CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT BIẾN DẠNG UỐN KIM LOẠI
2.1 Lý thuyết về uốn kim loại
Uốn là phương pháp gia công kim loại bằng áp lực nhằm tạo cho phôi hoặc một phần của phôi có dạng cong hay gấp khúc, phôi có thể là tấm, dải, thanh định hình và được uốn ở trạng thái nguội hoặc nóng. Trong quá trình uốn phôi bị biến dạng dẻo từng vùng để tạo thành hình dáng cần thiết.
Uốn kim loại tấm được thực hiện do biến dạng dẻo đàn hồi xảy ra khác nhau ở 2 mặt của phôi uốn.
2.1.2 Quá trình uốn
Uốn là một trong những nguyên công thường gặp nhất trong dập nguội.
Uốn tức là biến dạng thẳng (tấm), dây hay ống thành những chi tiết có hình cong đều hay gấp khúc. Khối lượng vật uốn không tăng lên.
Phụ thuộc vào kích thước và hình dáng vật uốn, dạng phôi ban đầu, đặc tính của quá trình uốn trong khuôn, uốn có thể tiến hành trên máy ép trục khuỷu lệch tâm, ma sát trục vít, thủy lực. Đôi khi có thể tiến hành trên các dụng cụ uốn bằng tay hoặc trên các máy chuyên dùng.
Đặc điểm của quá trình uốn là dưới tác dụng ép của chày và cối, phôi bị biến dạng dẻo từng vùng để tạo thành hình dáng cần thiết. Quá trình biến dạng cũng bao gồm quá trình biến dạng đàn hồi và quá trình biến dạng dẻo.
Uốn làm thay đổi hướng thớ kim loại, làm cong phôi và thu nhỏ dần kích thước.Trong quá trình uốn, kim loại phía trong góc uốn bị nén và co ngắn ở hướng dọc, bị kéo ở hướng ngang. Giữa các lớp co ngắn và dãn dài là lớp trung hòa.
Khi uốn những dải hẹp xảy ra hiện tượng giảm chiều dày, chỗ uốn sai lệch hình dạng tiết diện ngang, lớp trung hòa bị lệch về phía bán kính nhỏ.
Khi uốn tấm dải rộng cũng xảy ra hiện tượng biến mỏng vật liệu nhưng không có sai lệch tiết diện ngang. Vì trở kháng của vật liệu có chiều rộng lớn sẽ chống lại sự biến dạng theo hướng ngang.
Khi uốn phôi với bán kính góc lượn nhỏ thì mức độ biến dạng dẻo lớn và ngược lại.
Hình 2.1 Quá tình uốn liên tục trên bộ chày khuôn hình chữ V
Trình bày quá trình uốn liên tục hình chữ V. Đầu tiên chày chỉ tiếp xúc với phôi tại điểm của chày. Trong quá trình chày đi xuống(theo thứ tự hình a,b,c,d) sẽ uốn cong phôi và thu nhỏ dần bán kính uốn. Cuối cùng phôi bị nén chặt (chỉnh hình) giữa chày và cối, hai thanh chữ V được nén thẳng và phần đỉnh có bán kính uốn nhỏ nhất theo đầu chày.
Vì lực uốn tác dụng chủ yếu ở đầu chày (đỉnh chữ V), quá trình biến dạng dẻo cũng chỉ xảy ra ở đó là chính. Bởi vậy sau khi khử bỏ lực tác dụng thì vật còn có khả năng đàn hồi trở lại, biểu hiện ở góc đàn hồi khi uốn.
2.1.3 Lớp trung hòa
Trên thành của phôi trước khi uốn ta kẻ những ô vuông. Sau khi uốn ta thấy những ô vuông ở phần thẳng không thay đổi, còn những ô vuông ở phần cong thì biến thành hình thang.
Các vạch gạch ngang tính từ tâm uốn ra, các vạch ở phía ngoài dài ra, còn các vạch ở phía trong ngắn lại. Chỉ có đường OO là chiều dài không đổi. Đó là lớp trung hòa. Phần ngoài lớp trung hòa chịu kéo, còn phần trong chịu nén. Lớp trung hòa không chịu kéo hay nén, nên giữ được độ dài ban đầu. Đó là căn cứ tốt nhất để xác định phôi uốn.
Hình 2.2 Dạng lưới vật liệu khi chưa bị uốn
Hình 2.3 Biến dạng của phôi sau khi uốn
Quan sát tiết diện cắt ra trên cung uốn, ta thấy có dạng hình quạt. Phần dưới lớp trung hòa thì co lại, phần trên phình ra. Lớp trung hòa giữ nguyên được ban đầu của phôi. Hiện tượng này càng rõ rệt, khi bề rộng vật uốn càng hẹp và bán kính uốn càng nhỏ.
Người ta đã chứng minh rằng lớp trung hòa đi qua trọng tâm của mặt phẳng tiết diện. Trong quá trình uốn, bán kính uốn càng nhỏ dần thì hình dáng tiết diện
cũng thay đổi dần, do đó trọng tâm của tiết diện cũng di chuyển dần về hướng tâm uốn.
Vị trí của lớp trung hòa được xác định bởi bán kính lớp trung hòa ρ. Bán kính lớp trung hòa có thể xác định theo công thức của B. П. Rômanovxki sách Công Nghệ Dập Nguội của tác giả Tôn Yên, trang 103.
ρ = B Btb
. S. . ( S
r + 2
) (mm)
Trong đó:
Btb: Chiều rộng trung bình của tiết diện uốn (mm) Btb=
2
2
1 B
B
(mm)
B: Chiều rộng của phôi ban đầu (mm)
S: Chiều dày vật liệu (mm)
r: Bán kính uốn phía trong (mm)
: Hệ số biến mỏng, trị số cho trong bảng 46 [10]
Bảng 2.1 Bảng tra hệ số biến mỏng r/S 0,1 0,25 0,5 1 2 3 4 ξ 0,82 0,87 0,92 0,96 0,985 0,992 0,995
Trong thực tế sản xuất, bán kính lớp trung có thể xác định theo công thức gần đúng sau.
ρ = r + x. S (mm)
Trong đó:
r: Bán kính uốn phía trong (mm)
S: Chiều dày vật liệu (mm)
x: Hệ số, xác định khoảng cạch trung hòa đến bán kính uốn phía trong. Hệ số x được xác định bằng thực nghiệm và trị số cho trong bảng 48[10].
Khi S
r lớn hơn 6,5 sự thay đổi hình dáng tiết diện không đáng kể. Lúc đó
lấy x = 0,5 và tính bán kính lớp trung hòa bằng công thức ρ = r + 2 S
2.1.4 Tính phôi uốn
Để tính toán chiều dài phôi đảm bảo kích thước của chi tiết sau khi uốn thì cần phải
- Xác định vị trí lớp trung hòa, chiều dài lớp trung hòa ở vùng biến dạng.
- Chia kết cấu của chi tiết uốn thành những đoạn thẳng và cong đơn giản.
- Tổng cộng chiều dài của các đoạn đó lại. Chiều dài của các phần thẳng không thay đổi, còn các phần tử cong được tính theo chiều dài lớp trung hòa.
Khi tính toán chiều dài phôi uốn, chia ra làm hai trường hợp
Bán kính uốn r > 0.5S
Khi các kích thước ghi trên bản vẽ chi tiết như hình 2.4, chiều dài phôi được xác định theo công thức
L = l1 + l2+ 0
0
180 .
.(r + x.S) (mm)
Hình 2.4 Các kích thước chi tiết uốn
l 2 r l 1
s
Đối với trường hợp có nhiều góc uốn L = li+ 0
0
180 .i
.(ri + xi.S) (mm)
Trong đó:
li, ri, i, và i = 1800- i cho như hình trên.
li
: Tổng chiều dài của cả đoạn thẳng. (mm)
0 0
180 .i
(ri + xi.S): Chiều dài các lớp trung hòa. (mm)
r: Bán kính uốn cong phía trong. (mm)
x: Hệ số phụ thuộc vào tỷ số r/S. (mm)
S: Chiều dày vật uốn. (mm)
Hình 2.5 Các kích thước chi tiết uốn
Khi các kích thước cho trên bản vẽ chi tiết như hình 2.5a, chiều dài phôi uốn được xác định theo công thức
L = l1 + l2 + 0
0
180 .
(r + x.S) – 2tg 2
0
(r + S) (mm) Khi uốn 900 và kích cho trên bản vẽ chi tiết như trên hình 2.5b, chiều dài
L = l1 + l2 a (mm) Trong đó a = -2r và trị số được thành lập theo bảng 49 [10].
Bán kính uốn r <0.5S
Trong thực tế khi uốn với bán kính nhỏ, chiều phôi bị kéo dài ra và chiều dày vật liệu nơi uốn bị mỏng đi. Góc uốn càng nhỏ và có nhiều góc uốn cùng một lúc thì hiện tượng kéo dài càng rõ rệt.
2.1.5 Bán kính uốn cho phép lớn nhất và nhỏ nhất
Khi uốn, bán kính uốn phía trong được quy định trong một giới hạn nhất định. Nếu quá lớn vật uốn sẽ không có khả năng giữ được hình dáng sau khi đưa ra khỏi khuôn vì chưa đạt đến mức độ biến dạng dẻo. Nếu quá nhỏ có thể làm đứt vật liệu ở tiết diện uốn. (rtrong= rmin).
Bán kính uốn lớn nhất cho phép được xác định theo công thức rmax=
T
S E
2
. (mm)
Trong đó:
E: môđun đàn hồi khi kéo (kG/mm2)
E= 2,15.104 (kG/mm2)
T(S): giới hạn chảy của vật liệu (kG/mm2)
S: Chiều dày của vật uốn (mm)
Bán kính uốn nhỏ nhất cho phép được quy định theo mức độ biến dạng cho phép ở lớp ngoài cùng và được xác định theo công thức
rmin= 2 S.(
1 - 1) (mm)
Trong đó:
: Độ dãn dài tương đối của vật liệu (%)
Thực tế, bán kính nhỏ nhất cho phép được xác định theo công thức thực nghiệm đơn giản hơn:
rmin= k.S (mm)
Trong đó:
k: Hệ số phụ thuộc vào góc nhấn tra bảng 52 [10]
Bảng 2.2 Bảng hệ số thực nghiệm tính bán kính uốn nhỏ nhất
Vật liệu
Trạng thái vật liệu
Ủ hoặc ram Bị biến cứng
Hướng đường uốn vuông góc
hướng cán dọc hướng cán vuông góc hướng cán
dọc hướng cán CT2
CT3 CT4 CT5
0,1 0,2 0,3 0,5
0,5 0,6 0,8 1,0
0,5 0,6 1,0 1,0
1,0 1,2 1,5 1,7
Thép không gỉ - - 2,5 6,5
Những yếu tố ảnh hưởng đến trị số bán kính uốn
Cơ tính của vật liệu và trạng thái nhiệt luyện. Nếu vật liệu có tính dẻo tốt hoặc đã qua ủ mềm thì rmin có trị số nhỏ hơn so với khi đã qua biến dạng - bị biến cứng.
Ảnh hưởng của góc uốn. Cùng với một bán kính uốn r như nhau, nếu góc uốn càng nhỏ thì khu vực biến dạng càng lớn. Có nghĩa là mức độ biến dạng ở vùng uốn lớn. Điều đó dẫn đến phải tăng trị số bán kính uốn nhỏ nhất cho phép.
Góc làm bởi đường uốn và hướng cán. Vì kim loại chịu kéo và nén vuông góc với thớ kim loại. Cho nên khi đường uốn vuông góc với hướng cán (thớ kim loại) thì rmin cho phép nhỏ hơn so với khi đường uốn dọc theo hướng cán từ 1,5 2
Ảnh hưởng của tình trạng mặt cắt vật liệu. Khi cắt phôi uốn, trên mặt cắt có nhiều ba via hoặc nhiều vết đứt thì khi uốn dễ sinh ra ứng lực tập trung và tại những nơi đó dễ sinh ra vết nứt. Bởi vậy cần phải tăng trị số rmin lên 1,5 2 lần.
2.1.6 Tính đàn hồi khi uốn
Trong quá trình uốn không phải toàn bộ kim loại ở phần cung uốn đều chịu biến dạng dẻo mà có một phần còn ở biến dạng đàn hồi. Vì vậy khi không còn tác dụng của chày thì vật uốn không hoàn toàn như hình dáng của chày uốn. Đó là hiện tượng đàn hồi sau khi uốn.
Tính đàn hồi được khi uốn với bán kính nhỏ (r<10S) bằng góc đàn hồi . Còn khi uốn với bán kính lớn (r>10S) thì cần phải tính đến cả sự thay đổi bán kính cong của vật uốn.
Góc đàn hồi được xác lập bởi hiệu số giữa góc của vật uốn sau khi dập và góc của chày cối uốn: = 0 .
Hình 2.6 Tính đàn hồi khi uốn
Mức độ đàn hồi khi uốn phụ thuộc vào tính chất của vật liệu, góc uốn, tỷ số giữa bán kính uốn với chiều dày vật liệu, kiểu khuôn uốn và hình dáng kết cấu vật uốn.
2.1.7 Tính lực uốn
Vấn đề xác định lực uốn cần thiết để uốn chi tiết một góc uốn bằng khuôn là một vấn đề rất khó khăn, do đỏ chỉ có thể xác định một cách gần đúng. Sở dĩ như vẫy là do lực uốn phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố như
- Hình dạng và kích thước ngang của phôi
r s
- Tính chất cơ học của vật liệu, khoảng cách giữa các gối tựa - Bán kính cong của chày uốn và mép làm việc của cối uốn - Điều kiện ma sát tiếp xúc giữa phôi và dụng cụ. ..vv
- Ngoài ra lực uốn cần thiết để uốn phối trong khuôn uốn một góc còn phụ thuộc vào mức độ tiếp xúc giữa phôi uốn với chày và cối
Hình 2.7 Sự thây đổi lực uốn theo hành tình của chày
Lực uốn trong khuôn dập bao gồm lực uốn tự do và lực phẳng vật liệu. Trị số lực là phẳng lớn hơn rất nhiều so với lực uốn tự do. Sự thay đổi lực khi uốn một góc được biểu diễn bằng sơ đồ trên hình 2.7.
Công thức tính lực uốn
Lực uốn bao gồm lực uốn tự do và lực uốn phẳng vật liệu.Trị số lực và lực phẳng thường lớn hơn nhiều so với lực tự do.
P = L n S B. 2.b.
= k1.B1.S.b (kG)
Trong đó:
kl: Hệ số uốn tự do kl =
L n
S. hoặc chọn theo bảng 13 [5]
B1: Chiều rộng của dải tấm (mm)
S: Chiều dày của vật uốn (mm)
n: Hệ số đặc trưng của ảnh hưởng của biến cứng n = 1,12
b: giới hạn bền của vật liệu. (kG/mm2)
L: khoảng cách giữa các điểm tựa. (mm)
Lực uốn góc tinh chỉnh tính theo công thức
P= q.F (kG)
Trong đó:
q: Áp lực tinh chỉnh (kG/mm2)
F: Diện tích phôi được tinh chỉnh. (mm2) Tóm lại: Trong quá trình uốn không phải toàn bộ phần kim loại ở phần uốn đều chịu biến dạng dẻo mà còn có một phần ở dạng đàn hồi. Vì vậy không còn có lực tác dụng thì vật uốn không hoàn toàn như hình dáng cần uốn.