Đồ án thiết kế máy cán thép vằn

Đồ án thiết kế máy cán thép vằn: đồ án bao gồm bản thuyết mình chi tiết về cấu tạo máy cán thép, phương án thiết kế và tính toán các thông số, theo đó chọn vật liệu và kết cấu, cấu tạo từng bộ phận của máy cán thép vằn kèm bản vẽ autocad của hộp giảm tốc

LỜI NÓI ĐẦU

Trong giai đoạn phát triển kinh tế hiện nay đồng thời với sự tiến bộ không ngừng củaKhoa học Kỹ thuật, Tự động hóa ngày càng được mở rộng và phát triển Ngành Cơ khí cánthép đóng vai trò quan trọng trong việc thực hiện đường lối chủ trương công nghiệp hóa vàhiện đại hóa của Đảng và Nhà nước Sản phẩm cán được sử dụng khắp mọi nơi, từ cácngành công nghiệp chế tạo ôtô, xe lửa, máy cày, xe tang, chế tạo máy bay, tên lửa, trongchế tạo tàu thủy đến các ngành công nghiệp xây dựng dân dụng, xây dựng cầu đường, xâydựng dân dụng, phát thành truyền hình…vì vậy mà ngành cán thép được chú ý và phát triểnmạnh trên thế giới

Hay nói một cách khác thép là một sản phẩm không thể thiếu được trong giai đoạn hiệnnày Do sự tăng trưởng về kinh tế và các ngành Kỹ Thuật công nghiệp và xây dung nên nhucầu thép ngày càng cao Vì vậy việc tăng năm suất thép là điều tất yếu

Được sự nhất trí của Giáo viên hướng dẫn, em được giao đề tài: Thiết kế máy cán thép vằn

Với các yêu cầu sau:

Thiết kế hệ truyền động của máy cán thép vằn với các yêu cầu

Em xin chân thành cảm ơn thầy cô giáo khoa Cơ khí, thầy giáo hướng dẫn, cùng các bạnsinh viên cùng khóa đã giúp em hoàn thành đồ án này

Sinh viên thực hiện: Lê Trung Hưng

Trường Đại học Bách khoa – Đại học Đà Nẵng 1

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU VỀ MÁY CÁN

1.1 Giới thiệu về máy cán:

Máy cán là một loại máy gia công kim loại bằng áp lực, cán ra sản phẩm có hình dángtheo yêu cầu

1.2 Phân loại và chọn loại máy cán:

Hình 1.1 Sơ đồ máy cán

1.2.1 Phân loại theo công dụng:

1.2.1 1 Máy cán phá:

Dùng để cán phá từ thỏi thép đúc gồm có máy cán phôi thỏi

Blumin và máy cán phôi tấm Slabin Máy cán phá có thể dùng loại

giá cán 3 trục có đường kính D = 500  850 mm dẫn động bằng

động cơ xoay chiều, có khi bằng động cơ một chiều Máy cán phá 2

trục đapr chiều thì phải dẫn động bằng động cơ điện một chiều và

có đường kính D = 950  1400 mm

1.2.1.2 Máy cán phôi:

Đặt sau máy cán phá và cung cấp phôi cho máy cán hình và máy cán khác Đây là loạimáy cán 2 trục đảo chiều và loại máy cán 3 trục dùng sản xuất ra phôi cán ( thường là phôithỏi có tiết diện vuông, phôi tấm có tiết diện hình chữ nhật và phôi tiết diện tròn )

Trường Đại học Bách khoa – Đại học Đà Nẵng 2

I - Nguồn động lực máy

II - Hệ thống truyền động III - Giá cán

Hình 1.2 Máy cán phôi thỏi Φ 950

1 Khớp nối đĩa; 2 Hộp phân lực 3 Trục khớp nối 4 Cơ cấu nén trục

5 Rãnh trục cán 6 Khung giá cán 7 Trục cán 8 Lỗ hình trục cán

Bảng 1.1 Các loại máy cán phá và cán phôi

Tên máy cán Đường kính trục mm Trong lượng thỏi

đúc (tấn)

Kích thướt sản phẩm Sản lượng

tấn/ năm Máy cán phá 2

trục đảo chiều

750  1200 1,2  16 (120×120)  (450×450) 60.000 đến

350.000 Máy cán phôi

tấm

Trục ngang 1.100 – 1.500 Trục đứng 680 – 940

Máy cán phôi

liên tục

Nhóm I: 600 – 850 Nhóm II: 450 - 450

1,2 16 (200 × 200)  (300 × 300)

(55 × 55)  (200 × 200) (7 30)  150

Phôi thỏi 60.000 đến 350.000 Phôi tấm 250.000

1.2.1 3 Máy cán hình:

Là loại máy cán chuyên dùng để cán ra các loại thép hình ở trạng thái nóng Giá cán cóthể có 2 hoặc 3 trục Động cơ là loại động cơ một chiều hoặc xoay chiều, nó phụ thuộcnhiều vào việc hiệu chỉnh tốc độ cán và trong quá trình cán có tăng tốc hoặc có giảm tốc.Trong xưởng cán hình, các giá cán đầu và giữa có thể cán nhiều lần, nhưng ở giá cán tinhcuối cùng chỉ nên cán một lần, có như vậy sản phẩm mới chính xác và đẹp

Máy cán hình chia làm 3 loại:

cờ cán được nhiều loại sản phẩm hơn khi cán trên máy cán hình bố trí theo hang

Bảng 1.3 Máy cán hình trung bình và các sản phẩm của chúng

Sản phẩm théo hình cỡ nhỏ có 2 yêu cầu cơ bản sau đây:

- Các sản phẩm cán thép hình cỡ nhỏ phải có dung sai bé nhất, mục đích tiết kiệmkim loại

- Các sản phẩm cán phải có độ sai lệch giống nhau và nhỏ nhất theo kích thướt tiếtdiện trên toàn bộ chiều dài vật cán, điều ấy có ý nghĩa rất lớn khi gia công cắt gọtkim loại tiếp theo, đặc biệt là thép tròn vì nó thường dùng để chế tạo bulon

Trường Đại học Bách khoa – Đại học Đà Nẵng 4

1 Giá cán 2 Trục cán 3 Trục truyền 4 Khớp nối 5 Động cơ điện một chiều

Trường Đại học Bách khoa – Đại học Đà Nẵng 5

 Ưu điểm :

- Kết cấu của máy đơn giản, không dùng hộp giảm tốc, hộp truyền lực

- Động cơ điên một chiều có momen khởi động lớn, thao tác thuận lợi đảo chiềucán nhanh

- Có thể thay đổi tốc độ cán, điều chỉnh tăng tốc hay giảm tốc

- Công suất cán lớn

 Nhược điểm :

- Độ cứng vững của hệ truyền động không cao

- Động cơ điện một chiều đắt hơn nhiều so với động cơ xoay chiều 3 pha

- Sự không đồng đều về tốc độ quay của 2 động cơ điện ảnh hưởng tới khả năngcán vào của phôi, làm cong vênh phôi

Với những đặc điểm trên, kết cấu của máy cán theo phương án 1 thích hợp với các loạimáy cán phá, chuyên dùng để cán phôi thỏi hay cán tấm, lực cán lớn để tận dụng công suấtcủa 2 động cơ Đây là loại máy cán kiểu cũ ít được sử dụng trong cán hiện đại

2.1.2 Phương án 2

Máy cán có giá cán gồm 3 trục cán, dùng động cơ điện xoay chiều 3 pha, khôngdùng hộp phân lực và hệ thống trục truyền khớp nối vạn năng để dẫn động trục cán

mà dùng hệ thống các bánh răng để làm quay trục cán

1 Giá cán 2 Trục cán 3 Trục truyền lực 4 Bánh răng dẫn động trục cán 5 Khớp nối

6 Động cơ điện một chiều

Trường Đại học Bách khoa – Đại học Đà Nẵng 6

2 1

3

6

5 5 4

 Ưu điểm :

- Kết cấu máy đơn giản chỉ có một trục truyền động, không dùng hộp phân lực

- Độ cứng vững cao

- Cán không đảo chiều nên việc bố trí các thiết bị phụ như cơ cấu kéo đẩy thép,

cơ cấu dẫn hướng phôi dễ dàng hơn

- Dùng động cơ điện xoay chiều 3 pha rất thông dung, giá thành rẻ

 Nhược điểm :

- Không thay đổi tốc độ cán vì dùng động cơ điện xoay chiều

- Khi các lỗ hình trục cán bị mòn, có thể tiện lại lỗ hình của trục nhưng không thểđiều chỉnh khoảng cách các trục khớp với nhau như ban đầu do không thể dịchchuyển khoảng cách tâm các cặp bánh răng truyền động Vì vậy lỗ hình bị mònthì chỉ có thể thay cặp trục cán mới Đây là nhược điểm cơ bản mà kết cấu máynày không được sử dụng hoặc chỉ sử dụng ở các loại máy cán mini, có trục cánrất nhỏ, không thể tiện lại lỗ hình khi bị mòn

2.1.3 Phương án 3

Máy cán có giá cán gồm 3 trục cán, dùng động cơ điện xoay chiều 3 pha, dẫn động trụccán từ động cơ qua hộp giảm tốc, qua hộp phân lực, thông qua hệ thống trục truyền khớpnối vạn năng để làm quay trục cán

1 Giá cán 2 Trục cán 3 Trục truyền lực 4 Bánh răng dẫn động trục cán 5 Khớp nối

6 Động cơ điện một chiều

 Ưu điểm :

- Giá cán có 3 trục cán nên có thể thực hiện một số lần cán không cần đảo chiều

Do đó, việc thiết kế và bố trí các thiết bị phụ như cơ cấu kéo đẩy thép, cơ cấu

dẫn hướng phôi dễ dàng hơn

Trường Đại học Bách khoa – Đại học Đà Nẵng 7

- Kết cấu cứng vững cao

- Sư dụng động cơ điện xoay chiều 3 pha nên giá thành trang bị điện rẻ

- Khắc phục được nhược điểm cơ bản của phương án 2 Nhờ trục khớp nối vạnnăng từ hộp truyền lực đến trục cán nên khi trục cán bị mòn phải tiện lại lỗ hìnhthì có thể điều chỉnh các trục cán như ban đầu và các trục cán vẫn quay tốc và

Đây chính là kết cấu máy cán thường dùng hiện nay

2.2 Lựa chọn phương án thiết kế :

Việc lựa chọn phương án máy thiết kế phụ thuộc vào loại phôi cán, năng suất cán, sảnphẩm và quy mô xưởng sản xuất

Với yêu cầu thiết kế máy cán có công suất nhỏ, cán các loại phôi có kích thướt vừaphải đã qua cán thô, năng suất cán thấp, bố trí ở các xưởng sản xuất tư nhân thì kết cấu máy

ở phương án 3 là thích hợp

CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN CÔNG NGHỆ VÀ THIẾT KẾ

LỖ HÌNH

Số hiệu kỹ thuật:

- Phôi đã qua cán thô, kích thước 35 x 35 mm

3.1 Tính số lần cán :

- Số lần cán hợp lý được tính theo công thức n =

log Fo−log Fnlog μ tb

- Diện tích tiết diện phôi F0 = 35 × 35 = 1225 mm2

- Hệ số dãn dài trung bình  tb = 1,22

Trường Đại học Bách khoa – Đại học Đà Nẵng 8

Với yếu cầu sản phẩm tròn nên ta chọn hệ thống lỗ hình trục cán là ovan –

vuông Vì hệ thống lỗ hình này có góc ăn lớn, lực ép từ mọi phía lỗ hình nên làm

cho sản phẩm chính xác kích thước, sắc cạnh, khử vảy ren tốt

Thép vằn được cán theo dung sai âm dd=d −o,5

ΔbbI)2

Chọn a = 2; k = 0,3 => ov = 1,27

hov=

(1+0,8×0,3)×18,75 1+0,74×2×0,3 = 16,1 (mm)

bov=

2×(1+0,8×0,3)×18,75 1+0,74×2×0,3 = 32,2(mm)

Trường Đại học Bách khoa – Đại học Đà Nẵng 10

32,2

16,1

b) Từ vuông sang ovan:

Từ vuông sang ovan trên thực tế hệ số giãn dài ov cũng phụ thuộc vào tiết diện ovan trong lỗ

hình vuông có nghĩa là phụ thuộc vào tỷ số

b ov

vuông kpv =

Δbb Δbbtb

c) Từ ovan sang vuông:

hov = bv - kbv ×( btb + htb ) = 1,29×C1 - kbv ×( 0,74×bov – 0,76×C1 ) = (1,29 + 0,76×kbv )×C1 – 0,74×kb×bov

Trường Đại học Bách khoa – Đại học Đà Nẵng 12

22 ,12

28,27

d) Từ vuông sang ovan:

Tương tự ta có:

hov=

(1+ kov Δbb

)×C2a+0 , 74×k ov Δbb

bov=

a×( 1+ k ov Δbb

)×C2a+0 , 74×k ov Δbb

bv’ = hv = 1,414× C2 – 5 = 1,414×36,13 - 5= 46,08(mm)

Trường Đại học Bách khoa – Đại học Đà Nẵng 14

24,446

R4

e) Từ ovan sang vuông:

39,4

5

bov=

a×( 1+ k ov Δbb

)×C2a+0 , 74×k ov Δbb

g) Từ ovan sang vuông:

43,6

5

CHƯƠNG 4: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ CÁC KẾT CẤU

TRONG HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG CỦA MÁY CÁN.

- Ta gọi P tb là áp lực đơn vị hay áp lực trung bình ( N/mm2 )

- Gọi F tx là diện tích tiếp xúc giữa kim loại và trục cán ( mm2 ) thì F được tính theo côngthức sau:

Khi nhiệt độ cán thép lớn hơn nhiệt độ chảy trừ đi 575oC (tc > to

 C 1.5

1.3 1.1 0.9

0.1 0.3 0.5 0.730

Hệ số Kf:

h1+ h2 −1 ] Trong đó

f: Hệ số ma sát giữa bề mặt trục cán và kim loại

h1, h2: Chiều cao trước và sau khi cán

Từ các công thức trên ta rút ra được:

Ptb 2= 45× [ 14300− ( 11500+750)

= 7 ( kg/mm2 )

Diện tích tiếp xúc giữa kim loại và trục cán

Diện tích tiếp xúc giữa kim loại và trục cán

Diện tích tiếp xúc giữa kim loại và trục cán

Vậy áp lực lên lỗ hình thứ tư là:

Diện tích tiếp xúc giữa kim loại và trục cán

Diện tích tiếp xúc giữa kim loại và trục cán

Trường Đại học Bách khoa – Đại học Đà Nẵng 25

Diện tích tiếp xúc giữa kim loại và trục cán

Trường Đại học Bách khoa – Đại học Đà Nẵng 26

B7 = 32,2 (mm) : Chiều rộng sau khi cán

Diện tích tiếp xúc giữa kim loại và trục cán

Trường Đại học Bách khoa – Đại học Đà Nẵng 27

B7 = 16,1 (mm) : Chiều rộng trước khi cán

a: Cánh tay đòn

Trường Đại học Bách khoa – Đại học Đà Nẵng 28

Momen không tải sinh ra để thắng toàn bộ các chi tiết quay của máy cán khi máy cán

M0= (3_6)%Mc

Trong trường hợp có sự tăng giảm tốc thì

Lấy dấu (+) cho sự tăng tốc

Lấy dấu (-) cho sự giảm tốc

4.2.1.2 Tương tự ta có kết quả tính toán cho lần 2:

Trường Đại học Bách khoa – Đại học Đà Nẵng 29

Lấy kích thướt trục cán D làm chuẩn, ta có D = 300 mm

- L: chiều dài bề mặt làn việc của trục cán

L a

Do I = 5 < 8 nên ta chọn loại hộp giảm tốc một cấp.

Ta chọn là hộp giảm tốc bánh răng trụ răng nghiêng

Ta có: Bảng hệ thống các số liệu tính được

Trục Thông số

4.4.2 Thiết kế bộ truyền trụ bánh răng trụ răng nghiêng.

a Chọn vật kiệu chế tạo bánh răng:

Vì bộ truyền chịu tải trọng trung bình, ta chọn loại thép tôi cải thiện Để có thể chạymòn tối đa ta chọn độ rắng của bánh lớn và bánh nhỏ không chênh lệch quá 25 – 50HB

Trường Đại học Bách khoa – Đại học Đà Nẵng 34

HB1 = HB2 + (25 ¿ 50) HB

280, giả thuyết đường kính phôi dưới 120 mm

ứng suất tiếp xúc cho phép ta chọn hệ số chu kì ứng suất tiếp xúc của bánh nhỏ vàbánh lớn K’N = 1

Giới hạn mỏi của thép tôi cải thiện:

Giới hạn mỏi của thép 40X thường hóa:

Trường Đại học Bách khoa – Đại học Đà Nẵng 35

σ -2 = 0,44 σ bk = 0,44.700 = 308 N/mm2

Vì bánh răng làm việc một chiều nên

[ σ ]u = σ 0 .K rSub { size 8{N} } } over {n K rSub { size 8{σ} } } } } {} } } } } { ¿¿¿

= ( 1,4÷1,6 ) σ −1 .K rSub { size 8{N} } } over {n K rSub { size 8{σ} } } } } {} } } } } { ¿¿¿

Với bánh răng lớn

[ σ ]u2 =

1,5.308 1,5.1,8 = 171 N/mm2

K: hệ số tải trọng

Do đó theo công thức (3.19) [TKCTM] hệ số tải trọng được tính:

k Xác định modun bánh răng, chiều rộng của răng, số răng và góc nghiêng của răng

Trường Đại học Bách khoa – Đại học Đà Nẵng 38

l Kiểm nghiệm sức bền uốn của răng:

Kiểm nghiệm sức bền uốn tại chân răng theo công thức (3.34).[ [TKCTM]

σ u2 < [ σ ]u2

Trường Đại học Bách khoa – Đại học Đà Nẵng 39

m Kiểm nghiệm sức bền của bánh răng khi chịu quá tỉ trong một thời gian lớn:

Ứng suất tiếp xúc cho phép khi quá tải

1,25.74.320 = 877 N/mm2

Ứng suất tiếp xúc quá tải nhỏ hơn trị số cho phép của cả bánh răng lớn và bánh răngnhỏ

Kiểm nghiệm sức bền uốn theo công thức (3.42).[ TKCTM]:

Trường Đại học Bách khoa – Đại học Đà Nẵng 40

Lực vòng: P =

2 M x

d =

2.9,55.106.26,6 61,34.1480 = 5600 N

4.4.3 Tính toán thiết kế trục và then :

N: công suất của trục (kW)

b.Tính gần đúng trục.

Để tính các kích thước chiều dài trục ta chọn sơ bộ các kích thước sau:

- Khoảng cách từ thành trong của hộp đến mặt bên của ổ lăn l2 = 5mm

- Khe hở giữa bánh răng và thành trong của hộp a = 12mm

Tổng hợp các kích thước đã chọn ta có:

P a1

1 P

r2 P

rãnh then và đường kính ngỗng trục lắp ổ lấy bằng 35 mm

Tính momen uốn ở tiết diện có tải trọng lớn nhất m-m

Trường Đại học Bách khoa – Đại học Đà Nẵng 46

C

r2

Pa2

/ 2 l

R Cy

Vì trục quay nên ứng suất cho phép biến đổi theo chu kỳ đối xứng:

Bộ truyền làm việc cho một chiều nên ứng suất tiếp thay đổi theo chi kỳ mạch động

τ a = τ m =

τmax

M x 2w0

σ a =

M u W

Trường Đại học Bách khoa – Đại học Đà Nẵng 47

τ a =

M x 2w0 = 1739212.11790 = 7,4 N/mm2

Hệ số an toàn cho phép [n] thường lấy bằng 1,5 ¿ 2,5

τ a =

M x 2w0 = 18392452 136700 = 10 N/mm2

Tập trung ứng suất do lắp căng với kiểu lắp trung gian áp suất sinh ra trên bề mặt ghép

t1 = 3,6 mm; k = 4,4 mm, chiều dài then l = 0,6 lm ( lm : chiều dài mayơ)

Kiểm nghiệm về sức bền dập theo công thức (7.11).[ TKCTM]:

trọng tĩnh, vật liệu thép 40X tôi cải thiện)

Trường Đại học Bách khoa – Đại học Đà Nẵng 50

Đối với trục II ta chọn then theo đường kính trục để lắp then là dII = 60 mm.

Tra bảng (7.23).[TKCTM]: chọn then có kích thước :

trọng tĩnh, vật liệu thép 40X tôi cải thiện)

Trường Đại học Bách khoa – Đại học Đà Nẵng 51

Ở đây: b = 18 mm; [ τ ]c = 120 N/mm2 (tra bảng (7.21).[ TKCTM]:

τ c =

2 80438460.18 72 = 20,7 N/mm2 < [ τ ]c

h = 5400 giờ (sử dụng thời gian 1,5 năm)

Hệ số m = 0,7: tra bảng (8.2).[TKCTM]

Kt = 1: tải trọng tĩnh ( tra bảng (8.3).[TKCTM])

Kn = 1: nhiệt độ làm việc dưới 1000C ( tra bảng (8.4).[ TKCTM])

Kv= 1: vòng trong của ổ quay ( tra bảng (8.5).[ TKCTM] )

SA = 1,3 RAtg β

= 1,3.2869.0,4877 = 1819 N

SB = 1,3 RBtg β

= 1,3.3165.0,4877 = 2006 NTổng lực chiều trục: At = SB - Pa1 - SA = 2006 - 1400 - 2869 = - 2263 N

Vì lực hướng tâm ở hai gối trục gần bằng nhau nên ta chỉ tính đối với gối trục bêntrái (ở đây lực Q lớn hơn) và chọn ổ chõ gối trục này, còn gối trục kia lấy ổ cùngloại

Tải trọng tương đương :

Vì ổ cần chọn sử dụng cho bánh răng lớn, việc lắp rắp và sữa chữa khó nên ta chọn

ổ có thời gian làm việc bằng thời gian làm việc của máy

H = 18000h; với số vòng quay của trục n = 320v/ph

Tra bảng 17P; ứng với d = 60 mm, chọn ổ có ký hiệu 46212; Cbảng = 70000; đườngkính ngoài ổ D = 110 mm; chiểu rộng ổ B = 22 mm

4.4.5 Chọn vỏ hộp

Chọn vỏ hộp đúc, mặt ghép giữa nắp và thân là mặt phẳng đi qua đường làm các trục

để việc lắp ghép được dễ dàng Dựa vào bảng (10.9).[TKCTM] cho phép ta tínhđược kích thước các phần tử cấu tạo vỏ hộp sau đây:

Trường Đại học Bách khoa – Đại học Đà Nẵng 54