Chương 8: Cấu trúc sản phẩm và các bước tạo hình
Tại hiện trường dập nguội thường xảy ra một tình huống như sau:
Cùng một mác thép, cùng một quy cách, khi sản xuất bu lông thông thường thì rất thuận lợi; nhưng khi chuyển sang sản phẩm đầu lớn, mặt bích mỏng, lỗ sâu hoặc nhiều bậc lại bắt đầu xuất hiện hiện tượng đầy vật liệu không đủ, nếp gấp, lệch tâm, thậm chí nứt gãy.
Lúc này, phản ứng đầu tiên của nhiều người là: liệu có phải do nguyên liệu đợt này không đạt chất lượng?
Thực ra, vật liệu vẫn vậy, điều thay đổi chính là yêu cầu của sản phẩm về việc “vật liệu phải di chuyển như thế nào”.
Dập nguội không đơn giản chỉ là ép ngắn thanh thép, mà là phân bổ lại lượng vật liệu hữu hạn theo cấu trúc sản phẩm.
Trong chương này, chúng ta chưa bàn đến vật liệu, lớp màng phủ hay thiết bị, mà chỉ tập trung vào việc cấu trúc sản phẩm và các bước tạo hình đã làm thay đổi dòng chảy của vật liệu ra sao.
Sơ đồ tuyến đường tạo hình đa vị trí: mỗi vị trí chỉ thực hiện một phần chuyển dịch vật liệu.
I. Trong quá trình dập nguội, vật liệu đã đi đâu?
Trong suốt quá trình dập nguội, vật liệu không tự nhiên sinh thêm cũng không tự nhiên biến mất, mà chỉ di chuyển từ vị trí này sang vị trí khác.
Vật liệu thừa ở phần đầu đến từ phôi ban đầu nằm phía thân; đường kính mặt bích tăng lên đồng nghĩa với việc vật liệu phải chảy từ tâm ra ngoài; khi sản phẩm cần có lỗ bên trong, vật liệu còn phải vòng qua trụ đục để tái phân bố xung quanh lỗ.
Có thể hiểu dập nguội như việc vạch ra lộ trình cho vật liệu:
Phần nào sẽ chảy về phía trước;
Phần nào sẽ chảy ra phía ngoài;
Vị trí nào sẽ biến dạng trước;
Vị trí nào sẽ được hoàn thiện sau;
Hoàn thành ngay một lần, hay chia thành nhiều công đoạn tại từng vị trí.
Lộ trình càng trực tiếp, sự thay đổi càng nhẹ nhàng thì vật liệu càng dễ dàng được định hình đều; ngược lại, lộ trình càng dài, góc cua càng gấp thì khu vực cục bộ càng dễ phát sinh bất thường.
II. Những cấu trúc sản phẩm nào đòi hỏi cao hơn về khả năng di chuyển của vật liệu?
1. Phần đầu to, phần thân nhỏ
Thể tích phần đầu càng lớn thì lượng vật liệu cần dồn về đó càng nhiều.
Nếu dồn một khối lượng lớn vật liệu về phần đầu cùng lúc, vùng trung tâm có thể đã bị nén chặt, trong khi phần rìa vẫn chưa kịp trải đều, dẫn đến tình trạng cuối cùng là thiếu hụt vật liệu, nếp gấp cục bộ hoặc nứt gãy ở mép.
2. Mặt bích có đường kính lớn nhưng độ dày rất mỏng
Mặt bích mỏng tưởng như sử dụng ít vật liệu, nhưng thực tế lại rất khó tạo hình.
Vật liệu phải di chuyển ra phía ngoài với khoảng cách khá xa, đồng thời vẫn phải duy trì độ dày đồng đều của mặt bích. Sự di chuyển giữa vùng trung tâm và vùng rìa không diễn ra đồng bộ, khiến phần rìa thường trở thành điểm yếu dễ tổn thương nhất.
Vì vậy, đối với các sản phẩm mặt bích lớn, không chỉ cần chú ý đến đường kính cuối cùng, mà còn phải xem xét cách thức từng bước đưa vật liệu đến tận phần rìa.
3. Bậc thang thay đổi đột ngột, vị trí chuyển tiếp quá gấp
Khi sản phẩm từ đường kính lớn đột ngột chuyển sang đường kính nhỏ, hoặc giữa các phần liền kề thiếu sự chuyển tiếp mềm mại, vật liệu giống như gặp phải khúc cua gấp đột ngột.
Một phần vật liệu bị chặn lại, phần còn lại tiếp tục tiến lên, khiến tại ranh giới giữa hai vùng dễ xuất hiện hiện tượng chồng chất, nếp gấp hoặc biến dạng không đều.
4. Lỗ sâu, lỗ hẹp dài hoặc kết cấu thành mỏng
Khi đục lỗ bên trong, vật liệu không hề biến mất mà bị trụ đục ép dồn về xung quanh.
Lỗ càng sâu, thành càng mỏng thì yêu cầu đối với việc phân bổ vật liệu càng cao. Nếu công đoạn trước không chuẩn bị tốt, khi cố ép tạo hình ở công đoạn sau sẽ dễ dẫn đến tình trạng độ dày thành không đều, vị trí lỗ bị lệch hoặc hư hỏng cục bộ.
3. Tại sao không thể hoàn thành mọi thứ chỉ trong một bước gia công?
Sản phẩm đơn giản có thể được định hình ngay từ lần đầu tiên vì quãng đường di chuyển của vật liệu ngắn và hướng chảy của vật liệu cũng khá đơn nhất.
Nếu sản phẩm phức tạp cũng muốn “hoàn thành một bước”, điều đó giống như việc cố gắng để nhiều phương tiện cùng lúc đi qua một ngã tư rất hẹp: dù đích đến đã rõ ràng, nhưng ở giữa lại không có đủ không gian để phân luồng dòng xe.
Giá trị của phương pháp dập nguội nhiều vị trí chính là chia nhỏ những biến đổi quá lớn diễn ra trong một lần:
Vị trí gia công trước chuẩn bị hình dạng phôi phù hợp;
vị trí gia công trung gian dẫn hướng vật liệu đến đúng vị trí cần thiết;
các vị trí sau hoàn thiện kích thước, biên dạng và các chi tiết cục bộ.
Ví dụ, đối với sản phẩm mặt bích lớn, đầu tiên có thể tạo thành phần đầu phôi có độ dày lớn và kích thước nhỏ, sau đó dần mở rộng ra bên ngoài, cuối cùng mới hoàn thiện kích thước của mặt bích.
Làm như vậy không phải đơn thuần là tăng thêm số lượng vị trí gia công, mà là để mỗi vị trí chỉ đảm nhận một nhiệm vụ chủ yếu.
Hình ảnh thực tế tại máy dập nguội nhiều vị trí: sản phẩm được định hình dần qua từng vị trí gia công khác nhau.
4. Có phải càng nhiều vị trí gia công thì càng tốt?
Cũng không hẳn như vậy.
Nếu bố trí các bước gia công không hợp lý, vật liệu có thể chảy ra ngoài ở bước trước, rồi lại bị ép nén ngược vào bên trong ở bước kế tiếp; những phần vừa mới được hình thành lại bị thay đổi đáng kể, khiến sự biến dạng tập trung hơn nữa.
Để đánh giá xem các bước gia công có hợp lý hay không, có thể xem xét ba vấn đề sau:
Trong mỗi bước, vật liệu chủ yếu chảy về đâu?
Hướng chảy giữa hai bước liền kề có liên tục không?
Có bước nào đột nhiên phải đảm nhận phần lớn sự biến đổi hình dáng hay không?
Một quy trình định hình tốt là giúp vật liệu tiến dần tới hình dạng cuối cùng, chứ không phải liên tục thay đổi hướng đi.
5. Vì sao cùng một loại vật liệu, nhưng khi làm sản phẩm khác thì hiệu quả lại khác nhau?
Bản thân vật liệu cung cấp khả năng biến dạng, còn kết cấu sản phẩm quyết định cách sử dụng khả năng này.
Đối với bu lông thông thường, mức độ biến dạng yêu cầu khá nhẹ nhàng, vật liệu vẫn còn dư thừa khá nhiều; nhưng khi chuyển sang các kiểu đầu to, mặt bích mỏng, lỗ sâu hoặc bậc ren phức tạp, thì cùng loại vật liệu ấy có thể đã gần chạm tới giới hạn định hình theo quy trình hiện tại.
Vì vậy:
Sản phẩm thông thường được sản xuất bình thường không chứng minh được rằng sản phẩm phức tạp nhất định sẽ ổn;
khi sản phẩm phức tạp gặp sự cố, cũng không thể lập tức kết luận rằng vật liệu không đạt tiêu chuẩn;
phải xem xét đồng thời cả vật liệu, kết cấu sản phẩm và quy trình định hình.
6. Tại hiện trường nên tiến hành kiểm tra như thế nào?
Đừng chỉ tập trung vào sản phẩm cuối cùng bị nứt ở công đoạn cuối.
Một phương pháp hiệu quả hơn là lần lượt xếp các mẫu từ từng công đoạn, rồi đối chiếu quan sát:
Vấn đề bất thường xuất hiện sớm nhất từ công đoạn nào;
Ở bước nào đường kính hoặc chiều cao có sự thay đổi lớn nhất;
Vật liệu có bị dồn ứ đột ngột tại một vị trí nhất định hay không;
Các phần mặt bích, đầu sản phẩm hoặc thành lỗ có được định hình dần dần hay không;
Sau khi điều chỉnh hình dạng tiền tạo hình, vị trí bất thường có thay đổi hay không.
Nếu ở những công đoạn trước đã xuất hiện tình trạng dòng chảy không đều, thì ở khuôn cuối cùng thường chỉ làm khuếch đại và bộc lộ vấn đề mà thôi.
Lúc này, nếu chỉ thay vật liệu hoặc liên tục chỉnh sửa khuôn cuối cùng thì thường không thể thực sự giải quyết được vấn đề; điều cần làm hơn cả là kiểm tra lại xem việc phân bổ vật liệu ở các công đoạn trước đã hợp lý chưa.
Quan điểm của kỹ sư
Bản vẽ sản phẩm cho chúng ta biết sản phẩm cuối cùng phải đạt yêu cầu như thế nào, còn các mẫu từng công đoạn lại cho thấy vật liệu đã đi đến đó bằng cách nào.
Khả năng biến dạng của vật liệu là nền tảng cơ bản; cấu trúc sản phẩm xác định đích đến; các bước tạo hình quy định vật liệu sẽ theo tuyến đường nào để tới đích.
Chương 8 chỉ cần ghi nhớ một câu:
Vật liệu có dễ dàng rèn ép hay không không chỉ phụ thuộc vào bản thân vật liệu, mà còn phụ thuộc vào việc sản phẩm định hướng nó chảy đi đâu và chia thành mấy lần chảy.
Khi đánh giá xem vật liệu rèn nguội có phù hợp hay không, Creation Group không chỉ dựa vào mác thép, quy cách và số liệu thử nghiệm, mà còn kết hợp với bản vẽ sản phẩm, đường kính nguyên liệu, số lượng công đoạn và các mẫu từng công đoạn để đưa ra nhận định.
Nếu bạn cũng gặp trường hợp “cùng một loại vật liệu, sản phẩm thông thường dễ rèn ép, nhưng đổi sang một cấu trúc khác thì lại phát sinh vấn đề”, bạn có thể gửi cho tôi bản vẽ sản phẩm, thông số vật liệu, các mẫu từng công đoạn và vị trí xảy ra bất thường. Tôi sẽ giúp bạn trước tiên xác định xem nguyên nhân là do khả năng biến dạng của vật liệu kém, hay do quá trình biến dạng tập trung vào những công đoạn không phù hợp.
Giới thiệu kỳ sau
Chương 9: “Cùng một loại vật liệu và khuôn, vì sao đổi sang một thiết bị khác thì hiệu quả lại khác biệt?”
Chương tiếp theo sẽ tập trung phân tích độ cứng vững của thiết bị, độ đồng tâm, hệ thống cung cấp dầu bôi trơn và cân bằng nhiệt trong quá trình sản xuất liên tục, cũng như cách chúng làm thay đổi cửa sổ quy trình thực tế.