Thiết kế máy và khuôn dập vuốt sản phẩm gia dụng và chế tạo mô hình bộ khuôn thu nhỏ, thuyết minh Thiết kế máy và khuôn dập vuốt sản phẩm gia dụng và chế tạo mô hình bộ khuôn thu nhỏ , quy trình sản xuất Thiết kế máy và khuôn dập vuốt sản phẩm gia dụng và chế tạo mô hình bộ khuôn thu nhỏ
LỜI NÓI ĐẦU
Ngày nay, với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học kỹ thuật con người ngày càng đòi hỏi trình độ tự động hoá phải càng phát triển để đáp ứng được nhu cầu của mình. Bởi vậy ngành tự động hoá đã được đào tạo kỹ lưỡng ở các trường Đại học, Cao đẳng trên cả nước, và Đại Học Bách Khoa - Đại học Đà Nẵng cũng không ngoại lệ. Sinh viên được đào tạo về các dây chuyền sản xuất tự động các cơ cấu chấp hành cũng như các thiết bị điều khiển. Ngành Cơ khí là một trong những ngành như thế. Việc tạo ra các sản phẩm tự động hoá không những trong công nghiệp mà ngay cả trong đời sống con người ngày càng được phổ biến.
Từ những thực tế trên là sinh viên của ngành Cơ khí máy sau 5 năm học, chúng em đã tích lũy được một số kiến thức về tự động hoá. Để củng cố và bổ sung thêm những kiến thức đã học và để áp dụng những kiến thức đó vào thực tế chúng em đã được nhận và thực hiện đồ án tốt nghiệp với đề tài “Thiết kế máy và khuôn dập vuốt sản phẩm gia dụng và chế tạo mô hình bộ khuôn thu nhỏ”. Với phạm vi đồ án chúng em sẽ chế tạo mô hình bộ khuôn thu nhỏ, dập vật liệu.
Trong thời gian thực hiện đề tài chúng đã gặp không ít những khó khăn, bằng khả năng của mình, sự chỉ dẫn tận tình của các thầy cô giáo cũng như hỗ trợ và giúp đỡ từ phía nhà trường em đã nỗ lực hết sức để hoàn thiện sản phẩm của mình một cách tốt nhất.Tuy nhiên trong quá trình thiết kế và chế tạo mô hình không thể tránh được nhiều mặt thiếu sót và hạn chế. Kính mong nhận được sự giúp đỡ và đóng góp ý kiến từ quý thầy để chúng em có thể thực hiện tốt hơn ý tưởng của mình. Chúng em xin chân thành cảm ơn !
.................................
CHƯƠNG I
TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ DẬP TẤM
1.1 Khái niệm về dập tấm
Quá trình công nghệ là toàn bộ các tác động trực tiếp làm thay đổi hình dạng, kích thước, tính chất và trạng thái của phôi ban đầu để đạt được mục đích nào đó. Quá trình công nghệ bao gồm những nguyên công và được sắp xếp theo một trình tự nhất định.
Dập tấm là một phần của quá trình công nghệ bao gồm nhiều nguyên công công nghệ khác nhau nhằm làm biến dạng kim loại tấm để nhận được các chi tiết có hình dạng và kích thước cần thiết với sự thay đổi không đáng kể chiều dày của vật liệu và không có phế liệu dạng phôi.
Dập tấm thường được thực hiện với phôi ở trạng thái nguội (nên còn được gọi là dập nguội) khi chiều dày của phôi nhỏ (thường S<4 mm) hoặc có thể phải dập với phôi ở trạng thái nóng khi chiều dày vật liệu lớn.
Nguyên công là một phần của quá trình công nghệ được thực hiện bời một hay một số công nhân ở một vị trí nhất định trên máy bao gồm toàn bộ những tác động liên quan để gia công phôi đã cho.
Ví dụ : cắt hình ,đột lỗ, dập vuốt, uốn …
Khi dập, nguyên công có thể chia thành các bước và bước có thể bao gồm một số động tác.
Động tác là những tác động có mục đích và quy luật của công nhân (chẳng hạn đưa phôi đến vị trí khuôn, đặt phôi vào khuôn cho khuôn làm việc...)
Hình 1.1 Khuôn và sản phẩm sau khi dập
Ưu điểm của sản xuất dập tấm :
- Có thể thực hiện những công việc phức tạp bằng những động tác đơn giản của thiết bị và khuôn.
- Có thể chế tạo những chi tiết rất phức tạp mà các phương pháp gia công kim loại khác không thể hoặc rất khó khăn.
- Độ chính xác của các chi tiết dập tấm tương đối cao, đảm bảo lắp lẫn tốt, không cần qua gia công cơ.
- Kết cấu của chi tiết dập tấm cứng vững, bền nhẹ, mức độ hao phí kim loại không lớn.
- Tiết kiệm được nguyên vật liệu, thuận lợi cho quá trình cơ khí hóa và tự động hóa do đó năng suất lao động cao, hạ giá thành sản phẩm.
- Quá trình thao tác đơn giản, không cần thợ bậc cao do đó giảm chi phí đào tạo và quỹ lương.
- Dạng sản xuất thường là loạt lớn và hàng khối do đó hạ giá thành sản phẩm.
- Tận dụng được phế liệu, hệ số sử dụng vật liệu cao.
- Dập tấm không chỉ gia công những vật liệu là kim loại mà còn gia công những vật liệu phi kim loại như : techtolit, hétinac, và các loại chất dẻo.
1.2 Khái niệm phương pháp dập vuốt
Dập vuốt là một nguyên công nhằm biến đổi phôi phẳng hoặc phôi rỗng để tạo ra các chi tiết rỗng có hình dạng và kích thước cần thiết.
Các chi tiết được dập vuốt thường có hình dạng rất khác nhau và được chia thành các nhóm như sau :
Nhóm chi tiết có hình dạng tròn xoay (đối xứng trục), ví dụ như đáy của nồi hơi, các chi tiết hình trụ, các loại bát đĩa kim loại, chi tiết của đèn pha, vỏ đèn, chụp đèn …
Nhóm các chi tiết có dạng hình hộp như các thùng nhiên liệu của động cơ, vỏ hộp, vỏ bọc các thiết bị điện tử …
Nhóm các chi tiết dạng phức tạp như các chi tiết vỏ ô tô, chi tiết của máy kéo,máy bay ...
Hình 1.2 các chi tiết dạng tròn xoay
Hình 1.3 Các chi tiết hình hộp
Hình 1.4 Khuôn dập chi tiết vỏ xe ô tô du lịch
Tùy theo chiều cao của chi tiết, người ta có thể dập một hay nhiều nguyên công để tạo ra chi tiết. ở nguyên công đầu, phôi phẳng có đường kính D được dập vuốt để tạo ra thành phôi rỗng có đường kính d1 và chiều cao h1. ở các nguyên công sau, phôi rỗng được tiếp tục dập vuốt để nhằm mục đích tăng chiều cao và giảm đường kính (hoăc giảm tiết diện ngang) của phôi.
Hình 1.5 Các công đoạn tạo ra chi tiết
Các chi tiết thường được dập vuốt với phôi ở trạng thái nguội mà không cần phải nung phôi. Trừ khi dập vuốt các chi tiết từ các tấm kim loại dày (S > 20 mm) thì người ta có thể nung phôi để giảm trở lực biến dạng. khi dập vuốt các chi tiết từ phôi tấm bằng hợp kim nhôm, để nâng cao mức độ biến dạng sau mỗi nguyên công, người ta có thể nung nóng cục bộ vùng biến dạng dẻo. Để chế tạo các chi tiết dập vuốt, người ta sử dụng các kim loại tấm có tính dẻo cao như thép cacbon thấp chất lượng và thép kết cấu hợp kim thấp, nhôm , hợp kim nhôm , và các kim loại khác …
Dập vuốt được tiến hành trong các khuôn chuyên dùng bao gồm các bộ phận làm việc như : cối có mép làm việc được lượn tròn, chày dập vuốt và tấm chặn vật liệu. Khi dập các chi tiết có chiều dày tương đối S/D lớn thì khuôn dập vuốt không thể không dùng tấm chặn. Giữa chày và cối có một khe hở Z, trị số khe hở Z tùy thuộc vào phương pháp dập (có biến mỏng thành hoặc không biến mỏng thành); chiều dày vật liệu phôi S và thứ tự nguyên công. Khi dập vuốt ngoại lực được truyền qua chày, tác dụng vào phần đáy của chi tiết dập vuốt còn phần vành của phôi được tự do và không chịu tác dụng của ngoại lực.
Trong quá trình dập vuốt không biến mỏng , phần mép vành của phôi có thể không kéo hết vào trong cối đồng thời sẽ xuất hiện các ứng suất kéo và ứng suất nén . Thành phần ứng suất nén sẽ tác động theo hướng tiếp tuyến (hướng vòng) vì vậy với một tỷ số giữa đường kính chi tiết dập vuốt và đường kính phôi nhất định có thể gây ra hiện tượng nhăn ở vành. Điều đó sẽ dẫn đến việc kéo các sóng nhăn này vào trong khe hở giữa chày và cối với ứng suất kéo rất lớn gây phế phẩm hàng loạt do đứt đáy hay bị rách. Để ngăn ngừa nếp nhăn, trong các khuôn dập vuốt người ta thường sử dụng tấm chặn vật liệu, tấm chặn này có tác dụng ép phần vành của phôi vào bề mặt cối, chống lại sự tạo thành nếp nhăn của vành phôi. Do vậy trong quá trình dập vuốt không có biến mỏng người ta còn chia làm 2 dạng dập : dập vuốt không biến mỏng thành có chặn phôi và không chặn phôi.
Khi dập vuốt từ phôi phẳng sau một nguyên công ta có thể nhận được chi tiết hình trụ với chiều sâu không lớn, thường chiều cao tương đối h/d < 0,7 – 0,8. khi dập vuốt các chi tiết với chiều sâu lớn hơn, ứng suất kéo ở phần thành chi tiết (tại tiết diện ngang nguy hiểm) thường tăng lên rất lớn và có thể gây đứt đáy . vì vậy khi dập vuốt các chi tiết có chiều cao tương đối h/d lớn, người ta phải tiến hành dập qua nhiều nguyên công. Khi đó, ứng suất kéo hướng kính, phát sinh ở phần thành chi tiết sẽ giảm đi tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình dập vuốt.
Trong quá trình dập vuốt phôi ở trạng thái nguội, kim loại thường bị hóa bền, làm giảm tính dẻo của kim loại. sự hóa bền quá mức của kim loại có thể dẫn đến mất tín dẻo và cuối cùng gây phá hủy. vì vậy quá trình chế tạo các chi tiết có chiều cao tương đối lớn (h/d >1) giữa các nguyên công dập vuốt người ta thường tiến hành ủ kết tinh lại các bán thành phẩm nhằm khử bỏ sự hóa bền và phục hồi tính dẻo của kim loại.
Các nguyên công tiếp theo khi dập vuốt được thực hiện trên các khuôn có chặn phôi
(hình1.7) hoặc không có chặn tùy thuộc vào chiều dày tương đối cuả phôi và mức độ biến dạng.
1-Cối 2-Tấm đỡ 3-Cối 4-Phôi
Hình 1.6 sơ đồ vị trí
Hình 1.7 dập vuốt thuận và ngược
Các nguyên công tiếp theo khi dập vuốt cũng có thể thực hiện theo phương pháp dập vuốt thuận hoặc ngược. khi chày truyền áp lực vào phôi rỗng ở mặt trong của đáy phôi thì được gọi là phương pháp dập vuốt thuận, còn khi chày truyền áp lực vào mặt ngoài của đáy phôi thì gọi là dập vuốt ngược (hình 1.7c) vì khi đó phôi được kéo vào trong cối theo hướng ngược lại so với hướng dập vuốt lần thứ nhất .
Dập vuốt ngược thường được sử dụng để dập vuốt các chi tiết có dạng phức tạp như các chi tiết hai đáy hoặc có 2 lớp vỏ. ngoài ra dập vuốt ngược còn được sử dụng để đồng thời thực hiện 2 nguyên công dập vuốt trong cùng một bộ khuôn nhằm tăng mức độ biến dạng .
Trong sản xuất hàng loạt lớn và hàng khối, dập vuốt thường được thực hiện trên các máy ép trục khuỷu tác dụng đơn hoặc máy ép song động. thông thường các chi tiết có kích thước lớn và trung bình (vỏ ô tô, chậu, xoong nồi ...) thường được dập trên các máy ép thủy lực song động hoặc máy ép song động cơ khí.
Hình 1.8 máy ép thủy lực
Hình 1.9 Máy ép trục khuỷu
1.2.1 Các phương pháp chống nhăn trong dập vuốt sâu
Trong quá trình dập vuốt sâu, chày đẩy tấm kim loại vào khoang trống của cối, kết quả là một sản phẩm rỗng. Một chi tiết được gọi là vuốt sâu nếu độ sâu của nó bằng ít nhất một nửa đường kính của nó. Nếu không, nó chỉ đơn giản được gọi chung là dập.
Dập vuốt sâu là một quá trình sử dụng rộng rãi trong sản xuất hàng loạt các mặt hàng gia dụng, chẳng hạn như lon súp, vỏ bọc pin, bình chữa cháy, và các bồn rửa chén. Một quá trình dập vuốt sâu có thể có một hoặc nhiều công đoạn vuốt, tùy thuộc vào sự phức tạp của chi tiết.
1.2.2 Hiện tượng nhăn trong dập vuốt sâu
Một trong những khuyết tật cơ bản xảy ra trong các quá trình vuốt sâu là hiện tượng nhăn của vật liệu kim loại tấm, thường xuất hiện trên phần vành hoặc bề mặt của chi tiết này. Bề mặt của phôi chịu ứng suất vuốt phân bố ở góc lượn và ứng suất nén tiếp tuyến trong quá trình dập, mà đôi khi kết quả gây ra nếp nhăn. Nhăn có thể ngăn ngừa được nếu khuôn của quá trình vuốt sâu được thiết kế đúng.
Hình1.10 hiện tượng nhăn trên vành sản phẩm
Nguyên nhân của hiện tượng nhăn trong dập vuốt sâu bao gồm:
- Áp lực chặn phôi
- Độ sâu của chi tiết và bán kính góc cuả chi tiết
- Lực ma sát giữa phôi, mặt bích chặn phôi, bề mặt cối và chày
- Khe hở giữa phôi, mặt bích chặn phôi, bề mặt cối và chày
- Hình dạng phôi và độ dày
- Hình dạng của chi tiết cần dập vuốt
- Tốc độ của chày
Những yếu tố khác, chẳng hạn như nhiệt độ của cối và loại hợp kim của phôi, cũng có thể ảnh hưởng đến quá trình dập vuốt. Một biến đổi ở bất kỳ yếu tố nào đều ảnh hưởng đến khả năng nhăn hoặc nứt ở sản phẩm vuốt sâu.
Bích chặn phôi giữ các cạnh của tấm kim loại trong khi đó các lực của chày đẩy kim loại tấm vào khoang của cối làm loại tấm biến dạng thành hình dạng thích hợp, thay vì chỉ đơn giản là kéo phôi vào trong khoang của cối.
Bích chặn phôi không giữ các cạnh của phôi tại chỗ. Trong một vài trường hợp, rách có thể xảy ra trên các thành của sản phẩm. Bích chặn phôi cho phép phôi trượt một phần nào bằng cách cung cấp lực ma sát giữa các bích chặn và tấm phôi đó. Lực chặn phôi có thể áp dụng lưu chất, bằng cách sử dụng đệm không khí hay nitơ, hoặc một đệm lưu chất nào đó.
Độ sâu cối càng lớn, càng nhiều phôi bị kéo xuống khoang của cối và nhiều nguy cơ bị nhăn trên các thành và mặt bích của sản phẩm. Độ sâu tối đa của khoang chày là một sự cân bằng giữa sự bắt đầu nhăn và khởi phát của các đứt gãy, điều này ta không mong muốn.
Các bán kính lượn của chày và cạnh khoang của cối kiểm soát dòng chảy của phôi vào khoang của cối. Sự nhăn trên thành sản phẩm có thể xảy ra nếu bán kính lượn của chày và góc cạnh khoang cối là quá lớn. Nếu bán kính quá nhỏ, phôi dễ bị rách vì áp lực cao.
1.2.3 Các phương pháp chống nhăn ở vùng vuốt sâu
a. Dùng bích chặn phôi
Phương pháp đơn giản để loại bỏ nhăn ở các vùng sâu,được rút ra là sử dụng bích chặn phôi. Trong quá trình vuốt sâu, một hằng số áp lực chặn phôi được áp dụng trong
suốt quá trình rút toàn bộ phôi vào cối.
Khi thay đổi áp lực đã tạo ra một số thành công. Một đệm khí nén hoặc thuỷ lực có thể thay đổi áp lực chặn phôi tuyến tính theo các bậc của máy. Điều này gia tăng độ sâu cho phép cuả sản phẩm.
Một đệm của cối điều khiển số có thể được sử dụng để cung cấp một áp lực chặn phôi thay đổi trong quá trình hành động dập vuốt. Trên biểu đồ tối áp lực chặn phôi, lực chặn ban đầu phải lớn để cung cấp cho biến dạng ban đầu.
Đệm giảm căng để kéo phôi vào trong khoang , và sau đó dần dần tăng trở lại lên để đảm bảo căng cứng cho sản phẩm vuốt. Một đệm cối điều khiển số có thể đột ngột tăng độ sâu cho phép khi ngăn chặn cả hai hiện tượng nhăn và nứt.
b. Thiết kế tối ưu chày và cối
Thiết kế của chày và khoang của cối có thể được tối ưu hóa để giảm xác suất nhăn. Chọn một bán kính mặt bích đó đủ lớn để tránh nứt có thể giảm thiểu tối đa khả năng nhăn. Ngoài ra, xem xét việc giảm thiểu sự phức tạp và không đối xứng nếu có thể. Kết hợp nhiều nguyên công vuốt trong quy trình có thể có nhiều lợi thế trong việc ngăn chặn nhăn ở các sản phẩm vuốt sâu.
Thiết kế hình hình dạng phôi để giảm thiểu vật liệu dư thừa có thể làm giảm khả năng nhăn. Phôi kim loại tấm có cấu trúc hạt vốn có, do đó, những ứng suất có thể khác nhau tùy thuộc vào thiết kế của cối và định hướng của các hạt này. Điều chỉnh các hạt trong một thiết kế không đối xứng để giảm thiểu hỗn hợp ứng suất hạt và nhấn mạnh những ứng suất tổng của quá trình vuốt sâu.
c. Các yếu tố khác để xem xét
Điều kiện bề mặt của mỗi thành phần có thể được thiết kế riêng để cải thiện hiệu suất tổng thể. Dầu mỡ bôi trơn làm giảm ma sát giữa phôi và chày và cối ,có thể chất lỏng (thể ướt) hoặc màng (khô). Nói chung, chúng được áp dụng cho phôi trước khi vuốt.
Ngày nay, tấm màn khô được chấp nhận bởi vì chúng giảm bớt một phần cần thiết phải rửa sau khi vận hành.
Trước đây, thử, hư hỏng và kinh nghiệm vận hành giúp tối ưu hóa sản phẩm và thiết kế khuôn. Ngày nay, máy tính hỗ trợ thiết kế và mô hình phần tử hữu hạn được sử dụng để tạo ra sản phẩm và khuôn,sau đó thiết kế để mô phỏng quá trình vuốt sâu, giảm đáng kể chi phí cho các dụng cụ và lao động trong quá trình thiết kế.
1.2.4 Sử dụng gân vuốt và khe hở giữa chày và cối trong quá trình dập vuốt sâu
Trong quá trình dập vuốt các chi tiết hình hộp thì trở lực kéo phôi vào trong cối ở những vị trí khác nhau của đường bao là không giống nhau. Ở các thành thẳng trở lực kéo phôi vào trong cối nhỏ hơn so với các phần cong (góc hộp), thêm vào đó ở các phần cong , trở lực kéo phôi vào trong cối sẽ tăng lên nếu bán kính cong ở góc của cối giảm đi. Chính vì vậy mà các chi tiết hình hộp đã được dập vuốt (kể cả các bán thành phẩm) đều có chiều cao không đồng đều . Chiều cao ở các phần góc hộp thường lớn hơn ở các phần thành thẳng. Ngoài ra, sự không đồng đều về điều kiện kéo phôi dọc theo đường bao của cối cũng gây ra sự không đồng đều về trạng thái ứng suất ở phần thành thẳng của chi tiết điều đó có thể dẫn đến sự phá hủy chi tiết (đứt hoặc rách).
Để có thể tạo ra, mặc dù chỉ là tương đối, sự đồng đều về điều kiện kéo phôi vào trong cối trên toàn bộ đường bao thì ở các thành phẳng, người ta làm tăng trở lực kéo phôi một cách nhân tạo bằng các gân vuốt đặc biệt. Những gân vuốt này có tác dụng cản trở sự chuyển dịch của phôi đối với cối. Hình dạng, kích thước và phương pháp cố định gân vuốt được đưa ra trong các sổ tay công nghệ. Số lượng gân vuốt được xác định bằng thực nghiệm. Gân vuốt chỉ sử dụng khi thực sự cần thiết bởi vì việc gá đặt chúng làm cho khuôn phức tạp thêm và tăng giá thành của khuôn.
Vì vậy trong quá trình dập vuốt chi tiết hình hộp, ở góc của đường bao chi tiết xảy ra sự tăng dày của phần vành, hiện tượng này,hiện tượng này cần phải được tính đến khi xác định trị số khe hở giữa chày và cối của khuôn dập vuốt. Như vậy trị số khe hở giữa chày và cối ở phần góc của hình hộp cần phải làm lớn hơn so với phần thẳng. Theo số liệu kinh nghiệm, ở các phần thẳng, khe hở giữa chày và cối là Z =1,2S ; còn ở phần cong, khe hở là Z = ( 1,3 – 1,4 )S. Hướng lấy khe hở Z ở các nguyên công có thể tùy ý trừ nguyên công cuối cùng. Khi dập vuốt chi tiết cần có kích thước ngoài chính xác thì khe hở Z được lấy bằng cách giảm kích thước của chày, còn kích thước của cối được lấy bằng kích thước giới hạn nhỏ nhất của chi tiết. Ngược lại khi dập vuốt cần có kích thước trong chính xác thi khe hở được lấy bằng cách tăng kích thước của cối, còn kích thước của chày lấy bằng kích thước giới hạn lớn nhất của chi tiết.
1.3 Lý thuyết biến dạng dẻo kim loại
1.3.1 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 45 độ sẽ 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 >950 C.
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.
Hình 2.1 Sơ đồ lệch
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. Biến dạng đàn hồi 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 nguyên tử 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.
Hình 2.2 Sơ đồ song tinh
1.3.2 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:
Ưng suất dư loại 1 (s1): 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 (s2): Là ứng suất dư sinh ra do sự biến dạng không đồng đều giữa các hạt.
Ứng suất dư loại 3 (s3): 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.
1.3.3 Những nhân tố ảnh hưởng đến tính dẻo của kim loại
a. Trạng thái ứng suất
Trạng thái ứng suất kéo càng ít, nén càng nhiều thì tính dẻo kim loại càng cao.
l 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.
b. Tốc độ biến dạng và nhiệt độ
Tốc độ biến dạng là lượng biến dạng dài tương đối trong một đơn vị thời gian.
(1.1)
Gia công nguội = TKTL
Nếu tăng tốc độ biến dạng sẽ làm giảm tính dẻo của kim loại do có sự biến cứng của kim loại.
Gia công nóng > TKTL
Ở nhiệt độ không quá cao :
Đối với thép = C
Khi tăng tốc độ biến dạng(W) thì lực ma sát làm tăng nhiệt độ của kim loại lên 1000 C ¸ 1100 C 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.
c. 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.
Ví dụ: Thép % C thấp dẻo hơn thép %C cao.
1.3.4 Ảnh hưởng của biến dạng dẻo đến tính chất và tổ chức của kim loại
a. Ảnh 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.
b. Ảnh 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,…
c. Ảnh 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.
1.3.5 Các định luật cơ bản áp dụng khi gia công bằng áp lực
a. 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 modun 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.
b. 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.
c. 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 Vo
Gọi thể tích vật sau khi gia công là V.
Vật thể có chiều cao, rộng, dài trước khi gia công là:
, ,
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 = ho.bo.lo
(1.2)
(1.3)
(*)
Phương trình (*) gọi là phương trình điều kiện thể tích không đổi.
là các ứng biến chính.
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.
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:
Áp dụng để tính toán kích thước, khối lượng phôi trước khi gia công
d. 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.
Áp dụng để thiết kế hình dáng của phôi trước khi gia công.
2.1.2. Trạng thái ứng suất và các phương trình dẻo:
....................................
Hình 2.2. Các dạng ứng suất chính.
Ứng suất đường : tmax = s1/2 (1.4)
Ứng suất mặt : tmax = (s1 - s2)/2 (1.5)
Ứng suất khối : tmax = ( smax - tmax ) (1.6)
Nếu s1 = s2 = s3 thì t = 0 và không có biến dạng. Ứng suất chính để kim loại biến dạng dẻo là biến dạng chảy sch.
Điều kiện biến dạng dẻo:
Khi kim loại chịu ứng suất đường:
= sch tức tmax = sch/2 (1.7)
Khi kim loại chịu ứng suất mặt:
= sch (1.8)
Khi kim loại chịu ứng suất khối:
.................................................
CHƯƠNG II
THIẾT KẾ MÁY ÉP
2.1 Phân tích lựa chọn phương án thiết kế
2.1.1 Phân tích khả năng ứng dụng của máy ép thủy lực tại Việt Nam
Máy ép thủy lực đang được ứng dụng rộng rãi trong lĩnh vực công nghiệp:
+ Máy đúc, ép dập trong chế tạo cơ khí
+ Máy ép phế liệu, giấy vụn, phoi bào
+ Máy ép dăm bào, mùn cưa, bã mía
Máy ép thủy lực được sử dụng rộng rãi để thực hiện công đoạn ép-lắp ráp, dập tấm, chuốt ép, và hàng loạt các công việc gia công khác. Máy còn dùng để nghiền, ép các sản phẩm bằng chất dẻo, lắp ráp các chi tiết máy công cụ, máy dệt, động cơ ô tô, các loại thiết bị công nghiệp và gia dụng trong các nhà máy dân sự, cũng như nhà máy quốc phòng như: Sản xuất các chi tiết nong lỗ má xích của xe tăng, dùng trong việc ép các khuôn sắt, dùng để đột các phôi, dùng để vuốt các yên xe, vuốt bình xăng xe máy và ôtô, dùng để chồn đầu bulông lục giác, ép (cắt) các khuôn định hình…
Các yêu cầu khi lựa chọn máy ép
Khi chọn máy ép cần phải cần xuất phát từ những yêu cầu sau:
+ Lực danh nghĩa của máy phải lớn hơn lực dập cần thiết
Đối với những nguyên công làm việc với hành trình ngắn thì lực dập được lấy theo công thức:
Pm (1,2 1,3).P
Trong đó: Pm là lực danh nghĩa của máy (N)
P là lực cần thiết cho nguyên công
+ Kiểu máy: Chọn máy ép theo độ lớn của hành trình có ý nghĩa rất quan trọng trong việc dập vuốt, cân đối hơn hành trình lớn.
+ Giá thành của máy, kích thước bao của máy, hệ số an toàn.
Qua khảo sát một số máy ép thuỷ lực hiện có và máy chuẩn thì máy ép thuỷ lực có những bộ phận chính như sau:
Hệ thống thuỷ lực: Bao gồm xy lanh thuỷ lực và các van phân phối, đồng hồ đo áp, van an toàn, van một chiều, van tiết lưu, bơm dầu, động cơ dầu, đường ống dẫn, bể dầu...được bố trí bên trên của thùng chứa dầu để phân phối lưu lượng và áp suất cho các xy lanh trong quá trình hoạt động của máy.
Hai bơm cố định có nhiệm vụ hút dầu từ buồng chứa dầu và phân phối đến mạch thuỷ lực có áp suất theo mức độ yêu cầu.
Các đường ống thuỷ lực được trang bị cùng với các thiết bị ghép nối ông và các van cần thiết để nối các phần tử thuỷ lực lại với nhau
Các cảm biến vị trí để khống chế hành trình chuyển động của píttông.
Tủ điện : Gồm các thiết bị cần thiết cho khởi động và dùng điều khiển cho động cơ và các van điện từ, cũng như các rơle thời gian để điều khiển chu kỳ làm việc của máy, các công tắc tơ, cầu chì, máy chỉnh lưu....
Bộ khuôn : Dùng để định dạng cho sản phẩm ép. Gồm ba bộ khuôn :
+ Khuôn trên.
+Khuôn dưới
+Bộ phận kẹp và đẩy phôi
Khuôn trên : Được nối với đầu píttông chính.
Khuôn dưới được nối cố định với bàn máy.
Bộ phận kẹp và đẩy phôi : Được nối với bốn xy lanh thuỷ lực, bốn xi lanh thuỷ lực này được nối với bệ máy.
Khoảng cách giữa các cột hình chữ nhật có kích thước :
Dài rộng cao = 2710 1720 3740 (mm)
Khoảng cách trống giữa hai cột theo chiều dài : 1930 ( mm ).
Khoảng cách trống giữa hai cột theo chiều rộng : 800 ( mm )
Lực ép lớn nhất : Pmax = 200 tấn.
Lực kẹp phôi : Pkmax =40 tấn.
Hành trình : Smax = 710 ( mm ).
Đối với hệ thống thuỷ lực : Thùng dầu có dung tích chứa 400 lít, áp suất lớn nhất nguồn thuỷ lực : pmax = 25 MPA
Tốc độ hành trình mang trượt:
+ Không tải đi xuống: 120 mm/s
+ Không tải đi lên: 80 mm/s
+ Tốc độ ép: 10 mm/s
+ Tốc độ của piston đẩy dưới đi lên: 60 mm/s
+ Tốc độ pison đẩy dưới đi xuống: 100 mm/s
2.1.2 Đưa ra các phương án
Phương án 1: Máy ép thủy lực thân hình chữ C
Hình 2.1 Máy ép thủy lực thân hình chữ C
Các bộ phận của máy:
1) Bệ máy 2) Nút bấm 3) Bulong
4) Môtơ 5) Thân máy 6) Bình dầu 7) Xilanh-pittong
Ưu điểm:
+ Do kết cấu đơn giản nên giá thành thiết kế không cao và chế tạo tương đối đơn giản
+ Làm việc ở chế độ cho trước tương đối chính xác
Nhược điểm:
+ Kết cấu không vững chắc, tạo áp lực riêng nhỏ
+ Chưa có tính tự động hóa cao
+ Tốc độ không đều, gây ra lực quán tính lớn, do đó gây ra rung động nên khó đạt được độ chính xác
+ Năng suất thấp
Phương án 2: Máy ép thủy lực một xilanh
..............................................
- Thiết kế khuôn
3.3.1 Giới thiệu về phần mềm mô phỏng
Ngày nay cùng với sự phát triển của khoa học thì quá trình biến dạng dẻo của kim loại đã được con người nghiên cứu rất nhiều và đã đạt nhiều thành quả. Đặc biệt là quá trình nghiên cứu sự biến dạng của tấm kim loại, xưa kia để kiêm tra tính thực tiển của một lý thuyết thì người ta phải đưa lý thuyết ấy vào thực tế, nhưng trước tiên phải đưa nó vào phòng thí nghiệm trước. Sự biến dạng của tấm kim loại cũng vậy, để kiểm tra quá trình biến dạng của nó con người cũng phải chế tạo khuôn để thử, nhưng không phải với một bộ khuôn là có thể cho kết quả tốt mà phải chế tạo rất nhiều khuôn khác nhau. Điều đó làm cho chúng ta mất nhiều chi phí cũng như thời gian hơn. Ngày nay với sự ứng dụng của các phần mềm mô phỏng thì thời gian được rút ngắn đi rất nhiều, chi phí cũng vậy đã giảm đi đáng kể.
Kỹ thuật ứng dụng AutoForm được thành lập vào năm 1995 ở Zurich, Thụy Sĩ. Kể từ đó, AutoForm đã tăng trưởng liên tục và nhanh chóng. Và đã có văn phòng đại diện tại Thụy Sĩ, Đức, Hà Lan, Pháp, Tây Ban Nha, Ý, Mỹ, Mexico, Ấn Độ, Trung Quốc, Nhật Bản và Hàn Quốc cũng như các đối tác phân phối tại nhiều quốc gia khác, AutoForm là phần mềm lý tưởng đã thế nó còn cung cấp cho khách hàng những dịch vụ chăm sóc và hỗ trợ tốt nhất.
Hiện nay, trên 2500 người sử dụng trong hơn 400 công ty ở 40 quốc gia trên khắp thế giới, tất cả đều tin tưởng và dựa vào AutoForm cho các các hoạt động sản xuất. Autoform luôn dẫn đầu trong nghiên cứu và phát triển, với sự đổi mới nhanh chóng và đáng tin cậy.
Tại hội nghị Numisheet lần thứ 7 tại Interlaken Thụy Sỉ từ ngày 1 – 5 tháng 9 năm 2008, các kết quả chính xác của Autoform đưa ra đã thuyết phục tất cả mọi người tại hội nghị, lại một lần nửa công nhận Autoform là một trong những phần mềm đứng đầu thế giới trong lỉnh vực mô phỏng sự biến dạng dẻo của kim loại tấm. Và tại hội nghị các nhà khoa học cũng nhận định, ngày nay Autoform không những sử dụng trong các ngành công nghiệp mà nó còn phục vụ cho học tập và nghiên cứu khoa học trên toàn thế giới.
3.3.2 Tổng quan về autoform
AutoForm là một phần mềm cung cấp các giải pháp cho việc thiết kế khuôn và mô phỏng sự biến dạng dẻo của kim loại trong ngành công nghiệp, nó được khách hàng và các nhà sản xuất ô tô đứng đầu trên thế giới công nhận, như là một trong số nhà cung cấp phần mềm cho các công ty sản xuất trong lĩnh vựv biến dạng dẻo, thiết kế khuôn cho các ngành công nghiệp ô tô toàn cầu. Việc sử dụng các phần mềm AutoForm cải thiện độ tin cậy trong lập kế hoạch, làm giảm số lượng các tryouts chết và tryout thời gian, và làm cho kết quả được cải thiện chất lượng cao hơn và công cụ thiết kế có thể được sản xuất với sự tin tưởng tối đa. Ngoài ra, nhờ phần mềm này mà các nhà sản xuất có thể giảm được thời gian sản xuất và phế phẩm, là một yêu cầu rất quan trọng trong nền kinh tế suy thoái hiện nay.
Dựa trên thực tế thì các khu công nghiệp họ đã biết làm thế nào để thiết kế khuôn và tạo hình kim loại tấm một cách chuyên môn hơn, AutoForm là một phần mềm tích hợp tất cả các giải pháp thích hợp để có thể thực hiện được các chức năng phân tích, xem xét và tối ưu hóa cho mỗi giai đoạn của quá trình sản xuất.
Autoform là một phần mềm cung cấp các giải pháp để người sản xuất có thể lựa chọn một phương án tối ưu nhất trong suốt quá trình sản xuất.
AutoForm là phần mềm nổi tiếng cho kết quả chính xác và tính toán thời gian ngắn, và có giao diện rất trực quan với người dùng do đó nó dễ sử dụng hơn và thiết thực hơn cho người thiết kế. Đó là một sự kết hợp mạnh mẽ giữa độ chính xác, tốc độ và người sử dụng nó, điều này rất quan trọng trong xã hội ngày nay.
hinh: mô phỏng quá trình dập vuốt bồn rửa
Các kết quả được xuất ra từ autoform
thickness: biến dày
thinning : biến mỏng
wrinkling height: chiều cao vết nhăn
plastic strain: biến dạng dẻo
*TÀI LIỆU THAM KHẢO
1. Nguyễn Hữu Lộc, Cơ sở thiết kế máy, NXB ĐHQGTP Hồ Chí Minh, 2004.
2. Nguyễn Trọng Hiệp, Chi tiết máy tập 1, 2 NXB Giáo dục, 1998.
3. Nguyễn Hữu Lộc, Bài tập chi tiết máy, NXB ĐHQGTP Hồ Chí Minh, 2003.
4. Nguyễn Hữu Lộc, Độ tin cậy trong thiết kế kỹ thuật , NXB ĐHQGTP Hồ Chí Minh, 2002.
