Kỹ thuật chế tạoĐịnh hình kim loại tấm

Các chi tiết định hình từ kim loại tấm

(a) (b)

Hình 1 Ví dụ điển hình từ kim loại tấm. (a) Các chi tiết dập và cắt nguội (Die-formed và cut stamped). (b) Chi tiết chế tạo bằng phương pháp tiện dựng (spinning). Nguồn: (a) Courtesy of Aphase II, Inc. (b) Courtesy of Hialeah Metal Spinning, Inc.

Đặc điểm các phương pháp định hình vật liệu tấm

Cắt (đột) với chày (Punch) và cối (Die)

Hình .2 (a) Sơ đồ nguyên lý cắt đột, Trên hình chỉ ra một số định nghĩa và thông số quá trình. Các đặc trưng (b) chày đột lỗ và (c) phôi đột (slug). (Chú ý: Tỉ lệ của hai hình khác nhau.)

Punch force, F= 0 .7TL (UTS )

Cắt trượt (Shearing)

Hình .3 (a) Ảnh hưởng của khe hở (clearance), c, giữa chày và cối đối với khu vực trượt (shearing). Khi tăng khe hở, vật liệu có bị kéo vào khe hở nhiều hơn bị trượt. Trong thực hành, khe hở thường có giá trị từ 2 đến 10% bề dày tấm. (b) Phân bố độ cứng tế vi (Microhardness) (HV) khu vực mép cắt tấm dày 6.4-mm (0.25-in.) thép AISI 1020 cán nóng. Nguồn: After H.P Weaver and K.J. Weinmann.

Đột khuôn (Die-Cutting)

Hình.4 (a) Đột (Punching /piercing) và dập (rập) (blanking). (b) Vi dụ điển hình về các chi tiết phụ trự khi đột / dập.

Dập thông dụng & dập tinh (Fine-Blanking)

Hình.5 (a) So sánh mép cắt khi độ dập thông dụng và dập tinh. (b) Sơ đồ nguyên lý thiết trí khuôn dập tinh. Nguồn: Courtesy of Feintool U.S. Operations.

Cắt trượt (Slitting) vời dao quay

Hình .6 Cắt trượt với dao quay. Phương pháp tương tự như khi chúng ta mở hộp.

Rập-Hàn (Tailor-Welded Blanks)

Hình .7 Các bước chế tạo khung vỏ xe ô tô bằng phương pháp dập-hàn-dập nguội.(stamping). Nguồn: After M. Geiger and T. Nakagawa.

Ví dụ điển hình các chi tiết điển hình ô tô được chế tạo bằng phương pháp dập hàn

Hình.8 Ví dụ các chi tiết hàn laser và dập định hình trong công nghệ chế tạo thân xe ô tô. Nguồn: After M. Geiger and T. Nakagawa.

Phương pháp hớt / gọt (Shaving)

Hình.9 Sơ đồ nguyên lý hớt (gọt). (a) Gọt mép cắt trượt. (b) Cắt trượt & gọt trong một bước công nghệ.

Góc cắt (Shear Angles)

Hình .10 Các ví dụ điển hình về cách bố trí góc cắt trên chày và cối.

Khuôn phức hợp

(Compound Die) và khuôn

liên tiến (Progressive

Die)

Hình.11 Sơ đồ minh họa: (a) trước và (b) sau khuôn dập lông đền bằng khuôn phức hợp. Chú ý chuổi chuyển động tuần tự giữa khuôn khi dập ( blanking) và chày khi đột (punching - để tạo lổ trên lông đền). (c) Sơ đồ minh họa khuôn dập lông đền trên khuôn liên tiến. (d) Phôi và các bước dập độ định hình bằng khuôn liên tiến. Chú ý chi tiết vẫn dính vào băng phôi cho đến bước dập sau cùng.

Các chỉ tiêu công nghệ kim loại cần xem xét khi định hình

Kim loại lá (Sheet Metal)

Hình .12 (a) Độ dản dài sau giới hạn chảy (Yield-point elongation). (b) tạo dãy “Luder” trên thép carbon thấp. (c) biến dạng căng (Stretcher strains) ở phần đáy chi tiết hình hộp khi dập chén đở / nắp đậy ổ trục (household) Nguồn: (b) Courtesy of Caterpillar Inc.

Thử cốc (Cupping test) và thử phồng (Bulge-Test)

Hình.13 (a) Thử cốc (còn gọi là Erichsen test) để xác định tính định hình (formability) của kim loại lá. (b) Kết quả thử phồng trên kim loại lá nhiều cở bề rộng khác nhau. Mẫu xa nhất về phía trái chỉ đơn giản là chịu kéo, mẫu xa nhất về phía phải là chịu kéo phẳng đẳng hướng (equal biaxial stretching). Nguồn: Courtesy of Inland Steel Company.

Sơ đồ giới hạn định hình

Hình .14 (a) biến dạng khi định hình mẫu lưới tròn. (b) Giản đồ giới hạn định hình (Forming-limit diagrams - FLD) các kim loại khác nhau. Mặt dù biến dạng chính luôn luôn dương (chịu kéo), ứng suất phụ có thể dương hoặc âm. Phần thấp hơn bên trái của giản đồ, R là hệ số bất đẳng hướng chuẩn (normal anisotropy) của kim loại lá. Nguồn: After S .S Hecker and A. K. Ghosh.

Biến dạng và rách khi định hình kim loại lá

Hình .15 Biến dạng mẫu lưới hình tròn và rách khi định hình. Trục chính và trục phụ của vòng tròn thường được dùng để xác định hệ trục của giản đồ FLD ở hình .14b. Nguồn: After S. P. Keeler.

Thuật ngữ phương pháp uốn (Bending)

Hình .16 Trình bày các thuật ngự phương pháp uốn. Chú ý bán kính uốn được định nghĩa là bán kính đo ở mặt trong góc uốn.

Ảnh hưởng gây ra bởi độ dãn dài (Elongation)

Hình .17 (a) & (b) Ảnh hưởng của độ dãn dài (elongated inclusions stringers) đến nứt do tác động của phương uốn và phương cán kim loại tấm. (c) Các vết nứt trên mặt ngoài cung lượn khi uốn nhôm tấm. Chú ý là các vết nứt cũng xuất hiện bên trong bề dày khu vực uốn (do hiệu ứng Poisson).

Bán kính uốn tối thiểu

Hình .18 Quan hệ R/T và sự suy giảm tiết diện do kéo khi uốn tấm kim loại. Chú ý là khi phần trăm suy giảm tiết diện do kéo đến 50% thì khu vực uốn có thể gấp mà không gây nứt. Nguồn: After J. Datsko and C. T. Yang.

Đàn hồi khi uốn (Springback)

Hình .19 Góc đàn hồi khi uốn (Springback). Chi tiết uốn có xu thế khôi phục sau khi uốn do đàn hồi, kết quả là bán kính uốn thực tế sẽ lớn hơn bán kính khuôn. Trong một vài trường hợp có khả năng góc uốn kết quả sẽ nhỏ hơn góc uốn ban đầu. (springback âm ).

R i

R f

=4 (R iY

ET )3

−3( RiY

ET )+1

Các phương pháp giằng (Reducing) loại bỏ hiện tượng đàn hồi khi uốn (Springback - bung)

Hình .20 Các phương pháp loại trừ bung khi uốn nhờ biện pháp giằng. Nguồn: After V. Cupka, T. Nakagawa, and H. Tyamoto.

Các nguyên lý uốn bằng khuôn thông dụng

Hình .21 Các nguyên lý uốn bằng khuôn thông dụng Kích thước, W, được dùng để tính toán lực uốn.

Lực uốn

P=kYLT2

Wwhere

k =0 . 3 for wiping die,k =0 .7 for a U-die,k=1 . 3 for a V-die

Các nguyên công uốn

Hình .22 Ví dụ điển hình về các nguyên công uốn.

Sấn / chấn (Brake)

Hình .23 (a) đến (e) Sơ đồ minh họa các nguyên công sấn (uốn trên máy sấn (press brake). (f) Sơ đồ nguyên lý máy sấn. Nguồn: Courtesy of Verson Allsteel Company.

Viền mép/ chỉ (Bead Forming)

Hình .24 (a) Viền mép với khuôn đơn. (b) & (c) Viền mép nhờ định hình trên máy sấn.

Loe / bẽ mép (Flanging)

Hình .25 Các nguyên công loe / bẽ mép. (a) Bẽ mép trên tấm phẳng. (b) Nong (Dimpling). (c) Xoi / lói kim loại lá để bẽ mép. Trong nguyên công này không cần phải khoan / đột lỗ trước. Chú ý: mép bẽ sẽ rất thô. (d) Loe mép ống. Chú ý mép loe sẽ mỏng dần về phía rìa.

Cán (dựng) hình (Roll-Forming)

Hình.26 (a) Sơ đồ mô tả nguyên lý cán dựng hình. (b) Các tiết diện điển hình có thể chế tạo bằng phương pháp cán dựng hình. Nguồn: (b) Courtesy of Sharon Custom Metal Forming, Inc.

Phương pháp uốn ống

Hình.27 Các phương pháp uốn ống. Sử dụng lỏi (mandrels) hoặc dồn cát để chống móp khi uốn. Ống cũng có thể uốn được khi có bề dày đủ cứng để chống móp, hoặc với một lò xo chèn có thể trượt nhẹ bên trong. Khe hỡ giữa đường kính trong của ống và đường kính ngoài của lò xo thích hợp để chống móp và lấy ra dễ dàng.

Chế tạo các chi tiết dạng ống

Hình .28 (a) Ép phồng (bulging) chi tiết hình ống nhờ lỏi chèn mềm (flexible plug). Có thể dùng một bao nước thay thế. (b) Chế tạo một nối “T” bằng phương pháp ép thủy tỉnh. Nguồn: After J. A. Schey.

Phương pháp chế tạo ống dún (Bellows)

Hình .29 Các phương pháp chế tạo ống dún.

Định hình bằng kéo căng (Stretch-Forming)

Hình .30 Sơ đồ minh họa phương pháp định hình bằng kéo căng. Lớp vỏ bằng nhôm của máy bay thường được định hình bằng phương pháp này. Nguồn: Courtesy of Cyril Bath Co.

Chế tạo hộp(vuốt sâu)

Hình.31 Phương pháp đình hình chi tiết dạng hộp chiều sâu lớn.

Vuốt sâu (DeepDrawing)

Hình .32 (a) Sơ đồ nguyên lý (dập) vuốt sâu. Phương tiện cắt vàng (tripper ring) dùng để cắt gọn vành hộp sau khi vuốt. (b) Các thông số quá trình vuốt. Ngoại trừ lực tác động lên chày , F, các thông số chỉ ra trên hình b) đều là các thông số độc lập.

Fmax=pD pT (UTS ) [( Do

Dp)−0 .7 ]

Tính bất đẳng hướng (anisotropy) chuẩn & trung bình Anisotropy

Hình.33 Biến dạng của mẫu thử kéo trích từ kim loại lá. Mẫu này sẽ được dùng để xác định tính bất đẳng hướng khi biến dạng phẳng.

Normal anisotropy, R=Width strain

Thickness strain=

ew

e t

Average anisotropy, Ravg=R0+2R45 +R90

4

Tương quan giữa hệ số bất đẳng hương trung bình chuẩn và hệ số giới hạn vuốt

(Limiting Drawing Ratio)

Hình.34 Tương quan giữa bất đẳng hướng chuẩn trung bình và hệ số vuốt. Nguồn: After M. Atkinson.

LDR=Maximum blank diameterPunch diameter

=Do

Dp

Sự hình thành lỗ tai (Earing) & bất đẳng hướng phẳng

Hình .35 Sự hình thành lỗ tai khi vuốt thép lá gây ra bởi biến dạng bất đẳng hướng.

Planar anisotropy, DR=R0−2 R45+R90

2

Ghi chú : Nếu DR=0, không xuất hiện lỗ tai (dún tai béo). Chiều cao lộ tai tăng khi DR tăng.

vuốt bằng khuôn có gờ miết (Drawbeads)

Hình .36 (a) Sơ đồ mô tả tác dụng của khuôn có gở miết. (b) Mô tả quá trình chảy của vật liệu khi vuốt trên khuôn có gờ miết. (c) Biến dạng ô lưới hình tròn khi vuốt sâu.

Dập nổi (Embossing)

Hình .37 Dập nổi bằng hai khuôn. Ứng dụng dập chữ, số và các gân nổi trên chi tiết định hình từ kim loại lá.

Sản xuất lon nhôm (Aluminum Beverage Cans)

Hình .38 (a) Dạng điển hình của lon nhôm. Chất lượng bề mặt tuyệt hảo. (b) Chi tiết nắp lon với khóa mở lon lắp sẳn và lỗ rót .

(a)

Dập uốn và dập nổi bằng khuôn mềm đàn hồi.

Hình .39 Các minh họa điển hình về phương pháp dập bằng khuôn mềm đàn hồi. (flexible pad). Nguồn: Courtesy of Polyurethane Products Corporation.

Phương pháp định hình thủy áp (Hydroform)

Hình .40 Phương pháp định hình thủy áp . Chú ý là phương pháp này ngược với phương pháp vuốt sâu. Phôi dưới tác dụng của áp suất vuốt định hình trên chày nhờ đó đặc điểm vuốt sâu (deep drawability) được tăng cao rõ rệt.

Định hình ống bằng thủy áp

Hình .41 (a) Sơ đồ minh họa phương pháp định hình ống bằng thủy áp. (b) Ví dụ sản phẩm ống được định hình bằng thủy áp. Nguồn: Courtesy of Schuler GmBH.

(b)

Phương pháp tiện dựng (Spinning)

Hình .42 (a) Sơ đồ minh họa phương pháp tiện dựng. (b) Các sản phẩm điển hình được chế tạo bằng phương pháp tiện dựng.

Phương pháp miết (Shear-Spinning) & miết ống (Tube-Spinning)

Hình .43 (a) Sơ đồ minh họa phương pháp miết. Lỏi có thể có hình dạng để chi tiết được định hình. (b) & (c) Sơ đồ minh họa quá trình miết ống.

StructurPhương pháp định hình siêu dẻo & kết dính bằng khuếch tán. (Diffusion Bonding & Superplastic Forming)

Hình .44 Các cấu trúc chế tạo bằng kết dính khuếch tán & định hình siêu dẻo. Các cấu trúc này có tỉ số độ cứng vững / trọng lượng rất cao. Nguồn: Courtesy of Rockwell International Corp.

Định hình bằng hiệu ứng nổ (Explosive Forming)

Hình .45 (a) Sơ đồ minh họa nguyên lý định hình bằng hiệu ứng nổ. (b) Minh họa định hình nổ để làm phồng các chi tiết dạng ống.

Định hình bằng xung từ (Magnetic-Pulse Forming)

Hình .46 (a) Sơ đồ minh họa nguyên lý định hình bằng xung từ. (b) Chi tiết ống nhôm định hình bằng xung từ.

Chế tạo Cymbal

Hình .47 (a) Bộ symbal (trống Jazz). (b) Chi tiết các biến dạng tinh tế trên bề mặt. Nguồn: Courtesy of W. Blanchard, Sabian Ltd.

(a)

(b)

Chế tạo Cymbal (tiếp.)

Hình .48 Các bước chế tạo cymbals. Nguồn: Courtesy of W. Blanchard, Sabian Ltd.

Gò (Hammering) Cymbals

Hình .49 Gò cymbals. (a) Gò cymbal trên máy tự động; (b) Gò cymbal thủ công. Nguồn: Courtesy of W. Blanchard, Sabian Ltd.

(a) (b)

Chế tạo cấu trúc tổ ong (Honeycomb Structures)

Hình .50 Các phương pháp chế tạo cấu trúc tổ ong: (a) Triển khai các bước công nghệ ; (b) Quá trình định dạng; (c) Cấu trúc các lớp.

Bố trí (Nesting) - Tối ưu hóa sử dụng vật liệu

Hình .51 Các ví dụ về bố trí tối ưu hiệu quả sử dụng vật liệu. Nguồn: Courtesy of Society of Manufacturing Engineers.

Kiểm soát các khuyết tật khi bẽ mép (Flanging)

Hình .52 Kiểm soát rách và cong vênh khi bẽ mép góc. Nguồn: Courtesy of Society of Manufacturing Engineers.

Sử dụng các vết khấc (Notches)

Hình .53 Sử dụng các vết khấc để ngăn ngừa rách nhăn khi uốn góc vuông. Nguồn: Courtesy of Society of Manufacturing Engineers.

Tránh tập trung ứng suất ở khu vực uốn

Hình .54 Tập trung ứng suất ở các góc uốn. (a) Sử dụng biên dạng “trăng lưởi liềm” hoặc “vành tay” để loại bỏ tập trung ứng suất. (b) Giảm tập trung ứng suất nhờ tạo bậc trên mép bẽ. Nguồn: Courtesy of Society of Manufacturing Engineers.

Cách tạo ra các góc vuông sắc cạnh

Hình .55 Áp dụng chấn “scoring hoặc dập nổi (embossing) để tạo ra các góc vuông sắc cạnh khi uốn. Trừ khi được thiết kế, cách làm này có thể gây tổn thất nghiêm trọng về khả năng gây nứt gãy. Nguồn: Courtesy of Society of Manufacturing Engineers.

Máy dập

Hình .56 (a) đến (f) Sơ đồ cấu tạo các máy dập sử dụng trong định hình kim loại lá. Mỗi loại có đặc điểm và độ cứng vững riêng. (g) Máy dập cở lớn. Nguồn: (a) đến (f) Engineer’s Handbook, VEB Fachbuchverlag, 1965. (g) Verson Allsteel Company.

So sánh chi phí giữa tiện dựng và vuốt sâu

Hình .57 So sánh chi phí giữa tiện dựng và vuốt sâu.