CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ CHỒN TRONG CÔNG NGHỆ DẬP KHỐI CHI TIẾT TỪ PHÔI ỐNG 1.1 Khái quát về các chi tiết truyền động Các chi tiết dạng bánh răng, trục truyền lực, khớp nối, trục khuỷu… xuất hiện khá phổ biến trong các hệ thống, thiết bị, hộp số, cụm chi tiết truyền động cơ khí (Hình 1. Các chi tiết này có nhiều hình dạng khác nhau nhưng chủ yếu là các chi tiết dạng đối xứng trục có vai, vấu, răng để truyền mô men xoắn, ăn khớp khi làm việc. Có rất nhiều các chi tiết máy như bánh răng, khớp nối, trục truyền lực có dạng rỗng.
Cho đến những năm 1980, các chi tiết truyền động này được chế tạo bằng các công nghệ đúc, gia công cắt gọt, sau đó nhiệt luyện. Do đòi hỏi yêu cầu kỹ thuật cao khi làm việc như chịu tải trọng động, tải trọng nhiệt, mài mòn… hơn nữa, yêu cầu sản xuất loạt lớn của nền công nghiệp, nên công nghệ dập khối dần thay thế công nghệ gia công cắt gọt. Các chi tiết này được chế tạo bằng công nghệ dập khối nóng, sau đó gia công cơ hoàn thiện và nhiệt luyện. Trong vòng 20 năm trở lại đây, tất cả các chi tiết truyền động trong các thiết bị truyền lực, hộp số ở các thiết bị máy móc hay ô tô đều được sản xuất bằng công nghệ dập khối để đem lại những hiệu quả cao về kinh tế và đáp ứng được yêu cầu kỹ thuật của chi tiết.1 Các chi tiết bánh răng, vành răng, bánh răng liền trục [1,2] Để đảm bảo được yêu cầu làm việc và độ bền lâu, các chi tiết truyền động được chế tạo từ thép hợp kim thấp có chứa nguyên tố Cr và một lượng nhỏ Mn, Mo.
5 luan an Những mác vật liệu hay được sử dụng theo TCVN 1765-85 có 15Cr, 20Cr, 20CrMo, 18CrMnTi. Đối với các chi tiết bánh răng cỡ vừa và nhỏ vật liệu sử dụng thường là thép C40, C45. Chi tiết sau khi dập khối được công cơ, nhiệt luyện, thấm các bon hay nitơ để nâng cao khả năng chịu mài mòn.2 Khái quát về công nghệ dập khối chế tạo các chi tiết truyền động 1.1 Dập khối Dập khối là một phương pháp công nghệ trong gia công kim loại bằng áp lực (gia công áp lực) dựa trên tính dẻo của vật liệu, trong đó vật liệu kim loại được biến dạng dẻo và điền đầy lòng khuôn và tạo ra chi tiết có kích thước, biên dạng giống như lòng khuôn [1],[2],[3]. Dập khối đã xuất hiện và được áp dụng phổ biến từ rất lâu.
Bắt đầu từ thế kỷ thứ 15 được áp dụng để chế tạo vũ khí, máy móc thiết bị phục vụ nông nghiệp, công nghiệp. Theo thời gian, công nghệ này ngày càng được phát triển và đến nay dập khối được thực hiện trên các thiết bị tự động, điều khiển, trong những điều kiện nhiệt độ khác nhau và phù hợp với tất cả các loại vật liệu có tính dẻo.2 Sơ đồ công nghệ dập khối [2] Dập khối được thực hiện qua các bước công nghệ (Hình 1.2): - Chuẩn bị phôi: Phôi được chuẩn bị làm sạch trước với kích thước theo thiết kế và thường có hình dáng ban đầu đơn giản (dạng trụ, thanh có tiết diện ngang hình vuông, chữ nhật) - Nung phôi: Đối với các loại vật liệu khó biến dạng, phôi được nung đến nhiệt độ phù hợp (thường là nhiệt độ dập nóng). Việc nung phôi rất quan trong nhằm tăng tính dẻo cho kim loại, nâng cao khả năng biến dạng dẻo, giảm năng lượng dập tạo hình. Đối với một số trường hợp kim loại dễ biến dạng, hoặc mức độ biến dạng không lớn, có thể bỏ qua nung phôi và tạo hình ở trạng thái nguội.
- Dập khối: Đây là nguyên công chính, có thể được thực hiện qua nhiều bước nguyên công như tạo hình sơ bộ sau đó dập khối trong khuôn hở (dập thô, dập tinh) hoặc dập trong khuôn kín để tạo hình chi tiết. - Xử lý sau khi dập: Sản phẩm sau khi dập có thể trải qua các công đoạn hoàn thiện như gia công cơ, nhiệt luyện… - Trong sơ đồ công nghệ dập khối có thể thấy được 2 giai đoạn rất quan trọng, quyết định sự thành công của công nghệ đó là nung phôi và dập khối. Nung phôi đảm bảo cho đạt được nhiệt độ của phôi đến nhiệt độ tạo hình và ổn định nhiệt độ của phôi trên toàn bộ thể tích. Tuỳ vào vật liệu mà nhiệt độ bắt đầu 6 luan an tạo hình có thể khác nhau.
Thông thường đối với thép nhiệt độ bắt đầu tạo hình là từ 11000C đến 12000C. Dập khối thường chia ra nguyên công dập sơ bộ nhằm đưa hình dạng của phôi ban đầu đơn giản về gần giống với sản phẩm để đảm bảo cho nguyên công dập tinh cuối cùng được thành công, kim loại điền đầy lòng khuôn, tạo ra sản phẩm chính xác. Các nguyên công dập sơ bộ thường được sử dụng đó là chồn, ép tụ, vuốt, uốn, cán chu kỳ… trong đó nguyên công chồn sử dụng khá phổ biến. Sau khi tạo hình sơ bộ, phôi được đưa vào dập trong lòng khuôn.
Có 2 dạng khuôn được sử dụng là khuôn hở và khuôn kín [1],[2]. Khuôn hở được áp dụng đối với những chi tiết có hình dạng phức tạp, nhiều ngóc ngách, khó tính toán chính xác thể tích của sản phẩm. Khuôn kín được áp dụng với những sản phẩm có thể tính toán chính xác thể tích chi tiết, khuôn dễ dàng lắp các hệ thống chống quá tải, dễ kết thúc chính xác hành trình dập (Hình 1. Hiện nay, trong công nghệ dập khối, với khả năng tính toán và đánh giá quá trình biến dạng trước nhờ mô phỏng số, các nhà kỹ thuật thường thiết kế khuôn kín nhằm tiết kiệm thời gian, vật liệu và năng lượng cho các nguyên công cắt biên.
a) khuôn hở b) khuôn kín Hình 1.3 Dập khối trên khuôn hở và khuôn kín [2] Nguyên công chồn và các nguyên công khác trong dập khối được thực hiện phổ biến trên các loại thiết bị thông dụng như máy búa (búa hơi, búa không khí nén, búa thuỷ lực, máy ép trục khuỷu dập nóng, máy ép ma sát trục vít, máy dập cung điện stator (Hình 1. Máy búa Máy ép ma sát trục vít Máy ép trục khuỷu Hình 1.4 Các thiết bị chính sử dụng để đập khối [2] Các chi tiết truyền động trong các thiết bị cơ khí nói chung có rất nhiều hình dạng khác nhau, hình dạng khối đặc, dạng bậc, có vai, rãnh, gờ, răng để liên kết và truyền chuyện động, mô men cho các chi tiết khác (Hình 1. Đặc biệt trong các bộ truyền động, hộp số, hộp giảm tốc, hộp chia lực thường sử dụng rất nhiều bánh răng, khớp nối vấu có dạng trụ, rỗng để lắp lên trục. Đến nay, hầu hết 7 luan an các chi tiết này đều được dập khối qua các nguyên công: nung, chồn cục bộ, dập khối trong khuôn kín hoặc ép chảy, gia công cơ và gia nhiệt luyện.5 Các chi tiết truyền động dạng trục rỗng Hình 1.6 Chi tiết lắp ráp trong thiết bị cơ khí dạng trục rỗng Các chi tiết truyền động và lắp ráp cơ khí như trên Hình 1.6 dạng trục rỗng được rất nhiều hãng sản xuất, có thể tìm thấy trong các tài liệu kỹ thuật của hãng và trên internet.
Nhiều nhà máy, các cán bộ kỹ thuật vẫn lựa chọn công nghệ để chế tạo các chi tiết rỗng từ dập khối phôi đặc, sau đó gia công khoan lỗ giữa. Để tiết kiệm vật liệu, tránh gia công cơ phải cắt bỏ đi nhiều vật liệu (đôi khi chiếm tới 35% vật liệu phôi ban đầu), các nhà kỹ thuật lựa chọn nguyên công chồn, sau đó dập khối tạo lỗ không thấu. Màng ngăn lỗ sẽ được đột sau khi dập hoàn thiện chi tiết. Tuy nhiên, công nghệ này thường thêm nguyên công đột hoặc cần lực lớn trong nguyên công dập khối do phải tạo thêm lỗ không thấu.
Trong vòng 10 năm qua, cũng có nhiều đề xuất nghiên cứu công nghệ dập các chi tiết dạng rỗng này từ phôi ban đầu không phải là phôi đặc mà là phôi rỗng (phôi ống)[4]–[7], bởi nếu dập phôi rỗng sẽ tiết kiệm vật liệu lên tới 35%, năng lượng tạo hình cũng tiết kiệm được tương ứng tới 35%. Dập từ phôi rỗng cần có nguyên công chồn để phân bố lại kim loại, tạo ra các tiết diện lớn hơn cho phôi trung gian để phù hợp với nguyên công dập khối chính. Tuy nhiên, việc chồn phôi 8 luan an ống không đơn giản, khác hẳn với chồn phôi đặc bởi phôi ống rất dễ bị mất ổn định, đặc biệt ở trạng thái nóng. Việc tính toán công nghệ khó khăn, dễ tạo ra khuyết tật sau khi chồn làm giảm chất lượng sản phẩm cuối cùng.
Chính vì vậy, đến nay vẫn chưa có những nghiên cứu cụ thể đưa ra công nghệ dập khối chi tiết truyền động dạng rỗng từ phôi ống và áp dụng thành công trong sản xuất công nghiệp. Điều khó khăn nhất trong công nghệ này là phải tính toán được chính xác nguyên công chồn để tạo sản phẩm trung gian phù hợp mà không bị các khuyết tật do mất ổn định khi chồn ống tạo ra.7 Chế tạo các chi tiết truyền động dạng rỗng bằng công nghệ dập khối từ phôi đặc 9 luan an 1.2 Nguyên công chồn trong công nghệ dập khối Sơ đồ nguyên công chồn được trình bày như hình dưới đây.8 Sơ đồ nguyên công chồn phôi đặc không có ma sát và có ma sát Chồn là một nguyên công công nghệ nhằm giảm chiều cao, tăng diện tích tiết diện ngang đồng thời nâng cao cơ tính của sản phẩm. Phôi chồn có thể ở dạng dải, tiết diện tròn hay các tiết diện vuông, chữ nhật hoặc ống [2],[8],[9]. Chồn được coi là một nguyên công tạo hình sơ bộ và được sử dụng phổ biến trong công nghệ dập khối.
Đối với một số sản phẩm như dạng bu lông, vít, chồn được xem là nguyên công chính và có khả năng tạo hình sản phẩm hoàn thiện. Chồn chủ yếu được thực hiện trong trạng thái biến dạng tự do với hai khuôn trên, dưới (búa, bệ đe) có dạng phẳng. Tuỳ vào trường hợp tạo hình phôi phù hợp với nguyên công dập khối, chồn có thể thực hiện trên khuôn có biên dạng định hình. Lực tạo hình, ứng suất trong phôi là nén, biến dạng của phôi là biến dạng khối, theo chiều cao là biến dạng nén và theo 2 phương ngang là biến dạng kéo.
Hình dạng của phôi sau khi chồn phôi hình trụ có thể là hình trụ (đồng dạng, biến dạng đồng đều) khi không có ma sát trên bề mặt tiếp xúc giữa phôi và khuôn. Trường hợp này khó xảy ra trong thực tế, kể cả trong trường hợp bôi trơn rất tốt thì cũng chỉ có thể giảm thiểu ảnh hưởng của ma sát tiếp xúc.