Kỹ thuật Gia công biến dạng trong Công nghệ Chế tạo máy
1. Thực chất và đặc điểm của Gia công biến dạng
Thực chất của Gia công biến dạng
Gia công biến dạng là một phương pháp cơ bản trong việc chế tạo các chi tiết máy và các sản phẩm kim loại, thay thế cho phương pháp đúc hoặc gia công cắt gọt. Gia công biến dạng được thực hiện bằng cách áp dụng lực ngoại tác lên kim loại ở trạng thái nóng hoặc nguội, làm cho kim loại vượt qua giới hạn đàn hồi, từ đó thay đổi hình dạng của vật thể kim loại mà không làm suy giảm tính liên tục và độ bền của nó.
Đặc điểm của Gia công biến dạng
Gia công biến dạng kim loại trong trạng thái rắn không chỉ thay đổi hình dạng và kích thước mà còn thay đổi cấu trúc cơ, lý, và hoá tính của kim loại. Điều này bao gồm việc tăng tính mịn và chặt chẽ của kim loại, đồng nhất kích thước hạt, giảm khuyết tật (như rỗ khí, rỗ co, v.v...) gây ra bởi quá trình đúc, nâng cao tính cơ học và tuổi thọ của các chi tiết. Gia công biến dạng là quy trình sản xuất cao, cho phép thu được các chi tiết có kích thước chính xác, bề mặt tốt, lượng phế liệu thấp, và chúng có tính cơ học cao hơn so với các chi tiết đúc. Gia công biến dạng cũng đạt được năng suất cao nhờ khả năng cơ khí hoá và tự động hóa.
Công dụng của Gia công biến dạng
Sản phẩm của gia công biến dạng được sử dụng rộng rãi trong các xưởng cơ khí, chế tạo và sửa chữa các chi tiết máy, trong ngành xây dựng, kiến trúc, xây dựng cầu đường, sản xuất các sản phẩm hàng ngày, trong ngành chế tạo máy bay, ngành ô tô và ngành chế tạo máy điện.
2. Biến dạng dẻo của kim loại
Khái niệm về biến dạng của kim loại
Dưới tác động của lực ngoại, kim loại có thể trải qua ba giai đoạn biến dạng liên tiếp:
1. Biến dạng đàn hồi: Đây là giai đoạn đầu tiên khi kim loại bị tác động lực ngoại. Trạng thái này xảy ra khi kim loại chịu lực và trở lại hình dạng ban đầu sau khi lực tác động được loại bỏ. Biến dạng đàn hồi phụ thuộc vào tính chất đàn hồi của kim loại, được xác định bởi đồ thị căng đàn hồi (stress-strain curve) của nó.
2. Biến dạng dẻo: Nếu lực tác động tiếp tục được áp dụng sau khi kim loại trải qua biến dạng đàn hồi, kim loại sẽ tiếp tục biến dạng dẻo. Trong giai đoạn này, kim loại mất khả năng trở lại hình dạng ban đầu sau khi lực tác động được loại bỏ. Biến dạng dẻo xảy ra do việc di chuyển và tái sắp xếp các hạt kim loại trong cấu trúc tinh thể của nó. Kim loại trong giai đoạn này có khả năng chịu biến dạng mà không gây nứt, vỡ.
Biến dạng dẻo đơn tinh thể
3. Biến dạng chuyển pha : Khi lực tác động tiếp tục vượt qua giới hạn biến dạng dẻo, kim loại có thể trải qua biến dạng pha chuyển. Trong giai đoạn này, kim loại thay đổi cấu trúc tinh thể của mình và có thể hình thành các hạt mới hoặc tạo ra các đặc tính cơ học mới. Biến dạng pha chuyển thường đi kèm với sự gia tăng đáng kể về cứng, độ bền và độ cứng của kim loại.
Quá trình gia công biến dạng
Gia công biến dạng kim loại thường được thực hiện bằng các phương pháp sau:
- Lăn: Kim loại được đưa qua hai trục lăn song song, tạo ra áp lực lớn và biến dạng kim loại theo hình dạng của các khuôn mẫu trên các trục lăn.
- Ép: Kim loại được ép qua các khuôn mẫu hoặc khuôn ép để tạo ra biến dạng mong muốn.
- Kéo: Kim loại được kéo qua các khuôn mẫu hoặc khuôn kéo để biến dạng theo hình dạng mong muốn.
- Đúc: Kim loại được đun nóng và đổ vào khuôn để tạo ra hình dạng mong muốn.
- Cán nguội: Kim loại được đun nóng và sau đó làm nguội nhanh chóng để tạo ra biến dạng mong muốn.
Các phương pháp gia công biến dạng khác nhau được sử dụng tùy thuộc vào loại kim loại và ứng dụng cụ thể. Quá trình gia công biến dạng có thể cải thiện độ cứng, độ bền và tính hình dạng của kim loại, tạo ra các sản phẩm cuối cùng với các đặc tính cơ học mong muốn.
Ứng dụng của biến dạng kim loại
Biến dạng kim loại là quá trình quan trọng trong công nghiệp và chế tạo kim loại, với nhiều ứng dụng khác nhau. Dưới đây là một số ví dụ về các ứng dụng của biến dạng kim loại:
1. Sản xuất ô tô và hàng không: Biến dạng kim loại được sử dụng để tạo ra các bộ phận và cấu trúc trong ngành công nghiệp ô tô và hàng không. Kim loại được biến dạng để tạo ra khung xe, động cơ, vỏ ngoài và các bộ phận khác của ô tô. Trong ngành hàng không, kim loại được biến dạng để tạo ra các cấu trúc như thân máy bay, cánh máy bay và các bộ phận khác.
2. Công nghiệp đúc: Biến dạng kim loại được sử dụng trong quá trình đúc để tạo ra các sản phẩm kim loại đúc. Kim loại được đun nóng và đổ vào khuôn để tạo ra các sản phẩm như đồ gia dụng, bộ phận công nghiệp, đồ trang sức và nhiều sản phẩm khác.
3. Sản xuất thiết bị điện tử: Biến dạng kim loại cũng được áp dụng trong việc sản xuất các thiết bị điện tử. Kim loại được biến dạng để tạo ra các bộ phận như mạch in, vi mạch, vỏ bảo vệ và các bộ phận khác của các thiết bị điện tử.
4. Công nghiệp xây dựng: Kim loại được biến dạng để tạo ra các cấu trúc và hệ thống trong ngành công nghiệp xây dựng. Các cột, khung và các bộ phận khác được biến dạng từ kim loại để xây dựng các công trình như nhà ở, tòa nhà, cầu và cấu trúc khác.
5. Sản xuất đồ trang sức: Biến dạng kim loại cũng được sử dụng trong sản xuất đồ trang sức. Kim loại được biến dạng để tạo ra các vòng cổ, nhẫn, bảng điều khiển và các loại trang sức khác.
6. Công nghiệp hàng hải: Biến dạng kim loại được sử dụng để xây dựng và bảo trì các tàu thủy. Kim loại được biến dạng để tạo ra các cấu trúc như thân tàu, cầu cảng, hệ thống đường ống và các bộ phận khác của tàu.
7. Ngành sản xuất thiết bị y tế: Trong ngành y tế, biến dạng kim loại được sử dụng để tạo ra các bộ phận và thiết bị y tế. Kim loại được biến dạng để sản xuất các dụng cụ y tế như dụng cụ phẫu thuật, ống nội soi, khung xương giả và các bộ phận khác.
8. Công nghiệp năng lượng: Biến dạng kim loại cũng có ứng dụng trong ngành công nghiệp năng lượng. Kim loại được biến dạng để tạo ra các bộ phận trong các thiết bị năng lượng như ống dẫn dầu, bình chứa nhiên liệu, ống dẫn nhiệt và các bộ phận khác của hệ thống năng lượng.
9. Ngành sản xuất thiết bị gia dụng: Biến dạng kim loại được sử dụng trong sản xuất các thiết bị gia dụng như tủ lạnh, máy giặt, máy lạnh và nhiều thiết bị khác. Kim loại được biến dạng để tạo ra khung, vỏ ngoài và các bộ phận khác của các thiết bị này.
10. Công nghiệp hàng rào và bảo vệ: Kim loại biến dạng được sử dụng trong việc xây dựng hàng rào và hệ thống
Trên đây là một số ứng dụng phổ biến của biến dạng kim loại. Thực tế, biến dạng kim loại có vai trò quan trọng trong nhiều ngành công nghiệp và đóng góp vào sự phát triển và sản xuất của nhiều sản phẩm quan trọng.
3. Một số định luật cơ bản trong gia công biến dạng
Định luật Hooke: Định luật này mô tả mối quan hệ tuyến tính giữa lực tác động lên một vật liệu và biến dạng của vật liệu đó. Theo định luật Hooke, biến dạng của một vật liệu đàn hồi (tức là vật liệu có khả năng phục hồi hình dạng ban đầu sau khi áp lực được loại bỏ) là tỷ lệ thuận với lực tác động lên nó. Công thức toán học của định luật Hooke được biểu diễn như sau:
F = k * ΔL
Trong đó:
- F là lực tác động lên vật liệu,
- k là hệ số đàn hồi (độ cứng) của vật liệu,
- ΔL là biến dạng của vật liệu.
2. Định luật Flory-Huggins: Định luật này áp dụng cho quá trình hòa tan của các polymer trong các hỗn hợp polymer. Định luật Flory-Huggins mô tả mối quan hệ giữa nồng độ polymer và nhiệt độ, áp suất, và các đặc tính khác của hệ thống. Định luật này cho phép dự đoán được độ pha rắn của hỗn hợp polymer dựa trên các thông số vật lý của các thành phần polymer và điều kiện môi trường.
3. Định luật von Mises: Định luật này áp dụng cho việc mô tả biến dạng và độ bền của kim loại trong quá trình gia công. Định luật von Mises cho rằng một vật liệu kim loại sẽ đạt đến giới hạn chịu đựng biến dạng khi nó đạt đến một giá trị cụ thể của một tham số gọi là cường độ von Mises. Định luật này giúp dự đoán được biến dạng và độ bền của kim loại trong quá trình gia công và thiết kế kết cấu.
4. Định luật Tresca: Định luật này cũng liên quan đến biến dạng và độ bền của kim loại trong quá trình gia công. Định luật Tresca khẳng định rằng một vật liệu kim loại sẽ đạt đến giới hạn chịu đựng biến dạng khi nó đạt đến một giá trị cụ thể của một tham số gọi là căng độ Tresca. Định luật này cũng giúp dự đoán biến dạng và độ bền của kim loại trong quá trình gia công và thiết kế kết cấu.
Những định luật này đóng vai trò quan trọng trong việc hiểu và điều chỉnh quá trình gia công biến dạng của các vật liệu, đồng thời hỗ trợ trong việc thiết kế và sản xuất các sản phẩm kim loại và polymer với chất lượng và hiệu suất cao.
Hi vọng bài viết "Kỹ thuật gia công biến dạng: Hiệu suất và ứng dụng trong Công nghệ chế tạo máy" này, giúp bạn hiểu rõ hơn về Công nghệ gia công biến dạng trong chế tạo máy.
Đón đọc bài tiếp theo: Quá trình Nung nóng trong Gia công kim loại bằng áp lực
