đồ án tốt nghiệp đề tài tính toán thiết kế chế tạo máy cắt thép tấm bằng thủy lực cỡ nhỏ

Việc chế tạo máy cắt thép thủy lực cỡ nhỏ của nhóm chúng em nhằm mục đích phục vụ cho những hộ gia đình hay các xí nghiệp nhỏ có thể trải nghiệm và có giá thành tốt, bên cạnh đó còn tăng

SVTH: Nguyễn Hữu Tài - 20C2 GVHD: Th.S Hoàng Trọng Hiếu

Lê Trung Tín - 20C2

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

KHOA CƠ KHÍ

- -

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

ĐỀ TÀI: TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ CHẾ TẠO MÁY CẮT THÉP TẤM

BẰNG THỦY LỰC CỠ NHỎ Giảng viên hướng dẫn: ThS Hoàng Trọng Hiếu

Sinh viên thực hiện:

1/ Lê Quốc Toàn – MSV: 2050411200225

3/ Nguyễn Hữu Tài – MSV: 2050411200218

Đà Nẵng, năm 2024.

SVTH: Nguyễn Hữu Tài – 20C2

Lê Trung Tín – 20C2 GVHD: ThS Hoàng Trọng Hiếu i

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

SVTH: Nguyễn Hữu Tài – 20C2

Lê Trung Tín – 20C2 GVHD: ThS Hoàng Trọng Hiếu ii

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

1 Họ và tên sinh viên:

+ Nguyễn Hữu Tài – Mã sinh viên: 2050411200218 2 Lớp: 20C2

3 Tên đề tài: Tính toán, thiết kế và chế tạo máy cắt thép tấm bằng thủy lực cỡ nhỏ 4 Giảng viên phản biện: Học hàm/ học vị:

II Nhận xét, đánh giá đồ án tốt nghiệp:

1 Về tính cấp thiết, tính mới, mục tiêu của đề tài: 2 Về kết quả giải quyết các nội dung nhiệm vụ yêu cầu của đồ án:

3 Về hình thức, cấu trúc, bố cục của đồ án tốt nghiệp:

4 Kết quả đạt được, giá trị khoa học, khả năng ứng dụng của đề tài:

5 Các tồn tại, thiếu sót cần bổ sung, chỉnh sửa:

SVTH: Nguyễn Hữu Tài – 20C2

Lê Trung Tín – 20C2 GVHD: ThS Hoàng Trọng Hiếu iii

tối đa

Điểm đánh giá

1 Sinh viên có phương pháp nghiên cứu phù hợp, giải quyết các nhiệm vụ đồ án được giao 8,0

1a - Tính cấp thiết, tính mới (nội dung chính của ĐATN có những phần mới so với các ĐATN trước đây); - Đề tài có giá trị khoa học, công nghệ; giá trị ứng dụng

thực tiễn

1,0

1b - Kỹ năng giải quyết vấn đề; hiểu, vận dụng được kiến thức cơ bản, cơ sở, chuyên ngành trong vấn đề nghiên cứu;

- Khả năng thực hiện/phân tích/tổng hợp/đánh giá; - Khả năng thiết kế, chế tạo một hệ thống, thành phần,

hoặc quy trình đáp ứng yêu cầu đặt ra

3,0

1d - Có kỹ năng sử dụng phần mềm ứng dụng trong vấn đề nghiên cứu (thể hiện qua kết quả tính toán bằng phần mềm);

- Có kỹ năng sử dụng tài liệu liên quan vấn đề nghiên cứu (thể hiện qua các tài liệu tham khảo)

1,0

2 Kỹ năng trình bày báo cáo đồ án tốt nghiệp 2,0

3 Tổng điểm theo thang 10 (lấy đến 1 số lẻ thập

phân)

SVTH: Nguyễn Hữu Tài – 20C2

Lê Trung Tín – 20C2 GVHD: ThS Hoàng Trọng Hiếu iv

- Câu hỏi đề nghị sinh viên trả lời trong buổi bảo vệ :

Đà Nẵng, ngày tháng năm 2024

Giảng viên phản biện

SVTH: Nguyễn Hữu Tài – 20C2

Lê Trung Tín – 20C2 GVHD: ThS Hoàng Trọng Hiếu v

+ Nguyễn Hữu Tài – Mã sinh viên: 2050411200218 - Lớp: 20C2

NỘI DUNG ĐỒ ÁN

1 Thuyết minh Chương 1 Tổng quan Chương 2 Tính toán động lực học và kết cấu cho bộ phận cắt Chương 3 Quy trình công nghệ gia công trục vít me

Chương 4 Lắp ráp, vận hành và bảo dưỡng máy 2 Bản vẽ

- Bản vẽ 2D + Bản vẽ tổng thể A0 + Bản vẽ chi tiết A3 + Bản vẽ nguyên công A0 + Bản vẽ mạch điện, hệ thống thủy lực A0 - Bản vẽ 3D

+ Bản vẽ 3D A0 3 Phần mềm hỗ trợ

- AUTOCAD - SOLIDWORKS 4 Thời gian thực hiện

- Ngày giao nhiệm vụ 07/01/2024 - Ngày hoàn thành 16/06/2024

SVTH: Nguyễn Hữu Tài – 20C2

Lê Trung Tín – 20C2 GVHD: ThS Hoàng Trọng Hiếu vi

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

+ Nguyễn Hữu Tài – Mã sinh viên: 2050411200218 - Lớp: 20C2

1 Tên đề tài: Tính toán, thiết kế và chế tạo máy cắt thép tấm bằng thủy lực cỡ nhỏ 2 Các số liệu, tài liệu ban đầu:

Kích thước cắt thép: 1,3 ÷ 1,5mm 3 Nội dung chính của đồ án:

Ngoài phần mở đầu và kết luận, nội dung chính gồm có 4 chương: - Chương 1 Tổng quan

- Chương 2 Tính toán động lực học và kết cấu cho bộ phận cắt - Chương 3 Quy trình công nghệ gia công trục vít me

- Chương 4 Lắp ráp, vận hành và bảo dưỡng máy 4 Các sản phẩm dự kiến:

- Bản thuyết minh tổng hợp của đề tài - Gồm có các bản vẽ 2D,3D

- Một mô hình máy cắt 5 Ngày giao đồ án:

6 Ngày nộp đồ án:

Đà Nẵng, ngày tháng năm 2024

Trưởng Bộ môn Giảng viên hướng dẫn

Th.S Hoàng Trọng Hiếu

SVTH: Nguyễn Hữu Tài – 20C2

Lê Trung Tín – 20C2 GVHD: ThS Hoàng Trọng Hiếu vii

LỜI NÓI ĐẦU

Hiện nay nước ta đang đẩy mạnh hiện đại hóa công nghiệp hóa, hiện đại hóa để đưa đất nước ta sánh vai với các nước trong khu vực và trên thế giới Muốn vậy thì các ngành công nghiệp phải không ngừng đẩy mạnh sản xuất, mở rộng nhà máy, xí nghiệp, cải tiến trang thiết bị để nâng cao chất lượng sản phẩm, nhờ chính sách đó đã đưa đất nước ta phát triển nhanh chóng trong đó có một phần đáng kể đến là lĩnh vực sản xuất phôi thép

Để đáp ứng nhu cầu thực tế của người tiêu dùng và nền kinh tế, ngành sản xuất phôi thép, thiết bị cơ khí cho ra đời những loại máy không ngừng về số lượng mà còn về chất lượng tốt

Với yêu cầu thực tế hằng năm rất lớn, để tạo ra được sản phẩm phôi thép nhất thiết phải có thiết bị, máy móc chuyên dùng, đảm bảo yêu cầu sản xuất, yêu cầu công nghệ và môi trường, đó chính là nhiệm vụ của ngành cơ khí

Trong khoảng thời gian em học tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật - Đại

học Đà Nẵng được sự giúp đỡ và chỉ bảo tận tình của các thầy cô giáo, em đã tiếp thu

một phần nào kiến thức mà thầy cô truyền thụ Trước khi ra trường chúng em cần phải trải qua một đợt tìm hiểu thực tế và kiểm tra khả năng nắm bắt, sáng tạo của sinh viên Do đó thực tập tốt nghiệp và làm đồ án tốt nghiệp là một công việc rất cần thiết Nhiệm vụ của em là thiết kế máy cắt thép tấm thủy lực là một thiết bị có tính quyết định đối với toàn bộ dây chuyền sản xuất

Tuy nhiên do kiến thức và khả năng có hạn nên em không tránh khỏi những thiếu sót, em kính mong thầy cô thông cảm và chỉ bảo cho em nhiều hơn Em xin gửi lời cảm

ơn chân thành đến các thầy cô giáo, đặc biệt là thầy giáo ThS Hoàng Trọng Hiếu đã

hết sức tận tình chỉ bảo cho em để hoàn thành tốt đồ án tốt nghiệp này

SVTH: Nguyễn Hữu Tài – 20C2

Lê Trung Tín – 20C2 GVHD: ThS Hoàng Trọng Hiếu viii

1.1 Tổng quan về nhu cầu sử dụng thép tấm trong công nghiệp 3

1.2 Cơ sở lý thuyết về cắt kim loại 6

1.2.1 Lý thuyết biến dạng dẻo kim loại 6

1.2.1.1 Biến dạng đàn hồi 7

1.2.1.2 Biến dạng dẻo 8

1.2.1.3 Phá hủy 9

1.2.2 Những nhân tố ảnh hưởng đến biến dạng dẻo kim loại 10

1.2.2.1 Ảnh hưởng của thành phần hoá học và tổ chức kim loại 10

1.2.2.2 Ảnh hưởng của nhiệt độ 10

1.2.2.3 Ảnh hưởng của trạng thái ứng suất chính 10

1.2.2.4 Ảnh hưởng của ứng suất dư 11

1.2.2.5 Ảnh hưởng của ma sát ngoài 11

1.2.2.6 Ảnh hưởng của tốc độ biến dạng 12

CHƯƠNG 2 TÍNH TOÁN ĐỘNG LỰC HỌC VÀ KẾT CẤU CHO BỘ PHẬN CẮT 13

2.1 Tính toán lực cắt của máy 13

2.1.1 Xác định lực cắt thép tấm 13

2.1.2 Tính lực kẹp phôi 15

2.2 Tính toán Xilanh thuỷ lực cho bộ phận tạo lực cắt 15

2.3 Tính toán, lựa chọn các thông số của Piston-Xilanh 16

SVTH: Nguyễn Hữu Tài – 20C2

Lê Trung Tín – 20C2 GVHD: ThS Hoàng Trọng Hiếu ix

2.4 Tính toán lựa chọn các thông số của bơm 19

2.4.1 Công suất cần thiết của động cơ điện làm quay bơm dầu 19

2.4.2 Chọn bơm dầu cho hệ thống cung cấp thuỷ lực 19

2.4.3 Xác định tiết diện ống dẫn dầu 21

2.5 Tính các tổn thất về áp suất, lưu lượng trong hệ thống 22

2.5.1 Xác định tổn thất áp suất trên hệ thống 22

2.5.2 Xác định tổn thất thể tích trên hệ thống 23

2.5.3 Phân tích chọn loại dầu trong hệ thống 24

2.6 Tính toán các thông số của lưỡi dao 27

2.6.1 Chọn vật liệu chế tạo dao cắt 27

2.6.2 Các thông số của dao 28

2.6.3 Kiểm nghiệm sức bền của thanh dao gá lên bàn dao 29

CHƯƠNG 3 QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ GIA CÔNG TRỤC VÍT ME 31

3.1 Phân tích chức năng làm việc và tính công nghệ trong kết cấu của chi tiết 31

3.1.1 Phân tích chức năng làm việc 31

3.1.2 Tính công nghệ trong kết cấu 31

3.2 Xác định dạng sản xuất 31

3.3 Lựa chọn phương pháp chế tạo phôi 33

3.3.1 Phương pháp rèn tự do (đây là phương pháp gia công bằng áp lực ) 33

3.3.2 Phương pháp rèn trong khuôn định hình 33

3.3.3 Phương pháp dập thể tích trên máy búa 33

3.3.4 Phương pháp dập nóng 33

3.3.5 Phương pháp cán 34

3.3.6 Phương pháp đúc 34

3.4 Tra lượng dư gia công cơ cho các bề mặt của phôi 35

3.5 Bản vẽ lồng phôi chi tiết 35

3.6 Thiết lập nguyên công 36

3.6.1 Nguyên công 1 : Khỏa mặt đầu và khoan tâm 36

3.6.2 Nguyên công 2 : Tiện thô Ø8 38

SVTH: Nguyễn Hữu Tài – 20C2

Lê Trung Tín – 20C2 GVHD: ThS Hoàng Trọng Hiếu x

3.6.3 Nguyên công 3 : Tiện tinh Ø8 40

3.6.4 Nguyên công 4 : Tiện ren 42

3.6.5 Nguyên công 5 : Mài ren 44

3.6.6 Nguyên công 6: Nhiệt luyện bề mặt ren 45

3.6.7 Nguyên công 7: Kiểm tra 47

CHƯƠNG 4 LẮP RÁP, VẬN HÀNH VÀ BẢO DƯỠNG MÁY 49

4.1 Quy trình gia công lắp ráp máy 49

4.1.1 Kết cấu tổng thể máy cắt thép tấm thủy lực 49

4.1.2 Gia công lắp ghép khung máy 49

4.1.3 Quy trình hàn 50

4.1.4 Gia công bắt vít các khung cửa của máy 50

4.1.5 Gia công lắp ghép thân các chi tiết bàn dao 51

4.1.6 Gia công lắp ghép cử đo phôi 52

4.1.7 Gia công, lắp ghép hệ thống thủy lực 52

4.1.8 Lắp ghép hệ thống mạch điện 54

4.1.9 Lắp ráp công tắt hành trình 55

4.2 Cách thức vận hành máy 56

4.2.1 Trước khi làm việc 56

4.2.2 Trong khi làm việc 57

4.2.3 Sau khi làm việc 57

4.3 Bảo dưởng máy cắt thủy lực 58

KẾT LUẬN 59TÀI LIỆU THAM KHẢO

SVTH: Nguyễn Hữu Tài – 20C2

Lê Trung Tín – 20C2 GVHD: ThS Hoàng Trọng Hiếu xi

Hình 2.4 Bơm bánh răng ăn khớp ngoài 21

Hình 2.5 Kết cấu bơm bánh răng 21

Hình 2.6 Sơ đồ kết cấu và kí hiệu Van đảo chiều 4/3 25

Hình 2.7 Các loại ống nối 26

Hình 2.8 Sơ đồ kết cấu bể dầu 27

Hình 3.1 Áp dụng phần mềm Solidwork tính khối lượng chi tiết 32

Hình 3.2 Bản tra định dạng sản xuất 32

Hình 3.3 Bản vẽ lồng phôi 35

Hình 4.1 Mô hình 3d máy thiết kế trên solidwork 49

Hình 4.2 Khung thân máy 49

Hình 4.3 Hàn khung máy 50

Hình 4.4 Khung cửa và các tấm che thân máy 51

Hình 4.5 Thân bàn dao của máy 51

SVTH: Nguyễn Hữu Tài – 20C2

Lê Trung Tín – 20C2 GVHD: ThS Hoàng Trọng Hiếu xii

Hình 4.6 Cử đo phôi cắt 52

Hình 4.7 Van và bơm thủy lực 53

Hình 4.8 Xy lanh và đường ống thủy lực 54

Hình 4.9 Hệ thống mạch điện mô hình máy cắt thủy lực 54

Hình 4.10 Tủ điện thực tế mô hình 55

Hình 4.11 Công tắt hành trình 56

MỞ ĐẦU

Trong xu thế Công nghiệp hóa - Hiện đại hóa hiện nay, Khoa học - Kỹ thuật phát triển ngày càng nhanh chóng, đang góp phần nâng cao năng suất lao động, thay thế dần sức lao động của con người Sự phát triển này đã dẫn đến rất nhiều chủng loại máy móc ra đời nhằm phục vụ cho nhu cầu thiết yếu của con người Trong đó, đối với ngành công nghiệp, đặc biệt là công nghiệp cơ khí giữ vai trò chủ yếu trong việc tạo ra sản phẩm, và thép tấm hầu như được sử dụng rất nhiều trong các ngành công nghiệp

Trên thị trường đã có nhiều loại máy cắt thép thủy lực khác nhau Việt Nam cũng đã xuất hiện nhiều loại máy cắt thép, nhưng hầu hết là sản phẩm được nhập khẩu từ bên ngoài và nhiều loại máy cắt có công suất lớn nên đôi lúc nhu cầu của khách hàng còn nhiều hạn chế và đặc biệt là giá thành còn rất cao Việc chế tạo máy cắt thép thủy lực cỡ nhỏ của nhóm chúng em nhằm mục đích phục vụ cho những hộ gia đình hay các xí nghiệp nhỏ có thể trải nghiệm và có giá thành tốt, bên cạnh đó còn tăng vị thế cạnh tranh của thị trường trong nước so với thị trường thế giới trong lĩnh vực công nghiệp sản xuất máy móc, thiết bị

Xuất phát từ nhu cầu thực tế đó, việc nghiên cứu thiết kế và chế tạo mô hình xe nâng hàng cỡ nhỏ phục vụ cho nhu cầu của xã hội là rất cần thiết, đồng thời cùng với sự định hướng và hướng dẫn của Thầy ThS Hoàng Trọng Hiếu nhóm em đã chọn đề

“Tính toán, thiết kế và chế tạo máy cắt thép tấm bằng thủy lực cỡ nhỏ ” làm đồ án tốt

nghiệp của mình

1 Mục đích cần đạt được của đề tài:

- Giải quyết và làm rõ được các kiến thức liên quan và tìm hiểu về máy cắt thủy lực

- Đề xuất được các phương án khả thi trong quá trình nghiên cứu thiết kế chi tiết, biện luận để có được phương án tối ưu

- Làm nổi bật được chức năng, công dụng của chi tiết trong quá trình làm việc - Xây dựng được một cơ sở học liệu phục vụ quá trình học tập và nghiên cứu cho các sinh viên trong Nhà trường theo chuyên ngành Công nghệ chế tạo máy

- Đề xuất được khả năng ứng dụng và phát triển của đề tài trên thực tế

2 Phương pháp tiếp cận và nghiên cứu:

- Phương pháp lý thuyết: + Căn cứ trên các tài liệu chuyên ngành liên quan, các giáo trình kỹ thuật hiện có + Căn cứ theo các nguồn tài liệu trên Internet

+ Căn cứ trên các kết quả, nghiên cứu trước đó để giải quyết một cách triệt để hơn

- Phương pháp thực nghiệm: + Tham gia trực tiếp vào quá trình sản xuất tại xưởng gia công cơ khí để có được những phân tích, đánh giá khách quan về vấn đề cần giải quyết

+ Thực hiện các thí nghiệm liên quan để thu được các kết quả phục vụ quá trình thực nghiệm và gia công

+ Tiến hành đo đạc, tính toán theo các số liệu đầu vào + Gia công trực tiếp để thu được sản phẩm hoàn thiện

3 Khả năng ứng dụng của đề tài:

- Có khả năng ứng dụng thực tế khi sản xuất hàng loạt máy với năng suất, chất lượng cao và giá thành phù hợp nhất

- Tạo ra một cơ sở học liệu phục vụ quá trình tìm hiểu và nghiên cứu cho sinh viên chuyên ngành

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan về nhu cầu sử dụng thép tấm trong công nghiệp

Ngày nay khi nhu cầu về đời sống của con người càng được nâng cao thì nền kinh tế cần phải kịp thời đáp ứng đầy đủ những nhu cầu đó Trong đó ngành công nghiệp, mà đặc biệt là công nghiệp cơ khí nắm vai trò chủ yếu trong việc tạo ra sản phẩm Ở một khía cạnh khác, thì ngành công nghiệp tạo phôi lại đóng một vai trò chủ chốt, là khâu cơ bản đầu tiên trong quy trình sản xuất cơ khí Hơn nữa, một số phương pháp tạo phôi như cán, kéo, cắt kim loại là không thể thiếu góp phần tạo ra các sản phẩm, vật dụng cho các ngành công nghiệp khác như: Công nghiệp hàng không, công nghiệp điện, công nghiệp ôtô, đóng tàu thuyền, xây dựng, nông nghiệp Thép tấm hầu như được sử dụng rất nhiều trong các nghành công nghiệp kể trên

Thép tấm được tạo thành từ quá trình cán kim loại, kim loại bị biến dạng giữa 2 trục cán quay ngược chiều nhau, có khe hở giữa 2 trục cán nhỏ hơn chiều dày của phôi ban đầu Kết quả làm chiều dày phôi giảm, chiều dài và chiều rộng tăng lên, tạo thành dạng tấm hay ta còn gọi là thép tấm

Cán thép tấm có thể tiến hành ở trạng thái nóng hoặc trạng thái nguội, ở mỗi loại nó có các ưu điểm và nhược điểm khác nhau Cán ở trạng thái nóng cho ta những sản phẩm có độ dày từ 1,5mm đến 60mm, còn ở trạng thái nguội cho ra sản phẩm mỏng và cực mỏng độ dày từ 0,007mm đến 1,25mm Các sản phẩm thép tấm được phân loại theo độ dày của tấm thép:

+ Thép tấm mỏng: Chiều dày: S = 0,2 ÷ 3,75 mm

Chiều rộng: b = 600 ÷ 2.200 mm + Thép tấm dày: S = 4 ÷ 60 mm; b = 600 ÷ 5.000 mm

L = 4.000 ÷ 12.000 mm + Thép tấm dải : S = 0,2 ÷ 2 mm; b = 200 ÷ 1.500 mm

L = 4.000 ÷ 60.000 mm Từ sự phân loại đó ta có các dạng phôi của thép tấm khác nhau như: dạng phôi tấm hay dạng phôi cuộn, phôi dải

Hình dạng và kích thước của phôi tấm tạo ra trong quá trình cán được tiêu chuẩn hoá, do đó việc sử dụng thép tấm để tạo ra các sản phẩm như: thùng, sàn xe ôtô, khung, sườn xe máy, các thiết bị nghành điện, các kết câu trong nghành xây dựng như cầu, nhà cửa, hoặc sử dụng trong chính nghành cơ khí chế tạo, nghành tàu thuyền phải qua quá quá trình cắt thép tấm ra các kích thước và hình dạng khác nhau phù hợp với yêu cầu của từng nghành, từng công việc cụ thể:

- Trong ngành điện: Thép tấm được dùng để tạo ra các sản phẩm như là thép trong

stato của máy bơm nước hay quạt điện, thép tấm được dùng làm các cánh quạt cỡ lớn, các thép tấm mỏng dùng làm các lá thép để ghép lại trong các chấn lưu đèn ống, máy biến thế, trong lĩnh vực điện chiếu sáng nó được dùng làm các cột điện đường

Các lá thép

Hình 1.1 Sản phẩm thép tấm trong ngành điện

- Trong xây dựng: Các thép hình cỡ lớn trong các dầm cầu được tạo thành từ các

tấm thép tấm dày cắt nhỏ, hay thép tấm được dùng để liên kết với nhau có thể bằng mối hàn, bulông hoặc đinh tán để tạo nên các kết cấu thép bền vững Rỏ rang nhất thép tấm được sử dụng làm tấm lợp…

Hình 1.2 Sản phẩm thép tấm trong xây dựng

- Trong ngành cơ khí: Thép tấm được sử dụng trong các thân máy của các máy

cắt kim loại, vỏ hộp giảm tốc bằng kết cấu hàn, khung, sườn xe, máy,

Hình 1.3 Sản phẩm thép tấm trong cơ khí

- Trong ngành cơ khí ôtô:

Việc sử dụng thép tấm không thể thiếu được Nó được sử dụng làm khung, sườn, gầm ôtô, lót sàn ôtô, che kín thùng xe, và các bộ phận che chắn khác

- Trong chế biến thực

phẩm: Thép tấm được sử dụng

rộng rãi không kém, nó được dùng để chế tạo các thùng chứa, bể chứa, hộp đóng gói,

Hình 1.4 Vỏ ôtô được làm từ thép tấm

1.2 Cơ sở lý thuyết về cắt kim loại

Cắt kim loại là phương pháp gia công bằng áp lực bằng cách dùng ngoại lực tác dụng lên kim loại ở trạng thái nóng hoặc nguội, làm cho kim loại đạt quá giới hạn đàn hồi, kết quả làm thay đổi hình dạng của vật thể kim loại mà không phá huỷ tính liên tục và độ bền của chúng Cắt kim loại là chia phôi ra thành tấm, dải, mảnh, theo biên dạng đã được định sẵn Quá trình cắt xảy ra từ biến dạng đàn hồi khi có lực tác dụng, sau đó biến dạng dẻo cùng với sự tăng lực tác dụng và các vết nứt xuất hiện và gặp nhau theo hướng cắt và tách rời tấm phôi

1.2.1 Lý thuyết biến dạng dẻo kim loại

Dưới tác dụng của ngoại lực, kim loại biến dạng theo các giai đoạn sau: Biến dạng đàn hồi, biến đạng dẻo và phá huỷ

Tuỳ theo cấu trúc tinh thể của mỗi kim loại, các giai đoạn trên có thể xảy ra ở các mức độ khác nhau dưới tác dụng của ngoại lực và tải trọng

Biểu đồ biến dạng khi thí nghiệm kéo đứt kim loại như sau:

Hình 1.5 Biểu đồ quan hệ giữa lực kéo P và độ biến dạng dài tuyệt đối ∆l

Khi tải trọng tác dụng nhỏ hơn Pđh thì độ biến dạng tăng theo đường bậc nhất, đây là giai đoạn biến dạng đàn hồi: Biến dạng sẽ bị mất đi nếu ta bỏ tải trọng tác dụng

Khi tải trọng tăng từ Pđh → Pđ thì độ biến dạng tăng với tốc độ nhanh, đây là giai đoạn biến dạng dẻo, kim loại sẽ bị biến đổi hình dạng và kích thước sau khi bỏ tải trọng tác dụng lên nó

Khi tải trọng đạt đến giá trị lớn nhất Pđ thì trong kim loại bắt đầu xuất hiện vết nứt, tại đó ứng suất tăng nhanh và kích thước vết nứt tăng lên, cuối cùng kim loại bị phá huỷ Đó là giai đoạn phá huỷ: Tinh thể kim loại bị đứt rời

1.2.1.1 Biến dạng đàn hồi

Dưới tác dụng của ngoại lực hay cắt kim loại bằng áp lực, mạng tinh thể bị biến dạng Khi lực tác dụng nhỏ, ứng suất sinh ra trong kim loại chưa vượt quá giới hạn đàn hồi, các nguyên tử kim loại dịch chuyển không quá một thông số mạng, nếu thôi tác dụng lực thì mạng tinh thể lại trở về trạng thái ban đầu

Khi chịu tải, vật liệu sinh ra một phản lực cân bằng với ngoại lực, ứng suất là phản lực tính trên một đơn vị diện tích Ứng suất vuông góc với mặt chịu lực gọi là ứng suất pháp 𝜎, gây biến dạng 𝜀 Ứng suất tiếp 𝜏 sinh ra xê dịch góc 𝛾 Ứng suất pháp 3

𝑣 Biến dạng đàn hồi có thể do ứng suất pháp hoặc do ứng suất tiếp sinh ra như sơ đồ sau :



Hình 1.6 Biến dạng đàn hồi

Trong đó : E : modun đàn hồi của vật liệu

G : modun đàn hồi trượt

Hình 1.7 Sơ đồ biến dạng trong đơn tinh thể

Theo hình thức trượt, một phần đơn tinh thể dịch chuyển song song với phần còn lại theo một mặt phẳng nhất định, mặt phẳng này gọi là mặt trượt

Theo hình thức song tinh, một phần tinh thể vừa trượt, vừa quay đến một vị trí mới đối xứng với phần còn lại qua một mặt phẳng gọi là mặt song tinh Các nguyên tử kim loại trên mỗi mặt di chuyển một khoảng tỷ lệ với khoảng cách đến mặt song tinh

Các lý thuyết và thực nghiệm cho thấy trượt là hình thức chủ yếu gây ra biến dạng dẻo trong kim loại khi lực tác dụng lên nó sinh ra ứng suất lớn hơn giới hạn đàn hồi nhưng chưa vượt ứng suất phá huỷ hay ứng suất giới hạn bền của vật liệu Các mặt trượt là các mặt phẳng có mật độ nguyên tử cao nhất Biến dạng dẽo do song tinh gây ra rất bé nhưng khi có song tinh, trượt xẩy ra thuận lợi hơn

Biến dạng dẽo của đa tinh thể: Kim loại và hợp kim là tập hợp của nhiều đơn tinh thể, cấu trúc của chúng được gọi là cấu trúc đa tinh thể Ở đây biến dạng dẽo có hai dạng: biến dạng trong nội bộ hạt và biến dạng ở vùng biên giới hạt Sự biến dạng trong nội bộ hạt do trượt và song tinh Đầu tiên sự trượt xẩy ra ở các hạt có mặt trượt tạo với hướng của ứng suất chính một góc bằng hoặc xấp xỉ 450, sau dó mới đến các mặt khác Như vậy biến dạng dẽo trong kim loại đa tinh thể xẩy ra không đồng thời và không đều Dưới tác dụng của ngoại lực, biên giới hạt của các tinh thể cũng bị biến dạng, khi đó các hạt trượt và quay tương đối nhau Do sự trượt và quay của các hạt, trong các hạt lại xuất hiện các mặt trượt thuận lợi mới, giúp cho biến dạng trong kim loại tiếp tục phát triển

Đây là giai đoạn thứ hai của quá trình cắt kim loại, giai đoạn này xảy ra trước quá trình kim loại bị phá huỷ (hay quá trình kim loại bị cắt đứt)

Trong quá trình biến dạng dẻo kim loại, vì ảnh hưởng của các nhân tố như: nhiệt độ không đều, tổ chức kim loại không đều, lực biến dạng phân bố không đều, ma sát ngoài, vv nên làm cho bên trong kim loại sinh ra ứng suất dư, ngay cả sau khi thôi tác dụng ứng suất dư vẫn còn tồn tại

a Phá huỷ trong điều kiện tải trọng tĩnh

+ Phá huỷ dẻo: Là phá huỷ có kèm theo sự biến dạng dẻo với mức độ tương đối Phá huỷ dẻo xảy ra với tốc độ nhỏ và cần nhiều năng lượng nên ít nguy hiểm Điều kiện cần thiết cho phá huỷ dẻo xảy ra là biến dạng dẻo và trạng thái ứng suất kéo ba chiều trong vùng co thắt cục bộ

+ Phá huỷ giòn: Hầu như không có biến dạng dẻo vĩ mô kèm theo, xảy ra tức thời nên khá nguy hiểm Bề ngoài mặt khi phá huỷ thường vuông góc với ứng suất pháp lớn nhất nhưng bề mặt vi mô thì có thể là theo các mặt phẳng tinh thể xác định (mặt vỏ giòn) ở bên trong mỗi hạt

+ Các yếu tố ảnh hưởng đến sự phá huỷ là: nhiệt độ, tốc độ biến dạng và sự tập trung ứng suất

Ứng suất cần thiết để phát triển vết nứt:

𝜏𝑐 = (2𝐸𝛾𝑠

𝜋 𝐶)

Trong đó: E : mođun đàn hồi của vật liệu

C : Kích thước đặc trưng của vết nứt ban đầu

b Phá huỷ trong điều kiện tải trọng thay đổi theo chu kỳ (phá huỷ mỏi)

Cơ chế của phá huỷ mỏi cũng xảy ra bằng cách tạo thành và phát triển vết nứt Sự phá huỷ mỏi phụ thuộc vào yếu tố: ứng suất tác động, số chu kỳ tác động của tải trọng, yếu tố tập trung ứng suất

c Phá huỷ ở nhiệt độ cao

Sự tạo nên vết nứt có thể theo cơ chế sau: các hạt trượt lên nhau theo biên giới hạt, có tập trung ứng suất tạo nên vết nứt Thực chất quá trình biến dạng dẻo của kim loại nó ảnh hưởng lớn đến lực cắt do vậy ta nguyên cứu các nhân tố ảnh hưởng đến nó

1.2.2 Những nhân tố ảnh hưởng đến biến dạng dẻo kim loại

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

1.2.2.1 Ảnh hưởng của thành phần hoá học và tổ chức kim loại

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

1.2.2.2 Ảnh hưởng của nhiệt độ

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

1.2.2.3 Ảnh hưởng của trạng thái ứng suất chính

a) b) c)

Hình 1.8 Các trạng thái ứng suất a) Ứng suất đường - b) Ứng suất mặt - c) Ứng suất khối

Trạng thái ứng suất chính cũng ảnh hưởng đáng kể đến tính dẻo của kim loại Qua thực nghiệm người ta thấy rằng kim loại chịu ứng suất nén khối có tính dẻo cao hơn khi chịu ứng suất nén mặt, nén đường hoặc chịu ứng suất kéo Ứng suất chính là ứng suất pháp tuyến sinh ra bên trong vật thể khi có ngoại lực tác dụng

- Trong gia công áp lực thường gặp trạng thái ứng suất khối:

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

1.2.2.4 Ảnh hưởng của ứng suất dư

Sự tồn tại của ứng suất dư bên trong kim loại sẽ làm cho tính dẻo của kim loại giảm Nếu ứng suất dư lớn có thể làm cho vật biến dạng hoặc phá huỷ

1.2.2.5 Ảnh hưởng của ma sát ngoài

Ma sát ngoài làm thay đổi hình thức tác dụng lực, do đó làm thay đổi trạng thái ứng suất chính của vật thể Ngoài ra ma sát ngoài còn cản trở biến dạng tự do của vật thể, làm cho vật thể biến dạng không đồng đều, tăng lực và công biến dạng, cản trở sự biến dạng hay cắt đứt của kim loại dưới tác dụng của lực cắt thép

1.2.2.6 Ảnh hưởng của tốc độ biến dạng

Tăng tốc độ biến dạng sẽ làm giảm tính dẻo của kim loại Ngoài ra, tốc độ biến dạng tăng còn làm sinh nhiệt nhiều, hiệu ứng nhiệt còn làm kim loại đạt đến nhiệt độ mà tại đó tính dẻo thấp hoặc do hiệu ứng nhiệt mà nhiệt độ của kim loại tăng dần lên làm cho kim loại chuyển từ vùng giòn sang vùng dẻo, điều này cũng ảnh hưởng đến tốc độ tác dụng lực để cắt thép, đó là chu kỳ cắt hay cũng chính là năng suất cắt thép

Vậy để cắt được thép tấm thì lực cần thiết tác dụng phải tạo ra trong kim loại ứng suất lực lớn, đồng thời tốc độ biến dạng phải đạt một trị số nhất định để kim loại dễ dàng bị đứt rời ra khỏi tấm cắt

CHƯƠNG 2 TÍNH TOÁN ĐỘNG LỰC HỌC VÀ KẾT CẤU CHO BỘ

PHẬN CẮT

Đây là bộ phận quan trọng nhất trong máy cắt, yêu cầu của việc tính toán động học và kết cấu phải đảm bảo cơ cấu phải tạo đủ lực cắt, làm việc đủ công suất Bao gồm: Tính toán lực cắt của máy và Piston thuỷ lực và tính kết cấu của bàn trượt giá dao

2.1 Tính toán lực cắt của máy 2.1.1 Xác định lực cắt thép tấm

Khi cắt kim loại bằng dao nghiêng thì lực cắt không nằm trên toàn bộ diện tích của vật cắt nhưng khi cắt phôi thép bằng dao thẳng song song

- Xét tỷ số h/b và tga: + Nếu h/b >tga thì lực cắt thép tấm được tính theo trường hợp cắt bằng dao song song (trường hợp a )

+ Nếu h/b< tga thì lực cắt được tính theo trường hợp cắt bằng dao nghiêng.( trường hợp b)

- Với: h: Bề dày thép tấm, mm : hmax = (1÷1,5)mm ta chọn 1,5 mm

b: Bề rộng tấm thép, mm: bmax = (10 ÷ 80)mm ta chọn 70mm 𝛼: Góc nghiêng của dao: 𝛼 = 10°

Do tỷ số h/b = 1,5/700 = 0,0021< tg 𝛼=tg10 °=0,17, nên lực cắt được tính theo trường hợp (b)

Hình 2.1 Sơ đồ biểu diễn quá trình cắt bằng dao nghiêng một phía và các thông số cơ bản

Ta có:

Trong đó:

vật liệu Nó đặc trưng cho quá trình nhanh chậm của sự cắt kim loại

𝛿: Hệ số dãn dài tương đối khi thí nghiệm kéo đứt kim loại

Trong đó:

F: Diện tích hình thang ABED

32−0,352𝑡𝑔.10° 0,35 1.52 = 1068,55 (𝑁)

P: lực cắt của tấm thép; P = 1068,55 (N) Suy ra: ⇒ Q = 0,035× 1068,55 = 37,39 (N) Vậy lực kẹp phôi cần thiết khi cắt là Q= 37,39 (N)

2.2 Tính toán Xilanh thuỷ lực cho bộ phận tạo lực cắt

Truyền động thuỷ lực là một hệ thống truyền động dùng môi chất lỏng (các loại dầu ép) làm khâu trung gian để truyền Truyền động được thực hiện bằng cách cung cấp cho dầu một năng lượng dưới dạng thế năng, sau đó biến đổi thế năng của dầu thành động năng để thực hiện các chuyển động quay hoặc chuyển động tịnh tiến

- Bất kỳ một hệ thống truyền động thuỷ lực nào cũng có hai phần chính:

+ Cơ cấu biến đổi năng lượng (bơm, động cơ, xi lanh); + Cơ cấu điều khiển, điều chỉnh (các loại van);

+ Ngoài ra còn có các thiết bị phụ khác để đảm bảo hệ thống làm việc Phần lớn các thiết bị cơ cấu trong truyền dẫn thuỷ lực đã được tiêu chuẩn hoá nên việc thiết kế tính toán chỉ mang tính lựa chọn, sao cho máy hoạt động đúng yêu cầu thiết kế

- So với các loại truyền động khác, truyền động thuỷ lực có nhiều ưu điểm hơn:

+ Kết cấu nhỏ gọn; + Dễ đề phòng quá tải; + Truyền được công suất cao, lực lớn, cơ cấu đơn giản, độ tin cậy cao, ít chăm sóc và bảo dưỡng;

+ Hoạt động ít gây tiếng ồn; + Điều khiển vô cấp tốc độ, dễ dàng tự động hoá theo điều kiện làm việc hoặc theo chương trình

- Nội dung thiết kế tính toán Piston thuỷ lực bao gồm các phần sau:

+ Tính toán các thông số của Piston- Xilanh; + Lựa chọn các thông số của bơm (chọn động cơ, loại bơm dầu, áp suất, lưu lượng );

+ Tính các tổn thất về áp suất, lưu lượng trong hệ thống và chọn các phần tử thủy lực

2.3 Tính toán, lựa chọn các thông số của Piston-Xilanh

❖ Tính sơ bộ chiều dài thân xilanh:

Sơ đồ bố trí như hình vẽ:

Hình 2.2 Sơ đồ tính chiều dài thân xilanh

Đã tính được hành trình dịch chuyển của dao cắt H = 180 mm

Trong quá trình cắt do chịu phản lực cắt nên vận tốc cắt thay đổi (lớn nhất khi quá trình cắt vừa kết thúc), gây va đập cho máy Vì vậy cần phải giảm chấn cho dao cắt Đối với hệ thống dùng piston - xilanh thuỷ lực người ta giảm chấn bằng cách tạo một lớp dầu còn lại trong xilanh ở đầu hành trình cũng như cuối hành trình của piston, nhờ sự biến dạng đàn hồi của lớp dầu này sẽ không làm thay đổi đột ngột về lực cũng như vận tốc của cần piston

Chọn chiều dày của lớp dầu mà khi thiết kế xilanh để giảm chấn cho cơ cấu là h1

Với: c: chiều dài piston; chọn c = 40 (mm)

❖ Chọn áp suất làm việc của xilanh:

lên Piston-Xilanh, được tính như sau: Từ phương trình cân bằng suất trong hệ thống

Trong đó:

∆p2: Tổn thất áp suất của van đảo chiều, ∆p2 = 1,5 bar

Theo tiêu chuẩn chọn: D = 30mm

- Đường kính cần của piston:

Trong đó: P: lực để cắt tấm thép và lực ép lên lò xo của xilanh (N), P = 1068,55 (N) v: Vận tốc khi ở hành trình cắt (m/s), v =100 (mm/s)= 0,1 (m/s)

N: Công suất cắt (N) Suy ra: N = 1068,55.0,1 =107 (W) = 0,107 (KW)

2.4 Tính toán lựa chọn các thông số của bơm 2.4.1 Công suất cần thiết của động cơ điện làm quay bơm dầu

𝝁Với 𝜇 = 0,6 ÷ 0,8 : Hiệu suất của bơm dầu, chọn 𝜇 =0,8

0,8 = 134 (𝑊) = 0,134 (𝐾𝑊)

Do vậy cần phải chọn động cơ dùng để quay bơm dầu thích hợp vừa đảm bảo đủ công suất cho yêu cầu của quá trình cắt vừa phải có tính năng làm việc phù hợp với yêu cầu truyền động cho bơm, phù hợp với môi trường bên ngoài, vận hành được an toàn và ổn định Hơn nữa chọn công suất động cơ phải phù hợp để đảm bảo tính kinh tế, hạ giá thành của sản phẩm, tăng hiệu suất của động cơ và kết cấu không cồng kềnh

Do vậy ta chọn loại động cơ đồng bộ, che kín, có quạt gió có công suất (0,2 > 0,134 kw), số vòng quay 1430(v/ph )

2.4.2 Chọn bơm dầu cho hệ thống cung cấp thuỷ lực

Lưu lượng cần thiết bơm phải cung cấp cho hệ thống là:

sánh chọn loại bơm hợp lý đảm bảo lưu lượng và áp suất yêu cầu Trong hệ thống dầu ép thường chỉ dùng loại bơm thể tích, tức là loại thực hiện việc biến đổi năng lượng bằng cách thay đổi thể tích các buồng làm việc: khi thể tích buồng làm việc tăng, bơm hút dầu, thực hiện chu kỳ hút; và khi thể tích buồng làm việc giảm, bơm đẩy dầu ra thực hiện chu kỳ nén Nếu trên đường dầu bị đẩy ra ta đặt một vật cản, dầu bị chặn sẽ tạo nên một áp suất nhất định phụ thuộc vào độ lớn của sức cản và kết cấu của bơm

Tuỳ thuộc vào lượng dầu do bơm đẩy ra trong một chu kỳ làm việc, ta có thể phân biệt được 2 loại bơm thể tích: bơm có lưu lượng cố định và bơm có lưu lượng có thể điều chỉnh được

Về mặt kết cấu, bơm thể tích (cả bơm cố định và bơm điều chỉnh) có thể phân ra các loại chính như: bơm bánh răng, bơm cánh gạt và bơm piston Mỗi loại kết cấu bơm đều có những ưu nhược điểm riêng, do vậy ta phải phân tích lựa chọn loại bơm có hiệu quả kinh tế và đơn giản về kết cấu nhất đồng thời làm việc phải đáp ứng được với yêu cầu cần thiết mà bơm phải tạo ra

Sau khi phân tích lựa chọn ta xác định sử dụng loại bơm bánh răng có áp suất 20 bar, lưu lượng tạo ra là 5,4 (l/ph) Loại này thỏa mãn với áp suất và lưu lượng tính toán

❖ Ưu điểm và phạm vi ứng dụng của bơm bánh răng:

Bơm bánh răng là loại bơm dùng rộng rải nhất vì nó có kết cấu đơn giản, dễ chế tạo đồng thời giá thành lại rẻ hơn các loại bơm khác Phạm vi sử dụng của bơm bánh răng chủ yếu ở những hệ thống có áp suất nhỏ trên các máy khoan, doa, bào, phay, máy tổ hợp, Phạm vi áp suất sử dụng của bơm bánh răng hiện nay có thể từ 10 – 200 bar (phụ thuộc vào độ chính xác chế tạo)

❖ Phân loại bơm bánh răng:

Bơm bánh răng gồm có: loại bánh răng ăn khớp ngoài hoặc ăn khớp trong, có thể là răng thẳng, răng nghiêng hoặc răng chữ V

Loại bánh răng ăn khớp ngoài được dùng rộng rải hơn vì chế tạo dễ hơn, nhưng bánh răng ăn khớp trong thì có kích thước gọn nhẹ hơn Ở đây ta chọn loại loại bơm bánh răng ăn khớp ngoài

❖ Nguyên lý làm việc của bơm bánh răng:

Hình 2.4 Bơm bánh răng ăn khớp ngoài

Nguyên lý làm việc của bơm bánh răng là thay đổi thể tích: khi thể tích của buồng hút A tăng, bơm hút dầu, thực hiện chu kỳ hút; và nén khi thể tích giảm, bơm đẩy dầu ra ở buồng B, thực hiện chu kỳ nén Nếu như trên đường dầu bị đẩy ra ta đặt một vật cản (ví dụ như van), dầu bị chặn sẽ tạo nên một áp suất nhất định phụ thuộc vào độ lớn của sức cản và kết cấu của bơm

❖ Kết cấu bơm bánh răng:

Hình 2.5 Kết cấu bơm bánh răng

2.4.3 Xác định tiết diện ống dẫn dầu

Theo điều kiện liên tục của dòng chảy và tổn thất áp suất lớn nhất thì đường kính các lỗ cấp dầu của xilanh được chọn sao cho tốc độ đường dầu trong:

+ Ống hút: 1 (m/s)

+ Ống nén: 3 (m/s) + Ống xã: 1 (m/s)

công tác cuả cơ cấu chấp hành, thì tổn thất áp suất của hệ thống đựơc biểu thị ở dạng hiệu suất 𝜂:

Bằng thực nghiệm người ta đã xác định được những khoảng giá trị tổn thất áp suất đối với loại van

Kiểu van Tổn thất áp suất p2

Như vậy đối với sơ đồ thuỷ lực như hình vẽ, ta có các giá trị tổn thất áp suất sau

- Tổn thất áp suất trong ống dẫn có hai loại cơ bản : + Tổn thất đường dài

+ Tổn thất cục bộ Xét về chiều dài ống dẫn trong hệ thống thuỷ lực của máy có thể coi là khá ngắn nên ta có thể bỏ qua tổn thất áp suất do chiều dài ống Ở đây ta chỉ quan tâm đến tổn thất áp suất cục bộ trong hệ thống ống dẫn

- Giá trị tổn thất áp suất cục bộ được tính theo công thức sau:

Để đơn giản trong quá trình thiết kế, có thể lấy giá trị tổn thất áp suất cục bộ trong ống dẫn theo công thức sau đây :