Báo cáo Nghiên cứu công nghệ miết ép phục vụ chế tạo các chi tiết có kết cấu đặc biệt, chịu áp lực cao trong sản xuất vũ khí - Trần Việt Thắng

Tổng cục công nghiệp quốc phòng Trung Tâm Công Nghệ Xóm 6 Đông Ngạc - Từ Liêm - Hà Nội Báo cáo tổng kết khoa học và kỹ thuật Đề tài Nghiên cứu công nghệ miết ép phục vụ chế tạo các chi tiết có kết cấu đặc biệt, chịu áp lực cao trong sản xuất vũ khí ThS. Trần Việt Thắng 6295 06/2/2007 Hà Nội 5-2005 128 lời cảm ơn Tập thể tác giả thực hiện Đề tài KC.05.18 xin trân trọng bày tỏ sự biết ơn sâu sắc đối với các cơ quan, đơn vị và cá nhân, cùng tất cả các cộng tác viên, đặc biệt là: - Bộ Khoa học và Công nghệ . - Ban chủ nhiệm ch−ơng trình KC.05, Văn phòng ch−ơng trình KC.05. - Cục Khoa học Công nghệ – Môi tr−ờng Bộ Quốc Phòng - Tổng cục Công nghiệp Quốc Phòng - Trung tâm Công nghệ và các phòng nghiên cứu, cơ quan thuộc Trung tâm Công nghệ - Tổng cục Công nghiệp Quốc Phòng. - Viện Vũ Khí, các nhà máy Z153, Z131, Z117 và các đơn vị tham gia trong chế tạo thiết bị, chế thử công nghệ, khảo nghiệm sản phẩm. - Các thành viên Hội đồng nghiệm thu cấp cơ sở và Nhà n−ớc. Đã cùng tham gia cũng nh− tạo điều kiện, hỗ trợ thực hiện để hoàn thành các nội dung nghiên cứu khoa học của Đề tài. Chủ nhiệm Đề tài KC.05.18 ThS. Trần Việt Thắng 1 Mục lục Lời mở đầu 3 I - Tổng quan 4 1.1. Tổng quan về công nghệ, sản phẩm và thiết bị miết. 4 1.1.1. Tình hình nghiên cứu trên thế giới và trong n−ớc 5 1.1.2. Phân loại công nghệ và sản phẩm 7 1.1.3. Đặc điểm công nghệ miết yêu cầu về vật liệu 11 1.1.4. Thiết bị miết 15 1.2. Lựa chọn ph−ơng pháp, đối t−ợng nghiên cứu 19 II - Cơ sở lý thuyết 21 2.1. Động học quá trình miết 21 2.1.1. Mô hình bài toán khi miết 21 2.1.2. Các chuyển động khi miết 22 2.2. Lựa chọn tốc độ miết 23 2.3. Lực, công suất khi miết 24 2.3.1. Lực tác dụng lên con lăn và phôi 24 2.3.2. Công khi miết 25 2.3.3. Công suất khi miết 25 2.4. Miết biến mỏng chi tiết hình trụ 26 III – Nội dung, kết quả nghiên cứu 29 3.1. Nghiên cứu khả năng biến dạng bằng miết ép 29 3.1.1.Tìm hiểu đặc tính biến dạng của một số vật liệu làm vỏ tên lửa 29 3.1.2. Nghiên cứu khả năng tạo hình các kết cấu rỗng 31 3.1.3. Thực nghiệm miết ống trụ 32 3.1.4. Thí nghiệm miết ống có côn 42 3.2. Nghiên cứu các yếu tố ảnh h−ởng đến quá trình miết biến mỏng 45 3.2.1. ảnh h−ởng của đặc tính vật liệu 45 3.2.2. ảnh h−ởng của mức độ biến dạng 46 3.2.3. ảnh h−ởng của trạng thái tổ chức vật liệu khi miết 48 3.2.4. ảnh h−ởng của các thông số công nghệ miết 49 3.2.5. ảnh h−ởng của các thông số dụng cụ miết 49 3.3. Nghiên cứu tạo phôi, miết ép thân động cơ tên lửa 50 3.3.1. Yêu cầu chung về vật liệu tên lửa 50 3.3.2. Phân tích kết cấu, vật liệu, công nghệ và lựa chọn mẫu động cơ, ph−ơng án công nghệ 53 3.3.3. Nghiên cứu chế thử vỏ động cơ tên lửa bằng ph−ơng pháp miết 56 2 3.3.4. Trang bị công nghệ miết ép 70 3.3.5. Kiểm tra đánh giá sản phẩm 71 IV - Nghiên cứu thiết kế chế tạo máy miết 75 4.1. Nhiệm vụ thiết kế 75 4.2. Tiến trình thiết kế 75 4.2.1. Phần điện 75 4.2.2. Phần cơ khí 76 4.3. Đề xuất ph−ơng án cấu trúc phần cứng 76 4.4. Lựa chọn ph−ơng án 78 4.4.1. Khảo sát máy mẫu cần thiết kế 78 4.4.2. Lập ph−ơng án thiết kế 78 4.4.3. Tính toán động học, chọn kết cấu máy 80 4.4.4. Phần mềm điều khiển 81 4.4.5. Ghép nối các khối điều khiển 83 4.4.6. Cài đặt các phần mềm 83 4.5. Tính toán thiết kế máy miết 84 4.5.1. Tính toán sơ bộ tỷ số truyền của trục chính máy miết 84 4.5.2. Tính toán sơ bộ lực miết 85 4.5.3. Tính toán trục vít đai ốc bi 87 4.5.4. Tính chuyển động nội suy 102 4.5.5. Tính lực kẹp phôi, thiết kế cụm thủy lực 104 4.5.6. Nghiệm bền sơ bộ cụm trục chính 105 4.5.7. Tính toán thiết kế bộ con lăn miết 109 4.6. Kết quả thiết kế 111 4.7. Chế tạo, lắp ráp, hiệu chỉnh máy miết 113 4.7.1. Các nội dung thực hiện 113 4.7.2. Các công việc đảm bảo thực hiện 121 4.8. Đánh giá nghiệm thu sản phẩm trên máy miết CNC 122 4.8.1. Căn cứ đánh giá và yêu cầu kỹ thuật chung. 122 4.8.2. Kiểm tra độ chính xác máy. 123 Kết luận 126 Lời cảm ơn 128 Tài liệu tham khảo 129 3 Lời mở đầu Sự phát triển mạnh mẽ của các ngành công nghiệp chế tạo máy, hàng không, vũ trụ, ôtô, vũ khí, khí tài quân sự đặt ra những yêu cầu đối với công nghệ vật liệu, công nghệ cơ khí, công nghệ hoá học ngày càng cao về chất l−ợng, tính năng của các chi tiết, sản phẩm. Việc đáp ứng những yêu cầu kỹ thuật nói trên dẫn tới cần có sự kết hợp giữa thiết kế kết cấu tối −u với nâng cao độ bền kết cấu và tính năng làm việc của sản phẩm. Song song với nghiên cứu các vật liệu mới, các kết cấu đặc biệt, việc nghiên cứu những ph−ơng pháp gia công nhằm khai thác triệt để tính dẻo, các cơ chế hoá bền để cải tạo tổ chức vật liệu đ−ợc đặc biệt quan tâm. Trong phạm vi của đề tài, chỉ nghiên cứu ứng dụng công nghệ miết ép biến mỏng, chế tạo các chi tiết làm việc ở điều kiện tải trọng, áp suất, nhiệt độ cao trong chế tạo vũ khí. Đề tài vừa nghiên cứu các nội dung lý thuyết, thực nghiệm để xây dựng công nghệ miết vỏ động cơ tên lửa, vừa có nhiệm vụ thiết kế, chế tạo thiết bị, trang bị công nghệ miết chuyên dụng, chế mẫu vỏ động cơ tên lửa. Từ những nghiên cứu về đặc tính biến dạng, gia công cơ - nhiệt luyện của vật liệu, đề tài nghiên cứu xây dựng công nghệ gia công biến dạng miết ép để chế tạo vỏ động cơ tên lửa. Những tính năng kỹ thuật của máy miết điều khiển CNC đ−ợc thiết kế trên cơ sở lựa chọn ph−ơng án cấu trúc phần cứng với cấu hình điều khiển, chọn card điều khiển CNC. Kết cấu động của máy đ−ợc thiết kế sử dụng tối đa các kết cấu tiêu chuẩn, sử dụng chức năng điều khiển điện tử thay cho truyền động cơ khí. 4 Ch−ơng 1 Tổng quan 1.1. Tổng quan về công nghệ, sản phẩm và thiết bị miết Miết là một ph−ơng pháp gia công kim loại bằng áp lực để tạo hình chi tiết rỗng từ phôi phẳng hoặc phôi rỗng d−ới tác dụng của lực công tác làm biến dạng dẻo cục bộ theo quỹ đạo xác định trên phôi quay. Công nghệ miết ép tạo hình đ−ợc biết đến từ nhiều thế kỷ tr−ớc. Ban đầu, những ng−ời thợ thủ công sử dụng các thiết bị thô sơ để miết tạo hình các tấm kim loại mỏng để tạo ra các đồ mỹ nghệ, vật dụng dạng tròn xoay nh−: nồi, bình hoa. Ng−ời ta sớm thấy rằng các sản phẩm tròn xoay rỗng bằng vàng, bạc, đồng... đ−ợc làm bằng cách này rất dễ dàng thực hiện, ng−ời thợ kim hoàn đã truyền cả sự ngẫu hứng xúc cảm nghệ thuật vào việc tạo hình mà không cần qua nhiều khuôn mẫu. Công nghệ miết ép đ−ợc áp dụng nhiều vào đồ dân dụng, công nghiệp, đặc biệt là những năm đầu thế kỷ 19. Vật liệu sử dụng chế tạo sản phẩm lúc này đã xuất hiện cả hợp kim nhôm, thép, các hợp kim có độ bền cao... Ngày nay, công nghệ miết ép đã đ−ợc ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực công nghiệp khác nhau: hoá dầu, chế tạo máy, hàng dân dụng... Sản phẩm đ−ợc chế tạo bằng công nghệ này rất đa dạng, từ các chi tiết rỗng nhỏ vài mm đến các đáy bình áp suất đ−ờng kính tới 3ữ4m. Các chi tiết có hình dạng từ tròn xoay tới hình dạng rất phức tạp, trong công nghiệp hoá chất, hoá dầu, hàng không, vũ trụ... cũng đã đ−ợc thực hiện bằng công nghệ miết ép. Sản phẩm miết rất đa dạng và phong phú về chủng loại, hình dáng và kích cỡ, cũng nh− vật liệu của sản phẩm. Các ngành công nghiệp ứng dụng công nghệ miết là: công nghiệp sản xuất hàng tiêu dùng, công nghiệp sản xuất ô tô, công nghiệp quốc phòng, v.v... Do đặc điểm của công nghệ miết là biến dạng cục bộ từng phần của sản phẩm nên công suất đòi hỏi của thiết bị miết nhỏ hơn rất nhiều so với công suất của các thiết bị khác dùng để chế tạo (bằng ph−ơng pháp biến dạng) cùng một loại sản phẩm đó. Miết cũng đ−ợc áp dụng trong sản xuất loạt nhỏ vì khi chế tạo khuôn dập vuốt mất nhiều thời gian và hiệu quả kinh tế không cao. Máy miết vạn năng có thể thực hiện các nguyên công sau: 5 - Miết chi tiết rỗng dạng tròn xoay (biến mỏng và không biến mỏng). - Là phẳng bề mặt chi tiết. - Miết cổ hẹp của các phôi trụ rỗng. - Cắt và cuốn mép. ống thành mỏng độ bền cao chịu áp lực lớn đ−ợc dùng nhiều trong công nghiệp hàng không, quân sự, chế tạo thiết bị thuỷ lực... Để ống chịu đ−ợc áp lực cao, vật liệu cần đ−ợc chế tạo để có tổ chức phù hợp có độ bền kết cấu lớn, thớ kim loại hình thành theo chiều xoắn h−ớng tiếp tuyến của ống. Các ống chế tạo bằng ph−ơng pháp miết ép thoả mãn các yêu cầu trên với giá thành không quá đắt. Do ống có kết cấu với độ bền cao, nhẹ, nên đã đ−ợc dùng nhiều trong chế tạo các chi tiết quan trọng của tên lửa, máy bay, vũ khí. Công nghệ này thay thế cho việc dùng các vật liệu hợp kim đặc biệt với những công nghệ phức tạp. 1.1.1. Tình hình nghiên cứu trên thế giới và trong n−ớc * Trên thế giới: Hiện nay, các n−ớc công nghiệp phát triển trên thế giới (Nga, Đức, Anh, Pháp, Mỹ) đã đạt đ−ợc rất nhiều thành tựu trong việc áp dụng công nghệ miết để chế tạo những chi tiết tròn xoay, nhẹ, chịu tải cao, điều kiện làm việc khốc liệt với hệ số an toàn cao. Các máy miết hiện đại đ−ợc điều khiển theo ch−ơng trình số có công suất lớn đ−ợc dùng để chế tạo các chi tiết có độ bền cao, chiều dày lớn: đáy nồi hơi, bình chứa khí hóa lỏng, bình áp lực, chỏm cầu, v.v... Trên các máy có công suất trung bình điều khiển số, ng−ời ta đã chế tạo các chi tiết rỗng tròn xoay thành mỏng, hình dạng phức tạp. Các máy miết chuyên dụng đ−ợc thiết kế để chế tạo một số chủng loại sản phẩm xác định thì có kiểu dáng và kích th−ớc phù hợp với chủng loại sản phẩm đó: kiểu đứng, kiểu ngang. Một số loại máy miết: a) Máy miết nằm ngang: - Máy PS 60SS: công suất 65 kW, miết đ−ợc chi tiết có đ−ờng kính tới 1600, chiều dày vật liệu 12mm. 6 - Máy PS-90: công suất 90 kW, miết đ−ợc chi tiết có đ−ờng kính tới 1600, chiều dày vật liệu 15mm. - Máy PS-110SS: công suất 110 kW, miết đ−ợc chi tiết có đ−ờng kính tới 2100, chiều dày vật liệu 18mm. b) Máy miết đứng: - Máy VDM 4000E: công suất 160 kW, miết đ−ợc chi tiết có đ−ờng kính tới 4m, chiều dày vật liệu 30mm. - Máy VDM 6000E: công suất 250 kW, miết đ−ợc chi tiết có đ−ờng kính tới 6m, chiều dày vật liệu 30mm. * Trong n−ớc: Hiện các cơ sở cơ khí trong n−ớc ch−a sản xuất máy miết, các thiết bị miết sử dụng hiện nay cho miết không biến mỏng đ−ợc nhập chủ yếu từ n−ớc ngoài. + Các cơ sở áp dụng công nghệ miết chế tạo các mặt hàng dân dụng: - Công ty Sắt tráng men Hải phòng. - Công ty Kim khí Thăng long. - Các công ty sản xuất đồ hộp, bao bì. - Các công ty sản xuất phụ tùng ô tô, xe máy. + Các cơ sở áp dụng công nghệ miết không biến mỏng chế tạo các mặt hàng công nghiệp: - Công ty Thiết bị áp lực: các máy miết đáy nồi hơi. - Công ty Lilama: máy vê chỏm cầu PPM-600Tx6 đ−ờng kính tới 5m, vật liệu dày 35mm. Nói chung, việc áp dụng công nghệ miết ở n−ớc ta còn rất hạn chế. Đó là do các nguyên nhân: - Các tính năng của công nghệ miết còn ít đ−ợc biết đến. - Ch−a có khả năng đầu t− thiết bị, nhất là các thiết bị miết chuyên dùng hiện đại. Với những −u điểm nổi trội của ph−ơng pháp miết trong chế tạo các chi tiết tròn xoay từ phôi tấm và phôi ống thì việc nghiên cứu, ứng dụng và phát triển công nghệ và thiết bị miết ép trong giai đoạn hiện nay là rất cần thiết. Đất n−ớc 7 Hình 1.2: Tạo hình bằng ph−ơng pháp miết từ phôi phẳng và phôi không gian đang trên đà công nghiệp hóa và hiện đại hóa nên rất cần có chính sách hợp lý đầu t− cho lĩnh vực miết ép để trở thành một yếu tố thúc đẩy ngành cơ khí nội địa phát triển. Hình 1.1: Các dạng sản phẩm miết 1.1.2. Phân loại công nghệ và sản phẩm Các ph−ơng pháp miết đ−ợc phân loại nh− sau: a) Theo đặc điểm phôi: - Miết phôi phẳng. - Miết phôi ống. - Miết phôi dạng thể tích (ít phổ biến). 8 b) Theo hình dạng sản phẩm: - Tròn xoay: ƒ Sản phẩm dạng cầu. ƒ Sản phẩm dạng côn. ƒ Sản phẩm dạng trụ. - Không tròn xoay (xoáy ốc). c) Theo cặp dụng cụ gây biến dạng: - D−ỡng trong - con lăn miết. - D−ỡng ngoài - con lăn miết. - Không có d−ỡng - con lăn miết. Hình 1.3: Một số dạng sản phẩm miết chủ yếu và các b−ớc công nghệ 9 Hình 1.5: Miết biến mỏng ống với cối quay Hình 1.4: Miết chi tiết hình côn không dùng d−ỡng miết 10 Hình 1.6: Miết thuận (a) và miết ng−ợc (b) a) (drawing type spin forging) b) (extruding type spin forging) d) Theo dạng gia công và yêu cầu của sản phẩm: - Miết tạo hình: trong và sau quá trình tạo hình, chiều dày của vật liệu không thay đổi (conventional spinning). - Miết biến mỏng: là công nghệ làm thay đổi chiều dày của phôi trong quá trình tạo hình sản phẩm (spin forging). Th−ờng độ biến mỏng đạt tới 30%. Công nghệ này đ−ợc ứng dụng rất rộng rãi để chế tạo các chi tiết đối xứng. - Miết nâng cao chất l−ợng bề mặt sản phẩm: mục đích tăng độ nhẵn bóng và tạo ra sự biến cứng trên bề mặt sản phẩm mà không làm thay đổi chiều dày cũng nh− hình dạng sản phẩm. e) Theo h−ớng biến dạng của vật liệu và chuyển động t−ơng đối của dụng cụ: - Miết thuận: chiều chuyển động của dụng cụ miết cùng chiều với h−ớng chảy của vật liệu. - Miết ng−ợc: chiều chuyển động của dụng cụ miết và chiều chảy của kim loại ng−ợc h−ớng nhau trong quá trình miết. 11 1.1.3. Đặc điểm công nghệ miết, yêu cầu về vật liệu a) Kích th−ớc sản phẩm: Công nghệ miết có thể đ−ợc áp dụng để chế tạo các sản phẩm cỡ lớn (đ−ờng kính tới 6m, chiều dày sản phẩm 40mm). Khi miết kim loại bị biến cứng mãnh liệt hơn khi dập vuốt nên chi tiết đ−ợc miết qua một số nguyên công cần phải đ−ợc ủ trung gian. b) Một số thông số công nghệ miết: ™ Tốc độ miết phù hợp với loại vật liệu, sản phẩm: Vật liệu Tốc độ (vòng/phút) Thép mềm 400 ữ 600 Nhôm 800 ữ 1200 Đuyra 500 ữ 900 Đồng 600 ữ 800 Đồng thau 800 ữ 1100 ™ Khi miết mỏng, trị số mức độ biến dạng cho phép đối với thép cacbon thấp và thép không gỉ phải nhỏ hơn 75%, khi chế tạo các chi tiết bán cầu thì không đ−ợc v−ợt quá 50%. ™ Giới hạn đ−ờng kính t−ơng đối của sản phẩm miết: dmin/D = 0,2 ữ 0,3 trong đó: - dmin: đ−ờng kính sản phẩm, - D: đ−ờng kính phôi. Đối với các sản phẩm dạng trụ, kích th−ớc t−ơng đối có thể dmin/D = (0,6 ữ 0,8) hoặc chiều dày t−ơng đối: 5,21005,0 ≤≤ D S . c) Độ chính xác của công nghệ miết: Ph−ơng pháp miết có thể tạo ra đ−ợc sản phẩm có cấp chính xác 6; sai lệch của sản phẩm có thể từ (0,001 ữ 0,002) đ−ờng kính sản phẩm. 12 d) Một số thông số kỹ thuật cơ bản miết chi tiết hình côn điển hình: áp lực riêng khi miết 250 ữ 280 KG/mm2 Chiều dày vật liệu 20 mm Góc miết 2αmin = 300 Tốc độ miết 300 m/phút B−ớc miết 0,012 ữ 2 mm/vòng Bôi trơn Dầu Làm nguội N−ớc e) Yêu cầu vật liệu gia công bằng miết: Miết là ph−ơng pháp gia công dựa trên khả năng biến dạng dẻo của kim loại, vì vậy cần có một số yêu cầu riêng đối với phôi và vật liệu gia công. Độ ổn định và chất l−ợng của sản phẩm trong quá trình tạo hình phụ thuộc vào chất l−ợng của phôi. Sự tồn tại các gỉ sét, các vết x−ớc trên bề mặt phôi làm giảm khả năng biến dạng của phôi và dẫn đến các khuyết tật. Các phôi tròn cần loại bỏ các vết nứt, ba via và các vết x−ớc. Độ đảo của phôi khi quay so với trục miết không đ−ợc lớn hơn 0,3ữ0,5mm. Trong tr−ờng hợp độ đảo v−ợt quá giới hạn quy định cần phải khử tr−ớc khi miết. Vật liệu của phôi để miết cần phải thoả mãn không chỉ mục đích, điều kiện làm việc của chi tiết đ−ợc chế tạo mà càn phải thoả mãn các yêu cầu công nghệ cho tính chất, khả năng biến dạng của chúng. Sự thích hợp của vật liệu để miết ép đ−ợc quy định tr−ớc hết bởi cơ tính của nó: giới hạn chảy σs và giới hạn bền σB. Tính dẻo gồm độ giãn dài t−ơng đối δ và độ thắt tỉ đối ψ. Với vật liệu có δ lớn thì khả năng gia công bằng miết ép lớn hơn, ng−ợc lại với việc tăng độ cứng thì quá trình miết ép gặp khó khăn hơn. Đối với thép tấm đ−ợc sử dụng để miết sâu cần có tỷ lệ giữa giới hạn chảy và độ bền σs/σB≤0,65. Ngoài ra tính nhạy của thép đối với sự hoá già có ảnh h−ởng xấu đến miết. Hoá già của thép là sự thay đổi cơ tính của vật liệu khi bảo quản, xảy ra do những quá trình vật lý phức tạp diễn ra trong tổ chức tế vi của kim loại. Đặc biệt tình trạng hoá già xảy ra mạnh với thép sôi. Do có hoá già nên giới hạn chảy dần 13 dần tăng lên còn độ dẻo thì giảm. Tốc độ hoá già tăng lên đáng kể khi tăng nhiệt độ. Sự so sánh thời gian hoá già của thép các bon thấp khi nhiệt độ khác nhau cho trong bảng 1.1. Bảng 1.1 Nhiệt độ 0C 15 21 100 120 150 Thời gian hoá già 1 năm 6 tháng 4 giờ 1 giờ 10 phút Thí nghiệm cho thấy rằng, thép sôi qua 6-7 tháng bảo quản trong kho thì không thể dùng để miết sâu đ−ợc. Thép đã hoá già khi miết có khuynh h−ớng cho phế phẩm bởi các vết nứt. Sự hoá già dẫn đến tăng độ cứng và độ bền, làm giảm tính dẻo và độ dai va đập. Ng−ời ta khử bỏ một phần hiện t−ợng xấu liên quan đến sự hoá già của thép nhờ gia công thép trên máy cán nhiều trục. Cán thép phải đ−ợc thực hiện ngay tr−ớc khi miết vì sự hoá già xuất hiện chỉ qua 1-2 ngày sau khi cán. Khi miết các thép sôi có thể tạo trên bề mặt các dải chảy làm ảnh h−ởng đến chất l−ợng bề mặt chi tiết gia công. Các chỉ số tốt nhất nhận đ−ợc khi miết thép có cấu trúc đ−ợc đặc tr−ng bởi độ đẳng h−ớng, độ lớn và độ đồng đều của hạt. Các giá trị độ lớn hạt phù hợp đ−ợc tìm ra nhờ thực nghiệm, đối với kim loại dày 2mm, độ hạt phù hợp cho miết là N0 6 và 7. Thép có độ hạt nhỏ hơn có độ dẻo thấp hơn và độ đàn hồi cao hơn. Hạt lớn thì bề mặt chi tiết sau gia công có độ bóng thấp, chất l−ợng bề mặt không tốt. Giá trị không đồng đều của hạt dẫn tới tạo thành vết nứt do biến dạng không đều. Thép ferit có thành phầm peclit tấm không lớn lăm là thép có cấu trúc −u việt nhất để miết sâu. Peclit hạt đảm bảo sự biến dạng tốt. Sự tồn tại peclit tấm trong thép làm giảm độ đàn hồi của nó vì thế ở các nguyên công tạo hình việc nhận đ−ợc các chi tiết có kích th−ớc chính xác đ−ợc đảm bảo. Đối với thép tấm mà có một trong những đặc điểm sau thì không dùng để miết sâu đ−ợc: 14 - Độ dày không đồng đều, có sự dao động lớn vì khi đó sẽ tạo thành các nếp gấp và các chỗ bị dát mỏng quá cũng hình thành và có thể gây ra đứt tại chỗ có chiều dày nhỏ - Chế độ ủ thép tấm không đúng do vậy nhận đ−ợc cấu trúc kim loại hạt quá lớn. - Thành phần các bon trong thép không đúng theo tiêu chuẩn và các thành phần mangan, đồng, phốt pho cao. - Có các chỗ nứt hoặc tạp chất. Sự biến cứng của kim loại cũng có ảnh h−ởng nhiều đến quá trình miết. Mức độ biến cứng khi miết phụ thuộc vào: khả năng biến cứng của từng loại vật liệu, mức độ biến dạng, bán kính góc l−ợn ở đỉnh con lăn miết, bán kính ở mặt trục miết, c−ờng độ ứng suất kéo, khe hở giữa con lăn miết và trục miết, khả năng bôi trơn. Theo khả năng biến cứng của kim loại sử dụng để miết ng−ời ta chia ra làm hai nhóm: - Nhóm có độ biến cứng cao gồm: thép không gỉ, đồng ủ, hợp kim titan. - Nhóm có độ biến cứng trung bình gồm: thép 08, 10, 15, đồng thanh, nhôm ủ. Để khắc phục hiện t−ợng biến cứng ng−ời ta phải phân ra số nguyên công ít nhất có thể, nhất là đối với nhóm kim loại có độ biến cứng cao và đồng thời tiến hành ủ phôi trung gian giữa các nguyên công. Ngoài ra phải chọn các chế độ công nghệ gia công hợp lý. Nh− vậy chất l−ợng của vật liệu phôi càng cao thì càng cần nhiều các nguyên công miết, có thể không cần ủ phôi trung gian giữa các nguyên công để chất l−ợng của chi tiết gia công đ−ợc đảm bảo theo yêu cầu. Việc lựa chọn vật liệu cho phôi đáp ứng đ−ợc yêu cầu của chi tiết gia công và công nghệ miết là hết sức quan trọng và cần thiết nhằm đảm bảo cho quá trình miết đ−ợc thực hiện có năng suất cao và chất l−ợng đ−ợc đảm bảo. Tóm lại, có thể nêu những đặc điểm, yêu cầu cơ bản đối với vật liệu trong gia công bằng miết nh− sau: - Có tính dẻo đáp ứng đ−ợc biến dạng mức độ cao trong quá trình miết, đặc biệt ở những b−ớc đầu có thể đạt tới 30-40% 15 - Có khả năng hồi phục tính dẻo bằng gia công nhiệt (xử lý nhiệt khử ứng suất, phục hồi tính dẻo, gia công nhiệt chuẩn bị cho biến dạng kết thúc…) - Với các chi tiết cần độ bền kết cấu, độ bền riêng cao, yêu cầu vật liệu có đặc tính hoá bền biến dạng lớn (với nhóm thép hợp kim) hoặc có khả năng gia công cơ - nhiệt (ví dụ đối với hợp kim nhôm hoá bền nhiệt) - Tổ chức sau gia công ổn định, không bị các hiện t−ợng nứt ứng suất, nhạy cảm với ăn mòn hoá học. - Vật liệu dễ kiếm, công nghệ gia công không quá phức tạp, phù hợp với điều kiện công nghệ. Với các vật liệu đặc chủng quân sự, cần đ−ợc đảm bảo theo điều kiện kỹ thuật riêng. 1.1.4. Thiết bị miết Miết là một quá trình biến dạng nguội của sản phẩm mà phôi quay trên một d−ỡng lõi, con lăn miết chuyến động tịnh tiến ép phôi trên d−ỡng để tạo hình sản phẩm. Miết chi tiết dạng trụ có hai ph−ơng pháp: Miết thuận, miết ng−ợc nh− hình 1.11. a) Miết ng−ợc b) Miết thuận Hình 1.7: Các ph−ơng án miết Máy miết có thể đ−ợc phân loại theo công nghệ: - Máy miết nóng. - Máy miết nguội. - Máy miết thuận, ng−ợc. - Máy miết không biến mỏng thành, có biến mỏng thành. 16 Hình 1.8: Máy miết nóng của hãng Leico-USA Hình 1.9: Miết không biến mỏng thành Phân loại theo kết cấu: - Máy miết đơn giản. - Máy miết chép hình. - Máy miết CNC. Hình 1.10: Máy miết CNC có 3 con lăn của hãng Leico-USA 17 Với nội dung nghiên cứu của đề tài, thuyết minh chỉ đề cập đến máy miết nguội, với phân loại theo đặc điểm của máy. a) Máy miết đơn giản: Hình 1.11: Máy miết đơn giản Máy miết đơn giản đ−ợc ứng dụng từ máy tiện. Mâm cặp dùng kẹp d−ỡng, chuyển động con lăn bằng tay do ng−ời vận hành tác động lực. Những máy này có thể chuyển động đơn giản, lực miết không lớn, đ−ợc sử dụng cho máy miết không biến thành mỏng, miết kim loại màu. Máy dùng để sản xuất những sản phẩm có chiều dày thành mỏng, vật liệu kim loại màu nh−: đồng, nhôm, kẽm cũng nh− sản phẩm mỹ nghệ, d−ỡng th−ờng làm bằng gỗ. b) Máy miết chép hình: Hình 1.12: Máy miết chép hình Máy miết chép hình có chuyển động tạo hình của con lăn theo d−ỡng chép hình dùng khuếch đại thuỷ lực hoặc cơ khí. Chuyển động quay sản phẩm đ−ợc thực hiện nhờ hộp đầu trục chính, chuyển động tịnh tiến con lăn theo trục Z đ−ợc dẫn động bằng hộp giảm tốc qua trục vít đai ốc. Chuyển động theo trục X đ−ợc 18 dẫn động thuỷ lực theo nguyên lý chép hình toạ độ. Đầu dò chuyển động trên mặt d−ỡng theo chuyển động dọc Z của con lăn dẫn đến điều khiển chuyển động trục X theo biên dạng d−ỡng. Đặc điểm loại máy này là: - Không linh hoạt khi thay đổi hình dáng sản phẩm. - Không thay đổi đ−ợc thông số công nghệ miết. - Do tính chất chép hình một toạ độ nên có vùng góc côn không gia công. c) Máy miết điều khiển số: Hình 1.13: Máy miết điều khiển số Công nghệ miết đ−ợc ứng dụng mạnh mẽ trong những năm gần đây. Để phục vụ cho sản xuất lớn các sản phẩm có dạng trụ tiết diện thay đổi, biên dạng phức tạp ng−ời ta chế tạo máy miết CNC. Máy sử dụng hệ thống thuỷ lực điều khiển chuyển động trục X, Z của con lăn. Chuyển động phôi do động cơ điện ba pha qua bộ giảm tốc cơ khí thay đổi tốc độ đ−ợc, hoặc động cơ thay đổi tốc độ bằng biến tần. Biên dạng sản phẩm đ−ợc lập trình gia công theo NC. Hình 1.14: Mô phỏng biên dạng lập trình miết CNC 19 Những máy này đ−ợc một số công ty đang sản xuất nh−: Leifeld, Cincinnatti Milacron, Spincrafp. Đặc điểm loại máy này là: - Điều khiển theo ch−ơng trình số. - Gia công đ−ợc biên dạng phức tạp. - Thực hiện đ−ợc nhiều ch−ơng trình miết trên một lần gá phôi (miết nhiều b−ớc). - Thay đổi đ−ợc thông số công nghệ miết trong quá trình gia công. - Giá thành máy cao. d) Ph−ơng án cấu trúc động học: Để thực hiện công nghệ miết, thiết bị miết cần đáp ứng sơ đồ động học sau: Hình 1.15: Sơ đồ động học khi miết - Chuyển động quay phôi C. - Chuyển động tịnh tiến con lăn miết theo trục Z. - Chuyển động tịnh tiến con lăn miết theo trục X tham gia nội suy với chuyển động Z để tạo hình. - Chuyển động quay của con lăn C1 là chuyển động quay theo. - Chuyển động ép phôi trên d−ỡng Z1. - Với các yêu cầu động học có thể có nhiều ph−ơng án kết cấu khác nhau. 1.2. Lựa chọn ph−ơng pháp, đối t−ợng nghiên cứu Từ những vấn đề công nghệ, sản phẩm, thiết kế đã nêu ở phần trên ta thấy những −u điểm chủ yếu của miết ép là: - Tạo hình chi tiết rỗng, mỏng thành, tròn xoay với đầu t− trang bị công nghệ không quá phức tạp, năng suất cao. 20 - Quá trình gia công biến dạng tạo hình đồng thời với việc gia công cải tạo tổ chức vật liệu. Đặc biệt với những hợp kim có hiệu quả hoá bền cao, những hợp kim có khả năng gia công cơ-nhiệt luyện tốt, ứng dụng miết ép biến mỏng sẽ giải quyết hiệu quả bài toán độ bền kết cấu. - Một số nhóm sản phẩm trong hàng không, vũ trụ, vũ khí, khí tài quân sự cần đến những kết cấu đặc biệt, sử dụng vật liệu có độ bền rất cao. Đây cũng là nhóm sản phẩm mà công nghệ miết ép có khả năng cạnh tranh, thay thế các dạng công nghệ khác. Một yếu tố rất quan trọng quyết định để triển khai công nghệ miết là thiết bị, trang bị công nghệ miết. Thậm chí các hãng nổ tiếng đã độc quyền trong việc sản xuất các máy miết chuyên dụng để gia công các sản phẩm cao cấp. Trên thực tế, trong ngành Công nghiệp Quốc phòng ch−a đ−ợc đầu t− trang bị các thiết bị miết biến mỏng. Vì vậy việc hình thành công nghệ miết biến mỏng gắn liền với nhập mua hoặc nghiên cứu chế tạo máy miết. Căn cứ vào mục tiêu, nội dung của đề tài và những phân tích định h−ớng trên, trong phạm vi của đề tài sẽ tập trung vào các nội dung: - Nghiên cứu các vấn đề: biến dạng miết, gia công nhiệt, gia công cơ- nhiệt luyện, nghiên cứu đặc tính công nghệ và tính năng vật liệu miết phục vụ cho công nghệ miết các chi tiết rỗng tròn, xoay có độ - bền cao. - Trên cơ sở nghiên cứu xác định đ−ợc các thông số của quá trình miết, các yếu tố ảnh h−ởng đến chất l−ợng miết, xây dựng quy trình công nghệ miết và chế thử mẫu vỏ động cơ R70. - Thiết kế, chế tạo máy miết điều khiển số CNC 3 trục, hệ điều khiển đáp ứng để điều khiển cơ cấu chấp hành 3 trục X1, X2, Z. Tính năng cơ bản của máy là: miết đ−ợc ống có đ−ờng kính tới φ120, kích th−ớc chiều dày tới 3mm, chiều dài tới 900mm, góc côn αm≤100. 21 Hình 2.1: Miết mỏng bằng đầu miết có ba con lăn Ch−ơng 2 cơ sở lý thuyết 2.1. Động học quá trình miết 2.1.1 Mô hình toán khi miết Trục miết có biên dạng giống bề mặt trong của sản phẩm và phải quay với tốc độ xác định trong khi con lăn miết (đầu miết) chuyển động tịnh tiến theo một quĩ đạo đã định để tạo hình biên dạng ngoài của chi tiết. Tốc độ miết ( mV → ) bằng tổng véc tơ tốc độ quay phôi tại ổ biến dạng ( → qV ) và tốc độ tiến của con lăn miết ( → tV ). H−ớng của vectơ tốc độ miết đ−ợc xác định bởi góc à: tgà = Vt/Vq (2.1) Đối với miết mỏng, trạng thái ứng suất tại ổ biến dạng là nén khối (nén ba chiều), trạng thái biến dạng là 2 chiều nén, 1 chiều kéo. Với miết biến mỏng thuận, phần chi tiết đã biến dạng chịu kéo dọc trục; với miết biến dạng ng−ợc, phần ch−a biến dạng chịu nén, phần đã biến dạng ở trạng thái phi ứng suất. Tuy nhiên, cũng có thể coi miết có biến mỏng là bài toán biến dạng phẳng khi bán kính chi tiết rất lớn so với chiều dày miết. Biến dạng vòng là có thể bỏ qua; với giả thiết ma sát giữa con lăn miết và phôi là rất nhỏ (ma sát lăn). Để tăng năng suất, ng−ời ta th−ờng sử dụng đầu miết có 3 con lăn. Các con lăn đ−ợc bố trí lệch nhau 1200, mỗi con lăn tạo một mức biến dạng nhất định (Hình 2.1). 22 Khi miết có biến mỏng, mỗi phần tử tại một bán kính xác định trên phôi ban đầu chỉ bị giảm chiều dày, kết hợp với sự kéo dãn đồng thời theo h−ớng dọc trục mà không bị thay đổi đáng kể vị trí h−ớng kính. Trái lại, với miết không biến mỏng, mỗi phần tử của phôi sẽ chịu thay đổi đáng kể về vị trí h−ớng kính so với vị trí ban đầu. Lực miết và mômen miết phụ thuộc vào sự hóa bền vật liệu, tiết diện ngang của sản phẩm miết và ma sát của các bề mặt tiếp xúc. Khi miết mỏng, các lực này lớn hơn các lực khi miết thông th−ờng (không biến mỏng) do vậy đòi hỏi máy miết có kết cấu cứng vững hơn. 2.1.2. Các chuyển động khi miết Theo tác động, chuyển động đ−ợc chia thành chuyển động tạo hình và chuyển động bổ trợ. Ngoài ra chuyển động của dụng cụ và phôi còn đ−ợc chia ra chuyển động chính và chuyển động truyền động. Chuyển động chính là chuyển động đảm bảo biến dạng dẻo của kim loại với tốc độ xác định. Chuyển động truyền động cho phép ép mặt làm việc của dụng cụ đến phần mới của phôi khi miết. a) b) Hình2.2 : Vectơ vận tốc quay qv , miết mv và truyền động tđv a) Khi truyền động dọc b) Khi truyền động ngang. Trên hình 2.2, vận tốc miết vm bằng tổng hình học của vận tốc quay phôi ở biên dạng và vận tốc truyền. Khi miết vật hình trụ, qv vuông góc với tđv nên: tđqm vvv += (2.1) 23 hoặc: ( ) SD1000/nv 2m +π= (2.2) H−ớng vectơ vận tốc miết đ−ợc xác định bởi góc à: D/Sv/vtg qtđ π==à (2.3) Khi miết bề mặt trụ: qtđ v/vtg =à (2.4) Véctơ vận tốc chuyển động của điểm biên dạng có h−ớng tiếp tuyến với đ−ờng xoắn vít d−ới một góc: )v/v(arctg qtđ=à (2.5) B−ớc đ−ờng xoắn cần nhỏ hơn bề rộng phần tiếp xúc của dụng cụ với phôi. Hình 2.3: Vị trí vectơ vận tốc khi chuyển động của điểm biên dạng theo đ−ờng xoắn Khi miết, phần lớn b−ớc s rất nhỏ so với vm , vì vậy có thể chấp nhận: 1000/Dnvv qm π=≈ (2.6) 2.2. Lựa chọn tốc độ miết * Vận tốc quay khi miết cần thỏa mãn: - Phù hợp với tính dẻo của vật liệu, đặc tính công nghệ của sản phẩm, mặt khác phải phù hợp với công suất động cơ. - Phù hợp với chu trình gia công và khả năng điều khiển của hệ thống tự động hóa. 24 Hình 2.4: Sơ đồ tính chiều sâu miết. Trên hình 2.4 cho các thông số liên quan đến tính chiều sâu miết. Từ các quan hệ hình học ta có: m 2 R/sH = (2.7) Khi đó 2m HHR22s −= (2.8) Theo điều kiện về công suất động cơ miết: 2 x 1 mz m n1000102060 sP n102060 vPN ⋅⋅ ⋅+⋅ ⋅= (2.9) Kết hợp với những đặc tính làm việc của các động cơ tiêu chuẩn, ng−ời ta th−ờng chọn tốc độ miết: z1zm P/n102060Nv ⋅⋅= (2.10) (Nz – công suất động cơ chính) 2.3. Lực, công và công suất miết 2.3.1. Lực tác dụng lên con lăn và phôi Lực tác dụng khi miết Pm đ−ợc thể hiện trên hình vẽ sau (hình 2.5): 25 Hình 2.5: Sơ đồ lực tác dụng khi miết chi tiết hình trụ Theo sơ đồ hình 2.5, ta có: 2z 2 y 2 xm PPPP ++= (2.11) Khi miết phôi, mômen xoắn đ−ợc xác định: n/N974002/dPM 3yK =⋅= (2.12) zyxz NNNN ++= là hiệu suất công suất 2.3.2. Công khi miết Quá trình miết gây ra trong vật thể sự biến dạng dẻo, biến dạng đàn hồi và các hiện t−ợng vật lý khác (ma sát) Công sinh ra khi miết: msđhbdm AAAA ++= (2.13) Với Abd – Công gây ra biến dạng dẻo Ađh – Công gây ra biến dạng đàn hồi Ams – Công của lực ma sát Công này cân bằng với công sinh ra bởi các lực thành phần: zyxm AAAA ++= (2.14) Với Ax = Pxsx – là công của lực Px khi truyền động sx Ay = Pzsz – là công của lực Pz khi truyền động sz Az = Pysy – là công của lực Py khi truyền động vm=πdn Thông th−ờng tốc độ truyền động nhỏ, công Ax, Az nhỏ (1ữ3%Ay) 2.3.3. Công suất khi miết Công suất hiệu dụng cho quá trình miết: 26 2 zz 1 my 3 tđx n102060100 sP n102060 vP n1020601000 snPN ⋅⋅⋅ ⋅+⋅⋅ ⋅+⋅⋅⋅ ⋅⋅= (2.15) Thành phần thứ nhất và 3 chiếm 1ữ3% giá trị công suất chung, vì vậy có thể chọn cách tính công suất: 1 my n102060 vP N ⋅⋅ ⋅= (2.16) 2.4. Miết biến mỏng chi tiết hình trụ Đây là ph−ơng pháp miết dài chi tiết bằng cách quay phôi rỗng, làm biến mỏng thành bằng ép miết tuần tự các điểm cục bộ. Có thể chia thành 2 dạng miết là: miết thuận và miết ng−ợc. Hình2.6: Sơ đồ miết vuốt a - Miết thuận; b - Miết ng−ợc; c - Miết ng−ợc không nén. * Thành phần lực biến dạng: Sơ đồ lực tác dụng khi miết biến mỏng nêu trên hình 2.6. Có thể coi biến dạng theo đ−ờng kính đ−ợc bỏ qua. Khi đó ở biến dạng d−ới con lăn coi là biến dạng phẳng. Lực tổng hợp của kim loại tác dụng lên con lăn Rs và các lựa thành phần Px, Py, Pz đ−ợc xác định theo áp lực trung bình Ptb 27 ∫ ∫ ∫ ∫ = = = = dxdz)dz/dy(PP dxdzPP dxdz)dx/dy(PP dFPR tbz tby tbx tbs với ∫dF - diện tích của bề mặt tiếp xúc áp lực trung bình của kim loại lên con lăn có thể xác định theo: Ptb = nβ⋅nH⋅nZ⋅nσ⋅nV⋅σT Trong đó: nβ - hệ số tính ảnh h−ởng ứng suất chính trung bình, nếu coi là biến dạng phẳng nβ = 1,155 nH - hệ số tính đến ảnh h−ởng của biến cứng nH = ko + k1/2ko với ko và k1 - trở lực biến dạng: k = nvHHσT nZ - hệ số tính đến ảnh h−ởng vùng ngoài nσ - hệ số tính đến ảnh h−ởng của ma sát nσ = 1 + (1/3)(àl/to) với à - hệ số ma sát theo h−ớng biến dạng tr−ợt của kim loại với con lăn nV - hệ số tính đến ảnh h−ởng của tốc độ biến dạng Hình 2.7: Sơ đồ tác dụng các lực khi miết biến mỏng 1 – Phôi; 2 – Con lăn. 28 Trong khi tính toán gần đúng áp lực kim loại lên con lăn khi miết biến mỏng có thể tính theo công thức: k = 1,155σT với σT - giới hạn chảy khi thử tĩnh kéo đơn. Để tính toán công nghệ, khi sử dụng các công thức cần có sự hiệu chỉnh các hệ số nhận đ−ợc qua thực nghiệm. 29 Ch−ơng 3 nội dung, kết quả nghiên cứu Miết và miết biến mỏng thành là một công nghệ mới đ−ợc ứng dụng trong những năm gần đây, b−ớc đầu một số ứng dụng trong sản xuất Quốc phòng đã đem lại hiệu quả cao. Trong đó, miết biến mỏng đ−ợc sử dụng chế tạo ống chịu áp lực. ống chịu áp lực bên trong cao là dạng sản phẩm có yêu cầu về độ bền kéo và độ dai va đập theo h−ớng tiếp tuyến cao. Các loại nòng súng, nòng pháo, DKZ, SPG, cối đều có yêu cầu chịu tải áp lực xung và độ dai h−ớng tiếp. Các sảm phẩm này không thể sử dụng ống qua cán hoặc chuốt làm phôi. Chúng phải qua nhiều b−ớc rèn, làm thay đổi h−ớng phân bố thớ, làm nhỏ hạt tinh thể, từ đó làm tăng độ bền và độ dai va đập. Mặt khác, tính năng của các loại nòng đ−ợc cải thiện nhờ hợp kim hoá. Nh−ng đối với sản phẩm nh− động cơ tên lửa có kích cỡ nhỏ, yêu cầu khối l−ợng nhỏ vì vậy chúng th−ờng có thành mỏng nh−ng vẫn đảm bảo đ−ợc các yêu cầu chịu áp lực, chịu nhiệt. Với công nghệ biến dạng nh− dập vuốt chỉ cho hình dáng ống, độ bền h−ớng tiếp không đảm bảo do có thớ dọc trong quá trình dập vuốt. Còn đối với công nghệ miết biến mỏng tạo ra thớ vòng, xoắn do vậy đảm bảo đ−ợc yêu cầu làm việc và tính năng của các loại sản phẩm này. 3.1. Nghiên cứu khả năng biến dạng của vật liệu khi miết ép 3.1.1. Tìm hiểu đặc tính biến dạng của một số vật liệu làm vỏ tên lửa Hiện nay trong trang bị của Quân đội có rất nhiều chi tiết đ−ợc chế tạo bằng ph−ơng pháp biến dạng từ các loại vật liệu có khả năng biến dạng tốt nh− thép các bon thấp và các loại hợp kim màu. Trong phạm vi tài liệu này xin giới thiệu việc tìm hiểu đặc tính biến dạng một số kim loại và hợp kim thông dụng trong chế tạo vũ khí, khí tài quân sự. a) Nhóm thép: Bao gồm thép 40X và thép 30XΓCA dùng trong chế tạo các chi tiết vỏ động cơ của tên lửa A72, Y, nòng súng CT9… - Thép 40X có thành phần hoá học cho theo bảng sau: Bảng 3.1 C (%) Si (%) Mn (%) Cr (%) 0,36-0,44 0,17-0,37 0,5-0,8 0,8-1,1 30 Trạng thái ủ tr−ớc miết: 140-160HB. Đây là mác thép có khả năng biến dạng t−ơng đối tốt phù hợp với công nghệ gia công biến dạng nói chung và công nghệ miết nói riêng. - Thép 30XΓCA có thành phần hoá học cho theo bảng sau (phân tích mẫu): Bảng 3.2 C (%) Si (%) Mn (%) Cr (%) 0,31175 1,14679 1,00496 1,01670 Trạng thái ủ tr−ớc miết: 150-165HB. Với mác thép này khả năng biếng dạng tốt, ngay cả ở trang thái đã hoá già (26-32HRC) thì khả năng biến dạng cũng rất tốt, điều này đã đ−ợc kiểm chứng qua việc tóp nòng súng B41 kiểu buồng tích áp liền. b) Nhóm hợp kim nhôm: Thông th−ờng sử dụng loại 2024 trong chế tạo vỏ động cơ tên lửa R70, chóp gió cho đạn CT9… Hợp kim nhôm 2024 có thành phần hoá học cho ở bảng sau: Bảng 3.3 Cu (%) Mg (%) Mn (%) Ti (%) Fe (%) 3,8-4,9 1,2-1,8 0,3-0,8 <0,1 <0,5 Quan hệ ứng suất - biến dạng cho ở biểu đồ sau (hình 3.1): Hình 3.1: Đ−ờng cong biến cứng của vật liệu 2024 1 - -80oC 2 - 20 oC 3 - 90 oC 4 - 155oC 5 - 230 oC 6 - 300 oC 7 - 390 oC 31 Trong biểu đồ ở hình 3.1 ta quan tâm đến đ−ờng số 2, là đ−ờng t−ơng ứng với gia công ở nhiệt độ th−ờng (có làm mát và bôi trơn). Ta thấy rằng ứng suất tăng khi mức độ biến dạng ở d−ới vùng 10%, sau mức độ biến dạng 10% hầu nh− độ cứng không tăng nữa, điều này rất có lợi cho việc miết biến mỏng sâu. c) Nhóm đồng: Phổ biến là sử dụng đồng M1 trong chế tạo chóp gió đầu đạn B40, B41, CT9… đây là vật liệu đồng có độ sạch rất cao, khả năng biến dạng tốt, ít biến cứng do biến dạng. 3.1.2. Nghiên cứu khả năng tạo hình các kết cấu rỗng a) Nhóm trụ bậc: Đây là nhóm có biên dạng đơn giản nh−ng th−ờng đòi hỏi cao về độ không lệch thành và chiều dày thành rất mỏng. Trong quá trình miết, vật liệu bị biến mỏng đồng đều trên từng đoạn nhất định do vậy mức độ biến dạng trên từng đoạn là nh− nhau. Hình 3.2: Miết trụ bậc b) Nhóm ống có côn Miết côn là dạng công nghệ miết t−ơng đối phức tạp kể cả về biên dạng và cơ chế biến dạng. Không giống nh− miết trụ, trong quá trình miết sản phẩm luôn áp sát vào trục miết vì vậy trạng thái ứng suất của kim loại tại vị trí miết là trạng thái ứng suất nén (ít sinh ra phế phẩm). Đối với miết côn, trong quá miết có những vị trí mà phôi ch−a tiếp xúc với trục miết, tại vị trí đó khi đầu miết tì vào rất dễ gây ra nứt, vỡ hoặc nhăn ống do các ứng suất kéo theo h−ớng kính và h−ớng trục sinh ra. Ngoài ra khi miết côn, kim loại dịch chuyển về phía côn có đ−ờng kính lớn hơn và kim loại phía dịch chuyển bị nong (dãn rộng) ra cũng rất dễ nứt vỡ, tăng trở lực biến dạng. Vì vậy khi tính toán miết ống côn cần l−u ý đến vấn đề này. 32 Hình 3.3: Miết ống có côn Trên cơ sở 2 mô hình hình học, 3 loại vật liệu đã chọn, ph−ơng án thí nghiệm miết sẽ giải quyết các vấn đề sau: - Mức độ biến dạng lớn nhất qua 1 b−ớc miết và áp lực công nghệ t−ơng ứng. - Xác định mức độ biến dạng tổng lớn nhất, mức độ biến dạng hoá bền t−ơng ứng cho 3 nhóm vật liệu. - Xác định mức độ biến dạng cho phép sau 1 nguyên công miết và chế độ xử lý nhiệt trong quá trình tạo hình bằng miết. 3.1.3. Thực nghiệm miết ống trụ a) Yêu cầu đặt ra đối với xây dựng ph−ơng án thí nghiệm miết: Chọn sản phẩm cho thí nghiệm là vỏ động cơ CT9 với vật liệu sử dụng là thép 40X và vỏ động cơ R70 với vật liệu sử dụng là 2024. Yêu cầu đối với thí nghiệm là: - Tìm hiểu, xác định một số thông số quá trình biến dạng bằng miết ép tạo phôi động cơ CT9 và R70. - Nghiên cứu quan hệ giữa mức độ biến dạng, quá trình biến dạng tới biến cứng của vật liệu động cơ CT9 và R70. - Trên cơ sở các điều kiện biến dạng và mô hình hình học của động cơ CT9, R70, xác định lực ép công nghệ tạo cơ sở cho việc kiểm tra tính toán động lực học phần công tác của máy miết. b) Ph−ơng án thí nghiệm miết 1: * Tính toán phôi: - Trên cơ sở xác định thể tích dịch chuyển. - Có kích th−ớc ban đầu: D0xd0xL0=54x46,5x180. 33 Hình 3.4: Phôi ban đầu * Xây dựng sơ đồ biến dạng khi miết: Hình 3.5: Các thông số cơ bản của dụng cụ đầu miết Trên hình 3.5: Di, di - Đ−ờng kính ngoài, trong b−ớc miết thứ i. ti – L−ợng nén tuyệt đối đầu miết b−ớc thứ i. Rđm – Bán kính đầu con lăn miết. α - Góc thoát con lăn miết. Rbm – Bán kính miết. ni – Tốc độ quay phôi b−ớc miết thứ i. si – B−ớc chạy dọc con lăn miết thứ i. Pi – Lực miết (1 con lăn) ở b−ớc miết thứ i. Để cố định thông số dụng cụ, chọn: Rđm=3,5ữ4 Rbm=37,5 α=250 Nh− vậy với một chế độ miết Pi, n, si ta sẽ phải xác định đ−ợc ti bằng đo trực tiếp sau biến dạng. 34 * Mô tả sơ đồ miết: Hình 3.6. Sơ đồ miết ng−ợc (miết trục nòng) Trên hình 3.6: 1- Trục miết; 2- Gá kẹp phôi; 3- Con lăn miết 4- Mẫu; 5- Đầu chống tâm * Số liệu kết quả thí nghiệm: + Mẫu 1: - Phôi thép 40X, 156-162HB. - áp lực xy lanh đẩy con lăn p=9at ⇒ P=789kG. - Miết lần l−ợt các b−ớc 1, 2, 3… không qua ủ trung gian: n=250 vòng/phút; s=0,2mm. Bảng 3.4 B−ớc Di ti Ghi chú 0 54 1 52,52 0,38 2 51,74 0,25 3 51,50 0,12 ủ phôi 162HB 4 50,88 0,31 5 50,48 0,20 6 50,18 0,15 ủ phôi 162HB + Mẫu 2: - Phôi thép nhóm I: 40X, 156-160HB. - áp lực xy lanh đẩy con lăn p=9at (P=789kG). - n=250 vòng/phút; s=0,2mm. 35 Bảng 3.5 B−ớc Di ti Ghi chú 0 54 1 53,20 0,40 2 52,66 0,27 3 52,34 0,16 4 51,74 0,30 5 51,30 0,22 6 50,98 0,16 ủ phôi 166HB + Mẫu 3: - Phôi nhóm I: 40X, 155-163HB. - áp lực xy lanh đẩy con lăn p=9at - n=330 vòng/phút; s=0,15mm. Bảng 3.6 B−ớc Di ti Ghi chú 0 54 1 53,26 0,37 2 52,82 0,22 3 52,60 0,11 4 51,90 0,35 5 51,50 0,20 6 51,30 0,10 ủ phôi 165HB + Mẫu 4: - Phôi nhóm I: 40X, 155-162HB. - áp lực xy lanh đẩy con lăn p=9,5at - n=250 vòng/phút; s=0,2mm. Bảng 3.7 B−ớc Di ti Ghi chú 0 54 1 53,08 0,46 2 52,48 0,30 3 51,88 0,20 4 51,48 0,36 5 50,76 0,23 6 50,30 0,12 ủ phôi 164HB + Mẫu 5: - Phôi nhóm I: 40X, 154-163HB. - áp lực xy lanh đẩy con lăn p=9,5at 36 - n=330 vòng/phút; s=0,15mm. Bảng 3.8 B−ớc Di ti Ghi chú 0 54 1 53,16 0,42 2 52,58 0,29 3 52,00 0,18 4 51,64 0,34 5 50,96 0,21 6 50,54 0,11 ủ phôi 162HB * Một số nhận xét: + Với chế độ miết: n=250vòng/phút; s=0,2mm/vòng; p=9,0at. - Mức độ biến dạng lớn nhất đạt đ−ợc qua một b−ớc đạt 17%. - Mức độ biến dạng nhỏ nhất ứng với các b−ớc miết thứ 6 (bị biến cứng) đạt 5,2-6%. + Với chế độ miết: n=330vòng/phút; s=0,15mm/vòng; p=9,0at. - Mức độ biến dạng lớn nhất đạt đ−ợc qua một b−ớc đạt 30-32%. - Mức độ biến dạng nhỏ nhất (b−ớc miết thứ 6) đạt 4,7-5,5%. + Khi tăng áp suất lên 9,5at: - ở chế độ n, s thứ nhất, biến dạng max=18-20%. - ở chế độ n, s thứ 2, biến dạng max=14-17%. Xây dựng đ−ợc đồ thị thực nghiệm nh− sau: 0 100 200 300 400 500 600 1 2 3 4 5 6 7 Series1 Series2 Series3 Hình 3.7: Quan hệ hoá bền biến dạng với mức độ biến dạng tổng khi miết thép 40X ở các chiều dày khác nhau: 1- 3,5mm; 2- 2,5mm; 3- 1,5mm Phô 1 Phôi 2 Phôi 3 10 20 30 40 50 60 ε% σ[MPa] 37 Nhìn vào đồ thị (hình 3.7) ta nhận thấy: - Với một chiều dày phôi, mức độ biến dạng <30% ch−a có sự biến cứng mạnh, cơ tính các phôi tăng 30%, mức độ hoá bền tăng nhanh. Khi miết ống dày 1,5mm với mức độ biến dạng tổng 80%, độ bền tăng 120-150%. - Hoá bền biến dạng tăng khi miết các ống có hệ số chiều dày giảm (d/D), cùng một mức độ biến dạng tổng 60%, cơ tính của mẫu ống chiều dày 1,5mm lớn hơn cơ tính chiều dày 3,5mm khoảng 100-120Mpa. - Hiện t−ợng biến cứng lớp bề mặt xảy ra khi miết nhiều b−ớc với mức độ biến dạng nhỏ dễ tạo ra sự phân lớp, gây ứng suất d− lớn giữa các vùng trong thể tích mẫu gây cong, nứt mẫu. - Với thép 40X đã qua ủ, mức độ biến dạng ở các b−ớc đầu có thể đạt tới gần 40%, áp lực đơn vị 220-250Mpa. c) Ph−ơng án thí nghiệm 2: * Vật liệu: Sử dụng vật liệu 30XΓCA. * Phôi ban đầu: Để đạt đ−ợc chiều dài đoạn miết theo yêu cầu sản phẩm cuối cùng cần xác định đ−ợc chiều dài miết ban đầu. Tính toán theo định luật bảo toàn thể tích xác định đ−ợc chiều dài đoạn miết ban đầu nh− hình vẽ: * Số l−ợng: phôi đem thử gồm 06 phôi, trong đó có 04 phôi qua ủ và 02 phôi không qua ủ. Độ cứng các phôi nh− sau: Phôi 01: 184HB Phôi 02: 174HB 38 Phôi 03: 167HB Phôi 04: 167HB Phôi 05: 210HB (phôi không qua ủ) Phôi 06: 250HB (phôi không qua ủ) * Các b−ớc miết: Dự kiến nh− sơ đồ sau: 39 40 * Các thông số đầu vào cho quá trình miết: - Tốc độ trục quay: n=250vòng/phút. - L−ợng chạy đầu miết: s=0,2mm/vòng. - áp lực xi lanh nén: p=9at ⇒ lực ép của đầu miết lên sản phẩm: P=7.890N. Trong tr−ờng hợp ở nguyên công cuối cần điều chỉnh để đạt chiều dày thành theo yêu cầu thì cần điều chỉnh l−ợng chạy đầu miết (s) cho hợp lý. * Số liệu các kết quả thí nghiệm: Bảng 3.9 Phôi B−ớc miết ĐK sau miết Φ (mm) Chiều dài sau miết l (mm) Tốc độ quay n (v/ph) Tốc độ miết s (mm/vòng) 1 52,47 93 250 0,2 2 52 105 nt nt 3 51,5 119 nt nt 4 50,58 135 nt nt 5 50,15 160 nt nt 01 6 49,50 194 250 0,5 41 1 52,55 94 250 0,2 2 52,10 105 nt nt 3 51,42 120 nt nt 4 50,46 146 nt nt 02 5 49,5 195 nt nt 1 52,45 92 nt nt 2 51,81 105 nt nt 3 51,05 127 nt nt 4 50,10 163 nt nt 03 5 49,50 195 nt nt 1 52,52 91 nt nt 2 52,01 103 nt nt 3 51,42 116 nt nt 4 50,68 139 nt nt 5 49,76 180 nt nt 04 6 49,46 196 250 0,78 1 52,68 90 250 0,2 2 52,38 99 nt nt 3 52,15 110 nt nt 4 51,85 116 nt nt 5 51,55 128 nt nt 6 51,17 139 250 0,2 7 50,68 155 nt nt 8 49,9 185 nt nt 05 9 49,83 194 250 0,78 1 52,95 90 nt 0,2 2 nt nt 250 nt 06 3 nt nt nt nt Ghi chú: Phôi 06 miết hầu nh− không biến dạng do độ cứng quá cao. * Nhận xét: Đối với các phôi không qua ủ, với áp lực đầu miết đã cho thì mức độ biến dạng rất nhỏ, thậm chí không xảy ra biến dạng dẻo. 42 Đối với các phôi đã qua ủ, mức độ biến dạng qua mỗi b−ớc miết có thể đạt đ−ợc từ 7ữ40%. Với cùng một chế độ miết (áp lực đầu miết, tốc độ trục quay, tốc độ miết) khi mức độ biến dạng tổng nhỏ hơn 50% thì mức độ biến dạng ở b−ớc sau th−ờng cao hơn các b−ớc tr−ớc. Bởi vì ban đầu, khi ống đang còn dày thì với áp lực đã cho của đầu miết phôi chỉ biến dạng dẻo trên một chiều dày nhất định bề mặt ngoài sản phẩm (gọi là chiều sâu của ổ biến dạng), các lớp kim loại tr−ợt lên nhau, lớp kim loại mặt ngoài kéo dãn lớp kim loại mặt trong, trở lực biến dạng lúc này lớn. Những b−ớc tiếp theo chiều dày thành giảm nên chiều sâu ổ biến dạng tiến vào thành trong của chi tiết, kim loại biến dạng dẻo tr−ợt trên trục gá, trở lực biến dạng giảm. Vì vậy, mặc dù trong quá trình biến dạng có xảy ra biến cứng nh−ng mức độ biến dạng ở các b−ớc sau lại cao hơn các b−ớc tr−ớc. Đến giai đoạn chiều sâu ổ biến dạng vào đến thành trong của ống thì đ−ờng cong biến dạng lại tuân theo quy luật biến cứng. Xây dựng đ−ợc đồ thị thực nghiệm nh− sau: 0 20 40 60 80 100 120 140 1 2 3 4 5 6 B−ớc miết M ức đ ộ bi ến d ạn g (% ) Phôi 1 Phôi 2 Phôi 3 Phôi 4 Hình 3.8: Quan hệ hoá bền biến dạng khi miết thép 40X 3.1.4. Thí nghiệm miết ống có côn Miết côn là một công nghệ tạo hình độc đáo và rất hiệu quả, đ−ợc áp dụng cho rất nhiều chi tiết khác nhau. Trong một số tr−ờng hợp, miết côn có tính −u việt và hoàn toàn có thể thay thế công nghệ dập tấm nhiều b−ớc truyền thống. Trong phân loại miết sản phẩm ở phần tổng quan, ta thấy các chi tiết vũ khí có kết cấu rỗng, mặt côn, nón đ−ợc chia làm 3 dạng chính nh− hình vẽ (hình 3.9). 15 30 45 60 75 05 9 43 Hình 3.9: Một số chi tiết dạng côn Miết côn cũng là công nghệ đòi hỏi t−ơng đối khắt khe về mặt các thông số công nghệ. Vì vậy khi nghiên cứu miết côn cần xác định đ−ợc các yếu tố: mức độ biến dạng, áp lực miết, các giới hạn cho phép về hình dáng khi biến dạng, tính toán phôi cho miết. Đây là cơ sở để tính toán công nghệ miết cho các chi tiết đạn chống tăng, tên lửa hành trình… * Phân tích động học quá trình miết côn: Hình 3.10: Sơ đồ miết mặt côn Khi phôi côn đ−ợc miết giảm chiều dày một l−ợng ∆s, phôi sẽ dài thêm theo đ−ờng sinh một đoạn là a, do chuyển tới vị trí mặt côn có bán kính lớn hơn nên phôi miết bị dãn 1 l−ợng ∆r. Các thông số α1, α2 đ−ợc tính toán phụ thuộc vào tính dẻo của vật liệu, tốc độ miết… Để xây dựng quan hệ ∆s - ∆r có thể xuất phát từ bài toán cân bằng thể tích, từ đó xác định ∆s qua giới hạn mức độ biến dạng mà giá trị tuyệt đối của nó có quan hệ tỷ lệ thuận với ∆r. Một nhóm thông số cần qua tâm nữa là: thông số hình dáng hình học của sản phẩm-góc côn α0, góc công nghệ của con lăn miết α1(góc tr−ớc), α2 (góc sau). Để nghiên cứu tr−ờng hợp miết phôi côn, nhóm đề tài chọn mẫu dạng côn (hình 3.9b). 44 Sơ đồ thí nghiệm công nghệ miết nêu ở hình sau (hình 3.11). Hình 3.11: Sơ đồ thí nghiệm công nghệ miết côn Sau khi tính toán, điều kiện biến dạng cho phép trong một b−ớc miết đ−ợc xác định nh− sau: ][ sin)''()''( sin)''( 00 0 δα αε <∆−+∆+−+ ∆−+∆= srRssrRR srRs t (3.1) Trong đó: ε - Mức độ biến dạng %. ∆s - Chiều sâu miết. R' – Bán kính ngoài phôi cuối đoạn miết. r' – Bán kính ngoài đầu đoạn miết. α0 – Góc côn miết. Rt – Bán kính trong lớn nhất của phần côn trục miết. [δ] - Độ dãn dài cho phép của vật liệu. Số liệu quá trình thí nghiệm cho ở bảng sau: Bảng 3.10: Thí nghiệm miết 1 B−ớc s0i R0 ∆s Rm α1 α2 Ghi chú 1 3,5 85 1,05 3,5 150 450 Bd tốt 2 2,5 85 0,7 3,5 150 450 Bd tốt 3 1,8 85 0,45 3,5 150 450 Nứt Trong đó s0i- chiều dày tr−ớc miết thứ i. R ’ r’ R t 45 Bảng 3.12: Thí nghiệm miết 2 B−ớc s0i R0 ∆s Rm α1 α2 Ghi chú 1 3,5 85 0,9 3,5 150 450 Bd tốt 2 2,6 85 0,65 3,5 150 450 Bd tốt 3 1,98 85 0,39 3,5 150 450 Bd tốt 4 1,59 85 0,24 3,5 15 45 Bd tốt * Nhận xét: - Việc tính toán với khả năng biến dạng lớn nhất (hệ số dãn dài của vật liệu 2024 bằng 12%) không cho phép biến dạng tổng tới 65%. - Sau khi tính toán, hiệu chỉnh phân bố mức độ biến dạng ở các b−ớc nguyên công hợp lý (ph−ơng án miết 2) cho kết quả đạt yêu cầu. - Nh− vậy với mô hình mẫu đã chọn xây dựng đ−ợc chế độ miết nh− sau: Bảng 3.13 B−ớc 1 B−ớc 2 B−ớc 3 Mức độ b/dạng (%) 25 20 20 Khi đó mức độ biến dạng chiều dày đạt tới 65%. 3.2. Nghiên cứu các yếu tố ảnh h−ởng đến quá trình miết biến mỏng Quá trình miết biến mỏng xảy ra nhiều hiện t−ợng lien quan đến kim loại học, cơ học biến dạng, nhiệt luyện, các yếu tố về công nghệ. Trên thực tế, ta không thể tách rời các vấn đề trên khi xem xét tác động ảnh h−ởng của chúng. Tuy nhiên, để có thể thấy sự tác động theo tứng yếu tố, trong phần này sẽ trình bày tóm tắt với những phân tích kết hợp giữa lý thuyết và thực nghiệm. 3.2.1. ảnh h−ởng của đặc tính vật liệu Đặc tính vật liệu có thể đ−ợc xem xét ở một số đặc tr−ng: thuộc tính cơ học (tính dẻo, hoá bền biến dạng), các đặc tr−ng cơ-lý-hoá khác. Sau đây ta sẽ xem xét ảnh h−ởng của một số đặc tính chính đến quá trình gia công cải tạo tổ chức của vật liệu. 46 Hình 3.12: Sơ đồ ảnh h−ởng đặc tính vật liệu đến quá trình gia công cải tạo tổ chức vật liệu Từ sơ đồ hình 3.12, ta thấy tuỳ thuộc vào đặc tính của vật liệu, sẽ chia ra làm 2 trạng thái gia công chính: gia công ở trạng thái nguội và gia công ở trạng thái nóng. Việc quyết định gia công miết ở trạng thái nguội hay nóng phụ thuộc vào tính dẻo, trở lực biến dạng của vật liệu ở trạng thái đó.Với hợp kim nhôm biến dạng hoá bền nhiệt luyện (2024, 7075…) có thể gia công đ−ợc ở trạng thái nguội. Ngoài ra, khả năng hoá bền nhiệt luyện, hoá bền biến dạng còn phân ra 2 dạng gia công khác khi miết: gia công miết biến mỏng sử dụng hoá bền biến dạng, miết có kết hợp với quá trình gia công cơ-nhiệt luyện. 3.2.2. ảnh h−ởng của mức độ biến dạng a) Mức độ biến dạng trong từng b−ớc miết-εi: Mức độ biến dạng tối đa trong một b−ớc miết phụ thuộc vào tính dẻo, trở lực biến dạng của vật liệu tại trạng thái gia công đó. Việc khai thác tối đa tính dẻo của vật liệu cho phép tăng năng suất, rút ngắn quá trình miết, giảm chi phí về xử lý nhiệt trung gian. Từ đây đặt ra một yêu cầu là xác định mức độ biến dạng cho phép trong từng b−ớc gia công đối với mỗi vật liệu. Bảng 3.14 d−ới đây cho thấy mức độ biến dạng đạt đ−ợc ở các b−ớc khi miết trên máy thí nghiệm MTX-53 với một số vật liệu. Đặc tính vật liệu BD ở trạng thái nguội BD ở trạng thái nóng Hoá bền biến dạng Hoá bền nhiệt Chọn εi, vi Chọn εΣ Cơ nhiệt luyện Cải tạo tổ chức 47 Bảng 3.14 Mức độ biến dạng ở các b−ớc Vật liệu 1 2 3 4 εΣ Ghi chú 40X 16 10 12 5 43 ủ sau b−ớc 2 30XΓCA 15 9 12 4 40 ủ sau b−ớc 2 2024 25 18 10 5 58 b) Mức độ biến dạng tổng-εΣ: Phôi miết th−ờng ở dạng tấm cán, ống dập vuốt hoặc ép chảy. Ba dạng phôi này đều có tổ chức thớ gây nên tính dị h−ớng về cơ tính cho sản phẩm. Để khắc phục nh−ợc điểm này cần thiết phải gia công để cải tạo tổ chức. Quá trình miết và gia công nhiệt là giải pháp hiệu quả để giải quyết việc cải tạo tổ chức, tăng cơ tính cho vật liệu. Qua thí nghiệm, khi mức độ biến dạng miết tăng tổ chức thớ dần đ−ợc thay thế bằng tổ chức hạt nhỏ và đều. Trên hình 3.13 cho thấy ảnh h−ởng của mức độ biến dạng tổng εΣ đến tổ chức kim loại sau khi miết - tôi, hoá già vật liệu 2024. a) b) c) d) Hình 3.13: ảnh h−ởng của mức độ biến dạng tổng khi miết đến tổ chức vật liệu 2024 a) Biến dạng 10%; b) Biến dạng 15%; c) Biến dạng 20%; d) Biến dạng 40% 48 3.2.3. ảnh h−ởng của trạng thái tổ chức vật liệu khi miết Yêu cầu của quá trình miết đòi hỏi vật liệu phải có tính dẻo, trở lực biến dạng thích hợp, tạo những yếu tố thuận lợi và phù hợp với những quá trình gia công cơ, gia công nhiệt tiếp theo. Với nhóm thép hợp kim (40X, 30XΓCA) trạng thái chuẩn bị cho miết của phôi là ủ mềm. Cơ tính sau khi ủ đạt: σs=38kG/mm2; HB=125; δ=16%. Với nhóm hợp kim nhôm (2024), ngoài việc miết phôi ở trạng thái sau ủ mềm còn có thể miết ở trạng thái ngay sau khi tôi, hoặc sau khi tôi và hoá già. Đây là một dạng của quá trình gia công cơ-nhiệt luyện (sẽ nêu chi tiết ở phần sau). Khi đó ta kết hợp đ−ợc gia công cải tạo tổ chức vật liệu với việc tác động tích cực đến giai đoạn hoá già. (Sự thay đổi cơ tính của hợp kim 2024 biến dạng nguội sau khi tôi- hoá già tham khảo hình 3.15) a) b) Hình 3.14: ảnh h−ởng của việc gia công miết vật liệu 2024 a) Miết 10% ngay sau khi tôi; b) Miết 10% sau khi tôi-hoá già Khi tôi, tổ chức của 2024 từ trạng thái không cân bằng bao gồm các pha α1, θ2, s2 chuyển sang trạng thái cân bằng α1+(α+θ)+(α+θ+s)+θ2+s2. Trong đó θ2, s2 là các pha tiết ra từ dung dịch răn khi kết tinh, (α+θ) và (α+θ+s) là các cùng tinh. Nhiệt độ tôi cần đ−ợc khống chế chính xác vì khoảng nhiệt độ cho phép để đạt đ−ợc độ quá bão hoà cực đại của dung dich rắn rất hẹp (495-5030C). Tr−ờng hợp miết sau tôi hoá già, hợp kim 2024 sau khi tôi hoá già cho phép biến dạng tới 15-20%. Kết quả của sau quá trình biến dạng là cơ tính sẽ tăng, độ dãn dài giảm <5% [20]. 49 Hình 3.15: Sự thay đổi cơ tính của hợp kim 2024 biến dạng nguội sau khi tôi-hoá già 3.2.4. ảnh h−ởng của các thông số công nghệ miết Trong các thông số công nghệ miết, các thông số liên quan đến quá trình biến dạng đ−ợc quan tâm là: - B−ớc tiến-s - Chiều sâu miết-t - Tốc độ quay của phôi-v Các thông số trên đ−ợc lựa chọn theo tính dẻo, trở lực biến dạng và các đặc tính khác của vật liệu. Chúng quyết định mức độ biến dạng trong quá trình miết, ảnh h−ớng lớn đến tốc độ hoá bền biến cứng. Bảng 3.15 Chiều sâu miết (khi s=250 vòng/ph; t=0,2) 0,2 0,3 0,4 0,5 Ghi chú HB 112 115 121 128 2024 sau tôi, HG Độ bóng Ra1,25 Ra2,5 Rz20 Rz40 2024 sau tôi, HG 3.2.5. ảnh h−ởng của các thông số dụng cụ miết Việc lựa chọn các thông số dụng cụ miết phụ thuộc vào trở lực biến dạng, tính dẻo của vật liệu, hính dáng của sản phẩm, độ chính xác của sản phẩm miết. Bảng 3.16 nêu ảnh h−ởng của bán kính góc l−ợn con lăn miết (rm) đến áp lực miết (pm) và độ bóng của sản phẩm. 50 Bảng 3.16 rm 2 3 3,5 4 Ghi chú Pm [kG/mm2] 90 105 130 165 2024 sau tôi Độ bóng Rz40 Rz20 Ra 2,5 Ra 1,25 2024 sau tôi Dễ nhận thấy khi bán kính góc l−ợn con lăn miết nhỏ áp lực công nghệ miết sẽ giảm, nh−ng để đạt đ−ợc độ bóng cao cần tăng bán kính góc l−ợn con lăn. Khi đó áp lực đơn vị cũng tăng. Ngoài ra còn nhiều yếu tố công nghệ khác ảnh h−ớng đến quá trình miết nh−: độ cứng vững của máy, của dụng cụ miết, chế độ làm nguội bôi trơn, tính hợp lý của quá trình tạo hình các b−ớc miết. 3.3. Nghiên cứu tạo phôi, miết ép vỏ động cơ tên lửa 3.3.1. Yêu cầu chung về vật liệu tên lửa Vỏ động cơ tên lửa làm việc ở chế độ khắc nghiệt về áp lực, nhiệt độ, trong trạng thái khí động phức tạp. Tính năng và điều kiện làm việc này của động cơ sẽ đặt ra yêu cầu một quá trình công nghệ chế tạo t−ơng ứng, trong đó có những yêu cầu về vật liệu, công nghệ gia công biến dạng. Tuỳ theo tính năng làm việc của động cơ sẽ có các kết cấu t−ơng ứng phù hợp, công nghệ vật liệu và quá trình chế tạo thích hợp. Tên lửa phòng không tầm thấp, đạn phản lực… có phần động cơ đẩy. Động cơ đ−ợc chế tạo từ thép có độ bền cao với công nghệ đặc biệt. Để làm việc trong điều kiện khắc nghiệt, các vỏ động cơ cần có kết cấu đặc biệt, vật liệu đ−ợc lựa chọn để qua quá trình gia công (biến dạng, cơ nhiệt, hoá nhiệt luyện) đạt đ−ợc yêu cầu kỹ thuật. Có thể nêu một số yêu cầu cơ bản đối với vật liệu làm vỏ động cơ nh− sau: - Có tính công nghệ miết, thoả mãn quá trình gia công nhằm đạt độ bền, đảm bảo tính năng làm việc theo thiết kế. - Với nhóm đạn phản lực thời gian làm việc d−ới 3 giây có thể sử dụng các vật liệu qua gia công biến dạng miết, nhiệt luyện đạt σB = 55~100kG/mm2. 51 - Với động cơ tên lửa hành trình, thời gian làm việc lớn đến 10phút, vật liệu động cơ cần có cơ chế hoá bền đạt σB = 100~200kG/mm2, bên trong có lớp cách nhiệt. - Với động cơ tên lửa tầm thấp, thời gian làm việc đến 17 giây, vật liệu cần có khả năng biến dạng tốt, đạt hiệu quả hoá bền biến dạng cao, chịu nhiệt tốt, bên trong cần có lớp cách nhiệt a) Vật liệu kim loại đen: Đ−ợc chia thành 2 loại: - Thép cácbon và thép kết cấu hợp kim thấp. - Thép hợp kim cao (thép đặc biệt). * Thép cácbon và thép kết cấu hợp kim thấp: Th−ờng vỏ động cơ tên lửa chế tạo bằng các loại thép này là các tên lửa tầm ngắn, gia công bằng ph−ơng pháp biến dạng và nhiệt luyện tạo ra tổ chức có cơ tính tổng hợp, cụ thể nh−: - Buồng đốt đạn CT9 chế tạo bằng thép 40X, qua gia công cơ và nhiệt luyện đạt tổ chức Trustit ram có thành phần 1% Cr là nguyên tố tạo Carbit làm tăng độ cứng tôi, tăng độ bền, tăng tính chống mài mòn và chịu nhiệt. - Vỏ động cơ tên lửa R122 chế tạo bằng thép 10, qua gia công biến dạng để đạt tổ chức dải thớ nhỏ đều và chỉ qua nhiệt luyện khử ứng suất (nhiệt độ rất thấp). Đây là thép cácbon thấp chất l−ợng cao, tăng độ bền chủ yếu bằng biến dạng để tạo tổ chức đặc biệt, chịu đ−ợc áp suất, nhiệt độ cao. * Thép hợp kim cao (thép đặc biệt): Đây là loại thép có thành phần hợp kim phức tạp, có tính chất vật lý, hoá học đặc biệt, th−ờng sử dụng các loại sau: + Thép 03X11H10M2T (1) + Thép 03X11H10M2T2 (2) + Thép 28X3CHMBΦA-Ш (3) + Thép 33X3CHMBΦA-Ш (4) + Thép 38X3CHMBΦA-Ш (5) + Thép 43X3CHMBΦA-Ш (6) + Thép 30X3ГCHMΦA-Ш (7) 52 Các loại thép trên là thép đặc biệt, có thể phân ra 2 nhóm sau: Loại thép mác các số (1), (2): thép không gỉ có độ bền rất cao, chống ăn mòn, chịu nhiệt. Nguyên tố Crôm có thành phần đến 11% ngoài tác dụng tăng độ cứng, độ bền, chịu nhiệt còn làm tăng đột ngột thế điện cực của pherit làm cho thép có tính chịu ăn mòn cao (không gỉ). Niken là nguyên tố mở rộng khu vực Ostenit, đ−a thêm Niken vào thép không gỉ, Crôm cao làm tổ chức thay đổi rõ rệt, nếu hàm l−ợng từ (8ữ18)% thì ngoài tính chống ăn mòn cao còn có những tính năng quý giá nh−: tính biến dạng nguội, tính hàn, độ dai va đập cao và không có từ tính. Nguyên tố Molipđen có tính chống ăn mòn điểm rất tốt, ngoài ra còn có tác dụng tăng bền, chịu nhiệt, làm nhỏ hạt, tăng độ bền, tăng độ dẻo và ngăn ngừa ăn mòn tinh giới. Các mác thép trên nếu sử dụng để chế tao vỏ động cơ tên lửa công nghệ gia công nhiệt sẽ phải theo trình tự khác. Nhiệt độ Ostenit hoá trong khoảng (1050ữ1150)oC, áp dụng ph−ơng pháp nhiệt luyện hoà tan để đồng đều hoá các nguyên tố hợp kim trong các pha, qua gia công biến dạng (miết, ép…) tạo tổ chức thớ nhỏ phân bố đều và ram thấp khử ứng suất gia công, độ bền lên tới 1000MPa. Các mác thép (3), (4), (5), (6), (7)… là thép hợp kim cao có thành phần phức tạp chứa thêm các nguyên tố Vonfram, Vanadi tác dụng chủ yếu là cải thiện cơ tính nh−: tăng độ cứng, chống ăn mòn, chống giòn ram loại II, tăng độ thấm tôi. Đối với các loại thép này, khi sử dụng th−ờng là qua biến dạng nhiệt luyện sơ bộ để có tổ chức hạt nhỏ mịn, nhiệt luyện kết thúc để có tổ chức Mactenxit hình kim mịn và sau đó ram cao để đạt đ−ợc tổ chức cuối cùng là Xoocbit hợp kim hoá già cao, làm cho thép có tính chất đặc biệt: độ bền cao, nh−ng độ dẻo cũng cao mà các mác thép thông th−ờng không đạt đ−ợc. [Độ bền ≥1000MPa, độ dẻo ≥(8ữ10)%] b) Vật liệu kim loại màu Để chế tạo vỏ động cơ tên lửa thì phổ biến sử dụng 2 loại hợp kim titan và nhôm. Hợp kim titan th−ờng dùng cho các loại tên lửa tầm xa (tên lửa chiến l−ợc). Các loại tên lửa tầm gần chủ yếu là dùng hợp kim nhôm, cụ thể là: + Vỏ động cơ tên lửa R70: chế tạo bằng hợp kim nhôm 2024 của Mỹ, đ−ợc biến dạng rất lớn (>50%), sau đó tôi + hoá già với nguyên công đặc biệt có độ bền cao (Rm>500MPa), độ dẻo cao (a>8%). 53 + Cánh đuôi CT9: chế tạo bằng hợp kim nhôm Д20 của Liên Xô. + Bệ cánh đuôi CT9: chế tạo bằng hợp kim nhôm Д16 của Liên Xô. Hợp kim nhôm chế tạo tên lửa th−ờng dùng hệ Al-Cu-Mn; Al-Cu-Mg; Al-Zn- Mg; Al-Zn-Mg-Cu;… Đây là các hợp kim nhôm biến dạng hoá bền bằng nhiệt luyện. + Hợp kim Al-Cu-Mg (Đura): Hệ này có hợp kim nhôm điển hình hay đ−ợc sử dụng nhất là Д16, khi tăng hàm l−ợng Mg và tỷ lệ Mg/Cu thì thành phần pha biến đổi theo xu h−ớng từ α+θ (B65) đến α+θ+S (Д16, BД17). ở nhiệt độ cao khoảng 500oC, các pha θ, S (Al2CuMg) hoà tan toàn phần vào pha α, khi hoá già các pha này tiết ra gây biến cứng phân tán, đó là pha hoá bền khi nhiệt luyện. Cu, Mg là các nguyên tố hợp kim cơ bản tạo nên các pha θ (CuAl2) và S (Al2CuMg) đóng vai trò chủ yếu quyết định bản chất của hợp kim. + Hệ hợp kim Al-Cu-Mn: Hợp kim chủ yếu đ−ợc dùng là Д20, có các pha α,θ (CuAl2), T (Al12Mn2Cu) là các pha hoá bền trong đó pha θ là chủ yếu, ngoài ra còn các pha phụ Al2Zr, Al11V phân tán ổn định, làm cho hợp kim Д20 có độ bền nóng cao, ổn định nhiệt trên 250oC. + Hợp kim hệ Al-Zn-Mg-Cu: Hợp kim đ−ợc sử dụng điển hình là B95, tổ chức ngoài pha α còn chứa các pha η (MgZn2), T (Al2Mg3Zn3), S (Al2CuMg) đây là các pha hoá bền, trong đó pha η là chủ yếu. 3.3.2. Phân tích kết cấu, vật liệu, công nghệ và lựa chọn mẫu động cơ, ph−ơng án công nghệ Vỏ động cơ tên lửa có nhiều loại khác nhau nh−ng có đặc điểm chung đó là ống thành mỏng có độ bền cao, chịu đ−ợc nhiệt độ và áp suất làm việc cao. Sau đây xin giới thiệu một số loại vỏ động cơ tên lửa: - Vỏ động cơ tên lửa R70: Ф70; vật liệu để chế tạo là hợp kim nhôm 2024. - Vỏ động cơ tên lửa chống tăng CT9: Ф50; vật liệu để chế tạo là thép 40X. - Vỏ động cơ tên lửa A72: Ф73; vật liệu để chế tạo là thép 30XΓCA. Trong phạm vi của đề tài, để chế tạo vỏ động cơ tên lửa A72 sẽ gặp một số khó khăn: - Khó nhập mua vật t− từ n−ớc ngoài. 54 - Ch−a có nghiên cứu đầy đủ về đặc tính của vật liệu, quá trình gia công biến dạng, gia công nhiệt. - Vật liệu có trở lực biến dạng cao trong khi ch−a có máy miết công suất lớn để đạt hiệu ứng hoá bền biến dạng cao. Với vỏ động cơ R70, đã có một số công trình nghiên cứu về công nghệ vật liệu tạo phôi bằng ép chảy [15], gia công cơ nhiệt [19], điều kiện trang thiết bị phù hợp. Vì vậy nhóm đề tài lựa chọn mẫu trên cơ sở vỏ động cơ R70 để nghiên cứu chế tạo. a) Đặc điểm cấu tạo: Kết cấu động cơ R70 nh− hình 3.16, trong đó vỏ động cơ tên lửa R70 là ống có kết cấu hình trụ rỗng, chiều dày thành ống khá mỏng (1,9mm). Độ lệch thành cho phép phải nhỏ để đảm bảo cân bằng động của ống trong quá trình làm việc. Tỷ lệ giữa chiều dài ống và đ−ờng kính L/D>10, do vậy đây là chi tiết ống thành mỏng có lỗ sâu, đòi hỏi độ chính xác và đồng đều về chiều dày khá cao. ống làm việc trong điều kiện áp suất và nhiệt độ cao. Một số tính năng kỹ thuật chính: - Đ−ờng kính: 70mm - Chiều dài: 804mm - áp suất lớn nhất: Pmax = 130 at, áp suất làm việc P=90ữ100 at a) b) Hình 3.16: Cấu tạo động cơ R70 a- Cụm động cơ b- Vỏ động cơ 1- Vỏ động cơ; 2- Lớp cách nhiệt; 3- Thuốc phóng; 4- Cụm đuôi 55 Bảng so sánh một số chi tiết kết cấu- vật liệu khi dập đạn R70 Bảng 3.17 σb δdi [δ]max G[kg] Ghi chú 2024 47ữ49 8ữ9 45 0,56 Sau dập, tôi hóa già 20XΓCA 48ữ54 9ữ10 48 1,56 Sau dập vuốt, nhiệt luyện Nhận xét: - Để vỏ động cơ duy trỳ đ−ợc tính bền ở nhiệt độ, áp suất cao cần có lớp cách nhiệt giữa vỏ động cơ và buồng đốt. - Cùng một số thông số hình học, vỏ động cơ thép có hệ số an toàn cao hơn, tuy nhiên khối l−ợng lớn gấp 2,7 lần vỏ động cơ làm bằng hợp kim 2024, điều này không thoả mãn yêu cầu thiết kế. Công nghệ chế tạo vỏ động cơ bằng hợp kim 2024 đơn giản hơn và chi phí chế tạo thấp hơn. Khi sử dụng công nghệ miết sẽ giảm đ−ợc 20ữ30% giá thành chế tạo. b) Một số tính chất của vật liệu vỏ động cơ R70: Hiện nay do trình độ công nghệ phát triển, ng−ời ta có thể chế tạo đ−ợc hợp kim nhôm có độ bền rất cao, đáp ứng đ−ợc yêu cầu để làm vỏ động cơ tên lửa, còn hợp kim titan đắt tiền chỉ sử dụng trong những tr−ờng hợp đặc biệt. Do đặc điểm cấu tạo và làm việc của vỏ động cơ tên lửa nh− đã nêu ở trên nên vật lệu của vỏ động cơ phải đáp ứng đ−ợc yêu cầu về mặt độ bền, chịu nhiệt đồng thời phải có tính công nghệ cao để dễ gia công. Kết quả khảo sát vật liệu vỏ động cơ tên lửa R70 cho ở bảng 3.18. Bảng 3.18 Cu (%) Mg (%) Mn (%) Ti (%) Fe (%) 3,8-4,9 1,2-1,8 0,3-0,8 <0,1 <0,5 Kết quả trên cho thấy vật liệu thuộc hệ Đuyra, t−ơng đ−ơng với nhóm 2024: Đ−ờng cong biến cứng của hợp kim 2024 đ−ợc nêu ở hình 3.1. ở nhiệt độ th−ờng khi biến dạng ε 10 ữ 30% trở lực biến dạng tăng chậm. Đặc điểm này sẽ đ−ợc khai thác để gia công khi miết. 56 3.3.3. Mô phỏng hoá quá trình biến dạng, chọn các thông số công nghệ tối −u a) Xây dựng mô hình hình học và các điều kiện biên của bài toán Bài toán cần xây dựng là bài toán miết ống trụ, các thông số công nghệ đ−ợc đ−a ra nh− các điều kiện biên là đ−ờng kính trục miết (cốt miết), chiều dày ban đầu phôi miết, chiều dày miết, b−ớc miết, đ−ờng kính con lăn miết, bàn kính l−ợn đầu con lăn miết… Với các điều kiện biên đã cho, tính toán để xác định tr−ờng ứng suất-biến dạng của vật liệu trong quá trình gia công. Từ đó làm cơ sở cho việc phân tích, đánh giá khả năng phá huỷ của vật liệu tại các vị trí có ứng suất nguy hiểm và tìm ra các thông số công nghệ tối −u cho quá trình biến dạng. Sơ đồ miết cho ở hình sau (hình 3.17). n’ Hình 3.17: Sơ đồ, thông số hình học khi miết ống Trong đó: Dm - Đ−ờng kính con lăn miết. Rm - Bán kính l−ợn đầu con lăn miết. d - Đ−ờng kính trục miết. H0 – Chiều dày ban đầu phôi miết. h – Chiều dày phôi sau miết. s – B−ớc miết (l−ợng nén dọc). t – Chiều dày miết (l−ợng nén h−ớng kính). 57 Các thông số công nghệ cụ thể cho quá trình miết cho ở bảng sau (bảng 3.19). Bảng 3.19 TT Dm rm d H0 h s t 1 170 3 66 2,5 1,5 0,2 1 2 170 3 66 2,5 1,5 0,3 1 3 170 3 66 2,5 1,5 0,6 1 Vật liệu sử dụng là hợp kim nhôm 2024 có ứng suất chảy: σs=35kG/mm2 b) Xây dựng sơ đồ thuật toán, lập ch−ơng trình tính toán quá trình biến dạng Hình 3.18: Sơ đồ thuật toán Bắt đầu Nhập dữ liệu Chọn ổ biến dạng tính toán Thiết lập tr−ờng tốc độ cơ sở Kiểm tra Tính tr−ờng ứng suất-biến dạng Phân tích đ/k dẻo-phá huỷ Phân tích kết quả thu đ−ợc Kiểm tra đ/k tối −u Thay đổi số liệu mới Xuất kết quả Kết thúc 58 Với yêu cầu đầu bài đặt ra là tính toán tr−ờng ứng suất biến dạng của vật liệu trong ổ biến dạng khi miết ống trụ, một số phần mềm có khả năng thực hiện đ−ợc điều này, tuy nhiên hiện nay trong tính toán, mô phỏng tr−ờng ứng suất biến dạng thì phần mềm thông th−ờng đ−ợc sử dụng là ANSYS. Nhóm đề tài đã xây dựng và lập ch−ơng trình tính toán quá trình biến dạng miết bằng ngôn ngữ ANSYS 7.0. c) Phân tích kết quả sau khi chạy ch−ơng trình Để hiểu rõ hơn bản chất qúa trình biến dạng khi miết mỏng thành, ta tiến hành mô phỏng số bài toán trên. Nh− đã biết, miết mỏng thành là một bài toán phức tạp (biến dạng cục bộ, dụng cụ và phôi vừa có chuyển động quay, vừa chuyển động tịnh tiến…), do vậy mô phỏng chúng gặp rất nhiều khó khăn. Hiện nay, ở các n−ớc công nghiệp tiên tiến, để mô phỏng chúng, ng−ời ta th−ờng dùng phần mềm mô phỏng chuyên dụng. Những phần mềm này th−ờng rất đắt. Do điều kiện hạn chế, nhóm đề tài đã sử dụng phần mềm ANSYS để mô phỏng, vì vậy các kết quả thu đ−ợc chỉ cho thấy phần nào bản chất của quá trình miết mỏng thành. Tuy nhiên, để mô phỏng, nhóm đề tài đã mô hình hóa bài toán trên với các giả thiết sau: - Chỉ xét quá trình miết tại một vị trí với một chiều sâu ép t và b−ớc đ−a phôi s cho tr−ớc. - Coi vật liệu dụng cụ là tuyệt đối cứng, tiếp xúc giữa dụng cụ và vật liệu là lý t−ởng (không có ma sát) - Vật liệu chỉ biến mỏng đ−ờng kính ngoài, đ−ờng kính trong coi nh− không tháy đổi. - Mô hình vật liệu: Sử dụng mô hình vật liệu đàn dẻo lý t−ởng, không có biến cứng. - Điều kiện biên: Sử dụng điều kiện đặt tải theo chuyển vị. Giá trị của chuyển vị là b−ớc miết s. Do điều kiện hạn chế, nhóm đề tài chỉ tiến hành mô phỏng miết mỏng thành với b−ớc miết s khác nhau, cụ thể với mỗi vật liệu nhôm và thép, đã khảo sát với các giá trị s=0,2; 0,3 và 0,6 mm. 59 Hình 3.19: C−ờng độ ứng suất khi s=0,2 mm Hình 3.20: C−ờng độ ứng suất khi s=0,3 mm 60 * Nhận xét: Các kết quả thu đ−ợc từ mô phỏng quá trình miết mỏng thành chi tiết dạng ống đã phần nào cho thấy đặc điểm biến dạng của ph−ơng pháp này. Vùng ổ biến dạng khi miết: Các kết quả mô phỏng cho thấy ổ biến dạng khi miết phụ thuộc rất lớn vào các thông số công nghệ (b−ớc miết s, chiều sâu miết t) cũng nh− yếu tố hình học (chiều dày ống, kích th−ớc của dụng cụ)… Cụ thể, với những giá trị b−ớc miết khác nhau, khi miết vật liệu nhôm với s = 0,2mm, ổ biến dạng hầu nh− ch−a xuất hiện (σeqvmax khi dập nhôm = 0,194.109 Pa = 194 MPa trong khi σs = 350 MPa). Khi b−ớc đ−a phôi tăng, diện tích ổ biến dạng tăng lên, đồng thời c−ờng độ ứng suất tăng lên đáng kể. Khi miết vật liệu nhôm với s=0,3mm, σeqvmax = 243 MPa, tuy nhiên giá trị này vẫn ch−a v−ợt qua giới hạn chảy của vật liệu, hay vật liệu vẫn chỉ nằm trong biến dạng đàn hồi. Nh−ng với s=0,6 mm thì σeqvmax = 534 Mpa, lớn hơn giới hạn chảy. Điều này có nghĩa vật liệu ở trong vùng ổ biến dạng đã chuyển sang biến dạng dẻo. Đồng thời diện tích ổ biến dạng đã tăng lên đáng kể. Ta cũng thấy rằng, ra khỏi vùng ổ biến dạng, c−ờng độ ứng suất trong phôi khá nhỏ, điều này có nghĩa đây chỉ là vùng biến dạng đàn hồi. Hình 3.21: C−ờng độ ứng suất khi s=0,6 mm (VL nhôm) 61 Một điều cần đ−ợc quan tâm nữa khi miết đó là lực tác dụng vào dụng cụ (con lăn miết), bởi vì, nếu lực tác dụng vào dụng cụ lớn hơn giới hạn đàn hồi của vật liệu, sẽ làm cho dụng cụ biến dạng, và nh− vậy sẽ không thể thực hiện quá trình miết. Các kết quả mô phỏng cho thấy, c−ờng độ ứng suất trong dụng cụ phụ thuộc rất nhiều vào các thông số công nghệ cũng nh− các yếu tố hình học khi miết. Khi b−ớc miết tăng, lực tác dụng lên dụng cụ tăng, mà biểu hiện là c−ờng độ ứng suất trong dụng cụ tăng. Cụ thể: Khi miết với vật liệu là hợp kim nhôm, c−ờng độ ứng suất lớn nhất σeqvmax trong con lăn với từng giá trị của b−ớc miết s = 0,2; 0,3 ; 0,6 mm lần l−ợt là 129 MPa; 213 MPa và 400 MPa; còn khi miết vật liệu thép với các b−ớc miết t−ơng tự thì σeqvmax = 367; 635 và 788 MPa. Ta thấy, với cùng giá trị b−ớc miết và các thông số hình học, c−ờng độ ứng suất cực đại trong dụng cụ khi miết thép lớn hơn rất nhiều khi miết nhôm. Tuy vậy, các giá trị này đều nhỏ hơn giá trị giới hạn chảy của vật liệu dụng cụ (các con lăn miết th−ờng đ−ợc làm từ thép hợp kim dụng cụ, có nhiệt luyện nên giới hạn bền th−ờng lớn hơn 1100 MPa). Điều này có nghĩa vật liệu dụng cụ không bị phá hỏng khi miết với những b−ớc miết đã đ−ợc khảo sát. Đồng thời, các kết quả mô phỏng cũng đã cho ta thấy bức tranh tổng thể của phân bố tr−ờng ứng suất – biến dạng khi miết mỏng thành. Điều này phần nào đã làm rõ bản chất của ph−ơng pháp công nghệ này. Do điều kiện giới hạn, nhóm đề tài mới chỉ khảo sát đ−ợc sự ảnh h−ởng của b−ớc miết s tới quá trình biến dạng khi miết mỏng thành. Qua những kết quả này, ta cũng có thể dự đoán đ−ợc ảnh h−ởng của các thông số hình học và công nghệ tới quá trình biến dạng đó. Tuy nhiên, các kết quả mô phỏng này còn một số hạn chế, đặc biệt đã bỏ qua một số các yếu tố quan trọng khi miết nh− ch−a khảo sát bài toán trong mô hình 3D, ch−a tính đến tốc độ quay, vật liệu dụng cụ là tuyệt đối cứng… Đây là các vấn đề rất phức tạp, cần có những nghiên cứu khảo sát sâu hơn với những phần mềm chuyên dụng. Tuy vậy, với các kết quả mô phỏng ở trên đã làm cơ sở cho việc tính toán công nghệ trong quá trình xây dựng QTCN chế tạo vỏ động cơ R70, làm căn cứ cho tính toán lực, mômem làm việc của thiết bị. 62 3.3.4. Nghiên cứu chế thử vỏ động cơ tên lửa bằng ph−ơng pháp miết a) Lựa chọn ph−ơng án gia công Để gia công chi tiết vỏ động cơ tên lửa R70 có thể sử dụng ph−ơng pháp cắt gọt hoặc ph−ơng pháp miết ép. Phôi vỏ động cơ tên lửa R70 có kích th−ớc cho nh− hình 3.22. Hình 3.22: Phôi vỏ động cơ tên lửa R70 Nếu sử dụng ph−ơng pháp gia công cắt gọt, việc gia công chi tiết có nhiều nh−ợc điểm so với gia công bằng miết ép: - Do chi tiết dạng ống có lỗ sâu, thành mỏng nên khó gia công, chi phí gia công lớn. - Năng suất thấp, l−ợng d− gia công cho cắt gọt cao dẫn đến hiệu suất sử dụng vật liệu thấp. - Quá trình gia công không cải thiện đ−ợc cơ tính cũng nh− tổ chức của kim loại. - Quá trình tự động hoá khó khăn. Ưu điểm của ph−ơng pháp gia công bằng cắt gọt là công nghệ phổ thông và thiết bị đã có sẵn. Sử dụng ph−ơng pháp miết ép có những −u điểm sau: - Có thể đảm bảo chính xác kích th−ớc và hình dạng của chi tiết gia công nhờ sử dụng trục miết. - Do có quá trình biến dạng xảy ra trong quá trình miết nên cơ tính cũng nh− tổ chức của kim loại gia công đ−ợc cải thiện đáng kể, đây là −u điểm chung của công nghệ gia công biến dạng nói chung và công nghệ miết nói riêng. Đặc biệt, khi miết biến mỏng các ống sẽ không còn tổ chức thớ dọc, khắc phục đ−ợc tính dị h−ớng về cơ tính, thêm vào đó hiện t−ợng hoá bền biến cứng sẽ làm tăng đ−ợc độ bền riêng, tạo cơ sở cho yêu cầu giảm trọng l−ợng. 700 200 200 50100 63 - Năng suất cao nhờ tập trung nguyên công và giảm đ−ợc các b−ớc gia công không cần thiết nh− khi gia công cắt gọt. - Tiết kiệm đ−ợc vật liệu gia công. - Có thể tự động hoá đ−ợc một phần quá trình gia công. Nh−ợc điểm của ph−ơng pháp gia công miết ép là: - Máy móc thiết bị và dụng cụ ch−a sẵn có phải chế tạo máy chuyên dùng. - Công nghệ miết còn khá mới mẻ ở Việt nam nên ch−a có nhiều kinh nghiệm trong cả qúa trình chế tạo thiết bị cũng nh− triển khai công nghệ miết. So sánh −u, nh−ợc điểm của hai ph−ơng pháp gia công trên chúng ta thấy rằng khi chế tạo vỏ động cơ R70 sử dụng ph−ơng pháp gia công bằng miết ép có nhiều −u điểm hơn về chất l−ợng, năng suất và có hiệu quả kinh tế cao đặc biệt đối với việc sản xuất hàng loạt. Việc đi sâu nghiên cứu gia công bằng miết ép cũng là một đòi hỏi tất yếu để phát triển nó ở n−ớc ta. Với những đặc điểm nh− vậy nên nhóm đề tài chọn ph−ơng pháp gia công chi tiết vỏ động cơ tên lửa R70 bằng ph−ơng pháp miết ép. b) Lựa chọn phôi và xây dựng tiến trình công nghệ Căn cứ vào hình dạng chi tiết là dạng ống thành mỏng, lỗ sâu về một phía, đoạn còn lại ngắn, t−ơng đối dày (để gia công ren) và có vách ngăn giữa hai đoạn. Nh− vậy không thể miết từ phôi phẳng đ−ợc mà phôi đầu vào đã phải có dạng cốc 2 đầu có vách ngăn ở giữa. Sau khi tính toán, chọn phôi để miết có kích th−ớc nh− hình vẽ (hình 3.23). Phôi này đ−ợc ép chảy từ phôi đúc ở nhiệt độ T0= 3800C. Hình 3.23: Phôi cho miết vỏ R70 263 64 Sau khi tính toán xây dựng đ−ợc tiến trình công nghệ gia công vỏ động cơ tên lửa R70 nh− sau: Hình 3.24: Tiến trình công nghệ gia công vỏ động cơ tên lửa R70 c) Gia công nhiệt trong quá trình miết Với phôi làm từ vật liệu hợp kim nhôm hoá bền nhiệt (2024), để cải thiện cơ tính và tổ chức vật liệu có một số ph−ơng pháp gia công kết hợp quá trình biến dạng và quá trình gia công nhiệt đ−ợc gọi là gia công cơ - nhiệt luyện. Có thể nêu một số dạng chính nh− sau: - Gia công cơ - nhiệt luyện dạng 1 (CNL1) – tổ hợp của quá trình hoá già với biến dạng nguội. - Gia công cơ - nhiệt luyện dạng 2 (CNL2) – kết hợp quá trình tôi gia công biến dạng ở nhiệt độ cao. - Gia công cơ - nhiệt luyện dạng 3 (CNL3) – tổ hợp gia công nhiệt (tôi và hoá già) với biến dạng dẻo, thực hiện tr−ớc khi nung đến trạng thái tôi. Xuất phát từ tính công nghệ miết của hợp kim 2024 và yêu cầu kỹ thuật của vỏ động cơ, đề tài chỉ nghiên cứu ứng dụng gia công cơ - nhiệt luyện dạng 1. ảnh h−ởng của biến dạng đến quá trình hoá già hợp kim 2024 đ−ợc nêu ở hình 3.25 và 3.26 [18]. Khi biến dạng tăng lên hiệu quả hoá già có xu h−ớng tăng. Với mức độ biến dạng 15% thì sau 72 giờ độ bền của HKN đạt từ 30-32 kG/mm2 Khi biến dạng tới 35% trong thời gian này độ bền đạt tới 37 kG/mm2, còn khi mức độ biến dạng đạt tới 45-50% độ bền đạt tới 38-41 kG/mm2. Thực tế, thời gian hoá già đạt độ bền tối đa của HK 2024 đã đ−ợc rút ngắn lại từ 93 giờ xuống còn 75-80 giờ. Nấu luyện HK 2024 Đúc phôi ủ đồng nhất ép chảy Xử lý nhiệt Miết b−ớc 1 Tôi Miết b−ớc 2 Hoá già tự nhiên Miết hiệu chỉnh Gia công kết thúc 65 Hình 3.25: ảnh h−ởng của biến dạng nguội ở trang thái sau tôi đến quá trình hoá già HK nhôm 2024 Hình 3.26: ảnh h−ởng của biến dạng nguội đến cơ tính của HK 2024sau khi hoá già ở 1850C trong 8 giờ 66 Các dạng cơ-nhiệt luyện ở nhiệt độ thấp cho trong hình 3.27 [17] Hình 3.27: Các dạng cơ-nhiệt luyện ở nhiệt độ thấp A- Nung, giữ nhiệt và tạo hình bằng gia công áp lực. B- Kết hợp hoá già và biến dạng nguội. 1) Nung và giữ tr−ớc khi tôi 2) Biến dạng ở nhiệt độ th−ờng 3) Biến dạng khi nâng nhiệt 4) Hoá già tự nhiên 5) Hoá già nhân tạo 6)Khoảng nhiệt độ tôi của hợp kim 7) Khoảng nhiệt độ biến dạng dẻo Quá trình miết ép đ−ợc thực hiện với mức độ biến dạng ban đầu tới 30% và giảm dần cho những b−ớc cuối. Vì vậy, trong những b−ớc miết đầu phôi sẽ đ−ợc gia công ở trạng thái sau ủ, những b−ớc cuối đ−ợc gia công sau khi tôi, miết hiệu chỉnh đ−ợc thực hiện sau hoá già. 67 Kết quả cải thiện tổ chức kim t−ơng trong quá trình gia công cơ - nhiệt luyện hợp kim 2024 khi miết ép với các mức độ biến dạng khác nhau nêu ở hình sau (hình 3.28). Hình 3.28: Tổ chức kim t−ơng hợp kim 2024 khi miết với mức độ biến dạng khác nhau (x100) a) 10% b) 20% c) 35% + Nhận xét: Tổ chức thớ của kim loại dần dần bị phá vỡ khi mức độ biến dạng miết tăng lên. Cỡ hạt cũng có xu h−ớng giảm dần theo mức độ biến dạng. Khi mức độ biến dạng đạt đến 30%, tổ chức thớ không còn, thay vào đó là tổ chức hạt nhỏ mịn. d) Các b−ớc gia công bằng miết ống liều tên lửa Đối với vật liệu 2024, với mỗi b−ớc miết cho biến dạng với mức độ 30% là phù hợp. Mức độ biến dạng tổng, từ b−ớc đầu đến b−ớc cuối cùng là: %5,52525,0 5,665,74 )2,6670()5,665,74( 0 0 0 0 ==− −−−=−≈−= S SS F FF k nnt Nh− vậy chỉ cần miết qua 2 b−ớc miết trụ và một b−ớc miết tinh chỉnh. * Miết b−ớc 1: 68 Đây là b−ớc miết làm giảm chiều dày và tăng chiều dài đồng thời làm sản phẩm bám vào trục miết tạo kích th−ớc lỗ chính xác. Mức độ biến dạng ở nguyên công này là 30%. Phôi sau b−ớc miết 1 cho nh− hình vẽ (hình 3.29). Hình 3.29: Phôi sau miết b−ớc 1 * Gia công nhiệt: Nh− ở phần trên đã nêu, gia công nhiệt đ−ợc áp dụng khi miết vỏ R70 đ−ợc kết hợp với quá trình biến dạng miết là quá trình gia công cơ - nhiệt luyện nhiệt độ thấp. Chế độ gia công nhiệt nh− sau: phôi đ−ợc nung 495-5000C, giữ nhiệt trong thời gian 25 phút, tôi trong n−ớc và đ−ợc gia công miết ở b−ớc tiếp theo trong vòng 2 tiếng. * Miết b−ớc 2: Đây cũng là b−ớc miết tiếp tục làm giảm chiều dày và tăng chiều dài. Mức độ biến dạng ở nguyên công này là 28%. Phôi sau miết b−ớc 2 cho nh− hình vẽ (hình 3.30). Hình 3.30: Phôi sau miết b−ớc 2 * Hoá già tự nhiên: Chế độ hoá già tự nhiên nh− nêu ở phần trên: thời gian hoá già 90-93 tiếng, sau đó phôi đ−ợc đ−a đi miết tinh chỉnh. * Miết tinh chỉnh: 446 606 69 Đây là b−ớc miết tạo bậc ở mặt ngoài đồng thời làm tăng độ bóng bề mặt sản phẩm. Mức độ biến dạng ở nguyên công này là 5%. Phôi sau miết tinh chỉnh cho nh− hình vẽ (hình 3.31). Hình 3.31: Phôi sau miết tinh chỉnh Cơ tính của mẫu thử ứng với các mức độ biến dạng nguội sau khi gia công cơ - nhiệt luyện đ−ợc nêu ở bảng 3.20. Bảng 3.20 Biến dạng [%] σB[kG/mm2] δ% HB T/gian hoá già [h] 5 42 7-9 122 15 10 43 8-10 125 10 15 45 7-8 128 8 + Nhận xét: Khi mức độ biến dạng sau tôi tăng từ 5-15% thì độ bền tăng, hệ số giãn dài giảm và thời gian hoá già giảm từ 15h xuống 8h. Hình 3.32: ảnh kim t−ơng tổ chức vật liệu vỏ động cơ (2024) tr−ớc và sau khi miết a) Tr−ớc khi miết (x100); b) Sau khi miết-tôi hoá già (x50) 700 200 200 50100 70 + Nhận xét: Khảo sát trên ảnh kim t−ơng ta thấy tổ chức của vật liệu sau khi miết-tôi hoá già nhỏ mịn, trên mặt cắt dọc không phát hiện thấy tổ chức hạt kéo dài. Điều này cho thấy đã khắc phục đ−ợc tính dị h−ớng của cơ tính. 3.3.4. Trang bị công nghệ miết ép Trang bị công nghệ cho miết ép bao gồm: cốt miết, con lăn miết, trục gá con lăn miết, các loại dụng cụ kiểm, các trang bị công nghệ bổ trợ khác. Hình 3.33: Con lăn miết vỏ động cơ tên lửa R70 Hình 3.34: Cụm đầu miết 71 Hình 3.35: Cốt miết Yêu cầu cơ bản đối với vật liệu chế tạo dụng cụ miết nh− sau: - Có độ bền, độ dai cao, độ bền mỏi lớn trong điều kiên làm việc ở tải trọng chu kỳ. - Có khả năng chịu ma sát mài mòn lớn trong điều kiên là việc ở áp lực lớn, nhiệt độ cao. - Có tính công nghệ gia công cao trong quá trình chế tạo. Một số thép hợp kim th−ờng dùng trong chế tạo dụng cụ miết nêu ở bảng 3.21. Bảng 3.21 Chi tiết Mác thép Cốt miết X12M, 9XC, 60Γ, Y7, 40X Con lăn miết X12M, ШX15, P18, Y7 Đầu ép Y7, Y8, C45 Gá kẹp Y7, 9XC, 20X, 35X, 40X Do điều kiện làm việc nặng, các chi tiết phần công tác (cốt miết, con lăn miết) đ−ợc gia công theo quy trình đặc biệt. Yêu cầu bắt buộc phải qua biến dạng nóng, kết hợp với công nghệ hoá-nhiệt luyện. Độ cứng bề mặt của cốt miết, con lăn miết đạt tới 60-64HRC. 3.3.5. Kiểm tra đánh giá sản phẩm Nhóm đề tài đã tiến hành chế thử 25 mẫu vỏ động cơ tên lửa R70. Vỏ động cơ đ−ợc kiểm tra, đánh giá trên cơ sở yêu cầu kỹ thuật của sản phẩm, bao gồm các nội dung chính sau: - Các thông số hình học. - Các chỉ tiêu về vật liệu: σb, δ%, ảnh chụp kim t−ơng 72 - Kiểm tra bền tĩnh. - Kiểm tra bền ở trạng thái làm việc. Với vỏ động cơ R70, việc kiểm tra ở mục 4 cần đến các điều kiện kỹ thuật đặc biệt của tr−ờng thử nghiệm và các phần tử liều phóng…vì vậy đề tài không thực hiện mục thử này. * Tính toán bền: Khi kiểm tra bền bằng áp lực thuỷ tĩnh, áp suất phân bố đều (hình 3.36), cần kiểm tra bền ở điểm nguy hiểm A. Hình 3.36: Sơ đồ phân bố ứng suất lên thành ống ứng suất h−ớng kính σr và ứng suất tiếp σθ đ−ợc xác định theo công thức Lame [5]: ⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛ +−= 2 2 22 2 1. ρσθ R rR rp (3.1) ⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛ −−= 2 2 22 2 1. ρσ R rR rpr (3.2) Trong đó ρ là khoảng cách từ tâm trụ đề điểm tính ứng suất (r ≤ ρ ≤ R). Theo thuyết bền 3, ứng suât t−ơng đ−ơng tại 1 điểm là: )( 2. 222 22 rR Rrprtd −=−= ρσσσ θ (3.3) Từ (3.1) và (3.2), ta thấy ứng suất lớn nhất xuất hiện tại A: p rR rRp Ar A −=− += σσθ ;. 22 22 (3.4) và 22 22. rR RpAtd −=σ (3.5) Đặt hệ số chiều dày thành: 73 R rK = (3.6) Khi đó (3.4), (3.5) sẽ là: p K Kp Ar A −=− += σσθ ;1 1. 2 2 (3.4a) và 21 2. K pAtd −=σ (3.5a) Nếu coi ứng suất t−ơng đ−ơng tại A bằng ứng suất cho phép [σ], ta có thể xác định quan hệ áp lực làm việc lớn nhất với ứng suất cho phép: ][ 2 1 2 max σKp −= (3.7) Sử dụng công thức (3.7) để kiểm bền vỏ động cơ khi thử tĩnh. Đối với vỏ động cơ khi làm việc chịu áp suất 70ữ110kG/cm2, các thông số để kiểm bền tĩnh là: - áp suất thử: p=230kG/cm2 (hệ số an toàn là 2,27). - ứng suất cho phép của vật liệu: [σ]=37kG/mm2. - Hệ số chiều dày thành: K=0,94. Ta có: ][/95,29 92,01 2.3,2 22 σσ <=−= mmkG A td Nh− vậy vỏ động cơ thoả mãn điều kiện bền theo tính toán. * Kiểm tra trên giá thử: Kết quả kiểm tra hạng mục 1 và hạng mục 2 đ−ợc nêu trong phụ lục. Điều kiện và kết quả kiểm tra bền tĩnh nh− sau: - Trang thiết bị thử gồm: + Giá thử thuỷ lực GP.300. + Đồng hồ bấm giây. + Th−ớc cặp 200/0,02. - Số mẫu thử tĩnh: 10 vỏ động cơ. - áp suất thử: 230at. -Thời gian tăng áp: 25s. - Thời gian giữ áp: 30s. - L−ợng biến dạng d− : < 0,07 - Số mẫu đạt yêu cầu: 10/10. 74 Hình 3.37: Mẫu vỏ động cơ CT9 chế tạo bằng miết ép Hình 3.38: Các sản phẩm chế tạo bằng ph−ơng pháp miết trên máy miết do đề tài thiết kế, chế tạo 126 Kết luận 1. Đề tài đã nghiên cứu tổng quan về công nghệ, sản phẩm, thiết bị miết ép, từ đó đ−a ra phạm vi đối t−ợng nghiên cứu tập trung vào công nghệ miết chế tạo vỏ động cơ từ hợp kim 2024, thiết kế, chế tạo thiết bị miết điều khiển CNC phục vụ nghiên cứu, chế thử. 2. Đề tài đã nghiên cứu các vấn đề cơ bản của công nghệ miết ép nh−: đặc tính vật liệu, yêu cầu công nghệ đối với vật liệu miết, gia công xử lý nhiệt, quá trình biến dạng khi miết biến mỏng. Trên cơ sở phân tích lý thuyết, kết hợp với thực nghiệm, đề tài đã nghiên cứu các tr−ờng hợp miết ống trụ, ống côn nhằm xác định điều kiện, các thông số biến dạng miết để làm cơ sở tính toán, xây dựng quy trình công nghệ cho miết vỏ động cơ R70 và mở rộng cho các nhóm chi tiết điển hình khác. 3. Nghiên cứu các công nghệ phục vụ cho quá trình miết biến mỏng: gia công biến dạng miết, xử lý nhiệt cho phôi ở các b−ớc trung gian, gia công cơ-nhiệt luyện nhiệt độ thấp cho hợp kim 2024. Các công nghệ nêu trên đã đ−ợc áp dụng và hiệu chỉnh cho phù hợp với quá trình chế thử mẫu vỏ động cơ R70. 4. Đề tài đã nghiên cứu thiết kế, chế tạo các trang bị, dụng cụ miết, trang bị bổ trợ công nghệ miết phục vụ quá trình nghiên cứu và chế thử 25 mẫu phôi vỏ động cơ R70 đạt yêu cầu. 5. Trên cơ sở phân tích và lựa chọn ph−ơng án cấu trúc máy miết đã đ−ợc thiết kế, chế tạo đạt chỉ tiêu thiết kế có đặc tính cơ bản nh− sau: - Điều khiển số (CNC) với bộ điều khiển Anilam 4000. Hệ thống điều khiển trục X1, X2, Z kiểu cơ khí-điện có thể nội suy tuyến tính, phi tuyến. Dẫn động bằng động cơ Servo AC qua bộ truyền đai răng-trục vít đai ốc bi. - Hệ thống dịch chuyển con lăn miết trục X1, X2, Z dùng Encoder. - Hệ thống thay đổi tốc độ miết cơ khí có cấp, động cơ 13KW, 3 pha-380V. Máy miết qua vận hành công nghệ, chế thử hoạt động tin cậy, đảm bảo các chỉ tiêu kỹ thuật. 127 Đề tài đã hoàn thành mục tiêu, nội dung đ−ợc giao. Các phân tích, định h−ớng, lựa chọn giải pháp công nghệ, ph−ơng án thiết kế dựa trên cơ sở luận cứ khoa học phù hợp với điều kiện thực tế sản phẩm của đề tài. Kết quả nghiên cứu của đề tài đã mở ra một ph−ơng pháp công nghệ mới trong việc chế tạo những chi tiết vũ khí có kết cấu đặc biệt, có độ bền cao: vỏ động cơ tên lửa, các khí tài bay, đạn chống tăng. Ngoài ra, công nghệ miết ép biến mỏng có thể áp dụng rất hiệu quả khi chế tạo các sản phẩm trong công nghiệp dân dụng: các hệ thống thuỷ lực, các chi tiết trong hàng không, các thiết bị của công nghiệp hoá chất, chế tạo ôtô…