CHƯƠNG 1 - TỔNG QUAN 1.1 Giới thiệu về khuôn dập nguội và điều kiện làm việc của khuôn dập nguội.1 Giới thiệu chung về khuôn dập nguội. Dập nguội là một trong những phương pháp gia công kim loại bằng áp lực tiên tiến để chế tạo sản phẩm từ vật liệu tấm, thép bản hoặc khối. Dập nguội được sử dụng rộng rãi trong tất cả các ngành công nghiệp, đặc biệt trong công nghiệp ô tô, các ngành công nghiệp điện, chế tạo dụng cụ sản xuất, các đồ dân dụng. Khuôn dập nguội là dụng cụ để tạo hình sản phẩm bằng phương pháp biến dạng vật liệu ở nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ kết tinh lại.
Có nhiều loại khuôn dập nguội: đột dập, dập vuốt tạo hình, dập sâu, khuôn kéo sợi, khuôn chuốt sợi.Khuôn dập nguội được cấu tạo từ hai phần: khuôn trên và khuôn dưới. Khuôn trên được gắn với búa chuyển động nhờ áp lực của búa, khuôn dưới cố định. Các loại khuôn được sử dụng nhiều là khuôn dập tạo vuốt, dập sâu và khuôn đột dập (hình 1.1 Khuôn dập nguội (dập vuốt) Khuôn đột dập yêu cầu độ cứng cao (trên 60 HRC) do phải cắt phôi cứng. Tuy nhiên, nếu độ cứng quá cao sẽ dễ dẫn đến vỡ, sứt khuôn, nhất là tại các mép cắt.
Vật 4 liệu dập càng dày, điều kiện làm việc của khuôn càng khắc nghiệt, do vậy tuổi thọ càng thấp. Đối với khuôn dập vuốt, dập sâu do làm việc trong điều kiện chịu ma sát cao, mài mòn cao giữa khuôn và vật liệu dập, khi đó khuôn yêu cầu độ cứng bề mặt cao (58- 60HRC), độ dai va đập vừa phải. Trong quá trình làm việc, khuôn dập phải chịu áp lực lớn cùng với ứng suất uốn, lực va đập và lực ma sát. Phôi dập càng dày, khả năng chống biến dạng dẻo của vật liệu dập càng lớn.
Khi hình dạng sản phẩm phức tạp, nhiều góc cạnh sẽ dễ dẫn tới ứng suất phân bố không đều trên bề mặt khuôn, khi dập vuốt, vật liệu dập bị dãn, bề mặt ma sát với thành khuôn, quá trình làm việc liên tục làm khuôn có thể nóng lên tới nhiệt độ khoảng 300 – 350o C, khuôn cần có tính bền nóng. Việc dính giữa khuôn và bề mặt vật liệu dập có thể xảy ra, làm xấu bề mặt cả khuôn và sản phẩm tạo thành, để tăng chất lượng bề mặt chi tiết trong quá trình dập, người ta thường sử dụng chất bôi trơn hợp lý với khuôn và vật liệu dập. Như vậy, để đảm bảo làm việc trong những điều kiện như vậy vật liệu làm khuôn dập nguội phải đạt được các yêu cầu cơ tính cao, đảm bảo khuôn làm việc lâu dài, sản phẩm có độ chính xác cao, giá thành không quá đắt.2 Các dạng sai hỏng và cách khắc phục Do phải làm việc trong điều kiện phức tạp và khắc nghiệt, khuôn dập nguội thường gặp các dạng sai hỏng sau (hình 1.2 Các dạng sai hỏng thường gặp ở khuôn dập nguội 5 1. Nứt, vỡ khuôn: Hiện tượng này có thể gặp ngay trong quá trình làm việc, nhất là với khuôn làm việc cường độ quá cao, có hình dạng phức tạp, nhiều góc cạnh, phôi dày.
Có nhiều nguyên nhân, có thể do chọn vật liệu làm khuôn không thích hợp, nhiệt luyện có độ cứng quá cao. Chẳng hạn đối với khuôn dập vuốt làm từ thép SKD11, nếu trước khi đem gia công khuôn, thép có cacbit có dạng xương cá thô, giòn, thì dễ dẫn đến nứt, vỡ khi làm việc chịu va đập, do nhiệt luyện tôi và ram không thể hòa tan được cacbit loại này. Các cacbit này cần được rèn cẩn thận, vỡ vụn, đa cạnh, dễ hòa tan khi nung tôi và tiết ra nhỏ mịn khi ram. Ứng suất sinh ra trong quá trình nhiệt luyện không được khử triệt để, trong quá trình làm việc, ma sát với vật liệu dập tích lũy thêm sẽ dẫn đến có thể lớn hơn giới hạn bền, gây nứt chân chim, rồi dẫn đến phá hủy.
Do đó để tránh nứt hoặc cong vênh, cần phải khử triệt để các ứng suất này. Độ cứng không đạt: Môi trường tôi, nhiệt độ tôi không đúng, thời gian giữ nhiệt không đủ, chọn không đúng mác thép, thoát cacbon khi nung là nguyên nhân gây ra độ cứng không đạt. Sau ram còn nhiều austenit dư cũng là nguyên nhân gây độ cứng thấp, vì vậy cần điều chỉnh lượng austenit dư phù hợp bằng ram nhiều lần. Mài mòn không đều: Là dạng sai hỏng hay gặp nhất.
Sự mài mòn khuôn và mòn giữa các phần không đều nhau có thể bị ảnh hưởng bởi nhiều nguyên nhân như độ cứng khi nhiệt luyện không đạt yêu cầu, hoặc do hình dạng khuôn phức tạp, các vị trí khác nhau có độ cứng khác nhau. Mài mòn phụ thuộc vào cường độ dập, lắp đặt khuôn không chuẩn, sự không tương thích vật liệu sản phẩm và vật liệu khuôn. Để giảm khả năng mài mòn khuôn có thể thay đổi các yếu tố trên, đồng thời sử dụng chất bôi trơn hợp lý. Hiện tượng bong tróc, bám dính phôi: Là sự bám dính giữa vật liệu dập với khuôn hay còn gọi là hàn lạnh.
Hiện tượng này làm giảm mạnh độ chính xác của khuôn, độ bóng bề mặt khuôn và do đó làm bề 6 mặt sản phẩm có độ bóng không đạt yêu cầu (xước bề mặt). Hiện tượng có thể khác phục bởi việc sử dụng chất bôi trơn đầy đủ. Vật liệu chế tạo khuôn dập nguội – thép SKD11 1. Yêu cầu cơ tính đối với vật liệu chế tạo khuôn dập nguội Từ các yêu cầu làm việc của khuôn dập nguội và để nâng cao tuổi thọ của khuôn, vật liệu chế tạo khuôn dập nguội cần phải có các yêu cầu về cơ tính như sau: - Độ cứng cao: khuôn dập nguội yêu cầu độ cứng tương đối cao vào khoảng 58- 62 HRC, tùy thuộc vào loại khuôn, khuôn đột dập độ cứng nên cao hơn khuôn dập vuốt và tùy thuộc vào chiều dày, độ cứng của phôi dập (thép tấm, nhôm, đồng.
Khi độ cứng lớn hơn 62HRC khuôn dễ bị sứt mẻ khi làm việc. - Độ bền và độ dai đảm bảo: cần có để chịu được tải trọng đặt vào lớn và chịu va đập. Đối với các khuôn dập lớn cần có thêm yêu cầu về độ thấm tôi và ổn định kích thước. Để thỏa mãn điều kiện cho khuôn không bị biến dạng dẻo khi làm việc và chịu được tải trọng va đập khi dập, khuôn cũng cần có độ dai va đập ak đảm bảo.
- Tính chống mài mòn cao: là yêu cầu quan trọng để khuôn không bị mòn, có thể làm việc làm việc lâu dài, đảm bảo các sản phẩm dập nằm trong dung sai cho phép. Tính chống mài mòn kém sẽ làm cho khuôn dễ bị hỏng do ma sát tiếp xúc dẫn tới mài mòn trong quá trình làm việc, khe hở sẽ tạo ra giữa khuôn trên và khuôn dưới, sản phẩm tạo ra có kích thước vượt quá dung sai cho phép và trở thành phế phẩm. Chúng ta cũng biết rằng, hai thép có cùng độ cứng, thép nào có nhiều cacbit hơn, khả năng chống mài mòn sẽ cao hơn, do vậy thép làm khuôn dập nguội nên có nhiều cacbit nhỏ mịn, phân tán, đồng thời phải có tính cúng nóng do nhiệt độ của khuôn có thể đạt đến 3000C – 3500C. Tính chống mài mòn cao còn là yếu tố đảm bảo độ bóng bề mặt của khuôn lâu dài, tránh hiên tượng xước, làm giảm độ bóng của bề mặt sản phẩm.
Lựa chọn vật liệu chế tạo khuôn dập nguội Tiêu chuẩn đánh giá đặc trưng cơ bản của vật liệu làm khuôn là số lượng và chất lượng chi tiết sản xuất ra đúng tiêu chuẩn.1 là số liệu thống kê một số vật liệu làm khuôn dập nguội thường dùng tương ứng với số lượng sản phẩm dập và vật liệu dập. Vật liệu làm khuôn dập định hình Vật liệu làm khuôn tương ứng với số lượng chi tiết Vật liệu phôi 100 1 000 10 000 100 000 1 000 000 Hợp kim Hợp kim Gang hợp D2 thấm D2 thấm Thép Cácbon thấp kẽm kẽm kim Nitơ Nitơ Thép không gỉ loại Hợp kim Hợp kim Gang hợp D2, A2 D2, thấm 300 kẽm kẽm kim thấm Nitơ Nitơ Hợp kim Đồng hoặc Hợp kim Polyeste- Gang hợp D2, A2 D2, thấm Nhôm có độ bền cao kẽm thủy tinh kim thấm Nitơ Nitơ Hợp kim Hợp kim Gang hợp D2 thấm D2 thấm Hợp kim chịu nhiệt kẽm kẽm kim Nitơ Nitơ Trong đó: + A2: Thép dụng cụ tôi trong không khí. + D2: Thép dụng cụ loại Cr cao, C cao. Từ bảng thống kê trên, ta thấy vật liệu làm khuôn dập khá phong phú.
Với các khuôn dập với số lượng sản phẩm lớn (>100.000 sản phẩm), vật liệu sử dụng nghiên cứu là thép D2 (tiêu chuẩn của Mỹ), sau nhiệt luyện cần thấm nitơ, tương đương với mác thép SKD11 theo tiêu chuẩn JIS của Nhật. Hiện nay, ở Việt Nam khuôn dập nguội có chất lượng cao thường sử dụng mác thép SKD11. Đặc điểm của thép SKD11 1. Thành phần, đặc điểm chung Bảng 1.2 Thành phần thép SKD11(theo tiêu chuẩn JIS).
Nguyên tố C Si Mn P S Cr Mo V Ni Hàm lượng 1,4-1,6 ≤ 0,4 ≤ 0,6 ≤ 0,03 ≤ 0,03 11,0-13,0 0,8-1,2 0,2-0,5 ≤ 0,25 (%) Từ bảng 1.2 ta thấy thép có hàm lượng nguyên tố C và Cr rất cao, cácbon lên tới (1,4-1,6) % trong khi crôm là (11-13)%, điều này giúp khuôn có được độ cứng cao, có hàm lượng cácbit lớn để tăng khả năng chịu mài mòn của khuôn. Ngoài ra trong khuôn còn có các nguyên tố hợp kim quan trọng như Mo (0,8-1,2)%, V (0,2-0,5)% giúp cho thép SKD11 nâng cao độ thấm tôi, tạo cácbit chống mài mòn, tăng tính cứng nóng trong điều kiện khuôn làm việc liên tục với cường độ lớn đồng thời tránh được hiện tượng giòn ram loại hai khi ram ở vùng nhiệt độ cao. Thép SKD11 có thể chọn chế độ tôi và ram để có được độ cứng thứ hai. Điều này hết sức có ý nghĩa để thực hiện quá trình thấm nitơ tiếp theo.
Dưới đây bảng 1.3 đưa ra các mác thép tương đương với mác SKD11 của một số nước.3 Mác thép tương đương với thép SKD11 Nước Nga Mĩ (AISI) Nhật Thụy Điển Đức Mác tương X12M D2 SKD11 2310 1.2379 đương Một số tính chất vật lý của thép SKD11 được đưa ra trong bảng 1.4 Tính chất vật lý của thép SKD11. Tính chất vật lý Nhiệt độ 20 oC 200oC 400oC Khối lượng riêng (kg/dm³) 7.60 Hệ số giãn nở nhiệt - 22.8 x 10-6 (mỗi °C từ 0°C) Hệ số dẫn nhiệt(cal/cm.2 x 10-3 Nhiệt dung riêng (cal/g °C) 0.110 - - Môđun đàn hồi Kp/mm² 19 700 19 200 17 650 N/mm² 193 000 188 000 173 000 Từ bảng 1.4 nhận thấy, thép SKD11 có hệ số giãn nở nhiệt và dẫn nhiệt nhỏ.