Định hình khối Rèn kim loại
Các chi tiết được chế tạo bằng phương pháp rèn Hình 1 (a) Sơ đồ các bước rèn dao. (b) Càng đáp máy bay C5A và C5B. (c) Máy rèn thủy lực 445 MN (50,000 ton). Nguồn: (a) Courtesy of the Mundial LLC. (b and c) Courtesy of Wyman-Gordon Company.
Rèn nhằm mục tiêu thay đổi cấu trúc hạt kim loại nhằm nâng cao cơ tính 2 Sơ đồ mô tả cấu trúc hạt mắt xích chế tạo bằng các phương pháp khác nhau: (a) Chế tạo bằng phương pháp đúc. (b) Chế tạo bằng phương pháp cắt gọt. và (c) Chế tạo bằng phương pháp rèn. Nguồn: Courtesy of Forging Industry Association.
Đặc điểm phương pháp rèn khác nhau
Chồn (Upsetting) với Độ phình (Barreling) Hình 3 (a) Phôi (billet) hình trụ được chồn (upset) giữa hai mặt khuôn (dies) phẳng. (b) Khi ma sát thấp phôi biến dạng đều. (c) Khi ma sát cao phôi sẽ có dạng phình ở giữa như thùng rượu (barrel). Thuật ngữ barreling of the billet chỉ sự phình ở giữa của phôi khi chồn do ảnh hưởng của lực ma sát giữa phôi và mặt khuôn.
Vuốt (Cogging) Hình 4 (a) Sơ đồ nguyên công vuốt (cogging) kéo dài một thanh chữ nhật. Thợ rèn ( Blacksmiths) sử dụng nguyên công này để giảm chiều dày (do đó tăng chiều dài) bằng cách đập phôi giữa đe (anvil) và búa (hammer). (b) Giảm đường kính bằng nguyên công vuốt. (c) Giảm bề dày (tăng đường kính vành khi rèn vành (ring forging) trên khuôn hở (open-die) - còn gọi là rèn tự do.
Rèn khuôn (Impression-Die Forging) Hình 5 (a) đến (c) Các giai đoạn rèn khuôn một phôi tròn. Quá trình ép phôi rèn trong lòng khuôn sẽ tạo ra bavia (flash), do phần kim loại dôi ra. Flash sẽ được xén bỏ (rimmed off) (Hình 7). (d) Các thuật ngữ và đặc trưng cơ bản của khuôn rèn.
Chèn khuôn (Die Inserts) Hình 6 Các chèn khuôn (Die inserts) được sử dụng khi rèn khớp nối trục (axle housing) xe ô tô.
Rèn thanh tròn Tạo rãnh (Fullering), &Viền mép (Edging) Hình 7 (a) Các bước rèn thanh truyền động cơ. Chú ý lượng ba via (flash) ần tính toán để bảo đảm kim loại điền đầy lòng khuôn. (b) Tạo rãnh và (c) viền mép nhằm mục đích bảo đảm khả năng điền đầy kim loại vào lòng khuôn.
Lự khi rèn khuôn
Xén bavia (Trimming Flash) sau khi rèn Hình 8 Sơ đồ xén bavia từ chi tiết sau rèn. Phần mõng nhất bên trong sẽ được đột bỏ (punching).
Rèn khuôn kín (Closed-Die Forging) Rèn không bavia (Flashless Forging) Hình 9: So sánh giữa rèn khuôn kín với bavia (hình bên trái) và rèn chính xác (precision - rèn không bavia, bên phải) phôi tròn. Nguồn After H. Takemasu, V. Vazquez, B. Painter, and T. Altan.
Phương pháp dập nổi (Coining) (b) Hình 10 (a) Sơ đồ mô tả phương pháp dập nổi (coining). Phương pháp dập nổi (dập tiền) trước đây được thực hiện bằng phương pháp rèn khuôn hở không chính xác và thiếu độ sắc nét. (b) Phương pháp hiện đại hơn (dùng khuôn kín) giúp sản phẩm chính xác và sắc nét. Nguồn: Courtesy of C & W Steel Stamp Co., Inc.
Chồn đầu (Heading) Hình 11 (a) Phương pháp chồn đầu (Heading) tạo đầu vis / đinh / rivet. (b) Các bước tạo hình đầu bulong.
Sự kéo dài hạt tạo thớ khi rèn Hình 12 Mặt cắt phôi tròn được lói (pierced) cho thấy sự kéo dài hạt tạo thành thớ. (xem hình 12c). Nguồn: Courtesy of Ladish Co., Inc.
Chốt có bậc (Stepped Pin) Hình 13 (a) Phương pháp chồn đầu có thể ứng dụng để tạo các chốt có bậc.(b) Các bước tạo ra chốt có bậc. Nguồn: Courtesy of National Machinery, LLC.
Tóp (Swaging) Hình 14 (a) Sơ đồ mô tả quá trình tóp trên máy tóp quay (rotary-swaging). (b) Quá trình định hình khi tóp ống. (c) Quá trình đóng mở khuôn khi tóp trục tạo bậc. (d) Các chi tiết tóp điển hình. Nguồn: Courtesy of J. Richard Industries.
Tóp có lỏi (mandrel) và không lỏi Hình 15 (a) Tóp ống không lỏi; sau khi tóp bề dày thành ống tăng lên. (b) Tóp với lỏi ; bề dày thành ống tăng lên tùy thuộc vào đường kính lỏi. (c) Các tiết diện điển hình được tạo hình bởi phương pháp tóp (nhờ tiết diện lỏi). Khương tuyến (Rifling) trong nòng súng cở nhỏ cũng được chế tạo bằng phương pháp này.
Tình rèn (Forgeability) xếp theo thứ tự kém dần
Khuyết tật rèn Hình 16 Các khuyết tật điển hình của chi tiết rèn. (a) Chồng mép (Laps) hình thành trên bản thành (web) do biến dạng khi rèn; bề dày bản thành cần tăng để bảo đảm ổn định khi nén. (b) Các khuyết tật bên trong gây ra kích thước phôi quá lớn. Lòng khuôn được điền đầy quá sớm và kim loại ở phần trung tâm chảy qua bộ phận khuôn đã được điền đầy.
Phạm vi tốc độ của các thiết bị rèn
Các nguyên lý của các máy rèn khác nhau Hình 17 Sơ đồ mô tả các nguyên lý hoạt động của các máy rèn. (a) Máy rèn cơ theo nguyên lý trục lệch tâm; Trục lệch tâm có thể thay thế bằng trục khuỹu. (b) Máy ép kiễu đốt khuỹu (Knuckle-joint). (c) Máy ép trục vis (Screw press). (d) Máy ép thủy lực (Hydraulic press).
Giá thành chi tiết rèn (Cost-per-piece) Hình 18 Cấu trúc giá thành chi tiết rèn ((cost-per-piece); chú ý ảnh hưởng của các yếu tố cấu thành giá thành rèn theo số lượng chi tiết.
So sánh giá thành thanh truyền chế tạo bằng phương pháp đúc và rèn. Hình 19 So sánh tương đối giá thành đơn vị giữa thanh truyền chế tạo bằng phương pháp rèn và phương pháp đúc. Chú ý khi sản lượng tăng lên thì phương pháp rèn có giá thành thấp hơn. Đúc khuôn cát chỉ có hiệu quả khi sản lượng thấp hơn 20,000.
Ví dụ bộ treo xe Ô tô Lotus Elise Hình 20 (a) Xe thể thao Lotus Elise Series 2; (b) Thiết kế nguyên bản bộ treo đứng (trên bên phải) sản xuất bằng phương pháp ép (extrusion); (c) Thiết kế mới dùng thép rèn; (d) tối ưu thiết kế bằng thép rèn xe thế hệ mới. Nguồn: Courtesy of Lotus Engineering and the American Iron and Steel Institute.
So sánh giá thành ví dụ trên