vùng tinh giới : Tại đây chứa nhiều tạp chất dễ chảy và mạng tinh thể bị rối loạn cho nên sự trượt và biến dạng thường ở nhiệt độ t0>9500C. Giải thích sự trượt. * Theo thuyết lệch, kim loại kết tinh không sắp xếp theo qui luật một cách lý tưởng mà thực tế có những chỗ lệch, các nguyên tử ở vị trí lệch luôn có xu hướng trở về vị trí cân bằng. Khi có lực tác dụng thì đầu tiên sự di động xảy ra ở các điểm lệch, các vùng lân cận cũng dịch chuyển theo. Cuối cùng lại tạo nên chỗ lệch mới. Quá trình cứ tiếp tục đến khi không còn lực tác dụng nữa. * Hiện tượng trượt còn được giải thích bằng một hiện tượng khác đó là sự khuyếch tán khi nhiệt độ tăng cao, các nguyên tử di động mạnh dần và dịch chuyển sang một vị trí cân bằng khác, làm mạng tinh thể bị biến dạng dưới hình thức trượt. BDĐH là biến dạng mà khi thôi tác dụng lực, kim loại sẽ trở về vị trí ban đầu. Giải thích hiện tượng song tinh .Dưới tác dụng của ứng suất tiếp , trong tinh thể có sự dịch chuyển tương đối của hàng loạt các mặt ngtử này so với các mặt khác. Qua một mặt phẳng cố định nào đó gọi là mặt song tinh. Hiện tượng song tinh xảy ra rất nhanh và mạnh khi biến dạng đột ngột, tốc độ biến dạng lớn  1.4.2 Các hiện tượng xảy ra khi biến dạng dẻo.  Sự thay đổi hình dạng hạt :Sự thay đổi hình dạng hạt chủ yếu là nhờ quá trình trượt . Hạt không những thay đổi về kích thước mà còn có thể vỡ ra thành nhiều khối nhỏ làm tăng cơ tính.  Sự đổi hướng của hạt : Trước khi biến dạng các hạt sắp sếp không theo một hướng nhất định nào.Sự hình thành tổ chức sợi dẫn đến sự sai khác về cơ, lí tính của kim loại theo những hướng khác nhau, làm cho kim loại mất tính đẳng hướng .  Sự tạo thành ứng suất dư : Khi gia công áp lực do biến dạng không đều và không cùng một lực nên trong nội bộ vật thể sau khi biến dạng còn để lại ứng suất gọi là ứng suất dư. Có 3 loại ứng suất dư: Ưùng suất dư loại 1 (1): Là ứng suất dư sinh ra do sự biến dạng không đồng đều giữa các bộ phận của vật thể.  Ứng suất dư loại 2 (2): Là ứng suất dư sinh ra do sự biến dạng không đồng đều giữa các hạt.  Ứng suất dư loại 3 (3): Là ứng suất dư sinh ra do sự biến dạng không đồng đều trong nội bộ hạt. Sự thay đổi thể tích và thể trọng. Khi biến dạng dẻo trong nội bộ hạt luôn xảy ra hai quá trình:  Tạo ra những vết nứt, khe xốp, lỗ rỗ tế vi do sự vỡ nát của mạng tinh thể khi trượt và song tinh.  Quá trình hàn gắn những lỗ rỗ,vết nứt khi kết tinh lại. Do đó khi gia công áp lực, tỉ trọng và thể tích của kim loại bị thay đổi đáng kể. 1.5 Những nhân tố ảnh hưởng đến tính dẻo của kim loại. 1.5.1 Trạng thái ứng suất . 1.5.2 Tốc độ biến dạng và nhiệt độ . 1.5.3 Thành phần và tổ chức kim loại . 1.5.1 Trạng thái ứng suất : o Trạng thái ứng suất kéo càng ít, nén càng nhiều thì tính dẻo kim loại càng cao.  Trạng thái ứng suất nén khối làm kim loại có tính dẻo cao hơn nén mặt phẳng và đường thẳng còn trạng thái ứng suất kéo khối thì lại làm tính dẻo kim loại kém đi. 1.5.2 Tốc độ biến dạng và nhiệt độ . Tốc độ biến dạng là lượng biến dạng dài tương đối trong một đơn vị thời gian. W= Gia công nguội t0 = TKTL Nếu tăng tốc độ biến dạng sẽ làm giảm tính dẻo của kim loại do có sự biến cứng của kim loại. dtV d V . Gia công nóng t0 > TKTL Ơû nhiệt độ không quá cao : Đối với thép t0= 9000 C Khi tăng tốc độ biến dạng(W) thì lực ma sát làm tăng nhiệt độ của kim loại lên 10000C  11000C nên thép rất dẻo.  Gia công kim loại ở nhiệt độ quá cao : Nếu tăng W thì lực ma sát làm tăng nhiệt độ của kim loại đến vùng quá nhiệt làm độ dẻo giảm , độ cứng tăng lên. 1.5.3 Thành phần và tổ chức kim loại. Thành phần và tổ chức kim loại liên quan với nhau. Kim loại ở trạng thái nguyên chất hoặc một pha dung dịch rắn bao giờ cũng có tính dẻo cao hơn và dễ biến dạng hơn so với kim loại có cấu tạo hỗn hợp cơ học hoặc hợp chất hoá học. Vd : Thép % C thấp dẻo hơn thép %C cao. 1.6 Aûnh hưởng của biến dạng dẻo đến tính chất và tổ chức của kim loại. 1.6.1 Aûnh hưởng của biến dạng dẻo đến tổ chức và cơ tính kim loại . 1.6.2 Aûnh hưởng của biến dạng dẻo tới lý tính kim loại . 1.6.3 Aûnh hưởng của biền dạng dẻo tới hoá tính . 1.6.1 Aûnh hưởng của biến dạng dẻo đến tổ chức và cơ tính kim loại. Tốc độ biến dạng càng tăng thì sự vỡ nát của các hạt càng lớn, độ hạt càng giảm do đó cơ tính càng cao.  Biến dạng dẻo giúp khử được các khuyết tật như xốp co, rỗ khí, rỗ co, lõm co làm tăng độ mịn chặt của kim loại làm cơ tính tăng lên. Biến dạng dẻo có thể tạo được các thớ uốn xoắn khác nhau làm tăng cơ tính sản phẩm.  Tốc độ biến dạng cũng có ảnh hưởng lớn tới cơ tính sản phẩm : Nếu tốc độ biến dạng càng lớn thì sự biến cứng càng nhiều , sự không đồng đều của biến cứng càng nghiêm trọng và sự phân bố thớ càng không đều do đó cơ tính kém. 1.6.2 Aûnh hưởng của biến dạng dẻo tới lý tính kim loại. Biến dạng dẻo làm tăng điện trở, giảm tính dẫn điện và làm thay đổi từ trường trong kim loại.  Tính dẫn điện : Biến dạng dẻo tạo ra sự sai lệch trong mạng tinh thể làm tính liên tục của điện trường trong tinh thể bị phá vỡ, ngoài ra nó còn tạo những màng chắn cản trở sự chuyển động tự do của điện tử. Đây là nguyên nhân làm tăng điện trở của kim loại. Tính dẫn nhiệt : Biến dạng dẻo làm giảm tính dẫn nhiệt. Do biến dạng dẻo làm xô lệch mạng, làm xô lệch vùng tinh giới, làm giảm biên độ dao động nhiệt của các điện tử.  Từ tính : Các sai lệch tạo ra khi biến dạng dẻo làm thay đổi cách bố trí từ trường cơ bản trong kim loại do đó làm thay đổi từ tính, độ thấm từ, . 1.6.3 Aûnh hưởng của biến dạng dẻo tới hoá tính. Sau khi biến dạng dẻo năng lượng tự do của các kim loại tăng do đó hoạt tính hoá học của kim loại cũng tăng lên. 1.7 Sự kết tinh lại. Kim loại ở trạng thái đặc có hiện tượng kết tinh (sinh ra tâm mầm, phát triển mầm ) gọi là hiện tượng kết tinh lại .  Khi gia công nguội bề mặt kim loại bị biến cứng ( độ cứng tăng, độ dẻo giảm ). Để khử biến cứng ta nung kim loại lên t0, giữ nhiệt,ủ kết tinh lại rồi đem gia công tiếp. Hiện tượng kết tinh lại gồm 3 giai đoạn :  Giai đoạn hồi phục: t0 = (0.2÷ 0.3)Tnc (0K )  Giai đoạn kết tinh lại lần 1: t0 = 0.4 Tnc  Giai đoạn kết tinh lại lần 2: t0 > 0.4 Tnc Trong gia công áp lực cần tránh lượng biến dạng tới hạn vì ở đó độ hạt kim loại lớn nhất làm cơ tính kém.  Gia công nóng t0> TKTL(0K ) TKTL=0.4 Tnc (0K ) Gia công ở nhiệt độ cao nên kim loại có độ dẻo cao, độ bền ,độ cứng thấp nên lực biến dạng không lớn, công suất thiết bị không lớn, nhưng độ chính xác, độ bóng của bề mặt kim loại không cao. Thường gia công phôi dạng khối.  Gia công nguội t0< TKTL (0K ) Lực biến dạng lớn,đòi hỏi công suất thiết bị lớn. Độ chính xác và độ bóng bề mặt cao. Thường gia công phôi dạng tấm. 1.8 Các định luật cơ bản áp dụng khi gia công bằng áp lực. 1.8.1 Định luật biến dạng đàn hồi tồn tại song song với biến dạng dẻo. 1.8.2 Định luật ứng suất dư. 1.8.3 Định luật thể tích không đổi . 1.8.4 Định luật trở lực bé nhất. 1.8.1 Định luật biến dạng đàn hồi tồn tại song song với biến dạng dẻo.  Khi gia công áp lực nếu trong kim loại xảy ra biến dạng dẻo bao giờ cũng có một lượng biến dạng đàn hồi kèm theo (được xác định bằng góc đàn hồi , phụ thuộc vào moduyn đàn hồi E của vật liệu và chiều dày tấm kim loại)  Gia công nguội : Kim loại dạng tấm sẽ chịu ảnh hưởng lớn.  Gia công nóng : Kim loại dạng khối , ảnh hưởng của biến dạng đàn hồi có thể bỏ qua. Thường để áp dụng khi thiết kế khuôn dập, vật dập phải kể đến lượng biến dạng dư do biến dạng đàn hồi gây ra. 1.8.2 Định luật ứng suất dư.  Khi gia công áp lực do nung nóng và làm nguội không đều, lực biến dạng, lực ma sát phân bố không đều làm phát sinh ra ứng suất dư tồn tại cân bằng bên trong vật thể kim loại. Nếu không cân bằng thì sẽ có quá trình tích, thoát ứng suất làm cho vật thể biến dạng ngoài ý muốn để ứng suất dư tồn tại cân bằng. 1.8.3 Định luật thể tích không đổi . « Thể tích của vật thể trước khi biến dạng bằng thể tích vật thể sau khi biến dạng » Gọi thể tích vật trước khi gia công là V0  Gọi thể tích vật sau khi gia công là V. Vật thể có chiều cao, rộng, dài trước khi gia công là: h0 ; b0 ; l 0 Vật thể có chiều cao, rộng, dài sau khi gia công là: h ; b ; l Theo điều kiện thể tích không đổi ta có : h.b. l = h0.b0.l0  ln + ln + ln =0  + + =0 (*) Phương trình (*) gọi là phương trình điều kiện thể tích không đổi. ; ; : Là các ứng biến chính. 1 000  l l b b h h 0h h 0b b 0l l 1 2 3 1 2 3 Nhận xét : Khi gia công biến dạng nếu tồn tại cả ba ứng biến chính nghĩa là có sự thay đổi kích thước cả ba chiều thì đầu của một ứng biến phải trái dấu với hai ứng biến kia và có giá trị tuyệt đối bằng tổng của hai ứng biến kia. 0 = + - = + 0h h  3 1 2 3 1 2 1 2 3 Khi có một ứng biến bằng 0 thì hai ứng biến còn lại phải ngược dấu và có trị số tuyệt đối bằng nhau. Dập không làm mỏng thành phôi : S = S = 0 = Aùp dụng để tính toán kích thước, khối lượng phôi trước khi gia công. F SP 1 2 3 1.8.4 Định luật trở lực bé nhất.  Khi biến dạng kim loại, một chất điểm bất kì trên vật thể biến dạng sẽ di chuyển theo hướng có trở lực bé nhất hay di chuyển đến đường viền có chu vi bé nhất. Aùp dụng để thiết kế hình dáng của phôi trước khi gia công. Chương 2 NUNG NÓNG KIM LOẠI ĐỂ GIA CÔNG ÁP LỰC 2.1 Mục đích của nung nóng. 2.2 Những hiện tượng xảy ra khi nung nóng. 2.3 Chế độ nung. 2.4 Thiết bị nung nóng. 2.5 Làm nguội sau khi gia công áp lực. 2.1 Mục đích của nung nóng.  Nâng cao tính dẻo, giảm khả năng biến cứng của kim loại, tạo điều kiện thuận tiện cho quá trình biến dạng nên giảm được công suất thiết bị.  Ở nhiệt độ cao, dao động nhiệt của các nguyên tử kim loại càng lớn, quá trình trượt và song tinh thực hiện dễ dàng hơn.  Có hiện tượng chuyển biến pha khi nung nóng kim loại làm cho khả năng biến dạng dễ hơn. 2.2 Những hiện tượng xảy ra khi nung nóng.  Hiện tượng ôxy hóa.  Hiện tượng thoát cacbon .  Hiện tượng quá nhiệt .  Hiện tượng cháy kim loại .  Hiện tượng nứt .  Hiện tượng ôxy hóa. Khi nung nóng ở nhiệt độ cao kim loại dễ bị ôxy hóa tạo một lớp oxit kim loại, bong ra khỏi bề mặt làm hao hụt kích thước, khối lượng phôi.Do vậy khi tính toán phôi phải kể đến lượng ôxy hóa.  Hiện tượng thoát cacbon . Khi nung thép các chất khí như O2,CO2,H2, H2O,...có trong môi trường khí lò dễ tác dụng với Fe3C của thép làm cho hàm lượng cacbon trên bề mặt thép giảm đi, nhưng không làm giảm kích thước gọi là hiện tượng thoát cacbon.  Làm ảnh hưởng tới cơ tính của bề mặt phôi (làm giảm độ bền, tăng độ cứng)  Thép cacbon cao khi nung lên bề mặt bị cháy dẫn đến cứng và chai nên khi gia công cắt gọt dễ bị mẻ dao.  Hiện tượng quá nhiệt . Khi nung kim loại lên gần nhiệt độ đường đặc (t0 chảy - 1500) làm cho độ dẻo giảm, độ cứng tăng lên, gia công dễ bị nứt vì ở đó độ hạt kim loại quá lớn. Để khắc phục hiện tượng này ta thường ủ kim loại.  Hiện tượng cháy kim loại . Là hiện tượng khi nung kim loại lên nhiệt độ trên vùng quá nhiệt (gần đường đặc) phần kim loại ở biên giới hạt sẽ bị cháy phát ra hoa lửa(thép) hoặc sủi bọt(Cu+Al).  Hiện tượng nứt . Khi nung thép cacbon cao,thép hợp kim nếu nung với tốc độ nhanh thì sẽ làm nứt phôi do hiện tượng truyền nhiệt của kim loại kém, độ dẫn nhiệt và độ dẻo kém.  Khi kết thúc gia công ở nhiệt độ quá thấp cũng gây nứt phôi do hiện tượng biến cứng của bề mặt kim loại.  Đối với thép cacbon thấp ,kim loại và hợp kim màu có thể nung với tốc độ bất kì. 2.3 Chế độ nung. Chế độ nung bao gồm nhiệt độ nung, thời gian nung và tốc độ nung. 2.3.1 Nhiệt độ nung kim loại (nhiệt độ bắt đầu gia công, nhiệt độ kết thúc gia công). 2.3.2 Thời gian nung. 2.3.3 Tốc độ nung. 2.3.1 Nhiệt độ nung kim loại Chọn nhiệt độ gia công cần bảo đảm kim loại dẻo nhất, chất lượng vật nung, kim loại biến dạng tốt nhất và hao phí ít nhất. Có 3 phương pháp xác định nhiệt độ nung:  Dựa vào giản đồ trạng thái. (H-167)  Dựa vào công thức kinh nghiệm.  Dựa vào màu sắc phôi: °Thép màu sáng trắng phôi quá nhiệt. °Thép màu vàng rơm t0BĐGC= t0nung °Thép màu tím hoa cà t0KTGC t0KTGC > 0.25 Tnc 2.3.2 Thời gian nung. Chế độ nung hợp lí cần bảo đảm nung kim loại đến nhiệt độ cần thiết trong một khoảng thời gian cho phép nhỏ nhất. tnung= . K . D . (giờ) :Hệ số sắp xếp phôi trong lò. :Hệ số kích thước phôi K :Hệ số truyền nhiệt kim loại. D : Đường kính phôi hoặc chiều dài cạnh ngắn nhất của phôi. .        D L D 2.3.3 Tốc độ nung. Tốc độ nung ảnh hưởng lớn đến năng suất và chất lượng nung. Có 2 giai đoạn để xác định tốc độ nung:  Giai đoạn nhiệt độ thấp (thép từ 800 0 ÷8500): Giai đoạn này kim loại có tính dẻo thấp, sự nung nóng phụ thuộc tính truyền nhiệt của kim loại.  Tốc độ nung giai đoạn này gọi là: “ Tốc độ nung cho phép” Vn. Vn cần chậm để tránh kim loại bị nứt nẻ hoặc biến dạng. Giai đoạn nhiệt độ cao(> 8500C)  Tốc độ nung giai đoạn này gọi là: “ Tốc độ nung kĩ thuật”  Giai đoạn này cần nung nhanh để giảm sự ô xy hóa, vì ở nhiệt độ cao tính dẻo của kim loại tăng nên không sợ nứt, nhưng tốc độ ôxi hóa mạnh.  Nhiệt độ nung phụ thuộc vào vật liệu, kích thước vật nung.  Tốc độ nung giai đoạn này có thể tra trong bảng của sổ tay rèn dập. 2.4 Thiết bị nung nóng. Lò phản xạ( lò buồng) HÌNH /172 Nhiên liệu sử dụng là than đá.  Lò điện : Có 3 loại:  Lò điện trở . HÌNH /