Đề tài Nghiên cứu ứng dụng công nghệ ép thủy tĩnh và thủy động để chế tạo các sản phẩm có hình dạng phức tạp từ vật liệu khó biến dạng, độ bền cao

ái ứng suất nh nhau: 2 r 10.14−=σ MPa 210.14−=στ MPa γ Hình 4.9- Kết cấu khuôn hình cân bằng áp lực 95 ứng suất t−ơng đ−ơng theo thuyết bền IV 2 tdIV 10.14=σ MPa + Tạo lớp áo bao ngoài, lắp ghép có độ dôi ∆- tạo ứng suất d thành ngoài cối. c/ Tính toán khi lớp trụ ngoài chịu áp lực- lắp ghép có độ dôi với lớp áo của buồng chịu áp lực. Tạo lớp áo bao ngoài, giả sử lắp ghép giữa cối và áo khuôn bên ngoài có độ dôi theo kiểu Φ70H8/z8 (khi lắp phải gia nhiệt, kết hợp với ép), suy ra: ∆min= 0,154mm ∆max= 0,256mm Độ dôi trung bình của kiểu lắp: ∆TB= ∆ =0,205mm = 0,0205cm Giả thiết bán kính lớp áo khuôn ngoài r3 = 6 cm. Coi cối và áo khuôn làm từ hai loại vật liệu E1 ≈ E2 ; à1≈à2 Thay vào (4), ta có áp lực bên ngoài cối: p2 = p0 = 1,96. 10 2 MPa Khi đó, theo (1), (2) tại các phân tố lớp trong cùng của khuôn tạo hình (đoạn hình trụ): 2 r 10.14−=σ MPa 210.22,12=στ MPa Hình 4.10- Biểu đồ ứng suất tiếp ( τσ ) và ứng suất pháp ( rσ ) 96 ứng suất t−ơng đ−ơng theo thuyết bền IV 2 tdIV 10.72,22=σ MPa Với giá trị này ta khó chọn đ−ợc vật liệu làm khuôn tạo hình. Nh− vậy, để giảm ứng suất t−ơng đ−ơng ta không thể tăng độ dôi (rất khó cho quá trình lắp ráp), chỉ cò cách tăng chiều dày của lớp áo. Theo công thức 1 2 2 3 r r r = ; ⇒ r3 = 12,25cm; Tính toán ta đ−ợc: P2=po= 246,85 MPa Tại phân tố lớp trong cùng r1=1cm 2 r 10.14−=σ MPa 210.11,11=στ MPa 2 tdIV 10.75,17=σ MPa Nh− vậy, cũng vẫn khó có thể chọn đ−ợc vật liệu thoả mãn. Cách khắc phục, phải tăng cứng và giới hạn bền bề mặt bằng các chế độ hoá nhiệt luyện để đảm bảo lớp bề mặt không bị phá huỷ. Một vài mác thép chất l−ợng cao mà ta cần quan tâm là: vật liệu thép Crôm Mangan, ví dụ: 30XPA (sau khi nhiệt luyện thì σb=16.122 MPa) 30XΓT hay 40XΓP (sau nhiệt luyện, σB=15.102 MPa). Kết luận: Nh− vậy, ở đây ta chọn ph−ơng án tạo áp lực bên ngoài t−ơng ứng với phần trụ tạo hình Φ20 nhờ áp lực của môi chất truyền áp suất. +Khi đó, xét đến cả yếu tố nhiệt (do gia nhiệt ban đầu hoặc do ma sát trên bề mặt tiếp xúc) một vài mác vật liệu có thể xét để chọn xem bảng 4.3 97 Bảng 4.3: STT Mác vật liệu σT(MPa) σB(MPa) 1 30XΓCHA 1300 1650 2 38XH3MΦA 1100 1200 3 45XHMΦA 1300 1450 4 30XPA 1300 1600 5 30XΓT 1100 1500 6 40XΓP 1300 1500 + Còn các bộ phận chịu áp lực khác nh−: thân buồng chịu áp lực (những lớp trong cùng), đế, giá có thể chọn các mác vật liệu theo bảng 4.4 Bảng 4.4: STT Mác vật liệu σT(MPa) σB(MPa) 1 27XΓP 1200 1400 2 40XC 1100 1200 3 20X2H4A 1100 1300 4 20XΓHP 1100 1300 4.2.4. Tính góc mở khuôn tối −u Theo lý thuyết độ dẻo thì lực biến dạng cần thiết cũng nh− áp suất thủy tĩnh cần thiết cho quá trình ép đùn đặc trên bao gồm phần biến dạng lý t−ởng, phần tr−ợt và phần ma sát (Hình 4.11). Trong khi lực biến dạng lý t−ởng không phụ thuộc vào độ lớn của góc mở khuôn thì tổn hao tr−ợt giảm đi với góc mở giảm, ng−ợc lại tổn hao do ma sát lại tăng lên do diện tích ma sát tăng lên. Do đó về nguyên tắc sẽ có một góc mở khuôn mà khi biến dạng yêu cầu áp suất thủy lực một gia trị nhỏ nhất. 98 Giá trị của góc tối −u này phụ thuộc vào điều kiện biến dạng, ở đó nhìn chung với lực hay áp suất biến dạng lớn thì góc mở tối −u cũng tăng lên. Khi ở áp suất cao thì vật liệu cứng hơn hay độ biến dạng lớn hơn không đóng vai trò gì. T−ơng ứng khi ứng suất ở bề mặt bị lực tác dụng tăng lên, sự tác động lên màng bôi trơn cũng tăng lên và do đó tổn hao do ma sát cũng tăng lên. Với sau thay đổi môi tr−ờng ép, chất bôi trơn, điều kiện bôi trơn bị thay đổi, do đó mà góc mở tối −u cũng thay đổi. 4.2.5. Tính toán lực ép đùn Sự phụ thuộc tuyến tính giữa áp lực ép và độ biến dạng khi ép chảy và ép đùn thông th−ờng đã đ−ợc Pugh chứng minh, cũng đặc tr−ng cho ép đùn, ép chảy thủy tĩnh. Giả sử độ cứng của các phôi là H là giá trị đặc tr−ng cho vật liệu, theo Pugh áp lực ép cần thiết cho ép đùn tiến đặc với khuôn 45o; ở nhiệt độ phòng, ph−ơng trình thực nghiệm sau cho kết quả t−ơng đôi chính xác: P = ϕ(0,0579H + 0,617) [kbar] (4.51) Hoặc là: P = ϕ(5,79H + 61,7) [MPa] (4.52) Hình 4.11. Xác định góc mở khuôn tối −u từ các lực riêng (1 kbar=100MPa=100N/mm2) 99 Các ph−ơng trình này đúng cho các vật liệu kim loại khác nhau, nh−ng trong điều kiện bôi trơn thủy động và hình dạng vật thể đã chọn. Trong đó: P - áp suất ép đùn H - Độ cứng của phôi (Vicker) ϕ - ln(Ao/A1) Độ biến dạng Ao - Tiết diện phôi A1 - Tiết diện vật sau biến dạng Các quan hệ thực nghiệm t−ơng tự cũng đ−ợc nhiều tác giả đ−a ra. Một số kết quả thực nghiệm đánh giá các quá trình khác nhau và đã cho thấy ph−ơng trình của Pugh cho kết quả tính toán lực ép đùn là t−ơng đối chính xác. Trong hình 13 đã biểu diễn quan hệ giá trị thực nghiệm của nhiều loại vật liệu P/ϕ với độ cứng của vật liệu. Sự trùng hợp giữ kết quả tính toán theo Pugh và giá trị đo đ−ợc là tốt. Lực ép đùn cần thiết so với giá trị tính toán là độ dao động ±25%. Hình 4.12- Sự phụ thuộc của áp suất ép đùn vào góc mở khuôn 2α và vào vật liệu (a) cũng nh− vào góc mở khôn 2α và tỷ lệ tiết diện Ao/A1 (b)-(1kbar=100MPa=100N/mm) 100 áp suất tính toán th−ờng nhỏ hơn áp suất tĩnh khi bắt đầu quá trình, sự tăng lên của áp suất tĩnh cũng có thể bỏ qua nếu phôi ép đ−ợc tạo côn tr−ớc đó. Việc tính theo lý thuyết độ dẻo cũng có thể tiến hành nh− cho ép đùn thông th−ờng. Các đại l−ợng đầu vào là kích th−ớc sản phẩm, độ biến dạng, góc mở khuôn 2α và số ma sát à. Nh−ng cần chú ý rằng khi ép đùn và ép chảy thủy tĩnh góc mở khuôn 2α nhỏ hơn, tổn hao do ma sát rất nhỏ (Số ma sát à nhỏ hơn 0,05). Các quá trình gần đúng sẽ cho kết quả chính xác hơn, đặc biệt là quá trình giới hạn trên. Đặc biệt đối với ép chảy thủy tĩnh đặc tiến thì Pugh và Avitor cho kết quả tốt nhất. Các hiệu chỉnh của Avitor đ−ợc phát triển trong với sự chú ý đến điều kiện bôi trơn thủy động. Quá trình giới hạn đã cho các kết quả nh− lực ép cần thiết, hình dạng khuôn cũng nh− ảnh h−ởng của các tham số nh− nhiệt độ đến quá trình ép. Các khảo sát ép chất dẻo cho kết quả về ứng suất từng vùng, sự thay đổi hình dạng và phân bố nhiệt độ. Hình 4.13. T−ơng quan giữa áp lực ép đùn P, độ biến dạng ϕ và độ cứng của phôi H của các vật liệu khác nhau - 1kbar=100MPa=100N/mm 101 Ch−ơng 5 kết quả nghiên cứu và một số hình ảnh về sản phẩm 5.1. Chế tạo phôi con tống kh−ơng tuyến nòng súng 12,7mm 5.1.1. Đặc điểm của sản phẩm Khi chế tạo nòng súng, sau khi tạo lỗ nòng súng bằng ph−ơng pháp khoan sâu hoặc rèn, ng−ời ta phải tạo đ−ợc lỗ nòng súng có độ cứng, độ bóng cao và có rãnh kh−ơng tuyến để viên đạn khi bay trong lòng súng nhận đ−ợc chuyển động quay và ổn định đ−ờng bay khi ra khỏi nòng súng. Để làm đ−ợc công việc trên cần có dụng cụ gọi là con tống. Con tống nòng súng th−ờng đ−ợc chế tạo từ hợp kim cứng với độ chính xác kích th−ớc và độ bóng bề mặt cao từ các phôi hình trụ. Các phôi này th−ờng có tỉ lệ chiều cao trên đ−ờng kính H/ỉ >3. Để tránh việc phân bố áp suất ép không đều theo chiều cao thỏi ép, dẫn đến phôi sau thiêu kết th−ờng bị cong vênh và đ−ờng kính không đều, ng−ời ta đã dùng ph−ơng pháp ép theo chiều h−ớng kính trong khuôn kín, mặc dù vậy vẫn không tránh khỏi sự phân bố áp suất ép không đều gây phế phẩm nhiều khi thiêu kết. Ph−ơng án tốt nhất để chế tạo phôi loại này là ph−ơng án ép thủy tĩnh 5.1.2. Tính toán khuôn ép thủy tĩnh phôi con tống nòng súng 12,7mm a/ Các dữ liệu ban đầu: * Kích th−ớc sản phẩm: Φ = 15mm, H = 42mm. Hình 5.1- Phôi con tống12,7mm Hình 5.2- Con tống 12,7mm 102 * Vật liệu chế tạo: BK10XOM. * Hệ số co ngót của vật liệu (theo số liệu Phòng VLĐC) αs = 0,2 (20%) => ∆ls = 0,8 • Tỉ phần nén tuyến tính ∆lc = 0,7 • Mật độ sản phẩm: Ds = 14,35 g/cm3. • Mật độ điền đầy: Df = 2,5 g/cm3 • Tỉ phần hao khi thiêu : ∆W = 0,98 • Hệ số nở trở lại : S = 0,0015 b/ Tính toán kích th−ớc khuôn và kích th−ớc vật ép Để ép đ−ợc phôi hình trụ theo yêu cầu của chi tiết ta chọn ph−ơng pháp −ớt (wet bag), túi co (collapsing bag) nh− hình vẽ trên. • Tính toán kích th−ớc khuôn ép: - Đ−ờng kính trong khuôn ép: Xuất phát từ điều kiện về tính bảo tồn khối l−ợng ta có: 1. Lồng đỡ (support cage) 2. Túi đàn hồi (Elastic bag) 3.Nắp trên nắp d−ới đàn hồi (Elastic covers) 4. Bột hợp kim Hình 5.3- Khuôn ép thủy tĩnh con tống nòng súng 12,7mm 103 mf. ∆w = ms mặt khác mf = Df . πR2f . Hf ms = Ds . πR2s . Hs do đó: Df. πRf 2. ∆w = Ds. πR2s .Hs Từ đó rút ra : ff ss sf HwD HDRR . . .∆ = trong đó 56.08.07.0 ==∆= Σ xlH H f s thay số liệu vào ta có: mm x xRf 58.1398.05.2 56.035.145.7 == do đó ỉk = 13,58 x 2 = 27,17mm mm l HH sk 7556.0 42 ==∆= Σ • Tính toán phôi ép: Rc = Rs : ∆ls = 7,5:0,8 = 9,375mm ỉc = 9,375 x 2 = 18,75mm mm l HH s s c 5.528.0 42 ==∆= • Tính toán khối l−ợng vật liệu và mật độ phôi ép: - Khối l−ợng chi tiết: ms = Ds. πR2s.Hs = 14,35 . 3,1416 . 0,752 . 4,20 = 106,5 g - Khối l−ợng bột cho 1 chi tiết mf = ms: ∆w= 106,5 : 0,98 = 108,6g - Mật độ phôi ép: Dc = Ds .( ∆ls)3 = 14,35 . 0,83 = 7,347 g/cm3 104 - Tỉ số nén thể tích: 939.2 5.2 347.7 === f c D Dβ Bảng 5.1- Kích th−ớc sản phẩm ép và phôi ép ỉ(mm) H(mm) Mật độ D Trọng l−ợng vật liệu (g) Lòng khuôn 27,12 75 2,452 108,6 Phôi ép 18,75 52,5 7,347 108,6 Chi tiết 15 42 14,35 106,5 5.1.3. Tiến trình công nghệ Công nghệ chế tạo phôi con tống cho nòng súng 12,7mm theo tiến trình sau a/ Chuẩn bị nguyên vật liệu: - BK10XOM: Thành phần phối liệu nh− sau - WC: Độ tinh khiết lớn hơn 99,5%, kích th−ớc hạt d <10àm : 89% - Co: Độ tinh khiết lớn hơn 99,5%, kích th−ớc hạt d <5àm : 10% - Cr3C2: Độ tinh khiết lớn hơn 99,5%, kích th−ớc hạt d <5àm : 1% Hình 5.4- Khuôn ép phôi con tống nòng súng 12,7mm 105 * Nghiền trộn −ớt (cồn tuyệt đối 99%) trong bình thép không gỉ, bi bằng hợp kim cứng, máy nghiền bi quay: Tỉ lệ bi bột/ bột là 5:1 ; tỉ lệ choán chỗ 1/3, tốc độ 70 v/phút, thời gian nghiền trộn: 72 giờ. * Sấy khô trong tủ sấy chân không, nhiệt độ 600C, thời gian 24h. *Trộn keo: Keo cao su (70g crếp trong 1 lít xăng ch−ng cất) 150ml cho 1000 g bột hợp kim * Tạo hạt: Tạo hạt qua rây 0,2mm. Sau đó đựng trong túi PE dán kín. b/ ép thủy tĩnh * Nạp bột vào khuôn: - Dùng một ống phụ, tăng chiều cao khuôn lên 125mm đổ đủ l−ợng bột đã tính toán vào khuôn (đổ 1 lần) - Lắp khuôn lên máy đầm rung: tần số 1Hz (~50 lần / phút) biên độ rung 10mm, rung cho đến khi l−ợng bột nằm toàn bộ trong khuôn. - Lắp tấm bịt khuôn trên. - Xoay chiều khuôn, lắp lại trên máy đầm rung, đầm tiếp 1 phút. * ép thủy tĩnh Đ−a khuôn đã nạp bột vào buồng ép thủy tĩnh và ép theo sơ đồ áp suất thủy tĩnh nh− sau: 10 1 30 10 P (MPa) Hình 5.5- Giản đồ áp suất ép thủy tĩnh 106 c/ Thiêu kết sản phẩm: Mẫu sau khi tháo khỏi khuôn ép đ−ợc sấy trong tủ sấy chân không, nhiệt độ sấy 600 C, thời gian 12h, sau đó đ−ợc xếp vào thuyền nung bằng graphit, phủ bằng hỗn hợp bột gồm 80% Al2O3 và 20% bột graphit, tiến hành thiêu kết trong lò Taman, khí bảo vệ: hydro khô theo giản đồ nhiệt sau: 5.1.4. Kết quả và thảo luận a/ Kết quả đo các thông số hình học của phôi ép và chi tiết: Bảng 5.2- Kết quả đo các thông số hình học tr−ớc hiệu chỉnh No áp suất ép (MPa) L−ợng bột (g) ỉc (mm) ∆lỉc (%) Hc (mm) ∆lHc (%) ỉs (mm) Hs (mm) ∆lỉs (%) ∆lHs (%) 1 100 108,5 18,3~18,5 67,72 52,5 80,43 14,6 42,5 80,43 80,35 2 120 107,5 18,3~18,4 67,53 52,3 80,65 14,8 42 80,65 80,3 3 150 106 18,3~18,4 67,53 52,3 80,65 14,8 42 80,65 80,3 ỉc, ỉs: Đ−ờng kính phôi ép và đ−ờng kính sản phẩm Hc, Hs: Chiều cao phôi ép và chiều cao sản phầm ∆lỉc, ∆lỉs: Tỉ phần co tuyến tính của phôi ép và sản phẩm theo đ−ờng kính ∆lHc, ∆lHs: Tỉ phần co tuyến tính chiều cao của phôi ép và sản phẩm Hình 5.6- Giản đồ nhiệt thiêu kết phôi con tống 1430 500 T 90 120 200 240 t (phút) 107 Nhận xét: Qua số liệu của bảng trên, nhận thấy áp suất ép chỉ cần 100 MPa là đủ, kích th−ớc ỉ của phôi ép ch−a đạt kích th−ớc yêu cầu, vì vậy cần hiệu chỉnh lại kích th−ớc lòng khuôn lên ỉf = 28mm.D−ới đây là kết quả đo kích th−ớc hình học của phôi ép và sản phẩm sau khi đã sửa khuôn. Bảng 5.3- Kết quả đo các thông số hình học sau hiệu chỉnh No P (MPa) m (g) ỉc (mm) ∆lỉc (%) Hc (mm) ∆lHc (%) ỉs (mm) ∆lỉs (%) Hs (mm) ∆lHs (%) 1 100 108,5 18,6~18,65 66,52 52,5 70 15,1 81,07 42,5 80,95 2 100 107,5 18,5~18,6 66,25 52,3 69,73 14,9 80,32 42,1 80,3 3 100 106,5 18,7~18,8 66,96 52,2 69.37 15,0 80,0 42 80,45 Sau khi sửa khuôn, kích th−ớc của sản phẩm đạt yêu cầu đề ra. b/ Kết quả kiểm tra cơ lí tính. Kết quả kiểm tra khối l−ợng riêng bằng ph−ơng pháp cân Archimed, đo độ cứng trên máy đo độ cứng Rockwel thang A (HRA) và đo độ bền uốn trên máy kéo nén FM-1000 đ−ợc trình bày trong bảng d−ới đây: Bảng 5.4- Cơ lí tính của sản phẩm No Khối l−ợng riêng (g/cm3) Độ cứng HRA Độ bền uốn σu (MPa) 1 14,36 89 1900 2 14,33 89 1850 3 14,30 90 1850 4 14,36 89 1920 5 14,42 89 1920 TB 14,354 89 1888 Các thông số trên đạt các chỉ tiêu theo tiêu chuẩn của Nga GOST 3882-74 108 Hình 5.7- A: Phôi ép trong khuôn thép sau thiêu kết bị nứt B: Phôi ép trong khuôn thép và ép lại thủy tĩnh không bị nứt Hình 5.8- Phôi con tống nòng súng 12,7mm 109 Kết luận: Dùng ph−ơng pháp ép thủy tĩnh thay thế cho ph−ơng pháp ép trong khuôn kín trong công nghệ chế tạo phôi con tống nòng súng 12,7mm cho phép tránh đ−ợc phế phẩm ở dạng nứt, cong vênh do trong ph−ơng pháp ép thủy tĩnh, áp suất ép đ−ợc phân bố đồng đều trên toàn bộ bề mặt sản phẩm ép. Chất l−ợng của sản phẩm cũng tốt hơn, điều đó đ−ợc chứng minh trên thực tế sử dụng phôi con tống chế tạo bằng ph−ơng pháp ETT để chế tạo con tống nòng súng 12,7 mm ở nhà máy Z111, Tổng cục Công Nghiệp Quốc Phòng (phụ lục: phiếu kết quả phân tích). Mặc dù thời gian thao tác ép dài hơn nhiều so với ph−ơng pháp ép trong khuôn kín, đ−a đến năng suất lao động thấp, song với qui mô sản xuất nhỏ, giá thành nguyên vật liệu đặc biệt cao thì ph−ơng pháp ép thủy tĩnh đ−a lại hiệu quả kinh tế cao hơn nhiều do tránh đ−ợc phế phẩm và nâng cao chất l−ợng sản phẩm. Kết quả của những nghiên cứu này cho phép khuyến nghị dùng ph−ơng pháp ETT thay cho ph−ơng pháp ép trong khuôn kín trong công nghệ chế tạo phôi con tống nòng súng các cỡ và các chi tiết có hìng dáng t−ơng tự. Một trong những biện pháp nâng cao chất l−ợng của nón đồng đặc biệt là loại trừ hiện t−ợng tạo thành “texture” khi dùng công nghệ dập là ph−ơng pháp tạo hình nón đồng bằng ph−ơng pháp ép thủy tĩnh đi từ bột đồng. 5.2. Chế tạo nón đồng cho đạn chống tăng 5.2.1. Đặc điểm sản phẩm Nón đồng cho các loại đạn dùng nguyên lí đạn lõm là một chi tiết quan trọng trong đầu đạn xuyên dùng trong quân sự nh− đạn chống tăng hoặc đạn trong công nghiệp nh− đạn gọi dầu (trong kỹ thuật mở rộng lỗ khoan dầu khí). Tr−ớc đây và hiện nay ở n−ớc ta vẫn chế tạo nón đồng bằng ph−ơng pháp dập nhiều b−ớc từ các tấm đồng M0 và M1. Quá trình dập phải trải qua nhiều b−ớc công nghệ, l−ợng đề xê khá lớn, nh−ng quan trọng hơn là công nghệ dập không cho phép loại đ−ợc “texture” làm cho cấu trúc tế vi của nón đồng không đồng nhất dẫn đến độ xuyên của nón đồng không cao. 110 5.2.2. Chọn giải pháp công nghệ. Để ép đ−ợc phôi nón đồng từ bột đồng đạt các kích th−ớc cho trong bản vẽ chúng tôi đã chọn ph−ơng pháp −ớt (wet bag) túi co (collapsing bag) với lõi côn bằng thép (with conic mandrel). Sơ đồ khuôn ép đ−ợc trình bày trên văn bản vẽ d−ới đây: 1. Lồng đỡ 2. Túi cao su 3. Lõi côn 4. Bột đồng Hình 5.9- Cấu tạo của khuôn ép nón đồng Hình 5.8- Nón đồng đạn B41-K 111 5.2.3. Tính toán các kích th−ớc cơ bản của khuôn Theo kinh nghiệm thiêu kết các chi tiết có hình côn thì góc côn không thay đổi trong quá trình, do đó góc tạo côn nón 550 vẫn giữ nguyên - Tính chiều dày của sản phẩm ép: Chiều dày của nón đồng d = 2mm. Chiều dày của vật ép dc = d: ∆ls Đối với bột đồng khi thiêu kết, tỉ phần co tuyến tính ∆ls th−ờng dao động trong khoảng 0,70 ~0,80, ở đây chọn ∆ls =0,75 do đó chiều dày thành vật ép : dc = d:∆ls = 2 : 0,75 = 2,67mm - Tính chiều cao của sản phẩm ép: Chiều cao sản phẩm ép đ−ợc quyết định bởi đ−ờng sinh của vật ép ; do vật ép khi thiêu kết sẽ co theo đ−ờng sinh Đ−ờng sinh nón ls đ−ợc tính từ chiều cao Hs: mmHl ss 55.84887.0 75 2 55cos 75 2 cos ==== α Vậy đ−ờng sinh của phôi nón lc sẽ là lc = ls : ∆ls = 84,55 : 0,75 =112,73mm Từ đó tính ra chiều cao của phôi ép Hc = lc . cos α/2 = 112,73. 0,887 = 99,99 mm~ 100mm và bán kính trong của miệng nón phôi ép là Rc= lc . sin α/2 = 112,73. 0,4617 = 52,05mm Đ−ờng kính trong của phôi ép : ỉc = 2Rc = 52,05 x 2 = 104,1mm. - Kích th−ớc trong của phôi ép cũng là kích th−ớc của lõi côn, cho nên kích th−ớc của lõi côn sẽ là: Chiều cao Hc = 100mm 112 Đ−ờng kính đáy ỉc = 104mm Góc đỉnh αc = 550 - Tính kích th−ớc của túi đàn hồi Với giả thiết tỉ phần nén tuyến tính ∆lc là 0,7 ta có thể tính đ−ợc khoảng cách giữa lòng trong của túi đàn hồi và lõi nh− sau: df = dc : ∆lc = 2.67 : 0.7 = 3.81mm Đ−ờng kính của miệng túi đàn hồi là; mm d R fcf 6.112)887.0 81.352(2) 2 cos (2 =+=+= αφ Từ đó có thể tính ra chiều cao của lòng côn túi đàn hồi mm108 5206.0 3.56 2 tg2 H ff ==α φ= Nh− vậy túi đàn hồi có kích th−ớc lòng trong nh− sau Chiều cao Hf = 108 mm Đ−ờng kính đáy ỉf = 112,6 mm Chiều dày túi chọn 0,7mm Trên cơ sở tính toán trên khuôn ép thẳng tính nón đồng có kích th−ớc nh− sau: Hình 5.10- Kích th−ớc cơ bản của khuôn ép nón đồng 113 5.2.4. Tiến trình công nghệ a/ ép thủy tĩnh: - Chuẩn bị nghuyên liệu : Bột đồng điện phân độ sạch Cu≥ 99% Chất kết dính : dung dịch parafin trong xăng Tỉ lệ trộn: 170ml / 1000g bột đồng Tạo hạt qua rây 0,2mm - Điền đầy bột trong khuôn: Vì lòng khuôn hẹp, bột đồng lại có độ chảy thấp nên đã chọn ph−ơng pháp điền đầy khuôn bằng cách đầm đều - ép theo sơ đồ tăng tăng giảm áp nh− sau : b/ Thiêu kết: Nón đồng đ−ợc chụp lên đồ gá có dạng hình chóp, đỉnh có góc 550 làm bằng sét chịu nhiệt + graphit đảm bảo cho nón đồng không bị sứt vỡ khi đặt trong bao nung và đ−ợc phủ bằng than hoạt tính, cũng nh− loại trừ đ−ợc hiện t−ợng méo khi thiêu kết . Bao nung bằng graphit, quá trình thiêu kết đ−ợc tiến hành trong lò giếng dùng thanh đốt SiC, theo giản đồ nhiệt d−ới đây Hình 5.11- Giản đồ áp suất ép đẳng tĩnh nón đồng 150 10 30 10 P (MPa) 114 5.2.5. Kết quả và thảo luận Các phôi ép nón đồng đ−ợc kiểm tra kích th−ớc và trọng l−ợng tr−ớc và sau khi thiêu kết ; kết quả đ−ợc trình bày trong bảng d−ới đây Bảng 5.5- Kích th−ớc của phôi ép và nón đồng thành phẩm Phôi ép Nón đồng thành phẩm No Hc(mm) ỉc(mm) dc(mm) m(g) Hs ỉs ds m 1 101 104 2,76 205 75,8 87,3 2,1 198 2 100 103,5 2,71 207 75,3 87,5 2,0 201 3 101,5 104,5 2,78 217 76,1 87,2 2,15 205 Để đánh giá độ đồng nhất của vật liệu đã tiến hành đo khối l−ợng riêng của 3 mẫu cắt ra từ 3 vị trí nằm theo đ−ờng sinh của nón đồng, kết quả cho thấy sự sai lệch về khối l−ợng riêng là không đáng kể, khối l−ợng riêng đạt 92% so với khối l−ợng riêng lý thuyết của đồng (γ= 8,94g / cm3) t−ơng đ−ơng với khối l−ợng riêng của đồng ở trạng thái đúc (xem phụ lục: phiếu kết quả phân tích). Hình 5.12- Giản đồ nhiệt thiêu kết nón đồng trong lò MTF-2000 250 1000 T C 3 60 120 180 t (phút) 115 Kết luận: Bằng ph−ơng pháp ép thủy tĩnh đã đ−a ra đ−ợc ph−ơng pháp chế tạo nón đồng bằng ph−ơng pháp luyện kim bột, khác hẳn với ph−ơng pháp chế tạo nón đồng đang hiện hành ở các nhà máy quốc phòng. Ph−ơng pháp này cho phép tạo đ−ợc các nón đồng có độ đồng nhất cao về tính chất cơ lý trên toàn sản phẩm, đặc biệt tránh đ−ợc hiện t−ợng “texture” hậu quả đ−ơng nhiên của ph−ơng pháp dập từ phôi tấm. Để có thể đ−a vào sản xuất, cần hoàn thiện thêm về dụng cụ ép và công nghệ ép, thiêu kết để sản phẩm đạt đ−ợc độ chính xác yêu cầu và tiến hành thử nghiệm thực tế để đánh giá chất l−ợng của sản phẩm sản xuất bằng ph−ơng pháp luyện kim bột. 5.3. Chế tạo bi nghiền bằng gốm Al2O3 5.3.1. Đặc điểm sản phẩm: Bi nghiền bằng gốm kết cấu nền Al2O3 dùng để nghiền sạch nguyên liệu đầu vào cho ngành công nghiệp gốm sứ, cũng nh− cho việc sản xuất các vật liệu gốm cao cấp dùng cho chế tạo máy. N−ớc ta có nghành công nghiệp gốm sứ rất Hình 5.13- Nón đồng đạn chống tăng B41-K (trên) Nón đồng đạn gọi dầu (d−ới) 116 phát triển, song lại ch−a sản xuất đ−ợc bi gốm cao cấp bằng Al2O3 nên vẫn phải nhập ngoại mỗi năm hàng trăm tấn. Bi gốm Al2O3 có dạng hình cầu với đ−ờng kính tùy theo yêu cầu của thiết bị nghiền. Đ−ờng kính bi gốm có thể từ vài mm đến 20mm dùng trong các thiết bị nghiền tinh trong phòng thí nghiệm đến kích th−ớc 30mm, 40mm, 50mm dùng trong các máy nghiền bi công nghiệp. Độ cứng của bi gốm Al2O3 rất cao th−ờng lớn hơn 10GPa và đồng đều, tạo cho viên bi có tính chống mòn cao, đồng thời vẫn giữ nguyên đ−ợc dạng hình cầu khi bị mòn trong quá trình sử dụng lâu dài. Khối l−ợng riêng của bi gốm Al2O3 khá cao th−ờng từ 3,2g/cm3 đến 4,5g/cm3 tùy theo thành phần khoáng của bi ; tạo cho bi có động năng lớn để đạt hiệu quả nghiền cao. 5.3.2. Chọn ph−ơng án tính toán và thiết kế khuôn ép Nung chuyển hóa γ => α Bột Al2O3 Nghiền trộn Tẩm keo tạo hạt Ep tạo hình Thiêu kết Sản phẩm Phụ gia tăng bền MgO, ZrO2(Y2O3) Dung dịch keo PVA Hình 5.14- Sơ đồ công nghệ chế tạo bi gốm 117 Qui trình công nghệ chế tạo bi nghiền bằng gốm Al2O3 có thể tóm tắt trong sơ đồ công nghệ (hình 5.14) Trong sơ đồ công nghệ trên, ép tạo hình là 1 trong 3 công đoạn chính của quá trình công nghệ. Có nhiều ph−ơng pháp tạo hình trong công nghệ gốm nh−ng đối với việc sản xuất bi gốm, ph−ơng pháp tạo hình bằng ép đẳng tĩnh nguội là ph−ơng pháp thích hợp nhất. Để nghiên cứu ép đẳng tĩnh phôi bi nghiền chúng tôi chọn ph−ơng pháp ép giả đẳng tĩnh (quasi- isostatic) trong khuôn cao su, là ph−ơng pháp cho năng suất và chất l−ợng phôi cao. a/ Tính bán kính của phôi ép: * Dữ liệu ban đầu; . Đ−ờng kính bi thành phẩm ỉc : ỉ10, ỉ20, ỉ30 . Khối l−ợng riêng = 3,6 g/cm3 . Hệ số co ngót khi thiêu kết: αs=15% (theo “Nghiên cứu các biện pháp tăng bên gốm kết cấu nền Al2O3 “) . Mật độ lắc của bột Al2O3 : Df =0,47Ds (theo A. Eksi và S. Saritas) . • Bán kính của phôi ép: ; ls RoRc ∆= trong đó : sls α−=∆ 1 Thay số liệu vào ta có - Đối với bi ỉ10 ;88.5 15.01 5 mmRc =−= Φc =2Rc=11.76mm - Đối với bi ỉ20 ;76.11 15.01 10 mmRc =−=  Φc =2Rc=23.53mm 118 - Đối với bi ỉ30 ;65.17 15.01 15 mmRc =−=  Φc =2Rc=35.3mm b/ Tính bán kính của khuôn ép: ; Σ∆ = l RoRf 333 )().( s f s f sf D D l D D llDD =∆>−−−=∆>−−−∆= ΣΣΣ Theo dữ liệu ban đầu 7775.047.047.0 3 =>−−−=>−−−= s f s f sf D D D D DD Từ đó tính ra bán kính trong của khuôn ép: - Đối với bi ỉ10 ;43.6 7775.0 5 mmRf == Φf =2Rf=12.86mm - Đối với bi ỉ20 ;86.12 7775.0 10 mmRf == Φf =2Rf=25.72mm - Đối với bi ỉ30 ;29.19 7775.0 15 mmRf == Φf =2Rf=38.58mm 5.3.3. Tiến trình công nghệ chế tạo bị nghiền a/ Chuẩn bị nguyên vật liệu: - α Al2O3 độ sạch 98,5%, độ hạt < 10àm: tỉ lệ: 100% 119 - MgO độ sạch 99%, độ hạt 5àm, tỉ lệ 0,5% so với Al2O3 - Nghiền trộn trong máy li tâm hành tinh, bình nghiền bằng gốm Al2O3, bi nghiền bằng gốm ZrO2; tỉ lệ bi : bột là 5 : 1, tốc độ 1200 vòng/phút, thời gian nghiền trộn: 5 giờ. - Sấy khô trong tủ sấy hút ở nhiệt độ 1200C trong 5 giờ - Trộn keo: dung dịch 5% PVA trong n−ớc: với liều l−ợng là 170ml/1000g bột - Tạo hạt qua rây 0,5mm - Đựng trong túi PE dán kín b/ ép giả đẳng tĩnh: * Xác định l−ợng bột cho từng loại khuôn theo công thức m = γ.V/ ∆w trong đó V : thể tích viên bi γ : khối l−ợng riêng viên bi = 3,6 g/ cm3 ∆w : tỉ phần hao khi thiêu ∆w= 0,97 Hình 5.15- Khuôn cao su ép giả đẳng tĩnh bi gốm 120 - Đối với bi ỉ10 thì m10 = 1,95g - Đối với bi ỉ20 thì m20= 15,55 g - Đối với bi ỉ30 thì m30 = 52,46 g * Điền đầy lòng khuôn của từng loại bi bằng l−ợng bột t−ơng ứng * ép trên máy ép thủy lực theo giản đồ tăng giảm áp nh− hình 4.16 c/ Thiêu kết: Hình 5.16- Giản đồ áp suất ép bi gốm 120 10 10s 2s P (MPa) Hình 5.17- Giản đồ nhiệt thiêu kết bi gốm trong lò Nabertherm 2 2,5 3,5 5,3 6,3 t(h) 1650 250 T C 1200 121 * Bi sau khi ép và lấy khỏi khuôn đ−ợc xếp vào khay thép không gỉ, đ−a vào tủ sấy hút, sấy ở 1200C trong vòng 8 giờ * Xếp bi vào lò thiêu kết Nabertherm: trên tấm gốm của lò có phủ lớp oxyt nhôm dày 0,5cm, rồi xếp bi lên trên. * Tiến hành thiêu kết theo giản đồ nhiệt sau: 5.3.4. Kết quả và thảo luận * Bi đ−ợc đo kích th−ớc tr−ớc và sau khi thiêu kết, kết quả đ−ợc trình bày trong b