TỔNG QUAN VỀ CÁC PHƯƠNG PHÁP GIA CÔNG ÁP LỰC VÀ CÁC LOẠI MÁY ÉP
THỰC CHẤT ĐẶC ĐIỂM VÀ PHÂN LOẠI CỦA PHƯƠNG PHÁP GIA CÔNG ÁP LỰC
- Là một trong những phương pháp cơ bản để chế tạo ra các chi tiết máy thay thế cho phương pháp đúc hoặc gia công cắt gọt
Gia công kim loại bằng áp lực là quá trình sử dụng ngoại lực tác động lên kim loại ở nhiệt độ rèn hoặc nhiệt độ bình thường, giúp kim loại vượt qua giới hạn đàn hồi Quá trình này làm thay đổi hình dạng của kim loại mà không làm mất đi tính liên tục và độ bền của chúng Lực tác động có thể là lực động hoặc lực tĩnh.
Gia công kim loại bằng áp lực không chỉ tạo hình và kích thước cho sản phẩm mà còn cải thiện và đồng đều hóa tổ chức kim loại, giúp loại bỏ một số khuyết tật do đúc, từ đó nâng cao cơ tính của chi tiết gia công.
Kim loại gia công ở thể rắn không chỉ thay đổi hình dáng và kích thước mà còn cải thiện tính chất cơ lý hóa Quá trình gia công giúp kim loại trở nên mịn và chặt hơn, đồng thời tạo ra hạt kim loại đồng đều Ngoài ra, gia công còn khắc phục các khuyết tật như rổ khí và rổ co do đúc, từ đó nâng cao cơ tính và tuổi bền của sản phẩm.
Gia công áp lực là phương pháp quan trọng trong việc chuẩn bị phôi cho quá trình gia công cắt gọt Phương pháp này giúp giảm thiểu lượng dư cần gia công cơ, đồng thời nâng cao độ chính xác và tăng năng suất trong gia công cắt gọt.
Gia công áp lực là phương pháp có thể áp dụng cho nhiều loại kim loại như thép cacbon, thép hợp kim và hợp kim màu Đặc biệt, độ dẻo của hợp kim càng cao thì quá trình gia công sẽ càng trở nên dễ dàng hơn.
- Phôi dùng khi gia công áp lực có thể là phôi thanh, thỏi đúc, thép tấm
- Gia công kim loại bằng áp lực cho năng suất cao vì có khả năng cơ khí hóa và tự động hóa cao
- Những dạng cơ bản của gia công kim loại bằng áp lực là: cán, kéo sợi, ép, rèn (tự do, khuôn) và dập
Cán là quá trình ép kim loại bằng cách đưa phôi kim loại giữa hai trục cán quay ngược chiều, khiến phôi biến dạng và di chuyển nhờ vào sự quay liên tục của trục và ma sát giữa trục với phôi Hơn 60% phôi sử dụng cho các phương pháp rèn và dập được cung cấp từ sản phẩm cán.
Kéo sợi là quá trình kéo dài phôi qua lỗ khuôn dưới tác dụng của lực kéo, tạo ra sản phẩm có hình dáng và kích thước nhỏ hơn so với tiết diện phôi ban đầu Quy trình này cho ra sản phẩm với bề mặt nhẵn bóng và độ chính xác cao, thường được sử dụng để chế tạo các sợi, thỏi hoặc ống có chiều dài không giới hạn.
Ép kim loại là quá trình ép kim loại trong khuôn kín qua lỗ khuôn ép để nhận được hình dáng và kích thước chi tiết cần chế tạo
Rèn tự do là kỹ thuật biến dạng kim loại thông qua lực tác động của búa hoặc máy ép, cho phép quá trình biến dạng diễn ra mà không bị giới hạn.
Dập thể tích (rèn khuôn) là phương pháp rèn mà kim loại biến dạng trong lòng khuôn có hình dáng và kích thước nhất định trong khuôn
Dập tấm là một phương pháp chế tạo chi tiết từ phôi liệu dạng tấm, trong đó kim loại tấm được biến dạng trong khuôn dập với hình dạng và kích thước xác định.
Gia công áp lực là phương pháp phổ biến trong các xưởng cơ khí, được sử dụng để chế tạo phôi và sửa chữa chi tiết máy Sản phẩm từ gia công áp lực còn được ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực xây dựng, cầu đường và hàng tiêu dùng.
CÁC PHƯƠNG PHÁP GIA CÔNG KIM LOẠI BẰNG ÁP LỰC
1.2.1 Phương pháp dập tấm a) Thực chất:
- Dập tấm là một trong những phương pháp tiên tiến của gia công áp lực để chế tạo sản phẩm từ vật liệu tấm, thép bản hoặc dài cuộn
- Dập tấm có thể tiến hành ở trạng thái nóng hoặc nguội, song chủ yếu gia công ở trạng thái nguội vì vậy còn gọi là dập nguội
Dập tấm là một phương pháp sản xuất phổ biến trong nhiều ngành công nghiệp, đặc biệt là trong lĩnh vực chế tạo ôtô, máy bay, tàu thủy, thiết bị điện và các sản phẩm dân dụng.
- Ví dụ: tỷ lệ các chi tiết dập tấm trong một số ngành: máy điện 60 - 70%, ôtô máy kéo 60 - 95%, đồ dùng dân dụng 95 - 98% b) Đặc điểm:
- Độ chính xác và chất lượng sản phẩm cao: dập tấm cho ta khả năng lắp lẫn cao, độ bền, độ bóng của sản phẩm cao
- Khả năng cơ khí hóa và tự động hóa cao
- Năng suất cao c) Phương pháp dập tấm
- Các nguyên công cơ bản
+ Nhóm nguyên công cắt: Thực hiện tách một phần phôi ra khỏi phần khác bằng đường cắt hở hoặc kín
+ Nhóm nguyên công tạo hình: Làm thay đổi hình dáng phôi ban đầu để nhận được vật dập có hình dáng và kích thước theo yêu cầu
- Nhóm nguyên công này bao gồm: Cắt đứt, dập cắt và đột lỗ
Cắt đứt là quá trình tách một phần phôi thông qua đường cắt hở, có thể thực hiện bằng máy cắt với dao hai lưỡi song song, dao nghiêng một hoặc hai lưỡi, hoặc máy cắt dạng dĩa Trong khi đó, dập cắt và đột lỗ là nguyên công cắt phôi theo đường cắt kín; dập cắt tạo ra sản phẩm từ phần bao quanh đường cắt, còn đột lỗ tạo ra sản phẩm từ phần phôi bên ngoài đường cắt.
- Dụng cụ cơ bản để dập cắt và đột lỗ là bộ cối và chày Khe hở giữa cối và chày khoảng (5-10%) chiều dày phôi (s)
Hình 1.1 : Sơ đồ dập cắt và đột lỗ
- Để đảm bảo chất lượng phôi khi cắt và dập cần chú ý:
+ Đường kính lỗ không quá bé đối với chi tiết thép ( d> s )
+ Khoảng cách giữa hai lỗ phải đủ lớn
+ Đường cắt tránh tạo thành góc nhọn sắc
+ Hai cạnh giáp nhau phải có góc lượn
Nguyên công làm thay đổi trục của phần phôi, dẫn đến việc phần trên chịu nén và phần dưới chịu kéo khi uốn, có thể gây ra vết nứt tại vùng uốn Do biến dạng đàn hồi, góc uốn của phôi thường lớn hơn góc của khối V Vì vậy, trong quá trình uốn, cần chọn góc lượn của mũi chày đủ lớn, với góc của khối V nhỏ hơn góc cần uốn của phôi từ 1-10º.
Nguyên công tạo hình các chi tiết hoặcc phôi dạng ống từ tấm phôi phẳng Người ta chia dập vuốt thành hai dạng:
+ Dập vuốt có làm mỏng thành
+ Dập vuốt không làm mỏng thành
Khi dập vuốt, không làm mỏng thành, giữ nguyên chiều dày chi tiết bằng chiều dày phôi ban đầu Đối với các chi tiết có chiều cao thành không lớn hơn nhiều so với chiều dày, sử dụng chày dập và khuôn Nếu chiều cao của vật dập lớn hơn nhiều so với chiều dày, thường áp dụng vật ép để tránh hiện tượng gấp mép ở miệng vật dập.
Hình 1.2 Sơ đồ dập vuốt không làm mỏng thành
1 - Chày dập 2 - Vành ép 3 - Phôi 4- Cối
1.2.2 Phương pháp dập thể tích a) Thực chất
- 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 phân thành 3 giai đoạn:
Trong giai đoạn đầu, chiều cao của phôi giảm, trong khi kim loại bị biến dạng và chảy ra xung quanh Phôi chịu ứng suất nén theo phương thẳng đứng, trong khi ở phương ngang, phôi chịu ứng suất kéo.
Trong giai đoạn 2, kim loại bắt đầu lèn kín cửa ba-via, dẫn đến việc kim loại chịu ứng suất nén khối Mặt tiếp giáp giữa nửa khuôn trên và nửa khuôn dưới áp sát vào nhau, tạo ra sự kết nối chặt chẽ trong quá trình sản xuất.
Giai đoạn cuối của quá trình đúc 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.
- Độ chính xác và độ bóng bề mặt phôi cao (cấp 6 - 7; RZ = 80 - 20)
- 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 hoá c) Phân loại
Phân loại theo trạng thái nhiệt của phôi
- Người ta chia thành dập khuôn nóng và dập khuôn nguội
Dập khuôn nóng là phương pháp gia công phôi liệu bằng cách nung nóng đến nhiệt độ rèn, được ưa chuộng nhờ vào khả năng biến dạng kim loại dễ dàng và khả năng điền thấu tốt Phương pháp này không yêu cầu công suất thiết bị quá cao, mặc dù khuôn có thể dễ bị mòn Tuy nhiên, dập khuôn nóng có nhược điểm là chất lượng bề mặt chi tiết hạn chế và độ chính xác kích thước thấp, đòi hỏi bộ khuôn phải có khả năng chịu nhiệt tốt.
Vì vậy người ta thường dùng dập khuôn nóng để dập những chi tiết yêu cầu độ bóng bề mặt, độ chính xác không cao.
Dập khuôn nguội là phương pháp gia công mà phôi chỉ được nung đến nhiệt độ rèn hoặc không nung, dẫn đến khả năng biến dạng khó khăn và khả năng điền thấu kém, yêu cầu công suất thiết bị cao Mặc dù bộ khuôn dễ bị mòn và tạo ra ứng suất dư trong bề mặt kim loại, nhưng dập khuôn nguội lại mang lại chất lượng bề mặt tốt và độ chính xác kích thước cao Do đó, phương pháp này thường được sử dụng cho các nguyên công chính xác và sửa đổi cuối cùng trước khi sản phẩm hoàn thiện.
Phân loại theo kết cấu lòng khuôn:
Khuôn có mặt phân khuôn nằm ở vị trí tiếp giáp với quá trình gia công song song hoặc gần song song với phương lực tác dụng, cho phép tạo ra vật dập có hoặc không có Ba-via.
+ Dập trong khuôn kín thì tính dẻo của kim loại tăng, tính điền thấu được tốt Yêu về công suất thiết bị không lớn
+ Tuy nhiên dập trong khuôn kín thì yêu cầu việc tính toán phôi phải chính xác yêu cầu chất lượng nung cao
Hình 1.3a- Dập trong khuôn kín Hình 1.3b- Dập trong khuôn hở
1- Nửa khuôn dưới 2- Lòng khuôn 3 - Vành Bavia 4 - Nủa khuôn trên
Khuôn có mặt phân khuôn tại vùng tiếp giáp với vật gia công theo phương vuông góc với lực tác dụng Cửa Ba-via không bị hạn chế, cho phép kim loại biến dạng ra xung quanh Mặt phân khuôn là bề mặt tiếp giáp giữa hai khuôn, thường là mặt phẳng, nhưng cũng có thể là mặt gãy khúc, mặt cong hoặc mặt định hình.
Dập trong khuôn hở thường dẫn đến tính dẻo của kim loại thấp và sự điền thấu không cao, gây ra lượng kim loại thừa tạo thành Ba-via có thể chiếm tới 20% khối lượng phôi Điều này yêu cầu công suất thiết bị lớn, nhưng việc tính toán phôi không cần quá chính xác, trong khi mặt phân khuôn lại tương đối đơn giản.
Dập không Bavia là quá trình dập mà không tạo ra Bavia, xảy ra khi các điều kiện kỹ thuật trong khuôn kín được đảm bảo Phương pháp này không chỉ tiết kiệm kim loại mà còn giảm công suất yêu cầu của thiết bị dập lên đến 40% so với dập trong khuôn hở.
Phân loại theo cách bố trí lòng khuôn trên khối khuôn
- Người ta chia dập khuôn thành dập trong khuôn có một lòng khuôn và dập trong khuôn có nhiều lòng khuôn
Dập trong khuôn với lòng khuôn yêu cầu phôi phải được dập sơ bộ hoặc sử dụng thép định hình Phương pháp này thường được áp dụng trong sản xuất quy mô trung bình, với kết cấu khuôn đơn giản và không đòi hỏi thiết bị phức tạp.
Rèn trong nhiều lòng khuôn cho phép phôi liệu được đưa vào các lòng khuôn liên tiếp trên cùng một khối khuôn, tạo ra hiệu quả cao trong quá trình sản xuất Thiết kế của các bộ phận này rất phức tạp và có khả năng hoạt động trên những máy công suất lớn, đáp ứng nhu cầu sản xuất công nghiệp hiện đại.
GIỚI THIỆU VỀ CÁC LOẠI MÁY ÉP
1.3.1 Ứng dụng của các loại máy ép
Thiết bị dập thể tích có khả năng thực hiện nhiều công việc đa dạng như dập trong khuôn kín và hở, ép tinh, đột lỗ, cắt bavia Ngoài ra, thiết bị này còn có thể dập những chi tiết có hình dáng phức tạp và kích thước lớn, mang lại hiệu quả cao trong sản xuất.
1.3.2 Một số máy ép thường dùng
Máy ép hiện đại có khả năng tạo ra lực ép từ 200 đến 10.000 tấn, bao gồm các bộ phận chính như động cơ, hệ thống truyền dẫn dây đai, trục truyền, bánh răng, bánh đà, ly hợp, trục khuỷu, hệ thống phanh, tay biên, đầu trượt, bàn ép, cơ cấu đẩy phôi và lấy chi tiết ra, cùng với hệ thống bôi trơn, hệ thống điều khiển, thân máy và nền móng.
Máy ép trục khuỷu được chia thành hai loại chính: hành trình đầu con trượt cố định, được gọi là hành trình cứng, và hành trình đầu con trượt điều chỉnh, được gọi là hành trình mềm.
+ Độ chính xác của sản phẩm cao, năng suất lao động tăng gấp ( 1,5-3 lần ) + Năng lượng tổn thất ít
+ Độ an toàn lớn, ít chấn động khi làm việc
+ Khả năng cơ khí hóa, tự động hóa cao
+ Yêu cầu tính toán phôi khắt khe, khuôn chóng mòn
Trước khi tiến hành dập, phôi cần được làm sạch để đảm bảo chất lượng sản phẩm Quá trình làm sạch có thể thực hiện bằng cách nung nóng trong lò kín, sau đó sử dụng tia nước để loại bỏ tạp chất Việc làm sạch bằng tia nước chỉ diễn ra trong vài giây, do đó nhiệt độ của phôi giảm không đáng kể, giúp duy trì tính chất vật liệu.
Động cơ (1) truyền động cho trục (4) thông qua bộ truyền đai (2) Bánh răng chủ động (5) gắn trên trục (4) ăn khớp với bánh răng bị động (6) trên trục khuỷu (8) Khi ly hợp (7) được đóng, trục khuỷu (8) sẽ quay kết hợp với tay biên.
(10) biến chuyển động quay tròn thành chuyển động tịnh tiến lên và xuống của đầu trượt thực hiện chu trình ép
Đầu trượt hoạt động mượt mà hơn so với máy búa, mang lại năng suất cao và tiêu tốn ít năng lượng Tuy nhiên, nhược điểm của nó là phạm vi điều chỉnh hành trình hạn chế, do đó yêu cầu phôi phải được tính toán chính xác và làm sạch kỹ lưỡng trước khi tiến hành dập.
Hình 1.4 - Sơ đồ máy ép trục khuỷu
Máy rèn truyền dẫn bằng dòng chất lỏng (dầu) có áp suất cao, hoạt động dựa trên nguyên lý truyền áp suất trong lòng chất lỏng.
Lực tác động tại Piston phụ thuộc vào áp lực của chất lỏng (p, atm) và đường kính xi lanh (D, mm) Để tạo ra lực ép lớn hơn tại đầu Piston, có thể tăng đường kính Piston, nhưng điều này bị giới hạn bởi kích thước và khối lượng của máy Giải pháp tối ưu hơn là tăng áp suất của chất lỏng bằng cách sử dụng bơm cao áp, có thể là một hoặc nhiều cấp Hiện nay, để đạt được áp suất cao cho dòng chất lỏng, người ta thường sử dụng bộ khuếch đại áp suất.
Máy ép thủy lực không tạo ra lực ép tĩnh do các vấn đề kỹ thuật, nhưng lại hoạt động êm ái, không gây chấn động và có khả năng cung cấp lực tác dụng lớn hơn so với bất kỳ loại máy rèn dập nào khác.
Hình 1.5 : Sơ đồ máy dập thủy lực 1- Xi lanh nâng 2 -Xi lanh é , 3- Đầu ép 4 : Khuôn trên,
5 -Van phân phối 6 -Bình ổn áp 7 -Bơm cao áp 8 : Bể chứa dầu
Dầu từ bể được bơm cao áp đến bình ổn áp và đi qua van phân phối Tùy thuộc vào vị trí của van, dầu sẽ được dẫn vào xi lanh hoặc xi lanh ép Khi điều khiển van phân phối, dầu sẽ được dẫn vào xi lanh theo yêu cầu.
Trong quá trình ép, piston di chuyển xuống dưới và khi chu trình ép kết thúc, dầu từ xi lanh ép được dẫn qua van phân phối trở về bể chứa, đồng thời piston ép sẽ được nâng lên.
1.3.2.3 Máy ép ma sát trục vít
Máy ép ma sát trục vít hiện có hai loại chính: hai bánh xe ma sát và ba bánh xe ma sát, trong đó loại hai bánh xe ma sát được ưa chuộng hơn Hiện nay, nhiều máy ép ma sát được chế tạo với hệ thống điều khiển điện, hoạt động bằng bàn đạp, mang lại năng suất cao và dễ dàng trong việc điều khiển.
+ Động cơ (1) truyền chuyển động cho bộ truyền đai (2) làm quay trục (4) Trên có lắp các đĩa ma sát (3) và (5)
Khi nhấn bàn đạp, cần điều khiển để đẩy trục sang phải, khiến đĩa ma sát tiếp xúc với đĩa ma sát khác, từ đó làm cho trục vít quay và đưa đầu búa đi xuống Quá trình này tiếp tục cho đến khi đầu ép đạt vị trí cuối cùng.
+ Vấu (7) tỳ vào cử (8) làm cho cần điều khiển di chuyển xuống đẩy trục
(4) dịch chuyển qua trái và đĩa ma sát (5) tỳ vào đĩa ma sát (6) làm trục vít quay theo chiều ngược lại
+ Đầu trượt đi lên khi vấu (9) tỳ vào cử (8) cần được nhấc lên , trục được đẩy sang phải và sau đó lặp lại
Hình 1.6 : Sơ đồ máy ép ma sát trục vít
1 - Động cơ 2 -Bộ truyền đai 3,5 - Đĩa ma sát
4 -Trục 6 - Bánh ma sát 7, 9 –Cữ hành trình
8 -Vấu tì 10 – Cần điều khiển 11 – Bàn đạp
THIẾT KẾ ĐỘNG HỌC MÁY ÉP
TÍNH TOÁN ĐỘNG CƠ VÀ TĨNH HỌC
12 : Then chủ động ( Then tựa)
13 : Then bị động ( Then làm việc) 14,15 : Vấu
Hình 2.4b - Ly hợp then quay
- Ta chọn ly hợp then quay.
2.2 TÍNH TOÁN ĐỘNG HỌC VÀ TĨNH HỌC
2.2.1 HÀNH TRÌNH VÀ TỐC ĐỘ ĐẦU TRƯỢT
Để chuyển đổi chuyển động của trục khuỷu thành chuyển động tịnh tiến của đầu trượt, cơ cấu tay quay thanh truyền (khuỷu – tay biên) được sử dụng Chiều dài tay quay R đại diện cho bán kính lệch tâm của trục khuỷu, trong khi chiều dài L của biên là khoảng cách giữa hai tâm của ổ bi ở hai đầu biên Khi đầu trượt di chuyển, có hai vị trí mà tâm biên và tâm khuỷu nằm trên đường trục, được gọi là điểm chết trên (ĐCT) và điểm chết dưới (ĐCD).
Khoảng cách giữa hai vị trí là hành trình toàn phần S của đầu trượt, với S = 2R là một trị số không đổi Mỗi vòng quay của trục khuỷu, đầu trượt thực hiện hai hành trình: một lần đi xuống và một lần đi lên.
Hình 2.5 : Phân tích động học cơ cấu tay biên - trục khuỷu
Phần này tập trung vào động lực học của cơ cấu tay quay thanh truyền, nhằm xác định công suất của máy Để thực hiện điều này, cần phân tích các lực tác động lên các khâu, bắt đầu từ lực dập tại đầu trượt.
+ Bán kính lệch tâm trục khuỷu R = 50 mm
+ Chiều dài tay quay L = 500 mm
+ Hành trình của đầu trượt S 0 mm
Góc quay của trục khuỷu tương ứng với hành trình làm việc gọi là góc làm việc của trục khuỷu, góc này được tính từ 5 - 30 0
Trong thực tế sản xuất thì ta phải tính giá trị của S α Áp dụng công thức :
S α=R [ (1−cos α )+0 , 25 λ( 1−cos2 α ) ] Đặt f = [ ( 1−cos α )+0 , 25 λ (1−cos2 α ) ] ¿ cosβ 1 b9625,2 cos ( 1 57 0 ) c2765,5
Từ công thức trên ta thấy ⇒tg β= ⇒β=5,7 R L 0 = 50 500 =0,1 phụ thuộc vào góc α và α0 0
Trong đó : β :Góc quay của trục khuỷu được từ ĐCD
Sα được xác định từ điểm chết dưới, ngược chiều với chiều quay của trục khuỷu Hệ số chiều dài của biên là β, và để đơn giản hóa quá trình tính toán, các giá trị của f đã được tính sẵn, phụ thuộc vào α và P qt =−292,5.50.5,44.cos30 0 10 −3.
P qt =−292,5.50.(5,44) 2 0,866.10 −3 74,8(N) ,biết được giá trị của f đem nhân với R thì ta được giá trị của Sα
Máy ép trục khuỷu đơn động lực tạo ra lực ép danh nghĩa khi góc quay của trục khuỷu từ 5° đến 30° tính từ điểm chết dưới của đầu trượt, ngược với chiều chuyển động đi xuống Để đạt hiệu quả tối ưu trong quá trình dập, góc P qt = −MRω² cosα₀ được lựa chọn vì tại đây lực dập đạt mức cao nhất Theo bảng (1-3) trang 28, với góc 0° đến 7,5° dm³, ta có giá trị f = 0,146.
P 1 sin(α+β) cosβ R=M Khoảng hành trình làm việc
M N =M (l cos β+R cosα)=P 1 tgβ(l cos β+Rcosα )
Lực ép danh nghĩa, hay còn gọi là lực ép, là một thông số kỹ thuật cơ bản và quan trọng trong máy ép trục khuỷu Góc quay trục khuỷu α nằm trong khoảng từ 5 đến 30 độ tính từ điểm chết dưới của đầu trượt Lực ép danh nghĩa không phải là một giá trị cố định, mà phụ thuộc vào góc quay và chiều dài hành trình S (mm) của đầu trượt Để xác định lực ép danh nghĩa, cần phải xác định phần hành trình làm việc của đầu trượt Trong thực tế, hành trình có lực danh nghĩa thường rất nhỏ so với hành trình tính toán trong thuyết minh, và lực ép danh nghĩa chỉ phát sinh khi đầu trượt gần tới điểm chết dưới.
Lực ép danh nghĩa là lực tối đa tác động lên đầu trượt mà không gây hư hại cho các bộ phận máy Khi tính toán lực ép, cần chú ý đến hệ số an toàn và độ bền của máy trong giới hạn lực cho phép của đầu trượt.
Ta chọn lực ép danh nghĩa:
2.2.3 PHÂN TÍCH LỰC TRÊN CƠ CẤU
Trong quá trình chuyển động công tác của máy ép (cơ cấu tay quay con trượt ) chịu tác dụng của các lực:
+ Lực quán tính của các chi tiết có khối lượng chuyển động
+ Lực ma sát các khớp động
Quá trình phân tích lực thể hiện (hình vẽ 4-1) gồm :
+ Lực ép để làm biến dạng và cắt vật liệu Pc
Hình 2.6 : Sơ đồ lực tác dụng
Lực ma sát giữa đầu trượt và rãnh trượt (do lực ma sát nhỏ có thể bỏ qua )
P1: Lực tác dụng lên đầu nhỏ thanh truyền và đẩy thanh truyền Phân tích P1 thành 2 lực :
+ Lực Ptt : tác dụng dọc theo đường tâm thanh truyền
+ Lực N ⃗ : tác dụng theo phương thẳng góc với đường tâm đầu trượt
Tại C : Ptt được phân tích ra thành 2 thành phần
+ Lực tiếp tuyến T ⃗ và lực pháp tuyến Z ⃗ tác dụng lên tâm chốt khuỷu
Từ quan hệ lượng giác ta có :
T = Ptt sin (α+β)=P 1 sin(α+β) cosβ ĐC T
Tại đây xuất hiện lực quán tính chuyển động quay Pk tác dụng lên chốt khuỷu
Lực tiếp tuyến T tạo thành momen quay của trục khuỷu
Lực ngang N tạo momen lật ngược chiều với momen quay
Trong đó : LA là khoảng cách từ lực N đến tâm khuỷu
M N =M(l.cosβ+Rcosα)=P 1 tg β(lcosβ+Rcosα)
2.2.4 KẾT QUẢ TÍNH TOÁN LỰC MOMEN TÁC DỤNG LÊN CƠ CẤU
Tính khối lượng sơ bộ của đầu trượt :
Với d : Khối lượng riêng (d = 7,8 kg/dm 2 ) Đầu trượt có hình khối chữ nhật : a = 300 mm , b = 250 mm , c = 500 mm
Lực quán tính đầu trượt :
Lực quán tính phụ thuộc vào góc quay α, cụ thể là hành trình đầu trượt, và lực quán tính tương ứng với góc quay α0 0, tính ngược chiều ω từ ĐCD Lực này xuất hiện tại điểm bắt đầu làm việc.
(Dấu trừ thể hiện lực quán tính đi xuống)
Vậy lực quán tính có lợi cho lực ép vì cùng chiều với lực ép
Lực tác dụng lên đầu nhỏ của thanh truyền :
Với Pc :Lực ép danh nghĩa (phản lực của sản phẩm lên đầu trượt cực đại)
Với β : Góc lệch giữa đường tâm thanh truyền và đường tâm đầu trượt ứng với α0 0
Lực Ptt tác dụng theo đường tâm thanh truyền
Lực pháp tuyến Z tác dụng lên tâm khối khuỷu :
Momen làm quay trục khuỷu do lực tiếp tuyến T tạo ra :
2.2.5 TÍNH CHỌN ĐỘNG CƠ ĐIỆN
Việc chọn động cơ điện phù hợp cho máy là rất quan trọng để tránh tình trạng quá tải, giảm thiểu tổn hao năng lượng và kéo dài tuổi thọ động cơ Để đảm bảo động cơ hoạt động hiệu quả, cần tính toán số vòng quay thích hợp và xác định công suất máy một cách chính xác.
Trong đó: Nd : Công suất dập pdn : Lực dập danh nghĩa Pdn0 tấn
Trong cơ cấu trục khuỷu thanh truyền, vận tốc dập thay đổi theo từng góc quay, do đó, công suất của máy được tính dựa trên vận tốc trung bình.
60 Trong đó : S = 100 mm = 0,1 m : Hành trình dập n = 80 lần / phút : Số lần dập trong gian một phút
Lực phanh được tính theo công thức:
Ta có công thức tính lực quán tính của đầu trượt :
Lực quán tính phụ thuộc vào góc quay . Đối với máy ép trục khuỷu lực dập danh nghĩa ứng với góc quay trục khuỷu
= ( 5- 30 0 ) tính từ điểm chết dưới của đầu trượt ngược với chiều chuyển động đi xuống của nó.
Do đó, để lực quán tính lớn nhất khi cos lớn nhất Cos lớn nhất khi nhỏ nhất nên ta chọn = 5 0
Nên lực phanh được tính với = 5 0 :
Công suất dập là: Nd = (100.10 3 + 4206,51).0,133= 15000 (W)
Xác định công suất động cơ điện
Với d = 1 2 3 4 : Hiệu suất của máy
Trong đó: 1 = 0,94 : Hiệu suất của bộ truyền đai
2 = 0,97 : Hiệu suất của bộ truyền bánh răng 3 = 0,985 : Hiệu suất của một cặp ổ trượt
[ 324] theo trang 139 ,[2] chọn động cơ điện không đồng bộ 3 pha có ký hiệu AO2 - 51 - 4 có:
Số vòng quay : n = 1460 vòng/ phút.
Hiệu suất động cơ đc = 0,895
2.2.6 PHÂN PHỐI TỈ SỐ TRUYỀN
Ta có tỷ số truyền chung của máy: i m =n âc n tk 60
Do cấu trúc hoạt động của máy sử dụng trục khuỷu và thanh truyền con trượt, số vòng quay của trục khuỷu tương đương với số lần trượt của con trượt trong một phút.
Trong đó : iđ : Tỷ số truyền của bộ truyền đai. ibr : Tỷ số truyền của bộ truyền bánh răng.
Các số liệu đã biết Động cơ không đồng bộ 3 pha: N = 17 KW.
Số vòng quay: n = 1460 vòng / phút.
THIẾT KẾ VÀ TÍNH TOÁN CÁC KẾT CẤU CHÍNH CỦA MÁY ÉP TRỤC KHUỶU
THIẾT KẾ VÀ TÍNH TOÁN BỘ TRUYỀN ĐAI
3.1.1 Thiết kế bộ truyền đai
Ta chọn loại đai thang.
Để xác định đường kính bánh đai nhỏ D1, cần dựa vào trị số nhỏ nhất và trị số lớn nhất cho mỗi tiết diện đai, như được thể hiện trong hình 3.1 về kích thước mặt cắt đai.
Kiểm nghiệm lại vận tốc của đai theo điều kiện vận tốc:
Tính đường kính bánh đai lớn D2: a h h o a o
D2 = i.D1.(1 - ) Với = 0,02 : Hệ số trượt đai thang. iđ = 4,5
Chọn D2 = 1000 mm c/ Tính sơ bộ khoảng cách trục A
Khoảng cách trục A phải thỏa mãn điều kiện sau:
0,55(D2 + D1) + h A 2(D1 + D2) Trong đó: h = 13,5 mm : Chiều cao tiết diện đai
673,5 mm A 2400 mm Công thức [ 5- 16] theo trang 94,[2] với i = 4,5
A = 0,9.D2 = 0,9.1000 = 900 mm d Tính chính xác chiều dài L và khoảng cách trục A.
Theo khoảng cách trục A đã chọn ta tính chiều dài đai:
4 A Thay các giá trị ta được :
Công thức[ 5-12] theo trang 92, [2] L = 3750 mm Kiểm nghiệm số vòng quay của đai trong 1 giây: u=V
(thoả điều kiện) Tính chính xác khoảng cách trục A
Xét về mặt kết cấu có thể căng đai trong quá trình làm việc, nghĩa là dịch chuyển trục A về 2 phía Ta có công thức sau:
A - 0,015L A A + 0,03L Thay các giá trị vào, ta có:
2 = 180 0 + (D2 - D1)/ A 57 0 Thay các giá trị vào ta có:
2 = 180 0 + (1000 - 200)/ 844 57 0 = 234 0 f Xác định số đai cần thiết.
Gọi Z là số đai và được tính như sau:
Trong đó : F = 230 mm 2 : Diện tích tiết diện đai
V = 15,28 m/s [.p]0 : Ứng suất cho phép (N/mm 2 ) 0 = 1,2 1,5 chọn 0 = 1,2
Công thức[ 5-17] theo trang 95,[2] có
C : Hệ số xét đến ảnh hưởng của góc ôm công thức[5-18] theo trang 95,[2]
Ct : Hệ số xét đến ảnh hưởng chế độ tải trọng công thức[5-6]theo trang 89, [2] Ct = 0,6.
Cv : Hệ số xét đến ảnh hưởng vận tốc công thức [5-19 ] theo trang 95,[2]
N : Công suất trục dẫn : N = 17 KW.
Chọn Z = 6 sợi đai g/ Định các kích thước của bánh đai
Chiều dài danh nghĩa : L = 3750 mm Đường kính bánh nhỏ: D1 = 200 mm Đường kính bánh lớn : D2 = 1000 mm
Tính chiều rộng bánh đai B = (Z - 1).t + 2s
Công thức[10-3] theo trang 257 ,[2]ta có: h0 = 6 mm, t = 26 mm, s = 17 mm, z =6, e = 21 mm Thay các giá trị vào ta được:
B = (6 - 1).26 + 2.17 = 164 mm Đường kính ngoài của bánh đai nhỏ và lớn :
Dn2 = 1000 + 2.6 = 1012 mm Đường kính trong của bánh đai:
3.1.2 Thiết kế bộ truyền bánh răng
Bộ truyền bánh răng trụ là một trong những thiết bị phổ biến trong các hệ thống truyền động của máy móc nhờ vào cấu tạo đơn giản, hiệu suất truyền động cao và tuổi thọ bền bỉ Nó có khả năng hoạt động ở nhiều tốc độ và tải trọng khác nhau, đồng thời dễ dàng trong việc sửa chữa và bảo trì Việc chọn vật liệu chế tạo bánh răng là yếu tố quan trọng để đảm bảo hiệu quả và độ bền của bộ truyền.
Vật liệu thép 45 thường hóa có:
b = 580 N/mm 2 ch = 290 N/mm 2 Độ cứng : HB = 190
ch = 280 N/mm 2 Độ cứng : HB = 170 b Định ứng suất cho phép.
Ta chọn thời gian làm việc của bộ truyền bánh răng là 5 năm mỗi năm 300 ngày, mỗi ngày 12 giờ
Số chu kỳ làm việc của bánh răng lớn là N
Số vòng quay của trục I : n1 = n/iđ = 1460/4,5 = 322 vòng / phút
Bộ truyền quay 1 chiều và làm việc theo thời gian đã chọn, ta có :
Với : n: số vòng quay trong 1 phút của bánh răng
T: tổng số thời gian làm việc
Số chu kỳ làm việc của bánh nhỏ:
Do N1 và N2 lớn hơn số chu kỳ cơ sở của đường cong tiếp xúc và đường cong uốn, khi tính ứng suất cho phép cho bánh nhỏ và bánh lớn, hệ số ứng suất được xác định là: K’N = K”N = 1.
+ Ứng suất tiếp xúc của bánh nhỏ là:
+ Ứng suất tiếp xúc của bánh lớn là:
+ Tính ứng suất uốn cho phép:
N } } } } over {n K rSub { size 8{σ} } } } = { { \( 1,4 div 1,6 \) σ rSub { size 8{ - 1} } K rSub { size 8{N} rSup { size 8{ n.K σ
Trong đó: -1 : Giới hạn cho phép của vật liệu
-1 = 0,25 bk = 0,25.420 = 105 N/mm 2 n : hệ số an toàn: - Đối với thép 45 : n = 1,5
K : Hệ số tập trung ứng suất ở chân răng
- Đối với gang : k = 1 Vậy ứng suất uốn cho phép của bánh răng lớn và bánh răng nhỏ là:
1 1,8 ,5 N/mm 2 c Sơ bộ chọn hệ số tải trọng K: K = 1,3 1,5
Bộ truyền bánh răng hiện đang thiết kế có vận tốc nhỏ nên ta chọn K = 1,3 d Chọn hệ số chiều rộng bánh răng:
A = ( 0,30 0,45 ) chọn A = 0,3 vì bộ truyền chịu tải trọng trung bình
Với b: Bề rộng bánh răng.
A : Khoảng cách trục. e Tính khoảng cách trục A
Trong đó : Dấu (+) dùng khi cặp bánh răng ăn khớp ngoài
Dấu (-) dùng khi cặp bánh răng ăn khớp trong
N :công suất bộ truyền N = 17 0,94 ,98 KW n2 = 80 vòng/ phút : số vòng quay của bánh lớn cũng chính là số lần dập trong 1 phút. ibr = 4,028 : tỷ số truyền của cặp bánh răng
Chọn A = 500 mm. f Tính vận tốc vòng và cấp chính xác chế tạo bánh răng.
Dấu (+) dùng khi cặp bánh răng ăn khớp ngoài
Dấu (-) dùng khi cặp bánh răng ăn khớp trong
A: Khoảng cách trục n1: Số vòng quay của bánh bị dẫn n 1 22 vg/ph
Chọn cấp chính xác chế tạo bánh răng là cấp 8
Hệ số tải trọng K được tính theo công thức: g Định hướng hệ số tải trọng K và khoảng cách trục A chính xác.
K = Ktt.Kd công thức [3-19] theo trang 47,[2]
Trong đó: Ktt: hệ số tập trung tải trọng Bộ truyền làm việc chịu tải trọng thay đổi do vậy Ktt được tính theo công thức gần đúng:
Trong đó Ktt bảng : hệ số tập trung tải trọng khi bộ truyền không chạy mòn Tra bảng [3-13] theo trang 47,[2] chọn Ktt =1,35
Kd : hệ số tải trọng động chọn theo cấp chính xác chế tạo vận tốc vòng và độ rắn bề mặt răng
Tra bảng [3-13] theo trang 49,[2] chọn Kd = 1,55
Thay các giá trị vào ta có:
Do vậy ta tính lại khoảng cách trục A:
A=A sb 3 √ K K sb P0 3 √ 2 , 1,3 0925 X6 mm h Xác định môđun, số răng và chiều rộng bánh răng.
Xác định môđun bánh răng. m = (0,01 0,02)A công thức [3-22] theo trang 49,[2] m = (0,01 0,02).586 = (5,8611,72)
(Bộ răng truyền ăn khớp ngoài)
Công thức[3-24] theo trang 49,[2] Nên:
+ Để tránh hiện tượng cắt chân răng hoặc nhọn răng
Tra bảng [3-15] theo trang 50,[2] ta có:
Theo điều kiện cắt chân răng : = 0,1 Theo điều kiện nhọn răng : = 0,1
Bề rộng bánh răng: b = A.A = 0,3.586 = 175,8 mm
Chọn bề rộng bánh răng nhỏ: b1 = 180 mm
Chọn bề rộng bánh răng lớn: b2 = b1 - 10 = 180 -10 = 170 mm i Kiểm nghiệm sức bền uốn của răng σ u 1.10 6 K.N y.m 2 z.n.b ≤[ σ ] u
Trong bài viết này, các thông số kỹ thuật của bánh răng được nêu rõ, bao gồm môđun (m), hệ số dạng bánh răng (y) với y1 = 0,392 cho bánh răng nhỏ và y2 = 0,517 cho bánh răng lớn, số răng (z), số vòng quay (n), bề rộng bánh răng (b), và hệ số tải trọng (k) Ngoài ra, công suất của bộ truyền (N) và ứng suất của bánh răng nhỏ (σ u1 1.10 6 1,3.15,98) cũng được đề cập.
u1 < []u1 = 138,56 N /mm 2 Ứng suất của bánh răng lớn σ u 2 1.10 6 1,3.15,98
0,517.10 2 97 80.170=5,787 N/mm 2 u2 < []u2 = 87,5 N /mm 2 j Các thông số hình học chủ yếu của bộ truyền
Số răng : z1 = 24 răng z2 = 97 răng Đường kính vòng chia dc1 =m.z1 = 10.24 = 240 mm dc2 =m.z2 = 10.97 = 970 mm Khoảng cách trục : A = (dc1 + dc2) / 2 = (240 + 970) / 2 = 605 mm
Bề rộng bánh răng : b1 = 180 mm b2 = 170 mm Đường kính vòng đỉnh răng
Dc2 = dc2 + 2.m = 970 + 2.10 = 990mm k Tính lực tác dụng lên bánh răng
Lực tác dụng lên bánh răng gồm 2 thành phần: Lực vòng và lực hướng tâm. Lực vòng: P1 = 2M/d công thức [3-49] theo trang 54,[2]
Trong đó : N = 15,28: Công suất truyền của trục I mang bánh răng nhỏ n = 322 vòng / phút : Số vòng quay trục 1
Lực hướng tâm Pr = P.tg = 3646.tg20 0 = 1327 N
THIẾT KẾ VÀ TÍNH TOÁN TRỤC
3.2.1 Thiết kế trục I a Các số liệu đã có
Số vòng quay của trục I: n1 = 322 vòng / phút
Công suất truyền tải của trục I: N = 15,98 KW b Chọn vật liệu
Trục hướng tâm thường được chế tạo từ thép Cacbon hoặc thép hợp kim cho các máy không yêu cầu khắt khe về kích thước, có thể sử dụng thép CT5 mà không cần qua quá trình nhiệt luyện Tuy nhiên, đối với các trục trong những máy quan trọng và chịu tải lớn, nên sử dụng thép 45 hoặc 40X đã được nhiệt luyện để đảm bảo độ bền và hiệu suất làm việc.
Từ những điều kiện trên ta chọn thép 45 có:
Hình 3.2: Sơ đồ trục I c Tính sức bền trục I.
- Tính sơ bộ đường kính trục: Đường kính sơ bộ của trục I được tính theo công thức: d≥C.√ 3 N n (mm )
Trong đó: d: đường kính trục.
N: công suất của bộ truyền. n: số vòng quay trục truyền.
C: hệ số tính toán phụ thuộc vào [].
Với thép 45 thì C = (110 130) ta chọn C = 130.
Để xác định tính gần đúng của trục I, cần xem xét kích thước chiều dài và kết cấu của máy Đồng thời, cần đánh giá tác động của mômen uốn và mômen xoắn đến sức bền của trục.
Lực tác dụng lên máng dẫn ở trục I
Lực tác dụng lên bánh đai: Rd = 4426 N, Pd = 224 N
Ta chọn sơ bộ khoảng cách giữa các chi tiết như sau:
Bề rộng đầu trượt: B = 340 mm
Bề rộng sống trượt: b = 80 mm
Suy ra khoảng cách giữa 2 thành trong của máy
Bề dày thành máy : K1 = 30 mm
Bề rộng mặt bích lắp ổ: K2 = 40 mm
Khoảng cách giữa 2 chi tiết quay: K5 = 15 mm
Bề rộng bánh răng: K6 = 165 mm
Bề rộng bánh đai : K7 = 145 mm
Phần ren đai ốc: K11 = 40 mm
Bề rộng ly hợp và cơ cấu điều khiển : K8 = 180 mm
Khoảng cách từ nắp đến ly hợp: K9 = 15 mm
Vậy chiều dài sơ bộ của trục:
Phương trình mômen theo trục OY tại điểm A:
Phương chiếu trên trục OY:
RAY = 4426 + 1327 - 961 = 4792 N Phương trình theo phương OX tại A
Phương chiếu trên trục OX:
RAX = 3646 - 5784 - 224 = -2362 N Vậy RAX có chiều ngược lại với hình vẽ
Tính mômen tại những tiết diện nguy hiểm:
Mômen Mx được xác định theo công thức
Với N = 15,98 KW (Công suất trên trục I) n1 = 322 vòng / phút: số vòng quay trên trục I
Tính mômen uốn theo trục X và Y
M u n− n =√ M 2 u + 0 ,75 M 2 x = √ 653671 2 +0 , 75 471459,6 2 w0708 Nmm Đường kính trục tại tiết diện n - n d n−n ≥ 3 √ 0,1 M [ tâ σ ] = 3 √ 770708 0,1 50 s , 2mm
Chọn d = 80 mm Tại tiết diện m - m
Mux = Muy = 0 Mu = 0 Vậy M um−m = √ 0 , 75 M x 2 = √ 0 , 75.471459 , 6 2 !7530 Nmm d m−m ≥√ 3 0,1 M [ td σ ] = √ 3 217530 0,1 50 p , 1 mm
Tính chính xác trục I, dựa trên hệ số an toàn theo công thức sau: n = n σ n τ
Trong đó n : hệ số an toàn xét đến ứng suất pháp, được xác định như sau: n σ = σ −1
Với n : Hệ số an toàn xét đến ứng suất tiếp và được tính theo công thức sau: n τ = τ −1
Trong 2 công thức thức trên -1, -1 giơi han mỏi uốn và xoắn ứng với chu kỳ đối xứng có thể lấy.
a, a : Biên độ ứng suất và ứng suất tiếp sinh ra trong tiết diện của trục: σ a =σ max +σ min
Do bộ truyền quay 1 chiều nên ứng suất pháp (uốn) biến đổi theo chu kỳ đối xứng nên:
m = 0 Tại tiết diện n - n có Mu = 653671 Nmm
Tại tiết diện m - m có Mu = 0 nên ta chỉ cần kiểm tra tiết diện tại n - n:
Do đó: a = max = min = 475649 / 50240 = 9,46 N / mm 2
Bộ truyền làm việc 1 chiều nên ứng suất xoắn thay đổi theo chu kỳ mạch động: τ a =τ m =τ max
Mx = 251183 Nmm Nên ta có: τ a =τ m =τ max
va là hệ số xét đến ảnh hưởng của trị số ứng suất trung bình đến ứng suất mỏi.Đối với thép Cacbon trung bình = 0,1va = 0,05
K , K: hệ số trung bình ứng suất thực tế khi còn uốn và xoắn
K = 1,63; K = 1,5 Thay các giá trị vào ta có n σ '0
Hình 3.3: Biều đồ nội lực trên trục I
Trên 2 đầu của trục ta lắp bánh răng và bánh đai Để truyền được momen xoắn từ bánh đai sang trục cũng như trục sang bánh răng nhỏ ta dùng then.
Tra bảng [7-23] theo trang 143,[2] với d = 80, ta có: b = 24 mm, h = 14 mm, t = 7 mm, t1 = 7,2 mm, k = 8,7 mm Chiều dài then được tính l1 = 0,8 lm
Lắp bánh đai trên trục l1 = 0,8.B = 0,8.145 = 116 mm
Với B: là bề rộng bánh đai
Kiểm nghiệm sức bền dập của then công thức [7-11] theo trang 139,[2] σ d = 2 M x d.K.l 1 ≤[σ] d N/mm 2
Tra bảng [7-20] theo trang 14,[2] có: []d = 53 N/mm 2
Bánh đai làm bằng gang σ d = 2 251183 80.8,7 116=6,2