Thiết kế máy uốn thép ống cỡ lớn

Những vật thể tròn xoay này dần được thay thế bằng kim loại như: nhôm, thép, đồng thau và từ việc cán bằng tay được thay thế bằng các trục cán để dễ dàng tháo lắp trên các máy có gá trục

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

KHOA CƠ KHÍ

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

ĐỀ TÀI:

THIẾT KẾ MÁY UỐN THÉP ỐNG CỠ LỚN

Người hướng dẫn: PGS.TS TRẦN XUÂN TÙY

Sinh viên thực hiện: HỒ SỸ SINH

Đà Nẵng, 2018

LỜI NÓI ĐẦU

Trong nền công nghiệp hiện đại, giai đoạn đi lên theo hướng công nghiệp hóa – hiện đại hóa của đất nước thì việc sử dụng máy móc tiên tiến thay thế sức lao động của con người là vấn đề tất yếu góp phần làm tăng năng suất và chất lượng của các sản phẩm Nắm bắt được yêu cầu thực tế như vậy, để tạo ra các sản phẩm có chất lượng,

độ bền tốt, độ chính xác cao, mẫu mã đẹp, phù hợp với các tiêu chuẩn công nghiệp cần phải có các loại máy móc hiện đại có thể thay thế con người thực hiện các công việc trong một dây chuyền sản xuất

Trước hết em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc nhất tới các Thầy Cô giáo trường Đại học bách khoa Đà Nẵng đã chỉ dạy em tận tình trong hơn 5 năm học qua

Em cũng xin chân thành cảm ơn các Thầy Cô trường Đại học Bách Khoa Đà Nẵng, đặc biệt là các Thầy Cô trong khoa Cơ Khí, ngành Chế Tạo Máy trường Đại Học Bách Khoa Đà Nẵng, đã nhắc nhở, giúp đỡ, tạo mọi điều kiện thuận lợi cho em trong suốt quá trình học tập và làm đề tài tốt nghiệp

Hiện nay em đang làm đề tài “ Thiết kế máy uốn thép ống cỡ lớn” Qua đồ án này,

em đã xây dựng các bản vẽ kết cấu máy, bản vẽ lắp ráp về hệ thống điều khiển máy, tiến hành gia công chi tiết

Đặc biệt em xin chân thành cảm ơn Thầy giáo,PGS TS Trần Xuân Tùy đã nhiệt tình chỉ dạy, hướng dẫn, giúp đỡ em trong suốt thời gian làm đề tài tốt nghiệp Và thầy giáo TS Lê Hoài Nam đã bớt chút thời gian duyệt đồ án cho em

Em cũng xin chân thành cảm ơn Thầy cô giáo bộ môn đã bỏ thời gian quý báu của mình để đọc, nhận xét, duyệt đồ án của em

Em cũng xin bày tỏ lòng biết ơn của mình đến mọi người trong gia đình, các Anh Chị và các bạn đã động viên, giúp đỡ, tạo mọi điều kiện thuận lợi cho em trong suốt quá trình học tập

Cuối cùng em xin bày tỏ lòng biết ơn tới các Thầy là chủ tịch Hội đồng bảo vệ và

uỷ viên Hội đồng đã bỏ thời gian quý báu của mình để đọc, nhận xét và tham gia Hội đồng chấm đề án này

Đà Nẵng ngày tháng năm 20018

Sinh viên thực hiện

Hồ Sỹ Sinh

Chương 1 GIỚI THIỆU CHUNG VÀ CƠ SỞ LÝ THUYẾT

1.1 Lịch sử phát triển và hình thành của máy uốn ống

1.1.1 Lịch sử phát triển của ống

Lịch sử của việc sản xuất ống được bắt đầu từ việc sử dụng những khúc gỗ rỗng để cung cấp nước cho các thành phố thời trung cổ Việc sử dụng những ống gang ở Anh

và Pháp trở nên phổ biến vào đầu thế kỉ XIX

Những ống thép đúc đầu tiên được tìm thấy ở Philadenphia vào năm 1817 và ở

New York vào năm 1832 Sự phân phối khí cho các đèn khí đảo được tìm thấy đầu tiên ở Anh, người ta đã sử dụng thép tấm cuộn qua con xúc xắc tạo thành ống và hàn mép lại với nhau

Vào năm 1887 đường ống đầu tiên được làm từ thép Bethkhem ở Mỹ Ống thép có đường hàn đã được sản xuất thử vào giữa thế kỉ 19 bằng nhiều phương tiện khác nhau; quy trình Mannesmanm đã được phát triển ở Đức vào năm 1815 và hoạt động có hiệu quả thương mại ở Anh vào năm 1887

Ống thép không hàn được sản xuất lần đầu tiên thành công ở Mỹ vào năm 1895 Vào đầu thế kỉ 20 ống thép không hàn đã được chấp nhận rộng rãi khi cách mạng công nghiệp được tiến hành với ngành ô tô, ngành tái lọc dầu, hệ thống các ống dẫn, các giếng dầu, các lò hơi phát điện kiểu cổ

Vào lúc này ống hàn không đạt được độ tin cậy bằng ống hàn điện

Sự phát triển của các phương pháp sản xuất ống, cùng với sự phát triển của ngành thép đã tạo ra được những sản phẩm có khả năng chịu được những điều kiện khắc nghiệt của môi trường như là: nhiệt độ, hóa chất, áp suất và các tác dụng của áp lực và dải nhiệt thay đổi Ống thép đã được sử dụng một cách tin cậy trong các ngành công nghiệp quan trọng; các đường ống từ Alaskan đến các nhà máy điện nguyên tử

1.1.2 Các nước sản xuất sản phẩm thép dạng ống

Vào năm 1886, ba nhà sản xuất hàng đầu các sản phẩm thép dạng ống là Liên Xô (

20 triệu tấn ) Cộng đồng kinh tế Châu Âu (13,1 triệu tấn ) và Nhật Bản (10,5 triệu tấn)

Việc sản xuất các sản phẩm thép dạng ống sẽ duy trì được ở mức độ trên là phụ thuộc rất nhiều vào các yếu tố kinh tế của thế giới như là ngành khai thác dầu, xây lắp các nhà máy điện, công nghiệp sản xuất ôtô Ví dụ như, ở những vùng kinh tế có giá dầu thấp do vậy ít có nhu cầu khoan thêm các giếng dầu Kết quả là nhu cầu sản xuất ống thép cho ngành khoan giếng dầu sẽ giảm xuống

Một ví dụ tương tự là sản xuất ống thép trong các ngành công nghiệp Tổng sản lượng trên toàn thế giới là sự tổng hợp các ảnh hưởng từ các khu vực kinh tế địa phương ở từng nước trên toàn thế giới

1.1.3 Lịch sử phát triển của máy cán, uốn ống

Từ xưa con người đã biết sử dụng những vật thể tròn xoay bằng đá hoặc bằng gỗ

để nghiền bột làm bánh, nghiền mía làm đường, ép các loại dầu lạc, hướng dương Những vật thể tròn xoay này dần được thay thế bằng kim loại như: nhôm, thép, đồng thau và từ việc cán bằng tay được thay thế bằng các trục cán để dễ dàng tháo lắp trên các máy có gá trục cán, thế là từ đó các máy cán ra đời, qua thời gian phát triển thì nó ngày càng được hoàn thiện dần ví dụ như ban đầu các trục cán còn dẫn động bằng sức người, nhưng khi sản xuất đòi hỏi năng xuất cao hơn nên máy ngày càng to hơn thì con người không thể dẫn động được các trục cán này và do đó ta lại dẫn động bằng sức trâu, bò, ngựa Vì vậy ngày nay người ta vẫn dùng công suất động cơ là mã lực (sức ngựa)

Năm 1771 máy hơi nước ra đời lúc này máy cán nói chung được chuyển sang dùng động cơ hơi nước Năm 1864 chiếc máy cán 3 trục đầu tiên được ra đời vì vậy sản phẩm cán, uốn được phong phú hơn trước có cả thép tấm, thép hình, đồng tấm, đồng dây Do kỹ thuật ngày càng phát triển, do nhu cầu vật liệu thép tấm phục vụ cho công nghiệp đóng tàu, chế tạo xe lửa, ngành công nghiệp nhẹ mà chiếc máy cán 4 trục đầu tiên ra đời vào năm 1870 Sau đó là chiếc máy cán 6 trục,12 trục, 20 trục và dựa trên nguyên lý của máy cán thì máy uốn được ra đời và trong các loại máy này có máy uốn ống

1.2 Giới thiệu về các sản phẩm của máy uốn ống

1.2.1 Sản phẩm dùng trong công nghiệp

Trong sản xuất hiện nay các sản phẩm ống được ứng dụng rất rộng rãi dùng để dẫn nhiên liệu phục vụ sản xuất như dẫn dầu, dẫn khí được ứng dụng trong rất nhiều ngành như đóng tàu, sản xuất sữa, sản xuất bia

Trong ngành giao thông vận tải hiện nay thì ngành vận tải đường ống cũng đóng vai trò rất quan trọng dẫn dầu, dẫn khí, dẫn khoáng sản góp phần tiết kiệm chi phí trong vận chuyển và sản xuất

1.2.2 Sản phẩm dùng trong sinh hoạt

Trong sinh hoạt sản phẩm ống cũng được ứng dụng rộng rãi nhưng đòi hỏi tính thẩm mỹ cao nên chủ yếu dùng vật liệu inox, thép không gỉ Các sản phẩm như: lan can, bàn ghế

Một số hình ảnh minh hoạ

Hình 1.2: Sản phẩm ống

Hình 1.3: Các sản phấm ống uốn tại công ty Sông Thu

Chiều dày Chiều

dài

Trọng Lƣợng

Số cây/bó

Trọng lƣợng bó

diameter

Wall

Unit weigt

1.3.3 Nhu cầu sử dụng các sản phẩm ống uốn

Trong cuộc sống hiện nay thì sản phẩm của ống uốn được ứng dụng cực kỳ rộng rãi cả trong sinh hoạt lẫn trong công nghiệp Đặc biệt là trong công nghiệp thì sản phẩm ống uốn giữ một vai trò quan trọng vì nó được dùng để dẫn nhiên liệu cả khí lẫn lỏng từ nơi sản xuất đến nơi sử dụng, đã có những đường ống dẫn nhiên liệu xuyên quốc gia Nó còn được coi như cầu nối giữa các khu công nghiệp, giữa nguồn nhiên liệu với các nhà máy Sản phẩm ống uốn không thể thiếu trong công nghiệp tàu thủy, các ngành sản xuất nhiên liệu Trong sinh hoạt thì sản phẩm ống uốn được ứng dụng rộng rãi ví dụ làm lan can, bàn ghế, dùng làm đường ống dẫn nước phục vụ sinh hoạt,

2 Má kẹp

Là phần giữ cho ống không bị xê dịch khi uốn, do trên má kẹp có xẻ những rảnh tạo ma sát giúp chi tiết bên phần uốn đƣợc ghì chặt và đƣợc quay xung quanh puly uốn tạo ra các góc độ theo yêu cầu của sản phẩm

- Vị trí của chày uốn đƣợc xác định dựa vào vị trí của má kẹp trên puly uốn Nếu

vị trí chày uốn không hợp lí thì khi uốn ống có thể bị nhăn hoặc bị hở, xì (hoặc má động không chuyển động đƣợc do kẹt chày uốn)

Hình 1.6: Chày chống mốp ống

1.4.2 Công nghệ uốn ống

1.4.2.1 Khái niệm uốn

Uốn là một trong những nguyên công thường gặp nhất trong dập nguội Uốn là quá trình gia công kim loại bằng áp lực làm cho phôi hay một phần của phôi có dạng phẳng (tấm), dây, thanh định hình hay ống thành những chi tiết có hình cong đều hay gấp khúc Phôi được uốn ở trạng thái nguội hoặc trạng thái nóng

Đặc điểm của quá trình uốn là dưới tác dụng của chày và cối phôi được biến dạng dẻo từng vùng để tạo thành hình dáng cần thiết

Uốn kim loại tấm được thực hiện do biến dạng đàn hồi xảy ra ở hai mặt khác nhau của phôi uốn

Vật liệu uốn trong ngành chế tạo máy và dụng cụ không ngừng tăng lên về số lượng, chất lượng cũng như kiểu dáng

1.4.2.2 Quá trình uốn

Phụ thuộc vào kích thước và hình dáng vật uốn, dạng phôi ban đầu, đặc tính của quá trình uốn trong khuôn; uốn có thể tiến hành trên máy ép trục khuỷu lệch tâm, ma sát hay thủy lực Đôi khi có thể tiến hành uốn trên các dụng cụ uốn bằng tay hoặc trên các máy uốn chuyên dùng

Quá trình uốn bao gồm biến dạng đàn hồi và biến dạng dẻo Uốn làm thay đổi hướng thớ của kim loại, làm cong phôi và thu nhỏ dần kích thước

Trong quá trình uốn, kim loại phía góc uốn bị co lại theo hướng dọc thớ và đồng thời bị giãn ra theo hướng ngang, còn phần phía ngoài góc uốn bị giãn ra bởi lực kéo Giữa lớp co ngắn và giãn dài là lớp trung hoà không bị ảnh hưởng bởi lực kéo nó vẫn

ở trạng thái ban đầu Ta sử dụng lớp trung hoà để tính sức bền của vật liệu khi uốn

Khi uốn những dải dài dễ xảy ra hiện tượng chiều dày ở tiết diện ngang bị sai lệch

về hình dạng lớp trung hòa bị lệch về phía bán kính nhỏ

Khi uốn những dải rộng cũng xảy ra hiện tượng biến dạng mỏng vật liệu nhưng không có sai lệch về tiết diện ngang, vì trở kháng của vật liệu có cùng chiều rộng lớn

sẽ chống lại biến dạng theo hướng ngang

Khi uốn phôi có bán kính nhỏ thì lượng biến dạng lớn và ngược lại

r

L

Hình 1.7: Biến dạng của phôi trước và sau khi uốn

Hình 1.8: Phôi ống sau khi uốn

1.4.2.3 Xác định vị trí lớp trung hoà

Vị trí lớp trung hoà đƣợc xác định bởi bán kính lớp trung hoà 

Trong quá trình uốn bề mặt phía trong và phía ngoài của chi tiết bị biến dạng nén

và kéo bởi lực kẹp nhƣng có lớp kim loại ở giữa không bị biến dạng, lớp này gọi là lớp trung hoà Ta ứng dụng lớp trung hoà này để tính sức bền vật liệu của phôi và tính lực kẹp cần thiết

Bán kính của lớp trung hoà đƣợc xác định theo công thức :

2

2

B B

B tb 



B : chiều rộng của phôi ban đầu (mm)

S : chiều dày vật liệu (mm)

r : bán kính uốn phía trong (mm)

: S1 _ hệ số vật liệu sau khi uốn

Trong thực tế bán kinh lớp trung hoà có thể xác định theo công thức:

prx.S

Trong đó : r _ bán kính uốn phía trong

x _ hệ số xác định khoảng cách lớp trung hoà đến bán kính uốn phía trong

1.4.2.4 Tính đàn hồi khi uốn

Trong quá trình uốn không phải toàn bộ kim loại phần cung uốn đều chịu biến dạng dẻo mà có một phần còn lại chịu biến dạng đàn hồi Vì vậy khi không còn lực tác dụng lên phôi thì vật uốn có trở về hình dạng ban đầu

a ) Xác định chiều dài phôi uốn

- Xác định vị trí lớp trung hòa, chiều dài lớp trung hòa ở vùng biến dạng

- Chia kết cấu của chi tiết, sản phẩm thành những đoạn thẳng và đoạn cong đơn giản

- Cộng chiều dài các đoạn lại: Chiều các đoạn thẳng theo bản vẽ chi tiết, còn phần cong đƣợc tính theo chiều dài lớp trung hòa

Chiều dài phôi đƣợc xác định theo công thức:





- r : Bán kính uốn cong phía trong

b ) Bán kính uốn nhỏ nhất và lớn nhất

rtrong nếu quá nhỏ sẽ làm đứt vật liệu ở tiết diện uốn, nếu quá lớn vật uốn sẽ không

có khả năng giữ được hình dáng sau khi đưa ra khỏi khuôn ( r trong ≥ rmin )

rngoài ≥ r trong + s

E = 2,15.105 N/mm2: modun đàn hồi của vật liệu

S: Chiều dày vật uốn

T : giới hạn chảy của vật liệu

- Bán kính uốn nhỏ nhất:

21

- : Độ giản dài tương đối của vật liệu ( %)

Theo thực nghiệm có: r min = k.s

k : Hệ số phụ thuộc vào góc uốn 

2

1

k s B l

n s

B1 : Chiều rộng của dải tấm

S : Chiều dày vật uốn

n : Hệ số đặc trưng của ảnh hưởng của biến cứng : n = 1,6 - 1,8

b : giới hạn bền của vật liệu

l : Khoảng cách giưã các điểm tựa

- Lực uốn góc tinh chỉnh tính theo công thức

P = q.F ( N )

- F : Diện tích phôi được tinh chỉnh

Tóm lại : Trong quá trình uốn không phải toàn bộ phần kim loại ở phần uốn đều

chịu biến dạng dẻo mà có một phần còn ở dạng đàn hồi Vì vậy không còn lực tác dụng thì vật uốn sẽ không giữ được kích thước và hình dáng như ban đầu

1.4.2.6 Công nghệ uốn

Qua lịch sử phát triển hàng trăm năm của ngành uốn ống từ thô sơ đến phức tạp các thế hệ đi trước đã đúc kết thành những kinh nghiệm uốn ống như sau:

a ) Uốn có dùng cát bên trong

Khi uốn thủ công không có máy móc hiện đại thì cách làm hiệu quả nhất để cho ống không bị bóp méo ở phần bị biến dạng cho vật liệu nhỏ mịn vào bên trong ống như cát, đất, để điền đầy diện tích rổng và bịt chặt 2 đầu và tiến hành uốn theo hình dáng yêu cầu

Ưu điểm của phương pháp này là tiện dụng, dễ làm thích hợp với phương pháp thủ công

Nhược điểm là chỉ áp dụng được đối với những chi tiết có đường kính nhỏ

b ) Uốn có dùng chày

Đối với những phương pháp dùng tới máy móc, đối với những ống có chiều dày ống nhỏ thì phải dùng chày để chống bóp méo ở những tiết diện uốn nó có thể phù hợp với nhiều loại tiết diện ống khác nhau kể cả đường kính to hay nhỏ

2 1

1 : Chày uốn 2 : Ống uốn

Phương pháp này được sử dụng để chế tạo rất nhiều sản phẩm khác nhau: ống xả, ống tubin, ống dẫn nước, dẫn dầu trong hệ thống thủy lực Những nơi không cho phép sự biến dạng của ống uốn là quá lớn

Hình 1.11: Máy uốn kiểu dùng chày uốn

c ) Uốn không dùng chày

Khi ống uốn có chiều dày lớn thì ở tiết diện uốn không bị ảnh hưởng bởi lực kẹp và lực uốn nên lúc này ta không cần đến chày hay vật liệu dùng để điền đầy tiết diện chống mà tự chiều dày của nó đã đủ điều kiện giúp ông không bị bóp méo khi uốn Một số đường kính ống dùng chày hay không dùng chày

Từ những phân tích về các phương án của công nghệ uốn ta chọn phương án dùng

chày để dùng trong quá trình uốn là tiện dụng hơn cả vì nó dùng được cho nhièu

trường hợp có thể điều chỉnh được đường kính chày tuỳ thuộc vào đường kính ống,vì vậy trong máy này ta chọn phương án dùng chày uốn.

d ) Uốn kiểu ép đùn vào ống

Kiểu ép đùn vào ống là phương pháp đơn giản nhất và rẻ nhất trong tất cả các phương pháp uốn ống

Hình 1.12: Mô hình uốn kiểu ép đùn Phôi ống được kẹp chặt tại hai điểm cố định Bộ phận uốn chuyển động về giữa trục ống và tiến hành bẻ cong ống Phương pháp này có thiên hướng làm biến dạng cả mặt trong và mặt ngoài của ống Phôi uốn bị biến dạng thành hình ôvan tuỳ thuộc vào

độ dày của vật liệu Kiểu uốn này phù hợp với uốn các ống dẫn dây điện hoặc chứa các dây nối tới đèn chiếu sáng

Hình 1.13: Bộ phận máy uốn ép đùn

e ) Uốn kiểu kéo và quay

Kiểu uốn này được sử dụng khá phổ biến và được dùng khi đảm bảo đường kính của ống uốn là không đổi trong quá trình uốn

Hình 1.14: Mô hình uốn kiểu kéo và quay Phôi ống được kéo qua một má uốn đứng yên và cố định, bán kính uốn đã được xác định sẵn từ trước Phương pháp này được sử dụng khá hoàn hảo cho việc uốn các tay vịn lan can, các dạng sắt mĩ nghệ, ống dẫn, thanh đỡ hay một bộ phận của khung gầm ô tô, xe lửa và rất nhiều loại đồ dùng khác

P

Hình 1.16: Bộ phận máy uốn kiểu trục lăn

1.5 Lý thuyết quá trình biến dạng dẻo của kim loại

Như chúng ta đã biết dưới tác dụng của ngoại lực, kim loại biến dạng theo các giai đoạn: biến dạng đàn hồi, biến dạng dẻo và biến dạng phá hủy Tùy theo từng cấu trúc tinh thể của mỗi loại các giai đoạn trên có thể xảy ra với các mức độ khác nhau: dưới đây sẽ khảo sát cơ chế biến dạng trong đơn tinh thể kim loại trên cơ sở đó nghiên cứu biến dạng dẻo của các kim loại và hợp kim

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

Hình 1.17: Sơ đồ biến dạng trong đơn tinh thể

về trạng thái ban đầu

+ Biến dạng dẻo: Là biến dạng vẫn tồn tại khi bỏ tải trọng tác dụng, nó xảy ra khi tải trọng lớn hơn giới hạn đàn hồi

Khi ứng suất sinh ra trong kim loại vượt quá giới hạn đàn hồi, 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 (hình c) Trên mặt trượt, các nguyên tử kim loại dịch chuyển tương đối với nhau một khoảng đúng bằng

số nguyên lần thông số mạng, sau khi dịch chuyển các nguyên tử kim loại ở vị trí cân bằng mới, bởi vậy sau khi thôi tác dụng lực kim loại không trở về trạng thái ban đầu Theo hình thức song tinh, một phần tinh thể vừa trượt vừa quay đến 1 vị trí mới đối xứng với phần còn lại qua 1 mặt phẳng gọi là mặt song tinh (hình d) Các nguyên tử kim loại trên mỗi mặt di chuyển một khoảng tỉ lệ với khoảng cách đến mặt song tinh Các nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm cho thấy trượt là hình thức chủ yếu gây ra biến dạng dẻo trong kim loại, các mặt trượt là các mặt phẳng có mật độ nguyên tử cao nhất Biến dạng dẻo do song tinh gây ra rất bé, nhưng khi có song tinh trượt sẽ xảy ra thuận lợi hơn

Biến dạng dẻo của đa tinh thể: kim loại và hợp kim là tập hợp của nhiều đơn tinh thể (hạt tinh thể ), cấu trúc chung của chúng được gọi là cấu trúc đa tinh thể Trong đa tinh thể biến dạng dẻo có 2 dạng: biến dạng trong nội bộ hạt và biến dạng ở vùng tinh giới hạt Sự biến dạng trong nội bộ hạt do trượt và song tinh Đầu tiên sự trượt xảy ra ở các hạt có mặt trượt tạo với hướng của ứng suất chính 1 góc bằng hoặc xấp xỉ 450

, sau

đó mới đến các hạt khác Như vậy biến dạng dẻo trong kim loại đa tinh thể xảy ra không đồng thời và không đồng đều Dưới tác dụng của ngoại lực, biên giới hạt của các tinh thể cũng bị biến dạng, khi đó các hạt trượt và quay tương đối với nhau Do sự

trượt và quay của các hạt, trong các hạt lại xuất hiện các mặt trượt thuận lợi mới giúp cho biến dạng trong kim loại tiếp tục phát triển

1.6 Các yếu tố ảnh hưởng đến tính dẻo và biến dạng của kim loại

Tính dẻo của kim loại là khả năng biến dạng dẻo của kim loại dưới tác dụng của ngoại lực mà không bị phá hủy Tính dẻo của kim loại phụ thuộc vào hàng loạt các nhân tố khác nhau: thành phần và tổ chức của kim loại, nhiệt độ, trạng thái ứng suất chính, ứng suất dư, ma sát ngoài, lực quán tính, tốc độ biến dạng

1.6.1 Anh hưởng của thành phần và tổ chức kim loại

Các kim loại khác nhau có kiểu mạng tinh thể, lực liên kết giữa các nguyên tử khác nhau chẳng hạn đồng, nhôm dẻo hơn sắt Đối với các hợp kim, kiểu mạng thường phức tạp, xô lệch mạng lớn, một số nguyên tố tạo các hạt cứng trong tổ chức cản trở sự biến dạng do đó tính dẻo giảm Thông thường kim loại sạch và hợp kim có cấu trúc nhiều pha các tạp chất thường tập trung ở biên giới hạt làm tăng xô lệch mạng cũng làm giảm tính dẻo của kim loại

1.6.2 Anh hưởng của nhiệt độ

Tính dẻo của kim loại phụ thuộc rất lớn vào nhiệt độ, hầu hết kim loại khi tăng nhiệt độ tính dẻo tăng Khi nhiệt độ tăng dao động nhiệt của các nguyên tử tăng, đồng thời xô lệch mạng giảm, khả năng khuếch tán của các nguyên tử tăng làm cho tổ chức đồng đều hơn Một số kim loại và hợp kim ở nhiệt độ thường tồn tại ở pha kém dẻo, khi ở nhiệt độ cao chuyển biến thì hình thành pha có độ dẻo cao Khi nung thép từ 20

 1000C thì độ dẻo tăng chậm nhưng từ 1004000C độ dẻo giảm nhanh, độ giòn tăng (đối với thép hợp kim độ dẻo giảm đến 6000C), quá nhiệt độ này thì độ dẻo tăng nhanh, ở nhiệt độ rèn nếu hàm lượng cacbon trong thép càng cao thì sức chống biến dạng càng lớn

1.6.3 Anh hưởng của ứng suất dư

Khi kim loại bị biến dạng nhiều, các hạt tinh thể bị vỡ vụn, xô lệch mạng tăng, ứng suất dư lớn làm cho tính dẻo kim loại giảm mạnh (hiện tượng biến cứng) Khi nhiệt độ kim loại đạt từ (0,250,30) Tnc (nhiệt độ nóng chảy) ứng suất dư và xô lệch mạng giảm làm cho tính dẻo kim loại phục hồi trở lại (hiện tượng phục hồi) Nếu nhiệt độ nung đạt tới 0,4Tnc trong kim loại bắt đầu xuất hiện quá trình kết tinh lại, tổ chức kim loại

sau kết tinh lại có hạt đồng đều và lớn hơn, mạng tinh thể hoàn thiện hơn nên độ dẻo tăng

1.6.4 Anh hưởng của trạng thái ứng suất chính

Trạng thái ứng suất chính cũng ảnh hưởng đáng kể đến tính dẻo của kim loại chịu ứng suất nén khối có tính dẻo cao hơn khối chịu ứng suất nén mặt, nén đường hoặc chịu ứng suất nén kéo Ứng suất dư, ma sát ngoài làm thay đổi trạng thái ứng suất chính trong kim loại nên tính dẻo của kim loại cũng giảm

1.6.5 Anh hưởng của tốc độ biến dạng

Sau khi rèn dập, các kim loại bị biến dạng do chịu tác dụng mọi phía nên chai cứng hơn, sức chống lại sự biến dạng kim loại sẽ lớn hơn, đồng thời khi nhiệt độ nguội dần sẽ kết tinh lại như cũ Nếu tốc độ biến dạng nhanh hơn tốc độ kết tinh lại thì các hạt kim loại bị chai chưa kịp trở lại trạng thái ban đầu mà lại tiếp tục biến dạng, do đó ứng suất trong khối kim loại sẽ lớn, hạt kim loại bị dòn và có thể bị nứt

Nếu lấy 2 khối kim loại như nhau cùng nung đến nhiệt độ nhất định rồi rèn trên máy búa và máy ép, ta thấy tốc độ biến dạng trên máy búa lớn hơn nhưng độ biến dạng

tổng cộng trên máy ép lớn hơn

1.7 Trạng thái ứng suất và các phương trình dẻo

Giả sử trong vật thể hoàn toàn không ứng suất tiếp thì vật thể có 3 dạng ứng suất chính sau :

Hình 1.18: Các dạng ứng suất chính Ứng suất đường : max = 1/2 (1.1)

Ứng suất mặt : max = (1 - 2)/2 (1.2)

Ứng suất khối : max = ( max - max ) (1.3)

Nếu 1 = 2 = 3 thì  = 0 và không có biến dạng Ứng suất chính để kim loại biến

Điều kiện biến dạng dẻo :

Khi kim loại chịu ứng suất đường :

1

 = ch tức max = ch/2 (1.4) Khi kim loại chịu ứng suất mặt :

Biến dạng dẻo chỉ bắt đầu sau khi biến dạng đàn hồi Thế năng của biến dạng đàn hồi

A = A0 + Ah (1.7) Trong đó :

A0 : thế năng để thay đổi thể tích vật thể (trong biến dạng đàn hồi thể tích của vật thể tăng lên, tỉ trọng giảm xuống)

Ah : thế năng để thay đổi hình dáng vật thể

Trạng thái ứng suất khối, thế năng biến dạng đàn hồi theo định luật Húc được xác định:

A = (11 + 22 + 33 ) /2 (1.8) Như vậy biến dạng tương đối theo định luật Húc:

- 2(12 + 23+ 13 )

E : mô đun đàn hồi của vật liệu

Thế năng để làm thay đổi thể tích

3

3212

Đây gọi là phương trình năng lượng biến dạng dẻo

Khi các kim loại biến dạng ngang không đáng kể nên theo (1.9) ta có thể viết: 2 =  (1 + 3)

Khi biến dạng dẻo (không tính đến đàn hồi) thể tích của vật không đổi

3

2  = 0,580 (1.18) Trong trượt tinh khi 1 = -3 thì trên mặt nghiêng ứng suất pháp bằng 0, ứng suất tiếp khi  = 450

Ơ trạng thái ứng suất khối phương trình dẻo có thể viết:

1 - 3 = 2k = const

3

2  = 1,156 Phương trình dẻo (2.18) rất quan trọng để giải các bài toán trong gia công kim loại bằng áp lực

Tính theo hướng của các áp suất, phương trình dẻo chính xác nhất là được viết:

1 - (3) = 2k

1.7 Biến dạng dẻo kim loại trong trạng thái nguội

Thực tế cho thấy với sự gia tăng mức độ biến dạng nguội thì tính dẻo của kim loại

sẽ giảm và trở nên giòn khó biến dạng

Hình vẽ dưới đây trình bày đường cong về mối quan hệ giữa các tính chất cơ học của thép và mức độ biến dạng rất rỏ ràng nếu biến dạng vượt quá 80% thì kim loại hầu như mất hết tính dẻo

Hình 1.19: Mối quan hệ giữa tính chất cơ học và mức độ biến dạng

1.8 Biến dạng dẻo và phá hủy

Biến dạng dẻo và phá huỷ được xác định khi thí nghiệm kéo từ từ theo chiều trục một mẫu kim loại tròn dài ta được biểu đồ tải trọng - biến dạng

e

a'' a'

Hình 1.20: Sơ đồ biểu đồ tải trọng - biến dạng điển hình của kim loại

- Khi tải trọng đặt vào nhỏ F < Fđh thì khi bỏ tải trọng mẫu trở lại kích thước ban đầu gọi là biến dạng đàn hồi

- Khi tải trọng đặt vào lớn F > Fđh , biến dạng tăng nhanh theo tải trọng, khi bỏ tải trọng biến dạng không mất đi mà vẫn còn lại một phần Biến dạng này được gọi là biến dạng dẻo

- Nếu tiếp tục tăng tải trọng đến giá trị cao nhất Fb, lúc đó trong kim loại xảy ra biến dạng cục bộ (hình thành điểm thắt), tải trọng tác dụng giảm mà biến dạng vẫn tăng (cổ thắt hẹp lại) dẫn đến đứt và phá hủy ở điểm C

Chương 2 THIẾT KẾ NGUYÊN LÝ VÀ TÍNH TOÁN CÁC THÔNG SỐ CƠ BẢN

CỦA MÁY

A - PHÂN TÍCH VÀ LỰA CHỌN CÁC PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ MÁY

2.1 Phân tích các phương án

2.1.1 Phân tích các yêu cầu của quá trình uốn

- Thực hiện quá trình kẹp chặt và giữ phôi khi uốn

- Thực hiện hành trình uốn

- Lực uốn danh nghĩa của máy phải lớn hơn lực uốn cần thiết

- Nhả kẹp và tháo ống

2.1.2 Lựa chọn các kết cấu máy hợp lí

Máy uốn ống cỡ lớn dùng để uốn các ống có đường kính từ 27 - 110 (mm) và các ống có độ dày lớn nhất là 10 (mm) do đó ta phải lựa chọn phương án truyền động và lựa chọn cơ cấu máy hợp lí

2.1.2.1 Lựa chọn phương án truyền động

Dựa vào nguyên lý hoạt động của máy uốn ống, để thực hiện công tác kéo má động

và làm puly quay trong quá trình uốn ta có thể lựa chọn dạng truyền động là: Truyền động bánh răng, truyền động bánh răng và truyền động xích kết hợp sử dụng hệ thống thủy lực

Nhiệm vụ của bộ phận truyền động là truyền chuyển động cho trục có gắn puly, làm cho puly cũng như má động quay để thực hiện quá trình uốn ống Dựa vào nguyên

lý đó ta có các phương án truyền động như sau

 Phương án 1: Truyền động bánh răng

Khi mở máy thông qua hộp giảm tốc chuyển động được truyền đến trục uốn làm quay puly uốn để thực hiện quá trình uốn

- Ưu điểm: Truyền động bánh răng đảm bảo độ tin cậy cao, truyền động chính xác, công suất truyên động lớn

- Nhược điểm: Kết cấu máy rất phức tạp, cồng kềnh, khó điều khiển, quá trình kẹp

và nhả kẹp của các cơ cấu uốn phức tạp

- Sơ đồ nguyên lí:

Hình 2.1: Sơ đồ nguyên lí phương án truyền động dùng bánh răng

 Phương án 2 : Truyền động đai

- Ưu điểm: Truyền động đai có kết cấu đơn giản, dễ chế tạo

- Nhược điểm: Truyền động với công suất bé Giữa bánh đai và đai có hiện tượng trượt do đó không đảm bảo độ chính xác trong quá trình uốn

- Sơ đồ nguyên lý của máy dùng phương án truyền động đai

Hình 2.2: Sơ đồ nguyên lý phương án truyền động dùng bộ truyền đai

 Phương án 3: Sử dụng hệ thống thủy lực cùng với bộ truyền xích

- Sử dụng các xi lanh thủy lực kéo đĩa xích để thực hiện quá trình uốn và quá trình

- Nhược điểm: Do xilanh kéo uốn và xi lanh kéo về thực hiện quá trình kéo xích

vòng qua đĩa xích do đó chiều dài của xilanh và cần pittong phải khá lớn

Dựa vào những ưu điểm nêu trên của bộ truyền ta lựa chọn phương án thiết kế máy

là sử dụng hệ thống thủy lực cùng với bộ truyền xích để thực hiện truyền động cho máy cũng như quá trình nhả kẹp ống

2.1.2.2 Lựa chọn kết cấu máy hợp lí

* Lựa chọn các loại đầu kẹp ống

Có 2 loại đầu kẹp ống: Đầu kẹp có sử dụng các con lăn và đầu kẹp sử dụng các má kẹp

a ) Đầu kẹp sử dụng con lăn:

Các máy uốn ống sử dụng đầu kẹp này chủ yếu là các máy có công suất bé Khi uốn ma sát sinh ra trên ống kẹp và puly uốn nhỏ (ma sát lăn) Nhược điểm của loại này

là khi các ống có kích thước lớn thì kết cấu puly cồng kềnh và đầu kẹp sẽ lớn

b ) Đầu kẹp sử dụng các má kẹp:

Các má kẹp này có kết cấu khá đơn giản có thể dùng kẹp các ống có đường kính lớn nhưng nhược điểm của nó là tạo ra lực ma sát lớn khi uốn (ma sát trượt)

Hình 2.5: Sơ đồ máy chỉ dùng một xi lanh

1 Đĩa xích cố định trên thân máy

2 Xi lanh 3 Khớp nối

4 Xích 5 Đĩa xích gắn trên trục má động

Khi sử dụng xi lanh 2 chiều thì ƣu điểm của nó là chi phí thấp vì chỉ sử dụng 1 xilanh cho quá trình 1 xi lanh cho quá trình chuyển động đi về của má uốn Nhƣng hạn chế của nó là bố trí của máy và xích kéo dài, công suất máy khá bé

- Máy sử dụng 2 xi lanh

Hình 2.6: Sơ đồ máy dùng 2 xi lanh

1 Xi lanh kéo uốn 4 Đĩa xích

2 Khớp nối 5 Xi lanh kéo về

3 Xích

Với cách bố trí này máy uốn có công suất uốn khá lớn bố trí máy khá đơn giản vì dùng xích kéo ngắn truyền công suất lớn

Kết luận: Thiết kế máy uốn thép ống cỡ lớn vì vậy ta thiết kế máy sử dụng các má

kẹp và bộ truyền xích hở sử dụng 2 xilanh cho hành trình đi và về của má động

2.1.3 Các bộ phận của máy uốn ống

- Đầu trƣợt có gắn má kẹp có xẻ rãnh để tăng ma sát trong quá trình kẹp, uốn

- Đầu trƣợt có nhiệm vụ cùng với pu li uốn giữ chặt ống trong khi má động chuyển

*Má tĩnh

- Má tĩnh cùng với chày uốn và má động có nhiệm vụ kẹp chặt ống

- Má tĩnh gồm có nhiều má kẹp có chiều dài lớn hơn má động để định hướng và kẹp chặt

*Chày uốn

- Chày uốn dùng để chống dập, méo cũng như chống gãy cho ống Chày uốn có đường kính phù hợp với các ống khác nhau

*Cơ cấu dẫn động chày uốn

- Gồm có pít tông xi lanh dẫn động dùng thay đổi khoảng cách của chày uốn so với các má kẹp Các con lăn đỡ chày, đỡ ống được bố trí trên thân máy

*Xylanh dẫn động đầu trượt má động

Dẫn động đầu trượt chuyển động tịnh tiến để kẹp chặt

*Xylanh dẫn động đầu trượt má tĩnh

*Động cơ điện

*Các van điều khiển (van SOLENOID) và Các cữ hành trình

Điều khiển hoạt động của máy là các van điều khiển theo hành trình uốn và chuyển động tịnh tiến của các xilanh Các cữ hành trình đảm bảo an toàn cho máy

B TÍNH TOÁN ĐỘNG LỰC HỌC

2.2 Tính lực cần thiết để uốn cong ống

2.2.1 Sơ đồ nguyên lí của máy uốn ống

5

6 7 8

9

11

10

12 13

6 Má kẹp puly uốn 14 Xi lanh dẫn chày uốn

8 Má kẹp đầu trƣợt

2.2.2 Nguyên lý hoạt động của máy uốn ống

Kết cấu má động là một khối gồm có thân má động làm bàn trƣợt cho đầu trƣợt, trục má động có gắn đĩa xích bằng then và đƣợc dẫn động đi - về bằng 2 xi lanh, má động đƣợc đỡ trên thân máy thông qua 2 ổ đỡ Khi uốn, đầu trƣợt má động kết hợp pu

ly uốn kẹp cứng phôi ống, đầu kẹp má tĩnh kết hợp với chày uốn và pu ly uốn để giữ thẳng ống uốn Khi xi lanh kéo đĩa xích chuyển động, má động chuyển động quay và

bẻ cong ống, ống đƣợc quay quanh pu ly uốn tạo thành bán kính uốn và trƣợt chày uốn

2.2.3 Tính toán lực uốn cong ống

2.2.3.1 Cơ sở quá trình tính toán

* Khi tính toán thiết kế máy ta chọn vật liệu phôi ống và đường kính ống để tính ra lực uốn lớn nhất mà máy cần để uốn từ đó tính ra công suất bơm dầu và công suất động cơ điện

+ Thép gia công CT3 có chảy = 25 KG/mm2; b = 36 KG/mm2

+ Đường kính phôi ống lớn nhất là : Dmax = 110 (mm)

+ Đường kính phôi ống nhỏ nhất là : D min = 27 (mm)

+ Chiều dày thành ống lớn nhất uốn được là: bmax = 10 (mm)

2.2.3.2 Sơ đồ lực của quá trình uốn

- Để tính được lực tác dụng lên đĩa xích kéo má động chuyển động thì ta tách các thành phần lực tác dụng lên má động trong từng thời kì chuyển động

- Chọn thời điểm tính toán là điểm bắt đầu bẻ cong ống vì tại thời điểm này lực tác dụng lớn nhất - lực tác dụng phải thắng mô men chống uốn của phôi ống, ứng suất sinh ra khi uốn vượt qua giới hạn đàn hồi của vật liệu, thắng lực kẹp của má kẹp, lực

ma sát trên chày uốn, puly và các má kẹp, lực làm chuyển động má động