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
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 nớc 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 phơng pháp, đối tợng 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
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 lợng,
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 phơng pháp gia công nhằm khai thác triệt để tính dẻo, các cơ chế
đồng... đợc làm bằng cách này rất dễ dàng thực hiện, ngời 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 đợc 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 đợc ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh
vực công nghiệp khác nhau: hoá dầu, chế tạo máy, hàng dân dụng... Sản phẩm
đợc chế tạo bằng công nghệ này rất đa dạng, từ các chi tiết rỗng nhỏ vài mm
đến các đáy bình áp suất đờng 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 đợc 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 phơng pháp biến dạng) cùng một loại sản phẩm đó.
Miết cũng đợc 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 đợc dùng nhiều trong công
nghiệp hàng không, quân sự, chế tạo thiết bị thuỷ lực... Để ống chịu đợc áp lực
cao, vật liệu cần đợc chế tạo để có tổ chức phù hợp có độ bền kết cấu lớn, thớ
kim loại hình thành theo chiều xoắn hớng tiếp tuyến của ống. Các ống chế tạo
bằng phơng pháp miết ép thoả mãn các yêu cầu trên với giá thành không quá đắt.
* Trong nớc:
Hiện các cơ sở cơ khí trong nớc cha sản xuất máy miết, các thiết bị miết sử
dụng hiện nay cho miết không biến mỏng đợc nhập chủ yếu từ nớc 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 đờng kính tới 5m, vật
liệu dày 35mm.
Nói chung, việc áp dụng công nghệ miết ở nớc ta còn rất hạn chế. Đó là do
các nguyên nhân:
- Các tính năng của công nghệ miết còn ít đợc biết đến.
- Cha có khả năng đầu t thiết bị, nhất là các thiết bị miết chuyên dùng
hiện đại.
Với những u điểm nổi trội của phơng 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 nớc
7
Hình 1.2: Tạo hình bằng phơng 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
Hình 1.3: Một số dạng sản phẩm miết chủ yếu và các bớc công nghệ
9
H×nh 1.5: MiÕt biÕn máng èng víi cèi quay
H×nh 1.4: MiÕt chi tiÕt h×nh c«n kh«ng dïng d−ìng miÕt
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). Thờng độ biến mỏng đạt tới 30%. Công
nghệ này đợc ứng dụng rất rộng rãi để chế tạo các chi tiết đối xứng.
- Miết nâng cao chất lợng 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 hớng biến dạng của vật liệu và chuyển động tơng đối của dụng cụ:
- Miết thuận: chiều chuyển động của dụng cụ miết cùng chiều với hớng
chảy của vật liệu.
- Miết ngợc: chiều chuyển động của dụng cụ miết và chiều chảy của kim
loại ngợc hớng nhau trong quá trình miết.
/D = 0,2 ữ 0,3
trong đó: - d
min
: đờng kính sản phẩm,
- D: đờng kính phôi.
Đối với các sản phẩm dạng trụ, kích thớc tơng đối có thể d
min
/D = (0,6 ữ 0,8)
hoặc chiều dày tơng đối:
5,21005,0
D
S
.
c) Độ chính xác của công nghệ miết:
Phơng pháp miết có thể tạo ra đợc sản phẩm có cấp chính xác 6; sai lệch
của sản phẩm có thể từ (0,001
ữ
0,002) đờng 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/mm
2
Chiều dày vật liệu 20 mm
Góc miết
s
và giới hạn bền
B
. Tính dẻo gồm độ giãn dài tơng đối
và
độ thắt tỉ đối
. Với vật liệu có
lớn thì khả năng gia công bằng miết ép lớn
hơn, ngợc lại với việc tăng độ cứng thì quá trình miết ép gặp khó khăn hơn. Đối
với thép tấm đợc sử dụng để miết sâu cần có tỷ lệ giữa giới hạn chảy và độ bền
s
/
B
0,65
.
Ngoài ra tính nhạy của thép đối với sự hoá già có ảnh hởng 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
miết sâu đợc:
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 đợc 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 hởng 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 lợn ở đỉnh con lăn miết, bán kính ở mặt
trục miết, cờng 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 ngời 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 tợng biến cứng ngời 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 lợng 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 lợng của chi tiết gia công đợc đảm bảo theo yêu cầu. Việc lựa chọn vật
liệu cho phôi đáp ứng đợc 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 đợc thực hiện
có năng suất cao và chất lợng đợc đảm bảo.
Tóm lại, có thể nêu những đặc điểm, yêu cầu cơ bản đối với vật liệu trong
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 đợc ứng dụng từ máy tiện. Mâm cặp dùng kẹp dỡng,
chuyển động con lăn bằng tay do ngời vận hành tác động lực. Những máy này
có thể chuyển động đơn giản, lực miết không lớn, đợc 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, dỡng thờng 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 dỡng chép
hình dùng khuếch đại thuỷ lực hoặc cơ khí. Chuyển động quay sản phẩm đợc
- Thay đổi đợc thông số công nghệ miết trong quá trình gia công.
- Giá thành máy cao.
d) Phơng 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 dỡng Z1.
- Với các yêu cầu động học có thể có nhiều phơng án kết cấu khác nhau.
1.2. Lựa chọn phơng pháp, đối tợng 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
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 (
m
V
) bằng tổng véc tơ tốc độ quay phôi tại ổ biến dạng (
q
V
) và
tốc độ tiến của con lăn miết (
t
V
). Hớng của vectơ tốc độ miết đợc xác định bởi
góc à:
tgà = V
t
/V
q
(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 ngợc, phần cha
biến dạng chịu nén, phần đã biến dạng ở trạng thái phi ứng suất.
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
q
v
, miết
m
v
và truyền động
t
v
a) Khi truyền động dọc b) Khi truyền động ngang.
Trên hình 2.2, vận tốc miết v
m
bằng tổng hình học của vận tốc quay phôi ở
biên dạng và vận tốc truyền.
Khi miết vật hình trụ,
q
v
vuông góc với
t
v
nên:
tqm
Bớc đờng 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 đờng xoắn
Khi miết, phần lớn bớc s rất nhỏ so với v
m
, vì vậy có thể chấp nhận:
1000/Dnvv
qm
=
(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.
Copyright: Tài liệu đại học ©