TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ CƠ SỞ LÝ THUYẾT CÔNG NGHỆ DẬP TẠO HÌNH
K HÁI NIỆM DẬP TẤM
Quá trình công nghệ là chuỗi các tác động trực tiếp nhằm thay đổi hình dạng, tính chất và trạng thái của phôi ban đầu để đạt được mục tiêu cụ thể Nó bao gồm các nguyên công được sắp xếp theo một trình tự nhất định.
Dập tấm là quá trình công nghệ bao gồm nhiều nguyên công khác nhau, nhằm biến dạng kim loại tấm (băng hoặc dải) để tạo ra các chi tiết với hình dạng và kích thước mong muốn, trong khi vẫn giữ nguyên chiều dày vật liệu và không tạo ra phế phẩm dạng phoi.
Dập tấm thường được thực hiện với phôi nguội, thường có chiều dày nhỏ hơn hoặc bằng 4mm, gọi là dập nguội Trong trường hợp chiều dày vật liệu lớn, quá trình dập có thể diễn ra với phôi ở trạng thái nóng.
Nguyên công là một bước quan trọng trong quy trình công nghệ, được thực hiện bởi một hoặc nhiều công nhân tại một vị trí cụ thể trên máy Quá trình này bao gồm tất cả các tác động cần thiết 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 của khuôn, đặt phôi vào khuôn và cho khuôn làm việc,…)
• Ưu điểm của sản xuất dập tấm:
- Có thể thực hiện các 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 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, 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 dạng khối do đó hạ giá thành sản phẩm.
- Tận dụng được phế liệu, hệ số sử dụng vật liệu cao.
Dập tấm không chỉ áp dụng cho gia công kim loại mà còn cho các vật liệu phi kim như techtolit, hetalac và nhiều loại chất dẻo khác.
ĐỊNH NGHĨA VÀ PHÂN LOẠI CÁC NGUYÊN CÔNG DẬP TẤM
Tất cả các nguyên công tạo hình vật liệu tấm được hệ thống hóa và phân loại theonhững đặc điểm của quá trình biến dạng và công nghệ:
Theo đặc điểm biến dạng của quá trình dập tấm, chia thành 02 nhóm chính:
- Biến dạng cắt vật liệu
- Biến dạng dẻo vật liệu
Nhóm các nguyên công cắt vật liệu được sử dụng để tách một phần vật liệu khỏi phần khác, thông qua một đường bao khép kín hoặc không khép kín Quá trình này làm phá vỡ liên kết giữa các phần tử kim loại tại vùng cắt, dẫn đến sự phân tách hiệu quả.
Nhóm nguyên công biến dạng dẻo vật liệu giúp thay đổi hình dạng và kích thước bề mặt của phôi bằng cách phân phối lại và chuyển dịch thể tích kim loại Quá trình này tạo ra các chi tiết với hình dạng và kích thước cần thiết nhờ tính dẻo của kim loại mà không gây hư hỏng tại vùng biến dạng Trong hầu hết các trường hợp, chiều dày vật liệu phôi chỉ thay đổi nhỏ hoặc không thay đổi đáng kể.
Hình 1.1 Hình dạng và kích thước mẫu thử
Trong quá trình dập tấm người ta có thể dập riêng biệt từng nguyên công hoặc có thể kết hợp hai hay nhiều nguyên công trên cùng một khuôn
Khi thực hiện dập riêng biệt từng nguyên công, năng suất thường thấp và độ chính xác của chi tiết không cao Tuy nhiên, phương pháp này có ưu điểm là khuôn đơn giản, dễ chế tạo và có giá thành thấp, phù hợp cho sản xuất đơn chiếc hoặc lô nhỏ.
Khi kết hợp hai hoặc nhiều nguyên công trên cùng một khuôn người ta gọi là dập liên hợp
Dập liên hợp mang lại năng suất cao và độ chính xác chi tiết tốt, đồng thời giảm thiểu số lượng thiết bị và công nhân, từ đó hạ giá thành sản phẩm Tuy nhiên, nhược điểm của phương pháp này là khuôn phức tạp, đòi hỏi độ chính xác gia công cao, khó chế tạo, dẫn đến giá thành khuôn cao và khó khăn trong việc sửa chữa, thay thế khi hỏng hóc Do đó, dập liên hợp thường được áp dụng hiệu quả trong sản xuất hàng loạt lớn và hàng khối.
Tùy theo phương pháp kết hợp giữa các nguyên công, dập liên hợp được chia thành 03 dạng chính:
Dập phối hợp là phương pháp sản xuất hiệu quả, cho phép thực hiện nhiều nguyên công khác nhau trên cùng một bộ khuôn chỉ với một lần đặt phôi Kỹ thuật này giúp tiết kiệm thời gian và tăng năng suất trong quá trình dập, khi tất cả các nguyên công được hoàn thành trong một hành trình máy duy nhất.
Dập liên tục là phương pháp sản xuất hiệu quả, kết hợp nhiều nguyên công khác nhau trên cùng một khuôn Quá trình này được thực hiện liên tiếp bởi các cặp chày - cối riêng biệt, với sự dịch chuyển phôi từ chày này sang chày khác trong một số hành trình của máy.
- Dập liên tục – phối hợp: Là phương pháp kết hợp cả 2 phương pháp trên để hoàn thành một số nguyên công trên cùng một khuôn.
Khả năng kết hợp các nguyên công trong quá trình sản xuất rất đa dạng, cho phép kết hợp cắt, đột và uốn tùy theo hình dạng và kích thước của chi tiết Sự sáng tạo của người thiết kế công nghệ đóng vai trò quan trọng trong việc tạo ra các chi tiết dập tấm với số lượng nguyên công tối thiểu và chi phí thấp nhất.
Tùy theo đặc điểm biến dạng và đặc điểm công nghệ, phương pháp tiến hành,… người ta phân loại các nguyên công dập tấm như sau:
Trong khuôn khổ nghiên cứu của đề tài này chúng ta đi tìm hiểu sâu hơn về nguyên công cắt hình đột lỗ.
NGUYÊN CÔNG CẮT, ĐỘT
1.3.1 Ảnh hưởng của khe hở đến trị số và dấu của biến dạng đàn hồi
Nguyên công cắt đóng vai trò quan trọng trong sản xuất dập tấm nguội, cho phép cắt thép tấm cán hoặc thép cuộn thành băng hoặc dải Bằng cách sử dụng các nguyên công này, chúng ta có thể tạo ra các phôi khác nhau từ thép tấm cán tiêu chuẩn và cắt hình để sản xuất các chi tiết phẳng với nhiều hình dạng đa dạng.
Khuôn cắt hình và đột lỗ bao gồm chày và cối với khe hở xác định Z Tấm hoặc dải phôi được đặt trên cối, trong khi chày chuyển động xuống ép lên tấm Quá trình này tạo ra sự dịch chuyển tương đối của kim loại, dẫn đến việc cắt hình hoặc đột lỗ Kim loại tách ra sẽ chui qua lỗ cối, trở thành chi tiết nếu là cắt hình, hoặc phế phẩm nếu là đột lỗ Phần kim loại còn lại bám vào chày và sẽ được gỡ ra bởi tấm gỡ khi đầu trượt đi lên.
Hình 1.2 Cắt các kim loại tấm bằng khuôn
Khi cắt hình và đột lỗ, biến dạng dẻo xảy ra bao trùm toàn bộ phôi, với giới hạn được xác định bởi đường đứt nét gần mép làm việc của chày và cối Ứng suất pháp sinh ra trong quá trình này phân bố không đồng đều trên ổ biến dạng, dẫn đến sự phân bố không đồng đều trong các lớp kim loại song song với mặt phẳng của phôi trên toàn bộ chiều dày Trạng thái ứng suất và biến dạng trong cắt hình và đột lỗ đều là trạng thái khối.
Hình 1.3 Phân bố biến dạng trong quá trình cắt đột
Biến dạng cực đại ε p theo hướng kính xảy ra tại phần mép làm việc của chày và cối, trong khi biến dạng nhỏ nhất xuất hiện ở giữa các mép này Hình 1.3 minh họa biểu đồ phân bố của biến dạng theo hướng kính ε p dọc theo chiều dày của phôi.
Sự phân bố không đồng đều của ứng suất và biến dạng trong quá trình cắt đột là hệ quả của momen uốn, phát sinh từ khe hở giữa chày và cối Momen uốn được tính bằng tích số của hợp lực các lực thành phần tại bề mặt tiếp xúc giữa phôi với chày và cối, nhân với cánh tay đòn lớn hơn khe hở Z một chút.
Với mômen uốn xác định, phần kim loại bị uốn nhẹ tạo thành dạng lồi ở đáy Quá trình uốn phôi dẫn đến sự xoay mặt cắt và làm lệch tâm phôi so với đáy chày, gây ra sự phân bố không đều của ứng suất pháp σ z trên bề mặt tiếp xúc.
Sự phân bố không đồng đều của ứng suất pháp σ z dẫn đến sự phân bố không đồng đều của ứng suất hướng kính σ p trong chiều dày vật liệu và các lớp kim loại song song với bề mặt Để giảm biến dạng của phôi khi cắt, cần áp dụng biện pháp giảm momen uốn bằng cách giảm khe hở giữa chày và cối.
Biến dạng cực đại theo hướng kính xảy ra ở phần mép làm việc của chày và cối, dẫn đến sự hình thành các vết nứt tế vi Những vết nứt này sau đó phát triển nhanh chóng và sâu vào trong kim loại Khi các vết nứt gặp nhau, quá trình phân hủy kim loại kết thúc, tạo điều kiện cho quá trình trượt nứt diễn ra, tương tự như khi cắt tấm với trị số khe hở tối ưu Ztối ưu được xác định theo công thức.
Khi trị số khe hở Z đạt giá trị tối ưu, các vết nứt sẽ phát triển và gặp nhau tại lớp trung bình của tấm Khi trị số khe hở Z tăng, mômen uốn cũng tăng, dẫn đến ứng suất kéo gia tăng ở vùng biến dạng Điều này khiến các vết nứt phát triển theo bề mặt tự do, xa các mép cắt của dụng cụ, tạo thành bavia.
Khi trị số khe hở Z nhỏ hơn Z tối ưu, sự phát triển của các vết nứt không trùng nhau sẽ diễn ra, dẫn đến việc hình thành hai hoặc nhiều dải sáng tách biệt giữa các khu vực bị đứt vỡ.
Hình 1.4 Sự phân bố các vết nứt phụ thuộc vào khe hở Z
Trị số khe hở tối ưu khi cắt hình phụ thuộc vào chiều dày và tính chất cơ học của phôi Theo bảng tổng hợp dữ liệu thực tế, trị số Z tối ưu cho phôi kim loại có chiều dày từ 0,3 đến 20 mm dao động từ 5% đến 12% so với chiều dày S, với trị số nhỏ ứng với chiều dày nhỏ và trị số lớn tương ứng với chiều dày lớn.
Khi dập kim loại mỏng với độ dày nhỏ hơn 0,3mm, người ta thường sử dụng khuôn không có khe hở Trong trường hợp này, đường bao của chày sẽ được tạo ra bằng cách chuốt qua cối đã tôi hoặc thực hiện theo chiều ngược lại.
Khi sử dụng máy cắt hình và đột lỗ với tốc độ hành trình nhanh (trên 120 nhát/phút), hiện tượng dãn nở nhiệt có thể làm tăng khe hở giữa chày và cối lên từ 1,5 đến 2 lần so với mức khe hở thông thường.
Sau khi cắt đột, các vùng xung quanh chi tiết cắt và phế liệu xuất hiện biến dạng nén đàn hồi ε p, dẫn đến đường kính của chi tiết nhỏ hơn đường kính của cối, trong khi đường kính của lỗ đột lại lớn hơn đường kính của chày Nhờ đó, chi tiết có thể rơi tự do qua lỗ cối, và phế liệu dễ dàng được gỡ ra khỏi chày.
Khi giảm khe hở so với trị số tối ưu, mômen uốn giảm, dẫn đến ứng suất kéo hướng kính giảm không đáng kể và hầu như không ảnh hưởng đến biến dạng đàn hồi Tuy nhiên, sự xuất hiện của các tensơ ứng suất nén gây ra biến dạng kéo đàn hồi, làm tăng đường kính của chi tiết đã cắt và giảm đường kính lỗ đột Chi tiết vẫn nằm trong cối, phế liệu bám chặt vào chày Giảm khe hở cũng làm tăng sự tập trung ứng suất pháp σ z ở các mép làm việc của chày và cối, khiến các mép sắc hay bị cùn, giảm độ cứng vững và tuổi thọ khuôn Đồng thời, khi khe hở nhỏ, các chi tiết cắt ra có kích thước chính xác hơn, phẳng và không cần nắn lại.
1.3.2 Kích thước làm việc của chày và cối
XẾP HÌNH SẢN PHẨM
Trong công nghệ tạo hình tấm, chi phí nguyên vật liệu chiếm khoảng 50-70% giá thành sản phẩm Để giảm giá thành, việc sử dụng kim loại một cách tiết kiệm và giảm phế liệu là rất quan trọng Nếu giảm được 1% khối lượng phế liệu, giá thành sản phẩm có thể giảm từ 0,4-0,5% Do đó, tối ưu hóa xếp hình sản phẩm luôn là vấn đề cần được chú trọng trong mọi chi tiết dập.
Xếp hình sản phẩm chính là sự xắp xếp các chi tiết phôi trên tấm, trên dải hoặc băng sao cho hiệu quả nhất.
CÁC SẢN PHẨM ĐIỂN HÌNH CỦA CÔNG NGHỆ DẬP TẠO HÌNH 27 1.6 THIẾT BỊ DẬP TẠO HÌNH
- Các chi tiết vỏ ô tô:
- Các chi tiết trong linh kiện điện tử:
- Các chi tiết trong gia dụng
Công nghệ dập tấm nguội mang lại nhiều sản phẩm phong phú và đa dạng trong đời sống Việc nghiên cứu và thiết kế quy trình công nghệ này không chỉ có ý nghĩa khoa học mà còn thực tiễn rất lớn.
1.6 THIẾT BỊ DẬP TẠO HÌNH Để thực hiện một quá trình công nghệ của một phương pháp công nghệ ta cần có các thiết bị thích hợp và cụ thể ở đây là thiết bị tạo lực Các thiết thiết bị dập tạo hình có thể phân loại theo nhiều khía cạnh khác nhau, như theo dạng công nghệ (tấm, khối, ống), theo truyền động (cơ khí, thủy lực, khí nén), theo đặc điểm hành trình (cứng, mềm) v.v Trong khuôn khổ đề tài xin giới thiệu các tính năng thiết bị điển hình cũng như khả năng áp dụng vào các quá trình dập các dạng sản phẩm ở trên
Máy ép thủy lực có đặc điểm nổi bật như bàn máy lớn, hành trình mềm và lực hằng số trong quá trình hoạt động, với bộ phận đẩy nằm ở dưới Thiết bị này chủ yếu được thiết kế để phục vụ cho các nguyên công dập vuốt nông, sâu và cắt hình Ngoài ra, còn có nhiều biến thể khác của máy ép thủy lực, bao gồm máy ép cho nguyên công uốn tấm, máy sấn thủy lực, máy ép nằm ngang và máy búa thủy lực, được sử dụng trong quá trình rèn phôi.
Hình 1.13 Các dạng máy ép thủy lực
Các thông số chính của máy ép thủy lực bao gồm kích thước bàn máy, lực danh nghĩa, lực đẩy dưới, hành trình và công suất động cơ Các dòng máy mới hiện nay được trang bị bộ điều khiển PLC để kiểm soát hành trình hiệu quả Bàn máy có thể được thiết kế cố định hoặc di động, giúp thuận tiện trong việc lắp khuôn Để tự động hóa quá trình cấp phôi, cần tích hợp rô bốt (tay máy) hoặc cơ cấu kẹp chân không.
Hiện nay, xu hướng sử dụng máy ép thủy lực ngày càng phổ biến nhờ vào những ưu điểm vượt trội như lực ép lớn, hoạt động êm ái và dễ dàng điều khiển Các thành phần thủy lực ngày càng được cải thiện về hiệu suất và tính năng, mang lại hiệu quả cao hơn trong công việc.
Máy ép trục khuỷu là thiết bị quan trọng trong các phân xưởng cắt đột, chuyên gia công tấm mỏng với hành trình cứng và các thông số như lực dập danh nghĩa, số nhát dập trên phút và hành trình đầu trượt Thiết bị này có khả năng điều chỉnh hành trình và tốc độ chu kỳ, phù hợp với hệ thống cấp phôi cơ khí hoặc khí nén, giúp tối ưu hóa năng suất Các chi tiết được gia công trên máy ép trục khuỷu thường nhỏ và đòi hỏi độ chính xác kích thước cao.
Hình 1.14 Các dạng máy ép trục khuỷu
Các máy ép trục khuỷu, như trong Hình 1.14a và Hình 1.14b, được thiết kế chuyên dụng cho quá trình dập tấm, bao gồm cắt đột và dập vuốt Hình 1.14c mô tả máy trục khuỷu dập nóng với cấu trúc cứng vững, hệ thống dẫn hướng cho đầu trượt, khuỷu dạng cam hoặc biên lệch tâm, cùng với bàn máy có khả năng nâng hạ để dễ dàng tháo khuôn khi quá tải và điều chỉnh hành trình.
Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của máy dập trục khuỷu
9 Bộ bảo vệ quá tải thủy lực
10 Đầu dập trên/ búa dập/ đầu động
1.6.3 Máy búa và máy ép vít - ma sát Để thực hiện quá trình dập khối, cần thiết phải có các thiết bị tạo lực lớn và đặc điểm thiết bị phù hợp với các nguyên công dập nóng Trong công nghệ dập khối như dập tay biên, trục khuỷu, bu lông, khớp nối v.v cần thiết phải có các bộ khuôn dập, quy trình công nghệ, chế độ nhiệt phù hợp Các bộ khuôn này cần được lắp trên các thiết bị phù hợp Trên Hình 1.15 là các dạng máy để dập nóng Ở máy búa không khí nén, đầu búa và bệ đe là dụng cụ tạo hình, thiết bị này chuyên để rèn chuẩn bị phôi Máy búa hơi nước dùng để rèn Hình 1.15b và để dập khối Hình 1.15c máy ép vít- ma sát dùng cho cả rèn và dập Nhận xét thấy các máy để dập thường có kết cấu cứng vững và không gian làm việc hẹp, chỉ phù hợp chi tiết nhỏ, do yêu cầu lực biến dạng lớn
Hình 1.15 Các dạng máy dập khối
1.6.4 Các loại thiết bị chuyên dùng
Ngoài các loại máy phổ thông, còn có nhiều dạng máy chuyên dụng phù hợp với từng công việc cụ thể, như máy cắt đột CNC, máy uốn đa năng điều khiển PLC và máy ép thủy lực đùn ép thanh nhôm định hình.
Hình 1.16 Các dạng thiết bị chuyên dùng
Công nghệ cán ngang đang được Beralus nghiên cứu và chuyển giao rộng rãi, bên cạnh các thiết bị cán định hình và cán chu kỳ chuẩn bị phôi cho nguyên công dập khối Công nghệ này mang lại nhiều ưu điểm như tiết kiệm kim loại phôi tối đa, cải thiện cơ tính sản phẩm, tăng năng suất và phù hợp với các chi tiết trụ tròn Hình 1.17 minh họa thiết bị cán ngang cùng các dạng sản phẩm được tạo ra từ công nghệ này.
Hình 1.17 Thiết bị cán ngang
Tại Việt Nam, thiết bị siêu trường và siêu trọng vẫn còn khan hiếm, dẫn đến khó khăn trong việc chế tạo các chi tiết lớn như trục tàu thủy, tua bin và trục cán Hầu hết các sản phẩm này đều phải nhập khẩu Hình 1.18 minh họa các thiết bị sản xuất nước ngoài có khả năng chế tạo sản phẩm có trọng lượng và kích thước lớn, bao gồm máy cán vành cỡ lớn cho cánh vành công nghiệp cùng với thiết bị rèn trục, bao gồm máy búa thủy lực và cơ cấu vận chuyển-xoay phôi.
Hình 1.18 Các thiết bị siêu lớn
Các thiết bị siêu lớn này thường gắn với ngành luyện thép và cán thép Do đó cần được đầu tư đồng bộ và có chiến lược.
NGHIÊN CỨU VỀ CÔNG NGHỆ DẬP TỰ ĐỘNG
SẢN XUẤT TỰ ĐỘNG
Trước nhu cầu ngày càng cao của con người về nội dung, hình thức và mẫu mã sản phẩm, sự xuất hiện của nền sản xuất tự động đã trở thành giải pháp linh hoạt nhất để đáp ứng thị trường Nền sản xuất này cho phép thích ứng nhanh chóng với quy mô sản xuất, giúp sản phẩm chiếm lĩnh thị trường hiệu quả hơn.
Ngày nay, nhiều chi tiết có kích thước rất nhỏ cần gia công với độ chính xác cao, điều này vượt quá khả năng can thiệp của con người Do đó, việc áp dụng các cơ cấu tự động hóa trở nên cần thiết để đáp ứng yêu cầu này.
Dây chuyền thiết bị tự động là sự kết hợp của nhiều lĩnh vực như cơ khí, thủy khí, điện, điện cơ, điện tử và tin học Hiện nay, việc ứng dụng tin học và vi xử lý trong điều khiển dây chuyền tự động đã trở nên phổ biến, với các hệ thống NC, CNC và ROBOT hóa, tạo ra hệ sản xuất linh hoạt FMS Ngoài ra, công nghệ máy tính cũng được áp dụng thông qua các hệ thống CAD (Computer Aided Design) và CAM (Computer Aided Manufacturing).
Việc áp dụng cơ khí hóa và tự động hóa trong sản xuất không chỉ tăng năng suất lao động thông qua cải thiện hiệu suất máy móc, mà còn giảm thiểu sự tham gia trực tiếp của con người, cho phép một công nhân điều khiển nhiều máy cùng lúc Điều này góp phần giảm thiểu tai nạn lao động và cải thiện sức khỏe của người lao động, đồng thời nâng cao đời sống xã hội một cách rõ rệt.
Sản xuất tự động không chỉ nâng cao chất lượng sản phẩm mà còn giảm giá thành, từ đó thúc đẩy sự phát triển của nền kinh tế hàng hóa và cải thiện chất lượng cuộc sống của người dân.
Trong những năm gần đây, ngành sản xuất công nghiệp Việt Nam đã phát triển nhanh chóng nhờ vào việc các doanh nghiệp mạnh dạn đầu tư và hợp tác với các đối tác nước ngoài, mang về nhiều dây chuyền thiết bị tự động Nhà nước cũng đã chú trọng đầu tư lớn vào lĩnh vực đào tạo, góp phần nâng cao chất lượng đội ngũ nhà khoa học.
CÁC CÔNG NGHỆ DẬP TỰ ĐỘNG
2.2.1 Công nghệ dập liên tục
Công nghệ dập liên tục (Progressive stamping) đang phát triển mạnh mẽ trên toàn cầu, nhưng tại Việt Nam, nó vẫn còn mới mẻ và chưa được ứng dụng rộng rãi do hạn chế về công nghệ, trang thiết bị và vật liệu Để theo kịp những tiến bộ quốc tế, một số doanh nghiệp trong nước đã đầu tư vào công nghệ này Nghiên cứu và phát triển công nghệ dập liên tục không chỉ đáp ứng nhu cầu trong nước mà còn mang lại ý nghĩa quan trọng về mặt khoa học và thực tiễn trong ngành công nghiệp.
Dập liên tục là công nghệ đặc thù, cho phép tích hợp nhiều nguyên công dập tấm kim loại trong một hành trình máy dập Thiết kế và chế tạo khuôn liên tục là quá trình phức tạp, yêu cầu người thiết kế phải hiểu rõ các nguyên công dập tấm và các công nghệ gia công tiên tiến Việc áp dụng công nghệ thiết kế, mô phỏng và gia công hiện đại đã nâng cao độ chính xác, tốc độ và hiệu quả của khuôn dập liên tục, đáp ứng nhu cầu sản xuất các chi tiết loạt lớn, có tính lắp lẫn cao và giảm giá thành cho các ngành công nghiệp.
Hình 2.1 Một số chi tiết được chế tạo bằng công nghệ dập liên tục
Khuôn liên tục, một phần quan trọng trong ngành công nghiệp khuôn dập, đã được nghiên cứu và ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực như điện, điện tử và ô tô Đây là loại khuôn dập bao gồm nhiều cặp chày cối được sắp xếp trên cùng một đế khuôn, cho phép thực hiện các công đoạn dập khác nhau như dập vuốt, uốn và dập cắt Mỗi cặp chày cối đảm nhận một hoặc nhiều bước công nghệ riêng biệt, với sự hỗ trợ của cơ cấu cấp phôi tự động, giúp phôi được chuyển dịch liên tục qua các vị trí làm việc để hoàn thành sản phẩm.
Hình 2.2 Sơ đồ công nghệ
Khuôn liên tục trong lĩnh vực dập tấm đang được ứng dụng rộng rãi trên toàn cầu nhờ vào những ưu điểm nổi bật như năng suất dập cao và đảm bảo chất lượng cơ tính cũng như bề mặt sản phẩm Các loại khuôn liên tục bao gồm khuôn dập vuốt, khuôn dập uốn, khuôn cắt hình – đột lỗ, và khuôn thực hiện nhiều bước công nghệ khác nhau như cắt và đột.
Những đặc điểm khi thiết kế và chế tạo khuôn liên tục:
• Bố trí các bước dập phải tối ưu
• Khuôn phải được chế tạo rất chính xác
Khuôn liên tục yêu cầu thiết bị tháo phôi cuộn, bộ nắn phôi và bộ cấp phôi tự động, tất cả cần có độ chính xác cao trong từng bước dịch chuyển phôi.
• Vật liệu làm khuôn phải là thép hợp kim chất lượng cao vì việc sửa chữa và tháo lắp trên khuôn liên tục là rất khó khăn
• Lực dập và kích thước khuôn liên tục lớn đòi hỏi máy ép phải đủ lớn để có thể thực hiện được
=>Vì những lý do trên cho nên việc sử dụng khuôn sẽ đòi hỏi đầu tư ban đầu rất lớn chỉ phù hợp với sản xuất loạt lớn
Khuôn liên tục ngày càng được ưa chuộng tại Việt Nam nhờ vào năng suất và độ chính xác sản phẩm cao, cùng với việc giảm diện tích sản xuất Việc nghiên cứu và chế tạo các bộ khuôn liên tục chất lượng cao là rất cần thiết để nâng cao năng suất và chất lượng sản phẩm Khuôn dập liên tục sản xuất trong nước với giá thành hợp lý không chỉ giúp phát triển và đa dạng hóa sản phẩm mà còn giảm thiểu việc nhập khẩu, tăng giá trị gia tăng và nâng cao sức cạnh tranh cho sản phẩm nội địa.
Sơ đồ tổng thể quá trình sản xuất trên máy dập liên tục:
Một số khuôn dập liên tục và sản phẩm của nó:
Hình 1.4: Một số bộ khuôn liên tục
2.2.2 Công nghệ dập liên hoàn (Transper clamping )
Công nghệ dập liên hoàn khác với công nghệ dập liên tục ở chỗ nó sử dụng nhiều máy và nhiều khuôn để thực hiện quá trình dập Phôi cho các nguyên công được di chuyển bằng các cơ cấu nâng và gắp, được dẫn động trực tiếp từ máy hoặc từ các thiết bị bên ngoài như robot.
Hình 1.5 : Một số khuôn dập liên hoàn
XÂY DỰNG QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO CHI TIẾT LÁ ROTO - STATO
XÂY DỰNG BẢN VẼ SẢN PHẨM
Rotor và Stator là hai thành phần chính trong động cơ điện, thiết bị chuyển đổi năng lượng điện thành năng lượng cơ Động cơ điện thường được sử dụng trong nhiều thiết bị gia đình như quạt điện, tủ lạnh, máy giặt, máy bơm nước và máy hút bụi Ngược lại, máy phát điện là thiết bị chuyển đổi năng lượng cơ thành năng lượng điện.
Động cơ điện bao gồm hai phần chính: phần đứng yên (stator) và phần chuyển động (rotor), trong đó rotor được quấn nhiều vòng dây dẫn hoặc có nam châm vĩnh cửu Khi cuộn dây của rotor và stator được kết nối với nguồn điện, từ trường được tạo ra xung quanh chúng Sự tương tác giữa từ trường của rotor và stator sẽ tạo ra chuyển động quay của rotor quanh trục, tạo ra mômen.
Hình 3.1: Hình ảnh lá Rotor và Stator ỉ78.8 ỉ200 ỉ60 ỉ128 5 ỉ155 4 ỉ178 ỉ8.2 ỉ6.1
Hình 3.2: Bản vẽ chi tiết lá Rotor và Stator
vật liệu làm Rotor và Stator động cơ điện:
Rotor và stator được chế tạo từ vật liệu thép silic, hay còn gọi là tôn silic, thép kỹ thuật điện, và thép điện từ Đây là loại thép chuyên dụng với đặc tính từ tính cao, độ trễ từ thấp và tính thấm từ rất cao, giúp tối ưu hóa hiệu suất trong các ứng dụng điện từ.
Thép silic thuộc loại hợp kim từ mềm (phân biệt với hợp kim từ cứng dùng chế tạo các nam châm vĩnh cửu)
+Hàm lượng cacbon giới hạn 0,01÷0,1%
+Các tạp chất đủ nhỏ để đảm bảo tổ chức ferit
Silic là nguyên tố hợp kim chủ yếu, đóng vai trò quan trọng trong việc mở rộng vùng α Khi hòa tan vào ferit, silic không chỉ nâng cao điện trở của pha này mà còn giảm tổn thất dòng fucô Bên cạnh đó, silic còn cải thiện độ từ thẩm và giảm lực khử từ, đồng thời mang lại giá trị cảm ứng bão hòa lớn.
Hàm lượng silicon trong thép không nên vượt quá 4% để tránh làm cho thép trở nên quá giòn Tuy nhiên, đối với lõi máy biên áp và stato máy điện, có thể sử dụng hàm lượng silicon ở mức cao hơn (từ 3,8% đến 4,4%) do các chi tiết này hoạt động trong điều kiện tĩnh, ít bị biến động gây ra sự phá hủy giòn.
XÁC ĐỊNH PHƯƠNG ÁN CÔNG NGHỆ
Phân tích sản phẩm và lựa chọn phương án công nghệ hợp lý cho chi tiết dạng tấm là công việc quan trọng, ảnh hưởng đến số lượng và kết cấu khuôn cũng như giá thành sản phẩm Phương án công nghệ với nhiều nguyên công có thể dẫn đến tăng số lượng khuôn, phức tạp trong cấu trúc khuôn và chi phí sản xuất cao Do đó, trước khi tính toán công nghệ và thiết kế khuôn, người thiết kế cần lập ra các phương án công nghệ khả thi, từ đó phân tích và chọn ra phương án tối ưu nhất.
3.2.1 Phương án 1:Dập đơn chiếc
- Nguyên công 1: Ta tiến hành cắt hình các lá Rotor và Stator từ phôi dải. + Chọn phôi dải như hình vẽ
- Nguyên công 2: Cắt hình roto và stato
- Nguyên công 3: Đột lỗ quấn dây và lỗ lắp trục trên Stator và Rotor. ỉ78.8 ỉ200 ỉ60 ỉ 128 5 ỉ155 4 ỉ178 ỉ8.2 ỉ6.1
- Nguyên công 4: Tiến hành ghép các lá Stator và Rotor thành một khối
Để thực hiện phương án này, cần thiết kế ba bộ khuôn dập và sau khi dập, phải tiến hành ghép các lá Rotor và Stator thành từng khối Điều này dẫn đến việc sản xuất cần nhiều nhân công, gây ra sự thiếu chính xác và năng suất không cao.
3.2.2 Phương án 2: Dập liên tục trên một khối khuôn
Ta tiến hành dập trên khuôn liên tục với quy trình công nghệ như sau:
- Tiến hành ghép các lá Stator và Rotor thành một khối.
- Sau khi dập xong các lá Rotor và Stator được ghép lại với nhau với số lá theo yêu cầu trên khuôn.
Phương án này yêu cầu một bộ khuôn duy nhất để đạt năng suất cao và sản phẩm chính xác Tuy nhiên, cần bổ sung cơ cấu cấp phôi tự động và bộ đếm số sản phẩm được dập ra để tối ưu hóa quy trình sản xuất.
→ Lựa chọn phương án công nghệ 2.
XÁC ĐỊNH CÁC THÔNG SỐ CÔNG NGHỆ
Hình 3.3: bản vẽ quy trình công nghệ
Trong công nghệ tạo hình tấm, chi phí nguyên vật liệu thường chiếm từ 50% đến 70% giá thành sản phẩm Để giảm giá thành, việc sử dụng kim loại một cách tiết kiệm và giảm phế liệu là rất quan trọng Giảm 1% khối lượng phế liệu có thể dẫn đến giảm giá thành sản phẩm từ 0,4% đến 0,5% Do đó, tối ưu hóa việc xếp hình sản phẩm là vấn đề cần thiết đối với mọi chi tiết dập.
Khi mua phôi băng có chiều rộng 150 mm, nếu thị trường không cung cấp dải phôi phù hợp, chúng ta có thể pha trộn từ dải phôi lớn hơn để tạo ra dải phôi theo yêu cầu.
Hình 3.4: Hình ảnh cuộn phôi
-Hệ số sử dụng vật liệu là: η 1 ph ct
+Fct: diện tích chi tiết
(Bằng phần mềm Autocad ta tính được diện tích của chi tiết)
3.3.2 Tính lực cắt đột ở các bước a) Lực cắt đột ở bước 1:
Trong đó: kc: Hệ số kể đến những yếu tố ảnh hưởng do trong quá trình cắt chày và cối bị mòn kc= 1,3
L: Chu vi của phôi sau khi cắt: L = 5 π d + π d dt =5*3,14*3 + 3,14*12= 85 (mm) S: Chiều dày phôi: S = 0,5 mm σ c : Trở lực cắt của vật liệu: σ c = 0,8*σ b = 0,8*48 = 384 N/mm 2 = 38,4 Kg/mm 2 (Đối với tôn Silic, giá trị σ b = 480 N/mm 2 = 48 kG/mm 2 )
Pc: Lực cắt đột; h: Chiều cao phần làm việc của cối, h = 2mm
S: Chiều dày vật liệu, S = 0.5 mm kd: Hệ số đẩy, kd = 0.05 ÷ 0.14
→ P d = 0,05*2,12*2/0,5 = 0,43 tấn b) Lực cắt đột ở bước 2:
Trong đó : kc: Hệ số kể đến những yếu tố ảnh hưởng do trong quá trình cắt chày và cối bị mòn: kc = 1,3
L: Chu vi của phôi sau khi cắt: L = 5*20 + 12*17= 304 (mm)
S: Chiều dày phôi: S = 0,5 mm σ c : Trở lực cắt của vật liệu: σ c = 0,8 σ b = 0,8.48 = 38,4 kG/mm 2
→ P c = 1,3*304*0,5*38,4 = 7588 KG ≈7,6 tấn c) Lực cắt đột ở bước 3:
Trong đó: kc: Hệ số kể đến những yếu tố ảnh hưởng do trong quá trình cắt chày và cối bị mòn kc = 1,3
L: Chu vi của phôi sau khi cắt: L = 49,6*28 = 1388,8 mm
S: Chiều dày phôi S = 0,5 mm σ c : Trở lực cắt của vật liệu σ c = 0,8*σ b = 0,8*48 = 38,4 kG/mm 2
Pc: Lực cắt đột; h: Chiều cao phần làm việc của cối, h = 2mm
S: Chiều dày vật liệu: S = 0,5 mm
Kd: Hệ số đẩy: Kd = 0,05 ÷ 0,14
→ P d = 0,05*34,6*2/0,5 = 6,9 tấn d) Lực cắt đột ở bước 4:
Trong đó: kc: Hệ số kể đến những yếu tố ảnh hưởng do trong quá trình cắt chày và cối bị mòn kc = 1,3
L: Chu vi của phôi sau khi cắt, L =π d = 3,14*122 = 383 ( mm )
S: Chiều dày phôi, S = 0,5 mm σ c : Trở lực cắt của vật liệu, σ c = 0,8 σ b = 0,8.48 = 38.4 kG/mm 2
- Lực đẩy: Pd = Kd.Pc.h/S
Pc: Lực cắt đột; h: Chiều cao phần làm việc của cối, h mm
S: Chiều dày vật liệu, S = 0.5 mm kd: Hệ số đẩy, kd = 0.05 ÷ 0.14
→ P d = 0,05*9,5*20/0,5 = 19 tấn e) Lực cắt đột ở bước 5:
Trong đó: kc: Hệ số kể đến những yếu tố ảnh hưởng do trong quá trình cắt chày và cối bị mòn kc = 1,3
L: Chu vi của phôi sau khi cắt, L 6*4964 mm
S: Chiều dày phôi, S = 0,5 mm σc: Trở lực cắt của vật liệu, σc = 0,8 σb = 0,8*48 = 38.4 kG/mm 2
Pc: Lực cắt đột; h: Chiều cao phần làm việc của cối, h = 2 mm
S: Chiều dày vật liệu, S = 0.5 mm kd: Hệ số đẩy, kd = 0.05 ÷ 0.14
→ P d = 0,05*44*2/0,5 = 8,8 tấn f) Lực cắt đột ở bước 6:
Trong đó: kc: Hệ số kể đến những yếu tố ảnh hưởng do trong quá trình cắt chày và cối bị mòn kc = 1,3
L: Chu vi của phôi sau khi cắt, L b6,5 ( mm )
S: Chiều dày phôi, S = 0,5 mm σ : Trở lực cắt của vật liệu σ = 0,8.σ
Pc: Lực cắt đột; h: Chiều cao phần làm việc của cối, h = 20 mm
S: Chiều dày vật liệu, S = 0.5 mm kd: Hệ số đẩy, k d = 0.05 ÷ 0.14
Suy ra lực tổng lực công nghệ của cả quá trình là:
3.3.3 Xác định trung tâm áp lực của khuôn Để tránh sự cong vênh sai lệch của đế khuôn do sự lệch tâm của tải trọng dẫn đến sử phá hủyđộ đồng đều khe hở giữa chày và cối theo đường bao của chi tiết dập, làm cùn mép làm việc của dụng cụ; mài mòn không đồng đều trụ và bạc dẫn hướng của khuôn; mài mòn không đều dẫn hướng của đầu trượt máy ép thì trung tâm áp lực của khuôn phải trùng với trục đối xứng của đầu trượt máy ép
Hình 3.5: Xác định trung tâm áp lực của khuôn
- Trung tâm áp lực của khuôn được xác định theo công thức:
CHỌN THIẾT BỊ
Khi thực hiện gia công áp lực, việc sử dụng thiết bị phù hợp là rất quan trọng Công nghệ gia công áp lực không ngừng phát triển, vì vậy thiết bị cũng cần được cải tiến và đổi mới liên tục Tại các quốc gia công nghiệp phát triển, thiết bị gia công áp lực chiếm khoảng 1/3 tổng số thiết bị trong lĩnh vực cơ khí.
Nước ta hiện chưa có cơ sở chuyên sản xuất các thiết bị gia công áp lực, trong khi nhiều thiết bị lớn và vạn năng được điều khiển bằng CNC và PLC Trước đây, các thiết bị này chủ yếu được nhập khẩu từ nước ngoài.
Liên xô và các nước Đông âu Hiện nay máy chủ yếu được nhập từ Đài loan, Nhật bản, Hàn quốc, Trung quốc, Mỹ và các nước khối EU
Sau khi đánh giá các yêu cầu cần thiết, chúng tôi đã quyết định chọn máy dập chính xác tốc độ cao Seyi - Đài Loan, model SPF2-200, chuyên dụng cho các khuôn dập liên tục.
+ Lực danh nghĩa của máy là: 200 tấn
+ Hành trình của máy là: 120 mm
+ Tốc độ của máy là: 40÷100 nhát /phút
+ Khoảng điều chỉnh chiều cao kín là: 50 mm
+ Chiều cao kín của máy là: 450 mm
+ Kích thước của đầu trượt: 1200 x 600 mm
+ Kích thước của bàn máy: 1200 x 800 mm
Hình 3.6: Hình ảnh về máy trục khuỷu
Hình 3.7: Hệ thống cấp phôi
THIẾT LẬP DÂY CHUYỀN SẢN XUẤT TỔNG THỂ
Hình 3.8: Sơ đồ dây chuyền sản xuất Rotor và Stator trên khuôn liên tục
Dây chuyền sản xuất bao gồm các thiết bị chính sau:
1: Tang nhả - đỡ phôi cuộn 2: Máy cấp phôi tự động 3: Máy + Khuôn dập liên tục.
Sơ đồ trên minh họa dây chuyền sản xuất Rotor và Stator, gồm các bước sau:
Phôi ban đầu là phôi cuộn được gắn trên tang nhả, được điều khiển bởi động cơ Khi tang nhả quay, phôi sẽ được thả ra dưới dạng băng.
Bước 2: Phôi được chuyển đến máy cấp phôi tự động sử dụng khí nén, từ đây, quá trình di chuyển của phôi được điều chỉnh theo hành trình của máy cấp phôi.
• Bước 3: Phôi được đẩy vào vùng làm việc của máy và khuôn dập liên tục Tại đây hình dạng của sản phẩm được tạo thành.
Phương pháp dập liên tục mang lại hiệu quả và độ chính xác cao trong việc dập các chi tiết Rotor và Stator Để tối ưu hóa quá trình tính toán và thiết kế khuôn, các thông số công nghệ cần được xác định rõ ràng Nghiên cứu cho thấy, việc áp dụng phương pháp dập liên tục yêu cầu sử dụng bộ khuôn liên tục kết hợp với cơ cấu cấp phôi tự động.
THIẾT KẾ KHUÔN
PHÂN TÍCH, THIẾT KẾ CÁC CHI TIẾT CHÍNH CỦA KHUÔN
Hình 4.1: Bản vẽ tổng thể khuôn
Bộ khuôn hoàn chỉnh được cấu thành bởi các cụm chi tiết sau:
- Cụm để trên và đế dưới: Gá đặt các chi tiết khuôn và gá khuôn lên máy
- Cụm các chi tiết làm việc bao gồm các cặp chày, cối.
- Cụm áo chày, áo cối để gá đặt và định vị chày, cối
Cụm dẫn hướng, bao gồm trụ và bạc dẫn hướng, đóng vai trò quan trọng trong việc đảm bảo sự ăn khớp chính xác giữa nửa khuôn trên và nửa khuôn dưới, từ đó tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình lắp ráp khuôn.
- Cụm dẫn hướng phôi: Đảm bảo vị trí chính xác của phôi trong vùng làm việc, tránh xê dịch phôi
Hiện nay, nhu cầu chế tạo khuôn ngày càng lớn, yêu cầu các chi tiết khuôn phải được tiêu chuẩn hóa về hình dạng và kích thước Việc tiêu chuẩn hóa này giúp rút ngắn thời gian thiết kế và gia công khuôn, đồng thời đảm bảo độ chính xác trong lắp ráp, mang lại hiệu quả kinh tế cao Các chi tiết khuôn cần tiêu chuẩn hóa bao gồm chày, cối, bulông, trụ bạc dẫn hướng và lò xo.
Hình 4.2: Các chi tiết khuôn
TÍNH TOÁN, LỰA CHỌN CÁC CHI TIẾT PHỤ TRỢ
4.2.1 Tính toán, lựa chọn dẫn hướng.
Để đảm bảo sự ăn khớp giữa nửa khuôn trên và nửa khuôn dưới, các bộ dẫn hướng bao gồm trụ và bạc dẫn hướng được lắp vào khuôn với số lượng tùy thuộc vào kích thước khuôn và vị trí tính toán trước Trong quá trình hoạt động, ma sát giữa trụ và bạc dẫn hướng dẫn đến sự mòn, ngay cả khi được bôi trơn tốt, làm mất sự chính xác trong sự ăn khớp và gây sai lệch vị trí của các cặp chày cối Việc khắc phục tình trạng này thường yêu cầu thay thế cụm dẫn hướng, điều này có thể tốn kém.
Hiện nay, bộ dẫn hướng đã được cải tiến với việc lắp thêm cụm bi dẫn hướng, nâng cao độ ăn khớp giữa hai nửa khuôn Điều này chuyển đổi diện tích tiếp xúc giữa trụ và bạc thành tiếp xúc điểm giữa bi và bạc, giúp giảm ma sát và mòn của dẫn hướng Nếu xảy ra mòn, chỉ cần thay cụm bi dẫn hướng mà không cần thay trụ và bạc, từ đó giảm chi phí sửa chữa.
Hình 4.3: Kết cấu của dẫn hướng bi
Trong thiết kế khuôn, việc tối ưu hóa các chi tiết là rất quan trọng để đảm bảo kích thước khuôn nhỏ nhưng vẫn đủ độ cứng vững trong quá trình dập tạo hình Cụm dẫn hướng được bố trí đối xứng với hai cụm ở hai bên khuôn, với đường nối hai tâm dẫn hướng đi qua trung tâm áp lực của khuôn.
4.2.2 Các chi tiết làm việc của khuôn
Các chi tiết quan trọng trong khuôn bao gồm chày và cối đột, là hai bộ phận chịu cường độ làm việc cao nhất Chúng yêu cầu kỹ thuật chế tạo tinh vi và quyết định chất lượng sản phẩm cuối cùng.
- Chày đột có nhiều hình dạng và kích thước khác nhau tùy thuộc vào hình dạng và kích thước của lỗ đột trên sản phẩm.
- Hiện nay chày và cối đột đã được tiêu chuẩn hóa và được ban trên thị trường.
Hình 4.4: Bảng catalog của chày đột
- Cối để đột có nhiều hình dạng và kích thước khác nhau tùy thuộc vào hình dạng và kích thước của lỗ đột trên sản phẩm.
- Hiện nay, cối đột đã được tiêu chuẩn hóa và được ban trên thị trường
Hình 4.5: Catolog các khối cối đột
