đồ án kỹ thuật cơ khí Tính toán, thiết kế máy tóp quay

Qúa trình tóp quay là trạng thái khác nhau của gia công kim loại bằng áp lực, tạo ra sù thay đổi hình dáng của phôi theo yêu cầu của bản vẽ bằng sự tác động có chu kỳ của khuôn, khuôn th

LỜI NÓI ĐẦU

Trong xu hướng phát triển công ngiệp hiện đại ngày nay, ngành gia công kim loại băng áp lực càng nổi bật tính tiên tiến và vai trò quan trọng đặc biệt của mình, nó cho năng suất rất cao mà nền công nghiệp hiện đại đòi hỏi.

Ngành gia công kim loại bằng áp lực có thể gia công các chi tiết từ đơn giản đến phức tạp, với độ chính xác khá cao, cơ tính, lý tính tốt và hơn nữa các chi tiết đều có thể tiến hành gia công được một cách dễ dàng, hiện nay trong nhiều công việc ngành gia công cắt gọt lại phải chuẩn bị phôi cho ngành gia công áp lực.

Ở nước ta ngành gia công áp lực (rèn dập) đã có từ lẫu đời, nhưng so với các nước tiên tiến trên thế giới ngành gia công áp lực (rèn dập) của ta còn non yếu Trong nền kinh tế hiện nay của nước ta ngành gia công áp lực chắc chắn sẽ được Đảng và nhà nước ta chó ý phát triển vì nó là tiền đề của sản xuất hàng loạt – tính kinh tế cao.

Muốn đẩy mạnh sự phát triển của gia công kim loại bằng áp lực chúng ta cần phải có đủ thiết bị phục vụ cho nó từ thô sơ đến hiện đại Trong thực tế cuộc sống nói chung và trong ngành cơ khí nói riêng có rất nhiều các chi tiết được chế tạo bằng phương pháp tóp quay hay rèn quay.

Tóp quay (rèn quay) là phương pháp cao tốc (thuộc dạng gia công kim loại bằng áp lực) chế tạo các chi tiết có tiết diện đối xứng trục thay đổi

từ các phôi ban đầu Có nhiều dạng khác nhau: dạng trục với một hoặc nhiều bậc khác nhau, trục côn, trục chính, trục mũ của máy kéo sợi, các loại kim khâu, nan hoa xe đạp, xe máy, trục đồng hồ…; dạng ống (các ống bằng vật liệu inox để chế tạo lan can cầu thang, các đồ dùng gia dông trong nhà như bàn, ghế…), các loại ống có hình dạng phức tạp, kì dị tuỳ theo yêu cầu

sử dụng.

Áp dụng phương pháp tóp quay so với phương pháp tiện có ưu điểm hơn hẳn: đảm bảo tiết kiệm kim loại một cách đáng kể, giảm số nguyên công xuống vài lần, nâng cao độ bền và đặc tính cơ lý tốt hơn nhiều.

Phương pháp gia công kim loại bằng tóp quay không chỉ tăng tính kinh tế khi sử dụng phôi mà nó còn cho phép nhận được các chi tiết có độ chính xác, độ bóng cao so với các nguyên công kết thúc như mài và đánh bóng.

Việc thành lập máy có đặc tính ổn định và tin cậy, khi làm việc sẽ liên quan chặt chẽ đến khả năng công nghệ rộng rãi của quá trình tóp quay khi gia công các dạng khác nhau của chi tiết máy.

Độ bền chủ yếu của các chi tiết là: con lăn, vòng cách, đầu búa, khuôn, truc chính…

Nhược điểm của máy là gây tiếng động khi làm việc, điều đó làm giảm phạm vi áp dụng của phương pháp tiên tiến này vào các ngành khác nhau của chế tạo máy.

Trong các sản phẩm của tóp quay, ta chó ý đến sản phẩm dạng ống bằng inox là mặt hàng đang được các công ty trong và ngoài nước yêu cầu cung cấp với số lượng rất lớn.

Vấn đề ở đây là ngiên cứu và thiết kế máy để chế tạo các chi tiết (phôi) dạng ống bằng vật liệu inox, dạng trục nhỏ nh trục đồng hồ, kim khâu,… Nếu vấn đề này thành công sẽ có ý nghĩa rất quan trọng, hàng năm

sẽ giảm được một lượng ngoại tệ đáng kể để nhập các phôi đó vào Việt Nam.

Bộ môn Gia công áp lực- khoa Cơ Khí, trường Đại Học Bách Khoa

Hà Nội giao cho em nhiệm vụ tính toán và thiết kế máy để chế tạo các chi tiết dạng trục, dạng ống bằng phương pháp tóp quay Sau một thời gian nghiên cứu, tìm tòi và được sự giúp đỡ của các thầy cô giáo trong bộ môn, đặc biệt được sự giúp đỡ rất nhiệt tình và chu đáo của thầy giáo Đỗ Văn Phúc em đã hoàn thành đồ án theo thời gian đã định Nhưng đây là một đề tài hết sức mới mẻ do trình độ và kiến thức có hạn, thêm vào đó điều kiện và thời gian rất hạn chế nên đồ án này tuy bước đầu đã hoàn thành nhưng chắc chắn còn rất nhiều thiếu sót, để đưa đồ án này hoàn chỉnh rất mong được sự đóng góp ý kiến của các thày , các cô trong bộ môn cùng các bạn đồng nghiệp.

Mọi ý kiến đóng góp của đọc giả xin gửi về theo chỉ: Bộ môn Gia Công Áp Lực phòng 305 – C5 Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội.

Xin chân thành cảm ơn!

PhÇn I LÝ THUYẾT MÁY VÀ CÔNG NGHỆ GIA CÔNG

KIM LOẠI BẰNG TÓP QUAY

Chương I SƠ LƯỢC QUÁ TRÌNH TÓP QUAY

1.1 Thực chất quá trình tóp quay

Qúa trình tóp quay là trạng thái khác nhau của gia công kim loại bằng áp lực, tạo ra sù thay đổi hình dáng của phôi theo yêu cầu của bản vẽ bằng sự tác động có chu kỳ của khuôn, khuôn thực hiện chuyển động quay và chuyển động hướng kính hoặc chỉ chuyển động hướng kính đối với trục phôi Trong khi đó phôi có thể cố định hoặc chuyển động quay Khi sản phẩm có dạng hình vuông, tam giác và các tiết diện không tròn khác thì phôi đứng yên.Phôi có thể đặc hoặc rỗng (đa số trường hợp), trục côn, trục vuông v.v tuỳ theo hình dáng sản phẩm chế tạo

Thời gian từ nhát này tới nhát khác chỉ bằng một phần của giây (đến

3000 nhát hoặc lớn hơn trong một phút)

Trong quá trình tóp thời kỳ làm việc được đặc trưng bằng chu kỳ làm việc trên trục (khi có tải đến giới hạn bền và khi không tải bằng không)

Quá trình tóp quay được quy về sự biến dạng dẻo phôi bằng sự chuyển một phần kim loại do sự tác động của nhiều lần áp lực theo chu vi, khi đó xảy ra sự chảy kim loại dọc theo trục phôi ở hai hướng ngược nhau Kết quả

do tóp ở tất cả các phía nên phôi giảm được tiết diện ngang và tăng chiều dài

Áp dông tóp quay có thể để gia công vật liệu chịu biến dạng dẻo lớn và

cả vật liệu ròn cao Từ thực tế thấy rằng tóp quay rất tốt đối với hợp kim nhôm, thép gió, vôn fram, môlipđen, vật liệu gốm và các vật liệu kém dẻo khác

Tóp vật liệu kém dẻo có thể tính theo sơ đồ biến dạng cơ học xảy ra khi tóp quay Khi tóp quay cũng như các dạng gia công bằng áp lực khác còn giữ nguyên thể tích và tăng đặc tính bền của kim loại khi dập nguội, trong khi đó gia công bằng cắt gọt thì giảm thể tích ban đầu, giảm chất lượng kim loại do cắt vào thí kim loại

Tóp quay từ phôi trụ có thể nhận được sản phẩm: trục một bậc hoặc một

số bậc, côn (chiều dài không lớn), trụ với phần giữa là nón, côn chiều dài lớn, frofin vớn phần côn riêng chữ nhật, tam giác, elíp và các tiết diện không tròn khác

Trong khuôn khổ đồ án chúng ta chỉ khảo sát sự thay đổi hình dạng phôi khi tóp hướng dọc và hướng ngang trong trường hợp prôfin trụ, côn và chi tiết vuông từ phôi trụ và sử dụng máy dạng con lăn

1.2 Sơ đồ cơ cấu tóp quay dạng con lăn và dạng cam - thanh truyền

5- Khuôn; 6- Đệm điều chỉnh; 7- Trục chính; 8- Phôi.

Hình 3 1- Vòng ôm; 2- Vòng cách; 3- Con lăn; 4- Đầu búa;

5- Khuôn; 6- Đệm điều chỉnh; 7- Trục chính; 8- Phôi

4 5

768

9

Hình 4 1- Vòng ôm; 2- Vòng cách; 3- Con lăn; 4- Đầu búa

5- Đệm điều chỉnh; 6- Khuôn; 7- Phôi; 8- Trục chính; 9- Trục chính trong

Hình 5 1- Vòng ôm; 2- Vòng cách; 3- Con lăn; 4- Đầu búa

5- Khuôn; 6- Trục chính; 7- Trục chính trong; 8- Phôi

9

84

76

5

Hình 6 1- Vòng ôm; 2- Vành; 3- Vòng cách; 4- Con lăn;

5- Đầu búa; 6- Khuôn; 7- Lò xo; 8- Bánh đai

1 2 3 4

5

6 7

8 9

10

11

Hình 7 1- Trục lệch tâm; 2- Biên; 3- Con lăn ổ đỡ cố định;

4,5- Con lăn; 6- Đầu búa; 7- Phôi; 8- Trục chữ T9- Vá; 10- ổ đỡ bất động; 11- Khuôn dập

Hình 8 1- Trục lệch tâm; 2- Hộp điều chỉnh; 3- Bánh răng

4- Bánh răng trung tâm; 5- Biên; 6- Đầu búa có lắp khuôn dập

Nguyên lý chung là sự quay tương đối của đầu búa và con lăn (vòng cách), mỗi khi tiếp xúc với con lăn, đầu búa sẽ đi vào nén phôi sau đó do lực

li tâm (khi trục quay) hoặc lò so (khi trục cố định) làm đầu búa đi ra và lại tiếp tục đến tiếp xúc với con lăn khác

1.3 Phạm vi sử dụng và tham sè cho phép của vật gia công

Tóp quay có thể gia công phôi nóng, nguội, phôi tròn, vuông, phôi đặc, rỗng, phôi cán nóng và phôi kéo nguội

Sự tạo hình mặt ngoài nhờ khuôn có hình dáng khoang làm việc tương ứng với bề mặt đã cho, còn cấu trúc bên trong của chi tiết rỗng, ống nhận được nhờ trục tâm

Phần lớn các nguyên công tóp quay được quy về:

1- Nhận được hình dáng côn, vuông, trụ (một hoặc nhiều bậc) cũng

như prôfin phức tạp với phần trụ, côn trên bề mặt trong và ngoài của sản phẩm

2- Tạo ra trên trục, ngõng trục hình trụ côn phân bố trên một khoảng

cách nào đó kể từ bề mặt đầu của trục

3- Tạo đầu nhọn ở cuối sản phẩm

4- Dập tinh vật liệu thanh

5- Thực hiện nguyên công lắp ráp

Trong các nguyên công ta chú đến nguyên công dập tinh vật liệu thanh Khi tóp với truyền phôi lớn (một vài m/phút) cho vật liệu thanh cán nóng thì

sự dập tinh (calíp) (trong giới hạn 0,5 ÷ 1 mm trên đường kính) tiến hành cũng như sự hiệu chỉnh, vì giá thành của vật liệu cán nóng cao hơn dập tinh

và cán nguội nên sự thực hiện dập tinh bằng tóp quay với mức độ đã biết sẽ giảm giá thành chế tạo sản phẩm

Đường kính nhỏ nhất có thể đạt được của tóp quay hạn chế bởi kích thước của rãnh khuôn, không cho phép kim loại đi vào khi nó làm việc Giới hạn thấp nhất là φ0,3 ÷ φ0,4 mm, giá trị lớn nhất hạn chế bởi công suất của máy và phụ thuộc các yếu tố nh: vật liệu sản phẩm, mức độ sản phẩm, mức

độ dập, đặc tính phôi (đặc, rỗng, nóng, nguội) Khi tóp quay phôi đường kính đến 25 mm với thép thường và thép hợp kim hợp lý là tóp nguội, còn lớn hơn thì dập nóng

Giá trị mức độ biến dạng trong một lần tóp phụ thuộc vào tính chất và kích thước vật liệu phôi Việc tăng hàm lượng các bon trong thép sẽ giảm giá trị tóp Giá trị tóp trong mét nguyên công đến 40% so với diện tích đầu,

là cực đại đối với sản phẩm d = 20mm, khi tóp tiếp phải ủ Đối với sản phẩm đường kính từ 1 ÷ 5 mm, giá trị tóp từ diện tích đầu tiến hành đến 87% (ví

dụ đối với kim khâu, tuốc-lơ-vít, v.v…) còn với sản phẩm đường kính 6 ÷20

mm mức độ tóp đến 65% ( ví dụ nh các trục nhỏ)

Khả năng thực hiện mức độ dập cao với sơ đồ cơ học biến dạng (trang

85 của [I]) là một tính ưu việt quan trọng của quá trình tóp quay so với quá trình khác của gia công kim loại bằng áp lực Mức độ chính xác đạt được khi tóp quay phụ thuộc trạng thái của khuôn, máy, kích thước sản phẩm, và đặc tính tiến hành (nóng hay nguội) Chính xác nhất nh chỉ ra trong bảng 9,10,11 của [I], độ chính xác đạt được khi tóp ở trạng thái nguội cao hơn tóp ở trạng thái nóng

Bảng 9 Độ chính xác chế tạo các chi tiết hình trụ (mm)

Nguyên công Đường kính

Ngoài TrongTóp nóng

Nguyên công Kích thước phôi Độ chính

17466,2

- 0,02

- 0,04-0,04-0,12-0,015-0,055

9 – 10

7 – 8

9 - 10Máy kiểu con lăn đạt độ chính xác cao hơn máy lệch tâm Độ bóng của

bề mặt sản phẩm phụ thuộc vào trạng thái của khuôn (độ chính xác kích

thước khoang làm việc và độ bóng của nó) và máy, lượng chuyển phôi và loại phôi, trạng thái gia công (nóng hay nguội) v.v…

Với trạng thái hoàn hảo của khuôn (về độ chính xác kích thước rãnh, độ bóng bề mặt cao) và máy khi tóp nguội độ bóng bề mặt gia công nhận được rất cao Sản phẩm hình trụ d = 4÷20 mm khi gia công hai đầu búa đạt độ bóng bề mặt ∇10÷∇11 Sau khi tóp quay trục từ thép X9C2 với d1 = 11mm, d = 13mm độ bóng cao hơn mài 2 ÷ 3 cấp Mài đạt ∇7÷∇8 còn tóp quay đạt ∇10÷∇11, khi tóp 4 đầu búa đạt ∇9÷∇10

Máy dạng con lăn số lần tóp trong một phút đến 3000, còn máy tay quay thanh truyền 600 ÷ 800 Tức là khi số lần tiếp xúc của khuôn và phôi lớn hơn thì độ bóng lớn hơn

Khi giảm tiết diện đi 20% đảm bảo cải tiến đáng kể độ bóng bề mặt, nếu mong muốn nâng cao độ bóng thì nâng mức độ biến dạng nhưng không vượt cao quá Chất lượng bề mặt khi tóp phụ thuộc vào gia công cơ sơ bộ trên máy tiện vì nhấp nhô bề mặt xuất hiện sau khi mài được san bằng càng tốt thì càng sắc (tuy rằng chiều sâu nhỏ hơn)

1.4 Đặc tính tóp quay

1.4.1 So sánh với các phương pháp khác.

Tóp quay là một trong những phương pháp gia công kim loại bằng áp lực, thường qui về quá trình rèn nhưng thực chất nó không hoàn toàn như vậy Quá trình tóp quay có những đặc tính khác:

1 – Khi rèn xảy ra hai biến dạng kéo và một biến dạng nén còn khi tóp quay thì hai biến dạng nén và một biến dạng kéo

Ta thấy rằng khi đầu búa tiến đến tiếp xúc với phôi (đạt ϕmax) thì nó vẫn có hai biến dạng kéo nhưng làm thay đổi thể tích rất nhỏ, tiếp theo do khuôn quay làm kim loại thay đổi hình dáng theo chu kỳ thể tích kim loại theo hướng trục I – I chịu biến dạng nén theo hướng kính , tại thời điểm này kim loại theo hướng trục III – III chịu biến dạng kéo theo hướng trục, cứ tiếp theo như vậy tại một thời điểm nào đó sẽ có một hướng chịu biến dạng kéo

và một hướng chịu biến dạng nén Vậy mỗi phần thể tích kim loại đều chịu biến dạng chu kỳ kéo nén Với sai số không lớn ta có thể lấy sơ đồ với hai biến dạng nén và một biến dạng kéo Nhờ sơ đồ nh vậy khi tóp quay có điều kiện biến dạng dẻo lợi hơn so với rèn và đạt được mức độ biến dạng cao hơn

2 – So với tóp quay: Rèn thường khác là tải trọng va đập còn tóp quay tính đến số lần tóp đặc biệt lớn tác động lên sản phẩm - áp lực nhanh.

Khi rèn dụng cụ làm việc tác động vào sản phẩm đến khi không tích trữ được năng lượng động Còn khi tóp quay còng nh tóp hướng kính bằng phương pháp dùng vận tốc của dụng cụ (đầu búa) với độ chính xác lớn được điều khiển bằng chi tiết dẫn động

Mặt khác lượng kim loại bị biến dạng do đầu đi vào đã xác định chính xác và tương ứng với yêu cầu của sản phẩm Cơ bản tác động của máy tác động con lăn là sự liên hệ động học giữa con lăn, đầu búa, khuôn và phôi Tại thời điểm tiếp xúc của khuôn với phôi có vận tốc tích tụ, tính toán vận tốc này trong hành trình làm việc thay đổi theo đường cong cứng, phụ thuộc chỉ vào đặc điểm động học của máy mà không phụ thuộc vào đặc tính phôi

Thực tế thấy thời gian tóp là 0,00103s Vận tốc chuyển động của khuôn theo công thức 116 (trang 122 của [I]) v nπ =0,0047 m/s Máy tay quay bắt đầu biến dạng v = 0,3 m/s Hành trình làm việc của khuôn khi tóp quay được tính không chỉ bằng milimét mà bằng một phần milimét Trong thực tế nó bằng 0,5 mm Máy tay quay hành trình từ 70 đến 460 mm

Với hành trình bé và vận tốc khuôn nhỏ thấy rằng quá trình biến dạng kim loại thực hiện không tính đến tác động va đập mà tính tác động áp lực Quá trình tóp quay đặc trưng bằng sự đặt lực đồng thời của các phản lực P1

với 2 (hoặc 4) phía ngược nhau của phôi Khi đó sơ đồ lực tác động hướng vào tâm cơ cấu tóp Đó là điều quan trong khi thiết kế máy tóp quay

Nh chỉ ra ở trên tóp quay được đặc trưng bằng mức độ biến dạng khá lớn trong một hành trình: sản phẩm lớn q = 60% (40% diện tích đầu); sản phẩm nhỏ (kim khâu, các chi tiết trong đồng hồ v.v…) q = 87% diện tích đầu Điều này giải thích nh sau:

a) Qúa trình tóp quay là tổng của số rất lớn lần tóp riêng, mà

mỗi lần tóp xảy ra biến dạng rất nhỏ Với mức độ biến dạng chung của phôi d = 8mm trong một hành trình q = 43,7%, mức độ biến dạng sau một lần tóp nằm trong giới hạn 1,1 ÷ 1,45%

b) Diện tích tiếp xúc khuôn & phôi nén tương đối nhỏ và quá

trình toàn bộ phôi chịu nén toàn diện

c) Sơ đồ cơ học biến dạng thành lập điều kiện thuận lợi để biến

dạng dẻo phôi

Việc chọn hợp lý phương pháp này hay phương pháp khác phụ thuộc vào độ chính xác yêu cầu và độ bóng bề mặt, kích thước sản phẩm, hình dáng của nó, tương quan chiều dài, tiết diện ngang và các yếu tố khác Vì khi chế tạo chi tiết tròn đường kính đến 20 mm với độ chính xác cao, độ bóng bề mặt cao, cũng như đối với các chi tiết có tương quan chiều dài và đường kính lớn, hợp lý là phương pháp tóp quay nguội

Áp dông tóp quay để chế tạo một số chi tiết :

Quá trình tóp quay có một số ưu điểm so với gia công kim loại bằng cắt gọt:

1- Đạt tính kinh tế của gia công kim loại do trong quá trình gia

công không có phoi, kinh tế nhất là khi chế tạo các chi tiết dạng côn chiều dài lớn

2- Tăng năng suất lên vài lần

3- Nâng cao độ chính xác gia công và độ bóng bề mặt

4- Loại trừ sự vận chuyển phôi

5- Có khả năng tạo chi tiết hình trụ, côn có đường kính nhỏ

nhưng chiều dài lớn vì gia công trên máy tiện rất khó khăn

do võng, uốn gây ôvan Tóp quay khắc phục uốn vì phôi được nén đều ở mọi tiết diện

6- Tăng tính chất cơ học (giới hạn bền, cứng) và cấu trúc kim

loại tốt hơn (có ý nghĩa đặc biệt lớn để tăng tuổi thọ của chi tiết)

Ta lấy một số ví dụ thực tế:

*) Trục:

- Dùng tóp quay sẽ thay thế hàng loạt nguyên công tiện, mài

- Thời gian gia công tiết kiệm được 1,797 đến 0,907 phút tức là mỗi sản phẩm mất 0,8 phút (giảm hai lần)

- Tiết kiệm kim loại :

+ Phôi tiện: φ 19,5 chiều dài l = 309,5mm

+ Phôi tóp: φ 19,5 chiều dài l = 200 mm

Mỗi chi tiết tiết kiệm được 101g hay 14%

- Độ bền tăng tạo điều kiện giảm nhỏ kích thước: tiện φ19,5 mm còn tóp quay φ10,5 ÷14,5

*) Van máy kéo:

- Thay thế hàng loạt nguyên công: tiện, nắn, mài

- Giảm lượng phoi, hiệu quả kinh tế đạt 12 ÷ 14%

- Tăng tính chất cơ học tạo điều kiện giảm kích thước 10 ÷ 15%

1.4.2 Đặc tính tóp phôi bằng khuôn dập theo hướng dọc và hướng

ngang

Đối với chi tiết hình trụ hoặc hình nón có chiều dài không lớn phôi được truyền vào côn của khuôn quay Dưới tác dụng của lực nén của khuôn gây ra áp lực trên phôi và làm nó biến dạng, khi đó sẽ làm giảm tiết diện ngang của phôi và kim loại chảy theo hướng trục của phôi ở hướng chuyển động và ngược lại Đầu tiên sự tiếp xúc của khuôn nón với phôi xảy ra từ đường kính lớn nhất của nón trên khoảng cách lH

I Vị trí đầu của khuôn dập; II Vị trí cuối của khuôn dập.

S – Buớc truyền phôi

s

tg

d D

2

2 ϕ (1)Trong đó: D - Đường kính ngoài của khuôn

d - Đường kính khởi đầu của phôi

ϕ - Góc côn của khuôn

Khi truyền phôi vào phần côn của khuôn sau một lần tóp đi một chiều dài s thì thể tích kim loại dịch chuyển khi kết thúc lần tóp đầu tiên biểu diễn bởi giá trị:

V cp

4

2 1

2 −

= π (2b)

Hiện tượng nh vậy sẽ tiếp diễn đến khi nào chiều dài côn của phôi tới giá trị bằng chiều dài làm việc của khuôn côn tương ứng với n lần nén Sau những lần nén đó phôi sẽ kéo dài không chỉ ở phần cuối khuôn chiều dài l

mà ở phần trụ đi một lượng l x = s nữa (Hình 9c) Sau n lần dập đó có

n

s d d

V n

4

2 1

= π (2c)

Sau mỗi lần phôi trong khuôn côn trên chiều dài s biến dạng đến đường kính cuối cùng đã cho d1 bằng đường kính của khuôn Quá trình tóp

sẽ tiếp tục đến giới hạn này chiều dài tĩnh của phần đường trụ đường kính d1

và đạt được kích thước đã cho Khi sản phẩm là chi tiết còn chiều dài không quá lớn, quá trình tóp đóng kín cửa ra ngay từ đầu, phôi trong giới hạn làm việc của khuôn côn

Sau đây chúng ta nghiên cứu điều kiện tiếp xúc của đầu búa với bề mật phôi ở hướng tiết diện ngang phô thuộc vị trí đầu búa tương quan với con lăn

- R xpbán kính tâm con lăn

- b Hkhoảng cách tâm phôi đến bề mặt cong của đấu búa khi nó ở vị trí thấp nhất

- b khoảng cách tâm phôi đến bề mặt cong của búa ở vị trung gian thay đổi từbmin =b Hđến bmax = R B.C

- R B.C bán kính trong của vòng cách

- k khoảng cách từ tâm trục đến bề mặt dưới của khuôn thay đổi từ 0

R r R

a R r

R

+

−+

+

=

2cos

2 2 2

α (3)

xp

p xp

aR

r R R

a

2cos

2 2

p

xp p

+

−++

=

2cos

2 2 2

2

O

2

1 7

Hình 10 Đầu búa tiếp xúc với con lăn

1- Con lăn; 2- Vòng cách; 3- Đầu búa;

4- Dẫn hướng đầu búa; 5- Khuôn dập;

6- Phôi; 7- Vòng ôm

α α

β

β

Rp

b a

K.S bán kính côn của khuôn, R g bán kính phôi), biểu diễn trên hình 12 Như đã chỉ ra trên

hình giá trị góc βo ứng với sự tiếp xúc đầu tiên của búa với con lăn, khuôn không tiếp xúc với con phôi – vị trí I (Hình 12a)

Khi giảm góc β thì khuôn gần đến phôi và khi β = β1 tham gia tiếp xúc phôi ở điểm A (Hình 12b) – vị trí II Khuôn côn ở biến dạng đầu búa tiếp xúc với phôi theo tiết diện ngang ở hai điểm và theo hướng dọc theo 2 đường (AB).

Khi giảm góc β bề mặt tiếp xúc với phôi tăng Phôi khi đó cố định trong quá trình tóp quay, còn trục chính quay xác định dưới góc tương ứng

β2,β3 …βn tương ứng với trục I- I Như vậy mỗi giá trị của góc quay của khuôn tương ứng với thể tích kim loại bị biến dạng

Góc trung gian β = β2 ứng với phần A1B1 trên phôi chịu sự thay đổi hình dáng (phần gạch chéo hình12c) Giá trị β2 trên hình ứng với vị trí III của khuôn Đến cuối quá trình tóp phôi chịu tác dụng nén sẽ biến dạng δ1

theo I −I và biến dạng kéo δ3theo III – III Khi đó kích thước phôi theo trục III − III tăng, còn trục I – I giảm

I I

III III

l0

1 I I

III III

3

3 1

1

2

S a

a B

j/2

s.tgϕ/2

c- Vị trí trung gian khuôn dập trong quá trình biến dạng

d- Vị trí biên bên dưới của khuôn dập (kết thúc biến dạng)

Biến dạng kim loại kết thúc khi β = 0, ở thời điểm này khuôn ở vị trí thấp nhất và phôi biến thành hình elíp (gần tròn) Với kích thước theo trục

I − : a'= d K và theo trục III – III : b'≈d g +2s.tgϕ/2 (hình 12d), trong

đó dK - đường kính cuối cùng của phôi sau tóp tại tiết diện a – a,

2/

Khi kết thúc tóp góc tiếp xúc giữa bề mặt khuôn và phôi trong khoảng

120 ÷ 1500, điều đó được xác nhận bằng đặc điểm và giá trị bề mặt mài mòn của khoang làm việc của khuôn

Sự tăng góc tiếp xúc giữa bề mặt khuôn và phôi được gây ra bằng sự chảy kim loại theo hướng vuông góc với hướng làm việc của khuôn

Sau khi tóp với sự thay đổi vị trí đầu của khuôn đối xứng trục I – I (ứng với số con lăn) hình dạng elíp của tiết diện được coi là tròn (trong giới hạn cho phép) Trong khoảng thời gian khuôn làm việc tác động chu kỳ lên phôi theo hướng trục I – I còng nh III – III do vậy nhận được hình tròn Khi

g

R < và R KS > R g −s.tgϕ/2 sự tiếp xúc của khuôn với phôi ban đầu xảy ra ở vị trí tiếp giáp đường kính mép khoang làm việc (hình 13a) Khi khuôn làm việc sự tóp của phôi xảy ra trong vỏ phần tâm của khoang làm việc mà ở phần mép (hình 13b) Ở thời điểm kết thúc quá trình biến dạng sự tiếp xúc của khuôn với phôi thực hiện theo toàn bộ mặt của khuôn (hình13d)

III III

s R

R KS > g − và R KS < R g

1- Khuôn dập 2- Phôi

Với đặc điểm biến dạng đó ở thời điểm va chạm của mép khoang làm việc của khuôn với phôi xuất hiện ứng suất lớn (so với áp lực trung bình) so với bề mặt lớp tiếp xúc khác Khi bán kính tương đối nhỏ khuôn tóp tròn đưa vào phôi gây ra sự cắt cục bộ bề mặt kim loại dẫn đến giảm độ chính xác và bóng của phôi chế tạo, ngoài ra ở ổ biến dạng dòng kim loại chảy khó khăn ở hướng trục III – III, điều đó cũng gây ra sự qúa tải (ứng suất) trong khuôn (góc tiếp xúc gần tới 180o) điều đó gây ra sự vỡ mép khuôn dọc theo khoang làm việc

Khi R KS > R g sự chảy kim loại ở phần mép với góc 15 ÷ 300 với hướng III – III theo chu kì trong suốt quá trình biến dạng không đổi và góc tiếp xúc lớn nhất của khuôn với phôi là 120 ÷ 1500 Nh vậy không tạo áp lực quá tải ở khoang làm việc của khuôn Biến dạng dẻo tiến hành đồng đều, tạo khả năng nâng cao độ bền của khuôn (ngăn sự tạo thành ma sát trong máng làm việc).

Từ trên, chế tạo khuôn với R KS < R g không thực hiện Vì vậy việc nghiên cứu sau này chúng ta áp dụng điều kiện biến dạng kim loại khi

g

R > Trong các điều kiện khảo sát thường coi rằng vị trí con lăn tiếp xúc với đầu búa không thay đổi Sự quay của con lăn xung quanh trục chính (có xảy ra trong đa số trường hợp) không mang lại sự thay đổi nào trong đặc tính biến dạng của kim loại, chỉ thay đổi góc nghiêng của khuôn với trục phôi và cường độ biến dạng trong cùng thời gian

Vì trong trường hợp vị trí con lăn không đổi tâm bề mặt cong của đầu búa khi trục chính quay đi góc βS (hình 14) từ vị trí ban đầu của nó tương ứng với tiếp xúc ban đầu búa với con lăn và ứng với góc β0 sẽ tách ra từ trục phôi một đoạn O1O3' Trong trường hợp con lăn quay đi một góc như vậy thì tâm con lăn dịch chuyển đi một khoảng O O' 0,6R x.p.βs

3

O π − sẽ đặc trưng cho sù thay đổi mức độ, cường độ qúa trình tóp

Sự giảm khuôn tiến vào phôi tự nhiên kéo dài thời gian biến dạng, chịu tải đều hơn và điều kiện làm việc của máy đỡ ồn hơn

Α Η

Α

Η 0 π

Trong sự xác định sau này quá trình tóp quay sẽ đưa vào góc απ , βπ

liên quan đến sự dịch chuyển của con lăn đối với trục phôi

Ta thấy rằng đặc tính thay đổi hình dáng trong quá trình tóp và sự tính toán sau này sẽ dựa trên sự cân bằng diện tích tiết diện phôi trước và sau biến dạng một lần tóp Điều kiện nh vậy chỉ đảm bảo giải gần đúng Trong thực tế đi sâu, ban đầu sự tiếp xúc của bề mặt côn của đầu búa với phôi bắt đầu tiến hành biến dạng không chỉ theo chiều ngang mà còn theo chiều dọc phôi, vì để sau này khi khảo sát ngoại lực tác động không gặp trở ngại và tiết diện ban đầu nó thay đổi không chỉ hình dáng mà cả diện tích (Kк о н ≠ Kнач)

Khi so sánh với góc không lớn (côn) của khuôn ϕ, lấy trong điều kiện thực tế có thể tính gần đúng Kк о н = Kнач vì đối với phôi d g =20mm và

o

11

=

ϕ , diện tích tiết diện phôi sau khi kết thúc quá trình tóp thứ nhất Kк о н

=0,9989 Kнач tức là sai sè 0,11% trong thực tế có thể bỏ qua Sự giảm tiết diện ngang phôi xảy ra tương ứng trị số truyền và phần côn vào của khoang làm việc của khuôn

1.4.3 Các giai đoạn của quá trình tóp và các thông số cơ bản của quá

trình tóp.

Người ta chia các giai đoạn của quá trình tóp quay :

+ Sự bắt đầu tiếp xúc của đầu búa với con lăn

+ Sự bắt đầu tiếp xúc của khoang làm việc của khuôn với phôi (bắt đầu tóp)

+ Sự tác động của khuôn lên phôi (quá trình tóp)

+ Ra khỏi sự tiếp xúc của đầu búa với con lăn

Thông qua mỗi giai đoạn đã chỉ ra ước định các giá trị α, β, К, b,

Điều kiện khi tiếp xúc ban đầu của khuôn và phôi:

Từ tam giác AOO1 (hình15)

R

R K

K R

g

s k g

o

−

−

−+

=

π

πθ

2

)(

cos

2 2 2

=

)(

2

)(

)

2

K K R

K R K

K R

g

k g

−

+

−

−+

π

π π

; (9)

;900

π

K R

R k.s = k +

(12)

A B

g K.S

s R

Khi giá trị ψmax> 150o do chảy kim loại khó khăn ở hướng ngang nên xảy ra sù ra sớm của kim loại ra khỏi khuôn, do vậy tạo thành vết xước dọc trong khoang làm việc của nó Từ tam giác OAO1 (hình 16)

K R

R K R

g

s k g

22

cos2

180

cos

2 2 2 max

π π

K R

K R R

R K

R

K R K

R

g

k k

g

g

k g

2

22

2 2 2

2

=+

2 2

ψπ

g k

k g

R R

R R K

(2

)(

K R K

K R

g

k g

π

π π

(16)Sau khi biến đổi ta được phương trình:

a = H + − (18)Sau khi biết giá trị a chóng ta xác định theo công thức (3) và (4) giá trị góc απ' &βπ' tương ứng cho biến dạng đầu của phôi với sự tính di chuyển của con lăn (vòng cách) từ tiếp xúc ban đầu của nó với đầu búa đến tiếp xúc đầu tiên của khuôn với phôi.

Khi dịch chuyển trục chính (đầu búa) đi góc βs(hình 14) tâm con lăn như đã chỉ ra ở trên nó đi một góc = 0,6βs Vì vậy tính góc βπ' sẽ theo phương trình βπ' = βo −βs +0,6βs từ đó

4,0

'

π

β β

Khi xác định tham số liên quan với quá trình, xảy ra của tóp quay suy

ra giá trị khác nhau của βπ &βH từ góc quay của trục chính (đầu búa) βs Trong quá trình tóp giá trị góc βH &αH giảm từ βo(max) đến βπ(min) =0khi thời gian t2 và đến βH(min) = 0 khi thời gian t1 Khi đó t1 < t2 Còng trong thời gian này góc quay của trục trong suốt thời gian (từ tiếp xúc đầu tiên đầu búa với con lăn và đến cuối quá trình tóp phôi) tăng từ βs = 0 đến βs(max)

Góc quay lớn nhất của trục βscó thể xác định xuất phát từ lý luận sau: tại sự tiếp xúc đầu tiên của đầu búa với con lăn βπ(o) =βH(o) =βo.

Khi quau trục đi một góc βH I = βogóc βπ' =0,6βo và βH =0 (hình 17) Như vậy góc quay của trục chính βH I = βo tương ứng giảm góc βπ

một giá trị βπ(o) −βπ' = βo −0,6βo

O

O 2 O 2 2

' ''

3

O

O '3 3

'

O '

O

α 0 1

π

'

0 S

Xuất phát từ tỷ lệ thức :

)0(

:)

o o

o

β β

β

β β

β

β β β

π

π π

Góc quay chung của trục từ sự tiếp xúc đầu trên của đầu búa với con lăn đến kết thúc biến dạng phôi thành lập:

o o

o

II s

I s

s k

R K K

R K

K R

.

2 3 2 2

3

)(

2

)(

cos

−

−

−+

=

ks

ks

R K K

R K

K R

ar

)(

2

)(

cos

2 3 2 2

3

π

π

ψ (24)

Khi giá trị Kπ nhỏ, góc ψ3 có thể lấy với sai số rất lớn bằng góc ψ2

.Chiều dài cung tiếp xúc của khuôn côn với phôi

3

3 0,034906 180

2

ψ ψ

π

ks o

o

R L

0 R ksψ

c L B

A = = (26)Trong đó: c- hệ số tính đến sự trượt tiếp xúc (chảy kim loại) Theo thực nghiêm c = 1,02

Chương II PHÂN TÍCH QUÁ TRÌNH TÓP QUAY.

2.1 Quá trình ổn định và không ổn định

Theo sức bền của phôi trong khoang làm việc của khuôn mà thể tích

di chuyển kim loại, diện tích tiếp xúc của nó với bề mặt côn tăng lên Tương ứng điều đó vận tốc trung bình của dòng chảy kim loại (di chuyển từng phần) khi khoảng thời gian một lần dập cũng sẽ tăng lên Với sự tăng bề mặt tiếp xúc của phôi với côn của khuôn thì sẽ làm tăng trở lực biến dạng và lực biến dạng

Sù thay đổi giá trị dịch chuyển thể tích sau mỗi lần dập sẽ xảy ra khi tạo prôfin có diện tích thay đổi (côn, cấu hình phức tạp) Trong trường hợp phôi tròn tiết diện không đổi (hình trụ, vuông) sự thay đổi thể tích kim loại

di chuyển chỉ xảy ra lúc đầu, đến khi ra khỏi khuôn đó là đặc tính quá trình không ổn định của tóp quay Tiếp theo với mỗi lần dịch phôi thể tích kim loại dịch chuyển và vận tôc trung bình của nó không thay đổi đó là đặc tính của quá trình ổn định của tóp quay

Khi sản phẩm có tiết diện ngang không đổi thì quá trình không ổn định xảy ra không lâu trong cả quá trình vì vậy tính toán lực biến dạng, di chuyển phôi, v.v… chóng ta sẽ tiến hành xuất phát từ điều kiện của quá trình

ổn định

Khi sản phẩm có prôfin tiết diện thay đổi việc tính toán tương tự suy

ra áp dụng điều kiện nén kim loại cực đại trong khoảng làm việc (di chuyển thể tích rất lớn)

2.2 Trạng thái ứng suất và biến dạng

2.2.1 Lực tác động.

Như đã chỉ ra ở lý thuyết gia công kim loại bằng áp lực khi rãnh khuôn không côn (ϕ = 0o) dưới tác động của ngoại lực, sự chảy của kim loại xảy ra đối xứng dọc theo cả hai phía của khoang Khi tồn tại góc côn trên khuôn (ϕ > 0) dòng chảy kim loại dọc theo khoang ở cả hai phía chảy không đối xứng do mức độ biến dạng khác nhau ở các phần rộng và hẹp của côn

Với sự tăng góc côn thì sự chảy không đối xứng của kim loại sẽ tăng Khi đó phần rộng của khuôn dòng kim loại chảy sẽ lớn, còn dòng chảy giảm dần về phía thắt của khuôn.

l l

x d 2

II

σ σ σ

+d

ϕ/2

Hình 18 Sơ đồ ứng suất và lực biến dạng

Sự chảy khác nhau của dòng kim loại gây ra hướng lực ma sát khác nhau, tác động lên phôi trong phần côn làm việc của khuôn Tương ứng điều

đó có hai vùng biến dạng khác nhau: Vùng 1 trên chiều dài côn làm việc l1

mà kim loại chảy theo hướng côn mở, còn lực ma sát hướng theo hướng dịch của phôi; vùng 2 trên chiều dài làm việc l2, có dòng chảy kim loại hướng theo côn hẹp và lực ma sát hướng ngược với dịch chuyển phôi; vùng 3 phần trụ trên chiều dài l3 của phần thu hẹp, ở đây chịu biến dạng đàn hồi và dòng chảy kim loại ứng với vùng 2 Biên giới vùng 1 và vùng 2 gọi là tiết diện tới hạn vì không có kim loại chảy (vK = 0) ở tiết diện tới hạn ma sát không có

0

2

2.2.2 Sơ đồ cơ học biến dạng.

Khi tóp quay do lực P x,T1,T2 tác động cho nên sơ đồ ứng suất chính

là sơ đồ nén không đều cùng dấu ở mọi phía Sơ đồ biến dạng chính tương ứng với σ1,σ3 là biến dạng nén δ1&δ3, còn với σ2 là biến dạng kéo δ2 Với sơ đồ biến dạng cơ học tối ưu như

vậy sẽ nhận được điều kiện hoàn hảo để

biến dạng dẻo, vì sự trượt khó khăn của

kim loại bên ngoài sẽ dẫn đến phá huỷ

liên kết cơ học và biến dạng dẻo cơ bản

tính đến sự trượt bên trong

Sơ đồ cơ học biến dạng sử dụng với điều kiện góc tiếp xúc khuôn với phôi ψmax =120o ÷150o (một cặp đầu búa), ψmax =60o ÷75o (khi hai cặp đầu búa).

2.3 Xác định ứng suất và lực biến dạng.

2.3.1 Xác định ứng suất.

Áp dụng với sản phẩm trụ liên tục trong điều kiện của quá trình ổn định cũng như khi tạo côn với với chiều dài nhỏ thì bằng cách lập phương trình vi phân trong toạ độ đề các ta có các công thức tính ứng suất chính ở vùng 1 và vùng 2 trong lòng khuôn tạo hình

2

2

2 3

2 '

1

ϕµ

ϕ µ

σ

x

dx tg

2

2

2 3

2 '

2

ϕ

µ τ

ϕ µ

ϕ µ

σ

x

dx tg

2

22

1 2

2 3

2 ''

1

ϕ µ

µ ϕ

σ

x

dx tg

2

2

2 3

2 ''

2

ϕ

µ τ

ϕ µ

µ ϕ

σ

x

dx tg

Giá trị hệ số ma sát µ phụ thuộc trạng thái bề mặt làm việc của lòng khuôn, nhiệt độ vật liệu gia công, trạng thái bôi trươn v.v…

Khi µ thay đổi thì nó sẽ làm thay đổi vị trí tiết diện tới hạn, nếu µ tăng thì vị trí tết diện tới hạn sẽ di chuyển về hướng côn mở rộng, dòng chảy kim loại sẽ đều hơn và nâng cao cường độ quá trình tóp quay (tăng dòng chảy kim loại về hướng côn hẹp), nâng cao lực gây biến dạng

Khi chọn hệ số ma sát với quá trình tóp quay cũng xuất phát từ điều kiện kẹp của khuôn vào phôi, thường để bảo đảm điều kiện kẹp khi biến dạng nguội cần thiết là hệ số ma sát lớn hơn tang nửa góc côn của khuôn tức

Bằng sự nghiên cứu của Е.П Унксоьа khi tóp trong quá trình phôi tiết diện tròn trong đầu búa mẫu (tại mức độ lớn nhất tương đương với tóp quay khi kết thúc hành trình đầu búa) nhận được sơ đồ ứng suất chính sau:

p

p

30°

a a

2

p a

60°

a p

120°

90°

p p

p

p

2 1

p

d 1

1 d d

σ σ

σ

Hình 19 Sơ đồ phân bố ứng suất chính

Từ sơ đồ nêu trên ta thấy rõ ràng là góc ψmax =120o ÷150o là tốt nhất

α α

α µ α

4

4 2

1 2 2

2

1

42

12

1

4 1

4 1

µ α

µ

α µ

α µ σ

r r

r r

th S

Nếu góc côn của khuôn ϕ =0 công thức (32) trở thành:

d

l l

σ σ

d

d

=ε

µ - hệ số ma sát.

Chương III ĐỘNG HỌC VÀ ĐỘNG LỰC HỌC QUÁ TRÌNH TÓP

QUAY KIỂU CON LĂN.

ί

O1p

ở trong vành của khuôn (thành phần vπ song song với O1O3) Còn vận tốc chung của nó sẽ hướng vuông góc với bán kính con lăn Các thành phần v0,

vπ là giá trị biến thiên phụ thuộc giá trị góc απ và βπ

Với sự tính đến sự dịch chuyển của các con lăn (vòng cách) thì ta sẽ

β

β α

sin

]cos)(

[30

r tg

r R R

30

r r

R R

cos

cos30

π π π

πβ α β

α π

(34)

π π π

π π

(35)Khi thay đổi từ βH = βπ = β0 đến βH = 0 ở đây βπ = βH +0,6βs

cos

sin

r R R

r R tg

p ep

β

α α

απ

Đến kết thúc biến dạng của phôi sau một lần tóp thay đổi trong giới hạn βs =0 →βs = 2,5β0 (góc quay của trục chính) thì góc βπ tương ứng thay đổi trong phạm vi

0 0

vận tốc voπ và voH, v &nπ vnH theo tỷ số 2,5 : 1 tức là thực hiện một lần tóp ở trường hợp 1 thì phải mất 2,5 lần thời gian so với trường hợp 2.

( nếu con lăn côn thì lấy giá trị trung bình)

Qua các công thức trên ta rót ra các nhận xét sau:

1- Thành phần v &oπ vnπ giảm theo sự giảm góc απ &βπ Thêm vào đó khi απ +βπ < 450 (có thể xảy ra khi tóp) vπn < voH vì

tg thường απ +βπ <160

2- Vận tốc v nπ giảm mạnh hơn vận tốc v oπ , v oπ thay đổi rất nhỏ.3- Nếu các góc απ &βπ rất nhỏ thì sự thay đổi vận tốc vòng xảy

ra trong giới hạn nhỏ và thực tế có thể lấy không đổi

Về ý nghĩa vận tốcv nπ đặc trưng cho tốc độ biến dạng của phôi (vận tốc dịch chuyển khuôn trong rãnh trục chính)

1

o b)

A'1

οπ

v v' nπ o2

Hình 21

Ở cuối quá trình tóp của một lần tóp, đầu búa vẫn quay với vận tốc góc đó và do ảnh hưởng của lực li tâm, nó dịch chuyển từ tâm đến chu vi Khi đó sự tiếp xúc của đầu búa và con lăn theo cung A n A'1.

Theo mức độ tách ra của đầu búa từ tâm trục phôi được giải phóng khỏi sự tiếp xúc của đầu búa

Sự dịch chuyển của đầu búa theo cung A n A'1 tương ứng với hành trình không tải Vận tốc sẽ tăng (v oπ,v nπ &v H) và khi chạm vào vòng ôm thì đầu búa chỉ còn chuyển động quay với vận tốc góc không đổi

v oπ =ω bc −

Tong đó : Rbc – bán kính trong vòng ôm

a – khe hở giữa búa và vòng cách

3.2 Đặc tính sự di chuyển của đầu búa với con lăn (vòng cách) trong cơ cấu tóp quay.

Ta đã biết khi trục chính quay thì đầu búa cùng một lúc có hai chuyển động: quay – khi tiếp xúc với con lăn vòng cách và chuyển động hướng kính

Ta tìm đường cong biểu thị chuyển động của thực của đầu búa khi nó tiếp xúc với con lăn và trong quá trình tóp, điều đó có ý nghĩa quan trọng để xác định profin làm việc của đầu búa

Ta xác định vị rí đầu búa đối với con lăn thông qua góc βπ

Phương trình đường thẳng O1O3 (hình 22):

πβ

O O

3 3

đặt 2 ( )2

2 2