CHƯƠNG 1 – TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan về rèn trong khuôn kim loại 1.1 Giới thiệu Công nghệ tạo hình kim loại có một vị trí đặc biệt trong lĩnh vực kỹ thuật chế tạo vì nó giúp sản xuất các chi tiết máy có tính chất cơ học cao và hình học phức tạp. Trong quá trình tạo hình kim loại, vật liệu ban đầu có hình dạng tương đối đơn giản sau một hoặc nhiều lần biến dạng dẻo sẽ tạo ra sản phẩm có hình dạng phức tạp hơn. Việc chế tạo các chi tiết máy có kích thước gần đúng hoặc đúng sẽ làm giảm đáng kể các yêu cầu loại bỏ kim loại (phoi), dẫn đến tiết kiệm đáng kể vật liệu và năng lượng. Trong các phương pháp biến dạng dẻo tạo hình vật liệu thì rèn là phương pháp có lịch sử phát triển lâu đời nhất và tới nay vẫn là một trong những phương pháp chính để tạo hình vật liệu bằng phương pháp biến dạng.
Trong phương pháp rèn, vật liệu bị biến dạng dẻo để tạo ra hình dạng của sản phẩm mong muốn. Phôi kim loại chịu ảnh hưởng chủ yếu bởi hình học của dụng cụ, điều kiện ma sát, đặc tính của vật liệu kim loại và các điều kiện nhiệt độ tồn tại trong vùng biến dạng. Dòng chảy kim loại trong quá trình rèn ảnh hưởng đến chất lượng và tính chất của sản phẩm được hình thành và yêu cầu về lực tác dụng và năng lượng của quá trình. Các dạng biến dạng cơ học ví dụ như dòng chảy kim loại, tạo hình trước, tỷ lệ ứng suất và áp lực, có thể được nghiên cứu bằng cách sử dụng một trong các phương pháp phân tích gần đúng (ví dụ phân tích phần tử hữu hạn, phương pháp phôi tấm, tấm, giới hạn trên.
Hiện nay chủ yếu có hai loại quy trình rèn là rèn khuôn hở và rèn khuôn kín. Rèn khuôn hở là tạo hình kim loại bằng cách đập hoặc ép phôi giữa các búa.1 quá trình rèn khuôn mở. Nguyễn Hoàng Dũng 17 Luận văn Thạc sĩ GVHD: TS.Phạm Quang Trung Hình.1 Thao tác rèn khuôn hở [1] Rèn khuôn kín là quá trình rèn phổ biến nhất chiếm phần lớn sản xuất rèn. Trong quá trình rèn khuôn kín, hai khuôn được ghép lại với nhau và phôi trải qua biến dạng dẻo cho đến khi chạm vào thành khuôn.
Sau đó, một lượng vật liệu bắt đầu chảy ra ngoài khuôn, tạo thành bavia (hình. Bavia nguội đi nhanh chóng và tăng khả năng chống biến dạng. Bavia tạo ra áp lực lớn bên trong khuôn làm cản trở vật liệu điền đầy lòng khuôn [1]. Vphôi = Vchi tiết + Vbavia (1) Hình.2 Các hoạt động rèn khuôn kín [1] Mục tiêu chính của việc rèn khuôn kín là để đảm bảo dòng kim loại chảy được điền đầy trong lòng khuôn để có được hình dạng thành phẩm mong muốn mà không có bất kỳ khuyết tật nào và đạt được các tính chất cơ tính mong muốn.
Một trong những yêu cầu quan trọng nhất của công nghệ rèn khuôn kín là thiết kế và chế tạo khuôn để vật liệu được điền đầy hoàn toàn trong lòng khuôn. Trong Nguyễn Hoàng Dũng 18 Luận văn Thạc sĩ GVHD: TS.Phạm Quang Trung rèn kín có bavia, phương pháp này gây ra một lượng tổn thất vật liệu do việc tạo thành bavia và yêu cầu phải có nguyên công cắt bavia tiếp theo. Ngoài ra, lực tác dụng lớn trong gia công chi tiết có bavia có thể dẫn đến ảnh hưởng xấu trên khuôn. Các chi tiết được rèn khuôn kín không có bavia có độ chính xác cao hơn do không hoặc chỉ cần nguyên công mài tiếp theo.
Do đó, rèn khuôn kín không có bavia là phương pháp đáp ứng được các yêu cầu trên và được nghiên cứu rất nhiều trong những thập niên gần đây.2 Rèn khuôn kín không có bavia – rèn chính xác Trong rèn khuôn kín có bavia, thể tích phôi sẽ bằng thể tích chi tiết và thể tích của bavia. Vphôi = Vchi tiết + Vbavia Rèn chính xác được định nghĩa là phương pháp rèn tạo hình dạng chi tiết đúng hoặc gần đúng tạo ra các chi tiết có độ chính xác với chất lượng bề mặt và kích thước chính xác cao. Các sản phẩm của rèn chính xác hình dạng đúng được sử dụng trực tiếp mà không cần nguyên công gia công tiếp theo. Mặt khác, các sản phẩm rèn chính xác tạo hình gần đúng đòi hỏi các nguyên công gia công tiếp theo đơn giản hơn (ví dụ như chỉ cần mài bóng).
Do vậy so với rèn khuôn kín có bavia, rèn chính xác có tổng thời gian chế tạo ngắn hơn. Việc hao phí vật liệu do bavia và nguyên công sau rèn để loại bỏ bavia làm giảm cơ tính của sản phẩm, giảm năng suất và làm tăng chi phí sản xuất. Do đó, rèn khuôn kín không có bavia hay còn gọi là rèn chính xác với thể tích vật liệu gần bằng với thể tích chi tiết là phương pháp hiệu quả để loại bỏ bavia cho sản phẩm sau rèn. Công thức (1) trở thành công thức (2) Vphôi = Vchi tiết Hình 1.3 trình bày phương pháp rèn khuôn kín có và không có bavia [2].
Nguyễn Hoàng Dũng 19 Luận văn Thạc sĩ GVHD: TS.Phạm Quang Trung Hình 1. Sau đó công nghệ rèn phát triển và có thể chế tạo các chi tiết phức tạp hơn, ví dụ: bánh răng xoắn ốc, thanh nối và trục khuỷu.4 cho thấy sự đa dạng của các bộ phận được rèn chính xác tại Viện Máy tạo hình kim loại và Máy tạo hình kim loại của Đại học Hannover và IPH, Đức [1]. Nguyễn Hoàng Dũng 20 Luận văn Thạc sĩ GVHD: TS.Phạm Quang Trung Hình.4 Một số chi tiết rèn chính xác [1] Sự khác biệt quan trọng đầu tiên giữa rèn chính xác và khuôn kín thông thường là hình thành bavia. Trong quá trình rèn chính xác, phôi được bao kín hoàn toàn trong lòng khuôn do đó rất ít hoặc không hình thành bavia.
Hai loại chi tiết dạng thanh kết nối được rèn bằng hai phương pháp khác nhau là rèn chính xác và rèn khuôn kín thông thường được thể hiện trong hình 1.5 Thanh kết nối rèn chính xác và rèn khuôn kín thông thường [1] Rèn chính xác đã được nghiên cứu và công bố trên các tạp chí uy tín trên thế giới, Vazquez và Altan [3] đã xử lý thiết kế khuôn-phôi để rèn một thanh kết nối và đưa ra một khái niệm công cụ mới để rèn các bộ phận phức tạp với lượng bavia được kiểm soát.6 thể hiện khuôn và chi tiết thanh kết nối sau quá trinh rèn.7 là dụng cụ bằng nhôm để mô hình hóa rèn không bavia thanh kết nối. Nguyễn Hoàng Dũng 21 Luận văn Thạc sĩ GVHD: TS.Phạm Quang Trung Hình 1.6 Khuôn kín không bavia chi tiết thanh kết nối [3] Hình 1.7 Dụng cụ bằng nhôm để mô hình hóa rèn không bavia thanh kết nối [3] Douglas và Kuhlmann [4] đã nghiên cứu để tạo ra quá trình rèn có độ chính xác cao mà chỉ có thể đạt được bằng cách rèn nguội (hình 1. Nguyễn Hoàng Dũng 22 Luận văn Thạc sĩ GVHD: TS.Phạm Quang Trung Hình 1.8 Bánh răng thẳng được rèn bằng phương pháp rèn chính xác [4] Hình 1.9 Rèn chính xác bánh răng côn răng thẳng [4] BehDR, Doege, Reinsch, Telkamp, Daehndel, Specker [5] đã mô tả các phương pháp và quy trình phát triển được áp dụng của một quá trình rèn (hình 1. Nguyễn Hoàng Dũng 23 Luận văn Thạc sĩ GVHD: TS.Phạm Quang Trung Hình 1.10 Các bánh răng được rèn chính xác [5] Hình 1.11 Trình tự rèn chính xác của một trục khuỷu ba xi lanh [5] Yoshimura và Tanaka [5] đã mô tả phác thảo của một thiết bị rèn khuôn kín.
Sau đó, họ đưa ra một số ví dụ hình dạng gần đúng của hợp kim thép và nhôm (hình 1. Nguyễn Hoàng Dũng 24 Luận văn Thạc sĩ GVHD: TS.Phạm Quang Trung Hình 1.12 Các bánh răng côn được rèn trong khuôn kín [6] Hình 1.13 Các sản phẩm nhôm khác nhau được rèn chính xác [6] Shan, Xu và Lu [7] chủ yếu mô tả các vấn đề chính trong việc rèn chính xác các thành phần hợp kim nhẹ có hình dạng lớn và phức tạp (hình 1. Bằng phương pháp phát triển, một số vật liệu hợp kim magiê và hợp kim nhôm đã được sản xuất thành công. Nguyễn Hoàng Dũng 25 Luận văn Thạc sĩ GVHD: TS.Phạm Quang Trung Hình 1.14 Ảnh chụp ba vật rèn hợp kim nhẹ có hình dạng phức tạp: (a) vỏ trên bằng hợp kim magiê; (b) vỏ hình trụ bằng hợp kim nhôm; (c) rôto hợp kim nhôm [7] Đã có nhiều nghiên cứu khoa học được công bố trên các tạp chí uy tín về rèn chính xác để chế tạo bánh răng [8], Dean [9] đã hoàn thành nhiều nghiên cứu về rèn chính xác bánh răng.
Tác giả đưa ra nền tảng của nghiên cứu về việc rèn các dạng bánh răng xoắn đặc biệt để sản xuất các bánh răng chất lượng cao cho ứng dụng giao thông đường bộ (hình 1.15 Rèn bánh răng ô tô trong khuôn kín [9] Nguyễn Hoàng Dũng 26 Luận văn Thạc sĩ GVHD: TS.Phạm Quang Trung Hình 1.16 Rèn bánh răng nghiêng trong khuôn kín [9] Dean, Cai và Hu [10] đã nghiên cứu về thiết kế khuôn trong quá trình rèn bánh răng. Họ đã kiểm tra ảnh hưởng của các thiết kế khác nhau đối với các yêu cầu về lưu lượng và tải trọng kim loại thông qua các thí nghiệm và mô phỏng phần tử hữu hạn. Các tác động của ma sát đến tải và chế độ của dòng chảy kim loại trong khuôn cũng được nghiên cứu (hình 1.17 Khuôn rèn bánh răng [10] Nguyễn Hoàng Dũng 27 Luận văn Thạc sĩ GVHD: TS.Phạm Quang Trung Hình 1.18 Ảnh hưởng của ma sát đến tạo hình bánh răng: (a) hệ số ma sát m = 0; (b) hệ số ma sát m = 0.1; (c) hệ số ma sát m = 0.3 Tổng quan nghiên cứu rèn chính xác trong và ngoài nước 1.1 Trong nước Hiện nay ở Việt Nam có rất ít nghiên cứu về rèn chính xác và cận chính xác. Đi đầu về lĩnh vực này có thể kể đến bộ môn gia công áp lực thuộc viện cơ khí - Đại học Bách Khoa Hà Nội.
Năm 2012, bộ môn đã nghiên cứu thành công đề tài “Nghiên cứu công nghệ rèn tạo hình chính xác ở trạng thái nửa nóng” [11], trong đó lấy chi tiết khớp chữ thập để làm mô phỏng và thực nghiệm (hình 1. Phần mềm mô phỏng hỗ trợ được sử dụng là Deform 3D của hãng SFTC (Scientific Forming Technologies Corporation). Nghiên cứu đưa ra các phương án rèn ở trạng thái nguội, trạng thái nửa nóng và trạng thái nóng để phân tích và so sánh các yếu tố như mức độ biến dạng, lực biến dạng, trạng thái ứng suất.
