Vietnam J Agri Sci 2021, Vol 19, No 9: 1190-1203 Tạp chí Khoa học Nơng nghiệp Việt Nam 2021, 19(9): 1190-1203 www.vnua.edu.vn THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MÁY UỐN TẠO HÌNH CÁNH VÍT KHƠNG LIÊN TỤC Nguyễn Hữu Hưởng*, Tống Ngọc Tuấn, Nguyễn Thị Thúy Hằng Khoa Cơ - Điện, Học viện Nông nghiệp Việt Nam * Tác giả liên hệ: nhhuong@vnua.edu.vn Ngày nhận bài: 21.02.2020 Ngày chấp nhận đăng: 29.06.2021 TÓM TẮT Nghiên cứu nhằm mục tiêu thiết kế chế tạo máy uốn tạo hình cánh vít khơng liên tục để chế tạo số cánh vít ứng dụng thực tế sản xuất Máy thiết kế để phù hợp với sở sản xuất nhỏ Nguyên lý làm việc máy tính toán lựa chọn dựa nghiên cứu lý thuyết kết cấu số loại máy móc có Phần mềm Autodesk Inventor sử dụng để thiết kế chi tiết máy, phận máy lắp ráp tổng thể máy Trên sở vẽ thiết kế, chế tạo máy uốn tạo hình cánh vít sử dụng vật liệu sẵn có Q trình vận hành máy cho thấy máy tạo hình cánh vít làm từ vật liệu có chiều dày tối đa 3mm Ngồi ra, máy uốn tạo hình phơi có bề rộng lớn khoảng 150mm Một số thí nghiệm ban đầu cho thấy máy có khả làm việc tương đối tốt Từ khóa: Máy uốn tạo hình cánh vít, cánh vít, máy uốn Design and Fabrication of Sectional Screw Flight Bending and Forming Machines ABSTRACT The goal of this study was to design and fabricate sectional screw flight bending and forming machines for manufacturing screw flights applied in real production This machine was designed to be suitable for small production scale The principle of the machine was calculated and chosen based on theoretical research and the structure of current mechanics Autodesk Inventor software was utilized for designing mechanical parts and components and assembling the slicer Based on the drawing, this machine was fabricated using available materials The operating process of this machine shows that the machine can form screw flights made from the metal plates with a maximum thickness of mm In addition, the machine could form a metal plate draft approximately 150 mm in width Some experiments indicate that this machine worked relatively well Keywords: Sectional screw flight forming machine, screw flights, bending machine ĐẶT VẤN ĐỀ Để chế tạo chi tiết máy khác việc ứng dụng thiết bị máy móc cần thiết để tăng suất chất lượng sản phẩm Trong số chi tiết máy có nhiều chi tiết chế tạo từ loại thép khác Các loại máy ứng dụng trình chế tạo chi tiết máy từ loại thép khác đa dạng chủng loại có số loại máy tạo hình chi tiết từ phôi kim loại máy lốc (Nguyễn Hữu Hưởng & Tống Ngọc Tuấn, 2018), máy dập (Nguyễn Thị Thu Trang & Nguyễn Hữu Hưởng, 1190 2018), máy uốn gập kim loại,… Thực tế cho thấy trình thiết kế, chế tạo ứng dụng máy có liên quan đặc điểm cơng nghệ khả dập kim loại (Nguyễn Mậu Đằng, 2006) Lĩnh vực nghiên cứu liên quan đến công nghệ gia công áp lực (phương pháp gia công không phoi) ngày phát triển mạnh loại máy móc thiết bị liên quan đến lĩnh vực ứng dụng rộng rãi nước ta giới Máy uốn tạo hình cánh vít loại máy tạo cánh vít từ thép cắt theo biên dạng tính tốn từ trước Thực tế cơng việc chế tạo cánh vít Nguyễn Hữu Hưởng, Tống Ngọc Tuấn, Nguyễn Thị Thúy Hằng nhiều đòi hỏi làm loại máy công cụ chuyên dùng để tăng suất chất lượng sản phẩm Đối với loại máy này, q trình chế tạo cánh vít phải dùng áp lực nhằm làm biến dạng kim loại để nhận chi tiết có hình dáng kích thước mong muốn (Nguyễn Mậu Đằng, 2006) Sản phẩm tạo từ máy uốn tạo hình cánh vít ứng dụng thực tế cánh vít vít trộn trộn đứng trộn ngang, cánh vít loại vít tải cơng nghiệp gồm nhiều loại dùng để vận chuyển thức ăn chăn nuôi vận chuyển loại vật liệu khác với kiểu vận chuyển ngang lên thẳng Trong q trình chế tạo máy, cánh vít sau chế tạo xong hàn vào trục trước lắp ráp vào máy Với hai loại cánh vít liên tục khơng liên tục cánh vít khơng liên tục cịn có thêm bước hàn cánh vít lại với bên cạnh việc phải hàn cánh vít vào trục chế tạo Để tính tốn thiết kế máy uốn tạo hình cánh vít phải thực việc tính tốn kết hợp với kết thực nghiệm bước đầu để lựa chọn phận quan trọng máy nguồn động lực phận trực tiếp thực việc tạo hình cánh vít (bộ phận uốn) Bộ phận uốn thiết kế sở nghiên cứu tài liệu liên quan đến trình khai triển uốn kim loại (Nguyễn Mậu Đằng, 2006; Phàn Văn Huyên & Hồ Văn Bác, 2004) Để giảm thiểu thời gian, công sức nâng cao mức độ tự động hóa, nguồn động lực lựa chọn có sử dụng cảm biến để điều chỉnh hành trình làm việc sử dụng số chi tiết phụ trợ khác để nâng cao hiệu q trình tạo hình cánh vít Các phận khác máy phải tính tốn thiết kế để đảm bảo kết cấu máy hợp lý máy có khả làm việc tốt (Trịnh Chất, 2007) Máy uốn tạo hình cánh vít chế tạo đựa loại thép có sẵn thị trường với thành phần tính cụ thể (Trần Văn Địch & Ngơ Trí Phúc, 2006) Hiện thị trường có số mẫu máy uốn cánh vít chưa thực đa dạng chủng loại số máy áp dụng vào sở sản xuất cụ thể yếu tố chưa phù hợp kết cấu, kích thước, giá thành, vận hành máy khả ứng dụng việc chế tạo số dạng cánh vít cụ thể Các máy uốn cánh vít chia nhiều loại phân chia cách đơn giản ta có loại máy uốn cánh vít liên tục khơng liên tục Loại máy uốn cánh vít liên tục chế tạo cánh vít với biên dạng chiều dài phù hợp với trục chế tạo thường đòi hỏi kết cấu máy phức tạp giá thành cao Loại máy uốn cánh vít khơng liên tục tính tốn thiết kế đưa kết cấu phù hợp thuận lợi việc chế tạo, đảm bảo giá thành máy không cao đáp ứng phạm vi ứng dụng cụ thể Trong nghiên cứu tập trung vào việc thiết kế chế tạo máy uốn tạo hình cánh vít khơng liên tục Dạng cánh vít khơng liên tục thể hình Máy uốn tạo hình cánh vít làm việc theo sơ đồ ngun lý tính tốn lựa chọn phương án phù hợp sở điều kiện sở vật chất, trang thiết bị để đảm bảo tốt trình chế tạo ứng dụng thực tế Trên sở máy uốn tạo hình cánh vít thiết kế chế tạo đáp ứng tốt cho nghiên cứu lĩnh vực gia công áp lực Bên cạnh đó, máy chế tạo ứng dụng thực tế để chế tạo chi tiết máy phục vụ cho nghiên cứu Hình Dạng cánh vít trước sau hàn liên kết lại trục 1191 Thiết kế chế tạo máy uốn tạo hình cánh vít khơng liên tục PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1 Vật liệu phận khung, nguồn động lực, phận uốn số phận khác Vật liệu ứng dụng việc chế tạo máy uốn tạo hình cánh vít vật liệu chế tạo cánh vít để làm sở cho việc tính tốn thiết kế máy thép C45, thép 40Cr thép không gỉ mác 304 (Nghiêm Hùng, 2010; Trần Văn Địch & Ngơ Trí Phúc, 2006) Sơ đồ nguyên lý máy thể khí nén tạo từ máy nén khí qua đường ống dẫn đến cấu chấp hành (xilanh khí nén) từ tác động để điều khiển phận uốn thực q trình uốn Để khí nén từ máy nén khí đến cấu chấp hành phận uốn ta phải kích hoạt hệ thống điều khiển q trình cung cấp khí nén 2.2 Phương pháp nghiên cứu 3.1.2 Bán kính uốn nhỏ cho phép Nghiên cứu lý thuyết trình uốn vật liệu (Nguyễn Mậu Đằng, 2006) Kế thừa phát triển kết nghiên cứu loại máy uốn để làm sở đưa nguyên lý làm việc vẽ máy uốn tạo hình cánh vít Bán kính uốn nói chung bán kính uốn nhỏ nói riêng thường phụ thuộc vào nhiều yếu tố tính chất vật liệu trạng thái cho (đã ủ, làm mềm, biến cứng…), chất lượng bề mặt chi tiết làm việc, tốc độ biến dạng vào yếu tố khác (Võ Trần Khúc Nhã, 2005) Bán kính uốn nhỏ xác định sở đảm bảo độ bền thớ kim loại ngồi phơi uốn vùng kéo xác định có tính đến sơ đồ trạng thái ứng suất (Nguyễn Mậu Đằng, 2006) Khi uốn phôi rộng, ổn định thớ thường gây vết nứt; cịn phơi dải hẹp thường có nết nứt vùng kéo vết nhăn vùng nén; phôi cứng giịn bị đứt, gãy vùng uốn (Nguyễn Mậu Đằng, 2006) Để đảm bảo uốn phôi không bị hư hỏng, nên tránh bán kính uốn nhỏ Chỉ cho phép áp dụng trị số cực tiểu bán kính uốn trường hợp cần thiết mặt kết cấu Bán kính uốn cực tiểu rmin xác định dựa mối liên hệ với độ co thắt tương đối cực đại cho phép tiết diện ngang vật liệu kéo (max), chiều dày vật liệu (S) thể thông qua công thức sau (Võ Trần Khúc Nhã, 2005): Nghiên cứu để đưa kết cấu máy sử dụng phần mềm Autodesk Inventor 2017 để thiết kế máy uốn tạo hình cánh vít Tiến hành số thí nghiệm bước đầu để làm sở cho việc thiết kế chế tạo máy uốn tạo hình cánh vít Chế tạo máy uốn tạo hình cánh vít sở vẽ thiết kế đánh giá khả làm việc máy KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1 Cơ sở thiết kế máy 3.1.1 Cơ sở lựa chọn kết cấu sơ đồ nguyên lý làm việc máy uốn tạo hình cánh vít Trên sở nghiên cứu tài liệu, máy uốn ứng dụng sản phẩm tạo từ máy uốn lựa chọn sơ đồ nguyên lý máy tạo hình cánh vít thể hình Để thực trình uốn tạo hình cánh vít, máy uốn gồm số phận rmin 2. max 2. max S Hình Sơ đồ khối máy uốn tạo hình cánh vít 1192 (1) Nguyễn Hữu Hưởng, Tống Ngọc Tuấn, Nguyễn Thị Thúy Hằng Hình Kích thước cánh vít 3.1.3 Phơi để tạo cánh vít số thơng số cánh vít Để chế tạo cánh vít phải cắt phơi với hình dạng định với thơng số kích thước cụ thể D’, d’, b, ϕ (Hình 3a) Sau q trình tạo hình cánh vít máy cánh vít với thơng số D, d, t, α (Hình 3a) Cơ sở để xác định mối liên hệ thông số phôi uốn cánh vít sau tạo hình xong thể hình 3b, hình 3c cơng thức (2), (3), (4) Theo tài liệu Văn Hữu Thịnh (2016) ta có mối liên hệ thơng số: .D .d D' d' .D' .d ' cos cos 2 Từ ta có: D cos ' 2b d cos d' = D' - 2b D' D cos ' 1 d cos D D' cos arctg t t ' arctg .D .d (2) (3) (4) Trong đó: α: góc nâng theo đường kính ngồi cánh vít; α’: góc nâng theo đường kính cánh vít; : góc khuyết hình vành khun; D’: đường kính ngồi hình vành khun; d’: đường kính hình vành khun; D: đường kính ngồi cánh vít; d: đường kính cánh vít; b: bề rộng cánh vít; t: bước vít Trên sở nghiên cứu số tài liệu số dạng cánh vít thực tế sử dụng, đề tài lựa chọn thơng số kích thước lớn cánh vít (đường kính ngồi, bề rộng cánh vít) chế tạo để làm sở cho tính tốn lựa chọn chi tiết máy uốn tạo hình cánh vít tính tốn lựa chọn nguồn động lực cho q trình uốn, kết cấu kích thước phận uốn số phận có liên quan khác Thông số đầu vào dạng cánh vít: Bước vít t = 240mm; đường kính ngồi Dmax = 440mm; đường kính dmax = 140mm; chiều dày cánh vít: 3mm; bề rộng cánh vít bmax = 150mm Sử dụng phần mềm Plate ‘n’ sheet: Ta cần nhập đường kính trong, đường kính ngồi bước vít cánh vít, phần mềm tự động tính kích thước phơi uốn (Hình vành khun) gồm đường kính ngồi (D’), đường kính (d’) góc khuyết () Sử dụng phần mềm Plate ‘n’ sheet tạo biên dạng cánh vít sản phẩm thực tế trình uốn để đánh giá sản phẩm tạo từ máy uốn tạo hình cánh vít Với thơng số cánh vít sử dụng phần mềm Plate ‘n’ sheet ta xác định thông số phôi sau: D’ ≈ 466mm, d’ ≈ 166mm, ≈ 15 Ngồi ra, ta xác định thông số phôi uốn phần mềm Autodesk Inventor 2017 với sai khác không lớn so với phần mềm Plate ‘n’ sheet 1193 Thiết kế chế tạo máy uốn tạo hình cánh vít khơng liên tục 3.1.4 Hình khai triển hình dáng cánh vít sở lựa chọn dao uốn Với thơng số cánh vít cụ thể đưa (Hình 4a) với hình vành khuyên có góc khuyết ≈ 15 tương đối nhỏ nên ta coi hình vành khun kín hồn tồn nên chia hình vành khuyên thành 12 phần Cơ sở để chia hình vành khuyên thành 12 phần dựa tài liệu (Phàn Văn Huyên & Hồ Văn Bác, 2004) Áp dụng phương pháp khai triển đường tam giác (Phàn Văn Huyên & Hồ Văn Bác, 2004) thu hình khai triển hình dáng cánh vít (Hình 4b) Trên hình khai triển hình dáng cánh vít bước vít t đướng kính D d định Trên hình chiếu cánh vít ta chia thành 12 phần Vẽ hình chiếu đường sinh sau tìm hình chiếu đường sinh, 12 đường sinh chia mặt cong thành 12 hình bốn cạnh Đồng thời ta thấy chia phôi uốn thành 12 phần ta uốn phần sau lần uốn hình vành khuyên nâng lên t , sau 12 lần uốn ta cánh khoảng 12 t cịn phụ 12 thuộc vào góc nâng α α’ Vì α góc nâng cánh vít nên đầu ấn chế tạo phù h ợp với góc nâng Ta có bề rộng cánh vít tối đa 150mm nên độ dài cạnh BC hình thang ABCD (Hình dạng dao uốn với đỉnh tương ướng A, B, C, D) 150mm, mặt khác CD – AB = 20mm, hai đầu ấn đặt ngược đầu hợp với góc 30, góc chia hình vành khun thành 12 phần, điều cho ta thấy qua lần nâng hình vành khun nâng lên góc t 240 20mm Ta α khoảng 12 12 vít có bước vít t Khoảng cách nâng chọn AB = 40mm , DC = 60mm, ta dễ dàng tính AD BC2 202 1502 202 148,6mm Ta chọn giá trị AD = 150mm để tính tốn thiết kế dao uốn (a) (b) Hình Thơng số cánh vít hình triển khai hình dáng cánh vít Hình Xác định kích thước dao uốn 1194 Nguyễn Hữu Hưởng, Tống Ngọc Tuấn, Nguyễn Thị Thúy Hằng Hình Máy nén khí khơng dầu 3.2 Tính tốn lựa chọn xilanh khí nén máy nén khí 3.2.1 Máy nén khí Trên sở thơng tin số liệu nghiên cứu tính tốn, lựa chọn máy nén khí khơng dầu Lucky với số thơng số (Hình 6): Dung tích 24 lít; cơng suất động 1HP; điện áp/tần số 220V/50Hz; áp suất làm việc 8kG/cm2; lưu lượng khí 60 lít/phút; kích thước 55 × 27 × 57cm; trọng lượng 19kg 3.2.2 Lựa chọn xilanh khí nén Xilanh khí nén có nhiệm vụ biến đổi lượng tích lũy khí nén thành lượng chuyển động thẳng, nghĩa thành lực qng đường Cơ sở tính tốn xilanh khí nén dựa vào cơng thức tính lực đẩy, lực kéo piston gây tác dụng khí nén có áp suất P Căn vào thơng số máy nén khí lựa chọn, số loại xilanh khí nén sử dụng số loại máy uốn, cấu tạo số loại xilanh khí nén (Bùi Hải Triều & cs., 2006) phạm vi nghiên cứu đề tài để lựa chọn loại xilanh phù hợp Ngoài ra, lựa chọn số loại mác thép thông dụng thép CT3, thép C45, thép không gỉ mác 304 (SUS304) thép 40Cr có bề dày 3mm để làm số thí nghiệm bước đầu chế tạo cánh vít làm sở cho việc tính tốn lựa chọn xilanh khí nén cho máy uốn tạo hình cánh vít Căn vào kích thước phơi lựa chọn, xác định mối liên hệ chu vi hình trịn (C) với đường kính lớn phơi (D’): C = π.D’ Chia hình trịn thành 12 phần xác định độ dài cung tròn dựa theo công thức sau: l C .466 122mm 12 12 (5) Trong đó: l: Độ dài cung trịn; C: Chu vi hình trịn Để lựa chọn xilanh với lực đẩy phù hợp phải xác định giá trị lực để uốn vật liệu lựa chọn để làm thí nghiệm Việc xác định lực uốn vấn đề phức tạp cịn phụ thuộc vào nhiều yếu tố (Nguyễn Tất Tiến, 2004; Nguyễn Văn Thành & Nguyễn Trường Giang, 2007) Trong phạm vi nghiên cứu bước đầu, lựa chọn xilanh khí nén có sẵn thị trường với giá trị lực đẩy tương ứng dựa giá trị lực uốn số dạng uốn với công thức đưa dựa số thí nghiệm bước đầu sở mơ hình thí nghiệm xây dựng Để thuận lợi cho q trình tính tốn coi lực tác dụng lên cung trịn phơi lực tác dụng lên thẳng có chiều dài 122mm, chiều rộng 150mm chiều dày 3mm Để sơ đưa sở lựa chọn loại xilanh với giá trị lực đẩy phù hợp dựa tính tốn kết hợp với việc thực số thí nghiệm bước đầu mơ hình xây dựng, dựa vào số cơng thức tính tốn lực uốn số phương pháp uốn, dựa vào dạng công thức đơn giản áp dụng với dạng uốn cụ thể đưa tài liệu (Phạm Văn Nghệ & cs., 2008; Groover, 2010; Gwangwava & cs., 2013) thể mối liên hệ lực uốn với chiều rộng, chiều dày, chiều dài, giới hạn bền hệ số phụ thuộc vào kiểu uốn Hệ số phụ thuộc vào kiểu uốn lựa chọn dựa vào tài liệu: Khi uốn nguội theo cung theo góc Kbf = 1,1 (Phạm Văn Nghệ & cs., 2008) Kbf = 1,33 (Groover, 2010); dạng uốn cạnh Kbf = 0,33 (Groover, 2010; Gwangwava & cs., 2013) Ta có cơng thức tính lực uốn F: F K bf B.s2 b l (N) (6) 1195 Thiết kế chế tạo máy uốn tạo hình cánh vít khơng liên tục Trong đó: B: Chiều rộng phơi uốn; s: Chiều dày phơi uốn; l: Chiều dài phôi uốn; σb: Giới hạn bền; Kbf: Hệ số phụ thuộc vào kiểu uốn Trong phạm vi nghiên cứu bước đầu này, dựa vào bảng với giá trị lực uốn F dạng uốn cụ thể kết hợp với số thí nghiệm bước đầu mơ hình phận uốn xây dựng dựa sơ đồ nguyên lý máy để làm sở cho việc lựa chọn xilanh với giá trị lực đẩy phù hợp Ngoài ra, phương pháp uốn phương pháp khác lĩnh vực gia cơng áp lực, q trình biến dạng thực vùng đàn hồi - dẻo (Nguyễn Tất Tiến, 2004; Altan & Tekkaya, 2012) nên trình uốn vật liệu có mối liên hệ với giới hạn chảy vật liệu nghiên cứu Với vật liệu nghiên cứu thép CT3, SUS304, C45 40Cr giới hạn chảy là 225 Mpa, 205 Mpa, 490 Mpa, 785 Mpa (Trần Văn Địch & Ngơ Trí Phúc, 2006) Để giảm thiểu số thí nghiệm mơ hình thực nghiệm xây dựng, thơng số giá trị bước đầu lực uốn để tiến hành nghiệm lớn 3578,6 N Mặt khác, vào loại xilanh có thị trường với thơng số cụ thể có cảm biến từ, có thơng số quan trọng hành trình xilanh đường kính xilanh phù hợp với kết cấu tổng thể máy uốn để lựa chọn loại đáp ứng điều kiện làm việc Dựa thơng số đầu vào phơi uốn, q trình nghiên cứu lý thuyết, thực nghiệm nhu cầu sử dụng lực truyền động tác dụng theo hai chiều nên lựa chọn xilanh khí nén tác động kép HSC 100 × 100 – S (Hình 7) Lực truyền động sử dụng xilanh tác động kép có giá trị lớn trường hợp xilanh tác động đơn (Bùi Hải Triều & cs., 2006) Thông số xilanh khí nén gồm: Đường kính xi lanh: D = 100mm = 10cm Hành trình xi lanh là: 100mm Áp dụng cơng thức cơng thức tính lực đẩy xilanh: F = P.A Trong đó: P: Áp suất khí nén cung cấp vào; A: Diện tích piston theo cm2 tính sau: A = ( .D2)/4 = (3,14.102)/4 = 78,5cm2; P = Bar ≈ kG/cm2 Bảng Giá trị lực uốn F uốn phôi kim loại dựa vào công thức (6) Giới hạn bền (MPa) Lực uốn F (N) với Kbf = 1,33 Lực uốn F (N) với Kbf = 1,1 Lực uốn F (N) với Kbf = 0,33 373 ÷ 461 5489,5 ÷ 6784,6 4540,2 ÷ 5611,4 1362,1 ÷ 1683,4 520 7653 6329,5 1898,9 C45 700 ÷ 850 10302 ÷ 12509,6 8520,5 ÷ 10346,3 2556,1 ÷ 3103,9 40Cr 980 14422,9 11928,7 3578,6 Mác thép CT3 SUS304 Hình Sơ đồ chuyển hóa lượng khí nén thành lực hình ảnh xilanh lựa chọn 1196 ... cụ thể Trong nghiên cứu tập trung vào việc thiết kế chế tạo máy uốn tạo hình cánh vít khơng liên tục Dạng cánh vít khơng liên tục thể hình Máy uốn tạo hình cánh vít làm việc theo sơ đồ nguyên lý... cánh vít cụ thể Các máy uốn cánh vít chia nhiều loại phân chia cách đơn giản ta có loại máy uốn cánh vít liên tục khơng liên tục Loại máy uốn cánh vít liên tục chế tạo cánh vít với biên dạng chiều... Trong trình chế tạo máy, cánh vít sau chế tạo xong hàn vào trục trước lắp ráp vào máy Với hai loại cánh vít liên tục khơng liên tục cánh vít khơng liên tục cịn có thêm bước hàn cánh vít lại với