Thiết kế máy ép trục khuỷu 100 tấn

Thực chất, đặc điểm của gia công áp lực

Thực chất

Gia công kim loại bằng áp lực là một phương pháp chế tạo sản phẩm dựa trên nguyên lý biến dạng dẻo của kim loại Phương pháp này sử dụng ngoại lực để thay đổi hình dáng và kích thước của kim loại theo yêu cầu.

Đặc điểm

Gia công kim loại rắn không chỉ làm thay đổi hình dáng và kích thước mà còn cải thiện các tính chất cơ, lý, hóa Quá trình này giúp các hạt kim loại trở nên mịn và đồng đều hơn, đồng thời khắc phục các khuyết tật như rổ khí và rổ co, từ đó nâng cao cơ tính và tuổi bền của chi tiết.

- Có khả năng biến tổ chức hạt của kim loại thành tổ chức thớ uốn, xoắn khác nhau làm tăng cơ tính của sản phẩm

- Dễ cơ khí hóa, tự động hóa cho năng suất cao, giá thành rẻ

Phương pháp gia công bằng áp lực có những hạn chế như không thể gia công các chi tiết phức tạp, không rèn dập được các chi tiết có kích thước lớn, không thích hợp cho kim loại giòn và độ bong cũng như độ chính xác bề mặt không cao.

Khái niệm về biến dạng dẻo kim loại

Khái niệm

Kim loại chịu tác dụng của ngoại lực và bắt đầu biến dạng Quá trình biến dạng xảy ra theo 3 giai đoạn:

-Biến dạng đàn hồi: là biến dạng khi thôi tác dụng hình dáng vật thể quay lại trạng thái ban đầu (đoạn oa)

Biến dạng dẻo là hiện tượng xảy ra khi một vật thể chịu tác dụng của lực và không thể trở về hình dạng ban đầu sau khi lực được loại bỏ, mà thay vào đó, nó sẽ chuyển sang một hình dáng mới (đoạn ab).

Biến dạng phá hủy xảy ra khi ứng suất do lực tác dụng vượt quá ứng suất gây ra biến dạng dẻo, dẫn đến việc kim loại bị phá hủy.

Hình 1.1 Biểu đồ tải trọng - biến dạng

Biến dạng dẻo của kim loại

a Biến dạng trong đơn tinh thể

- Khi ứng suất sinh ra trong kim loại vượt quá giới hạn đàn hồi kim loại biến dạng theo hình thức trượt và song tinh b)

Sơ đồ biến dạng dẻo trong đơn tinh thể cho thấy hai hình thức chính: theo hình thức trượt, một phần của đơn tinh thể dịch chuyển song song với phần còn lại qua một mặt phẳng nhất định, với các nguyên tử kim loại dịch chuyển tương đối theo một khoảng bằng một số nguyên lần thông số mạng, tạo ra vị trí cân bằng mới Theo hình thức song tinh, một phần tinh thể kim loại vừa trượt vừa quay đến vị trí mới đối xứng qua mặt phẳng gọi là mặt song tinh.

Trượt là hình thức chính gây ra biến dạng dẻo trong kim loại, với các mặt trượt là những mặt phẳng có mật độ nguyên tử cao nhất Mặc dù biến dạng dẻo do song tinh gây ra rất nhỏ, nhưng sự hiện diện của song tinh giúp quá trình trượt diễn ra thuận lợi hơn trong đa tinh thể.

Biến dạng dẻo trong đa tinh thể kim loại và hợp kim là sự hình thành từ nhiều đơn tinh thể, tạo nên cấu trúc đa tinh thể đặc trưng.

Biến dạng dẻo trong đa tinh thể bao gồm hai dạng chính: biến dạng nội bộ hạt và biến dạng tại vùng tinh giới hạt Biến dạng nội bộ hạt chủ yếu xảy ra qua quá trình trượt và song tinh, trong đó sự trượt diễn ra ở các mặt trượt tạo với hướng của ứng suất chính một góc 45 độ, sau đó lan sang các mặt khác Điều này dẫn đến biến dạng dẻo không đều trong kim loại đa tinh thể Khi chịu tác động của ngoại lực, biên giới hạt của các tinh thể bị biến dạng, làm cho các hạt trượt và quay tương đối với nhau Sự trượt và quay này tạo ra các mặt trượt thuận lợi mới trong các hạt, giúp cho quá trình biến dạng trong kim loại tiếp tục phát triển.

Trạng thái ứng suất và phương trình dẻo

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

- Ứng suất khối :   max max max

2 a.Ứng suất đơn b.Ứng suất phẳng c.Ứng suất khối

Trong gia công áp lực thì thường gặp các trạng thái: Ứng suất khối

- Khi chịu ứng suất khối:

Khi chịu ứng suất mặt:

Khi kim loại chịu ứng suất đường: max 2

Nếu 1 = 2 = 3 thì  = 0 và không có biến dạng Điều kiện biến dạng dẻo: max giớihạn

Khi kim loại chịu ứng suất đường thì trạng thái biến dạng dẻo là:

2 Khi chịu ứng suất mặt thì trạng thái biến dạng dẻo là :  1  2 = ch

Khi chịu ứng suất khối thì trạng thái biến dạng dẻo là :

 max  min  Các phương trình trên gọi là phương trình dẻo

Biến dạng dẻo chỉ bắt đầu sau biến dạng đàn hồi Thế năng của biến dạng đàn hồi ở đây: δ1 δ1 δ1 δ3 δ2

Hình1.3 :Trạng thái ứng suất

A0 - thế năng để thay đổi thể tích vật thể

Ah - thế năng để thay đổi hình dáng vật thể

Trong trạng thái ứng suất khối,thế năng biến dạng đàn hồi theo định luật Hook xác định

A= (11+22+33)/3 (1.2) Như vậy, biến dạng tương đối theo định luật Hook:

E       Theo (1) thế năng toàn bộ của biến dạng được biểu thị:

A = 1 [ 1 2 3 2 ( 1 2 2 3 3 )] 1 2E              (1.4) Lượng tăng tương đối thể tích của vật trong biến dạng đàn hồi bằng tổng biến dạng trong ba hướng vuông góc

1 2 ( ) (4) (1.5) Ở đây  : hệ số Pyacon tính đến vật liệu biến dạng

E : Mođun đàn hồi của vật liệu

Thế năng làm thay đổi thể tích bằng:

Thế năng đế thay đổi hình dạng vật thể:

6  E           (1.7) Vậy thế năng đơn vị để biến hình khi biến dạng đường sẽ là:

E  c (1.8) suy ra : (   1  2 ) 2  (   2  3 ) 2  (   3  1 ) 2  2  c 2  const (1.9) Đây gọi là phương trình dẻo

Khi cán kim loại, tấm kim loại biến dạng ngang không đáng kể:

Theo (3) ta có: 2 =[ (   1  3 )] (1.10) Khi biến dạng dẻo không tính đến đàn hồi, thể tích vật thể không đổi : vậy v =0

Ta có thể viết phương trình dẻo như sau:

Trong trượt song tinh, khi  2  3 , trên mặt phẳng nghiêng, ứng suất pháp bằng không ứng suất tiếp khi  = 45 0

So sánh với (1.13) khi  1  3 ch ph 

1 = k = 0,58 ch (1.15) k : gọi là hằng số dẻo ở trạng thái ứng suất khối Phương trình dẻo có thể viết : const k 

Phương trình dẻo (1.16) rất quan trọng để giải các bài toán gia công biến dạng

Tính đến hướng của các ứng suất, phương trình dẻo (1.16) được viết lại:

Các định luật trong gia công

a Định luật biến dạng đàn hồi tồn tại khi biến dạng dẻo :

Trong quá trình gia công áp lực, sự biến dạng dẻo của kim loại luôn đi kèm với một lượng biến dạng đàn hồi Lượng biến dạng này được xác định bởi góc đàn hồi, phụ thuộc vào mô đun đàn hồi E của vật liệu và độ dày của tấm kim loại.

-Gia công nguội: Kim loại dạng tấm sẽ chịu ảnh hưởng lớn

Gia công nóng là quá trình sử dụng kim loại dạng khối, trong đó ảnh hưởng của biến dạng đàn hồi thường được bỏ qua Khi thiết kế khuôn dập, cần lưu ý đến lượng biến dạng dư do biến dạng đàn hồi gây ra, điều này liên quan đến định luật ứng suất dư.

Khi gia công áp lực, sự nung nóng và làm nguội không đồng đều dẫn đến lực biến dạng và lực ma sát phân bố không đều, gây ra ứng suất dư bên trong vật thể kim loại Nếu không được cân bằng, ứng suất dư sẽ tích tụ hoặc thoát ra, làm cho vật thể biến dạng ngoài ý muốn để duy trì trạng thái cân bằng.

DUT.LRCC c Định luật thể tích không đổi :

Thể tích của vật thể trước khi biến dạng bằng thể tích vật thể sau khi biến dạng Gọi thể tích vật trước khi gia công là V0

Gọi thể tích vật sau khi gia công là V

Vật thể có chiều cao, rộng, dài trước khi gia công là:h0 ,b0 ,l0

Vật thể có chiều cao, rộng, dài sau khi gia công là: h ; b ; l

Theo điều kiện thể tích không đổi ta có : h b l = h0 b0 l0

Với δ1, δ2, δ3 là ứng biến chính

Khi gia công biến dạng, nếu có sự tồn tại của cả ba ứng biến chính, điều này đồng nghĩa với việc kích thước của vật thể thay đổi ở cả ba chiều Trong trường hợp này, đầu của một ứng biến sẽ phải trái dấu với hai ứng biến còn lại và có giá trị tuyệt đối bằng tổng của hai ứng biến đó.

- Khi có một ứng biến bằng 0 thì hai ứng biến còn lại phải ngược dấu và có trị số tuyệt đối bằng nhau d Định luật trở lực bé nhất :

Khi kim loại biến dạng, các điểm trên vật thể sẽ di chuyển theo hướng có trở lực nhỏ nhất, hướng đến đường viền có chu vi tối thiểu Nguyên tắc này được áp dụng trong thiết kế hình dáng của phôi trước khi gia công.

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

a Thành phần và tổ chức kim loại

Các kim loại khác nhau có kiểu mạng tinh thể và lực liên kết giữa các nguyên tử khác nhau Do đó, tính dẻo của chúng khác nhau

Kim loại nguyên chất, với cấu trúc đơn pha, có tính dẻo cao và khả năng biến dạng dễ dàng hơn so với kim loại có cấu tạo hỗn hợp cơ học hoặc hợp chất hóa học.

DUT.LRCC b Ảnh hưởng của nhiệt độ

Tính dẻo của kim loại chủ yếu phụ thuộc vào nhiệt độ, với hầu hết kim loại có tính dẻo tăng khi nhiệt độ tăng Khi nhiệt độ tăng, dao động nhiệt của các nguyên tử gia tăng, đồng thời làm giảm sự xô lệch của mạng tinh thể Điều này dẫn đến khả năng khuếch tán của các nguyên tử tăng lên, giúp tổ chức kim loại trở nên đồng đều hơn.

Khi kim loại bị biến dạng nhiều, các hạt tinh thể sẽ bị vỡ vụn và xô lệch mạng tăng, dẫn đến ứng suất dư lớn và làm giảm tính dẻo của kim loại, gây ra hiện tượng biến cứng Tuy nhiên, khi nhiệt độ kim loại đạt từ 0,25 đến 0,35 lần nhiệt độ nóng chảy (Tnc), ứng suất dư và xô lệch mạng sẽ giảm, giúp phục hồi tính dẻo của kim loại Nếu nhiệt độ tiếp tục tăng lên tới 0,4Tnc, quá trình kết tinh lại sẽ bắt đầu, tạo ra tổ chức kim loại với hạt đồng đều và lớn hơn, đồng thời cải thiện mạng tinh thể, từ đó tăng cường tính dẻo của kim loại.

Trạng thái ứng suất chính có ảnh hưởng lớn đến tính dẻo của kim loại Các thí nghiệm cho thấy kim loại chịu ứng suất nén khối có tính dẻo cao hơn so với khi chịu ứng suất nén mặt, nén đường hoặc ứng suất kéo Ngoài ra, ứng suất do ma sát bên ngoài làm thay đổi trạng thái ứng suất chính trong kim loại, dẫn đến sự giảm tính dẻo Tốc độ biến dạng cũng là một yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến tính chất này.

Sau khi rèn dập, các hạt kim loại bị biến dạng sẽ trở nên chai cứng hơn và có khả năng chống lại sự biến dạng tốt hơn Khi nhiệt độ giảm, các hạt kim loại sẽ kết tinh trở lại Tuy nhiên, nếu tốc độ biến dạng nhanh hơn tốc độ kết tinh, các hạt kim loại sẽ không kịp trở về trạng thái ban đầu và tiếp tục bị biến dạng.

Do đó, ứng suất trong khối kim loại sẽ lớn hạt kim loại bị dòn và có thể bị nứt ra.

Ảnh hưởng biến dạng dẻo đến tính chất và tổ chức kim loại

a Ảnh hưởng tới tổ chức và cơ tính kim loại

Tốc độ biến dạng càng tăng thì sự vỡ của các hạt càng lớn độ hạt càng giảm do đó cơ tính càng cao

Biến dạng dẻo giúp loại bỏ các khuyết tật như xốp, rổ khí, rổ co và lỏm co, đồng thời tạo ra các thớ uốn xoắn đa dạng, từ đó nâng cao cơ tính của sản phẩm.

Tốc độ biến dạng càng lớn thì sự biến cứng càng nhiều b Ảnh hưởng đến lý tính kim loại

Biến dạng dẻo làm tăng điện trở, giảm tính dẫn điện và làm thay đổi từ tính trong kim loại

Biến dạng dẻo gây ra xô lệch mạng, xô lệch vùng tinh giới, làm giảm biên độ giao động nhiệt của các điên tử

Các sai lệch trong quá trình biến dạng dẻo có thể làm thay đổi cấu trúc từ trường cơ bản trong kim loại, dẫn đến sự thay đổi về từ tính và độ thấm từ Điều này không chỉ ảnh hưởng đến tính chất từ mà còn tác động đến hóa tính của kim loại.

Sau khi biến dạng dẻo năng lượng tự do của kim loại tăng, do đó hoạt tính kim loại tăng.

Các phương pháp gia công kim loại bằng áp lực

Cán kim loại

a Thực chất của quá trình cán

Quá trình cán kim loại diễn ra khi phôi được biến dạng giữa hai trục cán quay ngược chiều, với khe hở nhỏ hơn chiều cao của phôi Kết quả của quá trình này là chiều cao phôi giảm, trong khi chiều dài và chiều rộng tăng lên Hình dạng sản phẩm cuối cùng được xác định bởi cấu trúc của khe hở giữa hai trục cán, và sự chuyển động của phôi qua khe hở được hỗ trợ bởi ma sát giữa phôi và các trục cán.

-Cán không những thay đổi hình dáng và kích thước phôi mà còn nâng cao chất lượng sản phẩm

Máy cán có hai trục cán song song quay ngược chiều, giúp biến dạng phôi kim loại khi nó được kéo vào giữa hai trục Khi phôi có chiều dày lớn hơn khe hở giữa các trục, lực ma sát sẽ làm giảm chiều dày, đồng thời tăng chiều dài và chiều rộng của phôi, tạo ra sản phẩm mong muốn.

Hình 1.5 Sơ đồ quá trình cán

* Các thông số sau để biểu thị khi cán

-Tỷ số chiều dài (hoặc tỷ số tiết diện) của phôi trước và sau khi cán gọi là hệ số kéo dài

Trong đó: lo,Fo: chiều dài và diện tích phôi cán l1,F1: chiều dài và diện tích tiết diện sau khi cán

- Lượng ép tuyệt đối : h = ( h0 - h1) mm

- Quan hệ giữa lượng ép và góc ăn : h = D.( 1 - cos) mm

D-đường kính trục cán α-góc ăn

- Sự thay đổi chiều dài trước và sau khi cán gọi là lượng giãn dài: l = l1 - l0

- Sự thay đổi chiều rộng trước và sau khi cán gọi là lượng giãn rộng :b = b1 - b0

- Cán có thể tiến hành ở trạng thái nóng hoặc trạng thái nguội

Cán nóng mang lại nhiều ưu điểm, bao gồm tính dẻo của kim loại cao giúp dễ dàng biến dạng và đạt năng suất cao Tuy nhiên, chất lượng bề mặt thường kém do sự tồn tại của vảy sắt trên bề mặt phôi trong quá trình nung Do đó, phương pháp này thường được áp dụng cho cán phôi, cán thô, cán tấm dày và cán thép hợp kim.

Cán nguội thì ngược lại chất lượng bề mặt tốt hơn song khó biến dạng nên chỉ dùng khi cán tinh, cán tấm mỏng, dài hoặc kim loại mềm

Điều kiện để kim loại có thể được cán gọi là điều kiện cán vào, trong đó kim loại sẽ chịu hai lực khi tiếp xúc với trục cán: phản lực N và lực ma sát T Hệ số ma sát giữa hai trục cán và phôi được ký hiệu là f.

Vì  là góc ma sát nên : T/N = tg = f

Lực N và T có thể chia thành hai thành phần : Nằm ngang và thẳng đứng :

Với: N-lực hướng tâm β-góc masat f-hệ số masat

Vậy điều kiện cán được là β>α

Nghĩa là hệ số ma sát f phải lớn hơn tang của góc  hoặc góc ma sát lớn hơn góc ăn

Khi vật cán tiến vào giữa hai trục cán, góc ăn sẽ giảm dần và chỉ còn bằng 1/2 khi vật cán hoàn toàn ở giữa Hiện tượng này được gọi là ma sát thừa Để đảm bảo quá trình cán diễn ra hiệu quả, cần tăng cường hệ số ma sát trên bề mặt trục cán.

*Biện pháp tăng hệ số ma sat trục cán

-Khoét rãnh, hạ nhiệt ở đầu phôi

-Bôi các chất tăng masat

-Thay đổi độ hở giữa các trục cán b Sản phẩm cán

Sản phẩm cán rất đa dạng, được phân ra 4 nhóm chính: Dạng hình, dạng tấm, dạng ống và dạng đặc biệt

Các sản phẩm được phân loại thành hai dạng hình chính: dạng hình đơn giản, bao gồm các tiết diện như thanh, thỏi có hình tròn, vuông, chữ nhật, lục giác và bán nguyệt; và dạng hình phức tạp, với các tiết diện như chữ V, U, I, T, Z.

Hình 1.6.Các sản phẩm cán

- Dạng tấm : các sản phẩm dạng tấm được phân loại theo chiều dày của tấm thành : + Mỏng : s = 0,2 đến 3,75 mm ; b = 600 đến 2200 mm

+ Dày : s = 4 đến 60 mm ; b = 600 đến 5000 mm

+ Cuộn : s = 0,2 đến 2 mm ; b = 200 đến 1500 mm; l = 4000 đến 60000mm

- Dạng ống: Các sản phẩm dạng phẩm được phân ra thành hai loại: Ống không có mối hàn và ống có mối hàn

+ Ống không hàn được cán từ phôi thỏi có =5 đến 426 mm , chiều dày thành ống s=0,5 đến 40 mm

Ống có mối hàn được sản xuất bằng cách cuốn tấm kim loại thành hình ống, sau đó thực hiện quy trình cán để hàn giáp mối Loại ống này có đường kính ngoài tối đa lên đến 720 mm và chiều dày lên đến 14 mm.

Các sản phẩm đặc biệt bao gồm những loại có hình dáng độc đáo theo yêu cầu riêng, chẳng hạn như vỏ ô tô và các loại tiết diện thay đổi theo chu kỳ Sơ đồ máy cán được sử dụng để sản xuất những sản phẩm này một cách hiệu quả.

Hình 1.7 Sơ đồ cấu tạo máy cán

1 Trục cán 2 Trục các đăng 3 Hộp giảm tốc

4 Khớp nối 5 Bánh đà 6 Hộp giảm tốc 7 Động cơ

- Giá cán: nơi tiến hành cán

Gồm: trục cán, gối đỡ trục cán, thiết bị điều chỉnh khoảng cách giữa trục cán, than máy, hệ thống dẫn phôi, cơ cấu lật trở phôi…

-Hệ thống truyền động: hộp giảm tốc, khớp nối, trục nối

-Nguồn năng lượng: động cơ điện d Phân loại máy cán

-Máy cán phá:cán từ thỏi thép đúc gồm máy cán phôi thỏi blumin và máy phôi tấm slamin

-Máy cán phôi: đặt sau máy cán phá cung cấp phôi cho máy cán hình và máy cán khác

-Máy cán hình cỡ lớn: gồm máy cán ray dầm và máy cán hình cỡ lớn -Máy cán hình cỡ trung

-Máy cán hình cỡ nhỏ

-Máy cán tấm(cán nóng và cán nguội)

Kéo kim loại

a Thực chất, đặc điểm và công dụng

Kéo sợi là quá trình kéo phôi kim loại qua lỗ khuôn, giúp giảm tiết diện ngang và tăng chiều dài của phôi Kích thước và hình dáng của sản phẩm cuối cùng sẽ tương tự như lỗ khuôn kéo.

+Kéo sợi có thể tiến hành ở trạng thái nóng hoặc trạng thái nguội

+ Kéo sợi cho ta sản phẩm có độ chính xác cấp 2 đến 4

+ Kéo sợi dùng để chế tạo các thỏi, ống, sợi bằng thép và kim loại màu

+ Kéo sợi còn dùng gia công tinh bề mặt ngoài các ống cán có mối hàn và một số công việc khác b Sơ đồ kéo kim loại

Khi kéo sợi phôi qua khuôn kéo với lỗ có tiết diện nhỏ hơn phôi kim loại, sản phẩm sẽ được hình thành theo yêu cầu Đối với quá trình kéo ống, khuôn kéo không chỉ tạo hình mặt ngoài của ống mà còn điều chỉnh đường kính nhờ lõi đặt ở bên trong.

Hình 1.8 Sơ đồ kéo kim loại

1 Phôi 2 Khuôn kéo 3 Sản phẩm 4 Lõi

Ép kim loại

Ép là phương pháp chế tạo sản phẩm kim loại bằng cách đẩy kim loại vào buồng ép kín hình trụ Quá trình này diễn ra dưới tác dụng của chày ép, khiến kim loại biến dạng qua lỗ khuôn ép có tiết diện tương tự như tiết diện ngang của sản phẩm cuối cùng.

1 Pistông 2 Xi lanh 3 Kim loại 4 Khuôn kéo 5 Lõi tạo lỗ

Hình 1.9 Sơ đồ nguyên lý ép kim loại

Khi ép thanh, thỏi người ta có thể tiến hành bằng phương pháp ép thuận hoặc ép nghịch

Trong quá trình ép thuận, khi pistông ép (1) hoạt động, kim loại trong xilanh (2) được đẩy qua lỗ hình của khuôn ép (4) theo cùng chiều với chuyển động của pistông Ngược lại, trong quá trình ép nghịch, khi pistông (1) thực hiện ép, kim loại trong xilanh (2) lại bị đẩy qua lỗ hình của khuôn ép (4) theo chiều ngược lại với chuyển động của pistông.

Ép thuận có cấu trúc đơn giản nhưng tạo ra lực ép lớn do ma sát giữa kim loại và thành xilanh, làm tăng lực ép cần thiết Trong khi đó, ép nghịch có lực ép thấp hơn, với lượng kim loại còn lại trong xilanh ít hơn, nhưng kết cấu ép lại phức tạp hơn.

-Sơ đồ hình (c) trình bày nguyên lý ép ống, ở đây lỗ ống được tạo thành nhờ lõi

(5) Phôi ép có lỗ rỗng để đặt lõi (5), khi pistông (1) ép, kim loại bị đẩy qua khe hở giữa lỗ hình của khuôn (4) và lõi tạo thành ống

Trong đó: s0, s1 là tiết diện phôi trước và sau khi ép, thông thường  = 8 đến 50 b Khuôn ép

-Về kết cầu khuôn ép có 3 dạng : Hình côn (a), hình phễu (b) và hình trụ (c)

Hình 1.10 Kết cấu khuôn ép

Khuôn ép hình côn với góc ôm thành bên từ 20 đến 30 độ và chiều dài đoạn hình trụ từ 5 đến 8 mm được ưa chuộng nhờ vào kết cấu đơn giản Mặc dù kết cấu hình phễu giúp kim loại biến dạng đều hơn, nhưng việc gia công lại gặp khó khăn Trong khi đó, kết cấu hình trụ dễ gia công hơn, nhưng kim loại biến dạng qua khuôn lại khó khăn hơn.

-Vật liệu chế tạo khuôn là thép hợp kim chứa W, V, Mo, Cr, hoặc hợp kim cứng c Đặc điểm và ứng dụng

Ép là một phương pháp sản xuất thanh thỏi có tiết diện định hình với năng suất và độ chính xác cao, đồng thời tạo ra bề mặt nhẵn mịn nhờ vào ứng suất nén làm tăng tính dẻo của kim loại Phương pháp này cho phép ép các sản phẩm có tiết diện ngang phức tạp Tuy nhiên, nhược điểm của nó là yêu cầu kết cấu khuôn ép phức tạp và khả năng chống mòn cao.

Phương pháp này được sử dụng phổ biến trong sản xuất các thỏi kim loại màu với đường kính từ 5 đến 200 mm, ống có đường kính ngoài lên đến 800 µm, và độ dày từ 1,5 đến 8 mm, cùng với một số sản phẩm profin khác.

Rèn tự do

Rèn tự do là một phương pháp gia công áp lực trong đó kim loại biến dạng không bị giới hạn bởi bất kỳ mặt nào khác ngoài bề mặt tiếp xúc giữa phôi kim loại và búa cùng đe Khi lực P từ búa tác động lên khối kim loại, cùng với phản lực N từ đe, khối kim loại sẽ biến dạng, với sự khống chế chỉ ở hai mặt trên và dưới, trong khi các mặt xung quanh hoàn toàn tự do.

1 Đe trên 2 Phôi rèn 3 Đe dưới

DUT.LRCC b Đặc điểm và dụng cụ rèn tự do

+ Độ chính xác, độ bóng bề mặt chi tiết không cao, năng suất thấp

Chất lượng và tính chất của kim loại trong các chi tiết thường không đồng nhất, vì vậy chỉ nên gia công những chi tiết đơn giản hoặc bề mặt không định hình Hơn nữa, chất lượng sản phẩm còn phụ thuộc vào tay nghề của công nhân.

+ Thiết bị và dụng cụ rèn tự do đơn giản

+ Rèn tự do được dùng rộng rãi trong sản xuất đơn chiếc hay hàng loạt nhỏ

Chủ yếu dùng sửa chữa thay thế

+Nhóm 1: Là những dụng cụ công nghệ cơ bản như các loại đe, búa, bàn là, bàn tóp, sấn, chặt, mũi đọt,

+Nhóm 2: Là những dụng cụ kẹp chặt như các loại kìm, êtô và các cơ cấu kẹp chặt khác

+Nhóm 3: Là những dụng cụ kiểm tra và đo lường : êke, thước cặp (đo trong, đo ngoài, đo chiều sâu), các loại compa c Thiết bị rèn tự do

Thiết bị rèn tự do bao gồm các thành phần như thiết bị gây lực, thiết bị nung, máy cắt phôi, máy nắn thẳng và máy vận chuyển Rèn tự do có thể thực hiện bằng tay hoặc bằng máy, trong đó rèn tay thường được sử dụng trong sản xuất sửa chữa, trong khi rèn máy chủ yếu được áp dụng trong các phân xưởng cơ khí.

Theo đặc tính tác dụng lực, máy rèn tự do được phân loại thành máy tác dụng lực va đập (máy búa) và máy tác dụng lực tĩnh (máy ép) Trong số đó, máy búa hơi là thiết bị phổ biến nhất, được trang bị hai xi lanh: một xi lanh khí và một xi lanh búa Van phân phối khí giữa hai xi lanh có nhiệm vụ điều khiển việc cấp khí nén từ xi lanh nén sang xi lanh đầu búa.

Hình 1.13 Nguyên lý máy búa hơi 1-Động cơ 2-Bộ truyền đai 3-Trục khuỷu 4-Tay biên 5- Xilanh nén 6- Piston

7- Hệ van phân phối khí 8- Xilanh búa 9-Piston búa 10-Đầu búa 11-Đe

12- Bệ đe 13-Giá đỡ bệ đe 14-Bàn đạp điều khiển

Nguyên lý làm việc của máy búa dựa vào động cơ 1 truyền động cho trục khuỷu 3 qua bộ truyền đai 2 Biên truyền động 4 khiến pittông ép 6 chuyển động tịnh tiến, tạo ra khí ép trong buồng trên hoặc buồng dưới của xi lanh búa 9 Tùy thuộc vào vị trí của bàn đạp điều khiển 14, hệ thống van phân phối khí 7 sẽ tạo ra các đường dẫn khí khác nhau, làm cho pittông búa 8 chuyển động hoặc đứng yên trong xi lanh búa 9 Đe dưới 11 được lắp vào gối đỡ đe 12 và được giữ chặt trên bệ đe 13.

Dập thể tích

a Thực chất, đặc điểm và ứng dung

- Dập thể tích là phương pháp gia công áp lực trong đó kim loại biến dạng trong một không gian hạn chế bởi bề mặt lòng khuôn

- Quá trình biến dạng của phôi trong lòng khuôn được chia thành 3 giai đoạn

Trong giai đoạn 1, chiều cao của phôi giảm xuống, trong khi kim loại xung quanh biến dạng và chảy ra Phôi chịu ứng suất nén theo phương thẳng đứng, còn theo phương ngang, phôi phải chịu ứng suất kéo.

Trong giai đoạn 2, kim loại bắt đầu lèn kín cửa bavia, tạo ra ứng suất nén khối Lúc này, mặt tiếp giáp giữa nửa khuôn trên và dưới vẫn chưa áp sát vào nhau.

Giai đoạn 3 trong quá trình đúc kim loại là khi kim loại chịu ứng suất nén khối triệt để, lấp đầy các phần sâu và mỏng của lòng khuôn Kim loại thừa sẽ tràn qua cửa bavia vào rãnh chứa bavia cho đến khi hai bề mặt của khuôn áp sát vào nhau Phương pháp này mang lại nhiều ưu điểm, bao gồm việc tối ưu hóa chất lượng sản phẩm và giảm thiểu lãng phí nguyên liệu.

+ Độ chính xác và độ bóng bề mặt phôi cao

+ Chất lượng sản phẩm đồng đều và cao, ít phụ thuộc tay nghề công nhân + Có thể tạo phôi có hình dạng phức tạp hơn rèn tự do

+ Năng suất cao dễ cơ khí hóa và tự động hóa ٭Nhược điểm của phương pháp :

+ Thiết bị cần có công suất cao, độ cứng vững và độ chính xác cao

Chi phí chế tạo khuôn cao và khuôn hoạt động hiệu quả trong điều kiện nhiệt độ và áp lực lớn Do đó, phương pháp dập thể tích chủ yếu được áp dụng trong sản xuất hàng loạt và hàng khối.

Hình 1.14 Sơ đồ kết cấu của một bộ khuôn rèn

1 Khuôn trên 2 Rãnh chứa ba via 3.Khuôn dưới

4 Chuôi đuôi én 5 Lòng khuôn 6 Cửa ba via b Phân loại các phương pháp dập thể tích :

•Căn cứ vào kết cấu của khuôn dập : 2 loại

Dập thể tích trong khuôn hở là phương pháp sử dụng khuôn có mặt phân khuôn vuông góc với lực tác dụng, cho phép kim loại biến dạng tự do nhờ có rãnh bavia Mặc dù khả năng điền đầy khuôn cao và tốn nhiều kim loại, phương pháp này không yêu cầu xác định chính xác loại kim loại sử dụng.

Dập thể tích trong khuôn kín mang lại ưu điểm về khả năng điền thấu khuôn tốt, giúp giảm thiểu bavia trên vật rèn và tiết kiệm kim loại Tuy nhiên, phương pháp này có độ chính xác theo chiều cao thấp, đòi hỏi phải định lượng kim loại một cách chính xác và thiết kế khuôn phức tạp.

•Căn cứ và cách bố trí khuôn trên khối khuôn :

Rèn trong khuôn một lòng khuôn là phương pháp rèn phôi sơ bộ bằng cách sử dụng rèn tự do hoặc thép định hình Kết cấu khuôn đơn giản giúp kỹ thuật này được áp dụng phổ biến trong sản xuất trung bình.

Rèn trong khối khuôn nhiều lòng khuôn là phương pháp sản xuất hiệu quả, trong đó phôi được đưa vào các lòng khuôn liên tiếp trên cùng một khối khuôn Phương pháp này thường áp dụng cho các máy có công suất lớn và phù hợp với dạng sản xuất trung bình.

•Căn cứ vào trạng thái nhiệt của phôi :

+ Rèn trong khuôn nóng : kim loại dễ biến dạng, khả năng điền đầy kém, không cần thiết bị có công suất cao, khuôn ít mòn

+ Rèn trong khuôn nguội : dùng khi rèn tinh, sửa đúng trước khi ra thành phẩm c Công nghệ dập thể tích

Quá trình dập phụ thuộc vào mức độ phức tạp của vật dập, có thể diễn ra qua một hoặc nhiều lòng khuôn Đối với các vật dập phức tạp, thường sẽ trải qua các nguyên công như dập sơ bộ, dập bán tinh và dập hoàn thiện.

Công nghệ dập tấm

a Thực chất ,đặc điểm , công dụng :

Dập tấm là một kỹ thuật gia công áp lực hiện đại, được sử dụng để sản xuất các sản phẩm và chi tiết từ vật liệu tấm thép hoặc thép dải.

- Dập tấm được tiến hành ở trạng thái nguội (Trừ thép cacbon có s>10 mm) Nên còn gọi là dập nguội

Vật liệu sử dụng trong dập tấm bao gồm thép cácbon, thép hợp kim mềm, đồng và hợp kim đồng, nhôm và hợp kim nhôm, niken, thiếc, chì, cùng với các vật liệu phi kim như giấy cactông, êbôni, fip, amiăng và da.

- Năng suất lao động cao, dễ tự động hóa và cơ khí hóa

- Chuyển động của thiết bị đơn giản, công nhân không cần trình độ cao, đảm bảo độ chính xác cao

- Có thể dập được những chi tiết phức tạp và đẹp có độ bền cao

Dập tấm là công nghệ quan trọng được ứng dụng rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp, bao gồm chế tạo máy bay, nông nghiệp, ô tô, thiết bị điện và dân dụng Công nghệ này không chỉ giúp tối ưu hóa quy trình sản xuất mà còn nâng cao chất lượng sản phẩm.

- Công nghệ dập thể tích được đặc trưng bởi nguyên công cắt đứt và nguyên công tạo hình

Cắt là nguyên công cắt 1 phần của phôi khỏi phần kim loại chung, nguyên công này có 3 loại : cắt đứt , cắt phôi , đột lỗ

*Nguyên công tạo hình : gồm các nguyên công

Nguyên công uốn là quá trình thay đổi hướng của trục phôi, trong đó lớp kim loại phía trên bị nén, lớp dưới bị kéo, và lớp giữa giữ nguyên trạng thái gọi là lớp trung hòa Khi bán kính uốn cong nhỏ hơn, mức độ nén và kéo sẽ tăng lên.

DUT.LRCC kéo càng lớn có thể làm cho vật bị uốn cong bị nứt nẻ Lúc này lớp trung hoà có xu hướng dịch về phía uốn cong

Nguyên công dập vuốt là phương pháp chế tạo các chi tiết hình trục rỗng từ phôi thẳng, thực hiện trên khuôn dập vuốt Quá trình này có thể làm mỏng thành hoặc giữ nguyên độ dày của phôi Khi không làm mỏng, độ dày của chi tiết dập sẽ bằng độ dày của phôi ban đầu Đối với các chi tiết có chiều cao không lớn hơn nhiều so với độ dày, sử dụng chày dập và khuôn để thực hiện Tuy nhiên, khi chiều cao lớn hơn nhiều so với độ dày, cần sử dụng thêm vành ép để tránh hiện tượng gấp mép ở miệng vật dập.

1 Chày dập 2 Vành ép 3 Phôi 4 Phôi dập

Hình 1.15 Sơ đồ nguyên công dập vuốt không làm mỏng thành

Ngoài ra còn có các nguyên công: uốn vành, tóp miệng, giãn rộng,viền mép, ghép mối,miết.

Giới thiệu về các loại máy ép

Định nghĩa và ứng dụng máy ép

Máy ép là thiết bị cơ khí chuyên dùng để gia công áp lực, tạo ra biến dạng thông qua các phương thức như truyền động cơ khí, truyền động ma sát hoặc áp lực chất lỏng.

Máy ép được sử dung rộng rãi trong nhiều nghành công nghiệp như: công nghiệp chế tạo máy và dụng cụ, công nghiệp xây dựng, công nghiệp thực phẩm

Lực ép là một trong những thông số quan trọng nhất của máy ép, phản ánh kích thước và công suất của thiết bị Máy ép có thể có lực ép danh nghĩa từ dưới 25KN đến 100.000KN Chức năng chính của máy ép bao gồm dập tấm, dập thể tích nóng và lạnh, cắt phôi tấm, phôi thanh, và nhiều nguyên công khác.

- Có thể chế tạo được các chi tiết có hình dạng phức tạp

- Chế tạo chi tiết có chất lượng bề mặt cao không cần qua cắt gọt

- Năng suất máy cao, nền ít chịu rung động như nền máy búa

Máy ép có nhược điểm là ít đa năng trong các nguyên công dập thể tích và không thực hiện được nguyên công vuốt, ép như máy búa Tuy nhiên, máy ép vẫn được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực sản xuất.

Máy ép là thiết bị quan trọng được sử dụng phổ biến trong nhiều ngành công nghiệp như chế tạo máy và dụng cụ, xây dựng, và thực phẩm Chúng được ứng dụng trong các quá trình như rèn tự do, rèn khuôn, ép chất dẻo, cũng như ép các vật liệu như kim loại và bột kim loại.

Các loại máy ép thường dùng

Máy ép trục khuỷu có lực ép từ 16 đến 10.000 tấn, bao gồm hai loại hành trình: hành trình cứng với đầu con trượt cố định và hành trình mềm với đầu con trượt có thể điều chỉnh Thông thường, các máy lớn sử dụng hành trình mềm Máy dập cơ khí có khả năng thực hiện nhiều công việc khác nhau như rèn trong khuôn hở, ép phôi, đột lỗ và cắt bavia.

Nguyên lý hoạt động của máy dập trục khuỷu bao gồm động cơ (1) truyền động qua bộ truyền đai (2) và (3) đến trục (4), bánh răng (5) kết hợp với bánh răng (6) trên trục khuỷu (8) Khi ly hợp (7) được đóng, trục khuỷu (8) quay, làm cho tay biên (10) chuyển động, từ đó đầu trượt (11) di chuyển lên xuống để thực hiện quá trình dập Đe dưới (13) được lắp trên bệ nghiêng có thể điều chỉnh để phù hợp với vị trí của khuôn trên và khuôn dưới Máy dập trục khuỷu có ưu điểm là chuyển động của đầu trượt êm hơn máy búa, năng suất cao và tiêu tốn ít năng lượng Tuy nhiên, nhược điểm là phạm vi điều chỉnh hành trình hạn chế, yêu cầu tính toán chính xác cho phôi và phải làm sạch phôi kỹ lưỡng trước khi dập.

Hình 1.16 Sơ đồ nguyên lý máy ép trục khuỷu 1- Động cơ điện 2- Bánh đai nhỏ 3- Bánh đai lớn (Bánh đà) 4- Trục dẫn 5- Bánh răng nhỏ

6- Bánh răng lớn 7- Cơ cấu ly hợp 8- Trục khuỷu 9- Cơ cấu phanh hãm 10- Tay biên

11- Đầu trượt 12- Rãnh trượt1 13- Đe dưới 14- Đế máy b Máy ép thủy lực:

Hình 1.17 Sơ đồ nguyên lý máy ép thủy lực

3 Đồng hồ đo áp 9 Máng trượt

4 Đường ống dẫn 10 Bàn ép

5.Van tiết lưu 11 Van tràn

6.Van đảo chiều (van phân phối) 12 Bể dầu

Động cơ truyền chuyển động quay bơm dầu, lấy dầu từ bể dầu qua van tràn và van tiết lưu đến hệ thống van phân phối Xi lanh thực hiện quá trình ép đẩy đầu trượt đi xuống, đồng thời dầu theo đường ống quay về bể chứa Trong hành trình về của piston, dầu vào xi lanh qua đường ống và ra khỏi xi lanh qua đường ống khác Sự đảo chiều của piston được điều khiển bởi hệ thống van phân phối.

*Ưu điểm và nhược điểm :

+ Lực ép được kiểm soát chặt chẽ trong từng chu kỳ

+ Có khả năng tạo ra lực làm việc lớn, cố định ở bất kỳ vị trí nào của hành trình làm việc

+ Khó xảy ra quá tải

+ Lực tác dụng làm biến dạng vật liệu rất êm và từ từ

+Tốc độ chuyển động của đầu trượt cố định và có thể điều chỉnh được,có thể thay đổi được chiều dài hành trình

+ Làm việc không có tiếng ồn

+ Hệ thống điều khiển tự động hóa

+ Năng suất và hiệu quả cao

+ Kết cấu máy phức tạp

+ Khuôn chế tạo phức tạp, đắt tiền c Máy ép ma sát trục vít

Tạo hình bằng máy ép ma sát trục vít

Các máy ép trục vít có lực ép từ 40 đến 630 tấn

Động cơ (1) truyền động qua bộ truyền đai (2) để quay trục (4), nơi lắp các đĩa ma sát (3) và (5) Khi nhấn bàn đạp (11), cần điều khiển (10) đi lên, đẩy trục (4) sang bên phải, khiến đĩa ma sát (3) tiếp xúc với bánh ma sát (6), làm cho trục vít hoạt động.

DUT.LRCC quay theo chiều thuận đưa đầu búa đi xuống Khi đến vị trí cuối của hành trình ép vấu

Khi cần (10) được điều khiển đi xuống, nó sẽ đẩy trục (4) sang trái và tạo áp lực lên đĩa ma sát (5) tỳ vào bánh ma sát (6) Điều này làm cho trục vít quay theo chiều ngược lại, đưa đầu trượt lên đến cữ hành trình (7) Sau đó, cần (10) lại được nhấc lên, khiến trục (4) được đẩy sang phải và lặp lại quá trình này.

Hình 1.18 Sơ đồ nguyên lý máy ép ma sát trục vít

1 Động cơ 5.Đĩa ma sát 9.Cữ tỳ

2 Bộ truyền đai 6.Bánh ma sát 10.Cần đẩy

3 Đĩa ma sát 7.Cữ hành trình 11.Bàn đạp

*Ưu điểm và nhược điểm:

Máy ép ma sát hoạt động với chuyển động đầu trượt êm ái và tốc độ ép thấp, giúp kim loại biến dạng từ từ và triệt để hơn Hơn nữa, hành trình làm việc của máy có thể điều chỉnh trong phạm vi rộng, mang lại tính linh hoạt cao Thiết kế đơn giản, dễ chế tạo và giá thành rẻ cũng là những ưu điểm nổi bật của máy ép ma sát.

+ Lực ép tạo được không lớn

+ Chưa có tính tự động hóa cao

XÂY DỰNG SƠ ĐỒ ĐỘNG HỌC VÀ TÍNH TOÁN ĐỘNG HỌC, TĨNH HỌC CƠ CẤU TAY BIÊN TRỤC KHUỶU

Xây dựng sơ đồ động học máy ép trục khuỷu

2.1.1 Phân tích các yêu cầu kỹ thuật

Qua việc phân tích các loại máy ép và các cơ cấu truyền động cùng công nghệ chế tạo, chúng ta có thể xác định những yêu cầu chính cần thiết để sản xuất máy ép hiệu quả.

- Thân máy phải vững chắc đặc biệt là trục chính máy

- Máy có lực dập 100 tấn nên thân máy 2 trụ; tay biên con trượt ở giữa nên yêu cầu độ cứng vững cao, thân máy có độ nghiêng bằng 0 0

- Để khắc phục tải trọng đột biến khi dập thì lắp bánh đà vào trong hệ thống truyền động

Máy thiết kế cho quá trình đột dập cần đảm bảo độ chính xác cao, với kết cấu đơn giản và dễ điều khiển Ngoài ra, các phụ tùng thay thế nên có thể gia công ngay tại nơi sản xuất để thuận tiện trong việc sử dụng và bảo quản.

2.1.2 Lựa chọn cơ cấu chấp hành

Chọn động cơ phù hợp là lựa chọn động cơ có tính năng làm việc đáp ứng yêu cầu truyền động máy và môi trường làm việc, đảm bảo vận hành an toàn và ổn định.

Có các loại động cơ thường dùng trong công nghiệp là :

Động cơ điện 1 chiều hoạt động bằng dòng điện 1 chiều hoặc dòng điện 1 chiều có thể điều chỉnh, cho phép khởi động êm, hãm và đổi chiều dễ dàng Tuy nhiên, giá thành của động cơ này khá cao, chi phí sửa chữa lớn và độ bền kém hơn so với động cơ xoay chiều, đồng thời yêu cầu thêm vốn đầu tư cho thiết bị chỉnh lưu.

Động cơ xoay chiều 3 pha là loại động cơ không đồng bộ 3 pha với cấu tạo lồng sóc giá rẻ, có thiết kế và vận hành đơn giản, được kết nối trực tiếp với mạng điện xoay chiều.

- Động cơ không đồng bộ 1 pha: Công suất không lớn lắm, thường dùng cho máy khâu, máy quạt,…

Chúng tôi lựa chọn động cơ xoay chiều 3 pha kiểu lồng sóc vì tính kinh tế, khả năng kết nối trực tiếp với mạng điện, cùng với sự thuận tiện trong việc sử dụng, bảo quản và sửa chữa.

2.1.3 Lựa chọn thân máy Ở đây, ta chọn phương án là thiết kế máy ép trục khuỷu

Dựa vào các kiểu thân máy, người ta chia ra làm hai kiểu: Thân hở và thân kín

Kiểu thân hở là thiết kế máy có hình dạng chữ E, nổi bật với ưu điểm gọn nhẹ và khả năng mở rộng phạm vi, cho phép đưa phôi vào từ ba phía của bàn máy Loại thân này thường có lực dập tối đa không vượt quá 100 tấn; trong trường hợp cần lực dập lớn hơn, người ta sẽ sử dụng kiểu thân kín Thân máy được kết nối với nhau thông qua cấu trúc hàn hoặc bulông giăng.

Thân máy kiểu kín có độ cứng nòng cao, giúp sản phẩm dập ra đạt độ chính xác cao khi chịu tải trọng Phôi được đưa vào máy từ hai phía trước và sau Thân máy được chia thành hai kiểu chính: một trục và hai trục Thân máy kiểu một trục có bộ phận truyền động nằm ở một phía, với biên máy mang đầu trượt nằm ngoài gối đỡ, được gọi là thân máy có trục công xôn Tuy nhiên, nhược điểm của loại thân máy này là độ cứng của trục chính tương đối thấp.

Thân máy kiểu 2 trục là loại máy có bộ phận truyền động được bố trí ở hai phía, giúp tăng độ cứng vững nhờ biên máy nằm giữa hai gối đỡ Thiết kế này thường bao gồm thân nghiêng và thân cố định, trong đó thân nghiêng có ưu điểm là cho phép sản phẩm sau khi dập rời khỏi lòng khuôn ra theo chiều nghiêng của thân máy.

Hình 2.1b Thân máy kiểu 2 trục

Truyền động cơ cấu tay biên trục khuỷu từ động cơ có thể sử dụng bộ truyền đai thang hoặc bộ truyền bánh răng trụ Số cấp truyền động có thể thay đổi từ 1 đến nhiều cấp, tùy thuộc vào số hành trình trong 1 phút của máy và số vòng quay của động cơ điện Đối với máy ép có hành trình nhanh với số hành trình trong 1 phút từ 0 đến 200, tỷ số truyền i là 7.5, có thể sử dụng bộ truyền 1 cấp.

Truyền động cho trục khuỷu có thể 1 phía hay 2 phía Ở truyền động 2 phía thì trục chịu tải Momen xoắn đồng đều hơn

Ta có các bộ truyền như hình vẽ:

X X c) ba cấp 1 phía d) ba cấp 2 phía

Hình 2.2 Bố trí các bộ truyền

Từ các phương án trên ta chọn bộ truyền 2 cấp

2.1.5 Lựa chọn loại trục khuỷu

Nguyên lý hoạt động của máy ép trục khuỷu dựa trên chuyển động tịnh tiến lên xuống của đầu trượt mang chày, từ đó tạo ra chuyển động dập Để đạt được chuyển động tịnh tiến này, có thể áp dụng một số phương án khác nhau.

DUT.LRCC là cơ cấu chuyển động tịnh tiến sử dụng trục khuỷu 2 trụ, cho phép biến đổi chuyển động quay thành chuyển động tịnh tiến lên xuống của đầu trượt.

Cơ cấu này có 2 ưu điểm là đơn giản, hiệu suất cao, độ cứng vững của đầu trượt lớn và hành trình làm việc của đầu ép lớn

Chuyển động tịnh tiến được thực hiện nhờ trục lệch tâm kiểu 1, trong đó chuyển động quay của trục lệch tâm CO1 được biến đổi thành chuyển động lên xuống của đầu trượt.

Cơ cấu này sử dụng trục lệch tâm để truyền chuyển động, dẫn đến lực ép không lớn và độ cứng vững thấp, cùng với hành trình làm việc nhỏ Tuy nhiên, ưu điểm nổi bật của nó là sự đơn giản và dễ chế tạo.

Cơ chế chuyển động của khuỷu lệch tâm thông qua các khâu bản lề biến chuyển động quay của khuỷu thành chuyển động tịnh tiến của đầu trượt Tuy nhiên, cơ cấu truyền động này có đặc điểm phức tạp, chiếm nhiều không gian máy do sử dụng thanh truyền và khuỷu bản lề, đồng thời hiệu suất truyền động thấp và hành trình làm việc nhỏ, không đáp ứng được yêu cầu về tính kinh tế và kỹ thuật trong thiết kế máy.

Hình 2.5 Thông qua khâu bản lề

DUT.LRCC d Chuyển động tịnh tiến nhờ cơ cấu hình sin

Tính toán tĩnh học và động học cơ cấu tay biên – trục khuỷu

2.2.1 Các số liệu ban đầu

Thiết kế máy ép 1 khuỷu, dạng thân hở, không nghiêng được, tác dụng đơn ( đơn động ), có lực ép danh nghĩa là 100 tấn

Chọn máy K2130ъ làm chuẩn, theo bảng PL- 31 trang 184 (1)

Ta có các thông số kĩ thuật cơ bản của máy như sau :

Thông số kĩ thuật ban đầu Kí hiệu Giá trị Đơn vị

Hành rình đầu trượt S 130 mm

Tốc độ đầu trượt n 50 ÷ 80 Nhát/phút

Chiều cao kín của máy 400 mm

Khoảng cách điều chỉnh được giữa bàn máy và đầu trượt

Khoảng hở giữa các trụ cuả khung máy 320 mm

Kích thước bàn máy 850X560 mm

Công suất tổng các động cơ điện N 7.5÷10 KW

Dựa vào các số liệu này ta đi tính động học và tĩnh học của máy

2.2.2 Tính toán động học cơ cấu tay biên trục khuỷu

Khi thiết kế máy ép trục khuỷu, việc xác định các thông số động học như hành trình, tốc độ và gia tốc của đầu trượt là rất quan trọng Cần phân tích quy luật thay đổi hành trình và vận tốc gia tốc của đầu trượt trong suốt quá trình công tác để đảm bảo hiệu suất hoạt động tối ưu.

Trong máy ép trục khuỷu, cơ cấu tay quay thanh truyền được sử dụng để chuyển đổi chuyển động quay thành chuyển động tịnh tiến của đầu trượt, với chiều dài tay quay đóng vai trò quan trọng trong quá trình này.

R là bán kính lệch tâm của trục khuỷu, trong khi chiều dài L của tay biên là khoảng cách giữa hai tâm của hai ổ bi ở hai đầu biên Khi đầu trượt di chuyển, có hai vị trí mà tại đó vận tốc đầu trượt bằng 0, được gọi là điểm chết trên và điểm chết dưới Khoảng cách giữa hai vị trí này được gọi là hành trình của đầu trượt, S = 2R, là một giá trị không đổi Mỗi vòng quay của trục khuỷu thực hiện hai hành trình đi lên và đi xuống.

Hình 2.8 Phân tích động học cơ cấu tay biên trục khuỷu Trong đó :

+ H min chiều cao khép kín nhỏ nhất của máy

+ H max : chiều cao lhép kín lớn nhất của máy

+ S : hành trình toàn bộ của máy

+ Sα : hành trình tức thời của máy ứng với góc quay α

+  : góc quay của trục khuỷu tính từ đường trục đến bán kính khuỷu (ngược chiều quay của trục khuỷu )

+  :góc kẹp giữa biên và đường trục

+ R, L : bán kính khuỷu và chièu dài biên R= OA, L = AB

+  : tốc độ góc của trục khuỷu = const

+ B1, B2 : điểm chết trên và điểm chết dưới

Mà AM = Rsin = Lsin sin L

R sin = Ksin cos = 1  sin 2  = (1-K 2 sin 2 ) 1/2

1K 2 (1- cos2) Thay vào ( 1 ) ta có :

Với hành trình S = 130mm  R=S/2 = 65mm

Chọn hệ số tay biên K L

Chọn gốc hành trình khi đầu trượt ở ĐCT B2, khi đó  = 0 0 , chiều quay trục khuỷu theo kim đồng hồ

●Ta lập được bảng quan hệ giữa S và  :

Bảng 2.1 Quan hệ giữa góc quay và quãng đường S α 0 0 0 30 0 60 0 90 0 120 0 150 0 180 0 210 0 240 0 270 0 300 0 330 0 360

Máy ép trục khuỷu có hành trình danh nghĩa S, nhưng chỉ một phần nhỏ SH của hành trình này được sử dụng trong quá trình làm việc Lực ép danh nghĩa được sinh ra tại thời điểm này.

Góc quay của trục khuỷu tương ứng với hành trình làm việc gọi là góc làm việc của trục khuỷu, góc này thường từ 5 ÷ 30 0

Sα phụ thuộc vào góc α và f, với góc α được tính từ đường trục đến bán kính khuỷu, ngược chiều quay của trục khuỷu Do đó, Sα cũng được xác định từ điểm chết dưới, ngược chiều quay trục khuỷu Để đạt hiệu quả tối ưu trong quá trình dập, góc α nên được chọn là 0 độ, vì tại điểm này lực dập đạt giá trị cao nhất.

Vậy đoạn hành trình làm việc của đầu trượt tính từ điểm chết dưới B1 là

*Tốc độ của đầu trượt

Sau 1 vòng quay, trục khuỷu lần lượt đi qua 2 ĐCT và ĐCD Qua mỗi vị trí này, đầu trượt thay đổi chiều chuyển động Giai đoạn bắt đầu trượt, đầu trượt có tốc độ nào

DUT.LRCC đó, sau đó hãm dần đến 0, tốc độ của đầu trượt phụ thuộc vào bán kính lệch tâm R, vị trí góc và số vòng quay trục khuỷu

K (1-cos2)] dt d  dt d  =  và coi  = const

●Thay các gía trị trên vào ta được bảng quan hệ giữa V và  :

Bảng 2.2 Quan hệ giữa  và vận tốc đầu trượt α 0 0 0 30 0 60 0 90 0 120 0 150 0 180 0 210 0 240 0 270 0 300 0 330 0 360 0

* Gia tốc của đầu trượt

Ta có bảng quan hệ giữa J và  :

Bảng 2.3 Quan hệ giữa  và gia tốc đầu trượt α 0 0 0 30 0 60 0 90 0 120 0 150 0 180 0 210 0 240 0 270 0 300 0 330 0 360 0

Từ các số liệu về S, V , J của đầu trượt ta vẽ được đồ thị biểu diễn quan hệ giữa chúng với góc quay 

Hình 2.9 Đồ thị S , V , J theo  b Nhận xét đồ thị :

Qua đồ thị, điểm thấp nhất là 0 tại điểm chết dưới, trong khi điểm cao nhất nằm ở điểm chết trên với đồ thị đối xứng Độ dài Sα tăng đều từ điểm chết trên đến điểm chết dưới và giảm dần khi trở lại điểm chết trên Điều này cho thấy sự tịnh tiến của đầu trượt tuân theo chuyển động quay của trục khuỷu.

Vận tốc trong một vòng quay của trục khuỷu thay đổi đều đặn, với hai lần biến thiên tại ĐCT và ĐCD Tại hai vị trí này, vận tốc của đầu trượt đạt giá trị bằng không và đảo chiều.

Hành trình và vận tốc của đầu trượt ít bị ảnh hưởng bởi hệ số tay biên K, trong khi gia tốc lại chịu tác động lớn từ hệ số này Hệ số K không chỉ ảnh hưởng đến lực mà còn thay đổi chế độ lực tác dụng lên máy Ở các loại máy khác nhau, hệ số tay biên cũng có sự khác biệt; trong trường hợp này, chúng ta chọn K = 0.3 Kết quả là giá trị gia tốc lớn nhất không đạt tại điểm chết trên mà giảm đáng kể, khiến đồ thị tại điểm chết trên lõm xuống và cân bằng với các điểm lân cận Do đó, quá trình hoạt động của máy trở nên êm ái và giảm thiểu va đập.

Tính toán tĩnh học cơ cấu tay biên - trục khuỷu

Lực quán tính của cơ cấu chấp hành tay biên - trục khuỷu là rất nhỏ và có thể bỏ qua Đối với máy ép tự động, lực quán tính của các máy cỡ trung bình và lớn không vượt quá 10% lực ép danh nghĩa Trong khi đó, máy ép thông dụng có số hành trình nhỏ hơn nhiều so với máy ép tự động, dẫn đến lực quán tính cũng nhỏ hơn Do đó, trong phần này, chỉ xem xét tĩnh học của cơ cấu.

Khi tính toán các lực tĩnh tác dụng lên các khâu của cơ cấu, cần đặc biệt lưu ý đến lực ma sát Lực tác dụng lớn lên đầu trượt của máy ép có thể dẫn đến sai số đáng kể trong các phép tính, đặc biệt là khi xem xét quá trình kẹt máy, gây khó khăn trong việc đạt được độ chính xác cần thiết.

Trong bài viết này, chúng ta sẽ tiến hành tính toán tĩnh học cho cơ cấu tay biên trục khuỷu trong hai trường hợp: lý tưởng, không tính đến ma sát, và thực tế, có tính đến ma sát.

Ta coi rằng kích thước của các cơ cấu đã biết ở mỗi vị trí của trục khuỷu tương ứng với góc quay  a Tính lực

Lực tác dụng lên đầu trượt của máy ép được xác định thông qua trở lực có ích hoặc bằng trị số lực ép danh nghĩa của máy trong quá trình tính toán.

Hình 2.10 Sơ đồ phân tích lực cơ cấu tay biên trục khuỷu

+ P H : lực tác dụng lên thanh dẫn hướng

+ P AB : lực tác dụng dọc theo biên

Chỉ số "u" tương ứng với lực trong trường hợp lý tưởng

Với K= 0.3, PD0 tấn = 10 3 KN ta được bảng tính sau:

Bảng 2.4 Quan hệ giữa góc quay và lực tác dụng lên tay biên

Nhận xét: Với giá trị K và nhỏ, thì 1K 2 sin 1, khi đó P AB u  P D b Tính momen xoắn M k u tác dụng lên trục khuỷu:

Vì cơ hệ chỉ có một bậc do: quay quanh tâm trục khuỷu nên ta chọn làm toạ độ suy rộng lực P D và ngẫu lực sinh công

Cho tay quay di chuyển khả dĩ góc d khi đó con trượt B di chuyển đoạn ds

Theo điều kiện cân bằng ta có : M k u d  = P ds

Theo công thức (3.2) ta có

R m u k   ) (3.10) Đại lượng m k u gọi là cánh tay đòn momen xoắn trong trường hợp lý tưởng, nó phụ thuộc chủ yếu vào góc quaycủa trục khuỷu

Như vậy, ta thấy rằng :

Và m k u  V / (tốc độ dài/ tốc độ góc)

Với SH 0mm, Re mm, K=0.3 Thay vào (3.10) ta được bảng sau:

Bảng 2.5 Quan hệ góc quay  và cánh tay đòn momen xoắn

2.3.2 Trường hợp thực tế (có tính đến ma sát) a Phương pháp tính

Theo nguyên lý máy, do momen ma sát ở khớp nối của biên, tác dụng lên biên

PAB sẽ không hướng theo trục tâm mà hướng theo tiếp tuyến chung của hai vòng tròn ma sát của đầu lớn và đầu nhỏ của biên (H18)

+r0: Bán kính ở ổ tựa của trục khuỷu

+rA:Bán kính ngõng khuỷu

+rB: Bán kính khớp nối biên với đầu trượt

+μ: Hệ số ma sát ở khớp nối và thanh dẫn hướng (coi bằng nhau)

+HA,HB: bán kính vòng tròn ma sát ở đầu lớn và đầu nhỏ của biên

+ : Góc kẹp biên và đường tiếp tuyến giữa hai vòng tròn ma sát

Từ điểm B, vẽ đường thẳng BC song song với tiếp tuyến của các vòng tròn ma sát tại A và B Sau đó, hạ đường vuông góc AC từ tâm A xuống đường thẳng BC.

Do đó: sin y = f(rA+rB)/L

Từ tam giác lực hình 3.4, theo định lý hàm số sin ta có

 ( 3.12 ) Góc  thường không lớn hơn 5 0 40 ’ (khi f < 0.1),  < 3 0 ,  < 10 0 khi  đủ nhỏ (<

30 0 ) và với các trị số k thông thường, khi đó ta có thể xem PAB =PD mà sai số không lớn hơn 6% tboả mãn giới hạn sai số cho phép

Cũng từ tam giác lực ta rút ra lực tác dụng lên bộ phận dẫn hướng:

P (3.13) Thành phần lực ngang của lực P Hn /

PHn ) cos( cos ) cos sin(

Thành phần lực ngang đó có thể tính theo công thức gần đúng sau:

Momen xoắn Mk được xác định từ phương trình công nguyên tố tại vị trí tức thời của trục khuỷu Khi trục khuỷu quay một góc dα, biên sẽ quay tương đối với dầu trượt một góc dβ Do đó, góc quay giữa trục khuỷu và biên sẽ là tổng của hai góc này, tức là (dα + dβ).

M k d   P D ds   fP Hn ds   fP AB r A ( d  d )  fP OI r 01 d  fP OH r oH d  (3.15)

Trong đó: POI, ro1, POH, roH tương ứng là phản lực và bán kính của ổ đỡ thứ I và thứ II của trục khuỷu

Thành phần thứ 2 có thể bỏ qua Bởi vì PHn < 0,3PD và tích số  PHn không vượt quá 3% số hạng đầu tiên

Cho PAB = PD Biểu thức (3.17) trên trở thành:

Bởi vì ds/d = m k u và sin  = ksin

Vi phân biểu thức này ta được : cosd = kcosd

Vậy, biểu thức (3.18) tương đương:

Thành phần thứ hai trong biểu thức trên, kí hiệu là f m k, phụ thuộc vào điều kiện ma sát và không bị ảnh hưởng nhiều bởi góc quay α Cánh tay đòn ma sát được tính bằng công thức: m k f = r A (1 + K cosα) + Kr B cosα + P OI r o 1 / P D + P OH r oH / P D.

Trong thực tế tính toán, tổng phản lực tại các ổ có thể được xem là lực PD, khi bỏ qua lực vòng ở các bánh răng Giá trị lớn nhất của cánh tay đòn ma sát m k f được xác định bằng cách coi cos α.

= 1) được tính cho trục khuỷu bố trí phía trên của máy theo trang 21, (1) như sau: m k f = f  ( 1  k ) r A  Kr B  r o  (3.19)

Như vậy momen xoắn Mk thực tế được tính :

+ M k u : cánh tay đòn momen xoắn trong trường hợp lý tưởng

+ m k f : cánh tay đòn ma sát

+ m k f  f  ( 1  k ) r A  Kr B  r 0  (theo biểu thức 3.19) b Tính toán giá trị cụ thể của trường hợp thực tế f m k : cánh tay đòn ma sát m k f  f  ( 1  k ) r A  Kr B  r 0 

Tính đường kính ngõng trục theo kinh nghiệm : d 0 14 P H 0.02 (bảng trang 27, (1))

Theo bảng 1, trang 28, (1) ta có: dA = 1,25d0 = 1,25 145= 180 (mm)

Theo bảng trang 57, (1), ta có: dB = d0 = 145mm

Xác định năng lượng của máy và công suất động cơ

Như vậy, cánh tay đòn ma sát xem như cố định và được tính theo biểu thức 3.22 (1) m k f  f  ( 1  k ) r A  Kr B  r 0 

Kết hợp với bảng giá trị của sin 2 )

M k n   trang trước và theo biểu thức k n f k

Bảng 2.6 Quan hệ giữa góc quay  và các cánh tay đòn α 0 0 0 30 0 60 0 90

Từ đó ta vẽ được đồ thị quan hệ giữa góc quay  và các cánh tay đòn

Hình 2.11 Đồ thị cánh tay đòn ma sát

Cánh tay đòn lý tưởng M k u được xác định bởi vị trí của trục khuỷu và giá trị của góc α Trong khi đó, cánh tay đòn ma sát m k f được tính bằng hệ số ma sát f nhân với các kích thước của cơ cấu, coi như là một giá trị cố định.

2.4 Xác định năng lượng của máy và công suất động cơ

2.4.1 Xác định năng lượng máy

Sự thay đổi năng lượng tức thời (công suất) của máy trong một chu trình đơn được biểu diễn bằng đồ thị sau:

Hình 2.12 Sự thay đổi năng lượng của máy Trong đó:

UB: mức năng lượng máy được tích lũy ở bánh đà lúc ban đầu

UL: năng lượng của máy khi đóng ly hợp

Mức năng lượng của máy trong hành trình công tác tại Vương quốc Anh được xác định bởi các góc quay của trục khuỷu Cụ thể, αdx là góc quay của trục khuỷu khi hành trình công tác đi xuống, trong khi αdl là góc quay của trục khuỷu trong quá trình đi xuống Ngoài ra, αp đại diện cho góc làm việc khi máy hoạt động có tải.

Bình thường khi làm việc máy chạy đều, mức năng lượng ban đầu của máy là

Khi ấn bàn đạp để đóng ly hợp, năng lượng của máy giảm xuống mức U1 Phần năng lượng này được tiêu tốn để khởi động các phần bị dẫn của bộ ly hợp và chuyển hóa thành công ma sát Nếu chọn đúng hệ thống dẫn động, tốc độ bánh đà sẽ tăng dần, giúp năng lượng của máy nhanh chóng trở về mức ban đầu UB tại điểm c Tuy nhiên, trong hành trình công tác, năng lượng sẽ giảm xuống mức tối thiểu UK tại điểm e, và năng lượng được giải phóng trong hành trình công tác này rất đáng kể.

Mômen quán tính của các chi tiết chuyển động tập trung vào trục của bánh đà Tốc độ góc ban đầu và cuối trong quá trình hoạt động của bánh đà được ký hiệu là ωM và ωmin.

Sau hành trình công tác, năng lượng được phục hồi thông qua động cơ điện, giúp duy trì nguồn năng lượng liên tục Tuy nhiên, nếu thiết kế máy không hợp lý hoặc máy dập nguyên công bị biến dạng quá mức, năng lượng ở cuối hành trình có thể không đạt được giá trị ban đầu Thông thường, năng lượng của máy sẽ đạt giá trị ban đầu trước khi kết thúc chu trình.

Năng lượng trong chu trình Ach được phân chia thành năng lượng cần thiết để vượt qua trở lực hữu ích AP trong quá trình làm việc, năng lượng tiêu tốn trong hành trình không tải Akt, và công để mở ly hợp Alh.

Ta sẻ nghiên cứu từng thành phần năng lượng đó

2.4.2 Sự tiêu tốn năng lượng trong hành trình công tác A P

Trong thời gian hành trình công tác, năng lượng bị tiêu hao do:

+ Biến dạng dẻo kim loại

+ Biến dạng đàn hồi của hệ thống máy ép

+ Ma sat khớp nối, sống trượt của cơ cấu chính(cơ cấu thực hiện)

Sự tiêu hao năng lượng trong hành trình công tác có đặc điểm không ổn định và phụ thuộc vào nhiều yếu tố như kết cấu máy, tính chất công nghệ (cắt, dập, vuốt), độ phức tạp và các yếu tố không ổn định như nhiệt độ, hóa bền và trở lực masat Do đó, việc tính toán chính xác năng lượng cần cung cấp cho máy là rất khó khăn Năng lượng tiêu hao trong hành trình công tác bao gồm bốn thành phần chính.

+ Công tiêu hao do biến dạng dẻo kim loại Ag

+ Năng lượng tiêu hao do masat Af

+ Công tiêu hao làm biến dạng đàn hồi Adhf

Công của lực masat do biến dạng đàn hồi Adhf khi dập thân máy bị biến dạng đàn hồi dẫn đến góc quay của trục khuỷu thực tế lớn hơn góc αp, mà αp được tính khi máy ép được coi là tuyệt đối cứng Do đó, năng lượng bên ngoài không chỉ dùng để biến dạng đàn hồi Ath mà còn phải dùng để vượt qua lực khi thân máy bị biến dạng đàn hồi Adhf.

Vậy: AP=Ag+Af+Adh+Adhf

Ap ≥ Ag+0,15Ag+0,2Ag+0,2Ag=1,55Ag

2.4.3 Sự tiêu tốn năng lượng trong hành trình không tái A kt

Mômen xoắn có tác dụng không lớn lên hành trình không tải, nhưng thời gian tác dụng của nó lại đáng kể Do đó, công tiêu hao trong thời gian hành trình không tải chiếm tới 50% năng lượng yêu cầu.

Lực và lực quán tính, đặc biệt là ma sát tại các khớp nối và ổ, tạo ra mô men cản lớn Mô men này sẽ tăng lên khi hiệu suất của bộ truyền đai thang và bộ truyền bánh răng giảm.

Để tính toán momen và công suất của hành trình không tải một cách chính xác và nhanh chóng, chúng ta nên sử dụng công suất hành trình không tải theo Ag.

Theo bảng trang 42 (1) ta có :

Theo bảng trang 42 (1) ta có :

Vậy công trong hành trình chung là :

Ach = Ap + Akh + Alh = ( 1,55+ 0,7 + 0,4 )Ag = 2,65Ag

Công trong hành trình công tác chuyển về trục động cơ:

+ ηtd: hiệu suất truyền động từ động cơ đến trục khuỷu

Với: η1=0,94: hiệu suất bộ truyền đai η2=0,96: hiệu suất bộ truyền bánh răng η3=0,985: hiệu suất của một cặp ổ trượt η4=0,99 hiệu suất của một cặp ổ đỡ Vậy:

Công tổng cộng trong chu trình đơn nhát là:

Công tổng cộng trong chu trình liên tục là:

Hiệu suất của chu trình đơn nhát :

Hiệu suất của hành trình liên tục:

Hiệu suất của hành trình công tác (là hiệu suất trong thời gian nguyên công nghệ):

 trd : Hiệu suất của cơ cấu biên- trục khuỷu

2.4.4 Khái quát về xác định công suất động cơ và Momen quán tính bánh đà

Những đại lượng chủ yếu cần xác định khi tính toán năng lượng là công suất động cơ và mômen quán tính của bánh đà

Trong quá trình làm việc, động cơ cung cấp một phần năng lượng, trong khi bánh đà đóng vai trò quan trọng hơn khi cung cấp một lượng lớn năng lượng Bánh đà không chỉ giải phóng năng lượng mà còn làm giảm số vòng quay từ 15-20% so với mức ban đầu.

Trong quá trình không tải, bánh đà tăng số vòng quay và bù đắp năng lượng mất mát Khi có tải trọng đột biến, thời gian bù lại năng lượng của bánh đà giảm, yêu cầu tăng công suất động cơ Sử dụng bánh đà giúp giảm công suất động cơ từ 6-8 lần và tiết kiệm chi phí chế tạo máy ép.

Sự giảm số vòng quay của bánh đà được giới hạn bởi hệ số trượt cho phép của động cơ

Khi chọn công suất động cơ và mômen quán tính của bánh đà cần chú ý:

+ Độ bền vững của hệ truyền động

+ Độ nóng cho phép của động cơ với hệ số trượt

+ Sự tiêu hao năng lượng tối thiểu

+ Hệ số sử dụng lớn nhất

Do sự biến đổi của tải trọng, công suất thường được tính toán dựa trên các đại lượng tương đương như dòng điện, công suất và mô men Để đơn giản hóa quá trình tính toán, người ta thường sử dụng công suất trung bình và nhân với hệ số an toàn K = (1,2 - 1,6) Hệ số này cao nhất khi động cơ bị quá nhiệt do tải trọng lớn, vì dòng điện trong rô to không tỷ lệ với mô men tác dụng Trong một số loại máy ép dập nóng rèn ngang, động cơ AC với hệ số trượt cao được áp dụng.

Để bánh đà không quá nặng, giới hạn kích thước nên nằm trong khoảng (0,3-0,35) Tuy nhiên, không nên sử dụng loại động cơ này cho các máy có số hành trình lớn hơn 40 trong 1 phút do kích thước động cơ cồng kềnh.

TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ CÁC KẾT CẤU MÁY CHÍNH

LẮP ĐẶT -VẬN HÀNH VÀ BẢO DƯỠNG MÁY