Hiện tượng biến dạng phôi là một trong những thách thức lớn nhất đối với kỹ sư cơ khí, ảnh hưởng trực tiếp đến độ chính xác kích thước và dung sai hình học. Biến dạng không chỉ xảy ra sau khi nhiệt luyện mà còn xuất hiện ngay trong quá trình cắt gọt.

Dưới đây là cẩm nang chi tiết về nguyên nhân và các giải pháp thực chiến để loại bỏ hiện tượng này.
 

Biến dạng nhiệt

 

1. Biến dạng nhiệt của dụng cụ cắt gọt

Do nhiệt sinh ra trong quá trình cắt, lưỡi cắt và thân máy trở nên nóng, gây biến dạng và giãn nở đầu cắt, dẫn đến thay đổi kích thước của phôi gia công.

Độ giãn dài của lưỡi dao có liên quan đến chiều dài phần mở rộng của lưỡi dao, kích thước mặt cắt ngang, độ dày của lưỡi dao và độ sắc bén của cạnh cắt. Chiều dài phần mở rộng của lưỡi dao càng dài thì độ giãn dài càng lớn; diện tích mặt cắt ngang của lưỡi dao tỷ lệ nghịch với độ giãn dài; lưỡi dao càng dày thì độ giãn dài càng nhỏ.
 

2. Biến dạng nhiệt của máy công cụ

Do nhiệt lượng sinh ra từ quá trình cắt gọt và ma sát giữa các chi tiết máy, một số bộ phận của máy công cụ có thể bị biến dạng do nhiệt, chẳng hạn như biến dạng hộp trục chính máy tiện, điều này có thể làm tăng chiều cao tâm trục chính và gây ra sự dịch chuyển ngang. Tâm trục chính sẽ nâng lên và dịch chuyển theo chiều ngang một lượng nhất định.
 

3. Biến dạng nhiệt của phôi

Do quá trình cắt và gia công, phôi sẽ nóng lên và nhiệt độ tăng cao. Có hai loại gia nhiệt phôi: gia nhiệt cân bằng và gia nhiệt không cân bằng; Gia nhiệt cân bằng sẽ làm thay đổi kích thước của phôi trong khi vẫn giữ nguyên hình dạng; Khi gia nhiệt không cân bằng xảy ra, không chỉ kích thước của phôi thay đổi mà hình dạng cũng thay đổi.

Nhiệt độ khi đạt trạng thái cân bằng gia nhiệt quyết định nhiệt độ, khối lượng và nhiệt dung riêng của phôi, đồng thời cũng liên quan đến các thông số cắt gọt.

Khi tốc độ cắt tăng, nhiệt độ của phôi giảm dần; Khi tốc độ tiến dao tăng, nhiệt lượng truyền vào phôi giảm; Khi tốc độ tiến dao tăng, nhiệt độ của phôi tăng.

Tuy nhiên, cần lưu ý rằng khi các điều kiện khác như nhau, phôi càng nặng thì biến dạng nhiệt càng nhỏ. Khi gia công các phôi thành mỏng có biên độ lớn, biến dạng sẽ lớn hơn. Nhiệt độ tăng lên trong quá trình gia công vật liệu đặc chỉ bằng khoảng một nửa so với ống có cùng chiều dài và đường kính.

Khi gia công các chi tiết dạng tấm mỏng, hình dạng của chi tiết sẽ thay đổi do hiện tượng gia nhiệt một phía. Ví dụ: khi cắt bỏ một lượng lớn kim loại từ một phía của chi tiết, phía đó sẽ nóng lên và chi tiết sẽ bị biến dạng. Nếu tiếp tục gia công phía còn lại trước khi chi tiết nguội hẳn, nó sẽ làm biến dạng chi tiết.

Khi phôi gia công tiếp xúc với ánh nắng mặt trời hoặc nhiệt độ cao, phần bên ngoài sẽ nóng lên trong khi phần bên trong vẫn lạnh, điều này cũng có thể khiến phôi bị xoắn. 

Biến dạng do ứng suất bên trong

Khi có ứng suất bên trong bề mặt của một chi tiết mà không có tải trọng bên ngoài, ứng suất này được gọi là ứng suất nội. Ứng suất nội cân bằng với nhau, do đó không có sự thay đổi đáng kể nào trên bề mặt bên ngoài. Ứng suất nội đôi khi đạt đến gần giới hạn gây hỏng, nhưng về mặt hình thức thì không khác gì các chi tiết không có ứng suất nội.

Các nguyên nhân gây ra căng thẳng nội tâm như sau:
 

1. Ứng suất bên trong của vật đúc

Sau khi đổ kim loại lỏng vào khuôn, thể tích của nó sẽ co lại trong quá trình đông đặc và làm nguội. Trong quá trình co lại, sự co ngót có thể bị cản trở bởi khuôn hoặc do sự chênh lệch nhiệt độ giữa các phần khác nhau của vật đúc trong quá trình làm nguội, khiến mỗi phần bị giãn dài hoặc co lại, tạo ra ứng suất bên trong.
 

2 Ứng suất bên trong của các sản phẩm rèn và các bộ phận được xử lý nhiệt

Ứng suất bên trong của các sản phẩm rèn và các chi tiết được xử lý nhiệt chủ yếu là do quá trình làm nguội không đều trong quá trình gia công nóng. Nhìn chung, nguyên nhân gốc rễ của ứng suất bên trong sinh ra trong quá trình gia công nóng là do sự chênh lệch nhiệt độ ở các vị trí khác nhau khi vật liệu chuyển từ trạng thái dẻo sang trạng thái đàn hồi, hoặc do sự thay đổi cấu trúc bên trong của kim loại.
 

3. Ứng suất bên trong trong quá trình gia công nguội (cán nguội, kéo nguội, cán nguội, ép nguội, đột dập, cán, v.v.)

Trong quá trình gia công nguội, bề mặt của phôi được làm cứng và xuất hiện ứng suất bên trong lớp kim loại trên bề mặt. Sau khi loại bỏ lớp ứng suất, ứng suất ngay lập tức được phân bố lại, gây ra biến dạng như xoắn các thanh, tấm, đĩa, v.v.

Nếu vật liệu không có ứng suất bên trong, thì ứng suất bên trong cũng sẽ phát sinh do quá trình hiệu chỉnh nguội. Đối với hiệu chỉnh nhiệt, đó là một thao tác rèn phổ biến và được thực hiện ở trạng thái được nung nóng. Nói chung, nó không tạo ra bất kỳ ứng suất bên trong nào.
 

4. Ứng suất bên trong sinh ra do quá trình cắt gọt

Ứng suất bên trong cũng có thể được tạo ra trong quá trình cắt gọt, và đặc tính của nó tương tự như đã đề cập ở trên; Ví dụ, do gia công thô, ứng suất được tạo ra trong lớp bề mặt của phôi, gây ra biến dạng phôi. Trong quá trình gia công tiếp theo, lớp ứng suất này bị loại bỏ, do đó hình dạng của phôi cần phải được thay đổi lại. Ứng suất bên trong vẫn xảy ra trong quá trình gia công chính xác, nhưng do lượng cắt gọt nhỏ ở thời điểm này, tác động của ứng suất bên trong được tạo ra là tối thiểu. Tất nhiên, cần phải đặc biệt chú ý đến các chi tiết cần độ chính xác cao.

Vậy làm thế nào để loại bỏ căng thẳng nội tâm? Thông thường, có thể sử dụng các phương pháp sau:

- Các phương pháp loại bỏ ứng suất bên trong trong vật đúc

Đối với các sản phẩm đúc, chúng có thể được đặt ngoài trời trong 6-18 tháng trước khi gia công cơ khí (hoặc sau khi gia công thô). Phương pháp xử lý lão hóa nhân tạo cũng có thể được sử dụng, bao gồm việc chuyển sản phẩm đúc đã đông đặc vào lò nung ở nhiệt độ 100-200 ℃, sau đó từ từ nâng nhiệt độ lên 500-600 ℃, giữ ở nhiệt độ này trong thời gian dài, rồi làm nguội rất chậm.

- Các phương pháp loại bỏ ứng suất bên trong trong các sản phẩm rèn (bao gồm cả các chi tiết cán nóng)

+ Treo vật cần gia công trong 1-2 tuần và dùng búa gõ vào vật đó trong 10-20 phút mỗi ngày để thực hiện quá trình lão hóa nhân tạo.

+ Sau quá trình xử lý lão hóa ở nhiệt độ cao để gia công thô và trước khi gia công bán chính xác, phôi được nung nóng đến 550 ℃, giữ ở nhiệt độ đó trong 6-8 giờ, sau đó làm nguội đến 300-200 ℃ trước khi lấy ra khỏi lò để làm nguội.

+ Xử lý lão hóa ở nhiệt độ thấp: Sau khi gia công bán chính xác và trước khi gia công chính xác, phôi được nung nóng trong dầu đến khoảng 180 ℃, giữ trong 24 giờ, sau đó làm nguội.

- Các phương pháp loại bỏ ứng suất bên trong trong các chi tiết gia công

Đối với các chi tiết gia công cơ khí, cần áp dụng nguyên tắc phân tán quy trình, nghĩa là chỉ tiến hành gia công thô toàn bộ chi tiết trước khi gia công chính xác từng chi tiết. Đồng thời áp dụng phương pháp chiều sâu cắt nhỏ và nhiều đường cắt để loại bỏ hoặc giảm ứng suất bên trong.
  

Biến dạng do lực kẹp và lực cắt gây ra

Trong quá trình gia công, do các phương pháp kẹp phôi khác nhau và tác động của lực cắt, có thể xảy ra biến dạng phôi. Có một số trường hợp thường gặp:
 

1. Xoay trục dọc

Khi gia công các trục dài, người ta thường sử dụng hai đầu kẹp cứng để giữ phôi, nhưng phương pháp này dễ làm cong phôi. Bởi vì ở giai đoạn này, nếu phôi bị nóng, sẽ không còn khoảng trống để giãn nở và sẽ xảy ra hiện tượng cong vênh. Thông thường, có thể thực hiện các biện pháp sau:

• Một đầu được kẹp chặt bằng mâm cặp, đầu còn lại được đỡ bằng một đầu cứng.
• Một đầu được kẹp chặt bằng mâm cặp, đầu còn lại được đỡ bằng một đầu đàn hồi.
• Một đầu được kẹp chặt bằng mâm cặp, đầu còn lại được trang bị ổ bi lăn lắp trong ống lót ở cuối bệ máy.

Mâm cặp tự định tâm ba chấu nhỏ, có khả năng xoay và kẹp.
 

2. May ống tay áo thành mỏng

Khi gia công ống lót thành mỏng, nếu sử dụng mâm cặp tự định tâm ba chấu để kẹp phôi, rất dễ làm biến dạng phôi. Trong trường hợp này, có thể thực hiện các biện pháp sau:

• Sử dụng ống lót có rãnh để bao phủ phôi và kẹp chặt bằng mâm cặp tự định tâm ba chấu để gia công tiện.
• Lỗ bên trong dài hơn được bịt kín bằng các nút hình nón ở cả hai đầu, và hai đầu nhọn nằm ở lỗ trung tâm của nút hình nón. Một lỗ nhỏ được khoan trên nút hình nón để tạo điều kiện cho việc thoát khí nóng ra khỏi lỗ phôi trong quá trình gia công.
• Tăng diện tích tiếp xúc giữa càng kẹp và phôi. Thông thường, thép chưa tôi được hàn vào ba càng kẹp của mâm cặp tự định tâm ba chấu, và bề mặt hình cung tròn được gia công theo đường kính của phôi được kẹp, sau đó phôi được kẹp để gia công. Tất nhiên, cần phải nhận biết càng kẹp khi nạp và dỡ phôi.
• Xoay vòng tròn ngoài và lỗ trong nhiều lần. Sử dụng lượng cắt nhỏ hơn để xoay vòng tròn ngoài và lỗ trong theo trình tự, sau đó xoay vòng tròn ngoài và lỗ trong.
• Xoay đồng thời vòng tròn bên ngoài và lỗ bên trong.
• Áp dụng phương pháp kẹp dọc trục cho phôi.
• Nếu số lượng chi tiết gia công ít và ngắn, có thể gia công ống lót trong một lần lắp đặt, sau đó có thể cắt các chi tiết ra khỏi mâm cặp.

 

3. Gia công các bộ phận của ổ đỡ ổ trục

Khi gia công các loại chi tiết này, chúng thường được lắp đặt và kẹp chặt trên một tấm đỡ hình hoa hoặc một thanh sắt hình tam giác, lấy mặt phẳng đáy làm mặt chuẩn. Ngoài việc chú ý đến các điểm trên, tốt nhất là nên cạo và mài mặt phẳng chuẩn.
 

4. Gia công tiện hai mặt đầu của các chi tiết tấm mỏng

Khi gia công các chi tiết như vậy, việc đáp ứng yêu cầu độ phẳng của hai mặt đầu không dễ dàng. Tốt nhất là nên sử dụng hai dao cùng lúc để gia công, với cùng tốc độ cắt, lượng cắt ngược và tốc độ tiến dao, từ vòng ngoài vào tâm. Cách này có hiệu quả nhất định.
 

Kết luận

Việc kiểm soát hiện tượng biến dạng phôi không chỉ dừng lại ở kiến thức lý thuyết mà là một nghệ thuật điều phối giữa nhiệt độ, ứng suất và lực cơ học. Một kỹ sư cơ khí giỏi không chỉ biết cách cắt gọt nhanh mà phải biết cách "lắng nghe" vật liệu để đưa ra các quyết định xử lý phù hợp.

Bài viết liên quan:

• Gia công tiện là gì? Các phương pháp và quy trình tiện chuẩn
• Những vật liệu nào có thể gia công bằng CNC?
• Tại sao sản phẩm gia công bị biến dạng sau khi nhiệt luyện?