Tính toán thiết kế máy tóp quay

Qúa trình tóp quay là trạng thái khác nhau của gia công kim loại bằng áplực, tạo ra sự thay đổi hình dáng của phôi theo yêu cầu của bản vẽ bằng sựtác động có chu kỳ của khuôn, khuôn thực

Lời nói đầu

Trong xu hớng phát triển công ngiệp hiện đại ngày nay, ngành gia công kim loại băng áp lực càng nổi bật tính tiên tiến và vai trò quan trọng

đặc biệt của mình, nó cho năng suất rất cao mà nền công nghiệp hiện đại

đòi hỏi.

Ngành gia công kim loại bằng áp lực có thể gia công các chi tiết từ

đơn giản đến phức tạp, với độ chính xác khá cao, cơ tính, lý tính tốt và hơn nữa các chi tiết đều có thể tiến hành gia công đợc một cách dễ dàng, hiện nay trong nhiều công việc ngành gia công cắt gọt lại phải chuẩn bị phôi cho ngành gia công áp lực.

ở nớc ta ngành gia công áp lực (rèn dập) đã có từ lẫu đời, nhng so với các nớc tiên tiến trên thế giới ngành gia công áp lực (rèn dập) của ta còn non yếu Trong nền kinh tế hiện nay của nớc ta ngành gia công áp lực chắc chắn sẽ đợc Đảng và nhà nớc ta chú ý phát triển vì nó là tiền đề của sản xuất hàng loạt – tính kinh tế cao. tính kinh tế cao.

Muốn đẩy mạnh sự phát triển của gia công kim loại bằng áp lực chúng ta cần phải có đủ thiết bị phục vụ cho nó từ thô sơ đến hiện đại Trong thực tế cuộc sống nói chung và trong ngành cơ khí nói riêng có rất nhiều các chi tiết đợc chế tạo bằng phơng pháp tóp quay hay rèn quay.

Tóp quay (rèn quay) là phơng pháp cao tốc (thuộc dạng gia công kim loại bằng áp lực) chế tạo các chi tiết có tiết diện đối xứng trục thay đổi từ các phôi ban đầu Có nhiều dạng khác nhau: dạng trục với một hoặc nhiều bậc khác nhau, trục côn, trục chính, trục mũ của máy kéo sợi, các loại kim khâu, nan hoa xe đạp, xe máy, trục đồng hồ …; dạng ống (các ống bằng vật ; dạng ống (các ống bằng vật liệu inox để chế tạo lan can cầu thang, các đồ dùng gia dụng trong nhà nh bàn, ghế …; dạng ống (các ống bằng vật ), các loại ống có hình dạng phức tạp, kì dị tuỳ theo yêu cầu sử dụng.

áp dụng phơng pháp tóp quay so với phơng pháp tiện có u điểm hơn hẳn: đảm bảo tiết kiệm kim loại một cách đáng kể, giảm số nguyên công xuống vài lần, nâng cao độ bền và đặc tính cơ lý tốt hơn nhiều.

Phơng pháp gia công kim loại bằng tóp quay không chỉ tăng tính kinh

tế khi sử dụng phôi mà nó còn cho phép nhận đợc các chi tiết có độ chính xác, độ bóng cao so với các nguyên công kết thúc nh mài và đánh bóng.

Việc thành lập máy có đặc tính ổn định và tin cậy, khi làm việc sẽ liên quan chặt chẽ đến khả năng công nghệ rộng rãi của quá trình tóp quay khi gia công các dạng khác nhau của chi tiết máy.

Độ bền chủ yếu của các chi tiết là: con lăn, vòng cách, đầu búa, khuôn, truc chính…; dạng ống (các ống bằng vật

Nhợc điểm của máy là gây tiếng động khi làm việc, điều đó làm giảm phạm vi áp dụng của phơng pháp tiên tiến này vào các ngành khác nhau của chế tạo máy.

Trong các sản phẩm của tóp quay, ta chú ý đến sản phẩm dạng ống bằng inox là mặt hàng đang đợc các công ty trong và ngoài nớc yêu cầu cung cấp với số lợng rất lớn.

Vấn đề ở đây là ngiên cứu và thiết kế máy để chế tạo các chi tiết (phôi) dạng ống bằng vật liệu inox, dạng trục nhỏ nh trục đồng hồ, kim khâu, …; dạng ống (các ống bằng vật Nếu vấn đề này thành công sẽ có ý nghĩa rất quan trọng, hàng năm

sẽ giảm đợc một lợng ngoại tệ đáng kể để nhập các phôi đó vào Việt Nam.

Bộ môn Gia công áp lực- khoa Cơ Khí, trờng Đại Học Bách Khoa Hà Nội giao cho em nhiệm vụ tính toán và thiết kế máy để chế tạo các chi tiết dạng trục, dạng ống bằng phơng pháp tóp quay Sau một thời gian nghiên cứu, tìm tòi và đợc sự giúp đỡ của các thầy cô giáo trong bộ môn, đặc biệt đ-

ợc sự giúp đỡ rất nhiệt tình và chu đáo của thầy giáo Đỗ Văn Phúc em đã hoàn thành đồ án theo thời gian đã định Nhng đây là một đề tài hết sức mới mẻ do trình độ và kiến thức có hạn, thêm vào đó điều kiện và thời gian rất hạn chế nên đồ án này tuy bớc đầu đã hoàn thành nhng chắc chắn còn rất nhiều thiếu sót, để đa đồ án này hoàn chỉnh rất mong đợc sự đóng góp ý kiến của các thày , các cô trong bộ môn cùng các bạn đồng nghiệp.

Mọi ý kiến đóng góp của đọc giả xin gửi về theo chỉ: Bộ môn Gia Công áp Lực phòng 305 – tính kinh tế cao. C5 Tr ờng Đại Học Bách Khoa Hà Nội.

Xin chân thành cảm ơn!

Phần I lý thuyết máy và công nghệ gia công

kim loại bằng tóp quay

Chơng I Sơ lợc quá trình tóp quay

1.1 Thực chất quá trình tóp quay

Qúa trình tóp quay là trạng thái khác nhau của gia công kim loại bằng áplực, tạo ra sự thay đổi hình dáng của phôi theo yêu cầu của bản vẽ bằng sựtác động có chu kỳ của khuôn, khuôn thực hiện chuyển động quay và chuyển

động hớng kính hoặc chỉ chuyển động hớng kính đối với trục phôi Trong khi

đó phôi có thể cố định hoặc chuyển động quay Khi sản phẩm có dạng hìnhvuông, tam giác và các tiết diện không tròn khác thì phôi đứng yên

Phôi có thể đặc hoặc rỗng (đa số trờng hợp), trục côn, trục vuông v.v.tuỳ theo hình dáng sản phẩm chế tạo

Thời gian từ nhát này tới nhát khác chỉ bằng một phần của giây (đến

áp dụng tóp quay có thể để gia công vật liệu chịu biến dạng dẻo lớn vàcả vật liệu ròn cao Từ thực tế thấy rằng tóp quay rất tốt đối với hợp kimnhôm, thép gió, vôn fram, môlipđen, vật liệu gốm và các vật liệu kém dẻokhác

Tóp vật liệu kém dẻo có thể tính theo sơ đồ biến dạng cơ học xảy ra khitóp quay Khi tóp quay cũng nh các dạng gia công bằng áp lực khác còn giữnguyên thể tích và tăng đặc tính bền của kim loại khi dập nguội, trong khi đógia công bằng cắt gọt thì giảm thể tích ban đầu, giảm chất lợng kim loại docắt vào thớ kim loại

Tóp quay từ phôi trụ có thể nhận đợc sản phẩm: trục một bậc hoặc một

số bậc, côn (chiều dài không lớn), trụ với phần giữa là nón, côn chiều dàilớn, frofin vớn phần côn riêng chữ nhật, tam giác, elíp và các tiết diện khôngtròn khác

Trong khuôn khổ đồ án chúng ta chỉ khảo sát sự thay đổi hình dạng phôikhi tóp hớng dọc và hớng ngang trong trờng hợp prôfin trụ, côn và chi tiếtvuông từ phôi trụ và sử dụng máy dạng con lăn

1.2 Sơ đồ cơ cấu tóp quay dạng con lăn và dạng cam - thanh truyền

Hình 1 1- Vòng ôm; 2- Đầu búa; 3- Con lăn; 4- Khuôn

5- Đệm điều chỉnh; 6- Vòng cách; 7- Trục chính; 8- Phôi

Hình2 1- Vòng ôm; 2- Vòng cách; 3- Con lăn; 4- Đầu búa;

5- Khuôn; 6- Đệm điều chỉnh; 7- Trục chính; 8- Phôi

H×nh 3 1- Vßng «m; 2- Vßng c¸ch; 3- Con l¨n; 4- §Çu bóa;

5- Khu«n; 6- §Öm ®iÒu chØnh; 7- Trôc chÝnh; 8- Ph«i

H×nh 4 1- Vßng «m; 2- Vßng c¸ch; 3- Con l¨n; 4- §Çu bóa

5- §Öm ®iÒu chØnh; 6- Khu«n; 7- Ph«i; 8- Trôc chÝnh; 9- Trôc chÝnh trong

9

H×nh 5 1- Vßng «m; 2- Vßng c¸ch; 3- Con l¨n; 4- §Çu bóa

5- Khu«n; 6- Trôc chÝnh; 7- Trôc chÝnh trong; 8- Ph«i

76

5

Hình 7 1- Trục lệch tâm; 2- Biên; 3- Con lăn ổ đỡ cố định;

4,5- Con lăn; 6- Đầu búa; 7- Phôi; 8- Trục chữ T9- Vỏ; 10- ổ đỡ bất động; 11- Khuôn dập

Hình 8 1- Trục lệch tâm; 2- Hộp điều chỉnh; 3- Bánh răng

4- Bánh răng trung tâm; 5- Biên; 6- Đầu búa có lắp khuôn dập

Nguyên lý chung là sự quay tơng đối của đầu búa và con lăn (vòngcách), mỗi khi tiếp xúc với con lăn, đầu búa sẽ đi vào nén phôi sau đó do lực

1 2 3 4

5

6 7

8 9

10

11

li tâm (khi trục quay) hoặc lò so (khi trục cố định) làm đầu búa đi ra và lạitiếp tục đến tiếp xúc với con lăn khác.

1.3 Phạm vi sử dụng và tham số cho phép của vật gia công

Tóp quay có thể gia công phôi nóng, nguội, phôi tròn, vuông, phôi đặc,rỗng, phôi cán nóng và phôi kéo nguội

Sự tạo hình mặt ngoài nhờ khuôn có hình dáng khoang làm việc tơng ứngvới bề mặt đã cho, còn cấu trúc bên trong của chi tiết rỗng, ống nhận đợcnhờ trục tâm

Phần lớn các nguyên công tóp quay đợc quy về:

1- Nhận đợc hình dáng côn, vuông, trụ (một hoặc nhiều bậc) cũng

nh prôfin phức tạp với phần trụ, côn trên bề mặt trong và ngoàicủa sản phẩm

2- Tạo ra trên trục, ngõng trục hình trụ côn phân bố trên một khoảng

cách nào đó kể từ bề mặt đầu của trục

3- Tạo đầu nhọn ở cuối sản phẩm

4- Dập tinh vật liệu thanh

Đờng kính nhỏ nhất có thể đạt đợc của tóp quay hạn chế bởi kích thớccủa rãnh khuôn, không cho phép kim loại đi vào khi nó làm việc Giới hạnthấp nhất là 0,3  0,4 mm, giá trị lớn nhất hạn chế bởi công suất của máy

và phụ thuộc các yếu tố nh: vật liệu sản phẩm, mức độ sản phẩm, mức độdập, đặc tính phôi (đặc, rỗng, nóng, nguội) Khi tóp quay phôi đờng kính đến

25 mm với thép thờng và thép hợp kim hợp lý là tóp nguội, còn lớn hơn thìdập nóng

Giá trị mức độ biến dạng trong một lần tóp phụ thuộc vào tính chất vàkích thớc vật liệu phôi Việc tăng hàm lợng các bon trong thép sẽ giảm giá trịtóp Giá trị tóp trong một nguyên công đến 40% so với diện tích đầu, là cực

đại đối với sản phẩm d = 20mm, khi tóp tiếp phải ủ Đối với sản phẩm đờngkính từ 1  5 mm, giá trị tóp từ diện tích đầu tiến hành đến 87% (ví dụ đốivới kim khâu, tuốc-lơ-vít, v.v…) còn với sản phẩm đ) còn với sản phẩm đờng kính 6 20 mmmức độ tóp đến 65% ( ví dụ nh các trục nhỏ)

Khả năng thực hiện mức độ dập cao với sơ đồ cơ học biến dạng (trang 85của [I]) là một tính u việt quan trọng của quá trình tóp quay so với quá trìnhkhác của gia công kim loại bằng áp lực Mức độ chính xác đạt đợc khi tópquay phụ thuộc trạng thái của khuôn, máy, kích thớc sản phẩm, và đặc tínhtiến hành (nóng hay nguội) Chính xác nhất nh chỉ ra trong bảng 9,10,11 của[I], độ chính xác đạt đợc khi tóp ở trạng thái nguội cao hơn tóp ở trạng tháinóng.

Bảng 9 Độ chính xác chế tạo các chi tiết hình trụ (mm)

Nguyên công Đờng kính

Tóp nóngTóp nguội

0,3

0,1

0,1

0,01Bảng 11 Độ chính xác và độ bóng bề mặt khi tóp nguội hớng kính

Tinh chỉnh thỏi …) còn với sản phẩm đ…) còn với sản phẩm đ

Tóp thanh …) còn với sản phẩm đ…) còn với sản phẩm đ…) còn với sản phẩm đ

Tóp trục chính …) còn với sản phẩm đ…) còn với sản phẩm đ

205410,5

17466,2

- 0,02

- 0,04-0,04-0,12-0,015-0,055

9 – tính kinh tế cao 10

7 – tính kinh tế cao 8

9 - 10

Máy kiểu con lăn đạt độ chính xác cao hơn máy lệch tâm Độ bóng của

bề mặt sản phẩm phụ thuộc vào trạng thái của khuôn (độ chính xác kích thớckhoang làm việc và độ bóng của nó) và máy, lợng chuyển phôi và loại phôi,trạng thái gia công (nóng hay nguội) v.v…) còn với sản phẩm đ

Với trạng thái hoàn hảo của khuôn (về độ chính xác kích thớc rãnh, độbóng bề mặt cao) và máy khi tóp nguội độ bóng bề mặt gia công nhận đợcrất cao Sản phẩm hình trụ d = 420 mm khi gia công hai đầu búa đạt độbóng bề mặt ∇ 10ữ∇ 11 Sau khi tóp quay trục từ thép X9C2 với d1 =11mm, d = 13mm độ bóng cao hơn mài 2  3 cấp Mài đạt ∇ 7ữ∇ 8 còntóp quay đạt ∇ 10ữ∇ 11 , khi tóp 4 đầu búa đạt ∇ 9ữ∇ 10

Máy dạng con lăn số lần tóp trong một phút đến 3000, còn máy tay quaythanh truyền 600  800 Tức là khi số lần tiếp xúc của khuôn và phôi lớnhơn thì độ bóng lớn hơn.

Khi giảm tiết diện đi 20% đảm bảo cải tiến đáng kể độ bóng bề mặt, nếumong muốn nâng cao độ bóng thì nâng mức độ biến dạng nhng không vợtcao quá Chất lợng bề mặt khi tóp phụ thuộc vào gia công cơ sơ bộ trên máytiện vì nhấp nhô bề mặt xuất hiện sau khi mài đợc san bằng càng tốt thì càngsắc (tuy rằng chiều sâu nhỏ hơn)

1.4 Đặc tính tóp quay

1.4.1 So sánh với các phơng pháp khác.

Tóp quay là một trong những phơng pháp gia công kim loại bằng áplực, thờng qui về quá trình rèn nhng thực chất nó không hoàn toàn nh vậy.Quá trình tóp quay có những đặc tính khác:

1 – tính kinh tế cao Khi rèn xảy ra hai biến dạng kéo và một biến dạng nén còn khitóp quay thì hai biến dạng nén và một biến dạng kéo

Ta thấy rằng khi đầu búa tiến đến tiếp xúc với phôi (đạt ϕmax ) thì nó

vẫn có hai biến dạng kéo nhng làm thay đổi thể tích rất nhỏ, tiếp theo dokhuôn quay làm kim loại thay đổi hình dáng theo chu kỳ thể tích kim loạitheo hớng trục I – tính kinh tế cao I chịu biến dạng nén theo hớng kính , tại thời điểm nàykim loại theo hớng trục III – tính kinh tế cao III chịu biến dạng kéo theo hớng trục, cứ tiếptheo nh vậy tại một thời điểm nào đó sẽ có một hớng chịu biến dạng kéo vàmột hớng chịu biến dạng nén Vậy mỗi phần thể tích kim loại đều chịu biếndạng chu kỳ kéo nén Với sai số không lớn ta có thể lấy sơ đồ với hai biếndạng nén và một biến dạng kéo Nhờ sơ đồ nh vậy khi tóp quay có điều kiệnbiến dạng dẻo lợi hơn so với rèn và đạt đợc mức độ biến dạng cao hơn

2 – tính kinh tế cao So với tóp quay: Rèn thờng khác là tải trọng va đập còn tóp quaytính đến số lần tóp đặc biệt lớn tác động lên sản phẩm - áp lực nhanh

Khi rèn dụng cụ làm việc tác động vào sản phẩm đến khi không tíchtrữ đợc năng lợng động Còn khi tóp quay cũng nh tóp hớng kính bằng phơngpháp dùng vận tốc của dụng cụ (đầu búa) với độ chính xác lớn đợc điềukhiển bằng chi tiết dẫn động

Mặt khác lợng kim loại bị biến dạng do đầu đi vào đã xác định chínhxác và tơng ứng với yêu cầu của sản phẩm Cơ bản tác động của máy tác

động con lăn là sự liên hệ động học giữa con lăn, đầu búa, khuôn và phôi.Tại thời điểm tiếp xúc của khuôn với phôi có vận tốc tích tụ, tính toán vậntốc này trong hành trình làm việc thay đổi theo đờng cong cứng, phụ thuộcchỉ vào đặc điểm động học của máy mà không phụ thuộc vào đặc tính phôi

Thực tế thấy thời gian tóp là 0,00103s Vận tốc chuyển động củakhuôn theo công thức 116 (trang 122 của [I]) v nππ=0 , 0047 m/s Máy tay

quay bắt đầu biến dạng v = 0,3 m/s Hành trình làm việc của khuôn khi tópquay đợc tính không chỉ bằng milimét mà bằng một phần milimét Trongthực tế nó bằng 0,5 mm Máy tay quay hành trình từ 70 đến 460 mm

Với hành trình bé và vận tốc khuôn nhỏ thấy rằng quá trình biến dạngkim loại thực hiện không tính đến tác động va đập mà tính tác động áp lực.Quá trình tóp quay đặc trng bằng sự đặt lực đồng thời của các phản lực P1 với

2 (hoặc 4) phía ngợc nhau của phôi Khi đó sơ đồ lực tác động hớng vào tâmcơ cấu tóp Đó là điều quan trong khi thiết kế máy tóp quay

Nh chỉ ra ở trên tóp quay đợc đặc trng bằng mức độ biến dạng khá lớntrong một hành trình: sản phẩm lớn q = 60% (40% diện tích đầu); sản phẩmnhỏ (kim khâu, các chi tiết trong đồng hồ v.v…) còn với sản phẩm đ) q = 87% diện tích đầu Điềunày giải thích nh sau:

a) Qúa trình tóp quay là tổng của số rất lớn lần tóp riêng, mà

mỗi lần tóp xảy ra biến dạng rất nhỏ Với mức độ biến dạngchung của phôi d = 8mm trong một hành trình q = 43,7%,mức độ biến dạng sau một lần tóp nằm trong giới hạn 1,1 1,45%

b) Diện tích tiếp xúc khuôn & phôi nén tơng đối nhỏ và quá

trình toàn bộ phôi chịu nén toàn diện

c) Sơ đồ cơ học biến dạng thành lập điều kiện thuận lợi để biến

dạng dẻo phôi

Việc chọn hợp lý phơng pháp này hay phơng pháp khác phụ thuộc vào

độ chính xác yêu cầu và độ bóng bề mặt, kích thớc sản phẩm, hình dáng của

nó, tơng quan chiều dài, tiết diện ngang và các yếu tố khác Vì khi chế tạochi tiết tròn đờng kính đến 20 mm với độ chính xác cao, độ bóng bề mặt cao,cũng nh đối với các chi tiết có tơng quan chiều dài và đờng kính lớn, hợp lý

là phơng pháp tóp quay nguội

áp dụng tóp quay để chế tạo một số chi tiết :

Quá trình tóp quay có một số u điểm so với gia công kim loại bằng cắtgọt:

1- Đạt tính kinh tế của gia công kim loại do trong quá trình gia

công không có phoi, kinh tế nhất là khi chế tạo các chi tiếtdạng côn chiều dài lớn

2- Tăng năng suất lên vài lần

3- Nâng cao độ chính xác gia công và độ bóng bề mặt

4- Loại trừ sự vận chuyển phôi.

5- Có khả năng tạo chi tiết hình trụ, côn có đờng kính nhỏ nhng

chiều dài lớn vì gia công trên máy tiện rất khó khăn do võng,uốn gây ôvan Tóp quay khắc phục uốn vì phôi đợc nén đều ởmọi tiết diện

6- Tăng tính chất cơ học (giới hạn bền, cứng) và cấu trúc kim

loại tốt hơn (có ý nghĩa đặc biệt lớn để tăng tuổi thọ của chitiết)

Ta lấy một số ví dụ thực tế:

*) Trục:

- Dùng tóp quay sẽ thay thế hàng loạt nguyên công tiện, mài

- Thời gian gia công tiết kiệm đợc 1,797 đến 0,907 phút tức là mỗi sảnphẩm mất 0,8 phút (giảm hai lần)

- Tiết kiệm kim loại :

+ Phôi tiện:  19,5 chiều dài l = 309,5mm

+ Phôi tóp:  19,5 chiều dài l = 200 mm

Mỗi chi tiết tiết kiệm đợc 101g hay 14%

- Độ bền tăng tạo điều kiện giảm nhỏ kích thớc: tiện 19,5 mm còntóp quay 10,5 14,5

*) Van máy kéo:

- Thay thế hàng loạt nguyên công: tiện, nắn, mài

- Giảm lợng phoi, hiệu quả kinh tế đạt 12  14%

- Tăng tính chất cơ học tạo điều kiện giảm kích thớc 10  15%

1.4.2 Đặc tính tóp phôi bằng khuôn dập theo hớng dọc và hớng ngang

Đối với chi tiết hình trụ hoặc hình nón có chiều dài không lớn phôi

đ-ợc truyền vào côn của khuôn quay Dới tác dụng của lực nén của khuôn gây

ra áp lực trên phôi và làm nó biến dạng, khi đó sẽ làm giảm tiết diện ngangcủa phôi và kim loại chảy theo hớng trục của phôi ở hớng chuyển động vàngợc lại Đầu tiên sự tiếp xúc của khuôn nón với phôi xảy ra từ đờng kínhlớn nhất của nón trên khoảng cách lH

a) b) c)

Hình 9 1- Phôi; 2 Khuôn dập

I Vị trí đầu của khuôn dập; II Vị trí cuối của khuôn dập

S – tính kinh tế cao Buớc truyền phôi

Trong đó: D - Đờng kính ngoài của khuôn

d - Đờng kính khởi đầu của phôi

 - Góc côn của khuôn

Khi truyền phôi vào phần côn của khuôn sau một lần tóp đi một chiềudài s thì thể tích kim loại dịch chuyển khi kết thúc lần tóp đầu tiên biểu diễnbởi giá trị:

mà ở phần trụ đi một lợng l x=s nữa (Hình 9c) Sau n lần dập đó có

Sau đây chúng ta nghiên cứu điều kiện tiếp xúc của đầu búa với bềmật phôi ở hớng tiết diện ngang phụ thuộc vị trí đầu búa tơng quan với conlăn

2 a(R p+r)

(5)

H×nh 10 §Çu bóa tiÕp xóc víi con l¨n.

1- Con l¨n; 2- Vßng c¸ch; 3- §Çu bóa;

4- DÉn híng ®Çu bóa; 5- Khu«n dËp;

2

O

2

1 7

0 2

Từ hình 10 ta thấy: a = b – tính kinh tế cao r(6)

Sự tiếp xúc đầu tiên của bề mặt khuôn và bề mặt phôi (biến dạng đầu)xẩy ra khi góc 0< α o<α ∧0< β o<β (Hình 11).

Đặc tính tạo hình ở tiết diện ngang và khi thay đổi vị trí của khuônphụ thuộc vào góc  mà tơng quan với phôi khi

K.S bán kính côncủa khuôn, Rg bán kính phôi), biểu diễn trên hình 12 Nh đã chỉ ra trên

hình giá trị góc β o ứng với sự tiếp xúc đầu tiên của búa với con lăn, khuôn

không tiếp xúc với con phôi – tính kinh tế cao vị trí I (Hình 12a)

Khi giảm góc  thì khuôn gần đến phôi và khi  = 1 tham gia tiếp xúcphôi ở điểm A (Hình 12b) – tính kinh tế cao vị trí II Khuôn côn ở biến dạng đầu búa tiếpxúc với phôi theo tiết diện ngang ở hai điểm và theo hớng dọc theo 2 đờng(AB)

Khi giảm góc  bề mặt tiếp xúc với phôi tăng Phôi khi đó cố địnhtrong quá trình tóp quay, còn trục chính quay xác định dới góc tơng ứng

2,3 …) còn với sản phẩm đn tơng ứng với trục I- I Nh vậy mỗi giá trị của góc quay của khuôntơng ứng với thể tích kim loại bị biến dạng

Góc trung gian  = 2 ứng với phần A1B1 trên phôi chịu sự thay đổihình dáng (phần gạch chéo hình12c) Giá trị 2 trên hình ứng với vị trí III củakhuôn Đến cuối quá trình tóp phôi chịu tác dụng nén sẽ biến dạng δ1 theoI−I và biến dạng kéo δ3 theo III – tính kinh tế cao III Khi đó kích thớc phôi theo trụcIII−III tăng, còn trục I – tính kinh tế cao I giảm.

Hình 12 Sự thay đổi hình dạng khi tóp phôi theo tiết diện ngang khi

Rks> Rg .

a- Vị trí biên bên trên của khuôn dập (khuôn không tiếp xúc với phôi).b- Khuôn dập bắt đầu tiếp xúc với phôi

c- Vị trí trung gian khuôn dập trong quá trình biến dạng

d- Vị trí biên bên dới của khuôn dập (kết thúc biến dạng)

Biến dạng kim loại kết thúc khi  = 0, ở thời điểm này khuôn ở vị tríthấp nhất và phôi biến thành hình elíp (gần tròn) Với kích thớc theo trục

1

I I

III

Rk.s

O O

1

2

S a

a B

j/2

s.tg/2

II

II

I−I : a'=d K

và theo trục III – tính kinh tế cao III : b '≈dg+2s.tg ϕ/2

(hình12d), trong đó dK - đờng kính cuối cùng của phôi sau tóp tại tiết diện a – tính kinh tế cao a,

với K - 1/2 chiều dày lớp

đệm, nằm giữa khuôn khi chế tạo ở khoang làm việc

Khi kết thúc tóp góc tiếp xúc giữa bề mặt khuôn và phôi trong khoảng

120  1500, điều đó đợc xác nhận bằng đặc điểm và giá trị bề mặt mài mòncủa khoang làm việc của khuôn

Sự tăng góc tiếp xúc giữa bề mặt khuôn và phôi đợc gây ra bằng sựchảy kim loại theo hớng vuông góc với hớng làm việc của khuôn

Sau khi tóp với sự thay đổi vị trí đầu của khuôn đối xứng trục I – tính kinh tế cao I(ứng với số con lăn) hình dạng elíp của tiết diện đợc coi là tròn (trong giớihạn cho phép) Trong khoảng thời gian khuôn làm việc tác động chu kỳ lênphôi theo hớng trục I – tính kinh tế cao I cũng nh III – tính kinh tế cao III do vậy nhận đợc hình tròn Khi

RKS< Rg và RKS> Rg− s tgϕ/2 sự tiếp xúc của khuôn với phôi ban

đầu xảy ra ở vị trí tiếp giáp đờng kính mép khoang làm việc (hình 13a) Khikhuôn làm việc sự tóp của phôi xảy ra trong vỏ phần tâm của khoang làmviệc mà ở phần mép (hình 13b) ở thời điểm kết thúc quá trình biến dạng sựtiếp xúc của khuôn với phôi thực hiện theo toàn bộ mặt của khuôn (hình13d)

I

III III

Hình 13 Sự thay đổi hình dáng tiết diện ngang khi tóp với

RKS> Rg− s tgϕ/2 và RKS< Rg .

1- Khuôn dập 2- Phôi

Với đặc điểm biến dạng đó ở thời điểm va chạm của mép khoang làmviệc của khuôn với phôi xuất hiện ứng suất lớn (so với áp lực trung bình) sovới bề mặt lớp tiếp xúc khác Khi bán kính tơng đối nhỏ khuôn tóp tròn đavào phôi gây ra sự cắt cục bộ bề mặt kim loại dẫn đến giảm độ chính xác vàbóng của phôi chế tạo, ngoài ra ở ổ biến dạng dòng kim loại chảy khó khăn ởhớng trục III – tính kinh tế cao III, điều đó cũng gây ra sự qúa tải (ứng suất) trong khuôn(góc tiếp xúc gần tới 180o) điều đó gây ra sự vỡ mép khuôn dọc theo khoanglàm việc

Khi RKS> Rg sự chảy kim loại ở phần mép với góc 15  300 với

h-ớng III – tính kinh tế cao III theo chu kì trong suốt quá trình biến dạng không đổi và góctiếp xúc lớn nhất của khuôn với phôi là 120  1500 Nh vậy không tạo áp lựcquá tải ở khoang làm việc của khuôn Biến dạng dẻo tiến hành đồng đều, tạokhả năng nâng cao độ bền của khuôn (ngăn sự tạo thành ma sát trong mánglàm việc)

Từ trên, chế tạo khuôn với RKS< Rg không thực hiện Vì vậy việc

nghiên cứu sau này chúng ta áp dụng điều kiện biến dạng kim loại khi

RKS> Rg Trong các điều kiện khảo sát thờng coi rằng vị trí con lăn tiếp

xúc với đầu búa không thay đổi Sự quay của con lăn xung quanh trục chính(có xảy ra trong đa số trờng hợp) không mang lại sự thay đổi nào trong đặctính biến dạng của kim loại, chỉ thay đổi góc nghiêng của khuôn với trụcphôi và cờng độ biến dạng trong cùng thời gian

1 O I

Vì trong trờng hợp vị trí con lăn không đổi tâm bề mặt cong của đầubúa khi trục chính quay đi góc S (hình 14) từ vị trí ban đầu của nó tơng ứngvới tiếp xúc ban đầu búa với con lăn và ứng với góc 0 sẽ tách ra từ trục phôimột đoạn O1O3' Trong trờng hợp con lăn quay đi một góc nh vậy thì tâm

con lăn dịch chuyển đi một khoảng O2O2'=0,6Rx p.βs (khi vp= 0,6vo ,

xem trang [1]) và lợng ứng với vị trí này tâm bề mặt cong đầu búa đối vớitrục của phôi sẽ đạt giá trị O1O 3 π>O1O3' hiệu h = O1O 3 π−O1O3' sẽ đặc

trng cho sự thay đổi mức độ, cờng độ qúa trình tóp Sự giảm khuôn tiến vàophôi tự nhiên kéo dài thời gian biến dạng, chịu tải đều hơn và điều kiện làmviệc của máy đỡ ồn hơn

Hình 14 Vị trí tâm của đầu búa phụ thuộc vào sự dịch chuyển con lăn của

đi sâu, ban đầu sự tiếp xúc của bề mặt côn của đầu búa với phôi bắt đầu tiếnhành biến dạng không chỉ theo chiều ngang mà còn theo chiều dọc phôi, vì

để sau này khi khảo sát ngoại lực tác động không gặp trở ngại và tiết diệnban đầu nó thay đổi không chỉ hình dáng mà cả diện tích (Kк о н ¿ Kнач).

Khi so sánh với góc không lớn (côn) của khuôn , lấy trong điều kiệnthực tế có thể tính gần đúng Kк о н = Kнач vì đối với phôi dg=20 mm và

ϕ=11o , diện tích tiết diện phôi sau khi kết thúc quá trình tóp thứ nhất Kк о

н =0,9989 Kнач tức là sai số 0,11% trong thực tế có thể bỏ qua Sự giảm tiếtdiện ngang phôi xảy ra tơng ứng trị số truyền và phần côn vào của khoanglàm việc của khuôn

1.4.3 Các giai đoạn của quá trình tóp và các thông số cơ bản của quá

trình tóp.

Ngời ta chia các giai đoạn của quá trình tóp quay :

+ Sự bắt đầu tiếp xúc của đầu búa với con lăn

+ Sự bắt đầu tiếp xúc của khoang làm việc của khuôn với phôi (bắt đầutóp)

+ Sự tác động của khuôn lên phôi (quá trình tóp)

+ Ra khỏi sự tiếp xúc của đầu búa với con lăn

Thông qua mỗi giai đoạn đã chỉ ra ớc định các giá trị , , К, b,

K π ,.v v Khảo sát quá trình tóp khi một khi một hay hai cặp đầu búa &

khuôn

Khi một cặp khuôn & đầu búa, điều kiện tiếp xúc ban đầu của đầu búavới con lăn, nh đã chỉ ra ở trên xác định bằng công thức từ (3)  (8)

Điều kiện khi tiếp xúc ban đầu của khuôn và phôi:

Từ tam giác AOO1 (hình15)

K. S

K

R

tiếp xúc lớn nhất của khuôn với phôi ψmax

= 120  150o khi kết thúc mỗilần dập Với góc đã chỉ ra đảm bảo phân bố ứng suất đều hơn trên tiết diệncủa phôi, bảo đảm độ chính xác cao và độ bóng bề mặt cao

Khi giá trị ψmax > 150o do chảy kim loại khó khăn ở hớng ngang nên

xảy ra sự ra sớm của kim loại ra khỏi khuôn, do vậy tạo thành vết xớc dọctrong khoang làm việc của nó Từ tam giác OAO1 (hình 16)

2(15)

Vì sự tiếp xúc ban đầu của khuôn với phôi có thể xảy ra khi ψ2=0

Từ phơng trình này chúng ta xác định giá trị K, ở đó xảy ra sự tiếp xúc

đầu tiên của khuôn với phôi Sau đó tìm đợc a từ đẳng thức:

(18)

Sau khi biết giá trị a chúng ta xác định theo công thức (3) và (4) giá trịgóc α π ' ∧β ' π tơng ứng cho biến dạng đầu của phôi với sự tính di chuyển

của con lăn (vòng cách) từ tiếp xúc ban đầu của nó với đầu búa đến tiếp xúc

đầu tiên của khuôn với phôi

Khi dịch chuyển trục chính (đầu búa) đi góc β s (hình 14) tâm con

lăn nh đã chỉ ra ở trên nó đi một góc = 0,6 β s Vì vậy tính góc βπ ' sẽ

theo phơng trình βπ ' = βo− βs+0,6 βs từ đó βs= βo− β' π

0,4

(19)

Trong trờng hợp tồn tại di chuyển của con lăn (vòng cách) góc

βH ' = βo− βs hoặc các giá trị góc βπ ' ∧ β' H khi quay trục (búa) đi góc

Suy ra rằng sự liên quan xác định giữa các góc β π∧α π

[xác định

từ tam giác – tính kinh tế cao công thức (3) & (4)] giữ nguyên cũng nh góc α H∧β H .

Khi xác định tham số liên quan với quá trình, xảy ra của tóp quay suy

ra giá trị khác nhau của β π∧β H từ góc quay của trục chính (đầu búa)

β s Trong quá trình tóp giá trị góc β H∧α H giảm từ β o(max) đến

βπ ( min )= 0

khi thời gian t2 và đến βH ( min)=0

khi thời gian t1 Khi đó t1

< t2 Cũng trong thời gian này góc quay của trục trong suốt thời gian (từ tiếpxúc đầu tiên đầu búa với con lăn và đến cuối quá trình tóp phôi) tăng từ

β s=0 đến βs(max )

Góc quay lớn nhất của trục β s có thể xác định xuất phát từ lý luận

sau: tại sự tiếp xúc đầu tiên của đầu búa với con lăn βπ ( o)= βH ( o)= βo

.Khi quau trục đi một góc βH I = βo góc βπ ' =0,6 βo và β H=0

(hình 17) Nh vậy góc quay của trục chính βH I = βo tơng ứng giảm góc

β π một giá trị βπ ( o)− βπ ' = βo−0,6 βo .

O

O 2 O 2 2

' ''

3

O

O ' 3 3

đầu biến dạng phôi.

Các giá trị khác nhau tiếp theo góc α π (hay β π ) < απ ' (hay

βπ ' ) tìm theo công thức (3) hoặc (4) và đẳng thức (18) gía trị K và từ công

Khi giá trị K π

nhỏ, góc ψ3

có thể lấy với sai số rất lớn bằng góc

ψ2 .Chiều dài cung tiếp xúc của khuôn côn với phôi

A B=L= π R ks 2ψ3

o

180o =0 , 034906 Rks ψ3(25)

Nếu lấy có chú ý đến sự chảy kim loại trong hớng ngang, thì chiều dàicung AB (xem hình 12) cùng với cả góc công tác tơng ứng tăng lên

Sự thay đổi giá trị dịch chuyển thể tích sau mỗi lần dập sẽ xảy ra khitạo prôfin có diện tích thay đổi (côn, cấu hình phức tạp) Trong trờng hợpphôi tròn tiết diện không đổi (hình trụ, vuông) sự thay đổi thể tích kim loại

di chuyển chỉ xảy ra lúc đầu, đến khi ra khỏi khuôn đó là đặc tính quá trìnhkhông ổn định của tóp quay Tiếp theo với mỗi lần dịch phôi thể tích kimloại dịch chuyển và vận tôc trung bình của nó không thay đổi đó là đặc tínhcủa quá trình ổn định của tóp quay

Khi sản phẩm có tiết diện ngang không đổi thì quá trình không ổn

định xảy ra không lâu trong cả quá trình vì vậy tính toán lực biến dạng, dichuyển phôi, v.v…) còn với sản phẩm đ chúng ta sẽ tiến hành xuất phát từ điều kiện của quá trình

ổn định

Khi sản phẩm có prôfin tiết diện thay đổi việc tính toán tơng tự suy ra

áp dụng điều kiện nén kim loại cực đại trong khoảng làm việc (di chuyển thểtích rất lớn)

2.2 Trạng thái ứng suất và biến dạng

2.2.1 Lực tác động.

Nh đã chỉ ra ở lý thuyết gia công kim loại bằng áp lực khi rãnh khuônkhông côn ( = 0o) dới tác động của ngoại lực, sự chảy của kim loại xảy ra

đối xứng dọc theo cả hai phía của khoang Khi tồn tại góc côn trên khuôn (

> 0) dòng chảy kim loại dọc theo khoang ở cả hai phía chảy không đối xứng

do mức độ biến dạng khác nhau ở các phần rộng và hẹp của côn

Với sự tăng góc côn thì sự chảy không đối xứng của kim loại sẽ tăng.Khi đó phần rộng của khuôn dòng kim loại chảy sẽ lớn, còn dòng chảy giảmdần về phía thắt của khuôn

Hình 18 Sơ đồ ứng suất và lực biến dạng

Sự chảy khác nhau của dòng kim loại gây ra hớng lực ma sát khácnhau, tác động lên phôi trong phần côn làm việc của khuôn Tơng ứng điều

đó có hai vùng biến dạng khác nhau: Vùng 1 trên chiều dài côn làm việc l1

mà kim loại chảy theo hớng côn mở, còn lực ma sát hớng theo hớng dịch củaphôi; vùng 2 trên chiều dài làm việc l2, có dòng chảy kim loại hớng theo cônhẹp và lực ma sát hớng ngợc với dịch chuyển phôi; vùng 3 phần trụ trênchiều dài l3 của phần thu hẹp, ở đây chịu biến dạng đàn hồi và dòng chảykim loại ứng với vùng 2 Biên giới vùng 1 và vùng 2 gọi là tiết diện tới hạn vìkhông có kim loại chảy (vK = 0) ở tiết diện tới hạn ma sát không có

T1=T2=0 .

l l

2.2.2 Sơ đồ cơ học biến dạng.

Khi tóp quay do lực P x ,T1,T2 tác động cho nên sơ đồ ứng suất chính

là sơ đồ nén không đều cùng dấu ở mọi phía Sơ đồ biến dạng chính tơng ứngvới σ1,σ3 là biến dạng nén δ1∧δ3 , còn với σ2 là biến dạng kéo

δ2 Với sơ đồ biến dạng cơ học tối u nh

vậy sẽ nhận đợc điều kiện hoàn hảo để

biến dạng dẻo, vì sự trợt khó khăn của kim

loại bên ngoài sẽ dẫn đến phá huỷ liên kết

cơ học và biến dạng dẻo cơ bản tính đến sự

trợt bên trong

Sơ đồ cơ học biến dạng sử dụng với

điều kiện góc tiếp xúc khuôn với phôi

ψmax=120oữ150o (một cặp đầu búa),

ψmax=60oữ75o (khi hai cặp đầu búa).

2.3 Xác định ứng suất và lực biến dạng.

.3.1 Xác định ứng suất.

áp dụng với sản phẩm trụ liên tục trong điều kiện của quá trình ổn

định cũng nh khi tạo côn với với chiều dài nhỏ thì bằng cách lập phơng trình

vi phân trong toạ độ đề các ta có các công thức tính ứng suất chính ở vùng 1

và vùng 2 trong lòng khuôn tạo hình

Giá trị hệ số ma sát  phụ thuộc trạng thái bề mặt làm việc của lòngkhuôn, nhiệt độ vật liệu gia công, trạng thái bôi trơn v.v…) còn với sản phẩm đ

Khi  thay đổi thì nó sẽ làm thay đổi vị trí tiết diện tới hạn, nếu  tăngthì vị trí tết diện tới hạn sẽ di chuyển về hớng côn mở rộng, dòng chảy kimloại sẽ đều hơn và nâng cao cờng độ quá trình tóp quay (tăng dòng chảy kimloại về hớng côn hẹp), nâng cao lực gây biến dạng

Khi chọn hệ số ma sát với quá trình tóp quay cũng xuất phát từ điềukiện kẹp của khuôn vào phôi, thờng để bảo đảm điều kiện kẹp khi biến dạngnguội cần thiết là hệ số ma sát lớn hơn tang nửa góc côn của khuôn tức là

Với ϕ=8ữ10o thì hệ số ma sát trong khoảng từ 0,1  0,2 Giá trị

này tơng ứng với độ bóng bề mặt của lòng khuôn là ∇ 10ữ∇ 11 , khi tópnóng =0,5 khi tóp nguội góc  = 0  16o thì  = 0,1  0,2 và tỷ số

ψmax=120o khi kết thúc mỗi lần tóp.

Bằng sự nghiên cứu của Е.П Унксоьа khi tóp trong quá trình phôi tiếtdiện tròn trong đầu búa mẫu (tại mức độ lớn nhất tơng đơng với tóp quay khikết thúc hành trình đầu búa) nhận đợc sơ đồ ứng suất chính sau:

2

p a

60°

a p

p

p

2 1

σ nπ− ứng suất nén.

σ k− ứng suất kéo.

σ k - xác định dựa vào đờng cong hoá bền của vật liệu, phụ thuộc

vào mức độ biến dạng ε , với ε = d

Hình 20.Sơ đồ xác định vận tốc vòng và vận tốc biến dạng.

Đầu búa tiếp xúc với con lăn theo cung A1A nπ khi búa quay cùng với

trục chính với vận tốc góc  = const (thành phần vo vuông góc với đờng tâm

O1O3) đồng thời đầu búa còn có chuyển động hớng tâm với trục chính ởtrong vành của khuôn (thành phần v song song với O1O3) Còn vận tốcchung của nó sẽ hớng vuông góc với bán kính con lăn Các thành phần v0, v

là giá trị biến thiên phụ thuộc giá trị góc  và 

Với sự tính đến sự dịch chuyển của các con lăn (vòng cách) thì ta sẽ

V

o V

=π nπ

30 {R ep−(R p+r )cos απ

cos β π +r cos(α π+β π) }(33)

v nπ=π nπ

30 [R ep−(R p−r)cos α π

cos β π cos (α π+β π) +r](34)

v nππ=π nπ

30 [R ep−(R p+r)cos α π

cos β π +r cos(α π+β π) ]tg(α π+β π)

(35)

Khi thay đổi từ β H=β π=β0 đến β H=0 ở đây

β π=β H+0,6 βs .

β π xác định theo công thức:

tg β π= (R p+r)sin α π

R ep−(R p+r)cos α π Bắt đầu tiếp xúc của đầu búa với con lăn tơng ứng với góc

Sự thay đổi góc β H (khi con lăn không di chuyển) xảy ra trong giới

hạn β H=β0→β H=0 Từ đó suy ra với  = const thì cờng độ giá trị

các vận tốc voπ

và voH

, vnππ∧ vnπH

theo tỷ số 2,5 : 1 tức là thực hiệnmột lần tóp ở trờng hợp 1 thì phải mất 2,5 lần thời gian so với trờng hợp 2

giảm theo sự giảm góc α π∧β π .

Thêm vào đó khi α π+β π<450 (có thể xảy ra khi tóp)

vπnπ< voH vì tg(α π+β π)<1 thờng α π+β π<160 .

2- Vận tốc v nππ giảm mạnh hơn vận tốc v oπ , v oπ thay đổi rất

nhỏ

3- Nếu các góc α π∧β π rất nhỏ thì sự thay đổi vận tốc vòng

xảy ra trong giới hạn nhỏ và thực tế có thể lấy không đổi

Về ý nghĩa vận tốc v nππ đặc trng cho tốc độ biến dạng của phôi (vận

tốc dịch chuyển khuôn trong rãnh trục chính)

Hình 21

ở cuối quá trình tóp của một lần tóp, đầu búa vẫn quay với vận tốcgóc đó và do ảnh hởng của lực li tâm, nó dịch chuyển từ tâm đến chu vi Khi

đó sự tiếp xúc của đầu búa và con lăn theo cung A nπ A'1 .

Theo mức độ tách ra của đầu búa từ tâm trục phôi đợc giải phóng khỏi

sự tiếp xúc của đầu búa

Sự dịch chuyển của đầu búa theo cung A nπ A'1 tơng ứng với hành

trình không tải Vận tốc sẽ tăng (v oπ , v nππ∧v H) và khi chạm vào vòng ôm

thì đầu búa chỉ còn chuyển động quay với vận tốc góc không đổi

v oπ=ω(R bc−a)

Tong đó : Rbc – tính kinh tế cao bán kính trong vòng ôm

a – tính kinh tế cao khe hở giữa búa và vòng cách

3.2 Đặc tính sự di chuyển của đầu búa với con lăn (vòng cách) trong cơ cấu tóp quay.

Ta đã biết khi trục chính quay thì đầu búa cùng một lúc có hai chuyển

động: quay – tính kinh tế cao khi tiếp xúc với con lăn vòng cách và chuyển động hớng kính



o b)

Ta tìm đờng cong biểu thị chuyển động của thực của đầu búa khi nótiếp xúc với con lăn và trong quá trình tóp, điều đó có ý nghĩa quan trọng đểxác định profin làm việc của đầu búa.

Ta xác định vị rí đầu búa đối với con lăn thông qua góc β π

= ( Re pcos βxπ− √ Re p2 cos2βxπ− m ) sin βxπ+ rsin βxπ=

¿ ( Re pcos βxπ− √ Re p2 cos2βxπ− m+r ) sin βxπ