thiết kế máy cắt thép tấm

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP  Thiết kế máy cắt thép tấm PHẦN I NHU CẦU SẢN XUẤT THÉP TẤM Trong sự phát triển của các lĩnh vực cơ khí như: Chế tạo máy, giao thông vận tải, điện lực, xây dựng, đóng tàu , thì nhu cầu về sử dụng thép tấm ngày một tăng; nhằm trang bị cho sự nghiệp công nghiệp hoá hiện đại hoá đất nước. Do đó đòi hỏi phải tìm ra các biện pháp gia công thép tấm năng suất cao nhằm tạo ra thành phẩm hoặc bán thành phẩm phục vụ cho một quá trình công nghệ. Nhu cầu về thép tấm cũng hết sức đa dạng: -Trong ngành chế tạo máy : Thép tấm được sử dụng trong các thân máy của các máy cắt kim loại, vỏ máy, khung sườn xe máy, -Trong ngành cơ khí ô tô, việc sử dụng thép tấm không thể thiếu được, các thép tấm được dùng làm các khung sườn gầm, lót sàn xe ô tô, che kín thùng xe, các bộ phận che kín khác -Trong ngành điện : Thép tấm được dùng làm kết cấu các cột điện cao thế, các sản phẩm trong lĩnh vực điện như các lá thép trong stato của động cơ điện, các cánh quạt cỡ lớn, các tấm thép mỏng dùng làm các lá thép để ghép lại trong chấn lưu đèn ống , máy biến thế, các hộp công tơ điện Nguyễn Hữu Ngoạn_ Lớp 03C1C Trang 1 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP  Thiết kế máy cắt thép tấm Hình 1.1- Sản phẩm làm từ thép tấm -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 để tạo nên các kết cấu thép bền vững hơn như nó liên kết với nhau có thể bằng mối hàn, bulông hoặc đinh tán . Hình 1.2- Kết cấu hàn từ thép tấm -Trong ngành chế biến, thép tấm được sử dụng rộng rãi không kém, nó được dùng để chế tạo các thùng chứa, bể chứa, các chai, hộp để đóng gói, -Trong ngành đóng tàu thép tấm dùng làm vỏ, kết cấu khung tàu thuyền. Ngoài ra thép tấm còn được dùng để dập ra các đồ dùng dân dụng phục vụ đời sống hay trong ngành công nghiệp hàng không dùng để che chắn, nắp đậy thân, cửa của máy bay, tên lửa, Với nhu cầu sử dụng hiện tại của thép tấm, cần thiết phải có các máy móc, thiết bị để cắt các loại thép tấm phục vụ công nghiệp, đặc biệt trong lĩnh vực cơ khí chế tạo TT Tên Độ dày (mm) Bề rộng (mm) Chiều dài ( m ) 1 Thép lá cán nguội 0,8 1250 19,6 2 Thép lá cán nguội 1,0 1250 23,54 3 Thép lá cán nguội 1,2 1250 30,4 4 Thép lá cán nguội 1,5 1250 36,79 5 Thép lá cán nguội 0,5 1000 7,85 6 Thép lá 2,0 1000 31,4 Nguyễn Hữu Ngoạn_ Lớp 03C1C Trang 2 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP  Thiết kế máy cắt thép tấm 7 Thép lá 2,5 1250 61,3 8 Thép tấm 3,0 1250 176,62 9 Thép tấm 3,0 1500 212 10 Thép tấm 4 1500 282,6 11 Thép tấm 5 1500 353,25 12 Thép tấm 6 1500 423,9 13 Thép tấm 8 1500 565,2 14 Thép tấm 10 1500 706,5 15 Thép tấm 12 2000 1.130,4 16 Thép tấm 14 1500 989,1 17 Thép tấm 16 2000 1.507,2 18 Thép tấm 18 1500 1.271,7 19 Thép tấm 20 2000 1.884 20 Thép lá cán nguội 0,5-0,6 1250 13.229 21 Thép lá cán nguội 0,7-0,9 1250 13.038 22 Thép lá cán nguội 1,0-1,1 1250 13.038 23 Thép lá cán nguội 1,2-1,5 1250 13.038 24 Thép lá cán nguội 2,0 1410 12.467 Bảng I - Thống kê các loại thép tấm Nguyễn Hữu Ngoạn_ Lớp 03C1C Trang 3 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP  Thiết kế máy cắt thép tấm PHẦN II CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ CẮT KIM LOẠI I-Các đặc điểm kỹ thuật của sản phẩm: Sản phẩm thép tấm hết sức đa dạng, song hầu hết sản phẩm sau khi cắt mới chỉ là bán thành phẩm phục vụ cho một quá trình công nghệ. Để thuận lợi cho các công đoạn sản xuất tiếp theo cũng như đảm bảo chất lượng của thiết bị khi hoàn thành, tấm thép cắt ra phải đảm bảo một số yêu cầu sau: + Mép cắt phải trơn, thẳng + Sự biến dạng nằm trong giới hạn cho phép + Đảm bảo đúng yêu cầu về kích thước II-Cơ sở lý thuyết của quá trình cắt thép tấm: 1. Biến dạng dẻo kim loại: Dưới tác dụng của ngoại lực kim loại biến dạng theo các giai đoạn : biến dạng đàn hồi, biến dạng 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 Hình 2.1- Biểu đồ biến dạng dẻo kim loại Nguyễn Hữu Ngoạn_ Lớp 03C1C Trang 4 Δl Δd Δdh Pđh Pd P ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP  Thiết kế máy cắt thép tấm -Khi tải trọng tác dụng nhỏ hơn P đh thì biến dạng kim loại tăng theo đường bậc nhất, đây là giai đoạn biến dạng đàn hồi : biến dạng mất đi sau khi khử bỏ tải trọng. -Khi tải trọng từ P dh → P d thì độ biến dạng tăng với tốc độ nhanh, đây là giai đoạn biến dạng dẻo, kim loại bị biến đổi kích thước, hình dạng sau bỏ tải trọng tác dụng lên nó . -Khi tải trọng đạt đến giá trị lớn nhất thì trong kim loại bắt đầu xuất hiện vết nứt, tại đó ứng suất tăng nhanh và kích thướt vết nứt tăng lên, cuối cùng kim loại bị phá huỷ . Đó là giai đoạn phá huỷ : tinh thể kim loại bị đứt rời . Trong kim loại đơn tinh thể các nguyên tử kim loại sắp xếp theo một trật tự xác định, mỗi nguyên tử luôn dao động xung quanh vị trí cân bằng của nó (Hình 2.2- a) b) c) d) τ τ τ τ τ τ a) Hình 2.2- Sơ đồ biến dạng trong đơn tinh thể kim loại 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 (Hình 2.2-b). Nguyễn Hữu Ngoạn_ Lớp 03C1C Trang 5 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP  Thiết kế máy cắt thép tấm Khi ứng suất sinh ra trong kim loại vượt quá giới hạn đàn hồi thì kim loại bị biến dạng dẻo do trượt và song tinh . 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 . 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 đều làm cho kim loại sinh ra ứng suất dư , bên trong bất cứ kim loại biến dạng dẻo nào cũng đều sinh ra ứng suất dư, sau khi thôi tác dụng ứng suất dư vẫn còn tồn tại . 2.Sự thay đổi tính chất của thép tấm trong quá trình gia công: Khi cắt tính chất của thép tấm bị thay đổi. Sở dĩ như vậy là trong quá trình cắt biến dạng dẻo nguội làm cấu trúc tinh thể thay đổi: mật độ khuyết tật tăng lên mạnh mẽ dẫn tới độ bền kim loại tăng lên, kích thước và hình dạng các hạt kim lọai cũng như hướng của trục tinh thể thay đổi làm phát sinh ứng suất dư và xuất hiện những mặt trượt kích thích quá trình hóa già của kim loại. a)Sự hóa già do biến dạng: Hệ quả của sự hóa già kim loại là giảm tính dẻo (độ giãn dài tỷ đối giảm) và nâng cao tính bền của kim lọai (trở lực biến dạng, giới hạn chảy và độ cứng tăng).Sự hóa già biến dạng xảy ra không đồng đều, trước tiên nó làm tăng độ cứng của kim loại tại các vùng có mật độ các nguyên tử nitơ và các bon cao, chủ yếu là ở mặt trượt, tại đây đặc biệt có nhiều lệch Nguyễn Hữu Ngoạn_ Lớp 03C1C Trang 6 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP  Thiết kế máy cắt thép tấm Đối với thép các bon thấp, sự hóa già do biến dạng xảy ra mãnh liệt hơn sau khi biến dạng dẻo nguội; cường độ của nó tỷ lệ thuận với mức độ biến dạng, nhiệt độ môi trường xung quanh và thời gian. b)Mặt trượt: Mặt trượt là những dấu vết vật lý do biến dạng dẻo cục bộ gây ra. Mặt ttrượt xuất hiện tại vùng gần mép cắt, làm giảm độ nhẵn bóng bề mặt. Sự xuất hiện các mặt trượt có liên quan đến tính chất cơ học không đồng đều của phôi. Sự không đồng đều này là do sự hóa già trong quá trình biến dạng gây ra. Trên vùng bề mặt này sau khi cắt có thể quan sát thấy những phần lồi lõm tương ứng với các mặt trượt. c)Sự phát sinh hiện tượng ăn mòn: Trong quá trình xảy ra biến dạng dẻo nguội kim loại xảy ra sự hóa bền. Sự hóa bền cùng với một số hiện tượng khác làm cho khả năng chống ăn mòn của kim loại giảm đi. Tuy vậy, do những điều kiện không giống nhau, sự thay đổi hình dạng của các phôi kề nhau sau khi cắt sẽ phát sinh những ứng suất dư tế vi. Những ứng suất dư này khi có sự ăn mòn sâu và các tinh thể sẽ làm suy yếu liên kết ở biên giới giữa các hạt và có thể gây ra những mầm giòn tự phát của các sản phẩm kim loại hoặc bán thành phẩm. 3.Nguyên lý biến dạng khi cắt: Quá trình cắt được chia làm hai giai đoạn: + Giai đoạn ép vào kim loại: Hai lưỡi dao tỳ vào bề mặt kim loại làm xô lệch các thớ kim loại nhưng chưa làm đứt chúng + Giai đoạn cắt : Hai lưỡi dao tiếp tục ép sát vào nhau làm các thớ kim loại bị trượt và tách khỏi nhau Để tìm hiểu nguyên lý biến dạng, ta khảo sát nguyên công cắt phôi và cắt chia, nhằm xác định các thông số cần thiết cho việc tính toán công nghệ . Trong quá trình tách một phần kim loại này ra khỏi phần kim loại khác có thể chia thành các giai đoạn riêng biệt: Nguyễn Hữu Ngoạn_ Lớp 03C1C Trang 7 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP  Thiết kế máy cắt thép tấm h c) b) a) Z Z Z Hình 2.3- Các giai đoạn của quá trình cắt Ở giai đoạn đầu của quá trình cắt biến dạng dẻo tập trung ở mép làm việc của lưỡi cắt sau đó ổ biến dạng bao quanh lưỡi cắt ( H2.4-a) Giai đoạn hai bắt đầu khi có sự chuyển dịch tương đối giữa phần này với phần kia của tấm (H2.4-b) Ở giai đoạn này nó tạo ra bề mặt phẳng nhẵn, bóng và được san phẳng bởi lực ma sát F hướng theo bề mặt bên của lưỡi dao Do sự tiến lại gần nhau của các lưỡi cắt, mức độ biến dạng tăng lên và khi đó tính dẻo của kim loại bị mất đã bắt đầu giai đoạn 3. Các vết nứt xuất hiện, phát triển và phá huỷ kim loại cho đến khi kết thúc quá trình tách phần vật liệu này ra khỏi phần vật liệu khác của tấm (H2.4-c). Sự phá huỷ kim loại xảy ra ở phía trước mép làm việc của lưỡi dao trong tấm, vì vậy các vết nứt gọi là các vết nứt phá vỡ trước Sự đứt vỡ bắt đầu khi lưỡi dao éo sâu vào trong tấm đến một chiều sâu h xác định. Chiều sâu này tuỳ thuộc tính chất cơ lý của kim loại và chiều dày S của tấm, nếu vật liệu càng dẻo thì h càng lớn. Các giai đoạn của quá trình cắt được đặc trưng bởi hình dạng của bề mặt cắt. Nguyễn Hữu Ngoạn_ Lớp 03C1C Trang 8 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP  Thiết kế máy cắt thép tấm h S III I II Hình 2.4- Bề mặt bên của phần kim loại được cắt ra Vùng I là vùng uốn của tấm do các lớp kim loại liền kề với bề mặt cắt ( dọc theo bề rộng của tấm) bị bao trùm bởi biến dạng dẻo thay đổi từ giá trị không ở lớp giới hạn ngoài cùng đến giá trị cực đại ở bề mặt bị tách ra. Vùng II là vùng có bề mặt sáng bóng, được san phẳng bởi lực ma sát. Vùng III là vùng bề mặt nứt vỡ được tạo ra do sự xuất hiện và phát triển của các vết nứt. Các vết nứt này tạo với bề mặt của tấm một góc θ xác định và được gọi là góc nứt tự do. Giá trị của góc θ = ( 4 ÷ 6 )º tuỳ thuộc vào tính chất cơ lý của vật liệu M F F N R a b a R N Q M S δ : goïc træåïc : goïc sau : goïc càõt : goïc sàõc β β δ γ γ α α γ Hình 2.5 - Sơ đồ tác dụng lực khi cắt Bộ phận làm việc là những lưỡi cắt nhấn sâu vào trong kim loại làm cho nó bị biến dạng dẻo cho đến khi tách hoàn toàn một phần vật liệu này ra khỏi phần vật liệu khác. Giữa các lưỡi cắt có một khe hở Z. Khi cắt sẽ sinh ra mô men uốn M Nguyễn Hữu Ngoạn_ Lớp 03C1C Trang 9 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP  Thiết kế máy cắt thép tấm bằng tích số giữa lực cắt đặt tại lưỡi cắt với khoảng cách lớn hơn khe hở Z một chút: M = a.R , trong đó a > Z Mô men uốn làm cho phôi cắt bị quay đi. Khi đó sẽ sinh ra phản lực N ở bề mặt bên của lưỡi cắt. Tấm kim loại sẽ ngừng quay khi mô men uốn M cân bằng với mô men do phản lực N gây ra: M = a.R = N.b Trong quá trình cắt nếu tấm kim loại bị quay đi một góc thi chất lượng mặt cắt sẽ rất kém, bị ba via và đôi khi không thể cắt được nếu trị số khe hở Z lớn. Vì vậy cần phải loại bỏ hiện tượng quay của tấm trong quá trình cắt bằng cơ cấu kẹp với lực kẹp Q, đồng thời giảm khe hở giữa hai lưỡi dao đến trị số thích hợp và mài dao vát góc trước γ. Tuỳ thuộc vào khe hở giữa các lưỡi cắt Z và độ lún sâu của lưỡi dao vào chiều dày tấm h tại thời điểm bắt đầu sự phá huỷ, các vết vết nứt vỡ xuất phát từ các mép làm việc của lưỡi dao trên và dưới có thể song song với nhau hoặc gặp nhau. Khi các vết nứt ở mép làm việc của các lưỡi cắt gặp nhau thì trị số khe hở Z là tối ưu bởi vì khi đó chất lượng mặt cắt là tốt nhất, mặt cắt phẳng và nhẵn. Hình 2.6- Sơ đồ phân bố các vết nứt tại mép cắt Trị số khe hở tối ưu được xác định nếu biết được giá trị của h và θ. tu Z = ( S - h ).tg θ Nguyễn Hữu Ngoạn_ Lớp 03C1C Trang 10 [...]... α Tốc độ cắt Sự thay đổi của Sự thay đổi của lực thơng số tăng cao tăng giảm giảm tăng cắt P tăng nhỏ giảm giảm giảm tăng Bảng II- Các thơng số ảnh hưởng đến lực cắt Nguyễn Hữu Ngoạn_ Lớp 03C1C Trang 11  ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Thiết kế máy cắt thép tấm PHẦN III PHÂN TÍCH CHỌN PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ MÁY Trong thực tế có rất nhiều phương pháp cắt thép tấm như : Cắt thủ cơng, cắt bằng ngọn lửa hàn khí, cắt bằng... piston đẩy phơi phải bằng chiều dài lớn nhất khi u cầu cắt thép, do vậy kết cấu bị cồng kềnh Nguyễn Hữu Ngoạn_ Lớp 03C1C Trang 32  ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Thiết kế máy cắt thép tấm - Do có khoảng cách từ piston đẩy đến tấm thép khá xa nên khi đẩy dễ bị cong tấm thép - Khi thiết kế khoảng cách giữa hai piston - xilanh kẹp cố định chiều rộng tấm thép khi cần cắt nhỏ hơn khoảng cách đó thì chỉ có 1 piston - Xilanh... và u cầu thiết kế Đối với cắt thép tấm, với chiều dày tấm thép cắt a max = 15mm là khá lớn, vì vậy vận tốc cắt nằm trong khoảng ( 5 ÷ 100 ) mm/s, với amax như vậy ta chọn v = 50(mm/s ) 4)Xác định thời gian đi xuống của đầu dao trên : Nguyễn Hữu Ngoạn_ Lớp 03C1C Trang 27  ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Thiết kế máy cắt thép tấm Thời gian cắt của dao trên đóng vai trò là một phần trong chu kỳ làm việc của máy Sau... NGHIỆP Thiết kế máy cắt thép tấm S S d δ Z h Hình 3.6- Kết cấu của dao cắt đĩa Các máy cắt có lưỡi dao chuyển động quay gồm các lưỡi cắt (đĩa) có cùng đường kính chuyển động quay ngược chiều nhau với cùng một tốc độ góc Các mép làm việc của các đĩa dao được đặt sao cho độ trùng dao d = (0,2 ÷ 0,4 )S Đặc điểm nổi bật khi cắt trên máy cắt dao đĩa là với một đường kính đĩa dao xác định, các máy cắt khơng... lực cắt nó nhỏ, do đó phương pháp này khơng hiệu quả - Phương pháp cắt bằng dao có lưỡi nghiêng : Phương pháp này tuy mép cắt khơng được thẳng và đẹp nhưng lực cắt cần thiết khơng u cầu lớn, có thể cắt theo những đường cắt cong, do đó khơng u cầu kết cấu máy phải cồng kềnh, máy ít rung động đến xung quanh, do vậy ta chọn phương án lưỡi dao cắt nghiêng để thiết kế máy III-Phân tích chọn phương án thiết. .. Hữu Ngoạn_ Lớp 03C1C Trang 26  ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Thiết kế máy cắt thép tấm y α Smax H L B ∆ Hình 4.1- Sơ đồ xác định hành trình dao Gọi y là chiều cao mở cực đại từ phía dưới của lưỡi dao trên tới mặt trên của tấm thép đem cắt Chọn y = 10mm B : Chiều rộng lớn nhất của tấm thép đem cắt Bmax= 2000(mm) ∆ : Độ trùng dao để đảm bảo cắt hết chiều rộng tấm thép ∆ = (10 ÷ 20 ) mm , chọn ∆ = 15 (mm) L : Chiều... trùng dao d tăng thì mơ men M giảm 6.Kết luận: Nguyễn Hữu Ngoạn_ Lớp 03C1C Trang 21 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP  Thiết kế máy cắt thép tấm Ở trên ta đã đưa ra một số phương án cắt thép tấm Thơng qua ưu, nhược điểm đánh giá các phương án ta có nhận xét như sau: - Phương pháp dùng hồ quang quang điện hay ngọn lửa khí có thể cắt được thép tấm có bề dày lớn nhưng chất lượng mép cắt khơng cao, năng suất thấp, khó cơ... đến mép cắt bị nung nóng kém, làm gián đoạn q trình cắt Nguyễn Hữu Ngoạn_ Lớp 03C1C Trang 13 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP  Thiết kế máy cắt thép tấm Thép các bon có nhiệt cháy 13500C, nhiệt độ nóng chảy trên 15000C, nhiệt cháy đạt tới 70% lượng nhiệt cần để nung nóng nên rất thuận lợi khi cắt bằng khí Thép cacbon cao do nhiệt độ chảy thấp nên khó cắt hơn, khi cắt thường nung nóng trước tới 300- 6000C Thép hợp... cắt trên máy cắt dao nghiêng được xác định theo cơng thức : Pt = S 2 σc / 2tgγ Tại mỗi thời điẻm cắt , khi cắt trên máy cắt dao nghiêng ta có thể coi diện tích gần đúng cắt : F = l.S/2 tức là bằng diện tích tam giác abc, vì l= S/tg γ nên F = S 2 / 2tg γ S c b a γ l Hình 3.4- Sơ đồ xác định lực cắt Nguyễn Hữu Ngoạn_ Lớp 03C1C Trang 16  ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Thiết kế máy cắt thép tấm Nếu coi lực cắt bằng tích... khơng kinh tế, khó thuận tiện khi chiều dày tấm thép lớn, đường cắt khơng đều Nguyễn Hữu Ngoạn_ Lớp 03C1C Trang 12  ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Thiết kế máy cắt thép tấm Cắt bằng khí là phương pháp cắt sử dụng nhiệt của ngọn lứa sinh ra khi đốt cháy khí cháy trong dòng oxy để nung kim loại tạo thành các oxit và thổi chúng ra khỏi mép cắt tạo thành rãnh cắt Sơ đồ q trình cắt kim loại bằng khí được trình bày ở hình