Thiết kế và mô phỏng máy cắt thép tấm

- Trong nghành điện: Thép tấm được dùng để tạo ra các sản phẩm như là thép trong stato của máy bơm nước hay quạt điện, thép tấm được dùng làm các cánh quạt cỡ lớn, các thép tấm mỏng dùng

PHẦN I: TỔNG QUAN

I CÁC SẢN PHẨM TỪ THÉP TẤM VÀ NHU CẦU SỬ DỤNG

Ngày nay khi nhu cầu về đời sống của con người càng được nâng cao thì nền kinh

tế cần phải kịp thời đáp ứng đầy đủ những nhu cầu đó Trong đó ngành công nghiệp,

mà đặc biệt là công nghiệp cơ khí nắm vai trò chủ yếu trong việc tạo ra sản phẩm Ở một khía cạnh khác, thì ngành công nghiệp tạo phôi lại đóng một vai trò chủ chốt, là khâu cơ bản đầu tiên trong quy trình sản xuất cơ khí Hơn nữa, một số phương pháp tạo phôi như cán, kéo, cắt kim loại là không thể thiếu góp phần tạo ra các sản phẩm, vật dụng cho các ngành công nghiệp khác như: Công nghiệp hàng không, công nghiệp điện, công nghiệp ôtô, đóng tàu thuyền, xây dựng, nông nghiệp

Thép tấm hầu như được sử dụng rất nhiều trong các nghành công nghiệp kể trên Thép tấm được tạo thành từ quá trình cán kim loại, kim loại bị biến dạng giữa 2 trục cán quay ngược chiều nhau, có khe hở giữa 2 trục cán nhỏ hơn chiều dày của phôi ban đầu Kết quả làm chiều dày phôi giảm, chiều dài và chiều rộng tăng lên, tạo thành dạng tấm hay ta còn gọi là

Hình 1.1 Sản phẩm thép tấm được cuộn lại

Cán thép tấm có thể tiến hành ở trạng thái nóng hoặc trạng thái nguội, ở mỗi loại nó có các ưu điểm và nhược điểm khác nhau Cán ở trạng thái nóng cho ta những sản phẩm

có độ dày từ 1,5mm đến 60mm, còn ở trạng thái nguội cho ra sản phẩm mỏng và cực mỏng độ dày từ 0,007mm đến 1,25mm Các sản phẩm thép tấm được phân loại theo độ dày của tấm thép:

+ Thép tấm mỏng: Chiều dày: S = 0,2 ÷ 3,75 mm.

Chiều rộng: b = 600 ÷ 2.200 mm.

+ Thép tấm dày : S = 4 ÷ 60 mm; b = 600 ÷ 5.000 mm.

- Trong nghành điện: Thép tấm được dùng để tạo ra các sản phẩm như là thép

trong stato của máy bơm nước hay quạt điện, thép tấm được dùng làm các cánh quạt

cỡ lớn, các thép tấm mỏng dùng làm các lá thép để ghép lại trong các chấn lưu đèn ống, máy biến thế, trong lĩnh vực điện chiếu sáng nó được dùng làm các cột điện đường

Hình 1.2 Sản phẩm thép tấm trong ngành điện

- Trong xây dựng: các thép hình cỡ lớn trong các dầm cầu được tạo thành từ các

tấm thép tấm dày cắt nhỏ, hay thép tấm được dùng để liên kết với nhau có thể bằng mối hàn, bulông hoặc đinh tán để tạo nên các kết cấu thép bền vững Rõ ràng nhất thép tấm được sử dụng làm tấm lợp…

Hình 1.3 Sản phẩm thép tấm trong xây dựng

- Trong nghành cơ khí: Thép tấm được sử dụng trong các thân máy của các máy cắt

kim loại, vỏ hộp giảm tốc bằng kết cấu hàn, khung, sườn xe, máy,

Đường ống thủy điện Vỏ máy ép bemco.

Hình 1.4 Sản phẩm thép tấm trong cơ khí.

- Trong nghành cơ khí ôtô:

Việc sử dụng thép tấm

không thể thiếu được Nó

được sử dung làm khung,

sườn, gầm ôtô, lót sàn ôtô,

Hình 1.5 Vỏ ôtô được làm từ thép tấm

II CƠ SỞ LÝ THUYẾT CẮT THÉP TẤM

A Các đặc điểm kỹ thuật của sản phẩm:

Sản phẩm thép tấm hết sức đa dạng, song hầu hết sản phẩm sau khi cắt mới chỉ là bán thành phẩm phục vụ cho một quá trình công nghệ Để thuận lợi cho các công đoạn sản xuất tiếp theo cũng như đảm bảo chất lượng của thiết bị khi hoàn thành, tấm thép cắt ra phải đảm bảo một số yêu cầu sau:

+ Mép cắt phải trơn, thẳng

+ Sự biến dạng nằm trong giới hạn cho phép

+ Đảm bảo đúng yêu cầu về kích thước

B Cơ sở lý thuyết của quá trình cắt thép tấm:

1 Biến dạng dẻo kim loại:

Dưới tác dụng của ngoại lực kim loại biến dạng theo các giai đoạn : biến dạng đàn hồi, biến dạng dẻo và phá huỷ

Tuỳ theo cấu trúc tinh thể của mỗi kim loại, các giai đoạn trên có thể xảy ra ở các mức độ khác nhau dưới tác dụng của ngoại lực và tải trọng

Biểu đồ biến dạng khi thí nghiệm kéo đứt kim loại như sau:

PdP

Hình 2.1- Biểu đồ quan hệ giữa lực kéo P và độ biến dạng dài tuyệt đối ∆ l

- Khi tải trọng tác dụng nhỏ hơn Pđh thì biến dạng kim loại tăng theo đường bậc nhất, đây là giai đoạn biến dạng đàn hồi :biến dạng mất đi sau khi khử bỏ tải

trọng

-Khi tải trọng từ Pdh → Pd thì độ biến dạng tăng với tốc độ nhanh, đây là giai đoạn biến dạng dẻo, kim loại bị biến đổi kích thước, hình dạng sau bỏ tải trọng tác dụng lên nó

-Khi tải trọng đạt đến giá trị lớn nhất thì trong kim loại bắt đầu xuất hiện vết nứt, tại đó ứng suất tăng nhanh và kích thướt vết nứt tăng lên, cuối cùng kim loại bị phá huỷ Đó là giai đoạn phá huỷ : tinh thể kim loại bị đứt rời

Trong kim loại đơn tinh thể các nguyên tử kim loại sắp xếp theo một trật tự xác định, mỗi nguyên tử luôn dao động xung quanh vị trí cân bằng của nó (Hình 2.2- a)

Δl ( độ biến dạng)

τ τ

τ τ

τ

τ a)

Hình 2.2- Sơ đồ biến dạng trong đơn tinh thể kim loại

Dưới tác dụng của ngoại lực hay cắt kim loại bằng áp lực, mạng tinh thể bị biến dạng Khi lực tác dụng nhỏ, ứng suất sinh ra trong kim loại chưa vượt quá giới hạn đàn hồi, các nguyên tử kim loại dịch chuyển không quá một thông số mạng , nếu thôi tác dụng lực thì mạng tinh thể lại trở về trạng thái ban đầu (Hình 2.2-b)

Khi ứng suất sinh ra trong kim loại vượt quá giới hạn đàn hồi thì kim loại bị biến dạng dẻo do trượt và song tinh

Theo hình thức trượt, một phần đơn tinh thể dịch chuyển song song với phần còn lại theo một mặt phẳng nhất định, mặt phẳng này gọi là mặt trượt

Theo hình thức song tinh, một phần tinh thể vừa trượt, vừa quay đến một vị trí mới đối xứng với phần còn lại qua một mặt phẳng gọi là mặt song tinh Các nguyên

tử kim loại trên mỗi mặt di chuyển một khoảng tỷ lệ với khoảng cách đến mặt song tinh

Các lý thuyết và thực nghiệm cho thấy trượt là hình thức chủ yếu gây ra biến dạng dẻo trong kim loại khi lực tác dụng lên nó sinh ra ứng suất lớn hơn giới hạn đàn hồi nhưng chưa vượt ứng suất phá huỷ hay ứng suất giới hạn bền của vật liệu Đây

là giai đoạn thứ hai của quá trình cắt kim loại, giai đoạn này xảy ra trước quá trình kim loại bị phá huỷ hay quá trình kim loại bị cắt đứt

Trong quá trình biến dạng dẻo kim loại vì ảnh hưởng của các nhân tố như : nhiệt

độ không đều, tổ chức kim loại không đều, lực biến dạng phân bố không đều, ma sát ngoài vv đều làm cho kim loại sinh ra ứng suất dư , bên trong bất cứ kim loại biến dạng dẻo nào cũng đều sinh ra ứng suất dư, sau khi thôi tác dụng ứng suất dư vẫn còn tồn tại

2.Sự thay đổi tính chất của thép tấm trong quá trình gia công:

Khi cắt tính chất của thép tấm bị thay đổi Sở dĩ như vậy là trong quá trình cắt biến dạng dẻo nguội làm cấu trúc tinh thể thay đổi: mật độ khuyết tật tăng lên mạnh

mẽ dẫn tới độ bền kim loại tăng lên, kích thước và hình dạng các hạt kim lọai cũng như hướng của trục tinh thể thay đổi làm phát sinh ứng suất dư và xuất hiện những mặt trượt kích thích quá trình hóa già của kim loại

a)Sự hóa già do biến dạng:

Hệ quả của sự hóa già kim loại là giảm tính dẻo (độ giãn dài tỷ đối giảm) và nâng cao tính bền của kim lọai (trở lực biến dạng, giới hạn chảy và độ cứng tăng).Sự hóa già biến dạng xảy ra không đồng đều, trước tiên nó làm tăng độ cứng của kim loại tại các vùng có mật độ các nguyên tử nitơ và các bon cao, chủ yếu là ở mặt trượt, tại đây đặc biệt có nhiều lệch

Đối với thép các bon thấp, sự hóa già do biến dạng xảy ra mãnh liệt hơn sau khi biến dạng dẻo nguội; cường độ của nó tỷ lệ thuận với mức độ biến dạng, nhiệt độ môi trường xung quanh và thời gian

b)Mặt trượt:

Mặt trượt là những dấu vết vật lý do biến dạng dẻo cục bộ gây ra Mặt ttrượt xuất hiện tại vùng gần mép cắt, làm giảm độ nhẵn bóng bề mặt Sự xuất hiện các mặt trượt có liên quan đến tính chất cơ học không đồng đều của phôi Sự không đồng đều này là do sự hóa già trong quá trình biến dạng gây ra Trên vùng bề mặt này sau khi cắt có thể quan sát thấy những phần lồi lõm tương ứng với các mặt trượt

c)Sự phát sinh hiện tượng ăn mòn:

Trong quá trình xảy ra biến dạng dẻo nguội kim loại xảy ra sự hóa bền Sự hóa bền cùng với một số hiện tượng khác làm cho khả năng chống ăn mòn của kim

loại giảm đi Tuy vậy, do những điều kiện không giống nhau, sự thay đổi hình dạng của các phôi kề nhau sau khi cắt sẽ phát sinh những ứng suất dư tế vi Những ứng suất dư này khi có sự ăn mòn sâu và các tinh thể sẽ làm suy yếu liên kết ở biên giới giữa các hạt và có thể gây ra những mầm giòn tự phát của các sản phẩm kim loại hoặc bán thành phẩm.

3.Nguyên lý biến dạng khi cắt:

Quá trình cắt được chia làm hai giai đoạn:

+ Giai đoạn ép vào kim loại: Hai lưỡi dao tỳ vào bề mặt kim loại làm xô lệch các thớ kim loại nhưng chưa làm đứt chúng

+ Giai đoạn cắt : Hai lưỡi dao tiếp tục ép sát vào nhau làm các thớ kim loại bị trượt và tách khỏi nhau

Để tìm hiểu nguyên lý biến dạng, ta khảo sát nguyên công cắt phôi và cắt chia, nhằm xác định các thông số cần thiết cho việc tính toán công nghệ

Trong quá trình tách một phần kim loại này ra khỏi phần kim loại khác có thể chia thành các giai đoạn riêng biệt:

h

c) b)

a)

Z

Hình 2.3- Các giai đoạn của quá trình cắt

Ở giai đoạn đầu của quá trình cắt biến dạng dẻo tập trung ở mép làm việc của lưỡi cắt sau đó ổ biến dạng bao quanh lưỡi cắt ( H2.4-a)

Giai đoạn hai bắt đầu khi có sự chuyển dịch tương đối giữa phần này với phần kia của tấm (H2.4-b) Ở giai đoạn này nó tạo ra bề mặt phẳng nhẵn, bóng và được san phẳng bởi lực ma sát F hướng theo bề mặt bên của lưỡi dao

Do sự tiến lại gần nhau của các lưỡi cắt, mức độ biến dạng tăng lên và khi đó tính dẻo của kim loại bị mất đã bắt đầu giai đoạn 3 Các vết nứt xuất hiện, phát triển

và phá huỷ kim loại cho đến khi kết thúc quá trình tách phần vật liệu này ra khỏi phần vật liệu khác của tấm (H2.4-c) Sự phá huỷ kim loại xảy ra ở phía trước mép làm việc của lưỡi dao trong tấm, vì vậy các vết nứt gọi là các vết nứt phá vỡ trước

Sự đứt vỡ bắt đầu khi lưỡi dao éo sâu vào trong tấm đến một chiều sâu h xác định Chiều sâu này tuỳ thuộc tính chất cơ lý của kim loại và chiều dày S của tấm, nếu vật liệu càng dẻo thì h càng lớn Các giai đoạn của quá trình cắt được đặc trưng bởi hình dạng của bề mặt cắt

I II

Hình 2.4- Bề mặt bên của phần kim loại được cắt ra

Vùng I là vùng uốn của tấm do các lớp kim loại liền kề với bề mặt cắt ( dọc theo bề rộng của tấm) bị bao trùm bởi biến dạng dẻo thay đổi từ giá trị không ở lớp giới hạn ngoài cùng đến giá trị cực đại ở bề mặt bị tách ra

Vùng II là vùng có bề mặt sáng bóng, được san phẳng bởi lực ma sát

Vùng III là vùng bề mặt nứt vỡ được tạo ra do sự xuất hiện và phát triển của các vết nứt Các vết nứt này tạo với bề mặt của tấm một góc θ xác định và được gọi

là góc nứt tự do Giá trị của góc θ = ( 4 ÷ 6 )º tuỳ thuộc vào tính chất cơ lý của vật liệu

F

F

N R a

b a R

N Q

M

S

δ

: góc trước : góc sau : góc cắt : góc sắc

β

β δ

γ

γ α

số giữa lực cắt đặt tại lưỡi cắt với khoảng câch lớn hơn khe hở Z một chút:

sẽ rất kĩm, bị ba via vă đôi khi không thể cắt được nếu trị số khe hở Z lớn Vì vậy cần phải loại bỏ hiện tượng quay của tấm trong quâ trình cắt bằng cơ cấu kẹp với lực kẹp Q, đồng thời giảm khe hở giữa hai lưỡi dao đến trị số thích hợp vă măi dao vât góc trước γ

Tuỳ thuộc văo khe hở giữa câc lưỡi cắt Z vă độ lún sđu của lưỡi dao văo chiều dăy tấm h tại thời điểm bắt đầu sự phâ huỷ, câc vết vết nứt vỡ xuất phât từ câc mĩp lăm việc của lưỡi dao trín vă dưới có thể song song với nhau hoặc gặp nhau Khi câc vết nứt ở mĩp lăm việc của câc lưỡi cắt gặp nhau thì trị số khe hở Z lă tối ưu bởi vì khi đó chất lượng mặt cắt lă tốt nhất, mặt cắt phẳng vă nhẵn

Hình 2.6- Sơ đồ phân bố các vết nứt tại mép cắt

Trị số khe hở tối ưu được xác định nếu biết được giá trị của h và θ

tu

Z = ( S - h ).tg θ

Từ công thức trên ta có thể thấy rằng trị số khe hở tối ưu sẽ tăng lên khi chiều dày vật liệu tăng và giảm trị số h ( vật liệu càng dẻo thì trị số khe hở tối ưu càng nhỏ)

Tỷ số h/S tuỳ thuộc vào loại vật liệu phôi và tốc độ biến dạng Giá trị này có thể được xác định theo công thức kinh nghiệm:

h/S = 0,76 - 0,035.S - 0,0014.n (với thép có σb = 300MP)trong đó : n- hành trình/phút của máy cắt

Trên thực tế trị số khe hở tối ưu Ztối ưu được xác định theo các số liệu trên cơ

sở thực nghiệm và những kinh nghiệm của những nhà máy tiên tiến Đối với thép mềm trị số khe hở tối ưu thay đổi tuỳ thuộc chiều dày vật liệu từ 0,02(khi S = 0,25) đến 0,82 ( khi S = 12,5)

Một cách gần đúng có thể coi rằng với S ≤ 4 thì:

tu

Z = (0,03 ÷ 0,06) mmTheo kinh nghiệm thực tế khi cắt thép tấm trên máy cắt dao nghiêng thì

tu

Z = 1/30 chiều dày vật liệu

Các nhân tố ảnh hưởng Sự thay đổi của Sự thay đổi của lực

thông số cắt P

Bán kính góc lượn lưỡi dao r giảm giảm

Bảng II- Các thông số ảnh hưởng đến lực cắt

PHẦN II:THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG MÁY CẮT THÉP TẤM

II.1 PHÂN TÍCH, LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ

Trong thực tế có rất nhiều phương pháp cắt thép tấm như : Cắt thủ công, cắt bằng ngọn lửa hàn khí, cắt bằng chùm tia laser, plasma hay các phương pháp cắt bằng máy cắt có lưỡi dao Tùy theo hình dạng, kích thước của phôi, yêu cầu kỹ thuật của sản phẩm cũng như qui mô sản suất mà ta có thể áp dụng phương pháp cắt khác nhau Mặt khác phương pháp cắt còn ảnh hưởng rất lớn đến năng suất sản xuất Ta tiến hành phân tích một số phương pháp cắt thép tấm phổ biến hiện nay, từ

Phương pháp này chỉ áp dụng cho những phân xưởng thủ công, cắt các thép tấm có chiều dày bé và tiết diện nhỏ

Máy cắt thép thủ công: gồm hai lưỡi cắt và một cơ cấu cánh tay đòn và đòn bẩy để tạo lực cho lưỡi cắt

Máy này cũng chỉ áp dụng cắt những tấm thép có chiều dày và diện tích bé, chủ yếu dùng trong các xưởng sản xuất vừa và nhỏ

2.Cắt bằng hồ quang điện hoặc ngọn lửa khí:

Cắt đứt kim loại đen, kim loại màu và kim loại bằng hồ quang hoặc ngọn lửa khí là phương pháp đốt cháy làm cho vật cắt đạt tới điểm nóng, bị đẩy mạnh và bị tách rời

Cắt đứt bằng hồ quang: là quá trình nóng chảy hoặc cắt đứt kim loại bằng nhiệt lượng hoặc hồ quang điện, điện cực hồ quang có thể là than hoặc kim loại Phương pháp này không kinh tế, khó thuận tiện khi chiều dày tấm thép lớn, đường cắt không đều

Cắt bằng khí là phương pháp cắt sử dụng nhiệt của ngọn lứa sinh ra khi đốt cháy khí cháy trong dòng oxy để nung kim loại tạo thành các oxit và thổi chúng ra

khỏi mĩp cắt tạo thănh rênh cắt Sơ đồ quâ trình cắt kim loại bằng khí được trình băy ở hình 3.1

Dòng hỗn hợp khí cháy Dòng oxy cắt

Để cắt bằng khí, kim loại cắt phải thoả mên một số yíu cầu sau :

+ Nhiệt độ chây của kim loại phải thấp hơn nhiệt dộ nóng chảy

+ Nhiệt độ nóng chảy của oxit kim loại phải thấp hơn nhiệt độ nóng chảy của kim loại

+ Nhiệt toả ra khi kim loại chây phải đủ lớn để nung mĩp cắt tốt đảm bảo quâ trình cắt không bị giân đoạn

+Oxit kim loại nóng chảy phải loêng tốt, dễ tâch khỏi mĩp cắt

+ Độ dẫn nhiệt của kim loại không quâ cao, trânh sự toả nhiệt nhanh dẫn đến mĩp cắt bị nung nóng kĩm, lăm giân đoạn quâ trình cắt

Thĩp câc bon có nhiệt chây 13500C, nhiệt độ nóng chảy trín 15000C, nhiệt chây đạt tới 70% lượng nhiệt cần để nung nóng nín rất thuận lợi khi cắt bằng khí Thĩp cacbon cao do nhiệt độ chảy thấp nín khó cắt hơn, khi cắt thường nung nóng

oxit crôm nhiệt độ chảy tới 20000C phải dùng thuốc cắt mới cắt được , mặt khâc để đảm bảo chất lượng phôi, nđng cao năng suất vă hạ giâ thănh cắt cần phải chọn câc chế độ cắt hợp lý khâc nhau như âp suất khí cắt, lượng tiíu hao khí cắt , tốc độ cắt, khoảng câch cần khống chế từ mỏ cắt tới vật cắt do đó việc dùng phương phâp năy

để cắt thĩp tấm không mang lại hiệu quả kinh tế cao cũng như năng suất thấp, khó chuyển sang tự động hoâ

1- Máy phát laser2- Chùm tia laser3- Gương phẳng nghiêng4- Thấu kính hội tụ5- Chi tiết cắt h

d4

32

1

5

Hình 3.2- Sơ đồ nguyín lý cắt bằng tia laser

Nguồn bức xạ laser 1 tạo ra chùm tia laser 2 đi thẳng hoặc đổi hướng nhờ gương phẳng 3 vă được hội tụ nhờ thấu kính hội tụ có tiíu cự f trong 4 Nguồn năng lượng laser tập trung trín một diện tích rất nhỏ với mật độ dòng nhiệt tạo vùng tiếp xúc bề mặt rất cao lăm vật liệu 5 nóng chảy vă bốc hơi tạo thănh rênh cắt hoặc

lỗ khoan