Đồ Án Lựa Chọn Vật Liệu Lựa Chọn Vật Liệu Để Chế Tạo Sản Phẩm Bánh Cán Bảo Yêu Cầu Làm Việc.pdf

Nội dung của đồ án là “Lựa chọn vật liệu để chế tạo bánh cán D220 dùng trong giá cán block đảm bảo yêu cầu làm việc” với mục tiêu là vận dụng các kiến thức đã được học để lựa chọn vật li

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

VIỆN KHOA HỌC VÀ KỸ THUẬT VẬT LIỆU

ĐỒ ÁN LỰA CHỌN VẬT LIỆU

CHỦ ĐỀ: LỰA CHỌN VẬT LIỆU ĐỂ CHẾ TẠO SẢN PHẨM BÁNH CÁN BẢO YÊU CẦU LÀM VIỆC

Giảng viên hướng dẫn: PGS TS Đinh Văn Hải

Sinh viên thực hiện: Hà Văn Thắng 20206474

Nguyễn Đức Thắng 20206476

Hà Nội, tháng 8/2023

LỜI NÓI ĐẦU

Đồ án lựa chọn vật liệu là một trong những đồ án quan trọng của sinh viên ngành KH&KT Vật Liệu Đồ án thể hiện những kiến thức cơ bản của sinh viên về cách tính toán và lựa chọn vật liệu, vẽ kĩ thuật, giúp sinh viên làm quen với cách thực hiện đồ án một cách khoa học và tạo cơ sở cho các đồ án tiếp theo

Nội dung của đồ án là “Lựa chọn vật liệu để chế tạo bánh cán D220 dùng

trong giá cán block đảm bảo yêu cầu làm việc” với mục tiêu là vận dụng các

kiến thức đã được học để lựa chọn vật liệu chế tạo một trục cán tấm nguội hoàn chỉnh.Trong môi trường công nghiệp hiện đại ngày nay, việc tính toán, thiết kế tối

ưu các thiết bị nhằm nâng cao hiệu quả kinh tế, giảm chi phí sản xuất, tăng tính cạnh tranh là một bài toán rất quan trọng đối với mỗi doanh nghiệp

Để hoàn thành đồ án này, chúng em xin gửi lời cảm ơn trân thành nhất đến quý Thầy cô trong Bộ môn Cơ học vật liệu và Công nghê tạo hình, Viện Khoa học

và Kỹ thuật vật liệu đã góp ý và đặc biệt là sự quan tâm, hướng dẫn chu đáo của thầy PGS.TS Đinh Văn Hải.Trong quá trình thực hiện đồ án, dù đã rất cố gắng, nỗ lực nhưng bản đồ án khó tránh khỏi sai sót vì trình độ và khả năng có hạn Chúng

em rất mong nhận được sự góp ý của Thầy cô để chúng em hoàn thiện kiến thức của bản thân hơn

Hà Nội, ngày tháng năm Sinh viên

Hà Văn Thắng Nguyễn Đức Thắng

ĐẶT VẤN ĐỀ

Đối với máy cán kim loại thì bánh cán là một chi tiết cơ bản và quan trọng trong kết cấu của máy Để trục cán có thể hoạt động một cách ổn định, bền bỉ, tránh hỏng hóc và chính xác cũng như chất lượng đầu ra của sản phẩm sau khi cán

là tốt nhất thì bánh cán cần phải đáp ứng được một số yêu cầu riêng về mặt cấu tạo cũng như vật liệu để làm ra bánh cán

Từ những lý do trên, nhóm em đã tìm hiểu và xây dựng lên một đồ án lựa chọn vật liệu làm trục cán để đáp ứng những yêu cầu cụ thể trong hoạt động sản xuất công nghiệp

I Giới thiệu về trục cán block

1 Mở đầu

a) Cán

Cán là quá trình làm biến dạng kim loại giữa những trục quay tròn để nhận những sản phẩm có tiết diện ngang nhỏ hơn tiết diện của phôi ban đầu

Cán là một dạng gia công kim loại bằng áp lực Có thể nói quy trình công nghệ cán được kể từ lúc nhận thỏi thép đúc (tức là sản phẩm của xưởng luyện thép) đến việc gia công chế biến chúng thành các loại sản phẩm cán (khi sử dụng các phương pháp đúc cán liên tục thì phương pháp này thay đổi chút ít)

b) Cán tự động

Chế độ này được sử dụng trong các máy cán hiện đại Giá cán block được điều khiển bởi hệ thống máy tính và có thể di chuyển lên xuống một cách tự động Chế độ này có thể giúp tăng năng suất và giảm chi phí

c) Cán thủ công

Chế độ này được sử dụng trong các máy cán cũ Giá cán block được điều khiển thủ công bởi người vận hành máy Chế độ này có thể tốn thời gian và công sức hơn, nhưng nó có thể linh hoạt hơn chế độ tự động

d) Thiết bị chính: máy cán

Thiết bị chính thường gồm 3 bộ phận sau đây hợp thành: động cơ chính + bộ phận truyền động + giá cán

Ba bộ phận phận này sắp xếp nối tiếp nhau tạo thành một dãy trên một hàng ngang, trong đó giá cán là bộ phận công tác vì vậy được gọi là hàng giá cán (hay dãy thiết bị chính)

- Động cơ chính: là động cơ dẫn động trục cán để thực hiện quá trình cán ép kim loại

- Bộ phận truyền động

- Giá cán: là bộ phận trực tiếp làm biến dạng kim loại

e) Sản phẩm của quá trình cán

- Thép hình:

+ Thép hình đơn giản như tròn, vuông, dẹt, lục lăng

+ Thép hình phức tạp như chữ L (góc), chữ U (máng), chữ I, chữ Z, ray + Thép hình đặc biệt, các sản phẩm thường dùng trong xây dựng, ô tô

- Thép tấm:

+ Thép tấm dày (h ≥ 4 mm)

+ Thép tấm mỏng (h < 4 mm)

+ Thép lá (h < 0,2 mm)

- Thép ống: Có thể là ống tròn, ống elip, ống vuông và có thể là ống hàn, ốn không hàn

2 Ứng dụng của giá cán

Giá cán block tròn: Giá cán block tròn là loại giá cán block phổ biến nhất Chúng có độ bền cao và dễ dàng gia công Giá cán block tròn thường được

sử dụng trong các máy cán thép và máy cán nhôm

Giá cán block vuông: Giá cán block vuông có độ cứng cao hơn giá cán block tròn Chúng thường được sử dụng trong các máy cán kim loại có độ cứng cao, như thép hợp kim và gang

Giá cán block chữ nhật: Giá cán block chữ nhật có độ cứng và độ bền cao hơn giá cán block tròn và giá cán block vuông Chúng thường được sử dụng trong các máy cán kim loại có độ cứng và độ bền cao, như thép chịu nhiệt và gang chịu nhiệt

3 Phân loại

Dựa theo kết cấu của đầu nối và cổ trục, trục cán

-Trục cán block tròn: Trục cán block tròn là loại trục cán block phổ biến nhất Chúng có độ bền cao và dễ dàng gia công Trục cán block tròn thường được

sử dụng trong các máy cán thép và máy cán nhôm

-Trục cán block vuông: Trục cán block vuông có độ cứng cao hơn trục cán block tròn Chúng thường được sử dụng trong các máy cán kim loại có độ cứng cao, như thép hợp kim và gang

-Trục cán block chữ nhật: Trục cán block chữ nhật có độ cứng và độ bền cao hơn trục cán block tròn và trục cán block vuông Chúng thường được sử dụng trong các máy cán kim loại có độ cứng và độ bền cao, như thép chịu nhiệt và gang chịu nhiệt

.Dựa theo độ rắn bề mặt

- Trục cán block mềm: Trục cán block mềm có độ cứng thấp, thường được làm từ thép hợp kim hoặc gang Chúng được sử dụng để cán kim loại có độ cứng thấp, như thép tấm, nhôm tấm và đồng tấm

Trục cán block trung bình: Trục cán block trung bình có độ cứng trung bình, thường được làm từ thép hợp kim hoặc gang có hàm lượng cacbon cao Chúng được sử dụng để cán kim loại có độ cứng trung bình, như thép tấm cán nguội, nhôm tấm cán nguội và đồng tấm cán nguội

Trục cán block cứng: Trục cán block cứng có độ cứng cao, thường được làm

từ thép hợp kim có hàm lượng cacbon cao hoặc thép hợp kim đặc biệt Chúng được

sử dụng để cán kim loại có độ cứng cao, như thép hợp kim, thép chịu nhiệt và thép chịu mài mòn

.Dựa theo nhiệt độ

- Trục cán block nguội:

- Trục cán block nóng:

4 Lựa chọn: bán cán

- Bánh cán: Bánh cán là bộ phận chính của trục cán block Nó

chịu trách nhiệm cán kim loại Bánh cán được làm từ các vật

liệu có độ bền cao, như thép hợp kim hoặc gang

- Bánh là một bộ phận quan trọng trong máy cán Chúng có hình dạng tròn và được làm từ các vật liệu có độ bền cao, như thép hợp kim hoặc gang Trục cán block được sử dụng để cán kim loại, tạo ra các sản phẩm có độ dày và kích thước khác nhau

Bánh cán có nhiều kích thước và hình dạng khác nhau, tùy thuộc vào loại máy cán và loại kim loại được cán Chúng thường được sản xuất theo đơn đặt hàng

và có thể được tùy chỉnh theo yêu cầu của khách hàng

Một số ưu điểm của bánh cán bao gồm:

Độ bền cao

Chịu được áp lực và nhiệt độ cao

Dễ dàng bảo trì

Giá thành hợp lý

Bánh cán là một thiết bị quan trọng trong nhiều ngành công nghiệp khác nhau Chúng giúp tạo ra các sản phẩm chất lượng cao, đáp ứng nhu cầu của người tiêu dùng

II Lựa chọn thông số hình học

1 Chiều dài trục cán: 850 (mm)

2 Đường kính trục cán: D220

3 Trục cán chịu lực lớn nhất: 20 (tấn)

III Phân tích chế độ và điều kiện làm việc

Vì bánh cán là bộ phận chính và quan trọng nhất trong giá cán và gắn liền với trục cán nên chúng ta sẽ phân tích các lực tác dụng vào trục cán.

1 Chế độ, điều kiện làm việc của bánh cán

Khi cán, hai trục cán quay liên tục và ngược chiều nhau, nhờ ma sát tiếp xúc giữa vật cán và bề mặt tiếp xúc mà vật cán được ăn vào trục và bị biến dạng Khi cán trục cán phải truyền momen xoắn từ động cơ truyền tới rất lớn, chịu momen uốn do vị trí trục cán lệch về phía trước để tăng cường độ ổn định Khi cán trục chịu tải trọng lớn trong thời gian dài

2 Các dạng hỏng chính của bánh

- Trục bị biến dạng đàn hồi quá lớn

- Bánh cán bị mòn, tróc rỗ bề mặt do ma sát và tiếp xúc

- Trục bị dao động quá mức cho phép Sẽ làm tăng biến dạng trục, tăng tải trọng tác dụng lên trục, dẫn đến hỏng trục

- Độ cứng vững không đảm bảo chất lượng sản phẩm

- Độ cứng vững không đạt yêu cầu dung sai cho phép

3 Chỉ tiêu tính toán

Kích thước bánh cán: Kích thước bánh cán bao gồm đường kính, chiều rộng

và độ dày Kích thước bánh cán phải phù hợp với loại kim loại được cán và yêu cầu về độ dày và kích thước của sản phẩm

Vật liệu bánh cán: Vật liệu bánh cán phải có độ bền cao, chịu được nhiệt độ cao và áp lực lớn Vật liệu bánh cán thường là thép hợp kim hoặc gang

Độ cứng bánh cán: Độ cứng bánh cán phải phù hợp với loại kim loại được cán Độ cứng bánh cán quá cao có thể làm cho bánh cán bị mòn nhanh chóng, độ cứng bánh cán quá thấp có thể làm cho bánh cán bị biến dạng hoặc vỡ

Độ bóng bánh cán: Độ bóng bánh cán phải cao để giảm ma sát giữa bánh cán và kim loại được cán Độ bóng bánh cán cao có thể giúp tăng hiệu quả cán và giảm hao mòn bánh cán

Cấu tạo bánh cán: Cấu tạo bánh cán phải đảm bảo độ bền và khả năng chịu lực của bánh cán Cấu tạo bánh cán thường bao gồm một lớp lót cứng và một lớp lót mềm Lớp lót cứng được làm từ vật liệu có độ cứng cao, chịu được nhiệt độ cao và áp lực lớn Lớp lót mềm được làm từ vật liệu có độ mềm cao, giúp giảm ma sát giữa bánh cán và kim loại được cán

4 Phân tích lực tác dụng lên bánh cán

- Lực cán: còn gọi là áp lực toàn phần của kim loại tác dụng lên bánh cán Khi cán, kim loại tác dụng lên bánh cán một lực phân bố Tổng hợp các lực phân

bố đó (tổng hợp các lực phân bố theo chiều rộng của tấm thép) ta có áp lực toàn phần của kim loại tác dụng lên bánh cán

- Áp lực trung bình: là áp lực lên từng điểm trên cung tiếp xúc Người ta thường tìm áp lực trung bình sau đó nhân với diện tích vùng tiếp xúc sẽ tính được tổng áp lực

- Momen cán: Khi cán xuất hiện hai lực cán P, một lực tác dụng lên trục trên, một lực tác dụng xuống trục dưới Do đó, momen cán do lực cán được sinh ra

- Lực ma sát: là lực tác dụng theo phương tiếp tuyến với mặt tiếp xúc giữa hai vật, tạo nên chuyển động tương đối của chúng

V Tính toán thiết kế và nghiệm bền bánh cán

1.2 Tính toán bánh cán khi làm việc (khi chịu tải trọng)

Khi làm việc, bánh cán bị lực cán Pmax tác dụng lên trục, tại chỗ có lực cán lớn nhất mà bánh cán đủ bền thì các chỗ khác cũng đủ bền Người ta đã chứng minh rằng khi có lực tác dụng, thân trục cán bị uốn

1.2.1 Tại thân trục cán: Chỉ chịu uốn cho nên tính theo điều kiện uốn

σu=Mu

Wu=

P(a−b

2)

0,4 D 3 ( N

mm 2 )

Trong đó:

- M : momen uốn do lực cán gây ra u

- W : momen chống uốn của trục u

- P = 20 (tấn): lực cán lớn nhất tác dụng lên trục

- a = 1000 (mm): khoảng cách tâm giữa hai điểm đặt P2 đối với cán tấm khi trục cán bị lực cán P tác dụng

- b = 350 (mm): chiều dài phôi tiếp xúc với bề mặt trục cán

- D = 220 (mm): đường kính bánh cán

Thay các kích thước trên vào ta có:

σu=Mu

Wu=

20 000 (1000−3502 )

0,4 220 3 =48,42( N

mm 2 )

2 Lựa chọn vật liệu

Vật liệu dùng để chế tạo bánh cán có độ bền cao, ít nhạy với tập trung ứng suất, có thể nhiệt luyện được và dễ gia công

bánh là nơi trực tiếp làm biến dạng kim loại để cho ra sản phẩm cán có hình dạng và kích thước theo tiêu chuẩn và yêu cầu Làm việc trong điều kiện chịu nóng, chịu mài mòn và chịu tác dụng của tải trọng rất lớn Mặt trục phải có độ cứng cao, bên trong lại phải dẻo dai chịu uốn tốt, chịu được va đập mạnh Mác hợp Đề xuất ứng dụng

kim

YGH10T Các rãnh có khả năng chống mài mòn tốt và có độ dẫn nhiệt

cao Khi chúng được sử dụng ở vị trí cuối cùng của máy cán hoàn thiện Chúng có thể giữ cho các thanh ở hình dạng tối ưu

và bề mặt hoàn thiện tốt, đồng thời có thể giảm tần suất thay vòng, đạt được năng suất cao

YGH20T Chúng có khả năng chống va đập vừa phải và khả năng chống

mài mòn cao và chúng được sử dụng ở 3 vị trí cuối cùng trong các máy cán thanh hoàn thiện

YGH30T Chúng có khả năng chống mài mòn vừa phải đối với tác động và

nó là loại cacbua tốt cho các ứng dụng phổ quát Chúng được sử dụng cho hầu hết các giá đỡ phía sau hoặc tất cả các giá đỡ trong máy cán thanh hoàn thiện

YGH40T Chúng có độ dẻo dai tốt và khả năng chống mài mòn vừa phải

và đây là loại cacbua tốt cho các ứng dụng phổ biến và chúng được sử dụng ở hầu hết các giá đỡ phía trước, giữa và phía sau trong các máy cán thanh hoàn thiện

YGH50T

Với độ dẻo dai tốt và khả năng chống nứt nhiệt Chúng được sử dụng trong giá đỡ 1-4 để cán tốc độ cao trong các máy cán hoàn thiện

YGH60T Với độ dẻo dai và khả năng chống va đập cao, chúng được sử

dụng cho quá trình cán thanh trước khi hoàn thiện với tốc độ cao

Lựa chọn vật liệu làm bánh là Carbide YGH10T , có hàm lượng Carbon monoxide và Ni là 15% Có khả năng gia công tốt, độ cứng phù hợp với việc chế tạo khuôn mẫu và có đặc tính chịu mài mòn tốt và chịu được tải trọng cao Tính đàn hồi tốt, khả năng chịu va đập tốt

2.1 Hàm lượng các nguyên tố hóa học và cơ tính.

Mác hợp

kim Thành phần hóahọc Thông số cơ tính lý Thông số vật

Co+Ni

(%) WC(%) Độ cứng

HRA

T.R.S MPa Độ chịu nén MPa

Modun đàn hồi KN/mm2

Tỉ trọng g/cm3

Độ dẫn nhiệt

3 Nghiệm bền bánh cán

3.1 Kiểm nghiệm về độ chống mài mòn

Độ chống mài mòn là một yêu cầu bắt buộc với trục cán vì nó quyết định tới chất lượng sản phẩm cũng như tuổi thọ, độ bền của trục cán

Độ mài mòn được tính theo công thức

σ H =Z M√qh ρ Trong đó:

- Z : hệ số cơ tính của vật liệu M

zM=√ 2 E1E2

π [ E 1(1−μ 2 )+E 2(1−μ 1 )]=√2 ¿ ¿¿

Trong đó:

- E = 54.10 (N/mm ): modun đàn hồi của carbide 4 2

- μ = 0,22: hệ số Poisson

- q : áp lực pháp tuyến tại tâm tiếp xúc h q h =

b=

200000

350 =571,4 (

N

mm)

- ρ = D = 220 (mm): bán kính cong

σ H =698√571,4

220 =1124,9(

N

mm 2 )

Carbide có độ cứng 777HB nên theo kinh nghiệm ta có công thức giới hạn ứng suất cho phép:

[σH]= (1.5 2.5 ÷ ) HB=(1,5 2,5 ÷ ) 777 1165.5 1942.5 = ÷ ( N

mm 2 )

Vậy [σH]>σH nên độ chống mài mòn thỏa mãn

3.2 Kiểm nghiệm về độ bền mỏi

Dưới tác dụng của ứng suất uốn và ứng suất xoắn Do đó phải tiến hành kiểm nghiệm trục về độ bền mỏi theo hệ số an toàn Ứng suất uốn trong trục thay đổi theo chu trình đối xứng Ứng suất xoắn được coi là thay đổi theo chu trình mạch động đối với cá trục quay một chiều

Tiến hành kiểm nghiệm hệ số an toàn của trục tại nơi chịu tải trọng lớn nhất thỏa mãn điều kiện

s= sσ s r

√s σ +s r2

≥[s]

Trong đó:

- [s] = 1,5 ÷ 2: hệ số an toàn cho phép thông thường; [s] = 2,5 ÷ 3 khi cần tăng độ cứng

- s : hệ số an toàn chỉ xét riêng ứng suất uốnσ

s σ = σ−1

k σ

β εσ.σa +ψ σ.σm

Trong đó:

- σ = 0,436.σ : giới hạn mỏi uốn với chu trình đối xứng (N/mm )-1 b

- σ : biên độ ứng suất uốn (N/mm )a 2

- σ : ứng suất uốn trung bình (N/mm )m 2

- Ứng suất uốn được coi như thay đổi theo chu trình đối xứng (bỏ qua ứng suất kéo hoặc nén do lực dọc trục gây nên), do đó:

σm=0 ;σa= σmax=M

W(

N

mm 2 )

bền mỏi

trục đến độ bền mỏi (Bảng 15.2 – T56 – CTM)

- k = 1,6: hệ số tập trung ứng suất thực tế khi uốn (Bảng 15.3 – T56 –σ CTM)

- β: hệ số tăng bền mặt trục

- s : hệ số an toàn chỉ xét riêng ứng suất uốnτ

s τ = τ−1

k τ

β ε τ

.τ a +ψ τ τ m

Trong đó:

- τ = 0,58.σ : giới hạn mỏi xoắn với chu trình đối xứng (N/mm )-1 -1 2

- τ : biên độ ứng suất xoắn (N/mm )a 2

- σ : ứng suất xoắn trung bình (N/mm )m 2

- Ứng suất xoắn được coi như thay đổi theo chu trình mạch động khi trục quay một chiều, do đó:

τ m =τ a =τmax

2 =

M

2 W(

N

mm 2 )

- ψ = 0,05: hệ số xét đến ảnh hưởng của ứng suất trung bình đến độτ bền mỏi